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編號(hào)
無錫太湖學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目： 立式銑床換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
——換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
信機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè)
學(xué) 號(hào)：
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師： （職稱：高 工 ）
（職稱： ）
2013年5月25日
III
無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
誠(chéng) 信 承 諾 書
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 立式銑床換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)——換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。
班 級(jí)：
學(xué) 號(hào)：
作者姓名：
2013 年 5 月 25 日
無錫太湖學(xué)院
信 機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)論 文 任 務(wù) 書
一、題目及專題：
1、題目 立式銑床換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2、專題 換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
二、課題來源及選題依據(jù)
課題來源為南京某機(jī)械有限公司生產(chǎn)實(shí)際。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)是為了培養(yǎng)學(xué)生開發(fā)和創(chuàng)新機(jī)械產(chǎn)品的能力，要求學(xué)生能夠結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有數(shù)控立式銑床自動(dòng)換刀裝置，針對(duì)實(shí)際使用過程中存在的問題，綜合所學(xué)的機(jī)械理論設(shè)計(jì)與方法，對(duì)數(shù)控立式銑床自動(dòng)換刀裝置進(jìn)行改進(jìn)，從而達(dá)到解決問題。
在設(shè)計(jì)傳動(dòng)件時(shí)，在滿足產(chǎn)品工作要求的情況下，應(yīng)盡可能多的采用標(biāo)準(zhǔn)件，提高其互換性要求，以減少產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本。
三、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求：
① 該部件工作時(shí)，能運(yùn)轉(zhuǎn)正常；
② 擬定工作機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方案，并進(jìn)行多方案對(duì)比分析；
③ 當(dāng)電動(dòng)機(jī)輸入功率時(shí)，對(duì)主要工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析；
④ 設(shè)計(jì)數(shù)控立式銑床自動(dòng)換刀裝置總裝圖1張；
⑤ 設(shè)計(jì)數(shù)控立式銑床自動(dòng)換刀裝置刀庫裝配圖1張；
⑥ 設(shè)計(jì)繪制零件工作圖若干；
⑦ 編制設(shè)計(jì)說明書1份。
四、接受任務(wù)學(xué)生：
機(jī)械91 班 姓名
五、開始及完成日期：
自2012年11月12日 至2013年5月25日
六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問）：
指導(dǎo)教師 簽名
簽名
簽名
教研室主任
〔學(xué)科組組長(zhǎng)研究所所長(zhǎng)〕 簽名
系主任 簽名
2012年11月12日
摘 要
本論文介紹的是XKA5032A/C數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)一方面可以減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，另一方面可以提高加工效率。刀庫式的自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)是由刀庫和刀具交換裝置（換刀機(jī)械手）組成。換刀時(shí)，先在刀庫中進(jìn)行選刀，由機(jī)械手從刀庫和主軸上取出刀具，然后交換位置，把新刀插入主軸，舊刀放回刀庫。存放刀具的刀庫具有較大的容量，其容量為六把刀具,采用盤形結(jié)構(gòu),安裝在機(jī)床的左側(cè)立柱上。
數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置中，實(shí)現(xiàn)刀庫與機(jī)床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置。兩手互相垂直的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是換刀動(dòng)作可靠，換刀時(shí)間短，缺點(diǎn)是刀柄精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，聯(lián)機(jī)調(diào)整的相關(guān)精度要求高，機(jī)械手離加工區(qū)較近。一般來說，這種機(jī)械手與刀庫刀座軸線與機(jī)床主軸軸線垂直，刀庫為徑向存取刀具形式的自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)，因此，在XKA5032A/C數(shù)控立式升降銑床的自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)中可采用這種機(jī)械手形式。
關(guān)鍵詞：數(shù)控銑床；自動(dòng)換刀裝置；刀庫；換刀機(jī)械手
Abstract
This paper gives the design of the equipment of auto-exchange tool of XKA5032A/C vertical knee and column type milling machine (tool magazine type). Automatic tool change mechanism can reduce the labor intensity of workers, on the other hand, it can improve the machining efficiency. The auto-exchange equipment of tool magazine is composed of the tool magazine and the device of tool exchange. At first, the tool that fetched from the tool magazine should be proper posed into the spindle of the machine, and the tool fetched from the spindle should be put pack to the tool magazine. The tool magazine that has large capacity where has 6 tools and adopt plate structure is mounted in the left column of the machine.
Automatic tool changer of NC machine, realize the device between the knife and machine tool spindle transmission and handling tool called the tool switching device.The advantage of two perpendicular arms of the rotary auto-exchange device is the reliability and prompt of the exchange action. The disadvantage of the equipment of auto-exchange tool is the higher accuracy of the spindle and the compound structure of the tool magazine. The regulation of the machine become complex because of the tool exchange near the zero of the machining. Generally speaking, the axis of the tool magazine is perpendicular with the axis of the machine spindle. The type of the tool exchange is radial. So, the equipment of auto-exchange tool of XKA5032A/C vertical knee and column type milling machine adopt this type of the machine arm.
Keyword: NC milling machine , the equipment of auto-exchange tool, tool magazine, mechanical arm of tool exchange
目 錄
摘 要 III
ABSTRACT IV
目 錄 V
1 緒論 1
1.1 數(shù)控機(jī)床發(fā)展歷史及趨勢(shì) 1
1.2 數(shù)控銑床的分類及組成 1
1.2.1 數(shù)控立式銑床 1
1.2.2 臥式數(shù)控銑床 2
1.2.3 立臥式兩用數(shù)控銑床 2
1.2.4 數(shù)控銑床的組成 3
1.3 數(shù)控銑床的選用 3
1.4 數(shù)控銑床的主要功能及加工范圍 4
1.4.1 數(shù)控銑床的主要功能 4
1.4.2數(shù)控銑床的加工范圍 4
2 數(shù)控銑床自動(dòng)換刀裝置總體要求 6
2.1 數(shù)控銑床自動(dòng)換刀裝置產(chǎn)生背景及換刀方法 6
2.2 數(shù)控銑床自動(dòng)換刀裝置的總體要求 8
2.2.1 自動(dòng)換刀裝置的分類 8
2.2.2 對(duì)自動(dòng)換刀裝置的要求 8
3 自動(dòng)換刀裝置總體設(shè)計(jì) 9
3.1 自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) 9
3.2 XK5032數(shù)控銑床主要技術(shù)參數(shù) 9
3.2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù) 9
3.2.2 主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù) 10
3.3 確定數(shù)控銑床加工工況 11
3.4 確定自動(dòng)換刀裝置的方式 11
4 自動(dòng)換刀控制原理 13
4.1 自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 13
4.1.1 液壓的特點(diǎn) 13
4.1.2 自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖 13
4.2 自動(dòng)換刀裝置換刀動(dòng)作的順序控制過程 14
5 刀庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15
5.1 刀庫類型 15
5.2 刀具識(shí)別 15
5.3 刀庫容量的設(shè)計(jì) 16
5.4 刀庫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 16
5.4.1 傳動(dòng)裝置的選擇 17
5.4.2 刀庫回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 18
5.4.3 確定刀具的選擇方式 22
5.4.4 刀庫的定位與刀具的松夾 22
6 刀具交換裝置的設(shè)計(jì) 24
6.1 確定換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)形式 24
6.2 換刀機(jī)械手的工作原理 25
6.3 自動(dòng)換刀的動(dòng)作順序 26
6.4 機(jī)械手回轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 26
6.5 自動(dòng)換刀裝置對(duì)主軸準(zhǔn)停的要求 27
6.6 換刀機(jī)械手的安裝與調(diào)試 27
6.7 自動(dòng)換刀程序的編制 27
7 結(jié)論與展望 29
7.1 結(jié)論……………………………………………………………………………………………………29
7.2展望………………………………………………………………………………………. 29
致謝 30
參考文獻(xiàn) 31
附錄 32
35
立式銑床換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)——換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
1 緒論
1.1 數(shù)控機(jī)床發(fā)展歷史及趨勢(shì)
數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)。數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代，從數(shù)字控制（Numerical Control—NC）、直接數(shù)字控制（Direct Numerical Control—DNC）到今天制造業(yè)普遍使用的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（Computer Numerical Control—CNC）。數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)是加工設(shè)備可編程自動(dòng)化，機(jī)床可以按照設(shè)定的程序自動(dòng)運(yùn)行，從而使操作者與加工設(shè)備能夠在時(shí)間和空間上得以分離，讓機(jī)床和加工系統(tǒng)具有一定的智能和自主性，它基本軌跡是信息之間的交互、處理和集成。
由于數(shù)控機(jī)床相對(duì)于普通機(jī)床具有廣泛的適應(yīng)性，加工對(duì)象改變時(shí)，只需要改變輸入的程序指令。至于加工性能比一般自動(dòng)機(jī)床高，可以精確加工復(fù)雜型面，從而適合于加工中小批量、改型頻繁、精度要求較高、形狀又較復(fù)雜的工件，并且能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效果。
隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床品種也日益變多，有車床、鏜床、銑床、鉆床、磨床、齒輪加工機(jī)床和電火花加工機(jī)床等。此外還有能自動(dòng)換刀、一次裝卡進(jìn)行多工序加工的加工中心、車削中心等。
隨著微電子技術(shù)、軟件技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)日益趨向于小型化和多功能化，具備完善的自診斷功能，并且可靠性也大大得到提高，數(shù)控系統(tǒng)本身也將普遍實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程。
未來數(shù)控機(jī)床的類型也將更加多樣化，多工序集中加工數(shù)控機(jī)床的品種也越來越多；再加上激光加工等技術(shù)將應(yīng)用在切削加工機(jī)床上，從而擴(kuò)大多工序集中的工藝范圍。數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度更加提高，并具有很多種監(jiān)控功能，從而形成一個(gè)柔性制造單元，更加便于加入高度自動(dòng)化的柔性制造系統(tǒng)中。數(shù)字控制機(jī)床一搬是用數(shù)字代碼形式信息(程序指令)，控制刀具按給定的工作程序、運(yùn)動(dòng)速度和軌跡進(jìn)行自動(dòng)加工的機(jī)床，簡(jiǎn)稱數(shù)控機(jī)床。
數(shù)控機(jī)床主要由數(shù)控裝置、伺服機(jī)構(gòu)和機(jī)床主體等組成。輸入數(shù)控裝置的程序指令記錄在信息載體上，由程序讀入裝置接收，或由數(shù)控裝置的鍵盤直接來手動(dòng)輸入。
1.2 數(shù)控銑床的分類及組成
1.2.1 數(shù)控立式銑床
數(shù)控銑床中種類最多的一種是數(shù)控立式銑床，應(yīng)用范圍也最廣泛。小型數(shù)控銑床一般都采用工作臺(tái)移動(dòng)、升降、及主軸不動(dòng)等方式，這與普通立式升降臺(tái)銑床相似。中型數(shù)控立式銑床一般都采用縱向和橫向工作臺(tái)移動(dòng)方式，且主軸沿垂直溜板上下運(yùn)動(dòng)。大型數(shù)控立式銑床因要考慮到擴(kuò)大行程和縮小占地面積及剛性等技術(shù)問題，所以往往采用龍門架移動(dòng)式，它的主軸可以在龍門架的橫向與垂直溜板上面運(yùn)動(dòng)，而龍門架則沿床身作縱向運(yùn)動(dòng)。
從機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制的坐標(biāo)數(shù)量看，目前大多數(shù)是3坐標(biāo)數(shù)控立式銑床。一般來說可進(jìn)行3坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的加工，但是也有部分機(jī)床只能進(jìn)行3坐標(biāo)中的任意二個(gè)坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工。此外，還有機(jī)床主軸可以繞X、Y、Z坐標(biāo)軸中其中一個(gè)或兩個(gè)軸作數(shù)控?cái)[角運(yùn)動(dòng)的4坐標(biāo)和5坐標(biāo)的數(shù)控立式銑床。一般來說，機(jī)床控制的坐標(biāo)軸越多，尤其是要求聯(lián)動(dòng)的坐標(biāo)軸越多，機(jī)床的功能、加工范圍以及可選擇的加工對(duì)象也越多。但隨之而來的是機(jī)床的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的要求更高，編程的難度更大，設(shè)備的價(jià)格也更高。
圖1.1是立式數(shù)控銑床的實(shí)物圖，床身固定在底座上，用于安裝和支承機(jī)床各部件，控制臺(tái)上面有彩色液晶顯示器、機(jī)床操作按鈕以及各種開關(guān)及指示燈?？v向工作臺(tái)、橫向溜板安裝在升降臺(tái)上，通過縱向進(jìn)給伺服電機(jī)、橫向進(jìn)給伺服電機(jī)和垂直升降進(jìn)給伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，完成X、Y、Z坐標(biāo)的進(jìn)給。電器柜安裝在床身立柱后面，其中裝有電器控制部分。
圖1.1 立式數(shù)控銑床實(shí)物圖
數(shù)控立式銑床可附加數(shù)控轉(zhuǎn)盤，采用自動(dòng)交換臺(tái)，增加靠模裝置等措施來擴(kuò)大數(shù)控立式銑床的功能以及加工范圍和加工對(duì)象，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。
1.2.2 臥式數(shù)控銑床
臥式銑床其主軸級(jí)平行于水平面。為了擴(kuò)大加工范圍和擴(kuò)大功能，臥式數(shù)控銑床通常采用增加數(shù)控轉(zhuǎn)盤或萬能數(shù)控轉(zhuǎn)盤以實(shí)現(xiàn)4、5坐標(biāo)加工。這樣不但工件側(cè)面上的連續(xù)回轉(zhuǎn)輪廓可以加工出來，而且可實(shí)現(xiàn)在一次安裝中，通過轉(zhuǎn)盤改變工位，進(jìn)行“四面加工”，這樣可以省去許多專用夾具或?qū)Ｓ媒嵌瘸尚豌姷?。?duì)于箱體類零件或需要在一次安裝中改變工位的工件來說，選擇帶數(shù)控轉(zhuǎn)盤的臥式銑床進(jìn)行的加工也是非常合適。
1.2.3 立臥式兩用數(shù)控銑床
這類銑床目前在逐漸增多，它的主軸方向可以變化，并能達(dá)到在一臺(tái)機(jī)床上既可以進(jìn)行立式加工，又可以進(jìn)行臥式加工的作用，所以其使用范圍更廣，功能更全，選擇加工的對(duì)象和余地也更大，同時(shí)給用戶帶來了很多方便，尤其是當(dāng)生產(chǎn)批量小，品種較多，又需要立臥兩種方式加工時(shí)，用戶只需購買一臺(tái)類似這樣的機(jī)床就行了。
立、臥兩用數(shù)控銑床的主軸的方向更換分為手動(dòng)與自動(dòng)兩種。采用數(shù)控萬能主軸頭的立、臥兩用式數(shù)控銑床，其主軸頭可以任意轉(zhuǎn)換方向，可以加工出與水平面呈各種不同角度的工件表面。當(dāng)立、臥兩用數(shù)控銑床增加數(shù)控轉(zhuǎn)盤后，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的“五面加工”。即出除了工件與轉(zhuǎn)盤貼合的定位面外，其它表面也都可以在一次安裝中進(jìn)行加工。因此，其加工性能非常優(yōu)越。
1.2.4 數(shù)控銑床的組成
數(shù)控銑床一般是由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、機(jī)床本體四部分組成。：
1）主軸箱
這部分包括主軸箱體和主軸傳動(dòng)系統(tǒng)，用于裝夾刀具并帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，主軸轉(zhuǎn)速范圍和輸出扭矩對(duì)加工有直接的影響。
2）進(jìn)給伺服系統(tǒng)
這部分由進(jìn)給電機(jī)和進(jìn)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，按照程序設(shè)定的進(jìn)給速度來實(shí)現(xiàn)刀具和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，包括直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
3）控制系統(tǒng)
數(shù)控銑床運(yùn)動(dòng)控制的中心，執(zhí)行數(shù)控加工程序來控制機(jī)床進(jìn)行加工。
4）輔助裝置
如液壓、氣動(dòng)、潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)和排屑、防護(hù)等裝置。
5）機(jī)床基礎(chǔ)件
一般是指底座、立柱、橫梁等，它是整個(gè)機(jī)床的基礎(chǔ)和框架。
1.3 數(shù)控銑床的選用
數(shù)控銑床在現(xiàn)代金屬切削加工中的應(yīng)用越來越廣泛，在對(duì)數(shù)控銑床的選用的時(shí)候，一般按以下幾個(gè)原則進(jìn)行選擇：
1）根據(jù)被加工零件的尺寸選用
規(guī)格較小的升降臺(tái)式數(shù)控銑床，其工作臺(tái)寬度一般在400mm以下，它最適宜中小零件的加工和復(fù)雜形面的輪廓銑削的任務(wù)。規(guī)格較大的如龍門式銑床，工作臺(tái)在500—600mm以上，用來解決大尺寸復(fù)雜零件的加工需要。
2）根據(jù)加工零件的加工特點(diǎn)來選擇
對(duì)于加工部位是框形平面或不等高的各級(jí)臺(tái)階，那么選用點(diǎn)位-直線系統(tǒng)的數(shù)控銑床就可以。
如果加工部位是曲面輪廓，應(yīng)根據(jù)曲面的幾何形狀決定選擇兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)和三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的系統(tǒng)。
也可根據(jù)零件加工的要求，在普通的數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上，增加數(shù)控分度頭或者數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，這時(shí)機(jī)床的系統(tǒng)為四坐標(biāo)的數(shù)控系統(tǒng)，也可以加工螺旋槽、葉片零件等。
3）根據(jù)加工零件的精度要求選用
我國(guó)已經(jīng)制定了數(shù)控銑床的精度標(biāo)準(zhǔn)，其中數(shù)控立式銑床升降臺(tái)銑床已有專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的定位精度為0.04/300mm，重復(fù)定位精度為 0.025mm，銑圓精度為0.035mm。實(shí)際上，機(jī)床出廠精度均有相當(dāng)?shù)膬?chǔ)備量，比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的允差值大約壓縮了20%左右。因此，從精度選擇來看，一般的數(shù)控銑床即可以滿足大多數(shù)零件的加工需要。對(duì)于精度要求比較高的零件，則應(yīng)考慮選用精密型的數(shù)控銑床。
4）根據(jù)零件的批量或其他要求選擇
對(duì)于大批量的，用戶可采用專用銑床。如果是中小批量而又是經(jīng)常周期性重復(fù)投產(chǎn)的話，那么采用數(shù)控銑床就是非常合適的，因?yàn)榈谝慌恐袦?zhǔn)備好多工夾具、程序等可以存儲(chǔ)起來重復(fù)使用。所以從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，自動(dòng)化程度高的銑床代替普通銑床，減輕勞動(dòng)者的勞動(dòng)量提高生產(chǎn)率的趨勢(shì)是不可避免的。
1.4 數(shù)控銑床的主要功能及加工范圍
1. 4.1 數(shù)控銑床的主要功能
1)點(diǎn)位控制功能
數(shù)控銑床的點(diǎn)位控制主要用于工件的孔加工，如中心鉆定位、擴(kuò)孔、鉆孔、锪孔、鏜孔和鉸孔等各種孔加工的操作。
2) 連續(xù)控制功能
通過數(shù)控銑床的直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)或復(fù)雜的曲線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，銑削加工工件的平面和曲面。
3)刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償功能
改變刀具長(zhǎng)度的補(bǔ)償量，可以補(bǔ)償?shù)毒邠Q刀后的長(zhǎng)度偏差值，另外還可以改變切削加工的平面位置，控制刀具的軸向定位精度。
4)刀具半徑補(bǔ)償功能
如果直接按工件輪廓線編程，在加工工件內(nèi)輪廓時(shí)，實(shí)際輪廓線將增大了一個(gè)刀具半徑值;在加工工件外輪廓時(shí)，實(shí)際輪廓線又小了一個(gè)刀具半徑值。使用刀具半徑補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ瑪?shù)控系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算刀具中心軌跡，使刀具中心偏離工件輪廓一個(gè)刀具半徑值，從而加工出符合圖紙要求的輪廓。利用刀具半徑補(bǔ)償功能，改變刀具半徑補(bǔ)償量，還可以補(bǔ)償?shù)毒吣p量和加工誤差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的粗加工和精加工。
5)固定循環(huán)加工功能
應(yīng)用固定循環(huán)加工指令，可以簡(jiǎn)化加工程序，減少編程的工作量。
6)子程序功能
如果有加工工件形狀相同或相似部分，把其編寫成子程序，由主程序調(diào)用，這樣就簡(jiǎn)化了程序結(jié)構(gòu)。引用子程序的功能使加工程序模塊化，按加工過程的工序分成若干個(gè)模塊，分別編寫成子程序，并由主程序調(diào)用，完成對(duì)工件的加工。這種模塊式的程序便于加工的調(diào)試，優(yōu)化加工的工藝。
7) 特殊功能
通過在數(shù)控銑床上配置仿形軟件和仿形裝置，用傳感器對(duì)實(shí)物掃描及采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后自動(dòng)生成NC程序，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的仿形加工和反向加工工程?？傊?，配置一定的軟件和硬件之后，就能夠擴(kuò)大數(shù)控銑床的使用功能。
1. 4.2數(shù)控銑床的加工范圍
1)平面類零件加工
平面類零件是指加工面平行或者垂直于水平面。數(shù)控機(jī)床銑削平面可以分為對(duì)工件的水平面(XY)加工，對(duì)工件的正平面(XZ)加工和對(duì)工件的側(cè)平面(YZ)加工。只要使用兩軸半控制的數(shù)控銑床就能完成這樣平面的銑削加工。
2)曲面加工
曲面加工又分為直紋曲面類零件和立體曲面類零件。
直紋曲面類零件是指由直線依某種規(guī)律移動(dòng)所產(chǎn)生的曲面類零件。
立體曲面類零件的加工面不能展成平面，一般使用球頭銑刀切削，加工面與銑刀始終為點(diǎn)接觸。一般采用行切加工法和三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工。
如果銑削復(fù)雜的曲面則需要使用三軸甚至更多軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床。
2 數(shù)控銑床自動(dòng)換刀裝置總體要求
2.1 數(shù)控銑床自動(dòng)換刀裝置產(chǎn)生背景及換刀方法
數(shù)控銑床是高效率機(jī)床的典型產(chǎn)品，然而對(duì)于多數(shù)數(shù)控銑床而言，未配備自動(dòng)換刀裝置成了最大的缺陷。因此為了配合機(jī)床的高效率，自動(dòng)換刀裝置（ATC）的配置及其高速化的運(yùn)作應(yīng)成為數(shù)控銑床進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)的重要技術(shù)內(nèi)容。
數(shù)控機(jī)床為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)率，進(jìn)一步壓縮非切削時(shí)間，所以現(xiàn)代的機(jī)床逐步發(fā)展為在一臺(tái)機(jī)床上完成多工序或全部工序的加工。數(shù)控機(jī)床為了能在工件一次裝夾中完成多個(gè)工步，以縮減輔助時(shí)間和減少多次安裝工件引起的誤差，通常都帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)。對(duì)工件的多工序加工而設(shè)置的存儲(chǔ)及更換刀具的裝置被稱為自動(dòng)換刀裝置(Automatic Tool Changer，ATC)。自動(dòng)換刀（Automatic Tool Change 簡(jiǎn)稱ATC）系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和換刀裝置兩部分組成。在數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上，如果再配以刀具和自動(dòng)換刀系統(tǒng)，就構(gòu)成了加工中心（Machining center 簡(jiǎn)稱MC）。在這類數(shù)控機(jī)床上，自動(dòng)換刀裝置（ATC）是必不可少的。例如加工中心機(jī)床又被稱為多工序自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床，它主要是指具有自動(dòng)換刀及自動(dòng)改變工件加工位置功能的數(shù)控機(jī)床，且具有自動(dòng)換刀裝置是加工中心機(jī)床的典型特征，是多工序加工的必要條件。自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)的功能，能大大提高整個(gè)機(jī)器的工作效率，節(jié)約加工時(shí)間。由于普通的數(shù)控立式銑床加工的一般是中小零件，其大多需要幾把刀具加工（10把刀具以內(nèi)，）所以增加自動(dòng)換刀裝置的同時(shí)也要增加自動(dòng)變換主軸轉(zhuǎn)速，如此便可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，減少換刀時(shí)間，既提高了機(jī)床的自動(dòng)化程度，又提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。因此，數(shù)控立式銑床作為數(shù)控銑床中數(shù)量最多、應(yīng)用范圍也是最廣的一種，對(duì)其附加能夠快速、準(zhǔn)確地自動(dòng)換刀裝置是非常有必要的。
隨著切削速度的提高，切削時(shí)間的不斷縮短，對(duì)換刀時(shí)間的要求也在逐步提高，換刀的速度已成為衡量一臺(tái)機(jī)床加工效率的一項(xiàng)重要指標(biāo)。
由于自動(dòng)換刀要求準(zhǔn)確可靠，而且它的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，因此加大了提高換刀速度技術(shù)難度。目前國(guó)外機(jī)床為了適應(yīng)高速加工，都采用了新技術(shù)、新方法，為其配備快速自動(dòng)換刀裝置。
1）換刀速度指標(biāo)
衡量換刀速度的方法主要有以下三種：①刀到刀換刀時(shí)間，②切削到切削換刀時(shí)間，③切屑到切屑換刀時(shí)間。由于切屑到切屑換刀時(shí)間基本上就是數(shù)控銑床兩次切削之間的時(shí)間，反映了數(shù)控銑床換刀所占用的輔助時(shí)間，因此切屑到切屑換刀時(shí)間應(yīng)該是衡量數(shù)控銑床效率高低的最直接指標(biāo)。而刀到刀換刀時(shí)間則主要反映自動(dòng)換刀裝置本身性能的好壞，更適合作為機(jī)床自動(dòng)換刀裝置的性能指標(biāo)。這兩種方法通常用來評(píng)價(jià)換刀速度。至于換刀時(shí)間多少才是高速機(jī)床的快速自動(dòng)換刀裝置并沒有確定的指標(biāo)，在技術(shù)條件允許的情況下，構(gòu)的機(jī)床，實(shí)現(xiàn)了切屑到切屑換刀時(shí)間僅為0.4s。是目前世界上切屑到切屑換刀時(shí)間最短的機(jī)床。這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床和通常的加工中心結(jié)構(gòu)已大不相同。不僅可以用于需要快速換刀的加工，同時(shí)可以多軸同時(shí)加工，適合在高效率生產(chǎn)線上使用。
（2）刀庫布置在主軸周圍的轉(zhuǎn)塔方式
這種方式，刀庫本身就相當(dāng)于機(jī)械手，即通過刀庫拔插刀并采用順序換刀，使機(jī)床切屑到切屑換應(yīng)盡可能的提高換刀速度。
2）提高換刀速度的基本原則
數(shù)控銑床自動(dòng)刀具交換的基本出發(fā)點(diǎn)是在多種刀具參與的加工過程中，通過自動(dòng)換刀，減少輔助加工時(shí)間。在高速數(shù)控銑床上，由于切削速度的大幅度提高，自動(dòng)換刀裝置和刀庫的配置也要考慮盡可能縮短換刀時(shí)間，從而和高速切削的機(jī)床相配合。
數(shù)控銑床的換刀裝置通常由刀庫和刀具交換機(jī)構(gòu)組成，常用的有機(jī)械手式和無機(jī)械手式等方式。刀庫的形式和擺放位置也不一樣。為了適合高速運(yùn)動(dòng)的需要，高速數(shù)控銑床在結(jié)構(gòu)上已和傳統(tǒng)的加工中心不同，以刀具運(yùn)動(dòng)進(jìn)給為主，減小運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量已成為高速數(shù)控銑床設(shè)計(jì)的主流。因此，設(shè)計(jì)換刀裝置時(shí)，要充分考慮到高速機(jī)床的新結(jié)構(gòu)特征。
在設(shè)置高速數(shù)控銑床上換刀裝置時(shí)，時(shí)間并不是唯一的考慮因素。首先，應(yīng)該在換刀動(dòng)作準(zhǔn)確、可靠的基礎(chǔ)上提高換刀速度。特別是ATC是數(shù)控銑床功能部件中故障率相對(duì)比較高的部分，這一點(diǎn)尤其重要。其次，要根據(jù)應(yīng)用對(duì)象和性能價(jià)格比選配ATC，在換刀時(shí)間對(duì)生產(chǎn)過程影響大的一些應(yīng)用場(chǎng)合，要盡可能提高換刀速度。例如，在汽車等生產(chǎn)線上，換刀時(shí)間和換刀次數(shù)要計(jì)入零件生產(chǎn)節(jié)拍。而在另外一些地方，如模具型腔加工，換刀速度的選擇就可以放寬一些。
3）提高換刀速度的主要技術(shù)方法
適合于數(shù)控銑床的快速自動(dòng)換刀技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面：
在傳統(tǒng)的自動(dòng)換刀裝置基礎(chǔ)上提高動(dòng)作速度，或采用動(dòng)作速度更快的機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)元件。例如，機(jī)械凸輪結(jié)構(gòu)的換刀速度要大大高于液壓和氣動(dòng)結(jié)構(gòu)。比如日本SODIC公司生產(chǎn)的MC450立式加工中心的機(jī)械凸輪結(jié)構(gòu)的快速換刀裝置，刀到刀換刀時(shí)間只有0.6s。
適合于數(shù)控銑床的刀柄。HSK刀柄質(zhì)量輕，拔插刀行程短，可以使自動(dòng)換刀裝置的速度提高?？焖僮詣?dòng)換刀裝置采用HSK空心短錐柄刀是發(fā)展的趨勢(shì)。
根據(jù)高速機(jī)床新的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)刀庫和換刀裝置的形式和位置。例如，傳統(tǒng)的立式加工中心的刀庫和換刀裝置多裝在立柱一側(cè)：而高速數(shù)控銑床則大多為立柱移動(dòng)的進(jìn)給方式，為減輕運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量，刀庫和換刀裝置不宜再裝在立柱上。
采用新方法進(jìn)行刀具快速交換。不用刀庫和機(jī)械手方式，而改用其它方式換刀。例如不用換刀，用換主軸的方法。
利用新開發(fā)的加工中心的主軸部件可作6自由度高速運(yùn)動(dòng)這一特點(diǎn)，讓主軸直接參與換刀過程，不僅可使刀庫配置位置靈活，而且可減少刀庫運(yùn)動(dòng)的自由度，顯著簡(jiǎn)化刀庫和換刀裝置的結(jié)構(gòu)。
除了在傳統(tǒng)換刀裝置的基礎(chǔ)上提高動(dòng)作速度外，還出現(xiàn)了一些新方法和新結(jié)構(gòu)換刀裝置。
（1）多主軸換刀
這種機(jī)床沒有傳統(tǒng)的刀庫和換刀裝置，而是采用多個(gè)主軸并排固定在主軸架上，一般為3～18個(gè)。每個(gè)主軸由各自的電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，并且每個(gè)主軸上都安裝了不同的刀具。換刀時(shí)不是主軸上的刀具交換，而是安裝在夾具上的工件快速從一個(gè)主軸的加工位置移動(dòng)到另一個(gè)裝有不同刀具的主軸，實(shí)現(xiàn)換刀并立即加工。這個(gè)移動(dòng)時(shí)間就是換刀時(shí)間，而且非常短。由夾具快速移動(dòng)完成換刀，這樣省去了復(fù)雜的換刀機(jī)構(gòu)。奧地利ANGERG公司生產(chǎn)的這種結(jié)刀時(shí)間較短。這種方式如果要實(shí)現(xiàn)任意換刀，則就隨所選刀在刀庫的位置不同而存在時(shí)間長(zhǎng)短不等，最遠(yuǎn)的刀可能切屑到切屑換刀時(shí)間較長(zhǎng)。因此，這種方式作為高速自動(dòng)換刀裝置一般只能采用順序選刀的方式。
（3）多機(jī)械手方式
同樣，刀庫布置在主軸的周圍，但采用每把刀有一個(gè)機(jī)械手的方式使換刀幾乎沒有時(shí)間的損失，并可以采用任意選刀的方式。
2.2 數(shù)控銑床自動(dòng)換刀裝置的總體要求
2.2.1 自動(dòng)換刀裝置的分類
各類數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置的結(jié)構(gòu)取決于機(jī)床的型式、工藝范圍及刀具的種類和數(shù)量等。這種裝置主要可以分為以下幾種形式：
1、回轉(zhuǎn)刀架換刀形式
2、更換主軸頭換刀形式
3、帶刀庫的自動(dòng)換刀形式
2.2.2 對(duì)自動(dòng)換刀裝置的要求
數(shù)控銑床上的自動(dòng)換刀裝置由刀庫和刀具交換裝置組成，用于交換主軸與刀庫中的刀具或工具。其對(duì)自動(dòng)換刀裝置有如下具體要求：
1、刀庫容量適當(dāng)；
2、換刀時(shí)間短；
3、換刀空間小；
4、占地面積??；
5、動(dòng)作可靠、使用穩(wěn)定；
6、刀具重復(fù)定位精度高；
7、刀具識(shí)別準(zhǔn)確；
??
3 自動(dòng)換刀裝置總體設(shè)計(jì)
3.1 自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)
由設(shè)計(jì)任務(wù)書，我的任務(wù)是給XK5032數(shù)控立式升降臺(tái)銑床設(shè)計(jì)一套合適的自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)，以滿足于工廠機(jī)械加工的生產(chǎn)需求。
主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如下：
1）刀庫容量：4-6
2）選刀方式：順序選刀
3）重復(fù)精度：5"
XK5032數(shù)控立式升降臺(tái)銑床主要由床身、升降臺(tái)、工作臺(tái)、立銑頭、主傳動(dòng)、主變速、吊掛、拉刀機(jī)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)、電柜等部分組成。機(jī)床本身并不帶自動(dòng)換刀裝置。自動(dòng)換刀裝置作為一套獨(dú)立的、完整的機(jī)床部件，設(shè)計(jì)依據(jù)是根據(jù)該機(jī)床的型式、工藝范圍及刀具的種類和數(shù)量等。
3.2 XK5032數(shù)控銑床主要技術(shù)參數(shù)
XKA5032A型數(shù)控立式升降臺(tái)銑床使用范圍較廣泛，根據(jù)用戶要求，配置國(guó)內(nèi)外(OSP-U10M、SIEMENS802D、華中Ⅰ號(hào)）先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)，可手動(dòng)或自動(dòng)操作，可以實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三軸同時(shí)定位/直線插補(bǔ)，同時(shí)二軸圓弧插補(bǔ)，OPS全域絕對(duì)位置檢測(cè)。每次開機(jī)無須回零，簡(jiǎn)化機(jī)床操作。尤其在發(fā)生停機(jī)、斷電、更換程序等情況后再啟動(dòng)時(shí)不用整機(jī)回零，可以直接開機(jī)，方便操作，也適用于不熟練的操作工、繁忙的操作工、電力不良等情況。XK5032數(shù)控立式升降臺(tái)銑床可對(duì)于主程序、子程序進(jìn)行編程，最小單位可選0.001mm，具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系，絕對(duì)值、增量并用的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)的該銑床各自有50組刀具長(zhǎng)度、半徑長(zhǎng)度補(bǔ)償，彩色LCD中文顯示，并且具良好人機(jī)對(duì)話窗口，系統(tǒng)具有160m存儲(chǔ)容量，可進(jìn)行程序編輯、管理，可用RS-232C接口、1.44軟盤進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入、輸出，這樣便于加工程序的管理。此外，它還具有對(duì)程序進(jìn)行模擬加工，刀具軌跡跟蹤及動(dòng)畫仿真、圖形動(dòng)畫顯示，記錄運(yùn)行時(shí)間及作業(yè)信息等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)物圖如下圖。
圖3.1 XK5032數(shù)控銑床外形圖
3.2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)
1) 主傳動(dòng)系統(tǒng)為7.5Kw交流電動(dòng)機(jī)，通過彈性連軸器驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)箱，主傳動(dòng)箱內(nèi)設(shè)有三組滑移齒輪,液壓預(yù)選變速機(jī)構(gòu)推動(dòng)各滑移齒輪,組成了18種轉(zhuǎn)速,再傳到銑頭上的主軸，主傳動(dòng)箱內(nèi)有電磁制動(dòng)器,主軸制動(dòng)迅速平穩(wěn)。
2) 進(jìn)給系統(tǒng) X、Y、Z三個(gè)座標(biāo)的進(jìn)給，都是由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。電機(jī)通過同步齒形帶驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，從而使部件沿導(dǎo)軌移動(dòng)。伺服電機(jī)及其相應(yīng)的速度控制單元和用于位置檢測(cè)的脈沖編碼器等均受控于數(shù)控系統(tǒng)，以完成各種進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。同步齒形帶可張緊以減少傳動(dòng)間隙，噪聲亦可降低。
垂向電機(jī)是帶制動(dòng)器的，當(dāng)斷電時(shí)，垂向剎緊，以防止升降臺(tái)因自重而下滑。
3) 銑頭上的立式主軸，有符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的(ISO)No.50錐孔，可安裝標(biāo)準(zhǔn)的銑刀或銑夾頭。主軸的軸向位置可調(diào)整，連同套筒一起作軸向伸出。主軸也可以連同銑頭主體一起，在左右各45°范圍內(nèi)調(diào)整成傾斜位置。
4) 銑床刀柄采用標(biāo)準(zhǔn)XT50形式，可以與萬能銑床刀柄通用。
5) 潤(rùn)滑系統(tǒng)
自動(dòng)潤(rùn)滑站配遞進(jìn)式分油器，對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌副、滾珠絲杠副及齒輪副等進(jìn)行自動(dòng)的定時(shí)定量潤(rùn)滑，它每次加油量和兩次間的間隔都是可調(diào)的，力求保證每個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)的合理油量。
6) 機(jī)床采用的是吊掛式操縱站和側(cè)掛式電柜，機(jī)電一體，整體裝運(yùn)，安裝方便，集中操縱但又能多位置操作。
7) 半自動(dòng)裝卸刀機(jī)構(gòu),安裝在銑頭的上方，分別通過兩個(gè)按鈕控制裝刀和卸刀，方便而安全，這樣既可以使主軸向外伸出，也不會(huì)影響刀具裝卸。
3.2.2 主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù)
表3-1XKA5032主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù)
參數(shù)名稱
單位
數(shù)量
工作臺(tái)面尺寸（長(zhǎng)X寬）
mm
320 X 1320
工作臺(tái)縱向（X）行程
mm
780
工作臺(tái)縱向（Y）行程
mm
300
工作臺(tái)縱向（Z）行程
mm
380
主軸孔徑
mm
29
主軸端面至工作臺(tái)面的距離
mm
70～450
主軸中心線至床身導(dǎo)軌面距離
mm
350
定位精度及重復(fù)定位精度
mm
±0.015、±0.005
主軸端部錐度
ISO
No.50
立銑頭最大回轉(zhuǎn)角度
45°
主軸轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)
18
主軸轉(zhuǎn)速范圍
r/min
30～1500
續(xù)
續(xù)表3-1
工作臺(tái)進(jìn)給級(jí)數(shù)
無級(jí)
縱、橫向進(jìn)給范圍
mm/min
6～3200
垂向進(jìn)給范圍
mm/min
3～1600
縱、橫向快進(jìn)速度
mm/min
6000
垂向快進(jìn)速度
mm/min
3000
主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率
kw
7.5
主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
r/min
1440
工作臺(tái)最大承載重量
kg
320
主軸最大扭矩
N·m
1000
機(jī)床外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）
mm
1929 × 2055 ×2216
機(jī)床重量
kg
2800(3000)
該機(jī)床推薦使用的最大切削范圍如下：
銑切鋼：鋼的含碳量0.45%，抗拉強(qiáng)度600N/mm2。銑刀直徑100mm，齒數(shù)4；
銑切寬度50mm，銑切深度3 mm；主軸轉(zhuǎn)速750 r/min，進(jìn)給量750mm/min。
銑切灰鑄鐵：材料HT200，硬度HB150～225。銑刀直徑250mm，齒數(shù)14；
銑切寬度150mm，銑切深度3.7 mm；主軸轉(zhuǎn)速47.5 r/min，進(jìn)給量300mm/min
3.3 確定數(shù)控銑床加工工況
在進(jìn)行銑削輪廓時(shí)，為了保證一次連續(xù)地加工出全部表面，應(yīng)選用半徑小于工件最小輪廓半徑的刀具，但是在實(shí)際的生產(chǎn)加工中，由于大直徑銑刀剛性好，耐用度高的優(yōu)點(diǎn)，通常會(huì)選用大直徑銑刀來提高生產(chǎn)率。由XK5032數(shù)控立式升降臺(tái)銑床推薦使用的最大切削范圍可知，當(dāng)銑削鋼質(zhì)零件時(shí)，銑刀最大的直徑為100 mm。當(dāng)銑削灰鑄鐵時(shí)，銑刀直徑可達(dá)250mm。因此，為了滿足該機(jī)床的實(shí)際加工能力與生產(chǎn)情況，一般在設(shè)計(jì)其自動(dòng)換刀裝置時(shí)，應(yīng)該根據(jù)最大的刀具直徑來設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)的換刀裝置能交換250mm的刀具。
依上分析，初估最大直徑刀具的重量為8kgf。
3.4 確定自動(dòng)換刀裝置的方式
數(shù)控銑床的換刀方式一般有兩種：機(jī)械手換刀和主軸換刀。???
1、機(jī)械手換刀???
數(shù)控銑床一般普遍采用的形式由刀庫選刀，再由機(jī)械手完成換刀動(dòng)作，根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)不同，因此機(jī)械手的形式及動(dòng)作均不一樣。??????
2、主軸換刀???
通過刀庫和主軸箱的配合動(dòng)作來完成換刀，適用于刀庫中刀具位置與主軸上刀具位置一致的情況。一般是采用把盤式刀庫設(shè)置在主軸箱可以運(yùn)動(dòng)到的位置，或整個(gè)刀庫能移動(dòng)到主軸箱可以到達(dá)的位置。在換刀的時(shí)候，主軸運(yùn)動(dòng)到刀庫上的換刀位置，由主軸直接取走或放回刀具，在此過程的設(shè)計(jì)多用于采用40號(hào)以下刀柄的中小型數(shù)控銑床。
圖3.2 XK5032數(shù)控立式升降臺(tái)銑床的外觀圖
由于XK5032數(shù)控立式升降臺(tái)銑床是一種使用范圍較廣的機(jī)床，且其可加工零件的精度要求也較高，比較上節(jié)介紹的幾種換刀形式之后，決定選用帶刀庫的自動(dòng)換刀形式。
XK5032數(shù)控立式升降臺(tái)銑床主軸箱上方?jīng)]有好的安裝位置，而安裝在機(jī)床外會(huì)增加刀具運(yùn)輸時(shí)間，降低效率，所以安裝在機(jī)床側(cè)面最合適。在部件交錯(cuò)的地方，要作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。因?yàn)閄K5032數(shù)控立式升降臺(tái)銑床外形及其他性能參數(shù)等均與THK6363型自動(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床相似，所以本機(jī)床的自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)將仿效THK6363型自動(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床換刀裝置，設(shè)計(jì)成由盤式刀庫和回轉(zhuǎn)式雙臂機(jī)械手組成。設(shè)計(jì)增加自動(dòng)換刀裝置后的XK5032數(shù)控立式升降臺(tái)銑床的外觀圖如圖3.2所示。
4 自動(dòng)換刀控制原理
4.1 自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.1.1 液壓的特點(diǎn)
1) 液壓傳動(dòng)可以輸出大的推力或大轉(zhuǎn)矩，可實(shí)現(xiàn)低速大噸位運(yùn)動(dòng)，這是其它傳動(dòng)方式所不能比的突出優(yōu)點(diǎn)。
2) 液壓傳動(dòng)能很方便地實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍大，且可在系統(tǒng)運(yùn)行過程中調(diào)速。
3) 在相同功率條件下，液壓傳動(dòng)裝置體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。液壓元件之間可采用管道連接、或者采用集成式連接，其布局、安裝有很大的靈活性，可以構(gòu)成用其它傳動(dòng)方式難以組成的復(fù)雜系統(tǒng)。
4) 液壓傳動(dòng)能使執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)十分均勻穩(wěn)定，也可使運(yùn)動(dòng)部件換向時(shí)無換向沖擊。而且由于其反應(yīng)速度快，故可實(shí)現(xiàn)頻繁換向。
5) 操作簡(jiǎn)單，調(diào)整控制方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。特別是和機(jī)、電聯(lián)合使用時(shí)，能方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自動(dòng)工作循環(huán)。
6) 液壓系統(tǒng)便于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，使用安全、可靠。由于各液壓元件中的運(yùn)動(dòng)件均在油液中工作，都能自行潤(rùn)滑，故元件的使用壽命長(zhǎng)。
7) 液壓元件易于實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，便于設(shè)計(jì)、制造、維修和推廣使用。
4.1.2 自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖
由以上分析可以初步擬定系統(tǒng)的液壓原理圖如圖4.1所示。
圖4.1 自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)的液壓控制系統(tǒng)原理圖
圖4.1液壓原理圖
4.2 自動(dòng)換刀裝置換刀動(dòng)作的順序控制過程
在自動(dòng)換刀裝置的整個(gè)換刀過程中，換刀動(dòng)作的控制由刀庫控制部分、換刀機(jī)械手控制部分以及主軸箱控制部分三部分組成，它們組成是一個(gè)互相聯(lián)系的系統(tǒng)。
其動(dòng)作過程下面簡(jiǎn)要說明。
1) 刀庫控制部分：
該換刀機(jī)構(gòu)在加工工件的同時(shí)，下一個(gè)工序所需要的刀具可隨刀庫轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置等候，這樣可以減少換刀時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。刀庫自動(dòng)換刀時(shí)，由一個(gè)3位4通電磁閥YV1控制，當(dāng)YV1在右位接通時(shí)，換刀松開，當(dāng)YV1在左位接通時(shí)，則實(shí)現(xiàn)換刀鎖緊動(dòng)作。
2) 機(jī)械手控制部分
機(jī)械手自動(dòng)換刀時(shí)，換新刀前，先進(jìn)行拔刀動(dòng)作，然后是180°的回轉(zhuǎn)動(dòng)作，接著是插刀動(dòng)作，最后是機(jī)械手退出換刀位置，這就是整個(gè)換刀過程。在此過程中機(jī)械手拔刀和插刀動(dòng)作是由一個(gè)3位4通電磁閥YV5控制，當(dāng)YV5在右位接通時(shí)，進(jìn)行插刀，當(dāng)YV5在左位接通時(shí)，實(shí)現(xiàn)拔刀動(dòng)作；機(jī)械手的換刀鎖緊和換刀松開由3位4通的電磁閥YV6來控制，當(dāng)YV6在右位接通時(shí)，實(shí)現(xiàn)換刀松開動(dòng)作，當(dāng)YV6在左位接通時(shí)，則實(shí)現(xiàn)換刀鎖緊動(dòng)作。機(jī)械手回轉(zhuǎn)是由回轉(zhuǎn)液壓缸來完成，它是由一個(gè)3位4通的電磁閥YV7來控制；
3) 主軸箱控制部分
主軸準(zhǔn)停后，主軸箱內(nèi)的刀具自動(dòng)卡緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)松開與鎖刀工能，松刀和鎖刀動(dòng)作是由一個(gè)3位4通電磁閥YV4控制，當(dāng)YV4在右位接通時(shí)，實(shí)現(xiàn)松刀動(dòng)作，而當(dāng)YV4在右位接通時(shí)，從而實(shí)現(xiàn)鎖刀動(dòng)作。
5 刀庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
刀庫是帶刀庫自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)的主要部件之一，其容量形式、布局及具體結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)控機(jī)床的性能都有很大影響。
5.1 刀庫類型
自動(dòng)換刀裝置的刀庫一般有盤式、鏈?zhǔn)郊肮妮喪降稁鞄追N。
?1）盤式刀庫?
刀具呈環(huán)行排列，空間利用率低，容量不大但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如圖5-1所示。
圖5.1盤式刀庫
圖5.3 鼓輪式刀庫
圖5.2 鏈?zhǔn)降稁?
?2）鏈?zhǔn)降稁?
目前生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛。其優(yōu)點(diǎn)有結(jié)構(gòu)緊湊，容量大，鏈環(huán)的形狀也可隨機(jī)床布局制成各種形式而靈活多變，還可將換刀位突出以便于換刀，具體如圖5-2所示。
3）鼓輪式或格子式刀庫?
占地小，結(jié)構(gòu)緊湊，容量大，但選刀、取刀動(dòng)作復(fù)雜，如圖5-3所示。
5.2 刀具識(shí)別
數(shù)控銑床的刀庫中有多把刀具，如何從刀庫中調(diào)出所需要的刀具，就必須對(duì)刀具進(jìn)行識(shí)別，刀具識(shí)別的方法有兩種。
1）刀座編碼
在刀庫的刀座上編有號(hào)碼，在裝刀之前，首先對(duì)刀庫進(jìn)行重整設(shè)定，設(shè)定完成后，就變成了刀具號(hào)和刀座號(hào)一致的情況，此時(shí)一號(hào)刀座對(duì)應(yīng)的就是一號(hào)刀具，經(jīng)過換刀之后，一號(hào)刀具并不一定放到一號(hào)刀座中（刀庫采用就近放刀原則），此時(shí)數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)記憶一號(hào)刀具放到了幾號(hào)刀座中，數(shù)控系統(tǒng)通常采用循環(huán)記憶方式。
2) 刀柄編碼
??? 在刀柄上編有號(hào)碼，將刀具號(hào)首先與刀柄號(hào)對(duì)應(yīng)起來，把刀具裝在刀柄上，再裝入刀庫，在刀庫上有刀柄感應(yīng)器，當(dāng)需要的刀具從刀庫中轉(zhuǎn)到裝有感應(yīng)器位置時(shí)，被感應(yīng)到后，從刀庫中調(diào)出來交換到主軸上。
5.3 刀庫容量的設(shè)計(jì)
決定刀庫容量時(shí)，首先要考慮加工工藝的需要，同時(shí)還要調(diào)查分析同類型、相近規(guī)格的自動(dòng)換刀機(jī)床的刀庫容量及其發(fā)展趨勢(shì)。由于帶自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床主要都是在多品種、單件小批生產(chǎn)時(shí)使用，因而應(yīng)根據(jù)廣泛的工藝統(tǒng)計(jì)，依大多數(shù)工件加工時(shí)需要的刀具數(shù)來確定刀庫容量。例如，對(duì)功能較為齊全的加工中心而言，它可承擔(dān)多個(gè)工件的切削任務(wù)，因而要配備刀具的種類和規(guī)格較多。通常，配備的刀具越多，機(jī)床能加工工件的比率也越高，但它們并不是成正比例關(guān)系。圖5.4為刀庫容量與機(jī)床能加工工件的比率統(tǒng)計(jì)曲線。
圖5.4刀具數(shù)量統(tǒng)計(jì)圖
由于刀庫儲(chǔ)存量過大，導(dǎo)致刀庫的結(jié)構(gòu)龐大而復(fù)雜,影響機(jī)床總體布局。而儲(chǔ)存量過小，又不能滿足復(fù)雜零件的加工要求。因此，刀庫容量應(yīng)在經(jīng)濟(jì)合理的條件下，力圖將一組類似的零件所需的全部刀具裝入刀庫，以縮短每次裝刀所需的裝調(diào)時(shí)間。對(duì)自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床的刀庫容量，有關(guān)資料曾經(jīng)對(duì)15000個(gè)零件進(jìn)行分組統(tǒng)計(jì)，指出不同工序加工時(shí)必須的刀具數(shù)不同，如圖4-4所示。由圖可知，4把銑刀可完成加工工件的95％左右的銑削工藝，10把孔加工刀具可完成70％的鉆削工藝， 14把刀的容量就可完成70％以上工件的鉆銑工藝，配有14—40把刀具的刀庫就能夠滿足70％-95％工件的加工需要。因此，對(duì)XK5032數(shù)控立式升降臺(tái)銑床，從使用和經(jīng)濟(jì)效率角度來看，容量為6的刀庫就可滿足要求了。
由以上考慮XK5032數(shù)控立式升降臺(tái)銑床的結(jié)構(gòu)布局等原因，決定采用軸向放置的鼓盤式刀庫形式。這種刀庫不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且刀具排列也較為緊湊，在刀庫容理定為6的情況下體種不大，且取刀也較為方便，但需要考慮機(jī)械手的換刀動(dòng)作空間。
5.4 刀庫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
如圖5.5刀庫裝配圖所示，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，直流伺服電動(dòng)機(jī)接通，其運(yùn)動(dòng)經(jīng)過十字聯(lián)軸器、波傳動(dòng)減速器、套筒式聯(lián)軸器、蝸桿、蝸輪后，再經(jīng)花鍵聯(lián)接傳到刀盤上，刀盤帶動(dòng)刀座上的6個(gè)刀套轉(zhuǎn)動(dòng)，完成選刀動(dòng)作。
圖5.5 刀庫裝配圖
5.4.1 傳動(dòng)裝置的選擇
刀庫回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)大多數(shù)采用液壓馬達(dá)、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并沒有降速傳動(dòng)裝置。
刀庫的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，由于本刀庫的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小，且所需轉(zhuǎn)速小，所以決定采用直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。直流伺服電動(dòng)機(jī)具有體積小，重量輕、伺服性好、力能指標(biāo)高等幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，且該電機(jī)可用信號(hào)電壓進(jìn)行無級(jí)調(diào)速。采用型號(hào)為90SZ03的SZ系列電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)，其基本參數(shù)為：功率0.092KW，轉(zhuǎn)速3000R/MIN（《袖珍機(jī)械師設(shè)計(jì)手冊(cè)》P1275）。降速傳動(dòng)裝置型號(hào)為XB3-50-100A的扁平式諧波傳動(dòng)減速器，其基本參數(shù)為：輸入功率0.092KW，輸出轉(zhuǎn)矩18N·m（《袖珍機(jī)械師設(shè)計(jì)手冊(cè)》P1078-1079）。
5.4.2 刀庫回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
1）初估刀庫驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩
由于刀庫容量是6，下面就以THK6363型自動(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床的刀庫為設(shè)計(jì)參考（查參考資料14），采用經(jīng)驗(yàn)法初估回轉(zhuǎn)所需轉(zhuǎn)矩。
THK6363型自動(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床的刀庫也是采用軸向放置的鼓盤式刀庫形式，其容量為36把刀具，最大刀具重達(dá)10kgf，刀庫回轉(zhuǎn)由最大扭矩為25N·m的液壓馬達(dá)經(jīng)諧波減速器來驅(qū)動(dòng)。現(xiàn)在由于設(shè)計(jì)的刀庫容量為6把刀具，可初估刀庫驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩(主要是指直接驅(qū)動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩)為T0=8N·m。
2）刀庫轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
刀庫的主運(yùn)動(dòng)是圓周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖5.6所示,直流伺服電動(dòng)機(jī)1通過彈性柱銷聯(lián)軸器與諧波傳動(dòng)減速器2聯(lián)接減速后驅(qū)動(dòng)蝸桿3,設(shè)計(jì)刀庫轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的普通圓柱蝸桿傳動(dòng). 由刀庫轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
己知直流伺服電動(dòng)機(jī)1的功率為0.092KW,轉(zhuǎn)速為3000R/MIN,諧波傳動(dòng)減速器2的傳動(dòng)比為100.傳動(dòng)效率為80%,1經(jīng)2減速后驅(qū)動(dòng)蝸桿3,蝸桿為主動(dòng),蝸輪為從動(dòng),要求傳動(dòng)比為6,單向旋轉(zhuǎn),單班工作制,預(yù)計(jì)壽命為5年。
圖5.6 刀庫轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)傳動(dòng)示意圖
(1)選擇蝸桿傳動(dòng)類型
根據(jù)GB10085—88的推薦，采用漸開線蝸桿（ZI）。
(2)選擇材料
蝸桿采用45鋼，齒面淬火，硬度為45～50HRC；蝸輪用鑄錫磷青銅ZCuSn10Pb1，金屬模鑄造，=220 MPa，=220 MPa。
(3)確定主要參數(shù)
蝸桿蝸輪傳動(dòng)，以蝸桿為主動(dòng)，蝸輪為從動(dòng)。為了提高傳動(dòng)效率，取Z1=6，傳動(dòng)比取6，單向旋轉(zhuǎn)，單工作制，預(yù)計(jì)壽命為5年。則Z2= Z1ⅹi= 6ⅹ6=36。
(4)按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
m2d1KT2 (mm3)
a) 計(jì)算蝸輪軸轉(zhuǎn)矩T2
初估傳動(dòng)效率η=0.95,則
T2=9549=9549η=9549ⅹ0.95=133.53 N·m
其中n1 =3000/100=30(r/min)
b)載荷系數(shù)K=1.05
c)許用接觸應(yīng)力
==220ⅹ0.9ⅹ1.48=293.04 MPa
式中, =220 MPa,
估計(jì)滑動(dòng)速度<5m/s，用浸沒潤(rùn)滑,則由(參考文獻(xiàn)11) (P972圖18—2)查得滑動(dòng)速度影響系數(shù)=0.9,=1.48（其中=60at=60ⅹ1ⅹⅹ5ⅹ300ⅹ8=3.6ⅹ,按圖18—3查得）；
d)計(jì)算m2d1值,并選定模數(shù)m和蝸桿分度圓直徑d1
m2d1ⅹ1.05ⅹ133.53=283.46 mm3;
按表18—3查得模數(shù)m=3.15(mm), d1=35.5 (mm)(m2d1值應(yīng)大于計(jì)算值)
(5)驗(yàn)算滑動(dòng)速度
a)計(jì)算蝸桿速度
===0.0558 m/s
b)計(jì)算滑動(dòng)速度
=/=0.0558/=0.0632 m/s
其中===,則初估的值合適。
(6)驗(yàn)算蝸輪齒彎曲強(qiáng)度
驗(yàn)算公式為
a)使用系數(shù)=1
b)動(dòng)載荷系數(shù)=1.03
c)載荷分布