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課 題： XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀裝置 （刀庫式）設(shè)計 子課題: 同課題學生姓名: 目 錄 目 錄 設(shè)計總說明 I INTRODUCTION .........................................................................................................II 1 緒論 1 1.1 數(shù)控機床知識 ........................................................................................1 1.2 數(shù)控銑床的分類 ...................................................................................1 1.2.1 數(shù)控立式銑床 ........................................................................................1 1.2.2 臥式數(shù)控銑床 ........................................................................................2 1.2.3 立、臥式兩用數(shù)控銑床 .....................................................................2 1.3 數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)特征 ..........................................................................2 1.3.1 數(shù)控銑床的主軸特征 ..........................................................................2 1.3.2 控制機床運動的坐標特征 ................................................................2 1.4 數(shù)控銑床的主要功能及加工對象 ..................................................3 1.4.1 數(shù)控銑床的功能 ...................................................................................3 1.4.2 自動換刀裝置（ATC）及其形式 .....................................................3 1.4.3 自動換刀裝置應(yīng)當滿足的基本要求 ..............................................4 2 總體方案的確定 ......................................................................................................5 2.1 XKA5032A/C數(shù)控立式升降臺銑床及其主要參數(shù) ................................5 2.1.1 其主要結(jié)構(gòu)特點 ...................................................................................5 2.1.2 其主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù) .....................................................................6 2.2 初定其自動換刀裝置的設(shè)計參數(shù) ..................................................7 目 錄 2.3 確定其自動換刀裝置的形式 ............................................................7 3 刀庫的設(shè)計 ...............................................................................................................9 3.1 確定刀庫容量 ............................................................................................9 3.2 確定刀庫形式 ........................................................................................9 3.3 刀庫結(jié)構(gòu)設(shè)計 ........................................................................................9 3.4 初估刀庫驅(qū)動轉(zhuǎn)矩及選定電機 .....................................................11 3.4.1 初選電動機與降速傳動裝置 ..........................................................11 3.4.2 初估刀庫驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 ............................................................................11 3.5 刀庫轉(zhuǎn)位機構(gòu)的普通圓柱蝸桿傳動的設(shè)計 ..............................12 3.6 刀庫驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的校核 ........................................................................16 3.7 花鍵聯(lián)接的強度計算 ........................................................................16 3.8 夾緊機構(gòu)插銷剪切強度的校核 .....................................................16 3.9 確定刀具的選擇方式 ........................................................................17 3.10 刀庫的定位與刀具的松夾 ..............................................................18 4 刀具交換裝置的設(shè)計 ...........................................................................................19 4.1 確定換刀機械手形式 ........................................................................19 4.2 換刀機械手的工作原理 ...................................................................20 4.3 機械手的自動換刀過程的動作順序 ............................................21 4.4 機械手回轉(zhuǎn)軸4上的齒輪齒條設(shè)計 ..............................................22 4.5 自動換刀裝置的相關(guān)技術(shù)要求 .....................................................22 4.5.1 主軸準停裝置 ..........................................................................................22 4.5.2 換刀機械手的安裝與調(diào)試 ......................................................................23 4.6 自動換刀程序的編制 ........................................................................23 目 錄 5 自動換刀裝置的控制原理 .................................................................................25 5.1 自動換刀裝置的液壓系統(tǒng)原理圖 ................................................25 5.2 自動換刀裝置換刀動作的順序控制過程 ..............................................25 6 典型零件的設(shè)計 ....................................................................................................27 6.1 聯(lián)軸器 ......................................................................................................27 6.1.1 聯(lián)軸器的選用 ..........................................................................................27 6.1.2 聯(lián)軸器的校核 ..........................................................................................27 6.2 選擇離合器的類型 ..................................................................................27 6.3 蝸桿蝸輪傳動設(shè)計的一些相關(guān)技術(shù)要求 ..............................................28 6.4 托架的設(shè)計 ..............................................................................................28 鳴 謝 29 參考文獻 31 設(shè)計總說明 設(shè)計總說明 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（刀庫式）的設(shè)計.刀 庫式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(yīng)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。存放刀具的刀庫具有較大的容量，其容量為六 把刀具,采用盤形結(jié)構(gòu),安裝在機床的左側(cè)立柱上。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 THK6363 型自動換刀數(shù)控鏜銑床相似，所以本機床的自 動換刀裝置的設(shè)計將仿效 THK6363 型自動換刀數(shù)控鏜銑床換刀裝置，設(shè)計成采用軸向 放置的鼓盤式刀庫形式和回轉(zhuǎn)式雙臂機械手組成。 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。順序選刀是在加工之前，將加工零件所需刀具按照工藝要求依次插入 刀庫的刀套中，順序不能有差錯。加工時按順序調(diào)刀。適合加工批量較大、工件品種 數(shù)量較少的中、小型自動換刀裝置?？芍獢?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。 兩手互相垂直的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機械手的優(yōu)點是換刀動作可靠，換好時間短，缺 點是刀柄精度要求高，結(jié)構(gòu)復雜，聯(lián)機調(diào)整的相關(guān)精度要求高，機械手離加工區(qū)較近。 一般來說，這種機械手用于刀庫刀座軸線與機床主軸軸線垂直，刀庫為徑向存取刀具 形式的自動換刀裝置，因此，在 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降銑床的自動換刀裝置中可采 用這種機械手形式。 關(guān)鍵詞：數(shù)控銑床；自動換刀裝置；刀庫；換刀機械手 ABSTRACT I INTRODUCTION This thesis introduction is the design that the XKA5032 A/C number controls the sign type working panel lifter miller to change the knife device(the knife database type) automatically.The knife database type automatically change the knife device is have by the knife database and the knife to exchange device(change the knife the machine hand) to constitute.It is many work ordinal numbers to control the top of the tool machine to apply to change the knife device most extensively, it is whole to lead to change the knife process more complicated.First process process in need to be use of all knifes have to install on the haft of the standard, pressing certain way to pack into the knife database after the tool machine carry on size to prepare to adjust outside.Be in the knife database carry on choosing knife first while change the knife, is taken out knife to have from the knife database and the principal axis by the machine hand, then exchange position, insert the new knife into the principal axis, the old knife puts back a knife database.The knife database that deposits knife to have has bigger capacity, its capacity has for six knifes, adopting the dish form structure, the left side that installs in the tool machine signs pillar up.The XKA5032 A/C number controls the sign type working panel lifter miller shape and other function parameter etc.s to all change the knife with THK6363 typeses automatically number to control the boring miller likeness, so this tool machine changes the knife the design of the device to change the knife in the wake of THK6363 typeses automatically automatically the number control the boring miller to change the knife device, the design becomeses the adoption stalk toward the drum dish type knife database form and the turn-over type double the arm machine hand for place to constitute. The knife has to press to schedule to the work preface insert the knife of the knife database order of sequence, usage turn to take knife position in order.The knife for using puts back the original knife inside, can also press to process sequence to put into the next knife.That method doesnt need the knife to identify device, driving a control also more simple, work credibility.But the knife database in each knife have in the different work preface and cant repeat an usage, for satisfying to process to need to only increase the capacity of the quantity and the knife database that the knife have, this utilization that lowers knife to have with the knife database.Have to be very careful while packing knife in addition, if the knife doesnt in order have to pack in the knife database, will produce serious result.Sequences choosing knife is before process, will process the knife that spare parts need to have to request to be one by one in order in the knife set of insert the knife database according to the craft, the sequence cant have mistake.Process adjust knife in order.Suit to ABSTRACT II process a batch quantity to compare greatly,the work piece the species quantity less of medium,small scaled the auto change the knife device.Can know the number controls miller to use 4 make the knife complete most milling and can pare to process.So this capacity is 6 knife databases of knifes, almost the nonentity process to need to make use of the circumstance that the knife have again in the process, so the knife have of the choice method assurance for in proper order choice the knife have. Two hands are mutual perpendicular of the advantage of the turn-over type single arm hands machine hand change the knife action credibility, changing good time short, the weakness is the haft accuracy to have high request, structure complications, the linking machine adjust of the related accuracy have high request, the machine hand leaves to process area nearer.Generally speaking, this kind of machine hand useds for the knife database knife the stalk line and the tool machine principal axis stalk line perpendicular, the knife database has a form to change the knife device automatically toward the access knife for the path, therefore can adopt this kind of machine hand form in the XKA5032 A/C number control the sign type rise and fall miller the auto change the knife the device. KEYWORDS: numerical control milling machines ；Automatic tool changer ；Tool storage ；tool changing-manipulator 0 1 緒 論 1.1 數(shù)控機床知識 數(shù)字控制機床是用數(shù)字代碼形式的信息(程序指令)，控制刀具按給定的工作程序、 運動速度和軌跡進行自動加工的機床，簡稱數(shù)控機床。 數(shù)控機床具有廣泛的適應(yīng)性，加工對象改變時只需要改變輸入的程序指令；加工 性能比一般自動機床高，可以精確加工復雜型面，因而適合于加工中小批量、改型頻 繁、精度要求高、形狀又較復雜的工件，并能獲得良好的經(jīng)濟效果。 隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機床品種日益增多，有車床、銑床、鏜床、 鉆床、磨床、齒輪加工機床和電火花加工機床等。此外還有能自動換刀、一次裝卡進 行多工序加工的加工中心、車削中心等。 數(shù)控機床主要由數(shù)控裝置、伺服機構(gòu)和機床主體組成。輸入數(shù)控裝置的程序指令 記錄在信息載體上，由程序讀入裝置接收，或由數(shù)控裝置的鍵盤直接手動輸入。 隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機床的控制系統(tǒng)日益 趨向于小型化和多功能化，具備完善的自診斷功能；可靠性也大大提高；數(shù)控系統(tǒng)本 身將普遍實現(xiàn)自動編程。 未來數(shù)控機床的類型將更加多樣化，多工序集中加工的數(shù)控機床品種越來越多；激光加工等技 術(shù)將應(yīng)用在切削加工機床上，從而擴大多工序集中的工藝范圍；數(shù)控機床的自動化程度更加提高， 并具有多種監(jiān)控功能，從而形成一個柔性制造單元，更加便于納入高度自動化的柔性制造系統(tǒng)中。 1.2 數(shù)控銑床的分類 1.2.1 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(yīng)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(shè)備的價格也更高。 1 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。 1.2.2 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?。對箱體類 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。 1.2.3 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。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。 1.3 數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)特征 1.3.1 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(shè)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。 2 1.3.2 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(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)更高一些。 1.4 數(shù)控銑床的主要功能及加工對象 1.4.1 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?特殊功能。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(yīng)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：平面類零件；變斜角類零件； 曲面類（立體類）零件。 1.4.2 自動換刀裝置（ATC）及其形式 數(shù)控機床為了進一步提高生產(chǎn)率，進一步壓縮非切削時間，現(xiàn)代的機床逐步發(fā)展 為在一臺機床上在一次裝中完成多工序或全部工序的加工。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)。對工件的多工序加工而設(shè)置的存儲及更換刀具的裝置稱為自動換刀裝 置(Automatic Tool Changer，ATC);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） 。在這類數(shù)控機床上，自動換刀裝 置（ATC）是必不可少的。例如加工中心機床又稱多工序自動換刀數(shù)控機床，它主要是 指具有自動換刀及自動改變工件加工位置工能的數(shù)控機床，具有自動換刀裝置是加工 中心機床的典型特征，是多工序加工的必要條件。自動換裝置的功能，對整機的加工 效率有很大的影響。由于普通的數(shù)控立式銑床加工的一般是中小零件，其大多需要幾 把刀具加工（10 把刀具以內(nèi)， ）故增加自動換刀裝置并同時自動變換主軸轉(zhuǎn)速。可減輕 勞動強度，減少換刀時間，既提高了機床的自動化程度，又提高了勞動生產(chǎn)率。因此， 數(shù)控立式銑床作為數(shù)控銑床中數(shù)量最多、應(yīng)用范圍也最廣的一種，對其附加能夠快速、 準確地換刀的自動換刀裝置是非常有必要的。 3 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： 1)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(shè)計成四方和六角刀架或其他等多種形式。回轉(zhuǎn)刀架上分別安裝著四把、六把或更多 的刀具，并按數(shù)控裝置的指令轉(zhuǎn)位換刀。回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須有良好的強度和剛性， 以及合理的定位結(jié)構(gòu)，以保證回轉(zhuǎn)刀架在每一次轉(zhuǎn)位之后具有盡可能高的重復定位精 度。如：CK7815 型數(shù)控車床采用 BA200L 刀架，其工作循環(huán)是：刀架接收數(shù)控裝置的指 令一松開一轉(zhuǎn)到指令要求的位置一夾緊一發(fā)出轉(zhuǎn)位結(jié)束的信號。 2)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(yīng)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，主軸部件的剛性差且主軸的數(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。 3)帶刀庫的自動換刀形式 帶刀庫的自動換刀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(yīng)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(yīng)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。 刀庫的類型按刀庫的結(jié)構(gòu)形式可分為：圓盤式刀庫、鏈式刀庫、箱型式刀庫---箱 型和線型；按設(shè)置部位的不同，刀庫可以分為：頂置式、側(cè)置式、懸掛式和落地式等 多種類型；按交換刀具還是交換主軸，刀庫可分為：普通刀庫(簡稱刀庫)和主軸箱刀 庫。雖然刀庫有多種形式，但數(shù)控機床上常用的主要是圓盤式和鏈式兩種。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。 1.4.3 自動換刀裝置應(yīng)當滿足的基本要求 1）刀具換刀時間短。 4 2）刀具重復定位精度高。 3）足夠的刀具儲存量。 4）刀庫占地面積小。 5）換刀安全可靠。 2 總體方案的確定 依據(jù)設(shè)計任務(wù)書，我們的任務(wù)是給 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床設(shè)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(shè) 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。 2.1 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床及其主要參數(shù) XKA5032A 型數(shù)控立式升降臺銑床是一種使用范圍廣泛的機床，根據(jù)用戶要求，配 置國內(nèi)外（OSP-U10M、SIEMENS802D、華中號）先進數(shù)控系統(tǒng)，可手動或自動操作。 它可以實現(xiàn) X、Y、Z 三軸同時定位/直線插補，同時二軸圓弧插補。OPS 全域絕對位置 檢測。每次開機無須回零，簡化機床操作。尤其在發(fā)生停機、斷電、更換程序等情況 后再啟動時不用整機回零，可以直接開機，方便操作。尤其方便不熟練操作工、繁忙 操作工、電力不良等情況下的使用?？刹捎弥鞒绦?、子程序進行編程，最小單位可選 0.001mm。具有標準機床坐標系、工件坐標系，絕對值、增量可并用。各有 50 組刀具 長度、半徑長度補償。彩色 LCD 中文顯示，具良好人機對話窗口，系統(tǒng)具有 160m 存儲 容量，可進行程序編輯、管理，可用 RS-232C 接口、1.44 軟盤進行數(shù)據(jù)輸入、輸出, 便于加工程序的管理。可以對程序進行模擬加工，刀具軌跡跟蹤及動畫仿真、圖形動 畫顯示，記錄運行時間及作業(yè)信息。 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；該機床適 用于機械制造的各種類部門，也適用于軍工部門。 2.1.1 其主要結(jié)構(gòu)特點 1)主傳動系統(tǒng)為 7.5Kw 的交流電動機通過彈性連軸器驅(qū)動主傳動箱，主傳動箱內(nèi) 5 有三組滑移齒輪,液壓預選變速機構(gòu)推動各滑移齒輪,組成 18 種轉(zhuǎn)速,再傳到銑頭上的 主軸，主傳動箱內(nèi)有電磁制動器,主軸制動迅速平穩(wěn)。 2)進給系統(tǒng) X、Y、Z 三個座標的進給，都是由交流伺服電機驅(qū)動的。電機通過同 步齒形帶驅(qū)動滾珠絲杠，從而使部件沿導軌移動。伺服電機及其相應(yīng)的速度控制單元 和用于位置檢測的脈沖編碼器等均受控于數(shù)控系統(tǒng)；以完成各種進給運動。 同步齒形帶可張緊以減少傳動間隙，噪聲亦可降低。 垂向電機是帶制動器的，當斷電時，垂向剎緊，以防止升降臺因自重而下滑。 3)銑頭上的立式主軸，有符合國際標準的(ISO)No.50 錐孔，可安裝標準的銑刀或 銑夾頭。主軸的軸向位置可調(diào)整，連同套筒一起作軸向伸出。主軸也可以連同銑頭主 體一起，在左右各 45范圍內(nèi)調(diào)整成傾斜位置。 4)刀柄采用標準 XT50 形式，可與萬能銑床刀柄通用。 5)潤滑系統(tǒng) 自動潤滑站配以遞進式分油器，對機床導軌副、滾珠絲杠副及齒輪副等進行自動 的定時定量潤滑，每次加油量和兩次間的時間間隔都是可調(diào)的，力求保證每個潤滑點 的合理油量。 6)機床采用側(cè)掛式電柜和吊掛式操縱站，機電一體，整體裝運，安裝方便，集中 操縱但能又多位置操作。 7)半自動的裝卸刀機構(gòu),安裝在銑頭的上方，通過兩個按鈕分別控制裝刀和卸刀， 方便而安全，即使主軸向外伸出，也不會影響刀具的裝卸。 2.1.2 其主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù) 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 工作臺縱向（Z）行程 mm 380 主軸孔徑 mm 29 主軸端面至工作臺面的距離 mm 70450 主軸中心線至床身導軌面距離 mm 350 定位精度及重復定位精度 mm 0.015、0.005 主軸端部錐度 ISO No.50 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 301500 工作臺進給級數(shù) 無級 縱、橫向進給范圍 mm/min 63200 6 垂向進給范圍 mm/min 31600 縱、橫向快進速度 mm/min 6000 垂向快進速度 mm/min 3000 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(3000) 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 2.2 初定其自動換刀裝置的設(shè)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(yīng)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(shè)計其自動換刀裝置時，應(yīng)該根據(jù)最 大的刀具直徑來設(shè)計，即設(shè)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。 2.3 確定其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。 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(yīng)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 7 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 THK6363 型自動換刀數(shù)控鏜銑床相似，所以本機床的自動換刀裝置的設(shè)計將仿效 THK6363 型自動 換刀數(shù)控鏜銑床換刀裝置，設(shè)計成由由盤式刀庫和回轉(zhuǎn)式雙臂機械手組成。設(shè)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 8 3 刀庫的設(shè)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。 3.1 確定刀庫容量 決定刀庫容量時，首先要考慮加工工藝的需要，同時還要調(diào)查分析同類型、相近 規(guī)格的自動換刀機床的刀庫容量及其發(fā)展趨勢。由于帶自動換刀裝置的數(shù)控機床主要 是在多品種、單件小批生產(chǎn)時使用，因而應(yīng)根據(jù)廣泛的工藝統(tǒng)計，依大多數(shù)工件加工 時需要的刀具數(shù)來確定刀庫容量。例如，對功能 較為齊全的加工中心而言，它可承擔多個工件的 切削任務(wù)，因而要配備刀具的種類和規(guī)格較多。 通常，配備的刀具越多，機床能加工工件的比率 也越高，但它們并不是成正比例關(guān)系。圖 3-1 為 刀庫容量與機床能加工工件的比率統(tǒng)計曲線。 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(yīng)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)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，4 把銑刀 可完成加工工件的 95左右的銑削工藝，10 把孔加工刀具可完成 70的鉆削工藝， 14 把刀的容量就可完成 70以上工件的鉆銑工藝，配有 1440 把刀具的刀庫就能夠 滿足 70-95工件的加工需要。因此，對 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床，從使用 和經(jīng)濟效率角度來看，容量為 6 的刀庫就可滿足要求了。 9 3.2 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，決定采用軸向放 置的鼓盤式刀庫形式。這種刀庫結(jié)構(gòu)簡單，刀具排列較為緊湊，在刀庫容理定為 6 的 情況下體種不大，且取刀也較為方便，但需要考慮機械手的換刀動作空間。 3.3 刀庫結(jié)構(gòu)設(shè)計 如刀庫裝配圖所示，當數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，直流伺服電動機接通，其運動 經(jīng)過十字聯(lián)軸器、波傳動減速器、套筒式聯(lián)軸器、蝸桿、蝸輪后，再經(jīng)花鍵聯(lián)接傳到 刀盤 上，刀盤帶動刀座上的 6 個刀套轉(zhuǎn)動，完成選刀動作。 10 3.4 初估刀庫驅(qū)動轉(zhuǎn)矩及選定電機 刀庫回轉(zhuǎn)運動多數(shù)采用液壓馬達、直流電動機驅(qū)動，并沒有降速傳動裝置。 3.4.1 初選電動機與降速傳動裝置 刀庫的驅(qū)動系統(tǒng)中，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。采用型號為 90SZ03 的 SZ 系列電磁式直 流伺服電動機，其基本參數(shù)為：功率 0.092KW，轉(zhuǎn)速 3000R/MIN（袖珍機械師設(shè)計手 冊P1275） ；降速傳動裝置型號為 XB3-50-100A 的扁平式諧波傳動減速器，其基本參 數(shù)為：輸入功率 0.092KW，輸出轉(zhuǎn)矩 18Nm（袖珍機械師設(shè)計手冊P1078-1079） 。 3.4.2 初估刀庫驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 由于刀庫容量 6，下面就以 THK6363 型自動換刀數(shù)控鏜銑床的刀庫為設(shè)計參考（查 參考資料 14） ，采用經(jīng)驗法初估回轉(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?，F(xiàn)在由于設(shè)計的刀庫容量為 6 把刀具，可初估刀庫驅(qū)動轉(zhuǎn)矩(主要是指 直接驅(qū)動刀盤轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)矩)為 T0=8Nm。 11 3.5 刀庫轉(zhuǎn)位機構(gòu)的普通圓柱蝸桿傳動的設(shè)計 刀庫的主運動是圓周回轉(zhuǎn)運動，如圖 3-3 所示,直流伺服電動機 1 通過彈性柱銷聯(lián) 軸器與諧波傳動減速器 2 聯(lián)接減速后驅(qū)動蝸桿 3,設(shè)計刀庫轉(zhuǎn)位機構(gòu)的普通圓柱蝸桿傳 動. 由刀庫轉(zhuǎn)位機構(gòu)實現(xiàn)。 己知直流伺服電動機 1 的功率為 0.092KW,轉(zhuǎn)速為 3000R/MIN,諧波傳動減速器 2 的 傳動比為 100.傳動效率為 80%,1 經(jīng) 2 減速后驅(qū)動蝸桿 3,蝸桿為主動,蝸輪為從動,要求 傳動此為 6,單向旋轉(zhuǎn),單班工作制,預計壽命為 5 年. 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；蝸輪用鑄錫磷青銅 ZCuSn10Pb1， 金屬模鑄造， =220 MPa， =220 MPa。2HP2FP 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= Z1i= 66=36。 4)按齒面接觸疲勞強度設(shè)計 m2d1 KT2 (mm3)2 50ZHP a)計算蝸輪軸轉(zhuǎn)矩 T2 初估傳動效率 =0.95,則 T2=9549 =9549 =9549 0.95=133.53 Nm12n1/i0.928%3/6 其中 n1 =3000/100=30(r/min) b)載荷系數(shù) K=1.05 12 c)許用接觸應(yīng)力 2HP = =2200.91.48=293.04 MPa2HPVSZN 式中, =220 MPa, 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S 動速度影響系數(shù) =0.9, =1.48（其中 =60a t=601 53008=3.6VZNLZ2n306 ,按圖 183 查得） ；610 d)計算 m2d1值,并選定模數(shù) m 和蝸桿分度圓直徑 d1 m2d1 1.05133.53=283.46 mm 3; 25069.4 按表 183 查得模數(shù) m=3.15(mm), d1=35.5 (mm) (m2d1值應(yīng)大于計算值) 5)驗算滑動速度 SV a)計算蝸桿速度 1 = = =0.0558 m/s1V