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為臥式加工中心設計一種盤式自動換刀刀庫
為臥式加工中心設計一種盤式自動換刀刀庫
MUSTAFA ILHAN GOKLERt~ and MURAT BJLGJN KO~t
(Received 12 April 1996)
摘要：自動換刀－是被用在數(shù)控加工機床的刀具更換中，就是用刀庫的刀具更換主軸上的刀具。在這篇文章中介紹這種立式加工中心自動換刀的設計曾被認為是一種機床道具的制造者。在幾經(jīng)檢驗選擇之后就決定實施這種磁盤式自動換刀裝置的設計，這種刀庫擁有24把刀，其中刀具最大直徑可達150mm，刀具最大重量可達8 kg , 這種自動換刀的設計更換最近的刀具時間放在4s之內(nèi)，在最遠處的刀具的更換在6 s之內(nèi)。
1.概述
每一個機床刀具生產(chǎn)者或者都必須專門的任何特殊的數(shù)控機床，刀具或者設計自己的刀具特殊加工制造數(shù)控機床刀具，選擇新的技術(shù)是昂貴的，并且它并不總是適合修理和購買精密的系統(tǒng)。機床刀具制造者為避免由他們自己賣出新的計數(shù)進步，他們通常會去賣那些已經(jīng)滯后的系統(tǒng)。
因此，一種特殊的數(shù)控機床刀具更新被尋找并且繼續(xù)研究并設計和生產(chǎn)新的立式數(shù)控加工中心，就要求為這種新的自動換刀系統(tǒng)。
這種自動換刀裝置可以設計成依據(jù)由機床控制單元的命令自動從刀庫中選擇并更換刀具，由不同的刀具加工者生產(chǎn)中，已經(jīng)應用【1－17】。通常認為刀庫或串連的或磁盤式的。盡管如此，今天有些別的刀庫類型如球型，磁盤式等等?！?7】
磁盤式的刀庫可以分成以下幾類。
（1） 在一種磁盤帶更換手臂的刀庫中，刀具通過手臂的方式更換，就是從刀庫中抓起刀具更換主軸上的刀具。然后，磁盤有檢索存儲道具的功能?！?－5】。一些這些功能的例子，如途中所示。
（2） 一個沒有更換道具手臂額磁盤刀庫，這種類型的刀庫實際上象一個刀具更換手臂。刀具由磁盤自己更換?！?，6－8】，這種例子如圖中所示。
Fig.1. 幾個有機械手自動換刀的例子
Fig.2.無機械手自動換刀的例子
在串連型自動換刀刀庫中【9－16】，刀具機械手更換，依據(jù)刀具在刀庫中定位的狀態(tài)和位置，選擇分類串連型刀庫。
(1) 刀庫中刀具坐標軸垂直于主軸的坐標軸，刀庫在支柱左邊或右邊；
為了改變刀具的方向，一個機械手抓起刀具然后繞坐標旋轉(zhuǎn)，并抓起新刀到正確的平行于坐標軸，如圖所示，這種換手臂刀庫中刀具與主軸上的刀具。
(2) 在串連刀庫中刀具的坐標式平行的主軸坐標的平面內(nèi)，如圖所示，在刀具切削中刀具僅僅只有一個位置，為立式加工中心設計帶磁盤式自動換刀裝置，因為刀具坐標平行于主軸坐標，機械手臂在刀庫與主軸之間換刀，并且，刀具在這個位置換刀。
(3) 刀庫中刀具的坐標平行于主軸坐標，機械手臂在刀庫與主軸之間換刀，并且，靠近主軸作線性移動，然后換刀如表【16】所示。
在表1中，不同的自動換刀裝置和最短時間換刀時間（T/T）這是在交換基礎(chǔ)上給出的最短換刀時間，在表1中，D+A,D,C+A指派磁盤式帶機械手換刀裝置的刀庫，沒有機械手換刀裝置的磁盤式刀庫，帶機械手換刀裝置的串連型刀庫。
在磁盤式刀庫中，隨著數(shù)量的增加，磁盤式的半徑增大，這樣不符合節(jié)省空間的觀點，盡管如此，在串連類型中，刀具的數(shù)目大約式同樣空間盤式刀具的1.5倍，在串連自動換刀裝置中能夠存儲更多的刀具，但是串連型刀庫是比較貴的行對于盤式刀具倆說。
2 自動換刀裝置的設計
在這一節(jié)中闡明數(shù)控加工中心刀具的具體設計，供應市場的要求此中意向的特殊的競爭產(chǎn)品，那樣可以從相關(guān)的試驗中，獲得數(shù)控機床刀具的價格應該在考慮之內(nèi)，根據(jù)cnc數(shù)控機床刀具的前景，設計特殊的數(shù)控機床的自動換刀裝置。
把設計的標準降低看作為單元，相當?shù)蛢r位的，易于生產(chǎn)加工的一個沒有機械手臂的盤式刀庫型的自動換刀裝置特殊的立式加工中心設計品。
表1
步驟1 去掉的刀具，刀庫從用 A-A 方向看
2 轉(zhuǎn)動刀具到正確的換刀位置，刀庫沿著坐標順時針旋轉(zhuǎn)或者逆時針旋轉(zhuǎn)。
3 刀庫退回，而新刀安裝到主軸上。
4．當控制單元收到主軸轉(zhuǎn)刀具安裝后，主軸開始轉(zhuǎn)的加工周期，在自動換刀裝置討論會后，主要的工作是應用這種裝置。
如下所示
1， 刀庫中刀具數(shù)為24把
2， 刀具最大直徑為100mm
3， 當?shù)稁熘袥]有刀時，可以容納刀具的最大直徑為150mm
4， 可以舉起刀柄的重量最大為8kg
5， 刀庫的類型為BT40
6， 刀具更換時間在4秒－6秒之間。
在如下的分支中，列舉處特殊自動換刀裝置的基本系數(shù)，
盤式刀庫最小直徑是由考慮存儲具體刀具數(shù)量和最大直徑，在刀庫中存儲的應與換下的距離，盤式刀庫的直徑是812mm每個刀具之間為6 mm。確定刀庫直徑后，刀庫的盤式形狀也確定了，因為刀庫經(jīng)常加速或減速，所以刀庫的慣性為重要問題，這個問題可以用一種輕型材料解決，鋁就是這種材料。薄壁的盤庫適當?shù)木硗不驇缀涡螤畹?，這種形狀能夠保證必要的彎曲，而這些是應該考慮的，應盡可能降低這種結(jié)構(gòu)的降低成本，如簡圖所示
導軌。
在自動換刀裝置系統(tǒng)中，都必須有抽去主軸上的刀的轉(zhuǎn)動，在無機械手換刀裝置中，盤式刀庫有前后運動，這就有必要的導軌，這種運動由輸送形式氣壓活塞完成，實際上，有幾種別的線性運動方法，如用球滾動代替旋轉(zhuǎn)運動，然后，當有圓周運動時。這是非常昂貴的方式，如表6所示，導軌設計成空心形式以減輕重量，導軌由氣壓活塞推動，活塞或裝在導軌的最后面，導軌邊上設計了方形的邊緣，并不是u型的，用方形的邊是因為容易制造，價格極限空間都有優(yōu)勢。
2.3減震器
每一個刀具更換周期，刀庫都由導軌上前后移動，這占用的周期的大部時間，為了減少運整時間，優(yōu)先用了移動速度，但是坐標問題隨之產(chǎn)生，當動量較大時必須有相適應的短距離停下來的系統(tǒng)，而這種系統(tǒng)又不會起過渡的振動，減震器就可解決此問題。
在設計中，用一個氣缸，和用壓縮空氣活塞缸開減增大壓力減震，減震器是必要的，在特殊在減震器前后壓力通過整個容器，隨著速度的降低為0，這樣持續(xù)的壓力仍舊比較大，因此線性就達到了。
2.4 刀具夾緊裝置
刀庫中的刀具用夾具夾在刀庫中，刀具可以夾持在鉗口之間。以這種方式設計的夾具，最大重量的刀具可以安全舉起。盤式刀庫繞其軸線旋轉(zhuǎn)，離心力增加刀具的重量。這些因素在夾具的設計中考慮到。刀庫和鉗口依據(jù)特定的刀柄類型而定。鉗口應適合特殊的刀柄。
刀庫中的刀具由一個螺旋狀的彈簧和鐵片組合而夾在刀庫中的這種裝置設計的可以抓舉最大重量為8公斤的刀具。鉗口的形狀符合BT40刀柄的外形。
2.5 防屑保護刀柄的防護罩
設計ATC時，一些保護措施是有必要的。如果任何鐵屑進入主軸前打擊到刀柄的外表面，那么將不會準確停下主軸并且引起錯位，不精確等相應的問題。鐵屑可能損傷主軸，為了防止這樣，應該防止鐵屑進入主軸，而用一個防護罩。防護罩應與主軸一起移動。
2.6 電機的速度控制
用一電機和速度結(jié)合體控制刀盤的旋轉(zhuǎn)。選用電機類型根據(jù)動力和價格的要求選擇合適的電機。
考慮位置的精確性和重復性 ，選一種AC無刷式電機帶動盤式刀庫旋轉(zhuǎn)，選用一種可以提供4.5N/n的力矩和0.94KW動力，性價比好的
2.7 降速
在刀庫和電機之間降速，這樣可以通過蝸輪蝸桿實現(xiàn)的。一種無級變速對于刀具相對主軸中心軸精確位置更換刀具來說是必要的。
然而，在很小的面積內(nèi)獲得及時的降速是非常困難的，但用蝸輪就可以容易實現(xiàn)。但蝸輪也有問題。而對于降速來說，系統(tǒng)的效率明顯下降。如果用效率低的蝸輪實現(xiàn)降速，則電機的尺寸就相應增加，進而增加成本和控制系統(tǒng)。
低價格的行星輪系統(tǒng)，通過減小齒輪中心輪到最小間隙，控制可以消除反沖力，這樣沒有太大的沖擊和噪音。這些自然引起的啟動力矩，因為相互干涉，較低的運動效率比那些同樣有反沖的情況。在世界上只有少數(shù)公司生產(chǎn)反沖的行星輪傳動。
諧波驅(qū)動是另一種無反沖的方法。這種方法的優(yōu)點如下述：
（1） 位置精確度非常好。諧波驅(qū)動的設計能夠保證大約10%的齒在任何時刻相嚙合，這樣最小地降低齒輪齒的誤差。
（2） 因為諧波驅(qū)動的結(jié)構(gòu)簡單，且非常容易連在一個車間內(nèi)加工？？？？？
（3） 諧波驅(qū)動有一個非常緊湊的結(jié)構(gòu)和非常輕質(zhì)量，這樣拆和組裝較方便。
（4） 比別的無反沖齒輪都便宜。
總上優(yōu)點和必要的結(jié)論，選諧波驅(qū)動并應用于ATC中，假如盤式刀庫旋轉(zhuǎn)一半，包括加速減速所需的時間，總共有2秒，旋轉(zhuǎn)速度16.67 rpm，這就要求有120：1的降速比。是從電機的2000rpm到輸出的16.67rpm.
2.8 解碼控制開關(guān)
對于刀具正確地插入到主軸來說，刀庫的控制開關(guān)非常重要。
用完全的或增值碼可以提供正確的操作。每一個碼代表用一個刀具位置，那樣可以檢索到刀具的位置。
編碼器是一個非常敏感的裝置，能夠給出正確的輸出。如果編碼器的電纜受到外界的干擾（如：干涉），送到控制單元的信號將會不同于實際的信號。因此，要求另一種計刀具數(shù)目的方法提供精確的安全防備?？梢杂靡环N計刀具數(shù)目的開關(guān)去解決。當檢索刀具時，由開關(guān)送去的信號和編碼器相互防備彼此的錯誤。
相對與增量編碼器來說完全編碼器是比較貴的。如Fig6中所示。用一個增量編碼器就可以使刀庫到達正確的位置。安裝一個直接與刀庫相連的增量編碼盤可以解決角位置反沖的問題。
有幾個控制目的就有幾個開關(guān)。安裝一個靠近刀庫的道軌上的近開關(guān)作安全防備。這個開關(guān)有24個關(guān)于刀庫刀具位置的裝置。因此，對每把刀有且僅有一個開關(guān)，這樣可以保證刀具位置與提供給控制單元的信號一致。
3．結(jié)論
在這篇文章中，已經(jīng)展現(xiàn)了沒有機械手的盤式自動換刀刀庫的設計標準和主要工作，當考慮到設計時期時，這種類型的自動換刀是適合一些特殊的數(shù)控機床刀具生產(chǎn)的，進而進入市場是非常有可能的。設計這種自動換刀的最短換刀時間是4秒，如表1所示?？梢钥吹竭@種自動換刀裝置在市場上能夠有很好的競爭力。
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主要技術(shù)參數(shù) 1) 刀庫容量:4-6 2）選刀方式:順序選刀 3）重復精度: 5“ 設計學生： 所在班級： 指導老師：,XKA5032A數(shù)控 立式升降臺銑床 自動換刀裝置,XKA5032A數(shù)控升降臺立式銑床,設計流程圖,,,,重點,自動換刀裝置的形式,(一)更換主軸頭換刀形式,(二)帶刀庫的自動換刀形式,本設計選擇:帶刀庫的自動換刀形式,本設計自動換刀裝置的組成仿效JCS018A數(shù)控立式鏜銑床換刀裝置,* 盤式刀庫(容量為6順序選刀),* 回轉(zhuǎn)式雙臂機械手,安裝位置的確定,安裝自動換刀裝置后銑床的外觀圖,換刀過程示意圖,,a、b 刀套下轉(zhuǎn)90 c、機械手轉(zhuǎn)75 d、機械手拔刀 e、刀具位置交換 f、機械手插刀 g 、機械手順時針轉(zhuǎn)75 h 、刀套帶著換回的舊刀具向上翻轉(zhuǎn)90，準備下一次選刀,,機械手傳動結(jié)構(gòu)示意圖,機械手換刀動作動畫演示,刀庫裝配圖,機械手液壓控制圖,機械手裝配圖,鳴謝,在此對在整個設計過程中，給予我指導和幫助的老師同學表示衷心的感謝！特別是我的指導老師溫堅老師 。,刀庫容量的確定,刀庫儲存量過大，導致刀庫的結(jié)構(gòu)龐大而復雜,影響機床總體布局；儲存量過小，則不能滿足復雜零件的加工要求。對自動換刀數(shù)控機床的刀庫容量，有關(guān)資料曾對15000個零件進行分組統(tǒng)計，指出不同工序加工時必須的刀具數(shù)不同，如圖3-1所示。由圖可知，銑削90%的加工量由4把銑刀即可完成。因此，對XKA5032A/C數(shù)控立式升降臺銑床，容量為6的刀庫就可滿足要求了。,刀具選擇方式的確定,刀庫中選擇刀具通常采用兩種方式。 （一）順序選擇刀具 （二）任意選擇刀具 因為4把刀就可完成大多數(shù)的銑削加工,這個容量為6把刀的刀庫，幾乎不存在加工過程中需要重復利用刀具的情況，所以本設計刀具的選擇方式確定為順序選擇刀具。該法不需要刀具識別裝置，驅(qū)動控制也比較簡單，工作可靠。,XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀設計 1 目錄 目錄1 中文摘要 3 Abstract 3 第 1 章 緒論4 1.1 數(shù)控銑床的分類4 1.1.1 數(shù)控立式銑床4 1.1.2 數(shù)控臥式銑床4 1.1.3 數(shù)控立、臥式兩用銑床4 1.2 數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)特征4 1.2.1 數(shù)控銑床的主軸特征4 1.2.2 控制機床運動的坐標特征5 1.3 數(shù)控銑床的主要功能及加工對象5 1.3.1 數(shù)控銑床的功能5 1.3.2 自動換刀裝置（ATC）及其形 式5 1.3.3 自動換刀裝置應當滿足的基本要求6 第 2 章 總體方案的設計 6 2.1 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床及其主要參數(shù)6 2.2 初定 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀裝置的設計參 數(shù)7 2.3 確定 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀裝置的形 式7 第 3 章 刀庫的設計8 3.1 確定刀庫容量8 3.2 確定刀庫形式8 3.3 刀庫結(jié)構(gòu)設計10 3.4 初估刀庫驅(qū)動轉(zhuǎn)矩及選定電機10 3.5 刀庫轉(zhuǎn)位機構(gòu)的普通圓柱蝸桿傳動的設計10 3.6 刀庫驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的校核14 3.7 確定刀具的選擇方式14 第 4 章 刀具交換裝置的設 計15 4.1 換刀機械手抓刀部分結(jié)構(gòu)15 4.2 機械手傳動結(jié)構(gòu)15 4.3 自動換刀過程的動作順序16 4.4 自動換刀裝置的相關(guān)技術(shù)要求17 4.4.1 主軸準停裝置17 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀設計 2 4.4.2 換刀機械手的安裝與調(diào)試17 第 5 章 自動換刀裝置的控制原理 17 5.1 刀庫的控制17 5.2 機械手的控制18 第 6 章 典型零件的設 計18 6.1 聯(lián)軸器18 6.1.1 聯(lián)軸器的選用18 6.1.1 聯(lián)軸器的校核18 6.2 托架的設計18 鳴 謝20 參考文獻21 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀設計 3 中文摘要 本論文介紹的是 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀裝置的設計.該自動換刀裝置由 刀庫和換刀機械手組成.刀庫采用盤形結(jié)構(gòu),安裝在機床的左側(cè)立柱上.刀庫容量為六把,采用順 序選刀方式.機械手選用回轉(zhuǎn)式雙臂機械手. 關(guān)鍵詞: 數(shù)控銑床 自動換刀裝置 刀庫 換刀機械手 Abstract This paper introduces the design of automatic tool changer of XKA5032A/C numerical control vertical-knee milling machines. The automatic tool changer is composed of tool storage and a tool changing-manipulator. The tool storage which adopts bat batch shape structure is mounted on the vertical post of XKA5032A/C numerical control vertical-knee milling machines. The capacity of the tool storage is six and the method of Choose knife is Alignment. The tool changing-manipulator adopts the two arms manipulator of turn-over type. Key words: numerical control milling machines Automatic tool changer Tool storage tool changing-manipulator XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀設計 4 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀裝置 專業(yè)：機械設計制造及其自動化，學號：2001121626，姓名：湯愛軍 指導老師：溫堅 第 1 章 緒論 11 數(shù)控銑床的分類 111 數(shù)控立式銑床 數(shù)控立式銑床是數(shù)控銑床中數(shù)量最多的一種，應用范圍也最為廣泛。小型數(shù)控銑床一般都 采用工作臺移動、升降、及主軸不動方式，與普通立式升降臺銑床相似；中型數(shù)控立式銑床一 般采用縱向和橫向工作臺移動方式，且主軸沿垂直溜板上下運動；大型數(shù)控立式銑床，因要考 慮到擴大行程，縮小占地面積及剛性等技術(shù)問題，往往采用龍門架移動式，其主軸可以在龍門 架的橫向與垂直溜板上運動，而龍門架則沿床身作縱向運動。 從機床數(shù)控系統(tǒng)控制的坐標數(shù)量來看，目前 3 坐標數(shù)控立式銑床仍占大多數(shù)。一般可進行 3 坐標聯(lián)動加工，但也有部分機床只能進行 3 坐標中的任意二個坐標聯(lián)動加工。此外，還有機床 主軸可以繞 X、Y、Z 坐標軸中其中一個或兩個軸作數(shù)控擺角運動的 4 坐標和 5 坐標數(shù)控立式銑 床。一般來說，機床控制的坐標軸越多，特別是要求聯(lián)動的坐標軸越多，機床的功能、加工范 圍及可選擇的加工對象也越多。但隨之而來的是機床的結(jié)構(gòu)更復雜，對數(shù)控系統(tǒng)的要求更高， 編程的難度更大，設備的價格也更高。 數(shù)控立式銑床可以附加數(shù)控轉(zhuǎn)盤，采用自動交換臺，增加靠模裝置等來擴大數(shù)控立式銑床 的功能，加工范圍和加工對象，進一步提高生產(chǎn)效率。 112 臥式數(shù)控銑床 與通用臥式銑床相同，其主軸級平行于水平面。為了擴大加工范圍和擴大功能，臥式數(shù)控 銑床通常采用增加數(shù)控轉(zhuǎn)盤或萬能數(shù)控轉(zhuǎn)盤來實現(xiàn) 4、5 坐標加工，這樣，不但工件側(cè)面上的連 續(xù)回轉(zhuǎn)輪廓可以加工出來，而且可以實現(xiàn)在一次安裝中，通過轉(zhuǎn)盤改變工位，進行“四面加工” 。 可以省去許多專用夾具或?qū)Ｓ媒嵌瘸尚豌姷丁ο潴w類零件或需要在一次安裝中改變工位的工 件來說，選擇帶數(shù)控轉(zhuǎn)盤的臥式銑床進行加工是非常合適的。 113 立、臥式兩用數(shù)控銑床 這類銑床目前正在逐漸增多，它的主軸方向可以更換，能達到在一臺機床上既可以進行立 式加工，又可以進行臥式加工，其使用范圍更廣，功能更全，選擇加工的對象和余地更大，給 用戶帶來了很多方便，特別是當生產(chǎn)批量小，品種較多，又需要立臥兩種方式加工時，用戶只 需買一臺這樣的機床就行了。 立、臥兩用數(shù)控銑床的主軸方向的更換有手動與自動兩種，采用數(shù)控萬能主軸頭的立、臥 兩用數(shù)控銑床，其主軸頭可以任意轉(zhuǎn)換方向，可以加工出與水平面呈各種不同角度的工件表面。 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀設計 5 當立、臥兩用數(shù)控銑床增加數(shù)控轉(zhuǎn)盤后，就可以實現(xiàn)對工件的“五面加工” 。即出除了工件與轉(zhuǎn) 盤貼合的定位面外，其它表面都可以在一次安裝中進行加工。因此，其加工性能非常優(yōu)越。 12 數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)特征 121 數(shù)控銑床的主軸特征 數(shù)控銑床的主軸開啟與停止，主軸正反轉(zhuǎn)與主軸變速等都可以按輸入介質(zhì)上編入的程序自 動執(zhí)行。不同的機床其變速功能與范圍也不同。有的采用變頻機組，固定幾種轉(zhuǎn)速，可自選一 種編入程序，但不能在運轉(zhuǎn)時改變。有的采用變頻器調(diào)整，將轉(zhuǎn)速分為幾檔，編程時可任選一 檔，在運轉(zhuǎn)中可通過控制面板上的旋鈕，在本檔范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)；有的則不分檔,編程時可在整 個范圍內(nèi)無級調(diào)速。但是在實際操作中，調(diào)速不能有大起大落的突變，只能在允許的范圍內(nèi)調(diào) 高或調(diào)低，只能在允許的范圍內(nèi)一般都設有自動拉、退刀裝置，能在數(shù)秒內(nèi)完成裝刀與卸刀， 換刀比較方便。此外，多坐標數(shù)控銑床的主軸可以繞 X、Y 或 Z 軸作數(shù)控擺動，擴大了主軸自身 的運動范圍，但是主軸結(jié)構(gòu)更加復雜。 122 控制機床運動的坐標特征 為了要把工件上各種復雜的形狀輪廓連續(xù)加工出來，必須控制刀具沿平面上設定的直線、 圓弧或空間直線、圓弧軌跡運動，因此，要求數(shù)控銑床的伺服拖動系統(tǒng)能在多坐標方向同時協(xié) 調(diào)動作，并保持預定的相互關(guān)系，這就要求機床應能實現(xiàn)多坐標聯(lián)動。數(shù)控銑床要控制的坐標 數(shù)最少是 3 坐標中任意兩坐標聯(lián)動。要實現(xiàn)連續(xù)加工直線變斜角工件，應實現(xiàn)四坐標聯(lián)動。若 要加工曲線變斜角工件，是要求實現(xiàn)五坐標聯(lián)動。因此，數(shù)控銑床所配置的數(shù)控系統(tǒng)檔次，一 般都比其它數(shù)控機床相應更高一些。 13 數(shù)控銑床的主要功能及加工對象 131 數(shù)控銑床的功能 數(shù)控銑床的功能分為一般功能和特殊功能。一般功能是指各類數(shù)控銑床普遍所具有的功能。 如點位控制功能、刀具半徑自動補償功能、鏡象加工功能、 固定循環(huán)功能等。特殊功能是指數(shù) 控銑床在增加了某些特殊裝置或附件后，分別具有或兼?zhèn)涞囊恍┨厥夤δ?。如刀具長度補償功 能、靠模加工功能、自動變換工作臺功能、自適應功能、數(shù)控采集功能等。 在使用數(shù)控銑床加工工件時，只要充分利用數(shù)控銑床的各種功能，就可以加工許多普通銑 床難加工的工件。數(shù)控銑床的主要加工對象有：1、平面類零件。2、變斜角類零件。3、曲面類 （立體類）零件。 132 自動換刀裝置（ATC）及其形式 數(shù)控機床為了能在工件一次裝夾中完成多個工步，以縮減輔助時間和減少多次安裝工件引 起的誤差，通常帶有自動換刀系統(tǒng)。自動換刀（Automatic Tool Change 簡稱 ATC）系統(tǒng)由控制 系統(tǒng)和換刀裝置組成。在數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上，如果再配以刀具和自動換刀系統(tǒng)，就構(gòu)成加工中 心（Machining center 簡稱 MC） 。 各類數(shù)控機床的自動換刀裝置的結(jié)構(gòu)取決于機床的型式、工藝范圍及刀具的種類和數(shù)量等。 這種裝置主要可以分為以下幾種形式： （一）回轉(zhuǎn)刀架換刀形式 數(shù)控車床使用的回轉(zhuǎn)刀架是一種簡單的自動換刀裝置。根據(jù)不同加工對象，可以設計成四 方和六角刀架等多種形式?；剞D(zhuǎn)刀架上分別安裝著四把、六把或更多的刀具，并按數(shù)控裝置的 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀設計 6 指令轉(zhuǎn)位換刀。 （二）更換主軸頭換刀形式 在帶有旋轉(zhuǎn)刀具的數(shù)控機床中，更換主軸頭換刀是一種簡單的換刀方式。主軸頭通有臥式 和立式兩種，而且常用轉(zhuǎn)塔的轉(zhuǎn)位來更換主軸頭以實現(xiàn)自動換刀。各個主軸頭上預先裝有各工 序加工所需要的旋轉(zhuǎn)刀具，當收到換刀指令時,各主軸頭依次地轉(zhuǎn)到加工位置，并接通主運動使 相應的主軸帶動刀具旋轉(zhuǎn)，而其他處于不加工位置上的主軸都與主運動脫開。 轉(zhuǎn)塔主軸頭換刀方式的主要優(yōu)點是省去了自動松夾、卸刀裝刀、夾緊以及刀具搬運等一系 列復雜的操作，從而顯著地減少了換刀時間，提高了換刀的可靠性，但是由于結(jié)構(gòu)上的原因和 空間位置的限制，主軸的數(shù)目不可能很多。因此轉(zhuǎn)塔主軸頭換刀通常只適用于工序較少，精度 要求不太高的數(shù)控機床，如數(shù)控銑床。 （三）帶刀庫的自動換刀形式 帶刀庫的自動換到形式主要是由刀庫和刀具交換裝置組成。目前這種換刀方法在數(shù)控機床 上的應用最為廣泛。帶刀庫的自動換刀裝置的數(shù)控機床主軸箱和轉(zhuǎn)塔主軸頭相比較，由于主軸 箱內(nèi)只有一個主軸，所以主軸部件具有足夠剛度，因而能夠滿足各種精密加工的要求。另外， 刀庫可以存放數(shù)量較多的刀具，可進行復雜零件的多工序加工，可明顯提高數(shù)控機床的適應性 和加工效率。這種帶刀庫的自動換刀裝置特別適用于數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床和數(shù)控鏜床。 刀庫有多種形式，數(shù)控機床上常用的有盤式和鏈式兩種。交換裝置的機械手形式也多樣， 目前在數(shù)控機床上用得最多的是回轉(zhuǎn)式雙臂機械手。其他形式還有擺動式單臂雙爪機械手、單 臂單爪回轉(zhuǎn)式機械手、雙機械手等等。 133 自動換刀裝置應當滿足的基本要求 1) 換刀時間短。 2）刀具重復精度高。 3）刀具儲存足夠。 4）刀庫占地面積小。 5）安全可靠。 第 2 章 總體方案的確定 依據(jù)設計任務書，我們的任務是給 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床設計安裝合適的自動換 刀裝置。主要技術(shù)參數(shù)為： 1）刀庫容量：4-6 2）選刀方式：順序選刀 3）重復精度： 5 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床主要由床身、升降臺、工作臺、立銑頭、主傳動、主變速、 拉刀機構(gòu)、液壓系統(tǒng)、自動潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、吊掛、電柜等部分組成。機床本身并不帶自 動換刀裝置。自動換刀裝置作為一套獨立的、完整的機床部件，設計依據(jù)是該機床的型式、工 藝范圍及刀具的種類和數(shù)量等。 21 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床及其主要參數(shù) XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床是北京第一機床廠生產(chǎn)的帶有立銑頭的立式銑床，為機電 一體化結(jié)構(gòu)，三坐標聯(lián)動，是一種使用很廣的機床，它可以使用各種圓柱銑刀、角度銑刀及端 面銑刀完成直線銑削，組成各種往復循環(huán)和框式循環(huán)或按坐標位置加工孔，也可以銑削具有輪 廓的零件，如凸輪、樣板、模具、葉片、弧形槽等。 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀設計 7 該機床適用于機械制造的各種類部門，也適用于軍工部門。其主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù)如下表： 表一 機床主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù) 參數(shù)名稱 單位 數(shù)量 工作臺面尺寸（長 X 寬） mm 320 X 1320 工作臺縱向（X）行程 mm 780 工作臺縱向（Y）行程 mm 300 續(xù)表一 工作臺縱向（Z）行程 mm 380 主軸孔徑 mm 29 立銑頭最大回轉(zhuǎn)角度 45 主軸轉(zhuǎn)速級數(shù) 18 主軸轉(zhuǎn)速范圍 r/min 30-1500 工作臺進給級數(shù) 無級 主傳動電動機功率 kw 7.5 主傳動電動機轉(zhuǎn)速 r/min 1440 工作臺最大承載重量 kg 320 主軸最大扭矩 Nm 1000 機床外形尺寸（長 X 寬 X 高） mm 1929 X 2055 X 2216 機床重量 kg 2800 該機床推薦使用的最大切削范圍如下： 銑切鋼：鋼的含碳量 0.45%，抗拉強度 600N/mm2。銑刀直徑 100mm，齒數(shù) 4； 銑切寬度 50mm，銑切深度 3 mm；主軸轉(zhuǎn)速 750 r/min，進給量 750mm/min。 銑切灰鑄鐵：材料 HT200，硬度 HB150225。銑刀直徑 250mm，齒數(shù) 14； 銑切寬度 150mm，銑切深度 3.7 mm；主軸轉(zhuǎn)速 47.5 r/min，進給量 300mm/min 22 初定 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀裝置的設計參數(shù) 在銑削輪廓時，為了保證一次連續(xù)地加工出全部表面，應選用半徑小于工件最小輪廓半徑 的刀具，而在實際的生產(chǎn)加工中，常盡量選用直徑較大的銑刀，因為大直徑銑刀剛性好，耐用 度高。由 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床推薦使用的最大切削范圍可知，當銑切鋼時，銑刀直 徑為 100 mm。當銑灰鑄鐵時，銑刀直徑達 250mm。因此，為了滿足該機床的實際加工能力與 生產(chǎn)情況，在設計其自動換刀裝置時，應該根據(jù)最大的刀具直徑來設計，即設計的換刀裝置能 交換 250mm 的刀具。 初估最大直徑刀具的重量為 8kgf。 23 確定 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀裝置的形式 數(shù)控機床的自動換刀裝置的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，選擇何種形式，主要取決于機床的種類、 工藝范圍以及刀具的種類和數(shù)量等。 由于 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床是一種使用范圍較廣的機床，且其可加工零件的精度 要求也較高，比較上章介紹的幾種換刀形式，決定選用帶刀庫的自動換刀形式。 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀設計 8 帶刀庫的自動換刀裝置是由刀庫和刀具交換裝置（換刀機械手）組成。它是多工序數(shù)控機 床上應用最廣泛的換刀裝置，其整過換刀過程比較復雜。首先把加工過程中需要使用的全部刀 具安裝在標準的刀柄上，在機床外進行尺寸預調(diào)后，按一定的方式裝入刀庫。換刀時，先在刀 庫中進行選刀，由機械手從刀庫和主軸上取出刀具，然后交換位置，把新刀插入主軸，舊刀放 回刀庫。存放刀具的刀庫可具有較大的容量，它既可以安裝在主軸箱的側(cè)面或上方，也可以作 為獨立部件安裝在機床以外。 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床主軸箱上方?jīng)]有好的安裝位置，安裝在機床外又要增加刀 具運輸時間，降低效率，所以安裝在機床側(cè)面最合適，有些部件交錯的地方，作適當?shù)恼{(diào)整。 因為 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床外形及其他性能參數(shù)等均與 JCS018A 數(shù)控立式鏜銑床相 似，所以本機床的自動換刀裝置的設計將仿效 JCS018A 數(shù)控立式鏜銑床換刀裝置，設計成由 由盤式刀庫和回轉(zhuǎn)式雙臂機械手組成。設計增加自動換刀裝置后的 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺 銑床的外觀圖如圖 1-1 所示。 圖 1-1 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床的外觀圖 第 3 章 刀庫的設計 刀庫是帶刀庫自動換刀裝置的主要部件之一，其容量形式、布局及具體結(jié)構(gòu)對數(shù)控機床的 性能有很大影響。 31 確定刀庫容量 刀庫儲存量過大，導致刀庫的結(jié)構(gòu)龐大而復雜,影響機床 總體布局；儲存量過小，則不能滿足復雜零件的加工要求。 因此，刀庫容量應在經(jīng)濟合理的條件下，力圖將一組類似的 零件所需的全部刀具裝入刀庫，以縮短每次裝刀所需的裝調(diào) XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀設計 9 時間。對自動換刀數(shù)控機床的刀庫容量，有關(guān)資料曾對 15000 個零件進行分組統(tǒng)計，指出不同 工序加工時必須的刀具數(shù)不同，如圖 3-1 所示。由圖可知，銑削 90%的加工量由 4 把銑刀即可完 成。因此，對 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床，容量為 6 的刀庫就可滿足要求了。 32 確定刀庫形式 由以上考慮 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床的結(jié)構(gòu)布局等原因，決定刀庫采用盤形結(jié)構(gòu)， 沿刀庫主軸軸向安裝。這種刀庫結(jié)構(gòu)簡單且緊湊，但為了換刀時刀具與主軸同向，刀庫中的刀 具需在換刀位置作 90翻轉(zhuǎn)。 33 刀庫結(jié)構(gòu)設計 刀庫的外形如圖 3-2 所示。圓盤式刀庫（圖 a）由專用的直流伺服電動機 1 經(jīng)套筒聯(lián)軸器 2、 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀設計 10 蝸桿 4、蝸輪 3，帶動刀盤 14 和盤上的 6 個刀套 13 旋轉(zhuǎn)。刀座的滾子 11 在不旋轉(zhuǎn)的導盤 14 的 槽中受到限位，導盤 14 在最下端的換刀位置開了一個缺口。刀座以鉸鏈形式與支承板 16 相連 （圖 b） 。平時，由彈簧 18 將滾子銷 19 壓在刀套 13 的凹槽中，使刀座定位在水平位置。由于主 軸是立式的，故應將處于刀庫刀盤 14 最下位置的刀套旋轉(zhuǎn) 90，使刀頭朝下。實現(xiàn)這個動作靠 氣缸 5。氣缸 5 的活塞桿 6 帶動撥叉 7 上升。由 AA 剖視圖中可以看到，最下面的一個刀套 13 右尾部的滾子 11 正好進入撥叉 7 的缺口。撥叉 7 上升使刀套連同刀具逆時針旋轉(zhuǎn) 90，滾子銷 19 退出支承板 16 的凹槽，刀座轉(zhuǎn)到垂直位置，等待機械手換刀。 刀套的構(gòu)造如圖 b 所示。由圖中可以看到錐孔尾部有兩個球頭銷釘 17，后有彈簧用以夾住 刀具，故當?shù)短仔D(zhuǎn) 90后刀具不會下落。刀套頂部的滾子 15 用以在刀套處于水平位置時支承 刀套。當?shù)毒吒鼡Q完畢，該刀座插入從主軸換下的刀具平頭。通過氣缸作用，與上述動作相反， 刀座帶著刀具夾頭順時針轉(zhuǎn)動，直到水平位置為止，此時，滾子銷 19 重新處于支承板 16 的凹 槽中。 34 初估刀庫驅(qū)動轉(zhuǎn)矩及選定電機 以 THK6363 型自動換刀數(shù)控鏜銑床的刀庫為設計參考（查參考資料 14） ，采用經(jīng)念法初估回 轉(zhuǎn)所需轉(zhuǎn)矩。 THK6363 型自動換刀數(shù)控鏜銑床的刀庫也是采用軸向放置的鼓盤式刀庫形式，其容量為 36 把刀具，最大刀具重達 10kgf，刀庫回轉(zhuǎn)由最大扭矩為 25Nm 的液壓馬達經(jīng)諧波減速器驅(qū)動。 現(xiàn)在由于設計的刀庫容量為 6 把刀具，可初估刀庫驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為 T0=8Nm。 刀庫回轉(zhuǎn)運動多數(shù)采用液壓馬達、直流電動機驅(qū)動。由于本刀庫的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩小，且所需轉(zhuǎn) 速小，所以決定采用直流伺服電動機驅(qū)動。直流伺服電動機具有體積小，重量輕、伺服性好、 力能指標高等優(yōu)點，且該電機可用信號電壓進行無級調(diào)速。由參考資料 11 P1275 表查選電動機 型號為 90SZ03 的 SZ 系列電磁式直流伺服電動機，功率為 0.092 kw。 35 刀庫轉(zhuǎn)位機構(gòu)的普通圓柱蝸桿傳動的設計 刀庫的主運動是圓周回轉(zhuǎn)運動，由刀庫轉(zhuǎn)位機構(gòu)實現(xiàn)。調(diào)定換刀信號電壓，使電動機轉(zhuǎn)速 調(diào)定為 30 r/min。這樣電動機通過聯(lián)軸器、蝸桿、蝸輪驅(qū)動刀庫轉(zhuǎn)動，如圖 3-3 所示： XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀設計 11 1選擇蝸桿傳動類型 根據(jù) GB1008588 的推薦，采用漸開線蝸桿（ZI） 。 2選擇材料 蝸桿采用 45 鋼，齒面淬火，硬度為 4550HRC；蝸輪用鑄錫磷青鋼 ZCuSn10Pb1，金屬模 鑄造， =220 MPa。2HP 3確定主要參數(shù) 蝸桿蝸輪傳動，以蝸桿為主動，蝸輪為從動。為了提高傳動效率，取 Z1=6，傳動比取 6， 單向旋轉(zhuǎn)，單工作制，預計壽命為 5 年。則 Z2= Z16=36。 4按齒面接觸疲勞強度設計 m2d1 KT2 (mm3)250ZHP （1）計算蝸輪軸轉(zhuǎn)矩 T2 初估傳動效率 =0.95,則 T2=9594 =9594 =9594 0.95=166.92 Nm12n1/i0.923/6 (2) 載荷系數(shù) K=1.05 (3) 許用接觸應力 2HP = =2200.91.48=293.04 MPa2HPVSZN 式中, =220 MPa, =70 MPa 2FP 估計滑動速度 <5m/s，用浸沒潤滑,則由參考文獻 11 P972 圖 182 查得滑動速度影S 響系數(shù) =0.9, =1.48（其中 =60a t=601 53008=3.6 ,按圖 183VSZNLZ2n306610 查得） ； （4）計算 m2d1 值,并選定模數(shù) m 和蝸桿分度圓直徑 d1 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀設計 12 m2d1 1.05166.92=354.34 mm 3;250369.4 按表 183 查得模數(shù) m=3.15(mm), d1=45 (mm) 5. 驗算滑動速度 SV (1)計算蝸桿速度 1 = = =0.07065 m/s160dn4530 (2)計算滑動速度 SV = / =0.07065/ =0.0836 m/s1coscos2.78 其中 = = =22.78,則初估的 值合適。1()tgZmd(63.5/4)tgSV 6驗算蝸輪齒彎曲強度 驗算公式為 22 21AVFFSPTKY （1） 使用系數(shù) =1A （2） 動載荷系數(shù) =1.03V （3） 載荷分布系數(shù) =1K （4） d1=45 mm， =m =3.15 36=113.4 mm,其中模數(shù) m=3.15(mm)。2Z （5） 蝸輪齒形系數(shù) =3.92FSY 按蝸輪當量齒數(shù) = / =36/ =45.93,由圖 172 查得。2V3cos3s2.78 （6） 導程角系數(shù) =1- /120=1- /120 =0.81. （7） 許用彎曲應力 2HP = =70 0.542=37.94 MPa2HPNY (8)計算彎曲應力 =22.618261.92.031.9208455F 由于 < ，幫滿足蝸輪輪齒強度條件。HP XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀設計 13 7計算蝸桿蝸輪的主要參數(shù) （1 分度圓直徑 =45， =m =3.15 36=113.4mm1d2z (2)中心距 a a=( + +2 m)/2=45+113.4+2 (-0.1349) 3.15/2=79 mm12x (3)蝸桿導程角 .78 8計算其他尺寸 （1）蝸桿齒頂圓直徑 = +2 =45+2 3.15=51.3 mm，1ad1a1ah 其中 為蝸桿齒頂高，且 =m=3.15 mm；1a （2）蝸輪喉圓直徑 = +2 =113.4+2 0.8651 3.15=118.85 mm，2a2a2a 其中 為蝸輪齒頂高，且 = + =1-0.1349=0.8651 mm；h2ah2x （3）蝸輪外圓直徑 = +m=118.5+3.15=122 mm；2eda （4）蝸桿齒寬 由于 =6，故 按結(jié)構(gòu)設計，取 =64 mm1b1Z1b1b （5）蝸輪齒寬 0。67 =0.67 51.3 =34.371mm,取 =34 mm；22ad2 （6）蝸輪齒頂圓弧半徑 = -m= -3.15=19.35 mmaR2145 （7）蝸輪齒根圓弧半徑 = +c= +0.2m= +0.2 3.15=26.28 mm；2ffa1.32 （8）蝸桿軸向齒厚 = /2= = 3.15/2=4.948 mm,其中 為蝸桿軸向齒1xs1xsp/mxp 距； （9）蝸桿法向齒厚 = =4.948 =4.562 mm；1n1nxcocs2.78 （10）蝸輪分度圓齒厚 =0.5 =0.5 3.15=4.948 mm。2s2 9熱平衡計算 蝸桿傳動由于效率低，所以工作時發(fā)熱量大。在閉式傳動中，如果產(chǎn)生的熱量不能及時 地散逸，將因油溫不斷升高而使?jié)櫥拖♂?，從而增大磨擦損失，甚至發(fā)生膠合。所以必須 根據(jù)單位時間內(nèi)的發(fā)熱量 等于同時間內(nèi)的散熱量 的條件進行熱功平衡計算，以保證1H2H 油溫穩(wěn)定牌規(guī)定的范圍內(nèi)。 由于摩擦損耗的功率 = （1- ）kW, 則產(chǎn)生的熱流量（單位為 1W=1j/s）為fP1 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀設計 14 =1000 （1- ） W1H1P 式中 為蝸桿傳遞的功率（單位：kW） 。1P 以自然冷卻方式，從箱體外壁散發(fā)到周圍空氣中去的熱流量為 =kA( - ) w21t0 式中 k熱導率，一般取 k=8。717.5W( ),環(huán)境空氣流通較差時，取較小值，2mCA 否則取較大值； A傳動裝置散熱的計算面積，即內(nèi)面被沒浸濺的，而外面又被空氣所能冷卻的 的箱殼面積（ ） ；2m 潤滑油的工作溫度，一般限制在 6070 ，最高不能超過 80 ；1t C C 周圍環(huán)境溫度，一般取室溫 =20 。0 0t 按熱平衡條件 = ，可求得在既定工作條件下的沒溫為1H2 = + 1t0P-kAC 在繪制傳動裝置結(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)上進行熱平衡計算： =0.092 80 =0.0736 kW10 取 =0.95, k=10,并估算 A=0. 006 ，則2m =20+ =81.33 801t0.7361-0.95 C 由于 超過最高工作溫度，所以必須采取一些散熱措施，以提高散熱能力，如在裝循環(huán)冷卻1t 管路。 36 刀庫驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的校核 蝸輪轉(zhuǎn)速 =5r/min,所能傳遞的功率為 P=0.092 80 0.95=0.07 Kw,此時刀庫的驅(qū)動轉(zhuǎn)2n0 矩為：T= = =120.3NmT 0=8Nm，其中 =0.9 為普通平鍵帶動刀954N0.795 盤回轉(zhuǎn)的傳動效率。所以，刀庫驅(qū)動轉(zhuǎn)矩滿足要求。 37 確定刀具的選擇方式 按數(shù)控裝置的刀具指令，從刀庫中將所需要的刀具轉(zhuǎn)換到取刀位置，稱為自動選刀。在刀 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀設計 15 庫中選擇刀具通常采用兩種方式。 （一）順序選擇刀具 刀具按預定工序的先后順序插入刀庫的刀座中，使用時按順序轉(zhuǎn)到取刀位置。用過的刀具 放回原來的刀座內(nèi)，也可以按加工順序放入下一個刀座內(nèi)。該法不需要刀具識別裝置，驅(qū)動控 制也比較簡單，工作可靠。但刀庫中每一把刀具在不同工序中不能重復使用，為了滿足加工需 要只有增加刀具的數(shù)量和刀庫的容量，這就降低了刀具和刀庫的利用率。此外，裝刀時必須十 分謹慎，如果刀具不按順序裝在刀庫中，將會產(chǎn)生嚴重的后果。 （二）任意選擇刀具 這種方法根據(jù)程序指令的要求任意選擇所需要的刀具，刀具在刀庫中不必按照工件加工順 序排列，可以任意存放。每把刀具（或刀座）都編上代碼，自動換刀時，刀庫旋轉(zhuǎn)，每把刀具 （或刀座）都經(jīng)過“刀具識別裝置”接受識別。當某把刀具（或刀座）的代碼與數(shù)控指令相符 合時，該把刀具被選中，刀庫將刀具送到換到位置，等待機械手來抓取。任意選擇刀具法的優(yōu) 點是刀庫中刀具的排列順序與工作加工順序無關(guān)，刀具可重復使用。因此，刀具數(shù)量比較順序 選擇法少一些。刀庫也相應地簡單些。任意選擇法主要有三種編碼方式：刀具編碼方式、刀座 編碼方式和編碼附件方式。 在以上確定刀庫容量時已經(jīng)討論可知數(shù)控銑床用 4 把刀就可完成大多數(shù)的銑削加工。所以 這個容量為 6 把刀的刀庫，幾乎不存在加工過程中需要重復利用刀具的情況，所以刀具的選擇 方式確定為順序選擇刀具。該法不需要刀具識別裝置，驅(qū)動控制也比較簡單，工作可靠。 第 4 章 刀具交換裝置的設計 數(shù)控機床的自動換刀裝置中,實現(xiàn)刀庫與機床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交換 裝置。刀具的交換方式通常分為兩種: 一種是采用機械手交換刀具, 另一種是由刀庫與機床主 軸的相對運動來實現(xiàn)刀具交換即無機械手交換刀具。刀具的交換方式及它們的具體結(jié)構(gòu)對機床 的工作效率和工作可靠性有直接的影響。由 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床的結(jié)構(gòu)特性決定難 以實現(xiàn)由刀庫與機床主軸的相對運動來實現(xiàn)刀具交換，故采用機械手交換刀具的方式。 機械手是當主軸上的刀具完成一個工步后，把這一工步的刀具送回刀庫，并把下一道工步 的所需的刀具從刀庫中取出并裝入主軸繼續(xù)加工的功能部件。對機械手的具體要求是迅速可靠， 準確協(xié)調(diào)。 41 換刀機械手抓刀部分結(jié)構(gòu) 如圖 4-1 所示機械手抓刀部分結(jié)構(gòu)。它主要由手臂 1 和固定于其兩端的結(jié)構(gòu)完全相同的兩 個手爪 1 組成。手爪上握刀的圓弧部分有一錐銷 2，機械手抓刀時，該銷插入刀柄的鍵槽中。 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀設計 16 當機械手由原位轉(zhuǎn) 75抓住刀具時，兩手爪上的長銷 7 分別被主軸前端面和刀庫上的擋塊壓下， 使軸向開有長槽的活動銷 6 在彈簧 4 的作用下右移頂住刀具。機械手拔刀時，長銷 7 與擋塊脫 離接觸，鎖緊銷 8 被彈簧 5 彈起，使活動銷頂住刀具不能后退，這樣機械手在回轉(zhuǎn) 180時，刀 具不會被甩出。當機械手上升插刀時，兩長銷 7 又分別被兩擋塊壓下，鎖緊銷從活動銷孔中退 出，松開刀具，機械手便可反轉(zhuǎn) 75復位。 42 機械手傳動結(jié)構(gòu) 下圖為本設計刀庫所用采用的機械手結(jié) 構(gòu)示意圖。如前述刀庫結(jié)構(gòu)，刀套向下轉(zhuǎn) 90后，壓下行程開關(guān)，發(fā)出機械手抓刀信 號。此時，機械手 21 正處在圖中所示的上面 位置，液壓缸 18 右腔通壓力油，活塞桿推動 齒條 17 向左移動，帶動齒輪 11 轉(zhuǎn)動（連接 盤與齒輪 11 用螺栓連接，它們空套在機械手 臂軸 16 上，傳動盤 10 與機械手臂軸 16 用花 鍵連接） ，使機械手回轉(zhuǎn) 75抓刀。抓刀動 作結(jié)束進，齒條 17 上的擋環(huán) 12 壓下行程開 關(guān) 14，發(fā)出拔刀信號，于是升降液壓缸 15 的上腔通壓力油，活塞桿推機械手臂軸 16 下 降拔刀。在軸 16 下降進，傳動盤 10 隨之下 降，其下端的銷子 8 插入連接盤 5 的銷孔中， 連接盤 5 和下面的齒輪 4 也是用螺栓連接的， 它們空套軸 16 上。當拔刀動作完成后，軸 16 上的擋環(huán) 2 壓下行程開關(guān) 1，發(fā)出換刀信 號。這時轉(zhuǎn)位液壓缸 20 的右腔通壓力油，活 塞桿推動齒條 19向左移動，帶動齒輪和連接 盤 5 轉(zhuǎn)動，通過銷子 8，由傳動盤帶動機械 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀設計 17 手轉(zhuǎn) 180，交換主軸上和刀庫上的刀具位置。換刀動作完成后，齒條 19 上的擋環(huán) 6 壓下位置 開關(guān) 9，發(fā)出插刀信號，使升降油缸下腔通壓力油，活塞桿帶著機械手臂軸上升插刀，同時傳動 盤下面的銷子 8 從連接盤 5 的銷孔中移出。插刀動作完成后，軸 16 上的擋環(huán)壓下行程開關(guān) 3， 使轉(zhuǎn)位油缸 20 的左腔通壓力油，活塞桿帶著齒條 19 向右復位，齒輪 4 空轉(zhuǎn)，機械手無動作。 齒條 19 復位后其上擋環(huán)壓下行程開關(guān) 7，使液壓缸 18 的左腔通壓力油，活塞桿帶著齒條 17 向 右移動，通過齒輪 11 使機械手反轉(zhuǎn) 75復位。機械手復位后，齒條 17 上的擋環(huán)壓下行程開關(guān) 13，發(fā)出換刀完成信號，使刀套向上翻轉(zhuǎn) 90，為下次選刀做好準備。同時機床繼續(xù)執(zhí)行后面 的操作，換刀過程亦可見本設計的動畫演示。 43 自動換刀過程的動作順序 機械手將刀具從刀庫中取出送至機床主軸上，然后將用過的舊刀送回刀庫。其動作過程簡 述如下（結(jié)合如下?lián)Q刀過程示意圖 4-3）： （1） 、刀套下轉(zhuǎn) 90 如上圖 a 所示刀庫位于立柱左側(cè)，刀具軸線在刀庫中的安裝方向與主軸垂直。換刀前，刀 庫將待換刀具送到換刀位置，然后刀套連同刀具翻轉(zhuǎn) 90，使刀具軸線與主軸軸線平行，如 圖 b 所示。 （2） 、機械手轉(zhuǎn) 75 如圖 c 所示，換刀機械手逆時針旋轉(zhuǎn) 75，兩手爪分別抓住刀庫上和主軸上的刀柄。 （3） 、機械手拔刀 待主軸上自動夾緊機構(gòu)松開刀具后，機械手下降，同時拔出主軸上和刀庫上的刀具，如圖 d 所示。 （4） 、刀具位置交換 如圖 e 所示，機械手逆時針轉(zhuǎn) 180，使主軸刀具與刀庫刀具交換位置。 （5） 、機械手插刀 機械手上升，分別將刀具插入主軸錐孔和刀庫刀套中,如圖 f 所示。 （6）機械手順時針轉(zhuǎn) 75 如圖 g 所示,待主軸上自動夾緊機構(gòu)夾緊刀具后，機械手順時針轉(zhuǎn) 75，回到原始位置。 （7）刀套帶著換回的舊刀具向上翻轉(zhuǎn) 90，準備下一次選刀,如圖 h 所示。 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀設計 18 44 自動換刀裝置的相關(guān)技術(shù)要求 441 主軸準停裝置 為了傳遞扭矩，在主軸的前端裝有端鍵，當?shù)毒叩侗b入錐孔時，刀柄上的鍵槽位置必須 與該鍵對準才能裝入。當機械手從刀庫取刀時，為了確保刀具其后能順利地裝入主軸錐孔中， 必須使主軸準確地停在刀具交換位置上。同時，由于工藝上的需要，也必須使主軸準停在固定 位置上。這種使主軸端在定位鍵停在固定位置的技術(shù)要求稱為主軸準停?？稍谥鬏S上安裝電氣 控制的主軸準停裝置以實現(xiàn)主軸準停功能。 442 換刀機械手的安裝與調(diào)試 A：換刀機械手安裝在主軸箱的左側(cè)面，加工零件時，換刀機械手隨主軸箱一起上下運動； B：當初裝上換刀機械手后，必須進行調(diào)試：用手動操縱主式調(diào)整換刀機械手相對于主軸 的位置，使用調(diào)整心棒，有誤差時可調(diào)整機械手行程、刀庫位置、機械手支座、修正主軸坐標 原點等。安裝最大重量刀具時，要進行多次刀庫到主軸位置的自動交換，使機械手換刀時做到 準確無誤，無撞擊。 第 5 章 自動換刀裝置的控制原理 5.1 刀庫的控制 刀庫的轉(zhuǎn)動由電機帶動，轉(zhuǎn)速由控制信號電壓調(diào)定。刀庫刀盤最下位置的刀套旋轉(zhuǎn) 90， 使刀頭朝下，等待機械手來換刀，是由氣缸實現(xiàn)的。當 PLC 控制系統(tǒng)發(fā)出換刀信號時，氣缸的 活塞桿帶動撥叉上升，最下面的一個刀套右尾部的滾子正好進入撥叉的缺口，撥叉 7 上升使刀 套連同刀具逆時針旋轉(zhuǎn) 90，使刀頭與主軸平行，便與換刀。當機械手完成換刀后，發(fā)出換刀 結(jié)束信號，開始下一道工序。同時刀庫旋轉(zhuǎn) 60，把下一道工序刀具轉(zhuǎn)到刀庫最下端的換刀位 置，做好下一次換刀準備，這也縮短了輔助時間。 52 機械手的控制 機械手的換刀動作由液壓控制。機械手的換刀動作分別由三個液壓缸控制，如圖 5-1 所示。 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀設計 19 具體控制過程上一章 42 機械手傳動結(jié)構(gòu)已經(jīng)說明。該控制的優(yōu)點是換刀平穩(wěn)，快捷。 第 6 章 典型零件的設計 6.1 聯(lián)軸器 本設計只用到一個聯(lián)軸器，那就是刀庫的驅(qū)動電機主軸與蝸桿軸的聯(lián)接處。 6.1.1 聯(lián)軸器的選用 由上述可知,本設計的刀庫容量僅為 6 把刀具，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩不大于 T0=8Nm。由于本刀庫的驅(qū) 動轉(zhuǎn)矩小，且所需轉(zhuǎn)速小，所以決定采用較普通的套筒 聯(lián)軸器。查參考資料 12 表 16-4,選用 d=16mm,型套筒 聯(lián)軸器，如圖 6-1 所示。其主要參數(shù)為 =28Nm。pM 6.1.2 聯(lián)軸器的校核 校核公式為 cPK 其中 聯(lián)軸器的公稱轉(zhuǎn)矩（Nm）M 聯(lián)軸器的施用轉(zhuǎn)矩（Nm）P 工作情況因數(shù)，查參考資料 12 表 16-4,得 =1.5K 于是 ，所以所選的聯(lián)軸器合適。1.58228c PNmAA 62 托架的設計 本設計所需托架有電機、刀庫及機械手的安裝托架。托架的設計應根據(jù)電機、刀庫及機械 手的尺寸重量大小和安裝部位的形狀尺寸等等。由于本設計的篇幅所限，具體的設計就給予省 略。 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀設計 20 設計總結(jié)及鳴謝 畢業(yè)設計是完成教學計劃達到專業(yè)培養(yǎng)目標的一個重要的教學環(huán)節(jié)；是教學計劃中綜合性 最強的實踐性教學環(huán)節(jié)，它在培養(yǎng)和提高我們綜合運用專業(yè)知識分析和解決實際問題的能力， 并進行工程技術(shù)人員所必須具備的基本素質(zhì)的訓練等方面具有很重要的意義。畢業(yè)設計能使我 們在以下幾個方面有較大提高。 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀設計 21 1通過閱讀有關(guān)資料對當前先進的機械制造業(yè)的發(fā)展有進一步的了解。 2融匯、貫通幾年里所學習的專業(yè)基礎(chǔ)知識和專業(yè)理論知識。 3綜合運用所學專業(yè)理論知識和技能提高獨立分析問題和解決實際問題的能力。 4培養(yǎng)和提高與設計群體合作、相互配合的工作能力。 歷時二個多月的畢業(yè)設計接近尾聲了，我的設計也基本上圓滿完成了。此時回想過去設計 的日子，體會多多，感慨也不少。我基本上按照我初定的三階段計劃認真做我的畢業(yè)設計的。 設計過程也如我所料，遇到不少的問題。 在查閱資料學習階段，我不但認真閱讀了從工程訓練中心借來的 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降 臺銑床的說明書，重新溫習了我們以前所學過的數(shù)控機床 、 液壓傳動與氣壓傳動 ，還常去 圖書館，翻閱了幾乎所有有關(guān)數(shù)控機床、自動換刀、加工中心的圖書資料和部分液壓電氣控制 方面的書籍。經(jīng)過這一階段的學習，我對數(shù)控機床、自動換刀裝置的類別、工作原理及其電液 控制方面有了大體的認識，這為接下來最主要的具體設計階段打下堅實的基礎(chǔ)。 具體設計階段是最主要，最重要，最艱難的階段。萬事開頭難，這一階段的第一個難點就 是總體方案的確定。我是在前階段學習了自動換刀形式，加工中心類別的基礎(chǔ)上，認真研究往 屆的設計方案，再比較現(xiàn)在有類似數(shù)控機床所應用的機床自動換刀裝置后，最終確定自己的設 計方案的。我本以為總體方案確定后，接下來的設計應該就不難了，但真正的設計過程中的困 難超出我的所料。不管是具體零部件分析選擇和計算校核，還是工作圖的繪制，我都遇到不少 問題，充分暴露以往學習的知識缺漏，自己獨立解決實際問題能力的不足。幸好在此過程中常 得到指導老師溫老師的指導、同學們的幫助，讓我基本上解決了問題，完成了這一階段的設計。 最后的修改階段。首先我自己先認真檢查修改一遍自己的設計，包括工程圖，動畫以及說 明書。然后交給指導老師，請她幫我檢查。指導老師經(jīng)過詳細的檢查后對我的設計給予詳細的、 全面的批評指正和修改建議。我根據(jù)指導老師的修改建議，進行第二輪的修改，修改完后再請 老師過目指導，直到指導老師認為基本沒什么錯誤為止。這一階段指導老師的點睛之筆是我設 計不斷完善的關(guān)鍵，在此表示衷心的感謝！ 設計完成以后，接下來的主要任務就是準備答辯。這是決定畢業(yè)設計成敗的關(guān)鍵階段，我 必須在再次認真檢查設計的基礎(chǔ)上，認真論證我設計的自動換刀裝置的工作原理、可行性、可 靠性以及不足之處等等，為答辯作好充分的準備。通過整個設計階段的自己努力，老師的指導 和同學們的幫助，我有信心順利通過畢業(yè)設計答辯。 最后，在此對在整個設計過程中，給予我指導和幫助的老師同學表示衷心的感謝！特別是 我的指導老師，對我設計給予悉心的指導，她對工作認真負責的態(tài)度也是我學習的好榜樣，我 受益匪淺，在此再次表示衷心的感謝！ 參考文獻 1 吳宗澤,羅圣國.機械設計課程設計手冊第二版M.北京 :高等教育出版社,1999. 2廖念釗,莫雨松,李碩根,楊興駿.互換性與技術(shù)測量第四版M.北京:中國計量出版社,2000. 3陳錦昌,劉就女,劉林.計算機工程制圖M.廣州:華南理工大學出版社 ,1999. 4馮辛安,黃玉美,杜君文.機械制造裝備設計M.北京:機械工業(yè)出版社,2004. 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