加工中心毕业论文加工中心智能换刀系统设计(编辑修改稿)

加工中心毕业论文加工中心智能换刀系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

东华理工大学长江学院（论文） 东华理工大学长江学院（论文） 13 导向轮（张紧轮）回零撞块 回零 开关（左右可移动） 导向轮主动链轮链条刀套图 2— 2 方形链式刀库示意图 导向轮一般做成光轮，圆周表面硬化处理。 兼起张紧轮作用的左侧两个导论，其轮座必须带有导向槽（或导向键），以免松开安装螺钉时，轮座位置歪扭，对张紧调节带来麻烦。 回零撞块可以装在链条的任意位置上，而回零开关则安装在便于调整的位置上。 这时处于机械手抓刀位置的刀套，编号为 1 好，然后依次编上其他刀号。 刀 库回零时，只能从一个方向回零，至于是顺时针回转回零，还是逆时针回转回零，可由机电设计人员商定。 如果刀套不能准确地停在换刀位置上，将会使换刀机械手抓刀不准，以致在换刀时容易发生掉刀现象。 因此，刀套的准停问题将是影响换刀动作可靠性的重要因素之一。 为了确保刀套准确地停在换刀位置上，需要采取如下措施： （ 1）定位盘准停方式，由液压缸推动的定位销插入定位盘的定位槽内，以实现刀套的准停，或采取定位块进行快速定位。 刀位盘上的每个定位槽（或定位孔），对应于一个相应的刀套，而且定位槽（或定位孔）的节距要一致。 这种准停方式的 优点是能有效地消除传动链反向间隙的影响，保护传动链，使其免受换刀撞击力，驱动电动机可不用制动自锁装置。 （ 2）链式刀库要选用节距精确度较高的套筒滚子链和链轮，而且在把套筒装在链条上时，要用专用夹具来定位，以保证刀套节距一致。 （ 3）传动时要消除传动间隙。 消除反向间隙方法有以下几种：电气系统自动补偿方式，在链轮轴上安装编码器，单头双导程蜗杆传动方式，使刀套单方向运行、单方向定位以及使刀套双向运行、单向定位方式等。 东华理工大学长江学院（论文） 东华理工大学长江学院（论文） 14 链式刀库有如下特点：适用于刀库容量较大的场合，所占的空间小。 一般适用于刀具数在 30～ 120 把的刀 库。 仅增加链条长度即可增加刀具数，可以不增加圆周速度，其转动惯量不像盘式刀库增加的那样大。 盘式刀库 在盘式刀库结构中，刀具可以沿主轴径向、轴向、斜向安放，如图 2— 3（ a）、（ b）、（ c）。 刀具轴向安装的结构最为紧凑，但为了换刀时刀具与主轴同向，有的刀库中的刀具需要在换刀位置作 90 翻转。 在刀库容量较大时，为在存取方便的同时保持结构紧凑，可采取弹仓式结构，但是较其他形式复杂。 目前大量的刀库安装在机床立柱的顶面或侧面。 在刀库容量较大时，也有安装在单独的地 基上的，以隔离刀库转动造成的振动。 盘式刀库的刀具轴线也圆盘轴线平行，刀具环形排列，分径向、轴向两种取刀方式，其刀座结构不同。 这种盘式刀库结构简单，应用较多，适用于刀库容量较小的情况。 为增加刀库空间利用率，可采用双环或多环排列刀具的形式，但圆盘直径增大，转动惯量就增加，选刀时间也较长。 （ a） （ b） （ c） 其他的刀库形式还有格子盒式刀库，由于篇幅的限制这里就不再详细介绍了。 经过对上述两种刀库形式 的比较，以及结合的实际情况，在本设计中采用盘式刀库这种结构。 东华理工大学长江学院（论文） 东华理工大学长江学院（论文） 15 换刀机械手介绍 采用机械手进行刀具交换的方式应用的最为广泛，这是因为机械手换刀有很大的灵活性，而且可以减少换刀时间。 加工中心换刀机械手的种类繁多，可以说每个厂家都推出自己的独特的换刀机械手，在加工中心的自动换刀系统中，是机械手具体执行刀具的自动更换，对其要求是迅速可靠、准确协调。 由于加工中心机床的刀库和主轴，其相对位置距离不同，相应的换刀机械手的运动过程也不尽相同，它们由各种形式的机械手来完成。 单臂单爪回转式机械手 机械手摆动的轴线与刀具主轴平行，机械手的手臂可以回转不同的角度来进行自动换刀，换刀具的所花费的时间长，用于刀库换刀位置的刀座的轴线相平行的场合。 如图 2— 4所示： 图 2— 4 单臂单爪回转式机械手 东华理工大学长江学院（论文） 东华理工大学长江学院（论文） 16 单臂双爪回转式机械手 图 2— 5 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短，如图 2— 5 所示。 双臂回转式机械手 这种机械手的两臂各有一个卡爪， 可同时抓取刀库及主轴上的刀具，在回转 180176。 之后有同时将刀具归回刀库及装入主轴，是目前加工中心机床上最为常用的一种形式，换刀时间要比前两种都短，如图 2— 6 所示： 东华理工大学长江学院（论文） 东华理工大学长江学院（论文） 17 图 2— 6 双臂回转式机械手 这种机械手在有的设计中还采用了可伸缩的手臂，如图 2— 7 所示： 图 2— 7 双臂回转式机械手（手臂可伸缩式） 双机械手 这种机械手相当与两个单臂单爪机械手，相互配合起来进行自动换刀。 其中一个机械手执行拔“旧刀”归回刀库，另一个机械手执行从刀库取“新刀”插入机床主轴上，如图 2— 8 所示： 东华理工大学长江学院（论文） 东华理工大学长江学院（论文） 18 图 2— 8 双 机械手 双臂往复交叉式机械手 这种机械手两臂可往复运动，并交叉成一定角度。 两个手臂分别称作装刀手和卸刀手。 卸刀手完成往主轴上取下“旧刀”归回刀库，装刀机械手执行从刀库取出“新刀”装入主轴。 整个机械手可沿导轨或丝杠作直线移动或绕某个转轴回转，以实现刀库与主轴之间的运送刀具工作，如图 2— 9 所示： 东华理工大学长江学院（论文） 东华理工大学长江学院（论文） 19 图 2— 9 双臂往复交叉式机械手 双臂端面夹紧式机械手 这种机械手只是在夹紧部位上和前几种不同，上述几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面来抓住刀具，而此种机械手则是夹紧刀柄的两个端面 ，如图 2— 10 所示： 图 2— 10 双臂端面夹紧式机械手 由于双臂回转式机械手的动作比较简单，而且能够同时抓取和装卸机床主轴和刀库上的刀具，换刀时间较短，故我们选用双臂回转式机械手。 东华理工大学长江学院（论文） 东华理工大学长江学院（论文） 20 如果我们采用不能伸缩的机械手，由于机械手回转时其手部回转半径较大，如刀库中刀具排得较密，可能碰撞刀具，且用这种类型的机械手直接在刀库与主轴之间换刀，只宜采用顺序换刀或刀具编码式任意选刀，不然，换刀时间将增加。 故我们采用手臂可伸缩式的双臂回转式机械手。 的作用及其组成 ATC 的作用 加工中心与一般数 控机床的显著区别是具有对零件进行多工序加工的能力，即能在一次装夹中自动完成铣、镗、扩、攻螺纹和内槽加工等，其之所以有这种加工能力就是因为它有一套自动换刀装置。 自动换刀装置是指能够自动完成主轴与刀具储存位置之间刀具交换的装置。 ATC 的主要组成部分是刀库、机械手和驱动装置。 刀库的功能是存储刀具并把下一把即将要用的刀具准确地送到换刀位置。 供换刀机械手完成新旧刀具的交换。 当刀库容量大时，常远离主轴配置且整体移动不易，这就需要在主轴和刀库之间配置换刀机构来执行换刀动作。 完成此功能的机构包括送刀臂、摆刀站、和换刀臂 ，总称为机械手。 具体来说，它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。 驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的装置，一般由步进电机或液压（或气液机构）或凸轮机构组成。 ATC 的组成 刀库 1. 刀库的功能 刀库的作用是储备一定数量的刀具，机械手实现主轴上刀具的互换。 刀具的类型有盘式刀库、链式刀库等多种形式，刀库的形式和容量要根据机床的工艺范围来确定。 2. 刀库的容量 刀库的容量首先要考虑加工工艺的需要，从使用角度出发，一般为 10~40 把刀，刀库的利用率会高，而结构比较紧凑。 东华理工大学长江学院（论文） 东华理工大学长江学院（论文） 21 3. 刀具的选择方式 （ 1）顺序选择 将刀具按加工工序的顺序，一次放人刀库的每一个刀座内。 每次换刀时，刀库顺序转动一个刀座位置，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，也可以顺序放入下一个刀座内。 但由于刀库中刀具在不同的工序中不能重复使用，必须增加刀库的容量，降低了利用率。 （ 2）任意选择 目前大多数的数控系统都采用任意选刀的方式，其分为刀套编码、刀具编码和记忆式等三种。 刀具编码或到套编码需要在刀具或到套上安装用于识别的编码条，一般都是根据二进制编码的原理进行编码。 刀具编码选刀方式 采用了一种特殊的刀柄结构，并对每把刀具编码。 每把刀具都有自己的代码，因而刀具可在不同的工序中多次重复使用，换下的刀具不用放回原刀座，刀库的容量也可相应减少。 采用记忆式选刀，这种方式能将道具号和倒库中的刀套位置对应地记忆在数控系统的 PLC 中，无论刀具放在哪个刀套内，刀具信息都始终据存在 PLC 内。 刀库上装有位置检测装置，可获得每个刀套的位置。 这样刀具就可以任意取出并送回。 刀库上还没有机械远点，使每次选刀时就近选取。 4. 刀库的控制方式 （ 1）刀库作为系统的定位轴来控制。 在梯形图中根据指令的 T 玛进行运算比较厚输 出角度和速度指令到考库伺服驱动刀库伺服电机。 刀库的容量、旋转速度、加 /减速时间等均可在系统参数中设定，此种方式不受外界因素影响定位准确、可靠但成本较高。 （ 2）刀库由液压马达驱动，有快 /慢速之分，用接近开关计数并定位。 在梯形图中比较系统存储的当前刀号（主轴上的刀）和目标刀号（预选刀）并运算，再输出旋转指令，同时判断按最短路径旋转到位。 这种方式需要足够的液压动力和电磁阀刀库旋转速度可通过节流阀调整。 但使用一段时间后可能胡因为油质、油压、油温及环境因素的变化而影响运动速度和准确性。 一般用于不需频繁换刀的大中型机 床。 （ 3）刀库由交流异步电动机驱动凸轮机构（马氏）机构，用接近开关计数，这种方式运行稳定，定位准确可靠，一般与凸轮机械手配合使用，换刀速度快，定位准确。 机械手 1. 机械手的功能 机械手是执行刀库和主轴之间换刀动作的装置。 东华理工大学长江学院（论文） 东华理工大学长江学院（论文） 22 2. 机械手的机械动作 机械动作一般包含：拐臂旋转、手臂伸缩、手臂 180 度旋转、抓手的松紧。 3. 机械手的驱动与控制方式 : （ 1）机械手用液压驱动，靠接近开关检测位置。 如收的平移 /爪刀 /换刀 /插刀等动作分别有不同的电磁阀驱动；但这种方式传动机构较多，且收液压系统稳 定性检测元件灵敏度等外界因素的影响。 常用于不需频繁换刀的大型卧式加工中心。 （ 2）机械手由交流异步电动机带动凸轮机构旋转，整个换刀过程机械手仅在主轴送 /拉到是启动 /停止 3 次，整个换刀动作连贯稳定，运行可靠，换刀时间一般在 2s 左右。 但对主轴拉松刀及爪刀位置的准确性要求较高，常用于需频繁换刀的中小型加工中心。 （ 3）机械手由伺服电机驱动，定位精度高，换刀快速稳定，但成本较高。 夹抓类型 根据爪刀柄在换刀机构刀臂上的夹持方式可分为固定爪、活动爪、单夹爪、双夹爪、弹簧爪、动力爪等类。 固定爪是指刀臂夹 持部能吻合刀柄 V 形槽的半圆形部分，半圆形夹持部的一端或两端有弹簧扣，即所谓单夹爪、双夹爪：由两个可张开的夹指所组成即活动爪，其夹紧力由弹簧产生的即弹簧爪，通常以直径方式抓刀松刀；由液压缸等动力议案控制其张合的为动力爪。 刀柄 自动换刀装置的工作质量表现为换到时间和故障率，刀柄的选择直接影响到机床的开动率和设备的投资大小，因此对刀柄的选择十分重要。 采用标准刀柄，标准刀柄与机床主轴连接的结合面试 7:24 锥面。 刀面有多种规格，常用的有 ISO 标准的 40 号、 45 号、 50 号，个别的还有 35 号和 30 号。 另 外还必须考虑换刀机械手尺寸的要求和主轴上拉紧刀柄的拉钉尺寸要求。 目前国。