自動換刀機械手設(shè)計【數(shù)控鏜銑床的自動換刀】【BT40型刀柄】
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一、選題背景
1. 國內(nèi)外數(shù)控機床的的發(fā)展情況
20 世紀90 年代以來, 數(shù)控加工技術(shù)得到迅速的普及和發(fā)展, 數(shù)控機床在制造業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。帶有自動換刀系統(tǒng)的數(shù)控加工中心在現(xiàn)代先進制造業(yè)中起著愈來愈重要的作用, 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)控機床中較為復雜的加工設(shè)備, 由于其具有多種加工能力而得到廣泛的應(yīng)用, 其強大的加工能力和效率得益于其配置的自動換刀裝置(A u2tom at ic Too l Changer)。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程中的非切削時間, 提高生產(chǎn)率, 降低生產(chǎn)成本, 進而提升機床乃至整個生產(chǎn)線的生產(chǎn)力。加工中心自動換刀裝置是實現(xiàn)多工序連續(xù)加工的重要裝置, 其結(jié)構(gòu)設(shè)計及其控制是實現(xiàn)加工中心設(shè)計制造的關(guān)鍵。加工中心的換刀過程較為復雜, 動作多, 動作間的相互協(xié)調(diào)關(guān)系多, 因而自動換刀系統(tǒng)性能的好壞直接影響加工效率的高低。
2. 加工中心發(fā)展簡史
1952年世界上出現(xiàn)第一臺數(shù)控機床,使多種產(chǎn)品、中小批量的機械加工設(shè)備在柔性,自動化和效率上產(chǎn)生了巨大變革。它用易于修改的數(shù)控加工程序進行控制,因而比大批量生產(chǎn)中使用組合機床生產(chǎn)線和凸輪、開關(guān)控制的專用機床有更大的柔性,容易適應(yīng)加工件品種的變化,進行多品種加工。它用數(shù)控系統(tǒng)對機床的工藝功能、幾何圖形運動功能和輔助功能實行全自動的數(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)中普通機床戰(zhàn)整個機械加工70%~80%的狀況。數(shù)控機床能實現(xiàn)兩坐標以上的聯(lián)動的功能,其效率和精度比用手工和樣板控制加工復雜零件要高的多。
自動換刀裝置的形式是多種多樣的,主要的組成部分是刀庫、機械手和驅(qū)動機構(gòu)等,雖然換刀過程、選刀方式、刀庫結(jié)構(gòu)、機械手類型等個不相同,但是在數(shù)控裝置及可編程控制器控制下,由電動機或液壓或氣動機構(gòu)驅(qū)動刀庫和機械手實現(xiàn)刀具的選擇與交換。我們把這種為實現(xiàn)多工序的連續(xù)加工,在加工中心或車削中心,可進行刀具的選擇與交換的裝置叫自動換刀裝置(automatic tool change 簡稱ATC)。
3. 加工中心的主要優(yōu)點
1)提高加工質(zhì)量
工件一次裝夾,即可實現(xiàn)多工序集中加工,大大減少多次裝夾所帶來的誤差。另外,由于是數(shù)控加工,較少依賴操作者的技術(shù)水平,可得到相當高的餓穩(wěn)定精度。
2)縮短加工準備時間
3)減少在制品
4)減少刀具費
5)最少的直接勞務(wù)費
6)最少的間接勞務(wù)費
7)設(shè)備利用率高
4. 加工中心的發(fā)展趨勢
加工中心亦同其他機床一樣,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)的進一步發(fā)展和新技能(如智能化技能等)的運用上。
1.高速化
加工中心的高速化,是只主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、自動換刀和自動交換工作臺的高速化。
2.進一步提高精度
加工中心的主要精度指標是它的運動精度指標。而這一精度指標,近年來有了不小的提高,其中精密加工中心精度指標的提高尤為明顯。所謂加工中心的運動精度,主要以定位精度、重復定位精度以及銑圓精度來表示。
3.機能更加完善
(1)愈來愈完美的自診斷機能
(2)新式刀具破損檢測裝置
(3)加工中心復合化趨勢
二、設(shè)計方案
(一)、 研究的主要內(nèi)容
加工中心換刀機械手的設(shè)計是在實現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋轉(zhuǎn)運動的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)其準確、快速、可靠、穩(wěn)定的換刀。設(shè)計得主要內(nèi)容如下:
1、根據(jù)目前常用的加工中心換刀機械手的換刀方式,對手臂伸縮與手指夾緊機構(gòu)、手架旋轉(zhuǎn)與手架伸縮機構(gòu)的設(shè)計提出幾種新的方案,并通過對所提出方案的論證分析,選擇一種較為理想的方案進行具體的設(shè)計。
2、對所選設(shè)計方案中換刀機械手的組成機構(gòu)及各個自由度運動的實現(xiàn)進行分析。
3、對加工中心換刀機械手的手指夾緊力進行分析與計算,并對其關(guān)鍵部位進行校核,以保證換刀的可靠性。
4、確定各個運動的驅(qū)動機構(gòu)。
5、對設(shè)計中所涉及到的液壓缸通過計算確定其個部分結(jié)構(gòu)的具體尺寸,并對個活塞桿的強度、穩(wěn)定性以及螺栓的強度進行校核,以保證加工中心換刀機械手能夠穩(wěn)定、可靠的完成換刀過程。
6、對設(shè)計中出現(xiàn)的齒輪、軸等重要零部件通過計算確定尺寸后,要進行安全校核。
7、設(shè)計出加工中心換刀機械手的控制系統(tǒng)部分,完善設(shè)計內(nèi)容。
(二)、初步設(shè)計方案
1.手臂伸縮與手指夾緊機構(gòu)
由于與機械、電力傳動相比,液壓傳動具有體積小、質(zhì)量輕、功率大運動平穩(wěn)的特點,并且因為液壓元件有自我潤滑作用,使用壽命長[5],所以在以下設(shè)計方案中,手臂伸縮運動及手指夾緊運動都采用液壓的驅(qū)動方式。并且由于兩手伸縮回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機械手的兩手可伸縮,縮回后回轉(zhuǎn),可避免與刀庫中其他刀具干涉,所以,以下設(shè)計方案中的換刀機械手為兩手伸縮回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機械手。
結(jié)構(gòu)設(shè)計方案
在此方案中,加工中心換刀機械手四個手指的運動分別由四個液壓缸單獨控制,這使得它運動的靈活性很強,其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。
圖2.1 手臂伸縮與手指夾緊機構(gòu)
2. 手架旋轉(zhuǎn)與手架伸縮機構(gòu)
結(jié)構(gòu)設(shè)計方案
此方案的主要特點是,手架旋轉(zhuǎn)軸與手架伸縮液壓缸之間通過一對角接觸球軸承來連接,由這對軸承向旋轉(zhuǎn)軸傳遞活塞桿的推力和拉力,實現(xiàn)手架的伸縮運動,并且保證手架旋轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)時也不會干擾到手架伸縮液壓缸。手架旋轉(zhuǎn)軸上開有很長的鍵槽,通過滑鍵與圓錐齒輪相連,這樣就可以使手架旋轉(zhuǎn)運動與手架的伸縮運動之間互不干擾。對于手架的旋轉(zhuǎn)運動,則采用電動機驅(qū)動方式,用延時繼電器控制電動機的起、停時間,并由單級圓錐齒輪將電動機的運動傳遞給手架旋轉(zhuǎn)軸,這在一定程度上簡化了加工中心換刀機械手的機械結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。
圖2.3 機構(gòu)
三、進度安排
(一)、第一階段(1-4周)
1、開題報告(含文獻綜述、參考資料等)
2.方案論證和方案設(shè)計
(二)、第二階段(5-11周)
1、完成第一張A0
2、完成第二張第三張的草圖繪制(包括主要結(jié)構(gòu))
(三)、第三階段(12-18周)
1、繪制要求的其余設(shè)計圖紙
2、撰寫說明書準備答辯
四、參考文獻
【1】沈陽市機床工業(yè)公司七·二一大學編著,《工業(yè)機械手》,遼寧人民出版社,1979
【2】工業(yè)機械手圖冊編寫組編著,《工業(yè)機械手圖冊》,機械工業(yè)出版社,1978
【3】李允文編,《工業(yè)機械手設(shè)計》,機械工業(yè)出版社,2009
【4】王永章,杜君文,程國全 主編.數(shù)控技術(shù)[M].高等教育出版社,2007.8;
【5】李建功,《機械設(shè)計》,機械工業(yè)出版社,2008
【6】廉元國 張永紅 加工中心設(shè)計與應(yīng)用[M] 北京:機械工業(yè)出版社,1995.12;
【7】王永華主編,《現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)》,北京航空航天大學出版社,2003
【8】(美)J達菲著,《機構(gòu)和機械手分析》,1990
【9】依蘭·歐克拉,比克·京.數(shù)控平面加工中心輪式刀庫自動換刀裝置的設(shè)計.成都紡織高等??茖W校學報.2000
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