1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，也就是所說的刀庫，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。本論文是開發(fā)設(shè)計(jì)出一種體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格較低、生產(chǎn)周期短的小型立式加工中心無機(jī)械手換刀刀庫。首先介紹了國內(nèi)外加工中心研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，闡明了本課題研究的目的、意義。然后進(jìn)一步介紹本小型加工中心刀庫總體結(jié)構(gòu)和各部件方案的選擇，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了小型加工中心刀庫的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，主要包括刀盤部件設(shè)計(jì)（含刀盤，夾塊，刀爪） ，刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（含轉(zhuǎn)臂，槽輪，滾子，鎖止盤） ，刀庫總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（含軸承套，軸，箱蓋，箱體）刀庫移動(dòng)部分設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng) 加工中心 刀庫2AbstractAlong 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 processing center engine laths, ike the turning center, the boring mill processing center, drills truncates center and so on. This kind of working procedure processing numerical control engine laths must use many kinds of cutting tools in the processing process, therefore must have trades the knife installment automatically, also is the knife storehouse which said, in order to select the different cutting tool, completes the different working procedure the processing craft. Trades the knife equipment to have automatically to have trades the knife time short, the cutting tool repetition pointing accuracy high, the enough cutting tool margin, the area small, safe reliable and so on the characteristics. 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. 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. 3Keywords: numerically controlled lathe machining centers cut database目 錄摘要…………………………………………………… ………………………iAbstract………………………………………………………………………ii1 緒論………………………………………………… ………………………1 1.1 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢………………… ………………………1 1.1.1 當(dāng)前世界 NC 機(jī)床的研究現(xiàn)狀……………… ……………………1 1.1.2 我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r…………… ………………………2 1.1.3 加工中心的發(fā)展動(dòng)向……………………… ………………………3 1.1.4 我國數(shù)控機(jī)床研究存在的問題…………… ………………………3 1.2 加工中心概論……………………………………… ……………………4 1.2.1 自動(dòng)換刀系統(tǒng)產(chǎn)品化的意義和前景………… ……………………6 1.3 本論文研究的目的和意義………………………… ……………………6 1.4 本論文完成的主要工作……………………………… …………………6 2 總體方案的設(shè)計(jì)……………………………………… ……………………8 2.1 運(yùn)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)…………………………………… ……………………8 2.1.1 運(yùn)動(dòng)數(shù)目的確定……………………………… ……………………8 2.1.2 運(yùn)動(dòng)方案的確定……………………………… ……………………8 2.2 功能部件的設(shè)計(jì)方案……………………………… ……………………9 2.2.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)……………………………… …………………………9 2.2.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)……………………………… ………………………10 2.2.3 自動(dòng)換刀系統(tǒng)……………………………… ………………………11 2.2.4 基礎(chǔ)部件……………………………… ……………………………13 2.2.5 數(shù)控系統(tǒng)……………………………… ……………………………14 2.2.6 輔助裝置……………………………… ……………………………142.3 總體布局……………………………… …………………………………142.4 主要技術(shù)參數(shù)………………………… …………………………………14 2.5 小結(jié)………………………… ……………………………………………16 3 刀庫的設(shè)計(jì)………………………… ………………………………………17 3.1 刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………… ………………………………17 3.1.1 刀庫主要參數(shù)的確定………………………… ……………………17 3.1.2 刀盤部分的設(shè)計(jì)…………………… ………………………………17 43.1.3 刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)………… ………………………………18 3.1.4 軸的設(shè)計(jì)…………………… ………………………………………21 3.1.5 滾動(dòng)軸承的選擇計(jì)算……… ………………………………………24 3.1.6 鍵的選用與計(jì)算…………… ………………………………………25 3.1.7 刀庫的支承部分的設(shè)計(jì)…… ………………………………………25 3.2 刀庫移動(dòng)部分的設(shè)計(jì)…………… ………………………………………26 3.2.1 刀庫支承橫梁和導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)… ……………………………………26 3.2.2 刀庫移動(dòng)絲杠和電機(jī)的選擇… ……………………………………27 3.3 刀庫、橫梁的安裝…………… …………………………………………27 3.4 小結(jié)…………… …………………………………………………………38 結(jié)論…………… …………………………………………………………………29 致謝…………… …………………………………………………………………30 參考文獻(xiàn)…………… ……………………………………………………………31 ‘51 緒 論隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，世界先進(jìn)制造技術(shù)的興起和成熟，而對(duì)作為現(xiàn)代制造業(yè)非常重要的加工中心提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)加工中心的組成部分提出了更高的性能指標(biāo)。 加工中心是一種綜合加工能力較強(qiáng)的數(shù)控加工設(shè)備，工件一次裝夾后能完成較多的加工工序，加工精度較高，就中等加工難度的批量工件，其效率是普通設(shè)備的 5～10 倍，特別是它能完成許多普通設(shè)備不能一次完成的加工。加工中心對(duì)形狀較復(fù)雜，精度要求高的單件加工或中小批量多品種生產(chǎn)更為合適，特別是對(duì)于必需采用工裝和專用設(shè)備來保證產(chǎn)品質(zhì)量和效率的工件，采用加工中心加工，可以省去工裝和專機(jī)。這為新產(chǎn)品的研制和改型換代節(jié)省大量的時(shí)間和費(fèi)用，從而使企業(yè)具有較強(qiáng)的競爭力。然而目前國內(nèi)外加工中心的生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)生產(chǎn)的加工中心大多是大、中型零件的加工。 加工中心有多種形式，常見的有盤式、鏈?zhǔn)絻煞N刀庫。盤式結(jié)構(gòu)中,刀具可以沿著主軸的軸向、徑向、斜向按放，刀具軸向的安裝的結(jié)構(gòu)最為緊密，但為了換到時(shí)與主軸同向，有的刀具庫中刀具需要在換刀位作 90 度翻轉(zhuǎn)。在刀庫容量較大時(shí)，為在存放方便的同時(shí)保持結(jié)構(gòu)緊湊，可采用彈倉式結(jié)構(gòu)，目前大量的刀庫安裝在機(jī)車立柱的頂面或側(cè)面，在刀庫較大時(shí)，也有安裝在專門的地基上，以隔離刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)造成的震動(dòng)。 鏈?zhǔn)降稁齑娣诺毒呷萘勘缺P式大，結(jié)構(gòu)比較靈活，可以采用加長鏈帶方式加大刀庫容量，也可以采用鏈帶折疊回繞的方式提高空間利用率，在需要刀具容量較大時(shí)，還可以采用多鏈帶結(jié)構(gòu)。1.1 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1.1.1 當(dāng)前世界 NC機(jī)床的研究現(xiàn)狀 世界各國對(duì)數(shù)控機(jī)床、加工中心以至 FMS、CIMS 等各種新技術(shù)的研究與發(fā)展進(jìn)程，是與世界經(jīng)濟(jì)形勢緊密相連的。機(jī)床工業(yè)與世界經(jīng)濟(jì)相互促進(jìn)和發(fā)展，進(jìn)入 21 世紀(jì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，人們的知識(shí)所起的作用更加突出，而機(jī)床工業(yè)作為6機(jī)器制造業(yè)的基礎(chǔ)，其重點(diǎn)地位與戰(zhàn)略意義更加明顯。當(dāng)前世界 NC 機(jī)床的技術(shù)研究主要有以下幾點(diǎn)： 1.更加重視新技術(shù)和創(chuàng)新 在世界范圍內(nèi)，對(duì)新工藝、新材料、新結(jié)構(gòu)、新單元、新元件的研究開發(fā)工作正在大力發(fā)展，如新的刀具材料、新的主軸結(jié)構(gòu)、高速電主軸、高速直線電機(jī)等的開發(fā)研究。以加工工藝的改進(jìn)創(chuàng)新為基礎(chǔ)，為加工超硬、難切削材料及特殊符合材料及復(fù)雜零件、不規(guī)則曲面等在不斷研究開發(fā)新機(jī)種。 2.提高機(jī)床加工的精度的研究 為了提高加工中心的加工精度，不斷提高機(jī)床的剛度、減少振動(dòng)，消除熱變形，降低噪聲，提高 NC 機(jī)床的定位精度、重復(fù)精度、工作可靠性、穩(wěn)定性、精度保持性，世界很多國家都在進(jìn)行機(jī)床熱誤差、機(jī)床運(yùn)動(dòng)及負(fù)載變形誤差的軟件補(bǔ)償技術(shù)研究，并采取精度補(bǔ)償、軟件補(bǔ)償?shù)却胧┘右愿纳?，有的已可使此類誤差消除 60%。并在不斷開發(fā)精細(xì)加工，納米加工。 3.提高機(jī)床加工生產(chǎn)率的研究 世界 NC 機(jī)床、加工中心及相應(yīng)的高速電主軸、直線電機(jī)、測量系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、NC 系統(tǒng)的開發(fā)，均以提高生產(chǎn)率為前提。 4.許多國家都已經(jīng)開始對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的智能化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化研究 1.1.2 我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r 我國數(shù)控機(jī)床工業(yè)起步較早，北京機(jī)床研究所于 1973 年研制了臥式加工中心 JCS013。1980 年北京機(jī)床研究所引進(jìn)了日本 FANUC 公司的數(shù)控系統(tǒng)制造技術(shù)，并投入批量生產(chǎn)。國家“六五”和“七五”規(guī)劃期間，我國大力發(fā)展加工中心，幫助部分骨干企業(yè)與國外廠商進(jìn)行合作，引進(jìn)了加工中心的制造技術(shù)?！鞍宋濉逼陂g科技攻關(guān)開發(fā)自主版權(quán)數(shù)控系統(tǒng)兩個(gè)階段，已為數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)業(yè)化奠定了良好的基礎(chǔ)，并取得了長足的進(jìn)步。 “九五”期間數(shù)控機(jī)床發(fā)展已進(jìn)入了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化階段。 1.部分產(chǎn)品已達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平 具備了自行開發(fā)各種各樣專用機(jī)床和特殊功能機(jī)床系統(tǒng)的能力。數(shù)控機(jī)床新開發(fā)品種 300 個(gè)，已有一定的覆蓋面。新開發(fā)的國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床大部分達(dá)到國際 20 世紀(jì) 90 年代水平，為國家重點(diǎn)建設(shè)提供了一批高水平數(shù)控機(jī)床。 72.數(shù)控機(jī)床在技術(shù)上取得了一定的進(jìn)步 進(jìn)入了高速高精度精密數(shù)控機(jī)床生產(chǎn) 國行列。高速主軸制造技術(shù)可達(dá)12000~18000r/min，快速進(jìn)給可達(dá) 60m/min，快速換刀可達(dá) 1.5s 可以生產(chǎn)定位精度達(dá) 3um 的立式加工中心、主軸回轉(zhuǎn)精度達(dá) 8um 的臥式加工中心和精度為2um 的車削中心等。 3.多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)更加成熟 0.1um 當(dāng)量的超精密數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控仿形系統(tǒng)、非圓齒輪加工系統(tǒng)、高速進(jìn)給數(shù)控系統(tǒng)、實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)都已研制成功。尤其是基于 PC 機(jī)的開放式智能化數(shù)控系統(tǒng)，可實(shí)施多軸控制，具備聯(lián)網(wǎng)進(jìn)線等功能。這些數(shù)控系統(tǒng)的研制成功使得多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)技術(shù)已不再是難題，且逐漸成熟。 4.大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床配套產(chǎn)品已能國內(nèi)生產(chǎn) 我國數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠共有 100 多家，數(shù)控系統(tǒng)（包括主軸和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)單元）生產(chǎn)企業(yè)約 50 家，生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床配套產(chǎn)品的企業(yè)共計(jì) 300 余家，產(chǎn)品品種包括八大類 2000 種以上。數(shù)控機(jī)床自我配套率超過 60%。 5.在網(wǎng)絡(luò)化、集成化、柔性化數(shù)控制造成套設(shè)備技術(shù)上也有了新突破 網(wǎng)絡(luò)化、集成化、柔性化數(shù)控制造裝備可實(shí)現(xiàn)在多臺(tái)機(jī)床連成的局域網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)集成、資源共享、實(shí)時(shí)圖象監(jiān)視和管理，服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)加工對(duì)象的實(shí)體造型并將刀具路徑文件和加工程序自動(dòng)化送至各數(shù)控機(jī)床。 總之，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，市場經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的不斷深入，中國在加入 WTO 參與世界市場激烈競爭中，無論是國內(nèi)市場、國際市場，對(duì) NC 機(jī)床的需求將日益增多，NC 機(jī)床的發(fā)展前景非常廣闊。中國機(jī)床工業(yè)能否振興、NC 機(jī)床技術(shù)能否迅速提高、產(chǎn)量能否迅速擴(kuò)大，關(guān)鍵在于中國是否有此實(shí)力。1.1.3 加工中心的發(fā)展動(dòng)向 近年來，加工中心的發(fā)展主要目標(biāo)是主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和自動(dòng)換刀（ATC）的高速化、縮短輔助時(shí)間、提高加工精度、縮短刀具交換時(shí)間、提高自動(dòng)化程度等。國際上加工中心正向自動(dòng)化程度更好、機(jī)床精度更高、功能更全、切削效率更高、機(jī)床結(jié)構(gòu)更趨合理的方向發(fā)展。 1.1.4 我國數(shù)控機(jī)床研究存在的問題 8我國的數(shù)控機(jī)床行業(yè)在近幾年中有了很大的發(fā)展，但對(duì)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)口量依然很大。我國進(jìn)口的 NC 機(jī)床，大都是自己不能生產(chǎn)、水平達(dá)不到的中、高檔機(jī)床，其中特別是加工中心。均采用 CAD、有限元分析、先進(jìn)的數(shù)控程序軟件等先進(jìn)方法，配套基礎(chǔ)元部件、NC 系統(tǒng)實(shí)行國際配套方面，我國仍需大力提高。 1.2 加工中心概論 加工中心的功能及特點(diǎn)： 1.加工中心的功能 加工中心（Machining Center-MC）是一種功能較全的數(shù)控加工機(jī)床。它把銑削、鏜削、鉆削和切削螺紋等功能集中在一臺(tái)設(shè)備上，使其具有多種工藝功能。加工中心設(shè)置有刀庫，刀庫中存放著不同數(shù)量的各種刀具和量具，在加工過程中由程序自動(dòng)選用和更換。這是它與數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床的主要區(qū)別。加工中心與同類數(shù)控機(jī)床相比結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，控制系統(tǒng)功能較多。加工中最少有三個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，多的達(dá)十幾個(gè)。其控制功能最少可實(shí)現(xiàn)兩軸聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)刀具運(yùn)動(dòng)直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)。多的可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)、六軸聯(lián)動(dòng)，從而保證刀具進(jìn)行復(fù)雜加工。加工中心還具有不同的輔助功能；如：各種加工固定循環(huán)，刀具半徑自動(dòng)補(bǔ)償，刀具長度自動(dòng)補(bǔ)償，刀具破損報(bào)警，刀具壽命管理，過載超程自動(dòng)保護(hù)，絲杠螺距誤差補(bǔ)償，絲杠間隙補(bǔ)償，故障自動(dòng)診斷，工件與加工過程圖形顯示，人機(jī)顯示，工件在線檢測和加工自動(dòng)補(bǔ)償、離線編程等，這些功能提高了數(shù)控機(jī)床的加工效率，保證 了產(chǎn)品的加工精度和質(zhì)量，是普通加工設(shè)備無法相比的。 2.加工中心的特點(diǎn) 加工中心是典型的集高新技術(shù)于一體的機(jī)械加工設(shè)備，它的發(fā)展代表了一個(gè)國家設(shè)計(jì)、制造的水平，因此在國內(nèi)外企業(yè)界都受到高度重視。加工中心綜合加工能力較強(qiáng)，工件一次裝夾后能完成較多的加工步驟，加工精度較高，對(duì)于中等加工難度的批量工件，其效率是普通設(shè)備的 5~10 倍。加工中心對(duì)形狀較復(fù)雜，精度要求高的的單件加工或中小批量多品種生產(chǎn)更為合適。特別是對(duì)于必須采用工裝和專機(jī)設(shè)備來保證產(chǎn)品質(zhì)量和效率的工件，采用加工中心加工，可以省去工裝和專機(jī)。這為新產(chǎn)品的研制和改型換代接生大量的時(shí)間和費(fèi)用，9從而使企業(yè)具有較強(qiáng)的競爭能力。因此它也是判斷企業(yè)技術(shù)技術(shù)能力和工藝水平標(biāo)志的一個(gè)方面。如今，加工中心已成為現(xiàn)代機(jī)床發(fā)展的主流方向，廣泛用于機(jī)械制造中。與普通數(shù)控機(jī)床相比，它有以下幾個(gè)突出要點(diǎn)： 1）工序集中 加工中心備有刀庫，能自動(dòng)換刀，并能對(duì)工件進(jìn)行多工序加工?，F(xiàn)代加工中心可使工件在一次裝夾后實(shí)現(xiàn)多表面、多工位的連續(xù)、高效、高精度加工，即工序集中。這是加工 中心最突出的特點(diǎn)。2）加工精度高 加工中心同其他數(shù)控機(jī)床一樣具有加工精度高的特點(diǎn)，而且加工中心可一次裝夾工件，實(shí)現(xiàn)多工序集中加工，減少了多次裝夾帶來的誤差，故加工精度更高，加工質(zhì)量更加穩(wěn)定。 3）適用性強(qiáng) 加工中心對(duì)加工對(duì)象的適用性強(qiáng)。加工中心改變加工零件時(shí)，只需重新編制（更換）程序，輸入新的程序就能實(shí)現(xiàn)對(duì)新的零件的加工，這對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件的單件、小批量生產(chǎn)及新產(chǎn)品試制帶來極大的方便。同時(shí)，它還能自動(dòng)加工普通機(jī)床很難加工或無法加工的精密復(fù)雜零件。 4 ）生產(chǎn)效率高 加工中心帶有刀庫，在一臺(tái)機(jī)床上能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和機(jī)床的調(diào)整時(shí)間，減少工件半成品的周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)和存放時(shí)間，機(jī)床的切削利用率（切削時(shí)間和開動(dòng)時(shí)間之比）高。 5）經(jīng)濟(jì)效益好 加工中心加工零件時(shí)，雖分?jǐn)傇诿總€(gè)零件上的設(shè)備費(fèi)用較昂貴，但在單件、小批量生產(chǎn)的情況下，可以節(jié)省許多其他方面的費(fèi)用。由于是數(shù)控加工，加工中心不必準(zhǔn)備專用鉆模等工藝裝備，加工之前節(jié)省了劃線工時(shí)，零件安裝到機(jī)床上之后可以減少調(diào)整、加工和檢驗(yàn)時(shí)間。另外，由于加工中心的加工穩(wěn)定，減少了廢品率，使生產(chǎn)成本進(jìn)一步下降。 6）自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低 加工中心的加工零件是按事先編好的程序自動(dòng)完成的，操作者除了操作鍵10盤、裝卸零件、進(jìn)行關(guān)鍵工序的中間測量以及觀察機(jī)床的運(yùn)行之外，不需要進(jìn)行繁重的重復(fù)性手工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度可大為減輕。 7）有利于生產(chǎn)的現(xiàn)代化管理 用加工中心加工零件，能夠準(zhǔn)確地計(jì)算零件的加工工時(shí)，并有效地簡化檢驗(yàn)和工夾具、半成品的管理工作。這些特點(diǎn)有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。 1.2.1 自動(dòng)換刀系統(tǒng)產(chǎn)品化的意義和前景 自動(dòng)換刀系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。刀具夾持元件的結(jié)構(gòu)特性及它與機(jī)床主軸的聯(lián)結(jié)方式，將直接影響機(jī)床的加工性能。刀庫結(jié)構(gòu)形式及刀具交換裝置的工作方式，則會(huì)影響機(jī)床的換刀效率。自動(dòng)換刀系統(tǒng)本身及相關(guān)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，又會(huì)對(duì)整機(jī)的成本造價(jià)產(chǎn)生直接影響。 隨著機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對(duì)于帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的高效高性能加工中心的需求量越來越大。在現(xiàn)有的各種類型的加工中心中，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)的造價(jià)在機(jī)床整機(jī)造價(jià)中總是占著很大比重，這是加工中心價(jià)格居高不下、應(yīng)用不普遍的重要原因。如果把自動(dòng)換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造從現(xiàn)有加工中心的制造模式中分離出來，把它作為加工中心的標(biāo)準(zhǔn)件或附件組織專門化的生產(chǎn)，同時(shí)由于該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用簡化了機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)、采用彈簧夾頭和外驅(qū)動(dòng)機(jī)械手等關(guān)鍵技術(shù)、采用圓柱柄刀具和輔具，這不僅使數(shù)控機(jī)床工作性能有所提高，而且使得由它配套構(gòu)成的加工中心的總體造價(jià)大幅度下降。低造價(jià)高性能的加工中心將會(huì)被中小廠廣泛接收，這樣必將給自動(dòng)換刀系統(tǒng)生產(chǎn)廠商和加工中心制造廠商帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 1.3 本論文研究的目的和意義 本課題開發(fā)設(shè)計(jì)的小型加工中心刀庫。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，也就是所說的刀庫，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。 111.4 本論文完成的主要工作 本論文是開發(fā)設(shè)計(jì)出一種體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格較低、生產(chǎn)周期短的小型立式加工中心無機(jī)械手換刀刀庫。主要完成以下工作： 1.通過深入各種類型的企業(yè)、高工專學(xué)校、中專、技?，F(xiàn)場調(diào)查，通過查閱相關(guān)的資料，對(duì)國內(nèi)外同類產(chǎn)品進(jìn)行市場調(diào)研、技術(shù)調(diào)研和社會(huì)環(huán)境調(diào)研，了解該產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展方向，從而確定本課題的可行性和必要性。 2.通過對(duì)不同的結(jié)構(gòu)原理方案和各部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的分析對(duì)比，確定加工中心刀庫的總體技術(shù)設(shè)計(jì)方案和主要技術(shù)性能參數(shù)。 3.通過對(duì)加工中心的自動(dòng)換刀系統(tǒng)不同設(shè)計(jì)方案的對(duì)比分析，確定刀庫的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)和計(jì)算。 4.用 CAD 軟件繪制總體裝配圖、各部件、組件裝配圖及主要非標(biāo)準(zhǔn)零件的零件圖。 122 總體方案的設(shè)計(jì)加工中心刀庫的總體方案設(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)）來完成，而進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可以由工件來完成；也可以由刀具來完成；或者是由刀具和工件來共同完成。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)，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)來實(shí)現(xiàn)； 132.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)來完成，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.由刀架來完成三個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，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 Y 方向的進(jìn)給；由刀具在橫梁上移動(dòng)來完成 Z 向的進(jìn)給。通常見于大 、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，而唷刀具來完成垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，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、電柜等裝在立柱上。 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)作通過數(shù)控系統(tǒng)控制由主傳動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。并且通過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)過齒輪變速。如果所需轉(zhuǎn)速范圍超14過 1：100（如中型以上規(guī)格的加工中心） ，則需通過齒輪換檔的方法實(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。 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15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。 2.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)用越來越廣。 由于該加工中心刀庫容量較小，而且精度較高，故選用交流伺服電機(jī)。設(shè)計(jì)中選用了日本 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) 通過自動(dòng)換刀系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)零件加工時(shí)的換刀。它由刀庫電機(jī)、傳動(dòng)裝置、刀夾等組成。任務(wù)要求采用無機(jī)械手換刀方式。 無機(jī)械手換刀方式是直接在刀庫與主軸（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)簡單。換刀時(shí)必須首先將用過的刀具送回刀庫，然后再從刀庫中取出新刀具，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)來完成，因此換刀時(shí)間較長，影響了機(jī)床的加工效率但是刀庫回轉(zhuǎn)時(shí)在工步于工步之間，即非切削時(shí)進(jìn)行的，因此雖然刀庫設(shè)置在立柱側(cè)面，卻免去刀庫回轉(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?？紤]到所設(shè)計(jì)的小型加工中心主要用于中小批量生產(chǎn)，且只用來加工小型零件上的孔和面，刀庫容量較小，無須過多考慮換刀時(shí)間的長短，決定采用 3016號(hào)刀柄。 2.刀庫形式的選取 無機(jī)械手換刀方式中，刀庫可以是圓盤形、直線排列式，也可以是格子箱式等。無機(jī)械手換刀方式中特別需要注意的是刀庫轉(zhuǎn)位定位的作用準(zhǔn)確度。圓盤形刀庫容量較小，刀庫結(jié)構(gòu)簡單緊湊，刀庫轉(zhuǎn)位、換刀方便，易控制。直線排列式和格子箱式刀庫結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，適用于刀庫容量較大的加工中心。 考慮到所設(shè)計(jì)的加工中心只用來加工小型零件上的孔和面，不必在刀庫里放太多刀具，根據(jù)實(shí)用性進(jìn)行考慮，因此選用結(jié)構(gòu)簡單、容量較小、體積較小的圓盤式刀庫。 3.刀庫位置的放置 立式加工中心無機(jī)械手換刀方式的圓盤形刀庫的放置又兩種形式： 1）刀庫置于立柱側(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)簡單，且不會(huì)發(fā)生刀庫和主軸干涉現(xiàn)象，但刀庫的支承剛性較差，須增強(qiáng)立柱的剛度，以減小橫梁彎扭矩的影響。 2）刀庫置于工作臺(tái)上 如圖 2-4b)所示。此方案刀庫的支承剛性好，結(jié)構(gòu)簡單。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，將刀庫安裝在滑座上，通過刀庫沿橫梁移動(dòng)刀主軸端，由主軸來實(shí)現(xiàn)換刀。 171.主軸箱 2.立柱 3.刀庫 4.工作臺(tái) 5.床身 圖 2-4 無機(jī)械手換刀裝置的布置 4.刀庫在橫梁上的移動(dòng) 刀庫在橫梁上的移動(dòng)由兩種方案：一方案使絲杠螺母傳動(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)，來實(shí)現(xiàn)刀庫的分度和定位。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)18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?。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，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 輔助裝置包括潤滑、冷卻、排屑、防護(hù)、液壓、氣動(dòng)和檢測系統(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19工精度和可靠性起著保障作用。 2.3 總體布局 經(jīng)過對(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的總體設(shè)計(jì)方案為：自動(dòng)換刀系統(tǒng)采用無機(jī)械手換刀，且刀庫置于立柱側(cè)面的橫梁上。刀庫在橫梁上的移動(dòng)采用滾珠絲杠傳動(dòng)和交流伺服電機(jī)采用盤形刀庫，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×寬） （mm×mm） 400×250 主軸轉(zhuǎn)速范圍（r/min） 0～18000 主軸電機(jī)功率（kw） 12 刀庫容量（把） 12 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×寬×高） （mm×mm×mm） 2036×1264×1670 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 20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。213 刀庫的設(shè)計(jì)刀庫是加工中心的象征，是加工中心區(qū)別于 NC 鏜床和 NC 銑床的本質(zhì)所在，因此來說，刀庫的設(shè)計(jì)是加工中心設(shè)計(jì)的核心。由于作者所要設(shè)計(jì)的加工中心是一個(gè)主要用來加工中小批量電子元件等小型零件的小型加工中心，在滿足加工要求，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的條件下，應(yīng)盡量使加工中心的結(jié)構(gòu)緊湊，減小加工中心的外形輪廓尺寸，刀庫在滿足使用要求的前提下，盡量結(jié)構(gòu)使其簡單緊湊，易制造，從而降低生產(chǎn)加工中心的成本。 3.1 刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在總體設(shè)計(jì)方案中已確定：自動(dòng)換刀系統(tǒng)采用無機(jī)械手換刀，且刀庫置于立柱側(cè)面的橫梁上。刀庫在橫梁上的移動(dòng)采用滾珠絲杠傳動(dòng)和快速移動(dòng)電機(jī)。采用盤型刀庫，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)。刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。 3.1.1 刀庫主要參數(shù)的確定 221.刀庫容量 本加工中心主要用來加工小型零件或多孔零件上的小孔和小平面，所以刀庫上主要安裝一些孔加工刀具（如鉆頭、擴(kuò)孔鉆等）和加工小平面的立銑刀及小直徑的面銑刀；同時(shí)又考慮到所選用電主軸軸端的尺寸及刀盤直徑等的限制；再考慮到主要用于中小批生產(chǎn)及教學(xué)實(shí)驗(yàn)等，刀具的品種不宜過多，以免造成不必要的浪費(fèi)和刀庫尺寸過大，采用 12 把刀。 2.刀具最大直徑和長度 立銑刀的最大直徑定為 40mm,鉆頭的最大直徑定為 10mm,最大工作部分長度定為 150mm. 3.刀具最大重量為 1kg. 4.刀具最大運(yùn)動(dòng)線速度為 22m/min～30m/min. 3.1.2 刀盤部分的設(shè)計(jì) 1.刀盤尺寸的確定 刀盤采用輪輻式結(jié)構(gòu)，這樣既能滿足使用的要求，又能保證刀盤的強(qiáng)度。在整個(gè)設(shè)計(jì)的過程中要保證各個(gè)尺寸在換刀過程不發(fā)生干涉即可，刀盤直徑為 720mm,其他尺寸見刀盤零件圖。 2.刀爪尺寸的設(shè)計(jì) 刀爪的外型尺寸根據(jù) 30 號(hào)刀柄設(shè)計(jì)。 3.1.3 刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 1.刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)的選擇 目前圓盤式刀庫大多采用的是單頭雙導(dǎo)程蝸輪蝸桿傳動(dòng)，此傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在使用中可隨時(shí)調(diào)整蝸輪蝸桿的傳動(dòng)間隙，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)位分度，保證刀庫工作的可靠性，但此傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，而且單頭雙導(dǎo)程蝸輪和蝸桿的加工較困難。 槽輪機(jī)構(gòu)具有沖擊小，工作平穩(wěn)性較高，機(jī)械效率高，可以在較高轉(zhuǎn)速下工作，且結(jié)構(gòu)簡單，易制造等優(yōu)點(diǎn)，在目前生產(chǎn)的鼓輪式刀庫的加工中心機(jī)床上很多采用槽輪機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)刀庫的分度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此本設(shè)計(jì)采用槽輪機(jī)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)刀庫的轉(zhuǎn)動(dòng)、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帶制動(dòng)器和交流伺服電機(jī)，從而可保證較高的定位精度。 2.槽輪機(jī)構(gòu)的工作原理 23槽輪機(jī)構(gòu)（又稱馬耳他機(jī)構(gòu)）能把主軸的勻速連續(xù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為從動(dòng)軸的周期性間歇運(yùn)動(dòng)，常用于各種分度轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)中。槽輪機(jī)構(gòu)又三種基本類型：外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)、內(nèi)嚙合槽輪機(jī)構(gòu)和球面槽輪機(jī)構(gòu)。此刀庫采用外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)。外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)的工作原理如圖 3-1 所示。 外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)軸線與槽輪回轉(zhuǎn)軸線平行，通常轉(zhuǎn)臂作等速回轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)臂上的滾子進(jìn)入槽中，就撥動(dòng)槽輪作反向轉(zhuǎn)位運(yùn)動(dòng)，當(dāng)滾子從槽中脫出，槽輪即靜止不動(dòng)，并由鎖止盤定位。當(dāng)只有一個(gè)滾子時(shí)，轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)一周，槽輪作轉(zhuǎn)一個(gè)角度的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位、分度和定位。 圖 3-1 槽輪機(jī)構(gòu)圖槽輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 1）槽數(shù) Z 因刀庫容量為 12 把刀，所以槽輪槽數(shù) Z=12 2）槽間角 2φ２ 2φ２＝360 o / Z＝360 /12=30 o 3）槽輪每次轉(zhuǎn)位時(shí)曲柄的轉(zhuǎn)角 2φ1 2φ1=180-2φ２=150o 4) 槽輪與鎖止盤間的中心距 L 為了使轉(zhuǎn)為定位機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊，采用 L 24360mm 。 5）主動(dòng)曲柄長度 R1 R1=LSinφ２=360Sin15.5 o=93mm 6）槽輪半徑 R2 R2=LCosφ２=360Cos15.5 o=348mm 7）圓銷半徑 r r=R1/6=93/6=15.5mm 8) 槽底高 b b=L-(R1+r) -(3 ~ 5)=248mm 9) 槽深 h h=R2-b=348-248=100mm 10) 鎖止弧半徑 R R=R -r -e 式中，e=(0.6 ~ 0.8)r ，且必須大于 3～5mm, 取 e=17.5mm,Rx=60mm 根據(jù)以上參數(shù)可設(shè)計(jì)出槽輪和鎖止盤的尺寸，如槽輪和鎖止盤的零件圖所示。 3.刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的選擇 刀庫的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇時(shí)，須考慮由摩擦引起的負(fù)載轉(zhuǎn)據(jù)和各負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 1）負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J LC 和刀庫系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J CJ LC=∑J i (ni/nm)2 JC=Jmc+JLC 式中 Ji—各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kgm2 ； ni—各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)速，r/min； Jmc—電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kgm2 ； nmc—電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min。 JLC= (J DP +J Z +J CL+J SP ) nc/ nmc 式中 J DP、J Z、J CL、J SP—分別為刀盤、軸、槽輪和鎖止盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kgm2 ； nc—刀盤的轉(zhuǎn)速， r/min。 JDP=（π/32）×7.8×10﹣12D DP LDP 4式中 DDP—刀盤直徑，mm ； LDP—刀盤厚度，mm 。 JDP=（π/32）×7.8×10﹣12×（210 -8×30 -24 ）4425×10≈148×10 kgm2 4?同理可求得： Jz≈2.16×10 kgm2 4?J CL≈17.3×10 kgm2 J SP ≈5.2×10 kgm24?nc=(V×1000)/ πDDP≈24.5r / min nmc =3000r/min J CL≈1.4×10 kgm J mC≥ J CL/3≈0.45 ×10-4 kgm2 初選電機(jī)為 MQMA042A1D，其額定轉(zhuǎn)矩為 1.3Nm，最大轉(zhuǎn)矩為 3.82 Nm， 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 0.64×10 kgm2 。 4?J C = J mC + J CL =0.64 + 1.4 = 2.04×10 kgm2 4?2）摩擦引起的負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 由重力產(chǎn)生的摩擦力矩 T FC（Nm） TFC≈ μG C R SP 式中 μ—槽輪和鎖止盤間摩擦系數(shù)，取 0.15 G C—刀盤、軸、槽輪等的重量，N； G C = 25.6 +12.6 + 9.8 + 8 +16 = 72N R SP —滾子中心到鎖止盤中心的距離， 31mm， TFC≈0.15×72×31×10﹣3= 0.335Nm 0.335Nm〈1.3Nm(電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩),符合要求。 3）最大加速轉(zhuǎn)矩 T cam 當(dāng)電機(jī)從靜止升至 n max 時(shí) T cam= J C×(2πnc max/60tCa) 式中 n cmax—電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，3000r/min； 26t ca —加速時(shí)間(s) 取 0.2s T cam=2.04 ×10 (2π×3000/60 ×0.2)≈0.32Kgm=3.2Nm 4?4)電機(jī)的最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 TCr=Tcam+TFC Tcr=3.2+0.335=3.535Nm TCr=3.535≤3.82Nm(電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩)，符合要求。 最終確定電機(jī)型號(hào)為 MQMA042A1D，其輸出功率為 400W 。相應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器選 擇與電機(jī)相匹配的 MQMA043A1A 型號(hào)。 3.1.4 軸的設(shè)計(jì) 軸是機(jī)械設(shè)備中的重要零件之一.其主要功能是支承作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零件,并傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力.根據(jù)軸的受力情況不同,可把軸分成心軸、轉(zhuǎn)軸和傳動(dòng)軸 3 種.軸的常用材料軸的材料主要采用碳素鋼和合金鋼,常用材料為優(yōu)質(zhì)中碳鋼,如35、45、50 鋼，這里選取 45 鋼為材料. 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的合理外形應(yīng)滿足:軸和裝在軸上的零件要有準(zhǔn)確的工作位置;軸上的零件應(yīng)便于裝拆和調(diào)整;軸應(yīng)具有良好的制造工藝性.影響軸結(jié)構(gòu)的主要因素包括:軸的受力性質(zhì)、大小、方向及分布情況；軸上零件的布置和固定形式；所采用的軸承類型和尺寸；軸的加工工藝等.）軸的強(qiáng)度計(jì)算 由于功率 P=400W 已知,轉(zhuǎn)速 n =250r/min,β 取 0.5,A 取 110, [т] 取 35MPa, 則軸徑 d ≥A3 np/d ≥1103 = 128.7mm 2504式中 d--計(jì)算剖面處軸的直徑（mm）; P--軸的傳遞功率（KW） ； n--軸的轉(zhuǎn)速（ r/min）; 故 d 最小應(yīng)取 129mm.軸徑取 130mm。 校核軸 轉(zhuǎn)矩 T=9.55×10 p/n 6T=9550000×0.4/250=10186N .mm27式中 p--功率； n—轉(zhuǎn)速。 圓周力 Ft1=2T1/d1=2×10186/120=1700N; Ft2=2T2/d2=2×130822/120=681.4N; Ft3=2T3/d3=620N; 徑向力 Fr1=Ft1tanα=1488N; Fr2=Ft2tanα=248N； Fr3=Ft3tanα=226N. 則由受力分析圖可知： FAy=3687.4N,FAz=1342N, FBy=1020.2N,FBz=372N, 水平面彎矩 Mcx=1342×30=40260N·mm; Mdx=226×195=44070N·mm； 則 M X = = =59691 N·mm； 22dxc?224076?垂直面彎矩 Mcy=3687.4×30=110622 N·mm； Mdy=620×195=120900 N·mm； 則 M X= = =21872 N·mm； 22dyc?220916?求當(dāng)量彎矩 取修正系數(shù) α 為 0.6 M I = = =52371 N·㎜ 22T)(x?22186)(.5?MII = = =19384 N·㎜ ?0187?確定危險(xiǎn)截面及校核強(qiáng)度 σI= MI/ WσI= MI/ W=52371/0.1×123=14.3 MpaσII= MI/ W=19384/0.1×123=11.6 Mpa由參考文獻(xiàn)（機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)）知 s=60 Mpa，滿足 s￡小于 s 的條件，故設(shè)計(jì)的軸有足夠的強(qiáng)度，并有一定裕度。因此，此軸不必在做修改 軸的結(jié)構(gòu)和受力分析如圖（3-2）所示： 28圖 3-2-129圖 3-2-2 軸的結(jié)構(gòu)和受力分析3.1.5 滾動(dòng)軸承的選擇計(jì)算 1 滾動(dòng)軸承的類型選擇: 選取向心球軸承原則: ①軸承負(fù)荷 ②軸承的轉(zhuǎn)速 ③調(diào)心性能 ④安裝與拆卸 這里選取軸承代號(hào)為 3182124 的雙列向心短圓柱滾子軸承 基本額定動(dòng)載荷為 255KN； 2 滾動(dòng)軸承的計(jì)算 滾動(dòng)軸承疲勞壽命的基本計(jì)算公式為: 30L10=(C/P)ε 其中 ε--壽命系數(shù) ; 球軸承 ε=3, 滾子軸承 ε=10/3; P--當(dāng)量東載荷(N); C--基本額定動(dòng)負(fù)荷(N); 因 P=X×Fr+Y×Fa，又 Fa =0，故 P=1488×1=1488N, 其中 X、Y 由表 3-89 選的， X=1，Y=0； C=Cr=22KN, ε=3, 故其疲勞壽命 L10=(22×103/1488)3 =3.2×103×103×103r; 或由公式 L10h=103×103/60n·(C/P)ε 得 L10h=103×103/60×122·(22×103/1488)3≈44