立式加工中心自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)
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目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1加工中心的定義 1
1.2加工中心的發(fā)展歷程 1
1.3加工中心國內(nèi)外現(xiàn)狀 2
1.4國產(chǎn)加工中心目前存在的問題及未來發(fā)展趨勢 4
1.5加工中心的分類 5
1.6本章小結(jié) 6
第2章 加工中心自動(dòng)換刀裝置概述 7
2.1加工中心自動(dòng)換刀裝置（ATC）形式、特點(diǎn)及各自應(yīng)用范圍 7
2.2刀庫及刀具交換裝置 8
2.2.1刀庫的形式 8
2.2.2刀具的選擇方式 9
2.2.3刀具(刀座)識(shí)別裝置 11
2.2.4刀具交換裝置 17
2.3本章小結(jié) 19
第3章 總體方案設(shè)計(jì) 20
3.1 TH5640D型立式加工中心及其主要參數(shù) 20
3.2 TH5640D型立式加工中心自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)參數(shù) 21
3.3確定TH5640D型立式加工中心自動(dòng)換刀裝置的形式 21
3.4本章小結(jié) 22
第4章 刀庫的設(shè)計(jì)及計(jì)算 23
4.1 確定刀庫容量 23
4.2確定刀庫形式 23
4.3 初步估計(jì)刀庫驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩及選定電機(jī) 23
4.4刀庫轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的普通蝸輪蝸桿的相關(guān)設(shè)計(jì) 25
4.5確定刀具的選擇方式 26
4.6刀庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 26
4.7本章小結(jié) 29
第5章 刀具交換裝置的設(shè)計(jì) 30
5.1換刀機(jī)械手抓刀部分結(jié)構(gòu) 30
5.2 機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 30
5.3 自動(dòng)換刀裝置的動(dòng)作順序 34
5.4 主軸準(zhǔn)停裝置 35
5.5本章小結(jié) 36
第6章 聯(lián)軸器的選用及計(jì)算 37
6.1聯(lián)軸器 37
6.1.1聯(lián)軸器的分類 37
6.1.2聯(lián)軸器類型的選擇 37
6.2 聯(lián)軸器的選用計(jì)算 38
6.3本章小結(jié) 41
結(jié)論 42
參考文獻(xiàn) 43
致謝 45
附錄1 46
附錄2 53
附錄3 58
第1章 緒論
1.1加工中心的定義
加工中心（Machining Center,MC）是適應(yīng)省力、省時(shí)和節(jié)能的時(shí)代要求而迅速發(fā)展起來的自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床，它是綜合了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、拖動(dòng)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、測量及傳感技術(shù)以及通信診斷、刀具和編程技術(shù)的高科技產(chǎn)品。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(shí)間，減少工件周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)存放時(shí)間，使機(jī)床的切削利用率高于通用機(jī)床3倍～4倍，所以說，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且是數(shù)控機(jī)床中生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度最高的綜合性機(jī)床。
1.2加工中心的發(fā)展歷程
1958年，美國卡尼，特雷克（Kearney&Trecker）公司首次把銑、鉆、鏜等多種工序集中于一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上，通過換刀方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工，成為世界上第一臺(tái)加工中心。該產(chǎn)品出現(xiàn)后，銷路驚人，引起了日、德、美、英、法、意等先進(jìn)工業(yè)國家的高度重視，競相開發(fā)生產(chǎn)，不斷擴(kuò)大和完善機(jī)床的功能，成為數(shù)控機(jī)床中發(fā)展最快、需求量最大的商品之一。如今，世界上出現(xiàn)了立式、臥式、龍門式、落地式等各種加工中心，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，大約有1000多個(gè)品種規(guī)格。
未來加工中心的發(fā)展動(dòng)向是高速化、進(jìn)一步提高精度和愈發(fā)完善的機(jī)能。加工中心是數(shù)控機(jī)床的代表，是高新技術(shù)集成度高的典型機(jī)電一體化機(jī)械加工設(shè)備，我國的加工中心從70年代開始，已有很大發(fā)展，但技術(shù)、品種和數(shù)量上都還遠(yuǎn)不能適應(yīng)我國經(jīng)濟(jì)、技術(shù)發(fā)展的需要。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，推動(dòng)了模具制造業(yè)、機(jī)械加工業(yè)的巨大發(fā)展，使得數(shù)控機(jī)床的使用越來越普遍，而加工中心更是以其高自動(dòng)化程度得到廣泛應(yīng)用。然而，目前市場上生產(chǎn)和銷售的都是以大、中型的加工中心為主，小型加工中心幾乎是空白，而機(jī)械加工業(yè)、小型模具的制造、工科院校、技工學(xué)校等對(duì)小型加工中心存在著大量的需求。為加速我國加工中心的發(fā)展，需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)加工中心的研究、設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用。
1.3加工中心國內(nèi)外現(xiàn)狀
由于加工中心在機(jī)械加工中的重要作用，各個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國家都極為重視，在技術(shù)和產(chǎn)量上都發(fā)展很快。目前全球加工中心年生產(chǎn)量為50,000～55,000臺(tái)左右，并且以日本、歐盟、美國及中國臺(tái)灣、韓國等為最具代表性的生產(chǎn)基地。日本市場消費(fèi)能力強(qiáng)，年生產(chǎn)量超過10,000臺(tái)。主要機(jī)種為立式加工中心，年產(chǎn)量約5,000～6,000臺(tái)，而且不斷研發(fā)高速、高精密、五面加工、五軸聯(lián)動(dòng)加工等技術(shù)，滿足特殊與復(fù)雜曲面加工工件的要求，日本生產(chǎn)加工中心的廠家有MAZAK、大隈、莊田、三菱等公司。德國生產(chǎn)最佳品質(zhì)與高加工效益的加工中心，近年來生產(chǎn)量每年約在4,000～5,000臺(tái)左右。代表性機(jī)種為臥式加工中心，年生產(chǎn)量約1,500～2,000臺(tái)。其他加工中心年生產(chǎn)量約2,000～3,000臺(tái)左右，德國生產(chǎn)加工中心的廠家有西門子、MAKA、GEISS、科恩等公司。美國是全球機(jī)床生產(chǎn)代表性國家之一，但近年來由于其國內(nèi)消費(fèi)能力不足，再加上出口也面臨市場競爭，導(dǎo)致其生產(chǎn)有逐漸下滑的趨勢，年生產(chǎn)加工中心僅約為5,000～6,000臺(tái)左右，生產(chǎn)廠家有哈挺、MAG、Hurco等公司。臺(tái)灣是全球加工中心生產(chǎn)量最大的供貨基地，年生產(chǎn)量可達(dá)到16,000～18,000臺(tái)，其中有部分是空機(jī)臺(tái)，未加裝微機(jī)控制器等，平均單價(jià)有偏低的情形。韓國是全球加工中心主要生產(chǎn)國家之一。其加工中心主要用于韓國汽車工業(yè)、模具工業(yè)及機(jī)械工業(yè)，年生產(chǎn)加工中心在4,000～5,000臺(tái)左右。未來加工中心的生產(chǎn)基地則有可能是大陸，特別是日本、美國、德國、中國臺(tái)灣、韓國已競相到大陸設(shè)廠生產(chǎn)加工中心，再加上大陸本身的企業(yè)研發(fā)與制造，未來技術(shù)成熟、品質(zhì)穩(wěn)定、成本降低后，必將會(huì)成為全球重要供應(yīng)基地之一。
20世紀(jì)70年代我國研制的加工中心，多數(shù)因配套件和設(shè)計(jì)、制造的缺陷而不能正常使用。進(jìn)入80 年代后，由于引進(jìn)了日本FANUC、德國SIEMENS 等公司的數(shù)控系統(tǒng)、直流進(jìn)給伺服電機(jī)和主軸電機(jī)及其伺服單元之后，數(shù)控系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。但就整機(jī)而言，可靠性還不夠高。20世紀(jì)90年代中期以來，隨著加工中心技術(shù)的進(jìn)步和配套的完善，國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)注意到了采用標(biāo)準(zhǔn)功能部件來取代產(chǎn)品的某些部件，同時(shí)優(yōu)先選擇世界知名公司的名牌產(chǎn)品(如：數(shù)控系統(tǒng)、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠、軸承、ATC 裝置、液壓氣動(dòng)元件、電氣元件和檢測元件等)作為配套，提高了國產(chǎn)加工中心的檔次和可靠性，在一定程度上縮短了與國外同類產(chǎn)品的差距。當(dāng)前，國產(chǎn)加工中心的可靠性與國外同類產(chǎn)品相比依然不高。除此以外，還有整機(jī)防護(hù)與密封、外觀粗糙、整體造型不盡如意等缺陷，在一定程度上影響了國產(chǎn)加工中心的市場競爭力。目前國內(nèi)生產(chǎn)加工中心的有沈陽機(jī)床廠、大連機(jī)床廠、上海祥裕等廠家。研究主要成果如下：
90年代以來，國外一些機(jī)床廠家先后開發(fā)出一批高速加工中心，其主要技術(shù)參數(shù)為： 主軸最高轉(zhuǎn)速：一般為12000～15000r/min，有的高達(dá)40000～60000r/min。坐標(biāo)軸的加工進(jìn)給最高速度：30～60m/min，快速移動(dòng)速度高達(dá)70～80m/min。換刀時(shí)間(刀-刀)普遍在1.5～3.5s，有的快到0.8～0.9s；托板交換時(shí)間普遍在6～8s。
綜上所述，高速加工中心的出現(xiàn)使得單軸加工中心的效率趕上了多軸的組合機(jī)床或?qū)Ｓ脵C(jī)床。因此，高效高柔性的加工中心已開始在汽車工業(yè)中應(yīng)用，并成為重要的工藝裝備。目前世界上比較有名的加工中心有：德國EX-CELL-O GMBH公司XHC240臥式加工中心、德國Chiron Werke公司FZ12W立式加工中心、日本Mazak公司產(chǎn)品、日本新瀉鐵工所SPN50、SPN40加工中心、美國Giddings & Lewis公司RAM500型、RAM630型臥式加工中心和美國Ingersoll銑床公司HVM600型臥式加工中心等等。
目前，國產(chǎn)加工中心的主要品種是立式加工中心和臥式加工中心。為市場提供的產(chǎn)品主要是立式加工中心。其規(guī)格(是指工作臺(tái)寬度，單位：mm) 一般為300、400、500、630 和800。其中，前三種屬于較小規(guī)格產(chǎn)量較大；后兩種屬于中大型產(chǎn)量較小。目前，國產(chǎn)立式加工中心擁有的規(guī)格基本上覆蓋了中小型立式加工中心的規(guī)格范圍。在我國，人們習(xí)慣上把數(shù)控機(jī)床按其技術(shù)水平的高低分為高、中、低三個(gè)檔次。所謂高檔數(shù)控機(jī)床是指高速度、高精度、五軸聯(lián)動(dòng)和工藝高度復(fù)合化的數(shù)控機(jī)床，包括部分重型機(jī)床；而所謂低檔數(shù)控機(jī)床主要是指以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)為主要特征的開環(huán)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床、鉆床和銑床，其精度和速度都不高；其他數(shù)控機(jī)床則屬于中檔數(shù)控機(jī)床，也就是人們常說的通用普及型數(shù)控機(jī)床。國產(chǎn)加工中心大多數(shù)產(chǎn)品的檔次屬于此范疇。
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