BT40X16斗笠式刀库毕业设计说明书.doc

毕业设计说明书毕业设计说明书 设计题目 设计题目 BT40X16BT40X16 斗笠式刀库的研究与设计斗笠式刀库的研究与设计 姓姓 名名 学学 号号 院院 系系 机械工程学院机械工程学院 专专 业业 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 指导教师指导教师 20132013 年年 6 6 月月 摘 要 90 年代以来 数控加工技术得到迅速的普及及发展 高速加工中心作为新时代 数控机床的代表 已在机床领域广泛使用 自动换刀刀库的发展俨然已超越其为数 控加工中心配套的角色 在其特有的技术领域中发展出符合机床高精度 高效率 高可靠度及多任务复合等概念的独特产品 刀库作为加工中心最重要的部分之一 它的发展也直接决定了加工中心的发展 斗笠式刀库一般只能存 16 24 把刀具 斗笠式刀库在换刀时整个刀库向主轴移 动 当主轴上的刀具进入刀库的卡槽时 主轴向上移动脱离刀具 这时刀库转动 当要换的刀具对正主轴正下方时主轴下移 使刀具进入主轴锥孔内 夹紧刀具后 刀库退回原来的位置 关键词 数控加工中心 斗笠式刀库 II ABSTRACT Since the 1990s CNC machining technology made the rapid and universal development as a new era of the representatives of NC machine tools High speed processing center has been widely used in the field of machine tools The development of automatic Tool Change s tool house in recent years seems to have gone beyond the NC Center for supporting the role of technology in their unique areas of development to meet the high precision machine tools high efficiency and reliability and more complex tasks such as the concept of unique products The tool house as a processing center one of the most important part it has a direct bearing on the development of the processing center s development Rain hat type knife library normally only save 16 to 24 knife sword rain hat type change cutters in the library in the sword to the spindle mobile library Rain hat type knife library normally only save 16 to 24 knife sword rain hat type change cutters in the library in the sword to the spindle mobile when spindle library on the library card slot cutter into the knife spindle when moving upwards from cutter knife library rotation When to change tool to align the spindle when spindle moves directly into the spindle cone hole cutter clamping tool return the original position knife library Keywords CNC processing center rain hat type knife library 摘 要 I 1 绪 论 1 1 1 数控机床概述 1 1 1 1 数控机床的概念 1 1 1 2 数控机床的组成 1 1 1 3 数控机床的工作原理 1 1 1 4 数控机床的特点 1 1 1 5 数控机床的发展 1 1 2 数控铣床分类 2 1 2 1 数控立式铣床 2 1 2 2 数控卧式铣床 2 1 2 3 万能数控铣床 2 1 2 4 龙门式数控铣床 2 1 3 数控铣床的功能及加工对象 2 1 4 加工中心知识 3 1 5 自动换刀装置与刀库 3 1 5 1 自动换刀装置 3 1 5 2 刀库类型 4 1 6 本章小结 7 2 总体方案 8 2 1 数控立式升降台铣床的组成及主要技术参数 8 2 2 可能的方案比较及最终选择方案 9 2 3 斗笠式刀库结构组成及工作原理 10 刀库横移装置的设计 10 2 5 本章小结 11 3 斗笠式刀库设计 12 3 1 刀库容量的确定 12 3 2 气缸设计和选择 12 3 2 1 气缸的选择要点 12 3 2 2 气缸初选 13 3 2 3 驱动力校核 13 3 2 4 活塞杆稳定性校核 14 3 2 5 缸筒壁厚计算 15 3 2 6 耗气量及刀库横移运动时间的计算 16 3 3 刀库驱动转矩的估算 16 3 3 1 刀库分度机构的传动设计及计算 16 3 3 2 旋转部件转动惯量计算 18 3 3 3 刀库驱动转矩计算 18 3 4 减速电动机的选择 18 3 5 刀库驱动转矩的校核 19 3 6 换刀过程总时间的计算与校核 19 3 7 刀具的选择方式 20 3 8 刀具交换装置的选择 20 3 9 电气元件的选择 21 3 9 1 气缸磁环开关 21 3 9 2 马达定位感应开关 22 3 9 3 刀号计数器开关 22 3 10 本章小结 22 4 重要零部件的设计 23 4 1 联轴器 23 4 1 1 联轴器的选择 23 4 1 2 联轴器校核 23 4 2 刀夹 23 4 2 1 刀夹作用 23 4 2 2 刀夹工作原理 24 4 3 本章小结 24 结论 25 致谢 26 参考文献 28 1 绪 论 1 1 数控机床概述 1 1 1 数控机床的概念 数字控制是利用数字化信息对机械运动以及加工过程进行控制的一种方法 简 称数控 Numerical Control NC 数控机床是指采用了数控技术进行控制的机床 或者说是装备了数控系统的机床 也称作为 NC 机床 由于现代数控系统是通过计算 机进行控制的 因此 数控机床又称为 CNC 机床 1 1 2 数控机床的组成 数控机床主要由数控系统 伺服系统 程序载体 输入 输出装置 强电控制装 置 辅助装置和机床主体组成 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 1 1 3 数控机床的工作原理 数控机床在加工工艺与表面成形方法上与普通机床基本相同 在实现自动控制 的原理和方法上有很大的区别 数控机床是利用数字化信息来实现自动控制的 先 将与加工零件有关的信息 即工件与刀具相对运动轨迹的尺寸参数 切削用量以及 各种辅助操作等的加工信息 用规定的文字 数字和符号组成代码 按一定的格式 编写成加工程序 然后将加工程序输入数控装置 经过数控装置的处理 运算 按 坐标轴的移动分量送到各轴的驱动电路 经转换放大 用于伺服电动机的驱动 带 动各轴转动 并进行反馈控制 使刀具 工件以及其他辅助装置严格按照程序规定 的顺序 轨迹和参数有条不紊的动作 从而加工出所需的零件 1 1 4 数控机床的特点 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 1 1 5 数控机床的发展 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 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 数控铣床分类 1 2 1 数控立式铣床 这类铣床一般用于加工盘 套 板类零件 工件一次装夹后 可对其表面上进 行铣 钻 扩 锪 攻螺纹等以及侧面的轮廓加工 因此 这类铣床是数控铣床中 数量最多的一种 应用范围也最为广泛 从机床数控系统控制的坐标数量来看 目 前三坐标数控立式铣床仍占大多数 一般可进行三坐标联动加工 但也有部分机床 只能进行三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四坐标和五坐标数控立式铣床 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 1 2 2 数控卧式铣床 这类数控铣床一般都带有回转工作台 工件一次装夹后可完成除安装面和顶面 以外的其余四个面的各种工序加工 适宜于箱体类零件加工 与通用卧式铣床相同 其主轴平行于水平面 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 1 2 3 万能数控铣床 这类铣床主轴可以旋转 90 或回转工作台带着工件旋转 90 一次装夹后 可 以完成对工件五个表面的加工 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 1 2 4 龙门式数控铣床 这类数控铣床主轴可以在龙门架的横向和竖直方向溜板上运动 而龙门架则沿 床身作纵向运动 严格说来 这类数控铣床属于立式数控铣床 因要考虑到扩大行 程 缩小占地面积及刚性等技术问题 所以往往采用龙门架移动式 故而这类数控 铣床被称之为龙门数控铣床 主要用于大型零件的加工 1 3 数控铣床的功能及加工对象 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 1 4 加工中心知识 加工中心 CNC MACHINING CENTER 又称多工序自动换刀数控机床 是当 今世界上产量最大 在现代制造业中最广泛应用的一种功能较全的金属切削加工设 备 加工中心综合了现代控制技术 计算机应用技术 精密测量技术以及机床设计 与制造等方面的最新成就 具有较高的科技含量 与普通机床相比 它简化了机械 结构 加强了数字控制化功能 成为众多数控加工设备的典型 加工中心的突出特征是设置有刀库 刀库中存放着各种刀具或检具 在加工过 程中由程序自动选用和更换 这是它与数控铣床 数控镗床的主要区别 1 5 自动换刀装置与刀库 1 5 1 自动换刀装置 在零件制造过程中 大量的时间用于更换刀具 切削加工时间仅占整个工时中 较小的比例 为了缩短非切削时间 提高机床的自动化程度 机床正朝着一台机床 在一次装夹中完成多工序的方向发展 在这类多工序的数控机床中 必须带有自动 换刀装置 自动换刀装置的功能就是储备一定数量的刀具并完成刀具的自动交换 它应当满足换刀时间短 刀具重复定位精度高 刀具储存量足够 结构紧凑及安全 可靠等要求 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 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 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 1 5 2 刀库类型 根据刀库的容量和存取刀具的方式 刀库可设计成多种形式 目前常见的刀库 类型如下 1 盘式刀库 图 1 1 盘式刀库 此刀库结构简单 应用较多 如图 1 1 所示 由于刀库呈环形排列 空间利用 率低 因此出现了刀具在盘中进行双环和多环排列 以增加空间的利用率的设计 但这样一来 刀库的外径较大 转动惯量也很大 选刀时间也较长 因此 盘式刀 库一般适用于刀具容量较小的刀库 2 链式刀库 如图 1 2 所示 此钟刀库结构紧凑 刀库容量较大 链环的形状可根据机床的 布局制成各种形状 也可将换刀位突出以便于换刀 能充分利用机床的占地空间 通常为轴向取刀 位置精度较低 造价也较高 图 1 2 链式刀库 3 格子箱式刀库 如图 1 3 所示 该种刀库结构紧凑 刀库空间利用率高 换刀时间较长 布局 不灵活 通常刀库安装在工作台上 应用者较少 1 6 本章小结 本章主要介绍了数控机床的概念 组成 工作原理 特点 发展 数控铣床的 分类并把立式升降台铣床的组成 主要技术参数一一列举 最后稍微介绍了一些加 工中心和自动换刀装置方面的知识 通过对这些知识的介绍 可以对数控这一领域 作一个整体的把握 并加深了对这方面知识的更深一步的理解 2 总体方案 2 1 数控立式升降台铣床的组成及主要技术参数 下图为数控立式升降台铣床外观图 图 2 1 数 控 立 式 升 降 台 铣 床 外 观 图 数控立式升降台铣床主要由机床床身 机床数控系统 操纵面板 横向溜板 升降台 纵向进给伺服电机 横向进给伺服电机 垂直升降进给伺服电机 强电装 置 变压器箱 主轴变速手柄 按钮板等零部件组成 数控立式升降台铣床的主要技术参数有 1 工作台参数 工作台尺寸 工作 台最大纵向行程 工作台最大横向行程 工作台最大垂直行程 工作台 T 形槽数 工作台 T 形槽宽 工作台 T 形槽间距 2 进给速度 纵向进给速度 横向进给速 度 垂直进给速度 3 主轴 主轴孔直径 主轴锥孔 主轴转速范围 主轴转速 级数 4 进给精度 X 轴 Y 轴 Z 轴最小设定单位 位置检测方式 5 驱动 电机 主轴电动机功率 X 轴 Y 轴 Z 轴电动机转矩 6 一般规格 外形尺寸 2 2 可能的方案比较及最终选择方案 本文是关于立式升降台斗笠式自动换刀装置的设计 其主要由刀库横移装置和 刀库分度装置组成 因此 本设计基本上就是对这两个装置的设计 刀库的横移装置 是在进行换刀的整个过程中 刀库从远离主轴的位置直线移 动到主轴轴线位置 以实现换刀 斗笠式刀库横移装置 由两根圆柱导轨 滑杆 支撑 每根圆柱导轨由两个支架固定在连接板上 连接板固定在机床立柱上 实现 刀库与机床立柱的连接 整个刀库可以在两根圆柱导轨上滑动 实现刀库前后运动 以完成抓刀和返回动作 刀库横移装置主要有两种可能的方案 一种是将电机轴的旋转运动地转化为可控的直线运动 使刀库沿着导轨轴作横 向往复移动 这一运动转换是通过一种正弦机构来完成的 在这一机构中 刀库与 拨杆固定连接 拨杆可移动的安装在导轨轴上 电动机与滑块固定连接 滑块在拨 杆中可以移动 这样就可以把电动机的转动转化为刀库的横向移动 这种方案需要 使用电机 电机的安装可能占用的空间比较大 对于减小刀库尺寸 重量 成本不 利 另外由于使用了较为复杂的机械机构 传动过程中可能损失的功率比较多 而 且对于零部件的的定位安装要求较高 另一种是利用气压传动机构 气缸类型为双作用气缸 气压缸固定安装在刀库 介面支架上 活塞杆则与刀库固定连接 通过气源的供给 可以使刀库沿着导轨轴 作往复横向移动 这种方案比较直接 而且气缸所占用的空间要比使用电机要小许 多 而且通过磁环开关的控制 能够较为精准地控制刀库的横向移动 因此 第二种方案更为合适 刀库分度装置也有两种可能的方案 一种是通过蜗轮蜗杆机构来实现 其工作原理如下 刀盘与蜗轮同轴固定连接 电动机通过联轴器与蜗杆固定连接 这样就可以通过蜗轮蜗杆机构的传动来实现刀 盘的旋转运动 完成选刀工作 这种机构可以较好的实现选到工作 蜗轮蜗杆机构 可以将电动机的高转速转化成刀盘的低转速旋转运动 但是 这种机构所占用的空 间较大 一般用在卧式数控机床上更为合适 而且传动经过蜗轮蜗杆 效率比较低 由于本文设计的是立式斗笠式刀库 所以对尺寸及占用空间都有较高的要求 所以 可能这一方案在此处不合适 另一种是通过经典的槽轮机构 即马氏机构 来实现的的 它具有结构简单 外形尺寸小 机械效率高 以及能较平稳地 间歇地进行转位等优点 电机通过联 轴器与定位法兰连接 定位法兰上安装有可旋转的滚子 通过定位法兰的旋转使圆 柱滚子间歇地进入固定连接在刀盘上分度盘 从而带动分度盘的转动 实现对刀盘 上刀具的选择 因此 选择第二种方案更为合适 综上所述 本文设计的斗笠式自动换刀装置其刀库横移装置采用气压传动 而 刀库分度装置则采用槽轮机构来实现 2 3 斗笠式刀库结构组成及工作原理 刀库横移装置的设计 刀库刀盘的横向移动是使用气压传动机构来实现的 如图 2 2 所示 机床箱体上 安装有两个平行的导杆 9 刀库刀盘安装在刀盘基座 10 上 刀盘基座 10 安装在这 两个导杆 9 上并可以沿着导杆 9 作横向移动 同时 气缸 7 固定安装在机床箱体上 刀盘基座 10 与气缸 7 中的柱塞 8 固定连接 通过柱塞 8 的横向移动来实现刀盘基座 10 的横向移动 从而带动刀盘在初始位置和换刀位置之间的切换运动 气缸 7 上装 有两个磁环开关 当左端磁环开关亮时 气缸处于原始状态 当右端磁环开关亮时 气缸处于推出信号状态 这时柱塞会右移 刀盘会移动到换刀位置 刀库分度装置的设计 本文设计的斗笠式刀库的分度装置 如图 2 2 所示 由电机 6 连接轴 5 法兰 盘 3 刀库鼓轮 1 分度盘 4 圆柱滚子 2 等零部件组成 分度装置的电机连接轴 5 的轴线与分度盘 4 刀库鼓轮 1 的回转轴线平行 刀库选刀时 首先由刀库回转电 机得到旋转指令 连接轴 5 通过轴套带动法兰盘 3 旋转 从而使在法兰盘 3 上的圆 柱滚子 2 绕法兰中心转动 当圆柱滚子 2 转动一定角度 进入分度盘 4 的分度槽中 拨动分度盘 4 开始作转位运动 当分度盘 4 转过一定的角度后 圆柱滚子 2 从分度 槽中脱出 刀库鼓轮 1 分度盘通过螺钉与刀库鼓轮连在一起转动 即静止不动 法兰盘 3 每回转一圈 就驱动分度盘 4 转过一个槽 电机是连续匀速运动的 从而带动法兰盘 3 与圆柱滚子 2 连续匀速转动 但圆柱滚子 2 是间断性的转入分度 槽的 从而使刀库轮毂得到周期性间歇运动 起到了刀库的分度作用 分度盘 4 与 刀库鼓轮 1 同轴 分度盘 4 的分度槽数与刀库鼓轮 1 上的刀数一致 法兰盘 3 不断 回转 分度盘 4 就不停地进行分度 刀库鼓轮 1 就不断重复上述的运动循环 从而 将下一个工序所需刀具的刀位转到换刀位置上 以便让主轴进行换刀 实现刀库的 自动换刀 2 4 斗笠式刀库主要技术参数 斗笠式刀库技术参数表 主轴鼻端BT40刀库规格斗笠 BT400 刀具容量16马达规格M6IK200 A 刀具换刀时间8Sec气缸规格 63 290 行程 气压管线 8气动压力0 5 0 6Mpa 刀具最大长度250mm刀具最大重量8Kg 刀具最大外径 100mm 满刀状态 150 临空刀状态 2 5 本章小结 本章介绍了几种可能的斗笠刀库自动换刀装置的方案 通过分析比较 确定 出最终可能最合适的总体方案 而斗笠式刀库主要技术参数表则是规定了所要设 计刀库的基本要求 3 斗笠式刀库设计 3 1 刀库容量的确定 在确定刀库容量时 要进行大量的分析调查 同时要考虑工艺需要及使用场合 一般来说 需要承担多个工件的切削任务时 需要配备的刀库容量较大 换句话来 说 配备的刀具愈多 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 3 1 为刀库容量与机床能加工工件的比率统计曲线 刀库的刀具并不是越多越好 太大的容量会增和占地面积和刀库的尺寸 使选 刀时间增长 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 对图 3 1 进行分析可知 5 把刀可完成加工工件的 95 左右 的铣削工艺 15 把孔加工刀具可完成 80 的钻削工艺 20 把刀的容量就可完成 90 以上工件的钻铣工艺 本文设计的刀库如需能达到加工 90 以上的工件要求 那刀库就需要有 20 把刀具的容量 故可将本刀库的容量设定为 20 3 2 气缸设计和选择 3 2 1 气缸的选择要点 1 安装形式的选择 安装形式由安装位置和使用目的等因素决定 在一般场 合 多用固定安装方式 轴向支座前法兰 后法兰等 在要求活塞往复移动又要求 缸体作较大幅度摆动时 可选用尾部耳轴和中间轴销等安装方式 如需在回转中输 出直线往复运动 可采用回转气缸 本设计采用轴向支座前法兰的安装形式 2 输出力大小 根据工件机构所需力的大小 考虑气缸载荷率确定活塞杆上 的推力与压力 从而确定气缸内径 气缸由于其工作压力较小 0 5 0 6Mpa 一般 在 10000N 以内 输出力过大其体积会太大 因此在 气动设备上 应尽量采用扩力 机构 以减小气缸尺寸 3 气缸行程 气缸行程与其适用场合及工作机构的行程有关 多数情况下不 应使用满行程 要在计算行程基础上追加 10 20mm 以避免活塞与气缸碰撞 本设 计的气缸行程设定为 290mm 4 气缸的运动速度 气缸的运动速度主要由所驱动的工件机构的需要来决定 4 4 4 2 fA aL1 1 mK 4 要求速度缓慢平稳时 宜采用气液阻尼缸或采用节流调速 本设计因为是水平安装 推力载荷 所以采用排气节流 3 2 2 气缸初选 初选气缸类型为 10A 5 系列气缸 气缸内径 D 63 活塞杆直径 d 25 气 缸行程 L 290 气源气压 p 0 5Mpa 工作频率较高 载荷率 取 0 3 3 2 3 驱动力校核 向左推力 P d2 p 632 0 5 0 3N 467N 向右拉力 Q D2 d2 p 632 252 0 5 0 3N 394N 估计刀库总重量 M 70Kg 则横向往复运动所需的驱动力 F M g 0 1 70 10N 70N 其中 是导轨摩擦系数 取 0 1 g 是重力加速度 取 10N Kg P F 且 Q F 所以驱动力方面满足设计要求 3 2 4 活塞杆稳定性校核 活塞杆稳定性条件 P Fk n 其中 Fk为气缸的纵向弯曲极限力 n 为压杆稳定安全系数 n 取 4 当细长比 L1 K 85 m 时 Fk m 2EI L12 当细长比 L1 K 85 m 时 Fk 其中 2 fA aL1 1 mK fAn 1K Pa DPt 2 60 0 75 2 100 IA L1为活塞杆的计算长度 L1 443 E 为活塞杆材料的弹性模量 取 2 1 1011Pa K 为活塞杆横截面回转半径 实心杆 K d 4 2 5 4 6 25 其中 I 为活塞杆断面惯性矩 实心杆 I d4 64 A 为活塞杆截面积 A d2 4 m 为系数 查气压传动手册表 24 2 6 因为连接方式是固定 固定连接 所以 m 1 f 为材料强度实验值 对于钢取 49 107Pa a 为系数 a 取 1 5000 因为 L1 K 443 4 25 71 85 所以 Fk 1 2 105 N Fk n 3 104N P 467 当极限力 Fk T n L 20m 故活塞杆的稳壁筒性满足条件 3 2 5 缸筒壁厚计算 缸筒直接承受压力 需要有一定厚度 由于一般气缸缸筒壁厚与内径之比 D 1 10 所以通常按薄壁筒公式计算 0 24 其中 Pt为气缸实验压力 一般为 1 5p 即 0 75Mpa D 为气缸内径 63 为缸筒材料许用应力 100Mpa 22 2 D ds 4t 4 4 22 25 42 63 290 通常计算出的缸筒壁径都较小 但考虑到机械加工 缸筒两端要安装缸盖等需 要 往往是将缸筒壁厚适当加厚 应尽量选用标准内径和壁厚的钢管和铝合金管 本设计使用 10A 5 系列气缸标准 气缸壁厚 4mm 3 2 6 耗气量及刀库横移运动时间的计算 一个气缸耗气量与其直径 行程 缸的动作时间以及换向阀到气缸导气管道的 容积等有关 在实际应用中 从换向阀到气缸导气管道容积与气缸容积相比往往很 小 可以忽略不计 本气缸属于有活塞杆腔工作的情况 那么气缸单位时间压缩空 气耗气量可按下式计算 qv qv2 10 9 m3 s 3 81 10 4 m3 s 其中 s 为气缸的行程 t2为刀库右移运动时所需的时间 设定为 2Sec 则刀库左移运动时所需的时间 t1 D2 s qv1 632 290 381000 2 37 Sec 因此 刀库横移运动的总时间为 T1 t1 t2 4 37Sec 3 3 刀库驱动转矩的估算 3 3 1 刀库分度机构的传动设计及计算 下图为传动设计效果图 图 3 2 刀库分度装置实物效果图 刀库在换刀前 首先需要选刀 选刀的过程 就是使刀库轮毂满足一个周向间 歇运动 也就是分度盘在分度过程中 转位开始与转位结束位置上的瞬时角速度 0 在图 3 3 中得出 为了使圆柱滚子能顺利进入和脱出分度盘上的径向槽 在 槽口的瞬时位置时 必须使转臂中心线 PQ 与分度槽的中心线 OQ 相垂直 即 OQP 90 在圆柱滚子从进入至脱离径向槽的过程中 这位法兰的转动角度为 162 而刀盘转动的角度则为 18 设电机负载时 法兰盘上的滚子以 1的角速 度转动 转速为 n1 此时分度盘以 3的角速度转动 转速为 n3 而电机空转时以 n2 1 25n1转动 在滚子拨动分度盘一次的一个周期内的分度时间为 t1 间歇时间为 t2 图 3 3 刀库分度装置运动分析简图 t1 162 60 360 n1 t2 198 60 360 n2 t总 t1 t2 本设计刀库最大刀容量为 20 分度槽数量亦为 20 选刀时分度盘按最近原则选 1 2 11 cos 1cos 2 2 2 1 sin 1cos 3 d dt 3 d dt 刀 选到最远处刀具所需的时间为 T2 令 T2为 3 秒 则 T2 10 t总 3 Sec 综合以上各式并代入数据可得 n1 178 r min t 1 0 152 1 2 n1 60 18 6 rad s 圆柱滚子从进入至脱离径向槽这个过程 定位法兰的转角为 2 1 162 分度 盘的转角为 2 3 2 z 18 z 为分度盘的槽数 在直角三角形 PQO 中 根据正 切函数 3 arctan sin 1 1 cos 1 式中 R1 a sin 3 分度机构在 转位过程中 定位法兰以匀角速度 1转动 分度盘以角速度 3反向转动 分度盘 每次分度转过的角度与槽数 z 有严格的对应关系 2 3 2 z 分度盘的角速度 3为 3对时间的导数 3 分度盘的角加速度为 代入数据得 54 8 rad s2 3 3 2 旋转部件转动惯量计算 刀具最大重量为 8Kg 分度盘与刀库轮毂质量估计为 15Kg 刀盘及圆盘罩盖等总质量估计为 7Kg 故刀库旋转部件的总质量 M 30Kg 将整个旋转部件等效为质量均匀 半径 R 为 300mm 的圆盘 则其转动惯量 J 0 5MR2 1 35 Kg m2 3 3 3 刀库驱动转矩计算 T J 1 35 54 8Nm 74 Nm 3 4 减速电动机的选择 法兰盘的转速为 n1 178 r min 转速较低 故需使用减速电机 在分度盘转位过程中 分度盘的平均角速度 2 n 60 t1 18 180 0 152 Tn 9550 0 153 9550 178 0 18 9550 20 3 9550 P n min 3 9550 P n 可得到转位过程中 分度盘的平均转速 n 19 7 r min 分度盘所需的驱动功率 Pmin 0 153 Kw Tmin 8 2 Nm 所选减速电机的输出许用转矩 T 应该大于 Tmiin 根据所需减速电机功率 P 和应 输出的转矩 T 选择的减速电机型号为 M6IK200A 额定功率为 0 2Kw 同步转速为 200 r min 允许负载为 8 6Nm 额定负载情况下 输出转速为同步转速的 80 98 3 5 刀库驱动转矩的校核 刀库驱动转矩最小应为 T 74 Nm 电机空转转速为 n2 200 r min 假设传动 效率为 90 则负载时电机输出转速为 n1 200 90 r min 180 r min 一个周期内的转位时间为 t1 162 60 360 n1 0 15 Sec 一个周期内的电机空转时间 t2 198 60 360 n2 0 165 Sec 又 3 2 n3 60 t1 18 180 故此时分度盘的转速为 n3 20 r min 减速电机传递到分度盘上的功率为 P1 0 2 90 0 18 Kw 00 减速电机传递到分度盘上的转矩 T1 Nm 86 Nm 74 Nm 所以 刀库的驱动转矩满足要求 3 6 换刀过程总时间的计算与校核 刀库横移运动总时间 T1 4 37Sec 分度运动的最大时间 T2 10 t1 t2 10 0 15 0 165 Sec 3 15 Sec 则整个运动过程的总时间 T T1 T2 4 37 3 15 7 52 Sec 8 Sec 故所设计刀库的换刀时间基本满足设计要求 3 7 刀具的选择方式 按数控装置的刀具选择指令 从刀库中挑选各工序所需要的刀具的操作称为自 动选刀 常用的刀具选择方式有顺序选刀和任意选刀两种 1 顺序选刀 刀具的顺序选择方式是将刀具按预定工序的顺序 依次放入刀库的每一个刀座 中 使用时按顺序转到取刀位置并取出所需要的刀具 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 采用这种方式的刀库不需要刀具识别装 置 驱动控制也比较简单 可直接由刀库的分度装置实现 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 这种方式适合加工批量较大 工件品种数量较 少的中小型加工中心 2 任意选刀 任意选择刀具的换刀主要有三种编码方式 刀套 刀座 编码 刀具编码 记忆 编码附件等方式 刀具编码或刀套编码都需要在刀具或刀套安装用于识别的编码条 刀具 或刀座 编码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 刀库选刀方式一般采用就近移动原则 即无论采取哪种选刀方式 在根据程序 指令把下工序要用的刀具移到换刀位置时 都要向距离换刀最近的方向移动 以节 省选刀时间 已确定刀库容量为 20 把刀具 并且存在在加工过程中可能需要重复利 用刀具 所以刀具的选择方式确定为任意选择刀具 3 8 刀具交换装置的选择 刀具交换装置就是实现刀库与机床主轴之间装卸与传递刀具的装置 刀具交换 形式主要有以下两种 一 无机械手的换刀 用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换的装置 把刀库放在主轴箱可以运动到 的位置 或整个刀库或某一刀位能移动到主轴箱可以到达的位置刀库中刀具的存放 方向一般与主轴上装刀方向一致 换刀前 主轴要准停定位 换刀时 由主轴运动 到刀库上的换刀位置 利用主轴直接取走或放回刀具 其优点是结构简单 成本低 换刀的可靠性较高 缺点是刀库的容量不多 换刀时间较长 一般需要 10 20 秒 多用于中 小型加工中心 二 由机械手进行刀具的交换 由机械手进行刀具的交换装置的主要特点是有很大的灵活性 可以减少换刀时 间 在刀库远离机床主轴的换刀装置中除了机械手以外 还必须带有中间搬运装置 机械手的形式 1 单臂单爪回转式机械手 换刀时间较长 3 双臂回转式机械手 手臂上有两个卡爪 两个卡爪可同时抓取刀库及主轴上 的刀具 回转 180 后又同时将刀具放回刀库及装入主轴 换刀时间较短 是 最常用的一种形式 下图为双臂机械手最常用的几种形式 4 双机械手 相当于两个单臂单爪机械手互相配合起来进行自动换刀 5 双臂端面夹紧式机械手 本文所设计的刀库是斗笠式刀库 多用于中 小型加工中心 故选用无机械手 形式的换刀方式 3 9 电气元件的选择 3 9 1 气缸磁环开关 在气缸上安装磁性开关 当气缸动作时磁性开关动作 用于检测气缸是否工作 到位 该开关只有在气缸具备磁环的情况下才是具备实际的使用价值 其功能是通 过检测运行过程之中活塞上面的磁环来检测活塞运动位置 检测后会发送电信号用 来确定电磁阀工作通断的信号 本气缸是双作用气缸 需要在气缸缸筒两端的合适位置上安装两个磁性开关 而活塞杆上的磁环则是安装在活塞右侧且紧贴着活塞 3 9 2 马达定位感应开关 马达定位感应开关的作用是控制电机的停转 属于电子式刹车的作用 此开关 的选择主要是因为所选的电机无附加刹车器 3 9 3 刀号计数器开关 刀号计数器开关的作用是通过接触性传感器的传递信号来进行刀位的计数 当 完成所需的刀具转位时 刀具计数器开关将传递一个电信号给数控系统 从而控制 电机停止转动 刀具计数开关安装在悬吊板上 且与刀库分度盘接触 3 10 本章小结 本章主要对刀库的容量 气缸设计的过程及选择计算 分度装置的设计及计算 电机的选择计算 刀库驱动转矩的计算及校核 换刀时间的计算 电气元件的选择 进行了具体的设计 通过这些内容的介绍 加深了对整个方案设计的理解 4 重要零部件的设计 4 1 联轴器 4 1 1 联轴器的选择 本文需要用联轴器来连接电机输出轴和分度装置中法兰盘的连接轴 可选用套 筒式联轴器 套筒联轴器是一个整体套筒以销 键 花键或过盈配合将两连接轴 他具有径向尺寸下 结构简单的优点 适用于轻载 低速的场合 4 1 2 联轴器校核 校核公式为 Mc KMp M 其中 M 为联轴器公称转矩 Nm Mp为联轴器的施用转矩 Nm K 为工作情况因数 取 K 为 1 5 查机械设计手册表 5 1 87 可得 所选用联轴器的公称转矩 M 为 16Nm 施用转矩 Mp为 8 2Nm 则 Mc KMp 12 3Nm M 16Nm 所以所选的联轴器满足需求 4 2 刀夹 4 2 1 刀夹作用 刀夹是刀库的重要组成部分 整个换刀过程不仅仅需要刀库横移装置 刀库分 度装置 更重要的是刀库与机床主轴之间刀具的交换过程 由于本刀库是斗笠式刀 库 通常使用的是无机械手换刀 所以合理的刀夹在刀库更换刀具过程中显得更为 重要 无机械手换刀 刀夹的设计理念要满足两个要求 一是在机床主轴靠近刀夹 时 要通过合理的机构使刀夹因机床主轴的靠近而松刀 二是在机床主轴远离刀夹 时 刀夹能够自动复位 正如图 4 1 该锁紧机构的作用正好满足这两个要求 图 4 1 锁 紧 机 构 4 2 2 刀夹工作原理 在无刀状态下 两刀夹在夹紧弹簧的作用下 驱闭合状态 当接到换刀指令 时 刀库回转体将位于其上的空刀夹单元转至刀库换刀点 这时位于机床主轴前端 的刀具释放块跟随主轴快速移动到刀库换刀点 在刀具释放块的引导斜面作用下 将位于刀库回转体上刀夹单元的解锁销钉打开 所需换刀的刀具在主轴的夹持下 与主轴一同移动到换刀点 这时两刀夹在夹紧弹簧的作用下 将刀具夹紧 此时主 轴松开刀柄向后移动 与此同时位于刀夹单元后端的解锁销钉在锁刀弹簧 的作用下 将解锁销钉上的斜面紧紧推靠在刀夹后端的两侧斜面上 完成锁刀动作 如图 4 1 所示 刀库回转体将所需要的刀具转至刀库换刀点 主轴向前移动 主 轴前端的刀具释放块将解锁销钉打开 同时主轴夹紧刀柄 主轴取到所需要的刀具 后 主轴前端的刀具释放块跟随主轴一同向外移动离开刀库 当刀具释放块的引导 斜面离开解锁销钉时 解锁销钉在锁刀弹簧的作用下回到原位 进行刀具锁紧 刀 库回转体转回刀库原位 刀库完成一次换刀循环 4 3 本章小结 本章主要介绍了联轴器的选择 校核及刀库中重要部件刀夹的设计 通过对联轴 器的选择设计 加深了对机械设计一般步骤的认识 通过对刀夹的设计 加深了对 机械原理知识的学习 提高了运用机械机构的组合达到一定目的的能力 结论 本次毕业设计的题目是数控立式升降台铣床斗笠式自动换刀装置的设计 本文章 阐述的是该斗笠式刀库的结构 参数的设计计算 刀库驱动电机的选择计算 刀库 分度机构相关参数的计算 总体来说 刀库的传动结构比较紧凑 本设计中采用的 刀库横移装置是气压传动机构 即刀库滑座与气缸活塞杆连接 而气缸则固定在界 面支架上 刀库分度装置则采用的是经典的槽轮结构 自动换刀的形式是无机械手 换刀 刀具选择方式式是任意选刀 虽然本次毕业设计已基本完成 但自己觉得还是存在一些不足 比如自己所绘 制的图纸上一些部位表示还不是太清楚 只有发现问题面对问题才有可能解决问题 以后自己在这些方面一定要努力学习去克服 致谢 毕业设计是完成教学计划达到专业培养目标的一个重要的教学环节 是教学计 划中综合性最强的实践性教学环节 它在培养和提高我们综