【正文】 t. The Tool magazine39。s chain Tool magazine, and has conducted certain research to its control. The paper first carries on the elaboration to forty Tool magazine overall project design, elaborated that its various parts39。 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 I Abstract Take the machining center automatically trades in the knife installment the Tool magazine design and the control as a background, according to the use situation and the actual utilization39。 刀庫(kù)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是研究的重點(diǎn)，傳動(dòng)部分為蝸桿蝸輪的減速裝置，控制部分為刀庫(kù)送刀機(jī)構(gòu)，由 PLC 控制刀庫(kù)的正反轉(zhuǎn)。河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 I 摘 要 以加工中心自動(dòng)換刀裝置中的刀庫(kù)的設(shè)計(jì)與控制為背景，根據(jù)使用的場(chǎng)合和實(shí)際運(yùn)用的要求，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的 40 刀的鏈?zhǔn)降稁?kù)，并且對(duì)它的控制進(jìn)行了一定的研究。 論文首先對(duì) 40 刀刀庫(kù)總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行闡述，闡述其各部件的工作原理，然后就刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制分節(jié)對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行計(jì)算與設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞 ：加工中心，刀庫(kù)，蝸桿蝸輪， PLC。s request, has designed the corresponding forty tool39。 principle of work, is divided the chapter on the Tool magazine 39。s anization design is the research key point, the transmission part for the worm bearing adjuster worm gear39。 引言 1952 年世界上出現(xiàn)了一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，使多品種、中小批量的機(jī)械加工設(shè)備在柔性、自動(dòng)化和效率上產(chǎn)生了巨大變革。 90 年代以來(lái)，數(shù)控加工技術(shù)得到迅速的普及及發(fā)展， 數(shù)控加工中心在制造業(yè)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。加工中心已成為柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和自動(dòng)化工廠的基本單元。 加工中心簡(jiǎn)介 加工中心的發(fā)展簡(jiǎn)史 1952 年世界上出現(xiàn)一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，使多品種、中小批量的機(jī)械加工設(shè)備在柔性、自動(dòng) 化和效率上產(chǎn)生了巨大變革。它用數(shù)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的工藝功能、幾何圖形運(yùn)動(dòng)功能和輔助功能實(shí)行全自動(dòng)的數(shù)字控制，因?yàn)橛懈叩淖詣?dòng)化程度和加工效率，大大改變了中小批量生產(chǎn)中普通機(jī)床占整個(gè)機(jī)械加工 70%~80% 的狀況。 1958 年一臺(tái)加工中心在美國(guó)卡尼、特雷克（ Kearneyamp?，F(xiàn)代加工中心的內(nèi)容是什么？一，它是在數(shù)控鏜床或數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上增加自動(dòng)換刀裝置，可使工件在一次裝卡中，能夠自動(dòng)更換刀具，自動(dòng)完成工件上的銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 2 攻絲等工序的數(shù)控機(jī)床。三，加工中心上如果帶有交換工作臺(tái)，工件在工作位置的工作臺(tái)上進(jìn)行加工的同時(shí)，另外的工件在裝卸位置的工作臺(tái)上進(jìn)行裝卸 ，不影響加工的進(jìn)行。 加工中心的定義是什么？目前世界上并無(wú)標(biāo)準(zhǔn)定義，但目前普遍認(rèn)為是指：在工件一次裝卡中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等多工序的數(shù)控機(jī)床。這就把加工中心與自動(dòng)換刀數(shù)控車床或車削中心區(qū)別開(kāi)來(lái)。機(jī)床本身分基本部件和選擇部件，數(shù)控系統(tǒng)有基本 功能和選用功能，機(jī)床參數(shù)有主參數(shù)和其它參數(shù)。從總體上看，加工中心基本上由以下幾大部分組成。它們是加工中心的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，要承受加工中心的靜載荷以及在加工時(shí)的切削負(fù)載，因此必須是剛度很高的部件。 ㈡ 主軸系統(tǒng) 主要由主軸箱、主軸電動(dòng)機(jī)、主軸和主軸軸承等零部件組成。主軸系統(tǒng)是加工中心的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)的好壞，對(duì)加工中心的性能有很大的影響。 ㈣ 自動(dòng)換刀系統(tǒng) 主要由刀庫(kù)、自動(dòng)換刀裝置等部件組成。當(dāng)需要換刀時(shí)，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的指令，由機(jī)械手（或通過(guò)別的方式）將刀具從刀庫(kù)取出裝入主軸孔中。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)根據(jù)刀庫(kù)與主軸的相對(duì)位置幾結(jié)構(gòu)的不 同 也有多種形式。回轉(zhuǎn)式和軌道式等等。 ㈤ 輔助系統(tǒng) 包括潤(rùn)滑、冷卻、排屑防護(hù)、液壓和隨機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)等部分。但對(duì)加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起到保障作用，因此也是加工中心中不可缺少的部分。例如，配有兩個(gè)自動(dòng)交換工件托盤的加工中心，一個(gè)安裝工件在工作 臺(tái)上加工，另一個(gè)則位于工作臺(tái)外進(jìn)行工件的裝卸。 加工中心的分類 按照加工中心形態(tài)不同進(jìn)行分類，可分為立式、臥式和五坐標(biāo)加工中心。 ㈡ 臥式加工中心（如圖 12） 臥式加工中心是指主軸軸線為水平狀態(tài)設(shè)置的加工中心，通常都帶有可進(jìn)行分度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的正方形分 度工作臺(tái)。 ㈢ 五坐標(biāo)加工中心 五坐圖 11 立式加工中心 圖 12 臥式加工中心 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 4 標(biāo)加工中心 兼具 立式和臥式加工中心的功能，工件一次裝夾后能完成除安裝面外的所有側(cè)面和頂面等五個(gè)面的加工，因此也叫五面加工中心。 加工中心的主要優(yōu)點(diǎn) ㈠ 提高加工質(zhì)量 工件一次裝夾，即可實(shí)現(xiàn)多工序集中加工，大大減少多次裝夾所帶來(lái)的誤差。 ㈡ 縮短加工準(zhǔn)備時(shí)間 加工中心既然可以頂替多臺(tái)通用機(jī)床，那么加工一個(gè)零件 所 需準(zhǔn)備時(shí)間，是每臺(tái)加工單元所損耗的準(zhǔn)備時(shí)間之和。 ㈢ 減少在制品 以往的加工方式是 工件流動(dòng)與多臺(tái)通用機(jī)床之間，這就要有相當(dāng)數(shù)量的在制品，而在加工中心上加工，即可發(fā)揮其 “多工序集中 ”的優(yōu)勢(shì)，在一臺(tái)機(jī)床上完成多個(gè)工序，就能大大減少在制品數(shù)量。這樣既提高刀具利用率，又減少了道具數(shù)量。這些都可縮減直接勞務(wù)費(fèi)。 ㈦設(shè)備利用率高 加工中心設(shè)備利用率為通用機(jī)床的幾倍。 加工中心的發(fā)展趨勢(shì) ㈠ 立式加工中心 立式加工中心主要的用戶層面為 ,以看好的汽車零部件行業(yè)為首，還有模具、飛機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、 IT、光學(xué)設(shè)備等行業(yè)。今后電子零部件、精密機(jī)枝零部 件、半導(dǎo)體模具等行業(yè)也具有需求潛力。在飛機(jī)制造業(yè)因絕大多數(shù)加工件為多品種、小批量的產(chǎn)品，因此五軸加工機(jī)為主的立式加工中心有潛在的需求。 ㈡ 臥式加工中心 臥式加工中心因其加工面是垂直的，切屑易脫落，比較適應(yīng)時(shí)間無(wú)操作。因其無(wú)人操作時(shí)間較長(zhǎng)，在成本費(fèi)用 方面與單機(jī)相比效果更好。其中，作為機(jī)床基本課題的高速化研究也不斷取得成果。同時(shí)也有廠家在開(kāi)發(fā)不使用直線電機(jī)，采用進(jìn)給軸以大導(dǎo)程滾珠絲杠為驅(qū)動(dòng)，進(jìn)給加速度 ~ 2G、快速進(jìn)給速度 120 mm／ min 的高速臥式加工中心。為解決速度提高帶來(lái)的熱變位影響，防止精度下降，一般都采用獨(dú)自的補(bǔ)正裝置或主軸冷卻結(jié)構(gòu)、冷卻裝置等。刀庫(kù)是用來(lái)儲(chǔ)存加工刀具及輔助工具的地方。其動(dòng)力可采用液動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)，如果需要還要有減速機(jī)構(gòu)。其控制部分可以采用簡(jiǎn)易位置控制器或類似半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的伺服位置控制，也可以采用電氣和機(jī)械相結(jié)合的銷定為方式，一般要求綜合定為精度達(dá)到 ～ mm。圖 13 列出了常用的幾種刀庫(kù)。單盤式刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，取刀也較為方便，因此應(yīng)用最為廣泛。 當(dāng)需要存放更多數(shù)量的刀具時(shí)，可以采用圖 13 ~eh形式的刀庫(kù)，它們充分利用了機(jī)床周圍的有效空間，且刀庫(kù)的外形尺寸又不致過(guò)于龐大。圖 13f 是鏈?zhǔn)降稁?kù)，其結(jié)構(gòu)有較大的靈活性，存放刀具的數(shù)量也較多，選刀和取刀動(dòng)作十分簡(jiǎn)單。圖 13g 和 13h 分別為多盤式和格子式刀庫(kù)，它們雖然也具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，但選刀和取刀動(dòng)作復(fù)雜，較少應(yīng)用。密集型的固定刀庫(kù)目前于用于 FMS 中的集中供刀系統(tǒng)。由于刀具環(huán)形排列 ，空間利用率低。但這樣一來(lái)使刀庫(kù)的外徑過(guò)大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也很大，選刀時(shí)間也較長(zhǎng)。 ㈡ 鏈?zhǔn)降稁?kù) 如圖 15 所示，鏈?zhǔn)降稁?kù)的結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫(kù)容量較大，鏈環(huán)的形狀可以根據(jù)機(jī)床的布局配置成各種形狀，也可將換刀位突出以利換刀。這些特點(diǎn)也為系列刀庫(kù)的設(shè)計(jì)與制造帶來(lái)了很大的方便，可以滿足不同使用條件。 圖 15 鏈?zhǔn)降稁?kù)的形式 圖 14 盤式刀庫(kù)的形式 a）徑向取刀形式 b）軸向取刀形式 c）刀具徑向安裝 d）刀具斜向安裝 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 8 ⑴ 換刀位置 為保證刀套準(zhǔn)停精度和刀套定位剛性，鏈?zhǔn)降稁?kù)的換刀位置一般設(shè)在主動(dòng)鏈輪上如圖 16 所示，或者設(shè)在盡可能靠近主動(dòng)鏈輪的刀套處，如圖 17 所示 ⑵ 鏈條形式 我國(guó)目前還沒(méi)有廠家生產(chǎn)加工中心刀庫(kù)專用鏈條，因而不得不用標(biāo)準(zhǔn)套筒輥?zhàn)渔?，通過(guò)連接器把刀套固定在鏈條上?？紤]到刀具重量和刀庫(kù)工作的平穩(wěn)性，推薦采用： HP 型鏈條 這種鏈條是套筒式鏈條，其輥?zhàn)颖旧砭褪堑短?，該鏈條型式及尺寸見(jiàn)表 11 表11 1） HPT型 ①鏈條型號(hào) 刀具錐柄號(hào) P O L H W R T HP 40 90 55 88 60 68 ?????? ??????????定位塊手爪圖 17 鏈?zhǔn)降稁?kù)換刀位置 定位插銷定位盤鏈輪手爪圖 16 鏈?zhǔn)降稁?kù)換刀位置 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 9 鏈輪節(jié)圓直徑 pD NPDp?18 0sin/? 式中 N——當(dāng)量齒數(shù)（實(shí)際齒數(shù) /3） ② 鏈輪外徑 D0 ? ? ?????? ??? N～PD 180c 式中 P——鏈條節(jié)距 注：鏈輪齒數(shù)可從 9 個(gè)起使用。鏈輪之間的中心距，以取鏈條節(jié)距整數(shù)倍為宜。它的刀庫(kù)需要整體運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且刀庫(kù)容量較小。 方案二：用機(jī)械手在刀庫(kù)與主軸之間換刀 這是目前用的最普遍的一種自動(dòng)換刀裝置，其布局結(jié)構(gòu)多種多樣。由于這種結(jié)構(gòu)有一個(gè)中間介質(zhì)機(jī)械手，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較靈活，也比較簡(jiǎn)單。這種換刀裝置轉(zhuǎn)塔頭上有兩個(gè)刀具主軸，當(dāng)一個(gè)刀具主軸上的刀具進(jìn)行加工時(shí)，可由機(jī)械手將下一工步需用的刀具換到不工作的主軸上，待上一工步加工完畢后，轉(zhuǎn)塔頭回轉(zhuǎn) 180 度，即完成換刀工作。 傳動(dòng)方案的可行性分析 方案一：轉(zhuǎn)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)帶傳動(dòng)，移動(dòng)用氣壓或液壓傳動(dòng) 步進(jìn)電機(jī)可精確控制轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和轉(zhuǎn)向，但是價(jià)格比伺服電機(jī)便宜的多。帶傳動(dòng)可以降低對(duì)電機(jī)的沖擊，雖然可以配合齒輪傳動(dòng)達(dá)到較大的傳動(dòng)比，但是機(jī)構(gòu)所占空間大，在要求機(jī)構(gòu)緊湊的數(shù)控機(jī)床上顯然不適合。 方案二：轉(zhuǎn)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī) 帶傳動(dòng)，移動(dòng)用絲杠傳動(dòng) 絲杠雖然可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，但是在力較小、并且需要快速移動(dòng)的地方就不如氣壓傳動(dòng)適合了。 方案四：轉(zhuǎn)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)蝸輪蝸桿傳動(dòng)，移動(dòng)用氣壓傳動(dòng) 蝸輪蝸桿傳動(dòng)不僅傳動(dòng)大，而且可以自鎖。機(jī)械手兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)。 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 11 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 12 二 刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選定 驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)，目前常見(jiàn)的方式有伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和液動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種，我國(guó)加工中心都選用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，在本設(shè)計(jì)中也將采用伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。一般推薦在 22～ 30m/min 之間。 鏈輪參數(shù)確定 取鏈輪齒數(shù) z=24 鏈輪節(jié)圓直徑 DP mm 2 3 781 8 0s i n 901 8 0s i n ?????NPDp 式中 N——當(dāng)量齒數(shù)（實(shí)際齒數(shù) /3） P——鏈條節(jié)距 鏈輪外徑 D0 mm 266180c 0 ??????? ?? NPD? 鏈輪轉(zhuǎn)速 n 100060?? zPnv r/ m i n ?? ?????? zPvn 負(fù)載轉(zhuǎn)矩選電機(jī) 加在伺服電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 lT ，應(yīng)比電動(dòng)機(jī)額定連續(xù)轉(zhuǎn)矩 ST 小。 不平衡重量 Wmax，可按在一個(gè)垂直方向刀套上裝有 1/10 刀庫(kù)容量數(shù)的最大刀具重量來(lái)計(jì)算。計(jì)算摩擦力時(shí)，刀具重量均按刀具平均重量計(jì)算。刀具不平衡重量 Wmax=800N。 摩擦力 F=fsFN=1700=187N mN 2211 ??????? PDFTT mN ?????? pDFTT mN a xm a x ?????? PW