《机电装备设计》PPT课件.ppt

1,6.1.4 总体结构方案设计,机床几何运动机构原理图是根据工艺要求确定的，所确定的仅仅是刀具与工件之间的相对运动。如刨削平面，可以由刀具作往复运动如牛头刨床，也可以由工件作往复运动如龙门刨床实现，两者效果是一样的。至于哪些运动由刀具一侧完成，哪些运动由工件一侧完成还未确定，基础支承件设在何处是未知数。所以，首先要进行运动功能的分配。,2,1 几何运动功能分配设计,坯料的形式 如，加工卷料的小型自动车床，由于工件不能旋转，主运动必须由刀具来完成。刀具装在刀具盘上，刀具盘绕工件高速旋转，常称为“套车”。加工的尺寸比例 如，立式钻床和摇臂钻床，由钻头同时作回转主运动和轴向进给运动。但在深孔钻床上钻深孔时，为了减少孔的歪斜和便于排屑，常由工件作回转主运动，钻头只作轴向进给运动。工件的重量 一般来说，都是使重量较轻的部件运动。,影响几何运动功能分配的因素为,3,4,5,通过几何运动功能分配设计确定了基础支承件，即运动功能式中“接地”的位置，用“”符号表示。“”符号左侧的运动由工件完成，右侧的运动由刀具完成。机床的运动功能式中添加上“”接地符号后，可称为运动分配式。一个运动功能方案，经过运动功能分配设计，可以得几个运动分配式。,目前采用的方法,6,2 结构布局设计,结构布局形式：立式、卧式及斜置式等；基础支承件形式：底座式、柱式和龙门式等；基础支承件结构：一体式和分离式等等；结构布局形式：运动分配设计阶段评价后保留下来的运动分配式方案的全部结构布局方案有很多种，因此需要再次进行评价，去除不合理方案；评价依据：主要定性分析机床的刚度、占地面积以及对物流系统开放性等因素；设计结果：机床总体结构布局形态图。,7,五轴镗铣机床的结构布局形态图,8,3 总体结构草绘设计,设计主要依据：机床总体结构布局形态图，驱动与传动设计结果、机床动力参数、加工空间尺寸参数以及机床整机的刚度及精度分配。,进行运动或支承部件的概略形状和尺寸设计。,设计过程如下：,1)首先确定末端执行件的概略形状与尺寸；2)设计末端执行件与其相邻的下一个功能部件的结合部的形式、概略尺寸；3）确定下一个功能部件(即滑台侧)的概略形状与尺寸；4)基础支承件(底座、立柱、床身等)设计；5）进行机床结构模块设计；6)初步进行造型与色彩设计；7)机床总体结构方案的综合评价。,9,10,6.2 主要技术参数设计,机床主参数代表机床规格大小，反映机床最大工作能力的一种参数。有些机床还规定有第二主参数，通用机床主参数已有标准。专用机床的主参数，一般以加工零件或被加工面的尺寸参数来表示。金属切削机床型号编制方法 GB/T 15375一1994Metal-cutting machine tools Method of type designation,包括机床的尺寸参数、运动参数和动力参数。,6.2.1 主参数和尺寸参数,11,机床的类别和分类代号,12,机床的通用特性代号,13,6.2.2 运动参数,运动参数：指机床执行件如主轴、工作台和刀架等的运动速度。1 主运动参数 对于主运动是回转运动的机床，其主运动参数是主轴转速，它与切削速度的关系是,对于主运动是直线运动的机床，如插床或牛头刨床，主运动参数是插刀或刨刀的每分钟往复次数(次/分)。,14,主轴要进行变速，确定变速范围及最低和最高转速，并确定采用无级变速，还是采用有级变速。确定nmax和nmin的方法，主要是分析所设计的机床可能进行的工序，从中选择要求最高、最低转速的典型工序，按照典型工序刀具、工件材料、切削速度和刀具(或工件)的直径，计算出nmax、nmin及变速范围Rn,15,2 进给运动参数,大部分机床的进给量用工件或刀具每转的位移量表示，即单位为mm/r，如车床、钻床、镗床、滚齿机等。直线往复运动的机床，如刨、插床，以每一往复的位移表示。铣床和磨床，由于使用的是多刃刀具，进给量常以每分钟的位移量表示，即单位为mmmin。机床上广泛采用有级或无级变速方式来实现进给量的变换。如T68型镗床的进给数列是；0.05、0.07、0.10、0.13、0.19、0.27、0.37、0.52、0.74、1.03、1.43、2.05、2.9、4、5.7、8、11.1、16共18级，公比为1.41。如刨床和插床等，为使进给机构简单，采用间歇进给棘轮机构，进给量由每次往复转过的齿数(1、2、3)而定，是等差数列。,16,3 动力参数,动力参数包括电动机的功率、液压缸的牵引力、液压马达或步进电机的额定转矩等。机床各传动件的结构参数是根据动力参数设计计算的。如果动力参数定得过大，将使机床过于笨重，浪费材料和电力：如果定得过小，又将影响机床的性能。计算方法在现阶段只能做为参考，原因为：通用机床使用情况复杂，切削用量的变化较大；对某些加工过程中切削力和进给力的规律还没有很好地掌握；机床传动系统中的摩擦损失，尤其是高速下的损失研究得也不够。,17,1)主传动电动机功率的确定,空载功率：机床主运动空转时，由于传动件摩擦、搅油、空气阻力和其他动载荷等原因，电动机要消耗一部分功率，为空转功率损失Pq，其值随传动件转速的增大而增大，与传动件预紧程度及装配质量有关。,18,2）进给传动系统驱动功率的确定,机床进给运动驱动功率的确定有几种情况：(1)进给运动与主运动共用一个电动机，如卧式车床、钻床等。统计结果：卧式车床进给功率Pf=(0.030.04)PL，钻床Pf=(0.030.04)PL，铣床Pf(0.030.04)PL。(2)进给运动中工作进给与快速进给共用一个电动机，由于快速进给所需功率远大于工作进给的功率，且两者不同时工作，所以不必单独考虑工作所需功率，如升降台铣床。(3)进给运动采用单独电动机驱动，则需要确定进给运动所需功率(或转矩)。对普通交流电动机，进给电动机功率由下式计算,19,6.3刀架和自动换刀装置设计,6.3.1 功能和基本要求,1 功能,刀架是安放刀具的重要部件，直接承受极大的切削力，是工艺系统中的较薄弱的环节。,随着自动化技术的发展，采用自动更换刀具装置，实现了大容量存储刀具和自动交换刀具的功能，存放刀具的数量从几十把到上百把，自动交换刀具的时间从几十秒减少到几秒甚至零点几秒。加工中心（MC),20,(1)满足工艺要求；为了实现在工件的一次安装中完成多工序加工，要求刀架、刀库可以方便转位。(2)保证足够的重复定位精度；(3)具有足够的刚度；(4)提高可靠性；(5)缩短换刀时间；(6)操作方便和安全。,2 基本要求,21,按照安装刀具的数目,6.3.2 类型,单刀架,多刀架,按结构形式,方刀架,转塔刀架,回轮式刀架,按驱动刀架转位的动力分,手动转位刀架,自动(电动和液动)转位刀架,22,数控车床常用的自动换刀装置方式,23,加工中心的刀库和换刀装置方式,24,（1）盘形刀库 应用较广，结构简单紧凑，因刀具单环排列、定向利用率低，大容量刀库的外径将较大，转动惯量大，选刀运动时间长。这种形式的刀库容量较小，一般不超过32把刀具。（2）链式刀库 容量较大，当采用多环链式刀库时，刀库外形较紧凑，占用空间较小，适用于大容量的刀库。（3）格子箱刀库 容量较大，结构紧凑，空间利用率高，但布局不灵活，通常将刀库安放于工作台上。（4）直线式刀库 结构简单，刀库容量较小，应用于数控车床、数控钻床或个别加工中心。,加工中心刀库的类型及特点,25,6.3.3 刀具交换装置,刀具交换装置指数控机床的自动换刀装置，能够实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置。,定义：,刀具交换方式分类：,利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换,机械手交换刀具,26,1 利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换,（1）换刀时间较长（2）工作台的有效使用面积小,特点：,27,2 刀库机械手刀具交换装置,特点：,（1）换刀灵活（2）换刀时间短,勾手,抱手,伸缩手,叉手,28,双刀库机械手换刀装置,特点:用两个刀库和两个单臂机械手进行工作，工作行程大为缩短，有效地节省了换刀时间。,自动换刀数控机床使用的刀具的刀柄形式有：圆柱形和圆锥形。,29,6.3.4 换刀机械手,在自动换刀数控机床中，机械手的形式是多种多样的，常见的形式如图所示。,1单臂单爪回转式机械手,可以回转不同的角度，均靠单一卡爪装卸刀，换刀时间较长。,30,2 单臂双爪回转式机械手,一个卡爪从主轴上取下“旧刀”，另一个卡爪则由刀库取出“新刀”送到主轴，换刀时间较单爪回转式机械手要少。,3 双臂回转式机械手,两个卡爪可同时抓取刀库及主轴上的刀具，回转180度后又同时将刀具放回刀库及装入主轴。,换刀动作顺序如图所示,31,32,4 双机械手,这种机械手相当于两个单臂单爪机械手，互相配合起来进行自动换刀。其中一个机械手从主轴上取下旧刀送回刀库，另一个机械手由刀库里取出新刀装入机床主轴。,5 双臂往复交叉式机械手,一个手臂从主轴上取下旧刀送回刀库，另一手臂由刀库中取出新刀装入主轴，整个机械手可沿某导轨直线移动或绕某个转轴回转。,6 双臂端面夹紧式机械手,这种机械手夹紧刀柄的两个端面换刀，以前的几种均靠夹紧刀柄的外圆表面以抓取刀具。,33,6.3.5 手爪,手爪在抓住刀具后，必须具有锁刀功能，以防止在换刀过程中掉刀或刀具被甩出。当机械手松刀时，刀库的夹爪既起着刀套的作用，又起着手爪的作用。,34,6.3.6 结构原理,1 手动和半自动转位刀架,1)手动转位刀架,35,2)半自动转位刀架,沿床身三角形导轨和平导轨作纵向进给运动。,36,数控车床上使用的转位刀架是一种最简单的自动换刀装置。,2 自动转位换刀装置,对于数控车床来说，加工过程中刀尖位置不进行人工调整，有可靠的定位方案和合理的定位结构，具有尽可能高的重复定位精度(一般为0.001-0.005mm)。,1）四方转位刀架,一般经济型数控车床采用的螺旋升降式四方自动刀架，适用于轴类零件的加工，如下图所示。,37,刀架抬起,刀架转位,刀架压紧,四方转位刀架换刀过程,38,2）数控车床12个刀位的液压回转刀架结构图,39,3 带刀库的自动换刀系统,1)目的：为了满足复杂零件的加工工序高度集中的要求，一般多采用刀库式自动换刀装置。2)组成：由刀库和刀具交换机构组成。3)形式：盘形刀库 链式刀库 格子箱刀库,4)三种典型换刀装置,（1）直接在刀库与主轴(或刀架)之间换刀的自动换刀装置（2）用机械手在刀库与主轴之间换刀的自动换刀装置（3）用机械手和转塔配合刀库进行换刀的自动换刀装置,40,（1）直接在刀库与主轴(或刀架)之间换刀的自动换刀装置,机床自动换刀过程,刀架快速右移 刀库下降 刀库回转 刀库上升 刀架带着新刀具离开刀库，快速移向加工位置,41,（2）用机械手和转塔配合刀库进行换刀,实质上这种自动换刀装置是转塔式换刀装置和刀库式换刀装置的结合。,由以上几种自动换刀装置可知，刀库的驱动方式一般采用液压和电气两种方式。小型刀库可直接由蜗杆蜗轮传动，大型刀库还需采用链条传动。,42,转位机构和定位机构设计,1 转位机构设计,常用的转位机构有以下几种：1）液压（或气动）驱动的活塞齿条齿轮转位机构2）圆柱凸轮步进式转位机构3）伺服电动驱动的刀架转位,43,调速范围大，缓冲制动容易，转位速度可调；运动平稳，结构尺寸较小，制造容易，因而应用较为广泛；转位角度的大小可由活塞杆上的限位挡块来调整；,液压驱动特点：,结构简单、速度可调，但运动不平稳，有冲击；结构尺寸大，驱动力小。,气动驱动特点：,应用场合：一般多用在非金属切削的自动化机械和自动线的转位机构中。,1）液压（或气动）驱动的活塞齿条齿轮转位机构,44,2）圆柱凸轮步进式转位机构,转位速度高、精度较低；运动特性可以自由设计选取；制造较为困难、成本较高、结构尺寸较大。,特点：,这种转位机构可以通过控制系统中的逻辑电路或PC程序来自动选择回转方向，以缩短转位辅助时间,应用：,45,3 伺服电动驱动的刀架转位,现代技术中，采用直流(或交流)伺服电动机驱动蜗杆、蜗轮(消除间隙)实现刀架转位，转位的速度和角位移均可通过半闭环反馈进行精确控制加以实现。,46,2 定位机构设计,由于圆柱销和斜面销定位时容易出现间隙，目前在刀架的定位机构中多采用锥销定位和端面齿盘定位。,1）端齿盘定位,端齿盘定位由两个齿形相同的端面齿盘相啮合而成,由于啮合时各个齿的误差相互抵偿，起着误差均化的作用，定位精度高。,齿型角一般有2等于90和60两种,47,48,2）端齿盘定位的特点,(1)定位精度高 研齿的齿盘其分度精度一般可达3左右，最高可达0.4以上，一对齿盘啮合时具有自动定心作用。,(2)重复定位精度高 出于多齿啮合相当于上下齿盘齿的反复磨合对研，越磨合精度越高，重复定位精度也越高。,(3)定位刚性好和承载能力大 两齿盘多齿啮合，由于齿盘齿部强度高，并且一般齿数啮合率不小于90，齿面啮合长度不小于60，定位刚性好，承载能力大。,49,6.3.8 链式刀库的构成,1 类型,图示为方形链式刀库的典型结构示意图,链式刀库是目前应用得最多的一种形式，由一个主动链轮带动装有刀套的链条。,常用的链条形式有,（1）带导向轮的SK04型链条,（2）HP型链条,50,（1）带导向轮的SK04型链条,51,（2）HP型链条,该链条是种套筒式链条，其辊子本身就是刀套。,选用时应确定刀柄号和拉钉种类、刀套间距、定位安装位置和刀套号标牌位置。,52,SK型悬挂式链条组成的链式刀库,53,HP型套筒式链条组成的链式刀库,54,2 刀库的准停与回零,刀套的准停问题将是影响换刀动作可靠性重要因素之一；为了确保刀套准确地停在换刀位置上，需要采取措施。,(1)定位盘准停由液压缸推动的定位销插入定位盘的定位槽内，以实现刀套的准停；(2)链式刀库要选用节距精度较高的套筒滚子链和链轮，而且在把刀套装在链条上时，要用专用夹具来定位，以保证刀套间距一致；(3)圆盘式刀库宜采用单头双导程蜗杆传动。(4)尽量减小刀套孔径和轴向尺寸的分散度，以保证刀柄槽在换刀位置上的轴向位置精度；(5)要消除反向间隙的影响。,