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目 錄
摘要…………………………………………………………………………… 1
前言………………………………………………………………………….... 2
第1章 緒論……………………………………………………………………… 3
1.1數(shù)控機床的知識………………………………………………………… 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 控制機床的坐標特征……………………………………………… 5
1.4 數(shù)控銑床的主要功能及加工對象……………………………………… 5
1.4.1 數(shù)控銑床的功能…………………………………………………… 5
1.4.2 自動換刀裝置及其形式…………………………………………… 5
1.4.3 自動裝置應當滿足的基本要求…………………………………… 6
第2 章 總體方案的設計……………………………………………………… 8
2.1 運動方案的設計………………………………………………………9
2.1.1 運動數(shù)目的確定……………………………………………………11
2.1.2 運動方案的確定……………………………………………………13
2.2 功能部件的設計方案…………………………………………………14
2.2.2 進給伺服系統(tǒng)………………………………………………………18
2.2.3 自動換刀系統(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 刀庫的設計………………………………………………………………26
3.1 確定刀庫容量…………………………………………………………… 26
3.2 確定刀庫形式…………………………………………………………… 28
3.3 刀庫結(jié)構(gòu)設計…………………………………………………………… 28
3.4 初估刀庫驅(qū)動轉(zhuǎn)距及選定電機………………………………………… 28
3.4.1初選電動機與降速傳動裝置……………………………………… 29
3.4.2初估刀庫驅(qū)動轉(zhuǎn)距……………………………………………………29
3.5刀庫轉(zhuǎn)位機構(gòu)的普通圓柱蝸桿傳動的設計………………………………30
3.6刀庫驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的校核………………………………………………………30
3.7花鍵聯(lián)接的強度計算………………………………………………………30
3.8夾緊機構(gòu)插銷剪切強度的校核……………………………………………31
3.9確定刀具的選擇方式………………………………………………………31
3.10刀庫的定位與刀具的松夾……………………………………………… 31
第4章 刀具交換裝置的設計…………………………………………………… 31
4.1確定換刀機械手形式………………………………………………………31
4.2換刀機械手的工作原理……………………………………………………32
4.3機械手的自動換刀過程的動作順序………………………………………32
4.4機械手回轉(zhuǎn)軸4上的齒輪齒條設計………………………………………33
4.5自動換刀裝置的相關(guān)技術(shù)要求……………………………………………33
4.5.1主軸準停裝置…………………………………………………………33
4.5.2換刀機械手的安裝與調(diào)試……………………………………………33
4.6自動換刀程序的編制………………………………………………………33
第5章 自動換刀裝置的控制原理…………………………………………………34
5.1自動換刀裝置的液壓系統(tǒng)原理圖…………………………………………35
5.2自動換刀裝置換刀動作的順序控制過程…………………………………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 ……………………………………………………35
6.2 數(shù)控編程方法及特點 …………………………………………………35
6.2.1 數(shù)控編程的分類 …………………………………………………35
6.2.2 編程零點及坐標系的選擇 …………………………………………36
6.2.3 對刀點的選擇 ……………………………………………………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………………………………………………………………………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。為進一
步提高數(shù)控機床的加工效率，數(shù)控機床正向著工件在一臺機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)控機床在加工過
程中要使用多種刀具，因此必須有自動換刀裝置，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。自動換刀裝置應當具備換刀時間短、刀具
重復定位精度高、足夠的刀具儲備量、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
目 錄 摘要 1 前言.... 2 第 1 章緒論 3 1.1 數(shù)控機床的知識 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 控制機床的坐標特征 5 1.4 數(shù)控銑床的主要功能及加工對象 5 1.4.1 數(shù)控銑床的功能 5 1.4.2 自動換刀裝置及其形式 5 1.4.3 自動裝置應當滿足的基本要求 6 第 2 章 總體方案的設計 8 2.1 運動方案的設計9 2.1.1 運動數(shù)目的確定11 2.1.2 運動方案的確定13 2.2 功能部件的設計方案14 2.2.2 進給伺服系統(tǒng)18 2.2.3 自動換刀系統(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 刀庫的設計26 3.1 確定刀庫容量 26 3.2 確定刀庫形式 28 3.3 刀庫結(jié)構(gòu)設計 28 3.4 初估刀庫驅(qū)動轉(zhuǎn)距及選定電機 28 3.4.1 初選電動機與降速傳動裝置 29 3.4.2 初估刀庫驅(qū)動轉(zhuǎn)距29 3.5 刀庫轉(zhuǎn)位機構(gòu)的普通圓柱蝸桿傳動的設計30 3.6 刀庫驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的校核30 3.7 花鍵聯(lián)接的強度計算30 3.8 夾緊機構(gòu)插銷剪切強度的校核31 3.9 確定刀具的選擇方式31 3.10 刀庫的定位與刀具的松夾 31 第 4 章 刀具交換裝置的設計 31 4.1 確定換刀機械手形式31 4.2 換刀機械手的工作原理32 4.3 機械手的自動換刀過程的動作順序32 4.4 機械手回轉(zhuǎn)軸 4 上的齒輪齒條設計33 4.5 自動換刀裝置的相關(guān)技術(shù)要求33 4.5.1 主軸準停裝置33 4.5.2 換刀機械手的安裝與調(diào)試33 4.6 自動換刀程序的編制33 第 5 章 自動換刀裝置的控制原理34 5.1 自動換刀裝置的液壓系統(tǒng)原理圖35 5.2 自動換刀裝置換刀動作的順序控制過程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 35 6.2 數(shù)控編程方法及特點 35 6.2.1 數(shù)控編程的分類 35 6.2.2 編程零點及坐標系的選擇 36 6.2.3 對刀點的選擇 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。為進一 步提高數(shù)控機床的加工效率，數(shù)控機床正向著工件在一臺機床一次裝夾即可完 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)控機床在加工 過 程中要使用多種刀具，因此必須有自動換刀裝置，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。自動換刀裝置應當具備換刀時間短、刀 具 重復定位精度高、足夠的刀具儲備量、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)字控制機床是用數(shù)字代碼形式的信息(程序指令)，控制刀具按給定的工 作程序、運動速度和軌跡進行自動加工的機床，簡稱數(shù)控機床。 數(shù)控機床具有廣泛的適應性，加工對象改變時只需要改變輸入的程序指令； 加工性能比一般自動機床高，可以精確加工復雜型面，因而適合于加工中小批 量、改型頻繁、精度要求高、形狀又較復雜的工件，并能獲得良好的經(jīng)濟效果。 隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機床品種日益增多，有車床、銑床、 鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機床和電火花加工機床等。此外還有能自動換刀、 一次裝卡進行多工序加工的加工中心、車削中心等。 數(shù)控機床主要由數(shù)控裝置、伺服機構(gòu)和機床主體組成。輸入數(shù)控裝置的程 序指令記錄在信息載體上，由程序讀入裝置接收，或由數(shù)控裝置的鍵盤直接手 動輸入。 隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機床的控制系 統(tǒng)日益趨向于小型化和多功能化，具備完善的自診斷功能；可靠性也大大提高； 數(shù)控系統(tǒng)本身將普遍實現(xiàn)自動編程。 未來數(shù)控機床的類型將更加多樣化，多工序集中加工的數(shù)控機床品種越來 越多；激光加工等技術(shù)將應用在切削加工機床上，從而擴大多工序集中的工藝 范圍；數(shù)控機床的自動化程度更加提高，并具有多種監(jiān)控功能，從而形成一個 柔性制造單元，更加便于納入高度自動化的柔性制造系統(tǒng)中。 第一章 緒論 1.1 數(shù)控機床知識 數(shù)字控制機床是用數(shù)字代碼形式的信息(程序指令)，控制刀具按給定的工 作程序、運動速度和軌跡進行自動加工的機床，簡稱數(shù)控機床。 數(shù)控機床具有廣泛的適應性，加工對象改變時只需要改變輸入的程序指令； 加工性能比一般自動機床高，可以精確加工復雜型面，因而適合于加工中小批 量、改型頻繁、精度要求高、形狀又較復雜的工件，并能獲得良好的經(jīng)濟效果。 隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機床品種日益增多，有車床、銑床、 鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機床和電火花加工機床等。此外還有能自動換刀、 一次裝卡進行多工序加工的加工中心、車削中心等。 數(shù)控機床主要由數(shù)控裝置、伺服機構(gòu)和機床主體組成。輸入數(shù)控裝置的程 序指令記錄在信息載體上，由程序讀入裝置接收，或由數(shù)控裝置的鍵盤直接手 動輸入。 隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機床的控制系 統(tǒng)日益趨向于小型化和多功能化，具備完善的自診斷功能；可靠性也大大提高； 數(shù)控系統(tǒng)本身將普遍實現(xiàn)自動編程。 未來數(shù)控機床的類型將更加多樣化，多工序集中加工的數(shù)控機床品種越來 越多；激光加工等技術(shù)將應用在切削加工機床上，從而擴大多工序集中的工藝 范圍；數(shù)控機床的自動化程度更加提高，并具有多種監(jiān)控功能，從而形成一個 柔性制造單元，更加便于納入高度自動化的柔性制造系統(tǒng)中。 1.2 數(shù)控銑床的分類 1.2.1 數(shù)控立式銑床 數(shù)控立式銑床是數(shù)控銑床中數(shù)量最多的一種，應用范圍也最為廣泛。小型 數(shù)控銑床一般都采用工作臺移動、升降、及主軸不動方式，與普通立式升降臺 銑床相似；中型數(shù)控立式銑床一般采用縱向和橫向工作臺移動方式，且主軸沿 垂直溜板上下運動；大型數(shù)控立式銑床，因要考慮到擴大行程，縮小占地面積 及剛性等技術(shù)問題，往往采用龍門架移動式，其主軸可以在龍門架的橫向與垂 直溜板上運動，而龍門架則沿床身作縱向運動。 從機床數(shù)控系統(tǒng)控制的坐標數(shù)量來看，目前 3 坐標數(shù)控立式銑床仍占大多 數(shù)。一般可進行 3 坐標聯(lián)動加工，但也有部分機床只能進行 3 坐標中的任意二 個坐標聯(lián)動加工。此外，還有機床主軸可以繞 X、Y、Z 坐標軸中其中一個或兩 個軸作數(shù)控擺角運動的 4 坐標和 5 坐標數(shù)控立式銑床。一般來說，機床控制的 坐標軸越多，特別是要求聯(lián)動的坐標軸越多，機床的功能、加工范圍及可選擇 的加工對象也越多。但隨之而來的是機床的結(jié)構(gòu)更復雜，對數(shù)控系統(tǒng)的要求更 高，編程的難度更大，設備的價格也更高。 數(shù)控立式銑床可以附加數(shù)控轉(zhuǎn)盤，采用自動交換臺，增加靠模裝置等來擴 大數(shù)控立式銑床的功能，加工范圍和加工對象，進一步提高生產(chǎn)效率。 1.2.2 臥式數(shù)控銑床 與通用臥式銑床相同，其主軸級平行于水平面。為了擴大加工范圍和擴大 功能，臥式數(shù)控銑床通常采用增加數(shù)控轉(zhuǎn)盤或萬能數(shù)控轉(zhuǎn)盤來實現(xiàn) 4、5 坐標加 工，這樣，不但工件側(cè)面上的連續(xù)回轉(zhuǎn)輪廓可以加工出來，而且可以實現(xiàn)在一 次安裝中，通過轉(zhuǎn)盤改變工位，進行“四面加工” ?？梢允∪ピS多專用夾具或?qū)?用角度成型銑刀。對箱體類零件或需要在一次安裝中改變工位的工件來說，選 擇帶數(shù)控轉(zhuǎn)盤的臥式銑床進行的。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，能達到在一臺機床上 既可以進行立式加工，又可以進行臥式加工，其使用范圍更廣，功能更全，選 擇加工的對象和余地更大，給用戶帶來了很多方便，特別是當生產(chǎn)批量小，品 種較多，又需要立臥兩種方式加工時，用戶只需買一臺這樣的機床就行了。 立、臥兩用數(shù)控銑床的主軸方向的更換有手動與自動兩種，采用數(shù)控萬能 主軸頭的立、臥兩用數(shù)控銑床，其主軸頭可以任意轉(zhuǎn)換方向，可以加工出與水 平面呈各種不同角度的工件表面。當立、臥兩用數(shù)控銑床增加數(shù)控轉(zhuǎn)盤后，就 可以實現(xiàn)對工件的“五面加工” 。即出除了工件與轉(zhuǎn)盤貼合的定位面外，其它表 面都可以在一次安裝中進行加工。因此，其加工性能非常優(yōu)越。 1.3 數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)特征 1.3.1 數(shù)控銑床的主軸特征 數(shù)控銑床的主軸開啟與停止，主軸正反轉(zhuǎn)與主軸變速等都可以按輸入介質(zhì)上編 入的程序自動執(zhí)行。不同的機床其變速功能與范圍也不同。有的采用變頻機組， 固定幾種轉(zhuǎn)速，可自選一種編入程序，但不能在運轉(zhuǎn)時改變。有的采用變頻器 調(diào)整，將轉(zhuǎn)速分為幾檔，編程時可任選一檔，在運轉(zhuǎn)中可通過控制面板上的旋 鈕，在本檔范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)；有的則不分檔,編程時可在整個范圍內(nèi)無級調(diào)速。 但是在實際操作中，調(diào)速不能有大起大落的突變，只能在允許的范圍內(nèi)調(diào)高或 調(diào)低，只能在允許的范圍內(nèi)一般都設有自動拉、退刀裝置，能在數(shù)秒內(nèi)完成裝 刀與卸刀，換刀比較方便。此外，多坐標數(shù)控銑床的主軸可以繞 X、Y 或 Z 軸作 數(shù)控擺動，擴大了主軸自身的運動范圍，但是主軸結(jié)構(gòu)更加復雜。 1.3.2 控制機床運動的坐標特征 為了要把工件上各種復雜的形狀輪廓連續(xù)加工出來，必須控制刀具沿平面 上設定的直線、圓弧或空間直線、圓弧軌跡運動，因此，要求數(shù)控銑床的伺服 拖動系統(tǒng)能在多坐標方向同時協(xié)調(diào)動作，并保持預定的相互關(guān)系，這就要求機 床應能實現(xiàn)多坐標聯(lián)動。數(shù)控銑床要控制的坐標數(shù)最少是 3 坐標中任意兩坐標 聯(lián)動。要實現(xiàn)連續(xù)加工直線變斜角工件，應實現(xiàn)四坐標聯(lián)動。若要加工曲線變 斜角工件，是要求實現(xiàn)五坐標聯(lián)動。因此，數(shù)控銑床所配置的數(shù)控系統(tǒng)檔次， 一般都比其它數(shù)控機床相應更高一些。 1.4 數(shù)控銑床的主要功能及加工對象 1.4.1 數(shù)控銑床的功能 數(shù)控銑床的功能分為一般功能和特殊功能。一般功能是指各類數(shù)控銑床普遍所 具有的功能。如點位控制功能、刀具半徑自動補償功能、鏡象加工功能、 固定 循環(huán)功能等。特殊功能是指數(shù)控銑床在增加了某些特殊裝置或附件后，分別具 有或兼?zhèn)涞囊恍┨厥夤δ堋Ｈ绲毒唛L度補償功能、靠模加工功能、自動變換工 作臺功能、自適應功能、數(shù)控采集功能等。 在使用數(shù)控銑床加工工件時，只要充分利用數(shù)控銑床的各種功能，就可以 加工許多普通銑床難加工的工件。數(shù)控銑床的主要加工對象有：平面類零件； 變斜角類零件；曲面類（立體類）零件。 1.4.2 自動換刀裝置（ATC）及其形式 數(shù)控機床為了進一步提高生產(chǎn)率，進一步壓縮非切削時間，現(xiàn)代的機床逐 步發(fā)展為在一臺機床上在一次裝中完成多工序或全部工序的加工。數(shù)控機床為 了能在工件一次裝夾中完成多個工步，以縮減輔助時間和減少多次安裝工件引 起的誤差，通常帶有自動換刀系統(tǒng)。對工件的多工序加工而設置的存儲及更換 刀具的裝置稱為自動換刀裝置(Automatic Tool Changer，ATC);自動換刀 （Automatic Tool Change 簡稱 ATC）系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和換刀裝置組成。在數(shù) 控銑床的基礎(chǔ)上，如果再配以刀具和自動換刀系統(tǒng)，就構(gòu)成加工中心 （Machining center 簡稱 MC） 。在這類數(shù)控機床上，自動換刀裝置（ATC）是 必不可少的。例如加工中心機床又稱多工序自動換刀數(shù)控機床，它主要是指具 有自動換刀及自動改變工件加工位置工能的數(shù)控機床，具有自動換刀裝置是加 工中心機床的典型特征，是多工序加工的必要條件。自動換裝置的功能，對整 機的加工效率有很大的影響。由于普通的數(shù)控立式銑床加工的一般是中小零件， 其大多需要幾把刀具加工（10 把刀具以內(nèi)， ）故增加自動換刀裝置并同時自動 變換主軸轉(zhuǎn)速?？蓽p輕勞動強度，減少換刀時間，既提高了機床的自動化程度， 又提高了勞動生產(chǎn)率。因此，數(shù)控立式銑床作為數(shù)控銑床中數(shù)量最多、應用范 圍也最廣的一種，對其附加能夠快速、準確地換刀的自動換刀裝置是非常有必 要的。 各類數(shù)控機床的自動換刀裝置的結(jié)構(gòu)取決于機床的型式、工藝范圍及刀具 的種類和數(shù)量等。這種裝置主要可以分為以下幾種形式： 1)回轉(zhuǎn)刀架換刀形式 2)更換主軸頭換刀形式 3)帶刀庫的自動換刀形式 1.4.3 自動換刀裝置應當滿足的基本要求 1）刀具換刀時間短。 2）刀具重復定位精度高。 3）足夠的刀具儲存量。 4）刀庫占地面積小。 5）換刀安全可靠。 第2 章 總體方案的設計 加工中心刀庫的總體方案設計是根據(jù)其功能和設計要求，從全局的角度，以系 統(tǒng)的觀點，進行自動換刀裝置刀庫整體方面的設計，主要包括運動功能方案設 計、基本參數(shù)設計、傳動系統(tǒng)設計、總體結(jié)構(gòu)布局設計等內(nèi)容。 2.1 運動方案的設計 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 運動數(shù)目的確定 要實現(xiàn)以上各種零件表面的鉆削和銑削加工功能，機床必須具有以下運動：一 個是主運動即主軸帶動刀具回轉(zhuǎn)（Vc）；另一個是三個方向的進給運動，包括 實現(xiàn)切入工件一定深度（Z 方向）的進給運動；實現(xiàn)在水平面內(nèi)兩個方向 （X、Y 方向）的進給運動。此外，還必須有換刀功能，因此還必須有非成形運 動，如換刀需要刀庫轉(zhuǎn)位、移動等運動。 2.1.2 運動方案的確定 加工中心加工工件所需的這些運動，必須由對應的執(zhí)行部件來實現(xiàn)。加工中心 的主運動一般都由主軸部件（主傳動系統(tǒng)）來完成，而進給運動可以由工件來 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動 方案： 1.由工件完成三個方向的進給運動 如圖2.1a)所示，當加工質(zhì)量較輕工件時， 分別由X-Y 向工作臺和升降臺來實現(xiàn)； 2.工作臺帶動工件做一個方向的進給運動，其他兩個方向的進給運動由刀具在 立柱與橫梁上移動來完成 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.由刀架來完成三個方向的進給運動 如圖2.1c)所示，當加工較重或尺寸較高 的工件時，則不宜由工件做進給運動，而是工作臺固定不動，改為由刀具來完 成進給運動。采用了立柱在床身上沿前后方向移動來Y 方向的進給；由刀具在 橫梁上移動來完成Z 向的進給。通常見于大 、中型動柱式加工中心。這種方案 可以避免的尺寸工作臺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，有利于提高機床精度。 4.由工作臺實現(xiàn)X、Y 兩個方向的進給，而唷刀具來完成垂直進給運動 如圖 2.1d) 所示，當加工質(zhì)量較輕、體積較小的工件，且主軸部件的重量、體積較小時， 也可以由X-Y 工作臺實現(xiàn)兩個方向的進給，而由刀具來完成垂直進給運動。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。圖2.1 加工中心運動方案 2.2 功能部件的設計方案 加工中心一般由主傳動系統(tǒng)、進給伺服系統(tǒng)、自動換刀系統(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 主傳動系統(tǒng) 主傳動系統(tǒng)用來實現(xiàn)加工中心的主運動。由主軸箱、主軸、軸承、松拉刀機構(gòu)、 電動機等零件組成。這是加工中心自動換刀裝置的關(guān)鍵部分，主軸的啟動、停 止、變速等動作通過數(shù)控系統(tǒng)控制由主傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)。并且通過安裝在主軸 上的刀具實現(xiàn)切削運動。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，當降到計算轉(zhuǎn)速以下時，要保持恒扭矩傳 動；主傳動系統(tǒng)的各零部件，應具有足夠的強度和必要的剛度及抗震性能；噪 聲低、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性好。傳動方案有以下幾種： 1.齒輪傳動 目前加工中心主傳動大多用寬調(diào)速主軸電機, 其調(diào)速范圍達1：100。對某些中 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現(xiàn)。 2.帶傳動 加工中心主傳動系統(tǒng)使用的帶傳動多為同步帶傳動。它是一種綜合了帶、鏈傳 動優(yōu)點的新型傳動。具有以下優(yōu)點： 1）傳動比準確 同步帶傳動是嚙合傳動，工作時無滑動。 2）傳動效率高 可達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，預緊張力小，對軸和軸承的作用力小，帶輪直徑小。 4）線速度高 可達50m/s，因齒形帶較薄。 5）傳動平穩(wěn) 動態(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，所以實際中多用。但安裝要求較高，兩帶輪軸心 線平行度要求高，中心距要求嚴格。帶和帶輪的制造工藝復雜，成本低。 3.電主軸 有內(nèi)裝式電動機直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)的最大特點是實現(xiàn)了機床的“零傳動”，這種 傳動方式取消了從主電動機到主軸之間一切中間的機械傳動環(huán)節(jié)（如皮帶、齒 輪、離合器等），實現(xiàn)了主電動機與機床主軸的一體化。這種傳動方式有以下 優(yōu)點： 1）機械結(jié)構(gòu)最為簡單，傳動慣量小 因而快速響應性好，能實現(xiàn)極高的速度、加（減）速度和定角度的快速準停。 2）實現(xiàn)了主軸部件的單元化，可獨立作成標準化的功能部件，并由專業(yè)廠進行 系列化生產(chǎn)機床主機廠只需根據(jù)用戶的不同要求進行選用，可很方便地組成各 種性能的高速機床，符合現(xiàn)代機床設計模塊化的發(fā)展方向。 3）高速運轉(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等機床運行參數(shù)的功能。 a）無矢量控制 b）有矢量控制 圖2.2 扭矩-功率特性 4）電主軸比傳動的主軸傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單緊湊 便于把它用在多軸聯(lián)動機床，多面體加工機床和并聯(lián)（虛擬軸）機床。 5）電主軸比傳動的主軸傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單緊湊 便于把它用在多軸聯(lián)動機床，多面體加工機床和并聯(lián)（虛擬軸）機床。 如果采用齒輪、帶傳動則需自行設計主傳動系統(tǒng)，將會增加設計和制造周期， 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)的已系列化和標準化電主軸，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)品的設計和制造周期。對比以上三種方案選用電主軸。 2.2.2 進給伺服系統(tǒng) 進給系統(tǒng)由伺服電機、滾珠絲杠、導軌等組成。要求進給伺服系統(tǒng)必須具有高 速下的平穩(wěn)運行，較高的定位精度且防止爬行，要求進給系統(tǒng)中的機械傳動裝 置和元件具有較高的靈敏度，低摩擦阻力和動、靜摩擦系數(shù)之差小以及高壽命 等。 1.進給伺服系統(tǒng)的控制方式 進給伺服系統(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。它不是直接檢測工作臺等移動件的 位置，而是通過檢測滾珠絲杠的回轉(zhuǎn)角度（或伺服電機軸的回轉(zhuǎn)角度）來間接 地測移動件的位置。 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。移動部件（如工作臺、主軸箱 等）的移動位置，是由直線尺（如感應同步器，光柵尺等）直接進行檢測并反 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。此種方式對使用條件惡劣的重型機床，可用 高增益得到高定位 精度。 2.導軌 兩個作相對運動的部件構(gòu)成一對導軌副，其中，在工作時固定不動的配合面被 稱為固定導軌或靜導軌；相對固定導軌作直線或回轉(zhuǎn)運動的配合面被稱為運動 導軌或動導軌。根據(jù)導軌副之間的摩擦情況，導軌分為滑動和滾動導軌兩大類： 1）滑動導軌 具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點，在機械產(chǎn)品中應用廣泛，其兩 導軌工作面的摩擦性質(zhì)為換動摩擦。傳動滑動導軌摩擦阻力大，摩擦快，動、 靜摩擦系數(shù)差別大，低速時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。常用的有普通滑動導軌、卸荷導 軌和液體靜壓導軌等結(jié)構(gòu)形式。 2）滾動導軌 滾動直線導軌主要由導軌體、滑塊、鋼球、保持架、返向器、密封端蓋及擋板 等組成。導軌體固定在不動部件上，滑塊固定在運動部件上，當導軌與滑塊作 相對運動時，鋼球就沿著導軌上的經(jīng)過淬硬和精密磨削加工而成的四條滾道滾 動，在滑塊端部鋼球又通過返向器進入返向孔后再進入滾道，鋼球就這樣周而 復始地進行滾動運動。返向器兩端有防塵密 封端蓋，可有效地防止灰塵、屑末進入滑塊內(nèi)部： （1）摩擦系數(shù)小 一般在0.0030.004，動、靜摩擦系數(shù)很接近，低速運動不會產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，可 以用油脂潤滑，潤滑方法簡單，便于維護。 （2）有自調(diào)整能力 成對使用導軌副時，具有“誤差均化效應”，安裝基面許用誤差大，使得安裝 方便，生產(chǎn)周期短，降低了對配件的加工精度要求，也降低了導軌安裝基面的 機械制造成本與難度。 （3）承載能力大 其滾道截面采用合理比值的圓弧溝槽，增大了滾動體與圓弧滾道的接觸面積， 接觸應力小，從而大大的提高了導軌的承載能力，可達到平面滾道形式的3 倍。 （4）剛性強 在裝配導軌時可預加負荷，能實現(xiàn)無間隙運動，以提高滾動導軌的剛度，所以 滾動導軌在工作時間可承受較大的沖擊和振動。 （5）壽命長 導軌采用表面硬化處理，使導軌具有良好的可校性，心部保持良好 的機械性能，且由于是純滾動，摩擦系數(shù)是滑動導軌的1/50 左右，磨損小，因 而壽命長，功耗低，便于機械小型化。 （6）傳動平穩(wěn)可靠 由于摩擦力小，動作輕便，因而定位精度高，微量移動靈活準確；在較差的工 作條下可長時間保持高精度。 （7）可高速運行動、靜摩擦力之差很小，隨動性好，即驅(qū)動信號與機械動作滯 后的時間間隔極短，有益于提高數(shù)控系統(tǒng)的響應速度和靈敏度，適應高速直線 運動。但結(jié)構(gòu)復雜，幾何精度要求高，抗振性差，防護要求高，制造困難，成 本高。它適用于工作部件要求移動均勻 、動作靈敏以及定位精度高的場合。 3.伺服電機常用的伺服電機有支流和交流兩種： 1）直流伺服電機數(shù)控機床中應用較多的是寬調(diào)速直流伺服電機，其主要特點是 調(diào)速范圍寬、低速運行平穩(wěn)；負載特性硬、過載能力強，在一定的速度范圍內(nèi) 可以做到恒力矩輸出；反應速度快，動態(tài)響應特性好。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 這種伺服電機的主要特點是轉(zhuǎn)矩和慣量比高，能承受高的加減速；轉(zhuǎn)矩波動?。?低速性能好，在很低速時，電機仍能平滑旋轉(zhuǎn)；在保證高輸出轉(zhuǎn)矩的情況下， 電機的體積小，重量輕；由于采用高頻寬調(diào)制控制，電機只有很低的噪聲和振 動。利用交流伺服系統(tǒng)可進行精密定位控制。所以應用越來越廣。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。設計中用了日本 Panasonic 公司生產(chǎn)的MINASA 系列交流伺服電機和驅(qū)動器。 2.2.3 自動換刀系統(tǒng) 通過自動換刀系統(tǒng)來實現(xiàn)零件加工時的換刀。它由刀庫電機、傳動裝置、刀夾 等組成。 1自動換刀裝置的形式對于該加工中心自動換刀裝置的設計可以有兩類方案： 1）有機械手換刀方式 加工中心的ATC，大都采用有機械手換刀方式。它是由機械手把刀庫上的刀具 送到主軸上，再把主軸上已用過多的刀具返送到刀庫上。采用機械手進行刀具 交換的方式應用很廣泛，這是因為機械手換刀有很大的靈活性，尤其是雙臂機 械手，抓刀、拔刀、回轉(zhuǎn)、插刀以及返回等動作一次性完成，可以減少換刀時 間。但其機械結(jié)構(gòu)比較復雜。 2）無機械手換刀方式 無機械手換刀方式是直接在刀庫與主軸（或刀架）之間的自動換刀方式。這種 換刀方式?jīng)]有機械手，因而結(jié)構(gòu)簡單。換刀時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，這兩個動作不能同時進行，所以換刀過程較為復 雜，它的選刀和換刀由三個坐標軸的數(shù)控定位系統(tǒng)來完成，因此換刀時間較長， 影響了機床的加工效率。但是刀庫回轉(zhuǎn)時在工步于工步之間，即非切削時進行 的，因此雖然刀庫設置在立柱側(cè)面，卻免去刀庫回轉(zhuǎn)時的振動對加工精度的影 響。 適用于40 號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床。 考慮到所設計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間的長短，且采用的時30 號 刀柄，又要求加工中心體積小，機械結(jié)構(gòu)簡單，綜合考慮，刀庫宜選擇無機械 手換刀方式。表2.3 滾珠絲杠的支承方式 2.刀庫形式的選取 無機械手換刀方式中，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)相對復雜，適用于刀庫容量較大的加工中心。考慮到所設 計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)實用性進行考慮，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。此方案可使工作臺的尺寸較小，且可采用廠家已生產(chǎn)隊合適 尺寸的工作臺，可減少設計制造周期。結(jié)構(gòu)簡單，且不會發(fā)生刀庫和主軸干涉 現(xiàn)象，但刀庫的支承剛性較差，須增強立柱的剛度，以減小橫梁彎扭矩的影響。 2）刀庫置于工作臺上 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，要求工作臺的尺寸較大，須自行設計，且減少了工作臺的有效 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，在橫梁有導軌，導軌上安裝有滑座，將刀庫安裝在滑座上，通 過刀庫沿橫梁移動刀主軸端，由主軸來實現(xiàn)換刀。1.主軸箱 2.立柱 3.刀庫 4.工 作臺 5.床身圖2.4 無機械手換刀裝置的布置 4.刀庫在橫梁上的移動 刀庫在橫梁上的移動由兩種方案：一方案使絲杠螺母傳動，采用滾珠絲杠和交 流伺服電機；另一方案使液壓傳動，采用液壓滑臺。由于液壓傳動必須由專門 設計液壓系統(tǒng)機構(gòu)，來實現(xiàn)刀庫的分度和定位。但此機構(gòu)定位精度不夠高，為 提高其定位精度可采用交流 伺服電機驅(qū)動。 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、立柱和工作臺等組成。主要承受加工中 心的靜載荷和在加工時產(chǎn)生的切削負荷，因此必須由足夠的靜、動剛度和精度 保持性。 1.立柱 立柱采用對稱結(jié)構(gòu)，其正面設置由導軌，導軌可采用滾動和滑動兩種結(jié)構(gòu)，可 由用戶自行選擇。正中間安裝由滾珠絲杠，立柱導軌上安裝滑座、主軸箱。立 柱中空，可安裝平衡塊，壁上設置有肋板，以增加立柱的強度和剛性。立柱連 接在床身上。并且使主軸中心線與Z 向進給絲杠布置在同一個平面YOZ 平面內(nèi)， 絲杠的進給驅(qū)動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。因此要求床身設計具有： 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）具有足夠的動靜剛度 機床在切削加工時靜、動載荷往往都傳到床身上，所以床身上受力比較復雜。 3）較好的熱穩(wěn)定性、抗熱變形性、抗振性 在設計上要做到使整機熱變形較小、振動小?；蚴篃嶙冃螌庸ぞ扔绊懽钚 ?床身的設計要受到加工中心總體設計的制約，在滿足總體設計的前提下，盡可 能做到床身外形、結(jié)構(gòu)合理，肋板布置恰當，保證良好的冷熱加工性，減少機 床重量，節(jié)省材料，提高整個機床的剛度。 3.工作臺 X-Y 向工作臺有兩種方案：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，數(shù)控工作臺的上下兩層運動臺（X 向、Y 向）結(jié)構(gòu)相同。 另一種是自行設計，橫向（Y 向）滾動導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計或選擇，且床身制造麻煩，周期長，不易實現(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，此工作臺已經(jīng)過許多用戶使用后的驗證，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。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。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)動裝置等部分組成。由它來完成 對加工中心各部分的控制工作。伺服驅(qū)動裝置采用Panasonic 公司生產(chǎn)的 MINASA 系列交流伺服電機驅(qū)動器。其他部分的設計方案根據(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、液壓、氣動和檢測系統(tǒng)和平衡裝置等 部分。這些裝置雖然不直接參與切削運動，但對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)過對以上運動方案和各部件的設計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計方案為：自動換刀系統(tǒng)采用無機械手換刀，且刀庫置于 立柱側(cè)面的橫梁上。刀庫在橫梁上的移動采用滾珠絲杠傳動和交流伺服電機采 用盤形刀庫，由槽輪機構(gòu)實現(xiàn)回轉(zhuǎn)、分度和轉(zhuǎn)位，由交流伺服電機驅(qū)動。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，在滿足設計要求的前提下，盡量使設計出來的加工中心結(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） 150150350 Z 向快速移動速度（m/min） 15 X、Y 向快速移動速度（m/min） 12 工作臺尺寸（長寬）（mmmm） 250200 主軸轉(zhuǎn)速范圍（r/min） 018000 徐州工程學院07 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第25 頁 主軸電機功率（kw） 12 刀庫容量（把） 8 定位精度（mm） 0.025 重復定位精度（mm） 0.005 主軸錐孔 ISO/BT30 換刀時間（s/次） 8 機床總重量（kg） 650 外形尺寸（長寬高）（mmmmmm） 11328001526 最大工作進給速度（m/min） 1 工作臺允許載荷（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 3.刀庫移動部件 4.刀庫 5.Z 向進給部件 6.立柱 7.滾動導軌副 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) 本章對刀庫的設計方案進行了分析、比較，確定了較合理的總體設計方案。還 確定了主要技術(shù)參。 第三章 刀庫的設計 刀庫是帶刀庫自動換刀裝置的主要部件之一，其容量形式、布局及具體結(jié) 構(gòu)對數(shù)控機床的性能有很大影響。 3.1 確定刀庫容量 決定刀庫容量時，首先要考慮加工工藝的需要，同時還要調(diào)查分析同類型、 相近規(guī)格的自動換刀機床的刀庫容量及其發(fā)展趨勢。由于帶自動換刀裝置的數(shù) 控機床主要是在多品種、單件小批生產(chǎn)時使用，因而應根據(jù)廣泛的工藝統(tǒng)計， 依大多數(shù)工件加工時需要的刀具數(shù)來確定刀庫容 量。例如，對功能較為齊全的加工中心而言，它 可承擔多個工件的切削任務，因而要配備刀具的 種類和規(guī)格較多。通常，配備的刀具越多，機床 能加工工件的比率也越高，但它們并不是成正比 例關(guān)系。圖 3-1 為刀庫容量與機床能加工工件的 比率統(tǒng)計曲線。 刀庫儲存量過大，導致刀庫的結(jié)構(gòu)龐大而復 雜,影響機床總體布局；儲存量過小，則不能滿足 復雜零件的加工要求。因此，刀庫容量應在經(jīng)濟合理的條件下，力圖將一組類 似的零件所需的全部刀具裝入刀庫，以縮短每次裝刀所需的裝調(diào)時間。對自動 換刀數(shù)控機床的刀庫容量，有關(guān)資料曾對 15000 個零件進行分組統(tǒng)計，指出不 同工序加工時必須的刀具數(shù)不同，如圖 3-1 所示。由圖可知，4 把銑刀可完成 加工工件的 95左右的銑削工藝，10 把孔加工刀具可完成 70的鉆削工藝， 14 把刀的容量就可完成 70以上工件的鉆銑工藝，配有 1440 把刀具的刀庫 就能夠滿足 70-95工件的加工需要。因此，對 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺 銑床，從使用和經(jīng)濟效率角度來看，容量為 6 的刀庫就可滿足要求了。 3.2 確定刀庫容量 由以上考慮 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床的結(jié)構(gòu)布局等原因，決定采用 軸向放置的鼓盤式刀庫形式。這種刀庫結(jié)構(gòu)簡單，刀具排列較為緊湊，在刀庫 容理定為 6 的情況下體種不大，且取刀也較為方便，但需要考慮機械手的換刀 動作空間。 3.3 刀庫結(jié)構(gòu)設計 如刀庫裝配圖所示，當數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，直流伺服電動機接通， 其運動經(jīng)過十字聯(lián)軸器、波傳動減速器、套筒式聯(lián)軸器、蝸桿、蝸輪后，再經(jīng) 花鍵聯(lián)接傳到刀盤上，刀盤帶動刀座上的 6 個刀套轉(zhuǎn)動，完成選刀動作。 刀庫裝配圖 3.4 初估刀庫驅(qū)動轉(zhuǎn)矩及選定電機 刀庫回轉(zhuǎn)運動多數(shù)采用液壓馬達、直流電動機驅(qū)動，并沒有降速傳動裝置。 3.4.1 初選電動機與降速傳動裝置 刀庫的驅(qū)動系統(tǒng)中，由于本刀庫的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩小，且所需轉(zhuǎn)速小，所以決定 采用直流伺服電動機驅(qū)動。直流伺服電動機具有體積小，重量輕、伺服性好、 力能指標高等優(yōu)點，且該電機可用信號電壓進行無級調(diào)速。采用型號為 90SZ03 的 SZ 系列電磁式直流伺服電動機，其基本參數(shù)為：功率 0.092KW，轉(zhuǎn)速 3000R/MIN（袖珍機械師設計手冊P1275） ；降速傳動裝置型號為 XB3-50- 100A 的扁平式諧波傳動減速器，其基本參數(shù)為：輸入功率 0.092KW，輸出轉(zhuǎn)矩 18Nm（袖珍機械師設計手冊P1078-1079） 。 3.4.2 初估刀庫驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 由于刀庫容量 6，下面就以 THK6363 型自動換刀數(shù)控鏜銑床的刀庫為設 計參考（查參考資料 14） ，采用經(jīng)驗法初估回轉(zhuǎn)所需轉(zhuǎn)矩。 THK6363 型自動換刀數(shù)控鏜銑床的刀庫也是采用軸向放置的鼓盤式刀庫形 式，其容量為 36 把刀具，最大刀具重達 10kgf，刀庫回轉(zhuǎn)由最大扭矩為 25Nm 的液壓馬達經(jīng)諧波減速器驅(qū)動?，F(xiàn)在由于設計的刀庫容量為 6 把刀具，可初估 刀庫驅(qū)動轉(zhuǎn)矩(主要是指直接驅(qū)動刀盤轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)矩)為 T0=8Nm。 3.5 刀庫轉(zhuǎn)位機構(gòu)的普通圓柱蝸桿傳動的設計 刀庫的主運動是圓周回轉(zhuǎn)運動，如圖 3-3 所示,直流伺服電動機 1 通過彈性 柱銷聯(lián)軸器與諧波傳動減速器 2 聯(lián)接減速后驅(qū)動蝸桿 3,設計刀庫轉(zhuǎn)位機構(gòu)的普 通圓柱蝸桿傳動. 由刀庫轉(zhuǎn)位機構(gòu)實現(xiàn)。 己知直流伺服電動機 1 的功率為 0.092KW,轉(zhuǎn)速為 3000R/MIN,諧波傳動減速 器 2 的傳動比為 100.傳動效率為 80%,1 經(jīng) 2 減速后驅(qū)動蝸桿 3,蝸桿為主動,蝸 輪為從動,要求傳動此為 6,單向旋轉(zhuǎn),單班工作制,預計壽命為 5 年. 圖示 3-3 刀庫轉(zhuǎn)位機構(gòu)傳動示意圖 1)選擇蝸桿傳動類型 根據(jù) GB1008588 的推薦，采用漸開線蝸桿（ZI） 。 2)選擇材料 蝸桿采用 45 鋼，齒面淬火，硬度為 4550HRC；蝸輪用鑄錫磷青銅 ZCuSn10Pb1，金屬模鑄造， =220 MPa， =220 MPa。2HP2FP 3)確定主要參數(shù) 蝸桿蝸輪傳動，以蝸桿為主動，蝸輪為從動。為了提高傳動效率，取 Z1=6，傳動比取 6，單向旋轉(zhuǎn)，單工作制，預計壽命為 5 年。則 Z2= Z1i= 66=36。 4)按齒面接觸疲勞強度設計 m2d1 KT2 (mm3)250HP a)計算蝸輪軸轉(zhuǎn)矩 T2 初估傳動效率 =0.95,則 T2=9549 =9549 =9549 0.95=133.53 Nm12Pn1/i0.928%3/6 其中 n1 =3000/100=30(r/min) b)載荷系數(shù) K=1.05 c)許用接觸應力 2HP = =2200.91.48=293.04 MPa2HPVSZN 式中, =220 MPa, 估計滑動速度 <5m/s，用浸沒潤滑,則由(參考文獻 11) (P972 圖 182)S 查得滑動速度影響系數(shù) =0.9, =1.48（其中VZN =60a t=601 53008=3.6 ,按圖 183 查得） ；LZ2n306610 d)計算 m2d1值,并選定模數(shù) m 和蝸桿分度圓直徑 d1 m2d1 1.05133.53=283.46 mm 3;2539.04 按表 183 查得模數(shù) m=3.15(mm), d1=35.5 (mm) (m2d1值應大于計算值) 5)驗算滑動速度 SV a)計算蝸桿速度 1 = = =0.0558 m/s1V60dn35.0 b)計算滑動速度 SV = / =0.0558/ =0.0632 m/sS1coscos2814 其中 = = = ,則初估的 值合適。1(/)tgZmd(63.5/.)tg2814SV 6)驗算蝸輪齒彎曲強度 驗算公式為 22 21AVFFSPTKYd a)使用系數(shù) =1A b)動載荷系數(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)按蝸輪當量齒數(shù) = / =36/ =52.34,由圖 172 查得。2V3cos3s2814 f)導程角系數(shù) =1- /120=1- /120 =0.766Y g)許用彎曲應力 2FP = =70 0.542=37.94 MPa2FPN h)計算彎曲應力 =22.1322613.5.014.076F 由于 < ，故滿足蝸輪輪齒強度條件。2HP 7)計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)蝸桿導程角 814 8)計算其他尺寸 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；2ah2ah2x 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)設計，取 =64 mm1b1Z1b1b e)蝸輪齒寬 0.67 =0.67 41.8 =28.006mm,取 =28 mm；2b21ad2b 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；1ns1nsxcocs2814 j)蝸輪分度圓齒厚 =0.5 =0.5 3.15=4.948 mm。22m 9)熱平衡計算 蝸桿傳動由于效率低，所以工作時發(fā)熱量大。在閉式傳動中，如果產(chǎn)生的 熱量不能及時地散逸，將因油溫不斷升高而使?jié)櫥拖♂專瑥亩龃竽ゲ翐p失， 甚至發(fā)生膠合。所以必須根據(jù)單位時間內(nèi)的發(fā)熱量 等于同時間內(nèi)的散熱量1H 的條件進行熱功平衡計算，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熱導率，一般取 k=8.717.5W( ),環(huán)境空氣流通較差時，2mC: 取較小值，否則取較大值； A傳動裝置散熱的計算面積，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（ ） ；2m 潤滑油的工作溫度，一般限制在 6070 ，最高不能超過 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溫為1H2 = + 1t0P-kAC 在繪制傳動裝置結(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)上進行熱平衡計算： =0.092 80 =0.0736 kW10 取 =20 , =0.95, k=10,并估算 A=0. 006 ，則0tC2m =20+ =81.33 801t.7361-0.95 C 由于 80 ,超過最高工作溫度，所以必須采取一些散熱措施，以提高散1t 熱能力，如在傳動箱內(nèi)裝循環(huán)冷卻管路。 3.6 刀庫驅(qū)動轉(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 時刀庫的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為：T= = =120.3NmT 0=8Nm，954Nn0.795 其中 =0.9 為外花鍵帶動刀盤回轉(zhuǎn)的傳動效率。由于 TT 0，所以，刀庫驅(qū)動 轉(zhuǎn)矩滿足要求。 3.7 刀庫驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的校核 在刀庫的傳動系統(tǒng)中，刀盤是利用花鍵聯(lián)接帶動刀座上的刀套轉(zhuǎn)動而進行 選刀的，花鍵的聯(lián)接屬于動聯(lián)接。已知所用的花鍵類型為漸開線花鍵 d=26mm, 以下對其進行必要的強度計算。計算公式如下： p= pMPa 式中:2gmTzhLD T轉(zhuǎn)距（Nmm） ，此處 T=120.3Nm=120.3 1000Nmm； 各齒間載荷不均勻系數(shù)，通常取 =0.7 0.8，此處取 =0.75；: z齒數(shù)，此處 z=6； 齒的工作高度（mm） ，對漸開線花鍵， =m,此處 m 為模數(shù)，且取gh gh m=1.5mm； 齒的工作長度（mm） ，此處 =48mm；gLgL 平均直徑（mm） ，對漸開線花鍵，此處 =d=26mm。mDmD 于是，把數(shù)據(jù)代入計算公式，得 p= = =28.6MPa2gmTzhL120.3.756486 由于該花鍵聯(lián)接為不在載荷作用下移動的動聯(lián)接，查表 9-13 可知，若齒面 經(jīng)熱處理且使用和制造情況為良好時，p可達 40 70 MPa，p p,故花鍵聯(lián): 接的強度滿足要求。 3.8 夾緊機構(gòu)插銷剪切強度的校核 刀套在刀座上的夾緊由插銷實現(xiàn)（見刀庫裝配圖） 。插銷承受的主要是剪切 力，以下對單個插銷進行剪切強度的校核。 插銷材料為 45 鋼， =60MPa,直徑 d=6mm。 剪切力由重力引起，估算 P=100N,插銷受力如圖所示。 由圖可知該情況為雙剪切，且由平衡方程易得 Q=P/2, 于是，插銷橫截面上的剪切力為 = Q/A=(100 )/ =1.8MPa 610322(10)4 故插銷滿足強度條件要求。 3.9 確定刀具的選擇方式 按數(shù)控裝置的刀具指令，從刀庫中將所需要的刀具轉(zhuǎn)換到取刀位置，稱為 自動選刀。在刀庫中選擇刀具通常采用兩種方式。 1)順序選擇刀具 2)任意選擇刀具 3.10 刀庫的定位與刀具的松 夾 刀庫旋轉(zhuǎn)定位是依靠簡易定位 裝置來實現(xiàn)的。其控制過程示意圖 如下： 刀庫的定位是由接近開關(guān)使直 流伺服電機停止轉(zhuǎn)動，然后由雙向 液壓帶動定位銷 6，插入刀座 5 上的 發(fā)出選刀 信號 牙嵌離合器 脫離嚙合 從動軸慣性 慢轉(zhuǎn) 刀庫定位停 止 定位完畢發(fā) 出信號 定位孔，實現(xiàn)精確定位。在刀座 5 的每一個刀位上都裝有如圖所示的彈簧、導 柱 3、鍵塊 1 和銷 2 所組成的刀具固定裝置。由此實現(xiàn)刀具在刀庫上的固定鎖 緊。圖中所示為刀具卡在刀座上的狀況。當液壓缸 4 通油后，將導柱 3 拉出， 使銷 2 退出，此時刀具在刀座上處于自由狀態(tài)，控制刀具固定裝置的液壓缸 4 有兩個，一個和定位銷在一起，自動換刀時用，另一個在靠近立柱方向，用于 刀庫手動裝卸刀。 刀庫定位示意圖 第四章 刀具交換裝置的設計 數(shù)控機床的自動換刀裝置中,實現(xiàn)刀庫與機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: 一種是采用機械手交換 刀具, 另一種是由刀庫與機床主軸的相對運動來實現(xiàn)刀具交換即無機械手交換 刀具。無機械手交換刀具方式：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，換刀的可靠性較高；刀庫 因結(jié)構(gòu)所限容量不多。這種換刀系統(tǒng)多為中、小型加工中心采用。刀具的交換 方式及它們的具體結(jié)構(gòu)對機床的工作效率和工作可靠性有直接的影響。由 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床的結(jié)構(gòu)特性決定難以實現(xiàn)由刀庫與機床主軸的 相對運動來實現(xiàn)刀具交換，故采用機械手交換刀具的方式。 機械手是當主軸上的刀具完成一個工步后，把這一工步的刀具送回刀庫， 并把下一道工步的所需要的刀具從刀庫中取出并裝入主軸繼續(xù)進行加工的功能