毕业设计（论文）-数控立式升降台铣床斗笠式自动换刀装置设计.doc

0 中文摘要1 英文摘要2 1 绪 论3 1.1 数控机床概述 3 1.1.1 数控机床的概念.3 1.1.2 数控机床的组成.3 1.1.3 数控机床的工作原理.3 1.1.4 数控机床的特点.3 1.1.5 数控机床的发展.3 1.2 数控铣床分类 4 1.2.1 数控立式铣床.4 1.2.2 数控卧式铣床.4 1.2.3 万能数控铣床.4 1.2.4 龙门式数控铣床.4 1.3 数控铣床的功能及加工对象 5 1.4 加工中心知识 5 1.5 自动换刀装置与刀库 6 1.5.1 自动换刀装置.6 1.5.2 刀库类型.7 1.6 本章小结 9 2 总体方案9 2.1 数控立式升降台铣床的组成及主要技术参数 9 2.2 可能的方案比较及最终选择方案 10 2.3 斗笠式刀库结构组成及工作原理 12 2.5 本章小结 13 3 斗笠式刀库设计13 3.1 刀库容量的确定 13 3.2 气缸设计和选择 14 3.2.1 气缸的选择要点.14 3.2.2 气缸初选.15 3.2.3 驱动力校核.15 3.2.4 活塞杆稳定性校核.16 3.2.5 缸筒壁厚计算.17 3.2.6 耗气量及刀库横移运动时间的计算.17 3.3 刀库驱动转矩的估算 18 3.3.1 刀库分度机构的传动设计及计算.18 3.3.2 旋转部件转动惯量计算.20 1 3.3.3 刀库驱动转矩计算.20 3.4 减速电动机的选择 20 3.5 刀库驱动转矩的校核 21 3.6 换刀过程总时间的计算与校核 21 3.7 刀具的选择方式 22 3.8 刀具交换装置的选择 23 3.9 电气元件的选择 26 3.8.1 气缸磁环开关.26 3.8.2 马达定位感应开关.26 3.8.3 刀号计数器开关.26 3.10 本章小结 .26 4 重要零部件的设计27 4.1 联轴器 27 4.1.1 联轴器的选择.27 4.1.2 联轴器校核.27 4.2 刀夹 27 4.2.1 刀夹作用.27 4.2.2 刀夹工作原理.28 4.3 本章小结 29 结论29 致谢30 参考文献32 0 数控立式升降台铣床斗笠式自动换刀装置 设计 摘要：本文介绍的是数控立式升降台铣床斗笠式自动换刀装置的设计。斗笠式 刀库的自动换刀装置主要由刀库横移装置和刀库分度装置组成。其自动 换刀的形式为无机械手换刀，换刀过程中刀盘需要横向移动到合适的位 置使机床主轴便于与刀库交换刀具。刀库的选刀方式为任意选刀，换刀 过程中，刀盘需要转动从而进行选刀，这就需要刀库分度装置对装有刀 具的刀盘进行分度，并且利用接触传感器对刀具进行计数，并把所得的 电信号传递给数控系统，从而实现刀具的快速准确选择。在本设计中， 刀库横移装置的设计利用的是气压传动机构来实现刀库的横移运动；而 刀库分度装置的设计利用的是槽轮机构对刀盘进行分度。 关键词：数控机床；自动换刀装置；刀库；横移装置；分度装置 1 abstract : this thesis introduction is the design of the bamboo hat atc(automatic tool changer ) which belongs to the number control the sign type working panel lifter miller.the bamboo hat atc is made up of the horizontal moving device and dividing device.the type of changing tools is without manipulator,so in the tool changing process,the cutter disk should be moved horizontally to the appropriate position to exchange tools with machine tool spindle.the type of selecting tools is randomly selecting,so in the tool changing process, the cutter disk should be rotated to the required tool position.as a result, the atc dividing device is needed to divide the cutter disk and a touch sensor is needed to calculate tools,then the obtained electric signal is passed to the nc system and thus the accurately selecting tools can come true.in the whole design,the pneumatic transmission organization is used to achieve the aim of moving tool storage magazine horizontally in design of the horizontal moving device and the trough wheel machanism is used to rotate and divide the cutter disk. keywords : cnc machine ; automatic tool changer ; tool storage magazine ; the horizontal moving device ; the dividing device . 2 1 绪 论 1.1 数控机床概述 1.1.1 数控机床的概念 数字控制是利用数字化信息对机械运动以及加工过程进行控制的一种方法， 简称数控（numerical control，nc） 。数控机床是指采用了数控技术进行控制的 机床，或者说是装备了数控系统的机床，也称作为 nc 机床。由于现代数控系统 是通过计算机进行控制的，因此，数控机床又称为 cnc 机床。 1.1.2 数控机床的组成 数控机床主要由数控系统、伺服系统、程序载体、输入输出装置、强电控 制装置、辅助装置和机床主体组成。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。 1.1.3 数控机床的工作原理 数控机床在加工工艺与表面成形方法上与普通机床基本相同，在实现自动 控制的原理和方法上有很大的区别。数控机床是利用数字化信息来实现自动控 制的。先将与加工零件有关的信息，即工件与刀具相对运动轨迹的尺寸参数、 切削用量以及各种辅助操作等的加工信息，用规定的文字、数字和符号组成代 码，按一定的格式编写成加工程序，然后将加工程序输入数控装置。经过数控 装置的处理、运算，按坐标轴的移动分量送到各轴的驱动电路，经转换放大， 用于伺服电动机的驱动，带动各轴转动，并进行反馈控制，使刀具、工件以及 其他辅助装置严格按照程序规定的顺序、轨迹和参数有条不紊的动作，从而加 工出所需的零件。 1.1.4 数控机床的特点 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。 1.1.5 数控机床的发展 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、 3 一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。 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 数控铣床分类 1.2.1 数控立式铣床 这类铣床一般用于加工盘、套、板类零件，工件一次装夹后，可对其表面 上进行铣、钻、扩、锪、攻螺纹等以及侧面的轮廓加工。因此，这类铣床是数 控铣床中数量最多的一种，应用范围也最为广泛。从机床数控系统控制的坐标 数量来看，目前三坐标数控立式铣床仍占大多数。一般可进行三坐标联动加工， 但也有部分机床只能进行三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四坐标和五 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。 1.2.2 数控卧式铣床 这类数控铣床一般都带有回转工作台，工件一次装夹后可完成除安装面和 顶面以外的其余四个面的各种工序加工，适宜于箱体类零件加工。与通用卧式 铣床相同，其主轴平行于水平面。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。 1.2.3 万能数控铣床 这类铣床主轴可以旋转 90 或回转工作台带着工件旋转 90，一次装夹后， 可以完成对工件五个表面的加工。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。 4 1.2.4 龙门式数控铣床 这类数控铣床主轴可以在龙门架的横向和竖直方向溜板上运动，而龙门架 则沿床身作纵向运动。严格说来，这类数控铣床属于立式数控铣床，因要考虑 到扩大行程，缩小占地面积及刚性等技术问题，所以往往采用龙门架移动式， 故而这类数控铣床被称之为龙门数控铣床。主要用于大型零件的加工。 1.3 数控铣床的功能及加工对象 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 加工中心知识 加工中心（cnc machining center）又称多工序自动换刀数控机床， 是当今世界上产量最大，在现代制造业中最广泛应用的一种功能较全的金属切 削加工设备。 加工中心综合了现代控制技术、计算机应用技术、精密测量技术以及机床 设计与制造等方面的最新成就，具有较高的科技含量。与普通机床相比，它简 化了机械结构，加强了数字控制化功能，成为众多数控加工设备的典型。 加工中心的突出特征是设置有刀库，刀库中存放着各种刀具或检具，在加 工过程中由程序自动选用和更换，这是它与数控铣床、数控镗床的主要区别。 5 1.5 自动换刀装置与刀库 1.5.1 自动换刀装置 在零件制造过程中，大量的时间用于更换刀具，切削加工时间仅占整个工 时中较小的比例。为了缩短非切削时间，提高机床的自动化程度，机床正朝着 一台机床在一次装夹中完成多工序的方向发展。在这类多工序的数控机床中， 必须带有自动换刀装置。自动换刀装置的功能就是储备一定数量的刀具并完成 刀具的自动交换。它应当满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀具储存量 足够、结构紧凑及安全可靠等要求。 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 数控车床使用的回转刀架是一种简单的自动换刀装置。根据不同加工对象， 可以设计成四方和六角刀架或其他等多种形式。回转刀架上分别安装着四把、 六把或更多的刀具，并按数控装置的指令转位换刀。回转刀架在结构上必须有 良好的强度和刚性，以及合理的定位结构，以保证回转刀架在每一次转位之后 具有尽可能高的重复定位精度。 （2)更换主轴头换刀形式 在带有旋转刀具的数控机床中，更换主轴头换刀是一种简单的换刀方式。 主轴头通有卧式和立式两种，而且常用转塔的转位来更换主轴头以实现自动换 刀。各个主轴头上预先装有各工序加工所需要的旋转刀具，当收到换刀指令时， 各主轴头依次地转到加工位置，并接通主运动使相应的主轴带动刀具旋转，而 其他处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。 （3)带刀库的自动换刀形式 带刀库的自动换刀形式主要是由刀库和刀具交换装置组成。目前这种换刀 方法在数控机床上的应用最为广泛。带刀库的自动换刀装置的数控机床主轴箱 和转塔主轴头相比较，由于主轴箱内只有一个主轴，所以主轴部件具有足够刚 度，因而能够满足各种精密加工的要求。另外，刀库可以存放数量较多的刀具， 可进行复杂零件的多工序加工，可明显提高数控机床的适应性和加工效率。 6 1.5.2 刀库类型 根据刀库的容量和存取刀具的方式，刀库可设计成多种形式。目前常见的 刀库类型如下： （1）盘式刀库 图 1.1 盘式刀库 此刀库结构简单，应用较多。如图 1.1 所示，由于刀库呈环形排列，空间 利用率低，因此出现了刀具在盘中进行双环和多环排列，以增加空间的利用率 的设计。但这样一来，刀库的外径较大，转动惯量也很大，选刀时间也较长。 因此，盘式刀库一般适用于刀具容量较小的刀库。 （2）链式刀库 如图 1.2 所示，此钟刀库结构紧凑，刀库容量较大，链环的形状可根据机 床的布局制成各种形状，也可将换刀位突出以便于换刀，能充分利用机床的占 地空间，通常为轴向取刀，位置精度较低，造价也较高。 7 图 1.2 链式刀库 （3）格子箱式刀库 图 1.3 格子箱刀库 8 如图 1.3 所示，该种刀库结构紧凑，刀库空间利用率高，换刀时间较长。 布局不灵活，通常刀库安装在工作台上，应用者较少。 1.6 本章小结 本章主要介绍了数控机床的概念、组成，工作原理、特点、发展，数控铣 床的分类并把立式升降台铣床的组成、主要技术参数一一列举，最后稍微介绍 了一些加工中心和自动换刀装置方面的知识。通过对这些知识的介绍，可以对 数控这一领域作一个整体的把握，并加深了对这方面知识的更深一步的理解。 2 总体方案 2.1 数控立式升降台铣床的组成及主要技术参数 下图为数控立式升降台铣床外观图： 图 2.1 数控立式升降台铣床外观图 数控立式升降台铣床主要由机床床身、机床数控系统、操纵面板、横向溜 板、升降台、纵向进给伺服电机、横向进给伺服电机、垂直升降进给伺服电机、 强电装置、变压器箱、主轴变速手柄、按钮板等零部件组成。 9 数控立式升降台铣床的主要技术参数有：（1)工作台参数：工作台尺寸、 工作台最大纵向行程、工作台最大横向行程、工作台最大垂直行程、工作台 t 形槽数、工作台 t 形槽宽、工作台 t 形槽间距；（2）进给速度：纵向进给速度、 横向进给速度、垂直进给速度；（3）主轴：主轴孔直径、主轴锥孔、主轴转速 范围、主轴转速级数；（4）进给精度：x 轴、y 轴、z 轴最小设定单位、位置 检测方式；（5）驱动电机：主轴电动机功率、x 轴、y 轴、z 轴电动机转矩； （6）一般规格：外形尺寸。 2.2 可能的方案比较及最终选择方案 本文是关于立式升降台斗笠式自动换刀装置的设计，其主要由刀库横移装 置和刀库分度装置组成。因此，本设计基本上就是对这两个装置的设计。 刀库的横移装置，是在进行换刀的整个过程中，刀库从远离主轴的位置直 线移动到主轴轴线位置，以实现换刀。斗笠式刀库横移装置，由两根圆柱导轨 （滑杆）支撑，每根圆柱导轨由两个支架固定在连接板上，连接板固定在机床 立柱上，实现刀库与机床立柱的连接。整个刀库可以在两根圆柱导轨上滑动， 实现刀库前后运动，以完成抓刀和返回动作。 刀库横移装置主要有两种可能的方案： 一种是将电机轴的旋转运动地转化为可控的直线运动，使刀库沿着导轨轴 作横向往复移动。这一运动转换是通过一种正弦机构来完成的。在这一机构中， 刀库与拨杆固定连接，拨杆可移动的安装在导轨轴上；电动机与滑块固定连接， 滑块在拨杆中可以移动；这样就可以把电动机的转动转化为刀库的横向移动。 这种方案需要使用电机，电机的安装可能占用的空间比较大，对于减小刀库尺 寸、重量、成本不利。另外由于使用了较为复杂的机械机构，传动过程中可能 损失的功率比较多，而且对于零部件的的定位安装要求较高。 另一种是利用气压传动机构。气缸类型为双作用气缸，气压缸固定安装在 刀库介面支架上，活塞杆则与刀库固定连接。通过气源的供给，可以使刀库沿 着导轨轴作往复横向移动。这种方案比较直接，而且气缸所占用的空间要比使 用电机要小许多，而且通过磁环开关的控制，能够较为精准地控制刀库的横向 移动。 因此，第二种方案更为合适。 刀库分度装置也有两种可能的方案： 10 一种是通过蜗轮蜗杆机构来实现。其工作原理如下：刀盘与蜗轮同轴固定 连接，电动机通过联轴器与蜗杆固定连接，这样就可以通过蜗轮蜗杆机构的传 动来实现刀盘的旋转运动，完成选刀工作。这种机构可以较好的实现选到工作， 蜗轮蜗杆机构可以将电动机的高转速转化成刀盘的低转速旋转运动。但是，这 种机构所占用的空间较大，一般用在卧式数控机床上更为合适。而且传动经过 蜗轮蜗杆，效率比较低。由于本文设计的是立式斗笠式刀库，所以对尺寸及占 用空间都有较高的要求，所以可能这一方案在此处不合适。 另一种是通过经典的槽轮机构（即马氏机构）来实现的的。它具有结构简 单、外形尺寸小、机械效率高，以及能较平稳地、间歇地进行转位等优点。电 机通过联轴器与定位法兰连接，定位法兰上安装有可旋转的滚子，通过定位法 兰的旋转使圆柱滚子间歇地进入固定连接在刀盘上分度盘，从而带动分度盘的 转动，实现对刀盘上刀具的选择。 因此，选择第二种方案更为合适。 综上所述，本文设计的斗笠式自动换刀装置其刀库横移装置采用气压传动， 而刀库分度装置则采用槽轮机构来实现。 最终设计最优方案如下效果图： 图2.2 三 维效 果图 2.3 斗笠 式刀 库结 构组 成及 工作 原理 11 图 2.3 斗笠刀库总体结构示意图 刀库横移装置的设计： 刀库刀盘的横向移动是使用气压传动机构来实现的。如图 2.2 所示，机床箱 体上安装有两个平行的导杆 9。刀库刀盘安装在刀盘基座 10 上，刀盘基座 10 安装在这两个导杆 9 上并可以沿着导杆 9 作横向移动。同时，气缸 7 固定安装 在机床箱体上，刀盘基座 10 与气缸 7 中的柱塞 8 固定连接。通过柱塞 8 的横向 移动来实现刀盘基座 10 的横向移动，从而带动刀盘在初始位置和换刀位置之间 的切换运动。气缸 7 上装有两个磁环开关，当左端磁环开关亮时，气缸处于原 始状态；当右端磁环开关亮时，气缸处于推出信号状态，这时柱塞会右移，刀 盘会移动到换刀位置。 刀库分度装置的设计： 本文设计的斗笠式刀库的分度装置，如图 2.2 所示，由电机 6、连接轴 5、 法兰盘 3，刀库鼓轮 1、分度盘 4、圆柱滚子 2 等零部件组成，分度装置的电机 连接轴 5 的轴线与分度盘 4、刀库鼓轮 1 的回转轴线平行。刀库选刀时，首先 由刀库回转电机得到旋转指令，连接轴 5 通过轴套带动法兰盘 3 旋转，从而使 在法兰盘 3 上的圆柱滚子 2 绕法兰中心转动；当圆柱滚子 2 转动一定角度，进 入分度盘 4 的分度槽中，拨动分度盘 4 开始作转位运动；当分度盘 4 转过一定 的角度后，圆柱滚子 2 从分度槽中脱出，刀库鼓轮 1（分度盘通过螺钉与刀库 鼓轮连在一起转动）即静止不动。 12 法兰盘 3 每回转一圈，就驱动分度盘 4 转过一个槽。电机是连续匀速运动 的，从而带动法兰盘 3 与圆柱滚子 2 连续匀速转动。但圆柱滚子 2 是间断性的 转入分度槽的，从而使刀库轮毂得到周期性间歇运动，起到了刀库的分度作用。 分度盘 4 与刀库鼓轮 1 同轴，分度盘 4 的分度槽数与刀库鼓轮 1 上的刀数一致。 法兰盘 3 不断回转，分度盘 4 就不停地进行分度，刀库鼓轮 1 就不断重复上述 的运动循环，从而将下一个工序所需刀具的刀位转到换刀位置上，以便让主轴 进行换刀，实现刀库的自动换刀。 2.4 斗笠式刀库主要技术参数 斗笠式刀库技术参数表 主轴鼻端 bt40 刀库规格斗笠 bt40-t20 刀具容量 20 马达规格 m6ik200-a 刀具换刀时间 8sec 气缸规格63290 行程 气压管线 8 气动压力 0.50.6mpa 刀具最大长度 250mm 刀具最大重量 8kg 刀具最大外径90mm（满刀状态);150（临空刀状态) 2.5 本章小结 本章介绍了几种可能的斗笠刀库自动换刀装置的方案，通过分析比较， 确定出最终可能最合适的总体方案。而斗笠式刀库主要技术参数表则是规定 了所要设计刀库的基本要求。 3 斗笠式刀库设计 3.1 刀库容量的确定 在确定刀库容量时，要进行大量的分析调查，同时要考虑工艺需要及使用 场合。一般来说，需要承担多个工件的切削任务时，需要配备的刀库容量较大。 换句话来说，配备的刀具愈多，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。 13 图 3.1 刀具数量统计图 刀库的刀具并不是越多越好，太大的容量会增和占地面积和刀库的尺寸， 使选刀时间增长；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， 14 4 4 以缩短每次装刀所需的装调时间。对图 3-1 进行分析可知，5 把刀可完成加工 工件的 95左右的铣削工艺，15 把孔加工刀具可完成 80的钻削工艺， 20 把 刀的容量就可完成 90以上工件的钻铣工艺。本文设计的刀库如需能达到加工 90以上的工件要求，那刀库就需要有 20 把刀具的容量，故可将本刀库的容量 设定为 20。 3.2 气缸设计和选择 3.2.1 气缸的选择要点 (1) 安装形式的选择 安装形式由安装位置和使用目的等因素决定。在一 般场合，多用固定安装方式：轴向支座前法兰、后法兰等；在要求活塞往复移 动又要求缸体作较大幅度摆动时，可选用尾部耳轴和中间轴销等安装方式；如 需在回转中输出直线往复运动，可采用回转气缸。本设计采用轴向支座前法兰 的安装形式。 （2）输出力大小 根据工件机构所需力的大小，考虑气缸载荷率确定活塞 杆上的推力与压力，从而确定气缸内径。气缸由于其工作压力较小 （0.50.6mpa） ，一般在 10000n 以内，输出力过大其体积会太大，因此在气 动设备上，应尽量采用扩力机构，以减小气缸尺寸。 （3）气缸行程 气缸行程与其适用场合及工作机构的行程有关。多数情况 下不应使用满行程，要在计算行程基础上追加 1020mm，以避免活塞与气缸碰 撞。本设计的气缸行程设定为 290mm。 （4）气缸的运动速度 气缸的运动速度主要由所驱动的工件机构的需要来 决定。要求速度缓慢平稳时，宜采用气液阻尼缸或采用节流调速。本设计因为 是水平安装推力载荷，所以采用排气节流。 3.2.2 气缸初选 初选气缸类型为 10a-5 系列气缸，气缸内径 d= 63 ，活塞杆直径 d= 25 ，气缸行程 l=290，气源气压 p=0.5mpa，工作频率较高，载荷率 取 0.3。 3.2.3 驱动力校核 向左推力 p = d2p 15 4 4 2 fa al1 1 mk （） /ia =6320.50.3n = 467n 向右拉力 q =（d2-d2）p =（632-252）0.50.3n = 394n 估计刀库总重量 m=70kg，则横向往复运动所需的驱动力 f =mg =0.17010n =70n 其中， 是导轨摩擦系数，取 0.1；g 是重力加速度，取 10nkg。 pf 且 qf，所以驱动力方面满足设计要求 3.2.4 活塞杆稳定性校核 活塞杆稳定性条件：pfkn 其中，fk为气缸的纵向弯曲极限力，n 为压杆稳定安全系数，n 取 4 当细长比 l1k85 m 时， fk = m2eil12 ； 当细长比 l1k85 m 时， fk = 其中， l1为活塞杆的计算长度，l1=443； e 为活塞杆材料的弹性模量，取 2.11011pa； k 为活塞杆横截面回转半径， 实心杆 k= = d4 =2 54 = 6.25, 其中，i 为活塞杆断面惯性矩，实心杆 i=d464； 16 2 fa al1 1 mk （） fan -1k pa （） dpt 2 60 0.75 2 100 a 为活塞杆截面积，a=d24； m 为系数，查气压传动手册表 24.2-6，因为连接方式是固定-固定连 接，所以 m=1； f 为材料强度实验值，对于钢取 49107pa； a 为系数，a 取 15000； 因为 l1k= 443425=7185，所以 fk = = 1.2105 n fk n = 3104n p=467； 当极限力 fk tn： l = = 20m ； 故活塞杆的稳壁筒性满足条件。 3.2.5 缸筒壁厚计算 缸筒直接承受压力，需要有一定厚度。由于一般气缸缸筒壁厚与内径之比 d110，所以通常按薄壁筒公式计算 = = = 0.24 其中，pt为气缸实验压力，一般为 1.5p，即 0.75mpa； d 为气缸内径 63 ； 为缸筒材料许用应力 100mpa； 通常计算出的缸筒壁径都较小，但考虑到机械加工，缸筒两端要安装缸盖 17 22 2 d -ds 4t （） 4 4 22 -25 42 （63）290 等需要，往往是将缸筒壁厚适当加厚，应尽量选用标准内径和壁厚的钢管和铝 合金管。本设计使用 10a-5 系列气缸标准，气缸壁厚 4mm。 3.2.6 耗气量及刀库横移运动时间的计算 一个气缸耗气量与其直径、行程、缸的动作时间以及换向阀到气缸导气管 道的容积等有关。在实际应用中，从换向阀到气缸导气管道容积与气缸容积相 比往往很小，可以忽略不计。本气缸属于有活塞杆腔工作的情况，那么气缸单 位时间压缩空气耗气量可按下式计算 qv = qv2 = = 10-9 m3s = 3.8110-4 m3s 其中，s 为气缸的行程； t2为刀库右移运动时所需的时间，设定为 2sec； 则刀库左移运动时所需的时间 t1 = d2sqv1 =632290381000 =2.37 sec 因此，刀库横移运动的总时间为 t1 = t1+t2=4.37sec。 3.3 刀库驱动转矩的估算 3.3.1 刀库分度机构的传动设计及计算 下图为传动设计效果图： 图 3.2 刀库分度装置实物效果图 刀库在换刀前，首先需要选刀。选刀的过程，就是使刀库轮毂满足一个周 向间歇运动，也就是分度盘在分度过程中，转位开始与转位结束位置上的瞬时 角速度 =0。在图 3.3 中得出，为了使圆柱滚子能顺利进入和脱出分度盘上的 18 径向槽，在槽口的瞬时位置时，必须使转臂中心线 pq 与分度槽的中心线 oq 相 垂直，即oqp=90。在圆柱滚子从进入至脱离径向槽的过程中，这位法兰的 转动角度为 162，而刀盘转动的角度则为 18。设电机负载时，法兰盘上的 滚子以 1的角速度转动，转速为 n1，此时分度盘以 3的角速度转动，转速为 n3；而电机空转时以 n2=1.25n1转动，在滚子拨动分度盘一次的一个周期内的分 度时间为 t1，间歇时间为 t2。 图 3.3 刀库分度装置运动分析简图 t1 =16260(360n1) ； t2 = 19860(360n2 )； t总 = t1 + t2 ； 本设计刀库最大刀容量为 20，分度槽数量亦为 20，选刀时分度盘按最近原 则选刀，选到最远处刀具所需的时间为 t2 (令 t2为 3 秒） ； 则 t2 = 10 t总 = 3 sec ； 综合以上各式并代入数据可得， n1 = 178 rmin，t 1 = 0.152 ； 1 = 2n160=18.6 rads ； 圆柱滚子从进入至脱离径向槽这个过程，定位法兰的转角为 21=162， 分度盘的转角为 23=2/z=18， （z 为分度盘的槽数） 。在直角三角形 pqo 中， 根据正切函数，3=arctansin1(1-cos1) ，式中 =r1a=sin3。 分度机构在转位过程中，定位法兰以匀角速度 1转动，分度盘以角速度 3反 19 1 2 11 cos 1cos （） （） 2 2 2 1 sin 1cos （） （） 3 d dt 3 d dt tn 9550 0.153 9550 178 向转动，分度盘每次分度转过的角度与槽数 z 有严格的对应关系（23=2/z） ， 分度盘的角速度 3为 3对时间的导数： 3 分度盘的角加速度为： 代入数据得， -54.8 rads2 。 3.3.2 旋转部件转动惯量计算 刀具最大重量为 8kg； 分度盘与刀库轮毂质量估计为 15kg； 刀盘及圆盘罩盖等总质量估计为 7kg； 故刀库旋转部件的总质量 m=30kg； 将整个旋转部件等效为质量均匀、半径 r 为 300mm 的圆盘，则其转动惯量 j = 0.5mr2 = 1.35 kgm2； 3.3.3 刀库驱动转矩计算 t = j=1.3554.8nm 74 nm 3.4 减速电动机的选择 法兰盘的转速为 n1 = 178 rmin，转速较低，故需使用减速电机； 在分度盘转位过程中，分度盘的平均角速度 =2n60 ，t1 = 18(180 )=0.152； 可得到转位过程中，分度盘的平均转速 n= 19.7 rmin； 分度盘所需的驱动功率 pmin= = 0.153 kw； 20 0.18 9550 20 3 9550 p n min 3 9550 p n tmin = = = 8.2 nm ； 所选减速电机的输出许用转矩 t 应该大于 tmiin 。根据所需减速电机功率 p 和应输出的转矩 t，选择的减速电机型号为 m6ik200a，额定功率为 0.2kw，同 步转速为 200 rmin，允许负载为 8.6nm，额定负载情况下，输出转速为同步 转速的 80-98。 3.5 刀库驱动转矩的校核 刀库驱动转矩最小应为 t = 74 nm；电机空转转速为 n2=200 rmin；假设 传动效率为 90%，则负载时电机输出转速为 n1=20090 rmin=180 rmin； 一个周期内的转位时间为 t1=16260(360n1) = 0.15 sec ； 一个周期内的电机空转时间 t2 = 19860(360n2 ) =0.165 sec； 又 3=2n360 ，t1 = 18180 ； 故此时分度盘的转速为 n3= 20 rmin ； 减速电机传递到分度盘上的功率为 p1 = 0.2 90=0.18 kw； 00 减速电机传递到分度盘上的转矩 t1= = nm = 86 nm74 nm； 所以，刀库的驱动转矩满足要求。 3.6 换刀过程总时间的计算与校核 刀库横移运动总时间 t1 = 4.37sec； 分度运动的最大时间 21 t2 = 10（t1 + t2 ）= 10（0.15 + 0.165）sec = 3.15 sec； 则整个运动过程的总时间 t = t1 +t2 = 4.37 + 3.15 = 7.52 sec 8 sec； 故所设计刀库的换刀时间基本满足设计要求。 3.7 刀具的选择方式 按数控装置的刀具选择指令，从刀库中挑选各工序所需要的刀具的操作称 为自动选刀。常用的刀具选择方式有顺序选刀和任意选刀两种。 （1)顺序选刀 刀具的顺序选择方式是将刀具按预定工序的顺序，依次放入刀库的每一个 刀座中，使用时按顺序转到取刀位置并取出所需要的刀具。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。采用这种方式的刀库不需 要刀具识别装置，驱动控制也比较简单，可直接由刀库的分度装置实现。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。这种方式适合 加工批量较大、工件品种数量较少的中小型加工中心。 (2)任意选刀 任意选择刀具的换刀主要有三种编码方式：刀套(刀座)编码、刀具编码、 记忆编码附件等方式。刀具编码或刀套编码都需要在刀具或刀套安装用于识别 的编码条，刀具（或刀座）编码这种方法根据程序指令的要求任意选择所需要 的刀具，刀具在刀库中不必按照工件加工顺序排列，可以任意存放。每把刀具 （或刀座）都编上代码，自动换刀时，刀库旋转，每把刀具（或刀座）都经过 “刀具识别装置”接受识别。当某把刀具（或刀座）的代码与数控指令相符合 时，该把刀具被选中，刀库将刀具送到换到位置，等待机械手来抓取。任意选 择刀具法的优点是刀库中刀具的排列顺序与工作加工顺序无关，刀具可重复使 用。因此，刀具数量比较顺序选择法少一些，刀库也相应地简单些。 刀库选刀方式一般采用就近移动原则，即无论采取哪种选刀方式，在根据 程序指令把下工序要用的刀具移到换刀位置时，都要向距离换刀最近的方向移 动，以节省选刀时间。已确定刀库容量为 20 把刀具，并且存在在加工过程中可 能需要重复利用刀具。所以刀具的选择方式确定为任意选择刀具。 22 3.8 刀具交换装置的选择 刀具交换装置就是实现刀库与机床主轴之间装卸与传递刀具的装置，刀具 交换形式主要有以下两种： (一) 无机械手的换刀 图 3.4 无机械手换刀示意图 用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换的装置，把刀库放在主轴箱可 以运动到的位置，或整个刀库或某一刀位能移动到主轴箱可以到达的位置刀库 中刀具的存放方向一般与主轴上装刀方向一致。换刀前，主轴要准停定位；换 刀时，由主轴运动到刀库上的换刀位置，利用主轴直接取走或放回刀具。其优 点是结构简单，成本低，换刀的可靠性较高；缺点是刀库的容量不多，换刀时 间较长，一般需要 10-20 秒，多用于中、小型加工中心。 (二) 由机械手进行刀具的交换 由机械手进行刀具的交换装置的主要特点是有很大的灵活性，可以减少换 刀时间。在刀库远离机床主轴的换刀装置中除了机械手以外，还必须带有中间 23 搬运装置。机械手的形式： 1) 单臂单爪回转式机械手 换刀时间较长。如下图所示 图 3.5 单臂单爪回转式机械手 2) 单臂双爪回转式机械手 换刀时间较少。 图 3.6 单臂双爪回转式机械手 24 3) 双臂回转式机械手 手臂上有两个卡爪，两个卡爪可同时抓取刀库及主 轴上的刀具，回转 180 后又同时将刀具放回刀库及装入主轴。换刀时间较短， 是 最常用的一种形式。下图为双臂机械手最常用的几种形式： 图 3.7 双臂机械手 4) 双机械手 相当于两个单臂单爪机械手互相配合起来进行自动换刀。 5) 双臂端面夹紧式机械手 本文所设计的刀库是斗笠式刀库，多用于中、小型加工中心，故选用无机 械手形式的换刀方式。 25 3.9 电气元件的选择 3.9.1 气缸磁环开关 在气缸上安装磁性开关，当气缸动作时磁性开关动作，用于检测气缸是否 工作到位。该开关只有在气缸具备磁环的情况下才是具备实际的使用价值，其 功能是通过检测运行过程之中活塞上面的磁环来检测活塞运动位置，检测后会 发送电信号用来确定电磁阀工作通断的信号。 本气缸是双作用气缸 ，需要在气缸缸筒两端的合适位置上安装两个磁性开 关，而活塞杆上的磁环则是安装在活塞右侧且紧贴着活塞。 3.9.2 马达定位感应开关 马达定位感应开关的作用是控制电机的停转，属于电子式刹车的作用。此 开关的选择主要是因为所选的电机无附加刹车器。 3.9.3 刀号计数器开关 刀号计数器开关的作用是通过接触性传感器的传递信号来进行刀位的计数。 当完成所需的刀具转位时，刀具计数器开关将传递一个电信号给数控系统，从 而控制电机停止转动。刀具计数开关安装在悬吊板上，且与刀库分度盘接触。 3.10 本章小结 本章主要对刀库的容量、气缸设计的过程及选择计算、分度装置的设计及 计算、电机的选择计算、刀库驱动转矩的计算及校核、换刀时间的计算、电气 元件的选择进行了具体的设计。通过这些内容的介绍，加深了对整个方案设计 的理解。 26 4 重要零部件的设计 4.1 联轴器 4.1.1 联轴器的选择 本文需要用联轴器来连接电机输出轴和分度装置中法兰盘的连接轴，可选 用套筒式联轴器。套筒联轴器是一个整体套筒以销、键、花键或过盈配合将两 连接轴。他具有径向尺寸下、结构简单的优点；适用于轻载、低速的场合。 4.1.2 联轴器校核 校核公式为 mc= kmp m ； 其中,m 为联轴器公称转矩（nm） ； mp为联轴器的施用转矩（nm） ； k 为工作情况因数，取 k 为 1.5； 查机械设计手册表 5.1-87 可得 所选用联轴器的公称转矩 m 为 16nm； 施用转矩 mp为 8.2nm， 则 mc= kmp= 12.3nm m =16nm； 所以所选的联轴器满足需求。 4.2 刀夹 4.2.1 刀夹作用 刀夹是刀库的重要组成部分，整个换刀过程不仅仅需要刀库横移装置、刀 库分度装置，更重要的是刀库与机床主轴之间刀具的交换过程。由于本刀库是 斗笠式刀库，通常使用的是无机械手换刀，所以合理的刀夹在刀库更换刀具过 程中显得更为重要。无机械手换刀，刀夹的设计理念要满足两个要求：一是在 机床主轴靠近刀夹时，要通过合理的机构使刀夹因机床主轴的靠近而松刀；二 是在机床主轴远离刀夹时，刀夹能够自动复位。正如图 4.1，该锁紧机构的作 用正好满足这两个要求。 27 图 4.1 锁紧机构 4.2.2 刀夹工作原理 在无刀状态下，两刀夹在夹紧弹簧的作用下，驱闭合状态。当接到换刀指 令 时，刀库回转体将位于其上的空刀夹单元转至刀库换刀点，这时位于机床主轴 前端的刀具释放块跟随主轴快速移动到刀库换刀点，在刀具释放块的引导斜面 作用下，将位于刀库回转体上刀夹单元的解锁销钉打开，所需换刀的刀具在主 轴的夹持下，与主轴一同移动到换刀点。这时两刀夹在夹紧弹簧的作用下，将 刀具夹紧。此时主轴松开刀柄向后移动，与此同时位于刀夹单元后端的解锁销 钉在锁刀弹簧 图 4.2 刀夹单元示意图 28 的作用下，将解锁销钉上的斜面紧紧推靠在刀夹后端的两侧斜面上，完成锁刀 动作(如图 4.1 所示)。刀库回转体将所需要的刀具转至刀库换刀点，主轴向前 移动，主轴前端的刀具释放块将解锁销钉打开，同时主轴夹紧刀柄。主轴取到 所需要的刀具后，主轴前端的刀具释放块跟随主轴一同向外移动离开刀库，当 刀具释放块的引导斜面离开解锁销钉时，解锁销钉在锁刀弹簧的作用下回到原 位，进行刀具锁紧，刀库回转体转回刀库原位，刀库完成一次换刀循环。 4.3 本章小结 本章主要介绍了联轴器的选择、校核及刀库中重要部件刀夹的设计。通过对 联轴器的选择设计，加深了对机械设计一般步骤的认识；通过对刀夹的设计， 加深了对机械原理知识的学习，提高了运用机械机构的组合达到一定目的的能 力。 结论 本次毕业设计的题目是数控立式升降台铣床斗笠式自动换刀装置的设计。本 文章阐述的是该斗笠式刀库的结构、参数的设计计算，刀库驱动电机的选择计 算，刀库分度机构相关参数的计算，总体来说，刀库的传动结构比较紧凑。本 设计中采用的刀库横移装置是气压传动机构，即刀库滑座与气缸活塞杆连接， 而气缸则固定在界面支架上；刀库分度装置则采用的是经典的槽轮结构。自动 换刀的形式是无机械手换刀，刀具选择方式式是任意选刀。 虽然本次毕业设计已基本完成，但自己觉得还是存在一些不足。比如自己 所绘制的图纸上一些部位表示还不是太清楚。只有发现问题面对问题才有可能 解决问题，以后自己在这些方面一定要努力学习去克服。 29 致谢 毕业设计是完成