数控机床全自动夹紧系统的设计.doc

数控机床全自动夹紧系统得设计数控机床全自动夹紧系统的设计毕业设计（论文）任务书专业 数控 班级 姓名 一、课题名称： 数控机床全自动夹紧系统的设计 二、主要技术指标: 1、定位精度（0.02） 2、换装时间10秒 3、夹持力不小于200N 4、外形尺寸：500X400X100 三、工作内容和要求： 本项目从实现工艺装备自动化的途径液压传动技术工装结构出发，以机械制造中轴类零件的工装夹具的自动化夹紧系统设计为目标，研究如何能将工艺装备与数控加工设备柔和成一个整体，实现二者的互控互动，缩短工件的换装时间，提高数控机床的综合利用率。要求对夹具的机械部分从液压基本回路特点、类型和工作原理出发。 四、主要参考文献：_ 1、 2、 3、 4、 学 生（签名） 2011年 9 月25日 指 导 教师（签名） 年 月 日 教研室主任（签名） 年 月 日系 主 任（签名） 年 月 日毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目数控机床全自动夹紧系统的设计一、 选题的背景和意义：随着科学技术的巨大进步及社会生产力的迅速提高，夹具已经从一种辅助工具发展成为门类齐全的工艺装备了。现代机床夹具的发展方向，主要表现为高精度、高效率、柔性化和标准化等几个方面。近年来，数控机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统等技术的应用，对机床夹具提出新要求：1）能迅速而方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本。2）能装夹一组具有相似性特征的工件。3）适用与精密加工的高精度机床夹具。4）适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具。5）采用液压或气压夹紧的高效夹紧装置，以进一步提高劳动生产率。6）提高机床夹具的标准化程度。二、 课题研究的主要内容：本文从集液压的角度出发，研究设计数控机床自动夹紧系统，对数控机床与液压控制接口进行了研究，利用控制工艺装备中的夹紧装置实现装置的卡盘夹紧、刀架回转、尾套筒的伸出功能。1、夹具的设计。2、数控机床全自动夹具的机械与液压传动和控制系统的设计研究。3、夹具动作的实施。三、 主要研究（设计）方法论述：本设计主要是在对夹具的机械部分从结构和连接件、执行装置等方面进行设计，最终得到装配图。对夹紧系统的液压传动和控制部分进行分析设计，确定液压系统原理图，工作过程中各部件工作顺序。确定数控机床的液压传动的设计方案。1、上网或图书馆查找有关书籍资料。2、设计数控机床全自动夹紧系统的机械部分、液压传动与控制部分。3、运用所学软件绘制出所需图片等4、整理所有的、相关的资料，完成整体设计。四、设计（论文）进度安排：时间（迄止日期）工 作 内 容9.209.24收集、整理相关的资料9.259.30理清思路，确定总的设计方案，并撰写开题报告10.110.10 自动夹具的机械部分研究10.1110.19液压传动与控制部分的设计10.20设计中期检查10.2110.31液压夹具的设计11.111.3完成初稿，给老师检阅11.411.8完善初稿，使设计符合规范要求11.911.10完成设计，定稿11.20答辩五、指导教师意见： 指导教师签名： 年 月 日六、系部意见： 系主任签名： 年 月 日目录封面摘要（Abtract）.7引言9第 一 章 绪 论 1.1课题研究的背景及意义1.1.1研究背景及课题来源101.1.2数控加工工艺装备的研究意义111.2国内外工艺装备目前的发展情况1.2.1夹具的应用范围分类111.2.2夹具上的动力源分类141.2.3夹具的作用15第 二 章 数控机床自动夹紧系统的设计2.1全自动夹具设计方案的确定2.1.1设计目标分析.152.1.2夹具的设计172.2三爪卡盘液压系统2.2.1液压系统设计要求、工况分析262.2.2负载的组成和计算272.2.3液压系统的主要参数272.2.4拟定液压系统图282.2.5选择液压元件302.3数控机床其它液压系统2.3.1回转刀架动作312.3.2尾座套筒伸缩动作322.3.3电磁阀电磁铁动作332.4数控机床液压系统特点34第 三 章 现代机床夹具的发展方向3.1现代机床夹具发展34结束语 答谢词参考文献摘要 随着数控技术在机械零件加工中的飞速发展和日益及，数控机床及其工装的设计和制造在确保机械零件的生产质量和提高生产率、缩短新产品研究周期等方面越来越重要。数字化技术在机械零件加工与工装的设计与制造正向自动化、通用化、标准化、数字化方向快速发展。在数控机床高度发展的今天，机床液压电器控制程度越来越高，因此机床液压传动控制的地位于作用也日益重要。机床液压自动控制的发展与液压传动的发展紧密相连。本文从集液压的角度出发，研究设计数控机床自动夹紧系统，对数控机床与液压控制接口进行了研究，利用控制工艺装备中的夹紧装置实现装置的卡盘夹紧、刀架回转、尾套筒的伸出功能。针对某个轴类机械加工零件设计出全自动夹紧系统具体的机械部分机构、液压传动控制回路给出了相关部分的设计图。关键词：全自动夹紧；液压传动 AbstractAlong with numerical control technology in the mechanical parts processing of rapid development and the growing and, nc machine tools and tooling design and manufacturing in ensure machinery parts production quality and productivity, shorten the cycle of new product research in more and more important. Digital technology in machinery parts processing and tooling design and manufacturing positive automation, generalization, standardization, digital orientation rapid development. In the numerical control machine tool of a highly developed today, machine tool hydraulic electrical control degree more and more high, so the status of hydraulic drive control machine tools in effect are becoming increasingly important. The development of automatic control hydraulic machine and hydraulic transmission development are closely linkedThis paper, from the point of view of the hydraulic set, study design nc machine tools to be automatic clamping system, the numerical control machine and hydraulic control interface was studied, and the use of control process equipment clamping device to realize the chuck clamping device, knife, the tail of the sleeve turn out function.For a axis machining parts design automatic clamping system of specific mechanical parts of the institutions, hydraulic transmission control circuit presented related part of the design.Keywords: automatic clamping; Hydraulic transmission 引言毕业设计的过程，是我们对大学所学的知识重新回顾和总结，对所学各科知识综合运用，在进行设计过程中我们要理论联系实际我们即将走入社会，面对实际的生产活动，做好准备！夹具是机械加工过程中用以装夹工件的一种装置，其作用是在机械加工过程中使工件相对于机床或刀具有一个确定的位置，并在加工过程中保持这个位置的不变。夹具设计的目的是培养学生运用机械制造工艺学及有关课程的知识，结合生产实习中实践知识，独立地分析和解决工艺问题的工艺规程的能力。我们还能学会拟定夹具设计方案，完成夹具结构设计，提高结构设计能力。而且用到CAD绘图，对我们的能力提高很有帮助。液压传动是指用液体作为介质、借助于 液体的压力能量进行能量传递和控制的一种传动形式。利用各种元件组成不同功能的基本控制回路，若干基本控制回路在进过有机组合，就形成了具有一定控制机能的传动系统，它是液压机械的一个组成部分，其设计同主机的总体设计同时进行。着手设计时，必须从实际情况出发，有 机结合各种传动形式，充分发挥液压传动的特点，力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、效率高、操作简单、维修方便地液压传动系统。本次毕业设计的题目是“数控机床自动夹紧系统的设计”作为一个即将要从事机械行业的工作者，选择这一课题将为我自己今后的设计工作打下良好的基础。第 一 章 绪 论1.1课题研究的背景及意义1.1.1研究背景及课题来源 制造业是一个国家国民经济的支柱产业，一个国家的经济崛起在很大程度上取决于制造业的发展。制造技术是决定国家综合国力的关键技术之一。在各个国家的企业生产力的构成中，制造业的技术的作用大约占55%65%。美国政府在20世纪80年代开始进行大规模“21世纪制造企业战略”研究，不久提出“先进制造技术”发展目标，制定并实施了“先进制造技术计划（APT）”和“制造技术中心计划（MTC）”1991年白宫科学技术政策办公室发表“美国国家关键技术”报告，把制造技术列为六大技术领域的第二位。这些举措引发了美国、欧洲、日本在制造技术上新一轮的竞争，美国、日本、德国等国家的专家已将制造科、信息科学、材料科学和生物科学一起列为当今时代的四大支柱学科。我国在关于制定十一五规划的建议中明确指出“要加快发展先进制造业，装备制造业要依托重点工程提高重大技术装备的国产化水平，要加快从加工装配为主向自主研发制造延伸，按照产业集聚、规模发展和扩大国际合作的要求，大力发展信息、生物、新材料、新能源、航空航天等产业”，使我国从制造大国向制造强国迈进。制造技术是各国经济竞争的重要支柱之一，经济的成功在很大程度上得益于先进的制造技术，而机床是机械制造技术重要的载体，它标志着一个国家的生产能力和技术水平。机床工业是国民经济的一个重要先行部门，担负着为国民经济各部门提供现代化技术装备的任务，以1949年为例全世界基础的消费额达26.17亿美元。其中美国的消费额56亿美元、中国33.6亿美元，所以，在我国国民经济建设中，机床工业起着重要的作用。从17世纪中期帕斯卡提出静压传动原理，18世纪末英国制成第一台水压机算起，液压传动已有200 300年历史。第二次世界大战前后，成功的将液压传动装置用于舰艇炮塔转向器，其后出现了液压六角车床和磨床，一些通用技术机床到20世纪30年代才用上了液压传动。进30年来，原子能技术、航空航天技术、控制技术、材料技术、微电子技术的等学科的发展，再次将液压技术推向前进，使它发展成为包括传动、控制、检测在内的一门完成的自动化技术，在国民经济的各个部门都得到了应用，如工程机械、冶金、军工、农机、汽车、轻纺、船舶、石油、航空和机床等。采用液压传动的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要指标之一。该课题源于所学的液压与气压传动。针对数控机床在液压传动的应用而提出的自动夹紧系统的要求，作者与老师一起研究有关液压的自动夹紧系统。1.1.2数控加工工艺装备的研究意义 在机械零件加工中，数控加工占有很大的比例。数控工装是在零件数控加工中来确定零件与刀具、数控机床间相对位置的工艺装备，其结构相对简单，形式比较固定。在数控加工中，数控工装的选用和设计是制定加工工艺的基础，是机械零件生产的一个重要组成部分，在企业生产中发挥着举足轻重的作用。由于数控工装和制造资源在确保零件生产质量精度和提高生产效率中有着极高的重要性，制造企业都十分重视工装的设计、制造及管理。数控工装设计的好坏直接会影响零件的生产周期，也会直接影响生产精度，更会影响生产成本。1.2国内外工艺装备目前的发展情况随着时代的飞速发展，科技逐步飞跃，工业装备向着标准化、通用化、自动化、数字化方向发展。1.2.1夹具的应用范围分类1）通用夹具通用夹具是指在一般通用机床上所附有的一些使用性能较广泛的夹具，如车、磨床上的三爪和四爪卡盘、顶尖和鸡心夹头，铣、刨床上的平口钳、分度头和回转工作台等，它们在使用上具有很大的通用性，往往无需调整或稍加调整（包括配换个别零件）就可用于装夹不同的工件。这类夹具一般以具有标准化，并由专业工厂生产作为机床附件供用户使用。通用夹具主要用于单件和中小批生产、装夹形状比较简单和加工精度要求不太高的工件。 2）专用夹具专用夹具是指专门为某一种工件的某一工序设计的夹具。此类夹具一般不考虑通用性，以便使夹具设计的结构简单、紧凑、操作迅速和维修方便。专用夹具通常是由使用厂根据工件的加工要求自行设计与制造，生产准备周期较长，当生产的产品或零件工艺过程变更时，往往无法继续使用，故此类夹具只适用于在产品固定和工艺过程稳定的大批量生产中使用。 3）可调夹具可调夹具是针对通用夹具和专用夹具的缺陷而发展起来的一类新型夹具。对不同类型和尺寸的工件，只需调整或更换原来夹具上的个别定位元件和夹紧元件便可使用。它一般又分为通用可调夹具和成组夹具两种。通用可调夹具的通用范围大，适用性广，加工对象不太固定。成组夹具是专门为成组工艺中某组零件设计的，调整范围仅限于本组内的工件。可调夹具在多品种、小批量生产中得到广泛应用。 4）成组夹具 在生产中，有时由于加工批量较小，为每种零件都分别设计专用夹具很不经济，而使用通用夹具又往往不能满足加工精度和生产效率的要求，故而采用成组加工工艺，并根据组内的典型代表零件设计成组夹具。这类夹具在使用时，只需要对夹具上的部分定位、夹紧元件等进行调整或更换，就可用于组内不同工件的加工。这类夹具从外形上看，它和可调夹具不易区别。但它与可调夹具相比，具有使用对象明确、设计科学合理、结构紧凑、调整方便等优点。5）组合夹具 组合夹具时在夹具零、部件标准化的基础上发展起来的一种适应多品种、小批量生产的新型夹具。它是由一套结构和尺寸已经规格化、系列化的通用元件、合件和部件构成。它们包括：基础件、支撑件、定位件、导向件、压紧件、紧固件、辅助件、合件和部件等。标准的模块元件具有较高精度和耐磨性，可组装成各种夹具，夹具用毕即可拆卸，留待组装新的夹具。由于使用组合夹具可缩短生产准备周期，元件能重复多次使用，并具有可减少专用夹具数量等优点；因此组合夹具在单件、中小批多品种生产和数控加工中，是一种较经济的夹具。双臂曲柄钻孔夹具，即为有关元件组成的组合夹具的事例，6）自动线夹具自动线夹具一般分为两种：一种为固定式夹具，它与专用夹具相似；另一种为随行夹具，使用中夹具随着工件一起运动，并将工件沿着自动线从一个工位移至下一个工位进行加工。1.2.2夹具上的动力源分类1）手动夹具此类夹具是以操作工人手臂之力作为动力源，通过加紧机构夹紧工件。为了尽量减轻工人的操作强度和保证夹紧工件的可靠性，此类夹具的夹紧机构必须具有增力和自锁作用。手动就夹具一般采用结构简单的螺旋或偏心压板机构，制造方便，但使用时的工作效率低。2）气动夹具 此类夹具是用了压缩空气作为动力源，通过管道、气阀、气缸等元件，产生夹紧工件的加紧力。但需要较大的夹紧力时，常常在气缸和夹紧元件之间增设斜锲式，铰链式或杠杆式等扩力机构，因气动夹具的夹紧动作迅速、夹紧力稳定、操作方便，故在机械加工中得到广泛应用。 3）液压夹具 此类夹具是用压力油作为动力源，通过管道、液压阀、液压缸等元件，采用夹紧工件的夹紧力。液压夹具具有气动夹具的各种优点，而夹紧动作更为平稳。采用较高油压的液压夹具，一般不用增力机构即可直接夹紧工作，因而结构简单，体积较小。4）电动夹具 此类夹具是以电动机的扭力为动力源，通过减速器产生夹紧工件的夹紧力。此种夹具的传动部分常采用齿轮减速装置，显得结构比较复杂，加紧动作比气动和液压夹紧缓慢。5）磁力夹具 此类夹具是以电磁铁或永久磁铁产生的磁力作为动力源直接夹紧工件，一般多用于切削力较小的精加工，如车床上的电磁吸盘、平面磨床的磁力工作台等。6）真空夹具 此类夹具时利用真空泵或以压缩空气为动力源的抽气唧筒，使夹具的内腔产生真空，依靠四周大气的压力将工件压紧。此类夹具的夹紧力较小，一般适用于精加工本身刚度较低的工件，如磨削加工不导磁的薄形工件等。7）切削力和离心力夹具 这是一种不用专门动力装置的机动夹紧夹具。这类夹具，通常是利用机床的运动或切削加工过程中产生的离心力或切削力夹紧工件。1.2.3夹具的作用工件+夹具连接元件 机床 工件相对机床位置正确工件定位元件 夹具 保证了正确加工工件 工件相对刀具位置正确工件+夹具对刀、引导元件刀具1）保证工件的加工精度，稳定产品质量 2）提高劳动生产率和降低加工成本3）扩大机床工艺范围和改变机床用途4）改善工人劳动条件5）在流水线生产中便于平衡生产节拍6）减少生产准备时间，缩短新产品试制周期第二章 数控机床全自动夹紧系统的设计2.1全自动夹具设计方案的确定2.1.1设计目标分析图2.1零件结构图图2.1所示零件被加工部位为长方形铸件。按传统加工方案，夹具为常规固定铣切夹具，加工中需要对夹具 进行安装位置调整。从时间上来看，机床实际切削时间只占整个过程的不足60%，其余都在等待，其中零件的装夹 过程最为耗时。装夹不当既会影响加工质量，又能破坏机床性能。造成这种状况的直接原因是夹具结构的原始、落后。目前我们的机床夹具基本上还是停留在原始的机械式手工安装、夹紧工件的方式上，不但操作工人的劳动强度大、还造成准备工时时间过长，直接影响到产品的研制周期，并降低了数控机床的使用效率。考虑该零件需要大批量生产，并且为了节约成本与时间，我们可以设计出专用夹具。该零件的毛坯为铸件，材料QT600，由于其外形为长方形，在车床上不容易装夹，故在大批量生产过程中设计夹具采用高效、省力的夹具结构。在研究中，对比气动夹具和液压夹具的优缺点，液压夹紧系统有气动夹紧系统的各种优点，而夹紧动作更为平稳。故在数控机床全自动夹紧系统中采用了液压 控制夹紧动作，这是由于零件的切削加工要求精度高、切削力大等原因，对装置夹紧力的要求十分严格。2.1.2夹具的设计图2.2夹具体零件图1）定位基准的选择与定位元件的决定 定位基本原理：（1）工件在夹具中定位可以归结为在空间直角坐标系中，用定位元件限制工件自由度的方法。（2）工件定位时，应该限制的自由度数目主要由工件工序加工要求确定。（3）一般情况下，工件定位所需限制 自由度的数目6个。(4）各定位元件限制的自由度原则上不允许重复或干涉。(5）限制理论上应该限制的自由度，使一批工件定位位置一致。铣槽定位分析：（1）分析满足加工需求必须限制的自由度，也称理论上应该限制的自由度，简称理限。保证槽的上下位置要求：必须限制 X的转动、Y的转动、Z的移动。保证槽的左右位置要求：必须限制X的移动、Y的转动、Z的转动。 槽宽由定尺寸刀具保证。综合要求：必须限制X的转动、X的移动、Y的转动、Z的转动、Z的移动五个自由度。（2）用“定位元件”限制理论上应该限制的自由度在与机床工作台面平行的平面上“合理”布置三个支撑钉与工件底面接触，限制了X的转动、Y的转动、Z的移动三个自由度，在与机床仅给方向平行的平面上“合理”布置两个支撑钉与工件侧面接触，限制了X的移动、Z的转动两个自由度。综合结果：限制了X的转动、X的移动、Y的转动、Z的转动、Z的移动五个自由度。工件定位分为4种情况：（1）完全定位，工件的6个自由度全部被限制的定位;（2）不完全定位，工件部分自由度被限制的定位;（3）欠定位，工件定位时，应该限制的自由度没有被完全限制的定位; （4）过定位，工件定位时，几个定位元件重复限制工件同一个自由度的定位。常见定位元件限制工件自由度定位基准定位元件限制的自由度大平面支承钉Z的移动、X的转动、Y的转动支承板长圆柱面固定式V形块X的移动、Z的移动、X的转动、Z的转动固定式长套心轴长圆柱面三爪自动卡盘X的移动、Z的移动、X的转动、Z的转动长圆锥面圆锥心轴X的移动、Y的移动、Z的移动、X的转动、Z的转动两中心孔固定顶尖X的移动、Y的移动、Z的移动活动顶尖Y的转动、Z的转动短外圆与中心孔三爪自动卡盘Y的移动、Z的移动、活动顶尖Y的转动、Z的转动大平面与两外圆弧面支承板Y的移动、X的转动、Z的转动短 固定V形块X的移动、Z的移动、短 活动V形块Y的转动大平面与两圆柱孔支承板Y的移动、X的转动、Z的转动短圆柱销X的移动、Z的移动短菱形销Y的转动长圆柱孔与其它心轴X的移动、Z的移动、X的转动、Z的转动挡销Y的转动大平面与短锥孔支承板Z的移动活动锥销X的转动Y的转动由于常见的定位元件无法很好的限制该工件的自由度，故根据工件的形状与加工要求重新设计了一个专用夹具。为保证孔66 0.25的轴心线和上下平面垂直，故选用上平面做定位基准，定位元件选用夹具的长方体四个侧平面限制工件Z的转动、 Y的转动、Z的移动、Y的移动四个自由度，长方体的底平面限制了X的移动一个自由度。 每批铸件的尺寸可能有变化，所以采用两个螺钉作为可调支撑 ，并根据毛坯尺寸的变化加以调整，并保证74.42的中心。2）夹紧装置的确定 夹紧力的方向应指向，圆柱的中心线上，夹紧力的作用点落在，长方体四个侧面上。3）夹具结构的拟定 本设计的夹具采用整体铸造，可以增加刚性，加剧体结构也不复杂。将夹具体圆柱内孔车削完，在加工中心上，铣削出长方体槽，在钻床上打孔，然后转移到线切割机床上，按照给定的基准面切割成3块。 （沿着水平线线切割）（沿着120度线切割）（沿着120度线切割） 所有都准备好后，将夹具和三爪卡盘整体焊接在一起，重新放到数控车床上去便于加工零件，增加稳定性。（液压卡盘）2.2三爪卡盘液压系统随着机电技术的不断发展，特别是数控技术的飞速发展，机床设备的自动化程度和精度越来越高。尤其是适合于电控的液压与气动技术得到了充分应用。无论是一般数控机床还是加工中心，液压与气动都是其有效的传动与控制方式。 数控车床主要是用来加工轴类或盘类的回转体零件。 数控车床的工作过程主要包括卡盘夹紧与松开、卡盘夹紧力的高低压转换、回转刀架的松开与夹紧、刀架盘的正反转、尾座套筒的伸出与退回等，这些动作都是由液压系统驱动的。液压系统中各电磁电的动作由数控系统得PLC控制实现的。2.2.1液压系统设计要求、工况分析数控车床的三爪卡盘，其工况要求如下：（1） 工作性能和动作循环数控车床加工铸铁的方形零件的外圆，工作循环为夹紧、松开、高速旋转、低速旋转。（2） 动力和运动参数轴向最大切削力12000N，三爪卡盘重力20000N，工作进给速度要求在0.3310-32010-3m/s无极调节，夹紧松开的速度均为V1=0.1m/s.静、动摩擦因数为us=0.2，ud=0.1；旋转运动的加速、减速时间为0.2s；（3） 自动化程度采用液压系统，实现工作自动循环。2.2.2负载的组成和计算（1） 工作载荷Fg切削阻力为已知 Fg=12000N(2)导轨的摩擦载荷Ff 静摩擦阻力：Ffs=usG=0.220000=4000N 动摩擦阻力：Ffd=udG=0.120000=2000N(3)惯性载荷三爪卡盘高速旋转时间的惯性阻力Fa。三爪卡盘启动加速、反向加速和减速制动的加速度相等，v=0.1m/s，t=0.2s，故惯性载荷为 Fa=（G/g）（v/t）=(20000/9.8)(0.1/0.2)=1020N关于液压缸内部密封装置摩擦阻力的影响，计入液压缸的机械效率中。2.2.3液压系统的主要参数（1）初选液压缸工作压力液压缸工作压力主要根据运动循环各阶段中的最大负载力来确定，此外还需要考虑以下因数1） 各设备的不同特点和使用场合。2） 考虑经济和质量因素，压力选的低，则元件尺寸大，质量大；压力选的高一些，则元件尺寸小，质量小，但对元件的制造精度，密封性能要求高。所有，液压缸的工作压力的选择有两种方式：一是根据机械类型选择；而是根据切削负载选择。关于组合机床液压系统的工作压力，一般为（3050）x105Pa，初选液压缸工作压力p1=40 x105Pa，液压缸回油腔应有背压，设背压p2=6 x105Pa，假定回油压力损失为p=5 x105Pa。根据工况要求和三爪卡盘的结果要求，为减少液压泵的供油量，