铝塑型材加工中心自动换刀及进给装置本科学位论文Word文档格式.docx
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例如德国CHIRON公司生产的FZ08W和FZ08S加工中心，采用机械手换刀，刀库布置在主轴的周围并可随主轴一起移动，且每把刀具配有一套换刀机械手，其刀对刀换刀时间只需0.5s，切削对切削换刀时间仅为1.5s[4]。
我国相比工业发达国家，对加工中心的研究起步较晚，因此对自动换刀装置的研究也相对落后。
从上世纪80年代起，北京机床研究所、大连组合机床研究所、沈阳机床集团、大连机床集团、济南第一机床厂等，先后对自动换刀装置开展了研究与开发。
目前，国内外采用的数控机床刀库主要分为[5-7]：
转塔式、圆盘式、链式刀库等形式，采用的执行刀库和主轴之间换刀动作的机械手，主要分为以下几种类型：
单臂机械手、双臂机械手、带送刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手。
1.1.2选题的目的及意义
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。
换刀装置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。
换刀过程较为复杂，动作多，动作间的协调关系多，因而自动换刀系统性能直接影响加工效率的高低。
铝塑型材加工中心能最大限度地提高设备利用率，即将非生产时间减到最低限度，而缩短非生产时间的最重要措施之一是缩短加工中的换刀时间。
自动换刀装置是数控机床的重要执行机构，它通常是由刀库和机械手组成，具有很高的加工精度。
机械手的动作来实现对加工中心的换刀，完全实现了自动化控制，大大缩短了辅助时间，提高了加工效率。
1.2铝塑型材加工中心概述
1.2.1铝塑型材的特点
铝塑型材具有节能、环保、隔热保温性能好等诸多优良特性，并且被列为国家建筑节能的重点推广材料，倍受人们欢迎。
铝塑型材具有轻质高强、尺寸稳定、密封性能好、耐腐蚀、不易老化等特点。
用它做门窗材料可以很好的防尘，防水[8]。
铝塑型材大多都是多腔结构，使其具有优良的隔音性，可以有效的阻断室外噪音，保持室内安静。
此外，铝塑型材还具有经济美观，性价比高的特点。
实践已经证明,铝塑复合型材能够最大限度的结合和发挥塑料异型材和铝型材的优点,在抗老化、抗紫外线、装饰性、保温性、气密性、水密性等方面都占据优势地位，可满足人们日益增长的物质文化需求,给现在的门窗加工业带来新的生机与活力[9]。
1.2.2铝塑型材加工中心的发展
我国塑钢门窗型材生产线虽然很多，但塑钢门窗的加工组装设备多为手动、单机或半自动机械，其生产效率和质量稳定性不高，在一定程度上制约了塑料门窗发展。
近几年通过对铝塑型材的研究，开发出一系列生产高效，节能降耗的设备。
各种铝塑型材加工设备也不断涌现，像铝塑型材切割锯床，铝塑型材铣削，铝塑型材双角锯，铝塑型材加工中心及数控双头切割锯床等设备[10,11]。
加工中心由于它的高自动化，高效化，在这些众多设备中脱颖而出，受到大多数消费者的喜爱。
1.3铝塑型材加工中心自动换刀装置
1.3.1加工中心自动换刀的类型
自动换刀装置是指能够自动完成主轴与刀具储存位置之间刀具交换的装置。
ATC的主要组成部分是刀库、机械手和驱动装置。
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。
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[12]。
驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的装置，一般由步进电机或液压（或气液机构）或凸轮机构组成[13]。
刀库是存储刀具的装置，常见的刀库主要有转塔式刀库，盘式刀库，如图1.1所示，链式刀库[14]。
图1.1盘式刀库
转塔式刀库所有刀具固定在同一转塔上，没有换刀臂，储刀数量有限，通常为6～8把。
一般只用于轻便而简单的机型，常见于车削中心和钻削中心[15]。
盘式刀库的刀具有沿盘面垂直排列、盘面径向排列或成锐角排列几种形式，它的刀库结构简单紧凑，应用较多，但刀具单环排列，空间利用率低，刀具数量一般不多于32把。
链式刀库包括单环链和多环链，链环形式可有多种变化。
适用于刀库容量较大的场合，所占的空间比较小。
一般刀具数量在30～120把，其转动惯量不像盘式刀库增加的那样大[16]。
1.3.2铝塑型材加工中心换刀装置的形式
自动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，以提高生产率、降低生产成本，常见的铝塑型材加工中心刀库容量一般为6至12把，少数产品刀库容量达到24把[17]。
铝材对刀具磨损较小，不需要频繁刃磨和更换。
铝型材加工特征主要是孔和各种形状的槽，所用刀具主要是钻头、立铣刀，少数需要机用丝锥。
因此铝型材加工不需要准备太多种类刀具，刀库容量也不需要太大，所以该铝塑型材加工中心刀库容量为6把，采用刀库结构简单紧凑，单环排列的盘式换刀方式。
1.3.3加工中心进给装置的形式
机床的性能在很大程度上取决于进给传动方式的定量和定性的特征。
目前，常用的进给传动机构主要有滚珠丝杠驱动，齿轮齿条驱动和直线电动机驱动几种形式。
滚珠丝杠具有高精度，高效率，高刚度和无间隙等优点。
目前，滚珠丝杠进给方式在加工中心中得到了广泛应用。
但传统上由于滚珠丝杠的加工工艺，弯曲变形，热伸长以及高速抖动等因素的制约，其行程一般控制在6m以内，行程大于6m通常采用齿轮齿条传动机构[18]，大行程情况下齿轮齿条传动机构的应用很广泛。
2总体设计方案确定
2.1自动换刀装置的原理与过程
2.1.1换刀原理简介
加工中心自动换刀装置一般分有机械手和无机械手两种形式，加工中心的自动换刀装置一般采用由机械手换刀方式，它由机械手把刀具送到主轴上，再把主轴上已经用过的刀具送回到刀库上，换到时间短，但机械结构复杂。
而无机械手换刀方式是直接刀库与主轴之间进行自动换刀。
因为没有机械手，所以换刀结构简单，换刀时首先将用过的刀送回刀库，再从刀库中取出新刀具，这两个动作不能同时进行，换刀时间较长。
但是，刀库回转是在非切削时进行的，因此可以避免刀库回转时的振动对加工精度的影响。
无机械手换刀方式适用于40号以下刀柄的小型加工中心[19]。
2.1.2换刀过程
加工中心换刀过程，如图2.1所示。
图2.1盘式加工中心换刀过程
（1）如图2.1a所示，首先刀库从当前位置旋转到1号刀具所在的位置。
（2）如图2.1b所示，主轴下降至Z轴换刀点，同时主轴准停。
（3）如图2.1c所示，刀库向前移动，主轴松刀，把1号刀具送入刀库的1号刀座。
（4）如图2.1d所示，主轴松刀，1号刀具落入刀库原来位置，然后主轴上升。
（5）如图2.1e所示，刀库旋转，将新刀2号刀具旋转到刀库当前位置。
（6）如图2.1f所示，主轴下降到2号刀所在位置，同时主轴上的刀具夹紧装置把2号刀夹紧。
（7）如图2.1g所示，刀库退回到原来位置，换刀过程结束。
2.2自动换刀装置的参数
此次设计的自动换刀装置的具体参数为：
（1）刀具库：
6刀位、可自动换刀；
刀柄类型：
BT30；
刀具最大安装长度：
135mm
纵向行程（X轴）：
2000mm
X轴运行速度：
0—30m/min
（2）自动高速加工各种不同形状的光孔、螺孔、异形孔槽、刻字等，具有良好的柔性加工性能；
（3）装配图及其零件图绘制符合国标。
自动换刀装置设计中初步确定自动换刀装置的设计参数，然后确定自动换刀装置的形式，因为铝塑型材加工过程中不需要太多刀具确定刀库容量为6把，再确定刀库的形式，对刀库的结构进行设计，其中要估算刀库驱动转矩及选定电机，并对刀库驱动转矩进行校核，然后确定刀具的选择方式，刀具的定位及松夹以及换到机械手的形式。
2.3自动换刀方式的确定
考虑到此次所设计的是小型加工中心，主要用于加工铝塑型材各种不同形状的光孔、螺孔、异形孔槽、刻字等，所以所需刀具较少，刀库容量较小，无须过多考虑换到时间的长短，并且采用的是30号刀柄，所以经过综合考虑，刀库选用无机械手换刀方式。
因为所设计的加工中心主要用来加工孔和平面等，不必在到库里放太多刀具，所以选用刀库容量较小，结构简单紧凑，刀库转位，换刀方便易控制的圆盘式刀库。
2.4刀库的总体布局
本次设计的铝塑型材加工中心由于采用的是标准的精密数控工作台，所以选用刀库放在立柱侧面的横梁上，此结构比较简单，而且不会发生干涉现象，在立柱的左边安装一横梁，在横梁上安装导轨，在导轨上面安装滑座，将刀库安装在滑座上，通过刀库沿横梁移动到主轴端，由主轴来实现自动换刀。
刀库的总体布局图，如图2.2所示。
图2.2刀库的总体布局
3传动装置的设计与校核
3.1电动机的选择
电机的选择有如下原则：
（1）根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的启动、制动、调速、反转等要求选择其类型。
所选电动机容量应留有余量，负载率一般在0.8-0.9之间，过大的备用余量会使电动机效率降低。
（2）根据使用场所的环境条件，如温度湿度灰尘和腐蚀等考虑必要的保护方式，选择电机的结构形式。
（3）根据负载转矩、速度变化范围和启动频繁情况等要求，考虑电动机的温升控制、过载能力、启动转矩和转子电动机的容量，并确定电动机的冷却通风方式。
（4）根据企业电网的电压标准和对功率因素的要求确定电动机的电压等级和类型。
（5）生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程性能的要求以及机械减速机构的的复杂程度，选择电动机的额定转速。
除此以外，电动机还必须符合节能要求，考虑运行可靠性[20]。
交流伺服电动机是近几年发展起来的一种高效能的主轴驱动电动机。
其工作原理与交流伺服进给电动机相同，但其工作转速比一般的交流伺服电动机要高。
交流伺服电动机可以实现主轴在任意方向上的定位，并以很大的转矩实现微小的位移，精度极高。
刀库的回转驱动电机的选择时,须考虑由摩擦引起的负载转矩和各负载的转动惯量考虑到加工中心对电机精度的要求，本次设计采用交流伺服电动机。
假设传动系统总效率为0.8，则电动机的功率应该为：
=1.0/0.8=1.125（kw）
电动机的选择：
基于加工要求及性价比的综合比较，选择BONMET电机制造有限公司SM130型交流伺服电机。
其具体参数如表3.1所示：
表3.1交流伺服电机参数
电机型号
SM130-040-25LFB
功率（Kw）
1.5
额定转矩（Nm）
4
额定转速（Rpm）
1500
额定电流（A）
4.0
转子惯量（Kgm2）
0.85×
10-3
机械时间常数（Ms）
3.75
3.2齿轮传动的计算
3.2.1选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数
（1）选用直齿轮
（
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