数控加工中心刀库设计论文 - 本科论文

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1 前言

1.1 数控加工中心简介

加工中心是一种可以对工件进行多工序加工的数字控制机床，它装备有刀库，并可以自动更换里面的刀具。工件经过一次装夹之后，数字控制系统能控制机床按照不同的工序，自动选择刀具或者更换刀具，自动地改变机床主轴的转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹，并且可以完成很多其他辅助机能，依次完成工件几个面上多工序的加工。减少了工同时也减少了工序之间的工件周转、搬运和存放的时间，大大缩短了生产的周期，具有显明经济效益。

一种功能较全的数控加工机床就是数控加工中心。 目前数控加工中心是世界上生产产出的数量最高、最广的应用数控类机床之一。它综合加工的能力特别强，工件一次装夹后能够完成很多的加工内容，加工工件质量比较高，就要求中等加工难度和批量生产的工件，其加工效率是普通类机床的6～10倍，特别的是：它还能够完成许多普通机床所不能完成的加工，对要求精度高，单件加工或中小批量多品种生产形状较复杂的尤为适和。它把削铣、钻、攻等功能加在一个装置上，使其具有多种工艺手段。加工中心设置有储存刀具的刀库，刀库中存放着各种不同数量和规格的刀具或量具，在加工过程中利用程序来实现自动地更换和选用。这就是加工中心与数控铣、镗的差异。加工中心是一种综合的加工能力比较强的设备，工件一次装夹之后就能完成很多的工步，加工精度很高，就批量的中等的工件而言，其加工效率是普通制造机器和设备的7～12倍多，尤其是它能够实现很多普通机床所不能完成的加工，就像一些特别的行面等。这将会使新产品的研制和更新换代节省大量的人力和物力，从而使得企业具有特别强的竞争力。

1.2 数控加工中心刀库系统简介

刀库系统是一种可以提供自动化加工过程中所需的换刀及储刀需求的装置。藉由电脑程式（PLC）的控制，可以实现各种不同的加工的需求，如攻、削、- 1 -

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铣、搪、钻洞等。储存刀具的位置主要是刀库来提供，并依电脑的控制，正确选择刀具，并且定好位置，以便进行刀具的交换；如果没有机构用来自动换刀，则无法自刀库依序更换加工所需刀具，从而达不到减少时间的目的。换刀机构则是执行的是刀具的交换动作。刀库必须与换刀机构同时存在，若无刀库则加工所需刀具无法事先储备。此两者在功用和运行上是缺一不可，相辅相成的。大幅度的缩减了加工的时间，降低了生产中过程的成本；这便是刀库系统的最大特点之一。

1.3 本设计数控加工中心刀库简介

本次设计根据实际条件要求选用圆盘式刀库，所谓的固定地址的换刀刀库就是圆盘式刀库，即每个刀位上都有编号，即为刀号地址。不管这个刀具更换多少次，当操作人员可以把一把刀放进一个刀位后，它永远在该刀位内。其主要的部件是刀库体及分度盘，只要这两样零件加工精度得到保证即可以达到很高的精度要求，运动部件中刀库的分度使用的是非常经典的“马氏机构（凸轮机构）”，前后、上下运动需要选用液压缸。装配调整也比较方便，维护也十分的简单。一般机床制造厂家都能自几制造。在更换刀具时，一般按旋转最短角度的原则，刀号编号按逆时针方向排序的，如果刀库数量是10，当前刀号位10，要换8号刀，按最短角度的换刀原则，刀库是逆时针转。如要换6号刀，刀库则是顺时针旋转。 圆盘式刀库的总刀具数量受到限制，不能太多，一般40#刀柄的不超过24把，50#的刀超不过20把，大型龙门机床上，为了增加刀具的数量就把圆盘转变为链式结构了，这样一来刀量可达60把。 本次设计的是带有机械手的立式加工中心的刀库系统的设计，根据实际- 2 -

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的要求：刀库容量：24把，随机选刀方式，换刀时间为6秒，最大刀具长度为300mm，最大刀具直径为100mm，刀柄型号是BT40。根据以上已知的参数选择使用圆盘式的刀库，利用伺服电机作为转动的动力，同时利用伺服电机作为准确定位的仪器，利用液压缸来实现刀具的转动，从而到达准确的换刀的位置，本次设计的换刀机械手的控制也是有电液伺服系统来综合控制的。它是由回转体和分布其上面的刀夹单元及驱动伺服电机等组成的。这是一种新型的刀库系统，综合了电子、伺服、液压等，是一种尤其适应与当今追求的高速大功率切削的需要。

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2 数控加工中心刀库设计方案的确定

2.1 选题背景与意义

2.1.1 国内外研究现状

伴随着数控科技的迅猛发展和普及，加工中心的作用更加突显出了它的重要性。为进一步提高数控机床的加工效率，工件在一台机床只进行一次装夹即可完成多道工序的加工是未来机床的的发展方向，因此出现了各种类型的加工中心装置，如车削中心、钻削中心、铣镗加工中心等等。这类多工序加工的数控机床在加工过程中要使用多种刀具，因此必须有自动换刀的装置，也就是所说的刀库系统，以便选用不同的刀具时，完成不同工序的加工工序时，加工中心可以自动加工完成，避免换刀等的工序占用时间降低加工效率。此外，加工中心还有带立、卧两个主轴的复合式形式的，和主轴可调整成卧轴或立轴的卧立可调样式的加工中心，它们能对工件进行多个（一般是五个）面的加工。 近年来刀库行业的发展已经慢慢超越其以前的为工具机陪件的角色，在其特有的技术领域中发展出符合工具机高可靠度、高效能、高精度及多工位复合加工等概念之产品。工具机的整体效能表现关乎到其生产的产品品质的好坏。追求高速、高精度、高效率的目标，已经成为未来工具机产业的发展的一大趋势。随着不断提高的切削速度，不断缩短的切削时间，对换刀时间的要求也在逐步提高；换刀的速度已成为高级别的刀库系统的一项重要指标。快速自动换刀技术把减少辅助加工时间做为主要目的，综合考虑工具机的各方面因素，在尽可能少的时间里完成刀具交换的技术方法。 2.1.2选题目的及意义

数控加工中心是综合的高新技术产品。它柔和了机械、电子电工、计算机技术、控制工程等技术于一身。对刀库系统的设计是实现对工件表面进行连续加工的必要设备之一，配备了刀库之后可以自动进行镗、扩、铰、攻、铣、削、钻等多工步的加工工步的加工，使加工中心集中多工序加工成为了可能，而刀库为加工中心的自动化换刀、多工位的加工提供了刀具的支持。刀库是换刀系统的核心部件之一，其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间，以提高生产效率、降低生产成本，进而提升机床乃至整个生产线的生产力。随着来加工心的发展，国家企业对高速，大功率，高效率的要求，以及ATC的设计的去向和系统化走向，刀库的设计所以显得尤为关建和重要了。

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2.2设计内容

2.2.1设计内容研究

（1）具体技术参数

刀库容量：24把；选刀方式：随机；换刀时间：6秒；最大刀具长度：300mm；最大刀具直径：100mm；刀柄型号：BT40；

（2）刀库系统的主要构件

刀库主要是提供储放刀具的位置，并能依程式（PLC）的控制，正确选择刀具加以定位，以进行刀具交换； 换刀机构则是执行刀具交换的动作。刀库必须与换刀机构同时存在，若无刀库则加工所需刀具无法事先储备；若没有专门的换刀机构来换刀，则就无法自刀库依次序来更换加工所需要的刀具，从而失去了减少用时量，提高效率的目的。此二者在运用及功能上相辅相成不可缺一。

（3）刀库系统的分类

近年来刀库技术的迅猛发展，工具机配件的角色已经不适合刀库了，符合工具机高可靠度、高效能、高精度及多工位复合加工是在其特有的技术领域中发展趋势。其产品品质的好坏，关乎到工具机的整体性能的外在表现。刀库的布局、容量，针对于不同类型的工具机，其形式也会不同，依据刀库的取刀的方式、外部形状和容积可大约分为以下几种类别：

② 圆盘式的刀库 ③ 链条式的刀库

① 斗笠式的刀库

2.3设计方案

2.3.1刀库的总体布局

本次设计的是带有机械手的立式加工中心的刀库系统，根据已知的参数选择使

用圆盘式的刀库，利用伺服电机作为转动的动力，同时利用伺服电机作为准确定位的仪器。它的结构如图1所示，它是由回转体和分布其上面的刀夹单元及驱动伺服电机等组成的。

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图1 总体结构图

2.3.2刀库的锁紧机构设计

在没有刀的情况下，紧装置的弹簧使的两刀夹处在夹紧的状态下。在收到来自计算机的换刀命令时，刀库的圆盘式刀盘将位于其上的空刀夹单元旋转到刀库换刀点位置上，在这个时候刀具释放块跟随主轴快速移动到刀库需要换刀地点，由于刀具释放块的指引作用，安装在刀库旋转圆盘上的刀夹单元的解锁销钉子被打开，所需换刀的刀具在主轴的夹持下，与主轴一同移动到换刀位置。这时两刀夹在夹紧弹簧的作用下，把刀具夹得很紧。此时主轴松开刀柄向后边移动，解锁销钉位于刀夹单元后端，解锁销钉在锁刀弹簧的作用下，将解锁销钉上的斜面紧紧推靠在刀夹后端的两侧斜面上，完成锁刀动作(如图2所示)。刀库回转体将所需要的刀具转至刀库换刀点，主轴向前移动，刀库回转体将所需要的刀具转至刀库换刀点，主轴向前移动，主轴前端的刀具释放块将解锁销钉打开，同时主轴夹紧刀柄。主轴上装夹上所要的刀具后，刀库回转体转回刀库原位，刀库完成一次换刀循环[8]。

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图2 锁紧机构工作原理

2.3.3刀库的刀夹单元设计

夹持力和夹爪的设计是刀夹最关键的设计。换刀时，夹持力过大，换刀机械

手承载过大力，且对刀柄的磨损也大，如果夹持力不够，会造成掉刀危险。因此，弹簧设计便很重要了，且24个夹持用的弹簧特性尽量一致。使夹持力最好相同，夹爪硬度低于刀柄硬度。我们知道刀夹要安装在刀库的回转体上的，同时回转体是刀库的重要部件之一，回转体安装和制造精度直接影响到整个刀库性能发挥，对刀夹的寿命以及装夹的精度都有影响。24组刀夹单元及刀具分布在回转体上，在保证其运动刚度要求为前提，使其重量应越轻，这几可使刀库的回转特性良好，又降低了加工费用。因此，回转体采用了平板开孔的方法，大大减轻刀盘重量。刀夹结构如图3所示[8]。

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图3刀夹单元

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3 刀库机械结构设计及部件校核

3.1 刀盘设计计算

在本次设计中刀盘采用45钢，刀盘上安装有各种刀具，在加工中心工作时其相对于工件的位置直接影响着加工中心的加工精度，所以在设计过程中尤其要注意把安装刀具的位置和加工中心加工主要的设计参数结合起来，确保加工过程中各刀具之间在换刀或者加工时互不影响，做出完善的刀具干涉图，下面主要把刀具的干涉图作简要分析，如图3.1所示，在刀盘的上同时安装有二十四把刀具，满足技术参数：刀库容量：24把；选刀方式：随机；换刀时间：6秒； 最大刀具长度：300mm;；最大刀具直径：100mm；刀柄型号：BT40。就必须使刀盘在转动到每一个刀位是都能够顺利加工工件。

根据已知的要求初步选定载刀刀盘的直径为620mm。 托刀刀盘的直径为580mm。螺栓安装处距离边缘20mm，两把刀具的安装中心弧段长度为39mm，托刀刀盘和载刀刀盘的厚度均为30mm.在两盘的盘腹部位开一系列的圆孔来减轻盘的重量。

图3.1 刀具干涉图 3.2 刀库传动轴的设计计算

轴是组成刀库机械系统的主要零部件之一，起着支撑安装在其上面的零件和做回转运动,传递动力和运动的作用。带动刀具的刀盘必须安装在轴上才可以旋转运动。作回转运动的传动零件蜗轮蜗杆，必须安装在轴上才能传递运动和动力。在这里，轴的作用主要是传递运动和动力，以带动其上零件——刀盘转动，完成送刀，换刀动作。 设计参数为：刀库容量：24把；选刀方式：随机；换刀时间：6秒；最大刀具长度：300mm；最大刀具直径：100mm；刀柄型号：BT40。

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3.2.1 轴的结构设计

1．轴上零件的装配方案

轴上零件有套筒、推力轴承、轴承挡圈、蜗轮蜗杆。根据传动的需要确定刀库系统蜗杆传动轴的各个零部件的位置。初步确定布置的方案是：从左端伺服电机开始由膜片式的联轴器与传动轴相连，其后安装一对相配合使用的推力球轴承，中间用套筒隔开，后面一段轴肩上安装一只角接触球轴承起支撑轴的作用。再往后是与轴配做在一起的蜗杆，最后是一只角接触球轴承起支撑轴的作用，其由轴端的端盖固定。

2.轴上的转矩及功率

按最大刀具重量（并考虑刀座及其辅助零件的重量）计算转矩由式3-2-1求得：

T?F?L?2?8?9.8?339?2?4.5?9.8?169.5?6.81051?104（N·mm） （3-2-1）

3．作用于蜗杆上的力 蜗杆的直径126mm，由公式（3-2-2），求得其上的力为：

2T2?6.81051?104??90.806（8N） Ft? （3-2-2） d150选取轴的材料为45钢，其最小直径为,22mm，起着带动蜗轮蜗杆运动，连接伺服电机与刀盘之间的传动。

4.根据轴向定位要求及运动要求确定轴的各段直径和长度。

（1）轴的最左端用联轴器与伺服电机相连接来传递动力，与联轴器相连的这一段轴长60 其上留有安装端盖的长度。后一段轴的长度是20mm,直径是30mm 其上安装一型号为51206的推力球轴承，外径D=52mm 宽度T=16mm。后一段轴端长度为50mm，直径是40mm，其上安装一对型号是51208的推力球轴承，其间用套筒隔开定位，推力球轴承的外径D=68mm 宽度T=19mm。后面又是一段轴段，长度为20mm 直径是60mm。

（2）蜗杆与轴是配做在一起的，蜗杆段轴的长度为72mm 总体的直径是126mm 。其后是一段直径是60mm 的轴段，长度为30mm 其后是一段直径为30mm 长度是30mm的轴，其上安装有一深沟球轴承起支撑的作用，深沟球轴承在轴上由轴端挡圈来定位固定，最后由端盖的左端对其外圈固定。 3.2.2 轴的校核

在进行轴的校核计算时应根据具体的受载及受力情况，采取相应的计算方法，并恰当的选取其需用应力。对于传动轴，应按扭转强度进行计算。对于心轴，应按弯曲强度进行计算。对于既受扭转又受弯曲的轴，应该按照弯扭组合强度条件进行校核，在精确要求的条件下还要按照疲劳强度条件进行校核。并且对于瞬时载荷过大或者应力循环不对称性较严重时，还要对轴按突变载荷校核其静强度。

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按扭转强度条件进行校核计算

?TP955000Tn??????T30.2dWT式中：?T???扭转切应力，MPAT???轴所受的扭矩，N?mmWr???轴的抗扭截面系数，mm3n???轴的转速，r/minp???轴传递的功率，kWd???计算切面处的轴的直径，mm

??r????许用扭转切应力，MPA，见下表轴的材料 Q235-A、20 45 40Cr、35SiMn Q275、35 38SiMnMo 3Cr13 （1Cr18Ni9Ti） 切应力 截面积

由以上的公式知道轴的直径为：

d?39550000p9550000pp3?3?A0?30.2n[?T]0.2[?T]nn9550000,查上表知：0.2[?T]p?20.5mmn(1??2)15-25 149-126 25-45 126-103 35-55 112-97 20-35 135-112 式中，A0?3 d?A03

由计算结果可知实际的轴直径大于计算出的轴最小直径，所以说按照扭转强度校核该轴，该轴是安全的[10]。

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3.3 刀库蜗轮蜗杆传动的设计计算

蜗轮蜗杆传动是在空间交错轴间传递运动和动力的一种机构，两轴交线可以是任意的的角度，一般为90度。蜗轮蜗杆传动较其他的机构有以下特点：

（1）传动比可以做的非常的大。蜗轮转过一个齿距时蜗杆转过一周。蜗轮蜗杆可以传递动力和运动，一般在动力的传动中，其传动比可以达到300。在只传递运动的机构中蜗轮蜗杆传动可以传递的传动比达1000.蜗轮蜗杆传动的传动比大，而且构件很少，所以它的结构非常紧凑。是一般的机械机构中非常常用到的机构，因为蜗轮蜗杆传递可以有效的简化机构，减少机械的总体体积。

（2）蜗轮蜗杆在旋转运动的时候是逐渐进入啮合，逐渐退出啮合的。所以说传动非常平稳，没有噪声和振动。

（3）蜗轮蜗杆传动中当螺旋升角小于当量摩擦角时具有自锁性。这种性能在建筑用的升降机以及电梯等需要安全性能很高或者用在机器在突然失去动力（如停电，停机等特殊的情况下）时，使机构运动保持不动，决对不可以倒转的情况下。

（4）但是，蜗轮蜗杆传动中蜗轮蜗杆在啮合的过程中相对滑动很大，所受到的摩擦力大，产生的热量很大，容易使润滑剂的粘度降低，造成润滑性能降低，从而有可能使蜗轮蜗杆在运动中过度磨损或者卡死。所以一般蜗轮蜗杆传动的效率往往很低,且一般要求进行热平衡计算[10]。 3.3.1蜗轮蜗杆强度校核

（1）按齿面接触疲劳强度进行校核

?H?KFnZEL0?式中：，NFn???啮合齿面上的法向载荷L0???接触线总长，mm K???载荷系数；ZE???材料的弹性影响系数。

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根据已经选择的蜗轮的材料为铸造锡青铜，蜗杆的材料为45号钢，查表知许用接触应力为250 MPa

?H?KFn500??160?230MPa<250MPa L?240由以上的计算结果可以知道，按照齿面接触疲劳强度进行校核该蜗轮蜗杆传动是安全的。

（2）按齿根弯曲疲劳强度进行校核

对于齿数较多以及开式的蜗轮蜗杆传动中，由于可能受到灰尘等的影响，使得蜗轮蜗杆可能加快磨损，但是当前关于蜗轮蜗杆磨损的定量计算还不是很成熟，所以一般按照齿根弯曲强度进行校核。大多数情况下蜗轮齿根弯曲应力可能存在风险，所以说对于齿数较多以及开式的蜗轮蜗杆传动要进行对齿根的弯曲疲劳强度的校核。由于蜗轮的齿形比较复杂，精确的计算蜗轮的齿根弯曲疲劳强度是很困难的，一般把蜗轮等效为斜齿圆柱齿轮来计算。 蜗轮齿根弯曲应力为：

KFt22KT2??Ya2Ys2YeY??YFa2YSa2YeY? Fb2m2mnb2d2式中：

b2???蜗轮齿弧长，b2???d1360cos?，其中?为涡轮的齿宽角mn???法面模数，mn?mcos?,mmYsa2???齿根应力校正系数，放在[?F]中考虑Y????弯曲疲劳强度的重合系数，取Y??0.667；Y????螺旋角影响系数，Y??1?

将上面的参数带入上式：

?140.- 12 -

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1.53KT21.53?1?T?F?YFa2Y???50?[?F]?56MPad2d1m113?143?6.3

查阅手册可知铸造锡青铜的蜗轮的许用应力为56 MPa

所以由以上的计算可以知道实际的弯曲应力小于铸造锡青铜蜗轮的许用弯曲应力，因此该蜗轮是安全的[10]。

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4 典型零部件的选型

4.1 液压缸的选型

1．液压缸特点

本次设计中液压缸主要用来带动刀具上下转动，之所以选用的液压传动，因为它有如下特点：

（1）和电动机相比较，在同等体积条件下，液压器件能够产生更大的动力，也就是说，在同等功率下，液压装置的体积小、重量轻、结构紧凑。

（2）液压设备能够实现无级调速，而且调速范围比较大。

（3）液压设备工作平稳，换向冲击小，便于实现频繁换向和制动。 （4）液压设备有很强的过载保护作用，能实现自润滑，使用寿命长。

（5）液压设备便于自动化的实现，易与电气、电子控制或气压传动控制有机结合起来，实现复杂的运动和操作。

（6）由于液压传动中的泄漏和液体的可压缩性使这种传动无法保证严格的传动比。

另外液压传动的效率比较低，有时候还会出现难以排除的故障等的特点[14]。

2．液压缸的选择

根据已知的条件，查阅相关的产品菜单，选取缸径D=40mm的液压缸。由于液压缸要安装和固定，所以应该选择尾部带有法兰固定式的缸，即是HSG型工程用液压缸。推杆的直径为20mm，最大的行程是320mm。

4.2 伺服电机的选用

根据前面所计算的功率和转矩，所以得选用2 KW左右的伺服电动机，在综合考虑了经济性和使用性的要求，在参考了大量的伺服电动机产品材料的情况下，最终选定了130系列交流伺服电机。

所选伺服电机的具体参数为：型号为130L2M19N，三相220伏电压，额定功率是2.0KW，额定转速1000r/min，最高转速1300r/min，额定转矩19Nm，最大转矩57Nm，额定电流9.3A，转子惯量44kgcmcm电机长度313mm。

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4.3 标准件的选型与设计

4.3.1 轴承的选择

在这次刀库的设计的中必须用到两根轴，其中一根起着支撑蜗轮蜗杆的作用，另一根起着支撑刀库的圆盘式刀库体的作用。第一根轴的载荷比较小，而且还有双向的轴向力的存在。所以在此用到了角接触球轴承和推力球轴承，角接触球轴承国标GB/T 292-1994，7010C型，内径为50，外径为80，宽度为16。 推力球轴承，国标GB/T 301-1995，一个型号为51208，内径=40mm，外径D=68mm，宽度T=19mm。另一个型号为51206，内径=30mm，外径D=52mm，宽度T=16mm。

4.3.2 轴承的校核

轴承的寿命与所受的载荷有成负相关的关系。一般把使轴承的寿命恰好为106转时候所能承受的载荷叫做基本额定动载荷，用C来表示。

本设计中的7010C轴承进行校核，其主要参数有：基本额定动载荷Cr=26500N,基本额定静载荷C0=22000N。

当量动载荷P=

fp?Fa 由查表可以知fp=1.2 估计Fa=500N

所以当量动载荷P=1.2×500=600N

106ftC() 由寿命的计算公式：Lh?60np

式中：ftt-----温度影响系数

Cr------额定动载荷，26500N； ε------指数，对于球轴承，ε=3 n-------额定转速，1000r/min； .

所以代入数据得：

1?1061?265003()?1430000h Lh?60?1000600- 15 -

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rz1o.html