毕业设计(论文) 题目：数控加工中心盘式刀库设计
摘要
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分之一，它的发展也直接决定了加工中心的发展。本论文完成的是盘式刀库的总体设计、传动设计、结构设计以及传动部分的运动和动力设计。这种刀库在数控加工中心上应用非常广泛，其换刀过程简单，换刀时间短，定位精度高；总体结构简单、紧凑，动作准确可靠；维护方便，成本低。本刀库减速传动部分分两级减速，一级传动部分采用齿轮减速装置，二级传动部分采用蜗轮蜗杆减速装置，此种设计方案可提高输出轴的传动平稳性能，即提高刀盘的运转平稳性。本刀库满载装刀24把，采用单环排列方式排放，按就近选刀原则选刀。
关键词：加工中心；刀库；数控加工
ABSTRACT
Since the 1990s, CNC machining technology made the rapid and universal development, as a new era of the representatives 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 the 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 center's development.This paper completed the overall design,transmission design,structure design and the transmission part's movement and dynamic design of the disc tool house. Such a tool house in the CNC Machining Center is widely used, the tool change is simple, tool change time is short, high-precision positioning; overall structure is simple and compact , Action is accurate and reliable; convenient maintenance and low cost.The slowdown part in the transmission of the tool house includes two parts, the first part of the transmission is gear deceleration device, the second transmission part of the transmission is Worm Gear deceleration device, such design can increase the output shaft of the transmission smooth performance, improve the smooth functioning of the tool house. The tool house which can load with the maximum of 24 tools use single-ring arrangement of emissions and according to the principle of the nearest to election tools.
目录
1引言 (1)
1.1 数控加工中心概述 (1)
1.2 数控加工中心的分类 (1)
1.3 加工中心的主要加工对象 (2)
1.4 加工中心的特点 (3)
1.5 加工中心刀库的形式 (4)
1.6 换刀装置的形式 (5)
2 总体方案的确定 (7)
2.1 刀库主要参数 (7)
2.2 电动机的初选 (7)
2.3 确定传动装置的总传动比和分配传动比 (8)
2.4 确定各轴转速、转矩和功率 (9)
2.5 电动机的校核 (11)
3刀库设计与校核 (13)
3.1 齿轮传动的计算 (13)
3.2轴的校核 (17)
3.3滚动轴承的校核 (21)
3.4蜗轮蜗杆的设计 (22)
3.5键的校核 (22)
4 刀具交换装置 (23)
4.1换刀简介 (23)
4.2换刀过程 (23)
结论 (24)
致谢 (25)
参考文献 (26)
附录1 (27)
附录2 (28)
附录3 (28)
1 引言
1.1数控加工中心概述
数字控制是20世纪中期发展起来的一种自动控制技术，是用数字化信号进行控制的一种方法[16]。采用数控技术进行控制的机床，称为数控机床[8]。加工中心（Machining Center,简称MC）是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床。它是适应省力、省时和节能的时代要求而发展起来的，它综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、气动技术、拖动技术、现在控制理论、测量及传感技术以及通讯诊断、刀具和应用编程技术的高技术产品，将数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能聚集在一台加工设备上，且增设有自动换刀装置和刀库，可以在一次安装工件后，数控系统控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、内外倒角、环形槽及攻螺纹等加工[4]。
随着电子技术的迅速发展，以及各种性能良好的传感器的出现和运用，加工中心的功能日趋完善，这些功能包括：刀具寿命的监视功能，刀具磨损和损伤的监视功能，切削状态的监视功能，切削异常的监视、报警和自动停机功能，自动检测和自我诊断功能及自适应控制功能等[1]。加工中心还与载有随行夹具的自动托板进行有机连接，并能进行切屑自动处理，使得加工中心成为柔性制造系统、计算机集成制造系统合自动化工厂的关键设备和基本单元。
1.2 数控加工中心的分类
1.2.1 按照机床形态分类
（1）卧式加工中心指主轴轴线为水平状态设置的加工中心。卧式加工中心一般具有3-5个运动坐标。常见的有三个直线运动坐标(沿X、Y、Z轴方向)加一个回转坐标(工作台)，它能够使工件一次装夹完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工。卧式加工中心较立式加工中心应用范围广，适宜复杂的箱体类零件、泵体、阀体等零件的加工。但卧式加工中心占地面积大，重量大；结构复杂，价格较高[1]。
（2）立式加工中心指主轴轴心线为垂直状态设置的加工中心。立式加工中心一般具有三个直线运动坐标，工作台具有分度和旋转功能，可在工作台上安装—个水平轴的数控转台用以加工螺旋线零件。立式加工中心多用于加工筒单箱体、箱盖、板类零件和平面凸轮的加工。立式加工中心具有结构简单、占地面积小、价格低的优点。
（3）龙门加工中心与龙门铣床类似，适应于大型或形状复杂的工件加工。
（4）万能加工中心万能加工中心也称五面加工中心小工件装夹能完成除安装面外的所有面的加工；具有立式和卧式加工中心的功能。常见的万能加工中心有两种形式：一种是主轴可以旋转900既可象立式加工中心一样，也可象卧式加工中心一样；另一种是主轴不改变方向，而工作台带着工件旋转900完成对工件五个面的加工。在万能加工中心安装工件避免了由于二次装夹带来的安装误差，所以效率和精度高，但结构复杂、造价也高[1，2]。
1.2.2按换刀形式分类
（1）带刀库机械手的加工中心加工中心换刀装置由刀库、机械手级组成，换刀动作由机械手完成。
（2）机械手的加工中心这种加工中心的换刀通过刀库和主轴箱配合动作来完成换刀过程。
（3）转塔刀库式加工中心一般应用于小型加工中心，主要以加工孔为主。
加工中心常按主轴在空间所处的状态分为立式加工中心和卧式加工中心，加工中心的主轴在空间处于垂直状态的称为立式加工中心，主轴在空间处于水平状态的称为卧式加工中心。主轴可作垂直和水平转换的，称为立卧式加工中心或五面加工中心，也称复合加工中心。按加工中心立柱的数量分；有单柱式和双柱式（龙门式）[7]。
1.2.3按数控系统功能分类
加工中心根据数控系统控制功能的不同分：有三轴二联动、三轴三联动、四轴三联动、五轴四联动、六轴五联动等。三轴、四轴是指加工中心具有的运动坐标数，联动是指控制系统可以同时控制运动的坐标数，从而实现刀具相对工件的位置和速度控制[11]。
1.2.4按工作台的数量和功能分类
有单工作台加工中心、双工作台加工中心，和多工作台加工中心。
1.2.5按加工精度分类
（1）普通加工中心普通加工中心，分辨率为1μm，最大进给速度15～25m/min，定位精度l0 μm左右。
（2）高精度加工中心高精度加工中心，分辨率为0.1μm，最大进给速度为15～100m/min，定位精度为2μm左右。介于2～l0 μm之间的，以±5 μm较多，可称精密级[3]。
1.3 加工中心的主要加工对象
加工中心适宜于加工复杂、工序多、要求较高、需用多种类型的普通机床和众多刀具夹具，且经多次装夹和调整才能完成加工的零件。其加工的主要对象有箱体类零件、复杂曲面、异形件、盘套板类零件和特殊加工等五类[4-6]。1.3.1箱
体类零件箱体类零件一般是指具有一个以上孔系，内部有型腔，在长、宽、高方向有一定比例的零件。这类零件在机床、汽车、飞机制造等行业用的较多。箱体类零件一般都需要进行多工位孔系及平面加工，公差要求较高，特别是形位公差要求较为严格，通常要经过铣、钻、扩、镗、铰、锪，攻丝等工序，需要刀具较多，在普通机床上加工难度大，工装套数多，费用高，加工周期长，需多次装夹、找正，手工测量次数多，加工时必须频繁地更换刀具，工艺难以制定，更重要的是精度难以保证。
加工箱体类零件的加工中心，当加工工位较多，需工作台多次旋转角度才能完成的零件，一般选卧式镗铣类加工中心。当加工的工位较少，且跨距不大时，可选立式加工中心，从一端进行加工。1.3.2复杂曲面复杂曲面在机械制造业，特别是航天航空工业中占有特殊重要的地位。复杂曲面采用普通机加工方法是难以甚至无法完成的。在我国，传统的方法是采用精密铸造，可想而知其精度是低的。复杂曲面类零件如：各种叶轮，导风轮，球面，各种曲面成形模具，螺旋桨以及水下航行器的推进器，以及一些其它形状的自由曲面。这类零件均可用加工中心进行加工。铣刀作包络面来逼近球面。复杂曲面用加工中心加工时，编程工作量较大，大多数要有自动编程技术。
1.3.3异形件异形件是外形不规则的零件，大都需要点、线、面多工位混合加工。异形件的刚性一般较差，夹压变形难以控制，加工精度也难以保证，甚至某些零件的有的加工部位用普通机床难以完成。用加工中心加工时应采用合理的工艺措施，一次或二次装夹，利用加工中心多工位点、线、面混合加工的特点，完成多道工序或全部的工序内容。1.3.4盘、套、板类零件带有键槽，或径向孔，或端面有分布的孔系，曲面的盘套或轴类零件，如带法兰的轴套，带键槽或方头的轴类零件等，还有具有较多孔加工的板类零件，如各种电机盖等。端面有分布孔系、曲面的盘类零件宜选择立式加工中心，有径向孔的可选卧式加工中心。
1.3.5特殊加工
[7，8]1.4加工中心的特点
加工中心（Machining Center）是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，因此在国内外企业界都受到高度重视。如今，加工中心已成为现代机床发展的主流方向，加工广泛应用于机械制造中[8，9]。与普通数控机床相比，它具有以下几个突出特点：
1.4.1工序集中1.4.2对加工对象的适应性强1.4.3加工精度高1.4.4加工生产率高1.4.5操作者的劳动强度减轻1.4.6经济效益高1.4.7有利于生产管理的现代化1.5加工中心刀库的形式[2]1.5.1圆盘式刀库（1）（2）（3）（4）[8-13]1.5.2机械手刀库（1）（2）（3）（4）（5）[8-13]1.6
换刀装置的形式换刀装置的形式有回转刀架换刀、更换主轴换刀、更换主轴箱换刀、带刀库的自动换刀系统[1]。
2 总体方案的确定
图2-1系统设计简图
2.1 刀库主要参数
载刀量：24把
主轴鼻端：刀具形式BT40
刀具直径：Φ80mm
平均重量：7Kg
初选刀库直径：Φ660mm
刀盘最低转速：60r/min
由于刀具形式为BT40，其刀具直径为Φ80mm，按初选的刀库直径Φ660mm 来排列可知每把刀之间的间隔约为6mm，符合安装要求。刀库的系统传动部分的简图如上图2.1所示。
2.2 电动机的初选
（1）选择电动机类型
按工作要求和条件，选用三相异步电动机，电压380V，Y型。
（2）选择电动机的容量
初选电动机型号为Y2—712—2，其主要参数如下表1：
表2-1 （需添加表名）
电动机输出转矩：
=d T 9550
m
d
n P N ?m =9550
282055
.0 N ?m =1.86 N ?m
在此论文中1η、2η分别为轴承、齿轮传动（包括蜗轮蜗杆）的传动效率。 取1η=0.98(滚子轴承), 2η=0.97(齿轮精度为8级,不包括轴承效率)。 （3） 确定电动机转速
刀库工作刀库转盘所必需满足的转速最低为： n = 60min
r
根据传动比合理取值，取一级齿轮的传动比i '
1
≈2,二级涡轮蜗杆减速器传动比i '2≈20，则总传动比合理范围为i 'a ≈40，故电动机转速约为
n 'd = i 'a ?n=4060?=2400min
r
2.3 确定传动装置的总传动比和分配传动比
由选定电动机满载转速n m 和工作机主动轴转速n,可得传动装置总传动比为
n
n i m
a =
（2-1） 总传动比为各级传动比1i ,、2i 、3i n i ???的乘积，即 电动机型号为Y2－712－2，满载转速n m =2820min
r 。
（1） 总传动比 由式(1)
n n i m a ===60
282047 （2） 分配减速器的各级传动比
按展开式布置。考虑润滑条件，得=1i 2，2i =19.5
则此时的输出转速为n a m i n =
5
.1922820
?=
=72.31min r 2.4 确定各轴转速、转矩和功率
（1） 各轴转速
1i n n m =
min r
（2-2） 式中：m n ——电动机满载转速；
0i ——电动机至I 轴的传动比。
以及 II n =
1
01i i n i n m I
?= min r （2-3）
2
102i i i n i n n m II
III ??==
min r （2-4）
由式（2-3）~（2-5）得
I 轴 01i n n m =
=2
2820
=1410 min r
II 轴 II n = I n = 1410 min
r
III 轴 102i i n i n n m II III ?==
= 5
.1922820
? = 72.31 min r
（2） 各轴输入功率
d I P P =?3η kW （2-5）
12η?=I II P P kW , 3212ηηη?= （2-6）
23η?=II III P P kW,3223ηηη?= （2-7）
式中2η、3η分别为轴承、齿轮传动的传动效率。 由式（5）~（7）得
I 轴 d I P P =01η= 0.55 ×0.98 =0.54kW
II 轴 12η?=I II P P = 32ηη??d P = 0.539?0.98?0.97 =0.51kW III 轴 III P =??=?=3223ηηηII II P P 0.51=??80.098.0 0.40 kW
I —III 轴的输出功率则分别为输入功率乘轴承效率0.98,例如I 轴输出功率为
=?=98.0'I I P P 0.53kW,其余类推。
（3） 各轴输入转矩
010ηi T T d I ?= N ?m （2-8）
其中d T 为电动机的输出转矩，按下式计算：
=d T 9550m
d
n P N ?m （2-9）
所以
010ηi T T d I ?= = 9550
010η??i n P m
d
N ?m （2-10） 121η??=i T T I II = 9550
120110ηη????i i n P m
d
N ?m （2-11） 232η??=i T T II III = 9550
231201210ηηη??????i i i n P m
d
N ?m （2-12） 34η?=III IV T T = 9550
34231201210ηηηη???????i i i n P m
d
N ?m （2-13） 由式（8）~（13） 电动机轴输出转矩 =d T 9550m d n P =9550?2820
55.0= 1.86 N ?m I —III 轴的输入转矩
I 轴 010ηi T T d I ?= = 9550
01η?m
d
n P ?0i =1.86?0.97× 2 = 3.61N ?m II 轴 I II T T =?1η =1T ×0.97 =3.61?0.97 =3.50 N ?m
III 轴 232η??=i T T II III =212ηη???i T II
= 3.50?19.5?0.98?0.80 = 53.51 N ?m
I~III 轴的输出转矩则分别为各轴的输入转矩乘轴承效率0.98,例如I 周的输出转矩为=?=98.0'I I T T 3.61×0.98=3.54 N ?m,其余类推。 运动和动力参数计算结果如下表2-2：
表2-2 （需添加表名）
2.5 电动机的校核
（1）转矩校核
加载在刀盘转轴上的重力为
刀库旋转刀架的重力，其中刀架厚度为15mm ：
G 1=g ρν=5.6×310×[4×0.015×0.16×0.06+4π×（26.0-255.0）×0.03+4π
×
（22.0-212.0）×0.03]×10=150N
刀库转盘的重量，其中转盘厚度为30mm ：
G 2=g ρν+70×24=5.6×310×0.15×4
π
×266.0=4560N
则可得刀库作用在轴3上的转矩
T /3 =μGd 3=0.004×(4560+150)×0.06 N ?m =1.13 N ?m
可得T /3 （2）转速校核 由上述计算可知电动机要满足刀库最低每分钟60转的要求，则此电动机转速 应不低于n' d = i' a ?n=4060 ?=2400min r，而此次选的电动机的转速为 n m =2820min r，即n m > n' d ，故此电动机的转速也满足刀库的转速要求。 综合考虑电动机和传动装置的尺寸、转矩、价格和带传动、减速器的传动比， 可见此电动机比较合适。因此选定电动机型号为Y2-112-2。 3 刀库设计与校核 3.1 齿轮传动的计算 1、选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数 1）选用直齿轮 2）加工中心为一般工作机器且轻质载荷，故选用7级精度（GB10095－88） 3）材料选择。选择小齿轮材料为40r C （调质），硬度为280HBS ，大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240HBS ，二者材料硬度差为40HBS 。 4）选小齿轮齿数1z =20，传动比为i = 2, 大齿轮齿数2z = 2?20 = 40 2、按齿面接触强度设计 由设计计算公式（10－9a ）进行试算，即 t d 1≥2.323 2 1)] [(1H E d Z u u KT σ±?Φ (1) 确定公式内的各计算数值 1）试选载荷系数t K =1.3。 2）计算小齿轮传递的转矩。 1T == ?115105.95n P 141054 .0105.955?? N ?mm =0.3657?410 N ?mm 3)由表10－7选取齿宽系数d Φ= 1。 4)由表10－6查得材料的弹性影响系数E Z = 189.8 2 1a MP 5)由表10－21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限1lim H σ=600a MP ;大齿轮的接触疲劳强度极限2lim H σ=550a MP 。 6）由式10－13计算应力循环次数。 1N = 60h jL n 1 = 60?1410?1?（2?8?365?8）= 1.441?910 2N =75 .510441.19 ?=0.251?910 7)由图10－19取接触疲劳寿命系数1HN K =0.95;2HN K =0.96。 8）计算接触疲劳许用应力。 取失效概率为100，安全系数S = 1，由式（10－12）得 [H σ]1= S K HN 1 lim 1σ=0.95?600a MP =570a MP [H σ]2=S K HN 2 lim 2σ=0.96?550a MP =528a MP (2) 计算 1）试算小齿轮分度圆直径t d 1，代入[H σ]中较小的值。 t d 1≥2.323 2 1)] [(1H E d Z u u KT σ+?Φ =2.323 2 4)528 8.189(2121103657.03.1+???mm =22.6mm 由于机床实际的尺寸关系，这里小齿轮的分度圆直径取为t d 1=40mm 2)计算圆周速度v 。 v= 10006011?∏n d t =1000 6051440???∏s m =1.08s m 3)计算齿宽b 。 根据机床经验公式，齿宽为模数的6～8倍，这里模数先试取2，故b =（6～8）m = 16mm , 这里取b=20mm 4)计算齿宽与齿高之比h b 。 模数 t m =1 1z d t = 40/20 mm = 2 mm 齿高 h = 2.25t m = 2.25?2 mm = 4.5 mm h b = 096 .5353.54= 10.67 5)计算载荷系数。 根据v = 1.46s m , 7级精度，由图10—8查得动载系数v K = 1.06； h b = 10.67,v K t d 13 t K K =4033.18815.1=45.246mm a MP a MP a MP a MP a MP a MP v K 图3-1（需添加图名） 3.2轴的校核 Z X 图 图 图 图 （1）计算作用在轴上的作用力 蜗轮：由于轴3的输入转矩3T =53.51 N ?m 则由式3T =3F ?3d 3d 为涡轮的分度圆直径，3d =62.25mm 可得3F =3T /3d =53.51/0.06225=859.60N 这个力是作用在蜗轮上，对轴3产生转矩，由已知导程角γ和齿形角α可算出其余的力，蜗轮的受力情况可由蜗杆的受力图分析： 圆周力t F =3F =859.60N 径向力r F =tan α?a F = tan 020? γ tan 60 .859=1774.36N 周向力a F = 10tan t F =4875N 4z F 为刀库旋转刀架的重力，其中刀架厚度为15mm ： 4z F =g ρν=5.6×310×[4×0.015×0.16×0.06+4π×（26.0-255.0）×0.03+4 π ×（22.0-212.0）×0.03]×10 =150N 3z F 为刀库转盘的重量，其中转盘厚度为30mm ： 3z F =g ρν+70×24=5.6×310×0.15×4 π ×266.0 =4560N (2) 计算支座反力 a 、垂直面上的轴承的支承力。 由∑z F =0和以左齿轮中点A 的弯矩平衡得： 4z F +3z F +t F +2z F =1z F 即 150+4560+859.60+2z F =1z F 4z F ?168+3z F ×89=t F ?46+2z F ×75 可得1z F =10790N 2z F =5220N b 、水平面上的轴承的支承力。 由∑y F =0和以右齿轮B 中点的弯矩平衡得： 1y F +2y F =r F 即 1y F +2y F =1774.36N 1y F ?75=r F ?29 可得1y F =-686.09N 2y F =1088.27N (3)、水平面上的弯矩 CY M =4Z F ?79=11.85N*M 左AY M =4Z F ?168+3z F ×89=431.04 N*M 右AY M =2z F ?75+t F ×46=431.04 N*M DY M =2z F ?29=151.38 N*M (4)、垂直面上的弯矩 左DZ M =1y F ?46=31.56N*M 右DZ M =2y F ?29=31.56N*M (5)、两平面上的弯矩的合成 A M =22Ay AZ M M +=431.04 N*M D M =22Dy DZ M M +=154.62 N*M (6)、计算当量弯矩 由图可看出A 处为危险截面，计算A 截面的当量弯矩，因为是单向回转轴，所以扭转切应力应视为脉动循环应力，取折算系数α=0.6 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!!!!!!!! 5计算及试验情况5.1 疲劳仿真分析 2010年4月，委托北京交通大学采用AAR 机务标准M-1001-97“货车设计制造规范”中确定载荷谱和“BS EN 1993-1-9： 2005Euro code 3：钢结构设计规范”中的疲劳寿命预测方法及S-N 曲线，对CW1型米轨敞车设计方案进行了疲劳仿真分析计算，结果表明该车体各部位结构的疲劳寿命均大于600万km 。5.2 动力学性能仿真分析 2010年4月，委托西南交通大学对CW1型米轨敞车设计方案进行了动力学性能仿真计算，结果如下： （1）空车工况车辆的临界速度为101km/h ，重车临界速度为108km/h ，空重车临界速度均高于最高运行速度80km/h 的110%；能够满足运行要求，并且稳定性具有一定的裕量。 （2）在所计算的速度范围和曲线工况下，轮轴横向力最大值、脱轨系数最大值和轮重减载率最大值都能够满足GB5599-85的要求，能够保证安全运行。 （3）在美国五级谱的激励下，速度在90km/h 以下范围内，空、重车的横向、垂向平稳性指标和平均最大加速度均为优，车体振动最大加速度垂向均小于0.7g ，横向均小于0.5g 。 5.3 静强度试验 2011年6月委托青岛四方车辆研究所，在包头对CW1型米轨敞车样车进行了车体静强度试验，分别对车体在纵向载荷、 垂向载荷、侧向力、顶车载荷和翻车机工况作用下的强度进行了试验验证。试验结果表明：CW1型敞车车体强度满足TB/T1335-1996的要求，并具有一定的强度储备。 车体刚度试验与垂向静载荷试验同时进行，测量中梁中央处和心盘处的位移值，并计算中梁中央处相对于心盘处的挠度。中梁中央处相对于心盘处挠度为3.52mm ，挠跨比为0.49/1500＜1/1500，满足设计和用户要求。5.4 线路运行试验 2011年11月，首批CW1型米轨敞车在印度尼西亚用户指定线路上进行了车辆线路运行试验，运行性能稳定、状态良好，符合运用要求。6 结论 通过样车试制及相关试验，以及运用考验，CW1型米轨敞车符合标准及用户使用要求，效果良好。 （编辑立 明） 作者简介：高宏强（1974-），男，高级工程师，从事产品研发营销管理工作。 收稿日期：2０１２－１１－１９ 加工中心刀库装置设计 时雨 （哈尔滨市国际工程咨询中心，哈尔滨150000 ）1引言随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日趋激烈，产品更新速度越来越快。形状复杂的零件越来越多，对精度的要求也越来越高。多品种、中小批量的生产方式逐渐占据了工业市场。激烈的市场竞争使得产品研发生产周期逐渐缩短。传统的加工设备和制造方法已难以满足这种多样化、柔性化的高效高质量零件加工要求。近几十年来，世界各国十分重视发展能有效解决复杂、精密、小批多变零件的数控加工技术，在加工设备中大量采用以微电子技术和计算机技术为基础的数控技术［1］。加工中心就是一种这样应运而生的数控设备［2］。 目前我国加工中心技术水平同发达国家相比仍存在巨大差距，本设计力求在刀库及换刀装置方面最大限度地改进并设计出相对可靠、高效率的刀库装置［3］。2 刀库的综述 首先我们要对刀库进行一次系统的定义。刀库是储存加工工序所需的各种刀具的机构，可以按程序指令，把即将使用的刀具迅速、准确地送到换刀位置，并接受计算机指令将使用过的刀具复位。因此，刀库不单单是储存刀具的单一机构，而是能够按程序运作的一个精确机构［4］。 常见刀库形式可分为三种：圆盘式刀库，链条式刀库以及斗笠式刀库，具体对比见表1。 对于每种刀库，它们各自的结构也不同，这里主要介绍设计中所选择的圆盘式刀库结构［5］。传统圆盘式刀库通摘要： 在全面了解数控加工中心的结构、工作原理和控制方法的基础上，设计出加工中心的刀库装置。根据加工中心刀库的工作原理，确定结构与技术参数并给出结构设计方案，设计出一套符合技术要求的刀库，具有工作效率高、刚性好、使用寿命长等特点。 关键词：数控加工中心；刀库；刀座 中图分类号：T G659文献标识码：A 文章编号：1002－2333（2013）01－0138－02 解决方案 SOLUTION 工艺／工装／模具／诊断／检测／维修／改造 机械工程师2013年第1期 138 1前言 1.1数控加工中心简介 加工中心是一种可以对工件进行多工序加工的数字控制机床，它装备有刀库，并可以自动更换里面的刀具。工件经过一次装夹之后，数字控制系统能控制机床按照不同的工序，自动选择刀具或者更换刀具，自动地改变机床主轴的转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹，并且可以完成很多其他辅助机能，依次完成工件几个面上多工序的加工。减少了工同时也减少了工序之间的工件周转、搬运和存放的时间，大大缩短了生产的周期，具有显明经济效益。 一种功能较全的数控加工机床就是数控加工中心。目前数控加工中心是世界上生产产出的数量最高、最广的应用数控类机床之一。它综合加工的能力特别强，工件一次装夹后能够完成很多的加工内容，加工工件质量比较高，就要求中等加工难度和批量生产的工件，其加工效率是普通类机床的6～10倍，特别的是：它还能够完成许多普通机床所不能完成的加工，对要求精度高，单件加工或中小批量多品种生产形状较复杂的尤为适和。它把削铣、钻、攻等功能加在一个装置上，使其具有多种工艺手段。加工中心设置有储存刀具的刀库，刀库中存放着各种不同数量和规格的刀具或量具，在加工过程中利用程序来实现自动地更换和选用。这就是加工中心与数控铣、镗的差异。加工中心是一种综合的加工能力比较强的设备，工件一次装夹之后就能完成很多的工步，加工精度很高，就批量的中等的工件而言，其加工效率是普通制造机器和设备的7～12倍多，尤其是它能够实现很多普通机床所不能完成的加工，就像一些特别的行面等。这将会使新产品的研制和更新换代节省大量的人力和物力，从而使得企业具有特别强的竞争力。 1.2数控加工中心刀库系统简介 刀库系统是一种可以提供自动化加工过程中所需的换刀及储刀需求的装置。藉由电脑程式（PLC）的控制，可以实现各种不同的加工的需求，如攻、削、 第一章绪论 本章首先从数控机床的发展历程引出加工中心的发展趋势，再具体到本次设计针对的刀库的任务要求，明确了本设计任务的主要内容。 引言 1952年世界上出现了第一台数控机床，使多品种、中小批量的机械加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。1958年第一台加工中心问世，它将多工序<铣、钻、镗、铰、攻丝等）加工集于一身；适应加工多品种和大批量的工件；增加机床功能<自动换刀、自动换工件、自动检测等），使自动化程度和加工效率上了一个新台阶；使无人化<或长时间无人操作）加工成为现实。90年代以来，数控加工技术得到迅速的普及及发展，数控加工中心在制造业得到越来越广泛的应用。目前国内企业生产制造的加工中心主要是面向生产领域，其结构复杂、精度高、封闭性强，价格昂贵。加工中心已成为柔性制造系统、计算机集成制造系统和自动化工厂的基本单元。 加工中心是数控机床的代表，是高新技术集成度高的典型机电一体化机械加工设备，受到世界各工业发达国家的高度重视，技术迅速发展，品种和数量大幅度增加，成为当今世界机械加工设备中最引人注目的一类产品。 加工中心简介 加工中心的发展简史 1952年世界上出现第一台数控机床，使多品种、中小批量的机械加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。它用易于修改的数控加工程序进行控制，因而比大批量生产重使用组合机床生产线和凸轮、开关控制的专用机床有更大的柔性，容易适应加工件品种的变化，进行多品种加工。它用数控系统对机床的工艺功能、几何图形运动功能和辅助功能实行全自动的数字控制，因为有更高的自动化程 度和加工效率，大大改变了中小批量生产中普通机床占整个机械加工70%~80%的状况。数控机床能实现两坐标以上联动的功能，其效率和精度比用手工和样板控制加工复杂零件要高得多。 1958年第一台加工中心在美国卡尼、特雷克 要 本文主要对数控加工中心自动换刀系统及控制系统进行设计。本文主要对数控加工中心自动换刀系统及控制系统进行设计。第一，了解数控加工中心的分类，其按换刀形式的分类以及加工中心刀库的形式；然后根据给定的参数进行刀库类型的选择以及电动机的确定；接着对刀库的转位定位机构进行了设计；最后是对于控制系统进行了简单设计。 关键字：加工中心，换刀系统，刀库，PLC。 目录 1绪论 (3) 2.刀库的总体设计方案 (5) 课程设计的任务及要求 (5) 刀库的类型选择 (5) 3.电机的选择 (6) 电机的选型及相关参数 (6) 各部分转动惯量的计算 (7) 预选电机 (7) 电机的校核 (8) 4.机械系统的设计 (8) 刀库转动定位机构的设计 (8) 滚动轴承的选择计算 (10) 轴的校核计算 (11) 键的设计计算 (12) 5.控制系统的设计 (12) 刀库的换刀动作如下： (13) 利用PLC实现随机换刀 (14) 参考文献 (17) 1绪论 在现代数控机床中，加工中心(MC-Machining Center)能进行自动换刀、自动更换工件，实行平面、任意曲面、孔、螺纹等加工，成为一种独特的多功能高精、高效、高自动化的机床，并迅速向高速化、复合化、环保化、五轴联动等方向发展，己成为当今国际机床展上最大的亮点。 加工中心特别适合于箱体、框架、叶片等特殊复杂零件的柔性高效加工，能减省一些普通铣床、钻床、键床，提高加工精度和效率，减少转换时间，降低生产成本。 在当今机械工业中，产品不断向个性化、精密化、小批量发展，世界对MC的市场需求在不断增多。特别是在要求适量柔性、大批高效生产的汽车工业、单件、小批重切、快速生产的航空、模具工业以至IT高精尖工业中，MC已逐渐成为重要的高效性机种。 1996年国产加工中心与进口加工中心的台数比，仅为百分之几，到2005年逐步增长到%。2005年与2000年相比，进口的加工中心数量增加倍。加工中心需求猛增的主要原 因，大致有三:(l)整个机械工业原有工艺装备结构陈旧、性能落后，呈“三多三少”(手动的多、自动的少;粗加工的多、精加工的少;低效的多、高效的少)，函需大量更新。能源、交通、冶金、发电、工程机械、造船、模具、IT各业均需购置大、中、小各种Mc，量大面广;(2)汽车工业迅速发展，2002-2004年汽车产量分别为325、444、507万辆，发动机缸体、缸盖、变速箱及各种汽车零部件加工，均需 h L =86750 (h) 验算结果：合格。 毕业设计(论文) 题目：数控加工中心盘式刀库设计 摘要 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分之一，它的发展也直接决定了加工中心的发展。本论文完成的是盘式刀库的总体设计、传动设计、结构设计以及传动部分的运动和动力设计。这种刀库在数控加工中心上应用非常广泛，其换刀过程简单，换刀时间短，定位精度高；总体结构简单、紧凑，动作准确可靠；维护方便，成本低。本刀库减速传动部分分两级减速，一级传动部分采用齿轮减速装置，二级传动部分采用蜗轮蜗杆减速装置，此种设计方案可提高输出轴的传动平稳性能，即提高刀盘的运转平稳性。本刀库满载装刀24把，采用单环排列方式排放，按就近选刀原则选刀。 关键词：加工中心；刀库；数控加工 ABSTRACT Since the 1990s, CNC machining technology made the rapid and universal development, as a new era of the representatives 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 the 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 center's development.This paper completed the overall design,transmission design,structure design and the transmission part's movement and dynamic design of the disc tool house. Such a tool house in the CNC Machining Center is widely used, the tool change is simple, tool change time is short, high-precision positioning; overall structure is simple and compact , Action is accurate and reliable; convenient maintenance and low cost.The slowdown part in the transmission of the tool house includes two parts, the first part of the transmission is gear deceleration device, the second transmission part of the transmission is Worm Gear deceleration device, such design can increase the output shaft of the transmission smooth performance, improve the smooth functioning of the tool house. The tool house which can load with the maximum of 24 tools use single-ring arrangement of emissions and according to the principle of the nearest to election tools. 济南铁道职业技术学院 毕业设计指导书 （高职机电一体化专业08级） 一、设计题目 斗笠式刀库的设计 二、设计目的 随着科学技术和社会的发展，对机械产品的性能、精度、质量、生产率和成本提出了越来越高的要求，数控机床的出现，开创了机械加工自动化的新纪元，不仅能提高产品的质量和生产率，降低生产成本，还能改善工人劳动条件。 一个零件往往需要多道工序完成，而单功能的数控机床只能完成单工序的加工，因此在零件生产过程中，要进行多次装卸换刀工作，不仅影响劳动效率，还降低了工件精度，加工中心和普通单功能机床的区别在于有了刀库和自动换刀装置，这样，一次装夹就可完成多到工序的加工，提高了零件精度和劳动效率。 现在加工中心上刀库种类很多，有斗笠式、圆盘式等，其中斗笠式刀库结构简单，运动集中，适合与立式加工中心。刀库成本低，工艺要求不高，但是国内生产此类刀库的企业较少，大部分需要进口，价格相对较贵，因此本课题非常有研究价值。 三、设计的技术要求 1、斗笠式刀库主要工作过程为： 斗笠式刀库换刀时，由三步组成，第一、刀库横移装置移动到主轴箱可以到达的位置；第二，刀库分度装置进行选刀，通过精确地分度、定位，将下个工序需要的刀送到指定位置；第三，主轴上自动装卸刀机构准确取刀装刀。 具体过程为： 1）、系统接收到换刀指令。 2）、气缸推动刀库移动到主轴位置，保证当前刀位上为空，准备换刀。 3）、主轴打刀缸释放，将主轴上当前刀具放置到刀库空刀位置。 4）、刀库电机转动，接近目的刀具位置时，接近开关发送指令，电机减速，转到位置停止，准备换刀。 5）、主轴完成装刀动作。 6）、刀库气缸带动刀库返回。 一个换刀动作结束。 2、机械结构的设计 通过对加工中心刀库工作目的及工作过程的了解，设计出用横移机构、分度装置及刀盘。 3、技术参数 1、机械结构 ①刀库有8刀位。 ②使用槽轮机构完成分度。 1：基本概念： 1）当前刀具号 当前刀具号是指被安放在主轴上的刀具被用户自定义的ID号，该号码在同一刀库中是唯一的，用户可以在数控系统刀库刀补功能中选择刀库表进行编辑。 在系统中当前主轴上的刀具号在刀库表0位置，0号位置映射的是B188寄存器，所以当前主轴上的刀号对应的断电寄存器是B188所存的值。 刀具号的最大数值不能大于设定的刀库刀具总数。 刀具号和刀库中的刀套号是一一对应的，所以在斗笠式刀库中只需要填写当前刀具号。 2）当前刀位号 刀位号是指当前刀库停在换刀缺口上的那把刀的刀具号。在旋转刀库找刀的时候需 要该数据进行数值计算。 刀位号对应的断电寄存器是B189。 3）最大刀具数量 最大刀套数量是用来定义刀库的最大容量的数值。该数值由B187断电寄存器设定。4）换刀点（第二参考点） 在换刀过程中取刀和还刀的位置称为换刀点，也就是所谓的机床第二参考点。可以在坐标轴参数中进行设置。 5）抬刀点（第三参考点） 松开刀具以后主轴将抬刀到一个安全的避让位置用以避开刀柄的碰撞，此安全位置称之为抬刀点，也就是所谓的第三参考点。 2：斗笠式刀库换刀基本流程 整个流程分为3步 1）还刀过程：Z轴首先抬刀到第二参考点，主轴定向开始，检查是否到达第二参考点，检查当前刀具号和当前刀位号是否对应，如果不对应首先先将刀库转到当前刀位号位置，刀库进到位，刀具松开，Z轴抬刀到第三参考点。 2）选刀过程：旋转到预选刀刀号所对的刀位号。 3）取刀过程：Z轴到第二参考点，刀具紧刀，回退刀库，取消主轴定向。 斗笠式换刀流程图 3：换刀用户自定义循环G代码程序 IF [#190188 EQ #100111] M99 ENDIF M35 ;换刀开始标记 M32 ;换刀检查 G91G30P2Z0 ;定位到换刀位置 M33 ;第二参考点到位检查 M19 ; 主轴定向开 IF [#190188 NE #190189] M26 ENDIF M23 ; 刀库进 G4P1000 M21 ; 刀具松 G4P1000 G91G30P3Z0 ; Z抬刀 M34 ;第三参考点到位检查 G4P1000 M25 ; 选刀 G4P1000 G91G30P2Z0 ; 定位到换刀位置 M33 G4P1000 M22 ; 刀具紧 M24 ; 刀库退 G4P1000 M20 ; 主轴定向关 M36 ;换刀结束标记 注意： #190188表示的是B188寄存器的值； #100111表示的是R111寄存器的值。 IF [#190188 EQ #100111] G[#1] ; 恢复进循环之前模态值 G[#2] M99 ENDIF 该程序段的意思是当两个寄存器的值相等，则表示当前所选刀与当前主轴上的刀号相同，不进行换刀。 附录9：实现刀库控制功能 目录 相关知识与技能 1．与刀库相关的电气连接 2．刀库控制的相关信号及其功能 2．1 主轴准停控制信号ORCMA 2．2 宏程序所用的系统变量 2．2．1 用户宏程序输入信号 2．2．2 宏程序报警变量 2．2．3 模态信息变量（#4003、#4006） 3．宏程序调用及刀库相关系统参数 3．1 指定调用宏程序的M代码值参数PRM#6080～6089 3．2 主轴准停位置设置参数（PRM#4031） 3．3 主轴定向速度参数（PRM#4038） 3．4 换刀点设置参数（PRM#1241） 3．5 其他相关参数 4．换刀宏程序 5．PMC控制程序 思考题 实训项目3.8 实现刀库控制功能 以FANUC 0i系统加工中心或调试台为例，介绍一种通过宏程序调用实现斗笠式刀库换刀控制的方法。刀库容量为16（装16把刀），利用伺服主轴电动机的内置编码器进行定向/准停。 实训学时：10学时。 实训目的: （1）加工中心斗笠式刀库的操作与控制程序的编制。 （2）掌握调用宏程序实现刀库控制的编程方法。 （3）掌握调用宏程序实现刀库控制的相关参数设置。 实训内容： （1）斗笠式刀库的操作。 （2）控制刀库的宏程序设计。 （3）刀库梯形图程序的设计与调试。 （4）梯形图功能的调试。 （5）宏程序调用实现刀库控制的相关参数设置。 实训设备: （1）配置FANUC 0i数控系统的加工中心/综合调试台。 （2）个人计算机（PC）。 （3） FANUC公司的梯形图编辑软件（FLADDER Ⅲ版本）。 实训要点： （1）用FLADDER Ⅲ软件对PMC离线编程。 （2）FANUC 0i PMC操作。 （3）FANUC 0i 系统PMC程序传输与功能调试。 （4）刀库控制用宏程序设计与加载。 （5）PMC功能指令的应用。 （6）刀库梯形图程序设计。 （7）调用宏程序控制刀库的相关参数设置。 （8）刀库控制功能验证。 实训具体要求： （1）规范实训，按操作规范操作机床。 （2）机床工作时，严禁用手或导体去触碰各通电电器，确保人身和设备安全。 （3）操作刀库之前，必须保证机床执行手动回零操作。 （4）验证刀库功能时，可采用单程序运行模态或单独执行相关的刀库辅助功能指令（M指令）操作，密切关注机床的动作，确保刀库与主轴不撞机。 （5）具备加工中心的基本操作能力和应用水平。 （6）熟悉FANUC 0i系统参数的设置方法与操作。 组织形式： 教师：演示与指导，组织学生训练、演示、讨论与评估。 学生：根据设备数量，可在课内分组定时训练，也可预约训练，采取组长负责制，负责指导、提问与考核各组员。 相关知识与技能： 1．与刀库相关的电气连接 假设加工中心刀库的主电路如图附9-1所示。 1常见的过载报警及解决方法 故障现象：某配套FANUC-0M系统的数控立式加工中心，在加工中经常出现过载报警，报警号为434，表现形式为Z轴电动机电流过大，电动机发热，停上40min左右报警消失，接着再工作一阵，又出现同类报警。 分析及处理过程：经检查电气伺服系统无故障，估计是负载过重带不动造成。 为了区分是电气故障还是机械故障，将Z轴电动机拆下与机械脱开，再运行时该故障不再出现。由此确认为机械丝杠或运动部位过紧造成。调整Z轴丝杠防松螺母后，效果不明显，后来又调整Z轴导轨镶条，机床负载明显减轻，该故障消除。 2数控机床转台分度不良的故障维修 故障现象：一台配套FANUCOMC，型号为XH754的数控机床，转台分度后落下时错动明显，声音大。 分析及处理过程：转台分度后落下时错动明显，说明转台分度位置与鼠齿盘定位位置相差较大；如果回零时位置同时也有错动，则可调节第4轴栅格偏移量(参数0511)来解决：如果转台传动有间隙，则可调节第4轴间隙补偿(参数0538)；如果机械螺距有误差，则 相应调整第4轴螺补。本例中发现转台回零后也有错动，调整0511数值后解决 3刀库不停转的故障维修 故障现象：一台配套FANUC0MC系统，型号为XH754的数控机床，刀库在换刀过程中不停转动。 分析及处理过程：拿螺钉旋具将刀库伸缩电磁阀手动钮拧到刀库伸出位置，保证刀库一直处于伸出状态，复位，手动将刀库当前刀取下，停机断电，用扳手拧刀库齿轮箱方头轴，让空刀爪转到主轴位置，对正后再用螺钉旋具将电磁阀手动钮关掉，让刀库回位。再查刀库回零开关和刀库电动机电缆正常，重新开机回零正常，MDI方式下换刀正常。怀疑系干扰所致，将接地线处理后，故障再未出现过。 4换刀不能拔刀的故障维修 故障现象：一台配套FANUC0MC系统，型号为XH754的数控机床，换刀时，手爪未将主轴中刀具拔出，报 警。 分析及处理过程：手爪不能将主轴中刀具拔出的可能 原因有： ①刀库不能伸出；②主轴松刀液压缸未动作；③松刀 摘要 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分之一，它的发展也直接决定了加工中心的发展。 本论文完成的是盘式刀库的总体设计、传动设计、结构设计，在确定了整体设计方案后，运用UG对整个盘式刀库进行了实体建模和运动仿真分析。分析结果显示，整个系统无干涉，且整体运行平稳。运用 ANSYS 对系统的关键部件进行了受力和变形分析。结果显示：系统关键部件设计合理，变形量在设计范围之内。这种刀库在数控加工中心上应用非常广泛，其换刀过程简单，换刀时间短，定位精度高；总体结构简单、紧凑，动作准确可靠；维护方便，成本低。本刀库传动部分分两级减速，一级传动部分采用直齿轮减速装置，二级传动部分采用蜗轮蜗杆减速装置，此种设计方案可提高输出轴的传动平稳性能，即提高刀盘的运转平稳性。本刀库满载装刀24把，采用单环排列方式排放。 关键词：加工中心；刀库；数控加工 Abstract Since the 1990s, CNC machining technology has been rapidly gaining popularity and development. As a new era of high-speed machining center CNC machine tools represent, have been widely used in the field of machine tools. Automatic tool changer magazine seems to have gone beyond the development of CNC machining centers supporting its role in the field of its unique technology developed to meet the machine precision, high efficiency, high reliability and multi-task complex concepts such unique products. Magazine as a processing center one of the most important parts, and its development is also directly determines the machining center. In this thesis, completed the disc magazine's overall design, transmission design, structural design, in determining the overall design, the use of UG to the entire disc magazine conducted a physical modeling and motion simulation analysis. The results showed that the system without interference and the overall smooth operation. Using ANSYS on the system key components of stress and deformation analysis. The results showed that: the system key component design is reasonable, the amount of deformation in the design range. This magazine in CNC machining center is widely used, its tool change process is simple, tool change time is short, high positioning accuracy; overall structure is simple, compact, accurate and reliable; easy maintenance, and low cost. The magazine drive part of two deceleration, a transmission part adopts straight gear reduction, two transmission part adopts worm gear unit, such a design can improve the output shaft of the transmission smooth performance, that is, raising the cutter smooth operation sex. The magazine full loaded knife 24, the use of single-ring arrangement emissions. Keywords: machining centers; magazine; CNC machining 关于加工中心刀库的基 本知识知识 Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】 刀库-概述 刀库 刀库系统是提供自动化加工过程中所需之储刀及换刀需求的一种装置；其自动换刀机构及可以储放多把刀具的刀库；改变了传统以人为主的生产方式。藉由电脑程式的控制，可以完成各种不同的加工需求，如、、镗孔、等。大幅缩短加工时程，降低生产成本；这是刀库系统的最大特点。 近年来刀库的发展已超越其为工具机配件的角色，在其特有的技术领域中发展出符合工具机高精度、高效能、高可靠度及多工复合等概念之产品。其产品品质的优劣，关系到工具机的整体效能表现。 刀库-主要构件 刀库主要是提供储刀位置，并能依程式的控制，正确选择刀具加以定位，以进行刀具交换；换刀机构则是执行刀具交换的动作。刀库必须与换刀机构同时存在，若无刀库则加工所需刀具无法事先储备；若无换刀机构，则加工所需刀具无法自刀库依序更换，而失去降低非切削时间的目的。此二者在功能及运用上相辅相成缺一不可。 刀库-分类 刀库的容量、布局，针对不同的机，其形式也有所不同，根据刀库的容量、外型和取刀方式可概分为以下几种： 1、斗笠式刀库 一般只能存16~24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。 2、圆盘式刀库 圆盘式刀库通常应用在小型立式综合加工机上。"圆盘刀库"一般俗称"盘式刀库"，以便和"斗笠式刀库"、"链条式刀库"相区分。圆盘式的刀库容量不大，顶多二、三十把刀。需搭配自动换刀机构ATC(AutoToolsChange)进行刀具交换。 3、链条式刀库 链条式刀库的特点是可储放较多数量之刀具，一般都在20把以上，有些可储放120把以上。它是藉由链条将要换的刀具传到指定位置，由将刀具装到主轴上。换刀动作均采用马达加机加工中心使用的刀库最常见的形式是圆盘式刀库和机械手换刀刀库。 刀库-特点 刀库 一、圆盘式刀库特点？ 圆盘式刀库应该称之为固定地址换刀刀库，即每个刀位上都有编号，一般从1编到12、18、20、24等，即为刀号地址。操作者把一把刀具安装进某一刀位后，不管该刀具更换多少次，总是在该刀位内。？ 无换刀机械手刀库结构设计 刀库是自动换刀装置中最主要的部件之一，其容量、布局以及具体结构对加工中心的设计有很大影响。 16刀刀库是在小型加工中心应用最为广泛，根据使用的场合和实际运用的要求，设计了相应的16刀的圆盘式刀库，并且对它的控制进行了一定的研究。 论文首先对16刀刀库总体设计方案进行阐述，阐述其各部件的工作原理，然后就刀库的结构设计与控制分章节对各个部分进行计算与设计。 刀库的结构设计是本文研究的重点，传动部分为蜗杆蜗轮的一种减速装置，对于该装置中的蜗杆、蜗轮以及相关的轴都进行了详细的计算;控制部分为刀库送刀部分，由液压控制和PLC控制完成。 第一章绪论 本章首先从数控机床的发展历程引出加工中心的发展趋势，再具体到本次设计针对的刀库的任务要求，明确了本设计任务的主要内容。 1.1 引言 1952年世界上出现了第一台数控机床，使多品种、中小批量的机械加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。1958年第一台加工中心问世，它将多工序（铣、钻、镗、铰、攻丝等）加工集于一身；适应加工多品种和大批量的工件；增加机床功能（自动换刀、自动换工件、自动检测等），使自动化程度和加工效率上了一个新台阶；使无人化（或长时间无人操作）加工成为现实。加工中心已成为柔性制造系统、计算机集成制造系统和自动化工厂的基本单元。 加工中心是数控机床的代表，是高新技术集成度高的典型机电一体化机械加工设备，受到世界各工业发达国家的高度重视，技术迅速发展，品种和数量大幅度增加，成为当今世界机械加工设备中最引人注目的一类产品。 1.2 加工中心简介 1.2.1加工中心的发展简史 1952年世界上出现第一台数控机床，使多品种、中小批量的机械加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。它用易于修改的数控加工程序进行控制，因而比大批 第30卷第3期2009年3月 煤矿机械 Coa lM ine Mach i n er y Vo.l30No.3 M ar.2009加工中心斗笠式刀库换刀装置设计 张宇1,夏晓平2 (1.常州工学院,江苏常州213002;2.常州工程职业技术学院,江苏常州213003) 摘要:加工中心斗笠式刀库由刀库横移装置、刀库分度选刀装置以及主轴上的刀具自动装卸机构组成。横移装置使刀库以直线运动的方式,从起始位置运动到换刀点进行换刀。在运动过程中速度表现为正弦曲线的运动规律,减小了刀库的运动冲击,保证刀库准确定位,满足换刀的技术指标要求。刀库分度装置采用电机驱动,定位法兰每回转一圈,分度盘反向转过一个刀位,从而使刀库轮毂得到周期性间歇运动,起到刀库的转位分度作用。其分度槽槽数(容刀量)越多,刀库转位越平稳,另一方面,槽数的增加会导致刀库尺寸的增加。因此,正确合理地选择刀库容量就显得尤为重要。 关键词:刀库;横移装置;容刀量;分度盘;定位法兰;运动分析 中图分类号:T G659文献标志码:B文章编号:1003-0794(2009)03-0100-03 Desi gni ng of ToolChanger i n Ba mboo Hat ATC ofM ac hi ne Ce ntre ZHANG Yu1,X IA X i a o-p i ng2 (1.Changzhou Instit ute Technol ogy,Changz hou213002,Ch i na; 2.Changzhou Institute of Engi neer i ng Technol ogy,Changzhou213003,Ch i na) Abstr act:The ba mboo hatATC ofmachine centre is made up of the horizonta lmoving device,d i v iding device and cla mping&re leasi n g tool device i n t h e sp i n dle.The ATC moves i n a li n e on t w o col u mn slide way,f ro m start point to end poi n t to fi n ish changi n g tools.The moving speed of ATC obeys si n usoida l rule,wh ich reduces shocks i n the ATC move men.t It ensures a accurate position i n g of the ATC,and met the tool changi n g requ ire men.t The divi d i n g device is divi d ed by divi d i n g motor.D ivi d i n g d isk rotates one tool roo m wh ile positi o n flange rotates one c ircle.It makes tool whee l gai n a period ical i n ter m ittent rotati n g action,and the ATC gai n s a divi d i n g action.The more divi d i n g slo,t the more stably ATC ro2 tates.O ther w ise,the i n cre ment of slots leads to i n cre ment of size of ATC.So it is very i m portant to ex2 actl y select the tools capac ity ofATC. K ey w ords:ATC;horiz ontal movi n g device;tools capacity;divi d ing disk;positi o n flange;acti o n ana2 l y ze 0引言 加工中心换刀方式一般可以分为有机械手换刀和无机械手的换刀,有机械手换刀方式的刀库一般为链式,无机械手换刀方式的刀库一般为盘式。无机械手换刀方式一般适用于立式加工中心,原因是它运动集中,运动部件少,但受立式加工中心机床尺寸大小的限制,刀库鼓轮盘尺寸一般不宜太大,即刀库的容量不能太大。斗笠式刀库,结构上为盘式刀库,换刀方式属于无机械手换刀系统。 斗笠式刀库换刀步骤:(1)刀库横移装置移动到主轴箱可以达到的位置;(2)刀库分度装置进行选刀,通过精准地分度、定位,把下个工序所需的刀具送到指定位置;(3)主轴上的自动装卸机构准确取刀、送刀。所以横移装置和分度装置是斗笠式刀库的重要组成部件。 1斗笠式刀库装置设计 (1)斗笠式刀库横移装置设计 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。该机构运动的动力部件是刀库电动机,电机轴实现旋转运动,使刀库实现直线移动。 斗笠式刀库横移装置由2根圆柱导轨(滑杆)支撑,每根圆柱导轨由2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2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。而刀库前后运动的原动力是由电机通过拨杆和滑块实现的(见图1)。 当加工中心进行零件加工的时候,刀库远离主轴,停留在最左边极限位置1,即刀库处于原位。收到换刀指令后,电机通过电机轴逆时针方向旋转带动拨杆转动(拨杆上带有滑块),滑块与拨杆联接,跟随拨杆回绕电机轴旋转,滑座上开有滑槽,滑块在滑槽中上下移动,带动滑座(即刀库)向右移动,从而使刀库运动到右极限位置2,到达换刀位置,等待取刀及放刀电机轴顺时针方向旋转时使刀库返回。 加工中心的刀库形式与自动换刀程序的调试 一、实训目的 （ 1 ）了解加工中心的各种刀库形式； （ 2 ）了解机械手换刀的基本动作组成； （ 3 ）掌握加工中心自动换刀程序的编写与调试运行； 二、预习要求 认真阅读加工中心组成、换刀装置、自动换刀程序的编写等章节内容。 三、实训理论基础 1 ．加工中心的刀库形式 加工中心刀库的形式很多，结构各异。常用的刀库有鼓轮式和链式刀库两种。 图 11-1 鼓轮式刀库 （ a ）径向取刀形式（ b ）轴向取刀形式（ c ）径向布置形式（ d ）角度布置形式 鼓轮式刀库结构简单，紧凑，应用较多。一般存放刀具不超过 32 把。见图 11-1 。 径向取刀形式（ a ）多用于使用斗笠式刀库的立式加工中心和使用角度布置的机械手换刀装置的加工中心；形式（ b ）应用比较广泛，可用于立式和卧式加工中心，换刀可用机械手或直 接主轴移动式换刀。由于从布局设计方面的考虑，鼓轮式刀库一般都采用侧向安装的结构形式，若用于机械手平行布置的加工中心时，刀库中的刀袋（座）通常在换刀工作位可作 90 o 翻转。形式（ c ）多用于小型钻削中心；形式（ d ）一般用于专用加工中心。 链式刀库多为轴向取刀，适于要求刀库容量较大的加工中心。见图 11-2 。 图 11-2 链式刀库 2 ．自动换刀装置及其动作分解 斗笠式刀库换刀装置我们已经在实训 4 中接触过，在此就不再赘述。 对于刀库侧向布置、机械手平行布置的加工中心，其换刀动作分解见图 11-3 。换刀时， Txx 指令的选刀动作和 M6 指令的换刀动作可分开使用。 图 11-3 平行布置机械手的换刀过程加工中心刀库装置设计_时雨
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加工中心刀刀库(链式刀库)机械毕业设计方案
加工中心自动换刀
数控加工中心盘式刀库设计
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数控加工中心盘式刀库设计
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