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1、实验室用自动换刀装置的设计摘要如今数控技术已经是当今社会制造业的主导技术，数控技术大力发展同时教学资源也得到了提升，研究教学用装置模型已是必不可少的，将装置的模型在课堂上展示能更好地体现真实性，但是现在实验室模型技术不够完善。其中实验室用自动换刀装置主要是为教学提供，可以真实的体现在数控机床上，大大降低了零件加工的辅助时间，极大的提高了生产率。随着数控机床的普及运用，加工机械的自动化程度大大提高，数控机床发展成了当今普遍应用的一种更新、更先进的制造设备即加工中心。加工中心带有刀库和自动换刀装置，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。自动换刀装置应当满足换刀时间短、
2、刀具存储量足够、刀具的安置空间小以及安全可靠等基本要求。加工中心的关键在于CNC对刀库的自动选刀和刀库、机械手与主轴间自动换刀。本课题就是对实验室用自动换刀装置进行设计，利用PLC对刀库的选刀控制和刀库、机械手与主轴间的自动换刀控制。实验室用自动换刀装置不仅能方便的为教学提供模拟仪器，更能让研究者对换刀装置的深入了解，从而对装置的研究与开发。关键词实验室用教学用具，主轴刀库系统，自动换刀功能。目录摘要.I1绪论.11.1课题背景.11.2研究的主要内容.12自动换刀系统机械部分设计.32.1刀座的设计.32.1.1刀座基本形状及尺寸的确定.32.1.2刀座强度的校核.62.2刀盘主要尺寸的确定
3、.72.3传动齿轮的设计.82.4刀架主轴的设计.82.4.1初步确定轴的最小直径.82.4.2轴的结构设计.92.4.3校核键的强度.112.5共轭分度凸轮机构基本参数的确定.112.5.1共轭分度凸轮的介绍.112.5.2主要运动参数的选择.122.5.3主要几何尺寸的确定.122.6端齿盘的选择.122.6.1端齿盘的介绍.132.6.2端齿盘的特点.132.6.3端齿盘主要参数的设计计算.132.6.4螺栓组强度校核.172.5润滑剂的选择.202.51对压力油的要求.205结论.39参考文献.40致谢.411绪论1.1课题背景随着数控技术的发展，带有自动换刀系统的加工中心在现代制造业
4、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。自动换刀系统一般由刀库、机械手和驱动装置组成。刀库容量可大可小，其装刀数在8180把之间刀库的功能是存储刀具并把下一把即将要用的刀具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。机械手完成刀库里的刀(
5、新刀)与主轴上的刀(旧刀)的交换工作。由于数控加工中心的刀库容量、换刀可靠性及换刀速度直接影响到加工中心的效率，而自动换刀就是进一步压缩非切削时间，提高生产效率，改善劳动条件。所以数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道加工工序，缩短辅助时间，减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在20世纪80年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早已成为四大国际机床展
6、上各国机床制造商竟相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。中国加入WTO后，正式参与世界市场激烈竞争，今后如何加强机床工业实力、加速数控机床产业发展，实是紧迫而又艰巨的任务。自从1952年美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床以来，数控机床在制造工业，特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中被广泛地应用，数控技术无论在硬件和软件方面，都有飞速发展。1956年，日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM公司同期研制成功了“APT(刀具程序控制装置)的加工中心。1958年美国K&T公司研制出带ATC(自动刀具交换装自动换刀装置及其控制的研究。1967年出现了FMS，1978年以后，加工中心迅
7、速发展，带有ATC装置可实现多工序加工的机床步入了机床发展的黄金时代。中国1958年研制出第一台数控机床以来，发展过程大致可分为两大阶段在19581979年间为第一阶段，从1979年至今为第二阶段。第一阶段中对数控机床特点、发展条件缺乏认识，在人员素质差、基础薄弱、配套件不过关的情况下，无法用于生产而停顿。主要存在的问题是盲目性大，缺乏实事求是的科学精神。在第二阶段从日、德、美、西班牙先后引进数控系统技术，从美、日、德等引进数控机床先进技术和合作、合资生产，解决了可靠性、稳定性问题，数控机床开始正式生产和使用，并逐步向前发展。在20余年问，数控机床的设计和制造技术有较大提高，主要表现在三大方面
8、：培训了一批设计、制造、使用和维护的人才；通过合作生产先进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进零部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、五面或五轴联动加工的数控机床，供应国内市场的需求，但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本数控机床的水平差距很大。存在的主要问题包括：缺乏各方面专家人才和熟练技术工人；缺少深入系统的科研工作；零部件和数控系统不配套；企业和专业间缺乏合作，基本上孤军作战，虽然厂多人众，但形成不了合力
9、。20世纪90年代以来,数控加工技术得到迅速的普及和发展,数控机床在制造业得到了越来越广泛的应用。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。加工中心是数控机床中较为复杂的加工设备,由于其具有多种加工能力而得到广泛的应用,其强大的加工能力和效率得益于其配置的自动换刀装置。换刀装置作为加工中心的重要组成部分,其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间,提高生产率,降低生产成本,进而提升机床乃至整个生产线的生产力。加工中心自动换刀装置是实现多工序连续加工的重要装置,其结构设计及其控制是实现加工中心设计制造的关键。加工
10、中心的换刀过程较为复杂,动作多,动作间的相互协调关系多,因而自动换刀系统性能的好坏直接影响加工效率的高低。自动换刀系统一般由刀库、机械手和驱动装置组成。刀库容量可大可小，其装刀数在8180把之间。刀库的功能是存储刀具并把下一把即将要用的刀具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（或液机构）或凸轮机构组成
11、。机械手完成刀库里的刀（新刀）与主轴上的刀（旧刀）的交换工作。由于数控加工中心的刀库容量、换刀可靠性及换刀速度直接影响到加工中心的效率，而自动换刀就是进一步压缩非切削时间，提高生产效率，改善劳动条件。所以数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道加工工序，缩短辅助时间，减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。在国内外数控技术如火如荼的发展中，换刀技术的发展也得到了大大的提升，实验室用的数控装置模型却发展缓慢，不能为教学提供更加便利的试验模型。其中实验使用自动换刀装置的研究可以满足教学使用，能真实的体现数控机床换刀装置的特点。1.2研究的主要内容本课题主要研究为教学使用的实验室用自动换刀
12、装置的设计，该装置为主轴刀库系统，可实现自动换刀功能。实验室用自动换刀装置可以真实的体现数控机床的换刀装置，提供一种为教学使用，具有体积小、重量轻、强度高、可拆卸、仿真性能好、使用安全可靠。考虑以下几方面的问题。第一、刀架形式，根据本课题要求的换刀数为8把刀，所以选择圆盘式刀架。第二、刀具的安装方式，选择刀座安装刀具的方式，因为刀座安装方式既可以方便的安装车刀又可以将钻头或丝锥等其它刀具安装在上面从而扩大了车床的用途。第三、定位装置的选择，定位装置是保证自动换刀系统加工精度的重要零件，所以选用定位精度相对较高的端齿盘进行重复定位，进而保证其重复定位精度。第四、分度装置的确定，传统的圆柱分度装置
13、精度低、换刀速度不能太快，解决方案采用分度精度较高的平板凸轮机构，可以很好解决这个问题。第五、检测装置，使用检测精度较高的接近开关组。接近开关价格比较便宜，并且容易更换，从而降低自动换刀系统的造价。控制系统选择PLC进行控制，因为可编程序控制器是一种面向生产过程控制的数字电子装置，它具有控制能力强、操作方便灵活、价格便宜、可靠性高等特点。它不仅可以取代传统的继电器控制系统，还可构成复杂的工业过程控制网络，是一种适应现代工业发展的新型控制器。2自动换刀系统机械部分设计本次设计的对象为实验室用自动换刀装置。自动换刀装置的主要性能指标为：1）刀库容量：8把。2）刀柄型号：ISO50。3）最大刀具质量
14、：16kg。4）最大刀具直径:F126mm。5）最大刀具长度：400mm。6）最大刀具（相邻是空位）：F256mm。7）刀库选刀的时间：20s。8）换刀时间（刀对刀）：4s。2.1刀座的设计2.1.1刀座基本形状及尺寸的确定根据所选机床的型号，查刀具手册选择刀具的尺寸，从而确定刀座的尺寸。由于本设计选择的车床型号为CK6136。其主要参数如下：车床型号CK6136最大加工直径360mm主轴转速100:2000r主电机功率Z轴最大行程Z向快速移运速度X轴最大行程X向快速移运速度最大刀具尺寸5.5KW750mm5:8m/min200mm3:8m/min20mm20mm为了满足刀座的的刚度要求，所以
15、选择合金钢作为刀座材料。由以上参数可知此型号车床为中小型车床，其切削力及最大加工直径均不大，所以选择刀具材料为硬质合金，其基本尺寸为：刀具宽度b和高度h均为20mm，其长刀杆的长度为125mm，短刀杆的长度为80mm。根据刀具安装及其尺寸确定刀座的基本形状尺寸如下：图2.1刀具的结构示意图2.1.2刀座强度的校核切削力的计算要进行刀具强度的计算必须先计算出切削力，要计算切削力就要先确定工件的材料、刀具的几何参数及切削要素。由于车床在切削时主要加工的是钢件和铸铁，所以在计算切削力时选择具有代表性的45钢作为计算的依据。在计算最大切削力时，应以粗加工时作为计算依据。粗加工时主要影响切削力的刀具几何
16、参数根据13查得如下：主偏角ko75or前角ro10o0刃倾角lo0o切削要素的确定，根据13及所选车床的主要性能确定粗加工的切削要素。切削要素如下：背吃刀量a进给量f切削速度vp3mm0.75mm/r5m/s由切削力的计算公式F=9.81CazFzpxFzvnFzKFz5式(2.1)F=9.81CayFypxFy(60v)nFyKFy5式(2.2)F=9.81CaxFxpxFx(60v)nFxKFx5式(2.3)根据以上参数查得相应的系数代入公式得F=9.81CazFzpxFzvnFzKFz=9.81270310.750.75(605)-0.150.92110.75=1878.72NF=9.
17、81CayFypxFy(60v)nFyKFy=9.8127030.90.750.6(605)-0.30.62111.35=667.65NF=9.81CaxFxpxFx(60v)nFxKFx=9.81270310.750.5(605)-0.41111.13=864.75N对刀座进行受力分析对刀座进行受力分析，切削力F最大且对刀座的影响最大，所以在对刀座Z进行受力分析时主要考虑切削力F。受力分析如下：Z图2.2刀座受力分析图根据材料力学可知其受力可以简化如下：图2.3刀座受力简图根据上图计算如下：2803316080F=F(+40+30)1Z2901878.72F=3405.18N1F=F-F=3
18、405.18-1878.72=1526.46N21Z根据F计算刀座上线性分布的载荷如下：11240q=3405.1814023405.18q=170.26N/mm1强度计算根据q计算刀座强度，由刀座的尺寸及受力可知刀座的下部是危险截面，1所以只需对下部进行强度校核。由于在进行受力分析的时候只考虑了切削力F，1所以受力分析不够准确，为此在计算刀座强度时取一安全系数k=1.5。强度计算如下：t=kq1.5170.261=A20110-6=15.96MPatt=260MPa所以刀座强度服合要求对刀座安装在刀盘上的圆柱形齿条进行强度校核T=FL=1878.720.18=338.17NgmZ3010-3
19、W=g0.3h8+0.7p2.6hDD-18式(2.4)3010-3=g=3.3410-32.62110-3-13010-3-30.321108+0.73010-33.3410-3tTmax=Wp338.17=1.01MPat=0.5s=260MPatmaxt强度服合要求2.2刀盘的主要尺寸的确定根据所选机床的型号，查3选择刀具的尺寸，从而确定刀盘的尺寸。由于本设计选择的车床型号为CK6136，此型号车床为中小型车床，其切削力及最大加工直径均不大，所以选择刀具的基本尺寸为：刀具宽度b和高度h均为20mm，其长刀杆的长度为125mm，短刀杆的长度为80mm。由于本设计的刀具数量为8把刀，所以选择
20、卧式的自动换刀结构，采用刀盘夹持刀具。由于是选用刀座安装刀具，考虑到刀具安装时不发生干涉，确定刀盘的直径为300mm，考虑刀盘的强度及安装刀座的情况，确定刀盘的厚度为60mm。刀座是通过刀座上面的齿条由螺栓和锥形圆柱齿安装在刀盘上面。由于圆柱型齿条直径为30mm，所以必须在刀盘上设计相应的安装刀座的圆孔，根据经验确定圆孔中心所在的直径为240mm，其上均布8个圆孔用于安装刀座。固定刀座的锥形圆柱齿的直径略小于齿条为28mm，锥形圆柱齿用沉头螺钉紧固在刀盘上，根据经验选择M8的螺钉，所以需要在刀盘上钻相应螺纹孔，为了保证在装刀的时候每次锥形圆柱齿都能与刀座很好的配合，在打螺纹联结孔时形成一个偏心
21、，偏心距为3mm，这样就可以保证每次装刀的时候锥形圆柱齿都能安装在固定的位置，从而保证刀具的安装精度。图2.4刀盘结构示意图2.3传动齿轮基本参数的确定选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数按传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。自动换刀系统是精密的工作部件、是数控机床加工精度的重保证，速度较高，故选用6级精度。查3中189页表10-1。小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS,大齿轮的材料选用45钢（调质）硬度为240HBS，其材料硬度相差40HBS。由于较多的齿数有利于传动的平稳性、并且充分考虑自动换刀系统的体积，所以取小齿轮齿数z=40，大齿1轮齿数z=402=80。2由于本传动齿轮主要是
22、传递的运动而承受的载荷比较小，所以选择齿轮的模数为标准模数m=1.25。所以小齿轮z的主要参数：1分度圆直径为d=mz=1.2540=50mm11齿顶圆直径为d=(z+2h*)m=421.25=50.5mma11a齿根圆直径为d=(z-2h*-2c*)m=37.51.25=46.88mmf11a大齿轮Z2的主要参数：分度圆直径为d=mz=1.2580=100mm22齿顶圆直径为d齿根圆直径为da2f2=(z+2h*)m=821.25=102.5mm2a=(z-2h*-2c*)m=77.51.25=96.88mm2a经过计算可得：齿距为p=pm=3.93mm齿厚为s=pm/2=1.96mm两齿轮
23、的中心距为a=(z+z)m/2=75mm12由6第201页知金属切削机床的齿轮传动，传递的功率不大时，齿宽系数F可小到0.2。由于本齿轮主要是传递运动、且为了使换刀系统结构更加紧凑，d所以取大齿轮的齿宽系数为F=0.3，所以大齿轮的齿宽为B=Fd=30mm。dd2小齿轮的宽度通常比大齿轮的宽度大几毫米，所以取小齿轮的宽度为35mm。由于换刀系统在换刀的时候要抬刀才能实现换刀，所以必须设计相应的结构。本设计采用轴轴向移动而齿轮不产生轴向移动的方式，采用导向键导向的结构，这样对轴的摩擦相对较小，有利于提高轴的使用寿命。由于齿轮传递的主要是运动而不是力所以不而需要进行强度校核。24刀架主轴的设计由于
24、主轴不承受切削力、只承受换刀时产生的惯性力所以对主轴的强度要求不高。只需计算出轴的最小截面，然后根据轴的结构进行设计，不需要进行强度校核。2.4.1初步确定轴的最小直径首先选取轴的材料为45钢，调质处理。产生转动惯量的主要是刀盘，根据工式J=mR2/2。根据手册查得钢的密度为r=7.78103kg/m3，刀盘的质量由公式m=rv=pD2hr=32.99kg14。所以刀盘的转动惯量J=mR2/2=0.37。由于在分析转动惯量的时候没有考虑轴本身32.99(0.15)22及轴上零件等因素，所以要取一安全系数k=1.5。由此产生的转矩M=kJa，由马达的基本参数知其加速度为4prad/s2，主轴的加
25、速度为马达的二分之一即2prad/s2得转矩M=kJa=1.50.372p=3.48Ngm。根据最小直径工式得：d316Mpt=32163.48p355106=4.6mm6式(2.5)主轴的最小直径显然是安传动齿轮处轴的直径d6-7（如图2.5）。1234567890图2.5主轴结构示意图综合考虑换刀系统的结构取其最小轴的直径为26mm。由于轴的最小直径为4.6mm，所以最小直径取26mm强度足以满足要求。轴的长度根据齿轮的尺寸及换刀系统的要求，取l6-72.4.2轴的结构设计=78mm。根据轴向定位和结构的要求确定轴的各段直径和长度1）67轴段需安装齿轮，由于轴需要轴向运动,所以齿轮不需要进
26、行轴向定位。左端轴即轴d5-6的直径根据经验取为31mm，其长度由主轴的结构决定，其长度确定为68mm。2）d3-4尺寸的确定。d5-6的直径为31mm，考虑到其右端用螺母定位，初步选择其直径为42mm左右，为了使所选的轴直径与轴承的孔径相适应，故应先确定轴承，由于刀盘产生的转矩主要集中在此，所以轴承受的力较大且轴要求能实现轴向运动，所以轴3-4处采用一对推力轴承和滚针轴承。产品目录中初步选取0基本游隙组、标准精度级的推力轴承51108，其尺寸为dDT=40mm60mm13mm。所以安装轴承处的直径为轴承的内径取40mm，所以d2-3处的直径取40mm。轴的左端采用轴肩定位，轴肩高度h一般取h
27、=(0.07:0.1)d，d为与零件相配处的轴的直径，所以取轴肩的高度为3mm。定位，所以可以确定d2-3直径为46mm，其长度根据经验取8mm。其右端采用套筒加螺母定位。根据定位要求，选择小螺母的规格为M361.5，其尺寸为Ddm=36mm52mm8mm。所以dk4-5的直径取36mm，为了防止螺母的松动，采用双螺母定位，所以轴d4-5的长度应大于2倍螺母的宽度，取其长度为21mm。由于要加工螺纹，所以在4-5轴的左端要加工退刀槽，退刀槽的尺寸为bh=2mm2mm。3）d1-2轴的尺寸的确定与刀盘的联结采用普通螺栓联结，综合考虑刀盘的尺寸及轴所承受的力确定其基本尺寸直径d=80mm、长度l=
28、20mm。安装螺栓的螺纹孔加工在直径为d=62mm处。初步确定螺栓的公称直径为M6，所以要加工的螺纹孔的直径为6mm。4）d7-8轴的尺寸的确定根据轴d6-7的直径确定其直径，其直径确定为d=23mm，接近开关的尺寸及轴轴向位移又决定了套筒的长度，接近开关的直径为d=5mm、轴的轴向位移为6.5mm，综合考虑取分度检测套筒的长度为76mm。其轴向定位采用套筒定位，所以轴应比套筒的长度短一些，取其长度为取75mm。6）d8-9尺寸的确定8-9轴的主要作用是加套筒对左端的分度检测装置起轴向定位作用和安装检测刀架是否抬起的装置。其轴的直径为d=18mm，其长度为l=25.5mm。其右端采用螺母定位，
29、根据d8-9的直径选择螺母的规格为M161.5，其基本尺寸为Ddm=16mm28mm6mm。所以dk9-0的直径为d=16mm，为了防止螺母的松动，采用双螺母定位，所以其长度应大于2倍螺母的宽度，取l=16.5mm，由于要在轴上加工螺纹所以要在轴的左端加工退刀槽，其尺寸为bh=1.5mm1.5mm。至此，已初步确定了轴的各段直径和长度(详细尺寸见零件图)。轴上零件的周向定位齿轮和分度检测套筒轴向定位均采用键联接。d6-7用A型平键，由14查得A型平键截面A85（GB109679）。由于轴要轴向移动，所以键不仅要起周向定位的作用、还要起导向的作用，所以键的长度应该尽可能取得长一些，综合考虑相应轴的尺寸取其长度为56mm，同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对称中性，故选取齿轮轮毂与轴的配合为H7g6；同样，分度检测套筒与轴的联接，选用A型平键为A64（GB109679），键长为46mm。分度检测套筒轴与轴的配合为H7g6。确定轴上圆角和倒角尺寸参考4152，除安装齿轮右端的倒角为0.545o，其余轴端倒角均为145o。2.4.3校核键的强度由于主轴上只有d6-7
