立式加工中心换刀机械手和刀库设计.doc

1 绪论 1.1加工中心的定义 加工中心，简称cnc是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床加工中心备有刀库，具有自动换刀功能，是对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具、自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序，因而大大减少了工件装夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，种更换频繁的零件具有良好的经济效果。全球加工中心年生产量为50,000～55,000台左右以日本欧盟、美国及中国台湾、韩国等为最具代表性的生产基地。日本市场消费能力强，年生产量超过10,000台。主要机种为立式加工中心，年产量约5,000～6,000台，而且不断研发高速、高精密、五面加工、五轴联动加工等技术，满足特殊与复杂曲面加工工件的要求大隈。德国生产最佳品质与高加工效益的加工中心，近年来生产量每年约在4,000～5,000台左右。代表性机种为卧式加工中心，年生产量约1,500～2,000台。其他加工中心年生产,000～,000台左右，德国生产加工中心的厂家有西门子、MAKA、GEISS、科恩等公司。美国是全球机床生产代表性国家之一，但近年来由于其国内消费能力不足，再加上出口也面临市场竞争，导致其生产有逐渐下滑的趋势，年生产加工中心仅约为5,000～6,000台左右台湾是全球加工中心生产量最大的供货基地，年生产量可达到16,000～18,000台，其中有部分是空机台，未加装微机控制器等，平均单价有偏低的情形。韩国是全球加工中心主要生产国家之一。其加工中心主要用于韩国汽车工业、模具工业及机械工业，年生产加工中心在4,000～5,000台左右未来加工中心的生产基地则有可能是大陆，特别是日本、美国、德国、中国台湾、韩国已竞相到大陆设厂生产加工中心，再加上大陆本身的企业研发与制造，未来技术成熟、品质稳定、成本降低后，必将会成为全球重要供应基地之一ATC）形式、特点及各自应用范围 一个零件的加工往往需要进行多工序的加工，而单功能的数控机床，只能完成单工序的加工，如车、钻、铣等。因此，在制造一个零件的过程中，大量的时间用于更换刀具、装卸零件、测量和搬运零件等非加工时间上，切削时间仅仅占整个工时中的较小比例。为了缩短非切削时间，提高工作效率，我们便设计了带有自动换刀系统的加工中心。 由刀库和机械手组成的自动换刀装置(Automatic Tool Changer,ATC)是加工中心的重要组成部分。加工中心上所需更换的刀具较多，从十几把到几十把．甚至上百把，故通常采用刀库形式，其结构比较复杂，自动换刀装置种类繁多。由于加工中心上自动换刀次数比较频繁，故对自动换刀装置的技术要求十分严格．如要求定位精度高．动作平稳，工作可靠以及精度保持性等。这些要求都与加工中心的性能息息相关。其基本形式有以下几种。 2.1.1带刀库的自动换刀系统 带刀库的自动换刀形式主要是由刀库、选刀装置和刀具交换装置组成，目前这种换刀方式在机床和加工中心上应用最为广泛，具体形式如下表2.1.1： 表2.1.1 自动换刀系统形式 形式 类别 特点 应用范围 刀库式 无机械手换刀 利用刀库运动与主轴直接换刀，省去机械手 结构紧凑 刀库运动较多 小型加工中心 机械手换刀 刀库只做选刀运动，机械手换刀 布局灵活，换刀速度快 各种加工中心 机械手和刀具运送器 刀库距机床主轴较远时，用刀具运送器将刀具送至机械手 结构复杂 大型加工中心 2.1.2回转刀架换刀 回转刀架换刀装置，常用于数控车床。可设计成四方、六方刀架或圆盘式装刀刀架，并相应的安装四把、六把或更过的刀具，它的动作根据数控指令进行，由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，基本动作为：刀架抬起、刀架转位、刀架压紧、转位油缸复位。回转刀架还可以采用电机-马氏机构转位、鼠齿盘定位，以及其他转位和定位机构。 2.1.3更换主轴换刀 更换主轴换刀是一种比较简单的换刀方式。这种机床的主轴头就是一个转塔刀库，主轴头有立式和卧式两种。图二是TK-5525型数控转塔式镗铣床的外观图，八方形主轴头上有八根主轴，每根主轴上都装有一把刀具。根据工序的要求按顺寻将所有需要的刀具的主轴转到工作位置，以此实现自动换刀，同时接通猪传动。不处在主轴位置的主轴便与住传动脱开。转塔头的转位有槽轮机构来实现，具体动作包括（1）脱开主轴传动；（2）转塔头抬起；（3）转塔头转位；（4）转塔头定位压紧；（5）主轴传动重新接通。 这种换刀方式大大缩短了换刀时间，并提高了换刀的可靠性，但是由于空间位置的限制，是主轴部件结构不能设计得十分结实，因而影响主轴系统