XKA5032AC数控立式升降台铣床自动换刀装置的设计(含源文件)
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XKA5032AC数控立式升降台铣床自动换刀装置的设计(含源文件),xka5032ac,数控,立式,升降台,铣床,自动,装置,设计,源文件
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如何延长轴承寿命 摘要： 自然界苛刻的工作条件会导致轴承的失效，但是如果遵循一些简单的规则，轴承正常运转的机会是能够被提高的。在轴承的使用过程当中，过分的忽视会导致轴承的过热现象，也可能使轴承不能够再被使用，甚至完全的破坏。但是一个被损坏的轴承，会留下它为什么被损坏的线索。通过一些细致的侦察工作，我们可以采取行动来避免轴承的再次失效。 关键词： 轴承 失效 寿命 导致轴承失效的原因很多，但常见的是不正确的使用、污染、润滑剂使用不当、装卸或搬运时的损伤及安装误差等。诊断失效的原因并不困难，因为根据轴承上 留下的痕迹可以确定轴承失效的原因。 然而，当事后的调查分析提供出宝贵的信息时，最好首先通过正确地选定轴承来完全避免失效的发生。为了做到这一点，再考察一下制造厂商的尺寸定位指南和所选轴承的使用特点是非常重要的。 对轴承的噪声、扭矩、偏差、可暴露于污物和有害液体的程度以及温度极限的要求进行研究同样是至关重要的。研究上述要求可以为确定轴承是否用于某种工作提供进一步的线索。 1 轴承失效的原因 在球轴承的失效中约有 40%是由灰尘、脏物、碎屑的污染以及腐蚀造成的。污染通常是由不正确的使用和不良的使用环境造成的，它还会 引起扭矩和噪声的问题。由环境和污染所产生的轴承失效是可以预防的，而且通过简单的肉眼观察是可以确定产生这类失效的原因。 通过失效后的分析可以得知对已经失效的或将要失效的轴承应该在哪些方面进行查看。弄清诸如剥蚀和疲劳破坏一类失效的机理，有助于消除问题的根源。 只要使用和安装合理，轴承的剥蚀是容易避免的。剥蚀的特征是在轴承圈滚道上留有由冲击载荷或不正确的安装产生的压痕。剥蚀通常是在载荷超过材料屈服极限时发生的。如果安装不正确从而使某一载荷横穿轴承圈也会产生剥蚀。轴承圈上的压坑还会产生噪声、振动和附加扭矩。 类似的 一种缺陷是当轴承不旋转时由于滚珠在轴承圈间振动而产生的椭圆形压痕。这种破坏称为低荷振蚀。这种破坏在运输中的设备和不工作时仍振动的设备中都会产生。此外，低荷振蚀产生的碎屑的作用就象磨粒一样，会进一步损害轴承。与剥蚀不同，低荷振蚀的特征通常是由于微振磨损腐蚀在润滑剂中会产生淡红色。 消除振动源并保持良好的轴承润滑可以防止低荷振蚀。给设备加隔离垫或对底座进行隔离可以减轻环境的振动。另外在轴承上加一个较小的预载荷不仅有助于滚珠和轴承圈保持紧密的接触，并且对防止在设备运输中产生的低荷振蚀也有帮助。 造成轴承卡住的原因 是缺少内隙、润滑不当和载荷过大。在卡住之前，过大的摩擦和热量使轴承钢软化。过热的轴承通常会改变颜色，一般会变成蓝黑色或淡黄色。摩擦还会使保持架受力，这会破坏支承架，并加速轴承的失效。 材料过早出现疲劳破坏是由重载后过大的预载引起的。如果这些条件不可避免，就应仔细计算轴承寿命，以制定一个维护计划。 另一个解决办法是更换材料。若标准的轴承材料不能保证足够的轴承寿命，就应当采用特殊的材料。另外，如果这个问题是由于载荷过大造成的，就应该采用抗载能力更强或其他结构的轴承。 蠕动不象过早疲劳那样普遍。轴承的蠕动是由于轴 和内圈之间的间隙过大造成的。蠕动的害处很大，它不仅损害轴承，也破坏其他零件。 蠕动的明显特征是划痕、擦痕或轴与内圈的颜色变化。为了防止蠕动，应该先用肉眼检查一下轴承箱件和轴的配件。 蠕动与安装不正有关。如果轴承圈不正或翘起，滚珠将沿着一个非圆周轨道运动。这个问题是由于安装不正确或公差不正确或轴承安装现场的垂直度不够造成的。如果偏斜超过 轴承就会过早地失效。 检查润滑剂的污染比检查装配不正或蠕动要困难得多。污染的特征是使轴承过早的出现磨损。润滑剂中的固体杂质就象磨粒一样。如果滚珠和保持架之间润滑不良 也会磨损并削弱保持架。在这种情况下，润滑对于完全加工形式的保持架来说是至关重要的。相比之下，带状或冠状保持架能较容易地使润滑剂到达全部表面。 锈是湿气污染的一种形式，它的出现常常表明材料选择不当。如果某一材料经检验适合工作要求，那么防止生锈的最简单的方法是给轴承包装起来，直到安装使用时才打开包装。 2 避免失效的方法 解决轴承失效问题的最好办法就是避免失效发生。这可以在选用过程中通过考虑关键性能特征来实现。这些特征包括噪声、起动和运转扭矩、刚性、非重复性振摆以及径向和轴向间隙。 扭矩要求是由润滑剂、保持架、 轴承圈质量（弯曲部分的圆度和表面加工质量）以及是否使用密封或遮护装置来决定。润滑剂的粘度必须认真加以选择，因为不适宜的润滑剂会产生过大的扭矩，这在小型轴承中尤其如此。另外，不同的润滑剂的噪声特性也不一样。举例来说，润滑脂产生的噪声比润滑油大一些。因此，要根据不同的用途来选用润滑剂。 在轴承转动过程中，如果内圈和外圈之间存在一个随机的偏心距，就会产生与凸轮运动非常相似的非重复性振摆（ 保持架的尺寸误差和轴承圈与滚珠的偏心都会引起 重复性振摆不同的是， 在工业中一般是 根据具体的应用来选择不同类型和精度等级的轴承。例如，当要求振摆最小时，轴承的非重复性振摆不能超过 样，机床主轴只能容许最小的振摆，以保证切削精度。因此在机床的应用中应该使用非重复性振摆较小的轴承。 在许多工业产品中，污染是不可避免的，因此常用密封或遮护装置来保护轴承，使其免受灰尘或脏物的侵蚀。但是，由于轴承内外圈的运动，使轴承的密封不可能达到完美的程度，因此润滑油的泄漏和污染始终是一个未能解决的问题。 一旦轴承受到污染，润滑剂就要变质，运行噪声也随之变大。如果轴承过热，它将会卡住。当污染物处于滚 珠和轴承圈之间时，其作用和金属表面之间的磨粒一样，会使轴承磨损。采用密封和遮护装置来挡开脏物是控制污染的一种方法。 噪声是反映轴承质量的一个指标。轴承的性能可以用不同的噪声等级来表示。 噪声的分析是用安德逊计进行的，该仪器在轴承生产中可用来控制质量，也可对失效的轴承进行分析。将一传感器连接在轴承外圈上，而内圈在心轴以 1800r/量噪声的单位为 用 um/ 根据经验，观察者可以根据声音辨别出微小的缺陷。例如，灰尘产生的是不规则的劈啪声；滚珠划痕产生一种连 续的爆破声，确定这种划痕最困难；内圈损伤通常产生连续的高频噪声，而外圈损伤则产生一种间歇的声音。 轴承缺陷可以通过其频率特性进一步加以鉴定。通常轴承缺陷被分为低、中、高三个波段。缺陷还可以根据轴承每转动一周出现的不规则变化的次数加以鉴定。 低频噪声是长波段不规则变化的结果。0 次，它们是由各种干涉（例如 轴承圈滚道上的凹坑）引起的。可察觉的凹坑是一种制造缺陷，它是在制造过程中由于多爪卡盘夹的太紧而形成的。 中频噪声的特征是轴承每旋转一周不规则变化出现 1060次。这种 缺陷是由在轴承圈和滚珠的磨削加工中出现的振动引起的。轴承每旋转一周高频不规则变化出现60300次，它表明轴承上存在着密集的振痕或大面积的粗糙不平。 利用轴承的噪声特性对轴承进行分类，用户除了可以确定大多数厂商所使用的可确定轴承的噪声等级。 径、振摆等尺寸公差。随着 3增到 9），公差逐渐变小。但 轴承圈质量、粗糙度、噪声等。因此，噪声等级的划分有助于工业标准的改进。 to of be by a in a to at an a as to a be to a a of or is to a a it is to by he To do it is to is a of as as to as to a is a 1 0% of by is of or a by or is a a to on a or as or of is of by It is by in by as a is 50,000 2100 It be by a A is a of by is is It on in or in In by an is by a in is by on or a be to a on in be by a of or to or in is by a or be so a be is 40C 2100， do be In is to a or be is In it is by to on be it to in to 0or to To be is to in it is If or in a is or or of of an is to or as an in In In is if is a or in to is a of If to is to in 2 he to is to be in by In so is by or be in be to RR)as a a be by or of no be is in of It is in to a RR of is is as in to RR is in to a is of a is If it At as it in as an is as an of to is is in A is to is ,800on an is in m/an a to is a a an as it by to of is of .6 0 by a of as in is in is by 0 0 It is by in 0 00 or by to a in to by as As ), as or a on 主要技术参数 1) 刀库容量 :4 2）选刀方式 :顺序选刀 3）重复精度 : 5“ 设计学生： 所在班级： 指导老师： 升降台立式铣床 设计流程图 自动换刀装置的形式 (一 )更换主轴头换刀形式 (二 )带刀库的自动换刀形式 本设计选择 :带刀库的自动换刀形式 本设计自动换刀装置的组成 仿效 18 * 盘式刀库 (容量为 6顺序选刀 ) * 回转式双臂机械手 安装位置的确定 安装自动换刀装置后铣床的外观图 换刀过程示意图 a、 b 刀套下转 90 c、机械手转 75 d、机械手拔刀 e、刀具位置交换 f、机械手插刀 g 、机械手顺时针转 75 h 、刀套带着换回的旧刀具向上翻转 90 ，准备下一次选刀 , 机械手传动 结构 示意图 机械手换刀动作动画演示 刀库装配图 机械手液压控制图 机械手装配图 鸣谢 在此对在整个设计过程中，给予我指导和帮助的老师同学表示衷心的感谢！特别是我的指导老师 温坚 老师 。 刀库容量的确定 刀库储存量过大，导致刀库的结构庞大而复杂 ,影响机床总体布局；储存量过小，则不能满足复杂零件的加工要求。对自动换刀数控机床的刀库容量，有关资料曾对 15000个零件进行分组统计，指出不同工序加工时必须的刀具数不同，如图3图可知，铣削 90%的加工量由 4把铣刀即可完成。因此，对 数控立式升降台铣床，容量为 6的刀库就可满足要求了。 刀具选择方式的确定 刀库中选择刀具通常采用两种方式。 （一）顺序选择刀具 （二）任意选择刀具 因为 4把刀就可完成大多数的铣削加工 ,这个容量为 6把刀的刀库，几乎不存在加工过程中需要重复利用刀具的情况，所以本设计刀具的选择方式确定为 顺序选择刀具 。该法不需要刀具识别装置，驱动控制也比较简单，工作可靠。 毕业设计（论文） 题 目： 系 部： 机 电 工 程 系 专 业： 数控设备应用与维护 班 级： 姓 名： 学 号： 指导老师： 摘 要 【 摘要 】 ： 本论文介绍的是 数控立式升降台铣床自动换刀装置的设计 ，该自动换刀装置由刀库和换刀机械手组成 ， 刀库采用盘形结构 ,安装在机床的左侧立柱上 ， 刀库容量为六把 ， 采用顺序选刀方式 ， 机械手选用回转式双臂机械手 。 【关键词】 ： 数控铣床；自动换刀装置；刀库；换刀机械手 ： of is of a is on of is of ： 苏信息职业技术 学院毕业论文 目 录 第 1 章 绪论 . 1 控铣床的分类 . 1 控立式铣床 . 1 式数控铣床 . 1 、卧式两用数控铣床 . 1 控铣床的结构特征 . 1 控铣床的主轴特征 . 1 制机床运动的坐标特征 . 2 控铣床的主要功能及加工对象 . 2 控铣床的功能 . 2 动换刀装置（ 其形式 . 2 动换刀装置应当满足的基本要求 . 3 第 2 章 总体方案的确定 . 4 数控立式升降台铣床及其主要参数 . 4 定 数控立式升降台铣床自动换刀装置的设计参数 . 5 定 数控立式升降台铣床自动换刀装置的形式 . 5 第 3 章 刀库的设计 . 7 定刀库容量 . 7 定刀库形式 . 7 库结构设计 . 7 估刀库驱动转矩及选定电机 . 8 库转位机构的普通圆柱蜗杆传动的设计 . 9 库驱动转矩的校核 . 12 定刀具的选择方式 . 12 第 4 章 刀具交换装置的设计 . 13 刀机械手抓刀部分结构 . 13 械手传动结构 . 13 动换刀过程的动作顺序 . 14 动换刀装置的相关技术要求 . 15 轴准停装置 . 15 刀机械手的安装与调试 . 15 第 5 章 自动换刀装置的控制原理 . 16 库的控制 . 16 械手的控制 . 16 第 6 章 典型零件的设计 . 17 轴器 . 17 轴器的选用 . 17 轴器的校核 . 17 架的设计 . 17 江苏信息职业技术 学院毕业论文 设计总结 . 18 参考文献 . 19 江苏信息职业技术 学院毕业论文 1 第 1 章 绪论 控铣床的分类 控立式铣床 数控立式铣床是数控铣床中数量最多的一种，应用范围也最为广泛。小型数控铣床一般都采用工作台移动、升降、及主轴不动方式，与普通立式升 降台铣床相似 ；中型数控立式铣床一般采用纵向和横向工作台移动方式，且主轴沿垂直溜板上下运动；大型数控立式铣床，因要考虑到扩大行程，缩小占地面积及刚性等技术问题，往往采用龙门架移动式，其主轴可以在龙门架的横向与垂直溜板上运动，而龙门架则沿床身作纵向运动。 从机床数控系统控制的坐标数量来看，目前 3 坐标数控立式铣床仍占大多数。一般可进行 3 坐标联动加工，但也有部分机床只能进行 3 坐标中的任意二个坐标联动加工 。此外，还有机床主轴可以绕 X、 Y、 Z 坐标轴中其中一个或两个轴作数控摆角运动的 4 坐标和 5 坐标数控立式铣床。一般来说，机床控制的坐 标轴越多，特别是要求联动的坐标轴越多，机床的功能、加工范围及可选择的加工对象也越多。但随之而来的是机床的结构更复杂，对数控系统的要求更高，编程的难度更大，设备的价格也更高。 数控立式铣床可以附加数控转盘，采用自动交换台，增加靠模装置等来扩大数控立式铣床的功能，加工范围和加工对象，进一步提高生产效率。 式数控铣床 与通用卧式铣床相同，其主轴级平行于水平面。为了扩大加工范围和扩大功能，卧式数控铣床通常采用增加数控转盘或万能数控转盘来实现 4、 5 坐标加工，这样，不但工件侧面上的连续回转轮廓可以加工出来 ，而且可以实现在一次安装中，通过转盘改变工位，进行“四面加工”。可以省去许多专用夹具或专用角度成型铣刀。对箱体类零件或需要在一次安装中改变工位的工件来说，选择带数控转盘的卧式铣床进行加工是非常合适的。 、卧式两用数控铣床 这类铣床目前 正在逐渐增多，它的主轴方向可以更换，能达到在一台机床上既可以进行 立式加工，又可以进行卧式加工，其使用范围更广，功能更全，选择加工的对象和余地更大，给用户带来了很多方便 ，特别是当生产批量小，品种较多，又需要立卧两种方式加工时，用户只需买一台这样的机床就行了。 立、卧 两用数控铣床的主轴方向的更换有手动与自动两种，采用数控万能主轴头的立、卧两用数控铣床，其主轴头可以任意转换方向，可以加工出与水平面呈各种不同角度的工件表面。当立、卧两用数控铣床增加数控转盘后，就可以实现对工件的“五面加工”。即出除了工件与转盘贴合的定位面外，其它表面都可以在一次安装中进行加工。因此，其加工性能非常优越。 控铣床的结构特征 控铣床的主轴特征 数控 铣床的主轴开启与停止，主轴正反转与主轴变速等都可以按输入介质上编入的程序自动执行。不同的机床其变速功能与范围也不同。有的采用变 频机组，固定几种转速，可自选一种编入程序，但不能在运转时改变 。 有的采用变频器调整，将转速分为几档，编程时可任选一档，在运转中可通过控制面板上的旋钮，在本档范围内自由调节； 有的则不分档 ,编程时可在整个范围内无级调速。但是在实际操作中，调速不能有大起大落的突变，只能在允许的范围内调高或调低，只能在允许的范围内一般都设有自动拉、退刀装置，能在数秒内完成装刀与卸刀，换刀比较方便。此外，多坐标数控铣床的主轴可以绕 X、 Y 或 Z 轴作数控摆动，扩大了主轴自身的运动范围，但是主轴结构更加复江苏信息职业技术 学院毕业论文 2 杂。 制机床运动的坐标特 征 为了要把工件上各种复杂的形状轮廓连续加工出来，必须控制刀具沿平面上设定的直线、圆弧或空间直线、圆弧轨迹运动，因此，要求数控铣床的伺服拖动系统能在多坐标方向同时协调动作，并保持预定的相互关系，这就要求机床应能实现多坐标联动。数控铣床要控制的坐标数最少是 3 坐标 中任意两坐标联动。要实现连续 加工直线变斜角工件，应实现四坐标联动。若要加工曲线变斜角工件， 是要求实现五坐标联动。因此，数控铣床所配置的数控系统档次，一般都比其它数控机床相应更高一些。 控铣床的主要功能及加工对象 控铣床的功能 数 控铣床的功能分为一般功能和特殊功能。一般功能是指各类数控铣床普遍所具有的功能。如点位控制功能、刀具半径自动补偿功能、镜象加工功能、 固定循环功能等。特殊功能是指数控铣床在增加了某些特殊装置或附件后，分别具有或兼备的一些特殊功能。如刀具长度补偿功能、靠模加工功能、自动变换工作台功能、自适应功能、数控采集功能等。 在使用数控铣床加工工件时，只要充分利用数控铣床的各种功能，就可以加工许多普通铣床难加工的工件。数控铣床的主要加工对象有： 1、平面类零件。 2、变斜角类零件。 3、曲面类（立体类）零件。 动换 刀装置 （ 及其形式 数控机床为了能在工件一次装夹中完成多个工步，以缩减辅助时间和减少多次安装工件引起的误差，通常带有自动换刀系统。自动换刀 （ 称 系统由控制系统和换刀装置组成。 在数控铣床的基础上，如果再配以刀具和自动换刀系统，就构成加工中心（ 称 各 类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的型式、工艺范围及刀具的种类和数量等。这种装置主要可以分为以下几种形式： （ 1）回转刀架换刀 形式 数控车床使用的回转刀架是一 种简单的自动换刀装置。根据不同加工对象，可以设计成四方和六角 刀架等多种形式。回转刀架上分别安装着四把、六把或更多的刀具，并按 数控装置的指令转位换刀。 （ 2）更换主轴头换刀形式 在带有旋转刀具的数控机床中，更换主轴头换刀是一种简单的换刀方式。主轴头通有卧式和立式两种，而且常用转塔的转位来更换主轴头以实现自动换刀。各个主轴头 上预先装有各工序加工所需要的旋转刀具，当收到换刀指令时 ,各主轴头依次地转到加工位置，并接通主运动使相应的主轴带动刀具旋转，而其他处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。 转塔主轴头换刀方式的主 要优点是省去了自动松夹、卸刀装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作，从而显著地减少了换刀时间，提高了换刀的可靠性，但是由于结构上的原因和空间位置的限制，主轴的数目不可能很多。因此转塔主轴头换刀通常只适用于工序较少，精度要求不太高的数控机床，如数控铣床。 （ 3）带刀库 的自动换刀形式 带刀库的自动换到形式主要是由刀库和刀具交换装置组成。目前这种换刀方法在数控机床上的应用最为广泛。带刀库的自动换刀装置的数控机床主轴箱和转塔主轴头相 比较， 由于主轴箱内只 有一个主轴，所以主轴部件具有足够刚度，因而能够满足各种精密加工 的 要求。另外，刀库可以存放江苏信息职业技术 学院毕业论文 3 数量较多的刀具，可进行复杂零件的多工序加工 ，可明显提高数控机床的适应性和加工效率。这种带刀库的自动换刀装置特别适用于数控铣床、数控钻床和数控镗床。 刀库有多种形式，数控机床上常用的有盘式和链式两种。交换装置的机械手形式也多样，目前在数控机床上用得最多的是回转式 双 臂机械手。其他形式还有 摆动式单臂双爪机械手、 单臂单爪回转式机械手、双机械 手等等。 动换刀装置应当满足的基本要求 （ 1） 换刀时间短。 （ 2）刀具重复精度高。 （ 3）刀具储存足够。 （ 4）刀库占地面积小。 （ 5）安 全可靠。 江苏信息职业技术 学院毕业论文 4 第 2 章 总体方案的确定 依据设计任务书，我们的任务是给 数控立式升降台铣床设计安装合适的自动换刀装置 。主要技术参数为： （ 1）刀库容量： 4 2）选刀方式：顺序选刀 （ 3）重复精度： 5 数控 立式升降台铣床 主要由床身、升降台、工作台、立铣头、主传动、主变速、拉刀机构、液压系统、自动润滑系统、冷却系统、吊挂、电柜等部分组成。机床 本身并不带自动换刀装置。 自动换刀装置作为一套 独立的、完整的机床部件，设计依 据是该机床的型式、工艺范围及刀具的种类和数量等。 数控立式升降台铣床及其主要参数 数控立式升降台铣床是北京第一机床厂生产的带有立铣头的立式铣床，为机电一体化结构，三坐标联动，是一种使用很广的机床，它可以使用各种圆柱铣刀、角度铣刀及端面铣刀完成直线铣削，组成各种往复循环和框式循环或按坐标位置加工孔，也可以铣削具有轮廓的零件，如凸轮、样板、模具、叶片、弧形槽等。 该机床适用于机械制造的 各 种类部门，也适用于军工部门。 其主要规格及技术参数如下表： 表 2床主要规 格及技术参数 参数名称 单位 数量 工作台面尺寸（长 X 宽） 20 X 1320 工作台纵向（ X）行程 80 工作台纵向（ Y）行程 00 工作台纵向（ Z）行程 80 主轴孔径 9 立铣头最大回转角度 45 主轴转速级数 18 主轴转速范围 r/0作台进给级数 无级 主传动电动机功率 传动电动机转速 r/440 工作台最大 承载重量 20 主轴最大扭矩 N m 1000 机床外形尺寸（长 X 宽 X 高） 929 X 2055 X 2216 机床重量 800 该机床推荐使用的最大切削范围如下： 铣切钢：钢的含碳量 抗拉强度 600N/刀直径 100数 4； 铣切宽度 50切深度 3 轴转速 750 r/给量 750mm/ 铣切灰铸铁：材料 度 225。铣刀直径 250数 14； 铣切宽度 150切深度 3.7 轴转速 47.5 r/给量 300mm/苏信息职业技术 学院毕业论文 5 定 数控立式升降台铣床自动换刀装置的设计参数 在铣削轮廓时，为了保证一次连续地加工出全部表面，应选用半径小于工件最小轮廓半径的刀具，而在实际的生产加工中，常 尽量 选用直径较大的铣刀，因为大直径铣刀刚性好，耐用度高。由 数控立式升降台铣床推荐使用的最大切削范围可知，当铣切钢时，铣刀直径为 100 铣灰铸铁时，铣刀直径达 250此，为了满足该机床的实际加工能力与生产情况，在设计其自动换刀装置时，应该根据最大的刀具直径来设计，即设计的换刀装置能交换 250刀具。 初估最大直径刀具的重量为 8 定 数控立式升降台铣床自动换刀装置的形式 数控机床的自动换刀装置的结构形式 多种多样，选择何种形式，主要取决于机床的种类、 工艺范围以及刀具的种类和数量等。 由于 数控立式升降台铣床是一种使用范围较广的机床，且其可加工零件的精度要求也较高， 比较上章介绍的几种换刀形式，决定 选用带刀库的自动换刀形式。 带刀库的自动换刀装置是由刀库和刀具 交换装置（换刀机械手）组成。它是多工序数控机床上应用最广泛的换刀装置，其整过换刀过程比较复杂。首先把加工过程中需要使用的全部刀具安装在标准的刀柄上，在机床外进行尺寸预调后，按一定的方式装入刀库。换刀时，先在刀库中进行选刀，由机械手从刀库和主轴上取出刀具，然后交换位置，把新刀插入主轴， 旧刀放回刀库。存放刀具的刀库可具有较大的容量，它既可以安装在 主轴 箱的侧面或上方，也可以作为独立部件安装在机床以外。 数控立式升降台铣床 主轴箱上方 没有好的安装位置，安装在机床外又要增加刀具运输时间，降低效率，所以安装在机床侧面最合适，有些部件交错的地方，作适当的调整 。因为 数控立式升降台铣床 外形及其他性能参数等均 与 018A 数控立式镗铣床相似，所以本机床的自动换刀装置的设计将仿效 018A 数控立式镗铣床换刀 装置 ， 设计 成由由盘式刀库和 回转式双臂机械手 组成。 设计增 加自动换刀装置后的 数控立式升降台铣床的外观图如图 1示。 江苏信息职业技术 学院毕业论文 6 图 2 数控立式升降台铣床的外观图 江苏信息职业技术 学院毕业论文 7 第 3 章 刀库的设计 刀库是带刀库自动换刀装置的主要部件之一，其容量形式、布局及具体结构对数控机床的性能有很大影响。 定刀库容量 刀库储存量过大，导致刀库的结构庞大而复杂 ,影响机床总体布局；储存量过小，则不能满足复杂零件的加工要求。 因此，刀库容量应在经济合理的条件下，力图将一组类似的零件所需的全部刀具装入刀库，以缩短每次装刀所需的装调时间。对自动换刀数 控机床的刀库容量，有关资料曾对 15000 个零件进行分组统计，指出不同工序加工时必须的刀具数不同，如图3示。由图可知， 铣削 90%的加工量由 4 把 铣 刀即可完成。因此，对 数控立式升降台铣床 ， 容量为 6 的刀库就可满足要求了。 定刀库形式 由以上考虑 数控立式升降台铣床的结构布局 等 原因，决定 刀库采用盘形结构 ，沿刀库主轴轴向安装。这种刀库结 构简单且 紧凑 ，但为了换刀时刀具与主轴同向，刀库中的刀具需在换刀位置作 90 翻转。 库结构设计 刀库的外形如图 3示 。圆盘式刀库 （图 a） 由专用的直流伺服电动机 1 经 套筒联轴器 2、 蜗杆 4、蜗轮 3，带动刀盘 14 和盘上的 6 个刀套 13 旋转。刀座的滚子 11 在不旋转的导盘 14 的槽中受到限位，导盘 14 在最下端的换刀位置开了一个缺口。刀座以铰链形式与支承板 16 相连（图 b）。平时，由弹簧 18 将滚子销 19 压在刀套 13 的凹槽中，使刀座定位在水平位置。由于主轴是立式的，故应将处于刀库刀盘 14 最下位置的刀套旋转 90 ，使刀头朝下。实现这个动作靠气缸 5。气缸 5 的活塞杆 6 带动拨叉 7 上升。由 A A 剖视图中可以看到，最下面的一个刀套 13 右尾部的滚子 11 正好进入拨叉 7 的缺口。拨叉 7 上升使刀套连同刀具逆时针旋转 90 ，滚子销 19 退出支承板 16 的 凹槽，刀座转到垂直位置，等待机械手换刀。 江苏信息职业技术 学院毕业论文 8 刀套的构造如图 b 所示。由图中可以看到锥孔尾部有两个球头销钉 17，后有弹簧用以夹住刀具，故当刀套旋转 90后刀具不会下落。刀套顶部的滚子 15 用以在刀套处于水平位置时支承刀套。当刀具更换完毕，该刀座插入从主轴换下的刀具平头。通过气缸作用，与上述动作相反，刀座带着刀具夹头顺时针转动，直到水平位置为止，此时，滚子销 19 重新处于 支承板 16 的凹槽中。 蜗杆 4、蜗轮 3，带动刀盘 14 和盘上的 6 个刀套 13 旋转。刀座的滚子 11 在不旋转的导盘 14 的槽中受到限位，导盘 14 在最下端的换刀位置开了一个缺口。刀座以铰链形式与支承板 16 相连 （图b） 。平时，由弹簧 18 将滚子销 19 压在刀套 13 的凹槽中，使刀座定位在水平位置。由于主轴是立式的，故 应将处于刀库刀盘 14 最下位置的刀套旋转 90 ，使刀头朝下。实现这个动作靠气缸 5。气缸5 的活塞杆 6 带动拨叉 7 上升。由 A A 剖视图中可以看到，最下面的一个刀套 13 右尾部的滚子 11正好进入拨叉 7 的缺口。拨叉 7 上升使刀套连同 刀具逆时针旋转 90 ，滚子销 19 退出支承板 16 的凹槽，刀座 转到垂直位置，等待机械手换刀。 刀套的构造如图 b 所示。由图中可以看到锥孔尾部有两个球头销钉 17，后有弹簧用以夹住刀具，故当刀套 旋转 90 后刀具不会下落。刀套顶部的滚子 15 用以在刀套处于水平位置时支承刀套。 当刀具更换完毕，该刀座插入从主轴换下的刀具平头。通过气缸作用，与上述动作相反，刀座带着刀具夹头顺时针转动，直到水平位置为止，此时，滚子销 19 重新处于支承板 16 的 凹槽中。 估刀库驱动转矩 及选定电机 以 自动换刀数控镗铣床 的刀库 为 设计参考（ 查参考资料 14），采用经念法 初估回转所需转矩。 自动换刀数控镗铣床的刀库也是采用轴向放置的鼓盘式刀库形式，其容量为 36 把刀具，最大刀具重达 10库回转由最大扭矩为 25N m 的液压马达经谐波减速器驱动。现在由于设计的刀库容量为 6 把刀具， 可初估刀库驱动转矩为 N m。 刀库回转运动多数采用液压马达、直流电动机驱动。 由于本刀库的驱动转矩小，且所需转速小，所以决定采用直流伺服电动机驱动。 直流伺服电动机具有体积小，重量轻、伺服性好、力能指标高等优点 ，且该电机可用信号电压进行无级 调速 。由 参考资料 11 查选电动机型号为 90院毕业论文 9 的 列电磁式直流伺服电动机 ， 功率 为 库转位机构的普通圆柱蜗杆传动的设计 刀库的主运动是圆周回转运动，由刀库转位机构实现。 调定换刀信号电压，使电动机转速调定为 30 r/样电动机通过联轴器、蜗杆 、 蜗轮驱动 刀库转动，如 图 3示： 1、 选择蜗杆 传动类型 根据 88 的推荐，采用渐开线蜗杆（ 2、 选择材料 蜗杆采用 45 钢，齿面淬火，硬度为 45 50轮用铸锡磷青钢 属模铸造， 2=220 3、 确定主要参数 蜗杆蜗轮传动，以蜗杆为主动，蜗轮为从动。 为了提高传动效率 ， 取 ，传动比取 6， 单向旋转，单工作制，预计寿命为 5 年。 则 6=36。 4、 按齿面接触疲劳强度设计 22215000Z （ （ 1）计算蜗轮轴转矩 估传动效率 = 594129594 11/594 m （ 2） 载荷系数 K= 3） 许用接触应力2 2Z=220 中 , 2220 270 计滑动速度m/s， 用浸没润滑 ,则 由参考文献 11 18 2 查得 滑动速度影响系数Z=中00 1 306 5 300 8=610 ,按图 18 3 查得）； （ 4） 计 算 ,并选定模数 m 和蜗杆分度圆直径 苏信息职业技术 学院毕业论文 10 2150003 6 2 9 3 按表 18 3 查得模数 m=, 5 （ 5、 验算滑动速度1） 计算蜗杆速度11160 1000= 45 3060 1000 =m/s （ 2） 计算滑动速度V/=m/s 其中 = 111( / ) m d= 1 ( 6 3 / 4 5 ) =则初估的 6、 验算蜗轮齿弯曲强度 验算公式为 22212666 S F K K d m （ 1） 使用系数 （ 2） 动载荷系数 3） 载荷分布系数 K=1 5 d=36=113.4 中模数 m=。 （ 4） 蜗轮齿形系数 5） 按蜗轮当量齿数2Z/ 3 =36/ 3图 17 2 查得。 （ 6） 导程角系数 Y=1- /120=120 = 7） 许用弯曲应力2 20 8） 计算弯曲应力 2 6 6 6 1 6 6 . 9 2 1 1 . 0 3 1 3 . 9 2 0 . 8 14 5 1 1 3 . 4 3 . 1 5F =于2F2帮满足蜗轮轮齿强度条件。 7、 计算蜗杆蜗轮的主要参数 （ 1） 分度圆直径 1d=45，2d=36= 2） 中心距 a a=（1d+2d+2245+ （ 2=79 3） 蜗杆导程角 8、 计算其他尺寸 （ 1） 蜗杆 齿顶圆直径1d+215+2 1.3 江苏信息职业技术 学院毕业论文 11 其中11ah=m= （ 2） 蜗轮喉圆直径2d+22 其中22ah=2x= （ 3）蜗轮外圆直径2ad+m=22 （ 4）蜗杆齿宽1，故11b=64 5）蜗轮齿宽20。 6712b=34 （ 6）蜗轮齿顶 圆弧半径212 7） 蜗轮齿根圆弧半径212ad+c= 12 （ 8）蜗杆轴向齿厚1= /2m = =中 （ 9）蜗杆法向齿厚1xs （ 10）蜗轮分度圆齿厚2.5 m = 9、 热 平衡计算 蜗杆传动由于效率低，所以工作时发热量大。在闭式传动中，如果产生的热量不能及时地散逸，将因油温不断升高而使润滑油稀释，从而增大磨擦损失，甚至发生胶合。所以必须根据单位时间内的发热量1保证油温稳定牌规定的范围内。 由于摩擦损耗的功率P（ 1- ） 产生的热流量（单位为 1W=1j/s） 为 1H=10001P（ 1- ） W 式中 1位： 以自然冷却方式，从箱体外壁散发到周围空气中去的热流量为 2H= w 式中 k 热导率，一般取 k=8。 7 2m C ） ,环境空气流通较差时，取较小值，否则取较大值； A 传动装置散热的计算面积，即内面被没浸溅的，而外面又被空气所能 冷却的的箱壳面积（ 2m ）； 1t 润滑油的工作温度，一般限制在 60 70 C ，最高不能超过 80 C ； 0t 周围环境温度，一般取室温0t=20 C 。 按热平衡条件1H=2H，可求得在既定工作条件下的没温为 1t=0t+ 11 0 0 0 P 1 - C 在绘制传动装置结构图的基础上进行热平衡计算： 1P=8000 =苏信息职业技术 学院毕业论文 12 取 =k=10,并估算 A=0. 006 2m ，则 1t=20+ 1 0 0 0 0 . 0 7 3 6 1 - 0 . 9 5 1 0 0 . 0 0 6= 80 C 由于1以必须采取一些散热措施，以提高散热 能力，如在装循环冷却管路。 库驱动转矩的校核 蜗轮转速2n=5r/能传递的功率为 P=8000 w,此时刀库的驱动转矩为：T= 9549= 0 9 5 4 9 0 5 =m N m， 其中 =普通平键带动刀盘回转的传动效率。 所以，刀库驱动转矩满足要求。 定刀具的选择方式 按数控装置的刀具指令，从刀库中将所需要的刀具 转换到取刀位置，称为自动选刀。在刀库中选择 刀具通常采用两种方式。 （ 1） 顺序选择刀具 刀具按预定工序的先后顺序插入 刀库的刀座中，使用时按 顺序转到取刀位置。用 过的刀具放回原来的刀座内，也可以按加工顺序 放入下 一个刀座内 。该 法不需要 刀具识别装置，驱动控制也比较简单，工作可靠。但刀库中每一把刀具在不同工序中不能重复使用，为了满足加工需要只有增加刀具的数量和刀库的容量，这就降低了刀具和刀库的利用率。此外，装刀时必须十分谨慎，如果刀具不按顺序装在刀库中，将会产生严重的后果。 （ 2） 任意选择刀具 这种方法根据程序指令的要求任意选择所需要的刀具，刀具在刀库中不必按照工件加工顺序 排列，可以任意存放。每把刀具（或刀座）都编上代码，自动换刀时，刀库旋转，每 把刀具 （或刀座）都经过“刀具识别装置”接受识别。当某把刀具（或刀座）的代码与数控指令相符合时，该把刀具被选中，刀库将刀具送到换到位置，等待机械手来抓取。任意选择刀具法的优点是刀库中刀具的排列顺序与工作加工顺序无关，刀具可重复使用。因此，刀具数量比较顺序选择法少一些。刀库也相应地简单些。 任意选择法主要有三种编码方式：刀具编码方式、刀座编码方式和编码附件方式。 在以上确定刀库容量时已经讨论可知数控铣床用 4 把刀就可 完成 大多数的 铣削加工。所以这个容量 为 6 把刀的刀库，几乎不存在加工过程中需要重复利用刀具的情况，所以刀具的选 择方式确定为顺序选择刀具。 该 法不需要刀具识别装置，驱动控制也比较简单，工作可靠。 江苏信息职业技术 学院毕业论文 13 第 4 章 刀具交换装置的设计 数控 机床的自动换刀装置中 ,实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具交换装置 。 刀具的交换方式通常分为两种 : 一种是采用机械 手 交换刀具 , 另 一种是由刀库与机床主轴的相对运动来实现刀具交换即无机械手交换刀具 。 刀具的交换方式及它们的具体结构对机床的工作效率和工作可靠性有直接的影响 。由 数控立式升降台铣床 的结构特性决定难以实现由刀库与机床主轴的相对运动来实现刀具交换，故采用机械手 交换刀具的方式。 机械手是当主轴上的刀具完成一个工 步 后，把这一工步的刀具送回刀库，并把下一道工步的 所需的刀具从刀库中取出并装入主轴继续加工的功能部件。对机械手的具体要求是迅速可靠，准确协调。 刀机械手 抓刀部分结构 如图 4示机械手抓刀部分结构。它主要由手臂 1 和固定于其两端的结构完 全相同的两个手爪 1 组成。手爪上握刀的圆弧部分有一锥销 2，机械手抓刀时，该销插入刀柄的键槽中。 当机械手由原位转 75 抓住刀具时，两手爪上的长销 7 分别被主轴前端面和刀库上的挡块压下，使轴向开有长槽的活动销 6 在弹簧 4 的 作用下右移顶住刀具。机械手拔刀时，长销 7 与挡 块
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