數(shù)控加工中心自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)

1、i 數(shù)控加工中心自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)數(shù)控加工中心自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì) 摘要摘要 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展與運(yùn)用，大大降低了零件加工的輔助時(shí)間，極大的提高了生產(chǎn)率。隨著 數(shù)控機(jī)床的普及運(yùn)用，加工機(jī)械的自動(dòng)化程度大大提高，數(shù)控機(jī)床發(fā)展成了當(dāng)今普遍應(yīng)用的 一種更新、更先進(jìn)的制造設(shè)備即加工中心。加工中心帶有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置，能對(duì)工件按 預(yù)定程序進(jìn)行多工序加工的高度自動(dòng)化的多功能的數(shù)字控制機(jī)床。 自動(dòng)換刀裝置應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足換刀時(shí)間短、刀具存儲(chǔ)量足夠、刀具的安置空間小以及安全可靠 等基本要求。加工中心的關(guān)鍵在于 cnc 對(duì)刀庫(kù)的自動(dòng)選刀和刀庫(kù)、機(jī)械手與主軸間自動(dòng)換 刀，加工中心出現(xiàn)故障 80%都在上述方面。本課題就是對(duì)自動(dòng)

2、換刀裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用 plc 對(duì)刀庫(kù)的選刀控制和刀庫(kù)、機(jī)械手與主軸間的自動(dòng)換刀控制。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：自動(dòng)換刀裝置；弧面分度凸輪；滾齒凸輪；機(jī)械手。 ii abstract the numerical control engine bed development and the utilization, greatly reduced the components processing non-cutting time, enormous enhancement productivity.along with the numerical control engine bed populariz

3、ation utilization, processes the machinery the automaticity to enhance greatly, the numerical control engine bed develops now has been common the application one kind of renewal, the more advanced manufacture equipment is the processing center.the processing center has the knife storehouse and trade

4、s the knife installment automatically, can carry on the multi-working procedure processing to the work piece according to the pre-set sequence the high automation multi-purpose numerical control engine bed trades the knife equipment to have automatically to trade the knife time satisfiedly short, th

5、e cutting tool reserves enough, the cutting tool placement space small as well as safe reliable and so on the basic request.the processing center key lies in cnc to choose the knife and between automatically the knife storehouse, the manipulator and the main axle to the knife storehouse trades the k

6、nife automatically, the processing center appears breakdown 80% all in the above aspect.this topic is to trades the knife installment to carry on the design automatically, chooses the knife control and between the knife storehouse, the manipulator and the main axle using plc to the knife storehouse

7、trades the knife control automatically. keywords:trades the knife installment automatically; cambered surface indexing cam; rolls the tooth cam; manipulator. iii 目錄 前言.1 第 1 章 緒 論.2 1.1 國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的的發(fā)展情況.2 1.1.1 加工中心發(fā)展簡(jiǎn)史.2 1.1.2 加工中心的主要優(yōu)點(diǎn).3 1.1.3 加工中心的發(fā)展趨勢(shì).3 1.2 編程控制器的特點(diǎn).4 第 2 章 方案設(shè)計(jì).6 2.1 atc 設(shè)計(jì)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求

8、 .6 2.2 自動(dòng)換刀裝置主要結(jié)構(gòu)的論證及分析 .7 2.3 方案確定 .7 2.3.1 刀庫(kù)選刀.9 2.3.2 機(jī)械手取刀和換刀.9 2.3.3 方案確定.9 第 3 章 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)計(jì)算.10 3.1 機(jī)械手的裝配 .10 3.1.1 機(jī)械手爪的裝配.10 3.1.2 手臂裝配圖.11 3.2 機(jī)械手手爪加緊力的計(jì)算 .12 第 4 章 刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算.13 4.1 刀庫(kù)的功能和形式 .13 4.2 刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .15 4.2.1 刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)及其工作原理.15 4.2.2 刀庫(kù)各零部件結(jié)構(gòu).15 4.2.3 刀庫(kù)的裝配.17 4.3 刀庫(kù)的設(shè)計(jì)計(jì)算 .18 iv 4.

9、3.1 刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選定.18 4.3.2 刀庫(kù)傳動(dòng)方式及計(jì)算.20 4.4 刀庫(kù)的選刀方式 .20 4.5 刀套準(zhǔn)停措施 .21 第 5 章 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)與松刀裝置設(shè)計(jì).23 5.1 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì) .23 5.2 機(jī)械手松刀裝置設(shè)計(jì) .23 第 6 章 換刀裝置的換刀動(dòng)作及程序設(shè)計(jì).26 6.1 換刀動(dòng)作分析 .26 6.2 換刀裝置的液壓機(jī)構(gòu)分析 .27 6.2.1 液壓分析.27 6.2.2 換刀動(dòng)作順序表.28 6.2.3 液壓泵的選擇.30 6.3 自動(dòng)換刀的程序設(shè)計(jì) .31 小結(jié).35 參考文獻(xiàn).36 致謝.37 附 錄.38 1 前言前言 大學(xué)四年學(xué)習(xí)即將畢業(yè)，在各位老師

10、的辛勤指導(dǎo)和培育下，我完成了基礎(chǔ)課和機(jī)械設(shè)計(jì) 與制造專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)。在這過(guò)程當(dāng)中，我本著樂(lè)群、求實(shí)、自強(qiáng)、進(jìn)取的態(tài)度嚴(yán)格按照教 學(xué)要求，認(rèn)真學(xué)習(xí)課本，專(zhuān)心聽(tīng)取老師的講解，對(duì)專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)有了較為深刻的認(rèn)識(shí)和理解。 我也通過(guò)參加學(xué)校組織的各種金工實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)實(shí)訓(xùn)，主動(dòng)思考、分析、比較，把 所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，有效地鞏固了所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，真正做到了學(xué)有所 用，使我學(xué)會(huì)了分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，而且強(qiáng)化了我的知識(shí)結(jié)構(gòu)；同時(shí)，也使自己的 綜合素質(zhì)有了較好的提高，為今后走上社會(huì)打下一定的基礎(chǔ)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)作為大學(xué)學(xué)習(xí)進(jìn)程中的最后一步，也是最為關(guān)鍵的一步，它不僅是對(duì)我們四年 學(xué)到的知

11、識(shí)的全面總結(jié)，也是考核我們獨(dú)立分析和解決問(wèn)題的能力。它可以比較系統(tǒng)、綜合 地考察一名學(xué)生是否真正學(xué)到了知識(shí)，是否能夠把所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際問(wèn)題中去。本次設(shè) 計(jì)的目的是培養(yǎng)學(xué)生初步掌握獨(dú)立從事專(zhuān)業(yè)技術(shù)工作的能力，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)不但可以培養(yǎng)我 們運(yùn)用各種工具書(shū)的方法和技巧，而且把自己實(shí)習(xí)所經(jīng)歷過(guò)的結(jié)合理論使之有效的應(yīng)用在自 己的設(shè)計(jì)上。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我的設(shè)計(jì)題目是加工中心自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì) 。 數(shù)控機(jī)床加工中心集機(jī)械設(shè)計(jì)、電子、液壓傳動(dòng)、控制技術(shù)、檢測(cè)裝置等技術(shù)于一身的 產(chǎn)品，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械生產(chǎn)和機(jī)械加工中。加工中心適用于零件形狀比較復(fù)雜、精度要求 較高、產(chǎn)品更換頻繁的中小批量生產(chǎn)，具有明顯的

12、經(jīng)濟(jì)效果。因此具有很大的發(fā)展空間和潛 力，市場(chǎng)空間也是相當(dāng)龐大的。 本設(shè)計(jì)包括：1.緒論；2.方案設(shè)計(jì)；3.機(jī)械手和刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其計(jì)算；4.機(jī)械手驅(qū)動(dòng) 和松刀裝置的設(shè)計(jì)；5. 機(jī)械手的換刀動(dòng)作分析及設(shè)計(jì)要求；6.自動(dòng)換刀的程序設(shè)計(jì)六個(gè)主要 章節(jié)。設(shè)計(jì)過(guò)程參考一些已有的換刀裝置圖，通過(guò)獨(dú)立思考，在原有基礎(chǔ)上，符合機(jī)械設(shè)計(jì) 和加工原理下，發(fā)揚(yáng)創(chuàng)新精神，單獨(dú)完成該設(shè)計(jì)。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中得到了各位老師的指導(dǎo)和幫助，在此向他們表示感謝。 由于我理論水平有限，而且缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中，難免有錯(cuò)誤和不足之處， 懇請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。 2 第第 1 1 章章 緒緒 論論 1.11.1 國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)

13、床的的發(fā)展情況國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的的發(fā)展情況 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái), 數(shù)控加工技術(shù)得到迅速的普及和發(fā)展, 數(shù)控機(jī)床在制造業(yè)得到了 越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的數(shù)控加工中心在現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)中起著愈來(lái)愈重要 的作用, 它能縮短產(chǎn)品的制造周期, 提高產(chǎn)品的加工精度, 適合柔性加工。加工中心是數(shù)控機(jī) 床中較為復(fù)雜的加工設(shè)備, 由于其具有多種加工能力而得到廣泛的應(yīng)用, 其強(qiáng)大的加工能力 和效率得益于其配置的自動(dòng)換刀裝置。換刀裝置作為加工中心的重要組成部分, 其主要作用 在于減少加工過(guò)程中的非切削時(shí)間, 提高生產(chǎn)率, 降低生產(chǎn)成本, 進(jìn)而提升機(jī)床乃至整個(gè)生產(chǎn) 線的生產(chǎn)力。加工中心自動(dòng)換刀裝置是實(shí)

14、現(xiàn)多工序連續(xù)加工的重要裝置, 其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其控 制是實(shí)現(xiàn)加工中心設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵。加工中心的換刀過(guò)程較為復(fù)雜, 動(dòng)作多, 動(dòng)作間的相互 協(xié)調(diào)關(guān)系多, 因而自動(dòng)換刀系統(tǒng)性能的好壞直接影響加工效率的高低。 自動(dòng)換刀系統(tǒng)一般由刀庫(kù)、機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)裝置組成。刀庫(kù)容量可大可小，其裝刀數(shù)在 20180 把之間。刀庫(kù)的功能是存儲(chǔ)刀具并把下一把即將要用的刀具準(zhǔn)確地送到換刀位置， 供換刀機(jī)械手完成新舊刀具的交換。當(dāng)?shù)稁?kù)容量大時(shí)，常遠(yuǎn)離主軸配置且整體移動(dòng)不易，這 就需要在主軸和刀庫(kù)之間配置換刀機(jī)構(gòu)來(lái)執(zhí)行換刀動(dòng)作。完成此功能的機(jī)構(gòu)包括送刀臂，擺 刀站和換刀臂，總稱(chēng)為機(jī)械手。具體來(lái)說(shuō)，它的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與

15、刀庫(kù)之 間的傳遞。驅(qū)動(dòng)裝置則是使刀庫(kù)和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)其功能的裝置，一般由步進(jìn)電機(jī)或液壓（或液 機(jī)構(gòu)）或凸輪機(jī)構(gòu)組成。機(jī)械手完成刀庫(kù)里的刀（新刀）與主軸上的刀（舊刀）的交換工作。 由于數(shù)控加工中心的刀庫(kù)容量、換刀可靠性及換刀速度直接影響到加工中心的效率，而自動(dòng) 換刀就是進(jìn)一步壓縮非切削時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件。所以數(shù)控機(jī)床為了能在工 件一次裝夾中完成多道加工工序，縮短輔助時(shí)間，減少多次安裝工件所引起的誤差，必須帶 有自動(dòng)換刀裝置。 1.1.11.1.1 加工中心發(fā)展簡(jiǎn)史加工中心發(fā)展簡(jiǎn)史 1952 年世界上出現(xiàn)第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，使多種產(chǎn)品、中小批量的機(jī)械加工設(shè)備在柔性，自 動(dòng)化和效率上產(chǎn)生了巨大

16、變革。它用易于修改的數(shù)控加工程序進(jìn)行控制，因而比大批量生產(chǎn) 中使用組合機(jī)床生產(chǎn)線和凸輪、開(kāi)關(guān)控制的專(zhuān)用機(jī)床有更大的柔性，容易適應(yīng)加工件品種的 變化，進(jìn)行多品種加工。它用數(shù)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的工藝功能、幾何圖形運(yùn)動(dòng)功能和輔助功能實(shí) 行全自動(dòng)的數(shù)字控制，因而大大提高加工加工效率，大大改變了中小批量生產(chǎn)中普通機(jī)床戰(zhàn) 整個(gè)機(jī)械加工 70%80%的狀況。數(shù)控機(jī)床能實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)以上的聯(lián)動(dòng)的功能，其效率和精度 比用手工和樣板控制加工復(fù)雜零件要高的多。 加工中心和車(chē)削中心是有機(jī)械設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)組成，適用復(fù)雜零件加工的高效、高精度 的自動(dòng)化機(jī)床。這種機(jī)床可裝若干把刀具，能自動(dòng)更換刀具，一次裝卡中，完成銑鏜、車(chē)、 鉆、擴(kuò)

17、、鉸、攻螺紋等的加工。也是因?yàn)榧庸ぶ行暮蛙?chē)削中心比一般數(shù)控機(jī)床多了一套自動(dòng) 換刀裝置，可實(shí)現(xiàn)多工序的連續(xù)加工，因而加工效率大大提高，使其成為數(shù)控機(jī)床中發(fā)展最 快、需求最大的機(jī)床。 自動(dòng)換刀裝置的形式是多種多樣的，主要的組成部分是刀庫(kù)、機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等，雖 然換刀過(guò)程、選刀方式、刀庫(kù)結(jié)構(gòu)、機(jī)械手類(lèi)型等個(gè)不相同，但是在數(shù)控裝置及可編程控制 器控制下，由電動(dòng)機(jī)或液壓或氣動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)刀具的選擇與交換。我們把這 種為實(shí)現(xiàn)多工序的連續(xù)加工，在加工中心或車(chē)削中心，可進(jìn)行刀具的選擇與交換的裝置叫自 3 動(dòng)換刀裝置（automatic tool change 簡(jiǎn)稱(chēng) atc） 。 1.1.21.1

18、.2 加工中心的主要優(yōu)點(diǎn)加工中心的主要優(yōu)點(diǎn) (1）提高加工質(zhì)量 工件一次裝夾，即可實(shí)現(xiàn)多工序集中加工，大大減少多次裝夾所帶來(lái)的誤差。另外，由 于是數(shù)控加工，較少依賴(lài)操作者的技術(shù)水平，可得到相當(dāng)高的餓穩(wěn)定精度。 (2）縮短加工準(zhǔn)備時(shí)間 加工中心可以頂替多臺(tái)通用機(jī)床，那么加工一個(gè)零件所需準(zhǔn)備時(shí)間，是每臺(tái)加工單元所 損耗的準(zhǔn)備時(shí)間之和。才這個(gè)意義上說(shuō)，加工中心的準(zhǔn)備時(shí)間顯然短得多。 (3）減少在制品 以往的加工方式是工件流動(dòng)于多臺(tái)通用機(jī)床之間，這就要有相當(dāng)數(shù)量的在制品，而在加 工中心上加工，即可發(fā)揮其“多工序集中”的優(yōu)勢(shì)，在一臺(tái)機(jī)床上完成多個(gè)工序，就能大大 減少在制品數(shù)量。 (4）減少刀具費(fèi) 不分散

19、設(shè)置在個(gè)通用機(jī)床上的刀具，集中在加工中心刀庫(kù)上，有可能有最少量的刀具， 實(shí)現(xiàn)公共有效利用。這樣既提高刀具利用率，有減少了刀具數(shù)量。 (5）最少的直接勞務(wù)費(fèi) 由 nc 裝置多工序加工的信息集約化和一人多臺(tái)管理，以及用工作臺(tái)自動(dòng)托盤(pán)交換裝置 等輔助裝置，實(shí)現(xiàn)夜間無(wú)人運(yùn)轉(zhuǎn)。這些都可縮減直接勞務(wù)費(fèi)。 (6）最少的間接勞務(wù)費(fèi) 由于工序集中，工件搬運(yùn)和質(zhì)量檢查工作量都大為減少，這就使間接勞務(wù)費(fèi)最少。 (7）設(shè)備利用率高 加工中心設(shè)備利用率為通用機(jī)床的幾倍。 1.1.31.1.3 加工中心的發(fā)展趨勢(shì)加工中心的發(fā)展趨勢(shì) 加工中心亦同其他機(jī)床一樣，他的技術(shù)水平的提高，表現(xiàn)在其固有技術(shù)（如高速、高精 度化等）的進(jìn)

20、一步發(fā)展和新技能（如智能化技能等）的運(yùn)用上。 1.高速化 加工中心的高速化，是只主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、自動(dòng)換刀和自動(dòng)交換工作臺(tái)的高速化。 （1）主軸轉(zhuǎn)速的高速化； （2）進(jìn)給速度的高速化：是指快速移動(dòng)速度的高速化和切削進(jìn)給速度的高速化。 （3）自動(dòng)換刀（atc）的高速化 從加工中心誕生初期起，就追求 atc 的高速化。但是由于當(dāng)時(shí)尚未充分掌握 atc 的內(nèi) 在規(guī)律，故障效率較高，所以在后來(lái)的相當(dāng)一段時(shí)間里，采用了首先保證動(dòng)作可靠性，然后 才考慮速度方針，結(jié)果在這段時(shí)期，atc 速度未提高多少。但是隨著對(duì) atc 內(nèi)在規(guī)律的深 入了解和用戶(hù)對(duì) atc 速度的要求迫切，有開(kāi)始注意 atc 速度了。

21、（4）自動(dòng)托盤(pán)交換裝置（apc）的高速化； 2.進(jìn)一步提高精度 加工中心的主要精度指標(biāo)是它的運(yùn)動(dòng)精度指標(biāo)。而這一精度指標(biāo)，近年來(lái)有了不小的提 高，其中精密加工中心精度指標(biāo)的提高尤為明顯。所謂加工中心的運(yùn)動(dòng)精度，主要以定位精 度、重復(fù)定位精度以及銑圓精度來(lái)表示。 3.機(jī)能更加完善 4 （1）愈來(lái)愈完美的自診斷機(jī)能 為了盡可能減少加工中心的故障，現(xiàn)代加工中心大都配備完善的自診斷機(jī)能。例如，位 置檢測(cè)傳感器、刀具破損檢測(cè)裝置、切削異常檢測(cè)裝置、適應(yīng)控制機(jī)能、備用刀具選擇機(jī)能、 溫度傳感器、聲傳感器、電流傳感器等。這些機(jī)能和傳感器，使機(jī)床具有一定的人工智能。 （2）新式刀具破損檢測(cè)裝置 （3）加工中心

22、復(fù)合化趨勢(shì) 自動(dòng)換刀裝置開(kāi)發(fā)技術(shù)要全面注意以下五個(gè)方面： (1）自動(dòng)換刀裝置的可靠性與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。通過(guò)對(duì)自動(dòng)換刀裝置進(jìn)行可靠性分析研究， 找出其薄弱環(huán)節(jié)，通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，是自動(dòng)換刀裝置故障率大大減少，保證百萬(wàn)次以上正常換 刀的品質(zhì)。通過(guò)對(duì)自動(dòng)換刀裝置進(jìn)行多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其動(dòng)態(tài)性能達(dá)到最優(yōu)，進(jìn)而提高 自動(dòng)換刀裝置的性能，降低其制造成本，使刀對(duì)刀換刀時(shí)間對(duì) 40 刀柄不大于 1s，達(dá)到世界 先進(jìn)水平。 (2）自動(dòng)換刀裝置的系列化與 cad 設(shè)計(jì)。使自動(dòng)換刀裝置使用國(guó)內(nèi)廠家的各種產(chǎn)品， ， 以便得到推廣和使用。即達(dá)到廠家一旦提出要求，可快速、合理的設(shè)計(jì)出針對(duì)廠家機(jī)床及其 提出的參數(shù)：不同刀柄型號(hào)

23、，刀庫(kù)容量等的自動(dòng)換刀裝置，使廠家立即投入生產(chǎn)，并且處于 國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的。 (3）自動(dòng)換刀裝置制造技術(shù)研究。針對(duì)自動(dòng)換刀裝置中關(guān)鍵零件的制造技術(shù)研究，以提 高其制造質(zhì)量和降低制造成本。 (4）自動(dòng)換刀系統(tǒng)新技術(shù)的研究。跟蹤國(guó)際加工中心和車(chē)削中心自動(dòng)換刀裝置的發(fā)展主 流，研究自動(dòng)換刀裝置的新工作原理及新技術(shù)。 (5）自動(dòng)換刀裝置產(chǎn)業(yè)化研究。自動(dòng)換刀裝置由專(zhuān)業(yè)廠生產(chǎn)比現(xiàn)有個(gè)廠家自行生產(chǎn)可降 低成本，也能保證質(zhì)量，同時(shí)在我國(guó)有巨大的市場(chǎng)，因此，在技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)研究使 我國(guó)的自動(dòng)換刀裝置生產(chǎn)走上產(chǎn)業(yè)化的道路，建立生產(chǎn)自動(dòng)換刀裝置的基地。 自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足以下基本要求： (1）換刀時(shí)間短，

24、以減少非加工時(shí)間。 (2）減少換刀動(dòng)作對(duì)加工范圍的干擾 (3）刀具重復(fù)定位精度高。 (4）識(shí)刀、選刀可靠，換刀動(dòng)作簡(jiǎn)單可靠。 (5）刀庫(kù)刀具存儲(chǔ)量合理。 (6）刀庫(kù)占地面積小，并能與主機(jī)配合，使機(jī)床外觀協(xié)調(diào)美觀。 (7）刀具裝卸、調(diào)整、維修方便，并能的到清潔的維護(hù)。 1.21.2 編程控制器的特點(diǎn)編程控制器的特點(diǎn) 可編程控制器，簡(jiǎn)稱(chēng) plc（programmable logic controller）,是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的 新型工業(yè)控制裝置。在 1987 年國(guó)際電工委員會(huì)(international electrical committee)頒布的 plc 標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì) plc 做了如下定

25、義：plc 是一種專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操 作的電子裝置” 。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn) 算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各 種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。plc 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè) 整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。 plc 之所以高速發(fā)展，除了工業(yè)自動(dòng)化的客觀需求外，還有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。它較好的 5 解決了工業(yè)控制領(lǐng)域中的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題。其特點(diǎn)如下： 1.可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。plc 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電

26、路技術(shù)，采用嚴(yán) 格的產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生 產(chǎn)的 f 系列 plc 平均無(wú)故障時(shí)間高達(dá) 3 萬(wàn)小時(shí)。一些使用冗余 cpu 的 plc 的平均無(wú)故障工 作時(shí)間則更長(zhǎng)。此外，plc 帶有硬件故障自我檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息 2.配備齊全，功能完善，適應(yīng)性強(qiáng) plc 發(fā)展到今天，己經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。可以用于各種規(guī)模的 工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 plc 大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各 種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來(lái) plc 的功能單元大量涌現(xiàn)，使 plc 滲透到了位置控制、溫度控制、 cnc 等各種

27、工業(yè)控制中。加上 plc 通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用 plc 組成 各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 3.易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 plc 作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語(yǔ)言易 于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語(yǔ)言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用 plc 的少量開(kāi)關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、 不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語(yǔ)言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開(kāi)了方便之門(mén)。 4.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造 plc 用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建 造的

28、周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來(lái)。 5.體積小，重量輕，耗能低 以超小型 plc 為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 l00mm，重量小于 150g，功耗僅數(shù) 瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備 6 第第 2 2 章章 方案設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì) 一個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)在概念設(shè)計(jì)階段，傳統(tǒng)的方法總是根據(jù)需求獲得需要的功能，隨后進(jìn)行方 案設(shè)計(jì)，產(chǎn)品往往缺乏創(chuàng)新性。對(duì)于加工中心自動(dòng)換刀裝置，根據(jù)其特定的功能及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 我們提出抽象一分析一綜合的設(shè)計(jì)思想。第一步：抽象。首先對(duì)現(xiàn)有換刀系統(tǒng)進(jìn)行廣泛研究 和深刻了解，抽象出對(duì)象的共性特征，這是一個(gè)收斂并結(jié)合實(shí)際的過(guò)程，既可吸取和總結(jié)已 有的

29、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)又為創(chuàng)新設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。第二步：分析，即功能分解，從根本上說(shuō)，機(jī)械系統(tǒng)總 的功能要求是完成一定的工藝動(dòng)作過(guò)程。因此對(duì)于 atc 來(lái)說(shuō)，可以從它的總的功能要求出 發(fā)，根據(jù)其換刀動(dòng)作特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求，運(yùn)用功能一行為一結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)分析模式找出對(duì)應(yīng) 功能元的多種機(jī)構(gòu)。這時(shí)序關(guān)系，進(jìn)是一個(gè)思維發(fā)散的過(guò)程。第三步：綜合。結(jié)合機(jī)構(gòu)系統(tǒng) 的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求和約束并考慮其空間和行機(jī)構(gòu)組合，最后進(jìn)行評(píng)價(jià)選優(yōu)，從而達(dá)到創(chuàng)新設(shè) 計(jì)的目的。 自動(dòng)換刀裝置由刀庫(kù)、機(jī)械手及相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成，作為加工中心的重要組成部分， 其作用在于減少加工過(guò)程中的非切削時(shí)間，以提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本，進(jìn)而提升機(jī)床乃 止整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)

30、力。所以自動(dòng)換刀裝置（簡(jiǎn)稱(chēng) atc）在加工中心扮演著及重要的角色。 針對(duì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)，主要完成自動(dòng)選刀、換刀動(dòng)作的兩道工序，與此相聯(lián)系的還有機(jī) 械手驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)、松刀裝置的設(shè)計(jì)。 2.12.1 atcatc 設(shè)計(jì)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求 在零件的制造過(guò)程中，大量的時(shí)間用于更換刀具、裝卸零件、測(cè)量和搬運(yùn)零件等非切削 時(shí)間上，切削加工時(shí)間僅占整個(gè)工時(shí)中較小的比例。為了縮短非切削時(shí)間，充分發(fā)揮機(jī)床的 效率，往往采用“工序集中”的原則。常見(jiàn)的帶有自動(dòng)換刀裝置的機(jī)床，如車(chē)削中心、鏜銑 中心、鉆削中心等比較典型。這類(lèi)多工序的加工中心，還有些采用自動(dòng)上下料和自動(dòng)裝卸工 件系統(tǒng)，以便提高機(jī)床的數(shù)

31、控化程度，完成零件的零件的多工序加工。 根據(jù)各加工中心參考資料介紹，可以得出 atc 的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求如下： 特點(diǎn)：特點(diǎn)： ( l )屬于典型的開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)； ( 2 ) atc 各個(gè)組成部分的功能具有相對(duì)的獨(dú)立性； ( 3 )組成結(jié)構(gòu)與刀庫(kù)、主軸之間的相對(duì)位置關(guān)系密切相關(guān)； ( 4 ) atc 的設(shè)計(jì)必須考慮機(jī)床三軸運(yùn)動(dòng)的參與。 要求：要求： ( l )滿(mǎn)足工藝要求 機(jī)床依靠刀具和工件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成工作表面，而加工工件的表面 形狀和表面位置多種多樣，要求刀庫(kù)能夠布置足夠的刀具，換刀時(shí)間短能夠方便而正確地加 工個(gè)工件的表面。為了實(shí)現(xiàn)在工件的一次安裝中完成多工序加工，要求刀庫(kù)可以方便轉(zhuǎn)位。 (

32、2 )保證足夠的重復(fù)定位精度 在刀架上安裝刀具時(shí)，應(yīng)能精確地調(diào)整刀具的位置，采 用自動(dòng)交換刀具時(shí)，應(yīng)能保證刀具交換前后都能處于正確位置。而且精度保持較好，以便長(zhǎng) 期保持刀具處于正確位置。 ( 3 )具有足夠的剛度 由于刀具的類(lèi)型、尺寸各異，重量相差很大，刀具在自動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò) 程中方向變換較為復(fù)雜，而且有些刀架直接承受切削力。考慮到采用新型刀具材料和先進(jìn)的 切削用量，刀庫(kù)和機(jī)械手都必須有足夠的剛度，以便換刀過(guò)程和切削過(guò)程平穩(wěn)。 ( 4 )提高可靠性 由于刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置在機(jī)床工作過(guò)程中，使用頻率很高，所以必 須充分重視他的可靠性。 7 ( 5 )縮短換刀時(shí)間 刀庫(kù)和換刀裝置是為了提高機(jī)床的自動(dòng)化而

33、設(shè)置的，因而它的換刀 時(shí)間應(yīng)盡可能縮短，以便提高生產(chǎn)率。目前，自動(dòng)換刀裝置換刀時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表 2-1，而 且隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，換到時(shí)間還在進(jìn)一步縮短。 2.22.2 自動(dòng)換刀裝置主要結(jié)構(gòu)的論證及分析自動(dòng)換刀裝置主要結(jié)構(gòu)的論證及分析 自從 1958 年第一臺(tái)加工中心在美國(guó) kearneytrecker 公司問(wèn)世以來(lái)，作為加工中心象征 的自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)就出現(xiàn)了“百花齊放”的狀態(tài)，各加工中心制造廠家都在下大力研制 動(dòng)作迅速、可靠性高的自動(dòng)換刀裝置，以求在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中取得好的效益。自動(dòng)換刀裝置的 獨(dú)特設(shè)計(jì)，使各式各樣的自動(dòng)換刀裝置不僅可滿(mǎn)足功能上的要求，也成為各廠家加工中心的 主要特色。

34、自動(dòng)換刀裝置的應(yīng)用，從一開(kāi)始就追求高速化。但是由于當(dāng)時(shí)尚未充分掌握自動(dòng)換刀裝 置的內(nèi)在規(guī)律，故障效率較高，所以，在后來(lái)的相當(dāng)一段時(shí)間里，采用了首先保證動(dòng)作可靠， 然后才考慮速度的方針，在這段時(shí)間里，自動(dòng)換刀裝置的速度未提高多少。但是隨著對(duì)自動(dòng) 換刀裝置內(nèi)在規(guī)律的深入了解和用戶(hù)對(duì)自動(dòng)換刀裝置速度的迫切要求，又開(kāi)始注意自動(dòng)換刀 裝置的速度了。 在加工中心加工零件的過(guò)程中換刀動(dòng)作是由自動(dòng)換刀裝置完成的。自動(dòng)換刀裝置應(yīng)該滿(mǎn) 足換刀時(shí)間短，刀具重復(fù)定位精度高，刀具儲(chǔ)存數(shù)量足夠，結(jié)構(gòu)緊湊，便于制造、維修、調(diào) 整，應(yīng)有防屑、防塵裝置，布局應(yīng)合理等要求。同時(shí)也應(yīng)具有較好的剛性，沖擊、振動(dòng)及噪 聲小，運(yùn)轉(zhuǎn)安全可

35、靠等特點(diǎn)。自動(dòng)換刀系統(tǒng)由刀庫(kù)、選刀機(jī)構(gòu)、刀具交換機(jī)構(gòu)(如機(jī)械手)、 刀具在主軸上的自動(dòng)裝卸機(jī)構(gòu)等部分組成。 傳統(tǒng)的加工中心大多采用液壓式 atc，國(guó)內(nèi)廠家目前基本上還采用和生產(chǎn)這種 atc。 根據(jù)加工中心應(yīng)用與維修 列出的技術(shù)參數(shù)顯示，其換刀時(shí)間大多為 520s，換刀時(shí) 間較長(zhǎng)，大大降低了生產(chǎn)效益。 凸輪式 atc 的刀具交換時(shí)間已達(dá)到 2s 以?xún)?nèi)。如日本濱井產(chǎn)業(yè)的 dz-16 型立式加工中心 的換刀時(shí)間為 1s，日本豐和工業(yè)的 mmn-400cj 型超小型高速加工中心的換刀時(shí)間為 0.8s。 與液壓式 atc 相比，凸輪式 atc 由于動(dòng)作可重疊、運(yùn)動(dòng)規(guī)律可選擇、幾乎無(wú)定位誤差以及 沒(méi)有中間

36、環(huán)節(jié)的控制，具有更高的可靠性與較高的自動(dòng)換刀速度，因而成為目前最為理想的 atc。 表 2-2-1 給出目前加工中心的自動(dòng)換刀裝置的平均換刀時(shí)間和換刀時(shí)間的最短記錄。 表 2-2-1 換 刀 時(shí) 間 （單位：s） 刀具到刀具 平均換刀時(shí)間刀具刀柄型號(hào) 立式加工中心臥式加工中心 換刀時(shí)間 最短時(shí)間 300.60.5 4022.5450.6 502.54461.5 2.32.3 方案確定方案確定 在認(rèn)識(shí)了刀庫(kù)和機(jī)械手的工作原理基礎(chǔ)下, 結(jié)合設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，擬訂該裝置的加工工 8 序?yàn)椋旱稁?kù)選刀機(jī)械手取刀機(jī)械手換刀重新加工。 圖 2-1 jcs-018 刀庫(kù) 1驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；2浮動(dòng)聯(lián)軸器；3蝸桿；4氣

37、缸； 5撥叉；6刀套；7刀庫(kù)體；8蝸輪 其工作原理:當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，直流伺服電動(dòng)機(jī) 1 接通，經(jīng)過(guò)浮動(dòng)聯(lián)軸器 2，傳到 蝸桿 3、蝸輪 8，再傳到刀盤(pán)上。刀盤(pán)帶動(dòng)其上面的 24 個(gè)刀套 6 轉(zhuǎn)動(dòng)，完成選刀過(guò)程。 每個(gè)刀套尾部有一個(gè)滾子，當(dāng)待換刀具轉(zhuǎn)到換刀位置時(shí)，滾子進(jìn)入撥叉 5 的糟內(nèi)。同時(shí) 氣缸 4 的下腔通壓縮空氣，活塞桿帶動(dòng)撥叉 5 上升，放開(kāi)位置開(kāi)關(guān)來(lái)斷開(kāi)相關(guān)的電路，防止 刀庫(kù)、主軸等有誤動(dòng)作。撥叉 5 在上升的過(guò)程中，帶動(dòng)刀套繞著銷(xiāo)軸逆時(shí)針向下翻轉(zhuǎn) 90， 從而使刀具軸線與主軸軸線平行。 刀套下轉(zhuǎn) 90后， ，撥叉上升到終點(diǎn)，壓住定位開(kāi)關(guān)，發(fā)出信號(hào)使機(jī)械手抓刀。通過(guò)螺 桿可以調(diào)

38、整撥叉的行程。而且撥叉的行程又決定刀具軸線相對(duì)主軸軸線的位置。 機(jī)械手手臂和手爪結(jié)構(gòu)如圖 2.2 圖 2.2 機(jī)械手手臂和手爪結(jié)構(gòu)圖 9 1手臂 2、4彈簧 3鎖緊銷(xiāo) 5活動(dòng)銷(xiāo) 6推銷(xiāo) 7手爪 8長(zhǎng)銷(xiāo) 其工作原理：圖為機(jī)械手抓刀部分結(jié)構(gòu)。它主要由手臂 1 和固定于其兩端的結(jié)構(gòu)完全相 同的兩個(gè)手爪 7 組成。手爪 7，握刀的圓弧部分有一錐銷(xiāo) 6，機(jī)械手抓刀時(shí)，該錐銷(xiāo)插入刀 柄的鍵槽中。當(dāng)機(jī)械手由原位轉(zhuǎn) 75抓住刀具時(shí)，兩手爪上的長(zhǎng)銷(xiāo) 8 分別被主軸前端面和刀 庫(kù)上的擋塊壓下，使軸向開(kāi)有長(zhǎng)槽的活動(dòng)銷(xiāo) 5 在彈簧 2 的作用下右移頂住刀具。機(jī)械手拔刀 具時(shí)，長(zhǎng)銷(xiāo) 8 與擋決脫離接觸，鎖緊銷(xiāo) 3 被彈

39、簧 4 彈起，使活動(dòng)銷(xiāo)頂住刀具不能后退，這樣 機(jī)械手在回轉(zhuǎn) 180時(shí)，刀具不會(huì)被甩出。當(dāng)機(jī)械于上升插刀時(shí)，兩長(zhǎng)銷(xiāo) 8 又分別被兩擋塊 壓下，鎖緊銷(xiāo)從活動(dòng)銷(xiāo)孔徑退出，松開(kāi)刀具，機(jī)械于是可反轉(zhuǎn) 75復(fù)位。 2.3.12.3.1 刀庫(kù)選刀刀庫(kù)選刀 現(xiàn)代加工中心刀庫(kù)，已不用刀套編碼或刀具編碼方式，而是由控制系統(tǒng)，根據(jù)最初輸入 的刀套號(hào)與刀具號(hào)，跟蹤記憶刀套與刀具的對(duì)應(yīng)號(hào)，并按程序指令準(zhǔn)確地調(diào)用所需刀具。 目前使用的刀庫(kù)的選刀方式，有如下二種： （1）刀套號(hào)與刀具號(hào)隨機(jī)變換方式 這是目前用的最普遍的方式。在第一次給刀庫(kù)裝 刀時(shí)，告訴控制系統(tǒng)刀套號(hào)和在在該刀套上的刀具號(hào)（t）的對(duì)應(yīng)關(guān)系，那么控制系統(tǒng) 就記

40、住這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系，而以后該刀具在使用中，不一定送還到原刀套上，但是控制系統(tǒng)仍能 記住該刀具號(hào)所在的新刀套號(hào)，這種方式有利于縮短換刀時(shí)間、選刀時(shí)間。由于這種方式經(jīng) 常改變刀具號(hào)和刀套號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以在重新啟動(dòng)機(jī)床時(shí)，必須使刀庫(kù)回零，校驗(yàn)一下 crt（陰極射線管）上顯示的內(nèi)容于實(shí)際刀具插存情況。 （2）刀具號(hào)與刀套號(hào)固定對(duì)應(yīng)方式 在這種選刀方式中，插在刀套上的刀具，使用后 仍送還刀原來(lái)刀套上，亦即刀具號(hào)和刀套號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系始終不變。這種方式的好處在于，易 于掌握刀具情況，一看刀套就知道是什么樣的刀具。另一個(gè)好處是可以安放大直徑刀具，只 要有意選擇相鄰刀套上無(wú)刀即可。正是這一方便性，根據(jù)有些用戶(hù)的要求

41、，至今仍有選擇這 種選刀方式。但是，這種方式因?yàn)橛猛甑牡毒弑仨毸瓦€給原來(lái)的刀套上后，才能移動(dòng)下一個(gè) 要用的刀具刀換刀位置，因此勢(shì)必會(huì)增加換刀時(shí)間。 根據(jù)“近路”移動(dòng)原則。即無(wú)論上述哪種選刀方式，根據(jù)程序指令，把下序要用的刀具 移到換刀位置時(shí)，都向小于刀庫(kù)半圓的方向移動(dòng)，以節(jié)省選刀時(shí)間。 隨機(jī)變換方式的優(yōu)點(diǎn)是刀庫(kù)中刀具的排列順序與加工順序無(wú)關(guān)，相同的刀具可重復(fù)使用。 因此，刀具數(shù)量比順序選擇法的刀具可少一些，刀庫(kù)也相應(yīng)的小一些。 因此，選擇刀套號(hào)與刀具號(hào)隨機(jī)變換方式。 2.3.22.3.2 機(jī)械手取刀和換刀機(jī)械手取刀和換刀 上一工序加工完畢，主軸在“準(zhǔn)停”位置。自動(dòng)換刀裝置開(kāi)始進(jìn)行換刀， （1）

42、刀套下轉(zhuǎn) 90（2）機(jī)械手轉(zhuǎn) 75（3）刀具松開(kāi)（4）機(jī)械手拔刀（5）交換兩把刀具位置 （6）機(jī)械 手插刀 （7）刀具夾緊 （8）機(jī)械手轉(zhuǎn) 180（9）機(jī)械手反轉(zhuǎn) 75（10）刀套上轉(zhuǎn) 90 2.3.32.3.3 方案確定方案確定 現(xiàn)確定方案如下：機(jī)械手和刀庫(kù)基本采用 jcs-018 機(jī)械手和刀庫(kù)結(jié)構(gòu)及原理，在它基礎(chǔ) 上對(duì)手爪部分的結(jié)構(gòu)和活動(dòng)銷(xiāo)進(jìn)行改造創(chuàng)新。刀庫(kù)體的結(jié)構(gòu)會(huì)改成輪輻式，以減輕刀庫(kù)重量， 提高靈活性。最后把機(jī)械手、刀庫(kù)、主軸等零部件連在一起，組成一整套換刀裝置。 10 第第 3 3 章章 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)計(jì)算 3.13.1 機(jī)械手的裝配機(jī)械手的裝配 圖

43、3.1 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖 1-手爪 2-手臂 3-接手臂 4-圓錐銷(xiāo) 5-螺釘 3.1.13.1.1 機(jī)械手爪的裝配機(jī)械手爪的裝配 機(jī)械手的手爪、手臂、和接手臂通過(guò)同一型號(hào)的內(nèi)六角圓柱頭螺釘和圓錐銷(xiāo)連接，以提 高互換性和裝配。其整體裝配圖的尺寸和技術(shù)要求詳見(jiàn)工程圖。 圖 3.2 機(jī)械手爪裝配圖 1-長(zhǎng)銷(xiāo) 2-手爪 3 -活動(dòng)銷(xiāo) 4-彈簧 5-底蓋裝配體 另外，底蓋與手爪的裝配有螺釘固定，圖上未表示。螺釘?shù)奈恢媒佑|到底蓋裝配體的低 頂?shù)牟糠郑源丝梢酝瑫r(shí)固定低頂?shù)奈恢?，使其周向位置固定。彈?4 和手爪 2 及活動(dòng)銷(xiāo) 3 兩端連接固定。 11 圖 3.3底蓋裝配體示意圖 1-底頂 2-彈簧 3

44、-底蓋體 其中彈簧 2 和上下零件連接固定，底頂 1 的位置有周向螺釘限制。 3.1.23.1.2 手臂裝配圖手臂裝配圖 其中手臂的結(jié)構(gòu) 12 圖 3.4 手臂裝配圖示意圖 1-接手臂 2-手臂 3-螺釘 4-圓錐銷(xiāo) 3.23.2 機(jī)械手手爪加緊力的計(jì)算機(jī)械手手爪加緊力的計(jì)算 根據(jù)機(jī)械手抓刀時(shí)的受力分析，無(wú)潤(rùn)滑時(shí)鋼-鋼摩擦系數(shù) ，刀具的最大重量0.15 g=98n，摩擦力，故機(jī)械手手爪抓緊力0.15 9814.7 n fnn14.7 n ffn 13 第第 4 4 章章 刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算 4.14.1 刀庫(kù)的功能和形式刀庫(kù)的功能和形式 一、刀庫(kù)的功能 在加工中心中，刀庫(kù)

45、和機(jī)械手組成自動(dòng)換刀裝置（atc） ，而這個(gè)自動(dòng)換刀裝置，正式 加工中心的區(qū)別于 nc 鏜床和 nc 銑床的本質(zhì)所在，而且自動(dòng)換刀裝置的好壞，將直接影響 加工中心的好壞。從目前情況看，加工中心的主機(jī)部分基本定型，變化不大，但自定換刀裝 置的種類(lèi)繁多，五花八門(mén)，是最難稿好的部分。 刀庫(kù)的功能是儲(chǔ)存加工工序所需的各種刀具，并且按照程序指令，把即將要用的刀具迅速、 準(zhǔn)確地送刀換刀裝置，并接受從主軸送來(lái)的以用刀具。 設(shè)計(jì)刀庫(kù)時(shí)應(yīng)考慮以下因素： （1）存刀數(shù)。 （2）刀具最大直徑。 （3）刀具最大長(zhǎng)度。 （4）刀具最大重量。 （5）刀庫(kù)安置空間。 （6）刀具最大運(yùn)動(dòng)線速度。 （7）刀庫(kù)工作的可靠性（即不

46、能掉刀，各刀具能準(zhǔn)確停在換刀位置上） 。 確定這些因素，沒(méi)有現(xiàn)成的模式。一般根據(jù)用戶(hù)調(diào)查和國(guó)內(nèi)外同類(lèi)型號(hào)加工中心的刀具 規(guī)格和刀庫(kù)容量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，確定刀庫(kù)容量和刀具規(guī)格。其中刀庫(kù)容量和刀具最大直徑是影 響加工中心使用效率的主要因素，又是影響刀庫(kù)尺寸的主要因素。 二、刀庫(kù)的形式 刀庫(kù)的種類(lèi)很多，圖 41 所示僅僅是其中典型的幾種。 (1)按結(jié)構(gòu)形式分類(lèi) 1)轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù) 如圖 41a 所示用于小型立式加工中心。轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)位方式有二：其一為借 助機(jī)械方式轉(zhuǎn)位，此種方式的選刀，均為順序選刀；其二為由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)位，此種刀庫(kù) 可以實(shí)現(xiàn)任選刀具方式。 2）圓盤(pán)式刀庫(kù) 如圖 4-1b、c、d 所示臥式、立式加

47、工中心均可采用。圓盤(pán)式（側(cè)掛型） 一般是掛在立式加工中心的立柱的側(cè)面或掛在無(wú)機(jī)械手換刀的臥式加工中心的立柱的正面； 圓盤(pán)式（頂端型）一、二則把刀庫(kù)設(shè)在立柱頂上。圓盤(pán)式（頂端型）二亦由刀庫(kù)傾斜朝上， 通過(guò)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)放平后，由機(jī)械手換刀。 3）鏈?zhǔn)降稁?kù) 如圖 4-1e 所示，這種刀庫(kù)是目前用的最多的一種形式。由一個(gè)主動(dòng)鏈輪， 帶動(dòng)裝有刀套的鏈條。 4）格子式刀庫(kù) 如圖 4-1f 所示，裝有刀套的格子架固定不動(dòng)，在它的前面由抓刀器在 上下、左右移動(dòng)（實(shí)則為 2 軸控制） ，根據(jù)指令把需要的刀具抓到與主軸換刀的位置上。換 刀后再把已用刀具送回原位，然后把下道工序?qū)⒁玫牡毒咚偷綋Q刀位置。這種刀庫(kù)的容量

48、大，適合于作為加工單元使用的加工中心上。 14 圖 4-1 刀庫(kù)種類(lèi) a)轉(zhuǎn)塔式 b)圓盤(pán)式（側(cè)掛式） c)圓盤(pán)式（頂端式）一 d) 圓盤(pán)式（頂端式）二 e)鏈?zhǔn)?f)格子式 15 4.24.2 刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.2.14.2.1 刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)及其工作原理刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)及其工作原理 圖 4.2 刀庫(kù)結(jié)構(gòu) 1伺服電機(jī) 2十字聯(lián)軸節(jié) 3蝸桿 4蝸輪 5氣缸 6 、7行程開(kāi)關(guān) 8撥叉 9擋塊 10滾子 11刀套 12圓盤(pán) 其工作原理： 這里采用 20 個(gè)刀位的圓盤(pán)式刀庫(kù)， （刀庫(kù)結(jié)構(gòu)圖參看圖 6）系統(tǒng)發(fā)出的 選刀指令后，直流伺服電動(dòng)機(jī) 1 接通，經(jīng)過(guò)十字聯(lián)軸器 2，傳到蝸桿 3、蝸輪 4，

49、再傳到刀盤(pán) 上 12 和安裝在圓盤(pán)上的 20 個(gè)刀套旋轉(zhuǎn)（這里只畫(huà)出一個(gè)刀套） 。 每個(gè)刀套尾部有一個(gè)滾子 10，待換刀具到達(dá)換刀位置時(shí)，使刀具向下轉(zhuǎn)到與主軸線平 行的動(dòng)作由氣缸 5 來(lái)完成。待換刀具所在刀套的尾部有一個(gè)滾子 10，在撥叉 8 的槽內(nèi)，當(dāng)活 塞桿帶動(dòng)撥叉上升時(shí)，放開(kāi)行程開(kāi)關(guān) 7，斷開(kāi)有關(guān)電路防止誤動(dòng)作，并使得刀套 11 逆時(shí)針轉(zhuǎn) 90 度，刀頭朝下，刀具軸線與主軸平行。其位置有由擋塊 9 來(lái)調(diào)整。 刀套下轉(zhuǎn) 90后，撥叉上升到終點(diǎn)，壓住定位開(kāi)關(guān)，發(fā)出信號(hào)使機(jī)械手抓刀。通過(guò)螺桿 可以調(diào)整撥叉的行程。而且撥叉的行程又決定刀具軸線相對(duì)主軸軸線的位置。 4.2.24.2.2 刀庫(kù)各零部

50、件結(jié)構(gòu)刀庫(kù)各零部件結(jié)構(gòu) （1）刀庫(kù)體如圖 4.3 所示 16 圖 4.3 刀庫(kù)體結(jié)構(gòu)示意圖 （2）刀架如圖 4.4 所示 圖 4.4 刀架結(jié)構(gòu)示意圖 （3）刀套如圖 4.5 所示 17 圖 4.5 刀套結(jié)構(gòu)示意圖 4.2.34.2.3 刀庫(kù)的裝配刀庫(kù)的裝配 刀庫(kù)裝配體主要有刀庫(kù)體，刀套裝配體（包括刀夾，刀套，刀具） ，刀庫(kù)手臂和一些聯(lián) 接件組成。由于整個(gè)設(shè)備的精度要求高，需要耐磨和抗疲勞強(qiáng)度高的材料，所以各零部件的 選材都是不銹鋼。以下所示圖形都為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。 圖 4.6 刀庫(kù)的裝配結(jié)構(gòu)圖 1-刀庫(kù)手臂 2-刀庫(kù)體 3、4-螺釘 5-銷(xiāo) 6-刀套裝配體 18 圖 4.7 刀套和刀架裝配示意圖 1

51、-刀夾 2-插銷(xiāo) 3-刀套 4.34.3 刀庫(kù)的設(shè)計(jì)計(jì)算刀庫(kù)的設(shè)計(jì)計(jì)算 刀庫(kù)存刀 24 把，刀具最大重量 10kg,即重 98 n。 4.3.14.3.1 刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選定刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選定 驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)，目前常見(jiàn)的方式有伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和液動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種。我國(guó)的加工中心多選 用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，故這里選定刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足刀庫(kù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的負(fù)載扭矩 tf 和啟動(dòng)時(shí)的加速扭矩 tj 的要求。 （1）按刀庫(kù)負(fù)載扭矩 tf 計(jì)算 圓盤(pán)式刀庫(kù)負(fù)載扭矩主要用來(lái)克服刀具重量的不平衡。估算是將三把最重的刀具挨在一起， 如圖 4.8 所示。按加工中心規(guī)格規(guī)定的最大刀具重量

52、wmax 計(jì)算，而其重心則設(shè)定為離刀庫(kù) 回轉(zhuǎn)中心半徑處。蝸桿傳動(dòng)受力分析圖如 4.9 所示。其中 d1、d2 分別為蝸桿與蝸輪的分度圓 直徑。由于篇幅與時(shí)間所限，蝸桿與蝸輪的設(shè)計(jì)計(jì)算省略，參考資料數(shù)據(jù)，取 d1=75mm,d2=185mm 刀具的重量3 10 9.8294()gn 刀庫(kù)所受的負(fù)載扭矩 3 331 1029497.3.tfn m 19 圖 4.8 圓盤(pán)式刀庫(kù)力的分布 圖 4.9 蝸桿傳動(dòng)受力分析 （2）刀庫(kù)加速扭矩 ta（n.m）計(jì)算 （4-1） 2 60 m aml j n tjj t 式中 刀庫(kù)選刀時(shí)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min） ； m n 加速時(shí)間，通常取 150200ms；

53、 j t 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣性 kg.m2,可查樣本； m j 負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量。 l j 取 =750r/min,取加速時(shí)間 150ms，=，因?yàn)樨?fù)載慣量要小于電動(dòng)機(jī)本身 m n m j 3 1.8 10 kg m 慣量的 3 倍（mitsubishi 推薦為 2.5 倍） 即= l j 3 0.72 10 kg m 所以， 33 3 22750 1.8 100.72 101.32n.m 6060 150 10 m aml j n tjj t （） （3）驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出扭矩 td 計(jì)算 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出扭矩 td 應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足負(fù)載扭矩 tf 和加速扭矩 tj 之和。將以上計(jì)算的刀 庫(kù)負(fù)載

54、扭矩和加速扭矩轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸上的輸出扭矩 td 的公式為 （4-2） fa d tt t i 20 式中 i電動(dòng)機(jī)軸至刀庫(kù)軸的速比； 傳動(dòng)效率。 在圓盤(pán)式刀庫(kù)上，為了提高刀庫(kù)的轉(zhuǎn)位分度精度，采用單頭雙導(dǎo)程。 即選定蝸桿頭數(shù)：=1 1 z 根據(jù)蝸桿頭數(shù)，取蝸桿的傳動(dòng)效率4： 1 0.7 查機(jī)械手冊(cè),取十字聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率3: 2 0.97 68 . 0 97 . 0 7 . 0 21 傳動(dòng)裝置總的傳動(dòng)比為 750 3 250 m n i n 所以, 97.3 1.32 48.3(. ) 0.68 3 f d tta tn m i 考慮到實(shí)際情況比計(jì)算時(shí)所設(shè)定條件復(fù)雜，電動(dòng)機(jī)額定扭矩 ts 應(yīng)

55、為負(fù)載扭矩 td 的 1.2- 1.5 倍,即 （4-3）t1.2 1.5 s d t 而且加速時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩 t 應(yīng)小于電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩 tmax,即 （4-4） max tt 最后再校驗(yàn)結(jié)果是否滿(mǎn)足下列關(guān)系式 （4-5） l j m j 選用能滿(mǎn)足以上三項(xiàng)條件的伺服電動(dòng)機(jī)即可。 4.3.24.3.2 刀庫(kù)傳動(dòng)方式及計(jì)算刀庫(kù)傳動(dòng)方式及計(jì)算 （1）刀套線速度 刀套線速度影響選刀效率，但是過(guò)快的線速度又影響刀庫(kù)工作可靠性。因此，選刀套線 速度 v=2230 m/min，計(jì)算是選 v=25m/min. （2）刀套傳動(dòng)方式 為使伺服電機(jī)在最佳狀態(tài)下工作，不采用伺服電機(jī)的低速段。在圓盤(pán)式刀庫(kù)上，為了 提高

56、刀庫(kù)的轉(zhuǎn)位分度精度，采用單頭雙導(dǎo)程蝸桿。這樣可以在使用中隨時(shí)調(diào)整蝸輪副的傳動(dòng) 間隙，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)位分度，保證刀庫(kù)工作的可靠性。 4.44.4 刀庫(kù)的選刀方式刀庫(kù)的選刀方式 現(xiàn)代加工中心刀庫(kù)，已不用刀套編碼或刀具編碼方式，而是由控制系統(tǒng)，根據(jù)最初輸入 的刀套號(hào)與刀具號(hào)，跟蹤記憶刀套與刀具的對(duì)應(yīng)號(hào)，并按程序指令準(zhǔn)確地調(diào)用所需刀具。 目前使用的刀庫(kù)的選刀方式，有如下二種： （1）刀套號(hào)與刀具號(hào)隨機(jī)變換方式 這是目前用得最普遍的方式。在第一次給刀庫(kù)裝 刀時(shí)，告訴控制系統(tǒng)刀套號(hào)和在該刀套上的刀具號(hào)（t）的對(duì)應(yīng)關(guān)系，那么控制系統(tǒng)就記 住這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系，而以后該刀具在使用 ，不一定送還到原來(lái)的刀套上，但是控制

57、系統(tǒng)仍能 記住該刀具號(hào)所在的新刀套號(hào)。這種方式有利于縮短換刀、選刀時(shí)間。由于這種方式經(jīng)常改 21 變刀具號(hào)與刀套浩的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以在重新起機(jī)床時(shí)，必須使刀庫(kù)回零，校驗(yàn)一下 crt 上顯 示的內(nèi)容與實(shí)際刀具插寸刀具插存情況。 （2）刀具號(hào)與刀套號(hào)固定對(duì)應(yīng)方式 在這種選刀方式中，插在刀套上的刀具，使用后 仍送還到原來(lái)的刀套上，亦即刀具號(hào)與刀套號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系始終不變。這種方式的好處在于， 易于掌握刀具情況，一看刀套號(hào)就能知道是什么樣的刀具。另一好處是可以安放的直徑 刀具，只要有意選擇相鄰刀套上無(wú)刀即可。但是，這種方式因?yàn)橛猛甑牡毒弑仨?送還給原來(lái)的刀套上后，才能移動(dòng)下一個(gè)要用的刀具到換刀位置，因此勢(shì)必

58、會(huì)增加換刀時(shí)間。 根據(jù)“近路”移動(dòng)原則。即無(wú)論上述哪種選刀方式，根據(jù)程序指令，把下序要用的刀具 移到換刀位置時(shí)，都向小于刀庫(kù)半圓的方向移動(dòng)，以節(jié)省選刀時(shí)間。 隨機(jī)變換方式的優(yōu)點(diǎn)是刀庫(kù)中刀具的排列順序與加工順序無(wú)關(guān)，相同的刀具可重復(fù)使用。 因此，刀具數(shù)量比順序選擇法的刀具可少一些，刀庫(kù)也相應(yīng)的小一些。 因此，選擇刀套號(hào)與刀具號(hào)隨機(jī)變換方式。 4.54.5 刀套準(zhǔn)停措施刀套準(zhǔn)停措施 如果刀套不能準(zhǔn)確地停在換刀位置上。將會(huì)使刀機(jī)械手抓刀不準(zhǔn)，以致在換刀時(shí)容易發(fā) 生掉刀現(xiàn)象。因此，刀套的準(zhǔn)停問(wèn)題，將是影響換刀動(dòng)作可靠性的重要因素之一。 為了確保刀套準(zhǔn)確地停在換刀位置上，需要采取如下措施： 1）定位盤(pán)準(zhǔn)

59、停方式由液壓油缸推動(dòng)的定位銷(xiāo)，插入定位盤(pán)的定位糟內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)刀 套的準(zhǔn)停。定位盤(pán)上的每個(gè)定位糟（或定位孔） ，都對(duì)應(yīng)于一個(gè)相應(yīng)的刀套，而且定位糟 （或定位孔）的節(jié)距要一致。 這種準(zhǔn)停方式的優(yōu)點(diǎn)是： 能有效地消除傳動(dòng)鏈反向間隙的影響。 保護(hù)傳動(dòng)鏈，使其免受換刀撞擊力。 驅(qū)動(dòng)電機(jī)可不用制動(dòng)自鎖裝置。 3）圓盤(pán)式刀庫(kù)宜采用單頭雙導(dǎo)程蝸桿傳動(dòng)。此外還應(yīng)盡可能提高刀套在圓盤(pán)上沿圓周 安裝的等分精度和徑向位置精度。刀套需要翻轉(zhuǎn)的刀庫(kù)，還要保證每個(gè)刀套翻轉(zhuǎn)的角度一致。 4）盡量減小刀套孔徑和軸向尺寸的分散度，以保證刀柄糟在換刀位置上的粥向位置精 度。 5）要消除反向間隙的影響。刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)鏈，必然會(huì)有傳動(dòng)間隙

60、，且這種間隙還隨機(jī) 械磨損而增大，這將影響刀套準(zhǔn)停精度。而對(duì)有定位盤(pán)的刀庫(kù)來(lái)說(shuō)，過(guò)大的間隙會(huì)影響定位 盤(pán)的正常工作，因此都必須設(shè)法消除反向間隙，其方法有以下幾種： 電氣系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)償方式。其原理同伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的“反向間隙補(bǔ)償”一樣，這種 方式能保證雙向任意選刀和雙向準(zhǔn)停。 在鏈輪軸上裝編碼器，對(duì)鏈輪傳動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)準(zhǔn)停。 單頭雙導(dǎo)程蝸桿傳動(dòng)方式。這種傳動(dòng)方式，通過(guò)調(diào)節(jié)蝸桿的軸向位置，把傳動(dòng)間隙調(diào) 到理想程度。在這種傳動(dòng)方式中，如果和加用定位銷(xiāo)準(zhǔn)停方式，就容易出現(xiàn)“過(guò)定位”現(xiàn)象。 使刀套單方向運(yùn)行、單方向定位方式。這是消除反向間隙影響的一個(gè)“苯方法” 。這 是，刀庫(kù)單向運(yùn)行方向，必須與機(jī)