毕业设计立式加工中心自动换刀装置说明书

摘要

摘要

90年代以来，数控加工技术得到迅速的普及和发展。加工中心作为新时代数控机床的代表，已在机床领域广泛使用。自动换刀装置作为加工中心最重要的部分之一，它的发展也直接决定了加工中心的发展。本论文完成的是TH5640D型立式加工中心盘式刀库的传动设计、结构设计以及传动部分的动力设计。这种刀库在数控加工中心上应用非常广泛，其换刀过程简单，换刀时间短，定位精度高；总体结构简单、紧凑，动作准确可靠；维护方便，成本低。本刀库减速传动部分采用蜗轮蜗杆减速装置，此种设计方案可提高输出轴的传动平稳性能，即提高刀盘的运转平稳性。刀库传动装置中采用一调整套杯来消除蜗轮蜗杆的传动间隙。本刀库满载装刀20把，采用单环排列方式放置，按就近选刀原则选刀。本次设计中的机械手采用单臂双手式机械手，这种机械手的优点是可以同时完成插刀和拔刀动作，结构简单，换刀时间短。

关键词 立式加工中心；盘式刀库；机械手；自动换刀装置

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**大学本科生毕业设计（论文）

Abstract

Since the 1990s, NC machining technology has got rapid popularization and development. As a new era of machining center, NC machine tools are widely used in the fields of machine tools. As one of the most important part of machining center, the development of Automatic Tool Changer also directly determines the development of machining center. what finished in this paper is drive design, structural design and the power transmission parts design of disc tool magazine in TH5640D vertical machining center. This tool magazine is widely applied in NC machining center. And the process of changing tools is simple, short change time , high precision, simple and compact of structure, reliable, easy maintenanced and low cost. The transmission part of this tool magazine adopts gear reducer. The design of worm gearbox device can improve the stationarity of output shaft, namely, increasing the operation stability and smooth transmission properties of tool magazine.Transmission device of tool magazine adopts a adjusting sleeve to eliminate the transmission clearance of worm.This tool magazine can load 20 cutting tools which are arranged with monocylic and according to the principle of nearby to choose the right tool. The manipulator of this design is the manipulator with one arm and pair of hands.The advantage of this manipulator is that it can complete the action of inserting tool and pulling out the tool at the same time,simple structure and short change time.

Keywords Vertical machining center; Disc tool magazine; Manipulator;

Automatic Tool Changer

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目 录

摘要 ....................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................ II 第1章 绪论 ........................................................................................................ 1

1.1加工中心的定义 ................................................................................... 1 1.2加工中心的发展历程 ........................................................................... 1 1.3加工中心国内外现状 ........................................................................... 2 1.4国产加工中心目前存在的问题及未来发展趋势 ............................... 4 1.5加工中心的分类 ................................................................................... 5 1.6本章小结 ............................................................................................... 6 第2章 加工中心自动换刀装置概述 ................................................................ 7

2.1加工中心自动换刀装置（ATC）形式、特点及各自应用范围 ....... 7 2.2刀库及刀具交换装置 ........................................................................... 8 2.2.1刀库的形式 ................................................................................... 8 2.2.2刀具的选择方式 ........................................................................... 9 2.2.3刀具(刀座)识别装置 .................................................................. 11 2.2.4刀具交换装置 ............................................................................. 17 2.3本章小结 ............................................................................................. 19 第3章 总体方案设计 ...................................................................................... 20

3.1 TH5640D型立式加工中心及其主要参数 ....................................... 20 3.2 TH5640D型立式加工中心自动换刀装置的设计参数 ................... 21 3.3确定TH5640D型立式加工中心自动换刀装置的形式 ................... 21 3.4本章小结 ............................................................................................. 22 第4章 刀库的设计及计算 .............................................................................. 23

4.1 确定刀库容量 .................................................................................... 23 4.2确定刀库形式 ..................................................................................... 23 4.3 初步估计刀库驱动转矩及选定电机 ................................................ 23 4.4刀库转位机构的普通蜗轮蜗杆的相关设计 ..................................... 25 4.5确定刀具的选择方式 ......................................................................... 26

4.6刀库结构设计 ..................................................................................... 26

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4.7本章小结 .............................................................................................. 29 第5章 刀具交换装置的设计 ........................................................................... 30

5.1换刀机械手抓刀部分结构 .................................................................. 30 5.2 机械手传动结构 ................................................................................. 30 5.3 自动换刀装置的动作顺序 ................................................................. 34 5.4 主轴准停装置 ..................................................................................... 35 5.5本章小结 .............................................................................................. 36 第6章 联轴器的选用及计算 ........................................................................... 37 6.1联轴器 .................................................................................................. 37

6.1.1联轴器的分类 .............................................................................. 37 6.1.2联轴器类型的选择 ...................................................................... 37 6.2 联轴器的选用计算 ............................................................................. 38 6.3本章小结 .............................................................................................. 41 结论 ..................................................................................................................... 42 参考文献 ............................................................................................................. 43 致谢 ..................................................................................................................... 45 附录1 .................................................................................................................. 46 附录2 .................................................................................................................. 53 附录3 .................................................................................................................. 58

IV

第1章 绪论

第1章 绪论

1.1加工中心的定义

加工中心（Machining Center,MC）是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床，它是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通信诊断、刀具和编程技术的高科技产品。由于加工中心能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和调整时间，减少工件周转、搬运存放时间，使机床的切削利用率高于通用机床3倍～4倍，所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床。

1.2加工中心的发展历程

1958年，美国卡尼，特雷克（Kearney&Trecker）公司首次把铣、钻、镗等多种工序集中于一台数控机床上，通过换刀方式实现连续加工，成为世界上第一台加工中心。该产品出现后，销路惊人，引起了日、德、美、英、法、意等先进工业国家的高度重视，竞相开发生产，不断扩大和完善机床的功能，成为数控机床中发展最快、需求量最大的商品之一。如今，世界上出现了立式、卧式、龙门式、落地式等各种加工中心，据不完全统计，大约有1000多个品种规格。

未来加工中心的发展动向是高速化、进一步提高精度和愈发完善的机能。加工中心是数控机床的代表，是高新技术集成度高的典型机电一体化机械加工设备，我国的加工中心从70年代开始，已有很大发展，但技术、品种和数量上都还远不能适应我国经济、技术发展的需要。随着我国工业的不断发展，推动了模具制造业、机械加工业的巨大发展，使得数控机床的使用越来越普遍，而加工中心更是以其高自动化程度得到广泛应用。然而，目前市场上生产和销售的都是以大、中型的加工中心为主，小型加工中心几乎是空白，而机械加工业、小型模具的制造、工科院校、技工学校等对小型加工中心存在着大量的需求。为加速我国加工中心的发展，需进一步加强对加工中心的研究、设计、制造和应用。

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图中有5个编码环4，在刀库附近固定一刀具识别装置2，从中伸出几个触针3，触针数量与刀柄上的编码环个数相等。每个触针连一个继电器，当大直径的编码环与触针接触，继电器通电，其数码为“1”。当各继电器读出的 数码与所需刀具的编码一致时，由控制装置发出信号，使刀库停转，等待换刀。接触式刀具识别装置结构简单，但由于使用中触针有磨损，故寿命较短，可靠性较差，且难于快速换刀。

(2)非接触式刀具识别装置 非接触式刀具识别装置无机械接触、无磨损、无噪声、寿命长、反应速度快，适应于高速且换刀频繁的工作场合。常用的有磁性识别法和光电识别法。

①非接触式磁性识别法 磁性识别法是利用磁性材料和非磁性材料磁感应强弱不同，通过感应线圈读取代码。编码环的直径相等，分别由导磁材料(如软钢)和非导磁材料(如黄铜、塑料等)制成，规定前者编码为“1”，后者编码为“0”。图2-6所示为一种用于刀具编码的磁性识别装置。图中刀柄1上装有非导磁材料编码环4和导磁材料编码环2、与编码环对应的有一组检测线圈6组成非接触式识别装置3。在检测线圈6的一次线圈5中输入交流电压时，如编码环为导磁材料，则磁感应较强，在二次线圈7中产生较大的感应电压。如编码环为非导磁材料，则磁感应较弱，在二次线圈中感应的电压较弱。利用感应电压的强弱，就能识别刀具的号码。当编码环的号码与指令刀号相等时，控制电路便发出信号，使刀库停止运转，等待换刀。

刀具编码的识别装置原理如图2-7所示。当数控装置接受穿孔纸带给出的选刀号T代码，由选刀控制电路使刀库快速转动，刀具依次通过识刀器，对应每个刀具的编码环感应出不同的信号，经刀号读出电路将编码环所表示的号码读出，通过输入控制门存入刀号寄存器内，然后送入比较符合电路与数控装置，对已接收的T代码进行比较。若与给定的T代码不一样，则刀库仍继续转动，直到识刀器读出的刀具或刀座编码与T代码一致时，发出选刀符合信号，说明已选中刀具；此时刀库减速、定位、停止，所选刀具停在等待换刀位置。图中延时清零电路用来等待识刀器读完一个编码号后再进行比较识别，以免因读出信号时间上的不一致造成失误。每读完一次编码，延时清零电路经一定延时发出一次消零信号，使刀号寄存器清零复位，以便寄存

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第2章 加工中心自动换刀装置概述

下一个刀号。

图2-5接触式刀具识别装置 图2-6 磁性识别装置

图2-7 识刀装置原理框图

②光学纤维刀具识别装置 这种装置利用光导纤维很好的光传导特性，采用多束光导纤维构成阅读头。用靠近的两束光导纤维来阅读二进制码的一位时，其中一束将光源投射到能反光或不能反光(被涂黑)的金属表面，另一束光导纤维将反射光送至光电转换元件转换成电信号，以判断正对这两束光导纤维的金属表面有无反射光，有反射时(表面光亮)为“1”，无反射时(表面涂黑)为“0”．如图2-8 (b)所示。在刀具的某个磨光部位按二进制规律涂黑或不涂黑，就可以给刀具编上号码。正当中的一小块反光部分用来发出同

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步信号。阅读头的端面如图2-8(a)所示，共用的投光射出面为一矩形框，中间嵌进一排共9个圆形受光入射面、当阅读头端面正对刀具编码部位，沿箭头方向相对运动时，在同步信号作用下，可将刀具编码读入，并与给定的刀具号进行比较而选刀。

在光导纤维中传播的光信号比在导体中传播的电信号具有更高的抗干扰能力。光导纤维可任意弯曲，这给机械设计、光源及光电转换元件的安装都带来很大的方便。因此，这种识别方法很有发展前途。

近年来，“图像识别”技术也开始用于刀具识别，刀具不必编码，而在刀具识别位置上利用光学系统将刀具的形状投影到许多光电元件组成的屏板上，从而将刀具的形状变为光电信号，经信息处理后存人记忆装置中。选刀时，数控指令T所指的刀具在刀具识别位置出现图形时，便与记忆装置中的图形进行比较，选中时发出选刀符合信号，刀具便停在换刀位置上。这种识别方法虽有很多优点，但由于该系统价格昂贵而限制了它的使用。

图2-8 光学纤维刀具识别装置

(3)利用Pc实现随机换刀 随着计算机技术的发展，利用软件选刀以代替传统的编码环和识刀器。在这种选刀和换刀的方式中，刀库上的刀具能与主轴上的刀具任意地直接交换，即随机换刀。主轴上换来的新刀号及还回刀库的刀具号，均在Pc内部相应地存储单元记忆。随机换刀控制方式需要在

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第2章 加工中心自动换刀装置概述

Pc内部设量一个模拟刀库的数据表，其长度和表内设置的数据与刀库的位置数和刀具号相对应。这种方法主要由软件完成选刀，从而消除了内于识刀装置的稳定性、可靠性所带来的选刀失误。

①ATC(自动换刀)控制和刀号数据表 如图2—9所示，刀库有8个刀座，可存放8把刀具。刀座固定位置编号为方框内1号—8号，0为主轴刀位置号，由于刀具本身不附带编码环，故刀具编号可任意没定，如图2—94中(10)—(18)的刀号。一旦给某刀编号后．该编号不应随意改变。为了使用方使．刀号也采用BCD码编写。

在PC内部建立一个模拟刀库的刀号数据表，如图2-10所示。数据表的表序号与刀库刀座编号相对应，每个表序号中的内容就是对应刀座中所插入的刀具号。图中刀号表首地址TAB单元固定存放主轴上的刀具号数，TAB+1—TAR+8存放刀库上的刀具号。由于刀号数据表实际上是刀库中存放刀具位置的一种映像，所以刀号表与刀库中刀具的位置应始终保持一致。

图2-9刀库中刀具位置编号 图2-10刀库的刀号数据表

②刀具的识别 虽然刀具不附带任何编码装置，且采用任意换刀方式，但是，由于在PC内部设置的刀号数据表始终与刀具在刀库中的实际位置相对应，所以对刀具的识别实质上转变为对刀库位置的识别。当刀库旋转，每个刀座通过换刀位置(基准位置)时，产生一个脉冲信号送至PC，作为计数

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脉冲。同时．在PC内部设置一个刀库位置计数器，当刀库正转(cw)时，每发一个计数脉冲，使该计数器递增计数；当刀库反转(ccw)时．每发一个计数脉冲，则计数器递减计数。于是计数器的计数值始终在1—8之间循环，而通过换刀位置时的计数值(当前值)总是指示刀库的现在位置。

当PC接到新刀具的指令(TXX)后，在模拟刀库的刀号数据表中进行数据检索，检索到T代码给定的刀号，将该刀具号所在数据表中的表号数存放在一个缓冲存储单元中，这个表序号数就是新刀具在刀库中的目标位置。刀库旋转后，测得刀库的实际位置与要求的刀库目标位置一致时，即识别了所要寻找的新刀具。刀库停转并定位，等待换刀。识别刀具的PC程序流程团如图2-11所示。

③刀具的交换及刀号数据表的修改 当前一工序加工结束后需要更换新刀加工时，NC系统发出自动换刀指令M06控制机床主轴准停。机械手执行换刀动作，将主轴上用过的旧刀和刀库上选好的新刀进行交换。与此同时，应通过软件修改PC内部的刀号数据表，使相应的刀号表单元中的刀号与交换后的刀号相对应。

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结论

结论

本次毕业设计的题目是立式加工中心自动换刀装置的设计。所针对的机床是TH5640D型立式加工中心。本文章阐述的是该立式加工中心中盘式刀库结构和参数的设计计算，刀库驱动电机的选择计算，蜗轮蜗杆相关参数的计算，总体来说，刀库的传动结构比较紧凑。由于该盘型刀库正反都可以转，因此有必要考虑如何消除蜗轮蜗杆之间的传动间隙。本设计中采用了一个调整套杯，通过将套杯旋入或旋出来调整蜗轮蜗杆间的传动间隙。另外刀库装在加工中心的立柱的侧面，因此机械手在进行换刀时，刀套必须向下旋转90°，如此机械手才可以将位于主轴和刀库上的所选刀具进行交换。本文中采用的是在刀套上设计一个滚子，通过气缸与拨叉带动刀套滚子上下作用使得刀套旋转。至于机械手的拔刀、换刀和插刀动作，则是通过气缸、液压缸和齿轮齿条的联合作用来实现的。

虽然本次毕业设计已基本完成，但自己觉得还是存在一些不足。比如在铣削机械手传动的箱体壁时可能比较困难。自己所绘制的图纸上一些部位表示还不是太清楚。只有发现问题面对问题才有可能解决问题，以后自己在这些方面一定要努力学习去克服。

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参考文献

参考文献

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[20] Fu-Chen Chen,Hong-Sen Yan.Configuration synthesis of machining centres with tool change mechanisms. International Journal of Machine Tools & Manufacture,1997

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致谢

致谢

感谢**大学四年来对我的辛苦培育，让我在大学这四年来学到很东西，特别感谢**学院为我提供了良好的学习环境、感谢领导、老师们四年来对我无微不至的关怀和指导，让我得以在这四年中学到很多有用的知识。在此，我还要感谢在班级同学和朋友，感谢你们在我遇到困难的时候帮助我，给我支持和鼓励，感谢你们。

特别感谢我的指导老师**老师，在本毕业设计中给予我悉心指导，从系统开发到结束中过程遇到很多困难都是她给我鼓励与指引，使我能够克服重重困难，将毕业设计完成，在此谨向**老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。谢谢！

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附录1

开题报告

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义

加工中心（Machining Center,MC）是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床，它是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通信诊断、刀具和编程技术的高科技产品。由于加工中心能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和调整时间，减少工件周转、搬运存放时间，使机床的切削利用率高于通用机床3倍～4倍，所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床。

1958年，美国卡尼，特雷克（Kearney&Trecker）公司首次把铣、钻、镗等多种工序集中于一台数控机床上，通过换刀方式实现连续加工，成为世界上第一台加工中心。该产品出现后，销路惊人，引起了日、德、美、英、法、意等先进工业国家的高度重视，竞相开发生产，不断扩大和完善机床的功能，成为数控机床中发展最快、需求量最大的商品之一。如今，世界上出现了立式、卧式、龙门式、落地式等各种加工中心，据不完全统计，大约有1000多个品种规格。

未来加工中心的发展动向是高速化、进一步提高精度和愈发完善的机能。加工中心是数控机床的代表，是高新技术集成度高的典型机电一体化机械加工设备，我国的加工中心从70年代开始，已有很大发展，但技术、品种和数量上都还远不能适应我国经济、技术发展的需要。随着我国工业的不断发展，推动了模具制造业、机械加工业的巨大发展，使得数控机床的使用越来越普遍，而加工中心更是以其高自动化程度得到广泛应用。然而，目前市场上生产和销售的都是以大、中型的加工中心为主，小型加工中心几乎是空白，而机械加工业、小型模具的制造、工科院校、技工学校等对小型加工中心存在着大量的需求。为加速我国加工中心的发展，需进一步加强对加工中心的研究、设计、制造和应用。

在加工中心中，刀库和机械手组成自动换刀装置（Automatic Tool

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第4章 刀库的设计及计算

图4-2

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图4-3

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第4章 刀库的设计及计算

刀套的构造如图4-4所示，由图中可以看到锥孔尾部有两个球头销钉，后有弹簧用以夹住刀具，故当刀套旋转90°后刀具不会下落。刀套顶部的滚子用以在刀套处于水平位置时支撑刀套。当刀具更换完毕，该刀座插入从主轴换下的刀具夹头。通过气缸作用，与上述动作相反，刀座带动刀具夹头顺时针转动，直到水平位置为止，此时滚子销重新处于支撑板的凹槽中。

图4-4 刀套结构图

4.7本章小结

本章主要是根据所给参数进行刀库电机的计算与选择，以及刀库传动时所用蜗轮蜗杆相关参数的计算，确定了刀具的选择方式。另外对刀库工作原理进行了总体设计。

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第5章 刀具交换装置的设计 5.1换刀机械手抓刀部分结构

图5-1 机械手结构图

本机床上使用的换刀机械手为回转式单臂双手机械手。在自动换刀过程中，机械手要完成抓刀、拔刀、交换主轴上和刀库上的刀具位置、插刀、复位等动作。

单臂单手式机械手主要由手臂9和固定于其两端的结构完全相同的两个手爪6组成。手爪6上握刀的圆弧部分有一个锥销4，机械手抓刀时，该锥销插入刀柄的键槽中。当机械手由原位转75°抓住刀具时，两手爪上的长销12分别被主轴前端面和刀库上的挡块压下，使轴向开有长槽的活动销14在弹簧的作用下右移顶住刀具。机械手拔刀时，长销与挡块脱离接触，锁紧销被弹簧弹起，使活动销顶住刀具不能后退，这样机械手在回转180°时，刀具不会被甩出。当机械手上升插刀时，两长销又分别被两挡块压下，锁紧销从活动销孔中退出，松开刀具，机械手便可反转75°复位。

5.2 机械手传动结构

如前述刀库结构，刀套向下转90°后，压下行程开关，发出机械手抓刀信号。此时，机械手21正处在图中所示的上面位置，液压缸18右腔通压力油，活塞杆推动齿条17向左移动带动齿轮11转动。图中5-2所示，8为

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第5章 刀具交换装置的设计

升降液压缸的活塞杆，齿轮1、齿条7和轴2为图4-3中的齿轮11、齿条17和机械手臂轴16。连接盘3与齿轮1用螺栓连接，它们空套在机械手臂轴2上，传动盘5与机械手臂轴2用花键连接，它上端的销子4插入连接盘3的销孔中，故齿轮转动时便带动机械手臂轴转动，使机械手回转75°抓刀。抓刀动作结束时，齿条17上的挡环12压下行程开关14，发出拔刀信号，于是升降液压缸15的上腔通压力油，活塞杆推动机械手臂轴16下降拔刀。在轴16下降时，传动盘10随之下降，其下端的销子8插入连接盘5的销孔中，连接盘5和其下面的齿轮4也是用螺栓连接的，它们空套在轴16上。当拔刀动作完成后，轴16上的挡环2压下行程开关1，发出换刀信号。这时转位液压缸20的右腔通压力油，活塞杆推动齿条19向左移动，带动齿轮和连接盘5转动，通过销子8，由传动盘带动机械手转180°，交换位于位于主轴和刀库上的刀具位置。换刀动作完成后，齿条19上的挡环6压下行程开关9，发出插刀信号，使升降液压缸下腔通压力油，活塞杆带着机械手臂轴上升插刀，同时传动下面的销子8从连接盘5的销孔中移出。插刀动作完成后，轴16上的挡环压下行程开关3，使转位油缸20的左腔通压力油，活塞杆带着齿条19向右移动复位，齿轮4空转，机械手无动作。齿条19复位后，其上挡环压下行程开关7，使液压缸18的左腔通压力油，活塞杆带着齿条17向右移动，通过齿轮11使机械手反转75°复位。机械手复位后，齿条17上的挡环压下行程开关13，发出换刀完成信号，使刀套向上翻转90°，为下次选刀做好准备。

注：图5-2中的气缸15、机械手臂轴16、齿轮11、齿条17、销子、挡环2分别相当于图5-3中的气缸38、机械手臂轴2、齿轮43、齿条37、销子48、挡环51。

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图5-2 机械手传动结构示意图

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第5章 刀具交换装置的设计

图5-3 机械手传动结构

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5.3 自动换刀装置的动作顺序

自动换刀的大致顺序如图5-4所示：

第一，见图5-4（b），工件上某一表面加工完毕后，主轴停转，主轴箱返回

原点准备换刀，此时刀库早已根据指令将“新刀”转到换刀位置上(即向下旋转90°),等待机械手抓取。

第二，见图5-4（c），机械手由原始水平位置逆时针旋转75°，机械手的两

夹爪同时抓住刀库中的“新刀”与主轴中的“旧刀”。

第三，见图5-4（d），机械手沿轴向将刀具同时从主轴及刀库中拔出。 第四，见图5-4（e），机械手顺时针旋转180°，把“新刀”转至主轴处，“旧

刀”转至刀库换刀位置处。

第五，见图5-4（f），机械手沿轴向将刀具同时装入主轴及刀库。 第六，见图5-4（h），机械手顺时针回转75°，恢复原始水平位置。 第七，见图5-4（g），刀库刀套向上旋转90°，等待下一次换刀。

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第5章 刀具交换装置的设计

图5-4自动换刀的顺序

5.4 主轴准停装置

在加工中心上，当自动换刀装置把刀具装到主轴上时，刀柄上的键槽必须对准主轴上的驱动键(亦称定向键)。为此，主轴每次停转必须准确地停在某一固定位置上。这种使主轴准确地停在某一固定位置上的装置叫主轴准停装置。

主轴准停装置分机械控制和电气控制两种形式。本加工中心用到的是电气控制方式。

为使主轴上的端面键能准确而顺利进人刀柄上的键槽。主轴必须停止在一定的位置上使之对准，即主轴应有旋转定位机构。主轴与刀柄靠7：24锥面定心，由两个端面键传递转矩。端面键用螺钉固定在主轴前端面上，嵌入刀柄周向的两个缺口内。自动换刀时，必须保证端面键对准缺口。为此，就要求主轴准确地停在一定的周向位置上。主轴周向定位机构的原理见图5-5。塔轮1上安装一个厚垫片4，上装一个体积很小的永磁块3。在主轴箱

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体的准停位置上，装一个磁传感器2。数控系统发出主轴准停信号后，主轴降速，以很低的转速运转，至永磁块对准传感器，传感器2发出准停信号，经放大器、定向电路使电动机制动。主轴停止的角度位置精度为±1°。这种装置的机械结构简单，定位迅速而准确。

图5-5主轴定位机构工作原理

1- 塔轮；2-磁传感器；3-永磁块；4-垫片

5.5本章小结

本章主要介绍了自动换刀装置中机械手的设计，机械手内部的传动原理，自动换刀的过程以及主轴的准停装置。

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第6章 联轴器的选用及计算

第6章 联轴器的选用及计算 6.1联轴器

联轴器是连接两轴或轴的回转件，在传递运动和动力过程中一同回转而不脱开的一种装置。此外，联轴器还可能具有补偿两轴相对位移、缓冲和减震以及安全防护等功能。

6.1.1联轴器的分类

按照联轴器的性能可分为刚性联轴器和挠性联轴器。刚性联轴器或称固定式联轴器，这种联轴器虽然不具有补偿功能，但有结构简单、制造容易、不易维护、成本低等特点而仍有其应用范围；挠性联轴器中又分为无弹性元件挠性联轴器(也称可移式刚性联轴器)和带弹性元件挠性联轴器，前一类只具有补偿两轴相对位移的能力，后一类能产生较大环性交形的元件，除有补偿性能外还具有缓冲和减振作用，但在传递转矩的能力上，因受弹性元件的强度限制，一般不及无弹性元件联轴器。带弹性元件联轴器中按弹性元件的材质不同；又可分为金属弹性元件和非金属弹性元件，金属弹性元件的主要特点是强度高、传递转距能力大、使用寿命长、不易变质且性能稳定。非金属弹性元件的优点是制造方便，易获得各种结构形状，又具有较高的阻尼性能。

6.1.2联轴器类型的选择

联轴器的类型应根据使用要求和工作条件，如承载能力、转速、两轴相对位移、缓冲吸震以及装拆、维修更换易损元件等综合分析来确定。具体选择时可顺序考虑以下几点：

(1)原动机和工作机的机械性能。原动机的类型不同，其输出功率和转速，有的是平稳恒定的，有的是波动不均匀的。而各种工作机的载荷性质差异更大，有的平稳，有的冲击甚至强烈冲击或震动。这将直接影响联轴器类型的选择，是选择的首要依据之一。对于载荷为平稳的，则可选用刚性联轴器，否则宜选用弹性联轴器。

(2)联轴器联接的轴系及其运转情况。对于连接轴系的质量大、转动惯

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量大，而又经常起动、变速或反转的，则应考虑选用能承受较大瞬时过载，并能缓冲吸震的弹性联轴器。

(3)工作机的转速高低，对于需高速运转的两轴联接，应考虑选择联轴器的结构具有高平衡精度特性，以消除离心力而产生的振动和噪声，增加相关元件的磨损和发热而降低传动质量和使用寿命。其中膜片联轴器对高速运转适应性较好。

(4)联轴器的对中和对中保持程度，保持良好的对中是使运转正常的前提，防止产生过大附加载荷及其他不良工况。联轴器的对中调整难易，除与本身结构有关外，还应与机械类型在对中时采用措施相适应。同时还需计及机械工作时有关零件因受载和温升产生变形及零件相对滑动而产生磨损，从而使两轴产生附加的相对位移。所以，选择的联轴器不但要补偿安装时难免存在的一定相对偏差，还应预计到能补偿两轴在运转中出现的相对位移的能力。

(5)联轴器的可靠性，使用寿命和工作环境。对于要求运转可靠，不允许运转工作临时中断的传动，最好选用不需润滑、无非金属弹性元件的联轴器。高温和有油类、酸碱及其他腐蚀性介质的场所、或有光辐射存在应尽量不用含有橡胶弹性元件的联轴器。有灰尘、潮湿的环境，应用有罩壳的联轴器。对环境有清洁要求时就应尽量不用油润滑的联轴器。

(6)联轴器的结构及工作特性，联轴器的外形尺寸，安装、拆卸所需的空间大小和难易程度以及对维护的要求等都有与联接机组的具体配置位置和要求相适应，例如联接两轴垂直时，有些齿式联轴器就不适用。此外还应考虑机组对联轴器主、从动轴转速的同步性（包括转速波动和弹性回差）是否有要求。如单十字轴式万向联轴器的从动轴转速有周期性波动，一般弹性联轴器在启动和载荷或转速改变时，从动轴有弹性回差现象。

(7)联轴器的制造、安装和维护的成本，在满足使用要求的条件下，应使选择的联轴器成本低，不需维护以降低经常费用。

6.2 联轴器的选用计算

在选用标准联轴器或已有推荐的系列尺寸的联轴器型号时，一般都是以

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第6章 联轴器的选用及计算

联轴器所需传递的计算转矩Tc小于所选联轴器的许用转矩[T]或标准联轴器的公称转矩Tn为原则。由于传动轴系载荷变化性质不同以及联轴器本身的结构特点和性能不同，联轴器实际传递的转矩不等于传动轴系理论上需传递的转矩T，通常

Tc?TKKwKzKt?9550PwKKwKzKt?Tn n式中T——理论转矩（N?m），在有制动器的传动系统，当制动器的理

论转矩大于动力机的理论转矩时，应按前者计算联轴器；

； Pw、n——分别为驱动功率（kw）和转速（r/min）K——工作情况系数；

Kw——动力机系数； KZ——启动系数； Kt——温度系数。

查相关资料K=1.25, Kw=1.0, KZ=1.0, Kt=1.0,电动机最大转矩T=10N?m，因此可计算得: Tc?TKwKzKt=10×1.25×1×1×1=12.5N?m。

该机床暂选定联轴器为挠性联轴器，而所选挠性联轴器Tn=25N?m，

Tc

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图6-1 挠性联轴器

该挠性联轴器使用的胀紧联接套（锥环）是一种现代先进联接的机械基础件，是一种新型联接方式，它是靠拧紧高强度螺栓使胀套与轴间包容面间产生压力、继而产生摩擦力实现负载传递的一种无键联接装置。它与一般过盈的无键联接、有键连接相比，具有许多独特优点：

（1）

制造和安装简单。安装胀套轴和孔的加工不像过盈配合那样要求高精度的制造公差。安装无需加热、冷却或使用加压设备，只需将螺钉按规定扭矩拧紧即可。并且调整方便，可以将传动件很方便地调整到所需位置。

（2）

有良好的互换性，且拆卸方便。这是因为胀套能把较大配合间隙的轴和传动件联接起来，拆卸时，将螺钉拧松，即可使被连接件很容易拆开。

（3） （4）

胀套联接可以承受重载荷。胀套结构可做成多种样式，为适应安装负荷要求。一个胀套不够，可以多个串联使用。 胀套是靠摩擦力传动，对被连接件没有键槽削弱。没有相对运动，工作中不会磨损。胀套在胀紧后，接触面紧密贴合，

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第6章 联轴器的选用及计算

不易产生锈蚀。

（5）

胀套在超载时失去联接作用，可以保护设备不受损坏。

6.3本章小结

本章主要介绍了联轴器的分类，各联轴器的适用范围，从而对本次毕业设计刀库设计中的典型零件——联轴器进行选用计算。

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第2章 加工中心自动换刀装置概述

图2-11 识别刀具的PC程序流程框图

2.2.4刀具交换装置

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实现刀库与机床主轴之间装卸和传递刀具的装置称为刀具交换装置。交换装置的形式和具体结构对数控机床的整体布局、生产率和工作可靠性都有直接影响。

交换装置的形式很多，一般可分为两大类。

① 由刀库和主轴的相对运动实现刀具交换 用这种形式交换刀具时，必须将主轴上用过的刀具送回刀库，再从刀库取出新刀，但两个动作不能同时进行。它适用采用40号以下刀柄的小型加工中心或换刀次数少的用重型刀具的重型机床。这种换刀方式没有机械手，因而结构简单；刀库回转是在工步与工步之间，故换刀时间长，换刀动作也较多，但却免去了刀库回转时的振动对加工精度的影响。在这种换刀方式中，刀库可以是圆盘型、直线排列式、也可以是格子箱式等。圆盘式刀库可设在立柱顶上、立柱主轴箱的侧面，也可以设在横梁一端。直线排列式刀库可设在工作台上方，也可设在工作台的一端或两端。格子箱式刀库可设在双工作台的中间。

② 由机械手进行刀具交换 由于刀库及刀具交换方式不同，换刀机械手种类繁多。机械手的类型如表2-2所示。

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第2章 加工中心自动换刀装置概述 表2-2 换刀机械手的结构及特点

类型 单臂单手式 形式 机械手作往复直线运动 应用 用于刀具主轴与刀库刀座轴线平行的场合 机械手摆动，其轴线与刀具主轴平行 机械手摆动，其轴线与刀具主轴垂直 单臂双手式 固定双手式 可伸缩双手式 剪式双手式 双手不成180° 用于刀库刀座轴线与主轴轴线平行的场合 用于刀库刀座轴线与主轴轴线垂直的场合 用于刀库刀座轴线与主轴轴线平行的场合，广泛用于加工中心 可同时抓住主轴和刀库中的刀具，并进行拔出、插入，换刀时间短 双手式 双手平行式 双手交叉式 双手有回转运动 这种机械手还起运输作用 换到时间较短，结构较复杂 特点 结构较简单，换刀时间较长 2.3本章小结

本章主要介绍了加工中心自动换刀装置（ATC）形式、特点及各自应用范围，另外介绍了加工中心中刀具识别与选择的各种方式，最后介绍了换刀机械手的结构及其特点。

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第3章 总体方案设计 3.1 TH5640D型立式加工中心及其主要参数

TH5640D是一台小型立式加工中心，工件在一次装夹后可自动连续地完成铣、钻、镗、铰、锪、攻丝等多种工序的加工，该机床适用于小型板件、盘件、壳体等复杂零件的多品种中小批量加工。

其基本规格为：

工作台工作面尺寸（外形尺寸） （毫米）1000×400（1200×520） 工作台T型槽宽×槽数 （毫米）18×3 工作台左右行程（X轴） （毫米）1000 工作台前后行程（Y轴） （毫米）500 工作台上下行程（Z轴） （毫米）470 主轴端面至工作台面 （毫米）150～620 主轴锥孔 BT40

主轴转速（标准型/高速型） （转/分）22.5～2250/45～4500 主轴驱动电机 （千瓦）交流主轴电机5.5/7.5（额定/30分钟） 快速移动速度（X、Y轴） （米/分）15 （Z轴） （米/分）10 进给速度 （X、Y、Z轴） （毫米/分）1~4000 进给驱动电机 （千瓦）交流1.4 刀库容量 20 选刀方式 任选

最大刀具尺寸 （毫米）φ80×300 最大刀具重量 （公斤）8 刀库电机 （千瓦）交流伺服1.4 工作台容许负载 （公斤）500

滚珠丝杠尺寸（X、Y、Z轴） （毫米）φ40×10 钻孔能力 （毫米）φ32 攻丝能力 M24

20

第3章 总体方案设计

镗孔能力 （自动换刀时）（毫米）φ80 铣削能力 （厘米/分）100 气源 （巴）5～7（250升/分） 机床重量 （公斤）6500 占地面积 （毫米）2756×2695

3.2 TH5640D型立式加工中心自动换刀装置的设计参数

刀库容量 20 选刀方式 任选

刀套尺寸 （毫米）φ60×120 最大刀具重量 （公斤）8 相邻刀套中心距离为85毫米 刀柄为BT40刀柄

蜗杆头数Z1=1，初定传动比为i=48，模数m=3.15

3.3确定TH5640D型立式加工中心自动换刀装置的形式

初步确定该立式加工中心刀库的工作原理为：交流伺服电动机通过挠性联轴器带动蜗轮蜗杆转动，刀库形式采用盘型刀库，该刀库装在蜗轮上通过蜗轮的旋转带动刀库的旋转，如图2-1所示。另外，盘型刀库装在立柱左侧，因此刀套应该能向下转动90°，便于换刀。

图3-1 刀库驱动原理图

机械手的形式暂时采用单臂双手式机械手。

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3.4本章小结

本章主要介绍了TH5640D型立式加工中心及其主要参数。另外介绍了本次毕业设计所给的参数，确定了该加工中心刀库基本的传动原理以及所选机械手的形式。

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第4章 刀库的设计及计算

第4章 刀库的设计及计算 4.1 确定刀库容量

刀库容量设为20把。

4.2确定刀库形式

刀库容量为20,容量不大，并且用于小型立式加工中心，因此决定采用盘式刀库。盘式刀库结构简单，应用较多。此换刀装置的优点是结构简单，成本较低，换刀可靠性较好。整个换刀过程时间大约为4秒。

4.3 初步估计刀库驱动转矩及选定电机

刀库驱动电动机的选择应同时满足刀库运转时的负载扭矩TF和启动时的加速扭矩TJ的要求。 （1） 刀库负载扭矩TF的计算

圆盘式刀库负载扭矩TF估算方法：这种刀库的负载扭矩主要用来克服刀具质量的不平衡，估算按如下两种情况进行：第一，用平均重量的刀具插满圆盘的半个圆，如图4-1（a）所示，根据工艺要求所需的各种刀具，确定每个刀具的（包括刀柄）平均重量WCP，而其重心则设定为离刀库回转中心2/3半径处。第二，把三把最重的刀具放在一起，如图4-1（b）所示。按加工中心规格规定的最大刀具质量Wmax算，而其重心则设定为离刀库回转中心半径处。

（2） 刀库加速扭矩TJ的计算

2?nm(Jm?J1)N?m 60tJ式中 nm-刀库选刀时的电动机转速（r/min）； TJ?tJ-加速时间，通常取150~200ms； ，可查样本； Jm-电动机转子惯量（kg?m2）

J1-负载惯量折算到电动机轴上的惯量（kg?m2）

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（a）刀具插满圆盘的半个圆 （b）三把最重的刀具插在一起

图4-1 刀库负载转矩计算方法

（3） 驱动电动机输出扭矩TD计算

驱动电动机的输出扭矩TD应同时满足刀库负载扭矩TF和加速扭矩TJ之和，将以上计算的刀库负载扭矩和加速扭矩转换为驱动电动机轴上的输出

T?TJ扭矩TD的公式为TD?FN?m

i?式中i-电动机轴至刀库轴的速比；

?-传动效率。

考虑到实际情况比计算时所设定的条件复杂，电动机额定转矩TS应为负载扭矩TD的1.2~1.5倍。

设定当两个最大刀具相邻放置时，其间距为5毫米，则相邻刀套中心距

85?244.7mm，为85毫米，夹角为20度。可知刀套放置半径为R?2?sin10?圆整为245mm。

1） 刀库负载扭矩TF的计算

按方法二进行估算，即将三把最重的刀放在一起，则负载扭矩TF=3?Wmax?g?R=3?8?9.8?245?10?3=57.624N?m 2） 加速扭矩TJ的计算

设刀具最大运动线速度为24m/min，则可确定刀库选刀转速为

vnm?xd=15.6r/min，加速时间暂定为tJ=200ms，电动机的转子惯量可查相

2?R24

第4章 刀库的设计及计算

关样本Jm=2.14?10?3kg?m2， 负载惯量折算到电动机轴上的惯量J1?则可求得TJ=0.26N?m

3） 驱动电动机的输出扭矩应同时满足刀库负载扭矩和加速扭矩之和 电动机轴到刀库轴的速比为i=48,蜗轮蜗杆的传动效率?=0.7,

57.624?0.26则可求得TD==1.72N?m

48?0.7电动机的额定转矩TS>(1.2~1.5) TD=(2.06~2.58) N?m 而所选电机转矩为10N?m

确定伺服电机型号为SM130-10N1500，其主要技术参数为： 额定功率 1.5Kw 额定转速 1500r/min 额定电流 6A

转子惯量 0.00214kg?m2 机械时间常数 2.11ms 工作电压 220V

57.6240.245?=30.01?10?3kg?m2 9.8484.4刀库转位机构的普通蜗轮蜗杆的相关设计

蜗杆头数z1=1，初定传动比为i=48，则蜗轮齿数z2=iz1=48，模数

m=3.15，蜗杆分度圆直径d1=48mm，蜗轮分度圆直径d2=mz2=151.2mm

中心距a=(d1+d2)/2=99.6mm,圆整中心距取aw=100mm，蜗轮变位系数x2=（a-aw）/m=-0.127，属于1>=x>=-1的要求

*蜗轮齿顶高ha2?(ha?x)m=(1-0.127) ?3.15=2.75mm *蜗轮齿根高hf2?(ha?c*?x)m=(1+0.2+0.127) ?3.15=4.18mm

蜗轮齿根圆直径df2?d2?2hf2=151.2-2?4.18=142.84mm 蜗轮齿顶圆直径da2?d2?2ha2=151.2+2?2.75=156.7mm

*蜗杆齿顶圆直径da1?d1?2ham=48+2?1?3.15=54.3mm

*蜗杆齿根圆直径df1?d1?2m(ha?c*)=48-2?3.15?(1+0.2)=40.44mm

考虑到传递的功率不大，转速较低，选用ZA蜗杆传动，精度为5fGB10089-1988。蜗杆材料选用35CrMo，表面淬火硬度45~55HRC,表面粗

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糙度Ra≤1.6μm。蜗轮材料选用ZCuAl10Fe3，表面淬火硬度45~55HRC,表面粗糙度Ra≤1.6μm。

蜗轮蜗杆其他计算参数：

zm1?3.15蜗杆导程角r=arctan1?arctan?3.75?

d148蜗杆齿形角为20°

蜗杆轴向齿距积累误差fpxL=0.0085mm 蜗杆轴向齿距极限偏差fpx=±0.0048mm 蜗轮齿形误差ff1=0.0071mm

4.5确定刀具的选择方式

刀具的选择方式为任意选择方式中的计算机记忆式，可将刀具号和刀库上存刀地址对应地记忆在计算机存储器内或可编程控制器内。不论刀具放入那个地址，均可跟踪记忆；利用刀库上装刀位置检测装置，可测得每一地址。这样刀具可以任意存取，无需编码元件，这种刀具任选方式使换刀控制大为简化。

4.6刀库结构设计

圆盘式刀库由专用的交流伺服电机14经挠性联轴器15、蜗杆24、蜗轮25，带动刀盘和盘上的20个刀套旋转，如图4-2所示。刀座的滚子在不旋转的刀盘的槽中受到限位，刀盘在最下端的换刀位置开了一个缺口。刀座以铰链形式与支撑板相连。平时，由弹簧将滚子销压在刀套的凹槽中，使刀座定位在水平位置。由于主轴是立式的，故应将处于刀库刀盘最下位置的刀套旋转90°，使刀头朝下。实现这个动作靠气缸28。气缸28的活塞杆带动拨叉59上升，由剖视图中可以看到，最下面的一个刀套右尾部的滚子正好进入拨叉59的缺口。拨叉上升使刀套连同刀具逆时针方向旋转90°，滚子销退出支撑板的凹槽，刀座转至垂直位置，等待机械手换刀。

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