【正文】 ................................................................ 35 總 結(jié) .................................................................................................................................. 36 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................................. 37 致 謝 .................................................................................................................................. 38 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 1 前言 概述 自動(dòng)換刀系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)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(jī)床主軸的聯(lián)結(jié)方式，將直接影響機(jī)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(huì)影響機(jī)床的換刀效率。自動(dòng)換刀系統(tǒng)本身及相關(guān)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，又會(huì)對(duì)整機(jī)的成本造價(jià)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(shí)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(jī)床的加工效率和加工精度。 因此 數(shù)控機(jī)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(dòng)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(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，機(jī)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(dòng)刀架，有的還使用兩個(gè)回轉(zhuǎn)刀盤。加工中心則進(jìn)一步采用了刀庫和換刀機(jī)械手，定現(xiàn)了大容量存儲(chǔ)刀具和自動(dòng)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(dòng)交換刀具的時(shí)間從十幾秒減少到幾秒甚至零 點(diǎn)幾秒。因此，刀架的性能和結(jié)構(gòu)往往直接影響到機(jī)床的切削性能、切削效率和體現(xiàn)了機(jī)床的設(shè)計(jì)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(dòng)換刀裝置等多種形式。其中，帶刀庫的數(shù)控加工中心自動(dòng)換刀裝置自 1958 年研制成功以來，其機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制方式不斷得到改進(jìn)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(dòng)換刀系統(tǒng) 。而且 隨著機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對(duì)于帶有自動(dòng)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(dòng)換刀系統(tǒng)的造價(jià)在機(jī)床整機(jī)造價(jià)中總是占著很大比重，這是加工中心價(jià)格居高不下、應(yīng)用不普遍的重要原因。如果把自動(dòng)換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)件或附件組織專門化的生產(chǎn)，同時(shí)由于該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用簡(jiǎn)化了機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)、采用彈簧夾頭和外驅(qū)動(dòng)機(jī)械手等關(guān)鍵技太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 術(shù)、采用圓柱柄刀具和輔具，這不僅使數(shù)控機(jī)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(jià)大幅度下降。低造價(jià)高性能的加工中心將會(huì)被中小廠廣泛接收，這樣必將給自動(dòng)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(jì)效益 數(shù)控車床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架發(fā)展趨勢(shì) 數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢(shì)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(dòng)和伺服驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展。其中數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢(shì)。數(shù)控技術(shù)誕生后的 50 年間的信息交換都是基于 ISO6983 標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn) ISO14649（ STEP－ NC)，其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，能夠描述產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造過程，乃至各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化。 STEPNC 的出現(xiàn)可能是數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的一次革命，對(duì)于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展乃至整個(gè)制造業(yè)，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)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(gè)計(jì)算機(jī)上。而在新標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間（約 35％ ）和加工時(shí)間（約 50％）。 目前國內(nèi)數(shù)控刀架以電動(dòng)為主，分為立式（如圖 ）和臥式（如圖 ）兩種。立式主要用于簡(jiǎn)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(dòng)刀架和伺服驅(qū)動(dòng)刀架。電動(dòng)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(dòng)刀架，并正確實(shí)施控制，能夠有效的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)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(fù)雜的零件時(shí)，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(diǎn)是數(shù)控車床需配備易于控制的電動(dòng)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(chǎng)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(dòng)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(biāo)有兩個(gè)： 一是高速、可靠，追求的目標(biāo)是換刀時(shí)間盡太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 量的短，以換取加工中心和車削中心的高效性 ； 二是 ， 簡(jiǎn)單實(shí)用、造價(jià)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(shí)間短，以減少非加工時(shí)間。 （ 2） 減少換刀動(dòng)作對(duì)加工范圍的干擾。 （ 3） 刀具重復(fù)定位精度高。 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 （ 4） 識(shí)刀、選刀可靠，換刀動(dòng)作簡(jiǎn)單可靠。 （ 5） 刀庫刀具存儲(chǔ)量合理。 （ 6） 刀庫占地面積小，并能與主機(jī)配合，使機(jī)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(hù)。 本設(shè)計(jì)的目的及意義 本次設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是理解四工位立式回轉(zhuǎn)刀架的工作原理，重點(diǎn)則是基于 Pro/E 對(duì)四工位立式電動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架進(jìn)行的仿真，在 Pro/E 這個(gè)三維建模軟件中對(duì)那些主要的傳動(dòng)部件進(jìn)行建模，之后再遵循傳動(dòng)的條件進(jìn)行組裝，最后進(jìn)行機(jī)構(gòu)動(dòng)畫仿真。 本次設(shè)計(jì)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(dòng)回轉(zhuǎn)刀架是如何工作的，能夠進(jìn)一步地了解四工位立式電動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理。 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 2 機(jī)械設(shè)計(jì) 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 普通的三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)因?yàn)檗D(zhuǎn)速太快，所以不能直接驅(qū)動(dòng)刀架進(jìn)行換刀，必須要經(jīng)過適當(dāng)?shù)臏p速才行。根據(jù)立式轉(zhuǎn)位刀架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此采用蝸桿 蝸輪副減速是最佳的選擇。蝸桿 蝸輪副傳動(dòng)不僅可以改變運(yùn)動(dòng)的方向，獲得較大的傳動(dòng)比，保證傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，并且也具有自鎖功能，還可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的小型化。 上刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(jì)上刀體的鎖緊與定位機(jī)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(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時(shí)，上下端面齒相互嚙合，這時(shí)上刀體不能繞刀架的中心軸旋轉(zhuǎn)；換刀時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，抬起機(jī)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(dòng)，完成轉(zhuǎn)位動(dòng)作。 刀架抬起機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 要想使上、下刀體的兩個(gè)端面齒脫離，就必須設(shè)計(jì)合適的機(jī)構(gòu)使上刀體抬起。本設(shè)計(jì)選用螺桿 螺母副，在上刀體內(nèi)部 加工出內(nèi)螺紋，當(dāng)電動(dòng)機(jī)通過蝸桿 蝸輪帶動(dòng)螺桿繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，作為螺母的上刀體要么轉(zhuǎn)動(dòng)，要么就上下移動(dòng)。當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時(shí)，上刀體與下刀體的端面齒相互嚙合，因?yàn)檫@時(shí)上刀體不能與螺桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)，所以螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使上刀體向上移動(dòng)。當(dāng)端面齒脫離嚙合時(shí)，上刀體就與螺桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)。 設(shè)計(jì)螺桿時(shí)要求選擇適當(dāng)?shù)穆菥?，以便?dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度時(shí)，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(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖。 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 圖 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的傳動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī) 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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理 自動(dòng)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(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程 下面的圖表示自動(dòng)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(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時(shí)，兩銷的情況如圖 （ a）所示，此時(shí)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(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出刀架轉(zhuǎn)位信號(hào)，三相異步電動(dòng)機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，通過蝸桿副帶動(dòng)螺桿正向轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)，上蓋圓盤 1 也隨著螺桿正向轉(zhuǎn)動(dòng)（上蓋圓盤 1 通過圓柱銷刀架電動(dòng)機(jī)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(cuò)開 圓柱銷落入上蓋圓 盤 刀架電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn) 延時(shí)鎖緊 精定位 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 與螺桿連接），當(dāng)轉(zhuǎn)過約 170 度時(shí)，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(dòng)起來（此時(shí)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(shí)的正向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖 （ c）所示。 上刀體 4 帶動(dòng)磁鐵轉(zhuǎn)到需要的刀位時(shí)，發(fā)信盤上的霍爾元件輸出低電平信號(hào)，控制系統(tǒng)收到后，立即控制刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，上蓋圓盤 1 通過圓柱銷 2 帶動(dòng)上刀體 4 開始反轉(zhuǎn)，反靠銷 6 馬上就會(huì)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(shí)，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(dòng)，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