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畢業(yè)設(shè)計(jì) 螺栓數(shù)控銑床 摘 要 本論文介紹的是螺栓數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)。刀庫式的自動(dòng)換刀裝置是由刀庫和 刀具交換裝置（換刀機(jī)械手）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，其整過換刀過程比較復(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(shí)， 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。存放刀具的刀庫具有較大的容量，其容量為六 把刀具,采用盤形結(jié)構(gòu),安裝在機(jī)床的左側(cè)立柱上。因?yàn)槁菟〝?shù)控銑床外形及其 他性能參數(shù)等均與 THK6363 型自動(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床相似，所以本機(jī)床的自動(dòng)換 刀裝置的設(shè)計(jì)將仿效 THK6363 型自動(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床換刀裝置，設(shè)計(jì)成采用軸 向放置的鼓盤式刀庫形式和回轉(zhuǎn)式雙臂機(jī)械手組成。 刀具按預(yù)定工序的先后順序插入刀庫的刀座中，使用時(shí)按順序轉(zhuǎn)到取刀位 置。用過的刀具放回原來的刀座內(nèi)，也可以按加工順序放入下一個(gè)刀座內(nèi)。該 法不需要刀具識(shí)別裝置，驅(qū)動(dòng)控制也比較簡單，工作可靠。但刀庫中每一把刀 具在不同工序中不能重復(fù)使用，為了滿足加工需要只有增加刀具的數(shù)量和刀庫 的容量，這就降低了刀具和刀庫的利用率。此外，裝刀時(shí)必須十分謹(jǐn)慎，如果 刀具不按順序裝在刀庫中，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。順序選刀是在加工之前，將 加工零件所需刀具按照工藝要求依次插入刀庫的刀套中，順序不能有差錯(cuò)。加 工時(shí)按順序調(diào)刀。適合加工批量較大、工件品種數(shù)量較少的中、小型自動(dòng)換刀 裝置。可知數(shù)控銑床用 4 把刀就可完成大多數(shù)的銑削加工。所以這個(gè)容量為 6 把刀的刀庫，幾乎不存在加工過程中需要重復(fù)利用刀具的情況，所以刀具的選 畢業(yè)設(shè)計(jì) 擇方式確定為順序選擇刀具。 兩手互相垂直的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是換刀動(dòng)作可靠，換好時(shí)間 短，缺點(diǎn)是刀柄精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，聯(lián)機(jī)調(diào)整的相關(guān)精度要求高，機(jī)械手 離加工區(qū)較近。一般來說，這種機(jī)械手用于刀庫刀座軸線與機(jī)床主軸軸線垂直， 刀庫為徑向存取刀具形式的自動(dòng)換刀裝置，因此，在 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降 銑床的自動(dòng)換刀裝置中可采用這種機(jī)械手形式。 關(guān)鍵詞：數(shù)控銑床；自動(dòng)換刀裝置；刀庫；換刀機(jī)械手 前 言 數(shù)字控制機(jī)床是用數(shù)字代碼形式的信息(程序指令)，控制刀具按給定的工 作程序、運(yùn)動(dòng)速度和軌跡進(jìn)行自動(dòng)加工的機(jī)床，簡稱數(shù)控機(jī)床。 數(shù)控機(jī)床具有廣泛的適應(yīng)性，加工對(duì)象改變時(shí)只需要改變輸入的程序指令； 加工性能比一般自動(dòng)機(jī)床高，可以精確加工復(fù)雜型面，因而適合于加工中小批 量、改型頻繁、精度要求高、形狀又較復(fù)雜的工件，并能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效果。 隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床品種日益增多，有車床、銑床、 鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機(jī)床和電火花加工機(jī)床等。此外還有能自動(dòng)換刀、 一次裝卡進(jìn)行多工序加工的加工中心、車削中心等。 數(shù)控機(jī)床主要由數(shù)控裝置、伺服機(jī)構(gòu)和機(jī)床主體組成。輸入數(shù)控裝置的程 序指令記錄在信息載體上，由程序讀入裝置接收，或由數(shù)控裝置的鍵盤直接手 動(dòng)輸入。 隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的控制系 統(tǒng)日益趨向于小型化和多功能化，具備完善的自診斷功能；可靠性也大大提高； 數(shù)控系統(tǒng)本身將普遍實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程。 未來數(shù)控機(jī)床的類型將更加多樣化，多工序集中加工的數(shù)控機(jī)床品種越來 越多；激光加工等技術(shù)將應(yīng)用在切削加工機(jī)床上，從而擴(kuò)大多工序集中的工藝 范圍；數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度更加提高，并具有多種監(jiān)控功能，從而形成一個(gè) 柔性制造單元，更加便于納入高度自動(dòng)化的柔性制造系統(tǒng)中。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第一章 緒論 1.1 數(shù)控機(jī)床知識(shí) 數(shù)字控制機(jī)床是用數(shù)字代碼形式的信息(程序指令)，控制刀具按給定的工 作程序、運(yùn)動(dòng)速度和軌跡進(jìn)行自動(dòng)加工的機(jī)床，簡稱數(shù)控機(jī)床。 數(shù)控機(jī)床具有廣泛的適應(yīng)性，加工對(duì)象改變時(shí)只需要改變輸入的程序指令； 加工性能比一般自動(dòng)機(jī)床高，可以精確加工復(fù)雜型面，因而適合于加工中小批 量、改型頻繁、精度要求高、形狀又較復(fù)雜的工件，并能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效果。 隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床品種日益增多，有車床、銑床、 鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機(jī)床和電火花加工機(jī)床等。此外還有能自動(dòng)換刀、 一次裝卡進(jìn)行多工序加工的加工中心、車削中心等。 數(shù)控機(jī)床主要由數(shù)控裝置、伺服機(jī)構(gòu)和機(jī)床主體組成。輸入數(shù)控裝置的程 序指令記錄在信息載體上，由程序讀入裝置接收，或由數(shù)控裝置的鍵盤直接手 動(dòng)輸入。 隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的控制系 統(tǒng)日益趨向于小型化和多功能化，具備完善的自診斷功能；可靠性也大大提高； 數(shù)控系統(tǒng)本身將普遍實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程。 未來數(shù)控機(jī)床的類型將更加多樣化，多工序集中加工的數(shù)控機(jī)床品種越來 越多；激光加工等技術(shù)將應(yīng)用在切削加工機(jī)床上，從而擴(kuò)大多工序集中的工藝 畢業(yè)設(shè)計(jì) 范圍；數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度更加提高，并具有多種監(jiān)控功能，從而形成一個(gè) 柔性制造單元，更加便于納入高度自動(dòng)化的柔性制造系統(tǒng)中。 1.2 數(shù)控銑床的分類 1.2.1 數(shù)控立式銑床 數(shù)控立式銑床是數(shù)控銑床中數(shù)量最多的一種，應(yīng)用范圍也最為廣泛。小型 數(shù)控銑床一般都采用工作臺(tái)移動(dòng)、升降、及主軸不動(dòng)方式，與普通立式升降臺(tái) 銑床相似；中型數(shù)控立式銑床一般采用縱向和橫向工作臺(tái)移動(dòng)方式，且主軸沿 垂直溜板上下運(yùn)動(dòng)；大型數(shù)控立式銑床，因要考慮到擴(kuò)大行程，縮小占地面積 及剛性等技術(shù)問題，往往采用龍門架移動(dòng)式，其主軸可以在龍門架的橫向與垂 直溜板上運(yùn)動(dòng)，而龍門架則沿床身作縱向運(yùn)動(dòng)。 從機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制的坐標(biāo)數(shù)量來看，目前 3 坐標(biāo)數(shù)控立式銑床仍占大多 數(shù)。一般可進(jìn)行 3 坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工，但也有部分機(jī)床只能進(jìn)行 3 坐標(biāo)中的任意二 個(gè)坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工。此外，還有機(jī)床主軸可以繞 X、Y、Z 坐標(biāo)軸中其中一個(gè)或兩 個(gè)軸作數(shù)控?cái)[角運(yùn)動(dòng)的 4 坐標(biāo)和 5 坐標(biāo)數(shù)控立式銑床。一般來說，機(jī)床控制的 坐標(biāo)軸越多，特別是要求聯(lián)動(dòng)的坐標(biāo)軸越多，機(jī)床的功能、加工范圍及可選擇 的加工對(duì)象也越多。但隨之而來的是機(jī)床的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的要求更 高，編程的難度更大，設(shè)備的價(jià)格也更高。 數(shù)控立式銑床可以附加數(shù)控轉(zhuǎn)盤，采用自動(dòng)交換臺(tái)，增加靠模裝置等來擴(kuò) 大數(shù)控立式銑床的功能，加工范圍和加工對(duì)象，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。 1.2.2 臥式數(shù)控銑床 與通用臥式銑床相同，其主軸級(jí)平行于水平面。為了擴(kuò)大加工范圍和擴(kuò)大 功能，臥式數(shù)控銑床通常采用增加數(shù)控轉(zhuǎn)盤或萬能數(shù)控轉(zhuǎn)盤來實(shí)現(xiàn) 4、5 坐標(biāo)加 工，這樣，不但工件側(cè)面上的連續(xù)回轉(zhuǎn)輪廓可以加工出來，而且可以實(shí)現(xiàn)在一 次安裝中，通過轉(zhuǎn)盤改變工位，進(jìn)行“四面加工” 。可以省去許多專用夾具或?qū)?用角度成型銑刀。對(duì)箱體類零件或需要在一次安裝中改變工位的工件來說，選 擇帶數(shù)控轉(zhuǎn)盤的臥式銑床進(jìn)行的。加工是非常合適 這類銑床目前正在逐漸增多，它的主軸方向可以更換，能達(dá)到在一臺(tái)機(jī)床上 既可以進(jìn)行立式加工，又可以進(jìn)行臥式加工，其使用范圍更廣，功能更全，選 擇加工的對(duì)象和余地更大，給用戶帶來了很多方便，特別是當(dāng)生產(chǎn)批量小，品 種較多，又需要立臥兩種方式加工時(shí)，用戶只需買一臺(tái)這樣的機(jī)床就行了。 立、臥兩用數(shù)控銑床的主軸方向的更換有手動(dòng)與自動(dòng)兩種，采用數(shù)控萬能 主軸頭的立、臥兩用數(shù)控銑床，其主軸頭可以任意轉(zhuǎn)換方向，可以加工出與水 平面呈各種不同角度的工件表面。當(dāng)立、臥兩用數(shù)控銑床增加數(shù)控轉(zhuǎn)盤后，就 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的“五面加工” 。即出除了工件與轉(zhuǎn)盤貼合的定位面外，其它表 面都可以在一次安裝中進(jìn)行加工。因此，其加工性能非常優(yōu)越。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 1.3 數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)特征 1.3.1 數(shù)控銑床的主軸特征 數(shù)控銑床的主軸開啟與停止，主軸正反轉(zhuǎn)與主軸變速等都可以按輸入介質(zhì)上編 入的程序自動(dòng)執(zhí)行。不同的機(jī)床其變速功能與范圍也不同。有的采用變頻機(jī)組， 固定幾種轉(zhuǎn)速，可自選一種編入程序，但不能在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)改變。有的采用變頻器 調(diào)整，將轉(zhuǎn)速分為幾檔，編程時(shí)可任選一檔，在運(yùn)轉(zhuǎn)中可通過控制面板上的旋 鈕，在本檔范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)；有的則不分檔,編程時(shí)可在整個(gè)范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)速。 但是在實(shí)際操作中，調(diào)速不能有大起大落的突變，只能在允許的范圍內(nèi)調(diào)高或 調(diào)低，只能在允許的范圍內(nèi)一般都設(shè)有自動(dòng)拉、退刀裝置，能在數(shù)秒內(nèi)完成裝 刀與卸刀，換刀比較方便。此外，多坐標(biāo)數(shù)控銑床的主軸可以繞 X、Y 或 Z 軸作 數(shù)控?cái)[動(dòng)，擴(kuò)大了主軸自身的運(yùn)動(dòng)范圍，但是主軸結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。 1.3.2 控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)特征 為了要把工件上各種復(fù)雜的形狀輪廓連續(xù)加工出來，必須控制刀具沿平面 上設(shè)定的直線、圓弧或空間直線、圓弧軌跡運(yùn)動(dòng)，因此，要求數(shù)控銑床的伺服 拖動(dòng)系統(tǒng)能在多坐標(biāo)方向同時(shí)協(xié)調(diào)動(dòng)作，并保持預(yù)定的相互關(guān)系，這就要求機(jī) 床應(yīng)能實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)。數(shù)控銑床要控制的坐標(biāo)數(shù)最少是 3 坐標(biāo)中任意兩坐標(biāo) 聯(lián)動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工直線變斜角工件，應(yīng)實(shí)現(xiàn)四坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)。若要加工曲線變 斜角工件，是要求實(shí)現(xiàn)五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)。因此，數(shù)控銑床所配置的數(shù)控系統(tǒng)檔次， 一般都比其它數(shù)控機(jī)床相應(yīng)更高一些。 1.4 數(shù)控銑床的主要功能及加工對(duì)象 1.4.1 數(shù)控銑床的功能 數(shù)控銑床的功能分為一般功能和特殊功能。一般功能是指各類數(shù)控銑床普遍所 具有的功能。如點(diǎn)位控制功能、刀具半徑自動(dòng)補(bǔ)償功能、鏡象加工功能、 固定 循環(huán)功能等。特殊功能是指數(shù)控銑床在增加了某些特殊裝置或附件后，分別具 有或兼?zhèn)涞囊恍┨厥夤δ?。如刀具長度補(bǔ)償功能、靠模加工功能、自動(dòng)變換工 作臺(tái)功能、自適應(yīng)功能、數(shù)控采集功能等。 在使用數(shù)控銑床加工工件時(shí)，只要充分利用數(shù)控銑床的各種功能，就可以 加工許多普通銑床難加工的工件。數(shù)控銑床的主要加工對(duì)象有：平面類零件； 變斜角類零件；曲面類（立體類）零件。 1.4.2 自動(dòng)換刀裝置（ATC）及其形式 數(shù)控機(jī)床為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)率，進(jìn)一步壓縮非切削時(shí)間，現(xiàn)代的機(jī)床逐 步發(fā)展為在一臺(tái)機(jī)床上在一次裝中完成多工序或全部工序的加工。數(shù)控機(jī)床為 畢業(yè)設(shè)計(jì) 了能在工件一次裝夾中完成多個(gè)工步，以縮減輔助時(shí)間和減少多次安裝工件引 起的誤差，通常帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)。對(duì)工件的多工序加工而設(shè)置的存儲(chǔ)及更換 刀具的裝置稱為自動(dòng)換刀裝置(Automatic Tool Changer，ATC);自動(dòng)換刀 （Automatic Tool Change 簡稱 ATC）系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和換刀裝置組成。在數(shù) 控銑床的基礎(chǔ)上，如果再配以刀具和自動(dòng)換刀系統(tǒng)，就構(gòu)成加工中心 （Machining center 簡稱 MC） 。在這類數(shù)控機(jī)床上，自動(dòng)換刀裝置（ATC）是 必不可少的。例如加工中心機(jī)床又稱多工序自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床，它主要是指具 有自動(dòng)換刀及自動(dòng)改變工件加工位置工能的數(shù)控機(jī)床，具有自動(dòng)換刀裝置是加 工中心機(jī)床的典型特征，是多工序加工的必要條件。自動(dòng)換裝置的功能，對(duì)整 機(jī)的加工效率有很大的影響。由于普通的數(shù)控立式銑床加工的一般是中小零件， 其大多需要幾把刀具加工（10 把刀具以內(nèi)， ）故增加自動(dòng)換刀裝置并同時(shí)自動(dòng) 變換主軸轉(zhuǎn)速?？蓽p輕勞動(dòng)強(qiáng)度，減少換刀時(shí)間，既提高了機(jī)床的自動(dòng)化程度， 又提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。因此，數(shù)控立式銑床作為數(shù)控銑床中數(shù)量最多、應(yīng)用范 圍也最廣的一種，對(duì)其附加能夠快速、準(zhǔn)確地?fù)Q刀的自動(dòng)換刀裝置是非常有必 要的。 各類數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置的結(jié)構(gòu)取決于機(jī)床的型式、工藝范圍及刀具 的種類和數(shù)量等。這種裝置主要可以分為以下幾種形式： 1)回轉(zhuǎn)刀架換刀形式 2)更換主軸頭換刀形式 3)帶刀庫的自動(dòng)換刀形式 1.4.3 自動(dòng)換刀裝置應(yīng)當(dāng)滿足的基本要求 1）刀具換刀時(shí)間短。 2）刀具重復(fù)定位精度高。 3）足夠的刀具儲(chǔ)存量。 4）刀庫占地面積小。 5）換刀安全可靠。 第二章總體方案的確定 依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書，我們的任務(wù)是給螺栓數(shù)控銑床設(shè)計(jì)安裝合適的自動(dòng)換刀 裝置。主要技術(shù)參數(shù)為： 1）刀庫容量：4-6 2）選刀方式：順序選刀 3）重復(fù)精度： 5 螺栓數(shù)控銑床主要由床身、升降臺(tái)、工作臺(tái)、立銑頭、主傳動(dòng)、主變速、 拉刀機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、自動(dòng)潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、吊掛、電柜等部分組成。機(jī) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 床本身并不帶自動(dòng)換刀裝置。自動(dòng)換刀裝置作為一套獨(dú)立的、完整的機(jī)床部件， 設(shè)計(jì)依據(jù)是該機(jī)床的型式、工藝范圍及刀具的種類和數(shù)量等。 2.1 螺栓數(shù)控銑床及其主要參數(shù) XKA5032A 型數(shù)控立式升降臺(tái)銑床是一種使用范圍廣泛的機(jī)床，根據(jù)用戶要 求，配置國內(nèi)外（OSP-U10M、SIEMENS802D、華中號(hào)）先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)，可手動(dòng) 或自動(dòng)操作。它可以實(shí)現(xiàn) X、Y、Z 三軸同時(shí)定位/直線插補(bǔ)，同時(shí)二軸圓弧插補(bǔ)。 OPS 全域絕對(duì)位置檢測(cè)。每次開機(jī)無須回零，簡化機(jī)床操作。尤其在發(fā)生停機(jī)、 斷電、更換程序等情況后再啟動(dòng)時(shí)不用整機(jī)回零，可以直接開機(jī)，方便操作。 尤其方便不熟練操作工、繁忙操作工、電力不良等情況下的使用。可采用主程 序、子程序進(jìn)行編程，最小單位可選 0.001mm。具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床坐標(biāo)系、工件坐 標(biāo)系，絕對(duì)值、增量可并用。各有 50 組刀具長度、半徑長度補(bǔ)償。彩色 LCD 中 文顯示，具良好人機(jī)對(duì)話窗口，系統(tǒng)具有 160m 存儲(chǔ)容量，可進(jìn)行程序編輯、管 理，可用 RS-232C 接口、1.44 軟盤進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入、輸出, 便于加工程序的管理。 可以對(duì)程序進(jìn)行模擬加工，刀具軌跡跟蹤及動(dòng)畫仿真、圖形動(dòng)畫顯示，記錄運(yùn) 行時(shí)間及作業(yè)信息。 2.1.1 其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1)主傳動(dòng)系統(tǒng)為 7.5Kw 的交流電動(dòng)機(jī)通過彈性連軸器驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)箱，主傳 動(dòng)箱內(nèi)有三組滑移齒輪,液壓預(yù)選變速機(jī)構(gòu)推動(dòng)各滑移齒輪,組成 18 種轉(zhuǎn)速,再 傳到銑頭上的主軸，主傳動(dòng)箱內(nèi)有電磁制動(dòng)器,主軸制動(dòng)迅速平穩(wěn)。 2)進(jìn)給系統(tǒng) X、Y、Z 三個(gè)座標(biāo)的進(jìn)給，都是由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。電機(jī) 通過同步齒形帶驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，從而使部件沿導(dǎo)軌移動(dòng)。伺服電機(jī)及其相應(yīng)的 速度控制單元和用于位置檢測(cè)的脈沖編碼器等均受控于數(shù)控系統(tǒng)；以完成各種 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 同步齒形帶可張緊以減少傳動(dòng)間隙，噪聲亦可降低。 垂向電機(jī)是帶制動(dòng)器的，當(dāng)斷電時(shí)，垂向剎緊，以防止升降臺(tái)因自重而下 滑。 3)銑頭上的立式主軸，有符合國際標(biāo)準(zhǔn)的(ISO)No.50 錐孔，可安裝標(biāo)準(zhǔn)的 銑刀或銑夾頭。主軸的軸向位置可調(diào)整，連同套筒一起作軸向伸出。主軸也可 以連同銑頭主體一起，在左右各 45范圍內(nèi)調(diào)整成傾斜位置。 4)刀柄采用標(biāo)準(zhǔn) XT50 形式，可與萬能銑床刀柄通用。 5)潤滑系統(tǒng) 自動(dòng)潤滑站配以遞進(jìn)式分油器，對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌副、滾珠絲杠副及齒輪副等進(jìn) 行自動(dòng)的定時(shí)定量潤滑，每次加油量和兩次間的時(shí)間間隔都是可調(diào)的，力求保 證每個(gè)潤滑點(diǎn)的合理油量。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 6)機(jī)床采用側(cè)掛式電柜和吊掛式操縱站，機(jī)電一體，整體裝運(yùn)，安裝方便， 集中操縱但能又多位置操作。 7)半自動(dòng)的裝卸刀機(jī)構(gòu),安裝在銑頭的上方，通過兩個(gè)按鈕分別控制裝刀和 卸刀，方便而安全，即使主軸向外伸出，也不會(huì)影響刀具的裝卸。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 2.1.2 其主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù) 該機(jī)床推薦使用的最大切削范圍如下： 銑切鋼：鋼的含碳量 0.45%，抗拉強(qiáng)度 600N/mm2。銑刀直徑 100mm，齒數(shù) 4； 銑切寬度 50mm，銑切深度 3 mm；主軸轉(zhuǎn)速 750 r/min，進(jìn)給量 750mm/min。 銑切灰鑄鐵：材料 HT200，硬度 HB150225。銑刀直徑 250mm，齒數(shù) 14； 銑切寬度 150mm，銑切深度 3.7 mm；主軸轉(zhuǎn)速 47.5 r/min，進(jìn)給量 300mm/min 參數(shù)名稱 單位 數(shù)量 工作臺(tái)面尺寸（長 X 寬） mm 320 X 1320 工作臺(tái)縱向（X）行程 mm 780 工作臺(tái)縱向（Y）行程 mm 300 工作臺(tái)縱向（Z）行程 mm 380 主軸孔徑 mm 29 主軸端面至工作臺(tái)面的距離 mm 70450 主軸中心線至床身導(dǎo)軌面距離 mm 350 定位精度及重復(fù)定位精度 mm 0.015、0.005 主軸端部錐度 ISO No.50 立銑頭最大回轉(zhuǎn)角度 45 主軸轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù) 18 主軸轉(zhuǎn)速范圍 r/min 301500 工作臺(tái)進(jìn)給級(jí)數(shù) 無級(jí) 縱、橫向進(jìn)給范圍 mm/min 63200 垂向進(jìn)給范圍 mm/min 31600 縱、橫向快進(jìn)速度 mm/min 6000 垂向快進(jìn)速度 mm/min 3000 主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率 kw 7.5 主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 r/min 1440 工作臺(tái)最大承載重量 kg 320 主軸最大扭矩 Nm 1000 機(jī)床外形尺寸（長 X 寬 X 高） mm 1929 X 2055 X 2216 機(jī)床重量 kg 2800(3000) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 2.2 初定其自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)參數(shù) 在銑削輪廓時(shí)，為了保證一次連續(xù)地加工出全部表面，應(yīng)選用半徑小于工 件最小輪廓半徑的刀具，而在實(shí)際的生產(chǎn)加工中，常盡量選用直徑較大的銑刀， 因?yàn)榇笾睆姐姷秳傂院?，耐用度高。由螺栓?shù)控銑床推薦使用的最大切削范圍 可知，當(dāng)銑切鋼時(shí)，銑刀直徑為 100 mm。當(dāng)銑灰鑄鐵時(shí)，銑刀直徑達(dá) 250mm。因此，為了滿足該機(jī)床的實(shí)際加工能力與生產(chǎn)情況，在設(shè)計(jì)其自動(dòng)換 刀裝置時(shí)，應(yīng)該根據(jù)最大的刀具直徑來設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)的換刀裝置能交換 250mm 的刀具。 初估最大直徑刀具的重量為 8kgf。 2.3 確定其自動(dòng)換刀裝置的形式 由于螺栓數(shù)控銑床是一種使用范圍較廣的機(jī)床，且其可加工零件的精度要 求也較高，比較上章介紹的幾種換刀形式，決定選用帶刀庫的自動(dòng)換刀形式。 螺栓數(shù)控銑床主軸箱上方?jīng)]有好的安裝位置，安裝在機(jī)床外又要增加刀具 運(yùn)輸時(shí)間，降低效率，所以安裝在機(jī)床側(cè)面最合適，有些部件交錯(cuò)的地方，作 適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。因?yàn)槁菟〝?shù)控銑床外形及其他性能參數(shù)等均與 THK6363 型自動(dòng)換 刀數(shù)控鏜銑床相似，所以本機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)將仿效 THK6363 型自動(dòng) 換刀數(shù)控鏜銑床換刀裝置，設(shè)計(jì)成由由盤式刀庫和回轉(zhuǎn)式雙臂機(jī)械手組成。設(shè) 計(jì)增加自動(dòng)換刀裝置后的螺栓數(shù)控銑床的外觀圖如圖 1-1 所示。 圖 1-1 螺栓數(shù)控銑床的外觀圖 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第三章 刀庫的設(shè)計(jì) 刀庫是帶刀庫自動(dòng)換刀裝置的主要部件之一，其容量形式、布局及具體結(jié) 構(gòu)對(duì)數(shù)控機(jī)床的性能有很大影響。 3.1 確定刀庫容量 決定刀庫容量時(shí)，首先要考慮加工工藝的需要，同時(shí)還要調(diào)查分析同類型、 相近規(guī)格的自動(dòng)換刀機(jī)床的刀庫容量及其發(fā)展趨勢(shì)。由于帶自動(dòng)換刀裝置的數(shù) 控機(jī)床主要是在多品種、單件小批生產(chǎn)時(shí)使用，因而應(yīng)根據(jù)廣泛的工藝統(tǒng)計(jì)， 依大多數(shù)工件加工時(shí)需要的刀具數(shù)來確定刀庫容 量。例如，對(duì)功能較為齊全的加工中心而言，它 可承擔(dān)多個(gè)工件的切削任務(wù)，因而要配備刀具的 種類和規(guī)格較多。通常，配備的刀具越多，機(jī)床 能加工工件的比率也越高，但它們并不是成正比 例關(guān)系。圖 3-1 為刀庫容量與機(jī)床能加工工件的 比率統(tǒng)計(jì)曲線。 刀庫儲(chǔ)存量過大，導(dǎo)致刀庫的結(jié)構(gòu)龐大而復(fù) 雜,影響機(jī)床總體布局；儲(chǔ)存量過小，則不能滿足 復(fù)雜零件的加工要求。因此，刀庫容量應(yīng)在經(jīng)濟(jì)合理的條件下，力圖將一組類 似的零件所需的全部刀具裝入刀庫，以縮短每次裝刀所需的裝調(diào)時(shí)間。對(duì)自動(dòng) 換刀數(shù)控機(jī)床的刀庫容量，有關(guān)資料曾對(duì) 15000 個(gè)零件進(jìn)行分組統(tǒng)計(jì)，指出不 同工序加工時(shí)必須的刀具數(shù)不同，如圖 3-1 所示。由圖可知，4 把銑刀可完成 加工工件的 95左右的銑削工藝，10 把孔加工刀具可完成 70的鉆削工藝， 14 把刀的容量就可完成 70以上工件的鉆銑工藝，配有 1440 把刀具的刀庫 就能夠滿足 70-95工件的加工需要。因此，對(duì)螺栓數(shù)控銑床，從使用和經(jīng) 濟(jì)效率角度來看，容量為 6 的刀庫就可滿足要求了。 3.2 確定刀庫容量 由以上考慮螺栓數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)布局等原因，決定采用軸向放置的鼓盤式 刀庫形式。這種刀庫結(jié)構(gòu)簡單，刀具排列較為緊湊，在刀庫容理定為 6 的情況 下體種不大，且取刀也較為方便，但需要考慮機(jī)械手的換刀動(dòng)作空間。 3.3 刀庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 如刀庫裝配圖所示，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，直流伺服電動(dòng)機(jī)接通， 其運(yùn)動(dòng)經(jīng)過十字聯(lián)軸器、波傳動(dòng)減速器、套筒式聯(lián)軸器、蝸桿、蝸輪后，再經(jīng) 花鍵聯(lián)接傳到刀盤上，刀盤帶動(dòng)刀座上的 6 個(gè)刀套轉(zhuǎn)動(dòng)，完成選刀動(dòng)作。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 刀庫裝配圖 畢業(yè)設(shè)計(jì) 3.4 初估刀庫驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩及選定電機(jī) 刀庫回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)多數(shù)采用液壓馬達(dá)、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并沒有降速傳動(dòng)裝置。 3.4.1 初選電動(dòng)機(jī)與降速傳動(dòng)裝置 刀庫的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，由于本刀庫的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，且所需轉(zhuǎn)速小，所以決定 采用直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。直流伺服電動(dòng)機(jī)具有體積小，重量輕、伺服性好、 力能指標(biāo)高等優(yōu)點(diǎn)，且該電機(jī)可用信號(hào)電壓進(jìn)行無級(jí)調(diào)速。采用型號(hào)為 90SZ03 的 SZ 系列電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)，其基本參數(shù)為：功率 0.092KW，轉(zhuǎn)速 3000R/MIN（袖珍機(jī)械師設(shè)計(jì)手冊(cè)P1275） ；降速傳動(dòng)裝置型號(hào)為 XB3-50- 100A 的扁平式諧波傳動(dòng)減速器，其基本參數(shù)為：輸入功率 0.092KW，輸出轉(zhuǎn)矩 18Nm（袖珍機(jī)械師設(shè)計(jì)手冊(cè)P1078-1079） 。 3.4.2 初估刀庫驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 由于刀庫容量 6，下面就以 THK6363 型自動(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床的刀庫為設(shè) 計(jì)參考（查參考資料 14） ，采用經(jīng)驗(yàn)法初估回轉(zhuǎn)所需轉(zhuǎn)矩。 THK6363 型自動(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床的刀庫也是采用軸向放置的鼓盤式刀庫形 式，其容量為 36 把刀具，最大刀具重達(dá) 10kgf，刀庫回轉(zhuǎn)由最大扭矩為 25Nm 的液壓馬達(dá)經(jīng)諧波減速器驅(qū)動(dòng)?，F(xiàn)在由于設(shè)計(jì)的刀庫容量為 6 把刀具， 可初估刀庫驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩(主要是指直接驅(qū)動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩)為 T0=8Nm。 3.5 刀庫轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 刀庫的主運(yùn)動(dòng)是圓周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖 3-3 所示,直流伺服電動(dòng)機(jī) 1 通過彈性 柱銷聯(lián)軸器與諧波傳動(dòng)減速器 2 聯(lián)接減速后驅(qū)動(dòng)蝸桿 3,設(shè)計(jì)刀庫轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的普 通圓柱蝸桿傳動(dòng). 由刀庫轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。 己知直流伺服電動(dòng)機(jī) 1 的功率為 0.092KW,轉(zhuǎn)速為 3000R/MIN,諧波傳動(dòng)減速 器 2 的傳動(dòng)比為 100.傳動(dòng)效率為 80%,1 經(jīng) 2 減速后驅(qū)動(dòng)蝸桿 3,蝸桿為主動(dòng),蝸 輪為從動(dòng),要求傳動(dòng)此為 6,單向旋轉(zhuǎn),單班工作制,預(yù)計(jì)壽命為 5 年. 畢業(yè)設(shè)計(jì) 圖示 3-3 刀庫轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)傳動(dòng)示意圖 1)選擇蝸桿傳動(dòng)類型 根據(jù) GB1008588 的推薦，采用漸開線蝸桿（ZI） 。 2)選擇材料 蝸桿采用 45 鋼，齒面淬火，硬度為 4550HRC；蝸輪用鑄錫磷青銅 ZCuSn10Pb1，金屬模鑄造， =220 MPa， =220 MPa。2HP2FP 3)確定主要參數(shù) 蝸桿蝸輪傳動(dòng)，以蝸桿為主動(dòng)，蝸輪為從動(dòng)。為了提高傳動(dòng)效率，取 Z1=6，傳動(dòng)比取 6，單向旋轉(zhuǎn)，單工作制，預(yù)計(jì)壽命為 5 年。則 Z2= Z1i= 66=36。 4)按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) m2d1 KT2 (mm3)2 50HP a)計(jì)算蝸輪軸轉(zhuǎn)矩 T2 初估傳動(dòng)效率 =0.95,則 T2=9549 =9549 =9549 0.95=133.53 Nm12n1/i0.928%3/6 其中 n1 =3000/100=30(r/min) b)載荷系數(shù) K=1.05 c)許用接觸應(yīng)力 2HP = =2200.91.48=293.04 MPa2HPVSZN 式中, =220 MPa, 估計(jì)滑動(dòng)速度 5m/s，用浸沒潤滑,則由(參考文獻(xiàn) 11) (P972 圖 182)S 查得滑動(dòng)速度影響系數(shù) =0.9, =1.48（其中VZN 畢業(yè)設(shè)計(jì) =60a t=601 53008=3.6 ,按圖 183 查得） ；LZ2n306610 d)計(jì)算 m2d1值,并選定模數(shù) m 和蝸桿分度圓直徑 d1 m2d1 1.05133.53=283.46 mm 3; 2539.04 按表 183 查得模數(shù) m=3.15(mm), d1=35.5 (mm) (m2d1值應(yīng)大于計(jì)算值) 5)驗(yàn)算滑動(dòng)速度 SV a)計(jì)算蝸桿速度 1 = = =0.0558 m/s1V60dn35.0 b)計(jì)算滑動(dòng)速度 SV = / =0.0558/ =0.0632 m/sS1coscos2814 其中 = = = ,則初估的 值合適。1(/)tgZmd(63.5/.)tg2814SV 6)驗(yàn)算蝸輪齒彎曲強(qiáng)度 驗(yàn)算公式為 22 21AVFFSPTKYd a)使用系數(shù) =1A b)動(dòng)載荷系數(shù) =1.03V c)載荷分布系數(shù) =1K d1=35.5 mm， =m =3.15 36=113.4 mm,其中模數(shù) m=3.15(mm)。2dZ d)蝸輪齒形系數(shù) =4.00FSY e)按蝸輪當(dāng)量齒數(shù) = / =36/ =52.34,由圖 172 查得。2V3cos3s2814 f)導(dǎo)程角系數(shù) =1- /120=1- /120 =0.766Y g)許用彎曲應(yīng)力 2FP = =70 0.542=37.94 MPa2FPN 畢業(yè)設(shè)計(jì) h)計(jì)算彎曲應(yīng)力 =22.1322613.5.014.076F 由于 ，故滿足蝸輪輪齒強(qiáng)度條件。2HP 7)計(jì)算蝸桿蝸輪的主要參數(shù) a)分度圓直徑 =35.5， =m =3.15 36=113.4mm1d2z b)中心距 a a=( + +2 m)/2=35.5+113.4+2 (-0.1349) 3.15/2=74 mm12x c)蝸桿導(dǎo)程角 814 8)計(jì)算其他尺寸 a)蝸桿齒頂圓直徑 = +2 =35.5+2 3.15=41.8 mm，1ad1ad1ah 其中 為蝸桿齒頂高，且 =m=3.15 mm；1ah b)蝸輪喉圓直徑 = +2 =113.4+2 0.8651 3.15=118.85 2a2a2a mm， 其中 為蝸輪齒頂高，且 = + =1-0.1349=0.8651 mm；2ah2ah2x c)蝸輪外圓直徑 = +m=118.85+3.15=122 mm；2ed d)蝸桿齒寬 由于 =6，故 按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，取 =64 mm1b1Z1b1b e)蝸輪齒寬 0.67 =0.67 41.8 =28.006mm,取 =28 mm；22ad2 f)蝸輪齒頂圓弧半徑 = -m= -3.15=14.6 mmaR2135. g)蝸輪齒根圓弧半徑 = +c= +0.2m= +0.2 3.15=21.53 2ffa1a4.82 mm； h)蝸桿軸向齒厚 = /2= = 3.15/2=4.948 mm,其中1xs1xsp/m 為蝸桿軸向齒距；xp i)蝸桿法向齒厚 = =4.948 =4.368 mm；1ns1nsxcocs2814 j)蝸輪分度圓齒厚 =0.5 =0.5 3.15=4.948 mm。22m 畢業(yè)設(shè)計(jì) 9)熱平衡計(jì)算 蝸桿傳動(dòng)由于效率低，所以工作時(shí)發(fā)熱量大。在閉式傳動(dòng)中，如果產(chǎn)生的 熱量不能及時(shí)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(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量 等于同時(shí)間內(nèi)的散熱量1H 的條件進(jìn)行熱功平衡計(jì)算，以保證油溫穩(wěn)定牌規(guī)定的范圍內(nèi)。2H 由于摩擦損耗的功率 = （1- ）kW,則產(chǎn)生的熱流量（單位為fP1 1W=1j/s）為 =1000 （1- ）W11 式中 為蝸桿傳遞的功率（單位：kW） 。P 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 =kA( - )W2H1t0 式中 k熱導(dǎo)率，一般取 k=8.717.5W( ),環(huán)境空氣流通較差時(shí)，2mC: 取較小值，否則取較大值； A傳動(dòng)裝置散熱的計(jì)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（ ） ；2m 潤滑油的工作溫度，一般限制在 6070 ，最高不能超過 80 ；1t C C 周圍環(huán)境溫度，一般取室溫 =20 。0 0t 按熱平衡條件 = ，可求得在既定工作條件下的沒溫為1H2 = + 1t0P-kAC 在繪制傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行熱平衡計(jì)算： =0.092 80 =0.0736 kW10 取 =20 , =0.95, k=10,并估算 A=0. 006 ，則0tC2m =20+ =81.33 801t.7361-0.95 C 由于 80 ,超過最高工作溫度，所以必須采取一些散熱措施，以提高散1t 畢業(yè)設(shè)計(jì) 熱能力，如在傳動(dòng)箱內(nèi)裝循環(huán)冷卻管路。 3.6 刀庫驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的校核 蝸輪轉(zhuǎn)速 =5r/min,所能傳遞的功率為 P=0.092 80 0.95=0.07 Kw,此2n 0 時(shí)刀庫的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為：T= = =120.3NmT 0=8Nm，954Nn0.795 其中 =0.9 為外花鍵帶動(dòng)刀盤回轉(zhuǎn)的傳動(dòng)效率。由于 TT 0，所以，刀庫驅(qū)動(dòng) 轉(zhuǎn)矩滿足要求。 3.7 刀庫驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的校核 在刀庫的傳動(dòng)系統(tǒng)中，刀盤是利用花鍵聯(lián)接帶動(dòng)刀座上的刀套轉(zhuǎn)動(dòng)而進(jìn)行 選刀的，花鍵的聯(lián)接屬于動(dòng)聯(lián)接。已知所用的花鍵類型為漸開線花鍵 d=26mm, 以下對(duì)其進(jìn)行必要的強(qiáng)度計(jì)算。計(jì)算公式如下： p= pMPa 式中:2gmTzhLD T轉(zhuǎn)距（Nmm） ，此處 T=120.3Nm=120.3 1000Nmm； 各齒間載荷不均勻系數(shù)，通常取 =0.7 0.8，此處取 =0.75；: z齒數(shù)，此處 z=6； 齒的工作高度（mm） ，對(duì)漸開線花鍵， =m,此處 m 為模數(shù)，且取gh gh m=1.5mm； 齒的工作長度（mm） ，此處 =48mm；gLgL 平均直徑（mm） ，對(duì)漸開線花鍵，此處 =d=26mm。mDmD 于是，把數(shù)據(jù)代入計(jì)算公式，得 p= = =28.6MPa2gmTzhL120.3.756486 由于該花鍵聯(lián)接為不在載荷作用下移動(dòng)的動(dòng)聯(lián)接，查表 9-13 可知，若齒面 經(jīng)熱處理且使用和制造情況為良好時(shí)，p可達(dá) 40 70 MPa，p p,故花鍵聯(lián): 接的強(qiáng)度滿足要求。 3.8 夾緊機(jī)構(gòu)插銷剪切強(qiáng)度的校核 刀套在刀座上的夾緊由插銷實(shí)現(xiàn)（見刀庫裝配圖） 。插銷承受的主要是剪切 力，以下對(duì)單個(gè)插銷進(jìn)行剪切強(qiáng)度的校核。 插銷材料為 45 鋼， =60MPa,直徑 d=6mm。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 剪切力由重力引起，估算 P=100N,插銷受力如圖所示。 由圖可知該情況為雙剪切，且由平衡方程易得 Q=P/2, 于是，插銷橫截面上的剪切力為 = Q/A=(100 )/ =1.8MPa 610322(10)4 故插銷滿足強(qiáng)度條件要求。 3.9 確定刀具的選擇方式 按數(shù)控裝置的刀具指令，從刀庫中將所需要的刀具轉(zhuǎn)換到取刀位置，稱為 自動(dòng)選刀。在刀庫中選擇刀具通常采用兩種方式。 1)順序選擇刀具 2)任意選擇刀具 3.10 刀庫的定位與刀具的松夾 刀庫旋轉(zhuǎn)定位是依靠簡易定位裝置來實(shí)現(xiàn)的。其控制過程示意圖如下： 刀庫的定位是由接近開關(guān)使直 流伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，然后由雙向 液壓帶動(dòng)定位銷 6，插入刀座 5 上的 定位孔，實(shí)現(xiàn)精確定位。在刀座 5 的每一個(gè)刀位上都裝有如圖所示的 彈簧、導(dǎo)柱 3、鍵塊 1 和銷 2 所組成 的刀具固定裝置。由此實(shí)現(xiàn)刀具在 刀庫上的固定鎖緊。圖中所示為刀 具卡在刀座上的狀況。當(dāng)液壓缸 4 通油后，將導(dǎo)柱 3 拉出，使銷 2 退 出，此時(shí)刀具在刀座上處于自由狀 態(tài)，控制刀具固定裝置的液壓缸 4 有兩個(gè)，一個(gè)和定位銷在一起，自 動(dòng)換刀時(shí)用，另一個(gè)在靠近立柱方 向，用于刀庫手動(dòng)裝卸刀。 刀庫定位示意圖 發(fā)出選刀 信號(hào) 牙嵌離合器 脫離嚙合 從動(dòng)軸慣性 慢轉(zhuǎn) 刀庫定位停 止 定位完畢發(fā) 出信號(hào) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第四章 刀具交換裝置的設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置中,實(shí)現(xiàn)刀庫與機(jī)床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝 置稱為刀具交換裝置。刀具的交換方式通常分為兩種: 一種是采用機(jī)械手交換 刀具, 另一種是由刀庫與機(jī)床主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)刀具交換即無機(jī)械手交換 刀具。無機(jī)械手交換刀具方式：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，換刀的可靠性較高；刀庫 因結(jié)構(gòu)所限容量不多。這種換刀系統(tǒng)多為中、小型加工中心采用。刀具的交換 方式及它們的具體結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)床的工作效率和工作可靠性有直接的影響。由螺栓 數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)特性決定難以實(shí)現(xiàn)由刀庫與機(jī)床主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)刀具交 換，故采用機(jī)械手交換刀具的方式。 機(jī)械手是當(dāng)主軸上的刀具完成一個(gè)工步后，把這一工步的刀具送回刀庫， 并把下一道工步的所需要的刀具從刀庫中取出并裝入主軸繼續(xù)進(jìn)行加工的功能 部件。對(duì)機(jī)械手的具體要求是迅速可靠，準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。 4.1 確定換刀機(jī)械手形式 在自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床中，換刀機(jī)械手的形式是多種多樣的，常見的有以下 幾種。 1)兩手呈 180的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手； 圖 4-1 機(jī)械手臂和手爪 1.手爪 2.錐銷 3.手臂 4.5.彈簧 6.活動(dòng)銷 7.長銷 8.鎖緊銷 2)兩手互相垂直的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手 畢業(yè)設(shè)計(jì) 3)兩手平行的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手； 4)雙手交叉式機(jī)械手； 由于不同的數(shù)控機(jī)床（加工中心）的刀庫與主軸的相對(duì)位置不同。所以各 種數(shù)控機(jī)床所使用的換刀機(jī)械手也不盡相同。 上圖是兩手互相垂直的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖。 這種機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是換刀動(dòng)作可靠，換好時(shí)間短，缺點(diǎn)是刀柄精度要求高， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，聯(lián)機(jī)調(diào)整的相關(guān)精度要求高，機(jī)械手離加工區(qū)較近。 一般來說，這種機(jī)械手用于刀庫刀座軸線與機(jī)床主軸軸線垂直，刀庫為徑 向存取刀具形式的自動(dòng)換刀裝置，因此，在 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降銑床的自 動(dòng)換刀裝置中可采用這種機(jī)械手形式。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 4.2 換刀機(jī)械手的工作原理 下面是以在螺栓數(shù)控銑床的自動(dòng)換刀裝置中采用這種上機(jī)械手換刀的工作 原理。 該機(jī)械手安裝在主軸的左側(cè)面，隨同主軸箱一起運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手由機(jī)械手臂 與 45的斜殼體組成。機(jī)械手臂 1 形狀對(duì)稱。固定在回轉(zhuǎn)軸 4 上，回轉(zhuǎn)軸與主 軸成 45角，安裝在殼體 3 上，5 為手臂托，可由液壓缸帶動(dòng)（圖中未標(biāo)出） ， 機(jī)械手有伸縮、回轉(zhuǎn)、抓刀、松刀等動(dòng)作。 伸縮動(dòng)作：液壓缸（圖中未標(biāo)出）帶動(dòng)手臂托架 5 沿主軸軸向移動(dòng)。 回轉(zhuǎn)動(dòng)作：液壓缸 2 中的齒條輪通過齒輪帶動(dòng)回轉(zhuǎn)軸 4 轉(zhuǎn)動(dòng)。從而實(shí)現(xiàn)手 臂正向和反向 180的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 抓刀、松刀動(dòng)作：機(jī)械手對(duì)刀具的夾緊和松開是通過液壓缸 6。碟形彈簧 7 及拉桿 8、杠桿 9、活動(dòng)爪 10 來實(shí)現(xiàn)。碟形彈簧實(shí)現(xiàn)夾緊，液壓缸實(shí)現(xiàn)松開。 在活動(dòng)爪中有兩個(gè)銷子 11，當(dāng)夾緊刀具時(shí)，插入刀柄凸緣的孔內(nèi)，確保安全、 可靠。 4.3 機(jī)械手的自動(dòng)換刀過程的動(dòng)作順序 （a） （b） （c） （d） 圖 4-6 換刀機(jī)械手的換刀過程 自動(dòng)換刀裝置的換刀過程由選刀和換刀兩部分組成。 選刀即刀庫按照選刀命令（或信息）自動(dòng)將要用的刀具移動(dòng)到換刀位置， 完成選刀過程，為下面換刀做好準(zhǔn)備，換刀即是機(jī)械手把主軸上用過的刀具取 下，將選好的刀具安裝在主軸之上。 換刀動(dòng)作的大致過程為： 1)主軸箱回到最高處（z 坐標(biāo)零點(diǎn)） ，同時(shí)實(shí)現(xiàn)“主軸準(zhǔn)?！?。即主軸停止 回轉(zhuǎn)并準(zhǔn)確停止在一個(gè)固定不變的角度方位上，保證主軸端面的鍵也在一個(gè)固 定的方位，使刀柄上的鍵槽能恰好對(duì)正端面鍵。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 2)機(jī)械手抓住主軸和刀庫上的刀具。如圖 4-6（a）所示。 3)把卡緊在主軸和發(fā)庫上的刀具松開 4)活塞桿推動(dòng)機(jī)械手下行，從主軸和刀庫上取出刀具 5)機(jī)械手回轉(zhuǎn) 180，交換刀具位置， 6)將更換后的刀具裝入主軸和刀庫 7)分別夾緊主軸和刀庫上的刀具 8)機(jī)械手松開主軸和刀庫上的刀具 9)當(dāng)機(jī)械手松開具后，限位開關(guān)發(fā)出“換刀完畢”的信號(hào)，主軸自由，可 以開始加工或其他程序動(dòng)作。 在自動(dòng)換刀的整個(gè)過程中，各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)均由限位開關(guān)控制，只有前一個(gè)動(dòng)作 完成后，才能進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作，從而保證了運(yùn)動(dòng)的可靠性。 4.4 機(jī)械手回轉(zhuǎn)軸 4 上的齒輪齒條設(shè)計(jì) 1)回轉(zhuǎn)軸上齒輪采用漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪形式 2)取模數(shù) M=1。5。初取齒數(shù) z=30 3)下表為齒輪幾何尺寸設(shè)計(jì)的基本參數(shù)： 名稱 代號(hào) 計(jì)算公式 模數(shù) m 壓力角 20o 分度圓直徑 d D=mz=1.5 30=45 齒頂高 ahah1.5m 齒根高 ff()(02)1.875c 齒全高 h af.3 齒頂圓直徑 adad(z2)().4hm 齒根圓直徑 f fa125c 齒距 p 4.7p 齒厚 s /3s 頂隙 c 0.251.cm 4)齒條的基本尺寸，按外齒輪幾何尺寸的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算 畢業(yè)設(shè)計(jì) 4.5 自動(dòng)換刀裝置的相關(guān)技術(shù)要求 4.5.1 主軸準(zhǔn)停裝置 為了傳遞扭矩，在主軸的前端裝有端鍵，當(dāng)?shù)毒叩侗b入錐孔時(shí)，刀柄上 的鍵槽位置必須與該鍵對(duì)準(zhǔn)才能裝入。當(dāng)機(jī)械手從刀庫取刀時(shí)，為了確保刀具 其后能順利地裝入主軸錐孔中，必須使主軸準(zhǔn)確地停在刀具交換位置上。同時(shí)， 由于工藝上的需要，也必須使主軸準(zhǔn)停在固定位置上。這種使主軸端在定位鍵 停在固定位置的技術(shù)要求稱為主軸準(zhǔn)停。 螺栓數(shù)控銑床的自動(dòng)換刀裝置，在每次自動(dòng)裝卸刀具時(shí)，都必須要求主軸 準(zhǔn)確地停止在固定的周向位置上。因此，可在主軸上安裝電氣控制的主軸準(zhǔn)停 裝置以實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)停功能。 4.5.2 換刀機(jī)械手的安裝與調(diào)試 1)換刀機(jī)械手安裝在主軸箱的左側(cè)面，加工零件時(shí)，換刀機(jī)械手隨主軸箱 一起上下運(yùn)動(dòng)。 2)當(dāng)初裝上換刀機(jī)械手后，必須進(jìn)行調(diào)試：用手動(dòng)操縱主式調(diào)整換刀機(jī)械 手相對(duì)于主軸的位置，使用調(diào)整心棒，有誤差時(shí)可調(diào)整機(jī)械手行程、刀庫位置、 機(jī)械手支座、修正主軸坐標(biāo)原點(diǎn)等。安裝最大重量刀具時(shí)，要進(jìn)行多次刀庫到 主軸位置的自動(dòng)交換，使機(jī)械手換刀時(shí)做到準(zhǔn)確無誤，無撞擊。 4.6 自動(dòng)換刀程序的編制 1)換刀動(dòng)作（指令）：選刀（T） ；換刀（M06） 2)選刀和換刀通常分開進(jìn)行。 3)為提高機(jī)床利用率，選刀動(dòng)作與機(jī)床加工動(dòng)作重合。 4)換刀指令 M06 必須在用新刀具進(jìn)行切削加工的程序段之前，而下一個(gè)選 刀指令 T 常緊跟在這次換刀指令之后。 5)換刀點(diǎn)：多數(shù)加工中心規(guī)定在機(jī)床 Z 軸零點(diǎn)（Z 0） ，要求在換刀前用準(zhǔn)備 功能指令（G28）使主軸自動(dòng)返回 Z0點(diǎn)。 6)換刀過程:接到 T指令后立即自動(dòng)選刀，并使選中的刀具處于換刀位 置，接到 M06 指令后機(jī)械手動(dòng)作，一方面將主軸上的刀具取下送回刀庫，另一 方面又將換刀位置的刀具取出裝到主軸上，實(shí)現(xiàn)換刀。 7)換刀程序編制方法 a)主軸返回參考點(diǎn)和刀庫選刀同時(shí)進(jìn)行，選好刀具后進(jìn)行換刀。 N02 G28 Z0 T02 Z 軸回零，選 T02 號(hào)刀； N03 M06 換上 T02 號(hào)刀 畢業(yè)設(shè)計(jì) 缺點(diǎn)：選刀時(shí)間大于回零時(shí)間時(shí)，需要占機(jī)選刀。 b)在 Z 軸回零換刀前就選好刀 N10 G01 X_ Y_ Z_ F_ T02 直線插補(bǔ)，選 T02 號(hào)刀 N11 G28 Z0 M06 Z 軸回零，換 T02 號(hào)刀 N20 G01 Z_ F_ T03 直線插補(bǔ)，選 T03 號(hào)刀 N30 G02 X_ Y_ I_ J_ F_ 順圓弧插補(bǔ) c)有的加工中心（TH5632）換刀程序與上略不同 N10 G01 X_ Y_ Z_ F_ T02 直線插補(bǔ)，選 T02 號(hào)刀 N30 G28 Z0 T03 M06 Z 軸回零，換 T02 號(hào)刀，選 T03 號(hào)刀 N40 G00 Z1 N50 G02 X_ Y_ I_ J_ F_ 圓弧插補(bǔ) 注：對(duì)臥式加工中心，上面程序的 G28 Z0 應(yīng)為 G28 Y0 。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第五章 自動(dòng)換刀裝置的控制原理 5.1 自動(dòng)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(hào)碼（如 YV1、YV2、YV3） ， 便于用戶進(jìn)行檢測(cè)與維修。 5.2 自動(dòng)換刀裝置換刀動(dòng)作的順序控制過程 在自動(dòng)換刀裝置的整個(gè)換刀過程中，換刀動(dòng)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(gè)互相聯(lián)系 的系統(tǒng)。 1)刀庫控制部分 2)機(jī)械手控制部份 3)主軸箱控制部分 畢業(yè)設(shè)計(jì) 參考文獻(xiàn) 1 吳宗澤,羅圣國.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)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(cè)量第四版M.北京:中 國計(jì)量出版社,2000. 3陳錦昌,劉就女,劉林.計(jì)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(jì)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(fèi)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林東.數(shù)控技術(shù)M.北京:北京理工大學(xué)出版社,1995. 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(dòng)與氣壓傳動(dòng)第二版M.湖北:華中科技大學(xué)出 版社,2000. 11毛謙德,李振清.袖珍機(jī)械機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)第二版M.北京:機(jī)械工業(yè)出 版社,2001. 12朱龍根.簡明機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000. 13王可.實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)M.遼寧: 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,1999. 畢業(yè)設(shè)計(jì) 附 錄 編程舉例: 實(shí)例 1、加工如圖所示各孔，工件材料為 HT300，使用刀具為鏜孔刀，T02 為 13 鉆頭，T03 為锪鉆。 程序如下： T01; M06; G90 G00 G54 X0 Y0 T02; G43 H01 Z20. M03 S500 F30; G98 G85 X0 Y0 R3. Z-45.; G80 G28 G49 Z0. M06; G00 X-60. Y50. T03; G43 H02 Z10. M03 S600; G98 G73 X-60. Y0 R-15. Z-48. Q4. F40; 畢業(yè)設(shè)計(jì) X60.; G80 G28 G49 Z0. M06; G00 X-60. Y0.; G43 H03 Z10. M03 S350; G98 G82 X-60. Y0 R-15. Z-30. P100 F25; X60.; G80 G28 G49 Z0. M05; G91 G28 X0 Y0 M30; 實(shí)例 2、加工如圖所示零件上的通槽和 4 個(gè) M8 的螺紋孔，其加工過程見表。 工步號(hào) 工步名稱 工具號(hào) 工具名稱及規(guī)格 刀補(bǔ)號(hào) 半徑補(bǔ)償 1 周銑槽 T01 6 立銑刀 H01 D30=3mm 2 鉆螺紋底孔 T02 6.7 鉆頭 H02 3 攻螺紋 T03 M8 絲錐 H03 程序如下： 6001 N001 G92 X0 Y0 Z0; N002 M02 S280; N003 G43 Z30 T01 H01 M07 N004 Z3; 畢業(yè)設(shè)計(jì) N005 G01 Z-5 F50; N006 M98 P0111; N008 M98 P0111; N009 G00 Z30 M09; N010 M05; N011 G90 G00 X-80 Y-40 S800 T03 M03; N012 G43 Z30 T02 H02 M07; N013 G99 G81 R3 Z-12 F80; N014 G91 X160;