數(shù)控立式升降臺(tái)銑床斗笠式自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)

1、中文摘要.1 英文摘要.2 1 緒 論.3 1.1 數(shù)控機(jī)床概述 .3 1.1.1 數(shù)控機(jī)床的概念.3 1.1.2 數(shù)控機(jī)床的組成.3 1.1.3 數(shù)控機(jī)床的工作原理.3 1.1.4 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn).3 1.1.5 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展.3 1.2 數(shù)控銑床分類 .4 1.2.1 數(shù)控立式銑床.4 1.2.2 數(shù)控臥式銑床.4 1.2.3 萬能數(shù)控銑床.4 1.2.4 龍門式數(shù)控銑床.4 1.3 數(shù)控銑床的功能及加工對(duì)象 .5 1.4 加工中心知識(shí) .5 1.5 自動(dòng)換刀裝置與刀庫 .6 1.5.1 自動(dòng)換刀裝置.6 1.5.2 刀庫類型.7 1.6 本章小結(jié) .9 2 總體方案.9 2.1 數(shù)控立

2、式升降臺(tái)銑床的組成及主要技術(shù)參數(shù) .9 2.2 可能的方案比較及最終選擇方案 .10 2.3 斗笠式刀庫結(jié)構(gòu)組成及工作原理 .12 2.5 本章小結(jié) .13 3 斗笠式刀庫設(shè)計(jì).13 3.1 刀庫容量的確定 .13 3.2 氣缸設(shè)計(jì)和選擇 .14 3.2.1 氣缸的選擇要點(diǎn).14 3.2.2 氣缸初選.15 3.2.3 驅(qū)動(dòng)力校核.15 3.2.4 活塞桿穩(wěn)定性校核.16 3.2.5 缸筒壁厚計(jì)算.17 3.2.6 耗氣量及刀庫橫移運(yùn)動(dòng)時(shí)間的計(jì)算.17 3.3 刀庫驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的估算 .18 3.3.1 刀庫分度機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)及計(jì)算.18 3.3.2 旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算.20 3.3.3 刀庫驅(qū)

3、動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算.20 3.4 減速電動(dòng)機(jī)的選擇 .20 3.5 刀庫驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的校核 .21 3.6 換刀過程總時(shí)間的計(jì)算與校核 .21 3.7 刀具的選擇方式 .22 3.8 刀具交換裝置的選擇 .23 3.9 電氣元件的選擇 .26 3.8.1 氣缸磁環(huán)開關(guān).26 3.8.2 馬達(dá)定位感應(yīng)開關(guān).26 3.8.3 刀號(hào)計(jì)數(shù)器開關(guān).26 3.10 本章小結(jié) .26 4 重要零部件的設(shè)計(jì).27 4.1 聯(lián)軸器 .27 4.1.1 聯(lián)軸器的選擇.27 4.1.2 聯(lián)軸器校核.27 4.2 刀夾 .27 4.2.1 刀夾作用.27 4.2.2 刀夾工作原理.28 4.3 本章小結(jié) .29 結(jié)論.29 致謝

4、.30 參考文獻(xiàn).32 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床斗笠式自動(dòng)換刀裝置 設(shè)計(jì) 摘要：本文介紹的是數(shù)控立式升降臺(tái)銑床斗笠式自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)。斗笠式 刀庫的自動(dòng)換刀裝置主要由刀庫橫移裝置和刀庫分度裝置組成。其自動(dòng) 換刀的形式為無機(jī)械手換刀，換刀過程中刀盤需要橫向移動(dòng)到合適的位 置使機(jī)床主軸便于與刀庫交換刀具。刀庫的選刀方式為任意選刀，換刀 過程中，刀盤需要轉(zhuǎn)動(dòng)從而進(jìn)行選刀，這就需要刀庫分度裝置對(duì)裝有刀 具的刀盤進(jìn)行分度，并且利用接觸傳感器對(duì)刀具進(jìn)行計(jì)數(shù)，并把所得的 電信號(hào)傳遞給數(shù)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)刀具的快速準(zhǔn)確選擇。在本設(shè)計(jì)中， 刀庫橫移裝置的設(shè)計(jì)利用的是氣壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)刀庫的橫移運(yùn)動(dòng)；而 刀庫分度裝置的

5、設(shè)計(jì)利用的是槽輪機(jī)構(gòu)對(duì)刀盤進(jìn)行分度。 關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；自動(dòng)換刀裝置；刀庫；橫移裝置；分度裝置 Abstract : This thesis introduction is the design of the bamboo hat ATC(Automatic tool changer ) which belongs to the number control the sign type working panel lifter miller.The bamboo hat ATC is made up of the horizontal moving device and dividing de

6、vice.The type of changing tools is without manipulator,so in the tool changing process,the cutter disk should be moved horizontally to the appropriate position to exchange tools with machine tool spindle.The type of selecting tools is randomly selecting,so in the tool changing process, the cutter di

7、sk should be rotated to the required tool position.As a result, the ATC dividing device is needed to divide the cutter disk and a touch sensor is needed to calculate tools,then the obtained electric signal is passed to the NC system and thus the accurately selecting tools can come true.In the whole

8、design,the pneumatic transmission organization is used to achieve the aim of moving tool storage magazine horizontally in design of the horizontal moving device and the trough wheel machanism is used to rotate and divide the cutter disk. Keywords : CNC machine ; Automatic tool changer ; tool storage

9、 magazine ; the horizontal moving device ; the dividing device . 1 緒 論 1.1 數(shù)控機(jī)床概述 1.1.1 數(shù)控機(jī)床的概念 數(shù)字控制是利用數(shù)字化信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)以及加工過程進(jìn)行控制的一種方法， 簡(jiǎn)稱數(shù)控（Numerical Control，NC） 。數(shù)控機(jī)床是指采用了數(shù)控技術(shù)進(jìn)行控制的 機(jī)床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床，也稱作為 NC 機(jī)床。由于現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng) 是通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的，因此，數(shù)控機(jī)床又稱為 CNC 機(jī)床。 1.1.2 數(shù)控機(jī)床的組成 數(shù)控機(jī)床主要由數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、程序載體、輸入輸出裝置、強(qiáng)電控 制裝置、輔助裝

10、置和機(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。 1.1.3 數(shù)控機(jī)床的工作原理 數(shù)控機(jī)床在加工工藝與表面成形方法上與普通機(jī)床基本相同，在實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 控制的原理和方法上有很大的區(qū)別。數(shù)控機(jī)床是利用數(shù)字化信息來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控 制的。先將與加工零件有關(guān)的信息，即工件與刀具相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的尺寸參數(shù)、 切削用量以及各種輔助操作等的加工信息，用規(guī)定的文字、數(shù)字和符號(hào)組成代 碼，按一定的格式編寫成加工程序，然后將加工程序輸入數(shù)控裝置。經(jīng)過數(shù)控 裝置的處理、運(yùn)算，按坐標(biāo)軸的移動(dòng)分量送到各軸的驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)轉(zhuǎn)換放大， 用于伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)各軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并

11、進(jìn)行反饋控制，使刀具、工件以及 其他輔助裝置嚴(yán)格按照程序規(guī)定的順序、軌跡和參數(shù)有條不紊的動(dòng)作，從而加 工出所需的零件。 1.1.4 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) 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。 1.1.5 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 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。 未來數(shù)控機(jī)床的類型將更加多

12、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。 1.2 數(shù)控銑床分類 1.2.1 數(shù)控立式銑床 這類銑床一般用于加工盤、套、板類零件，工件一次裝夾后，可對(duì)其表面 上進(jìn)行銑、鉆、擴(kuò)、锪、攻螺紋等以及側(cè)面的輪廓加工。因此，這類銑床是數(shù) 控銑床中數(shù)量最多的一種，應(yīng)用范圍也最為廣泛。從機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制的坐標(biāo) 數(shù)量來看，目前三坐標(biāo)數(shù)控立式銑床仍占大多數(shù)。一般可進(jìn)行三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工， 但也有部分機(jī)床只能進(jìn)行三坐標(biāo)中的任意二

13、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)的四坐標(biāo)和五 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。 1.2.2 數(shù)控臥式銑床 這類數(shù)控銑床一般都帶有回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，工件一次裝夾后可完成除安裝面和 頂面以外的其余四個(gè)面的各種工序加工，適宜于箱體類零件加工。與通用臥式 銑床相同，其主軸平行于水平面。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)

14、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)Ｓ媒嵌瘸尚豌姷丁?1.2.3 萬能數(shù)控銑床 這類銑床主軸可以旋轉(zhuǎn) 90 或回轉(zhuǎn)工作臺(tái)帶著工件旋轉(zhuǎn) 90，一次裝夾后， 可以完成對(duì)工件五個(gè)表面的加工。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。 1.2.4 龍門式數(shù)控銑床 這類數(shù)控銑床主軸可以在龍門架的橫向和豎直方向溜板上運(yùn)動(dòng)，而龍門架 則沿床身作縱向運(yùn)動(dòng)。嚴(yán)格說來

15、，這類數(shù)控銑床屬于立式數(shù)控銑床，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，所以往往采用龍門架移動(dòng)式， 故而這類數(shù)控銑床被稱之為龍門數(shù)控銑床。主要用于大型零件的加工。 1.3 數(shù)控銑床的功能及加工對(duì)象 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(zhǎng)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

16、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 加工中心知識(shí) 加工中心（CNC MACHINING CENTER）又稱多工序自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床， 是當(dāng)今世界上產(chǎn)量最大，在現(xiàn)代制造業(yè)中最廣泛應(yīng)用的一種功能較全的金屬切 削加工設(shè)備。 加工中心綜合了現(xiàn)代控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、精密測(cè)量技術(shù)以及機(jī)床 設(shè)計(jì)與制造等方面的最新成就，具有較高的科技含量。與普通機(jī)床相比，它簡(jiǎn) 化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了數(shù)字控制化功能，成為眾多數(shù)控加工設(shè)備的典型。 加工中心的突出特征是設(shè)置有刀庫，刀庫中存放著各種刀具或檢具，在加 工過程中由程序自動(dòng)選用和更換，這是它與數(shù)

17、控銑床、數(shù)控鏜床的主要區(qū)別。 1.5 自動(dòng)換刀裝置與刀庫 1.5.1 自動(dòng)換刀裝置 在零件制造過程中，大量的時(shí)間用于更換刀具，切削加工時(shí)間僅占整個(gè)工 時(shí)中較小的比例。為了縮短非切削時(shí)間，提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，機(jī)床正朝著 一臺(tái)機(jī)床在一次裝夾中完成多工序的方向發(fā)展。在這類多工序的數(shù)控機(jī)床中， 必須帶有自動(dòng)換刀裝置。自動(dòng)換刀裝置的功能就是儲(chǔ)備一定數(shù)量的刀具并完成 刀具的自動(dòng)交換。它應(yīng)當(dāng)滿足換刀時(shí)間短、刀具重復(fù)定位精度高、刀具儲(chǔ)存量 足夠、結(jié)構(gòu)緊湊及安全可靠等要求。 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

18、形式 數(shù)控車床使用的回轉(zhuǎn)刀架是一種簡(jiǎn)單的自動(dòng)換刀裝置。根據(jù)不同加工對(duì)象， 可以設(shè)計(jì)成四方和六角刀架或其他等多種形式。回轉(zhuǎn)刀架上分別安裝著四把、 六把或更多的刀具，并按數(shù)控裝置的指令轉(zhuǎn)位換刀?；剞D(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須有 良好的強(qiáng)度和剛性，以及合理的定位結(jié)構(gòu)，以保證回轉(zhuǎn)刀架在每一次轉(zhuǎn)位之后 具有盡可能高的重復(fù)定位精度。 （2)更換主軸頭換刀形式 在帶有旋轉(zhuǎn)刀具的數(shù)控機(jī)床中，更換主軸頭換刀是一種簡(jiǎn)單的換刀方式。 主軸頭通有臥式和立式兩種，而且常用轉(zhuǎn)塔的轉(zhuǎn)位來更換主軸頭以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換 刀。各個(gè)主軸頭上預(yù)先裝有各工序加工所需要的旋轉(zhuǎn)刀具，當(dāng)收到換刀指令時(shí)， 各主軸頭依次地轉(zhuǎn)到加工位置，并接通主運(yùn)動(dòng)使相應(yīng)的主軸

19、帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，而 其他處于不加工位置上的主軸都與主運(yùn)動(dòng)脫開。 （3)帶刀庫的自動(dòng)換刀形式 帶刀庫的自動(dòng)換刀形式主要是由刀庫和刀具交換裝置組成。目前這種換刀 方法在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用最為廣泛。帶刀庫的自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床主軸箱 和轉(zhuǎn)塔主軸頭相比較，由于主軸箱內(nèi)只有一個(gè)主軸，所以主軸部件具有足夠剛 度，因而能夠滿足各種精密加工的要求。另外，刀庫可以存放數(shù)量較多的刀具， 可進(jìn)行復(fù)雜零件的多工序加工，可明顯提高數(shù)控機(jī)床的適應(yīng)性和加工效率。 1.5.2 刀庫類型 根據(jù)刀庫的容量和存取刀具的方式，刀庫可設(shè)計(jì)成多種形式。目前常見的 刀庫類型如下： （1）盤式刀庫 圖 1.1 盤式刀庫 此刀庫結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用較

20、多。如圖 1.1 所示，由于刀庫呈環(huán)形排列，空間 利用率低，因此出現(xiàn)了刀具在盤中進(jìn)行雙環(huán)和多環(huán)排列，以增加空間的利用率 的設(shè)計(jì)。但這樣一來，刀庫的外徑較大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也很大，選刀時(shí)間也較長(zhǎng)。 因此，盤式刀庫一般適用于刀具容量較小的刀庫。 （2）鏈?zhǔn)降稁?如圖 1.2 所示，此鐘刀庫結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫容量較大，鏈環(huán)的形狀可根據(jù)機(jī) 床的布局制成各種形狀，也可將換刀位突出以便于換刀，能充分利用機(jī)床的占 地空間，通常為軸向取刀，位置精度較低，造價(jià)也較高。 圖 1.2 鏈?zhǔn)降稁?（3）格子箱式刀庫 圖 1.3 格子箱刀庫 如圖 1.3 所示，該種刀庫結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫空間利用率高，換刀時(shí)間較長(zhǎng)。 布局不靈活，通常

21、刀庫安裝在工作臺(tái)上，應(yīng)用者較少。 1.6 本章小結(jié) 本章主要介紹了數(shù)控機(jī)床的概念、組成，工作原理、特點(diǎn)、發(fā)展，數(shù)控銑 床的分類并把立式升降臺(tái)銑床的組成、主要技術(shù)參數(shù)一一列舉，最后稍微介紹 了一些加工中心和自動(dòng)換刀裝置方面的知識(shí)。通過對(duì)這些知識(shí)的介紹，可以對(duì) 數(shù)控這一領(lǐng)域作一個(gè)整體的把握，并加深了對(duì)這方面知識(shí)的更深一步的理解。 2 總體方案 2.1 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床的組成及主要技術(shù)參數(shù) 下圖為數(shù)控立式升降臺(tái)銑床外觀圖： 圖 2.1 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床外觀圖 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床主要由機(jī)床床身、機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)、操縱面板、橫向溜 板、升降臺(tái)、縱向進(jìn)給伺服電機(jī)、橫向進(jìn)給伺服電機(jī)、垂直升降進(jìn)給伺服電機(jī)、

22、強(qiáng)電裝置、變壓器箱、主軸變速手柄、按鈕板等零部件組成。 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床的主要技術(shù)參數(shù)有：（1)工作臺(tái)參數(shù)：工作臺(tái)尺寸、 工作臺(tái)最大縱向行程、工作臺(tái)最大橫向行程、工作臺(tái)最大垂直行程、工作臺(tái) T 形槽數(shù)、工作臺(tái) T 形槽寬、工作臺(tái) T 形槽間距；（2）進(jìn)給速度：縱向進(jìn)給速度、 橫向進(jìn)給速度、垂直進(jìn)給速度；（3）主軸：主軸孔直徑、主軸錐孔、主軸轉(zhuǎn)速 范圍、主軸轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)；（4）進(jìn)給精度：X 軸、Y 軸、Z 軸最小設(shè)定單位、位置 檢測(cè)方式；（5）驅(qū)動(dòng)電機(jī)：主軸電動(dòng)機(jī)功率、X 軸、Y 軸、Z 軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩； （6）一般規(guī)格：外形尺寸。 2.2 可能的方案比較及最終選擇方案 本文是關(guān)于立式升降臺(tái)斗笠式自

23、動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)，其主要由刀庫橫移裝 置和刀庫分度裝置組成。因此，本設(shè)計(jì)基本上就是對(duì)這兩個(gè)裝置的設(shè)計(jì)。 刀庫的橫移裝置，是在進(jìn)行換刀的整個(gè)過程中，刀庫從遠(yuǎn)離主軸的位置直 線移動(dòng)到主軸軸線位置，以實(shí)現(xiàn)換刀。斗笠式刀庫橫移裝置，由兩根圓柱導(dǎo)軌 （滑桿）支撐，每根圓柱導(dǎo)軌由兩個(gè)支架固定在連接板上，連接板固定在機(jī)床 立柱上，實(shí)現(xiàn)刀庫與機(jī)床立柱的連接。整個(gè)刀庫可以在兩根圓柱導(dǎo)軌上滑動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)刀庫前后運(yùn)動(dòng)，以完成抓刀和返回動(dòng)作。 刀庫橫移裝置主要有兩種可能的方案： 一種是將電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)地轉(zhuǎn)化為可控的直線運(yùn)動(dòng)，使刀庫沿著導(dǎo)軌軸 作橫向往復(fù)移動(dòng)。這一運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換是通過一種正弦機(jī)構(gòu)來完成的。在這一機(jī)構(gòu)中， 刀庫

24、與撥桿固定連接，撥桿可移動(dòng)的安裝在導(dǎo)軌軸上；電動(dòng)機(jī)與滑塊固定連接， 滑塊在撥桿中可以移動(dòng)；這樣就可以把電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為刀庫的橫向移動(dòng)。 這種方案需要使用電機(jī)，電機(jī)的安裝可能占用的空間比較大，對(duì)于減小刀庫尺 寸、重量、成本不利。另外由于使用了較為復(fù)雜的機(jī)械機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)過程中可能 損失的功率比較多，而且對(duì)于零部件的的定位安裝要求較高。 另一種是利用氣壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。氣缸類型為雙作用氣缸，氣壓缸固定安裝在 刀庫介面支架上，活塞桿則與刀庫固定連接。通過氣源的供給，可以使刀庫沿 著導(dǎo)軌軸作往復(fù)橫向移動(dòng)。這種方案比較直接，而且氣缸所占用的空間要比使 用電機(jī)要小許多，而且通過磁環(huán)開關(guān)的控制，能夠較為精準(zhǔn)地控制刀

25、庫的橫向 移動(dòng)。 因此，第二種方案更為合適。 刀庫分度裝置也有兩種可能的方案： 一種是通過蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。其工作原理如下：刀盤與蝸輪同軸固定 連接，電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器與蝸桿固定連接，這樣就可以通過蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的傳 動(dòng)來實(shí)現(xiàn)刀盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成選刀工作。這種機(jī)構(gòu)可以較好的實(shí)現(xiàn)選到工作， 蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)可以將電動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化成刀盤的低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。但是，這 種機(jī)構(gòu)所占用的空間較大，一般用在臥式數(shù)控機(jī)床上更為合適。而且傳動(dòng)經(jīng)過 蝸輪蝸桿，效率比較低。由于本文設(shè)計(jì)的是立式斗笠式刀庫，所以對(duì)尺寸及占 用空間都有較高的要求，所以可能這一方案在此處不合適。 另一種是通過經(jīng)典的槽輪機(jī)構(gòu)（即馬氏機(jī)構(gòu)）來實(shí)現(xiàn)的

26、的。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、外形尺寸小、機(jī)械效率高，以及能較平穩(wěn)地、間歇地進(jìn)行轉(zhuǎn)位等優(yōu)點(diǎn)。電 機(jī)通過聯(lián)軸器與定位法蘭連接，定位法蘭上安裝有可旋轉(zhuǎn)的滾子，通過定位法 蘭的旋轉(zhuǎn)使圓柱滾子間歇地進(jìn)入固定連接在刀盤上分度盤，從而帶動(dòng)分度盤的 轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀盤上刀具的選擇。 因此，選擇第二種方案更為合適。 綜上所述，本文設(shè)計(jì)的斗笠式自動(dòng)換刀裝置其刀庫橫移裝置采用氣壓傳動(dòng)， 而刀庫分度裝置則采用槽輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。 最終設(shè)計(jì)最優(yōu)方案如下效果圖： 圖2.2 三 維效 果圖 2.3 斗笠 式刀 庫結(jié) 構(gòu)組 成及 工作 原理 圖 2.3 斗笠刀庫總體結(jié)構(gòu)示意圖 刀庫橫移裝置的設(shè)計(jì)： 刀庫刀盤的橫向移動(dòng)是使用氣壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來

27、實(shí)現(xiàn)的。如圖 2.2 所示，機(jī)床箱 體上安裝有兩個(gè)平行的導(dǎo)桿 9。刀庫刀盤安裝在刀盤基座 10 上，刀盤基座 10 安裝在這兩個(gè)導(dǎo)桿 9 上并可以沿著導(dǎo)桿 9 作橫向移動(dòng)。同時(shí)，氣缸 7 固定安裝 在機(jī)床箱體上，刀盤基座 10 與氣缸 7 中的柱塞 8 固定連接。通過柱塞 8 的橫向 移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)刀盤基座 10 的橫向移動(dòng)，從而帶動(dòng)刀盤在初始位置和換刀位置之間 的切換運(yùn)動(dòng)。氣缸 7 上裝有兩個(gè)磁環(huán)開關(guān)，當(dāng)左端磁環(huán)開關(guān)亮?xí)r，氣缸處于原 始狀態(tài)；當(dāng)右端磁環(huán)開關(guān)亮?xí)r，氣缸處于推出信號(hào)狀態(tài)，這時(shí)柱塞會(huì)右移，刀 盤會(huì)移動(dòng)到換刀位置。 刀庫分度裝置的設(shè)計(jì)： 本文設(shè)計(jì)的斗笠式刀庫的分度裝置，如圖 2.2 所示

28、，由電機(jī) 6、連接軸 5、 法蘭盤 3，刀庫鼓輪 1、分度盤 4、圓柱滾子 2 等零部件組成，分度裝置的電機(jī) 連接軸 5 的軸線與分度盤 4、刀庫鼓輪 1 的回轉(zhuǎn)軸線平行。刀庫選刀時(shí)，首先 由刀庫回轉(zhuǎn)電機(jī)得到旋轉(zhuǎn)指令，連接軸 5 通過軸套帶動(dòng)法蘭盤 3 旋轉(zhuǎn)，從而使 在法蘭盤 3 上的圓柱滾子 2 繞法蘭中心轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)圓柱滾子 2 轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，進(jìn) 入分度盤 4 的分度槽中，撥動(dòng)分度盤 4 開始作轉(zhuǎn)位運(yùn)動(dòng)；當(dāng)分度盤 4 轉(zhuǎn)過一定 的角度后，圓柱滾子 2 從分度槽中脫出，刀庫鼓輪 1（分度盤通過螺釘與刀庫 鼓輪連在一起轉(zhuǎn)動(dòng)）即靜止不動(dòng)。 法蘭盤 3 每回轉(zhuǎn)一圈，就驅(qū)動(dòng)分度盤 4 轉(zhuǎn)過一個(gè)槽。電機(jī)是

29、連續(xù)勻速運(yùn)動(dòng) 的，從而帶動(dòng)法蘭盤 3 與圓柱滾子 2 連續(xù)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。但圓柱滾子 2 是間斷性的 轉(zhuǎn)入分度槽的，從而使刀庫輪轂得到周期性間歇運(yùn)動(dòng)，起到了刀庫的分度作用。 分度盤 4 與刀庫鼓輪 1 同軸，分度盤 4 的分度槽數(shù)與刀庫鼓輪 1 上的刀數(shù)一致。 法蘭盤 3 不斷回轉(zhuǎn)，分度盤 4 就不停地進(jìn)行分度，刀庫鼓輪 1 就不斷重復(fù)上述 的運(yùn)動(dòng)循環(huán)，從而將下一個(gè)工序所需刀具的刀位轉(zhuǎn)到換刀位置上，以便讓主軸 進(jìn)行換刀，實(shí)現(xiàn)刀庫的自動(dòng)換刀。 2.4 斗笠式刀庫主要技術(shù)參數(shù) 斗笠式刀庫技術(shù)參數(shù)表 主軸鼻端 BT40 刀庫規(guī)格斗笠 BT40-T20 刀具容量 20 馬達(dá)規(guī)格 M6IK200-A 刀具換刀

30、時(shí)間 8Sec 氣缸規(guī)格63290 行程 氣壓管線 8 氣動(dòng)壓力 0.50.6Mpa 刀具最大長(zhǎng)度 250mm 刀具最大重量 8Kg 刀具最大外徑90mm（滿刀狀態(tài));150（臨空刀狀態(tài)) 2.5 本章小結(jié) 本章介紹了幾種可能的斗笠刀庫自動(dòng)換刀裝置的方案，通過分析比較， 確定出最終可能最合適的總體方案。而斗笠式刀庫主要技術(shù)參數(shù)表則是規(guī)定 了所要設(shè)計(jì)刀庫的基本要求。 3 斗笠式刀庫設(shè)計(jì) 3.1 刀庫容量的確定 在確定刀庫容量時(shí)，要進(jìn)行大量的分析調(diào)查，同時(shí)要考慮工藝需要及使用 場(chǎng)合。一般來說，需要承擔(dān)多個(gè)工件的切削任務(wù)時(shí)，需要配備的刀庫容量較大。 換句話來說，配備的刀具愈多，機(jī)床能加工工件的比率也

31、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。 圖 3.1 刀具數(shù)量統(tǒng)計(jì)圖 刀庫的刀具并不是越多越好，太大的容量會(huì)增和占地面積和刀庫的尺寸， 使選刀時(shí)間增長(zhǎng)；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， 4 4 以縮短每次裝刀所需的裝調(diào)時(shí)間。對(duì)圖 3-1 進(jìn)行分析可知，5 把刀可完成加工 工件的 95左右的銑削工藝，15 把孔加工刀具可完成 80的鉆削工藝， 20 把 刀的容量就可完成 90以上工件的鉆銑工藝。本文設(shè)計(jì)的刀庫如需能達(dá)到加工 90以上的工件要求，那刀庫就需要有

32、 20 把刀具的容量，故可將本刀庫的容量 設(shè)定為 20。 3.2 氣缸設(shè)計(jì)和選擇 3.2.1 氣缸的選擇要點(diǎn) (1) 安裝形式的選擇 安裝形式由安裝位置和使用目的等因素決定。在一 般場(chǎng)合，多用固定安裝方式：軸向支座前法蘭、后法蘭等；在要求活塞往復(fù)移 動(dòng)又要求缸體作較大幅度擺動(dòng)時(shí)，可選用尾部耳軸和中間軸銷等安裝方式；如 需在回轉(zhuǎn)中輸出直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可采用回轉(zhuǎn)氣缸。本設(shè)計(jì)采用軸向支座前法蘭 的安裝形式。 （2）輸出力大小 根據(jù)工件機(jī)構(gòu)所需力的大小，考慮氣缸載荷率確定活塞 桿上的推力與壓力，從而確定氣缸內(nèi)徑。氣缸由于其工作壓力較小 （0.50.6Mpa） ，一般在 10000N 以內(nèi)，輸出力過大其體

33、積會(huì)太大，因此在氣 動(dòng)設(shè)備上，應(yīng)盡量采用擴(kuò)力機(jī)構(gòu)，以減小氣缸尺寸。 （3）氣缸行程 氣缸行程與其適用場(chǎng)合及工作機(jī)構(gòu)的行程有關(guān)。多數(shù)情況 下不應(yīng)使用滿行程，要在計(jì)算行程基礎(chǔ)上追加 1020mm，以避免活塞與氣缸碰 撞。本設(shè)計(jì)的氣缸行程設(shè)定為 290mm。 （4）氣缸的運(yùn)動(dòng)速度 氣缸的運(yùn)動(dòng)速度主要由所驅(qū)動(dòng)的工件機(jī)構(gòu)的需要來 決定。要求速度緩慢平穩(wěn)時(shí)，宜采用氣液阻尼缸或采用節(jié)流調(diào)速。本設(shè)計(jì)因?yàn)?是水平安裝推力載荷，所以采用排氣節(jié)流。 3.2.2 氣缸初選 初選氣缸類型為 10A-5 系列氣缸，氣缸內(nèi)徑 D= 63 ，活塞桿直徑 d= 25 ，氣缸行程 L=290，氣源氣壓 p=0.5Mpa，工作頻率

34、較高，載荷率 取 0.3。 3.2.3 驅(qū)動(dòng)力校核 向左推力 P = d2p 4 4 2 fA aL1 1 mK （） /IA =6320.50.3N = 467N 向右拉力 Q =（D2-d2）p =（632-252）0.50.3N = 394N 估計(jì)刀庫總重量 M=70Kg，則橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)所需的驅(qū)動(dòng)力 F =Mg =0.17010N =70N 其中， 是導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取 0.1；g 是重力加速度，取 10NKg。 PF 且 QF，所以驅(qū)動(dòng)力方面滿足設(shè)計(jì)要求 3.2.4 活塞桿穩(wěn)定性校核 活塞桿穩(wěn)定性條件：PFkn 其中，F(xiàn)k為氣缸的縱向彎曲極限力，n 為壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，n 取 4 當(dāng)細(xì)長(zhǎng)

35、比 L1K85 m 時(shí)， Fk = m2EIL12 ； 當(dāng)細(xì)長(zhǎng)比 L1K85 m 時(shí)， Fk = 其中， L1為活塞桿的計(jì)算長(zhǎng)度，L1=443； E 為活塞桿材料的彈性模量，取 2.11011Pa； K 為活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑， 實(shí)心桿 K= = d4 =2 54 = 6.25, 其中，I 為活塞桿斷面慣性矩，實(shí)心桿 I=d464； 2 fA aL1 1 mK （） fAn -1K Pa （） DPt 2 60 0.75 2 100 A 為活塞桿截面積，A=d24； m 為系數(shù)，查氣壓傳動(dòng)手冊(cè)表 24.2-6，因?yàn)檫B接方式是固定-固定連 接，所以 m=1； f 為材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值，對(duì)于鋼取 49

36、107Pa； a 為系數(shù)，a 取 15000； 因?yàn)?L1K= 443425=7185，所以 Fk = = 1.2105 N Fk n = 3104N P=467； 當(dāng)極限力 Fk Tn： L = = 20m ； 故活塞桿的穩(wěn)壁筒性滿足條件。 3.2.5 缸筒壁厚計(jì)算 缸筒直接承受壓力，需要有一定厚度。由于一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比 D110，所以通常按薄壁筒公式計(jì)算 = = = 0.24 其中，Pt為氣缸實(shí)驗(yàn)壓力，一般為 1.5p，即 0.75Mpa； D 為氣缸內(nèi)徑 63 ； 為缸筒材料許用應(yīng)力 100Mpa； 通常計(jì)算出的缸筒壁徑都較小，但考慮到機(jī)械加工，缸筒兩端要安裝缸蓋 22 2 D

37、 -ds 4t （） 4 4 22 -25 42 （63）290 等需要，往往是將缸筒壁厚適當(dāng)加厚，應(yīng)盡量選用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑和壁厚的鋼管和鋁 合金管。本設(shè)計(jì)使用 10A-5 系列氣缸標(biāo)準(zhǔn)，氣缸壁厚 4mm。 3.2.6 耗氣量及刀庫橫移運(yùn)動(dòng)時(shí)間的計(jì)算 一個(gè)氣缸耗氣量與其直徑、行程、缸的動(dòng)作時(shí)間以及換向閥到氣缸導(dǎo)氣管 道的容積等有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，從換向閥到氣缸導(dǎo)氣管道容積與氣缸容積相 比往往很小，可以忽略不計(jì)。本氣缸屬于有活塞桿腔工作的情況，那么氣缸單 位時(shí)間壓縮空氣耗氣量可按下式計(jì)算 qv = qv2 = = 10-9 m3s = 3.8110-4 m3s 其中，s 為氣缸的行程； t2為刀庫右移

38、運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的時(shí)間，設(shè)定為 2Sec； 則刀庫左移運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的時(shí)間 t1 = D2sqv1 =632290 =2.37 Sec 因此，刀庫橫移運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間為 T1 = t1+t2=4.37Sec。 3.3 刀庫驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的估算 3.3.1 刀庫分度機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)及計(jì)算 下圖為傳動(dòng)設(shè)計(jì)效果圖： 圖 3.2 刀庫分度裝置實(shí)物效果圖 刀庫在換刀前，首先需要選刀。選刀的過程，就是使刀庫輪轂滿足一個(gè)周 向間歇運(yùn)動(dòng)，也就是分度盤在分度過程中，轉(zhuǎn)位開始與轉(zhuǎn)位結(jié)束位置上的瞬時(shí) 角速度 =0。在圖 3.3 中得出，為了使圓柱滾子能順利進(jìn)入和脫出分度盤上的 徑向槽，在槽口的瞬時(shí)位置時(shí)，必須使轉(zhuǎn)臂中心線 PQ 與分度槽

39、的中心線 OQ 相 垂直，即OQP=90。在圓柱滾子從進(jìn)入至脫離徑向槽的過程中，這位法蘭的 轉(zhuǎn)動(dòng)角度為 162，而刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度則為 18。設(shè)電機(jī)負(fù)載時(shí)，法蘭盤上的 滾子以 1的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為 n1，此時(shí)分度盤以 3的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為 n3；而電機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)以 n2=1.25n1轉(zhuǎn)動(dòng)，在滾子撥動(dòng)分度盤一次的一個(gè)周期內(nèi)的分 度時(shí)間為 t1，間歇時(shí)間為 t2。 1 2 11 cos 1cos （） （） 2 2 2 1 sin 1cos （） （） 3 d dt 3 d dt 圖 3.3 刀庫分度裝置運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)圖 t1 =16260(360n1) ； t2 = 19860(360n2 )； t總

40、 = t1 + t2 ； 本設(shè)計(jì)刀庫最大刀容量為 20，分度槽數(shù)量亦為 20，選刀時(shí)分度盤按最近原 則選刀，選到最遠(yuǎn)處刀具所需的時(shí)間為 T2 (令 T2為 3 秒） ； 則 T2 = 10 t總 = 3 Sec ； 綜合以上各式并代入數(shù)據(jù)可得， n1 = 178 rmin，t 1 = 0.152 ； 1 = 2n160=18.6 rads ； 圓柱滾子從進(jìn)入至脫離徑向槽這個(gè)過程，定位法蘭的轉(zhuǎn)角為 21=162， 分度盤的轉(zhuǎn)角為 23=2/z=18， （z 為分度盤的槽數(shù)） 。在直角三角形 PQO 中， 根據(jù)正切函數(shù)，3=arctansin1(1-cos1) ，式中 =R1a=sin3。 分度機(jī)

41、構(gòu)在轉(zhuǎn)位過程中，定位法蘭以勻角速度 1轉(zhuǎn)動(dòng)，分度盤以角速度 3反 向轉(zhuǎn)動(dòng)，分度盤每次分度轉(zhuǎn)過的角度與槽數(shù) z 有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系（23=2/z） ， 分度盤的角速度 3為 3對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)： 3 分度盤的角加速度為： Tn 9550 0.153 9550 178 min 3 9550 P n 代入數(shù)據(jù)得， -54.8 rads2 。 3.3.2 旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 刀具最大重量為 8Kg； 分度盤與刀庫輪轂質(zhì)量估計(jì)為 15Kg； 刀盤及圓盤罩蓋等總質(zhì)量估計(jì)為 7Kg； 故刀庫旋轉(zhuǎn)部件的總質(zhì)量 M=30Kg； 將整個(gè)旋轉(zhuǎn)部件等效為質(zhì)量均勻、半徑 R 為 300mm 的圓盤，則其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J = 0

42、.5MR2 = 1.35 Kgm2； 3.3.3 刀庫驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算 T = J=1.3554.8Nm 74 Nm 3.4 減速電動(dòng)機(jī)的選擇 法蘭盤的轉(zhuǎn)速為 n1 = 178 rmin，轉(zhuǎn)速較低，故需使用減速電機(jī)； 在分度盤轉(zhuǎn)位過程中，分度盤的平均角速度 =2n60 ，t1 = 18(180 )=0.152； 可得到轉(zhuǎn)位過程中，分度盤的平均轉(zhuǎn)速 n= 19.7 rmin； 分度盤所需的驅(qū)動(dòng)功率 Pmin= = 0.153 Kw； Tmin = = = 8.2 Nm ； 所選減速電機(jī)的輸出許用轉(zhuǎn)矩 T 應(yīng)該大于 Tmiin 。根據(jù)所需減速電機(jī)功率 P 和應(yīng)輸出的轉(zhuǎn)矩 T，選擇的減速電機(jī)型號(hào)為 M6

43、IK200A，額定功率為 0.2Kw，同 步轉(zhuǎn)速為 200 rmin，允許負(fù)載為 8.6Nm，額定負(fù)載情況下，輸出轉(zhuǎn)速為同步 轉(zhuǎn)速的 80-98。 0.18 9550 20 3 9550 P n 3.5 刀庫驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的校核 刀庫驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩最小應(yīng)為 T = 74 Nm；電機(jī)空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為 n2=200 rmin；假設(shè) 傳動(dòng)效率為 90%，則負(fù)載時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為 n1=20090 rmin=180 rmin； 一個(gè)周期內(nèi)的轉(zhuǎn)位時(shí)間為 t1=16260(360n1) = 0.15 Sec ； 一個(gè)周期內(nèi)的電機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)間 t2 = 19860(360n2 ) =0.165 Sec； 又 3=2n360 ，t1

44、 = 18180 ； 故此時(shí)分度盤的轉(zhuǎn)速為 n3= 20 rmin ； 減速電機(jī)傳遞到分度盤上的功率為 P1 = 0.2 90=0.18 Kw； 00 減速電機(jī)傳遞到分度盤上的轉(zhuǎn)矩 T1= = Nm = 86 Nm74 Nm； 所以，刀庫的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩滿足要求。 3.6 換刀過程總時(shí)間的計(jì)算與校核 刀庫橫移運(yùn)動(dòng)總時(shí)間 T1 = 4.37Sec； 分度運(yùn)動(dòng)的最大時(shí)間 T2 = 10（t1 + t2 ）= 10（0.15 + 0.165）Sec = 3.15 Sec； 則整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程的總時(shí)間 T = T1 +T2 = 4.37 + 3.15 = 7.52 Sec 8 Sec； 故所設(shè)計(jì)刀庫的換刀時(shí)間基

45、本滿足設(shè)計(jì)要求。 3.7 刀具的選擇方式 按數(shù)控裝置的刀具選擇指令，從刀庫中挑選各工序所需要的刀具的操作稱 為自動(dòng)選刀。常用的刀具選擇方式有順序選刀和任意選刀兩種。 （1)順序選刀 刀具的順序選擇方式是將刀具按預(yù)定工序的順序，依次放入刀庫的每一個(gè) 刀座中，使用時(shí)按順序轉(zhuǎn)到取刀位置并取出所需要的刀具。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)。采用這種方式的刀庫不需 要刀具識(shí)別裝置，驅(qū)動(dòng)控制也比較簡(jiǎn)單，可直接由刀庫的分度裝置實(shí)現(xiàn)。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

46、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。這種方式適合 加工批量較大、工件品種數(shù)量較少的中小型加工中心。 (2)任意選刀 任意選擇刀具的換刀主要有三種編碼方式：刀套(刀座)編碼、刀具編碼、 記憶編碼附件等方式。刀具編碼或刀套編碼都需要在刀具或刀套安裝用于識(shí)別 的編碼條，刀具（或刀座）編碼這種方法根據(jù)程序指令的要求任意選擇所需要 的刀具，刀具在刀庫中不必按照工件加工順序排列，可以任意存放。每把刀具 （或刀座）都編上代碼，自動(dòng)換刀時(shí)，刀庫旋轉(zhuǎn)，每把刀具（或刀座）都經(jīng)過 “刀具識(shí)別裝置”接受識(shí)別。當(dāng)某把刀具（或刀座）的代碼與數(shù)控指令相符合 時(shí)，該把刀具被選中，刀庫將刀具送到換到位置，等待

47、機(jī)械手來抓取。任意選 擇刀具法的優(yōu)點(diǎn)是刀庫中刀具的排列順序與工作加工順序無關(guān)，刀具可重復(fù)使 用。因此，刀具數(shù)量比較順序選擇法少一些，刀庫也相應(yīng)地簡(jiǎn)單些。 刀庫選刀方式一般采用就近移動(dòng)原則，即無論采取哪種選刀方式，在根據(jù) 程序指令把下工序要用的刀具移到換刀位置時(shí)，都要向距離換刀最近的方向移 動(dòng)，以節(jié)省選刀時(shí)間。已確定刀庫容量為 20 把刀具，并且存在在加工過程中可 能需要重復(fù)利用刀具。所以刀具的選擇方式確定為任意選擇刀具。 3.8 刀具交換裝置的選擇 刀具交換裝置就是實(shí)現(xiàn)刀庫與機(jī)床主軸之間裝卸與傳遞刀具的裝置，刀具 交換形式主要有以下兩種： (一) 無機(jī)械手的換刀 圖 3.4 無機(jī)械手換刀示意圖

48、 用刀庫與機(jī)床主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀具交換的裝置，把刀庫放在主軸箱可 以運(yùn)動(dòng)到的位置，或整個(gè)刀庫或某一刀位能移動(dòng)到主軸箱可以到達(dá)的位置刀庫 中刀具的存放方向一般與主軸上裝刀方向一致。換刀前，主軸要準(zhǔn)停定位；換 刀時(shí)，由主軸運(yùn)動(dòng)到刀庫上的換刀位置，利用主軸直接取走或放回刀具。其優(yōu) 點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，換刀的可靠性較高；缺點(diǎn)是刀庫的容量不多，換刀時(shí) 間較長(zhǎng)，一般需要 10-20 秒，多用于中、小型加工中心。 (二) 由機(jī)械手進(jìn)行刀具的交換 由機(jī)械手進(jìn)行刀具的交換裝置的主要特點(diǎn)是有很大 的靈活性，可以減少換刀時(shí)間。在刀庫遠(yuǎn)離機(jī)床主軸的 換刀裝置中除了機(jī)械手以外，還必須帶有中間搬運(yùn)裝置。 機(jī)械手的形式

49、： 1) 單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 換刀時(shí)間較長(zhǎng)。如下 圖所示 圖 3.5 單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 2) 單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 換刀時(shí)間較少。 圖 3.6 單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 3) 雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 手臂上有兩個(gè)卡爪，兩個(gè)卡爪可同時(shí)抓取刀庫及主 軸上的刀具，回轉(zhuǎn) 180 后又同時(shí)將刀具放回刀庫及裝入主軸。換刀時(shí)間較短， 是 最常用的一種形式。下圖為雙臂機(jī)械手最常用的幾種形式： 圖 3.7 雙臂機(jī)械手 4) 雙機(jī)械手 相當(dāng)于兩個(gè)單臂單爪機(jī)械手互相配合起來進(jìn)行自動(dòng)換刀。 5) 雙臂端面夾緊式機(jī)械手 本文所設(shè)計(jì)的刀庫是斗笠式刀庫，多用于中、小型加工中心，故選用無機(jī) 械手形式的換刀方式。 3.9 電氣元件

50、的選擇 3.9.1 氣缸磁環(huán)開關(guān) 在氣缸上安裝磁性開關(guān)，當(dāng)氣缸動(dòng)作時(shí)磁性開關(guān)動(dòng)作，用于檢測(cè)氣缸是否 工作到位。該開關(guān)只有在氣缸具備磁環(huán)的情況下才是具備實(shí)際的使用價(jià)值，其 功能是通過檢測(cè)運(yùn)行過程之中活塞上面的磁環(huán)來檢測(cè)活塞運(yùn)動(dòng)位置，檢測(cè)后會(huì) 發(fā)送電信號(hào)用來確定電磁閥工作通斷的信號(hào)。 本氣缸是雙作用氣缸 ，需要在氣缸缸筒兩端的合適位置上安裝兩個(gè)磁性開 關(guān)，而活塞桿上的磁環(huán)則是安裝在活塞右側(cè)且緊貼著活塞。 3.9.2 馬達(dá)定位感應(yīng)開關(guān) 馬達(dá)定位感應(yīng)開關(guān)的作用是控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)，屬于電子式剎車的作用。此 開關(guān)的選擇主要是因?yàn)樗x的電機(jī)無附加剎車器。 3.9.3 刀號(hào)計(jì)數(shù)器開關(guān) 刀號(hào)計(jì)數(shù)器開關(guān)的作用是通過

51、接觸性傳感器的傳遞信號(hào)來進(jìn)行刀位的計(jì)數(shù)。 當(dāng)完成所需的刀具轉(zhuǎn)位時(shí)，刀具計(jì)數(shù)器開關(guān)將傳遞一個(gè)電信號(hào)給數(shù)控系統(tǒng)，從 而控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。刀具計(jì)數(shù)開關(guān)安裝在懸吊板上，且與刀庫分度盤接觸。 3.10 本章小結(jié) 本章主要對(duì)刀庫的容量、氣缸設(shè)計(jì)的過程及選擇計(jì)算、分度裝置的設(shè)計(jì)及 計(jì)算、電機(jī)的選擇計(jì)算、刀庫驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算及校核、換刀時(shí)間的計(jì)算、電氣 元件的選擇進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)。通過這些內(nèi)容的介紹，加深了對(duì)整個(gè)方案設(shè)計(jì) 的理解。 4 重要零部件的設(shè)計(jì) 4.1 聯(lián)軸器 4.1.1 聯(lián)軸器的選擇 本文需要用聯(lián)軸器來連接電機(jī)輸出軸和分度裝置中法蘭盤的連接軸，可選 用套筒式聯(lián)軸器。套筒聯(lián)軸器是一個(gè)整體套筒以銷、鍵、花

52、鍵或過盈配合將兩 連接軸。他具有徑向尺寸下、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)；適用于輕載、低速的場(chǎng)合。 4.1.2 聯(lián)軸器校核 校核公式為 Mc= KMp M ； 其中,M 為聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩（Nm） ； Mp為聯(lián)軸器的施用轉(zhuǎn)矩（Nm） ； K 為工作情況因數(shù)，取 K 為 1.5； 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表 5.1-87 可得 所選用聯(lián)軸器的公稱轉(zhuǎn)矩 M 為 16Nm； 施用轉(zhuǎn)矩 Mp為 8.2Nm， 則 Mc= KMp= 12.3Nm M =16Nm； 所以所選的聯(lián)軸器滿足需求。 4.2 刀夾 4.2.1 刀夾作用 刀夾是刀庫的重要組成部分，整個(gè)換刀過程不僅僅需要刀庫橫移裝置、刀 庫分度裝置，更重要的是刀庫與機(jī)床主軸之

53、間刀具的交換過程。由于本刀庫是 斗笠式刀庫，通常使用的是無機(jī)械手換刀，所以合理的刀夾在刀庫更換刀具過 程中顯得更為重要。無機(jī)械手換刀，刀夾的設(shè)計(jì)理念要滿足兩個(gè)要求：一是在 機(jī)床主軸靠近刀夾時(shí)，要通過合理的機(jī)構(gòu)使刀夾因機(jī)床主軸的靠近而松刀；二 是在機(jī)床主軸遠(yuǎn)離刀夾時(shí)，刀夾能夠自動(dòng)復(fù)位。正如圖 4.1，該鎖緊機(jī)構(gòu)的作 用正好滿足這兩個(gè)要求。 圖 4.1 鎖緊機(jī)構(gòu) 4.2.2 刀夾工作原理 在無刀狀態(tài)下，兩刀夾在夾緊彈簧的作用下，驅(qū)閉合狀態(tài)。當(dāng)接到換刀指 令 時(shí)，刀庫回轉(zhuǎn)體將位于其上的空刀夾單元轉(zhuǎn)至刀庫換刀點(diǎn)，這時(shí)位于機(jī)床主軸 前端的刀具釋放塊跟隨主軸快速移動(dòng)到刀庫換刀點(diǎn)，在刀具釋放塊的引導(dǎo)斜面 作

54、用下，將位于刀庫回轉(zhuǎn)體上刀夾單元的解鎖銷釘打開，所需換刀的刀具在主 軸的夾持下，與主軸一同移動(dòng)到換刀點(diǎn)。這時(shí)兩刀夾在夾緊彈簧的作用下，將 刀具夾緊。此時(shí)主軸松開刀柄向后移動(dòng)，與此同時(shí)位于刀夾單元后端的解鎖銷 釘在鎖刀彈簧 圖 4.2 刀夾單元示意圖 的作用下，將解鎖銷釘上的斜面緊緊推靠在刀夾后端的兩側(cè)斜面上，完成鎖刀 動(dòng)作(如圖 4.1 所示)。刀庫回轉(zhuǎn)體將所需要的刀具轉(zhuǎn)至刀庫換刀點(diǎn)，主軸向前 移動(dòng)，主軸前端的刀具釋放塊將解鎖銷釘打開，同時(shí)主軸夾緊刀柄。主軸取到 所需要的刀具后，主軸前端的刀具釋放塊跟隨主軸一同向外移動(dòng)離開刀庫，當(dāng) 刀具釋放塊的引導(dǎo)斜面離開解鎖銷釘時(shí)，解鎖銷釘在鎖刀彈簧的作用下

55、回到原 位，進(jìn)行刀具鎖緊，刀庫回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)回刀庫原位，刀庫完成一次換刀循環(huán)。 4.3 本章小結(jié) 本章主要介紹了聯(lián)軸器的選擇、校核及刀庫中重要部件刀夾的設(shè)計(jì)。通過對(duì) 聯(lián)軸器的選擇設(shè)計(jì)，加深了對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)一般步驟的認(rèn)識(shí)；通過對(duì)刀夾的設(shè)計(jì)， 加深了對(duì)機(jī)械原理知識(shí)的學(xué)習(xí)，提高了運(yùn)用機(jī)械機(jī)構(gòu)的組合達(dá)到一定目的的能 力。 結(jié)論 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是數(shù)控立式升降臺(tái)銑床斗笠式自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)。本 文章闡述的是該斗笠式刀庫的結(jié)構(gòu)、參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算，刀庫驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇計(jì) 算，刀庫分度機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，總體來說，刀庫的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)比較緊湊。本 設(shè)計(jì)中采用的刀庫橫移裝置是氣壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，即刀庫滑座與氣缸活塞桿連接， 而氣缸則固定在界面支架上；刀庫分度裝置則采用的是經(jīng)典的槽輪結(jié)構(gòu)。自動(dòng) 換刀的形式是無機(jī)械手換刀，刀具選擇方式式是任意選刀。 雖然本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已基本完成，但自己覺得還是存在一些不足。比如自己 所繪制的圖紙上一些部位表示還不是太清楚。只有發(fā)現(xiàn)問題面對(duì)問題才有可能 解決問題，以后自己在這些方面一定要努力學(xué)習(xí)去克服。 致謝 畢業(yè)設(shè)計(jì)是完成