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正文內(nèi)容

加工中心刀庫自動(dòng)換刀裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)doc-展示頁

2025-07-26 13:30本頁面
  

【正文】 角色。1958年美國(guó)Kamp。1967年出現(xiàn)了FMS(柔性制造系統(tǒng))。1983年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了數(shù)控刀具錐柄的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),自動(dòng)換刀系統(tǒng)便形成了統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)模式。在這種模式中,機(jī)床主軸常采用空心的帶有長(zhǎng)拉桿、碟形彈簧組的結(jié)構(gòu)形式,由液壓或氣動(dòng)裝置提供動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)夾緊放松刀柄的動(dòng)作??焖贀Q刀技術(shù)是減少加工輔助時(shí)間重要手段,而且正在處于發(fā)展階段。下面介紹幾種常用加工中心的換刀方法:多主軸換刀這種機(jī)床沒有傳統(tǒng)的刀庫和換刀裝置,而是采用多個(gè)主軸并排固定在主軸架上,一般為 3~18 個(gè)。換刀時(shí)不是主軸上的刀具交換,而是安裝在夾具上的工件快速從一個(gè)主軸的加工位置移動(dòng)到另一個(gè)裝有不同刀具的主軸,實(shí)現(xiàn)換刀并立即加工。由夾具快速移動(dòng)完成換刀,省去了復(fù)雜的換刀機(jī)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床和通常的加工中心結(jié)構(gòu)已大不相同,不僅可以用于需要快速換刀的加工,而且可以多軸同時(shí)加工,適合在高效率生產(chǎn)線上使用。兩個(gè)主軸交替將刀送到工作位置,一個(gè)主軸用于加工,另一個(gè)主軸在此期間更換刀具。由于兩個(gè)過程可以同時(shí)進(jìn)行,換刀時(shí)間實(shí)際就是已經(jīng)裝好刀具的兩個(gè)主軸的換位時(shí)間,使輔助時(shí)間減少到最少,也即機(jī)床切屑對(duì)切屑換刀時(shí)間達(dá)到最短,這樣每個(gè)主軸換刀時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)加工幾乎沒有影響。由于有兩個(gè)主軸,這種機(jī)床的刀庫和換刀機(jī)械手可以是一套,也可以是兩套,如德國(guó) Alfing—Kessler 公司生產(chǎn)的加工中心采用雙主軸系統(tǒng),使用一套刀庫和換刀機(jī)械手;而德國(guó) Hornsbeng — Lamb 公司生產(chǎn)的 HSC—500 、 HSC—630 和HFC— 630 加工中心有兩個(gè)主軸和兩套換刀系統(tǒng),兩個(gè)主軸可以用 1 . 0 — 1 . 5s的時(shí)間移動(dòng)到加工位置并啟動(dòng)加速到加工的最大速度,具體的交換時(shí)間取決于機(jī)床的尺寸。這種方式如果要實(shí)現(xiàn)任意換刀,則換刀時(shí)間將隨所選刀在刀庫的位置不同而長(zhǎng)短不等,最遠(yuǎn)的刀可能換刀時(shí)間較長(zhǎng),因此,這種方式作為高速自動(dòng)換刀裝置最好采用順序選刀的方式。德國(guó) CHIRON 公司生產(chǎn)這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床。本文主要是對(duì)雙主軸換刀進(jìn)行研究。;2;刀柄錐度為40度,機(jī)械手拔刀行程為84mm;機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)抓刀、180176。 設(shè)計(jì)構(gòu)想主軸交換裝置由于交流電動(dòng)機(jī)一般為鼠籠式感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu),其體積小,轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。采用全封閉結(jié)構(gòu),具有空氣強(qiáng)冷,可保證高轉(zhuǎn)速和超載能力,有很寬的調(diào)速范圍。用液壓缸來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)塔體的抬起動(dòng)作,利用活塞的行程來實(shí)現(xiàn)抬起的高度,同時(shí)用定位銷來保證轉(zhuǎn)塔體的定位,用活塞桿齒條和齒輪的嚙合使轉(zhuǎn)塔體實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位。刀具有一套識(shí)別裝置來控制電機(jī)的停止和轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)機(jī)械手的手臂回轉(zhuǎn)和插刀、拔刀的動(dòng)作式聯(lián)動(dòng)的,部分時(shí)間常數(shù)可重疊,從而大大縮短了換刀時(shí)間。研究?jī)?nèi)容:總體方案設(shè)計(jì)、主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算,圓柱齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),輸出軸齒輪的設(shè)計(jì),主軸的設(shè)計(jì),花鍵軸的設(shè)計(jì),轉(zhuǎn)位裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算,刀庫的設(shè)計(jì)計(jì)算,機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)。選擇了如圖11所示的布局方案。兩個(gè)主軸交替將刀送到工作位置,一個(gè)主軸用于加工,另一個(gè)主軸在此期間更換刀具。雙主軸用轉(zhuǎn)塔頭的方式實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)交換。當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令時(shí),通過液壓撥叉(圖中未畫出)將滑移齒輪15與大齒輪7脫離嚙合。然后壓力油進(jìn)入轉(zhuǎn)位液壓缸,使轉(zhuǎn)塔體轉(zhuǎn)位180176。切削軸進(jìn)行切削加工,另一個(gè)軸在此間換刀。夾緊刀夾時(shí),液壓缸5右腔接通回油,彈簧6推活塞4右移,拉釘11在碟形彈簧8作用下向右移動(dòng),由于此時(shí)裝在拉桿9前端徑向孔中的四個(gè)鋼球14進(jìn)入主軸孔中直徑較小的d2處,被迫徑向收攏而卡進(jìn)拉釘11的環(huán)型槽內(nèi),因而刀桿被拉桿5拉緊,依靠摩擦力緊固在主軸上。換刀前需將刀夾松開時(shí),壓力油進(jìn)入液壓缸右腔,活塞6推動(dòng)拉桿9向左移動(dòng),碟形彈簧8被壓縮;當(dāng)鋼球14隨拉桿9一起左移至進(jìn)入主軸孔直徑較大的d1處時(shí),它就不再能約束拉釘11的頭部,緊接著拉桿9前端內(nèi)孔的臺(tái)肩端面碰到拉釘11,把刀頂松。與此同時(shí),壓縮空氣管接頭2經(jīng)活塞和拉桿的中心通孔吹入主軸裝刀孔內(nèi),把切削或臟物清除干凈,以保證刀具的安裝精度。刀夾拉緊后行程開關(guān)發(fā)出信號(hào)。當(dāng)推動(dòng)轉(zhuǎn)塔頭轉(zhuǎn)位液壓缸活塞移動(dòng)時(shí),活塞桿齒條3經(jīng)齒輪軸8,使轉(zhuǎn)塔頭實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位180176。 1,2中心液壓缸 3活塞桿齒輪條 4小齒輪 5定位銷 6大齒輪 7軸 8轉(zhuǎn)塔體 圖22 主軸轉(zhuǎn)位裝置 刀庫及換刀裝置刀庫是存儲(chǔ)刀具的裝置,常見的刀庫主要有以下幾種形式:轉(zhuǎn)塔式刀庫包括水平轉(zhuǎn)塔頭和垂直轉(zhuǎn)塔頭兩種,其特點(diǎn)為:所有刀具固定在同一轉(zhuǎn)塔上,無換刀臂,儲(chǔ)刀數(shù)量有限,通常為6~8把。常見于車削中心和鉆削中心。盤式刀庫刀庫呈盤狀,其特點(diǎn):刀具沿盤面垂直排列(包括徑向取刀和軸向取刀)。若增加刀庫容量必須使刀庫的外徑增大,那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也相應(yīng)增大,選刀運(yùn)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。刀具呈多環(huán)排列的刀庫的空間利用率高,但必然使得取刀機(jī)構(gòu)復(fù)雜,適用于機(jī)床空間受限制而刀庫容量又較大的場(chǎng)合;雙盤式結(jié)構(gòu)是兩個(gè)較小容量的刀庫分置于主軸兩側(cè),布局較緊湊,儲(chǔ)刀數(shù)量也相應(yīng)增大,適用于中小型加工中心。一般適用于刀具數(shù)在30~120把。直線式刀庫和組合刀庫直線式刀庫結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,刀具單行排列,刀庫容量小。組合刀庫一般是轉(zhuǎn)塔式刀庫的組合。另外,還有一些密集型的鼓輪式。這些密集型刀庫雖占地面積小,但由于結(jié)構(gòu)限制,基本上不用于單機(jī)加工中心,多用于FMS的集中供刀系統(tǒng)。刀庫選取伺服電機(jī)帶動(dòng)蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng),機(jī)械手由凸輪聯(lián)動(dòng)裝置來驅(qū)動(dòng)。同時(shí)確定了主要零部件的主要作用,從而設(shè)計(jì)各個(gè)部分的具體的形狀和尺寸。第3章 主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 傳動(dòng)系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)書要求,主軸電機(jī)功率15kW、主軸轉(zhuǎn)速3000r/min、刀柄錐度號(hào)為40。選擇電動(dòng)機(jī)的容量任務(wù)書給出電動(dòng)機(jī)的功率為:=15kW電動(dòng)機(jī)功率的選擇主軸轉(zhuǎn)速為: n=6000r/min軸Ⅰ與軸Ⅱ齒輪傳動(dòng)比為2,軸Ⅱ與軸Ⅲ的齒輪傳動(dòng)比為1,則電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為:由以上數(shù)據(jù)可選出電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為Y160M22,其滿載轉(zhuǎn)速為2930r/min。齒輪零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括輪體和齒圈(漸開線齒廓)兩部分,圓柱齒輪的結(jié)構(gòu)類型分為:實(shí)心式、齒輪軸式、腹板式和輪輻式等。輪輻式結(jié)構(gòu)適用于齒頂圓直徑mm的齒輪。 強(qiáng)度的計(jì)算由于主從動(dòng)齒輪齒面硬度均小于350HRS,所以為閉式軟齒面的齒輪傳動(dòng)。查取Aa=453;K由參考材料10中表133,按原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī),工作載荷有中等沖擊,查取K=~,取K=;,??; ,由圖132,按齒輪材料、調(diào)質(zhì)處理,齒面硬度260HBS,查取=710 MPa確定選擇齒輪傳動(dòng)的參數(shù)和尺寸由于選 (32) 由表32查取。(3)由圖135,按Ⅱ公差組7級(jí),直齒輪,查取。(5)由表135,按按Ⅱ公差組7級(jí),未經(jīng)表面淬火的直齒輪,查取。(7)圖,按,查取。(9)按長(zhǎng)期工作, ,查取。(11)按表面粗糙度,查取。(13)由表137,按失效概率,查取,因有資料可參照,~。,主從動(dòng)齒輪均采用實(shí)心式結(jié)構(gòu)。 齒輪的受力分析一對(duì)漸開線齒輪嚙合,若不計(jì)摩擦力,則輪齒之間相互作用的法向力Fn的方向始終沿嚙合線。 (37) (38)圖32 主動(dòng)齒輪圖33 受力圖 (39)式中:—小齒輪傳遞的名義轉(zhuǎn)矩;—嚙合角。小齒輪傳遞的名義轉(zhuǎn)矩。 強(qiáng)度的計(jì)算由于大小動(dòng)齒輪齒面硬度均小于350HBS,所以為閉式軟齒面的齒輪傳動(dòng)。查取Aa=453;K由表133,按原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī),工作載荷有中等沖擊,查取K=~,取K=;Ψa=~,取Ψa=;,由圖132,按齒輪材料、調(diào)質(zhì)處理,齒面硬度260HBS,查取=710MPa,=520MPa,確定選擇齒輪傳動(dòng)的參數(shù)和尺寸由于,選 由式(32)得 mm 由表32查取。(3)由圖135,按Ⅱ公差組7級(jí),直齒輪,查取。(5)由表135,按按Ⅱ公差組7級(jí),未經(jīng)表面淬火的直齒輪,查取。(7)由圖138, 按,查取。(9)按長(zhǎng)期工作, ,查取。(11)按表面粗糙度,查取=1。(13)由表137,按失效概率,查取,因有資料可參照,~。 齒輪的受力分析,齒輪受Fn、Ft、Fr 主軸及組件的設(shè)計(jì)計(jì)算 主軸組件的設(shè)計(jì)要求主軸組件應(yīng)達(dá)到以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)基本要求:旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)度 指機(jī)床在空載低速旋轉(zhuǎn)時(shí),主軸前端安裝工件或刀具部位的徑向和軸向跳動(dòng)值滿足要求。(a)小齒輪 (b)大齒輪圖34 輸出軸齒輪 剛度 指主軸組件在外力的作用下,仍能保持一定工作精度的能力。惡化傳動(dòng)件和軸承的工作條件??拐裥? 指主軸組件在切削過程中抵抗強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)保持平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。溫度和熱變形 溫升會(huì)引起機(jī)床部件熱變形,使主軸旋轉(zhuǎn)中心的相對(duì)位置發(fā)生變化,影響加工精度。主要影響因素是材料熱處理、軸承類型和潤(rùn)滑方式。主軸結(jié)構(gòu)要保證各零件定位可靠、工藝性好等要求。主軸的最底轉(zhuǎn)速為75r/min,為空心軸 (310)式中:A — 與材料有關(guān)的系數(shù)P — 軸傳遞的功率 kW n — 軸的轉(zhuǎn)速 r/min d — 危險(xiǎn)截面的直徑尺寸 mm通常取β=~。 主軸及其組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),根據(jù)軸的受力選N231E型和7016型軸承,軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖所示:圖35 主軸總體布局3. 按扭曲合成強(qiáng)度校核軸的直徑 N N 水平面: (a) (b) (c) (d) (e) (f)
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