XKA5032AC數控立式升降臺銑床自動換刀設計.doc

xka5032a/c 數控立式升降臺銑床自動換刀設計 1 目錄目錄 目錄1 中文摘要 3 abstract 3 第 1 章 緒論4 1.1 數控銑床的分類4 1.1.1 數控立式銑床4 1.1.2 數控臥式銑床4 1.1.3 數控立、臥式兩用銑床4 1.2 數控銑床的結構特征4 1.2.1 數控銑床的主軸特征4 1.2.2 控制機床運動的坐標特征5 1.3 數控銑床的主要功能及加工對象5 1.3.1 數控銑床的功能5 1.3.2 自動換刀裝置（atc）及其形 式5 1.3.3 自動換刀裝置應當滿足的基本要求6 第 2 章 總體方案的設計 6 2.1 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床及其主要參數6 2.2 初定 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床自動換刀裝置的設計參 數7 2.3 確定 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床自動換刀裝置的形 式7 第 3 章 刀庫的設計8 3.1 確定刀庫容量8 3.2 確定刀庫形式8 3.3 刀庫結構設計10 3.4 初估刀庫驅動轉矩及選定電機10 3.5 刀庫轉位機構的普通圓柱蝸桿傳動的設計10 3.6 刀庫驅動轉矩的校核14 3.7 確定刀具的選擇方式14 第 4 章 刀具交換裝置的設 計15 4.1 換刀機械手抓刀部分結構15 4.2 機械手傳動結構15 4.3 自動換刀過程的動作順序16 4.4 自動換刀裝置的相關技術要求17 4.4.1 主軸準停裝置17 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床自動換刀設計 2 4.4.2 換刀機械手的安裝與調試17 第 5 章 自動換刀裝置的控制原理 17 5.1 刀庫的控制17 5.2 機械手的控制18 第 6 章 典型零件的設 計18 6.1 聯軸器18 6.1.1 聯軸器的選用18 6.1.1 聯軸器的校核18 6.2 托架的設計18 鳴 謝20 參考文獻21 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床自動換刀設計 3 中文摘要 本論文介紹的是 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床自動換刀裝置的設計.該自動換刀裝置由 刀庫和換刀機械手組成.刀庫采用盤形結構,安裝在機床的左側立柱上.刀庫容量為六把,采用順 序選刀方式.機械手選用回轉式雙臂機械手. 關鍵詞: : 數控銑床 自動換刀裝置 刀庫 換刀機械手 a abstractbstract this paper introduces the design of automatic tool changer of xka5032a/c numerical control vertical-knee milling machines. the automatic tool changer is composed of tool storage and a tool changing-manipulator. the tool storage which adopts bat batch shape structure is mounted on the vertical post of xka5032a/c numerical control vertical-knee milling machines. the capacity of the tool storage is six and the method of choose knife is alignment. the tool changing-manipulator adopts the two arms manipulator of turn-over type. keykey words:words: numerical control milling machines automatic tool changer tool storage tool changing-manipulator xka5032a/c 數控立式升降臺銑床自動換刀設計 4 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床自動換刀裝置 專業(yè)：機械設計制造及其自動化，學號：2001121626，姓名：湯愛軍 指導老師：溫堅 第 1 章 緒論 11 數控銑床的分類 111 數控立式銑床 數控立式銑床是數控銑床中數量最多的一種，應用范圍也最為廣泛。小型數控銑床一般都 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。 從機床數控系統(tǒng)控制的坐標數量來看，目前 3 坐標數控立式銑床仍占大多數。一般可進行 3 坐標聯動加工，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控擺角運動的 4 坐標和 5 坐標數控立式銑 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構更復雜，對數控系統(tǒng)的要求更高， 編程的難度更大，設備的價格也更高。 數控立式銑床可以附加數控轉盤，采用自動交換臺，增加靠模裝置等來擴大數控立式銑床 的功能，加工范圍和加工對象，進一步提高生產效率。 112 臥式數控銑床 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，臥式數控 銑床通常采用增加數控轉盤或萬能數控轉盤來實現 4、5 坐標加工，這樣，不但工件側面上的連 續(xù)回轉輪廓可以加工出來，而且可以實現在一次安裝中，通過轉盤改變工位，進行“四面加工” 。 可以省去許多專用夾具或專用角度成型銑刀。對箱體類零件或需要在一次安裝中改變工位的工 件來說，選擇帶數控轉盤的臥式銑床進行加工是非常合適的。 113 立、臥式兩用數控銑床 這類銑床目前正在逐漸增多，它的主軸方向可以更換，能達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、臥兩用數控銑床的主軸方向的更換有手動與自動兩種，采用數控萬能主軸頭的立、臥 兩用數控銑床，其主軸頭可以任意轉換方向，可以加工出與水平面呈各種不同角度的工件表面。 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床自動換刀設計 5 當立、臥兩用數控銑床增加數控轉盤后，就可以實現對工件的“五面加工” 。即出除了工件與轉 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。 12 數控銑床的結構特征 121 數控銑床的主軸特征 數控銑床的主軸開啟與停止，主軸正反轉與主軸變速等都可以按輸入介質上編入的程序自 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，固定幾種轉速，可自選一 種編入程序，但不能在運轉時改變。有的采用變頻器調整，將轉速分為幾檔，編程時可任選一 檔，在運轉中可通過控制面板上的旋鈕，在本檔范圍內自由調節(jié)；有的則不分檔,編程時可在整 個范圍內無級調速。但是在實際操作中，調速不能有大起大落的突變，只能在允許的范圍內調 高或調低，只能在允許的范圍內一般都設有自動拉、退刀裝置，能在數秒內完成裝刀與卸刀， 換刀比較方便。此外，多坐標數控銑床的主軸可以繞 x、y 或 z 軸作數控擺動，擴大了主軸自身 的運動范圍，但是主軸結構更加復雜。 122 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，要求數控銑床的伺服拖動系統(tǒng)能在多坐標方向同時協 調動作，并保持預定的相互關系，這就要求機床應能實現多坐標聯動。數控銑床要控制的坐標 數最少是 3 坐標中任意兩坐標聯動。要實現連續(xù)加工直線變斜角工件，應實現四坐標聯動。若 要加工曲線變斜角工件，是要求實現五坐標聯動。因此，數控銑床所配置的數控系統(tǒng)檔次，一 般都比其它數控機床相應更高一些。 13 數控銑床的主要功能及加工對象 131 數控銑床的功能 數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 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、數控采集功能等。 在使用數控銑床加工工件時，只要充分利用數控銑床的各種功能，就可以加工許多普通銑 床難加工的工件。數控銑床的主要加工對象有：1、平面類零件。2、變斜角類零件。3、曲面類 （立體類）零件。 132 自動換刀裝置（atc）及其形式 數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)。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。在數控銑床的基礎上，如果再配以刀具和自動換刀系統(tǒng)，就構成加工中 心（machining center 簡稱 mc） 。 各類數控機床的自動換刀裝置的結構取決于機床的型式、工藝范圍及刀具的種類和數量等。 這種裝置主要可以分為以下幾種形式： （一）回轉刀架換刀形式 數控車床使用的回轉刀架是一種簡單的自動換刀裝置。根據不同加工對象，可以設計成四 方和六角刀架等多種形式?；剞D刀架上分別安裝著四把、六把或更多的刀具，并按數控裝置的 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床自動換刀設計 6 指令轉位換刀。 （二）更換主軸頭換刀形式 在帶有旋轉刀具的數控機床中，更換主軸頭換刀是一種簡單的換刀方式。主軸頭通有臥式 和立式兩種，而且常用轉塔的轉位來更換主軸頭以實現自動換刀。各個主軸頭上預先裝有各工 序加工所需要的旋轉刀具，當收到換刀指令時,各主軸頭依次地轉到加工位置，并接通主運動使 相應的主軸帶動刀具旋轉，而其他處于不加工位置上的主軸都與主運動脫開。 轉塔主軸頭換刀方式的主要優(yōu)點是省去了自動松夾、卸刀裝刀、夾緊以及刀具搬運等一系 列復雜的操作，從而顯著地減少了換刀時間，提高了換刀的可靠性，但是由于結構上的原因和 空間位置的限制，主軸的數目不可能很多。因此轉塔主軸頭換刀通常只適用于工序較少，精度 要求不太高的數控機床，如數控銑床。 （三）帶刀庫的自動換刀形式 帶刀庫的自動換到形式主要是由刀庫和刀具交換裝置組成。目前這種換刀方法在數控機床 上的應用最為廣泛。帶刀庫的自動換刀裝置的數控機床主軸箱和轉塔主軸頭相比較，由于主軸 箱內只有一個主軸，所以主軸部件具有足夠剛度，因而能夠滿足各種精密加工的要求。另外， 刀庫可以存放數量較多的刀具，可進行復雜零件的多工序加工，可明顯提高數控機床的適應性 和加工效率。這種帶刀庫的自動換刀裝置特別適用于數控銑床、數控鉆床和數控鏜床。 刀庫有多種形式，數控機床上常用的有盤式和鏈式兩種。交換裝置的機械手形式也多樣， 目前在數控機床上用得最多的是回轉式雙臂機械手。其他形式還有擺動式單臂雙爪機械手、單 臂單爪回轉式機械手、雙機械手等等。 133 自動換刀裝置應當滿足的基本要求 1) 換刀時間短。 2）刀具重復精度高。 3）刀具儲存足夠。 4）刀庫占地面積小。 5）安全可靠。 第 2 章 總體方案的確定 依據設計任務書，我們的任務是給 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床設計安裝合適的自動換 刀裝置。主要技術參數為： 1）刀庫容量：4-6 2）選刀方式：順序選刀 3）重復精度：5“ xka5032a/c 數控立式升降臺銑床主要由床身、升降臺、工作臺、立銑頭、主傳動、主變速、 拉刀機構、液壓系統(tǒng)、自動潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、吊掛、電柜等部分組成。機床本身并不帶自 動換刀裝置。自動換刀裝置作為一套獨立的、完整的機床部件，設計依據是該機床的型式、工 藝范圍及刀具的種類和數量等。 21 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床及其主要參數 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床是北京第一機床廠生產的帶有立銑頭的立式銑床，為機電 一體化結構，三坐標聯動，是一種使用很廣的機床，它可以使用各種圓柱銑刀、角度銑刀及端 面銑刀完成直線銑削，組成各種往復循環(huán)和框式循環(huán)或按坐標位置加工孔，也可以銑削具有輪 廓的零件，如凸輪、樣板、模具、葉片、弧形槽等。 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床自動換刀設計 7 該機床適用于機械制造的各種類部門，也適用于軍工部門。其主要規(guī)格及技術參數如下表： 表一 機床主要規(guī)格及技術參數 參數名稱單位數量 工作臺面尺寸（長 x 寬）mm320 x 1320 工作臺縱向（x）行程mm780 工作臺縱向（y）行程mm300 續(xù)表一 工作臺縱向（z）行程mm380 主軸孔徑mm29 立銑頭最大回轉角度45 主軸轉速級數18 主軸轉速范圍r/min30-1500 工作臺進給級數無級 主傳動電動機功率 kw7.5 主傳動電動機轉速r/min1440 工作臺最大承載重量kg320 主軸最大扭矩nm1000 機床外形尺寸（長 x 寬 x 高）mm1929 x 2055 x 2216 機床重量kg2800 該機床推薦使用的最大切削范圍如下： 銑切鋼：鋼的含碳量 0.45%，抗拉強度 600n/mm2。銑刀直徑100mm，齒數 4； 銑切寬度 50mm，銑切深度 3 mm；主軸轉速 750 r/min，進給量 750mm/min。 銑切灰鑄鐵：材料 ht200，硬度 hb150225。銑刀直徑250mm，齒數 14； 銑切寬度 150mm，銑切深度 3.7 mm；主軸轉速 47.5 r/min，進給量 300mm/min 22 初定 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床自動換刀裝置的設計參數 在銑削輪廓時，為了保證一次連續(xù)地加工出全部表面，應選用半徑小于工件最小輪廓半徑 的刀具，而在實際的生產加工中，常盡量選用直徑較大的銑刀，因為大直徑銑刀剛性好，耐用 度高。由 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床推薦使用的最大切削范圍可知，當銑切鋼時，銑刀直 徑為100 mm。當銑灰鑄鐵時，銑刀直徑達250mm。因此，為了滿足該機床的實際加工能力與 生產情況，在設計其自動換刀裝置時，應該根據最大的刀具直徑來設計，即設計的換刀裝置能 交換250mm 的刀具。 初估最大直徑刀具的重量為 8kgf。 23 確定 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床自動換刀裝置的形式 數控機床的自動換刀裝置的結構形式多種多樣，選擇何種形式，主要取決于機床的種類、 工藝范圍以及刀具的種類和數量等。 由于 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床是一種使用范圍較廣的機床，且其可加工零件的精度 要求也較高，比較上章介紹的幾種換刀形式，決定選用帶刀庫的自動換刀形式。 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床自動換刀設計 8 帶刀庫的自動換刀裝置是由刀庫和刀具交換裝置（換刀機械手）組成。它是多工序數控機 床上應用最廣泛的換刀裝置，其整過換刀過程比較復雜。首先把加工過程中需要使用的全部刀 具安裝在標準的刀柄上，在機床外進行尺寸預調后，按一定的方式裝入刀庫。換刀時，先在刀 庫中進行選刀，由機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面或上方，也可以作 為獨立部件安裝在機床以外。 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床主軸箱上方沒有好的安裝位置，安裝在機床外又要增加刀 具運輸時間，降低效率，所以安裝在機床側面最合適，有些部件交錯的地方，作適當的調整。 因為 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床外形及其他性能參數等均與 jcs018a 數控立式鏜銑床相 似，所以本機床的自動換刀裝置的設計將仿效 jcs018a 數控立式鏜銑床換刀裝置，設計成由 由盤式刀庫和回轉式雙臂機械手組成。設計增加自動換刀裝置后的 xka5032a/c 數控立式升降臺 銑床的外觀圖如圖 1-1 所示。 圖 1-1 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床的外觀圖 第 3 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、布局及具體結構對數控機床的 性能有很大影響。 31 確定刀庫容量 刀庫儲存量過大，導致刀庫的結構龐大而復雜,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 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床自動換刀設計 9 時間。對自動換刀數控機床的刀庫容量，有關資料曾對 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不同，如圖 3-1 所示。由圖可知，銑削 90%的加工量由 4 把銑刀即可完 成。因此，對 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床，容量為 6 的刀庫就可滿足要求了。 32 確定刀庫形式 由以上考慮 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床的結構布局等原因，決定刀庫采用盤形結構， 沿刀庫主軸軸向安裝。這種刀庫結構簡單且緊湊，但為了換刀時刀具與主軸同向，刀庫中的刀 具需在換刀位置作 90翻轉。 33 刀庫結構設計 刀庫的外形如圖 3-2 所示。圓盤式刀庫（圖 a）由專用的直流伺服電動機 1 經套筒聯軸器 2、 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床自動換刀設計 10 蝸桿 4、蝸輪 3，帶動刀盤 14 和盤上的 6 個刀套 13 旋轉。刀座的滾子 11 在不旋轉的導盤 14 的 槽中受到限位，導盤 14 在最下端的換刀位置開了一個缺口。刀座以鉸鏈形式與支承板 16 相連 （圖 b） 。平時，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，故應將處于刀庫刀盤 14 最下位置的刀套旋轉 90，使刀頭朝下。實現這個動作靠 氣缸 5。氣缸 5 的活塞桿 6 帶動撥叉 7 上升。由 aa 剖視圖中可以看到，最下面的一個刀套 13 右尾部的滾子 11 正好進入撥叉 7 的缺口。撥叉 7 上升使刀套連同刀具逆時針旋轉 90，滾子銷 19 退出支承板 16 的凹槽，刀座轉到垂直位置，等待機械手換刀。 刀套的構造如圖 b 所示。由圖中可以看到錐孔尾部有兩個球頭銷釘 17，后有彈簧用以夾住 刀具，故當刀套旋轉 90后刀具不會下落。刀套頂部的滾子 15 用以在刀套處于水平位置時支承 刀套。當刀具更換完畢，該刀座插入從主軸換下的刀具平頭。通過氣缸作用，與上述動作相反， 刀座帶著刀具夾頭順時針轉動，直到水平位置為止，此時，滾子銷 19 重新處于支承板 16 的凹 槽中。 34 初估刀庫驅動轉矩及選定電機 以 thk6363 型自動換刀數控鏜銑床的刀庫為設計參考（查參考資料 14） ，采用經念法初估回 轉所需轉矩。 thk6363 型自動換刀數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，刀庫回轉由最大扭矩為 25nm 的液壓馬達經諧波減速器驅動。 現在由于設計的刀庫容量為 6 把刀具，可初估刀庫驅動轉矩為 t0=8nm。 刀庫回轉運動多數采用液壓馬達、直流電動機驅動。由于本刀庫的驅動轉矩小，且所需轉 速小，所以決定采用直流伺服電動機驅動。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速。由參考資料 11 p1275 表查選電動機 型號為 90sz03 的 sz 系列電磁式直流伺服電動機，功率為 0.092 kw。 35 刀庫轉位機構的普通圓柱蝸桿傳動的設計 刀庫的主運動是圓周回轉運動，由刀庫轉位機構實現。調定換刀信號電壓，使電動機轉速 調定為 30 r/min。這樣電動機通過聯軸器、蝸桿、蝸輪驅動刀庫轉動，如圖 3-3 所示： xka5032a/c 數控立式升降臺銑床自動換刀設計 11 1選擇蝸桿傳動類型 根據 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；蝸輪用鑄錫磷青鋼 zcusn10pb1，金屬模 鑄造，=220 mpa。 2hp 3確定主要參數 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，單工作制，預計壽命為 5 年。則 z2= z16=36。 4按齒面接觸疲勞強度設計 m2d1kt2 (mm3) 2 22 15000 z hp （1）計算蝸輪軸轉矩 t2 初估傳動效率 =0.95,則 t2=9594=9594=95940.95=166.92 nm 1 2 p n 1 1/ p ni 0.092 30/6 (2) 載荷系數 k=1.05 (3) 許用接觸應力 2hp =2200.91.48=293.04 mpa 2hp 2hp vs z n z 式中, =220 mpa, =70 mpa 2hp 2fp 估計滑動速度5m/s，用浸沒潤滑,則由參考文獻 11 p972 圖 182 查得滑動速度影 s v 響系數=0.9,=1.48（其中=60at=60153008=3.6,按圖 183 vs z n z l z 2 n 30 6 6 10 查得） ； （4）計算 m2d1值,并選定模數 m 和蝸桿分度圓直徑 d1 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床自動換刀設計 12 m2d11.05166.92=354.34 mm3; 2 15000 36 293.04 按表 183 查得模數 m=3.15(mm), d1=45 (mm) 5. 驗算滑動速度 s v (1)計算蝸桿速度 1 v =0.07065 m/s 1 v 11 60 1000 dn 45 30 60 1000 (2)計算滑動速度 s v =/=0.07065/=0.0836 m/s s v 1 vcoscos22.78 其中=22.78,則初估的值合適。 1 11 (/)tgz m d 1(6 3.15/45) tg s v 6驗算蝸輪齒彎曲強度 驗算公式為 2 22 12 666 av ffsfp t k k k y y d d m （1）使用系數=1 a k （2）動載荷系數=1.03 v k （3）載荷分布系數=1k （4）d1=45 mm，=m=3.1536=113.4 mm,其中模數 m=3.15(mm)。 2 d 2 z （5）蝸輪齒形系數=3.92 fs y 按蝸輪當量齒數=/=36/=45.93,由圖 172 查得。 2v z 2 z 3 cos 3 cos 22.78 （6）導程角系數=1-/120=1-/120 =0.81y22.78 （7）許用彎曲應力 2hp =700.542=37.94 mpa 2hp 2hp n y (8)計算彎曲應力 =22.618 2 666 166.92 1 1.03 1 3.92 0.81 45 113.4 3.15 f 由于，幫滿足蝸輪輪齒強度條件。 2f 2hp xka5032a/c 數控立式升降臺銑床自動換刀設計 13 7計算蝸桿蝸輪的主要參數 （1 分度圓直徑 =45，=m=3.1536=113.4mm 1 d 2 d 2 z (2)中心距 a a=(+2m)/2=45+113.4+2(-0.1349)3.15/2=79 mm 1 d 2 d 2 x (3)蝸桿導程角 22.78 8計算其他尺寸 （1）蝸桿齒頂圓直徑 =+2=45+23.15=51.3 mm， 1a d 1a d 1 d 1a h 其中為蝸桿齒頂高，且=m=3.15 mm； 1a h 1a h （2）蝸輪喉圓直徑 =+2=113.4+20.86513.15=118.85 mm， 2a d 2a d 2 d 2a h 其中為蝸輪齒頂高，且=+=1-0.1349=0.8651 mm； 2a h 2a h a h 2 x （3）蝸輪外圓直徑=+m=118.5+3.15=122 mm； 2e d 2a d （4）蝸桿齒寬 由于=6，故按結構設計，取=64 mm 1 b 1 z 1 b 1 b （5）蝸輪齒寬 0。67=0.6751.3 =34.371mm,取=34 mm； 2 b 2 b 1a d 2 b （6）蝸輪齒頂圓弧半徑 =-m=-3.15=19.35 mm 2a r 2a r 1 2 d45 2 （7）蝸輪齒根圓弧半徑 =+c=+0.2m=+0.23.15=26.28 mm； 2f r 2f r 1 2 a d 1 2 a d51.3 2 （8）蝸桿軸向齒厚 =/2=3.15/2=4.948 mm,其中為蝸桿軸向齒 1x s 1x s x p/2m x p 距； （9）蝸桿法向齒厚 =4.948=4.562 mm； 1n s 1n s 1x scoscos22.78 （10）蝸輪分度圓齒厚 =0.5=0.53.15=4.948 mm。 2 s 2 sm 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，如果產生的熱量不能及時 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 根據單位時間內的發(fā)熱量等于同時間內的散熱量的條件進行熱功平衡計算，以保證 1 h 2 h 油溫穩(wěn)定牌規(guī)定的范圍內。 由于摩擦損耗的功率=（1-）kw,則產生的熱流量（單位為 1w=1j/s）為 f p 1 p xka5032a/c 數控立式升降臺銑床自動換刀設計 14 =1000（1-） w 1 h 1 p 式中 為蝸桿傳遞的功率（單位：kw） 。 1 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(-) w 2 h 1 t 0 t 式中 k熱導率，一般取 k=8。717.5w(),環(huán)境空氣流通較差時，取較小值， 2 mc a 否則取較大值； a傳動裝置散熱的計算面積，即內面被沒浸濺的，而外面又被空氣所能冷卻的 的箱殼面積（） ； 2 m 潤滑油的工作溫度，一般限制在 6070，最高不能超過 80； 1 tc c 周圍環(huán)境溫度，一般取室溫=20。 0 t 0 tc 按熱平衡條件=，可求得在既定工作條件下的沒溫為 1 h 2 h =+ 1 t 0 t 1 1000p 1- ka c 在繪制傳動裝置結構圖的基礎上進行熱平衡計算： =0.09280=0.0736 kw 1 p 00 取=0.95, k=10,并估算 a=0. 006，則 2 m =20+=81.3380 1 t 1000 0.0736 1-0.95 10 0.006 c c 由于超過最高工作溫度，所以必須采取一些散熱措施，以提高散熱能力，如在裝循環(huán)冷卻 1 t 管路。 36 刀庫驅動轉矩的校核 蝸輪轉速=5r/min,所能傳遞的功率為 p=0.092800.95=0.07 kw,此時刀庫的驅動轉 2 n 00 矩為：t=120.3nmt0=8nm，其中=0.9 為普通平鍵帶動刀9549 n n 0.07 95490.90 5 盤回轉的傳動效率。所以，刀庫驅動轉矩滿足要求。 37 確定刀具的選擇方式 按數控裝置的刀具指令，從刀庫中將所需要的刀具轉換到取刀位置，稱為自動選刀。在刀 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床自動換刀設計 15 庫中選擇刀具通常采用兩種方式。 （一）順序選擇刀具 刀具按預定工序的先后順序插入刀庫的刀座中，使用時按順序轉到取刀位置。用過的刀具 放回原來的刀座內，也可以按加工順序放入下一個刀座內。該法不需要刀具識別裝置，驅動控 制也比較簡單，工作可靠。但刀庫中每一把刀具在不同工序中不能重復使用，為了滿足加工需 要只有增加刀具的數量和刀庫的容量，這就降低了刀具和刀庫的利用率。此外，裝刀時必須十 分謹慎，如果刀具不按順序裝在刀庫中，將會產生嚴重的后果。 （二）任意選擇刀具 這種方法根據程序指令的要求任意選擇所需要的刀具，刀具在刀庫中不必按照工件加工順 序排列，可以任意存放。每把刀具（或刀座）都編上代碼，自動換刀時，刀庫旋轉，每把刀具 （或刀座）都經過“刀具識別裝置”接受識別。當某把刀具（或刀座）的代碼與數控指令相符 合時，該把刀具被選中，刀庫將刀具送到換到位置，等待機械手來抓取。任意選擇刀具法的優(yōu) 點是刀庫中刀具的排列順序與工作加工順序無關，刀具可重復使用。因此，刀具數量比較順序 選擇法少一些。刀庫也相應地簡單些。任意選擇法主要有三種編碼方式：刀具編碼方式、刀座 編碼方式和編碼附件方式。 在以上確定刀庫容量時已經討論可知數控銑床用 4 把刀就可完成大多數的銑削加工。所以 這個容量為 6 把刀的刀庫，幾乎不存在加工過程中需要重復利用刀具的情況，所以刀具的選擇 方式確定為順序選擇刀具。該法不需要刀具識別裝置，驅動控制也比較簡單，工作可靠。 第 4 章 刀具交換裝置的設計 數控機床的自動換刀裝置中,實現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刀具交換即無機械手交換刀具。刀具的交換方式及它們的具體結構對機床 的工作效率和工作可靠性有直接的影響。由 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床的結構特性決定難 以實現由刀庫與機床主軸的相對運動來實現刀具交換，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 的所需的刀具從刀庫中取出并裝入主軸繼續(xù)加工的功能部件。對機械手的具體要求是迅速可靠， 準確協調。 41 換刀機械手抓刀部分結構 如圖 4-1 所示機械手抓刀部分結構。它主要由手臂 1 和固定于其兩端的結構完全相同的兩 個手爪 1 組成。手爪上握刀的圓弧部分有一錐銷 2，機械手抓刀時，該銷插入刀柄的鍵槽中。 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床自動換刀設計 16 當機械手由原位轉 75抓住刀具時，兩手爪上的長銷 7 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銷 6 在彈簧 4 的作用下右移頂住刀具。機械手拔刀時，長銷 7 與擋塊脫 離接觸，鎖緊銷 8 被彈簧 5 彈起，使活動銷頂住刀具不能后退，這樣機械手在回轉 180時，刀 具不會被甩出。當機械手上升插刀時，兩長銷 7 又分別被兩擋塊壓下，鎖緊銷從活動銷孔中退 出，松開刀具，機械手便可反轉 75復位。 42 機械手傳動結構 下圖為本設計刀庫所用采用的機械手結 構示意圖。如前述刀庫結構，刀套向下轉 90后，壓下行程開關，發(fā)出機械手抓刀信 號。此時，機械手 21 正處在圖中所示的上面 位置，液壓缸 18 右腔通壓力油，活塞桿推動 齒條 17 向左移動，帶動齒輪 11 轉動（連接 盤與齒輪 11 用螺栓連接，它們空套在機械手 臂軸 16 上，傳動盤 10 與機械手臂軸 16 用花 鍵連接） ，使機械手回轉 75抓刀。抓刀動 作結束進，齒條 17 上的擋環(huán) 12 壓下行程開 關 14，發(fā)出拔刀信號，于是升降液壓缸 15 的上腔通壓力油，活塞桿推機械手臂軸 16 下 降拔刀。在軸 16 下降進，傳動盤 10 隨之下 降，其下端的銷子 8 插入連接盤 5 的銷孔中， 連接盤 5 和下面的齒輪 4 也是用螺栓連接的， 它們空套軸 16 上。當拔刀動作完成后，軸 16 上的擋環(huán) 2 壓下行程開關 1，發(fā)出換刀信 號。這時轉位液壓缸 20 的右腔通壓力油，活 塞桿推動齒條 19向左移動，帶動齒輪和連接 盤 5 轉動，通過銷子 8，由傳動盤帶動機械 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床自動換刀設計 17 手轉 180，交換主軸上和刀庫上的刀具位置。換刀動作完成后，齒條 19 上的擋環(huán) 6 壓下位置 開關 9，發(fā)出插刀信號，使升降油缸下腔通壓力油，活塞桿帶著機械手臂軸上升插刀，同時傳動 盤下面的銷子 8 從連接盤 5 的銷孔中移出。插刀動作完成后，軸 16 上的擋環(huán)壓下行程開關 3， 使轉位油缸 20 的左腔通壓力油，活塞桿帶著齒條 19 向右復位，齒輪 4 空轉，機械手無動作。 齒條 19 復位后其上擋環(huán)壓下行程開關 7，使液壓缸 18 的左腔通壓力油，活塞桿帶著齒條 17 向 右移動，通過齒輪 11 使機械手反轉 75復位。機械手復位后，齒條 17 上的擋環(huán)壓下行程開關 13，發(fā)出換刀完成信號，使刀套向上翻轉 90，為下次選刀做好準備。同時機床繼續(xù)執(zhí)行后面 的操作，換刀過程亦可見本設計的動畫演示。 43 自動換刀過程的動作順序 機械手將刀具從刀庫中取出送至機床主軸上，然后將用過的舊刀送回刀庫。其動作過程簡 述如下（結合如下換刀過程示意圖 4-3）： （1） 、刀套下轉 90 如上圖 a 所示刀庫位于立柱左側，刀具軸線在刀庫中的安裝方向與主軸垂直。換刀前，刀 庫將待換刀具送到換刀位置，然后刀套連同刀具翻轉 90，使刀具軸線與主軸軸線平行，如 圖 b 所示。 （2） 、機械手轉 75 如圖 c 所示，換刀機械手逆時針旋轉 75，兩手爪分別抓住刀庫上和主軸上的刀柄。 （3） 、機械手拔刀 待主軸上自動夾緊機構松開刀具后，機械手下降，同時拔出主軸上和刀庫上的刀具，如圖 d 所示。 （4） 、刀具位置交換 如圖 e 所示，機械手逆時針轉 180，使主軸刀具與刀庫刀具交換位置。 （5） 、機械手插刀 機械手上升，分別將刀具插入主軸錐孔和刀庫刀套中,如圖 f 所示。 （6）機械手順時針轉 75 如圖 g 所示,待主軸上自動夾緊機構夾緊刀具后，機械手順時針轉 75，回到原始位置。 （7）刀套帶著換回的舊刀具向上翻轉 90，準備下一次選刀,如圖 h 所示。 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床自動換刀設計 18 44 自動換刀裝置的相關技術要求 441 主軸準停裝置 為了傳遞扭矩，在主軸的前端裝有端鍵，當刀具刀柄裝入錐孔時，刀柄上的鍵槽位置必須 與該鍵對準才能裝入。當機械手從刀庫取刀時，為了確保刀具其后能順利地裝入主軸錐孔中， 必須使主軸準確地停在刀具交換位置上。同時，由于工藝上的需要，也必須使主軸準停在固定 位置上。這種使主軸端在定位鍵停在固定位置的技術要求稱為主軸準停?？稍谥鬏S上安裝電氣 控制的主軸準停裝置以實現主軸準停功能。 442 換刀機械手的安裝與調試 a：換刀機械手安裝在主軸箱的左側面，加工零件時，換刀機械手隨主軸箱一起上下運動； b：當初裝上換刀機械手后，必須進行調試：用手動操縱主式調整換刀機械手相對于主軸 的位置，使用調整心棒，有誤差時可調整機械手行程、刀庫位置、機械手支座、修正主軸坐標 原點等。安裝最大重量刀具時，要進行多次刀庫到主軸位置的自動交換，使機械手換刀時做到 準確無誤，無撞擊。 第 5 章 自動換刀裝置的控制原理 5.1 刀庫的控制 刀庫的轉動由電機帶動，轉速由控制信號電壓調定。刀庫刀盤最下位置的刀套旋轉 90， 使刀頭朝下，等待機械手來換刀，是由氣缸實現的。當 plc 控制系統(tǒng)發(fā)出換刀信號時，氣缸的 活塞桿帶動撥叉上升，最下面的一個刀套右尾部的滾子正好進入撥叉的缺口，撥叉 7 上升使刀 套連同刀具逆時針旋轉 90，使刀頭與主軸平行，便與換刀。當機械手完成換刀后，發(fā)出換刀 結束信號，開始下一道工序。同時刀庫旋轉 60，把下一道工序刀具轉到刀庫最下端的換刀位 置，做好下一次換刀準備，這也縮短了輔助時間。 52 機械手的控制 機械手的換刀動作由液壓控制。機械手的換刀動作分別由三個液壓缸控制，如圖 5-1 所示。 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床自動換刀設計 19 具體控制過程上一章 42 機械手傳動結構已經說明。該控制的優(yōu)點是換刀平穩(wěn)，快捷。 第 6 章 典型零件的設計 6.1 聯軸器 本設計只用到一個聯軸器，那就是刀庫的驅動電機主軸與蝸桿軸的聯接處。 6.1.1 聯軸器的選用 由上述可知,本設計的刀庫容量僅為 6 把刀具，驅動轉矩不大于 t0=8nm。由于本刀庫的驅 動轉矩小，且所需轉速小，所以決定采用較普通的套筒 聯軸器。查參考資料 12 表 16-4,選用 d=16mm,型套筒 聯軸器，如圖 6-1 所示。其主要參數為=28nm。 p m 6.1.2 聯軸器的校核 校核公式為 cp mkmm 其中聯軸器的公稱轉矩（nm）m 聯軸器的施用轉矩（nm） p m 工作情況因數，查參考資料 12 表 16-4,得=1.5kk 于是，所以所選的聯軸器合適。1.5 81228 cp mkmn mmn maa 62 托架的設計 本設計所需托架有電機、刀庫及機械手的安裝托架。托架的設計應根據電機、刀庫及機械 手的尺寸重量大小和安裝部位的形狀尺寸等等。由于本設計的篇幅所限，具體的設計就給予省 略。 xka5032a/c 數控立式升降臺銑床自動換刀設計 20 設計總結及鳴謝 畢業(yè)設計是完成教學計劃達到專業(yè)培養(yǎng)目標的一個重要的教學環(huán)節(jié)；是教學計劃中綜合性 最強的實踐性教學環(huán)節(jié)，它在培養(yǎng)和提高我們綜合運用專業(yè)知識分析和解決實際問題的能力， 并進行工程技術人員所必須具備的基本素質的訓練等方面具有很重要的意義。畢業(yè)設計能使我 們在以下幾個方面有較大提高。 xka5