1、第第7 7章机械制造的物料流装置章机械制造的物料流装置7.1工件储运装置工件储运装置 7.2刀具自动更换装置刀具自动更换装置 7.3自动排屑装置自动排屑装置思考与练习题思考与练习题 7.17.1工件储运装置工件储运装置7.1.17.1.1物料储存装置物料储存装置物料储备装置系统主要包括供给正常生产物料的仓储系统和在自动线个别环节或设备发生故障时解决燃眉之急用的线上自动储料装置系统两个部分。对于仓储系统,本节只介绍仓储系统中的与FMS或CIMS等机电一体化系统中非常重要的自动立体仓库装置。1.1.自动立体仓库自动立体仓库自动立体仓库是应现代化、自动化生产和管理信息化的要求应运而生的。与传统仓库相
2、比,能更有效地利用空间,使物品堆放向空中立体发展;配备有完善的计算机管理系统并具自动控制物品的存取、搬运功能,能优化物品的储存数量,保持最佳的库存量,既减少资金积压又能使生产正常进行;减少搬运配料人员和仓储管理人员。如图71所示是一巷道式立体仓库局部简图。图图71巷道式立体仓库巷道式立体仓库(1)总体布局。如图72所示是常见的巷道式自动立体仓库平面布局形式。图72巷道式自动立体仓库平面布局形式(2)高层货架。在保证货架结构刚度、强度、稳定性的基本要求下,有的高层货架还要求结构单元自身可调整组合,以适应产品结构发生变换时对货架进行优化排布,即自动立体仓库自身具有一定的柔性组合特点。高层货架是自动
3、立体仓库的基础结构和物品储存支架,同时还是其他元件的支撑件或载体,如定位元件、地址编码、通讯线缆、空中轨道等,其货架单元常由结构钢,如槽钢、工字钢、圆钢等通过焊、铆、螺栓连接等方式制成。(3)自动立体仓库的计算机管理系统。其主要职能有:入库管理、出库管理和库存数据统计管理。入库管理:记录并刷新入库物品的名称、编码、数量、来源地、日期、质量等级及重要度等信息,并进入相关数据库。另一方面,发出指令控制仓储机械设备将物品搬运到应到达的仓位。出库管理:根据出库提货清单,核实出货权限,指令自动仓储机械设备执行出货指令,刷新在库品数量等数据信息。库存数据统计管理:结合生产状况,反映准确的在库物品信息(如B
4、.O.M清单),为生产计划、供应系统提供多方决策的数据信息,对仓库自身的库存结构和库存量等进行优化。(4)堆跺机。如图73所示的双柱式堆跺机是一种可在自动立体仓库高层货架巷道轨道上穿梭行走,并堆高层货架的物料仓位存取物品的专用起重设备。为刚性起见,通常采用框架结构。堆跺机通常由行走机构、升降机构、货台与装卸托盘、框架、导向机构、控制系统和安全保护装置等组成。堆跺机一般由专业单位进行设计制造,鉴于其机构上“瘦高”的特点,其设计重点考虑以下几点:图73巷道堆跺机结构简图(a)单立柱式；(b)双立柱式 2.2.线上自动储备装置线上自动储备装置正如农民修建蓄水池储水以防天旱年间延误农作生产一样,线上自
5、动储备装置是为防止自动生产线中某台或某加工单元设备出现故障而影响后续工序的正常工作或全线停产。线上自动储备装置起到蓄水池的作用,它可缓冲生产线上个别故障造成的全局性损失,或者调节正常生产线上因节拍差异而造成的“桶板效应”(指一个桶的容量取决于最低那块板所确定的桶的容积,生产线上指整个线上的节拍取决于最慢节拍的机床或工序)。线上自动储备装置在生产正常或节拍一致时几乎不发挥作用,它并非是一个常规概念的仓库,其设计原理类似于一条九经曲折的江河,在同样的距离上迂回曲折使路径增长而增大水的储备量。设计上有两种思路:动态式和静态式。1)动态式线上自动储备装置指上工序来的每一个零件都经过此储备装置,而按顺序
6、地进入下工序,只是在此装置上动态地积累有较多的可流入下工序的零部件数而已。通常安装在易于发生故障的设备或工序之后端,起到缓冲调剂作用,留出设备修理时间,减少后续连锁停机损失。如图74所示。图74动态式线上自动储料装置 2)静态式线上自动储备装置此储备装置一直静态地存放有一定数目的上工序而来的零部件。正常时,上工序而来的零部件不经过此装置而直接进入下工序,仅当上工序设备发生停机故障时本装置才投入运行,释放库存应急,故障解除后,上工序设备须加班补充本库存,如图75所示。当然,这种静态也是相对而言的,为防止库存太久产生生锈等原因,有时须人为地或自动线设计要求定期释放更新库存。图75静态式线上自动储料
7、装置 7.1.27.1.2工件输送装置工件输送装置物流系统中的输送系统内容较丰富,输送任务主要指工件毛坯、成品、半成品等零部件等的输送,还包括刀、夹、量、辅具等的输送。按不同的分类有不同的输送类型:按输送行程的轨迹路径可分为:直线输送和环形输送。按工件与机床间的位置关系可分为:内通式输送和旁通式输送。按输送时间节拍可分为:同步输送和非同步输送。按物料形态可分为:固体输送、液体输送和气体输送。1.1.随行夹具输送与返回装置随行夹具输送与返回装置托盘和随行夹具在自动生产线和装配线上应用较多,采用托盘或随行夹具可减少工件的装夹工作,并易于将工件准确输送到预定位置或工位。由于随行夹具和托盘都是循环使用
8、,因而在输送设计上需考虑其返回装置。根据生产现场布局,其结构上可有三种方式供选用,见表71。在上方和下方返回的两种结构中,设计有升降装置或回转鼓轮,使随行夹具完成升降动作而回到初始位置以备调用。表71随行夹具输送与返回装置的布局形式 方式 图 列 特 点 a.上 方 返 回 立体布局，结构紧凑，占地少，清洗、维修不方便，不易观察夹具 b.下 方 返 回 立体布局，结构紧凑，占地少，排屑布局困难 c.水 平 返 回 占地面积多，结构简单，清理和观察夹具方便 1-输送带 2-下降装置 3-辊道 4-提升装置 5-随行夹具 1-上升液压缸 2-前升降台 3-主输送带 4-后升降台 5-后上升液压缸
9、6-返回输送带 7-传动装置 8-机床底座 1、6-横向返回带 2-清洗机 3、5、7-传动装置 4-纵返装置 8-主输送带 2.2.自动输送小车自动输送小车自动输送小车是机电一体化生产系统中十分重要的输送设备,在当前的生产实际应用中,主要有有轨自动小车(RGV)和无轨自动小车(AGV也叫自动导向小车),而自动输送小车自身就是技术含量高的机电一体化产品,一般都需专业厂家设计制造并结合车间现场进行施工来完成。(1)有轨自动小车。以直线输送应用为主,行进中沿地面铺设的轨道输送物料。有轨自动小车运行系统通常包括:轨道、动力与控制电缆、RGV小车(车身、减速与制动装置、识址与定位装置、安全保护与报警装
10、置、控制装置)托盘交换与定位装置等。轨道一般为轻型导轨,可设计为水平、垂直、斜坡等布局形式。根据需要有的导轨还可悬架在空中,使小车成为吊挂车形式,减少工作噪声、节约占地,并利于现场打扫工作。有轨系统具有控制系统相对简单,造价低,但柔性差,一经铺就,路线不易改变,工作噪声大,占地多,清洁困难等缺点。(2)无轨自动小车(AGV)。AGV具有较好的柔性和灵活性,运行无噪声,占地少等优点。如图76所示,AGV系统由随行夹具或托盘交换装置、液压升降装置、驱动行走与变速装置、动力及控制电源、地面轨迹制导设施等组成。AGV动力源一般采用一次充电能用8小时左右的蓄电池。与RGV相比,其行走轨迹制导系统比较复杂
11、,制导方式有:电磁感应制导、光学制导、激光制导、红外线制导、磁力制导和摄像跟踪制导等。图76AGV结构图 3.3.带式输送装置带式输送装置带式输送装置常用于散料或不定形小件的直线长距离输送工作中,其系统构成见图77,由输送带、托带辊、张紧轮、驱动滚筒、驱动电机、减速机构等组成,其每个组件部分设计选择可参考机械零件设计手册、机械设计手册等,此处主要介绍其托带辊的组合结构形式及带的调偏原理。图77带传输系统图 设置托带辊是为了分担输送带的承载,防止输送带下垂干涉,以及带被物料重力拉长而张紧不足降低传载能力。托带辊一般是通过轴承而空套在芯棒上,随着输送带的行进而摩擦滚动回转。根据物料种类、形态、尺寸
12、等来设计托带辊的结构形式和排布的疏密度。如图78所示,布局结构形式主要有:平行托带辊、V形托带辊和槽形托带辊三类。调心托带辊可防止输送带朝一个方向跑偏,在平带传动中,带跑偏方向总是朝着承受张力最大处移动,图79是其调偏原理,若带朝左立辊1上跑偏,证明此方向处的张紧力过大,而立辊1被带的摩擦力带动使得托架2绕轴3转动一个角度,此处的张紧力变小,从而使带制导返回,达到自动调偏目的。图78托带辊的结构形式(a)平行上托带辊；(b)平行下托带辊;(c)V形托带辊；(d)上调心托带辊;(e)下调心托带辊;(f)V形调心托带辊 图79调偏原理示意图 4.4.链式输送装置链式输送装置链条在输送装置中有两种功
13、用:一是作为物料的承载体;二是动力牵引元件,如在悬挂链输送中的功用。本小节的链式输送装置中,链条作为承载体用,其系统见图710,由电动机、三角带轮、三角带、齿轮减速器、链轮和链条组成。根据工件形态、尺寸材料等,输送链条可有多种选择,见图711。其中片式套筒链应用最为常见,链条输送物料既可是直接带动物料(如履带链背面可直接堆放物料),也可带动料架、料斗等附属装置。为防止物料、附件掉落,平行于链的两侧常设有导向板装置。图710链条作为承载体输送装置 图711输送链条的形式(a)弯片链；(b)片式套筒链；(c)焊接链；(d)可拆链;(e)履带链;(f)齿形链 5.5.辊道输送装置辊道输送装置辊道输送
14、是最为简单的物料输送装置,且成本低廉,它靠物料与辊子外圆面的摩擦力完成输送工作。常见的三种方式见图712,(a)为靠重力的分力使物料自动从高端流向低端。(b)为料顶料式输送,为水平布置,机械手或机器人在摆放物料时的水平推动使物料一个接一个地顺次推动到下一位置。(c)为外动力驱动辊子,使工件从初端到末端,适合于箱体件、托盘、板材等输送。动力自动辊道输送装置再配合其他辅助装置可使物料实现转弯、换向、分流等输送,见图713。图712辊道传输的形式 图713自动输送辊道的辅助装置(a)升降机；(b)弯轨；(c)回转装置;(d)直角移载；(e)直角移载 6.6.悬挂链输送装置系统悬挂链输送装置系统悬挂链
15、输送系统具有节约占地,布局灵活,转向方便,传输可靠,易于实施等优点而得以广泛应用,如塑料件的涂装作业、车架焊接作业、汽车装配等。如图714所示,是一涂装生产的悬挂链系统,悬挂链输送系统主要由架空轨道、牵引链条系统、驱动装置、张紧装置、转向装置、滑架滚轮和各种挂具等组成。图714悬挂链输送系统(1)滑架、滚轮结构。目前的生产应用中常用两种滑架:提拉式滑架和推拨式滑架,分别见图715和图716。提拉式滑架结构简单，投资少,是一种同步传输装置,适合于无特别要求的生产作业。物料随挂具挂在滑架上,滑架在链条的牵引下在架空轨道里行进,将物料送到目的地。推拨式滑架的牵引链与滑架体不固定连接,其传动靠链上的推
16、头拨动滑架体而行进,由于滑架体可与牵引链脱扣使得物料可以传输到不同的悬挂链上并接轨,实现复杂的输送和非同步输送。图715提拉式滑道 图716推拨式滑道(2)挂具的选用。挂具的结构形式、尺寸规格取决于物料的种类、形状、尺寸等因素,其基本要求是物料不掉落和方便装卸,常用的挂具如图717所示。也可自行设计适合现场生产的特殊挂具。图717悬挂链用各种挂具 7.1.37.1.3物料供给适配装置物料供给适配装置1.1.模块化组合机床主轴箱调用模块化组合机床主轴箱调用人们知道,加工中心刀具可换,具有灵活性大,通用性好,适应面广,加工类型和工艺方法多,但由于其每把刀的更换需要时间,因而对某些零件(如汽车发动机
17、箱体件加工)的综合加工效率较低,不适应批量生产,一般用于小批量多品种的模具制造等行业。而多刀组合机床能做到多把刀具,有的达数十把刀具同时工作,具有很高的效率,并较好地保证加工的一致性。但在品种更换或产品结构更新改变时,却有点无能为力而可能闲置。集加工中心可换刀具和多轴组合机床高效率的双重特点的模块组合机床应运而生,它是将多轴组合主轴箱设计成可换模块,相当于加工中心的“一把”刀具而可以更换,而且每个模块又相当于一台单面组合机床。模块与单台的组合机床相比,成本很低,更换方便,管理调度容易。所以,模块化组合机床具有效率高,适应性广,占地少等优点。图718是一台具有8个可换主轴箱模块的中型模块组合机床
18、,可同时完成工件四面的粗精钻、镗、铰、攻丝、锪等工作,每个模块的调用与分度工作台回转和后退配合进行。模块的调用和工作台的动作全由程序自动控制进行。工件品种变换时,只需装备相应的模块设计与制造工作。图718模块组合机结构与布局图719带翻转装置的卧式可换箱组合机床 1)主轴箱的定位换箱机床中主轴箱的定位精度是保证加工精度的重要因素,通常定位精度应在0.01mm以内。主轴箱的定位方式通常采用“一面两销”定位,其中两销可以是“圆柱销-菱形销”、“两个圆柱销”或“两个圆锥销”。从定位原则讲,采用两个圆柱销或两个圆锥销定位都属于过定位状态。为减少过定位的干涉,要求严格的加工精度或者使一个销套可以径向浮动
19、,浮动量为0.1mm。此外,也可用“两面一销”定位(见图720),其中一个面用动力箱的前端面,且为主基面,第二基面用两个定位支承块组成,且与主基面相垂直,以伸缩定位销的平面限制主轴箱的横向(X向)不定度。伸缩定位销前端制成一个斜面和一个平面。图720两面一销定位方法 2)主轴箱的夹紧如图721所示,由夹紧液压缸4带动r形压板将主轴箱与动力箱定位并压紧。图721主轴箱的夹紧 3)主轴箱的输送输送装置有液压缸滑台推送装置、输送车、机械手和链条等。图722所示的是链条式传送装置,主轴箱支承在圆导轨6上,利用链条2输送主轴箱。图722主轴箱的输送 2.2.工件自动供给装置工件自动供给装置(自动上料机构
20、自动上料机构)自动化加工或装配生产线的自动化程度及运行的好坏很大程度上取决于工件自动上下料装置的设计与选择。因为加工、装配中约三分之一的费用,三分之二的工时都集中在此装置相关的工序上。大批量生产中,为减少重复而繁重的体力作业,降低劳动强度,提高生产效率,保证产品质量及其一致性,保障生产安全,要求提高上下料的自动化程度是十分有意义的。由于自动上料和自动定位加工后的工件已有比较准确的位置和尺寸,所以,自动下料比较容易实现,一般采用推杆、推板或机械手即可,此处不作介绍。1）一台供料器供给一台加工设备或装配工序：供料器 隔离器 上料器 加工/装配设备 2）一台供料器供给多台加工设备或装配工序 A 加工
21、/装配设备 供料器 隔离器 上料器 分路器 B 加工/装配设备 C加工/装配设备 3）多台供料器供给一台加工设备或装配工序 供料器 A 供料器 B 合路机构 隔离器 上料机构 加工/装配设备 供料器 C 下面介绍各设备的作用及其特点。1)供料器作用是一方面储存工件毛坯,另一方面,在自动加工或装配工序源源不断地自动提供工件。通常分为料仓式供料器和料斗式供料器两大类。两类的根本区别在于工件在供料器中能否完成自动定向的功能。料仓式不能完成自动定向,工件需人工或专用定向器来实现定向排布,适用于难以自动定向排列的工件;料斗式自带定向器可以工件自动定向,用于定向排列性好、质量小的工件,见表72,料仓式还分
22、为自重式送进合外力强制送进两种方式。表中提供了供料器的众多结构形式,其详尽的结构设计可参考机械工程设计手册。表72供料器种类和结构形式 自重式送进 料仓式 外力强制送进 表72供料器种类和结构形式 料斗式 2)定向器见图723,对于形状复杂而又不能在料斗中自动定向的工件需在输料槽中进行再次定向,料仓中工件若非人工定向排列,也需专门的定向器对工件定向,因而定向器的设计选择也是十分重要的环节,有的定向器客观上还具有剔除器功能。图723各种定向器结构形式 3)隔离器定向排列好的工件送料经常是连续送进和不等节拍的非同步送进,但往往需要逐个或成组隔离而送往加工区;隔离器设计考虑两个方面:一是根据工件形状
23、、材质、表面状况等决定隔离器的选择,二是考虑隔离器工作节拍与相关工序的节拍一致性问题,隔离器往往与送料器设计在一起,一般由往复运动、摆动、旋转等来实现隔离,常见机构见图724。图724各种隔离器 4)分路器将来自一路的工件分成两路以上行进,有的场合必须设置分路器,如供料器供给能力大,足以供给两台以上的设备或装配工序;从生产能力大的工序向生产能力小的工序传送;自动检测工序中,将不合格件剔除等。图725是分路器结构。图725分路器的结构 5)合路器自动化生产中,有时需对数台加工设备完成的同一种工件进行统计、检验;或者由数台供料器向同一台加工设备供料时,都需要对工件进行集中汇集。合路后必须保持工件定
24、向一致。见图726。图726合路器的结构 6)输料槽结构工件从供料器到达上料器或上工序加工完毕后到达下工序途中都必须由输料槽来支撑和保持定向。其结构设计主要取决于工件形状、尺寸、重量等。工件在槽中运动一是平移滑动,要考虑其耐磨性;二是滚动,要考虑其摩擦系数足够大。有的输料槽还带有减速装置。常见结构形式见图727。图727输料槽的基本结构 7)上料机构将已定向排布好的工件装入夹具并定位由上料机构完成,上料过程与零件的装配在某种程度上十分相似。上料机构的设计主要根据工件形状、尺寸、重量、材料性质等与夹具配合选择,其中上料杆(元件)的选择设计是最重要的,主要有:顶杆式、弹性销、磁性元件、摩擦式、真空
25、吸附和机械手等。图728所示的是具有指形压板的L形摇杆式上料机构,适用于空间上不允许使用滑板顶杆式上料机构的场合。L形摇杆2的圆弧段A用于隔离工件,指形压板3的开闭即可利用工件的重量,也可采用强制的方法,如设置开闭挡块。图728摇杆式上料机构 图729摇杆与弹性销上料机构 图730真空吸盘式薄板材上料机构 图731自动拧紧螺母机构 图732所示为机械手式上料机构。当机械手4抓取到工件后,将从图示双点画线位置按(1)至(6)的顺序把工件装入分度转台6上的夹具7中。机械手4的上下运动与摆动可用凸轮或气缸分别驱动。若工件有中心通孔,机械手4的夹持部分5可采用弹性销等,否则采用真空吸头为好。图732机
26、械手式上料机构 图733所示为连续带材的步进上料机构。上料体1的内腔有一斜面A,并装有滚柱2,滚柱压块3及弹簧4。当曲柄轮5通过连杆6、摇杆7驱动上料体1向右运动时,由于滚柱2在弹簧4的作用下由右向左运动的趋势,于是便被楔紧在斜面A和带材8之间,使带材8也随上料体1一起向右移动,完成上料动作。当上料体1向左运动时,因滚柱2与斜面A脱离了接触不能再夹紧带材8,故此时带材8静止不动,于是上料体1完成空程复位。图733连续带材步进上料机构 图734所示为棒料的上料机构。上料动作顺序如图左侧图线所示:(1)至(2)为接取棒料,(3)至(4)为向固定承料架6上料,(5)为回程。送料架2的往复运动可用气缸
27、驱动,其绕销轴3的上下摆动由摇爪4及靠模5提供。在料道1的上部应设置隔离机构,以使棒料逐个地落入送料架2的槽口。送料架2的端部应具有图示的斜面,以使其回程时能顺利地从被夹紧的棒料下方退出。图734棒料的上料机构 3.3.上上(下下)料机械手料机械手工业机械手是一种能模拟人手功能,按给定程序、轨迹和要求实现抓取、摆放、搬运工件、更换刀具或操纵工具的机械化自动化装置。通常由执行机构、驱动机构和控制系统组成,若加上行走机构,则通常称为机器人。执行机构包括手部、腕部、臂部、机身或机座等。其中手部直接与工件或工具接触,完成夹紧、吸附、托持与松开等功能,是机械手的关键元件,手部通常包括手指(卡爪)、传力机
28、构和驱动元件。有的机械手机构十分复杂,如图735所示。这是一个有十多个自由度的仿人手手爪。有的机械手还带有传感器,检测其工作相关信号,可实现反馈闭环控制。图735仿人手机械手手爪结构 机械手机构形式取决于工件和使用要求,按不同分类标准有如下几种:按夹持动作分类:回转型、移动型、回转或移动多指式及其他类型;按驱动元件分:液压、气动和电动;按传力机构分:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式、凸轮杠杆式;按夹持工件方式分:手指式(外爪、内卡)、吸盘式(电磁真空负压吸盘、挤压排气吸盘)和其他形式(托持、勺式、钩式、张紧式)。本节以第一种分类形式分别予以介绍。1)回转型机械手图73
29、6所示为两个气缸并联驱动手指开闭的回转型机械手。气缸3、4的活塞杆均固定在支承座2上,气缸体与U形板5相铰接。当气缸3、4的缸体同步向左或向右移动时,U型板5通过连杆7带动两手指8闭合或张开。图736回转型机械手 2)移动型机械手图737所示为移动型机械手。连杆4的一端铰接在摆杆5的中点,另一端与固定支板2相连,连接杆3、摆杆5、6及手指7组成平行四边形机构。油缸1、连接块3、连杆4、及摆杆5又构成ScottRussel机构。当连接块3作直线运动时,销轴8、9的连线始终平行于连接块3的运动方向。从而,当油缸1的活塞杆伸出或缩回时,两手指7将平行地作对向直线运动,实现闭合或张开。图737移动型机
30、械手 3)多指式机械手图738所示为回转型多指式机械手。电动机2通过链条或传动带3、蜗杆4及涡轮5、驱动螺杆6转动,螺杆6又通过两齿轮8把运动传递给螺杆9;安装在螺杆6左、右螺旋段上的两螺母7分别带动杠杆12绕支点摆动,使上下两卡爪14平行移动,闭合或张开;与此同时,螺杆9上的螺母7带动L型摆杆10摆动,L型摆杆10又拨动中间卡爪14,使之沿导轨11左右运动,与上下两卡爪一起夹紧或松开工件。图738回转型多指式机械手 图739移动型多指式机械手 4)其他类型机械手图740所示的是利用电磁吸盘吸附工件的机械手。电磁吸盘5由永久磁铁和线圈组成,通电时为消磁,即松开工件;断电时为励磁,即吸附工件,可
31、避免因故障停电而使工件脱落。当工件较大采用两个以上的电磁吸盘时,电磁吸盘的支承部应具有上下浮动和摆动的功能,以防止工件弯曲造成吸附不良。图740电磁吸盘式机械手 图741所示的是利用手臂的运动使手指闭合将工件夹紧的机械手。手指7处于常开状态,如图中的下侧手指所指的位置。当手臂1向右运动,板簧9碰到工件12后,由于工件12对手指7的反作用力,手指7将绕销轴11转动,同时其左端的滚子8沿着杠杆6的右端面滚动,待滚子8落入杠杆6上的圆弧槽A后,手指7便停止转动而将工件12夹紧,如图中的上侧手指所处的位置。手指7对工件12的夹紧驱动力由压缩弹簧5产生,板簧9起缓冲作用。松开工件时,楔杆3在气缸或电磁铁
32、2的带动下向左运动,其斜面迫使杠杆6摆动而与手指7脱钩,手指7在扭簧10的作用下张开复位。图741配合运动式机械手 在设计机械手手部机构时,必须事先确认工件环境条件、作业要求等因素和机械手综合性能要求。工件因素:形状、局部形状、尺寸、重量、材质特性、稳定性和特殊性;环境因素:工件分布、工件放置状态、位置和姿势、操作空间、高低温、特殊介质、电/磁场;作业要求:工件批量、工件尺寸形状变化及通用性;抓取摆放方式;设计中主要考虑问题有:(1)足够的夹持或吸附力;(2)适当的开闭空间;(3)定位准确度;(4)刚度、强度和耐磨性;(5)结构紧凑与重心分布;(6)联结的方便性;(7)驱动与传力机构适配选取设
33、计;(8)通用性与专用性;(9)检测元件与联锁保护等;(10)工作节拍与速度。7.2刀具自动更换装置刀具自动更换装置7.2.17.2.1刀具自动更换装置类型刀具自动更换装置类型1.1.转塔刀架转位自动换刀装置转塔刀架转位自动换刀装置早期的钻削加工中心采用转塔头刀架回转式的换刀方式(见图742)。这种装置通常没有独立专门的刀库,多个刀具主轴均布在转塔上,通过转塔头分度转位实现刀具更换,一般为顺序换刀。转塔头与主电动机和变速箱可做成一个整体部件,共同沿机床导轨运动,这种结构较紧凑,但移动部件较重;也可把主电动机和变速箱固定在机床上,只有转塔头沿机床导轨运动,使移动部件较轻,且振动及热量不传到转塔头
34、中。转塔头式自动换刀装置,由于转塔头结构受限制,刚度较低,而且每把刀具都需要一个主轴,刀具数目受限,一般不超过10把。钻塔式既可实现单刀更换,还可实现多轴组合头更换，如图743所示。如今,转塔回转刀架更多的用于数控车床上,如图744所示。图742转塔换刀立式加工中心 图743转搭换刀多轴头立式加工中心 图744转塔换刀卧式数控车床 2.2.刀库换刀刀库换刀1)直接换刀刀库中刀具的轴线方向与主轴轴线平行,不需换刀机械手,换刀动作由刀库与机床主轴的相对运动(回转、移动)实现,结构简单,换刀可靠性较高。图745无机械手直接换刀的卧式加工中心 如图745所示的卧式加工中心。刀库作选刀回转运动和拔刀、插
35、入刀具的运动。换刀时,刀库移近主轴,可实现主轴任意位置换刀。也有在换刀时主轴箱移向刀库的,实现主轴固定位置换刀,其换刀过程如图746所示。换刀中,旧刀必须先取出送回刀库相应位置后,才能再从刀库中取出新刀,这两个动作不能同时进行,所以换刀时间较长。刀库容量不大,多用于中小型加工中心。立式加工中心的换刀如图747所示。图746主轴箱在固定位置的直接换刀过程 图747无机械手直接换刀的立式加工中心 2)机械手换刀这是加工中心换刀的主要形式,刀库的位置要比无机械手的自动换刀装置灵活得多。刀库中刀具的存放方向与主轴装刀方向可以不一致,根据不同要求可配置不同形式的机械手。在刀库距主轴位置较远的情况下,还可
36、设置刀具传送机构,在刀库与机械手之间传送刀具。用机械手换刀的自动换刀装置,刀库容量可以很大,而换刀时间可缩短到几秒。由于刀库位置和机械手换刀动作的不同,因此换刀过程不尽相同,见图748。刀库中处于换刀位置的刀具轴线与主轴轴线平行，换刀时,主轴箱上移至固定的换刀位置,由机械手完成抓刀、拔刀、回转180、插入刀具等动作(见图749)。立式加工中心机械手换刀实例如图750所示。图748刀库安装在立柱顶部的卧式加工中心 图749顶置刀库的机械手换刀动作(a)抓刀;(b)拔刀;(c)回转180;(d)插刀;(e)还原 图750立式加工中心机械手换刀实例 图751换刀机械手的结构形式(a)单臂单爪回转式;
37、(b)单臂双爪回转式;(c)双臂回转式;(d)双机械式;(e)双臂往复交叉式;(f)双臂端面夹紧式 7.2.27.2.2刀库刀库1.1.刀库类型刀库类型1)鼓(盘)式刀库(1)刀具轴线与鼓盘轴线平行的鼓式刀库(见图752)。刀具环形排列,分径向、轴向两种取刀形式,其刀座(刀套)结构不同。这种鼓式刀库结构简单,应用较多,适用于刀具容量较少的情况。为增加刀库空间利用率,可采用双环或多环排列刀具的形式。但鼓盘直径增大,转动惯量就增加,选刀时间也较长。图752鼓式刀库(a)径向取刀形式；(b)轴向取刀形式(2)刀具轴线与鼓盘轴线不平行的鼓式刀库刀具轴线与鼓盘轴线夹角为锐角(见图748)。这种鼓式刀库占
38、用面积较大,刀库安装位置及刀库容量受限制,应用较少。但应用这种鼓式刀库可减少机械手换刀动作,简化机械手结构。2)链式刀库链式刀库(见图753)结构较紧凑,通常为轴向取刀。刀库容量可较大,链环可根据机床的布局配置成各种形状,也可将换刀位置的刀座突出以利换刀。一般刀具数量在30120把时,多采用链式刀库。图753链式刀库(a)单环链式刀库；(b)多环链式刀库 3)矩阵格子式刀库矩阵格子盒式刀库(见图754)。刀具分几排直线排列,由纵、横向移动的取刀机械手完成选刀运动,将选取的刀具送到固定的换刀位置刀座上,由换刀机械手交换刀具。特点是刀具排列结构紧凑,空间利用率高,刀库容量大,但是布局灵活性差,刀库
39、常常安装在工作台上,应用较少。图754固定型格子盒式刀库 2.2.选刀方式选刀方式1)顺序选刀方式按照工序、工步要求,人工依次将所用刀具插入刀库刀座中,每次换刀刀库按顺序转动一个刀座位置,获取新刀,使用过的刀具可以放回原来的刀座位置,也可以顺序放入下一个刀座内。更换不同的工件时必须重新排列刀库中的刀具顺序,因而操作繁琐。由于在加工同一工件中各工序的刀具不能重复使用,这不仅使刀具数量增多,而且在使用同种刀具时,因刀具的尺寸误差也容易造成加工精度不稳定。顺序选刀方式的优点是刀库的运动及其控制简单。顺序选刀方式适用于工件品种数较少、加工批量较大、刀具数量较少的加工中心;刀库与主轴之间直接换刀的加工中
40、心和有成套刀库可自动更换刀库的加工中心。2)任意选刀方式由于加工中心采用的数控系统绝大多数都具有刀具任选功能,因此,多数加工中心都采用任意选刀方式。它可分为刀座编码、刀具编码和跟踪记忆等方式。(1)刀座编码任选刀具。刀座设有编码,而当刀具装入刀座后就具有该刀座的编码。在编程时要规定每一工序所需刀具要装入的刀座编码,加工时靠刀座编码识别装置选取所需刀具。刀具还回刀库时也必须还入其原来所占用的刀座。因此,与顺序选刀方式相比,选刀、还刀时间较长,刀库运动及其控制也较复杂。刀座编码任选刀具适用于选刀、还刀运动与机床加工时间可重合的场合,可存放大直径刀具。(2)刀具编码任选刀具。编程时只规定每一工序所需
41、刀具的编码,而与刀具装入哪个刀座无关。用过的刀具可还入刀库的任意空刀座。每把刀具都必须带有编码,并且有完善的刀具编码管理系统。(3)跟踪记忆任选刀具。刀具号及其所在刀座号(存刀位置,即刀具地址)一一对应地记忆在数控系统的PC中。不论刀具存放在哪个刀座,都始终记忆着它的踪迹。因此,刀具可任意取出、任意送回,不仅刀具、刀座都不必设编码条,省去编码识别装置,而且可减少换刀过程时间。但刀库上必须设有刀座位置检测装置(一般与电动机装在一起),以便检测出每个刀座位置。为此,刀库设有一个机械原点。对于圆周运动选刀的刀库,每次选刀运动刀库正转或反转都不超过180。目前多数加工中心采用跟踪记忆任选刀具方式。7.
42、3自动排屑装置自动排屑装置7.3.17.3.1排屑机的分类排屑机的分类安装排屑动力源的不同可分为以下几类:1.1.磁力吸屑式磁力吸屑式用于能产生磁力吸附金属材料排屑工作,有时还用于使不同材料切屑的分离工作,其分类见图755。图755磁力吸屑装置的分类(a)磁板(带)式；(b)磁环式；(c)磁滚互连式(1)磁板带式(图a)。用于铁质、钢质材料的断屑或长度小于100mm的钢铁工件输送,结构简单、变型容易。该排屑方式其铁屑与传动部分隔离封闭,外形美观,故障率低。但是,由于铁屑受磁力作用而易在板带上滑动,因此,仅适合碎屑干式或油冷加工状态下使用。且排屑量受到限制。(2)磁环式(图b)。用于冷却液中颗粒
43、状、粉末状钢铁材料,浮油的分离。一般不单独使用,通常与涡旋分离器、流体磁化器组成排屑净化防腐装置,用于精加工(如磨削、珩磨等)中冷却液的净化处理。应用较广。(3)磁滚互连式(图c)。冷却液中断屑铁质材料分离,结构较复杂,排屑量较小,应用不多。2.2.机械式排屑装置机械式排屑装置利用摩擦力、挤压、推拉等机械方式排除切屑,见图756。图756机械式排屑装置(a)平板链式；(b)刮板式；(c)螺旋式(1)平板链式(图a)。用于各类材质各种状态的切屑。尤其适于团状、卷状的细长屑,排屑量较大,应用广泛。但该装置的传动部分与铁屑不分离,易发生故障。(2)刮板式(图b)。适合于各种材质的断屑或长度小于100
44、mm的切屑。(3)螺旋式(图c)。适合于各种材质的碎屑。一般不单独使用,多用于偏离排屑中心线短距离输送。此方式结构简单,应用较少,排屑量较大,可根据螺旋轴的结构不同区分为有芯螺旋和无芯螺旋两种。如图757所示是一有芯螺旋排屑装置,排屑槽成U形,由钢板焊成,数段相接,也可用铸铁制成,铸铁耐磨性好。排屑槽可以设在机床中间底座内,也可设在地沟内。螺旋器1由电动机经减速器2、联轴节5带动旋转,转速为1020rmin。螺旋器的一端装在自位轴承上,另一端装在滑动轴承上,也可以使另一端自由地贴合在排屑槽底面上旋转,随磨损而下降,从而,保证螺旋器紧密贴合槽的底部,且使螺旋器径向有一定浮动量,避免切屑卡死现象。
45、螺旋器直径为150mm时,最长可达30m,直径为200mm时,最长可达40m。当螺旋器较长时,应在每34m间用一个浮动接头相接,以改善工作状况。图757螺旋排屑装置 3.3.大流量液力冲涮式大流量液力冲涮式使用大流量排屑是集冷却、润滑、排屑、净化防腐等于一体。用大流量切削液冷却加工切削区的机床,可在夹具及工作台和相应部位设置喷嘴,利用切削液的冲刷作用,将切屑冲带到排屑装置上或地沟中,然后经过滤使切屑与切削液分离,切削液可继续由切削液泵送至切割区。通常,机床在全封闭状态下工作,以免切削液飞溅。适合于各种材质的断屑,是一种新兴的排屑方式,造价较高,排屑量较大,维修方便,故障率低,使用寿命长。但是,
46、其占地面积大,使用费用较高,目前应用不多。见图758。图758液力冲刷式排屑装置 4.4.振动式振动式适合于各种材质、各种状态的切屑。噪声较大,目前很少使用。5.5.气力输送排屑装置气力输送排屑装置排屑方法有两种类型:一种是用压缩空气喷嘴将切屑吹走,另一种是利用吸尘器产生真空用管道将切屑吸走。尽管吹排的能力远大于抽吸排屑,但是由于压缩空气从喷嘴中喷出的噪声大,且有切屑乱飞,不易控制,故使用不多;抽吸排屑方式常用于粉尘状细小微粒磨屑的排除,如干式的砂带磨削,或用于加工中产生有毒气体或烟尘的场合。图759所示的是一种吸屑器。电动机带动排风扇旋转,使机内成负压,将混有粉屑的气体经吸风口吸入机体,一部
47、分粉屑落入集尘盒内,一部分经由布袋过滤,吸附在布袋上,滤净后的空气由机体上部排出。用管道将切削区与吸风口相连就可以实现吸屑。当布袋内集屑太多时,可以用手摇动振杆机构使粉屑落入集尘盒内。集尘盒内的粉屑定时由人工清除。连接管道不宜过长,否则效率较低。图759吸屑器 7.3.27.3.2排屑装置的选用排屑装置的选用1.1.排屑方式的选择排屑方式的选择设计选用排屑方式时,根据机床的加工方式、切屑材料及状态、冷却形式等条件正确选择,联合厂房的集中排屑设计选型应让制造厂家参加方案制定,研究合理的切实可行的排屑方案及技术要求。选取时考虑以下要素:(1)材质。加工对象是铸铁件、钢件还是其他有色金属件或非金属件
48、。(2)工艺状况。采用何种加工方式,如:车、铣、刨、磨、钻、拉、镗、铰等,精加工还是粗加工,干式加工还是湿式加工。(3)切屑形状。根据以上两点就能确定加工件的切屑是碎片屑、团状卷屑、细长屑、颗粒、粉末屑还是各种排放屑混合体。(4)排屑量。按照每个工件的最大净切屑量和生产纲领,就能确定排屑机(线)的最大排屑量。(5)接口尺寸。设计机床时应给排屑机留一定的空间,排屑单机最小截面尺寸,磁板带式和履带链式为:宽高170mm120mm;螺旋式为130mm。生产线中使用的排屑系统,排屑路线长,排屑机品种多,且规格不一,比较复杂。(6)冷却液处理。有些机床,不仅能排屑,还能对其冷却液进行防腐净化处理,以提高
49、加工精度和工件清洁度。2.2.注意事项注意事项(1)排屑量并非越大越好。影响排屑量的主要因素为转速、有效排屑宽度、磁块间距或刮板间距。在排屑宽度和间距(规格型号)一定的情况下,转速的升降决定排屑量的大小,所以排屑量大会增大磨损。设计时制造厂家根据用户要求一般留有1020的储备量。(2)半干不湿的铁屑要注意。磁性排屑机对这类铁屑尤难处理。通常的办法是将这类铁屑完全变为湿式,然后按湿式加工设计排屑机。在排屑系统中,有时将有冷却液的机床单独处理,不让其混入排屑线。(3)磁板带式、履带链式排屑机每个动力头可实现42m无搭接,但考虑到安装的实际情况,一般不超过30m,超出此范围要增设动力头。其他形式的最
50、大长度都有所限制(大流量水冲涮除外)。(4)维修与保养,排屑机作为机床辅机,往往容易忽视。定期加注润滑油和调整链条松紧,清理排屑机板面杂质油污都可提高排屑机使用寿命。思考与练习题思考与练习题71简述线上自动储备装置的种类、作用与应用场合。72物流输送系统中链条有哪两类主要作用？常用的链条有哪些结构形式？73物流输送装置的种类、结构和工作过程如何？74料仓式供料器和料斗式供料器的主要区别是什么？试从结构上各举一例加以说明。75试述工件自动供料装置系统构成及其各部分的作用。76上(下)料机械手按夹持动作分有哪些种类？试各举例论述其动作原理与工作过程。77简述模块组合机床的设计思想和原理、应用特点。
