无换刀机械手刀库结构设计

无换刀机械手刀库结构设计刀库是自动换刀装置中最主要的部件之一，其容量、布局以及具体结构对加工中心的设计有很大影响。

16刀刀库是在小型加工中心应用最为广泛，根据使用的场合和实际运用的要求，设计了相应的16刀的圆盘式刀库，并且对它的控制进行了一定的研究。

论文首先对16刀刀库总体设计方案进行阐述，阐述其各部件的工作原理，然后就刀库的结构设计与控制分章节对各个部分进行计算与设计。

刀库的结构设计是本文研究的重点，传动部分为蜗杆蜗轮的一种减速装置，对于该装置中的蜗杆、蜗轮以及相关的轴都进行了详细的计算;控制部分为刀库送刀部分，由液压控制和PLC控制完成。

第一章绪论本章首先从数控机床的发展历程引出加工中心的发展趋势，再具体到本次设计针对的刀库的任务要求，明确了本设计任务的主要内容。

1.1 引言1952年世界上出现了第一台数控机床，使多品种、中小批量的机械加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。

1958年第一台加工中心问世，它将多工序（铣、钻、镗、铰、攻丝等）加工集于一身；适应加工多品种和大批量的工件；增加机床功能（自动换刀、自动换工件、自动检测等），使自动化程度和加工效率上了一个新台阶；使无人化（或长时间无人操作）加工成为现实。

加工中心已成为柔性制造系统、计算机集成制造系统和自动化工厂的基本单元。

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，受到世界各工业发达国家的高度重视，技术迅速发展，品种和数量大幅度增加，成为当今世界机械加工设备中最引人注目的一类产品。

1.2 加工中心简介1.2.1加工中心的发展简史1952年世界上出现第一台数控机床，使多品种、中小批量的机械加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。

它用易于修改的数控加工程序进行控制，因而比大批量生产重使用组合机床生产线和凸轮、开关控制的专用机床有更大的柔性，容易适应加工件品种的变化，进行多品种加工。

它用数控系统对机床的工艺功能、几何图形运动功能和辅助功能实行全自动的数字控制，因为有更高的自动化程度和加工效率，大大改变了中小批量生产中普通机床占整个机械加工70%~80%的状况。

数控机床能实现两坐标以上联动的功能，其效率和精度比用手工和样板控制加工复杂零件要高得多。

1958年第一台加工中心在美国卡尼、特雷克（Kearney&Trecker）公司问世。

现代加工中心的内容是什么？第一，它是在数控镗床或数控铣床的基础上增加自动换刀装置，可使工件在一次装卡中，能够自动更换刀具，自动完成工件上的铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等工序的数控机床。

第二，加工中心上如果带有自动分度回转工作台或自动转角度的主轴箱，可使工件在一次装卡中，自动完成多个平面和多个角度位置的多工序加工。

第三，加工中心上如果带有交换工作台，工件在工作位置的工作台上进行加工的同时，另外的工件在装卸位置的工作台上进行装卸，不影响加工的进行。

由上述可知，加工重心在加工的柔性、自动化程度和加工效率上，在一般数控机床的基础上又上了一个新的台阶，又是一次新的变革。

加工中心的定义是什么？目前世界上并无标准定义，但目前普遍认为是指：在工件一次装卡中，能够实现自动铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等多工序的数控机床。

更为明确的说法是：加工中心就是自动换刀数控镗铣床。

这就把加工中心与自动换刀数控车床或车削中心区别开来。

1.2.2加工中心的结构组成加工中心的组成岁机床的类别、功能、参数的不同而有所区别。

机床本身分基本部件和选择部件，数控系统有基本功能和选用功能，机床参数有主参数和其它参数。

机床制造厂可根据用户提出的要求进行生产，但在同类机床的基本功能和部件组成一般差别不大。

从总体上看，加工中心基本上由以下几大部分组成。

1、基础部件主要由床身、立柱和工作台等大件组成。

它们是加工中心的基础结构，要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削负载，因此必须是刚度很高的部件。

这些大件可以是铸铁件也可以是焊接的刚结构件，是加工中心中重量和体积最大的部件。

2、主轴系统主要由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零部件组成。

主轴的启动、停止和变转速等动作均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。

主轴系统是加工中心的关键部件，其结构的好坏，对加工中心的性能有很大的影响。

3、数控系统主要由CNC装置、可编程序控制器、伺服驱动装置以及电动机等部分组成，它们是加工中心执行顺序控制动作和完成加工过程的控制中心。

4、自动换刀系统主要由刀库、自动换刀装置等部件组成。

刀库是存放加工过程所要使用的全部刀具的装置。

当需要换刀时，根据数控系统的指令，由机械手（或通过别的方式）将刀具从刀库取出装入主轴孔中。

刀库有盘式、链式和鼓式等多种形式，容量从几把到几百把。

机械手的结构根据刀库与主轴的相对位置几结构的不痛也有多种形式。

如单臂式、双臂式。

回转式和轨道式等等。

有的加工中心利用主轴箱或刀库的移动来实现换刀。

5、辅助系统包括润滑、冷却、排屑防护、液压和随机检测系统等部分。

辅助系统虽不直接参与切削运动。

但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起到保障作用，因此也是加工中心中不可缺少的部分。

另外，为进一步缩短非切削时间，有的加工中心还配备了自动托盘交换系统。

例如，配有两个自动交换工件托盘的加工中心，一个安装工件在工作台上加工，另一个则位于工作台外进行工件的装卸。

当完成一个托盘上工件的加工后，便自动交换托盘，进行新零件的加工，这样可以减少辅助时间，提高加工效率。

1.2.3加工中心的分类按照加工中心形态不同进行分类，可分为立式、卧式和五坐标加工中心。

1、立式加工中心（如图1-1）立式加工中心的主轴轴心线为垂直状态配置，结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形，适合加工小型板类、盘类、壳体类零件。

图1-1 立式加工中心2、卧式加工中心（如图1-2）卧式加工中心是指主轴轴线为水平状态设置的加工中心，通常都带有可进行分度回转运动的正方形分度工作台。

卧式加工中心一般具有3~5个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标(沿X、Y、Z轴方向)加一个回转运动坐标(回转工作台)，它能够使工件在一次装夹后完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工，最适合箱体类工件的加工。

图1-2 卧式加工中心3、五坐标加工中心五坐标加工中心间距立式和卧式加工中心的功能，工件一次装夹后能完成除安装面外的所有侧面和顶面等五个面的加工，因此也叫五面加工中心。

常见的五坐标加工中心有两种结构形式，一种是主轴可以90︒旋转，另一种是工作台可以90︒旋转。

1.2.4加工中心的主要优点（1）提高加工质量工件一次装夹，即可实现多工序集中加工，大大减少多次装夹所带来的误差。

另外，由于是数控加工，较少依赖操作者的技术水平，可得到相当高的稳定精度。

（2）缩短加工准备时间加工中心既然可以顶替多台通用机床，那么加工一个零件嗦需准备时间，是每台加工单元所损耗的准备时间之和。

从这个意义上说，加工中心的准备时间显然短得多。

（3）减少在制品以往的加工方式是工件流动与多台通用机床之间，这就要有相当数量的在制品，而在加工中心上加工，即可发挥其“多工序集中”的优势，在一台机床上完成多个工序，就能大大减少在制品数量。

（4）减少刀具费把分散设置在各通用机床上的刀具，集中在加工中心刀库上，有可能用最少量的刀具，实现公共有效利用。

这样既提高刀具利用率，又减少了道具数量。

（5）最少的直接劳务费由NC装置实现多工序加工的信息集约化和一人多台管理，以及用工作台自动托盘交换装置（Automatic Pallet Changer简称APC）等辅助装置，实现夜间无人运转。

这些都可缩减直接劳务费。

（6）最少的简介劳务费由于工序集中，工件搬运和质量检查工作量都大为减少，这就使间接劳务费最少。

（7）设备利用率高加工中心设备利用率为通用机床的几倍。

另外，由于工序集中，容易适应多品种、中小批量生产。

1.2.5加工中心的发展趋势立式加工中心主要的用户层面为,以看好的汽车零部件行业为首，还有模具、飞机、医疗设备、IT、光学设备等行业。

在飞机制造业因绝大多数加工件为多品种、小批量的产品，因此五轴加工机为主的立式加工中心有潜在的需求。

今后电子零部件、精密机枝零部件、半导体模具等行业也具有需求潜力。

各生产厂家面对预期需求扩大的飞机、模立式加工中心主要的用户层面为,以看好的汽车零部件行业为首，还有模具、飞机、医疗设备、IT、光学设备等行业。

在飞机制造业因绝大多数加工件为多品种、小批量的产品，因此五轴加工机为主的立式加工中心有潜在的需求。

今后电子零部件、精密机枝零部件、半导体模具等行业也具有需求潜力。

各生产厂家面对预期需求扩大的飞机、模具、半导体等行业，正在抓紧开发五轴加工机。

和几年前的以生产一般零部件为主的立式加工中心形成鲜明对比的，突出以加工模具为主的设备方案不断从厂家出现，由此可明显地看出对高速、高效、高品位加工的需求正在增加。

针对高精度加工，一些厂家比较注重研制对不易切削材质搞重切削加工的机型。

同时，以减少工件更换时间和集中工序为目的的复合化加工技术也在不断创新。

为进一步提高效率，有些厂家正在尝试在立式加工中心的控制轴方面再加上l~2个轴，形成五轴控制，样对于形状复杂的工件和自由曲面等工件都可完成一次装卡加工。

在产品开发方面，由于用户的要求更加严格，不得不在保持低价位的同时不断追求高性能的技术。

由于正在加快适应环保要求的新技术开发，因此，更加需要可以调整品种、数量的可形成柔性线结构的设备。

现在干式切削也在研制之中，如已经出现的使用高纯度氮气的干式加工系统，以氧化来控制精度变化。

同时为改善作业环境、提高经济效率，对于切屑的处理也采用了易于回收的方式。

卧式加工中心卧式加工中心因其加工面是垂直的，切屑易脱落，比较适应时间无操作。

又因是模块结构，可以短时间内导入最适当规模的系统。

因其无人操作时间较长，在成本费用方面与单机相比效果更好。

从用户需求来看，对卧式加工中心的要求更加趋向于适应多品种小批量的生产，要求加工设备能够灵活地适应工序集中导致的生产型加工件的变化。

现在由于汽车厂家的设备投资呈上升趋势，需求可望进一步扩大。

此外，因对于产品制造的认识和对生产体系的看法正在发生根本的转变，由此而派生的新的生产体系可能对能形成柔性线的小型机种产生需求。

着手生产以上机型的厂家在追求高速、高精度的同时，还在如何使机体小型化及成本控制方面下功夫。

也就是说此类产品的开发重点在于机体的小型化、适应形成柔性线体系方面。

从技术开发动向来看，是谋求提高主轴转速、进给速度、提高精密度、并将对应热变位、模块化等集中体现出来。

其中，作为机床基本课题的高速化研究也不断取得成果。

由于提高进给速度直接关系到产品的加工时间，以利提高生产效率，因此在高速进给技术方面，驱动装置采用直线电机的机型正在增多。