毕业设计（论文）-XKA5032AC数控立式升降台铣床自动换刀装置（刀库式）的设计.doc

本科毕业设计 - I - 摘 要 本论文介绍的是XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀装置（刀库式）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，其整个 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。 关关键键词词：数控铣床；自动换刀装置；刀库；换刀机械手 数控立式铣床自动换刀装置设计 - II - ABSTRACT 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 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 本科毕业设计 - III - 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. Key Words：Numerical control milling machines；Automatic tool changer；Tool storage；Tool changing-manipulator 数控立式铣床自动换刀装置设计 - IV - 目 录 摘 要I 第1 章 设计说明书结构及要求1 1.1 题目1 1.2 摘要与关键词1 1.2.1 摘要1 1.2.2 关键词2 1.3 目录2 1.4 设计说明书正文2 1.4.1 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀装置设计 2 1.4.2 数控机床知识2 1.5 数控铣床的分类3 1.5.1 数控立式铣床3 1.5.2 卧式数控铣床3 1.5.3 立、卧式两用数控铣床3 1.6 数控铣床的结构特征4 1.6.1 数控铣床的主轴特征4 1.6.2 控制机床运动的坐标特征4 1.7 数控铣床的主要功能及加工对象4 1.7.1 数控铣床的功能4 1.8 自动换刀装置（ATC）及其形式5 1.8.1 回转刀架换刀形式5 1.8.2 更换主轴头换刀形式5 1.8.3 带刀库的自动换刀形式6 1.9 自动换刀装置应当满足的基本要求6 1.9.1 刀具换刀时间短6 1.9.2 刀具重复定位精度高6 1.9.3 足够的刀具储存量6 1.9.4 刀库占地面积小6 1.9.5 换刀安全可靠6 第2 章 总体方案的确定7 2.1 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床及其主要参数 7 本科毕业设计 - V - 2.1.1 其主要结构特点7 2.1.2 其主要规格及技术参数8 2.2 初定其自动换刀装置的设计参数9 2.3 确定其自动换刀装置的形式9 2.4 刀库的设计10 2.4.1 确定刀库容量10 2.4.2 确定刀库形式11 2.4.3 刀库结构设计11 2.5 初估刀库驱动转矩及选定电机 13 2.5.1 初选电动机与降速传动装置13 2.5.2 初估刀库驱动转矩13 2.6 刀库转位机构的普通圆柱蜗杆传动的设计 14 2.7 刀库驱动转矩的校核18 2.7.1 花键联接的强度计算18 2.7.2 夹紧机构插销剪切强度的校核 19 2.7.3 确定刀具的选择方式19 2.7.4 刀库的定位与刀具的松夹20 2.8 刀具交换装置的设计21 2.8.1 确定换刀机械手形式21 2.8.2 换刀机械手的工作原理22 2.8.3 机械手的自动换刀过程的动作顺序23 2.8.4 机械手回转轴4 上的齿轮齿条设计24 2.9 自动换刀装置的相关技术要求 25 2.9.1 主轴准停装置25 2.9.2 换刀机械手的安装与调试25 2.9.3 自动换刀程序的编制25 2.9.4 自动换刀装置的控制原理26 2.9.5 自动换刀装置的液压系统原理图 27 2.9.6 自动换刀装置换刀动作的顺序控制过程 27 第3 章 典型零件的设计29 3.1 联轴器29 3.1.1 联轴器的选用29 数控立式铣床自动换刀装置设计 - VI - 3.1.2 联轴器的校核29 3.2 选择离合器的类型30 3.3 蜗杆蜗轮传动设计的一些相关技术要求 30 3.4 托架的设计30 结 论31 致 谢32 参考文献34 附 录35 吉林化工学院本科毕业设计 1 第 1 章 设计说明书结构及要求 设计说明书包括题目、中文摘要、外文摘要、目录、正文、参考文献、附录和致谢 等部分。 1.1 题目 数控立式铣床自动换刀装置设计 1.2 摘要与关键词 1.2.1 摘要 本论文介绍的是XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀装置（刀库式）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，其整个 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。 数控立式铣床自动换刀装置设计 - 2 - 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。 1.2.2 关键词 数控铣床；自动换刀装置；刀库；换刀机械手 1.3 目录 目录应独立成页，包括论文中全部章、节的标题及页码。含有： 摘要（中、外文） 正文章、节题目要求编写到第3 级标题，即. 致谢 参考文献 附录 1.4 设计说明书正文 1.4.1 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀装置设计 1.4.2 数控机床知识 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。 随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗床、 钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、一次装卡进行 多工序加工的加工中心、车削中心等。 数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。输入数控装置的程序指令记 录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入。 随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋 向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将 普遍实现自动编程。 吉林化工学院本科毕业设计 3 未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多；激 光 加工等技术将应用在切削加工机床上，从而扩大多工序集中的工艺范围；数控机床的 自动 化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳 入高度 自动化的柔性制造系统中。 1.5 数控铣床的分类 1.5.1 数控立式铣床 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。 1.5.2 卧式数控铣床 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。 1.5.3 立、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 数控立式铣床自动换刀装置设计 - 4 - 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。 1.6 数控铣床的结构特征 1.6.1 数控铣床的主轴特征 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杂。 1.6.2 控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。 1.7 数控铣床的主要功能及加工对象 1.7.1 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 吉林化工学院本科毕业设计 5 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。 1.8 自动换刀装置（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 。 1.8.1 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。 数控立式铣床自动换刀装置设计 - 6 - 1.8.2 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。 1.8.3 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