开题报告-加工中心自动换刀机械手（ATC）结构设计.docx

毕业设计（论文）开题报告学生姓名专业机械171学号设计（论文）题目加工中心自动换刀机械手（ATC）的结构设计1.选题的意义加工中心自动换刀机械手（又称ATC）是加工中心机床上的工艺装备之一，可以 实现加工过程中不同切削工艺流程配套不同刀具的工艺需求，具有高效、快捷、节省 人力等特点，可以有效地保障产品加工工艺与质量要求，替代了传统的人工换刀操作 模式，提高了生产的效率，保障了产品的加工质量，提升了数控专用机床的技术附加 值。随着数控技术的发展和普及，加工中心的作用越发突显它的重要性。为进一步提 高数控机床的加工效率，数控机床正向着工件在一台机床一次装夹即可完成多道工序 或全部工序加工的方向发展，因此出现了各种类型的加工中心机床，如车削中心、镇 铳加工中心、钻削中心等等。这类多工序加工的数控机床在加工过程中要使用多种刀 具，因此必须有自动换刀装置，也就是所说的刀库，以便选用不同刀具，完成不同工 序的加工工艺。自动换刀装置应当具备换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀 具储备量、占地面积小、安全可靠等特性。2 .简述选题在该领域的水平和发展动态第一台加工中心是1958年由美国卡尼-特雷克公司首先研制成功的。它最初是从 数控铳床发展而来的。它在数控卧式链铳床的基础上增加了自动换刀装置，从而实现 了工件一次装夹后即可进行铳削、钻削、链削、较削和攻丝等多种工序的集中加工。 二十世纪70年代以来，加工中心得到迅速发展，出现了可换主轴箱加工中心，它备 有多个可以自动更换的装有刀具的多轴主轴箱，能对工件同时进行多孔加工。加工中 心（Machining Center）简称MC,是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状 工件的高效率自动化机床。加工中心又叫电脑锣。加工中心备有刀库，具有自动换刀 功能，对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心由于工序的集中和自 动换刀，减少了工件的装夹、测量和机床调整等时间，使机床的切削时间达到机床开 动时间的80%左右（普通机床仅为1520%）；同时也减少了工序之间的工件周转、搬 运和存放时间，缩短了生产周期，具有明显的经济效果。加工中心适用于零件形状比 较复杂、精度要求较高、产品更换频繁的中小批量生产。从换刀系统发展的历史来看，1956年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国 IBM公司同期也研制成功了 “APT”（刀具程序控制装置）。1958年美国K&T公司研 制出带ATC （自动刀具交换装置）的加工中心。1967年出现了 FMS （柔性制造系统）。 1978年以后，加工中心迅速发展，带有ATC装置，可实现多种工序加工的机床，步入了 机床发展的黄金时代。1983年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，自动 换刀系统便形成了统一的结构模式。目前国内外数控机床自动换刀系统中，刀具、辅 具多采用锥柄结构，刀柄与机床主轴的联结、刀具的夹紧放松机构及驱动方式几乎都 采用同一种结构模式。在这种模式中，机床主轴常采用空心的带有长拉杆、碟形弹簧 组的结构形式，由液压或气动装置提供动力，实现夹紧放松刀柄的动作。多主轴换刀这种机床没有传统的刀库和换刀装置，而是采用多个主轴并排固定在 主轴架上，一般为318个。每根主轴由各自的电动机直接驱动，并且每个主轴上安 装了不同的刀具。换刀时不是主轴上的刀具交换，而是安装在夹具上的工件快速从一 个主轴的加工位置移动到另一个装有不同刀具的主轴，实现换刀并立即加工。这个移 动时间就是换刀时间，而且非常短。由夹具快速移动完成换刀，省去了复杂的换刀机 构。奥地利ANGERG公司生产这种结构的机床，实现了切屑对切屑换刀时间仅为 0.4s,是目前世界上切屑对切屑换刀时间最短的机床。这种结构的机床和通常的加工 中心结构已大不相同，不仅可以用于需要快速换刀的加工，而且可以多轴同时加工， 适合在高效率生产线上使用。双主轴换刀加工中心有两个工作主轴，但不是同时用于切削加工。两个主轴交替 将刀送到工作位置，一个主轴用于加工，另一个主轴在此期间更换刀具。在需要换刀 时，加工的主轴迅速退出，换好刀具的主轴立即开始加工。由于两个过程可以同时进 行，换刀时间实际就是已经装好刀具的两个主轴的换位时间，使辅助时间减少到最少, 也即机床切屑对切屑换刀时间达到最短，这样每个主轴换刀时间的长短对加工几乎没 有影响。每个主轴的换刀装置和普通加工中心一样。由于有两个主轴，这种机床的刀 库和换刀机械手可以是一套，也可以是两套，如德国AlfingKessler公司生产的加 工中心采用双主轴系统，使用一套刀库和换刀机械手；而德国Hornsbeng一Lamb公 司生产的HSC500、HSC630和HFC630加工中心有两个主轴和两套换刀系 统，两个主轴可以用1 . 0 1 . 5s的时间移动到加工位置并启动加速到加工的最大速 度，具体的交换时间取决于机床的尺寸。刀库布置在主轴周围的转塔方式，刀库布置在主轴的周围刀库本身就相当于机械 手，即通过刀库拔插刀并采用顺序换刀，使机床切屑对切屑换刀时间较短。这种方式 如果要实现任意换刀，则换刀时间将随所选刀在刀库的位置不同而长短不等，最远的 刀可能换刀时间较长，因此，这种方式作为高速自动换刀装置最好采用顺序选刀的方 式。多机械手方式刀库同样布置在主轴的周围，但采用每把刀有一个机械手的方式使 换刀几乎没有时间的损失，并可以采用任意选刀的方式。德国CHIRON公司生产这 种结构的机床。其刀库布置在加工主轴的周围可随主轴一起移动，每一个刀具有一套 换刀机械手，这样换刀时就几乎没有时间的损失，实现了切屑对切屑换刀时间仅为 1.5s,是目前世界上单主轴机床切屑对切屑换刀时间最短的加工中心。加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制的机床按不同 工序自动选择、更换刀具，自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、 链、铳、较、攻丝等多种工序。因而大大减少了工件装夹时间，测量和机床调整等辅 助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的 经济效果。3 .设计（论文）所要设计、研究的内容及可行性论证3.1 设计、研究内容（1）分析和掌握加工中心自动换刀机械手装置中采用的各类组成机构的工作原 理及其技术特点，确定加工中心自动换刀机械手技术设计方案并完成方案论证说明。（2）完成加工中心自动换刀机械手的组成机构的分析，以及加工中心自动换刀 机械手的工作循环图设计与计算。（3）加工中心自动换刀机械手总体组成结构布局的确定，完成该装置的结构设 计、所设计样机的总装图、关键组成结构的部装图，以及样机的结构三维设计；完成 典型零件的结构设计。（4）加工中心自动换刀机械手的传动系统组成构件的力学分析，以及该装置中 关键机械零部件的力学性能分析。（5）控制用电机、轴承、联结组件等标准件与通用件的选用，以及加工中心自 动换刀机械手所采用控制系统说明。3.2 可行性论证：至于本课题所设计的加工中心自动换刀装置设计可行与否，我们可以通过对其整 个换刀过程的分析来得出结论。该加工中心的换刀过程主要是靠主轴的运动来实现 的，刀盘只起到转动选刀的作用，刀具的加紧与松开要靠气压传动系统来实现。由此 可以确定整个换刀过程所涉及到的动作采用该换刀装置是完全可以实现的。并且符合 换刀装置所应满足的以下基本要求：刀具换刀时间短且换刀可靠；刀具重复定位精度 高；具有足够的刀具储存量；刀库占地面积小。所以采用该种换刀装置既经济又方便, 设计合理完全具备设计可行性应具备的要求。4 .主要关键技术、工艺参数和理论依据本次设计采用双臂回转式机械手，这种机械手的两臂各有一个卡爪，可同时抓取 刀库及主轴上的刀具，在回转180。之后有同时将刀具归回刀库及装入主轴，是目前加 工中心机床上最为常用的一种形式，换刀时间非常短。主要技术参数：（1）刀柄型号为标准刀柄；（2）刀具最大直径120nlm；（3）刀具 最大重量1.5kg ； （4）换刀时间3.5s；（5）选刀方式为任选。5 .设计(论文)的研究特色和创新之处加工中心自动换刀机械手是自动换刀装置中交换刀具的主要工具，它担负着把刀 库上的刀具送到主轴上，再把主轴上已用过的刀具返回刀库上的任务。设计思路是用 机械手的动作来实现对加工中心的换刀，机械手的转动通过伺服电机驱动齿轮传动实 现转动，通过伺服系统精准定位；手臂的升降通过气缸升降实现。动作顺序为：气缸收回带动整个机械手向左移动一伺服电机驱动齿轮B转动，齿 轮B与齿轮A啮合，带动机械手整体顺时针旋转到90。停止一气缸伸出同时机械手上 的卡爪A卡住加工中心主轴上的刀具，卡住B卡住刀具库下一工序准备要使用的刀具 一气缸收回一伺服电机驱动齿轮使机械手整体逆时针转动180。一气缸伸出，卡爪A中 的刀具送回刀库中，卡爪B中的刀具安装到主轴上一气缸收回一机构顺时针旋转90 度一气缸伸出停止等待下一次运行。6 .主要参考文献尹智龙.FANUC加工中心自动换刀及长度补偿的问题研究J.内蒙古科技与经济,201 9(03):82-83+86.孔宪玉.自动换刀机械手在数控技术中的应用J.价值工程,2017,36(29):198-199.汪庆群，一种数控机床自动换刀装置及方法.安徽省，安徽新诺精工股份有限公司,2 017-07-28.图梁辰.凸轮式自动换刀机械手的刚柔耦合动力学研究D.陕西科技大学,2017.5周树强.QP2033-L立式加工中心自动换刀故障分析与排除J.成都航空职业技术学 院学报,2016,32(03):55-57.李尧，胡敏，汪金华.西门子840D刀库管理功能在FMH800加工中心中的应用J.科技 创新与应用,2016(25):137.7王盟.链式刀库换刀控制和液压控制设计分析J.山东工业技术,2016(12):237.网张跃明，孙庆，杨伯金.基于PLC的链式伺服刀库控制系统研究J制造业自动化,2015, 37(19):82-84.9曹叶林.叶片五轴加工中心换刀系统维修调整A.中国机械工程学会设备与维修 工程分会.2015年中国机械工程学会设备与维修工程分会学术年会论文集C.中国 机械工程学会设备与维修工程分会:中国机械工程学会,2015:2.10马彬,方学舟，罗敏，何晓波.加工中心随机自动换刀方式的实现J.装备维修技术,201 5(03):71-79.11曹叶林.叶片五轴加工中心换刀系统维修调整J.设备管理与维修,2015(S2):244.张继红.数控自动换刀机械手的运动分析J.四川职业技术学院学报,2015,25(04): 15 6-157+160.13杨伯金，张跃明,牟宏明，杨宇.盘式伺服刀库自动换刀控制系统设计J.制造业自动 化,2015,37(08):119/21+148.14高海斌.定梁五面体加工中心液压立卧自动换刀装置的PLC控制研究D.浙江工 业大学,2015.15王广强.高速加工中心自动换刀装置研究D.河北工业大学,2015.16范芳洪.TK42200数控键铳床增加刀库的改造J.组合机床与自动化加工技术,2014 （11）:153-155+160.17陈琳，刘超，张秋杰,潘海鸿.特种复合加工中心盘式刀库自动换刀控制系统研究J. 组合机床与自动化加工技术,2014（06）:73-75.18许森森.磨削加工中心自动换刀装置的设计与分析D.湘潭大学,2014.19万科含.加工中心自动换刀机械手机构可靠性分析研究D.东北大学,2014.20刘超.双转台式五轴联动开放式数控系统软件开发D.广西大学,2014.实施方案和时间安排（按教学周次安排）：查阅资料、开题报告第1周第2周设计计算（实验）第3周第5周绘图（数据处理）第6周第12周撰写说明书（论文）第13周第14周上交设计（论文）第14周评阅、答辩第14周指 导 教 师忌 见签字：年 月日系(专业)领导小组意见组长签字：年 月日备 注注：此表由学生填写，中间页不足时，另附纸。