〔大学论文〕XKA5032AC数控立式升降台铣床自动换刀装置的设计（含word文档） .pdf

xka5032a/cxka5032a/c 数控立式升降台铣床自动换刀数控立式升降台铣床自动换刀 装置的设计装置的设计 摘要1 前言2 第 1 章绪论3 1.1 数控机床的知识3 1.2 数控铣床的分类3 1.2.1 数控立式铣床3 1.2.2 数控卧式铣床4 1.3 数控铣床的结构特征4 1.3.1 数控铣床的主轴特征5 1.3.2 控制机床的坐标特征5 1.4 数控铣床的主要功能及加工对象5 1.4.1 数控铣床的功能5 1.4.2 自动换刀装置及其形式5 1.4.3 自动装置应当满足的基本要求6 第 2 章 总方案的确定6 2.1 xka5032a/c 数控立式升降台及其主要参数6 2.1.1 主要结构特点7 2.1.2 主要规格及技术参数8 2.2 初定其自动换刀装置的设计参数9 2.3 确定其自动换刀装置的形式10 第 3 章 刀库的设计10 3.1 确定刀库容量11 3.2 确定刀库形式11 3.3 刀库结构设计11 3.4 初估刀库驱动转距及选定电机13 3.4.1 初选电动机与降速传动装置13 3.4.2 初估刀库驱动转距13 3.5 刀库转位机构的普通圆柱蜗杆传动的设计13 3.6 刀库驱动转矩的校核17 3.7 花键联接的强度计算18 3.8 夹紧机构插销剪切强度的校核18 3.9 确定刀具的选择方式19 3.10 刀库的定位与刀具的松夹20 第 4 章 刀具交换装置的设计20 4.1 确定换刀机械手形式20 4.2 换刀机械手的工作原理22 4.3 机械手的自动换刀过程的动作顺序22 4.4 机械手回转轴 4 上的齿轮齿条设计23 4.5 自动换刀装置的相关技术要求24 4.5.1 主轴准停装置24 4.5.2 换刀机械手的安装与调试24 4.6 自动换刀程序的编制26 第 5 章 自动换刀装置的控制原理26 5.1 自动换刀装置的液压系统原理图26 5.2 自动换刀装置换刀动作的顺序控制过程26 致谢词27 参考文献28 摘 要 本论文介绍的是 xka5032a/c 数控立式升降台铣床自动换刀装置（刀库式） 的设计。刀库式的自动换刀装置是由刀库和刀具交换装置（换刀机械手）组成。 它是多工序数控机床上应用最广泛的换刀装置，其整过换刀过程比较复杂。首先 把加工过程中需要使用的全部刀具安装在标准的刀柄上， 在机床外进行尺寸预调 后，按一定的方式装入刀库。换刀时，先在刀库中进行选刀，由机械手从刀库和 主轴上取出刀具，然后交换位置，把新刀插入主轴，旧刀放回刀库。存放刀具的 刀库具有较大的容量， 其容量为六把刀具,采用盘形结构,安装在机床的左侧立柱 上。因为 xka5032a/c 数控立式升降台铣床外形及其他性能参数等均与 thk6363 型自动换刀数控镗铣床相似，所以本机床的自动换刀装置的设计将仿效 thk6363 型自动换刀数控镗铣床换刀装置， 设计成采用轴向放置的鼓盘式刀库形式和回转 式双臂机械手组成。 刀具按预定工序的先后顺序插入刀库的刀座中，使用时按顺序转到取刀位 置。用过的刀具放回原来的刀座内，也可以按加工顺序放入下一个刀座内。该法 不需要刀具识别装置，驱动控制也比较简单，工作可靠。但刀库中每一把刀具在 不同工序中不能重复使用，为了满足加工需要只有增加刀具的数量和刀库的容 量，这就降低了刀具和刀库的利用率。此外，装刀时必须十分谨慎，如果刀具不 按顺序装在刀库中，将会产生严重的后果。顺序选刀是在加工之前，将加工零件 所需刀具按照工艺要求依次插入刀库的刀套中，顺序不能有差错。加工时按顺序 调刀。适合加工批量较大、工件品种数量较少的中、小型自动换刀装置。可知数 控铣床用 4 把刀就可完成大多数的铣削加工。所以这个容量为 6 把刀的刀库， 几 乎不存在加工过程中需要重复利用刀具的情况， 所以刀具的选择方式确定为顺序 选择刀具。 两手互相垂直的回转式单臂双手机械手的优点是换刀动作可靠，换好时间 短，缺点是刀柄精度要求高，结构复杂，联机调整的相关精度要求高，机械手离 加工区较近。一般来说，这种机械手用于刀库刀座轴线与机床主轴轴线垂直， 刀 库为径向存取刀具形式的自动换刀装置，因此，在 xka5032a/c 数控立式升降铣 床的自动换刀装置中可采用这种机械手形式。 关键词：数控铣床；自动换刀装置；刀库；换刀机械手 前 言 数字控制机床是用数字代码形式的信息(程序指令)， 控制刀具按给定的工作 程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。 数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令； 加工性能比一般自动机床高， 可以精确加工复杂型面， 因而适合于加工中小批量、 改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。 随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、 镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、 一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。 数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。输入数控装置的程序 指令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输 入。 随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统 日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高； 数 控系统本身将普遍实现自动编程。 未来数控机床的类型将更加多样化， 多工序集中加工的数控机床品种越来越 多； 激光加工等技术将应用在切削加工机床上， 从而扩大多工序集中的工艺范围； 数控机床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造 单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。 第一章 绪论 1.1 数控机床知识 数字控制机床是用数字代码形式的信息(程序指令)， 控制刀具按给定的工作 程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。 数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令； 加工性能比一般自动机床高， 可以精确加工复杂型面， 因而适合于加工中小批量、 改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。 随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、 镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、 一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。 数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。输入数控装置的程序 指令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输 入。 随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统 日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高； 数 控系统本身将普遍实现自动编程。 未来数控机床的类型将更加多样化， 多工序集中加工的数控机床品种越来越 多； 激光加工等技术将应用在切削加工机床上， 从而扩大多工序集中的工艺范围； 数控机床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造 单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。 1.2 数控铣床的分类 1.2.1 数控立式铣床 数控立式铣床是数控铣床中数量最多的一种，应用范围也最为广泛。小型数 控铣床一般都采用工作台移动、升降、及主轴不动方式，与普通立式升降台铣床 相似；中型数控立式铣床一般采用纵向和横向工作台移动方式，且主轴沿垂直溜 板上下运动；大型数控立式铣床，因要考虑到扩大行程，缩小占地面积及刚性等 技术问题，往往采用龙门架移动式，其主轴可以在龙门架的横向与垂直溜板上运 动，而龙门架则沿床身作纵向运动。 从机床数控系统控制的坐标数量来看，目前 3 坐标数控立式铣床仍占大多 数。一般可进行 3 坐标联动加工，但也有部分机床只能进行 3 坐标中的任意二个 坐标联动加工。此外，还有机床主轴可以绕 x、y、z 坐标轴中其中一个或两个轴 作数控摆角运动的 4 坐标和 5 坐标数控立式铣床。一般来说，机床控制的坐标轴 越多，特别是要求联动的坐标轴越多，机床的功能、加工范围及可选择的加工对 象也越多。但随之而来的是机床的结构更复杂，对数控系统的要求更高，编程的 难度更大，设备的价格也更高。 数控立式铣床可以附加数控转盘，采用自动交换台，增加靠模装置等来扩大 数控立式铣床的功能，加工范围和加工对象，进一步提高生产效率。 1.2.2 卧式数控铣床 与通用卧式铣床相同，其主轴级平行于水平面。为了扩大加工范围和扩大功 能，卧式数控铣床通常采用增加数控转盘或万能数控转盘来实现 4、5 坐标加工， 这样，不但工件侧面上的连续回转轮廓可以加工出来，而且可以实现在一次安装 中，通过转盘改变工位，进行“四面加工” 。可以省去许多专用夹具或专用角度 成型铣刀。对箱体类零件或需要在一次安装中改变工位的工件来说，选择带数控 转盘的卧式铣床进行的。加工是非常合适 这类铣床目前正在逐渐增多，它的主轴方向可以更换，能达到在一台机床上 既可以进行立式加工，又可以进行卧式加工，其使用范围更广，功能更全，选择 加工的对象和余地更大，给用户带来了很多方便，特别是当生产批量小，品种较 多，又需要立卧两种方式加工时，用户只需买一台这样的机床就行了。 立、卧两用数控铣床的主轴方向的更换有手动与自动两种，采用数控万能主 轴头的立、卧两用数控铣床，其主轴头可以任意转换方向，可以加工出与水平面 呈各种不同角度的工件表面。当立、卧两用数控铣床增加数控转盘后，就可以实 现对工件的“五面加工” 。即出除了工件与转盘贴合的定位面外，其它表面都可 以在一次安装中进行加工。因此，其加工性能非常优越。 1.3 数控铣床的结构特征 1.3.1 数控铣床的主轴特征 数控铣床的主轴开启与停止， 主轴正反转与主轴变速等都可以按输入介质上编入 的程序自动执行。不同的机床其变速功能与范围也不同。有的采用变频机组， 固 定几种转速， 可自选一种编入程序， 但不能在运转时改变。 有的采用变频器调整， 将转速分为几档，编程时可任选一档，在运转中可通过控制面板上的旋钮，在本 档范围内自由调节；有的则不分档,编程时可在整个范围内无级调速。但是在实 际操作中，调速不能有大起大落的突变，只能在允许的范围内调高或调低，只能 在允许的范围内一般都设有自动拉、退刀装置，能在数秒内完成装刀与卸刀， 换 刀比较方便。此外，多坐标数控铣床的主轴可以绕 x、y 或 z 轴作数控摆动，扩 大了主轴自身的运动范围，但是主轴结构更加复杂。 1.3.2 控制机床运动的坐标特征 为了要把工件上各种复杂的形状轮廓连续加工出来， 必须控制刀具沿平面上 设定的直线、圆弧或空间直线、圆弧轨迹运动，因此，要求数控铣床的伺服拖动 系统能在多坐标方向同时协调动作，并保持预定的相互关系，这就要求机床应能 实现多坐标联动。数控铣床要控制的坐标数最少是 3 坐标中任意两坐标联动。 要 实现连续加工直线变斜角工件，应实现四坐标联动。若要加工曲线变斜角工件， 是要求实现五坐标联动。因此，数控铣床所配置的数控系统档次，一般都比其它 数控机床相应更高一些。 1.4 数控铣床的主要功能及加工对象 1.4.1 数控铣床的功能 数控铣床的功能分为一般功能和特殊功能。 一般功能是指各类数控铣床普遍所具 有的功能。如点位控制功能、刀具半径自动补偿功能、镜象加工功能、 固定循 环功能等。特殊功能是指数控铣床在增加了某些特殊装置或附件后，分别具有或 兼备的一些特殊功能。如刀具长度补偿功能、靠模加工功能、自动变换工作台功 能、自适应功能、数控采集功能等。 在使用数控铣床加工工件时，只要充分利用数控铣床的各种功能，就可以加 工许多普通铣床难加工的工件。数控铣床的主要加工对象有：平面类零件；变斜 角类零件；曲面类（立体类）零件。 1.4.2自动换刀装置（atc）及其形式 数控机床为了进一步提高生产率，进一步压缩非切削时间，现代的机床逐步 发展为在一台机床上在一次装中完成多工序或全部工序的加工。 数控机床为了能 在工件一次装夹中完成多个工步， 以缩减辅助时间和减少多次安装工件引起的误 差，通常带有自动换刀系统。对工件的多工序加工而设置的存储及更换刀具的装 置称为自动换刀装置(automatic tool changer， atc);自动换刀（ automatic tool change 简称 atc）系统由控制系统和换刀装置组成。在数控铣床的基础上，如 果再配以刀具和自动换刀系统，就构成加工中心（machining center 简称 mc）。 在这类数控机床上，自动换刀装置（atc）是必不可少的。例如加工中心机床又 称多工序自动换刀数控机床， 它主要是指具有自动换刀及自动改变工件加工位置 工能的数控机床，具有自动换刀装置是加工中心机床的典型特征，是多工序加工 的必要条件。自动换装置的功能，对整机的加工效率有很大的影响。由于普通的 数控立式铣床加工的一般是中小零件，其大多需要几把刀具加工（10 把刀具以 内， ）故增加自动换刀装置并同时自动变换主轴转速。可减轻劳动强度，减少换 刀时间，既提高了机床的自动化程度，又提高了劳动生产率。因此，数控立式铣 床作为数控铣床中数量最多、应用范围也最广的一种，对其附加能够快速、准确 地换刀的自动换刀装置是非常有必要的。 各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的型式、 工艺范围及刀具的 种类和数量等。这种装置主要可以分为以下几种形式： 1)回转刀架换刀形式 2)更换主轴头换刀形式 3)带刀库的自动换刀形式 1.4.3 自动换刀装置应当满足的基本要求 1）刀具换刀时间短。 2）刀具重复定位精度高。 3）足够的刀具储存量。 4）刀库占地面积小。 5）换刀安全可靠。 第二章总体方案的确定 依据设计任务书，我们的任务是给 xka5032a/c 数控立式升降台铣床设计安 装合适的自动换刀装置。主要技术参数为： 1）刀库容量：4-62）选刀方式：顺序选刀3）重复精度： 5“ xka5032a/c 数控立式升降台铣床主要由床身、升降台、工作台、立铣头、 主传动、主变速、拉刀机构、液压系统、自动润滑系统、冷却系统、吊挂、电柜 等部分组成。机床本身并不带自动换刀装置。自动换刀装置作为一套独立的、 完 整的机床部件，设计依据是该机床的型式、工艺范围及刀具的种类和数量等。 2.1 xka5032a/c 数控立式升降台铣床及其主要参数 xka5032a 型数控立式升降台铣床是一种使用范围广泛的机床，根据用户要 求，配置国内外（osp-u10m、siemens802d、华中号）先进数控系统，可手动 或自动操作。它可以实现 x、y、z 三轴同时定位/直线插补，同时二轴圆弧插补。 ops 全域绝对位置检测。每次开机无须回零，简化机床操作。尤其在发生停机、 断电、更换程序等情况后再启动时不用整机回零，可以直接开机，方便操作。 尤 其方便不熟练操作工、繁忙操作工、电力不良等情况下的使用。可采用主程序、 子程序进行编程，最小单位可选 0.001mm。具有标准机床坐标系、工件坐标系， 绝对值、增量可并用。各有 50 组刀具长度、半径长度补偿。彩色 lcd 中文显示， 具良好人机对话窗口，系统具有 160m 存储容量，可进行程序编辑、管理，可用 rs-232c 接口、1.44 软盘进行数据输入、输出, 便于加工程序的管理。可以对程 序进行模拟加工，刀具轨迹跟踪及动画仿真、图形动画显示，记录运行时间及作 业信息。 2.1.1其主要结构特点 1)主传动系统为 7.5kw 的交流电动机通过弹性连轴器驱动主传动箱， 主传动 箱内有三组滑移齿轮,液压预选变速机构推动各滑移齿轮,组成 18 种转速,再传 到铣头上的主轴，主传动箱内有电磁制动器,主轴制动迅速平稳。 2)进给系统 x、y、z 三个座标的进给，都是由交流伺服电机驱动的。电机 通过同步齿形带驱动滚珠丝杠，从而使部件沿导轨移动。伺服电机及其相应的速 度控制单元和用于位置检测的脉冲编码器等均受控于数控系统； 以完成各种进给 运动。 同步齿形带可张紧以减少传动间隙，噪声亦可降低。 垂向电机是带制动器的， 当断电时， 垂向刹紧， 以防止升降台因自重而下滑。 3)铣头上的立式主轴，有符合国际标准的(iso)no.50 锥孔，可安装标准的 铣刀或铣夹头。主轴的轴向位置可调整，连同套筒一起作轴向伸出。主轴也可以 连同铣头主体一起，在左右各 45范围内调整成倾斜位置。 4)刀柄采用标准 xt50 形式，可与万能铣床刀柄通用。 5)润滑系统 自动润滑站配以递进式分油器，对机床导轨副、滚珠丝杠副及齿轮副等进行 自动的定时定量润滑，每次加油量和两次间的时间间隔都是可调的，力求保证每 个润滑点的合理油量。 6)机床采用侧挂式电柜和吊挂式操纵站，机电一体，整体装运，安装方便， 集中操纵但能又多位置操作。 7)半自动的装卸刀机构,安装在铣头的上方，通过两个按钮分别控制装刀和 卸刀，方便而安全，即使主轴向外伸出，也不会影响刀具的装卸。 2.1.2其主要规格及技术参数 该机床推荐使用的最大切削范围如下： 铣切钢：钢的含碳量 0.45%，抗拉强度 600n/mm 2。铣刀直径 100mm，齿数 4； 铣切宽度 50mm，铣切深度 3 mm；主轴转速 750 r/min，进给量 750mm/min。 铣切灰铸铁：材料 ht200，硬度 hb150225。铣刀直径250mm，齿数 14； 铣切宽度 150mm， 铣切深度 3.7 mm； 主轴转速 47.5 r/min， 进给量 300mm/min 2.2初定其自动换刀装置的设计参数 在铣削轮廓时，为了保证一次连续地加工出全部表面，应选用半径小于工件 最小轮廓半径的刀具，而在实际的生产加工中，常尽量选用直径较大的铣刀， 因 参数名称单位数量 工作台面尺寸（长 x 宽）mm320 x 1320 工作台纵向（x）行程mm780 工作台纵向（y）行程mm300 工作台纵向（z）行程mm380 主轴孔径mm29 主轴端面至工作台面的距离mm70450 主轴中心线至床身导轨面距离mm350 定位精度及重复定位精度mm0.015、0.005 主轴端部锥度isono.50 立铣头最大回转角度45 主轴转速级数18 主轴转速范围r/min301500 工作台进给级数无级 纵、横向进给范围mm/min63200 垂向进给范围mm/min31600 纵、横向快进速度mm/min6000 垂向快进速度mm/min3000 主传动电动机功率kw7.5 主传动电动机转速r/min1440 工作台最大承载重量kg320 主轴最大扭矩nm1000 机床外形尺寸（长 x 宽 x 高）mm1929 x 2055 x 2216 机床重量kg2800(3000) 为大直径铣刀刚性好，耐用度高。由 xka5032a/c 数控立式升降台铣床推荐使用 的最大切削范围可知，当铣切钢时，铣刀直径为100 mm。当铣灰铸铁时，铣刀 直径达250mm。因此，为了满足该机床的实际加工能力与生产情况，在设计其 自动换刀装置时，应该根据最大的刀具直径来设计，即设计的换刀装置能交换 250mm 的刀具。 初估最大直径刀具的重量为 8kgf。 2.3确定其自动换刀装置的形式 由于 xka5032a/c 数控立式升降台铣床是一种使用范围较广的机床，且其可 加工零件的精度要求也较高，比较上章介绍的几种换刀形式，决定选用带刀库的 自动换刀形式。 xka5032a/c 数控立式升降台铣床主轴箱上方没有好的安装位置，安装在机 床外又要增加刀具运输时间，降低效率，所以安装在机床侧面最合适，有些部件 交错的地方，作适当的调整。因为 xka5032a/c 数控立式升降台铣床外形及其他 性能参数等均与 thk6363 型自动换刀数控镗铣床相似， 所以本机床的自动换刀装 置的设计将仿效 thk6363 型自动换刀数控镗铣床换刀装置， 设计成由由盘式刀库 和回转式双臂机械手组成。设计增加自动换刀装置后的 xka5032a/c 数控立式升 降台铣床的外观图如图 1-1 所示。 图 1-1 xka5032a/c 数控立式升降台铣床的外观图 第三章刀库的设计 刀库是带刀库自动换刀装置的主要部件之一，其容量形式、布局及具体结构 对数控机床的性能有很大影响。 3.1 确定刀库容量 决定刀库容量时，首先要考虑加工工艺的需要，同时还要调查分析同类型、 相近规格的自动换刀机床的刀库容量及其发展趋势。 由于带自动换刀装置的数控 机床主要是在多品种、单件小批生产时使用，因而应根据广泛的工艺统计，依大 多数工件加工时需要的刀具数来确定刀库容量。 例 如，对功能较为齐全的加工中心而言，它可承担多 个工件的切削任务， 因而要配备刀具的种类和规格 较多。通常，配备的刀具越多，机床能加工工件的 比率也越高，但它们并不是成正比例关系。图 3-1 为刀库容量与机床能加工工件的比率统计曲线。 刀库储存量过大， 导致刀库的结构庞大而复杂 影响机床总体布局；储存量过小，则不能满足复杂 零件的加工要求。因此，刀库容量应在经济合理的 条件下，力图将一组类似的零件所需的全部刀具装入刀库，以缩短每次装刀所需 的装调时间。对自动换刀数控机床的刀库容量，有关资料曾对 15000 个零件进行 分组统计，指出不同工序加工时必须的刀具数不同，如图 3-1 所示。由图可知， 4 把铣刀可完成加工工件的 95左右的铣削工艺，10 把孔加工刀具可完成 70 的钻削工艺， 14 把刀的容量就可完成 70以上工件的钻铣工艺，配有 1440 把刀具的刀库就能够满足 70-95工件的加工需要。因此，对 xka5032a/c 数 控立式升降台铣床，从使用和经济效率角度来看，容量为 6 的刀库就可满足要求 了。 3.2 确定刀库容量 由以上考虑 xka5032a/c 数控立式升降台铣床的结构布局等原因，决定采用 轴向放置的鼓盘式刀库形式。这种刀库结构简单，刀具排列较为紧凑，在刀库容 理定为 6 的情况下体种不大，且取刀也较为方便，但需要考虑机械手的换刀动作 空间。 3.3 刀库结构设计 如刀库装配图所示，当数控系统发出换刀指令后，直流伺服电动机接通， 其 运动经过十字联轴器、波传动减速器、套筒式联轴器、蜗杆、蜗轮后，再经花键 联接传到刀盘上，刀盘带动刀座上的 6 个刀套转动，完成选刀动作。 刀库装配图 3.4初估刀库驱动转矩及选定电机 刀库回转运动多数采用液压马达、直流电动机驱动，并没有降速传动装置。 3.4.1初选电动机与降速传动装置 刀库的驱动系统中，由于本刀库的驱动转矩小，且所需转速小，所以决定采 用直流伺服电动机驱动。直流伺服电动机具有体积小，重量轻、伺服性好、力能 指标高等优点，且该电机可用信号电压进行无级调速。采用型号为 90sz03 的 sz 系列电磁式直流伺服电动机， 其基本参数为： 功率 0.092kw， 转速 3000r/min （ 袖 珍机械师设计手册p1275） ；降速传动装置型号为 xb3-50-100a 的扁平式谐波传 动减速器，其基本参数为：输入功率 0.092kw，输出转矩 18nm（ 袖珍机械师 设计手册p1078-1079） 。 3.4.2初估刀库驱动转矩 由于刀库容量 6，下面就以 thk6363 型自动换刀数控镗铣床的刀库为设计 参考（查参考资料 14） ，采用经验法初估回转所需转矩。 thk6363 型自动换刀数控镗铣床的刀库也是采用轴向放置的鼓盘式刀库形 式，其容量为 36 把刀具，最大刀具重达 10kgf，刀库回转由最大扭矩为 25nm 的液压马达经谐波减速器驱动。现在由于设计的刀库容量为 6 把刀具，可初估刀 库驱动转矩(主要是指直接驱动刀盘转动的转矩)为 t0=8nm。 3.5刀库转位机构的普通圆柱蜗杆传动的设计 刀库的主运动是圆周回转运动，如图 3-3 所示,直流伺服电动机 1 通过弹性 柱销联轴器与谐波传动减速器 2 联接减速后驱动蜗杆 3,设计刀库转位机构的普 通圆柱蜗杆传动. 由刀库转位机构实现。 己知直流伺服电动机 1 的功率为 0.092kw,转速为 3000r/min,谐波传动减速 器2 的传动比为 100.传动效率为80%,1 经2减速后驱动蜗杆3,蜗杆为主动,蜗轮 为从动,要求传动此为 6,单向旋转,单班工作制,预计寿命为 5 年. 图示 3-3 刀库转位机构传动示意图 1)选择蜗杆传动类型 根据 gb1008588 的推荐，采用渐开线蜗杆（zi） 。 2)选择材料 蜗杆采用 45 钢，齿面淬火，硬度为 4550hrc；蜗轮用铸锡磷青铜 zcusn10pb1，金属模铸造， 2hp =220 mpa， 2fp =220 mpa。 3)确定主要参数 蜗杆蜗轮传动，以蜗杆为主动，蜗轮为从动。为了提高传动效率，取 z1=6， 传动比取 6，单向旋转，单工作制，预计寿命为 5 年。则 z2= z1i= 66=36。 4)按齿面接触疲劳强度设计 m 2d 1 2 22 15000 z hp kt2(mm 3) a)计算蜗轮轴转矩 t2 初估传动效率=0.95,则 t2=9549 1 2 p n =9549 1 1/ p ni =9549 0.092 80% 30/6 0.95=133.53 nm 其中 n1=3000/100=30(r/min) b)载荷系数 k=1.05 c)许用接触应力 2hp 2hp = 2hp vs z n z=2200.91.48=293.04 mpa 式中, 2hp =220 mpa, 估计滑动速度 s v5m/s，用浸没润滑,则由(参考文献 11) (p972 图 182) 查得滑动速度影响系数 vs z=0.9, n z=1.48（其中 l z=60a 2 nt=601 30 6 53008=3.6 6 10 ,按图 183 查得） ； d)计算 m 2d 1值,并选定模数 m 和蜗杆分度圆直径 d1 m 2d 1 2 15000 36293.04 1.05133.53=283.46 mm 3; 按表 183 查得模数 m=3.15(mm), d1=35.5 (mm) (m 2d 1值应大于计算值) 5)验算滑动速度 s v a)计算蜗杆速度 1 v 1 v= 11 60 1000 dn = 35.5 30 60 1000 =0.0558 m/s b)计算滑动速度 s v s v= 1 v/cos=0.0558/ “ cos28148 o =0.0632 m/s 其中= 1 11 (/)tgz m d = 1(6 3.15/35.5) tg = “ 28148 o ,则初估的 s v值合适。 6)验算蜗轮齿弯曲强度 验算公式为 2 22 12 666 av ffsfp t k k k y y d d m = a)使用系数 a k=1 b)动载荷系数 v k=1.03 c)载荷分布系数k=1 d1=35.5 mm， 2 d=m 2 z=3.1536=113.4 mm,其中模数 m=3.15(mm)。 d)蜗轮齿形系数 fs y=4.00 e)按蜗轮当量齿数 2v z= 2 z/ 3 cos=36/ 3“ cos 28148 o =52.34,由图 172 查得。 f)导程角系数y=1-/120=1- “ 28148 o /120 o=0.766 g)许用弯曲应力 2fp 2fp = 2fp n y=700.542=37.94 mpa h)计算弯曲应力 2 666 133.53 1 1.03 1 4.00 0.766 35.5 113.4 3.15 f = =22.132 由于 2f 2hp ，故满足蜗轮轮齿强度条件。 7)计算蜗杆蜗轮的主要参数 a)分度圆直径 1 d=35.5， 2 d=m 2 z=3.1536=113.4mm b)中心距 a a=( 1 d+ 2 d+2 2 xm)/2=35.5+113.4+2(-0.1349)3.15/2=74 mm c)蜗杆导程角 “ 28148= o 8)计算其他尺寸 a)蜗杆齿顶圆直径 1a d 1a d= 1 d+2 1a h=35.5+23.15=41.8 mm， 其中 1a h为蜗杆齿顶高，且 1a h=m=3.15 mm； b)蜗轮喉圆直径 2a d 2a d= 2 d+2 2a h=113.4+20.86513.15=118.85 mm， 其中 2a h为蜗轮齿顶高，且 2a h= a h + 2 x=1-0.1349=0.8651 mm； c)蜗轮外圆直径 2e d= 2a d+m=118.85+3.15=122 mm； d)蜗杆齿宽 1 b由于 1 z=6，故 1 b按结构设计，取 1 b=64 mm e)蜗轮齿宽 2 b 2 b0.67 1a d=0.6741.8 =28.006mm,取 2 b=28 mm； f)蜗轮齿顶圆弧半径 2a r 2a r= 1 2 d -m= 35.5 2 -3.15=14.6 mm g)蜗轮齿根圆弧半径 2f r 2f r= 1 2 a d +c= 1 2 a d +0.2m= 41.8 2 +0.23.15=21.53 mm； h)蜗杆轴向齿厚 1x s 1x s= x p/2=/2m=3.15/2=4.948 mm,其中 x p 为蜗杆轴向齿距； i)蜗杆法向齿厚 1n s 1n s= 1x scos=4.948 “ cos28148 o =4.368 mm； j)蜗轮分度圆齿厚 2 s 2 s=0.5m=0.53.15=4.948 mm。 9)热平衡计算 蜗杆传动由于效率低，所以工作时发热量大。在闭式传动中，如果产生的热 量不能及时地散逸，将因油温不断升高而使润滑油稀释，从而增大磨擦损失， 甚 至发生胶合。所以必须根据单位时间内的发热量 1 h等于同时间内的散热量 2 h的 条件进行热功平衡计算，以保证油温稳定牌规定的范围内。 由于摩擦损耗的功率 f p= 1 p（1-）kw,则产生的热流量（单位为 1w=1j/s） 为 1 h=1000 1 p（1-）w 式中 1 p为蜗杆传递的功率（单位：kw） 。 以自然冷却方式，从箱体外壁散发到周围空气中去的热流量为 2 h=ka( 1 t- 0 t)w 式中 k热导率，一般取 k=8.717.5w( 2 mc o g),环境空气流通较差时， 取较小值，否则取较大值； a传动装置散热的计算面积，即内面被没浸溅的，而外面又被空气所能 冷却的的箱壳面积（ 2 m） ； 1 t润滑油的工作温度，一般限制在 6070c o ，最高不能超过 80c o ； 0 t周围环境温度，一般取室温 0 t=20c o 。 按热平衡条件 1 h= 2 h，可求得在既定工作条件下的没温为 1 t= 0 t+ () 1 1000p 1- ka c o 在绘制传动装置结构图的基础上进行热平衡计算： 1 p =0.09280 00=0.0736 kw 取 0 t=20c o ,=0.95, k=10,并估算 a=0. 006 2 m，则 1 t=20+ ()1000 0.0736 1-0.95 10 0.006 =81.33c o 80c o 由于 1 t80c o ,超过最高工作温度，所以必须采取一些散热措施，以提高散 热能力，如在传动箱内装循环冷却管路。 3.6刀库驱动转矩的校核 蜗轮转速 2 n=5r/min,所能传递的功率为p=0.09280 00 0.95=0.07 kw,此时 刀库的驱动转矩为：t=9549 n n = 0.07 95490.90 5 =120.3nmt0=8nm，其中 =0.9 为外花键带动刀盘回转的传动效率。由于 tt0，所以，刀库驱动转矩满 足要求。 3.7刀库驱动转矩的校核 在刀库的传动系统中， 刀盘是利用花键联接带动刀座上的刀套转动而进行选 刀的，花键的联接属于动联接。已知所用的花键类型为渐开线花键 d=26mm,以下 对其进行必要的强度计算。计算公式如下： p= 2 ggm t zh l d pmpa式中: t转距（nmm） ，此处 t=120.3nm=120.31000nmm； 各齿间载荷不均匀系数，通常取=0.7:0.8，此处取=0.75； z齿数，此处 z=6； g h齿的工作高度（mm） ，对渐开线花键， g h=m,此处 m 为模数，且取 m=1.5mm； g l齿的工作长度（mm） ，此处 g l=48mm； m d平均直径（mm） ，对渐开线花键，此处 m d=d=26mm。 于是， 把数据代入计算公式， 得 p= 2 ggm t zh l d = 2 120.3 1000 0.75 6 1.5 48 26 =28.6mpa 由于该花键联接为不在载荷作用下移动的动联接，查表 9-13 可知，若齿面 经热处理且使用和制造情况为良好时，p可达 40:70 mpa，pp,故花键联接 的强度满足要求。 3.8夹紧机构插销剪切强度的校核 刀套在刀座上的夹紧由插销实现（见刀库装配图） 。插销承受的主要是剪切 力，以下对单个插销进行剪切强度的校核。 插销材料为 45 钢，=60mpa,直径 d=6mm。 剪切力由重力引起，估算 p=100n,插销受力如图所示。 由图可知该情况为双剪切，且由平衡方程易得 q=p/2, 于是，插销横截面上的剪切力为 = q/a=(100 6 10)/ 3 2 2(6 10 ) 4 =1.8mpa 故插销满足强度条件要求。 3.9确定刀具的选择方式 按数控装置的刀具指令，从刀库中将所需要的刀具转换到取刀位置，称为自 动选刀。在刀库中选择刀具通常采用两种方式。 1)顺序选择刀具2)任意选择刀具 3.10刀库的定位与刀具的松夹 刀库旋转定位是依靠简易定位装置来实现的。其控制过程示意图如下： 刀库的定位是由接近开关使直 流伺服电机停止转动， 然后由双向液 压带动定位销 6，插入刀座 5 上的定 位孔，实现精确定位。在刀座 5 的每 一个刀位上都装有如图所示的弹簧、 导柱 3、键块 1 和销 2 所组成的刀具 固定装置。 由此实现刀具在刀库上的 固定锁紧。 图中所示为刀具卡在刀座 上的状况。当液压缸 4 通油后，将导 柱 3 拉出，使销 2 退出，此时刀具在 刀座上处于自由状态， 控制刀具固定 装置的液压缸 4 有两个， 一个和定位 销在一起，自动换刀时用，另一个在 靠近立柱方向，用于刀库手动装卸 刀。 刀库定位示意图 发出选刀 信号 牙嵌离合器 脱离啮合 从动轴惯性 慢转 刀库定位停 止 定位完毕发 出信号 第四章刀具交换装置的设计 数控机床的自动换刀装置中,实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装 置称为刀具交换装置。 刀具的交换方式通常分为两种: 一种是采用机械手交换刀 具, 另一种是由刀库与机床主轴的相对运动来实现刀具交换即无机械手交换刀 具。无机械手交换刀具方式：结构简单，成本低，换刀的可靠性较高；刀库因结 构所限容量不多。这种换刀系统多为中、小型加工中心采用。刀具的交换方式及 它们的具体结构对机床的工作效率和工作可靠性有直接的影响。由 xka5032a/c 数控立式升降台铣床的结构特性决定难以实现由刀库与机床主轴的相对运动来 实现刀具交换，故采用机械手交换刀具的方式。 机械手是当主轴上的刀具完成一个工步后，把这一工步的刀具送回刀库， 并 把下一道工步的所需要的刀具从刀库中取出并装入主轴继续进行加工的功能部 件。对机械手的具体要求是迅速可靠，准确协调。 4.1确定换刀机械手形式 在自动换刀数控机床中，换刀机械手的形式是多种多样的，常见的有以下几 种。 1)两手呈 180的回转式单臂双手机械手； 图 4-1 机械手臂和手爪 1.手爪2.锥销3.手臂4.5.弹簧6.活动销 7.长销8.锁紧销 2)两手互相垂直的回转式单臂双手机械手 3)两手平行的回转式单臂双手机械手； 4)双手交叉式机械手； 由于不同的数控机床（加工中心）的刀库与主轴的相对位置不同。所以各种 数控机床所使用的换刀机械手也不尽相同。 上图是两手互相垂直的回转式单臂双手机械手的结构示意图。 这种机械手的优点是换刀动作可靠，换好时间短，缺点是刀柄精度要求高， 结构复杂，联机调整的相关精度要求高，机械手离加工区较近。 一般来说，这种机械手用于刀库刀座轴线与机床主轴轴线垂直，刀库为径向 存取刀具形式的自动换刀装置，因此，在 xka5032a/c 数控立式升降铣床的自动 换刀装置中可采用这种机械手形式。 4.2 换刀机械手的工作原理 下面是以在 xka5032a/c 数控立式升降台铣床的自动换刀装置中采用这种上 机械手换刀的工作原理。 该机械手安装在主轴的左侧面，随同主轴箱一起运动。机械手由机械手臂与 45的斜壳体组成。机械手臂 1 形状对称。固定在回转轴 4 上，回转轴与主轴成 45角，安装在壳体 3 上，5 为手臂托，可由液压缸带动（图中未标出） ，机械 手有伸缩、回转、抓刀、松刀等动作。 伸缩动作：液压缸（图中未标出）带动手臂托架 5 沿主轴轴向移动。 回转动作：液压缸 2 中的齿条轮通过齿轮带动回转轴 4 转动。从而实现手臂 正向和反向 180的旋转运动。 抓刀、松刀动作：机械手对刀具的夹紧和松开是通过液压缸 6。碟形弹簧 7 及拉杆 8、杠杆 9、活动爪 10 来实现。碟形弹簧实现夹紧，液压缸实现松开。 在 活动爪中有两个销子 11，当夹紧刀具时，插入刀柄凸缘的孔内，确保安全、可 靠。 4.3 机械手的自动换刀过程的动作顺序 （a）（b）（c）（d） 图 4-6换刀机械手的换刀过程 自动换刀装置的换刀过程由选刀和换刀两部分组成。 选刀即刀库按照选刀命令（或信息）自动将要用的刀具移动到换刀位置， 完 成选刀过程，为下面换刀做好准备，换刀即是机械手把主轴上用过的刀具取下， 将选好的刀具安装在主轴之上。 换刀动作的大致过程为： 1)主轴箱回到最高处（z 坐标零点） ，同时实现“主轴准停” 。即主轴停止回 转并准确停止在一个固定不变的角度方位上， 保证主轴端面的键也在一个固定的 方位，使刀柄上的键槽能恰好对正端面键。 2)机械手抓住主轴和刀库上的刀具。如图 4-6（a）所示。 3)把卡紧在主轴和发库上的刀具松开 4)活塞杆推动机械手下行，从主轴和刀库上取出刀具 5)机械手回转 180，交换刀具位置， 6)将更换后的刀具装入主轴和刀库 7)分别夹紧主轴和刀库上的刀具 8)机械手松开主轴和刀库上的刀具 9)当机械手松开具后，限位开关发出“换刀完毕”的信号，主轴自由，可以 开始加工或其他程序动作。 在自动换刀的整个过程中，各项运动均由限位开关控制，只有前一个动作完 成后，才能进行下一个动作，从而保证了运动的可靠性。 4.4机械手回转轴 4 上的齿轮齿条设计 1)回转轴上齿轮采用渐开线标准直齿圆柱齿轮形式 2)取模数 m=1。5。初取齿数 z=30 3)下表为齿轮几何尺寸设计的基本参数： 名称代号计算公式 模数m 压力角 20o 分度圆直径dd=mz=1.530=45 齿顶高 a h aa hh1 1.51.5m = = 齿根高 f h fa h(h)(1 0.25) 1.51.875c m =+= 齿全高h af hhh1.5 1.8753.375=+=+= 齿顶圆直径 a d a d(z2)(302 1) 1.548 a hm =+=+ = 齿根圆直径 f d fa d(2h2)41.25zc m = 齿距p 4.71pm= 齿厚s/22.35sm= 顶隙c0.25 1.50.375cc m = 4)齿条的基本尺寸，按外齿轮几何尺寸的计算公式进行计算 4.5自动换刀装置的相关技术要求 4.5.1 主轴准停装置 为了传递扭矩，在主轴的前端装有端键，当刀具刀柄装入锥孔时，刀柄上的 键槽位置必须与该键对准才能装入。当机械手从刀库取刀时，为了确保刀具其后 能顺利地装入主轴锥孔中，必须使主轴准确地停在刀具交换位置上。同时，由于 工艺上的需要，也必须使主轴准停在固定位置上。这种使主轴端在定位键停在固 定位置的技术要求称为主轴准停。 xka5032a/c 数控立式升降台铣床的自动换刀装置，在每次自动装卸刀具时， 都必须要求主轴准确地停止在固定的周向位置上。因此，可在主轴上安装电气控 制的主轴准停装置以实现主轴准停功能。 4.5.2 换刀机械手的安装与调试 1)换刀机械手安装在主轴箱的左侧面，加工零件时，换刀机械手随主轴箱一 起上下运动。 2)当初装上换刀机械手后，必须进行调试：用手动操纵主式调整换刀机械手 相对于主轴的位置，使用调整心棒，有误差时可调整机械手行程、刀库位置、 机 械手支座、修正主轴坐标原点等。安装最大重量刀具时，要进行多次刀库到主轴 位置的自动交换，使机械手换刀时做到准确无误，无撞击。 4.6自动换刀程序的编制 1)换刀动作（指