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立式加工中心自動換刀裝置設計

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更新時間：2014-05-23
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立式加工中心自動換刀裝置設計
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加工中心的發展歷程 1
1.3加工中心國內外現狀 2
1.4國產加工中心目前存在的問題及未來發展趨勢 4
1.5加工中心的分類 5
1.6本章小結 6
第2章加工中心自動換刀裝置概述 7
2.1加工中心自動換刀裝置（ATC）形式、特點及各自應用范圍 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)識別裝置 11
2.2.4刀具交換裝置 17
2.3本章小結 19
第3章總體方案設計 20
3.1 TH5640D型立式加工中心及其主要參數 20
3.2 TH5640D型立式加工中心自動換刀裝置的設計參數 21
3.3確定TH5640D型立式加工中心自動換刀裝置的形式 21
3.4本章小結 22
第4章刀庫的設計及計算 23
4.1 確定刀庫容量 23
4.2確定刀庫形式 23
4.3 初步估計刀庫驅動轉矩及選定電機 23
4.4刀庫轉位機構的普通蝸輪蝸桿的相關設計 25
4.5確定刀具的選擇方式 26
4.6刀庫結構設計 26
4.7本章小結 29
第5章刀具交換裝置的設計 30
5.1換刀機械手抓刀部分結構 30
5.2 機械手傳動結構 30
5.3 自動換刀裝置的動作順序 34
5.4 主軸準停裝置 35
5.5本章小結 36
第6章聯軸器的選用及計算 37
6.1聯軸器 37
6.1.1聯軸器的分類 37
6.1.2聯軸器類型的選擇 37
6.2 聯軸器的選用計算 38
6.3本章小結 41
結論 42
參考文獻 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）是適應省力、省時和節能的時代要求而迅速發展起來的自動換刀數控機床，它是綜合了機械技術、電子技術、計算機軟件技術、拖動技術、現代控制理論、測量及傳感技術以及通信診斷、刀具和編程技術的高科技產品。由于加工中心能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和調整時間，減少工件周轉、搬運存放時間，使機床的切削利用率高于通用機床3倍～4倍，所以說，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且是數控機床中生產率和自動化程度最高的綜合性機床。
1.2加工中心的發展歷程
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數控機床上，通過換刀方式實現連續加工，成為世界上第一臺加工中心。該產品出現后，銷路驚人，引起了日、德、美、英、法、意等先進工業國家的高度重視，競相開發生產，不斷擴大和完善機床的功能，成為數控機床中發展最快、需求量最大的商品之一。如今，世界上出現了立式、臥式、龍門式、落地式等各種加工中心，據不完全統計，大約有1000多個品種規格。
未來加工中心的發展動向是高速化、進一步提高精度和愈發完善的機能。加工中心是數控機床的代表，是高新技術集成度高的典型機電一體化機械加工設備，我國的加工中心從70年代開始，已有很大發展，但技術、品種和數量上都還遠不能適應我國經濟、技術發展的需要。隨著我國工業的不斷發展，推動了模具制造業、機械加工業的巨大發展，使得數控機床的使用越來越普遍，而加工中心更是以其高自動化程度得到廣泛應用。然而，目前市場上生產和銷售的都是以大、中型的加工中心為主，小型加工中心幾乎是空白，而機械加工業、小型模具的制造、工科院校、技工學校等對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展，需進一步加強對加工中心的研究、設計、制造和應用。
1.3加工中心國內外現狀
由于加工中心在機械加工中的重要作用，各個工業發達國家都極為重視，在技術和產量上都發展很快。目前全球加工中心年生產量為50,000～55,000臺左右，并且以日本、歐盟、美國及中國臺灣、韓國等為最具代表性的生產基地。日本市場消費能力強，年生產量超過10,000臺。主要機種為立式加工中心，年產量約5,000～6,000臺，而且不斷研發高速、高精密、五面加工、五軸聯動加工等技術，滿足特殊與復雜曲面加工工件的要求，日本生產加工中心的廠家有MAZAK、大隈、莊田、三菱等公司。德國生產最佳品質與高加工效益的加工中心，近年來生產量每年約在4,000～5,000臺左右。代表性機種為臥式加工中心，年生產量約1,500～2,000臺。其他加工中心年生產量約2,000～3,000臺左右，德國生產加工中心的廠家有西門子、MAKA、GEISS、科恩等公司。美國是全球機床生產代表性國家之一，但近年來由于其國內消費能力不足，再加上出口也面臨市場競爭，導致其生產有逐漸下滑的趨勢，年生產加工中心僅約為5,000～6,000臺左右，生產廠家有哈挺、MAG、Hurco等公司。臺灣是全球加工中心生產量最大的供貨基地，年生產量可達到16,000～18,000臺，其中有部分是空機臺，未加裝微機控制器等，平均單價有偏低的情形。韓國是全球加工中心主要生產國家之一。其加工中心主要用于韓國汽車工業、模具工業及機械工業，年生產加工中心在4,000～5,000臺左右。未來加工中心的生產基地則有可能是大陸，特別是日本、美國、德國、中國臺灣、韓國已競相到大陸設廠生產加工中心，再加上大陸本身的企業研發與制造，未來技術成熟、品質穩定、成本降低后，必將會成為全球重要供應基地之一。
20世紀70年代我國研制的加工中心，多數因配套件和設計、制造的缺陷而不能正常使用。進入80 年代后，由于引進了日本FANUC、德國SIEMENS 等公司的數控系統、直流進給伺服電機和主軸電機及其伺服單元之后，數控系統的可靠性有了很大提高。但就整機而言，可靠性還不夠高。20世紀90年代中期以來，隨著加工中心技術的進步和配套的完善，國內生產企業注意到了采用標準功能部件來取代產品的某些部件，同時優先選擇世界知名公司的名牌產品(如：數控系統、滾動直線導軌、滾珠絲杠、軸承、ATC 裝置、液壓氣動元件、電氣元件和檢測元件等)作為配套，提高了國產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品的差距。當前，國產加工中心的可靠性與國外同類產品相比依然不高。除此以外，還有整機防護與密封、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加工中心的市場競爭力。目前國內生產加工中心的有沈陽機床廠、大連機床廠、上海祥裕等廠家。研究主要成果如下：
90年代以來，國外一些機床廠家先后開發出一批高速加工中心，其主要技術參數為：主軸最高轉速：一般為12000～15000r/min，有的高達40000～60000r/min。坐標軸的加工進給最高速度：30～60m/min，快速移動速度高達70～80m/min。換刀時間(刀-刀)普遍在1.5～3.5s，有的快到0.8～0.9s；托板交換時間普遍在6～8s。
綜上所述，高速加工中心的出現使得單軸加工中心的效率趕上了多軸的組合機床或專用機床。因此，高效高柔性的加工中心已開始在汽車工業中應用，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。為市場提供的產品主要是立式加工中心。其規格(是指工作臺寬度，單位：mm) 一般為300、400、500、630 和800。其中，前三種屬于較小規格產量較大；后兩種屬于中大型產量較小。目前，國產立式加工中心擁有的規格基本上覆蓋了中小型立式加工中心的規格范圍。在我國，人們習慣上把數控機床按其技術水平的高低分為高、中、低三個檔次。所謂高檔數控機床是指高速度、高精度、五軸聯動和工藝高度復合化的數控機床，包括部分重型機床；而所謂低檔數控機床主要是指以步進電機驅動為主要特征的開環控制的經濟型數控車床、鉆床和銑床，其精度和速度都不高；其他數控機床則屬于中檔數控機床，也就是人們常說的通用普及型數控機床。國產加工中心大多數產品的檔次屬于此范疇。
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