畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）XK5025型數(shù)控立銑床自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)

1、論文題目xk5025型數(shù)控立銑床自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì) 摘要從換刀系統(tǒng)發(fā)展的歷史來(lái)看，1956年日本富士通研究成功數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床，美國(guó)ibm公司同時(shí)也研制成功了“apt”（刀具程序控制中心）。1958年美國(guó)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。本論文介紹的是xka5025型數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì).該自動(dòng)換刀裝置由刀庫(kù)和換刀機(jī)械手組成.刀庫(kù)采用盤(pán)形結(jié)構(gòu),安裝在機(jī)床的左側(cè)立柱上.刀庫(kù)容量為六把,采用順序選刀方式.機(jī)械手選用回轉(zhuǎn)式雙臂

2、機(jī)械手. 根據(jù)給定的課題設(shè)計(jì)要求，綜合運(yùn)用所學(xué)的基本理論、基本知識(shí)和相關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，完成主要部件的裝配及關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，并繪制了必要的零部件圖，完成了關(guān)鍵零部件的三維建模。其中包括自動(dòng)換刀裝置的總體設(shè)計(jì)、原理方案的實(shí)現(xiàn)、主要部件的分析、傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算，并給出了關(guān)鍵部件的裝配圖和必要的零件圖。關(guān)鍵詞: 數(shù)控銑床 自動(dòng)換刀裝置 刀庫(kù) 換刀機(jī)械手目 錄1 緒 論11.1 數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀裝置概述11.2 數(shù)控銑床的主要功能及加工對(duì)象31.3 自動(dòng)換刀裝置（atc）的形式及設(shè)計(jì)要求51.4 本設(shè)計(jì)要完成的工作及要求62 總體方案的設(shè)計(jì)72.1 引 言72.2 xk5025數(shù)控立式升降臺(tái)

3、銑床及其主要參數(shù)72.3 自動(dòng)換刀裝置總的設(shè)計(jì)方案82.4 自動(dòng)換刀裝置的基本形式92.5 自動(dòng)換刀裝置整體方案構(gòu)思93 刀庫(kù)的設(shè)計(jì)113.1 確定刀庫(kù)容量113.2 刀庫(kù)形式的選擇123.3 刀庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)143.4 初估刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩及選定電機(jī)153.5 刀庫(kù)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)163.6 刀具選擇方式的確定164 刀具交換裝置的設(shè)計(jì)174.1 換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)形式概述174.2 本課題機(jī)械手結(jié)構(gòu)形式及工作原理184.3 自動(dòng)換刀過(guò)程的動(dòng)作順序194.4 自動(dòng)換刀裝置的相關(guān)技術(shù)要求205 結(jié)論與展望215.1 總結(jié)215.2 展望21參考文獻(xiàn)221 緒 論1.1 數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀裝置概述1.1.1 引

4、 言自動(dòng)換刀裝置(automatic tool changer) 簡(jiǎn)稱(chēng)atc ,作為加工中心的重要組成部分,其主要作用在于減少加工過(guò)程中的非切削時(shí)間,以提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本,進(jìn)而提升機(jī)床乃至整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)力。所以atc 在加工中心中扮演著極重要的角色。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(kù)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(kù)的功能是儲(chǔ)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(kù)的位置、體積大小能否適合加工中心的整體設(shè)計(jì)，刀庫(kù)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)能否使刀庫(kù)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)并準(zhǔn)確地停在換刀位置，運(yùn)動(dòng)過(guò)程

5、有無(wú)干涉、卡死等現(xiàn)象，都是設(shè)計(jì)人員非常關(guān)心的問(wèn)題。機(jī)械手的功能是把刀庫(kù)上的刀具送到主軸上，再把主軸上已用過(guò)的刀具送回刀庫(kù)。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(guò)大，都會(huì)造成換刀動(dòng)作失敗，掉刀。應(yīng)用虛擬制造技術(shù)進(jìn)行atc的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)和虛擬樣機(jī)仿真分析實(shí)驗(yàn)，可以在計(jì)算機(jī)的虛擬世界中發(fā)現(xiàn)和解決atc設(shè)計(jì)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。本文介紹了xk5025型數(shù)控立銑床自動(dòng)換刀裝置atc設(shè)計(jì)的過(guò)程。虛擬制造技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)建模和仿真的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)，它強(qiáng)調(diào)在實(shí)際投入原材料實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品之前，將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、測(cè)試、制造等過(guò)程在計(jì)算機(jī)構(gòu)造

6、的虛擬開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行數(shù)字化模擬。以設(shè)計(jì)為主的虛擬制造，是在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中虛擬設(shè)計(jì)出產(chǎn)品，并完成產(chǎn)品在設(shè)計(jì)研制階段要解決的問(wèn)題，即完成產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、實(shí)體造型，并在虛擬出的產(chǎn)品上進(jìn)行功能和產(chǎn)品工作性能的仿真，其結(jié)果用于修改設(shè)計(jì)。虛擬制造的優(yōu)越性在于可在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段解決產(chǎn)品的各個(gè)問(wèn)題；不需要制造出實(shí)體機(jī)器，節(jié)約大量投資；在計(jì)算機(jī)上解決問(wèn)題，制造過(guò)程變成信息的流動(dòng)和處理，是網(wǎng)絡(luò)制造的基礎(chǔ)；可以在網(wǎng)絡(luò)上試銷(xiāo)售等。1.1.2 atc的概念設(shè)計(jì) 概念設(shè)計(jì)是指在方案設(shè)計(jì)的初始階段，根據(jù)市場(chǎng)需求及可利用資源，對(duì)產(chǎn)品作宏觀上的輪廓設(shè)計(jì)，這一過(guò)程包括明確功能和對(duì)原理、技術(shù)、材料、工藝等進(jìn)行設(shè)想和創(chuàng)新，以及對(duì)方案進(jìn)

7、行技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上可行性的測(cè)試。當(dāng)有成熟軟件時(shí)，概念設(shè)計(jì)的周期和耗費(fèi)會(huì)極大減少。本設(shè)計(jì)為xk5025型數(shù)控立銑床的自動(dòng)換刀裝置，基于用戶(hù)要求、統(tǒng)計(jì)調(diào)查和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行atc的概念設(shè)計(jì)。確定atc的設(shè)計(jì)參數(shù)為固定式刀庫(kù)，容量為6把，換刀時(shí)間（刀對(duì)刀）小于2秒。刀庫(kù)形式為盤(pán)式刀庫(kù)，用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿與蝸輪，采用滑動(dòng)導(dǎo)軌定向的方式。換刀機(jī)械手采用復(fù)合凸輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，定位準(zhǔn)確，速度快。1.1.3 atc虛擬樣機(jī)模型的建立概念設(shè)計(jì)完成之后，以u(píng)g2.0為設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行造型設(shè)計(jì)。先對(duì)零件進(jìn)行二維草圖設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行尺寸約束，通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)等方式完成對(duì)單個(gè)零件的建模過(guò)程。在零件建模的過(guò)程中，只對(duì)大型零件或主要零件（

8、如鏈輪、鏈節(jié)、軸等）進(jìn)行造型，對(duì)螺釘?shù)确侵饕慵谘b配時(shí)再通過(guò)外加力的大小等條件自動(dòng)生成所需零件。零件造型后進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)，直到完成自動(dòng)換刀裝置的整體模型，整個(gè)過(guò)程是參數(shù)化的。同二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)一樣，構(gòu)造模型的過(guò)程也是機(jī)床的設(shè)計(jì)過(guò)程，設(shè)計(jì)思想在模型上體現(xiàn)出來(lái)。在進(jìn)行鏈?zhǔn)降稁?kù)的三維設(shè)計(jì)時(shí)，遇到了幾個(gè)問(wèn)題：（1） 刀庫(kù)安裝位置的設(shè)計(jì)選擇刀庫(kù)安裝位置時(shí)，應(yīng)注意換刀位置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；換刀時(shí)間短；便于換刀裝置的檢查和維修；滿(mǎn)足機(jī)床總體布局要求。采用固定式刀庫(kù)，在機(jī)床底座上設(shè)置獨(dú)立支架承載方式，即在工作臺(tái)左側(cè)保持一定距離安裝承載支架，將atc固定在支架上。主軸必須移到換刀位置換刀，換刀位置定位控制系統(tǒng)要求比較高。由

9、于要求設(shè)計(jì)全封閉式加工中心，整體體積不宜過(guò)大，能否在有限的空間安裝好刀庫(kù)，使之與加工中心其它模塊不相干涉，使主軸能順利地移動(dòng)到換刀位置，這些問(wèn)題在三維設(shè)計(jì)中得到了解決。通過(guò)觀察刀庫(kù)和機(jī)械手與加工中心其它模塊的裝配模型，檢查干涉，并直接在三維模型上進(jìn)行修改，使設(shè)計(jì)結(jié)果結(jié)構(gòu)緊湊，空間安排合理。（2）作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的刀庫(kù)的支承和導(dǎo)向、刀套換刀位置的調(diào)整裝置設(shè)計(jì)、刀具的鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等，可視化的樣機(jī)模型都使我們迅速確定了最優(yōu)方案，提高了設(shè)計(jì)效率。使用ug建模時(shí)，要注意：（1）零件造型的過(guò)程應(yīng)與零件的制造工藝過(guò)程一致，也就是說(shuō)零件怎樣加工出來(lái)就怎樣建模；（2）零件的裝配約束盡量簡(jiǎn)化且符合實(shí)際情況，否則轉(zhuǎn)換到w

10、orking model中會(huì)顯示為不正確的鉸鏈約束。應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行atc虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）將設(shè)計(jì)思想直觀地表達(dá)出來(lái)，便于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并可在模型上直接修改；（2）裝配造型時(shí)，可隨時(shí)進(jìn)行干涉檢查，根據(jù)顯示的干涉量編輯修改完零件后，部件自動(dòng)更新并且依然保持裝配的相關(guān)性。（3）在軟件中可以得到一個(gè)零件或整個(gè)atc的質(zhì)量，因?yàn)閍tc作為加工中心的一個(gè)模塊，它的質(zhì)量對(duì)于加工中心整體設(shè)計(jì)是有影響的。這些功能極大地方便了設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)更加完善，效率更高。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成之后，atc的虛擬樣機(jī)模型為進(jìn)一步進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析提供了實(shí)體模型。1.1.4 國(guó)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)

11、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(kù)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。 從換刀系統(tǒng)發(fā)展的歷史來(lái)看，1956年日本富士通研究成功數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床，美國(guó)ibm公司同期也研制成功了“apt”(刀具程序控制裝置)。1958年美國(guó)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定

12、了數(shù)控刀具錐柄的國(guó)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(lái)越大。在現(xiàn)有的各種類(lèi)型的加工中心中，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)的造價(jià)在機(jī)床整機(jī)造價(jià)中總是占著很大比重，這是加工中心價(jià)格居高不下、應(yīng)用不普遍的重要原因。如果把自動(dòng)換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造從現(xiàn)有加工中心的制造模式中分離出來(lái)，把它作為加工中心的標(biāo)準(zhǔn)件或附件組織專(zhuān)門(mén)化的生產(chǎn)，同時(shí)由于該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用簡(jiǎn)化了機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)、采用彈簧夾頭和外驅(qū)動(dòng)機(jī)械手等關(guān)鍵技術(shù)、采用圓柱柄刀具和輔具，這不僅使數(shù)控機(jī)床工作性能有所提高，而且使得由它配套構(gòu)成的加工中心的總體造價(jià)大幅度下降。低造價(jià)高

13、性能的加工中心將會(huì)被中小廠廣泛接收，這樣必將給自動(dòng)換刀系統(tǒng)生產(chǎn)廠商和加工中心制造廠商帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。1.2 數(shù)控銑床的主要功能及加工對(duì)象1.2.1 數(shù)控銑床的功能 （1）點(diǎn)位控制功能此功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相互位置精度要求很高的孔系加工。（2）連續(xù)輪廓控制功能 此功能可以實(shí)現(xiàn)直線、圓弧的插補(bǔ)功能及非圓曲線的加工。（3）刀具半徑補(bǔ)償功能 此功能可以根據(jù)零件圖樣的標(biāo)注尺寸來(lái)編程，而不必考慮所用刀具的實(shí)際半徑尺寸，從而減少編程時(shí)的復(fù)雜數(shù)值計(jì)算。（4）刀具度補(bǔ)償功能 此功能可以自動(dòng)補(bǔ)償?shù)毒叩拈L(zhǎng)短，以適應(yīng)加工中對(duì)刀具長(zhǎng)度尺寸調(diào)整的要求。 （5）比例及鏡像加工功能 比例功能可將編好的加工程序按指定比例改變坐標(biāo)

14、值來(lái)執(zhí)行。鏡像加工又稱(chēng)軸對(duì)稱(chēng)加工，如果一個(gè)零件的形狀關(guān)于坐標(biāo)軸對(duì)稱(chēng)，那么只要編出一個(gè)或兩個(gè)象限的程序，而其余象限的輪廓就可以通過(guò)鏡像加工來(lái)實(shí)現(xiàn)。 （6）旋轉(zhuǎn)功能 該功能可將編好的加工程序在加工平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)任意角度來(lái)執(zhí)行。（7）子程序調(diào)用功能 有些零件需要在不同的位置上重復(fù)加工同樣的輪廓形狀，將一輪廓形狀的加工程序作為子程序，在需要的位置上重復(fù)調(diào)用，就可以完成對(duì)該零件的加工。（8）宏程序功能該功能可用一個(gè)總指令代表實(shí)現(xiàn)某一功能的一系列指令，并能對(duì)變量進(jìn)行運(yùn)算，使程序更具靈活性和方便性。1.2.2 數(shù)控銑床的加工對(duì)象與加工中心相比，數(shù)控銑床除了缺少自動(dòng)換刀功能及刀庫(kù)外，其他方面均與加工中心類(lèi)同，也可

15、以對(duì)工件進(jìn)行鉆、擴(kuò)、鉸、锪和鏜加工與攻絲等，但它主要還是被用來(lái)對(duì)工件進(jìn)行銑削加工，這里所說(shuō)的主要加工對(duì)象及分類(lèi)也是從銑削加工的角度來(lái)考慮的。從銑削加工的角度可以把加工對(duì)象分為以下三類(lèi)：（1）平面類(lèi)零件加工面平行、垂直于水平面或其加工面與水平面的夾角為定角的零件稱(chēng)為平面零件。平面零件的特件是，各個(gè)加工單元面是平面，或可以展開(kāi)成為平面。平面零件是數(shù)控銑削加工對(duì)象中最簡(jiǎn)單的一類(lèi)，一般只須用3左邊數(shù)控銑床的兩左邊聯(lián)動(dòng)就可以把他們加工出來(lái)。（2）變斜角類(lèi)零件加工面與水平面的夾角呈連續(xù)變化的零件成為變斜角類(lèi)零件，這類(lèi)零件多數(shù)為飛機(jī)零件，如飛機(jī)上的整體梁、框、緣條與肋等，此外還有檢驗(yàn)夾具與裝配型架等。變斜角

16、類(lèi)零件的變斜角加工面不能展開(kāi)為平面，但在加工中，加工面與銑刀圓周接觸的瞬間為一條直線。最好采用4坐標(biāo)和5坐標(biāo)數(shù)控銑床擺角加工，在沒(méi)有上述機(jī)床時(shí)，也可以用3坐標(biāo)數(shù)控銑床上進(jìn)行2.5坐標(biāo)近似加工。（3）曲面類(lèi)（立體類(lèi)）零件 加工面為空間曲面的零件稱(chēng)為曲面零件。零件的特點(diǎn)其一是加工面不能展開(kāi)為平面；其二是加工面與銑刀始終為點(diǎn)接觸。此類(lèi)零件一般采用3坐標(biāo)數(shù)控銑床。1.3 自動(dòng)換刀裝置（atc）的形式及設(shè)計(jì)要求1.3.1 自動(dòng)換刀裝置（atc）的形式加工中心與一般數(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

17、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。atc 的主要組成部分是刀庫(kù)、機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)裝置。刀庫(kù)的功能是存儲(chǔ)刀并把下一把即將要用的刀具準(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?kù)容量大時(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(kù)之間配置換刀機(jī)構(gòu)來(lái)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(chēng)為機(jī)械手。具體來(lái)說(shuō),它的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與刀庫(kù)之間的傳遞。驅(qū)動(dòng)裝置則是使刀庫(kù)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。1.3.2 atc 換刀動(dòng)作分析及設(shè)計(jì)要求從根本上

18、說(shuō),機(jī)械系統(tǒng)總的功能要求是完成一定的工藝動(dòng)作過(guò)程。而對(duì)于某一類(lèi)機(jī)械系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì),有必要首先深刻了解對(duì)象本身的特點(diǎn),然后得出加工中心atc的換刀動(dòng)作與設(shè)計(jì)要求。 1） 換刀動(dòng)作 換刀臂完成擺刀站或刀庫(kù)與主軸頭上新舊刀具的交換。其動(dòng)作主要有抓刀,插、拔刀,換刀和復(fù)位幾個(gè)動(dòng)作。換刀動(dòng)作和換刀臂的型式有密切關(guān)系,可歸結(jié)為下列七種類(lèi)型：(1) 旋轉(zhuǎn)抓刀型：換刀臂旋轉(zhuǎn)抓刀和松刀,直進(jìn)插拔刀,以及旋轉(zhuǎn)換刀。(2) 直進(jìn)抓刀型：換刀臂直進(jìn)抓刀和松刀,直進(jìn)插拔刀,以及旋轉(zhuǎn)換刀。(3) 夾爪旋轉(zhuǎn)抓刀：換刀臂夾爪旋轉(zhuǎn)抓刀和松刀,直進(jìn)插拔刀,以及旋轉(zhuǎn)換刀。(4) 夾爪直進(jìn)抓刀：換刀臂夾爪直進(jìn)抓刀和松刀,直進(jìn)插拔刀,

19、以及旋轉(zhuǎn)換刀。(5) 雙平行爪抓刀型：換刀臂夾爪直進(jìn)抓刀和松刀,主軸頭直進(jìn)插拔刀,以及主軸頭直進(jìn)換刀。(6) 剪式(雙刀臂閉合) 抓刀型：換刀臂旋轉(zhuǎn)閉合抓刀和松刀、直進(jìn)拔刀和插刀、以及旋轉(zhuǎn)換刀。(7) 雙臂擺動(dòng)抓刀型：雙臂擺動(dòng)抓刀、直進(jìn)拔刀和插刀、以及擺動(dòng)換刀。擺刀站完成刀庫(kù)中取出刀具的位置與換刀臂進(jìn)行換刀前刀具位置之間的中轉(zhuǎn)動(dòng)作,根據(jù)兩個(gè)位置方位的不同,多為直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)或兩者的結(jié)合。送刀臂完成刀庫(kù)中刀具與擺刀站中刀具的交換動(dòng)作,因此它的動(dòng)作類(lèi)型與換刀臂的動(dòng)作類(lèi)型相似。 2） atc設(shè)計(jì)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求從以上的分析介紹,可以得出atc 的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)具有如下特點(diǎn)： 屬于典型的開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)；atc

20、 各個(gè)組成部分的功能具有相對(duì)的獨(dú)立性；組成結(jié)構(gòu)與刀庫(kù)、主軸之間的相對(duì)位置關(guān)系密切相關(guān)；atc 的設(shè)計(jì)必須考慮機(jī)床三軸運(yùn)動(dòng)的參與。同時(shí)，atc 的設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到如下要求：(1) 換刀時(shí)間越短越好；(2) 換刀機(jī)構(gòu)所占的空間??；(3) 機(jī)械構(gòu)造簡(jiǎn)單；(4) 加工或換刀時(shí),不可與工件或工作臺(tái)發(fā)生干涉。(5) 能夠在切削時(shí)間內(nèi)完成換刀前的準(zhǔn)備動(dòng)作；(6) 刀庫(kù)離開(kāi)主軸一段距離,以減少切屑和切削液的污染；(7) 刀庫(kù)與換刀機(jī)構(gòu)最好同機(jī)床主體分開(kāi),防止振動(dòng)對(duì)精度的影響；(8) 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化或模塊化；(9) 良好的可靠性和定位精度；(10)足夠的刀具夾緊力和夾持力。1.4 本設(shè)計(jì)要完成的工作及要求本設(shè)計(jì)內(nèi)容是根據(jù)

21、xk5025型數(shù)控立銑床的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)該機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置，刀庫(kù)采用盤(pán)形結(jié)構(gòu),安裝在機(jī)床的左側(cè)立柱上.刀庫(kù)容量為六把,采用順序選刀方式。機(jī)械手選用回轉(zhuǎn)式雙臂機(jī)械手。具體包括該換刀裝置的原理方案構(gòu)思和擬定；原理方案的實(shí)現(xiàn)、傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)；關(guān)鍵技術(shù)的分析與實(shí)現(xiàn)、主要零部件結(jié)構(gòu)的3d設(shè)計(jì)及虛擬裝配； 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求，設(shè)計(jì)可完成規(guī)定的xk5025型數(shù)控立銑床自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)?？赏瓿烧n題中所提出的任務(wù)和要求，并做出書(shū)面機(jī)械設(shè)計(jì)方案。具體包括機(jī)器裝置的原理方案；完成具體各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)的分析與計(jì)算、主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖；完成關(guān)鍵零部件的三維建模；完成主要部件的裝配及關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。

22、本設(shè)計(jì)由三個(gè)人參與，各有各的分工，本人的任務(wù)是理論方案設(shè)計(jì)的可行性研究以及各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)，同學(xué)間又相互溝通，使方案達(dá)到最佳。2 總體方案的設(shè)計(jì)2.1 引 言本設(shè)計(jì)的任務(wù)是把xk5025型數(shù)控立銑床改裝成小型立式加工中心，改成后此機(jī)床具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、生產(chǎn)效率高、精度較高 , 能完成銑、鉆、擴(kuò)、鉸、锪、攻絲等多種加工工序 , 能進(jìn)行小型板類(lèi)、盤(pán)類(lèi)、殼類(lèi)、模具類(lèi)等復(fù)雜零件的多品種中小批量加工。主軸采用高速電主軸； 工作臺(tái)采用的是 x - y雙向精密數(shù)控工作臺(tái)； 可以實(shí)現(xiàn) x、y、z三個(gè)方向的進(jìn)給；有自動(dòng)換刀裝置 , 可以安裝各類(lèi)鉆、銑類(lèi)刀具并自動(dòng)換刀。依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，我們的任務(wù)是給

23、xk50325數(shù)控立式升降臺(tái)銑床設(shè)計(jì)安裝合適的自動(dòng)換刀裝置。主要技術(shù)參數(shù)為： 1）刀庫(kù)容量：4-6 2）選刀方式：順序選刀 3）重復(fù)精度： 5 xk5025數(shù)控立式升降臺(tái)銑床主要由床身、升降臺(tái)、工作臺(tái)、立銑頭、主傳動(dòng)、主變速、拉刀機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、吊掛、電柜等部分組成。機(jī)床本身并不帶自動(dòng)換刀裝置。自動(dòng)換刀裝置作為一套獨(dú)立的、完整的機(jī)床部件，設(shè)計(jì)依據(jù)是該機(jī)床的型式、工藝范圍及刀具的種類(lèi)和數(shù)量等。2.2 xk5025數(shù)控立式升降臺(tái)銑床及其主要參數(shù) xk5025數(shù)控立式升降臺(tái)銑床是南通機(jī)床廠生產(chǎn)的帶有立銑頭的立式銑床，為機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)，三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，是一種使用很廣的機(jī)床，它可以使

24、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(fù)循環(huán)和框式循環(huán)或按坐標(biāo)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。該機(jī)床適用于機(jī)械制造的各種類(lèi)部門(mén)，也適用于軍工部門(mén)。其主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù)如下表一：表一 機(jī)床主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù)參數(shù)名稱(chēng)單位數(shù)量工作臺(tái)面尺寸（長(zhǎng)x寬）mm320 x 1320工作臺(tái)縱向（x）行程mm780工作臺(tái)縱向（y）行程mm300工作臺(tái)縱向（z）行程mm380主軸孔徑mm29立銑頭最大回轉(zhuǎn)角度45主軸轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)18主軸轉(zhuǎn)速范圍r/min30-1500工作臺(tái)進(jìn)給級(jí)數(shù)無(wú)級(jí)主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率kw7.5主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速r/min1440工作臺(tái)最大承載

25、重量kg320主軸最大扭矩nm1000機(jī)床外形尺寸（長(zhǎng)x寬x高）mm1929 x 2055 x 2216機(jī)床重量kg2800該機(jī)床推薦使用的最大切削范圍如下：銑切鋼時(shí)，鋼的含碳量0.45%，抗拉強(qiáng)度600n/mm2。銑刀直徑 100mm，齒數(shù)4；銑切寬度50mm，銑切深度3 mm；主軸轉(zhuǎn)速750 r/min，進(jìn)給量750mm/min。 而銑切灰鑄鐵時(shí)，材料ht200，硬度hb150225。銑刀直徑 250mm，齒數(shù)14； 銑切寬度150mm，銑切深度3.7 mm；主軸轉(zhuǎn)速47.5 r/min，進(jìn)給量300mm/min。為使加工中心的結(jié)構(gòu)緊湊，減小加工中心的外形尺寸，降低成本，在設(shè)計(jì)自動(dòng)換刀裝置

26、時(shí)，應(yīng)在滿(mǎn)足使用要求的前提下，盡量使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，價(jià)格低廉，易制造，拆卸、裝配維修方便，備件容易得到。2.3 自動(dòng)換刀裝置總的設(shè)計(jì)方案 帶刀庫(kù)的自動(dòng)換到形式主要是由刀庫(kù)和刀具交換裝置組成。目前這種換刀方法在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用最為廣泛。帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床主軸箱和轉(zhuǎn)塔主軸頭相比較，由于主軸箱內(nèi)只有一個(gè)主軸，所以主軸部件具有足夠剛度，因而能夠滿(mǎn)足各種精密加工的要求。另外，刀庫(kù)可以存放數(shù)量較多的刀具，可進(jìn)行復(fù)雜零件的多工序加工，可明顯提高數(shù)控機(jī)床的適應(yīng)性和加工效率。這種帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置特別適用于數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床和數(shù)控鏜床。刀庫(kù)有多種形式，數(shù)控機(jī)床上常用的有盤(pán)式和鏈?zhǔn)絻煞N。交換裝置的機(jī)

27、械手形式也多樣，目前在數(shù)控機(jī)床上用得最多的是回轉(zhuǎn)式雙臂機(jī)械手。其他形式還有擺動(dòng)式單臂雙爪機(jī)械手、單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手、雙機(jī)械手等等。初定其換刀裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)：為固定式刀庫(kù)，容量為六把，換刀時(shí)間短。由于刀具較少，因此采用刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的盤(pán)式刀庫(kù)。刀具的選擇方式為記憶式的任選換刀，機(jī)械手選用回轉(zhuǎn)式雙臂機(jī)械手。2.4 自動(dòng)換刀裝置的基本形式確定其自動(dòng)換刀裝置的形式：自動(dòng)換刀裝置是加工中心的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的形式多種多樣，目前常見(jiàn)的有三種：回轉(zhuǎn)刀架換刀、更換主軸頭換刀和帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)。本課題設(shè)計(jì)此機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置，考慮采用帶刀庫(kù)和機(jī)械手的自動(dòng)換刀系統(tǒng)。根據(jù)xk5025型數(shù)控立銑床的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)該機(jī)

28、床的自動(dòng)換刀裝置，刀庫(kù)采用盤(pán)形結(jié)構(gòu),安裝在機(jī)床的左側(cè)立柱上。刀庫(kù)容量為六把。至于選刀方式與換刀形式則要求我們發(fā)揮想象，提倡創(chuàng)新設(shè)計(jì)思想。 2.5 自動(dòng)換刀裝置整體方案構(gòu)思2.5.1 atc創(chuàng)新設(shè)計(jì)思想一個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)在概念設(shè)計(jì)階段 ,傳統(tǒng)的方法總是根據(jù)需求獲得需要的功能 ,隨后進(jìn)行方案設(shè)計(jì) ,產(chǎn)品往往缺乏創(chuàng)新性。對(duì)于加工中心自動(dòng)換刀裝置 ,根據(jù)其特定的功能及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) ,我們提出抽象 分析 綜合的設(shè)計(jì)思想。第一步：抽象。首先對(duì)現(xiàn)有換刀系統(tǒng)進(jìn)行廣泛研究和深刻了解 ,抽象出對(duì)象的共性特征 ,這是一個(gè)收斂并結(jié)合實(shí)際的過(guò)程 ,既可吸取和總結(jié)已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)又為創(chuàng)新設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。第二步：分析 ,即功能分解 ,從根

29、本上說(shuō) ,機(jī)械系統(tǒng)總的功能要求是完成一定的工藝動(dòng)作過(guò)程。因此對(duì)于 atc 來(lái)說(shuō) ,可以從它的總的功能要求出發(fā) ,根據(jù)其換刀動(dòng)作特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求 ,運(yùn)用功能 行為 結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)分析模式找出對(duì)應(yīng)功能元的多種機(jī)構(gòu)。這是一個(gè)思維發(fā)散的過(guò)程。第三步：綜合。結(jié)合機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求和約束并考慮其空間和時(shí)序關(guān)系 ,進(jìn)行機(jī)構(gòu)組合 ,最后進(jìn)行評(píng)價(jià)選優(yōu) ,從而達(dá)到創(chuàng)新設(shè)計(jì)的目的。2.5.2 整體方案的擬定課題組對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，查閱了相關(guān)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的很多資料，并作出大量假設(shè)和設(shè)想，最終完成機(jī)械設(shè)計(jì)的構(gòu)思。再由于以上的設(shè)計(jì)要求，課題組對(duì)此作了以下的設(shè)計(jì)方案： （1）加工中心自動(dòng)換刀裝置的形式 加工中心

30、自動(dòng)換刀裝置的形式有兩種：有機(jī)械手換刀和無(wú)機(jī)械手換刀。課題組通過(guò)對(duì)這兩種方式進(jìn)行比較，并考慮到所設(shè)計(jì)的小型加工中心的用途、結(jié)構(gòu)等各種因素，所以決定采用有機(jī)械手換刀。 （2）有機(jī)械手換刀裝置刀庫(kù)的設(shè)計(jì) 刀庫(kù)形式的選取。有機(jī)械手換刀方式中，刀庫(kù)可以是圓盤(pán)形、直線排列式 , 也可以是格子箱式等，由于刀庫(kù)容量只有6把刀具，所以決定采用圓盤(pán)形式。 刀庫(kù)的組成部件中主要有刀盤(pán)部件、軸承、軸承套、軸、箱 蓋、撥 銷(xiāo)、鎖止盤(pán)、電機(jī)、蝸輪、蝸桿、箱體等結(jié)構(gòu)組成。刀庫(kù)主要參數(shù)的確定。在銑削輪廓時(shí)，為了保證一次連續(xù)地加工出全部表面，應(yīng)選用半徑小于工件最小輪廓半徑的刀具，而在實(shí)際的生產(chǎn)加工中，常盡量選用直徑較大的銑刀

31、，因?yàn)榇笾睆姐姷秳傂院?，耐用度高。由xk5025數(shù)控立式升降臺(tái)銑床推薦使用的最大切削范圍可知，當(dāng)銑切鋼時(shí)，銑刀直徑為 100 mm。當(dāng)銑灰鑄鐵時(shí)，銑刀直徑達(dá) 250mm。因此，為了滿(mǎn)足該機(jī)床的實(shí)際加工能力與生產(chǎn)情況，在設(shè)計(jì)其自動(dòng)換刀裝置時(shí)，應(yīng)該根據(jù)最大的刀具直徑來(lái)設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)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。刀盤(pán)部分的設(shè)計(jì)。刀盤(pán)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(pán)直徑、刀爪尺寸和夾塊的設(shè)計(jì)。刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。此機(jī)構(gòu)主要是用來(lái)驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)的分度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，保證刀庫(kù)的可靠性。課題組通過(guò)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(kù)的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)

32、電機(jī)的選擇時(shí), 須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，由于蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的定位精度不高，所以決定采用交流伺服電機(jī)。 （3）有機(jī)械手換刀裝置的安裝 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(lèi)、工藝范圍以及刀具的種類(lèi)和數(shù)量等。 由于xk5025數(shù)控立式升降臺(tái)銑床是一種使用范圍較廣的機(jī)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(kù)的自動(dòng)換刀形式。 帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置是由刀庫(kù)和刀具交換裝置（換刀機(jī)械手）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，其整過(guò)換刀過(guò)程比較復(fù)雜。首先把加工過(guò)程中需要使用的全部刀具安裝在標(biāo)準(zhǔn)的刀柄上，在

33、機(jī)床外進(jìn)行尺寸預(yù)調(diào)后，按一定的方式裝入刀庫(kù)。換刀時(shí)，先在刀庫(kù)中進(jìn)行選刀，由機(jī)械手從刀庫(kù)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(kù)。存放刀具的刀庫(kù)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，也可以作為獨(dú)立部件安裝在機(jī)床以外。xk5025數(shù)控立式升降臺(tái)銑床主軸箱上方?jīng)]有好的安裝位置，安裝在機(jī)床外又要增加刀具運(yùn)輸時(shí)間，降低效率，所以安裝在機(jī)床側(cè)面最合適，有些部件交錯(cuò)的地方，作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。因?yàn)閤k5025數(shù)控立式升降臺(tái)銑床外形及其他性能參數(shù)等均與jcs018a數(shù)控立式鏜銑床相似，所以本機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)將仿效jcs018a數(shù)控立式鏜銑床換刀裝置，設(shè)計(jì)成由由盤(pán)式刀庫(kù)和回轉(zhuǎn)

34、式雙臂機(jī)械手組成。設(shè)計(jì)增加自動(dòng)換刀裝置后的xk5025數(shù)控立式升降臺(tái)銑床的外觀圖如圖2-1所示。圖2-1 xka5025數(shù)控立式升降臺(tái)銑床的外觀圖3 刀庫(kù)的設(shè)計(jì)3.1 確定刀庫(kù)容量本機(jī)床主要用來(lái)加工小型零件或多孔零件上的小孔和小平面，所以刀庫(kù)上主要安裝一些孔加工刀具(如鉆頭、擴(kuò)孔等)和加工小平面用的立銑刀及小直徑的面銑刀；同時(shí)又考慮到所選用電主軸軸端的尺寸及刀盤(pán)直徑等的限制；再考慮到主要用于中小批量生產(chǎn)及教學(xué)實(shí)驗(yàn)等，刀具的品種不宜過(guò)多，以免造成不必要的浪費(fèi)和刀庫(kù)尺寸過(guò)大，所以確定刀庫(kù)容量采用6把刀。3.2 刀庫(kù)形式的選擇刀庫(kù)是存儲(chǔ)刀具的裝置,常見(jiàn)的刀庫(kù)主要有以下幾種形式：3.2.1 轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)

35、 如圖3-1a、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(wú)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(jiǎn)單的機(jī)型。常見(jiàn)于車(chē)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。圖3-1 轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)3.2.2 盤(pán)式刀庫(kù)如圖3-2ac所示，刀庫(kù)呈盤(pán)狀。刀具沿盤(pán)面垂直排列(包括徑向取刀和軸向取刀)、沿盤(pán)面徑向排列或成銳角排列的形式的刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，應(yīng)用較多，但刀具單環(huán)排列，空間利用率低。若增加刀庫(kù)容量必須使刀庫(kù)的外徑增大，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也相應(yīng)增大，選刀運(yùn)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。刀具數(shù)量一般不多于32 把；刀具呈多環(huán)排列的刀庫(kù)的空間利用率高，但必然

36、使得取刀機(jī)構(gòu)復(fù)雜，適用于機(jī)床空間受限制而刀庫(kù)容量又較大的場(chǎng)合；雙盤(pán)式結(jié)構(gòu)是兩個(gè)較小容量的刀庫(kù)分置于主軸兩側(cè)，布局較緊湊，儲(chǔ)刀數(shù)量也相應(yīng)增大,適用于中小型加工中心。圖3-2 盤(pán)式刀庫(kù)3.2.3 鏈?zhǔn)降稁?kù)如圖3-3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(kù)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(zhǎng)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(pán)式刀庫(kù)增加的那樣大。圖3-3 鏈?zhǔn)降稁?kù)3.2.4 直線式刀庫(kù)和組合刀庫(kù)直線式刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,刀具單行排列,刀庫(kù)容量小。多用于數(shù)控車(chē)床和鉆床上。組合刀庫(kù)一般是轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)的組合、轉(zhuǎn)塔式與盤(pán)式刀庫(kù)的組合及鏈?zhǔn)降?/p>

37、庫(kù)的組合,每單個(gè)刀庫(kù)的儲(chǔ)刀量較小,換刀速度快。另外,還有一些密集型的鼓輪式、彈匣式和格子式刀庫(kù)。這些密集型刀庫(kù)雖占地面積小,但由于結(jié)構(gòu)限制,基本上不用于單機(jī)加工中心,多用于fms的集中供刀系統(tǒng)?？偵纤?，有機(jī)械手換刀方式中,刀庫(kù)可以是圓盤(pán)形,直線排列式，也可以是格子箱式等。直線排列式和格子箱式刀庫(kù)結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，適用于刀庫(kù)容量較大的加工中心；圓盤(pán)形刀庫(kù)容量較小，刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，刀庫(kù)轉(zhuǎn)位、換刀方便，易控制。且所設(shè)計(jì)的加工中心主要用來(lái)加工小型零件上孔和平面等，不必在刀庫(kù)里放太多刀具，因此，通過(guò)比較，本課題擬選用圓盤(pán)式刀庫(kù)。3.3 刀庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖3-4 圓盤(pán)式刀庫(kù)結(jié)構(gòu)刀庫(kù)的外形如圖3-4所示。圓

38、盤(pán)式刀庫(kù)（圖a）由專(zhuān)用的直流伺服電動(dòng)機(jī)1經(jīng)套筒聯(lián)軸器2、蝸桿4、蝸輪3，帶動(dòng)刀盤(pán)14和盤(pán)上的6個(gè)刀套13旋轉(zhuǎn)。刀座的滾子11在不旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)盤(pán)14的槽中受到限位，導(dǎo)盤(pán)14在最下端的換刀位置開(kāi)了一個(gè)缺口。刀座以鉸鏈形式與支承板16相連（圖b）。平時(shí)，由彈簧18將滾子銷(xiāo)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(kù)刀盤(pán)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。撥叉7上升使刀套連同刀具逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90，滾子銷(xiāo)19退出支承板16的凹槽，刀座轉(zhuǎn)

39、到垂直位置，等待機(jī)械手換刀。 刀套的構(gòu)造如圖b所示。由圖中可以看到錐孔尾部有兩個(gè)球頭銷(xiāo)釘17，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(guò)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(xiāo)19重新處于支承板16的凹槽中。3.4 初估刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩及選定電機(jī) 刀庫(kù)的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇時(shí), 須考慮由摩擦引起的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和各負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。如圖3-4所示，刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率選擇，可采用經(jīng)念法初估回轉(zhuǎn)所需轉(zhuǎn)矩。圖3-4 傳動(dòng)示意圖查找相關(guān)資料，thk6363型

40、自動(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床的刀庫(kù)也是采用軸向放置的鼓盤(pán)式刀庫(kù)形式，其容量為36把刀具，最大刀具重達(dá)10kgf，刀庫(kù)回轉(zhuǎn)由最大扭矩為25nm的液壓馬達(dá)經(jīng)諧波減速器驅(qū)動(dòng)?，F(xiàn)在由于設(shè)計(jì)的刀庫(kù)容量為6把刀具，可初估刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為t0=8nm。 刀庫(kù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)多數(shù)采用液壓馬達(dá)、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于本刀庫(kù)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，且所需轉(zhuǎn)速小，所以決定采用直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。直流伺服電動(dòng)機(jī)具有體積小，重量輕、伺服性好、力能指標(biāo)高等優(yōu)點(diǎn)，且該電機(jī)可用信號(hào)電壓進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速。由參考資料11 p1275表查選電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90sz03的sz系列電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)，功率為0.092 kw。3.5 刀庫(kù)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)的選擇

41、可采用槽輪機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)具有沖擊小，工作平穩(wěn)性較高，機(jī)械效率高，可以在較高轉(zhuǎn)速下工作，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易制造等優(yōu)點(diǎn)。在目前生產(chǎn)的鼓輪式刀庫(kù)的加工中心機(jī)床上，很多采用槽輪機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)的分度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。但此機(jī)構(gòu)定位精度不夠高，為提高其定位精度可采用帶制動(dòng)器的交流伺服電機(jī)，從而可保證較高的定位精度。目前圓盤(pán)式刀庫(kù)大多采用的是單頭雙導(dǎo)程蝸輪蝸桿傳動(dòng)。此傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在使用中可隨時(shí)調(diào)整蝸輪蝸桿的傳動(dòng)間隙，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)位分度，保證刀庫(kù)中工作的可靠性，但此傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，而且單頭雙導(dǎo)程蝸輪和蝸桿的加工較困難。本設(shè)計(jì)采用如圖3-5所示的單頭雙導(dǎo)程蝸輪蝸桿傳動(dòng)。 圖3-5 單頭雙導(dǎo)程蝸輪蝸桿傳動(dòng)3.6 刀具選擇方式的確定自

42、動(dòng)選刀的方式有順序選刀和任意選刀兩種。（1）順序選刀。按工藝要求依次將所用的刀具插入刀庫(kù)的刀套中，順序不能有差錯(cuò)，加工時(shí)按順序調(diào)刀。加工不同的工件時(shí)必須重新調(diào)整刀庫(kù)中的刀具順序，因而操作十分繁瑣，而且加工同一工件時(shí)各工序的刀具不能重復(fù)使用。這樣就會(huì)增加刀具的數(shù)量，而且由于刀具的尺寸誤差也容易造成加工精度的不穩(wěn)定。它的優(yōu)點(diǎn)是刀庫(kù)的驅(qū)動(dòng)和控制比較簡(jiǎn)單，因此這種方式適合于加工批量較大、工件品種數(shù)量較少的中小型自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床。（2）任意選刀。目前大多數(shù)的數(shù)控系統(tǒng)都具有刀具任選功能。任意選刀的換刀方式可以有刀套編碼、刀具編碼和記憶等方式。刀具編碼或刀套編碼都需要在刀具或刀套安裝用于識(shí)別的編碼條，一般都

43、是根據(jù)二進(jìn)制編碼原理進(jìn)行編碼。刀具編碼選刀方式采用了一種特殊的刀柄結(jié)構(gòu)，并對(duì)每把刀具編碼。由于每把刀具都具有自己的代碼，因而刀具可以放在刀庫(kù)的任何一個(gè)刀座內(nèi)。這樣不僅刀庫(kù)中的刀具可以在不同的工序中多次重復(fù)使用，而且換下的刀具也不用放回原來(lái)的刀座。這對(duì)裝刀和選刀十分有利，刀庫(kù)的容量也可以相應(yīng)的減少，而且還可以避免由于刀具順序的差錯(cuò)所造成的事故?；谝陨系姆治觯覀儧Q定刀具的選刀方式為任意選刀。4 刀具交換裝置的設(shè)計(jì)機(jī)械手是執(zhí)行刀庫(kù)和主軸之間換刀動(dòng)作的裝置。當(dāng)?shù)稁?kù)容量大時(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(kù)之間配置換刀機(jī)構(gòu)來(lái)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,

44、總稱(chēng)為機(jī)械手。具體來(lái)說(shuō),它的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與刀庫(kù)之間的傳遞。4.1 換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)形式概述4.1.1單臂機(jī)械手單臂機(jī)械手，指換刀機(jī)械手僅一個(gè)手臂。如圖4-1 a b(1) 單手式：一個(gè)換刀臂且僅一端有一個(gè)抓刀手圖4-1機(jī)械手 這種機(jī)械手換刀特點(diǎn)是所有動(dòng)作均由單手完成，執(zhí)行動(dòng)作多，換刀時(shí)間長(zhǎng)，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。刀庫(kù)與主軸軸線平行或垂直的情況均適用。(2) 雙手式：一個(gè)換刀臂兩端各有一個(gè)抓刀手。如圖4-1 c該種類(lèi)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(kù)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，多用于刀座與主軸軸線平行的場(chǎng)合。本設(shè)計(jì)采用此種類(lèi)型的機(jī)械手。4.1

45、.2 雙臂機(jī)械手 兩個(gè)機(jī)械手臂,每個(gè)手臂端部都有一個(gè)抓刀手特點(diǎn)：其抓刀和換刀動(dòng)作類(lèi)似于人手動(dòng)作,除執(zhí)行換刀動(dòng)作外有些還可以起運(yùn)輸?shù)毒叩淖饔谩＿@種機(jī)械手結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,但換刀時(shí)間短。4.1.3帶送刀臂、擺刀站和換刀臂的機(jī)械手帶送刀臂、擺刀站和換刀臂的機(jī)械手送刀臂將刀具從刀庫(kù)中取出送到擺刀站,由擺刀站將刀具送到換刀位置,最后由換刀臂進(jìn)行換刀。如圖4-2 所示,a為送刀臂,b 為擺刀站,c 為換刀臂,d 為刀庫(kù),e 為主軸。該種類(lèi)型的換刀特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,各部分在空間巧妙配置和組合,更具變化性。一般換刀時(shí)間較短。適用于刀庫(kù)距離主軸較遠(yuǎn)的場(chǎng)合。圖4-2 帶送刀臂、擺刀站和換刀臂的機(jī)械手4.2 本課題機(jī)械手

46、結(jié)構(gòu)形式及工作原理如圖4-3所示，它主要由手臂和固定其兩端的結(jié)構(gòu)完全相同的兩個(gè)手抓組成。手抓上握刀的圓弧部分有一個(gè)錐銷(xiāo)，機(jī)械手抓刀時(shí)，該錐銷(xiāo)插入刀柄的鍵槽中。當(dāng)機(jī)械手由原位轉(zhuǎn)75度抓住刀具時(shí)，兩手抓上的長(zhǎng)銷(xiāo)分別被主軸前端面和刀庫(kù)上的擋塊壓下，使軸向開(kāi)有長(zhǎng)槽的活動(dòng)銷(xiāo)被彈簧彈起，使活動(dòng)銷(xiāo)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(zhǎng)銷(xiāo)又分別被兩擋塊壓下，鎖緊銷(xiāo)從活動(dòng)銷(xiāo)子的孔中退出，松開(kāi)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)抓帶有自鎖機(jī)構(gòu)。由于雙臂回轉(zhuǎn)機(jī)械手的動(dòng)作比較簡(jiǎn)單，而且能夠同時(shí)抓住和裝卸機(jī)床主軸及換刀庫(kù)中的刀具，因此換刀時(shí)間大

47、為縮短。 圖4-3 單臂機(jī)械手雙手式結(jié)構(gòu)4.3 自動(dòng)換刀過(guò)程的動(dòng)作順序自動(dòng)換刀過(guò)程可簡(jiǎn)述為：抓刀拔刀回轉(zhuǎn)插刀返回圖4-4 自動(dòng)換刀過(guò)程示意圖 在上一工序加工完畢后，主軸在“準(zhǔn)?！蔽恢糜勺詣?dòng)換刀裝置換刀，其過(guò)程如下：（1） 刀套下轉(zhuǎn)90。機(jī)床的刀庫(kù)位于立柱左側(cè)，刀具在刀庫(kù)中的安裝方向與主軸垂直。如圖4-4所示。換刀之前，刀庫(kù)2轉(zhuǎn)動(dòng)將待換刀具5送到換刀位置，之后把帶有刀具5的刀套4向下翻轉(zhuǎn)90，使得刀具軸線與主軸軸線平行。（2）機(jī)械手轉(zhuǎn)75。如k向視圖所示。在機(jī)床切削加工時(shí)，機(jī)械手1的手臂與主軸中心到換刀位置的刀具中心線的連線成75，該位置為機(jī)械手的原始位置。機(jī)械手換刀的第一個(gè)動(dòng)作是順時(shí)針轉(zhuǎn)75，

48、兩手分別抓住刀庫(kù)上和主軸3上的刀柄。（3）刀具松開(kāi)。機(jī)械手抓住主軸刀具的刀柄后，刀具的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)送開(kāi)刀具。（4）機(jī)械手拔刀。機(jī)械手下降，同時(shí)拔出兩把刀具。（5）交換兩刀具位置。機(jī)械手帶著兩把刀逆時(shí)針轉(zhuǎn)180（從k向觀察），使主軸刀具與刀庫(kù)交換位置。（6）機(jī)械手插刀。機(jī)械手上升，分別把刀具插入主軸錐孔和刀套中。（7）刀具夾緊。刀具插入主軸錐孔后，刀具的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)夾緊刀具。（8）機(jī)械手轉(zhuǎn)180。液壓缸復(fù)位驅(qū)動(dòng)機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)180的液壓缸復(fù)位，機(jī)械手無(wú)動(dòng)作。（9）機(jī)械手反轉(zhuǎn)75，回到原始位置。（10）刀套上轉(zhuǎn)90。刀套帶著刀具向上翻轉(zhuǎn)90，為下一次選刀做準(zhǔn)備。4.4 自動(dòng)換刀裝置的相關(guān)技術(shù)要求4

49、.4.1 主軸準(zhǔn)停裝置 （1）主軸準(zhǔn)停功能的定義：主軸停車(chē)時(shí)要求停在一個(gè)固定位置的功能叫準(zhǔn)停功能。 （2）主軸為什么要有準(zhǔn)停功能：自動(dòng)換刀的數(shù)控銑床，切削轉(zhuǎn)矩通常是通過(guò)主軸上的端面鍵和到刀柄上的鍵槽來(lái)傳遞的，因此每一次自動(dòng)換刀時(shí)，都必須使刀柄上的鍵槽對(duì)準(zhǔn)主軸的端面鍵，因而要求有準(zhǔn)停功能；在加工精密孔系時(shí)，若每次都能在主軸固定的圓周位置上換刀，就能保證刀尖與主軸相對(duì)位置的一致性，從而減少被加工孔的分散度。4.4.2 主軸的驅(qū)動(dòng)加工中心為了實(shí)現(xiàn)刀具在主軸內(nèi)的自動(dòng)裝卸 , 主軸內(nèi)必須設(shè)有刀具的自動(dòng)夾緊松開(kāi)裝置，本設(shè)計(jì)中采用電主軸。電主軸是由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng), 使主軸主傳動(dòng)鏈長(zhǎng)度縮短為零, 實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”, 取消了從主電動(dòng)機(jī)到主軸之間一切中間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié) (如皮帶、齒輪、離合器等) ,實(shí)現(xiàn)了主電動(dòng)機(jī)與機(jī)