畢業(yè)設(shè)計(jì)：盤式刀庫及其自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)說明書.doc

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1、1 緒論1.1數(shù)控加工中心自動(dòng)換刀裝置概述機(jī)床是制造機(jī)器的機(jī)器，機(jī)床工業(yè)的技術(shù)水平?jīng)Q定著裝備制造業(yè)乃至整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的技術(shù)水平。當(dāng)今社會(huì)，數(shù)控機(jī)床幾乎已經(jīng)擴(kuò)展到了所有加工領(lǐng)域，許多工廠為了適應(yīng)產(chǎn)品的頻繁更新、提高加工精度、降低生產(chǎn)成本、縮短產(chǎn)品交貨周期和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，在中等批量、甚至大批量生產(chǎn)中應(yīng)用數(shù)控機(jī)床，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)控加工中心帶有刀庫和自動(dòng)換刀裝置，是能對(duì)工件按預(yù)定程序進(jìn)行多工序加工的高度自動(dòng)化的多功能的數(shù)字控制機(jī)床。自動(dòng)換刀裝置（ATC）是加工中心的重要組成單元，其設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞，直接影響加工中心的質(zhì)量。ATC由刀庫和機(jī)械手組成，它的機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)復(fù)雜、性能要求高。刀庫的功能是儲(chǔ)

2、存刀具，并且按程序指令，把即將要用的刀具迅速、準(zhǔn)確地送到換刀位置，因此刀庫的位置、體積大小能否適合加工中心的整體設(shè)計(jì)，刀庫的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)能否使刀庫平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)并準(zhǔn)確地停在換刀位置，運(yùn)動(dòng)過程有無干涉、卡死等現(xiàn)象，都是設(shè)計(jì)人員非常關(guān)心的問題。機(jī)械手的功能是把刀庫上的刀具送到主軸上，再把主軸上已用過的刀具送回刀庫。它的動(dòng)作要求迅速而準(zhǔn)確，所以對(duì)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、定位、運(yùn)動(dòng)、夾持力的大小等都有很高的要求，一旦有運(yùn)動(dòng)故障或定位、運(yùn)動(dòng)誤差過大，都會(huì)造成換刀動(dòng)作失敗，掉刀。當(dāng)今時(shí)代，高速加工中心已成為加工行業(yè)未來的發(fā)展趨勢(shì)。高速功能部件如電主軸、高速絲杠和直線電動(dòng)機(jī)的發(fā)展應(yīng)用極大地提高了切削效率。為了配合機(jī)床的高效率，作

3、為加工中心的重要部件之一的自動(dòng)換刀裝置的高速化也相應(yīng)成為高速加工中心的重要技術(shù)內(nèi)容。未來機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，均以追求高速、高精度、高效率為目標(biāo)。隨著切削速度的提高，切削時(shí)間的不斷縮短，對(duì)換刀時(shí)間的要求也在逐步提高；換刀的速度已成為高等級(jí)機(jī)床的一項(xiàng)重要指標(biāo)。因此，對(duì)數(shù)控機(jī)床的刀庫及其自動(dòng)換刀裝置的研究和發(fā)展有著重要的意義。1.2國內(nèi)外自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的發(fā)展情況自動(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

4、。從換刀系統(tǒng)發(fā)展的歷史來看，1956年日本富士通研究成功數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床，美國IBM公司同期也研制成功了“APT”(刀具程序控制裝置)。1958年美國K&T公司研制出帶ATC(自動(dòng)刀具交換裝置)的加工中心。1967年出現(xiàn)了FMS(柔性制造系統(tǒng))。1978年以后，加工中心迅速發(fā)展，帶有ATC裝置，可實(shí)現(xiàn)多種工序加工的機(jī)床，步入了機(jī)床發(fā)展的黃金時(shí)代。1983年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了數(shù)控刀具錐柄的國際標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)換刀系統(tǒng)便形成了統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)模式。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

5、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。目前國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀系統(tǒng)中，刀具、輔具多采用錐柄結(jié)構(gòu)，刀柄與機(jī)床主軸的聯(lián)結(jié)、刀具的夾緊放松機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)方式幾乎都采用同一種結(jié)構(gòu)模式。在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床上亦有采用彈簧夾頭作為刀具的夾持元件，但機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式仍然采用與上述錐柄刀具完全相同的結(jié)構(gòu)形式。采用這種結(jié)構(gòu)模式，在實(shí)際數(shù)控加工中，尤其是在需要超高速主軸、主軸的徑向、軸向尺寸都很小、沒有足夠的換刀空間的微細(xì)加工場(chǎng)合中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀將會(huì)是很困難的，如果實(shí)施自動(dòng)換刀將使機(jī)床成本大幅度提高。金屬切削機(jī)床的高速化已成為機(jī)床發(fā)展的重要方向之一，因此，快速換刀技術(shù)已經(jīng)成為高速加工中心技

6、術(shù)的重要組成部分。新技術(shù)和新方法在不斷地出現(xiàn)和改進(jìn)，其目的只有一個(gè)，即在準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)上，縮短換刀時(shí)間，全面提高高速加工中心的切削效率。我國數(shù)控機(jī)床制造業(yè)起步較晚，而如今，各機(jī)床廠家正力圖尋求走具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的發(fā)展道路，在引進(jìn)與國外機(jī)床廠商合資合作的形式中，消化吸收，逐步掌握國外的先進(jìn)技術(shù)，并把它融人到自己設(shè)計(jì)開發(fā)的思維中。經(jīng)過多年的努力，我國機(jī)床制造業(yè)通過與國外合作，技術(shù)引進(jìn)以及國家組織攻關(guān)等方式，解決了一大批關(guān)鍵性技術(shù)，掌握了許多先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段與制造工藝，機(jī)床整體水平進(jìn)步很大，與國外先進(jìn)制造水平的差距正在縮小。數(shù)控機(jī)床是主導(dǎo)性的機(jī)床產(chǎn)品，其發(fā)展受到國內(nèi)外有關(guān)政府和工業(yè)企業(yè)界的高度重視，從

7、而得以迅速發(fā)展。1.3加工中心刀庫的形式及特點(diǎn)刀庫系統(tǒng)是提供自動(dòng)化加工過程中所需的儲(chǔ)刀及換刀需求的一種裝置，其自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)可以儲(chǔ)放多把刀具的刀庫，從而大幅縮短加工時(shí)程，降低生產(chǎn)成本。加工中心刀庫的形式很多，結(jié)構(gòu)各異，刀庫的容量、布局，針對(duì)不同的機(jī)床，其形式也有所不同和結(jié)構(gòu)也各不相同，最常用的有鼓輪式刀庫、鏈?zhǔn)降稁臁?.3.1鼓輪式刀庫圖1.1鼓輪式刀庫鼓輪式刀庫也稱圓盤式刀庫，其刀具環(huán)形排列，呈盤狀，這種刀庫結(jié)構(gòu)簡單，適用于刀庫容量較少的中小型加工中心，一般不超過32把刀具。為了增加刀庫空間利用率，可采用雙環(huán)或多環(huán)排列的刀具的形式。但鼓直徑越大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就增加，選刀時(shí)間也就越長。圖1.2鼓輪式

8、刀庫的取刀方式徑向取刀形式( a )多用于使用斗笠式刀庫的立式加工中心和使用角度布置的機(jī)械手換刀裝置的加工中心；形式( b )應(yīng)用比較廣泛，可用于立式和臥式加工中心，換刀可用機(jī)械手或直接主軸移動(dòng)式換刀。由于從布局設(shè)計(jì)方面的考慮，鼓輪式刀庫一般都采用側(cè)向安裝的結(jié)構(gòu)形式，若用于機(jī)械手平行布置的加工中心時(shí)，刀庫中的刀袋（座）通常在換刀工作位可作 90 翻轉(zhuǎn)。形式( c )適用于小型加工中心，但占有面積較大，刀庫安裝位置及刀庫容量受限制，應(yīng)用較少，但應(yīng)用這種刀庫可以減少機(jī)械手換刀動(dòng)作，簡化機(jī)械手結(jié)構(gòu)；形式( d )為刀具軸線與鼓盤軸線成夾角為銳角的鼓輪式刀庫，一般用于專用加工中心。1.3.2轉(zhuǎn)塔式刀庫

9、圖1.3轉(zhuǎn)塔式刀庫如圖1.3 a、b所示。包括水平轉(zhuǎn)塔頭和垂直轉(zhuǎn)塔頭兩種。所有刀具固定在同一轉(zhuǎn)塔上，無換刀臂，儲(chǔ)刀數(shù)量有限，通常為68 把。一般僅用于輕便而簡單的機(jī)型。常見于車削中心和鉆削中心。在鉆削中心儲(chǔ)刀位置即主軸，其外部結(jié)構(gòu)緊湊但內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，精度要求高。1.3.3 鏈?zhǔn)降稁靾D1.4鏈?zhǔn)降稁烊鐖D1.4所示，包括單環(huán)鏈和多環(huán)鏈，鏈環(huán)形式可有多種變化，適用于刀庫容量較大的場(chǎng)合，所占的空間小。一般適用于刀具數(shù)在30120 把。僅增加鏈條長度即可增加刀具數(shù)，可以不增加圓周速度，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不像盤式刀庫增加的那樣大。1.4 換刀裝置的形式數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置中，實(shí)現(xiàn)刀庫與機(jī)床主軸之間傳遞和裝卸刀具

10、的裝置稱為換刀裝置。刀庫換刀，按照換刀過程有無機(jī)械手參與，分成有機(jī)械手換刀和無機(jī)械手換刀兩種情況。有機(jī)械手的系統(tǒng)在刀庫配置、與主軸的相對(duì)位置及刀具數(shù)量上都比較靈活，換刀時(shí)間短。無機(jī)械手方式結(jié)構(gòu)簡單，只是換刀時(shí)間要長。1.4.1 無機(jī)械手換刀無機(jī)械手換刀時(shí)，刀庫中刀具存放方向與主軸平行，刀具放在主軸可到達(dá)位置換刀時(shí)，主軸箱移到刀庫換刀位置上方，利用主軸Z向運(yùn)動(dòng)將加工用畢刀具插入刀庫中要求的空位處，然后刀庫中待換刀具轉(zhuǎn)到待命位置。主軸Z向運(yùn)動(dòng)將待用刀具從刀庫中取出，并將刀具插人主軸。由此可看出，必須首先將用過的刀具送回刀庫，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，因此換到時(shí)間較長。1.4.2

11、 機(jī)械手換刀有機(jī)械手換刀的過程中，使用一個(gè)機(jī)械手將加工完畢的刀具從主軸中拔出，與此同時(shí)，另一機(jī)械手將在刀庫中待命的刀具從刀庫拔出，然后兩者交換位置完成換刀過程。采用機(jī)械手進(jìn)行刀具交換的方式應(yīng)用的最為廣泛，這是因?yàn)闄C(jī)械手換刀有很大的靈活性，而且可以減少換到時(shí)間。2 總體方案的確定2.1 刀庫和換刀裝置的功能及要求2.1.1 功能刀庫用來儲(chǔ)存加工所需的刀具，而換刀裝置用來從刀庫調(diào)換加工過程中不同工序所需要的不同刀具。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，逐步發(fā)展和完善了各類刀具的自動(dòng)更換裝置，數(shù)控車床上采用電（液）換位自動(dòng)刀架，有的還使用兩個(gè)回轉(zhuǎn)刀盤。加工中心則進(jìn)一步采用了刀庫和換刀機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)了大容量儲(chǔ)存道具和

12、自動(dòng)交換道具的功能，這種刀庫存放刀具的數(shù)量從幾十把到上百把，自動(dòng)交換道具的時(shí)間從幾十秒減少到幾秒甚至零點(diǎn)幾秒。使用這種刀庫和換刀機(jī)械手組成的自動(dòng)換刀裝置，就成為加工中心的主要特征。2.1.2 基本要求（1）滿足工藝要求。機(jī)床依靠刀具和工件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成工作表面，而加工工件表面、形狀和表面位置多種多樣，要求刀庫上能夠布置足夠多的刀具，換到時(shí)間短，能夠方便而正確地加工個(gè)工件表面。為了實(shí)現(xiàn)在工件上一次安裝中完成多工序加工，要求刀庫可以方便地轉(zhuǎn)位。（2）保證足夠的重復(fù)定位精度。在刀庫上安裝刀具是還應(yīng)能精確地調(diào)整刀具的位置，采用自動(dòng)換刀裝置時(shí)，應(yīng)能保證刀具交換前后都能處于正確的位置，以保證刀具和工件間準(zhǔn)

13、確的相對(duì)位置。而且精度保持性良好，以便長期保持刀具的正確位置。（3）具有足夠的剛度。由于刀具的類型、尺寸各異，刀具在自動(dòng)交換過程中方向變換較為復(fù)雜，因此刀庫和換刀機(jī)械手都必須有足夠的剛度，以使換刀過程平穩(wěn)。（4）提高可靠性。由于自動(dòng)換刀裝置在機(jī)床工作過程中，使用頻繁，所以必須充分重視它的可靠性。（5）縮短換到時(shí)間。刀庫及其自動(dòng)換刀裝置是為了提高機(jī)床的自動(dòng)化而設(shè)置的，因而它的換刀時(shí)間應(yīng)盡可能縮短，以利于提高生產(chǎn)率。（6）操作方便和安全。換刀裝置是工人經(jīng)常操作的機(jī)床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是評(píng)價(jià)刀庫設(shè)計(jì)好壞的指標(biāo)。2.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)安裝形式：側(cè)掛式刀庫刀具刀座數(shù)：24把最大刀具

14、直徑：40 mm換到時(shí)間：2.8秒（刀具到刀具）平均重量：7 kg刀盤最低轉(zhuǎn)速：60 r/min主軸鼻端刀具形式：BT40根據(jù)刀具形式及最大刀具直徑，采用單環(huán)排列方式排放，每把刀之間間隔10 mm，初選刀庫直徑為618 mm。2.3 刀庫和換刀裝置設(shè)計(jì)方案加工中心與一般數(shù)控機(jī)床的顯著區(qū)別是具有對(duì)零件進(jìn)行多工序加工的能力,即能在一次裝夾中自動(dòng)完成銑、鏜、鉆、擴(kuò)、鉸、攻螺紋和內(nèi)槽加工等。其之所以有這種加工能力,就是因?yàn)樗幸惶鬃詣?dòng)換刀裝置。自動(dòng)換刀裝置是指能夠自動(dòng)完成主軸與刀具儲(chǔ)存位置之間刀具交換的裝置。自動(dòng)換刀裝置的主要組成部分是刀庫、機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)裝置。刀庫的功能是存儲(chǔ)刀并把下一把即將要用的刀具

15、準(zhǔn)確地送到換刀位置,供換刀機(jī)械手完成新舊刀具的交換。當(dāng)?shù)稁烊萘看髸r(shí),常遠(yuǎn)離主軸配置且整體移動(dòng)不易,這就需要在主軸和刀庫之間配置換刀機(jī)構(gòu)來執(zhí)行換刀動(dòng)作。完成此功能的機(jī)構(gòu)包括送刀臂、擺刀站和換刀臂,總稱為機(jī)械手。具體來說,它的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與刀庫之間的傳遞。驅(qū)動(dòng)裝置則是使刀庫和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)其功能的裝置,一般由步進(jìn)電機(jī)或液壓(或氣液機(jī)構(gòu)) 或凸輪機(jī)構(gòu)組成。2.3.1 刀庫的傳動(dòng)方案刀盤采用輪輻式結(jié)構(gòu)，僅僅決定這個(gè)是不夠的，最重要的是刀盤直徑、刀爪尺寸和夾塊的設(shè)計(jì)。刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)主要是用來驅(qū)動(dòng)刀庫的分度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，保證刀庫的可靠性。通過查閱資料及認(rèn)真分析、討論，決定采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)。刀庫

16、容量為24把刀，刀庫的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇時(shí),考慮由摩擦引起的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和各負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的定位精度不高，而且在運(yùn)行過程中不需要調(diào)速所以決定采用交流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。圖2.1 刀庫傳動(dòng)示意圖這種設(shè)計(jì)方案此種設(shè)計(jì)方案不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且可以提高輸出軸的傳動(dòng)平穩(wěn)性能，即提高刀盤的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。2.3.2 換刀裝置的刀具選擇方式及控制方案根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)要求，采用機(jī)械手進(jìn)行道具交換，并且采用單臂雙爪機(jī)械手。目前在數(shù)控機(jī)床上用得較多的就是單臂雙爪式機(jī)械手，也叫扁擔(dān)式機(jī)械手。這種類型的機(jī)械手換刀特點(diǎn)是機(jī)械手同時(shí)抓取主軸和刀庫上的刀具，回轉(zhuǎn)180度，同時(shí)放回和裝入刀具，換刀時(shí)間短，較為常用，多用于刀座與

17、主軸軸線平行的場(chǎng)合。圖2.2 單臂雙爪機(jī)械手考慮到刀具刀座數(shù)較少，選刀方式根據(jù)就近選刀原則，利用可編程控制器實(shí)現(xiàn)就近選刀換刀的控制，以追求最短的換刀時(shí)間。主軸上換來的新刀號(hào)及換回刀庫上的刀具號(hào)，均在PLC內(nèi)部相應(yīng)地存儲(chǔ)單元記憶。這種控制方式需要在PLC內(nèi)部設(shè)置一個(gè)模擬刀庫數(shù)據(jù)表，其長度和表內(nèi)設(shè)置的數(shù)據(jù)與刀庫的位置數(shù)和刀具號(hào)相對(duì)應(yīng)，從而消除了由于識(shí)刀裝置的穩(wěn)定性、可靠性帶來的選刀失誤。首先通過程序檢測(cè)當(dāng)前位置的刀號(hào)，其次檢測(cè)系統(tǒng)需要調(diào)取的刀號(hào)，將兩者相比較，通過所編的PLC程序來決定電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)就近選刀這一方法。2.3.3 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式通常單臂雙爪式機(jī)械手的拔刀、插刀動(dòng)作由液壓缸動(dòng)

18、作來完成。這種驅(qū)動(dòng)方式的重點(diǎn)是要保證液壓缸的密封性和緩沖性能，液壓缸活塞的密封松緊要適當(dāng)，太緊了往往影響機(jī)械手的正常工作，要保證既不漏油又使機(jī)械手能靈活動(dòng)作。液壓缸活塞驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，每個(gè)動(dòng)作結(jié)束之前均需要設(shè)置緩沖機(jī)構(gòu)，以保證機(jī)械手的工作平穩(wěn)、可靠。緩沖機(jī)構(gòu)可以是小孔節(jié)流，可以是針閥，可以使楔形斜槽，也可以是外接節(jié)流閥或緩沖閥。這里我們選用緩沖閥。為了使機(jī)械手工作平穩(wěn)可靠，除了需要設(shè)置緩沖機(jī)構(gòu)外，還要考慮盡可能要減小機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。慣量與物體的質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)半徑的平方成正比，因此要盡可能采用密度小、質(zhì)量輕的材料制造有關(guān)零件，并盡可能減小機(jī)械手的回轉(zhuǎn)半徑。監(jiān)獄液壓缸驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手需要采用嚴(yán)格的密封和復(fù)雜

19、的緩沖機(jī)構(gòu)，而且控制機(jī)械手動(dòng)作的電磁閥都有一定的時(shí)間常數(shù)，因此換刀速度較慢。近年來，出現(xiàn)了凸輪聯(lián)動(dòng)式單臂雙爪機(jī)械手。這種機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，不需要復(fù)雜的液壓系統(tǒng)和其密封、緩沖機(jī)構(gòu)，沒有漏油現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)簡單、圖2.3 凸輪聯(lián)動(dòng)式單臂雙爪機(jī)械手工作可靠。同時(shí)機(jī)械手的手臂回轉(zhuǎn)和插刀、拔刀的分解動(dòng)作是聯(lián)動(dòng)的，部分時(shí)間常數(shù)可以重疊，從而大大縮短了換到時(shí)間，以便不超過2.5秒。本設(shè)計(jì)要求刀具到刀具換刀時(shí)間為2.8秒，因此采用液壓缸進(jìn)行機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。2.4 電動(dòng)機(jī)的初選2.4.1 選擇電動(dòng)機(jī)類型刀庫驅(qū)動(dòng)所需要的電機(jī)需要頻繁啟動(dòng)以及較高的控制精度，因此根據(jù)刀庫的工作條件和要求，選擇交流伺

20、服電動(dòng)機(jī)。交流伺服電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：（1）由于采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀庫傳動(dòng)，大幅度簡化了結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)械部分的易維修性和可靠性。（2）由于伺服電機(jī)速度通過參數(shù)設(shè)定，可人為控制分度啟動(dòng)時(shí)的加速曲線特性和停止時(shí)的減速曲線特性，使分度速度提高的同時(shí)，動(dòng)作更平滑、穩(wěn)定、刀盤定位精度更高。（3）由于伺服電機(jī)具有優(yōu)良的過載特性，在刀具重量大或者刀具安裝偏載的極端情況下，也能勝任正常的工作。（4）伺服電機(jī)有著高性能的實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整增益。根據(jù)負(fù)載慣重的變化，與自適應(yīng)濾波器配合，從低剛性到高剛性都可以自動(dòng)調(diào)整增益。因旋轉(zhuǎn)方向不同而產(chǎn)生不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩的垂直軸情況下，也可以自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。具備異常速度檢測(cè)功能，因此可以將增

21、益調(diào)整過程中產(chǎn)生的異常速度調(diào)整到正常。通過顯示面板操作，可以在監(jiān)控實(shí)時(shí)調(diào)整情況的同時(shí)，進(jìn)行設(shè)置和確認(rèn)。2.4.2 伺服電機(jī)參數(shù)根據(jù)刀庫規(guī)格初步選定伺服電機(jī)：型號(hào)：Parker SMH 115功率Pd：1.5 Kw額定扭矩Td：6 Nm最大輸出扭矩Ts：18 Nm滿載轉(zhuǎn)速nm：1600 r/min轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J：900 kgmm2刀盤轉(zhuǎn)速N：60 r/min 2.5 確定傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比由選定電動(dòng)機(jī)滿載轉(zhuǎn)速nm和刀庫主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n,可得傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比為： （2-1）電機(jī)滿載轉(zhuǎn)速nm為1600r/min，則傳動(dòng)比ia由式(1)得：=26.7根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選取蝸輪蝸桿的標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)比ia=20.5，因此刀

22、庫輸出轉(zhuǎn)速n=78.05 r/min2.6 確定各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率2.6.1 各軸轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)初軸與蝸桿通過聯(lián)軸器連接，因此蝸桿轉(zhuǎn)速n1與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nm相同，即n1 = nm = 1600 r/minn2r/min （2-2）式中：nm電動(dòng)機(jī)滿載轉(zhuǎn)速；ia電動(dòng)機(jī)至蝸桿的傳動(dòng)比。n2蝸輪轉(zhuǎn)速由式（2-2）得蝸輪轉(zhuǎn)速n2=78.05 r/min2.6.2 各軸輸入功率22 Kw （2-3） Kw, （2-4）式中1、2分別為軸承、齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)效率。在此論文中、分別為軸承、蝸輪蝸桿的傳動(dòng)效率。取2 =0.98(軸承), 1 =0.98(齒輪精度為8級(jí),不包括軸承效率)。由式（2-3）及（2-4）得

23、 蝸桿 22 =1.50.982=1.44 Kw 蝸輪 =P11 =1.440.98 =1.41 Kw各軸的輸出功率則分別為各軸的輸入功率乘軸承效率0.98，則蝸桿的輸出功率P1 =1.440.98 = 1.41 Kw 蝸輪的輸出功率P2=1.380.98 = 1.38 Kw2.6.3 各軸的輸入轉(zhuǎn)矩 Nm （2-5） Nm （2-6）蝸桿的輸入轉(zhuǎn)矩 = 610.982 = 5.76 Nm蝸輪的輸入轉(zhuǎn)矩 = 5.7620.50.98 = 98.4 Nm各軸的輸出轉(zhuǎn)矩則分別為各軸的輸入轉(zhuǎn)矩乘軸承效率0.98，則蝸桿的輸出轉(zhuǎn)矩T1 =5.760.98 = 5.65 Nm 蝸輪的輸出轉(zhuǎn)矩T2=98.

24、40.98 = 96.43 Nm2.7 電動(dòng)機(jī)的校核2.7.1 計(jì)算目的所選用的伺服電機(jī)在最大不平衡扭矩下進(jìn)行加速啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)輸出的最大扭矩時(shí)期額定扭矩的3倍以內(nèi)。2.7.2 刀庫參數(shù)（1）刀盤尺寸（直徑厚度） ：618100 mm（2）刀盤重量：(鋼的比重7.8 g/cm3) = 118 kg （3）轉(zhuǎn)位加速時(shí)間：t = 0.2 s2.7.3 計(jì)算并校核伺服電機(jī)的扭矩T：計(jì)算伺服電機(jī)必須的扭矩T = T1 + T2 + T3 (kgfm) (2-7)式中：T1 傳動(dòng)鏈摩擦扭矩 (kgfm) T2 不平衡扭矩（必要的扭矩） (kgfm) T3 啟動(dòng)扭矩（加速扭矩） (kgfm) （1） 計(jì)算T

25、1 ：T1 = WR / i (2-8)式中：W 工件的重量 (kgfm)R 工件回轉(zhuǎn)半徑 (m) 所有軸承的摩擦系數(shù)（取0.15）則T1 = 118kg 0.309m 0.15 / 20.5 = 0.267 kgm（2） 計(jì)算T2 ：T2 = (W1R1+W2R2+W3R3+ )/ i (2-9)極端情況一般不可能出現(xiàn)，故重量可減少計(jì)算。取W = 7 kg 則T2 = (0.257+0.3097+0.47) /20.5 = 0.33 (kgfm)（3） 計(jì)算T3 ： (2-10)則= 0.021 kgm因GD2是由工件的重量工件的回轉(zhuǎn)直徑得來，由于最大的GD2來源于刀庫刀盤，而其計(jì)算值僅有0

26、.021 kgm，故其他的如軸、蝸輪蝸桿等的GD2可忽略不計(jì)，僅將刀盤的GD2適量取大值就可以。（取0.15kgm）（4）計(jì)算伺服電機(jī)必須的扭矩：T = T1 + T2 + T3 = 0.15 + 0.33 + 0.267= 0.747 kgm = 7.32 Nm（5） 校核結(jié)論：所選用的伺服電機(jī)最大輸出扭矩實(shí)在驅(qū)動(dòng)刀庫刀盤分度所需最大扭矩的三倍以內(nèi)（18 Nm/ 7.32 Nm=2.453），符合計(jì)算目的，滿足使用要求。此外，所選用的伺服電機(jī)有足夠的扭矩儲(chǔ)備，可確保刀盤繁轉(zhuǎn)位時(shí)電機(jī)不發(fā)熱，能長期、穩(wěn)定、安全地使用，另外亦有進(jìn)一步提高刀盤分度轉(zhuǎn)位速度的余地。3 刀庫的設(shè)計(jì)與校核3.1 刀庫的結(jié)

27、構(gòu)設(shè)計(jì)圖3.1 刀庫的結(jié)構(gòu)刀庫采用軸向取刀方式，其外形如圖3-4所示。鼓輪式刀庫（圖3.1a）由專用的交流伺服電動(dòng)機(jī)1經(jīng)套筒聯(lián)軸器2、蝸桿4、蝸輪3，帶動(dòng)刀盤14和盤上的刀套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了一個(gè)缺口。刀座以鉸鏈形式與支承板16相連（圖3.1b）。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

28、。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3.1b所示。由圖中可以看到錐孔尾部有兩個(gè)球頭銷釘17，后有彈簧用以夾住刀具，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。3.2 刀庫轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)刀庫由蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)來承擔(dān)主要傳動(dòng)（1） 選擇蝸桿傳動(dòng)類型根據(jù)GB1008588的推薦，采用漸開線蝸桿（ZI）。（2） 選擇

29、蝸桿的材料蝸桿采用45鋼，齒面淬火，硬度為4550HRC；蝸輪用鑄錫磷青銅CuSn10Pb1，金屬模鑄造，許用接觸應(yīng)力H =220 MPa，許用彎曲應(yīng)力F =220 MPa。（3） 確定主要參數(shù)蝸輪蝸桿傳動(dòng)，以蝸桿為主動(dòng)，蝸輪為從動(dòng)，取蝸桿頭數(shù)Z1 = 2，單向旋轉(zhuǎn)，預(yù)計(jì)工作壽命為五年。則Z2 = Z1 i = 220.5 = 41（4） 估計(jì)蝸桿最小直徑 (3-1)式中：A軸的材料系數(shù)，取A=115P輸入功率，P=Pdn軸的轉(zhuǎn)速，n=nmK軸的類別系數(shù)，取K=1則蝸桿的直徑mm（5） 確定蝸桿的主要參數(shù)蝸桿模數(shù)m=3.15蝸桿分度圓直徑d1=35.5 mm中心距a=80 mm（6） 驗(yàn)算滑動(dòng)

30、速度Vsa) 計(jì)算蝸桿速度V1 m/s (3-2)則 m/s b) 計(jì)算滑動(dòng)速度Vs m/s （3-3） m/s 其中為蝸桿分度圓導(dǎo)程角。（7） 計(jì)算蝸桿蝸輪的其他參數(shù)a) 蝸桿齒頂圓直徑da1 （3-4）則蝸桿齒頂圓直徑 mm其中ha1為蝸桿齒頂高，且ha1 = m =3.15 mm；b) 蝸輪喉圓直徑da2 （3-5）則蝸輪喉圓直徑 = 129.15+213.15+23.15（-0.1）= 134.8 mm c) 蝸輪外圓直徑de2 （3-6）則蝸輪外圓直徑=134.8+3.15 = 137.95 mm d) 蝸桿齒寬b1 （3-7）則蝸桿齒寬= (12.5+0.141) 3.15 = 5

31、2 mme) 蝸輪齒寬b （3-8）b = (0.680.75) 41.8 = 28.01 mm 31.35 mm取b=30 mmf) 蝸輪齒頂圓弧半徑Ra2 （3-9）則蝸輪齒頂圓弧半徑 mmg) 蝸輪齒根圓弧半徑Rf2 （3-10）則蝸輪齒根圓弧半徑 mm（8） 軸承的選擇在蝸輪蝸桿傳動(dòng)中，嚙合時(shí)會(huì)產(chǎn)生徑向力Fr，圓周力Ft，軸向力Fa，受力情況如下圖所示：圖3.2 蝸桿的受力分析因此所選用的軸承中必須有能夠承受軸向力的，考慮到刀庫做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則選用一對(duì)深溝球軸承和一對(duì)角接觸軸承，由于角接觸軸承所受載荷作用與軸承中心線之內(nèi)，所以采用面對(duì)面的安裝方式。查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選用61903深溝球軸承

32、和7004AC角接觸軸承。 3 意圖轉(zhuǎn)速到時(shí)間拔出刀套量機(jī)構(gòu)，以保證機(jī)械后間大為縮短。1818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818183.3 主要零件校核3.3.1 蝸輪蝸桿的校核（1）蝸輪齒面強(qiáng)度計(jì)算 （3-14）式中：H接觸應(yīng)力K載荷系數(shù)，取K=1.1d1蝸桿

33、分度圓直徑d2蝸輪分度圓直徑T2蝸輪傳遞的扭矩 Mpa，需用接觸應(yīng)力H=220 Mpa，H H故蝸輪齒面強(qiáng)度滿足要求。圓柱蝸輪蝸桿傳動(dòng)的破壞形式主要是蝸輪輪齒表面產(chǎn)生膠合、點(diǎn)蝕和磨損，而輪齒的彎曲折斷很少發(fā)生，因此通常多按齒面接觸強(qiáng)度校核。（2）蝸桿剛度校核 （3-15）式中：y最大撓度 Fr1蝸桿所受的圓周力， = 6196 N，； Ft1蝸桿所受的徑向力， = 1669N； E蝸桿材料的彈性模量，E= 210000 Mpa； I蝸桿危險(xiǎn)截面的慣性矩，mm4； L蝸桿兩端支承間跨距，mm，取110 mm （3-16）df1蝸桿齒根圓直徑，mm許用最大撓度，則 mm4則而 ,故蝸桿剛度滿足要求

34、。3.3.2 鍵的校核在刀庫傳動(dòng)中，在蝸輪與刀盤之間通過鍵傳遞扭矩，從而帶動(dòng)刀盤作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其校核過程如下： （3-17）式中：T傳遞的扭矩，Nmmk鍵與轂的接觸高度，mmd軸的直徑，mmL鍵的工作長度，mmp許用擠壓應(yīng)力，p=110 Mpa則 Mpa p 故鍵滿足工作要求。3.3.3 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H1等于同時(shí)間內(nèi)的散熱量H2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)。由于摩擦損耗的功率Pf=P1 (1-) k

35、w,則產(chǎn)生的熱流量（單位為1W=1J/s）為H1=1000Pf=P1 (1-) W （3-11）式中P1 為蝸桿傳遞的功率（單位：kw）。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H2= KA(-) W （3-12）式中K熱導(dǎo)率，一般取K =8.717.5（W/m2K）環(huán)境空氣流通較差時(shí)，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)面被沒浸濺的，而外面又被空氣所能冷卻的的箱殼面積（m2）；t1潤滑油的工作溫度，一般限制在6070，最高不能超過80；t0周圍環(huán)境溫度，一般取室溫t0 =20 。按熱平衡條件H1 = H2 ，可求得在既定工作條件下的沒溫為 （3-13）在繪制傳

36、動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行熱平衡計(jì)算：P1 =0.09280=0.0736 Kw取t0 =20 , =0.95, K=14,并估算A=0.006 m2，則 80由于t1 80,未超過最高工作溫度，所以不需采取散熱措施。 3.3.4 靜盤軸的校核圖3.3 靜盤軸受力圖其中式中：D靜刀盤的直徑 h靜刀盤的厚度 鋼的密度，=7.9 g/cm3 g重力加速度F1 = 286N，同樣方法可得F2=1156.4N蝸輪的徑向力Fr = 543.58N，圓周力Ft = 1493.4N選安全系數(shù)S = 1.5靜盤軸材料為45鋼可以運(yùn)用Solidwork軟件對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度分析，分析結(jié)果如下：表3.1 強(qiáng)度計(jì)算參數(shù)彈性

37、模量21011N/m2泊松比0.29NA質(zhì)量密度7900kg/m3屈服強(qiáng)度3.5157108N/m2圖3.4 應(yīng)力分析圖圖3.5 位移分析圖其最大位移量為0.00135mm,滿足設(shè)計(jì)要求。4 刀具交換裝置設(shè)計(jì)帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的數(shù)控加工中心在現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)中起著愈來愈重要的作用,它能縮短產(chǎn)品的制造周期,提高產(chǎn)品的加工精度,適合柔性加工。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。而自動(dòng)換刀系統(tǒng)性能的好壞直接影響加工效率的高低。當(dāng)?shù)稁烊萘看髸r(shí),常遠(yuǎn)離主軸配置且整體移動(dòng)不易,這就需要在主軸和刀庫之間配置換刀機(jī)構(gòu)來執(zhí)行換刀動(dòng)作。完成此功

38、能的機(jī)構(gòu)包括送刀臂、擺刀站和換刀臂,總稱為機(jī)械手。具體來說,它的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與刀庫之間的傳遞。本設(shè)計(jì)采用帶有機(jī)械手的自動(dòng)換刀裝置，其中機(jī)械手是執(zhí)行刀庫和主軸之間換刀動(dòng)作的裝置。雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手可以同時(shí)抓住拔、插，位于軸和刀庫里的道具，與單臂單手式機(jī)械手相比，可以縮短換到時(shí)間，應(yīng)用廣泛，形勢(shì)也較多。4.1刀具交換裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖4.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖（4.1）所示，換刀裝置主要由手臂和固定其兩端的結(jié)構(gòu)完全相同的兩個(gè)手爪組成，兩個(gè)手爪可以同時(shí)抓取刀庫及主軸上的刀具。機(jī)械手裝置由三個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)，垂直安裝的液壓缸主要完成拔刀和插刀的動(dòng)作，水平安裝的兩個(gè)液壓缸由聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)齒條，而齒條與機(jī)

39、械手軸上的齒輪嚙合，液壓缸推動(dòng)齒條，從而帶動(dòng)機(jī)械手作轉(zhuǎn)位運(yùn)動(dòng)。在機(jī)械手手爪上握刀的圓弧部分有一個(gè)錐銷，機(jī)械手爪刀時(shí)，該錐銷插入刀柄的鍵槽中，起定位作用。當(dāng)機(jī)械手由原位轉(zhuǎn)75度抓住刀具時(shí)，兩手爪上的長銷分別被主軸前端面和刀庫上的擋塊壓下，使軸向開有長槽的活動(dòng)銷被彈簧彈起，使活動(dòng)銷頂住刀具不能后退，這樣機(jī)械手在回轉(zhuǎn)180度時(shí)，刀具就不會(huì)被甩出。當(dāng)機(jī)械手上升插刀時(shí)，兩長銷又分別被兩擋塊壓下，鎖緊銷從活動(dòng)銷子的孔中退出，松開刀具，機(jī)械手便可反轉(zhuǎn)75度復(fù)位。為了防止刀具掉落，機(jī)械手的活動(dòng)爪帶有自鎖機(jī)構(gòu)。由于雙臂回轉(zhuǎn)機(jī)械手的動(dòng)作比較簡單，而且能夠同時(shí)抓住和裝卸機(jī)床主軸及換刀庫中的刀具，因此換刀時(shí)間大為縮短

40、。由于刀柄形式為BT40，刀庫上刀套的長度為100mm，因此拔刀時(shí)必須保證機(jī)械手將刀柄完全拔出刀套后才可交換刀具，取拔刀時(shí)行程為120mm，則檢測(cè)是否完成拔刀、插刀的兩個(gè)位置開關(guān)間距也為120mm。4.2 換刀過程帶刀庫的自動(dòng)換刀裝置是由刀庫和刀具交換裝置組成。它是多工序數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用最廣泛的換刀裝置，其整個(gè)換刀過程比較復(fù)雜。首先把加工過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。換刀時(shí)，先在刀庫中進(jìn)行選刀，由機(jī)械手從刀庫和主軸上取出刀具，然后交換位置，把新刀插入主軸，舊刀放回刀庫。存放刀具的刀庫可具有較大的容量，它既可以安裝在主軸箱的側(cè)面或上方，也

41、可以作為獨(dú)立部件安裝在機(jī)床以外。4.2.1 刀庫部分圖4.2 刀套運(yùn)動(dòng)示意圖圖4.3 刀套結(jié)構(gòu)如圖（4.1）所示， 當(dāng)?shù)毒哌x定后，滑塊A沿著活塞桿向上滑動(dòng)，帶動(dòng)撥叉B，使得刀套C繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，從而使刀具完成倒刀過程。換刀結(jié)束后，D點(diǎn)受壓（如圖4.2），使得鋼珠向外擴(kuò)張，刀具松動(dòng)從而可以實(shí)現(xiàn)換刀；換刀完成后，D點(diǎn)松開，鋼珠重新受壓，刀具被加緊，刀套再由垂直方向轉(zhuǎn)回水平方向，完成整個(gè)換刀動(dòng)作。4.2.2 機(jī)械手部分圖4.4 換刀過程示意圖自動(dòng)換刀過程可簡述為：接到換刀指令刀套下轉(zhuǎn)90機(jī)械手轉(zhuǎn)75抓刀刀套松刀拔刀機(jī)械手轉(zhuǎn)180換刀插刀刀具夾緊機(jī)械手復(fù)位刀套上轉(zhuǎn)90。其具體過程如下：如圖（4.4）所示，

42、1表示機(jī)械手，2、4、13、18為位置開關(guān)，3、17為檔環(huán)，5、14為齒輪，8為連接盤，6、9、11為液壓缸，7、10為齒條，12是機(jī)械手軸，15為傳動(dòng)盤，16為銷子。刀套下轉(zhuǎn)90后，壓下上行程位置開關(guān)，發(fā)出機(jī)械手爪到信號(hào)。此時(shí)，液壓缸9左腔通壓力油，活塞桿推著齒條10向右移動(dòng)，使得齒輪14轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪14與連接盤空套在機(jī)械手臂軸12上，傳動(dòng)盤15與機(jī)械手臂軸用花鍵連接，其上端有銷子插入連接盤的銷孔中，因此齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)機(jī)械手臂軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)械手1回轉(zhuǎn)75抓刀。抓刀動(dòng)作結(jié)束時(shí)，齒條10上的檔環(huán)壓下行程開關(guān)13，發(fā)出拔刀信號(hào)，于是液壓缸11上腔通壓力油，活塞桿推動(dòng)機(jī)械手臂軸12下降拔刀。在軸12下降

43、時(shí)，傳動(dòng)盤15也隨之下降，其下端的銷子16插入連接盤8的銷孔中，連接盤8和下面的齒輪5是用螺釘連接的，它們空套在軸12上。當(dāng)拔刀動(dòng)作完成后，軸12上的檔環(huán)3壓下位置開關(guān)2，發(fā)出換刀信號(hào)。這時(shí)液壓缸6的左腔通壓力油，活塞桿推動(dòng)齒條7向右移動(dòng)，使得齒輪5和連接盤8轉(zhuǎn)動(dòng)，通過銷子16，有傳動(dòng)盤帶動(dòng)機(jī)械手轉(zhuǎn)180，交換主軸上和刀庫上的刀具位置。換刀動(dòng)作完成后，齒條7的檔環(huán)碰到位置開關(guān)時(shí)，發(fā)出插刀信號(hào)，是液壓缸11下腔通壓力油，活塞桿帶動(dòng)機(jī)械手臂軸上升插刀，同時(shí)傳到傳動(dòng)盤下面的銷子16從連接盤8的銷孔中移出。插刀動(dòng)作完成后，軸12上的檔環(huán)壓下位置開關(guān)4，使液壓缸6右腔通壓力油，活塞桿帶著齒條7左做移動(dòng)復(fù)

44、位，而齒輪5空轉(zhuǎn)，機(jī)械手無動(dòng)作。齒條7復(fù)位后，其上檔環(huán)壓下位置開關(guān)，使液壓缸9的右腔通壓力油，活塞桿帶著齒條10向左移動(dòng)，通過齒輪14使機(jī)械手反轉(zhuǎn)75復(fù)位。機(jī)械手復(fù)位后，齒條10上的檔環(huán)壓下位開關(guān)，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。4.3 換刀裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)4.3.1 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械手由液壓缸驅(qū)動(dòng)，根據(jù)工作條件和要求選用單活塞桿雙作用液壓缸，靠接近開關(guān)檢測(cè)位置。采用油缸固定，活塞動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式。手臂的回轉(zhuǎn)動(dòng)作，通過活塞的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)齒條齒輪傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。機(jī)械手臂的不同回轉(zhuǎn)角度由活塞的可調(diào)行程擋塊來保證。通過設(shè)計(jì)計(jì)算來確定每個(gè)液壓缸

45、的行程。如圖4.4，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)共需要三個(gè)液壓缸。液壓缸11用來完成拔刀、插刀的動(dòng)作，在垂直方向運(yùn)動(dòng)；液壓缸9用來完成抓刀的動(dòng)作，在水平方向運(yùn)動(dòng)，使機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)75；液壓缸6用來完成換刀動(dòng)作，液壓缸推動(dòng)齒條使機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)180。圖4.5 自動(dòng)換刀裝置的液壓系統(tǒng)原理圖液壓系統(tǒng)由液壓油箱、管路、控制閥等組成?？刂崎y采用分散布局、就近安裝原則，分別裝在刀庫和立柱上。電磁閥上貼有磁號(hào)碼（如YV1、YV2、YV3），便于用戶進(jìn)行檢測(cè)與維修。在自動(dòng)換刀裝置的整個(gè)換刀過程中，換刀動(dòng)作的控制由刀庫控制部分、換刀機(jī)械手控制部分以及主軸相控制部分三部分組成，它們組成是一個(gè)互相聯(lián)系的系統(tǒng)，以下根據(jù)該自動(dòng)換刀裝置的液壓系

46、統(tǒng)原理圖對(duì)其控制程作一下簡要說明：（1）刀庫控制部分采用該自動(dòng)換刀裝置的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是，在加工工件的同時(shí)，下一個(gè)工序所需用到的刀具可隨刀庫轉(zhuǎn)到位置等候，這樣可以減少整個(gè)換刀時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。刀庫自動(dòng)換刀時(shí)，由一個(gè)3位4通電磁閥YV1控制，當(dāng)YV1在右位接通時(shí)，換刀松開，而當(dāng)YV1在左位接通時(shí)，則實(shí)現(xiàn)換刀鎖緊動(dòng)作。（2）機(jī)械手控制部分機(jī)械手自動(dòng)換刀時(shí)，在換上新刀前，首先進(jìn)行的是拔刀動(dòng)作，然是180的回轉(zhuǎn)動(dòng)作，接著是插刀動(dòng)作，最后是機(jī)械手的手爪退出換刀位置完成整個(gè)換刀過程，機(jī)械手拔刀、插刀動(dòng)作是由一個(gè)3位4通電磁閥YV5控制，當(dāng)YV5在右位接通時(shí)，進(jìn)行插刀動(dòng)作，而當(dāng)YV5在左位接通時(shí)，則實(shí)現(xiàn)拔刀動(dòng)

47、作；機(jī)械手的180回轉(zhuǎn)是由一個(gè)回轉(zhuǎn)液壓缸來完成，它由一個(gè)3位4通的電磁閥YV7來控制；機(jī)械手的換刀鎖緊與換刀松開也是由一個(gè)3位4通的是電磁閥YV6控制，當(dāng)YV6在右位接通時(shí)，實(shí)現(xiàn)換刀松開動(dòng)作，而當(dāng)YV6在左位接通時(shí)，則實(shí)現(xiàn)換刀鎖緊動(dòng)作。（3）主軸箱控制部分 主軸準(zhǔn)停后，主軸箱內(nèi)的刀具自動(dòng)卡緊裝置實(shí)現(xiàn)松開與鎖刀功能，基其松刀、鎖刀動(dòng)作也是由一個(gè)3位4通電磁閥YV4控制，當(dāng)YV4在右位接通時(shí)，實(shí)現(xiàn)松刀動(dòng)作，而當(dāng)YV4在左俠接通時(shí)，則實(shí)現(xiàn)鎖刀動(dòng)作。4.3.2 選刀方式圖4.6 自動(dòng)換刀控制原理選用由軟件達(dá)到就近選刀要求的方式。傳統(tǒng)的順序選刀、任意選到方式給換到系統(tǒng)帶來很多不便，所以近年來在加工中心上

48、應(yīng)用的很少。目前在加工中心上絕大多數(shù)選用記憶選刀方式，其工作原理是在刀庫上安裝位置檢測(cè)裝置(一般與電動(dòng)機(jī)裝在一起)，刀庫上每一個(gè)存刀位置(即地址)都可以通過位置檢測(cè)裝置測(cè)出，刀具本身不進(jìn)行編碼，只要把刀具號(hào)和刀庫中地址(刀套位置)對(duì)應(yīng)記憶在數(shù)控系統(tǒng)的PLC中，刀庫分度、刀具交換的同時(shí)每次改變存儲(chǔ)器的內(nèi)容來控制自動(dòng)換刀裝置，不論刀具放在哪里都始終記憶著它的蹤跡。此方式不僅可以任意選取刀具，而且不論刀庫在哪個(gè)位置都可以自由地送回刀具，在新舊刀具交換時(shí)，不必尋找送回地點(diǎn)，可以節(jié)省換刀時(shí)間，刀庫和刀具不必設(shè)編碼環(huán)和條形碼，不要識(shí)別裝置等，這種方法主要由軟件完成選刀，從而消除了由于識(shí)刀裝置的穩(wěn)定性、可靠

49、性所帶來的選刀失誤。因此是目前常用的一種選刀方式。下面簡單說明其工作原理。（1） 自動(dòng)換刀控制和刀號(hào)數(shù)據(jù)表圖4.7 刀號(hào)數(shù)據(jù)表刀庫定位后，從某一位置（一般從換刀位置）的刀座起按順序給刀座編號(hào)，如圖4.7中方框的18號(hào)，以后刀庫旋轉(zhuǎn)，不管刀座移到什么位置，刀座始終擁有原先編定的這一個(gè)號(hào)碼（號(hào)碼變成了該刀座的名稱），而且刀座的相鄰順序關(guān)系不會(huì)改變。零號(hào)0為主軸編號(hào)。刀具不附編碼環(huán)，而是任意給定一個(gè)編號(hào)，如圖中的(10)(18)的刀號(hào)。一旦給某一把刀編定刀號(hào)后，這個(gè)刀號(hào)就不再改變。一般刀號(hào)可采用二進(jìn)制碼編寫。加工前將已編號(hào)的刀具插入刀座內(nèi)，刀座內(nèi)可以插入同號(hào)的刀具也可以任意插入，刀座號(hào)與刀具號(hào)不一定

50、要相同。在PLC內(nèi)部建立一個(gè)模擬刀庫的刀號(hào)數(shù)據(jù)表，如圖4-7所示，數(shù)據(jù)表中的表序號(hào)（即內(nèi)存地址號(hào)）與刀座編號(hào)依次相對(duì)應(yīng)。每個(gè)表序號(hào)內(nèi)的內(nèi)容就是序號(hào)相同的刀座中所插入刀具的刀號(hào)。表中首地址TAB單元內(nèi)固定存放插在主軸內(nèi)的刀具的刀號(hào)，TAB1TAB8單元內(nèi)存放序號(hào)相同的刀座所插刀具的刀號(hào)，以后每次刀庫旋轉(zhuǎn)定位并且刀具交換后，主軸內(nèi)與在換刀位置的某號(hào)刀座內(nèi)的刀號(hào)將發(fā)生變化，應(yīng)及時(shí)修改刀號(hào)數(shù)據(jù)表內(nèi)相關(guān)表序號(hào)內(nèi)的刀號(hào)，使刀號(hào)數(shù)據(jù)表始終與刀庫中刀座號(hào)及刀號(hào)一一對(duì)應(yīng)。（2） 刀具識(shí)別圖4.9 修改刀號(hào)流程圖圖4-8 PLC程序流程圖如上所述，在刀庫中選刀的問題，就變成了在刀號(hào)數(shù)據(jù)表中尋找所需刀號(hào)的問題。實(shí)質(zhì)

51、上轉(zhuǎn)變?yōu)樵诘短?hào)數(shù)據(jù)表中找尋插有所需刀號(hào)的刀座（與刀座號(hào)對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址號(hào)），然后令該號(hào)刀座移動(dòng)到換刀位置。換刀時(shí)，刀庫定位，定位后處于換刀位置的為某號(hào)刀座，刀具交換后，該號(hào)刀座內(nèi)的新刀插入主軸內(nèi)，主軸內(nèi)用過的舊刀插回處于換刀位置的該號(hào)刀座內(nèi)，將該號(hào)刀座定義為刀庫的現(xiàn)在刀座。將該刀座的號(hào)碼數(shù)據(jù)存放在一個(gè)現(xiàn)在刀座號(hào)計(jì)數(shù)器內(nèi)。當(dāng)PLC接到尋找下一次需用的新刀指令T(X)后，在模擬刀號(hào)數(shù)據(jù)表中進(jìn)行檢索，檢索到指令刀號(hào)(X)，將該刀號(hào)在數(shù)據(jù)表中的表序號(hào)存放到一個(gè)緩沖存儲(chǔ)單元1中，這個(gè)表序號(hào)就是指令刀號(hào)(X)所在刀座的號(hào)數(shù)。將該表序號(hào)對(duì)應(yīng)的刀座定義為目標(biāo)刀座。令刀庫旋轉(zhuǎn)，每一個(gè)刀座通過換刀位置時(shí)，由電器元件

52、(如無觸點(diǎn)開關(guān))產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，當(dāng)?shù)稁煺槙r(shí)針）轉(zhuǎn)時(shí)，每發(fā)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖使現(xiàn)在刀座號(hào)計(jì)數(shù)器遞增計(jì)數(shù)（如圖4-7的刀座編號(hào)順序，是遞增計(jì)數(shù)），當(dāng)?shù)稁旆崔D(zhuǎn)時(shí)，每發(fā)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，計(jì)數(shù)器遞減計(jì)數(shù)。因此現(xiàn)在刀座號(hào)計(jì)數(shù)器的數(shù)值總是等于通過換刀位置的刀座的號(hào)數(shù)（即現(xiàn)在刀座的號(hào)數(shù)），計(jì)數(shù)器的數(shù)值始終在18之間循環(huán)。當(dāng)計(jì)數(shù)器的數(shù)值達(dá)到目標(biāo)刀座號(hào)碼數(shù)的前一個(gè)數(shù)值時(shí)，即目標(biāo)刀座移到換刀位置前一個(gè)位置，即減速位置時(shí)，令刀庫減速旋轉(zhuǎn)，現(xiàn)在刀座計(jì)數(shù)器的數(shù)值等于目標(biāo)刀座的號(hào)數(shù)時(shí)，目標(biāo)刀座（即指令刀號(hào)(X)所在的刀座）到了換刀位置，將其定位，等待刀具交換。（3） 刀具的交換及刀號(hào)數(shù)據(jù)表的修改當(dāng)前一工序加工結(jié)束后需要更換

53、新刀加工時(shí)，NC系統(tǒng)發(fā)出自動(dòng)換刀指令M06，控制機(jī)床主軸準(zhǔn)停，機(jī)械手執(zhí)行換刀動(dòng)作，將主軸上用過的舊刀和刀庫上選好的新刀進(jìn)行交換。與此同時(shí)，應(yīng)通過軟件修改PC內(nèi)部的刀號(hào)數(shù)據(jù)表，使相應(yīng)刀號(hào)表單元中的刀號(hào)與交換后的刀號(hào)相對(duì)應(yīng)，修改刀號(hào)的流程如圖4.9所示。4.4 機(jī)械手主要傳動(dòng)計(jì)算4.4.1 齒輪的幾何計(jì)算齒輪1（使機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)75）的計(jì)算如下表所示表4.1 齒輪幾何計(jì)算齒輪模數(shù)m3齒輪分度圓直徑d1（mm）150齒輪基圓直徑db1 （mm）140.95齒條運(yùn)動(dòng)速度V （m/s）1.4310-3齒輪齒頂高h(yuǎn)a1 （mm）3.75齒條齒頂高h(yuǎn)a2（mm）3齒輪齒根高h(yuǎn)f （mm）3齒條齒根高h(yuǎn)f （mm

54、）3.75齒高h(yuǎn) （mm）6.75齒輪齒頂圓直徑da1（mm）157.5齒輪齒根圓直徑df1 （mm）144齒輪中心到齒條中線的距離H（mm）75.75齒距pn （mm）9.42齒條齒數(shù)Z213齒條切齒部分精確長度Lq （mm）117.8齒條中線弦齒厚S2 （mm）4.7量柱直徑dp2 （mm）5.1齒條基面至量柱表面的測(cè)量距M（mm）36.53重合度2.0614齒距累積公差Fp0.075徑向綜合公差Fi 0.07齒槽跳動(dòng)公差Fr0.045一齒切向綜合公差fi0.045一齒徑向綜合公差fi0.028齒距極限偏差fpt 0.02齒形公差ff 0.025齒向公差FB0.018安裝距極限偏差fa 0

55、.0274.4.2 機(jī)械手軸的主要計(jì)算設(shè)計(jì)要求刀具對(duì)刀具的換到時(shí)間為2.8秒，為達(dá)到這一指標(biāo)，要求機(jī)械手軸在2.8秒內(nèi)回轉(zhuǎn)180，即機(jī)械手軸的轉(zhuǎn)速r/min機(jī)械手手爪的重力F = 172.5N則機(jī)械手帶動(dòng)手爪的轉(zhuǎn)矩T = FR = 172.50.16=27.52 Nm由于 r/min （4-1）機(jī)械手軸的功率 （4-2）則 w4.5 自動(dòng)換刀裝置的相關(guān)技術(shù)要求主軸停車時(shí)要求停在一個(gè)固定位置的功能叫準(zhǔn)停功能。如果刀套不能準(zhǔn)確地停在換到位置上，將會(huì)使換刀機(jī)械手抓刀不準(zhǔn)，以致在換刀時(shí)發(fā)生掉刀的現(xiàn)象。因此，刀套的準(zhǔn)停問題將是影響換刀動(dòng)作可靠性的重要因素之一。鼓輪式刀庫宜采用單頭雙導(dǎo)程蝸桿傳動(dòng)。應(yīng)盡可能

56、地提高刀套在刀盤上沿圓周安裝的等分精度和徑向位置精度。本刀套需要反轉(zhuǎn)，則還要保證每個(gè)刀套翻轉(zhuǎn)的角度一致。此外，應(yīng)盡量減小刀套孔徑和軸向尺寸的分散度，以保證刀柄槽在換刀位置上的軸向位置精度。5 結(jié)論本次設(shè)計(jì)的刀庫為側(cè)掛式鼓輪式刀庫，軸向取刀，滿載裝刀24把，刀柄形式為BT40，采用單環(huán)排列方式排放，由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，不僅滿足了換刀時(shí)頻繁啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)以及刀套準(zhǔn)停的需求，而且避免了由于蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)造成的精度不高的問題。傳動(dòng)部分經(jīng)由蝸輪蝸桿裝置減速，使得刀盤最低轉(zhuǎn)速達(dá)到60r/min以上。換刀部分采用單臂雙爪機(jī)械手，機(jī)械手的活動(dòng)爪帶有自鎖機(jī)構(gòu)，以防止刀具掉落。整個(gè)裝置用三個(gè)單活塞桿雙作用液壓缸驅(qū)動(dòng)，采用

57、油缸固定，活塞動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，由活塞推動(dòng)齒條帶動(dòng)機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)換刀動(dòng)作。系統(tǒng)靠位置開關(guān)檢測(cè)位置，機(jī)械手手部的不同回轉(zhuǎn)角度由活塞的可調(diào)位置擋塊來保證。選刀方式通過軟件達(dá)到就近選刀的目的，消除了由于識(shí)刀裝置的穩(wěn)定性、可靠性所帶來的選刀失誤。整個(gè)設(shè)計(jì)可以達(dá)到2.8秒（刀具到刀具）的換刀時(shí)間，滿足了實(shí)際加工中節(jié)省時(shí)間的目的，提高了加工效率。致謝四年的讀書生活在這個(gè)季節(jié)即將劃上一個(gè)句號(hào)，而于我的人生卻只是一個(gè)逗號(hào)，我將面對(duì)又一次征程的開始。四年的求學(xué)生涯在師長、親友的大力支持下，走得辛苦卻也收獲滿囊，在論文即將付梓之際，思緒萬千，心情久久不能平靜。 偉人、名人為我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和贊美獻(xiàn)

58、給一位平凡的人，我的導(dǎo)師。我不是您最出色的學(xué)生，而您卻是我最尊敬的老師。您治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識(shí)淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。授人以魚不如授人以漁，置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了宏偉的學(xué)術(shù)目標(biāo)，領(lǐng)會(huì)了基本的思考方式，您嚴(yán)肅的教學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)深深地感染和激勵(lì)著我。在您悉心的點(diǎn)撥后,再經(jīng)思考后的領(lǐng)悟,使我受益匪淺。從選定題目到準(zhǔn)備答辯，幾個(gè)月來您耐心又仔細(xì)地指導(dǎo)并督促我們按進(jìn)度完成設(shè)計(jì)工作，對(duì)于每張圖紙每個(gè)零件都有細(xì)致的要求檢查，這對(duì)我們今后的發(fā)展有著極大的幫助。感謝我的父母，焉得諼草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報(bào)，

59、你們永遠(yuǎn)健康快樂是我最大的心愿。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠摯謝意！同時(shí)也感謝學(xué)院為我提供良好的做畢業(yè)設(shè)計(jì)的環(huán)境。最后再一次感謝所有在畢業(yè)設(shè)計(jì)中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學(xué)，以及在設(shè)計(jì)中被我引用或參考的論著的作者。參考文獻(xiàn)1吳宗澤,羅圣國.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,2004.5熊光華,數(shù)控機(jī)床M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2001.6李峻勤,費(fèi)仁元.數(shù)控機(jī)床及其使用與維修M.北京：國防工業(yè)出版社,2000.7張柱銀,陳思義,明興祖.數(shù)控原理與數(shù)控機(jī)床M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2003.8濮良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)（第六版）北京：高等教育出版社，2000.9王愛玲,白思遠(yuǎn).現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床M.北京：國防工業(yè)出版社,2001.10何存興,張鐵華.液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)第