VMC850立式数控加工中心换刀机构教学提纲

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。VMC850立式数控加工中心换刀机构图书分类号：密级：毕业设计(论文)VMC850立式数控加工中心换刀机构VMC850VETICALCNCMACHININGCENTERTOOLCHANGE学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名：日期：

2、年月日学位论文版权协议书本人完全了解关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归所拥有。有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名：导师签名：日期：年月日日期：年月日摘要伴随着社会的进步发展，机械制造业中可以自动换刀系统的高效高性能加工中心的市场需求逐渐变大。换刀机械手可以模拟人手进行换刀。它必须具有足够大小的转矩，该转矩需要时一个定值并且

3、可以调控。同时还需要机械手尽量占有较小的空间达到结构紧凑的目的，这样的机械手才可以适应不同种类的机床换刀。为了使数控中心的主轴可以垂直放置，而其刀架水平放置。使加工中心功能更加全面，能满足更多机械制造加工的需要，从侧面提高了加工业的自动化进程。加工中心具具有自动换刀装置确保能做到一次性装夹，把多种工序加工和分散供需集中加工，打造一个以工件为中心的多工序自动加工流程，大大省去人力物力节省了各个环节的加工时间加工成本，为企业及制造业带来更多福音。关键词：换到装置;刀库;加工中心;换刀空间ABSTRACTWiththedevelopmentofmachineryindustry,manufactur

4、ingindustry,increasingdemandforhighperformancemachiningcenterwithautomatictoolchangingsystemmore.Themaintaskoftoolchangingmanipulatorissimulatedcompletely,handtoolchangemotion,tothespindleandproviderelativerotationoftheclampingcollet,relaxthetoolmovement.Themanipulatorshouldhavesufficienttorque,thet

5、orquemustbeconstant(adjustable).Itshouldalsomakethemanipulatorhavecompactstructure,occupiessmallspace,inordertoadapttothechangeofdifferenttypesofmachinetoolspace.InordertorealizetheNCmachiningcenterspindleverticalturret,horizontalaxis,automatictoolchangingmanipulatorsmovementbyusingtheknifeknifeshaf

6、tverticalcase.Themachiningcenterfunctionimproved,moreabletomeettheneedsoftheproductionprocess,tofurtherimprovethedegreeofautomationprocessing,improveproductionefficiency.Machiningcenterautomatictoolchangedevice,candoaclamping,multiprocess,manyofthedispersionprocessrelatedtogether,theformationofawork

7、pieceformultiprocedureautomaticprocessingsystem,whichgreatlyreducesthemachinepartshandlingtimeandreplacetheknifeoutoftime,littlehaschangedinthepastinmassproductionofoneperson,onemachine,aknifeofthesituation.Keywords:ToolchangerToolchangespaceTheknifeProcessingcenter全套图纸外文文献扣扣1411494633TOCo1-3hzu*MER

8、GEFORMATHYPERLINKl_Toc23486摘要PAGEREF_Toc23486IHYPERLINKl_Toc14912ABSTRACTPAGEREF_Toc14912IIHYPERLINKl_Toc111731绪论PAGEREF_Toc111733HYPERLINKl_Toc193691.1数控加工中心知识PAGEREF_Toc193693HYPERLINKl_Toc323091.2数控铣床的分类PAGEREF_Toc323093HYPERLINKl_Toc85011.2.1数控立式铣床PAGEREF_Toc85013HYPERLINKl_Toc289261.2.2卧式数控铣床PA

9、GEREF_Toc289264HYPERLINKl_Toc238641.3数控铣床的结构特征PAGEREF_Toc238644HYPERLINKl_Toc133061.3.1数控铣床的主轴特征PAGEREF_Toc133064HYPERLINKl_Toc48231.3.2控制机床运动的坐标特征PAGEREF_Toc48234HYPERLINKl_Toc277791.4数控铣床的主要功能及加工对象PAGEREF_Toc277795HYPERLINKl_Toc239741.4.1数控铣床的功能PAGEREF_Toc239745HYPERLINKl_Toc115151.4.2自动换刀装置（ATC）及

10、其形式PAGEREF_Toc115155HYPERLINKl_Toc161751.4.3自动换刀装置应当满足的基本要求PAGEREF_Toc161755HYPERLINKl_Toc37572总体方案的设计PAGEREF_Toc37576HYPERLINKl_Toc148032.1运动方案的设计PAGEREF_Toc148036HYPERLINKl_Toc101582.1.1运动数目的确定PAGEREF_Toc101586HYPERLINKl_Toc70812.1.2运动方案的确定PAGEREF_Toc70816HYPERLINKl_Toc94122.2功能部件的设计方案PAGEREF_Toc9

11、4127HYPERLINKl_Toc167022.2.1主传动系统PAGEREF_Toc167027HYPERLINKl_Toc203892.2.2进给伺服系统PAGEREF_Toc203898HYPERLINKl_Toc59842.2.3自动换刀系统PAGEREF_Toc598411HYPERLINKl_Toc194662.2.4基础部件PAGEREF_Toc1946612HYPERLINKl_Toc72742.2.5数控系统PAGEREF_Toc727413HYPERLINKl_Toc272352.2.6辅助装置PAGEREF_Toc2723513HYPERLINKl_Toc257562.

12、3总体布局PAGEREF_Toc2575613HYPERLINKl_Toc95262.4主要技术参数PAGEREF_Toc952613HYPERLINKl_Toc6473刀库的设计PAGEREF_Toc64715HYPERLINKl_Toc180303.1确定刀库容量PAGEREF_Toc1803015HYPERLINKl_Toc316413.2确定刀库容量PAGEREF_Toc3164115HYPERLINKl_Toc235873.3刀库结构设计PAGEREF_Toc2358716HYPERLINKl_Toc292623.4初估刀库驱动转矩及选定电机PAGEREF_Toc2926217HYP

13、ERLINKl_Toc83573.4.1初选电动机与降速传动装置PAGEREF_Toc835717HYPERLINKl_Toc149873.4.2初估刀库驱动转矩PAGEREF_Toc1498717HYPERLINKl_Toc224743.5刀库转位机构的普通圆柱蜗杆传动的设计PAGEREF_Toc2247418HYPERLINKl_Toc292293.6刀库驱动转矩的校核PAGEREF_Toc2922921HYPERLINKl_Toc296523.7刀库驱动转矩的校核PAGEREF_Toc2965222HYPERLINKl_Toc181423.8夹紧机构插销剪切强度的校核PAGEREF_To

14、c1814222HYPERLINKl_Toc98383.9确定刀具的选择方式PAGEREF_Toc983823HYPERLINKl_Toc70763.10刀库的定位与刀具的松夹PAGEREF_Toc707623HYPERLINKl_Toc262464刀具交换装置的设计PAGEREF_Toc2624624HYPERLINKl_Toc50584.1确定换刀机械手形式PAGEREF_Toc505824HYPERLINKl_Toc312544.2换刀机械手的工作原理PAGEREF_Toc3125426HYPERLINKl_Toc301914.3机械手的自动换刀过程的动作顺序PAGEREF_Toc301

15、9126HYPERLINKl_Toc192264.4机械手回转轴4上的齿轮齿条设计PAGEREF_Toc1922627HYPERLINKl_Toc127754.5自动换刀装置的相关技术要求PAGEREF_Toc1277528HYPERLINKl_Toc187524.5.1主轴准停装置PAGEREF_Toc1875228HYPERLINKl_Toc255734.5.2换刀机械手的安装与调试PAGEREF_Toc2557328HYPERLINKl_Toc261374.6自动换刀程序的编制PAGEREF_Toc2613728HYPERLINKl_Toc28359结论PAGEREF_Toc283593

16、1HYPERLINKl_Toc30624致谢PAGEREF_Toc30624321绪论1.1数控加工中心知识数控机床的程序指令是通过数字代码来控制机床上的刀具按照设定的工作程序、工作速度和运行轨迹进行加工的机床，简称数控机床。数控机床具有非常宽广的适用性，改变加工对象时只要改变输入的程序指令的输入；和一般自动机床相比具有较高的加工性能，并且可以对需要精确加工的型面也可以很简单的完成加工，较为简单的加工出繁琐的复杂改型、批量娇小、但加工精度高、形状复杂的工件，具有较为良好的经济效益，为很多中小企业带来福音。伴随数控技术的革新，数控机床的种类也越来越多。另外还有部分车床的加工中心和车削中心可以进行

17、一次性装卡和多种工序加工。数控机床的组成成分包括数控装置伺服机构和机床主体。在信息载体上记录数控装置输入的程序指令通过程序读入装置接收。由于微电子技术、计算机技术和软件技术的快速提高，数控机床不断发展出更多小型化多功能化的控制系统，并且这些控制系统可以拥有完善的自我诊断功能；一定程度上提高了可靠性；使数控机床的自动变成将趋于普遍化。未来数控机床种类包括更加多样化，实现多工序集中加工；切削加工机床上也将应用激光加工技术，这样可以扩充多种多种工序和工艺种类的实用性；提高数控机床的自动化进程，实现有多种监控功能。1.2数控铣床的分类1.2.1数控立式铣床数控铣床中立式数控铣床是最为常见应用范围最广的

18、的一种。小型数控铣床和普通立式升降台铣床的相似之处在于通过工作台移动、升降、及主轴不动方式，；而中型数控立式铣床一般采用纵向和横向工作台移动方式，且主轴溜板上下运动；大型数控立式铣床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来解决缩小占地面积及扩大其运动行程等技术问题。通过机床数控系统控制中坐标数量可以反映出数控立式铣床仍占大多数的仍然是3坐标数控立式铣床。一般来说，需要增加机床的功能和加工范围及可选择的加工对象，就需要机床具有的坐标轴越多，特别是要求联动的坐标轴越多。但这样会导致机床的结构复杂化，数控系统更加精细，同样编程难度也加大，设备的价格

19、也会相应的增高。为了扩大数控立式铣床的功能及加工范围和对象，可以附加数控转盘，采用自动交换台，增加靠模装置等来达到目的。1.2.2卧式数控铣床为了扩大加工范围，我是数控铣床对4.5坐标的加工需要增加数控转盘和万能转盘，这样既可以把工件侧面的连续复杂轮廓加工出来。可以省去很多不必要的角度和夹具的铣刀。通常情况选用带数控转盘的卧式铣床来对箱体类零件或需要在一次安装中改变工位的工件进行加工是较为合适的。这类铣床目前正在逐渐增多，窗体顶端这类机床随着制造需求的增加而增加，并且这类机床的应用范围更广功能全面加工对象种类更多，因为它的主轴方向是可以更换，并且可以在一台机床上采用立式加工和卧式加工两种加工方

20、式，给制造商带来很多便利，针对小批量生产且品种较多需要两种不同方式加工时，制造商就可以大大节省加工成本。立、卧两用数控铣床的主轴方向的更换可以通过手动和自动两种方式切换，这两种之中采用数控万能主轴的数控铣床，其主轴头可以任意转换方向，这样这些铣床就可以加工与水平面不同角度的表面。要想要实现五面加工则应对立，卧铣床增加数控转盘。其加工性能之所以非常优越是因为除工件与转盘贴合的定位面外，可以再一次性装卡过程中加工其他表面。1.3数控铣床的结构特征1.3.1数控铣床的主轴特征可以通过输入介质上编的程序控制数控铣床株洲的开启和停止和主轴的旋转方向和速度自动执行。不同的机床具有不同的功能和变速范围。采用

21、变频机组，固定几种转速的机床可自选一种编入程序，但不能在运转时改变。一些机床采用变频器调整调整转速分并且分为为几档，编程时可任选一档，在运转过程中可调整控制板上的按钮，在同一挡防卫内自由调整速度；另外一些则不分档,编程时可在整个范围内无级调速。但在实际运转过程中，速度的变化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可以自行拉刀或者退刀的装置，能在短时间内装刀与卸刀，机床换刀较为方便。此外，拥有较为复杂的主轴结构的多坐标数控铣床的主轴可以绕X、Y或Z轴作数控摆动，从而扩大了主轴自身的运动范围。1.3.2控制机床运动的坐标特征刀具必须沿着平面上设定得轨迹运动这

22、样才能准确的表达出来共建上的复杂轮廓，因此，数控铣床的伺服拖动系统必须能够在保持预定的相互关系的同时完成多坐标方向同时协调动作，这就要求机床能够实现多坐标联动。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。只有实现四坐标联动才能实现连续加工直线变斜角工件。更高的要求上若要实现五坐标联动需达到加工曲线变斜角工件。因此，数控铣床所配置的数控系统的要求一般都比其它类数控机床要高出许多。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中包括一般功能和特殊功能两大类。一般功能是指各类数控铣床都具有的功能，如控制功能，刀具半径补偿功能等。特殊功能是指数控铣床在附加了一些特殊

23、装置或附件后，具有或兼备一些普通机床所不具备的一些特殊功能。如刀具长短补偿功能、自动变换工作台功能、自适应功能、数控采集功能等。使用数控铣床进行工件加工时，应妥善利用好数控机床的简单操作和各种功能，可以较为简单的加工许多普通铣床难以加工的工件。数控铣床的主要加工平面类零件；倾斜角类零件；曲面零件等等。1.4.2自动换刀装置（ATC）及其形式现代数控机床可以在一台机床上在一次装卡中完成多工序甚至全部工序的加工这样可以提高生产率以及压缩非切削时间。数控机床的附带自动换刀机构为能在工件一次装夹中完成多个工序，以缩减辅助时间和减少多次安装工件引起的误差起到关键作用。对工件的多工序加工而设置的存储及更换

24、刀具的装置称为自动换刀装置(AutomaticToolChanger，ATC);自动换刀（AutomaticToolChange简称ATC）系统由控制系统和换刀装置两部分组成。在这类数控机床上，自动换刀装置（ATC）是加工中心（Machiningcenter简称MC）必不可少的。自动换刀装置对机床的加工效率有很大的提高。由于中小零件一般用普通的数控立式铣床加工，通常情况下需要多把刀具进行加工，所以可以附加自动换刀装置并同时增加自动变换主轴转速功能这样既减少了人力物力的浪费又提高了数控机床的加工效率。因此，数控立式铣床是数控铣床中最为普遍、加工范围最广的所以对数控立式铣床付加上一个能够准确快速的

25、换到机构是很关键的。数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的型式、大小、加工范围及数控机床所需要的刀具的种类、数量等。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）刀具换刀时间较短。2）刀具重复定位精度较高。3）具有一定的刀具数量。4）刀库具有较小的空间占有率。5）换刀稳定。2总体方案的设计根据加工中心刀库功能和设计要求，从全局的角度出发以系统的观点，进行自动换刀装置刀库整体方面的设计，主要包括运动功能方案设计、基本参数设计、传动系统设计、总体结构布局设计等内容。2.1运动方案的设计加工中心主要用来加工小

26、型板类、盘类、模具类、多孔类零件上的小孔和平面。主要是钻削和铣削加工。2.1.1运动数目的确定要实现以上各种零件表面的钻削和铣削加工功能，机床必须具有以下运动：一个是主运动即主轴带动刀具回转（Vc）；另一个是三个方向的进给运动，包括实现切入工件一定深度（Z方向）的进给运动；实现在水平面内两个方向（X、Y方向）的进给运动。此外，还必须有换刀功能，因此还必须有非成形运动，如换刀需要刀库转位、移动等运动。2.1.2运动方案的确定加工中心加工工件所需的这些运动，必须由对应的执行部件来实现。加工中心的主运动一般都由主轴部件（主传动系统）来完成，而进给运动可以由工件来完成；也可以由刀具来完成；或者是由刀具

27、和工件来共同完成。这样就影响到部件的相互位置关系的配制和总体关系。采用哪种形式与被加工工件尺寸、形状、质量和功能等因素有关。对具有钻、铣的功能的立式加工中心，根据工件的质量、尺寸等的不同，可以有以下几种不同的运动方案：1.由工件完成三个方向的进给运动，当加工质量较轻工件时，分别由X-Y向工作台和升降台来实现；2.工作台带动工件做一个方向的进给运动，其他两个方向的进给运动由刀具在立柱与横梁上移动来完成，这种方案不仅适用于质量大的工件加工，还可增多主轴头，使加工中心的生产效率得到很大的提高。3.由刀架来完成三个方向的进给运动，当加工较重或尺寸较高的工件时，则不宜由工件做进给运动，而是工作台固定不动

28、，改为由刀具来完成进给运动。采用了立柱在床身上沿前后方向移动来Y方向的进给；由刀具在横梁上移动来完成Z向的进给。通常见于大、中型动柱式加工中心。这种方案可以避免的尺寸工作台在溜板两端极限位置发生翘曲和大溜板加工难的问题，从而减少了溜板和结构的多层，有利于提高机床精度。4.由工作台实现X、Y两个方向的进给，而唷刀具来完成垂直进给运动所示，当加工质量较轻、体积较小的工件，且主轴部件的重量、体积较小时，也可以由X-Y工作台实现两个方向的进给，而由刀具来完成垂直进给运动。适用于小型加工中心，通常都采用固定立柱方式。由于立柱固定在床身上，就便于把刀库、电柜等装在立柱上。2.2功能部件的设计方案加工中心一

29、般由主传动系统、进给伺服系统、自动换刀系统、基础部件、数控系统和辅助装置等部分组成。2.2.1主传动系统主传动系统用来实现加工中心的主运动。由主轴箱、主轴、轴承、松拉刀机构、电动机等零件组成。这是加工中心自动换刀装置的关键部分，主轴的启动、停止、变速等动作通过数控系统控制由主传动系统来实现。并且通过安装在主轴上的刀具实现切削运动。要求主轴部件必须具备足够的转速范围、功率和扭矩，在大部分转速范围内要保持恒功率，当降到计算转速以下时，要保持恒扭矩传动；主传动系统的各零部件，应具有足够的强度和必要的刚度及抗震性能；噪声低、运转平稳性好。传动方案有以下几种：1.齿轮传动目前加工中心主传动大多用宽调速主

30、轴电机,其调速范围达1：100。对某些中小型加工中心，已经足够了，不需要经过齿轮变速。如果所需转速范围超过1：100（如中型以上规格的加工中心），则需通过齿轮换档的方法实现。2.带传动加工中心主传动系统使用的带传动多为同步带传动。它是一种综合了带、链传动优点的新型传动。具有以下优点：1）传动比准确同步带传动是啮合传动，工作时无滑动。2）传动效率高可达98%以上，节能效果明显。3）重量轻，结构紧凑不需依靠摩擦传动，预紧张力小，对轴和轴承的作用力小，带轮直径小。4）线速度高可达50m/s，因齿形带较薄。5）传动平稳动态特性良好，能吸振，噪声小。6)使用范围广传递功率由几瓦至数千瓦，速比可达10左右

31、。7）使用保养方便不需要润滑，耐油、耐磨性和抗老化好，还能在高温、灰尘、水及腐蚀介质等环境中工作。由于以上优点，所以实际中多用。但安装要求较高，两带轮轴心线平行度要求高，中心距要求严格。带和带轮的制造工艺复杂，成本低。3.电主轴有内装式电动机直接驱动，结构的最大特点是实现了机床的“零传动”，这种传动方式取消了从主电动机到主轴之间一切中间的机械传动环节（如皮带、齿轮、离合器等），实现了主电动机与机床主轴的一体化。这种传动方式有以下优点：1）机械结构最为简单，传动惯量小因而快速响应性好，能实现极高的速度、加（减）速度和定角度的快速准停。2）实现了主轴部件的单元化，可独立作成标准化的功能部件，并由专

32、业厂进行系列化生产机床主机厂只需根据用户的不同要求进行选用，可很方便地组成各种性能的高速机床，符合现代机床设计模块化的发展方向。3）高速运转的可靠性与安全性好因电主轴还有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能。a）无矢量控制b）有矢量控制图2.2扭矩-功率特性4）电主轴比传动的主轴传动系统的结构简单紧凑便于把它用在多轴联动机床，多面体加工机床和并联（虚拟轴）机床。5）电主轴比传动的主轴传动系统的结构简单紧凑便于把它用在多轴联动机床，多面体加工机床和并联（虚拟轴）机床。如果采用齿轮、带传动则需自行设计主传动系统，将会增加设计和制造周期，且为单件生产，成本也较高，转速也受到一定的限制。该加工

33、中心主要用来加工小孔和小平面，因此要想提高零件加工的生产率，也须提高主轴的转速。如果选用由专门厂家生产的已系列化和标准化电主轴，转速可根据需要选择。不仅可保证高的生产率，而且也可根据用户的不同要求选用不同的规格，可缩短产品的设计和制造周期。对比以上三种方案选用电主轴。2.2.2进给伺服系统进给系统由伺服电机、滚珠丝杠、导轨等组成。要求进给伺服系统必须具有高速下的平稳运行，较高的定位精度且防止爬行，要求进给系统中的机械传动装置和元件具有较高的灵敏度，低摩擦阻力和动、静摩擦系数之差小以及高寿命等。1.进给伺服系统的控制方式进给伺服系统可分为半闭环、全闭环和混合伺服控制三种方式：1）半闭环控制方式普

34、通精度的加工中心，大都采用这种方式。它不是直接检测工作台等移动件的位置，而是通过检测滚珠丝杠的回转角度（或伺服电机轴的回转角度）来间接地测移动件的位置。2）全闭环控制方式这种控制方式，通常是在精密加工中心上采用。移动部件（如工作台、主轴箱等）的移动位置，是由直线尺（如感应同步器，光栅尺等）直接进行检测并反馈给比较回路，因而不受丝杠精度和热变形的影响，得到较高的定位精度。3）混合伺服控制方式这种方式，通常是在重型加工中心上采用。所谓混合伺服控制，就是半闭环控制和全闭环控制并存的控制方式。此种方式对使用条件恶劣的重型机床，可用高增益得到高定位精度。2.导轨两个作相对运动的部件构成一对导轨副，其中，

35、在工作时固定不动的配合面被称为固定导轨或静导轨；相对固定导轨作直线或回转运动的配合面被称为运动导轨或动导轨。根据导轨副之间的摩擦情况，导轨分为滑动和滚动导轨两大类：1）滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点，在机械产品中应用广泛，其两导轨工作面的摩擦性质为换动摩擦。传动滑动导轨摩擦阻力大，摩擦快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。常用的有普通滑动导轨、卸荷导轨和液体静压导轨等结构形式。2）滚动导轨滚动直线导轨主要由导轨体、滑块、钢球、保持架、返向器、密封端盖及挡板等组成。导轨体固定在不动部件上，滑块固定在运动部件上，当导轨与滑块作相对运动时，钢球就沿着导轨上的经过淬硬和精密

36、磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端部钢球又通过返向器进入返向孔后再进入滚道，钢球就这样周而复始地进行滚动运动。返向器两端有防尘密封端盖，可有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部：（1）摩擦系数小一般在0.0030.004，动、静摩擦系数很接近，低速运动不会产生爬行现象，可以用油脂润滑，润滑方法简单，便于维护。（2）有自调整能力成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，安装基面许用误差大，使得安装方便，生产周期短，降低了对配件的加工精度要求，也降低了导轨安装基面的机械制造成本与难度。（3）承载能力大其滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，增大了滚动体与圆弧滚道的接触面积，接触应力小，从而大大的提高了导轨的承

37、载能力，可达到平面滚道形式的3倍。（4）刚性强在装配导轨时可预加负荷，能实现无间隙运动，以提高滚动导轨的刚度，所以滚动导轨在工作时间可承受较大的冲击和振动。（5）寿命长导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校性，心部保持良好的机械性能，且由于是纯滚动，摩擦系数是滑动导轨的1/50左右，磨损小，因而寿命长，功耗低，便于机械小型化。（6）传动平稳可靠由于摩擦力小，动作轻便，因而定位精度高，微量移动灵活准确；在较差的工作条下可长时间保持高精度。（7）可高速运行动、静摩擦力之差很小，随动性好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度，适应高速直线运动。但结构复杂，

38、几何精度要求高，抗振性差，防护要求高，制造困难，成本高。它适用于工作部件要求移动均匀、动作灵敏以及定位精度高的场合。3.伺服电机常用的伺服电机有支流和交流两种：1）直流伺服电机数控机床中应用较多的是宽调速直流伺服电机，其主要特点是调速范围宽、低速运行平稳；负载特性硬、过载能力强，在一定的速度范围内可以做到恒力矩输出；反应速度快，动态响应特性好。但体积较大，电刷易磨损，寿命受到一定的限制。2）交流伺服电机这种伺服电机的主要特点是转矩和惯量比高，能承受高的加减速；转矩波动小；低速性能好，在很低速时，电机仍能平滑旋转；在保证高输出转矩的情况下，电机的体积小，重量轻；由于采用高频宽调制控制，电机只有很

39、低的噪声和振动。利用交流伺服系统可进行精密定位控制。所以应用越来越广。由于该加工中心刀库容量较小，而且精度较高，故选用交流伺服电机。设计中用了日本Panasonic公司生产的MINASA系列交流伺服电机和驱动器。2.2.3自动换刀系统通过自动换刀系统来实现零件加工时的换刀。它由刀库电机、传动装置、刀夹等组成。1自动换刀装置的形式对于该加工中心自动换刀装置的设计可以有两类方案：1）有机械手换刀方式加工中心的ATC，大都采用有机械手换刀方式。它是由机械手把刀库上的刀具送到主轴上，再把主轴上已用过多的刀具返送到刀库上。采用机械手进行刀具交换的方式应用很广泛，这是因为机械手换刀有很大的灵活性，尤其是双

40、臂机械手，抓刀、拔刀、回转、插刀以及返回等动作一次性完成，可以减少换刀时间。但其机械结构比较复杂。2）无机械手换刀方式无机械手换刀方式是直接在刀库与主轴（或刀架）之间的自动换刀方式。这种换刀方式没有机械手，因而结构简单。换刀时必须首先将用过的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出新刀具，这两个动作不能同时进行，所以换刀过程较为复杂，它的选刀和换刀由三个坐标轴的数控定位系统来完成，因此换刀时间较长，影响了机床的加工效率。但是刀库回转时在工步于工步之间，即非切削时进行的，因此虽然刀库设置在立柱侧面，却免去刀库回转时的振动对加工精度的影响。适用于40号以下刀柄的小型加工中心或换刀次数少的用重型刀具的重型机

41、床。考虑到所设计的小型加工中心主要用于中小批量生产，且只用来加工小型零件上的孔和面，刀库容量较小，无须过多考虑换刀时间的长短，且采用的时30号刀柄，又要求加工中心体积小，机械结构简单，综合考虑，刀库宜选择无机械手换刀方式。表2.3滚珠丝杠的支承方式2.刀库形式的选取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。无机械手换刀方式中特别需要注意的是刀库转位定位的作用准确度。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。直线排列式和格子箱式刀库结构相对复杂，适用于刀库容量较大的加工中心。考虑到所设计的加工中心只用来加工小型零件上的孔和面，不必在刀库里放太多

42、刀具，根据实用性进行考虑，因此选用结构简单、容量较小、体积较小的圆盘式刀库。3.刀库位置的放置立式加工中心无机械手换刀方式的圆盘形刀库的放置又两种形式：1）刀库置于立柱侧面大横梁上此方案可使工作台的尺寸较小，且可采用厂家已生产队合适尺寸的工作台，可减少设计制造周期。结构简单，且不会发生刀库和主轴干涉现象，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。2）刀库置于工作台上如图2.4b)所示。此方案刀库的支承刚性好，结构简单。但影响加工中心主轴y轴方向上的行程，要求工作台的尺寸较大，须自行设计，且减少了工作台的有效面积综合分析以上两种方案，采用1）方案，即图2.4a)的布置形式。

43、在立柱左边安装一横梁，在横梁有导轨，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刀主轴端，由主轴来实现换刀。1.主轴箱2.立柱3.刀库4.工作台5.床身无机械手换刀装置的布置4.刀库在横梁上的移动刀库在横梁上的移动由两种方案：一方案使丝杠螺母传动，采用滚珠丝杠和交流伺服电机；另一方案使液压传动，采用液压滑台。由于液压传动必须由专门设计液压系统机构，来实现刀库的分度和定位。但此机构定位精度不够高，为提高其定位精度可采用交流伺服电机驱动。2.2.4基础部件基础部件是加工中心的基础，由床身、立柱和工作台等组成。主要承受加工中心的静载荷和在加工时产生的切削负荷，因此必须由足够的静、动刚度和

44、精度保持性。1.立柱立柱采用对称结构，其正面设置由导轨，导轨可采用滚动和滑动两种结构，可由用户自行选择。正中间安装由滚珠丝杠，立柱导轨上安装滑座、主轴箱。立柱中空，可安装平衡块，壁上设置有肋板，以增加立柱的强度和刚性。立柱连接在床身上。并且使主轴中心线与Z向进给丝杠布置在同一个平面YOZ平面内，丝杠的进给驱动力与主切削抗力在同一平面内，因而扭矩很小，容易保证铣削精度和钻孔加工的平行。2.床身床身是加工中心的基础部件，也是加工中心关键元件之一，床身结构的优劣直接影响加工中心的使用性能。因此要求床身设计具有：1）很高的精度和精度保持性在床身上有安装立柱和X-Y工作台的加工面，这些面本身精度和相互位

45、置精度要求很高。2）具有足够的动静刚度机床在切削加工时静、动载荷往往都传到床身上，所以床身上受力比较复杂。3）较好的热稳定性、抗热变形性、抗振性在设计上要做到使整机热变形较小、振动小。或使热变形对加工精度影响最小。床身的设计要受到加工中心总体设计的制约，在满足总体设计的前提下，尽可能做到床身外形、结构合理，肋板布置恰当，保证良好的冷热加工性，减少机床重量，节省材料，提高整个机床的刚度。3.工作台X-Y向工作台有两种方案：一种是选用南京工艺装备制造厂制造生产的X-Y两轴精密数控工作台，数控工作台的上下两层运动台（X向、Y向）结构相同。另一种是自行设计，横向（Y向）滚动导轨和滚珠丝杠安装在横向导轨

46、滑座上。后一种方案各部分均需设计或选择，且床身制造麻烦，周期长，不易实现系列化，单件生产成本也高。而前一种采用已系列化的精密数控工作台，此工作台已经过许多用户使用后的验证，精度较高，而且可根据不同的加工要求，选用不同的精度等级。不仅制造周期短、精度易保证，且可根据用户的不同需要选择不同的型号。故采用前一种方案。2.2.5数控系统数控系统由CNC装置、可编程控制器、伺服驱动装置等部分组成。由它来完成对加工中心各部分的控制工作。伺服驱动装置采用Panasonic公司生产的MINASA系列交流伺服电机驱动器。其他部分的设计方案根据用户需要选择。2.2.6辅助装置辅助装置包括润滑、冷却、排屑、防护、液

47、压、气动和检测系统和平衡装置等部分。这些装置虽然不直接参与切削运动，但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起着保障作用。2.3总体布局经过对以上运动方案和各部件的设计方案的定性分析比较可确定该小型立式加工中心刀库的总体设计方案为：自动换刀系统采用无机械手换刀，且刀库置于立柱侧面的横梁上。刀库在横梁上的移动采用滚珠丝杠传动和交流伺服电机采用盘形刀库，由槽轮机构实现回转、分度和转位，由交流伺服电机驱动。总体结构布局图如图2.5所示。2.4主要技术参数根据已知条件，在满足设计要求的前提下，尽量使设计出来的加工中心结构紧凑，占地面积小，确定该加工中心的主要技术性能参数如下：X、Y、Z行程（mm）15

48、0150350Z向快速移动速度（m/min）15X、Y向快速移动速度（m/min）12工作台尺寸（长宽）（mmmm）250200主轴转速范围（r/min）018000主轴电机功率（kw）12刀库容量（把）8定位精度（mm）0.025重复定位精度（mm）0.005主轴锥孔ISO/BT30换刀时间（s/次）8机床总重量（kg）650外形尺寸（长宽高）（mmmmmm）11328001526最大工作进给速度（m/min）1工作台允许载荷（kg）15钻孔能力（mm）10铣削能力（cm3/min）803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。

49、3.1确定刀库容量0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

50、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

51、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。图32刀库装配图图3-2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

52、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

53、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

54、,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，SKIPIF10=220MPa，SKIPIF10=220MPa。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SKIPIF10m2d1SKIPIF10SKIPIF10KT2(mm3)式（3.1）a)计算蜗轮轴转矩

55、T2初估传动效率=0.95,则T2=9549SKIPIF10=9549SKIPIF10=9549SKIPIF100.95=133.53Nm式（3.2）其中n1=3000/100=30(r/min)b)载荷系数K=1.05c)许用接触应力SKIPIF10SKIPIF10=SKIPIF10SKIPIF10SKIPIF10=2200.91.48=293.04MPa式（3.3）式中,SKIPIF10=220MPa,估计滑动速度SKIPIF105m/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SKIPIF10=0.9,SKIPIF10=1.48（其中SKIPIF10=60

56、aSKIPIF10t=601SKIPIF1053008=3.6SKIPIF10,按图183查得）；d)计算m2d1值,并选定模数m和蜗杆分度圆直径d1m2d1SKIPIF10SKIPIF101.05133.53=283.46mm3;式（3.4）按表183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SKIPIF10a)计算蜗杆速度SKIPIF10SKIPIF10=SKIPIF10=SKIPIF10=0.0558m/s式（3.5）b)计算滑动速度SKIPIF10SKIPIF10=SKIPIF10/SKIPIF10=0.0558/SKIPIF10=0

57、.0632m/s式（3.6）其中SKIPIF10=SKIPIF10=SKIPIF10=SKIPIF10,则初估的SKIPIF10值合适。6)验算蜗轮齿弯曲强度验算公式为SKIPIF10式（3.7）a)使用系数SKIPIF10=1b)动载荷系数SKIPIF10=1.03c)载荷分布系数SKIPIF10=1d1=35.5mm，SKIPIF10=mSKIPIF10=3.15SKIPIF1036=113.4mm,其中模数m=3.15(mm)。d)蜗轮齿形系数SKIPIF10=4.00e)按蜗轮当量齿数SKIPIF10=SKIPIF10/SKIPIF10=36/SKIPIF10=52.34,由图172查

58、得。f)导程角系数SKIPIF10=1-SKIPIF10/120=1-SKIPIF10/120SKIPIF10=0.766g)许用弯曲应力SKIPIF10SKIPIF10=SKIPIF10SKIPIF10=70SKIPIF100.542=37.94MPah)计算弯曲应力SKIPIF10=22.132式（3.8）由于SKIPIF10SKIPIF10，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SKIPIF10=35.5，SKIPIF10=mSKIPIF10=3.15SKIPIF1036=113.4mmb)中心距aa=(SKIPIF10+SKIPIF10+2SKIPIF10m)

59、/2=35.5+113.4+2SKIPIF10(-0.1349)SKIPIF103.15/2=74mmc)蜗杆导程角SKIPIF108)计算其他尺寸a)蜗杆齿顶圆直径SKIPIF10SKIPIF10=SKIPIF10+2SKIPIF10=35.5+2SKIPIF103.15=41.8mm，其中SKIPIF10为蜗杆齿顶高，且SKIPIF10=m=3.15mm；b)蜗轮喉圆直径SKIPIF10SKIPIF10=SKIPIF10+2SKIPIF10=113.4+2SKIPIF100.8651SKIPIF103.15=118.85mm，其中SKIPIF10为蜗轮齿顶高，且SKIPIF10=SKIPI

60、F10+SKIPIF10=1-0.1349=0.8651mm；c)蜗轮外圆直径SKIPIF10=SKIPIF10+m=118.85+3.15=122mm；d)蜗杆齿宽SKIPIF10由于SKIPIF10=6，故SKIPIF10按结构设计，取SKIPIF10=64mme)蜗轮齿宽SKIPIF10SKIPIF10SKIPIF100.67SKIPIF10=0.67SKIPIF1041.8=28.006mm,取SKIPIF10=28mm；f)蜗轮齿顶圆弧半径SKIPIF10SKIPIF10=SKIPIF10-m=SKIPIF10-3.15=14.6mmg)蜗轮齿根圆弧半径SKIPIF10SKIPIF1