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1、1 绪论1.1数控加工中心自动换刀装置概述机床是制造机器的机器，机床工业的技术水平决定着装备制造业乃至整个国民经济的技术水平。当今社会，数控机床几乎已经扩展到了所有加工领域，许多工厂为了适应产品的频繁更新、提高加工精度、降低生产成本、缩短产品交货周期和减轻劳动强度，在中等批量、甚至大批量生产中应用数控机床，并取得了良好的经济效益。数控加工中心带有刀库和自动换刀装置，是能对工件按预定程序进行多工序加工的高度自动化的多功能的数字控制机床。自动换刀装置（ATC）是加工中心的重要组成单元，其设计质量的好坏，直接影响加工中心的质量。ATC由刀库和机械手组成，它的机构和运动复杂、性能要求高。刀库的功能是储
2、存刀具，并且按程序指令，把即将要用的刀具迅速、准确地送到换刀位置，因此刀库的位置、体积大小能否适合加工中心的整体设计，刀库的运动机构能否使刀库平稳运转并准确地停在换刀位置，运动过程有无干涉、卡死等现象，都是设计人员非常关心的问题。机械手的功能是把刀库上的刀具送到主轴上，再把主轴上已用过的刀具送回刀库。它的动作要求迅速而准确，所以对机构的结构、定位、运动、夹持力的大小等都有很高的要求，一旦有运动故障或定位、运动误差过大，都会造成换刀动作失败，掉刀。当今时代，高速加工中心已成为加工行业未来的发展趋势。高速功能部件如电主轴、高速丝杠和直线电动机的发展应用极大地提高了切削效率。为了配合机床的高效率，作
3、为加工中心的重要部件之一的自动换刀装置的高速化也相应成为高速加工中心的重要技术内容。未来机床产业的发展，均以追求高速、高精度、高效率为目标。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；换刀的速度已成为高等级机床的一项重要指标。因此，对数控机床的刀库及其自动换刀装置的研究和发展有着重要的意义。1.2国内外自动换刀装置设计的发展情况自动换刀系统是数控机床的重要组成部分。刀具夹持元件的结构特性及它与机床主轴的联结方式，将直接影响机床的加工性能。刀库结构形式及刀具交换装置的工作方式，则会影响机床的换刀效率。自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度，又会对整机的成本造价产生直接影响
4、。从换刀系统发展的历史来看，1956年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM公司同期也研制成功了“APT”(刀具程序控制装置)。1958年美国K&T公司研制出带ATC(自动刀具交换装置)的加工中心。1967年出现了FMS(柔性制造系统)。1978年以后，加工中心迅速发展，带有ATC装置，可实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。1983年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，自动换刀系统便形成了统一的结构模式。随着机械加工业的发展，制造行业对于带有自动换刀系统的高效高性能加工中心的需求量越来越大，在现有的各种类型的加工中心中，传统结构的自动换刀系统的造价在机床整机造价中总
5、是占着很大比重，这是加工中心价格居高不下、应用不普遍的重要原因。目前国内外数控机床自动换刀系统中，刀具、辅具多采用锥柄结构，刀柄与机床主轴的联结、刀具的夹紧放松机构及驱动方式几乎都采用同一种结构模式。在现代数控机床上亦有采用弹簧夹头作为刀具的夹持元件，但机床的主轴结构、驱动方式仍然采用与上述锥柄刀具完全相同的结构形式。采用这种结构模式，在实际数控加工中，尤其是在需要超高速主轴、主轴的径向、轴向尺寸都很小、没有足够的换刀空间的微细加工场合中实现自动换刀将会是很困难的，如果实施自动换刀将使机床成本大幅度提高。金属切削机床的高速化已成为机床发展的重要方向之一，因此，快速换刀技术已经成为高速加工中心技
6、术的重要组成部分。新技术和新方法在不断地出现和改进，其目的只有一个，即在准确可靠的基础上，缩短换刀时间，全面提高高速加工中心的切削效率。我国数控机床制造业起步较晚，而如今，各机床厂家正力图寻求走具有自主知识产权的发展道路，在引进与国外机床厂商合资合作的形式中，消化吸收，逐步掌握国外的先进技术，并把它融人到自己设计开发的思维中。经过多年的努力，我国机床制造业通过与国外合作，技术引进以及国家组织攻关等方式，解决了一大批关键性技术，掌握了许多先进的设计手段与制造工艺，机床整体水平进步很大，与国外先进制造水平的差距正在缩小。数控机床是主导性的机床产品，其发展受到国内外有关政府和工业企业界的高度重视，从
7、而得以迅速发展。1.3加工中心刀库的形式及特点刀库系统是提供自动化加工过程中所需的储刀及换刀需求的一种装置，其自动换刀机构可以储放多把刀具的刀库，从而大幅缩短加工时程，降低生产成本。加工中心刀库的形式很多，结构各异，刀库的容量、布局，针对不同的机床，其形式也有所不同和结构也各不相同，最常用的有鼓轮式刀库、链式刀库。1.3.1鼓轮式刀库图1.1鼓轮式刀库鼓轮式刀库也称圆盘式刀库，其刀具环形排列，呈盘状，这种刀库结构简单，适用于刀库容量较少的中小型加工中心，一般不超过32把刀具。为了增加刀库空间利用率，可采用双环或多环排列的刀具的形式。但鼓直径越大，转动惯量就增加，选刀时间也就越长。图1.2鼓轮式
8、刀库的取刀方式径向取刀形式( a )多用于使用斗笠式刀库的立式加工中心和使用角度布置的机械手换刀装置的加工中心；形式( b )应用比较广泛，可用于立式和卧式加工中心，换刀可用机械手或直接主轴移动式换刀。由于从布局设计方面的考虑，鼓轮式刀库一般都采用侧向安装的结构形式，若用于机械手平行布置的加工中心时，刀库中的刀袋（座）通常在换刀工作位可作 90 翻转。形式( c )适用于小型加工中心，但占有面积较大，刀库安装位置及刀库容量受限制，应用较少，但应用这种刀库可以减少机械手换刀动作，简化机械手结构；形式( d )为刀具轴线与鼓盘轴线成夹角为锐角的鼓轮式刀库，一般用于专用加工中心。1.3.2转塔式刀库
9、图1.3转塔式刀库如图1.3 a、b所示。包括水平转塔头和垂直转塔头两种。所有刀具固定在同一转塔上，无换刀臂，储刀数量有限，通常为68 把。一般仅用于轻便而简单的机型。常见于车削中心和钻削中心。在钻削中心储刀位置即主轴，其外部结构紧凑但内部构造复杂，精度要求高。1.3.3 链式刀库图1.4链式刀库如图1.4所示，包括单环链和多环链，链环形式可有多种变化，适用于刀库容量较大的场合，所占的空间小。一般适用于刀具数在30120 把。仅增加链条长度即可增加刀具数，可以不增加圆周速度，其转动惯量不像盘式刀库增加的那样大。1.4 换刀装置的形式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
10、的装置称为换刀装置。刀库换刀，按照换刀过程有无机械手参与，分成有机械手换刀和无机械手换刀两种情况。有机械手的系统在刀库配置、与主轴的相对位置及刀具数量上都比较灵活，换刀时间短。无机械手方式结构简单，只是换刀时间要长。1.4.1 无机械手换刀无机械手换刀时，刀库中刀具存放方向与主轴平行，刀具放在主轴可到达位置换刀时，主轴箱移到刀库换刀位置上方，利用主轴Z向运动将加工用毕刀具插入刀库中要求的空位处，然后刀库中待换刀具转到待命位置。主轴Z向运动将待用刀具从刀库中取出，并将刀具插人主轴。由此可看出，必须首先将用过的刀具送回刀库，再从刀库中取出新刀具，这两个动作不能同时进行，因此换到时间较长。1.4.2
11、 机械手换刀有机械手换刀的过程中，使用一个机械手将加工完毕的刀具从主轴中拔出，与此同时，另一机械手将在刀库中待命的刀具从刀库拔出，然后两者交换位置完成换刀过程。采用机械手进行刀具交换的方式应用的最为广泛，这是因为机械手换刀有很大的灵活性，而且可以减少换到时间。2 总体方案的确定2.1 刀库和换刀装置的功能及要求2.1.1 功能刀库用来储存加工所需的刀具，而换刀装置用来从刀库调换加工过程中不同工序所需要的不同刀具。随着自动化技术的发展，逐步发展和完善了各类刀具的自动更换装置，数控车床上采用电（液）换位自动刀架，有的还使用两个回转刀盘。加工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手，实现了大容量储存道具和
12、自动交换道具的功能，这种刀库存放刀具的数量从几十把到上百把，自动交换道具的时间从几十秒减少到几秒甚至零点几秒。使用这种刀库和换刀机械手组成的自动换刀装置，就成为加工中心的主要特征。2.1.2 基本要求（1）满足工艺要求。机床依靠刀具和工件间相对运动形成工作表面，而加工工件表面、形状和表面位置多种多样，要求刀库上能够布置足够多的刀具，换到时间短，能够方便而正确地加工个工件表面。为了实现在工件上一次安装中完成多工序加工，要求刀库可以方便地转位。（2）保证足够的重复定位精度。在刀库上安装刀具是还应能精确地调整刀具的位置，采用自动换刀装置时，应能保证刀具交换前后都能处于正确的位置，以保证刀具和工件间准
13、确的相对位置。而且精度保持性良好，以便长期保持刀具的正确位置。（3）具有足够的刚度。由于刀具的类型、尺寸各异，刀具在自动交换过程中方向变换较为复杂，因此刀库和换刀机械手都必须有足够的刚度，以使换刀过程平稳。（4）提高可靠性。由于自动换刀装置在机床工作过程中，使用频繁，所以必须充分重视它的可靠性。（5）缩短换到时间。刀库及其自动换刀装置是为了提高机床的自动化而设置的，因而它的换刀时间应尽可能缩短，以利于提高生产率。（6）操作方便和安全。换刀装置是工人经常操作的机床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是评价刀库设计好坏的指标。2.2 主要设计参数安装形式：侧挂式刀库刀具刀座数：24把最大刀具
14、直径：40 mm换到时间：2.8秒（刀具到刀具）平均重量：7 kg刀盘最低转速：60 r/min主轴鼻端刀具形式：BT40根据刀具形式及最大刀具直径，采用单环排列方式排放，每把刀之间间隔10 mm，初选刀库直径为618 mm。2.3 刀库和换刀装置设计方案加工中心与一般数控机床的显著区别是具有对零件进行多工序加工的能力,即能在一次装夹中自动完成铣、镗、钻、扩、铰、攻螺纹和内槽加工等。其之所以有这种加工能力,就是因为它有一套自动换刀装置。自动换刀装置是指能够自动完成主轴与刀具储存位置之间刀具交换的装置。自动换刀装置的主要组成部分是刀库、机械手和驱动装置。刀库的功能是存储刀并把下一把即将要用的刀具
15、准确地送到换刀位置,供换刀机械手完成新旧刀具的交换。当刀库容量大时,常远离主轴配置且整体移动不易,这就需要在主轴和刀库之间配置换刀机构来执行换刀动作。完成此功能的机构包括送刀臂、摆刀站和换刀臂,总称为机械手。具体来说,它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的装置,一般由步进电机或液压(或气液机构) 或凸轮机构组成。2.3.1 刀库的传动方案刀盘采用轮辐式结构，仅仅决定这个是不够的，最重要的是刀盘直径、刀爪尺寸和夹块的设计。刀库转动定位机构主要是用来驱动刀库的分度回转运动，保证刀库的可靠性。通过查阅资料及认真分析、讨论，决定采用蜗轮蜗杆机构。刀库
16、容量为24把刀，刀库的回转驱动电机的选择时,考虑由摩擦引起的负载转矩和各负载的转动惯量，蜗轮蜗杆机构的定位精度不高，而且在运行过程中不需要调速所以决定采用交流伺服电机进行驱动。图2.1 刀库传动示意图这种设计方案此种设计方案不仅结构简单，而且可以提高输出轴的传动平稳性能，即提高刀盘的运转平稳性。2.3.2 换刀装置的刀具选择方式及控制方案根据设计参数要求，采用机械手进行道具交换，并且采用单臂双爪机械手。目前在数控机床上用得较多的就是单臂双爪式机械手，也叫扁担式机械手。这种类型的机械手换刀特点是机械手同时抓取主轴和刀库上的刀具，回转180度，同时放回和装入刀具，换刀时间短，较为常用，多用于刀座与
17、主轴轴线平行的场合。图2.2 单臂双爪机械手考虑到刀具刀座数较少，选刀方式根据就近选刀原则，利用可编程控制器实现就近选刀换刀的控制，以追求最短的换刀时间。主轴上换来的新刀号及换回刀库上的刀具号，均在PLC内部相应地存储单元记忆。这种控制方式需要在PLC内部设置一个模拟刀库数据表，其长度和表内设置的数据与刀库的位置数和刀具号相对应，从而消除了由于识刀装置的稳定性、可靠性带来的选刀失误。首先通过程序检测当前位置的刀号，其次检测系统需要调取的刀号，将两者相比较，通过所编的PLC程序来决定电动机的正、反转，以实现就近选刀这一方法。2.3.3 机械手驱动方式通常单臂双爪式机械手的拔刀、插刀动作由液压缸动
18、作来完成。这种驱动方式的重点是要保证液压缸的密封性和缓冲性能，液压缸活塞的密封松紧要适当，太紧了往往影响机械手的正常工作，要保证既不漏油又使机械手能灵活动作。液压缸活塞驱动的机械手，每个动作结束之前均需要设置缓冲机构，以保证机械手的工作平稳、可靠。缓冲机构可以是小孔节流，可以是针阀，可以使楔形斜槽，也可以是外接节流阀或缓冲阀。这里我们选用缓冲阀。为了使机械手工作平稳可靠，除了需要设置缓冲机构外，还要考虑尽可能要减小机构的转动惯量。惯量与物体的质量、旋转半径的平方成正比，因此要尽可能采用密度小、质量轻的材料制造有关零件，并尽可能减小机械手的回转半径。监狱液压缸驱动的机械手需要采用严格的密封和复杂
19、的缓冲机构，而且控制机械手动作的电磁阀都有一定的时间常数，因此换刀速度较慢。近年来，出现了凸轮联动式单臂双爪机械手。这种机械手的优点是由电动机驱动，不需要复杂的液压系统和其密封、缓冲机构，没有漏油现象，结构简单、图2.3 凸轮联动式单臂双爪机械手工作可靠。同时机械手的手臂回转和插刀、拔刀的分解动作是联动的，部分时间常数可以重叠，从而大大缩短了换到时间，以便不超过2.5秒。本设计要求刀具到刀具换刀时间为2.8秒，因此采用液压缸进行机械手的驱动即可达到设计要求。2.4 电动机的初选2.4.1 选择电动机类型刀库驱动所需要的电机需要频繁启动以及较高的控制精度，因此根据刀库的工作条件和要求，选择交流伺
20、服电动机。交流伺服电动机的优点是：（1）由于采用交流伺服电机驱动刀库传动，大幅度简化了结构，提高了机械部分的易维修性和可靠性。（2）由于伺服电机速度通过参数设定，可人为控制分度启动时的加速曲线特性和停止时的减速曲线特性，使分度速度提高的同时，动作更平滑、稳定、刀盘定位精度更高。（3）由于伺服电机具有优良的过载特性，在刀具重量大或者刀具安装偏载的极端情况下，也能胜任正常的工作。（4）伺服电机有着高性能的实时自动调整增益。根据负载惯重的变化，与自适应滤波器配合，从低刚性到高刚性都可以自动调整增益。因旋转方向不同而产生不同负载转矩的垂直轴情况下，也可以自动进行调整。具备异常速度检测功能，因此可以将增
21、益调整过程中产生的异常速度调整到正常。通过显示面板操作，可以在监控实时调整情况的同时，进行设置和确认。2.4.2 伺服电机参数根据刀库规格初步选定伺服电机：型号：Parker SMH 115功率Pd：1.5 Kw额定扭矩Td：6 Nm最大输出扭矩Ts：18 Nm满载转速nm：1600 r/min转动惯量J：900 kgmm2刀盘转速N：60 r/min 2.5 确定传动装置的传动比由选定电动机满载转速nm和刀库主动轴转速n,可得传动装置总传动比为： （2-1）电机满载转速nm为1600r/min，则传动比ia由式(1)得：=26.7根据机械设计手册选取蜗轮蜗杆的标准传动比ia=20.5，因此刀
22、库输出转速n=78.05 r/min2.6 确定各轴转速、转矩和功率2.6.1 各轴转速电动机初轴与蜗杆通过联轴器连接，因此蜗杆转速n1与电动机转速nm相同，即n1 = nm = 1600 r/minn2r/min （2-2）式中：nm电动机满载转速；ia电动机至蜗杆的传动比。n2蜗轮转速由式（2-2）得蜗轮转速n2=78.05 r/min2.6.2 各轴输入功率22 Kw （2-3） Kw, （2-4）式中1、2分别为轴承、齿轮传动的传动效率。在此论文中、分别为轴承、蜗轮蜗杆的传动效率。取2 =0.98(轴承), 1 =0.98(齿轮精度为8级,不包括轴承效率)。由式（2-3）及（2-4）得
23、 蜗杆 22 =1.50.982=1.44 Kw 蜗轮 =P11 =1.440.98 =1.41 Kw各轴的输出功率则分别为各轴的输入功率乘轴承效率0.98，则蜗杆的输出功率P1 =1.440.98 = 1.41 Kw 蜗轮的输出功率P2=1.380.98 = 1.38 Kw2.6.3 各轴的输入转矩 Nm （2-5） Nm （2-6）蜗杆的输入转矩 = 610.982 = 5.76 Nm蜗轮的输入转矩 = 5.7620.50.98 = 98.4 Nm各轴的输出转矩则分别为各轴的输入转矩乘轴承效率0.98，则蜗杆的输出转矩T1 =5.760.98 = 5.65 Nm 蜗轮的输出转矩T2=98.
24、40.98 = 96.43 Nm2.7 电动机的校核2.7.1 计算目的所选用的伺服电机在最大不平衡扭矩下进行加速启动时，电机输出的最大扭矩时期额定扭矩的3倍以内。2.7.2 刀库参数（1）刀盘尺寸（直径厚度） ：618100 mm（2）刀盘重量：(钢的比重7.8 g/cm3) = 118 kg （3）转位加速时间：t = 0.2 s2.7.3 计算并校核伺服电机的扭矩T：计算伺服电机必须的扭矩T = T1 + T2 + T3 (kgfm) (2-7)式中：T1 传动链摩擦扭矩 (kgfm) T2 不平衡扭矩（必要的扭矩） (kgfm) T3 启动扭矩（加速扭矩） (kgfm) （1） 计算T
25、1 ：T1 = WR / i (2-8)式中：W 工件的重量 (kgfm)R 工件回转半径 (m) 所有轴承的摩擦系数（取0.15）则T1 = 118kg 0.309m 0.15 / 20.5 = 0.267 kgm（2） 计算T2 ：T2 = (W1R1+W2R2+W3R3+ )/ i (2-9)极端情况一般不可能出现，故重量可减少计算。取W = 7 kg 则T2 = (0.257+0.3097+0.47) /20.5 = 0.33 (kgfm)（3） 计算T3 ： (2-10)则= 0.021 kgm因GD2是由工件的重量工件的回转直径得来，由于最大的GD2来源于刀库刀盘，而其计算值仅有0
26、.021 kgm，故其他的如轴、蜗轮蜗杆等的GD2可忽略不计，仅将刀盘的GD2适量取大值就可以。（取0.15kgm）（4）计算伺服电机必须的扭矩：T = T1 + T2 + T3 = 0.15 + 0.33 + 0.267= 0.747 kgm = 7.32 Nm（5） 校核结论：所选用的伺服电机最大输出扭矩实在驱动刀库刀盘分度所需最大扭矩的三倍以内（18 Nm/ 7.32 Nm=2.453），符合计算目的，满足使用要求。此外，所选用的伺服电机有足够的扭矩储备，可确保刀盘繁转位时电机不发热，能长期、稳定、安全地使用，另外亦有进一步提高刀盘分度转位速度的余地。3 刀库的设计与校核3.1 刀库的结
27、构设计图3.1 刀库的结构刀库采用轴向取刀方式，其外形如图3-4所示。鼓轮式刀库（图3.1a）由专用的交流伺服电动机1经套筒联轴器2、蜗杆4、蜗轮3，带动刀盘14和盘上的刀套13旋转。刀座的滚子11在不旋转的导盘14的槽中受到限位，导盘14在最下端的换刀位置开了一个缺口。刀座以铰链形式与支承板16相连（图3.1b）。平时，由弹簧18将滚子销19压在刀套13的凹槽中，使刀座定位在水平位置。由于主轴是立式的，故应将处于刀库刀盘14最下位置的刀套旋转90，使刀头朝下。实现这个动作靠气缸5。气缸5的活塞杆6带动拨叉7上升。由AA剖视图中可以看到，最下面的一个刀套13右尾部的滚子11正好进入拨叉7的缺口
28、。拨叉7上升使刀套连同刀具逆时针旋转90，滚子销19退出支承板16的凹槽，刀座转到垂直位置，等待机械手换刀。刀套的构造如图3.1b所示。由图中可以看到锥孔尾部有两个球头销钉17，后有弹簧用以夹住刀具，故当刀套旋转90后刀具不会下落。刀套顶部的滚子15用以在刀套处于水平位置时支承刀套。当刀具更换完毕，该刀座插入从主轴换下的刀具平头。通过气缸作用，与上述动作相反，刀座带着刀具夹头顺时针转动，直到水平位置为止，此时，滚子销19重新处于支承板16的凹槽中。3.2 刀库转位机构的设计刀库由蜗轮蜗杆结构来承担主要传动（1） 选择蜗杆传动类型根据GB1008588的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI）。（2） 选择
29、蜗杆的材料蜗杆采用45钢，齿面淬火，硬度为4550HRC；蜗轮用铸锡磷青铜CuSn10Pb1，金属模铸造，许用接触应力H =220 MPa，许用弯曲应力F =220 MPa。（3） 确定主要参数蜗轮蜗杆传动，以蜗杆为主动，蜗轮为从动，取蜗杆头数Z1 = 2，单向旋转，预计工作寿命为五年。则Z2 = Z1 i = 220.5 = 41（4） 估计蜗杆最小直径 (3-1)式中：A轴的材料系数，取A=115P输入功率，P=Pdn轴的转速，n=nmK轴的类别系数，取K=1则蜗杆的直径mm（5） 确定蜗杆的主要参数蜗杆模数m=3.15蜗杆分度圆直径d1=35.5 mm中心距a=80 mm（6） 验算滑动
30、速度Vsa) 计算蜗杆速度V1 m/s (3-2)则 m/s b) 计算滑动速度Vs m/s （3-3） m/s 其中为蜗杆分度圆导程角。（7） 计算蜗杆蜗轮的其他参数a) 蜗杆齿顶圆直径da1 （3-4）则蜗杆齿顶圆直径 mm其中ha1为蜗杆齿顶高，且ha1 = m =3.15 mm；b) 蜗轮喉圆直径da2 （3-5）则蜗轮喉圆直径 = 129.15+213.15+23.15（-0.1）= 134.8 mm c) 蜗轮外圆直径de2 （3-6）则蜗轮外圆直径=134.8+3.15 = 137.95 mm d) 蜗杆齿宽b1 （3-7）则蜗杆齿宽= (12.5+0.141) 3.15 = 5
31、2 mme) 蜗轮齿宽b （3-8）b = (0.680.75) 41.8 = 28.01 mm 31.35 mm取b=30 mmf) 蜗轮齿顶圆弧半径Ra2 （3-9）则蜗轮齿顶圆弧半径 mmg) 蜗轮齿根圆弧半径Rf2 （3-10）则蜗轮齿根圆弧半径 mm（8） 轴承的选择在蜗轮蜗杆传动中，啮合时会产生径向力Fr，圆周力Ft，轴向力Fa，受力情况如下图所示：图3.2 蜗杆的受力分析因此所选用的轴承中必须有能够承受轴向力的，考虑到刀库做回转运动，则选用一对深沟球轴承和一对角接触轴承，由于角接触轴承所受载荷作用与轴承中心线之内，所以采用面对面的安装方式。查询机械设计手册选用61903深沟球轴承
32、和7004AC角接触轴承。 3 意图转速到时间拔出刀套量机构，以保证机械后间大为缩短。1818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818183.3 主要零件校核3.3.1 蜗轮蜗杆的校核（1）蜗轮齿面强度计算 （3-14）式中：H接触应力K载荷系数，取K=1.1d1蜗杆
33、分度圆直径d2蜗轮分度圆直径T2蜗轮传递的扭矩 Mpa，需用接触应力H=220 Mpa，H H故蜗轮齿面强度满足要求。圆柱蜗轮蜗杆传动的破坏形式主要是蜗轮轮齿表面产生胶合、点蚀和磨损，而轮齿的弯曲折断很少发生，因此通常多按齿面接触强度校核。（2）蜗杆刚度校核 （3-15）式中：y最大挠度 Fr1蜗杆所受的圆周力， = 6196 N，； Ft1蜗杆所受的径向力， = 1669N； E蜗杆材料的弹性模量，E= 210000 Mpa； I蜗杆危险截面的惯性矩，mm4； L蜗杆两端支承间跨距，mm，取110 mm （3-16）df1蜗杆齿根圆直径，mm许用最大挠度，则 mm4则而 ,故蜗杆刚度满足要求
34、。3.3.2 键的校核在刀库传动中，在蜗轮与刀盘之间通过键传递扭矩，从而带动刀盘作回转运动。其校核过程如下： （3-17）式中：T传递的扭矩，Nmmk键与毂的接触高度，mmd轴的直径，mmL键的工作长度，mmp许用挤压应力，p=110 Mpa则 Mpa p 故键满足工作要求。3.3.3 热平衡计算蜗杆传动由于效率低，所以工作时发热量大。在闭式传动中，如果产生的热量不能及时地散逸，将因油温不断升高而使润滑油稀释，从而增大磨擦损失，甚至发生胶合。所以必须根据单位时间内的发热量H1等于同时间内的散热量H2的条件进行热功平衡计算，以保证油温稳定牌规定的范围内。由于摩擦损耗的功率Pf=P1 (1-) k
35、w,则产生的热流量（单位为1W=1J/s）为H1=1000Pf=P1 (1-) W （3-11）式中P1 为蜗杆传递的功率（单位：kw）。以自然冷却方式，从箱体外壁散发到周围空气中去的热流量为H2= KA(-) W （3-12）式中K热导率，一般取K =8.717.5（W/m2K）环境空气流通较差时，取较小值，否则取较大值；A传动装置散热的计算面积，即内面被没浸溅的，而外面又被空气所能冷却的的箱壳面积（m2）；t1润滑油的工作温度，一般限制在6070，最高不能超过80；t0周围环境温度，一般取室温t0 =20 。按热平衡条件H1 = H2 ，可求得在既定工作条件下的没温为 （3-13）在绘制传
36、动装置结构图的基础上进行热平衡计算：P1 =0.09280=0.0736 Kw取t0 =20 , =0.95, K=14,并估算A=0.006 m2，则 80由于t1 80,未超过最高工作温度，所以不需采取散热措施。 3.3.4 静盘轴的校核图3.3 静盘轴受力图其中式中：D静刀盘的直径 h静刀盘的厚度 钢的密度，=7.9 g/cm3 g重力加速度F1 = 286N，同样方法可得F2=1156.4N蜗轮的径向力Fr = 543.58N，圆周力Ft = 1493.4N选安全系数S = 1.5静盘轴材料为45钢可以运用Solidwork软件对轴进行强度分析，分析结果如下：表3.1 强度计算参数弹性
37、模量21011N/m2泊松比0.29NA质量密度7900kg/m3屈服强度3.5157108N/m2图3.4 应力分析图图3.5 位移分析图其最大位移量为0.00135mm,满足设计要求。4 刀具交换装置设计带有自动换刀系统的数控加工中心在现代先进制造业中起着愈来愈重要的作用,它能缩短产品的制造周期,提高产品的加工精度,适合柔性加工。数控机床的自动换刀装置的结构形式多种多样，选择何种形式，主要取决于机床的种类、工艺范围以及刀具的种类和数量等。而自动换刀系统性能的好坏直接影响加工效率的高低。当刀库容量大时,常远离主轴配置且整体移动不易,这就需要在主轴和刀库之间配置换刀机构来执行换刀动作。完成此功
38、能的机构包括送刀臂、摆刀站和换刀臂,总称为机械手。具体来说,它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。本设计采用带有机械手的自动换刀装置，其中机械手是执行刀库和主轴之间换刀动作的装置。双臂回转式机械手可以同时抓住拔、插，位于轴和刀库里的道具，与单臂单手式机械手相比，可以缩短换到时间，应用广泛，形势也较多。4.1刀具交换装置结构设计图4.1 机械手结构如图（4.1）所示，换刀装置主要由手臂和固定其两端的结构完全相同的两个手爪组成，两个手爪可以同时抓取刀库及主轴上的刀具。机械手装置由三个液压缸驱动，垂直安装的液压缸主要完成拔刀和插刀的动作，水平安装的两个液压缸由联轴器联结齿条，而齿条与机
39、械手轴上的齿轮啮合，液压缸推动齿条，从而带动机械手作转位运动。在机械手手爪上握刀的圆弧部分有一个锥销，机械手爪刀时，该锥销插入刀柄的键槽中，起定位作用。当机械手由原位转75度抓住刀具时，两手爪上的长销分别被主轴前端面和刀库上的挡块压下，使轴向开有长槽的活动销被弹簧弹起，使活动销顶住刀具不能后退，这样机械手在回转180度时，刀具就不会被甩出。当机械手上升插刀时，两长销又分别被两挡块压下，锁紧销从活动销子的孔中退出，松开刀具，机械手便可反转75度复位。为了防止刀具掉落，机械手的活动爪带有自锁机构。由于双臂回转机械手的动作比较简单，而且能够同时抓住和装卸机床主轴及换刀库中的刀具，因此换刀时间大为缩短
40、。由于刀柄形式为BT40，刀库上刀套的长度为100mm，因此拔刀时必须保证机械手将刀柄完全拔出刀套后才可交换刀具，取拔刀时行程为120mm，则检测是否完成拔刀、插刀的两个位置开关间距也为120mm。4.2 换刀过程带刀库的自动换刀装置是由刀库和刀具交换装置组成。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。存放刀具的刀库可具有较大的容量，它既可以安装在主轴箱的侧面或上方，也
41、可以作为独立部件安装在机床以外。4.2.1 刀库部分图4.2 刀套运动示意图图4.3 刀套结构如图（4.1）所示， 当刀具选定后，滑块A沿着活塞杆向上滑动，带动拨叉B，使得刀套C绕O点旋转，从而使刀具完成倒刀过程。换刀结束后，D点受压（如图4.2），使得钢珠向外扩张，刀具松动从而可以实现换刀；换刀完成后，D点松开，钢珠重新受压，刀具被加紧，刀套再由垂直方向转回水平方向，完成整个换刀动作。4.2.2 机械手部分图4.4 换刀过程示意图自动换刀过程可简述为：接到换刀指令刀套下转90机械手转75抓刀刀套松刀拔刀机械手转180换刀插刀刀具夹紧机械手复位刀套上转90。其具体过程如下：如图（4.4）所示，
42、1表示机械手，2、4、13、18为位置开关，3、17为档环，5、14为齿轮，8为连接盘，6、9、11为液压缸，7、10为齿条，12是机械手轴，15为传动盘，16为销子。刀套下转90后，压下上行程位置开关，发出机械手爪到信号。此时，液压缸9左腔通压力油，活塞杆推着齿条10向右移动，使得齿轮14转动。齿轮14与连接盘空套在机械手臂轴12上，传动盘15与机械手臂轴用花键连接，其上端有销子插入连接盘的销孔中，因此齿轮转动时带动机械手臂轴转动，使机械手1回转75抓刀。抓刀动作结束时，齿条10上的档环压下行程开关13，发出拔刀信号，于是液压缸11上腔通压力油，活塞杆推动机械手臂轴12下降拔刀。在轴12下降
43、时，传动盘15也随之下降，其下端的销子16插入连接盘8的销孔中，连接盘8和下面的齿轮5是用螺钉连接的，它们空套在轴12上。当拔刀动作完成后，轴12上的档环3压下位置开关2，发出换刀信号。这时液压缸6的左腔通压力油，活塞杆推动齿条7向右移动，使得齿轮5和连接盘8转动，通过销子16，有传动盘带动机械手转180，交换主轴上和刀库上的刀具位置。换刀动作完成后，齿条7的档环碰到位置开关时，发出插刀信号，是液压缸11下腔通压力油，活塞杆带动机械手臂轴上升插刀，同时传到传动盘下面的销子16从连接盘8的销孔中移出。插刀动作完成后，轴12上的档环压下位置开关4，使液压缸6右腔通压力油，活塞杆带着齿条7左做移动复
44、位，而齿轮5空转，机械手无动作。齿条7复位后，其上档环压下位置开关，使液压缸9的右腔通压力油，活塞杆带着齿条10向左移动，通过齿轮14使机械手反转75复位。机械手复位后，齿条10上的档环压下位开关，发出换刀完成信号，使刀套向上翻转90，为下次选刀做好准备，同时机床继续执行后面的操作。4.3 换刀装置驱动系统及控制系统的的设计4.3.1 机械手驱动系统机械手由液压缸驱动，根据工作条件和要求选用单活塞杆双作用液压缸，靠接近开关检测位置。采用油缸固定，活塞动的结构形式。手臂的回转动作，通过活塞的运动带动齿条齿轮传动来实现。机械手臂的不同回转角度由活塞的可调行程挡块来保证。通过设计计算来确定每个液压缸的行程。如图4.4，机械手的驱动共需要三个液压缸。液压缸11用来完成拔刀、插刀的动作，在垂直方向运动；液压缸9用来完成抓刀的动作，在水平方向运动，使机械手转动75；液压缸6用来完成换刀动作，液压缸推动齿条使机械手转动180。图4.5 自动换刀装置的液压系统原理图液压系
