毕业设计JCS013型数控卧式镗铣床刀库设计.docx
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毕业设计JCS013型数控卧式镗铣床刀库设计
毕业设计--JCS-013型数控卧式镗铣床刀库设计
密级:
内部
JCS-013型数控卧式镗铣床刀库设计
JCS-013TypeNCHorizontalBoringAnd
MillingMachineToolStoreDesign
学院:
机械工程学院
专业班级:
机械设计制造及其自动化0705班
学号:
070101152
学生姓名:
指导教师:
2011年6月
摘要
90年代以来,数控加工技术得到迅速的普及发展,高速加工中心作为新时代数控机床的代表,已在机床领域广泛。
自动换刀刀库的发展俨然已超越为数控加工中心配套的角色,在其特有的技术领域发展出符合机床高精度、高效率、高可靠度及多任务复合等概念的独特产品。
本课题是链式刀库的总体设计、传动设计、结构设计以及传动部分的运动和动力设计。
这种刀库在数控加工中心上应用非常广泛,其换刀过程简单,换刀时间短;总体结构简单、紧凑,动作准确可靠;维护方便,成本低。
本课题的目的就是要通过对JCS-013型数控卧式镗铣床刀库的优化设计以提高换刀速度,减少助助时间。
在进行设计时,采用了系统化设计方法,将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统,每个设计要素具有独立性,各个要素间存在着有机的联系,并具有层次性,所有的设计要素结合后,即可实现设计系统所需完成的任务。
在借鉴和参考大量有关刀库的机械结构后,结合实际情况,决定采用链式刀库双手式机械手换刀方案,根据机械设计与机械原理等有关知识对JCS-013型数控卧式镗铣床刀库进行设计,采用AutoCAD2004中文版对刀库及关键零件进行绘制。
关键词:
加工中心;刀库;数控加工
I
Abstract
Sincethe1990s,CNCmachinetechnologyhasmadetherapidanduniversialdevelopment,asaneweraoftherepresentativesofNCmachinetools.High-speedprocessingcenterhasbeenwidelyusedinthefieldofmachinetools.ThedevelopmentofautomaticToolChane,toolhouseinrecentyearsseemstohavegonebeyondtheNCCenterforsupportingtheroleoftechnologyintheiruniqueareasofdevelopmenttomeetthehigh-precisionmachinetools,highefficiencyandreliability,andmorecomplextasks,suchastheconceptofuniqueproducts.Thetoolhouseasaprocessingcenteroneofthemostimportantpart,ithasadirectbearingonthedevelopmentoftheprocessingcenter’sdevelopment.Thispapercompletedtheoveralldesign,transmission
design,structuredesignandthetransmissionpart’smovementanddynamicdesignoftheswordlibrary.SuchatoolhouseintheCNCMachineCenteriswidelyused,thetoolchangeissimple,,toolchangetimeisshort;overallstructureissimpleandcompact.Actionisaccurateandreliable;convenientmaintenanceandlowcost.
ThepurposeofthisprojectistoimprovethespeedofthetoolschangeandreduceauxiliarytimethroughtheoptimizationdesignoftheJCS-013typeNChorizontalboringandmillingmachinetoolstore.
Indevelopingthedesign,Ihaveadoptedthesystematicdesignmethod.Thedesignisregardedasasystemwhichisconsistedofseveraldesignelements.Eachdesignelementsisindepend,butthereistheorganicrelationbetweenthemandtheyareofdifferentlevels.Thesystemcanrealizetherequiredtaskafterthatallthedesignelementscombined.
Accordingtoactualcondition,Iintroducethechainknifelibraryofrobothandscutterreplacementplanafterreferencingtothevastlibrarymechanicalstructureofthesword.AccordingtotheMechanicalDesign,theMechanicalPrincipleandotherrelevantknowledge,therearesomedesignsaboutJCS-013typenchorizontalboringandmillingmachinetoolstoreandIhavedrewthekeypartsoflibraryusingAutoCAD2004.
Keywords:
machiningcenter;Toolhouse;NC
II
摘要...................................................................................................................IAbstract....................................................................................................................II
第1章绪言...........................................................................................................1
1.1本课题在国内外的研究动态...........................................................................1
1.1.1刀库产品目前的水平................................................................................2
1.1.2刀库系统的发展趋势................................................................................3
1.1.3刀库系统的发展方向................................................................................31.2课题的目的、意义和开展研究工作的设想....................................................4
1.2.1课题的目的................................................................................................4
1.2.2开展研究工作的设想................................................................................4
1.2.3课题设计方案的选择和设计手段.............................................................5
第2章刀库传动系统设计......................................................................................7
2.1刀库主要设计参数...........................................................................................72.2刀库驱动液压马达的选择...............................................................................7
2.2.1刀库负载转矩TF计算..............................................................................7
2.2.2确定液压马达转数....................................................................................92.3传动齿轮的设计............................................................................................10
2.3.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数................................................10
2.3.2按齿面接触强度设计..............................................................................11
2.3.3几何尺寸的计算......................................................................................14
2.3.4按齿根弯曲强度进行校核.......................................................................152.4传动轴的设计................................................................................................16
2.4.1初步确定最小轴颈及所用材料...............................................................16
2.4.2轴的结构设计..........................................................................................16
2.4.3轴的强度校核..........................................................................................172.4轴承寿命校核................................................................................................24第3章刀库准停系统的设计................................................................................26
第4章链传动系统的设计....................................................................................29
4.1链轮、链条的计算及链轮中心距的确定......................................................29
III
4.2刀库链条的张紧............................................................................................31
第5章结论.........................................................................................................32
参考文献.................................................................................................................33
致谢.......................................................................................................................34
IV
第1章绪言
1.1本课题在国内外的研究动态
随着中国经济的快速发展,进入21世纪,我国机床制造业既面临着提升机械制造业水平的需求而引发的制造装备发展的良机,也面临着加入WTO后激烈的市场竞争的压力。
从技术层面上讲,加速推进数控技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。
数控机床及由数控机床组成的制造系统是改造传统产业、构建数字化企业的重要基础装备,它的发展一直备受人们关注。
数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目,它开创了机械产品机电一体化发展的先河,因此数控技术成为先进制造技术中的一项核心技术。
另一方面,通过持续的研究,信息技术的深化应用促进了
【】1数控机床的进一步提升。
随着数控技术的发展,采用数控系统的机床品种日益增多,有车床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。
此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。
数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成,输入数控装置的程序指令记录在信息载体上,由程序读入装置接收,或由数控装置的键盘直
[2]接手动输入。
随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展,数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化,具备完善的自诊断功能,可靠性也大大提高,数控系统本身将普遍实现自动编程。
未来数控机床的类型将更加多样化,多工序集中加工的数控机床品种越来越多;激光加工等技术将应用在切削加工机床上,从而扩大多工序集中的工艺范围;数控机床的自动化程度更加提高,并具多种监控功能,从而形成
[3]一个柔性制造单元,更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。
数控机床为了进一步提高生产率,进一步压缩非切削时间,现代的机床逐步发展为在一台机床上一次装夹中完成多工序或全部工序的加工。
数控机床为了能在工件一次装夹中完成多个工步,以缩减辅助时间和减少多次安装工件引起的误差,通常带有自动换刀系统。
对工件的多工序加工而设置的存
1
储及更换刀具的装置称为自动换刀装置(AutomaticToolChanger,ATC);自动换刀(AutomaticToolChange简称ATC)系统由控制系统和换刀装置组
,6成。
在数控镗铣床的基础上,如果再配以刀具和自动换刀系统,就构成加工中心(Machiningcenter简称MC)。
在这类数控机床上,自动换刀装置
[4](ATC)是必不可少的。
例如加工中心机床又称多工序自动换刀数控机床,它主要是指具有自动换刀及自动改变工件加工位置功能的数控机床,具有自动换刀装置是加工中心机床的典型特征,是多工序加工的必要条件。
自动换
[5]刀装置的功能,对整机的加工效率有很大的影响。
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。
本课题中的JCS-013型数控卧式镗铣床将采用的是带刀库的自动换刀形式。
1.1.1刀库产品目前的水平
在此概念基础下,刀库产品的发展现况为:
(1)超重刀库的发展:
发展出刀链系统能承载重量70kg以上之超重刀具,
拥有强力锁刀装置的稳定刀链架构,可防止重型刀具于运转中坠落。
(2)高效率且定位精度的驱动及选刀系统的发展:
发展出高精度系统配置以
及高质量、高定位精度的伺服电动机及减速器,以符合选刀迅速、换刀
精确的主要性能需求。
(3)多型式刀具容载刀库的发展:
发展出同时可容纳多种型式刀具(如ISO50
及ISO60)的刀链系统,也被视为是必须时常变换使用多种主轴的加工
中心的必备装置。
(4)不同型式刀及其任意点换刀系统的发展:
可以同时夹取不同型式刀具
(如ISO50及ISO60),因应需求必须有不同的刀具。
为了缩短换刀时
间,多点式或任意点式换刀系统是有必要的。
(5)轻量化、低成本架构刀库的发展:
发展出轻量化的塑钢射出刀套架构,
整体重量较传统刀库减轻100kg以上,成本大幅降低的刀库。
(6)大型及高容量刀库的发展:
在机床多功能趋势演化下,大量的刀具被使
用在同一台机床上,刀库的架构必须兼顾换刀效率及储刀效能,多变的
刀库型体(可容纳120/180/200把以上刀具)及多样精密的换刀系统(如
[6]各种立式、卧式、立卧单点及多点式换刀系统),是其主要的特色。
2
1.1.2刀库系统的发展趋势
近年来刀库的发展俨然已超越其为装备的角色,在特有的技术领域中发展出符合工具机高精度、高效能、高可靠度及多任务复合等概念产品,多样化产品,左右工具机在生产效能及产品精度的表现。
刀库的容量、布局,针对不同的工具机,形式也有所不同。
根据刀库的容量、外型和取刀的方式可
[7]大概分为斗笠式刀库、圆盘式刀库、链条式刀库。
其发展趋势为:
(1)高效能的产品
发展符合高荷重、高容量、高速化概念的刀库产品。
(2)轻量化、低成本的产品
发展符合重量轻、成本低概念的刀库产品。
1.1.3刀库系统的发展方向
刀库系统作为自动化加工过程中所需的储刀及换刀需求的一种装置,为数控机床缩短机床非切削时间,降低劳动强度提供了必要条件,是数控机床的重要的功能部件,必将向以下几个方向发展。
一方面随着主机的“单机多任务复合化”发展,刀库也必将向容量大、结构精、速度快、效率高的方向发展,以适应主机的高转速、高精度和强力切削的机械特性。
此类刀库大部分为卧式刀库,有下面几个特点:
(1)可远距离传输。
(2)换刀时可同步打刀,缩短换刀时间。
(3)大容量且可扩充。
(4)高效且精准的驱动和选刀系统。
(5)控制系统复杂
(6)刀具重量大。
比如适合五轴联动的立卧转换伺服刀库。
而另一方面,刀
库仅作为单纯的储刀仓功能存在,主轴主动抓刀的“固定地址换刀”刀
库也是发展的方向之一,此时刀库好比数控系统的一个控制轴,仅有旋
[8]转定位功能,如立车刀库、转盘刀库等。
尤其以40盘式刀库为代表,换刀速度和刀库重量已经成为衡量刀库性能的主要参数之一,比如,吉辅40盘式刀库的换刀速度1.1s,重量已经降到295kg。
在选材上更环保,在制作过程中减少消耗,使用过程智能、安全等也
3
是刀库发展的方向之一。
1.2课题的目的、意义和开展研究工作的设想
1.2.1课题的目的
未来工具机产业的发展,均以追求高速、高精度、高效率为目标。
随着切削速度的提高,切削时间的不断缩短,对换刀时间的要求也在逐
步提高;换刀的速度已成为高等级工具机的一项重要指标。
本课题的目
的就是要通过对刀库的优化设计以提高换刀速度,减少助助时间。
1.2.2开展研究工作的设想
为了达到减少辅助加工时间目的,综合考虑工具机的各方面因素,在尽
可能短的时间内完成刀具交换一般强调换刀速度快的卧式机台,皆有几个特
点:
1.刀臂短2.刀臂不一定成直线3.两刀可能互相垂直4.凸轮箱小且可移
动。
其主要目的是要让换刀时,可动件之转动惯量小,以达到快速换刀之目
的。
该技术包括刀库的设置、换刀方式、换刀执行机构和适应高速工具机的
结构特点等。
(1)提高换刀速度的基本原则
工具机的换刀装置,通常由刀库和换刀机构组成,有些应用机械手臂换
刀,有些换刀方式并不需要机械手臂,刀库的形式和摆放位置也不一样。
为
了适合高速运动的需要,高速工具机在结构上已和传统的工具机不同。
以刀
具运动进给为主,减小运动工件的质量,已成为高速工具机设计的主流。
因
[9]此,设计换刀装置时,要充分考虑到高速工具机的结构特征。
(2)提高换刀速度的主要技术方法
适合于工具机的快速自动换刀技术主要有以下几个方面:
在传统自动换
刀装置的基础上提高动作速度,或采用动作速度更快的机构和驱动元件。
例
如,机械凸轮结构的换刀速度高于液压和气动结构。
根据高速工具机的结构
特点设计刀库和换刀装置的形式和位置。
例如,传统工具机的刀库和换刀装
置多装在立柱一侧,在高速工具机则多为立柱移动的进给方式,为减轻运动
件质量,刀库和换刀装置不宜再装在立柱上。
采用新方法进行刀具快速交换,
不用刀库和机械手方式,而改用其它方式换刀。
例如不用换刀,用换主轴的
方法。
使用适合于高速工具机的刀柄。
如HSK刀柄质量轻,装卸刀具的行
4
程短,可以使自动换刀装置的速度提高。
快速自动换刀装置采用HSK空心
短锥柄刀是发展的趋势。
1.2.3课题设计方案的选择和设计手段
I设计方案选择
刀库是刀具交换系统的一部分,加工中心的刀具交换系统也称为自动换
刀装置(ATC),它通常是由刀库和机械手组成。
自动换刀装置是加工中心不
可缺少的组成部分,也是加工中心的象征,又是加工中心成败的关键。
加工中心有立式、卧式、龙门式几种,所以这些机床的
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