[優(yōu)秀畢業(yè)論文]立式加工中心自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)

1、 目 錄摘要iabstractii第1章 緒論11.1加工中心的定義11.2加工中心的發(fā)展歷程11.3加工中心國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀21.4國(guó)產(chǎn)加工中心目前存在的問(wèn)題及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)41.5加工中心的分類51.6本章小結(jié)6第2章 加工中心自動(dòng)換刀裝置概述72.1加工中心自動(dòng)換刀裝置（atc）形式、特點(diǎn)及各自應(yīng)用范圍72.2刀庫(kù)及刀具交換裝置82.2.1刀庫(kù)的形式82.2.2刀具的選擇方式92.2.3刀具(刀座)識(shí)別裝置112.2.4刀具交換裝置172.3本章小結(jié)19第3章 總體方案設(shè)計(jì)203.1 th5640d型立式加工中心及其主要參數(shù)203.2 th5640d型立式加工中心自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)213.3

2、確定th5640d型立式加工中心自動(dòng)換刀裝置的形式213.4本章小結(jié)22第4章 刀庫(kù)的設(shè)計(jì)及計(jì)算234.1 確定刀庫(kù)容量234.2確定刀庫(kù)形式234.3 初步估計(jì)刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩及選定電機(jī)234.4刀庫(kù)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的普通蝸輪蝸桿的相關(guān)設(shè)計(jì)254.5確定刀具的選擇方式264.6刀庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)264.7本章小結(jié)29第5章 刀具交換裝置的設(shè)計(jì)305.1換刀機(jī)械手抓刀部分結(jié)構(gòu)305.2 機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu)305.3 自動(dòng)換刀裝置的動(dòng)作順序345.4 主軸準(zhǔn)停裝置355.5本章小結(jié)36第6章 聯(lián)軸器的選用及計(jì)算376.1聯(lián)軸器376.1.1聯(lián)軸器的分類376.1.2聯(lián)軸器類型的選擇376.2 聯(lián)軸器的選用計(jì)算386.

3、3本章小結(jié)41結(jié)論42參考文獻(xiàn)43致謝45附錄146附錄253附錄358第1章 緒論1.1加工中心的定義加工中心（machining center,mc）是適應(yīng)省力、省時(shí)和節(jié)能的時(shí)代要求而迅速發(fā)展起來(lái)的自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床，它是綜合了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、拖動(dòng)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、測(cè)量及傳感技術(shù)以及通信診斷、刀具和編程技術(shù)的高科技產(chǎn)品。由于加工中心能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測(cè)量和調(diào)整時(shí)間，減少工件周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)存放時(shí)間，使機(jī)床的切削利用率高于通用機(jī)床3倍4倍，所以說(shuō)，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且是數(shù)控機(jī)床中生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度最高的綜合性機(jī)床。1.2加工中心的發(fā)展歷程

4、1958年，美國(guó)卡尼，特雷克（kearney&trecker）公司首次把銑、鉆、鏜等多種工序集中于一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上，通過(guò)換刀方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工，成為世界上第一臺(tái)加工中心。該產(chǎn)品出現(xiàn)后，銷路驚人，引起了日、德、美、英、法、意等先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的高度重視，競(jìng)相開發(fā)生產(chǎn)，不斷擴(kuò)大和完善機(jī)床的功能，成為數(shù)控機(jī)床中發(fā)展最快、需求量最大的商品之一。如今，世界上出現(xiàn)了立式、臥式、龍門式、落地式等各種加工中心，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，大約有1000多個(gè)品種規(guī)格。未來(lái)加工中心的發(fā)展動(dòng)向是高速化、進(jìn)一步提高精度和愈發(fā)完善的機(jī)能。加工中心是數(shù)控機(jī)床的代表，是高新技術(shù)集成度高的典型機(jī)電一體化機(jī)械加工設(shè)備，我國(guó)的加工中心從70年代開始，

5、已有很大發(fā)展，但技術(shù)、品種和數(shù)量上都還遠(yuǎn)不能適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)發(fā)展的需要。隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，推動(dòng)了模具制造業(yè)、機(jī)械加工業(yè)的巨大發(fā)展，使得數(shù)控機(jī)床的使用越來(lái)越普遍，而加工中心更是以其高自動(dòng)化程度得到廣泛應(yīng)用。然而，目前市場(chǎng)上生產(chǎn)和銷售的都是以大、中型的加工中心為主，小型加工中心幾乎是空白，而機(jī)械加工業(yè)、小型模具的制造、工科院校、技工學(xué)校等對(duì)小型加工中心存在著大量的需求。為加速我國(guó)加工中心的發(fā)展，需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)加工中心的研究、設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用。1.3加工中心國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀由于加工中心在機(jī)械加工中的重要作用，各個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都極為重視，在技術(shù)和產(chǎn)量上都發(fā)展很快。目前全球加工中心年生產(chǎn)量為50,00

6、055,000臺(tái)左右，并且以日本、歐盟、美國(guó)及中國(guó)臺(tái)灣、韓國(guó)等為最具代表性的生產(chǎn)基地。日本市場(chǎng)消費(fèi)能力強(qiáng)，年生產(chǎn)量超過(guò)10,000臺(tái)。主要機(jī)種為立式加工中心，年產(chǎn)量約5,0006,000臺(tái)，而且不斷研發(fā)高速、高精密、五面加工、五軸聯(lián)動(dòng)加工等技術(shù)，滿足特殊與復(fù)雜曲面加工工件的要求，日本生產(chǎn)加工中心的廠家有mazak、大隈、莊田、三菱等公司。德國(guó)生產(chǎn)最佳品質(zhì)與高加工效益的加工中心，近年來(lái)生產(chǎn)量每年約在4,0005,000臺(tái)左右。代表性機(jī)種為臥式加工中心，年生產(chǎn)量約1,5002,000臺(tái)。其他加工中心年生產(chǎn)量約2,0003,000臺(tái)左右，德國(guó)生產(chǎn)加工中心的廠家有西門子、maka、geiss、科恩等公

7、司。美國(guó)是全球機(jī)床生產(chǎn)代表性國(guó)家之一，但近年來(lái)由于其國(guó)內(nèi)消費(fèi)能力不足，再加上出口也面臨市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致其生產(chǎn)有逐漸下滑的趨勢(shì)，年生產(chǎn)加工中心僅約為5,0006,000臺(tái)左右，生產(chǎn)廠家有哈挺、mag、hurco等公司。臺(tái)灣是全球加工中心生產(chǎn)量最大的供貨基地，年生產(chǎn)量可達(dá)到16,00018,000臺(tái)，其中有部分是空機(jī)臺(tái)，未加裝微機(jī)控制器等，平均單價(jià)有偏低的情形。韓國(guó)是全球加工中心主要生產(chǎn)國(guó)家之一。其加工中心主要用于韓國(guó)汽車工業(yè)、模具工業(yè)及機(jī)械工業(yè)，年生產(chǎn)加工中心在4,0005,000臺(tái)左右。未來(lái)加工中心的生產(chǎn)基地則有可能是大陸，特別是日本、美國(guó)、德國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣、韓國(guó)已競(jìng)相到大陸設(shè)廠生產(chǎn)加工中心，再加

8、上大陸本身的企業(yè)研發(fā)與制造，未來(lái)技術(shù)成熟、品質(zhì)穩(wěn)定、成本降低后，必將會(huì)成為全球重要供應(yīng)基地之一。20世紀(jì)70年代我國(guó)研制的加工中心，多數(shù)因配套件和設(shè)計(jì)、制造的缺陷而不能正常使用。進(jìn)入80 年代后，由于引進(jìn)了日本fanuc、德國(guó)siemens 等公司的數(shù)控系統(tǒng)、直流進(jìn)給伺服電機(jī)和主軸電機(jī)及其伺服單元之后，數(shù)控系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。但就整機(jī)而言，可靠性還不夠高。20世紀(jì)90年代中期以來(lái)，隨著加工中心技術(shù)的進(jìn)步和配套的完善，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)注意到了采用標(biāo)準(zhǔn)功能部件來(lái)取代產(chǎn)品的某些部件，同時(shí)優(yōu)先選擇世界知名公司的名牌產(chǎn)品(如：數(shù)控系統(tǒng)、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠、軸承、atc 裝置、液壓氣動(dòng)元件、電氣元件

9、和檢測(cè)元件等)作為配套，提高了國(guó)產(chǎn)加工中心的檔次和可靠性，在一定程度上縮短了與國(guó)外同類產(chǎn)品的差距。當(dāng)前，國(guó)產(chǎn)加工中心的可靠性與國(guó)外同類產(chǎn)品相比依然不高。除此以外，還有整機(jī)防護(hù)與密封、外觀粗糙、整體造型不盡如意等缺陷，在一定程度上影響了國(guó)產(chǎn)加工中心的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)加工中心的有沈陽(yáng)機(jī)床廠、大連機(jī)床廠、上海祥裕等廠家。研究主要成果如下：90年代以來(lái)，國(guó)外一些機(jī)床廠家先后開發(fā)出一批高速加工中心，其主要技術(shù)參數(shù)為： 主軸最高轉(zhuǎn)速：一般為1200015000r/min，有的高達(dá)4000060000r/min。坐標(biāo)軸的加工進(jìn)給最高速度：3060m/min，快速移動(dòng)速度高達(dá)7080m/min。換刀時(shí)

10、間(刀-刀)普遍在1.53.5s，有的快到0.80.9s；托板交換時(shí)間普遍在68s。綜上所述，高速加工中心的出現(xiàn)使得單軸加工中心的效率趕上了多軸的組合機(jī)床或?qū)Ｓ脵C(jī)床。因此，高效高柔性的加工中心已開始在汽車工業(yè)中應(yīng)用，并成為重要的工藝裝備。目前世界上比較有名的加工中心有：德國(guó)ex-cell-o gmbh公司xhc240臥式加工中心、德國(guó)chiron werke公司fz12w立式加工中心、日本mazak公司產(chǎn)品、日本新瀉鐵工所spn50、spn40加工中心、美國(guó)giddings & lewis公司ram500型、ram630型臥式加工中心和美國(guó)ingersoll銑床公司hvm600型臥式加工中心等

11、等。目前，國(guó)產(chǎn)加工中心的主要品種是立式加工中心和臥式加工中心。為市場(chǎng)提供的產(chǎn)品主要是立式加工中心。其規(guī)格(是指工作臺(tái)寬度，單位：mm) 一般為300、400、500、630 和800。其中，前三種屬于較小規(guī)格產(chǎn)量較大；后兩種屬于中大型產(chǎn)量較小。目前，國(guó)產(chǎn)立式加工中心擁有的規(guī)格基本上覆蓋了中小型立式加工中心的規(guī)格范圍。在我國(guó)，人們習(xí)慣上把數(shù)控機(jī)床按其技術(shù)水平的高低分為高、中、低三個(gè)檔次。所謂高檔數(shù)控機(jī)床是指高速度、高精度、五軸聯(lián)動(dòng)和工藝高度復(fù)合化的數(shù)控機(jī)床，包括部分重型機(jī)床；而所謂低檔數(shù)控機(jī)床主要是指以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)為主要特征的開環(huán)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床、鉆床和銑床，其精度和速度都不高；其他數(shù)控機(jī)床

12、則屬于中檔數(shù)控機(jī)床，也就是人們常說(shuō)的通用普及型數(shù)控機(jī)床。國(guó)產(chǎn)加工中心大多數(shù)產(chǎn)品的檔次屬于此范疇。1.4國(guó)產(chǎn)加工中心目前存在的問(wèn)題及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)國(guó)產(chǎn)加工中心目前存在的問(wèn)題有：(1) 技術(shù)水平上，與國(guó)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平相比大約落后1015 年，在高精尖技術(shù)方面則更大。(2) 產(chǎn)品開發(fā)能力上，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)缺乏對(duì)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)前的數(shù)控技術(shù)的深入研究與開發(fā)，特別是對(duì)加工中心應(yīng)用領(lǐng)域的拓展力度不強(qiáng)。(3) 產(chǎn)業(yè)化水平上，市場(chǎng)占有率低，品種覆蓋率小，雖然近年來(lái)國(guó)產(chǎn)加工中心的產(chǎn)量增加較快，但從總體上看，還沒(méi)有形成規(guī)模生產(chǎn)；國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應(yīng)，用戶信心不足。(4) 國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)mtbf( 平均無(wú)故障

13、時(shí)間)大都超過(guò)1 萬(wàn)小時(shí)，但國(guó)際上知名品牌如：fanuc、siemens 等先進(jìn)企業(yè)的數(shù)控系統(tǒng)mtbf 已達(dá)8 萬(wàn)小時(shí)。國(guó)產(chǎn)加工中心mtbf 雖有少數(shù)廠達(dá)500 小時(shí)，但國(guó)外加工中心的先進(jìn)水平已達(dá)800 小時(shí)。(5) 刀庫(kù)和機(jī)械手的可靠性還比較低，近年來(lái)雖有改進(jìn)，但用戶仍然不放心。(6) 位置精度，特別是重復(fù)定位精度還有待于進(jìn)一步提高。(7) 至于外觀粗糙，漏油、漏水、漏氣等老問(wèn)題仍然不同程度的存在。加工中心未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)有：（1）高速度、高效率眾所周知，機(jī)床向高速化方向發(fā)展，不但可以大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且還可提高零件的表面加工質(zhì)量和精度。是進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)國(guó)內(nèi)外機(jī)床技術(shù)發(fā)展的重要

14、趨勢(shì)。20世紀(jì)90年代以來(lái)，歐、美、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家爭(zhēng)相開發(fā)應(yīng)用新一代高速數(shù)控機(jī)床，加快機(jī)床高速化發(fā)展步伐。高速主軸單元(電主軸，轉(zhuǎn)/min)、高速且高加/減速度的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件(快移速度60120m/min，切削進(jìn)給速度高達(dá)60m/min)、高效率的自動(dòng)換刀裝置、高性能數(shù)控裝置和伺服系統(tǒng)以及數(shù)控工具系統(tǒng)都出現(xiàn)了新的突破，達(dá)到了新的技術(shù)水平。（2）高精度追求加工中心的高精度，一直是世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家努力的方向。當(dāng)前，在機(jī)械加工高精度的要求下，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10m 提高到5m ；精密級(jí)加工中心的加工精度則從35m 提高到11.5m ，甚至更高。（3）高可靠性

15、隨著數(shù)控機(jī)床應(yīng)用領(lǐng)域的日益普及，數(shù)控機(jī)床的高可靠性已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)制造廠家和數(shù)控機(jī)床制造廠家十分注重和追求的目標(biāo)。數(shù)控機(jī)床也只有首先具有較高的可靠性，才能談得上高速度、高效率和高精度。這已經(jīng)是眾多的數(shù)控系統(tǒng)制造廠家和數(shù)控機(jī)床制造廠家達(dá)成的共識(shí)。當(dāng)前，國(guó)外先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)的mtbf 值已達(dá)8萬(wàn)小時(shí)以上。1.5加工中心的分類按主軸加工時(shí)的空間位置分類有：臥式和立式加工中心。臥式加工中心 是指主軸軸線水平設(shè)置的加工中心。臥式加工中心有多種形式，如固定立柱式或固定工作臺(tái)式。固定立柱式的臥式加工中心的立柱不動(dòng)，其主軸箱在立柱上做上下移動(dòng)，而工作臺(tái)可在兩個(gè)水平方向移動(dòng)；固定工作臺(tái)式的臥式加工中心的三個(gè)坐標(biāo)方向

16、的運(yùn)動(dòng)由立柱和主軸箱的移動(dòng)來(lái)定位，安裝工件的工作臺(tái)是固定不動(dòng)的(指直線運(yùn)動(dòng))。臥式加工中心一般具有3個(gè)5個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸，常見的是三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸和一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸(回轉(zhuǎn)工作臺(tái))它能在工件一次裝夾后完成除安裝面和頂面以外的其余四個(gè)面的加工，最適合加工箱體類工件。它與立式加工中心相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地面積大、質(zhì)量大、價(jià)格亦高。 立式加工中心 立式加工中心主軸的軸線為垂直設(shè)置，其結(jié)構(gòu)多為固定立柱式，工作臺(tái)為十字滑臺(tái)，適合加工盤類零件，一般具有三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸，并可在工作臺(tái)上安置一個(gè)水平軸的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)(第四軸)來(lái)加工螺旋線類零件。立式加工中心結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占地面積小，價(jià)格低，配備各種附件后，可進(jìn)行大部分工

17、件的加工。 大型龍門式加工中心 主軸多為垂直設(shè)置，尤其適用于大型或形狀復(fù)雜的工件，像航空、航天工業(yè)及大型汽輪機(jī)上的某些零件的加工都需要用這類多坐標(biāo)龍門式加工中心。五面加工中心 這種加工中心具有立式和臥式加工中心的功能，在工件一次裝夾后，能完成除安裝面外的所有五個(gè)面的加工，這種加工方式可以使工件的形狀誤差降到最低；省去二次裝夾工件，從而提高生產(chǎn)效率，降低加工成本。1.6本章小結(jié)本章主要介紹了加工中心的定義，發(fā)展歷程以及加工中心的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，并介紹了當(dāng)今加工中心存在的一些問(wèn)題及其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。第2章 加工中心自動(dòng)換刀裝置概述2.1加工中心自動(dòng)換刀裝置（atc）形式、特點(diǎn)及各自應(yīng)用范圍由刀庫(kù)和機(jī)械

18、手組成的自動(dòng)換刀裝置(automatic tool changer,atc)是加工中心的重要組成部分。加工中心上所需更換的刀具較多，從十幾把到幾十把甚至上百把，故通常采用刀庫(kù)形式，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，自動(dòng)換刀裝置種類繁多。由于加工中心上自動(dòng)換刀次數(shù)比較頻繁，故對(duì)自動(dòng)換刀裝置的技術(shù)要求十分嚴(yán)格如要求定位精度高動(dòng)作平穩(wěn)，工作可靠以及精度保持性等。這些要求都與加工中心的性能息息相關(guān)。表2-1 加工中心上的換刀裝置形式類別特點(diǎn)應(yīng)用范圍轉(zhuǎn)塔式垂直轉(zhuǎn)塔頭1. 根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式不同，可分為順序選刀或任意選刀2. 結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單3. 容納刀具數(shù)目少用于鉆削中心水平轉(zhuǎn)塔頭刀庫(kù)式無(wú)機(jī)械手換刀1. 利用刀庫(kù)運(yùn)動(dòng)與主軸直接換刀

19、，省去機(jī)械手2. 結(jié)構(gòu)緊湊3. 刀庫(kù)運(yùn)動(dòng)較多小型加工中心機(jī)械手換刀1. 刀庫(kù)只做選刀運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手換刀2. 布局靈活，換刀速度快各種加工中心機(jī)械手和刀具運(yùn)送器1. 刀庫(kù)距機(jī)床主軸較遠(yuǎn)時(shí)，用刀具運(yùn)送器將刀具送至機(jī)械手2. 結(jié)構(gòu)復(fù)雜大型加工中心成套更換方式更換轉(zhuǎn)塔1. 利用更換轉(zhuǎn)塔頭，增加換刀數(shù)目2. 換刀時(shí)間基本不變擴(kuò)大加工工藝的鉆削中心更換主軸箱1. 利用更換主軸箱，擴(kuò)大組合機(jī)床加工工藝范圍2. 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜擴(kuò)大柔性的組合機(jī)床更換刀庫(kù)1. 擴(kuò)大加工工藝，更換刀庫(kù)，另有刀庫(kù)存儲(chǔ)器2. 充分提高機(jī)床利用率和自動(dòng)化程度3. 擴(kuò)大加工中心的加工工藝范圍加工復(fù)雜零件，需刀具很多的加工中心或組成高度自動(dòng)化的

20、生產(chǎn)系統(tǒng)2.2刀庫(kù)及刀具交換裝置刀庫(kù)的功能是儲(chǔ)存加工工序所需的各種刀具，并按程序指令，把即將要用的刀具迅速、準(zhǔn)確地送到換刀位置，并接受從主軸送回的已用刀具。所以說(shuō)它是自動(dòng)換刀裝置中主要部件之一。2.2.1刀庫(kù)的形式根據(jù)刀庫(kù)的容量和存取刀具的方式，刀庫(kù)可設(shè)計(jì)成多種形式。目前常見的刀庫(kù)類型如下：（1） 盤式刀庫(kù) 此刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用較多。此換刀裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，換刀可靠性較好，缺點(diǎn)是換刀時(shí)間長(zhǎng)，適用于刀庫(kù)容量較小的加工中心上采用。如圖2-1所示。（2） 鏈?zhǔn)降稁?kù) 此刀庫(kù)結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫(kù)容量較大，鏈環(huán)的形狀可根據(jù)機(jī)床的布局制成各種形狀，也可將換刀位突出以便于換刀，能充分利用機(jī)床的占地空間

21、，通常為軸向取刀，位置精度較低，造價(jià)也較高。如圖2-2所示。（3） 格子箱式刀庫(kù) 結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫(kù)空間利用率高，換刀時(shí)間較長(zhǎng)。布局不靈活，通常刀庫(kù)安裝在工作臺(tái)上，應(yīng)用者較少。如圖2-3所示。（4） 直線式刀庫(kù) 刀庫(kù)容量少，一般在十幾把左右，多用于自動(dòng)換刀數(shù)控車床，鉆床上也有采用。如圖2-4所示。 圖2-1 盤式刀庫(kù) 圖2-2 鏈?zhǔn)降稁?kù) 圖2-3 格子箱式刀庫(kù) 圖2-4 直線式刀庫(kù)2.2.2刀具的選擇方式在自動(dòng)換刀裝置換刀時(shí)，按數(shù)控裝置的刀具選擇指令，從刀庫(kù)中將所需要的刀具準(zhǔn)確地自動(dòng)地選出，并轉(zhuǎn)換到取刀位置稱為自動(dòng)選刀。從刀庫(kù)中選擇刀具通常采用下述方式：（1）順序選擇方式 順序選擇方式是按零件加工

22、的預(yù)定工序要求依次將所用刀具存入刀庫(kù)的刀座中，使用時(shí)按順序?qū)⑵滢D(zhuǎn)到取刀位置。用過(guò)的刀具放回原來(lái)的刀座中，亦可以按加工順序故入下一個(gè)刀座中。這種方法不需要刀具識(shí)別裝置，驅(qū)動(dòng)控制也較簡(jiǎn)單，工作可靠，但刀具不能重復(fù)使用。即工藝相同的不同工序，也要重新安排刀具，故增加了刀具數(shù)量和刀庫(kù)容量。一般用于刀具較少的中小型加工中心、加工批量較大但工件品種較少的加工中心、刀庫(kù)與主抽之間直接換刀的加工中心、有自動(dòng)換刀庫(kù)的數(shù)控機(jī)床(當(dāng)加工小批量零件時(shí))。另外，在裝刀時(shí)必要認(rèn)真謹(jǐn)慎對(duì)號(hào)入座，否則將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。（2）任意選擇刀具方式 這種方法根據(jù)程序指令的要求任意選擇所需要的刀具，刀具在刀庫(kù)中不必按照工件的加工順序排

23、列，可任意存放。每把刀具(或刀座)都編上代碼自動(dòng)換刀時(shí)，刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)，每把刀具(或刀座)都經(jīng)過(guò)“刀具識(shí)別裝置”接受識(shí)別。當(dāng)某把刀具的代碼與數(shù)控指令的代碼相符合時(shí)，該把刀具被選中，刀庫(kù)將選中的刀具送至換刀位置，等待機(jī)械手來(lái)抓取。任意選擇刀具法的優(yōu)點(diǎn)是刀庫(kù)中刀具的排列順序與工件加工順序無(wú)關(guān)。相同的刀具可重復(fù)使用，故刀具數(shù)量比順序選擇法的刀具可少一些，刀庫(kù)也相應(yīng)小一些。刀座編碼式 這種編碼方式是對(duì)刀庫(kù)中的每個(gè)刀座都預(yù)先進(jìn)行編碼，刀具也編號(hào)，并將與刀座編碼對(duì)應(yīng)的刀具一一放入指定的刀座中，根據(jù)刀座編碼選刀。換刀時(shí)刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)，使各個(gè)刀座依次經(jīng)過(guò)刀具識(shí)別器，直至找到規(guī)定的刀座，刀庫(kù)即刻停止旋轉(zhuǎn)。刀座編碼又分永久性

24、編碼和臨時(shí)性編碼，前者刀座號(hào)是固定不變的；后者又稱編碼鑰匙，即采用一種專用的編碼鑰匙”這種入法是按加工順序要求事先給各刀具都縛上一“把表示法刀具號(hào)的編碼鑰匙，當(dāng)把各刀具存放到刀庫(kù)的刀座中時(shí)，將編碼鑰匙插進(jìn)刀座旁邊的鑰匙孔中。這樣就把鑰匙的號(hào)碼轉(zhuǎn)記到刀座中，給刀座編上了號(hào)碼。識(shí)別器可通過(guò)識(shí)別鑰匙上的號(hào)碼來(lái)選取該鑰匙旁邊刀座中的刀具；編碼鑰匙中除導(dǎo)向凸起外，共右16個(gè)凸起和凹下的位置，故有65535凹凸組合，可區(qū)別65535把刀具。鑰匙沿著水平方向的鑰匙縫插人鑰匙孔座，然后順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)90，處于鑰匙代碼凸起的第一彈簧接觸片被撐起，表承代碼“1”，處于代碼凹處的第二彈簧接觸片保持原狀，表示代碼“0

25、”。由于鑰匙上每個(gè)凸凹部分旁邊均有相應(yīng)的碳刷，故可將鑰匙各個(gè)凸凹部分均識(shí)別出來(lái)，即識(shí)別出相應(yīng)的刀具。當(dāng)取出刀具時(shí)，鑰匙也隨之取出，刀座碼立即消失，調(diào)換鑰匙可任意改變刀具編碼，使用具有更大的靈活性。刀具編碼式 這種萬(wàn)式是直接對(duì)每把刀具進(jìn)行編碼，由換刀裝置識(shí)別刀具上的編碼進(jìn)行選刀，出于每把刀只都有自己的代碼，故可存放于刀庫(kù)的任一刀座中。這樣刀庫(kù)中的刀具在不同的工序中也就可重復(fù)使用，用過(guò)的刀具也不一定放回原刀座中。避免了因刀具存放在刀庫(kù)中的順序差錯(cuò)而造成的事故；同時(shí)也縮短了刀庫(kù)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，簡(jiǎn)化了自動(dòng)換刀控制線路。它還可直接在刀庫(kù)與刀具主軸之間進(jìn)行換刀而不致增加換刀時(shí)間。其缺點(diǎn)是使刀具長(zhǎng)度增加，制造田

26、難，剛度降低，同時(shí)使機(jī)械手和刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)也復(fù)雜化。編碼附件法 這種選刀方式介于刀具編碼與刀座編碼之間。刀庫(kù)的刀座與刀具均無(wú)需編碼。只利用一種帶有編碼附件(如鑰匙、卡片、編碼桿、編碼盤)與刀具合在起，這樣刀具就具有與編碼附件相同的編號(hào)。當(dāng)帶編碼附件的刀具插人刀庫(kù)中某一刀座時(shí)，該刀座便具有編碼附件指定的編碼。以上選刀方式都結(jié)換刀系統(tǒng)帶來(lái)很多不便，所以近年來(lái)在加工中心應(yīng)用得很少。計(jì)算機(jī)記憶式 高檔的數(shù)控加工中心，可將刀具號(hào)和刀庫(kù)上存刀地址對(duì)應(yīng)地記憶在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)或可編程控制器內(nèi)。不論刀具放入哪個(gè)地址，均可跟蹤記憶；利用刀庫(kù)上裝刀位置檢測(cè)裝置，可測(cè)得每一地址。這樣刀具可以任意取、存，無(wú)需編碼元件，這種

27、刀具任選方式使換刀控制大為簡(jiǎn)化。故目前的加上中心絕大多數(shù)都采用這種方式。2.2.3刀具(刀座)識(shí)別裝置刀具(刀座)識(shí)別裝置是自動(dòng)換刀系統(tǒng)中的重要組成部分，常用的有下列幾種。 (1)接觸式刀具識(shí)別裝置 接觸式刀具識(shí)別裝置應(yīng)用廣泛，特別適應(yīng)于空間位置較小的刀具編碼，其原理如圖25所示。在刀柄1上裝有兩種直徑不同的編碼環(huán)，規(guī)定大直徑的環(huán)表示二進(jìn)制的“1”，小直徑的環(huán)為“0”，圖中有5個(gè)編碼環(huán)4，在刀庫(kù)附近固定一刀具識(shí)別裝置2，從中伸出幾個(gè)觸針3，觸針數(shù)量與刀柄上的編碼環(huán)個(gè)數(shù)相等。每個(gè)觸針連一個(gè)繼電器，當(dāng)大直徑的編碼環(huán)與觸針接觸，繼電器通電，其數(shù)碼為“1”。當(dāng)各繼電器讀出的數(shù)碼與所需刀具的編碼一致時(shí)，

28、由控制裝置發(fā)出信號(hào)，使刀庫(kù)停轉(zhuǎn)，等待換刀。接觸式刀具識(shí)別裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于使用中觸針有磨損，故壽命較短，可靠性較差，且難于快速換刀。 (2)非接觸式刀具識(shí)別裝置 非接觸式刀具識(shí)別裝置無(wú)機(jī)械接觸、無(wú)磨損、無(wú)噪聲、壽命長(zhǎng)、反應(yīng)速度快，適應(yīng)于高速且換刀頻繁的工作場(chǎng)合。常用的有磁性識(shí)別法和光電識(shí)別法。非接觸式磁性識(shí)別法 磁性識(shí)別法是利用磁性材料和非磁性材料磁感應(yīng)強(qiáng)弱不同，通過(guò)感應(yīng)線圈讀取代碼。編碼環(huán)的直徑相等，分別由導(dǎo)磁材料(如軟鋼)和非導(dǎo)磁材料(如黃銅、塑料等)制成，規(guī)定前者編碼為“1”，后者編碼為“0”。圖2-6所示為一種用于刀具編碼的磁性識(shí)別裝置。圖中刀柄1上裝有非導(dǎo)磁材料編碼環(huán)4和導(dǎo)磁材料編

29、碼環(huán)2、與編碼環(huán)對(duì)應(yīng)的有一組檢測(cè)線圈6組成非接觸式識(shí)別裝置3。在檢測(cè)線圈6的一次線圈5中輸入交流電壓時(shí)，如編碼環(huán)為導(dǎo)磁材料，則磁感應(yīng)較強(qiáng)，在二次線圈7中產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓。如編碼環(huán)為非導(dǎo)磁材料，則磁感應(yīng)較弱，在二次線圈中感應(yīng)的電壓較弱。利用感應(yīng)電壓的強(qiáng)弱，就能識(shí)別刀具的號(hào)碼。當(dāng)編碼環(huán)的號(hào)碼與指令刀號(hào)相等時(shí)，控制電路便發(fā)出信號(hào)，使刀庫(kù)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，等待換刀。刀具編碼的識(shí)別裝置原理如圖2-7所示。當(dāng)數(shù)控裝置接受穿孔紙帶給出的選刀號(hào)t代碼，由選刀控制電路使刀庫(kù)快速轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具依次通過(guò)識(shí)刀器，對(duì)應(yīng)每個(gè)刀具的編碼環(huán)感應(yīng)出不同的信號(hào)，經(jīng)刀號(hào)讀出電路將編碼環(huán)所表示的號(hào)碼讀出，通過(guò)輸入控制門存入刀號(hào)寄存器內(nèi)，然后送

30、入比較符合電路與數(shù)控裝置，對(duì)已接收的t代碼進(jìn)行比較。若與給定的t代碼不一樣，則刀庫(kù)仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到識(shí)刀器讀出的刀具或刀座編碼與t代碼一致時(shí)，發(fā)出選刀符合信號(hào)，說(shuō)明已選中刀具；此時(shí)刀庫(kù)減速、定位、停止，所選刀具停在等待換刀位置。圖中延時(shí)清零電路用來(lái)等待識(shí)刀器讀完一個(gè)編碼號(hào)后再進(jìn)行比較識(shí)別，以免因讀出信號(hào)時(shí)間上的不一致造成失誤。每讀完一次編碼，延時(shí)清零電路經(jīng)一定延時(shí)發(fā)出一次消零信號(hào)，使刀號(hào)寄存器清零復(fù)位，以便寄存下一個(gè)刀號(hào)。圖2-5接觸式刀具識(shí)別裝置 圖2-6 磁性識(shí)別裝置圖2-7 識(shí)刀裝置原理框圖光學(xué)纖維刀具識(shí)別裝置 這種裝置利用光導(dǎo)纖維很好的光傳導(dǎo)特性，采用多束光導(dǎo)纖維構(gòu)成閱讀頭。用靠近的兩束

31、光導(dǎo)纖維來(lái)閱讀二進(jìn)制碼的一位時(shí)，其中一束將光源投射到能反光或不能反光(被涂黑)的金屬表面，另一束光導(dǎo)纖維將反射光送至光電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以判斷正對(duì)這兩束光導(dǎo)纖維的金屬表面有無(wú)反射光，有反射時(shí)(表面光亮)為“1”，無(wú)反射時(shí)(表面涂黑)為“0”如圖2-8 (b)所示。在刀具的某個(gè)磨光部位按二進(jìn)制規(guī)律涂黑或不涂黑，就可以給刀具編上號(hào)碼。正當(dāng)中的一小塊反光部分用來(lái)發(fā)出同步信號(hào)。閱讀頭的端面如圖2-8(a)所示，共用的投光射出面為一矩形框，中間嵌進(jìn)一排共9個(gè)圓形受光入射面、當(dāng)閱讀頭端面正對(duì)刀具編碼部位，沿箭頭方向相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在同步信號(hào)作用下，可將刀具編碼讀入，并與給定的刀具號(hào)進(jìn)行比較而選刀。在光導(dǎo)

32、纖維中傳播的光信號(hào)比在導(dǎo)體中傳播的電信號(hào)具有更高的抗干擾能力。光導(dǎo)纖維可任意彎曲，這給機(jī)械設(shè)計(jì)、光源及光電轉(zhuǎn)換元件的安裝都帶來(lái)很大的方便。因此，這種識(shí)別方法很有發(fā)展前途。近年來(lái)，“圖像識(shí)別”技術(shù)也開始用于刀具識(shí)別，刀具不必編碼，而在刀具識(shí)別位置上利用光學(xué)系統(tǒng)將刀具的形狀投影到許多光電元件組成的屏板上，從而將刀具的形狀變?yōu)楣怆娦盘?hào)，經(jīng)信息處理后存人記憶裝置中。選刀時(shí)，數(shù)控指令t所指的刀具在刀具識(shí)別位置出現(xiàn)圖形時(shí)，便與記憶裝置中的圖形進(jìn)行比較，選中時(shí)發(fā)出選刀符合信號(hào)，刀具便停在換刀位置上。這種識(shí)別方法雖有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于該系統(tǒng)價(jià)格昂貴而限制了它的使用。圖2-8 光學(xué)纖維刀具識(shí)別裝置(3)利用pc實(shí)

33、現(xiàn)隨機(jī)換刀 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用軟件選刀以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的編碼環(huán)和識(shí)刀器。在這種選刀和換刀的方式中，刀庫(kù)上的刀具能與主軸上的刀具任意地直接交換，即隨機(jī)換刀。主軸上換來(lái)的新刀號(hào)及還回刀庫(kù)的刀具號(hào)，均在pc內(nèi)部相應(yīng)地存儲(chǔ)單元記憶。隨機(jī)換刀控制方式需要在pc內(nèi)部設(shè)量一個(gè)模擬刀庫(kù)的數(shù)據(jù)表，其長(zhǎng)度和表內(nèi)設(shè)置的數(shù)據(jù)與刀庫(kù)的位置數(shù)和刀具號(hào)相對(duì)應(yīng)。這種方法主要由軟件完成選刀，從而消除了內(nèi)于識(shí)刀裝置的穩(wěn)定性、可靠性所帶來(lái)的選刀失誤。atc(自動(dòng)換刀)控制和刀號(hào)數(shù)據(jù)表 如圖29所示，刀庫(kù)有8個(gè)刀座，可存放8把刀具。刀座固定位置編號(hào)為方框內(nèi)1號(hào)8號(hào)，0為主軸刀位置號(hào)，由于刀具本身不附帶編碼環(huán)，故刀具編號(hào)可任意沒(méi)定，

34、如圖294中(10)(18)的刀號(hào)。一旦給某刀編號(hào)后該編號(hào)不應(yīng)隨意改變。為了使用方使刀號(hào)也采用bcd碼編寫。在pc內(nèi)部建立一個(gè)模擬刀庫(kù)的刀號(hào)數(shù)據(jù)表，如圖2-10所示。數(shù)據(jù)表的表序號(hào)與刀庫(kù)刀座編號(hào)相對(duì)應(yīng)，每個(gè)表序號(hào)中的內(nèi)容就是對(duì)應(yīng)刀座中所插入的刀具號(hào)。圖中刀號(hào)表首地址tab單元固定存放主軸上的刀具號(hào)數(shù)，tab+1tar+8存放刀庫(kù)上的刀具號(hào)。由于刀號(hào)數(shù)據(jù)表實(shí)際上是刀庫(kù)中存放刀具位置的一種映像，所以刀號(hào)表與刀庫(kù)中刀具的位置應(yīng)始終保持一致。 圖2-9刀庫(kù)中刀具位置編號(hào) 圖2-10刀庫(kù)的刀號(hào)數(shù)據(jù)表刀具的識(shí)別 雖然刀具不附帶任何編碼裝置，且采用任意換刀方式，但是，由于在pc內(nèi)部設(shè)置的刀號(hào)數(shù)據(jù)表始終與刀具

35、在刀庫(kù)中的實(shí)際位置相對(duì)應(yīng)，所以對(duì)刀具的識(shí)別實(shí)質(zhì)上轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)刀庫(kù)位置的識(shí)別。當(dāng)?shù)稁?kù)旋轉(zhuǎn)，每個(gè)刀座通過(guò)換刀位置(基準(zhǔn)位置)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)送至pc，作為計(jì)數(shù)脈沖。同時(shí)在pc內(nèi)部設(shè)置一個(gè)刀庫(kù)位置計(jì)數(shù)器，當(dāng)?shù)稁?kù)正轉(zhuǎn)(cw)時(shí)，每發(fā)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，使該計(jì)數(shù)器遞增計(jì)數(shù)；當(dāng)?shù)稁?kù)反轉(zhuǎn)(ccw)時(shí)每發(fā)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，則計(jì)數(shù)器遞減計(jì)數(shù)。于是計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值始終在18之間循環(huán)，而通過(guò)換刀位置時(shí)的計(jì)數(shù)值(當(dāng)前值)總是指示刀庫(kù)的現(xiàn)在位置。當(dāng)pc接到新刀具的指令(txx)后，在模擬刀庫(kù)的刀號(hào)數(shù)據(jù)表中進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索，檢索到t代碼給定的刀號(hào)，將該刀具號(hào)所在數(shù)據(jù)表中的表號(hào)數(shù)存放在一個(gè)緩沖存儲(chǔ)單元中，這個(gè)表序號(hào)數(shù)就是新刀具在刀庫(kù)中的目

36、標(biāo)位置。刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)后，測(cè)得刀庫(kù)的實(shí)際位置與要求的刀庫(kù)目標(biāo)位置一致時(shí)，即識(shí)別了所要尋找的新刀具。刀庫(kù)停轉(zhuǎn)并定位，等待換刀。識(shí)別刀具的pc程序流程團(tuán)如圖2-11所示。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(guò)的舊刀和刀庫(kù)上選好的新刀進(jìn)行交換。與此同時(shí)，應(yīng)通過(guò)軟件修改pc內(nèi)部的刀號(hào)數(shù)據(jù)表，使相應(yīng)的刀號(hào)表單元中的刀號(hào)與交換后的刀號(hào)相對(duì)應(yīng)。圖2-11 識(shí)別刀具的pc程序流程框圖2.2.4刀具交換裝置實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)與機(jī)床主軸之間裝卸和傳遞刀具的裝置稱為刀具交換裝置。交換裝置的形式和具體結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)控機(jī)床的整體布

37、局、生產(chǎn)率和工作可靠性都有直接影響。交換裝置的形式很多，一般可分為兩大類。 由刀庫(kù)和主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀具交換 用這種形式交換刀具時(shí)，必須將主軸上用過(guò)的刀具送回刀庫(kù)，再?gòu)牡稁?kù)取出新刀，但兩個(gè)動(dòng)作不能同時(shí)進(jìn)行。它適用采用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。這種換刀方式?jīng)]有機(jī)械手，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；刀庫(kù)回轉(zhuǎn)是在工步與工步之間，故換刀時(shí)間長(zhǎng)，換刀動(dòng)作也較多，但卻免去了刀庫(kù)回轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)對(duì)加工精度的影響。在這種換刀方式中，刀庫(kù)可以是圓盤型、直線排列式、也可以是格子箱式等。圓盤式刀庫(kù)可設(shè)在立柱頂上、立柱主軸箱的側(cè)面，也可以設(shè)在橫梁一端。直線排列式刀庫(kù)可設(shè)在工作臺(tái)上方，也可設(shè)在工作臺(tái)

38、的一端或兩端。格子箱式刀庫(kù)可設(shè)在雙工作臺(tái)的中間。 由機(jī)械手進(jìn)行刀具交換 由于刀庫(kù)及刀具交換方式不同，換刀機(jī)械手種類繁多。機(jī)械手的類型如表2-2所示。表2-2 換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)類型形式應(yīng)用特點(diǎn)單臂單手式機(jī)械手作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)用于刀具主軸與刀庫(kù)刀座軸線平行的場(chǎng)合結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，換刀時(shí)間較長(zhǎng)機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)，其軸線與刀具主軸平行用于刀庫(kù)刀座軸線與主軸軸線平行的場(chǎng)合機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)，其軸線與刀具主軸垂直用于刀庫(kù)刀座軸線與主軸軸線垂直的場(chǎng)合單臂雙手式固定雙手式用于刀庫(kù)刀座軸線與主軸軸線平行的場(chǎng)合，廣泛用于加工中心可同時(shí)抓住主軸和刀庫(kù)中的刀具，并進(jìn)行拔出、插入，換刀時(shí)間短可伸縮雙手式剪式雙手式雙手不成180雙手式雙手

39、平行式這種機(jī)械手還起運(yùn)輸作用換到時(shí)間較短，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜雙手交叉式雙手有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)2.3本章小結(jié)本章主要介紹了加工中心自動(dòng)換刀裝置（atc）形式、特點(diǎn)及各自應(yīng)用范圍，另外介紹了加工中心中刀具識(shí)別與選擇的各種方式，最后介紹了換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。第3章 總體方案設(shè)計(jì)3.1 th5640d型立式加工中心及其主要參數(shù)th5640d是一臺(tái)小型立式加工中心，工件在一次裝夾后可自動(dòng)連續(xù)地完成銑、鉆、鏜、鉸、锪、攻絲等多種工序的加工，該機(jī)床適用于小型板件、盤件、殼體等復(fù)雜零件的多品種中小批量加工。其基本規(guī)格為：工作臺(tái)工作面尺寸（外形尺寸） （毫米）1000400（1200520）工作臺(tái)t型槽寬槽數(shù) （毫米）1

40、83工作臺(tái)左右行程（x軸） （毫米）1000工作臺(tái)前后行程（y軸） （毫米）500工作臺(tái)上下行程（z軸） （毫米）470主軸端面至工作臺(tái)面 （毫米）150620主軸錐孔 bt40主軸轉(zhuǎn)速（標(biāo)準(zhǔn)型/高速型） （轉(zhuǎn)/分）22.52250/454500主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī) （千瓦）交流主軸電機(jī)5.5/7.5（額定/30分鐘）快速移動(dòng)速度（x、y軸） （米/分）15 （z軸） （米/分）10進(jìn)給速度 （x、y、z軸） （毫米/分）14000進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī) （千瓦）交流1.4刀庫(kù)容量 20選刀方式 任選最大刀具尺寸 （毫米）80300最大刀具重量 （公斤）8刀庫(kù)電機(jī) （千瓦）交流伺服1.4工作臺(tái)容許負(fù)載 （公斤）

41、500滾珠絲杠尺寸（x、y、z軸） （毫米）4010鉆孔能力 （毫米）32攻絲能力 m24鏜孔能力 （自動(dòng)換刀時(shí)）（毫米）80銑削能力 （厘米/分）100氣源 （巴）57（250升/分）機(jī)床重量 （公斤）6500占地面積 （毫米）275626953.2 th5640d型立式加工中心自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)刀庫(kù)容量 20選刀方式 任選刀套尺寸 （毫米）60120最大刀具重量 （公斤）8相鄰刀套中心距離為85毫米刀柄為bt40刀柄蝸桿頭數(shù)=1，初定傳動(dòng)比為i=48，模數(shù)m=3.153.3確定th5640d型立式加工中心自動(dòng)換刀裝置的形式初步確定該立式加工中心刀庫(kù)的工作原理為：交流伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)撓性聯(lián)

42、軸器帶動(dòng)蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，刀庫(kù)形式采用盤型刀庫(kù)，該刀庫(kù)裝在蝸輪上通過(guò)蝸輪的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)刀庫(kù)的旋轉(zhuǎn)，如圖2-1所示。另外，盤型刀庫(kù)裝在立柱左側(cè)，因此刀套應(yīng)該能向下轉(zhuǎn)動(dòng)90，便于換刀。圖3-1 刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)原理圖機(jī)械手的形式暫時(shí)采用單臂雙手式機(jī)械手。3.4本章小結(jié)本章主要介紹了th5640d型立式加工中心及其主要參數(shù)。另外介紹了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所給的參數(shù)，確定了該加工中心刀庫(kù)基本的傳動(dòng)原理以及所選機(jī)械手的形式。第4章 刀庫(kù)的設(shè)計(jì)及計(jì)算4.1 確定刀庫(kù)容量刀庫(kù)容量設(shè)為20把。4.2確定刀庫(kù)形式刀庫(kù)容量為20,容量不大，并且用于小型立式加工中心，因此決定采用盤式刀庫(kù)。盤式刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用較多。此換刀裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)

43、簡(jiǎn)單，成本較低，換刀可靠性較好。整個(gè)換刀過(guò)程時(shí)間大約為4秒。4.3 初步估計(jì)刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩及選定電機(jī)刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇應(yīng)同時(shí)滿足刀庫(kù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的負(fù)載扭矩和啟動(dòng)時(shí)的加速扭矩的要求。（1） 刀庫(kù)負(fù)載扭矩的計(jì)算圓盤式刀庫(kù)負(fù)載扭矩估算方法：這種刀庫(kù)的負(fù)載扭矩主要用來(lái)克服刀具質(zhì)量的不平衡，估算按如下兩種情況進(jìn)行：第一，用平均重量的刀具插滿圓盤的半個(gè)圓，如圖4-1（a）所示，根據(jù)工藝要求所需的各種刀具，確定每個(gè)刀具的（包括刀柄）平均重量，而其重心則設(shè)定為離刀庫(kù)回轉(zhuǎn)中心2/3半徑處。第二，把三把最重的刀具放在一起，如圖4-1（b）所示。按加工中心規(guī)格規(guī)定的最大刀具質(zhì)量算，而其重心則設(shè)定為離刀庫(kù)回轉(zhuǎn)中心半徑處。（

44、2） 刀庫(kù)加速扭矩的計(jì)算式中 -刀庫(kù)選刀時(shí)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；-加速時(shí)間，通常取150200ms；-電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量（），可查樣本；-負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量（）（a）刀具插滿圓盤的半個(gè)圓 （b）三把最重的刀具插在一起圖4-1 刀庫(kù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法（3） 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出扭矩計(jì)算驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩應(yīng)同時(shí)滿足刀庫(kù)負(fù)載扭矩和加速扭矩之和，將以上計(jì)算的刀庫(kù)負(fù)載扭矩和加速扭矩轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸上的輸出扭矩的公式為式中i-電動(dòng)機(jī)軸至刀庫(kù)軸的速比；-傳動(dòng)效率?？紤]到實(shí)際情況比計(jì)算時(shí)所設(shè)定的條件復(fù)雜，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)為負(fù)載扭矩的1.21.5倍。設(shè)定當(dāng)兩個(gè)最大刀具相鄰放置時(shí)，其間距為5毫米，則相鄰

45、刀套中心距為85毫米，夾角為20度?？芍短追胖冒霃綖閙m，圓整為245mm。1） 刀庫(kù)負(fù)載扭矩的計(jì)算按方法二進(jìn)行估算，即將三把最重的刀放在一起，則負(fù)載扭矩=389.8245=57.6242） 加速扭矩的計(jì)算設(shè)刀具最大運(yùn)動(dòng)線速度為24m/min，則可確定刀庫(kù)選刀轉(zhuǎn)速為=15.6r/min，加速時(shí)間暫定為=200ms，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量可查相關(guān)樣本=2.14，負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量=30.01則可求得=0.263） 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩應(yīng)同時(shí)滿足刀庫(kù)負(fù)載扭矩和加速扭矩之和電動(dòng)機(jī)軸到刀庫(kù)軸的速比為i=48,蝸輪蝸桿的傳動(dòng)效率=0.7,則可求得=1.72電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩(1.21.5) =(2

46、.062.58) 而所選電機(jī)轉(zhuǎn)矩為10確定伺服電機(jī)型號(hào)為sm130-10n1500，其主要技術(shù)參數(shù)為：額定功率 1.5kw額定轉(zhuǎn)速 1500r/min額定電流 6a轉(zhuǎn)子慣量 0.00214機(jī)械時(shí)間常數(shù) 2.11ms工作電壓 220v4.4刀庫(kù)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的普通蝸輪蝸桿的相關(guān)設(shè)計(jì)蝸桿頭數(shù)=1，初定傳動(dòng)比為i=48，則蝸輪齒數(shù)=i=48，模數(shù)m=3.15，蝸桿分度圓直徑=48mm，蝸輪分度圓直徑=m=151.2mm中心距a=(+)/2=99.6mm,圓整中心距取=100mm，蝸輪變位系數(shù)=（a-）/m=-0.127，屬于1=x=-1的要求蝸輪齒頂高=(1-0.127) 3.15=2.75mm蝸輪齒根高

47、=(1+0.2+0.127) 3.15=4.18mm蝸輪齒根圓直徑=151.2-24.18=142.84mm蝸輪齒頂圓直徑=151.2+22.75=156.7mm蝸桿齒頂圓直徑=48+213.15=54.3mm蝸桿齒根圓直徑=48-23.15(1+0.2)=40.44mm考慮到傳遞的功率不大，轉(zhuǎn)速較低，選用za蝸桿傳動(dòng)，精度為5fgb10089-1988。蝸桿材料選用35crmo，表面淬火硬度4555hrc,表面粗糙度ra1.6m。蝸輪材料選用zcual10fe3，表面淬火硬度4555hrc,表面粗糙度ra1.6m。蝸輪蝸桿其他計(jì)算參數(shù)：蝸桿導(dǎo)程角r=arctan蝸桿齒形角為20蝸桿軸向齒距積

48、累誤差=0.0085mm蝸桿軸向齒距極限偏差=0.0048mm蝸輪齒形誤差=0.0071mm4.5確定刀具的選擇方式刀具的選擇方式為任意選擇方式中的計(jì)算機(jī)記憶式，可將刀具號(hào)和刀庫(kù)上存刀地址對(duì)應(yīng)地記憶在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)或可編程控制器內(nèi)。不論刀具放入那個(gè)地址，均可跟蹤記憶；利用刀庫(kù)上裝刀位置檢測(cè)裝置，可測(cè)得每一地址。這樣刀具可以任意存取，無(wú)需編碼元件，這種刀具任選方式使換刀控制大為簡(jiǎn)化。4.6刀庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圓盤式刀庫(kù)由專用的交流伺服電機(jī)14經(jīng)撓性聯(lián)軸器15、蝸桿24、蝸輪25，帶動(dòng)刀盤和盤上的20個(gè)刀套旋轉(zhuǎn)，如圖4-2所示。刀座的滾子在不旋轉(zhuǎn)的刀盤的槽中受到限位，刀盤在最下端的換刀位置開了一個(gè)缺口。刀

49、座以鉸鏈形式與支撐板相連。平時(shí)，由彈簧將滾子銷壓在刀套的凹槽中，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(kù)刀盤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28。氣缸28的活塞桿帶動(dòng)撥叉59上升，由剖視圖中可以看到，最下面的一個(gè)刀套右尾部的滾子正好進(jìn)入撥叉59的缺口。撥叉上升使刀套連同刀具逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)90，滾子銷退出支撐板的凹槽，刀座轉(zhuǎn)至垂直位置，等待機(jī)械手換刀。圖4-2圖4-3刀套的構(gòu)造如圖4-4所示，由圖中可以看到錐孔尾部有兩個(gè)球頭銷釘，后有彈簧用以?shī)A住刀具，故當(dāng)?shù)短仔D(zhuǎn)90后刀具不會(huì)下落。刀套頂部的滾子用以在刀套處于水平位置時(shí)支撐刀套。當(dāng)?shù)毒吒鼡Q完畢，該刀座插入從主

50、軸換下的刀具夾頭。通過(guò)氣缸作用，與上述動(dòng)作相反，刀座帶動(dòng)刀具夾頭順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直到水平位置為止，此時(shí)滾子銷重新處于支撐板的凹槽中。圖4-4 刀套結(jié)構(gòu)圖4.7本章小結(jié)本章主要是根據(jù)所給參數(shù)進(jìn)行刀庫(kù)電機(jī)的計(jì)算與選擇，以及刀庫(kù)傳動(dòng)時(shí)所用蝸輪蝸桿相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，確定了刀具的選擇方式。另外對(duì)刀庫(kù)工作原理進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。第5章 刀具交換裝置的設(shè)計(jì)5.1換刀機(jī)械手抓刀部分結(jié)構(gòu)圖5-1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖本機(jī)床上使用的換刀機(jī)械手為回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手。在自動(dòng)換刀過(guò)程中，機(jī)械手要完成抓刀、拔刀、交換主軸上和刀庫(kù)上的刀具位置、插刀、復(fù)位等動(dòng)作。單臂單手式機(jī)械手主要由手臂9和固定于其兩端的結(jié)構(gòu)完全相同的兩個(gè)手爪6組成。手爪

51、6上握刀的圓弧部分有一個(gè)錐銷4，機(jī)械手抓刀時(shí)，該錐銷插入刀柄的鍵槽中。當(dāng)機(jī)械手由原位轉(zhuǎn)75抓住刀具時(shí)，兩手爪上的長(zhǎng)銷12分別被主軸前端面和刀庫(kù)上的擋塊壓下，使軸向開有長(zhǎng)槽的活動(dòng)銷14在彈簧的作用下右移頂住刀具。機(jī)械手拔刀時(shí)，長(zhǎng)銷與擋塊脫離接觸，鎖緊銷被彈簧彈起，使活動(dòng)銷頂住刀具不能后退，這樣機(jī)械手在回轉(zhuǎn)180時(shí)，刀具不會(huì)被甩出。當(dāng)機(jī)械手上升插刀時(shí)，兩長(zhǎng)銷又分別被兩擋塊壓下，鎖緊銷從活動(dòng)銷孔中退出，松開刀具，機(jī)械手便可反轉(zhuǎn)75復(fù)位。5.2 機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如前述刀庫(kù)結(jié)構(gòu)，刀套向下轉(zhuǎn)90后，壓下行程開關(guān)，發(fā)出機(jī)械手抓刀信號(hào)。此時(shí)，機(jī)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(dòng)

52、齒條17向左移動(dòng)帶動(dòng)齒輪11轉(zhuǎn)動(dòng)。圖中5-2所示，8為升降液壓缸的活塞桿，齒輪1、齒條7和軸2為圖4-3中的齒輪11、齒條17和機(jī)械手臂軸16。連接盤3與齒輪1用螺栓連接，它們空套在機(jī)械手臂軸2上，傳動(dòng)盤5與機(jī)械手臂軸2用花鍵連接，它上端的銷子4插入連接盤3的銷孔中，故齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)便帶動(dòng)機(jī)械手臂軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)械手回轉(zhuǎn)75抓刀。抓刀動(dòng)作結(jié)束時(shí)，齒條17上的擋環(huán)12壓下行程開關(guān)14，發(fā)出拔刀信號(hào)，于是升降液壓缸15的上腔通壓力油，活塞桿推動(dòng)機(jī)械手臂軸16下降拔刀。在軸16下降時(shí)，傳動(dòng)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和其下面的齒輪4也是用螺栓連接的，它們空套在軸16上。當(dāng)拔刀

53、動(dòng)作完成后，軸16上的擋環(huán)2壓下行程開關(guān)1，發(fā)出換刀信號(hào)。這時(shí)轉(zhuǎn)位液壓缸20的右腔通壓力油，活塞桿推動(dòng)齒條19向左移動(dòng)，帶動(dòng)齒輪和連接盤5轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)銷子8，由傳動(dòng)盤帶動(dòng)機(jī)械手轉(zhuǎn)180，交換位于位于主軸和刀庫(kù)上的刀具位置。換刀動(dòng)作完成后，齒條19上的擋環(huán)6壓下行程開關(guān)9，發(fā)出插刀信號(hào)，使升降液壓缸下腔通壓力油，活塞桿帶著機(jī)械手臂軸上升插刀，同時(shí)傳動(dòng)下面的銷子8從連接盤5的銷孔中移出。插刀動(dòng)作完成后，軸16上的擋環(huán)壓下行程開關(guān)3，使轉(zhuǎn)位油缸20的左腔通壓力油，活塞桿帶著齒條19向右移動(dòng)復(fù)位，齒輪4空轉(zhuǎn)，機(jī)械手無(wú)動(dòng)作。齒條19復(fù)位后，其上擋環(huán)壓下行程開關(guān)7，使液壓缸18的左腔通壓力油，活塞桿帶著齒條

54、17向右移動(dòng)，通過(guò)齒輪11使機(jī)械手反轉(zhuǎn)75復(fù)位。機(jī)械手復(fù)位后，齒條17上的擋環(huán)壓下行程開關(guān)13，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。注：圖5-2中的氣缸15、機(jī)械手臂軸16、齒輪11、齒條17、銷子、擋環(huán)2分別相當(dāng)于圖5-3中的氣缸38、機(jī)械手臂軸2、齒輪43、齒條37、銷子48、擋環(huán)51。 圖5-2 機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖圖5-3 機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu)5.3 自動(dòng)換刀裝置的動(dòng)作順序自動(dòng)換刀的大致順序如圖5-4所示：第一， 見圖5-4（b），工件上某一表面加工完畢后，主軸停轉(zhuǎn)，主軸箱返回原點(diǎn)準(zhǔn)備換刀，此時(shí)刀庫(kù)早已根據(jù)指令將“新刀”轉(zhuǎn)到換刀位置上(即向下旋轉(zhuǎn)90),等待機(jī)械手抓取。第二， 見圖5-4（c），機(jī)械手由原始水平位置逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)75，機(jī)械手的兩夾爪同時(shí)抓住刀庫(kù)中的“新刀”與主軸中的“舊刀”。第三， 見圖5-4（d），機(jī)械手沿軸向?qū)⒌毒咄瑫r(shí)從主軸及刀庫(kù)中拔出。第四， 見圖