【正文】 ................................................................ 35 總 結(jié) .................................................................................................................................. 36 參考文獻 .............................................................................................................................. 37 致 謝 .................................................................................................................................. 38 太原工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 1 1 前言 概述 自動換刀系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分。刀具夾持元件的結(jié)構(gòu)特性及它與機床主軸的聯(lián)結(jié)方式，將直接影響機床的加工性能。刀庫結(jié)構(gòu)形式及刀具交換裝置的工作方式，則會影響機床的換刀效率。自動換刀系統(tǒng)本身及相關(guān)結(jié)構(gòu)的復雜程度，又會對整機的成本造價產(chǎn)生直接影響。 數(shù)控刀架是數(shù)控車床最普遍的一種輔助裝置，它可使數(shù)控車床在工件一次裝夾中完成多種甚至所有的加工工序，以縮短加工的輔助時間，減少加工過程中由于多次安裝工件而引起的誤差，從而提高機床的加工效率和加工精度。 因此 數(shù)控機床上的刀架是安放刀具的重要部件， 刀架用于夾持切削用的刀具 ， 許多刀架還直接參與切削工作，如臥式車床上的四方刀架，轉(zhuǎn)塔車床的轉(zhuǎn)塔刀架，回輪式轉(zhuǎn)塔車床的回輪刀架，自動車床的轉(zhuǎn)塔刀架和天平刀架等。這些刀架既安放刀具，而且還直接參與切削，承受極大的切削力作用，所以它往往成為工藝系統(tǒng)中的較薄弱環(huán)節(jié)。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，機床的刀架也有了許多變化，特別是數(shù)控車床上采用電 (液 )換位的自動刀架，有的還使用兩個回轉(zhuǎn)刀盤。加工中心則進一步采用了刀庫和換刀機械手，定現(xiàn)了大容量存儲刀具和自動交換刀具的功能，這種刀庫安放刀具的數(shù)量從幾十把到上百把，自動交換刀具的時間從十幾秒減少到幾秒甚至零 點幾秒。因此，刀架的性能和結(jié)構(gòu)往往直接影響到機床的切削性能、切削效率和體現(xiàn)了機床的設(shè)計和制造技術(shù)水平 。 隨著數(shù)控車床的不斷發(fā)展，刀架結(jié)構(gòu)形式也在不斷翻新。其中按換刀方式的不同，數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉(zhuǎn)刀架、排式刀架和帶刀庫的自動換刀裝置等多種形式。其中，帶刀庫的數(shù)控加工中心自動換刀裝置自 1958 年研制成功以來，其機械結(jié)構(gòu)和控制方式不斷得到改進和完善， 形式多種多樣，目前常見的有更換主軸頭換刀 以及 帶刀庫的自動換刀系統(tǒng) 。而且 隨著機械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對于帶有自動換刀系統(tǒng)的高效高性能加工中心的需求量越來越大。在現(xiàn)有的各種類型的加工中心中，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自動換刀系統(tǒng)的造價在機床整機造價中總是占著很大比重，這是加工中心價格居高不下、應(yīng)用不普遍的重要原因。如果把自動換刀系統(tǒng)的設(shè)計制造從現(xiàn)有加工中心的制造模式中分離出來，把它作為加工中心的標準件或附件組織專門化的生產(chǎn)，同時由于該項技術(shù)的應(yīng)用簡化了機床主軸結(jié)構(gòu)、采用彈簧夾頭和外驅(qū)動機械手等關(guān)鍵技太原工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 2 術(shù)、采用圓柱柄刀具和輔具，這不僅使數(shù)控機床工作性能有所提高，而且使得由它配套構(gòu)成的加工中心的總體 造價大幅度下降。低造價高性能的加工中心將會被中小廠廣泛接收，這樣必將給自動換刀系統(tǒng)生產(chǎn)廠商和加工中心制造廠商帶來巨大的經(jīng)濟效益 數(shù)控車床自動回轉(zhuǎn)刀架發(fā)展趨勢 數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢是：隨著數(shù)控車床的發(fā)展，數(shù)控刀架開始向快速換刀、電液組合驅(qū)動和伺服驅(qū)動方向發(fā)展。其中數(shù)控標準是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢。數(shù)控技術(shù)誕生后的 50 年間的信息交換都是基于 ISO6983 標準，即采用 G， M 代碼描述如何（ how）加工，其本質(zhì)特征是面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。為此，國際上正在研究和制定 一種新的 CNC 系統(tǒng)標準 ISO14649（ STEP－ NC)，其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制，能夠描述產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實現(xiàn)整個制造過程，乃至各個工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標準化。 STEPNC 的出現(xiàn)可能是數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的一次革命，對于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展乃至整個制造業(yè)，將產(chǎn)生深遠的影響。首先， STEPNC 提出一種嶄新的制造理念，傳統(tǒng)的制造理念中， NC 加工程序都集中在單個計算機上。而在新標準下， NC 程序可以分散在互聯(lián)網(wǎng)上，這正是數(shù)控技術(shù)開放式、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的方向。其次， STEPNC 數(shù)控系統(tǒng) 還可大大減少加工圖紙（約 75％）、加工程序編制時間（約 35％ ）和加工時間（約 50％）。 目前國內(nèi)數(shù)控刀架以電動為主，分為立式（如圖 ）和臥式（如圖 ）兩種。立式主要用于簡易數(shù)控車床；臥式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋轉(zhuǎn)，就近選刀，用于全功能數(shù)控車床。另外，臥式刀架還有液動刀架和伺服驅(qū)動刀架。電動刀架是數(shù)控車床重要的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，合理地選配電動刀架，并正確實施控制，能夠有效的提高勞動生產(chǎn)率，縮短生產(chǎn)準備時間，消除人為誤差，提高加工精度與加工精度的一致性等等。另外，加工工藝適應(yīng)性和連續(xù)穩(wěn)定的工作能力也明顯提高：尤其是在加工幾何形狀較復雜的零件時，除了控制系統(tǒng)能提供相應(yīng)的控制指令外，很重要的一點是數(shù)控車床需配備易于控制的電動刀架，以便一次裝夾所需的各種 刀具，靈活方便地完成各種幾何形狀的加工。 數(shù)控刀架的市場分析：國產(chǎn)數(shù)控車床將向中高檔發(fā)展，中檔采用普及型數(shù)控刀架配套，高檔采用動力型刀架，兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種。 目前數(shù)控刀架所追求的目標有兩個： 一是高速、可靠，追求的目標是換刀時間盡太原工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 3 量的短，以換取加工中心和車削中心的高效性 ； 二是 ， 簡單實用、造價低、使用可靠，但換刀速度不快。 圖 立式回轉(zhuǎn)刀架 圖 臥式回轉(zhuǎn)刀架 數(shù)控刀架的基本要求 （ 1） 換刀時間短，以減少非加工時間。 （ 2） 減少換刀動作對加工范圍的干擾。 （ 3） 刀具重復定位精度高。 太原工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 4 （ 4） 識刀、選刀可靠，換刀動作簡單可靠。 （ 5） 刀庫刀具存儲量合理。 （ 6） 刀庫占地面積小，并能與主機配合，使機床外觀協(xié)調(diào)美觀。 （ 7） 刀具裝卸、調(diào)整、維修方便，并能得到清潔的維護。 本設(shè)計的目的及意義 本次設(shè)計的要點是理解四工位立式回轉(zhuǎn)刀架的工作原理，重點則是基于 Pro/E 對四工位立式電動回轉(zhuǎn)刀架進行的仿真，在 Pro/E 這個三維建模軟件中對那些主要的傳動部件進行建模，之后再遵循傳動的條件進行組裝，最后進行機構(gòu)動畫仿真。 本次設(shè)計的意義所在就是能夠讓讀者們更為容 易地明白四工位立式電動回轉(zhuǎn)刀架是如何工作的，能夠進一步地了解四工位立式電動回轉(zhuǎn)刀架的工作原理。 太原工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 5 2 機械設(shè)計 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 減速傳動機構(gòu)設(shè)計 普通的三項異步電動機因為轉(zhuǎn)速太快，所以不能直接驅(qū)動刀架進行換刀，必須要經(jīng)過適當?shù)臏p速才行。根據(jù)立式轉(zhuǎn)位刀架的結(jié)構(gòu)特點，因此采用蝸桿 蝸輪副減速是最佳的選擇。蝸桿 蝸輪副傳動不僅可以改變運動的方向，獲得較大的傳動比，保證傳動精度和平穩(wěn)性，并且也具有自鎖功能，還可以實現(xiàn)整個裝置的小型化。 上刀體鎖緊與精定位機構(gòu)設(shè)計 由于刀具是直接安裝在上刀體上，所以上刀體要承受全部的切削力，其鎖緊與定位的精度都將直接影響工件的加工精度。所以本設(shè)計上刀體的鎖緊與定位機構(gòu)選用端面齒盤，將上刀體和下刀體的配合面加工成梯形端面齒。當?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，上下端面齒相互嚙合，這時上刀體不能繞刀架的中心軸旋轉(zhuǎn)；換刀時電動機正轉(zhuǎn)，抬起機構(gòu)使上刀體抬起，等上下端面齒脫開后，上刀體才可以繞刀架中心軸轉(zhuǎn)動，完成轉(zhuǎn)位動作。 刀架抬起機構(gòu)的設(shè)計 要想使上、下刀體的兩個端面齒脫離，就必須設(shè)計合適的機構(gòu)使上刀體抬起。本設(shè)計選用螺桿 螺母副，在上刀體內(nèi)部 加工出內(nèi)螺紋，當電動機通過蝸桿 蝸輪帶動螺桿繞中心軸轉(zhuǎn)動時，作為螺母的上刀體要么轉(zhuǎn)動，要么就上下移動。當?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，上刀體與下刀體的端面齒相互嚙合，因為這時上刀體不能與螺桿一起轉(zhuǎn)動，所以螺桿的轉(zhuǎn)動會使上刀體向上移動。當端面齒脫離嚙合時，上刀體就與螺桿一起轉(zhuǎn)動。 設(shè)計螺桿時要求選擇適當?shù)穆菥?，以便當螺桿轉(zhuǎn)動一定的角度時，使得上刀梯與下刀體的端面齒能夠完全脫離嚙合狀態(tài)。 如下圖 為自動回轉(zhuǎn)刀架的傳動機構(gòu)示意圖。 太原工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 6 圖 自動回轉(zhuǎn)刀架的傳動機構(gòu)示意圖 1發(fā)信盤 2推力軸承 3螺桿螺母副 4端面齒盤 5反靠圓盤 6三相異步電動機 7聯(lián)軸器 8蝸桿副 9反靠銷 10 圓柱銷 11上蓋圓盤 12上刀體太原工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 7 自動回轉(zhuǎn)刀架的工作原理 自動回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程如下圖 所示。 蝸桿 蝸輪減速 銷連接 螺桿 螺母 霍爾元件觸發(fā) 蝸桿 蝸輪減速 圖 自動回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程 下面的圖表示自動回轉(zhuǎn)刀架在換刀過程中有關(guān)銷的位置。其中上部的圓柱銷 2 和下部的反靠銷 6 起著重要作用。 當?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，兩銷的情況如圖 （ a）所示，此時反靠銷 6 落在反靠圓盤 7 的十字槽內(nèi)，上刀體 4 的端面齒和下刀體的端面齒處于嚙合狀態(tài)（上下端面齒在圖 （ a）中未畫出）。 需要換刀時，控制系統(tǒng)發(fā)出刀架轉(zhuǎn)位信號，三相異步電動機正向旋轉(zhuǎn)，通過蝸桿副帶動螺桿正向轉(zhuǎn)動，與螺桿配合的上刀體 4 逐漸抬起，上刀體 4 與下刀體之間的端面齒慢慢脫開；與此同時，上蓋圓盤 1 也隨著螺桿正向轉(zhuǎn)動（上蓋圓盤 1 通過圓柱銷刀架電動機正轉(zhuǎn) 螺桿正轉(zhuǎn) 上蓋圓盤旋轉(zhuǎn) 上刀體抬起 到位回答 上刀體旋轉(zhuǎn) 端面齒錯開 圓柱銷落入上蓋圓 盤 刀架電動機旋轉(zhuǎn) 螺桿反轉(zhuǎn) 反靠銷 反靠端面齒嚙合 上刀體下降，粗定位 電動機停轉(zhuǎn) 延時鎖緊 精定位 太原工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 8 與螺桿連接），當轉(zhuǎn)過約 170 度時，上蓋圓盤 1 直槽的另一端轉(zhuǎn)到圓柱銷 2 的正上方，由于彈簧 3 的作用，圓柱銷 2 落入直槽內(nèi)，于是上蓋圓盤 1 就通過圓柱銷 2 使得上刀體 4 轉(zhuǎn)動起來（此時端面齒已經(jīng)完 全脫開），如圖 （ b）所示。 上蓋圓盤 圓柱銷 2 以及上刀體 4 在正轉(zhuǎn)的過程中，反靠銷 6 能夠從反靠圓盤7 中十字槽的左側(cè)斜坡滑出，而不影響上刀體 4 尋找刀位時的正向轉(zhuǎn)動，如圖 （ c）所示。 上刀體 4 帶動磁鐵轉(zhuǎn)到需要的刀位時，發(fā)信盤上的霍爾元件輸出低電平信號，控制系統(tǒng)收到后，立即控制刀架電動機反轉(zhuǎn)，上蓋圓盤 1 通過圓柱銷 2 帶動上刀體 4 開始反轉(zhuǎn)，反靠銷 6 馬上就會落入反靠圓盤 7 的十字槽內(nèi)，至此，完成粗定位，如圖 （ d）所示。此時，反靠銷 6 從反靠圓盤 7 的十字槽內(nèi)爬不上來，于是上刀體 4 停止轉(zhuǎn)動，開始下降，二上蓋圓盤 1 繼續(xù)反轉(zhuǎn)，其直槽的左側(cè)斜坡將圓柱銷 2 的頭部壓