無換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
無換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),無換刀,機(jī)械手,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 要
高速加工中心作為新時代數(shù)控機(jī)床的代表。已在機(jī)床領(lǐng)域廣泛使用。其高速、高效、高精等特點(diǎn)，贏得了市場的青睞，這些年來，國產(chǎn)加工中心技術(shù)發(fā)展得很快，國內(nèi)許多機(jī)床廠家都有了具有國際水平或接近國際水平的自主開發(fā)的加工中心機(jī)床。
為了提高數(shù)控機(jī)床的機(jī)械加工精度和效率,現(xiàn)大多數(shù)控機(jī)床和加工中心都配備刀庫,以便一次裝卡就可完成多種工序的加工。常用刀庫有鏈?zhǔn)胶捅P式兩種,刀庫容量有12、16、20、32、40等等。
本文首先對16刀刀庫總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行闡述，闡述其各部件的工作原理，然后就刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對各個部分進(jìn)行計(jì)算與設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：加工中心，刀庫，液壓。
ABSTRACT
High speed machining center as a representative of the new age of nc machine tools. Has been widely used in the field of machine tool. Its characteristics such as high speed, high efficiency, high precision, won the favor of the market, over the years, the domestic machining center technology developing quickly, many domestic machine tool manufacturers have international level or close to the international level of independent development of machining center machine tool.
In order to improve the machining precision and efficiency of nc machine tools, now most of the numerical control machine tools and machining center are equipped with knife library, so that a card to the variety of working procedure of processing can be completed. Libraries have the chain and disc two kinds, dao database is 12, 16, 20, 32, 40, and so on.
This article first elaborates the overall design of 16 knife knife library, the paper explains the working principle of the parts, and then the structure of the tool storage design calculation and design for each part.
Key words: machining centers, knife library, hydraulic pressure.
目 錄
摘 要 1
ABSTRACT 2
目 錄 3
第一章 緒 論 5
1.1 前言 5
1.2 加工中心發(fā)展歷史 5
1.3 加工中心的結(jié)構(gòu)組成 11
1.4 加工中心的分類 12
1.5 本論文研究的目的和意義 13
第二章 加工中心—刀庫 14
2.1 刀庫的分類 14
2.1.1 斗笠式刀庫 14
2.1.2 圓盤式刀庫 14
2.1.3 鏈條式刀庫 15
2.2 刀庫的類型 15
2.2.1 鼓(盤)式刀庫 15
2.2.2 鏈?zhǔn)降稁?16
2.2.3 格子盒式刀庫 16
2.3 刀庫的結(jié)構(gòu) 16
2.3.1 圓盤式刀庫的結(jié)構(gòu) 16
2.3.2 鏈?zhǔn)綆斓慕Y(jié)構(gòu) 16
2.4 刀庫的容量 17
第三章 總體方案的設(shè)計(jì) 18
3.1 運(yùn)動方案的設(shè)計(jì) 18
3.1.1 運(yùn)動數(shù)目的確定 18
3.1.2 運(yùn)動方案的確定 18
3.2 功能部件的設(shè)計(jì)方案 19
3.2.1 主傳動系統(tǒng) 19
3.2.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng) 20
3.2.3 自動換刀系統(tǒng) 21
3.3 總體布局 22
3.4 主要技術(shù)參數(shù) 22
第四章 刀庫的設(shè)計(jì) 24
4.1 刀庫主要參數(shù)的確定 24
4.2 刀盤部分的設(shè)計(jì) 24
第五章 軸的設(shè)計(jì) 25
第六章 導(dǎo)軌的選型及計(jì)算 29
6.1 初選導(dǎo)軌型號及估算導(dǎo)軌長度 29
6.2 計(jì)算滾動導(dǎo)軌副的距離額定壽命 30
6.3導(dǎo)軌材料與熱處理 32
6.4導(dǎo)軌的技術(shù)要求 33
6.4.1表面粗糙度 33
6.4.2幾何精度 34
6.5導(dǎo)軌設(shè)計(jì)和使用注意事項(xiàng) 34
第七章 重要零部件的設(shè)計(jì) 36
7.1 聯(lián)軸器 36
7.1.1 聯(lián)軸器的選擇 36
7.1.2 聯(lián)軸器校核 36
7.2 回零減速撞塊尺寸的計(jì)算 36
7.3 刀具（刀座）識別裝置 37
7.4滾動軸承的選擇和計(jì)算 38
結(jié) 論 40
參考文獻(xiàn) 41
致 謝 42
第一章 緒 論
1.1 前言
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，世界先進(jìn)制造技術(shù)的興起和成熟，而對作為現(xiàn)代制造業(yè)非常重要的加工中心提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，對加工中心的組成部分提出了更高的性能指標(biāo)。
加工中心是一種綜合加工能力較強(qiáng)的數(shù)控加工設(shè)備，工件一次裝夾后能完成較多的加工工序，加工精度較高，就中等加工難度的批量工件，其效率是普通設(shè)備的5～10倍，特別是它能完成許多普通設(shè)備不能一次完成的加工。加工中心對形狀較復(fù)雜，精度要求高的單件加工或中小批量多品種生產(chǎn)更為合適，特別是對于必需采用工裝和專用設(shè)備來保證產(chǎn)品質(zhì)量和效率的工件，采用加工中心加工，可以省去工裝和專機(jī)。這為新產(chǎn)品的研制和改型換代節(jié)省大量的時間和費(fèi)用，從而使企業(yè)具有較強(qiáng)的競爭力。然而目前國內(nèi)外加工中心的生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)生產(chǎn)的加工中心大多是大、中型零件的加工。
加工中心有多種形式，常見的有盤式、鏈?zhǔn)絻煞N刀庫。
盤式結(jié)構(gòu)中,刀具可以沿著主軸的軸向、徑向、斜向按放，刀具軸向的安裝的結(jié)構(gòu)最為緊密，但為了換到時與主軸同向，有的刀具庫中刀具需要在換刀位作90度翻轉(zhuǎn)。在刀庫容量較大時，為在存放方便的同時保持結(jié)構(gòu)緊湊，可采用彈倉式結(jié)構(gòu)，目前大量的刀庫安裝在機(jī)車立柱的頂面或側(cè)面，在刀庫較大時，也有安裝在專門的地基上，以隔離刀庫轉(zhuǎn)動造成的震動。
鏈?zhǔn)降稁齑娣诺毒呷萘勘缺P式大，結(jié)構(gòu)比較靈活，可以采用加長鏈帶方式加大刀庫容量，也可以采用鏈帶折疊回繞的方式提高空間利用率，在需要刀具容量較大時，還可以采用多鏈帶結(jié)構(gòu)。
1.2 加工中心發(fā)展歷史
20世紀(jì)中期，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，自動信息處理、數(shù)據(jù)處理以及電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，給自動化技術(shù)帶來了新的概念，用數(shù)字化信號對機(jī)床運(yùn)動及其加工過程進(jìn)行控制，推動了機(jī)床自動化的發(fā)展。
采用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行機(jī)械加工，最早是在40年代初，由美國北密支安的一個小型飛機(jī)工業(yè)承包商派爾遜斯公司(ParsonsCorporation)實(shí)現(xiàn)的。他們在制造飛機(jī)的框架及直升飛機(jī)的轉(zhuǎn)動機(jī)翼時，利用全數(shù)字電子計(jì)算機(jī)對機(jī)翼加工路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并考慮到刀具直徑對加工路線的影響，使得加工精度達(dá)到±0.0381mm(±0.0015in)，達(dá)到了當(dāng)時的最高水平。
1952年，麻省理工學(xué)院在一臺立式銑床上，裝上了一套試驗(yàn)性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)了同時控制三軸的運(yùn)動。這臺數(shù)控機(jī)床被大家稱為世界上第一臺數(shù)控機(jī)床。
這臺機(jī)床是一臺試驗(yàn)性機(jī)床，到了1954年11月，在派爾遜斯專利的基礎(chǔ)上，第一臺工業(yè)用的數(shù)控機(jī)床由美國本迪克斯公司(Bendix-Cooperation)正式生產(chǎn)出來。
在此以后，從1960年開始，其他一些工業(yè)國家，如德國、日本都陸續(xù)開發(fā)、生產(chǎn)及使用了數(shù)控機(jī)床。
數(shù)控機(jī)床中最初出現(xiàn)并獲得使用的是數(shù)控銑床，因?yàn)閿?shù)控機(jī)床能夠解決普通機(jī)床難于勝任的、需要進(jìn)行輪廓加工的曲線或曲面零件。
然而，由于當(dāng)時的數(shù)控系統(tǒng)采用的是電子管，體積龐大，功耗高，因此除了在軍事部門使用外，在其他行業(yè)沒有得到推廣使用。
到了1960年以后，點(diǎn)位控制的數(shù)控機(jī)床得到了迅速的發(fā)展。因?yàn)辄c(diǎn)位控制的數(shù)控系統(tǒng)比起輪廓控制的數(shù)控系統(tǒng)要簡單得多。因此，數(shù)控銑床、沖床、坐標(biāo)鏜床大量發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，到1966年實(shí)際使用的約6000臺數(shù)控機(jī)床中，85%是點(diǎn)位控制的機(jī)床。
數(shù)控機(jī)床的發(fā)展中，值得一提的是加工中心。這是一種具有自動換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，它能實(shí)現(xiàn)工件一次裝卡而進(jìn)行多工序的加工。這種產(chǎn)品最初是在1959年3月，由美國卡耐?;特雷克公司(Keaney&TreckerCorp.)開發(fā)出來的。這種機(jī)床在刀庫中裝有絲錐、鉆頭、鉸刀、銑刀等刀具，根據(jù)穿孔帶的指令自動選擇刀具，并通過機(jī)械手將刀具裝在主軸上，對工件進(jìn)行加工。它可縮短機(jī)床上零件的裝卸時間和更換刀具的時間。加工中心現(xiàn)在已經(jīng)成為數(shù)控機(jī)床中一種非常重要的品種，不僅有立式、臥式等用于箱體零件加工的鏜銑類加工中心，還有用于回轉(zhuǎn)整體零件加工的車削中心、磨削中心等。
1967年，英國首先把幾臺數(shù)控機(jī)床連接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是所謂的柔性制造系統(tǒng)(FlexibleManufacturingSystem--FMS)之后，美、歐、日等也相繼進(jìn)行開發(fā)及應(yīng)用。 1974年以后，隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器直接用于數(shù)控機(jī)床，使數(shù)控的軟件功能加強(qiáng)，發(fā)展成計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床(簡稱為CNC機(jī)床)，進(jìn)一步推動了數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用和大力發(fā)展。
80年代，國際上出現(xiàn)了1~4臺加工中心或車削中心為主體，再配上工件自動裝卸和監(jiān)控檢驗(yàn)裝置的柔性制造單元(FlexibleManufacturingCell--FMC)。這種單元投資少，見效快，既可單獨(dú)長時間少人看管運(yùn)行，也可集成到FMS或更高級的集成制造系統(tǒng)中使用。
目前，F(xiàn)MS也從切削加工向板材冷作、焊接、裝配等領(lǐng)域擴(kuò)展，從中小批量加工向大批量加工發(fā)展。
所以機(jī)床數(shù)控技術(shù)，被認(rèn)為是現(xiàn)代機(jī)械自動化的基礎(chǔ)技術(shù)。
那什么是車床呢?據(jù)資料所載，所謂車床，是主要用車刀對旋轉(zhuǎn)的工件進(jìn)行車削加工的機(jī)床。在車床上還可用鉆頭、擴(kuò)孔鉆、鉸刀、絲錐、板牙和滾花工具等進(jìn)行相應(yīng)的加工。車床主要用于加工軸、盤、套和其他具有回轉(zhuǎn)表面的工件，是機(jī)械制造和修配工廠中使用最廣的一類機(jī)床。
古代的車床是靠手拉或腳踏，通過繩索使工件旋轉(zhuǎn)，并手持刀具而進(jìn)行切削的。1797年，英國機(jī)械發(fā)明家莫茲利創(chuàng)制了用絲杠傳動刀架的現(xiàn)代車床，并于1800年采用交換齒輪，可改變進(jìn)給速度和被加工螺紋的螺距。1817年，另一位英國人羅伯茨采用了四級帶輪和背輪機(jī)構(gòu)來改變主軸轉(zhuǎn)速。
為了提高機(jī)械化自動化程度，1845年，美國的菲奇發(fā)明轉(zhuǎn)塔車床;1848年，美國又出現(xiàn)回輪車床;1873年，美國的斯潘塞制成一臺單軸自動車床，不久他又制成三軸自動車床;20世紀(jì)初出現(xiàn)了由單獨(dú)電機(jī)驅(qū)動的帶有齒輪變速箱的車床。
第一次世界大戰(zhàn)后，由于軍火、汽車和其他機(jī)械工業(yè)的需要，各種高效自動車床和專門化車床迅速發(fā)展。為了提高小批量工件的生產(chǎn)率，40年代末，帶液壓仿形裝置的車床得到推廣，與此同時，多刀車床也得到發(fā)展。50年代中，發(fā)展了帶穿孔卡、插銷板和撥碼盤等的程序控制車床。數(shù)控技術(shù)于60年代開始用于車床，70年代后得到迅速發(fā)展。
車床依用途和功能區(qū)分為多種類型。
普通車床的加工對象廣，主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的調(diào)整范圍大，能加工工件的內(nèi)外表面、端面和內(nèi)外螺紋。這種車床主要由工人手工操作，生產(chǎn)效率低，適用于單件、小批生產(chǎn)和修配車間。
轉(zhuǎn)塔車床和回轉(zhuǎn)車床具有能裝多把刀具的轉(zhuǎn)塔刀架或回輪刀架，能在工件的一次裝夾中由工人依次使用不同刀具完成多種工序，適用于成批生產(chǎn)。
自動車床能按一定程序自動完成中小型工件的多工序加工，能自動上下料，重復(fù)加工一批同樣的工件，適用于大批、大量生產(chǎn)。
多刀半自動車床有單軸、多軸、臥式和立式之分。單軸臥式的布局形式與普通車床相似，但兩組刀架分別裝在主軸的前后或上下，用于加工盤、環(huán)和軸類工件，其生產(chǎn)率比普通車床提高3~5倍。
仿形車床能仿照樣板或樣件的形狀尺寸，自動完成工件的加工循環(huán)，適用于形狀較復(fù)雜的工件的小批和成批生產(chǎn)，生產(chǎn)率比普通車床高10~15倍。有多刀架、多軸、卡盤式、立式等類型
立式車床的主軸垂直于水平面，工件裝夾在水平的回轉(zhuǎn)工作臺上，刀架在橫粱或立柱上移動。適用于加工較大、較重、難于在普通車床上安裝的工件，一般分為單柱和雙柱兩大類。
鏟齒車床在車削的同時，刀架周期地作徑向往復(fù)運(yùn)動，用于鏟車銑刀、滾刀等的成形齒面。通常帶有鏟磨附件，由單獨(dú)電動機(jī)驅(qū)動的小砂輪鏟磨齒面。
專門車床是用于加工某類工件的特定表面的車床，如曲軸車床、凸輪軸車床、車輪車床、車軸車床、軋輥車床和鋼錠車床等。聯(lián)合車床主要用于車削加工，但附加一些特殊部件和附件后，還可進(jìn)行鏜、銑、鉆、插、磨等加工，具有“一機(jī)多能”的特點(diǎn)，適用于工程車、船舶或移動修理站
看機(jī)床的水平主要看金屬切削機(jī)床，其他機(jī)床技術(shù)和復(fù)雜性不高，就是近幾年很流行的電加工機(jī)床，也只是方法的改變，沒什么復(fù)雜性和科技含量。
我國的數(shù)控磨床水平不錯，每年都有大量出口，因?yàn)樗唵?，基本屬于勞動密集型?
金屬加工主要是去除材料，得到想得到的金屬形狀。去除材料，主要靠車和銑，車床發(fā)展為數(shù)控車床，銑床發(fā)展為加工中心。高精度多軸機(jī)床，可以讓復(fù)雜零件在精度和形狀上一次到位，例如，飛機(jī)上的一個復(fù)雜零件，以前由很多種工人:車工、銑工、磨床工、畫線工、熱處理工用好幾個月干，其中還有報(bào)廢的，最新的復(fù)合數(shù)控機(jī)床幾天甚至幾個小時就全干好了，而且精度比你設(shè)計(jì)的還高。零件精度高就意味著壽命長，可靠性好。
由普通發(fā)展到數(shù)控，一個人頂原來的十個，在精度上，更是沒法說，適應(yīng)性上，零件變了，換個程序就行。把人的因素也降為最低，以前在工廠，誰要時會車渦輪、蝸桿，沒個10年8年的不行，要是誰掌握了，那牛得很?，F(xiàn)在用數(shù)控設(shè)備，只要你會編程，把參數(shù)輸進(jìn)去就可以了，很簡單，剛畢業(yè)的技校學(xué)生都會，而且批量的產(chǎn)品質(zhì)量也有保證。
自美國在50年代末搞出世界一臺數(shù)控車床后，機(jī)床制造業(yè)就進(jìn)入了數(shù)控時代，中國在六十年代也搞出了第一代數(shù)控機(jī)床，但后來中國進(jìn)入了什么年代，大家都知道。等80年代我們再去看世界的數(shù)控機(jī)床水平，差距就是20年了，其實(shí)奮起直追還有希望，但國營工廠不思進(jìn)取，到了90年代，我們再去看世界水平，已有30年的差距了。中國改革開放前走的是蘇聯(lián)的路子，什么叫蘇聯(lián)的路子，舉個例子來講:比如，生產(chǎn)一根軸，蘇聯(lián)的方式是建一個專用生產(chǎn)線，用多臺專用機(jī)床，好處是批量很容易上去，但一旦這根軸的參數(shù)發(fā)生了變化，這條線就報(bào)廢了，生產(chǎn)人員也就沒事做了。在1960-1980年代，國營工廠一個產(chǎn)品生產(chǎn)幾十年不變樣。到了1980年代后，當(dāng)時搞商品經(jīng)濟(jì)，這些廠不能迅速適應(yīng)市場，經(jīng)營就困難了，到了90年代就大量破產(chǎn)，大量職工下崗。現(xiàn)代的生產(chǎn)也有大批量生產(chǎn)，但主要是單件小批量，不管是那種，只要你的設(shè)備是數(shù)控的，適應(yīng)起來就快。專業(yè)機(jī)床的路子已經(jīng)到頭了， ;西方走的路和前蘇聯(lián)不一樣，當(dāng)年的“東芝”事件，就是日本東芝賣給蘇聯(lián)了幾臺五軸聯(lián)動的數(shù)控銑床，讓蘇聯(lián)在潛艇的推進(jìn)螺旋槳上的制造，上了一個檔次，讓美國的聲納聽不到潛艇聲音了，所以美國要懲處東芝公司。由此也可見，前蘇聯(lián)的機(jī)床制造業(yè)也落后了，他們落后，我們就更不用說了。雖然，美國搞出了世界第一臺數(shù)控機(jī)床，但數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，還是要數(shù)德國。德國本來在機(jī)械方面就是世界第一，數(shù)控機(jī)床無非就是搞機(jī)電一體化，機(jī)械方面德國已沒問題，剩下的就是電子系統(tǒng)方面，德國的電子系統(tǒng)工業(yè)本來就強(qiáng)大，所以在上世紀(jì)六、七十年代，德國就執(zhí)機(jī)床界的牛耳了。
但日本人的強(qiáng)項(xiàng)就是仿造，從上世紀(jì)70年代起，日本大量從德國引進(jìn)技術(shù)，消化后大量仿造，經(jīng)過努力，日本在90年代起，就超越了德國，成為世界第一大數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)國，直到現(xiàn)在還是。他們在機(jī)床制造水平上，有一些也走在了世界前面，如在機(jī)床復(fù)合(一機(jī)多種功能)化方面，是世界第一。數(shù)控機(jī)床的核心就在數(shù)控系統(tǒng)方面，日本目前在系統(tǒng)方面也排世界第一，主要是它的發(fā)拿科公司。第一代的系統(tǒng)用步進(jìn)電機(jī)，我們現(xiàn)在也能造，第二代用交流伺服電機(jī)?，F(xiàn)在的數(shù)控系統(tǒng)的核心就是交流伺服電機(jī)和系統(tǒng)內(nèi)的邏輯控制軟件，交流伺服電機(jī)我們國家目前還沒有誰能制造，這是一個光學(xué)、機(jī)械、電子的綜合體。邏輯控制軟件就是控制機(jī)床的各軸運(yùn)動，而這些軸是用伺服電機(jī)驅(qū)動的，一般的系統(tǒng)能同時控制3軸，高級系統(tǒng)能控制五軸，能控5軸的，五軸以上也沒問題。我們國家也由有5軸系統(tǒng)，但“做秀”的成份多，還沒實(shí)用化。我們的工廠用的五軸和五軸以上機(jī)床，100%進(jìn)口。
機(jī)床是一個國家制造業(yè)水平高低的象征，其核心就是數(shù)控系統(tǒng)。我們目前不要說系統(tǒng)，就是國內(nèi)造的質(zhì)量稍微好一點(diǎn)的數(shù)控機(jī)床，所用的高精度滾珠絲杠，軸承都是進(jìn)口的，主要是買日本的，我們自產(chǎn)的滾珠絲杠、軸承在精度、壽命方面都有問題。目前國內(nèi)的各大機(jī)床廠，數(shù)控系統(tǒng)100%外購，各廠家一般都買日本發(fā)那科、三菱的系統(tǒng)，占80%以上，也有德國西門子的系統(tǒng)，但比較少。德國西門子系統(tǒng)為什么用的少呢?早期，德國系統(tǒng)不太能適合我們的電網(wǎng)，我們的電網(wǎng)穩(wěn)定性不夠，西門子系統(tǒng)的電子伺服模塊容易燒壞。日本就不同了，他們的系統(tǒng)就燒不壞。近來西門子系統(tǒng)改進(jìn)了不少，價格方面還是略高。德國人很不重視中國，所以他們的系統(tǒng)漢語化最近才有，不像日本，老早就有漢語化版的。
就國產(chǎn)高級數(shù)控機(jī)床而言，其利潤的主體是被外國人拿走了，中國只是掙了一個辛苦錢。
美國為什么沒有能成為數(shù)控機(jī)床制造大國呢?這個和他們當(dāng)時制定產(chǎn)業(yè)政策的人有關(guān)，再加上當(dāng)時美國的勞動力貴，買比制造劃算。機(jī)床屬于投資大，見效慢，回報(bào)率底的產(chǎn)業(yè)，而且需要技術(shù)積累。不太附和美國情況。但后來美國發(fā)現(xiàn)，機(jī)床屬于戰(zhàn)略物資，沒有它，飛機(jī)、大炮、坦克、軍艦的制造都有問題，所以他們重新制定政策，扶植了一些機(jī)床廠，規(guī)定了一些單位只能買國產(chǎn)設(shè)備，就是貴也得買，這就為美國保留了一些數(shù)控機(jī)床行業(yè)。美國機(jī)床在世界上沒有什么競爭力。
歐洲的機(jī)床，除德國外，瑞士的也很好，要說超高精密機(jī)床，瑞士的相當(dāng)好，但價格也是天價。一般用戶用不起。意大利、英國、法國屬于二流，中國很少買他們的機(jī)床。西班牙為了讓中國進(jìn)口他們的機(jī)床，不惜貸款給中國，但買的人也很少。
韓國、臺灣的數(shù)控機(jī)床制造能力比大陸地區(qū)略強(qiáng)，不過水平差不多。他們也是在上世紀(jì)90年代引進(jìn)日本技術(shù)發(fā)展的。韓國應(yīng)該好一點(diǎn)，它有自己制造的、已經(jīng)商業(yè)化了的數(shù)控系統(tǒng)，但進(jìn)口到中國的機(jī)床，應(yīng)我們的要求，也換成了日本系統(tǒng)。我們對他們的系統(tǒng)信不過。韓國數(shù)控機(jī)床主要有兩家:大宇和現(xiàn)代。大宇目前在我國設(shè)有合資企業(yè)。臺灣機(jī)床和我們大體一樣，自己造機(jī)械部分，系統(tǒng)采購日本的。但他們的機(jī)床質(zhì)量差，壽命短，目前在大陸影響很壞。其實(shí)他們比我們國產(chǎn)的要好一點(diǎn)。但我們自己的差，我們還能容忍，臺灣的機(jī)床是用美金買來的，用的不好，那火就大了。臺灣最主要的幾家機(jī)床廠已打算把工廠遷往大陸，大部分都在上海。這些廠目前在國內(nèi)的競爭中，也打著“國產(chǎn)”的旗號。
近來隨著中國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也引起了世界一些主要機(jī)床廠商的注意，2000年，日本最大的機(jī)床制造商“馬扎克”在中國銀川設(shè)立了一家數(shù)控機(jī)床合資廠，據(jù)說制造水平相當(dāng)高，號稱“智能化、網(wǎng)絡(luò)化”工廠，和世界同步。今年日本另外一家大機(jī)床廠大隈公司在北京設(shè)立了一家能年產(chǎn)1000臺數(shù)控機(jī)床的控股公司，德國的一家很有名的企業(yè)也在上海設(shè)立了工廠。
目前，國家制定了一些政策，鼓勵國民使用國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床，各廠家也在努力追趕。國內(nèi)買機(jī)床最多的是軍工企業(yè)，一個購買計(jì)劃里，80%是進(jìn)口，國產(chǎn)機(jī)床滿足不了需要。今后五年內(nèi)，這個趨勢不會改變。不過就目前國內(nèi)的需要來講，我國的數(shù)控機(jī)床目前能滿足中低檔產(chǎn)品的訂貨。
美、德、日三國是當(dāng)今世上在數(shù)控機(jī)床科研、設(shè)計(jì)、制造和使用上，技術(shù)最先進(jìn)、經(jīng)驗(yàn)最多的國家。因其社會條件不同，各有特點(diǎn)。
1.3 加工中心的結(jié)構(gòu)組成
加工中心的組成歲機(jī)床的類別、功能、參數(shù)的不同而有所區(qū)別。機(jī)床本身分基本部件和選擇部件，數(shù)控系統(tǒng)有基本功能和選用功能，機(jī)床參數(shù)有主參數(shù)和其它參數(shù)。機(jī)床制造廠可根據(jù)用戶提出的要求進(jìn)行生產(chǎn)，但在同類機(jī)床的基本功能和部件組成一般差別不大。從總體上看，加工中心基本上由以下幾大部分組成。
1、基礎(chǔ)部件 主要由床身、立柱和工作臺等大件組成。它們是加工中心的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，要承受加工中心的靜載荷以及在加工時的切削負(fù)載，因此必須是剛度很高的部件。這些大件可以是鑄鐵件也可以是焊接的剛結(jié)構(gòu)件，是加工中心中重量和體積最大的部件。
2、主軸系統(tǒng) 主要由主軸箱、主軸電動機(jī)、主軸和主軸軸承等零部件組成。主軸的啟動、停止和變轉(zhuǎn)速等動作均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過裝在主軸上的刀具參與切削運(yùn)動，是切削加工的功率輸出部件。主軸系統(tǒng)是加工中心的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)的好壞，對加工中心的性能有很大的影響。
3、數(shù)控系統(tǒng) 主要由CNC裝置、可編程序控制器、伺服驅(qū)動裝置以及電動機(jī)等部分組成，它們是加工中心執(zhí)行順序控制動作和完成加工過程的控制中心。
4、自動換刀系統(tǒng) 主要由刀庫、自動換刀裝置等部件組成。刀庫是存放加工過程所要使用的全部刀具的裝置。當(dāng)需要換刀時，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的指令，由機(jī)械手（或通過別的方式）將刀具從刀庫取出裝入主軸孔中。刀庫有盤式、鏈?zhǔn)胶凸氖降榷喾N形式，容量從幾把到幾百把。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)根據(jù)刀庫與主軸的相對位置幾結(jié)構(gòu)的不痛也有多種形式。如單臂式、雙臂式。回轉(zhuǎn)式和軌道式等等。有的加工中心利用主軸箱或刀庫的移動來實(shí)現(xiàn)換刀。
5、輔助系統(tǒng) 包括潤滑、冷卻、排屑防護(hù)、液壓和隨機(jī)檢測系統(tǒng)等部分。輔助系統(tǒng)雖不直接參與切削運(yùn)動。但對加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起到保障作用，因此也是加工中心中不可缺少的部分。
另外，為進(jìn)一步縮短非切削時間，有的加工中心還配備了自動托盤交換系統(tǒng)。例如，配有兩個自動交換工件托盤的加工中心，一個安裝工件在工作臺上加工，另一個則位于工作臺外進(jìn)行工件的裝卸。當(dāng)完成一個托盤上工件的加工后，便自動交換托盤，進(jìn)行新零件的加工，這樣可以減少輔助時間，提高加工效率。
1.4 加工中心的分類
按照加工中心形態(tài)不同進(jìn)行分類，可分為立式、臥式和五坐標(biāo)加工中心。
1、立式加工中心（如圖1-1）立式加工中心的主軸軸心線為垂直狀態(tài)配置，結(jié)構(gòu)形式多為固定立柱式，工作臺為長方形，適合加工小型板類、盤類、殼體類零件。
圖1-1 立式加工中心
2、臥式加工中心（如圖1-2）臥式加工中心是指主軸軸線為水平狀態(tài)設(shè)置的加工中心，通常都帶有可進(jìn)行分度回轉(zhuǎn)運(yùn)動的正方形分度工作臺。臥式加工中心一般具有3~5個運(yùn)動坐標(biāo)，常見的是三個直線運(yùn)動坐標(biāo)(沿X、Y、Z軸方向)加一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動坐標(biāo)(回轉(zhuǎn)工作臺)，它能夠使工件在一次裝夾后完成除安裝面和頂面以外的其余四個面的加工，最適合箱體類工件的加工。
圖1-2 臥式加工中心
3、五坐標(biāo)加工中心 五坐標(biāo)加工中心間距立式和臥式加工中心的功能，工件一次裝夾后能完成除安裝面外的所有側(cè)面和頂面等五個面的加工，因此也叫五面加工中心。常見的五坐標(biāo)加工中心有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是主軸可以旋轉(zhuǎn)，另一種是工作臺可以旋轉(zhuǎn)。
1.5 本論文研究的目的和意義
本課題開發(fā)設(shè)計(jì)的小型加工中心刀庫。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和普及，加工中心的作用越發(fā)突顯它的重要性。為進(jìn)一步提高數(shù)控機(jī)床的加工效率，數(shù)控機(jī)床正向著工件在一臺機(jī)床一次裝夾即可完成多道工序或全部工序加工的方向發(fā)展，因此出現(xiàn)了各種類型的加工中心機(jī)床，如車削中心、鏜銑加工中心、鉆削中心等等。這類多工序加工的數(shù)控機(jī)床在加工過程中要使用多種刀具，因此必須有自動換刀裝置，也就是所說的刀庫，以便選用不同刀具，完成不同工序的加工工藝。自動換刀裝置應(yīng)當(dāng)具備換刀時間短、刀具重復(fù)定位精度高、足夠的刀具儲備量、占地面積小、安全可靠等特性。
第二章 加工中心—刀庫
2.1 刀庫的分類
近年來刀庫的發(fā)展已超越其為工具機(jī)配件的角色，在其特有的技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)展出符合工具機(jī)高精度、高效能、高可靠度及多工復(fù)合等概念之產(chǎn)品。其產(chǎn)品品質(zhì)的優(yōu)劣，關(guān)系到工具機(jī)的整體效能表現(xiàn)。
刀庫的容量、布局，針對不同的工具機(jī)，其形式也有所不同，根據(jù)刀庫的容量、外型和取刀方式可概分為以下幾種：
2.1.1 斗笠式刀庫
一般只能存16~24把刀具，斗笠式刀庫在換刀時整個刀庫向主軸移動。當(dāng)主軸上的刀具進(jìn)入刀庫的卡槽時，主軸向上移動脫離刀具，這時刀庫轉(zhuǎn)動。當(dāng)要換的刀具對正主軸正下方時主軸下移，使刀具進(jìn)入主軸錐孔內(nèi)，夾緊刀具后，刀庫退回原來的位置。
2.1.2 圓盤式刀庫
圓盤式刀庫通常應(yīng)用在小型立式綜合加工機(jī)上。"圓盤刀庫"一般俗稱"盤式刀庫"，以便和"斗笠式刀庫"、"鏈條式刀庫"相區(qū)分。圓盤式的刀庫容量不大，頂多二、三十把刀。需搭配自動換刀機(jī)構(gòu)ATC(Auto Tools Change)進(jìn)行刀具交換。
2.1.3 鏈條式刀庫
鏈條式刀庫的特點(diǎn)是可儲放較多數(shù)量之刀具，一般都在20把以上，有些可儲放120把以上。它是藉由鏈條將要換的刀具傳到指定位置，由機(jī)械手將刀具裝到主軸上。換刀動作均采用馬達(dá)加機(jī)械凸輪的結(jié)構(gòu)，此設(shè)計(jì)之結(jié)構(gòu)簡單、動作快速、確實(shí)、可靠，但是價格較高，通常為客制化產(chǎn)品。
2.2 刀庫的類型
2.2.1 鼓(盤)式刀庫
(1)刀具軸線與鼓(盤)軸線平行的鼓式刀庫.刀具環(huán)形排列，分徑向、軸向兩種取刀形式，其刀座(刀套)結(jié)構(gòu)不同。這種鼓式刀庫結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用較多，適用于刀庫容量較少的情況。為增加刀庫空間利用率，可采用雙環(huán)或多環(huán)排列刀具的形式。但鼓(盤)直徑增大，轉(zhuǎn)動慣量就增加，選刀時間也較長。 刀庫的功能是儲存加工工序所需的各種刀具，并按程序指令，把將要用的刀具準(zhǔn)確地送到換刀位置，并接受從主軸送來的已用刀具。刀庫的儲存量一般在8～64把范圍內(nèi)，多的可達(dá)100—200把。
(2)刀具軸線與鼓盤軸線不平行的鼓式刀庫,刀具軸線與鼓盤軸線成夾角為銳角的刀庫。這種鼓式刀庫占有面積較大，刀庫安裝位置及刀庫容量受限制，應(yīng)用較少，但應(yīng)用這種刀庫可減少機(jī)械手換刀動作，簡化機(jī)械手結(jié)構(gòu)。
2.2.2 鏈?zhǔn)降稁?
其結(jié)構(gòu)較緊湊。一般刀具數(shù)量在30～120把或更多時，可采用鏈?zhǔn)降稁臁?
2.2.3 格子盒式刀庫
(1)固定型格子盒式刀庫 刀具分幾排直線排列；由縱、橫向移動的取刀機(jī)械手完成選刀運(yùn)動，將選取的刀具送到固定的換刀位置刀座上，由換刀機(jī)械手交換刀具。由于刀具排列密集，空間利用率高、刀庫容量大。
(2)非固定型格子盒式刀庫 刀庫由多個刀匣組成，可直線運(yùn)動，刀匣可以從刀庫中垂向提出。
2.3 刀庫的結(jié)構(gòu)
2.3.1 圓盤式刀庫的結(jié)構(gòu)
壓條與支架本體相對位置設(shè)有若干沉孔，供支柱定位組設(shè)其間；換刀結(jié)構(gòu)的勾爪設(shè)有熱處理中介環(huán)塊，托架一體成型，因而具有結(jié)構(gòu)牢固、總量減輕、制造成本較低、易于組裝。
2.3.2 鏈?zhǔn)綆斓慕Y(jié)構(gòu)
主動鏈輪由伺服電動機(jī)通過蝸輪減速裝置驅(qū)動(根據(jù)需要，還可經(jīng)過齒輪副傳動)。這種傳動方式，不僅在鏈?zhǔn)降稁熘胁捎?，在其他形式的刀庫傳動中，也多采用。?dǎo)向輪一般做成光輪，圓周表面硬化處理。兼起張緊輪作用的左側(cè)兩個導(dǎo)輪，其輪座必須帶有導(dǎo)向槽(或?qū)蜴I)，以免松開安裝螺釘時，輪座位置歪扭，對張．緊調(diào)節(jié)帶來麻煩?；亓銚鯄K可以裝在鏈條的任意位置上，而回零開關(guān)則安裝在便于調(diào)整的地方。調(diào)整回零開關(guān)位置，使刀套準(zhǔn)確地停在換刀機(jī)械手抓刀位置上。這時處于機(jī)械手抓刀位置的刀套，編號為1號，然后依次編上其他刀號。刀庫回零時，只能從一個方向回零，至于是順時針回轉(zhuǎn)回零，還是逆時針回轉(zhuǎn)回零，可由機(jī)、電設(shè)計(jì)人員商定。
如果刀套不能準(zhǔn)確地停在換刀位置上，將會使換刀機(jī)械手抓刀不準(zhǔn)，以致在換刀時容易發(fā)生撐刀現(xiàn)象；，因此，刀套的準(zhǔn)停問題，將是影響換刀動作可靠性的重要因素之一。
2.4 刀庫的容量
刀庫的容量首先要考慮加工工藝的需要。例如，立式加工中心的主要工藝為鉆、銑。統(tǒng)計(jì)了15000種工件，按成組技術(shù)分析，各種加工所必需的刀具數(shù)的結(jié)果是：4把銑刀可完成工件95％左右的銑削工藝；10把孔加工刀具可完成70％的鉆削工藝，因此，14把刀的容量就可完成70％以上的工件鉆銑工藝。
如果從完成工件的全部加工所需的刀具數(shù)目統(tǒng)計(jì)，所得結(jié)果是80％的工件(中等尺寸，復(fù)雜程度一般)完成全部加工任務(wù)所需的刀具數(shù)在四十種以下，所以一般的中、小型立式加工中心配有14～30把刀具的刀庫就能夠滿足70％～95％的工件加工需要。
第三章 總體方案的設(shè)計(jì)
加工中心刀庫的總體方案設(shè)計(jì)是根據(jù)其功能和設(shè)計(jì)要求，從全局的角度，以系統(tǒng)的觀點(diǎn)，進(jìn)行自動換刀裝置刀庫整體方面的設(shè)計(jì)，主要包括運(yùn)動功能方案設(shè)計(jì)、基本參數(shù)設(shè)計(jì)、傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)、總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)等內(nèi)容。
3.1 運(yùn)動方案的設(shè)計(jì)
加工中心主要用來加工小型板類、盤類、模具類、多孔類零件上的小孔和平面。主要是鉆削和銑削加工。
3.1.1 運(yùn)動數(shù)目的確定
機(jī)床必須具有以下運(yùn)動：一個是主運(yùn)動即主軸帶動刀具回轉(zhuǎn)（Vc）；另一個是三個方向的進(jìn)給運(yùn)動，包括實(shí)現(xiàn)切入工件一定深度（Z方向）的進(jìn)給運(yùn)動；實(shí)現(xiàn)在水平面內(nèi)兩個方向（X、Y方向）的進(jìn)給運(yùn)動。此外，還必須有換刀功能，因此還必須有非成形運(yùn)動，如換刀需要刀庫轉(zhuǎn)位、移動等運(yùn)動。
3.1.2 運(yùn)動方案的確定
加工中心加工工件所需的這些運(yùn)動，必須由對應(yīng)的執(zhí)行部件來實(shí)現(xiàn)。加工中心的主運(yùn)動一般都由主軸部件（主傳動系統(tǒng)）來完成，而進(jìn)給運(yùn)動可以由工件來完成；也可以由刀具來完成；或者是由刀具和工件來共同完成。這樣就影響到部件的相互位置關(guān)系的配制和總體關(guān)系。采用哪種形式與被加工工件尺寸、形狀、質(zhì)量和功能等因素有關(guān)。對具有鉆、銑的功能的立式加工中心，根據(jù)工件的質(zhì)量、尺寸等的不同，可以有以下幾種不同的運(yùn)動
方案：
1.由工件完成三個方向的進(jìn)給運(yùn)動，當(dāng)加工質(zhì)量較輕工件時，分別由X-Y向工作臺和升降臺來實(shí)現(xiàn)；
2.工作臺帶動工件做一個方向的進(jìn)給運(yùn)動，其他兩個方向的進(jìn)給運(yùn)動由刀具在立柱與橫梁上移動來完成，這種方案不僅適用于質(zhì)量大的工件加工，還可增多主軸頭，使加工中心的生產(chǎn)效率得到很大的提高。
3.由刀架來完成三個方向的進(jìn)給運(yùn)動，當(dāng)加工較重或尺寸較高的工件時，則不宜由工件做進(jìn)給運(yùn)動，而是工作臺固定不動，改為由刀具來完成進(jìn)給運(yùn)動。采用了立柱在床身上沿前后方向移動來Y方向的進(jìn)給；由刀具在橫梁上移動來完成Z向的進(jìn)給。通常見于大 、中型動柱式加工中心。這種方案可以避免的尺寸工作臺在溜板兩端極限位置發(fā)生翹曲和大溜板加工難的問題，從而減少了溜板和結(jié)構(gòu)的多層，有利于提高機(jī)床精度。
4.由工作臺實(shí)現(xiàn) X、Y 兩個方向的進(jìn)給，而唷刀具來完成垂直進(jìn)給運(yùn)動，當(dāng)加工質(zhì)量較輕、體積較小的工件，且主軸部件的重量、體積較小時，也可以由X-Y工作臺實(shí)現(xiàn)兩個方向的進(jìn)給，而由刀具來完成垂直進(jìn)給運(yùn)動。適用于小型加工中心，通常都采用固定立柱方式。由于立柱固定在床身上，就便于把刀庫、電柜等裝在立柱上。
3.2 功能部件的設(shè)計(jì)方案
加工中心一般由主傳動系統(tǒng)、進(jìn)給伺服系統(tǒng)、自動換刀系統(tǒng)、基礎(chǔ)部件、數(shù)控系統(tǒng)和輔助裝置等部分組成。
3.2.1 主傳動系統(tǒng)
主傳動系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)加工中心的主運(yùn)動。由主軸箱、主軸、軸承、松拉刀機(jī)構(gòu)、電動機(jī)等零件組成。這是加工中心自動換刀裝置的關(guān)鍵部分，主軸的啟動、停止、變速等動作通過數(shù)控系統(tǒng)控制由主傳動系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。并且通過安裝在主軸上的刀具實(shí)現(xiàn)切削運(yùn)動。
要求主軸部件必須具備足夠的轉(zhuǎn)速范圍、功率和扭矩，在大部分轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)要保持恒功率，當(dāng)降到計(jì)算轉(zhuǎn)速以下時，要保持恒扭矩傳動；主傳動系統(tǒng)的各零部件，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和必要的剛度及抗震性能；噪聲低、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性好。傳動方案有以下幾種：
1.齒輪傳動
目前加工中心主傳動大多用寬調(diào)速主軸電機(jī), 其調(diào)速范圍達(dá) 1：100。對某些中小型加工中心，已經(jīng)足夠了，不需要經(jīng)過齒輪變速。如果所需轉(zhuǎn)速范圍超過 1：100（如中型以上規(guī)格的加工中心），則需通過齒輪換檔的方法實(shí)現(xiàn)。
2.帶傳動
加工中心主傳動系統(tǒng)使用的帶傳動多為同步帶傳動。它是一種綜合了帶、鏈傳動優(yōu)點(diǎn)的新型傳動。具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1）傳動比準(zhǔn)確；
2）傳動效率高；
3）重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊；
4）線速度高；
5）傳動平穩(wěn)；
6) 使用范圍廣；
7）使用保養(yǎng)方便。
由于以上優(yōu)點(diǎn)，所以實(shí)際中多用。但安裝要求較高，兩帶輪軸心線平行度要求高，中心距要求嚴(yán)格。帶和帶輪的制造工藝復(fù)雜，成本低。
3.電主軸
有內(nèi)裝式電動機(jī)直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動”，這種傳動方式取消了從主電動機(jī)到主軸之間一切中間的機(jī)械傳動環(huán)節(jié)（如皮帶、齒輪、離合器等），實(shí)現(xiàn)了主電動機(jī)與機(jī)床主軸的一體化。
如果采用齒輪、帶傳動則需自行設(shè)計(jì)主傳動系統(tǒng)，將會增加設(shè)計(jì)和制造周期，且為單件生產(chǎn)，成本也較高，轉(zhuǎn)速也受到一定的限制。該加工中心主要用來加工小孔和小平面，因此要想提高零件加工的生產(chǎn)率，也須提高主軸的轉(zhuǎn)速。如果選用由專門廠家生產(chǎn)的已系列化和標(biāo)準(zhǔn)化電主軸，轉(zhuǎn)速可根據(jù)需要選擇。不僅可保證高的生產(chǎn)率，而且也可根據(jù)用戶的不同要求選用不同的規(guī)格，可縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造周期。對比以上三種方案選用電主軸。
3.2.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)
進(jìn)給系統(tǒng)由伺服電機(jī)、滾珠絲杠、導(dǎo)軌等組成。要求進(jìn)給伺服系統(tǒng)必須具有高速下的平穩(wěn)運(yùn)行，較高的定位精度且防止爬行，要求進(jìn)給系統(tǒng)中的機(jī)械傳動裝置和元件具有較高的靈敏度，低摩擦阻力和動、靜摩擦系數(shù)之差小以及高壽命等。
1.進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制方式
進(jìn)給伺服系統(tǒng)可分為半閉環(huán)、全閉環(huán)和混合伺服控制三種方式。
2.伺服電機(jī)常用的伺服電機(jī)有支流和交流兩種：
1）直流伺服電機(jī)
數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用較多的是寬調(diào)速直流伺服電機(jī)，其主要特點(diǎn)是調(diào)速范圍寬、低速運(yùn)行平穩(wěn)；負(fù)載特性硬、過載能力強(qiáng)，在一定的速度范圍內(nèi)可以做到恒力矩輸出；反應(yīng)速度快，動態(tài)響應(yīng)特性好。但體積較大，電刷易磨損，壽命受到一定的限制。
2）交流伺服電機(jī)
種伺服電機(jī)的主要特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩和慣量比高，能承受高的加減速；轉(zhuǎn)矩波動??；低速性能好，在很低速時，電機(jī)仍能平滑旋轉(zhuǎn)；在保證高輸出轉(zhuǎn)矩的情況下，電機(jī)的體積小，重量輕；由于采用高頻寬調(diào)制控制，電機(jī)只有很低的噪聲和振動。利用交流伺服系統(tǒng)可進(jìn)行精密定位控制。所以應(yīng)用越來越廣。
由于該加工中心刀庫容量較小，而且精度較高，故選用交流伺服電機(jī)。設(shè)計(jì)中選用了日本Panasonic 公司生產(chǎn)的MINASA 系列交流伺服電機(jī)和驅(qū)動器。
3.2.3 自動換刀系統(tǒng)
通過自動換刀系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)零件加工時的換刀。它由刀庫電機(jī)、傳動裝置、刀夾等組成。任務(wù)要求采用無機(jī)械手換刀方式。
無機(jī)械手換刀方式是直接在刀庫與主軸（或刀架）之間的自動換刀方式。這種換刀方式?jīng)]有機(jī)械手，因而結(jié)構(gòu)簡單。換刀時必須首先將用過的刀具送回刀庫，然后再從刀庫中取出新刀具，這兩個動作不能同時進(jìn)行，所以換刀過程較為復(fù)雜，它的選刀和換刀由三個坐標(biāo)軸的數(shù)控定位系統(tǒng)來完成，因此換刀時間較長，影響了機(jī)床的加工效率但是刀庫回轉(zhuǎn)時在工步于工步之間，即非切削時進(jìn)行的，因此雖然刀庫設(shè)置在立柱側(cè)面，卻免去刀庫回轉(zhuǎn)時的振動對加工精度的影響。
適用于40號以下刀柄的小型加工中心或換刀次數(shù)少的用重型刀具的重型機(jī)床?？紤]到所設(shè)計(jì)的小型加工中心主要用于中小批量生產(chǎn)，且只用來加工小型零件上的孔和面，刀庫容量較小，無須過多考慮換刀時間的長短，決定采用30號刀柄。
1、刀庫形式的選取
無機(jī)械手換刀方式中，刀庫可以是圓盤形、直線排列式，也可以是格子箱式等。無機(jī)械手換刀方式中特別需要注意的是刀庫轉(zhuǎn)位定位的作用準(zhǔn)確度。圓盤形刀庫容量較小，刀庫結(jié)構(gòu)簡單緊湊，刀庫轉(zhuǎn)位、換刀方便，易控制。直線排列式和格子箱式刀庫結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，適用于刀庫容量較大的加工中心。
考慮到所設(shè)計(jì)的加工中心只用來加工小型零件上的孔和面，不必在刀庫里放太多刀具，根據(jù)實(shí)用性進(jìn)行考慮，因此選用結(jié)構(gòu)簡單、容量較小、體積較小的圓盤式刀庫。
2、刀庫位置的放置
立式加工中心無機(jī)械手換刀方式的圓盤形刀庫的放置又兩種形式：
1）刀庫置于立柱側(cè)面大橫梁上
如圖3-1a 所示。此方案可使工作臺的尺寸較小，且可采用廠家已生產(chǎn)隊(duì)合適尺寸的工作臺，可減少設(shè)計(jì)制造周期。結(jié)構(gòu)簡單，且不會發(fā)生刀庫和主軸干涉現(xiàn)象，但刀庫的支承剛性較差，須增強(qiáng)立柱的剛度，以減小橫梁彎扭矩的影響。
2）刀庫置于工作臺上
如圖 3-1b所示。此方案刀庫的支承剛性好，結(jié)構(gòu)簡單。但影響加工中心主軸 y 軸方向上的行程，要求工作臺的尺寸較大，須自行設(shè)計(jì)，且減少了工作臺的有效面積
綜合分析以上兩種方案，采用1）方案，即圖 3-1a的布置形式。在立柱左邊安裝一橫梁，在橫梁有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上安裝有滑座，將刀庫安裝在滑座上，通過刀庫沿橫梁移動刀主軸端，由主軸來實(shí)現(xiàn)換刀。
圖 3-1無機(jī)械手換刀裝置的布置
1.主軸箱 2.立柱 3.刀庫 4.工作臺 5.床身
3.2.4 氣缸的選擇
1、類型的選擇
根據(jù)工作要求和條件，正確選擇氣缸的類型。要求氣缸到達(dá)行程終端無沖擊現(xiàn)象和撞擊噪聲應(yīng)選擇緩沖氣缸；要求重量輕，應(yīng)選輕型缸；要求安裝空間窄且行程短，可選薄型缸；有橫向負(fù)載，可選帶導(dǎo)桿氣缸；要求制動精度高，應(yīng)選鎖緊氣缸；不允許活塞桿旋轉(zhuǎn)，可選具有桿不回轉(zhuǎn)功能氣缸；高溫環(huán)境下需選用耐熱缸；在有腐蝕環(huán)境下，需選用耐腐蝕氣缸。在有灰塵等惡劣環(huán)境下，需要活塞桿伸出端安裝防塵罩。要求無污染時需要選用無給油或無油潤滑氣缸等。
2、安裝形式
根據(jù)安裝位置、使用目的等因素決定。在一般情況下，采用固定式氣缸。在需要隨工作機(jī)構(gòu)連續(xù)回轉(zhuǎn)時（如車床、磨床等），應(yīng)選用回轉(zhuǎn)氣缸。在要求活塞桿除直線運(yùn)動外，還需作圓弧擺動時，則選用軸銷式氣缸。有特殊要求時，應(yīng)選擇相應(yīng)的特殊氣缸。
3、作用力的大小
即缸徑的選擇。根據(jù)負(fù)載力的大小來確定氣缸輸出的推力和拉力。一般均按外載荷理論平衡條件所需氣缸作用力，根據(jù)不同速度選擇不同的負(fù)載率，使氣缸輸出力稍有余量。缸徑過小，輸出力不夠，但缸徑過大，使設(shè)備笨重，成本提高，又增加耗氣量，浪費(fèi)能源。在夾具設(shè)計(jì)時，應(yīng)盡量采用擴(kuò)力機(jī)構(gòu)，以減小氣缸的外形尺寸。
4、活塞行程
與使用的場合和機(jī)構(gòu)的行程有關(guān)，但一般不選滿行程，防止活塞和缸蓋相碰。如用于夾緊機(jī)構(gòu)等，應(yīng)按計(jì)算所需的行程增加10～20㎜的余量。
5、活塞的運(yùn)動速度
主要取決于氣缸輸入壓縮空氣流量、氣缸進(jìn)排氣口大小及導(dǎo)管內(nèi)徑的大小。要求高速運(yùn)動應(yīng)取大值。氣缸運(yùn)動速度一般為50～800㎜/s。對高速運(yùn)動氣缸，應(yīng)選擇大內(nèi)徑的進(jìn)氣管道；對于負(fù)載有變化的情況，為了得到緩慢而平穩(wěn)的運(yùn)動速度，可選用帶節(jié)流裝置或氣—液阻尼缸，則較易實(shí)現(xiàn)速度控制。選用節(jié)流閥控制氣缸速度需注意：水平安裝的氣缸推動負(fù)載時，推薦用排氣節(jié)流調(diào)速；垂直安裝的氣缸舉升負(fù)載時，推薦用進(jìn)氣節(jié)流調(diào)速；要求行程末端運(yùn)動平穩(wěn)避免沖擊時，應(yīng)選用帶緩沖裝置的氣缸。
因此，本次設(shè)計(jì)移動裝置所選用氣缸的型號：A-CY1B25L-500
3.3 總體布局
經(jīng)過對以上運(yùn)動方案和各部件的設(shè)計(jì)方案的定性分析比較可確定該小型立式加工中心刀庫的總體設(shè)計(jì)方案為：自動換刀系統(tǒng)采用無機(jī)械手換刀，且刀庫置于立柱側(cè)面的橫梁上。刀庫在橫梁上的移動采用滾珠絲杠傳動和交流伺服電機(jī)采用盤形刀庫，由槽輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、分度和轉(zhuǎn)位，由交流伺服電機(jī)驅(qū)動。
總體結(jié)構(gòu)布局圖如圖3-2所示。
3.4 主要技術(shù)參數(shù)
根據(jù)已知條件，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，盡量使設(shè)計(jì)出來的加工中心結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，確定該加工中心的主要技術(shù)性能參數(shù)如下：
X、Y、Z行程（mm）
150×150×350
Z向快速移動速度（m/min）
15
X、Y向快速移動速度（m/min）
12
工作臺尺寸（長×寬）（mm×mm）
400×250
主軸轉(zhuǎn)速范圍（r/min）
0～18000
主軸電機(jī)功率（kw）
12
刀庫容量（把）
16
最大刀具重量（kg）
5
最大刀具長度 (mm)
250
定位精度（mm）
±0.025
重復(fù)定位精度（mm）
±0.005
主軸錐孔
ISO/BT40
換刀時間（s/次）
8
機(jī)床總重量（kg）
650
外形尺寸（長×寬×高）（mm×mm×mm）
2036×1264×1670
最大工作進(jìn)給速度（m/min）
1
工作臺允許載荷（kg）
15
鉆孔能力（mm）
10
銑削能力（cm3/min）
80
圖3.2總體布局圖
第四章 刀庫的設(shè)計(jì)
刀庫是加工中心的象征，是加工中心區(qū)別于NC鏜床和NC銑床的本質(zhì)所在，因此來說，刀庫的設(shè)計(jì)是加工中心設(shè)計(jì)的核心。由于作者所要設(shè)計(jì)的加工中心是一個主要用來加工中小批量電子元件等小型零件的小型加工中心，在滿足加工要求，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的條件下，應(yīng)盡量使加工中心的結(jié)構(gòu)緊湊，減小加工中心的外形輪廓尺寸，刀庫在滿足使用要求的前提下，盡量結(jié)構(gòu)使其簡單緊湊，易制造，從而降低生產(chǎn)加工中心的成本。
4.1 刀庫主要參數(shù)的確定
1、刀庫容量
本加工中心主要用來加工小型零件或多孔零件上的小孔和小平面，所以刀庫上主要安裝一些孔加工刀具（如鉆頭、擴(kuò)孔鉆等）和加工小平面的立銑刀及小直徑的面銑刀；同時又考慮到所選用電主軸軸端的尺寸及刀盤直徑等的限制；再考慮到主要用于中小批生產(chǎn)及教學(xué)實(shí)驗(yàn)等，刀具的品種不宜過多，以免造成不必要的浪費(fèi)和刀庫尺寸過大，采用16把刀。
2、刀具最大直徑和長度
立銑刀的最大直徑定為 63mm，最大工作部分長度定為250mm.
3、刀具最大重量為5kg.
4、刀具最大運(yùn)動線速度為22m/min～30m/min.
4.2 刀盤部分的設(shè)計(jì)
1、刀盤尺寸的確定
刀盤采用輪輻式結(jié)構(gòu)，這樣既能滿足使用的要求，又能保證刀盤的強(qiáng)度。在整個設(shè)計(jì)的過程中要保證各個尺寸在換刀過程不發(fā)生干涉即可，刀盤直徑為 600mm,其他尺寸見刀盤零件圖。
2、刀爪尺寸的設(shè)計(jì)
刀爪的外型尺寸根據(jù)40號刀柄設(shè)計(jì)。
第五章 軸的設(shè)計(jì)
軸是機(jī)械設(shè)備中的重要零件之一.其主要功能是支承作回轉(zhuǎn)運(yùn)動的零件,并傳遞運(yùn)動和動力.根據(jù)軸的受力情況不同,可把軸分成心軸、轉(zhuǎn)軸和傳動軸3種.軸的常用材料軸的材料主要采用碳素鋼和合金鋼,常用材料為優(yōu)質(zhì)中碳鋼,如35、45、50鋼，這里選取45鋼為材料.
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的合理外形應(yīng)滿足:軸和裝在軸上的零件要有準(zhǔn)確的工作位置;軸上的零件應(yīng)便于裝拆和調(diào)整;軸應(yīng)具有良好的制造工藝性.影響軸結(jié)構(gòu)的主要因素包括:軸的受力性質(zhì)、大小、方向及分布情況；軸上零件的布置和固定形式；所采用的軸承類型和尺寸；軸的加工工藝等.）軸的強(qiáng)度計(jì)算
由于功率P=400W已知,轉(zhuǎn)速n =250r/min,β取0.5,A取110, [т]取35MPa,
則軸徑 d ≥A3
d ≥1103= 128.7mm
式中 d--計(jì)算剖面處軸的直徑（mm）;
P--軸的傳遞功率（KW）；
n--軸的轉(zhuǎn)速（r/min）;
故d最小應(yīng)取129mm.軸徑取130mm。
校核軸
轉(zhuǎn)矩 T=9.55×10 p/n
T=9550000×0.4/250=10186N .mm
式中 p--功率；n—轉(zhuǎn)速。
圓周力 Ft1=2T1/d1=2×10186/120=1700N;
Ft2=2T2/d2=2×130822/120=681.4N;
Ft3=2T3/d3=620N;
徑向力 Fr1=Ft1tanα=1488N;
Fr2=Ft2tanα=248N；
Fr3=Ft3tanα=226N.
則由受力分析圖可知：
FAy=3687.4N,FAz=1342N,
FBy=1020.2N,FBz=372N,
水平面彎矩 Mcx=1342×30=40260N·mm;
Mdx=226×195=44070N·mm；
則M X ===59691 N·mm；
垂直面彎矩 Mcy=3687.4×30=110622 N·mm；
Mdy=620×195=120900 N·mm；
則M X===21872 N·mm；
求當(dāng)量彎矩 取修正系數(shù)α為0.6
M I = ==52371 N·㎜
MII ===19384 N·㎜
確定危險(xiǎn)截面及校核強(qiáng)度
σI= MI/ W
σI= MI/ W=52371/0.1×123=14.3 Mpa
σII= MI/ W=19384/0.1×123=11.6 Mpa
由參考文獻(xiàn)（機(jī)械設(shè)計(jì)手冊）知s=60 Mpa，滿足s￡小于s的條件，故設(shè)計(jì)的軸有足夠的強(qiáng)度，并有一定裕度。因此，此軸不必在做修改
軸的結(jié)構(gòu)和受力分析如圖5-1所示：
圖5-1-1
圖5-1-2 軸的結(jié)構(gòu)和受力分析
第六章 導(dǎo)軌的選型及計(jì)算
按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和摩擦特性劃分的導(dǎo)軌類型見表6-1,各類導(dǎo)軌的主要特點(diǎn)及應(yīng)用列于表中。
表6-1 導(dǎo)軌類型特點(diǎn)及應(yīng)用
導(dǎo)軌類型
主要特點(diǎn)
應(yīng)用
導(dǎo)軌類型
主要特點(diǎn)
應(yīng)用
滑動導(dǎo)軌
1, 結(jié)構(gòu)簡單,使用維修方便。2,未形成完全液體摩擦?xí)r低速易爬行 3,磨損大壽命低,運(yùn)動精度不穩(wěn)定
普通機(jī)床,冶金設(shè)備上應(yīng)用普遍
滾動導(dǎo)軌
1,運(yùn)動靈敏度高,低速運(yùn)動平穩(wěn)性好,定位精度高。2,精度保持性好,磨損少,壽命長。3,剛性和抗振性差,結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高,要求良好的保護(hù)
廣泛用于各類精密機(jī)床,數(shù)控機(jī)床,紡織機(jī)械等
塑料導(dǎo)軌
1,動導(dǎo)軌表面貼塑料軟帶等與鑄鐵 或鋼導(dǎo)軌搭配,摩擦系數(shù)小,且動靜摩擦系數(shù)搭配,不易爬行,抗摩擦性能好。2,貼塑工藝簡單。3,剛度較低,耐熱性差容易蠕變
主要應(yīng)用與中大型機(jī)床壓強(qiáng)不大的導(dǎo)軌應(yīng)用日益廣泛
動壓導(dǎo)軌
1,速度高(90m/min~600m/min),形成液體摩擦2,阻尼大,抗陣性好 3,結(jié)構(gòu)簡單,不需復(fù)雜供油系統(tǒng),使用維護(hù)方便4,油膜厚度隨載荷與速度而變化。影響加工精度,低速重載易出現(xiàn)導(dǎo)軌面接觸
主要用語速度高,精度要求一般的機(jī)床主運(yùn)動導(dǎo)軌
鑲鋼,鑲金屬導(dǎo)軌
1,在支撐導(dǎo)軌上鑲裝有一定硬度的不鋼板或鋼帶,提高導(dǎo)軌耐磨性,改善摩擦或滿足焊接床身結(jié)構(gòu)需要。2,在動導(dǎo)軌上鑲有青銅只類的金屬防止咬合磨損,提高耐磨性,運(yùn)動平穩(wěn)精度高
鑲鋼導(dǎo)軌工藝復(fù)雜,成本高。常用于重型機(jī)床如立車,龍門銑床的導(dǎo)軌上
收藏