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課 題： XKA5032A/C 數控立式升降臺銑床自動換刀裝置 （刀庫式）設計 子課題: 同課題學生姓名: 目 錄 目 錄 設計總說明 I INTRODUCTION .II 1 緒論 1 1.1 數控機床知識 .1 1.2 數控銑床的分類 .1 1.2.1 數控立式銑床 .1 1.2.2 臥式數控銑床 .2 1.2.3 立、臥式兩用數控銑床 .2 1.3 數控銑床的結構特征 .2 1.3.1 數控銑床的主軸特征 .2 1.3.2 控制機床運動的坐標特征 .2 1.4 數控銑床的主要功能及加工對象 .3 1.4.1 數控銑床的功能 .3 1.4.2 自動換刀裝置（ATC）及其形式 .3 1.4.3 自動換刀裝置應當滿足的基本要求 .4 2 總體方案的確定 .5 2.1 XKA5032A/C數控立式升降臺銑床及其主要參數 .5 2.1.1 其主要結構特點 .5 2.1.2 其主要規(guī)格及技術參數 .6 2.2 初定其自動換刀裝置的設計參數 .7 目 錄 2.3 確定其自動換刀裝置的形式 .7 3 刀庫的設計 .9 3.1 確定刀庫容量 .9 3.2 確定刀庫形式 .9 3.3 刀庫結構設計 .9 3.4 初估刀庫驅動轉矩及選定電機 .11 3.4.1 初選電動機與降速傳動裝置 .11 3.4.2 初估刀庫驅動轉矩 .11 3.5 刀庫轉位機構的普通圓柱蝸桿傳動的設計 .12 3.6 刀庫驅動轉矩的校核 .16 3.7 花鍵聯接的強度計算 .16 3.8 夾緊機構插銷剪切強度的校核 .16 3.9 確定刀具的選擇方式 .17 3.10 刀庫的定位與刀具的松夾 .18 4 刀具交換裝置的設計 .19 4.1 確定換刀機械手形式 .19 4.2 換刀機械手的工作原理 .20 4.3 機械手的自動換刀過程的動作順序 .21 4.4 機械手回轉軸4上的齒輪齒條設計 .22 4.5 自動換刀裝置的相關技術要求 .22 4.5.1 主軸準停裝置 .22 4.5.2 換刀機械手的安裝與調試 .23 4.6 自動換刀程序的編制 .23 目 錄 5 自動換刀裝置的控制原理 .25 5.1 自動換刀裝置的液壓系統(tǒng)原理圖 .25 5.2 自動換刀裝置換刀動作的順序控制過程 .25 6 典型零件的設計 .27 6.1 聯軸器 .27 6.1.1 聯軸器的選用 .27 6.1.2 聯軸器的校核 .27 6.2 選擇離合器的類型 .27 6.3 蝸桿蝸輪傳動設計的一些相關技術要求 .28 6.4 托架的設計 .28 鳴 謝 29 參考文獻 31 設計總說明 設計總說明 本論文介紹的是 XKA5032A/C 數控立式升降臺銑床自動換刀裝置（刀庫式）的設計.刀 庫式的自動換刀裝置是由刀庫和刀具交換裝置（換刀機械手）組成。它是多工序數控 機床上應用最廣泛的換刀裝置，其整過換刀過程比較復雜。首先把加工過程中需要使 用的全部刀具安裝在標準的刀柄上，在機床外進行尺寸預調后，按一定的方式裝入刀 庫。換刀時，先在刀庫中進行選刀，由機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,采用盤形結構,安裝在機床的左側立柱上。因為 XKA5032A/C 數控立式升降臺銑 床外形及其他性能參數等均與 THK6363 型自動換刀數控鏜銑床相似，所以本機床的自 動換刀裝置的設計將仿效 THK6363 型自動換刀數控鏜銑床換刀裝置，設計成采用軸向 放置的鼓盤式刀庫形式和回轉式雙臂機械手組成。 刀具按預定工序的先后順序插入刀庫的刀座中，使用時按順序轉到取刀位置。用 過的刀具放回原來的刀座內，也可以按加工順序放入下一個刀座內。該法不需要刀具 識別裝置，驅動控制也比較簡單，工作可靠。但刀庫中每一把刀具在不同工序中不能 重復使用，為了滿足加工需要只有增加刀具的數量和刀庫的容量，這就降低了刀具和 刀庫的利用率。此外，裝刀時必須十分謹慎，如果刀具不按順序裝在刀庫中，將會產 生嚴重的后果。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。加工時按順序調刀。適合加工批量較大、工件品種 數量較少的中、小型自動換刀裝置?？芍獢悼劂姶灿?4 把刀就可完成大多數的銑削加 工。所以這個容量為 6 把刀的刀庫，幾乎不存在加工過程中需要重復利用刀具的情況， 所以刀具的選擇方式確定為順序選擇刀具。 兩手互相垂直的回轉式單臂雙手機械手的優(yōu)點是換刀動作可靠，換好時間短，缺 點是刀柄精度要求高，結構復雜，聯機調整的相關精度要求高，機械手離加工區(qū)較近。 一般來說，這種機械手用于刀庫刀座軸線與機床主軸軸線垂直，刀庫為徑向存取刀具 形式的自動換刀裝置，因此，在 XKA5032A/C 數控立式升降銑床的自動換刀裝置中可采 用這種機械手形式。 關鍵詞：數控銑床；自動換刀裝置；刀庫；換刀機械手 ABSTRACT I INTRODUCTION This thesis introduction is the design that the XKA5032 A/C number controls the sign type working panel lifter miller to change the knife device(the knife database type) automatically.The knife database type automatically change the knife device is have by the knife database and the knife to exchange device(change the knife the machine hand) to constitute.It is many work ordinal numbers to control the top of the tool machine to apply to change the knife device most extensively, it is whole to lead to change the knife process more complicated.First process process in need to be use of all knifes have to install on the haft of the standard, pressing certain way to pack into the knife database after the tool machine carry on size to prepare to adjust outside.Be in the knife database carry on choosing knife first while change the knife, is taken out knife to have from the knife database and the principal axis by the machine hand, then exchange position, insert the new knife into the principal axis, the old knife puts back a knife database.The knife database that deposits knife to have has bigger capacity, its capacity has for six knifes, adopting the dish form structure, the left side that installs in the tool machine signs pillar up.The XKA5032 A/C number controls the sign type working panel lifter miller shape and other function parameter etc.s to all change the knife with THK6363 typeses automatically number to control the boring miller likeness, so this tool machine changes the knife the design of the device to change the knife in the wake of THK6363 typeses automatically automatically the number control the boring miller to change the knife device, the design becomeses the adoption stalk toward the drum dish type knife database form and the turn-over type double the arm machine hand for place to constitute. The knife has to press to schedule to the work preface insert the knife of the knife database order of sequence, usage turn to take knife position in order.The knife for using puts back the original knife inside, can also press to process sequence to put into the next knife.That method doesnt need the knife to identify device, driving a control also more simple, work credibility.But the knife database in each knife have in the different work preface and cant repeat an usage, for satisfying to process to need to only increase the capacity of the quantity and the knife database that the knife have, this utilization that lowers knife to have with the knife database.Have to be very careful while packing knife in addition, if the knife doesnt in order have to pack in the knife database, will produce serious result.Sequences choosing knife is before process, will process the knife that spare parts need to have to request to be one by one in order in the knife set of insert the knife database according to the craft, the sequence cant have mistake.Process adjust knife in order.Suit to ABSTRACT II process a batch quantity to compare greatly,the work piece the species quantity less of medium,small scaled the auto change the knife device.Can know the number controls miller to use 4 make the knife complete most milling and can pare to process.So this capacity is 6 knife databases of knifes, almost the nonentity process to need to make use of the circumstance that the knife have again in the process, so the knife have of the choice method assurance for in proper order choice the knife have. Two hands are mutual perpendicular of the advantage of the turn-over type single arm hands machine hand change the knife action credibility, changing good time short, the weakness is the haft accuracy to have high request, structure complications, the linking machine adjust of the related accuracy have high request, the machine hand leaves to process area nearer.Generally speaking, this kind of machine hand useds for the knife database knife the stalk line and the tool machine principal axis stalk line perpendicular, the knife database has a form to change the knife device automatically toward the access knife for the path, therefore can adopt this kind of machine hand form in the XKA5032 A/C number control the sign type rise and fall miller the auto change the knife the device. KEYWORDS: numerical control milling machines ；Automatic tool changer ；Tool storage ；tool changing-manipulator 0 1 緒 論 1.1 數控機床知識 數字控制機床是用數字代碼形式的信息(程序指令)，控制刀具按給定的工作程序、 運動速度和軌跡進行自動加工的機床，簡稱數控機床。 數控機床具有廣泛的適應性，加工對象改變時只需要改變輸入的程序指令；加工 性能比一般自動機床高，可以精確加工復雜型面，因而適合于加工中小批量、改型頻 繁、精度要求高、形狀又較復雜的工件，并能獲得良好的經濟效果。 隨著數控技術的發(fā)展，采用數控系統(tǒng)的機床品種日益增多，有車床、銑床、鏜床、 鉆床、磨床、齒輪加工機床和電火花加工機床等。此外還有能自動換刀、一次裝卡進 行多工序加工的加工中心、車削中心等。 數控機床主要由數控裝置、伺服機構和機床主體組成。輸入數控裝置的程序指令 記錄在信息載體上，由程序讀入裝置接收，或由數控裝置的鍵盤直接手動輸入。 隨著微電子技術、計算機技術和軟件技術的迅速發(fā)展，數控機床的控制系統(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；數控系統(tǒng)本 身將普遍實現自動編程。 未來數控機床的類型將更加多樣化，多工序集中加工的數控機床品種越來越多；激光加工等技 術將應用在切削加工機床上，從而擴大多工序集中的工藝范圍；數控機床的自動化程度更加提高， 并具有多種監(jiān)控功能，從而形成一個柔性制造單元，更加便于納入高度自動化的柔性制造系統(tǒng)中。 1.2 數控銑床的分類 1.2.1 數控立式銑床 數控立式銑床是數控銑床中數量最多的一種，應用范圍也最為廣泛。小型數控銑 床一般都采用工作臺移動、升降、及主軸不動方式，與普通立式升降臺銑床相似；中 型數控立式銑床一般采用縱向和橫向工作臺移動方式，且主軸沿垂直溜板上下運動； 大型數控立式銑床，因要考慮到擴大行程，縮小占地面積及剛性等技術問題，往往采 用龍門架移動式，其主軸可以在龍門架的橫向與垂直溜板上運動，而龍門架則沿床身 作縱向運動。 從機床數控系統(tǒng)控制的坐標數量來看，目前 3 坐標數控立式銑床仍占大多數。一 般可進行 3 坐標聯動加工，但也有部分機床只能進行 3 坐標中的任意二個坐標聯動加 工。此外，還有機床主軸可以繞 X、Y、Z 坐標軸中其中一個或兩個軸作數控擺角運動 的 4 坐標和 5 坐標數控立式銑床。一般來說，機床控制的坐標軸越多，特別是要求聯 動的坐標軸越多，機床的功能、加工范圍及可選擇的加工對象也越多。但隨之而來的 是機床的結構更復雜，對數控系統(tǒng)的要求更高，編程的難度更大，設備的價格也更高。 1 數控立式銑床可以附加數控轉盤，采用自動交換臺，增加靠模裝置等來擴大數控 立式銑床的功能，加工范圍和加工對象，進一步提高生產效率。 1.2.2 臥式數控銑床 與通用臥式銑床相同，其主軸級平行于水平面。為了擴大加工范圍和擴大功能， 臥式數控銑床通常采用增加數控轉盤或萬能數控轉盤來實現 4、5 坐標加工，這樣，不 但工件側面上的連續(xù)回轉輪廓可以加工出來，而且可以實現在一次安裝中，通過轉盤 改變工位，進行“四面加工” ?？梢允∪ピS多專用夾具或專用角度成型銑刀。對箱體類 零件或需要在一次安裝中改變工位的工件來說，選擇帶數控轉盤的臥式銑床進行加工 是非常合適的。 1.2.3 立、臥式兩用數控銑床 這類銑床目前正在逐漸增多，它的主軸方向可以更換，能達到在一臺機床上既可 以進行立式加工，又可以進行臥式加工，其使用范圍更廣，功能更全，選擇加工的對 象和余地更大，給用戶帶來了很多方便，特別是當生產批量小，品種較多，又需要立 臥兩種方式加工時，用戶只需買一臺這樣的機床就行了。 立、臥兩用數控銑床的主軸方向的更換有手動與自動兩種，采用數控萬能主軸頭 的立、臥兩用數控銑床，其主軸頭可以任意轉換方向，可以加工出與水平面呈各種不 同角度的工件表面。當立、臥兩用數控銑床增加數控轉盤后，就可以實現對工件的 “五面加工” 。即出除了工件與轉盤貼合的定位面外，其它表面都可以在一次安裝中進 行加工。因此，其加工性能非常優(yōu)越。 1.3 數控銑床的結構特征 1.3.1 數控銑床的主軸特征 數控銑床的主軸開啟與停止，主軸正反轉與主軸變速等都可以按輸入介質上編入 的程序自動執(zhí)行。不同的機床其變速功能與范圍也不同。有的采用變頻機組，固定幾 種轉速，可自選一種編入程序，但不能在運轉時改變。有的采用變頻器調整，將轉速 分為幾檔，編程時可任選一檔，在運轉中可通過控制面板上的旋鈕，在本檔范圍內自 由調節(jié)；有的則不分檔,編程時可在整個范圍內無級調速。但是在實際操作中，調速不 能有大起大落的突變，只能在允許的范圍內調高或調低，只能在允許的范圍內一般都 設有自動拉、退刀裝置，能在數秒內完成裝刀與卸刀，換刀比較方便。此外，多坐標 數控銑床的主軸可以繞 X、Y 或 Z 軸作數控擺動，擴大了主軸自身的運動范圍，但是主 軸結構更加復雜。 2 1.3.2 控制機床運動的坐標特征 為了要把工件上各種復雜的形狀輪廓連續(xù)加工出來，必須控制刀具沿平面上設定 的直線、圓弧或空間直線、圓弧軌跡運動，因此，要求數控銑床的伺服拖動系統(tǒng)能在 多坐標方向同時協(xié)調動作，并保持預定的相互關系，這就要求機床應能實現多坐標聯 動。數控銑床要控制的坐標數最少是 3 坐標中任意兩坐標聯動。要實現連續(xù)加工直線 變斜角工件，應實現四坐標聯動。若要加工曲線變斜角工件，是要求實現五坐標聯動。 因此，數控銑床所配置的數控系統(tǒng)檔次，一般都比其它數控機床相應更高一些。 1.4 數控銑床的主要功能及加工對象 1.4.1 數控銑床的功能 數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控銑床普遍所具 有的功能。如點位控制功能、刀具半徑自動補償功能、鏡象加工功能、 固定循環(huán)功能 等。特殊功能是指數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?特殊功能。如刀具長度補償功能、靠模加工功能、自動變換工作臺功能、自適應功能、 數控采集功能等。 在使用數控銑床加工工件時，只要充分利用數控銑床的各種功能，就可以加工許 多普通銑床難加工的工件。數控銑床的主要加工對象有：平面類零件；變斜角類零件； 曲面類（立體類）零件。 1.4.2 自動換刀裝置（ATC）及其形式 數控機床為了進一步提高生產率，進一步壓縮非切削時間，現代的機床逐步發(fā)展 為在一臺機床上在一次裝中完成多工序或全部工序的加工。數控機床為了能在工件一 次裝夾中完成多個工步，以縮減輔助時間和減少多次安裝工件引起的誤差，通常帶有 自動換刀系統(tǒng)。對工件的多工序加工而設置的存儲及更換刀具的裝置稱為自動換刀裝 置(Automatic Tool Changer，ATC);自動換刀（Automatic Tool Change 簡稱 ATC）系 統(tǒng)由控制系統(tǒng)和換刀裝置組成。在數控銑床的基礎上，如果再配以刀具和自動換刀系 統(tǒng)，就構成加工中心（Machining center 簡稱 MC） 。在這類數控機床上，自動換刀裝 置（ATC）是必不可少的。例如加工中心機床又稱多工序自動換刀數控機床，它主要是 指具有自動換刀及自動改變工件加工位置工能的數控機床，具有自動換刀裝置是加工 中心機床的典型特征，是多工序加工的必要條件。自動換裝置的功能，對整機的加工 效率有很大的影響。由于普通的數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， ）故增加自動換刀裝置并同時自動變換主軸轉速。可減輕 勞動強度，減少換刀時間，既提高了機床的自動化程度，又提高了勞動生產率。因此， 數控立式銑床作為數控銑床中數量最多、應用范圍也最廣的一種，對其附加能夠快速、 準確地換刀的自動換刀裝置是非常有必要的。 3 各類數控機床的自動換刀裝置的結構取決于機床的型式、工藝范圍及刀具的種類 和數量等。這種裝置主要可以分為以下幾種形式： 1)回轉刀架換刀形式 數控車床使用的回轉刀架是一種簡單的自動換刀裝置。根據不同加工對象，可以 設計成四方和六角刀架或其他等多種形式。回轉刀架上分別安裝著四把、六把或更多 的刀具，并按數控裝置的指令轉位換刀。回轉刀架在結構上必須有良好的強度和剛性， 以及合理的定位結構，以保證回轉刀架在每一次轉位之后具有盡可能高的重復定位精 度。如：CK7815 型數控車床采用 BA200L 刀架，其工作循環(huán)是：刀架接收數控裝置的指 令一松開一轉到指令要求的位置一夾緊一發(fā)出轉位結束的信號。 2)更換主軸頭換刀形式 在帶有旋轉刀具的數控機床中，更換主軸頭換刀是一種簡單的換刀方式。主軸頭 通有臥式和立式兩種，而且常用轉塔的轉位來更換主軸頭以實現自動換刀。各個主軸 頭上預先裝有各工序加工所需要的旋轉刀具，當收到換刀指令時,各主軸頭依次地轉到 加工位置，并接通主運動使相應的主軸帶動刀具旋轉，而其他處于不加工位置上的主 軸都與主運動脫開。 轉塔主軸頭換刀方式的主要優(yōu)點是省去了自動松夾、卸刀裝刀、夾緊以及刀具搬 運等一系列復雜的操作，從而顯著地減少了換刀時間，提高了換刀的可靠性，但是由 于結構上的原因和空間位置的限制，主軸部件的剛性差且主軸的數目不可能很多。因 此轉塔主軸頭換刀通常只適用于工序較少，精度要求不太高的數控機床，如數控銑床。 3)帶刀庫的自動換刀形式 帶刀庫的自動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 數控機床上的應用最為廣泛。帶刀庫的自動換刀裝置的數控機床主軸箱和轉塔主軸頭 相比較，由于主軸箱內只有一個主軸，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，刀庫可以存放數量較多的刀具，可進行復雜零件的多工序 加工，可明顯提高數控機床的適應性和加工效率。這種帶刀庫的自動換刀裝置特別適 用于數控銑床、數控鉆床和數控鏜床。 刀庫的類型按刀庫的結構形式可分為：圓盤式刀庫、鏈式刀庫、箱型式刀庫-箱 型和線型；按設置部位的不同，刀庫可以分為：頂置式、側置式、懸掛式和落地式等 多種類型；按交換刀具還是交換主軸，刀庫可分為：普通刀庫(簡稱刀庫)和主軸箱刀 庫。雖然刀庫有多種形式，但數控機床上常用的主要是圓盤式和鏈式兩種。交換裝置 的機械手形式也多樣，目前在數控機床上用得最多的是回轉式雙臂機械手。其他形式 還有擺動式單臂雙爪機械手、單臂單爪回轉式機械手、雙機械手等等。 1.4.3 自動換刀裝置應當滿足的基本要求 1）刀具換刀時間短。 4 2）刀具重復定位精度高。 3）足夠的刀具儲存量。 4）刀庫占地面積小。 5）換刀安全可靠。 2 總體方案的確定 依據設計任務書，我們的任務是給 XKA5032A/C 數控立式升降臺銑床設計安裝合適 的自動換刀裝置。主要技術參數為： 1）刀庫容量：4-6 2）選刀方式：順序選刀 3）重復精度： 5 XKA5032A/C 數控立式升降臺銑床主要由床身、升降臺、工作臺、立銑頭、主傳動、 主變速、拉刀機構、液壓系統(tǒng)、自動潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、吊掛、電柜等部分組成。 機床本身并不帶自動換刀裝置。自動換刀裝置作為一套獨立的、完整的機床部件，設 計依據是該機床的型式、工藝范圍及刀具的種類和數量等。 2.1 XKA5032A/C 數控立式升降臺銑床及其主要參數 XKA5032A 型數控立式升降臺銑床是一種使用范圍廣泛的機床，根據用戶要求，配 置國內外（OSP-U10M、SIEMENS802D、華中號）先進數控系統(tǒng)，可手動或自動操作。 它可以實現 X、Y、Z 三軸同時定位/直線插補，同時二軸圓弧插補。OPS 全域絕對位置 檢測。每次開機無須回零，簡化機床操作。尤其在發(fā)生停機、斷電、更換程序等情況 后再啟動時不用整機回零，可以直接開機，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?？刹捎弥鞒绦颉⒆映绦蜻M行編程，最小單位可選 0.001mm。具有標準機床坐標系、工件坐標系，絕對值、增量可并用。各有 50 組刀具 長度、半徑長度補償。彩色 LCD 中文顯示，具良好人機對話窗口，系統(tǒng)具有 160m 存儲 容量，可進行程序編輯、管理，可用 RS-232C 接口、1.44 軟盤進行數據輸入、輸出, 便于加工程序的管理?？梢詫Τ绦蜻M行模擬加工，刀具軌跡跟蹤及動畫仿真、圖形動 畫顯示，記錄運行時間及作業(yè)信息。 XKA5032A/C 數控立式升降臺銑床是北京第一機床廠生產的帶有立銑頭的立式銑床， 為機電一體化結構，三坐標聯動，是一種使用很廣的機床，它可以使用各種圓柱銑刀、 角度銑刀及端面銑刀完成直線銑削，組成各種往復循環(huán)和框式循環(huán)或按坐標位置加工 孔，也可以銑削具有輪廓的零件，如凸輪、樣板、模具、葉片、弧形槽等；該機床適 用于機械制造的各種類部門，也適用于軍工部門。 2.1.1 其主要結構特點 1)主傳動系統(tǒng)為 7.5Kw 的交流電動機通過彈性連軸器驅動主傳動箱，主傳動箱內 5 有三組滑移齒輪,液壓預選變速機構推動各滑移齒輪,組成 18 種轉速,再傳到銑頭上的 主軸，主傳動箱內有電磁制動器,主軸制動迅速平穩(wěn)。 2)進給系統(tǒng) X、Y、Z 三個座標的進給，都是由交流伺服電機驅動的。電機通過同 步齒形帶驅動滾珠絲杠，從而使部件沿導軌移動。伺服電機及其相應的速度控制單元 和用于位置檢測的脈沖編碼器等均受控于數控系統(tǒng)；以完成各種進給運動。 同步齒形帶可張緊以減少傳動間隙，噪聲亦可降低。 垂向電機是帶制動器的，當斷電時，垂向剎緊，以防止升降臺因自重而下滑。 3)銑頭上的立式主軸，有符合國際標準的(ISO)No.50 錐孔，可安裝標準的銑刀或 銑夾頭。主軸的軸向位置可調整，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范圍內調整成傾斜位置。 4)刀柄采用標準 XT50 形式，可與萬能銑床刀柄通用。 5)潤滑系統(tǒng) 自動潤滑站配以遞進式分油器，對機床導軌副、滾珠絲杠副及齒輪副等進行自動 的定時定量潤滑，每次加油量和兩次間的時間間隔都是可調的，力求保證每個潤滑點 的合理油量。 6)機床采用側掛式電柜和吊掛式操縱站，機電一體，整體裝運，安裝方便，集中 操縱但能又多位置操作。 7)半自動的裝卸刀機構,安裝在銑頭的上方，通過兩個按鈕分別控制裝刀和卸刀， 方便而安全，即使主軸向外伸出，也不會影響刀具的裝卸。 2.1.2 其主要規(guī)格及技術參數 表一 機床主要規(guī)格及技術參數 參數名稱 單位 數量 工作臺面尺寸（長 X 寬） mm 320 X 1320 工作臺縱向（X）行程 mm 780 工作臺縱向（Y）行程 mm 300 工作臺縱向（Z）行程 mm 380 主軸孔徑 mm 29 主軸端面至工作臺面的距離 mm 70450 主軸中心線至床身導軌面距離 mm 350 定位精度及重復定位精度 mm 0.015、0.005 主軸端部錐度 ISO No.50 立銑頭最大回轉角度 45 主軸轉速級數 18 主軸轉速范圍 r/min 301500 工作臺進給級數 無級 縱、橫向進給范圍 mm/min 63200 6 垂向進給范圍 mm/min 31600 縱、橫向快進速度 mm/min 6000 垂向快進速度 mm/min 3000 主傳動電動機功率 kw 7.5 主傳動電動機轉速 r/min 1440 工作臺最大承載重量 kg 320 主軸最大扭矩 Nm 1000 機床外形尺寸（長 X 寬 X 高） mm 1929 X 2055 X 2216 機床重量 kg 2800(3000) 該機床推薦使用的最大切削范圍如下： 銑切鋼：鋼的含碳量 0.45%，抗拉強度 600N/mm2。銑刀直徑 100mm，齒數 4； 銑切寬度 50mm，銑切深度 3 mm；主軸轉速 750 r/min，進給量 750mm/min。 銑切灰鑄鐵：材料 HT200，硬度 HB150225。銑刀直徑 250mm，齒數 14； 銑切寬度 150mm，銑切深度 3.7 mm；主軸轉速 47.5 r/min，進給量 300mm/min 2.2 初定其自動換刀裝置的設計參數 在銑削輪廓時，為了保證一次連續(xù)地加工出全部表面，應選用半徑小于工件最小 輪廓半徑的刀具，而在實際的生產加工中，常盡量選用直徑較大的銑刀，因為大直徑 銑刀剛性好，耐用度高。由 XKA5032A/C 數控立式升降臺銑床推薦使用的最大切削范圍 可知，當銑切鋼時，銑刀直徑為 100 mm。當銑灰鑄鐵時，銑刀直徑達 250mm。因此， 為了滿足該機床的實際加工能力與生產情況，在設計其自動換刀裝置時，應該根據最 大的刀具直徑來設計，即設計的換刀裝置能交換 250mm 的刀具。 初估最大直徑刀具的重量為 8kgf。 2.3 確定其自動換刀裝置的形式 數控機床的自動換刀裝置的結構形式多種多樣，選擇何種形式，主要取決于機床 的種類、工藝范圍以及刀具的種類和數量等。 由于 XKA5032A/C 數控立式升降臺銑床是一種使用范圍較廣的機床，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換刀形 式。 帶刀庫的自動換刀裝置是由刀庫和刀具交換裝置（換刀機械手）組成。它是多工 序數控機床上應用最廣泛的換刀裝置，其整過換刀過程比較復雜。首先把加工過程中 需要使用的全部刀具安裝在標準的刀柄上，在機床外進行尺寸預調后，按一定的方式 7 裝入刀庫。換刀時，先在刀庫中進行選刀，由機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面或上方，也可以作為獨立部件安裝在機床以外。 XKA5032A/C 數控立式升降臺銑床主軸箱上方沒有好的安裝位置，安裝在機床外又 要增加刀具運輸時間，降低效率，所以安裝在機床側面最合適，有些部件交錯的地方， 作適當的調整。因為 XKA5032A/C 數控立式升降臺銑床外形及其他性能參數等均與 THK6363 型自動換刀數控鏜銑床相似，所以本機床的自動換刀裝置的設計將仿效 THK6363 型自動 換刀數控鏜銑床換刀裝置，設計成由由盤式刀庫和回轉式雙臂機械手組成。設計增加 自動換刀裝置后的 XKA5032A/C 數控立式升降臺銑床的外觀圖如圖 1-1 所示。 圖 1-1 XKA5032A/C 數控立式升降臺銑床的外觀圖 8 3 刀庫的設計 刀庫是帶刀庫自動換刀裝置的主要部件之一，其容量形式、布局及具體結構對數 控機床的性能有很大影響。 3.1 確定刀庫容量 決定刀庫容量時，首先要考慮加工工藝的需要，同時還要調查分析同類型、相近 規(guī)格的自動換刀機床的刀庫容量及其發(fā)展趨勢。由于帶自動換刀裝置的數控機床主要 是在多品種、單件小批生產時使用，因而應根據廣泛的工藝統(tǒng)計，依大多數工件加工 時需要的刀具數來確定刀庫容量。例如，對功能 較為齊全的加工中心而言，它可承擔多個工件的 切削任務，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，機床能加工工件的比率 也越高，但它們并不是成正比例關系。圖 3-1 為 刀庫容量與機床能加工工件的比率統(tǒng)計曲線。 刀庫儲存量過大，導致刀庫的結構龐大而復 雜,影響機床總體布局；儲存量過小，則不能滿足 復雜零件的加工要求。因此，刀庫容量應在經濟 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 需的裝調時間。對自動換刀數控機床的刀庫容量，有關資料曾對 15000 個零件進行分 組統(tǒng)計，指出不同工序加工時必須的刀具數不同，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 XKA5032A/C 數控立式升降臺銑床，從使用 和經濟效率角度來看，容量為 6 的刀庫就可滿足要求了。 9 3.2 確定刀庫形式 由以上考慮 XKA5032A/C 數控立式升降臺銑床的結構布局等原因，決定采用軸向放 置的鼓盤式刀庫形式。這種刀庫結構簡單，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，但需要考慮機械手的換刀動作空間。 3.3 刀庫結構設計 如刀庫裝配圖所示，當數控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，直流伺服電動機接通，其運動 經過十字聯軸器、波傳動減速器、套筒式聯軸器、蝸桿、蝸輪后，再經花鍵聯接傳到 刀盤 上，刀盤帶動刀座上的 6 個刀套轉動，完成選刀動作。 10 3.4 初估刀庫驅動轉矩及選定電機 刀庫回轉運動多數采用液壓馬達、直流電動機驅動，并沒有降速傳動裝置。 3.4.1 初選電動機與降速傳動裝置 刀庫的驅動系統(tǒng)中，由于本刀庫的驅動轉矩小，且所需轉速小，所以決定采用直 流伺服電動機驅動。直流伺服電動機具有體積小，重量輕、伺服性好、力能指標高等 優(yōu)點，且該電機可用信號電壓進行無級調速。采用型號為 90SZ03 的 SZ 系列電磁式直 流伺服電動機，其基本參數為：功率 0.092KW，轉速 3000R/MIN（袖珍機械師設計手 冊P1275） ；降速傳動裝置型號為 XB3-50-100A 的扁平式諧波傳動減速器，其基本參 數為：輸入功率 0.092KW，輸出轉矩 18Nm（袖珍機械師設計手冊P1078-1079） 。 3.4.2 初估刀庫驅動轉矩 由于刀庫容量 6，下面就以 THK6363 型自動換刀數控鏜銑床的刀庫為設計參考（查 參考資料 14） ，采用經驗法初估回轉所需轉矩。 THK6363 型自動換刀數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 10kgf，刀庫回轉由最大扭矩為 25Nm 的液壓馬達經諧 波減速器驅動?，F在由于設計的刀庫容量為 6 把刀具，可初估刀庫驅動轉矩(主要是指 直接驅動刀盤轉動的轉矩)為 T0=8Nm。 11 3.5 刀庫轉位機構的普通圓柱蝸桿傳動的設計 刀庫的主運動是圓周回轉運動，如圖 3-3 所示,直流伺服電動機 1 通過彈性柱銷聯 軸器與諧波傳動減速器 2 聯接減速后驅動蝸桿 3,設計刀庫轉位機構的普通圓柱蝸桿傳 動. 由刀庫轉位機構實現。 己知直流伺服電動機 1 的功率為 0.092KW,轉速為 3000R/MIN,諧波傳動減速器 2 的 傳動比為 100.傳動效率為 80%,1 經 2 減速后驅動蝸桿 3,蝸桿為主動,蝸輪為從動,要求 傳動此為 6,單向旋轉,單班工作制,預計壽命為 5 年. 1)選擇蝸桿傳動類型 根據 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 蝸桿蝸輪傳動，以蝸桿為主動，蝸輪為從動。為了提高傳動效率，取 Z1=6，傳動 比取 6，單向旋轉，單工作制，預計壽命為 5 年。則 Z2= Z1i= 66=36。 4)按齒面接觸疲勞強度設計 m2d1 KT2 (mm3)2 50ZHP a)計算蝸輪軸轉矩 T2 初估傳動效率 =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 K=1.05 12 c)許用接觸應力 2HP = =2200.91.48=293.04 MPa2HPVSZN 式中, =220 MPa, 估計滑動速度 5m/s，用浸沒潤滑,則由(參考文獻 11) (P972 圖 182)查得滑S 動速度影響系數 =0.9, =1.48（其中 =60a t=601 53008=3.6VZNLZ2n306 ,按圖 183 查得） ；610 d)計算 m2d1值,并選定模數 m 和蝸桿分度圓直徑 d1 m2d1 1.05133.53=283.46 mm 3; 25069.4 按表 183 查得模數 m=3.15(mm), d1=35.5 (mm) (m2d1值應大于計算值) 5)驗算滑動速度 SV a)計算蝸桿速度 1 = = =0.0558 m/s1V60dn35.0 b)計算滑動速度 SV = / =0.0558/ =0.0632 m/sS1coscos2814 其中 = = = ,則初估的 值合適。1(/)tgZmd(63.5/.)tg2814SV 6)驗算蝸輪齒彎曲強度 驗算公式為 22 21AVFFSPTKYd a)使用系數 =1A b)動載荷系數 =1.03V c)載荷分布系數 =1K d1=35.5 mm， =m =3.15 36=113.4 mm,其中模數 m=3.15(mm)。2dZ d)蝸輪齒形系數 =4.00FSY 13 e)按蝸輪當量齒數 = / =36/ =52.34,由圖 172 查得。2VZ3cos3s2814 f)導程角系數 =1- /120=1- /120 =0.766Y g)許用彎曲應力 2FP = =70 0.542=37.94 MPa2FPN h)計算彎曲應力 =22.1322613.5.014.076F 由于 ，故滿足蝸輪輪齒強度條件。2HP 7)計算蝸桿蝸輪的主要參數 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)蝸桿導程角 814 8)計算其他尺寸 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 mm，2a2a2a 其中 為蝸輪齒頂高，且 = + =1-0.1349=0.8651 mm；2ahx c)蝸輪外圓直徑 = +m=118.85+3.15=122 mm；2eda d)蝸桿齒寬 由于 =6，故 按結構設計，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 mm；2ffa1a4.82 h)蝸桿軸向齒厚 = /2= = 3.15/2=4.948 mm,其中 為蝸桿1xs1xsp/mxp 14 軸向齒距； 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 9)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。所以必須根據單位時間內的發(fā)熱量 等于同時間內的散熱量 的條件進行熱功平1H2H 衡計算，以保證油溫穩(wěn)定牌規(guī)定的范圍內。 由于摩擦損耗的功率 = （1- ）kW,則產生的熱流量（單位為 1W=1j/s）為fP1 =1000 （1- ）W1H1 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( - )W21t0 式中 k熱導率，一般取 k=8.717.5W( ),環(huán)境空氣流通較差時，取較小2mC: 值，否則取較大值； A傳動裝置散熱的計算面積，即內面被沒浸濺的，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 在繪制傳動裝置結構圖的基礎上進行熱平衡計算： =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 15 由于 80 ,超過最高工作溫度，所以必須采取一些散熱措施，以提高散熱能力，1tC 如在傳動箱內裝循環(huán)冷卻管路。 3.6 刀庫驅動轉矩的校核 蝸輪轉速 =5r/min,所能傳遞的功率為 P=0.092 80 0.95=0.07 Kw,此時刀庫2n 0 的驅動轉矩為：T= = =120.3NmT 0=8Nm，其中 =0.9 為954N0.795 外花鍵帶動刀盤回轉的傳動效率。由于 TT 0，所以，刀庫驅動轉矩滿足要求。 3.7 花鍵聯接的強度計算 在刀庫的傳動系統(tǒng)中，刀盤是利用花鍵聯接帶動刀座上的刀套轉動而進行選刀的， 花鍵的聯接屬于動聯接。已知所用的花鍵類型為漸開線花鍵 d=26mm,以下對其進行必要 的強度計算。計算公式如下： p= pMPa 式中:2gmTzhLD T轉距（Nmm） ，此處 T=120.3Nm=120.3 1000Nmm； 各齒間載荷不均勻系數，通常取 =0.7 0.8，此處取 =0.75；: z齒數，此處 z=6； 齒的工作高度（mm） ，對漸開線花鍵， =m,此處 m 為模數，且取gh gh m=1.5mm； 齒的工作長度（mm） ，此處 =48mm；gLgL 平均直徑（mm） ，對漸開線花鍵，此處 =d=26mm。mDmD 于是，把數據代入計算公式，得 p= = =28.6MPa2gTzhL120.3.756486 由于該花鍵聯接為不在載荷作用下移動的動聯接，查表 9-13 可知，若齒面經熱處 理且使用和制造情況為良好時，p可達 40 70 MPa，p p,故花鍵聯接的強度滿足: 要求。 3.8 夾緊機構插銷剪切強度的校核 刀套在刀座上的夾緊由插銷實現（見刀庫裝配圖） 。插銷承受的主要是剪切力，以 下對單個插銷進行剪切強度的校核。 插銷材料為 45 鋼， =60MPa,直徑 d=6mm。 16 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 故插銷滿足強度條件要求。 3.9 確定刀具的選擇方式 按數控裝置的刀具指令，從刀庫中將所需要的刀具轉換到取刀位置，稱為自動選 刀。在刀庫中選擇刀具通常采用兩種方式。 1)順序選擇刀具 刀具按預定工序的先后順序插入刀庫的刀座中，使用時按順序轉到取刀位置。用 過的刀具放回原來的刀座內，也可以按加工順序放入下一個刀座內。該法不需要刀具 識別裝置，驅動控制也比較簡單，工作可靠。但刀庫中每一把刀具在不同工序中不能 重復使用，為了滿足加工需要只有增加刀具的數量和刀庫的容量，這就降低了刀具和 刀庫的利用率。此外，裝刀時必須十分謹慎，如果刀具不按順序裝在刀庫中，將會產 生嚴重的后果。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。加工時按順序調刀。適合加工批量較大、工件品種 數量較少的中、小型自動換刀裝置。 2)任意選擇刀具 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別的編碼條，刀 具（或刀座）編碼這種方法根據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 動換刀時，刀庫旋轉，每把刀具（或刀座）都經過“刀具識別裝置”接受識別。當某 把刀具（或刀座）的代碼與數控指令相符合時，該把刀具被選中，刀庫將刀具送到換 到位置，等待機械手來抓取。任意選擇刀具法的優(yōu)點是刀庫中刀具的排列順序與工作 加工順序無關，刀具可重復使用。因此，刀具數量比較順序選擇法少一些,刀庫也相應 地簡單些。 刀庫選刀方式一般采用就近移動原則，即無論采取哪種選刀方式，在根據程序指 令把下工序要用的刀具移到換刀位置時，都要向距離換刀最近的方向移動，以節(jié)省選 刀時間。 在以上確定刀庫容量時已經討論可知數控銑床用 4 把刀就可完成大多數的銑削加 工。所以這個容量為 6 把刀的刀庫，幾乎不存在加工過程中需要重復利用刀具的情況， 所以刀具的選擇方式確定為順序選擇刀具。該法不需要刀具識別裝置，驅動控制也比 較簡單，工作可靠。 17 3.10 刀庫的定位與刀具的松夾 刀庫旋轉定位是依靠簡易定位裝置來實現的。其控制過程示意圖如下： 刀庫的定位是由接近開關使直 流伺服電機停止轉動，然后由雙向 液壓帶動定位銷 6，插入刀座 5 上的 定位孔，實現精確定位。在刀座 5 的每一個刀位上都裝有如圖所示的 彈簧、導柱 3、鍵塊 1 和銷 2 所組成 的刀具固定裝置。由此實現刀具在 刀庫上的固定鎖緊。圖中所示為刀 具卡在刀座上的狀況。當液壓缸 4 通油后，將導柱 3 拉出，使銷 2 退 出，此時刀具在刀座上處于自由狀 態(tài)，控制刀具固定裝置