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毕业设计（论文）院 系： XX 学院姓 名：专 业： 机械设计学 号： 4200209320XXX指 导 教 师 ： XX 老师XX 大学 X 学院2016 年 9 月毕业设计（论文）任务书（应由学生本人按指导教师下达的任务认真誊写）姓名 专业 机械设计 指导教师 XXX 学号 4200209320194 入学时间 2014.09 网站（院系） 机械学院 一、课题名称二、课题内容三、课题任务要求四、同组设计者五、主要参考文献1 陈绍龙，刘怀平.从选粉浓度解读高效转子选粉机技术：文献，盐城：科行建材环保公司，20042 许林发.建筑材料机械设计（一）.武汉：武汉工业大学出版社，19903 潘孝良.硅酸盐工业机械过程及设备.武汉：武汉工业大学出版社，1993 4 叶达森.粉碎与制成.北京：中国建筑工业出版社，19925 汪谰.水泥工程师手册.北京：中国建筑工业出版社，1997.126 朱昆泉，许林发.建材机械工程手册.武汉：武汉工业大学出版社，2000.77 楮瑞卿.建材通用机械与设备.武汉：武汉工业大学出版社，1996.9 8 方景光.粉磨工艺及设备.武汉：武汉理工大学出版社，2002.8 9 刘景洲.水泥机械设备安装、修理及典型实例分析.武汉：武汉工业大学出版社，2002.1010 刘铁忠.TLS 系列组合式选粉机的开发.水泥技术，1999（1）：1911 徐灏.机械设计手册.3.第 2 版.北京：机械工业出版社，2002.612 胡宗午，徐履冰，石来德.非标准机械设备设计手册.北京：机械工业出版社，2002.913 成大先.机械设计手册.2.第 4 版.北京：化学工业出版社，2002.114 成大先.机械设计手册.3.第 4 版.北京：化学工业出版社，2002.115 成大先.机械设计手册.4.第 4 版.北京：化学工业出版社，2002.116 数字化手册编委会.机械设计手册(软件版)R2.0.机械工业出版社，2003.117 陈秀宁、施高义.机械设计课程设计.浙江：浙江大学出版社，200218 武汉建筑材料工业学院等学校.建筑材料机械及设备.北京：中国建筑工业出版社，198019 徐锦康.机械设计.第 2 版.北京：机械工业出版社，200220 吴一善主编.粉碎学概论.武汉：武汉工业大学出版社，199321 沈世德.机械原理.北京：机械工业出版社，2002指 导 教 师 签 字 教研室主任签字 年 月 日（此任务书装订时放在毕业设计报告第一页）目 录摘要 1前言. 2第 1 章绪论 31.1 数控机床的知识 31.2 数控铣床的分类 31.2.1 数控立式铣床 31.2.2 数控卧式铣床 41.3 数控铣床的结构特征 41.3.1 数控铣床的主轴特征 51.3.2 控制机床的坐标特征 51.4 数控铣床的主要功能及加工对象 51.4.1 数控铣床的功能 51.4.2 自动换刀装置及其形式 51.4.3 自动装置应当满足的基本要求 6第 2 章 总体方案的设计 82.1 运动方案的设计92.1.1 运动数目的确定112.1.2 运动方案的确定132.2 功能部件的设计方案142.2.2 进给伺服系统182.2.3 自动换刀系统202.2.4 基础部件232.2.5 数控系统242.2.6 辅助装置242.3 总体布局242.4 主要技术参数242.5 小结.25第 3 章 刀库的设计263.1 确定刀库容量 263.2 确定刀库形式 283.3 刀库结构设计 283.4 初估刀库驱动转距及选定电机 283.4.1 初选电动机与降速传动装置 293.4.2 初估刀库驱动转距293.5 刀库转位机构的普通圆柱蜗杆传动的设计303.6 刀库驱动转矩的校核303.7 花键联接的强度计算303.8 夹紧机构插销剪切强度的校核313.9 确定刀具的选择方式313.10 刀库的定位与刀具的松夹 31第 4 章 刀具交换装置的设计 314.1 确定换刀机械手形式314.2 换刀机械手的工作原理324.3 机械手的自动换刀过程的动作顺序324.4 机械手回转轴 4 上的齿轮齿条设计334.5 自动换刀装置的相关技术要求334.5.1 主轴准停装置334.5.2 换刀机械手的安装与调试334.6 自动换刀程序的编制33第 5 章 自动换刀装置的控制原理345.1 自动换刀装置的液压系统原理图355.2 自动换刀装置换刀动作的顺序控制过程35第六章 数控加工程序的编制 356.1 数控加工的特点 356.2 数控编程方法及特点 356.2.1 数控编程的分类 356.2.2 编程零点及坐标系的选择 366.2.3 对刀点的选择 376.2.4 加工路线的确定 376.3 数控加工程序的内容 386.3.1 车床程序 38结论39致谢40参考文献41摘 要随着数控技术的发展和普及，加工中心的作用越发突显它的重要性。为进一步提高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，如车削中心、镗铣加工中心、钻削中心等等。这类多工序加工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。ABSTRACTAlong with the numerical control technology development and thepopularization, the processing center function reveals its importance even moresuddenly.For further enhances the numerical control engine laths the processingefficiency, the numerical control engine laths is clamping to the work piece in anengine laths attire then completes the multi-channel working procedure or the completeworking procedure processing direction develops, therefore appeared each kind of typeThe present paper is the development designs one kind of volume slightly, thestructure compact, the price is low, production cycle short small vertical processingcenter knife storehouse this article.First introduced the domestic and foreignprocessing center research present situation and the trend of development, haveexpounded this topic research goal, the significance.Then further introduced this smallprocessing center knife storehouse overall structure and various parts plan choice, andhas carried on the small processing center knife storehouse mechanism designcalculation in this foundation, mainly includes the knife storehouse overallorganization design, the electrical machinery selection, the knife storehouse rotationdetent mechanism design knife storehouse migration part design and so on.Keywords: numerically controlled lathe; machining centers ; cut database ;mechanical hand前 言数字控制机床是用数字代码形式的信息(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；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并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日益增多，有车床、铣床、镗床、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。数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。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手动输入。随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的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；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程。 未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多；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，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。第一章 绪论1.1 数控机床知识数字控制机床是用数字代码形式的信息(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；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并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日益增多，有车床、铣床、镗床、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。数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。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手动输入。随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的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；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程。 未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多；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，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。1.2 数控铣床的分类1.2.1 数控立式铣床数控立式铣床是数控铣床中数量最多的一种，应用范围也最为广泛。小型数控铣床一般都采用工作台移动、升降、及主轴不动方式，与普通立式升降台铣床相似；中型数控立式铣床一般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，缩小占地面积及刚性等技术问题，往往采用龙门架移动式，其主轴可以在龙门架的横向与垂直溜板上运动，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来看，目前 3 坐标数控立式铣床仍占大多数。一般可进行 3 坐标联动加工，但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 坐标数控立式铣床。一般来说，机床控制的坐标轴越多，特别是要求联动的坐标轴越多，机床的功能、加工范围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。数控立式铣床可以附加数控转盘，采用自动交换台，增加靠模装置等来扩大数控立式铣床的功能，加工范围和加工对象，进一步提高生产效率。1.2.2 卧式数控铣床与通用卧式铣床相同，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来实现 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，而且可以实现在一次安装中，通过转盘改变工位，进行“四面加工” 。可以省去许多专用夹具或专用角度成型铣刀。对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。加工是非常合适这类铣床目前正在逐渐增多，它的主轴方向可以更换，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，其使用范围更广，功能更全，选择加工的对象和余地更大，给用户带来了很多方便，特别是当生产批量小，品种较多，又需要立卧两种方式加工时，用户只需买一台这样的机床就行了。立、卧两用数控铣床的主轴方向的更换有手动与自动两种，采用数控万能主轴头的立、卧两用数控铣床，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。1.3 数控铣床的结构特征1.3.1 数控铣床的主轴特征数控铣床的主轴开启与停止，主轴正反转与主轴变速等都可以按输入介质上编入的程序自动执行。不同的机床其变速功能与范围也不同。有的采用变频机组，固定几种转速，可自选一种编入程序，但不能在运转时改变。有的采用变频器调整，将转速分为几档，编程时可任选一档，在运转中可通过控制面板上的旋钮，在本档范围内自由调节；有的则不分档,编程时可在整个范围内无级调速。但是在实际操作中，调速不能有大起大落的突变，只能在允许的范围内调高或调低，只能在允许的范围内一般都设有自动拉、退刀装置，能在数秒内完成装刀与卸刀，换刀比较方便。此外，多坐标数控铣床的主轴可以绕 X、Y 或 Z 轴作数控摆动，扩大了主轴自身的运动范围，但是主轴结构更加复杂。1.3.2 控制机床运动的坐标特征为了要把工件上各种复杂的形状轮廓连续加工出来，必须控制刀具沿平面上设定的直线、圆弧或空间直线、圆弧轨迹运动，因此，要求数控铣床的伺服拖动系统能在多坐标方向同时协调动作，并保持预定的相互关系，这就要求机床应能实现多坐标联动。数控铣床要控制的坐标数最少是 3 坐标中任意两坐标联动。要实现连续加工直线变斜角工件，应实现四坐标联动。若要加工曲线变斜角工件，是要求实现五坐标联动。因此，数控铣床所配置的数控系统档次，一般都比其它数控机床相应更高一些。1.4 数控铣床的主要功能及加工对象1.4.1 数控铣床的功能数控铣床的功能分为一般功能和特殊功能。一般功能是指各类数控铣床普遍所具有的功能。如点位控制功能、刀具半径自动补偿功能、镜象加工功能、 固定循环功能等。特殊功能是指数控铣床在增加了某些特殊装置或附件后，分别具有或兼备的一些特殊功能。如刀具长度补偿功能、靠模加工功能、自动变换工作台功能、自适应功能、数控采集功能等。在使用数控铣床加工工件时，只要充分利用数控铣床的各种功能，就可以加工许多普通铣床难加工的工件。数控铣床的主要加工对象有：平面类零件；变斜角类零件；曲面类（立体类）零件。1.4.2 自动换刀装置（ATC）及其形式数控机床为了进一步提高生产率，进一步压缩非切削时间，现代的机床逐步发展为在一台机床上在一次装中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称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工能的数控机床，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。自动换装置的功能，对整机的加工效率有很大的影响。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， ）故增加自动换刀装置并同时自动变换主轴转速。可减轻劳动强度，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、应用范围也最广的一种，对其附加能够快速、准确地换刀的自动换刀装置是非常有必要的。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1.4.3 自动换刀装置应当满足的基本要求1）刀具换刀时间短。2）刀具重复定位精度高。3）足够的刀具储存量。4）刀库占地面积小。5）换刀安全可靠。第2 章 总体方案的设计加工中心刀库的总体方案设计是根据其功能和设计要求，从全局的角度，以系统的观点，进行自动换刀装置刀库整体方面的设计，主要包括运动功能方案设计、基本参数设计、传动系统设计、总体结构布局设计等内容。2.1 运动方案的设计加工中心主要用来加工小型板类、盘类、模具类、多孔类零件上的小孔和平面。主要是钻削和铣削加工。2.1.1 运动数目的确定要实现以上各种零件表面的钻削和铣削加工功能，机床必须具有以下运动：一个是主运动即主轴带动刀具回转（Vc）；另一个是三个方向的进给运动，包括实现切入工件一定深度（Z 方向）的进给运动；实现在水平面内两个方向（X、Y 方向）的进给运动。此外，还必须有换刀功能，因此还必须有非成形运动，如换刀需要刀库转位、移动等运动。2.1.2 运动方案的确定加工中心加工工件所需的这些运动，必须由对应的执行部件来实现。加工中心的主运动一般都由主轴部件（主传动系统）来完成，而进给运动可以由工件来完成；也可以由刀具来完成；或者是由刀具和工件来共同完成。这样就影响到部件的相互位置关系的配制和总体关系。采用哪种形式与被加工工件尺寸、形状、质量和功能等因素有关。对具有钻、铣的功能的立式加工中心，根据工件的质量、尺寸等的不同，可以有以下几种不同的运动方案：1.由工件完成三个方向的进给运动 如图2.1a)所示，当加工质量较轻工件时，分别由X-Y 向工作台和升降台来实现；2.工作台带动工件做一个方向的进给运动，其他两个方向的进给运动由刀具在立柱与横梁上移动来完成 如图2.1b)所示，这种方案不仅适用于质量大的工件加工，还可增多主轴头，使加工中心的生产效率得到很大的提高。3.由刀架来完成三个方向的进给运动 如图2.1c)所示，当加工较重或尺寸较高的工件时，则不宜由工件做进给运动，而是工作台固定不动，改为由刀具来完成进给运动。采用了立柱在床身上沿前后方向移动来Y 方向的进给；由刀具在横梁上移动来完成Z 向的进给。通常见于大 、中型动柱式加工中心。这种方案可以避免的尺寸工作台在溜板两端极限位置发生翘曲和大溜板加工难的问题，从而减少了溜板和结构的多层，有利于提高机床精度。4.由工作台实现X、Y 两个方向的进给，而唷刀具来完成垂直进给运动 如图2.1d)所示，当加工质量较轻、体积较小的工件，且主轴部件的重量、体积较小时，也可以由X-Y 工作台实现两个方向的进给，而由刀具来完成垂直进给运动。适用于小型加工中心，通常都采用固定立柱方式。由于立柱固定在床身上，就便于把刀库、电柜等装在立柱上。图2.1 加工中心运动方案2.2 功能部件的设计方案加工中心一般由主传动系统、进给伺服系统、自动换刀系统、基础部件、数控系统和辅助装置等部分组成。2.2.1 主传动系统主传动系统用来实现加工中心的主运动。由主轴箱、主轴、轴承、松拉刀机构、电动机等零件组成。这是加工中心自动换刀装置的关键部分，主轴的启动、停止、变速等动作通过数控系统控制由主传动系统来实现。并且通过安装在主轴上的刀具实现切削运动。要求主轴部件必须具备足够的转速范围、功率和扭矩，在大部分转速范围内要保持恒功率，当降到计算转速以下时，要保持恒扭矩传动；主传动系统的各零部件，应具有足够的强度和必要的刚度及抗震性能；噪声低、运转平稳性好。传动方案有以下几种：1.齿轮传动目前加工中心主传动大多用宽调速主轴电机, 其调速范围达1：100。对某些中小型加工中心，已经足够了，不需要经过齿轮变速。如果所需转速范围超过1：100（如中型以上规格的加工中心），则需通过齿轮换档的方法实现。2.带传动加工中心主传动系统使用的带传动多为同步带传动。它是一种综合了带、链传动优点的新型传动。具有以下优点：1）传动比准确同步带传动是啮合传动，工作时无滑动。2）传动效率高可达98%以上，节能效果明显。3）重量轻，结构紧凑不需依靠摩擦传动，预紧张力小，对轴和轴承的作用力小，带轮直径小。4）线速度高可达50m/s，因齿形带较薄。5）传动平稳动态特性良好，能吸振，噪声小。6) 使用范围广传递功率由几瓦至数千瓦，速比可达10 左右。7）使用保养方便不需要润滑，耐油、耐磨性和抗老化好，还能在高温、灰尘、水及腐蚀介质等环境中工作。由于以上优点，所以实际中多用。但安装要求较高，两带轮轴心线平行度要求高，中心距要求严格。带和带轮的制造工艺复杂，成本低。3.电主轴有内装式电动机直接驱动，结构的最大特点是实现了机床的“零传动”，这种传动方式取消了从主电动机到主轴之间一切中间的机械传动环节（如皮带、齿轮、离合器等），实现了主电动机与机床主轴的一体化。这种传动方式有以下优点：1）机械结构最为简单，传动惯量小因而快速响应性好，能实现极高的速度、加（减）速度和定角度的快速准停。2）实现了主轴部件的单元化，可独立作成标准化的功能部件，并由专业厂进行系列化生产机床主机厂只需根据用户的不同要求进行选用，可很方便地组成各种性能的高速机床，符合现代机床设计模块化的发展方向。3）高速运转的可靠性与安全性好因电主轴还有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能。a）无矢量控制 b）有矢量控制图2.2 扭矩-功率特性4）电主轴比传动的主轴传动系统的结构简单紧凑便于把它用在多轴联动机床，多面体加工机床和并联（虚拟轴）机床。5）电主轴比传动的主轴传动系统的结构简单紧凑便于把它用在多轴联动机床，多面体加工机床和并联（虚拟轴）机床。如果采用齿轮、带传动则需自行设计主传动系统，将会增加设计和制造周期，且为单件生产，成本也较高，转速也受到一定的限制。该加工中心主要用来加工小孔和小平面，因此要想提高零件加工的生产率，也须提高主轴的转速。如果选用由专门厂家生产的已系列化和标准化电主轴，转速可根据需要选择。不仅可保证高的生产率，而且也可根据用户的不同要求选用不同的规格，可缩短产品的设计和制造周期。对比以上三种方案选用电主轴。2.2.2 进给伺服系统进给系统由伺服电机、滚珠丝杠、导轨等组成。要求进给伺服系统必须具有高速下的平稳运行，较高的定位精度且防止爬行，要求进给系统中的机械传动装置和元件具有较高的灵敏度，低摩擦阻力和动、静摩擦系数之差小以及高寿命等。1.进给伺服系统的控制方式进给伺服系统可分为半闭环、全闭环和混合伺服控制三种方式：1）半闭环控制方式普通精度的加工中心，大都采用这种方式。它不是直接检测工作台等移动件的位置，而是通过检测滚珠丝杠的回转角度（或伺服电机轴的回转角度）来间接地测移动件的位置。2）全闭环控制方式这种控制方式，通常是在精密加工中心上采用。移动部件（如工作台、主轴箱等）的移动位置，是由直线尺（如感应同步器，光栅尺等）直接进行检测并反馈给比较回路，因而不受丝杠精度和热变形的影响，得到较高的定位精度。3）混合伺服控制方式这种方式，通常是在重型加工中心上采用。所谓混合伺服控制，就是半闭环控制和全闭环控制并存的控制方式。此种方式对使用条件恶劣的重型机床，可用高增益得到高定位精度。2.导轨两个作相对运动的部件构成一对导轨副，其中，在工作时固定不动的配合面被称为固定导轨或静导轨；相对固定导轨作直线或回转运动的配合面被称为运动导轨或动导轨。根据导轨副之间的摩擦情况，导轨分为滑动和滚动导轨两大类：1）滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点，在机械产品中应用广泛，其两导轨工作面的摩擦性质为换动摩擦。传动滑动导轨摩擦阻力大，摩擦快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。常用的有普通滑动导轨、卸荷导轨和液体静压导轨等结构形式。2）滚动导轨滚动直线导轨主要由导轨体、滑块、钢球、保持架、返向器、密封端盖及挡板等组成。导轨体固定在不动部件上，滑块固定在运动部件上，当导轨与滑块作相对运动时，钢球就沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端部钢球又通过返向器进入返向孔后再进入滚道，钢球就这样周而复始地进行滚动运动。返向器两端有防尘密封端盖，可有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部：（1）摩擦系数小一般在0.0030.004，动、静摩擦系数很接近，低速运动不会产生爬行现象，可以用油脂润滑，润滑方法简单，便于维护。（2）有自调整能力成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，安装基面许用误差大，使得安装方便，生产周期短，降低了对配件的加工精度要求，也降低了导轨安装基面的机械制造成本与难度。（3）承载能力大其滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，增大了滚动体与圆弧滚道的接触面积，接触应力小，从而大大的提高了导轨的承载能力，可达到平面滚道形式的3 倍。（4）刚性强在装配导轨时可预加负荷，能实现无间隙运动，以提高滚动导轨的刚度，所以滚动导轨在工作时间可承受较大的冲击和振动。（5）寿命长导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校性，心部保持良好的机械性能，且由于是纯滚动，摩擦系数是滑动导轨的1/50 左右，磨损小，因而寿命长，功耗低，便于机械小型化。（6）传动平稳可靠由于摩擦力小，动作轻便，因而定位精度高，微量移动灵活准确；在较差的工作条下可长时间保持高精度。（7）可高速运行动、静摩擦力之差很小，随动性好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度，适应高速直线运动。但结构复杂，几何精度要求高，抗振性差，防护要求高，制造困难，成本高。它适用于工作部件要求移动均匀 、动作灵敏以及定位精度高的场合。3.伺服电机常用的伺服电机有支流和交流两种：1）直流伺服电机数控机床中应用较多的是宽调速直流伺服电机，其主要特点是调速范围宽、低速运行平稳；负载特性硬、过载能力强，在一定的速度范围内可以做到恒力矩输出；反应速度快，动态响应特性好。但体积较大，电刷易磨损，寿命受到一定的限制。2）交流伺服电机这种伺服电机的主要特点是转矩和惯量比高，能承受高的加减速；转矩波动小；低速性能好，在很低速时，电机仍能平滑旋转；在保证高输出转矩的情况下，电机的体积小，重量轻；由于采用高频宽调制控制，电机只有很低的噪声和振动。利用交流伺服系统可进行精密定位控制。所以应用越来越广。由于该加工中心刀库容量较小，而且精度较高，故选用交流伺服电机。设计中用了日本Panasonic 公司生产的MINASA 系列交流伺服电机和驱动器。2.2.3 自动换刀系统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。1自动换刀装置的形式对于该加工中心自动换刀装置的设计可以有两类方案：1）有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，再把主轴上已用过多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。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，所以换刀过程较为复杂，它的选刀和换刀由三个坐标轴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。但是刀库回转时在工步于工步之间，即非切削时进行的，因此虽然刀库设置在立柱侧面，却免去刀库回转时的振动对加工精度的影响。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。考虑到所设计的小型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面，刀库容量较小，无须过多考虑换刀时间的长短，且采用的时30 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。表2.3 滚珠丝杠的支承方式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作用准确度。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对复杂，适用于刀库容量较大的加工中心。考虑到所设计的加工中心只用来加工小型零件上的孔和面，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。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形刀库的放置又两种形式：1）刀库置于立柱侧面大横梁上如图2.4a) 所示。此方案可使工作台的尺寸较小，且可采用厂家已生产队合适尺寸的工作台，可减少设计制造周期。结构简单，且不会发生刀库和主轴干涉现象，但刀库的支承刚性较差，须增强立柱的刚度，以减小横梁弯扭矩的影响。2）刀库置于工作台上如图2.4b)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，要求工作台的尺寸较大，须自行设计，且减少了工作台的有效面积综合分析以上两种方案，采用1）方案，即图2.4a)的布置形式。在立柱左边安装一横梁，在横梁有导轨，导轨上安装有滑座，将刀库安装在滑座上，通过刀库沿横梁移动刀主轴端，由主轴来实现换刀。1.主轴箱 2.立柱 3.刀库 4.工作台 5.床身图2.4 无机械手换刀装置的布置4.刀库在横梁上的移动刀库在横梁上的移动由两种方案：一方案使丝杠螺母传动，采用滚珠丝杠和交流伺服电机；另一方案使液压传动，采用液压滑台。由于液压传动必须由专门设计液压系统机构，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交流伺服电机驱动。2.2.4 基础部件基础部件是加工中心的基础，由床身、立柱和工作台等组成。主要承受加工中心的静载荷和在加工时产生的切削负荷，因此必须由足够的静、动刚度和精度保持性。1.立柱立柱采用对称结构，其正面设置由导轨，导轨可采用滚动和滑动两种结构，可由用户自行选择。正中间安装由滚珠丝杠，立柱导轨上安装滑座、主轴箱。立柱中空，可安装平衡块，壁上设置有肋板，以增加立柱的强度和刚性。立柱连接在床身上。并且使主轴中心线与Z 向进给丝杠布置在同一个平面YOZ 平面内，丝杠的进给驱动力与主切削抗力在同一平面内，因而扭矩很小，容易保证铣削精度和钻孔加工的平行。2.床身床身是加工中心的基础部件，也是加工中心关键元件之一，床身结构的优劣直接影响加工中心的使用性能。因此要求床身设计具有：1）很高的精度和精度保持性在床身上有安装立柱和X-Y 工作台的加工面，这些面本身精度和相互位置精度要求很高。2）具有足够的动静刚度机床在切削加工时静、动载荷往往都传到床身上，所以床身上受力比较复杂。3）较好的热稳定性、抗热变形性、抗振性在设计上要做到使整机热变形较小、振动小。或使热变形对加工精度影响最小。床身的设计要受到加工中心总体设计的制约，在满足总体设计的前提下，尽可能做到床身外形、结构合理，肋板布置恰当，保证良好的冷热加工性，减少机床重量，节省材料，提高整个机床的刚度。3.工作台X-Y 向工作台有两种方案：一种是选用南京工艺装备制造厂制造生产的X-Y 两轴精密数控工作台，数控工作台的上下两层运动台（X 向、Y 向）结构相同。另一种是自行设计，横向（Y 向）滚动导轨和滚珠丝杠安装在横向导轨滑座上。后一种方案各部分均需设计或选择，且床身制造麻烦，周期长，不易实现系列化，单件生产成本也高。而前一种采用已系列化的精密数控工作台，此工作台已经过许多用户使用后的验证，精度较高，而且可根据不同的加工要求，选用不同的精度等级。不仅制造周期短、精度易保证，且可根据用户的不同需要选择不同的型号。故采用前一种方案。2.2.5 数控系统数控系统由CNC 装置、可编程控制器、伺服驱动装置等部分组成。由它来完成对加工中心各部分的控制工作。伺服驱动装置采用Panasonic 公司生产的MINASA 系列交流伺服电机驱动器。其他部分的设计方案根据用户需要选择。2.2.6 辅助装置辅助装置包括润滑、冷却、排屑、防护、液压、气动和检测系统和平衡装置等部分。这些装置虽然不直接参与切削运动，但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起着保障作用。2.3 总体布局经过对以上运动方案和各部件的设计方案的定性分析比较可确定该小型立式加工中心刀库的总体设计方案为：自动换刀系统采用无机械手换刀，且刀库置于立柱侧面的横梁上。刀库在横梁上的移动采用滚珠丝杠传动和交流伺服电机采用盘形刀库，由槽轮机构实现回转、分度和转位，由交流伺服电机驱动。总体结构布局图如图2.5 所示。2.4 主要技术参数根据已知条件，在满足设计要求的前提下，尽量使设计出来的加工中心结构紧凑，占地面积小，确定该加工中心的主要技术性能参数如下：X、Y、Z 行程（mm） 150150350Z 向快速移动速度（m/min） 15X、Y 向快速移动速度（m/min） 12工作台尺寸（长宽）（mmmm） 250200主轴转速范围（r/min） 018000徐州工程学院07 届本科生毕业设计（论文）第25 页主轴电机功率（kw） 12刀库容量（把） 8定位精度（mm） 0.025重复定位精度（mm） 0.005主轴锥孔 ISO/BT30换刀时间（s/次） 8机床总重量（kg） 650外形尺寸（长宽高）（mmmmmm） 11328001526最大工作进给速度（m/min） 1工作台允许载荷（kg） 15钻孔能力（mm） 10铣削能力（cm3/min） 801.床身 2.X-Y 数控工作台 3.刀库移动部件 4.刀库 5.Z 向进给部件6.立柱 7.滚动导轨副 8.主轴箱 9.平衡重部件图2.5 总体结构布局示意图2.5 小结本章对刀库的设计方案进行了分析、比较，确定了较合理的总体设计方案。还确定了主要技术参。第三章 刀库的设计刀库是带刀库自动换刀装置的主要部件之一，其容量形式、布局及具体结构对数控机床的性能有很大影响。3.1 确定刀库容量决定刀库容量时，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 3-1 为刀库容量与机床能加工工件的比率统计曲线。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；储存量过小，则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 3-1 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 把孔加工刀具可完成 70的钻削工艺， 14 把刀的容量就可完成 70以上工件的钻铣工艺，配有 1440 把刀具的刀库就能够满足 70-95工件的加工需要。因此，对 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床，从使用和经济效率角度来看，容量为 6 的刀库就可满足要求了。3.2 确定刀库容量由以上考虑 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床的结构布局等原因，决定采用轴向放置的鼓盘式刀库形式。这种刀库结构简单，刀具排列较为紧凑，在刀库容理定为 6 的情况下体种不大，且取刀也较为方便，但需要考虑机械手的换刀动作空间。3.3 刀库结构设计如刀库装配图所示，当数控系统发出换刀指令后，直流伺服电动机接通，其运动经过十字联轴器、波传动减速器、套筒式联轴器、蜗杆、蜗轮后，再经花键联接传到刀盘上，刀盘带动刀座上的 6 个刀套转动，完成选刀动作。刀库装配图3.4 初估刀库驱动转矩及选定电机刀库回转运动多数采用液压马达、直流电动机驱动，并没有降速传动装置。3.4.1 初选电动机与降速传动装置刀库的驱动系统中，由于本刀库的驱动转矩小，且所需转速小，所以决定采用直流伺服电动机驱动。直流伺服电动机具有体积小，重量轻、伺服性好、力能指标高等优点，且该电机可用信号电压进行无级调速。采用型号为 90SZ03的 SZ 系列电磁式直流伺服电动机，其基本参数为：功率 0.092KW，转速3000R/MIN（袖珍机械师设计手册P1275） ；降速传动装置型号为 XB3-50-100A 的扁平式谐波传动减速器，其基本参数为：输入功率 0.092KW，输出转矩18Nm（袖珍机械师设计手册P1078-1079） 。3.4.2 初估刀库驱动转矩由于刀库容量 6，下面就以 THK6363 型自动换刀数控镗铣床的刀库为设计参考（查参考资料 14） ，采用经验法初估回转所需转矩。THK6363 型自动换刀数控镗铣床的刀库也是采用轴向放置的鼓盘式刀库形式，其容量为 36 把刀具，最大刀具重达 10kgf，刀库回转由最大扭矩为 25Nm的液压马达经谐波减速器驱动。现在由于设计的刀库容量为 6 把刀具，可初估刀库驱动转矩(主要是指直接驱动刀盘转动的转矩)为 T0=8Nm。3.5 刀库转位机构的普通圆柱蜗杆传动的设计刀库的主运动是圆周回转运动，如图 3-3 所示,直流伺服电动机 1 通过弹性柱销联轴器与谐波传动减速器 2 联接减速后驱动蜗杆 3,设计刀库转位机构的普通圆柱蜗杆传动. 由刀库转位机构实现。己知直流伺服电动机 1 的功率为 0.092KW,转速为 3000R/MIN,谐波传动减速器 2 的传动比为 100.传动效率为 80%,1 经 2 减速后驱动蜗杆 3,蜗杆为主动,蜗轮为从动,要求传动此为 6,单向旋转,单班工作制,预计寿命为 5 年. 图示 3-3 刀库转位机构传动示意图1)选择蜗杆传动类型根据 GB1008588 的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI） 。2)选择材料蜗杆采用 45 钢，齿面淬火，硬度为 4550HRC；蜗轮用铸锡磷青铜ZCuSn10Pb1，金属模铸造， =220 MPa， =220 MPa。2HP2FP3)确定主要参数蜗杆蜗轮传动，以蜗杆为主动，蜗轮为从动。为了提高传动效率，取Z1=6，传动比取 6，单向旋转，单工作制，预计寿命为 5 年。则 Z2= Z1i= 66=36。4)按齿面接触疲劳强度设计m2d1 KT2 (mm3)250HPa)计算蜗轮轴转矩 T2初估传动效率 =0.95,则T2=9549 =9549 =9549 0.95=133.53 Nm12Pn1/i0.928%3/6其中 n1 =3000/100=30(r/min)b)载荷系数 K=1.05c)许用接触应力 2HP= =2200.91.48=293.04 MPa2HPVSZN式中, =220 MPa, 估计滑动速度 5m/s，用浸没润滑,则由(参考文献 11) (P972 图 182)S查得滑动速度影响系数 =0.9, =1.48（其中VZN=60a t=601 53008=3.6 ,按图 183 查得） ；LZ2n306610d)计算 m2d1值,并选定模数 m 和蜗杆分度圆直径 d1m2d1 1.05133.53=283.46 mm 3;2539.04按表 183 查得模数 m=3.15(mm), d1=35.5 (mm)(m2d1值应大于计算值)5)验算滑动速度 SVa)计算蜗杆速度 1= = =0.0558 m/s1V60dn35.0b)计算滑动速度 SV= / =0.0558/ =0.0632 m/sS1coscos2814其中 = = = ,则初估的 值合适。1(/)tgZmd(63.5/.)tg2814SV6)验算蜗轮齿弯曲强度验算公式为 22 21AVFFSPTKYda)使用系数 =1Ab)动载荷系数 =1.03Vc)载荷分布系数 =1Kd1=35.5 mm， =m =3.15 36=113.4 mm,其中模数 m=3.15(mm)。2dZd)蜗轮齿形系数 =4.00FSYe)按蜗轮当量齿数 = / =36/ =52.34,由图 172 查得。2V3cos3s2814f)导程角系数 =1- /120=1- /120 =0.766Yg)许用弯曲应力 2FP= =70 0.542=37.94 MPa2FPNh)计算弯曲应力=22.1322613.5.014.076F由于 ，故满足蜗轮轮齿强度条件。2HP7)计算蜗杆蜗轮的主要参数a)分度圆直径=35.5， =m =3.15 36=113.4mm1d2zb)中心距 aa=( + +2 m)/2=35.5+113.4+2 (-0.1349) 3.15/2=74 mm12x c)蜗杆导程角 8148)计算其他尺寸a)蜗杆齿顶圆直径 = +2 =35.5+2 3.15=41.8 mm，1ad1a1ah其中 为蜗杆齿顶高，且 =m=3.15 mm；1ahb)蜗轮喉圆直径 = +2 =113.4+2 0.8651 3.15=118.85 2a2ad2amm，其中 为蜗轮齿顶高，且 = + =1-0.1349=0.8651 mm；2ah2ah2xc)蜗轮外圆直径 = +m=118.85+3.15=122 mm；2edd)蜗杆齿宽 由于 =6，故 按结构设计，取 =64 mm1b1Z1b1be)蜗轮齿宽 0.67 =0.67 41.8 =28.006mm,取 =28 mm；2b21ad2bf)蜗轮齿顶圆弧半径 = -m= -3.15=14.6 mmaR235.g)蜗轮齿根圆弧半径 = +c= +0.2m= +0.2 3.15=21.53 2ff1a1a4.82mm；h)蜗杆轴向齿厚 = /2= = 3.15/2=4.948 mm,其中1xs1xsp/m为蜗杆轴向齿距；xpi)蜗杆法向齿厚 = =4.948 =4.368 mm；1ns1nsxcocs2814j)蜗轮分度圆齿厚 =0.5 =0.5 3.15=4.948 mm。22m9)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 等于同时间内的散热量1H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。2H由于摩擦损耗的功率 = （1- ）kW,则产生的热流量（单位为fP11W=1j/s）为=1000 （1- ）W11式中 为蜗杆传递的功率（单位：kW） 。P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=kA( - )W2H1t0式中 k热导率，一般取 k=8.717.5W( ),环境空气流通较差时，2mC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（ ） ；2m润滑油的工作温度，一般限制在 6070 ，最高不能超过 80 ；1t C C周围环境温度，一般取室温 =20 。0 0t按热平衡条件 = ，可求得在既定工作条件下的没温为1H2= + 1t0P-kAC在绘制传动装置结构图的基础上进行热平衡计算：=0.092 80 =0.0736 kW10取 =20 , =0.95, k=10,并估算 A=0. 006 ，则0tC2m=20+ =81.33 801t.7361-0.95 C由于 80 ,超过最高工作温度，所以必须采取一些散热措施，以提高散1t热能力，如在传动箱内装循环冷却管路。3.6 刀库驱动转矩的校核蜗轮转速 =5r/min,所能传递的功率为 P=0.092 80 0.95=0.07 Kw,此2n 0时刀库的驱动转矩为：T= = =120.3NmT 0=8Nm，954Nn0.795其中 =0.9 为外花键带动刀盘回转的传动效率。由于 TT 0，所以，刀库驱动转矩满足要求。3.7 刀库驱动转矩的校核在刀库的传动系统中，刀盘是利用花键联接带动刀座上的刀套转动而进行选刀的，花键的联接属于动联接。已知所用的花键类型为渐开线花键 d=26mm,以下对其进行必要的强度计算。计算公式如下：p= pMPa 式中:2gmTzhLDT转距（Nmm） ，此处 T=120.3Nm=120.3 1000Nmm；各齿间载荷不均匀系数，通常取 =0.7 0.8，此处取 =0.75；z齿数，此处 z=6；齿的工作高度（mm） ，对渐开线花键， =m,此处 m 为模数，且取gh ghm=1.5mm；齿的工作长度（mm） ，此处 =48mm；gLgL平均直径（mm） ，对渐开线花键，此处 =d=26mm。mDmD于是，把数据代入计算公式，得p= = =28.6MPa2gmTzhL120.3.756486由于该花键联接为不在载荷作用下移动的动联接，查表 9-13 可知，若齿面经热处理且使用和制造情况为良好时，p可达 40 70 MPa，p p,故花键联接的强度满足要求。3.8 夹紧机构插销剪切强度的校核刀套在刀座上的夹紧由插销实现（见刀库装配图） 。插销承受的主要是剪切力，以下对单个插销进行剪切强度的校核。插销材料为 45 钢， =60MPa,直径 d=6mm。剪切力由重力引起，估算 P=100N,插销受力如图所示。由图可知该情况为双剪切，且由平衡方程易得 Q=P/2,于是，插销横截面上的剪切力为= Q/A=(100 )/ =1.8MPa 610322(10)4故插销满足强度条件要求。3.9 确定刀具的选择方式按数控装置的刀具指令，从刀库中将所需要的刀具转换到取刀位置，称为自动选刀。在刀库中选择刀具通常采用两种方式。1)顺序选择刀具 2)任意选择刀具3.10 刀库的定位与刀具的松夹刀库旋转定位是依靠简易定位装置来实现的。其控制过程示意图如下：刀库的定位是由接近开关使直流伺服电机停止转动，然后由双向液压带动定位销 6，插入刀座 5 上的发出选刀信号牙嵌离合器脱离啮合从动轴惯性慢转刀库定位停止定位完毕发出信号定位孔，实现精确定位。在刀座 5 的每一个刀位上都装有如图所示的弹簧、导柱 3、键块 1 和销 2 所组成的刀具固定装置。由此实现刀具在刀库上的固定锁紧。图中所示为刀具卡在刀座上的状况。当液压缸 4 通油后，将导柱 3 拉出，使销 2 退出，此时刀具在刀座上处于自由状态，控制刀具固定装置的液压缸 4有两个，一个和定位销在一起，自动换刀时用，另一个在靠近立柱方向，用于刀库手动装卸刀。 刀库定位示意图 第四章 刀具交换装置的设计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。刀具的交换方式通常分为两种: 一种是采用机械手交换刀具, 另一种是由刀库与机床主轴的相对运动来实现刀具交换即无机械手交换刀具。无机械手交换刀具方式：结构简单，成本低，换刀的可靠性较
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