数控卧式镗铣床刀库机械手回转与装卸刀机构设计.docx

目 录1 绪论1 1.1题目背景和意义1 1.2数控镗铣床概述和结构组成1 1.2.1数控镗铣床的结构组成2 1.3国内外研究情况2 1.4本课题研究的主要内容3 1.4.1本课题研究的主要内容3 1.4.2 研究方案3 1.4.3 研究方法32 总体方案的确定.7 2.1 主要技术参数6 2.2 自动换刀装置的设计参数6 2.3 确定数控卧式镗铣床自动换刀装置的形式63 机械手8 3.1机械手的组成8 3.1.1执行机构8 3.1.2驱动机构8 3.1.3 控制系统9 3.1.4课题工作要求9 3.2机械手手部的结构的设计10 3.2.2夹紧力及驱动力的计算12 3.2.3 机械手手抓夹持精度的分析计算13 3.2.4 弹簧的设计计算13 3.3机械手腕部结构的设计15 3.3.1腕部的结构以及选择15 3.3.2腕部的设计计算15 3.3.3液压缸盖螺钉的计算17 3.4 臂部18 3.4.1 臂部结构形式19 3.4.2 臂部运动的导向装置19 3.5机械手机身的设计计算21 3.5.1机身的整体设计21 3.5.2 机身回转机构的设计计算22 3.6自动换刀机械手的滑座伸缩和手架回转运动机构244 刀具交换装置的设计26 4.1 换刀机械手抓刀部分结构26 4.2 机械手传动结构27 4.3 自动换刀过程的动作顺序28 4.4 自动换刀装置的相关技术要求29 4.4.1 主轴准停装置29 4.4.2 换刀机械手的安装与调试295 自动换刀装置的控制原理30 5.1刀库的控制30 5.2机械手的控制30结 论31致 谢32参考文献33毕业设计（论文）知识产权声明.34毕业设计（论文）独创性声明.35设计图纸和说明书联系QQ25766365381 绪论1.1题目背景和意义数控卧式镗铣床是一种具有自动换刀装置和任意分度数控转台的数字控制机床，工件在一次装夹后能自动完成几个侧面的多种工序的加工。数控卧式镗铣床刀库机械手回转与装卸刀机构用于主轴和刀库间的装刀与卸刀操作。良好的结构设计能够实现刀库与机床主轴之间刀具的快速装卸，提高机床的工作效率。 在车床、镗床、铣床、插、拉床、磨床、数控加工中心、齿轮加工中心、切断机床、特种加工机床、组合机床、柔性制造系统等众多机械加工设备中，镗铣床加工特点：加工过程中工件不动，让刀具移动，并使刀具转动（主运动），在实践中具有“万能机床”的称号1。镗铣床主要是刀具在工件上加工已有预制孔的机床。通常，刀具旋转为主运动，刀具或工件的移动为进给运动。它主要是用来加工高精度孔或一次定位完成多个孔的精加工，此外还可以从事与孔精加工有关的其他加工面的加工2。1.2数控镗铣床概述和结构组成数控镗铣床也称“加工中心”机床，是一种新型机床，是一种具有自动换刀装置和任意分度数控转台的点位-直线数字控制机床。工件在一次装夹后能自动完成几个侧面的钻、铣、镗、铰、攻丝等多种工序的加工，有立式和卧式之分。在机械零件中，箱体类零件占相当大的比重，例如变速箱、气缸体、气缸盖等3。这类零件往往重量较大，形状复杂，加工的工序多。如果能在一台机床上，一次装夹自动地完成大部分工序，对于提高生产率，提高加工质量和自动化程度将有很大的意义。箱体类零件的加工工序，主要是铣端面和钻孔、攻螺纹、镗孔等孔加工。因此，数控镗铣床集中了钻床、铣床和镗床的功能，有下列特点：a. 工序集中 集中了铣削和不同直径的孔加工工序。b. 自动换刀 按预定加工程序，自动地把各种刀具换到主轴上去，把用过的刀具换下来。因此，要有刀库、换刀机械手等。c. 精度高 各孔的中心距全靠各坐标的精度来保证，不用钻、镗模。有的机床，还有自动转位工作台，用来保证各孔各面间的角度。镗孔时，还可先镗这个壁上的孔，然后工作台转180度，再镗对面壁上的孔。两孔要保证达到一定的同轴度。1.2.1 数控镗铣床的结构组成a. 机床本体 数控镗铣床常按主轴在空间所处的状态，分为立式数控镗铣床和卧式数控镗铣床。机床本体是用来支撑机床的工作以达到加工生产目的，主要由床身和立柱组成。b. 主轴结构 主轴部件既要满足精加工时精度较高的要求，又要具备粗加工时高效切削的能力，因此在旋转精度、刚度、抗振性和热变形等方面，都有很高的要求。在布局结构方面，对于具有自动换刀功能的数控镗铣床，其主轴部件除主轴、主轴轴承和传动件等一般组成部分外，还有刀具自动加紧、主轴自动准停和主轴装刀孔吹净等装置。c. 数控转台 数控转台可以进行任意角度定位，它的功用有两个：一是使工作台进行圆周进给运动，二是使工作台进行分度运动。d. 换刀装置 数控镗铣床为了能在工件一次装夹中完成多种甚至所有加工工序，以缩减辅助时间和减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。其主要有刀库、横梁升降机构、滑座伸缩机构、手架回转机构、装刀手和卸刀手组成。e. 机床导轨 导轨主要用来支承和引导运动部件沿一定的轨道运动。在导轨副中，运动的一方叫运动导轨，不动的一方叫支撑导轨。运动导轨相对于支撑导轨的运动，通常是直线运动或回转运动4。1.3国内外研究情况当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展3,s。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，己形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在20世纪80年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早己成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。中国加入WTO后，正式参与世界市场激烈竞争，今后如何加强机床工业实力、加速数控机床产业发展，实是紧迫而又艰巨的任务5。随着数控镗铣床的发展，机床附件行业必须有与之相配套的产品，要能跟得上数控镗铣床的步调，数控镗铣床竞争是激烈的，机床附件行业竞争也是激烈的，但恶性的竞争终将给行业带来黑暗，机床附件行业急需公平的良性竞争6。 我国机床的功能部件虽然从“小件"、“配套件"的地位提升到“关键岗位"并受到重视，但一直是在“重主机、轻配套"，“重洋轻土"这样的大环境中逆水行舟、艰难成长。长期以来我们对功能部件关注不够，在功能部件上无所作为很难使我们的机床产业上一个台阶，购买国外的功能部件只能使我们的产业缺乏竞争力7 。我国滚动功能部件产业是土生土长的民族工业，有着40多年的发展历史，行业虽小（约60多家企业）却有一批从上世纪60年代“精密机床全国会战"中成长起来的骨干企业。在生产规模、硬件设施等方面与国外同行不相上下。再加上近几年出现的一批新生的企业，行业竞争越来越激烈，我们应为机床附件行业提供一个好的公平的竞争环境。这才能促进行业更进一步发展。 最近几年，随着国民经济快速稳定发展，装备制造业的振兴以及整个制造业技术升级和国防现代化需求加大，在固定资产投资较快增长的拉动下，我国机床附件工具市场呈现产需两旺的态势，代表装备制造业先进水平的数控机床生产更是乘势而上8。强劲的市场需求拉动，促使国内机床工具行业出现了产销畅旺的局面，机床附件行业在强大的需求之下也是如虎添翼，奋力前进9 。1.4本课题研究的主要内容1.4.1本课题研究的主要内容a. 了解刀库机械手回转与装卸刀机构的性能要求； b. 了解刀库机械手回转与装卸刀机构的工作原理，进行结构设计和计算分析； c. 设计指标：回转油缸摆动，带动手架回转，实现主轴和刀库间的换刀动作，手臂沿手臂座移动，完成拔刀和插刀动作； d. 应用CAD系统对系统零件和装配建模和仿真1.4.2研究方案a. 明确文章的研究内容，确定研究对象；b. 大量收集并查阅相关资料，力求条理清晰。1.4.3研究方法a. 坚持很好地全部阅读指导教师指定的参考资料、文献，并阅读了较多的自选资料和较多的外文资料，积极开展调研论证；b. 充分利用时间，提前学习专业软件，能够熟练运用CAD 软件进行设计、分析、加工等操作，使产品提前得到的方案可行性设计。c. 采用同其它同等机械类设备的类比，方案比较等方法，根据实际应用特征及现有的物质、经济技术、人力等条件，以所学的理论知识为基础，按照工业机械手工作的一般过程、设计标准。借鉴以往相似设备的成功经验进行初步设计然后对初步设计方案进行验算，修正，直至达到安全、经济、实用的目的。其中对于机械手设计中的关键问题、难点问题进行重点分析解决，确保整个设计方案的可行性和最佳性10。图1.1 刀库机械手回转与装卸刀自动换刀装置是数控加工中心在工件的一次装夹中实现多道工序加工不可缺少的装置,主要由刀库、机械手和驱动装置几部分组成。机械手和驱动装置是两个关键部分,根据驱动装置的不同,自动换刀装置可分为凸轮式、液压式、齿轮式、连杆式及各种机构复合式,其中以凸轮式用得较多11。图1.2刀库机械手回转与装卸刀机械手回转及装刀、卸刀机构，是用于主轴和刀库间的装刀、卸刀的换刀装置。回转油缸15摆动，带动手架3回转，实现向主轴和刀库换刀的动作。当拔刀油缸7通入压力油时，缸体连同手臂8沿手臂座22移动，完成拔刀和插刀动作。手臂8靠十字交叉滚子在手臂8的V字型导轨上移动。2 总体方案的确定2.1主要技术参数 a. 刀库容量：4-6 b. 选刀方式：顺序选刀 c. 重复精度： 5"数控卧式镗铣床主要由床身、升降台、工作台、立铣头、镗头、主传动、主变速、拉刀机构、液压系统、自动润滑系统、冷却系统、吊挂、电柜等部分组成。机床本身并不带自动换刀装置。自动换刀装置作为一套独立的、完整的机床部件，设计依据是该机床的型式、工艺范围及刀具的种类和数量等。2.2自动换刀装置的设计参数在铣削轮廓时，为了保证一次连续地加工出全部表面，应选用半径小于工件最小轮廓半径的刀具，而在实际的生产加工中，常尽量选用直径较大的铣刀，因为大直径铣刀刚性好，耐用度高。由数控卧式镗铣床推荐使用的最大切削范围可知，当铣切钢时，铣刀直径为10 mm。当铣灰铸铁时，铣刀直径达25mm。因此，为了满足该机床的实际加工能力与生产情况，在设计其自动换刀装置时，应该根据最大的刀具直径来设计，即设计的换刀装置能交换25mm的刀具。初估最大直径刀具的重量为8kg。2.3确定数控卧式镗铣床自动换刀装置的形式数控机床的自动换刀装置的结构形式多种多样，选择何种形式，主要取决于机床的种类、工艺范围以及刀具的种类和数量等。由于数控卧式镗铣床是一种使用范围较广的机床，且其可加工零件的精度要求也较高，比较上章介绍的几种换刀形式，决定选用带刀库的自动换刀形式。 带刀库的自动换刀装置是由刀库和刀具交换装置（换刀机械手）组成。它是多工序数控机床上应用最广泛的换刀装置，其整过换刀过程比较复杂。首先把加工过程中需要使用的全部刀具安装在标准的刀柄上，在机床外进行尺寸预调后，按一定的方式装入刀库。换刀时，先在刀库中进行选刀，由机械手从刀库和主轴上取出刀具，然后交换位置，把新刀插入主轴，旧刀放回刀库。存放刀具的刀库可具有较大的容量，它既可以安装在主轴箱的侧面或上方，也可以作为独立部件安装在机床以外。数控卧式镗铣床主轴箱上方没有好的安装位置，安装在机床外又要增加刀具运输时间，降低效率，所以安装在机床侧面最合适，有些部件交错的地方，作适当的调整。因为数控卧式镗铣床外形及其他性能参数等均与JCS018A数控立式镗铣床相似，所以本机床的自动刀装置的设计将仿效JCS018A数控立式镗铣床换刀装置，设计成由由盘式刀库和回转式双臂机械手组成。设计增加自动换刀装置后的数控卧式镗铣床的外观图如图2.1所示。图2.1 数控卧式镗铣床的外观图