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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 3 Abstract 3 第 1 章 绪论4 1.1 数控铣床的分类4 1.1.1 数控立式铣床4 1.1.2 数控卧式铣床4 1.1.3 数控立、卧式两用铣床4 1.2 数控铣床的结构特征4 1.2.1 数控铣床的主轴特征4 1.2.2 控制机床运动的坐标特征5 1.3 数控铣床的主要功能及加工对象5 1.3.1 数控铣床的功能5 1.3.2 自动换刀装置（ATC）及其形 式5 1.3.3 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 6 2.1 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床及其主要参数6 2.2 初定 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀装置的设计参 数7 2.3 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8 3.1 确定刀库容量8 3.2 确定刀库形式8 3.3 刀库结构设计10 3.4 初估刀库驱动转矩及选定电机10 3.5 刀库转位机构的普通圆柱蜗杆传动的设计10 3.6 刀库驱动转矩的校核14 3.7 确定刀具的选择方式14 第 4 章 刀具交换装置的设 计15 4.1 换刀机械手抓刀部分结构15 4.2 机械手传动结构15 4.3 自动换刀过程的动作顺序16 4.4 自动换刀装置的相关技术要求17 4.4.1 主轴准停装置17 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀设计 2 4.4.2 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 17 5.1 刀库的控制17 5.2 机械手的控制18 第 6 章 典型零件的设 计18 6.1 联轴器18 6.1.1 联轴器的选用18 6.1.1 联轴器的校核18 6.2 托架的设计18 鸣 谢20 参考文献21 XKA5032A/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 刀库 换刀机械手 A Abstractbstract This 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 mounted 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 milling machines Automatic tool changer Tool storage tool changing-manipulator XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀设计 4 XKA5032A/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；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。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：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。 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/min 22 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 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，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。 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 25N·m 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·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动换刀设计 11 1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。 ' 2HP 3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) 2 ' 22 15000 Z HP （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 N·m 1 2 P n 1 1/ P ni 0.092 30/6 (2) 载荷系数 K=1.05 (3) 许用接触应力 2HP =2200.91.48=293.04 MPa 2HP ' 2HP VS Z N Z 式中, =220 MPa, =70 MPa ' 2HP ' 2FP 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 S V 响系数=0.9,=1.48（其中=60at=60153008=3.6,按图 183 VS Z N Z L Z 2 n 30 6 6 10 查得） ； （4）计算 m2d1值,并选定模数 m 和蜗杆分度圆直径 d1 XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀设计 12 m2d11.05166.92=354.34 mm3; 2 15000 36 293.04 按表 183 查得模数 m=3.15(mm), d1=45 (mm) 5. 验算滑动速度 S V (1)计算蜗杆速度 1 V =0.07065 m/s 1 V 11 60 1000 dn 45 30 60 1000 (2)计算滑动速度 S V =/=0.07065/=0.0836 m/s S V 1 Vcoscos22.78 其中=22.78°,则初估的值合适。 1 11 (/)tgZ m d 1(6 3.15/45) tg S V 6验算蜗轮齿弯曲强度 验算公式为 2 22 12 666 AV FFSFP T K K K Y Y d d m （1）使用系数=1 A K （2）动载荷系数=1.03 V K （3）载荷分布系数=1K （4）d1=45 mm，=m=3.1536=113.4 mm,其中模数 m=3.15(mm)。 2 d 2 Z （5）蜗轮齿形系数=3.92 FS Y 按蜗轮当量齿数=/=36/=45.93,由图 172 查得。 2V Z 2 Z 3 cos 3 cos 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 MPa 2HP ' 2HP N Y (8)计算弯曲应力 =22.618 2 666 166.92 1 1.03 1 3.92 0.81 45 113.4 3.15 F 由于，帮满足蜗轮轮齿强度条件。 2F 2HP XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀设计 13 7计算蜗杆蜗轮的主要参数 （1 分度圆直径 =45，=m=3.1536=113.4mm 1 d 2 d 2 z (2)中心距 a a=(+2m)/2=45+113.4+2(-0.1349)3.15/2=79 mm 1 d 2 d 2 x (3)蜗杆导程角 22.78 8计算其他尺寸 （1）蜗杆齿顶圆直径 =+2=45+23.15=51.3 mm， 1a d 1a d 1 d 1a h 其中为蜗杆齿顶高，且=m=3.15 mm； 1a h 1a h （2）蜗轮喉圆直径 =+2=113.4+20.86513.15=118.85 mm， 2a d 2a d 2 d 2a h 其中为蜗轮齿顶高，且=+=1-0.1349=0.8651 mm； 2a h 2a h a h 2 x （3）蜗轮外圆直径=+m=118.5+3.15=122 mm； 2e d 2a d （4）蜗杆齿宽 由于=6，故按结构设计，取=64 mm 1 b 1 Z 1 b 1 b （5）蜗轮齿宽 0。67=0.6751.3 =34.371mm,取=34 mm； 2 b 2 b 1a d 2 b （6）蜗轮齿顶圆弧半径 =-m=-3.15=19.35 mm 2a R 2a R 1 2 d45 2 （7）蜗轮齿根圆弧半径 =+c=+0.2m=+0.23.15=26.28 mm； 2f R 2f R 1 2 a d 1 2 a d51.3 2 （8）蜗杆轴向齿厚 =/2=3.15/2=4.948 mm,其中为蜗杆轴向齿 1x s 1x s x p/2m x p 距； （9）蜗杆法向齿厚 =4.948=4.562 mm； 1n s 1n s 1x scoscos22.78 （10）蜗轮分度圆齿厚 =0.5=0.53.15=4.948 mm。 2 s 2 sm 9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 1 H 2 H 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 f P 1 P XKA5032A/C 数控立式升降台铣床自动换刀设计 14 =1000（1-） W 1 H 1 P 式中 为蜗杆传递的功率（单位：kW） 。 1 P 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(-) w 2 H 1 t 0 t 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， 2 mC A 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（） ； 2 m 润滑油的工作温度，一般限制在 6070，最高不能超过 80； 1 tC C 周围环境温度，一般取室温=20。 0 t 0 tC 按热平衡条件=，可求得在既定工作条件下的没温为 1 H 2 H =+ 1 t 0 t 1 1000P 1- kA C 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 kW 1 P 00 取=0.95, k=10,并估算 A=0. 006，则 2 m =20+=81.3380 1 t 1000 0.0736 1-0.95 10 0.006 C C 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 1 t 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 2 n 00 矩为：T=120.3N·mT0=8N·m，其中=0.9 为普通平键带动刀9549 N n 0.07 95490.90 5 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，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 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 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