【文章內(nèi)容簡介】 置的不同 ,自動換刀裝置可分為凸輪式、液壓式、齒輪式、連桿式及各種機(jī)構(gòu)復(fù)合式 ,其中以凸輪式用得較多。發(fā)達(dá)國家數(shù)控加工中心的立式自動換刀機(jī)械手主要采用凸輪式 ,我國加工中心技術(shù)起步較晚 ,對自動換刀機(jī)械 手研究較少。進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代后 ,北京機(jī)床研究所、大連組合機(jī)床研究所、濟(jì)南第一機(jī)床廠、青海機(jī)床廠以及陜西省的秦川機(jī)床廠都對立式自動換刀機(jī)械手進(jìn)行了研究和開發(fā)。迄今為止 ,我國制造的加工中心配置的自動換刀機(jī)械手大多數(shù)是進(jìn)口的。其主要原因 :一是國內(nèi)生產(chǎn)的換刀機(jī)械手質(zhì)量較差 ,成本也不低 。二是進(jìn)口換刀機(jī)械手價格雖然較高 ,但在 整個加工中心中所占份額不大。作為加工中心的配套技術(shù) ,自動換刀機(jī)械手的研究和開發(fā)將直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高 ,從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。目前 ,立式換刀機(jī)械手和臥式換刀機(jī)械手 已得到廣泛應(yīng)用。 各類數(shù)控機(jī)床的自動換刀裝置的結(jié)構(gòu)取決于機(jī)床的型式、工藝范圍及刀具的種類和數(shù)量等。這種裝置主要可以分為以下幾種形式： 1)回轉(zhuǎn)刀架換刀形式 數(shù)控車床使用的回轉(zhuǎn)刀架是一種簡單的自動換刀裝置。根據(jù)不同加工對象，可以設(shè)計成四方和六角刀架或其他等多種形式?；剞D(zhuǎn)刀架上分別安裝著四把、六把或更多的刀具，并按數(shù)控裝置的指令轉(zhuǎn)位換刀?；剞D(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須有良好的強(qiáng)度和剛性，以及合理的定位結(jié)構(gòu)，以保證回轉(zhuǎn)刀架在每一次轉(zhuǎn)位之后具有盡可能高的重復(fù)定位精度。如： CK7815 型數(shù)控車床采用 BA200L 刀架，其工作循環(huán) 是：刀架接收數(shù)控裝置的指令→松開→轉(zhuǎn)到指令要求的位置→夾緊→發(fā)出轉(zhuǎn)位結(jié)束的信號。 2)更換主軸頭換刀形式 在帶有旋轉(zhuǎn)刀具的數(shù)控機(jī)床中，更換主軸頭換刀是一種簡單的換刀方式。主軸頭通有臥式和立式兩種，而且常用轉(zhuǎn)塔的轉(zhuǎn)位來更換主軸頭以實(shí)現(xiàn)自動換刀。各個主軸頭上預(yù)先裝有各工序加工所需要的旋轉(zhuǎn)刀具，當(dāng)收到換刀指令時 ,各主軸頭依次地轉(zhuǎn)到加工位置，并接通主運(yùn)動使相應(yīng)的主軸帶動刀具旋轉(zhuǎn)，而其他處于不加工位置上的主軸都與主運(yùn)動脫開。 轉(zhuǎn)塔主軸頭換刀方式的主要優(yōu)點(diǎn)是省去了自動松夾、卸刀裝刀、夾緊以及刀具搬運(yùn)等一系列復(fù)雜的操作， 從而顯著地減少了換刀時間，提高了換刀的可靠性，但是由于結(jié)構(gòu)上的原因和空間位置的限制，主軸部件的剛性差且主軸的數(shù)目不可能很多。因此轉(zhuǎn)塔主軸頭換刀通常只適用于工序較少，精度要求不太高的數(shù)控機(jī)床，如數(shù)控銑床。 常州工學(xué)院 延陵 學(xué)院畢業(yè)論文 10 3)帶刀庫的自動換刀形式 帶刀庫的自動換刀形式主要是由刀庫和刀具交換裝置組成。目前這種換刀方法在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用最為廣泛。帶刀庫的自動換刀裝置的數(shù)控機(jī)床主軸箱和轉(zhuǎn)塔主軸頭相比較，由于主軸箱內(nèi)只有一個主軸，所以主軸部件具有足夠剛度，因而能夠滿足各種精密加工的要求。另外，刀庫可以存放數(shù)量較多的刀具，可進(jìn)行復(fù)雜零件的多工序加工，可明顯提高數(shù)控機(jī)床的適應(yīng)性和加工效率。這種帶刀庫的自動換刀裝置特別適用于數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床和數(shù)控鏜床。 刀庫的類型按刀庫的結(jié)構(gòu)形式可分為：圓盤式刀庫、鏈?zhǔn)降稁?、箱型式刀庫箱型和線型；按設(shè)置部位的不同，刀庫可以分為：頂置式、側(cè)置式、懸掛式和落地式等多種類型；按交換刀具還是交換主軸，刀庫可分為：普通刀庫 (簡稱刀庫 )和主軸箱刀庫。雖然刀庫有多種形式，但數(shù)控機(jī)床上常用的主要是圓盤式和鏈?zhǔn)絻煞N。交換裝置的機(jī)械手形式也多樣，目前在數(shù)控機(jī)床上用得最多的是回轉(zhuǎn)式雙臂機(jī)械手。其他形式還有擺動式單臂雙爪機(jī) 械手、單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手、雙機(jī)械手等等。 刀庫與機(jī)械手的形式 JCS013 型數(shù)控鏜銑床又稱 JCS013 臥式加工中心，它的自動換刀裝置 設(shè)計要求是 60 把刀，且布局靈活，符合鏈?zhǔn)降稁斓奶攸c(diǎn)，所以選擇鏈?zhǔn)降稁臁?在刀庫容量很大時 ，可采用多環(huán)鏈?zhǔn)降稁?。這種刀庫外形更緊湊，占用空間更小，選刀時間短。由于自動換刀裝置的優(yōu)越性，符合我們的設(shè)計要求。 對于 機(jī)械手， 選擇 雙手交叉式機(jī)械手 。故 JCS— 013 型數(shù)控臥式鏜銑床 自動換刀裝置總體方案為： 由一個鏈?zhǔn)降稁旌碗p手交叉式機(jī)械手構(gòu)成。四排鏈?zhǔn)降稁煸跈C(jī)床左側(cè)，在刀庫與 主軸之間裝有機(jī)械手，機(jī)械 手的滑座 沿導(dǎo)柱可上下移動，手架可擺向刀庫也可擺向主軸，機(jī)械手的滑座還可以在垂直圖面方向伸縮進(jìn)行插撥刀具。 自動換刀過程分為三個階段 第一階段 —— 完成主軸的刀具交換。主軸停止切削工件后，主軸箱上升，立柱后退，把主軸箱帶到換刀位置，同時主軸定準(zhǔn)停。待換刀指令發(fā)出后，即進(jìn)行換刀。 第二階段 —— 把用過的刀具送還刀庫。 第三階段 —— 選取新刀，為下一個換刀過程作準(zhǔn)備。 機(jī)械手的手架升降機(jī)構(gòu)有液動機(jī)，滾動絲杠副，減速齒輪，摩擦片式電磁離合器，訊號開關(guān)，訊號盤和導(dǎo)向拄等組成。 當(dāng)機(jī)械手接到上升找 刀排的指令后，液動機(jī)帶動滾動絲杠順時針方向（從上往下看）轉(zhuǎn)動，帶動手架上升到接近所選刀排的換刀位置時，手臂支架上的感覺塊，使刀具庫上與刀排位置相應(yīng)的無觸點(diǎn)開關(guān) 15XK（或 16XK， 18XK， 19XK）發(fā)出訊號，手架減速，裝在訊號盤上的定位擋塊 5a 和 5b 轉(zhuǎn)到使訊號開關(guān)同時發(fā)出定位訊號時，液常州工學(xué)院 延陵 學(xué)院畢業(yè)論文 11 動機(jī)停轉(zhuǎn)，摩擦片式電磁離合器吸合，絲杠制動，手架準(zhǔn)確地停在預(yù)定的換刀位置。手架下降找刀排過程與上升情況基本相同，只是液動機(jī)帶動絲杠逆時針方向轉(zhuǎn)動，由訊號開關(guān)發(fā)出訊號，使手架定位。 系統(tǒng)組成當(dāng)決定了自動換刀裝置的 結(jié)構(gòu)和工作原理后 ,后面還應(yīng)根據(jù)換刀過程完成自動換刀裝置控制系統(tǒng)設(shè)計。設(shè)計的 自動換刀裝置 示意圖與加工中心換刀過程示意見下圖。 刀庫裝配圖 常州工學(xué)院 延陵 學(xué)院畢業(yè)論文 12 第二章 刀庫傳動系統(tǒng)設(shè)計 刀庫主要設(shè)計參數(shù) 安裝形式：鏈?zhǔn)降稁? 刀庫容量： 60 把 送刀方式：任意 刀具尺寸（最大）：長 400 毫米，直徑 φ 125 毫米 鏈?zhǔn)降稁熵?fù)載轉(zhuǎn)矩 TF用來克服刀具不平衡重力 FWmax和導(dǎo)向面的摩擦力 F，如圖 21 所示。 FWmax ：不平衡重力； F3：摩擦力 圖 21 鏈條受力分析圖 F1和 F3是支承面的摩擦力 。F2和 F4則是導(dǎo)向面上因刀具下垂而引起的摩擦力。不平衡重力可按刀庫一側(cè)裝滿刀、一側(cè)不裝刀時的最大重力差值來計算。 （ 1）確定不平衡重力 FWmax 由圖 21 知 ,不平衡重力 3m ax ??? GMF dW ??? N353? （ 2）確定摩擦力 F3 NF ??3 (21) μ —— 鋼與銅之間的摩擦系數(shù)，約取 ； N—— 垂直作用在導(dǎo)向面上的壓力，包括刀具、刀柄和刀座產(chǎn)生的重力，分別為 Wj，Wb， Wt。 常州工學(xué)院 延陵 學(xué)院畢業(yè)論文 13 N747)1000(3)(3)(32??????????????? LRMWWWNdtbj ???? NF R—— 刀座外半徑，取 50mm； L—— 刀座長度，取 218mm。 （ 3）確定每排刀具負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Tf mN44mN)1 5 03 5 3(0 8 )( m a x3???????? WLf FFRT （ 4）確定每排刀具作用在主動輪上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Tz 2321/ ???fz TT ? (22) 44 2 ????zT mN49 ?? η 1—— 圓柱齒輪傳動效率，取 ； η 2—— 鏈傳動效率 ,取 ； η 3—— 深溝球軸承傳動效率，取 。 （ 5）確定作用在液壓馬達(dá)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Ty 4321 \4??i TT fy ? (23) mN25 494 42????? ??yT i—— 液壓馬達(dá)軸至刀庫軸的速比，取 9； η —— 傳動效率。 考慮到實(shí)際情況比計算時所設(shè)定的條件復(fù) 雜，液壓馬達(dá)額定轉(zhuǎn)矩 Ts 應(yīng)為負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Ty 的 倍，即 ys TT ? ?? mN38 ?? 常州工學(xué)院 延陵 學(xué)院畢業(yè)論文 14 刀具重量（ Mj）：約 12 千克 鏈條快速移動速度為 16 米 /分，慢速移動速度為 4 米 /分。 刀庫驅(qū)動液壓 馬達(dá)的選擇 刀庫驅(qū)動液壓馬達(dá)的選擇應(yīng)同時滿足刀庫運(yùn)轉(zhuǎn)時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TF， 和起動時的加速轉(zhuǎn)矩 TJ 的要求。由于鏈條轉(zhuǎn)速很低和液壓馬達(dá)慣性小、起動轉(zhuǎn)矩小的特點(diǎn)，為了計算簡便，在計算時，忽略起動加速轉(zhuǎn)矩 TJ，在最后結(jié)果上乘以一個工作系數(shù)。 刀庫負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TF 計算 鏈?zhǔn)降稁熵?fù)載轉(zhuǎn)矩 TF用來克服刀具不平衡重力 FWmax和導(dǎo)向面的摩擦力 F，如圖 21 所示。 FWmax ：不平衡重力； F3：摩擦力 圖 21 鏈條受力分析圖 F1和 F3是支承面的摩擦力 。F2和 F4則是導(dǎo)向面上因刀具下垂而引起的摩擦力。不平衡重力可按 刀庫一側(cè)裝滿刀、一側(cè)不裝刀時的最大重力差值來計算。 （ 1）確定不平衡重力 FWmax 由圖 21 知 ,不平衡重力 3m ax ??? GMF dW ??? N353? （ 2）確定摩擦力 F3 常州工學(xué)院 延陵 學(xué)院畢業(yè)論文 15 NF ??3 (21) μ —— 鋼與銅之間的摩擦系數(shù)，約取 ； N—— 垂直作用在導(dǎo)向面上的壓力，包括刀具、刀柄和刀座產(chǎn)生的重力，分別為 Wj，Wb， Wt。 N747)1000(3)(3)(32??????????????? LRMWWWNdtbj ???? NF R—— 刀座外半徑，取 50mm； L—— 刀座長度，取 218mm。 （ 3）確定每排刀具負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Tf mN44mN)1 5 03 5 3(0 8 )( m a x3???????? WLf FFRT （ 4）確定每排刀具作用在主動輪上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Tz 2321/ ???fz TT ? (22) 44 2 ????zT mN49 ?? η 1—— 圓柱齒輪傳動效率，取 ； η 2—— 鏈傳動效率 ,取 ； η 3—— 深溝球 軸承傳動效率，取 。 （ 5）確定作用在液壓馬達(dá)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Ty 4321 \4??i TT fy ? (23) mN25 494 42????? ??yT i—— 液壓馬達(dá)軸至刀庫軸的速比，取 9； η —— 傳動效率。 常州工學(xué)院 延陵 學(xué)院畢業(yè)論文 16 考慮到實(shí)際情況比計算時所設(shè)定的條件復(fù)雜，液壓馬達(dá)額定轉(zhuǎn)矩 Ts 應(yīng)為負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Ty 的 倍，即 ys TT ? ?? mN38 ?? 確定液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù) 由刀庫設(shè)計參數(shù)知，鏈條快速移動速度為 8 米 /分，即 8000mm/min 慢速移動速度為 4 米 /分，即 4000mm/min。 （ 1）確定鏈輪周長 S ???? ds ? （ 2）確定液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速范圍 r/ m i ??? nn r/ m i ???n 根據(jù)計算數(shù)據(jù)選定 BM2200 擺線馬達(dá)。 液