加工中心自动换刀装置结构设计
[摘要]
本论文完成的是立式加工中心盘式刀库的传动设计、结构设计以及机械手部分的传动设计、结构设计。盘式刀库在数控加工中心上应用非常广泛，其换刀过程简单，总体结构简单、紧凑，定位精度高。刀库传动部分采用蜗轮蜗杆减速装置，可提高输出轴的传动平稳性能，即提高刀盘的运转平稳性。刀库满载装刀16把，采用单环排列方式放置。本次设计中的机械手采用单臂双手式机械手，可以同时完成插刀和拔刀动作，结构简单，换刀时间短。机械手传动部分采用一个液压升降缸和液压回转缸带动花键轴，进而带动机械手的运动。 [关键词]
立式加工中心；盘式刀库；机械手；自动换刀装置
Automatic tool changer structural design of machining
centers
Abstract
what finished in this paper is drive design, structural design and the power transmission parts design of disc tool magazine in vertical machining center. This tool magazine is widely applied in NC machining center. And the process of changing tools is simple, short change time , high precision, simple and compact of structure, reliable, easy maintenanced and low cost. The transmission part of this tool magazine adopts gear reducer. The design of worm gearbox device can improve the stationarity of output shaft, namely, increasing the operation stability and smooth transmission properties of tool magazine.Transmission device of tool magazine adopts a adjusting sleeve to eliminate the transmission clearance of worm.This tool magazine can load 16 cutting tools which are arranged with monocylic and according to the principle of nearby to choose the right tool. The manipulator of this design is the manipulator with one arm and pair of hands.The advantage of this manipulator is that it can complete the action of inserting tool and pulling out the tool at the same time,simple structure and short change time. Mechanical transmission part adopts a hydraulic lift cylinder and hydraulic cylinder drives the spline shaft rotation, thus drive the motion of the manipulator. Key words
Vertical machining center; Disc tool magazine; Manipulator; Automatic Tool Changer
毕业论文﹙设计﹚任务书
一、毕业设计题目 加工中心自动换刀装置结构设计 二、毕业设计工作自_ 2012 年__11_ 月__19 _日 起至 2013 _年 6 月_10 _日止 三、毕业设计进行地点: 校 内 四、毕业设计内容要求：
随着机械加工业的发展，制造行业对于带有自动换刀系统的高效高性能加工中心的需求量越来越大。本设计主要任务是进行加工中心自动换刀装置结构设计：
1、查阅有关自动换刀系统方面的相关文献，分析自动换刀系统设计要点、难点，撰写开题报告；
2、翻译一篇科技文献（英译汉或汉译英）； 3、换刀动作过程的设计； 4、绘制换刀装置结构工程图； 5、撰写毕业设计说明书。 进度安排：
(一)、第一阶段（1-4周）
1、开题报告（含文献综述、参考资料等） 2、方案论证和方案设计（含初步的设计及计算） 3、完成ppt文档，准备第一阶段考核 （二）、第二阶段（5-10周）
1、完成第一张A0 2、完成第二或第三张的草图绘制（包括主要结构） 3、准备外文翻译资料 4、完成ppt文档，准备第二阶段考核 （三）、第三阶段（11-17周）
1、绘制要求的其余设计图纸 2、完成外文翻译资料 3、撰写说明书准备答辩 主要参考文献： [1] 徐灏.机械零件设计手册[M] 北京:机械工业出版社,1992.1 [2] 吴宗泽.机械设计课程设计手册[M] 北京:高等教育出版社,1999.6
[3] 机床设计手册编写组.机床设计手册（第三册）[M].北京：机械工业出版社，1986 [4] 梁正强.机械零件设计计算实例[M] 北京:中国铁道出版社,1983.12 [5] 邱宣怀.机械设计(第四版) [M] 北京:高等教育出版社,1997.7
[6] 刘激文.材料力学Ⅰ、Ⅱ(第四版) [M] 北京:高等教育出版社,2004.1 [7] 章宏文,黄谊. 液压传动[M] 北京:机械工业出版社,2000.9 [8] 李允文. 工业机械手设计[M] 北京:机械工业出版社,1996 [9] 熊幸明. 工厂电气控制技术[M] 清华大学出版社,2005.10
[10] 曹秋霞，马国亮.小型立式加工中心圆盘式刀库的设计[J].机电产品开发与创新，2005 [11] 贺光谊,唐之清. 画法几何及机械制图[M] 重庆:重庆大学出版社,1994.6 [12] 林国重,盛东初. 液压传动与控制[M] 北京:北京工业出版社,1986.6 [13] 冯辛安,黄玉美,杜君文. 机械制造装备设计[M] 北京:机械工业出版社,2004 [14] 刘瑞已.加工中心快速自动换刀装置[J].机械工程师，2004.11;84-85 [15] 向金林.TH7130立式加工中心自动换刀系统的设计[J].装备制造技术，2006.3 [16] 王科社，张怀存.加工中心自动换刀装置浅议[J].北京机械工业学院学报，1994.12
[17] Ming Cong,Dong Liu .Recent Patents in Automatic Tool Changers and
Applications[J].Recent Patents on Engineering,2009,3;117-128
[18] Beom-Sahng Ryuh, Sang Min Park, Gordon R. Pennock.An automatic tool changer and
integrated software for a robotic die polishing station[J]. Mechanism and Machine Theory,2005 [19] 陈芳，李继中.盘式刀库加工中心自动换刀系统控制[J].机械设计与制造，2007.10；
149-151 指 导 教 师 系(教 研 室)
系(教研室)主任签名 批准日期 2012-12-30 接受设计任务开始执行日期 学生签名
陕西理工学院毕业设计论文
目 录
引 言 .................................................. 错误！未定义书签。 1 绪论 ................................................. 错误！未定义书签。
1.1加工中心的定义 .................................................... 2 1.2加工中心的发展历程 ................................................ 2 1.3加工中心国内外现状 ................................................ 2 1.4国产加工中心目前存在的问题及未来发展趋势 .......................... 3 1.5加工中心的分类 .................................................... 4
2 加工中心自动换刀装置概述 ........................................... 5
2.1加工中心自动换刀装置（ATC）形式、特点及各自应用范围 ............... 5 2.2刀库及刀具交换装置 ................................................ 6
2.2.1刀库的形式 ................................................... 6 2.2.2刀具的选择方式 ............................................... 7 2.2.3刀具(刀座)识别装置 ........................................... 7 2.2.4刀具交换装置 ................................................. 8
3 总体方案设计 ........................................................ 10
3.1刀库的方案设计 ................................................... 10
3.1.1换刀过程 .................................................... 10 3.2.2刀库的传动 .................................................. 12 3.2机械手的方案设计 ................................................. 12
3.2.1换刀过程 .................................................... 12 3.2.2机械手的传动 ................................................ 13
4 刀库的设计 .......................................................... 13
4.1刀库电机的选用 ................................................... 14
4.1.1按负载转矩选 ................................................ 14 4.1.2按加速时的最大转矩选 ........................................ 14 4.1.3电机的校验 .................................................. 15 4.1.4分配传动比 .................................................. 16
- I -
陕西理工学院毕业设计论文
4.2 刀库传动机构的设计 ............................................... 16
4.2.1初定刀套线速度 .............................................. 16 4.2.2刀库传动机构 ................................................ 16 4.3刀库刀套的设计 ................................................... 23
5 机械手的设计 ........................................................ 25
5.1机械手的原理 ..................................................... 25 5.2机械手的机构组成 ................................................. 26 5.3机械手的机构组成 ................................................. 26
5.3.1手爪口的设计 ................................................ 26 5.3.2手爪锁的设计及计算 .......................................... 29 5.3.3手爪部分整体设计 ............................................ 30 5.4机械手的驱动机构 ................................................. 31
5.4.1液压缸的设计 ................................................ 35 5.4.2花键轴的设计 ................................................ 38 5.4.3液压系统的原理分析 .......................................... 41
致 谢 .................................................................. 44 参考文献 ............................................................... 45
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引 言
1952年世界上出现了第一台数控机床，使多品种、中小批量的机械加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。1958年第一台加工中心问世，它将多工序（铣、钻、镗、铰、攻丝等）加工集于一身；适应加工多品种和大批量的工件；增加机床功能（自动换刀、自动换工件、自动检测等），使自动化程度和加工效率上了一个新台阶；使无人化（或长时间无人操作）加工成为现实。加工中心已成为柔性制造系统、计算机集成制造系统和自动化工厂的基本单元。
加工中心是数控机床中较为复杂的加工设备，由于其具有多种加工能力而得到广泛的应用，其强大的加工能力和效率得益于其配置的自动换刀装置。换刀装置作为加工中心的重要组成部分，其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间，提高生产率，降低生产成本，进而提升机床乃至整个生产线的生产力。加工中心自动换刀装置是实现多工序连续加工的重要装置，其结构设计及其控制是实现加工中心设计制造的关键。加工中心的换刀过程较为复杂，动作多，动作间的相互协调关系多，因而自动换刀系统性能的好坏直接影响加工效率的高低。
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1 绪论
1.1加工中心的定义
加工中心（Machining Center,MC）是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床，它是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通信诊断、刀具和编程技术的高科技产品。由于加工中心能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和调整时间，减少工件周转、搬运存放时间，使机床的切削利用率高于通用机床3倍～4倍，所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床。
1.2加工中心的发展历程
未来加工中心的发展动向是高速化、进一步提高精度和愈发完善的机能。加工中心是数控机床的代表，是高新技术集成度高的典型机电一体化机械加工设备，我国的加工中心从70年代开始，已有很大发展，但技术、品种和数量上都还远不能适应我国经济、技术发展的需要。随着我国工业的不断发展，推动了模具制造业、机械加工业的巨大发展，使得数控机床的使用越来越普遍，而加工中心更是以其高自动化程度得到广泛应用。然而，目前市场上生产和销售的都是以大、中型的加工中心为主，小型加工中心几乎是空白，而机械加工业、小型模具的制造、工科院校、技工学校等对小型加工中心存在着大量的需求。为加速我国加工中心的发展，需进一步加强对加工中心的研究、设计、制造和应用。
1.3加工中心国内外现状
90年代以来，国外一些机床厂家先后开发出一批高速加工中心，其主要技术参数为：主轴最高转速：一般为12000～15000r/min，有的高达40000～60000r/min。坐标轴的加工进给最高速度：30～60m/min，快速移动速度高达70～80m/min。换刀时间(刀-刀)普遍在1.5～3.5s，有的快到0.8～0.9s；托板交换时间普遍在6～8s。
目前，国产加工中心的主要品种是立式加工中心和卧式加工中心。为市场提供的产品主要是立式加工中心。其规格(是指工作台宽度，单位：mm) 一般为300、400、500、630 和800。其中，前三种属于较小规格产量较大；后两种属于中大型产量较小。目前，国产立式加工中心拥有的规格基本上覆盖了中小型立式加工中心的规格范围。在我国，人们习惯上把数控机床按其技术水平的高低分为高、中、低三个档次。所谓高档数控机床是指高速度、高精度、五轴联动和工艺高度复合化的数控机床，包括部分重型机床；
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而所谓低档数控机床主要是指以步进电机驱动为主要特征的开环控制的经济型数控车床、钻床和铣床，其精度和速度都不高；其他数控机床则属于中档数控机床，也就是人们常说的通用普及型数控机床。国产加工中心大多数产品的档次属于此范畴。
1.4国产加工中心目前存在的问题及未来发展趋势
国产加工中心目前存在的问题有：
(1) 技术水平上，与国外同类产品的先进水平相比大约落后10～15 年，在高精尖技术方面则更大。
(2) 产品开发能力上，国内生产企业缺乏对产品竞争前的数控技术的深入研究与开发，特别是对加工中心应用领域的拓展力度不强。
(3) 产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，虽然近年来国产加工中心的产量增加较快，但从总体上看，还没有形成规模生产；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。
(4) 国产数控系统MTBF( 平均无故障时间)大都超过1 万小时，但国际上知名品牌如：FANUC、SIEMENS 等先进企业的数控系统MTBF 已达8 万小时。国产加工中心MTBF 虽有少数厂达500 小时，但国外加工中心的先进水平已达800 小时。
(5) 刀库和机械手的可靠性还比较低，近年来虽有改进，但用户仍然不放心。 (6) 位置精度，特别是重复定位精度还有待于进一步提高。
(7) 至于外观粗糙，漏油、漏水、漏气等老问题仍然不同程度的存在。 加工中心未来发展趋势有： （1）高速度、高效率
众所周知，机床向高速化方向发展，不但可以大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。是进入新世纪以来国内外机床技术发展的重要趋势。
20世纪90年代以来，欧、美、日等工业发达国家争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元(电主轴，转速15000～100000r/min)、高速且高加/减速度的进给运动部件(快移速度60～120m/min，切削进给速度高达60m/min)、高效率的自动换刀装置、高性能数控装置和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。 （2）高精度
追求加工中心的高精度，一直是世界各工业发达国家努力的方向。当前，在机械加工高精度的要求下，普通级数控机床的加工精度已由±10μm 提高到±5μm ；精密级加工中心的加工精度则从±3～5μm 提高到±1～1.5μm ，甚至更高。 （3）高可靠性
随着数控机床应用领域的日益普及，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造厂
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家和数控机床制造厂家十分注重和追求的目标。数控机床也只有首先具有较高的可靠性，才能谈得上高速度、高效率和高精度。这已经是众多的数控系统制造厂家和数控机床制造厂家达成的共识。当前，国外先进数控系统的MTBF 值已达8万小时以上。
1.5加工中心的分类
按主轴加工时的空间位置分类有：卧式和立式加工中心。
卧式加工中心 是指主轴轴线水平设置的加工中心。卧式加工中心有多种形式，如固定立柱式或固定工作台式。固定立柱式的卧式加工中心的立柱不动，其主轴箱在立柱上做上下移动，而工作台可在两个水平方向移动；固定工作台式的卧式加工中心的三个坐标方向的运动由立柱和主轴箱的移动来定位，安装工件的工作台是固定不动的(指直线运动)。卧式加工中心一般具有3个—5个运动坐标轴，常见的是三个直线运动坐标轴和一个回转运动坐标轴(回转工作台)．它能在工件一次装夹后完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工，最适合加工箱体类工件。它与立式加工中心相比，结构复杂、占地面积大、质量大、价格亦高。
立式加工中心 立式加工中心主轴的轴线为垂直设置，其结构多为固定立柱式，工作台为十字滑台，适合加工盘类零件，一般具有三个直线运动坐标轴，并可在工作台上安置一个水平轴的数控转台(第四轴)来加工螺旋线类零件。立式加工中心结构简单，占地面积小，价格低，配备各种附件后，可进行大部分工件的加工。
后续未完
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加工中心自动换刀装置结构设计
