畢業(yè)設計（論文）XK5025型數(shù)控立銑床自動換刀裝置設計

1、論文題目xk5025型數(shù)控立銑床自動換刀裝置設計 摘要從換刀系統(tǒng)發(fā)展的歷史來看，1956年日本富士通研究成功數(shù)控轉塔式沖床，美國ibm公司同時也研制成功了“apt”（刀具程序控制中心）。1958年美國k&t公司研制出帶atc（自動刀具交換裝置）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，可實現(xiàn)多種工序加工的機床，步入了機床發(fā)展的黃金時代。本論文介紹的是xka5025型數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀裝置的設計.該自動換刀裝置由刀庫和換刀機械手組成.刀庫采用盤形結構,安裝在機床的左側立柱上.刀庫容量為六把,采用順序選刀方式.機械手選用回轉式雙臂

2、機械手. 根據(jù)給定的課題設計要求，綜合運用所學的基本理論、基本知識和相關的機械設計專業(yè)知識，完成主要部件的裝配及關鍵機構的運動仿真，并繪制了必要的零部件圖，完成了關鍵零部件的三維建模。其中包括自動換刀裝置的總體設計、原理方案的實現(xiàn)、主要部件的分析、傳動零件的設計計算，并給出了關鍵部件的裝配圖和必要的零件圖。關鍵詞: 數(shù)控銑床 自動換刀裝置 刀庫 換刀機械手目 錄1 緒 論11.1 數(shù)控機床自動換刀裝置概述11.2 數(shù)控銑床的主要功能及加工對象31.3 自動換刀裝置（atc）的形式及設計要求51.4 本設計要完成的工作及要求62 總體方案的設計72.1 引 言72.2 xk5025數(shù)控立式升降臺

3、銑床及其主要參數(shù)72.3 自動換刀裝置總的設計方案82.4 自動換刀裝置的基本形式92.5 自動換刀裝置整體方案構思93 刀庫的設計113.1 確定刀庫容量113.2 刀庫形式的選擇123.3 刀庫結構設計143.4 初估刀庫驅動轉矩及選定電機153.5 刀庫轉位機構的設計163.6 刀具選擇方式的確定164 刀具交換裝置的設計174.1 換刀機械手結構形式概述174.2 本課題機械手結構形式及工作原理184.3 自動換刀過程的動作順序194.4 自動換刀裝置的相關技術要求205 結論與展望215.1 總結215.2 展望21參考文獻221 緒 論1.1 數(shù)控機床自動換刀裝置概述1.1.1 引

4、 言自動換刀裝置(automatic tool changer) 簡稱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程中的非切削時間,以提高生產率、降低生產成本,進而提升機床乃至整個生產線的生產力。所以atc 在加工中心中扮演著極重要的角色。自動換刀裝置（atc）是加工中心的重要組成單元，其設計質量的好壞，直接影響加工中心的質量。atc由刀庫和機械手組成，它的機構和運動復雜、性能要求高。刀庫的功能是儲存刀具，并且按程序指令，把即將要用的刀具迅速、準確地送到換刀位置，因此刀庫的位置、體積大小能否適合加工中心的整體設計，刀庫的運動機構能否使刀庫平穩(wěn)運轉并準確地停在換刀位置，運動過程

5、有無干涉、卡死等現(xiàn)象，都是設計人員非常關心的問題。機械手的功能是把刀庫上的刀具送到主軸上，再把主軸上已用過的刀具送回刀庫。它的動作要求迅速而準確，所以對機構的結構、定位、運動、夾持力的大小等都有很高的要求，一旦有運動故障或定位、運動誤差過大，都會造成換刀動作失敗，掉刀。應用虛擬制造技術進行atc的虛擬樣機設計和虛擬樣機仿真分析實驗，可以在計算機的虛擬世界中發(fā)現(xiàn)和解決atc設計過程中可能出現(xiàn)的問題。本文介紹了xk5025型數(shù)控立銑床自動換刀裝置atc設計的過程。虛擬制造技術是基于計算機建模和仿真的設計、制造技術，它強調在實際投入原材料實現(xiàn)產品之前，將產品的設計、分析、測試、制造等過程在計算機構造

6、的虛擬開發(fā)環(huán)境中進行數(shù)字化模擬。以設計為主的虛擬制造，是在產品開發(fā)設計中虛擬設計出產品，并完成產品在設計研制階段要解決的問題，即完成產品的概念設計、實體造型，并在虛擬出的產品上進行功能和產品工作性能的仿真，其結果用于修改設計。虛擬制造的優(yōu)越性在于可在開發(fā)設計階段解決產品的各個問題；不需要制造出實體機器，節(jié)約大量投資；在計算機上解決問題，制造過程變成信息的流動和處理，是網(wǎng)絡制造的基礎；可以在網(wǎng)絡上試銷售等。1.1.2 atc的概念設計 概念設計是指在方案設計的初始階段，根據(jù)市場需求及可利用資源，對產品作宏觀上的輪廓設計，這一過程包括明確功能和對原理、技術、材料、工藝等進行設想和創(chuàng)新，以及對方案進

7、行技術上和經濟上可行性的測試。當有成熟軟件時，概念設計的周期和耗費會極大減少。本設計為xk5025型數(shù)控立銑床的自動換刀裝置，基于用戶要求、統(tǒng)計調查和設計經驗，進行atc的概念設計。確定atc的設計參數(shù)為固定式刀庫，容量為6把，換刀時間（刀對刀）小于2秒。刀庫形式為盤式刀庫，用伺服電機驅動蝸桿與蝸輪，采用滑動導軌定向的方式。換刀機械手采用復合凸輪聯(lián)動機構，定位準確，速度快。1.1.3 atc虛擬樣機模型的建立概念設計完成之后，以ug2.0為設計平臺進行造型設計。先對零件進行二維草圖設計，然后進行尺寸約束，通過拉伸、旋轉等方式完成對單個零件的建模過程。在零件建模的過程中，只對大型零件或主要零件（

8、如鏈輪、鏈節(jié)、軸等）進行造型，對螺釘?shù)确侵饕慵谘b配時再通過外加力的大小等條件自動生成所需零件。零件造型后進行裝配設計，直到完成自動換刀裝置的整體模型，整個過程是參數(shù)化的。同二維圖紙設計一樣，構造模型的過程也是機床的設計過程，設計思想在模型上體現(xiàn)出來。在進行鏈式刀庫的三維設計時，遇到了幾個問題：（1） 刀庫安裝位置的設計選擇刀庫安裝位置時，應注意換刀位置結構簡單；換刀時間短；便于換刀裝置的檢查和維修；滿足機床總體布局要求。采用固定式刀庫，在機床底座上設置獨立支架承載方式，即在工作臺左側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、于要求設計全封閉式加工中心，整體體積不宜過大，能否在有限的空間安裝好刀庫，使之與加工中心其它模塊不相干涉，使主軸能順利地移動到換刀位置，這些問題在三維設計中得到了解決。通過觀察刀庫和機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行修改，使設計結果結構緊湊，空間安排合理。（2）作回轉運動的刀庫的支承和導向、刀套換刀位置的調整裝置設計、刀具的鎖緊機構設計等，可視化的樣機模型都使我們迅速確定了最優(yōu)方案，提高了設計效率。使用ug建模時，要注意：（1）零件造型的過程應與零件的制造工藝過程一致，也就是說零件怎樣加工出來就怎樣建模；（2）零件的裝配約束盡量簡化且符合實際情況，否則轉換到w

10、orking model中會顯示為不正確的鉸鏈約束。應用三維設計軟件進行atc虛擬樣機設計的優(yōu)點在于：（1）將設計思想直觀地表達出來，便于發(fā)現(xiàn)問題并可在模型上直接修改；（2）裝配造型時，可隨時進行干涉檢查，根據(jù)顯示的干涉量編輯修改完零件后，部件自動更新并且依然保持裝配的相關性。（3）在軟件中可以得到一個零件或整個atc的質量，因為atc作為加工中心的一個模塊，它的質量對于加工中心整體設計是有影響的。這些功能極大地方便了設計，使設計更加完善，效率更高。結構設計完成之后，atc的虛擬樣機模型為進一步進行計算機輔助分析提供了實體模型。1.1.4 國內外自動換刀裝置設計的發(fā)展情況 自動換刀系統(tǒng)是數(shù)控機

11、床的重要組成部分。刀具夾持元件的結構特性及它與機床主軸的聯(lián)結方式，將直接影響機床的加工性能。刀庫結構形式及刀具交換裝置的工作方式，則會影響機床的換刀效率。自動換刀系統(tǒng)本身及相關結構的復雜程度，又會對整機的成本造價產生直接影響。 從換刀系統(tǒng)發(fā)展的歷史來看，1956年日本富士通研究成功數(shù)控轉塔式沖床，美國ibm公司同期也研制成功了“apt”(刀具程序控制裝置)。1958年美國k&t公司研制出帶atc(自動刀具交換裝置)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，可實現(xiàn)多種工序加工的機床，步入了機床發(fā)展的黃金時代。1983年國際標準化組織制定

12、了數(shù)控刀具錐柄的國際標準，自動換刀系統(tǒng)便形成了統(tǒng)一的結構模式。 隨著機械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對于帶有自動換刀系統(tǒng)的高效高性能加工中心的需求量越來越大。在現(xiàn)有的各種類型的加工中心中，傳統(tǒng)結構的自動換刀系統(tǒng)的造價在機床整機造價中總是占著很大比重，這是加工中心價格居高不下、應用不普遍的重要原因。如果把自動換刀系統(tǒng)的設計制造從現(xiàn)有加工中心的制造模式中分離出來，把它作為加工中心的標準件或附件組織專門化的生產，同時由于該項技術的應用簡化了機床主軸結構、采用彈簧夾頭和外驅動機械手等關鍵技術、采用圓柱柄刀具和輔具，這不僅使數(shù)控機床工作性能有所提高，而且使得由它配套構成的加工中心的總體造價大幅度下降。低造價高

13、性能的加工中心將會被中小廠廣泛接收，這樣必將給自動換刀系統(tǒng)生產廠商和加工中心制造廠商帶來巨大的經濟效益。1.2 數(shù)控銑床的主要功能及加工對象1.2.1 數(shù)控銑床的功能 （1）點位控制功能此功能可以實現(xiàn)對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 此功能可以實現(xiàn)直線、圓弧的插補功能及非圓曲線的加工。（3）刀具半徑補償功能 此功能可以根據(jù)零件圖樣的標注尺寸來編程，而不必考慮所用刀具的實際半徑尺寸，從而減少編程時的復雜數(shù)值計算。（4）刀具度補償功能 此功能可以自動補償?shù)毒叩拈L短，以適應加工中對刀具長度尺寸調整的要求。 （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

14、值來執(zhí)行。鏡像加工又稱軸對稱加工，如果一個零件的形狀關于坐標軸對稱，那么只要編出一個或兩個象限的程序，而其余象限的輪廓就可以通過鏡像加工來實現(xiàn)。 （6）旋轉功能 該功能可將編好的加工程序在加工平面內旋轉任意角度來執(zhí)行。（7）子程序調用功能 有些零件需要在不同的位置上重復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調用，就可以完成對該零件的加工。（8）宏程序功能該功能可用一個總指令代表實現(xiàn)某一功能的一系列指令，并能對變量進行運算，使程序更具靈活性和方便性。1.2.2 數(shù)控銑床的加工對象與加工中心相比，數(shù)控銑床除了缺少自動換刀功能及刀庫外，其他方面均與加工中心類同，也可

15、以對工件進行鉆、擴、鉸、锪和鏜加工與攻絲等，但它主要還是被用來對工件進行銑削加工，這里所說的主要加工對象及分類也是從銑削加工的角度來考慮的。從銑削加工的角度可以把加工對象分為以下三類：（1）平面類零件加工面平行、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為平面零件。平面零件的特件是，各個加工單元面是平面，或可以展開成為平面。平面零件是數(shù)控銑削加工對象中最簡單的一類，一般只須用3左邊數(shù)控銑床的兩左邊聯(lián)動就可以把他們加工出來。（2）變斜角類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零件，這類零件多數(shù)為飛機零件，如飛機上的整體梁、框、緣條與肋等，此外還有檢驗夾具與裝配型架等。變斜角

16、類零件的變斜角加工面不能展開為平面，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坐標和5坐標數(shù)控銑床擺角加工，在沒有上述機床時，也可以用3坐標數(shù)控銑床上進行2.5坐標近似加工。（3）曲面類（立體類）零件 加工面為空間曲面的零件稱為曲面零件。零件的特點其一是加工面不能展開為平面；其二是加工面與銑刀始終為點接觸。此類零件一般采用3坐標數(shù)控銑床。1.3 自動換刀裝置（atc）的形式及設計要求1.3.1 自動換刀裝置（atc）的形式加工中心與一般數(shù)控機床的顯著區(qū)別是具有對零件進行多工序加工的能力,即能在一次裝夾中自動完成銑、鏜、鉆、擴、鉸、攻螺紋和內槽加工等。其之所以有這種加工能力,就

17、是因為它有一套自動換刀裝置。自動換刀裝置是指能夠自動完成主軸與刀具儲存位置之間刀具交換的裝置。atc 的主要組成部分是刀庫、機械手和驅動裝置。刀庫的功能是存儲刀并把下一把即將要用的刀具準確地送到換刀位置,供換刀機械手完成新舊刀具的交換。當?shù)稁烊萘看髸r,常遠離主軸配置且整體移動不易,這就需要在主軸和刀庫之間配置換刀機構來執(zhí)行換刀動作。完成此功能的機構包括送刀臂、擺刀站和換刀臂,總稱為機械手。具體來說,它的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與刀庫之間的傳遞。驅動裝置則是使刀庫和機械手實現(xiàn)其功能的裝置,一般由步進電機或液壓(或氣液機構) 或凸輪機構組成。1.3.2 atc 換刀動作分析及設計要求從根本上

18、說,機械系統(tǒng)總的功能要求是完成一定的工藝動作過程。而對于某一類機械系統(tǒng)的創(chuàng)新設計,有必要首先深刻了解對象本身的特點,然后得出加工中心atc的換刀動作與設計要求。 1） 換刀動作 換刀臂完成擺刀站或刀庫與主軸頭上新舊刀具的交換。其動作主要有抓刀,插、拔刀,換刀和復位幾個動作。換刀動作和換刀臂的型式有密切關系,可歸結為下列七種類型：(1) 旋轉抓刀型：換刀臂旋轉抓刀和松刀,直進插拔刀,以及旋轉換刀。(2) 直進抓刀型：換刀臂直進抓刀和松刀,直進插拔刀,以及旋轉換刀。(3) 夾爪旋轉抓刀：換刀臂夾爪旋轉抓刀和松刀,直進插拔刀,以及旋轉換刀。(4) 夾爪直進抓刀：換刀臂夾爪直進抓刀和松刀,直進插拔刀,

19、以及旋轉換刀。(5) 雙平行爪抓刀型：換刀臂夾爪直進抓刀和松刀,主軸頭直進插拔刀,以及主軸頭直進換刀。(6) 剪式(雙刀臂閉合) 抓刀型：換刀臂旋轉閉合抓刀和松刀、直進拔刀和插刀、以及旋轉換刀。(7) 雙臂擺動抓刀型：雙臂擺動抓刀、直進拔刀和插刀、以及擺動換刀。擺刀站完成刀庫中取出刀具的位置與換刀臂進行換刀前刀具位置之間的中轉動作,根據(jù)兩個位置方位的不同,多為直線運動和轉動或兩者的結合。送刀臂完成刀庫中刀具與擺刀站中刀具的交換動作,因此它的動作類型與換刀臂的動作類型相似。 2） atc設計特點及設計要求從以上的分析介紹,可以得出atc 的設計特點和設計具有如下特點： 屬于典型的開鏈機構；atc

20、 各個組成部分的功能具有相對的獨立性；組成結構與刀庫、主軸之間的相對位置關系密切相關；atc 的設計必須考慮機床三軸運動的參與。同時，atc 的設計應達到如下要求：(1) 換刀時間越短越好；(2) 換刀機構所占的空間??；(3) 機械構造簡單；(4) 加工或換刀時,不可與工件或工作臺發(fā)生干涉。(5) 能夠在切削時間內完成換刀前的準備動作；(6) 刀庫離開主軸一段距離,以減少切屑和切削液的污染；(7) 刀庫與換刀機構最好同機床主體分開,防止振動對精度的影響；(8) 設計標準化或模塊化；(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 本設計要完成的工作及要求本設計內容是根據(jù)

21、xk5025型數(shù)控立銑床的特點，設計該機床的自動換刀裝置，刀庫采用盤形結構,安裝在機床的左側立柱上.刀庫容量為六把,采用順序選刀方式。機械手選用回轉式雙臂機械手。具體包括該換刀裝置的原理方案構思和擬定；原理方案的實現(xiàn)、傳動方案的設計；關鍵技術的分析與實現(xiàn)、主要零部件結構的3d設計及虛擬裝配； 根據(jù)設計任務書要求，設計可完成規(guī)定的xk5025型數(shù)控立銑床自動換刀裝置的設計?？赏瓿烧n題中所提出的任務和要求，并做出書面機械設計方案。具體包括機器裝置的原理方案；完成具體各運動機構傳動方案的設計、關鍵技術的分析與計算、主要結構的設計簡圖；完成關鍵零部件的三維建模；完成主要部件的裝配及關鍵機構的運動仿真。

22、本設計由三個人參與，各有各的分工，本人的任務是理論方案設計的可行性研究以及各運動機構的傳動方案的設計，同學間又相互溝通，使方案達到最佳。2 總體方案的設計2.1 引 言本設計的任務是把xk5025型數(shù)控立銑床改裝成小型立式加工中心，改成后此機床具有體積小、結構緊湊、生產效率高、精度較高 , 能完成銑、鉆、擴、鉸、锪、攻絲等多種加工工序 , 能進行小型板類、盤類、殼類、模具類等復雜零件的多品種中小批量加工。主軸采用高速電主軸； 工作臺采用的是 x - y雙向精密數(shù)控工作臺； 可以實現(xiàn) x、y、z三個方向的進給；有自動換刀裝置 , 可以安裝各類鉆、銑類刀具并自動換刀。依據(jù)設計任務書，我們的任務是給

23、xk50325數(shù)控立式升降臺銑床設計安裝合適的自動換刀裝置。主要技術參數(shù)為： 1）刀庫容量：4-6 2）選刀方式：順序選刀 3）重復精度： 5 xk5025數(shù)控立式升降臺銑床主要由床身、升降臺、工作臺、立銑頭、主傳動、主變速、拉刀機構、液壓系統(tǒng)、自動潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、吊掛、電柜等部分組成。機床本身并不帶自動換刀裝置。自動換刀裝置作為一套獨立的、完整的機床部件，設計依據(jù)是該機床的型式、工藝范圍及刀具的種類和數(shù)量等。2.2 xk5025數(shù)控立式升降臺銑床及其主要參數(shù) xk5025數(shù)控立式升降臺銑床是南通機床廠生產的帶有立銑頭的立式銑床，為機電一體化結構，三坐標聯(lián)動，是一種使用很廣的機床，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，組成各種往復循環(huán)和框式循環(huán)或按坐標位置加工孔，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。該機床適用于機械制造的各種類部門，也適用于軍工部門。其主要規(guī)格及技術參數(shù)如下表一：表一 機床主要規(guī)格及技術參數(shù)參數(shù)名稱單位數(shù)量工作臺面尺寸（長x寬）mm320 x 1320工作臺縱向（x）行程mm780工作臺縱向（y）行程mm300工作臺縱向（z）行程mm380主軸孔徑mm29立銑頭最大回轉角度45主軸轉速級數(shù)18主軸轉速范圍r/min30-1500工作臺進給級數(shù)無級主傳動電動機功率kw7.5主傳動電動機轉速r/min1440工作臺最大承載

25、重量kg320主軸最大扭矩nm1000機床外形尺寸（長x寬x高）mm1929 x 2055 x 2216機床重量kg2800該機床推薦使用的最大切削范圍如下：銑切鋼時，鋼的含碳量0.45%，抗拉強度600n/mm2。銑刀直徑 100mm，齒數(shù)4；銑切寬度50mm，銑切深度3 mm；主軸轉速750 r/min，進給量750mm/min。 而銑切灰鑄鐵時，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；主軸轉速47.5 r/min，進給量300mm/min。為使加工中心的結構緊湊，減小加工中心的外形尺寸，降低成本，在設計自動換刀裝置

26、時，應在滿足使用要求的前提下，盡量使其結構簡單緊湊，價格低廉，易制造，拆卸、裝配維修方便，備件容易得到。2.3 自動換刀裝置總的設計方案 帶刀庫的自動換到形式主要是由刀庫和刀具交換裝置組成。目前這種換刀方法在數(shù)控機床上的應用最為廣泛。帶刀庫的自動換刀裝置的數(shù)控機床主軸箱和轉塔主軸頭相比較，由于主軸箱內只有一個主軸，所以主軸部件具有足夠剛度，因而能夠滿足各種精密加工的要求。另外，刀庫可以存放數(shù)量較多的刀具，可進行復雜零件的多工序加工，可明顯提高數(shù)控機床的適應性和加工效率。這種帶刀庫的自動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。刀庫有多種形式，數(shù)控機床上常用的有盤式和鏈式兩種。交換裝置的機

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

28、床的自動換刀裝置，刀庫采用盤形結構,安裝在機床的左側立柱上。刀庫容量為六把。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)新設計思想。 2.5 自動換刀裝置整體方案構思2.5.1 atc創(chuàng)新設計思想一個機構系統(tǒng)在概念設計階段 ,傳統(tǒng)的方法總是根據(jù)需求獲得需要的功能 ,隨后進行方案設計 ,產品往往缺乏創(chuàng)新性。對于加工中心自動換刀裝置 ,根據(jù)其特定的功能及結構特點 ,我們提出抽象 分析 綜合的設計思想。第一步：抽象。首先對現(xiàn)有換刀系統(tǒng)進行廣泛研究和深刻了解 ,抽象出對象的共性特征 ,這是一個收斂并結合實際的過程 ,既可吸取和總結已有的設計經驗又為創(chuàng)新設計做準備。第二步：分析 ,即功能分解 ,從根

29、本上說 ,機械系統(tǒng)總的功能要求是完成一定的工藝動作過程。因此對于 atc 來說 ,可以從它的總的功能要求出發(fā) ,根據(jù)其換刀動作特點及設計要求 ,運用功能 行為 結構的概念設計分析模式找出對應功能元的多種機構。這是一個思維發(fā)散的過程。第三步：綜合。結合機構系統(tǒng)的特點及設計要求和約束并考慮其空間和時序關系 ,進行機構組合 ,最后進行評價選優(yōu) ,從而達到創(chuàng)新設計的目的。2.5.2 整體方案的擬定課題組對整個設計進行了分析，查閱了相關自動換刀裝置設計的很多資料，并作出大量假設和設想，最終完成機械設計的構思。再由于以上的設計要求，課題組對此作了以下的設計方案： （1）加工中心自動換刀裝置的形式 加工中心

30、自動換刀裝置的形式有兩種：有機械手換刀和無機械手換刀。課題組通過對這兩種方式進行比較，并考慮到所設計的小型加工中心的用途、結構等各種因素，所以決定采用有機械手換刀。 （2）有機械手換刀裝置刀庫的設計 刀庫形式的選取。有機械手換刀方式中，刀庫可以是圓盤形、直線排列式 , 也可以是格子箱式等，由于刀庫容量只有6把刀具，所以決定采用圓盤形式。 刀庫的組成部件中主要有刀盤部件、軸承、軸承套、軸、箱 蓋、撥 銷、鎖止盤、電機、蝸輪、蝸桿、箱體等結構組成。刀庫主要參數(shù)的確定。在銑削輪廓時，為了保證一次連續(xù)地加工出全部表面，應選用半徑小于工件最小輪廓半徑的刀具，而在實際的生產加工中，常盡量選用直徑較大的銑刀

31、，因為大直徑銑刀剛性好，耐用度高。由xk5025數(shù)控立式升降臺銑床推薦使用的最大切削范圍可知，當銑切鋼時，銑刀直徑為 100 mm。當銑灰鑄鐵時，銑刀直徑達 250mm。因此，為了滿足該機床的實際加工能力與生產情況，在設計其自動換刀裝置時，應該根據(jù)最大的刀具直徑來設計，即設計的換刀裝置能交換 250mm的刀具。初估最大直徑刀具的重量為8kgf。刀盤部分的設計。刀盤采用輪輻式結構，僅僅決定這個是不夠的，最重要的是刀盤直徑、刀爪尺寸和夾塊的設計。刀庫轉動定位機構的設計。此機構主要是用來驅動刀庫的分度回轉運動，保證刀庫的可靠性。課題組通過查閱資料及認真分析、討論，決定采用蝸輪蝸桿機構。刀庫的回轉驅動

32、電機的選擇時, 須考慮由摩擦引起的負載轉矩和各負載的轉動慣量，由于蝸輪蝸桿機構的定位精度不高，所以決定采用交流伺服電機。 （3）有機械手換刀裝置的安裝 數(shù)控機床的自動換刀裝置的結構形式多種多樣，選擇何種形式，主要取決于機床的種類、工藝范圍以及刀具的種類和數(shù)量等。 由于xk5025數(shù)控立式升降臺銑床是一種使用范圍較廣的機床，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，決定選用帶刀庫的自動換刀形式。 帶刀庫的自動換刀裝置是由刀庫和刀具交換裝置（換刀機械手）組成。它是多工序數(shù)控機床上應用最廣泛的換刀裝置，其整過換刀過程比較復雜。首先把加工過程中需要使用的全部刀具安裝在標準的刀柄上，在

33、機床外進行尺寸預調后，按一定的方式裝入刀庫。換刀時，先在刀庫中進行選刀，由機械手從刀庫和主軸上取出刀具，然后交換位置，把新刀插入主軸，舊刀放回刀庫。存放刀具的刀庫可具有較大的容量，它既可以安裝在主軸箱的側面或上方，也可以作為獨立部件安裝在機床以外。xk5025數(shù)控立式升降臺銑床主軸箱上方沒有好的安裝位置，安裝在機床外又要增加刀具運輸時間，降低效率，所以安裝在機床側面最合適，有些部件交錯的地方，作適當?shù)恼{整。因為xk5025數(shù)控立式升降臺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，所以本機床的自動換刀裝置的設計將仿效jcs018a數(shù)控立式鏜銑床換刀裝置，設計成由由盤式刀庫和回轉

34、式雙臂機械手組成。設計增加自動換刀裝置后的xk5025數(shù)控立式升降臺銑床的外觀圖如圖2-1所示。圖2-1 xka5025數(shù)控立式升降臺銑床的外觀圖3 刀庫的設計3.1 確定刀庫容量本機床主要用來加工小型零件或多孔零件上的小孔和小平面，所以刀庫上主要安裝一些孔加工刀具(如鉆頭、擴孔等)和加工小平面用的立銑刀及小直徑的面銑刀；同時又考慮到所選用電主軸軸端的尺寸及刀盤直徑等的限制；再考慮到主要用于中小批量生產及教學實驗等，刀具的品種不宜過多，以免造成不必要的浪費和刀庫尺寸過大，所以確定刀庫容量采用6把刀。3.2 刀庫形式的選擇刀庫是存儲刀具的裝置,常見的刀庫主要有以下幾種形式：3.2.1 轉塔式刀庫

35、 如圖3-1a、b所示。包括水平轉塔頭和垂直轉塔頭兩種。所有刀具固定在同一轉塔上，無換刀臂，儲刀數(shù)量有限，通常為68 把。一般僅用于輕便而簡單的機型。常見于車削中心和鉆削中心。在鉆削中心儲刀位置即主軸，其外部結構緊湊但內部構造復雜，精度要求高。圖3-1 轉塔式刀庫3.2.2 盤式刀庫如圖3-2ac所示，刀庫呈盤狀。刀具沿盤面垂直排列(包括徑向取刀和軸向取刀)、沿盤面徑向排列或成銳角排列的形式的刀庫結構簡單緊湊，應用較多，但刀具單環(huán)排列，空間利用率低。若增加刀庫容量必須使刀庫的外徑增大，那么轉動慣量也相應增大，選刀運動時間長。刀具數(shù)量一般不多于32 把；刀具呈多環(huán)排列的刀庫的空間利用率高，但必然

36、使得取刀機構復雜，適用于機床空間受限制而刀庫容量又較大的場合；雙盤式結構是兩個較小容量的刀庫分置于主軸兩側，布局較緊湊，儲刀數(shù)量也相應增大,適用于中小型加工中心。圖3-2 盤式刀庫3.2.3 鏈式刀庫如圖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，適用于刀庫容量較大的場合，所占的空間小。一般適用于刀具數(shù)在30120 把。僅增加鏈條長度即可增加刀具數(shù)，可以不增加圓周速度，其轉動慣量不像盤式刀庫增加的那樣大。圖3-3 鏈式刀庫3.2.4 直線式刀庫和組合刀庫直線式刀庫結構簡單,刀具單行排列,刀庫容量小。多用于數(shù)控車床和鉆床上。組合刀庫一般是轉塔式刀庫的組合、轉塔式與盤式刀庫的組合及鏈式刀

37、庫的組合,每單個刀庫的儲刀量較小,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。這些密集型刀庫雖占地面積小,但由于結構限制,基本上不用于單機加工中心,多用于fms的集中供刀系統(tǒng)?？偵纤?，有機械手換刀方式中,刀庫可以是圓盤形,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結構相對比較復雜，適用于刀庫容量較大的加工中心；圓盤形刀庫容量較小，刀庫結構簡單緊湊，刀庫轉位、換刀方便，易控制。且所設計的加工中心主要用來加工小型零件上孔和平面等，不必在刀庫里放太多刀具，因此，通過比較，本課題擬選用圓盤式刀庫。3.3 刀庫結構設計圖3-4 圓盤式刀庫結構刀庫的外形如圖3-4所示。圓

38、盤式刀庫（圖a）由專用的直流伺服電動機1經套筒聯(lián)軸器2、蝸桿4、蝸輪3，帶動刀盤14和盤上的6個刀套13旋轉。刀座的滾子11在不旋轉的導盤14的槽中受到限位，導盤14在最下端的換刀位置開了一個缺口。刀座以鉸鏈形式與支承板16相連（圖b）。平時，由彈簧18將滾子銷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，故應將處于刀庫刀盤14最下位置的刀套旋轉90，使刀頭朝下。實現(xiàn)這個動作靠氣缸5。氣缸5的活塞桿6帶動撥叉7上升。由aa剖視圖中可以看到，最下面的一個刀套13右尾部的滾子11正好進入撥叉7的缺口。撥叉7上升使刀套連同刀具逆時針旋轉90，滾子銷19退出支承板16的凹槽，刀座轉

39、到垂直位置，等待機械手換刀。 刀套的構造如圖b所示。由圖中可以看到錐孔尾部有兩個球頭銷釘17，后有彈簧用以夾住刀具，故當?shù)短仔D90后刀具不會下落。刀套頂部的滾子15用以在刀套處于水平位置時支承刀套。當?shù)毒吒鼡Q完畢，該刀座插入從主軸換下的刀具平頭。通過氣缸作用，與上述動作相反，刀座帶著刀具夾頭順時針轉動，直到水平位置為止，此時，滾子銷19重新處于支承板16的凹槽中。3.4 初估刀庫驅動轉矩及選定電機 刀庫的回轉驅動電機的選擇時, 須考慮由摩擦引起的負載轉矩和各負載的轉動慣量。如圖3-4所示，刀庫驅動電機的功率選擇，可采用經念法初估回轉所需轉矩。圖3-4 傳動示意圖查找相關資料，thk6363型

40、自動換刀數(shù)控鏜銑床的刀庫也是采用軸向放置的鼓盤式刀庫形式，其容量為36把刀具，最大刀具重達10kgf，刀庫回轉由最大扭矩為25nm的液壓馬達經諧波減速器驅動?，F(xiàn)在由于設計的刀庫容量為6把刀具，可初估刀庫驅動轉矩為t0=8nm。 刀庫回轉運動多數(shù)采用液壓馬達、直流電動機驅動。由于本刀庫的驅動轉矩小，且所需轉速小，所以決定采用直流伺服電動機驅動。直流伺服電動機具有體積小，重量輕、伺服性好、力能指標高等優(yōu)點，且該電機可用信號電壓進行無級調速。由參考資料11 p1275表查選電動機型號為90sz03的sz系列電磁式直流伺服電動機，功率為0.092 kw。3.5 刀庫轉位機構的設計刀庫轉動定位機構的選擇

41、可采用槽輪機構，該機構具有沖擊小，工作平穩(wěn)性較高，機械效率高，可以在較高轉速下工作，且結構簡單，易制造等優(yōu)點。在目前生產的鼓輪式刀庫的加工中心機床上，很多采用槽輪機構來驅動刀庫的分度回轉運動。但此機構定位精度不夠高，為提高其定位精度可采用帶制動器的交流伺服電機，從而可保證較高的定位精度。目前圓盤式刀庫大多采用的是單頭雙導程蝸輪蝸桿傳動。此傳動機構在使用中可隨時調整蝸輪蝸桿的傳動間隙，實現(xiàn)準確的轉位分度，保證刀庫中工作的可靠性，但此傳動機構較復雜，而且單頭雙導程蝸輪和蝸桿的加工較困難。本設計采用如圖3-5所示的單頭雙導程蝸輪蝸桿傳動。 圖3-5 單頭雙導程蝸輪蝸桿傳動3.6 刀具選擇方式的確定自

42、動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的刀套中，順序不能有差錯，加工時按順序調刀。加工不同的工件時必須重新調整刀庫中的刀具順序，因而操作十分繁瑣，而且加工同一工件時各工序的刀具不能重復使用。這樣就會增加刀具的數(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)點是刀庫的驅動和控制比較簡單，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換刀數(shù)控機床。（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別的編碼條，一般都

43、是根據(jù)二進制編碼原理進行編碼。刀具編碼選刀方式采用了一種特殊的刀柄結構，并對每把刀具編碼。由于每把刀具都具有自己的代碼，因而刀具可以放在刀庫的任何一個刀座內。這樣不僅刀庫中的刀具可以在不同的工序中多次重復使用，而且換下的刀具也不用放回原來的刀座。這對裝刀和選刀十分有利，刀庫的容量也可以相應的減少，而且還可以避免由于刀具順序的差錯所造成的事故?；谝陨系姆治?，我們決定刀具的選刀方式為任意選刀。4 刀具交換裝置的設計機械手是執(zhí)行刀庫和主軸之間換刀動作的裝置。當?shù)稁烊萘看髸r,常遠離主軸配置且整體移動不易,這就需要在主軸和刀庫之間配置換刀機構來執(zhí)行換刀動作。完成此功能的機構包括送刀臂、擺刀站和換刀臂,

44、總稱為機械手。具體來說,它的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與刀庫之間的傳遞。4.1 換刀機械手結構形式概述4.1.1單臂機械手單臂機械手，指換刀機械手僅一個手臂。如圖4-1 a b(1) 單手式：一個換刀臂且僅一端有一個抓刀手圖4-1機械手 這種機械手換刀特點是所有動作均由單手完成，執(zhí)行動作多，換刀時間長，但結構簡單。刀庫與主軸軸線平行或垂直的情況均適用。(2) 雙手式：一個換刀臂兩端各有一個抓刀手。如圖4-1 c該種類型的機械手換刀特點是機械手同時抓取主軸和刀庫上的刀具，回轉180度，同時放回和裝入刀具，換刀時間短，較為常用，多用于刀座與主軸軸線平行的場合。本設計采用此種類型的機械手。4.1

45、.2 雙臂機械手 兩個機械手臂,每個手臂端部都有一個抓刀手特點：其抓刀和換刀動作類似于人手動作,除執(zhí)行換刀動作外有些還可以起運輸?shù)毒叩淖饔?。這種機械手結構較復雜,但換刀時間短。4.1.3帶送刀臂、擺刀站和換刀臂的機械手帶送刀臂、擺刀站和換刀臂的機械手送刀臂將刀具從刀庫中取出送到擺刀站,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,e 為主軸。該種類型的換刀特點是結構更復雜,各部分在空間巧妙配置和組合,更具變化性。一般換刀時間較短。適用于刀庫距離主軸較遠的場合。圖4-2 帶送刀臂、擺刀站和換刀臂的機械手4.2 本課題機械手

46、結構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構完全相同的兩個手抓組成。手抓上握刀的圓弧部分有一個錐銷，機械手抓刀時，該錐銷插入刀柄的鍵槽中。當機械手由原位轉75度抓住刀具時，兩手抓上的長銷分別被主軸前端面和刀庫上的擋塊壓下，使軸向開有長槽的活動銷被彈簧彈起，使活動銷頂住刀具不能后退，這樣機械手在回轉180度時，刀具就不會被甩出。當機械手上升插刀時，兩長銷又分別被兩擋塊壓下，鎖緊銷從活動銷子的孔中退出，松開刀具，機械手便可反轉75度復位。為了防止刀具掉落，機械手的活動抓帶有自鎖機構。由于雙臂回轉機械手的動作比較簡單，而且能夠同時抓住和裝卸機床主軸及換刀庫中的刀具，因此換刀時間大

47、為縮短。 圖4-3 單臂機械手雙手式結構4.3 自動換刀過程的動作順序自動換刀過程可簡述為：抓刀拔刀回轉插刀返回圖4-4 自動換刀過程示意圖 在上一工序加工完畢后，主軸在“準?！蔽恢糜勺詣訐Q刀裝置換刀，其過程如下：（1） 刀套下轉90。機床的刀庫位于立柱左側，刀具在刀庫中的安裝方向與主軸垂直。如圖4-4所示。換刀之前，刀庫2轉動將待換刀具5送到換刀位置，之后把帶有刀具5的刀套4向下翻轉90，使得刀具軸線與主軸軸線平行。（2）機械手轉75。如k向視圖所示。在機床切削加工時，機械手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，該位置為機械手的原始位置。機械手換刀的第一個動作是順時針轉75，

48、兩手分別抓住刀庫上和主軸3上的刀柄。（3）刀具松開。機械手抓住主軸刀具的刀柄后，刀具的自動夾緊機構送開刀具。（4）機械手拔刀。機械手下降，同時拔出兩把刀具。（5）交換兩刀具位置。機械手帶著兩把刀逆時針轉180（從k向觀察），使主軸刀具與刀庫交換位置。（6）機械手插刀。機械手上升，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，刀具的自動夾緊機構夾緊刀具。（8）機械手轉180。液壓缸復位驅動機械手逆時針轉180的液壓缸復位，機械手無動作。（9）機械手反轉75，回到原始位置。（10）刀套上轉90。刀套帶著刀具向上翻轉90，為下一次選刀做準備。4.4 自動換刀裝置的相關技術要求4

49、.4.1 主軸準停裝置 （1）主軸準停功能的定義：主軸停車時要求停在一個固定位置的功能叫準停功能。 （2）主軸為什么要有準停功能：自動換刀的數(shù)控銑床，切削轉矩通常是通過主軸上的端面鍵和到刀柄上的鍵槽來傳遞的，因此每一次自動換刀時，都必須使刀柄上的鍵槽對準主軸的端面鍵，因而要求有準停功能；在加工精密孔系時，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 主軸的驅動加工中心為了實現(xiàn)刀具在主軸內的自動裝卸 , 主軸內必須設有刀具的自動夾緊松開裝置，本設計中采用電主軸。電主軸是由內裝式電動機直接驅動, 使主軸主傳動鏈長度縮短為零, 實現(xiàn)了機床的“零傳動”, 取消了從主電動機到主軸之間一切中間的機械傳動環(huán)節(jié) (如皮帶、齒輪、離合器等) ,實現(xiàn)了主電動機與機