毕业设计（论文）-数控铣床换刀装置系统设计.doc

第 1 页 毕业设计（论文）中文摘要 本文介绍的是数控铣床自动换刀装置系统的设计.刀库式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。存放刀具的刀库具有较大的容量，其容量为六把刀具,采用盘形结构,安装在机 床的左侧立柱上。因为 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床外形及其他性能参数等均与 THK6363 型自动换刀数控镗铣床相似，所以本机床的自动换刀装置的设计将仿效 THK6363 型自动换刀数控镗铣床换刀装置，设计成采用轴向放置的鼓盘式刀库形式和回 转式双臂机械手组成。 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。顺序选刀是在加工之前，将加工零件所需刀具按照工艺要求依次插入 刀库的刀套中，顺序不能有差错。加工时按顺序调刀。适合加工批量较大、工件品种 数量较少的中、小型自动换刀装置。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。 两手互相垂直的回转式单臂双手机械手的优点是换刀动作可靠，换好时间短，缺 点是刀柄精度要求高，结构复杂，联机调整的相关精度要求高，机械手离加工区较近。 一般来说，这种机械手用于刀库刀座轴线与机床主轴轴线垂直，刀库为径向存取刀具 形式的自动换刀装置，因此，在 XKA5032A/C 数控立式升降铣床的自动换刀装置中可采 用这种机械手形式。 关键词：立式铣床 换刀系统 自动 第 2 页 目录 1 绪论.1 2. 数控机床的基本知识.2 2.1.1 数控机床的定义.2 2.1.2 数控技术的发展历程 .2 2.1.3 我国数控系统的发展概况. 2 2.1.4 数控系统的发展趋势.3 2.2 数控铣床的基本知识.3 2.2.1 数控立式铣床.3 2.2.2 数控卧式铣床.3 2.2.3 立式卧式两用数控铣床.3 2.3 数控铣床的结构特征.4 2.3.1 数控铣床的主轴基本结构特征.4 2.3.2 控制机床运动的坐标基本特征.4 2.4 数控铣床主要实现功能及加工对象.4 2.4.1 数控铣床的功能.4 2.4.2 ATC 及其形式.5 2.4.3 自动换刀装置系统的基本要求.6 3. 数控铣床自动换刀装置的总体思路.7 3.1 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床及其主要参数.7 3.1.2 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床主要结构特点.8 3.1.3 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床主要规格及技术参数.8 3.2 换刀装置的设计参数.10 3.3 换刀装置系统的形式.10 4. 刀库的设计.12 4.1 刀库的容量设计.12 4.2 刀库的形式设计.13 4.3 刀库的结构设计.13 4.4 初估刀库驱动转矩及选定电机.14 4.4.1 刀库驱动转矩及选定电机思路.14 4.4.2 初选电动机与降速传动装置.14 4.4.3 初步估刀算库驱动转矩.15 4.5 刀库转位机构的普通圆柱蜗杆传动的设计.15 4.6 刀库驱动转矩的校核.19 4.7 花键联接的强度.19 4.8 夹紧机构插销剪切强度的校核.20 5. 刀具交换装置的设计.21 5.1 刀具的选择.21 第 3 页 5.1.1 顺序选择刀具.21 5.1.2 任意选择刀具.21 5.2 刀库的定位与刀具的松夹.22 5.3 设计换刀机械手形式.23 5.4 机械手传动结构.24 5.5 机械手的自动换刀过程的动作顺序.26 5.6 机械手回转轴齿轮齿条设计.27 5.7 换刀装置的相关技术要求.27 5.7.1 主轴准停装置.27 5.7.2 换刀机械手的安装与调试.28 5.8 自动换刀程序的编制.28 6. 换刀装置的控制原理.30 6.1 换刀装置的液压系统原理图.30 6.2 换刀机械手的工作原理.30 7. 典型零件的设计.32 7.1 联轴器.32 7.1.1 联轴器的参数.32 7.1.2 联轴器的选择.32 7.2 离合器类型的选择.32 7.3 蜗杆蜗轮传动设计的技术要求.33 结论.34 致 谢.35 参考文献.36 第 1 页 1 1 绪论绪论 随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现加工过程的高度自 动化，已越来越引起人们的重视。生产中应用自动换刀装置系统可以提高生产的自动 化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产。在机械加 工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方 面数控机床以及数控技术得到越来越广泛的应用。尤其在高温、高压、低温、低压、 粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中。 在现代工业生产自动化领域中，机械加工的快速上下刀、精确的加工都使数控机 床以及数控加工中心的应用显得十分重要。据详实的资料统计，这些费用占全部加工 费用的五分之一以上。而大规模的机械加工中，时间的节省越来越成为生产者和工程 设计者（或者技术人员）的追求方向，这也是未来工业发展的趋势。 数控技术已被广泛用于航空、航天以及工业生产领域中。我国目前研制的数控机 床自动换刀装置大多还是专用数控机床自动换刀装置。该装置的结构形式比较简单， 专用性强，仅附属于某台机床。虽然其有着通用换刀装置无法比拟的批量大，对某些 设备（或者机加零件）的加工精确性高的优点，但就目前来看，专用换刀装置存在着 适应性不强的弊端。这就要对其进行必要的改造，使其适应未来的工业发展的需要。 由于数控机床自动换刀装置改变工作程序较方便，特别适用于多品种、小批量的生产。 换刀装置在工业生产中的应用只有三十年的历史，但这些装置在国外得到相当重视。 所以设计生产使用数控机床、数控加工中心一类的较为高级的机加设备是迫在眉睫的。 虽然目前我国的数控加工中心等大型设备还是依赖进口，但相信不久的将来我国必然 会设计研制出自己的设备，这需要我们所有人的不懈努力。 第 2 页 2. 数控机床的基本知识 2.1.1 数控机床的定义 数字控制机床是用数字代码形式的信息(程序指令)，控制刀具按给定的工作程序、 运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。 数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工 性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频 繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。 2.1.2数控技术的发展历程 回顾数控技术的发展已经经历了两个阶段，六代的发展历程。第一个阶段叫做 NC 阶段，经历了电子管、晶体管、和小规模集成电路三代。自 1970 年开始小型计算机开 始用于数控系统就进入了第二个阶段，叫做 CNC 阶段，成为第四代数控系统：从 1974 年微处理器开始用于数控系统即发展到第五代。经过十多年的发展，数控系统从 性能到可靠性都得到了根本性的提高。实际上从 20 世纪末期直到今天，在生产中使用 的数控系统大部分都是第五代数控系统。但第五代数控系统以及以前各代都是一种专 用封闭的系统，而第六代开放式数控系统将代表着数控系统的未来发展方向，将 在现代制造业中发挥越来越重要的作用。 2.1.3 我国数控系统的发展概况 在对内搞活，对外开放的方针指引下，于 1980 年开始引进日本就有 70 年代末 期水平的微处理器数控系统和直流伺服拖动技术。并于 1981 年开始生产，到 1988 年 又开始引进美国的 GE 和 DYNAPATH 公司的数控系统和拖动技术，在上海市机床研究所 和辽宁精密仪器厂组织生产。1985 年以后，我国的数控机床的可供品种已超过 300 种， 其中数控机床占 40%，加工中心占 27% ，其它品种为重型机床、镗铣床、电加工机床、 磨床、齿轮加工机床等。目前我国数控机床生产厂家共有 100 多家，其中能批量生产 的企业有 42 家，平均年产量 4050 台，几家重点企业年产量可以达到 400700 台；数 控系统生产企业约 50 家，但生产具有一定批量的只有 8 家，生产数控机床配套产品的 企业共计 300 余家，产品品种包括八大类 2000 种以上。我国的数控系统分为三种类型， 经济型、普及型、和高级型。在经济型数控系统中，我国具有很大优势，在当前每年 数千台经济型数控车床和电加工机床的市场上，国产数控系统占据了绝大份额。在普 及型数控系统的市场上，我们正在取得进展。当然，拥有自主知识产权的数控系统在 市场的开拓上仍要尽更大的力量。新开发的国产数控机床产品大部分达到国际 80 年代 第 3 页 中期水平，部分达到 90 年代水平，在技术上也有所突破，如高速主轴制造技术、快速 进给、快速换刀、柔性制造、快速成型制造技术等为下一代国产数控技术的发展奠定 了基础。 2.1.4 数控系统的发展趋势 国际上，数控系统的发展趋势正朝着高速度高精度化、高可靠性、多功能化、智 能化、集成化、具有开放性、网络化数控系统、并联机床及数控系统的方向发展。 2.2 数控铣床的基本知识 数控铣床大致按安放方式分为三类 2.2.1 数控立式铣床 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。 2.2.2 数控卧式铣床 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。 第 4 页 2.2.3 立式卧式两用数控铣床 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。 2.3 数控铣床的结构特征 2.3.1 数控铣床的主轴基本结构特征 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 轴结构更加复杂。 2.3.2 控制机床运动的坐标基本特征 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。 第 5 页 2.4 数控铣床主要实现功能及加工对象 2.4.1 数控铣床的功能 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：平面类零件；变斜角类零件； 曲面类（立体类）零件。 2.4.2 ATC 及其形式 数控机床为了进一步提高生产率，进一步压缩非切削时间，现代的机床逐步发展 为在一台机床上在一次装中完成多工序或全部工序的加工。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。对工件的多工序加工而设置的存储及更换刀具的装置称为自动换刀装 置(Automatic Tool Changer，ATC);自动换刀（Automatic Tool Change 简称 ATC）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（Machining center 简称 MC） 。在这类数控机床上，自动换刀装 置（ATC）是必不可少的。例如加工中心机床又称多工序自动换刀数控机床，它主要是 指具有自动换刀及自动改变工件加工位置工能的数控机床，具有自动换刀装置是加工 中心机床的典型特征，是多工序加工的必要条件。自动换装置的功能，对整机的加工 效率有很大的影响。由于普通的数控立式铣床加工的一般是中小零件，其大多需要几 把刀具加工（10 把刀具以内， ）故增加自动换刀装置并同时自动变换主轴转速。可减轻 劳动强度，减少换刀时间，既提高了机床的自动化程度，又提高了劳动生产率。因此， 数控立式铣床作为数控铣床中数量最多、应用范围也最广的一种，对其附加能够快速、 准确地换刀的自动换刀装置是非常有必要的。 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 第 6 页 设计成四方和六角刀架或其他等多种形式。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。回转刀架在结构上必须有良好的强度和刚性， 以及合理的定位结构，以保证回转刀架在每一次转位之后具有尽可能高的重复定位精 度。如：CK7815 型数控车床采用 BA200L 刀架，其工作循环是：刀架接收数控装置的指 令一松开一转到指令要求的位置一夹紧一发出转位结束的信号。 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，主轴部件的刚性差且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 带刀库的自动换刀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。 刀库的类型按刀库的结构形式可分为：圆盘式刀库、链式刀库、箱型式刀库-箱 型和线型；按设置部位的不同，刀库可以分为：顶置式、侧置式、悬挂式和落地式等 多种类型；按交换刀具还是交换主轴，刀库可分为：普通刀库(简称刀库)和主轴箱刀 库。虽然刀库有多种形式，但数控机床上常用的主要是圆盘式和链式两种。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。 第 7 页 2.4.3 自动换刀装置系统的基本要求 1）刀具换刀时间短。 2）刀具重复定位精度高。 3）足够的刀具储存量。 4）刀库占地面积小。 5）换刀安全可靠。 第 8 页 3. 数控铣床自动换刀装置的总体思路 依据设计任务书，我们的任务是给数控立式铣床设计安装合适的自动换刀装置。 选定以 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床为设计平台，其主要技术参数为： 1）刀库容量：4-6 2）选刀方式：顺序选刀 3）重复精度：5 XKA5032A/C 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。 3.1XKA5032A/C 数控立式升降台铣床及其主要参数 XKA5032A 型数控立式升降台铣床是一种使用范围广泛的机床，根据用户要求，配 置国内外（OSP-U10M、SIEMENS802D、华中号）先进数控系统，可手动或自动操作。 它可以实现 X、Y、Z 三轴同时定位/直线插补，同时二轴圆弧插补。OPS 全域绝对位置 检测。每次开机无须回零，简化机床操作。尤其在发生停机、断电、更换程序等情况 后再启动时不用整机回零，可以直接开机，方便操作。尤其方便不熟练操作工、繁忙 操作工、电力不良等情况下的使用。可采用主程序、子程序进行编程，最小单位可选 0.001mm。具有标准机床坐标系、工件坐标系，绝对值、增量可并用。各有 50 组刀具 长度、半径长度补偿。彩色 LCD 中文显示，具良好人机对话窗口，系统具有 160m 存储 容量，可进行程序编辑、管理，可用 RS-232C 接口、1.44 软盘进行数据输入、输出, 便于加工程序的管理。可以对程序进行模拟加工，刀具轨迹跟踪及动画仿真、图形动 画显示，记录运行时间及作业信息。 XKA5032A/C 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。 第 9 页 3.1.2XKA5032A/C 数控立式升降台铣床主要结构特点 1)主传动系统为 7.5Kw 的交流电动机通过弹性连轴器驱动主传动箱，主传动箱内 有三组滑移齿轮,液压预选变速机构推动各滑移齿轮,组成 18 种转速,再传到铣头上的 主轴，主传动箱内有电磁制动器,主轴制动迅速平稳。 2)进给系统 X、Y、Z 三个座标的进给，都是由交流伺服电机驱动的。电机通过同 步齿形带驱动滚珠丝杠，从而使部件沿导轨移动。伺服电机及其相应的速度控制单元 和用于位置检测的脉冲编码器等均受控于数控系统；以完成各种进给运动。 同步齿形带可张紧以减少传动间隙，噪声亦可降低。 垂向电机是带制动器的，当断电时，垂向刹紧，以防止升降台因自重而下滑。 3)铣头上的立式主轴，有符合国际标准的(ISO)No.50 锥孔，可安装标准的铣刀或 铣夹头。主轴的轴向位置可调整，连同套筒一起作轴向伸出。主轴也可以连同铣头主 体一起，在左右各 45范围内调整成倾斜位置。 4)刀柄采用标准 XT50 形式，可与万能铣床刀柄通用。 5)润滑系统 自动润滑站配以递进式分油器，对机床导轨副、滚珠丝杠副及齿轮副等进行自动 的定时定量润滑，每次加油量和两次间的时间间隔都是可调的，力求保证每个润滑点 的合理油量。 6)机床采用侧挂式电柜和吊挂式操纵站，机电一体，整体装运，安装方便，集中 操纵但能又多位置操作。 7)半自动的装卸刀机构,安装在铣头的上方，通过两个按钮分别控制装刀和卸刀， 方便而安全，即使主轴向外伸出，也不会影响刀具的装卸。 3.1.3XKA5032A/C 数控立式升降台铣床主要规格及技术参数 表一 机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）mm320 X 1320 工作台纵向（X）行程mm780 工作台纵向（Y）行程mm300 工作台纵向（Z）行程mm380 第 10 页 主轴孔径mm29 主轴端面至工作台面的距离mm70450 主轴中心线至床身导轨面距离mm350 定位精度及重复定位精度mm0.015、0.005 主轴端部锥度ISONo.50 立铣头最大回转角度45 主轴转速级数18 主轴转速范围r/min301500 工作台进给级数无级 纵、横向进给范围mm/min63200 垂向进给范围mm/min31600 纵、横向快进速度mm/min6000 垂向快进速度mm/min3000 主传动电动机功率kw7.5 主传动电动机转速r/min1440 工作台最大承载重量kg320 主轴最大扭矩Nm1000 机床外形尺寸（长 X 宽 X 高）mm1929 X 2055 X 2216 机床重量kg2800(3000) 故该机床推荐使用的最大切削范围如下： 第 11 页 铣切钢：钢的含碳量 0.45%，抗拉强度 600N/mm2。铣刀直径100mm，齿数 4； 铣切宽度 50mm，铣切深度 3 mm；主轴转速 750 r/min，进给量 750mm/min。 铣切灰铸铁：材料 HT200，硬度 HB150225。铣刀直径250mm，齿数 14； 铣切宽度 150mm，铣切深度 3.7 mm；主轴转速 47.5 r/min，进给量 300mm/min 3.2 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 XKA5032A/C 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 mm。当铣灰铸铁时，铣刀直径达250mm。因此， 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250mm 的刀具。 初估最大直径刀具的重量为 8kgf。 3.3 换刀装置系统的形式 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 XKA5032A/C 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。 XKA5032A/C 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 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床外形及其他性能参数等均与 THK6363 型自动换刀数控镗铣床相似，所以本机床的自动换刀装置的设计将仿效 THK6363 型自动换刀数控镗铣床换刀装置，设计成由由盘式刀库和回转式双臂机械手组 第 12 页 成。设计增加自动换刀装置后的 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床的外观图如图 3-1 所 示。 第 13 页 图 3-1 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床的外观图 4. 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。 4.1 刀库的容量设计 决定刀库容量时，首先要考虑加工工艺的需要，同时还要调查分析同类型、相近 规格的自动换刀机床的刀库容量及其发展趋势。由于带自动换刀装置的数控机床主要 是在多品种、单件小批生产时使用，因而应根据广泛的工艺统计，依大多数工件加工 时需要的刀具数来确定刀库容量。例如，对功能较为齐全的加工中心而言，它可承担 多个工件的切削任务，因而要配备刀具的种类和规格较多。通常，配备的刀具越多， 机床能加工工件的比率也越高，但它们并不是成正比例关系。图 4-1 为刀库容量与机 床能加工工件的比率统计曲线。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 3-1 所示。由图可知，4 把铣 刀可完成加工工件的 95左右的铣削工艺，10 把孔加工刀具可完成 70的钻削工艺， 14 把刀的容量就可完成 70以上工件的钻铣工艺，配有 1440 把刀具的刀库就能够 满足 70-95工件的加工需要。因此，对 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床，从使用 和经济效率角度来看，容量为 6 的刀库可以满足其要求。 图 4-1 第 14 页 4.2 刀库的形式设计 由以上考虑 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床的结构布局等原因，决定采用轴向放置 的鼓盘式刀库形式。这种刀库结构简单，刀具排列较为紧凑，在刀库容理定为 6 的情 况下体种不大，且取刀也较为方便，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。但需要考虑机械手的换刀动作空 间。 4.3 刀库的结构设计 如刀库装配图所示，当数控系统发出换刀指令后，直流伺服电动机接通，其运动 经过十字联轴器、波传动减速器、套筒式联轴器、蜗杆、蜗轮后，再经花键联接传到 刀盘上，刀盘带动刀座上的 6 个刀套转动，完成选刀动作。 第 15 页 图 4-2 4.4 初估刀库驱动转矩及选定电机 刀库回转运动多数采用液压马达、直流电动机驱动，并没有降速传动装置。 以 THK6363 型自动换刀数控镗铣床的刀库为设计参考，采用经念法初估回转所需转矩。 4.4.1 刀库驱动转矩及选定电机思路 THK6363 型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 10kgf，刀库回转由最大扭矩为 25Nm 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 T0=8Nm。 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 P1275 表查选电动机型号为 90SZ03 的 SZ 系列电磁式直流伺服电动机，功率为 0.092 kw。4.4.2初选电动机与降速传动装置 刀库的驱动系统中，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 第 16 页 优点，且该电机可用信号电压进行无级调速。采用型号为 90SZ03 的 SZ 系列电磁式直 流伺服电动机，其基本参数为：功率 0.092KW，转速 3000R/MIN（袖珍机械师设计手 册P1275） ；降速传动装置型号为 XB3-50-100A 的扁平式谐波传动减速器，其基本参 数为：输入功率 0.092KW，输出转矩 18Nm（袖珍机械师设计手册P1078-1079） 。 4.4.3初步估刀算库驱动转矩 由于刀库容量 6，下面就以 THK6363 型自动换刀数控镗铣床的刀库为设计参考，采 用经验法初估回转所需转矩。THK6363 型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 10kgf，刀库回转由最大扭矩 为 25Nm 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(主要是指直接驱动刀盘转动的转矩)为 T0=8Nm。 4.5 刀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，如图 3-3 所示,直流伺服电动机 1 通过弹性柱销联 轴器与谐波传动减速器 2 联接减速后驱动蜗杆 3,设计刀库转位机构的普通圆柱蜗杆传 动. 由刀库转位机构实现。 己知直流伺服电动机 1 的功率为 0.092KW,转速为 3000R/MIN,谐波传动减速器 2 的 传动比为 100.传动效率为 80%,1 经 2 减速后驱动蜗杆 3,蜗杆为主动,蜗轮为从动,要求 传动此为 6,单向旋转,单班工作制,预计寿命为 5 年. 1)选择蜗杆传动类型 根据 GB1008588 的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI） 。 2)选择材料 蜗杆采用 45 钢，齿面淬火，硬度为 4550HRC；蜗轮用铸锡磷青铜 ZCuSn10Pb1， 金属模铸造，=220 MPa，=220 MPa。 2HP 2FP 第 17 页 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 Z1=6，传动 比取 6，单向旋转，单工作制，预计寿命为 5 年。则 Z2= Z1i= 66=36。 4)按齿面接触疲劳强度设计 m2d1KT2 (mm3) 2 22 15000 Z HP a)计算蜗轮轴转矩 T2 初估传动效率 =0.95,则 T2=9549=9549=95490.95=133.53 Nm 1 2 P n 1 1/ P ni 0.092 80% 30/6 其中 n1 =3000/100=30(r/min) b)载荷系数 K=1.05 c)许用接触应力 2HP =2200.91.48=293.04 MPa 2HP 2HP VS Z N Z 式中, =220 MPa, 2HP 估计滑动速度5m/s，用浸没润滑,则由查得滑动速度影响系数 S V =0.9,=1.48（其中=60at=60153008=3.6） ； VS Z N Z L Z 2 n 30 6 6 10 d)计算 m2d1值,并选定模数 m 和蜗杆分度圆直径 d1 m2d11.05133.53=283.46 mm3; 2 15000 36 293.04 查得模数 m=3.15(mm), d1=35.5 (mm) (m2d1值应大于计算值) 5)验算滑动速度 S V a)计算蜗杆速度 1 V =0.0558 m/s 1 V 11 60 1000 dn 35.5 30 60 1000 b)计算滑动速度 S V 第 18 页 =/=0.0558/=0.0632 m/s S V 1 Vcos cos28148 其中=,则初估的值合适。 1 11 (/)tgZ m d 1(6 3.15/35.5) tg 28148 S V 6)验算蜗轮齿弯曲强度 验算公式为 2 22 12 666 AV FFSFP T K K K Y Y d d m a)使用系数=1 A K b)动载荷系数=1.03 V K c)载荷分布系数=1K d1=35.5 mm，=m=3.15 36=113.4 mm,其中模数 m=3.15(mm)。 2 d 2 Z d)蜗轮齿形系数=4.00 FS Y e)按蜗轮当量齿数=/=36/=52.35。 2V Z 2 Z 3 cos 3 cos 28148 f)导程角系数=1-/120=1-/120 =0.766Y 28148 g)许用弯曲应力 2FP =70 0.542=37.94 MPa 2FP 2FP N Y h)计算弯曲应力 =22.132 2 666 133.53 1 1.03 1 4.00 0.766 35.5 113.4 3.15 F 由于，故满足蜗轮轮齿强度条件。 2F 2HP 7)计算蜗杆蜗轮的主要参数 a)分度圆直径 =35.5，=m=3.15 36=113.4mm 1 d 2 d 2 z b)中心距 a a=(+2m)/2=35.5+113.4+2 (-0.1349) 3.15/2=74 mm 1 d 2 d 2 x c)蜗杆导程角 28148 8)计算其他尺寸 第 19 页 a)蜗杆齿顶圆直径 =+2=35.5+2 3.15=41.8 mm， 1a d 1a d 1 d 1a h 其中为蜗杆齿顶高，且=m=3.15 mm； 1a h 1a h b)蜗轮喉圆直径 =+2=113.4+2 0.8651 3.15=118.85 mm， 2a d 2a d 2 d 2a h 其中为蜗轮齿顶高，且=+=1-0.1349=0.8651 mm； 2a h 2a h a h 2 x c)蜗轮外圆直径=+m=118.85+3.15=122 mm； 2e d 2a d d)蜗杆齿宽 由于=6，故按结构设计，取=64 mm 1 b 1 Z 1 b 1 b e)蜗轮齿宽 0.67=0.67 41.8 =28.006mm,取=28 mm； 2 b 2 b 1a d 2 b f)蜗轮齿顶圆弧半径 =-m=-3.15=14.6 mm 2a R 2a R 1 2 d35.5 2 g)蜗轮齿根圆弧半径 =+c=+0.2m=+0.2 3.15=21.53 mm； 2f R 2f R 1 2 a d 1 2 a d41.8 2 h)蜗杆轴向齿厚 =/2=3.15/2=4.948 mm,其中为蜗杆 1x s 1x s x p/2m x p 轴向齿距； i)蜗杆法向齿厚 =4.948=4.368 mm； 1n s 1n s 1x scos cos