XKA5032AC数控立式升降台铣床自动换刀装置刀库式设计
39页 19000字数+说明书+任务书+开题报告+答辩稿+中期报告+6张CAD图纸【详情如下】
A0图纸 刀库装配图.dwg
A1图纸 机械手.dwg
A2图纸 尺寸联系图.dwg
A2图纸 零件图.dwg
A3图纸 液压控制图.dwg
XKA5032AC数控立式升降台铣床自动换刀装置刀库式设计开题报告.doc
XKA5032AC数控立式升降台铣床自动换刀装置刀库式设计答辩稿.ppt
XKA5032AC数控立式升降台铣床自动换刀装置刀库式设计论文.doc
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任务书.doc
加工工件图.dwg
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毕业实习报告.doc
目录.doc
设计任务书.doc
目录
设计总说明 I
introduction II
1 绪论 1
1.1 数控机床知识 1
1.2 数控铣床的分类 1
1.2.1 数控立式铣床 1
1.2.2 卧式数控铣床 2
1.2.3 立、卧式两用数控铣床 2
1.3 数控铣床的结构特征 2
1.3.1 数控铣床的主轴特征 2
1.3.2 控制机床运动的坐标特征 2
1.4 数控铣床的主要功能及加工对象 3
1.4.1 数控铣床的功能 3
1.4.2 自动换刀装置（ATC）及其形式 3
1.4.3 自动换刀装置应当满足的基本要求 4
2 总体方案的确定 5
2.1 XKA5032A/C数控立式升降台铣床及其主要参数 5
2.1.1 其主要结构特点 5
2.1.2 其主要规格及技术参数 6
2.2 初定其自动换刀装置的设计参数 7
2.3 确定其自动换刀装置的形式 7
3 刀库的设计 9
3.1 确定刀库容量 9
3.2 确定刀库形式 9
3.3 刀库结构设计 9
3.4 初估刀库驱动转矩及选定电机 11
3.4.1 初选电动机与降速传动装置 11
3.4.2 初估刀库驱动转矩 11
3.5 刀库转位机构的普通圆柱蜗杆传动的设计 12
3.6 刀库驱动转矩的校核 16
3.7 花键联接的强度计算 16
3.8 夹紧机构插销剪切强度的校核 16
3.9 确定刀具的选择方式 17
3.10 刀库的定位与刀具的松夹 18
4 刀具交换装置的设计 19
4.1 确定换刀机械手形式 19
4.2 换刀机械手的工作原理 20
4.3 机械手的自动换刀过程的动作顺序 21
4.4 机械手回转轴4上的齿轮齿条设计 22
4.5 自动换刀装置的相关技术要求 22
4.5.1 主轴准停装置 22
4.5.2 换刀机械手的安装与调试 23
4.6 自动换刀程序的编制 23
5 自动换刀装置的控制原理 25
5.1 自动换刀装置的液压系统原理图 25
5.2 自动换刀装置换刀动作的顺序控制过程 25
6 典型零件的设计 27
6.1 联轴器 27
6.1.1 联轴器的选用 27
6.1.2 联轴器的校核 27
6.2 选择离合器的类型 27
6.3 蜗杆蜗轮传动设计的一些相关技术要求 28
6.4 托架的设计 28
鸣 谢 29
参考文献 31
设计总说明
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：数控铣床；自动换刀装置；刀库；换刀机械手
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 doesn't 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 can't 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 doesn't in order have to pack in the knife database, will produce serious result.Sequence's 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 can't 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 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
1绪 论
1.1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。
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。
1.2数控铣床的分类
1.2.1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
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。
1.4.3自动换刀装置应当满足的基本要求
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。2总体方案的确定
依据设计任务书，我们的任务是给XKA5032A/C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：4-6 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。
2.1XKA5032A/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Ⅰ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。
2.1.1其主要结构特点
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。
2.1.2其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） mm 320 X 1320
工作台纵向（X）行程 mm 780
工作台纵向（Y）行程 mm 300
工作台纵向（Z）行程 mm 380
主轴孔径 mm 29
主轴端面至工作台面的距离 mm 70～450
主轴中心线至床身导轨面距离 mm 350
定位精度及重复定位精度 mm ±0.015、±0.005
主轴端部锥度 ISO No.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/min 30～1500
工作台进给级数 无级
纵、横向进给范围 mm/min 6～3200
垂向进给范围 mm/min 3～1600
纵、横向快进速度 mm/min 6000
垂向快进速度 mm/min 3000
主传动电动机功率 kw 7.5
主传动电动机转速 r/min 1440
工作台最大承载重量 kg 320
主轴最大扭矩 N·m 1000
机床外形尺寸（长X宽X高） mm 1929 X 2055 X 2216
机床重量 kg 2800(3000)
该机床推荐使用的最大切削范围如下：
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HB150～225。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
2.2初定其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。
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