JCS-018A 立式加工中心盤式刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計目的和要求1、通過在網(wǎng)上查找資料，理解其結(jié)構(gòu)和工作原理，并以此為模板運用 UG設(shè)計出加工中心及刀庫的機械結(jié)構(gòu)，并且進行運動仿真2、掌握加工中心刀庫及其換刀系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計思路3、通過畢業(yè)設(shè)計培養(yǎng)綜合運用所學(xué)的基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)知識、基本技能和實習(xí)內(nèi)容進行分析和解決問題的能力；使理論與實踐緊密的結(jié)合主要內(nèi)容及應(yīng)完成的工作主要內(nèi)容： 1 了解加工中心刀庫及其換刀裝置的結(jié)構(gòu)，工作原理2 用 UG 畫出各個零件的三維圖形3 在 UG 中裝配各個零件并進行運動仿真4 按要求撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書應(yīng)完成的工作：1、畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 2、開題報告 3、文獻綜述 4 外文翻譯5、畢業(yè)設(shè)計正本（包含畢業(yè)設(shè)計說明說文本、機械壽命測試臺的三維模型、設(shè)備動畫演示文件、設(shè)備的部分零件圖紙等） 。進度安排2014 年 1 月 25 日——2014 年 3 月 10 日 完成各種相關(guān)資料的查詢和收集，學(xué)習(xí)并且熟練使用 UG 三維繪圖軟件。2014 年 3 月 11 日——2014 年 4 月 1 日 完成設(shè)計任務(wù)書、開題報告、文獻綜述、外文翻譯等文本的編寫和加工中心刀庫及其換刀裝置結(jié)構(gòu)的認識及各部分尺寸的測量。2014 年 4 月 2 日——2014 年 5 月 10 日 完成加工中心刀庫及其換刀系統(tǒng)的三維建模、運動仿真，編寫設(shè)計說明書。2014 年 5 月 11 日——2014 年 5 月 20 日 整理資料，準備答辯。應(yīng)收集的資料及主要參考文獻查閱網(wǎng)上、圖書館的期刊及相關(guān)書籍資料共計 20 余篇。備注注：1、學(xué)生進行畢業(yè)論文（設(shè)計）前，指導(dǎo)教師應(yīng)填好此任務(wù)書，經(jīng)教研室、部（系）主任簽字后，正式給學(xué)生下達任務(wù)。2、若是課題組共同完成一項大任務(wù)應(yīng)在備注欄內(nèi)填寫同組設(shè)計者名單。國家計算機集成制造雜志卷 21，8 號，2008 十二月，885–894一個實時仿真虛擬加工中心自動換刀裝置Y.H. Jeong H. Tae , B.-K. Min and D.-W. Cho *abcdSchool of Mechanical Engineering, Yonsei University, Seoul, 120-749, Korea; Central R School of Mechanical cEngineering, Yonsei University, Seoul, 120-749, Korea; Department of Mechanical Engineering, Pohang University of Science and Technology, Pohang, Kyungbuk, 790-784, Korea(Received 27 June 2007; ?nal version received 13 November 2007)在加工中心的離散系統(tǒng)，如自動換刀裝置和托盤自動交換裝置在提高加工自動化生產(chǎn)中扮演著重要的角色。然而，系統(tǒng)配置和時序邏輯編程仍需要相當大的技能和基礎(chǔ)上,根據(jù)實際情況處理?；诜抡娴尿炞C環(huán)境可以改善系統(tǒng)性能,減少過渡時間和成本,避免錯誤的設(shè)置和系統(tǒng)。在這項研究中,我們開發(fā)了一個仿真模型以及盤式自動換工具的可視化與空中交通管制(ATC)協(xié)助機械設(shè)計和 PLC邏輯驗證。我們的仿真模型是基于面向?qū)ο蟮慕７椒?并由模型塊對應(yīng)的基本組件(如電機、齒輪組、等）,功能和接近傳感器。我們測試了在實時仿真模型,使用一個實際的機床控制器的軟件組件的仿真循環(huán)評估實時計算性能和可行性在真實的應(yīng)用程序中,如邏輯和配置驗證。相關(guān)結(jié)果提要驅(qū)動運動在 ATC 炮塔操作限制傳感器行動表明,我們的方法是實用和滿足實時要求。關(guān)鍵詞:自動工具改變;面向?qū)ο竽Ｐ?邏輯驗證;實時仿真1.介紹計算機數(shù)控(CNC)機床是由各種復(fù)雜的元素,比如提要驅(qū)動主軸,工具自動更換裝置(ATC),自動托盤商(APC),計算機數(shù)字控制器和可編程序邏輯控制器(PLC)。因此,設(shè)計、構(gòu)建和安裝是一個復(fù)雜和耗時的過程。一個典型的加工中心有幾個重要的離散系統(tǒng),如空中交通管制,APC,守衛(wèi)大門。這些子系統(tǒng)扮演了一個重要的角色在機床操作和加工自動化。因此,任何性能改進的離散系統(tǒng)可以大大提高生產(chǎn)率。然而,系統(tǒng)配置、時序邏輯生成和驗證所有仍然需要大量的技巧和治療基礎(chǔ)上,根據(jù)實際情況,因為這個過程沒有有效的驗證方法或環(huán)境。仿真技術(shù)已經(jīng)成功地使用在許多行業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量和減少開發(fā)周期時間。在機床行業(yè),許多類型的模擬等機床有限元方法(FEM)框架,例如,用于機床的開發(fā)和管理。在這種背景下,基于仿真驗證環(huán)境可以提高系統(tǒng)性能,減少走彎路和成本,避免錯誤的設(shè)置和系統(tǒng)惡化。各種方法用于控制或模擬離散系統(tǒng),如生產(chǎn)線。典型的和最普遍的方法使用佩特里網(wǎng)(大衛(wèi)和真主安拉 1994)。在一個模范的研究中,李和許(2005)提出了一個簡化的佩特里網(wǎng)控制器,其中包括傳感器狀態(tài)信息來簡化控制器設(shè)計層面的過程建模。在 ATC 的設(shè)計機制,研究 Gokler 和 Koc(1997)設(shè)計了一個自動盤式工具改變臥式數(shù)控加工中心,和 Dereli Filiz(2000)提出了一種遺傳算法優(yōu)化方法指數(shù)一個空中交通管制的刀具的位置。此外,Baykasoglu 和 Dereli(2004)提出了一個 meta-heuristic 優(yōu)化系統(tǒng)來確定刀具的最佳索引位置最小化theindexing 時間數(shù)控機床工具的雜志。一個驗證開發(fā)的飼料與摩擦傳動系統(tǒng)的動態(tài)模型表示為 Stribeck 曲線,并確定了系統(tǒng)參數(shù)使用最小二乘法和卡爾曼濾波。書釘 et al。(2003)介紹了一個基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬機工具使用機械部件的運動鏈數(shù)控和計算機輔助設(shè)計和制造(CAD / CAM)用于教育目的。張文雄和傅(2006) 還開發(fā)出一種虛擬機工具培訓(xùn)以及網(wǎng)絡(luò)制造控制。重要的是,他們的系統(tǒng)包括一個切削力預(yù)測模塊基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)。侯賽因(1998)提出了一個統(tǒng)一的方法對機電一體化系統(tǒng)模型使用多維數(shù)組和映射函數(shù)作為造型方案,雖然 Harrison et al.。(2000)介紹了一個集成的機械設(shè)計和控制環(huán)境,可以應(yīng)用于機械設(shè)計,控制和維護。哈里森 et al。(2000)應(yīng)用的邏輯設(shè)計和快速成型部分的環(huán)境他們設(shè)計開發(fā)飲料 can-body制造機器。然而,盡管大量的研究機床的模擬和離散系統(tǒng),很難找到一個 ATC 系統(tǒng)仿真方法,減少機床開發(fā)成本和減輕 PLC 邏輯生成和驗證的難度和復(fù)雜性。此外,現(xiàn)有的離散系統(tǒng)的仿真研究考慮系統(tǒng)作為一個簡單的序列或數(shù)據(jù)流,而忽略機械運動學(xué)或動力學(xué)等特點。因此,它已經(jīng)很難包含系統(tǒng)的運動學(xué)或動力學(xué)行為或部分在系統(tǒng)級模擬。本研究的目的是開發(fā)一個仿真模型,可以應(yīng)用到 ATC 的空中交通管制機制設(shè)計和 PLC 邏輯驗證。目標特性的仿真模型,該模型必須是通用的，是可重用的擴展成各種 ATC 類型,并且模型必須準確地描述傳感器信號和部分運動運動,這樣他們就可以被應(yīng)用到各種應(yīng)用程序。在這種背景下,我們開發(fā)了以下模型的策略。我們使用了一個基于組件的方法提高通用性。這意味著組件模型塊被定義為可更換單元所購買機床建設(shè)者。每個模型塊有自己的參數(shù),有關(guān)其運動方程,并定義輸入和輸出信號描述模型之間的連接塊。商業(yè)化或標準化的造型語言和工具被用來確保兼容性等各種機床的開發(fā)流程設(shè)計、優(yōu)化和驗證邏輯,和維護過程。我們描述一個典型的盤式 ATC 機制,在第二節(jié)的基本組件。第三節(jié)討論了ATC 仿真模型的細節(jié)我們發(fā)達的模型塊對應(yīng)的基本部分。第四節(jié)描述了兩個仿真結(jié)果,介紹了實時仿真方法和仿真結(jié)果可視化模塊。第一個模擬與提要驅(qū)動器與極限運動傳感器模擬工具改變位置的方法。第二個是 ATC 炮塔工具變化的模擬操作。我們使用我們的實時仿真方法結(jié)合仿真模型與實際機床控制器的軟件組件在一個模擬循環(huán)使用內(nèi)部數(shù)據(jù)通信表明,我們的模型實時計算性能和 PLC 邏輯驗證是可行的。結(jié)論在第五節(jié)。圖 1 原理圖的一個典型的盤式 ATC 沒有改變圖 2 等效的模型等。圖 3 簡化的快動作開關(guān)用作限制傳感器。圖 4 接近傳感器的等效模型和遙感磁盤和螺栓。2。調(diào)查的 ATC 模型雜志典型的盤式 ATC 裝置包含以下基本組件:一個炮塔磁盤,一組齒輪、回轉(zhuǎn)馬達、等功能,和幾個傳感器?；剞D(zhuǎn)馬達,它提供了驅(qū)動功率的 ATC 炮塔裝置等軸旋轉(zhuǎn)，間歇旋轉(zhuǎn)等變化連續(xù)動作,從垂直旋轉(zhuǎn)軸方向橫向。它使用的組合凸輪和磁盤索引,轉(zhuǎn)移其旋轉(zhuǎn)運動通過其軸等功能的裝置。最后,齒輪裝置和磁盤旋轉(zhuǎn)速度剖面,可以簡化低速度值為零的矩形波。注意,本研究中使用的盤式 ATC 裝置有兩個類型的接近傳感器,使用磁盤和螺栓檢測工具改變位置和計算炮塔旋轉(zhuǎn)間隔。圖 1 顯示了一個示意圖的互連基本組件在一個典型的盤式 ATC 裝置。在本研究中,我們模擬限制傳感器模擬自動工具的復(fù)雜連續(xù)的運動變化,包括炮塔裝置的驅(qū)動和運動。圖 5 仿真模型的一個提要積極限制傳感器驅(qū)動系統(tǒng)。圖 6 一個提要驅(qū)動系統(tǒng)的仿真結(jié)果積極限制傳感器。圖 7 ATC 炮塔的仿真模型。4。模擬的自動工具改變本研究構(gòu)建的仿真模型使用基于 Modelica Dymola 語言(勃拉克 et al . 2002 年)。模型的仿真模型由組件(如電機、齒輪的集合(齒輪箱)）等對應(yīng)的功能。每個模型塊標準形式,其中包括輸入和輸出信號,模型參數(shù),和自己的方程式。該模型結(jié)構(gòu)容易實現(xiàn) Modelica 語言,因為語言是面向?qū)ο蟮?。模型的每個部分的屬性等參數(shù)和方程可以指定和修改使用圖形框圖界面或在一個文本文件中。模擬的操作限制傳感器在旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動的線性階段,我們聯(lián)合動態(tài)仿真模型的線性階段從先前的工作(Jeong et al . 2006 年)限制傳感器模型,如圖 3 所示。圖 5 顯示了總體仿真模塊,該模塊可用于遙感超程階段歸航,到達的位置工具改變操作。在這項研究中所使用的線性階段模型由模型塊對應(yīng)的速度和轉(zhuǎn)矩控制,一個簡單的直流電機,軸向聯(lián)合、導(dǎo)螺桿和導(dǎo)軌。積極的限制傳感器響應(yīng)瞬時表位置。的圖中顯示積極限制傳感器監(jiān)控表的位置。因此,飼料的表位置獲得或預(yù)測轉(zhuǎn)移到限制傳感器塊驅(qū)動仿真模型,方程(5)所示。限制傳感器模型塊比較轉(zhuǎn)移位置指定的限制傳感器位置。圖 6 顯示了模擬線性階段,傳感器操作控制電機速度時 60 rad / s。圖 6(a)顯示了電機速度和驅(qū)動電流、和圖 6(b)顯示了表和傳感器位置。注意,傳感器輸出從 0 變?yōu)?1 當表到達 0.1 米。傳感器的傳感器位置公差模型中被設(shè)置為 0。圖 8 ATC 炮塔操作的仿真結(jié)果。我們使用我們的 ATC 炮塔模型模擬 ATC 炮塔的性能。圖 7 顯示了 ATC 炮塔的實際仿真模型和恒定的命令。這表明兩個接近傳感器分別檢測螺栓和連接到炮塔磁盤。仿真模型顯示當前工具數(shù)量隨著炮塔角度變化。此外,兩個距離傳感器的輸出信號監(jiān)測的 PLC 內(nèi)核提供 CNC 控制器,控制 ATC 炮塔操作。仿真中使用的模型參數(shù)如表 1 所示,從改造小型加工中心(SPT-V30T,現(xiàn)代汽車(Hyundai Motor Co。)和一個炮塔類型 overhead-disk 雜志和一個基于 PC 的數(shù)控(HX TurboTek)。十四個工具裝置。圖 8(a)、(b)和(c)顯示仿真結(jié)果當工具改變從1 號到 12 號。更具體地說,圖 8(一個)顯示炮塔的旋轉(zhuǎn)角,不斷旋轉(zhuǎn)的動作等功能。圖 8(b)和(c)顯示的邏輯輸出接近傳感器連接到磁盤和等軸炮塔。從這些數(shù)據(jù)中我們可以看到接近傳感器的輸出的炮塔磁盤是相反的,接近傳感器等因為等對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)炮塔的旋轉(zhuǎn)磁盤。我們比較仿真結(jié)果與實際行動炮塔運動。圖 9 顯示了這種比較的結(jié)果變化時間從第一個工具(工具 1)到最后一個工具。仿真結(jié)果在 2%的實際時間。我們推斷這個錯誤來自實際電機的速度變化和識別錯誤的仿真模型參數(shù)如電機速度和傳動比。圖 9 模擬和測量之間的比較結(jié)果 tool-to-tool 變更時間從第一個工具(工具 1)。圖 10。原理圖的實時仿真。我們介紹了實時仿真方法是否可以應(yīng)用于 PLC 邏輯驗證。我們設(shè)計了一個模擬循環(huán)在計算機實時內(nèi)核,分離軟件對控制器的仿真模型。圖 10 顯示了這個模擬的結(jié)構(gòu)。仿真回路由一個實際的控制器的軟件部分和一個動態(tài)鏈接庫(DLL)仿真模型的文件;這些相通通過共享內(nèi)存?？刂破鲙焓怯蓴?shù)控(NC)內(nèi)核控制驅(qū)動系統(tǒng)和 PLC 的內(nèi)核操作的離散系統(tǒng),如限制傳感器和 ATC 炮塔。仿真模型包括飼料驅(qū)動器和 ATC 炮塔模型在第三節(jié)中描述。我們監(jiān)控使用單獨的計算機仿真結(jié)果,以避免影響計算機運行的實時性能仿真循環(huán)。之間的連接控制器軟件和控制器之間的仿真模型是相同的,和實際的飼料驅(qū)動器的 ATC 炮塔,除了實際的線路被內(nèi)部數(shù)據(jù)通信所取代。提出的模擬進行了工業(yè)個人電腦(pxi - 8186 RT)的實時內(nèi)核,2.2 GHz Pentium 4 CPU 和 512 MB 的隨機存取存儲器。我們使用四階龍格-庫塔算法集成 0.5 毫秒的時間步長仿真。控制器更新時間設(shè)置為 1 ms 提要驅(qū)動器和 4 ms ATC 炮塔。結(jié)論在這項研究中,我們開發(fā)了一個仿真模型的自動工具變換器使用炮塔雜志。W 使用面向?qū)ο蟮姆椒?gòu)建一個概括模型的基本組件的 ATC 炮塔模型作為單獨的塊,和連接在一起他們會在實際的 ATC 每一塊都有自己的參數(shù)和方程描述相應(yīng)的塊的運動。仿真結(jié)果表明,該方法生成的現(xiàn)實操作組件運動和傳感器信號。我們開發(fā)了一個三維可視化演示仿真結(jié)果。集成的仿真模型與實際機床控制器表明,我們的模型可以用于實時邏輯驗證為了減少走彎路和錯誤的設(shè)置問題。的實時仿真PLC 邏輯,模型成功地扮演了真正的 ATC 炮塔和飼料的角色。我們表明,我們的模型可以滿足實時要求,和計算時間的仿真循環(huán)時間不到 30 分之一。確認本研究得到了批準號 krf - 2004 - 202 - d00068 科技部。參考文獻[1].Baykasoglu,a . 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630。[11].Suh, S.-H., et al.,2003 年。建模和基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬機的實現(xiàn)工具。國際先進制造技術(shù)雜志,21 歲,516 - 522。JCS-018A 立式加工中心盤式刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計開題報告1.課題名稱加工中心刀庫和換刀裝置機構(gòu)的設(shè)計英文名稱：Machining center knife library and tool change device design2.選題目的和意義目的：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和計算機技術(shù)日益普及，數(shù)控機床越來越取代普通的機床，成為市場的主角，但是在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，市場對于數(shù)控機床的要求也就越來越高?，F(xiàn)在的產(chǎn)品更新的速度越來越快，而且市場上的零件的形狀越來越復(fù)雜，但是對于零件的精度卻越來越高，生產(chǎn)的周期越來越短。加工中心就是這樣應(yīng)運而生，它是將這些加工工序集中在一臺機床上，一次裝夾，按不同的工序選擇和更換刀具，進給速度，進給量和刀具相當于工件的運動軌跡，一次完成多個工序的加工。但是由于歷史的客觀原因，我國的數(shù)控加工技術(shù)相對于國外來說起步晚發(fā)展慢，現(xiàn)在距離西方發(fā)達國家還有 10-15 年的差距，在一些高精尖的技術(shù)上更甚。特別是在產(chǎn)品開發(fā)這一塊，很多東西都是依賴進口而國內(nèi)的市場上技術(shù)還不成熟，還不能夠贏得顧客的青睞。而國內(nèi)的企業(yè)缺乏對于數(shù)控市場領(lǐng)域的研究不足，產(chǎn)品開發(fā)和制造的能力還不夠滿足市場的需求，對產(chǎn)品的規(guī)劃制定不夠?，F(xiàn)在而言呢國內(nèi)在加工中心刀庫和換刀系統(tǒng)這一塊還有很大的提升空間，這對于提高產(chǎn)品的精度和生產(chǎn)周期都有很大的作用。而我們機械行業(yè)的大學(xué)生是將來機械產(chǎn)品研究制造的主導(dǎo)者，充分的認識數(shù)控加工中心刀庫和換刀裝置的結(jié)構(gòu)有助于我們更好的認識到自己的不足和在將來更好地改進。意義：造業(yè)的最重要的就是時間，節(jié)省了非加工所需的時間都會大幅度的提高工作效率，從而進一步減少成本，提高生產(chǎn)效率。數(shù)控加工中心，特別是帶刀庫的數(shù)控加工中心就可以大幅減少非加工時間。自動換刀裝置的出現(xiàn)解決了工序分散，零件裝夾，更換刀具帶來的非加工時間過長的問題。因此刀庫換刀工序集中的特點將會是數(shù)控機床的重點發(fā)展方向。因此帶刀庫的數(shù)控加工中心將會是未來數(shù)控機床的發(fā)展方向。加工中心刀庫和換刀裝置的設(shè)計涉及到我們大學(xué)中學(xué)到的很多方面的內(nèi)容，比如對自動換刀裝置就可以利用 PLC 控制，而動力可以選擇液壓元件或是電動機，而其中刀庫和換刀裝置對于機械機構(gòu)的有一定的要求。課題內(nèi)容涉及機械、電氣、控制技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等方面，覆蓋了各個方面，綜合性強。并且通過對這個課題的研究可以提高自己的裝也知識，還可以把機械和電氣聯(lián)系起來，真正做到機電一體化。3.國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢目前國內(nèi)外的數(shù)控加工中心的自動換刀裝置系統(tǒng)當中，刀具和輔具一般都采用錐柄的結(jié)構(gòu)形式，機床主軸的刀具夾緊機構(gòu)以及刀庫的驅(qū)動方式和機械手的驅(qū)動方式差不多都是一樣的模式。對目前提高換刀方式的主要方式就是提高選刀的效率和減少刀具交換的時間，選刀的方式有很多種，但是精確度還可以繼續(xù)提高，選刀的時間將會得到很大程度上的縮短?？s短刀具交換的時間就目前的行業(yè)情況來看，提高的幅度不會很大，主要是驅(qū)動方式的改進，目前換刀速度較快的是凸輪裝置換刀方式，最快的刀對刀換刀時間已經(jīng)達到了 1.5S 以內(nèi)。根據(jù)行業(yè)的需求，小容量的刀庫已經(jīng)無法滿足企業(yè)需求，大型刀庫的研制也是關(guān)鍵的發(fā)展方向，刀具曾多，質(zhì)量變大也給自動換刀裝置帶來了難度。以往提高自動換刀工作效率主要在刀具交換的時間上大力研究，但是現(xiàn)在隨著換刀技術(shù)的成熟，驅(qū)動設(shè)備的不斷完善，換刀時間也無法進一步的有所突破。所以以后的發(fā)展方向?qū)堑毒哌x擇方式的改進和精確度的提高。就我國的加工中心的發(fā)展來看，國內(nèi)沒有專門制造生產(chǎn)自動化刀裝置的企業(yè)，一些大型的機床廠都是根據(jù)需求，自主研制換刀裝置。目前國內(nèi)的刀庫主要依靠進口，使用臺灣的刀庫較多，也有其他國家知名企業(yè)的產(chǎn)品。自動換刀裝置的發(fā)展左右了數(shù)控加工中心的未來發(fā)展，國內(nèi)企業(yè)要盡快擁有自己獨立的產(chǎn)品脫離進口才是關(guān)鍵，雖然起步較晚，但是我仍然相信未來國內(nèi)的數(shù)控加工中心會得到很大的提高，能夠生產(chǎn)出高端的機床。4、選題研究內(nèi)容和要解決的關(guān)鍵問題設(shè)計刀庫時應(yīng)該注意的問題在設(shè)計時應(yīng)該讓它滿足換刀時間短，刀具重復(fù)定位精度高；刀具存儲量足夠，結(jié)構(gòu)緊湊，便于制造，維修，調(diào)整。布局應(yīng)該合理，使機床總布局美觀大方；應(yīng)該有較好的剛性，避免沖擊振動和噪音，運轉(zhuǎn)安全可靠，應(yīng)有防屑，防塵的裝置要求。1）合理確定刀庫的存儲量，一般刀庫的存儲量以 10-40 把較為合適， 41-60 把刀具基本上滿足絕大多數(shù)零件的要求。2）盡量的縮短選刀時間，將選刀時間與加工時間重疊，根據(jù)所選刀具在刀庫中的位置來決定刀庫正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，以縮短選刀時間。3）刀庫的運動速度應(yīng)該適宜，國內(nèi)外鏈式刀庫的線速度可達 100-800mm/s，最大刀具長度為 500mm,最大刀具重量為 100kg.4）要求刀庫運行平穩(wěn)，如對鏈式刀庫設(shè)置刀座運動導(dǎo)軌。5）刀座到刀庫中的排列，一般來講刀座間距相等。6）刀庫防塵，防屑及安全防護等問題都必須在設(shè)計刀庫的過程中考慮進去。擬采用 JCS-018A 自動換刀數(shù)控立式鏜銑床，它的自動換刀裝置是由盤式刀庫和刀具交換裝置組成。刀庫安裝在機床左側(cè)的立柱上，刀庫容量為 16 把刀，換刀機械手安裝在刀庫和主軸之間。機械手將刀庫中取出送到機床主軸上，然后將用過的舊刀送回刀庫。在設(shè)計時應(yīng)該考慮的有刀具的選擇方式，刀具的識別裝置，刀具交換裝置等的選擇。關(guān)鍵問題（1）選用的是 JCS-018A 自動換刀數(shù)控立式鏜銑床，采用的是盤刀庫，確定的基本參數(shù)如下：刀庫直徑：400mm刀具數(shù)量：16 把最大刀具直徑：40mm平均刀具重量：8kg刀盤最低轉(zhuǎn)速：60r/min換刀時間：3.2s（刀到刀）刀具形式：BT40（2）在設(shè)計中，需要重點考慮的問題有刀庫的傳動方案的設(shè)計，換刀裝置的設(shè)計，刀庫的設(shè)計，刀庫中主要零件參數(shù)的設(shè)計，刀具換刀裝置的設(shè)計，選刀方式等，最后要用 UG 進行三維建模并編寫設(shè)計說明書。5、研究方法1.文獻資料法：根據(jù)已掌握的文獻，查找相關(guān)數(shù)控機床的書籍，利用校園網(wǎng)查詢各類期刊，學(xué)術(shù)報告，學(xué)術(shù)會議論文，學(xué)位論文，科技檔案等。2.咨詢老師法：在做畢業(yè)設(shè)計的過程中難免有很多問題自己不能解決，這時就有必要向老師詢問解決的辦法或是索要相關(guān)的資料。6.計劃進度2014 年 12 月 25 日——2014 年 3 月 1 日 完成各種相關(guān)資料的查詢和收集，學(xué)習(xí)并且熟練使用 UG 三維繪圖軟件。2014 年 3 月 2 日——2014 年 3 月 18 日 完成設(shè)計任務(wù)書、開題報告、文獻綜述、外文翻譯等文本的編寫和加工中心刀庫及換刀裝置的結(jié)構(gòu)問題。2010 年 3 月 19 日——2010 年 5 月 19 日 完成加工中心刀庫和換刀裝置的三維建模、運動仿真及控制程序調(diào)試，編寫設(shè)計說明書。2010 年 5 月 20 日——2010 年 6 月 2 日 整理資料，準備答辯。參考文獻1.數(shù)控技術(shù)/廖效果主編.武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2000.52.時雨 加工中心換刀系統(tǒng)設(shè)計3.聶小春，韓利紅 ，孫曉輝 ，汪菊英 4 5 # - 1 6 T 型立式加工中心 盤式刀庫的設(shè)計 4.張建玲 F AN U C O i M D 數(shù)控系統(tǒng)斗笠式刀庫實現(xiàn)自動換刀 5.應(yīng)保勝，楊威，邱新橋 高速加工中心自動換刀裝置的研究 6.張字， 夏曉平 加工中心斗笠式刀庫換刀裝置的設(shè)計 7.周建東 加工中心盤式刀庫的設(shè)計 8.汪雪松 加工中心自動換刀裝置 9.李永軍 吳麗 范春宏 王慶利 鏈式刀庫自動換刀裝置及其液壓控系統(tǒng)的設(shè)計與分析 10.張躍明，楊伯金，牟宏明，楊宇 盤式刀庫控制系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)11.王振龍 數(shù)控機床 自動換刀裝置的研究 12.簡志雄 四軸機床盤盤式刀庫 P L C 程序的設(shè)計13.Y.H. Jeonga H. Tae B.-K. Minc and D.-W. Chod*Virtual automatic tool changer of a machining centre with a real-time simulation14.ADIL BAYKASOGLUy* and TURKAY DERELIy Heuristic optimization system for the determination of index positions on CNC magazines with the consideration of cutting tool duplicationsJCS-018A 立式加工中心盤式刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計加工中心刀庫及換刀裝置的設(shè)計摘要要介紹了加工中心刀庫及換刀裝置的結(jié)構(gòu)和設(shè)計思路關(guān)鍵詞加工中心;刀庫;換刀裝置引言二十一世紀是一個科學(xué)技術(shù)日新月異的時代，裝配工業(yè)的水平高低決定了當代一個國家的國民經(jīng)濟水平的高低和現(xiàn)代化程度水平的高低，反應(yīng)了我國現(xiàn)代化的進程。在機械制造行業(yè)里頭，機床是主要的生產(chǎn)設(shè)備之一。隨著機械制造行業(yè)中產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)越來越趨于復(fù)雜，而在實際中對于產(chǎn)品的精度和性能的要求卻越來越高，因此對于生產(chǎn)設(shè)備的要求也越來越向著高精度，高效率和高自動化的趨勢發(fā)展。在機械制造行業(yè)中，中小批產(chǎn)品占到 70%-80%，以前通用機床的自動化程度不高，基本上是由工人守在機床旁邊進行加工，這樣導(dǎo)致生產(chǎn)效率不高，產(chǎn)品的精度也參吃不齊，特別是對于一些由曲面和曲線組成的復(fù)雜零件表面的加工處理，更是難以保證加工精度和生產(chǎn)效率。于是自 20 世紀 90年代開始，隨著計算機技術(shù)分飛速發(fā)展， 數(shù)控加工技術(shù)也日益朝著自動化方向迅速發(fā)展， 數(shù)控機床開始在制造業(yè)慢慢取代了通用機床的地位，它的產(chǎn)生，縮短了工人的勞動量，提高了企業(yè)的產(chǎn)量。帶有換刀裝置的數(shù)控加工中心在現(xiàn)代先進制造業(yè)中扮演著越來越重要的角色。而我國的數(shù)控加工技術(shù)與西方的發(fā)達國家相比，仍然還存在很大可以進步的空間，但是在現(xiàn)代知識競爭激烈的時代，在當今科學(xué)強國的時代環(huán)境下，西方國家那些高精尖的計算機技術(shù)對中國實行壟斷，所以本設(shè)計從加工中心刀庫及換刀系統(tǒng)這個方面進行設(shè)計。一，國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀就我國的加工中心的發(fā)展來看，國內(nèi)沒有專門制造生產(chǎn)自動化刀裝置的企業(yè)，一些大型的機床廠都是根據(jù)需求，自主研制換刀裝置。目前國內(nèi)的刀庫主要依靠進口，使用臺灣的刀庫較多，也有其他國家知名企業(yè)的產(chǎn)品。自動換刀裝置的發(fā)展左右了數(shù)控加工中心的未來發(fā)展，國內(nèi)企業(yè)要盡快擁有自己獨立的產(chǎn)品脫離進口才是關(guān)鍵，雖然起步較晚，但是我仍然相信未來國內(nèi)的數(shù)控加工中心會得到很大的提高，能夠生產(chǎn)出高端的機床。1.關(guān)于刀庫的設(shè)計加工中心刀庫系統(tǒng)是提供數(shù)控機床在加工過程中需要用來儲存刀具，它是自動換刀裝置中的主要部件之一，對國內(nèi)外刀庫儲存量統(tǒng)計結(jié)果考慮，一般的刀庫的存儲量一般以 10-40 把就較為合適，41-60 把刀具基本上能夠滿足絕對大多數(shù)的零件的加工要求，少于 10 和超過 60 把的刀庫一般很少。根據(jù)加工中心刀庫存放刀具的數(shù)目和取刀方式，可以把加工中心刀庫系統(tǒng)設(shè)計為一下幾種方式。1）盤式刀庫盤式刀庫也可以成為機械手刀庫，盤式刀庫最大的特點是換刀迅速并且可靠，主要是利用凸輪機構(gòu)來完成一系列的換刀動作，這種方式在應(yīng)用很廣，適合于大批量生產(chǎn)。盤式刀庫又稱為固定地址換刀刀庫。第一，它的制造成本低，主要是由刀庫體和刀具盤這兩個主要部件組成，在加工的過程中，只要保證了這兩個零件的加工精度，那么加工工件的加工精度也得以保證。第二，加工時機床開機后，刀庫必須要回零，機床關(guān)機后，刀具庫清零。第三，換刀時間較長，目前國內(nèi)的換刀時間是八秒以上。第四，圓盤刀具庫的刀數(shù)有一定的限制，一般不宜過多2）鏈式刀庫鏈式刀庫主要的特點是可存放刀數(shù)較多的的刀具，一般刀數(shù)在 20 把以上，有的甚至可以達到 120 多把刀。這些刀具由鏈條傳送到要換的指定位置，在借由機械手進行自動換刀。3）斗笠式刀庫一般只能容納 16-24 把刀，斗笠式刀庫在換刀時整個刀庫向主軸方向移動，當主軸上的刀具進入刀庫的卡槽時，主軸向上離開刀具，這個時候刀庫轉(zhuǎn)動。當即將要換的刀具正對著主軸時，主軸向下移動，使刀具進入主軸孔中，夾緊刀具后，刀庫退回原來的位置。4）格子式雖然儲存量很大，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，選刀和取刀的動作多，故很少用。在設(shè)計刀庫時應(yīng)該考慮幾點：合理確定刀庫存儲量；盡量縮短選刀時間，所以應(yīng)該根據(jù)刀具在刀庫中的位置來決定刀庫正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)；刀庫運動速度應(yīng)該適宜，目前，國內(nèi)外鏈式刀庫線速度可達 100-800mm/s;要求刀庫運行平穩(wěn)，因此往往需設(shè)置輔助支承和導(dǎo)向裝置；刀座在刀庫中一般刀座間距相等，在必要情況下采用不平等排列。2.關(guān)于換刀裝置的設(shè)計自動換刀裝置的主要功能是儲備一定數(shù)量的刀具并完成刀具的自動交換的過程。有換刀時間短，刀具重復(fù)定位精度高；刀具儲存量足夠；結(jié)構(gòu)緊；便與制造維修和調(diào)整的特點。而且布局應(yīng)該合理，使機床總布局美觀大方；應(yīng)該有較好的剛性，避免沖擊，振動和噪音，運轉(zhuǎn)安全可靠，應(yīng)有防削防塵裝置等要求?；拘问接谢剞D(zhuǎn)刀架換刀，更換主軸換刀，更換主軸箱換刀，更換刀庫換刀和帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)這五種形似。1）回轉(zhuǎn)刀架換刀回轉(zhuǎn)刀架換刀主要是用于數(shù)控車床可以設(shè)計成為四方和六方刀架。其工作原理為（1）刀架抬起 （2）刀架轉(zhuǎn)位（3）刀架壓緊（4）轉(zhuǎn)油缸復(fù)位2）更換主軸換刀更換主軸換刀是一種比較簡單的換刀方式。它分為臥式和立式兩種，根據(jù)工序的要求按順序自動的將裝有所需刀具的主軸轉(zhuǎn)到工作位置，以此實現(xiàn)自動換刀，同時接通到主傳動。不處于工作位置的主軸便與主傳動脫開。轉(zhuǎn)塔頭的轉(zhuǎn)位由槽輪機構(gòu)來實現(xiàn)，每次轉(zhuǎn)位包括下列動作。（1）脫開主軸傳動（2）轉(zhuǎn)塔頭抬起（3）轉(zhuǎn)塔頭轉(zhuǎn)位（4）轉(zhuǎn)塔頭定位壓緊（5）主軸傳動重新接通3）更換主軸箱換刀一些數(shù)控機床像組合機床一樣，采用多主軸的主軸箱從而利用更換主軸箱達到換刀的目的，這種形式的換刀適于加工箱體類零件，可以大大提高生產(chǎn)率。4）更換刀庫換刀當加工工藝的范圍很廣，所需刀具數(shù)目很多，機床刀庫的容量有限時，可以采用多個刀庫存刀，先自動更換后的刀庫中選擇所需的刀具。這種機床可以是一臺單獨工作，也可以用多臺機床組成的自動生產(chǎn)線。5）帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)包括刀庫，選刀機構(gòu)，刀具交換機構(gòu)及刀具在主軸上的自動裝卸機構(gòu)等四個部分組成，他的應(yīng)用范圍最廣。刀庫可安裝在機床的工作臺上，立柱上或是主軸箱上，作為一個獨立的部件安裝在機床之外。其工作原理如下：（1）按換刀指令機床工作臺快速向右移動，工件從主軸下面移開，刀庫移到主軸下面，使刀庫的某個空刀座對準主軸（2）主軸箱下降，將主軸上用過的刀具放回刀庫的空刀座中。（3）主軸箱上升，刀庫回轉(zhuǎn)，將下一步所用的刀具對準主軸口。（4）主軸箱下降，刀具插入機床主軸。（5）主軸箱上升。（6）機床工作臺快速向左返回，刀庫從主軸箱下面移開，工件移至主軸下面，使刀具對準工件加工面。（7）主軸箱下降，刀具對工件進行加工。（8）加工完畢后，主軸箱上升，刀具從工件臺上推出。二，本次課題擬解決的問題本次課題研究了加工中心刀庫及換刀裝置的設(shè)計主要有刀庫的設(shè)計和換刀裝置的設(shè)計兩個部分。設(shè)計的開始，我們應(yīng)該要對加工中心，刀庫系統(tǒng)和換刀裝置有清晰的認識，這對于我們以后的設(shè)計過程中要對于結(jié)構(gòu)的了解起關(guān)鍵的作用。2.1 加工中心刀庫的設(shè)計刀庫的設(shè)計在我們這次的設(shè)計中很重要，在設(shè)計過程中，我們應(yīng)該注意電動機的選擇，確定傳動裝置的傳動比，確定軸的轉(zhuǎn)速·轉(zhuǎn)矩及功率，電動機的校核，刀庫傳動機構(gòu)主要零件的設(shè)計參數(shù)等，這個階段內(nèi)容比較多，涉及到的范圍比較廣，為了設(shè)計合理的參數(shù)，我們應(yīng)該廣泛的查閱資料，充分的了解其中的原理，從而達到設(shè)計的合理性和實用性。2.2 換刀裝置的設(shè)計在換刀裝置的設(shè)計中，需要計算的不多但是更要注意結(jié)構(gòu)的合理性和實用性.三，總體設(shè)計方案根據(jù)題目要求----- 主電機的選擇 ------傳動裝置的傳動比-----軸的轉(zhuǎn)速·扭矩及功率-----電動機校核 -----刀庫傳動機構(gòu)主要零件的設(shè)計參數(shù) ------結(jié)構(gòu)設(shè)計及說明四，總結(jié)通過這段時間查閱一些關(guān)于加工中心刀庫及換刀裝置的相關(guān)的資料和文獻，對于加工中心刀庫及換刀裝置有了更深的認識。提高了我的專業(yè)知識和自主學(xué)習(xí)的能力文獻綜述主要是介紹了加工中心刀庫及換刀裝置在國內(nèi)外發(fā)展的歷史，現(xiàn)狀及其還存在的不足，還有哪些需要我們?nèi)ジ倪M，此外還為接下來的工作羅列了重點和規(guī)劃在查閱資料時，我們對于加工中心刀庫及其換刀裝置有了清楚地認識特別是刀庫系統(tǒng)和換刀裝置的了解更加充分，在這個基礎(chǔ)上，我們初步擬定了一個方案，這為接下來的工作做好的充分的準備.參考文獻1.數(shù)控技術(shù)/廖效果主編.武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社， 2000.52.時雨 加工中心換刀系統(tǒng)設(shè)計3.聶小春，韓利紅 ，孫曉輝 ，汪菊英 4 5 # - 1 6 T 型立式加工中心盤式刀庫的設(shè)計 4.張建玲 F AN U C O i M D 數(shù)控系統(tǒng)斗笠式刀庫實現(xiàn)自動換刀 5.應(yīng)保勝，楊威，邱新橋 高速加工中心自動換刀裝置的研究 6.張字， 夏曉平 加工中心斗笠式刀庫換刀裝置的設(shè)計 7.周建東 加工中心盤式刀庫的設(shè)計 8.汪雪松 加工中心自動換刀裝置 9.李永軍 吳麗 范春宏 王慶利 鏈式刀庫自動換刀裝置及其液壓控系統(tǒng)的設(shè)計與分析 10.張躍明，楊伯金，牟宏明，楊宇 盤式刀庫控制系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)11.王振龍 數(shù)控機床 自動換刀裝置的研究 12.簡志雄 四軸機床盤盤式刀庫 P L C 程序的設(shè)計13.Y.H. Jeonga H. Tae B.-K. Minc and D.-W. Chod*Virtual automatic tool changer of a machining centre with a real-time simulation.14.ADIL BAYKASOGLUy* and TURKAY DERELIy Heuristic optimization system for the determination of index positions on CNC magazines with the consideration of cutting tool duplications.1JCS-018A 立式加工中心盤式刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計摘要隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，從第一臺數(shù)控機床成功的研制出來至今，基本上所有類型的機床都實現(xiàn)了自動化。從 1978 年以后，數(shù)控技術(shù)發(fā)展到一定的程度，加工中心為了滿足市場的需要而產(chǎn)生，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展。如今數(shù)控技術(shù)已經(jīng)基本發(fā)展成熟，這在 30 年來說，這也是一個不敢相信的奇跡，但是對于我國來講，我國的加工中心發(fā)展的時間與西方發(fā)達國家相比還是相對比較落后。本文主要是從 CNC 刀庫和換刀裝置這兩個方面來進行重點說明，以研究應(yīng)用帶刀庫的的自動換刀裝置為主。主要是研究設(shè)計 JCS-018A 立式加工中心盤式刀庫的結(jié)構(gòu)，其中應(yīng)用 UG 三維技術(shù)完成 3D 實體建模，這樣子在設(shè)計的過程中能夠更加充分的了解加工中心刀庫及換刀裝置的結(jié)構(gòu)和原理。雖然盤式刀庫的刀具數(shù)目相對來說較少，但是它的換刀時間短，精度高。關(guān)鍵詞盤式刀庫；刀具；機械手換刀2AbstractWith development of the science and the technology. From the first CNC machine successfully developed up to now.almost all types of machine tools are automated.after 1978,numerical control technology development to a certain extent,machining center also arises at the historic moment.and now the numerical control technology has been basically mature,it is a miracle of human machinery manufacturing, but for our country,the machining center is still relatively backward compared with western developed countries.This article around the CNC machining center knife library and tool change device. The application of the automatic tool change device knife library.Library type mainly from the knife,Cutting tool switching device of these two aspects.Mainly design JCS-018A vertical machining center disc knife library structure.the application of UG 3D solid modeling.3D technology to facilitate better understanding processing center knife library.although the number of the cutter disc knife library is relatively less,but its tool change time is short and high precision.Keyworddisc knife library；the Cutting tool；automatic tool changer3摘要 1Abstract 21.緒論 41.1 課題內(nèi)容相關(guān)介紹 .41.2 自動加工裝置的組成 .41.3 刀庫的類型和特性 .51.4 刀具交換裝置 .72.總體設(shè)計方案 92.1 刀庫及換刀裝置的設(shè)計 .92.2 主要設(shè)計參數(shù) .92.3 刀庫的相關(guān)方案的設(shè)計和選定 .92.3.1 機械手的驅(qū)動方案 103.刀庫的設(shè)計及校核 .123.1 刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計 123.2 刀庫主要零件參數(shù)設(shè)計 123.2.1 刀庫驅(qū)動電動機的選擇 123.3 刀庫傳動機構(gòu)的設(shè)計 153.3.1 蝸桿蝸輪機構(gòu)的設(shè)計 .153.3.2 蝸桿軸的設(shè)計 173.4 刀具系統(tǒng)及刀具的選擇 213.4.1 刀具系統(tǒng) .213.4.2 刀具的選擇方式 .213.4.3 刀具識別裝置 .224.刀具交換裝置的設(shè)計 .244.1 自動換刀的順序 244.2 自動夾緊裝置 244.3 機械手的結(jié)構(gòu)和原理 255.UG 實體建模 .275.1 UG 的簡介 .275.2 主要零件的建模 2745.2.1 電機 275.2.2.聯(lián)軸器 285.2.3 蝸桿蝸輪裝置 .296 設(shè)計總結(jié) 367 致謝 37參考文獻 .3851 緒論1.1 課題內(nèi)容相關(guān)介紹我所設(shè)計的課題的原理就是利用刀庫中存放的一定的刀具來完智能化換刀，在一臺普通的數(shù)控機床上，對于一個機械零件的加工往往需要很多道復(fù)雜的工序，這就造成了在加工中零件的裝夾，換刀，測量，轉(zhuǎn)移的過程中浪費了很多時間，既浪費了工廠工時又加重了工人的勞動量。20 世紀 60 年代末，隨著科學(xué)的迅速發(fā)展，各國的工業(yè)特別是西方資本主義的制造業(yè)迅猛發(fā)展，又人說一個國家制造業(yè)的水平反應(yīng)了國家的綜合國力水平，為了加快生產(chǎn)的節(jié)奏，帶有自動換刀裝置的數(shù)控機床就這樣產(chǎn)生了。它能夠把分散的工序集中在一起減少了不必要的換刀進行加工，這就是加工中心。在今天，各個機械制造的大國都在提高自己國家的數(shù)控技術(shù)，特別是中國，相關(guān)高科技的制造水平不是特別高，先進的制造技術(shù)不僅能提高國家的經(jīng)濟而且在軍事和航天這兩個方面也起著舉足輕重的作用。不過與發(fā)達國家相比。我國的機械制造業(yè)還是落后很多，近年來， 數(shù)控機床已經(jīng)廣泛的使用在汽車，造船，建筑等各個領(lǐng)域，所以近年來國內(nèi)的數(shù)控機床的需求量持續(xù)增長，但是進口的數(shù)控機床也在增加，甚至進口的機床數(shù)目增加的更多，特別對于一些高精尖的技術(shù)，我國的產(chǎn)品遠遠趕不上西方發(fā)達國家，國產(chǎn)的數(shù)控機床與之相比缺乏競爭力。目前國內(nèi)的刀庫主要依靠進口，使用臺灣的刀庫較多，也有其他國家知名企業(yè)的產(chǎn)品。自動換刀裝置的發(fā)展左右了數(shù)控加工中心的未來發(fā)展，國內(nèi)企業(yè)要盡快擁有自己獨立的產(chǎn)品脫離進口才是關(guān)鍵。而研究數(shù)控機床加工中心換刀裝置在當前的制造業(yè)中來講是一件比較緊迫的事情，因為我國的好多高精尖的東西都是依賴國外進口，從目前的全球環(huán)境這樣一個大環(huán)境下來講，一個國家的技術(shù)如果是依賴進口，那么這個國家在經(jīng)濟全球化這樣一個環(huán)境下的科學(xué)技術(shù)是沒有什么競爭力的，特別是我國是一個發(fā)展中的制造業(yè)大國，縱觀整個制造業(yè)的發(fā)展，我們數(shù)控機床應(yīng)用的范圍越來越廣，與計算機技術(shù)結(jié)合的越來越緊密，PLC，數(shù)控編程，三維制圖軟件在制造生產(chǎn)的過程中越來越普及，人們追求的是勞動力度小，生產(chǎn)效率高的一個生產(chǎn)流程，數(shù)控機床以后也越來越向著高可靠性，制造系統(tǒng)自動化，多功能復(fù)合化控制精準化等方面發(fā)展。固步自封只能導(dǎo)致技術(shù)的不斷落后，我們要看向最先進的技術(shù)，從自身已有的技術(shù)出發(fā)，才能不斷前進。但是我同時也相信在一代一代中華兒女的努力之下，我國的數(shù)控技術(shù)一定會越來越成熟，與其他的國家的差距一定會越來越小，我們要相信在不久的未來，我國的數(shù)控機床也會在國際市場中占有一席之地。61.2 自動加工裝置的組成本文主要研究的是帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)，方面包括刀庫類型的選擇，選刀方式的確定，刀具交換裝置這三個部分組成，在加工的工程中，要使得能達到智能化換刀就必須滿足相關(guān)的必要條件：1.我們要把加工的時間控制在要在預(yù)期的范圍之內(nèi)，提高產(chǎn)品生產(chǎn)的效率；2，定位精度高；3，刀具儲存量要足夠多，在加工時要滿足加工的刀具的需求；4，占地面積小；5，安全性能高。1.3 刀庫的類型和特性(1)盤式刀庫盤式刀庫最大的特點在于是它的能夠快速換刀并且能夠保證換刀過程中的可靠性能。它是在數(shù)控機床中較為常見的一種刀庫形式，這種刀庫的適合大批量生產(chǎn)。它的制造的過程中成本相對較低，主要是由刀庫體和刀具盤這兩個部分組成；換刀時間較長；刀具的儲存量有一定的限制，一本是 15-40 把刀；在數(shù)控加工中機床開機后，刀庫要先回零，機床關(guān)機后，刀具庫應(yīng)該要清零。圖 1-1 盤式刀庫7(2)鏈式刀庫眾所周知的，鏈式的刀庫它的最主要的也是深受用戶喜歡的優(yōu)點是在較小的空間里面可以放置多種刀具，普遍的最少的情況下是 把，大型機床和多功能的機床可以20放置 120 把左右。這些刀具是由鏈條傳送，等到達要換刀的指定位置，在借由機械手和控制程序進行自動換刀。而且鏈條具有的折疊性，通過折疊鏈條可以放進去更多的刀具。但是鏈式刀庫的定位精度不高，因此在現(xiàn)在機床中的運用不高。圖 1-2 鏈式刀庫(3)格子式刀庫格子式刀庫儲存量很大，它最大的特點是刀庫可以單獨放在機床外，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在操作的過程中選刀和取刀的動作多，所以在加工的過程中一般不會使用。圖 1-3 格子式刀庫(4)轉(zhuǎn)塔式刀庫8轉(zhuǎn)塔式刀庫的結(jié)構(gòu)比較簡單，而且在加工的過程中噪音比較小，適用于各類機床。圖 1-4 轉(zhuǎn)塔式刀庫(5)斗笠式刀庫斗笠式刀庫一般情況下能夠容納的刀具數(shù)目比較少。在實際的生產(chǎn)過程中，一般用它來加工一些簡單的零件，而對于一些工序較多或是表面和復(fù)雜的零件來講它不能滿足在加工時的要求。9圖 1-5 斗笠式刀庫1.4 刀具交換裝置刀具交換裝置主要分為兩大類，第一是無機械手換刀（又稱為“由刀庫和主軸的相對運動試驗刀具交換”）；第二則就是是利用我們的機械式手臂來實現(xiàn)功能。無機械手換刀是在換刀的過程中，它是利用刀庫和主軸這兩個之間的相對位置關(guān)系來實現(xiàn)換刀的過程。它的缺點就是換刀時舊刀具送回刀庫和取即將要使用的刀具這兩個過程不能再同一時間工作。這樣就導(dǎo)致了換刀過程的時間較長，而且由于刀庫是放在工作臺上的，工人在操作的過程中會覺得工作臺就會比較擁擠，這樣不利用操作。機械手換刀在實際工作中常常與控制技術(shù)聯(lián)系起來共同完成自動換刀的過程，在操作的過程中，利用 PLC 對換刀的過程進行編程，這樣使得在換刀的過程中方便簡潔。一般機械手都可以通過進行機械手抓起刀具，從刀套和主軸中拔出刀具，交換刀庫和主軸的刀具，分別把交換后的刀具插入刀庫和主軸中以及返回等來實現(xiàn)換刀過程。機械手主要有以下 5 種主要的形式。第一類的回轉(zhuǎn)式單臂單爪機械手只有一個相應(yīng)的卡爪，它的手臂能夠轉(zhuǎn)動到范圍內(nèi)的多個地方地方進行換刀，但是因為只有一個刀爪，所以不能同時裝刀和卸刀，這樣就導(dǎo)致了它的換刀時間比較長。第二類的單臂雙爪回轉(zhuǎn)機械手有兩個相應(yīng)的卡爪，都有其各自的使用用途，其中的一個刀爪裝刀，而另一個刀爪就卸刀。裝刀和卸刀可以在同一時進行，這樣子的話它的換刀時間相比單臂單爪回轉(zhuǎn)式機械手短。第三類的雙臂回轉(zhuǎn)式機械手換刀的動作相對來說比較單一，它的換刀時間能夠減少很多是因為這種方式能夠抓取同時刀庫和主軸上的刀具，在同一時間他也可以裝卸這個刀具。第四類的雙機械手的原理是兩個單臂單爪的機械手組合在一起配合完成換刀的過程。所以看上去雙機械手就像是人的兩個手臂一樣，雖然他的機構(gòu)就比較復(fù)雜，但是它的換刀的過程很精確。雙臂往復(fù)交叉式的機械手的兩個手臂交叉在一起并且形成一個角度，這樣類型的機械手可以實現(xiàn)直線移動或繞著軸旋轉(zhuǎn)。第五類的雙臂端面夾緊式機械手是靠機械手夾緊刀具的端面來抓緊刀具，不過一般在實際的操作中用的較少。10圖 1-6 各種機械手112 總體設(shè)計方案2.1 刀庫及換刀裝置我選用的機床為十分典型的機床即 JCS-018A 立式加工中心盤式刀庫，所采用的是單臂雙手的回轉(zhuǎn)式換刀裝置。2.2 主要設(shè)計參數(shù)刀庫直徑：400mm；刀具數(shù)量：16 把；刀具形式：BT40；最大刀具的直徑為：40mm；平均刀具的重量為：8kg；刀盤最低的轉(zhuǎn)速為：70r/min；換刀時間：3.0；2.3 刀庫設(shè)計考慮到刀庫的重量和在換刀過程中的運用，故刀盤選用幅輪式刀盤?？紤]到在蝸桿傳動是在空間交錯中的兩個軸之間的傳動，這樣得傳動方式可以改變傳動的方向，這一點符合刀庫中運動和動力的傳動，故選擇蝸桿蝸輪傳動。在選擇驅(qū)動裝置時，由于刀庫在運動的過程中不需要調(diào)速，而且蝸輪蝸桿機械傳動機構(gòu)定位準確性不高等等的歸納在一定的眾多因素，因此采用交流伺服電機就可以滿足驅(qū)動的要求，在電機和蝸桿之間可以用聯(lián)軸器連結(jié)。這種傳動方案過程較為簡單，且在傳動的過程中很平穩(wěn)，能符合相關(guān)工作中對精度的條件要求。12圖 2-1 刀庫的傳動圖2.3.1 機械手的驅(qū)動方案加工中心換刀使用的機械手臂的動力驅(qū)使方式主要有電氣控制方式、液壓方式、氣壓控制方式、機械控制驅(qū)動這四種。其中這液壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動兩種驅(qū)動方式在實際的生產(chǎn)中用的最多，液壓驅(qū)動，在生產(chǎn)中約占 50%左右，氣壓驅(qū)動在生產(chǎn)中約占 40%左右。a)電氣驅(qū)動電氣驅(qū)動是直接用電動機進行驅(qū)動，他采用較大的減速比減速器進行驅(qū)動，這樣就能夠可以帶動絲杠，螺母機構(gòu)，有的也采用直線電動機。它有維修簡單，動力方便等優(yōu)點，但是由于控制響應(yīng)速度較慢，所以這種驅(qū)動方式使用很少。b)液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動是采用了用壓力油進行傳動，它的驅(qū)動力很大，一般在傳動的過程中沒有停滯的現(xiàn)象。運動的過程中平穩(wěn)，而且液壓油能夠吸收震動和減小沖擊力的優(yōu)勢，能夠頻繁的實現(xiàn)換向，因此在生產(chǎn)的過程中最常見到。c)氣壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動是用較為常見的壓縮空氣進行驅(qū)動，這種的驅(qū)動方式能源（即壓縮氣體）獲得較為簡便，對環(huán)境沒有任何的污染，而且機械手反饋速度快，無停滯的現(xiàn)象。壓縮空氣的粘度較小，適合于遠距離的運輸和遠程遙控。但是有出力小，體積大，潤滑13較差的缺點。d)機械驅(qū)動機械驅(qū)動是將所在的動力傳遞給凸輪和連桿一些機構(gòu)等進行驅(qū)動。一般不常使用。在本次設(shè)計中，由于我在機械手的選用中采用的是回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機械手換刀這種換刀方式動作的換向多，而且要用的驅(qū)動力不用特別大，所以我選擇用液壓傳動作為機械手的驅(qū)動方式。2.3.2 刀具交換裝置的選擇由前文的討論說明，選擇了回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機械手換刀（圖 2-2 是機械手傳動機構(gòu)示意圖） 2 ?傳 機 械 手 傳 傳 機 傳1.抓刀 當壓力油進入油缸的時，活塞桿受到液壓缸的推力的作用，帶動齒條向左移動，然后齒輪開始轉(zhuǎn)動，齒輪帶動齒輪軸轉(zhuǎn)動，由于機械手安裝在齒輪軸上，所以機械手手臂轉(zhuǎn)動，這個時候，機械手逆時針轉(zhuǎn)動 75°抓刀。2.拔刀 第一個動作完成后，齒條上的擋環(huán)壓下相對應(yīng)的開關(guān)，這個時候加工中心發(fā)出拔14刀系統(tǒng)信息，油進入到油缸中，這個時候傳動盤下降，傳動盤上的銷子插入到連接盤的孔中，使得活塞桿推動機械手手臂向下移動進行拔刀。3.換刀 拔刀過程完成后，擋環(huán)壓下相關(guān)的開關(guān)，加工中心發(fā)出交換刀具的系統(tǒng)信息。然后壓力油進入油腔中，活塞桿帶著齒條左移，機械手轉(zhuǎn)動 180°，對主軸和刀庫上的刀具進行互換。4.插刀 換刀過程結(jié)束后，擋環(huán)壓下對應(yīng)的開關(guān)，加工中心發(fā)出插刀的系統(tǒng)信息，壓力油進入油腔中，活塞桿帶動軸上升插刀。銷子從連接盤中退出。5.復(fù)位 插刀過程完成后，擋環(huán)壓下相關(guān)的開關(guān)，壓力油進入油缸中齒條右移復(fù)位，機械手不動。153 刀庫的設(shè)計及校核3.1 刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖 3-1 刀庫的結(jié)構(gòu)當數(shù)控機床接到換刀信號的時，電機接通，電機軸轉(zhuǎn)動，帶動聯(lián)軸器，渦輪蝸桿轉(zhuǎn)動，它的動力傳動給刀盤，刀盤帶動刀套轉(zhuǎn)動，每個刀套上都有一個滾子，最后由液壓缸帶動活塞是撥叉提起刀套，與換刀裝置一起完成換刀的過程。3.2 刀庫主要零件設(shè)計3.2.1 刀庫驅(qū)動電動機的選擇按負載轉(zhuǎn)矩選擇理論上加載在伺服電機上的轉(zhuǎn)矩（Tl）應(yīng)該比選定的電動機的額定轉(zhuǎn)矩要小設(shè)計的刀庫刀具的最大重量為 8kg，刀盤直徑為 400mm。圓盤式刀庫的加載在伺服電動機上的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該是來自于刀具在刀庫上的位置不平衡造成的。在計算時按刀具的最大重量進行計算，重心設(shè)計為刀庫的回轉(zhuǎn)中心。則有轉(zhuǎn)化為加載在電機軸上的負載為: 10*9.8/201960.TNkgmNlin??電動機轉(zhuǎn)軸上的負載轉(zhuǎn)矩?16傳動比?i傳動效率n在本設(shè)計中，傳動比定為 i=20傳動效率為： 0.72*0.99*0.99*0.99=0.6993*21nn?總聯(lián)軸器機械傳動效率；?1n蝸桿的傳動效率；2軸承的傳動效率；3Tl=19600/20/0.699=1.402n.m在考慮實際傳動過程的誤差，故電機額定轉(zhuǎn)矩 Ts 應(yīng)該是 Tl 的 1.2-1.5 倍。Tls)5.12(??Ts(1.2-1.5)*1.402Ts1.68-2.103根據(jù)要求我們因該按最大的轉(zhuǎn)矩來選定。加速時的最大轉(zhuǎn)矩（T）應(yīng)該是加速轉(zhuǎn)矩（Ta）和負載轉(zhuǎn)矩（Tl)之和: la??加速轉(zhuǎn)矩計算:Ta=2*?* *( )/( )NmJlTa60加速時間（通常選擇 ）;?Ta152ms?進行選刀時的電機的轉(zhuǎn)速;--負載慣量折定到電機的軸上的慣量；Jl電動機轉(zhuǎn)子慣量；=1500r/min =0.019n.s.s =0.016n.m.s.sNmJJl=180ms=1.8staTa=2*?*n*m*( )/( )Tl?a60Ta=2*3.14*1500*20*(0.019+0.016)/(60*1.8)=3.05 n.mTTa+Tl 3.05+1.4024.455加速時最大轉(zhuǎn)矩（T）理論上講應(yīng)該小于電機的額定最大轉(zhuǎn)矩（T max），這樣才能滿足使用的條件。T13.3N.m??軸孔的直徑范圍為 12-18mm確定其軸孔的直徑為 16mm在蝸輪蝸桿的傳動過程中，軸既受徑向力又受軸向力的作用，故軸承的類型選擇角接觸球軸承，根據(jù)軸徑選擇 70000C如圖 3-1 所示21圖 3-3 蝸桿軸在第三段和第五段是軸承，故 =20mm,長度 =20mm;?l第六段和第二段是鎖緊螺母，用雙螺母來進行鎖緊，故 =18mm,長度 =25mm;?l第一段與聯(lián)軸器相連，故 =16mm,長度 =30mm,鍵為 8*5，長度為 20mm;l第四段長度 =250mm;l2.蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.蝸桿軸的最小直徑蝸輪軸選用調(diào)質(zhì)處理的 45 號鋼。根據(jù)表 15-3（機械設(shè)計）有 =1120A=26.45mm30min/*PAd?由于該軸上有鍵槽，在計算的過程中應(yīng)該考慮這個因素的影響，故計算出來的最小軸 =27mm。in在蝸輪蝸桿的傳動過程中，軸既受徑向力又受軸向力的作用，故軸承的類型選擇角接觸球軸承，根據(jù)軸徑選擇 7006C。圖 3-4 渦輪軸在第二段和第六段是軸承，故 =30mm,長度 =20mm,第六段長度為 50mm;?l第一段和第七段是鎖緊螺母，故 =28mm,長度 =30mm;第五段與渦輪相連,直徑為 40mm,長度為 50，上面有一個鍵 12*5，長度為 28mm;第三段直徑為 40mm,長度為 50mm;第四段直徑為 長度為 12mm;60m第八段為花鍵軸，它與刀盤連接，長度為 100mm.22蝸桿軸軸徑的校核蝸桿軸；由 可知 =2*4/40?tan1mZd?1tdZ?=11.3蝸桿受力軸向力： =1564 N21dTFa?徑向力： =312.85 N?tanrt?圓周力： =366.26 N?1r垂直受力；；0?rF0''121??rRF?AM*37?得 8.69'1NR2圖 3-3 垂直受力圖垂直面彎矩圖23圖 3-6 垂直面彎矩圖水平面受力 F 0'3711??Rt得 =145 N'=167.85 N2R圖 3-7 水平面受力圖水平面彎矩圖24圖 3-8 水平面彎矩圖-合成彎矩圖圖 3-9 合成彎矩圖轉(zhuǎn)矩圖設(shè)他的 6.0??故 5320.2T當量彎矩圖：圖 3-10 轉(zhuǎn)矩圖25圖 3-11 當量彎矩圖又由 可知????12224???????????????????WTMTWca在渦輪軸中 =2195.23d?故 =45542/2185.2=20.84ca查表 15-1（機械設(shè)計）可知 =55??1??故軸滿足設(shè)計的條件。渦輪軸的校核蝸桿受力：軸向力： =1564N22dTFa??徑向力： =366.26 N?tanrt圓周力： =312.85 N?2r在垂直方向上受力：圖 3-12 垂直方向受力0'':0423????rryFF0'*31816*4??rac FM得 Nr78'4F513?垂直面彎矩圖26圖 3-13 垂直面彎矩圖水平面受力圖0'*341062:????rc FFtM得：0'':0423???rtryFFNr86'r178'圖 3-14 水平面受力圖水平面彎矩圖圖 3-15 水平面彎矩圖合成彎矩圖27圖 3-16 合成彎矩圖轉(zhuǎn)矩圖圖 3--17 轉(zhuǎn)矩圖當量彎矩圖圖 3-18 當量彎矩圖有 ????12224???????????????????WTMTWca在蝸輪軸上有 51028.7?1ca故齒輪軸合格。3.4 刀具系統(tǒng)及刀具的選擇283.4.1 刀具系統(tǒng)刀具理論上說雖然不是屬于機床本體的一部分，但是在數(shù)控機床的使用中，為了使刀具在機床上迅速有效的進行定位夾緊，現(xiàn)在在工廠中一般使用的是一套標準化的刀具系統(tǒng)，刀具一般是上來講由刀柄和拉丁兩部分已經(jīng)實現(xiàn)標準化組成。我國制定了 TSG 刀具系統(tǒng)的刀柄標準為直柄和 7:24 的錐度，使得各種刀柄都有可以參考的標準。3.4.2 刀具的選擇方式（1）順序選擇刀具刀具按照一定的順序插入到刀庫中，到了工作狀態(tài)中使用的時候也會按順序的取出來使用，這種選擇刀具的方式就叫做順序選擇刀具。這種選擇刀具的方式十分方便，控制簡單，而且很可靠。但是這樣子的話，就會使得刀庫中的刀具在每個工序中不能重復(fù)使用，而且也降低了刀具使用的利用率，而且為了滿足工作的要求，刀具的數(shù)目不斷增加的話，就會使得刀庫的尺寸也會隨之不斷的增加，機床變大，這樣工廠的空間利用率就會減小，增加了公司的成本，也降低了工作的效率。（2）任意選擇刀具這種選擇刀具的方式是利用編程來管理刀庫中的刀具，刀具在刀庫中可以隨意放置，不需要按照一定的順序排列。使用的時候可以任意選擇，發(fā)出換刀指令后，要根據(jù)刀具識別裝置來識別是哪一把刀具。這種選擇刀具的方式主要有刀座編碼方式，刀具編碼方式和編碼附件方式。1.刀座編碼方式刀座編碼方式的設(shè)計原理是：刀座按一定的順序進行編碼，而且在對應(yīng)的刀庫里每一把刀具也進行相應(yīng)的編碼，把編碼后的刀具放在對應(yīng)編碼的刀座之中，當 CNC發(fā)出換刀的順序，及其開始換刀的時候，刀庫就旋轉(zhuǎn)。這樣，刀座就可以通過相應(yīng)的識別刀具的裝置找到那道工序需要的那把刀。這種選擇刀具的方式的優(yōu)點是刀具是可以被重復(fù)利用的。但是他也有自己的缺點，它的主要缺點是在自動換刀時要把用過的舊刀放回到相應(yīng)的刀座中，這樣就增加了換刀的動作。2.刀具編碼方式刀具編碼方式是在刀柄之后后端的拉桿上裝上能夠被識別的編碼環(huán)，這樣使得每一把刀具都有自己特定的代碼，但是刀座自身沒有編碼，這樣刀具可以放在任意的刀座中，這種方式的編碼方式刀具也可以被重復(fù)利用。3.編碼附件方式29編碼附件可以有編碼桿，編碼盤，編碼卡片和編碼鑰匙等等，在實際中用最多的是編碼鑰匙，編碼鑰匙就像門的鑰匙和鎖一樣，這樣就給刀座安上特定的號碼，就像一個電話機對應(yīng)一個電話號碼一樣，識別裝置就是通過識別編碼鑰匙鑰匙來選擇刀具。這種編碼方式有很大的靈活性，刀具利用率高，因為它具有暫時的特性，從刀座中取刀具后刀具就成為無編碼的刀具。但是它的缺點是，刀具要必須得放回原來的刀座中。3.4.3 刀具識別裝置（1）接觸式刀具識別裝置接觸式刀具識別裝置的原理是通過觸針與編碼環(huán)相互接觸來進行識別，對于識別裝置的每個觸針都與一個繼電器相連接，當觸針與編碼環(huán)接觸時繼電器通電，代碼為 1，當觸針與編碼環(huán)不接觸代碼為 0，然后由繼電器來判斷是不是所需要的刀具，如果是的話那么控制裝置發(fā)出信號讓刀庫停止。（2）利用非接觸式刀具識別裝置非接觸式刀具識別裝置的原理是利用磁和光的識別，這種識別方式一般不用和編碼環(huán)相接觸，這樣就可以提高編碼環(huán)的壽命，一般用于高速，或者是換刀比較頻繁的場合。（3）利用可編程控制器這是利用計算機軟件編程取代傳統(tǒng)的識別方式，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為一門大學(xué)生的必須基本掌握的課程-數(shù)控編程，這樣提高了工作效率和準確度。消除了由于在換刀過程中的各種誤差。在這個中又分為自動換刀控制和刀號數(shù)據(jù)表，刀具識別和刀具交換及刀號數(shù)據(jù)表的修改三種類型，都是通過計算機控制技術(shù)進行控制。304 刀具交換裝置的設(shè)計4.1 自動換刀的順序在機床上，刀庫是位于機床主軸的左側(cè)，刀具在刀座中，剛開始刀具軸線與主軸垂直，所以在換刀前，刀庫首先將要交換的刀具通過刀庫旋轉(zhuǎn)，刀庫旋轉(zhuǎn)到指定的位置，由識別裝置識別出來，刀庫停止旋轉(zhuǎn)，送到換刀的位置，然后由撥叉把刀套上的滾子提起來，然后讓刀套向下旋轉(zhuǎn) 90 度；接著機械手按順時針方向轉(zhuǎn)動 75 度，這樣機械的兩個手柄分別夾持著刀庫和主軸上的刀具，手柄上有自鎖機構(gòu)，夾緊刀具后機械手柄自動進行鎖緊；當主軸上的自動夾緊裝置處于放松時，機械手向下移動，拔出刀具；然后機械手按順時針方向轉(zhuǎn)動 180 度的角度，這個過程中的機械手就像人的兩個手臂，人轉(zhuǎn) 180 度后，刀具的位置交換，機械手交換刀庫和主軸上的刀具；換刀動作完成后，機械手就向上移動，機械手的兩個手柄分別將刀具插到刀庫的刀套和主軸中；主軸這時就被夾緊，機械手復(fù)位，逆時針方向旋轉(zhuǎn) 75 度的角度；刀套復(fù)位，向上旋轉(zhuǎn) 90 度。4.2 自動夾緊裝置刀具的自動夾緊裝置一般安裝在主軸上，刀具在主軸上的夾緊和放松是為了更好的安裝和換刀。如圖所示：主軸的前端是用最常用的 7:24 的錐孔來裝夾刀具，主軸的端面有鍵槽是為了更好的給刀具定位，還可以傳遞扭矩。當?shù)毒邐A緊時，蝶形彈簧通過拉桿和雙瓣卡爪在套筒的動作下下可以使刀柄的尾端拉緊從而實現(xiàn)刀具的夾緊；在換刀時壓力油就會進入到油腔中，活塞通過推動拉桿來壓縮彈簧，在彈簧的作用下卡爪張開，導(dǎo)致噴氣頭將刀柄頂住，當壓力達到一定的值時，刀柄松開，這個時候刀具就可以被機械手拔出，完成拔刀的動作；當機械手換刀后，機械手要把新的刀具放到主軸中，壓力油進入油腔中，上述提到的使刀具夾緊。這樣就完成了刀具的在主軸上的自動夾緊的過程。在這個裝置中，活塞的極限位置中都有行程開關(guān)開控制在刀具的夾緊和松開。