加工中心自动换刀装置毕业论文

1、洛阳理工学院毕业设计（论文）加工中心自动换刀装置摘 要本课题所设计的是小型立式加工中心的自动换刀装置，该型加工中心主要是用来加工各种中、小批量的电子元件或者小型板类零件。该方案在设计的过程中牵涉到了刀盘的选取和设计、槽轮的选取与设计、刀库的形式和安放位置以及伺服电机的设计等诸多问题。本次设计在本着满足用户使用要求的前提下，尽量使结构简单、性能可靠、具有创新观念。关键词：加工中心，自动换刀装置，槽轮机构，伺服电机 machining center automatic tool changerabstractwhat the topic designs is the automatica tool

2、 changer for small vertical machining center, which is mainly used for processing in each kind, the electronic component or the small board class components. this plan involved in the design process to the tool carousel selection and designing, the v-belt pulley selection and designing, the magazine

3、s position as well as the stepping motorss designing and so on many questions. this design in line with satisfies the user operation requirements under the premise, as far as possible enable the structure simply, the performance to be reliable, to have the innovation idea. in the design all of data

4、are passed through after the search material calculates repeatedly obtains.key word： machining center，automatica tool changger，grooved pulley, servo motor27目录前言1第1章刀库综述21.1刀库换刀装置21.1.1机械手换刀装置21.1.2无机械手换刀装置31.2刀库形式的选取31.3刀库位置的放置41.4 刀库的运动特点51.5 刀库的回转、分度和转位5第2章 设计可行性论证6第3章 槽轮机构73.1 槽轮机构的工作原理73.2 槽轮结构的

5、形式83.3槽轮机构的特点83.4槽轮机构的设计8 第4章 轴的设计与校核104.1轴的设计结构104.2轴的校核114.2.1 轴的强度校核114.2.2 按弯扭合成强度校核轴的强度124.2.3 按轴的疲劳强度安全系数校核轴的强度134.3 轴承的选取13第5章 刀库的设计165.1 刀库主要参数的确定165.1.1 刀库容量165.1.2 刀盘部分的设计165.1.3 刀盘装配图17第6章 刀库转动电机的选择19 第7章 其他部件的设计与选取227.1 刀库支撑部分的设计227.2箱体设计22结论24谢 辞25参考文献26前言随着数控技术的发展和普及，加工中心的作用越发凸显它的重要性。为

6、进一步数控机床的加工效率，数控机床正向着工件在一台机床一次装夹即可完成多道工序或全部工序加工的方向发展，因此出现了各种类型的加工中心机床，车削中心、镗铣加工中心、钻销中心等等。这类多工序的数控机床在加工过程中要使用多种刀具，因此必须有自动换刀装置，也就是所说的刀库，以便选用不同刀具，完成不同工序的加工工艺。自动换刀装置应当具备换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具储备量、占地面积小、安全可靠等特性。目前使用非常广泛本设计题目为加工中心自动换刀装置，它是根据实际情况，针对用户需求而提出的毕业设计，是一次综合性、应用性和实践性较强的设计过程。该方案在设计的过程中牵涉到了刀盘的选取和设计、槽轮的

7、选取与设计、刀库的形式和安放位置以及伺服电机的设计等诸多问题。本次设计在本着满足用户使用要求的前提下，尽量使结构简单、性能可靠、具有创新观念。设计中的数据都是经过查找资料并且经过反复计算得到的。第1章 刀库综述刀库是加工中心的象征，是加工中心区别于nc镗床和nc铣床的本质所在，因此来说，刀库的设计是加工中心设计的核心。由于本次所要设计的加工中心是一个主要用来加工中小批量电子元件等小型零件的小型加工中心，在满足加工要求经济实用的条件下，应尽量使加工中心的结构紧凑，减小加工中心的外型轮廓尺寸，刀库在满足使用要求的前提下，尽量结构使其简单紧凑、易制造，从而降低生产加工中心的成本。因此我们在选用刀库的

8、各项参数时本着这个设计原则，以下是我们设计和选用刀库各个零部件的过程。1.1刀库换刀装置刀库是加工中心的象征，而刀具交换装置又是加工中心设计成败的关键环节。一般带刀库的自动换刀装置的数控机床主轴箱内只有一个主轴，设计主轴，部件时就有可能充分增强它的刚度，因而能够满足精密加工的要求。另外，刀库可以存放数量很大的刀具（可以多达100把以上），因而能够进行复杂零件的多工序加工，这样就明显地提高了机床的适应性和加工效率。所以带刀库的自动换刀装置特别适用于数控车、数控镗、铣床和加工中心。通过自动换刀系统来实现零件加工时的换刀。它由刀库电机、传动装置、刀夹等组成。对于该加工中心自动换刀装置的设计可以有两类

9、方案：1.1.1 机械手换刀方式加工中心的atc，大都采用有机械手换刀方式。它是由机械手把刀库上的刀具送到主轴上，再把主轴上已用过的刀具返送到刀库上。采用机械手进行刀具交换的方式应用很广泛，这是因为机械手换刀有很大的灵活性，尤其是双臂机械手，抓刀、拔刀、回转、插刀以及返回等动作一次性完成，可以减少换刀时间。但其机械结构比较复杂。1.1.2 无机械手换刀方式无机械手换刀方式是直接在刀库与主轴（或刀架）之间换刀的自动换刀方式。这种换刀方式没有机械手，因而结构简单。换刀时必须首先将用过的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出新刀具，这两个动作不能同时进行，所以换刀过程却较为复杂，它的选刀和换刀由三个坐标轴

10、的数控定位系统来完成，因此换刀时间较长，影响了机床的加工效率。但是刀库回转是在工步与工步之间，即非切削时进行的，因此虽然刀库设置在工作台上，却免去刀库回转时的振动对加工精度的影响。这种换刀方式适用于40号以下刀柄的小型加工中心或换刀次数少的用重型刀具的重型机床。考虑到所设计的加工中心主要用于中小批量生产，且只用来加工小型零件上的孔和平面，刀库容量较小，无须过多考虑换刀时间的长短，且采用的是40号刀柄，又要求加工中心体积小，机械结构简单，综合考虑，刀库宜选择无机械手换刀方式. 。 其换刀过程如下： a.上一工步，主轴准停，主轴箱上升。此时主轴内有刀具，而正对着主轴的刀库刀位空位;b.主轴箱上升到

11、一定位置，刀库前移，刀柄进入刀库的空位，此时刀柄被刀库上的刀爪夹住，主轴内自动松刀；c.主轴箱上移，刀具从主轴中拔出；d.刀库转位，把下一工步所需要的刀具转至主轴中心位置，压缩空气将主轴锥孔吹净；e.主轴箱下移，下一工步所需刀具插入主轴孔，同时主轴内的刀柄自动拉紧装置拉紧刀柄；f.刀库后移至起始位置，主轴启动进行下一工步。1.2 刀库形式的选取 无机械手换刀方式中，刀库可以是圆盘形、直线排列式，也可以是格子箱式等。无机械手换刀方式中特别需要注意的是刀库转位定位的准确度。圆盘形刀库容量较小，刀库结构简单紧凑，刀库转位，换刀方便，易控制。直线排列式和格子箱式刀库结构相当复杂，使用于刀库容量较大的加

12、工中心。考虑到所设计的加工中心只用来加工小型零件上孔和平面，不必在刀库里放太多刀具，根据实用性进行考虑，因此选用结构简单，容量较小、体积较小的圆盘式刀库。1.3刀库位置的放置立式加工中心无机械手换刀方式的圆盘型刀库的放置有两种形式：1.刀库置于立柱侧面的横梁上。如图1-1a所示。此方案使可工作台的尺寸较小，且可采用厂家已生产的合适尺寸的工作台，可减小设计制造周期。结构简单，且不会发生刀库和主轴的干涉现象。但刀库的支承刚性较差，须增加立柱的强度，以减少横梁弯扭矩的影响。2.刀库置于工作台上。如图1-1( b)所示。此方案刀库的支承刚性好，结构简单。但影响加工中心主轴y轴方向上的行程，要求工作台的

13、尺寸较大，须自行设计，且减少了工作台的有效使用面积。综合分析以上两种方案，采用b方案，即刀库置于工作台上的布置形式。通过主轴的移动来实现换刀。图1-11主轴箱 2立柱 3刀库 4工作台 5床身1.4 刀库的运动特点刀库的运动特点是：时间短暂的间歇运动，起停平稳无冲击，定位准确。任意选刀方式的刀库有的要能正、反运动；运动速度不高。1.5 刀库的回转、分度和转位刀库的回转、分度和转位，可以有两种方案：一种是槽轮机构；另一种是单头双导程蜗轮蜗杆传动，此传动机构在使用中可随时调整蜗轮蜗杆的传动间隙，实现准确的转位分度，保证刀库工作的可靠性，但此传动机构较复杂，而且单头双导程蜗轮和蜗杆的加工较困难。槽轮

14、机构具有冲击小，工作平稳性较高，机械效率高，可以在较高转速下工作，且结构简单，易制造等优点，在目前生产的鼓轮式刀库上很多采用槽轮机构来驱动刀库的分度回转运动。因此设计中采用槽轮机构，来实现刀库的分度和定位。但此机构定位精度不够高，为提高其定位精度可采用带制动器的交流伺服电机，从而可保证较高的定位精度。第二章 设计可行性论证 至于本课题所设计的加工中心自动换刀装置设计可行与否，我们可以通过对其整个换刀过程的分析来得出结论（换刀过程在前面已经涉及到，在此不再赘述）。该加工中心的换刀过程主要是靠主轴的运动来实现的，刀盘只起到转动选刀的作用。刀盘的转动和选刀靠电机的转动和槽轮的传动来实现的，刀具的加紧

15、与松开要靠气压传动系统来实现。由此可以确定整个换刀过程所涉及到的动作采用该换刀装置是完全可以实现的。并且符合换刀装置所应满足的以下基本要求：1.刀具换刀时间短且换刀可靠；2.刀具重复定位精度高；3.具有足够的刀具储存量；4.刀库占地面积小。所以采用该种换刀装置既经济又方便，设计合理完全具备设计可行性应具备的要求。设计可行性如图2-1换刀装置所示。图2-1换刀装置所示第3章 槽轮机构3.1 槽轮机构的工作原理槽轮机构（又称马尔他机构）能把主动轴的匀速连续运动转换为从动轴的周期性间歇运动，常用于各种分度转位机构中。槽轮机构有三种基本类型：外啮合槽轮机构、内啮合槽轮机构和球面槽轮机构。此刀库采用外啮

16、合槽轮机构。外啮合槽轮机构的工作原理如图3-1所示，它由槽轮1 、拨销2、和锁止盘3、组成。图3-1 外啮合槽轮机构的工作原理 1槽轮 2拨销 3锁止盘外啮合槽轮机构的转臂回转轴线与槽轮回转轴线平行，通常转臂作等速回转，当转臂上的滚子进入槽中，就拨动槽轮作反向转位运动，当滚子从槽中脱出，槽轮即静止不动，并由锁止盘定位。当只有一个滚子时，转臂转一周，槽轮作转一个角度的步进运动，从而实现转位、分度和定位。3.2 槽轮结构的形式外槽轮可分为整体结构和镶槽结构，镶槽结构可使槽轮的加工和热处理大为简便，但槽条的装配调整较费时。所以，这里选用整体结构槽轮。3.3 槽轮机构的特点1) 滚子进入和脱出槽口的瞬

17、时位置时，转臂中心线与槽的中心线垂直，使槽轮转位起、停瞬时的角速度，避免了刚性冲击。2) 槽轮工作特性系数（槽轮运动时间与停歇时间比）与结构形式有关系，对于外槽轮机构 (3-1)式中：滚子数，=1，则z槽轮槽数。z越少，越小。3) 槽轮转位起、停时的角加速度与槽数z有关，z越少，越大，即有不同程度的柔性冲击。4) 锁止盘的定位精度低。当分度精度要求高时，必须附加定位装置。3.4 槽轮机构的设计设计参数的选定与计算1） 槽数z 因刀库容量为10把刀，所以槽轮槽数z=10。2） 槽轮与锁止盘间的中心距l 机构的各个尺寸都将取决于l。l适当取大些可以增加机构的强度、刚度，并有利于提高分度的精度。但一

18、般机床的精度机构受力不大，l过大会使机构笨重，通常可按机构许用位置大小初步确定机构的最大尺寸，根据式子 (3-2)（其中l/=0.434），求出，并圆整成标准长度或整数。必要时按机构失效原因进行校核计算。为了使转位定位机构的结构紧凑，采用l=1403） 槽间角 4） 槽轮每次转位时曲柄的转角 。5） 主动曲柄长度 6） 槽轮半径 7） 圆销半径 8） 槽低高 9） 槽深 10）锁止弧半径 式中，e=(0.60.8)r,且必须大于35mm,取e=13 rx=23 11）锁止盘缺口张角 当z=10时，=144。根据以上参数查参考资料机床设计手册3可设计出槽轮和拨盘的尺寸。另见零件图。第4章 轴的设

19、计与校核4.1 轴的结构设计轴是机器中必不可少的重要机械零件之一。他的主要功能是安装、固定和支撑机器中的回转零件，并保证其正确的工作位置，同时传递运动和动力。1. 选择轴的材料，并确定许用应力由于该轴传递的功率较小，而且对重量和尺寸也没有特殊的要求，故选择常用的材料45号钢，正火处理。由参考文献1表101知：2. 初步估算轴的最小直径根据公式 （41） 查表102，取c=110， ，综合考虑轴的最小直径可取d=20mm.为了保证位于该轴上的零件便于装拆，该轴与槽轮和刀盘相连接部分的最小直径为d。3.轴的结构设计拟定轴上零件的装配方案根据图可以看出，刀盘、上下端轴承，套筒、槽轮装配和拆卸4.确定

20、轴的各段直径和长度（1）与下面的轴承部相配合的部分的设计该段轴与轴承的配合长度为18，采用轴承套和轴承盖定位，。（2）光轴段此段轴长主要由该机构的尺寸和加工中心z轴行程来决定，综合考虑以上两点初选，取。（3）上端轴承与轴配合部分的设计为了保证该处轴与轴承的定位，在光轴与下端轴承间采用轴承套来定位，该处轴的长度 , ,而这里用了一个套筒，则与套筒配合的长度为。则与上轴承配合长度为。（4）轴与刀盘孔径相配合部分的设计 中间段轴直径为的长度可有上下轴承的长度和刀盘距箱体的高度可以计算出。具体的详见轴零件图。4.2 轴的校核4.2.1 轴的强度校核1. 选择轴的材料，并确定许用应力由于该轴传递的功率较

21、小，而且对重量和尺寸也没有特殊的要求，故选择常用的材料45号钢，正火处理。由参考文献1表101知： 2. 画轴的计算简图,计算支反力.如图4-1所示:图4-1轴的计算简图取换刀具时通过计算得到的力,是槽轮中相互作用产生的力.4.2.2 按弯扭合成强度校核轴的强度1. 绘制轴的计算简图为上图2. 画出铅垂面上的弯矩图（1）画铅垂面上的受力图,计算铅垂面上的支反力 其方向与相反.（2）画铅垂面上的弯矩图,如图4-2所示:截面a右侧弯矩:截面a左侧弯矩:3. 绘制水平弯矩图（1）绘制水平受力图,计算水平支反力 （2）绘制水平面弯矩图,计算截面b处右侧面弯矩 计算截面b处左侧面弯矩 4. 绘制合成弯矩

22、图 计算合成弯矩值为: 5. 绘制转矩图 转矩 6. 绘制当量弯矩图 先计算当量弯矩，根据合成弯矩图4-1可知： 危险截面在a 、b之间，靠近b截面处 截面c的当量弯矩为 7. 校核轴的强度 所以强度足够。4.2.3 按轴的疲劳强度安全系数校核轴的强度由轴的当量弯矩图4-2可知，截面a 、b之间且靠近b截面处所受的当量弯矩最大 。4.3 轴承的选取轴承是用以支撑轴和轴上回转零件的部件。根据轴承工作时的摩擦性质不同，可以把轴承分为滑动摩擦轴承（简称滑动轴承）和滚动摩擦轴承（简称滚动轴承）两类。我们在选取轴承时一般按其所能承受的载荷方向或公称接触角的不同来确定。图4-2 弯矩图轴承按其所能承受的载

23、荷方向或公称接触角不同，可分为向心轴承和推力轴承两类。（1）向心轴承主要用于承受径向载荷的轴承，其公称接触角从0到45。（2）推力轴承主要用于承受轴向载荷的轴承，其公称接触角超过45直至90。因为本次设计的传动轴主要承受轴向载荷和径向载荷，故该轴承应选取角接触球轴承。其中，轴承的失效形式主要有如下几种：（1）疲劳点蚀；（2）塑性变形；（3）磨损。根据轴承的失效形式不同，其设计准则也就不同。（1）对于一般运转的轴承，为防止疲劳点蚀发生，以疲劳强度计算为依据，称为轴承的寿命计算。（2）对于转速很低或只做低速摆动的轴承，要求控制塑性变形，以静强度计算为依据，称为轴承的静强度计算。本次设计的轴承的设计

24、原则采用第（2）种准则。根据不同的轴承所承受的载荷的大小及性质，选取角接触球轴承7208c。尺寸：=408018 计算公式：当fa/fr0.70时, p=； 当fa/fr0.70 时, p=0.41+0.85fa； 当fa/fr1.35时, =； 当fa/fr1.35时, =0.5 fr+0.3fa.额定动载荷:c=2880kn ,额定静载荷=2180kn,重量m=0.36.第5章 刀库设计在总体设计方案中已确定：自动换刀系统采用无机械手换刀，且刀库置于工作台上。采用盘形刀库，由槽轮机构实现回转，分度和定位，由交流伺服电机驱动。刀库的结构设计从以下方面进行。5.1 刀库主要参数的确定5.1.1

25、刀库容量本加工中心主要用来加工小型零件或多孔零件上的小孔和小平面，所以刀库上主要安装一些孔加工刀具（如钻头、扩孔钻等）和加工小平面用的立铣刀及小直径的面铣刀；同时又考虑到所用电主轴轴端的尺寸及刀盘直径等的限制；再考虑到主要用于中小批生产及教学实验等，刀具的品种不宜过多，以免造成不必要的浪费和刀库尺寸过大，采用10把刀。1. 刀具最大直径和长度立铣刀的最大直径定为80mm，钻头的最大直径定为20mm,最大工作部分长度定为200mm。2. 刀具最大重量为3kg.3. 刀具最大运动线速度为22m/min30m/min。5.1.2 刀盘部分的设计1. 刀盘尺寸的确定刀盘采用轮辐式结构，这样既能满足使用

26、的要求，又能保证刀盘的强度。在整个设计的过程中要保证各个尺寸再换刀过程中不发生干涉即可，刀盘直径为235mm。2. 刀爪尺寸的设计刀爪的外型尺寸根据40号刀柄设计。大致如下图5-1所示。其主要尺寸1、2、l1的确定：1应略小于a2，而2应略大于a2，预留间隙小于1mm（其预留间隙尺寸是为了刀爪抓刀方便、省力、并且小于1mm的间隙能保证不会掉刀）；l1应取略大于1/2a1。查表知a144.7mm，a256.25mm，所以取154mm，264mm，l123mm，符合设计要求。图5-1 刀爪机构3.夹块的设计夹块在刀爪抓刀时插入到驱动键下半部中，以及刀具在刀库中时夹块一直插在驱动键中，起准确定位的作

27、用。因此来说夹块的宽度尺寸精度要求很高。夹块宽度的尺寸主要由驱动键的宽度来决定。查成都英格数控刀具模具有限公司出版的nc tools（参考2）iso7388 40号刀具锥柄的驱动键槽宽16.1mm。若我们取夹块宽度的尺寸为八级精度，则夹块的宽度尺寸应为mm。5.1.3 刀盘装配图 见附图5-2刀盘部件图.图5-2刀盘装配图第6章 刀库转动电机的选择刀库的回转驱动电机的选择时，须考虑由摩擦引起的负载转矩和各负载的转动惯量。1. 负载的转动惯量jlc和刀库系统转动惯量jc jlc=jijc=jmc+jlc式中ji、ni各转动件的转动惯量（kgm2）和转速（r/min）；jmc、nmc电机的转动惯量

28、（kgm2）和转速（r/min）。 jlc=(jdp+jz+jcl+jsp) (6-1) 式中jdp、jcl、jsp分别为刀盘、轴、槽轮和锁止盘的转动惯量（kgm2）； nc刀盘的转速，r/min。jdp=式中ddp刀盘直径，；ldp刀盘厚度，；同理可求得： nc= r/min nmc=3000 r/minjlc= jmc 初选电机为msma022a1d，其额定转矩为0.64nm，最大转矩为1.91nm，转动惯量为。jc=2. 摩擦引起的负载转矩计算由重力产生的摩擦力矩 tfc（nm）， tfc= (6-2)式中 槽轮和锁止盘间的摩擦系数，取0.15； gc刀盘、轴、槽轮等的重量，n；gc=2

29、5.6+12.6+9.8+20+16=84n rsp滚子中心到锁止盘中心的距离，43.26； tfc0.158443.2610-3=0.545nm0.545nm0.64nm(电机的额定转矩)，符合要求。3. 最大加速转矩 tcam当电机从静止升至nmax时，tcam=式中ncmax电机最高转速，3000r/min； tca加速时间（s），取0.2s；tcam=4. 电机的最大启动转矩 tcr=tcam+tfctcr=0.534+0.545=1.079nmtcr=1.0791.91nm（电机的最大转矩），符合要求。最终确定电机型号为msma022a1d，其输出功率为200w，其相应的伺服驱动器选

30、择与电机相匹配的msma022a1a型号。第7章 其他部件的设计与选取7.1 刀库支承部分的设计刀库的支承部分包括刀库箱体、箱盖、轴、轴承、轴承套等，见刀库总装图。各部分的具体结构尺寸见其图7-1刀库总装图。图7-1 刀库总装图1 刀盘部分 2轴承套 3拨盘 4电机 5轴承 6轴 7槽轮 8支撑部分7.2 箱体设计箱体的作用是支承其它零件承受工作载荷、定位其他零件，保持相对位置，密封其他零件，提高工作性能等。箱体设计的技术要求：箱体用于支承其他零件并承受工作载荷。故首先要求其具有一定的强度和刚度，以保证整台机器的正常工作；其次要求箱体的尺寸具有一定的稳定性，即热变形小、磨损小，应具有良好的工艺

31、性和经济性；最后还要求其外型美观、操作方便等。为了满足强度和刚度要求，在进行箱体的设计时应注意如下几点：1. 截面形状绝大多数的箱体受力情况都比较复杂，因此要产生拉压、弯曲、扭转等变形。当受到弯曲和扭转时，截面形状对于它们的强度和刚度有着很大的影响。通过合理选择箱体的截面形状，在不增大截面面积和材料用量的条件下，来增大截面抗弯（扭）系数和截面惯性矩，就能提高其强度和刚度。2. 壁厚壁厚直接影响箱体的强度和刚度。在满足刚度和强度的条件下，应选用较小的壁厚。以减少材料用量。但由于箱体形状复杂，受力状态复杂，故目前尚无精确的强度和刚度计算公式。一般做法是先按经验或者类比法确定壁厚和其他结构尺寸，然后用有限元法等计算其强度和刚度，经过不断修整，获得合理尺寸。铸造箱体的最小壁厚可由参考文献10表27-2确定。表中n为当量尺