BT40X16斗笠式刀庫的研究畢業設計說明書 畢業設計說明書 設計題目:BT40X16斗笠式刀庫的研究與設計 姓 名 學 號 院 系 機械工程學院 專 業機械設計制造及其自動化 指導教師 2013 年 6 月摘 要 90年代以來,數控加工技術得到迅速的普及及發展,高速加工中心作為新時代數控機床的代表,已在機床領域廣泛使用。自動換刀刀庫的發展儼然已超越其為數控加工中心配套的角色,在其特有的技術領域中發展出符合機床高精度、高效率、高可靠度及多任務復合等概念的獨特產品。刀庫作為加工中心最重要的部分之一,它的發展也直接決定了加工中心的發展。 斗笠式刀庫一般只能存1624把刀具,斗笠式刀庫在換刀時整個刀庫向主軸移動。當主軸上的刀具進入刀庫的卡槽時,主軸向上移動脫離刀具,這時刀庫轉動。當要換的刀具對正主軸正下方時主軸下移,使刀具進入主軸錐孔內,夾緊刀具后,刀庫退回原來的位置。關鍵詞:數控加工中心,斗笠式刀庫ABSTRACT Since the 1990s, CNC machining technology made the rapid and universal development, as a new era of the representatives of NC machine tools, High-speed processing center has been widely used in the field of machine tools. The development of automatic Tool Change,s tool house in recent years seems to have gone beyond the NC Center for supporting the role of technology in their unique areas of development to meet the high-precision machine tools, high efficiency and reliability, and more complex tasks, such as the concept of unique productsThe tool house as a processing center one of the most important part, it has a direct bearing on the development of the processing centers development. Rain hat type knife library normally only save 16 to 24 knife sword rain hat type, change cutters in the library in the sword to the spindle mobile library. Rain hat type knife library normally only save 16 to 24 knife sword rain hat type, change cutters in the library in the sword to the spindle mobile when spindle library on the library card slot cutter into the knife, spindle, when moving upwards from cutter knife library rotation. When to change tool to align the spindle, when spindle moves directly into the spindle cone hole cutter, clamping tool, return the original position knife library. Keywords: CNC processing center, rain hat type knife library摘 要I1緒 論11.1 數控機床概述11.1.1 數控機床的概念11.1.2 數控機床的組成11.1.3 數控機床的工作原理11.1.4 數控機床的特點11.1.5 數控機床的發展11.2 數控銑床分類21.2.1 數控立式銑床21.2.2 數控臥式銑床21.2.3 萬能數控銑床21.2.4 龍門式數控銑床21.3 數控銑床的功能及加工對象21.4 加工中心知識31.5 自動換刀裝置與刀庫31.5.1 自動換刀裝置31.5.2 刀庫類型41.6 本章小結72 總體方案82.1 數控立式升降臺銑床的組成及主要技術參數82.2 可能的方案比較及最終選擇方案92.3 斗笠式刀庫結構組成及工作原理10刀庫橫移裝置的設計:102.5 本章小結113 斗笠式刀庫設計123.1 刀庫容量的確定123.2 氣缸設計和選擇123.2.1 氣缸的選擇要點123.2.2 氣缸初選133.2.3 驅動力校核133.2.4 活塞桿穩定性校核143.2.5 缸筒壁厚計算153.2.6 耗氣量及刀庫橫移運動時間的計算163.3刀庫驅動轉矩的估算163.3.1 刀庫分度機構的傳動設計及計算163.3.2 旋轉部件轉動慣量計算183.3.3 刀庫驅動轉矩計算183.4減速電動機的選擇183.5 刀庫驅動轉矩的校核193.6 換刀過程總時間的計算與校核193.7 刀具的選擇方式203.8 刀具交換裝置的選擇203.9 電氣元件的選擇213.9.1 氣缸磁環開關213.9.2 馬達定位感應開關223.9.3 刀號計數器開關223.10本章小結224 重要零部件的設計234.1 聯軸器234.1.1 聯軸器的選擇234.1.2 聯軸器校核234.2 刀夾234.2.1 刀夾作用234.2.2 刀夾工作原理244.3 本章小結24結論25致謝26參考文獻281緒 論1.1 數控機床概述1.1.1 數控機床的概念 數字控制是利用數字化信息對機械運動以及加工過程進行控制的一種方法,簡稱數控(Numerical Control,NC)。數控機床是指采用了數控技術進行控制的機床,或者說是裝備了數控系統的機床,也稱作為NC機床。由于現代數控系統是通過計算機進行控制的,因此,數控機床又稱為CNC機床。1.1.2 數控機床的組成 數控機床主要由數控系統、伺服系統、程序載體、輸入輸出裝置、強電控制裝置、輔助裝置和機床主體組成。輸入數控裝置的程序指令記錄在信息載體上,由程序讀入裝置接收,或由數控裝置的鍵盤直接手動輸入。1.1.3 數控機床的工作原理 數控機床在加工工藝與表面成形方法上與普通機床基本相同,在實現自動控制的原理和方法上有很大的區別。數控機床是利用數字化信息來實現自動控制的。先將與加工零件有關的信息,即工件與刀具相對運動軌跡的尺寸參數、切削用量以及各種輔助操作等的加工信息,用規定的文字、數字和符號組成代碼,按一定的格式編寫成加工程序,然后將加工程序輸入數控裝置。經過數控裝置的處理、運算,按坐標軸的移動分量送到各軸的驅動電路,經轉換放大,用于伺服電動機的驅動,帶動各軸轉動,并進行反饋控制,使刀具、工件以及其他輔助裝置嚴格按照程序規定的順序、軌跡和參數有條不紊的動作,從而加工出所需的零件。1.1.4 數控機床的特點 數控機床具有廣泛的適應性,加工對象改變時只需要改變輸入的程序指令;加工性能比一般自動機床高,可以精確加工復雜型面,因而適合于加工中小批量、改型頻繁、精度要求高、形狀又較復雜的工件,并能獲得良好的經濟效果。1.1.5 數控機床的發展 隨著數控技術的發展,采用數控系統的機床品種日益增多,有車床、銑床、鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機床和電火花加工機床等。此外還有能自動換刀、一次裝卡進行多工序加工的加工中心、車削中心等。 未來數控機床的類型將更加多樣化,多工序集中加工的數控機床品種越來越多;激光加工等技術將應用在切削加工機床上,從而擴大多工序集中的工藝范圍;數控機床的自動化程度更加提高,并具有多種監控功能,從而形成一個柔性制造單元,更加便于納入高度自動化的柔性制造系統中。1.2 數控銑床分類1.2.1 數控立式銑床 這類銑床一般用于加工盤、套、板類零件,工件一次裝夾后,可對其表面上進行銑、鉆、擴、锪、攻螺紋等以及側面的輪廓加工。因此,這類銑床是數控銑床中數量最多的一種,應用范圍也最為廣泛。從機床數控系統控制的坐標數量來看,目前三坐標數控立式銑床仍占大多數。一般可進行三坐標聯動加工,但也有部分機床只能進行三坐標中的任意二個坐標聯動加工。此外,還有機床主軸可以繞X、Y、Z坐標軸中其中一個或兩個軸作數控擺角運動的四坐標和五坐標數控立式銑床。一般來說,機床控制的坐標軸越多,特別是要求聯動的坐標軸越多,機床的功能、加工范圍及可選擇的加工對象也越多。但隨之而來的是機床的結構更復雜,對數控系統的要求更高,編程的難度更大,設備的價格也更高。1.2.2 數控臥式銑床 這類數控銑床一般都帶有回轉工作臺,工件一次裝夾后可完成除安裝面和頂面以外的其余四個面的各種工序加工,適宜于箱體類零件加工。與通用臥式銑床相同,其主軸平行于水平面。為了擴大加工范圍和擴大功能,臥式數控銑床通常采用增加數控轉盤或萬能數控轉盤來實現4、5坐標加工,這樣,不但工件側面上的連續回轉輪廓可以加工出來,而且可以實現在一次安裝中,通過轉盤改變工位,進行“四面加工”,可以省去許多專用夾具或專用角度成型銑刀。 1.2.3 萬能數控銑床 這類銑床主軸可以旋轉90o或回轉工作臺帶著工件旋轉90o,一次裝夾后,可以完成對工件五個表面的加工。其使用范圍更廣,功能更全,選擇加工的對象和余地更大,給用戶帶來了很多方便,特別是當生產批量小,品種較多,又需要立臥兩種方式加工時,用戶只需買一臺這樣的機床就行了。 1.2.4 龍門式數控銑床 這類數控銑床主軸可以在龍門架的橫向和豎直方向溜板上運動,而龍門架則沿床身作縱向運動。嚴格說來,這類數控銑床屬于立式數控銑床,因要考慮到擴大行程,縮小占地面積及剛性等技術問題,所以往往采用龍門架移動式,故而這類數控銑床被稱之為龍門數控銑床。主要用于大型零件的加工。1.3 數控銑床的功能及加工對象 數控銑床的功能分為一般功能和特殊功能。一般功能是指各類數控銑床普遍所具有的功能。如點位控制功能、刀具半徑自動補償功能、鏡象加工功能、 固定循環功能等。特殊功能是指數控銑床在增加了某些特殊裝置或附件后,分別具有或兼備的一些特殊功能。如刀具長度補償功能、靠模加工功能、自動變換工作臺功能、自適應功能、數控采集功能等。 在使用數控銑床加工工件時,只要充分利用數控銑床的各種功能,就可以加工許多普通銑床難加工的工件。數控銑床的主要加工對象有:平面類零件;變斜角類零件;曲面類(立體類)零件。1.4 加工中心知識 加工中心(CNC MACHINING CENTER)又稱多工序自動換刀數控機床,是當今世界上產量最大,在現代制造業中最廣泛應用的一種功能較全的金屬切削加工設備。 加工中心綜合了現代控制技術、計算機應用技術、精密測量技術以及機床設計與制造等方面的最新成就,具有較高的科技含量。與普通機床相比,它簡化了機械結構,加強了數字控制化功能,成為眾多數控加工設備的典型。 加工中心的突出特征是設置有刀庫,刀庫中存放著各種刀具或檢具,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。1.5 自動換刀裝置與刀庫1.5.1 自動換刀裝置在零件制造過程中,大量的時間用于更換刀具,切削加工時間僅占整個工時中較小的比例。為了縮短非切削時間,提高機床的自動化程度,機床正朝著一臺機床在一次裝夾中完成多工序的方向發展。在這類多工序的數控機床中,必須帶有自動換刀裝置。自動換刀裝置的功能就是儲備一定數量的刀具并完成刀具的自動交換。它應當滿足換刀時間短、刀具重復定位精度高、刀具儲存量足夠、結構緊湊及安全可靠等要求。各類數控機床的自動換刀裝置的結構取決于機床的型式、工藝范圍及刀具的種類和數量等。這種裝置主要可以分為以下幾種形式: (1回轉刀架換刀形式數控車床使用的回轉刀架是一種簡單的自動換刀裝置。根據不同加工對象,可以設計成四方和六角刀架或其他等多種形式。回轉刀架上分別安裝著四把、六把或更多的刀具,并按數控裝置的指令轉位換刀。回轉刀架在結構上必須有良好的強度和剛性,以及合理的定位結構,以保證回轉刀架在每一次轉位之后具有盡可能高的重復定位精度。 (2更換主軸頭換刀形式在帶有旋轉刀具的數控機床中,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,而且常用轉塔的轉位來更換主軸頭以實現自動換刀。各個主軸頭上預先裝有各工序加工所需要的旋轉刀具,當收到換刀指令時,各主軸頭依次地轉到加工位置,并接通主運動使相應的主軸帶動刀具旋轉,而其他處于不加工位置上的主軸都與主運動脫開。 (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控機床上的應用最為廣泛。帶刀庫的自動換刀裝置的數控機床主軸箱和轉塔主軸頭相比較,由于主軸箱內只有一個主軸,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,可明顯提高數控機床的適應性和加工效率。 1.5.2 刀庫類型 根據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1.1 盤式刀庫 此刀庫結構簡單,應用較多。如圖1.1所示,由于刀庫呈環形排列,空間利用率低,因此出現了刀具在盤中進行雙環和多環排列,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。鏈式刀庫如圖1.2所示,此鐘刀庫結構緊湊,刀庫容量較大,鏈環的形狀可根據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。圖1.2 鏈式刀庫(3)格子箱式刀庫 如圖1.3所示,該種刀庫結構緊湊,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。1.6 本章小結 本章主要介紹了數控機床的概念、組成,工作原理、特點、發展,數控銑床的分類并把立式升降臺銑床的組成、主要技術參數一一列舉,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2.1 數控立式升降臺銑床的組成及主要技術參數 下圖為數控立式升降臺銑床外觀圖:圖2.1 數控立式升降臺銑床外觀圖 數控立式升降臺銑床主要由機床床身、機床數控系統、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。 數控立式升降臺銑床的主要技術參數有:(1工作臺參數: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、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、主軸轉速范圍、主軸轉速級數;(4)進給精度:X軸、Y軸、Z軸最小設定單位、位置檢測方式;(5)驅動電機:主軸電動機功率、X軸、Y軸、Z軸電動機轉矩;(6)一般規格:外形尺寸。2.2 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運動地轉化為可控的直線運動,使刀庫沿著導軌軸作橫向往復移動。這一運動轉換是通過一種正弦機構來完成的。在這一機構中,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動轉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,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。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來實現。其工作原理如下:刀盤與蝸輪同軸固定連接,電動機通過聯軸器與蝸桿固定連接,這樣就可以通過蝸輪蝸桿機構的傳動來實現刀盤的旋轉運動,完成選刀工作。這種機構可以較好的實現選到工作,蝸輪蝸桿機構可以將電動機的高轉速轉化成刀盤的低轉速旋轉運動。但是,這種機構所占用的空間較大,一般用在臥式數控機床上更為合適。而且傳動經過蝸輪蝸桿,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。 另一種是通過經典的槽輪機構(即馬氏機構)來實現的的。它具有結構簡單、外形尺寸小、機械效率高,以及能較平穩地、間歇地進行轉位等優點。電機通過聯軸器與定位法蘭連接,定位法蘭上安裝有可旋轉的滾子,通過定位法蘭的旋轉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動,實現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來實現。2.3 斗笠式刀庫結構組成及工作原理 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來實現的。如圖2.2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上裝有兩個磁環開關,當左端磁環開關亮時,氣缸處于原始狀態;當右端磁環開關亮時,氣缸處于推出信號狀態,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2.2所示,由電機6、連接軸5、法蘭盤3,刀庫鼓輪1、分度盤4、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4、刀庫鼓輪1的回轉軸線平行。刀庫選刀時,首先由刀庫回轉電機得到旋轉指令,連接軸5通過軸套帶動法蘭盤3旋轉,從而使在法蘭盤3上的圓柱滾子2繞法蘭中心轉動;當圓柱滾子2轉動一定角度,進入分度盤4的分度槽中,撥動分度盤4開始作轉位運動;當分度盤4轉過一定的角度后,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動)即靜止不動。 法蘭盤3每回轉一圈,就驅動分度盤4轉過一個槽。電機是連續勻速運動的,從而帶動法蘭盤3與圓柱滾子2連續勻速轉動。但圓柱滾子2是間斷性的轉入分度槽的,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的分度槽數與刀庫鼓輪1上的刀數一致。法蘭盤3不斷回轉,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,從而將下一個工序所需刀具的刀位轉到換刀位置上,以便讓主軸進行換刀,實現刀庫的自動換刀。2.4 斗笠式刀庫主要技術參數斗笠式刀庫技術參數表主軸鼻端BT40刀庫規格斗笠BT400刀具容量16馬達規格M6IK200-A刀具換刀時間8Sec氣缸規格63290行程氣壓管線8氣動壓力0.50.6Mpa刀具最大長度250mm刀具最大重量8Kg刀具最大外徑100mm(滿刀狀態;150(臨空刀狀態2.5 本章小結 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參數表則是規定了所要設計刀庫的基本要求。3 斗笠式刀庫設計3.1 刀庫容量的確定 在確定刀庫容量時,要進行大量的分析調查,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3.1為刀庫容量與機床能加工工件的比率統計曲線。 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時間。對圖3-1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。3.2 氣缸設計和選擇3.2.1 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;如需在回轉中輸出直線往復運動,可采用回轉氣缸。本設計采用軸向支座前法蘭的安裝形式。 (2)輸出力大小 根據工件機構所需力的大小,考慮氣缸載荷率確定活塞桿上的推力與壓力,從而確定氣缸內徑。氣缸由于其工作壓力較小(0.50.6Mpa),一般在10000N以內,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,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的行程有關。多數情況下不應使用滿行程,要在計算行程基礎上追加1020mm,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動的工件機構的需要來決定。要求速度緩慢平穩時,宜采用氣液阻尼缸或采用節流調速。本設計因為是水平安裝推力載荷,所以采用排氣節流。3.2.2 氣缸初選 初選氣缸類型為10A-5系列氣缸,氣缸內徑D,活塞桿直徑d,氣缸行程L290,氣源氣壓p0.5Mpa,工作頻率較高,載荷率取0.3。3.2.3 驅動力校核向左推力P d2p6320.50.3N 467N 向右拉力Q (D2-d2)p(632-252)0.50.3N 394N估計刀庫總重量M70Kg,則橫向往復運動所需的驅動力F Mg0.17010N70N其中,是導軌摩擦系數,取0.1;g是重力加速度,取10N/Kg。 PF且QF,所以驅動力方面滿足設計要求3.2.4 活塞桿穩定性校核活塞桿穩定性條件:P?Fk/n其中,Fk為氣缸的縱向彎曲極限力,n為壓桿穩定安全系數,n取4 當細長比L1/K?85時,Fk m2EI/L12 ; 當細長比L1/K?85時, Fk 其中, L1為活塞桿的計算長度,L1443; E為活塞桿材料的彈性模量,取2.11011Pa; K為活塞桿橫截面回轉半徑, 實心桿 K d/4 2 5/4 6.25,其中,I為活塞桿斷面慣性矩,實心桿Id4/64; A為活塞桿截面積,Ad2/4; m為系數,查氣壓傳動手冊表24.2-6,因為連接方式是固定-固定連接,所以m1; f為材料強度實驗值,對于鋼取49107Pa; a為系數,a取1/5000;因為L1/K 4434/2571?85,所以 Fk 1.2105 N Fk /n 3104N ? P467; 當極限力Fk ? Tn: L 20m ;故活塞桿的穩壁筒性滿足條件。3.2.5 缸筒壁厚計算 缸筒直接承受壓力,需要有一定厚度。由于一般氣缸缸筒壁厚與內徑之比/D?1/10,所以通常按薄壁筒公式計算 0.24其中,Pt為氣缸實驗壓力,一般為1.5p,即0.75Mpa; D為氣缸內徑;為缸筒材料許用應力100Mpa; 通常計算出的缸筒壁徑都較小,但考慮到機械加工,缸筒兩端要安裝缸蓋等需要,往往是將缸筒壁厚適當加厚,應盡量選用標準內徑和壁厚的鋼管和鋁合金管。本設計使用10A-5系列氣缸標準,氣缸壁厚4mm。3.2.6 耗氣量及刀庫橫移運動時間的計算 一個氣缸耗氣量與其直徑、行程、缸的動作時間以及換向閥到氣缸導氣管道的容積等有關。在實際應用中,從換向閥到氣缸導氣管道容積與氣缸容積相比往往很小,可以忽略不計。本氣缸屬于有活塞桿腔工作的情況,那么氣缸單位時間壓縮空氣耗氣量可按下式計算 qv qv2 10-9 m3/s 3.8110-4 m3/s其中,s為氣缸的行程; t2為刀庫右移運動時所需的時間,設定為2Sec;則刀庫左移運動時所需的時間t1 D2s/qv1 632290/381000 2.37 Sec因此,刀庫橫移運動的總時間為T1 t1+t24.37Sec。3.3刀庫驅動轉矩的估算3.3.1 刀庫分度機構的傳動設計及計算下圖為傳動設計效果圖:圖3.2 刀庫分度裝置實物效果圖 刀庫在換刀前,首先需要選刀。選刀的過程,就是使刀庫輪轂滿足一個周向間歇運動,也就是分度盤在分度過程中,轉位開始與轉位結束位置上的瞬時角速度0。在圖3.3中得出,為了使圓柱滾子能順利進入和脫出分度盤上的徑向槽,在槽口的瞬時位置時,必須使轉臂中心線PQ與分度槽的中心線OQ相垂直,即OQP90。在圓柱滾子從進入至脫離徑向槽的過程中,這位法蘭的轉動角度為162,而刀盤轉動的角度則為18。設電機負載時,法蘭盤上的滾子以1的角速度轉動,轉速為n1,此時分度盤以3的角速度轉動,轉速為n3;而電機空轉時以n21.25n1轉動,在滾子撥動分度盤一次的一個周期內的分度時間為t1,間歇時間為t2。圖3.3 刀庫分度裝置運動分析簡圖 t1 16260/360n1 ; t2 19860/360n2 ; t總 t1 + t2 ; 本設計刀庫最大刀容量為20,分度槽數量亦為20,選刀時分度盤按最近原則選刀,選到最遠處刀具所需的時間為T2 令T2為3秒);則 T2 10 t總 3 Sec ;綜合以上各式并代入數據可得, n1 178 r/min,t 1 0.152 ; 1 2n1/6018.6 rad/s ; 圓柱滾子從進入至脫離徑向槽這個過程,定位法蘭的轉角為21162,分度盤的轉角為232/z18,(z為分度盤的槽數)。在直角三角形PQO中,根據正切函數,3arctansin1/1-cos1 ,式中R1/asin3。分度機構在轉位過程中,定位法蘭以勻角速度1轉動,分度盤以角速度3反向轉動,分度盤每次分度轉過的角度與槽數z有嚴格的對應關系(232/z),分度盤的角速度3為3對時間的導數: 3= 分度盤的角加速度為:= 代入數據得,=-54.8 rad/s2 。3.3.2 旋轉部件轉動慣量計算 刀具最大重量為8Kg; 分度盤與刀庫輪轂質量估計為15Kg; 刀盤及圓盤罩蓋等總質量估計為7Kg; 故刀庫旋轉部件的總質量M30Kg; 將整個旋轉部件等效為質量均勻、半徑R為300mm的圓盤,則其轉動慣量 J 0.5MR2 1.35 Kg?m2;3.3.3 刀庫驅動轉矩計算 T J1.3554.8Nm 74 Nm3.4減速電動機的選擇 法蘭盤的轉速為n1 178 r/min,轉速較低,故需使用減速電機; 在分度盤轉位過程中,分度盤的平均角速度2n/60 ,t1 18/180 0.152; 可得到轉位過程中,分度盤的平均轉速n 19.7 r/min; 分度盤所需的驅動功率Pmin 0.153 Kw;Tmin 8.2 Nm ;所選減速電機的輸出許用轉矩T應該大于Tmiin 。根據所需減速電機功率P和應輸出的轉矩T,選擇的減速電機型號為M6IK200A,額定功率為0.2Kw,同步轉速為200 r/min,允許負載為8.6Nm,額定負載情況下,輸出轉速為同步轉速的80%-98%。3.5 刀庫驅動轉矩的校核 刀庫驅動轉矩最小應為 T 74 Nm;電機空轉轉速為n2200 r/min;假設傳動效率為90%,則負載時電機輸出轉速為 n120090% r/min180 r/min;一個周期內的轉位時間為t116260/360n1 0.15 Sec ;一個周期內的電機空轉時間t2 19860/360n2 0.165 Sec;又 32n3/60 ,t1 18/180/ ;故此時分度盤的轉速為n3 20 r/min ;減速電機傳遞到分度盤上的功率為P1 0.2900.18 Kw;減速電機傳遞到分度盤上的轉矩T1 Nm 86 Nm74 Nm;所以,刀庫的驅動轉矩滿足要求。3.6 換刀過程總時間的計算與校核刀庫橫移運動總時間 T1 4.37Sec;分度運動的最大時間 T2 10(t1 + t2 ) 10(0.15 + 0.165)Sec 3.15 Sec;則整個運動過程的總時間 T T1 +T2 4.37 + 3.15 7.52 Sec 8 Sec;故所設計刀庫的換刀時間基本滿足設計要求。3.7 刀具的選擇方式按數控裝置的刀具選擇指令,從刀庫中挑選各工序所需要的刀具的操作稱為自動選刀。常用的刀具選擇方式有順序選刀和任意選刀兩種。(1順序選刀刀具的順序選擇方式是將刀具按預定工序的順序,依次放入刀庫的每一個刀座中,使用時按順序轉到取刀位置并取出所需要的刀具。用過的刀具放回原來的刀座內,也可以按加工順序放入下一個刀座內。采用這種方式的刀庫不需要刀具識別裝置,驅動控制也比較簡單,可直接由刀庫的分度裝置實現。但刀庫中每一把刀具在不同工序中不能重復使用,為了滿足加工需要只有增加刀具的數量和刀庫的容量,這就降低了刀具和刀庫的利用率。此外,裝刀時必須十分謹慎,如果刀具不按順序裝在刀庫中,將會產生嚴重的后果。這種方式適合加工批量較大、工件品種數量較少的中小型加工中心。2任意選刀任意選擇刀具的換刀主要有三種編碼方式:刀套刀座編碼、刀具編碼、記憶編碼附件等方式。刀具編碼或刀套編碼都需要在刀具或刀套安裝用于識別的編碼條,刀具(或刀座)編碼這種方法根據程序指令的要求任意選擇所需要的刀具,刀具在刀庫中不必按照工件加工順序排列,可以任意存放。每把刀具(或刀座)都編上代碼,自動換刀時,刀庫旋轉,每把刀具(或刀座)都經過“刀具識別裝置”接受識別。當某把刀具(或刀座)的代碼與數控指令相符合時,該把刀具被選中,刀庫將刀具送到換到位置,等待機械手來抓取。任意選擇刀具法的優點是刀庫中刀具的排列順序與工作加工順序無關,刀具可重復使用。因此,刀具數量比較順序選擇法少一些,刀庫也相應地簡單些。刀庫選刀方式一般采用就近移動原則,即無論采取哪種選刀方式,在根據程序指令把下工序要用的刀具移到換刀位置時,都要向距離換刀最近的方向移動,以節省選刀時間。已確定刀庫容量為20把刀具,并且存在在加工過程中可能需要重復利用刀具。所以刀具的選擇方式確定為任意選擇刀具。3.8 刀具交換裝置的選擇 刀具交換裝置就是實現刀庫與機床主軸之間裝卸與傳遞刀具的裝置,刀具交換形式主要有以下兩種: 無機械手的換刀用刀庫與機床主軸的相對運動實現刀具交換的裝置,把刀庫放在主軸箱可以運動到的位置,或整個刀庫或某一刀位能移動到主軸箱可以到達的位置刀庫中刀具的存放方向一般與主軸上裝刀方向一致。換刀前,主軸要準停定位;換刀時,由主軸運動到刀庫上的換刀位置,利用主軸直接取走或放回刀具。其優點是結構簡單,成本低,換刀的可靠性較高;缺點是刀庫的容量不多,換刀時間較長,一般需要10-20秒,多用于中、小型加工中心。二 由機械手進行刀具的交換 由機械手進行刀具的交換裝置的主要特點是有很大的靈活性,可以減少換刀時間。在刀庫遠離機床主軸的換刀裝置中除了機械手以外,還必須帶有中間搬運裝置。機械手的形式: 1 單臂單爪回轉式機械手 換刀時間較長。 3 雙臂回轉式機械手 手臂上有兩個卡爪,兩個卡爪可同時抓取刀庫及主軸上的刀具,回轉180后又同時將刀具放回刀庫及裝入主軸。換刀時間較短,是最常用的一種形式。下圖為雙臂機械手最常用的幾種形式: 4 雙機械手 相當于兩個單臂單爪機械手互相配合起來進行自動換刀。 5 雙臂端面夾緊式機械手 本文所設計的刀庫是斗笠式刀庫,多用于中、小型加工中心,故選用無機械手形式的換刀方式。3.9 電氣元件的選擇3.9.1 氣缸磁環開關 在氣缸上安裝磁性開關,當氣缸動作時磁性開關動作,用于檢測氣缸是否工作到位。該開關只有在氣缸具備磁環的情況下才是具備實際的使用價值,其功能是通過檢測運行過程之中活塞上面的磁環來檢測活塞運動位置,檢測后會發送電信號用來確定電磁閥工作通斷的信號。 本氣缸是雙作用氣缸 ,需要在氣缸缸筒兩端的合適位置上安裝兩個磁性開關,而活塞桿上的磁環則是安裝在活塞右側且緊貼著活塞。3.9.2 馬達定位感應開關 馬達定位感應開關的作用是控制電機的停轉,屬于電子式剎車的作用。此開關的選擇主要是因為所選的電機無附加剎車器。3.9.3 刀號計數器開關 刀號計數器開關的作用是通過接觸性傳感器的傳遞信號來進行刀位的計數。當完成所需的刀具轉位時,刀具計數器開關將傳遞一個電信號給數控系統,從而控制電機停止轉動。刀具計數開關安裝在懸吊板上,且與刀庫分度盤接觸。3.10本章小結 本章主要對刀庫的容量、氣缸設計的過程及選擇計算、分度裝置的設計及計算、電機的選擇計算、刀庫驅動轉矩的計算及校核、換刀時間的計算、電氣元件的選擇進行了具體的設計。通過這些內容的介紹,加深了對整個方案設計的理解。4 重要零部件的設計4.1 聯軸器4.1.1 聯軸器的選擇 本文需要用聯軸器來連接電機輸出軸和分度裝置中法蘭盤的連接軸,可選用套筒式聯軸器。套筒聯軸器是一個整體套筒以銷、鍵、花鍵或過盈配合將兩連接軸。他具有徑向尺寸下、結構簡單的優點;適用于輕載、低速的場合。 4.1.2 聯軸器校核 校核公式為 Mc KMp? M ;其中,M為聯軸器公稱轉矩(Nm);Mp為聯軸器的施用轉矩(Nm);K為工作情況因數,取K為1.5;查機械設計手冊表5.1-87可得 所選用聯軸器的公稱轉矩M為16Nm;施用轉矩Mp為8.2Nm, 則Mc KMp 12.3Nm ? M 16Nm;所以所選的聯軸器滿足需求。4.2 刀夾4.2.1 刀夾作用 刀夾是刀庫的重要組成部分,整個換刀過程不僅僅需要刀庫橫移裝置、刀庫分度裝置,更重要的是刀庫與機床主軸之間刀具的交換過程。由于本刀庫是斗笠式刀庫,通常使用的是無機械手換刀,所以合理的刀夾在刀庫更換刀具過程中顯得更為重要。無機械手換刀,刀夾的設計理念要滿足兩個要求:一是在機床主軸靠近刀夾時,要通過合理的機構使刀夾因機床主軸的靠近而松刀;二是在機床主軸遠離刀夾時,刀夾能夠自動復位。正如圖4.1,該鎖緊機構的作用正好滿足這兩個要求。圖4.1 鎖緊機構4.2.2 刀夾工作原理在無刀狀態下,兩刀夾在夾緊彈簧的作用下,驅閉合狀態。當接到換刀指令時,刀庫回轉體將位于其上的空刀夾單元轉至刀庫換刀點,這時位于機床主軸前端的刀具釋放塊跟隨主軸快速移動到刀庫換刀點,在刀具釋放塊的引導斜面作用下,將位于刀庫回轉體上刀夾單元的解鎖銷釘打開,所需換刀的刀具在主軸的夾持下,與主軸一同移動到換刀點。這時兩刀夾在夾緊彈簧的作用下,將刀具夾緊。此時主軸松開刀柄向后移動,與此同時位于刀夾單元后端的解鎖銷釘在鎖刀彈簧 的作用下,將解鎖銷釘上的斜面緊緊推靠在刀夾后端的兩側斜面上,完成鎖刀動作如圖4.1所示。刀庫回轉體將所需要的刀具轉至刀庫換刀點,主軸向前移動,主軸前端的刀具釋放塊將解鎖銷釘打開,同時主軸夾緊刀柄。主軸取到所需要的刀具后,主軸前端的刀具釋放塊跟隨主軸一同向外移動離開刀庫,當刀具釋放塊的引導斜面離開解鎖銷釘時,解鎖銷釘在鎖刀彈簧的作用下回到原位,進行刀具鎖緊,刀庫回轉體轉回刀庫原位,刀庫完成一次換刀循環。4.3 本章小結 本章主要介紹了聯軸器的選擇、校核及刀庫中重要部件刀夾的設計。通過對聯軸器的選擇設計,加深了對機械設計一般步驟的認識;通過對刀夾的設計,加深了對機械原理知識的學習,提高了運用機械機構的組合達到一定目的的能力。結論 本次畢業設計的題目是數控立式升降臺銑床斗笠式自動換刀裝置的設計。本文章闡述的是該斗笠式刀庫的結構、參數的設計計算,刀庫驅動電機的選擇計算,刀庫分度機構相關參數的計算,總體來說,刀庫的傳動結構比較緊湊。本設計中采用的刀庫橫移裝置是氣壓傳動機構,即刀庫滑座與氣缸活塞桿連接,而氣缸則固定在界面支架上;刀庫分度裝置則采用的是經典的槽輪結構。自動換刀的形式是無機械手換刀,刀具選擇方式式是任