[优秀毕业论文]立式加工中心自动换刀装置设计

燕山大学本科生毕业设计（论文） 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1加工中心的定义11.2加工中心的发展历程11.3加工中心国内外现状21.4国产加工中心目前存在的问题及未来发展趋势41.5加工中心的分类51.6本章小结6第2章 加工中心自动换刀装置概述72.1加工中心自动换刀装置（ATC）形式、特点及各自应用范围72.2刀库及刀具交换装置82.2.1刀库的形式82.2.2刀具的选择方式92.2.3刀具(刀座)识别装置112.2.4刀具交换装置172.3本章小结19第3章 总体方案设计203.1 TH5640D型立式加工中心及其主要参数203.2 TH5640D型立式加工中心自动换刀装置的设计参数213.3确定TH5640D型立式加工中心自动换刀装置的形式213.4本章小结22第4章 刀库的设计及计算234.1 确定刀库容量234.2确定刀库形式234.3 初步估计刀库驱动转矩及选定电机234.4刀库转位机构的普通蜗轮蜗杆的相关设计254.5确定刀具的选择方式264.6刀库结构设计264.7本章小结29第5章 刀具交换装置的设计305.1换刀机械手抓刀部分结构305.2 机械手传动结构305.3 自动换刀装置的动作顺序345.4 主轴准停装置355.5本章小结36第6章 联轴器的选用及计算376.1联轴器376.1.1联轴器的分类376.1.2联轴器类型的选择376.2 联轴器的选用计算386.3本章小结41结论42参考文献43致谢45附录146附录253附录358I第1章 绪论 第1章 绪论1.1加工中心的定义加工中心（Machining Center,MC）是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床，它是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通信诊断、刀具和编程技术的高科技产品。由于加工中心能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和调整时间，减少工件周转、搬运存放时间，使机床的切削利用率高于通用机床3倍4倍，所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床。1.2加工中心的发展历程1958年，美国卡尼，特雷克（Kearney&Trecker）公司首次把铣、钻、镗等多种工序集中于一台数控机床上，通过换刀方式实现连续加工，成为世界上第一台加工中心。该产品出现后，销路惊人，引起了日、德、美、英、法、意等先进工业国家的高度重视，竞相开发生产，不断扩大和完善机床的功能，成为数控机床中发展最快、需求量最大的商品之一。如今，世界上出现了立式、卧式、龙门式、落地式等各种加工中心，据不完全统计，大约有1000多个品种规格。未来加工中心的发展动向是高速化、进一步提高精度和愈发完善的机能。加工中心是数控机床的代表，是高新技术集成度高的典型机电一体化机械加工设备，我国的加工中心从70年代开始，已有很大发展，但技术、品种和数量上都还远不能适应我国经济、技术发展的需要。随着我国工业的不断发展，推动了模具制造业、机械加工业的巨大发展，使得数控机床的使用越来越普遍，而加工中心更是以其高自动化程度得到广泛应用。然而，目前市场上生产和销售的都是以大、中型的加工中心为主，小型加工中心几乎是空白，而机械加工业、小型模具的制造、工科院校、技工学校等对小型加工中心存在着大量的需求。为加速我国加工中心的发展，需进一步加强对加工中心的研究、设计、制造和应用。1.3加工中心国内外现状由于加工中心在机械加工中的重要作用，各个工业发达国家都极为重视，在技术和产量上都发展很快。目前全球加工中心年生产量为50,00055,000台左右，并且以日本、欧盟、美国及中国台湾、韩国等为最具代表性的生产基地。日本市场消费能力强，年生产量超过10,000台。主要机种为立式加工中心，年产量约5,0006,000台，而且不断研发高速、高精密、五面加工、五轴联动加工等技术，满足特殊与复杂曲面加工工件的要求，日本生产加工中心的厂家有MAZAK、大隈、庄田、三菱等公司。德国生产最佳品质与高加工效益的加工中心，近年来生产量每年约在4,0005,000台左右。代表性机种为卧式加工中心，年生产量约1,5002,000台。其他加工中心年生产量约2,0003,000台左右，德国生产加工中心的厂家有西门子、MAKA、GEISS、科恩等公司。美国是全球机床生产代表性国家之一，但近年来由于其国内消费能力不足，再加上出口也面临市场竞争，导致其生产有逐渐下滑的趋势，年生产加工中心仅约为5,0006,000台左右，生产厂家有哈挺、MAG、Hurco等公司。台湾是全球加工中心生产量最大的供货基地，年生产量可达到16,00018,000台，其中有部分是空机台，未加装微机控制器等，平均单价有偏低的情形。韩国是全球加工中心主要生产国家之一。其加工中心主要用于韩国汽车工业、模具工业及机械工业，年生产加工中心在4,0005,000台左右。未来加工中心的生产基地则有可能是大陆，特别是日本、美国、德国、中国台湾、韩国已竞相到大陆设厂生产加工中心，再加上大陆本身的企业研发与制造，未来技术成熟、品质稳定、成本降低后，必将会成为全球重要供应基地之一。20世纪70年代我国研制的加工中心，多数因配套件和设计、制造的缺陷而不能正常使用。进入80 年代后，由于引进了日本FANUC、德国SIEMENS 等公司的数控系统、直流进给伺服电机和主轴电机及其伺服单元之后，数控系统的可靠性有了很大提高。但就整机而言，可靠性还不够高。20世纪90年代中期以来，随着加工中心技术的进步和配套的完善，国内生产企业注意到了采用标准功能部件来取代产品的某些部件，同时优先选择世界知名公司的名牌产品(如：数控系统、滚动直线导轨、滚珠丝杠、轴承、ATC 装置、液压气动元件、电气元件和检测元件等)作为配套，提高了国产加工中心的档次和可靠性，在一定程度上缩短了与国外同类产品的差距。当前，国产加工中心的可靠性与国外同类产品相比依然不高。除此以外，还有整机防护与密封、外观粗糙、整体造型不尽如意等缺陷，在一定程度上影响了国产加工中心的市场竞争力。目前国内生产加工中心的有沈阳机床厂、大连机床厂、上海祥裕等厂家。研究主要成果如下：90年代以来，国外一些机床厂家先后开发出一批高速加工中心，其主要技术参数为： 主轴最高转速：一般为1200015000r/min，有的高达4000060000r/min。坐标轴的加工进给最高速度：3060m/min，快速移动速度高达7080m/min。换刀时间(刀-刀)普遍在1.53.5s，有的快到0.80.9s；托板交换时间普遍在68s。综上所述，高速加工中心的出现使得单轴加工中心的效率赶上了多轴的组合机床或专用机床。因此，高效高柔性的加工中心已开始在汽车工业中应用，并成为重要的工艺装备。目前世界上比较有名的加工中心有：德国EX-CELL-O GMBH公司XHC240卧式加工中心、德国Chiron Werke公司FZ12W立式加工中心、日本Mazak公司产品、日本新泻铁工所SPN50、SPN40加工中心、美国Giddings & Lewis公司RAM500型、RAM630型卧式加工中心和美国Ingersoll铣床公司HVM600型卧式加工中心等等。目前，国产加工中心的主要品种是立式加工中心和卧式加工中心。为市场提供的产品主要是立式加工中心。其规格(是指工作台宽度，单位：mm) 一般为300、400、500、630 和800。其中，前三种属于较小规格产量较大；后两种属于中大型产量较小。目前，国产立式加工中心拥有的规格基本上覆盖了中小型立式加工中心的规格范围。在我国，人们习惯上把数控机床按其技术水平的高低分为高、中、低三个档次。所谓高档数控机床是指高速度、高精度、五轴联动和工艺高度复合化的数控机床，包括部分重型机床；而所谓低档数控机床主要是指以步进电机驱动为主要特征的开环控制的经济型数控车床、钻床和铣床，其精度和速度都不高；其他数控机床则属于中档数控机床，也就是人们常说的通用普及型数控机床。国产加工中心大多数产品的档次属于此范畴。1.4国产加工中心目前存在的问题及未来发展趋势国产加工中心目前存在的问题有：(1) 技术水平上，与国外同类产品的先进水平相比大约落后1015 年，在高精尖技术方面则更大。(2) 产品开发能力上，国内生产企业缺乏对产品竞争前的数控技术的深入研究与开发，特别是对加工中心应用领域的拓展力度不强。(3) 产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，虽然近年来国产加工中心的产量增加较快，但从总体上看，还没有形成规模生产；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。(4) 国产数控系统MTBF( 平均无故障时间)大都超过1 万小时，但国际上知名品牌如：FANUC、SIEMENS 等先进企业的数控系统MTBF 已达8 万小时。国产加工中心MTBF 虽有少数厂达500 小时，但国外加工中心的先进水平已达800 小时。(5) 刀库和机械手的可靠性还比较低，近年来虽有改进，但用户仍然不放心。(6) 位置精度，特别是重复定位精度还有待于进一步提高。(7) 至于外观粗糙，漏油、漏水、漏气等老问题仍然不同程度的存在。加工中心未来发展趋势有：（1）高速度、高效率众所周知，机床向高速化方向发展，不但可以大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。是进入新世纪以来国内外机床技术发展的重要趋势。20世纪90年代以来，欧、美、日等工业发达国家争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元(电主轴，转速15000100000r/min)、高速且高加/减速度的进给运动部件(快移速度60120m/min，切削进给速度高达60m/min)、高效率的自动换刀装置、高性能数控装置和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。（2）高精度追求加工中心的高精度，一直是世界各工业发达国家努力的方向。当前，在机械加工高精度的要求下，普通级数控机床的加工精度已由10m 提高到5m ；精密级加工中心的加工精度则从35m 提高到11.5m ，甚至更高。（3）高可靠性随着数控机床应用领域的日益普及，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造厂家和数控机床制造厂家十分注重和追求的目标。数控机床也只有首先具有较高的可靠性，才能谈得上高速度、高效率和高精度。这已经是众多的数控系统制造厂家和数控机床制造厂家达成的共识。当前，国外先进数控系统的MTBF 值已达8万小时以上。1.5加工中心的分类按主轴加工时的空间位置分类有：卧式和立式加工中心。卧式加工中心 是指主轴轴线水平设置的加工中心。卧式加工中心有多种形式，如固定立柱式或固定工作台式。固定立柱式的卧式加工中心的立柱不动，其主轴箱在立柱上做上下移动，而工作台可在两个水平方向移动；固定工作台式的卧式加工中心的三个坐标方向的运动由立柱和主轴箱的移动来定位，安装工件的工作台是固定不动的(指直线运动)。卧式加工中心一般具有3个5个运动坐标轴，常见的是三个直线运动坐标轴和一个回转运动坐标轴(回转工作台)它能在工件一次装夹后完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工，最适合加工箱体类工件。它与立式加工中心相比，结构复杂、占地面积大、质量大、价格亦高。 立式加工中心 立式加工中心主轴的轴线为垂直设置，其结构多为固定立柱式，工作台为十字滑台，适合加工盘类零件，一般具有三个直线运动坐标轴，并可在工作台上安置一个水平轴的数控转台(第四轴)来加工螺旋线类零件。立式加工中心结构简单，占地面积小，价格低，配备各种附件后，可进行大部分工件的加工。 大型龙门式加工中心 主轴多为垂直设置，尤其适用于大型或形状复杂的工件，像航空、航天工业及大型汽轮机上的某些零件的加工都需要用这类多坐标龙门式加工中心。五面加工中心 这种加工中心具有立式和卧式加工中心的功能，在工件一次装夹后，能完成除安装面外的所有五个面的加工，这种加工方式可以使工件的形状误差降到最低；省去二次装夹工件，从而提高生产效率，降低加工成本。1.6本章小结本章主要介绍了加工中心的定义，发展历程以及加工中心的国内外现状，并介绍了当今加工中心存在的一些问题及其未来的发展趋势。5第2章 加工中心自动换刀装置概述 第2章 加工中心自动换刀装置概述2.1加工中心自动换刀装置（ATC）形式、特点及各自应用范围由刀库和机械手组成的自动换刀装置(Automatic Tool Changer,ATC)是加工中心的重要组成部分。加工中心上所需更换的刀具较多，从十几把到几十把甚至上百把，故通常采用刀库形式，其结构比较复杂，自动换刀装置种类繁多。由于加工中心上自动换刀次数比较频繁，故对自动换刀装置的技术要求十分严格如要求定位精度高动作平稳，工作可靠以及精度保持性等。这些要求都与加工中心的性能息息相关。表2-1 加工中心上的换刀装置形式类别特点应用范围转塔式垂直转塔头1. 根据驱动方式不同，可分为顺序选刀或任意选刀2. 结构紧凑简单3. 容纳刀具数目少用于钻削中心水平转塔头刀库式无机械手换刀1. 利用刀库运动与主轴直接换刀，省去机械手2. 结构紧凑3. 刀库运动较多小型加工中心机械手换刀1. 刀库只做选刀运动，机械手换刀2. 布局灵活，换刀速度快各种加工中心机械手和刀具运送器1. 刀库距机床主轴较远时，用刀具运送器将刀具送至机械手2. 结构复杂大型加工中心成套更换方式更换转塔1. 利用更换转塔头，增加换刀数目2. 换刀时间基本不变扩大加工工艺的钻削中心更换主轴箱1. 利用更换主轴箱，扩大组合机床加工工艺范围2. 结构比较复杂扩大柔性的组合机床更换刀库1. 扩大加工工艺，更换刀库，另有刀库存储器2. 充分提高机床利用率和自动化程度3. 扩大加工中心的加工工艺范围加工复杂零件，需刀具很多的加工中心或组成高度自动化的生产系统2.2刀库及刀具交换装置刀库的功能是储存加工工序所需的各种刀具，并按程序指令，把即将要用的刀具迅速、准确地送到换刀位置，并接受从主轴送回的已用刀具。所以说它是自动换刀装置中主要部件之一。2.2.1刀库的形式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 此刀库结构简单，应用较多。此换刀装置的优点是结构简单，成本较低，换刀可靠性较好，缺点是换刀时间长，适用于刀库容量较小的加工中心上采用。如图2-1所示。（2） 链式刀库 此刀库结构紧凑，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。如图2-2所示。（3） 格子箱式刀库 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。如图2-3所示。（4） 直线式刀库 刀库容量少，一般在十几把左右，多用于自动换刀数控车床，钻床上也有采用。如图2-4所示。 图2-1 盘式刀库 图2-2 链式刀库 图2-3 格子箱式刀库 图2-4 直线式刀库2.2.2刀具的选择方式在自动换刀装置换刀时，按数控装置的刀具选择指令，从刀库中将所需要的刀具准确地自动地选出，并转换到取刀位置称为自动选刀。从刀库中选择刀具通常采用下述方式：（1）顺序选择方式 顺序选择方式是按零件加工的预定工序要求依次将所用刀具存入刀库的刀座中，使用时按顺序将其转到取刀位置。用过的刀具放回原来的刀座中，亦可以按加工顺序故入下一个刀座中。这种方法不需要刀具识别装置，驱动控制也较简单，工作可靠，但刀具不能重复使用。即工艺相同的不同工序，也要重新安排刀具，故增加了刀具数量和刀库容量。一般用于刀具较少的中小型加工中心、加工批量较大但工件品种较少的加工中心、刀库与主抽之间直接换刀的加工中心、有自动换刀库的数控机床(当加工小批量零件时)。另外，在装刀时必要认真谨慎对号入座，否则将会产生严重后果。（2）任意选择刀具方式 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的加工顺序排列，可任意存放。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。当某把刀具的代码与数控指令的代码相符合时，该把刀具被选中，刀库将选中的刀具送至换刀位置，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件加工顺序无关。相同的刀具可重复使用，故刀具数量比顺序选择法的刀具可少一些，刀库也相应小一些。刀座编码式 这种编码方式是对刀库中的每个刀座都预先进行编码，刀具也编号，并将与刀座编码对应的刀具一一放入指定的刀座中，根据刀座编码选刀。换刀时刀库旋转，使各个刀座依次经过刀具识别器，直至找到规定的刀座，刀库即刻停止旋转。刀座编码又分永久性编码和临时性编码，前者刀座号是固定不变的；后者又称编码钥匙，即采用一种专用的编码钥匙”这种入法是按加工顺序要求事先给各刀具都缚上一“把表示法刀具号的编码钥匙，当把各刀具存放到刀库的刀座中时，将编码钥匙插进刀座旁边的钥匙孔中。这样就把钥匙的号码转记到刀座中，给刀座编上了号码。识别器可通过识别钥匙上的号码来选取该钥匙旁边刀座中的刀具；编码钥匙中除导向凸起外，共右16个凸起和凹下的位置，故有65535凹凸组合，可区别65535把刀具。钥匙沿着水平方向的钥匙缝插人钥匙孔座，然后顺时针方向旋转90，处于钥匙代码凸起的第一弹簧接触片被撑起，表承代码“1”，处于代码凹处的第二弹簧接触片保持原状，表示代码“0”。由于钥匙上每个凸凹部分旁边均有相应的碳刷，故可将钥匙各个凸凹部分均识别出来，即识别出相应的刀具。当取出刀具时，钥匙也随之取出，刀座码立即消失，调换钥匙可任意改变刀具编码，使用具有更大的灵活性。刀具编码式 这种万式是直接对每把刀具进行编码，由换刀装置识别刀具上的编码进行选刀，出于每把刀只都有自己的代码，故可存放于刀库的任一刀座中。这样刀库中的刀具在不同的工序中也就可重复使用，用过的刀具也不一定放回原刀座中。避免了因刀具存放在刀库中的顺序差错而造成的事故；同时也缩短了刀库的运转时间，简化了自动换刀控制线路。它还可直接在刀库与刀具主轴之间进行换刀而不致增加换刀时间。其缺点是使刀具长度增加，制造田难，刚度降低，同时使机械手和刀库的结构也复杂化。编码附件法 这种选刀方式介于刀具编码与刀座编码之间。刀库的刀座与刀具均无需编码。只利用一种带有编码附件(如钥匙、卡片、编码杆、编码盘)与刀具合在起，这样刀具就具有与编码附件相同的编号。当带编码附件的刀具插人刀库中某一刀座时，该刀座便具有编码附件指定的编码。以上选刀方式都结换刀系统带来很多不便，所以近年来在加工中心应用得很少。计算机记忆式 高档的数控加工中心，可将刀具号和刀库上存刀地址对应地记忆在计算机存储器内或可编程控制器内。不论刀具放入哪个地址，均可跟踪记忆；利用刀库上装刀位置检测装置，可测得每一地址。这样刀具可以任意取、存，无需编码元件，这种刀具任选方式使换刀控制大为简化。故目前的加上中心绝大多数都采用这种方式。2.2.3刀具(刀座)识别装置刀具(刀座)识别装置是自动换刀系统中的重要组成部分，常用的有下列几种。 (1)接触式刀具识别装置 接触式刀具识别装置应用广泛，特别适应于空间位置较小的刀具编码，其原理如图25所示。在刀柄1上装有两种直径不同的编码环，规定大直径的环表示二进制的“1”，小直径的环为“0”，图中有5个编码环4，在刀库附近固定一刀具识别装置2，从中伸出几个触针3，触针数量与刀柄上的编码环个数相等。每个触针连一个继电器，当大直径的编码环与触针接触，继电器通电，其数码为“1”。当各继电器读出的数码与所需刀具的编码一致时，由控制装置发出信号，使刀库停转，等待换刀。接触式刀具识别装置结构简单，但由于使用中触针有磨损，故寿命较短，可靠性较差，且难于快速换刀。 (2)非接触式刀具识别装置 非接触式刀具识别装置无机械接触、无磨损、无噪声、寿命长、反应速度快，适应于高速且换刀频繁的工作场合。常用的有磁性识别法和光电识别法。非接触式磁性识别法 磁性识别法是利用磁性材料和非磁性材料磁感应强弱不同，通过感应线圈读取代码。编码环的直径相等，分别由导磁材料(如软钢)和非导磁材料(如黄铜、塑料等)制成，规定前者编码为“1”，后者编码为“0”。图2-6所示为一种用于刀具编码的磁性识别装置。图中刀柄1上装有非导磁材料编码环4和导磁材料编码环2、与编码环对应的有一组检测线圈6组成非接触式识别装置3。在检测线圈6的一次线圈5中输入交流电压时，如编码环为导磁材料，则磁感应较强，在二次线圈7中产生较大的感应电压。如编码环为非导磁材料，则磁感应较弱，在二次线圈中感应的电压较弱。利用感应电压的强弱，就能识别刀具的号码。当编码环的号码与指令刀号相等时，控制电路便发出信号，使刀库停止运转，等待换刀。刀具编码的识别装置原理如图2-7所示。当数控装置接受穿孔纸带给出的选刀号T代码，由选刀控制电路使刀库快速转动，刀具依次通过识刀器，对应每个刀具的编码环感应出不同的信号，经刀号读出电路将编码环所表示的号码读出，通过输入控制门存入刀号寄存器内，然后送入比较符合电路与数控装置，对已接收的T代码进行比较。若与给定的T代码不一样，则刀库仍继续转动，直到识刀器读出的刀具或刀座编码与T代码一致时，发出选刀符合信号，说明已选中刀具；此时刀库减速、定位、停止，所选刀具停在等待换刀位置。图中延时清零电路用来等待识刀器读完一个编码号后再进行比较识别，以免因读出信号时间上的不一致造成失误。每读完一次编码，延时清零电路经一定延时发出一次消零信号，使刀号寄存器清零复位，以便寄存下一个刀号。图2-5接触式刀具识别装置 图2-6 磁性识别装置图2-7 识刀装置原理框图光学纤维刀具识别装置 这种装置利用光导纤维很好的光传导特性，采用多束光导纤维构成阅读头。用靠近的两束光导纤维来阅读二进制码的一位时，其中一束将光源投射到能反光或不能反光(被涂黑)的金属表面，另一束光导纤维将反射光送至光电转换元件转换成电信号，以判断正对这两束光导纤维的金属表面有无反射光，有反射时(表面光亮)为“1”，无反射时(表面涂黑)为“0”如图2-8 (b)所示。在刀具的某个磨光部位按二进制规律涂黑或不涂黑，就可以给刀具编上号码。正当中的一小块反光部分用来发出同步信号。阅读头的端面如图2-8(a)所示，共用的投光射出面为一矩形框，中间嵌进一排共9个圆形受光入射面、当阅读头端面正对刀具编码部位，沿箭头方向相对运动时，在同步信号作用下，可将刀具编码读入，并与给定的刀具号进行比较而选刀。在光导纤维中传播的光信号比在导体中传播的电信号具有更高的抗干扰能力。光导纤维可任意弯曲，这给机械设计、光源及光电转换元件的安装都带来很大的方便。因此，这种识别方法很有发展前途。近年来，“图像识别”技术也开始用于刀具识别，刀具不必编码，而在刀具识别位置上利用光学系统将刀具的形状投影到许多光电元件组成的屏板上，从而将刀具的形状变为光电信号，经信息处理后存人记忆装置中。选刀时，数控指令T所指的刀具在刀具识别位置出现图形时，便与记忆装置中的图形进行比较，选中时发出选刀符合信号，刀具便停在换刀位置上。这种识别方法虽有很多优点，但由于该系统价格昂贵而限制了它的使用。图2-8 光学纤维刀具识别装置(3)利用Pc实现随机换刀 随着计算机技术的发展，利用软件选刀以代替传统的编码环和识刀器。在这种选刀和换刀的方式中，刀库上的刀具能与主轴上的刀具任意地直接交换，即随机换刀。主轴上换来的新刀号及还回刀库的刀具号，均在Pc内部相应地存储单元记忆。随机换刀控制方式需要在Pc内部设量一个模拟刀库的数据表，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。这种方法主要由软件完成选刀，从而消除了内于识刀装置的稳定性、可靠性所带来的选刀失误。ATC(自动换刀)控制和刀号数据表 如图29所示，刀库有8个刀座，可存放8把刀具。刀座固定位置编号为方框内1号8号，0为主轴刀位置号，由于刀具本身不附带编码环，故刀具编号可任意没定，如图294中(10)(18)的刀号。一旦给某刀编号后该编号不应随意改变。为了使用方使刀号也采用BCD码编写。在PC内部建立一个模拟刀库的刀号数据表，如图2-10所示。数据表的表序号与刀库刀座编号相对应，每个表序号中的内容就是对应刀座中所插入的刀具号。图中刀号表首地址TAB单元固定存放主轴上的刀具号数，TAB+1TAR+8存放刀库上的刀具号。由于刀号数据表实际上是刀库中存放刀具位置的一种映像，所以刀号表与刀库中刀具的位置应始终保持一致。 图2-9刀库中刀具位置编号 图2-10刀库的刀号数据表刀具的识别 虽然刀具不附带任何编码装置，且采用任意换刀方式，但是，由于在PC内部设置的刀号数据表始终与刀具在刀库中的实际位置相对应，所以对刀具的识别实质上转变为对刀库位置的识别。当刀库旋转，每个刀座通过换刀位置(基准位置)时，产生一个脉冲信号送至PC，作为计数脉冲。同时在PC内部设置一个刀库位置计数器，当刀库正转(cw)时，每发一个计数脉冲，使该计数器递增计数；当刀库反转(ccw)时每发一个计数脉冲，则计数器递减计数。于是计数器的计数值始终在18之间循环，而通过换刀位置时的计数值(当前值)总是指示刀库的现在位置。当PC接到新刀具的指令(TXX)后，在模拟刀库的刀号数据表中进行数据检索，检索到T代码给定的刀号，将该刀具号所在数据表中的表号数存放在一个缓冲存储单元中，这个表序号数就是新刀具在刀库中的目标位置。刀库旋转后，测得刀库的实际位置与要求的刀库目标位置一致时，即识别了所要寻找的新刀具。刀库停转并定位，等待换刀。识别刀具的PC程序流程团如图2-11所示。刀具的交换及刀号数据表的修改 当前一工序加工结束后需要更换新刀加工时，NC系统发出自动换刀指令M06控制机床主轴准停。机械手执行换刀动作，将主轴上用过的旧刀和刀库上选好的新刀进行交换。与此同时，应通过软件修改PC内部的刀号数据表，使相应的刀号表单元中的刀号与交换后的刀号相对应。图2-11 识别刀具的PC程序流程框图2.2.4刀具交换装置实现刀库与机床主轴之间装卸和传递刀具的装置称为刀具交换装置。交换装置的形式和具体结构对数控机床的整体布局、生产率和工作可靠性都有直接影响。交换装置的形式很多，一般可分为两大类。 由刀库和主轴的相对运动实现刀具交换 用这种形式交换刀具时，必须将主轴上用过的刀具送回刀库，再从刀库取出新刀，但两个动作不能同时进行。它适用采用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。这种换刀方式没有机械手，因而结构简单；刀库回转是在工步与工步之间，故换刀时间长，换刀动作也较多，但却免去了刀库回转时的振动对加工精度的影响。在这种换刀方式中，刀库可以是圆盘型、直线排列式、也可以是格子箱式等。圆盘式刀库可设在立柱顶上、立柱主轴箱的侧面，也可以设在横梁一端。直线排列式刀库可设在工作台上方，也可设在工作台的一端或两端。格子箱式刀库可设在双工作台的中间。 由机械手进行刀具交换 由于刀库及刀具交换方式不同，换刀机械手种类繁多。机械手的类型如表2-2所示。表2-2 换刀机械手的结构及特点类型形式应用特点单臂单手式机械手作往复直线运动用于刀具主轴与刀库刀座轴线平行的场合结构较简单，换刀时间较长机械手摆动，其轴线与刀具主轴平行用于刀库刀座轴线与主轴轴线平行的场合机械手摆动，其轴线与刀具主轴垂直用于刀库刀座轴线与主轴轴线垂直的场合单臂双手式固定双手式用于刀库刀座轴线与主轴轴线平行的场合，广泛用于加工中心可同时抓住主轴和刀库中的刀具，并进行拔出、插入，换刀时间短可伸缩双手式剪式双手式双手不成180双手式双手平行式这种机械手还起运输作用换到时间较短，结构较复杂双手交叉式双手有回转运动2.3本章小结本章主要介绍了加工中心自动换刀装置（ATC）形式、特点及各自应用范围，另外介绍了加工中心中刀具识别与选择的各种方式，最后介绍了换刀机械手的结构及其特点。13第3章 总体方案设计 第3章 总体方案设计3.1 TH5640D型立式加工中心及其主要参数TH5640D是一台小型立式加工中心，工件在一次装夹后可自动连续地完成铣、钻、镗、铰、锪、攻丝等多种工序的加工，该机床适用于小型板件、盘件、壳体等复杂零件的多品种中小批量加工。其基本规格为：工作台工作面尺寸（外形尺寸） （毫米）1000400（1200520）工作台T型槽宽槽数 （毫米）183工作台左右行程（X轴） （毫米）1000工作台前后行程（Y轴） （毫米）500工作台上下行程（Z轴） （毫米）470主轴端面至工作台面 （毫米）150620主轴锥孔 BT40主轴转速（标准型/高速型） （转/分）22.52250/454500主轴驱动电机 （千瓦）交流主轴电机5.5/7.5（额定/30分钟）快速移动速度（X、Y轴） （米/分）15 （Z轴） （米/分）10进给速度 （X、Y、Z轴） （毫米/分）14000进给驱动电机 （千瓦）交流1.4刀库容量 20选刀方式 任选最大刀具尺寸 （毫米）80300最大刀具重量 （公斤）8刀库电机 （千瓦）交流伺服1.4工作台容许负载 （公斤）500滚珠丝杠尺寸（X、Y、Z轴） （毫米）4010钻孔能力 （毫米）32攻丝能力 M24镗孔能力 （自动换刀时）（毫米）80铣削能力 （厘米/分）100气源 （巴）57（250升/分）机床重量 （公斤）6500占地面积 （毫米）275626953.2 TH5640D型立式加工中心自动换刀装置的设计参数刀库容量 20选刀方式 任选刀套尺寸 （毫米）60120最大刀具重量 （公斤）8相邻刀套中心距离为85毫米刀柄为BT40刀柄蜗杆头数=1，初定传动比为i=48，模数m=3.153.3确定TH5640D型立式加工中心自动换刀装置的形式初步确定该立式加工中心刀库的工作原理为：交流伺服电动机通过挠性联轴器带动蜗轮蜗杆转动，刀库形式采用盘型刀库，该刀库装在蜗轮上通过蜗轮的旋转带动刀库的旋转，如图2-1所示。另外，盘型刀库装在立柱左侧，因此刀套应该能向下转动90，便于换刀。图3-1 刀库驱动原理图机械手的形式暂时采用单臂双手式机械手。3.4本章小结本章主要介绍了TH5640D型立式加工中心及其主要参数。另外介绍了本次毕业设计所给的参数，确定了该加工中心刀库基本的传动原理以及所选机械手的形式。1第4章 刀库的设计及计算 第4章 刀库的设计及计算4.1 确定刀库容量刀库容量设为20把。4.2确定刀库形式刀库容量为20,容量不大，并且用于小型立式加工中心，因此决定采用盘式刀库。盘式刀库结构简单，应用较多。此换刀装置的优点是结构简单，成本较低，换刀可靠性较好。整个换刀过程时间大约为4秒。4.3 初步估计刀库驱动转矩及选定电机刀库驱动电动机的选择应同时满足刀库运转时的负载扭矩和启动时的加速扭矩的要求。（1） 刀库负载扭矩的计算圆盘式刀库负载扭矩估算方法：这种刀库的负载扭矩主要用来克服刀具质量的不平衡，估算按如下两种情况进行：第一，用平均重量的刀具插满圆盘的半个圆，如图4-1（a）所示，根据工艺要求所需的各种刀具，确定每个刀具的（包括刀柄）平均重量，而其重心则设定为离刀库回转中心2/3半径处。第二，把三把最重的刀具放在一起，如图4-1（b）所示。按加工中心规格规定的最大刀具质量算，而其重心则设定为离刀库回转中心半径处。（2） 刀库加速扭矩的计算式中 -刀库选刀时的电动机转速（r/min）；-加速时间，通常取150200ms；-电动机转子惯量（），可查样本；-负载惯量折算到电动机轴上的惯量（）（a）刀具插满圆盘的半个圆 （b）三把最重的刀具插在一起图4-1 刀库负载转矩计算方法（3） 驱动电动机输出扭矩计算驱动电动机的输出扭矩应同时满足刀库负载扭矩和加速扭矩之和，将以上计算的刀库负载扭矩和加速扭矩转换为驱动电动机轴上的输出扭矩的公式为式中i-电动机轴至刀库轴的速比；-传动效率。考虑到实际情况比计算时所设定的条件复杂，电动机额定转矩应为负载扭矩的1.21.5倍。设定当两个最大刀具相邻放置时，其间距为5毫米，则相邻刀套中心距为85毫米，夹角为20度。可知刀套放置半径为mm，圆整为245mm。1） 刀库负载扭矩的计算按方法二进行估算，即将三把最重的刀放在一起，则负载扭矩=389.8245=57.6242） 加速扭矩的计算设刀具最大运动线速度为24m/min，则可确定刀库选刀转速为=15.6r/min，加速时间暂定为=200ms，电动机的转子惯量可查相关样本=2.14，负载惯量折算到电动机轴上的惯量=30.01则可求得=0.263） 驱动电动机的输出扭矩应同时满足刀库负载扭矩和加速扭矩之和电动机轴到刀库轴的速比为i=48,蜗轮蜗杆的传动效率=0.7,则可求得=1.72电动机的额定转矩(1.21.5) =(2.062.58) 而所选电机转矩为10确定伺服电机型号为SM130-10N1500，其主要技术参数为：额定功率 1.5Kw额定转速 1500r/min额定电流 6A转子惯量 0.00214机械时间常数 2.11ms工作电压 220V4.4刀库转位机构的普通蜗轮蜗杆的相关设计蜗杆头数=1，初定传动比为i=48，则蜗轮齿数=i=48，模数m=3.15，蜗杆分度圆直径=48mm，蜗轮分度圆直径=m=151.2mm中心距a=(+)/2=99.6mm,圆整中心距取=100mm，蜗轮变位系数=（a-）/m=-0.127，属于1=x=-1的要求蜗轮齿顶高=(1-0.127) 3.15=2.75mm蜗轮齿根高=(1+0.2+0.127) 3.15=4.18mm蜗轮齿根圆直径=151.2-24.18=142.84mm蜗轮齿顶圆直径=151.2+22.75=156.7mm蜗杆齿顶圆直径=48+213.15=54.3mm蜗杆齿根圆直径=48-23.15(1+0.2)=40.44mm考虑到传递的功率不大，转速较低，选用ZA蜗杆传动，精度为5fGB10089-1988。蜗杆材料选用35CrMo，表面淬火硬度4555HRC,表面粗糙度Ra1.6m。蜗轮材料选用ZCuAl10Fe3，表面淬火硬度4555HRC,表面粗糙度Ra1.6m。蜗轮蜗杆其他计算参数：蜗杆导程角r=arctan蜗杆齿形角为20蜗杆轴向齿距积累误差=0.0085mm蜗杆轴向齿距极限偏差=0.0048mm蜗轮齿形误差=0.0071mm4.5确定刀具的选择方式刀具的选择方式为任意选择方式中的计算机记忆式，可将刀具号和刀库上存刀地址对应地记忆在计算机存储器内或可编程控制器内。不论刀具放入那个地址，均可跟踪记忆；利用刀库上装刀位置检测装置，可测得每一地址。这样刀具可以任意存取，无需编码元件，这种刀具任选方式使换刀控制大为简化。4.6刀库结构设计圆盘式刀库由专用的交流伺服电机14经挠性联轴器15、蜗杆24、蜗轮25，带动刀盘和盘上的20个刀套旋转，如图4-2所示。刀座的滚子在不旋转的刀盘的槽中受到限位，刀盘在最下端的换刀位置开了一个缺口。刀座以铰链形式与支撑板相连。平时，由弹簧将滚子销压在刀套的凹槽中，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最下位置的刀套旋转90，使刀头朝下。实现这个动作靠气缸28。气缸28的活塞杆带动拨叉59上升，由剖视图中可以看到，最下面的一个刀套右尾部的滚子正好进入拨叉59的缺口。拨叉上升使刀套连同刀具逆时针方向旋转90，滚子销退出支撑板的凹槽，刀座转至垂直位置，等待机械手换刀。图4-2图4-3刀套的构造如图4-4所示，由图中可以看到锥孔尾部有两个球头销钉，后有弹簧用以夹住刀具，故当刀套旋转90后刀具不会下落。刀套顶部的滚子用以在刀套处于水平位置时支撑刀套。当刀具更换完毕，该刀座插入从主轴换下的刀具夹头。通过气缸作用，与上述动作相反，刀座带动刀具夹头顺时针转动，直到水平位置为止，此时滚子销重新处于支撑板的凹槽中。图4-4 刀套结构图4.7本章小结本章主要是根据所给参数进行刀库电机的计算与选择，以及刀库传动时所用蜗轮蜗杆相关参数的计算，确定了刀具的选择方式。另外对刀库工作原理进行了总体设计。7第5章 刀具交换装置的设计 第5章 刀具交换装置的设计5.1换刀机械手抓刀部分结构图5-1 机械手结构图本机床上使用的换刀机械手为回转式单臂双手机械手。在自动换刀过程中，机械手要完成抓刀、拔刀、交换主轴上和刀库上的刀具位置、插刀、复位等动作。单臂单手式机械手主要由手臂9和固定于其两端的结构完全相同的两个手爪6组成。手爪6上握刀的圆弧部分有一个锥销4，机械手抓刀时，该锥销插入刀柄的键槽中。当机械手由原位转75抓住刀具时，两手爪上的长销12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14在弹簧的作用下右移顶住刀具。机械手拔刀时，长销与挡块脱离接触，锁紧销被弹簧弹起，使活动销顶住刀具不能后退，这样机械手在回转180时，刀具不会被甩出。当机械手上升插刀时，两长销又分别被两挡块压下，锁紧销从活动销孔中退出，松开刀具，机械手便可反转75复位。5.2 机械手传动结构如前述刀库结构，刀套向下转90后，压下行程开关，发出机械手抓刀信号。此时，机械手21正处在图中所示的上面位置，液压缸18右腔通压力油，活塞杆推动齿条17向左移动带动齿轮11转动。图中5-2所示，8为升降液压缸的活塞杆，齿轮1、齿条7和轴2为图4-3中的齿轮11、齿条17和机械手臂轴16。连接盘3与齿轮1用螺栓连接，它们空套在机械手臂轴2上，传动盘5与机械手臂轴2用花键连接，它上端的销子4插入连接盘3的销孔中，故齿轮转动时便带动机械手臂轴转动，使机械手回转75抓刀。抓刀动作结束时，齿条17上的挡环12压下行程开关14，发出拔刀信号，于是升降液压缸15的上腔通压力油，活塞杆推动机械手臂轴16下降拔刀。在轴16下降时，传动盘10随之下降，其下端的销子8插入连接盘5的销孔中，连接盘5和其下面的齿轮4也是用螺栓连接的，它们空套在轴16上。当拔刀动作完成后，轴16上的挡环2压下行程开关1，发出换刀信号。这时转位液压缸20的右腔通压力油，活塞杆推动齿条19向左移动，带动齿轮和连接盘5转动，通过销子8，由传动盘带动机械手转180，交换位于位于主轴和刀库上的刀具位置。换刀动作完成后，齿条19上的挡环6压下行程开关9，发出插刀信号，使升降液压缸下腔通压力油，活塞杆带着机械手臂轴上升插刀，同时传动下面的销子8从连接盘5的销孔中移出。插刀动作完成后，轴16上的挡环压下行程开关3，使转位油缸20的左腔通压力油，活塞杆带着齿条19向右移动复位，齿轮4空转，机械手无动作。齿条19复位后，其上挡环压下行程开关7，使液压缸18的左腔通压力油，活塞杆带着齿条17向右移动，通过齿轮11使机械手反转75复位。机械手复位后，齿条17上的挡环压下行程开关13，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。注：图5-2中的气缸15、机械手臂轴16、齿轮11、齿条17、销子、挡环2分别相当于图5-3中的气缸38、机械手臂轴2、齿轮43、齿条37、销子48、挡环51。 图5-2 机械手传动结构示意图图5-3 机械手传动结构5.3 自动换刀装置的动作顺序自动换刀的大致顺序如图5-4所示：第一， 见图5-4（b），工件上某一表面加工完毕后，主轴停转，主轴箱返回原点准备换刀，此时刀库早已根据指令将“新刀”转到换刀位置上(即向下旋转90),等待机械手抓取。第二， 见图5-4（c），机械手由原始水平位置逆时针旋转75，机械手的两夹爪同时抓住刀库中的“新刀”与主轴中的“旧刀”。第三， 见图5-4（d），机械手沿轴向将刀具同时从主轴及刀库中拔出。第四， 见图5-4（e），机械手顺时针旋转180，把“新刀”转至主轴处，“旧刀”转至刀库换刀位置处。第五， 见图5-4（f），机械手沿轴向将刀具同时装入主轴及刀库。第六， 见图5-4（h），机械手顺时针回转75，恢复原始水平位置。第七， 见图5-4（g），刀库刀套向上旋转90，等待下一次换刀。图5-4自动换刀的顺序5.4 主轴准停装置在加工中心上，当自动换刀装置把刀具装到主轴上时，刀柄上的键槽必须对准主轴上的驱动键(亦称定向键)。为此，主轴每次停转必须准确地停在某一固定位置上。这种使主轴准确地停在某一固定位置上的装置叫主轴准停装置。主轴准停装置分机械控制和电气控制两种形式。本加工中心用到的是电气控制方式。为使主轴上的端面键能准确而顺利进人刀柄上的键槽。主轴必须停止在一定的位置上使之对准，即主轴应有旋转定位机构。主轴与刀柄靠7：24锥面定心，由两个端面键传递转矩。端面键用螺钉固定在主轴前端面上，嵌入刀柄周向的两个缺口内。自动换刀时，必须保证端面键对准缺口。为此，就要求主轴准确地停在一定的周向位置上。主轴周向定位机构的原理见图5-5。塔轮1上安装一个厚垫片4，上装一个体积很小的永磁块3。在主轴箱体的准停位置上，装一个磁传感器2。数控系统发出主轴准停信号后，主轴降速，以很低的转速运转，至永磁块对准传感器，传感器2发出准停信号，经放大器、定向电路使电动机制动。主轴停止的角度位置精度为1。这种装置的机械结构简单，定位迅速而准确。 图5-5主轴定位机构工作原理1- 塔轮；2-磁传感器；3-永磁块；4-垫片5.5本章小结本章主要介绍了自动换刀装置中机械手的设计，机械手内部的传动原理，自动换刀的过程以及主轴的准停装置。5第6章 联轴器的选用及计算 第6章 联轴器的选用及计算6.1联轴器联轴器是连接两轴或轴的回转件，在传递运动和动力过程中一同回转而不脱开的一种装置。此外，联轴器还可能具有补偿两轴相对位移、缓冲和减震以及安全防护等功能。6.1.1联轴器的分类按照联轴器的性能可分为刚性联轴器和挠性联轴器。刚性联轴器或称固定式联轴器，这种联轴器虽然不具有补偿功能，但有结构简单、制造容易、不易维护、成本低等特点而仍有其应用范围；挠性联轴器中又分为无弹性元件挠性联轴器(也称可移式刚性联轴器)和带弹性元件挠性联轴器，前一类只具有补偿两轴相对位移的能力，后一类能产生较大环性交形的元件，除有补偿性能外还具有缓冲和减振作用，但在传递转矩的能力上，因受弹性元件的强度限制，一般不及无弹性元件联轴器。带弹性元件联轴器中按弹性元件的材质不同；又可分为金属弹性元件和非金属弹性元件，金属弹性元件的主要特点是强度高、传递转距能力大、使用寿命长、不易变质且性能稳定。非金属弹性元件的优点是制造方便，易获得各种结构形状，又具有较高的阻尼性能。6.1.2联轴器类型的选择联轴器的类型应根据使用要求和工作条件，如承载能力、转速、两轴相对位移、缓冲吸震以及装拆、维修更换易损元件等综合分析来确定。具体选择时可顺序考虑以下几点：(1)原动机和工作机的机械性能。原动机的类型不同，其输出功率和转速，有的是平稳恒定的，有的是波动不均匀的。而各种工作机的载荷性质差异更大，有的平稳，有的冲击甚至强烈冲击或震动。这将直接影响联轴器类型的选择，是选择的首要依据之一。对于载荷为平稳的，则可选用刚性联轴器，否则宜选用弹性联轴器。(2)联轴器联接的轴系及其运转情况。对于连接轴系的质量大、转动惯量大，而又经常起动、变速或反转的，则应考虑选用能承受较大瞬时过载，并能缓冲吸震的弹性联轴器。(3)工作机的转速高低，对于需高速运转的两轴联接，应考虑选择联轴器的结构具有