螺栓數(shù)控銑床的自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)【含圖紙】

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吳宗澤,羅圣國(guó).機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)第二版M.北京:高等教育出版社,1999.2廖念釗,莫雨松,李碩根,楊興駿.互換性與技術(shù)測(cè)量第四版M.北京:中國(guó)計(jì)量出版社,2000.3陳錦昌,劉就女,劉林.計(jì)算機(jī)工程制圖M.廣州:華南理工大學(xué)出版社,1999.4馮辛安,黃玉美,杜君文.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.5熊光華.數(shù)控機(jī)床M. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.6李峻勤,費(fèi)仁元.數(shù)控機(jī)床及其使用與維修M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2000.7張柱銀,陳思義,明興祖.數(shù)控原理與數(shù)控機(jī)床M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.8林東.數(shù)控技術(shù)M.北京:北京理工大學(xué)出版社,1995.9王愛(ài)玲,白思遠(yuǎn).現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2001.10何存興,張鐵華.液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)第二版M.湖北:華中科技大學(xué)出版社,2000.11毛謙德,李振清.袖珍機(jī)械機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)第二版M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.12朱龍根.簡(jiǎn)明機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.13王可.實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)M.遼寧: 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,1999. 畢業(yè)設(shè)計(jì)目 錄摘要 1前言. 2第1章 緒論 31.1螺栓螺栓銑床的知識(shí) 31.2 螺栓銑床的分類 31.2.1 數(shù)控立式銑床 31.2.2 數(shù)控臥式銑床 41.3 螺栓銑床的結(jié)構(gòu)特征 41.3.1 螺栓銑床的主軸特征 51.3.2 控制機(jī)床的坐標(biāo)特征 51.4 螺栓銑床的主要功能及加工對(duì)象 51.4.1 螺栓銑床的功能 51.4.2 自動(dòng)換刀裝置及其形式 51.4.3 自動(dòng)裝置應(yīng)當(dāng)滿足的基本要求 6第2章 總方案的確定 62.1數(shù)控立式升降臺(tái)及其主要參數(shù) 62.1.1 主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 72.1.2 主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù) 82.2 初定其自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)參數(shù) 92.3 確定其自動(dòng)換刀裝置的形式 10 第3章 刀庫(kù)的設(shè)計(jì)103.1 確定刀庫(kù)容量 113.2 確定刀庫(kù)形式 113.3 刀庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 113.4 初估刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)距及選定電機(jī) 133.4.1初選電動(dòng)機(jī)與降速傳動(dòng)裝置 133.4.2初估刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)距133.5刀庫(kù)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)133.6刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的校核173.7花鍵聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算183.8夾緊機(jī)構(gòu)插銷剪切強(qiáng)度的校核183.9確定刀具的選擇方式193.10刀庫(kù)的定位與刀具的松夾 20第4章 刀具交換裝置的設(shè)計(jì) 204.1確定換刀機(jī)械手形式204.2換刀機(jī)械手的工作原理224.3機(jī)械手的自動(dòng)換刀過(guò)程的動(dòng)作順序224.4機(jī)械手回轉(zhuǎn)軸4上的齒輪齒條設(shè)計(jì)234.5自動(dòng)換刀裝置的相關(guān)技術(shù)要求244.5.1主軸準(zhǔn)停裝置244.5.2換刀機(jī)械手的安裝與調(diào)試244.6自動(dòng)換刀程序的編制 26第5章 自動(dòng)換刀裝置的控制原理 265.1自動(dòng)換刀裝置的液壓系統(tǒng)原理圖 265.2自動(dòng)換刀裝置換刀動(dòng)作的順序控制過(guò)程 26致謝詞 27參考文獻(xiàn) 28 畢業(yè)設(shè)計(jì) 螺栓數(shù)控銑床 摘 要 本論文介紹的是螺栓數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)。刀庫(kù)式的自動(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)具有較大的容量，其容量為六 把刀具,采用盤形結(jié)構(gòu),安裝在機(jī)床的左側(cè)立柱上。因?yàn)槁菟〝?shù)控銑床外形及其 他性能參數(shù)等均與 THK6363 型自動(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床相似，所以本機(jī)床的自動(dòng)換 刀裝置的設(shè)計(jì)將仿效 THK6363 型自動(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床換刀裝置，設(shè)計(jì)成采用軸 向放置的鼓盤式刀庫(kù)形式和回轉(zhuǎn)式雙臂機(jī)械手組成。 刀具按預(yù)定工序的先后順序插入刀庫(kù)的刀座中，使用時(shí)按順序轉(zhuǎn)到取刀位 置。用過(guò)的刀具放回原來(lái)的刀座內(nèi)，也可以按加工順序放入下一個(gè)刀座內(nèi)。該 法不需要刀具識(shí)別裝置，驅(qū)動(dòng)控制也比較簡(jiǎn)單，工作可靠。但刀庫(kù)中每一把刀 具在不同工序中不能重復(fù)使用，為了滿足加工需要只有增加刀具的數(shù)量和刀庫(kù) 的容量，這就降低了刀具和刀庫(kù)的利用率。此外，裝刀時(shí)必須十分謹(jǐn)慎，如果 刀具不按順序裝在刀庫(kù)中，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。順序選刀是在加工之前，將 加工零件所需刀具按照工藝要求依次插入刀庫(kù)的刀套中，順序不能有差錯(cuò)。加 工時(shí)按順序調(diào)刀。適合加工批量較大、工件品種數(shù)量較少的中、小型自動(dòng)換刀 裝置?？芍獢?shù)控銑床用 4 把刀就可完成大多數(shù)的銑削加工。所以這個(gè)容量為 6 把刀的刀庫(kù)，幾乎不存在加工過(guò)程中需要重復(fù)利用刀具的情況，所以刀具的選 畢業(yè)設(shè)計(jì) 擇方式確定為順序選擇刀具。 兩手互相垂直的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是換刀動(dòng)作可靠，換好時(shí)間 短，缺點(diǎn)是刀柄精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，聯(lián)機(jī)調(diào)整的相關(guān)精度要求高，機(jī)械手 離加工區(qū)較近。一般來(lái)說(shuō)，這種機(jī)械手用于刀庫(kù)刀座軸線與機(jī)床主軸軸線垂直， 刀庫(kù)為徑向存取刀具形式的自動(dòng)換刀裝置，因此，在 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降 銑床的自動(dòng)換刀裝置中可采用這種機(jī)械手形式。 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 前 言 數(shù)字控制機(jī)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(yùn)動(dòng)速度和軌跡進(jìn)行自動(dòng)加工的機(jī)床，簡(jiǎn)稱數(shù)控機(jī)床。 數(shù)控機(jī)床具有廣泛的適應(yīng)性，加工對(duì)象改變時(shí)只需要改變輸入的程序指令； 加工性能比一般自動(dòng)機(jī)床高，可以精確加工復(fù)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(fù)雜的工件，并能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效果。 隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床品種日益增多，有車床、銑床、 鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機(jī)床和電火花加工機(jī)床等。此外還有能自動(dòng)換刀、 一次裝卡進(jìn)行多工序加工的加工中心、車削中心等。 數(shù)控機(jī)床主要由數(shù)控裝置、伺服機(jī)構(gòu)和機(jī)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(dòng)輸入。 隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機(jī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程。 未來(lái)數(shù)控機(jī)床的類型將更加多樣化，多工序集中加工的數(shù)控機(jī)床品種越來(lái) 越多；激光加工等技術(shù)將應(yīng)用在切削加工機(jī)床上，從而擴(kuò)大多工序集中的工藝 范圍；數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度更加提高，并具有多種監(jiān)控功能，從而形成一個(gè) 柔性制造單元，更加便于納入高度自動(dòng)化的柔性制造系統(tǒng)中。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第一章 緒論 1.1 數(shù)控機(jī)床知識(shí) 數(shù)字控制機(jī)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(yùn)動(dòng)速度和軌跡進(jìn)行自動(dòng)加工的機(jī)床，簡(jiǎn)稱數(shù)控機(jī)床。 數(shù)控機(jī)床具有廣泛的適應(yīng)性，加工對(duì)象改變時(shí)只需要改變輸入的程序指令； 加工性能比一般自動(dòng)機(jī)床高，可以精確加工復(fù)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(fù)雜的工件，并能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效果。 隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床品種日益增多，有車床、銑床、 鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機(jī)床和電火花加工機(jī)床等。此外還有能自動(dòng)換刀、 一次裝卡進(jìn)行多工序加工的加工中心、車削中心等。 數(shù)控機(jī)床主要由數(shù)控裝置、伺服機(jī)構(gòu)和機(jī)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(dòng)輸入。 隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機(jī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程。 未來(lái)數(shù)控機(jī)床的類型將更加多樣化，多工序集中加工的數(shù)控機(jī)床品種越來(lái) 越多；激光加工等技術(shù)將應(yīng)用在切削加工機(jī)床上，從而擴(kuò)大多工序集中的工藝 畢業(yè)設(shè)計(jì) 范圍；數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度更加提高，并具有多種監(jiān)控功能，從而形成一個(gè) 柔性制造單元，更加便于納入高度自動(dòng)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(yīng)用范圍也最為廣泛。小型 數(shù)控銑床一般都采用工作臺(tái)移動(dòng)、升降、及主軸不動(dòng)方式，與普通立式升降臺(tái) 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(tái)移動(dòng)方式，且主軸沿 垂直溜板上下運(yùn)動(dòng)；大型數(shù)控立式銑床，因要考慮到擴(kuò)大行程，縮小占地面積 及剛性等技術(shù)問(wèn)題，往往采用龍門架移動(dòng)式，其主軸可以在龍門架的橫向與垂 直溜板上運(yùn)動(dòng)，而龍門架則沿床身作縱向運(yùn)動(dòng)。 從機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制的坐標(biāo)數(shù)量來(lái)看，目前 3 坐標(biāo)數(shù)控立式銑床仍占大多 數(shù)。一般可進(jìn)行 3 坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工，但也有部分機(jī)床只能進(jìn)行 3 坐標(biāo)中的任意二 個(gè)坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工。此外，還有機(jī)床主軸可以繞 X、Y、Z 坐標(biāo)軸中其中一個(gè)或兩 個(gè)軸作數(shù)控?cái)[角運(yùn)動(dòng)的 4 坐標(biāo)和 5 坐標(biāo)數(shù)控立式銑床。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)床控制的 坐標(biāo)軸越多，特別是要求聯(lián)動(dòng)的坐標(biāo)軸越多，機(jī)床的功能、加工范圍及可選擇 的加工對(duì)象也越多。但隨之而來(lái)的是機(jī)床的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的要求更 高，編程的難度更大，設(shè)備的價(jià)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(dòng)交換臺(tái)，增加靠模裝置等來(lái)擴(kuò) 大數(shù)控立式銑床的功能，加工范圍和加工對(duì)象，進(jìn)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(jí)平行于水平面。為了擴(kuò)大加工范圍和擴(kuò)大 功能，臥式數(shù)控銑床通常采用增加數(shù)控轉(zhuǎn)盤或萬(wàn)能數(shù)控轉(zhuǎn)盤來(lái)實(shí)現(xiàn) 4、5 坐標(biāo)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(lái)，而且可以實(shí)現(xiàn)在一 次安裝中，通過(guò)轉(zhuǎn)盤改變工位，進(jìn)行“四面加工” 。可以省去許多專用夾具或?qū)?用角度成型銑刀。對(duì)箱體類零件或需要在一次安裝中改變工位的工件來(lái)說(shuō)，選 擇帶數(shù)控轉(zhuǎn)盤的臥式銑床進(jìn)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(dá)到在一臺(tái)機(jī)床上 既可以進(jìn)行立式加工，又可以進(jìn)行臥式加工，其使用范圍更廣，功能更全，選 擇加工的對(duì)象和余地更大，給用戶帶來(lái)了很多方便，特別是當(dāng)生產(chǎn)批量小，品 種較多，又需要立臥兩種方式加工時(shí)，用戶只需買一臺(tái)這樣的機(jī)床就行了。 立、臥兩用數(shù)控銑床的主軸方向的更換有手動(dòng)與自動(dòng)兩種，采用數(shù)控萬(wàn)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(dāng)立、臥兩用數(shù)控銑床增加數(shù)控轉(zhuǎn)盤后，就 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)行加工。因此，其加工性能非常優(yōu)越。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(dòng)執(zhí)行。不同的機(jī)床其變速功能與范圍也不同。有的采用變頻機(jī)組， 固定幾種轉(zhuǎn)速，可自選一種編入程序，但不能在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)改變。有的采用變頻器 調(diào)整，將轉(zhuǎn)速分為幾檔，編程時(shí)可任選一檔，在運(yùn)轉(zhuǎn)中可通過(guò)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(shí)可在整個(gè)范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速。 但是在實(shí)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(shè)有自動(dòng)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(biāo)數(shù)控銑床的主軸可以繞 X、Y 或 Z 軸作 數(shù)控?cái)[動(dòng)，擴(kuò)大了主軸自身的運(yùn)動(dòng)范圍，但是主軸結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。 1.3.2 控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)特征 為了要把工件上各種復(fù)雜的形狀輪廓連續(xù)加工出來(lái)，必須控制刀具沿平面 上設(shè)定的直線、圓弧或空間直線、圓弧軌跡運(yùn)動(dòng)，因此，要求數(shù)控銑床的伺服 拖動(dòng)系統(tǒng)能在多坐標(biāo)方向同時(shí)協(xié)調(diào)動(dòng)作，并保持預(yù)定的相互關(guān)系，這就要求機(jī) 床應(yīng)能實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)。數(shù)控銑床要控制的坐標(biāo)數(shù)最少是 3 坐標(biāo)中任意兩坐標(biāo) 聯(lián)動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工直線變斜角工件，應(yīng)實(shí)現(xiàn)四坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)。若要加工曲線變 斜角工件，是要求實(shí)現(xiàn)五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)。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(jī)床相應(yīng)更高一些。 1.4 數(shù)控銑床的主要功能及加工對(duì)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(diǎn)位控制功能、刀具半徑自動(dòng)補(bǔ)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?。如刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償功能、靠模加工功能、自動(dòng)變換工 作臺(tái)功能、自適應(yīng)功能、數(shù)控采集功能等。 在使用數(shù)控銑床加工工件時(shí)，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(duì)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(dòng)換刀裝置（ATC）及其形式 數(shù)控機(jī)床為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)率，進(jìn)一步壓縮非切削時(shí)間，現(xiàn)代的機(jī)床逐 步發(fā)展為在一臺(tái)機(jī)床上在一次裝中完成多工序或全部工序的加工。數(shù)控機(jī)床為 畢業(yè)設(shè)計(jì) 了能在工件一次裝夾中完成多個(gè)工步，以縮減輔助時(shí)間和減少多次安裝工件引 起的誤差，通常帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)。對(duì)工件的多工序加工而設(shè)置的存儲(chǔ)及更換 刀具的裝置稱為自動(dòng)換刀裝置(Automatic Tool Changer，ATC);自動(dòng)換刀 （Automatic Tool Change 簡(jiǎn)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(dòng)換刀系統(tǒng)，就構(gòu)成加工中心 （Machining center 簡(jiǎn)稱 MC） 。在這類數(shù)控機(jī)床上，自動(dòng)換刀裝置（ATC）是 必不可少的。例如加工中心機(jī)床又稱多工序自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床，它主要是指具 有自動(dòng)換刀及自動(dòng)改變工件加工位置工能的數(shù)控機(jī)床，具有自動(dòng)換刀裝置是加 工中心機(jī)床的典型特征，是多工序加工的必要條件。自動(dòng)換裝置的功能，對(duì)整 機(jī)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(dòng)換刀裝置并同時(shí)自動(dòng) 變換主軸轉(zhuǎn)速。可減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，減少換刀時(shí)間，既提高了機(jī)床的自動(dòng)化程度， 又提高了勞動(dòng)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(yīng)用范 圍也最廣的一種，對(duì)其附加能夠快速、準(zhǔn)確地?fù)Q刀的自動(dòng)換刀裝置是非常有必 要的。 各類數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置的結(jié)構(gòu)取決于機(jī)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(kù)的自動(dòng)換刀形式 1.4.3 自動(dòng)換刀裝置應(yīng)當(dāng)滿足的基本要求 1）刀具換刀時(shí)間短。 2）刀具重復(fù)定位精度高。 3）足夠的刀具儲(chǔ)存量。 4）刀庫(kù)占地面積小。 5）換刀安全可靠。 第二章總體方案的確定 依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書，我們的任務(wù)是給螺栓數(shù)控銑床設(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 螺栓數(shù)控銑床主要由床身、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) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 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和數(shù)量等。 2.1 螺栓數(shù)控銑床及其主要參數(shù) XKA5032A 型數(shù)控立式升降臺(tái)銑床是一種使用范圍廣泛的機(jī)床，根據(jù)用戶要 求，配置國(guó)內(nèi)外（OSP-U10M、SIEMENS802D、華中號(hào)）先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)，可手動(dòng) 或自動(dòng)操作。它可以實(shí)現(xiàn) X、Y、Z 三軸同時(shí)定位/直線插補(bǔ)，同時(shí)二軸圓弧插補(bǔ)。 OPS 全域絕對(duì)位置檢測(cè)。每次開機(jī)無(wú)須回零，簡(jiǎn)化機(jī)床操作。尤其在發(fā)生停機(jī)、 斷電、更換程序等情況后再啟動(dòng)時(shí)不用整機(jī)回零，可以直接開機(jī)，方便操作。 尤其方便不熟練操作工、繁忙操作工、電力不良等情況下的使用。可采用主程 序、子程序進(jìn)行編程，最小單位可選 0.001mm。具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床坐標(biāo)系、工件坐 標(biāo)系，絕對(duì)值、增量可并用。各有 50 組刀具長(zhǎng)度、半徑長(zhǎng)度補(bǔ)償。彩色 LCD 中 文顯示，具良好人機(jī)對(duì)話窗口，系統(tǒng)具有 160m 存儲(chǔ)容量，可進(jìn)行程序編輯、管 理，可用 RS-232C 接口、1.44 軟盤進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入、輸出, 便于加工程序的管理。 可以對(duì)程序進(jìn)行模擬加工，刀具軌跡跟蹤及動(dòng)畫仿真、圖形動(dòng)畫顯示，記錄運(yùn) 行時(shí)間及作業(yè)信息。 2.1.1 其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1)主傳動(dòng)系統(tǒng)為 7.5Kw 的交流電動(dòng)機(jī)通過(guò)彈性連軸器驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)箱，主傳 動(dòng)箱內(nèi)有三組滑移齒輪,液壓預(yù)選變速機(jī)構(gòu)推動(dòng)各滑移齒輪,組成 18 種轉(zhuǎn)速,再 傳到銑頭上的主軸，主傳動(dòng)箱內(nèi)有電磁制動(dòng)器,主軸制動(dòng)迅速平穩(wěn)。 2)進(jìn)給系統(tǒng) X、Y、Z 三個(gè)座標(biāo)的進(jìn)給，都是由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。電機(jī) 通過(guò)同步齒形帶驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，從而使部件沿導(dǎo)軌移動(dòng)。伺服電機(jī)及其相應(yīng)的 速度控制單元和用于位置檢測(cè)的脈沖編碼器等均受控于數(shù)控系統(tǒng)；以完成各種 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 同步齒形帶可張緊以減少傳動(dòng)間隙，噪聲亦可降低。 垂向電機(jī)是帶制動(dòng)器的，當(dāng)斷電時(shí)，垂向剎緊，以防止升降臺(tái)因自重而下 滑。 3)銑頭上的立式主軸，有符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的(ISO)No.50 錐孔，可安裝標(biāo)準(zhǔn)的 銑刀或銑夾頭。主軸的軸向位置可調(diào)整，連同套筒一起作軸向伸出。主軸也可 以連同銑頭主體一起，在左右各 45范圍內(nèi)調(diào)整成傾斜位置。 4)刀柄采用標(biāo)準(zhǔn) XT50 形式，可與萬(wàn)能銑床刀柄通用。 5)潤(rùn)滑系統(tǒng) 自動(dòng)潤(rùn)滑站配以遞進(jìn)式分油器，對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌副、滾珠絲杠副及齒輪副等進(jìn) 行自動(dòng)的定時(shí)定量潤(rùn)滑，每次加油量和兩次間的時(shí)間間隔都是可調(diào)的，力求保 證每個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)的合理油量。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 6)機(jī)床采用側(cè)掛式電柜和吊掛式操縱站，機(jī)電一體，整體裝運(yùn)，安裝方便， 集中操縱但能又多位置操作。 7)半自動(dòng)的裝卸刀機(jī)構(gòu),安裝在銑頭的上方，通過(guò)兩個(gè)按鈕分別控制裝刀和 卸刀，方便而安全，即使主軸向外伸出，也不會(huì)影響刀具的裝卸。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 2.1.2 其主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù) 該機(jī)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(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。 銑切灰鑄鐵：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 參數(shù)名稱 單位 數(shù)量 工作臺(tái)面尺寸（長(zhǎng) X 寬） mm 320 X 1320 工作臺(tái)縱向（X）行程 mm 780 工作臺(tái)縱向（Y）行程 mm 300 工作臺(tái)縱向（Z）行程 mm 380 主軸孔徑 mm 29 主軸端面至工作臺(tái)面的距離 mm 70450 主軸中心線至床身導(dǎo)軌面距離 mm 350 定位精度及重復(fù)定位精度 mm 0.015、0.005 主軸端部錐度 ISO No.50 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/min 301500 工作臺(tái)進(jìn)給級(jí)數(shù) 無(wú)級(jí) 縱、橫向進(jìn)給范圍 mm/min 63200 垂向進(jìn)給范圍 mm/min 31600 縱、橫向快進(jìn)速度 mm/min 6000 垂向快進(jìn)速度 mm/min 3000 主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率 kw 7.5 主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 r/min 1440 工作臺(tái)最大承載重量 kg 320 主軸最大扭矩 Nm 1000 機(jī)床外形尺寸（長(zhǎng) X 寬 X 高） mm 1929 X 2055 X 2216 機(jī)床重量 kg 2800(3000) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 2.2 初定其自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)參數(shù) 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， 因?yàn)榇笾睆姐姷秳傂院?，耐用度高。由螺栓?shù)控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。 2.3 確定其自動(dòng)換刀裝置的形式 由于螺栓數(shù)控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。 螺栓數(shù)控銑床主軸箱上方?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)槁菟〝?shù)控銑床外形及其他性能參數(shù)等均與 THK6363 型自動(dòng)換 刀數(shù)控鏜銑床相似，所以本機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)將仿效 THK6363 型自動(dòng) 換刀數(shù)控鏜銑床換刀裝置，設(shè)計(jì)成由由盤式刀庫(kù)和回轉(zhuǎn)式雙臂機(jī)械手組成。設(shè) 計(jì)增加自動(dòng)換刀裝置后的螺栓數(shù)控銑床的外觀圖如圖 1-1 所示。 圖 1-1 螺栓數(shù)控銑床的外觀圖 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第三章 刀庫(kù)的設(shè)計(jì) 刀庫(kù)是帶刀庫(kù)自動(dòng)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(duì)數(shù)控機(jī)床的性能有很大影響。 3.1 確定刀庫(kù)容量 決定刀庫(kù)容量時(shí)，首先要考慮加工工藝的需要，同時(shí)還要調(diào)查分析同類型、 相近規(guī)格的自動(dòng)換刀機(jī)床的刀庫(kù)容量及其發(fā)展趨勢(shì)。由于帶自動(dòng)換刀裝置的數(shù) 控機(jī)床主要是在多品種、單件小批生產(chǎn)時(shí)使用，因而應(yīng)根據(jù)廣泛的工藝統(tǒng)計(jì)， 依大多數(shù)工件加工時(shí)需要的刀具數(shù)來(lái)確定刀庫(kù)容 量。例如，對(duì)功能較為齊全的加工中心而言，它 可承擔(dān)多個(gè)工件的切削任務(wù)，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(jī)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(kù)容量與機(jī)床能加工工件的 比率統(tǒng)計(jì)曲線。 刀庫(kù)儲(chǔ)存量過(guò)大，導(dǎo)致刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)龐大而復(fù) 雜,影響機(jī)床總體布局；儲(chǔ)存量過(guò)小，則不能滿足 復(fù)雜零件的加工要求。因此，刀庫(kù)容量應(yīng)在經(jīng)濟(jì)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(kù)，以縮短每次裝刀所需的裝調(diào)時(shí)間。對(duì)自動(dòng) 換刀數(shù)控機(jī)床的刀庫(kù)容量，有關(guān)資料曾對(duì) 15000 個(gè)零件進(jìn)行分組統(tǒng)計(jì)，指出不 同工序加工時(shí)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(kù) 就能夠滿足 70-95工件的加工需要。因此，對(duì)螺栓數(shù)控銑床，從使用和經(jīng) 濟(jì)效率角度來(lái)看，容量為 6 的刀庫(kù)就可滿足要求了。 3.2 確定刀庫(kù)容量 由以上考慮螺栓數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)布局等原因，決定采用軸向放置的鼓盤式 刀庫(kù)形式。這種刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，刀具排列較為緊湊，在刀庫(kù)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(jī)械手的換刀動(dòng)作空間。 3.3 刀庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 如刀庫(kù)裝配圖所示，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，直流伺服電動(dòng)機(jī)接通， 其運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)十字聯(lián)軸器、波傳動(dòng)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(dòng)刀座上的 6 個(gè)刀套轉(zhuǎn)動(dòng)，完成選刀動(dòng)作。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 刀庫(kù)裝配圖 畢業(yè)設(shè)計(jì) 3.4 初估刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩及選定電機(jī) 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)，并沒(méi)有降速傳動(dòng)裝置。 3.4.1 初選電動(dòng)機(jī)與降速傳動(dòng)裝置 刀庫(kù)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，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。采用型號(hào)為 90SZ03 的 SZ 系列電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)，其基本參數(shù)為：功率 0.092KW，轉(zhuǎn)速 3000R/MIN（袖珍機(jī)械師設(shè)計(jì)手冊(cè)P1275） ；降速傳動(dòng)裝置型號(hào)為 XB3-50- 100A 的扁平式諧波傳動(dòng)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(jī)械師設(shè)計(jì)手冊(cè)P1078-1079） 。 3.4.2 初估刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 由于刀庫(kù)容量 6，下面就以 THK6363 型自動(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床的刀庫(kù)為設(shè) 計(jì)參考（查參考資料 14） ，采用經(jīng)驗(yàn)法初估回轉(zhuǎn)所需轉(zhuǎn)矩。 THK6363 型自動(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(主要是指直接驅(qū)動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩)為 T0=8Nm。 3.5 刀庫(kù)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 刀庫(kù)的主運(yùn)動(dòng)是圓周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖 3-3 所示,直流伺服電動(dòng)機(jī) 1 通過(guò)彈性 柱銷聯(lián)軸器與諧波傳動(dòng)減速器 2 聯(lián)接減速后驅(qū)動(dòng)蝸桿 3,設(shè)計(jì)刀庫(kù)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的普 通圓柱蝸桿傳動(dòng). 由刀庫(kù)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。 己知直流伺服電動(dòng)機(jī) 1 的功率為 0.092KW,轉(zhuǎn)速為 3000R/MIN,諧波傳動(dòng)減速 器 2 的傳動(dòng)比為 100.傳動(dòng)效率為 80%,1 經(jīng) 2 減速后驅(qū)動(dòng)蝸桿 3,蝸桿為主動(dòng),蝸 輪為從動(dòng),要求傳動(dòng)此為 6,單向旋轉(zhuǎn),單班工作制,預(yù)計(jì)壽命為 5 年. 畢業(yè)設(shè)計(jì) 圖示 3-3 刀庫(kù)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)傳動(dòng)示意圖 1)選擇蝸桿傳動(dòng)類型 根據(jù) GB1008588 的推薦，采用漸開線蝸桿（ZI） 。 2)選擇材料 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(dòng)，以蝸桿為主動(dòng)，蝸輪為從動(dòng)。為了提高傳動(dòng)效率，取 Z1=6，傳動(dòng)比取 6，單向旋轉(zhuǎn)，單工作制，預(yù)計(jì)壽命為 5 年。則 Z2= Z1i= 66=36。 4)按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) m2d1 KT2 (mm3)2 50HP a)計(jì)算蝸輪軸轉(zhuǎn)矩 T2 初估傳動(dòng)效率 =0.95,則 T2=9549 =9549 =9549 0.95=133.53 Nm12n1/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(yīng)力 2HP = =2200.91.48=293.04 MPa2HPVSZN 式中, =220 MPa, 估計(jì)滑動(dòng)速度 5m/s，用浸沒(méi)潤(rùn)滑,則由(參考文獻(xiàn) 11) (P972 圖 182)S 查得滑動(dòng)速度影響系數(shù) =0.9, =1.48（其中VZN 畢業(yè)設(shè)計(jì) =60a t=601 53008=3.6 ,按圖 183 查得） ；LZ2n306610 d)計(jì)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(yīng)大于計(jì)算值) 5)驗(yàn)算滑動(dòng)速度 SV a)計(jì)算蝸桿速度 1 = = =0.0558 m/s1V60dn35.0 b)計(jì)算滑動(dòng)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(yàn)算蝸輪齒彎曲強(qiáng)度 驗(yàn)算公式為 22 21AVFFSPTKYd a)使用系數(shù) =1A b)動(dòng)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(dāng)量齒數(shù) = / =36/ =52.34,由圖 172 查得。2V3cos3s2814 f)導(dǎo)程角系數(shù) =1- /120=1- /120 =0.766Y g)許用彎曲應(yīng)力 2FP = =70 0.542=37.94 MPa2FPN 畢業(yè)設(shè)計(jì) h)計(jì)算彎曲應(yīng)力 =22.1322613.5.014.076F 由于 ，故滿足蝸輪輪齒強(qiáng)度條件。2HP 7)計(jì)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(dǎo)程角 814 8)計(jì)算其他尺寸 a)蝸桿齒頂圓直徑 = +2 =35.5+2 3.15=41.8 mm，1ad1ad1ah 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 2a2a2a 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(shè)計(jì)，取 =64 mm1b1Z1b1b e)蝸輪齒寬 0.67 =0.67 41.8 =28.006mm,取 =28 mm；22ad2 f)蝸輪齒頂圓弧半徑 = -m= -3.15=14.6 mmaR2135. g)蝸輪齒根圓弧半徑 = +c= +0.2m= +0.2 3.15=21.53 2ffa1a4.82 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 畢業(yè)設(shè)計(jì) 9)熱平衡計(jì)算 蝸桿傳動(dòng)由于效率低，所以工作時(shí)發(fā)熱量大。在閉式傳動(dòng)中，如果產(chǎn)生的 熱量不能及時(shí)地散逸，將因油溫不斷升高而使?jié)櫥拖♂?，從而增大磨擦損失， 甚至發(fā)生膠合。所以必須根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量 等于同時(shí)間內(nèi)的散熱量1H 的條件進(jìn)行熱功平衡計(jì)算，以保證油溫穩(wěn)定牌規(guī)定的范圍內(nèi)。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(dǎo)率，一般取 k=8.717.5W( ),環(huán)境空氣流通較差時(shí)，2mC: 取較小值，否則取較大值； A傳動(dòng)裝置散熱的計(jì)算面積，即內(nèi)面被沒(méi)浸濺的，而外面又被空氣所能 冷卻的的箱殼面積（ ） ；2m 潤(rùn)滑油的工作溫度，一般限制在 6070 ，最高不能超過(guò) 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(méi)溫為1H2 = + 1t0P-kAC 在繪制傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行熱平衡計(jì)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(guò)最高工作溫度，所以必須采取一些散熱措施，以提高散1t 畢業(yè)設(shè)計(jì) 熱能力，如在傳動(dòng)箱內(nèi)裝循環(huán)冷卻管路。 3.6 刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)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(shí)刀庫(kù)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為：T= = =120.3NmT 0=8Nm，954Nn0.795 其中 =0.9 為外花鍵帶動(dòng)刀盤回轉(zhuǎn)的傳動(dòng)效率。由于 TT 0，所以，刀庫(kù)驅(qū)動(dòng) 轉(zhuǎn)矩滿足要求。 3.7 刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的校核 在刀庫(kù)的傳動(dòng)系統(tǒng)中，刀盤是利用花鍵聯(lián)接帶動(dòng)刀座上的刀套轉(zhuǎn)動(dòng)而進(jìn)行 選刀的，花鍵的聯(lián)接屬于動(dòng)聯(lián)接。已知所用的花鍵類型為漸開線花鍵 d=26mm, 以下對(duì)其進(jìn)行必要的強(qiáng)度計(jì)算。計(jì)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(duì)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(zhǎng)度（mm） ，此處 =48mm；gLgL 平均直徑（mm） ，對(duì)漸開線花鍵，此處 =d=26mm。mDmD 于是，把數(shù)據(jù)代入計(jì)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(dòng)的動(dòng)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(shí)，p可達(dá) 40 70 MPa，p p,故花鍵聯(lián): 接的強(qiáng)度滿足要求。 3.8 夾緊機(jī)構(gòu)插銷剪切強(qiáng)度的校核 刀套在刀座上的夾緊由插銷實(shí)現(xiàn)（見刀庫(kù)裝配圖） 。插銷承受的主要是剪切 力，以下對(duì)單個(gè)插銷進(jìn)行剪切強(qiáng)度的校核。 插銷材料為 45 鋼， =60MPa,直徑 d=6mm。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(qiáng)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(kù)中將所需要的刀具轉(zhuǎn)換到取刀位置，稱為 自動(dòng)選刀。在刀庫(kù)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(kù)的定位與刀具的松夾 刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)定位是依靠簡(jiǎn)易定位裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其控制過(guò)程示意圖如下： 刀庫(kù)的定位是由接近開關(guān)使直 流伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，然后由雙向 液壓帶動(dòng)定位銷 6，插入刀座 5 上的 定位孔，實(shí)現(xiàn)精確定位。在刀座 5 的每一個(gè)刀位上都裝有如圖所示的 彈簧、導(dǎo)柱 3、鍵塊 1 和銷 2 所組成 的刀具固定裝置。由此實(shí)現(xiàn)刀具在 刀庫(kù)上的固定鎖緊。圖中所示為刀 具卡在刀座上的狀況。當(dāng)液壓缸 4 通油后，將導(dǎo)柱 3 拉出，使銷 2 退 出，此時(shí)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(gè)，一個(gè)和定位銷在一起，自 動(dòng)換刀時(shí)用，另一個(gè)在靠近立柱方 向，用于刀庫(kù)手動(dòng)裝卸刀。 刀庫(kù)定位示意圖 發(fā)出選刀 信號(hào) 牙嵌離合器 脫離嚙合 從動(dòng)軸慣性 慢轉(zhuǎn) 刀庫(kù)定位停 止 定位完畢發(fā) 出信號(hào) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第四章 刀具交換裝置的設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置中,實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)與機(jī)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(jī)械手交換 刀具, 另一種是由刀庫(kù)與機(jī)床主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具交換即無(wú)機(jī)械手交換 刀具。無(wú)機(jī)械手交換刀具方式：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，換刀的可靠性較高；刀庫(kù) 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(duì)機(jī)床的工作效率和工作可靠性有直接的影響。由螺栓 數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)特性決定難以實(shí)現(xiàn)由刀庫(kù)與機(jī)床主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具交 換，故采用機(jī)械手交換刀具的方式。 機(jī)械手是當(dāng)主軸上的刀具完成一個(gè)工步后，把這一工步的刀具送回刀庫(kù)， 并把下一道工步的所需要的刀具從刀庫(kù)中取出并裝入主軸繼續(xù)進(jìn)行加工的功能 部件。對(duì)機(jī)械手的具體要求是迅速可靠，準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。 4.1 確定換刀機(jī)械手形式 在自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床中，換刀機(jī)械手的形式是多種多樣的，常見的有以下 幾種。 1)兩手呈 180的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手； 圖 4-1 機(jī)械手臂和手爪 1.手爪 2.錐銷 3.手臂 4.5.彈簧 6.活動(dòng)銷 7.長(zhǎng)銷 8.鎖緊銷 2)兩手互相垂直的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手 畢業(yè)設(shè)計(jì) 3)兩手平行的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手； 4)雙手交叉式機(jī)械手； 由于不同的數(shù)控機(jī)床（加工中心）的刀庫(kù)與主軸的相對(duì)位置不同。所以各 種數(shù)控機(jī)床所使用的換刀機(jī)械手也不盡相同。 上圖是兩手互相垂直的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖。 這種機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是換刀動(dòng)作可靠，換好時(shí)間短，缺點(diǎn)是刀柄精度要求高， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，聯(lián)機(jī)調(diào)整的相關(guān)精度要求高，機(jī)械手離加工區(qū)較近。 一般來(lái)說(shuō)，這種機(jī)械手用于刀庫(kù)刀座軸線與機(jī)床主軸軸線垂直，刀庫(kù)為徑 向存取刀具形式的自動(dòng)換刀裝置，因此，在 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降銑床的自 動(dòng)換刀裝置中可采用這種機(jī)械手形式。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 4.2 換刀機(jī)械手的工作原理 下面是以在螺栓數(shù)控銑床的自動(dòng)換刀裝置中采用這種上機(jī)械手換刀的工作 原理。 該機(jī)械手安裝在主軸的左側(cè)面，隨同主軸箱一起運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手由機(jī)械手臂 與 45的斜殼體組成。機(jī)械手臂 1 形狀對(duì)稱。固定在回轉(zhuǎn)軸 4 上，回轉(zhuǎn)軸與主 軸成 45角，安裝在殼體 3 上，5 為手臂托，可由液壓缸帶動(dòng)（圖中未標(biāo)出） ， 機(jī)械手有伸縮、回轉(zhuǎn)、抓刀、松刀等動(dòng)作。 伸縮動(dòng)作：液壓缸（圖中未標(biāo)出）帶動(dòng)手臂托架 5 沿主軸軸向移動(dòng)。 回轉(zhuǎn)動(dòng)作：液壓缸 2 中的齒條輪通過(guò)齒輪帶動(dòng)回轉(zhuǎn)軸 4 轉(zhuǎn)動(dòng)。從而實(shí)現(xiàn)手 臂正向和反向 180的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 抓刀、松刀動(dòng)作：機(jī)械手對(duì)刀具的夾緊和松開是通過(guò)液壓缸 6。碟形彈簧 7 及拉桿 8、杠桿 9、活動(dòng)爪 10 來(lái)實(shí)現(xiàn)。碟形彈簧實(shí)現(xiàn)夾緊，液壓缸實(shí)現(xiàn)松開。 在活動(dòng)爪中有兩個(gè)銷子 11，當(dāng)夾緊刀具時(shí)，插入刀柄凸緣的孔內(nèi)，確保安全、 可靠。 4.3 機(jī)械手的自動(dòng)換刀過(guò)程的動(dòng)作順序 （a） （b） （c） （d） 圖 4-6 換刀機(jī)械手的換刀過(guò)程 自動(dòng)換刀裝置的換刀過(guò)程由選刀和換刀兩部分組成。 選刀即刀庫(kù)按照選刀命令（或信息）自動(dòng)將要用的刀具移動(dòng)到換刀位置， 完成選刀過(guò)程，為下面換刀做好準(zhǔn)備，換刀即是機(jī)械手把主軸上用過(guò)的刀具取 下，將選好的刀具安裝在主軸之上。 換刀動(dòng)作的大致過(guò)程為： 1)主軸箱回到最高處（z 坐標(biāo)零點(diǎn)） ，同時(shí)實(shí)現(xiàn)“主軸準(zhǔn)停” 。即主軸停止 回轉(zhuǎn)并準(zhǔn)確停止在一個(gè)固定不變的角度方位上，保證主軸端面的鍵也在一個(gè)固 定的方位，使刀柄上的鍵槽能恰好對(duì)正端面鍵。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 2)機(jī)械手抓住主軸和刀庫(kù)上的刀具。如圖 4-6（a）所示。 3)把卡緊在主軸和發(fā)庫(kù)上的刀具松開 4)活塞桿推動(dòng)機(jī)械手下行，從主軸和刀庫(kù)上取出刀具 5)機(jī)械手回轉(zhuǎn) 180，交換刀具位置， 6)將更換后的刀具裝入主軸和刀庫(kù) 7)分別夾緊主軸和刀庫(kù)上的刀具 8)機(jī)械手松開主軸和刀庫(kù)上的刀具 9)當(dāng)機(jī)械手松開具后，限位開關(guān)發(fā)出“換刀完畢”的信號(hào)，主軸自由，可 以開始加工或其他程序動(dòng)作。 在自動(dòng)換刀的整個(gè)過(guò)程中，各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)均由限位開關(guān)控制，只有前一個(gè)動(dòng)作 完成后，才能進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作，從而保證了運(yùn)動(dòng)的可靠性。 4.4 機(jī)械手回轉(zhuǎn)軸 4 上的齒輪齒條設(shè)計(jì) 1)回轉(zhuǎn)軸上齒輪采用漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪形式 2)取模數(shù) M=1。5。初取齒數(shù) z=30 3)下表為齒輪幾何尺寸設(shè)計(jì)的基本參數(shù)： 名稱 代號(hào) 計(jì)算公式 模數(shù) m 壓力角 20o 分度圓直徑 d D=mz=1.5 30=45 齒頂高 ahah1.5m 齒根高 ff()(02)1.875c 齒全高 h af.3 齒頂圓直徑 adad(z2)().4hm 齒根圓直徑 f fa125c 齒距 p 4.7p 齒厚 s /3s 頂隙 c 0.251.cm 4)齒條的基本尺寸，按外齒輪幾何尺寸的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算 畢業(yè)設(shè)計(jì) 4.5 自動(dòng)換刀裝置的相關(guān)技術(shù)要求 4.5.1 主軸準(zhǔn)停裝置 為了傳遞扭矩，在主軸的前端裝有端鍵，當(dāng)?shù)毒叩侗b入錐孔時(shí)，刀柄上 的鍵槽位置必須與該鍵對(duì)準(zhǔn)才能裝入。當(dāng)機(jī)械手從刀庫(kù)取刀時(shí)，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(zhǔn)確地停在刀具交換位置上。同時(shí)， 由于工藝上的需要，也必須使主軸準(zhǔn)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(shù)要求稱為主軸準(zhǔn)停。 螺栓數(shù)控銑床的自動(dòng)換刀裝置，在每次自動(dòng)裝卸刀具時(shí)，都必須要求主軸 準(zhǔn)確地停止在固定的周向位置上。因此，可在主軸上安裝電氣控制的主軸準(zhǔn)停 裝置以實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)停功能。 4.5.2 換刀機(jī)械手的安裝與調(diào)試 1)換刀機(jī)械手安裝在主軸箱的左側(cè)面，加工零件時(shí)，換刀機(jī)械手隨主軸箱 一起上下運(yùn)動(dòng)。 2)當(dāng)初裝上換刀機(jī)械手后，必須進(jìn)行調(diào)試：用手動(dòng)操縱主式調(diào)整換刀機(jī)械 手相對(duì)于主軸的位置，使用調(diào)整心棒，有誤差時(shí)可調(diào)整機(jī)械手行程、刀庫(kù)位置、 機(jī)械手支座、修正主軸坐標(biāo)原點(diǎn)等。安裝最大重量刀具時(shí)，要進(jìn)行多次刀庫(kù)到 主軸位置的自動(dòng)交換，使機(jī)械手換刀時(shí)做到準(zhǔn)確無(wú)誤，無(wú)撞擊。 4.6 自動(dòng)換刀程序的編制 1)換刀動(dòng)作（指令）：選刀（T） ；換刀（M06） 2)選刀和換刀通常分開進(jìn)行。 3)為提高機(jī)床利用率，選刀動(dòng)作與機(jī)床加工動(dòng)作重合。 4)換刀指令 M06 必須在用新刀具進(jìn)行切削加工的程序段之前，而下一個(gè)選 刀指令 T 常緊跟在這次換刀指令之后。 5)換刀點(diǎn)：多數(shù)加工中心規(guī)定在機(jī)床 Z 軸零點(diǎn)（Z 0） ，要求在換刀前用準(zhǔn)備 功能指令（G28）使主軸自動(dòng)返回 Z0點(diǎn)。 6)換刀過(guò)程:接到 T指令后立即自動(dòng)選刀，并使選中的刀具處于換刀位 置，接到 M06 指令后機(jī)械手動(dòng)作，一方面將主軸上的刀具取下送回刀庫(kù)，另一 方面又將換刀位置的刀具取出裝到主軸上，實(shí)現(xiàn)換刀。 7)換刀程序編制方法 a)主軸返回參考點(diǎn)和刀庫(kù)選刀同時(shí)進(jìn)行，選好刀具后進(jìn)行換刀。 N02 G28 Z0 T02 Z 軸回零，選 T02 號(hào)刀； N03 M06 換上 T02 號(hào)刀 畢業(yè)設(shè)計(jì) 缺點(diǎn)：選刀時(shí)間大于回零時(shí)間時(shí)，需要占機(jī)選刀。 b)在 Z 軸回零換刀前就選好刀 N10 G01 X_ Y_ Z_ F_ T02 直線插補(bǔ)，選 T02 號(hào)刀 N11 G28 Z0 M06 Z 軸回零，換 T02 號(hào)刀 N20 G01 Z_ F_ T03 直線插補(bǔ)，選 T03 號(hào)刀 N30 G02 X_ Y_ I_ J_ F_ 順圓弧插補(bǔ) c)有的加工中心（TH5632）換刀程序與上略不同 N10 G01 X_ Y_ Z_ F_ T02 直線插補(bǔ)，選 T02 號(hào)刀 N30 G28 Z0 T03 M06 Z 軸回零，換 T02 號(hào)刀，選 T03 號(hào)刀 N40 G00 Z1 N50 G02 X_ Y_ I_ J_ F_ 圓弧插補(bǔ) 注：對(duì)臥式加工中心，上面程序的 G28 Z0 應(yīng)為 G28 Y0 。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第五章 自動(dòng)換刀裝置的控制原理 5.1 自動(dòng)換刀裝置的液壓系統(tǒng)原理圖 液壓系統(tǒng)由液壓油箱、管路、控制閥等組成。控制閥采用分散布局、就近 安裝原則，分別裝在刀庫(kù)和立柱上。電磁閥上貼有磁號(hào)碼（如 YV1、YV2、YV3） ， 便于用戶進(jìn)行檢測(cè)與維修。 5.2 自動(dòng)換刀裝置換刀動(dòng)作的順序控制過(guò)程 在自動(dòng)換刀裝置的整個(gè)換刀過(guò)程中，換刀動(dòng)作的控制由刀庫(kù)控制部分、換 刀機(jī)械手控制部分以及主軸相控制部分三部分組成，它們組成是一個(gè)互相聯(lián)系 的系統(tǒng)。 1)刀庫(kù)控制部分 2)機(jī)械手控制部份 3)主軸箱控制部分 畢業(yè)設(shè)計(jì) 參考文獻(xiàn) 1 吳宗澤,羅圣國(guó).機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)第二版M.北京:高等教育出版 社,1999. 2廖念釗,莫雨松,李碩根,楊興駿.互換性與技術(shù)測(cè)量第四版M.北京:中 國(guó)計(jì)量出版社,2000. 3陳錦昌,劉就女,劉林.計(jì)算機(jī)工程制圖M.廣州:華南理工大學(xué)出版社, 1999. 4馮辛安,黃玉美,杜君文.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2004. 5熊光華.數(shù)控機(jī)床M. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001. 6李峻勤,費(fèi)仁元.數(shù)控機(jī)床及其使用與維修M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 2000. 7張柱銀,陳思義,明興祖.數(shù)控原理與數(shù)控機(jī)床M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2003. 8林東.數(shù)控技術(shù)M.北京:北京理工大學(xué)出版社,1995. 9王愛(ài)玲,白思遠(yuǎn).現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2001. 10何存興,張鐵華.液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)第二版M.湖北:華中科技大學(xué)出 版社,2000. 11毛謙德,李振清.袖珍機(jī)械機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)第二版M.北京:機(jī)械工業(yè)出 版社,2001. 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M03 S500 F30; G98 G85 X0 Y0 R3. Z-45.; G80 G28 G49 Z0. M06; G00 X-60. Y50. T03; G43 H02 Z10. M03 S600; G98 G73 X-60. Y0 R-15. Z-48. Q4. F40; 畢業(yè)設(shè)計(jì) X60.; G80 G28 G49 Z0. M06; G00 X-60. Y0.; G43 H03 Z10. M03 S350; G98 G82 X-60. Y0 R-15. Z-30. P100 F25; X60.; G80 G28 G49 Z0. M05; G91 G28 X0 Y0 M30; 實(shí)例 2、加工如圖所示零件上的通槽和 4 個(gè) M8 的螺紋孔，其加工過(guò)程見表。 工步號(hào) 工步名稱 工具號(hào) 工具名稱及規(guī)格 刀補(bǔ)號(hào) 半徑補(bǔ)償 1 周銑槽 T01 6 立銑刀 H01 D30=3mm 2 鉆螺紋底孔 T02 6.7 鉆頭 H02 3 攻螺紋 T03 M8 絲錐 H03 程序如下： 6001 N001 G92 X0 Y0 Z0; N002 M02 S280; N003 G43 Z30 T01 H01 M07 N004 Z3; 畢業(yè)設(shè)計(jì) N005 G01 Z-5 F50; N006 M98 P0111; N008 M98 P0111; N009 G00 Z30 M09; N010 M05; N011 G90 G00 X-80 Y-40 S800 T03 M03; N012 G43 Z30 T02 H02 M07; N013 G99 G81 R3 Z-12 F80; N014 G91 X160;