立式加工中心自動(dòng)換刀裝置設(shè)2計(jì)

1、 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 40 頁立式加工中心自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)摘 要上個(gè)世紀(jì)九十年代以后，數(shù)控加工技術(shù)獲得快速的發(fā)展，并且日益普及。數(shù)控加工中心作為新世紀(jì)數(shù)控機(jī)床的代表，已在機(jī)床領(lǐng)域普遍使用。加工中心的換刀裝置作為加工中心最主要的部分之一，它的發(fā)展也直接決定了加工中心的發(fā)展。本論文基于VDL1000小型立式加工中心，進(jìn)行了盤式刀庫的主軸準(zhǔn)停裝置、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置和刀庫橫移裝置的選擇和設(shè)計(jì)。該機(jī)床的盤式刀庫可滿載裝刀20把，以單環(huán)排列方式放置，按就近選刀方式選擇，采用無機(jī)械手換刀方式。這種圓盤式刀庫在數(shù)控加工中心上被普遍使用，它換刀過程非常簡(jiǎn)單，所需換刀時(shí)間也比較短，而且定位精度高；

2、總體結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單、緊湊，動(dòng)作精確可靠；維護(hù)成本較低。本次刀庫的主軸準(zhǔn)停裝置采用機(jī)械式槽輪機(jī)構(gòu)，槽輪機(jī)構(gòu)用有較小沖擊,較高工作效率，較高工作穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，橫移裝置采用氣動(dòng)裝置，氣動(dòng)裝置具有動(dòng)作迅速，工作介質(zhì)成本低等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：立式加工中心，自動(dòng)換刀，無機(jī)械手，槽輪機(jī)構(gòu)目 錄目 錄III1緒論11.1 加工中心的概述11.2加工中心的發(fā)展史11.3加工中心現(xiàn)狀 11.4加工中心未來發(fā)展趨勢(shì) 21.5本次研究?jī)?nèi)容22 加工中心自動(dòng)換刀裝置概述32.1自動(dòng)換刀裝置概述 32.2刀庫32.3選刀方式32.4刀具交換裝置42.3本章小結(jié)43總體方案設(shè)計(jì)53.1 VDL加工中心

3、的主要參數(shù)53.2 VDL1000立式加工中心換刀裝置設(shè)計(jì)參數(shù)53.3換刀過程53.4刀爪的設(shè)計(jì)63.5本章小結(jié)74主軸準(zhǔn)停裝置設(shè)計(jì)94.1主軸準(zhǔn)停裝置的選擇94.2 槽輪機(jī)構(gòu)的工作原理104.3 槽輪機(jī)構(gòu)參數(shù)計(jì)算114.4本章小結(jié)125 刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的選擇135.1刀庫負(fù)載扭矩TF的計(jì)算135.2加速扭矩TJ的計(jì)算145.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩TD計(jì)算145.4電機(jī)的初選與校驗(yàn)145.6本章小結(jié)166刀庫橫移裝置設(shè)計(jì)176.1刀庫導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)176.2橫移支架的設(shè)計(jì)176.3橫移驅(qū)動(dòng)裝置選擇196.4氣動(dòng)裝置工作原理圖206.5橫移裝置圖216.6總裝配圖216.7本章小結(jié)23結(jié)論24致 謝25

4、參考文獻(xiàn)261緒論1.1 加工中心的概述加工中心是在機(jī)床的機(jī)械部分基礎(chǔ)上加上數(shù)控部分而產(chǎn)生，它能夠加工一些特殊類型產(chǎn)品，工作效率和自動(dòng)化程度都很高。因?yàn)榧庸ぶ行目梢宰詣?dòng)換刀，所以不需要再次裝夾就可以完成多道工序，可以大量減少工件裝夾的次數(shù)、節(jié)省多次裝夾的時(shí)間，減少工件轉(zhuǎn)運(yùn)的功夫，這讓加工中心的加工利用率一般三倍到四倍于普遍應(yīng)用的機(jī)床。因此可以說，加工中心不但在加工精度方面有了較大提升，并且自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率和普通機(jī)床相比都是最高的。加工中心正是因?yàn)樗墓ぷ餍屎途缺容^高，所有國(guó)家都比較重視，現(xiàn)在它的發(fā)展速度和所占比重在各種數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品中排第一，成為被制造加工業(yè)最廣泛使用的設(shè)備。新世紀(jì)以來，

5、我國(guó)的汽車、航空和模具等行業(yè)獲得較快發(fā)展，對(duì)加工中心的需求量也越來越大。1.2加工中心的發(fā)展史上世紀(jì)六十年代，美國(guó)的特雷克公司第一次把銑、鉆、鏜等工序綜合在一起生產(chǎn)出世界上首臺(tái)加工中心。它是加工制造技術(shù)發(fā)展的一個(gè)標(biāo)志性轉(zhuǎn)折點(diǎn)，預(yù)示著制造加工業(yè)數(shù)控加工的到來，數(shù)控加工是當(dāng)今時(shí)代生產(chǎn)產(chǎn)品中很重要的生產(chǎn)方法，它的面世對(duì)于生產(chǎn)制造行業(yè)來說，具有的影響尤為重要。在這個(gè)世界上，所有工業(yè)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家對(duì)數(shù)控加工技術(shù)的鉆研都非常注重。四十多年以來，加工中心有了飛躍性的進(jìn)步，出現(xiàn)了很多類型的加工中心，而且每種類型加工中心的加工能力在不斷增強(qiáng)。1.3加工中心現(xiàn)狀 加工中心在機(jī)械加工行業(yè)獲得非常廣泛應(yīng)用，

6、當(dāng)下全球加工中心總的年產(chǎn)量已經(jīng)超過五萬臺(tái)，美國(guó)、日本、德國(guó)和臺(tái)灣等是最有代表性的出產(chǎn)國(guó)。日本的機(jī)床市場(chǎng)具有很強(qiáng)的出產(chǎn)力和消耗力，每年出產(chǎn)量高出上萬臺(tái)，此中以立式加工中心為主要機(jī)型，每年的出產(chǎn)量大約在五六千臺(tái)，日本主要有三菱、莊田等公司出產(chǎn)加工中心。德國(guó)出產(chǎn)的加工中心的質(zhì)量和加工效率都是最好的，近些年以來每一年的生產(chǎn)量在四五千臺(tái)左右，以臥式加工中心為代表性機(jī)型，年出產(chǎn)量在一千五到兩千臺(tái)左右，其他加工中心的年生產(chǎn)量約在兩千到三千臺(tái)，德國(guó)主要有西門子、科恩等公司出產(chǎn)加工中心。美國(guó)是全球出產(chǎn)機(jī)床具有代表性國(guó)家的其中一個(gè)，然而近些年因?yàn)樗麌?guó)內(nèi)消耗力不足，出口也面臨著強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng)，以至于它的年出產(chǎn)量每年都有

7、下降的趨勢(shì)，每年出產(chǎn)量只能維持在七八千臺(tái)，主要產(chǎn)量來源于MAG、哈挺等公司。臺(tái)灣的加工中心產(chǎn)量在全球排第一，每年的生產(chǎn)量可以達(dá)到一萬六到一萬八千臺(tái)，但是由于部分加工中心沒有裝微機(jī)控制器等重要原件的關(guān)系，每一臺(tái)的售價(jià)基本上屬于偏低的狀態(tài)。韓國(guó)在全球的加工中心產(chǎn)量也比較靠前，每年生產(chǎn)的加工中心約為四千到五千臺(tái)。在將來內(nèi)地或許能成為加工中心主要的產(chǎn)地，主要因?yàn)樯鲜霎a(chǎn)量比較大的地區(qū)和國(guó)家將生產(chǎn)基地轉(zhuǎn)移到內(nèi)地，再加上內(nèi)地的廠商也在加大對(duì)加工中心研制的投入，將來內(nèi)地技術(shù)成熟后成為全球主要加工中心產(chǎn)地的可能性很大。1.4加工中心未來發(fā)展趨勢(shì) (1).向高效、高精、高速發(fā)展由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，加

8、工制造業(yè)對(duì)機(jī)床的生產(chǎn)速度、加工精度和加工效率的要求也在逐漸提高，尤其是汽車、電子技術(shù)、航空航天等行業(yè)。 (2).五軸聯(lián)動(dòng)的技術(shù)五軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)是一種專門用于加工特殊曲面的技術(shù)，這種技術(shù)代表著一個(gè)國(guó)家的加工中心加工水平。 (3).與機(jī)器人配合使用把工業(yè)機(jī)器人和加工中心配合起來使用，由于機(jī)器人動(dòng)作精確而且不會(huì)疲勞，可以大幅提高生產(chǎn)效率和節(jié)約生產(chǎn)成本。(4).更看中綠色生產(chǎn)重視機(jī)器、環(huán)境、人三者之間的關(guān)系，在提高機(jī)器生產(chǎn)率的同時(shí)減少對(duì)環(huán)境的破壞和對(duì)機(jī)器使用者的健康影響。1.5本次研究?jī)?nèi)容本章先是概述了加工中心，接著介紹了下加工中心的發(fā)展史，然后把焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到加工中心的現(xiàn)狀，最后再根據(jù)現(xiàn)狀來判斷和預(yù)測(cè)將來的

9、發(fā)展方向。2 加工中心自動(dòng)換刀裝置概述2.1自動(dòng)換刀裝置概述 自動(dòng)換刀裝置的英文簡(jiǎn)為ATC，對(duì)加工中心來說非常重要，是加工中心好壞與否的重要環(huán)節(jié)，它的換刀效率對(duì)加工中心的效率有著很大的影響，它的工作穩(wěn)定性與加工中心的工作穩(wěn)定性聯(lián)系非常緊密。因此每一個(gè)加工中心的生產(chǎn)廠家都在花大本錢開發(fā)研究換刀速度快、準(zhǔn)確可靠的自動(dòng)換刀裝置，使他們能夠在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得一定的優(yōu)勢(shì)。自動(dòng)換刀裝置一般分為三部分，它們分別是刀庫，選刀和刀具交換。 2.2刀庫從加工中心出現(xiàn)發(fā)展到現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)外的加工中心刀庫經(jīng)常使用的有：轉(zhuǎn)塔式、斗笠式和鏈?zhǔn)降稁臁?轉(zhuǎn)塔式刀庫，還可以分為水平和垂直兩種轉(zhuǎn)塔頭刀庫，把全部的刀裝在

10、一個(gè)轉(zhuǎn)塔上，不用機(jī)械臂換刀，一般只能夠容納六到八把左右的刀，通常被用在小型或者輕型的加工中心，比如車削中心或者鉆削中心等。 斗笠式刀庫呈盤狀，刀具沿著圓盤陣列，斗笠式刀庫的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單和緊湊，被使用的也比較多，但是刀具僅僅是單環(huán)陣列，對(duì)空間的使用率比較低。如果想要擴(kuò)大刀庫的容量，則需要增大盤子的直徑，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)跟著盤子的變大而變大，選刀要用的時(shí)間也會(huì)更長(zhǎng)長(zhǎng)。 鏈?zhǔn)降稁欤湱h(huán)的形狀有很多種，經(jīng)常被用在需要容納較大數(shù)量刀的加工中心。鏈?zhǔn)降稁煺加煤苌俚目臻g，通常能容納三十到一百二十把刀，如果想要擴(kuò)大刀具的容納量，只要增加鏈長(zhǎng)久可以了，或者把多個(gè)刀庫并聯(lián)或串聯(lián)起來使用也是可以的，這樣可在刀庫容納量

11、變大的同時(shí)不會(huì)增加圓周速度，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也不會(huì)變大。2.3選刀方式數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出選擇刀具的指令，然后機(jī)床本身在刀庫中選出指令中所要求的刀具稱為自動(dòng)選刀，通常分為順序選刀和任意選刀兩種。 順序選刀是根據(jù)工藝流程的順序在加工前把刀按這順序放入刀庫，在加工時(shí)只要根據(jù)這順序調(diào)用刀具就可以了。當(dāng)工藝變了的時(shí)候，又得按照新的順序重新放置刀具，每換個(gè)工件或者工藝就得重設(shè)，非常麻煩，而且在同一工藝中刀具不能反復(fù)使用，因此需要常備幾把相同的刀具。如果一道工序只需幾把刀但是每把刀需要使用多次，此種選刀方式對(duì)刀庫容量的要求就會(huì)變大幾倍。 任意選刀是根據(jù)工藝需要選出所需的刀具，然后編上編碼放入刀庫，不用按照工藝順序，系統(tǒng)只

12、要發(fā)出選哪把刀的指令，機(jī)床就可以按就近原則選擇正確的刀具，這種選刀方法可以節(jié)省好多工作量，相同的刀具也只需一把即可。2.4刀具交換裝置 刀具交換裝置是ATC中用來實(shí)現(xiàn)刀具輸送的，它是把刀庫的刀具送到主軸換上或者把主軸的刀具換下送回刀庫，一般分有機(jī)械手和無機(jī)械手兩種換刀方式。 大多數(shù)的加工中心都選擇使用機(jī)械手換刀，機(jī)械手先將主軸上已經(jīng)使用過的刀具卸下取回刀庫，然后將刀庫里即將需要使用的刀具送到主軸并且裝上。雖然它需要的換刀時(shí)間比較短，但是它需要有相當(dāng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。無機(jī)械手換刀方式，一般在刀具刀柄小于四十號(hào)的小型加工中心或者需要換刀次數(shù)比較少的重型機(jī)床上使用。此換刀方式因?yàn)橛貌坏綑C(jī)械手，所以僅需要比

13、較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。換刀的第一步是將已經(jīng)用過的刀具取回刀庫,然后從刀庫中選好即將使用的刀具換到主軸上,這兩個(gè)動(dòng)作不可以一起進(jìn)行,所以換刀的過程比較繁復(fù),換刀所需的時(shí)間相對(duì)有機(jī)械臂的也較長(zhǎng)。另外，刀庫的選刀時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)是在加工中心停止工作的情況下進(jìn)行的，因此，減少了刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的震動(dòng)對(duì)加工精度的影響。無機(jī)械手換刀方式可以用在斗笠式刀庫也可以用在鏈?zhǔn)降稁?。斗笠式的刀庫可以安裝在立柱頂上或者立柱主軸箱的側(cè)面，也可安裝在橫梁一端，由主軸箱和刀庫配合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀。鏈?zhǔn)降稁炜梢园惭b在工作臺(tái)上方，也可以安裝在工作臺(tái)的一端或兩端，由工作臺(tái)配合進(jìn)行自動(dòng)換刀。2.3本章小結(jié)本章先介紹了加工中心自動(dòng)換刀裝置的定義和組成部分，

14、自動(dòng)換刀裝置是加工中心非常緊要部分的其中一個(gè)，是加工中心成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通常由刀庫、選刀和刀具交換三部分組成，然后再具體介紹了每個(gè)部分分類和這些類別的工作原理等。3總體方案設(shè)計(jì)3.1 VDL加工中心的主要參數(shù)工作臺(tái)1120/1300×560mm，采用了日本三菱E68控制系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)單方便，可進(jìn)行直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)操作。在工作臺(tái)上一次裝夾零件后可自動(dòng)完成銑、鏜、鉆、擴(kuò)孔、攻絲等多種工序加工。其基本規(guī)格為：X軸最大行程：1020mmY軸最大行程：560mmZ軸最大行程：600mm主軸最前端面到工作面臺(tái)：135735mm主軸中心線到立柱前面距離：591mmT型槽（槽數(shù)×槽寬

15、15;槽距）：5×18×100工作臺(tái)最大承重：750Kg工作臺(tái)尺寸：1120×560mm錐口類型：ISO40#主軸的最大轉(zhuǎn)速：8000r/minX/Y/Z軸最大功率：2KwX/Y/Z軸的最大進(jìn)給率：30/30/24m/minX/Y/Z軸工作進(jìn)給率：110000mm/min3.2 VDL1000立式加工中心換刀裝置設(shè)計(jì)參數(shù)刀具數(shù)量：20刀具類型/錐柄：BT40最大刀具重量：7Kg最大刀具直徑：100換刀類型：斗笠式3.3換刀過程圖3.1 換刀過程3.4刀爪的設(shè)計(jì)圖3.2 刀具的刀爪尺寸如圖3.2所示即為刀具的刀爪，上下兩部分可以繞著螺銓旋轉(zhuǎn)，中間部分固定，彈簧平時(shí)保

16、持壓縮狀態(tài)，這樣就可以一直夾著刀具。彈簧的中心有電磁鐵，當(dāng)電磁鐵通上電相互吸引的時(shí)候，彈簧被再壓縮，爪子打開，可以進(jìn)行刀具的交換。圖3.3 刀爪在刀盤上的裝配如圖3.3所示，為爪子與刀盤的裝配，一共20個(gè)爪子圍繞著刀盤排列，爪子中間與刀盤固定住，兩半與刀盤用螺銓連接，可以旋轉(zhuǎn)。3.5本章小結(jié)本章簡(jiǎn)述了VDL1000加工中心的主要工作參數(shù)，以這些參數(shù)作為設(shè)計(jì)背景，確定本次畢設(shè)設(shè)計(jì)的自動(dòng)換刀裝置是斗笠式刀庫并且是無機(jī)械手的自動(dòng)換刀方式，最后還進(jìn)行了夾刀具用的爪子設(shè)計(jì)。4主軸準(zhǔn)停裝置設(shè)計(jì)4.1主軸準(zhǔn)停裝置的選擇加工中心為了自動(dòng)換刀的順利實(shí)現(xiàn)，必須在機(jī)床上裝有主軸準(zhǔn)停裝置，因?yàn)榈毒甙惭b在主軸上，切削時(shí)

17、單單用錐孔的摩擦力來傳遞的切削轉(zhuǎn)矩是遠(yuǎn)不夠的，所以必須在主軸前端裝有一個(gè)突鍵。當(dāng)?shù)毒咭b到主軸上時(shí)，刀柄上的鍵槽務(wù)必與主軸上的突鍵相一致，才可以換刀成功.也就是說想要換刀成功主軸必須能夠正確停在一個(gè)固定的角度。由此可以知道主軸能否準(zhǔn)停是自動(dòng)換刀過程是否能夠順利實(shí)現(xiàn)的重要因素。 一般主軸準(zhǔn)停的方式主要有兩種，分別為機(jī)械式和電氣式。 機(jī)械式準(zhǔn)停一般使用槽輪機(jī)構(gòu)或者光電盤機(jī)構(gòu)完成大致定位，接著利用一個(gè)氣動(dòng)或者液動(dòng)的插銷插入槽輪機(jī)構(gòu)上的銷孔或銷槽完成準(zhǔn)確定位，換刀完成后插銷縮回，主軸才又開始運(yùn)行。 電氣準(zhǔn)停一般分為以下兩種方式：第一種是靠磁性傳感器檢測(cè)定位，在主軸上裝上一個(gè)與主軸一塊兒轉(zhuǎn)動(dòng)的發(fā)磁體，在

18、間隔發(fā)磁體轉(zhuǎn)動(dòng)外軌跡一到兩毫米處安裝一個(gè)磁傳感器，它通過放大器與主軸的控制單元連接，當(dāng)主軸需要定位時(shí)，就可以準(zhǔn)確地停止在原先設(shè)定好的位置。第二種是用位置編碼器來檢測(cè)定位，這種準(zhǔn)停方式是在主軸電動(dòng)機(jī)里面裝上一個(gè)位置編碼器或在機(jī)器的主軸箱上裝上一個(gè)位置編碼器與主軸一比一同步旋轉(zhuǎn)來達(dá)到準(zhǔn)停控制，準(zhǔn)停的角度能夠隨意設(shè)置。由于電氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，所以本次刀庫設(shè)計(jì)的主軸準(zhǔn)停裝置選擇機(jī)械式槽輪機(jī)構(gòu)，定位銷采用氣動(dòng)的形式。準(zhǔn)停裝置如圖4.1所示的槽輪機(jī)構(gòu)和小氣缸，由槽輪機(jī)構(gòu)實(shí)習(xí)刀庫的分度運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)稁旆侄韧瓿尚枰獪?zhǔn)停的時(shí)候，氣缸的活塞伸出來插入槽輪的槽中阻止這些機(jī)構(gòu)的慣性運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)停。當(dāng)換刀完成以后，氣缸活

19、塞縮回，以便下次換刀。圖4.1 準(zhǔn)停裝置示意圖4.2 槽輪機(jī)構(gòu)的工作原理槽輪機(jī)構(gòu)工作的原理比較復(fù)雜，它能夠?qū)⒅鲃?dòng)軸的持續(xù)勻速動(dòng)作變?yōu)閺膭?dòng)軸的周期性間斷動(dòng)作,常常被用在各種需要分度轉(zhuǎn)位運(yùn)動(dòng)的機(jī)器中。 槽輪機(jī)構(gòu)常見的主要有外嚙合和內(nèi)嚙合等兩種結(jié)構(gòu)形式。刀庫可以使用外嚙合或者也可以使用內(nèi)嚙合的結(jié)構(gòu)形式，本次的換刀裝置設(shè)計(jì)使用的是外嚙合的結(jié)構(gòu)形式。外嚙合結(jié)構(gòu)形式工作的原理圖如下,它由主動(dòng)曲柄、槽輪、撥銷和鎖止盤等工作原件組成。 外嚙合結(jié)構(gòu)形式的主動(dòng)軸與主動(dòng)曲柄連接，從動(dòng)軸與槽輪連接，兩軸平行，主動(dòng)曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)通常是等速的,與主動(dòng)曲柄固定一起，它如果在槽輪的槽中,則從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與主動(dòng)軸相反,如果 圖4

20、.2 槽輪機(jī)構(gòu)原理圖它離開槽輪的槽,則從動(dòng)輪不轉(zhuǎn)動(dòng)，如果撥銷就一個(gè),那么主動(dòng)軸轉(zhuǎn)一圈,從動(dòng)軸只轉(zhuǎn)動(dòng)360/槽數(shù)的角度,以此來實(shí)現(xiàn)分度和定位等功能。4.3 槽輪機(jī)構(gòu)參數(shù)計(jì)算槽輪機(jī)構(gòu)的齒數(shù)z必須設(shè)定在三到十八之間，過大則會(huì)導(dǎo)致槽輪的尺寸太大，慣性力矩也會(huì)跟著它變大，在槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)到需要需要停止的位置時(shí)停止的震動(dòng)也會(huì)過大。本次我本次設(shè)計(jì)的刀庫需要容下20把刀，因此在槽輪和刀盤傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)需加上一對(duì)減速比為2：1的直齒圓柱齒輪減速器，然后選擇10齒的槽輪，這樣就可以讓槽輪轉(zhuǎn)兩圈，刀庫轉(zhuǎn)一圈，實(shí)現(xiàn)20把刀的準(zhǔn)確定位。槽間角22：22=360º/Z=36º槽輪每次轉(zhuǎn)位時(shí)曲柄的轉(zhuǎn)角21:21=

21、180º-22=144º槽輪與鎖止盤間的中心距L：根據(jù)刀盤的實(shí)際允許安裝空間大小初步確定L=130mm主動(dòng)曲柄長(zhǎng)度R1：R1=Lsin2=40.2mm槽輪半徑R2：R2=Lcos2=123.6mm圓銷半徑r：r=R1/6=6.7mm槽底高b：b=L-R1-r-4=79.1mm槽深h：h=R2-b=44.5mm鎖止弧半徑RX：RX=R1-r-e=28.81mm（e=0.60.8r）圖4.3 槽輪與1:2減速齒輪的示意圖如上圖4.3所以，就是槽輪機(jī)構(gòu)的工作示意圖，槽輪每轉(zhuǎn)過一個(gè)槽輪槽，相當(dāng)于轉(zhuǎn)過一把刀具，槽輪擁有10個(gè)槽，在2:1的直齒輪副的作用下，槽輪機(jī)構(gòu)完成兩周的轉(zhuǎn)動(dòng)則刀盤

22、完成一周的轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)20把刀的分度。4.4本章小結(jié)本章先是介紹了刀庫準(zhǔn)停裝置的選擇，然后再著重介紹了槽輪機(jī)構(gòu)的工作原理，介紹完原理之后根據(jù)加工中心的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了槽輪機(jī)構(gòu)的參數(shù)計(jì)算。5 刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的選擇在選取刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的時(shí)候，應(yīng)該把刀庫負(fù)載扭矩TF和加速扭矩TJ作為重點(diǎn)考慮，只有同時(shí)符合這兩個(gè)要求的電機(jī)才可以作為本次換刀裝置的驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用。 5.1刀庫負(fù)載扭矩TF的計(jì)算斗笠式刀庫扭矩TF的初步計(jì)算方法：此種刀庫的負(fù)載扭矩的計(jì)算方法主要為了解決刀具質(zhì)量的不平衡的問題，初步計(jì)算有以下兩種方法：第一，用均衡質(zhì)量的刀具裝滿刀庫的半個(gè)圓，按照工藝需要選出要用的所有刀具，確認(rèn)每把刀具的的平均

23、重量WCP（包含刀柄的重量），它的中心則假設(shè)定在刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)中心的2/3半徑處（如下圖a）。第二，把重量最大的三把刀具放在一起，根據(jù)加工中心原先設(shè)定的最大刀具質(zhì)量Wmax，他們的中心則假定在離刀庫回轉(zhuǎn)中心半徑處（如下圖b）。 圖a 圖b圖5.1 刀庫質(zhì)心假定團(tuán)假設(shè)當(dāng)兩個(gè)質(zhì)量最大的刀具鄰著放置時(shí)，他們的間距為5mm，那么相鄰刀套中心距為105mm，夾角為18º，可知刀套放置半徑為R=105/sin18º=339.8mm，圓整為340mm。按方法二計(jì)算：TF=3×Wmax×g×R=3×7×9.8×340×10-3

24、=69.97N·m5.2加速扭矩TJ的計(jì)算TJ=2nm/60tJ×（Jm+J1）N·m式中：nm-刀庫選刀時(shí)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min） tJ-加速時(shí)間，通常取150200ms Jm-電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg·m²) J1-負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量（Kg·m²)5.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩TD計(jì)算 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩TD務(wù)必一起達(dá)到刀庫負(fù)載扭矩TF和加速扭矩TJ之和，用上面計(jì)算出來的刀庫負(fù)載扭矩和加速扭矩轉(zhuǎn)計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出扭矩的公式為TD=（TF+TJ）/i 式中i-電動(dòng)機(jī)軸傳至刀庫軸的速比 -傳動(dòng)效率5.4電機(jī)的初選與

25、校驗(yàn)假設(shè)刀庫選刀時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速nm為19r/min，加速時(shí)間假定為tJ=200ms，電動(dòng)機(jī)軸傳到刀庫軸的速比假定為40，則電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為750r/min，初選電機(jī)為Y90L-8。電機(jī)參數(shù)：額定功率：0.55Kw 額定轉(zhuǎn)矩TS=2N·m 額定轉(zhuǎn)速：660r/min 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：3.5×10-3Kg·m²負(fù)載慣量折算到電機(jī)軸上的慣量J1=×=60.7×10-3Kg·m²TJ=2×19/（60×0.2）×（3.5×10-3+60.7×10-3）N·m=0.64N&

26、#183;m驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出扭矩必須稍大于刀庫負(fù)載扭矩和加速扭矩之和才能選刀電動(dòng)機(jī)軸到刀庫軸的速比i=40，設(shè)減速器的傳動(dòng)效率=0.9TD=1.96N·m由于初選電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩TS<TD，所以初選電機(jī)合適。5.5減速器的選擇減速器是一種連接原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)的獨(dú)立開來的閉式或者開式傳動(dòng)裝置，是為了降低轉(zhuǎn)速和變大轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而達(dá)到工作要求。在一些特殊場(chǎng)合也可以用它來增速，便稱之為增速器。在選取減速器時(shí)必須考慮到工作機(jī)的選取使用條件，技術(shù)參數(shù)，動(dòng)力機(jī)的性能和價(jià)格等因素，對(duì)比各種型號(hào)和各種種類減速器的傳動(dòng)效率、承受載荷能力、經(jīng)濟(jì)性等因素，然后選用最適合的減速器。由于本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容是加工

27、中心的自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)，減速器只是一個(gè)輔助裝置，所以本次不對(duì)減速器進(jìn)行設(shè)計(jì)，直接選用標(biāo)準(zhǔn)的減速器。電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為750r/min，傳動(dòng)比為40，所以初選減速器為ZSY160。 減速器的承受載荷的能力受兩因素的影響，分別為機(jī)械強(qiáng)度和熱平衡許用功率，所以本次選擇這兩方面對(duì)初選的減速器進(jìn)行校驗(yàn)。一P2m=P2KASAP1式中P2m機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算功率，kWP2負(fù)載功率，kW SA安全系數(shù)KA工況系數(shù)（即使用系數(shù)） P1減速器公稱輸入功率ZSY160減速器的P1=11kW，由于工作時(shí)沖擊較小、安全系數(shù)較高，選擇KA=0.8，SA=1.1P2=69.95×19÷9550=0.14kWP

28、2m=0.14×0.8×1.1=0.123kWP1二P2t=P2f1f2f3PG1式中P2t計(jì)算熱功率 環(huán)境溫度系數(shù)f1=0.9 載荷率系數(shù)f2=0.56 公稱功率利用系數(shù)f3=1.25由于功率較小，無需冷卻裝置，所以PG1=24kWP2t=0.14×0.9×0.56×1.25PG1所以ZSY160減速器符合要求。圖5.2 電機(jī)減速器工作示意圖減速器如圖5.2所示的電機(jī)旁邊的方塊，在電機(jī)和渦輪蝸桿的裝置中間增加一個(gè)減速器，因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)速太快的話會(huì)增大分度裝置和準(zhǔn)停裝置的沖擊，也可能會(huì)影響到準(zhǔn)停的準(zhǔn)確性。5.6本章小結(jié)本章主要進(jìn)行了刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的選

29、擇，包括電機(jī)的初選和校驗(yàn)等計(jì)算過程，最后再進(jìn)行了減速裝置的選擇和計(jì)算等。6刀庫橫移裝置設(shè)計(jì)6.1刀庫導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)整個(gè)刀庫需要用橫梁托住,裝滿刀具的刀庫質(zhì)量比較大，所以橫梁需要高的強(qiáng)度和剛度，而且刀庫需要移動(dòng)一段距離,橫梁上還需裝有供刀庫移動(dòng)的圓型導(dǎo)軌,為了防止刀庫在導(dǎo)軌上旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)軌采用三根導(dǎo)軌并排的方式。為了讓橫梁牢固安裝在立柱上，橫梁設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方體，橫梁與立柱間用螺銓固定。再根據(jù)刀庫換刀需要移動(dòng)的距離,還要考慮滑臺(tái)的寬度和刀盤的大小等,計(jì)算出圓導(dǎo)軌的總長(zhǎng)。為了減少刀庫移動(dòng)到兩端時(shí)的沖擊力，需要在導(dǎo)軌兩端都裝一個(gè)減振器,。圓導(dǎo)軌使用三根不同直徑的45號(hào)鋼導(dǎo)軌,然后進(jìn)行表面淬火或者全淬火,淬火后的硬

30、度需要達(dá)到HRC56。6.2橫移支架的設(shè)計(jì)圖6.1 橫移支架圖如圖6.1所示，圖側(cè)面的三個(gè)孔是用來穿三根橫移導(dǎo)軌的，支架的另外三個(gè)孔是用來放穿齒輪和槽輪軸的。孔旁邊的凹槽放上鋼珠以便軸旋轉(zhuǎn)。下圖6.2即為此支架的加工圖。圖6.2 橫移支架加工圖下圖6.3所示的為橫移支架的工作示意圖，軸的末端直徑大于凹槽的直徑，這樣軸就可以被支架托住，因?yàn)橛袖撝椋€可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。圖6.3 橫移支架與軸配合示意圖6.3橫移驅(qū)動(dòng)裝置選擇橫向移動(dòng)裝置主要有三種方式：滾珠絲杠、液壓裝置、氣動(dòng)裝置，以下是他們的比較：滾珠絲杠：它是一種能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線進(jìn)給的裝置，該裝置的螺母作用于內(nèi)部的滾珠，然后滾珠再作用于螺桿，滾

31、珠在螺母內(nèi)部通過軌道一邊做圓周運(yùn)動(dòng)一邊向前運(yùn)動(dòng)，軌道在螺母上市循環(huán)相連的，所以滾珠也是循環(huán)使用。優(yōu)缺點(diǎn)：較高的傳動(dòng)效率。(超過百分之八十五)。 較高的靈敏度。（沒有抖動(dòng)和爬行現(xiàn)象）。 高的定位精度。(可以比較好地完成無間隙傳動(dòng)，而且剛度強(qiáng)，溫升小)。 使用壽命長(zhǎng)。 使用、潤(rùn)滑和維修方便、可靠。 可逆向傳動(dòng)，不自鎖。 成本高。 液壓裝置:在液壓泵的壓縮作用下，液壓油帶有一定的壓力能，然后液壓管將高壓液壓油輸送到液壓缸等執(zhí)行元件，液壓缸內(nèi)的活塞兩端有壓力差，使活塞定向移動(dòng)，釋放液壓能。優(yōu)缺點(diǎn)：定位剛度較大，位置誤差較小 。 能高速啟動(dòng)、制動(dòng)與反向 。 易實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，具有自身潤(rùn)滑 。 可能會(huì)泄漏液

32、壓油，從而對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，降低了工作效率。 液體粘度隨溫度升高而降低，從而對(duì)系統(tǒng)供油量和執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。氣動(dòng)裝置：由壓縮氣體的壓力缸組成，氣體在氣壓泵的壓縮下具有一定的能量，氣體推動(dòng)壓力缸內(nèi)的活塞做直線運(yùn)動(dòng)。優(yōu)缺點(diǎn)：氣動(dòng)裝置與液壓裝置相比，動(dòng)作更快速，更加簡(jiǎn)單 。 使用的元件和工作介質(zhì)成本低 。 運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn) 。 不能在氣缸閥中間位置停止?？紤]到本次橫移裝置只需要兩點(diǎn)之間移動(dòng)，氣動(dòng)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)，而且氣動(dòng)裝置相對(duì)滾珠絲杠和液壓裝置成本較低，所以本次選擇氣動(dòng)裝置作為橫移的驅(qū)動(dòng)裝置。6.4氣動(dòng)裝置工作原理圖 圖6.4 氣動(dòng)原理圖6.5橫移裝置圖圖6.5 橫移裝置示意圖圖6.5

33、所示的是橫移裝置的示意圖，最左邊的是氣缸，中間的是三根圓導(dǎo)軌，由氣缸推動(dòng)刀庫在三根圓導(dǎo)軌上移動(dòng)。6.6總裝配圖下圖6.6所示的是本次畢設(shè)的總裝配圖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)減速器減速然后在蝸輪蝸桿的作用下改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向，槽輪的鎖止盤與渦輪蝸桿同軸旋轉(zhuǎn)，都是鍵連接，然后由撥銷帶動(dòng)槽輪盤旋轉(zhuǎn)，槽輪盤和齒輪減速器的小齒輪同軸，也是鍵連接，最后是小齒輪帶動(dòng)與刀盤同軸的大齒輪旋轉(zhuǎn)完成選刀。換刀的時(shí)候氣缸推動(dòng)支架前進(jìn)，換刀完成氣缸縮回，支架也跟著縮回。圖6.6 總裝配圖圖6.7 裝配圖的平面圖6.7本章小結(jié)本章主要介紹了刀庫橫移驅(qū)動(dòng)裝置的選擇，還給出了氣動(dòng)裝置原理圖和橫移部分的效果圖等，最后還展示了總裝配圖和裝配的平面

34、圖。結(jié)論本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是立式加工中心自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)。所針對(duì)的機(jī)床是VDL1000小型立式加工中心。本次論文是根據(jù)該立式加工中心中的工作能力和一系列參數(shù)進(jìn)行盤式刀庫的旋轉(zhuǎn)定位裝置的設(shè)計(jì)和計(jì)算，刀庫驅(qū)動(dòng)電機(jī)的計(jì)算和校驗(yàn)，減速器的選擇和校驗(yàn)和刀庫橫移裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算。由于刀庫的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所以本次設(shè)計(jì)僅對(duì)刀庫中重要工作部件如電機(jī)、減速器和槽輪機(jī)構(gòu)等進(jìn)行相關(guān)的選擇、設(shè)計(jì)和計(jì)算，對(duì)于減速器和槽輪機(jī)構(gòu)的內(nèi)部軸和軸承等沒做過多考慮。換刀過程主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)、經(jīng)減速器減速、再由槽輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行選刀，最后由橫移裝置將刀庫朝主軸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行換刀?？偟膩碚f，此次設(shè)計(jì)基本滿足換刀裝置設(shè)計(jì)要求。雖然本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已基本完成

35、，但自己覺得還是存在一些不足。比如刀庫在選刀時(shí)可以進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，如何克服空程差以保證精準(zhǔn)定位等有待進(jìn)一步研究。通過此次設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)自己知識(shí)的運(yùn)用能力需要加強(qiáng)，解決問題的能力也有待提高，以后自己在這些方面一定要努力學(xué)習(xí)，提高自己工作以后的競(jìng)爭(zhēng)力。致 謝感謝東北大學(xué)秦皇島分校四年來對(duì)我的辛苦培育，讓我在大學(xué)這四年來學(xué)到很東西，特別感謝控制工程學(xué)院為我提供了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境、感謝領(lǐng)導(dǎo)、老師們四年來對(duì)我無微不至的關(guān)懷和指導(dǎo)，讓我得以在這四年中學(xué)到很多有用的知識(shí)。在此，我還要感謝在班級(jí)同學(xué)和朋友，感謝你們?cè)谖矣龅嚼щy的時(shí)候幫助我，給我支持和鼓勵(lì)，感謝你們。  特別感謝我的指導(dǎo)老師陳利強(qiáng)老

36、師，在本畢業(yè)設(shè)計(jì)中給予我悉心指導(dǎo)，從系統(tǒng)開發(fā)到結(jié)束中過程遇到很多困難都是她給我鼓勵(lì)與指引，使我能夠克服重重困難，將畢業(yè)設(shè)計(jì)完成，在此謹(jǐn)向陳利強(qiáng)老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。謝謝！ 加工中心自動(dòng)換刀的分析與研究張連忠本文介紹了自動(dòng)換刀裝置的結(jié)構(gòu)，單片機(jī)是用來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀。自動(dòng)換刀的過程。它適用于各種加工中心，適用于實(shí)際生產(chǎn)加工及機(jī)床及整條生產(chǎn)線的數(shù)控生產(chǎn)效率。加工中心ATC是一種裝置來實(shí)現(xiàn)的ATC，如在加工中心的重要組成部分，是為了減少非切削時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，從而提高工藝加工更重要的設(shè)備，并且該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程及其控制是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵。加工中心換刀過程比較復(fù)雜，行動(dòng)，關(guān)系之間

37、有更多的相互協(xié)調(diào)，從而空管系統(tǒng)的性能將不會(huì)對(duì)加工效率的高低直接影響。因此，它正在處理的主要教學(xué)實(shí)踐和培訓(xùn)機(jī)構(gòu)。一.引言90年代以來，數(shù)控加工技術(shù)已迅速普及和發(fā)展，數(shù)控機(jī)床在制造業(yè)已經(jīng)越來越廣泛的應(yīng)用?？展芟到y(tǒng)在現(xiàn)代先進(jìn)制造全自動(dòng)數(shù)控加工中心中扮演著越來越重要的作用，它可以縮短產(chǎn)品制造周期，提高產(chǎn)品加工精度和靈活性進(jìn)行處理。數(shù)控加工中心是一個(gè)比較復(fù)雜的機(jī)加工設(shè)備，并廣泛用于其處理能力與各種廣泛的應(yīng)用，從它的配置設(shè)備以其強(qiáng)大的處理能力和效率的好處，那就是自動(dòng)換刀。2. 自動(dòng)換刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)A.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)刀（ 1 ）設(shè)計(jì)刀的結(jié)構(gòu)中，選擇按照存儲(chǔ)在所述刀工具的數(shù)量以及該工具的最大直徑，計(jì)算出車輪刀直徑最小，

38、應(yīng)該有相鄰工具之間的一些空間。的維數(shù)刀爪是專為BT30刀柄。刀具容量是8 ，并且整個(gè)刀的直徑圓盤270毫米。刀（ 2）傳輸1 ） ，使用單蝸桿傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刀的旋轉(zhuǎn)，這種傳輸機(jī)制，可以在任何時(shí)間上的差距，在使用蝸桿傳動(dòng)的進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)，保證了刀的可靠性。蝸桿傳動(dòng)比為48:1 ，刀比，方便軟件編程旋轉(zhuǎn)圓盤刀的控制，以達(dá)到準(zhǔn)確定位的人數(shù)的8 。2 ）使用步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)蝸桿傳動(dòng)。3 ）使用液壓缸，實(shí)現(xiàn)由固定在主軸的軌道滑坡的刀，完成換刀過程。整刀的行程為130mm自動(dòng)換刀能夠在一次裝夾加工中心完成幾個(gè)甚至所有工件，它可以縮短輔助時(shí)間，降低了工件的錯(cuò)誤一再引起安裝，提高了產(chǎn)品的加工精度。 ATC將滿足時(shí)間短，重復(fù)的工具，工具足夠的存儲(chǔ)容量，工具小面積，以及安全可靠的小尺寸要求高的定