毕业设计（论文）-XKA5032AC数控立式铣床自动换刀装置设计.doc

洛阳理工学院毕业设计XKA5032A/C数控立式铣床自动换刀装置设计摘 要本设计介绍的是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。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。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。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The XKA5032A/C Number Controls The Sign Type Working Panel Miller To Change The Knife DeviceABSTRACTthe introduction is the design that the XKA5032 A/C number controls the sign type working panel lifter miller to change the knife device(the knife database type) automatically.The knife database type automatically change the knife device is have by the knife database and the knife to exchange device(change the knife the machine hand) to constitute.It is many work ordinal numbers to control the top of the tool machine to apply to change the knife device most extensively, it is whole to lead to change the knife process more complicated.First process process in need to be use of all knifes have to install on the haft of the standard, pressing certain way to pack into the knife database after the tool machine carry on size to prepare to adjust outside.Be in the knife database carry on choosing knife first while change the knife, the design becomeses the adoption stalk toward the drum dish type knife database form and the turn-over type double the arm machine hand for place to constitute.The knife has to press to schedule to the work preface insert the knife of the knife database order of sequence, usage turn to take knife position in order.The knife for using puts back the original knife inside, can also press to process sequence to put into the next knife.That method doesnt need the knife to identify device, driving a control also more simple, work credibility. scaled the auto change the knife device.Can know the number controls miller to use 4 make the knife complete most milling and can pare to process.So this capacity is 6 knife databases of knifes, almost the nonentity process to need to make use of the circumstance that the knife have again in the process, so the knife have of the choice method assurance for in proper order choice the knife have.Two hands are mutual perpendicular of the advantage of the turn-over type single arm hands machine hand change the knife action credibility, changing good time short, the weakness is the haft accuracy to have high request, structure complications, the linking machine adjust of the related accuracy have high request, the machine hand leaves to process area nearer.Generally speaking, this kind of machine hand useds for the knife database knife the stalk line and the tool machine principal axis stalk line perpendicular, the knife database has a form to change the knife device automatically toward the access knife for the path, therefore can adopt this kind of machine hand form in the XKA5032 A/C number control the sign type rise and fall miller the auto change the knife the device.KEY WORDS: numerical control milling machines, Automatic tool changer, Tool storage , tool changing-manipulator7目录前言1第1章 数控机床概述21.1 数控机床知识21.1.1 数控铣床的分类21.1.2 数控铣床的结构特征41.1.3 数控铣床的主要功能及加工对象51.1.4 自动换刀装置（ATC）及其形式51.1.5 自动换刀装置应当满足的基本要求7第2章 总体方案的确定82.1 刀库系统的设计82.1.1 确定刀库容量82.1.2 确定刀库形式92.1.3 刀库结构设计92.1.4 初选电动机与降速传动装置112.1.5 初估刀库驱动转矩112.1.5 刀库转位机构的普通圆柱蜗杆传动的设计122.1.6 刀库驱动转矩的校核172.1.7 花键联接的强度计算172.1.8 夹紧机构插销剪切强度的校核182.1.9 确定刀具的选择方式182.10 刀库的定位与刀具的松夹19第3章 刀具交换装置的设计213.1 换刀机械手的设计213.1.1 确定换刀机械手形式213.1.2 换刀机械手的工作原理233.1.3 机械手的自动换刀过程的动作顺序233.1.4 自动换刀装置的相关技术要求253.1.5 换刀机械手的安装与调试25第4章 自动换刀装置的控制原理264.1 自动换刀装置的液压系统原理图264.2 自动换刀装置换刀动作的顺序控制过程26第五章 典型零件的设计285.1 联轴器的设计285.1.1 联轴器285.1.2 联轴器的选用285.1.3 联轴器的校核295.1.4 蜗杆蜗轮传动设计的一些相关技术要求295.1.5 托架的设计29结论30谢 辞31参考文献32外文资料翻译34前言数字控制是20世纪中期发展起来的一种自动控制技术，是用数字信号进行控制的一种方法。采用数控技术进行控制的机床称为数控机床。加工中心（简称MC）是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床。它是适应省力省时和节能的时代要求而发展起来的，它综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、气动技术、拖动技术、现在控制理论、测量及传感技术以及通讯诊断、刀具和应用编程技术的高技术产品，将数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能聚集在一台加工设备上，且增设有自动换刀装置和刀库，可以在一次安装工件后，数控系统控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其它辅助功能：依次完成多面和多工序的端平面、孔系内外倒角、环形槽及攻螺纹等加工。 随着电子技术的迅速发展，以及各种性能良好的传感器的出现和运用，加工中心的功能日趋完善，这些功能包括：刀具寿命的监视功能、刀具磨损和损伤的监视功能、切削状态的监视功能、切削异常的监视、报警和自动停机功能、自动检测和自我诊断功能及自适应控制功能等。加工中心还与载有随行夹具的自动托板进行有机连接并能进行切屑自动处理，使得加工中心成为柔性制造系统，计算机集成制造系统是自动化工厂的关键设备和基本单元。 第1章 数控机床概述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。1.1.1 数控铣床的分类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。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加工是非常合适的。3.立、卧式两用数控铣床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。1.1.2 数控铣床的结构特征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。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。1.1.3 数控铣床的主要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。1.1.4 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.回转刀架换刀形式数控车床使用的回转刀架是一种简单的自动换刀装置。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。如：CK7815型数控车床采用BA200L刀架，其工作循环是：刀架接收数控装置的指令一松开一转到指令要求的位置一夹紧一发出转位结束的信号。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。转塔主轴头换刀方式的主要优点是省去了自动松夹、卸刀装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作，从而显著地减少了换刀时间，提高了换刀的可靠性，但是由于结构上的原因和空间位置的限制，主轴部件的刚性差且主轴的数目不可能很多。因此转塔主轴头换刀通常只适用于工序较少，精度要求不太高的数控机床，如数控铣床。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。这种带刀库的自动换刀装置特别适用于数控铣床、数控钻床和数控镗床。刀库的类型按刀库的结构形式可分为：圆盘式刀库、链式刀库、箱型式刀库-箱型和线型；按设置部位的不同，刀库可以分为：顶置式、侧置式、悬挂式和落地式等多种类型；按交换刀具还是交换主轴，刀库可分为：普通刀库(简称刀库)和主轴箱刀库。虽然刀库有多种形式，但数控机床上常用的主要是圆盘式和链式两种。交换装置的机械手形式也多样，目前在数控机床上用得最多的是回转式双臂机械手。其他形式还有摆动式单臂双爪机械手、单臂单爪回转式机械手、双机械手等等。1.1.5 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2章 总体方案的确定2.1 刀库系统的设计2.1.1 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2-1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2-1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。2.1.2 确定刀库形式由以上考虑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的情况下体积不大，且取刀也较为方便，但需要考虑机械手的换刀动作空间。2.1.3 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。图22 刀库结构2.1.4 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）。2.1.5 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，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10kg，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。2.1.5 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2-3所示,直流伺服电动机通过弹性柱销联轴器与谐波传动减速器联接减速后驱动蜗杆,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的功率为0.092KW,转速为3000R/MIN,谐波传动减速器的传动比为100.传动效率为80%,电机经减速器减速后驱动蜗杆,蜗杆为主动,蜗轮为从动,要求传动比为6,单向旋转,单班工作制,预计寿命为5年.图23 刀库传动示意图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，=220 MPa，=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m2d1KT2 (mm3)（1）计算蜗轮轴转矩T2初估传动效率=0.95,则T2=9549=9549=95490.95=133.53 Nm其中n1 =3000/100=30(r/min)（2）载荷系数K=1.05（3）许用接触应力=2200.91.48=293.04 MPa式中, =220 MPa, 估计滑动速度5m/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=0.9,=1.48（其中=60at=60153008=3.6）；（4）计算m2d1值,并选定模数m和蜗杆分度圆直径d1m2d11.05133.53=283.46 mm3;按资料查得模数m=3.15(mm), d1=35.5 (mm)(m2d1值应大于计算值)5.验算滑动速度（1）计算蜗杆速度=0.0558 m/s（2）计算滑动速度=/=0.0558/=0.0632 m/s其中=,则初估的值合适。6.验算蜗轮齿弯曲强度验算公式为（1）使用系数=1（2）动载荷系数=1.03（3）载荷分布系数=1d1=35.5 mm，=m=3.1536=113.4 mm,其中模数m=3.15(mm)。（4）蜗轮齿形系数=4.00（5）按蜗轮当量齿数=/=36/=52.34,由图172查得。（6）导程角系数=1-/120=1-/120=0.766（7）许用弯曲应力=700.542=37.94 MPa（8）计算弯曲应力=22.132由于，故满足蜗轮轮齿强度条件。7.计算蜗杆蜗轮的主要参数（1）分度圆直径=35.5，=m=3.1536=113.4mm（2）中心距aa=(+2m)/2=35.5+113.4+2(-0.1349)3.15/2=74 mm（3）蜗杆导程角 8.计算其他尺寸（1）蜗杆齿顶圆直径 =+2=35.5+23.15=41.8 mm，其中为蜗杆齿顶高，且=m=3.15 mm；（2）蜗轮喉圆直径 =+2=113.4+20.86513.15=118.85 mm，其中为蜗轮齿顶高，且=+=1-0.1349=0.8651 mm；（3）蜗轮外圆直径=+m=118.85+3.15=122 mm；（4）蜗杆齿宽 由于=6，故按结构设计，取=64 mm（5）蜗轮齿宽 0.67=0.6741.8 =28.006mm,取=28 mm；（6）蜗轮齿顶圆弧半径 =-m=-3.15=14.6 mm（7）蜗轮齿根圆弧半径=+c=+0.2m=+0.23.15=21.53 mm；（8）蜗杆轴向齿厚 =/2=3.15/2=4.948 mm,其中为蜗杆轴向齿距；（9）蜗杆法向齿厚 =4.948=4.368 mm；（10）蜗轮分度圆齿厚 =0.5=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等于同时间内的散热量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=（1-）kW,则产生的热流量（单位为1W=1j/s）为=1000（1-）W式中为蜗杆传递的功率（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=kA(-)W式中k热导率，一般取k=8.717.5W(),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（）；润滑油的工作温度，一般限制在6070，最高不能超过80；周围环境温度，一般取室温=20。按热平衡条件=，可求得在既定工作条件下的没温为=+ 在绘制传动装置结构图的基础上进行热平衡计算：=0.09280=0.0736 kW取=20,=0.95, k=10,并估算A=0. 006，则=20+=81.3380由于80,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。2.1.6 刀库驱动转矩的校核蜗轮转速=5r/min,所能传递的功率为P=0.092800.95=0.07 Kw,此时刀库的驱动转矩为：T=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。2.1.7 花键联接的强度计算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=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=0.70.8，此处取=0.75；z齿数，此处z=6；齿的工作高度（mm），对渐开线花键，=m,此处m为模数，且取m=1.5mm；齿的工作长度（mm），此处=48mm；平均直径（mm），对渐开线花键，此处=d=26mm。于是，把数据代入计算公式，得p=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。2.1.8 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)/=1.8MPa故插销满足强度条件要求。2.1.9 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。2.任意选择刀具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。在以上确定刀库容量时已经讨论可知数控铣床用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。该法不需要刀具识别装置，驱动控制也比较简单，工作可靠。2.10 刀库的定位与刀具的松夹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。 图23 刀库定位与夹紧机构 20洛阳理工学院毕业设计（论文）第3章 刀具交换装置的设计3.1 换刀机械手的设计3.1.1 确定换刀机械手形式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。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31 机械手臂和手抓1手抓；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图32互垂直机械手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。3.1.2 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。3.1.3 机械手的自动换刀过程的动作顺序 图33 机械手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。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。3.1.4 自动换刀装置的相关技术要求为了传递扭矩，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。3.1.5 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：用手动操纵方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。 25 第4章 自动换刀装置的控制原理4.1 自动换刀装置的液压系统原理图 图41 自动换刀液压原理图液压系统由液压油箱、管路、控制阀等组成。控制阀采用分散布局、就近安装原则，分别装在刀库和立柱上。电磁阀上贴有磁号码（如YV1、YV2、YV3），便于用户进行检测与维修。4.2 自动换刀装置换刀动作的顺序控制过程在自动换刀装置的整个换刀过程中，换刀动作的控制由刀库控制部分、换刀机械手控制部分以及主轴相控制部分三部分组成，它们组成是一个互相联系的系统，以下根据该自动换刀装置的液压系统原理图对其控制程作一下简要说明。1.刀库控制部分 采用该自动换刀装置的一个优点就是，在加工工件的同时，下一个工序所需用到的刀具可随刀库转到位置等候，这样可以减少整个换刀时间，提高生产效率。刀库自动换刀时，由一个3位4通电磁阀YV1控制，当YV1在右位接通时，换刀松开，而当YV1在左位接通时，则实现换刀锁紧动作。2.机械手控制部份 机械手自动换刀时，在换上新刀前，首先进行的是拔刀动作，然是180的回转动作，接着是插刀动作，最后是机械手的手爪退出换刀位置完成整个换刀过程，机械手拔刀、插刀动作是由一个3位4通电磁阀YV5控制，当YV5在右位接通时，进行插刀动作，而当YV5在左位接通时，则实现拔刀动作；机械手的180回转是由一个回转液压缸来完成，它由一个3位4通的电磁阀YV7来控制；机械手的换刀锁紧与换刀松开也是由一个3位4通的是电磁阀YV6控制，当YV6在右位接通时，实现换刀松开动作，而当YV6在左位接通时，则实现换刀锁紧动作。3.主轴箱控制部分 主轴准停后，主轴箱内的刀具自动卡紧装置实现松开与锁刀功能，基其松刀、锁刀动作也是由一个3位4通电磁阀YV4控制，当Y4在右位接通时，实现松刀动作，而当Y4在左位接通时，则实现锁刀动作。第五章 典型零件的设计5.1 联轴器的设计5.1.1 联轴器在刀库的整个传动系统中，有两个场合用到了联轴器，一是直流伺服电动机轴与谐波传动减速器高速轴联接处，二是谐波传动减速器低速轴与蜗杆轴联接处，以下根据刀库传动系统的工作要求来选择联轴器的类型。电动机与减速器速轴联接用的联轴器，由于电机轴的转速（300r/min），为减小启动载荷，缓和冲击，应选用具有较小转动惯量和具有弹性的联轴器，此处选用弹性柱销联轴器，减速器低速轴与蜗杆轴联接用的联轴器，由于减速后轴的转速较低（30r/min），不必要求具有较小的转动惯量，但由于两联接轴要求同轴度较高、工作平稳且无冲击载荷，故可考虑采取结构简单、制造容易、尺寸较小的筒联轴器。5.1.2 联轴器的选用由上述可知,本设计的刀库容