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1 緒 論
隨著科學技術的發(fā)展，世界先進制造技術的興起和成熟，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、超精密加工等技術的應用，對加工中心的組成部分提出了更高的性能指標。
加工中心是一種綜合加工能力較強的數(shù)控加工設備，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，其效率是普通設備的5～10倍，特別是它能完成許多普通設備不能一次完成的加工。加工中心對形狀較復雜，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備來保證產(chǎn)品質量和效率的工件，采用加工中心加工，可以省去工裝和專機。這為新產(chǎn)品的研制和改型換代節(jié)省大量的時間和費用，從而使企業(yè)具有較強的競爭力。然而目前國內(nèi)外加工中心的生產(chǎn)廠家設計生產(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、鏈式兩種刀庫。
盤式結構中,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構最為緊密，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。在刀庫容量較大時，為在存放方便的同時保持結構緊湊，可采用彈倉式結構，目前大量的刀庫安裝在機車立柱的頂面或側面，在刀庫較大時，也有安裝在專門的地基上，以隔離刀庫轉動造成的震動。
鏈式刀庫存放刀具容量比盤式大，結構比較靈活，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構。
1.1 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
1.1.1 當前世界NC機床的研究現(xiàn)狀
世界各國對數(shù)控機床、加工中心以至FMS、CIMS等各種新技術的研究與發(fā)展進程，是與世界經(jīng)濟形勢緊密相連的。機床工業(yè)與世界經(jīng)濟相互促進和發(fā)展，進入21世紀知識經(jīng)濟時代，人們的知識所起的作用更加突出，而機床工業(yè)作為機器制造業(yè)的基礎，其重點地位與戰(zhàn)略意義更加明顯。當前世界NC機床的技術研究主要有以下幾點：
1.更加重視新技術和創(chuàng)新
在世界范圍內(nèi)，對新工藝、新材料、新結構、新單元、新元件的研究開發(fā)工作正在大力發(fā)展，如新的刀具材料、新的主軸結構、高速電主軸、高速直線電機等的開發(fā)研究。以加工工藝的改進創(chuàng)新為基礎，為加工超硬、難切削材料及特殊符合材料及復雜零件、不規(guī)則曲面等在不斷研究開發(fā)新機種。
2.提高機床加工的精度的研究
為了提高加工中心的加工精度，不斷提高機床的剛度、減少振動，消除熱變形，降低噪聲，提高NC機床的定位精度、重復精度、工作可靠性、穩(wěn)定性、精度保持性，世界很多國家都在進行機床熱誤差、機床運動及負載變形誤差的軟件補償技術研究，并采取精度補償、軟件補償?shù)却胧┘右愿纳?，有的已可使此類誤差消除60%。并在不斷開發(fā)精細加工，納米加工。
3.提高機床加工生產(chǎn)率的研究
世界NC機床、加工中心及相應的高速電主軸、直線電機、測量系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、NC系統(tǒng)的開發(fā)，均以提高生產(chǎn)率為前提。
4.許多國家都已經(jīng)開始對數(shù)控系統(tǒng)的智能化、開放化、網(wǎng)絡化研究
1.1.2 我國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況
我國數(shù)控機床工業(yè)起步較早，北京機床研究所于1973年研制了臥式加工中心JCS013。1980 年北京機床研究所引進了日本FANUC 公司的數(shù)控系統(tǒng)制造技術，并投入批量生產(chǎn)。國家“六五”和“七五”規(guī)劃期間，我國大力發(fā)展加工中心，幫助部分骨干企業(yè)與國外廠商進行合作，引進了加工中心的制造技術?！鞍宋濉逼陂g科技攻關開發(fā)自主版權數(shù)控系統(tǒng)兩個階段，已為數(shù)控機床的產(chǎn)業(yè)化奠定了良好的基礎，并取得了長足的進步?！熬盼濉逼陂g數(shù)控機床發(fā)展已進入了實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化階段。
1.部分產(chǎn)品已達到國外同類產(chǎn)品水平
具備了自行開發(fā)各種各樣專用機床和特殊功能機床系統(tǒng)的能力。數(shù)控機床新開發(fā)品種300個，已有一定的覆蓋面。新開發(fā)的國產(chǎn)數(shù)控機床大部分達到國際20 世紀 90 年代水平，為國家重點建設提供了一批高水平數(shù)控機床。
2.數(shù)控機床在技術上取得了一定的進步
進入了高速高精度精密數(shù)控機床生產(chǎn) 國行列。高速主軸制造技術可達12000~18000r/min，快速進給可達60m/min，快速換刀可達 1.5s可以生產(chǎn)定位精度達3um的立式加工中心、主軸回轉精度達8um 的臥式加工中心和精度為2um 的車削中心等。
3.多軸聯(lián)動數(shù)控技術更加成熟
0.1um 當量的超精密數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控仿形系統(tǒng)、非圓齒輪加工系統(tǒng)、高速進給數(shù)控系統(tǒng)、實時多任務操作系統(tǒng)都已研制成功。尤其是基于PC 機的開放式智能化數(shù)控系統(tǒng)，可實施多軸控制，具備聯(lián)網(wǎng)進線等功能。這些數(shù)控系統(tǒng)的研制成功使得多坐標聯(lián)動技術已不再是難題，且逐漸成熟。
4.大部分數(shù)控機床配套產(chǎn)品已能國內(nèi)生產(chǎn)
我國數(shù)控機床生產(chǎn)廠共有 100 多家，數(shù)控系統(tǒng)（包括主軸和進給驅動單元）生產(chǎn)企業(yè)約50 家，生產(chǎn)數(shù)控機床配套產(chǎn)品的企業(yè)共計300 余家，產(chǎn)品品種包括八大類2000 種以上。數(shù)控機床自我配套率超過60%。
5.在網(wǎng)絡化、集成化、柔性化數(shù)控制造成套設備技術上也有了新突破
網(wǎng)絡化、集成化、柔性化數(shù)控制造裝備可實現(xiàn)在多臺機床連成的局域網(wǎng)上實現(xiàn)集成、資源共享、實時圖象監(jiān)視和管理，服務器上實現(xiàn)加工對象的實體造型并將刀具路徑文件和加工程序自動化送至各數(shù)控機床。
總之，隨著科學技術的進一步發(fā)展，市場經(jīng)濟活動的不斷深入，中國在加入WTO參與世界市場激烈競爭中，無論是國內(nèi)市場、國際市場，對NC機床的需求將日益增多，NC機床的發(fā)展前景非常廣闊。中國機床工業(yè)能否振興、NC 機床技術能否迅速提高、產(chǎn)量能否迅速擴大，關鍵在于中國是否有此實力。
1.1.3 加工中心的發(fā)展動向
近年來，加工中心的發(fā)展主要目標是主軸轉速、進給速度和自動換刀（ATC）的高速化、縮短輔助時間、提高加工精度、縮短刀具交換時間、提高自動化程度等。國際上加工中心正向自動化程度更好、機床精度更高、功能更全、切削效率更高、機床結構更趨合理的方向發(fā)展。
1.1.4 我國數(shù)控機床研究存在的問題
我國的數(shù)控機床行業(yè)在近幾年中有了很大的發(fā)展，但對數(shù)控機床的進口量依然很大。我國進口的NC 機床，大都是自己不能生產(chǎn)、水平達不到的中、高檔機床，其中特別是加工中心。均采用CAD、有限元分析、先進的數(shù)控程序軟件等先進方法，配套基礎元部件、NC 系統(tǒng)實行國際配套方面，我國仍需大力提高。
1.2 加工中心概論
加工中心的功能及特點：
1.加工中心的功能
加工中心（Machining Center-MC）是一種功能較全的數(shù)控加工機床。它把銑削、鏜削、鉆削和切削螺紋等功能集中在一臺設備上，使其具有多種工藝功能。加工中心設置有刀庫，刀庫中存放著不同數(shù)量的各種刀具和量具，在加工過程中由程序自動選用和更換。這是它與數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床的主要區(qū)別。加工中心與同類數(shù)控機床相比結構較復雜，控制系統(tǒng)功能較多。加工中最少有三個運動坐標系，多的達十幾個。其控制功能最少可實現(xiàn)兩軸聯(lián)動控制，實現(xiàn)刀具運動直線插補和圓弧插補。多的可實現(xiàn)五軸聯(lián)動、六軸聯(lián)動，從而保證刀具進行復雜加工。加工中心還具有不同的輔助功能；如：各種加工固定循環(huán)，刀具半徑自動補償，刀具長度自動補償，刀具破損報警，刀具壽命管理，過載超程自動保護，絲杠螺距誤差補償，絲杠間隙補償，故障自動診斷，工件與加工過程圖形顯示，人機顯示，工件在線檢測和加工自動補償、離線編程等，這些功能提高了數(shù)控機床的加工效率，保證 了產(chǎn)品的加工精度和質量，是普通加工設備無法相比的。
2.加工中心的特點
加工中心是典型的集高新技術于一體的機械加工設備，它的發(fā)展代表了一個國家設計、制造的水平，因此在國內(nèi)外企業(yè)界都受到高度重視。加工中心綜合加工能力較強，工件一次裝夾后能完成較多的加工步驟，加工精度較高，對于中等加工難度的批量工件，其效率是普通設備的5~10 倍。加工中心對形狀較復雜，精度要求高的的單件加工或中小批量多品種生產(chǎn)更為合適。特別是對于必須采用工裝和專機設備來保證產(chǎn)品質量和效率的工件，采用加工中心加工，可以省去工裝和專機。這為新產(chǎn)品的研制和改型換代接生大量的時間和費用，從而使企業(yè)具有較強的競爭能力。因此它也是判斷企業(yè)技術技術能力和工藝水平標志的一個方面。如今，加工中心已成為現(xiàn)代機床發(fā)展的主流方向，廣泛用于機械制造中。與普通數(shù)控機床相比，它有以下幾個突出要點：
1）工序集中
加工中心備有刀庫，能自動換刀，并能對工件進行多工序加工。現(xiàn)代加工中心可使工件在一次裝夾后實現(xiàn)多表面、多工位的連續(xù)、高效、高精度加工，即工序集中。這是加工
中心最突出的特點。
2）加工精度高
加工中心同其他數(shù)控機床一樣具有加工精度高的特點，而且加工中心可一次裝夾工件，實現(xiàn)多工序集中加工，減少了多次裝夾帶來的誤差，故加工精度更高，加工質量更加穩(wěn)定。
3）適用性強
加工中心對加工對象的適用性強。加工中心改變加工零件時，只需重新編制（更換）程序，輸入新的程序就能實現(xiàn)對新的零件的加工，這對結構復雜零件的單件、小批量生產(chǎn)及新產(chǎn)品試制帶來極大的方便。同時，它還能自動加工普通機床很難加工或無法加工的精密復雜零件。
4 ）生產(chǎn)效率高
加工中心帶有刀庫，在一臺機床上能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和機床的調(diào)整時間，減少工件半成品的周轉、搬運和存放時間，機床的切削利用率（切削時間和開動時間之比）高。
5）經(jīng)濟效益好
加工中心加工零件時，雖分攤在每個零件上的設備費用較昂貴，但在單件、小批量生產(chǎn)的情況下，可以節(jié)省許多其他方面的費用。由于是數(shù)控加工，加工中心不必準備專用鉆模等工藝裝備，加工之前節(jié)省了劃線工時，零件安裝到機床上之后可以減少調(diào)整、加工和檢驗時間。另外，由于加工中心的加工穩(wěn)定，減少了廢品率，使生產(chǎn)成本進一步下降。
6）自動化程度高，勞動強度低
加工中心的加工零件是按事先編好的程序自動完成的，操作者除了操作鍵盤、裝卸零件、進行關鍵工序的中間測量以及觀察機床的運行之外，不需要進行繁重的重復性手工操作，勞動強度可大為減輕。
7）有利于生產(chǎn)的現(xiàn)代化管理
用加工中心加工零件，能夠準確地計算零件的加工工時，并有效地簡化檢驗和工夾具、半成品的管理工作。這些特點有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。
1.2.1 自動換刀系統(tǒng)產(chǎn)品化的意義和前景
自動換刀系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分。刀具夾持元件的結構特性及它與機床主軸的聯(lián)結方式，將直接影響機床的加工性能。刀庫結構形式及刀具交換裝置的工作方式，則會影響機床的換刀效率。自動換刀系統(tǒng)本身及相關結構的復雜程度，又會對整機的成本造價產(chǎn)生直接影響。
隨著機械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對于帶有自動換刀系統(tǒng)的高效高性能加工中心的需求量越來越大。在現(xiàn)有的各種類型的加工中心中，傳統(tǒng)結構的自動換刀系統(tǒng)的造價在機床整機造價中總是占著很大比重，這是加工中心價格居高不下、應用不普遍的重要原因。如果把自動換刀系統(tǒng)的設計制造從現(xiàn)有加工中心的制造模式中分離出來，把它作為加工中心的標準件或附件組織專門化的生產(chǎn)，同時由于該項技術的應用簡化了機床主軸結構、采用彈簧夾頭和外驅動機械手等關鍵技術、采用圓柱柄刀具和輔具，這不僅使數(shù)控機床工作性能有所提高，而且使得由它配套構成的加工中心的總體造價大幅度下降。低造價高性能的加工中心將會被中小廠廣泛接收，這樣必將給自動換刀系統(tǒng)生產(chǎn)廠商和加工中心制造廠商帶來巨大的經(jīng)濟效益。
1.3 本論文研究的目的和意義
本課題開發(fā)設計的小型加工中心刀庫。隨著數(shù)控技術的發(fā)展和普及，加工中心的作用越發(fā)突顯它的重要性。為進一步提高數(shù)控機床的加工效率，數(shù)控機床正向著工件在一臺機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。自動換刀裝置應當具備換刀時間短、刀具重復定位精度高、足夠的刀具儲備量、占地面積小、安全可靠等特性。
1.4 本論文完成的主要工作
本論文是開發(fā)設計出一種體積小、結構緊湊、價格較低、生產(chǎn)周期短的小型立式加工中心無機械手換刀刀庫。主要完成以下工作：
1.通過深入各種類型的企業(yè)、高工專學校、中專、技校現(xiàn)場調(diào)查，通過查閱相關的資料，對國內(nèi)外同類產(chǎn)品進行市場調(diào)研、技術調(diào)研和社會環(huán)境調(diào)研，了解該產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展方向，從而確定本課題的可行性和必要性。
2.通過對不同的結構原理方案和各部件的結構設計方案的分析對比，確定加工中心刀庫的總體技術設計方案和主要技術性能參數(shù)。
3.通過對加工中心的自動換刀系統(tǒng)不同設計方案的對比分析，確定刀庫的設計方案，并進行相關設計和計算。
4.用CAD軟件繪制總體裝配圖、各部件、組件裝配圖及主要非標準零件的零件圖。
2 總體方案的設計
加工中心刀庫的總體方案設計是根據(jù)其功能和設計要求，從全局的角度，以系統(tǒng)的觀點，進行自動換刀裝置刀庫整體方面的設計，主要包括運動功能方案設計、基本參數(shù)設計、傳動系統(tǒng)設計、總體結構布局設計等內(nèi)容。
2.1 運動方案的設計
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。
2.1.1 運動數(shù)目的確定
要實現(xiàn)以上各種零件表面的鉆削和銑削加工功能，機床必須具有以下運動：一個是主運動即主軸帶動刀具回轉（Vc）；另一個是三個方向的進給運動，包括實現(xiàn)切入工件一定深度（Z方向）的進給運動；實現(xiàn)在水平面內(nèi)兩個方向（X、Y方向）的進給運動。此外，還必須有換刀功能，因此還必須有非成形運動，如換刀需要刀庫轉位、移動等運動。
2.1.2 運動方案的確定
加工中心加工工件所需的這些運動，必須由對應的執(zhí)行部件來實現(xiàn)。加工中心的主運動一般都由主軸部件（主傳動系統(tǒng)）來完成，而進給運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系的配制和總體關系。采用哪種形式與被加工工件尺寸、形狀、質量和功能等因素有關。對具有鉆、銑的功能的立式加工中心，根據(jù)工件的質量、尺寸等的不同，可以有以下幾種不同的運動
方案：
1.由工件完成三個方向的進給運動，當加工質量較輕工件時，分別由X-Y向工作臺和升降臺來實現(xiàn)；
2.工作臺帶動工件做一個方向的進給運動，其他兩個方向的進給運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給運動，當加工較重或尺寸較高的工件時，則不宜由工件做進給運動，而是工作臺固定不動，改為由刀具來完成進給運動。采用了立柱在床身上沿前后方向移動來Y方向的進給；由刀具在橫梁上移動來完成Z向的進給。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構的多層，有利于提高機床精度。
4.由工作臺實現(xiàn) X、Y 兩個方向的進給，而唷刀具來完成垂直進給運動，當加工質量較輕、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工作臺實現(xiàn)兩個方向的進給，而由刀具來完成垂直進給運動。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。
2.2 功能部件的設計方案
加工中心一般由主傳動系統(tǒng)、進給伺服系統(tǒng)、自動換刀系統(tǒng)、基礎部件、數(shù)控系統(tǒng)和輔助裝置等部分組成。
2.2.1主傳動系統(tǒng)
主傳動系統(tǒng)用來實現(xiàn)加工中心的主運動。由主軸箱、主軸、軸承、松拉刀機構、電動機等零件組成。這是加工中心自動換刀裝置的關鍵部分，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)來實現(xiàn)。并且通過安裝在主軸上的刀具實現(xiàn)切削運動。
要求主軸部件必須具備足夠的轉速范圍、功率和扭矩，在大部分轉速范圍內(nèi)要保持恒功率，當降到計算轉速以下時，要保持恒扭矩傳動；主傳動系統(tǒng)的各零部件，應具有足夠的強度和必要的剛度及抗震性能；噪聲低、運轉平穩(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, 其調(diào)速范圍達 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)點的新型傳動。具有以下優(yōu)點：
1）傳動比準確 同步帶傳動是嚙合傳動，工作時無滑動。
2）傳動效率高 可達98%以上，節(jié)能效果明顯。
3）重量輕，結構緊湊 不需依靠摩擦傳動，預緊張力小，對軸和軸承的作用力小，帶輪直徑小。
4）線速度高 可達50m/s，因齒形帶較薄。
5）傳動平穩(wěn) 動態(tài)特性良好，能吸振，噪聲小。
6) 使用范圍廣 傳遞功率由幾瓦至數(shù)千瓦，速比可達10左右。
7）使用保養(yǎng)方便 不需要潤滑，耐油、耐磨性和抗老化好，還能在高溫、灰塵、水及腐蝕介質等環(huán)境中工作。
由于以上優(yōu)點，所以實際中多用。但安裝要求較高，兩帶輪軸心線平行度要求高，中心距要求嚴格。帶和帶輪的制造工藝復雜，成本低。
3.電主軸
有內(nèi)裝式電動機直接驅動，結構的最大特點是實現(xiàn)了機床的“零傳動”，這種傳動方式取消了從主電動機到主軸之間一切中間的機械傳動環(huán)節(jié)（如皮帶、齒輪、離合器等），實現(xiàn)了主電動機與機床主軸的一體化。
如果采用齒輪、帶傳動則需自行設計主傳動系統(tǒng)，將會增加設計和制造周期，且為單件生產(chǎn)，成本也較高，轉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，也須提高主軸的轉速。如果選用由專門廠家生產(chǎn)的已系列化和標準化電主軸，轉速可根據(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)品的設計和制造周期。對比以上三種方案選用電主軸。
2.2.2 進給伺服系統(tǒng)
進給系統(tǒng)由伺服電機、滾珠絲杠、導軌等組成。要求進給伺服系統(tǒng)必須具有高速下的平穩(wěn)運行，較高的定位精度且防止爬行，要求進給系統(tǒng)中的機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.進給伺服系統(tǒng)的控制方式
進給伺服系統(tǒng)可分為半閉環(huán)、全閉環(huán)和混合伺服控制三種方式。
2.伺服電機常用的伺服電機有支流和交流兩種：
1）直流伺服電機
數(shù)控機床中應用較多的是寬調(diào)速直流伺服電機，其主要特點是調(diào)速范圍寬、低速運行平穩(wěn)；負載特性硬、過載能力強，在一定的速度范圍內(nèi)可以做到恒力矩輸出；反應速度快，動態(tài)響應特性好。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
這種伺服電機的主要特點是轉矩和慣量比高，能承受高的加減速；轉矩波動??；低速性能好，在很低速時，電機仍能平滑旋轉；在保證高輸出轉矩的情況下，電機的體積小，重量輕；由于采用高頻寬調(diào)制控制，電機只有很低的噪聲和振動。利用交流伺服系統(tǒng)可進行精密定位控制。所以應用越來越廣。
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。設計中選用了日本Panasonic 公司生產(chǎn)的MINASA 系列交流伺服電機和驅動器。
2.2.3 自動換刀系統(tǒng)
通過自動換刀系統(tǒng)來實現(xiàn)零件加工時的換刀。它由刀庫電機、傳動裝置、刀夾等組成。任務要求采用無機械手換刀方式。
無機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)]有機械手，因而結構簡單。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行，所以換刀過程較為復雜，它的選刀和換刀由三個坐標軸的數(shù)控定位系統(tǒng)來完成，因此換刀時間較長，影響了機床的加工效率但是刀庫回轉時在工步于工步之間，即非切削時進行的，因此雖然刀庫設置在立柱側面，卻免去刀庫回轉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床?？紤]到所設計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。
2.刀庫形式的選取
無機械手換刀方式中，刀庫可以是圓盤形、直線排列式，也可以是格子箱式等。無機械手換刀方式中特別需要注意的是刀庫轉位定位的作用準確度。圓盤形刀庫容量較小，刀庫結構簡單緊湊，刀庫轉位、換刀方便，易控制。直線排列式和格子箱式刀庫結構相對復雜，適用于刀庫容量較大的加工中心。
考慮到所設計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)實用性進行考慮，因此選用結構簡單、容量較小、體積較小的圓盤式刀庫。
3.刀庫位置的放置
立式加工中心無機械手換刀方式的圓盤形刀庫的放置又兩種形式：
1）刀庫置于立柱側面大橫梁上
如圖2-4a) 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)隊合適尺寸的工作臺，可減少設計制造周期。結構簡單，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 2-4b)所示。此方案刀庫的支承剛性好，結構簡單。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，須自行設計，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 2-4a)的布置形式。在立柱左邊安裝一橫梁，在橫梁有導軌，導軌上安裝有滑座，將刀庫安裝在滑座上，通過刀庫沿橫梁移動刀主軸端，由主軸來實現(xiàn)換刀。
1.主軸箱 2.立柱 3.刀庫 4.工作臺 5.床身
圖 2-4 無機械手換刀裝置的布置
4.刀庫在橫梁上的移動
刀庫在橫梁上的移動由兩種方案：一方案使絲杠螺母傳動，采用滾珠絲杠和交流伺服電機；另一方案使液壓傳動，采用液壓滑臺。由于液壓傳動必須由專門設計液壓系統(tǒng)機構，來實現(xiàn)刀庫的分度和定位。但此機構定位精度不夠高，為提高其定位精度可采用交流伺服電機驅動。
2.2.4 基礎部件
基礎部件是加工中心的基礎，由床身、立柱和工作臺等組成。主要承受加工中心的靜載荷和在加工時產(chǎn)生的切削負荷，因此必須由足夠的靜、動剛度和精度保持性。
1.立柱
立柱采用對稱結構，其正面設置由導軌，導軌可采用滾動和滑動兩種結構，可由用戶自行選擇。正中間安裝由滾珠絲杠，立柱導軌上安裝滑座、主軸箱。立柱中空，可安裝平衡塊，壁上設置有肋板，以增加立柱的強度和剛性。立柱連接在床身上。并且使主軸中心線與Z向進給絲杠布置在同一個平面YOZ平面內(nèi)，絲杠的進給驅動力與主切削抗力在同一平面內(nèi)，因而扭矩很小，容易保證銑削精度和鉆孔加工的平行。
2.床身
床身是加工中心的基礎部件，也是加工中心關鍵元件之一，床身結構的優(yōu)劣直接影響加工中心的使用性能。因此要求床身設計具有：
1）很高的精度和精度保持性
在床身上有安裝立柱和X-Y工作臺的加工面，這些面本身精度和相互位置精度要求很高。
2）具有足夠的動靜剛度
機床在切削加工時靜、動載荷往往都傳到床身上，所以床身上受力比較復雜。
3）較好的熱穩(wěn)定性、抗熱變形性、抗振性
在設計上要做到使整機熱變形較小、振動小?；蚴篃嶙冃螌庸ぞ扔绊懽钚?。
床身的設計要受到加工中心總體設計的制約，在滿足總體設計的前提下，盡可能做到床身外形、結構合理，肋板布置恰當，保證良好的冷熱加工性，減少機床重量，節(jié)省材料，提高整個機床的剛度。
3.工作臺
X-Y 向工作臺有兩種方案：一種是選用南京工藝裝備制造廠制造生產(chǎn)的 X-Y 兩軸精密數(shù)控工作臺，數(shù)控工作臺的上下兩層運動臺（X 向、Y 向）結構相同。另一種是自行設計，橫向（Y向）滾動導軌和滾珠絲杠安裝在橫向導軌滑座上。后一種方案各部分均需設計或選擇，且床身制造麻煩，周期長，不易實現(xiàn)系列化，單件生產(chǎn)成本也高。而前一種采用已系列化的精密數(shù)控工作臺，此工作臺已經(jīng)過許多用戶使用后的驗證，精度較高，而且可根據(jù)不同的加工要求，選用不同的精度等級。不僅制造周期短、精度易保證，且可根據(jù)用戶的不同需要選擇不同的型號。故采用前一種方案。
2.2.5 數(shù)控系統(tǒng)
數(shù)控系統(tǒng)由CNC裝置、可編程控制器、伺服驅動裝置等部分組成。由它來完成對加工中心各部分的控制工作。伺服驅動裝置采用 Panasonic 公司生產(chǎn)的 MINASA系列交流伺服電機驅動器。其他部分的設計方案根據(jù)用戶需要選擇。
2.2.6 輔助裝置
輔助裝置包括潤滑、冷卻、排屑、防護、液壓、氣動和檢測系統(tǒng)和平衡裝置等部分。這些裝置雖然不直接參與切削運動，但對加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起著保障作用。
2.3 總體布局
經(jīng)過對以上運動方案和各部件的設計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計方案為：自動換刀系統(tǒng)采用無機械手換刀，且刀庫置于立柱側面的橫梁上。刀庫在橫梁上的移動采用滾珠絲杠傳動和交流伺服電機采用盤形刀庫，由槽輪機構實現(xiàn)回轉、分度和轉位，由交流伺服電機驅動。
總體結構布局圖如圖2-5所示。
2.4 主要技術參數(shù)
根據(jù)已知條件，在滿足設計要求的前提下，盡量使設計出來的加工中心結構緊湊，占地面積小，確定該加工中心的主要技術性能參數(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
主軸轉速范圍（r/min） 0～18000
主軸電機功率（kw） 12
刀庫容量（把） 20
定位精度（mm） ±0.025
重復定位精度（mm） ±0.005
主軸錐孔 ISO/BT30
換刀時間（s/次） 8
機床總重量（kg） 650
外形尺寸（長×寬×高）（mm×mm×mm） 2036×1264×1670
最大工作進給速度（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 2-5 總體結構布局示意圖
2.5 小結
本章對刀庫的設計方案進行了分析、比較，確定了較合理的總體設計方案。還確定了主要技術參。
3 刀庫的設計
刀庫是加工中心的象征，是加工中心區(qū)別于NC鏜床和NC銑床的本質所在，因此來說，刀庫的設計是加工中心設計的核心。由于作者所要設計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)濟實用的條件下，應盡量使加工中心的結構緊湊，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，盡量結構使其簡單緊湊，易制造，從而降低生產(chǎn)加工中心的成本。
3.1 刀庫的結構設計
在總體設計方案中已確定：自動換刀系統(tǒng)采用無機械手換刀，且刀庫置于立柱側面的橫梁上。刀庫在橫梁上的移動采用滾珠絲杠傳動和快速移動電機。采用盤型刀庫，由槽輪機構實現(xiàn)回轉、分度和轉位，由交流伺服電機驅動。刀庫的結構設計從以下幾個方面進行。
3.1.1 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)及教學實驗等，刀具的品種不宜過多，以免造成不必要的浪費和刀庫尺寸過大，采用20把刀。
2.刀具最大直徑和長度
立銑刀的最大直徑定為 40mm,鉆頭的最大直徑定為 10mm,最大工作部分長度定為150mm.
3.刀具最大重量為1kg.
4.刀具最大運動線速度為22m/min～30m/min.
3.1.2 刀盤部分的設計
1.刀盤尺寸的確定
刀盤采用輪輻式結構，這樣既能滿足使用的要求，又能保證刀盤的強度。在整個設計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 720mm,其他尺寸見刀盤零件圖。
2.刀爪尺寸的設計
刀爪的外型尺寸根據(jù)30號刀柄設計。
3.1.3 刀庫轉動定位機構的設計
1.刀庫轉動定位機構的選擇
目前圓盤式刀庫大多采用的是單頭雙導程蝸輪蝸桿傳動，此傳動機構在使用中可隨時調(diào)整蝸輪蝸桿的傳動間隙，實現(xiàn)準確的轉位分度，保證刀庫工作的可靠性，但此傳動機構較復雜，而且單頭雙導程蝸輪和蝸桿的加工較困難。
槽輪機構具有沖擊小，工作平穩(wěn)性較高，機械效率高，可以在較高轉速下工作，且結構簡單，易制造等優(yōu)點，在目前生產(chǎn)的鼓輪式刀庫的加工中心機床上很多采用槽輪機構來驅動刀庫的分度回轉運動。因此本設計采用槽輪機構，來實現(xiàn)刀庫的轉動、分度和定位。但此機構定位精度不夠高，為提高其定位精度可采用帶制動器和交流伺服電機，從而可保證較高的定位精度。
2.槽輪機構的工作原理
槽輪機構（又稱馬耳他機構）能把主軸的勻速連續(xù)運動轉換為從動軸的周期性間歇運動，常用于各種分度轉位機構中。槽輪機構又三種基本類型：外嚙合槽輪機構、內(nèi)嚙合槽輪機構和球面槽輪機構。此刀庫采用外嚙合槽輪機構。外嚙合槽輪機構的工作原理如圖3-1所示。
外嚙合槽輪機構的轉臂回轉軸線與槽輪回轉軸線平行，通常轉臂作等速回轉，當轉臂上的滾子進入槽中，就撥動槽輪作反向轉位運動，當滾子從槽中脫出，槽輪即靜止不動，并由鎖止盤定位。當只有一個滾子時，轉臂轉一周，槽輪作轉一個角度的步進運動，從而實現(xiàn)轉位、分度和定位。
圖3-1 槽輪機構圖
槽輪機構的設計
1）槽數(shù)Z 因刀庫容量為20把刀，所以槽輪槽數(shù)Z=20
2）槽間角2φ２ 2φ２＝360 o / Z＝360 /20=18 o
3）槽輪每次轉位時曲柄的轉角2φ1 2φ1=180-2φ２=150o
4) 槽輪與鎖止盤間的中心距L 為了使轉為定位機構的結構緊湊，采用L 360mm 。
5）主動曲柄長度R1 R1=LSinφ２=360Sin15.5 o=93mm
6）槽輪半徑R2 R2=LCosφ２=360Cos15.5 o=348mm
7）圓銷半徑r r=R1/6=93/6=15.5mm
8) 槽底高b b=L-(R1+r) -(3 ~ 5)=248mm
9) 槽深h h=R2-b=348-248=100mm
10) 鎖止弧半徑R R=R -r -e 式中，e=(0.6 ~ 0.8)r ，且必須大于3～5mm,
取e=17.5mm,Rx=60mm
根據(jù)以上參數(shù)可設計出槽輪和鎖止盤的尺寸，如槽輪和鎖止盤的零件圖所示。
3.刀庫轉動電機的選擇
刀庫的回轉驅動電機的選擇時，須考慮由摩擦引起的負載轉據(jù)和各負載的轉動慣量。
1）負載的轉動慣量J LC 和刀庫系統(tǒng)轉動慣量J C
J LC=∑J i (ni/nm)2
JC=Jmc+JLC
式中 Ji—各旋轉件的轉動慣量，kgm2 ；
ni—各旋轉件的轉速，r/min；
Jmc—電機的轉動慣量，kgm2 ；
nmc—電機的轉速，r/min。
JLC= (J DP +J Z +J CL+J SP ) nc/ nmc
式中J DP、J Z、J CL、J SP—分別為刀盤、軸、槽輪和鎖止盤的轉動慣量，kgm2 ；
nc—刀盤的轉速，r/min。
JDP=（π/32）×7.8×10﹣12DDP LDP
式中 DDP—刀盤直徑，mm；
LDP—刀盤厚度，mm。
JDP=（π/32）×7.8×10﹣12×（210-8×30-24）×10≈148×10kgm2
同理可求得：
Jz≈2.16×10 kgm2
J CL≈17.3×10 kgm2
J SP ≈5.2×10 kgm2
nc=(V×1000)/ πDDP≈24.5r / min
nmc =3000r/min
J CL≈1.4×10 kgm
J mC≥J CL/3≈0.45 ×10-4 kgm2
初選電機為 MQMA042A1D，其額定轉矩為1.3Nm，最大轉矩為 3.82 Nm，
轉動慣量為 0.64×10 kgm2 。
J C = J mC + J CL =0.64 + 1.4 = 2.04×10kgm2
2）摩擦引起的負載轉矩計算
由重力產(chǎn)生的摩擦力矩 T FC（Nm）
TFC≈ μG C R SP
式中 μ—槽輪和鎖止盤間摩擦系數(shù)，取 0.15
G C—刀盤、軸、槽輪等的重量，N；
G C = 25.6 +12.6 + 9.8 + 8 +16 = 72N
R SP —滾子中心到鎖止盤中心的距離，31mm，
TFC≈0.15×72×31×10﹣3= 0.335Nm
0.335Nm〈1.3Nm(電機的額定轉矩),符合要求。
3）最大加速轉矩 T cam
當電機從靜止升至 n max 時
T cam= J C×(2πnc max/60tCa)
式中 n cmax—電機最高轉速，3000r/min；
t ca —加速時間(s) 取 0.2s
T cam=2.04 ×10 (2π×3000/60 ×0.2)≈0.32Kgm=3.2Nm
4)電機的最大啟動轉矩
TCr=Tcam+TFC
Tcr=3.2+0.335=3.535Nm
TCr=3.535≤3.82Nm(電機的最大轉矩)，符合要求。
最終確定電機型號為 MQMA042A1D，其輸出功率為 400W 。相應的伺服驅動器選 擇與電機相匹配的 MQMA043A1A型號。
3.1.4 軸的設計
軸是機械設備中的重要零件之一.其主要功能是支承作回轉運動的零件,并傳遞運動和動力.根據(jù)軸的受力情況不同,可把軸分成心軸、轉軸和傳動軸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)質中碳鋼,如35、45、50鋼，這里選取45鋼為材料.
軸的結構設計軸的合理外形應滿足:軸和裝在軸上的零件要有準確的工作位置;軸上的零件應便于裝拆和調(diào)整;軸應具有良好的制造工藝性.影響軸結構的主要因素包括:軸的受力性質、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.）軸的強度計算
由于功率P=400W已知,轉速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--計算剖面處軸的直徑（mm）;
P--軸的傳遞功率（KW）；
n--軸的轉速（r/min）;
故d最小應取129mm.軸徑取130mm。
校核軸
轉矩 T=9.55×10 p/n
T=9550000×0.4/250=10186N .mm
式中 p--功率；n—轉速。
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；
求當量彎矩 取修正系數(shù)α為0.6
M I = ==52371 N·㎜
MII ===19384 N·㎜
確定危險截面及校核強度
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（機械設計手冊）知s=60 Mpa，滿足s￡小于s的條件，故設計的軸有足夠的強度，并有一定裕度。因此，此軸不必在做修改
軸的結構和受力分析如圖（3-2）所示：
圖3-2-1
圖3-2-2 軸的結構和受力分析
3.1.5 滾動軸承的選擇計算
1 滾動軸承的類型選擇:
選取向心球軸承原則:
①軸承負荷
②軸承的轉速
③調(diào)心性能
④安裝與拆卸
這里選取軸承代號為3182124的雙列向心短圓柱滾子軸承
基本額定動載荷為255KN；
2 滾動軸承的計算
滾動軸承疲勞壽命的基本計算公式為:
L10=(C/P)ε
其中 ε--壽命系數(shù); 球軸承ε=3,滾子軸承ε=10/3;
P--當量東載荷(N);
C--基本額定動負荷(N);
因P=X×Fr+Y×Fa，又Fa =0，故P=1488×1=1488N,
其中X、Y由表3-89選的，
X=1，Y=0；
C=Cr=22KN, ε=3,
故其疲勞壽命 L10=(22×103/1488)3 =3.2×103×103×103r;
或由公式 L10h=103×103/60n·(C/P)ε
得 L10h=103×103/60×122·(22×103/1488)3≈441518h
因為所設計軸的強度裕度不大，此軸不必在做修改
3.1.6 鍵的選用與計算
因為鍵是動聯(lián)接，所以選用普通的平鍵
軸上鍵的選擇
由參考文獻（機械設計基礎課程設計）知：
鍵的寬度b=28㎜,高h=16㎜，長L=50 ㎜
驗算鍵的強度
鍵的強度公式為：σfy=2T/ dkL
σfy=2T/ dkL=2 ×4600/15×3×50=11.4 Mpa
由參考文獻（機械設計）知：[σfy ]= 100Mpa 即σfy=11.4Mpa ≤[σfy ]= 100Mpa鍵的強度足夠
3.1.7 刀庫的支承部分的設計
刀庫的支承部分包括刀庫箱體、箱蓋、軸、軸承、軸承套等，見圖3-3 刀庫總裝圖。各部分的具體結構尺寸見其零件圖。
刀庫主要由刀盤部件 1、軸承 2、軸承套 3、軸 4、箱蓋 5、滾子 6、 鎖止盤 7、電機 8、槽輪 9、箱體 10 和一些連接螺釘、螺母、銷、鍵等組成。
圖3-3 刀庫總裝圖
3.2 刀庫移動部分的設計
3.2.1 刀庫支承橫梁和導軌的設計
橫梁支撐著刀庫的整個重量，因此，它的強度和剛度要求較高。且為了實現(xiàn)刀庫的移動，在橫梁上要設計可使刀庫移動的導軌，根據(jù)床身的整體高度及立柱的形狀來考慮，橫梁的端面與立柱的聯(lián)接斷面應成長方形長、寬分別定為 240mm、180mm。此連接處的面板厚度為 30mm 與立柱用 6個直徑為φ25mm 的螺栓來連接，由兩個φ16mm 的圓柱銷定位，在裝配時配作。
在整個設計過程中，因刀庫的行程 160mm，再加上滑臺的尺寸和刀盤尺寸等，靜導軌的總長度定為 480mm，兩端可各裝一減振器，目的是為了消除滑臺到兩端時的沖擊力?？紤]刀庫移動電機和絲杠的安裝尺寸等，靜導軌的高度定為 130mm，寬度定為 192mm，其它尺寸見橫梁零件圖?？紤]到刀庫支承部分的尺寸，滑座和動導軌的長度定為 140mm，考慮靜導軌的寬度和刀庫支承部分在該方向的尺寸滑座的寬度定為 240mm，滑座的高度定為50mm。
為了減輕它自身的重量，將其鑄造成中空的。同時，為了加強它的剛度，還設有加強肋板。導軌的形式有滑動導軌和滾動導軌兩種形式。此處，僅設計滑動導軌，滑動導軌采用雙矩形形式的整體 HT300 鑄鐵導軌，并采用中頻淬火，淬火后的硬度為 50～55HRC。
導軌的精度要求為：平面度為 0.015mm，長方向的直線度為 0.01mm，側導向面的直線度為 0.015m