XKA5032A数控立式升降台铣床自动换刀装置的设计论文.docx
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XKA5032A数控立式升降台铣床自动换刀装置的设计论文
XKA5032A/C数控立式升降台铣床自动换刀装置的设计
姚仕明
班级04数控一
专业数控技术
教学系机电工程系
指导老师周文
完成时间07年03月15日至07年5月18日
摘要……………………………………………………………………………1
前言…………………………………………………………………………....2
第1章绪论......................................................3
1.1数控机床的知识…………………………………………………………3
1.2数控铣床的分类…………………………………………………………3
1.2.1数控立式铣床………………………………………………………3
1.2.2数控卧式铣床………………………………………………………4
1.3数控铣床的结构特征……………………………………………………4
1.3.1数控铣床的主轴特征………………………………………………5
1.3.2控制机床的坐标特征………………………………………………5
1.4数控铣床的主要功能及加工对象………………………………………5
1.4.1数控铣床的功能……………………………………………………5
1.4.2自动换刀装置及其形式……………………………………………5
1.4.3自动装置应当满足的基本要求……………………………………6
第2章总方案的确定……………………………………………………………6
2.1XKA5032A/C数控立式升降台及其主要参数……………………………6
2.1.1主要结构特点………………………………………………………7
2.1.2主要规格及技术参数………………………………………………8
2.2初定其自动换刀装置的设计参数………………………………………9
2.3确定其自动换刀装置的形式……………………………………………10
第3章刀库的设计……………………………………………………………10
3.1确定刀库容量……………………………………………………………11
3.2确定刀库形式……………………………………………………………11
3.3刀库结构设计……………………………………………………………11
3.4初估刀库驱动转距及选定电机…………………………………………13
3.4.1初选电动机与降速传动装置………………………………………13
3.4.2初估刀库驱动转距…………………………………………………13
3.5刀库转位机构的普通圆柱蜗杆传动的设计………………………………13
3.6刀库驱动转矩的校核………………………………………………………17
3.7花键联接的强度计算………………………………………………………18
3.8夹紧机构插销剪切强度的校核……………………………………………18
3.9确定刀具的选择方式………………………………………………………19
3.10刀库的定位与刀具的松夹…………………………………………………20
第4章刀具交换装置的设计……………………………………………………20
4.1确定换刀机械手形式………………………………………………………20
4.2换刀机械手的工作原理……………………………………………………22
4.3机械手的自动换刀过程的动作顺序………………………………………22
4.4机械手回转轴4上的齿轮齿条设计………………………………………23
4.5自动换刀装置的相关技术要求……………………………………………24
4.5.1主轴准停装置…………………………………………………………24
4.5.2换刀机械手的安装与调试……………………………………………24
4.6自动换刀程序的编制………………………………………………………26
第5章自动换刀装置的控制原理…………………………………………………26
5.1自动换刀装置的液压系统原理图…………………………………………26
5.2自动换刀装置换刀动作的顺序控制过程…………………………………26
致谢词………………………………………………………………………………27
参考文献……………………………………………………………………………28
摘要
本论文介绍的是XKA5032A/C数控立式升降台铣床自动换刀装置（刀库式）的设计。
刀库式的自动换刀装置是由刀库和刀具交换装置（换刀机械手）组成。
它是多工序数控机床上应用最广泛的换刀装置，其整过换刀过程比较复杂。
首先把加工过程中需要使用的全部刀具安装在标准的刀柄上，在机床外进行尺寸预调后，按一定的方式装入刀库。
换刀时，先在刀库中进行选刀，由机械手从刀库和主轴上取出刀具，然后交换位置，把新刀插入主轴，旧刀放回刀库。
存放刀具的刀库具有较大的容量，其容量为六把刀具,采用盘形结构,安装在机床的左侧立柱上。
因为XKA5032A/C数控立式升降台铣床外形及其他性能参数等均与THK6363型自动换刀数控镗铣床相似，所以本机床的自动换刀装置的设计将仿效THK6363型自动换刀数控镗铣床换刀装置，设计成采用轴向放置的鼓盘式刀库形式和回转式双臂机械手组成。
刀具按预定工序的先后顺序插入刀库的刀座中，使用时按顺序转到取刀位置。
用过的刀具放回原来的刀座内，也可以按加工顺序放入下一个刀座内。
该法不需要刀具识别装置，驱动控制也比较简单，工作可靠。
但刀库中每一把刀具在不同工序中不能重复使用，为了满足加工需要只有增加刀具的数量和刀库的容量，这就降低了刀具和刀库的利用率。
此外，装刀时必须十分谨慎，如果刀具不按顺序装在刀库中，将会产生严重的后果。
顺序选刀是在加工之前，将加工零件所需刀具按照工艺要求依次插入刀库的刀套中，顺序不能有差错。
加工时按顺序调刀。
适合加工批量较大、工件品种数量较少的中、小型自动换刀装置。
可知数控铣床用4把刀就可完成大多数的铣削加工。
所以这个容量为6把刀的刀库，几乎不存在加工过程中需要重复利用刀具的情况，所以刀具的选择方式确定为顺序选择刀具。
两手互相垂直的回转式单臂双手机械手的优点是换刀动作可靠，换好时间短，缺点是刀柄精度要求高，结构复杂，联机调整的相关精度要求高，机械手离加工区较近。
一般来说，这种机械手用于刀库刀座轴线与机床主轴轴线垂直，刀库为径向存取刀具形式的自动换刀装置，因此，在XKA5032A/C数控立式升降铣床的自动换刀装置中可采用这种机械手形式。
关键词：
数控铣床；自动换刀装置；刀库；换刀机械手
前言
数字控制机床是用数字代码形式的信息（程序指令），控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。
数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。
随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。
此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。
数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。
输入数控装置的程序指令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入。
随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程。
未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多；激光加工等技术将应用在切削加工机床上，从而扩大多工序集中的工艺范围；数控机床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。
第一章绪论
1.1数控机床知识
数字控制机床是用数字代码形式的信息（程序指令），控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。
数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。
随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。
此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。
数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。
输入数控装置的程序指令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入。
随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程。
未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多；激光加工等技术将应用在切削加工机床上，从而扩大多工序集中的工艺范围；数控机床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。
1.2数控铣床的分类
1.2.1数控立式铣床
数控立式铣床是数控铣床中数量最多的一种，应用范围也最为广泛。
小型数控铣床一般都采用工作台移动、升降、及主轴不动方式，与普通立式升降台铣床相似；中型数控立式铣床一般采用纵向和横向工作台移动方式，且主轴沿垂直溜板上下运动；大型数控立式铣床，因要考虑到扩大行程，缩小占地面积及刚性等技术问题，往往采用龙门架移动式，其主轴可以在龙门架的横向与垂直溜板上运动，而龙门架则沿床身作纵向运动。
从机床数控系统控制的坐标数量来看，目前3坐标数控立式铣床仍占大多数。
一般可进行3坐标联动加工，但也有部分机床只能进行3坐标中的任意二个坐标联动加工。
此外，还有机床主轴可以绕X、Y、Z坐标轴中其中一个或两个轴作数控摆角运动的4坐标和5坐标数控立式铣床。
一般来说，机床控制的坐标轴越多，特别是要求联动的坐标轴越多，机床的功能、加工范围及可选择的加工对象也越多。
但随之而来的是机床的结构更复杂，对数控系统的要求更高，编程的难度更大，设备的价格也更高。
数控立式铣床可以附加数控转盘，采用自动交换台，增加靠模装置等来扩大数控立式铣床的功能，加工范围和加工对象，进一步提高生产效率。
1.2.2卧式数控铣床
与通用卧式铣床相同，其主轴级平行于水平面。
为了扩大加工范围和扩大功能，卧式数控铣床通常采用增加数控转盘或万能数控转盘来实现4、5坐标加工，这样，不但工件侧面上的连续回转轮廓可以加工出来，而且可以实现在一次安装中，通过转盘改变工位，进行“四面加工”。
可以省去许多专用夹具或专用角度成型铣刀。
对箱体类零件或需要在一次安装中改变工位的工件来说，选择带数控转盘的卧式铣床进行的。
加工是非常合适
这类铣床目前正在逐渐增多，它的主轴方向可以更换，能达到在一台机床上既可以进行立式加工，又可以进行卧式加工，其使用范围更广，功能更全，选择加工的对象和余地更大，给用户带来了很多方便，特别是当生产批量小，品种较多，又需要立卧两种方式加工时，用户只需买一台这样的机床就行了。
立、卧两用数控铣床的主轴方向的更换有手动与自动两种，采用数控万能主轴头的立、卧两用数控铣床，其主轴头可以任意转换方向，可以加工出与水平面呈各种不同角度的工件表面。
当立、卧两用数控铣床增加数控转盘后，就可以实现对工件的“五面加工”。
即出除了工件与转盘贴合的定位面外，其它表面都可以在一次安装中进行加工。
因此，其加工性能非常优越。
1.3数控铣床的结构特征
1.3.1数控铣床的主轴特征
数控铣床的主轴开启与停止，主轴正反转与主轴变速等都可以按输入介质上编入的程序自动执行。
不同的机床其变速功能与范围也不同。
有的采用变频机组，固定几种转速，可自选一种编入程序，但不能在运转时改变。
有的采用变频器调整，将转速分为几档，编程时可任选一档，在运转中可通过控制面板上的旋钮，在本档范围内自由调节；有的则不分档,编程时可在整个范围内无级调速。
但是在实际操作中，调速不能有大起大落的突变，只能在允许的范围内调高或调低，只能在允许的范围内一般都设有自动拉、退刀装置，能在数秒内完成装刀与卸刀，换刀比较方便。
此外，多坐标数控铣床的主轴可以绕X、Y或Z轴作数控摆动，扩大了主轴自身的运动范围，但是主轴结构更加复杂。
1.3.2控制机床运动的坐标特征
为了要把工件上各种复杂的形状轮廓连续加工出来，必须控制刀具沿平面上设定的直线、圆弧或空间直线、圆弧轨迹运动，因此，要求数控铣床的伺服拖动系统能在多坐标方向同时协调动作，并保持预定的相互关系，这就要求机床应能实现多坐标联动。
数控铣床要控制的坐标数最少是3坐标中任意两坐标联动。
要实现连续加工直线变斜角工件，应实现四坐标联动。
若要加工曲线变斜角工件，是要求实现五坐标联动。
因此，数控铣床所配置的数控系统档次，一般都比其它数控机床相应更高一些。
1.4数控铣床的主要功能及加工对象
1.4.1数控铣床的功能
数控铣床的功能分为一般功能和特殊功能。
一般功能是指各类数控铣床普遍所具有的功能。
如点位控制功能、刀具半径自动补偿功能、镜象加工功能、固定循环功能等。
特殊功能是指数控铣床在增加了某些特殊装置或附件后，分别具有或兼备的一些特殊功能。
如刀具长度补偿功能、靠模加工功能、自动变换工作台功能、自适应功能、数控采集功能等。
在使用数控铣床加工工件时，只要充分利用数控铣床的各种功能，就可以加工许多普通铣床难加工的工件。
数控铣床的主要加工对象有：
平面类零件；变斜角类零件；曲面类（立体类）零件。
1.4.2自动换刀装置（ATC）及其形式
数控机床为了进一步提高生产率，进一步压缩非切削时间，现代的机床逐步发展为在一台机床上在一次装中完成多工序或全部工序的加工。
数控机床为了能在工件一次装夹中完成多个工步，以缩减辅助时间和减少多次安装工件引起的误差，通常带有自动换刀系统。
对工件的多工序加工而设置的存储及更换刀具的装置称为自动换刀装置（AutomaticToolChanger，ATC）;自动换刀（AutomaticToolChange简称ATC）系统由控制系统和换刀装置组成。
在数控铣床的基础上，如果再配以刀具和自动换刀系统，就构成加工中心（Machiningcenter简称MC）。
在这类数控机床上，自动换刀装置（ATC）是必不可少的。
例如加工中心机床又称多工序自动换刀数控机床，它主要是指具有自动换刀及自动改变工件加工位置工能的数控机床，具有自动换刀装置是加工中心机床的典型特征，是多工序加工的必要条件。
自动换装置的功能，对整机的加工效率有很大的影响。
由于普通的数控立式铣床加工的一般是中小零件，其大多需要几把刀具加工（10把刀具以内，）故增加自动换刀装置并同时自动变换主轴转速。
可减轻劳动强度，减少换刀时间，既提高了机床的自动化程度，又提高了劳动生产率。
因此，数控立式铣床作为数控铣床中数量最多、应用范围也最广的一种，对其附加能够快速、准确地换刀的自动换刀装置是非常有必要的。
各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的型式、工艺范围及刀具的种类和数量等。
这种装置主要可以分为以下几种形式：
1）回转刀架换刀形式
2）更换主轴头换刀形式
3）带刀库的自动换刀形式
1.4.3自动换刀装置应当满足的基本要求
1）刀具换刀时间短。
2）刀具重复定位精度高。
3）足够的刀具储存量。
4）刀库占地面积小。
5）换刀安全可靠。
第二章总体方案的确定
依据设计任务书，我们的任务是给XKA5032A/C数控立式升降台铣床设计安装合适的自动换刀装置。
主要技术参数为：
1）刀库容量：
4-62）选刀方式：
顺序选刀3）重复精度：
5"
XKA5032A/C数控立式升降台铣床主要由床身、升降台、工作台、立铣头、主传动、主变速、拉刀机构、液压系统、自动润滑系统、冷却系统、吊挂、电柜等部分组成。
机床本身并不带自动换刀装置。
自动换刀装置作为一套独立的、完整的机床部件，设计依据是该机床的型式、工艺范围及刀具的种类和数量等。
2.1XKA5032A/C数控立式升降台铣床及其主要参数
XKA5032A型数控立式升降台铣床是一种使用范围广泛的机床，根据用户要求，配置国内外（OSP-U10M、SIEMENS802D、华中Ⅰ号）先进数控系统，可手动或自动操作。
它可以实现X、Y、Z三轴同时定位/直线插补，同时二轴圆弧插补。
OPS全域绝对位置检测。
每次开机无须回零，简化机床操作。
尤其在发生停机、断电、更换程序等情况后再启动时不用整机回零，可以直接开机，方便操作。
尤其方便不熟练操作工、繁忙操作工、电力不良等情况下的使用。
可采用主程序、子程序进行编程，最小单位可选0.001mm。
具有标准机床坐标系、工件坐标系，绝对值、增量可并用。
各有50组刀具长度、半径长度补偿。
彩色LCD中文显示，具良好人机对话窗口，系统具有160m存储容量，可进行程序编辑、管理，可用RS-232C接口、1.44软盘进行数据输入、输出,便于加工程序的管理。
可以对程序进行模拟加工，刀具轨迹跟踪及动画仿真、图形动画显示，记录运行时间及作业信息。
2.1.1其主要结构特点
1）主传动系统为7.5Kw的交流电动机通过弹性连轴器驱动主传动箱，主传动箱内有三组滑移齿轮,液压预选变速机构推动各滑移齿轮,组成18种转速,再传到铣头上的主轴，主传动箱内有电磁制动器,主轴制动迅速平稳。
2）进给系统X、Y、Z三个座标的进给，都是由交流伺服电机驱动的。
电机通过同步齿形带驱动滚珠丝杠，从而使部件沿导轨移动。
伺服电机及其相应的速度控制单元和用于位置检测的脉冲编码器等均受控于数控系统；以完成各种进给运动。
同步齿形带可张紧以减少传动间隙，噪声亦可降低。
垂向电机是带制动器的，当断电时，垂向刹紧，以防止升降台因自重而下滑。
3）铣头上的立式主轴，有符合国际标准的（ISO）No.50锥孔，可安装标准的铣刀或铣夹头。
主轴的轴向位置可调整，连同套筒一起作轴向伸出。
主轴也可以连同铣头主体一起，在左右各45°范围内调整成倾斜位置。
4）刀柄采用标准XT50形式，可与万能铣床刀柄通用。
5）润滑系统
自动润滑站配以递进式分油器，对机床导轨副、滚珠丝杠副及齿轮副等进行自动的定时定量润滑，每次加油量和两次间的时间间隔都是可调的，力求保证每个润滑点的合理油量。
6）机床采用侧挂式电柜和吊挂式操纵站，机电一体，整体装运，安装方便，集中操纵但能又多位置操作。
7）半自动的装卸刀机构,安装在铣头的上方，通过两个按钮分别控制装刀和卸刀，方便而安全，即使主轴向外伸出，也不会影响刀具的装卸。
2.1.2其主要规格及技术参数
参数名称
单位
数量
工作台面尺寸（长X宽）
mm
320X1320
工作台纵向（X）行程
mm
780
工作台纵向（Y）行程
mm
300
工作台纵向（Z）行程
mm
380
主轴孔径
mm
29
主轴端面至工作台面的距离
mm
70～450
主轴中心线至床身导轨面距离
mm
350
定位精度及重复定位精度
mm
±0.015、±0.005
主轴端部锥度
ISO
No.50
立铣头最大回转角度
45°
主轴转速级数
18
主轴转速范围
r/min
30～1500
工作台进给级数
无级
纵、横向进给范围
mm/min
6～3200
垂向进给范围
mm/min
3～1600
纵、横向快进速度
mm/min
6000
垂向快进速度
mm/min
3000
主传动电动机功率
kw
7.5
主传动电动机转速
r/min
1440
工作台最大承载重量
kg
320
主轴最大扭矩
N·m
1000
机床外形尺寸（长X宽X高）
mm
1929X2055X2216
机床重量
kg
2800（3000）
该机床推荐使用的最大切削范围如下：
铣切钢：
钢的含碳量0.45%，抗拉强度600N/mm2。
铣刀直径
100mm，齿数4；
铣切宽度50mm，铣切深度3mm；主轴转速750r/min，进给量750mm/min。
铣切灰铸铁：
材料HT200，硬度HB150～225。
铣刀直径
250mm，齿数14；
铣切宽度150mm，铣切深度3.7mm；主轴转速47.5r/min，进给量300mm/min
2.2初定其自动换刀装置的设计参数
在铣削轮廓时，为了保证一次连续地加工出全部表面，应选用半径小于工件最小轮廓半径的刀具，而在实际的生产加工中，常尽量选用直径较大的铣刀，因为大直径铣刀刚性好，耐用度高。
由XKA5032A/C数控立式升降台铣床推荐使用的最大切削范围可知，当铣切钢时，铣刀直径为
100mm。
当铣灰铸铁时，铣刀直径达
250mm。
因此，为了满足该机床的实际加工能力与生产情况，在设计其自动换刀装置时，应该根据最大的刀具直径来设计，即设计的换刀装置能交换
250mm的刀具。
初估最大直径刀具的重量为8kgf。
2.3确定其自动换刀装置的形式
由于XKA5032A/C数控立式升降台铣床是一种使用范围较广的机床，且其可加工零件的精度要求也较高，比较上章介绍的几种换刀形式，决定选用带刀库的自动换刀形式。
XKA5032A/C数控立式升降台铣床主轴箱上方没有好的安装位置，安装在机床外又要增加刀具运输时间，降低效率，所以安装在机床侧面最合适，有些部件交错的地方，作适当的调整。
因为XKA5032A/C数控立式升降台铣床外形及其他性能参数等均与THK6363型自动换刀数控镗铣床相似，所以本机床的自动换刀装置的设计将仿效THK6363型自动换刀数控镗铣床换刀装置，设计成由由盘式刀库和回转式双臂机械手组成。
设计增加自动换刀装置后的XKA5032A/C数控立式升降台铣床的外观图如图1-1所示。
图1-1XKA5032A/C数控立式升降台铣床的外观图
第三章刀库的设计
刀库是带刀库自动换刀装置的主要部件之一，其容量形式、布局及具体结构对数控机床的性能有很大影响。
3.1确定刀库容量
决定刀库容量时，首先要考虑加工工艺的需要，同时还要调查分析同类型、相近规格的自动换刀机床的刀库容量及其发展趋势。
由于带自动换刀装置的数控机床主要是在多品种、单件小批生产时使用，因而应根据广泛的工艺统计，依大多数工件加工时需要的刀具数来确定刀库容量。
例如，对功能较为齐全的加工中心而言，它可承担多个工件的切削任务，因而要配备刀具的种类和规格较多。
通常，配备的刀具越多，机床能加工工件的比率也越高，但它们并不是成正比例关系。
图3
升级会员 