1、本科毕业论文（20 届）数控加工中心自动换刀装置的设计所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文I摘要数控机床的发展与运用，大大降低了零件加工的辅助时间，极大的提高了生产率。随着数控机床的普及运用，加工机械的自动化程度大大提高，数控机床发展成了当今普遍应用的一种更新、更先进的制造设备即加工中心。加工中心带有刀库和自动换刀装置，能对工件按预定程序进行多工序加工的高度自动化的多功能的数字控制机床。自动换刀装置应当满足换刀时间短、刀具存储量足够、刀具的安置空间小以及安全可靠等基本要求。加工中心的关键在于 CNC 对刀库的自动选刀和刀库、
2、机械手与主轴间自动换刀，加工中心出现故障 80%都在上述方面。本课题就是对自动换刀装置进行设计，利用 PLC对刀库的选刀控制和刀库、机械手与主轴间的自动换刀控制。关键词：自动换刀装置；弧面分度凸轮；滚齿凸轮；机械手。本科生毕业论文IIABSTRACTThe numerical control engine bed development and the utilization, greatly reduced the components processing non-cutting time, enormous enhancement productivity.Along with the
3、numerical control engine bed popularization utilization, processes the machinery the automaticity to enhance greatly, the numerical control engine bed develops now has been common the application one kind of renewal, the more advanced manufacture equipment is the processing center.The processing cen
4、ter has the knife storehouse and trades the knife installment automatically, can carry on the multi-working procedure processing to the work piece according to the pre-set sequence the high automation multi-purpose numerical control engine bedTrades the knife equipment to have automatically to trade
5、 the knife time satisfiedly short, the cutting tool reserves enough, the cutting tool placement space small as well as safe reliable and so on the basic request.The processing center key lies in CNC to choose the knife and between automatically the knife storehouse, the manipulator and the main axle
6、 to the knife storehouse trades the knife automatically, the processing center appears breakdown 80% all in the above aspect.This topic is to trades the knife installment to carry on the design automatically, chooses the knife control and between the knife storehouse, the manipulator and the main ax
7、le using PLC to the knife storehouse trades the knife control automatically.Keywords:Trades the knife installment automatically; Cambered surface indexing cam; Rolls the tooth cam; Manipulator.本科生毕业论文III目 录前言 .1第 1 章 绪 论 .21.1 国内外数控机床的的发展情况 .21.1.1 加工中心发展简史 .21.1.2 加工中心的主要优点 .31.1.3 加工中心的发展趋势 .31.2
8、编程控制器的特点.4第 2 章 方案设计 .62.1 ATC 设计特点及设计要求 .62.2 自动换刀装置主要结构的论证及分析 .72.3 方案确定 .72.3.1 刀库选刀 .92.3.2 机械手取刀和换刀 .92.3.3 方案确定 .9第 3 章 机械手结构设计和设计计算 .103.1 机械手的装配 .103.1.1 机械手爪的装配 .103.1.2 手臂装配图 .113.2 机械手手爪加紧力的计算 .12第 4 章 刀库的结构设计和计算 .134.1 刀库的功能和形式 .134.2 刀库的结构设计 .154.2.1 刀库的结构及其工作原理 .154.2.2 刀库各零部件结构 .154.2
9、.3 刀库的装配 .174.3 刀库的设计计算 .18本科生毕业论文IV4.3.1 刀库驱动电动机的选定 .184.3.2 刀库传动方式及计算 .204.4 刀库的选刀方式 .204.5 刀套准停措施 .21第 5 章 机械手驱动与松刀装置设计 .235.1 机械手驱动装置设计 .235.2 机械手松刀装置设计 .23第 6 章 换刀装置的换刀动作及程序设计 .266.1 换刀动作分析 .266.2 换刀装置的液压机构分析 .276.2.1 液压分析 .276.2.2 换刀动作顺序表 .286.2.3 液压泵的选择 .306.3 自动换刀的程序设计 .31小结 .35参考文献 .36致谢 .3
10、7附 录 .38本科生毕业论文1前言大学四年学习即将毕业，在各位老师的辛勤指导和培育下，我完成了基础课和机械设计与制造专业课程的学习。在这过程当中，我本着乐群、求实、自强、进取的态度严格按照教学要求，认真学习课本，专心听取老师的讲解，对专业理论知识有了较为深刻的认识和理解。我也通过参加学校组织的各种金工实习、生产实习和毕业实训，主动思考、分析、比较，把所学的专业知识和生产实践相结合，有效地巩固了所学的基础理论知识，真正做到了学有所用，使我学会了分析问题和解决问题的能力，而且强化了我的知识结构；同时，也使自己的综合素质有了较好的提高，为今后走上社会打下一定的基础。毕业设计作为大学学习进程中的最后
11、一步，也是最为关键的一步，它不仅是对我们四年学到的知识的全面总结，也是考核我们独立分析和解决问题的能力。它可以比较系统、综合地考察一名学生是否真正学到了知识，是否能够把所学的知识应用到实际问题中去。本次设计的目的是培养学生初步掌握独立从事专业技术工作的能力，通过毕业设计不但可以培养我们运用各种工具书的方法和技巧，而且把自己实习所经历过的结合理论使之有效的应用在自己的设计上。在本次毕业设计中，我的设计题目是加工中心自动换刀装置的设计 。数控机床加工中心集机械设计、电子、液压传动、控制技术、检测装置等技术于一身的产品，已广泛应用于机械生产和机械加工中。加工中心适用于零件形状比较复杂、精度要求较高、
12、产品更换频繁的中小批量生产，具有明显的经济效果。因此具有很大的发展空间和潜力，市场空间也是相当庞大的。本设计包括：1.绪论；2.方案设计；3.机械手和刀库的结构设计及其计算；4.机械手驱动和松刀装置的设计；5. 机械手的换刀动作分析及设计要求；6.自动换刀的程序设计六个主要章节。设计过程参考一些已有的换刀装置图，通过独立思考，在原有基础上，符合机械设计和加工原理下，发扬创新精神，单独完成该设计。在设计过程中得到了各位老师的指导和帮助，在此向他们表示感谢。由于我理论水平有限，而且缺乏实践经验，所以在设计过程中，难免有错误和不足之处，恳请各位老师批评指正。本科生毕业论文2第 1 章 绪 论1.1
13、国内外数控机床的的发展情况20 世纪 90 年代以来, 数控加工技术得到迅速的普及和发展 , 数控机床在制造业得到了越来越广泛的应用。带有自动换刀系统的数控加工中心在现代先进制造业中起着愈来愈重要的作用, 它能缩短产品的制造周期, 提高产品的加工精度, 适合柔性加工。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
14、, 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。自动换刀系统一般由刀库、机械手和驱动装置组成。刀库容量可大可小，其装刀数在20180 把之间。刀库的功能是存储刀具并把下一把即将要用的刀具准确地送到换刀位置，供换刀机械手完成新旧刀具的交换。当刀库容量大时，常远离主轴配置且整体移动不易，这就需要在主轴和刀库之间配置换刀机构来执行换刀动作。完成此功能的机构包括送刀臂，摆刀站和换刀臂，总称为机械手。具体来说，它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。驱动装置则是使刀库和机械
15、手实现其功能的装置，一般由步进电机或液压（或液机构）或凸轮机构组成。机械手完成刀库里的刀（新刀）与主轴上的刀（旧刀）的交换工作。由于数控加工中心的刀库容量、换刀可靠性及换刀速度直接影响到加工中心的效率，而自动换刀就是进一步压缩非切削时间，提高生产效率，改善劳动条件。所以数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道加工工序，缩短辅助时间，减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。1.1.1 加工中心发展简史1952 年世界上出现第一台数控机床，使多种产品、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。它用易于修改的数控加工程序进行控制，因而比大批量生产中使用组合机床生产线和凸轮
16、、开关控制的专用机床有更大的柔性，容易适应加工件品种的变化，进行多品种加工。它用数控系统对机床的工艺功能、几何图形运动功能和辅助功能实行全自动的数字控制，因而大大提高加工加工效率，大大改变了中小批量生产中普通机床战整个机械加工 70%80%的状况。数控机床能实现两坐标以上的联动的功能，其效率和精度比用手工和样板控制加工复杂零件要高的多。加工中心和车削中心是有机械设备与数控系统组成，适用复杂零件加工的高效、高精度的自动化机床。这种机床可装若干把刀具，能自动更换刀具，一次装卡中，完成铣镗、车、钻、扩、铰、攻螺纹等的加工。也是因为加工中心和车削中心比一般数控机床多了一套自动换刀装置，可实现多工序的连
17、续加工，因而加工效率大大提高，使其成为数控机床中发展最快、需求最大的机床。自动换刀装置的形式是多种多样的，主要的组成部分是刀库、机械手和驱动机构等，虽然换刀过程、选刀方式、刀库结构、机械手类型等个不相同，但是在数控装置及可编程控制器控制下，由电动机或液压或气动机构驱动刀库和机械手实现刀具的选择与交换。我们把这种为实现多工序的连续加工，在加工中心或车削中心，可进行刀具的选择与交换的装置叫自本科生毕业论文3动换刀装置（automatic tool change 简称 ATC） 。1.1.2 加工中心的主要优点(1）提高加工质量工件一次装夹，即可实现多工序集中加工，大大减少多次装夹所带来的误差。另外
18、，由于是数控加工，较少依赖操作者的技术水平，可得到相当高的饿稳定精度。(2）缩短加工准备时间加工中心可以顶替多台通用机床，那么加工一个零件所需准备时间，是每台加工单元所损耗的准备时间之和。才这个意义上说，加工中心的准备时间显然短得多。(3）减少在制品以往的加工方式是工件流动于多台通用机床之间，这就要有相当数量的在制品，而在加工中心上加工，即可发挥其“多工序集中”的优势，在一台机床上完成多个工序，就能大大减少在制品数量。(4）减少刀具费不分散设置在个通用机床上的刀具，集中在加工中心刀库上，有可能有最少量的刀具，实现公共有效利用。这样既提高刀具利用率，有减少了刀具数量。(5）最少的直接劳务费由 N
19、C 装置多工序加工的信息集约化和一人多台管理，以及用工作台自动托盘交换装置等辅助装置，实现夜间无人运转。这些都可缩减直接劳务费。(6）最少的间接劳务费由于工序集中，工件搬运和质量检查工作量都大为减少，这就使间接劳务费最少。(7）设备利用率高加工中心设备利用率为通用机床的几倍。1.1.3 加工中心的发展趋势加工中心亦同其他机床一样，他的技术水平的提高，表现在其固有技术（如高速、高精度化等）的进一步发展和新技能（如智能化技能等）的运用上。1.高速化加工中心的高速化，是只主轴转速、进给速度、自动换刀和自动交换工作台的高速化。（1）主轴转速的高速化；（2）进给速度的高速化：是指快速移动速度的高速化和切
20、削进给速度的高速化。（3）自动换刀（ATC）的高速化从加工中心诞生初期起，就追求 ATC 的高速化。但是由于当时尚未充分掌握 ATC 的内在规律，故障效率较高，所以在后来的相当一段时间里，采用了首先保证动作可靠性，然后才考虑速度方针，结果在这段时期，ATC 速度未提高多少。但是随着对 ATC 内在规律的深入了解和用户对 ATC 速度的要求迫切，有开始注意 ATC 速度了。（4）自动托盘交换装置（APC）的高速化；2.进一步提高精度加工中心的主要精度指标是它的运动精度指标。而这一精度指标，近年来有了不小的提高，其中精密加工中心精度指标的提高尤为明显。所谓加工中心的运动精度，主要以定位精度、重复定
21、位精度以及铣圆精度来表示。3.机能更加完善本科生毕业论文4（1）愈来愈完美的自诊断机能为了尽可能减少加工中心的故障，现代加工中心大都配备完善的自诊断机能。例如，位置检测传感器、刀具破损检测装置、切削异常检测装置、适应控制机能、备用刀具选择机能、温度传感器、声传感器、电流传感器等。这些机能和传感器，使机床具有一定的人工智能。（2）新式刀具破损检测装置（3）加工中心复合化趋势自动换刀装置开发技术要全面注意以下五个方面：(1）自动换刀装置的可靠性与优化设计研究。通过对自动换刀装置进行可靠性分析研究，找出其薄弱环节，通过改进设计，是自动换刀装置故障率大大减少，保证百万次以上正常换刀的品质。通过对自动换
22、刀装置进行多目标的优化设计，使其动态性能达到最优，进而提高自动换刀装置的性能，降低其制造成本，使刀对刀换刀时间对 40 刀柄不大于 1s，达到世界先进水平。(2）自动换刀装置的系列化与 CAD 设计。使自动换刀装置使用国内厂家的各种产品， ，以便得到推广和使用。即达到厂家一旦提出要求，可快速、合理的设计出针对厂家机床及其提出的参数：不同刀柄型号，刀库容量等的自动换刀装置，使厂家立即投入生产，并且处于国内先进水平的。(3）自动换刀装置制造技术研究。针对自动换刀装置中关键零件的制造技术研究，以提高其制造质量和降低制造成本。(4）自动换刀系统新技术的研究。跟踪国际加工中心和车削中心自动换刀装置的发展
23、主流，研究自动换刀装置的新工作原理及新技术。(5）自动换刀装置产业化研究。自动换刀装置由专业厂生产比现有个厂家自行生产可降低成本，也能保证质量，同时在我国有巨大的市场，因此，在技术研究的基础上，应研究使我国的自动换刀装置生产走上产业化的道路，建立生产自动换刀装置的基地。自动换刀装置的设计应满足以下基本要求：(1）换刀时间短，以减少非加工时间。(2）减少换刀动作对加工范围的干扰(3）刀具重复定位精度高。(4）识刀、选刀可靠，换刀动作简单可靠。(5）刀库刀具存储量合理。(6）刀库占地面积小，并能与主机配合，使机床外观协调美观。(7）刀具装卸、调整、维修方便，并能的到清洁的维护。1.2 编程控制器的
24、特点可编程控制器，简称 PLC（Programmable logic Controller）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会(International Electrical Committee)颁布的 PLC标准草案中对 PLC 做了如下定义：PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置” 。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩
25、展其功能的原则而设计。PLC 之所以高速发展，除了工业自动化的客观需求外，还有许多独特的优点。它较好的本科生毕业论文5解决了工业控制领域中的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。其特点如下：1.可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 3 万小时。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长。此外，PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息2.配备齐全，功能完善，适应性强PLC
26、发展到今天，己经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。3.易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。5.体积小，重量轻，耗能低以超小型 PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 l00mm，重量小于 150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备
