立式铣床换刀机构设计——换刀机构设计

编号无锡太湖学院毕业设计（论文）题目： 立式铣床换刀机构设计 换刀机构设计 信机 系 机械工程及自动化 专业学 号： 0923031学生姓名： 褚 浩 指导教师： 鲍虹苏 （职称：高 工 ） （职称： ）2013年5月25日III无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺 书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 立式铣床换刀机构设计换刀机构设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械91 学 号： 0923031 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日无锡太湖学院信 机系 机械工程及自动化 专业毕 业 设 计论 文 任 务 书一、题目及专题：1、题目立式铣床换刀机构设计 2、专题 换刀机构设计 二、课题来源及选题依据 课题来源为南京某机械有限公司生产实际。通过毕业设计是为了培养学生开发和创新机械产品的能力，要求学生能够结合企业现有数控立式铣床自动换刀装置，针对实际使用过程中存在的问题，综合所学的机械理论设计与方法，对数控立式铣床自动换刀装置进行改进，从而达到解决问题。 在设计传动件时，在满足产品工作要求的情况下，应尽可能多的采用标准件，提高其互换性要求，以减少产品的设计生产成本。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 该部件工作时，能运转正常； 拟定工作机构和传动系统的运动方案，并进行多方案对比分析； 当电动机输入功率时，对主要工作机构进行运动和动力分析； 设计数控立式铣床自动换刀装置总装图1张； 设计数控立式铣床自动换刀装置刀库装配图1张； 设计绘制零件工作图若干； 编制设计说明书1份。 四、接受任务学生： 机械91 班 姓名 五、开始及完成日期：自2012年11月12日 至2013年5月25日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名 签名 签名教研室主任学科组组长研究所所长签名 系主任 签名2012年11月12日摘 要 本论文介绍的是XKA5032A/C数控立式升降台铣床自动换刀机构的设计。自动换刀机构一方面可以减轻工人劳动强度，另一方面可以提高加工效率。刀库式的自动换刀机构是由刀库和刀具交换装置（换刀机械手）组成。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。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。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，换刀时间短，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，这种机械手与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机构，因此，在XKA5032A/C数控立式升降铣床的自动换刀机构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AbstractThis paper gives the design of the equipment of auto-exchange tool of XKA5032A/C vertical knee and column type milling machine (tool magazine type). Automatic tool change mechanism can reduce the labor intensity of workers, on the other hand, it can improve the machining efficiency. The auto-exchange equipment of tool magazine is composed of the tool magazine and the device of tool exchange. At first, the tool that fetched from the tool magazine should be proper posed into the spindle of the machine, and the tool fetched from the spindle should be put pack to the tool magazine. The tool magazine that has large capacity where has 6 tools and adopt plate structure is mounted in the left column of the machine.Automatic tool changer of NC machine, realize the device between the knife and machine tool spindle transmission and handling tool called the tool switching device.The advantage of two perpendicular arms of the rotary auto-exchange device is the reliability and prompt of the exchange action. The disadvantage of the equipment of auto-exchange tool is the higher accuracy of the spindle and the compound structure of the tool magazine. The regulation of the machine become complex because of the tool exchange near the zero of the machining. Generally speaking, the axis of the tool magazine is perpendicular with the axis of the machine spindle. The type of the tool exchange is radial. So, the equipment of auto-exchange tool of XKA5032A/C vertical knee and column type milling machine adopt this type of the machine arm.Keyword: NC milling machine , the equipment of auto-exchange tool, tool magazine, mechanical arm of tool exchange目 录摘 要IIIABSTRACTIV目 录V1 绪论11.1 数控机床发展历史及趋势11.2 数控铣床的分类及组成11.2.1 数控立式铣床11.2.2 卧式数控铣床21.2.3 立卧式两用数控铣床21.2.4 数控铣床的组成31.3 数控铣床的选用31.4 数控铣床的主要功能及加工范围41.4.1 数控铣床的主要功能41.4.2数控铣床的加工范围42 数控铣床自动换刀装置总体要求62.1 数控铣床自动换刀装置产生背景及换刀方法62.2 数控铣床自动换刀装置的总体要求82.2.1 自动换刀装置的分类82.2.2 对自动换刀装置的要求83 自动换刀装置总体设计93.1 自动换刀装置设计数据93.2 XK5032数控铣床主要技术参数93.2.1 结构参数93.2.2 主要规格及技术参数103.3 确定数控铣床加工工况113.4 确定自动换刀装置的方式114 自动换刀控制原理134.1 自动换刀机构液压系统的设计134.1.1 液压的特点134.1.2 自动换刀机构液压系统原理图134.2 自动换刀装置换刀动作的顺序控制过程145 刀库结构设计155.1 刀库类型155.2 刀具识别155.3 刀库容量的设计165.4 刀库结构的设计165.4.1 传动装置的选择175.4.2 刀库回转机构的设计185.4.3 确定刀具的选择方式225.4.4 刀库的定位与刀具的松夹226 刀具交换装置的设计246.1 确定换刀机械手结构形式246.2 换刀机械手的工作原理256.3 自动换刀的动作顺序266.4 机械手回转传动机构的设计266.5 自动换刀装置对主轴准停的要求276.6 换刀机械手的安装与调试276.7 自动换刀程序的编制277 结论与展望297.1 结论29 7.2展望. 29致谢30参考文献31附录32 35立式铣床换刀机构设计换刀机构设计1 绪论1.1 数控机床发展历史及趋势 数控技术是现代制造技术的基础。数控机床出现在20世纪50年代，从数字控制（Numerical ControlNC）、直接数字控制（Direct Numerical ControlDNC）到今天制造业普遍使用的计算机数字控制（Computer Numerical ControlCNC）。数控技术的基础是加工设备可编程自动化，机床可以按照设定的程序自动运行，从而使操作者与加工设备能够在时间和空间上得以分离，让机床和加工系统具有一定的智能和自主性，它基本轨迹是信息之间的交互、处理和集成。由于数控机床相对于普通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。至于加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，从而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求较高、形状又较复杂的工件，并且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也日益变多，有车床、镗床、铣床、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。随着微电子技术、软件技术和计算机技术的迅速发展，数控机床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，并且可靠性也大大得到提高，数控系统本身也将普遍实现自动编程。 未来数控机床的类型也将更加多样化，多工序集中加工数控机床的品种也越来越多；再加上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，并具有很多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于加入高度自动化的柔性制造系统中。数字控制机床一搬是用数字代码形式信息(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。数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体等组成。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来手动输入。1.2 数控铣床的分类及组成1.2.1 数控立式铣床数控铣床中种类最多的一种是数控立式铣床，应用范围也最广泛。小型数控铣床一般都采用工作台移动、升降、及主轴不动等方式，这与普通立式升降台铣床相似。中型数控立式铣床一般都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和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，它的主轴可以在龙门架的横向与垂直溜板上面运动，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看，目前大多数是3坐标数控立式铣床。一般来说可进行3坐标联动的加工，但是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坐标的数控立式铣床。一般来说，机床控制的坐标轴越多，尤其是要求联动的坐标轴越多，机床的功能、加工范围以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。图1.1是立式数控铣床的实物图，床身固定在底座上，用于安装和支承机床各部件，控制台上面有彩色液晶显示器、机床操作按钮以及各种开关及指示灯。纵向工作台、横向溜板安装在升降台上，通过纵向进给伺服电机、横向进给伺服电机和垂直升降进给伺服电机的驱动，完成X、Y、Z坐标的进给。电器柜安装在床身立柱后面，其中装有电器控制部分。图1.1 立式数控铣床实物图数控立式铣床可附加数控转盘，采用自动交换台，增加靠模装置等措施来扩大数控立式铣床的功能以及加工范围和加工对象，进一步提高生产效率。1.2.2 卧式数控铣床卧式铣床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以实现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，而且可实现在一次安装中，通过转盘改变工位，进行“四面加工”，这样可以省去许多专用夹具或专用角度成型铣刀。对于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的加工也是非常合适。1.2.3 立卧式两用数控铣床这类铣床目前在逐渐增多，它的主轴方向可以变化，并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的作用，所以其使用范围更广，功能更全，选择加工的对象和余地也更大，同时给用户带来了很多方便，尤其是当生产批量小，品种较多，又需要立卧两种方式加工时，用户只需购买一台类似这样的机床就行了。立、卧两用数控铣床的主轴的方向更换分为手动与自动两种。采用数控万能主轴头的立、卧两用式数控铣床，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，其它表面也都可以在一次安装中进行加工。因此，其加工性能非常优越。1.2.4 数控铣床的组成数控铣床一般是由控制介质、数控装置、伺服系统、机床本体四部分组成。： 1）主轴箱这部分包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转，主轴转速范围和输出扭矩对加工有直接的影响。 2）进给伺服系统这部分由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度来实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动。 3）控制系统数控铣床运动控制的中心，执行数控加工程序来控制机床进行加工。 4）辅助装置如液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。 5）机床基础件一般是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架。 1.3 数控铣床的选用数控铣床在现代金属切削加工中的应用越来越广泛，在对数控铣床的选用的时候，一般按以下几个原则进行选择：1）根据被加工零件的尺寸选用规格较小的升降台式数控铣床，其工作台宽度一般在400mm以下，它最适宜中小零件的加工和复杂形面的轮廓铣削的任务。规格较大的如龙门式铣床，工作台在500600mm以上，用来解决大尺寸复杂零件的加工需要。 2）根据加工零件的加工特点来选择对于加工部位是框形平面或不等高的各级台阶，那么选用点位-直线系统的数控铣床就可以。 如果加工部位是曲面轮廓，应根据曲面的几何形状决定选择两坐标联动和三坐标联动的系统。 也可根据零件加工的要求，在普通的数控铣床的基础上，增加数控分度头或者数控回转工作台，这时机床的系统为四坐标的数控系统，也可以加工螺旋槽、叶片零件等。3）根据加工零件的精度要求选用我国已经制定了数控铣床的精度标准，其中数控立式铣床升降台铣床已有专业标准。标准规定其直线运动坐标的定位精度为0.04/300mm，重复定位精度为 0.025mm，铣圆精度为0.035mm。实际上，机床出厂精度均有相当的储备量，比国家标准的允差值大约压缩了20%左右。因此，从精度选择来看，一般的数控铣床即可以满足大多数零件的加工需要。对于精度要求比较高的零件，则应考虑选用精密型的数控铣床。 4）根据零件的批量或其他要求选择对于大批量的，用户可采用专用铣床。如果是中小批量而又是经常周期性重复投产的话，那么采用数控铣床就是非常合适的，因为第一批量中准备好多工夹具、程序等可以存储起来重复使用。所以从长远考虑，自动化程度高的铣床代替普通铣床，减轻劳动者的劳动量提高生产率的趋势是不可避免的。 1.4 数控铣床的主要功能及加工范围1. 4.1 数控铣床的主要功能1)点位控制功能数控铣床的点位控制主要用于工件的孔加工，如中心钻定位、扩孔、钻孔、锪孔、镗孔和铰孔等各种孔加工的操作。 2) 连续控制功能通过数控铣床的直线插补、圆弧插补或复杂的曲线插补运动，铣削加工工件的平面和曲面。 3)刀具长度补偿功能改变刀具长度的补偿量，可以补偿刀具换刀后的长度偏差值，另外还可以改变切削加工的平面位置，控制刀具的轴向定位精度。4)刀具半径补偿功能 如果直接按工件轮廓线编程，在加工工件内轮廓时，实际轮廓线将增大了一个刀具半径值;在加工工件外轮廓时，实际轮廓线又小了一个刀具半径值。使用刀具半径补偿的方法，数控系统自动计算刀具中心轨迹，使刀具中心偏离工件轮廓一个刀具半径值，从而加工出符合图纸要求的轮廓。利用刀具半径补偿功能，改变刀具半径补偿量，还可以补偿刀具磨损量和加工误差，从而实现对工件的粗加工和精加工。5)固定循环加工功能应用固定循环加工指令，可以简化加工程序，减少编程的工作量。 6)子程序功能如果有加工工件形状相同或相似部分，把其编写成子程序，由主程序调用，这样就简化了程序结构。引用子程序的功能使加工程序模块化，按加工过程的工序分成若干个模块，分别编写成子程序，并由主程序调用，完成对工件的加工。这种模块式的程序便于加工的调试，优化加工的工艺。 7) 特殊功能通过在数控铣床上配置仿形软件和仿形装置，用传感器对实物扫描及采集数据，经过数据处理后自动生成NC程序，进而实现对工件的仿形加工和反向加工工程。总之，配置一定的软件和硬件之后，就能够扩大数控铣床的使用功能。 1. 4.2数控铣床的加工范围1)平面类零件加工平面类零件是指加工面平行或者垂直于水平面。数控机床铣削平面可以分为对工件的水平面(XY)加工，对工件的正平面(XZ)加工和对工件的侧平面(YZ)加工。只要使用两轴半控制的数控铣床就能完成这样平面的铣削加工。 2)曲面加工曲面加工又分为直纹曲面类零件和立体曲面类零件。直纹曲面类零件是指由直线依某种规律移动所产生的曲面类零件。立体曲面类零件的加工面不能展成平面，一般使用球头铣刀切削，加工面与铣刀始终为点接触。一般采用行切加工法和三坐标联动加工。如果铣削复杂的曲面则需要使用三轴甚至更多轴联动的数控铣床。 2 数控铣床自动换刀装置总体要求2.1 数控铣床自动换刀装置产生背景及换刀方法数控铣床是高效率机床的典型产品，然而对于多数数控铣床而言，未配备自动换刀装置成了最大的缺陷。因此为了配合机床的高效率，自动换刀装置（ATC）的配置及其高速化的运作应成为数控铣床进行结构改进的重要技术内容。数控机床为了进一步提高生产率，进一步压缩非切削时间，所以现代的机床逐步发展为在一台机床上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，通常都带有自动换刀系统。对工件的多工序加工而设置的存储及更换刀具的装置被称为自动换刀装置(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两部分组成。在数控铣床的基础上，如果再配以刀具和自动换刀系统，就构成了加工中心（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被称为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功能的数控机床，且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。自动换刀机构的功能，能大大提高整个机器的工作效率，节约加工时间。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，）所以增加自动换刀装置的同时也要增加自动变换主轴转速，如此便可以减轻劳动强度，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、应用范围也是最广的一种，对其附加能够快速、准确地自动换刀装置是非常有必要的。 随着切削速度的提高，切削时间的不断缩短，对换刀时间的要求也在逐步提高，换刀的速度已成为衡量一台机床加工效率的一项重要指标。 由于自动换刀要求准确可靠，而且它的结构相对比较复杂，因此加大了提高换刀速度技术难度。目前国外机床为了适应高速加工，都采用了新技术、新方法，为其配备快速自动换刀装置。1）换刀速度指标 衡量换刀速度的方法主要有以下三种：刀到刀换刀时间，切削到切削换刀时间，切屑到切屑换刀时间。由于切屑到切屑换刀时间基本上就是数控铣床两次切削之间的时间，反映了数控铣床换刀所占用的辅助时间，因此切屑到切屑换刀时间应该是衡量数控铣床效率高低的最直接指标。而刀到刀换刀时间则主要反映自动换刀装置本身性能的好坏，更适合作为机床自动换刀装置的性能指标。这两种方法通常用来评价换刀速度。至于换刀时间多少才是高速机床的快速自动换刀装置并没有确定的指标，在技术条件允许的情况下，构的机床，实现了切屑到切屑换刀时间仅为0.4s。是目前世界上切屑到切屑换刀时间最短的机床。这种结构的机床和通常的加工中心结构已大不相同。不仅可以用于需要快速换刀的加工，同时可以多轴同时加工，适合在高效率生产线上使用。 （2）刀库布置在主轴周围的转塔方式 这种方式，刀库本身就相当于机械手，即通过刀库拔插刀并采用顺序换刀，使机床切屑到切屑换应尽可能的提高换刀速度。 2）提高换刀速度的基本原则数控铣床自动刀具交换的基本出发点是在多种刀具参与的加工过程中，通过自动换刀，减少辅助加工时间。在高速数控铣床上，由于切削速度的大幅度提高，自动换刀装置和刀库的配置也要考虑尽可能缩短换刀时间，从而和高速切削的机床相配合。 数控铣床的换刀装置通常由刀库和刀具交换机构组成，常用的有机械手式和无机械手式等方式。刀库的形式和摆放位置也不一样。为了适合高速运动的需要，高速数控铣床在结构上已和传统的加工中心不同，以刀具运动进给为主，减小运动件的质量已成为高速数控铣床设计的主流。因此，设计换刀装置时，要充分考虑到高速机床的新结构特征。 在设置高速数控铣床上换刀装置时，时间并不是唯一的考虑因素。首先，应该在换刀动作准确、可靠的基础上提高换刀速度。特别是ATC是数控铣床功能部件中故障率相对比较高的部分，这一点尤其重要。其次，要根据应用对象和性能价格比选配ATC，在换刀时间对生产过程影响大的一些应用场合，要尽可能提高换刀速度。例如，在汽车等生产线上，换刀时间和换刀次数要计入零件生产节拍。而在另外一些地方，如模具型腔加工，换刀速度的选择就可以放宽一些。3）提高换刀速度的主要技术方法适合于数控铣床的快速自动换刀技术主要有以下几个方面： 在传统的自动换刀装置基础上提高动作速度，或采用动作速度更快的机构和驱动元件。例如，机械凸轮结构的换刀速度要大大高于液压和气动结构。比如日本SODIC公司生产的MC450立式加工中心的机械凸轮结构的快速换刀装置，刀到刀换刀时间只有0.6s。适合于数控铣床的刀柄。HSK刀柄质量轻，拔插刀行程短，可以使自动换刀装置的速度提高。快速自动换刀装置采用HSK空心短锥柄刀是发展的趋势。根据高速机床新的结构特点设计刀库和换刀装置的形式和位置。例如，传统的立式加工中心的刀库和换刀装置多装在立柱一侧：而高速数控铣床则大多为立柱移动的进给方式，为减轻运动件质量，刀库和换刀装置不宜再装在立柱上。 采用新方法进行刀具快速交换。不用刀库和机械手方式，而改用其它方式换刀。例如不用换刀，用换主轴的方法。 利用新开发的加工中心的主轴部件可作6自由度高速运动这一特点，让主轴直接参与换刀过程，不仅可使刀库配置位置灵活，而且可减少刀库运动的自由度，显著简化刀库和换刀装置的结构。除了在传统换刀装置的基础上提高动作速度外，还出现了一些新方法和新结构换刀装置。 （1）多主轴换刀 这种机床没有传统的刀库和换刀装置，而是采用多个主轴并排固定在主轴架上，一般为318个。每个主轴由各自的电动机直接驱动，并且每个主轴上都安装了不同的刀具。换刀时不是主轴上的刀具交换，而是安装在夹具上的工件快速从一个主轴的加工位置移动到另一个装有不同刀具的主轴，实现换刀并立即加工。这个移动时间就是换刀时间，而且非常短。由夹具快速移动完成换刀，这样省去了复杂的换刀机构。奥地利ANGERG公司生产的这种结刀时间较短。这种方式如果要实现任意换刀，则就随所选刀在刀库的位置不同而存在时间长短不等，最远的刀可能切屑到切屑换刀时间较长。因此，这种方式作为高速自动换刀装置一般只能采用顺序选刀的方式。（3）多机械手方式 同样，刀库布置在主轴的周围，但采用每把刀有一个机械手的方式使换刀几乎没有时间的损失，并可以采用任意选刀的方式。2.2 数控铣床自动换刀装置的总体要求2.2.1 自动换刀装置的分类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2、更换主轴头换刀形式3、带刀库的自动换刀形式2.2.2 对自动换刀装置的要求数控铣床上的自动换刀装置由刀库和刀具交换装置组成，用于交换主轴与刀库中的刀具或工具。其对自动换刀装置有如下具体要求：1、刀库容量适当；2、换刀时间短；3、换刀空间小；4、占地面积小；5、动作可靠、使用稳定；6、刀具重复定位精度高；7、刀具识别准确；3 自动换刀装置总体设计3.1 自动换刀装置设计数据由设计任务书，我的任务是给XK5032数控立式升降台铣床设计一套合适的自动换刀机构，以满足于工厂机械加工的生产需求。主要设计数据如下： 1）刀库容量：4-6 2）选刀方式：顺序选刀 3）重复精度：5XK5032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、吊挂、拉刀机构、冷却系统、液压系统、自动润滑系统、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，设计依据是根据该机床的型式、工艺范围及刀具的种类和数量等。3.2 XK5032数控铣床主要技术参数XKA5032A型数控立式升降台铣床使用范围较广泛，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，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，也适用于不熟练的操作工、繁忙的操作工、电力不良等情况。XK5032数控立式升降台铣床可对于主程序、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、增量并用的优点。设计的该铣床各自有50组刀具长度、半径长度补偿，彩色LCD中文显示，并且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，这样便于加工程序的管理。此外，它还具有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等优点。实物图如下图。图3.1 XK5032数控铣床外形图3.2.1 结构参数1) 主传动系统为7.5Kw交流电动机，通过弹性连轴器驱动主传动箱，主传动箱内设有三组滑移齿轮,液压预选变速机构推动各滑移齿轮,组成了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) 铣床刀柄采用标准XT50形式，可以与万能铣床刀柄通用。5) 润滑系统自动润滑站配递进式分油器，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，它每次加油量和两次间的间隔都是可调的，力求保证每个润滑点的合理油量。6) 机床采用的是吊挂式操纵站和侧挂式电柜，机电一体，整体装运，安装方便，集中操纵但又能多位置操作。7) 半自动装卸刀机构,安装在铣头的上方，分别通过两个按钮控制装刀和卸刀，方便而安全，这样既可以使主轴向外伸出，也不会影响刀具装卸。3.2.2 主要规格及技术参数表3-1XKA5032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续续表3-1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（长宽高）mm1929 2055 2216机床重量kg2800(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/min3.3 确定数控铣床加工工况在进行铣削轮廓时，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，但是在实际的生产加工中，由于大直径铣刀刚性好，耐用度高的优点，通常会选用大直径铣刀来提高生产率。由XK5032数控立式升降台铣床推荐使用的最大切削范围可知，当铣削钢质零件时，铣刀最大的直径为100 mm。当铣削灰铸铁时，铣刀直径可达250mm。因此，为了满足该机床的实际加工能力与生产情况，一般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。依上分析，初估最大直径刀具的重量为8kgf。3.4 确定自动换刀装置的方式数控铣床的换刀方式一般有两种：机械手换刀和主轴换刀。 1、机械手换刀 数控铣床一般普遍采用的形式由刀库选刀，再由机械手完成换刀动作，根据机床结构不同，因此机械手的形式及动作均不一样。 2、主轴换刀 通过刀库和主轴箱的配合动作来完成换刀，适用于刀库中刀具位置与主轴上刀具位置一致的情况。一般是采用把盘式刀库设置在主轴箱可以运动到的位置，或整个刀库能移动到主轴箱可以到达的位置。在换刀的时候，主轴运动到刀库上的换刀位置，由主轴直接取走或放回刀具，在此过程的设计多用于采用40号以下刀柄的中小型数控铣床。图3.2 XK5032数控立式升降台铣床的外观图由于XK5032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，比较上节介绍的几种换刀形式之后，决定选用带刀库的自动换刀形式。XK5032数控立式升降台铣床主轴箱上方没有好的安装位置，而安装在机床外会增加刀具运输时间，降低效率，所以安装在机床侧面最合适。在部件交错的地方，要作适当的调整。因为XK5032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机构的设计将仿效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XK5032数控立式升降台铣床的外观图如图3.2所示。4 自动换刀控制原理4.1 自动换刀机构液压系统的设计4.1.1 液压的特点1) 液压传动可以输出大的推力或大转矩，可实现低速大吨位运动，这是其它传动方式所不能比的突出优点。 2) 液压传动能很方便地实现无级调速，调速范围大，且可在系统运行过程中调速。3) 在相同功率条件下，液压传动装置体积小、重量轻、结构紧凑。液压元件之间可采用管道连接、或者采用集成式连接，其布局、安装有很大的灵活性，可以构成用其它传动方式难以组成的复杂系统。 4) 液压传动能使执行元件的运动十分均匀稳定，也可使运动部件换向时无换向冲击。而且由于其反应速度快，故可实现频繁换向。 5) 操作简单，调整控制方便，易于实现自动化。特别是和机、电联合使用时，能方便地实现复杂的自动工作循环。 6) 液压系统便于实现过载保护，使用安全、可靠。由于各液压元件中的运动件均在油液中工作，都能自行润滑，故元件的使用寿命长。 7) 液压元件易于实现系列化、标准化和通用化，便于设计、制造、维修和推广使用。4.1.2 自动换刀机构液压系统原理图由以上分析可以初步拟定系统的液压原理图如图4.1所示。图4.1 自动换刀机构的液压控制系统原理图图4.1液压原理图4.2 自动换刀装置换刀动作的顺序控制过程在自动换刀装置的整个换刀过程中，换刀动作的控制由刀库控制部分、换刀机械手控制部分以及主轴箱控制部分三部分组成，它们组成是一个互相联系的系统。其动作过程下面简要说明。1) 刀库控制部分： 该换刀机构在加工工件的同时，下一个工序所需要的刀具可随刀库转到相应位置等候，这样可以减少换刀时间，提高生产效率。刀库自动换刀时，由一个3位4通电磁阀YV1控制，当YV1在右位接通时，换刀松开，当YV1在左位接通时，则实现换刀锁紧动作。2) 机械手控制部分 机械手自动换刀时，换新刀前，先进行拔刀动作，然后是180的回转动作，接着是插刀动作，最后是机械手退出换刀位置，这就是整个换刀过程。在此过程中机械手拔刀和插刀动作是由一个3位4通电磁阀YV5控制，当YV5在右位接通时，进行插刀，当YV5在左位接通时，实现拔刀动作；机械手的换刀锁紧和换刀松开由3位4通的电磁阀YV6来控制，当YV6在右位接通时，实现换刀松开动作，当YV6在左位接通时，则实现换刀锁紧动作。机械手回转是由回转液压缸来完成，它是由一个3位4通的电磁阀YV7来控制；3) 主轴箱控制部分 主轴准停后，主轴箱内的刀具自动卡紧机构实现松开与锁刀工能，松刀和锁刀动作是由一个3位4通电磁阀YV4控制，当YV4在右位接通时，实现松刀动作，而当YV4在右位接通时，从而实现锁刀动作。 5 刀库结构设计刀库是带刀库自动换刀机构的主要部件之一，其容量形式、布局及具体结构对数控机床的性能都有很大影响。5.1 刀库类型自动换刀装置的刀库一般有盘式、链式及鼓轮式刀库几种。1）盘式刀库 刀具呈环行排列，空间利用率低，容量不大但结构简单，如图5-1所示。图5.1盘式刀库图5.3 鼓轮式刀库图5.2 链式刀库2）链式刀库 目前生产中应用较为广泛。其优点有结构紧凑，容量大，链环的形状也可随机床布局制成各种形式而灵活多变，还可将换刀位突出以便于换刀，具体如图5-2所示。3）鼓轮式或格子式刀库 占地小，结构紧凑，容量大，但选刀、取刀动作复杂，如图5-3所示。5.2 刀具识别数控铣床的刀库中有多把刀具，如何从刀库中调出所需要的刀具，就必须对刀具进行识别，刀具识别的方法有两种。1）刀座编码在刀库的刀座上编有号码，在装刀之前，首先对刀库进行重整设定，设定完成后，就变成了刀具号和刀座号一致的情况，此时一号刀座对应的就是一号刀具，经过换刀之后，一号刀具并不一定放到一号刀座中（刀库采用就近放刀原则），此时数控系统自动记忆一号刀具放到了几号刀座中，数控系统通常采用循环记忆方式。2) 刀柄编码 在刀柄上编有号码，将刀具号首先与刀柄号对应起来，把刀具装在刀柄上，再装入刀库，在刀库上有刀柄感应器，当需要的刀具从刀库中转到装有感应器位置时，被感应到后，从刀库中调出来交换到主轴上。5.3 刀库容量的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都是在多品种、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5.4为刀库容量与机床能加工工件的比率统计曲线。图5.4刀具数量统计图由于刀库储存量过大，导致刀库的结构庞大而复杂,影响机床总体布局。而储存量过小，又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，有关资料曾经对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4-4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