数控镗铣加工中心自动换刀系统设计开题报告.doc

毕业设计(论文)开题报告题目：数控镗铣加工中心自动换刀机构的设计1 毕业设计（论文）综述1.1题目背景、研究意义 一个零件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。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。1.2国内外相关研究情况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2。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3。在加工中心中，刀库和机械手组成自动换刀装置（Automatic Tool Changer,简称ATC），而自动换刀装置的好坏，将直接影响加工中心的好坏，从目前情况看，加工中心的主机部分基本定型，变化不大，但自动换刀装置种类繁多，五花八门，是最难搞好的部分4。它是加工中心的象征，又是加工中心成败的关键环节。因此各加工中心制造厂家都在下大力研制动作迅速、可靠性高的自动换刀装置，以求在激烈的竞争中取得好效益，正因为自动换刀装置是加工中心的核心内容，各厂家都在保密，极少公开有关资料，尤其机械手这部分更是如此。目前常见的换刀机械手类型如下：（1）单臂单手式机械手 结构较简单，换刀各动作均需顺序进行，时间不能重合，故换刀时间较长。（2）双手式机械手 向刀库还回用完的刀具和选取新刀，均可在主轴正在加工时进行，故换刀时间可较短。（3）双臂回转式机械手 这类机械手可以同时抓住和拔、插位于主轴和刀库里的刀具。与单臂单手式机械手相比，可以缩短换刀时间。应用最广泛，形式也较多。（4）多手式机械手 使用者较少。2 主要研究内容、拟采用的研究方案、研究方法或措施2.1主要设计内容：缩短机械手换刀的时间、保持工作平稳、定位准确。从而提高生产效率。2.2研究方案：2.2.1手的驱动方式的选择（1）液压驱动通常拥有很大的抓举能力，特点是结构紧凑，动作平稳，耐冲击，耐振动，防爆好，但液压组件要求有较高的制造精度和密封性能，否则漏油将污染环境。（2）气动驱动特点是电源方便，动作迅捷，结构简单，造价较低，维修方便。但是难以进行速度控制，气压不可太高，故抓举能力较低。（3）电动驱动 电力驱动是目前使用最多的一种驱动方式。其特点是电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测、传递、处理方便，并可采用多种灵活控制方案。由于电机速度较高，通常必须采用减速机构，而且成本上也较其他两种驱动系统高。由于本设计机构需要要求换刀时间短、工作平稳、定位准确，故选择液压驱动。 2.2.2机械手的组成及运动 本课题研究采用的是双臂回转式机械手。这种机械手的拔刀、插刀动作，大都由油缸动作来完成。手臂的回转动作，则通过活塞的运动带动齿轮齿条来实现。机械手臂的不同回转角度，是由活塞的可调行程来保证。图1为该机械手手部结构示意图。整个机械手主要由: 行程开关, 挡环,齿轮, 连接盘, 销子, 传动盘, 升降液压缸, 滑轴, 齿条,转位液压缸, 机械手组成。其工作原理为: 上、下两个液压缸分别驱动两组齿轮齿条实现机械手的旋转运动; 为了保证上下两个旋转运动互不干扰, 中间采用一根滑轴上固接一个传动盘的结构, 传动盘与齿轮通过销来传递运动, 机械手换刀动作到位与否则是通过行程开关来检测, 外加档块进行限位, 从而实现机械手的自动换刀功能。如图2所示。 图1双臂回转式机械手 1,3,7,9,13,14为行程开关； 2,6,12为挡环； 4,11为齿轮 ；5为连接盘；8为销子；10为传动盘；15为升降液压缸；16为滑轴；17,19为齿条；18,20为转位液压缸；21为机械手；图2机械手结构图在换刀过程中，机械手要完成准备、抓刀、拔刀、交换主轴上和刀座上的刀具、插刀和复位等动作，机械手的全部动作均由液压油缸控制。刀具安装在标准的刀柄中，本次设计采用7：24锥度的刀柄；最大刀具长度300mm，最大刀具直径100mm，最大刀具重量8kg，刀具材料为高速钢，如图3所示。图3刀具结构图闰土机械外文翻译成品某宝dian机械手两端各有一个手爪，手爪的抓刀圆弧部分各有各有一个锥销，机械手抓刀时，锥销插入刀柄键槽内，由活动销在弹簧力的作用下顶住刀柄，使刀柄固定，机械手能同时抓取和装卸刀库和主轴上的刀具，动作简单，效率高，换刀时间短。其换刀过程如下，如图4图5所示:a. 刀套转90: 换刀之前, 刀库2 转动将待换刀具5送到换刀位置, 之后把带有刀具5的刀套4向下翻转90, 使得刀具轴线与主轴轴线平行。b. 机械手转90:两手分别抓住刀库和主轴3上的刀柄。c. 刀具松开: 刀具的自动夹紧机构松开刀具。d. 机械手拔刀: 机械手臂下降, 同时拔出两把刀具。e. 机械手转180:使主轴刀具与刀库刀具交换位置。f. 机械手插刀: 机械手上升, 分别把刀具插入主轴锥孔和刀套中。g. 刀具夹紧: 刀具插入主轴的锥孔后, 刀具的自动夹紧机构夹紧刀具。h. 机械手松刀: 机械顺时针转90, 回到原始位置。i. 刀套向上翻转90:刀套带着刀具向上翻转90,为下一次选刀做准备。图4械手的换刀示意图图5机械手手部换刀过程简图3 本课题研究的重点难点以及展开的工作本课题的重点是：保证各个结构之间的相互合理配合，使之能连续工作，有节奏，安全地成产。难点是：机械手手臂的设计与计算，机械手手部的设计与计算，机械手传动和驱动的设计计算，以及各个过程参数的确定，绘制图形。前期已经展开的工作：网上查阅有关书籍和资料，确定设计的大致方向，了解换刀机械手的大体结构和工作原理。4 工作方案及进度计划13周：调研并收集资料；36周：阅读资料，分析该机械手的结构组成和工作原理，并完成结构方案设计；711周：完成该机械手的结构设计计算；1215周：完成该机械手的装配图和仿真；1618周：完成论文撰写，准备答辩； 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见） 指导教师： 年 月 日 所在系审查意见： 系主管领导： 年 月 日参考文献1 刘建慧,邹慧君.加工中心自动换刀装置类型综述及设计特点J,机械设计与研究,2001.9,17(3):49512 李净仪,李秋红,郑耘杰.简述机械手液压控制系统的设计J,农机使用与维修,2010,3: 27283 朱文艺，张庆乐.数控加工中心换刀机构动作过程及控制原理研究J,武汉工程职业技术学院学报，2009.3,21(1):59 4 刘炜. 数控加工中心自动换刀系统J, 机床与液压, 2005,5:585 杨可森,艾长胜,侯志坚. 数控镗铣加工中心自动换刀系统中机液机械手J, 机床与液压，2003,3:2162176 夏粉玲,贺炜. 凸轮式立卧两用换刀机械手的研究J. 机械科学与技术, 2004, 23(3):320.7 谢政. 加工中心换刀机械手的研究D. 湘潭大学. 2008，05.15.8 郑俊,许明恒，高宏力，单俊峰.PCB钻床自动换刀机械手换刀部分的设计分析J,现代机械，2008，第1期：6.9 李加明，陶卫军，冯虎田. 自动换刀装置发展现状及其关键技术J.电气制造，2013（05）：174176 10 黄泽正,刘冲,陈志辉. 加工中心自动换刀装置的设计J. 机械工程与自动化. 2007(01)：12412511 戚洪利. 自动换刀装置及其控制的研究D. 兰州理工大学 2007 12 朱玉敏. 加工中心的自动换刀技术J. 制造技术与机床. 1988(08)：16817013 陈义庄. 数控机床自动换刀装置的选择及刀柄的配置J. 机床与液压. 2002(04)：20720914 M.B.Ko.Design of automatic tool changer for CNC machines.M.Sc. thesis,Mechanical EngineeringDepartmet, METU, Ankara, Turkey 199515 KIM Jae-Hyun,LEE Choon-Man School of Mechatronics,Changwon National University,Changwon 641-773,Korea16 S. Mekid a,*, P. Pruschek b, J. Hernandez c, Beyond intelligent manufacturing: A new generationof flexible intelligent NC machinesJ, Mechanism and Machine Theory,2009(44):466-476.