小型立式加工中心圆盘式刀库的设计.pdf
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1、第 1 8卷第 6期 2 0 0 5年 1 1月 机 电产品开发与 新 D e v e lo p me n t I n n o v a t io n o f ma c h i n e r y e l e c t r i c a l p r o d u c t s Vo 1 1 8 No 6 No v 。 2 0 05 小型立式加工中心圆盘式刀库的设计 曹秋霞 ,马 国亮 ( 河南机电高等专科学校 ,河南 新乡4 5 3 0 0 2 ) 摘 要 :介绍了MCV 2 5 2 0小型立式加工中心圆盘式刀库的设计计算过程。重点阐述 了刀盘部 分的设计 、 槽轮机构的结构参数计算和刀库转动电机的计算和选
2、择。 关键词:加工中心;圆盘式;刀库;槽轮机构 中图分类号 :T G 6 5 9 文献标识码 :A 文章编号 :1 0 0 2 6 6 7 3( 2 0 0 5 )0 6 1 4 5 0 3 0 引言 MC V 2 5 2 0小型立式加工中心主要用于小型板类 、盘 类、壳类 、模具类等 复杂零件的多品种中小批量加工 , 能完成铣 、钻 、扩、铰 、锪 、攻丝等多种加工工序 ,体 积小 、结构紧凑 、价格低 、生产效率高 、精度较高。在 满足加工要求、经济实用的条件下,应尽量使加工 中心 的结构紧凑 ,减小加工中心的外形轮廓尺寸 ,刀库尽量 结构简单紧凑,易制造,从而降低生产加工中心I 的成本。
3、 加工 中心的换刀方式有 :机械手式和无机械手式 。 根据刀具的数量 ,刀库结构有 :链式 、盘式和格子式等 种类 ” 。刀库结构选用旋转刀盘方式 ,换刀选用主轴运 动抓刀方式来实现 ,这种设计结构简单 ,调试方便。主 轴抓刀时 ,为防止向上的运动导致刀具受损 ,故在刀库 的设计 时 ,使刀架进行一定角度 的旋转 ,并配有 调整 块,不仅能保证刀盘的垂直度 ,而且可使主轴和刀具在 抓刀时免于受损。刀位是通过在槽轮上的感应开关控制 旋转角度来实现的,由交流伺服电机驱动。刀库的结构 设计从以下方面进行。 1 刀库的组成 一 些 孔 加 工 刀 具( 如 钻 头 、扩 孔 钻 等 ) 和 加 工 小
4、 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 1 刀盘部件 2 轴承 3 轴承套 4 轴 5 箱盖 6 拔销 7 锁止盘 8 电机 9 槽轮 1 0 埔 体 1 1 l 感应 开关 图 l 刀库结 构 组成示意 图 用 于 中 小 批 1 D i a g r a m ma t i c s k e t c h o f t o o l ma g a z i n e 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,采用
5、 8把刀。 ( 2 )刀具最大直径和长度。立铣刀的最大直径定为 4 0 m m,钻头的最大直径定为 1 0 mm,最大工作部分长度 定为 1 5 0 mm。 ( 3 )刀具最大重量为 l k g 。 刀 库 由 刀 盘 部 件 、 轴 承 、 轴 承 套、 轴 、 箱 盖 、 拨 l 销、 锁止盘、电机、 槽轮、 箱体和感应开关等组成,结 I 3 构组成示意图,如图 1 所示。 1 2 刀库主要参数 的确定 ( 1 )刀库容量。本加工 中心 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 收稿 日期 :2 0 0 5 0 8 2 3 作者简介 :曹秋 霞 ( 1 9 6
6、 6 一) ,女 ,河南原阳人,副教授 ,硕 士。主要 从事机械设计 与制造 、C A D C A E C A M 等方面 的 教学与研究。 ( 4 )刀具最大运动线速度为 2 2 m mi n 3 0 m mi n 。 刀盘部分的设计 ( 1 )刀盘 尺寸 的确定 。刀盘采用 轮辐式结构 ,这样 既能满 足使用的要 求 ,又 能保证刀盘 的强度。在整个 设 计 的过程 中要保 证 各 个尺寸在换刀过 1 刀盘2 夹块3 刀爪 图 2 刀盘部件图 F i g 2 Pa r t d r a wi n g o f t o o l d i s c 1 4 5 维普资讯 http:/ 数控机床世界 程
7、中不发生干涉即可,刀盘直径为 2 1 0 ra m。 ( 2 )刀爪尺寸的设计 。刀爪的外 型尺寸根据 3 0号 刀柄设计。 ( 3 )夹块 的设计 。夹块在刀爪抓刀时插入到键下半 部中,以及刀具在刀库中时夹块一直插在键 中,起准确 定位的作用 。因此对夹块 的宽度尺寸精度要求很高 。夹 块宽度的尺寸主要由键的宽度来决定。 4刀库转动定位机构 的设计 ( 1 )刀库转动定位机构的选择。 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
8、难 。 槽轮机构具有冲击小 ,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。 ( 2 )槽轮机构的工作原理。槽轮机构 ( 又称马尔他 机构)能把主动轴的匀速连续运动转换为从动轴的周期 性间歇运动 ,常用于各种分度转位机构 中。槽轮机构有 三种基本类型:外啮合槽轮机构 、内啮合槽轮机构 和球 面槽轮机构 。刀库即可采用外啮合槽轮机构也可采用内 啮合槽轮机构。设
9、计中采用外啮合槽轮机构 。外啮合槽轮 机构的工作原理如图 3所示 ,它 由主动曲柄 1 、槽轮 2 、 拨销 3和锁止盘 4组成。 1 主动 曲柄 2 槽轮 3 拨 销 4 锁止盘 图 3 外啮合槽轮机构的工作原理 F i g 3 F u n c fi o n d i a g r a m o f e x t e r n a l g e a r i n g g r o o v e wh e e l 外啮合槽轮机构的主动曲柄回转轴线与槽轮 回转轴 线平行,通常主动曲柄作等速 回转 ,当主动曲柄上的拨 销进入槽中 ,就拨动槽轮作反向转位运动,当拨销从槽 中脱出,槽轮即静止不动,并 由锁止盘定位。当只
10、有一 个拨销时 ,主动曲柄转一周 ,槽轮作转一个角度 的步进 运动 ,从而实现转位 、分度和定位。 1 4 6 ( 3 )槽轮机构参数计算 。槽轮槽数 Z 可根据刀库容 量选取,但不同槽数时外啮合槽轮的角速度和角加速度 的变化不同 ,槽数越小 ,则角加速度 的变化越大 ,由此 产生的冲击和磨损也就越大。因此在用外啮合槽轮机构 作为刀库转 动定位机构时 ,槽数不应小于 8 。设计 中刀 库容量为 8把刀。槽轮机构的其他参数可由表 1求出。 表 1 槽轮机构的参数 T a b 1 P a r a me t e r s o f g r o o v e wh e e l 参数名称 计算公式 槽 间角
11、2 0 2 2 0 = 3 6 0 。 Z 槽 轮每 次转位时 曲柄的转角 2 01 2 0l=1 8 0 。 - 2 0 2 选 用时 考虑 转位 定位机 构 强度 和 槽 轮与锁 止盘 问的中心距 L 刚度 ,并使其结构紧凑 。 主动曲柄长度 R R 1 = L s i n 0 2 槽 轮半径 R R 2 : L c o s 0 2 圆销半径 r r = R 1 6 槽 底高 b b = L - ( R- + r ) - ( 3 - 5 ) 槽 深 h h = R 2 - b R x = R l r e式 中 ,e = ( O 6 - 0 8 )r , 锁止弧 半径 R x 且必须大于 3
12、 5 ra m 根据以上参数可设计出槽轮和锁止盘的尺寸。 当槽轮机构进入和脱 出槽 口的瞬时位置 ,主动曲柄 中心与槽的中心线垂直,使槽轮转位起 、停瞬时的角速 度等于零 ,避免 了刚性冲击 。但是槽轮转位起、停时的 角加速度变化较大 ,且在转位过程的前半阶段与后半阶 段的角加速度方 向不同,因此 ,当槽与滚子之间存在间 隙时 ,会产生一定冲击 ,为减小 冲击可采取 以下方法 : 减小或消除拨销和槽之间的间隙;消除拨销开始进 入槽时的间隙,应使槽轮的实际外圆半径 R 略大 于槽 轮的名义外圆半径 R 2 ,取 R 2 = - 、 2 + r 2 ,式 r 为拨销半径 ; 回转轴采用空心结构,减
13、小槽轮组件的转动惯量 ; 增加轴承的预紧力 ,使轴承的间隙为零,从而增加槽轮 组件的回转阻尼。 5 刀库转动 电机的选择 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 。负载的转动惯量 和刀库系统转动惯量 J : 2 J = J f n i ) ( 1 ) 、 1l n l J C = J J L c ( 2 ) 式 中 :J i 一各旋转件 的转动惯量 ( k g m ) ;n 广 _ 各旋 转件 的转 速( r mi n ) ;J 一电机 的转动惯量( k g m ); n 一电机的转速 ( r m i n ) 。 2 J = (JDP+ J z+ J + J
14、 m ) ( 嚣) (3 ) 维普资讯 http:/ 数控机床世界 式中: J 卿 、J z 、 J J 分别为刀盘、轴、槽轮和 锁止盘的转动惯量 ( k g m2 ) ;n 广 刀盘的转速 ( r mi n ) 。 J 0P= 吾 7 8 10 D 4。 L Dp (4 ) 式 中 :D D 厂 刀 盘 直 径( mm);L D r 刀 盘 厚 度 ( mil 1 ) 。 n C = V x 1 0 0 0 ( 5 ) “ 面 式中:V一刀具的最大运动线速度 ( m mi n ) 。 J 砬 初选电机 ,其额定转矩 、最大转矩 、转动惯量 k 均可选定。即可计算: J c = J ,c +
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