毕业设计（论文）XK5025型数控立铣床自动换刀装置设计.doc

论文题目XK5025型数控立铣床自动换刀装置设计 摘要从换刀系统发展的历史来看，1956年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM公司同时也研制成功了“APT”（刀具程序控制中心）。1958年美国K&T公司研制出带ATC（自动刀具交换装置）的加工中心。1967年出现了FMS（柔性制造系统）。1978年以后，加工中心迅速发展，带有ATC装置，可实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。本论文介绍的是XKA5025型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. 根据给定的课题设计要求，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成主要部件的装配及关键机构的运动仿真，并绘制了必要的零部件图，完成了关键零部件的三维建模。其中包括自动换刀装置的总体设计、原理方案的实现、主要部件的分析、传动零件的设计计算，并给出了关键部件的装配图和必要的零件图。关键词: 数控铣床 自动换刀装置 刀库 换刀机械手目 录1 绪 论11.1 数控机床自动换刀装置概述11.2 数控铣床的主要功能及加工对象31.3 自动换刀装置（ATC）的形式及设计要求51.4 本设计要完成的工作及要求62 总体方案的设计72.1 引 言72.2 XK5025数控立式升降台铣床及其主要参数72.3 自动换刀装置总的设计方案82.4 自动换刀装置的基本形式92.5 自动换刀装置整体方案构思93 刀库的设计113.1 确定刀库容量113.2 刀库形式的选择123.3 刀库结构设计143.4 初估刀库驱动转矩及选定电机153.5 刀库转位机构的设计163.6 刀具选择方式的确定164 刀具交换装置的设计174.1 换刀机械手结构形式概述174.2 本课题机械手结构形式及工作原理184.3 自动换刀过程的动作顺序194.4 自动换刀装置的相关技术要求205 结论与展望215.1 总结215.2 展望21参考文献221 绪 论1.1 数控机床自动换刀装置概述1.1.1 引 言自动换刀装置(Automatic Tool Changer) 简称ATC ,作为加工中心的重要组成部分,其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间,以提高生产率、降低生产成本,进而提升机床乃至整个生产线的生产力。所以ATC 在加工中心中扮演着极重要的角色。自动换刀装置（ATC）是加工中心的重要组成单元，其设计质量的好坏，直接影响加工中心的质量。ATC由刀库和机械手组成，它的机构和运动复杂、性能要求高。刀库的功能是储存刀具，并且按程序指令，把即将要用的刀具迅速、准确地送到换刀位置，因此刀库的位置、体积大小能否适合加工中心的整体设计，刀库的运动机构能否使刀库平稳运转并准确地停在换刀位置，运动过程有无干涉、卡死等现象，都是设计人员非常关心的问题。机械手的功能是把刀库上的刀具送到主轴上，再把主轴上已用过的刀具送回刀库。它的动作要求迅速而准确，所以对机构的结构、定位、运动、夹持力的大小等都有很高的要求，一旦有运动故障或定位、运动误差过大，都会造成换刀动作失败，掉刀。应用虚拟制造技术进行ATC的虚拟样机设计和虚拟样机仿真分析实验，可以在计算机的虚拟世界中发现和解决ATC设计过程中可能出现的问题。本文介绍了XK5025型数控立铣床自动换刀装置ATC设计的过程。虚拟制造技术是基于计算机建模和仿真的设计、制造技术，它强调在实际投入原材料实现产品之前，将产品的设计、分析、测试、制造等过程在计算机构造的虚拟开发环境中进行数字化模拟。以设计为主的虚拟制造，是在产品开发设计中虚拟设计出产品，并完成产品在设计研制阶段要解决的问题，即完成产品的概念设计、实体造型，并在虚拟出的产品上进行功能和产品工作性能的仿真，其结果用于修改设计。虚拟制造的优越性在于可在开发设计阶段解决产品的各个问题；不需要制造出实体机器，节约大量投资；在计算机上解决问题，制造过程变成信息的流动和处理，是网络制造的基础；可以在网络上试销售等。1.1.2 ATC的概念设计 概念设计是指在方案设计的初始阶段，根据市场需求及可利用资源，对产品作宏观上的轮廓设计，这一过程包括明确功能和对原理、技术、材料、工艺等进行设想和创新，以及对方案进行技术上和经济上可行性的测试。当有成熟软件时，概念设计的周期和耗费会极大减少。本设计为XK5025型数控立铣床的自动换刀装置，基于用户要求、统计调查和设计经验，进行ATC的概念设计。确定ATC的设计参数为固定式刀库，容量为6把，换刀时间（刀对刀）小于2秒。刀库形式为盘式刀库，用伺服电机驱动蜗杆与蜗轮，采用滑动导轨定向的方式。换刀机械手采用复合凸轮联动机构，定位准确，速度快。1.1.3 ATC虚拟样机模型的建立概念设计完成之后，以UG2.0为设计平台进行造型设计。先对零件进行二维草图设计，然后进行尺寸约束，通过拉伸、旋转等方式完成对单个零件的建模过程。在零件建模的过程中，只对大型零件或主要零件（如链轮、链节、轴等）进行造型，对螺钉等非主要零件在装配时再通过外加力的大小等条件自动生成所需零件。零件造型后进行装配设计，直到完成自动换刀装置的整体模型，整个过程是参数化的。同二维图纸设计一样，构造模型的过程也是机床的设计过程，设计思想在模型上体现出来。在进行链式刀库的三维设计时，遇到了几个问题：（1） 刀库安装位置的设计选择刀库安装位置时，应注意换刀位置结构简单；换刀时间短；便于换刀装置的检查和维修；满足机床总体布局要求。采用固定式刀库，在机床底座上设置独立支架承载方式，即在工作台左侧保持一定距离安装承载支架，将ATC固定在支架上。主轴必须移到换刀位置换刀，换刀位置定位控制系统要求比较高。由于要求设计全封闭式加工中心，整体体积不宜过大，能否在有限的空间安装好刀库，使之与加工中心其它模块不相干涉，使主轴能顺利地移动到换刀位置，这些问题在三维设计中得到了解决。通过观察刀库和机械手与加工中心其它模块的装配模型，检查干涉，并直接在三维模型上进行修改，使设计结果结构紧凑，空间安排合理。（2）作回转运动的刀库的支承和导向、刀套换刀位置的调整装置设计、刀具的锁紧机构设计等，可视化的样机模型都使我们迅速确定了最优方案，提高了设计效率。使用UG建模时，要注意：（1）零件造型的过程应与零件的制造工艺过程一致，也就是说零件怎样加工出来就怎样建模；（2）零件的装配约束尽量简化且符合实际情况，否则转换到Working Model中会显示为不正确的铰链约束。应用三维设计软件进行ATC虚拟样机设计的优点在于：（1）将设计思想直观地表达出来，便于发现问题并可在模型上直接修改；（2）装配造型时，可随时进行干涉检查，根据显示的干涉量编辑修改完零件后，部件自动更新并且依然保持装配的相关性。（3）在软件中可以得到一个零件或整个ATC的质量，因为ATC作为加工中心的一个模块，它的质量对于加工中心整体设计是有影响的。这些功能极大地方便了设计，使设计更加完善，效率更高。结构设计完成之后，ATC的虚拟样机模型为进一步进行计算机辅助分析提供了实体模型。1.1.4 国内外自动换刀装置设计的发展情况 自动换刀系统是数控机床的重要组成部分。刀具夹持元件的结构特性及它与机床主轴的联结方式，将直接影响机床的加工性能。刀库结构形式及刀具交换装置的工作方式，则会影响机床的换刀效率。自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度，又会对整机的成本造价产生直接影响。 从换刀系统发展的历史来看，1956年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM公司同期也研制成功了“APT”(刀具程序控制装置)。1958年美国K&T公司研制出带ATC(自动刀具交换装置)的加工中心。1967年出现了FMS(柔性制造系统)。1978年以后，加工中心迅速发展，带有ATC装置，可实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。1983年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，自动换刀系统便形成了统一的结构模式。 随着机械加工业的发展，制造行业对于带有自动换刀系统的高效高性能加工中心的需求量越来越大。在现有的各种类型的加工中心中，传统结构的自动换刀系统的造价在机床整机造价中总是占着很大比重，这是加工中心价格居高不下、应用不普遍的重要原因。如果把自动换刀系统的设计制造从现有加工中心的制造模式中分离出来，把它作为加工中心的标准件或附件组织专门化的生产，同时由于该项技术的应用简化了机床主轴结构、采用弹簧夹头和外驱动机械手等关键技术、采用圆柱柄刀具和辅具，这不仅使数控机床工作性能有所提高，而且使得由它配套构成的加工中心的总体造价大幅度下降。低造价高性能的加工中心将会被中小厂广泛接收，这样必将给自动换刀系统生产厂商和加工中心制造厂商带来巨大的经济效益。1.2 数控铣床的主要功能及加工对象1.2.1 数控铣床的功能 （1）点位控制功能此功能可以实现对相互位置精度要求很高的孔系加工。（2）连续轮廓控制功能 此功能可以实现直线、圆弧的插补功能及非圆曲线的加工。（3）刀具半径补偿功能 此功能可以根据零件图样的标注尺寸来编程，而不必考虑所用刀具的实际半径尺寸，从而减少编程时的复杂数值计算。（4）刀具度补偿功能 此功能可以自动补偿刀具的长短，以适应加工中对刀具长度尺寸调整的要求。 （5）比例及镜像加工功能 比例功能可将编好的加工程序按指定比例改变坐标值来执行。镜像加工又称轴对称加工，如果一个零件的形状关于坐标轴对称，那么只要编出一个或两个象限的程序，而其余象限的轮廓就可以通过镜像加工来实现。 （6）旋转功能 该功能可将编好的加工程序在加工平面内旋转任意角度来执行。（7）子程序调用功能 有些零件需要在不同的位置上重复加工同样的轮廓形状，将一轮廓形状的加工程序作为子程序，在需要的位置上重复调用，就可以完成对该零件的加工。（8）宏程序功能该功能可用一个总指令代表实现某一功能的一系列指令，并能对变量进行运算，使程序更具灵活性和方便性。1.2.2 数控铣床的加工对象与加工中心相比，数控铣床除了缺少自动换刀功能及刀库外，其他方面均与加工中心类同，也可以对工件进行钻、扩、铰、锪和镗加工与攻丝等，但它主要还是被用来对工件进行铣削加工，这里所说的主要加工对象及分类也是从铣削加工的角度来考虑的。从铣削加工的角度可以把加工对象分为以下三类：（1）平面类零件加工面平行、垂直于水平面或其加工面与水平面的夹角为定角的零件称为平面零件。平面零件的特件是，各个加工单元面是平面，或可以展开成为平面。平面零件是数控铣削加工对象中最简单的一类，一般只须用3左边数控铣床的两左边联动就可以把他们加工出来。（2）变斜角类零件加工面与水平面的夹角呈连续变化的零件成为变斜角类零件，这类零件多数为飞机零件，如飞机上的整体梁、框、缘条与肋等，此外还有检验夹具与装配型架等。变斜角类零件的变斜角加工面不能展开为平面，但在加工中，加工面与铣刀圆周接触的瞬间为一条直线。最好采用4坐标和5坐标数控铣床摆角加工，在没有上述机床时，也可以用3坐标数控铣床上进行2.5坐标近似加工。（3）曲面类（立体类）零件 加工面为空间曲面的零件称为曲面零件。零件的特点其一是加工面不能展开为平面；其二是加工面与铣刀始终为点接触。此类零件一般采用3坐标数控铣床。1.3 自动换刀装置（ATC）的形式及设计要求1.3.1 自动换刀装置（ATC）的形式加工中心与一般数控机床的显著区别是具有对零件进行多工序加工的能力,即能在一次装夹中自动完成铣、镗、钻、扩、铰、攻螺纹和内槽加工等。其之所以有这种加工能力,就是因为它有一套自动换刀装置。自动换刀装置是指能够自动完成主轴与刀具储存位置之间刀具交换的装置。ATC 的主要组成部分是刀库、机械手和驱动装置。刀库的功能是存储刀并把下一把即将要用的刀具准确地送到换刀位置,供换刀机械手完成新旧刀具的交换。当刀库容量大时,常远离主轴配置且整体移动不易,这就需要在主轴和刀库之间配置换刀机构来执行换刀动作。完成此功能的机构包括送刀臂、摆刀站和换刀臂,总称为机械手。具体来说,它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的装置,一般由步进电机或液压(或气液机构) 或凸轮机构组成。1.3.2 ATC 换刀动作分析及设计要求从根本上说,机械系统总的功能要求是完成一定的工艺动作过程。而对于某一类机械系统的创新设计,有必要首先深刻了解对象本身的特点,然后得出加工中心ATC的换刀动作与设计要求。 1） 换刀动作 换刀臂完成摆刀站或刀库与主轴头上新旧刀具的交换。其动作主要有抓刀,插、拔刀,换刀和复位几个动作。换刀动作和换刀臂的型式有密切关系,可归结为下列七种类型：(1) 旋转抓刀型：换刀臂旋转抓刀和松刀,直进插拔刀,以及旋转换刀。(2) 直进抓刀型：换刀臂直进抓刀和松刀,直进插拔刀,以及旋转换刀。(3) 夹爪旋转抓刀：换刀臂夹爪旋转抓刀和松刀,直进插拔刀,以及旋转换刀。(4) 夹爪直进抓刀：换刀臂夹爪直进抓刀和松刀,直进插拔刀,以及旋转换刀。(5) 双平行爪抓刀型：换刀臂夹爪直进抓刀和松刀,主轴头直进插拔刀,以及主轴头直进换刀。(6) 剪式(双刀臂闭合) 抓刀型：换刀臂旋转闭合抓刀和松刀、直进拔刀和插刀、以及旋转换刀。(7) 双臂摆动抓刀型：双臂摆动抓刀、直进拔刀和插刀、以及摆动换刀。摆刀站完成刀库中取出刀具的位置与换刀臂进行换刀前刀具位置之间的中转动作,根据两个位置方位的不同,多为直线运动和转动或两者的结合。送刀臂完成刀库中刀具与摆刀站中刀具的交换动作,因此它的动作类型与换刀臂的动作类型相似。 2） ATC设计特点及设计要求从以上的分析介绍,可以得出ATC 的设计特点和设计具有如下特点： 属于典型的开链机构；ATC 各个组成部分的功能具有相对的独立性；组成结构与刀库、主轴之间的相对位置关系密切相关；ATC 的设计必须考虑机床三轴运动的参与。同时，ATC 的设计应达到如下要求：(1) 换刀时间越短越好；(2) 换刀机构所占的空间小；(3) 机械构造简单；(4) 加工或换刀时,不可与工件或工作台发生干涉。(5) 能够在切削时间内完成换刀前的准备动作；(6) 刀库离开主轴一段距离,以减少切屑和切削液的污染；(7) 刀库与换刀机构最好同机床主体分开,防止振动对精度的影响；(8) 设计标准化或模块化；(9) 良好的可靠性和定位精度；(10)足够的刀具夹紧力和夹持力。1.4 本设计要完成的工作及要求本设计内容是根据XK5025型数控立铣床的特点，设计该机床的自动换刀装置，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。具体包括该换刀装置的原理方案构思和拟定；原理方案的实现、传动方案的设计；关键技术的分析与实现、主要零部件结构的3D设计及虚拟装配； 根据设计任务书要求，设计可完成规定的XK5025型数控立铣床自动换刀装置的设计。可完成课题中所提出的任务和要求，并做出书面机械设计方案。具体包括机器装置的原理方案；完成具体各运动机构传动方案的设计、关键技术的分析与计算、主要结构的设计简图；完成关键零部件的三维建模；完成主要部件的装配及关键机构的运动仿真。本设计由三个人参与，各有各的分工，本人的任务是理论方案设计的可行性研究以及各运动机构的传动方案的设计，同学间又相互沟通，使方案达到最佳。2 总体方案的设计2.1 引 言本设计的任务是把XK5025型数控立铣床改装成小型立式加工中心，改成后此机床具有体积小、结构紧凑、生产效率高、精度较高 , 能完成铣、钻、扩、铰、锪、攻丝等多种加工工序 , 能进行小型板类、盘类、壳类、模具类等复杂零件的多品种中小批量加工。主轴采用高速电主轴； 工作台采用的是 X - Y双向精密数控工作台； 可以实现 X、Y、Z三个方向的进给；有自动换刀装置 , 可以安装各类钻、铣类刀具并自动换刀。依据设计任务书，我们的任务是给XK50325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" XK5025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。2.2 XK5025数控立式升降台铣床及其主要参数 XK5025数控立式升降台铣床是南通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。该机床适用于机械制造的各种类部门，也适用于军工部门。其主要规格及技术参数如下表一：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N·m1000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：铣切钢时，钢的含碳量0.45%，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。 而铣切灰铸铁时，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/min。为使加工中心的结构紧凑，减小加工中心的外形尺寸，降低成本，在设计自动换刀装置时，应在满足使用要求的前提下，尽量使其结构简单紧凑，价格低廉，易制造，拆卸、装配维修方便，备件容易得到。2.3 自动换刀装置总的设计方案 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。初定其换刀装置的设计参数：为固定式刀库，容量为六把，换刀时间短。由于刀具较少，因此采用刀库结构简单的盘式刀库。刀具的选择方式为记忆式的任选换刀，机械手选用回转式双臂机械手。2.4 自动换刀装置的基本形式确定其自动换刀装置的形式：自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有三种：回转刀架换刀、更换主轴头换刀和带刀库的自动换刀系统。本课题设计此机床的自动换刀装置，考虑采用带刀库和机械手的自动换刀系统。根据XK5025型数控立铣床的特点，设计该机床的自动换刀装置，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。至于选刀方式与换刀形式则要求我们发挥想象，提倡创新设计思想。 2.5 自动换刀装置整体方案构思2.5.1 ATC创新设计思想一个机构系统在概念设计阶段 ,传统的方法总是根据需求获得需要的功能 ,随后进行方案设计 ,产品往往缺乏创新性。对于加工中心自动换刀装置 ,根据其特定的功能及结构特点 ,我们提出抽象 分析 综合的设计思想。第一步：抽象。首先对现有换刀系统进行广泛研究和深刻了解 ,抽象出对象的共性特征 ,这是一个收敛并结合实际的过程 ,既可吸取和总结已有的设计经验又为创新设计做准备。第二步：分析 ,即功能分解 ,从根本上说 ,机械系统总的功能要求是完成一定的工艺动作过程。因此对于 ATC 来说 ,可以从它的总的功能要求出发 ,根据其换刀动作特点及设计要求 ,运用功能 行为 结构的概念设计分析模式找出对应功能元的多种机构。这是一个思维发散的过程。第三步：综合。结合机构系统的特点及设计要求和约束并考虑其空间和时序关系 ,进行机构组合 ,最后进行评价选优 ,从而达到创新设计的目的。2.5.2 整体方案的拟定课题组对整个设计进行了分析，查阅了相关自动换刀装置设计的很多资料，并作出大量假设和设想，最终完成机械设计的构思。再由于以上的设计要求，课题组对此作了以下的设计方案： （1）加工中心自动换刀装置的形式 加工中心自动换刀装置的形式有两种：有机械手换刀和无机械手换刀。课题组通过对这两种方式进行比较，并考虑到所设计的小型加工中心的用途、结构等各种因素，所以决定采用有机械手换刀。 （2）有机械手换刀装置刀库的设计 刀库形式的选取。有机械手换刀方式中，刀库可以是圆盘形、直线排列式 , 也可以是格子箱式等，由于刀库容量只有6把刀具，所以决定采用圆盘形式。 刀库的组成部件中主要有刀盘部件、轴承、轴承套、轴、箱 盖、拨 销、锁止盘、电机、蜗轮、蜗杆、箱体等结构组成。刀库主要参数的确定。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XK5025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。刀盘部分的设计。刀盘采用轮辐式结构，仅仅决定这个是不够的，最重要的是刀盘直径、刀爪尺寸和夹块的设计。刀库转动定位机构的设计。此机构主要是用来驱动刀库的分度回转运动，保证刀库的可靠性。课题组通过查阅资料及认真分析、讨论，决定采用蜗轮蜗杆机构。刀库的回转驱动电机的选择时, 须考虑由摩擦引起的负载转矩和各负载的转动惯量，由于蜗轮蜗杆机构的定位精度不高，所以决定采用交流伺服电机。 （3）有机械手换刀装置的安装 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XK5025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。 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。XK5025数控立式升降台铣床主轴箱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XK5025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XK5025数控立式升降台铣床的外观图如图2-1所示。图2-1 XKA5025数控立式升降台铣床的外观图3 刀库的设计3.1 确定刀库容量本机床主要用来加工小型零件或多孔零件上的小孔和小平面，所以刀库上主要安装一些孔加工刀具(如钻头、扩孔等)和加工小平面用的立铣刀及小直径的面铣刀；同时又考虑到所选用电主轴轴端的尺寸及刀盘直径等的限制；再考虑到主要用于中小批量生产及教学实验等，刀具的品种不宜过多，以免造成不必要的浪费和刀库尺寸过大，所以确定刀库容量采用6把刀。3.2 刀库形式的选择刀库是存储刀具的装置,常见的刀库主要有以下几种形式：3.2.1 转塔式刀库 如图3-1a、b所示。包括水平转塔头和垂直转塔头两种。所有刀具固定在同一转塔上，无换刀臂，储刀数量有限，通常为68 把。一般仅用于轻便而简单的机型。常见于车削中心和钻削中心。在钻削中心储刀位置即主轴，其外部结构紧凑但内部构造复杂，精度要求高。图3-1 转塔式刀库3.2.2 盘式刀库如图3-2ac所示，刀库呈盘状。刀具沿盘面垂直排列(包括径向取刀和轴向取刀)、沿盘面径向排列或成锐角排列的形式的刀库结构简单紧凑，应用较多，但刀具单环排列，空间利用率低。若增加刀库容量必须使刀库的外径增大，那么转动惯量也相应增大，选刀运动时间长。刀具数量一般不多于32 把；刀具呈多环排列的刀库的空间利用率高，但必然使得取刀机构复杂，适用于机床空间受限制而刀库容量又较大的场合；双盘式结构是两个较小容量的刀库分置于主轴两侧，布局较紧凑，储刀数量也相应增大,适用于中小型加工中心。图3-2 盘式刀库3.2.3 链式刀库如图3-3所示，包括单环链和多环链，链环形式可有多种变化，适用于刀库容量较大的场合，所占的空间小。一般适用于刀具数在30120 把。仅增加链条长度即可增加刀具数，可以不增加圆周速度，其转动惯量不像盘式刀库增加的那样大。图3-3 链式刀库3.2.4 直线式刀库和组合刀库直线式刀库结构简单,刀具单行排列,刀库容量小。多用于数控车床和钻床上。组合刀库一般是转塔式刀库的组合、转塔式与盘式刀库的组合及链式刀库的组合,每单个刀库的储刀量较小,换刀速度快。另外,还有一些密集型的鼓轮式、弹匣式和格子式刀库。这些密集型刀库虽占地面积小,但由于结构限制,基本上不用于单机加工中心,多用于FMS的集中供刀系统。总上所述，有机械手换刀方式中,刀库可以是圆盘形,直线排列式，也可以是格子箱式等。直线排列式和格子箱式刀库结构相对比较复杂，适用于刀库容量较大的加工中心；圆盘形刀库容量较小，刀库结构简单紧凑，刀库转位、换刀方便，易控制。且所设计的加工中心主要用来加工小型零件上孔和平面等，不必在刀库里放太多刀具，因此，通过比较，本课题拟选用圆盘式刀库。3.3 刀库结构设计图3-4 圆盘式刀库结构刀库的外形如图3-4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、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，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。3.4 初估刀库驱动转矩及选定电机 刀库的回转驱动电机的选择时, 须考虑由摩擦引起的负载转矩和各负载的转动惯量。如图3-4所示，刀库驱动电机的功率选择，可采用经念法初估回转所需转矩。图3-4 传动示意图查找相关资料，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=8Nm。 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。3.5 刀库转位机构的设计刀库转动定位机构的选择可采用槽轮机构，该机构具有冲击小，工作平稳性较高，机械效率高，可以在较高转速下工作，且结构简单，易制造等优点。在目前生产的鼓轮式刀库的加工中心机床上，很多采用槽轮机构来驱动刀库的分度回转运动。但此机构定位精度不够高，为提高其定位精度可采用带制动器的交流伺服电机，从而可保证较高的定位精度。目前圆盘式刀库大多采用的是单头双导程蜗轮蜗杆传动。此传动机构在使用中可随时调整蜗轮蜗杆的传动间隙，实现准确的转位分度，保证刀库中工作的可靠性，但此传动机构较复杂，而且单头双导程蜗轮和蜗杆的加工较困难。本设计采用如图3-5所示的单头双导程蜗轮蜗杆传动。 图3-5 单头双导程蜗轮蜗杆传动3.6 刀具选择方式的确定自动选刀的方式有顺序选刀和任意选刀两种。（1）顺序选刀。按工艺要求依次将所用的刀具插入刀库的刀套中，顺序不能有差错，加工时按顺序调刀。加工不同的工件时必须重新调整刀库中的刀具顺序，因而操作十分繁琐，而且加工同一工件时各工序的刀具不能重复使用。这样就会增加刀具的数量，而且由于刀具的尺寸误差也容易造成加工精度的不稳定。它的优点是刀库的驱动和控制比较简单，因此这种方式适合于加工批量较大、工件品种数量较少的中小型自动换刀数控机床。（2）任意选刀。目前大多数的数控系统都具有刀具任选功能。任意选刀的换刀方式可以有刀套编码、刀具编码和记忆等方式。刀具编码或刀套编码都需要在刀具或刀套安装用于识别的编码条，一般都是根据二进制编码原理进行编码。刀具编码选刀方式采用了一种特殊的刀柄结构，并对每把刀具编码。由于每把刀具都具有自己的代码，因而刀具可以放在刀库的任何一个刀座内。这样不仅刀库中的刀具可以在不同的工序中多次重复使用，而且换下的刀具也不用放回原来的刀座。这对装刀和选刀十分有利，刀库的容量也可以相应的减少，而且还可以避免由于刀具顺序的差错所造成的事故。基于以上的分析，我们决定刀具的选刀方式为任意选刀。4 刀具交换装置的设计机械手是执行刀库和主轴之间换刀动作的装置。当刀库容量大时,常远离主轴配置且整体移动不易,这就需要在主轴和刀库之间配置换刀机构来执行换刀动作。完成此功能的机构包括送刀臂、摆刀站和换刀臂,总称为机械手。具体来说,它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。4.1 换刀机械手结构形式概述4.1.1单臂机械手单臂机械手，指换刀机械手仅一个手臂。如图4-1 a b(1) 单手式：一个换刀臂且仅一端有一个抓刀手图4-1机械手 这种机械手换刀特点是所有动作均由单手完成，执行动作多，换刀时间长，但结构简单。刀库与主轴轴线平行或垂直的情况均适用。(2) 双手式：一个换刀臂两端各有一个抓刀手。如图4-1 c该种类型的机械手换刀特点是机械手同时抓取主轴和刀库上的刀具，回转180度，同时放回和装入刀具，换刀时间短，较为常用，多用于刀座与主轴轴线平行的场合。本设计采用此种类型的机械手。4.1.2 双臂机械手 两个机械手臂,每个手臂端部都有一个抓刀手特点：其抓刀和换刀动作类似于人手动作,除执行换刀动作外有些还可以起运输刀具的作用。这种机械手结构较复杂,但换刀时间短。4.1.3带送刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手带送刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手送刀臂将刀具从刀库中取出送到摆刀站,由摆刀站将刀具送到换刀位置,最后由换刀臂进行换刀。如图4-2 所示,A为送刀臂,B 为摆刀站,C 为换刀臂,D 为刀库,E 为主轴。该种类型的换刀特点是结构更复杂,各部分在空间巧妙配置和组合,更具变化性。一般换刀时间较短。适用于刀库距离主轴较远的场合。图4-2 带送刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手4.2 本课题机械手结构形式及工作原理如图4-3所示，它主要由手臂和固定其两端的结构完全相同的两个手抓组成。手抓上握刀的圆弧部分有一个锥销，机械手抓刀时，该锥销插入刀柄的键槽中。当机械手由原位转75度抓住刀具时，两手抓上的长销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被弹簧弹起，使活动销顶住刀具不能后退，这样机械手在回转180度时，刀具就不会被甩出。当机械手上升插刀时，两长销又分别被两挡块压下，锁紧销从活动销子的孔中退出，松开刀具，机械手便可反转75度复位。为了防止刀具掉落，机械手的活动抓带有自锁机构。由于双臂回转机械手的动作比较简单，而且能够同时抓住和装卸机床主轴及换刀库中的刀具，因此换刀时间大为缩短。 图4-3 单臂机械手双手式结构4.3 自动换刀过程的动作顺序自动换刀过程可简述为：抓刀拔刀回转插刀返回图4-4 自动换刀过程示意图 在上一工序加工完毕后，主轴在“准停”位置由自动换刀装置换刀，其过程如下：（1） 刀套下转90°。机床的刀库位于立柱左侧，刀具在刀库中的安装方向与主轴垂直。如图4-4所示。换刀之前，刀库2转动将待换刀具5送到换刀位置，之后把带有刀具5的刀套4向下翻转90°，使得刀具轴线与主轴轴线平行。（2）机械手转75°。如K向视图所示。在机床切削加工时，机械手1的手臂与主轴中心到换刀位置的刀具中心线的连线成75°，该位置为机械手的原始位置