数控加工中心刀库传动系统设计.doc

浙江xx学院毕业设计题目数控加工中心刀库传动系统设计姓名学号专业班级系别指导教师2010年x月x日机电工程学院毕业设计数控加工中心刀库传动系统设计摘要本文设计了数控加工中心刀库传动系统工件在加工中心上经一次装夹后数字控制系统能控制机床按不同工序自动选择和更换刀具自动改变机床主轴转速进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助机能依次完成工件几个面上多工序的加工并且有多种换刀或选刀功能从而使生产效率大大提高在参考了学校里的数控加工中心基础上对加工中心的气动换刀系统进行分析阐述了其刀库选刀控制方式及换刀动作过程介绍该系统在换刀过程中实现主轴定位主轴松刀拔刀向主轴锥孔吹气和插刀动作并通过CAXA软件画出换刀系统的过程来更清楚的描绘出气动换刀系统关键词加工中心气动换刀机电工程学院毕业设计目录1绪论111数控加工中心气动换刀系统的概述112课题的内容及意义12气动换刀系统的组成221刀库2211盘式刀库2212链式刀库3213格子式刀库422刀具交换机构43数控加工中心气动换刀系统原理64刀库选刀控制与换刀流程841刀具的选择方式8411顺序选择方式8412任意选择方式842利用PLC程序来实现随机换刀843换刀动作流程105数控加工中心换刀时间的评定方法1551快速换刀技术1552换刀速度指标1553提高换刀速度的基本原则1554如何合理评定自动换刀装置的换刀时间156数控加工中心气动换刀系统关键部位设计1761弹簧夹头设计1762刀柄设计187结论198谢辞209参考文献21附录22机电工程学院毕业设计1绪论11数控加工中心气动换刀系统的概述带有刀库和气动换刀装置的加工中心是一种高度自动化的多功能数控机床工件在加工中心上经一次装夹后数字控制系统能控制机床按不同工序自动选择和更换刀具自动改变机床主轴转速进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助机能依次完成工件几个面上多工序的加工并且有多种换刀或选刀功能从而使生产效率大大提高气动换刀系统一般由刀库和刀具交换机构组成全部刀具分别安装在标准刀柄上在机外进行尺寸预调整后按一定的方式放入刀库中去换刀时先在刀库中进行选刀并由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具在进行交换刀具之后将新刀具装入主轴把旧刀具放回刀库能实现一次装夹完成多道工序缩短了加工辅助时间同时排除了多次装夹刀具所产生的定位误差提高了加工精度实现了高速化智能化的加工气动换刀系统的好坏直接影响生产加工的效率本文将要讨论数控加工中心气动换刀系统的工作原理及机械结构12课题的内容及意义本文在参考了学校里的加工中心的基础上利用CAXA画图软件画出数控加工中心气动换刀系统原理图和机械结构来完成本次设计首先参阅图书馆中有关气动书籍并通过互联网寻找到一些相关资料并针对学校的数控加工中心进行研究分析其次用CAXA画图软件画出气动换刀系统的原理图及机械结构进行分析最后设计气动换刀系统的关键部位来完成数控加工中心气动换刀系统设计本次设计的完成使我的能力得到了锻炼经验得到了丰富特别是对数控加工中心刀库传动系统有了更深一步的了解我摆脱了单纯的理论知识学习状态和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识解决实际操作问题的能力同时我的查阅文献资料设计手册设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平也得到了很大的提高为今后就业顶岗奠定了坚实的基础机电工程学院毕业设计2气动换刀系统的组成气动换刀系统一般由刀库和刀具交换机构组成不同的数控加工中心刀库和刀具交换机构可能不同这也体现了不同数控机床间的不同特色21刀库所谓刀库顾名思义就是存放刀具的仓库是气动换刀装置的主要部件其容量布局以及具体结构对数控机床的设计有很大的影响根据刀库所需要的容量选刀及取刀方式可以将刀库设计成多种形式211盘式刀库图21盘式刀库图21为盘式刀库这种刀库的结构简单刀库的容量通常为1530把取刀比较方便因此应用最为广泛当需要更多数量的刀具时可采用图e所示的鼓轮弹仓式刀库又称刺猬式其结构十分紧凑在相同的空间内它的刀库容量最大图f为多层盘形刀库它们虽然也具有结构紧凑的特点但选刀和取刀的动作较多故较少应用机电工程学院毕业设计212链式刀库图22链式刀库图22为链式刀库这种刀库是在环形链条上装有许多刀座其结构有较大的灵活性存放刀具的数量也较多选刀和取刀动作十分简单当链条较长时可以增加支撑链轮数目使链条折叠回饶提高空间利用率一般刀具数量在30120把但是这种刀库定位精度低因此应用也不广泛机电工程学院毕业设计213格子式刀库图23格子式刀库图23为格子式刀库这种刀库具有纵横排列十分整齐的很多格子每个格子中均有一个刀座可储存一把刀具这种刀库可将其单独安置于机床外由机械手进行选刀及换刀这种刀库选刀及取刀动作复杂应用最少22刀具交换机构将新刀具装入主轴把旧刀具放回刀库的装置叫做刀具交换机构主要有通过刀库和主轴的相对运动实现刀具交换和通过机械手实现刀具交换两种形式通过刀库和主轴的相对运动实现刀具交换必须将主轴上用过的刀具送回刀库再从刀库取出新刀但两个动作不能同时进行换刀时间较长换刀动作也较多通过机械手实现刀具交换换刀时间短因此广泛运用根据在换刀过程中机械手的动作不同分为抱刀机械手叉刀机械手钩刀机械手这里以钩刀机械手为例介绍一下机械手在换刀过程中的基本动作1抓刀手臂旋转90同时抓住刀库和主轴上的刀具2拔刀主轴夹头松开刀具机械手同时将刀库和主轴上的刀具拔出3换刀手臂旋转180新旧刀具交换4插刀机械手同时将新旧刀具分别插入主轴和刀库然后主轴夹头夹紧机电工程学院毕业设计刀具5复位转动手臂回到原始位置图24图24钩刀机械手换刀过程机电工程学院毕业设计3数控加工中心气动换刀系统原理图31所示为数控加工中心气动换刀系统原理图该系统在换刀过程中实现主轴定位主轴松刀拔刀向主轴锥孔吹气和插刀动作图31数控加工中心气动换刀系统1气动三联件2469机向阀351011单向节流阀78快速排气阀具体工作原理如下当数控系统发出换刀指令时主轴停止旋转同时4YA通电压缩空气经气动三联件1换向阀4单向节流阀5进入主轴定位缸A的右腔缸A的活塞左移使主轴自动定位定位后压下无触点开关使6YA通电压缩空气经换向阀6快速排气阀8进入气液增压器B的上腔增压器的高压油使活塞伸出实现主轴松刀同时使8YA通电压缩空气经换向阀9单向节流机电工程学院毕业设计阀11进入缸C的上腔缸C下腔排气活塞下移实现拔刀由回转刀库交换刀具同时1YA通电压缩空气经换向阀2单向节流阀3向主轴锥孔吹气稍后1YA断电2YA通电停止吹气8YA断电7YA通电压缩空气经换向阀9单向节流阀10进入缸C的下腔活塞上移实现插刀动作6YA断电5YA通电压缩空气经阀6进入气液增压器B的下腔使活塞退回主轴的机械结构使刀具夹紧4YA断电3YA通电缸A的活塞在弹簧力作用下复位回复到开始状态换刀结束表31为电磁铁动作顺序表表31电磁铁动作顺序表1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA8YA主轴定位主轴松刀拔刀插刀吹气夹紧复位机电工程学院毕业设计4刀库选刀控制与换刀流程41刀具的选择方式按数控装置的刀具选择指令从刀库中挑选各工序所需要的刀具的操作称为自动换刀目前有顺序选择和任意选择两种方式411顺序选择方式将刀具按加工工序的顺序依次放人刀库的每一个刀座内每次换刀时刀库按顺序转动一个刀座的位置并取出所需要的刀具已经使用过的刀具可以放回原来的刀座内也可以按顺序放入下一个刀座内这种方式不需要刀具识别装置而且驱动控制也较简单可以直接由刀库的分度来实现因此刀具的顺序选择方式具有结构简单工作可靠等优点但更换不同工件时须重新排列刀库中的刀具顺序刀库中的刀具在不同的工序中不能重复使用相应地增加了刀具的数量和刀具的容量降低了刀具和刀库的利用率此外装刀时必须十分谨慎如果刀具不按顺序装在刀库将会造成严重事故412任意选择方式采用任意选择方式的自动换刀系统中必须有刀具识别装置这种方式是根据程序指令的要求来选择所需要的刀具刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列可任意存放每把刀具或刀座都编上代码自动换刀时刀库旋转每把刀具或刀座都经过刀具识别装置接受识别当某把刀具的代码与数控指令的代码相符合时该把刀具被选中并将刀具送到换刀位置等待机械手来抓取刀库中刀具的排列顺序与工件加工顺序无关相同的刀具可重复使用因此刀具数量比顺序选择法的刀具可少一些刀库也相应的小一些42利用PLC程序来实现随机换刀PLC程序是数控机床正常运转的软件核心是连接CNC和机床的桥梁也是机床电气设计人员调试机床的关键一个完善的PLC程序不仅能使机床正常运行还要让人看起来一目了然既为自己调试提供方便还能帮助维修人员查找故障和分析原因首先简单介绍一下刀具交换装置的基本情况刀库是可正反向旋转的链式刀库装在刀具交换装置上的机械手用个步骤将刀库中的刀具交换到主轴并将主轴刀具还回刀库对应的刀套中为尽量缩短换刀时间我们采用刀具预选与零件加工同时进行的方式来压缩换刀时间机械手动作顺序如下步骤平移缩回抓刀库中预选的刀具步骤拔刀伸出拔出刀套中的刀具步骤平移伸出离开刀库侧抓刀位置步骤拔刀缩回机械手缩回步骤摇臂伸出摇臂转向主轴侧机电工程学院毕业设计步骤平移伸出抓主轴刀具步骤拔刀伸出拔出主轴中的刀具步骤换刀正转或反转刀具交换步骤拔刀缩回将预选刀具插入主轴步骤平移缩回机械手离开主轴步骤摇臂缩回摇臂转向刀库侧步骤拔刀伸出准备将主轴刀具送回刀库步骤平移缩回机械手移向刀库步骤拔刀缩回将主轴刀具插入刀库步骤平移伸出离开刀库侧抓刀位置以上个步骤可分为如下个阶段第阶段抓新刀刀号如代码控制刀库按就近方向转动到编程刀具所在的位置到位且有刀库定位信号后启动机械手经过步骤步骤步骤步骤将编程刀具抓在手上等待换刀第阶段换刀启动换刀固定循环控制各坐标移动到换刀位置并用通知启动换刀用信号请求读入禁止并启动机械手换刀步骤步骤步骤步骤步骤步骤步骤同时用步骤的到位信号控制刀库转到主轴刀号的位置第阶段还刀步骤启动的刀库旋转停止且有刀库定位信号后启动机械手步骤步骤步骤步骤将主轴刀具还到刀库中并将记忆主轴刀号的存储器更新步骤完成后取消读入禁止激活刀具参数加工程序和机械手还同时进行第阶段抓预选新刀在的下一段紧跟下道工序要用的刀具号刀库在完成还刀动作后可在零件加工的同时启动机械手步骤步骤步骤步骤将下道工序所用的刀具预选抓到机械手上等待启动后面的换刀动作这样大大缩短了刀具交换的时间提高了工作效率注意事项在固定循环TOOL中所有位移程序段应加G153段有效取消基本偏移三个换刀过程装刀主轴无刀TXXM06直接安装编程刀具换刀主轴有刀交换编程刀具和主轴刀具还刀主轴有刀编程T0将主轴刀具还回刀库本编程方法的核心是将机械手动作按时序分成共15个步骤步骤存储在一个中间的变量中该中间变量点占一个字节每个步骤完成后将中间变量的值修改为下一个步骤而整个步骤全部完成后将中间变量置为零下一个换刀指令到来后又从步骤1开始执行这样不仅使PLC程序简单直观机电工程学院毕业设计而且由于步骤是唯一的这样就能避免信号之间的互相干扰编程人员再也不用绞尽脑汁来为每一个输出信号加各种限制条件巧妙利用变量达到事半功倍的效果加工程序和PLC程序关系见图41图41加工程序和PLC程序关系示意图43换刀动作流程下面为大家介绍一下数控加工中心盘式刀库和主轴间换刀流程若现在主轴上刀具1号刀换刀库上刀具2号刀的过程如下如图42所示首先刀库将当前位置旋转至1号刀所在的刀座机电工程学院毕业设计图42刀库旋转如图43所示主轴下降至Z轴换刀点同时主轴准停图43主轴下降如图44所示刀库前进使1号刀具进入刀库的1号刀库机电工程学院毕业设计图44刀库前进如图45所示主轴松刀1号刀具落入刀库原位然后主轴上升图45主轴松刀如图46所示刀库旋转将新刀2号刀旋转到刀库当前位置机电工程学院毕业设计图46刀库旋转如图47所示主轴下降到2号刀所在位置同时主轴上的刀具夹紧装置把2号刀具夹紧图47主轴下降如图48所示刀库退回到原位换刀过程结束机电工程学院毕业设计图48刀库退回机电工程学院毕业设计5数控加工中心换刀时间的评定方法51快速换刀技术快速自动换刀技术是以减少辅助加工时间为主要目的综合考虑机床的各方面因素在尽可能短的时间内完成刀具交换的技术方法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机床的结构特点等52换刀速度指标衡量换刀速度的方法主要有三种刀到刀换刀时间切削到切削换刀时间切屑到切屑换刀时间由于切屑到切屑换刀时间基本上就是加工中心两次切削之间的时间反映了加工中心换刀所占用的辅助时间因此切屑到切屑换刀时间应是衡量加工中心效率高低的最直接指标而刀到刀换刀时间则主要反映自动换刀装置本身性能的好坏更适合作为机床自动换刀装置的性能指标这两种方法通常用来评价换刀速度至于换刀时间多少才是高速机床的快速自动换刀装置并没有确定的指标在技术条件可能的情况下应尽可能提高换刀速度53提高换刀速度的基本原则加工中心自动刀具交换的基本出发点是在多种刀具参与的加工过程中通过自动换刀减少辅助加工时间在高速加工中心上由于切削速度的大幅度提高自动换刀装置和刀库的配置要考虑尽可能缩短换刀时间从而和高速切削的机床相配合加工中心的换刀装置通常由刀库和刀具交换机构组成常用的有机械手式和无机械手式等方式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加工中心在结构上已和传统的加工中心不同以刀具运动进给为主减小运动件的质量已成为高速加工中心设计的主流因此设计换刀装置时要充分考虑到高速机床的新结构特征在设置高速加工中心上的换刀装置时时间并不是唯一的考虑因素首先应在换刀动作准确可靠的基础上提高换刀速度特别是自动换刀系统是加工中心功能部件中故障率相对比较高的部分这一点尤其重要其次要根据应用对象和性能价格比选配自动换刀系统在换刀时间对生产过程影响大的应用场合要尽可能提高换刀速度例如在汽车等生产线上换刀时间和换刀次数要计入零件生产节拍而在另外一些地方如模具型腔加工换刀速度的选择就可以放宽一些54如何合理评定自动换刀装置的换刀时间众所周知评定自动换刀装置换刀时间的根本目的在于考察换刀装置的换刀机电工程学院毕业设计速度并用于计算加工零件的生产节拍合理的评定方法应该是与机床的具体使用状态吻合使加工中心主机生产厂自动换刀装置生产厂及加工中心用户均可接受不偏向任何一方要做到这些就要围绕自动换刀装置是为主机服务这个中心和在计算零件生产节拍时区分哪些时间涉及自动换刀装置的性能哪些时间涉及主机的性能哪些时间影响生产节拍哪些时间自动换刀装置动作而主机停在换刀位置为此引自动换刀点的概念所谓自动换刀点就是自动换刀装置处于为自动换刀所必需的准备过程中主机刚刚到达换刀位置的状态点有了自动换刀点的概念后就可将自动换刀装置的换刀时间定义为一把刀具从自动换刀点经自动换刀后下一把刀具第一次到达同一状态点之间的时间间隔评定自动换刀时间具有以下特点游离于具体的机床结构之上不涉及具体的机床结构适用于任何结构的加工中心不同类型的加工中心其自动换刀点不同引用自动换刀点计算或测出的自动换刀时间只考虑了自动换刀装置为自动换刀所作准备及自动换刀装置换刀后恢复原位过程中主机无动作的时间段不考虑主机动作时自动换刀装置为自动换刀所需的准备时间及主机动作时自动换刀装置换刀后的回复时间即自动换刀时间这个集合与主机动作时间这个集合之间没有交集这样评定的自动换刀时间正确地考察了自动换刀装置的换刀速度而不考察自动换刀装置的换刀准备速度和换刀后的回复速度用这样评定的自动换刀时间计算零件的生产节拍准确可靠这样评定的换刀时间具有普遍性广义性和前檐性机电工程学院毕业设计6数控加工中心气动换刀系统关键部位设计61弹簧夹头设计通过第一代小型弹簧夹头自动换刀系统样机的研究表面要进一步提高机床主轴的工作性能并满足数控机床自动换刀的要求设计研制的机床主轴轴端弹簧夹头必须能够很好地解决以下关键问题圆柱刀炳与弹簧夹头接触面之间在夹紧状态下应有足够的接触刚度弹簧夹头中的弹簧套与机床主轴轴端锥孔接触面之间在夹紧状态下也应有足够的接触刚度在加工过程中机床主轴必须给刀具传递足够的切削扭矩弹簧夹头采用螺旋夹紧机构在夹紧刀具时除向刀具提高足够大的径向夹紧力外还必须具备可靠的自锁性能刀具交换装置和弹簧夹头在每次更换刀具后应使刀具具有较高的重复定位精度在换刀过程中具有自动清理刀炳和弹簧夹头型腔内铁屑尘渣的功能机床主轴轴端应结构简单和工艺性好便于主轴自身的优化的设计图61弹簧夹头1主轴轴端结构2弹簧套3齿数螺母套4V型槽挡圈5滚动替6孔底双侧半圆键7喷气口8圆柱形刀炳机电工程学院毕业设计62刀柄设计在主轴刀柄刀具这样的一个系统中刀柄是影响同心度和动平衡一个关键环节千万不能将它当成一般的部件来看待随着主轴转速的增加刀柄的设计对于加工的影响将显得越来越重要对于仅仅是锥度连接的刀夹系统来说当主轴在高速旋转的情况下因为主轴本身锥孔的膨胀而主轴和刀柄的连接又仅仅是通过锥度面连接此时刀柄受到拉力的影响会有一个回缩两面接触的连接方式有助于解决该问题普通的刀柄连接在主轴法兰面留有一个间隙有一些的刀柄采取封闭这段间隙的方法来达到两面接触的目的但是这样的设计在刀柄与主轴紧密配合时会因为变形在主轴法兰连接面之间产生材料的挤压使用带弹性锥面接触的刀柄其中的垫片可以封闭主轴法兰的间隙图62刀柄1拉杆2拉钉3锥度面4止动螺钉5刀柄6法兰面7洼形肩面8刀具机电工程学院毕业设计7结论毕业设计是本专业学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会通过这次比较完整的给数控加工中心气动换刀系统设计我摆脱了单纯的理论知识学习状态和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识解决实际操作问题的能力同时也提高我查阅文献资料设计手册设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平而且通过对整体的掌控对局部的取舍以及对细节的斟酌处理都使我的能力得到了锻炼经验得到了丰富并且意志品质力抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在虽然毕业设计内容繁多过程繁琐但我的收获却更加丰富各种系统的适用条件各种设备的选用标准我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的和老师的沟通交流更使我从经济的角度对设计有了新的认识也对自己提出了新的要求提高是有限的但提高也是全面的正是这一次设计让我积累了无数实际经验使我的头脑更好的被知识武装了起来也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力更强的沟通力和理解力顺利如期的完成本次毕业设计给了我很大的信心让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心无论是对数控加工中心的操作我都采用了一些新的技术和设备他们有着很多的优越性但也存在一定的不足这新不足在一定程度上限制了我们的创造力在这个能源紧缺节能被高度重视的社会中这无疑是很让我自身感到遗憾的可这些不足正是我们去更好的研究更好的创造的最大动力只有发现问题面对问题才有可能解决问题不足和遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行今后我更会关注新技术新设备新工艺的出现并争取尽快的掌握这些先进的知识更好的为祖国的四化服务机电工程学院毕业设计8谢辞本论文的顺利完成得益于我的指导老师XX老师从选题的确定论文资料的收集论文框架的确定开题报告准备及论文初稿与定稿中对字句的斟酌倾注的大量心血在此对我的指导黄仕彪老师表示衷心感谢9参考文献1朱洪涛液压与气动传动M北京清华大学出版社20052袁万宏加工中心操作指南M北京机械工业出版社20053赵国增计算机辅助绘图与设计M北京机械工业出版社20024陈洪涛数控加工工艺与编程M北京高等教育出版社20025马振幅液压与气压传动M北京机械工业出版社20046徐永生气压传动M北京机械工业出版社1999机电工程学院毕业设计附录加工中心主要技术参数表单位主轴最高转速rmin8000快速移动速度XYmmin24快速移动速度Zmmin15最大进给速度mmmin5000刀饼容量162024换刀时间机械手S45刀具最大直径Mm80刀具最大长度Mm300气源Lmin60