換刀機械手設計帶CAD圖
換刀機械手設計帶CAD圖,機械手,設計,CAD
小型立式加工中心無機械手自動換刀裝置的設計曹秋霞河南機電高等?？茖W校! 新鄉(xiāng) 45300Z#摘要! 主要介紹了 M C V Z5Z0 小型立式加工中心無機械手自動換刀裝置設計過程O 重點闡述了無機械手自動換刀裝置主要組成部分刀庫的設計計算方法O關鍵詞! 加工中心; 無機械手自動換刀; 刀庫中圖分類號! T G 659 文獻標識碼! B 文章編號! 1001 - 3881 Z006# 9 - 054 - 3D e s i gnonn o- f i n ge ra u t omat i ct ool c h an ge rof mi n i at u r ev e r t i c al mac h i n i n g c e n t e rC A Oo i ux i a(H e na n M e c ha ni ca nd E l e c t r i cE ng i ne e r i ngC o l l e g e X i nx i a ngH e na n 45300Z C hi na a b s t r ac t 1 T he de s i g ni ngpr o c e s so n no - f i ng e r a ut o m a t i ct o o l c ha ng e r o f M C V Z5Z0 m i ni a t ur ev e r t i c a l m a c hi ni ngc e nt e r w a si nt r o -duc e d. T he de s i g ni ng a nd c a l c ul a t i ng m e t ho ds o f m a j o r c o m po ne nt pa r t t o o l m a g a z i ne o f no - f i ng e r a ut o m a t i c t o o l c ha ng e r w e r e e x po unde d.K e yw or d s 1 M a c hi ni ngc e nt e r ; N o - f i ng e r a ut o m a t i ct o o l c ha ng e r ; T o o l m a g a z i ne0 引言M C V Z5Z0 小型立式加工中心體積小 結構緊湊生產效率高 精度較高 能完成銑 鉆 擴 鉸锪 攻絲等多種加工工序 能進行小型板類 盤類殼類 模具類等復雜零件的多品種中小批量加工O 主軸采用高速電主軸; 工作臺采用的是 X-Y雙向精密數(shù)控工作臺; 可以實現(xiàn) X Y Z三個方向的進給;有自動換刀裝置 可以安裝各類鉆 銑類刀具并自動換刀O M C V Z5Z0 小型立式加工中心總體結構布局如圖 1 所示O1.床身 Z. X- Y精密數(shù)控工作臺 3.刀庫移動部件4.刀庫 5. Z向進給部件 6.立柱 7.電主軸圖 1 M C V Z5Z0 小型立式加工中心總體結構示意圖為使加工中心的結構緊湊 減小加工中心的外形尺寸 降低成本 在設計自動換刀裝置時 應在滿足使用要求的前提下 盡量使其結構簡單緊湊 價格低廉 易制造 拆卸 裝配維修方便 備件容易得到O加工中心自動換刀裝置有兩種形式11 有機械手換刀和無機械手換刀O加工中心的自動換刀裝置 大都采用有機械手換刀方式O 它是由機械手把刀庫上的刀具送到主軸上 再把主軸上已用過的刀具返送到刀庫上O 換刀時間短 但其機械結構比較復雜1O無機械手換刀方式是直接在刀庫與主軸 (或刀架 之間換刀的自動換刀方式O 因無機械手 所以結構簡單O 換刀時必須首先將用過的刀具送回刀庫 然后再從刀庫中取出新刀具 這兩個動作不能同時進行 所以換刀過程較為復雜 換刀時間較長O 但是刀庫回轉是在工步與工步之間 即非切削時進行的 因此可免去刀庫回轉時的振動對加工精度的影響O 無機械手換刀方式適用于 40 號以下刀柄的小型加工中心或換刀次數(shù)少的用重型刀具的重型機床1O考慮到所設計的小型加工中心主要用于中小批量生產 且主要用來加工小型零件上的孔和平面等 刀庫容量較小 無須過多考慮換刀時間的長短 且采用的是 30 號刀柄 綜合考慮 刀庫宜選擇無機械手換刀方式O1 無機械手換刀裝置刀庫的設計1. 1 刀庫形式的選取無機械手換刀方式中 刀庫可以是圓盤形 直線排列式 也可以是格子箱式等O 直線排列式和格子箱式刀庫結構相比較復雜 適用于刀庫容量較大的加工中心; 圓盤形刀庫容量較小 刀庫結構簡單緊湊 刀庫轉位 換刀方便 易控制1O 且所設計的加工中心主要用來加工小型零件上孔和平面等 不必在刀庫里放太多刀具 因此選用圓盤式刀庫O1. Z 刀庫的放置立式加工中心無機械手換刀方式的圓盤形刀庫的放置有兩種形式1 刀庫置于立柱側面的橫梁上和置于工作臺上O 由于采用的是標準的精密數(shù)控工作臺 所以選用刀庫置于立柱側面的橫梁上O 此結構簡單 且 45 $機床與液壓% Z006. N o . 9不會發(fā)生刀庫和主軸的干涉現(xiàn)象 但刀庫的支承剛性較差 須增強立柱的剛度 以減小橫梁彎扭矩的影響O 在立柱左邊安裝一橫梁 在橫梁上有導軌 導軌上安裝有滑座 將刀庫安裝在滑座上 通過刀庫沿橫梁移動到主軸端 由主軸來實現(xiàn)換刀 如圖 1 所示O1. 3 刀庫的組成圖 Z 刀庫結構組成示意圖刀庫由刀盤部件軸 承 軸 承 套 軸箱蓋 撥銷 鎖止盤電機 槽輪 箱體等組成 結構組成示意圖 如圖 Z 所示O1. 4 刀庫主要參數(shù)的確定(1) 刀庫容量本加工中心主要用來加工小型零件或多孔零件上的小孔和小平面 所以刀庫上主要安裝一些孔加工刀具 (如鉆頭 擴孔鉆等) 和加工小平面用的立銑刀及小直徑的面銑刀S 同時又考慮到所選用電主軸軸端的尺寸及刀盤直徑等的限制S 再考慮到主要用于中小批生產及教學實驗等 刀具的品種不宜過多 以免造成不必要的浪費和刀庫尺寸過大 采用 8把刀O(Z) 刀具最大直徑和長度立銑刀的最大直徑定為 40m m 鉆頭的最大直徑定為 10m m 最大工作部分長度定為 150m m O(3) 刀具最大重量為 1kg O(4) 刀具最大運動線速度為 ZZ 30m/ m i nO1. 5 刀盤部分的設計圖 3 刀盤部件圖1. 5. 1 刀盤尺寸的確定刀盤采用輪輻式結構 這樣既能滿足使用的要求 又能保證刀盤的強度O 在整個設計的過程中要保證各個尺寸在換刀過程中不發(fā)生干涉即可 刀盤直徑為 Z10m m O1. 5. Z 刀爪尺寸的設計刀爪的外型尺寸根據(jù) 30 號刀柄設計O1. 5. 3 夾塊的設計夾塊在刀爪抓刀時插入到鍵下半部中 以及刀具在刀庫中時夾塊一直插在鍵中 起準確定位的作用O因此 夾塊的寬度尺寸精度要求很高O 夾塊寬度的尺寸主要由鍵的寬度來決定O1. 6 刀庫轉動定位機構的設計1. 6. 1 刀庫轉動定位機構的選擇目前圓盤式刀庫大多采用的是單頭雙導程蝸輪蝸桿傳動 此傳動機構在使用中可隨時調整蝸輪蝸桿的傳動間隙 實現(xiàn)準確的轉位分度 保證刀庫工作的可靠性 但此傳動機構較復雜 而且單頭雙導程蝸輪和蝸桿的加工較困難 1 O槽輪機構具有沖擊小 工作平穩(wěn)性較高 機械效率高 可以在較高轉速下工作 且結構簡單 易制造等優(yōu)點 在目前生產的鼓輪式刀庫的加工中心機床上 通常采用槽輪機構來驅動刀庫的分度回轉運動O但此機構定位精度不夠高 為提高其定位精度可采用帶制動器的交流伺服電機 從而可保證較高的定位精度O1. 6. Z 槽輪機構的工作原理圖 4 外嚙合槽輪機構 的工作原理圖槽輪機構 (又稱馬爾他機構) 能把主動軸的勻速連續(xù)運動轉換為從動軸的周期性間歇運動 常用于各種分度轉位機構中O 槽輪機構有三種基本類型= 外嚙合槽輪機構 內嚙合槽輪機構和球面槽輪機構 Z 4 O 刀庫即可采用外嚙合槽輪機構也可采用內嚙合槽輪機構O 設計中采用外嚙合槽輪機構O 外嚙合槽輪機構的工作原理如圖 4 所示 它由主動曲柄 槽輪 撥銷和鎖止盤組成O外嚙合槽輪機構的主動曲柄回轉軸線與槽輪回轉軸線平行 通常主動曲柄作等速回轉 當主動曲柄上的撥銷進入槽中 就撥動槽輪作反向轉位運動 當撥銷從槽中脫出 槽輪即靜止不動 并由鎖止盤定位O當只有一個撥銷時 主動曲柄轉一周 槽輪作轉一個角度的步進運動 從而實現(xiàn)轉位 分度和定位 Z O1. 6. 3 槽輪機構參數(shù)計算槽輪槽數(shù) Z可根據(jù)刀庫容量選取 但不同槽數(shù)時外嚙合槽輪的角速度和角加速度的變化不同 槽數(shù)越小O 則角加速度的變化越大 由此產生的沖擊和磨損也就越大O 因此在用外嚙合槽輪機構作為刀庫轉動定位機構時 槽數(shù)不應小于 8O 設計中刀庫容量為 8 55 $機床與液壓% Z006. N o . 9把刀 槽輪機構的其它參數(shù)可由表 1 Z求出 表 1 槽輪機構的參數(shù)參數(shù)名稱計算公式槽間角 Z ZZ Z= 360 / Z槽輪每次轉位時曲柄的轉角 Z 1Z 1= 180 - Z Z槽輪與鎖止盤間的中心距 L選用時考慮轉位定位機構強度和剛度, 并使其結構緊湊主動曲柄長度 R1R1= Ls i n Z槽輪半徑 RZRZ= Lc o s Z圓銷半徑 rr = R1/ 6槽底高 66 = L - (R1+ r ) - (3 5)槽深 hh = RZ- 6鎖止弧半徑 RxRx= R1- r - 式中: = (0. 6 0. 8)r ,且必須大于 3 5m m 根據(jù)以上參數(shù)可設計出槽輪和鎖止盤的尺寸 當槽輪機構進入和脫出槽口的瞬時位置, 主動曲柄中心與槽的中心線垂直, 使槽輪轉位起 停瞬時的角速度等于零, 避免了剛性沖擊 但是槽輪轉位起停時的角加速度變化較大, 且在轉位過程的前半階段與后半階段的角加速度方向不同, 因此, 當槽與滾子之間存在間隙時, 會產生一定沖擊, 為減小沖擊可采取以下方法 3:(1) 減小或消除撥銷和槽之間的間隙;(Z) 消除撥銷開始進入槽時的間隙, 應使槽輪的實際外圓半徑 RZa略大于槽輪的名義外圓半徑 RZ,取 RZZa= RZZ+ rZ, 式中 r 為撥銷半徑 (3) 回轉軸采用空心結構, 減小槽輪組件的轉動慣量 (4) 增加軸承的預緊力, 使軸承的間隙為零,從而增加槽輪組件的回轉阻尼 1. 7 刀庫轉動電機的選擇刀庫的回轉驅動電機的選擇時, 須考慮由摩擦引起的負載轉矩和各負載的轉動慣量 1 1. 7. 1 負載的轉動慣量 LC和刀庫系統(tǒng)轉動慣量 C LC= Z i(ninm)Z(1) C= m C+ LC(Z)式中: i為各旋轉件的轉動慣量, kg mZ; ni為各旋轉件的轉速, r / m i n; m C為電機的轉動慣量, kg mZ; nm C為電機的轉速, r / m i n LC= ( D P+ Z+ C L+ SP)(nCnm C)Z(3)式中: D P Z C L SP分別為刀盤 軸 槽輪和鎖止盤的轉動慣量, kg mZ; nC為刀盤的轉速, r / m i n D P=、3ZX 7. 8 X 10- 1ZD4D PLD P(4)式中: DD P為刀盤直徑, m m ; LD P為刀盤厚度, m m nC=1 X 1000、 DD P(5)式中: 1 為刀具的最大運動線速度, m/ m i n m CB LC3初選電機, 其額定轉矩 最大轉矩 轉動慣量 m C均可選定 即可計算 C= m C+ LC1. 7. Z 摩擦引起的負載轉矩計算由重力產生的摩擦力矩 TF C(N m )TF C= GCRSP(6)式中: 為槽輪和鎖止盤間摩擦系數(shù), 取 0. 15; GC為刀盤 軸 槽輪等的重量, N ; RSP為滾子中心到鎖止盤中心的距離 如果 TF Cs電機的額定轉矩, 則符合要求 1. 7. 3 最大加速轉矩 Tc am當電機從靜止升至 nm a x時Tc am= CZ、 nC m a x60tC a(7)式中: nC m a x為電機最高轉速, r / m i n; tC a為加速時間 (s ), 取 0. Zs 1. 7. 4 電機的最大啟動轉矩TC r= Tc am+ TF C(8)如果 TC rs電機的最大轉矩, 則符合要求 最終確定電機型號 輸出功率 相應的伺服驅動器選擇與電機相匹配的型號 1. 8 刀庫移動部分的設計1. 8. 1 刀庫支承橫梁和導軌的設計橫梁支撐著刀庫的整個重量, 因此, 它的強度和剛度要求較高 且為了實現(xiàn)刀庫的移動, 在橫梁上要設計可使刀庫移動的導軌, 根據(jù)床身的整體高度及立柱的形狀來考慮, 橫梁的端面與立柱的聯(lián)接斷面應成長方形 連接處的凸緣與立柱用螺栓來連接, 由定位銷定位, 在裝配時配作 根據(jù)刀庫的行程, 再加上滑臺的尺寸和刀盤尺寸等, 確定靜導軌的總長度, 兩端各裝一減振器, 目的是為了消除滑臺到兩端時的沖擊力 考慮刀庫移動電機和絲杠的安裝尺寸等, 確定靜導軌的高度和寬度;考慮到刀庫支承部分的尺寸, 確定滑座和動導軌的長度; 考慮靜導軌的寬度和刀庫支承部分在該方向的尺寸, 確定滑座的寬度和高度 下轉第 108 頁# 5 $機床與液壓% Z006. N o . 9應盡量使筋板厚度一致, 取所有筋板厚度為 30m m 0所得初始子模型如圖 60 分析結果: 最大應變 =0. 814m m , 最大應力 = 177. 4M P a , 重量 = 3Z. 56t 0(3 結果評價0 該模型的許用應變?yōu)?1. 08m m ,許用應力為 16Z. 5M P a , 所求最大應力為應力集中,焊接后可消除, 則強度 剛度滿足設計要求0 但該結構的典型特點為臺面尺寸大, 仍取原 13mZ模型所使用的油缸時, 油缸直徑太小, 容易導致上滑塊下行不平穩(wěn)0(4 修改結構0 根據(jù)設計經驗取油缸直徑為1 650m m 0 修改后的上梁子模型如圖 70圖 6 16mZ的 10000kN上 梁模塊初始模型圖7 修改后的16mZ 10000 kN上梁模塊子模型修改結構后, 最大應變 = 0. 971m m , 最大應力 =175. 6M P a , 重量 = 3Z. 33t 0 修改前后分析結果比較見表 30表 3 16mZ 10000kN上梁模型修改前后分析結果對比最大應變最大應力重量初始子模型0. 814m m177. 4M P a3Z. 56t修改后子模型0. 971m m175. 6M P a3Z. 33t變化量+ 19. 3%- 1. 0%- 0. 7% 盡管修改后的應變有所增大, 但仍然小于許用應變, 且克服了上述上滑塊下行不平穩(wěn)的缺點, 同時又使筋板布局更趨均勻0同樣的方法可以擴展液壓機中的其它模塊, 從而形成各種柔性模塊族表0 各個模塊獨立設計完成之后, 根據(jù)模塊的接口信息, 進行整機拼合, 從而完成液壓機產品的快速設計03 結束語液壓機產品的設計與制造快速響應市場能力對企業(yè)的國際競爭力有著重要的影響, 而液壓機主機設計是影響該類產品設計的關鍵0 由于其主機結構變化多樣, 傳統(tǒng)的模塊化設計理論和方法已不能滿足設計需求, 基于柔性模塊的快速設計理論, 給模塊化設計賦予了新的涵義, 通過對柔性模塊的參數(shù)化 變量化設計 以及產品族的規(guī)劃, 依照一定的模塊和產品擴展原則可快速設計出個性化的 符合用戶需求的產品0參考文獻H1H 徐麗萍 .面向產品族的液壓機廣義模塊化設計研究 D . 天津大學, Z004. 1.HZH 鐘偉弘 .面向產品族的液壓機廣義模塊化快速設計技術 D .天津大學, Z004. 8.H3H 徐燕申, 侯亮 .液壓機廣義模塊化設計原理及其應用 .機械設計, Z001 (7: 1 - 4.H4H 童時中 .模塊化原理設計方法及應用 .北京: 中國標準出版社, Z000.作者簡介I 黎旭 (197Z-, 男, 天津工業(yè)大學教師,多年從事制造業(yè)自動化 C I M S 快速設計/ 制造等方面的研究, 發(fā)表論文多篇0 黃艷群 (197Z-, 女, 天津大學博士, 講師, 主要從事 C I M S C A P P等研究, 發(fā)表論文 30余篇0 電話: 138Z1893956, E- m a i l : h_Z000e y o u. c o m 0收稿日期$!Z005 - 08 - 0Z上接第 56 頁#為了加強它的剛度, 還設有加強肋板0 導軌用滑動導軌, 滑動導軌采用雙矩形形式的整體 H T 300 鑄鐵導軌, 并采用中頻淬火, 淬火后的硬度為 H R C 50 5501. 8. Z 刀庫移動絲杠和電機的選擇要實現(xiàn)刀庫的移動, 采用絲杠 電機驅動或液動 氣動裝置0 該加工中心采用絲杠和電機驅動方式0 絲杠支承方式采用兩端固定, 兩端各采用一角接觸球軸承02 無機械手換刀裝置的安裝無機械手換刀裝置各部分的安裝如圖 5 所示0圖 5 無機械手換刀裝置的安裝參考文獻H1H 廉元國, 張永洪 .加工中心設計與應用 M .北京:機械工業(yè)出版社, 1995. 3: 94 - 103.HZH 鄧召義, 姚振甫 .實用機械電子技術設計手冊 (機械部分 M . 北京: 機械工業(yè)出版社, Z001. 11: 1Z10- 1Z17.H3H 彭文 .槽輪機構在加工中心鼓輪式刀庫上的應用 .機械工程師, 1999 (1: Z6 - Z7.H4H 張世民.機械原理 M .北京: 中央廣播電視大學出版社, 199Z. 10: 351 - 355.作者簡介I 曹秋霞 (1966-, 女, 河南原陽人, 副教授, 碩士, 主要從事機械設計與制造 C A D/ C A M等方面的教學與研究0 0373 -339Z386 (O , 0373 -ZZ9Z903(小靈通, E- m a i l : gi ux i a c a o 1Z6. c o m 0收稿日期$ Z005 - 09 - Z6801 機床與液壓 Z006. N o . 9小型立式加工中心無機械手自動換刀裝置的設計小型立式加工中心無機械手自動換刀裝置的設計作者：曹秋霞， CAO Qiuxia作者單位：河南機電高等?？茖W校,新鄉(xiāng),453002刊名：機床與液壓英文刊名：MACHINE TOOL & HYDRAULICS年，卷(期)：2006(9)被引用次數(shù)：7次 參考文獻(4條)參考文獻(4條)1.彭文 槽輪機構在加工中心鼓輪式刀庫上的應用期刊論文-機械工程師 1999(01)2.鄧召義;姚振甫 實用機械電子技術設計手冊(機械部分) 20013.廉元國;張永洪 加工中心設計與應用 19954.張世民 機械原理 1992 引證文獻(7條)引證文獻(7條)1.李雋.鹿曉瑩.徐宏彥.鮑秋輝.徐宏海 數(shù)控加工中心自動換刀控制期刊論文-中國科技博覽 2011(1)2.付杰.趙奇平 基于SolidWorks的某型泵專用鉆削加工中心刀庫的設計期刊論文-機械研究與應用 2010(2)3.華紅芳.鄒曄.嚴勇.韋志強 圓盤式刀庫加工中心隨機換刀系統(tǒng)的研究期刊論文-機床與液壓 2010(18)4.鄒曄.韋志強.張新亮 隨機換刀式加工中心刀庫的大直徑刀具控制期刊論文-無錫職業(yè)技術學院學報 2009(6)5.黃菊生.吳晨曦.劉軍安 微加工中心刀庫定位控制技術期刊論文-制造技術與機床 2009(4)6.黃菊生.劉玉松.伍新 基于1PG定位模塊的刀庫控制技術期刊論文-電氣傳動 2009(8)7.張建成.張之敬.金鑫.周敏 可重配置的微小型刀庫控制系統(tǒng)期刊論文-北京理工大學學報 2008(10) 本文鏈接：http:/
收藏