臥式加工中心自動換刀機械手設(shè)計【CAD高清圖紙和文檔】

【溫馨提示】 dwg后綴的文件為CAD圖，可編輯，無水印，高清圖，壓縮包內(nèi)文檔可直接點開預覽，需要原稿請自助充值下載，請見壓縮包內(nèi)的文件，所見才能所得，下載可得到【資源目錄】下的所有文件哦-有疑問可咨詢QQ:1304139763 或 414951605 調(diào)研報告1.1 加工中心的定義加工中心（Machining center,MC）是適應省力、省時和節(jié)能的時代需要而迅速發(fā)展起來的自動換刀數(shù)控機床。它是綜合了機械技術(shù)、電子技術(shù)、計算機軟件技術(shù)、氣動技術(shù)、拖動技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、測量及傳感技術(shù)以及通訊診斷、刀具和編程技術(shù)的高技術(shù)產(chǎn)品。它將數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床的功能聚集在一臺加工設(shè)備中，且增設(shè)有自動換刀裝置和刀庫。可在一次安裝工件后，數(shù)控系統(tǒng)控制機床按不同工序自動選擇和更改刀具。自動改變機床主軸轉(zhuǎn)速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡及其他輔助功能。依次完成多面和多工序加工，如：端平面、孔系、內(nèi)外倒角、環(huán)形槽及攻螺紋等加工。由于加工中心能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和調(diào)整時間、減小工件周轉(zhuǎn)、搬運存放時間，使機床的切削利用率高于通用機床三倍四倍達80以上。所以說，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且使數(shù)控機床中生產(chǎn)率和自動化程序最高的綜合性機床。由于電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各種性能良好的傳感器的出現(xiàn)和運用，使加工中心的功能日趨完善。這些功能包括：刀具壽命的監(jiān)視功能、刀具磨損和損傷的監(jiān)視功能、切削狀態(tài)的監(jiān)視功能、切削異常的監(jiān)視、報警和自動停機功能、自動檢測和自我診斷功能及自適應控制功能等。加工中心還與載有隨行夾具的自動拖板有機連接，并能進行切屑自動處理，使得加工中心已成為柔性制造系統(tǒng)，計算機集成制造系統(tǒng)和自動化工廠的關(guān)鍵設(shè)備和基本單元。1.2 發(fā)展歷程當復雜零件高度集中時，必須頻繁地更換刀具，以提高生產(chǎn)效率。解決自動切刀問題，最早出現(xiàn)是轉(zhuǎn)塔頭立式鉆鏜銑床。北京機床研究所于1973年研制出了JCS-013型臥式加工中心，1980年該所引進了日本FANUC公司的數(shù)控系統(tǒng)制造技術(shù)，并投入批量生產(chǎn)。為我國數(shù)控機床的進一步發(fā)展準備了先進條件，使我國的加工中心的研制出現(xiàn)了良好的局面，加工中心的產(chǎn)量出現(xiàn)了穩(wěn)定上升的趨勢。國家“六五”和“七五”規(guī)劃期間，我國大力發(fā)展加工中心，幫助部分骨干企業(yè)與國外廠商進行合作，引進了加工中心的制造技術(shù)。現(xiàn)生產(chǎn)家有30多家，能制造70多個品種規(guī)格的加工中心產(chǎn)品，年產(chǎn)量約500臺，部分產(chǎn)品已達到國外同類產(chǎn)品的水平。1.3 加工中心的原理加工中心的工作原理是根據(jù)零件圖紙，制定工藝方案，采用手工或計算機自動編制零件加工程序，把零件所需的機床各種動作及全部工藝參數(shù)變成機床的數(shù)控裝置能接受的信息代碼，并把這些代碼存儲在信息載體（穿孔帶、磁盤等）上。將信息載體送到輸入裝置，讀出信息并送入數(shù)控裝置。信息載體為穿孔帶時，輸入裝置為光電閱讀機，磁帶輸入裝置可用磁帶錄音機。信息載體為磁盤時，可用驅(qū)動輸入。以上時最常用的程序輸入方法，另一種方法是利用計算機和加工中心直接進行通信，實現(xiàn)零件程序的輸入和輸出。進入數(shù)控裝置的信息，經(jīng)過一系列處理和運算轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號，有的信號送到機床的伺服系統(tǒng)，通過伺服機構(gòu)進行轉(zhuǎn)換和放大，再經(jīng)過傳動機構(gòu)驅(qū)動機床有關(guān)零部件，使刀具和工件嚴格執(zhí)行零件程序所規(guī)定的相應運動，還有信號送到可編程序控制器中用以順序控制機床的其他輔助動作，實現(xiàn)刀具自動更換?，F(xiàn)代加工中心的內(nèi)容是什么？第一，它是在數(shù)控鏜床或數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上增加自動換刀裝置，可使工件在一次裝卡中，能夠自動更換刀具，自動完成工件上的銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等工序的數(shù)控機床。第二，加工中心上如果帶有自動回轉(zhuǎn)工作臺或自動轉(zhuǎn)角度的主軸箱，可使工件在一次裝卡中，自動完成多個平面和多個角度的多工序加工。第三，加工中心上如果帶有交換工作臺，工件在工作位置的工作臺上進行加工的同時，另外的工件在裝卸位置的工作臺上進行裝卸，不影響加工的進行。加工中心的定義是什么？目前世界上并無標準定義，但目前普遍認為是指：在工件一次裝卡中，能夠自動實現(xiàn)銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等多工序的數(shù)控機床。更為明確的說法是：加工中心就是自動換刀數(shù)控鏜銑床。這就把加工中心與自動換刀數(shù)控車床或車削中心區(qū)別開來。1.4 加工中心的種類按機床形態(tài)分類按機床形態(tài)分類，分為：臥式、立式、龍門式三大類加工中心。臥式加工中心 指主軸軸心線為水平狀態(tài)的加工中心。通常都帶有可進行分度回轉(zhuǎn)運動的正方形分度工作臺。立式加工中心 指主軸軸心線為垂直狀態(tài)的加工中心。工作臺通常是長方形，且無分度回轉(zhuǎn)功能。龍門式加工中心 形狀與龍門銑床相似，但它的功能遠比龍門銑床多。它帶有自動換刀裝置，帶可更換的主軸頭附件，數(shù)控裝置的軟件功能相當齊全，能夠一機多用。按數(shù)字控制伺服機構(gòu)的種類分類半閉環(huán)控制方式 普通精度的加工中心，大都采用這種方式。它不是直接檢測工作臺等移動件的位置，而是通過檢測滾珠絲杠的回轉(zhuǎn)角度（或伺服電機軸的回轉(zhuǎn)角度）來間接地檢測移動件的位置，故而叫做半閉環(huán)控制方式。全閉環(huán)控制方式 這種控制方式，通常是在精密加工中心上采用。移動部件（如工作臺、主軸箱）的移動位置，是由直線尺（如感應同步器、光柵尺等）直接進行檢測并反饋給比較回路，因而不受絲杠精度和熱變形的影響，得到較高的定位精度?；旌纤欧刂品绞?這種方式，通常是在重型加工中心上采用。所謂混合伺服控制，就是半閉環(huán)控制和全閉環(huán)控制并存的控制方式。此種方式對使用條件惡劣的重型機床，可用高增益得到高定位精度。按立柱是否移動分類固定立柱式 小型加工中心，通常都采用固定立柱方式。平面上的兩個坐標移動是由工作臺和溜板來實現(xiàn)。由于立柱固定在床身上，就便于把刀庫、電柜等裝在立柱上，實現(xiàn)機電一體化。移動立柱式 通常見于大、中型加工中心。為了避免大尺寸工作臺在溜板兩端極限位置上發(fā)生翹曲和大溜板加工難的問題，采用了立柱在床身上沿前后方向移動，而工作臺則在床身上沿左右方向移動的形式，從而減少了溜板和結(jié)構(gòu)的多層，有利于提高機床精度。立柱作平面二坐標移動式 這種形式的加工中心，工作臺不作移動動作，而平面上的二坐標移動，均由立柱來實現(xiàn)。因為工作臺不移動，這種加工中心比較適用于柔性自動線等生產(chǎn)系統(tǒng)。按ATC形式分類帶刀庫、機械手的加工中心 這是加工中心最普遍采用的形式。加工中心的自動換刀裝置是由刀庫和換刀機械手組成。無機械手的加工中心 采用40號以下刀柄的小型加工中心，有的就沒有換刀機械手，換刀是通過刀庫和主軸箱的配合動作來完成轉(zhuǎn)塔刀庫式加工中心 一般在小型立式加工中心上，有采用轉(zhuǎn)塔刀庫形式的。它主要以孔加工為主。1.5 加工中心的主要優(yōu)點提高加工質(zhì)量 工件在一次裝夾，即可實現(xiàn)多工序集中加工，大大減少多次裝夾所帶來的誤差。另外，由于是數(shù)控加工，較少依賴操作者的技術(shù)水平，可得到相當高的穩(wěn)定精度?？s短加工準備時間 加工中心既然可以頂替多臺通用機床，那么加工一個零件所需準備的時間，是每臺加工單元所損耗的準備時間之和。從這個意義上說，加工中心的準備時間顯然短得多。另外，由于是數(shù)控加工，不必準備專用鉆模等工藝裝備，可以大大節(jié)省準備時間。減少在制品 以往的加工方式是工件流動于多臺通用機床之間，這就要相當數(shù)量的在制品，而在加工中心上加工，即可發(fā)揮其“多工序集中”的優(yōu)勢，在一臺機床上完成多個工序，就能大大減少在制品數(shù)量。減少刀具費 把分散設(shè)置在各通用機床上的刀具，集中在加工中心刀庫上，有可能用最少量的刀具，實現(xiàn)公共有效利用。這樣既提高了刀具利用率，又減少了刀具數(shù)量。最少的直接勞務費 由NC裝置實現(xiàn)多工序加工的信息集約化和一人多臺管理，以及用工作臺自動托盤交換裝置等輔助裝置，實現(xiàn)夜間無人運轉(zhuǎn)。這些都可縮減直接勞務費。最少的間接勞務費 由于工序集中，工件搬運和質(zhì)量檢查工作量都大為減少，這就使間接勞務費最少。設(shè)備利用率高 加工中心設(shè)備利用率為通用機床的幾倍。另外，由于工序集中，容易適應多品種、中小批量生產(chǎn)。1.6 加工中心的發(fā)展動向加工中心亦同其他機床一樣，它的技術(shù)水平的提高，表現(xiàn)在其固有技術(shù)（如高速、高精度化等）的進一步發(fā)展和新技能（如智能化技能）的應用上?？偫ㄆ饋碚f，加工中心的發(fā)展動向是高速、進一步提高精度和愈發(fā)完善的機能。1：高速化加工中心的高速化，是指主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、自動換刀和自動交換工作臺的高速化。主軸轉(zhuǎn)速的高速化 80年代初時的主軸最高轉(zhuǎn)速，多為40005000r/min。然而，這幾年主軸最高轉(zhuǎn)速又有了較大的提高。表1-1所示為主軸直徑100mm的加工中心主軸最高轉(zhuǎn)速的演變情況。表1-1 100主軸最高轉(zhuǎn)速演變情況年份最高轉(zhuǎn)速（r/min）潤滑方式備注19753000油脂19805000油脂19847000油氣198610000油脂15000油氣陶瓷軸承（僅滾動體）198820000噴油19902500030000噴油全陶瓷軸承近幾年來還開發(fā)出加工中心主軸用磁浮軸承，其主軸轉(zhuǎn)速可達3000040000 r/min。實現(xiàn)加工加工中心主軸轉(zhuǎn)速的超高速，主要采用了下列措施：1）選用陶瓷軸承 所謂陶瓷軸承，是指軸承滾動體是用陶瓷材料制成，而內(nèi)外圈則仍用軸承鋼制造的軸承。軸承材料為Si3N4。2）主軸軸承采用預緊量可調(diào)整裝置 以往預緊主軸的方式是固定預緊量式的，結(jié)果由于軸承滾體離心力的影響，主軸在低速區(qū)和高速區(qū)的剛性有差異，影響主軸在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的穩(wěn)定切削。尤其隨著主軸轉(zhuǎn)速的高速化，要實現(xiàn)低速時的高剛性和高速時的低發(fā)熱，固定預緊量方式已不能滿足其要求，于是出現(xiàn)了隨著轉(zhuǎn)速而自動改變軸承預緊量的結(jié)構(gòu)。在低速區(qū)有活塞頂緊，實現(xiàn)高剛性固定預緊量方式，而在高速區(qū)則把活塞松開，只靠彈簧予以預緊，實現(xiàn)定壓預緊。3）改進主軸軸承潤滑、冷卻方式 以往，加工中心主軸軸承的潤滑方式，大都采用油脂封入潤滑方式。但是這種潤滑方式的轉(zhuǎn)速有一定限度，為了適應主軸轉(zhuǎn)速化發(fā)展的需要，相繼開發(fā)了新潤滑、冷卻方式。有油氣潤滑方式和噴注潤滑。進給速度的高速化 是指快速移動速度的高速化和切削進給速度的高速化。1)快速移動速度 快速移動速度的演變，如表1-2所示：表1-2 移動速度演變表年 份移動速度（m/min）197051975101980 15最 近2436由于近年來采用了32位微處理器、全數(shù)字-智能伺服系統(tǒng)方式以及先進的位置檢測器（如高分辨率脈沖編碼器等），目前CNC裝置所具有的最高進給速度為： 1m脈沖當量時 100m/min 0.1m脈沖當量 24m/min2）切削進給速度的高速化 目前普遍采用的最高切削進給速度，已達55m/min（原來是3.6m/min左右），個別的達12m/min，亦有與快速移動速度相同的。但是現(xiàn)在能實施告訴進給切削的，僅限于直線切割。因為目前普遍使用的模擬伺服控制系統(tǒng)，在告訴動作下不可能實現(xiàn)良好的多坐標聯(lián)動，結(jié)果加工形狀精度差。為避免此中缺陷，已開始使用具有良好的高速聯(lián)動性能的數(shù)字伺服控制系統(tǒng)。自動換刀（ATC）的高速化 從加工中心誕生初期起，就追求ATC的高速化。但是由于當時尚未充分掌握ATC的內(nèi)在規(guī)律，故障率較高，所以在后來的相當一段時間里，采用了首先保證動作可靠性，然后才考慮速度的方針，結(jié)果在這段時期，ATC速度未提高多少。但是隨著對ATC內(nèi)在規(guī)律的深入了解和用戶對ATC速度的要求強迫，有開始注意ATC速度了。作為高速換刀機械手，近來采用凸輪聯(lián)動式機械手。自動托盤交換裝置（APC）的高速化 自動托盤交換裝置在交換的移動速度最高已達40m/min，而其重復定位精度3m。進一步提高精度加工中心的主要精度指標是它的運動精度指標。而這一精度指標，近年來有了不小的提高，其中精度加工中心精度指標的提高尤為明顯。所謂加工中心的運動精度，主要以坐標定位精度、重復定位以及銑圓精度來表示。為了保證精密加工中心的高精度，除了繼續(xù)采取以往行之有效的措施外，還采取了如下一些新穎措施：機床總體方面1)在立柱內(nèi)壁，噴射與室溫相同的恒溫油；以降低機床溫升和熱變形。2)在機床底面，循環(huán)流動恒溫油，以減少地面的輻射冷卻效應。3)大件用高級鑄鐵鑄造，并經(jīng)過二次退火處理。主軸箱方面1)主軸端7：24錐孔，鑲嵌耐磨性好的陶瓷。2)在主軸箱電機安裝端支承架內(nèi)通以恒溫油，以起隔熱作用。3)主軸箱采用低熱膨脹系數(shù)鑄鐵，以減少絕對變形。4)采用專用高精度大容量恒溫油箱（油溫變化控制在0.5內(nèi)）X、Y、Z軸進給方面1)直線運動絲杠，采用中空絲杠，通過恒溫油2)絲杠支承軸承承外圈，采取強制循環(huán)恒溫油冷卻方式。3)X、Y軸裝滾珠螺母的支架，鑄成與本體一體，以提高其剛性。4)采用0.1m脈沖當量。機能更加完整愈來愈完善的自診斷機能，為了盡了能減少加工的故障，現(xiàn)代加工中心大都配備完善的自診斷機能。例如，位置檢測傳感器、刀具破損檢測裝置、切削異常檢測機能、適應控制機能、備用刀具選擇機能、溫度傳感器、聲傳感器和電流傳感器等。這些機能和傳感器，使機床具有一定的人工智能。新式刀具破損檢測裝置 大直徑刀具破損檢測方法，已有好幾種。但對小直徑刀具破損，一直還沒有找到比較理想的檢測方法。直到近幾年才出現(xiàn)一種叫聲發(fā)射（AE）的檢測方法。AE檢測法是利用刀具在斷裂瞬間發(fā)出的超聲波來判斷刀具破損的。盡管有不少加工中心裝在這種裝置，但其可靠性卻還需進一步提高。AE檢測方式，只能在刀具發(fā)生破損時才能發(fā)現(xiàn)，而在刀具破損之前是無法知道其工作情況的。為此還出現(xiàn)了在刀具即將破損之前就能檢測出刀具工作情況的裝置。它的工作原理是，在正常切削時，切削力矩一定，而當即將發(fā)生刀具破損時，力矩變大，被裝在刀柄的傳感器所檢測，經(jīng)過故障性質(zhì)判斷裝置進行判斷，若還可以繼續(xù)加工，就會在繼續(xù)加工會折斷刀具時就會報警，并停止主軸旋轉(zhuǎn)。加工中心復合化趨勢1）五面加工中心 主要是針對大件加工而出現(xiàn)的機床。它具有臥式加工中心和立式加工中心的機能，因而箱體類零件一次裝夾即可完成所有側(cè)面和頂面加工，故而叫做五面加工中心。2）加工中心-立車機能組合機 這種機床的最大特點是加工中心分度工作臺既可實現(xiàn)0.001的NC分度工作，又可實現(xiàn)立式車床回轉(zhuǎn)主軸的動作。當然，為實現(xiàn)復合功能，立柱、工作臺、刀庫等都需作專門設(shè)計。3）切削磨削復合加工中心 這種機床，是在切削加工用加工中心上，裝備磨削用的附件，實現(xiàn)切削、磨削復合加工的復合加工中心。特別適用于模具加工行業(yè)。4）切削電加工復合加工中心 這種機床主要適用于既需進行切削加工，又需進行電加工的模具制造業(yè)，尤其適用于大型模具加工。5）切削激光切割復合加工中心 這是一種正在研究中的復合加工中心。它期望把激光器像普通刀具一樣裝在刀庫中，通過換刀機械手裝到主軸上，以進行激光切割的裝置。這種小型激光器，不久將成為加工中心的“刀具”。功能更趨完善的NC裝置1）全數(shù)字伺服控制 全數(shù)字伺服控制又叫軟件伺服控制，是當今NC基本技術(shù)中，頗為引人注目的進步。采用數(shù)字伺服控制可收到如下效果：即使在高速進給下銑圓，其圓弧形狀精度也可很高。正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)銑圓，形狀仍然一致。象限切換處的突起小。沖現(xiàn)性極好。2）NC裝置 加工中心的性能，在很大程度上取決于NC系統(tǒng)的性能，所以不斷開發(fā)NC系統(tǒng)，使其技術(shù)在以下方面有了很大的發(fā)展。開發(fā)出對應高精度、高速、高效率要求的NC裝置。系統(tǒng)化，隨著FMC推廣，要求把控制機器人、測量、上下料等功能都納入到CNC內(nèi)。多機能、復合化：開發(fā)出適應五面加工多主軸復合加工等復合機床控制要求的CNC。網(wǎng)絡(luò)化：CNC應能成為工廠自動化的一個組成部分，能夠和其它設(shè)備進行協(xié)調(diào)控制和信息交換。用戶要求意向化：由標準產(chǎn)品生產(chǎn)方式，轉(zhuǎn)向能充分發(fā)揮機床特性的按訂貨要求生產(chǎn)的方式。MAP的利用-FMS技術(shù)的高級化發(fā)展。FMS發(fā)展的最近特點是：從發(fā)展大小轉(zhuǎn)向小型化。向更高控制技術(shù)-MAP應用方向發(fā)展。1.7 數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展1） 產(chǎn)生現(xiàn)代科學技術(shù)和社會生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對機械加工提出了越來越高的要求，機械加工過程的自動化、智能化是實現(xiàn)上述要求的最重要措施之一。它不僅能提高產(chǎn)品的質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，還能大大減輕工人的勞動強度，改善工作環(huán)境。1952年美國帕森斯公司（Parsons）和麻省理工學院（MIT）合作研制成功世界上第一臺三坐標數(shù)控銑床，用它來加工直升飛機葉片輪廓檢查用樣板，這是一臺采用專用計算機進行運算與控制的直線插補輪廓控制數(shù)控銑床，1955年，該類機床進行實用化階段，在復雜曲面的加工中發(fā)揮了重要作用。2） 發(fā)展史隨著微電子技術(shù)、自動化信息處理、數(shù)據(jù)處理以及電子計算機的發(fā)展給自動化帶來了新的概念，推動了機械制造自動化的發(fā)展。1953年，美國空軍與麻省理工學院協(xié)作，開始從事計算機自動編程的研究，這就是APT（Automatically Programmed Tools）自動編程的開始。1955年美國空軍花費巨大額經(jīng)費訂購了大約100臺數(shù)控機床，此后兩年，數(shù)控機床在美國進入迅速發(fā)展階段，市場上出現(xiàn)了商品化數(shù)控機床。1958年美國克耐杜列克公司（keaneyTrecker Co）在世界上首先研制成功了帶自動換刀裝置的數(shù)控機床，稱為“加工中心”。1959年，計算機行業(yè)研制出了晶體管元器件，因而數(shù)控裝置中廣泛采用晶體管和印制電路板，從而跨入第二代數(shù)控時代，同時美國航空工業(yè)協(xié)會（AIA）和麻省理工學院共同發(fā)展APT程序語言。1960年以后，點位控制機床在美國得到了迅速發(fā)展，數(shù)控技術(shù)不僅在機床上得到了實際應用，而且逐步推廣到?jīng)_壓機、饒線機、焊接機、火焰切割機、包裝機和坐標測量機等。從1965年開始，德國、日本等先進工業(yè)國家陸續(xù)開發(fā)、生產(chǎn)及使用了數(shù)控機床。1965年，出現(xiàn)了小規(guī)模的集成電路，由于它體積小，功耗低，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得到進一步的提高，標志著數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。9