【文章內(nèi)容簡介】 （ 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)控機床上的應用最為廣泛。帶刀庫的自動換刀裝置的數(shù)控機床主軸箱和轉(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，可進行復雜零件的多工序加工，可明顯提高數(shù)控機床的適應性和加工效率。 7 刀庫類型 根據(jù)刀庫的容量和存取刀具的方式，刀庫可設計成多種形式。目前常見的刀庫類型如下： （ 1）盤式刀庫 圖 盤式刀庫 此刀庫結(jié)構(gòu)簡單，應用較多。如圖 所示，由于 刀庫呈環(huán)形排列，空間利用率低，因此出現(xiàn)了刀具在盤中進行雙環(huán)和多環(huán)排列，以增加空間的利用率的設計。但這樣一來，刀庫的外徑較大，轉(zhuǎn)動慣量也很大，選刀時間也較長。因此，盤式刀庫一般適用于刀具容量較小的刀庫。 （ 2） 鏈式刀庫 如圖 所示，此鐘刀庫結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫容量較大，鏈環(huán)的形狀可根據(jù)機床的布局制成各種形狀，也可將換刀位突出以便于換刀，能充分利用機床的占地空間，通常為軸向取刀，位置精度較低，造價也較高。 8 圖 鏈式刀庫 （ 3）格子箱式刀庫 圖 格子箱刀庫 9 如圖 所示，該種刀庫結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫空間利用率高，換刀時間較長。布局不靈活，通常刀庫安裝在工作臺上，應用者較少。 本章小結(jié) 本章主要介紹了數(shù)控機床的概念、組成，工作原理、特點、發(fā)展，數(shù)控銑床的分類并把立式升降臺銑床的組成、主要技術(shù)參數(shù)一一列舉，最后稍微介紹了一些加工中心和自動換刀裝置方面的知識。通過對這些知識的介紹，可以對數(shù)控這一領域作一個整體的把握，并加深了對這方面知識的更深一步的理解。 2 總體方案 數(shù)控立式升降臺銑床的組成及主要技術(shù)參數(shù) 下圖為數(shù)控立式升降臺 銑床外觀圖： 圖 數(shù)控立式升降臺銑床外觀圖 數(shù)控立式升降臺銑床主要由機床床身、機床數(shù)控系統(tǒng)、操縱面板、橫向溜板、升降臺、縱向進給伺服電機、橫向進給伺服電機、垂直升降進給伺服電機、強電裝置、變壓器箱、主軸變速手柄、按鈕板等零部件組成。 10 數(shù)控立式升降臺銑床的主要技術(shù)參數(shù)有：（ 1)工作臺參數(shù)：工作臺尺寸、工作臺最大縱向行程、工作臺最大橫向行程、工作臺最大垂直行程、工作臺 T 形槽數(shù)、工作臺 T 形槽寬、工作臺 T形槽間距；（ 2）進給速度：縱向進給速度、橫向進給速度、垂直進給速度；（ 3）主軸：主軸孔直徑 、主軸錐孔、主軸轉(zhuǎn)速范圍、主軸轉(zhuǎn)速級數(shù)；（ 4）進給精度： X 軸、 Y軸、 Z軸最小設定單位、位置檢測方式；（ 5）驅(qū)動電機：主軸電動機功率、 X軸、 Y 軸、 Z軸電動機轉(zhuǎn)矩；（ 6）一般規(guī)格：外形尺寸。 可能的方案比較及最終選擇方案 本文是關于立式升降臺斗笠式自動換刀裝置的設計，其主要由刀庫橫移裝置和刀庫分度裝置組成。因此，本設計基本上就是對這兩個裝置的設計。 刀庫的橫移裝置，是在進行換刀的整個過程中，刀庫從遠離主軸的位置直線移動到主軸軸線位置，以實現(xiàn)換刀。斗笠式刀庫橫移裝置，由兩根圓柱導軌（滑桿）支撐，每 根圓柱導軌由兩個支架固定在連接板上，連接板固定在機床立柱上，實現(xiàn)刀庫與機床立柱的連接。整個刀庫可以在兩根圓柱導軌上滑動，實現(xiàn)刀庫前后運動，以完成抓刀和返回動作。 刀庫橫移裝置主要有兩種可能的方案： 一種是將電機軸的旋轉(zhuǎn)運動地轉(zhuǎn)化為可控的直線運動，使刀庫沿著導軌軸作橫向往復移動。這一運動轉(zhuǎn)換是通過一種正弦機構(gòu)來完成的。在這一機構(gòu)中，刀庫與撥桿固定連接，撥桿可移動的安裝在導軌軸上；電動機與滑塊固定連接，滑塊在撥桿中可以移動；這樣就可以把電動機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為刀庫的橫向移動。這種方案需要使用電機，電機的安裝可能占用的 空間比較大，對于減小刀庫尺寸、重量、成本不利。另外由于使用了較為復雜的機械機構(gòu)，傳動過程中可能損失的功率比較多，而且對于零部件的的定位安裝要求較高。 另一種是利用氣壓傳動機構(gòu)。氣缸類型為雙作用氣缸，氣壓缸固定安裝在刀庫介面支架上，活塞桿則與刀庫固定連接。通過氣源的供給，可以使刀庫沿著導軌軸作往復橫向移動。這種方案比較直接，而且氣缸所占用的空間要比使用電機要小許多，而且通過磁環(huán)開關的控制，能夠較為精準地控制刀庫的橫向移動。 因此，第二種方案更為合適。 刀庫分度裝置也有兩種可能的方案： 一種是通過蝸輪蝸 桿機構(gòu)來實現(xiàn)。其工作原理如下：刀盤與蝸輪同軸固定連 11 接，電動機通過聯(lián)軸器與蝸桿固定連接，這樣就可以通過蝸輪蝸桿機構(gòu)的傳動來實現(xiàn)刀盤的旋轉(zhuǎn)運動，完成選刀工作。這種機構(gòu)可以較好的實現(xiàn)選到工作，蝸輪蝸桿機構(gòu)可以將電動機的高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化成刀盤的低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)運動。但是，這種機構(gòu)所占用的空間較大，一般用在臥式數(shù)控機床上更為合適。而且傳動經(jīng)過蝸輪蝸桿，效率比較低。由于本文設計的是立式斗笠式刀庫，所以對尺寸及占用空間都有較高的要求，所以可能這一方案在此處不合適。 另一種是通過經(jīng)典的槽輪機構(gòu)（即馬氏機構(gòu)）來實現(xiàn)的的。它具有結(jié) 構(gòu)簡單、外形尺寸小、機械效率高，以及能較平穩(wěn)地、間歇地進行轉(zhuǎn)位等優(yōu)點。電機通過聯(lián)軸器與定位法蘭連接，定位法蘭上安裝有可旋轉(zhuǎn)的滾子，通過定位法蘭的旋轉(zhuǎn)使圓柱滾子間歇地進入固定連接在刀盤上分度盤，從而帶動分度盤的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對刀盤上刀具的選擇。 因此，選擇第二種方案更為合適。 綜上所述，本文設計的斗笠式自動換刀裝置其刀庫橫移裝置采用氣壓傳動，而刀庫分度裝置則采用槽輪機構(gòu)來實現(xiàn)。 最終設計最優(yōu)方案如下效果圖： 圖 三維效果圖 12 斗笠式刀庫結(jié)構(gòu)組成及工作原理 圖 斗笠刀庫總體結(jié)構(gòu)示意圖 刀庫橫移裝置的設計： 刀庫刀盤的橫向移動是使用氣壓傳動機構(gòu)來實現(xiàn)的。如圖 所示，機床箱體上安裝有兩個平行的導桿 9。刀庫刀盤安裝在刀盤基座 10上，刀盤基座 10 安裝在這兩個導桿 9 上并可以沿著導桿 9作橫向移動。同時，氣缸 7 固定安裝在機床箱體上，刀盤基座 10 與氣缸 7 中的柱塞 8固定連接。通過柱塞 8的橫向移動來實現(xiàn)刀盤基座 10 的橫向移動，從而帶動刀盤在初始位置和換刀位置之間的切換運動。氣缸 7上裝有兩個磁環(huán)開關，當左端磁環(huán)開關亮時，氣缸處于原始狀態(tài)；當右端磁環(huán)開關亮時，氣缸處于推出信號狀態(tài)，這時柱塞會右移 ，刀盤會移動到換刀位置。 刀庫分度裝置的設計： 本文設計的斗笠式刀庫的分度裝置，如圖 所示，由電機 連接軸 法蘭盤 3，刀庫鼓輪 分度盤 圓柱滾子 2 等零部件組成，分度裝置的電機連接軸 5的軸線與分度盤 刀庫鼓輪 1 的回轉(zhuǎn)軸線平行。刀庫選刀時，首先由刀庫回轉(zhuǎn)電機得到旋轉(zhuǎn)指令，連接軸 5通過軸套帶動法蘭盤 3旋轉(zhuǎn)，從而使在法蘭盤 3 上的圓柱滾子 2繞法蘭中心轉(zhuǎn)動；當圓柱滾子 2 轉(zhuǎn)動一定角度，進入分度盤4的分度槽中，撥動分度盤 4開始作轉(zhuǎn)位運動；當分度盤 4轉(zhuǎn)過一定的角度后， 13 圓柱滾子 2從分度槽中脫出，刀庫鼓 輪 1（分度盤通過螺釘與刀庫鼓輪連在一起轉(zhuǎn)動）即靜止不動。 法蘭盤 3 每回轉(zhuǎn)一圈，就驅(qū)動分度盤 4 轉(zhuǎn)過一個槽。電機是連續(xù)勻速運動的，從而帶動法蘭盤 3 與圓柱滾子 2連續(xù)勻速轉(zhuǎn)動。但圓柱滾子 2 是間斷性的轉(zhuǎn)入分度槽的，從而使刀庫輪轂得到周期性間歇運動，起到了刀庫的分度作用。分度盤4與刀庫鼓輪 1同軸，分度盤 4的分度槽數(shù)與刀庫鼓輪 1 上的刀數(shù)一致。法蘭盤3不斷回轉(zhuǎn)，分度盤 4就不停地進行分度，刀庫鼓輪 1就不斷重復上述的運動循環(huán)，從而將下一個工序所需刀具的刀位轉(zhuǎn)到換刀位置上，以便讓主軸進行換刀，實現(xiàn)刀庫的自動換刀。 斗笠式 刀庫主要技術(shù)參數(shù) 斗笠式刀庫技術(shù)參數(shù)表 主軸鼻端 BT40 刀庫規(guī)格 斗笠 BT40T20 刀具容量 20 馬達規(guī)格 M6IK200A 刀具換刀時間 8Sec 氣缸規(guī)格 Φ 63179。 290 行程 氣壓管線 Φ 8 氣動壓力 ~ 刀具最大長度 250mm 刀具最大重量 8Kg 刀具最大外徑 Φ 90mm（滿刀狀態(tài) )。φ 150（臨空刀狀態(tài) ) 本章小結(jié) 本章介紹了幾種可能的斗笠刀庫自動換刀裝置的方案，通過分析比較，確定出最終可能最合適的總體方案。而斗笠式刀庫主要技術(shù)參數(shù)表則是規(guī)定 了所要設計刀庫的基本要求。 3 斗笠式刀庫設計 刀庫容量的確定 在確定刀庫容量時，要進行大量的分析調(diào)查，同時要考慮工藝需要及使用場合。一般來說，需要承擔多個工件的切削任務時，需要配備的刀庫容量較大。換句話來說，配備的刀具愈多，機床能加工工件的比率也越高，但它們并不是成正比例關系。圖 為刀庫容量與機床能加工工件的比率統(tǒng)計曲線。 14 圖 刀具數(shù)量統(tǒng)計圖 刀庫的刀具并不是越多越好，太大的容量會增和占地面積和刀庫的尺寸，使選刀時間增長；儲存量過小，則不能滿足復雜零 件的加工要求。因此，刀庫容量應在經(jīng)濟合理的條件下，力圖將一組類似的零件所需的全部刀具裝入刀庫，以縮短每次裝刀所需的裝調(diào)時間。對圖 31進行分析可知， 5 把刀可完成加工工件的95％左右的銑削工藝， 15 把孔加工刀具可完成 80％的鉆削工藝， 20 把刀的容量就可完成 90％以上工件的鉆銑工藝。本文設計的刀庫如需能達到加工 90％以上的工件要求，那刀庫就需要有 20 把刀具的容量，故可將本刀庫的容量設定為20。 氣缸設計和選擇 氣缸的選擇要點 (1) 安裝形式的選擇 安裝形式由安裝位置和使用目的等因素決定 。在一般場合，多用固定安裝方式：軸向支座前法蘭、后法蘭等；在要求活塞往復移動又要求缸體作較大幅度擺動時，可選用尾部耳軸和中間軸銷等安裝方式；如需在回轉(zhuǎn)中輸出直線往復運動，可采用回轉(zhuǎn)氣缸。本設計采用軸向支座前法蘭的安裝形式。 15 4?4?4?4? （ 2）輸出力大小 根據(jù)工件機構(gòu)所需力的大小，考慮氣缸載荷率確定活塞桿上的推力與壓力，從而確定氣缸內(nèi)徑。氣缸由于其工作壓力較?。?~），一般在 10000N 以內(nèi)，輸出力過大其體積會太大，因此在 氣動設備上，應盡量采用擴力機構(gòu)，以減小氣缸尺寸。 （ 3）氣缸行程 氣缸行程與其適用場合及工作機構(gòu)的行程有關。多數(shù)情況下不應使用滿行程，要在計算行程基礎上追加 10~20mm，以避免活塞與氣缸碰撞。本設計的氣缸行程設定為 290mm。 （ 4）氣缸的運動速度 氣缸的運動速度主要由所驅(qū)動的工件機構(gòu)的需要來決定。要求速度緩慢平穩(wěn)時，宜采用氣液阻尼缸或采用節(jié)流調(diào)速。本設計因為是水平安裝推力載荷，所以采用排氣節(jié)流。 氣缸初選 初選氣缸類型為 10A5 系列氣缸，氣缸內(nèi)徑 D= 63? ，活塞桿直徑 d= 25? ，氣缸行程 L=290，氣源氣壓 p=，工作頻率較高，載荷率η 取 。 驅(qū)動力校核 向左推力 P = 179。 d2179。 p179。η = 179。 632179。 179。 = 467N 向右拉力 Q = 179。（ D2d2）179。 p179。η = 179。（ 632252）179。 179。 = 394N 估計刀庫總重量 M=70Kg，則橫向往復運動所需的驅(qū)動力 F =μ179。 M179。 g =179。 70179。 10N =70N 16 2fAa L11mK???（ ）2fAa L11mK???（ ）/IA其中，μ是導軌摩擦系數(shù)，取 ； g 是重力加速度，取 10N／ Kg。 PF 且 QF，所以驅(qū)動力方面滿足設計要求 活塞桿穩(wěn)定性校核 活塞桿穩(wěn)定性條件： P≦ Fk／ n 其中， Fk為氣缸的縱向彎曲極限力， n 為壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)， n取 4 當細長比 L1／ K≧ 85 m 時， Fk = mπ 2EI／ L12 ； 當細長比 L1／ K≦ 85 m 時， Fk = 其中， L1為活塞桿的計算長度 ， L1=443； E 為活塞桿材料的彈性模量，取 179。 1011Pa； K 為活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑， 實心桿 K= = d／ 4 =2 5／ 4 = , 其中， I 為活塞桿斷面 慣性矩，實心桿 I=π d4／ 64； A為活塞桿截面積， A=π d2／ 4； m 為系數(shù)，查氣壓傳動手冊表 ，因為連接方式是固定 固定連接，所以 m=1； f為材料強度實驗值，對于鋼取 49179。 107Pa； a為系數(shù)， a 取 1／ 5000； 因為 L1／