裝配圖基于XK5040數(shù)控立式銑床及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),裝配,基于,xk5040,數(shù)控,立式,銑床,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì) 目 錄 摘要…………………………………………………………………………… 1 前言………………………………………………………………………….... 2 第 1 章緒論……………………………………………………………………… 3 1.1 數(shù)控機(jī)床的知識(shí)………………………………………………………… 3 1.2 數(shù)控銑床的分類………………………………………………………… 3 1.2.1 數(shù)控立式銑床……………………………………………………… 3 1.2.2 數(shù)控臥式銑床……………………………………………………… 4 1.3 數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)特征…………………………………………………… 4 1.3.1 數(shù)控銑床的主軸特征……………………………………………… 5 1.3.2 控制機(jī)床的坐標(biāo)特征……………………………………………… 5 1.4 數(shù)控銑床的主要功能及加工對(duì)象……………………………………… 5 1.4.1 數(shù)控銑床的功能…………………………………………………… 5 1.4.2 自動(dòng)換刀裝置及其形式…………………………………………… 5 1.4.3 自動(dòng)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)……………………………………………………… 8 2.1 運(yùn)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)………………………………………………………9 2.1.1 運(yùn)動(dòng)數(shù)目的確定……………………………………………………11 2.1.2 運(yùn)動(dòng)方案的確定……………………………………………………13 2.2 功能部件的設(shè)計(jì)方案…………………………………………………14 2.2.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)………………………………………………………18 2.2.3 自動(dòng)換刀系統(tǒng)………………………………………………………20 2.2.4 基礎(chǔ)部件……………………………………………………………23 2.2.5 數(shù)控系統(tǒng)……………………………………………………………24 2.2.6 輔助裝置……………………………………………………………24 2.3 總體布局………………………………………………………………24 2.4 主要技術(shù)參數(shù)…………………………………………………………24 2.5 小結(jié)…………………………………………………………………..25 第 3 章 刀庫(kù)的設(shè)計(jì)………………………………………………………………26 3.1 確定刀庫(kù)容量…………………………………………………………… 26 3.2 確定刀庫(kù)形式…………………………………………………………… 28 3.3 刀庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………………… 28 3.4 初估刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)距及選定電機(jī)………………………………………… 28 3.4.1 初選電動(dòng)機(jī)與降速傳動(dòng)裝置……………………………………… 29 3.4.2 初估刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)距……………………………………………………29 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)………………………………30 3.6 刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的校核………………………………………………………30 3.7 花鍵聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算………………………………………………………30 3.8 夾緊機(jī)構(gòu)插銷剪切強(qiáng)度的校核……………………………………………31 3.9 確定刀具的選擇方式………………………………………………………31 3.10 刀庫(kù)的定位與刀具的松夾……………………………………………… 31 第 4 章 刀具交換裝置的設(shè)計(jì)…………………………………………………… 31 4.1 確定換刀機(jī)械手形式………………………………………………………31 4.2 換刀機(jī)械手的工作原理……………………………………………………32 4.3 機(jī)械手的自動(dòng)換刀過(guò)程的動(dòng)作順序………………………………………32 4.4 機(jī)械手回轉(zhuǎn)軸 4 上的齒輪齒條設(shè)計(jì)………………………………………33 4.5 自動(dòng)換刀裝置的相關(guān)技術(shù)要求……………………………………………33 4.5.1 主軸準(zhǔn)停裝置…………………………………………………………33 4.5.2 換刀機(jī)械手的安裝與調(diào)試……………………………………………33 4.6 自動(dòng)換刀程序的編制………………………………………………………33 第 5 章 自動(dòng)換刀裝置的控制原理…………………………………………………34 5.1 自動(dòng)換刀裝置的液壓系統(tǒng)原理圖…………………………………………35 5.2 自動(dòng)換刀裝置換刀動(dòng)作的順序控制過(guò)程…………………………………35 第六章 數(shù)控加工程序的編制 …………………………………………………35 6.1 數(shù)控加工的特點(diǎn) ……………………………………………………35 6.2 數(shù)控編程方法及特點(diǎn) …………………………………………………35 6.2.1 數(shù)控編程的分類 …………………………………………………35 6.2.2 編程零點(diǎn)及坐標(biāo)系的選擇 …………………………………………36 6.2.3 對(duì)刀點(diǎn)的選擇 ……………………………………………………37 6.2.4 加工路線的確定 ……………………………………………………37 6.3 數(shù)控加工程序的內(nèi)容 …………………………………………………38 6.3.1 車床程序 …………………………………………………………38 結(jié)論……………………………………………………………………………39 致謝……………………………………………………………………………40 參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………41 摘 要 隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和普及，加工中心的作用越發(fā)突顯它的重要性。為進(jìn)一 步提高數(shù)控機(jī)床的加工效率，數(shù)控機(jī)床正向著工件在一臺(tái)機(jī)床一次裝夾即可完 成 多道工序或全部工序加工的方向發(fā)展，因此出現(xiàn)了各種類型的加工中心機(jī)床， 如 車削中心、鏜銑加工中心、鉆削中心等等。這類多工序加工的數(shù)控機(jī)床在加工 過(guò) 程中要使用多種刀具，因此必須有自動(dòng)換刀裝置，也就是所說(shuō)的刀庫(kù)，以便選 用 不同刀具，完成不同工序的加工工藝。自動(dòng)換刀裝置應(yīng)當(dāng)具備換刀時(shí)間短、刀 具 重復(fù)定位精度高、足夠的刀具儲(chǔ)備量、占地面積小、安全可靠等特性。 ABSTRACT Along with the numerical control technology development and the popularization, the processing center function reveals its importance even more suddenly.For further enhances the numerical control engine laths the processing efficiency, the numerical control engine laths is clamping to the work piece in an engine laths attire then completes the multi-channel working procedure or the complete working procedure processing direction develops, therefore appeared each kind of type The present paper is the development designs one kind of volume slightly, the structure compact, the price is low, production cycle short small vertical processing center knife storehouse this article.First introduced the domestic and foreign processing center research present situation and the trend of development, have expounded this topic research goal, the significance.Then further introduced this small processing center knife storehouse overall structure and various parts plan choice, and has carried on the small processing center knife storehouse mechanism design calculation in this foundation, mainly includes the knife storehouse overall organization design, the electrical machinery selection, the knife storehouse rotation detent mechanism design knife storehouse migration part design and so on. Keywords: numerically controlled lathe; machining centers ; cut database ; mechanical hand 前 言 數(shù)字控制機(jī)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(yùn)動(dòng)速度和軌跡進(jìn)行自動(dòng)加工的機(jī)床，簡(jiǎn)稱數(shù)控機(jī)床。 數(shù)控機(jī)床具有廣泛的適應(yīng)性，加工對(duì)象改變時(shí)只需要改變輸入的程序指令； 加工性能比一般自動(dòng)機(jī)床高，可以精確加工復(fù)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(fù)雜的工件，并能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效果。 隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床品種日益增多，有車床、銑床、 鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機(jī)床和電火花加工機(jī)床等。此外還有能自動(dòng)換刀、 一次裝卡進(jìn)行多工序加工的加工中心、車削中心等。 數(shù)控機(jī)床主要由數(shù)控裝置、伺服機(jī)構(gòu)和機(jī)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(dòng)輸入。 隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機(jī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程。 未來(lái)數(shù)控機(jī)床的類型將更加多樣化，多工序集中加工的數(shù)控機(jī)床品種越來(lái) 越多；激光加工等技術(shù)將應(yīng)用在切削加工機(jī)床上，從而擴(kuò)大多工序集中的工藝 范圍；數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度更加提高，并具有多種監(jiān)控功能，從而形成一個(gè) 柔性制造單元，更加便于納入高度自動(dòng)化的柔性制造系統(tǒng)中。 第一章 緒論 1.1 數(shù)控機(jī)床知識(shí) 數(shù)字控制機(jī)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(yùn)動(dòng)速度和軌跡進(jìn)行自動(dòng)加工的機(jī)床，簡(jiǎn)稱數(shù)控機(jī)床。 數(shù)控機(jī)床具有廣泛的適應(yīng)性，加工對(duì)象改變時(shí)只需要改變輸入的程序指令； 加工性能比一般自動(dòng)機(jī)床高，可以精確加工復(fù)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(fù)雜的工件，并能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效果。 隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床品種日益增多，有車床、銑床、 鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機(jī)床和電火花加工機(jī)床等。此外還有能自動(dòng)換刀、 一次裝卡進(jìn)行多工序加工的加工中心、車削中心等。 數(shù)控機(jī)床主要由數(shù)控裝置、伺服機(jī)構(gòu)和機(jī)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(dòng)輸入。 隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機(jī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程。 未來(lái)數(shù)控機(jī)床的類型將更加多樣化，多工序集中加工的數(shù)控機(jī)床品種越來(lái) 越多；激光加工等技術(shù)將應(yīng)用在切削加工機(jī)床上，從而擴(kuò)大多工序集中的工藝 范圍；數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度更加提高，并具有多種監(jiān)控功能，從而形成一個(gè) 柔性制造單元，更加便于納入高度自動(dòng)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(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。 1.2.2 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)?用角度成型銑刀。對(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)行的。加工是非常合適 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。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。 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(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。 1.3.2 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。 1.4 數(shù)控銑床的主要功能及加工對(duì)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(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堋Ｈ绲毒唛L(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：平面類零件； 變斜角類零件；曲面類（立體類）零件。 1.4.2 自動(dòng)換刀裝置（ATC）及其形式 數(shù)控機(jī)床為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)率，進(jìn)一步壓縮非切削時(shí)間，現(xiàn)代的機(jī)床逐 步發(fā)展為在一臺(tái)機(jī)床上在一次裝中完成多工序或全部工序的加工。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)。對(duì)工件的多工序加工而設(shè)置的存儲(chǔ)及更換 刀具的裝置稱為自動(dòng)換刀裝置(Automatic Tool Changer，ATC);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） 。在這類數(shù)控機(jī)床上，自動(dòng)換刀裝置（ATC）是 必不可少的。例如加工中心機(jī)床又稱多工序自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床，它主要是指具 有自動(dòng)換刀及自動(dòng)改變工件加工位置工能的數(shù)控機(jī)床，具有自動(dòng)換刀裝置是加 工中心機(jī)床的典型特征，是多工序加工的必要條件。自動(dòng)換裝置的功能，對(duì)整 機(jī)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(dòng)換刀裝置并同時(shí)自動(dòng) 變換主軸轉(zhuǎn)速?？蓽p輕勞動(dòng)強(qiáng)度，減少換刀時(shí)間，既提高了機(jī)床的自動(dòng)化程度， 又提高了勞動(dòng)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(duì)其附加能夠快速、準(zhǔn)確地?fù)Q刀的自動(dòng)換刀裝置是非常有必 要的。 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： 1)回轉(zhuǎn)刀架換刀形式 2)更換主軸頭換刀形式 3)帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀形式 1.4.3 自動(dòng)換刀裝置應(yīng)當(dāng)滿足的基本要求 1）刀具換刀時(shí)間短。 2）刀具重復(fù)定位精度高。 3）足夠的刀具儲(chǔ)存量。 4）刀庫(kù)占地面積小。 5）換刀安全可靠。 第2 章 總體方案的設(shè)計(jì) 加工中心刀庫(kù)的總體方案設(shè)計(jì)是根據(jù)其功能和設(shè)計(jì)要求，從全局的角度，以系 統(tǒng)的觀點(diǎn)，進(jìn)行自動(dòng)換刀裝置刀庫(kù)整體方面的設(shè)計(jì)，主要包括運(yùn)動(dòng)功能方案設(shè) 計(jì)、基本參數(shù)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)等內(nèi)容。 2.1 運(yùn)動(dòng)方案的設(shè)計(jì) 加工中心主要用來(lái)加工小型板類、盤類、模具類、多孔類零件上的小孔和平面。 主要是鉆削和銑削加工。 2.1.1 運(yùn)動(dòng)數(shù)目的確定 要實(shí)現(xiàn)以上各種零件表面的鉆削和銑削加工功能，機(jī)床必須具有以下運(yùn)動(dòng)：一 個(gè)是主運(yùn)動(dòng)即主軸帶動(dòng)刀具回轉(zhuǎn)（Vc）；另一個(gè)是三個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，包括 實(shí)現(xiàn)切入工件一定深度（Z 方向）的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；實(shí)現(xiàn)在水平面內(nèi)兩個(gè)方向 （X、Y 方向）的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。此外，還必須有換刀功能，因此還必須有非成形運(yùn) 動(dòng)，如換刀需要刀庫(kù)轉(zhuǎn)位、移動(dòng)等運(yùn)動(dòng)。 2.1.2 運(yùn)動(dòng)方案的確定 加工中心加工工件所需的這些運(yùn)動(dòng)，必須由對(duì)應(yīng)的執(zhí)行部件來(lái)實(shí)現(xiàn)。加工中心 的主運(yùn)動(dòng)一般都由主軸部件（主傳動(dòng)系統(tǒng)）來(lái)完成，而進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可以由工件來(lái) 完成；也可以由刀具來(lái)完成；或者是由刀具和工件來(lái)共同完成。這樣就影響到 部件的相互位置關(guān)系的配制和總體關(guān)系。采用哪種形式與被加工工件尺寸、形 狀、質(zhì)量和功能等因素有關(guān)。對(duì)具有鉆、銑的功能的立式加工中心，根據(jù)工件 的質(zhì)量、尺寸等的不同，可以有以下幾種不同的運(yùn)動(dòng) 方案： 1.由工件完成三個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 如圖2.1a)所示，當(dāng)加工質(zhì)量較輕工件時(shí)， 分別由X-Y 向工作臺(tái)和升降臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)； 2.工作臺(tái)帶動(dòng)工件做一個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，其他兩個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由刀具在 立柱與橫梁上移動(dòng)來(lái)完成 如圖2.1b)所示，這種方案不僅適用于質(zhì)量大的工件 加工，還可增多主軸頭，使加工中心的生產(chǎn)效率得到很大的提高。 3.由刀架來(lái)完成三個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 如圖2.1c)所示，當(dāng)加工較重或尺寸較高 的工件時(shí)，則不宜由工件做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而是工作臺(tái)固定不動(dòng)，改為由刀具來(lái)完 成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。采用了立柱在床身上沿前后方向移動(dòng)來(lái)Y 方向的進(jìn)給；由刀具在 橫梁上移動(dòng)來(lái)完成Z 向的進(jìn)給。通常見(jiàn)于大 、中型動(dòng)柱式加工中心。這種方案 可以避免的尺寸工作臺(tái)在溜板兩端極限位置發(fā)生翹曲和大溜板加工難的問(wèn)題， 從而減少了溜板和結(jié)構(gòu)的多層，有利于提高機(jī)床精度。 4.由工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)X、Y 兩個(gè)方向的進(jìn)給，而唷刀具來(lái)完成垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 如圖 2.1d) 所示，當(dāng)加工質(zhì)量較輕、體積較小的工件，且主軸部件的重量、體積較小時(shí)， 也可以由X-Y 工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的進(jìn)給，而由刀具來(lái)完成垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。適 用于小型加工中心，通常都采用固定立柱方式。由于立柱固定在床身上，就便 于把刀庫(kù)、電柜等裝在立柱上。圖2.1 加工中心運(yùn)動(dòng)方案 2.2 功能部件的設(shè)計(jì)方案 加工中心一般由主傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給伺服系統(tǒng)、自動(dòng)換刀系統(tǒng)、基礎(chǔ)部件、數(shù)控 系統(tǒng)和輔助裝置等部分組成。 2.2.1 主傳動(dòng)系統(tǒng) 主傳動(dòng)系統(tǒng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)加工中心的主運(yùn)動(dòng)。由主軸箱、主軸、軸承、松拉刀機(jī)構(gòu)、 電動(dòng)機(jī)等零件組成。這是加工中心自動(dòng)換刀裝置的關(guān)鍵部分，主軸的啟動(dòng)、停 止、變速等動(dòng)作通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)控制由主傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。并且通過(guò)安裝在主軸 上的刀具實(shí)現(xiàn)切削運(yùn)動(dòng)。要求主軸部件必須具備足夠的轉(zhuǎn)速范圍、功率和扭矩， 在大部分轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)要保持恒功率，當(dāng)降到計(jì)算轉(zhuǎn)速以下時(shí)，要保持恒扭矩傳 動(dòng)；主傳動(dòng)系統(tǒng)的各零部件，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和必要的剛度及抗震性能；噪 聲低、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性好。傳動(dòng)方案有以下幾種： 1.齒輪傳動(dòng) 目前加工中心主傳動(dòng)大多用寬調(diào)速主軸電機(jī), 其調(diào)速范圍達(dá)1：100。對(duì)某些中 小型加工中心，已經(jīng)足夠了，不需要經(jīng)過(guò)齒輪變速。如果所需轉(zhuǎn)速范圍超過(guò) 1：100（如中型以上規(guī)格的加工中心），則需通過(guò)齒輪換檔的方法實(shí)現(xiàn)。 2.帶傳動(dòng) 加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)使用的帶傳動(dòng)多為同步帶傳動(dòng)。它是一種綜合了帶、鏈傳 動(dòng)優(yōu)點(diǎn)的新型傳動(dòng)。具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1）傳動(dòng)比準(zhǔn)確 同步帶傳動(dòng)是嚙合傳動(dòng)，工作時(shí)無(wú)滑動(dòng)。 2）傳動(dòng)效率高 可達(dá)98%以上，節(jié)能效果明顯。 3）重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊 不需依靠摩擦傳動(dòng)，預(yù)緊張力小，對(duì)軸和軸承的作用力小，帶輪直徑小。 4）線速度高 可達(dá)50m/s，因齒形帶較薄。 5）傳動(dòng)平穩(wěn) 動(dòng)態(tài)特性良好，能吸振，噪聲小。 6) 使用范圍廣 傳遞功率由幾瓦至數(shù)千瓦，速比可達(dá)10 左右。 7）使用保養(yǎng)方便 不需要潤(rùn)滑，耐油、耐磨性和抗老化好，還能在高溫、灰塵、水及腐蝕介質(zhì)等 環(huán)境中工作。由于以上優(yōu)點(diǎn)，所以實(shí)際中多用。但安裝要求較高，兩帶輪軸心 線平行度要求高，中心距要求嚴(yán)格。帶和帶輪的制造工藝復(fù)雜，成本低。 3.電主軸 有內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”，這種 傳動(dòng)方式取消了從主電動(dòng)機(jī)到主軸之間一切中間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)（如皮帶、齒 輪、離合器等），實(shí)現(xiàn)了主電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸的一體化。這種傳動(dòng)方式有以下 優(yōu)點(diǎn)： 1）機(jī)械結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，傳動(dòng)慣量小 因而快速響應(yīng)性好，能實(shí)現(xiàn)極高的速度、加（減）速度和定角度的快速準(zhǔn)停。 2）實(shí)現(xiàn)了主軸部件的單元化，可獨(dú)立作成標(biāo)準(zhǔn)化的功能部件，并由專業(yè)廠進(jìn)行 系列化生產(chǎn)機(jī)床主機(jī)廠只需根據(jù)用戶的不同要求進(jìn)行選用，可很方便地組成各 種性能的高速機(jī)床，符合現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)模塊化的發(fā)展方向。 3）高速運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性與安全性好 因電主軸還有一系列控制主軸溫升與振動(dòng)等機(jī)床運(yùn)行參數(shù)的功能。 a）無(wú)矢量控制 b）有矢量控制 圖2.2 扭矩-功率特性 4）電主軸比傳動(dòng)的主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊 便于把它用在多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，多面體加工機(jī)床和并聯(lián)（虛擬軸）機(jī)床。 5）電主軸比傳動(dòng)的主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊 便于把它用在多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，多面體加工機(jī)床和并聯(lián)（虛擬軸）機(jī)床。 如果采用齒輪、帶傳動(dòng)則需自行設(shè)計(jì)主傳動(dòng)系統(tǒng)，將會(huì)增加設(shè)計(jì)和制造周期， 且為單件生產(chǎn)，成本也較高，轉(zhuǎn)速也受到一定的限制。該加工中心主要用來(lái)加 工小孔和小平面，因此要想提高零件加工的生產(chǎn)率，也須提高主軸的轉(zhuǎn)速。如 果選用由專門廠家生產(chǎn)的已系列化和標(biāo)準(zhǔn)化電主軸，轉(zhuǎn)速可根據(jù)需要選擇。不 僅可保證高的生產(chǎn)率，而且也可根據(jù)用戶的不同要求選用不同的規(guī)格，可縮短 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造周期。對(duì)比以上三種方案選用電主軸。 2.2.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng) 進(jìn)給系統(tǒng)由伺服電機(jī)、滾珠絲杠、導(dǎo)軌等組成。要求進(jìn)給伺服系統(tǒng)必須具有高 速下的平穩(wěn)運(yùn)行，較高的定位精度且防止爬行，要求進(jìn)給系統(tǒng)中的機(jī)械傳動(dòng)裝 置和元件具有較高的靈敏度，低摩擦阻力和動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差小以及高壽命 等。 1.進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制方式 進(jìn)給伺服系統(tǒng)可分為半閉環(huán)、全閉環(huán)和混合伺服控制三種方式： 1）半閉環(huán)控制方式 普通精度的加工中心，大都采用這種方式。它不是直接檢測(cè)工作臺(tái)等移動(dòng)件的 位置，而是通過(guò)檢測(cè)滾珠絲杠的回轉(zhuǎn)角度（或伺服電機(jī)軸的回轉(zhuǎn)角度）來(lái)間接 地測(cè)移動(dòng)件的位置。 2）全閉環(huán)控制方式 這種控制方式，通常是在精密加工中心上采用。移動(dòng)部件（如工作臺(tái)、主軸箱 等）的移動(dòng)位置，是由直線尺（如感應(yīng)同步器，光柵尺等）直接進(jìn)行檢測(cè)并反 饋給比較回路，因而不受絲杠精度和熱變形的影響，得到較高的定位精度。 3）混合伺服控制方式 這種方式，通常是在重型加工中心上采用。所謂混合伺服控制，就是半閉環(huán)控 制和全閉環(huán)控制并存的控制方式。此種方式對(duì)使用條件惡劣的重型機(jī)床，可用 高增益得到高定位 精度。 2.導(dǎo)軌 兩個(gè)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件構(gòu)成一對(duì)導(dǎo)軌副，其中，在工作時(shí)固定不動(dòng)的配合面被 稱為固定導(dǎo)軌或靜導(dǎo)軌；相對(duì)固定導(dǎo)軌作直線或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的配合面被稱為運(yùn)動(dòng) 導(dǎo)軌或動(dòng)導(dǎo)軌。根據(jù)導(dǎo)軌副之間的摩擦情況，導(dǎo)軌分為滑動(dòng)和滾動(dòng)導(dǎo)軌兩大類： 1）滑動(dòng)導(dǎo)軌 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，其兩 導(dǎo)軌工作面的摩擦性質(zhì)為換動(dòng)摩擦。傳動(dòng)滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦阻力大，摩擦快，動(dòng)、 靜摩擦系數(shù)差別大，低速時(shí)易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。常用的有普通滑動(dòng)導(dǎo)軌、卸荷導(dǎo) 軌和液體靜壓導(dǎo)軌等結(jié)構(gòu)形式。 2）滾動(dòng)導(dǎo)軌 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌主要由導(dǎo)軌體、滑塊、鋼球、保持架、返向器、密封端蓋及擋板 等組成。導(dǎo)軌體固定在不動(dòng)部件上，滑塊固定在運(yùn)動(dòng)部件上，當(dāng)導(dǎo)軌與滑塊作 相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，鋼球就沿著導(dǎo)軌上的經(jīng)過(guò)淬硬和精密磨削加工而成的四條滾道滾 動(dòng)，在滑塊端部鋼球又通過(guò)返向器進(jìn)入返向孔后再進(jìn)入滾道，鋼球就這樣周而 復(fù)始地進(jìn)行滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。返向器兩端有防塵密 封端蓋，可有效地防止灰塵、屑末進(jìn)入滑塊內(nèi)部： （1）摩擦系數(shù)小 一般在0.003～0.004，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)很接近，低速運(yùn)動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，可 以用油脂潤(rùn)滑，潤(rùn)滑方法簡(jiǎn)單，便于維護(hù)。 （2）有自調(diào)整能力 成對(duì)使用導(dǎo)軌副時(shí)，具有“誤差均化效應(yīng)”，安裝基面許用誤差大，使得安裝 方便，生產(chǎn)周期短，降低了對(duì)配件的加工精度要求，也降低了導(dǎo)軌安裝基面的 機(jī)械制造成本與難度。 （3）承載能力大 其滾道截面采用合理比值的圓弧溝槽，增大了滾動(dòng)體與圓弧滾道的接觸面積， 接觸應(yīng)力小，從而大大的提高了導(dǎo)軌的承載能力，可達(dá)到平面滾道形式的3 倍。 （4）剛性強(qiáng) 在裝配導(dǎo)軌時(shí)可預(yù)加負(fù)荷，能實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙運(yùn)動(dòng)，以提高滾動(dòng)導(dǎo)軌的剛度，所以 滾動(dòng)導(dǎo)軌在工作時(shí)間可承受較大的沖擊和振動(dòng)。 （5）壽命長(zhǎng) 導(dǎo)軌采用表面硬化處理，使導(dǎo)軌具有良好的可校性，心部保持良好 的機(jī)械性能，且由于是純滾動(dòng)，摩擦系數(shù)是滑動(dòng)導(dǎo)軌的1/50 左右，磨損小，因 而壽命長(zhǎng)，功耗低，便于機(jī)械小型化。 （6）傳動(dòng)平穩(wěn)可靠 由于摩擦力小，動(dòng)作輕便，因而定位精度高，微量移動(dòng)靈活準(zhǔn)確；在較差的工 作條下可長(zhǎng)時(shí)間保持高精度。 （7）可高速運(yùn)行動(dòng)、靜摩擦力之差很小，隨動(dòng)性好，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)與機(jī)械動(dòng)作滯 后的時(shí)間間隔極短，有益于提高數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度，適應(yīng)高速直線 運(yùn)動(dòng)。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，幾何精度要求高，抗振性差，防護(hù)要求高，制造困難，成 本高。它適用于工作部件要求移動(dòng)均勻 、動(dòng)作靈敏以及定位精度高的場(chǎng)合。 3.伺服電機(jī)常用的伺服電機(jī)有支流和交流兩種： 1）直流伺服電機(jī)數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用較多的是寬調(diào)速直流伺服電機(jī)，其主要特點(diǎn)是 調(diào)速范圍寬、低速運(yùn)行平穩(wěn)；負(fù)載特性硬、過(guò)載能力強(qiáng)，在一定的速度范圍內(nèi) 可以做到恒力矩輸出；反應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好。但體積較大，電刷易磨 損，壽命受到一定的限制。 2）交流伺服電機(jī) 這種伺服電機(jī)的主要特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩和慣量比高，能承受高的加減速；轉(zhuǎn)矩波動(dòng)?。?低速性能好，在很低速時(shí)，電機(jī)仍能平滑旋轉(zhuǎn)；在保證高輸出轉(zhuǎn)矩的情況下， 電機(jī)的體積小，重量輕；由于采用高頻寬調(diào)制控制，電機(jī)只有很低的噪聲和振 動(dòng)。利用交流伺服系統(tǒng)可進(jìn)行精密定位控制。所以應(yīng)用越來(lái)越廣。由于該加工 中心刀庫(kù)容量較小，而且精度較高，故選用交流伺服電機(jī)。設(shè)計(jì)中用了日本 Panasonic 公司生產(chǎn)的MINASA 系列交流伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器。 2.2.3 自動(dòng)換刀系統(tǒng) 通過(guò)自動(dòng)換刀系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)零件加工時(shí)的換刀。它由刀庫(kù)電機(jī)、傳動(dòng)裝置、刀夾 等組成。 1．自動(dòng)換刀裝置的形式對(duì)于該加工中心自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)可以有兩類方案： 1）有機(jī)械手換刀方式 加工中心的ATC，大都采用有機(jī)械手換刀方式。它是由機(jī)械手把刀庫(kù)上的刀具 送到主軸上，再把主軸上已用過(guò)多的刀具返送到刀庫(kù)上。采用機(jī)械手進(jìn)行刀具 交換的方式應(yīng)用很廣泛，這是因?yàn)闄C(jī)械手換刀有很大的靈活性，尤其是雙臂機(jī) 械手，抓刀、拔刀、回轉(zhuǎn)、插刀以及返回等動(dòng)作一次性完成，可以減少換刀時(shí) 間。但其機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。 2）無(wú)機(jī)械手換刀方式 無(wú)機(jī)械手換刀方式是直接在刀庫(kù)與主軸（或刀架）之間的自動(dòng)換刀方式。這種 換刀方式?jīng)]有機(jī)械手，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。換刀時(shí)必須首先將用過(guò)的刀具送回刀庫(kù)， 然后再?gòu)牡稁?kù)中取出新刀具，這兩個(gè)動(dòng)作不能同時(shí)進(jìn)行，所以換刀過(guò)程較為復(fù) 雜，它的選刀和換刀由三個(gè)坐標(biāo)軸的數(shù)控定位系統(tǒng)來(lái)完成，因此換刀時(shí)間較長(zhǎng)， 影響了機(jī)床的加工效率。但是刀庫(kù)回轉(zhuǎn)時(shí)在工步于工步之間，即非切削時(shí)進(jìn)行 的，因此雖然刀庫(kù)設(shè)置在立柱側(cè)面，卻免去刀庫(kù)回轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)對(duì)加工精度的影 響。 適用于40 號(hào)以下刀柄的小型加工中心或換刀次數(shù)少的用重型刀具的重型機(jī)床。 考慮到所設(shè)計(jì)的小型加工中心主要用于中小批量生產(chǎn)，且只用來(lái)加工小型零件 上的孔和面，刀庫(kù)容量較小，無(wú)須過(guò)多考慮換刀時(shí)間的長(zhǎng)短，且采用的時(shí)30 號(hào) 刀柄，又要求加工中心體積小，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，綜合考慮，刀庫(kù)宜選擇無(wú)機(jī)械 手換刀方式。表2.3 滾珠絲杠的支承方式 2.刀庫(kù)形式的選取 無(wú)機(jī)械手換刀方式中，刀庫(kù)可以是圓盤形、直線排列式，也可以是格子箱式等。 無(wú)機(jī)械手換刀方式中特別需要注意的是刀庫(kù)轉(zhuǎn)位定位的作用準(zhǔn)確度。圓盤形刀 庫(kù)容量較小，刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，刀庫(kù)轉(zhuǎn)位、換刀方便，易控制。直線排列式 和格子箱式刀庫(kù)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，適用于刀庫(kù)容量較大的加工中心?？紤]到所設(shè) 計(jì)的加工中心只用來(lái)加工小型零件上的孔和面，不必在刀庫(kù)里放太多刀具，根 據(jù)實(shí)用性進(jìn)行考慮，因此選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容量較小、體積較小的圓盤式刀庫(kù)。 3.刀庫(kù)位置的放置 立式加工中心無(wú)機(jī)械手換刀方式的圓盤形刀庫(kù)的放置又兩種形式： 1）刀庫(kù)置于立柱側(cè)面大橫梁上 如圖2.4a) 所示。此方案可使工作臺(tái)的尺寸較小，且可采用廠家已生產(chǎn)隊(duì)合適 尺寸的工作臺(tái)，可減少設(shè)計(jì)制造周期。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且不會(huì)發(fā)生刀庫(kù)和主軸干涉 現(xiàn)象，但刀庫(kù)的支承剛性較差，須增強(qiáng)立柱的剛度，以減小橫梁彎扭矩的影響。 2）刀庫(kù)置于工作臺(tái)上 如圖2.4b)所示。此方案刀庫(kù)的支承剛性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但影響加工中心主軸y 軸 方向上的行程，要求工作臺(tái)的尺寸較大，須自行設(shè)計(jì)，且減少了工作臺(tái)的有效 面積綜合分析以上兩種方案，采用1）方案，即圖2.4a)的布置形式。在立柱左 邊安裝一橫梁，在橫梁有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上安裝有滑座，將刀庫(kù)安裝在滑座上，通 過(guò)刀庫(kù)沿橫梁移動(dòng)刀主軸端，由主軸來(lái)實(shí)現(xiàn)換刀。1.主軸箱 2.立柱 3.刀庫(kù) 4.工 作臺(tái) 5.床身圖2.4 無(wú)機(jī)械手換刀裝置的布置 4.刀庫(kù)在橫梁上的移動(dòng) 刀庫(kù)在橫梁上的移動(dòng)由兩種方案：一方案使絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，采用滾珠絲杠和交 流伺服電機(jī)；另一方案使液壓傳動(dòng)，采用液壓滑臺(tái)。由于液壓傳動(dòng)必須由專門 設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)機(jī)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)的分度和定位。但此機(jī)構(gòu)定位精度不夠高，為 提高其定位精度可采用交流 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 2.2.4 基礎(chǔ)部件 基礎(chǔ)部件是加工中心的基礎(chǔ)，由床身、立柱和工作臺(tái)等組成。主要承受加工中 心的靜載荷和在加工時(shí)產(chǎn)生的切削負(fù)荷，因此必須由足夠的靜、動(dòng)剛度和精度 保持性。 1.立柱 立柱采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其正面設(shè)置由導(dǎo)軌，導(dǎo)軌可采用滾動(dòng)和滑動(dòng)兩種結(jié)構(gòu)，可 由用戶自行選擇。正中間安裝由滾珠絲杠，立柱導(dǎo)軌上安裝滑座、主軸箱。立 柱中空，可安裝平衡塊，壁上設(shè)置有肋板，以增加立柱的強(qiáng)度和剛性。立柱連 接在床身上。并且使主軸中心線與Z 向進(jìn)給絲杠布置在同一個(gè)平面YOZ 平面內(nèi)， 絲杠的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)力與主切削抗力在同一平面內(nèi)，因而扭矩很小，容易保證銑削 精度和鉆孔加工的平行。 2.床身 床身是加工中心的基礎(chǔ)部件，也是加工中心關(guān)鍵元件之一，床身結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣直 接影響加工中心的使用性能。因此要求床身設(shè)計(jì)具有： 1）很高的精度和精度保持性 在床身上有安裝立柱和X-Y 工作臺(tái)的加工面，這些面本身精度和相互位置精度 要求很高。 2）具有足夠的動(dòng)靜剛度 機(jī)床在切削加工時(shí)靜、動(dòng)載荷往往都傳到床身上，所以床身上受力比較復(fù)雜。 3）較好的熱穩(wěn)定性、抗熱變形性、抗振性 在設(shè)計(jì)上要做到使整機(jī)熱變形較小、振動(dòng)小?；蚴篃嶙冃螌?duì)加工精度影響最小。 床身的設(shè)計(jì)要受到加工中心總體設(shè)計(jì)的制約，在滿足總體設(shè)計(jì)的前提下，盡可 能做到床身外形、結(jié)構(gòu)合理，肋板布置恰當(dāng)，保證良好的冷熱加工性，減少機(jī) 床重量，節(jié)省材料，提高整個(gè)機(jī)床的剛度。 3.工作臺(tái) X-Y 向工作臺(tái)有兩種方案：一種是選用南京工藝裝備制造廠制造生產(chǎn)的X-Y 兩 軸精密數(shù)控工作臺(tái)，數(shù)控工作臺(tái)的上下兩層運(yùn)動(dòng)臺(tái)（X 向、Y 向）結(jié)構(gòu)相同。 另一種是自行設(shè)計(jì)，橫向（Y 向）滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠安裝在橫向?qū)к壔稀?后一種方案各部分均需設(shè)計(jì)或選擇，且床身制造麻煩，周期長(zhǎng)，不易實(shí)現(xiàn)系列 化，單件生產(chǎn)成本也高。而前一種采 用已系列化的精密數(shù)控工作臺(tái)，此工作臺(tái)已經(jīng)過(guò)許多用戶使用后的驗(yàn)證，精度 較高，而且可根據(jù)不同的加工要求，選用不同的精度等級(jí)。不僅制造周期短、 精度易保證，且可根據(jù)用戶的不同需要選擇不同的型號(hào)。故采用前一種方案。 2.2.5 數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng)由CNC 裝置、可編程控制器、伺服驅(qū)動(dòng)裝置等部分組成。由它來(lái)完成 對(duì)加工中心各部分的控制工作。伺服驅(qū)動(dòng)裝置采用Panasonic 公司生產(chǎn)的 MINASA 系列交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。其他部分的設(shè)計(jì)方案根據(jù)用戶需要選擇。 2.2.6 輔助裝置 輔助裝置包括潤(rùn)滑、冷卻、排屑、防護(hù)、液壓、氣動(dòng)和檢測(cè)系統(tǒng)和平衡裝置等 部分。這些裝置雖然不直接參與切削運(yùn)動(dòng)，但對(duì)加工中心的加工效率、加工精 度和可靠性起著保障作用。 2.3 總體布局 經(jīng)過(guò)對(duì)以上運(yùn)動(dòng)方案和各部件的設(shè)計(jì)方案的定性分析比較可確定該小型立式加 工中心刀庫(kù)的總體設(shè)計(jì)方案為：自動(dòng)換刀系統(tǒng)采用無(wú)機(jī)械手換刀，且刀庫(kù)置于 立柱側(cè)面的橫梁上。刀庫(kù)在橫梁上的移動(dòng)采用滾珠絲杠傳動(dòng)和交流伺服電機(jī)采 用盤形刀庫(kù)，由槽輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、分度和轉(zhuǎn)位，由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。總體 結(jié)構(gòu)布局圖如圖2.5 所示。 2.4 主要技術(shù)參數(shù) 根據(jù)已知條件，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，盡量使設(shè)計(jì)出來(lái)的加工中心結(jié)構(gòu)緊 湊，占地面積小，確定該加工中心的主要技術(shù)性能參數(shù)如下： X、Y、Z 行程（mm） 150×150×350 Z 向快速移動(dòng)速度（m/min） 15 X、Y 向快速移動(dòng)速度（m/min） 12 工作臺(tái)尺寸（長(zhǎng)×寬）（mm×mm） 250×200 主軸轉(zhuǎn)速范圍（r/min） 0～18000 徐州工程學(xué)院07 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第25 頁(yè) 主軸電機(jī)功率（kw） 12 刀庫(kù)容量（把） 8 定位精度（mm） ±0.025 重復(fù)定位精度（mm） ±0.005 主軸錐孔 ISO/BT30 換刀時(shí)間（s/次） 8 機(jī)床總重量（kg） 650 外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）（mm×mm×mm） 1132×800×1526 最大工作進(jìn)給速度（m/min） 1 工作臺(tái)允許載荷（kg） 15 鉆孔能力（mm） 10 銑削能力（cm3/min） 80 1.床身 2.X-Y 數(shù)控工作臺(tái) 3.刀庫(kù)移動(dòng)部件 4.刀庫(kù) 5.Z 向進(jìn)給部件 6.立柱 7.滾動(dòng)導(dǎo)軌副 8.主軸箱 9.平衡重部件 圖2.5 總體結(jié)構(gòu)布局示意圖 2.5 小結(jié) 本章對(duì)刀庫(kù)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析、比較，確定了較合理的總體設(shè)計(jì)方案。還 確定了主要技術(shù)參。 第三章 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。 3.1 確定刀庫(kù)容量 決定刀庫(kù)容量時(shí)，首先要考慮加工工藝的需要，同時(shí)還要調(diào)查分析同類型、 相近規(guī)格的自動(dòng)換刀機(jī)床的刀庫(kù)容量及其發(fā)展趨勢(shì)。由于帶自動(dòng)換刀裝置的數(shù) 控機(jī)床主要是在多品種、單件小批生產(chǎn)時(shí)使用，因而應(yīng)根據(jù)廣泛的工藝統(tǒng)計(jì)， 依大多數(shù)工件加工時(shí)需要的刀具數(shù)來(lái)確定刀庫(kù)容 量。例如，對(duì)功能較為齊全的加工中心而言，它 可承擔(dān)多個(gè)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(jī)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(kù)容量與機(jī)床能加工工件的 比率統(tǒng)計(jì)曲線。 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)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，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 14—40 把刀具的刀庫(kù) 就能夠滿足 70％-95％工件的加工需要。因此，對(duì) XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺(tái) 銑床，從使用和經(jīng)濟(jì)效率角度來(lái)看，容量為 6 的刀庫(kù)就可滿足要求了。 3.2 確定刀庫(kù)容量 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，決定采用 軸向放置的鼓盤式刀庫(kù)形式。這種刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，刀具排列較為緊湊，在刀庫(kù) 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(jī)械手的換刀 動(dòng)作空間。 3.3 刀庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 如刀庫(kù)裝配圖所示，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，直流伺服電動(dòng)機(jī)接通， 其運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)十字聯(lián)軸器、波傳動(dòng)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(dòng)刀座上的 6 個(gè)刀套轉(zhuǎn)動(dòng)，完成選刀動(dòng)作。 刀庫(kù)裝配圖 3.4 初估刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩及選定電機(jī) 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)，并沒(méi)有降速傳動(dòng)裝置。 3.4.1 初選電動(dòng)機(jī)與降速傳動(dòng)裝置 刀庫(kù)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，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。采用型號(hào)為 90SZ03 的 SZ 系列電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)，其基本參數(shù)為：功率 0.092KW，轉(zhuǎn)速 3000R/MIN（《袖珍機(jī)械師設(shè)計(jì)手冊(cè)》P1275） ；降速傳動(dòng)裝置型號(hào)為 XB3-50- 100A 的扁平式諧波傳動(dòng)減速器，其基本參數(shù)為：輸入功率 0.092KW，輸出轉(zhuǎn)矩 18N·m（《袖珍機(jī)械師設(shè)計(jì)手冊(cè)》P1078-1079） 。 3.4.2 初估刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 由于刀庫(kù)容量 6，下面就以 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)驗(yàn)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 25N·m 的液壓馬達(dá)經(jīng)諧波減速器驅(qū)動(dòng)?，F(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(主要是指直接驅(qū)動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩)為 T0=8N·m。 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) 刀庫(kù)的主運(yùn)動(dòng)是圓周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖 3-3 所示,直流伺服電動(dòng)機(jī) 1 通過(guò)彈性 柱銷聯(lián)軸器與諧波傳動(dòng)減速器 2 聯(lián)接減速后驅(qū)動(dòng)蝸桿 3,設(shè)計(jì)刀庫(kù)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的普 通圓柱蝸桿傳動(dòng). 由刀庫(kù)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。 己知直流伺服電動(dòng)機(jī) 1 的功率為 0.092KW,轉(zhuǎn)速為 3000R/MIN,諧波傳動(dòng)減速 器 2 的傳動(dòng)比為 100.傳動(dòng)效率為 80%,1 經(jīng) 2 減速后驅(qū)動(dòng)蝸桿 3,蝸桿為主動(dòng),蝸 輪為從動(dòng),要求傳動(dòng)此為 6,單向旋轉(zhuǎn),單班工作制,預(yù)計(jì)壽命為 5 年. 圖示 3-3 刀庫(kù)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)傳動(dòng)示意圖 1)選擇蝸桿傳動(dòng)類型 根據(jù) GB10085—88 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 45～50HRC；蝸輪用鑄錫磷青銅 ZCuSn10Pb1，金屬模鑄造， =220 MPa， =220 MPa。'2HP?'2FP? 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= Z1ⅹi= 6ⅹ6=36。 4)按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) m2d1 KT2 (mm3)?'250HP??????? a)計(jì)算蝸輪軸轉(zhuǎn)矩 T2 初估傳動(dòng)效率 η=0.95,則 T2=9549 =9549 η=9549 ⅹ0.95=133.53 N·m12Pn1/i0.928%3/6? 其中 n1 =3000/100=30(r/min) b)載荷系數(shù) K=1.05 c)許用接觸應(yīng)力 2HP? = =220ⅹ0.9ⅹ1.48=293.04 MPa2HP?'VSZN 式中, =220 MPa, ' 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 18—2)S 查得滑動(dòng)速度影響系數(shù) =0.9, =1.48（其中VZN =60a t=60ⅹ1ⅹ ⅹ5ⅹ300ⅹ8=3.6ⅹ ,按圖 18—3 查得） ；LZ2n306610 d)計(jì)算 m2d1值,并選定模數(shù) m 和蝸桿分度圓直徑 d1 m2d1 ⅹ1.05ⅹ133.53=283.46 mm 3;?2539.04??????? 按表 18—3 查得模數(shù) m=3.15(mm), d1=35.5 (mm) (m2d1值應(yīng)大于計(jì)算值) 5)驗(yàn)算滑動(dòng)速度 SV a)計(jì)算蝸桿速度 1 = = =0.0558 m/s1V60dn??35.0? b)計(jì)算滑動(dòng)速度 SV = / =0.0558/ =0.0632 m/sS1cos?'"cos2814? 其中 = = = ,則初估的 值合適。1(/)tgZmd?(63.5/.)tg??'"2814?SV 6)驗(yàn)算蝸輪齒彎曲強(qiáng)度 驗(yàn)算公式為 22 21AVFFSPTKYd????? a)使用系數(shù) =1A b)動(dòng)載荷系數(shù) =1.03V c)載荷分布系數(shù) =1K? d1=35.5 mm， =m =3.15 36=113.4 mm,其中模數(shù) m=3.15(mm)。2dZ? d)蝸輪齒形系數(shù) =4.00FSY e)按蝸輪當(dāng)量齒數(shù) = / =36/ =52.34,由圖 17—2 查得。2V3cos?3'"s2814? f)導(dǎo)程角系數(shù) =1- /120°=1- /120 =0.766Y??'"?? g)許用彎曲應(yīng)力 2FP? = =70 0.542=37.94 MPa2FP?'N? h)計(jì)算彎曲應(yīng)力 =22.1322613.5.014.076F?? 由于 < ，故滿足蝸輪輪齒強(qiáng)度條件。?2HP 7)計(jì)算蝸桿蝸輪的主要參數(shù) a)分度圓直徑 =35.5， =m =3.15 36=113.4mm1d2z? b)中心距 a a=( + +2 m)/2=[35.5+113.4+2 (-0.1349) 3.15]/2=74 mm12x ? c)蝸桿導(dǎo)程角 '"814??? 8)計(jì)算其他尺寸 a)蝸桿齒頂圓直徑 = +2 =35.5+2 3.15=41.8 mm，1ad1a1ah? 其中 為蝸桿齒頂高，且 =m=3.15 mm；1ah b)蝸輪喉圓直徑 = +2 =113.4+2 0.8651 3.15=118.85 2a2ad2a? mm， 其中 為蝸輪齒頂高，且 = + =1-0.1349=0.8651 mm；2ah2ah?2x c)蝸輪外圓直徑 = +m=118.85+3.15=122 mm；2ed d)蝸桿齒寬 由于 =6，故 按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，取 =64 mm1b1Z1b1b e)蝸輪齒寬 0.67 =0.67 41.8 =28.006mm,取 =28 mm；2b2?1ad?2b f)蝸輪齒頂圓弧半徑 = -m= -3.15=14.6 mmaR235. g)蝸輪齒根圓弧半徑 = +c= +0.2m= +0.2 3.15=21.53 2ff1a1a4.82? mm； h)蝸桿軸向齒厚 = /2= = 3.15/2=4.948 mm,其中1xs1xsp/m? 為蝸桿軸向齒距；xp i)蝸桿法向齒厚 = =4.948 =4.368 mm；1ns1nsxco?'"cs2814? j)蝸輪分度圓齒厚 =0.5 =0.5 3.15=4.948 mm。22m?? 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1H 的條件進(jìn)行熱功平衡計(jì)算，以保證油溫穩(wěn)定牌規(guī)定的范圍內(nèi)。2H 由于摩擦損耗的功率 = （1- ）kW,則產(chǎn)生的熱流量（單位為fP1? 1W=1j/s）為 =1000 （1- ）W11? 式中 為蝸桿傳遞的功率（單位：kW） 。P 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( - )W2H1t0 式中 k——熱導(dǎo)率，一般取 k=8.7～17.5W( ),環(huán)境空氣流通較差時(shí)，2mC?: 取較小值，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 60～70 ，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 = + 1t0??P-kA?C? 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 kW1?0 取 =20 , =0.95, k=10,并估算 A=0. 006 ，則0tC??2m =20+ =81.33 ＞801t??.7361-0.95 ?C?? 由于 ＞80 ,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1t? 熱能力，如在傳動(dòng)箱內(nèi)裝循環(huán)冷卻管路。 3.6 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2n ?0 時(shí)刀庫(kù)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為：T= = =120.3N·m＞T 0=8N·m，954Nn??0.795 其中 =0.9 為外花鍵帶動(dòng)刀盤回轉(zhuǎn)的傳動(dòng)效率。由于 T＞T 0，所以，刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)? 轉(zhuǎn)矩滿足要求。 3.7 刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的校核 在刀庫(kù)的傳動(dòng)系統(tǒng)中，刀盤是利用花鍵聯(lián)接帶動(dòng)刀座上的刀套轉(zhuǎn)動(dòng)而進(jìn)行 選刀的，花鍵的聯(lián)接屬于動(dòng)聯(lián)接