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為臥式加工中心設(shè)計(jì)一種盤式自動(dòng)換刀刀庫(kù)
為臥式加工中心設(shè)計(jì)一種盤式自動(dòng)換刀刀庫(kù)
MUSTAFA ILHAN GOKLERt~ and MURAT BJLGJN KO~t
(Received 12 April 1996)
摘要：自動(dòng)換刀－是被用在數(shù)控加工機(jī)床的刀具更換中，就是用刀庫(kù)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(dòng)換刀的設(shè)計(jì)曾被認(rèn)為是一種機(jī)床道具的制造者。在幾經(jīng)檢驗(yàn)選擇之后就決定實(shí)施這種磁盤式自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)，這種刀庫(kù)擁有24把刀，其中刀具最大直徑可達(dá)150mm，刀具最大重量可達(dá)8 kg , 這種自動(dòng)換刀的設(shè)計(jì)更換最近的刀具時(shí)間放在4s之內(nèi)，在最遠(yuǎn)處的刀具的更換在6 s之內(nèi)。
1.概述
每一個(gè)機(jī)床刀具生產(chǎn)者或者都必須專門的任何特殊的數(shù)控機(jī)床，刀具或者設(shè)計(jì)自己的刀具特殊加工制造數(shù)控機(jī)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(gòu)買精密的系統(tǒng)。機(jī)床刀具制造者為避免由他們自己賣出新的計(jì)數(shù)進(jìn)步，他們通常會(huì)去賣那些已經(jīng)滯后的系統(tǒng)。
因此，一種特殊的數(shù)控機(jī)床刀具更新被尋找并且繼續(xù)研究并設(shè)計(jì)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(dòng)換刀系統(tǒng)。
這種自動(dòng)換刀裝置可以設(shè)計(jì)成依據(jù)由機(jī)床控制單元的命令自動(dòng)從刀庫(kù)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(yīng)用【1－17】。通常認(rèn)為刀庫(kù)或串連的或磁盤式的。盡管如此，今天有些別的刀庫(kù)類型如球型，磁盤式等等。【17】
磁盤式的刀庫(kù)可以分成以下幾類。
（1） 在一種磁盤帶更換手臂的刀庫(kù)中，刀具通過(guò)手臂的方式更換，就是從刀庫(kù)中抓起刀具更換主軸上的刀具。然后，磁盤有檢索存儲(chǔ)道具的功能?！?－5】。一些這些功能的例子，如途中所示。
（2） 一個(gè)沒(méi)有更換道具手臂額磁盤刀庫(kù)，這種類型的刀庫(kù)實(shí)際上象一個(gè)刀具更換手臂。刀具由磁盤自己更換。【2，6－8】，這種例子如圖中所示。
Fig.1. 幾個(gè)有機(jī)械手自動(dòng)換刀的例子
Fig.2.無(wú)機(jī)械手自動(dòng)換刀的例子
在串連型自動(dòng)換刀刀庫(kù)中【9－16】，刀具機(jī)械手更換，依據(jù)刀具在刀庫(kù)中定位的狀態(tài)和位置，選擇分類串連型刀庫(kù)。
(1) 刀庫(kù)中刀具坐標(biāo)軸垂直于主軸的坐標(biāo)軸，刀庫(kù)在支柱左邊或右邊；
為了改變刀具的方向，一個(gè)機(jī)械手抓起刀具然后繞坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，并抓起新刀到正確的平行于坐標(biāo)軸，如圖所示，這種換手臂刀庫(kù)中刀具與主軸上的刀具。
(2) 在串連刀庫(kù)中刀具的坐標(biāo)式平行的主軸坐標(biāo)的平面內(nèi)，如圖所示，在刀具切削中刀具僅僅只有一個(gè)位置，為立式加工中心設(shè)計(jì)帶磁盤式自動(dòng)換刀裝置，因?yàn)榈毒咦鴺?biāo)平行于主軸坐標(biāo)，機(jī)械手臂在刀庫(kù)與主軸之間換刀，并且，刀具在這個(gè)位置換刀。
(3) 刀庫(kù)中刀具的坐標(biāo)平行于主軸坐標(biāo)，機(jī)械手臂在刀庫(kù)與主軸之間換刀，并且，靠近主軸作線性移動(dòng)，然后換刀如表【16】所示。
在表1中，不同的自動(dòng)換刀裝置和最短時(shí)間換刀時(shí)間（T/T）這是在交換基礎(chǔ)上給出的最短換刀時(shí)間，在表1中，D+A,D,C+A指派磁盤式帶機(jī)械手換刀裝置的刀庫(kù)，沒(méi)有機(jī)械手換刀裝置的磁盤式刀庫(kù)，帶機(jī)械手換刀裝置的串連型刀庫(kù)。
在磁盤式刀庫(kù)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(diǎn)，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(dòng)換刀裝置中能夠存儲(chǔ)更多的刀具，但是串連型刀庫(kù)是比較貴的行對(duì)于盤式刀具倆說(shuō)。
2 自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)
在這一節(jié)中闡明數(shù)控加工中心刀具的具體設(shè)計(jì)，供應(yīng)市場(chǎng)的要求此中意向的特殊的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品，那樣可以從相關(guān)的試驗(yàn)中，獲得數(shù)控機(jī)床刀具的價(jià)格應(yīng)該在考慮之內(nèi)，根據(jù)cnc數(shù)控機(jī)床刀具的前景，設(shè)計(jì)特殊的數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置。
把設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)降低看作為單元，相當(dāng)?shù)蛢r(jià)位的，易于生產(chǎn)加工的一個(gè)沒(méi)有機(jī)械手臂的盤式刀庫(kù)型的自動(dòng)換刀裝置特殊的立式加工中心設(shè)計(jì)品。
表1
步驟1 去掉的刀具，刀庫(kù)從用 A-A 方向看
2 轉(zhuǎn)動(dòng)刀具到正確的換刀位置，刀庫(kù)沿著坐標(biāo)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)或者逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
3 刀庫(kù)退回，而新刀安裝到主軸上。
4．當(dāng)控制單元收到主軸轉(zhuǎn)刀具安裝后，主軸開(kāi)始轉(zhuǎn)的加工周期，在自動(dòng)換刀裝置討論會(huì)后，主要的工作是應(yīng)用這種裝置。
如下所示
1， 刀庫(kù)中刀具數(shù)為24把
2， 刀具最大直徑為100mm
3， 當(dāng)?shù)稁?kù)中沒(méi)有刀時(shí)，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(kù)的類型為BT40
6， 刀具更換時(shí)間在4秒－6秒之間。
在如下的分支中，列舉處特殊自動(dòng)換刀裝置的基本系數(shù)，
盤式刀庫(kù)最小直徑是由考慮存儲(chǔ)具體刀具數(shù)量和最大直徑，在刀庫(kù)中存儲(chǔ)的應(yīng)與換下的距離，盤式刀庫(kù)的直徑是812mm每個(gè)刀具之間為6 mm。確定刀庫(kù)直徑后，刀庫(kù)的盤式形狀也確定了，因?yàn)榈稁?kù)經(jīng)常加速或減速，所以刀庫(kù)的慣性為重要問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題可以用一種輕型材料解決，鋁就是這種材料。薄壁的盤庫(kù)適當(dāng)?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(yīng)該考慮的，應(yīng)盡可能降低這種結(jié)構(gòu)的降低成本，如簡(jiǎn)圖所示
導(dǎo)軌。
在自動(dòng)換刀裝置系統(tǒng)中，都必須有抽去主軸上的刀的轉(zhuǎn)動(dòng)，在無(wú)機(jī)械手換刀裝置中，盤式刀庫(kù)有前后運(yùn)動(dòng)，這就有必要的導(dǎo)軌，這種運(yùn)動(dòng)由輸送形式氣壓活塞完成，實(shí)際上，有幾種別的線性運(yùn)動(dòng)方法，如用球滾動(dòng)代替旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，然后，當(dāng)有圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)。這是非常昂貴的方式，如表6所示，導(dǎo)軌設(shè)計(jì)成空心形式以減輕重量，導(dǎo)軌由氣壓活塞推動(dòng)，活塞或裝在導(dǎo)軌的最后面，導(dǎo)軌邊上設(shè)計(jì)了方形的邊緣，并不是u型的，用方形的邊是因?yàn)槿菀字圃欤瑑r(jià)格極限空間都有優(yōu)勢(shì)。
2.3減震器
每一個(gè)刀具更換周期，刀庫(kù)都由導(dǎo)軌上前后移動(dòng)，這占用的周期的大部時(shí)間，為了減少運(yùn)整時(shí)間，優(yōu)先用了移動(dòng)速度，但是坐標(biāo)問(wèn)題隨之產(chǎn)生，當(dāng)動(dòng)量較大時(shí)必須有相適應(yīng)的短距離停下來(lái)的系統(tǒng)，而這種系統(tǒng)又不會(huì)起過(guò)渡的振動(dòng)，減震器就可解決此問(wèn)題。
在設(shè)計(jì)中，用一個(gè)氣缸，和用壓縮空氣活塞缸開(kāi)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(guò)整個(gè)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(dá)到了。
2.4 刀具夾緊裝置
刀庫(kù)中的刀具用夾具夾在刀庫(kù)中，刀具可以?shī)A持在鉗口之間。以這種方式設(shè)計(jì)的夾具，最大重量的刀具可以安全舉起。盤式刀庫(kù)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(shè)計(jì)中考慮到。刀庫(kù)和鉗口依據(jù)特定的刀柄類型而定。鉗口應(yīng)適合特殊的刀柄。
刀庫(kù)中的刀具由一個(gè)螺旋狀的彈簧和鐵片組合而夾在刀庫(kù)中的這種裝置設(shè)計(jì)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(hù)刀柄的防護(hù)罩
設(shè)計(jì)ATC時(shí)，一些保護(hù)措施是有必要的。如果任何鐵屑進(jìn)入主軸前打擊到刀柄的外表面，那么將不會(huì)準(zhǔn)確停下主軸并且引起錯(cuò)位，不精確等相應(yīng)的問(wèn)題。鐵屑可能損傷主軸，為了防止這樣，應(yīng)該防止鐵屑進(jìn)入主軸，而用一個(gè)防護(hù)罩。防護(hù)罩應(yīng)與主軸一起移動(dòng)。
2.6 電機(jī)的速度控制
用一電機(jī)和速度結(jié)合體控制刀盤的旋轉(zhuǎn)。選用電機(jī)類型根據(jù)動(dòng)力和價(jià)格的要求選擇合適的電機(jī)。
考慮位置的精確性和重復(fù)性 ，選一種AC無(wú)刷式電機(jī)帶動(dòng)盤式刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)，選用一種可以提供4.5N/n的力矩和0.94KW動(dòng)力，性價(jià)比好的
2.7 降速
在刀庫(kù)和電機(jī)之間降速，這樣可以通過(guò)蝸輪蝸桿實(shí)現(xiàn)的。一種無(wú)級(jí)變速對(duì)于刀具相對(duì)主軸中心軸精確位置更換刀具來(lái)說(shuō)是必要的。
然而，在很小的面積內(nèi)獲得及時(shí)的降速是非常困難的，但用蝸輪就可以容易實(shí)現(xiàn)。但蝸輪也有問(wèn)題。而對(duì)于降速來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的效率明顯下降。如果用效率低的蝸輪實(shí)現(xiàn)降速，則電機(jī)的尺寸就相應(yīng)增加，進(jìn)而增加成本和控制系統(tǒng)。
低價(jià)格的行星輪系統(tǒng)，通過(guò)減小齒輪中心輪到最小間隙，控制可以消除反沖力，這樣沒(méi)有太大的沖擊和噪音。這些自然引起的啟動(dòng)力矩，因?yàn)橄嗷ジ缮妫^低的運(yùn)動(dòng)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(dòng)。
諧波驅(qū)動(dòng)是另一種無(wú)反沖的方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)如下述：
（1） 位置精確度非常好。諧波驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)能夠保證大約10%的齒在任何時(shí)刻相嚙合，這樣最小地降低齒輪齒的誤差。
（2） 因?yàn)橹C波驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且非常容易連在一個(gè)車間內(nèi)加工？？？？？
（3） 諧波驅(qū)動(dòng)有一個(gè)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(wú)反沖齒輪都便宜。
總上優(yōu)點(diǎn)和必要的結(jié)論，選諧波驅(qū)動(dòng)并應(yīng)用于ATC中，假如盤式刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)一半，包括加速減速所需的時(shí)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(jī)的2000rpm到輸出的16.67rpm.
2.8 解碼控制開(kāi)關(guān)
對(duì)于刀具正確地插入到主軸來(lái)說(shuō)，刀庫(kù)的控制開(kāi)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(gè)碼代表用一個(gè)刀具位置，那樣可以檢索到刀具的位置。
編碼器是一個(gè)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(hào)將會(huì)不同于實(shí)際的信號(hào)。因此，要求另一種計(jì)刀具數(shù)目的方法提供精確的安全防備。可以用一種計(jì)刀具數(shù)目的開(kāi)關(guān)去解決。當(dāng)檢索刀具時(shí)，由開(kāi)關(guān)送去的信號(hào)和編碼器相互防備彼此的錯(cuò)誤。
相對(duì)與增量編碼器來(lái)說(shuō)完全編碼器是比較貴的。如Fig6中所示。用一個(gè)增量編碼器就可以使刀庫(kù)到達(dá)正確的位置。安裝一個(gè)直接與刀庫(kù)相連的增量編碼盤可以解決角位置反沖的問(wèn)題。
有幾個(gè)控制目的就有幾個(gè)開(kāi)關(guān)。安裝一個(gè)靠近刀庫(kù)的道軌上的近開(kāi)關(guān)作安全防備。這個(gè)開(kāi)關(guān)有24個(gè)關(guān)于刀庫(kù)刀具位置的裝置。因此，對(duì)每把刀有且僅有一個(gè)開(kāi)關(guān)，這樣可以保證刀具位置與提供給控制單元的信號(hào)一致。
3．結(jié)論
在這篇文章中，已經(jīng)展現(xiàn)了沒(méi)有機(jī)械手的盤式自動(dòng)換刀刀庫(kù)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和主要工作，當(dāng)考慮到設(shè)計(jì)時(shí)期時(shí)，這種類型的自動(dòng)換刀是適合一些特殊的數(shù)控機(jī)床刀具生產(chǎn)的，進(jìn)而進(jìn)入市場(chǎng)是非常有可能的。設(shè)計(jì)這種自動(dòng)換刀的最短換刀時(shí)間是4秒，如表1所示?？梢钥吹竭@種自動(dòng)換刀裝置在市場(chǎng)上能夠有很好的競(jìng)爭(zhēng)力。
9
主要技術(shù)參數(shù) 1) 刀庫(kù)容量:4-6 2）選刀方式:順序選刀 3）重復(fù)精度: 5“ 設(shè)計(jì)學(xué)生： 所在班級(jí)： 指導(dǎo)老師：,XKA5032A數(shù)控 立式升降臺(tái)銑床 自動(dòng)換刀裝置,XKA5032A數(shù)控升降臺(tái)立式銑床,設(shè)計(jì)流程圖,,,,重點(diǎn),自動(dòng)換刀裝置的形式,(一)更換主軸頭換刀形式,(二)帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀形式,本設(shè)計(jì)選擇:帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀形式,本設(shè)計(jì)自動(dòng)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(kù)(容量為6順序選刀),* 回轉(zhuǎn)式雙臂機(jī)械手,安裝位置的確定,安裝自動(dòng)換刀裝置后銑床的外觀圖,換刀過(guò)程示意圖,,a、b 刀套下轉(zhuǎn)90 c、機(jī)械手轉(zhuǎn)75 d、機(jī)械手拔刀 e、刀具位置交換 f、機(jī)械手插刀 g 、機(jī)械手順時(shí)針轉(zhuǎn)75 h 、刀套帶著換回的舊刀具向上翻轉(zhuǎn)90，準(zhǔn)備下一次選刀,,機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖,機(jī)械手換刀動(dòng)作動(dòng)畫(huà)演示,刀庫(kù)裝配圖,機(jī)械手液壓控制圖,機(jī)械手裝配圖,鳴謝,在此對(duì)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，給予我指導(dǎo)和幫助的老師同學(xué)表示衷心的感謝！特別是我的指導(dǎo)老師溫堅(jiān)老師 。,刀庫(kù)容量的確定,刀庫(kù)儲(chǔ)存量過(guò)大，導(dǎo)致刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)龐大而復(fù)雜,影響機(jī)床總體布局；儲(chǔ)存量過(guò)小，則不能滿足復(fù)雜零件的加工要求。對(duì)自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床的刀庫(kù)容量，有關(guān)資料曾對(duì)15000個(gè)零件進(jìn)行分組統(tǒng)計(jì)，指出不同工序加工時(shí)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(duì)XKA5032A/C數(shù)控立式升降臺(tái)銑床，容量為6的刀庫(kù)就可滿足要求了。,刀具選擇方式的確定,刀庫(kù)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?yàn)?把刀就可完成大多數(shù)的銑削加工,這個(gè)容量為6把刀的刀庫(kù)，幾乎不存在加工過(guò)程中需要重復(fù)利用刀具的情況，所以本設(shè)計(jì)刀具的選擇方式確定為順序選擇刀具。該法不需要刀具識(shí)別裝置，驅(qū)動(dòng)控制也比較簡(jiǎn)單，工作可靠。,XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀設(shè)計(jì) 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(jī)床運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)特征5 1.3 數(shù)控銑床的主要功能及加工對(duì)象5 1.3.1 數(shù)控銑床的功能5 1.3.2 自動(dòng)換刀裝置（ATC）及其形 式5 1.3.3 自動(dòng)換刀裝置應(yīng)當(dāng)滿足的基本要求6 第 2 章 總體方案的設(shè)計(jì) 6 2.1 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床及其主要參數(shù)6 2.2 初定 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)參 數(shù)7 2.3 確定 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀裝置的形 式7 第 3 章 刀庫(kù)的設(shè)計(jì)8 3.1 確定刀庫(kù)容量8 3.2 確定刀庫(kù)形式8 3.3 刀庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)10 3.4 初估刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩及選定電機(jī)10 3.5 刀庫(kù)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)10 3.6 刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)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(shè) 計(jì)15 4.1 換刀機(jī)械手抓刀部分結(jié)構(gòu)15 4.2 機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu)15 4.3 自動(dòng)換刀過(guò)程的動(dòng)作順序16 4.4 自動(dòng)換刀裝置的相關(guān)技術(shù)要求17 4.4.1 主軸準(zhǔn)停裝置17 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀設(shè)計(jì) 2 4.4.2 換刀機(jī)械手的安裝與調(diào)試17 第 5 章 自動(dòng)換刀裝置的控制原理 17 5.1 刀庫(kù)的控制17 5.2 機(jī)械手的控制18 第 6 章 典型零件的設(shè) 計(jì)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(shè)計(jì)18 鳴 謝20 參考文獻(xiàn)21 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀設(shè)計(jì) 3 中文摘要 本論文介紹的是 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì).該自動(dòng)換刀裝置由 刀庫(kù)和換刀機(jī)械手組成.刀庫(kù)采用盤形結(jié)構(gòu),安裝在機(jī)床的左側(cè)立柱上.刀庫(kù)容量為六把,采用順 序選刀方式.機(jī)械手選用回轉(zhuǎn)式雙臂機(jī)械手. 關(guān)鍵詞: 數(shù)控銑床 自動(dòng)換刀裝置 刀庫(kù) 換刀機(jī)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(tái)銑床自動(dòng)換刀設(shè)計(jì) 4 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀裝置 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化，學(xué)號(hào)：2001121626，姓名：湯愛(ài)軍 指導(dǎo)老師：溫堅(jiān) 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(yīng)用范圍也最為廣泛。小型數(shù)控銑床一般都 采用工作臺(tái)移動(dòng)、升降、及主軸不動(dòng)方式，與普通立式升降臺(tái)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(tái)移動(dòng)方式，且主軸沿垂直溜板上下運(yùn)動(dòng)；大型數(shù)控立式銑床，因要考 慮到擴(kuò)大行程，縮小占地面積及剛性等技術(shù)問(wèn)題，往往采用龍門架移動(dòng)式，其主軸可以在龍門 架的橫向與垂直溜板上運(yùn)動(dòng)，而龍門架則沿床身作縱向運(yùn)動(dòng)。 從機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制的坐標(biāo)數(shù)量來(lái)看，目前 3 坐標(biāo)數(shù)控立式銑床仍占大多數(shù)。一般可進(jìn)行 3 坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工，但也有部分機(jī)床只能進(jìn)行 3 坐標(biāo)中的任意二個(gè)坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工。此外，還有機(jī)床 主軸可以繞 X、Y、Z 坐標(biāo)軸中其中一個(gè)或兩個(gè)軸作數(shù)控?cái)[角運(yùn)動(dòng)的 4 坐標(biāo)和 5 坐標(biāo)數(shù)控立式銑 床。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)床控制的坐標(biāo)軸越多，特別是要求聯(lián)動(dòng)的坐標(biāo)軸越多，機(jī)床的功能、加工范 圍及可選擇的加工對(duì)象也越多。但隨之而來(lái)的是機(jī)床的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的要求更高， 編程的難度更大，設(shè)備的價(jià)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(dòng)交換臺(tái)，增加靠模裝置等來(lái)擴(kuò)大數(shù)控立式銑床 的功能，加工范圍和加工對(duì)象，進(jìn)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(jí)平行于水平面。為了擴(kuò)大加工范圍和擴(kuò)大功能，臥式數(shù)控 銑床通常采用增加數(shù)控轉(zhuǎn)盤或萬(wàn)能數(shù)控轉(zhuǎn)盤來(lái)實(shí)現(xiàn) 4、5 坐標(biāo)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(lái)，而且可以實(shí)現(xiàn)在一次安裝中，通過(guò)轉(zhuǎn)盤改變工位，進(jìn)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?duì)箱體類零件或需要在一次安裝中改變工位的工 件來(lái)說(shuō)，選擇帶數(shù)控轉(zhuǎn)盤的臥式銑床進(jìn)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(dá)到在一臺(tái)機(jī)床上既可以進(jìn)行立 式加工，又可以進(jìn)行臥式加工，其使用范圍更廣，功能更全，選擇加工的對(duì)象和余地更大，給 用戶帶來(lái)了很多方便，特別是當(dāng)生產(chǎn)批量小，品種較多，又需要立臥兩種方式加工時(shí)，用戶只 需買一臺(tái)這樣的機(jī)床就行了。 立、臥兩用數(shù)控銑床的主軸方向的更換有手動(dòng)與自動(dòng)兩種，采用數(shù)控萬(wàn)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(tái)銑床自動(dòng)換刀設(shè)計(jì) 5 當(dāng)立、臥兩用數(shù)控銑床增加數(shù)控轉(zhuǎn)盤后，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)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(kāi)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(dòng)執(zhí)行。不同的機(jī)床其變速功能與范圍也不同。有的采用變頻機(jī)組，固定幾種轉(zhuǎn)速，可自選一 種編入程序，但不能在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)改變。有的采用變頻器調(diào)整，將轉(zhuǎn)速分為幾檔，編程時(shí)可任選一 檔，在運(yùn)轉(zhuǎn)中可通過(guò)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(shí)可在整 個(gè)范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速。但是在實(shí)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(dòng)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(biāo)數(shù)控銑床的主軸可以繞 X、Y 或 Z 軸作數(shù)控?cái)[動(dòng)，擴(kuò)大了主軸自身 的運(yùn)動(dòng)范圍，但是主軸結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。 122 控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)特征 為了要把工件上各種復(fù)雜的形狀輪廓連續(xù)加工出來(lái)，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(yùn)動(dòng)，因此，要求數(shù)控銑床的伺服拖動(dòng)系統(tǒng)能在多坐標(biāo)方向同時(shí)協(xié) 調(diào)動(dòng)作，并保持預(yù)定的相互關(guān)系，這就要求機(jī)床應(yīng)能實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)。數(shù)控銑床要控制的坐標(biāo) 數(shù)最少是 3 坐標(biāo)中任意兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工直線變斜角工件，應(yīng)實(shí)現(xiàn)四坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)。若 要加工曲線變斜角工件，是要求實(shí)現(xiàn)五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)。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(jī)床相應(yīng)更高一些。 13 數(shù)控銑床的主要功能及加工對(duì)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(diǎn)位控制功能、刀具半徑自動(dòng)補(bǔ)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(zhǎng)度補(bǔ)償功 能、靠模加工功能、自動(dòng)變換工作臺(tái)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(shí)，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(duì)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(dòng)換刀裝置（ATC）及其形式 數(shù)控機(jī)床為了能在工件一次裝夾中完成多個(gè)工步，以縮減輔助時(shí)間和減少多次安裝工件引 起的誤差，通常帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)。自動(dòng)換刀（Automatic Tool Change 簡(jiǎn)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(dòng)換刀系統(tǒng)，就構(gòu)成加工中 心（Machining center 簡(jiǎn)稱 MC） 。 各類數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置的結(jié)構(gòu)取決于機(jī)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(jiǎn)單的自動(dòng)換刀裝置。根據(jù)不同加工對(duì)象，可以設(shè)計(jì)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(tái)銑床自動(dòng)換刀設(shè)計(jì) 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(jī)床中，更換主軸頭換刀是一種簡(jiǎn)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(lái)更換主軸頭以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀。各個(gè)主軸頭上預(yù)先裝有各工 序加工所需要的旋轉(zhuǎn)刀具，當(dāng)收到換刀指令時(shí),各主軸頭依次地轉(zhuǎn)到加工位置，并接通主運(yùn)動(dòng)使 相應(yīng)的主軸帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，而其他處于不加工位置上的主軸都與主運(yùn)動(dòng)脫開(kāi)。 轉(zhuǎn)塔主軸頭換刀方式的主要優(yōu)點(diǎn)是省去了自動(dòng)松夾、卸刀裝刀、夾緊以及刀具搬運(yùn)等一系 列復(fù)雜的操作，從而顯著地減少了換刀時(shí)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(jī)床，如數(shù)控銑床。 （三）帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀形式 帶刀庫(kù)的自動(dòng)換到形式主要是由刀庫(kù)和刀具交換裝置組成。目前這種換刀方法在數(shù)控機(jī)床 上的應(yīng)用最為廣泛。帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)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(gè)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(kù)可以存放數(shù)量較多的刀具，可進(jìn)行復(fù)雜零件的多工序加工，可明顯提高數(shù)控機(jī)床的適應(yīng)性 和加工效率。這種帶刀庫(kù)的自動(dòng)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(kù)有多種形式，數(shù)控機(jī)床上常用的有盤式和鏈?zhǔn)絻煞N。交換裝置的機(jī)械手形式也多樣， 目前在數(shù)控機(jī)床上用得最多的是回轉(zhuǎn)式雙臂機(jī)械手。其他形式還有擺動(dòng)式單臂雙爪機(jī)械手、單 臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手、雙機(jī)械手等等。 133 自動(dòng)換刀裝置應(yīng)當(dāng)滿足的基本要求 1) 換刀時(shí)間短。 2）刀具重復(fù)精度高。 3）刀具儲(chǔ)存足夠。 4）刀庫(kù)占地面積小。 5）安全可靠。 第 2 章 總體方案的確定 依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，我們的任務(wù)是給 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床設(shè)計(jì)安裝合適的自動(dòng)換 刀裝置。主要技術(shù)參數(shù)為： 1）刀庫(kù)容量：4-6 2）選刀方式：順序選刀 3）重復(fù)精度： 5 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床主要由床身、升降臺(tái)、工作臺(tái)、立銑頭、主傳動(dòng)、主變速、 拉刀機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、吊掛、電柜等部分組成。機(jī)床本身并不帶自 動(dòng)換刀裝置。自動(dòng)換刀裝置作為一套獨(dú)立的、完整的機(jī)床部件，設(shè)計(jì)依據(jù)是該機(jī)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(tái)銑床及其主要參數(shù) XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床是北京第一機(jī)床廠生產(chǎn)的帶有立銑頭的立式銑床，為機(jī)電 一體化結(jié)構(gòu)，三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，是一種使用很廣的機(jī)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(fù)循環(huán)和框式循環(huán)或按坐標(biāo)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(tái)銑床自動(dòng)換刀設(shè)計(jì) 7 該機(jī)床適用于機(jī)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(jī)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(tái)面尺寸（長(zhǎng) X 寬） mm 320 X 1320 工作臺(tái)縱向（X）行程 mm 780 工作臺(tái)縱向（Y）行程 mm 300 續(xù)表一 工作臺(tái)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(jí)數(shù) 18 主軸轉(zhuǎn)速范圍 r/min 30-1500 工作臺(tái)進(jìn)給級(jí)數(shù) 無(wú)級(jí) 主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率 kw 7.5 主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 r/min 1440 工作臺(tái)最大承載重量 kg 320 主軸最大扭矩 Nm 1000 機(jī)床外形尺寸（長(zhǎng) X 寬 X 高） mm 1929 X 2055 X 2216 機(jī)床重量 kg 2800 該機(jī)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)給量 300mm/min 22 初定 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)參數(shù) 在銑削輪廓時(shí)，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(shí)際的生產(chǎn)加工中，常盡量選用直徑較大的銑刀，因?yàn)榇笾睆姐姷秳傂院?，耐?度高。由 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床推薦使用的最大切削范圍可知，當(dāng)銑切鋼時(shí)，銑刀直 徑為 100 mm。當(dāng)銑灰鑄鐵時(shí)，銑刀直徑達(dá) 250mm。因此，為了滿足該機(jī)床的實(shí)際加工能力與 生產(chǎn)情況，在設(shè)計(jì)其自動(dòng)換刀裝置時(shí)，應(yīng)該根據(jù)最大的刀具直徑來(lái)設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)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(tái)銑床自動(dòng)換刀裝置的形式 數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)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(jī)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(tái)銑床是一種使用范圍較廣的機(jī)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(kù)的自動(dòng)換刀形式。 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀設(shè)計(jì) 8 帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置是由刀庫(kù)和刀具交換裝置（換刀機(jī)械手）組成。它是多工序數(shù)控機(jī) 床上應(yīng)用最廣泛的換刀裝置，其整過(guò)換刀過(guò)程比較復(fù)雜。首先把加工過(guò)程中需要使用的全部刀 具安裝在標(biāo)準(zhǔn)的刀柄上，在機(jī)床外進(jìn)行尺寸預(yù)調(diào)后，按一定的方式裝入刀庫(kù)。換刀時(shí)，先在刀 庫(kù)中進(jìn)行選刀，由機(jī)械手從刀庫(kù)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(kù)。存放刀具的刀庫(kù)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(dú)立部件安裝在機(jī)床以外。 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床主軸箱上方?jīng)]有好的安裝位置，安裝在機(jī)床外又要增加刀 具運(yùn)輸時(shí)間，降低效率，所以安裝在機(jī)床側(cè)面最合適，有些部件交錯(cuò)的地方，作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。 因?yàn)?XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)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(jī)床的自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)將仿效 JCS018A 數(shù)控立式鏜銑床換刀裝置，設(shè)計(jì)成由 由盤式刀庫(kù)和回轉(zhuǎn)式雙臂機(jī)械手組成。設(shè)計(jì)增加自動(dòng)換刀裝置后的 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái) 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(tái)銑床的外觀圖 第 3 章 刀庫(kù)的設(shè)計(jì) 刀庫(kù)是帶刀庫(kù)自動(dòng)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(duì)數(shù)控機(jī)床的 性能有很大影響。 31 確定刀庫(kù)容量 刀庫(kù)儲(chǔ)存量過(guò)大，導(dǎo)致刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)龐大而復(fù)雜,影響機(jī)床 總體布局；儲(chǔ)存量過(guò)小，則不能滿足復(fù)雜零件的加工要求。 因此，刀庫(kù)容量應(yīng)在經(jīng)濟(jì)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(kù)，以縮短每次裝刀所需的裝調(diào) XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀設(shè)計(jì) 9 時(shí)間。對(duì)自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床的刀庫(kù)容量，有關(guān)資料曾對(duì) 15000 個(gè)零件進(jìn)行分組統(tǒng)計(jì)，指出不同 工序加工時(shí)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(duì) XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床，容量為 6 的刀庫(kù)就可滿足要求了。 32 確定刀庫(kù)形式 由以上考慮 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床的結(jié)構(gòu)布局等原因，決定刀庫(kù)采用盤形結(jié)構(gòu)， 沿刀庫(kù)主軸軸向安裝。這種刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且緊湊，但為了換刀時(shí)刀具與主軸同向，刀庫(kù)中的刀 具需在換刀位置作 90翻轉(zhuǎn)。 33 刀庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 刀庫(kù)的外形如圖 3-2 所示。圓盤式刀庫(kù)（圖 a）由專用的直流伺服電動(dòng)機(jī) 1 經(jīng)套筒聯(lián)軸器 2、 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀設(shè)計(jì) 10 蝸桿 4、蝸輪 3，帶動(dòng)刀盤 14 和盤上的 6 個(gè)刀套 13 旋轉(zhuǎn)。刀座的滾子 11 在不旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)盤 14 的 槽中受到限位，導(dǎo)盤 14 在最下端的換刀位置開(kāi)了一個(gè)缺口。刀座以鉸鏈形式與支承板 16 相連 （圖 b） 。平時(shí)，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(yīng)將處于刀庫(kù)刀盤 14 最下位置的刀套旋轉(zhuǎn) 90，使刀頭朝下。實(shí)現(xiàn)這個(gè)動(dòng)作靠 氣缸 5。氣缸 5 的活塞桿 6 帶動(dòng)撥叉 7 上升。由 AA 剖視圖中可以看到，最下面的一個(gè)刀套 13 右尾部的滾子 11 正好進(jìn)入撥叉 7 的缺口。撥叉 7 上升使刀套連同刀具逆時(shí)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(jī)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(gè)球頭銷釘 17，后有彈簧用以?shī)A住 刀具，故當(dāng)?shù)短仔D(zhuǎn) 90后刀具不會(huì)下落。刀套頂部的滾子 15 用以在刀套處于水平位置時(shí)支承 刀套。當(dāng)?shù)毒吒鼡Q完畢，該刀座插入從主軸換下的刀具平頭。通過(guò)氣缸作用，與上述動(dòng)作相反， 刀座帶著刀具夾頭順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直到水平位置為止，此時(shí)，滾子銷 19 重新處于支承板 16 的凹 槽中。 34 初估刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩及選定電機(jī) 以 THK6363 型自動(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床的刀庫(kù)為設(shè)計(jì)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(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床的刀庫(kù)也是采用軸向放置的鼓盤式刀庫(kù)形式，其容量為 36 把刀具，最大刀具重達(dá) 10kgf，刀庫(kù)回轉(zhuǎn)由最大扭矩為 25Nm 的液壓馬達(dá)經(jīng)諧波減速器驅(qū)動(dòng)。 現(xiàn)在由于設(shè)計(jì)的刀庫(kù)容量為 6 把刀具，可初估刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為 T0=8Nm。 刀庫(kù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)多數(shù)采用液壓馬達(dá)、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于本刀庫(kù)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，且所需轉(zhuǎn) 速小，所以決定采用直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。直流伺服電動(dòng)機(jī)具有體積小，重量輕、伺服性好、 力能指標(biāo)高等優(yōu)點(diǎn)，且該電機(jī)可用信號(hào)電壓進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速。由參考資料 11 P1275 表查選電動(dòng)機(jī) 型號(hào)為 90SZ03 的 SZ 系列電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)，功率為 0.092 kw。 35 刀庫(kù)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 刀庫(kù)的主運(yùn)動(dòng)是圓周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由刀庫(kù)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。調(diào)定換刀信號(hào)電壓，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 調(diào)定為 30 r/min。這樣電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器、蝸桿、蝸輪驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖 3-3 所示： XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀設(shè)計(jì) 11 1選擇蝸桿傳動(dòng)類型 根據(jù) GB1008588 的推薦，采用漸開(kāi)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(dòng)，以蝸桿為主動(dòng)，蝸輪為從動(dòng)。為了提高傳動(dòng)效率，取 Z1=6，傳動(dòng)比取 6， 單向旋轉(zhuǎn)，單工作制，預(yù)計(jì)壽命為 5 年。則 Z2= Z16=36。 4按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) m2d1 KT2 (mm3)250ZHP （1）計(jì)算蝸輪軸轉(zhuǎn)矩 T2 初估傳動(dòng)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(yīng)力 2HP = =2200.91.48=293.04 MPa2HPVSZN 式中, =220 MPa, =70 MPa 2FP 估計(jì)滑動(dòng)速度 <5m/s，用浸沒(méi)潤(rùn)滑,則由參考文獻(xiàn) 11 P972 圖 182 查得滑動(dòng)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(jì)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(tái)銑床自動(dòng)換刀設(shè)計(jì) 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(yàn)算滑動(dòng)速度 SV (1)計(jì)算蝸桿速度 1 = = =0.07065 m/s160dn4530 (2)計(jì)算滑動(dòng)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(yàn)算蝸輪齒彎曲強(qiáng)度 驗(yàn)算公式為 22 21AVFFSPTKY （1） 使用系數(shù) =1A （2） 動(dòng)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(dāng)量齒數(shù) = / =36/ =45.93,由圖 172 查得。2V3cos3s2.78 （6） 導(dǎo)程角系數(shù) =1- /120=1- /120 =0.81. （7） 許用彎曲應(yīng)力 2HP = =70 0.542=37.94 MPa2HPNY (8)計(jì)算彎曲應(yīng)力 =22.618261.92.031.9208455F 由于 < ，幫滿足蝸輪輪齒強(qiáng)度條件。HP XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀設(shè)計(jì) 13 7計(jì)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(dǎo)程角 .78 8計(jì)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(shè)計(jì)，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(jì)算 蝸桿傳動(dòng)由于效率低，所以工作時(shí)發(fā)熱量大。在閉式傳動(dòng)中，如果產(chǎn)生的熱量不能及時(shí) 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(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量 等于同時(shí)間內(nèi)的散熱量 的條件進(jìn)行熱功平衡計(jì)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(tái)銑床自動(dòng)換刀設(shè)計(jì) 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(dǎo)率，一般取 k=8。717.5W( ),環(huán)境空氣流通較差時(shí)，取較小值，2mCA 否則取較大值； A傳動(dòng)裝置散熱的計(jì)算面積，即內(nèi)面被沒(méi)浸濺的，而外面又被空氣所能冷卻的 的箱殼面積（ ） ；2m 潤(rùn)滑油的工作溫度，一般限制在 6070 ，最高不能超過(guò) 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(méi)溫為1H2 = + 1t0P-kAC 在繪制傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行熱平衡計(jì)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(guò)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(kù)驅(qū)動(dòng)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(shí)刀庫(kù)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)2n0 矩為：T= = =120.3NmT 0=8Nm，其中 =0.9 為普通平鍵帶動(dòng)刀954N0.795 盤回轉(zhuǎn)的傳動(dòng)效率。所以，刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)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(kù)中將所需要的刀具轉(zhuǎn)換到取刀位置，稱為自動(dòng)選刀。在刀 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀設(shè)計(jì) 15 庫(kù)中選擇刀具通常采用兩種方式。 （一）順序選擇刀具 刀具按預(yù)定工序的先后順序插入刀庫(kù)的刀座中，使用時(shí)按順序轉(zhuǎn)到取刀位置。用過(guò)的刀具 放回原來(lái)的刀座內(nèi)，也可以按加工順序放入下一個(gè)刀座內(nèi)。該法不需要刀具識(shí)別裝置，驅(qū)動(dòng)控 制也比較簡(jiǎn)單，工作可靠。但刀庫(kù)中每一把刀具在不同工序中不能重復(fù)使用，為了滿足加工需 要只有增加刀具的數(shù)量和刀庫(kù)的容量，這就降低了刀具和刀庫(kù)的利用率。此外，裝刀時(shí)必須十 分謹(jǐn)慎，如果刀具不按順序裝在刀庫(kù)中，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)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(kù)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(dòng)換刀時(shí)，刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)，每把刀具 （或刀座）都經(jīng)過(guò)“刀具識(shí)別裝置”接受識(shí)別。當(dāng)某把刀具（或刀座）的代碼與數(shù)控指令相符 合時(shí)，該把刀具被選中，刀庫(kù)將刀具送到換到位置，等待機(jī)械手來(lái)抓取。任意選擇刀具法的優(yōu) 點(diǎn)是刀庫(kù)中刀具的排列順序與工作加工順序無(wú)關(guān)，刀具可重復(fù)使用。因此，刀具數(shù)量比較順序 選擇法少一些。刀庫(kù)也相應(yīng)地簡(jiǎn)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(kù)容量時(shí)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(gè)容量為 6 把刀的刀庫(kù)，幾乎不存在加工過(guò)程中需要重復(fù)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(shí)別裝置，驅(qū)動(dòng)控制也比較簡(jiǎn)單，工作可靠。 第 4 章 刀具交換裝置的設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置中,實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)與機(jī)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(jī)械手交換刀具, 另一種是由刀庫(kù)與機(jī)床主 軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具交換即無(wú)機(jī)械手交換刀具。刀具的交換方式及它們的具體結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)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(tái)銑床的結(jié)構(gòu)特性決定難 以實(shí)現(xiàn)由刀庫(kù)與機(jī)床主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具交換，故采用機(jī)械手交換刀具的方式。 機(jī)械手是當(dāng)主軸上的刀具完成一個(gè)工步后，把這一工步的刀具送回刀庫(kù)，并把下一道工步 的所需的刀具從刀庫(kù)中取出并裝入主軸繼續(xù)加工的功能部件。對(duì)機(jī)械手的具體要求是迅速可靠， 準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。 41 換刀機(jī)械手抓刀部分結(jié)構(gòu) 如圖 4-1 所示機(jī)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(gè)手爪 1 組成。手爪上握刀的圓弧部分有一錐銷 2，機(jī)械手抓刀時(shí)，該銷插入刀柄的鍵槽中。 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀設(shè)計(jì) 16 當(dāng)機(jī)械手由原位轉(zhuǎn) 75抓住刀具時(shí)，兩手爪上的長(zhǎng)銷 7 分別被主軸前端面和刀庫(kù)上的擋塊壓下， 使軸向開(kāi)有長(zhǎng)槽的活動(dòng)銷 6 在彈簧 4 的作用下右移頂住刀具。機(jī)械手拔刀時(shí)，長(zhǎng)銷 7 與擋塊脫 離接觸，鎖緊銷 8 被彈簧 5 彈起，使活動(dòng)銷頂住刀具不能后退，這樣機(jī)械手在回轉(zhuǎn) 180時(shí)，刀 具不會(huì)被甩出。當(dāng)機(jī)械手上升插刀時(shí)，兩長(zhǎng)銷 7 又分別被兩擋塊壓下，鎖緊銷從活動(dòng)銷孔中退 出，松開(kāi)刀具，機(jī)械手便可反轉(zhuǎn) 75復(fù)位。 42 機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 下圖為本設(shè)計(jì)刀庫(kù)所用采用的機(jī)械手結(jié) 構(gòu)示意圖。如前述刀庫(kù)結(jié)構(gòu)，刀套向下轉(zhuǎn) 90后，壓下行程開(kāi)關(guān)，發(fā)出機(jī)械手抓刀信 號(hào)。此時(shí)，機(jī)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(dòng) 齒條 17 向左移動(dòng)，帶動(dòng)齒輪 11 轉(zhuǎn)動(dòng)（連接 盤與齒輪 11 用螺栓連接，它們空套在機(jī)械手 臂軸 16 上，傳動(dòng)盤 10 與機(jī)械手臂軸 16 用花 鍵連接） ，使機(jī)械手回轉(zhuǎn) 75抓刀。抓刀動(dòng) 作結(jié)束進(jìn)，齒條 17 上的擋環(huán) 12 壓下行程開(kāi) 關(guān) 14，發(fā)出拔刀信號(hào)，于是升降液壓缸 15 的上腔通壓力油，活塞桿推機(jī)械手臂軸 16 下 降拔刀。在軸 16 下降進(jìn)，傳動(dòng)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(dāng)拔刀動(dòng)作完成后，軸 16 上的擋環(huán) 2 壓下行程開(kāi)關(guān) 1，發(fā)出換刀信 號(hào)。這時(shí)轉(zhuǎn)位液壓缸 20 的右腔通壓力油，活 塞桿推動(dòng)齒條 19向左移動(dòng)，帶動(dòng)齒輪和連接 盤 5 轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)銷子 8，由傳動(dòng)盤帶動(dòng)機(jī)械 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀設(shè)計(jì) 17 手轉(zhuǎn) 180，交換主軸上和刀庫(kù)上的刀具位置。換刀動(dòng)作完成后，齒條 19 上的擋環(huán) 6 壓下位置 開(kāi)關(guān) 9，發(fā)出插刀信號(hào)，使升降油缸下腔通壓力油，活塞桿帶著機(jī)械手臂軸上升插刀，同時(shí)傳動(dòng) 盤下面的銷子 8 從連接盤 5 的銷孔中移出。插刀動(dòng)作完成后，軸 16 上的擋環(huán)壓下行程開(kāi)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(fù)位，齒輪 4 空轉(zhuǎn)，機(jī)械手無(wú)動(dòng)作。 齒條 19 復(fù)位后其上擋環(huán)壓下行程開(kāi)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(dòng)，通過(guò)齒輪 11 使機(jī)械手反轉(zhuǎn) 75復(fù)位。機(jī)械手復(fù)位后，齒條 17 上的擋環(huán)壓下行程開(kāi)關(guān) 13，發(fā)出換刀完成信號(hào)，使刀套向上翻轉(zhuǎn) 90，為下次選刀做好準(zhǔn)備。同時(shí)機(jī)床繼續(xù)執(zhí)行后面 的操作，換刀過(guò)程亦可見(jiàn)本設(shè)計(jì)的動(dòng)畫(huà)演示。 43 自動(dòng)換刀過(guò)程的動(dòng)作順序 機(jī)械手將刀具從刀庫(kù)中取出送至機(jī)床主軸上，然后將用過(guò)的舊刀送回刀庫(kù)。其動(dòng)作過(guò)程簡(jiǎn) 述如下（結(jié)合如下?lián)Q刀過(guò)程示意圖 4-3）： （1） 、刀套下轉(zhuǎn) 90 如上圖 a 所示刀庫(kù)位于立柱左側(cè)，刀具軸線在刀庫(kù)中的安裝方向與主軸垂直。換刀前，刀 庫(kù)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(jī)械手轉(zhuǎn) 75 如圖 c 所示，換刀機(jī)械手逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 75，兩手爪分別抓住刀庫(kù)上和主軸上的刀柄。 （3） 、機(jī)械手拔刀 待主軸上自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)松開(kāi)刀具后，機(jī)械手下降，同時(shí)拔出主軸上和刀庫(kù)上的刀具，如圖 d 所示。 （4） 、刀具位置交換 如圖 e 所示，機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn) 180，使主軸刀具與刀庫(kù)刀具交換位置。 （5） 、機(jī)械手插刀 機(jī)械手上升，分別將刀具插入主軸錐孔和刀庫(kù)刀套中,如圖 f 所示。 （6）機(jī)械手順時(shí)針轉(zhuǎn) 75 如圖 g 所示,待主軸上自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)夾緊刀具后，機(jī)械手順時(shí)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(zhǔn)備下一次選刀,如圖 h 所示。 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀設(shè)計(jì) 18 44 自動(dòng)換刀裝置的相關(guān)技術(shù)要求 441 主軸準(zhǔn)停裝置 為了傳遞扭矩，在主軸的前端裝有端鍵，當(dāng)?shù)毒叩侗b入錐孔時(shí)，刀柄上的鍵槽位置必須 與該鍵對(duì)準(zhǔn)才能裝入。當(dāng)機(jī)械手從刀庫(kù)取刀時(shí)，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(zhǔn)確地停在刀具交換位置上。同時(shí)，由于工藝上的需要，也必須使主軸準(zhǔn)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(zhǔn)停。可在主軸上安裝電氣 控制的主軸準(zhǔn)停裝置以實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)停功能。 442 換刀機(jī)械手的安裝與調(diào)試 A：換刀機(jī)械手安裝在主軸箱的左側(cè)面，加工零件時(shí)，換刀機(jī)械手隨主軸箱一起上下運(yùn)動(dòng)； B：當(dāng)初裝上換刀機(jī)械手后，必須進(jìn)行調(diào)試：用手動(dòng)操縱主式調(diào)整換刀機(jī)械手相對(duì)于主軸 的位置，使用調(diào)整心棒，有誤差時(shí)可調(diào)整機(jī)械手行程、刀庫(kù)位置、機(jī)械手支座、修正主軸坐標(biāo) 原點(diǎn)等。安裝最大重量刀具時(shí)，要進(jìn)行多次刀庫(kù)到主軸位置的自動(dòng)交換，使機(jī)械手換刀時(shí)做到 準(zhǔn)確無(wú)誤，無(wú)撞擊。 第 5 章 自動(dòng)換刀裝置的控制原理 5.1 刀庫(kù)的控制 刀庫(kù)的轉(zhuǎn)動(dòng)由電機(jī)帶動(dòng)，轉(zhuǎn)速由控制信號(hào)電壓調(diào)定。刀庫(kù)刀盤最下位置的刀套旋轉(zhuǎn) 90， 使刀頭朝下，等待機(jī)械手來(lái)?yè)Q刀，是由氣缸實(shí)現(xiàn)的。當(dāng) PLC 控制系統(tǒng)發(fā)出換刀信號(hào)時(shí)，氣缸的 活塞桿帶動(dòng)撥叉上升，最下面的一個(gè)刀套右尾部的滾子正好進(jìn)入撥叉的缺口，撥叉 7 上升使刀 套連同刀具逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 90，使刀頭與主軸平行，便與換刀。當(dāng)機(jī)械手完成換刀后，發(fā)出換刀 結(jié)束信號(hào)，開(kāi)始下一道工序。同時(shí)刀庫(kù)旋轉(zhuǎn) 60，把下一道工序刀具轉(zhuǎn)到刀庫(kù)最下端的換刀位 置，做好下一次換刀準(zhǔn)備，這也縮短了輔助時(shí)間。 52 機(jī)械手的控制 機(jī)械手的換刀動(dòng)作由液壓控制。機(jī)械手的換刀動(dòng)作分別由三個(gè)液壓缸控制，如圖 5-1 所示。 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀設(shè)計(jì) 19 具體控制過(guò)程上一章 42 機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)說(shuō)明。該控制的優(yōu)點(diǎn)是換刀平穩(wěn)，快捷。 第 6 章 典型零件的設(shè)計(jì) 6.1 聯(lián)軸器 本設(shè)計(jì)只用到一個(gè)聯(lián)軸器，那就是刀庫(kù)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(shè)計(jì)的刀庫(kù)容量?jī)H為 6 把刀具，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大于 T0=8Nm。由于本刀庫(kù)的驅(qū) 動(dòng)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(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)所需托架有電機(jī)、刀庫(kù)及機(jī)械手的安裝托架。托架的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)電機(jī)、刀庫(kù)及機(jī)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(shè)計(jì)的篇幅所限，具體的設(shè)計(jì)就給予省 略。 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀設(shè)計(jì) 20 設(shè)計(jì)總結(jié)及鳴謝 畢業(yè)設(shè)計(jì)是完成教學(xué)計(jì)劃達(dá)到專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的一個(gè)重要的教學(xué)環(huán)節(jié)；是教學(xué)計(jì)劃中綜合性 最強(qiáng)的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，它在培養(yǎng)和提高我們綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力， 并進(jìn)行工程技術(shù)人員所必須具備的基本素質(zhì)的訓(xùn)練等方面具有很重要的意義。畢業(yè)設(shè)計(jì)能使我 們?cè)谝韵聨讉€(gè)方面有較大提高。 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀設(shè)計(jì) 21 1通過(guò)閱讀有關(guān)資料對(duì)當(dāng)前先進(jìn)的機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展有進(jìn)一步的了解。 2融匯、貫通幾年里所學(xué)習(xí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)理論知識(shí)。 3綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)理論知識(shí)和技能提高獨(dú)立分析問(wèn)題和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。 4培養(yǎng)和提高與設(shè)計(jì)群體合作、相互配合的工作能力。 歷時(shí)二個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)接近尾聲了，我的設(shè)計(jì)也基本上圓滿完成了。此時(shí)回想過(guò)去設(shè)計(jì) 的日子，體會(huì)多多，感慨也不少。我基本上按照我初定的三階段計(jì)劃認(rèn)真做我的畢業(yè)設(shè)計(jì)的。 設(shè)計(jì)過(guò)程也如我所料，遇到不少的問(wèn)題。 在查閱資料學(xué)習(xí)階段，我不但認(rèn)真閱讀了從工程訓(xùn)練中心借來(lái)的 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降 臺(tái)銑床的說(shuō)明書(shū)，重新溫習(xí)了我們以前所學(xué)過(guò)的數(shù)控機(jī)床 、 液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng) ，還常去 圖書(shū)館，翻閱了幾乎所有有關(guān)數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)換刀、加工中心的圖書(shū)資料和部分液壓電氣控制 方面的書(shū)籍。經(jīng)過(guò)這一階段的學(xué)習(xí)，我對(duì)數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)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(rèn)識(shí)，這為接下來(lái)最主要的具體設(shè)計(jì)階段打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 具體設(shè)計(jì)階段是最主要，最重要，最艱難的階段。萬(wàn)事開(kāi)頭難，這一階段的第一個(gè)難點(diǎn)就 是總體方案的確定。我是在前階段學(xué)習(xí)了自動(dòng)換刀形式，加工中心類別的基礎(chǔ)上，認(rèn)真研究往 屆的設(shè)計(jì)方案，再比較現(xiàn)在有類似數(shù)控機(jī)床所應(yīng)用的機(jī)床自動(dòng)換刀裝置后，最終確定自己的設(shè) 計(jì)方案的。我本以為總體方案確定后，接下來(lái)的設(shè)計(jì)應(yīng)該就不難了，但真正的設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)算校核，還是工作圖的繪制，我都遇到不少 問(wèn)題，充分暴露以往學(xué)習(xí)的知識(shí)缺漏，自己獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題能力的不足。幸好在此過(guò)程中常 得到指導(dǎo)老師溫老師的指導(dǎo)、同學(xué)們的幫助，讓我基本上解決了問(wèn)題，完成了這一階段的設(shè)計(jì)。 最后的修改階段。首先我自己先認(rèn)真檢查修改一遍自己的設(shè)計(jì)，包括工程圖，動(dòng)畫(huà)以及說(shuō) 明書(shū)。然后交給指導(dǎo)老師，請(qǐng)她幫我檢查。指導(dǎo)老師經(jīng)過(guò)詳細(xì)的檢查后對(duì)我的設(shè)計(jì)給予詳細(xì)的、 全面的批評(píng)指正和修改建議。我根據(jù)指導(dǎo)老師的修改建議，進(jìn)行第二輪的修改，修改完后再請(qǐng) 老師過(guò)目指導(dǎo)，直到指導(dǎo)老師認(rèn)為基本沒(méi)什么錯(cuò)誤為止。這一階段指導(dǎo)老師的點(diǎn)睛之筆是我設(shè) 計(jì)不斷完善的關(guān)鍵，在此表示衷心的感謝！ 設(shè)計(jì)完成以后，接下來(lái)的主要任務(wù)就是準(zhǔn)備答辯。這是決定畢業(yè)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵階段，我 必須在再次認(rèn)真檢查設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，認(rèn)真論證我設(shè)計(jì)的自動(dòng)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(zhǔn)備。通過(guò)整個(gè)設(shè)計(jì)階段的自己努力，老師的指導(dǎo) 和同學(xué)們的幫助，我有信心順利通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。 最后，在此對(duì)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，給予我指導(dǎo)和幫助的老師同學(xué)表示衷心的感謝！特別是 我的指導(dǎo)老師，對(duì)我設(shè)計(jì)給予悉心的指導(dǎo)，她對(duì)工作認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度也是我學(xué)習(xí)的好榜樣，我 受益匪淺，在此再次表示衷心的感謝！ 參考文獻(xiàn) 1 吳宗澤,羅圣國(guó).機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)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(cè)量第四版M.北京:中國(guó)計(jì)量出版社,2000. 3陳錦昌,劉就女,劉林.計(jì)算機(jī)工程制圖M.廣州:華南理工大學(xué)出版社 ,1999. 4馮辛安,黃玉美,杜君文.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004. 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