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1、毕业设计说明书毕业设计说明书 设计题目：设计题目：BT40X16BT40X16 斗笠式刀库的研究与设计斗笠式刀库的研究与设计 姓姓 名名 学学 号号 院院 系系 机械工程学院机械工程学院 专专 业业 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 指导教师指导教师 20132013 年年 6 6 月月 摘摘 要要 90 年代以来，数控加工技术得到迅速的普及及发展，高速加工中心作为新时代 数控机床的代表，已在机床领域广泛使用。自动换刀刀库的发展俨然已超越其为数 控加工中心配套的角色，在其特有的技术领域中发展出符合机床高精度、高效率、 高可靠度及多任务复合等概念的独特产品。刀库作为加工中心最重要的部
2、分之一， 它的发展也直接决定了加工中心的发展。 斗笠式刀库一般只能存 1624 把刀具，斗笠式刀库在换刀时整个刀库向主轴移 动。当主轴上的刀具进入刀库的卡槽时，主轴向上移动脱离刀具，这时刀库转动。 当要换的刀具对正主轴正下方时主轴下移，使刀具进入主轴锥孔内，夹紧刀具后， 刀库退回原来的位置。 关键词：数控加工中心，斗笠式刀库 II ABSTRACTABSTRACT Since the 1990s, CNC machining technology made the rapid and universal development, as a new era of the representati
3、ves of NC machine tools, High-speed processing center has been widely used in the field of machine tools. The development of automatic Tool Change,s tool house in recent years seems to have gone beyond the NC Center for supporting the role of technology in their unique areas of development to meet t
4、he high-precision machine tools, high efficiency and reliability, and more complex tasks, such as the concept of unique products . The tool house as a processing center one of the most important part, it has a direct bearing on the development of the processing centers development. Rain hat type kni
5、fe library normally only save 16 to 24 knife sword rain hat type, change cutters in the library in the sword to the spindle mobile library. Rain hat type knife library normally only save 16 to 24 knife sword rain hat type, change cutters in the library in the sword to the spindle mobile when spindle
6、 library on the library card slot cutter into the knife, spindle, when moving upwards from cutter knife library rotation. When to change tool to align the spindle, when spindle moves directly into the spindle cone hole cutter, clamping tool, return the original position knife library. Keywords: CNC
7、processing center, rain hat type knife library 摘 要.I 1 绪 论.1 1.1 数控机床概述.1 1.1.1 数控机床的概念.1 1.1.2 数控机床的组成.1 1.1.3 数控机床的工作原理.1 1.1.4 数控机床的特点.1 1.1.5 数控机床的发展.1 1.2 数控铣床分类.2 1.2.1 数控立式铣床.2 1.2.2 数控卧式铣床.2 1.2.3 万能数控铣床.2 1.2.4 龙门式数控铣床.2 1.3 数控铣床的功能及加工对象.2 1.4 加工中心知识.3 1.5 自动换刀装置与刀库.3 1.5.1 自动换刀装置.3 1.5.2 刀
8、库类型.4 1.6 本章小结.7 2 总体方案.8 2.1 数控立式升降台铣床的组成及主要技术参数.8 2.2 可能的方案比较及最终选择方案.9 2.3 斗笠式刀库结构组成及工作原理.10 刀库横移装置的设计：.10 2.5 本章小结.11 3 斗笠式刀库设计.12 3.1 刀库容量的确定.12 3.2 气缸设计和选择.12 3.2.1 气缸的选择要点.12 3.2.2 气缸初选.13 3.2.3 驱动力校核.13 3.2.4 活塞杆稳定性校核.14 3.2.5 缸筒壁厚计算.15 3.2.6 耗气量及刀库横移运动时间的计算.16 3.3 刀库驱动转矩的估算.16 3.3.1 刀库分度机构的传
9、动设计及计算.16 3.3.2 旋转部件转动惯量计算.18 3.3.3 刀库驱动转矩计算.18 3.4 减速电动机的选择.18 3.5 刀库驱动转矩的校核.19 3.6 换刀过程总时间的计算与校核.19 3.7 刀具的选择方式.20 3.8 刀具交换装置的选择.20 3.9 电气元件的选择.21 3.9.1 气缸磁环开关.21 3.9.2 马达定位感应开关.22 3.9.3 刀号计数器开关.22 3.10 本章小结.22 4 重要零部件的设计.23 4.1 联轴器.23 4.1.1 联轴器的选择.23 4.1.2 联轴器校核.23 4.2 刀夹.23 4.2.1 刀夹作用.23 4.2.2 刀
10、夹工作原理.24 4.3 本章小结.24 结论.25 致谢.26 参考文献.28 1 1 绪绪 论论 1.1 数控机床概述 1.1.1 数控机床的概念 数字控制是利用数字化信息对机械运动以及加工过程进行控制的一种方法，简 称数控（Numerical Control，NC） 。数控机床是指采用了数控技术进行控制的机床， 或者说是装备了数控系统的机床，也称作为 NC 机床。由于现代数控系统是通过计算 机进行控制的，因此，数控机床又称为 CNC 机床。 1.1.2 数控机床的组成 数控机床主要由数控系统、伺服系统、程序载体、输入输出装置、强电控制装 置、辅助装置和机床主体组成。输入数控装置的程序指令
11、记录在信息载体上，由程 序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入。 1.1.3 数控机床的工作原理 数控机床在加工工艺与表面成形方法上与普通机床基本相同，在实现自动控制 的原理和方法上有很大的区别。数控机床是利用数字化信息来实现自动控制的。先 将与加工零件有关的信息，即工件与刀具相对运动轨迹的尺寸参数、切削用量以及 各种辅助操作等的加工信息，用规定的文字、数字和符号组成代码，按一定的格式 编写成加工程序，然后将加工程序输入数控装置。经过数控装置的处理、运算，按 坐标轴的移动分量送到各轴的驱动电路，经转换放大，用于伺服电动机的驱动，带 动各轴转动，并进行反馈控制，使刀具、工件以及其他辅助装
12、置严格按照程序规定 的顺序、轨迹和参数有条不紊的动作，从而加工出所需的零件。 1.1.4 数控机床的特点 数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加 工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改 型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。 1.1.5 数控机床的发展 随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗 床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、一次 装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。 未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多
13、； 激光加工等技术将应用在切削加工机床上，从而扩大多工序集中的工艺范围；数控 机床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元， 更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。 1.2 数控铣床分类 1.2.1 数控立式铣床 这类铣床一般用于加工盘、套、板类零件，工件一次装夹后，可对其表面上进 行铣、钻、扩、锪、攻螺纹等以及侧面的轮廓加工。因此，这类铣床是数控铣床中 数量最多的一种，应用范围也最为广泛。从机床数控系统控制的坐标数量来看，目 前三坐标数控立式铣床仍占大多数。一般可进行三坐标联动加工，但也有部分机床 只能进行三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
14、X、Y、Z 坐标轴中其中一个或两个轴作数控摆角运动的四坐标和五坐标数控立式铣床。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。 1.2.2 数控卧式铣床 这类数控铣床一般都带有回转工作台，工件一次装夹后可完成除安装面和顶面 以外的其余四个面的各种工序加工，适宜于箱体类零件加工。与通用卧式铣床相同， 其主轴平行于水平面。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
15、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。 1.2.3 万能数控铣床 这类铣床主轴可以旋转 90 或回转工作台带着工件旋转 90，一次装夹后，可 以完成对工件五个表面的加工。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。 1.2.4 龙门式数控铣床 这类数控铣床主轴可以在龙门架的横向和竖直方向溜板上运动，而龙门架则沿 床身作纵向运动。严格说来，这类数控铣床属于立式数控铣床，因要考虑到扩大
16、行 程，缩小占地面积及刚性等技术问题，所以往往采用龙门架移动式，故而这类数控 铣床被称之为龙门数控铣床。主要用于大型零件的加工。 1.3 数控铣床的功能及加工对象 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
17、对象有：平面类零件；变斜角类 零件；曲面类（立体类）零件。 1.4 加工中心知识 加工中心（CNC MACHINING CENTER）又称多工序自动换刀数控机床，是当 今世界上产量最大，在现代制造业中最广泛应用的一种功能较全的金属切削加工设 备。 加工中心综合了现代控制技术、计算机应用技术、精密测量技术以及机床设计 与制造等方面的最新成就，具有较高的科技含量。与普通机床相比，它简化了机械 结构，加强了数字控制化功能，成为众多数控加工设备的典型。 加工中心的突出特征是设置有刀库，刀库中存放着各种刀具或检具，在加工过 程中由程序自动选用和更换，这是它与数控铣床、数控镗床的主要区别。 1.5 自动换
18、刀装置与刀库 1.5.1 自动换刀装置 在零件制造过程中，大量的时间用于更换刀具，切削加工时间仅占整个工时中 较小的比例。为了缩短非切削时间，提高机床的自动化程度，机床正朝着一台机床 在一次装夹中完成多工序的方向发展。在这类多工序的数控机床中，必须带有自动 换刀装置。自动换刀装置的功能就是储备一定数量的刀具并完成刀具的自动交换。 它应当满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀具储存量足够、结构紧凑及安全 可靠等要求。 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： （1)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
19、换刀装置。根据不同加工对象，可 以设计成四方和六角刀架或其他等多种形式。回转刀架上分别安装着四把、六把或 更多的刀具，并按数控装置的指令转位换刀。回转刀架在结构上必须有良好的强度 和刚性，以及合理的定位结构，以保证回转刀架在每一次转位之后具有尽可能高的 重复定位精度。 （2)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
20、都与主运动脱开。 （3)带刀库的自动换刀形式 带刀库的自动换刀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。 1.5.2 刀库类型 根据刀库的容量和存取刀具的方式，刀库可设计成多种形式。目前常见的刀库 类型如下： （1）盘式刀库 图 1.1 盘式刀库 此刀库结构简单，应用较多。如图 1.1 所示，由于刀库呈环形排列，
21、空间利用 率低，因此出现了刀具在盘中进行双环和多环排列，以增加空间的利用率的设计。 但这样一来，刀库的外径较大，转动惯量也很大，选刀时间也较长。因此，盘式刀 库一般适用于刀具容量较小的刀库。 （2）链式刀库 如图 1.2 所示，此钟刀库结构紧凑，刀库容量较大，链环的形状可根据机床的 布局制成各种形状，也可将换刀位突出以便于换刀，能充分利用机床的占地空间， 通常为轴向取刀，位置精度较低，造价也较高。 图 1.2 链式刀库 （3）格子箱式刀库 如图 1.3 所示，该种刀库结构紧凑，刀库空间利用率高，换刀时间较长。布局 不灵活，通常刀库安装在工作台上，应用者较少。 1.6 本章小结 本章主要介绍了数
22、控机床的概念、组成，工作原理、特点、发展，数控铣床的 分类并把立式升降台铣床的组成、主要技术参数一一列举，最后稍微介绍了一些加 工中心和自动换刀装置方面的知识。通过对这些知识的介绍，可以对数控这一领域 作一个整体的把握，并加深了对这方面知识的更深一步的理解。 2 总体方案 2.1 数控立式升降台铣床的组成及主要技术参数 下图为数控立式升降台铣床外观图： 图 2.1 数 控 立 式 升 降 台 铣 床 外 观 图 数控立式升降台铣床主要由机床床身、机床数控系统、操纵面板、横向溜板、 升降台、纵向进给伺服电机、横向进给伺服电机、垂直升降进给伺服电机、强电装 置、变压器箱、主轴变速手柄、按钮板等零部
23、件组成。 数控立式升降台铣床的主要技术参数有：（1)工作台参数：工作台尺寸、工作 台最大纵向行程、工作台最大横向行程、工作台最大垂直行程、工作台 T 形槽数、 工作台 T 形槽宽、工作台 T 形槽间距；（2）进给速度：纵向进给速度、横向进给速 度、垂直进给速度；（3）主轴：主轴孔直径、主轴锥孔、主轴转速范围、主轴转速 级数；（4）进给精度：X 轴、Y 轴、Z 轴最小设定单位、位置检测方式；（5）驱动 电机：主轴电动机功率、X 轴、Y 轴、Z 轴电动机转矩；（6）一般规格：外形尺寸。 2.2 可能的方案比较及最终选择方案 本文是关于立式升降台斗笠式自动换刀装置的设计，其主要由刀库横移装置和 刀库
24、分度装置组成。因此，本设计基本上就是对这两个装置的设计。 刀库的横移装置，是在进行换刀的整个过程中，刀库从远离主轴的位置直线移 动到主轴轴线位置，以实现换刀。斗笠式刀库横移装置，由两根圆柱导轨（滑杆） 支撑，每根圆柱导轨由两个支架固定在连接板上，连接板固定在机床立柱上，实现 刀库与机床立柱的连接。整个刀库可以在两根圆柱导轨上滑动，实现刀库前后运动， 以完成抓刀和返回动作。 刀库横移装置主要有两种可能的方案： 一种是将电机轴的旋转运动地转化为可控的直线运动，使刀库沿着导轨轴作横 向往复移动。这一运动转换是通过一种正弦机构来完成的。在这一机构中，刀库与 拨杆固定连接，拨杆可移动的安装在导轨轴上；电
25、动机与滑块固定连接，滑块在拨 杆中可以移动；这样就可以把电动机的转动转化为刀库的横向移动。这种方案需要 使用电机，电机的安装可能占用的空间比较大，对于减小刀库尺寸、重量、成本不 利。另外由于使用了较为复杂的机械机构，传动过程中可能损失的功率比较多，而 且对于零部件的的定位安装要求较高。 另一种是利用气压传动机构。气缸类型为双作用气缸，气压缸固定安装在刀库 介面支架上，活塞杆则与刀库固定连接。通过气源的供给，可以使刀库沿着导轨轴 作往复横向移动。这种方案比较直接，而且气缸所占用的空间要比使用电机要小许 多，而且通过磁环开关的控制，能够较为精准地控制刀库的横向移动。 因此，第二种方案更为合适。 刀
26、库分度装置也有两种可能的方案： 一种是通过蜗轮蜗杆机构来实现。其工作原理如下：刀盘与蜗轮同轴固定连接， 电动机通过联轴器与蜗杆固定连接，这样就可以通过蜗轮蜗杆机构的传动来实现刀 盘的旋转运动，完成选刀工作。这种机构可以较好的实现选到工作，蜗轮蜗杆机构 可以将电动机的高转速转化成刀盘的低转速旋转运动。但是，这种机构所占用的空 间较大，一般用在卧式数控机床上更为合适。而且传动经过蜗轮蜗杆，效率比较低。 由于本文设计的是立式斗笠式刀库，所以对尺寸及占用空间都有较高的要求，所以 可能这一方案在此处不合适。 另一种是通过经典的槽轮机构（即马氏机构）来实现的的。它具有结构简单、 外形尺寸小、机械效率高，以及能较平稳地、间歇地进行转位等优点。电机通过联 轴器与定位法兰连接，定位法兰上安装有可旋转的滚子，通过定位法兰的旋转使圆 柱滚子间歇地进入固定连接在刀盘上分度盘，从而带动分度盘的转动，实现对刀盘 上刀具的选择。 因此，选择第二种方案更为合适。 综上所述，本文设计的斗笠式自动换刀装置其刀库横移装置采用气压传动，而 刀库分度装置则采用槽轮机构来实现。 2.3 斗笠式刀库结构组成及工作原理 刀库横移装置的设计： 刀库