1JCS-018A 立式加工中心盤式刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，從第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床成功的研制出來(lái)至今，基本上所有類型的機(jī)床都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。從 1978 年以后，數(shù)控技術(shù)發(fā)展到一定的程度，加工中心為了滿足市場(chǎng)的需要而產(chǎn)生，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展。如今數(shù)控技術(shù)已經(jīng)基本發(fā)展成熟，這在 30 年來(lái)說(shuō)，這也是一個(gè)不敢相信的奇跡，但是對(duì)于我國(guó)來(lái)講，我國(guó)的加工中心發(fā)展的時(shí)間與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比還是相對(duì)比較落后。本文主要是從 CNC 刀庫(kù)和換刀裝置這兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行重點(diǎn)說(shuō)明，以研究應(yīng)用帶刀庫(kù)的的自動(dòng)換刀裝置為主。主要是研究設(shè)計(jì) JCS-018A 立式加工中心盤式刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)，其中應(yīng)用 UG 三維技術(shù)完成 3D 實(shí)體建模，這樣子在設(shè)計(jì)的過(guò)程中能夠更加充分的了解加工中心刀庫(kù)及換刀裝置的結(jié)構(gòu)和原理。雖然盤式刀庫(kù)的刀具數(shù)目相對(duì)來(lái)說(shuō)較少，但是它的換刀時(shí)間短，精度高。關(guān)鍵詞盤式刀庫(kù)；刀具；機(jī)械手換刀2AbstractWith development of the science and the technology. From the first CNC machine successfully developed up to now.almost all types of machine tools are automated.after 1978,numerical control technology development to a certain extent,machining center also arises at the historic moment.and now the numerical control technology has been basically mature,it is a miracle of human machinery manufacturing, but for our country,the machining center is still relatively backward compared with western developed countries.This article around the CNC machining center knife library and tool change device. The application of the automatic tool change device knife library.Library type mainly from the knife,Cutting tool switching device of these two aspects.Mainly design JCS-018A vertical machining center disc knife library structure.the application of UG 3D solid modeling.3D technology to facilitate better understanding processing center knife library.although the number of the cutter disc knife library is relatively less,but its tool change time is short and high precision.Keyworddisc knife library；the Cutting tool；automatic tool changer3摘要 1Abstract 21.緒論 41.1 課題內(nèi)容相關(guān)介紹 .41.2 自動(dòng)加工裝置的組成 .41.3 刀庫(kù)的類型和特性 .51.4 刀具交換裝置 .72.總體設(shè)計(jì)方案 92.1 刀庫(kù)及換刀裝置的設(shè)計(jì) .92.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù) .92.3 刀庫(kù)的相關(guān)方案的設(shè)計(jì)和選定 .92.3.1 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案 103.刀庫(kù)的設(shè)計(jì)及校核 .123.1 刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 123.2 刀庫(kù)主要零件參數(shù)設(shè)計(jì) 123.2.1 刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇 123.3 刀庫(kù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 153.3.1 蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) .153.3.2 蝸桿軸的設(shè)計(jì) 173.4 刀具系統(tǒng)及刀具的選擇 213.4.1 刀具系統(tǒng) .213.4.2 刀具的選擇方式 .213.4.3 刀具識(shí)別裝置 .224.刀具交換裝置的設(shè)計(jì) .244.1 自動(dòng)換刀的順序 244.2 自動(dòng)夾緊裝置 244.3 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和原理 255.UG 實(shí)體建模 .275.1 UG 的簡(jiǎn)介 .275.2 主要零件的建模 2745.2.1 電機(jī) 275.2.2.聯(lián)軸器 285.2.3 蝸桿蝸輪裝置 .296 設(shè)計(jì)總結(jié) 367 致謝 37參考文獻(xiàn) .3851 緒論1.1 課題內(nèi)容相關(guān)介紹我所設(shè)計(jì)的課題的原理就是利用刀庫(kù)中存放的一定的刀具來(lái)完智能化換刀，在一臺(tái)普通的數(shù)控機(jī)床上，對(duì)于一個(gè)機(jī)械零件的加工往往需要很多道復(fù)雜的工序，這就造成了在加工中零件的裝夾，換刀，測(cè)量，轉(zhuǎn)移的過(guò)程中浪費(fèi)了很多時(shí)間，既浪費(fèi)了工廠工時(shí)又加重了工人的勞動(dòng)量。20 世紀(jì) 60 年代末，隨著科學(xué)的迅速發(fā)展，各國(guó)的工業(yè)特別是西方資本主義的制造業(yè)迅猛發(fā)展，又人說(shuō)一個(gè)國(guó)家制造業(yè)的水平反應(yīng)了國(guó)家的綜合國(guó)力水平，為了加快生產(chǎn)的節(jié)奏，帶有自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床就這樣產(chǎn)生了。它能夠把分散的工序集中在一起減少了不必要的換刀進(jìn)行加工，這就是加工中心。在今天，各個(gè)機(jī)械制造的大國(guó)都在提高自己國(guó)家的數(shù)控技術(shù)，特別是中國(guó)，相關(guān)高科技的制造水平不是特別高，先進(jìn)的制造技術(shù)不僅能提高國(guó)家的經(jīng)濟(jì)而且在軍事和航天這兩個(gè)方面也起著舉足輕重的作用。不過(guò)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比。我國(guó)的機(jī)械制造業(yè)還是落后很多，近年來(lái)， 數(shù)控機(jī)床已經(jīng)廣泛的使用在汽車，造船，建筑等各個(gè)領(lǐng)域，所以近年來(lái)國(guó)內(nèi)的數(shù)控機(jī)床的需求量持續(xù)增長(zhǎng)，但是進(jìn)口的數(shù)控機(jī)床也在增加，甚至進(jìn)口的機(jī)床數(shù)目增加的更多，特別對(duì)于一些高精尖的技術(shù)，我國(guó)的產(chǎn)品遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上西方發(fā)達(dá)國(guó)家，國(guó)產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床與之相比缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。目前國(guó)內(nèi)的刀庫(kù)主要依靠進(jìn)口，使用臺(tái)灣的刀庫(kù)較多，也有其他國(guó)家知名企業(yè)的產(chǎn)品。自動(dòng)換刀裝置的發(fā)展左右了數(shù)控加工中心的未來(lái)發(fā)展，國(guó)內(nèi)企業(yè)要盡快擁有自己獨(dú)立的產(chǎn)品脫離進(jìn)口才是關(guān)鍵。而研究數(shù)控機(jī)床加工中心換刀裝置在當(dāng)前的制造業(yè)中來(lái)講是一件比較緊迫的事情，因?yàn)槲覈?guó)的好多高精尖的東西都是依賴國(guó)外進(jìn)口，從目前的全球環(huán)境這樣一個(gè)大環(huán)境下來(lái)講，一個(gè)國(guó)家的技術(shù)如果是依賴進(jìn)口，那么這個(gè)國(guó)家在經(jīng)濟(jì)全球化這樣一個(gè)環(huán)境下的科學(xué)技術(shù)是沒(méi)有什么競(jìng)爭(zhēng)力的，特別是我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中的制造業(yè)大國(guó)，縱觀整個(gè)制造業(yè)的發(fā)展，我們數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣，與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合的越來(lái)越緊密，PLC，數(shù)控編程，三維制圖軟件在制造生產(chǎn)的過(guò)程中越來(lái)越普及，人們追求的是勞動(dòng)力度小，生產(chǎn)效率高的一個(gè)生產(chǎn)流程，數(shù)控機(jī)床以后也越來(lái)越向著高可靠性，制造系統(tǒng)自動(dòng)化，多功能復(fù)合化控制精準(zhǔn)化等方面發(fā)展。固步自封只能導(dǎo)致技術(shù)的不斷落后，我們要看向最先進(jìn)的技術(shù)，從自身已有的技術(shù)出發(fā)，才能不斷前進(jìn)。但是我同時(shí)也相信在一代一代中華兒女的努力之下，我國(guó)的數(shù)控技術(shù)一定會(huì)越來(lái)越成熟，與其他的國(guó)家的差距一定會(huì)越來(lái)越小，我們要相信在不久的未來(lái)，我國(guó)的數(shù)控機(jī)床也會(huì)在國(guó)際市場(chǎng)中占有一席之地。61.2 自動(dòng)加工裝置的組成本文主要研究的是帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)，方面包括刀庫(kù)類型的選擇，選刀方式的確定，刀具交換裝置這三個(gè)部分組成，在加工的工程中，要使得能達(dá)到智能化換刀就必須滿足相關(guān)的必要條件：1.我們要把加工的時(shí)間控制在要在預(yù)期的范圍之內(nèi)，提高產(chǎn)品生產(chǎn)的效率；2，定位精度高；3，刀具儲(chǔ)存量要足夠多，在加工時(shí)要滿足加工的刀具的需求；4，占地面積??；5，安全性能高。1.3 刀庫(kù)的類型和特性(1)盤式刀庫(kù)盤式刀庫(kù)最大的特點(diǎn)在于是它的能夠快速換刀并且能夠保證換刀過(guò)程中的可靠性能。它是在數(shù)控機(jī)床中較為常見的一種刀庫(kù)形式，這種刀庫(kù)的適合大批量生產(chǎn)。它的制造的過(guò)程中成本相對(duì)較低，主要是由刀庫(kù)體和刀具盤這兩個(gè)部分組成；換刀時(shí)間較長(zhǎng)；刀具的儲(chǔ)存量有一定的限制，一本是 15-40 把刀；在數(shù)控加工中機(jī)床開機(jī)后，刀庫(kù)要先回零，機(jī)床關(guān)機(jī)后，刀具庫(kù)應(yīng)該要清零。圖 1-1 盤式刀庫(kù)7(2)鏈?zhǔn)降稁?kù)眾所周知的，鏈?zhǔn)降牡稁?kù)它的最主要的也是深受用戶喜歡的優(yōu)點(diǎn)是在較小的空間里面可以放置多種刀具，普遍的最少的情況下是 把，大型機(jī)床和多功能的機(jī)床可以20放置 120 把左右。這些刀具是由鏈條傳送，等到達(dá)要換刀的指定位置，在借由機(jī)械手和控制程序進(jìn)行自動(dòng)換刀。而且鏈條具有的折疊性，通過(guò)折疊鏈條可以放進(jìn)去更多的刀具。但是鏈?zhǔn)降稁?kù)的定位精度不高，因此在現(xiàn)在機(jī)床中的運(yùn)用不高。圖 1-2 鏈?zhǔn)降稁?kù)(3)格子式刀庫(kù)格子式刀庫(kù)儲(chǔ)存量很大，它最大的特點(diǎn)是刀庫(kù)可以單獨(dú)放在機(jī)床外，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在操作的過(guò)程中選刀和取刀的動(dòng)作多，所以在加工的過(guò)程中一般不會(huì)使用。圖 1-3 格子式刀庫(kù)(4)轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)8轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，而且在加工的過(guò)程中噪音比較小，適用于各類機(jī)床。圖 1-4 轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)(5)斗笠式刀庫(kù)斗笠式刀庫(kù)一般情況下能夠容納的刀具數(shù)目比較少。在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，一般用它來(lái)加工一些簡(jiǎn)單的零件，而對(duì)于一些工序較多或是表面和復(fù)雜的零件來(lái)講它不能滿足在加工時(shí)的要求。9圖 1-5 斗笠式刀庫(kù)1.4 刀具交換裝置刀具交換裝置主要分為兩大類，第一是無(wú)機(jī)械手換刀（又稱為“由刀庫(kù)和主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)刀具交換”）；第二則就是是利用我們的機(jī)械式手臂來(lái)實(shí)現(xiàn)功能。無(wú)機(jī)械手換刀是在換刀的過(guò)程中，它是利用刀庫(kù)和主軸這兩個(gè)之間的相對(duì)位置關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)換刀的過(guò)程。它的缺點(diǎn)就是換刀時(shí)舊刀具送回刀庫(kù)和取即將要使用的刀具這兩個(gè)過(guò)程不能再同一時(shí)間工作。這樣就導(dǎo)致了換刀過(guò)程的時(shí)間較長(zhǎng)，而且由于刀庫(kù)是放在工作臺(tái)上的，工人在操作的過(guò)程中會(huì)覺得工作臺(tái)就會(huì)比較擁擠，這樣不利用操作。機(jī)械手換刀在實(shí)際工作中常常與控制技術(shù)聯(lián)系起來(lái)共同完成自動(dòng)換刀的過(guò)程，在操作的過(guò)程中，利用 PLC 對(duì)換刀的過(guò)程進(jìn)行編程，這樣使得在換刀的過(guò)程中方便簡(jiǎn)潔。一般機(jī)械手都可以通過(guò)進(jìn)行機(jī)械手抓起刀具，從刀套和主軸中拔出刀具，交換刀庫(kù)和主軸的刀具，分別把交換后的刀具插入刀庫(kù)和主軸中以及返回等來(lái)實(shí)現(xiàn)換刀過(guò)程。機(jī)械手主要有以下 5 種主要的形式。第一類的回轉(zhuǎn)式單臂單爪機(jī)械手只有一個(gè)相應(yīng)的卡爪，它的手臂能夠轉(zhuǎn)動(dòng)到范圍內(nèi)的多個(gè)地方地方進(jìn)行換刀，但是因?yàn)橹挥幸粋€(gè)刀爪，所以不能同時(shí)裝刀和卸刀，這樣就導(dǎo)致了它的換刀時(shí)間比較長(zhǎng)。第二類的單臂雙爪回轉(zhuǎn)機(jī)械手有兩個(gè)相應(yīng)的卡爪，都有其各自的使用用途，其中的一個(gè)刀爪裝刀，而另一個(gè)刀爪就卸刀。裝刀和卸刀可以在同一時(shí)進(jìn)行，這樣子的話它的換刀時(shí)間相比單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手短。第三類的雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手換刀的動(dòng)作相對(duì)來(lái)說(shuō)比較單一，它的換刀時(shí)間能夠減少很多是因?yàn)檫@種方式能夠抓取同時(shí)刀庫(kù)和主軸上的刀具，在同一時(shí)間他也可以裝卸這個(gè)刀具。第四類的雙機(jī)械手的原理是兩個(gè)單臂單爪的機(jī)械手組合在一起配合完成換刀的過(guò)程。所以看上去雙機(jī)械手就像是人的兩個(gè)手臂一樣，雖然他的機(jī)構(gòu)就比較復(fù)雜，但是它的換刀的過(guò)程很精確。雙臂往復(fù)交叉式的機(jī)械手的兩個(gè)手臂交叉在一起并且形成一個(gè)角度，這樣類型的機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)直線移動(dòng)或繞著軸旋轉(zhuǎn)。第五類的雙臂端面夾緊式機(jī)械手是靠機(jī)械手夾緊刀具的端面來(lái)抓緊刀具，不過(guò)一般在實(shí)際的操作中用的較少。10圖 1-6 各種機(jī)械手112 總體設(shè)計(jì)方案2.1 刀庫(kù)及換刀裝置我選用的機(jī)床為十分典型的機(jī)床即 JCS-018A 立式加工中心盤式刀庫(kù)，所采用的是單臂雙手的回轉(zhuǎn)式換刀裝置。2.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)刀庫(kù)直徑：400mm；刀具數(shù)量：16 把；刀具形式：BT40；最大刀具的直徑為：40mm；平均刀具的重量為：8kg；刀盤最低的轉(zhuǎn)速為：70r/min；換刀時(shí)間：3.0；2.3 刀庫(kù)設(shè)計(jì)考慮到刀庫(kù)的重量和在換刀過(guò)程中的運(yùn)用，故刀盤選用幅輪式刀盤。考慮到在蝸桿傳動(dòng)是在空間交錯(cuò)中的兩個(gè)軸之間的傳動(dòng)，這樣得傳動(dòng)方式可以改變傳動(dòng)的方向，這一點(diǎn)符合刀庫(kù)中運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳動(dòng)，故選擇蝸桿蝸輪傳動(dòng)。在選擇驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)，由于刀庫(kù)在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中不需要調(diào)速，而且蝸輪蝸桿機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)定位準(zhǔn)確性不高等等的歸納在一定的眾多因素，因此采用交流伺服電機(jī)就可以滿足驅(qū)動(dòng)的要求，在電機(jī)和蝸桿之間可以用聯(lián)軸器連結(jié)。這種傳動(dòng)方案過(guò)程較為簡(jiǎn)單，且在傳動(dòng)的過(guò)程中很平穩(wěn)，能符合相關(guān)工作中對(duì)精度的條件要求。12圖 2-1 刀庫(kù)的傳動(dòng)圖2.3.1 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案加工中心換刀使用的機(jī)械手臂的動(dòng)力驅(qū)使方式主要有電氣控制方式、液壓方式、氣壓控制方式、機(jī)械控制驅(qū)動(dòng)這四種。其中這液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)方式在實(shí)際的生產(chǎn)中用的最多，液壓驅(qū)動(dòng)，在生產(chǎn)中約占 50%左右，氣壓驅(qū)動(dòng)在生產(chǎn)中約占 40%左右。a)電氣驅(qū)動(dòng)電氣驅(qū)動(dòng)是直接用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，他采用較大的減速比減速器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這樣就能夠可以帶動(dòng)絲杠，螺母機(jī)構(gòu)，有的也采用直線電動(dòng)機(jī)。它有維修簡(jiǎn)單，動(dòng)力方便等優(yōu)點(diǎn)，但是由于控制響應(yīng)速度較慢，所以這種驅(qū)動(dòng)方式使用很少。b)液壓驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)是采用了用壓力油進(jìn)行傳動(dòng)，它的驅(qū)動(dòng)力很大，一般在傳動(dòng)的過(guò)程中沒(méi)有停滯的現(xiàn)象。運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中平穩(wěn)，而且液壓油能夠吸收震動(dòng)和減小沖擊力的優(yōu)勢(shì)，能夠頻繁的實(shí)現(xiàn)換向，因此在生產(chǎn)的過(guò)程中最常見到。c)氣壓驅(qū)動(dòng)氣壓驅(qū)動(dòng)是用較為常見的壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種的驅(qū)動(dòng)方式能源（即壓縮氣體）獲得較為簡(jiǎn)便，對(duì)環(huán)境沒(méi)有任何的污染，而且機(jī)械手反饋速度快，無(wú)停滯的現(xiàn)象。壓縮空氣的粘度較小，適合于遠(yuǎn)距離的運(yùn)輸和遠(yuǎn)程遙控。但是有出力小，體積大，潤(rùn)滑13較差的缺點(diǎn)。d)機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)是將所在的動(dòng)力傳遞給凸輪和連桿一些機(jī)構(gòu)等進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。一般不常使用。在本次設(shè)計(jì)中，由于我在機(jī)械手的選用中采用的是回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機(jī)械手換刀這種換刀方式動(dòng)作的換向多，而且要用的驅(qū)動(dòng)力不用特別大，所以我選擇用液壓傳動(dòng)作為機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式。2.3.2 刀具交換裝置的選擇由前文的討論說(shuō)明，選擇了回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機(jī)械手換刀（圖 2-2 是機(jī)械手傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖） 2 ?傳 機(jī) 械 手 傳 傳 機(jī) 傳1.抓刀 當(dāng)壓力油進(jìn)入油缸的時(shí)，活塞桿受到液壓缸的推力的作用，帶動(dòng)齒條向左移動(dòng)，然后齒輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪帶動(dòng)齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由于機(jī)械手安裝在齒輪軸上，所以機(jī)械手手臂轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)時(shí)候，機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 75°抓刀。2.拔刀 第一個(gè)動(dòng)作完成后，齒條上的擋環(huán)壓下相對(duì)應(yīng)的開關(guān)，這個(gè)時(shí)候加工中心發(fā)出拔14刀系統(tǒng)信息，油進(jìn)入到油缸中，這個(gè)時(shí)候傳動(dòng)盤下降，傳動(dòng)盤上的銷子插入到連接盤的孔中，使得活塞桿推動(dòng)機(jī)械手手臂向下移動(dòng)進(jìn)行拔刀。3.換刀 拔刀過(guò)程完成后，擋環(huán)壓下相關(guān)的開關(guān)，加工中心發(fā)出交換刀具的系統(tǒng)信息。然后壓力油進(jìn)入油腔中，活塞桿帶著齒條左移，機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng) 180°，對(duì)主軸和刀庫(kù)上的刀具進(jìn)行互換。4.插刀 換刀過(guò)程結(jié)束后，擋環(huán)壓下對(duì)應(yīng)的開關(guān)，加工中心發(fā)出插刀的系統(tǒng)信息，壓力油進(jìn)入油腔中，活塞桿帶動(dòng)軸上升插刀。銷子從連接盤中退出。5.復(fù)位 插刀過(guò)程完成后，擋環(huán)壓下相關(guān)的開關(guān)，壓力油進(jìn)入油缸中齒條右移復(fù)位，機(jī)械手不動(dòng)。153 刀庫(kù)的設(shè)計(jì)及校核3.1 刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 3-1 刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)當(dāng)數(shù)控機(jī)床接到換刀信號(hào)的時(shí)，電機(jī)接通，電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)聯(lián)軸器，渦輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，它的動(dòng)力傳動(dòng)給刀盤，刀盤帶動(dòng)刀套轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)刀套上都有一個(gè)滾子，最后由液壓缸帶動(dòng)活塞是撥叉提起刀套，與換刀裝置一起完成換刀的過(guò)程。3.2 刀庫(kù)主要零件設(shè)計(jì)3.2.1 刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇按負(fù)載轉(zhuǎn)矩選擇理論上加載在伺服電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩（Tl）應(yīng)該比選定的電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩要小設(shè)計(jì)的刀庫(kù)刀具的最大重量為 8kg，刀盤直徑為 400mm。圓盤式刀庫(kù)的加載在伺服電動(dòng)機(jī)上的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該是來(lái)自于刀具在刀庫(kù)上的位置不平衡造成的。在計(jì)算時(shí)按刀具的最大重量進(jìn)行計(jì)算，重心設(shè)計(jì)為刀庫(kù)的回轉(zhuǎn)中心。則有轉(zhuǎn)化為加載在電機(jī)軸上的負(fù)載為: 10*9.8/201960.TNkgmNlin??電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩?16傳動(dòng)比?i傳動(dòng)效率n在本設(shè)計(jì)中，傳動(dòng)比定為 i=20傳動(dòng)效率為： 0.72*0.99*0.99*0.99=0.6993*21nn?總聯(lián)軸器機(jī)械傳動(dòng)效率；?1n蝸桿的傳動(dòng)效率；2軸承的傳動(dòng)效率；3Tl=19600/20/0.699=1.402n.m在考慮實(shí)際傳動(dòng)過(guò)程的誤差，故電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩 Ts 應(yīng)該是 Tl 的 1.2-1.5 倍。Tls)5.12(??Ts(1.2-1.5)*1.402Ts1.68-2.103根據(jù)要求我們因該按最大的轉(zhuǎn)矩來(lái)選定。加速時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩（T）應(yīng)該是加速轉(zhuǎn)矩（Ta）和負(fù)載轉(zhuǎn)矩（Tl)之和: la??加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算:Ta=2*?* *( )/( )NmJlTa60加速時(shí)間（通常選擇 ）;?Ta152ms?進(jìn)行選刀時(shí)的電機(jī)的轉(zhuǎn)速;--負(fù)載慣量折定到電機(jī)的軸上的慣量；Jl電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量；=1500r/min =0.019n.s.s =0.016n.m.s.sNmJJl=180ms=1.8staTa=2*?*n*m*( )/( )Tl?a60Ta=2*3.14*1500*20*(0.019+0.016)/(60*1.8)=3.05 n.mTTa+Tl 3.05+1.4024.455加速時(shí)最大轉(zhuǎn)矩（T）理論上講應(yīng)該小于電機(jī)的額定最大轉(zhuǎn)矩（T max），這樣才能滿足使用的條件。T13.3N.m??軸孔的直徑范圍為 12-18mm確定其軸孔的直徑為 16mm在蝸輪蝸桿的傳動(dòng)過(guò)程中，軸既受徑向力又受軸向力的作用，故軸承的類型選擇角接觸球軸承，根據(jù)軸徑選擇 70000C如圖 3-1 所示21圖 3-3 蝸桿軸在第三段和第五段是軸承，故 =20mm,長(zhǎng)度 =20mm;?l第六段和第二段是鎖緊螺母，用雙螺母來(lái)進(jìn)行鎖緊，故 =18mm,長(zhǎng)度 =25mm;?l第一段與聯(lián)軸器相連，故 =16mm,長(zhǎng)度 =30mm,鍵為 8*5，長(zhǎng)度為 20mm;l第四段長(zhǎng)度 =250mm;l2.蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.蝸桿軸的最小直徑蝸輪軸選用調(diào)質(zhì)處理的 45 號(hào)鋼。根據(jù)表 15-3（機(jī)械設(shè)計(jì)）有 =1120A=26.45mm30min/*PAd?由于該軸上有鍵槽，在計(jì)算的過(guò)程中應(yīng)該考慮這個(gè)因素的影響，故計(jì)算出來(lái)的最小軸 =27mm。in在蝸輪蝸桿的傳動(dòng)過(guò)程中，軸既受徑向力又受軸向力的作用，故軸承的類型選擇角接觸球軸承，根據(jù)軸徑選擇 7006C。圖 3-4 渦輪軸在第二段和第六段是軸承，故 =30mm,長(zhǎng)度 =20mm,第六段長(zhǎng)度為 50mm;?l第一段和第七段是鎖緊螺母，故 =28mm,長(zhǎng)度 =30mm;第五段與渦輪相連,直徑為 40mm,長(zhǎng)度為 50，上面有一個(gè)鍵 12*5，長(zhǎng)度為 28mm;第三段直徑為 40mm,長(zhǎng)度為 50mm;第四段直徑為 長(zhǎng)度為 12mm;60m第八段為花鍵軸，它與刀盤連接，長(zhǎng)度為 100mm.22蝸桿軸軸徑的校核蝸桿軸；由 可知 =2*4/40?tan1mZd?1tdZ?=11.3蝸桿受力軸向力： =1564 N21dTFa?徑向力： =312.85 N?tanrt?圓周力： =366.26 N?1r垂直受力；；0?rF0''121??rRF?AM*37?得 8.69'1NR2圖 3-3 垂直受力圖垂直面彎矩圖23圖 3-6 垂直面彎矩圖水平面受力 F 0'3711??Rt得 =145 N'=167.85 N2R圖 3-7 水平面受力圖水平面彎矩圖24圖 3-8 水平面彎矩圖-合成彎矩圖圖 3-9 合成彎矩圖轉(zhuǎn)矩圖設(shè)他的 6.0??故 5320.2T當(dāng)量彎矩圖：圖 3-10 轉(zhuǎn)矩圖25圖 3-11 當(dāng)量彎矩圖又由 可知????12224???????????????????WTMTWca在渦輪軸中 =2195.23d?故 =45542/2185.2=20.84ca查表 15-1（機(jī)械設(shè)計(jì)）可知 =55??1??故軸滿足設(shè)計(jì)的條件。渦輪軸的校核蝸桿受力：軸向力： =1564N22dTFa??徑向力： =366.26 N?tanrt圓周力： =312.85 N?2r在垂直方向上受力：圖 3-12 垂直方向受力0'':0423????rryFF0'*31816*4??rac FM得 Nr78'4F513?垂直面彎矩圖26圖 3-13 垂直面彎矩圖水平面受力圖0'*341062:????rc FFtM得：0'':0423???rtryFFNr86'r178'圖 3-14 水平面受力圖水平面彎矩圖圖 3-15 水平面彎矩圖合成彎矩圖27圖 3-16 合成彎矩圖轉(zhuǎn)矩圖圖 3--17 轉(zhuǎn)矩圖當(dāng)量彎矩圖圖 3-18 當(dāng)量彎矩圖有 ????12224???????????????????WTMTWca在蝸輪軸上有 51028.7?1ca故齒輪軸合格。3.4 刀具系統(tǒng)及刀具的選擇283.4.1 刀具系統(tǒng)刀具理論上說(shuō)雖然不是屬于機(jī)床本體的一部分，但是在數(shù)控機(jī)床的使用中，為了使刀具在機(jī)床上迅速有效的進(jìn)行定位夾緊，現(xiàn)在在工廠中一般使用的是一套標(biāo)準(zhǔn)化的刀具系統(tǒng)，刀具一般是上來(lái)講由刀柄和拉丁兩部分已經(jīng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化組成。我國(guó)制定了 TSG 刀具系統(tǒng)的刀柄標(biāo)準(zhǔn)為直柄和 7:24 的錐度，使得各種刀柄都有可以參考的標(biāo)準(zhǔn)。3.4.2 刀具的選擇方式（1）順序選擇刀具刀具按照一定的順序插入到刀庫(kù)中，到了工作狀態(tài)中使用的時(shí)候也會(huì)按順序的取出來(lái)使用，這種選擇刀具的方式就叫做順序選擇刀具。這種選擇刀具的方式十分方便，控制簡(jiǎn)單，而且很可靠。但是這樣子的話，就會(huì)使得刀庫(kù)中的刀具在每個(gè)工序中不能重復(fù)使用，而且也降低了刀具使用的利用率，而且為了滿足工作的要求，刀具的數(shù)目不斷增加的話，就會(huì)使得刀庫(kù)的尺寸也會(huì)隨之不斷的增加，機(jī)床變大，這樣工廠的空間利用率就會(huì)減小，增加了公司的成本，也降低了工作的效率。（2）任意選擇刀具這種選擇刀具的方式是利用編程來(lái)管理刀庫(kù)中的刀具，刀具在刀庫(kù)中可以隨意放置，不需要按照一定的順序排列。使用的時(shí)候可以任意選擇，發(fā)出換刀指令后，要根據(jù)刀具識(shí)別裝置來(lái)識(shí)別是哪一把刀具。這種選擇刀具的方式主要有刀座編碼方式，刀具編碼方式和編碼附件方式。1.刀座編碼方式刀座編碼方式的設(shè)計(jì)原理是：刀座按一定的順序進(jìn)行編碼，而且在對(duì)應(yīng)的刀庫(kù)里每一把刀具也進(jìn)行相應(yīng)的編碼，把編碼后的刀具放在對(duì)應(yīng)編碼的刀座之中，當(dāng) CNC發(fā)出換刀的順序，及其開始換刀的時(shí)候，刀庫(kù)就旋轉(zhuǎn)。這樣，刀座就可以通過(guò)相應(yīng)的識(shí)別刀具的裝置找到那道工序需要的那把刀。這種選擇刀具的方式的優(yōu)點(diǎn)是刀具是可以被重復(fù)利用的。但是他也有自己的缺點(diǎn)，它的主要缺點(diǎn)是在自動(dòng)換刀時(shí)要把用過(guò)的舊刀放回到相應(yīng)的刀座中，這樣就增加了換刀的動(dòng)作。2.刀具編碼方式刀具編碼方式是在刀柄之后后端的拉桿上裝上能夠被識(shí)別的編碼環(huán)，這樣使得每一把刀具都有自己特定的代碼，但是刀座自身沒(méi)有編碼，這樣刀具可以放在任意的刀座中，這種方式的編碼方式刀具也可以被重復(fù)利用。3.編碼附件方式29編碼附件可以有編碼桿，編碼盤，編碼卡片和編碼鑰匙等等，在實(shí)際中用最多的是編碼鑰匙，編碼鑰匙就像門的鑰匙和鎖一樣，這樣就給刀座安上特定的號(hào)碼，就像一個(gè)電話機(jī)對(duì)應(yīng)一個(gè)電話號(hào)碼一樣，識(shí)別裝置就是通過(guò)識(shí)別編碼鑰匙鑰匙來(lái)選擇刀具。這種編碼方式有很大的靈活性，刀具利用率高，因?yàn)樗哂袝簳r(shí)的特性，從刀座中取刀具后刀具就成為無(wú)編碼的刀具。但是它的缺點(diǎn)是，刀具要必須得放回原來(lái)的刀座中。3.4.3 刀具識(shí)別裝置（1）接觸式刀具識(shí)別裝置接觸式刀具識(shí)別裝置的原理是通過(guò)觸針與編碼環(huán)相互接觸來(lái)進(jìn)行識(shí)別，對(duì)于識(shí)別裝置的每個(gè)觸針都與一個(gè)繼電器相連接，當(dāng)觸針與編碼環(huán)接觸時(shí)繼電器通電，代碼為 1，當(dāng)觸針與編碼環(huán)不接觸代碼為 0，然后由繼電器來(lái)判斷是不是所需要的刀具，如果是的話那么控制裝置發(fā)出信號(hào)讓刀庫(kù)停止。（2）利用非接觸式刀具識(shí)別裝置非接觸式刀具識(shí)別裝置的原理是利用磁和光的識(shí)別，這種識(shí)別方式一般不用和編碼環(huán)相接觸，這樣就可以提高編碼環(huán)的壽命，一般用于高速，或者是換刀比較頻繁的場(chǎng)合。（3）利用可編程控制器這是利用計(jì)算機(jī)軟件編程取代傳統(tǒng)的識(shí)別方式，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為一門大學(xué)生的必須基本掌握的課程-數(shù)控編程，這樣提高了工作效率和準(zhǔn)確度。消除了由于在換刀過(guò)程中的各種誤差。在這個(gè)中又分為自動(dòng)換刀控制和刀號(hào)數(shù)據(jù)表，刀具識(shí)別和刀具交換及刀號(hào)數(shù)據(jù)表的修改三種類型，都是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行控制。304 刀具交換裝置的設(shè)計(jì)4.1 自動(dòng)換刀的順序在機(jī)床上，刀庫(kù)是位于機(jī)床主軸的左側(cè)，刀具在刀座中，剛開始刀具軸線與主軸垂直，所以在換刀前，刀庫(kù)首先將要交換的刀具通過(guò)刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)，刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)到指定的位置，由識(shí)別裝置識(shí)別出來(lái)，刀庫(kù)停止旋轉(zhuǎn)，送到換刀的位置，然后由撥叉把刀套上的滾子提起來(lái)，然后讓刀套向下旋轉(zhuǎn) 90 度；接著機(jī)械手按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng) 75 度，這樣機(jī)械的兩個(gè)手柄分別夾持著刀庫(kù)和主軸上的刀具，手柄上有自鎖機(jī)構(gòu)，夾緊刀具后機(jī)械手柄自動(dòng)進(jìn)行鎖緊；當(dāng)主軸上的自動(dòng)夾緊裝置處于放松時(shí)，機(jī)械手向下移動(dòng)，拔出刀具；然后機(jī)械手按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng) 180 度的角度，這個(gè)過(guò)程中的機(jī)械手就像人的兩個(gè)手臂，人轉(zhuǎn) 180 度后，刀具的位置交換，機(jī)械手交換刀庫(kù)和主軸上的刀具；換刀動(dòng)作完成后，機(jī)械手就向上移動(dòng)，機(jī)械手的兩個(gè)手柄分別將刀具插到刀庫(kù)的刀套和主軸中；主軸這時(shí)就被夾緊，機(jī)械手復(fù)位，逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn) 75 度的角度；刀套復(fù)位，向上旋轉(zhuǎn) 90 度。4.2 自動(dòng)夾緊裝置刀具的自動(dòng)夾緊裝置一般安裝在主軸上，刀具在主軸上的夾緊和放松是為了更好的安裝和換刀。如圖所示：主軸的前端是用最常用的 7:24 的錐孔來(lái)裝夾刀具，主軸的端面有鍵槽是為了更好的給刀具定位，還可以傳遞扭矩。當(dāng)?shù)毒邐A緊時(shí)，蝶形彈簧通過(guò)拉桿和雙瓣卡爪在套筒的動(dòng)作下下可以使刀柄的尾端拉緊從而實(shí)現(xiàn)刀具的夾緊；在換刀時(shí)壓力油就會(huì)進(jìn)入到油腔中，活塞通過(guò)推動(dòng)拉桿來(lái)壓縮彈簧，在彈簧的作用下卡爪張開，導(dǎo)致噴氣頭將刀柄頂住，當(dāng)壓力達(dá)到一定的值時(shí)，刀柄松開，這個(gè)時(shí)候刀具就可以被機(jī)械手拔出，完成拔刀的動(dòng)作；當(dāng)機(jī)械手換刀后，機(jī)械手要把新的刀具放到主軸中，壓力油進(jìn)入油腔中，上述提到的使刀具夾緊。這樣就完成了刀具的在主軸上的自動(dòng)夾緊的過(guò)程。在這個(gè)裝置中，活塞的極限位置中都有行程開關(guān)開控制在刀具的夾緊和松開。