毕业设计（论文）XKA5032AC数控立式升降台铣床自动换刀设计

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1、XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀设计1目录目录目录1中文摘要 3Abstract 3第 1 章 绪论41.1 数控铣床的分类4 1.1.1 数控立式铣床41.1.2 数控卧式铣床41.1.3 数控立、卧式两用铣床41.2 数控铣床的结构特征41.2.1 数控铣床的主轴特征41.2.2 控制机床运动的坐标特征51.3 数控铣床的主要功能及加工对象51.3.1 数控铣床的功能51.3.2 自动换刀装置（ATC）及其形式51.3.3 自动换刀装置应当满足的基本要求6第 2 章 总体方案的设计 62.1 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床及其主要参数62.2 初定 XKA5032

2、A/C 数控立式升降台铣床自动换刀装置的设计参数72.3 确定 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀装置的形式7第 3 章 刀库的设计83.1 确定刀库容量83.2 确定刀库形式83.3 刀库结构设计10 3.4 初估刀库驱动转矩及选定电机103.5 刀库转位机构的普通圆柱蜗杆传动的设计103.6 刀库驱动转矩的校核143.7 确定刀具的选择方式14第 4 章 刀具交换装置的设计154.1 换刀机械手抓刀部分结构154.2 机械手传动结构154.3 自动换刀过程的动作顺序164.4 自动换刀装置的相关技术要求174.4.1 主轴准停装置17XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自

3、动换刀设计24.4.2 换刀机械手的安装与调试17第 5 章 自动换刀装置的控制原理 175.1 刀库的控制175.2 机械手的控制18第 6 章 典型零件的设计186.1 联轴器186.1.1 联轴器的选用186.1.1 联轴器的校核186.2 托架的设计18鸣 谢20参考文献21XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀设计3中文摘要本论文介绍的是 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀装置的设计.该自动换刀装置由刀库和换刀机械手组成.刀库采用盘形结构,安装在机床的左侧立柱上.刀库容量为六把,采用顺序选刀方式.机械手选用回转式双臂机械手.关键词: : 数控铣床 自动换刀装置

4、 刀库 换刀机械手 A AbstractbstractThis paper introduces the design of automatic tool changer of XKA5032A/C numerical control vertical-knee milling machines. The automatic tool changer is composed of tool storage and a tool changing-manipulator. The tool storage which adopts bat batch shape structure is mou

5、nted on the vertical post of XKA5032A/C numerical control vertical-knee milling machines. The capacity of the tool storage is six and the method of Choose knife is Alignment. The tool changing-manipulator adopts the two arms manipulator of turn-over type. KeyKey words:words: numerical control millin

6、g machines Automatic tool changer Tool storage tool changing-manipulatorXKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀设计4XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀装置专业：机电一体化，学号：0410310120，姓名：黄扣英指导老师：赵学跃第 1 章 绪论11 数控铣床的分类111 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；

7、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

8、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。112 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加工是非常合适的。113 立、卧式两用数控铣床 这

9、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。XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀设计5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

10、以在一次安装中进行加工。因此，其加工性能非常优越。12 数控铣床的结构特征121 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

11、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。122 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。13 数

12、控铣床的主要功能及加工对象 131 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：1、平面类零件。2、变斜角类零件。3、曲面类（立体类）零件。132 自动换刀装置（ATC）及其形式 数控机床为了能在

13、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。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） 。 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： （一）回转刀架换刀形式 数控车床使用的回转刀架是一种简单的自动换刀装置。根据不同加工对象，可以设计成四方和六角刀架等多种形式。回转刀架上分别安装着四把、六把或更多的刀具，并按

14、数控装置的XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀设计6指令转位换刀。（二）更换主轴头换刀形式在带有旋转刀具的数控机床中，更换主轴头换刀是一种简单的换刀方式。主轴头通有卧式和立式两种，而且常用转塔的转位来更换主轴头以实现自动换刀。各个主轴头上预先装有各工序加工所需要的旋转刀具，当收到换刀指令时,各主轴头依次地转到加工位置，并接通主运动使相应的主轴带动刀具旋转，而其他处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。转塔主轴头换刀方式的主要优点是省去了自动松夹、卸刀装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作，从而显著地减少了换刀时间，提高了换刀的可靠性，但是由于结构上的原因和空间位置的限制，主轴的数目

15、不可能很多。因此转塔主轴头换刀通常只适用于工序较少，精度要求不太高的数控机床，如数控铣床。（三）带刀库的自动换刀形式 带刀库的自动换到形式主要是由刀库和刀具交换装置组成。目前这种换刀方法在数控机床上的应用最为广泛。带刀库的自动换刀装置的数控机床主轴箱和转塔主轴头相比较，由于主轴箱内只有一个主轴，所以主轴部件具有足够刚度，因而能够满足各种精密加工的要求。另外，刀库可以存放数量较多的刀具，可进行复杂零件的多工序加工，可明显提高数控机床的适应性和加工效率。这种带刀库的自动换刀装置特别适用于数控铣床、数控钻床和数控镗床。刀库有多种形式，数控机床上常用的有盘式和链式两种。交换装置的机械手形式也多样，目前

16、在数控机床上用得最多的是回转式双臂机械手。其他形式还有摆动式单臂双爪机械手、单臂单爪回转式机械手、双机械手等等。133 自动换刀装置应当满足的基本要求1) 换刀时间短。2）刀具重复精度高。3）刀具储存足够。4）刀库占地面积小。5）安全可靠。第 2 章 总体方案的确定 依据设计任务书，我们的任务是给 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床设计安装合适的自动换刀装置。主要技术参数为： 1）刀库容量：4-6 2）选刀方式：顺序选刀 3）重复精度：5 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床主要由床身、升降台、工作台、立铣头、主传动、主变速、拉刀机构、液压系统、自动润滑系统、冷却系统、吊挂、电柜等部

17、分组成。机床本身并不带自动换刀装置。自动换刀装置作为一套独立的、完整的机床部件，设计依据是该机床的型式、工艺范围及刀具的种类和数量等。21 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床及其主要参数 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床是北京第一机床厂生产的带有立铣头的立式铣床，为机电一体化结构，三坐标联动，是一种使用很广的机床，它可以使用各种圆柱铣刀、角度铣刀及端面铣刀完成直线铣削，组成各种往复循环和框式循环或按坐标位置加工孔，也可以铣削具有轮廓的零件，如凸轮、样板、模具、叶片、弧形槽等。XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀设计7该机床适用于机械制造的各种类部门，也适用于军工部门。

18、其主要规格及技术参数如下表：表一 机床主要规格及技术参数参数名称单位数量工作台面尺寸（长 X 宽）mm320 X 1320工作台纵向（X）行程mm780工作台纵向（Y）行程mm300续表一工作台纵向（Z）行程mm380主轴孔径mm29立铣头最大回转角度45主轴转速级数18主轴转速范围r/min30-1500工作台进给级数无级主传动电动机功率 kw7.5主传动电动机转速r/min1440工作台最大承载重量kg320主轴最大扭矩Nm1000机床外形尺寸（长 X 宽 X 高）mm1929 X 2055 X 2216机床重量kg2800 该机床推荐使用的最大切削范围如下： 铣切钢：钢的含碳量 0.45

19、%，抗拉强度 600N/mm2。铣刀直径100mm，齿数 4； 铣切宽度 50mm，铣切深度 3 mm；主轴转速 750 r/min，进给量 750mm/min。 铣切灰铸铁：材料 HT200，硬度 HB150225。铣刀直径250mm，齿数 14； 铣切宽度 150mm，铣切深度 3.7 mm；主轴转速 47.5 r/min，进给量 300mm/min22 初定 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀装置的设计参数在铣削轮廓时，为了保证一次连续地加工出全部表面，应选用半径小于工件最小轮廓半径的刀具，而在实际的生产加工中，常尽量选用直径较大的铣刀，因为大直径铣刀刚性好，耐用度高。由

20、XKA5032A/C 数控立式升降台铣床推荐使用的最大切削范围可知，当铣切钢时，铣刀直径为100 mm。当铣灰铸铁时，铣刀直径达250mm。因此，为了满足该机床的实际加工能力与生产情况，在设计其自动换刀装置时，应该根据最大的刀具直径来设计，即设计的换刀装置能交换250mm 的刀具。初估最大直径刀具的重量为 8kgf。23 确定 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀装置的形式 数控机床的自动换刀装置的结构形式多种多样，选择何种形式，主要取决于机床的种类、工艺范围以及刀具的种类和数量等。 由于 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床是一种使用范围较广的机床，且其可加工零件的精度要求也

21、较高，比较上章介绍的几种换刀形式，决定选用带刀库的自动换刀形式。XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀设计8 带刀库的自动换刀装置是由刀库和刀具交换装置（换刀机械手）组成。它是多工序数控机床上应用最广泛的换刀装置，其整过换刀过程比较复杂。首先把加工过程中需要使用的全部刀具安装在标准的刀柄上，在机床外进行尺寸预调后，按一定的方式装入刀库。换刀时，先在刀库中进行选刀，由机械手从刀库和主轴上取出刀具，然后交换位置，把新刀插入主轴，旧刀放回刀库。存放刀具的刀库可具有较大的容量，它既可以安装在主轴箱的侧面或上方，也可以作为独立部件安装在机床以外。 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床主轴箱

22、上方没有好的安装位置，安装在机床外又要增加刀具运输时间，降低效率，所以安装在机床侧面最合适，有些部件交错的地方，作适当的调整。因为 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床外形及其他性能参数等均与 JCS018A 数控立式镗铣床相似，所以本机床的自动换刀装置的设计将仿效 JCS018A 数控立式镗铣床换刀装置，设计成由由盘式刀库和回转式双臂机械手组成。设计增加自动换刀装置后的 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床的外观图如图 1-1 所示。图 1-1 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床的外观图第 3 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

23、数控机床的性能有很大影响。31 确定刀库容量刀库储存量过大，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XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀设计9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，铣削 90%的加工量由 4 把铣刀即可完成。因此，对 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床，容量为 6 的刀库就可满足要求了。 32 确定刀库形

24、式 由以上考虑 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床的结构布局等原因，决定刀库采用盘形结构，沿刀库主轴轴向安装。这种刀库结构简单且紧凑，但为了换刀时刀具与主轴同向，刀库中的刀具需在换刀位置作 90翻转。33 刀库结构设计 刀库的外形如图 3-2 所示。圆盘式刀库（图 a）由专用的直流伺服电动机 1 经套筒联轴器2、XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀设计10蜗杆 4、蜗轮 3，带动刀盘 14 和盘上的 6 个刀套 13 旋转。刀座的滚子 11 在不旋转的导盘 14 的槽中受到限位，导盘 14 在最下端的换刀位置开了一个缺口。刀座以铰链形式与支承板 16 相连（图 b） 。平时，

25、由弹簧 18 将滚子销 19 压在刀套 13 的凹槽中，使刀座定位在水平位置。由于主轴是立式的，故应将处于刀库刀盘 14 最下位置的刀套旋转 90，使刀头朝下。实现这个动作靠气缸 5。气缸 5 的活塞杆 6 带动拨叉 7 上升。由 AA 剖视图中可以看到，最下面的一个刀套 13右尾部的滚子 11 正好进入拨叉 7 的缺口。拨叉 7 上升使刀套连同刀具逆时针旋转 90，滚子销19 退出支承板 16 的凹槽，刀座转到垂直位置，等待机械手换刀。 刀套的构造如图 b 所示。由图中可以看到锥孔尾部有两个球头销钉 17，后有弹簧用以夹住刀具，故当刀套旋转 90后刀具不会下落。刀套顶部的滚子 15 用以在刀

26、套处于水平位置时支承刀套。当刀具更换完毕，该刀座插入从主轴换下的刀具平头。通过气缸作用，与上述动作相反，刀座带着刀具夹头顺时针转动，直到水平位置为止，此时，滚子销 19 重新处于支承板 16 的凹槽中。34 初估刀库驱动转矩及选定电机 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） ，采用经念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为 T0=8N

27、m。 刀库回转运动多数采用液压马达、直流电动机驱动。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。由参考资料 11 P1275 表查选电动机型号为 90SZ03 的 SZ 系列电磁式直流伺服电动机，功率为 0.092 kw。35 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，由刀库转位机构实现。调定换刀信号电压，使电动机转速调定为 30 r/min。这样电动机通过联轴器、蜗杆、蜗轮驱动刀库转动，如图 3-3 所示：XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自

28、动换刀设计111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；蜗轮用铸锡磷青钢 ZCuSn10Pb1，金属模铸造，=220 MPa。2HP3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= Z16=36。4按齿面接触疲劳强度设计 m2d1KT2 (mm3)22215000ZHP （1）计算蜗轮轴转矩 T2 初估传动效率 =0.95,则T2=9594=9594=95940.95=166.92 Nm12

29、Pn11/Pni0.09230/6 (2) 载荷系数 K=1.05 (3) 许用接触应力2HP =2200.91.48=293.04 MPa2HP2HPVSZNZ 式中, =220 MPa, =70 MPa2HP2FP 估计滑动速度5m/s，用浸没润滑,则由参考文献 11 P972 图 182 查得滑动速度影SV响系数=0.9,=1.48（其中=60at=60153008=3.6,按图 183VSZNZLZ2n306610查得） ；（4）计算 m2d1值,并选定模数 m 和蜗杆分度圆直径 d1XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀设计12m2d11.05166.92=354.34 m

30、m3;21500036 293.04按表 183 查得模数 m=3.15(mm), d1=45 (mm)5. 验算滑动速度SV (1)计算蜗杆速度1V =0.07065 m/s1V1160 1000dn45 3060 1000 (2)计算滑动速度SV =/=0.07065/=0.0836 m/sSV1Vcoscos22.78 其中=22.78,则初估的值合适。111(/)tgZ m d1(6 3.15/45)tgSV6验算蜗轮齿弯曲强度 验算公式为22212666AVFFSFPT K K KY Yd d m（1）使用系数=1AK（2）动载荷系数=1.03VK（3）载荷分布系数=1K（4）d1=

31、45 mm，=m=3.1536=113.4 mm,其中模数 m=3.15(mm)。2d2Z（5）蜗轮齿形系数=3.92FSY按蜗轮当量齿数=/=36/=45.93,由图 172 查得。2VZ2Z3cos3cos 22.78（6）导程角系数=1-/120=1-/120 =0.81Y22.78（7）许用弯曲应力2HP=700.542=37.94 MPa2HP2HPNY (8)计算弯曲应力 =22.6182666 166.92 1 1.03 13.92 0.8145 113.4 3.15F 由于，帮满足蜗轮轮齿强度条件。2F2HPXKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀设计137计算蜗杆蜗轮

32、的主要参数 （1 分度圆直径 =45，=m=3.1536=113.4mm1d2d2z (2)中心距 a a=(+2m)/2=45+113.4+2(-0.1349)3.15/2=79 mm1d2d2x (3)蜗杆导程角 22.788计算其他尺寸 （1）蜗杆齿顶圆直径 =+2=45+23.15=51.3 mm，1ad1ad1d1ah 其中为蜗杆齿顶高，且=m=3.15 mm；1ah1ah （2）蜗轮喉圆直径 =+2=113.4+20.86513.15=118.85 mm，2ad2ad2d2ah 其中为蜗轮齿顶高，且=+=1-0.1349=0.8651 mm；2ah2ahah2x （3）蜗轮外圆直径

33、=+m=118.5+3.15=122 mm；2ed2ad （4）蜗杆齿宽 由于=6，故按结构设计，取=64 mm1b1Z1b1b （5）蜗轮齿宽 0。67=0.6751.3 =34.371mm,取=34 mm；2b2b 1ad2b （6）蜗轮齿顶圆弧半径 =-m=-3.15=19.35 mm2aR2aR12d452 （7）蜗轮齿根圆弧半径 =+c=+0.2m=+0.23.15=26.28 mm；2fR2fR12ad12ad51.32 （8）蜗杆轴向齿厚 =/2=3.15/2=4.948 mm,其中为蜗杆轴向齿1xs1xsxp/2mxp距； （9）蜗杆法向齿厚 =4.948=4.562 mm；1

34、ns1ns1xscoscos22.78 （10）蜗轮分度圆齿厚 =0.5=0.53.15=4.948 mm。2s2sm9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的条件进行热功平衡计算，以保证1H2H油温稳定牌规定的范围内。 由于摩擦损耗的功率=（1-）kW,则产生的热流量（单位为 1W=1j/s）为fP1PXKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀设计14 =1000（1-） W1H1P 式中 为蜗杆传递的功率（单位：k

35、W） 。1P 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(-) w2H1t0t 式中 k热导率，一般取 k=8。717.5W(),环境空气流通较差时，取较小值，2mCA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；1tCC 周围环境温度，一般取室温=20。0t0tC 按热平衡条件=，可求得在既定工作条件下的没温为1H2H =+ 1t0t11000P 1- kAC 在绘制传动装置结构图的基础上进行热平衡计算： =0.09280=0.0736 kW1P00

36、取=0.95, k=10,并估算 A=0. 006，则2m =20+=81.33801t1000 0.0736 1-0.95 10 0.006CC 由于超过最高工作温度，所以必须采取一些散热措施，以提高散热能力，如在装循环冷却1t管路。36 刀库驱动转矩的校核蜗轮转速=5r/min,所能传递的功率为 P=0.092800.95=0.07 Kw,此时刀库的驱动转2n00矩为：T=120.3NmT0=8Nm，其中=0.9 为普通平键带动刀9549Nn0.0795490.905盘回转的传动效率。所以，刀库驱动转矩满足要求。37 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

37、位置，称为自动选刀。在刀XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀设计15库中选择刀具通常采用两种方式。（一）顺序选择刀具刀具按预定工序的先后顺序插入刀库的刀座中，使用时按顺序转到取刀位置。用过的刀具放回原来的刀座内，也可以按加工顺序放入下一个刀座内。该法不需要刀具识别装置，驱动控制也比较简单，工作可靠。但刀库中每一把刀具在不同工序中不能重复使用，为了满足加工需要只有增加刀具的数量和刀库的容量，这就降低了刀具和刀库的利用率。此外，装刀时必须十分谨慎，如果刀具不按顺序装在刀库中，将会产生严重的后果。（二）任意选择刀具这种方法根据程序指令的要求任意选择所需要的刀具，刀具在刀库中不必按照工件加

38、工顺序排列，可以任意存放。每把刀具（或刀座）都编上代码，自动换刀时，刀库旋转，每把刀具（或刀座）都经过“刀具识别装置”接受识别。当某把刀具（或刀座）的代码与数控指令相符合时，该把刀具被选中，刀库将刀具送到换到位置，等待机械手来抓取。任意选择刀具法的优点是刀库中刀具的排列顺序与工作加工顺序无关，刀具可重复使用。因此，刀具数量比较顺序选择法少一些。刀库也相应地简单些。任意选择法主要有三种编码方式：刀具编码方式、刀座编码方式和编码附件方式。在以上确定刀库容量时已经讨论可知数控铣床用 4 把刀就可完成大多数的铣削加工。所以这个容量为 6 把刀的刀库，几乎不存在加工过程中需要重复利用刀具的情况，所以刀具

39、的选择方式确定为顺序选择刀具。该法不需要刀具识别装置，驱动控制也比较简单，工作可靠。第 4 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。刀具的交换方式及它们的具体结构对机床的工作效率和工作可靠性有直接的影响。由 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床的结构特性决定难以实现由刀库与机床主轴的相对运动来实现刀具交换，故采用机械手交换刀具的方式。 机械手是当主轴上的刀具完成一个工步后，把这一工步的刀具送回刀库，

40、并把下一道工步的所需的刀具从刀库中取出并装入主轴继续加工的功能部件。对机械手的具体要求是迅速可靠，准确协调。41 换刀机械手抓刀部分结构 如图 4-1 所示机械手抓刀部分结构。它主要由手臂 1 和固定于其两端的结构完全相同的两个手爪 1 组成。手爪上握刀的圆弧部分有一锥销 2，机械手抓刀时，该销插入刀柄的键槽中。XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀设计16当机械手由原位转 75抓住刀具时，两手爪上的长销 7 分别被主轴前端面和刀库上的挡块压下，使轴向开有长槽的活动销 6 在弹簧 4 的作用下右移顶住刀具。机械手拔刀时，长销 7 与挡块脱离接触，锁紧销 8 被弹簧 5 弹起，使活动销

41、顶住刀具不能后退，这样机械手在回转 180时，刀具不会被甩出。当机械手上升插刀时，两长销 7 又分别被两挡块压下，锁紧销从活动销孔中退出，松开刀具，机械手便可反转 75复位。42 机械手传动结构下图为本设计刀库所用采用的机械手结构示意图。如前述刀库结构，刀套向下转90后，压下行程开关，发出机械手抓刀信号。此时，机械手 21 正处在图中所示的上面位置，液压缸 18 右腔通压力油，活塞杆推动齿条 17 向左移动，带动齿轮 11 转动（连接盘与齿轮 11 用螺栓连接，它们空套在机械手臂轴 16 上，传动盘 10 与机械手臂轴 16 用花键连接） ，使机械手回转 75抓刀。抓刀动作结束进，齿条 17

42、上的挡环 12 压下行程开关 14，发出拔刀信号，于是升降液压缸 15的上腔通压力油，活塞杆推机械手臂轴 16 下降拔刀。在轴 16 下降进，传动盘 10 随之下降，其下端的销子 8 插入连接盘 5 的销孔中，连接盘 5 和下面的齿轮 4 也是用螺栓连接的，它们空套轴 16 上。当拔刀动作完成后，轴16 上的挡环 2 压下行程开关 1，发出换刀信号。这时转位液压缸 20 的右腔通压力油，活塞杆推动齿条 19向左移动，带动齿轮和连接盘 5 转动，通过销子 8，由传动盘带动机械XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀设计17手转 180，交换主轴上和刀库上的刀具位置。换刀动作完成后，齿条

43、19 上的挡环 6 压下位置开关 9，发出插刀信号，使升降油缸下腔通压力油，活塞杆带着机械手臂轴上升插刀，同时传动盘下面的销子 8 从连接盘 5 的销孔中移出。插刀动作完成后，轴 16 上的挡环压下行程开关 3，使转位油缸 20 的左腔通压力油，活塞杆带着齿条 19 向右复位，齿轮 4 空转，机械手无动作。齿条 19 复位后其上挡环压下行程开关 7，使液压缸 18 的左腔通压力油，活塞杆带着齿条 17 向右移动，通过齿轮 11 使机械手反转 75复位。机械手复位后，齿条 17 上的挡环压下行程开关13，发出换刀完成信号，使刀套向上翻转 90，为下次选刀做好准备。同时机床继续执行后面的操作，换刀

44、过程亦可见本设计的动画演示。43 自动换刀过程的动作顺序 机械手将刀具从刀库中取出送至机床主轴上，然后将用过的旧刀送回刀库。其动作过程简述如下（结合如下换刀过程示意图 4-3）：（1） 、刀套下转 90 如上图 a 所示刀库位于立柱左侧，刀具轴线在刀库中的安装方向与主轴垂直。换刀前，刀库将待换刀具送到换刀位置，然后刀套连同刀具翻转 90，使刀具轴线与主轴轴线平行，如图 b 所示。（2） 、机械手转 75 如图 c 所示，换刀机械手逆时针旋转 75，两手爪分别抓住刀库上和主轴上的刀柄。（3） 、机械手拔刀 待主轴上自动夹紧机构松开刀具后，机械手下降，同时拔出主轴上和刀库上的刀具，如图d 所示。（

45、4） 、刀具位置交换 如图 e 所示，机械手逆时针转 180，使主轴刀具与刀库刀具交换位置。（5） 、机械手插刀 机械手上升，分别将刀具插入主轴锥孔和刀库刀套中,如图 f 所示。（6）机械手顺时针转 75 如图 g 所示,待主轴上自动夹紧机构夹紧刀具后，机械手顺时针转 75，回到原始位置。（7）刀套带着换回的旧刀具向上翻转 90，准备下一次选刀,如图 h 所示。XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀设计1844 自动换刀装置的相关技术要求441 主轴准停装置 为了传递扭矩，在主轴的前端装有端键，当刀具刀柄装入锥孔时，刀柄上的键槽位置必须与该键对准才能装入。当机械手从刀库取刀时，为了确

46、保刀具其后能顺利地装入主轴锥孔中，必须使主轴准确地停在刀具交换位置上。同时，由于工艺上的需要，也必须使主轴准停在固定位置上。这种使主轴端在定位键停在固定位置的技术要求称为主轴准停。可在主轴上安装电气控制的主轴准停装置以实现主轴准停功能。442 换刀机械手的安装与调试 A：换刀机械手安装在主轴箱的左侧面，加工零件时，换刀机械手随主轴箱一起上下运动；B：当初装上换刀机械手后，必须进行调试：用手动操纵主式调整换刀机械手相对于主轴的位置，使用调整心棒，有误差时可调整机械手行程、刀库位置、机械手支座、修正主轴坐标原点等。安装最大重量刀具时，要进行多次刀库到主轴位置的自动交换，使机械手换刀时做到准确无误，

47、无撞击。 第 5 章 自动换刀装置的控制原理5.1 刀库的控制 刀库的转动由电机带动，转速由控制信号电压调定。刀库刀盘最下位置的刀套旋转 90，使刀头朝下，等待机械手来换刀，是由气缸实现的。当 PLC 控制系统发出换刀信号时，气缸的活塞杆带动拨叉上升，最下面的一个刀套右尾部的滚子正好进入拨叉的缺口，拨叉 7 上升使刀套连同刀具逆时针旋转 90，使刀头与主轴平行，便与换刀。当机械手完成换刀后，发出换刀结束信号，开始下一道工序。同时刀库旋转 60，把下一道工序刀具转到刀库最下端的换刀位置，做好下一次换刀准备，这也缩短了辅助时间。52 机械手的控制机械手的换刀动作由液压控制。机械手的换刀动作分别由三

48、个液压缸控制，如图 5-1 所示。XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀设计19 具体控制过程上一章 42 机械手传动结构已经说明。该控制的优点是换刀平稳，快捷。第 6 章 典型零件的设计6.1 联轴器本设计只用到一个联轴器，那就是刀库的驱动电机主轴与蜗杆轴的联接处。6.1.1 联轴器的选用由上述可知,本设计的刀库容量仅为 6 把刀具，驱动转矩不大于 T0=8Nm。由于本刀库的驱动转矩小，且所需转速小，所以决定采用较普通的套筒联轴器。查参考资料 12 表 16-4,选用 d=16mm,型套筒联轴器，如图 6-1 所示。其主要参数为=28Nm。pM6.1.2 联轴器的校核校核公式为cP

49、MKMM其中联轴器的公称转矩（Nm）M 联轴器的施用转矩（Nm）PM 工作情况因数，查参考资料 12 表 16-4,得=1.5KK于是，所以所选的联轴器合适。1.5 81228cPMKMN mMN mAA62 托架的设计 本设计所需托架有电机、刀库及机械手的安装托架。托架的设计应根据电机、刀库及机械手的尺寸重量大小和安装部位的形状尺寸等等。由于本设计的篇幅所限，具体的设计就给予省略。XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀设计20设计总结及鸣谢毕业设计是完成教学计划达到专业培养目标的一个重要的教学环节；是教学计划中综合性最强的实践性教学环节，它在培养和提高我们综合运用专业知识分析和解决

50、实际问题的能力，并进行工程技术人员所必须具备的基本素质的训练等方面具有很重要的意义。毕业设计能使我们在以下几个方面有较大提高。XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀设计211通过阅读有关资料对当前先进的机械制造业的发展有进一步的了解。2融汇、贯通几年里所学习的专业基础知识和专业理论知识。3综合运用所学专业理论知识和技能提高独立分析问题和解决实际问题的能力。4培养和提高与设计群体合作、相互配合的工作能力。历时二个多月的毕业设计接近尾声了，我的设计也基本上圆满完成了。此时回想过去设计的日子，体会多多，感慨也不少。我基本上按照我初定的三阶段计划认真做我的毕业设计的。设计过程也如我所料，遇到

51、不少的问题。在查阅资料学习阶段，我不但认真阅读了从工程训练中心借来的 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床的说明书，重新温习了我们以前所学过的数控机床 、 液压传动与气压传动 ，还常去图书馆，翻阅了几乎所有有关数控机床、自动换刀、加工中心的图书资料和部分液压电气控制方面的书籍。经过这一阶段的学习，我对数控机床、自动换刀装置的类别、工作原理及其电液控制方面有了大体的认识，这为接下来最主要的具体设计阶段打下坚实的基础。具体设计阶段是最主要，最重要，最艰难的阶段。万事开头难，这一阶段的第一个难点就是总体方案的确定。我是在前阶段学习了自动换刀形式，加工中心类别的基础上，认真研究往届的设计方案，再比

52、较现在有类似数控机床所应用的机床自动换刀装置后，最终确定自己的设计方案的。我本以为总体方案确定后，接下来的设计应该就不难了，但真正的设计过程中的困难超出我的所料。不管是具体零部件分析选择和计算校核，还是工作图的绘制，我都遇到不少问题，充分暴露以往学习的知识缺漏，自己独立解决实际问题能力的不足。幸好在此过程中常得到指导老师赵老师的指导、同学们的帮助，让我基本上解决了问题，完成了这一阶段的设计。最后的修改阶段。首先我自己先认真检查修改一遍自己的设计，包括工程图，动画以及说明书。然后交给指导老师，请他帮我检查。指导老师经过详细的检查后对我的设计给予详细的、全面的批评指正和修改建议。我根据指导老师的修

53、改建议，进行第二轮的修改，修改完后再请老师过目指导，直到指导老师认为基本没什么错误为止。这一阶段指导老师的点睛之笔是我设计不断完善的关键，在此表示衷心的感谢！设计完成以后，接下来的主要任务就是准备答辩。这是决定毕业设计成败的关键阶段，我必须在再次认真检查设计的基础上，认真论证我设计的自动换刀装置的工作原理、可行性、可靠性以及不足之处等等，为答辩作好充分的准备。通过整个设计阶段的自己努力，老师的指导和同学们的帮助，我有信心顺利通过毕业设计答辩。最后，在此对在整个设计过程中，给予我指导和帮助的老师同学表示衷心的感谢！特别是我的指导老师赵学跃老师，对我设计给予悉心的指导，他对工作认真负责的态度也是我

54、学习的好榜样，我受益匪浅，在此再次表示衷心的感谢！ 参考文献1 吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册第二版M.北京:高等教育出版社,1999.2廖念钊,莫雨松,李硕根,杨兴骏.互换性与技术测量第四版M.北京:中国计量出版社,2000.3陈锦昌,刘就女,刘林.计算机工程制图M.广州:华南理工大学出版社,1999.4冯辛安,黄玉美,杜君文.机械制造装备设计M.北京:机械工业出版社,2004.XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀设计225熊光华.数控机床M. 北京:机械工业出版社,2001.6李峻勤,费仁元.数控机床及其使用与维修M.北京:国防工业出版社,2000.7张柱银,陈思义,明兴祖.数控原理与数控机床M.北京:化学工业出版社,2003.8林东.数控技术M.北京:北京理工大学出版社,1995.9王爱玲,白思远.现代数控机床M.北京:国防工业出版社,2001.10何存兴,张铁华.液压传动与气压传动第二版M.湖北:华中科技大学出版社,2000.11毛谦德,李振清.袖珍机械机械设计师手册第二版M.北京:机械工业出版社,2001.12朱龙根.简明机械零件设计手册M.北京:机械工业出版社,2000.13王可.实用机床设计手册M.辽宁: 辽宁科学技术出版社,1999.