畢業(yè)設(shè)計：盤式刀庫及其自動換刀裝置的設(shè)計說明書.doc

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1、1 緒論1.1數(shù)控加工中心自動換刀裝置概述機(jī)床是制造機(jī)器的機(jī)器，機(jī)床工業(yè)的技術(shù)水平?jīng)Q定著裝備制造業(yè)乃至整個國民經(jīng)濟(jì)的技術(shù)水平。當(dāng)今社會，數(shù)控機(jī)床幾乎已經(jīng)擴(kuò)展到了所有加工領(lǐng)域，許多工廠為了適應(yīng)產(chǎn)品的頻繁更新、提高加工精度、降低生產(chǎn)成本、縮短產(chǎn)品交貨周期和減輕勞動強(qiáng)度，在中等批量、甚至大批量生產(chǎn)中應(yīng)用數(shù)控機(jī)床，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)控加工中心帶有刀庫和自動換刀裝置，是能對工件按預(yù)定程序進(jìn)行多工序加工的高度自動化的多功能的數(shù)字控制機(jī)床。自動換刀裝置（ATC）是加工中心的重要組成單元，其設(shè)計質(zhì)量的好壞，直接影響加工中心的質(zhì)量。ATC由刀庫和機(jī)械手組成，它的機(jī)構(gòu)和運動復(fù)雜、性能要求高。刀庫的功能是儲

2、存刀具，并且按程序指令，把即將要用的刀具迅速、準(zhǔn)確地送到換刀位置，因此刀庫的位置、體積大小能否適合加工中心的整體設(shè)計，刀庫的運動機(jī)構(gòu)能否使刀庫平穩(wěn)運轉(zhuǎn)并準(zhǔn)確地停在換刀位置，運動過程有無干涉、卡死等現(xiàn)象，都是設(shè)計人員非常關(guān)心的問題。機(jī)械手的功能是把刀庫上的刀具送到主軸上，再把主軸上已用過的刀具送回刀庫。它的動作要求迅速而準(zhǔn)確，所以對機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、定位、運動、夾持力的大小等都有很高的要求，一旦有運動故障或定位、運動誤差過大，都會造成換刀動作失敗，掉刀。當(dāng)今時代，高速加工中心已成為加工行業(yè)未來的發(fā)展趨勢。高速功能部件如電主軸、高速絲杠和直線電動機(jī)的發(fā)展應(yīng)用極大地提高了切削效率。為了配合機(jī)床的高效率，作

3、為加工中心的重要部件之一的自動換刀裝置的高速化也相應(yīng)成為高速加工中心的重要技術(shù)內(nèi)容。未來機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，均以追求高速、高精度、高效率為目標(biāo)。隨著切削速度的提高，切削時間的不斷縮短，對換刀時間的要求也在逐步提高；換刀的速度已成為高等級機(jī)床的一項重要指標(biāo)。因此，對數(shù)控機(jī)床的刀庫及其自動換刀裝置的研究和發(fā)展有著重要的意義。1.2國內(nèi)外自動換刀裝置設(shè)計的發(fā)展情況自動換刀系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。刀具夾持元件的結(jié)構(gòu)特性及它與機(jī)床主軸的聯(lián)結(jié)方式，將直接影響機(jī)床的加工性能。刀庫結(jié)構(gòu)形式及刀具交換裝置的工作方式，則會影響機(jī)床的換刀效率。自動換刀系統(tǒng)本身及相關(guān)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，又會對整機(jī)的成本造價產(chǎn)生直接影響

4、。從換刀系統(tǒng)發(fā)展的歷史來看，1956年日本富士通研究成功數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床，美國IBM公司同期也研制成功了“APT”(刀具程序控制裝置)。1958年美國K&T公司研制出帶ATC(自動刀具交換裝置)的加工中心。1967年出現(xiàn)了FMS(柔性制造系統(tǒng))。1978年以后，加工中心迅速發(fā)展，帶有ATC裝置，可實現(xiàn)多種工序加工的機(jī)床，步入了機(jī)床發(fā)展的黃金時代。1983年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了數(shù)控刀具錐柄的國際標(biāo)準(zhǔn)，自動換刀系統(tǒng)便形成了統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)模式。隨著機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對于帶有自動換刀系統(tǒng)的高效高性能加工中心的需求量越來越大，在現(xiàn)有的各種類型的加工中心中，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自動換刀系統(tǒng)的造價在機(jī)床整機(jī)造價中總

5、是占著很大比重，這是加工中心價格居高不下、應(yīng)用不普遍的重要原因。目前國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床自動換刀系統(tǒng)中，刀具、輔具多采用錐柄結(jié)構(gòu)，刀柄與機(jī)床主軸的聯(lián)結(jié)、刀具的夾緊放松機(jī)構(gòu)及驅(qū)動方式幾乎都采用同一種結(jié)構(gòu)模式。在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床上亦有采用彈簧夾頭作為刀具的夾持元件，但機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式仍然采用與上述錐柄刀具完全相同的結(jié)構(gòu)形式。采用這種結(jié)構(gòu)模式，在實際數(shù)控加工中，尤其是在需要超高速主軸、主軸的徑向、軸向尺寸都很小、沒有足夠的換刀空間的微細(xì)加工場合中實現(xiàn)自動換刀將會是很困難的，如果實施自動換刀將使機(jī)床成本大幅度提高。金屬切削機(jī)床的高速化已成為機(jī)床發(fā)展的重要方向之一，因此，快速換刀技術(shù)已經(jīng)成為高速加工中心技

6、術(shù)的重要組成部分。新技術(shù)和新方法在不斷地出現(xiàn)和改進(jìn)，其目的只有一個，即在準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)上，縮短換刀時間，全面提高高速加工中心的切削效率。我國數(shù)控機(jī)床制造業(yè)起步較晚，而如今，各機(jī)床廠家正力圖尋求走具有自主知識產(chǎn)權(quán)的發(fā)展道路，在引進(jìn)與國外機(jī)床廠商合資合作的形式中，消化吸收，逐步掌握國外的先進(jìn)技術(shù)，并把它融人到自己設(shè)計開發(fā)的思維中。經(jīng)過多年的努力，我國機(jī)床制造業(yè)通過與國外合作，技術(shù)引進(jìn)以及國家組織攻關(guān)等方式，解決了一大批關(guān)鍵性技術(shù)，掌握了許多先進(jìn)的設(shè)計手段與制造工藝，機(jī)床整體水平進(jìn)步很大，與國外先進(jìn)制造水平的差距正在縮小。數(shù)控機(jī)床是主導(dǎo)性的機(jī)床產(chǎn)品，其發(fā)展受到國內(nèi)外有關(guān)政府和工業(yè)企業(yè)界的高度重視，從

7、而得以迅速發(fā)展。1.3加工中心刀庫的形式及特點刀庫系統(tǒng)是提供自動化加工過程中所需的儲刀及換刀需求的一種裝置，其自動換刀機(jī)構(gòu)可以儲放多把刀具的刀庫，從而大幅縮短加工時程，降低生產(chǎn)成本。加工中心刀庫的形式很多，結(jié)構(gòu)各異，刀庫的容量、布局，針對不同的機(jī)床，其形式也有所不同和結(jié)構(gòu)也各不相同，最常用的有鼓輪式刀庫、鏈?zhǔn)降稁臁?.3.1鼓輪式刀庫圖1.1鼓輪式刀庫鼓輪式刀庫也稱圓盤式刀庫，其刀具環(huán)形排列，呈盤狀，這種刀庫結(jié)構(gòu)簡單，適用于刀庫容量較少的中小型加工中心，一般不超過32把刀具。為了增加刀庫空間利用率，可采用雙環(huán)或多環(huán)排列的刀具的形式。但鼓直徑越大，轉(zhuǎn)動慣量就增加，選刀時間也就越長。圖1.2鼓輪式

8、刀庫的取刀方式徑向取刀形式( a )多用于使用斗笠式刀庫的立式加工中心和使用角度布置的機(jī)械手換刀裝置的加工中心；形式( b )應(yīng)用比較廣泛，可用于立式和臥式加工中心，換刀可用機(jī)械手或直接主軸移動式換刀。由于從布局設(shè)計方面的考慮，鼓輪式刀庫一般都采用側(cè)向安裝的結(jié)構(gòu)形式，若用于機(jī)械手平行布置的加工中心時，刀庫中的刀袋（座）通常在換刀工作位可作 90 翻轉(zhuǎn)。形式( c )適用于小型加工中心，但占有面積較大，刀庫安裝位置及刀庫容量受限制，應(yīng)用較少，但應(yīng)用這種刀庫可以減少機(jī)械手換刀動作，簡化機(jī)械手結(jié)構(gòu)；形式( d )為刀具軸線與鼓盤軸線成夾角為銳角的鼓輪式刀庫，一般用于專用加工中心。1.3.2轉(zhuǎn)塔式刀庫

9、圖1.3轉(zhuǎn)塔式刀庫如圖1.3 a、b所示。包括水平轉(zhuǎn)塔頭和垂直轉(zhuǎn)塔頭兩種。所有刀具固定在同一轉(zhuǎn)塔上，無換刀臂，儲刀數(shù)量有限，通常為68 把。一般僅用于輕便而簡單的機(jī)型。常見于車削中心和鉆削中心。在鉆削中心儲刀位置即主軸，其外部結(jié)構(gòu)緊湊但內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，精度要求高。1.3.3 鏈?zhǔn)降稁靾D1.4鏈?zhǔn)降稁烊鐖D1.4所示，包括單環(huán)鏈和多環(huán)鏈，鏈環(huán)形式可有多種變化，適用于刀庫容量較大的場合，所占的空間小。一般適用于刀具數(shù)在30120 把。僅增加鏈條長度即可增加刀具數(shù)，可以不增加圓周速度，其轉(zhuǎn)動慣量不像盤式刀庫增加的那樣大。1.4 換刀裝置的形式數(shù)控機(jī)床的自動換刀裝置中，實現(xiàn)刀庫與機(jī)床主軸之間傳遞和裝卸刀具

10、的裝置稱為換刀裝置。刀庫換刀，按照換刀過程有無機(jī)械手參與，分成有機(jī)械手換刀和無機(jī)械手換刀兩種情況。有機(jī)械手的系統(tǒng)在刀庫配置、與主軸的相對位置及刀具數(shù)量上都比較靈活，換刀時間短。無機(jī)械手方式結(jié)構(gòu)簡單，只是換刀時間要長。1.4.1 無機(jī)械手換刀無機(jī)械手換刀時，刀庫中刀具存放方向與主軸平行，刀具放在主軸可到達(dá)位置換刀時，主軸箱移到刀庫換刀位置上方，利用主軸Z向運動將加工用畢刀具插入刀庫中要求的空位處，然后刀庫中待換刀具轉(zhuǎn)到待命位置。主軸Z向運動將待用刀具從刀庫中取出，并將刀具插人主軸。由此可看出，必須首先將用過的刀具送回刀庫，再從刀庫中取出新刀具，這兩個動作不能同時進(jìn)行，因此換到時間較長。1.4.2

11、 機(jī)械手換刀有機(jī)械手換刀的過程中，使用一個機(jī)械手將加工完畢的刀具從主軸中拔出，與此同時，另一機(jī)械手將在刀庫中待命的刀具從刀庫拔出，然后兩者交換位置完成換刀過程。采用機(jī)械手進(jìn)行刀具交換的方式應(yīng)用的最為廣泛，這是因為機(jī)械手換刀有很大的靈活性，而且可以減少換到時間。2 總體方案的確定2.1 刀庫和換刀裝置的功能及要求2.1.1 功能刀庫用來儲存加工所需的刀具，而換刀裝置用來從刀庫調(diào)換加工過程中不同工序所需要的不同刀具。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，逐步發(fā)展和完善了各類刀具的自動更換裝置，數(shù)控車床上采用電（液）換位自動刀架，有的還使用兩個回轉(zhuǎn)刀盤。加工中心則進(jìn)一步采用了刀庫和換刀機(jī)械手，實現(xiàn)了大容量儲存道具和

12、自動交換道具的功能，這種刀庫存放刀具的數(shù)量從幾十把到上百把，自動交換道具的時間從幾十秒減少到幾秒甚至零點幾秒。使用這種刀庫和換刀機(jī)械手組成的自動換刀裝置，就成為加工中心的主要特征。2.1.2 基本要求（1）滿足工藝要求。機(jī)床依靠刀具和工件間相對運動形成工作表面，而加工工件表面、形狀和表面位置多種多樣，要求刀庫上能夠布置足夠多的刀具，換到時間短，能夠方便而正確地加工個工件表面。為了實現(xiàn)在工件上一次安裝中完成多工序加工，要求刀庫可以方便地轉(zhuǎn)位。（2）保證足夠的重復(fù)定位精度。在刀庫上安裝刀具是還應(yīng)能精確地調(diào)整刀具的位置，采用自動換刀裝置時，應(yīng)能保證刀具交換前后都能處于正確的位置，以保證刀具和工件間準(zhǔn)

13、確的相對位置。而且精度保持性良好，以便長期保持刀具的正確位置。（3）具有足夠的剛度。由于刀具的類型、尺寸各異，刀具在自動交換過程中方向變換較為復(fù)雜，因此刀庫和換刀機(jī)械手都必須有足夠的剛度，以使換刀過程平穩(wěn)。（4）提高可靠性。由于自動換刀裝置在機(jī)床工作過程中，使用頻繁，所以必須充分重視它的可靠性。（5）縮短換到時間。刀庫及其自動換刀裝置是為了提高機(jī)床的自動化而設(shè)置的，因而它的換刀時間應(yīng)盡可能縮短，以利于提高生產(chǎn)率。（6）操作方便和安全。換刀裝置是工人經(jīng)常操作的機(jī)床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是評價刀庫設(shè)計好壞的指標(biāo)。2.2 主要設(shè)計參數(shù)安裝形式：側(cè)掛式刀庫刀具刀座數(shù)：24把最大刀具

14、直徑：40 mm換到時間：2.8秒（刀具到刀具）平均重量：7 kg刀盤最低轉(zhuǎn)速：60 r/min主軸鼻端刀具形式：BT40根據(jù)刀具形式及最大刀具直徑，采用單環(huán)排列方式排放，每把刀之間間隔10 mm，初選刀庫直徑為618 mm。2.3 刀庫和換刀裝置設(shè)計方案加工中心與一般數(shù)控機(jī)床的顯著區(qū)別是具有對零件進(jìn)行多工序加工的能力,即能在一次裝夾中自動完成銑、鏜、鉆、擴(kuò)、鉸、攻螺紋和內(nèi)槽加工等。其之所以有這種加工能力,就是因為它有一套自動換刀裝置。自動換刀裝置是指能夠自動完成主軸與刀具儲存位置之間刀具交換的裝置。自動換刀裝置的主要組成部分是刀庫、機(jī)械手和驅(qū)動裝置。刀庫的功能是存儲刀并把下一把即將要用的刀具

15、準(zhǔn)確地送到換刀位置,供換刀機(jī)械手完成新舊刀具的交換。當(dāng)?shù)稁烊萘看髸r,常遠(yuǎn)離主軸配置且整體移動不易,這就需要在主軸和刀庫之間配置換刀機(jī)構(gòu)來執(zhí)行換刀動作。完成此功能的機(jī)構(gòu)包括送刀臂、擺刀站和換刀臂,總稱為機(jī)械手。具體來說,它的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與刀庫之間的傳遞。驅(qū)動裝置則是使刀庫和機(jī)械手實現(xiàn)其功能的裝置,一般由步進(jìn)電機(jī)或液壓(或氣液機(jī)構(gòu)) 或凸輪機(jī)構(gòu)組成。2.3.1 刀庫的傳動方案刀盤采用輪輻式結(jié)構(gòu)，僅僅決定這個是不夠的，最重要的是刀盤直徑、刀爪尺寸和夾塊的設(shè)計。刀庫轉(zhuǎn)動定位機(jī)構(gòu)主要是用來驅(qū)動刀庫的分度回轉(zhuǎn)運動，保證刀庫的可靠性。通過查閱資料及認(rèn)真分析、討論，決定采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)。刀庫

16、容量為24把刀，刀庫的回轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)的選擇時,考慮由摩擦引起的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和各負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的定位精度不高，而且在運行過程中不需要調(diào)速所以決定采用交流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。圖2.1 刀庫傳動示意圖這種設(shè)計方案此種設(shè)計方案不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且可以提高輸出軸的傳動平穩(wěn)性能，即提高刀盤的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。2.3.2 換刀裝置的刀具選擇方式及控制方案根據(jù)設(shè)計參數(shù)要求，采用機(jī)械手進(jìn)行道具交換，并且采用單臂雙爪機(jī)械手。目前在數(shù)控機(jī)床上用得較多的就是單臂雙爪式機(jī)械手，也叫扁擔(dān)式機(jī)械手。這種類型的機(jī)械手換刀特點是機(jī)械手同時抓取主軸和刀庫上的刀具，回轉(zhuǎn)180度，同時放回和裝入刀具，換刀時間短，較為常用，多用于刀座與

17、主軸軸線平行的場合。圖2.2 單臂雙爪機(jī)械手考慮到刀具刀座數(shù)較少，選刀方式根據(jù)就近選刀原則，利用可編程控制器實現(xiàn)就近選刀換刀的控制，以追求最短的換刀時間。主軸上換來的新刀號及換回刀庫上的刀具號，均在PLC內(nèi)部相應(yīng)地存儲單元記憶。這種控制方式需要在PLC內(nèi)部設(shè)置一個模擬刀庫數(shù)據(jù)表，其長度和表內(nèi)設(shè)置的數(shù)據(jù)與刀庫的位置數(shù)和刀具號相對應(yīng)，從而消除了由于識刀裝置的穩(wěn)定性、可靠性帶來的選刀失誤。首先通過程序檢測當(dāng)前位置的刀號，其次檢測系統(tǒng)需要調(diào)取的刀號，將兩者相比較，通過所編的PLC程序來決定電動機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)就近選刀這一方法。2.3.3 機(jī)械手驅(qū)動方式通常單臂雙爪式機(jī)械手的拔刀、插刀動作由液壓缸動

18、作來完成。這種驅(qū)動方式的重點是要保證液壓缸的密封性和緩沖性能，液壓缸活塞的密封松緊要適當(dāng)，太緊了往往影響機(jī)械手的正常工作，要保證既不漏油又使機(jī)械手能靈活動作。液壓缸活塞驅(qū)動的機(jī)械手，每個動作結(jié)束之前均需要設(shè)置緩沖機(jī)構(gòu)，以保證機(jī)械手的工作平穩(wěn)、可靠。緩沖機(jī)構(gòu)可以是小孔節(jié)流，可以是針閥，可以使楔形斜槽，也可以是外接節(jié)流閥或緩沖閥。這里我們選用緩沖閥。為了使機(jī)械手工作平穩(wěn)可靠，除了需要設(shè)置緩沖機(jī)構(gòu)外，還要考慮盡可能要減小機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量。慣量與物體的質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)半徑的平方成正比，因此要盡可能采用密度小、質(zhì)量輕的材料制造有關(guān)零件，并盡可能減小機(jī)械手的回轉(zhuǎn)半徑。監(jiān)獄液壓缸驅(qū)動的機(jī)械手需要采用嚴(yán)格的密封和復(fù)雜

19、的緩沖機(jī)構(gòu)，而且控制機(jī)械手動作的電磁閥都有一定的時間常數(shù)，因此換刀速度較慢。近年來，出現(xiàn)了凸輪聯(lián)動式單臂雙爪機(jī)械手。這種機(jī)械手的優(yōu)點是由電動機(jī)驅(qū)動，不需要復(fù)雜的液壓系統(tǒng)和其密封、緩沖機(jī)構(gòu)，沒有漏油現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)簡單、圖2.3 凸輪聯(lián)動式單臂雙爪機(jī)械手工作可靠。同時機(jī)械手的手臂回轉(zhuǎn)和插刀、拔刀的分解動作是聯(lián)動的，部分時間常數(shù)可以重疊，從而大大縮短了換到時間，以便不超過2.5秒。本設(shè)計要求刀具到刀具換刀時間為2.8秒，因此采用液壓缸進(jìn)行機(jī)械手的驅(qū)動即可達(dá)到設(shè)計要求。2.4 電動機(jī)的初選2.4.1 選擇電動機(jī)類型刀庫驅(qū)動所需要的電機(jī)需要頻繁啟動以及較高的控制精度，因此根據(jù)刀庫的工作條件和要求，選擇交流伺

20、服電動機(jī)。交流伺服電動機(jī)的優(yōu)點是：（1）由于采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動刀庫傳動，大幅度簡化了結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)械部分的易維修性和可靠性。（2）由于伺服電機(jī)速度通過參數(shù)設(shè)定，可人為控制分度啟動時的加速曲線特性和停止時的減速曲線特性，使分度速度提高的同時，動作更平滑、穩(wěn)定、刀盤定位精度更高。（3）由于伺服電機(jī)具有優(yōu)良的過載特性，在刀具重量大或者刀具安裝偏載的極端情況下，也能勝任正常的工作。（4）伺服電機(jī)有著高性能的實時自動調(diào)整增益。根據(jù)負(fù)載慣重的變化，與自適應(yīng)濾波器配合，從低剛性到高剛性都可以自動調(diào)整增益。因旋轉(zhuǎn)方向不同而產(chǎn)生不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩的垂直軸情況下，也可以自動進(jìn)行調(diào)整。具備異常速度檢測功能，因此可以將增

21、益調(diào)整過程中產(chǎn)生的異常速度調(diào)整到正常。通過顯示面板操作，可以在監(jiān)控實時調(diào)整情況的同時，進(jìn)行設(shè)置和確認(rèn)。2.4.2 伺服電機(jī)參數(shù)根據(jù)刀庫規(guī)格初步選定伺服電機(jī)：型號：Parker SMH 115功率Pd：1.5 Kw額定扭矩Td：6 Nm最大輸出扭矩Ts：18 Nm滿載轉(zhuǎn)速nm：1600 r/min轉(zhuǎn)動慣量J：900 kgmm2刀盤轉(zhuǎn)速N：60 r/min 2.5 確定傳動裝置的傳動比由選定電動機(jī)滿載轉(zhuǎn)速nm和刀庫主動軸轉(zhuǎn)速n,可得傳動裝置總傳動比為： （2-1）電機(jī)滿載轉(zhuǎn)速nm為1600r/min，則傳動比ia由式(1)得：=26.7根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊選取蝸輪蝸桿的標(biāo)準(zhǔn)傳動比ia=20.5，因此刀

22、庫輸出轉(zhuǎn)速n=78.05 r/min2.6 確定各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率2.6.1 各軸轉(zhuǎn)速電動機(jī)初軸與蝸桿通過聯(lián)軸器連接，因此蝸桿轉(zhuǎn)速n1與電動機(jī)轉(zhuǎn)速nm相同，即n1 = nm = 1600 r/minn2r/min （2-2）式中：nm電動機(jī)滿載轉(zhuǎn)速；ia電動機(jī)至蝸桿的傳動比。n2蝸輪轉(zhuǎn)速由式（2-2）得蝸輪轉(zhuǎn)速n2=78.05 r/min2.6.2 各軸輸入功率22 Kw （2-3） Kw, （2-4）式中1、2分別為軸承、齒輪傳動的傳動效率。在此論文中、分別為軸承、蝸輪蝸桿的傳動效率。取2 =0.98(軸承), 1 =0.98(齒輪精度為8級,不包括軸承效率)。由式（2-3）及（2-4）得

23、 蝸桿 22 =1.50.982=1.44 Kw 蝸輪 =P11 =1.440.98 =1.41 Kw各軸的輸出功率則分別為各軸的輸入功率乘軸承效率0.98，則蝸桿的輸出功率P1 =1.440.98 = 1.41 Kw 蝸輪的輸出功率P2=1.380.98 = 1.38 Kw2.6.3 各軸的輸入轉(zhuǎn)矩 Nm （2-5） Nm （2-6）蝸桿的輸入轉(zhuǎn)矩 = 610.982 = 5.76 Nm蝸輪的輸入轉(zhuǎn)矩 = 5.7620.50.98 = 98.4 Nm各軸的輸出轉(zhuǎn)矩則分別為各軸的輸入轉(zhuǎn)矩乘軸承效率0.98，則蝸桿的輸出轉(zhuǎn)矩T1 =5.760.98 = 5.65 Nm 蝸輪的輸出轉(zhuǎn)矩T2=98.

24、40.98 = 96.43 Nm2.7 電動機(jī)的校核2.7.1 計算目的所選用的伺服電機(jī)在最大不平衡扭矩下進(jìn)行加速啟動時，電機(jī)輸出的最大扭矩時期額定扭矩的3倍以內(nèi)。2.7.2 刀庫參數(shù)（1）刀盤尺寸（直徑厚度） ：618100 mm（2）刀盤重量：(鋼的比重7.8 g/cm3) = 118 kg （3）轉(zhuǎn)位加速時間：t = 0.2 s2.7.3 計算并校核伺服電機(jī)的扭矩T：計算伺服電機(jī)必須的扭矩T = T1 + T2 + T3 (kgfm) (2-7)式中：T1 傳動鏈摩擦扭矩 (kgfm) T2 不平衡扭矩（必要的扭矩） (kgfm) T3 啟動扭矩（加速扭矩） (kgfm) （1） 計算T

25、1 ：T1 = WR / i (2-8)式中：W 工件的重量 (kgfm)R 工件回轉(zhuǎn)半徑 (m) 所有軸承的摩擦系數(shù)（取0.15）則T1 = 118kg 0.309m 0.15 / 20.5 = 0.267 kgm（2） 計算T2 ：T2 = (W1R1+W2R2+W3R3+ )/ i (2-9)極端情況一般不可能出現(xiàn)，故重量可減少計算。取W = 7 kg 則T2 = (0.257+0.3097+0.47) /20.5 = 0.33 (kgfm)（3） 計算T3 ： (2-10)則= 0.021 kgm因GD2是由工件的重量工件的回轉(zhuǎn)直徑得來，由于最大的GD2來源于刀庫刀盤，而其計算值僅有0

26、.021 kgm，故其他的如軸、蝸輪蝸桿等的GD2可忽略不計，僅將刀盤的GD2適量取大值就可以。（取0.15kgm）（4）計算伺服電機(jī)必須的扭矩：T = T1 + T2 + T3 = 0.15 + 0.33 + 0.267= 0.747 kgm = 7.32 Nm（5） 校核結(jié)論：所選用的伺服電機(jī)最大輸出扭矩實在驅(qū)動刀庫刀盤分度所需最大扭矩的三倍以內(nèi)（18 Nm/ 7.32 Nm=2.453），符合計算目的，滿足使用要求。此外，所選用的伺服電機(jī)有足夠的扭矩儲備，可確保刀盤繁轉(zhuǎn)位時電機(jī)不發(fā)熱，能長期、穩(wěn)定、安全地使用，另外亦有進(jìn)一步提高刀盤分度轉(zhuǎn)位速度的余地。3 刀庫的設(shè)計與校核3.1 刀庫的結(jié)

27、構(gòu)設(shè)計圖3.1 刀庫的結(jié)構(gòu)刀庫采用軸向取刀方式，其外形如圖3-4所示。鼓輪式刀庫（圖3.1a）由專用的交流伺服電動機(jī)1經(jīng)套筒聯(lián)軸器2、蝸桿4、蝸輪3，帶動刀盤14和盤上的刀套13旋轉(zhuǎn)。刀座的滾子11在不旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)盤14的槽中受到限位，導(dǎo)盤14在最下端的換刀位置開了一個缺口。刀座以鉸鏈形式與支承板16相連（圖3.1b）。平時，由彈簧18將滾子銷19壓在刀套13的凹槽中，使刀座定位在水平位置。由于主軸是立式的，故應(yīng)將處于刀庫刀盤14最下位置的刀套旋轉(zhuǎn)90，使刀頭朝下。實現(xiàn)這個動作靠氣缸5。氣缸5的活塞桿6帶動撥叉7上升。由AA剖視圖中可以看到，最下面的一個刀套13右尾部的滾子11正好進(jìn)入撥叉7的缺口

28、。撥叉7上升使刀套連同刀具逆時針旋轉(zhuǎn)90，滾子銷19退出支承板16的凹槽，刀座轉(zhuǎn)到垂直位置，等待機(jī)械手換刀。刀套的構(gòu)造如圖3.1b所示。由圖中可以看到錐孔尾部有兩個球頭銷釘17，后有彈簧用以夾住刀具，故當(dāng)?shù)短仔D(zhuǎn)90后刀具不會下落。刀套頂部的滾子15用以在刀套處于水平位置時支承刀套。當(dāng)?shù)毒吒鼡Q完畢，該刀座插入從主軸換下的刀具平頭。通過氣缸作用，與上述動作相反，刀座帶著刀具夾頭順時針轉(zhuǎn)動，直到水平位置為止，此時，滾子銷19重新處于支承板16的凹槽中。3.2 刀庫轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的設(shè)計刀庫由蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)來承擔(dān)主要傳動（1） 選擇蝸桿傳動類型根據(jù)GB1008588的推薦，采用漸開線蝸桿（ZI）。（2） 選擇

29、蝸桿的材料蝸桿采用45鋼，齒面淬火，硬度為4550HRC；蝸輪用鑄錫磷青銅CuSn10Pb1，金屬模鑄造，許用接觸應(yīng)力H =220 MPa，許用彎曲應(yīng)力F =220 MPa。（3） 確定主要參數(shù)蝸輪蝸桿傳動，以蝸桿為主動，蝸輪為從動，取蝸桿頭數(shù)Z1 = 2，單向旋轉(zhuǎn)，預(yù)計工作壽命為五年。則Z2 = Z1 i = 220.5 = 41（4） 估計蝸桿最小直徑 (3-1)式中：A軸的材料系數(shù)，取A=115P輸入功率，P=Pdn軸的轉(zhuǎn)速，n=nmK軸的類別系數(shù)，取K=1則蝸桿的直徑mm（5） 確定蝸桿的主要參數(shù)蝸桿模數(shù)m=3.15蝸桿分度圓直徑d1=35.5 mm中心距a=80 mm（6） 驗算滑動

30、速度Vsa) 計算蝸桿速度V1 m/s (3-2)則 m/s b) 計算滑動速度Vs m/s （3-3） m/s 其中為蝸桿分度圓導(dǎo)程角。（7） 計算蝸桿蝸輪的其他參數(shù)a) 蝸桿齒頂圓直徑da1 （3-4）則蝸桿齒頂圓直徑 mm其中ha1為蝸桿齒頂高，且ha1 = m =3.15 mm；b) 蝸輪喉圓直徑da2 （3-5）則蝸輪喉圓直徑 = 129.15+213.15+23.15（-0.1）= 134.8 mm c) 蝸輪外圓直徑de2 （3-6）則蝸輪外圓直徑=134.8+3.15 = 137.95 mm d) 蝸桿齒寬b1 （3-7）則蝸桿齒寬= (12.5+0.141) 3.15 = 5

31、2 mme) 蝸輪齒寬b （3-8）b = (0.680.75) 41.8 = 28.01 mm 31.35 mm取b=30 mmf) 蝸輪齒頂圓弧半徑Ra2 （3-9）則蝸輪齒頂圓弧半徑 mmg) 蝸輪齒根圓弧半徑Rf2 （3-10）則蝸輪齒根圓弧半徑 mm（8） 軸承的選擇在蝸輪蝸桿傳動中，嚙合時會產(chǎn)生徑向力Fr，圓周力Ft，軸向力Fa，受力情況如下圖所示：圖3.2 蝸桿的受力分析因此所選用的軸承中必須有能夠承受軸向力的，考慮到刀庫做回轉(zhuǎn)運動，則選用一對深溝球軸承和一對角接觸軸承，由于角接觸軸承所受載荷作用與軸承中心線之內(nèi)，所以采用面對面的安裝方式。查詢機(jī)械設(shè)計手冊選用61903深溝球軸承

32、和7004AC角接觸軸承。 3 意圖轉(zhuǎn)速到時間拔出刀套量機(jī)構(gòu)，以保證機(jī)械后間大為縮短。1818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818183.3 主要零件校核3.3.1 蝸輪蝸桿的校核（1）蝸輪齒面強(qiáng)度計算 （3-14）式中：H接觸應(yīng)力K載荷系數(shù)，取K=1.1d1蝸桿

33、分度圓直徑d2蝸輪分度圓直徑T2蝸輪傳遞的扭矩 Mpa，需用接觸應(yīng)力H=220 Mpa，H H故蝸輪齒面強(qiáng)度滿足要求。圓柱蝸輪蝸桿傳動的破壞形式主要是蝸輪輪齒表面產(chǎn)生膠合、點蝕和磨損，而輪齒的彎曲折斷很少發(fā)生，因此通常多按齒面接觸強(qiáng)度校核。（2）蝸桿剛度校核 （3-15）式中：y最大撓度 Fr1蝸桿所受的圓周力， = 6196 N，； Ft1蝸桿所受的徑向力， = 1669N； E蝸桿材料的彈性模量，E= 210000 Mpa； I蝸桿危險截面的慣性矩，mm4； L蝸桿兩端支承間跨距，mm，取110 mm （3-16）df1蝸桿齒根圓直徑，mm許用最大撓度，則 mm4則而 ,故蝸桿剛度滿足要求

34、。3.3.2 鍵的校核在刀庫傳動中，在蝸輪與刀盤之間通過鍵傳遞扭矩，從而帶動刀盤作回轉(zhuǎn)運動。其校核過程如下： （3-17）式中：T傳遞的扭矩，Nmmk鍵與轂的接觸高度，mmd軸的直徑，mmL鍵的工作長度，mmp許用擠壓應(yīng)力，p=110 Mpa則 Mpa p 故鍵滿足工作要求。3.3.3 熱平衡計算蝸桿傳動由于效率低，所以工作時發(fā)熱量大。在閉式傳動中，如果產(chǎn)生的熱量不能及時地散逸，將因油溫不斷升高而使?jié)櫥拖♂?，從而增大磨擦損失，甚至發(fā)生膠合。所以必須根據(jù)單位時間內(nèi)的發(fā)熱量H1等于同時間內(nèi)的散熱量H2的條件進(jìn)行熱功平衡計算，以保證油溫穩(wěn)定牌規(guī)定的范圍內(nèi)。由于摩擦損耗的功率Pf=P1 (1-) k

35、w,則產(chǎn)生的熱流量（單位為1W=1J/s）為H1=1000Pf=P1 (1-) W （3-11）式中P1 為蝸桿傳遞的功率（單位：kw）。以自然冷卻方式，從箱體外壁散發(fā)到周圍空氣中去的熱流量為H2= KA(-) W （3-12）式中K熱導(dǎo)率，一般取K =8.717.5（W/m2K）環(huán)境空氣流通較差時，取較小值，否則取較大值；A傳動裝置散熱的計算面積，即內(nèi)面被沒浸濺的，而外面又被空氣所能冷卻的的箱殼面積（m2）；t1潤滑油的工作溫度，一般限制在6070，最高不能超過80；t0周圍環(huán)境溫度，一般取室溫t0 =20 。按熱平衡條件H1 = H2 ，可求得在既定工作條件下的沒溫為 （3-13）在繪制傳

36、動裝置結(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行熱平衡計算：P1 =0.09280=0.0736 Kw取t0 =20 , =0.95, K=14,并估算A=0.006 m2，則 80由于t1 80,未超過最高工作溫度，所以不需采取散熱措施。 3.3.4 靜盤軸的校核圖3.3 靜盤軸受力圖其中式中：D靜刀盤的直徑 h靜刀盤的厚度 鋼的密度，=7.9 g/cm3 g重力加速度F1 = 286N，同樣方法可得F2=1156.4N蝸輪的徑向力Fr = 543.58N，圓周力Ft = 1493.4N選安全系數(shù)S = 1.5靜盤軸材料為45鋼可以運用Solidwork軟件對軸進(jìn)行強(qiáng)度分析，分析結(jié)果如下：表3.1 強(qiáng)度計算參數(shù)彈性

37、模量21011N/m2泊松比0.29NA質(zhì)量密度7900kg/m3屈服強(qiáng)度3.5157108N/m2圖3.4 應(yīng)力分析圖圖3.5 位移分析圖其最大位移量為0.00135mm,滿足設(shè)計要求。4 刀具交換裝置設(shè)計帶有自動換刀系統(tǒng)的數(shù)控加工中心在現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)中起著愈來愈重要的作用,它能縮短產(chǎn)品的制造周期,提高產(chǎn)品的加工精度,適合柔性加工。數(shù)控機(jī)床的自動換刀裝置的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，選擇何種形式，主要取決于機(jī)床的種類、工藝范圍以及刀具的種類和數(shù)量等。而自動換刀系統(tǒng)性能的好壞直接影響加工效率的高低。當(dāng)?shù)稁烊萘看髸r,常遠(yuǎn)離主軸配置且整體移動不易,這就需要在主軸和刀庫之間配置換刀機(jī)構(gòu)來執(zhí)行換刀動作。完成此功

38、能的機(jī)構(gòu)包括送刀臂、擺刀站和換刀臂,總稱為機(jī)械手。具體來說,它的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與刀庫之間的傳遞。本設(shè)計采用帶有機(jī)械手的自動換刀裝置，其中機(jī)械手是執(zhí)行刀庫和主軸之間換刀動作的裝置。雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手可以同時抓住拔、插，位于軸和刀庫里的道具，與單臂單手式機(jī)械手相比，可以縮短換到時間，應(yīng)用廣泛，形勢也較多。4.1刀具交換裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計圖4.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖（4.1）所示，換刀裝置主要由手臂和固定其兩端的結(jié)構(gòu)完全相同的兩個手爪組成，兩個手爪可以同時抓取刀庫及主軸上的刀具。機(jī)械手裝置由三個液壓缸驅(qū)動，垂直安裝的液壓缸主要完成拔刀和插刀的動作，水平安裝的兩個液壓缸由聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)齒條，而齒條與機(jī)

39、械手軸上的齒輪嚙合，液壓缸推動齒條，從而帶動機(jī)械手作轉(zhuǎn)位運動。在機(jī)械手手爪上握刀的圓弧部分有一個錐銷，機(jī)械手爪刀時，該錐銷插入刀柄的鍵槽中，起定位作用。當(dāng)機(jī)械手由原位轉(zhuǎn)75度抓住刀具時，兩手爪上的長銷分別被主軸前端面和刀庫上的擋塊壓下，使軸向開有長槽的活動銷被彈簧彈起，使活動銷頂住刀具不能后退，這樣機(jī)械手在回轉(zhuǎn)180度時，刀具就不會被甩出。當(dāng)機(jī)械手上升插刀時，兩長銷又分別被兩擋塊壓下，鎖緊銷從活動銷子的孔中退出，松開刀具，機(jī)械手便可反轉(zhuǎn)75度復(fù)位。為了防止刀具掉落，機(jī)械手的活動爪帶有自鎖機(jī)構(gòu)。由于雙臂回轉(zhuǎn)機(jī)械手的動作比較簡單，而且能夠同時抓住和裝卸機(jī)床主軸及換刀庫中的刀具，因此換刀時間大為縮短

40、。由于刀柄形式為BT40，刀庫上刀套的長度為100mm，因此拔刀時必須保證機(jī)械手將刀柄完全拔出刀套后才可交換刀具，取拔刀時行程為120mm，則檢測是否完成拔刀、插刀的兩個位置開關(guān)間距也為120mm。4.2 換刀過程帶刀庫的自動換刀裝置是由刀庫和刀具交換裝置組成。它是多工序數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用最廣泛的換刀裝置，其整個換刀過程比較復(fù)雜。首先把加工過程中需要使用的全部刀具安裝在標(biāo)準(zhǔn)的刀柄上，在機(jī)床外進(jìn)行尺寸預(yù)調(diào)后，按一定的方式裝入刀庫。換刀時，先在刀庫中進(jìn)行選刀，由機(jī)械手從刀庫和主軸上取出刀具，然后交換位置，把新刀插入主軸，舊刀放回刀庫。存放刀具的刀庫可具有較大的容量，它既可以安裝在主軸箱的側(cè)面或上方，也

41、可以作為獨立部件安裝在機(jī)床以外。4.2.1 刀庫部分圖4.2 刀套運動示意圖圖4.3 刀套結(jié)構(gòu)如圖（4.1）所示， 當(dāng)?shù)毒哌x定后，滑塊A沿著活塞桿向上滑動，帶動撥叉B，使得刀套C繞O點旋轉(zhuǎn)，從而使刀具完成倒刀過程。換刀結(jié)束后，D點受壓（如圖4.2），使得鋼珠向外擴(kuò)張，刀具松動從而可以實現(xiàn)換刀；換刀完成后，D點松開，鋼珠重新受壓，刀具被加緊，刀套再由垂直方向轉(zhuǎn)回水平方向，完成整個換刀動作。4.2.2 機(jī)械手部分圖4.4 換刀過程示意圖自動換刀過程可簡述為：接到換刀指令刀套下轉(zhuǎn)90機(jī)械手轉(zhuǎn)75抓刀刀套松刀拔刀機(jī)械手轉(zhuǎn)180換刀插刀刀具夾緊機(jī)械手復(fù)位刀套上轉(zhuǎn)90。其具體過程如下：如圖（4.4）所示，

42、1表示機(jī)械手，2、4、13、18為位置開關(guān)，3、17為檔環(huán)，5、14為齒輪，8為連接盤，6、9、11為液壓缸，7、10為齒條，12是機(jī)械手軸，15為傳動盤，16為銷子。刀套下轉(zhuǎn)90后，壓下上行程位置開關(guān)，發(fā)出機(jī)械手爪到信號。此時，液壓缸9左腔通壓力油，活塞桿推著齒條10向右移動，使得齒輪14轉(zhuǎn)動。齒輪14與連接盤空套在機(jī)械手臂軸12上，傳動盤15與機(jī)械手臂軸用花鍵連接，其上端有銷子插入連接盤的銷孔中，因此齒輪轉(zhuǎn)動時帶動機(jī)械手臂軸轉(zhuǎn)動，使機(jī)械手1回轉(zhuǎn)75抓刀。抓刀動作結(jié)束時，齒條10上的檔環(huán)壓下行程開關(guān)13，發(fā)出拔刀信號，于是液壓缸11上腔通壓力油，活塞桿推動機(jī)械手臂軸12下降拔刀。在軸12下降

43、時，傳動盤15也隨之下降，其下端的銷子16插入連接盤8的銷孔中，連接盤8和下面的齒輪5是用螺釘連接的，它們空套在軸12上。當(dāng)拔刀動作完成后，軸12上的檔環(huán)3壓下位置開關(guān)2，發(fā)出換刀信號。這時液壓缸6的左腔通壓力油，活塞桿推動齒條7向右移動，使得齒輪5和連接盤8轉(zhuǎn)動，通過銷子16，有傳動盤帶動機(jī)械手轉(zhuǎn)180，交換主軸上和刀庫上的刀具位置。換刀動作完成后，齒條7的檔環(huán)碰到位置開關(guān)時，發(fā)出插刀信號，是液壓缸11下腔通壓力油，活塞桿帶動機(jī)械手臂軸上升插刀，同時傳到傳動盤下面的銷子16從連接盤8的銷孔中移出。插刀動作完成后，軸12上的檔環(huán)壓下位置開關(guān)4，使液壓缸6右腔通壓力油，活塞桿帶著齒條7左做移動復(fù)

44、位，而齒輪5空轉(zhuǎn)，機(jī)械手無動作。齒條7復(fù)位后，其上檔環(huán)壓下位置開關(guān)，使液壓缸9的右腔通壓力油，活塞桿帶著齒條10向左移動，通過齒輪14使機(jī)械手反轉(zhuǎn)75復(fù)位。機(jī)械手復(fù)位后，齒條10上的檔環(huán)壓下位開關(guān)，發(fā)出換刀完成信號，使刀套向上翻轉(zhuǎn)90，為下次選刀做好準(zhǔn)備，同時機(jī)床繼續(xù)執(zhí)行后面的操作。4.3 換刀裝置驅(qū)動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的的設(shè)計4.3.1 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)機(jī)械手由液壓缸驅(qū)動，根據(jù)工作條件和要求選用單活塞桿雙作用液壓缸，靠接近開關(guān)檢測位置。采用油缸固定，活塞動的結(jié)構(gòu)形式。手臂的回轉(zhuǎn)動作，通過活塞的運動帶動齒條齒輪傳動來實現(xiàn)。機(jī)械手臂的不同回轉(zhuǎn)角度由活塞的可調(diào)行程擋塊來保證。通過設(shè)計計算來確定每個液壓缸

45、的行程。如圖4.4，機(jī)械手的驅(qū)動共需要三個液壓缸。液壓缸11用來完成拔刀、插刀的動作，在垂直方向運動；液壓缸9用來完成抓刀的動作，在水平方向運動，使機(jī)械手轉(zhuǎn)動75；液壓缸6用來完成換刀動作，液壓缸推動齒條使機(jī)械手轉(zhuǎn)動180。圖4.5 自動換刀裝置的液壓系統(tǒng)原理圖液壓系統(tǒng)由液壓油箱、管路、控制閥等組成。控制閥采用分散布局、就近安裝原則，分別裝在刀庫和立柱上。電磁閥上貼有磁號碼（如YV1、YV2、YV3），便于用戶進(jìn)行檢測與維修。在自動換刀裝置的整個換刀過程中，換刀動作的控制由刀庫控制部分、換刀機(jī)械手控制部分以及主軸相控制部分三部分組成，它們組成是一個互相聯(lián)系的系統(tǒng)，以下根據(jù)該自動換刀裝置的液壓系

46、統(tǒng)原理圖對其控制程作一下簡要說明：（1）刀庫控制部分采用該自動換刀裝置的一個優(yōu)點就是，在加工工件的同時，下一個工序所需用到的刀具可隨刀庫轉(zhuǎn)到位置等候，這樣可以減少整個換刀時間，提高生產(chǎn)效率。刀庫自動換刀時，由一個3位4通電磁閥YV1控制，當(dāng)YV1在右位接通時，換刀松開，而當(dāng)YV1在左位接通時，則實現(xiàn)換刀鎖緊動作。（2）機(jī)械手控制部分機(jī)械手自動換刀時，在換上新刀前，首先進(jìn)行的是拔刀動作，然是180的回轉(zhuǎn)動作，接著是插刀動作，最后是機(jī)械手的手爪退出換刀位置完成整個換刀過程，機(jī)械手拔刀、插刀動作是由一個3位4通電磁閥YV5控制，當(dāng)YV5在右位接通時，進(jìn)行插刀動作，而當(dāng)YV5在左位接通時，則實現(xiàn)拔刀動

47、作；機(jī)械手的180回轉(zhuǎn)是由一個回轉(zhuǎn)液壓缸來完成，它由一個3位4通的電磁閥YV7來控制；機(jī)械手的換刀鎖緊與換刀松開也是由一個3位4通的是電磁閥YV6控制，當(dāng)YV6在右位接通時，實現(xiàn)換刀松開動作，而當(dāng)YV6在左位接通時，則實現(xiàn)換刀鎖緊動作。（3）主軸箱控制部分 主軸準(zhǔn)停后，主軸箱內(nèi)的刀具自動卡緊裝置實現(xiàn)松開與鎖刀功能，基其松刀、鎖刀動作也是由一個3位4通電磁閥YV4控制，當(dāng)YV4在右位接通時，實現(xiàn)松刀動作，而當(dāng)YV4在左俠接通時，則實現(xiàn)鎖刀動作。4.3.2 選刀方式圖4.6 自動換刀控制原理選用由軟件達(dá)到就近選刀要求的方式。傳統(tǒng)的順序選刀、任意選到方式給換到系統(tǒng)帶來很多不便，所以近年來在加工中心上

48、應(yīng)用的很少。目前在加工中心上絕大多數(shù)選用記憶選刀方式，其工作原理是在刀庫上安裝位置檢測裝置(一般與電動機(jī)裝在一起)，刀庫上每一個存刀位置(即地址)都可以通過位置檢測裝置測出，刀具本身不進(jìn)行編碼，只要把刀具號和刀庫中地址(刀套位置)對應(yīng)記憶在數(shù)控系統(tǒng)的PLC中，刀庫分度、刀具交換的同時每次改變存儲器的內(nèi)容來控制自動換刀裝置，不論刀具放在哪里都始終記憶著它的蹤跡。此方式不僅可以任意選取刀具，而且不論刀庫在哪個位置都可以自由地送回刀具，在新舊刀具交換時，不必尋找送回地點，可以節(jié)省換刀時間，刀庫和刀具不必設(shè)編碼環(huán)和條形碼，不要識別裝置等，這種方法主要由軟件完成選刀，從而消除了由于識刀裝置的穩(wěn)定性、可靠

49、性所帶來的選刀失誤。因此是目前常用的一種選刀方式。下面簡單說明其工作原理。（1） 自動換刀控制和刀號數(shù)據(jù)表圖4.7 刀號數(shù)據(jù)表刀庫定位后，從某一位置（一般從換刀位置）的刀座起按順序給刀座編號，如圖4.7中方框的18號，以后刀庫旋轉(zhuǎn)，不管刀座移到什么位置，刀座始終擁有原先編定的這一個號碼（號碼變成了該刀座的名稱），而且刀座的相鄰順序關(guān)系不會改變。零號0為主軸編號。刀具不附編碼環(huán)，而是任意給定一個編號，如圖中的(10)(18)的刀號。一旦給某一把刀編定刀號后，這個刀號就不再改變。一般刀號可采用二進(jìn)制碼編寫。加工前將已編號的刀具插入刀座內(nèi)，刀座內(nèi)可以插入同號的刀具也可以任意插入，刀座號與刀具號不一定

50、要相同。在PLC內(nèi)部建立一個模擬刀庫的刀號數(shù)據(jù)表，如圖4-7所示，數(shù)據(jù)表中的表序號（即內(nèi)存地址號）與刀座編號依次相對應(yīng)。每個表序號內(nèi)的內(nèi)容就是序號相同的刀座中所插入刀具的刀號。表中首地址TAB單元內(nèi)固定存放插在主軸內(nèi)的刀具的刀號，TAB1TAB8單元內(nèi)存放序號相同的刀座所插刀具的刀號，以后每次刀庫旋轉(zhuǎn)定位并且刀具交換后，主軸內(nèi)與在換刀位置的某號刀座內(nèi)的刀號將發(fā)生變化，應(yīng)及時修改刀號數(shù)據(jù)表內(nèi)相關(guān)表序號內(nèi)的刀號，使刀號數(shù)據(jù)表始終與刀庫中刀座號及刀號一一對應(yīng)。（2） 刀具識別圖4.9 修改刀號流程圖圖4-8 PLC程序流程圖如上所述，在刀庫中選刀的問題，就變成了在刀號數(shù)據(jù)表中尋找所需刀號的問題。實質(zhì)

51、上轉(zhuǎn)變?yōu)樵诘短枖?shù)據(jù)表中找尋插有所需刀號的刀座（與刀座號對應(yīng)的內(nèi)存地址號），然后令該號刀座移動到換刀位置。換刀時，刀庫定位，定位后處于換刀位置的為某號刀座，刀具交換后，該號刀座內(nèi)的新刀插入主軸內(nèi)，主軸內(nèi)用過的舊刀插回處于換刀位置的該號刀座內(nèi)，將該號刀座定義為刀庫的現(xiàn)在刀座。將該刀座的號碼數(shù)據(jù)存放在一個現(xiàn)在刀座號計數(shù)器內(nèi)。當(dāng)PLC接到尋找下一次需用的新刀指令T(X)后，在模擬刀號數(shù)據(jù)表中進(jìn)行檢索，檢索到指令刀號(X)，將該刀號在數(shù)據(jù)表中的表序號存放到一個緩沖存儲單元1中，這個表序號就是指令刀號(X)所在刀座的號數(shù)。將該表序號對應(yīng)的刀座定義為目標(biāo)刀座。令刀庫旋轉(zhuǎn)，每一個刀座通過換刀位置時，由電器元件

52、(如無觸點開關(guān))產(chǎn)生一個計數(shù)脈沖信號，當(dāng)?shù)稁煺槙r針）轉(zhuǎn)時，每發(fā)一個計數(shù)脈沖使現(xiàn)在刀座號計數(shù)器遞增計數(shù)（如圖4-7的刀座編號順序，是遞增計數(shù)），當(dāng)?shù)稁旆崔D(zhuǎn)時，每發(fā)一個計數(shù)脈沖，計數(shù)器遞減計數(shù)。因此現(xiàn)在刀座號計數(shù)器的數(shù)值總是等于通過換刀位置的刀座的號數(shù)（即現(xiàn)在刀座的號數(shù)），計數(shù)器的數(shù)值始終在18之間循環(huán)。當(dāng)計數(shù)器的數(shù)值達(dá)到目標(biāo)刀座號碼數(shù)的前一個數(shù)值時，即目標(biāo)刀座移到換刀位置前一個位置，即減速位置時，令刀庫減速旋轉(zhuǎn)，現(xiàn)在刀座計數(shù)器的數(shù)值等于目標(biāo)刀座的號數(shù)時，目標(biāo)刀座（即指令刀號(X)所在的刀座）到了換刀位置，將其定位，等待刀具交換。（3） 刀具的交換及刀號數(shù)據(jù)表的修改當(dāng)前一工序加工結(jié)束后需要更換

53、新刀加工時，NC系統(tǒng)發(fā)出自動換刀指令M06，控制機(jī)床主軸準(zhǔn)停，機(jī)械手執(zhí)行換刀動作，將主軸上用過的舊刀和刀庫上選好的新刀進(jìn)行交換。與此同時，應(yīng)通過軟件修改PC內(nèi)部的刀號數(shù)據(jù)表，使相應(yīng)刀號表單元中的刀號與交換后的刀號相對應(yīng)，修改刀號的流程如圖4.9所示。4.4 機(jī)械手主要傳動計算4.4.1 齒輪的幾何計算齒輪1（使機(jī)械手轉(zhuǎn)動75）的計算如下表所示表4.1 齒輪幾何計算齒輪模數(shù)m3齒輪分度圓直徑d1（mm）150齒輪基圓直徑db1 （mm）140.95齒條運動速度V （m/s）1.4310-3齒輪齒頂高h(yuǎn)a1 （mm）3.75齒條齒頂高h(yuǎn)a2（mm）3齒輪齒根高h(yuǎn)f （mm）3齒條齒根高h(yuǎn)f （mm

54、）3.75齒高h(yuǎn) （mm）6.75齒輪齒頂圓直徑da1（mm）157.5齒輪齒根圓直徑df1 （mm）144齒輪中心到齒條中線的距離H（mm）75.75齒距pn （mm）9.42齒條齒數(shù)Z213齒條切齒部分精確長度Lq （mm）117.8齒條中線弦齒厚S2 （mm）4.7量柱直徑dp2 （mm）5.1齒條基面至量柱表面的測量距M（mm）36.53重合度2.0614齒距累積公差Fp0.075徑向綜合公差Fi 0.07齒槽跳動公差Fr0.045一齒切向綜合公差fi0.045一齒徑向綜合公差fi0.028齒距極限偏差fpt 0.02齒形公差ff 0.025齒向公差FB0.018安裝距極限偏差fa 0

55、.0274.4.2 機(jī)械手軸的主要計算設(shè)計要求刀具對刀具的換到時間為2.8秒，為達(dá)到這一指標(biāo)，要求機(jī)械手軸在2.8秒內(nèi)回轉(zhuǎn)180，即機(jī)械手軸的轉(zhuǎn)速r/min機(jī)械手手爪的重力F = 172.5N則機(jī)械手帶動手爪的轉(zhuǎn)矩T = FR = 172.50.16=27.52 Nm由于 r/min （4-1）機(jī)械手軸的功率 （4-2）則 w4.5 自動換刀裝置的相關(guān)技術(shù)要求主軸停車時要求停在一個固定位置的功能叫準(zhǔn)停功能。如果刀套不能準(zhǔn)確地停在換到位置上，將會使換刀機(jī)械手抓刀不準(zhǔn)，以致在換刀時發(fā)生掉刀的現(xiàn)象。因此，刀套的準(zhǔn)停問題將是影響換刀動作可靠性的重要因素之一。鼓輪式刀庫宜采用單頭雙導(dǎo)程蝸桿傳動。應(yīng)盡可能

56、地提高刀套在刀盤上沿圓周安裝的等分精度和徑向位置精度。本刀套需要反轉(zhuǎn)，則還要保證每個刀套翻轉(zhuǎn)的角度一致。此外，應(yīng)盡量減小刀套孔徑和軸向尺寸的分散度，以保證刀柄槽在換刀位置上的軸向位置精度。5 結(jié)論本次設(shè)計的刀庫為側(cè)掛式鼓輪式刀庫，軸向取刀，滿載裝刀24把，刀柄形式為BT40，采用單環(huán)排列方式排放，由伺服電動機(jī)驅(qū)動，不僅滿足了換刀時頻繁啟動電動機(jī)以及刀套準(zhǔn)停的需求，而且避免了由于蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)造成的精度不高的問題。傳動部分經(jīng)由蝸輪蝸桿裝置減速，使得刀盤最低轉(zhuǎn)速達(dá)到60r/min以上。換刀部分采用單臂雙爪機(jī)械手，機(jī)械手的活動爪帶有自鎖機(jī)構(gòu)，以防止刀具掉落。整個裝置用三個單活塞桿雙作用液壓缸驅(qū)動，采用

57、油缸固定，活塞動的結(jié)構(gòu)形式，由活塞推動齒條帶動機(jī)械手轉(zhuǎn)動實現(xiàn)換刀動作。系統(tǒng)靠位置開關(guān)檢測位置，機(jī)械手手部的不同回轉(zhuǎn)角度由活塞的可調(diào)位置擋塊來保證。選刀方式通過軟件達(dá)到就近選刀的目的，消除了由于識刀裝置的穩(wěn)定性、可靠性所帶來的選刀失誤。整個設(shè)計可以達(dá)到2.8秒（刀具到刀具）的換刀時間，滿足了實際加工中節(jié)省時間的目的，提高了加工效率。致謝四年的讀書生活在這個季節(jié)即將劃上一個句號，而于我的人生卻只是一個逗號，我將面對又一次征程的開始。四年的求學(xué)生涯在師長、親友的大力支持下，走得辛苦卻也收獲滿囊，在論文即將付梓之際，思緒萬千，心情久久不能平靜。 偉人、名人為我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和贊美獻(xiàn)

58、給一位平凡的人，我的導(dǎo)師。我不是您最出色的學(xué)生，而您卻是我最尊敬的老師。您治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。授人以魚不如授人以漁，置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了宏偉的學(xué)術(shù)目標(biāo)，領(lǐng)會了基本的思考方式，您嚴(yán)肅的教學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)深深地感染和激勵著我。在您悉心的點撥后,再經(jīng)思考后的領(lǐng)悟,使我受益匪淺。從選定題目到準(zhǔn)備答辯，幾個月來您耐心又仔細(xì)地指導(dǎo)并督促我們按進(jìn)度完成設(shè)計工作，對于每張圖紙每個零件都有細(xì)致的要求檢查，這對我們今后的發(fā)展有著極大的幫助。感謝我的父母，焉得諼草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報，

59、你們永遠(yuǎn)健康快樂是我最大的心愿。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯謝意！同時也感謝學(xué)院為我提供良好的做畢業(yè)設(shè)計的環(huán)境。最后再一次感謝所有在畢業(yè)設(shè)計中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學(xué)，以及在設(shè)計中被我引用或參考的論著的作者。參考文獻(xiàn)1吳宗澤,羅圣國.機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊第二版M.北京：高等教育出版社,1999.2廖念釗,莫雨松,李碩根,楊興駿.互換性與技術(shù)測量第四版M.北京：中國計量出版社,2000.3陳錦昌,劉就女,劉林.計算機(jī)工程制圖M.廣州：華南理工大學(xué)出版社,1999.4馮辛安,黃玉美,杜君文.機(jī)械制造裝備設(shè)計M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004.5熊光華,數(shù)控機(jī)床M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2001.6李峻勤,費仁元.數(shù)控機(jī)床及其使用與維修M.北京：國防工業(yè)出版社,2000.7張柱銀,陳思義,明興祖.數(shù)控原理與數(shù)控機(jī)床M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2003.8濮良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計（第六版）北京：高等教育出版社，2000.9王愛玲,白思遠(yuǎn).現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床M.北京：國防工業(yè)出版社,2001.10何存興,張鐵華.液壓傳動與氣壓傳動第