立式加工中心自動換刀裝置設(shè)2計介紹

1、立式加工中心自動換刀裝置設(shè)計摘要上個世紀九十年代以后，數(shù)控加工技術(shù)獲得快速的發(fā)展，并且日益普及。數(shù)控加工中心作為新世紀數(shù)控機床的代表，已在機床領(lǐng)域普遍使用。加工中心的換刀裝置作為加工中心最主要的部分之一，它的發(fā)展也直接決定了加工中心的發(fā)展。本論文基于VDL1000小型立式加工中心，進行了盤式刀庫的主軸準停裝置、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置和刀庫橫移裝置的選擇和設(shè)計。該機床的盤式刀庫可滿載裝刀20把，以單環(huán)排列方式放置，按就近選刀方式選擇，采用無機械手換刀方式。這種圓盤式刀庫在數(shù)控加工中心上被普遍使用，它換刀過程非常簡單，所需換刀時間也比較短，而且定位精度高；總體結(jié)構(gòu)也簡單、緊湊，動作精確可靠；維護成本較低。本

2、次刀庫的主軸準停裝置采用機械式槽輪機構(gòu)，槽輪機構(gòu)用有較小沖擊,較高工作效率，較高工作穩(wěn)定性等優(yōu)點，橫移裝置采用氣動裝置，氣動裝置具有動作迅速，工作介質(zhì)成本低等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：立式加工中心，自動換刀，無機械手，槽輪機構(gòu)東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文）第II頁目錄目錄II1緒論11.1 加工中心的概述11.2 加工中心的發(fā)展史11.3 加工中心現(xiàn)狀11.4 加工中心未來發(fā)展趨勢21.5 本次研究內(nèi)容22加工中心自動換刀裝置概述32.1 自動換刀裝置概述32.2 刀庫32.3 選刀方式32.4 刀具交換裝置42.5 本章小結(jié)43總體方案設(shè)計53.1 VDL加工中心的主要參數(shù)53.2 VDL1000立

3、式加工中心換刀裝置設(shè)計參數(shù)53.3 換刀過程53.4 刀爪的設(shè)計63.5 本章小結(jié)74主軸準停裝置設(shè)計94.1 主軸準停裝置的選擇94.2 槽輪機構(gòu)的工作原理104.3 槽輪機構(gòu)參數(shù)計算114.4 本章小結(jié)12中快東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文）第III頁o5刀庫轉(zhuǎn)動電機的選擇135.1 刀庫負載扭矩TF的計算135.2 加速扭矩TJ的計算145.3 驅(qū)動電機輸出扭矩TD計算145.4 電機的初選與校驗145.6 本章小結(jié)166刀庫橫移裝置設(shè)計176.1 刀庫導(dǎo)軌的設(shè)計176.2 橫移支架的設(shè)計176.3 橫移驅(qū)動裝置選擇196.4 氣動裝置工作原理圖206.5 橫移裝置圖216.6 總裝配

4、圖216.7 本章小結(jié)23結(jié)論24致謝25參考文獻錯誤！未定義書簽。東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計 （論文）第1頁1緒論1.1 加工中心的概述加工中心是在機床的機械部分基礎(chǔ)上加上數(shù)控部分而產(chǎn)生，它能夠加工一些特殊類型產(chǎn)品，工作效率和自動化程度都很高。因為加工中心可以自動換刀，所以不需要再次裝夾就可以完成多道工序，可以大量減少工件裝夾的次數(shù)、節(jié)省多次裝火的時間，減少工件轉(zhuǎn)運的功夫，這讓加工中心的加工利用率一般三倍到四倍于普遍應(yīng)用的機床。因此可以說，加工中心不但在加工精度方面有了較大提升，并且自動化程度和生產(chǎn)效率和普通機床相比都是最高的。加工中心正是因為它的工作效率和精度比較高，所有國家都比較重視，現(xiàn)

5、在它的發(fā)展速度和所占比重在各種數(shù)控機床產(chǎn)品中排第一，成為被制造加工業(yè)最廣泛使用的設(shè)備。新世紀以來，我國的汽車、航空和模具等行業(yè)獲得較快發(fā)展，對加工中心的需求量也越來越大。1.2 加工中心的發(fā)展史上世紀六十年代，美國的特雷克公司第一次把銃、鉆、鍵等工序綜合在一起生產(chǎn)出世界上首臺加工中心。它是加工制造技術(shù)發(fā)展的一個標志性轉(zhuǎn)折點，預(yù)示著制造加工業(yè)數(shù)控加工的到來，數(shù)控加工是當今時代生產(chǎn)產(chǎn)品中很重要的生產(chǎn)方法，它的面世對于生產(chǎn)制造行業(yè)來說，具有的影響尤為重要。在這個世界上，所有工業(yè)比較發(fā)達的國家對數(shù)控加工技術(shù)的鉆研都非常注重。四十多年以來，加工中心有了飛躍性的進步，出現(xiàn)了很多類型的加工中心，而且每種類型

6、加工中心的加工能力在不斷增強。1.3 加工中心現(xiàn)狀加工中心在機械加工行業(yè)獲得非常廣泛應(yīng)用，當下全球加工中心總的年產(chǎn)量已經(jīng)超過五萬臺，美國、日本、德國和臺灣等是最有代表性的出產(chǎn)國。日本的機床市場具有很強的出產(chǎn)力和消耗力，每年出產(chǎn)量高出上萬臺，此中以立式加工中心為主要機型，每年的出產(chǎn)量大約在五六千臺，日本主要有三菱、莊田等公司出產(chǎn)加工中心。德國出產(chǎn)的加工中心的質(zhì)量和加工效率都是最好的，近些年以來每一年的生產(chǎn)量在四五千臺左“ 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(論文)第2頁右，以臥式加工中心為代表性機型，年出產(chǎn)量在一千五到兩千臺左右，其他加工中心的年生產(chǎn)量約在兩千到三千臺，德國主要有西門子、科恩等公司出產(chǎn)加

7、工中心。美國是全球出產(chǎn)機床具有代表性國家的其中一個，然而近些年因為他國內(nèi)消耗力不足，出口也面臨著強烈的競爭，以至于它的年出產(chǎn)量每年都有下降的趨勢，每年出產(chǎn)量只能維持在七八千臺，主要產(chǎn)量來源于MAG、哈挺等公司。臺灣的加工中心產(chǎn)量在全球排第一，每年的生產(chǎn)量可以達到一萬六到一萬八千臺，但是由于部分加工中心沒有裝微機控制器等重要原件的關(guān)系，每一臺的售價基本上屬于偏低的狀態(tài)。韓國在全球的加工中心產(chǎn)量也比較靠前，每年生產(chǎn)的加工中心約為四千到五千臺。在將來內(nèi)地或許能成為加工中心主要的產(chǎn)地，主要因為上述產(chǎn)量比較大的地區(qū)和國家將生產(chǎn)基地轉(zhuǎn)移到內(nèi)地，再加上內(nèi)地的廠商也在加大對加工中心研制的投入，將來內(nèi)地技術(shù)成熟

8、后成為全球主要加工中心產(chǎn)地的可能性很大。1.4 加工中心未來發(fā)展趨勢(1) .向局效、局精、局速發(fā)展由于我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，加工制造業(yè)對機床的生產(chǎn)速度、加工精度和加工效率的要求也在逐漸提高，尤其是汽車、電子技術(shù)、航空航天等行業(yè)。1(2) .五軸聯(lián)動的技術(shù)五軸聯(lián)動技術(shù)是一種專門用于加工特殊曲面的技術(shù)，這種技術(shù)代表著一個國家的加工中心加工水平。2(3) .與機器人配合使用把工業(yè)機器人和加工中心配合起來使用，由于機器人動作精確而且不會疲勞，可以大幅提高生產(chǎn)效率和節(jié)約生產(chǎn)成本。(4) .更看中綠色生產(chǎn)重視機器、環(huán)境、人三者之間的關(guān)系，在提高機器生產(chǎn)率的同時減少對環(huán)境的破壞和對機器使用者的健康影響。1.

9、5 本次研究內(nèi)容本章先是概述了加工中心，接著介紹了下加工中心的發(fā)展史，然后把焦點轉(zhuǎn)移到加工中心的現(xiàn)狀，最后再根據(jù)現(xiàn)狀來判斷和預(yù)測將來的發(fā)展方向東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計 （論文）第5頁2加工中心自動換刀裝置概述2.1 自動換刀裝置概述自動換刀裝置的英文簡為ATC對加工中心來說非常重要，是加工中心好壞與否的重要環(huán)節(jié)，它的換刀效率對加工中心的效率有著很大的影響，它的工作穩(wěn)定性與加工中心的工作穩(wěn)定性聯(lián)系非常緊密。因此每一個加工中心的生產(chǎn)廠家都在花大本錢開發(fā)研究換刀速度快、準確可靠的自動換刀裝置，使他們能夠在激烈的市場競爭中獲得一定的優(yōu)勢。自動換刀裝置一般分為三部分，它們分別是刀庫，選刀和刀具交換。3

10、2.2 刀庫從加工中心出現(xiàn)發(fā)展到現(xiàn)在，國內(nèi)外的加工中心刀庫經(jīng)常使用的有：轉(zhuǎn)塔式、斗笠式和鏈式刀庫。轉(zhuǎn)塔式刀庫，還可以分為水平和垂直兩種轉(zhuǎn)塔頭刀庫，把全部的刀裝在一個轉(zhuǎn)塔上,不用機械臂換刀，一般只能夠容納六到八把左右的刀，通常被用在小型或者輕型的加工中心，比如車削中心或者鉆削中心等。斗笠式刀庫呈盤狀，刀具沿著圓盤陣列，斗笠式刀庫的結(jié)構(gòu)比較簡單和緊湊，被使用的也比較多，但是刀具僅僅是單環(huán)陣列，對空間的使用率比較低。如果想要擴大刀庫的容量，則需要增大盤子的直徑，那么轉(zhuǎn)動慣量會跟著盤子的變大而變大，選刀要用的時間也會更長長。鏈式刀庫，鏈環(huán)的形狀有很多種，經(jīng)常被用在需要容納較大數(shù)量刀的加工中心。鏈式刀庫

11、占用很少的空間，通常能容納三十到一百二十把刀，如果想要擴大刀具的容納量,只要增加鏈長久可以了，或者把多個刀庫并聯(lián)或串聯(lián)起來使用也是可以的，這樣可在刀庫容納量變大的同時不會增加圓周速度，轉(zhuǎn)動慣量也不會變大。2.3 選刀方式數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出選擇刀具的指令，然后機床本身在刀庫中選出指令中所要求的刀具稱為自動選刀，通常分為順序選刀和任意選刀兩種。順序選刀是根據(jù)工藝流程的順序在加工前把刀按這順序放入刀庫，在加工時只要根o據(jù)這順序調(diào)用刀具就可以了。當工藝變了的時候，又得按照新的順序重新放置刀具，每換個工件或者工藝就得重設(shè)，非常麻煩，而且在同一工藝中刀具不能反復(fù)使用，因此需要常備幾把相同的刀具。如果一道工序只需

12、幾把刀但是每把刀需要使用多次，此種選刀方式對刀庫容量的要求就會變大幾倍。任意選刀是根據(jù)工藝需要選出所需的刀具，然后編上編碼放入刀庫，不用按照工藝順序，系統(tǒng)只要發(fā)出選哪把刀的指令，機床就可以按就近原則選擇正確的刀具，這種選刀方法可以節(jié)省好多工作量，相同的刀具也只需一把即可。2.4 刀具交換裝置刀具交換裝置是ATC中用來實現(xiàn)刀具輸送的，它是把刀庫的刀具送到主軸換上或者把主軸的刀具換下送回刀庫，一般分有機械手和無機械手兩種換刀方式。大多數(shù)的加工中心都選擇使用機械手換刀，機械手先將主軸上已經(jīng)使用過的刀具卸下取回刀庫，然后將刀庫里即將需要使用的刀具送到主軸并且裝上。雖然它需要的換刀時間比較短，但是它需要

13、有相當復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。無機械手換刀方式，一般在刀具刀柄小于四十號的小型加工中心或者需要換刀次數(shù)比較少的重型機床上使用。此換刀方式因為用不到機械手，所以僅需要比較簡單的結(jié)構(gòu)。換刀的第一步是將已經(jīng)用過的刀具取回刀庫，然后從刀庫中選好即將使用的刀具換到主軸上，這兩個動作不可以一起進行，所以換刀的過程比較繁復(fù)，換刀所需的時間相對有機械臂的也較長。另外，刀庫的選刀時轉(zhuǎn)動是在加工中心停止工作的情況下進行的，因此,減少了刀庫轉(zhuǎn)動時的震動對加工精度的影響。無機械手換刀方式可以用在斗笠式刀庫也可以用在鏈式刀庫。斗笠式的刀庫可以安裝在立柱頂上或者立柱主軸箱的側(cè)面，也可安裝在橫梁一端，由主軸箱和刀庫配合運動實現(xiàn)自動換刀

14、。鏈式刀庫可以安裝在工作臺上方，也可以安裝在工作臺的一端或兩端，由工作臺配合進行自動換刀。2.5 本章小結(jié)本章先介紹了加工中心自動換刀裝置的定義和組成部分，自動換刀裝置是加工中心非常緊要部分的其中一個，是加工中心成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通常由刀庫、選刀和刀具交換三部分組成，然后再具體介紹了每個部分分類和這些類別的工作原理等。3總體方案設(shè)計3.1 VDL加工中心的主要參數(shù)工作臺1120/1300X560mm,采用了日本三菱E68控制系統(tǒng)，操作簡單方便，可進行直線插補和圓弧插補操作。在工作臺上一次裝夾零件后可自動完成銃、鏈、鉆、擴孔、攻絲等多種工序加工。其基本規(guī)格為：X軸最大行程：1020mmY軸最大行程

15、：560mmZ軸最大行程：600mm主軸最前端面到工作面臺：135735mm主軸中心線到立柱前面距離：591mmT型槽（槽數(shù)X槽寬X槽距）：5X18X100工作臺最大承重：750Kg工作臺尺寸：1120x560mm錐口類型：ISO40#主軸的最大轉(zhuǎn)速：8000r/minX/Y/Z軸最大功率：2KwX/Y/Z軸的最大進給率：30/30/24m/minX/Y/Z軸工作進給率：110000mm/min3.2 VDL1000立式加工中心換刀裝置設(shè)計參數(shù)刀具數(shù)量：20刀具類型/錐柄：BT40最大刀具重量：7Kg最大刀具直徑：100換刀類型：斗笠式3.3 換刀過程東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(論文)第6頁圖

16、3.2刀具的刀爪尺寸!號I號刀u2號刀主軸盛停2號濡刀庫前迸號"(心)萬庫前進(a)刀庫旋轉(zhuǎn)(h)主軸下降主軸松刀匕開號刀I號荷庫退回2號”號1號刀痘P2號刀I號刀2號刀(d)主軸松JJ(。刀庫旋轉(zhuǎn)(1)主軸下降(g)刀庫退回圖3.1換刀過程3.4刀爪的設(shè)計中快 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文）第7頁如圖3.2所示即為刀具的刀爪，上下兩部分可以繞著螺錠旋轉(zhuǎn)，中間部分固定，彈簧平時保持壓縮狀態(tài)，這樣就可以一直夾著刀具。彈簧的中心有電磁鐵，當電磁鐵通上電相互吸引的時候，彈簧被再壓縮，爪子打開，可以進行刀具的交換圖3.3刀爪在刀盤上的裝配如圖3.3所示，為爪子與刀盤的裝配，一共20個爪子

17、圍繞著刀盤排列，爪子中間與刀盤固定住，兩半與刀盤用螺錠連接，可以旋轉(zhuǎn)。3.5本章小結(jié)I東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文）第8頁本章簡述了VDL1000加工中心的主要工作參數(shù)，以這些參數(shù)作為設(shè)計背景，確定本次畢設(shè)設(shè)計的自動換刀裝置是斗笠式刀庫并且是無機械手的自動換刀方式，最后還進行了夾刀具用的爪子設(shè)計。0東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計 （論文）第#頁4主軸準停裝置設(shè)計4.1 主軸準停裝置的選擇加工中心為了自動換刀的順利實現(xiàn)，必須在機床上裝有主軸準停裝置，因為刀具安裝在主軸上，切削時單單用錐孔的摩擦力來傳遞的切削轉(zhuǎn)矩是遠不夠的，所以必須在主軸前端裝有一個突鍵。當?shù)毒咭b到主軸上時，刀柄上的鍵槽務(wù)必與主

18、軸上的突鍵相一致，才可以換刀成功.也就是說想要換刀成功主軸必須能夠正確停在一個固定的角度。由此可以知道主軸能否準停是自動換刀過程是否能夠順利實現(xiàn)的重要因素。一般主軸準停的方式主要有兩種，分別為機械式和電氣式。機械式準停一般使用槽輪機構(gòu)或者光電盤機構(gòu)完成大致定位，接著利用一個氣動或者液動的插銷插入槽輪機構(gòu)上的銷孔或銷槽完成準確定位，換刀完成后插銷縮回，主軸才又開始運行。電氣準停一般分為以下兩種方式：第一種是靠磁性傳感器檢測定位，在主軸上裝上一個與主軸一塊兒轉(zhuǎn)動的發(fā)磁體，在間隔發(fā)磁體轉(zhuǎn)動外軌跡一到兩毫米處安裝一個磁傳感器，它通過放大器與主軸的控制單元連接，當主軸需要定位時，就可以準確地停止在原先設(shè)

19、定好的位置。第二種是用位置編碼器來檢測定位，這種準停方式是在主軸電動機里面裝上一個位置編碼器或在機器的主軸箱上裝上一個位置編碼器與主軸一比一同步旋轉(zhuǎn)來達到準?？刂疲瑴释５慕嵌饶軌螂S意設(shè)置。由于電氣機構(gòu)設(shè)計比較復(fù)雜，所以本次刀庫設(shè)計的主軸準停裝置選擇機械式槽輪機構(gòu)，定位銷采用氣動的形式。準停裝置如圖4.1所示的槽輪機構(gòu)和小氣缸，由槽輪機構(gòu)實習(xí)刀庫的分度運動，當?shù)稁旆侄韧瓿尚枰獪释５臅r候，氣缸的活塞伸出來插入槽輪的槽中阻止這些機構(gòu)的慣性運動以實現(xiàn)準停。當換刀完成以后，氣缸活塞縮回，以便下次換刀。圖4.1準停裝置示意圖4.2 槽輪機構(gòu)的工作原理槽輪機構(gòu)工作的原理比較復(fù)雜，它能夠?qū)⒅鲃虞S的持續(xù)勻速動作

20、變?yōu)閺膭虞S的周期性間斷動作，常常被用在各種需要分度轉(zhuǎn)位運動的機器中。4槽輪機構(gòu)常見的主要有外嚙合和內(nèi)嚙合等兩種結(jié)構(gòu)形式。刀庫可以使用外嚙合或者也可以使用內(nèi)嚙合的結(jié)構(gòu)形式，本次的換刀裝置設(shè)計使用的是外嚙合的結(jié)構(gòu)形式。外嚙合結(jié)構(gòu)形式工作的原理圖如下，它由主動曲柄、槽輪、撥銷和鎖止盤等工作原件組成。5外嚙合結(jié)構(gòu)形式的主動軸與主動曲柄連接，從動軸與槽輪連接，兩軸平行，主動曲柄的轉(zhuǎn)動通常是等速的，與主動曲柄固定一起，它如果在槽輪中快 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文）第11頁o的槽中，則從動軸的轉(zhuǎn)動方向與主動軸相反，如果圖4.2槽輪機構(gòu)原理圖它離開槽輪的槽，則從動輪不轉(zhuǎn)動，如果撥銷就一個，那么主動軸轉(zhuǎn)一

21、圈，從動軸只轉(zhuǎn)動360冊數(shù)的角度，以此來實現(xiàn)分度和定位等功能。4.3 槽輪機構(gòu)參數(shù)計算槽輪機構(gòu)的齒數(shù)z必須設(shè)定在三到十八之間，過大則會導(dǎo)致槽輪的尺寸太大，慣性力矩也會跟著它變大，在槽輪轉(zhuǎn)動到需要需要停止的位置時停止的震動也會過大。本次我本次設(shè)計的刀庫需要容下20把刀，因此在槽輪和刀盤傳遞轉(zhuǎn)動時需加上一對減速比為2:1的直齒圓柱齒輪減速器，然后選擇10齒的槽輪，這樣就可以讓槽輪轉(zhuǎn)兩圈，刀庫轉(zhuǎn)一圈，實現(xiàn)20把刀的準確定位。槽間角2巾2:2巾2=360o/Z=36o槽輪每次轉(zhuǎn)位時曲柄的轉(zhuǎn)角2巾1:2巾1=180o-22=144o槽輪與鎖止盤問的中心距L:根據(jù)刀盤的實際允許安裝空間大小初步確定L=13

22、0mm主動曲柄長度R1:R1=Lsin巾2=40.2mm槽輪半徑R2:R2=Lcos巾2=123.6mm圓銷半徑r：r=R1/6=6.7mm槽底高b：b=L-R1-r-4=79.1mm槽深h:h=R2-b=44.5mm鎖止弧半徑RX:RX=R1-r-e=28.81mm(e=0.60.8r)東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計 （論文）第#頁圖4.3槽輪與1:2減速齒輪的示意圖如上圖4.3所以，就是槽輪機構(gòu)的工作示意圖，槽輪每轉(zhuǎn)過一個槽輪槽，相當于轉(zhuǎn)過一把刀具，槽輪擁有10個槽，在2:1的直齒輪副的作用下，槽輪機構(gòu)完成兩周的轉(zhuǎn)動則刀盤完成一周的轉(zhuǎn)動，這樣就可以實現(xiàn)20把刀的分度。4.4 本章小結(jié)本章先是介

23、紹了刀庫準停裝置的選擇，然后再著重介紹了槽輪機構(gòu)的工作原理，介紹完原理之后根據(jù)加工中心的設(shè)計要求進行了槽輪機構(gòu)的參數(shù)計算東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計 （論文）第13頁5刀庫轉(zhuǎn)動電機的選擇在選取刀庫轉(zhuǎn)動電機的時候，應(yīng)該把刀庫負載扭矩TF和加速扭矩TJ作為重點考慮,只有同時符合這兩個要求的電機才可以作為本次換刀裝置的驅(qū)動電機使用。65.1 刀庫負載扭矩TF的計算斗笠式刀庫扭矩TF的初步計算方法：此種刀庫的負載扭矩的計算方法主要為了解WCP決刀具質(zhì)量的不平衡的問題，初步計算有以下兩種方法：第一，用均衡質(zhì)量的刀具裝滿刀庫的半個圓，按照工藝需要選出要用的所有刀具，確認每把刀具的的平均重量（包含刀柄的重量）

24、，它的中心則假設(shè)定在刀庫轉(zhuǎn)動中心的2/3半徑處（如下圖a）o假設(shè)當兩個質(zhì)量最大的刀具鄰著放置時，他們的間距為5mm,那么相鄰刀套中心第二，把重量最大的三把刀具放在一起，根據(jù)加工中心原先設(shè)定的最大刀具質(zhì)量 Wmax,距為105mm,夾角為18o,可知刀套放置半徑為R=105/sin18o=339.8mm,圓整為340mm。按方法二計算：TF=3XWmaxXgXR=3X7X9.8X340X10-3=69.97N-m中快 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(論文)第14頁5.2 加速扭矩Tj的計算TJ=2ttnm/60tJX(Jm+J1)N-m式中：nm-刀庫選刀時的電動機轉(zhuǎn)速(r/min)tJ-加速時間，

25、通常取150200msJm-電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量(Kg-m2)J1-負載慣量折算到電動機軸上的慣量(Kg-m2)5.3 驅(qū)動電機輸出扭矩Td計算驅(qū)動電動機的輸出扭矩TD務(wù)必一起達到刀庫負載扭矩TF和加速扭矩TJ之和，用上面計算出來的刀庫負載扭矩和加速扭矩轉(zhuǎn)計算驅(qū)動電機的輸出扭矩的公式為TD=(TF+TJ)/i-7式中i-電動機軸傳至刀庫軸的速比”-傳動效率5.4 電機的初選與校驗假設(shè)刀庫選刀時電機的轉(zhuǎn)速nm為19r/min,加速時間假定為tJ=200ms,電動機軸傳到刀庫軸的速比假定為40,則電機的同步轉(zhuǎn)速為750r/min,初選電機為Y90L-8。電機參數(shù)：額定功率：0.55Kw額定轉(zhuǎn)矩TS=

26、2Nm額定轉(zhuǎn)速：660r/min轉(zhuǎn)動慣量：3.5x10-3Kg-m269.970.34負載慣量折算到電機軸上的慣量J1=98x40=60.7X10-3Kg-m2TJ=2兀X19/(60X0.2)X(3.5X10-3+60.7X10-3)N-m=0.64N-m驅(qū)動電機的輸出扭矩必須稍大于刀庫負載扭矩和加速扭矩之和才能選刀電動機軸到刀庫軸的速比i=40,設(shè)減速器的傳動效率7=0.969.970.64TD=400.9=1.96N-m由于初選電機的額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩TS<TD,所以初選電機合適5.5 減速器的選擇東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計 （論文）第#頁減速器是一種連接原動機和工作機的獨立開來的閉式或

27、者開式傳動裝置，是為了降低轉(zhuǎn)速和變大轉(zhuǎn)矩，進而達到工作要求。在一些特殊場合也可以用它來增速，便稱之為增速器。在選取減速器時必須考慮到工作機的選取使用條件，技術(shù)參數(shù)，動力機的性能和價格等因素，對比各種型號和各種種類減速器的傳動效率、承受載荷能力、經(jīng)濟性等因素，然后選用最適合的減速器。由于本次畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容是加工中心的自動換刀裝置設(shè)計，減速器只是一個輔助裝置，所以本次不對減速器進行設(shè)計，直接選用標準的減速器。電機的同步轉(zhuǎn)速為750r/min,傳動比為40,所以初選減速器為ZSY160。減速器的承受載荷的能力受兩因素的影響，分別為機械強度和熱平衡許用功率，所以本次選擇這兩方面對初選的減速器進行校驗。

28、一.P2m=P2KASA<P1式中P2m機械強度計算功率，kWP2負載功率，kWSA安全系數(shù)KA工況系數(shù)（即使用系數(shù)）P1減速器公稱輸入功率ZSY160減速器的P1=11kW,由于工作時沖擊較小、安全系數(shù)較高，選擇KA=0.8,SA=1.1P2=69.95X19+9550=0.14kWP2m=0.14X0.8X1.1=0.123kW<P1二.P2t=P2f1f2f3三PG1式中P2t計算熱功率環(huán)境溫度系數(shù)一一f1=0.9載荷率系數(shù)一一f2=0.56公稱功率利用系數(shù)一一f3=1.25由于功率較小，無需冷卻裝置，所以PG1=24kWP2t=0.14X0.9X0.56X1.25<P

29、G1所以ZSY160減速器符合要求。圖5.2電機減速器工作示意圖減速器如圖5.2所示的電機旁邊的方塊，在電機和渦輪蝸桿的裝置中間增加一個減速器，因為電機轉(zhuǎn)速太快的話會增大分度裝置和準停裝置的沖擊，也可能會影響到準停的準確性。5.6 本章小結(jié)本章主要進行了刀庫轉(zhuǎn)動電機的選擇，包括電機的初選和校驗等計算過程，最后再進行了減速裝置的選擇和計算等。東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計 （論文）第17頁6刀庫橫移裝置設(shè)計6.1 刀庫導(dǎo)軌的設(shè)計整個刀庫需要用橫梁托住，裝滿刀具的刀庫質(zhì)量比較大，所以橫梁需要高的強度和剛度，而且刀庫需要移動一段距離，橫梁上還需裝有供刀庫移動的圓型導(dǎo)軌，為了防止刀庫在導(dǎo)軌上旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)軌采用

30、三根導(dǎo)軌并排的方式。為了讓橫梁牢固安裝在立柱上，橫梁設(shè)計為長方體，橫梁與立柱間用螺錠固定。再根據(jù)刀庫換刀需要移動的距離，還要考慮滑臺的寬度和刀盤的大小等，計算出圓導(dǎo)軌的總長。為了減少刀庫移動到兩端時的沖擊力，需要在導(dǎo)軌兩端都裝一個減振器，。圓導(dǎo)軌使用三根不同直徑的45號鋼導(dǎo)軌，然后進行表面淬火或者全淬火，淬火后的硬度需要達至UHRC56。6.2 橫移支架的設(shè)計圖6.1橫移支架圖中快 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文）第19頁如圖6.1所示，圖側(cè)面的三個孔是用來穿三根橫移導(dǎo)軌的，支架的另外三個孔是用來放穿齒輪和槽輪軸的?？着赃叺陌疾鄯派箱撝橐员爿S旋轉(zhuǎn)。下圖6.2即為此支架的加工圖。aWL B 5

31、CAILE 20圖6.2橫移支架加工圖下圖6.3所示的為橫移支架的工作示意圖，軸的末端直徑大于凹槽的直徑，這樣軸就可以被支架托住，因為有鋼珠，還可以進行旋轉(zhuǎn)圖6.3橫移支架與軸配合示意圖6.3 橫移驅(qū)動裝置選擇橫向移動裝置主要有三種方式：滾珠絲杠、液壓裝置、氣動裝置，以下是他們的比較：滾珠絲杠：它是一種能將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線進給的裝置，該裝置的螺母作用于內(nèi)部的滾珠，然后滾珠再作用于螺桿，滾珠在螺母內(nèi)部通過軌道一邊做圓周運動一邊向前運動，軌道在螺母上市循環(huán)相連的，所以滾珠也是循環(huán)使用。優(yōu)缺點：較高的傳動效率。（超過百分之八十五）。較高的靈敏度。（沒有抖動和爬行現(xiàn)象）。高的定位精度。（可以比較好地

32、完成無間隙傳動，而且剛度強，溫開小）使用壽命長。使用、潤滑和維修方便、可靠。可逆向傳動，不自鎖。東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計 （論文）第21頁成本高。液壓裝置：在液壓泵的壓縮作用下，液壓油帶有一定的壓力能，然后液壓管將高壓液壓油輸送到液壓缸等執(zhí)行元件，液壓缸內(nèi)的活塞兩端有壓力差，使活塞定向移動，釋放液壓能。優(yōu)缺點：定位剛度較大，位置誤差較小。能高速啟動、制動與反向。易實現(xiàn)無級調(diào)速，具有自身潤滑。可能會泄漏液壓油，從而對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，降低了工作效率。液體粘度隨溫度升高而降低，從而對系統(tǒng)供油量和執(zhí)行機構(gòu)運動速度的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。氣動裝置：由壓縮氣體的壓力缸組成，氣體在氣壓泵的壓縮下具有一定的

33、能量，氣體推動壓力缸內(nèi)的活塞做直線運動。優(yōu)缺點：氣動裝置與液壓裝置相比，動作更快速，更加簡單。使用的元件和工作介質(zhì)成本低。運動不平穩(wěn)。不能在氣缸閥中間位置停止?？紤]到本次橫移裝置只需要兩點之間移動，氣動裝置能夠?qū)崿F(xiàn)，而且氣動裝置相對滾珠絲杠和液壓裝置成本較低，所以本次選擇氣動裝置作為橫移的驅(qū)動裝置。圖6.4氣動原理圖6.5橫移裝置圖圖6.5橫移裝置示意圖圖6.5所示的是橫移裝置的示意圖，最左邊的是氣缸，中間的是三根圓導(dǎo)軌，由氣缸推動刀庫在三根圓導(dǎo)軌上移動。6.6 總裝配圖下圖6.6所示的是本次畢設(shè)的總裝配圖，電機轉(zhuǎn)動，經(jīng)減速器減速然后在蝸輪蝸桿的作用下改變轉(zhuǎn)動方向，槽輪的鎖止盤與渦輪蝸桿同軸旋

34、轉(zhuǎn)，都是鍵連接，然后由撥銷帶動槽輪盤旋轉(zhuǎn)，槽輪盤和齒輪減速器的小齒輪同軸，也是鍵連接，最后是小齒輪帶動與刀盤同軸的大齒輪旋轉(zhuǎn)完成選刀。換刀的時候氣缸推動支架前進，換刀完成氣缸縮回,支架也跟著縮回。中快 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文）第23頁圖6.6總裝配圖圖6.7裝配圖的平面圖6.7 本章小結(jié)本章主要介紹了刀庫橫移驅(qū)動裝置的選擇，還給出了氣動裝置原理圖和橫移部分的效果圖等，最后還展示了總裝配圖和裝配的平面圖。東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計 （論文）第25頁結(jié)論本次畢業(yè)設(shè)計的題目是立式加工中心自動換刀裝置設(shè)計。所針對的機床是VDL1000小型立式加工中心。本次論文是根據(jù)該立式加工中心中的工作能力

35、和一系列參數(shù)進行盤式刀庫的旋轉(zhuǎn)定位裝置的設(shè)計和計算，刀庫驅(qū)動電機的計算和校驗，減速器的選擇和校驗和刀庫橫移裝置的設(shè)計計算。由于刀庫的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所以本次設(shè)計僅對刀庫中重要工作部件如電機、減速器和槽輪機構(gòu)等進行相關(guān)的選擇、設(shè)計和計算,對于減速器和槽輪機構(gòu)的內(nèi)部軸和軸承等沒做過多考慮。換刀過程主要由電機驅(qū)動、經(jīng)減速器減速、再由槽輪機構(gòu)進行選刀，最后由橫移裝置將刀庫朝主軸運動進行換刀?？偟膩碚f，此次設(shè)計基本滿足換刀裝置設(shè)計要求。雖然本次畢業(yè)設(shè)計已基本完成，但自己覺得還是存在一些不足。比如刀庫在選刀時可以進行正反轉(zhuǎn)，如何克服空程差以保證精準定位等有待進一步研究。通過此次設(shè)計,我發(fā)現(xiàn)自己知識的運用能

36、力需要加強，解決問題的能力也有待提高，以后自己在這些方面一定要努力學(xué)習(xí)，提高自己工作以后的競爭力感謝東北大學(xué)秦皇島分校四年來對我的辛苦培育，讓我在大學(xué)這四年來學(xué)到很東西，特別感謝控制工程學(xué)院為我提供了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境、感謝領(lǐng)導(dǎo)、老師們四年來對我無微不至的關(guān)懷和指導(dǎo)，讓我得以在這四年中學(xué)到很多有用的知識。在此，我還要感謝在班級同學(xué)和朋友，感謝你們在我遇到困難的時候幫助我，給我支持和鼓勵，感謝你們。特別感謝我的指導(dǎo)老師陳利強老師，在本畢業(yè)設(shè)計中給予我悉心指導(dǎo)，從系統(tǒng)開發(fā)到結(jié)束中過程遇到很多困難都是她給我鼓勵與指引，使我能夠克服重重困難，將畢業(yè)設(shè)計完成，在此謹向陳利強老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。謝

37、謝！加工中心自動換刀的分析與研究張連忠本文介紹了自動換刀裝置的結(jié)構(gòu)，單片機是用來實現(xiàn)自動換刀。自動換刀的過程。它適用于各種加工中心，適用于實際生產(chǎn)加工及機床及整條生產(chǎn)線的數(shù)控生產(chǎn)效率。加工中心ATC是一種裝置來實現(xiàn)的ATC如在加工中心的重要組成部分，是為了減少非切削時間，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，從而提高工藝加工更重要的設(shè)備，并且該結(jié)構(gòu)設(shè)計過程及其控制是實現(xiàn)設(shè)計和制造的關(guān)鍵。加工中心換刀過程比較復(fù)雜，行動，關(guān)系之間有更多的相互協(xié)調(diào)，從而空管系統(tǒng)的性能將不會對加工效率的高低直接影響。因此,它正在處理的主要教學(xué)實踐和培訓(xùn)機構(gòu)。一.引言90年代以來，數(shù)控加工技術(shù)已迅速普及和發(fā)展，數(shù)控機床在制造業(yè)已

38、經(jīng)越來越廣泛的應(yīng)用?？展芟到y(tǒng)在現(xiàn)代先進制造全自動數(shù)控加工中心中扮演著越來越重要的作用，它可以縮短產(chǎn)品制造周期，提高產(chǎn)品加工精度和靈活性進行處理。數(shù)控加工中心是一個比較復(fù)雜的機加工設(shè)備，并廣泛用于其處理能力與各種廣泛的應(yīng)用，從它的配置設(shè)備以其強大的處理能力和效率的好處，那就是自動換刀。.自動換刀結(jié)構(gòu)設(shè)計中快 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文）第29頁A.結(jié)構(gòu)設(shè)計刀（1）設(shè)計刀的結(jié)構(gòu)中，選擇按照存儲在所述刀工具的數(shù)量以及該工具的最大直徑，計算出車輪刀直徑最小，應(yīng)該有相鄰工具之間的一些空間。的維數(shù)刀爪是專為BT30刀柄。刀具容量是8,并且整個刀的直徑圓盤270毫米。刀（2）傳輸1）,使用單蝸桿傳動，

39、實現(xiàn)刀的旋轉(zhuǎn)，這種傳輸機制，可以在任何時間上的差距，在使用蝸桿傳動的進行調(diào)整，以實現(xiàn)準確的轉(zhuǎn)運點，保證了刀的可靠性。蝸桿傳動比為48:1，刀比，方便軟件編程旋轉(zhuǎn)圓盤刀的控制，以達到準確定位的人數(shù)的8%。2）使用步進電機來實現(xiàn)蝸桿傳動。3）使用液壓缸，實現(xiàn)由固定在主軸的軌道滑坡的刀，完成換刀過程。整刀的行程為130mm自動換刀能夠在一次裝夾加工中心完成幾個甚至所有工件，它可以縮短輔助時間，降低了工件的錯誤一再引起安裝，提高了產(chǎn)品的加工精度。ATC將滿足時間短，重復(fù)的工具，工具足夠的存儲容量，工具小面積，以及安全可靠的小尺寸要求高的定位精度。三。自動換刀控制系統(tǒng)的設(shè)計為了實現(xiàn)自動換刀的數(shù)控系統(tǒng)連接

40、，我們使用的是單片機控制裝置實現(xiàn)了自動換刀過程。兩個輸入信號的連接實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)，也就是接受空中交通管制信號，并要求從數(shù)控系統(tǒng)的到來，以及數(shù)刀信號；有兩個輸出點，即，反饋信號給數(shù)控系統(tǒng)和完成空管，以及已完成的工具的信號。A.設(shè)計思路（1）第一ATC（1號刀具對齊到主軸的要求）ATC接收到的第一請求的信號，并且將所需要的刀，該刀快進到主軸位置時，所述旋轉(zhuǎn)盤刀（實現(xiàn)最短時間）的判斷的方向，并以旋轉(zhuǎn)刀的方向設(shè)定在特定位置（加速-勻速-減速），判斷刀是否到位，落實到位主軸周圍的旋轉(zhuǎn)后，等待空管完成的。空管完成后，刀迅速返回并設(shè)置了信號的數(shù)控系統(tǒng)。（2）第二個ATC（在這一點上有刀主軸）當主軸上的刀，這是

41、空中交通管制及所需的信號，刀快進到主軸位置的第二個請求。首先判斷是否有在這個時候主軸刀，如果是這樣，刀軸，旋轉(zhuǎn)盤絞刀，與相對位置加速的基礎(chǔ)上-恒-減速，然后判斷刀是否到位，放在主軸周圍的旋轉(zhuǎn)后的地方，等待完成刀的回報。完成后，載完成的信號給數(shù)控系統(tǒng)，并等待主軸的遷移，重復(fù)，空管再次根據(jù)刀的需求的第一步。（3）最后的ATC在完成整個過程后，主軸上的刀具需要返回。刀快進到主軸位置，根據(jù)主軸上的刀，腐爛叉盤絞刀，用相對位置（加速-恒-減速），判斷刀是否到位，落實到位主軸周圍的旋轉(zhuǎn)后，等待完成刀的回報?？展芡瓿珊螅堆杆俜祷夭⒃O(shè)置了信號的數(shù)控系統(tǒng)。B.系統(tǒng)組件（1）結(jié)構(gòu)的決定，并自動換刀系統(tǒng)的工作原理

42、后，AT89C51單片機應(yīng)該被用來控制步進電機實現(xiàn)精確的刀移，從而實現(xiàn)空中交通管制的過程。該系統(tǒng)采用110BF反應(yīng)組分對步進電機的實施方式中，步距角為o0.75每個步驟中，步進電機是脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線或角位移，并廣泛用于工業(yè)控制系統(tǒng)的無功分量。它的機械角位移和速度與電動機的脈沖頻率和脈沖數(shù)的輸入繞組與頻率成比例，并且可以進行改變調(diào)速器的范圍之內(nèi)的電脈沖，同時，馬達可以快速啟動，制動器和撥自鎖；此外，步進電機很容易實現(xiàn)與2.3的步進電機步距電力相序方向控制。（2）使用軟件來代替環(huán)形脈沖分配器，從并行端口和控制字符（同一順序的步進電機功率）實現(xiàn)直接控制的脈沖輸出從存儲器中讀出，然后送到的嘴單芯片的

43、并行輸出，從而實現(xiàn)步進電機的版本和倒置。此方案不僅簡化了系統(tǒng)的硬件線路，降低了成本，而且還根據(jù)控制系統(tǒng)的需求改變步進電機的操作方式。當使用三相6拍步進電機，電順序是A-AB-BC-BC-CA-A;電力相反的順序是A-AC-C-CB-BA-AB-。止匕外，控制進給脈沖的頻率，改變的MCUJ出端口（輸出字）的狀態(tài)碼之間的間隔時間后，電機速度可以調(diào)整，以實現(xiàn)加速的發(fā)送-恒定-刀的轉(zhuǎn)換，從而縮短時間，提高空管效率。四.結(jié)論本文介紹了自動換刀裝置及其控制設(shè)計的結(jié)構(gòu)，它承擔(dān)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，以及穩(wěn)定可靠的工作特性。它適用于各種加工中心，適用于實際生產(chǎn)加工和數(shù)控加工教學(xué)實習(xí)和培訓(xùn)的主要機構(gòu)。2.刀庫的總體設(shè)

44、計方案2. I課程設(shè)計的仃務(wù)及要求設(shè)計題目,數(shù)控加工中心自動換J系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計耍求：設(shè)訶-個立式數(shù)控加工中心口動換力系統(tǒng)的力庫裝置及其控制系統(tǒng)，主要性能指標參數(shù)如Fi刀庫截刀顯；E把；刀具形式工BT40,刀具苴徑；中63口叩；刀盤最低咕速：60”min；刀架水平運動行程240小采用PLC控制,Z2刀庫的類型選擇目前般刀庫按結(jié)構(gòu)形式可以分為以下幾種:）刀R佛存在惻型鼓輪上，這種刀庫結(jié)構(gòu)簡單.但刀具環(huán)形排列.空間利用率低，為了不致于刀庫外留過大導(dǎo)致轉(zhuǎn)動慣量過大，般刀陣容量在32把以下。使刀庫中處于換刀位和的刀具軸線平行于主軸軸線，以簡單的回轉(zhuǎn)式機械手對刀庫和主軸進行交換.要求刀庫容屋校大的場合.可以

45、采用空間利用率較高的多重型鼓輪式刀庫,這種刀庫的傳動裝置和控制裝置較為復(fù)雜.2）鏈式刀昨。刀具錯存在鏈條環(huán)節(jié)上，再以鏈輪驅(qū)動,結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫容量較大，鏈環(huán)的現(xiàn)狀可以根據(jù)機床的布局配置成各種形狀，也可以耨換刀位置突出以利換刀“巧燧式刀庫需要增加刀岸容量時.只需增加鏈條的長度,3.電機的選擇3. 1電機的選型及相關(guān)參數(shù)法納克公司生產(chǎn)的交流伺服電機性能型號3-02-01-0愉出功率（k嘮0,10.20,4額定轉(zhuǎn)矩勒力0.491.02.0筑大轉(zhuǎn)矩溫市2.27,816易高轉(zhuǎn)遴Crmin）3000200口2000轉(zhuǎn)了轉(zhuǎn)動慣域時斗乂”）7.3泡0"3.6乂I。.6加4. 2各部分轉(zhuǎn)動慣量的計算(1

46、)刀盤：Jnp=%其“1乂f)-=%x336x0,25*=0.1113(2)軸：%用"二%X4.35*0.13510.0264(3)刀具：JDJ=tn(R2+/J)=8*3MOJ5十%xO.Ol)=0.31方(4)槽輪：/45C-%(配+產(chǎn))-Tx(01+0,0父)=0.0303鎖止盤:眄解東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文）第33頁折算到電機上的魚載慣基慣量比在20倍以內(nèi).渦足要求曲整統(tǒng)的轉(zhuǎn)動 慣居加弋耳兀所以電機符合要 求選用XB1型浙波 山輪，版速比 IIKIJ4.機械系統(tǒng)的設(shè)計©(5)鎖止盤上(6)套筒工3T=命=0,068冥0.025*+0J29x0,0253-1.

47、23x104比3預(yù)選電機若設(shè)200W,則,訂=3/1x10V最高轉(zhuǎn)速為2000rinin速比：nc_2000100%-60-3可知：乙£二£JX)2=(0.1113+0.0264+0.3192+0.0303+%-小100、九人才0.0095+0.00(H)x(丁)=0.447*10Ji/=0.447xloV.=，4慣量比：/4/0,36力1廠'.滿足N倍以下的要求.由此對tiJJIV系統(tǒng)的利動慌為:4=%+4廣=0.447xIO036x0-5=0.S07x10JLL'L3.4電機的校核l1】由曄傣引起的摩擦力矩:Trc=國&=0.15x38.59x0.0678=0392<1,0(2)最大加速轉(zhuǎn)矩:丁二j過S=0.807x丁>：*2。=054560r.60x02"11(3)電機的最大啟動轉(zhuǎn)知工TCr=Tcdm+T/f.=0X45+00807二】f52<7.X通過上述校核，得出電機符合要求.加速裝置雙用XB1型通用諧波減速器,戰(zhàn)速比100；3,輸出軸徑20mnuR限儂CL4.機械系統(tǒng)的設(shè)計陽：341刃庫轉(zhuǎn)動定位機構(gòu)的設(shè)計力動換刀裝置.為了實現(xiàn)快速可靠.應(yīng)該滿足三點要求工運動平穩(wěn)、無沖擊,即最大加速度和最大速度要小.各相鄰動作可重疊者，要按其規(guī)律盡量多重疊.住個砌作要可靠.為了實現(xiàn)白動換刀