2设计方案.docx

2设计方案.docx

《2设计方案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2设计方案.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

2设计方案

毕业设计方案

题目数控加工中心刀库设计

学院机械工程学院

专业机械工程及自动化

班级卓越

学生

学号

指导教师

二〇一五年四月十日

学院机械工程学院专业机械工程及自动化

学生王晓阳学号20110421380

设计题目数控加工中心刀库设计

一、选题背景与意义

1国内外发展现状

随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日趋激烈，产品更新速度越来越快。

形状复杂的零件越来越多，对精度的要求也越来越高。

多品种、中小批量的生产方式逐渐占据了工业市场。

激烈的市场竞争使得产品研发生产周期逐渐缩短。

传统的加工设备和制造方法已难以满足这种多样化、柔性化的高效高质量零件加工要求。

近几十年来，世界各国十分重视发展能有效解决复杂、精密、小批多变零件的数控加工技术，在加工设备中大量采用以微电子技术和计算机技术为基础的数控技术。

加工中心就是一种这样应运而生的数控设备。

高速加工中心作为新时代数控机床的代表,已在机床领域广泛使用。

其高速、高效、高精等特点,赢得了市场的青睐,这些年来,国产加工中心技术发展得很快,国内许多机床厂家都有了具有国际水平或接近国际水平的自主开发的加工中心机床。

然而,高品质、高速加工中心机床的许多关键配套件,如高速电主轴、五轴联动系统、丝杠、直线导轨、刀库、ATC换刀机构等,有的机床生产厂商还得依赖进口。

例如:

在国外,有专门的刀库及换刀装置生产厂,它们有着几十年的生产经验,在日本三共公司的产品较为突出,日本80%的机床用的换刀装置均出自该公司。

随着市场经济的发展,以及国民装备工业的振兴,各机床厂家正力图寻求走具有自主知识产权的发展道路,在引进与国外机床厂商合资合作的形式中,消化吸收,逐步掌握国外的先进技术,并把它融入到自己设计开发的思维中。

大连机床集团经过几年的努力,数控机床配套件的开发与研制已初见规模,本文所论述的高速加工中心刀库设计正是自己设计开发高速加工中心配套件的一个实例。

2选题意义

刀库是储存加工工序所需的各种刀具的机构，可以按程序指令，把即将使用的刀具迅速、准确地送到换刀位置，并接受计算机指令将使用过的刀具复位。

因此，刀库不单单是储存刀具的单一机构，而是能够按程序运作的一个精确机构。

在全面了解数控加工中心的结构、工作原理和控制方法的基础上，设计出加工中心的刀库装置。

根据加工中心刀库的工作原理，确定结构与技术参数并给出结构设计方案，设计出一套符合技术要求的刀库，具有工作效率高、刚性好、使用寿命长等特点。

二、设计内容

1设计内容研究

刀库是数控加工中心的重要组成部分，能够实现一次装夹完成多道加工工序，加工中心刀库的布置、刀库与主轴的配置影响机械手的动作、抓刀方式、机构的复杂程度、可靠性和换刀时间的长短,进而影响加工中心的工作效率。

所以要求自动换刀装置应当满足换刀时间短、刀具存储量足够、刀具的安置空间小以及安全可靠等基本要求。

在本次设计过程中主要遵循以下几条设计原则:

（1）满足刀库容量的要求。

本次设计刀库容量为24把，为了在一定体积内容纳24把刀具，本次设计将采用圆盘式的设计方案，刀具均布于圆周上，，尽可能地提高刀库的使用效率，使刀库的刀具整体布局更加实用、合理。

（2）保证刀库的精度要求。

刀库在加工中心的安装位置对加工中心和刀库自身的精度影响都很大，得刀库占用机床的空间相对较大，刀库自身和各种刀具、车刀夹、附件头的整体质量非常重，会造成刀库盘的扭曲变形非常大，使刀库盘的水平精度难以调整，因而会大大降低了刀库盘的分度精度，使刀库难以正常工作，更由于加工中心加工工件和换刀的需要，刀库的中心必需和滑枕的中心、工作台的中心在一条直线上。

同时要提高刀库分度时的定位精度和重复定位精度。

（3）刀库的刚度应满足设计需求。

由于刀具的类型、尺寸相差较大，加工的工件也不尽相同，需要满足的力学性能也有较大差异。

因此，在设计时应考虑各个刀具产生的切削力的影响，防止因刀库变形导致加工误差。

（4）可靠性高。

机床的任何工作的离不开刀库的直接参与，在工作过程中，各种状态复杂，应使设计的刀库能够满足持续多次使用。

（5）提高换刀效率。

数控加工中心主要是为了提高加工效率，刀库应具备换刀方便，效率高等特点，以提高加工效率，本次设计的换刀时间位2.4s。

（6）操作方便和安全。

刀库是保证机床换刀，并安全加工的重要部件，因此，需要刀库满足安全可靠，方便快捷的要求。

本次毕业设计的主要内容为数控加工中心刀库的设计，包括刀库的方案设计、装配图及支撑零件图设计，并进行相关的计算以及关键零件的校核[6-8]。

主要参数要求：

（1）刀库容量：

24把；

（2）选刀方式：

随机；

（3）换刀时间：

2.5秒；

（4）最大刀具长度：

300mm；

（5）最大刀具直径：

100mm；

（6）刀柄型号：

BT40。

2.预期研究结果

通过这次课题的设计和设计任务书上的要求，运用所学过的知识，顺利完成数控加工中心刀库的设计，使其能满足给定主要参数的要求，能够实现快速换刀，定位精度高，转位过程平稳等优点。

通过毕业设计环节拟达到如下研究成果：

（1）完成满足设计要求的数控加工中心刀库设计方案；

（2）完成必要的设计与关键零部件校核计算；

（3）完成满足设计要求的数控加工中心刀库装配图设计以及主要零件图设计。

三、设计方案

1．刀库的种类

方案一：

转塔式刀库

转塔式刀库选刀装置，利用转塔的转位来更换主轴头以实现自动换刀，优点是省去了自动松夹、卸刀装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作，减少了换刀时间。

其又可分为三类：

一种为刀库与主轴之间直接换刀，其特点为换到运动集中，运动部件少；另一种为用机械手配合刀库换刀，其特点为刀库只有选刀运动，机械手进行换刀运动，比刀库做换刀运动惯性小，速度快；最后一种为用机械手、运输装置配合刀库换刀，其特点为换刀运动分散，有多个部件实现，运动部件多，但布局灵活，适应性好。

结构见图1。

图1转塔式刀库

方案二：

斗笠式刀库

斗笠式刀库采用平行双轴模式，承受力平均，刀库前进、后退顺畅；日内瓦轮式分割，分割角度精确，确保换刀时与主轴精度；气缸有缓冲功能设计使刀库快速往前换刀到达定位会静静停止，不会有很大的撞击声；夹臂采用高塑胶钢材质，耐高温，耐酸性，旋转绝不掉刀。

在换刀过程中对主轴的定位精度要求是非常高的，这是有标准刀具和主轴结构决定的。

在换刀时整个刀库向主轴平行移动，首先，取下主轴上原有刀具，当主轴上的刀具进入刀库的卡槽时主轴向上移动脱离刀具；次主轴安装新刀具，这时刀库转动，当目标刀具对正主轴正下方时，主轴下移，使刀具进入主轴锥孔内，刀具夹紧后，刀库退回原来的位置，换刀结束。

结构见图二：

图2斗笠式刀库

方案三：

圆盘式刀库

圆盘式刀库存刀量少则6把-8把，多则50把-60把，有多种形式。

（1）刀具径向布置，占有较大空间，刀库位置受限，一般置于机床立柱上端。

其换刀时间较短，整个换刀装置较为简单。

（2）刀具轴向布置，常置于主轴侧面，刀库轴心线可垂直放置，也可以水平放置，较多使用。

（3）刀库与刀库轴心线成一定角度，成伞状布置，这可根据机床的总体布局要求安排刀库位置，多斜放于立柱上端，刀库容量不宜过大。

为进一步扩充存刀量，有的机床使用多圈分布刀具的圆盘刀库，多层圆盘刀库和多排圆盘刀库。

多排圆盘刀库每排4把刀，可整排更换。

图3圆盘式刀库

方案四：

链式刀库

链式刀库是较常用的形式。

这种刀库刀座固定在环形链节上。

常用的有单排链式刀库。

这种刀库使用加长链条，让链条折叠回绕可提高空间利用率，进一步增加存刀量。

链式刀库结构紧凑，刀库容量大，链环的形状可根据机床的布局制成各种形状。

同时也可以将换刀位突出以便于换刀。

在一定范围内，需要增加刀具数量时，可增加链条的长度，而不增加链轮直径。

因此，链轮的圆周速度（链条线速度）可不增加，刀库运动惯量的增加可不予考虑。

这些为系列刀库的设计与制造提供了很多方便。

一般当刀具数量在30～120把时，多采用链式刀库。

其结构见图4。

图4链式刀库

方案五：

其他刀库

直线刀库刀具在刀库中直线排列、结构简单，存放刀具数量有限（一般8把-12把），较少使用。

此形式多见于自动换刀数控车床，在数控钻床上也采用过这种形式。

组合刀库一般式转塔式、圆盘式、链式刀库的组合，换刀速度快。

另外，还有一些密集型的鼓轮式、弹匣式，和格子式刀库，多用于FMS的集中供刀系统。

2设计方案确定

数控加工中心刀库种类多，主要可分为圆盘式、链式、斗笠式、转塔式刀库等几类。

由于本次设计要求刀具24把，选刀方式：

随机；换刀时间：

2.5秒；最大刀具长度：

300mm；最大刀具直径：

100mm；因此，采用圆盘式刀库设计可满足要求。

其主要工作原理如下：

1、刀盘选刀。

刀盘电机控制刀盘旋转，完成选刀；2、气缸往复运动，控制刀套的垂直与水平；3、机械手电机控制机械手旋转，完成换刀过程。

刀弹簧的作用下,将解锁销钉上的斜面紧紧推靠在刀夹后端的两侧斜面上,完成锁刀动作。

刀库回转体将所需要的刀具转至刀库换刀点,主轴向

前移动,主轴前端的刀具释放块将解锁销钉打开,同时主轴夹紧刀柄。

主轴取到所需要的刀具后,主轴前端的刀具释放块跟随主轴一同向外移动离开刀库,当刀具释放块的引导斜面离开解锁销钉时,解锁销钉在锁刀弹簧的作用下回到原位,进行刀具锁紧,刀库回转体转回刀库原位,刀库完成一次换刀循环。

图5盘式刀库加工原理图

四、参考文献

[1]聂小春.45#－16T型立式加工中心盘式刀库的设计[J].机械研究与应用,2013,26（128）：

134-136.

[2]吴登娇,单宝忠,王义行.HP型链条及链式刀库机械传动系统设计[J].设计与研究,1996,2（23）:

26-28.

[3]杨绿,黄方兵.V400加工中心刀库设计[J].贵州工业大学学报,2008,37（5）:

81-83,86.

[4]李立强,马蕾,王梅.大容量落地盘式升降刀库设计[J].制造技术与机床，2014,（4）:

124-145.

[5]时雨.加工中心刀库装置设计[J].机械工程师,2013,

（1）:

138-139.

[6]张宇,夏晓平等.加工中心斗笠式刀库换刀装置设计[J].煤矿机械.2009,30（3）:

34-38.

[7]周建东.加工中心盘式刀库的设计[J].工艺与装备,2007,（8）:

83-85.

[8]曹秋霞,马国亮.小型立式加工中心圆盘式刀库的设计[J].机电产品创新与开发,2005,18（6）:

145-147.

[9]王广来.一种新型旋转式刀库[J].制造技术与应用.2011,（4）:

33-35.

[10]蒋敬人.加工中心盘式刀库可靠性试验方法研究[D].吉林:

吉林大学硕士学位论文,2014.

[11]刘晓娜.链式刀库设计分析及换刀装置性能测试研究[D].北京:

北京工业大学硕士学位论文,2014.

[12]李怀洋.圆盘式刀库及机械手可靠性增长研究[D].吉林:

吉林大学硕士学位论文,2012

[13]曹文杰.数控车削仿真中刀具库的设计与实现[D].河北工业大学报,2000,29（4）:

05-08

[14]TamasSzecsi.Automaticcutting-toolconditionmonitoringonCNClathes[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology.1998（77）64-69

[15]E.Niemi.Optimaltoolmagazineoperation.Part2:

rotatingmagazineswithbufferedtool

change[J].IntJAdvManufTechnol,2004,24,567-572.

.

五、指导教师评语

王晓阳同学根据设计任务书要求针对数控加工中心刀库进行了相关资料的收集与整理，并进行了实地考察，对链式、圆盘式以及无机械手换刀模式等相关刀库方案进行了比较，确定了有机械手换刀的圆盘式回转刀库设计方案。

该方案合理可行，同意进入下一阶段设计工作。

指导教师（签字）

201年月日

六、审核意见

系主任（签字）

201年月日