1 摘 要 隨著數控技術的發展和普及，加工中心的作用越發突顯它的重要性。為進一步提高數控機床的加工效率，數控機床正向著工件在一臺機床一次裝夾即可完成多道工序或全部工序加工的方向發展，因此出現了各種類型的加工中心機床，如車削中心、鏜銑加工中心、鉆削中心等等。這類多工序加工的數控機床在加工過程中要使用多種刀具，因此必須有自動換刀裝置，也就是所說的刀庫，以便選用不同刀具，完成不同工序的加工工藝。自動換刀裝置應當具備換刀時間短、刀具重復定位精度高、足夠的刀具儲備量、占地面積小、安全可靠等特性。 本論文是開發設計出 一種體積小、結構緊湊、價格較低、生產周期短的小型立式加工中心無機械手換刀刀庫。首先介紹了國內外加工中心研究現狀及發展趨勢，闡明了本課題研究的目的、意義。然后進一步介紹本小型加工中心刀庫總體結構和各部件方案的選擇，并在此基礎上進行了小型加工中心刀庫的機械結構的設計計算，主要包括刀盤部件設計（含刀盤，夾塊，刀爪），刀庫轉動定位機構設計（含轉臂，槽輪，滾子，鎖止盤），刀庫總體機構設計（含軸承套，軸，箱蓋，箱體）刀庫移動部分設計。 關鍵詞 ： 數控系統 加工中心 刀庫 2 Abstract Along with the numerical control technology development and the popularization, the processing center function reveals its importance even more suddenly. For further enhances the numerical control engine laths the processing efficiency, the numerical control engine laths is clamping to the work piece in an engine laths attire then completes the multi-channel working procedure or the complete working procedure processing direction develops, therefore appeared each kind of type processing center engine laths, ike the turning center, the boring mill processing center, drills truncates center and so on. This kind of working procedure processing numerical control engine laths must use many kinds of cutting tools in the processing process, therefore must have trades the knife installment automatically, also is the knife storehouse which said, in order to select the different cutting tool, completes the different working procedure the processing craft. Trades the knife equipment to have automatically to have trades the knife time short, the cutting tool repetition pointing accuracy high, the enough cutting tool margin, the area small, safe reliable and so on the characteristics. The present paper is the development designs one kind of volume slightly, the structure compact, the price is low, production cycle short small vertical processing center knife storehouse this article. Then further introduced this small processing center knife storehouse overall structure and various parts plan choice, and has carried on the small processing center knife storehouse mechanism design calculation in this foundation, mainly includes the knife storehouse overall organization design, the electrical machinery selection, the knife storehouse rotation detent mechanism design knife storehouse migration part design and so on. Keywords: numerically controlled lathe machining centers cut database 3 目 錄 摘要 i Abstract ii 1 緒論 1 1.1 國內外的研究現狀和發展趨勢 1 1.1.1 當前世界 NC 機床的研究現狀 1 1.1.2 我國數控機床產業的發展狀況 2 1.1.3 加工中心的發展動向 3 1.1.4 我國數控機床研究存在的問題 3 1.2 加工中心概論 4 1.2.1 自動換刀系統產品化的意義和前景 6 1.3 本論文研究的目的和意義 6 1.4 本論文完成的主要工作 6 2 總體方案的設計 8 2.1 運動方案的設計 8 2.1.1 運動數目的確定 8 2.1.2 運動方案的確定 8 2.2 功能部件的設計方案 9 2.2.1 主傳動系統 9 2.2.2 進給伺服系統 10 2.2.3 自動換刀系統 11 2.2.4 基礎部件 13 2.2.5 數控系統 14 2.2.6 輔助裝置 14 2.3 總體布局 14 2.4 主要技術參數 14 2.5 小結 16 3 刀庫的設計 17 3.1 刀庫的結構設計 17 3.1.1 刀庫主要參數的確定 17 3.1.2 刀盤部分的設計 17 3.1.3 刀庫轉動定位機構的設計 18 3.1.4 軸的設計 21 4 3.1.5 滾動軸承的選擇計算 24 3.1.6 鍵的選用與計算 25 3.1.7 刀庫的支承部分的設計 25 3.2 刀庫移動部分的設計 26 3.2.1 刀庫支承橫梁和導軌的設計 26 3.2.2 刀庫移動絲杠和電機的選擇 27 3.3 刀庫、橫梁的安裝 27 3.4 小結 38 結論 29 致謝 30 參考文獻 31 1 緒 論 隨著科學技術的發展，世界先進制造技術的興起和成熟，而對作為現代制造業非常重要的加工中心提 出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技術的應用，對加工中心的組成部分提出了更高的性能指標。 加工中心是一種綜合加工能力較強的數控加工設備，工件一次裝夾后能完成較多的加工工序，加工精度較高，就中等加工難度的批量工件，其效率是普通設備的 5 10 倍，特別是它能完成許多普通設備不能一次完成的加工。加工中心對形狀較復雜，精度要求高的單件加工或中小批量多品種生產更為合適，特別是對于必需采用工裝和專用設備來保證產品質量和效率的工件，采用加工中心加工， 5 6 7 8 可以省去工裝和專機。這為新產品的研制和改型換 代節省大量的時間和費用，從而使企業具有較強的競爭力。然而目前國內外加工中心的生產廠家設計生產的加工中心大多是大、中型零件的加工。 加工中心有多種形式，常見的有盤式、鏈式兩種刀庫。 盤式結構中 ,刀具可以沿著主軸的軸向、徑向、斜向按放，刀具軸向的安裝的結構最為緊密，但為了換到時與主軸同向，有的刀具庫中刀具需要在換刀位作90 度翻轉。在刀庫容量較大時，為在存放方便的同時保持結構緊湊，可采用彈倉式結構，目前大量的刀庫安裝在機車立柱的頂面或側面，在刀庫較大時，也有安裝在專門的地基上，以隔離刀庫轉動造成的震動。 鏈 式刀庫存放刀具容量比盤式大，結構比較靈活，可以采用加長鏈帶方式加大刀庫容量，也可以采用鏈帶折疊回繞的方式提高空間利用率，在需要刀具容量較大時，還可以采用多鏈帶結構。 1.1 國內外的研究現狀和發展趨勢 1.1.1 當前世界 NC 機床的研究現狀 世界各國對數控機床、加工中心以至 FMS、 CIMS 等各種新技術的研究與發展 9 進程，是與世界經濟形勢緊密相連的。機床工業與世界經濟相互促進和發展，進入 21 世紀知識經 濟時代，人們的知識所起的作用更加突出，而機床工業作為機器制造業的基礎，其重點地位與戰略意義更 加明顯。當前世界 NC 機床的技術研究主要有以下幾點： 1.更加重視新技術和創新 在世界范圍內，對新工藝、新材料、新結構、新單元、新元件的研究開發工作正在大力發展，如新的刀具材料、新的主軸結構、高速電主軸、高速直線電機等的開發研究。以加工工藝的改進創新為基礎，為加工超硬、難切削材料及特殊符合材料及復雜零件、不規則曲面等在不斷研究開發新機種。 2.提高機床加工的精度的研究 為了提高加工中心的加工精度，不斷提高機床的剛度、減少振動，消除熱變形，降低噪聲 ，提高 NC 機床的定位精度、重復精度、工作可靠性、穩定性、精度保持性，世界很多國家都在進行機床熱誤差、機床運動及負載變形誤差的軟件補償技術研究，并采取精度補償、軟件補償等措施加以改善，有的已可使此類誤差消除 60%。并在不斷開發精細加工，納米加工。 3.提高機床加工生產率的研究 世界 NC 機床、加工中心及相應的高速電主軸、直線電機、測量系統、刀具系統、 NC 系統的開發，均以提高生產率為前提。 4.許多國家都已經開始對數控系統的智能化、開放化、網絡化研究 1.1.2 我 國數控機床產業的發展狀況 我國數控機床工業起步較早，北京機床研究所于 1973 年研制了臥式加工中心 JCS013。 1980 年北京機床研究所引進了日本 FANUC 公司的數控系統制造技術，并投入批量生產。國家“六五”和“七五”規劃期間，我國大力發展加工中心，幫助部分骨干企業與國外廠商進行合作，引進了加工中心的制造技術。“八五”期間科技攻關開發自主版權數控系統兩個階段，已為數控機床的產業化奠定了良好的基礎，并取得了長足的進步。“九五”期間數控機床發展已進入了實現產業化階段。 1.部分產品已達到 國外同類產品水平 具備了自行開發各種各樣專用機床和特殊功能機床系統的能力。數控機床新 10 開發品種 300 個，已有一定的覆蓋面。新開發的國產數控機床大部分達到國際20 世紀 90 年代水平，為國家重點建設提供了一批高水平數控機床。 2.數控機床在技術上取得了一定的進步 進入了高速高精度精密數控機床生產 國行列。高速主軸制造技術可達1200018000r/min，快速進給可達 60m/min，快速換刀可達 1.5s 可以生產定位精度達 3um的立式加工中心、主軸回轉精度達 8um 的臥式加工中心和精度 為 2um 的車削中心等。 3.多軸聯動數控技術更加成熟 0.1um 當量的超精密數控系統、數控仿形系統、非圓齒輪加工系統、高速進給數控系統、實時多任務操作系統都已研制成功。尤其是基于 PC 機的開放式智能化數控系統，可實施多軸控制，具備聯網進線等功能。這些數控系統的研制成功使得多坐標聯動技術已不再是難題，且逐漸成熟。 4.大部分數控機床配套產品已能國內 生產 我國數控機床生產廠共有 100 多家，數控系統（包括主軸和進給驅動單元）生產企業約 50 家，生產數控機床配套產品的企業共計 300 余家，產品品種包括八大類 2000 種以上。數控機床自我配套率超過 60%。 5.在網絡化、集成化、柔性化數控制造成套設備技術上也有了新突破 網絡化、集成化、柔性化數控制造裝備可實現在多臺機床連成的局域網上實現集成、資源共享、實時圖象監視和管理，服務器上實現加工對象的實體造型并將刀具路徑文件和加工程序自動化送至各數控機床。 總之，隨著科學 技術的進一步發展，市場經濟活動的不斷深入，中國在加入WTO 參與世界市場激烈競爭中，無論是國內市場、國際市場，對 NC 機床的需求將日益增多， NC 機床的發展前景非常廣闊。中國機床工業能否振興、 NC 機床技術能否迅速提高、產量能否迅速擴大，關鍵在于中國是否有此實力。 1.1.3 加工中心的發展動向 近年來，加工中心的發展主要目標是主軸轉速、進給速度和自動換刀（ ATC）的高速化、縮短輔助時間、提高加工精度、縮短刀具交換時間、提高自動化程度等。國際上加工中心正向自動化程度更好、機床精度更高、功能更全、切 削效率更高、機床結構更趨合理的方向發展。 11 1.1.4 我國數控機床研究存在的問題 我國的數控機床行業在近幾年中有了很大的發展，但對數控機床的進口量依然很大。我國進口的 NC 機床，大都是自己不能生產、水平達不到的中、高檔機床，其中特別是加工中心。均采用 CAD、有限元分析、先進的數控程序軟件等先進方法，配套基礎元部件、 NC 系統實行國際配套方面，我國仍需大力提高。 1.2 加工中心概論 加工中心的功能及特點： 1.加工中心的功能 加工中心（ Machining Center-MC）是一種功能較全的數控加工機床。它把銑削、鏜削、鉆削和切削螺紋等功能集中在一臺設備上，使其具有多種工藝功能。加工中心設置有刀庫，刀庫中存放著不同數量的各種刀具和量具，在加工過程中由程序自動選用和更換。這是它與數控銑床、數控鏜床的主要區別。加工中心與同類數控機床相比結構較復雜，控制系統功能較多。加工中最少有三個運動坐標系，多的達十幾個。其控制功能最少可實現兩軸聯動控制，實現刀具運動直線插補和圓弧插補。多的可實現五軸聯動、六軸聯動，從而保證刀具進行復雜加工。加工中心還具有不同的輔助功能；如：各種加 工固定循環，刀具半徑自動補償，刀具長度自動補償，刀具破損報警，刀具壽命管理，過載超程自動保護，絲杠螺距誤差補償，絲杠間隙補償，故障自動診斷，工件與加工過程圖形顯示，人機顯示，工件在線檢測和加工自動補償、離線編程等，這些功能提高了數控機床的加工效率，保證 了產品的加工精度和質量，是普通加工設備無法相比的。 2.加工中心的特點 加工中心是典型的集高新技術于一體的機械加工設備，它的發展代表了一個國家設計、制造的水平，因此在國內外企業界都受到高度重視。加工中心綜合加工能力較強，工件一次裝夾后能完 成較多的加工步驟，加工精度較高，對于中等加工難度的批量工件，其效率是普通設備的 510 倍。加工中心對形狀較復雜，精度要求高的的單件加工或中小批量多品種生產更為合適。特別是對于必須采用工裝和專機設備來保證產品質量和效率的工件，采用加工中心加工，可以省去工裝和專機。這為新產品的研制和改型換代接生大量的時間和費用，從而使企業具有較強的競爭能力。因此它也是判斷企業技術技術能力和工藝水平標志的一個方 12 面。如今，加工中心已成為現代機床發展的主流方向，廣泛用于機械制造中。與普通數控機床相比，它有以下幾個突出要點： 1）工序集中 加工中心備有刀庫，能自動換刀，并能對工件進行多工序加工。現代加工中心可使工件在一次裝夾后實現多表面、多工位的連續、高效、高精度加工，即工序集中。這是加工 中心最突出的特點。 2）加工精度高 加工中心同其他數控機床一樣具有加工精度高的特點，而且加工中心可一次裝夾工件，實現多工序集中加工，減少了多次裝夾帶來的誤差，故加工精度更高，加工質量更加穩定。 3）適用性強 加工中心對加工對象的適用性強。加工中心改變加工零件時，只需重新編制（更換）程序， 輸入新的程序就能實現對新的零件的加工，這對結構復雜零件的單件、小批量生產及新產品試制帶來極大的方便。同時，它還能自動加工普通機床很難加工或無法加工的精密復雜零件。 4 ）生產效率高 加工中心帶有刀庫，在一臺機床上能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和機床的調整時間，減少工件半成品的周轉、搬運和存放時間，機床的切削利用率（切削時間和開動時間之比）高。 5）經濟效益好 加工中心加工零件時，雖分攤在每個零件上的設備費用較昂貴，但在單件、小批量生產的情況下，可以節省 許多其他方面的費用。由于是數控加工，加工中心不必準備專用鉆模等工藝裝備，加工之前節省了劃線工時，零件安裝到機床上之后可以減少調整、加工和檢驗時間。另外，由于加工中心的加工穩定，減少了廢品率，使生產成本進一步下降。 6）自動化程度高，勞動強度低 加工中心的加工零件是按事先編好的程序自動完成的，操作者除了操作鍵盤、裝卸零件、進行關鍵工序的中間測量以及觀察機床的運行之外，不需要進行 13 繁重的重復性手工操作，勞動強度可大為減輕。 7）有利于生產的現代化管理 用加工中心加工零件， 能夠準確地計算零件的加工工時，并有效地簡化檢驗和工夾具、半成品的管理工作。這些特點有利于使生產管理現代化。 1.2.1 自動換刀系統產品化的意義和前景 自動換刀系統是數控機床的重要組成部分。刀具夾持元件的結構特性及它與機床主軸的聯結方式，將直接影響機床的加工性能。刀庫結構形式及刀具交換裝置的工作方式，則會影響機床的換刀效率。自動換刀系統本身及相關結構的復雜程度，又會對整機的成本造價產生直接影響。 隨著機械加工業的發展，制造行業對于帶有自動換刀系統的高效高性能加工中心的需求量越來越大。 在現有的各種類型的加工中心中，傳統結構的自動換刀系統的造價在機床整機造價中總是占著很大比重，這是加工中心價格居高不下、應用不普遍的重要原因。如果把自動換刀系統的設計制造從現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準件或附件組織專門化的生產，同時由于該項技術的應用簡化了機床主軸結構、采用彈簧夾頭和外驅動機械手等關鍵技術、采用圓柱柄刀具和輔具，這不僅使數控機床工作性能有所提高，而且使得由它配套構成的加工中心的總體造價大幅度下降。低造價高性能的加工中心將會被中小廠廣泛接收，這樣必將給自動換刀系統生產廠 商和加工中心制造廠商帶來巨大的經濟效益。 1.3 本論文研究的目的和意義 本課題開發設計的小型加工中心刀庫。隨著數控技術的發展和普及，加工中心的作用越發突顯它的重要性。為進一步提高數控機床的加工效率，數控機床正向著工件在一臺機床一次裝夾即可完成多道工序或全部工序加工的方向發展，因此出現了各種類型的加工中心機床，如車削中心、鏜銑加工中心、鉆削中心等等。這類多工序加工的數控機床在加工過程中要使用多種刀具，因此必須有自動換刀裝置，也就是所說的刀庫，以便選用不同刀具，完成不同工序的加工工藝。自動換刀 裝置應當具備換刀時間短、刀具重復定位精度高、足夠的刀具儲備量、占地面積小、安全可靠等特性。 1.4 本論文完成的主要工作 14 本論文是開發設計出一種體積小、結構緊湊、價格較低、生產周期短的小型立式加工中心無機械手換刀刀庫。主要完成以下工作： 1.通過深入各種類型的企業、高工專學校、中專、技校現場調查，通過查閱相關的資料，對國內外同類產品進行市場調研、技術調研和社會環境調研，了解該產品的發展現狀和發展方向，從而確定本課題的可行性和必要性。 2.通過對不同的結構原理方案和各部 件的結構設計方案的分析對比，確定加工中心刀庫的總體技術設計方案和主要技術性能參數。 3.通過對加工中心的自動換刀系統不同設計方案的對比分析，確定刀庫的設計方案，并進行相關設計和計算。 4.用 CAD 軟件繪制總體裝配圖、各部件、組件裝配圖及主要非標準零件的零件圖。 15 2 總體方案的設計 加工中心刀庫的總體方案設計是根據其功能和設計要求，從全局的角度，以系統的觀點，進行自動換刀裝置刀庫整體方面的設計，主要包括運動功能方案設計、基本參數設計、傳動 系統設計、總體結構布局設計等內容。 2.1 運動方案的設計 加工中心主要用來加工小型板類、盤類、模具類、多孔類零件上的小孔和平面。主要是鉆削和銑削加工。 2.1.1 運動數目的確定 要實現以上各種零件表面的鉆削和銑削加工功能，機床必須具有以下運動：一個是主運動即主軸帶動刀具回轉（ Vc）；另一個是三個方向的進給運動，包括實現切入工件一定深度（ Z 方向）的進給運動；實現在水平面內兩個方向（ X、Y 方向）的進給運動。此外，還必須有換刀功能，因此還必須有非成形運動，如換刀需要刀庫轉位、移 動等運動。 2.1.2 運動方案的確定 加工中心加工工件所需的這些運動，必須由對應的執行部件來實現。加工中心的主運動一般都由主軸部件（主傳動系統）來完成，而進給運動可以由工件來完成；也可以由刀具來完成；或者是由刀具和工件來共同完成。這樣就影響到部件的相互位置關系的配制和總體關系。采用哪種形式與被加工工件尺寸、形狀、質量和功能等因素有關。對具有鉆、銑的功能的立式加工中心，根據工件的質量、尺寸等的不同，可以有以下幾種不同的運動 方案： 1.由工件完成三個方向的進給運動，當加工質量較 輕工件時，分別由 X-Y 向工作臺和升降臺來實現； 2.工作臺帶動工件做一個方向的進給運動，其他兩個方向的進給運動由刀具在立柱與橫梁上移動來完成，這種方案不僅適用于質量大的工件加工，還可增多 16 主軸頭，使加工中心的生產效率得到很大的提高。 3.由刀架來完成三個方向的進給運動，當加工較重或尺寸較高的工件時，則不宜由工件做進給運動，而是工作臺固定不動，改為由刀具來完成進給運動。采用了立柱在床身上沿前后方向移動來 Y 方向的進給；由刀具在橫梁上移動來完成 Z 向的進給。通常見于大 、中型動柱式加工中心。這 種方案可以避免的尺寸工作臺在溜板兩端極限位置發生翹曲和大溜板加工難的問題，從而減少了溜板和結構的多層，有利于提高機床精度。 4.由工作臺實現 X、 Y 兩個方向的進給，而唷刀具來完成垂直進給運動，當加工質量較輕、體積較小的工件，且主軸部件的重量、體積較小時，也可以由X-Y 工作臺實現兩個方向的進給，而由刀具來完成垂直進給運動。適用于小型加工中心，通常都采用固定立柱方式。由于立柱固定在床身上，就便于把刀庫、電柜等裝在立柱上。 2.2 功能部件的設計方案 加工中心一般由主傳動系統、進給伺 服系統、自動換刀系統、基礎部件、數控系統和輔助裝置等部分組成。 2.2.1主傳動系統 主傳動系統用來實現加工中心的主運動。由主軸箱、主軸、軸承、松拉刀機構、電動機等零件組成。這是加工中心自動換刀裝置的關鍵部分，主軸的啟動、停止、變速等動作通過數控系統控制由主傳動系統來實現。并且通過安裝在主軸上的刀具實現切削運動。 要求主軸部件必須具備足夠的轉速范圍、功率和扭矩，在大部分轉速范圍內要保持恒功率，當降到計算轉速以下時，要保持恒扭矩傳動；主傳動系統的各零部件，應具有足夠的強度和必要的剛 度及抗震性能；噪聲低、運轉平穩性好。傳動方案有以下幾種： 1.齒輪傳動 目前加工中心主傳動大多用寬調速主軸電機 , 其調速范圍達 1： 100。對某些中小型加工中心，已經足夠了，不需要經過齒輪變速。如果所需轉速范圍超過 1： 100（如中型以上規格的加工中心），則需通過齒輪換檔的方法實現。 2.帶傳動 17 加工中心主傳動系統使用的帶傳動多為同步帶傳動。它是一種綜合了帶、鏈傳動優點的新型傳動。具有以下優點： 1）傳動比準確 同步帶傳動 是嚙合傳動，工作時無滑動。 2）傳動效率高 可達 98%以上，節能效果明顯。 3）重量輕，結構緊湊 不需依靠摩擦傳動，預緊張力小，對軸和軸承的作用力小，帶輪直徑小。 4）線速度高 可達 50m/s，因齒形帶較薄。 5）傳動平穩 動態特性良好，能吸振，噪聲小。 6) 使用范圍廣 傳遞功率由幾瓦至數千瓦，速比可達 10 左右。 7）使用保養方便 不需要潤滑，耐油、耐磨性和抗老化好，還能在高溫 、灰塵、水及腐蝕介質等環境中工作。 由于以上優點，所以實際中多用。但安裝要求較高，兩帶輪軸心線平行度要求高，中心距要求嚴格。帶和帶輪的制造工藝復雜，成本低。 3.電主軸 有內裝式電動機直接驅動，結構的最大特點是實現了機床的“零傳動”，這種傳動方式取消了從主電動機到主軸之間一切中間的機械傳動環節（如皮帶、齒輪、離合器等），實現了主電動機與機床主軸的一體化。 如果采用齒輪、帶傳動則需自行設計主傳動系統，將會增加設計和制造周期，且為單件生產，成本也較高，轉速也 受到一定的限制。該加工中心主要用來加工小孔和小平面，因此要想提高零件加工的生產率，也須提高主軸的轉速。如果選用由專門廠家生產的已系列化和標準化電主軸，轉速可根據需要選擇。不僅可保證高的生產率，而且也可根據用戶的不同要求選用不同的規格，可縮短產品的設計和制造周期。對比以上三種方案選用電主軸。 2.2.2 進給伺服系統 進給系統由伺服電機、滾珠絲杠、導軌等組成。要求進給伺服系統必須具有高速下的平穩運行，較高的定位精度且防止爬行，要求進給系統中的機械傳動裝置和元件具有較高的靈敏度，低摩擦阻力和動、 靜摩擦系數之差小以及高壽命等。 1.進給伺服系統的控制方式 進給伺服系統可分為半閉環、全閉環和混合伺服控制三種方式。 18 2.伺服電機常用的伺服電機有支流和交流兩種： 1）直流伺服電機 數控機床中應用較多的是寬調速直流伺服電機，其主要特點是調速范圍寬、低速運行平穩；負載特性硬、過載能力強，在一定的速度范圍內可以做到恒力矩輸出；反應速度快，動態響應特性好。但體積較大，電刷易磨損，壽命受到一定的限制。 2）交流伺服電機 這種伺服電機的 主要特點是轉矩和慣量比高，能承受高的加減速；轉矩波動小；低速性能好，在很低速時，電機仍能平滑旋轉；在保證高輸出轉矩的情況下，電機的體積小，重量輕；由于采用高頻寬調制控制，電機只有很低的噪聲和振動。利用交流伺服系統可進行精密定位控制。所以應用越來越廣。 由于該加工中心刀庫容量較小，而且精度較高，故選用交流伺服電機。設計中選用了日本 Panasonic 公司生產的 MINASA 系列交流伺服電機和驅動器。 2.2.3 自動換刀系統 通過自動換刀系統來實現零件加工時的換刀。它由刀庫電機、傳動裝 置、刀夾等組成。任務要求采用無機械手換刀方式。 無機械手換刀方式是直接在刀庫與主軸（或刀架）之間的自動換刀方式。這種換刀方式沒有機械手，因而結構簡單。換刀時必須首先將用過的刀具送回刀庫，然后再從刀庫中取出新刀具，這兩個動作不能同時進行，所以換刀過程較為復雜，它的選刀和換刀由三個坐標軸的數控定位系統來完成，因此換刀時間較長，影響了機床的加工效率但是刀庫回轉時在工步于工步之間，即非切削時進行的，因此雖然刀庫設置在立柱側面，卻免去刀庫回轉時的振動對加工精度的影響。 適用于 40 號以下刀柄的小型加工中心 或換刀次數少的用重型刀具的重型機床。考慮到所設計的小型加工中心主要用于中小批量生產，且只用來加工小型零件上的孔和面，刀庫容量較小，無須過多考慮換刀時間的長短，決定采用 30 號刀柄。 2.刀庫形式的選取 無機械手換刀方式中，刀庫可以是圓盤形、直線排列式，也可以是格子箱式等。無機械手換刀方式中特別需要注意的是刀庫轉位定位的作用準確度。圓盤形 19 刀庫容量較小，刀庫結構簡單緊湊，刀庫轉位、換刀方便，易控制。直線排列式和格子箱式刀庫結構相對復雜，適用于刀庫容量較大的加工中心。 考慮到所設計 的加工中心只用來加工小型零件上的孔和面，不必在刀庫里放太多刀具，根據實用性進行考慮，因此選用結構簡單、容量較小、體積較小的圓盤式刀庫。 3.刀庫位置的放置 立式加工中心無機械手換刀方式的圓盤形刀庫的放置又兩種形式： 1）刀庫置于立柱側面大橫梁上 如圖 2-4a) 所示。此方案可使工作臺的尺寸較小，且可采用廠家已生產隊合適尺寸的工作臺，可減少設計制造周期。結構簡單，且不會發生刀庫和主軸干涉現象，但刀庫的支承剛性較差，須增強立柱的剛度，以減小橫梁 彎扭矩的影響。 2）刀庫置于工作臺上 如圖 2-4b)所示。此方案刀庫的支承剛性好，結構簡單。但影響加工中心主軸 y 軸方向上的行程，要求工作臺的尺寸較大，須自行設計，且減少了工作臺的有效面積 綜合分析以上兩種方案，采用 1）方案，即圖 2-4a)的布置形式。在立柱左邊安裝一橫梁，在橫梁有導軌，導軌上安裝有滑座，將刀庫安裝在滑座上，通過刀庫沿橫梁移動刀主軸端，由主軸來實現換刀。 1.主軸箱 2.立柱 3.刀庫 4.工作臺 5.床身 圖 2-4 無機械手換刀裝置的布置 20 4.刀庫在橫梁上的移動 刀庫在橫梁上的移動由兩種方案：一方案使絲杠螺母傳動，采用滾珠絲杠和交流伺服電機；另一方案使液壓傳動，采用液壓滑臺。由于液壓傳動必須由專門設計液壓系統機構，來實現刀庫的分度和定位。但此機構定位精 度不夠高，為提高其定位精度可采用交流伺服電機驅動。 2.2.4 基礎部件 基礎部件是加工中心的基礎，由床身、立柱和工作臺等組成。主要承受加工中心的靜載荷和在加工時產生的切削負荷，因此必須由足夠的靜、動剛度和精度保持性。 1.立柱 立柱采用對稱結構，其正面設置由導軌，導軌可采用滾動和滑動兩種結構，可由用戶自行選擇。正中間安裝由滾珠絲杠，立柱導軌上安裝滑座、主軸箱。立柱中空，可安裝平衡塊，壁上設置有肋板，以增加立柱的強度和剛性。立柱連接在床身上。并且使主軸中 心線與 Z 向進給絲杠布置在同一個平面 YOZ 平面內，絲杠的進給驅動力與主切削抗力在同一平面內，因而扭矩很小，容易保證銑削精度和鉆孔加工的平行。 2.床身 床身是加工中心的基礎部件，也是加工中心關鍵元件之一，床身結構的優劣直接影響加工中心的使用性能。因此要求床身設計具有： 1）很高的精度和精度保持性 在床身上有安裝立柱和 X-Y 工作臺的加工面，這些面本身精度和相互位置精度要求很高。 2）具有足夠的動靜剛度 機床在切削加工時靜、動 載荷往往都傳到床身上，所以床身上受力比較復雜。 3）較好的熱穩定性、抗熱變形性、抗振性 在設計上要做到使整機熱變形較小、振動小。或使熱變形對加工精度影響最小。 床身的設計要受到加工中心總體設計的制約，在滿足總體設計的前提下，盡可能做到床身外形、結構合理，肋板布置恰當，保證良好的冷熱加工性，減少機 21 床重量，節省材料，提高整個機床的剛度。 3.工作臺 X-Y 向工作臺有兩種方案：一種是選用南京工藝裝備制造廠制造生產的 X-Y 兩軸精密數控 工作臺，數控工作臺的上下兩層運動臺（ X 向、 Y 向）結構相同。另一種是自行設計，橫向（ Y 向）滾動導軌和滾珠絲杠安裝在橫向導軌滑座上。后一種方案各部分均需設計或選擇，且床身制造麻煩，周期長，不易實現系列化，單件生產成本也高。而前一種采用已系列化的精密數控工作臺，此工作臺已經過許多用戶使用后的驗證，精度較高，而且可根據不同的加工要求，選用不同的精度等級。不僅制造周期短、精度易保證，且可根據用戶的不同需要選擇不同的型號。故采用前一種方案。 2.2.5 數控系統 數控系統由 CNC 裝置、可編程控制器、 伺服驅動裝置等部分組成。由它來完成對加工中心各部分的控制工作。伺服驅動裝置采用 Panasonic 公司生產的 MINASA 系列交流伺服電機驅動器。其他部分的設計方案根據用戶需要選擇。 2.2.6 輔助裝置 輔助裝置包括潤滑、冷卻、排屑、防護、液壓、氣動和檢測系統和平衡裝置等部分。這些裝置雖然不直接參與切削運動，但對加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起著保障作用。 2.3 總體布局 經過對以上運動方案和各部件的設計方案的定性分析比較可確定該小型立式加工中心刀庫的總體設計方 案為：自動換刀系統采用無機械手換刀，且刀庫置于立柱側面的橫梁上。刀庫在橫梁上的移動采用滾珠絲杠傳動和交流伺服電機采用盤形刀庫，由槽輪機構實現回轉、分度和轉位，由交流伺服電機驅動。 總體結構布局圖如圖 2-5 所示。 2.4 主要技術參數 根據已知條件，在滿足設計要求的前提下，盡量使設計出來的加工中心結構緊湊，占地面積小，確定該加工中心的主要技術性能參數如下： X、 Y、 Z 行程（ mm） 150 150 350 22 Z 向快速移動速度（ m/min） 15 X、 Y 向快速移動速度（ m/min） 12 工作臺尺寸（長寬）（ mm mm） 400 250 主軸轉速范圍（ r/min） 0 18000 主軸電機功率（ kw） 12 刀庫容量（把） 12 定位精度（ mm） 0.025 重復定位精度（ mm） 0.005 主軸錐孔 ISO/BT30 換刀時間（ s/次） 8 機床總重量（ kg） 650 外形尺寸（長寬高）（ mm mm mm） 2036 1264 1670 最大工作進給速度（ m/min） 1 工作臺允許載荷（ kg） 15 鉆孔能力（ mm） 10 銑削能力（ cm3/min） 80 23 圖 2-5 總體結構布局示意圖 2.5 小結 本章對刀庫的設計方案進行了分析、比較，確定 了較合理的總體設計方案。還確定了主要技術參。 24 3 刀庫的設計 刀庫是加工中心的象征，是加工中心區別于 NC 鏜床和 NC 銑床的本質所在，因此來說，刀庫的設計是加工中心設計的核心。由于作者所要設計的加工中心是一個主要用來加工中小批量電子元件等小型零件的小型加工中心，在滿足加工要求，經濟實用的條件下，應盡量使加工中心的結構緊湊，減小加工中心的外形輪廓尺寸，刀庫在滿足使用要求的前提下，盡量結構使其簡單緊湊，易制造，從而降低生產加工中心的成本。 3.1 刀庫的結構設計 在總體設計方案中已確定：自動換刀系統采用無機械手換刀，且刀庫置于立柱側面的橫梁上。刀庫在橫梁上的移動采用滾珠絲杠傳動和快速移動電機。采用盤型刀庫，由槽輪機構實現回轉、分度和轉位，由交流伺服電機驅動。刀庫的結構設計從以下幾個方面進行。 3.1.1 刀庫主要參數的確定 1.刀庫容量 本加工中心主要用來加工小型零件或多孔零件上的小孔和小平面，所以刀庫上主要安裝一些孔加工刀具（如鉆頭、擴孔鉆等）和加工小平面的立銑刀及小直徑的面銑刀；同時又考慮到所選用電 主軸軸端的尺寸及刀盤直徑等的限制；再考慮到主要用于中小批生產及教學實驗等，刀具的品種不宜過多，以免造成不必要的浪費和刀庫尺寸過大，采用 12 把刀。 2.刀具最大直徑和長度 立銑刀的最大直徑定為 40mm,鉆頭的最大直徑定為 10mm,最大工作部分長度定為 150mm. 3.刀具最大重量為 1kg. 4.刀具最大運動線速度為 22m/min 30m/min. 3.1.2 刀盤部分的設計 25 1.刀盤尺寸的確定 刀盤采用輪輻式結構， 這樣既能滿足使用的要求，又能保證刀盤的強度。在整個設計的過程中要保證各個尺寸在換刀過程不發生干涉即可，刀盤直徑為 720mm,其他尺寸見刀盤零件圖。 2.刀爪尺寸的設計 刀爪的外型尺寸根據 30 號刀柄設計。 3.1.3 刀庫轉動定位機構的設計 1.刀庫轉動定位機構的選擇 目前圓盤式刀庫大多采用的是單頭雙導程蝸輪蝸桿傳動，此傳動機構在使用中可隨時調整蝸輪蝸桿的傳動間隙，實現準確的轉位分度，保證刀庫工作的可靠性，但此傳動機構較復雜，而且單頭雙導 程蝸輪和蝸桿的加工較困難。 槽輪機構具有沖擊小，工作平穩性較高，機械效率高，可以在較高轉速下工作，且結構簡單，易制造等優點，在目前生產的鼓輪式刀庫的加工中心機床上很多采用槽輪機構來驅動刀庫的分度回轉運動。因此本設計采用槽輪機構，來實現刀庫的轉動、分度和定位。但此機構定位精度不夠高，為提高其定位精度可采用帶制動器和交流伺服電機，從而可保證較高的定位精度。 2.槽輪機構的工作原理 槽輪機構（又稱馬耳他機構）能把主軸的勻速連續運動轉換為從動軸的周期性間歇運動，常用于各種分度轉 位機構中。槽輪機構又三種基本類型：外嚙合槽輪機構、內嚙合槽輪機構和球面槽輪機構。此刀庫采用外嚙合槽輪機構。外嚙合槽輪機構的工作原理如圖 3-1 所示。 外嚙合槽輪機構的轉臂回轉軸線與槽輪回轉軸線平行，通常轉臂作等速回轉，當轉臂上的滾子進入槽中，就撥動槽輪作反向轉位運動，當滾子從槽中脫出，槽輪即靜止不動，并由鎖止盤定位。當只有一個滾子時，轉臂轉一周，槽輪作轉一個角度的步進運動，從而實現轉位、分度和定位。 26 圖 3-1 槽輪機構圖 槽輪機構的設計 1）槽數 Z 因刀庫容量為 12 把刀，所以 槽輪槽數 Z=12 2）槽間角 2 2 360 / Z 360 /12=30 3）槽輪每次轉位時曲柄的轉角 2 1 2 1=180-2 =150 4) 槽輪與鎖止盤間的中心距 L 為了使轉為定位機構的結構緊湊，采用 L 360mm 。 5）主動曲柄長度 R1 R1=LSin =360Sin15.5 =93mm 6）槽輪半徑 R2 R2=LCos =360Cos15.5 =348mm 7）圓銷半徑 r r=R1/6=93/6=15.5mm 8) 槽底高 b b=L-(R1+r) -(3 5)=248mm 9) 槽深 h h=R2-b=348-248=100mm 10) 鎖止弧半徑 R R=R -r -e 式中， e=(0.6 0.8)r ，且必須大于 3 5mm, 取 e=17.5mm,Rx=60mm 根據以上參數可設計出槽輪和鎖止盤的尺寸，如槽輪和鎖止盤的零件圖所示。 27 3.刀庫轉動電機的選擇 刀庫的回轉驅動電機的選擇時，須考慮由摩擦引起的負載轉據和各負載的轉動慣量。 1）負載的轉動慣量 J LC 和刀庫系統 轉動慣量 J C J LC= J i (ni/nm) JC=Jmc+JLC 式中 Ji 各旋轉件的轉動慣量， kgm ； ni 各旋轉件的轉速， r/min； Jmc 電機的轉動慣量， kgm ； nmc 電機的轉速， r/min。 JLC= (J DP +J Z +J CL+J SP ) nc/ nmc 式中 J DP、 J Z、 J CL、 J SP 分別為刀盤、軸、槽輪和鎖止盤的轉動慣量， kgm ； nc 刀盤的轉速， r/min。 JDP=（ /32） 7.810 D 4 DP LDP 式中 DDP 刀盤直徑， mm； LDP 刀盤厚度， mm。 JDP=（ /32） 7.8 10（ 210 4 -8 30 4 -244 ） 10 148 104 kgm 同理可求得： Jz 2.16 10 4 kgm J CL 17.3 10 4 kgm J SP 5.2 10 4 kgm nc=(V 1000)/ DDP 24.5r / min nmc =3000r/min J CL 1.4 10 kgm J mC J CL/3 0.45 10-4 kgm 初選電機為 MQMA042A1D，其額定轉矩為 1.3Nm，最大轉矩為 3.82 Nm， 轉動慣量為 0.64 10 4 kgm 。 28 J C = J mC + J CL =0.64 + 1.4 = 2.0410 4 kgm 2）摩擦引起的負載轉矩計算 由重力產生的摩擦力矩 T FC（ Nm） TFC G C R SP 式中 槽輪和鎖止盤間摩擦系數，取 0.15 G C 刀盤、軸、槽輪等的重量， N； G C = 25.6 +12.6 + 9.8 + 8 +16 = 72N R SP 滾子中心到鎖止盤中心的距離， 31mm， TFC 0.15 72 31 10 = 0.335Nm 0.335Nm 1.3Nm(電機的額定轉矩 ),符合要求。 3）最大加速轉矩 T cam 當電機從靜止升至 n max 時 T cam= J C (2nc max/60tCa) 式中 n cmax 電機最高轉速， 3000r/min； t ca 加速時間 (s) 取 0.2s T cam=2.04 10 4 (23000/60 0.2) 0.32Kgm=3.2Nm 4)電機的最大啟動轉矩 TCr=Tcam+TFC Tcr=3.2+0.335=3.535Nm TCr=3.535 3.82Nm(電機的最大轉矩 )，符合要求。 最終確定電機型號為 MQMA042A1D，其輸出功率為 400W 。相應的伺服驅動器選 擇與電機相匹配的 MQMA043A1A 型號。 3.1.4 軸的設計 軸是機械設備中的重要零件之一 .其主要功能是支承作回轉運動的零件 ,并傳遞運動和動力 .根據軸的受力情況不同 ,可把軸分成心軸、轉軸和傳動軸 3 種 .軸的常用材料軸的材料主要采用碳素 鋼和合金鋼 ,常用材料為優質中碳鋼 ,如 35、45、 50 鋼，這里選取 45 鋼為材料 . 軸的結構設計軸的合理外形應滿足 :軸和裝在軸上的零件要有準確的工作位 29 置 ；軸上的零件應便于裝拆和調整 ；軸應具有良好的制造工藝性 .影響軸結構的主要因素包括 :軸的受力性質、大小、方向及分布情況；軸上零件的布置和固定形式；所采用的軸承類型和尺寸；軸的加工工藝等 .）軸的強度計算 由于功率 P=400W 已知 ,轉速 n =250r/min,取 0.5,A 取 110, 取 35MPa, 則軸徑 d A np/ d 110 250/400 = 128.7mm 式中 d-計算剖面處軸的直徑（ mm） ； P-軸的傳遞功率（ KW）； n-軸的轉速（ r/min） ； 故 d 最小應取 129mm.軸徑取 130mm。 校核軸 轉矩 T=9.55 106 p/n T=95500000.4/250=10186N .mm 式中 p-功率； n 轉速。 圓周力 Ft1=2T1/d1=2 10186/120=1700N； Ft2=2T2/d2=2130822/120=681.4N； Ft3=2T3/d3=620N； 徑向力 Fr1=Ft1tan =1488N； Fr2=Ft2tan =248N； Fr3=Ft3tan=226N. 則由受力分析圖可知： FAy=3687.4N,FAz=1342N, FBy=1020.2N,FBz=372N, 水平面彎矩 Mcx=1342 30=40260N mm； Mdx=226 195=44070N mm； 則 M X = 22 MdxMcx = 22 440702402602 =59691 N mm； 垂直面彎矩 Mcy=3687.4 30=110622 N mm； Mdy=620 195=120900 N mm； 30 則 M X= 22 MdyMcy = 22 2090010622 =21872 N mm； 求當量彎矩 取修正系數為 0.6 M I = 22 T)(Mx = 22 1 0 1 8 6 )( 0 .65 9 6 9 1 2 =52371 N MII = 22 T)(Mx = 22 1 0 1 8 6 )( 0 .62 1 8 7 2 2 =19384 N 確定危險截面及校核強度 I= MI/ W I= MI/ W=52371/0.1 12=14.3 Mpa II= MI/ W=19384/0.1 12=11.6 Mpa 由參考文獻（機械設計手冊）知 s=60 Mpa，滿足 s小于 s 的條件，故設計的軸有足夠的強度，并有一定裕度。因此，此軸不必在做修改 軸的結構和受力分析如圖（ 3-2）所示： 圖 3-2-1 31 圖 3-2-2 軸的 結構和受力分析 3.1.5 滾動軸承的選擇計算 1 滾動軸承的類型選擇 : 選取向心球軸承原則 : 軸承負荷 軸承的轉速 調心性能 安裝與拆卸 這里選取軸承代號為 3182124 的雙列向心短圓柱滾子軸承 基本額定動載荷為 255KN； 2 滾動軸承的計算 32 滾動軸承疲勞壽命的基本計算公式為 : L10=(C/P) 其中 -壽命系數 ； 球軸承 =3,滾子軸承 =10/3； P-當量東載荷 (N)； C-基本額定動負荷 (N)； 因 P=X Fr+Y Fa，又 Fa =0，故 P=1488 1=1488N, 其中 X、 Y 由表 3-89 選的， X=1， Y=0； C=Cr=22KN, =3, 故其疲勞壽命 L10=(22 10/1488) =3.2 10 10 10r； 或由公式 L10h=10 10/60n (C/P) 得 L10h=10 10/60 122 (22 10/1488) 441518h 因為所設計軸的強度裕度不大，此軸不必在做修改 3.1.6 鍵的選用與計算 因為鍵是動聯接，所以選用普通的平鍵 軸上鍵的選擇 由參考文獻（機械設計基礎課程設計）知： 鍵的寬度 b=28 ,高 h=16 ，長 L=50 驗算鍵的強度 鍵的強度公式為： fy=2T/ dkL fy=2T/ dkL=2 4600/15350=11.4 Mpa 由參考文獻（機械設計）知： fy = 100Mpa 即 fy=11.4Mpa fy = 100Mpa 鍵的強度足夠 3.1.7 刀庫的支承部分的設計 刀庫的支承部分包括刀庫箱體、箱 蓋、軸、軸承、軸承套等，見圖 3-3 刀庫總裝圖。各部分的具體結構尺寸見其零件圖。 刀庫主要由刀盤部件 1、軸承 2、軸承套 3、軸 4、箱蓋 5、滾子 6、 鎖止盤 7、電機 8、槽輪 9、箱體 10 和一些連接螺釘、螺母、銷、鍵等組成。 33 圖 3-3 刀庫總裝圖 3.2 刀庫移動部分的設計 3.2.1 刀庫支承橫梁和導軌的設計 橫梁支撐著刀庫的整個重量，因此，它的強度和剛度要求較高。且為了實現刀庫的移動，在橫梁上要設計可使刀庫移動的導軌，根據床身的整體高度及立柱的形狀來考慮，橫梁的端面與立柱的聯接斷面應成長方形長、寬分別定為 240mm、 180mm。此連接處的面板厚度為 30mm 與立柱用 6 個直徑為 25mm 的螺栓來連接，由兩個 16mm 的圓柱銷定位，在裝配時配作。 在整個設計過程中，因刀庫的行程 160mm，再加上滑臺的尺寸和刀盤尺寸等，靜導軌的總長度定為 480mm，兩端可各裝一減振器，目的是為了消除滑臺到兩端時的沖擊力。考慮刀庫移動電機和絲杠的安裝尺寸等，靜導軌的高度定為 130mm，寬度定為 192mm，其它尺寸見橫梁零件圖。考慮到刀庫支承部分的尺寸，滑座和動導軌的長度定為 140mm，考慮靜導軌的寬度和刀庫支承部分在該 34 方向的尺寸滑座的寬度定為 240mm，滑座的高度定為 50mm。 為了減輕它自身的重量，將其鑄造成中空的。同時，為了加強它的剛度，還設有加強肋板。導軌的形式有滑動導軌和滾動導軌兩種形式。此處，僅設計滑動導軌，滑動導軌采用雙矩形 形式的整體 HT300 鑄鐵導軌，并采用中頻淬火，淬火后的硬度為 50 55HRC。 導軌的精度要求為：平面度為 0.015mm，長方向的直線度為 0.01mm，側導向面的直線度為 0.015mm，側導向面之間的平行度為 0.015mm，側導向面對導軌底面的垂直度為 0.01mm，導軌面對橫梁安裝基面的垂直度為 0.01mm。 3.2.2 刀庫移動絲杠和電機的選擇 要實現刀庫的移動，采用滾珠絲杠和快速移動電機驅動。前者速度高，傳動平穩，且定位精度高。后者結構簡單，安裝方便，傳動平穩， 但定位精度較低，還需專門的液壓系統。該加工中心采用滾珠絲杠和交流伺服電機驅動方式。 1刀庫移動絲杠 刀庫移動絲杠的選取和 X Y 向進給系統絲杠選取類似，計算不再贅述。選取滾動絲杠副型號為 FFB2505 2 P3/385 215，各部分的結構尺寸見橫梁滾珠絲杠零件圖。支承方式采用兩端固定，兩端各采用一角接觸球軸承 7602020TVP。 2. 伺服電機 伺服電機的選擇計算方法同 X Y 向進給系統電機類似，計算不再贅