立式加工中心16把刀刀库整体设计

立式加工中心 16 把刀刀库整体设计摘 要加工中心刀库的设计，是在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新。达到高精度、高效率和自动化程度，降低经济成本，节约工装费用，也减轻了工人劳动强度。设计的主要内容包括设计需求分析,刀库的各组成部分方案设计,刀库结构和传动机构设计选择,选刀方式的选择,刀库管理控制系统设计等内容。本次设计的刀库为侧挂式盘式刀库，轴向取刀，满载装刀16把，刀柄形式为BT40，采用单环排列方式排放，由步进电动机驱动，满足了换刀时频繁启动电动机以及刀具准停得需求。分度定位机构采用槽轮机构，从而避免了蜗轮蜗杆传动机构复杂，而且单头双导程蜗轮和蜗杆的加工较困难的弊端。刀盘转速36r/min。选刀方式通过软件达到就近选刀的目的.整个设计可以达到3.5秒的换刀时间，满足了实际加工中心节省时间的目的，提高了加工效率。关键词： 加工中心；刀库；槽轮 The Design of tool magazine for Vertical machining center AbstractThe design of tool magazine on a machining centre is give a remarkable technical updating and technical innovation on the original base.As a result,we can achieve the goal which is high precision and high efficiency.We can reduce economic costs and save the machining costs.While it will reduce the labor intensity for workers.The main contents of the design include the analyse of the design requirement,design of the main element of tool magazine ,the formation of the tool magazine,the choosing of the way to select the tool, control system of the tool magazine and so on.The, design is a disc tool magazine which is on the side,choosing tools in the axial.The capacity of the tool magazine is 16.The form of the tool holder is BT40.All tools are put in a single ring.To reach the goal that meeting the requirement of the frequently starting the motor and stopping the tool magazine in the right place,we choose the stepping motor.Indexing of positioning using Geneva mechanism,which is less complex than the worm and worm wheel.The speed of the disc is 36 round per minute.The way of chooseing tools is through software ,which can choose the tool with the nearest distance.This design can changing the tool in 3,5 seconds.As a result,it will save much time and improve efficiency for machining centre.Key words: machining centre ； tool magazine；Geneva mechanism一 绪 论1.1 加工中心的概述及其发展史加工中心(Computerized Numerical Control Machine )简称 cnc，是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床。加工中心又叫电脑锣。加工中心备有刀库，具有自动换刀功能，是对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具、自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序，因而大大减少了工件装夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。加工中心最初是从数控铣床发展而来的。第一台加工中心是 1958年由美国卡尼-特雷克公司首先研制成功的。它在数控卧式镗铣床的基础上增加了自动换刀装置，从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中加工。二十世纪 70 年代以来，加工中心得到迅速发展，出现了可换主轴箱加工中心，它备有多个可以自动更换的装有刀具的多轴主轴箱，能对工件同时进行多孔加工。按加工工序分类加工中心按加工工序分类，可分为镗铣与车铣两大类。按控制轴数可分为： （1）三轴加工中心 （2）四轴加工中心 （3）五轴加工中心。 按主轴与工作台相对位置分类（1)卧式加工中心：是指主轴轴线与工作台平行设置的加工中心，主要适用于加工箱体类零件。卧式加工中心一般具有分度转台或数控转台，可加工工件的各个侧面；也可作多个坐标的联合运动，以便加工复杂的空间曲面。(2)立式加工中心：是指主轴轴线与工作台垂直设置的加工中心，主要适用于加工板类、盘类、模具及小 型壳体类复杂零件。立式加工中心一般不带转台，仅作顶面加工。此外，还有带立、卧两个主轴的复合式加工中心，和主轴能调整成卧轴或立轴的立卧可调式加工中心，它们能对工件进行五个面的加工。(3)万能加工中心(又称多轴联动型加工中心)：是指通过加工主轴轴线与工作台回转轴线的角度可控制联动变化，完成复杂空间曲面加工的加工中心。适用于具有复杂空间曲面的叶轮转子、模具、刃具等工件的加工。多工序集中加工的形式扩展到了其他类型数控机床，例如车削中心，它是在数控车床上配置多个自动换刀装置，能控制三个以上的坐标，除车削外，主轴可以停转或分度，而由刀具旋转进行铣削、钻削、铰孔和攻丝等工序，适于加工复杂的旋转体零件。加工中心的优点是工件在加工中心上经一次装夹后，数字控制系统能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他辅助机能，依次完成工件几个面上多工序的加工。并且有多种换刀或选刀功能，从而使生产效率大大提高。加工中心由于工序的集中和自动换刀，减少了工件的装夹、测量和机床调整等时间，使机床的切削时间达到机床开动时间的80左右(普通机床仅为 1520)；同时也减少了工序之间的工件周转、搬运和存放时间，缩短了生产周期，具有明显的经济效果。加工中心适用于零件形状比较复杂、精度要求较高、产品更换频繁的中小批量生产。1.2 铣削类加工中心的发展史数控机床是电子信息技术与传统机床技术相融合的机电一体化产品, 具有高效、精密、柔性自动化和易于实现工艺复合和信息集成诸特点, 特别适于加工复杂形状的零件, 因而早已成为现代先进制造技术最重要的基础装备和世界机床市场的主流产品, 受到机械制造企业的青睐。在现代工业加工过程中，随着劳动力密集型向技术密集型加工方式转变，普通铣床正逐渐被加工中心所替代。加工中心（英文 CNC machining center）：是带有刀库和自动换刀装置的一种高度自动化的多功能数控机床。在中国香港，台湾及广东一代也有很多人叫它电脑锣。工件在加工中心上经一次装夹后，数字控制系统能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他辅助机能，依次完成工件几个面上多工序的加工。并且有多种换刀或选刀功能，从而使生产效率大大提高。加工中心按其加工工序分为镗铣和车削两大类，按控制轴数可分为三轴、四轴和五轴加工中心。第一台加工中心是 1958 年由美国卡尼-特雷克公司首先研制成功的。它在数控卧式镗铣床的基础上增加了自动换刀装置，从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中加工。 二十世纪 70 年代以来，加工中心得到迅速发展，出现了可换主轴箱加工中心，它备有多个可以自动更换的装有刀具的多轴主轴箱，能对工件同时进行多孔加工。90 年代以来，数控加工技术得到迅速的普及发展，数控加工中心在制造业得到了越来越广泛的应用。机械制造业的不断向前发展有赖于两点：对制造精度的追求和对生产效率的追求。当代机械制造业面临着巨大压力，必须以高的加工精度、低的生产成本、短的生产周期开发更多的新产品，方可适应多变的市场需求和全球范围内的激烈竞争。由于加工工件的形状、工序复杂，换刀的效率问题越来越多地被关注，而使用刀库成了解决此问题的最佳途径。1.3 加工中心刀库的发展趋势从最近的国际大展看机床未来发展的趋势，无论是美国 IMTS 或日本 JIMTOF 展，高精度、高效率复合式加工中心已成为各大机床厂发展的重要产品。在刀库设计方面必须注意以下方面：(1) 刀库固定方式必须与铣削主轴为分离式的设计。因为此种安装方式具有 z轴电动机负荷较小、z 轴进给及加工速度表现佳、刀库执行选刀动作时不影响机床加工精度等优点，为复合加工机床一般常选用的方式。(2) 刀库基本架构形成必须为多样化及可扩充性的设计刀库配置方式可依据客户提供的数据规格等需求，来规划刀库架构是选择标准圆盘、链式或特殊型式及决定刀具是 24、32 把或更多的数量。虽然有了设计的基本架构，但同时也需注意刀库是否具有不同型式互换性及刀具数增加的功能，以提供客户未来因特殊需求更改刀库型式或扩充刀具数量的选择。(3) 刀库选刀动力源必须为更精确更有效率的设计在驱动系统选用方面，须舍弃以往传统油压或电动机凸轮式传动方式，必须改以高效能伺服电动机搭载进口高精密小背隙伺服专用减速机为动力源，以符合车铣复合加工中心高效率、高定位精度等要求。(4) 高性能自动刀具更换装置为必须的设计，此更换装置为刀库与主轴之间新旧刀具更换的一个非常重要的机构，两者之间移动及驱动装置的设计，以伺服电动机结合精密级滚珠丝杠搭配高刚性直线滚动导轨的组合为较常使用的配置，有结构刚性高、位移动作迅速、定位精确等优点。装置上方搭载一附有换刀臂的快速自动换刀机构，进行刀库与主轴两处换刀点新旧刀具更换的动作。此种方式的设计不仅可以提升工作效率，缩短换刀时间，更有提高机床整体附加价值的功能。(5) 先进而可靠的储存刀具装置为必须的设计。在车铣复合加工机床刀具规格选择方面，一般客户常用的规格皆选用 HSK、CAPTO、KM 等两面拘束刀柄。因此在刀具储存装置方面设计也不同于一般 BT、ISO、CAT 等规格。简单而模块化的设计，对于刀具的夹持力、规格互换性与刀库运转时的可靠度，表现倍受客户推崇与肯定。1.4 我国数控机床的发展现状数控机床是电子信息技术与传统机床技术相融合的机电一体化产品, 具有高效、精密、柔性自动化和易于实现合和信息集成诸特点, 特别适于加工复杂形状的零件, 因而早已成为现代先进制造技术最重要的基础装备和世界机床市场的主流产品, 受到机械制造企业的青睐。工业发达国家数控机床的发展大体上经历了缓慢、快速和深入发展三个阶段, 目前已达较高水平, 其机床产值数控化率至少超过50%, 产量数控化率至少超过20%。其中金属切销机床数控化率更高, 比如号称“ 数控王国” 的日本, 2000年金属切销机床产值数控化率为88.5%、产量数控化率为58.4%。我国数控系统在技术上已趋于成熟, 在重大关键技术上包括核心技术,已达到国外先进水平。目前, 已新开发出数控系统80种。2002年机床工具行业各项指标是近几年最好的一年, 机床工具行业产值增长15%左右, 金属切销机床产量突破20万台大关, 数控机床全年产量接近“ 十五” 规划目标, 创历史新高。我国数控机床已逐渐步入良性发展阶段。主要表现在：在研发方面进展快、合资合作进一步加强、改革进一步深人。但是迎接中国机械行业的有机遇也有挑战，不可否认, 目前, 我们的数控机床技术离世界先进水平仍有一定距离。这主要体现在以下几个方面：一是国内数控机床的可靠性比国外同类产品低。国外数控机床的平均无故障时间间隔是年, 约一万小时, 而中国只有一万小时。二是数控机床的种类比国外要少。当前, 国外数控机床品种已向定位精度高、速度快的方向发展, 他们还较早地开发了高速、高效、高精度和高可靠性的“ 四高”产品, 基本使开发生产从工序集中转向工艺集中, 并已向高性能和小型化发展。而国内数控机床生产企业在这些方面还有所欠缺。1.5 加工中心刀库形式及其特点刀库系统是提供自动化加工过程中所需要的储刀及换刀要求的一种装置，其自动换刀机构可以储放多把刀具的刀库，从而大幅缩短加工时间，降低加工成本。加工中心刀库的形式很多，结构各异，刀库的容量、布局，针对不同的机床，其形式也有所不同和结构也个不相同。最常用的有盘式刀库、链式刀库、鼓式刀库和转塔式刀库。1.5.1 盘式刀库盘式刀库其刀具环形排列，呈盘状，这种刀库结构简单，适用于刀库容量较少的中小型加工中心，一般不超过32把刀具。为了增加刀库空间的利用率，也采用双环或多环排列的刀具的形式。但盘直径越大，转动惯量就增加，选刀时间就越长。盘式刀库以其维修结构简单，性价比高等特点，占踞了在经济型刀库系列中的领先位置。因此此次设计选择盘式刀库进行设计。盘式刀库在效率上有所提升，主要是有以下特点决定：首先，在机床处于切削工作状态下，可以正常寻找下个工序需要使用的刀具，在找到下个工序所需刀具后，刀库将等待程序命令更换刀具，而不是在得到更换命令后进行找刀动作，实现了加工找刀同时进行。其次，换刀过程中，换刀机构由安装在同一旋转体上的两端且方向相反安装的刀爪并由内置凸轮传动副完成换刀任务。由于简化了更换装置，只要换刀电机旋转一周就能完成从取新刀到放回旧刀的所有动作，刀具更换速度上有很好的提高。再次，刀具更换过程中，主轴只需一次旋转定位与上下定位，简化了进给轴运动，这也是提高效率的有效手段。其主要特点如下：1. 制造成本低。主要部件是刀库体及分度盘，只要这两样零件加工精度得到保证即可，运动部件中刀库的分度使用的是非常经典的“马氏机构” ，前后、上下运动主要选用气缸。装配调整比较方便，维护简单。一般机床制造厂家都能自制。 2. 每次机床开机后刀库必须“回零” ，刀库在旋转时，只要挡板靠近（距离为0.3mm左右）无触点开关，数控系统就默认为1号刀。并以此为计数基准， “马氏机构”转过几次，当前就是几号刀。只要机床不关机，当前刀号就被记忆。刀具更换时，一般按最近距离旋转原则，刀号编号按逆时针方向，如果刀库数量是18，当前刀号位8，要换6号刀，按最近距离换刀原则，刀库是逆时针转。如要换10号刀，刀库是顺时针转。 机床关机后刀具记忆清零。 3. 固定地址换刀刀库换刀时间比较长国内的机床一般要8秒以上（从一次切削到另一次切削） 。 4. 圆盘式刀库的总刀具数量受限制，不宜过多，一般40#刀柄的不超过24把，50#的不超过20把，大型龙门机床也有把圆盘转变为链式结构，刀具数量多达60把。 换刀控制的概盘式刀库的外形基本上有下图示两种： 图1.1 盘式刀库a图1.2 盘式刀库b其中上图需要换刀机械手，而第二种不需要换刀机械手。本次课程设计为无换刀机械手的盘式刀库整体设计。1.5.2 链式刀库链式刀库主要有以下形式图1.3 链式刀库如图所示，链式刀库包括单环链和多环链，链环形式可有多种变化，适用于刀库容量较大的场合，所占的空间小。一般适用于刀具数在30到120把。仅增加链条长度即可增加刀具数，可以不增加圆周速度，其转动惯量不像盘式刀库增加的那样大。1.5.3 转塔式刀库图1.4 转塔式刀库如图所示，转塔式刀库包括水平转塔头和垂直转塔头两种。所有刀具固定在同一转塔上，无换刀臂，刀具数量有限，通常为6到8把。一般仅用于轻便而简单的机型。常见于车削中心及钻销中心。在钻销中心储刀位置即主轴，其外部结构紧凑但内部结构复杂，精度要求较高。1.5.4 鼓式刀库鼓式刀库容量较大，通常用于大型或大中型卧式加工中心。由于鼓式刀库的换刀机构铰复杂，因而使用并不广泛。因此不作介绍。1.6 换刀装置的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换刀装置。刀库换刀，按照换刀过程中有无机械手参与主要分为有换刀机械手和无换刀机械手两种情况。有换刀机械手的系统在刀库配置、与主轴的相对位置及刀具数量上都比较灵活，换刀时间短。无换刀机械手方式结构简单，只是换刀时间要长。1.6.1 有换刀机械手有换刀机械手换刀的过程中，使用一个机械手将加工完毕的刀具从主轴中拔出，与此同时，另一个机械手将在刀库中待命的刀具从刀库中拔出，然后两者交换位置完成换刀过程。采用机械手进行刀具交换的方式应用的最为广泛，这是因为机械手换刀有好很大的的灵活性，而且可以减少换刀时间。1.6.2 无换刀机械手无换刀机械手换刀时，刀库中刀具存放方向与主轴平行，刀具放在主轴可以到达位置换刀时，主轴箱移动到刀库换刀位置，利用主轴Z方向的运动将加工用毕刀具插入刀库中要求的位置处，然后刀库中待命的刀具换到换刀位置处。主轴Z运动将待命的刀具从刀库中取出，并将刀具插入主轴。由此可以看出，必须首先将用过的刀具送回刀库，再从刀库中取出新刀具，这两个动作不能同时进行，因此换刀时间长。1.7 刀库的控制系统刀库的控制主要包括刀库的移动，刀库自身的转动以及刀库和机床配合完成换刀动作。通常有单片机控制和PLC控制两种类型。现分别针对两种方式叙述。1.7.1 单片机控制单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统因而得到更多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。单片机的缺点就是价格昂贵，由于数控加工中心本身具有自己的控制中心，因此不采用这种方式。1.7.2 PLC 控制PLC = Programmable logic Controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC 。P LC的 工 作 原 理 可 叙 述 如 下 ：当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 (一) 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 (二) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 (三) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。 PLC目 前 的 主 要 品 牌 有 松下，西门子，三菱，欧姆龙，台达，富士，施耐德，ABB 等。PLC的应用特点有编程方法简单易学、功能强，性能价格比高、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强、可靠性高，抗干扰能力强、系统的设计、安装、调试工作量少，维修方便工作量小、体积小，能耗低。 PLC包括CPU模块、I/O模块、编程器模块。PLC选型时，主要考虑CPU的能力、I/O点数、响应速度、指令系统以及其它因素。二 总 体 方 案 的 确 定刀库系统是提供自动化加工过程中所需之储刀及换刀需求的一种装置；其自动换刀机构及可以储放多把刀具的刀库；改变了传统以人为主的生产方式。藉由电脑程式的控制，可以完成各种不同的加工需求，如铣削、钻孔、搪孔、攻牙等。大幅缩短加工时程，降低生产成本；这是刀库系统的最大特点。刀库主要是提供储刀位置，并能依程式的控制，正确选择刀具加以定位，以进行刀具交换；换刀机构则是执行刀具交换的动作。刀库必须与换刀机构同时存在，若无刀库则加工所需刀具无法事先储备；若无换刀机构，则加工所需刀具无法自刀库依序更换，而失去降低非切削时间的目的。此二者在功能及运用上相辅相成缺一不可。本次毕业设计的题目是铣削类加工中心16 把刀刀库的总体设计。首先针对课题经行了资料查阅，了解相关的知识及国内外动向。为了更深入的了解课题的内容及意义，大体的了解设计步骤以及该装置在实际工作中的应用，在程老师的帮助下，去太原市第一机床厂进行了实地考察和实物观察，知道了刀库的各个种类以及在实际加工中心的应用，刀库的组成，换刀机械手，并以此为基础，提出了一下整体设计方案。2.1 刀库及换刀装置的功能及要求2.1.1 功能刀库用来储存加工所需要的刀具，而换刀装置用来从刀库调换加工过程中不同的工序所要的不同刀具。随着自动化技术的发展，逐步发展和完善了各类刀具的自动换刀装置，数控车床上采用了电液换位自动刀架，有的还使用了两个回转刀架。加工中心也进一步采用了刀库及各种换刀方式。自导换刀时间也从几十秒极少到几秒甚至零点几秒。未来工具机产业的发展，均以追求高速、高精度、高效率为目标。随着切削速度的提高，切削时间的不断缩短，对换刀时间的要求也在逐步提高；换刀的速度已成为高等级工具机的一项重要指标。 快速自动换刀技术是以减少辅助加工时间为主要目的，综合考虑工具机的各方面因素，在尽可能短的时间内完成刀具交换的技术方法。一般强调换刀速度快的卧式机台，皆有几个特点：1.刀臂短 2.刀臂不一定成直线 3.两刀可能互相垂直 4.凸轮箱小且可移动。其主要目的是要让换刀时，可动件之转动惯量小，以达到快速换刀之目的。该技术包括刀库的设置、换刀方式、换刀执行机构和适应高速工具机的结构特点等。2.1.2 基本要求（1）满足工艺要求。机床依靠刀具和工件间的相对运动形成工作表面，而加工零件表面、形状和表面位置多种多样，要求刀库上能够布置足够多的刀具，换刀时间短，能够方便而正确地加工工件表面。为了实现在工件上一次安装中完成多步工序，要求刀库可以方便的转位。（2）保证足够的重复定位精度。在刀库上安装刀具是还应能精确的调整刀具的位置，采用自动换刀装置时，应能够保证刀具变换前后都能处于正确的位置，以保证刀具和工件间准确的相对位置。而且精度保持性良好，以便长期保持刀具的正确位置。（3）足够的刚度。由于刀具的类型、尺寸各异，刀具在自动换刀过程中方向变换较为复杂，因此刀库和换刀机械手都必须有足够的刚度，以使换刀过程平稳。（4）提高可靠性。由于换刀装置在机床工作过程中，使用频繁，所以必须充分的重视它的可靠性。（5）缩短换刀时间。刀库及其自动换刀装置是为了提高机床的自动化而设置的，因而它的换刀时间应尽可能的缩短，以利于提高生产率。（6）操作方便和安全。刀库是公认经常操作的机床部件之一，因此它的操作是否轻便安全，往往是评价刀库设计好坏的重要指标之一。2.2 主要设计参数安装形式：侧挂式刀库刀具数:16 把最大刀具直径：63mm换刀时间:3.5sec 平均刀具重量：7Kg刀盘最低转速：35r/min主轴鼻端刀具形式：BT40根据刀具形式及最大刀具直径，采用单环排列方式排放，每把刀之间的间隔定位20mm，初选刀库半径为 400mm。2.3 刀库及换刀装置设计方案加工中心与一般数控机床的显著区别是具有对零件进行多工序加工的能力，既能在一次装夹中自动完成铣、镗、钻、扩、铰、攻螺纹和内槽加工等。其之所以有这种加工能力，就是因为它有一套自动换刀装置。自动换刀装置是指能够自动完成主轴与刀具储存位置之间刀具变换的装置。2.3.1 刀库的传动方案确定到刀盘形状为圆盘式，边缘铸上类似刀爪的片状体。中间开槽以放置辅助圆盘。确定刀盘直径，刀爪尺寸和夹块的设计。刀库转动定位机构主要用驱动刀库的分度回转运动，保证刀库的可靠性。目前圆盘式刀库大多采用的是单头双导程蜗轮蜗杆传动，此传动机构在使用中可随时调整蜗轮蜗杆的传动间隙，实现准确的转位分度，保证刀库工作的可靠性，但此传动机构较复杂，而且单头双导程蜗轮和蜗杆的加工较困难。槽轮机构具有冲击小，工作平稳性较高，机械效率高，可以在较高转速下工作，且结构简单，易制造等优点。所以本次设计采用槽轮机构完成分度定位。刀位的准确定位是通过在槽轮上的感应开关控制旋转角度来实现的。2.3.2 换刀装置设计考虑到刀具数比较少，刀库系统的紧凑要求，以及换刀时间不是要求的很高，所以采用无换刀机械手的方式。换刀主要有主轴的插刀运动、刀库的横向进给运动以及刀库的旋转运动组成。2.4 电动机的初选2.4.1 选择电动机类型刀库驱动所需要的电机需要频繁启动以及较高的控制精度，因此根据刀库的工作条件和要求，选择步进电动机。步进电动机具有机构简单、制造容易、价格低廉的特点。它的转动惯量小、动态响应速度快、易于起停、正反转和无级变速也容易实现。其缺点主要有低频时有振荡、速度不够均匀、在高速时输出转矩减小。步进电动机主要分为反应式步进电动机、永磁性步进电动机、混合式步进电动机。初选为永磁式步进电动机。2.4.2 步进电动机的参数根据刀库规格初步选定步进电动机：型号:110BYG3502相数：3步距角：0.6/1.2最大静转矩：16N.m空载起动频率：2700Hz空载运行频率：30000Hz转动惯量：15Kg. 2cm刀盘转速：36r/min2.5 确定传动装置的传动比计算步进电机的转速可得其在额定频率下的转速为 540r/min，刀库主轴转速为36540r/min。因此其传动比为：(2-1)nim电机转速为 540r/min，则传动比为：153640i2.6 确定各轴转数、转矩由转动方案以及电机转数可得，电机轴转数为 540r/min，刀库主轴转数为36r/min。刀库主轴转矩为：（22）iTd电机轴的输出转矩为 16N.M，则主轴转矩为：mNid .2895.0162.7 电动机的校核2.7.1 刀库参数（1）刀盘直径（直径 X 厚度）：800X20mm（2) 刀盘重量:(23)8.710442122 hddHDW8.72.14.35.3281.3 22 Kg.7(3) 转位加速时间：t=0.3s2.7.2 计算并校核电机的转矩T：计算电机必须的转矩T= (N.m) (24) 21T 式中： 传动链摩擦转矩1T负载转矩2先分别计算刀库各部分重量以及转动惯量：刀具: 重量 =112Kg 回转半径 =400mm 刀m刀r转动惯量 = =刀J2刀刀 r22.9174.0mkg刀盘及刀爪：重量约等于 20Kg 回转半径 盘转动惯量 222 .61.3.kgmrJ盘槽轮机构： 采用铝制槽轮，其半径 50槽 轮厚 h25槽 轮重量 kgrm7.42.1.432槽 轮转动惯量2 .05.7mJ槽 轮轴： 轴的材料采用 Q235 钢，平均轴径定位 50mm，总长度定位 300mm。 密度为 7800Kg/ 。3m重量 Kglpr 18703.)05.(14.22 轴转动惯量 2.5.8mJ轴刀库负载的转动惯量：（25）2.087.)54036(.619.7()mkgnJilc锁止盘、拨销以及主动曲柄的转动惯量很小， 可以使刀库负载转动惯量适当扩大。因此刀库系统的转动惯量 取其为 0.1 。2.089.kgJlcC2.mkg (1) 计算 ：1T刀库的角加速度：（26）256.13.0642sradtnw（27）mNJTc1（2） 计算 :2所有轴承的摩擦系数 取 0.15（28）mNigrTi.3515)15.074.20.(8.9102由于启动转矩等很小，适当扩大所需转 矩即 可。因此所需转矩:mNT.563.2.1电机选择时的原则是在不平衡扭矩下加速启动时， 电机的输出最大扭矩应在所需扭矩的 3 倍以内。 （ ） 。符合计算要求。4.56.12.8 刀库横向进给机构因为刀库整体设计采用无换刀机械手的方式。换刀主要有主轴的插刀运动、刀库的横向进给运动以及刀库的旋转运动组成。因此必须设计刀库的横向进给机构。目前有两种传动方案，即采用滚珠丝杠副实现横向进给，或者采用液压缸和滑动导轨实现横向进给。对于滚珠丝杠，有以下优缺点：a、优点： 1、定位精度高 2、传动效率高 3、使用寿命高（磨损低） b、缺点： 1、承载能力较低 2、加工成本高 3、运行噪音高4、对使用环境要求高 5、不能自锁 对于液压缸则制造简单，并且产生的推力较大，承载能力较大，加工成本也低。因此设计中采用液压缸来实现横向进给。根据常用液压缸的结构形式，可将其分为四种类型：活塞式、柱塞式、伸缩式和摆动式。综合考虑，设计中采用活塞式液压缸。2.9 刀库控制部分设计刀库的控制主要包括刀库的移动，刀库自身的转动以及刀库和机床配合完成换刀动作。通常有单片机控制和PLC控制两种类型。综合考虑采用PLC控制。PLC的应用特点有编程方法简单易学、功能强，性能价格比高、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强、可靠性高，抗干扰能力强、系统的设计、安装、调试工作量少，维修方便工作量小、体积小，能耗低。 PLC包括CPU模块、I/O模块、编程器模块。PLC选型时，主要考虑CPU的能力、I/O点数、响应速度、指令系统以及其它因素。三 刀 库 的 设 计 和 校 核为使加工中心的结构紧凑，减小加工中心的外形尺寸，降低成本， 在设计自动换刀装置时，应在满足使用要求的前提下， 尽量使其结构简单紧凑，价格低廉，易制造， 拆卸、装配维修方便，备件容易得到。由上述总体方案已经整体结构，对刀库进行总体设计，并对相关零件经行校核，如下所述。3.1 刀库的结构设计无机械手换刀方式中，刀库可以是圆盘形、直线排列式、也可以是格子箱式等。直线排列式和格子箱式刀库结构相比较复杂，适用于刀库容量较大的加工中心。圆盘形刀库容量较小， 刀库结构简单紧凑，刀库转位、换刀方便， 易控制， 且所设计的加工中心主要用来加工小型零件上孔和平面等，不必在刀库里放太多刀具，因此选用圆盘式刀库。刀库由刀盘部件、轴承、轴承套、 轴、箱盖、拨销、 锁止盘、电机、传动机构、 箱体等组成结构组成。立式加工中心无机械手换刀方式的圆盘形刀库的放置有两种形式，刀库置于立柱侧面的横梁上和置于工作台上。由于采用的是标准的精密数控工作台， 所以选用刀库置于立柱侧面的横梁上。此结构简单， 且不会发生刀库和主轴的干涉现象! 但刀库的支承刚性较差，须增强立柱的刚度，以减小横梁弯扭矩的影响， 在立柱左边安装一横梁， 在横梁上有导轨， 导轨上安装有滑座，将刀库安装在滑座上，通过刀库沿横梁移动到主轴端， 由主轴来实现换刀。刀库的整体结构有两种方案。如下图所示： 本次设计采用第二套方案。刀库采用轴向取刀方式，其外形如图所示。由步进电动机连接在槽轮锁止盘上，经槽轮机构将运动传至刀库主轴由于刀盘厚度较小，加上辅助圆盘以使刀盘固定在轴上并传递转矩。其横向进给机构主要由安装在横梁上的液压缸驱动。图 3.1 刀库整体布局图3.2 槽轮机构的设计3.2.1 槽轮机构的原理槽轮机构又称马尔他机构。能把主动轴的匀速连续运动转换为从动轴的周期性间歇运动。常用于各种分度转位机构中的槽轮机构有三种基本类型：外啮合槽轮机构、内啮合槽轮机构和球面槽轮机构。外界槽轮机构的主、从动件的转向相反，槽轮的停歇时间铰转为时间长。内接槽轮机构者相反。球面槽轮机构的转为时间恒等于停歇时间。按照槽的方位不同，槽轮机构可以分为径向槽的和非径向槽的。按照曲柄上的圆销数目的不同，槽轮机构可以分为单圆销的和多圆销的。槽轮机构的定位方式有凹凸锁止弧定位，其结构简单，但是定位精度低。还有定向槽定位。还有一种就是利用槽轮的径向槽和曲柄滑块机构定位。刀库即可采用外啮合槽轮机构也可采用内啮合槽轮机构。设计中采用外啮合槽轮机构。外啮合槽轮机构的工作原理如下图所示。它由主动曲柄、槽轮、拨销和锁止盘组成。外啮合槽轮机构的主动曲柄回转轴线与槽轮回转轴线平行。 通常主动曲柄作等速回转。当主动曲柄上的拨销进入槽中时就拨动槽轮作反向转位运动。 当拨销从槽中脱出时槽轮即静止不动，并由锁止盘定位。当只有一个拨销时，主动曲柄转一周，槽轮作转一个角度的步进运动。从而实现转位、分度和定位。槽轮机构结构简单，易加工，工作可靠，转角准确，机械效率高。但是其动程不可调节，转角不能太小，槽轮在起、停时的加速度大，有冲击，并随着转速的增加或槽轮槽数的减少而加剧，故不宜用于高速。图 3.3 槽轮机构原理图3.2.2 槽轮机构参数计算槽轮槽数 Z 可根据刀库容量选取。但不同槽数时外啮合槽轮的角速度和角加速度的变化不同。槽数越小，则角加速度的变化越大。 由此产生的冲击和磨损也就越大。因此在用外啮合槽轮机构作为刀库转动定位机构时，槽数不应小于 8。由于是十六把刀，因此槽数选择为 16。其主要参数查找机械设计手册可得，如下所示：槽数： Z=16槽间角： 5.216302z 槽轮每次转位时曲柄的转角： 5.17.2180221 中心距： 由槽轮机构的条件以及刀库的整体结构选 定。 考虑换刀位置以及换刀时的与主轴间的干涉，减轻刀库系统的整体重量额定角度综合考虑，选定L=150mm相对曲柄长度： mLR3025.1sin0sin21 槽轮半径： 47coco2 圆销半径： 按照结构条件选定，通常取：r56301槽底高: mrRLb12)(5)槽深： h351472锁止弧半径： rRx0圆销个数： 当 J 个圆销沿同一圆周均布时：2.162z综合考虑，选定圆销数目为 1 个。根据以上参数可设计出槽轮和锁止盘的尺寸。当槽轮机构进入和脱出槽口的瞬时位置，主动曲柄中心与槽的中心线垂直。 使槽轮转位起、停瞬时的角速度等于零。避免了刚性冲击。但是槽轮转位起、停时的角加速度变化较大，且在转位过程的前半阶段与后半阶段的角加速度方向不同。 因此，当槽与滚子之间存在间隙时，会产生一定冲击。为减小冲击可采取以下方法：（1）减小或消除拨销和槽之间的间隙：（2）消除拨销开始进入槽时的间隙，应使槽轮的实际外圆半径略大于槽轮的名义外圆半径；（3）回转轴采用空心结构，减小槽轮组件的转动惯量;（4）增加轴承的预紧力,使轴承的间隙为零,从而增加槽轮组件的回转阻尼.3.3 主要零件的校核3.3.1 键的校核键连接主要用于轴和带毂零件的连接，实现周向固定以传递转矩的轴毂连接。键是标准件，主要分为三种，平键，半圆键，和斜键。平键又分为普通平键，导向平键和划键。普通平键又细分为圆头的，方头的和一段圆头，一端方头的。在设计键连接时，通常被联建件的材料，构造和尺寸已初步决定，联接的载荷也已经求得。因此可以根据联接的结构特点，使用要求和工作条件来选择键的类型，再根据轴径选择出键的截面尺寸，并参考毂长选出键的长度，然后用适当的校核公式计算作强度校核。此次设计中用到的键均是普通平键圆头的。对于这种平键连接，如果忽略摩擦，可能的实效形式有：较弱零件的工作面被压溃或者磨损和键的剪断等。对于实际采用的材料组合和标准尺寸 来说，压溃和磨损是主要的失效形式。因此，通常只做连接的挤压强度和耐磨性计算。假设压力在键的接触长度内均匀分布，则根据挤压强度或者耐磨性的条件性计算。在刀库传动中，有三处用到键，分别进行校核。刀库主轴传递的扭矩为： （31）mNiT.1057主 轴电机主轴的传递扭矩为: .电 机（1） 主轴与辅助圆盘的键根据设计选用的键的类型为普通平键，其主要尺寸为 12X8X40。轴径为 38mm。查机械设计表 7.1，受轻微冲击载荷，可取 =120Mpa.键的形状如下:p 图 3.4 键外形图 a因此对其校核如下: （32）mNdhlT.254103824p 主 轴T(2) 主轴与槽轮之间的键根据设计选用的键的类型为普通平键，其主要尺寸为 14X9X39。轴径为 50mm。查机械设计表 7.1，受轻微冲击载荷，可取 =120Mpa.键的形状如下：p 图 3.5 键外形图 b因此对其校核如下:N.m （33）374120594p dhlT主 轴T（3） 电机轴与锁止盘之间的键根据设计选用的键的类型为普通平键，其主要尺寸为 6X5X30。轴径为 19mm。查机械设计表 7.1，受轻微冲击载荷，可取 =120Mpa.其形状如下图所示：p 图 3.6 键外形图 c因此对其校核如下: （34）mNdhlT.574120954p 主 轴T综上所述，所选的三个键都合格。3.3.2 轴的校核做回转运动的零件都安装在轴上来实现回转运动并起传递转矩的作用。这次设计的轴主要是传递转矩。轴用滚动轴承和推力轴承固定支撑。轴的材料选用 Q235 钢。设计中主要要考虑一下问题：（1） 轴上的零件不允许在轴上作轴向移动，需要用轴向固定的方法使他们在轴上有确定的位置。 （2） 作为传递转矩的轴，轴上的零件还必须做轴向固定。 （3） 对轴和其他零件间要有耐磨性要求。 （4） 轴的加工、热处理、装配和检验维修等都要有良好的工艺性。 （5） 对重型轴还必须考虑毛培的制造、探伤、起重等问题。按照要求初步设计轴的结构图如下： 图 3.7 轴轴的强度计算主要有三种方法：按许用弯曲应力计算：许用切应力计算；安全系数校核计算。许用弯曲应力计算的方法简单，但是精度较低，主要用于传动轴的计算。许用弯曲应力是最好的校核方法，要知道每个力的作用点及大小，