数控铣床换刀装置的结构设计方案Word文档下载推荐.docx
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实现其多工序集中,减少零件在机床间的频繁搬运,降低工件的定位误差。
同时降低了工人的劳动强度。
减少了工装,缩短了新产品试制周期和生产周期,并可对市场需求做出快速反应。
4).为达到节省成本,结构紧凑,及提高准确性和可靠性,在满足需要的同时,选择最合适的刀库及换刀形式。
1.2数控机床的产生与发展
从1946年诞生石阶上第一台电子计算机,奠定了人类进入信息社会的基础。
更在1952年,计算机技术被应用到了机床上,并且因此产生了第一台数控机床。
数控机床的发展经历了两个阶段和六代的发展,如图1-1所示。
图1-1数控机床发展史
随着科学技术的发展,数控机床不断采用计算机,控制理论等领域的最新技术成就,它的性能也日益完善,应用领域不断扩大。
当前世界数控技术及其装备正朝着下述几个方向发展:
1高速
1)主轴转速:
机床采用电主轴,主轴最高转速达20000r/min。
2)进给速度:
它是指快速移动速度的高速化和切削进给速度的高速化。
3)运算速度:
微处理器为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保证。
4)换刀速度:
提高了在整个加工过程中更换刀具的时间。
2高效
1)依靠快速、准确的数字量传递技术对高性能的机床执行部件进行高精密度、高相应速度的实时处理,现在数控机床自动换刀时间最短可达0.5s以内。
采用新刀库和换刀机械手,使选刀动作更快速、可靠;
采用各种形式的交换工作台,使装卸工间的时间缩短;
采用快换夹具,刀具装置以及实现对工件原点快速确定等,缩短时间定额,实现高速化。
3高精度
精密化是为了适应高新技术发展的需要,也是为了提高数控机床的性能、质量和可靠性。
减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。
4高可靠性
高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上。
5模块化
为了适应数控机床多品种、小批量的特点,机床结构模块化,数控功能专门化,机床性能价格比显著提高并加快优化。
6智能化
采用自动控制
7柔性化和集成化
数控机床向柔性自动化系统发展的趋势:
从点、线向面、体的方向发展,另一方面注重应用性和经济性方向发展。
8开放性
便于不同数控系统生产厂家的技术通过开放式系统标准化。
1.3加工中心的组成与工作原理
1.3.1加工中心的定义
由机械设备与数控组成的适用于复杂形状工件加工的高效率自动化机床称为加工中心(MachiningCenter)。
1.3.2加工中心的组成
从主体上看,加工中心主要由以下几部分组成:
(1)基础部件
加工中心的基础结构是基础部件,它主要由床身,工作台,立柱三部分组成。
(2)主轴部件
由主轴电机、主轴箱、主轴共同组成主轴部件。
主轴轴承等部件组成,主轴是加工中心切削加工的功率输出部件。
主轴的旋转精度和定位的准确性,是影响加工中心加工精度的重要因素。
(3)数控系统
加工中心的数控系统由CNC装置、可编程序控制器和伺服系统以及面板操作系统组成,它是执行顺序控制动作和加工过程的控制中心。
CNC装置是一种位置控制系统,其控制过程是根据输入的信息进行数据处理、插补运算,获得理想的运动轨迹,然后输出到执行部件,加工出所需要的零件。
(4)自动换刀系统
换刀系统主要由刀库和换刀机械手组成,如需要进行换刀时,数控系统发出指令,由机械手从刀库中取出所需要的刀具装入主轴孔内,然后再把换下来的刀具放入刀库。
(5)辅助装置
包括润滑、冷却、防护、排屑、渡压、气动和检测系统等部分。
这部分虽然不直接参与切削运动,但是也是加工中心不可缺少的部分。
对加工中心的加工精度、加工效率和可靠性起着保障作用。
1.4加工中心的换刀装置
1.4.1ATC刀具自动换刀装置的基本要求
为完成对工件的多工序加工而设置的存储及更换刀具的装置称为自动换刀装置(AutomaticToolChanger,ATC)。
自动换刀装置的基本要求为:
1刀具换刀时间短并且可靠。
2刀具重复定位精度高。
3足够的刀具存储量。
4刀库占地面积小。
1.4.2刀具的选择方式
按数控装置的刀具选择指令,从刀库中将所需要的刀具转换到取刀位置,称为自动选刀。
在刀库中,选择刀具通常采用两种方法。
&
1.顺序选刀
在加工之前,将加工零件所需刀具按照工艺要求一次插入刀库的刀套中,顺序不能有差错,加工时按顺序调刀称为顺序选刀。
2.任选刀具
这种方法根据程序指令的要求任意选择所需的刀具,刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列,可以任意存放。
人选刀具有三种换刀方式:
a.刀具编码方式
b.刀座编码方式
c.附件编码方式
1.4.3选择选刀方式及其理由
从本次设计来看,主要是针对小型数控铣床的数控化改造。
通过调研分析得出,主要以适合加工批量较大、工件品种数量较少的中小型自动换刀数控机床。
本次设计刀库容量为6把刀。
可以完成按要求完成对工件的加工,并且由于其刀库的驱动和控制都比较简单,可以降低数控化改造的成本,比较经济使用。
1.5整体方案的初步设计
通过到学校实训基地考查,并且查阅资料以后初步如下图1.5-1
图1-2整体设计的初步草图
1-刀库运动机构箱体;
2-刀库传动轴;
3-刀盘;
4-机械手;
5-机械手传动轴;
6-液压缸
机械手的驱动方式及其运动方式:
机械手采用液压缸驱动,采用立式液压缸驱动机械手的升降,使用单叶片摆式液压马达驱动回转;
其整个机械手换刀运动过程可表述为:
逆转90°
---手臂下降拔刀---手臂回转180°
---手臂上升插刀---手臂顺转90°
---复位。
刀库的驱动方式:
刀库采用伺服电机,通过谐波减速器,联轴器,蜗轮蜗杆传动减速来驱动刀盘回转选刀。
由于所选用的伺服电机转速较高,所以初步考虑在输出到蜗杆之前增加减速器来降低转速。
然后通过蜗杆蜗轮进一步减速再驱动蜗轮,并且带动刀盘转动。
考虑到进行换刀时的刀具需要实现刀具的准停,所以在刀库的传动中,通过查阅文献资料,增加端面离合器,选用电磁式齿端离合器,并且使用定位销,使刀具能够进入准确位置,实现换刀的功能。
优缺点分析:
通过查阅VMC850小型数控加工中心,与所提出的设计方案。
前者采用刀库与主轴配合的形式进行换刀,其换刀时间久,但是相对结构简单。
其所能够存储的刀具量大,造成一定的资源及成本浪费。
而本设计所提出的是针对小批量多品种,符合现代成产需求的小型数控加工。
能够满足一般的工艺要求。
并且能够在针对老旧机床的数控化改造节省更多的成本。
2换刀机械手的设计
2.1换刀机械手的类型
机械手的形式多种多样,常见的有如图2-1所示的几种形式
图2-1机械手类型
1.单臂单爪回转式机械手
这种机械手的手臂可以回转不同的角度来进行自动换刀,其手臂上只有一个卡爪,不论在刀库上或是在主轴上,均靠这个卡爪来装刀及卸刀,因此换刀时间较长,如图2-1(a)所示。
2.单臂双爪回转式机械手
这种机械手的手臂上有两个卡爪,两个卡爪有所分工。
一个卡爪只执行从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务,另一个卡爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务。
其换刀时间较上述单爪回转式机械手要少,如图2-1(b)所示。
3.双臂回转式机械手
这种机械手的两臂上各有一个卡爪,两个卡爪可同时抓取刀库及主轴上的刀具,回转180°
后又同时将刀具放回刀库及装入主轴。
这种机械手换刀时间较以上两种单械手均短,是最常用的一种形式。
图2-1(c)右边的机械手在抓取或将刀具送入刀库及主轴上,两臂可伸缩。
4.双机械手
这种机械手相当于两个单臂单爪机械手,它们互相配合进行自动换刀。
其中一个机械手从主轴上取下“旧刀”送回刀库,另一个由刀库中取出“新刀”装入机床主轴,图2-1(d)所示。
5.双臂往复交叉式机械手
这种机械手的两手臂可以往复运动,并交叉成一定的角度。
一个手臂从主轴上取下“旧刀”送回刀库,另一个手臂由刀库中取出“新刀”装入主轴。
整个机械手可沿某导轨直线移动或绕某个转轴回转,以实现由刀库与主轴间的运刀工作,如图2-1(e)所示。
6.双臂端面夹紧式机械手
这种机械手只是在夹紧部位上与前几种不同。
前几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面来抓取刀具,这种机械手则是靠夹紧刀柄的两个端面来抓取的,如图2-1(f)所示。
最常用的一种换刀机械手形式,动作简单。
2.2换刀机械手类型的选择
本设计选择单臂双爪式机械手,又名扁担式机械手,为目前加工中心的主流。
这种机械手的拔刀、插刀动作、均由液压缸来完成,并可以根据要求改由液压来驱动。
该种机械手的优点是:
由伺服电机驱动,不需要较复杂的液压系统以及密封、缓冲机构、没有漏油现象,并且较其他种类机械手结构相对简单,具有一定的可靠性。
同时,机械手手臂的回转和插刀、拔刀的分解动作是联动的,部分时间可重叠,从而大大缩短了换刀时间。
2.3机械手与手爪的设计
2.3.1手爪计算
根据VMC850小型加工中心的刀具以及本次设计要求。
选择BT系列刀具,选择柄部型号为40的BT40刀柄作为设计对象。
通过查阅《数控刀具材料选用手册》其尺寸如下表2-1所示:
表2-1自动换刀机床用7:
24圆锥刀具柄部尺寸(GB/T10944-1989)
柄部型号
椎体
螺纹孔
凸缘
D1
l1
-0.3
R
-0.5
l2
l3
l4
d1
g
R1
D4
D5
x
y
40#
44.45
68.40
1.20
32
43
8.20
17
19
M16
1
56.25
63.55
3.75
3.20
其他
f
U
V
t
t1
j
w
b
R2
D3
D6
e
一般
特殊
15.90
19.10
11.10
22.80
25
18.50
0.12
16.10
44.70
50
72.30
35
图2-2刀具的结构与尺寸
位置计算:
D6-D5=72.30-63.55=8.75>
Φ7,测量与刀柄槽位置如图2-3所示
图2-3测量与槽位置
由图2-2可知量棒中心距:
D6-Ф7=72.30-7=65.30
量棒中心至D5距离:
为了能够保证手爪能够抓住刀柄
所以采用手爪切入口处:
因为OA=0.875所以
由图2-3所示计算:
则手爪结构图如下图2-4
图2-4机械手爪示意图
x=2.86mmy=7.07mmD5’=63.55mmD4’=56.25mm
2.3.2手爪锁的设计
在进行换刀动作时,机械手抓刀时,刀具在弹簧活动销的作用下被固定在刀爪上,防止在换刀过程中刀具因机械臂摆动掉落。
手爪具体形式下图2-5所示:
图2-5机械手臂和手爪结构图
1-弹簧;
2-锁紧销;
3-弹簧;
4-活动销;
5-固定爪
机械手在进行换刀动作时,先逆时针转动90°
抓刀。
使主轴及刀库附近的凸台压下锁紧销1,活动销4被解锁。
使刀具能够抓到刀柄,当刀具完全重合后,刀具被活动销锁紧。
整个机械手旋转角度较小,故刀柄压活动销受力简化等效如图2-6所示。
图2-6结构形式图
设计手爪口端点
到手爪中心轴线垂直距离为h=8mm,设锁轮直径为抓刀初始位置时,其弹簧的力由小变大再变小,即从B至E至A直至锁紧销锁住为抓刀完毕。
即取∠θ=30°
锁轮轮子的直径(即活动销直径)
,则有:
活动销的滚轮中心到手爪中心轴线的垂直距离为:
则活动销的行程:
活动销上的行程槽应大于活动销行程加上长销直径,根据《机械设计手册》选取长销直径
。
则行程槽长:
(取l=22),锁紧销材料为30钢,热处理硬度
,普通淬火(A型)表面氧化处理的圆柱销(GB/T119.2-2000)卡销直径选8mm(由机械设计课程设计手册第二版,吴宗泽)根据配合原理,则行程槽宽
我们可以设活动销主体宽
,高
,长
,活动销尾部到锁轮轮子中心距。
2.4弹簧的选择与计算
弹簧可分为几大类别,其可以分为拉伸、压缩、扭转与弯曲弹簧四个类别。
从形状上来说又可以分为螺旋弹簧、蝶形弹簧、环形弹簧、板弹簧等其他类别。
通过市场调查以及通过对本课题所设计机械手的分析,可以得出机械手上的弹簧所受的压力不大。
所以选择圆柱螺旋弹簧钢丝II类(GB/T1239.6-1992)。
初选直径d=1.6mm(机械设计教程P312-P318、P319)。
在机械手中,弹簧主要为压缩,中径选择为D=9mm查表GB/T1239.6-1992。
圆柱螺旋弹簧钢丝的许用应力,按三类弹簧B级来设计,查《机械设计教程》P322页表15-2/15-3。
可知许用应力[τ]=0.5σb,σb=785MPa。
旋绕比c=D/d=9/1.6=5.625。
确定圆柱螺旋弹簧钢丝直径d,根据旋绕比c=5.625,取(5~10)之间,据式子:
根据式:
得出
计算直径:
故初选弹簧直径符合要求。
确定弹簧有效参数如下:
取G=7.9×
103MPa,弹性模量E=206×
103MPa,λ为弹簧活动行程λ=5mm。
验算载荷变形:
实际可工作行程:
计算器与弹簧尺寸:
弹簧节距t:
弹簧螺旋升角α:
弹簧总圈数n1:
弹簧钢丝间距δ:
弹簧的自由高度H0,要求两端磨平并紧:
弹簧丝长度L:
验算稳定性:
满足稳定性要求。
绘制弹簧工作图,由机械设计教程表15-2知,对Ⅲ类受载弹簧,其工作极限载荷Flim≤1.12Fmax,取Flim=1.12Fmax=1.12×
99.78=111.7536N
按设计计算结果绘制弹簧工作图如图2-7所示。
图2-7弹簧工作图
2.5机械手尺寸的设计
首先从机械手装配来考虑,定手爪总长为82mm,活动销中心到连接螺钉(由于选用的是BT40#号刀柄)最大直径D6=72.30mm,所以考虑手爪宽度至少比D6要大,厚度暂定为20mm。
其尺寸如图2-8所示。
图2-8机械手爪尺寸图
如图所示,所以机械手总长为2×
(82+88+90)=260×
2=520mm。
通过查阅《机械设计教程》P179表8-2得出常用材料45钢的力学性能如下表2-2
表2-2常用材料及力学能
材料牌号
热处理
硬度/HBW
抗拉强度σb
屈服强度σs
弯曲疲劳极限σ-1
剪切疲劳极限τ-1
许用弯曲应力[σF]
备注
45钢
MPa
正火
170~217
590
295
255
140
55
回火
162~217
570
285
245
135
调质
217~255
640
355
275
155
100
应用最广泛
由表2-2可知45钢的抗拉强度σb=640MPa,屈服强度σs=355MPa,弯曲疲劳极限
σ-1=275MPa,剪切疲劳极限τ-1=155MPa,许用弯曲应力[σF]=100MPa。
由下图2-9可知机械手受力,其最大玩具发生在离连接轴最远处260mm处。
图2-9机械手受力图
根据弯曲强度计算公式:
得出
W—抗弯截面系数;
M—受到的最大的力,此处为重力;
由上图2-9分析可知,通过查阅《数控刀具材料选用手册》得知BT40刀柄最大可以达到十几千克。
结合实际。
一般使用的刀具为10kg。
所以:
所以,符合设计。
3液压传动的设计
3.1液压传动简介
液压传动与主机的设计是相互关联的,缺一不可。
两者往往同时进行,相互协调。
主机对液压系统的使用要求作为设计液压传动系统的依据。
系统的设计除了应满足主机要求的功能和性能外,还必须符合质量轻、体积小、成本低、效率高、结构简单、使用维护方便及工作可靠等要求。
因此,首先必须搞清楚下列问题:
1.机概况:
用途、主要结构、技术参数及性能、作业环境、工艺流程、总体布局;
2.液压系统应完成那些动作,动作顺序及彼此联锁关系如何;
3.液压驱动机构的运动形式,运动速度;
4.各动作机构的载荷大小及其性质;
5.对调速范围、运动平稳性、转换精度等性能方面的要求;
6.自动化程度、操作控制方式的要求;
7.对防火、防爆、周围介质、环境温度、风沙与尘埃、外界冲击振动、安全可靠性的要求;
8.对效率、成本等方面的要求。
从设计液压系统的出发点来说,液压系统必须有一定的可靠性。
从工作性能方面来说更着重于安全;
实际的设计工作则常常是两种观点不同程度的组合。
下图为液压传动系统设计的基本内容和一般流程。
液压缸的结构形式各不相同。
种类繁多。
在液压系统中,液压泵、液压阀绝大多数都已采用标准件,而液压缸却往往需要根据不同的用途,不同的使用条件、不同的性能需求进行设计,如图3-1所示。
图3-1液压传动系统设计的一般流程
3.2液压缸的设计
3.2.1液压缸的计算载荷
由上述条件,假定当机械手换刀时总重约为20kg。
作用在活塞杆上的外部载荷包括工作载荷,导轨的动、静摩擦和因速度变化而产生的惯性力。
主要有三个尺寸:
缸筒直径D,活塞杆外径d,缸筒长度L。
(1)缸筒内径D
液压缸的工作负载是指工作机构在满负荷情况下,以一定加速度启动时对液压缸产生的总阻力。
液压缸工作负载的计算公式为
式中Fe——负载(荷重);
Ff——摩擦负载;
Fi——惯性负载;
Fu——粘性负载;
Fs——弹性负载;
此处工作中仅受Fe—重力、Ff—摩擦、Fi—惯性。
重力载荷Fg
导轨摩擦载荷
μ查阅机械设计手册取μ=0.06。
外载荷Fw
除外载荷Fw外,作用于活塞杆上的载荷F还包括液压密封处的摩擦阻力Fm,一般其值为Fm=(1-ηm)F。
液压缸的机械效率一般为0.90~0.95。
通过查阅《液压传动与控制设计》手册得知液压缸不同负载时的工作压力如下表3-1:
表3-1按载荷选择工作压力
载荷/kN
<
5
5~10
10~20
20~30
30~40
>
工作压力/MPa
0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
≥5
则有:
所以根据计算值及表3-1,取工作压力P=0.8MPa=8×
105Pa。
3.2.2升降液压缸的设计
下图3-2中,图a为活塞杆受压示意图,图b为受拉示意图。
a图
b图
图3-2液压缸主要设计参数
所以,当液压缸受到外部载荷压力时,有
当液压缸受到外部拉力时,有
式中F-活塞杆所受到的有效外负载力;
-无杆腔活塞有效作用面积,m2;
-有杆腔活塞有效作用面积,m2;
p1-液压缸工作腔压力,Pa;
p2-液压缸回油腔压力,Pa;
即背压力,
其值可以按照表3-2取值;
D-活塞直径,m;
d-活塞杆直径,m。
表3-2执行元件背压力
系统类型
背压力/MPa
简单系统或轻载节流调速系统
0.2~0.5
回油路带调速阀的系统
0.4~0.6
回油路设置有背压阀的系统
0.5~1.5
液压缸在受压力的情况下工作;
活塞面积A1
则A1与A2的关系令Φ=d/D=0.5,则按表3-3按工作压力选取d/D
表3-2按工作压力取d/D
≤5.0
5.0~7.0
≥7.0
d/D
0.5~0.55
0.62~0.70
0.7
所以活塞直径D:
所以d=0.5D=25mm,其中p1与p2的值取自机械设计手册,其值如下表3-3、3-4
表3-3常用液压缸内径D
40
63
80
90
110
125
160
180
200
220
250
表3-4活塞杆直径d
速比
缸径/mm
1.46
22
28
45
3
60
70
所以从表3-3中选择:
D=80m
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