毕业设计 数控机床的自动换刀装置设计.doc

1、1毕业设计论文论文题目： 数控机床的自动换刀装置设计 摘 要90 年代以来，数控加工技术得到迅速的普及及发展，高速加工中心作为新时代数控机床的代表，已在机床领域广泛使用。加工中心是一种备有刀库并能自动换刀对工件进行多工序加工2的数控机床。它是适应省力、省时和节能的时代要求发展起来的，它综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、气动技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通讯诊断、刀具和应用编程技术为一身的高科技产品。而刀库是一台加工中心关键的、必不可少的组成部分，刀库的功能是储存加工工序所需的各种刀具，并按程序 T 指令，把将要用的刀具准确地送到换刀位置，并接受从主轴送来的已用刀具。刀

2、库的储存量一般在 864 把范围内，多的可达 100200 把。加工中心刀库的形式很多，结构也各不相同，最常用的有圆盘式刀库、链式刀库和格子盒式刀库。盘形刀库为最常用的一种形式，每一刀座均可存放一把刀具。盘形刀库的储存量一般为 1540 把。盘形刀库的种类甚多，刀库的刀具轴线可以按不同的方向配置。单盘式刀库的结构简单，取刀也较方便，因此应用最为广泛。本设计的题目是数控机床的自动换刀装置设计。以加工中心为对象，通过分析加工中心的整体结构和自动换刀系统的特点、应用条件、设计要求等，并结合在数控机床上对刀库和换刀机械手的需要，能在数控程序的控制下灵活的实现换刀过程。设计的刀库为盘式刀库，驱动装置采用

3、电机液压驱动；设计的换刀机械手为回转式单臂双手机械手，手指采用弹簧销压紧式，驱动装置采用液压双作用缸。结合工厂实际，该自动换刀系统在数控的控制下能灵活的完成换刀程序，节省了时间、提高了效率、安全可靠。关键词：加工中心，盘形刀库，数控3、 、目 录1 概述 .81.1 数控机床发展现状 .841.1.1 国际数控机床的发展状况 .81.1.2 国内控机床的发展状况 .91.1.3 数控机床技术的发展趋势 .111.2 加工中心 .121.2.1 加工中心的组成 .121.2.2 加工中心的特点 .131.2.3 加工中心的分类 .151.2.4 加工中心的发展方向 .172 加工中心自动换刀系统

4、方案确定 .192.1 加工中心自动换刀系统概述 .192.2 自动换刀系统方案确定 .192.2.1 刀库方案的确定 .192.2.2 换刀机械手方案的确定 .233 刀库的设计 .283.1 刀库容量的确定 .283.2 刀库的转位 .283.3 刀库的夹刀机构 .304 换刀机械手的设计 .314.1 机械手的各种运动的分析 .314.1.1 手臂的伸缩运动 .314.1.2 手爪的开合运动 .324.1.3 回转运动 .334.1.4 直线运动 .334.2 设计计算 .344.2.1 手爪夹紧力的计算 .344.2.2 齿轮的设计 .344.2.3 轴的设计 .3755 运动仿真 .

5、416 结论 .44参考文献 .45致谢 .461 概述数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、6智能化和集成化的基础。数控机床工业在国民经济中占有重要的地位，是衡量一个国家工业现代化水平和综合国力的重要标志。机床是发展机械制造业乃至整个工业必不可少的复杂生产工具，既是生产要素，又是重要的商品。而数控机床是机电一体化现代机床，对复杂件、难削件的加工起到重要作用，又特别适合于中小批多品种柔性生产。在大批大量生产自动化实现之后，必须要努力发展中小批多品种柔性生产自动化，以适应社会产品多样化的需求。数控机床的发展在很大程度上取决于数控系统的性能和水平，而数控系统的发展及其技

6、术基础离不开微电子技术和计算机技术。随着计算机及其软硬件技术的飞速发展，数控系统的硬件平台趋于一致化，而控制系统软件的竞争日益加剧。1.1 数控机床发展现状1.1.1 国际数控机床的发展状况随着商品市场的国际化，各国数控机床市场的联系越来越紧密，相互之间的影响也越来越大。下面列举德国、日本、和韩国等三个国家的数控机床发展状况，从中可一窥国际数控机床的发展状况。德国：创历史新高2006 年，德国机床业界的生产与服务总值高达 108 亿欧元，增长 4%。在出口方面，截至 2006 年，德国机床制造业已连续 4 年取得上好成绩，仅 2006 年前 9 月的出口增幅便高达 13%。来自中国市场的需求超

7、过了美国市场，再度成为德国机床出口的最大海外市场。 与此同时，德国对韩国与印度的机床出口也有出色表现。这标志着亚洲市场的繁荣及其各个行业工业标准的提高。日本用户也在增加对德国机床与技术的订购，2006 年日本首次跃居德国 15 大出口市场之一。进口方面，亚洲的机床生产企业正不断提升技术标准，着力强化其在德国市场中的地位。2006 年前 3 个季度，德国的机床进口增长率高达 15%，主要增量来自中国、韩国、中国台湾与日本。 2007 年该国机床生产与服务总值还将7继续攀升，达 115 亿欧元。如此一来，德国机床制造业将取得历史以来的最好成绩，并有望打破行业在 2001 年所创下的最高记录。日本：

8、细水长流式的景气复苏截至 2006 年年底，日本机床业已连续 32 个月每月订货额超过 1000 亿日元，超过了上世纪 90 年最高峰时连续 22 个月订货额超过 1000 亿日元的记录。其他的统计数字为:2006 年机床工业生产总值达 1 兆 2110 亿日元，与订货额基本呈现同样的发展趋势，出口额 9255 亿日元，同比增长 14%，进口额 1356 亿日元，同比增长 26%。 回顾以 2002 年为谷底的本次恢复期的机床工业订货额情况，2002 年为 6758 亿日元，同比增长 14.3%;2003 年为 8511 亿日元，同比增长25.9%;2004 年为 1 兆 2362 亿日元，同

9、比增长 45.2%;2005 年为 1 兆 3632 亿日元，同比增长 10.3%;2006 年的订货额远远超出了当初的预测值 1 兆 1200 亿日元，达到 1 兆 4370 亿日元，同比增长 54%，创造了 16 年来的历史新高，继续着细水长流式的景气复苏。韩国：出口良好，内需萎缩2006 年韩国机床产业的总产值达到 41.4 亿美元，估计比前年增长了 18%。按阶段可分为：上半年良好、下半年停滞，表现为出口良好、内需萎缩的景象。按照不同行业需求形态来看，以中小企业为主的铸造模具行业的需求，由于内需的不景气呈现出了全面的萎缩，而电气电子行业没能追加大量的投资，比前年有所减少。然而对业绩辉煌

10、的造船业来讲，需求十分活跃，对大型机械的需求大大增加。汽车行业虽然因受到现代汽车公司的罢工影响多少有所萎缩，但通过汽车厂商的海外拓展及 GM 大宇、雷诺三星的投资相对扩大，基本保持了前年的水平。1.1.2 国内数控机床的发展状况随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而中国从 20 世纪 80 年代开始起步，仍处于发展阶段。8“十五”期间，中国数控机床

11、行业实现了超高速发展。其产量 2001 年为17521 台，2002 年 24803 台，2003 年 36813 台，2004 年 51861 台，2004 年产量是 2000 年的 3.7 倍，平均年增长 39；2005 年国产数控机床产量 59639 台，接近 6 万台大关，是“九五”末期的 4.24 倍。 “十五”期间，中国机床行业发展迅猛的主要原因是市场需求旺盛。固定资产投资增速快、汽车和机械制造行业发展迅猛、外商投资企业增长速度加快所致。2006 年，中国数控金切机床产量达到 85756 台，同比增长 32.8%，增幅高于金切机床产量增幅 18.4 个百分点，进而使金切机床产值数控

12、化率达到37.8%，同比增加 2.3 个百分点。此外，数控机床在外贸出口方面亦业绩骄人，全年实现出口额 3.34 亿美元，同比增长 63.14%，高于全部金属加工机床出口额增幅 18.58 个百分点。2007 年，中国数控金切机床产量达 123,257 台，数控金属成形机床产量达3,011 台；国产数控机床拥有量约 50 万台，进口约 20 万台。2008 年 10 月，中国数控机床产量达 105,780 台，比 2007 年同比增长2.96。长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。究其原因，国内

13、本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了 510 年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了 1015 年。同时中国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，中国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。国外公司在中国数控系统销量中的 80以上是普及型数控系统。如果我们能在普及型数控系统产品快速产业化上取得突破，

14、中国数控系统产业就有望从根本上实现战略反击。同时，还要建立起比较完备的高档数控系统的自主创新体系，提高中国的自主设计、开发和成套生产能力，创建国产自主品牌产品，9提高中国高档数控系统总体技术水平。“十一五”期间，中国数控机床产业将步入快速发展期，中国数控机床行业面临千载难逢的大好发展机遇，根据中国数控车床 19962005 年消费数量，通过模型拟合，预计 2009 年数控车床销售数量将达 8.9 万台，年均增长率为16.5%。根据中国加工中心 19962005 年消费增长模型，预计 2009 年加工中心消费数量将达 2.8 万台，较 2005 年年均增长率为 17.8%。1.1.3 数控机床技

15、术的发展趋势高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在：1、机床复合技术进一步扩展随着数控机床技术进步，复合加工技术日趋成熟，包括铣车复合、车铣复合、车镗钻齿轮加工等复合，车磨复合，成形复合加工、特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。 “一台机床就是一个加工厂” 、 “一次装卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。 2、智能化技术有新突破数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自

16、动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。 3、机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用，使得柔性线更加灵活、功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车铣复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。4、精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级（0.01mm）提升到目前的微米级10（0.001mm） ，有些品种已达到 0.05m 左右。超精密数控机床的微

17、细切削和磨削加工，精度可稳定达到 0.05m 左右，形状精度可达 0.01m 左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（0.001m） 。通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。 5、功能部件性能不断提高功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平

18、。1.2 加工中心加工中心是在数控铣床的基础上加上刀库及自动换刀装置或多个工作台，集数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能于一身的一种由计算机来控制的高效、高自动化的机床。工件在一次装夹后，数控系统根据加工的需要，自动选择和更换刀具，根据粗精加工的不同要求自动改变机床主轴的转速、进给量和刀具相对于工件的运动轨迹和其他辅助功能，一次完成多工序的加工。减少了工件的装夹、测量和机床调整等时间，使机床的切削时间达到机床开动时间的 80%左右（普通机床仅为 15%20%） ；同时也减少了工序之间的工件周转、搬运和存放时间，缩短了生产周期，具有明显的经济效益。加工中心适用于零件形状比较复杂、精度要求较高、产品更换频繁的中小批量生产。1.2.1 加工中心的组成加工中心自问世至今已有三十多年，世界各国出现了各种类型的加工中心，虽然外形结构各异，但从总体来看主要由以下几大部分组成。1.基础部件基础部件由床身、立柱和工作台等组成，它是加工中心的基础结构，主要