【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 置（ ATC）及其形式 數(shù)控機(jī)床為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)率，進(jìn)一步壓縮非切削時(shí)間，現(xiàn)代的機(jī)床逐海軍工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 步發(fā)展為在一臺(tái)機(jī)床上在一次裝中完成多工序或全部工序的加工。數(shù)控機(jī)床為了能在工件一次裝夾中完成多個(gè)工步， 以縮減輔助時(shí)間和減少多次安裝工件引起的誤差，通常帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)。對(duì)工件的多工序加工而設(shè)置的存儲(chǔ)及更換刀具的裝置稱為自動(dòng)換刀裝置 (Automatic Tool Changer， ATC)。自動(dòng)換刀（ Automatic Tool Change 簡(jiǎn)稱 ATC）系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和換刀裝置組成。在數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上，如果再配以刀具和自動(dòng)換刀系統(tǒng)，就構(gòu)成加工中心（ Machining center 簡(jiǎn)稱 MC）。在這類數(shù)控機(jī)床上，自動(dòng)換刀裝置（ ATC）是必不可少的。例如加工中心機(jī)床又稱多工序自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床，它主要是指具有自動(dòng)換 刀及自動(dòng)改變工件加工位置工能的數(shù)控機(jī)床，具有自動(dòng)換刀裝置是加工中心機(jī)床的典型特征，是多工序加工的必要條件。自動(dòng)換裝置的功能，對(duì)整機(jī)的加工效率有很大的影響。由于普通的數(shù)控立式銑床加工的一般是中小零件，其大多需要幾把刀具加工（ 10 把刀具以內(nèi)，）故增加自動(dòng)換刀裝置并同時(shí)自動(dòng)變換主軸轉(zhuǎn)速?？蓽p輕勞動(dòng)強(qiáng)度，減少換刀時(shí)間，既提高了機(jī)床的自動(dòng)化程度，又提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。因此，數(shù)控立式銑床作為數(shù)控銑床中數(shù)量最多、應(yīng)用范圍也最廣的一種，對(duì)其附加能夠快速、準(zhǔn)確地?fù)Q刀的自動(dòng)換刀裝置是非常有必要的。 各類數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)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(jiǎn)單的自動(dòng)換刀裝置。根據(jù)不同加工對(duì)象，可以設(shè)計(jì)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。回轉(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，其海軍工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 工作循環(huán)是：刀架接收數(shù)控裝置的指令一松開一轉(zhuǎn)到指令要求的 位置一夾緊一發(fā)出轉(zhuǎn)位結(jié)束的信號(hào)。 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(jiǎn)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(lái)更換主軸頭以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀。各個(gè)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(shí) ,各主軸頭依次地轉(zhuǎn)到加工位置，并接通主運(yùn)動(dòng)使相應(yīng)的主軸帶動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)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。 3)帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀形式 帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀形式主要是由刀庫(kù)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(kù)的自動(dòng)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(gè)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(kù)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(kù)的自動(dòng)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(kù)的類型按刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)形式可分為：圓盤式刀庫(kù)、鏈?zhǔn)降稁?kù)、箱型式刀庫(kù) 箱型和線型；按設(shè)置部位的不同，刀庫(kù)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(kù)可分為：普通刀庫(kù) (簡(jiǎn)海軍工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 稱刀庫(kù) )和主軸箱刀庫(kù)。雖然刀庫(kù)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(dòng)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。 自動(dòng) 換刀裝置應(yīng)當(dāng)滿足的基本要求 1）刀具換刀時(shí)間短。 2）刀具重復(fù)定位精度高。 3）足夠的刀具儲(chǔ)存量。 4）刀庫(kù)占地面積小。 5）換刀安全可靠。 海軍工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第二章 總體方案的確定 依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書，我們的任務(wù)是給 XK713 立式數(shù)控銑床設(shè)計(jì)安裝合適的自動(dòng)換刀裝置。主要技術(shù)參數(shù)為： 1）刀庫(kù)容量： 46 2）選刀方式：順序選刀 3）重復(fù)精度： ? 5 XK713 數(shù)控立式床身銑床主要由床身、升降臺(tái)、工作臺(tái)、立銑頭、主傳動(dòng)、主變速、 拉刀機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、吊掛、電柜等部分組成。機(jī)床本身并不帶自動(dòng)換刀裝置。自動(dòng)換刀裝置作為一套獨(dú)立的、完整的機(jī)床部件，設(shè)計(jì)依據(jù)是該機(jī)床的型式、工藝范圍及刀具的種類和數(shù)量等。 XK713 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床及其主要參數(shù) XK713 數(shù)控床身銑床是一種高效型、經(jīng)濟(jì)型的機(jī)床。機(jī)床剛性很高、加工精度好，可以自動(dòng)連續(xù)完成對(duì)零件的銑、鉆、鏜、擴(kuò)、鉸等多種工序加工，適用于中等批量生產(chǎn)的各種平面、階梯面、溝槽、圓弧面、螺旋槽、齒輪、齒條、花鍵、孔等各種形狀零件的加工?？蓮V泛應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)及其他行業(yè)的機(jī)械加工 、機(jī)修部門，尤其對(duì)于成批零件加工、模具加工和較精密零件加工具有很強(qiáng)的應(yīng)用性。 主軸采用臺(tái)灣森力瑪 YPNC 系列主軸變頻專用電機(jī)配用國(guó)外進(jìn)口變頻器經(jīng)過(guò)兩檔齒輪機(jī)械變速以實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸的無(wú)級(jí)調(diào)速。變速操縱機(jī)構(gòu)采用間歇齒輪齒條機(jī)構(gòu)控制，通過(guò)高低檔轉(zhuǎn)換手柄以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)掛擋變速。 主軸松拉刀機(jī)構(gòu)采用臺(tái)灣打刀缸、具有響應(yīng)快、力量大、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。 X Y Z 坐標(biāo)均采用交流伺服電機(jī)通過(guò)高精度無(wú)齒隙聯(lián)軸器與精密級(jí)滾珠絲杠副直聯(lián)，絲杠軸承采用高精度、高剛性成組角接觸球軸承，穩(wěn)定性好、精度高，保證了機(jī)床的傳動(dòng)剛性、位置精度和高傳動(dòng) 精度。 機(jī)床配有全封閉防護(hù)罩及刀具自動(dòng)冷卻系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)可采用成都廣泰，武漢華中，廣州廣數(shù)，日本 FANUC，德國(guó)海軍工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 SIEMENS，三菱 MISTUEBISH 等數(shù)控系統(tǒng)。 該機(jī)床適用于機(jī)械制造的各種類部門，也適用于軍工部門。 其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1)主傳動(dòng)系統(tǒng)為 的交流電動(dòng)機(jī)通過(guò)彈性連軸器驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)箱，主傳動(dòng)箱內(nèi)有三組滑移齒輪 ,液壓預(yù)選變速機(jī)構(gòu)推動(dòng)各滑移齒輪 ,組成 18 種轉(zhuǎn)速 ,再傳到銑頭上的主軸，主傳動(dòng)箱內(nèi)有電磁制動(dòng)器 ,主軸制動(dòng)迅速平穩(wěn)。 2)進(jìn)給系統(tǒng) X、 Y、 Z三個(gè)座標(biāo)的進(jìn)給，都是由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。電 機(jī)通過(guò)同步齒形帶驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，從而使部件沿導(dǎo)軌移動(dòng)。伺服電機(jī)及其相應(yīng)的速度控制單元和用于位置檢測(cè)的脈沖編碼器等均受控于數(shù)控系統(tǒng)；以完成各種進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 同步齒形帶可張緊以減少傳動(dòng)間隙，噪聲亦可降低。 垂向電機(jī)是帶制動(dòng)器的，當(dāng)斷電時(shí)，垂向剎緊，以防止升降臺(tái)因自重而下滑。 3)銑頭上的立式主軸，有符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的 (ISO) 錐孔，可安裝標(biāo)準(zhǔn)的銑刀或銑夾頭。主軸的軸向位置可調(diào)整，連同套筒一起作軸向伸出。主軸也可以連同銑頭主體一起，在左右各 45176。范圍內(nèi)調(diào)整成傾斜位置。 4)刀柄采用標(biāo)準(zhǔn) XT50 形式，可與萬(wàn)能銑床 刀柄通用。 5)潤(rùn)滑系統(tǒng) 自動(dòng)潤(rùn)滑站配以遞進(jìn)式分油器，對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌副、滾珠絲杠副及齒輪副等進(jìn)行自動(dòng)的定時(shí)定量潤(rùn)滑，每次加油量和兩次間的時(shí)間間隔都是可調(diào)的，力求保證每個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)的合理油量。 6)機(jī)床采用側(cè)掛式電柜和吊掛式操縱站，機(jī)電一體，整體裝運(yùn)，安裝方便，集中操縱但能又多位置操作。 海軍工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 7)半自動(dòng)的裝卸刀機(jī)構(gòu) ,安裝在銑頭的上方，通過(guò)兩個(gè)按鈕分別控制裝刀和卸刀，方便而安全，即使主軸向外伸出，也不會(huì)影響刀具的裝卸。 其主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù) 表一 機(jī)床主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù) 初定 其自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)參數(shù) 在銑削輪廓時(shí)，為了 保證一次連續(xù)地加工出全部表面，應(yīng)選用半徑小于工件最小輪廓半徑的刀具，而在實(shí)際的生產(chǎn)加工中，常盡量選用直徑較大的銑刀，因?yàn)榇笾睆姐姷秳傂院?，耐用度高。?XK713 立式數(shù)控銑床推薦使用的最大切海軍工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 削范圍可知，當(dāng)銑切鋼時(shí)，銑刀直徑為 ? 100 mm。當(dāng)銑灰鑄鐵時(shí)，銑刀直徑達(dá)? 250mm。因此，為了滿足該機(jī)床的實(shí)際加工能力與生產(chǎn)情況，在設(shè)計(jì)其自動(dòng)換刀裝置時(shí)，應(yīng)該根據(jù)最大的刀具直徑來(lái)設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)的換刀裝置能交換 ? 250mm的刀具。 確定其自動(dòng)換刀裝置的形式 數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，選擇何種形式，主要取決于機(jī)床的種類、工藝范圍以及刀具的種類和數(shù)量等。 由于 XK713 立式數(shù)控銑床是一種使用范圍較廣的機(jī)床，且其可加工零件的精度要求也較高，比較上章介紹的幾種換刀形式，決定選用帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀形式。 帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置是由刀庫(kù)和刀具交換裝置（換刀機(jī)械手）組成。它是多工序數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用最廣泛的換刀裝置，其整過(guò)換刀過(guò)程比較復(fù)雜。首先把加工過(guò)程中需要使用的全部刀具安裝在標(biāo) 準(zhǔn)的刀柄上，在機(jī)床外進(jìn)行尺寸預(yù)調(diào)后，按一定的方式裝入刀庫(kù)。換刀時(shí)，先在刀庫(kù)中進(jìn)行選刀，由機(jī)械手從刀庫(kù)和主軸上取出刀具，然后交換位置，把新刀插入主軸，舊刀放回刀庫(kù)。存放刀具的刀庫(kù)可具有較大的容量，它既可以安裝在主軸箱的側(cè)面或上方，也可以作為獨(dú)立部件安裝在機(jī)床以外。 XK713 立式數(shù)控銑床主軸箱上方?jīng)]有好的安裝位置，安裝在機(jī)床外又要增加刀具運(yùn)輸時(shí)間，降低效率，所以安裝在機(jī)床側(cè)面最合適，有些部件交錯(cuò)的地方，作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。因?yàn)?XK713 立式數(shù)控銑床外形及其他性能參數(shù)等均與THK6363 型自動(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床相似，所以 本機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)將仿效 THK6363 型自動(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床換刀裝置，設(shè)計(jì)成由由盤式刀庫(kù)和回轉(zhuǎn)式雙海軍工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 臂機(jī)械手組成。設(shè)計(jì)增加自動(dòng)換刀裝置后的 XK713 數(shù)控立式床身銑床的外觀圖如圖 11所示。 圖 11 XK713 立式數(shù)控床身銑床的外觀圖 海軍工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 第三章 刀庫(kù)的設(shè)計(jì)形式 刀庫(kù)是帶刀庫(kù)自動(dòng)換刀裝置的主要部件之一，其容量形式、布局及具體結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)控機(jī)床的性能有很大影響。 確定刀庫(kù)容量 決定刀庫(kù)容量時(shí)，首先要考慮加工工藝的需要，同時(shí)還要調(diào)查分析同類型、相近規(guī)格的自動(dòng)換刀機(jī)床的刀庫(kù)容量及其發(fā)展趨勢(shì)。 由于帶自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床主要是在多品種、單件小批生產(chǎn)時(shí)使用，因而應(yīng)根據(jù)廣泛的工藝統(tǒng)計(jì)，依大多數(shù)工件加工時(shí)需要的刀具數(shù)來(lái)確定刀庫(kù)容量。例如，對(duì)功能較為齊全的加工中心而言，它可承擔(dān)多個(gè)工件的切削任務(wù)，因而要配備刀具的種類和規(guī)格較多。通常，配備的刀具越多，機(jī)床能加工工件的比率也越高，但它們并不是成正比例關(guān)系。 圖 31為刀庫(kù)容量與機(jī)床能加工工件的比率統(tǒng)計(jì)曲線。 刀庫(kù)儲(chǔ)存量過(guò)大，導(dǎo)致刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)龐大而復(fù)雜 ,影響機(jī)床總體布局；儲(chǔ)存量過(guò)小，則不能滿足復(fù)雜零件的加工要求。因此，刀庫(kù)容量應(yīng)在經(jīng)濟(jì)合理的條件下，力圖將一組類似的零件所需的全部刀具裝入刀庫(kù)，以縮短每次裝刀所需的裝調(diào)時(shí)間。對(duì)自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床的刀庫(kù)容量，有關(guān)資料曾對(duì) 15000 個(gè)零件進(jìn)行分組統(tǒng)計(jì)，指出不同工序加工時(shí)必須的刀具數(shù)不同，如圖 31 所示。由圖可知， 4 把銑刀可完成加工工件的 95％左右的銑削工藝， 10把孔加工刀具可完成 70％的鉆削工藝， 14把刀的容量就可完成 70％以上工件的鉆銑工藝，配有 14— 40 把刀具的刀庫(kù)就能夠滿足 70％ 95％工件的加工需要。因此，對(duì) XK713 立式數(shù)控銑床，從使用海軍工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 和經(jīng)濟(jì)效率角度來(lái)看，容量為 6 的刀庫(kù)就可滿足要求了。 確定刀庫(kù)形式 由以上考慮 XK713 立式數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)布局等原因，決定 采用軸向放置的鼓盤式刀庫(kù)形式。 這種刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 刀具排列較為緊湊，在刀庫(kù)容理定為 6的情況下體種不大，且取刀也較為方便，但需要考慮機(jī)械手的換刀動(dòng)作空間。 刀庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 如刀庫(kù)裝配圖所示，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，直流伺服電動(dòng)機(jī)接通，其運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)十字聯(lián)軸器、波傳動(dòng)減速器、套筒式聯(lián)軸器、蝸桿、蝸輪后，再經(jīng)花鍵聯(lián)接傳到刀盤上，刀盤帶動(dòng)刀座上的 6個(gè)刀套轉(zhuǎn)動(dòng)，完成選刀動(dòng)作。 海軍工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 海軍工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 初估刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩及選定電機(jī) 刀庫(kù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)多數(shù)采用液壓馬達(dá)、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并沒(méi)有降速傳動(dòng)裝置。 初選電動(dòng)機(jī)與降速傳動(dòng)裝置 刀庫(kù)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中， 由于本刀庫(kù)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，且所需轉(zhuǎn)速小，所以決定采用直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。直流伺服電動(dòng)機(jī)具有體積小，重量輕、伺服性好、力能指標(biāo)高等優(yōu)點(diǎn)，且該電機(jī)可用信號(hào)電壓進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速。 采用型號(hào)為 90SZ03的 SZ系列電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)，其基本參數(shù)為：功率 ，轉(zhuǎn)速 3000R/MIN（《袖珍機(jī)械師設(shè)計(jì)手冊(cè)》 P1275）；降速傳動(dòng)裝置型號(hào)為 XB350100A 的扁平式諧波傳動(dòng)減速器，其基本參數(shù)為：輸入功率 ，輸出轉(zhuǎn)矩 18N178。 m（《袖珍機(jī)械師設(shè)計(jì)手冊(cè)》 P1078