1、 毕业设计 第 1 页 共 27 页摘 要随着数控技术的发展和普及，加工中心的作用越发突显它的重要性。为进一步提高数控机床的加工效率，数控机床正向着工件在一台机床一次装夹即可完成多道工序或全部工序加工的方向发展，因此出现了各种类型的加工中心机床，如车削中心、镗铣加工中心、钻削中心等等。这类多工序加工的数控机床在加工过程中要使用多种刀具，因此必须有自动换刀装置，也就是所说的刀库，以便选用不同刀具，完成不同工序的加工工艺。自动换刀装置应当具备换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具储备量、占地面积小、安全可靠等特性。本论文是开发设计出一种体积小、结构紧凑、价格较低、生产周期短的小型立式加工中心无
2、机械手换刀刀库。首先介绍了国内外加工中心研究现状及发展趋势，阐明了本课题研究的目的、意义。然后进一步介绍本小型加工中心刀库总体结构和各部件方案的选择，并在此基础上进行了小型加工中心刀库的机械结构的设计计算，主要包括刀盘部件设计（含刀盘，夹块，刀爪） ，刀库转动定位机构设计（含转臂，槽轮，滚子，锁止盘） ，刀库总体机构设计（含轴承套，轴，箱盖，箱体）刀库移动部分设计。关键词：数控系统 加工中心 刀库MC 无机械手换刀刀库设计第 2 页 共 27 页目录摘要 I 1 绪论 1 1.1 国内外的研究现状和发展趋势 1 1.1.1 当前世界 NC 机床的研究现状 1 1.1.2 我国数控机床产业的发展
3、状况 2 1.1.3 加工中心的发展动向 3 1.1.4 我国数控机床研究存在的问题 3 1.2 加工中心概论 3 1.2.1 自动换刀系统产品化的意义和前景 4 1.3 本论文研究的目的和意义 5 1.4 本论文完成的主要工作 5 2 总体方案的设计 6 2.1 运动方案的设计 6 2.1.1 运动数目的确定 6 2.1.2 运动方案的确定 6 2.2 功能部件的设计方案 6 2.2.1 主传动系统 7 2.2.2 进给伺服系统 8 2.2.3 自动换刀系统 8 2.2.4 基础部件 9 2.2.5 数控系统 10 2.2.6 辅助装置 10 2.3 总体布局 11 2.4 主要技术参数 1
4、1 2.5 小结 12 3 刀库的设计 13 3.1 刀库的结构设计 13 3.1.1 刀库主要参数的确定 13 3.1.2 刀盘部分的设计 13 3.1.3 刀库转动定位机构的设计 13 3.1.4 轴的设计 16 3.1.5 滚动轴承的选择计算 18 3.1.6 键的选用与计算 19 3.1.7 刀库的支承部分的设计 19 3.2 刀库移动部分的设计 20 3.2.1 刀库支承横梁和导轨的设计 20 毕业设计 第 3 页 共 27 页3.2.2 刀库移动丝杠和电机的选择 21 3.3 刀库、横梁的安装 21 3.4 小结 21 结论 22 致谢 23 参考文献 24 1 绪 论随着科学技术
5、的发展，世界先进制造技术的兴起和成熟，而对作为现代制造业非常重要的加工中心提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技术的应用，对加工中心的组成部分提出了更高的性能指标。 加工中心是一种综合加工能力较强的数控加工设备，工件一次装夹后能完成较多的加工工序，加工精度较高，就中等加工难度的批量工件，其效率是普通设备的 510 倍，特别是它能完成许多普通设备不能一次完成的加工。加工中心对形状较复杂，精度要求高的单件加工或中小批量多品种生产更为合适，特别是对于必需采用工装和专用设备来保证产品质量和效率的工件，采用加工中心加工，可以省去工装和专机。这为新产品的研制和改型换代节省大量的时间和费用，从而使企业
6、具有较强的竞争力。然而目前国内外加工中心的生产厂家设计生产的加工中心大多是大、中型零件的加工。 加工中心有多种形式，常见的有盘式、链式两种刀库。盘式结构中,刀具可以沿着主轴的轴向、径向、斜向按放，刀具轴向的安装的结构最为紧密，但为了换到时与主轴同向，有的刀具库中刀具需要在换刀位作 90 度翻转。在刀库容量较大时，为在存放方便的同时保持结构紧凑，可采用弹仓式结构，目前大量的刀库安装在机车立柱的顶面或侧面，在刀库较大时，也有安装在专门的地基上，以隔离刀库转动造成的震动。 链式刀库存放刀具容量比盘式大，结构比较灵活，可以采用加长链带方式加大刀库容量，也可以采用链带折叠回绕的方式提高空间利用率，在需要
7、刀具MC 无机械手换刀刀库设计第 4 页 共 27 页容量较大时，还可以采用多链带结构。1.1 国内外的研究现状和发展趋势 1.1.1 当前世界 NC 机床的研究现状 世界各国对数控机床、加工中心以至 FMS、CIMS 等各种新技术的研究与发展进程，是与世界经济形势紧密相连的。机床工业与世界经济相互促进和发展，进入 21 世纪知识经济时代，人们的知识所起的作用更加突出，而机床工业作为机器制造业的基础，其重点地位与战略意义更加明显。当前世界 NC 机床的技术研究主要有以下几点： 1.更加重视新技术和创新 在世界范围内，对新工艺、新材料、新结构、新单元、新元件的研究开发工作正在大力发展，如新的刀具
8、材料、新的主轴结构、高速电主轴、高速直线电机等的开发研究。以加工工艺的改进创新为基础，为加工超硬、难切削材料及特殊符合材料及复杂零件、不规则曲面等在不断研究开发新机种。 2.提高机床加工的精度的研究 为了提高加工中心的加工精度，不断提高机床的刚度、减少振动，消除热变形，降低噪声，提高 NC 机床的定位精度、重复精度、工作可靠性、稳定性、精度保持性，世界很多国家都在进行机床热误差、机床运动及负载变形误差的软件补偿技术研究，并采取精度补偿、软件补偿等措施加以改善，有的已可使此类误差消除 60%。并在不断开发精细加工，纳米加工。 3.提高机床加工生产率的研究 世界 NC 机床、加工中心及相应的高速电
9、主轴、直线电机、测量系统、刀具系统、NC 系统的开发，均以提高生产率为前提。 4.许多国家都已经开始对数控系统的智能化、开放化、网络化研究 1.1.2 我国数控机床产业的发展状况 我国数控机床工业起步较早，北京机床研究所于 1973 年研制了卧式加工中心 JCS013。1980 年北京机床研究所引进了日本 FANUC 公司的数控系统制造技术，并投入批量生产。国家“六五”和“七五”规划期间，我国大力发展加工中心，帮助部分骨干企业与国外厂商进行合作，引进了加工中心的制造技术。“八五”期间科技攻关开发自主版权数控系统两个阶段，已为数控机床的产业化奠定了良好的基础，并取得了长足的进步。 “九五”期间数
10、控机床发展已进入了实现产业化阶段。 1.部分产品已达到国外同类产品水平 具备了自行开发各种各样专用机床和特殊功能机床系统的能力。数控机床新开发品种 300 个，已有一定的覆盖面。新开发的国产数控机床大部分达到国际 20 世纪 90 年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床。 2.数控机床在技术上取得了一定的进步 进入了高速高精度精密数控机床生产 国行列。高速主轴制造技术可达1200018000r/min，快速进给可达 60m/min，快速换刀可达 1.5s 可以生产定位毕业设计 第 5 页 共 27 页精度达 3um 的立式加工中心、主轴回转精度达 8um 的卧式加工中心和精度为2um
11、 的车削中心等。 3.多轴联动数控技术更加成熟 0.1um 当量的超精密数控系统、数控仿形系统、非圆齿轮加工系统、高速进给数控系统、实时多任务操作系统都已研制成功。尤其是基于 PC 机的开放式智能化数控系统，可实施多轴控制，具备联网进线等功能。这些数控系统的研制成功使得多坐标联动技术已不再是难题，且逐渐成熟。 4.大部分数控机床配套产品已能国内生产 我国数控机床生产厂共有 100 多家，数控系统（包括主轴和进给驱动单元）生产企业约 50 家，生产数控机床配套产品的企业共计 300 余家，产品品种包括八大类 2000 种以上。数控机床自我配套率超过 60%。 5.在网络化、集成化、柔性化数控制造
12、成套设备技术上也有了新突破 网络化、集成化、柔性化数控制造装备可实现在多台机床连成的局域网上实现集成、资源共享、实时图象监视和管理，服务器上实现加工对象的实体造型并将刀具路径文件和加工程序自动化送至各数控机床。 总之，随着科学技术的进一步发展，市场经济活动的不断深入，中国在加入 WTO 参与世界市场激烈竞争中，无论是国内市场、国际市场，对 NC 机床的需求将日益增多，NC 机床的发展前景非常广阔。中国机床工业能否振兴、NC 机床技术能否迅速提高、产量能否迅速扩大，关键在于中国是否有此实力。1.1.3 加工中心的发展动向 近年来，加工中心的发展主要目标是主轴转速、进给速度和自动换刀（ATC）的高
13、速化、缩短辅助时间、提高加工精度、缩短刀具交换时间、提高自动化程度等。国际上加工中心正向自动化程度更好、机床精度更高、功能更全、切削效率更高、机床结构更趋合理的方向发展。 1.1.4 我国数控机床研究存在的问题 我国的数控机床行业在近几年中有了很大的发展，但对数控机床的进口量依然很大。我国进口的 NC 机床，大都是自己不能生产、水平达不到的中、高档机床，其中特别是加工中心。均采用 CAD、有限元分析、先进的数控程序软件等先进方法，配套基础元部件、NC 系统实行国际配套方面，我国仍需大力提高。 1.2 加工中心概论 加工中心的功能及特点： 1.加工中心的功能 加工中心（Machining Cen
14、ter-MC）是一种功能较全的数控加工机床。它把铣削、镗削、钻削和切削螺纹等功能集中在一台设备上，使其具有多种工艺功能。加工中心设置有刀库，刀库中存放着不同数量的各种刀具和量具，在加工过程中由程序自动选用和更换。这是它与数控铣床、数控镗床的主要区别。加MC 无机械手换刀刀库设计第 6 页 共 27 页工中心与同类数控机床相比结构较复杂，控制系统功能较多。加工中最少有三个运动坐标系，多的达十几个。其控制功能最少可实现两轴联动控制，实现刀具运动直线插补和圆弧插补。多的可实现五轴联动、六轴联动，从而保证刀具进行复杂加工。加工中心还具有不同的辅助功能；如：各种加工固定循环，刀具半径自动补偿，刀具长度自
15、动补偿，刀具破损报警，刀具寿命管理，过载超程自动保护，丝杠螺距误差补偿，丝杠间隙补偿，故障自动诊断，工件与加工过程图形显示，人机显示，工件在线检测和加工自动补偿、离线编程等，这些功能提高了数控机床的加工效率，保证 了产品的加工精度和质量，是普通加工设备无法相比的。 2.加工中心的特点 加工中心是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，因此在国内外企业界都受到高度重视。加工中心综合加工能力较强，工件一次装夹后能完成较多的加工步骤，加工精度较高，对于中等加工难度的批量工件，其效率是普通设备的 510 倍。加工中心对形状较复杂，精度要求高的的单件加工或中小批量多
16、品种生产更为合适。特别是对于必须采用工装和专机设备来保证产品质量和效率的工件，采用加工中心加工，可以省去工装和专机。这为新产品的研制和改型换代接生大量的时间和费用，从而使企业具有较强的竞争能力。因此它也是判断企业技术技术能力和工艺水平标志的一个方面。如今，加工中心已成为现代机床发展的主流方向，广泛用于机械制造中。与普通数控机床相比，它有以下几个突出要点： 1）工序集中 加工中心备有刀库，能自动换刀，并能对工件进行多工序加工。现代加工中心可使工件在一次装夹后实现多表面、多工位的连续、高效、高精度加工，即工序集中。这是加工 中心最突出的特点。2）加工精度高 加工中心同其他数控机床一样具有加工精度高
17、的特点，而且加工中心可一次装夹工件，实现多工序集中加工，减少了多次装夹带来的误差，故加工精度更高，加工质量更加稳定。 3）适用性强 加工中心对加工对象的适用性强。加工中心改变加工零件时，只需重新编制（更换）程序，输入新的程序就能实现对新的零件的加工，这对结构复杂零件的单件、小批量生产及新产品试制带来极大的方便。同时，它还能自动加工普通机床很难加工或无法加工的精密复杂零件。 4 ）生产效率高 加工中心带有刀库，在一台机床上能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和机床的调整时间，减少工件半成品的周转、搬运和存放时间，机床的切削利用率（切削时间和开动时间之比）高。 毕业设计 第 7 页 共 2
18、7 页5）经济效益好 加工中心加工零件时，虽分摊在每个零件上的设备费用较昂贵，但在单件、小批量生产的情况下，可以节省许多其他方面的费用。由于是数控加工，加工中心不必准备专用钻模等工艺装备，加工之前节省了划线工时，零件安装到机床上之后可以减少调整、加工和检验时间。另外，由于加工中心的加工稳定，减少了废品率，使生产成本进一步下降。 6）自动化程度高，劳动强度低 加工中心的加工零件是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作键盘、装卸零件、进行关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度可大为减轻。 7）有利于生产的现代化管理 用加工中心加工零件，能够准确地计算
19、零件的加工工时，并有效地简化检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点有利于使生产管理现代化。 1.2.1 自动换刀系统产品化的意义和前景 自动换刀系统是数控机床的重要组成部分。刀具夹持元件的结构特性及它与机床主轴的联结方式，将直接影响机床的加工性能。刀库结构形式及刀具交换装置的工作方式，则会影响机床的换刀效率。自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度，又会对整机的成本造价产生直接影响。 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。在现有的各种类型的加工中心中，传统结构的自动换刀系统的造价在机床整机造价中总是占着很大比重，这是加工中心价格居高不下、应用不普
20、遍的重要原因。如果把自动换刀系统的设计制造从现有加工中心的制造模式中分离出来，把它作为加工中心的标准件或附件组织专门化的生产，同时由于该项技术的应用简化了机床主轴结构、采用弹簧夹头和外驱动机械手等关键技术、采用圆柱柄刀具和辅具，这不仅使数控机床工作性能有所提高，而且使得由它配套构成的加工中心的总体造价大幅度下降。低造价高性能的加工中心将会被中小厂广泛接收，这样必将给自动换刀系统生产厂商和加工中心制造厂商带来巨大的经济效益。 1.3 本论文研究的目的和意义 本课题开发设计的小型加工中心刀库。随着数控技术的发展和普及，加工中心的作用越发突显它的重要性。为进一步提高数控机床的加工效率，数控机床正向着
21、工件在一台机床一次装夹即可完成多道工序或全部工序加工的方向发展，因此出现了各种类型的加工中心机床，如车削中心、镗铣加工中心、钻削中心等等。这类多工序加工的数控机床在加工过程中要使用多种刀具，因此必须有自动换刀装置，也就是所说的刀库，以便选用不同刀具，完成不同工序的加工工艺。自动换刀装置应当具备换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具储备量、占地面积小、安全可靠等特性。 1.4 本论文完成的主要工作 MC 无机械手换刀刀库设计第 8 页 共 27 页本论文是开发设计出一种体积小、结构紧凑、价格较低、生产周期短的小型立式加工中心无机械手换刀刀库。主要完成以下工作： 1.通过深入各种类型的企业、高
22、工专学校、中专、技校现场调查，通过查阅相关的资料，对国内外同类产品进行市场调研、技术调研和社会环境调研，了解该产品的发展现状和发展方向，从而确定本课题的可行性和必要性。 2.通过对不同的结构原理方案和各部件的结构设计方案的分析对比，确定加工中心刀库的总体技术设计方案和主要技术性能参数。 3.通过对加工中心的自动换刀系统不同设计方案的对比分析，确定刀库的设计方案，并进行相关设计和计算。 4.用 CAD 软件绘制总体装配图、各部件、组件装配图及主要非标准零件的零件图。 2 总体方案的设计加工中心刀库的总体方案设计是根据其功能和设计要求，从全局的角度，以系统的观点，进行自动换刀装置刀库整体方面的设计
23、，主要包括运动功能方案设计、基本参数设计、传动系统设计、总体结构布局设计等内容。 2.1 运动方案的设计 加工中心主要用来加工小型板类、盘类、模具类、多孔类零件上的小孔和平面。主要是钻削和铣削加工。 2.1.1 运动数目的确定 要实现以上各种零件表面的钻削和铣削加工功能，机床必须具有以下运动：一个是主运动即主轴带动刀具回转（Vc） ；另一个是三个方向的进给运动，包括实现切入工件一定深度（Z 方向）的进给运动；实现在水平面内两个方向（X、Y 方向）的进给运动。此外，还必须有换刀功能，因此还必须有非成形运动，如换刀需要刀库转位、移动等运动。 2.1.2 运动方案的确定 加工中心加工工件所需的这些运
24、动，必须由对应的执行部件来实现。加工中心的主运动一般都由主轴部件（主传动系统）来完成，而进给运动可以由工件来完成；也可以由刀具来完成；或者是由刀具和工件来共同完成。这样就影响到部件的相互位置关系的配制和总体关系。采用哪种形式与被加工工件尺寸、毕业设计 第 9 页 共 27 页形状、质量和功能等因素有关。对具有钻、铣的功能的立式加工中心，根据工件的质量、尺寸等的不同，可以有以下几种不同的运动 方案： 1.由工件完成三个方向的进给运动，当加工质量较轻工件时，分别由 X-Y向工作台和升降台来实现； 2.工作台带动工件做一个方向的进给运动，其他两个方向的进给运动由刀具在立柱与横梁上移动来完成，这种方案
25、不仅适用于质量大的工件加工，还可增多主轴头，使加工中心的生产效率得到很大的提高。 3.由刀架来完成三个方向的进给运动，当加工较重或尺寸较高的工件时，则不宜由工件做进给运动，而是工作台固定不动，改为由刀具来完成进给运动。采用了立柱在床身上沿前后方向移动来 Y 方向的进给；由刀具在横梁上移动来完成 Z 向的进给。通常见于大 、中型动柱式加工中心。这种方案可以避免的尺寸工作台在溜板两端极限位置发生翘曲和大溜板加工难的问题，从而减少了溜板和结构的多层，有利于提高机床精度。 4.由工作台实现 X、Y 两个方向的进给，而唷刀具来完成垂直进给运动，当加工质量较轻、体积较小的工件，且主轴部件的重量、体积较小时
26、，也可以由 X-Y 工作台实现两个方向的进给，而由刀具来完成垂直进给运动。适用于小型加工中心，通常都采用固定立柱方式。由于立柱固定在床身上，就便于把刀库、电柜等装在立柱上。 2.2 功能部件的设计方案 加工中心一般由主传动系统、进给伺服系统、自动换刀系统、基础部件、数控系统和辅助装置等部分组成。 2.2.1 主传动系统 主传动系统用来实现加工中心的主运动。由主轴箱、主轴、轴承、松拉刀机构、电动机等零件组成。这是加工中心自动换刀装置的关键部分，主轴的启动、停止、变速等动作通过数控系统控制由主传动系统来实现。并且通过安装在主轴上的刀具实现切削运动。 要求主轴部件必须具备足够的转速范围、功率和扭矩，
27、在大部分转速范围内要保持恒功率，当降到计算转速以下时，要保持恒扭矩传动；主传动系统的各零部件，应具有足够的强度和必要的刚度及抗震性能；噪声低、运转平稳性好。传动方案有以下几种： 1.齿轮传动 目前加工中心主传动大多用宽调速主轴电机, 其调速范围达 1：100。对某些中小型加工中心，已经足够了，不需要经过齿轮变速。如果所需转速范围超过 1：100（如中型以上规格的加工中心） ，则需通过齿轮换档的方法实现。 2.带传动 加工中心主传动系统使用的带传动多为同步带传动。它是一种综合了带、链传动优点的新型传动。具有以下优点： MC 无机械手换刀刀库设计第 10 页 共 27 页1）传动比准确 同步带传动
28、是啮合传动，工作时无滑动。 2）传动效率高 可达 98%以上，节能效果明显。 3）重量轻，结构紧凑 不需依靠摩擦传动，预紧张力小，对轴和轴承的作用力小，带轮直径小。 4）线速度高 可达 50m/s，因齿形带较薄。 5）传动平稳 动态特性良好，能吸振，噪声小。 6) 使用范围广 传递功率由几瓦至数千瓦，速比可达 10 左右。 7）使用保养方便 不需要润滑，耐油、耐磨性和抗老化好，还能在高温、灰尘、水及腐蚀介质等环境中工作。 由于以上优点，所以实际中多用。但安装要求较高，两带轮轴心线平行度要求高，中心距要求严格。带和带轮的制造工艺复杂，成本低。 3.电主轴 有内装式电动机直接驱动，结构的最大特点是
29、实现了机床的“零传动” ，这种传动方式取消了从主电动机到主轴之间一切中间的机械传动环节（如皮带、齿轮、离合器等） ，实现了主电动机与机床主轴的一体化。 如果采用齿轮、带传动则需自行设计主传动系统，将会增加设计和制造周期，且为单件生产，成本也较高，转速也受到一定的限制。该加工中心主要用来加工小孔和小平面，因此要想提高零件加工的生产率，也须提高主轴的转速。如果选用由专门厂家生产的已系列化和标准化电主轴，转速可根据需要选择。不仅可保证高的生产率，而且也可根据用户的不同要求选用不同的规格，可缩短产品的设计和制造周期。对比以上三种方案选用电主轴。 2.2.2 进给伺服系统 进给系统由伺服电机、滚珠丝杠、
30、导轨等组成。要求进给伺服系统必须具有高速下的平稳运行，较高的定位精度且防止爬行，要求进给系统中的机械传动装置和元件具有较高的灵敏度，低摩擦阻力和动、静摩擦系数之差小以及高寿命等。 1.进给伺服系统的控制方式 进给伺服系统可分为半闭环、全闭环和混合伺服控制三种方式。 2.伺服电机常用的伺服电机有支流和交流两种： 1）直流伺服电机 数控机床中应用较多的是宽调速直流伺服电机，其主要特点是调速范围宽、低速运行平稳；负载特性硬、过载能力强，在一定的速度范围内可以做到恒力矩输出；反应速度快，动态响应特性好。但体积较大，电刷易磨损，寿命受到一定的限制。 2）交流伺服电机 这种伺服电机的主要特点是转矩和惯量比高，能承受高的加减速；转矩波动小；低速性能好，在很低速时，电机仍能平滑旋转；在保证高输出转矩的情况下，电机的体积小，重量轻；由于采用高频宽调制控制，电机只有很低的噪
