1、XH716型加工中心自动换刀系统的研究与设计目录目录目录11 绪论41.1加工中心的定义41.2加工中心的发展历程41.3加工中心国内外现状51.4国产加工中心目前存在的问题及未来发展趋势71.5加工中心的分类82 加工中心自动换刀装置概述92.1加工中心自动换刀装置（ATC）形式、特点及各自应用范围92.1.1带刀库的自动换刀系统92.1.2回转刀架换刀102.1.3更换主轴换刀102.1.4更换主轴箱换刀112.1.5更换刀库换刀112.2刀库以及刀具交换装置112.2.1刀库的形式112.2.2设计刀库时的主要问题132.2.4刀具交换装置132.2.5刀具的夹持192.2.6手爪的选择
2、193 总体方案设计203.1 XH716型立式加工中心203.2 XH716型立式加工中心刀库的设计参数203.3确定XH716型立式加工中心刀库的形式213.4 XH716型立式加工中心自动换刀装置的设计参数213.5 确定XH716型立式加工中心自动换刀装置的形式214 刀库的设计及计算224.1 确定刀库容量224.2确定刀库形式224.3 初步估计刀库驱动转矩及选定电机234.4刀库转位机构的普通蜗轮蜗杆的相关设计254.5确定刀具的选择方式254.6刀库结构设计254.7刀库中的调隙问题284.8链轮的设计295 刀具交换装置的设计315.1换刀机械手抓刀部分结构315.2刀具交换
3、装置的总体结构设计325.3 机械手的动作设计345.3.1刀座的准备345.3.2抓刀355.3.3拔刀355.3.4交换刀具355.3.5插刀355.3.6复位366 联轴器的选用及计算396.1联轴器396.1.1联轴器的分类396.1.2联轴器类型的选择396.2 联轴器的选用计算407自动换刀装置液压系统的分析与设计427.1 液压系统的设计方法427.2 制定基本方案及绘制液压系统图427.3液压系统组成元件的选取457.3.1 液压阀的选择457.3.2液压泵的初步选择527.3.3 电动机的选型527.3.4 蓄能器的选择537.3.5液压集成块的分析与研究54结 论56致 谢
4、58参 考 文 献591 绪论1.1加工中心的定义加工中心，简称cnc，是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床,是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床，是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通信诊断、刀具和编程技术的高科技产品。加工中心备有刀库，具有自动换刀功能，是对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具、自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序，因而大大减少了工
5、件装夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。 图1.1 加工中心1.2加工中心的发展历程1952年美国PARSONS公司与麻省理工学院（MIT）合作研制了第一台三坐标数控机床，它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结合等多方面的技术成果。1958年，美国卡尼，特雷克（Kearney&Trecker）公司首次把铣、钻、镗等多种工序集中于一台数控机床上，通过换刀方式实现连续加工，成为世界上第一台加工中心。该产品出现后，销路惊人，引起了日、德、美、英、法、意等先进工业国家的高度重视，竞相开发生产，不断扩大和
6、完善机床的功能，成为数控机床中发展最快、需求量最大的商品之一。如今，世界上出现了立式、卧式、龙门式、落地式等各种加工中心，据不完全统计，大约有1000多个品种规格。未来加工中心的发展动向是高速化、进一步提高精度和愈发完善的机能。加工中心是数控机床的代表，是高新技术集成度高的典型机电一体化机械加工设备，我国的加工中心从70年代开始，已有很大发展，但技术、品种和数量上都还远不能适应我国经济、技术发展的需要。随着我国工业的不断发展，推动了模具制造业、机械加工业的巨大发展，使得数控机床的使用越来越普遍，而加工中心更是以其高自动化程度得到广泛应用。然而，目前市场上生产和销售的都是以大、中型的加工中心为主
7、，小型加工中心几乎是空白，而机械加工业、小型模具的制造、工科院校、技工学校等对小型加工中心存在着大量的需求。为加速我国加工中心的发展，需进一步加强对加工中心的研究、设计、制造和应用。1.3加工中心国内外现状由于加工中心在机械加工中的重要作用，各个工业发达国家都极为重视，在技术和产量上都发展很快。目前全球加工中心年生产量为50,00055,000台左右，并且以日本、欧盟、美国及中国台湾、韩国等为最具代表性的生产基地。日本市场消费能力强，年生产量超过10,000台。主要机种为立式加工中心，年产量约5,0006,000台，而且不断研发高速、高精密、五面加工、五轴联动加工等技术，满足特殊与复杂曲面加工
8、工件的要求，日本生产加工中心的厂家有MAZAK、大隈、庄田、三菱等公司。德国生产最佳品质与高加工效益的加工中心，近年来生产量每年约在4,0005,000台左右。代表性机种为卧式加工中心，年生产量约1,5002,000台。其他加工中心年生产量约2,0003,000台左右，德国生产加工中心的厂家有西门子、MAKA、GEISS、科恩等公司。美国是全球机床生产代表性国家之一，但近年来由于其国内消费能力不足，再加上出口也面临市场竞争，导致其生产有逐渐下滑的趋势，年生产加工中心仅约为5,0006,000台左右，生产厂家有哈挺、MAG、Hurco等公司。台湾是全球加工中心生产量最大的供货基地，年生产量可达到
9、16,00018,000台，其中有部分是空机台，未加装微机控制器等，平均单价有偏低的情形。韩国是全球加工中心主要生产国家之一。其加工中心主要用于韩国汽车工业、模具工业及机械工业，年生产加工中心在4,0005,000台左右。未来加工中心的生产基地则有可能是大陆，特别是日本、美国、德国、中国台湾、韩国已竞相到大陆设厂生产加工中心，再加上大陆本身的企业研发与制造，未来技术成熟、品质稳定、成本降低后，必将会成为全球重要供应基地之一。20世纪70年代我国研制的加工中心，多数因配套件和设计、制造的缺陷而不能正常使用。进入80 年代后，由于引进了日本FANUC、德国SIEMENS 等公司的数控系统、直流进给
10、伺服电机和主轴电机及其伺服单元之后，数控系统的可靠性有了很大提高。但就整机而言，可靠性还不够高。20世纪90年代中期以来，随着加工中心技术的进步和配套的完善，国内生产企业注意到了采用标准功能部件来取代产品的某些部件，同时优先选择世界知名公司的名牌产品(如：数控系统、滚动直线导轨、滚珠丝杠、轴承、ATC 装置、液压气动元件、电气元件和检测元件等)作为配套，提高了国产加工中心的档次和可靠性，在一定程度上缩短了与国外同类产品的差距。当前，国产加工中心的可靠性与国外同类产品相比依然不高。除此以外，还有整机防护与密封、外观粗糙、整体造型不尽如意等缺陷，在一定程度上影响了国产加工中心的市场竞争力。目前国内
11、生产加工中心的有沈阳机床厂、大连机床厂、上海祥裕等厂家。研究主要成果如下：90年代以来，国外一些机床厂家先后开发出一批高速加工中心，其主要技术参数为： 主轴最高转速：一般为1200015000r/min，有的高达4000060000r/min。坐标轴的加工进给最高速度：3060m/min，快速移动速度高达7080m/min。换刀时间(刀-刀)普遍在1.53.5s，有的快到0.80.9s；托板交换时间普遍在68s。综上所述，高速加工中心的出现使得单轴加工中心的效率赶上了多轴的组合机床或专用机床。因此，高效高柔性的加工中心已开始在汽车工业中应用，并成为重要的工艺装备。目前世界上比较有名的加工中心有
12、：德国EX-CELL-O GMBH公司XHC240卧式加工中心、德国Chiron Werke公司FZ12W立式加工中心、日本Mazak公司产品、日本新泻铁工所SPN50、SPN40加工中心、美国Giddings & Lewis公司RAM500型、RAM630型卧式加工中心和美国Ingersoll铣床公司HVM600型卧式加工中心等等。目前，国产加工中心的主要品种是立式加工中心和卧式加工中心。为市场提供的产品主要是立式加工中心。其规格(是指工作台宽度，单位：mm) 一般为300、400、500、630 和800。其中，前三种属于较小规格产量较大；后两种属于中大型产量较小。目前，国产立式加工中心拥
13、有的规格基本上覆盖了中小型立式加工中心的规格范围。在我国，人们习惯上把数控机床按其技术水平的高低分为高、中、低三个档次。所谓高档数控机床是指高速度、高精度、五轴联动和工艺高度复合化的数控机床，包括部分重型机床；而所谓低档数控机床主要是指以步进电机驱动为主要特征的开环控制的经济型数控车床、钻床和铣床，其精度和速度都不高；其他数控机床则属于中档数控机床，也就是人们常说的通用普及型数控机床。国产加工中心大多数产品的档次属于此范畴。1.4国产加工中心目前存在的问题及未来发展趋势国产加工中心目前存在的问题有：(1) 技术水平上，与国外同类产品的先进水平相比大约落后1015 年，在高精尖技术方面差距则更大
14、。(2) 产品开发能力上，国内生产企业缺乏对产品竞争前的数控技术的深入研究与开发，特别是对加工中心应用领域的拓展力度不强。(3) 产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，虽然近年来国产加工中心的产量增加较快，但从总体上看，还没有形成规模生产；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。(4) 国产数控系统MTBF( 平均无故障时间)大都超过1 万小时，但国际上知名品牌如：FANUC、SIEMENS 等先进企业的数控系统MTBF 已达8 万小时。国产加工中心MTBF 虽有少数厂达500 小时，但国外加工中心的先进水平已达800 小时。(5) 刀库和机械手的可靠性还比较低，近年来虽有改进，
15、但用户仍然不放心。(6) 位置精度，特别是重复定位精度还有待于进一步提高。(7) 至于外观粗糙，漏油、漏水、漏气等老问题仍然不同程度的存在。加工中心未来发展趋势有：（1）高速度、高效率众所周知，机床向高速化方向发展，不但可以大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。是进入新世纪以来国内外机床技术发展的重要趋势。20世纪90年代以来，欧、美、日等工业发达国家争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元(电主轴，转速15000100000r/min)、高速且高加/减速度的进给运动部件(快移速度60120m/min，切削进给速度高达60m/min)、高效率的自动换刀装置、高性能数控装置和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。（2）高精度追求加工中心的高精度，一直是世界各工业发达国家努力的方向。当前，在机械加工高精度的要求下，普通级数控机床的加工精度已由10m 提高到5m ；精密级加工中心的加工精度则从35m 提高到11.5m ，甚至更高。（3）高可靠性随着数控机床应用领域的日益普及，数控机
