加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 I 摘 要 以加工中心自動(dòng)換刀裝置中的刀庫(kù)的設(shè)計(jì)與控制為背景，根據(jù)使用的場(chǎng)合和實(shí)際運(yùn)用的要求，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的 40 刀的鏈?zhǔn)降稁?kù)，并且對(duì)它的控制進(jìn)行了一定的研究。 論文首先對(duì) 40 刀刀庫(kù)總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行闡述，闡述其各部件的工作原理，然后就刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制分節(jié)對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行計(jì)算與設(shè)計(jì)。 刀庫(kù)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是研究的重點(diǎn)，傳動(dòng)部分為蝸桿蝸輪的減速裝置，控制部分為刀庫(kù)送刀機(jī)構(gòu)，由 制刀庫(kù)的正反轉(zhuǎn)。 關(guān)鍵詞 ：加工中心，刀庫(kù)，蝸桿蝸輪， 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 I in as a to s s to on to of is on s to on to s is s LC 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 1 目 錄 1 緒論 . 1 言 . 1 工中心簡(jiǎn)介 . 1 工中心的發(fā)展簡(jiǎn)史 . 1 工中心的結(jié)構(gòu)組成 . 2 工中心的分類 . 4 工中心的主要優(yōu)點(diǎn) . 5 工中心的發(fā)展趨勢(shì) . 6 庫(kù) . 7 庫(kù)簡(jiǎn)介 . 7 庫(kù)的類型 . 8 案的分析論證及確定 . 12 2 刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選定 . 15 套線速度 . 15 輪參數(shù)確定 . 15 據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩選電機(jī) . 16 動(dòng)比分配 . 18 軸轉(zhuǎn)速 . 18 軸功率 . 18 軸轉(zhuǎn)矩 . 18 3 刀庫(kù)傳動(dòng)方式 . 20 庫(kù)傳動(dòng)方式設(shè)計(jì) . 20 桿蝸輪傳動(dòng) . 20 傳動(dòng) . 29 4 軸的設(shè)計(jì) . 32 材料選定 . 32 桿軸設(shè)計(jì) . 32 步估算軸的最小直徑 . 32 4. 軸器選定 . 33 定軸承類型 . 33 步估算蝸桿軸各段尺寸 . 33 桿軸校核 . 34 輪軸校核 . 30 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 1 步估算軸的最小直徑 . 38 步估算蝸輪軸各段的尺寸 . 38 輪軸校核 . 38 的校核 . 42 5 軸承校核 . 44 桿軸承校核 . 44 輪軸承校核 . 44 6 刀庫(kù)控制系統(tǒng) . 46 具的選擇方式 . 46 序選擇 . 46 意選擇 . 46 具識(shí)別裝置 . 47 庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 48 7 其它零部件設(shè)計(jì) . 51 8 結(jié)論 . 53 致謝 . 54 參考文獻(xiàn) . 55 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 - 1 - 一 緒論 本首 先從數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程引出加工中心的發(fā)展趨勢(shì)，再具體到本次設(shè)計(jì)針對(duì)的刀庫(kù)的任務(wù)要求，明確了本設(shè)計(jì)任務(wù)的主要內(nèi)容。 言 1952 年世界上出現(xiàn)了一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，使多品種、中小批量的機(jī)械加工設(shè)備在柔性、自動(dòng)化和效率上產(chǎn)生了巨大變革。 1958 年一臺(tái)加工中心問(wèn)世，它將多工序（銑、鉆、鏜、鉸、攻絲等）加工集于一身；適應(yīng)加工多品種和大批量的工件；增加機(jī)床功能（自動(dòng)換刀、自動(dòng)換工件、自動(dòng)檢測(cè)等），使自動(dòng)化程度和加工效率上了一個(gè)新臺(tái)階；使無(wú)人化（或長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人操作）加工成為現(xiàn)實(shí)。 90 年代以來(lái)，數(shù)控加工技術(shù)得到迅速的普及及發(fā)展， 數(shù)控加工中心在制造業(yè)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)制造的加工中心主要是面向生產(chǎn)領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高、封閉性強(qiáng)，價(jià)格昂貴。加工中心已成為柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和自動(dòng)化工廠的基本單元。 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，受到世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視，技術(shù)迅速發(fā)展，品種和數(shù)量大幅度增加，成為當(dāng)今世界機(jī)械加工設(shè)備中最引人注目的一類產(chǎn)品。 工中心簡(jiǎn)介 加工中心的發(fā)展簡(jiǎn)史 1952 年世界上出現(xiàn)一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，使多品種、中小批量的機(jī)械加工設(shè)備在柔性、自動(dòng) 化和效率上產(chǎn)生了巨大變革。它用易于修改的數(shù)控加工程序進(jìn)行控制，因而比大批量生產(chǎn)重使用組合機(jī)床生產(chǎn)線和凸輪、開(kāi)關(guān)控制的專用機(jī)床有更大的柔性，容易適應(yīng)加工件品種的變化，進(jìn)行多品種加工。它用數(shù)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的工藝功能、幾何圖形運(yùn)動(dòng)功能和輔助功能實(shí)行全自動(dòng)的數(shù)字控制，因?yàn)橛懈叩淖詣?dòng)化程度和加工效率，大大改變了中小批量生產(chǎn)中普通機(jī)床占整個(gè)機(jī)械加工 70% 80% 的狀況。數(shù)控機(jī)床能實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)以上聯(lián)動(dòng)的功能，其效率和精度比用手工和樣板控制加工復(fù)雜零件要高得 多。 1958 年一臺(tái)加工中心在美國(guó)卡尼、特雷克（ 司問(wèn)世?，F(xiàn)代加工中心的內(nèi)容是什么？一，它是在數(shù)控鏜床或數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上增加自動(dòng)換刀裝置，可使工件在一次裝卡中，能夠自動(dòng)更換刀具，自動(dòng)完成工件上的銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 - 2 - 攻絲等工序的數(shù)控機(jī)床。二，加工中心上如果帶有自動(dòng)分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)或自動(dòng)轉(zhuǎn)角度的主軸箱，可使工件在一次裝卡中，自動(dòng)完成多個(gè)平面和多個(gè)角度位置的多工序加工。三，加工中心上如果帶有交換工作臺(tái)，工件在工作位置的工作臺(tái)上進(jìn)行加工的同時(shí)，另外的工件在裝卸位置的工作臺(tái)上進(jìn)行裝卸 ，不影響加工的進(jìn)行。 由上述可知，加工重心在加工的柔性、自動(dòng)化程度和加工效率上，在一般數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上又上了一個(gè)新的臺(tái)階，又是一次新的變革。 加工中心的定義是什么？目前世界上并無(wú)標(biāo)準(zhǔn)定義，但目前普遍認(rèn)為是指：在工件一次裝卡中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等多工序的數(shù)控機(jī)床。更為明確的說(shuō)法是：加工中心就是自動(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床。這就把加工中心與自動(dòng)換刀數(shù)控車床或車削中心區(qū)別開(kāi)來(lái)。 加工中心的結(jié)構(gòu)組成 加工中心的組成 隨 機(jī)床的類別、功能、參數(shù)的不同而有所區(qū)別。機(jī)床本身分基本部件和選擇部件，數(shù)控系統(tǒng)有基本 功能和選用功能，機(jī)床參數(shù)有主參數(shù)和其它參數(shù)。機(jī)床制造廠可根據(jù)用戶提出的要求進(jìn)行生產(chǎn)，但在同類機(jī)床的基本功能和部件組成一般差別不大。從總體上看，加工中心基本上由以下幾大部分組成。 基礎(chǔ)部件 主要由床身、立柱和工作臺(tái)等大件組成。它們是加工中心的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，要承受加工中心的靜載荷以及在加工時(shí)的切削負(fù)載，因此必須是剛度很高的部件。這些大件可以是鑄鐵件也可以是焊接的剛結(jié)構(gòu)件，是加工中心中重量和體積最大的部件。 主軸系統(tǒng) 主要由主軸箱、主軸電動(dòng)機(jī)、主軸和主軸軸承等零部件組成。主軸的啟動(dòng)、停止和變轉(zhuǎn)速等 動(dòng)作均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過(guò)裝在主軸上的刀具參與切削運(yùn)動(dòng)，是切削加工的功率輸出部件。主軸系統(tǒng)是加工中心的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)的好壞，對(duì)加工中心的性能有很大的影響。 數(shù)控系統(tǒng) 主要由 置、可編程序控制器、伺服驅(qū)動(dòng)裝置以及電動(dòng)機(jī)等部分組成，它們是加工中心執(zhí)行順序控制動(dòng)作和完成加工過(guò)程的控制中心。 自動(dòng)換刀系統(tǒng) 主要由刀庫(kù)、自動(dòng)換刀裝置等部件組成。刀庫(kù)是存放加工過(guò)程所要使用的全部刀具的裝置。當(dāng)需要換刀時(shí)，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的指令，由機(jī)械手（或通過(guò)別的方式）將刀具從刀庫(kù)取出裝入主軸孔中。刀庫(kù)有盤式、 鏈?zhǔn)胶凸氖降榷喾N形式，河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 - 3 - 容量從幾把到幾百把。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)根據(jù)刀庫(kù)與主軸的相對(duì)位置幾結(jié)構(gòu)的不 同 也有多種形式。如單臂式、雙臂式。回轉(zhuǎn)式和軌道式等等。有的加工中心利用主軸箱或刀庫(kù)的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)換刀。 輔助系統(tǒng) 包括潤(rùn)滑、冷卻、排屑防護(hù)、液壓和隨機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)等部分。輔助系統(tǒng)雖不直接參與切削運(yùn)動(dòng)。但對(duì)加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起到保障作用，因此也是加工中心中不可缺少的部分。 另外，為進(jìn)一步縮短非切削時(shí)間，有的加工中心還配備了自動(dòng)托盤交換系統(tǒng)。例如，配有兩個(gè)自動(dòng)交換工件托盤的加工中心，一個(gè)安裝工件在工作 臺(tái)上加工，另一個(gè)則位于工作臺(tái)外進(jìn)行工件的裝卸。當(dāng)完成一個(gè)托盤上工件的加工后，便自動(dòng)交換托盤，進(jìn)行新零件的加工，這樣可以減少輔助時(shí)間，提高加工效率。 加工中心的分類 按照加工中心形態(tài)不同進(jìn)行分類，可分為立式、臥式和五坐標(biāo)加工中心。 立式加工中心（如圖 1 立式加工中心的主軸軸心線為垂直狀態(tài)配置，結(jié)構(gòu)形式多為固定立柱式，工作臺(tái)為長(zhǎng)方形，適合加工小型板類、盤類、殼體類零件。 臥式加工中心（如圖 1 臥式加工中心是指主軸軸線為水平狀態(tài)設(shè)置的加工中心，通常都帶有可進(jìn)行分度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的正方形分 度工作臺(tái)。臥式加工中心一般具有 35 個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，常見(jiàn)的是三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo) (沿 X、 Y、 Z 軸方向 )加一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo) (回轉(zhuǎn)工作臺(tái) )，它能夠使工件在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，最適合箱體類工件的加工。 五坐標(biāo)加工中心 五坐圖 1式加工中心 圖 1式加工中心 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 - 4 - 標(biāo)加工中心 兼具 立式和臥式加工中心的功能，工件一次裝夾后能完成除安裝面外的所有側(cè)面和頂面等五個(gè)面的加工，因此也叫五面加工中心。常見(jiàn)的五坐標(biāo)加工中心有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是主軸可以 90 旋轉(zhuǎn) ，另一種是工作臺(tái)可以 90 旋轉(zhuǎn)。 加工中心的主要優(yōu)點(diǎn) 提高加工質(zhì)量 工件一次裝夾，即可實(shí)現(xiàn)多工序集中加工，大大減少多次裝夾所帶來(lái)的誤差。另外，由于是數(shù)控加工，較少依賴操作者的技術(shù)水平，可得到相當(dāng)高的穩(wěn)定精度。 縮短加工準(zhǔn)備時(shí)間 加工中心既然可以頂替多臺(tái)通用機(jī)床，那么加工一個(gè)零件 所 需準(zhǔn)備時(shí)間，是每臺(tái)加工單元所損耗的準(zhǔn)備時(shí)間之和。從這個(gè)意義上說(shuō)，加工中心的準(zhǔn)備時(shí)間顯然短得多。 減少在制品 以往的加工方式是 工件流動(dòng)與多臺(tái)通用機(jī)床之間，這就要有相當(dāng)數(shù)量的在制品，而在加工中心上加工，即可發(fā)揮其 “多工序集中 ”的優(yōu)勢(shì)，在一臺(tái)機(jī)床上完成多個(gè)工序，就能大大減少在制品數(shù)量。 減少刀具費(fèi) 把分散設(shè)置在各通用機(jī)床上的刀具，集中在加工中心刀庫(kù)上，有可能用最少量的刀具，實(shí)現(xiàn)公共有效利用。這樣既提高刀具利用率，又減少了道具數(shù)量。 最少的直接勞務(wù)費(fèi) 由 置實(shí)現(xiàn)多工序加工的信息集約化和一人多臺(tái)管理，以及用工作臺(tái)自動(dòng)托盤交換裝置（ 稱 輔助裝置，實(shí)現(xiàn)夜間無(wú)人運(yùn)轉(zhuǎn) 。這些都可縮減直接勞務(wù)費(fèi)。 最少的簡(jiǎn)介勞務(wù)費(fèi) 由于工序集中，工件搬運(yùn)和質(zhì)量檢查工作量都大為減少，這就使間接勞務(wù)費(fèi)最少。 設(shè)備利用率高 加工中心設(shè)備利用率為通用機(jī)床的幾倍。另外，由于工序集中，容易適應(yīng)多品種、中小批量生產(chǎn)。 加工中心的發(fā)展趨勢(shì) 立式加工中心 立式加工中心主要的用戶層面為 ,以看好的汽車零部件行業(yè)為首，還有模具、飛機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、 學(xué)設(shè)備等行業(yè)。在飛機(jī)制造業(yè)因絕大多數(shù)加工件為多品種、小批量的河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 - 5 - 產(chǎn)品，因此五軸加工機(jī)為主的立式加工中心有潛在的需求。今后電子零部件、精密機(jī)枝零部 件、半導(dǎo)體模具等行業(yè)也具有需求潛力。各生產(chǎn)廠家面對(duì)預(yù)期需求擴(kuò)大的飛機(jī)、模 立式加工中心主要的用戶層面為 ,以看好的汽車零部件行業(yè)為首，還有模具、飛機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、 學(xué)設(shè)備等行業(yè)。在飛機(jī)制造業(yè)因絕大多數(shù)加工件為多品種、小批量的產(chǎn)品，因此五軸加工機(jī)為主的立式加工中心有潛在的需求。今后電子零部件、精密機(jī)枝零部件、半導(dǎo)體模具等行業(yè)也具有需求潛力。 臥式加工中心 臥式加工中心因其加工面是垂直的，切屑易脫落，比較適應(yīng)時(shí)間無(wú)操作。又因是模塊結(jié)構(gòu)，可以短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)入最適當(dāng)規(guī)模的系統(tǒng)。因其無(wú)人操作時(shí)間較長(zhǎng)，在成本費(fèi)用 方面與單機(jī)相比效果更好。 從技術(shù)開(kāi)發(fā)動(dòng)向來(lái)看，是謀求提高主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、提高精密度、并將對(duì)應(yīng)熱變位、模塊化等集中體現(xiàn)出來(lái)。其中，作為機(jī)床基本課題的高速化研究也不斷取得成果。 由于提高進(jìn)給速度直接關(guān)系到產(chǎn)品的加工時(shí)間，以利提高生產(chǎn)效率，因此在高速進(jìn)給技術(shù)方面，驅(qū)動(dòng)裝置采用直線電機(jī)的機(jī)型正在增多。同時(shí)也有廠家在開(kāi)發(fā)不使用直線電機(jī)，采用進(jìn)給軸以大導(dǎo)程滾珠絲杠為驅(qū)動(dòng)，進(jìn)給加速度 2G、快速進(jìn)給速度 120 高速臥式加工中心。并在主軸上采用雙面約束刀具、主軸轉(zhuǎn)速為 2 萬(wàn) r/ 速進(jìn)給速度為 60 m/盡量縮短重復(fù)定位、刀至刀等的非切削時(shí)間。為解決速度提高帶來(lái)的熱變位影響，防止精度下降，一般都采用獨(dú)自的補(bǔ)正裝置或主軸冷卻結(jié)構(gòu)、冷卻裝置等。 庫(kù) 刀庫(kù)簡(jiǎn)介 刀庫(kù)是自動(dòng)換刀裝置中最主要的部件之一，其容量、布局以及具體結(jié)構(gòu)對(duì)加工中心的設(shè)計(jì)有很大影響。刀庫(kù)是用來(lái)儲(chǔ)存加工刀具及輔助工具的地方。由于多數(shù)加工中心的取送刀位置都是在刀庫(kù)中的某一固定刀位，因此刀庫(kù)還需要有使刀具運(yùn)動(dòng)及定為的機(jī)構(gòu)來(lái)保證換刀的可靠。其動(dòng)力可采用液動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)，如果需要還要有減速機(jī)構(gòu)。刀庫(kù)的定為機(jī)構(gòu)是用來(lái)保證更 換的每一把刀具或刀套都能準(zhǔn)確地停在換到位置上。其控制部分可以采用簡(jiǎn)易位置控制器或類似半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的伺服位置控制，也可以采用電氣和機(jī)械相結(jié)合的銷定為方式，一般要求綜合定為精度達(dá)到 0.5 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 - 6 - 根據(jù)刀庫(kù)所需要的容量和取刀方式，可以將刀庫(kù)設(shè)計(jì)成多種形式。圖 1出了常用的幾種刀庫(kù)。圖 1適應(yīng)機(jī)床主軸的布局，刀庫(kù)的刀具軸線可以按不同的方向配置，圖 1刀具可作 90 翻轉(zhuǎn)的圓盤刀庫(kù)，采用這種結(jié)構(gòu)能夠簡(jiǎn)化取刀動(dòng)作。單盤式刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，取刀也較為方便，因此應(yīng)用最為廣泛。但由于圓盤尺寸受限制，刀庫(kù)的容量較小（通常裝 16 32 把刀）。 當(dāng)需要存放更多數(shù)量的刀具時(shí)，可以采用圖 1們充分利用了機(jī)床周圍的有效空間，且刀庫(kù)的外形尺寸又不致過(guò)于龐大。圖 1鼓筒彈夾式刀庫(kù)，其結(jié)構(gòu)十分緊湊，在相同的空間內(nèi)，它的刀庫(kù)容量較 大，但選刀和取刀的動(dòng)作較復(fù)雜。圖 1鏈?zhǔn)降稁?kù)，其結(jié)構(gòu)有較大的靈活性，存放刀具的數(shù)量也較多，選刀和取刀動(dòng)作十分簡(jiǎn)單。當(dāng)鏈條較長(zhǎng)時(shí)，可以增加支撐鏈輪的數(shù)目，使鏈條折迭回繞，提高了空間利用率。圖 1 1別為多盤式和格子式刀庫(kù)，它們雖然也具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，但選刀和取刀動(dòng)作復(fù)雜，較少應(yīng)用。 庫(kù)的類型 加工中心上普遍采用的刀庫(kù)是盤式刀庫(kù)和鏈?zhǔn)降稁?kù)。密集型的固定刀庫(kù)目前于用于 的集中供刀系統(tǒng)。 圖 1庫(kù)的形式 a）軸向式 b）徑向式 c）斜向式 d）刀具翻轉(zhuǎn)式 e）鼓筒彈夾式 f）鏈?zhǔn)?g）多盤式 h）格子式 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 - 7 - 盤式刀庫(kù) 盤式刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用較多，如圖 1示。由于刀具環(huán)形排列 ，空間利用率低。因此出現(xiàn)了將刀具在盤中采用雙環(huán)或多環(huán)排列，以增加空間的利用率。但這樣一來(lái)使刀庫(kù)的外徑過(guò)大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也很大，選刀時(shí)間也較長(zhǎng)。因此，盤式刀庫(kù)一般適用于刀具容量較少的刀庫(kù)。 鏈?zhǔn)降稁?kù) 如圖 1示，鏈?zhǔn)降稁?kù)的結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫(kù)容量較大，鏈環(huán)的形狀可以根據(jù)機(jī)床的布局配置成各種形狀，也可將換刀位突出以利換刀。當(dāng)鏈?zhǔn)降稁?kù)需增加刀具容量時(shí)，只需增加鏈條的長(zhǎng)度和支承鏈輪的數(shù)目，在一定范圍內(nèi)，無(wú)需變更線速度及慣量。這些特點(diǎn)也為系列刀庫(kù)的設(shè)計(jì)與制造帶來(lái)了很大的方便，可以滿足不同使用條件。一般刀具數(shù)量在 30120 把時(shí)，多采用鏈?zhǔn)降稁?kù)。 圖 1式刀庫(kù)的形式 圖 1式刀庫(kù)的形式 a）徑向取刀形式 b）軸向取刀形式 c）刀具徑向安裝 d）刀具斜向安裝 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 - 8 - 換刀位置 為保證刀套準(zhǔn)停精度和刀套定位剛性，鏈?zhǔn)降稁?kù)的換刀位置一般設(shè)在主動(dòng)鏈輪上如圖 1示，或者設(shè)在盡可能靠近主動(dòng)鏈輪的刀套處，如圖 1示 鏈條形式 我國(guó)目前還沒(méi)有廠家生產(chǎn)加工中心刀庫(kù)專用鏈條，因而不得不用標(biāo)準(zhǔn)套筒輥?zhàn)渔?，通過(guò)連接器把刀套固定在鏈條上。這種方式不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配調(diào)試費(fèi)時(shí)，而且套筒位置精度亦差 我國(guó)部分廠家，購(gòu)買日本椿本鏈條公司（ o.）生產(chǎn)的已轉(zhuǎn)有刀套的刀庫(kù)專用鏈條來(lái) 裝備刀庫(kù)，效果頗佳。考慮到刀具重量和刀庫(kù)工作的平穩(wěn)性，推薦采用： 鏈條 這種鏈條是套筒式鏈條，其輥?zhàn)颖旧砭褪堑短?，該鏈條型式及尺寸見(jiàn)表 11） 鏈條型號(hào) 刀具錐柄號(hào) P O L H W R T 0 90 55 8 60 68 定位塊手爪圖 1式刀庫(kù)換刀位置 定位插銷定位盤鏈輪手爪圖 1式刀庫(kù)換刀位置 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 - 9 - 鏈輪節(jié)圓直徑80s 式中 N當(dāng)量齒數(shù)（實(shí)際齒數(shù) /3） 鏈輪外徑 N 8 0c o 式中 P鏈條節(jié)距 注：鏈輪齒數(shù)可從 9 個(gè)起使用。但是為了增加鏈條的耐用度和運(yùn)行效率，齒數(shù)還是盡可能多為好。鏈輪之間的中心距，以取鏈條節(jié)距整數(shù)倍為宜。 機(jī)械結(jié)構(gòu)方案的提出 方案一：直接在刀庫(kù)與主軸之間換刀 方案二：用機(jī)械手在刀庫(kù)與主軸之間換刀 方案三：用機(jī)械手和轉(zhuǎn)塔頭配合刀庫(kù)進(jìn)行換刀 傳動(dòng)方案的提出 方案一：轉(zhuǎn)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)帶傳動(dòng)，移動(dòng)用氣壓或液壓傳動(dòng) 方案二：轉(zhuǎn)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)帶傳動(dòng)，移動(dòng)用絲杠傳動(dòng) 方案三：轉(zhuǎn)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)齒輪傳動(dòng)，移動(dòng)用氣壓或液壓傳動(dòng) 方案四：轉(zhuǎn)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)蝸輪蝸桿傳動(dòng)，移動(dòng)用氣壓傳動(dòng) 案的可行性分析 械結(jié)構(gòu)方案的可行性分析 方案一：直接在刀庫(kù)與主軸之間換刀 這種換刀裝置只有一個(gè)刀庫(kù)，刀庫(kù)中儲(chǔ)存著加工過(guò)程中需要使用的刀具，利用機(jī)床本身與刀庫(kù)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)換刀過(guò)程。它的刀庫(kù)需要整體運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且刀庫(kù)容量較小。主要運(yùn)用在需要刀具 較少的數(shù)控車床中。 方案二：用機(jī)械手在刀庫(kù)與主軸之間換刀 這是目前用的最普遍的一種自動(dòng)換刀裝置，其布局結(jié)構(gòu)多種多樣。它利用機(jī)械手在河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 - 10 - 刀庫(kù)和機(jī)床之間實(shí)現(xiàn)換刀過(guò)程。由于這種結(jié)構(gòu)有一個(gè)中間介質(zhì)機(jī)械手，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較靈活，也比較簡(jiǎn)單。 方案三：用機(jī)械手和轉(zhuǎn)塔頭配合刀庫(kù)進(jìn)行換刀 這種換刀裝置實(shí)際上是轉(zhuǎn)塔頭式換刀裝置和刀庫(kù)換刀裝置的結(jié)合。這種換刀裝置轉(zhuǎn)塔頭上有兩個(gè)刀具主軸，當(dāng)一個(gè)刀具主軸上的刀具進(jìn)行加工時(shí)，可由機(jī)械手將下一工步需用的刀具換到不工作的主軸上，待上一工步加工完畢后，轉(zhuǎn)塔頭回轉(zhuǎn) 180 度，即完成換刀工作。這種裝 置換刀效率較高，但是兩個(gè)刀具主軸的結(jié)構(gòu)嚴(yán)重限制了它的使用范圍。 動(dòng)方案的可行性分析 方案一：轉(zhuǎn)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)帶傳動(dòng)，移動(dòng)用氣壓或液壓傳動(dòng) 步進(jìn)電機(jī)可精確控制轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和轉(zhuǎn)向，但是價(jià)格比伺服電機(jī)便宜的多。由于換刀不需要反饋系統(tǒng)，因此不必要選伺服點(diǎn)電機(jī)。帶傳動(dòng)可以降低對(duì)電機(jī)的沖擊，雖然可以配合齒輪傳動(dòng)達(dá)到較大的傳動(dòng)比，但是機(jī)構(gòu)所占空間大，在要求機(jī)構(gòu)緊湊的數(shù)控機(jī)床上顯然不適合。氣壓和液壓傳動(dòng)都有快的優(yōu)勢(shì)，但是相比之下，在需要的力并不大的地方選用價(jià)格更便宜的氣壓傳動(dòng)更經(jīng)濟(jì)一些。 方案二：轉(zhuǎn)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī) 帶傳動(dòng)，移動(dòng)用絲杠傳動(dòng) 絲杠雖然可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，但是在力較小、并且需要快速移動(dòng)的地方就不如氣壓傳動(dòng)適合了。 方案三：轉(zhuǎn)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)齒輪傳動(dòng)，移動(dòng)用氣壓或液壓傳動(dòng) 齒輪傳動(dòng)和帶傳動(dòng)一樣能達(dá)到的一級(jí)降速傳動(dòng)比小，不能自鎖。 方案四：轉(zhuǎn)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)蝸輪蝸桿傳動(dòng)，移動(dòng)用氣壓傳動(dòng) 蝸輪蝸桿傳動(dòng)不僅傳動(dòng)大，而且可以自鎖。 案的確定 械結(jié)構(gòu)方案的確定 經(jīng)過(guò)綜合分析確定選擇方案二，即用機(jī)械手在刀庫(kù)與主軸之間換刀的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。機(jī)械手兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)。 動(dòng)方案的確定 經(jīng) 過(guò)綜合分析確定選擇方案四，即 轉(zhuǎn)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)蝸輪蝸桿傳動(dòng)，移動(dòng)用氣壓傳動(dòng)。 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 - 11 - 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 - 12 - 二 刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選定 驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)，目前常見(jiàn)的方式有伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和液動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種，我國(guó)加工中心都選用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，在本設(shè)計(jì)中也將采用伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。 套線速度 選用 鏈條，錐柄號(hào) 40 鏈行程 S=20P=2090=選刀時(shí)間 t.=4s,可得到鏈速 v. 鏈速 m / s v=27 m/相關(guān)資料 刀套線速度影響選刀效率，但是過(guò)快的線速度又影響刀庫(kù)工作可靠性。一般推薦在 22 30m/間。鏈速適用。 輪參數(shù)確定 取鏈輪齒數(shù) z=24 鏈輪節(jié)圓直徑 DP 2378180s N當(dāng)量齒數(shù)（實(shí)際齒數(shù) /3） P鏈條節(jié)距 鏈輪外徑 D0 2 661 80c 鏈輪轉(zhuǎn)速 n 100060 m i n 載轉(zhuǎn)矩選電機(jī) 加在伺服電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩比電動(dòng)機(jī)額定連續(xù)轉(zhuǎn)矩 鏈?zhǔn)绞降稁?kù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法 鏈?zhǔn)降稁?kù)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 由刀具不平衡重量河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 - 13 - 導(dǎo)向面（或支承面）的摩擦力 F 所組成，如圖 2示。 不平衡重量 按在一個(gè)垂直方向刀套上裝有 1/10 刀庫(kù)容量數(shù)的最大刀具重量來(lái)計(jì)算。 支承面的摩擦力； 是導(dǎo)向面上因刀具下垂而引起的摩擦力。計(jì)算摩擦力時(shí)，刀具重量均按刀具平均重量計(jì)算。 刀庫(kù)鏈輪半徑為 具最大重量為 20具平均重量 17個(gè)方向上 10 把刀，刀具重量 m=170具不平衡重量 00N。法向約束力 700N，摩擦系數(shù) 摩擦力 F=700=187N 221 1 8 221 1 8 a xm a x 所以 2m a 49 49 i=40。 傳動(dòng)總效率為： ：最大偏重 ； ： 摩擦力圖 2鏈?zhǔn)降稁?kù)力的分布 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 - 14 - 0 . 7 3 2542321 式中： 1聯(lián)軸器的功率； 2蝸桿的功率； 3軸承的功率； 4鏈傳動(dòng)效率。 把如上計(jì)算的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩 ： 2 考慮到實(shí)際情況比計(jì)算時(shí)所設(shè)定條件復(fù)雜，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩的 ，亦即： T 以上計(jì)算結(jié)果，所選電機(jī)型號(hào)如下： 表 2選電機(jī)型號(hào) 型 號(hào) 輸出功率 P 最大轉(zhuǎn)矩 r / 工作轉(zhuǎn)速 0 309 1000 500 傳動(dòng)比分配 刀庫(kù)選刀需要低速轉(zhuǎn)動(dòng)，就要求降低傳動(dòng)的速度，傳動(dòng)比選為 i=40。 軸轉(zhuǎn)速 軸 r / m 0 001 m 軸 r / m i n 各軸功率 軸 - 15 - 軸 軸轉(zhuǎn)矩 電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 : 電機(jī)輸出軸 105 0 5 09 5 5 0 軸 d 軸 動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)表 軸 功率 P 轉(zhuǎn)矩T(N轉(zhuǎn)速 n(r/傳動(dòng)比 i 效率 電機(jī)軸 0 500 1 1 軸 00 1 軸 0 南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 - 16 - 三 刀庫(kù)傳動(dòng)方式 庫(kù)傳動(dòng)方式設(shè)計(jì) 為使伺服電機(jī)在最佳狀態(tài)下工作，一般不采用伺服電機(jī)的低速段。刀庫(kù)需要在伺服電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩下運(yùn)轉(zhuǎn)工作，并且減速比不能過(guò)大，否則不能達(dá)到刀庫(kù)需要的轉(zhuǎn)矩，這就要求減速裝置既要很大的減速比，又要保證電機(jī)工作在恒轉(zhuǎn)矩下 ，選用蝸桿減速裝置。 桿蝸輪傳動(dòng) 特點(diǎn)和應(yīng)用 蝸桿傳動(dòng)用于傳遞交錯(cuò)軸之間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在絕大多數(shù)情況下，兩軸在空間是互相垂直的，軸交角為 90。它廣泛應(yīng)用在機(jī)床、汽車、儀器、起重運(yùn)輸機(jī)械、冶金機(jī)械以及其他機(jī)械制造部門中，最大傳動(dòng)功率可達(dá) 750 常用在 50 下；最高滑動(dòng)速度5 m/s,通常用在 15 m/s 以下。 蝸桿傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、工作平穩(wěn)、無(wú)噪聲、沖擊振動(dòng)小以及能得到很大的單級(jí)傳動(dòng)比 。在傳遞動(dòng)力時(shí)，傳動(dòng)比一般為 8 100，常用的為 15 50。在機(jī)床工作臺(tái)中，傳動(dòng)比可達(dá)幾百，甚至到 1000。這時(shí)，需采用導(dǎo)程角很小的單頭蝸桿，但傳動(dòng)效率很低，只能用在功率小的場(chǎng)合。在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中正力求提高蝸桿傳動(dòng)的效率，多頭蝸桿的傳動(dòng)效率已可達(dá)到 98%。與多級(jí)齒輪傳動(dòng)相比，蝸桿傳動(dòng)零件數(shù)目少，結(jié)構(gòu)尺寸小，重量輕。缺點(diǎn)是在制造精度和傳動(dòng)比相同的條件下，蝸桿傳動(dòng)的效率比齒輪傳動(dòng)低，同時(shí)蝸桿一般需用貴重的減摩材料（如青銅）制造。 蝸桿傳動(dòng)多用于減速，以蝸桿為原動(dòng)件。也可用于增速，齒數(shù)比單級(jí)為 5 15，但應(yīng)用很 少。 精度等級(jí)的選擇 蝸桿可以在車床上切制，也可以在特種銑床上用圓盤銑刀或指形銑刀銑制。由于蝸桿傳動(dòng)的軸間距離必須與蝸桿滾刀在切制蝸輪時(shí)的軸間定位距離相等才能得到正確的嚙合，所以蝸輪要用與它相捏合的蝸桿同樣大小的滾刀來(lái)切制。 由于蝸桿傳動(dòng)嚙合輪齒的剛度較齒輪傳動(dòng)大，所以制造精度對(duì)傳動(dòng)的影響比齒輪傳動(dòng)更顯著。蝸桿傳動(dòng)規(guī)定了 12 個(gè)精度等級(jí)，對(duì)于動(dòng)力傳動(dòng)，要按照 6 9 級(jí)精度制造。 材料選擇 考慮到蝸桿傳動(dòng)難于保證高的接觸精度，滑動(dòng)速度 又 較大，以及蝸桿變形等因素，故蝸桿，蝸輪不能都用硬材料制造，其中之一（通 常為蝸輪）應(yīng)該用減摩性良好的軟材料來(lái)制造。 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 - 17 - 蝸輪材料。通常是指蝸輪齒冠部分的材料。主要有以下幾種： 鑄錫青銅 是適用于 m/s 26 m/s 12心鑄造的可得到致密的細(xì)晶粒組織，可取大值，砂型鑄造的取小值。 鑄鋁青銅 適用于 m/s 10膠合能力差，蝸桿硬度應(yīng)不低于 45 鑄鋁黃銅 點(diǎn)蝕強(qiáng)度高，但磨損性能差，宜用于低滑動(dòng)速度場(chǎng)合。 灰鑄鐵和球墨鑄鐵 使用于 m/s 2者表面經(jīng)硫化處理有利于減輕磨損，后者若與淬火蝸桿配對(duì)能用于重載場(chǎng)合。直徑較大的蝸輪常用鑄鐵。 蝸桿材料。蝸輪直徑很大時(shí)，可以采用青銅蝸桿，蝸輪則用鑄鐵。在要求持久性高的動(dòng)力傳動(dòng)中，可選用滲碳鋼淬火，也可選用中碳鋼表面或整體淬火以得到必要的硬度，制造時(shí)必須磨削。用氮化鋼氮處理的蝸桿可以不磨削，但需要拋光。只有在缺乏磨削設(shè)備是才選用調(diào)質(zhì)蝸桿。受短時(shí)沖擊載荷的蝸桿，不宜用滲碳鋼淬火，最好用調(diào)質(zhì)鋼。鑄鐵蝸輪與鍍鉻蝸桿配 對(duì)時(shí)，有利于提高傳動(dòng)的承載能力和滑動(dòng)速度。 蝸桿和蝸輪的結(jié)構(gòu) 蝸桿通常與軸做成整體很少做成裝配式的。 蝸輪可指成整體的或組合的。組合蝸輪的齒冠可以鑄在或用過(guò)盈配合裝在鑄鐵或鑄鋼的輪心上，常用的配合為 H7/了增加過(guò)盈配合的可靠性，沿著接合縫還要擰上螺釘，螺釘孔中心線偏向輪轂一側(cè)。當(dāng)蝸輪直徑較大時(shí)，可采用螺栓聯(lián)接，最好采用受剪螺栓聯(lián)接。 蝸桿蝸輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算： 蝸桿減速器，輸入功率 速 00r/動(dòng)比 i=40。工作機(jī)載荷平穩(wěn)，動(dòng)力機(jī)有輕微振動(dòng)。預(yù)期壽命 12000h。 蝸桿采用 45 鋼，表面硬度 45輪材料采用 型鑄造，計(jì)算步驟如下： 初選 d1/a值 當(dāng)量摩擦系數(shù) 設(shè) m/s s，查機(jī)械設(shè)計(jì) v= 大值 v=3 選 d1/a值 在機(jī)械設(shè)計(jì)圖 i=40 線上 選一點(diǎn) ，查得 d1/a=6 （ ）， 1=心距計(jì)算 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 - 18 - 蝸輪轉(zhuǎn)矩 1116112 3178242 按題意查機(jī)械設(shè)計(jì)表 轉(zhuǎn)速系數(shù) 8/12 18 8/118500 6.0彈性系數(shù) 根據(jù)蝸輪輻材料查表 47 壽命系數(shù) 6 25000Z 61200025000 由機(jī)械設(shè)計(jì)圖 線查出 由機(jī)械設(shè)計(jì)表 65觸疲勞最小安全系數(shù) 由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得 心距 32l i mm i 取 a=160動(dòng)基本