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刀库论文

目录

摘要--------------------------------------------------------------３

Ａｂｓｔｒａｃｔ---------------------------------------------3

绪论---------------------------------------------------------------4

第一章概述-------------------------------------------------5

1/1数控机床在国民经济中的作用-------------------5

1/2常用数控机床的形式--------------------------------6

1/3加工中心的应用--------------------------------------7

第二章本设计方案的介绍--------------------------------8

2/1数控机床坐标系的确定-----------------------------9

2/2数控机床的主要性能指标--------------------------9

2/3本设计加工中心的主要优点----------------------11

第三章立柱-------------------------------------------------13

3/1对立柱的要求----------------------------------------13

3/2立柱的结构-------------------------------------------13

3/3立柱导轨形式及导轨精度-------------------------13

第四章主轴系统-------------------------------------------16

4/1主轴系统主要技术参数----------------------------16

4/2主传动方式的确定----------------------------------16

4/3主轴轴承配置形式----------------------------------18

4/4主轴系统结构形式----------------------------------18

4/5主轴和主轴箱体-------------------------------------18

4/6主轴轴承的配合-------------------------------------21

4/7主轴轴承的润滑方式-------------------------------21

4/8降低主轴温升的措施-------------------------------22

4/9主轴箱重量的平衡方式----------------------------22

4/10主轴准停装置-----------------------------------------22

4/11刀具自动夹紧装置-----------------------------------22

第五章主轴箱伺服进给系统-----------------------------24

5/1ＮＣ伺服机构的形式--------------------------------24

5/2伺服电动机的选定-----------------------------------24

5/3丝杠的选定--------------------------------------------26

第六章刀库--------------------------------------------------27

6/1刀库的功能--------------------------------------------27

6/2刀库的形式--------------------------------------------27

6/3刀库的选刀方式--------------------------------------27

6/4刀库准停措施-----------------------------------------27

6/5刀库结构-----------------------------------------------28

6/6机械手结构--------------------------------------------29

总结----------------------------------------------------------31

参考文献--------------------------------------------------------32

主轴系统图零件明细表--------------------------------------33

机床的主要技术参数-----------------------------------------38

摘要

本设计系小型加工中心的主轴系统于刀库系统的设计。

在这设计中主要研究了立式加工中心的立柱、主轴系统、立柱导轨、刀库、机械手机构等部件的结构。

本设计以结构设计为主，在立柱设计时介绍了立柱的结构、立柱导轨形式及导轨精度等方面的内容。

在主轴系统设计时，列举了主轴系统的主要技术参数，确定了主运动的形式；确定了主轴轴承的配置形式；设计了主轴和主轴箱体以及主轴轴承的配合、润滑方式等内容。

研究了主轴箱伺服进给系统的内容。

在刀库系统的设计中，确定了刀库的形式、刀库选刀方式等内容；研究了主轴准停与刀套准停的措施。

最后，本设计介绍了所选机械手的一些情况。

Abstract

ThisdesignshoestheSpindleSystemandtheTool’sStorehouseSystemofsmall-sizedMachiningCenter（MC）.Themaintopicofthisdesignistostudythestrctureoftheverticlecolumn,thetool’sstorehouseandthemechaniamofATC.

Structuredesignisthemaincontentinthisdesign.

Indesigningtheverticalcolumn,Thestructureofthevericalcolumn,Theformoftheverticalcolumnguideandthepercisionoftheguidehavebeenintroduced.Indesigningthesystemofthespindle,Ilistthethemaintechnologicalparameteranddeterminetheformofitsbearing’scoordinateandalsotherelubricatefrom.Atthepermissionofthetime,Servemovingoftheapindleboxhasalsobeenstudied.IndeigningtheTool’sStorehouseSystem,Theformofthetool’sstorehousehasbeendeterminedandsoasthecontentoftheformofchoosingthetoolinTool’sstorehouse.Themeasuresofaccurateceasingofthespindleandthetoolcoverarealsostudiedinthisdesign.Atlast,Youmayfindsomethingaboutthemaniplatorinthisarticle.

绪论

本设计系加工中心的主轴系统与刀库系统设计。

属于综合类毕业设计环节。

在作者接到这个设计任务后，最初几周是以查阅参考资料为主，然后是设计方案的确定。

首先是主轴系统的设计：

本设计在设计方案确定之前，曾经考虑将主轴系统设计为既能上下移动作Ｚ轴运动，又能沿Ｘ轴或Ｙ轴翻转、摆动的两坐标式。

但由于所能查阅到的相关资料十分有限，所以改为单坐标式主轴设计，同时加强了对于主轴、导轨等结构的设计。

其次是刀库系统的设计：

在现代加工中，一个零件往往需要进行多工序的加工，而单功能的数控机床只能完成单工序的加工，如车、钻、铣等。

因此，在制造一个零件过程中，大量时间用于非切削时间上：

如更换刀具、装卸零件、测量和搬运等。

切削加工时间仅占整个工时中较小的比例。

为了缩短非切削时间，往往采用“工序集中”原则。

因此提出了自动换刀的问题。

能自动换刀的数控机床即加工中心。

自动换刀装置扩大了单功能数控机床的使用范围，减少生产面积。

还可使加工效率提高７０％～８０％。

由于零件在一次安装中完成多工序加工，大大减少了零件安装次数，从而进一步提高了加工精度。

在确定设计方案前，作者反复比较了国内外的一些自动换刀系统，最终确定以目前大多数加工中心采用圆盘式刀架作为本加工中心的刀库，任意选刀方式的方案。

机械手采用单臂双爪结构。

本设计绘制了零号装配图两张，即主轴系统图和刀库系统图。

由于时间关系电气控制环节无法深入研究，故本设计中未进行电气控制环节的设计。

在总体方案确定后，作者开始实行细致的设计工作。

从机械手的结构、刀套结构等细小处开始，设计了盘式刀库、选刀方式、机械手的运动等内容。

还在主轴系统设计中确定了立柱结构、导轨形式及安装、主轴系统（包括主轴轴承、主轴传动方式、主轴准停装置）的设计。

基本上说，小型加工中心的设计已初具规模。

此外，本班另一组同学进行中型加工中心工作台的设计，与本设计合并在一起，一个现代化加工中心的机械结构已初步完成。

由于工作台的设计内容不在本设计范围内，此处仅仅略语一二，不再赘述。

第一章概述

1/1数控机床在国民经济中的作用

随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理。

其性能、精度、效率日益提高，因此对加工机械产品零件的生产设备――机床，也相应提出高性能、高精度、高自动化的要求。

机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要的措施之一。

它不仅能够提高产品质量、提高生产率、降低生产成本，还能大大改善工人的劳动条件。

大批量生产的产品广泛采用自动机床、组合机床、专用机床和专用生产线，实行多刀、多面、多工位同时加工，以达到高效率和自动化。

尽管需要较大的初始投资和较长的生产准备时间，但在大批量的生产条件下，分摊在每个工件上的费用较低，经济效益非常显著。

但是应用这些专用设备，生产准备周期长，产品改型不易。

因而新产品开发周期增长。

在机械产品中，单件与小批量生产占７０％～８０％，这类产品一般都采用通用机床加工。

当产品改变时，机床与工艺装备均需作响应的变换和调整，而且通用机床的自动化程度不高，难以提高劳动生产率和保证产品质量，特别是一些由曲线曲面轮廓组成的复杂零件，只能借助靠模与仿形机床，或者借助划线和样板用手工操作的方法加工，加工精度和生产效率受到极大的限制。

为了解决上述问题，一种新型的数字程序控制机床应运而生，它极有效地解决了上述一系列矛盾，为单件、小批量生产精密复杂零件提供了自动化加工手段．数控机床是一种高效自动化机床，用数控加工程序控制数控机床自动加工零件。

数控机床上，工件加工的全过程是由数字指令控制的，无需使用复杂的、专用的工模夹具。

它能较好的解决中、小批量，多品种和复杂零件加工自动化的问题，对加速产品更新换代十分有利。

数控机床与其他自动机床的主要区别在于：

当被加工工件改变时，除了重新装夹和更换刀具之外，只需更换新的加工程序，无需对机床做任何调整。

随着微型计算机、自动控制技术的发展，数控机床和数控装置在功能和品种上都在迅速发展和提高，并且展现出更为广阔的发展前景。

工业发达国家在军工和民用部门广泛使用数控机床，1958年我国也开设研究数控机床。

近年来，由于引进国外的数控系统与伺服系统的制造技术，使我国数控机床在品种、数量、质量方面得到了迅速发展。

虽然我国与工业发达国家之间还存在着较大差距，但这种差距正随着企业技术改造的深入开展而不断缩小，发展数控机床已成为目前机床行业的目标。

数控机床必将成为我国机械工业生产的主要设备，为我国的四个现代化作出巨大贡献。

1/2常用数控机床的特点和形式

数控机床在机械制造行业中得到日益广泛的运用，是因为它具有显著特点：

第一：

能适应不同零件的加工。

数控机床是按照被加工零件的数控程序来进行加工的。

当改变加工零件时，只要改变数控程序，不必使用凸轮、靠模、样板或钻镗模等专用设备。

因此，生产准备周期短，有利于机械产品更新换代。

第二:

生产效率和加工精度高,加工质量稳定。

数控机床上可以采用较大的切削用量，有效地节约了机动工时。

还具有自动变速、自动换刀和其它辅助自动化操作等功能，使辅助时间大为缩短，而且无须工序间的检验和测量，所以比普通机床生产效率提高３～４倍以上。

同时由于数控机床本身的精度较高，还可以利用软件进行精度校正和补偿，另外它是根据数控程序自动进行加工，可以避免人为误差，因此，不但加工精度高，而且质量稳定。

第三：

能完成复杂形面加工。

第四：

工序集中，一机多用。

数控机床，特别是自动换刀的数控机床，在一次装夹的情况下，几乎可以完成零件的全部加工，一台数控机床可以代替数台普通机床。

这样可以减少装夹误差，节约工序间的运输、测量和装夹辅助时间，还可以减少机床的占地面积，带来较高的经济效益。

第五：

数控机床是一种高技术设备，机床价格较高，要求具有较高技术水平的人员来操作和维修，但使用数控机床的经济效益还是很明显的。

数控机床按加工功能分类可分为点位和直线数控机床以及轮廓控制数控机床。

本设计属于轮廓控制数控机床，这类机床又称为连续控制或多坐标联动数控机床。

机床有几个进给坐标轴，数控装置能同时控制２～５个坐标轴，使刀具按平面直线、曲线或空间曲面轮廓的规律进行相对运动，加工出形状复杂的零件。

这类数控机床的数控功能是最齐全的，能够进行多坐标联动控制的数控机床，一般也能够进行点位和直线控制。

目前数控机床所用的进给伺服系统多为半闭环控制系统，此外还有开环数控机床和闭环数控机床。

半闭环进给系统是将位置检测装置安装在驱动电动机的端部，间接测量执行部件的实际位置或偏移量，可以获得比开环系统高的精度。

１／３　加工中心的应用

１９５８年，世界上第一台加工中心在美国卡尼·特雷克（Kearney&Trecker）公司制造出来。

加工中心与普通数控机床的区别主要在于它能在一台机床上完成由多台机床才能完成的工作。

现代加工中心包含以下内容：

１：

加工中心是在数控钻床或数控镗床基础上增加自动换刀装置，使工件在一次装夹后连续自动完成对工件表面的钻、镗孔，攻螺纹，铣削等多工步加工，工序高度集中。

２：

加工中心一般带有自动分度回转工作台，或可自动回转角度的主轴箱，使工件一次装夹后，自动完成多个平面或多个角度位置的多工序加工。

３：

加工中心能自动改变主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹以及其他辅助功能。

４：

加工中心如果带有交换工作台，工件在工作位置的工作台进行加工的同时，另外的工件在装卸位置的工作台上进行装卸，不影响正常的加工工件。

由于加工中心具有上述机能，因而可以大大减少工件装夹、测量和机床调整时间，减少工件的周转、搬运和存放时间，是机床切削时间利用率高于普通机床３～４倍，大大提高了生产率。

尤其是在加工工件形状比较复杂、精度要求较高、品种更换频率较高的工件时，更体现良好的经济性。

加工中心是一种备有刀库并能自动换刀对工件多工序加工的数控机床。

箱体类零件的加工中心一般是在镗铣床的基础上发展起来的。

可称为镗铣类加工中心，习惯上简称为加工中心。

加工中心问世至今已有四十多年了，世界各国出现了各类加工中心，虽然外形结构各异，但主要还是由以下几部分组成：

１：

基础部件

２：

主轴部件

３：

数控系统

４：

自动换刀系统

５：

辅助装置

本设计涉及的环节包括基础部件中的立柱部分和主轴部件以及自动换刀系统。

立柱主要承受加工中心静载荷以及加工时产生的切削负载，因此必须具有足够的刚度。

立柱可以是铸铁件，也可以是焊接而成的钢结构件。

主轴部件由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零件组成。

主轴的启动、停止和变速等动作均由数控系统控制，并且通过装在主轴上的刀具参与切削动作，是切削加工的功率输出部件。

自动换刀系统由刀库机械手等部件组成。

当需要换刀时，数控系统发出指令，由机械手将刀具从刀库中取出装入主轴内。

加工中心按机床形态分类，可分为卧式、立式、龙门式和万能加工中心。

本设计为立式加工中心的一部分，结构形式为固定立柱式。

这种加工中心的特点是结构简单，占地面积小，价格低。

加工中心按换刀形式可分为三种：

１：

带刀库、机械手的加工中心

２：

无机械手的加工中心

３：

转塔式加工中心

本设计采用第一种方式设计，加工中心的自动换刀系统（AutomaticToolChanger简称ATC）是由刀库和机械手组成，换刀机械手完成换刀工作。

这也是加工中心采用的最普遍的形式。

第二章　本设计方案介绍

在第一章中，对设计的内容已有一些介绍，在这一章内，将进一步详细介绍相关内容。

首先是被加工工件的确定。

不同类型的数控机床其使用范围有一定局限性。

只有在一定工作条件下，才能达到最佳效果。

本设计拟订的加工零件为箱盖、壳体和平面凸轮等单面加工零件，因此设计为立式加工中心。

其次是机床规格的确定。

数控机床的主要规格是工作台尺寸、几个数控坐标的行程和主电动机的功率。

本设计中Ｚ轴的行程确定为470ｍｍ左右。

主电动机功率5.5～7.5Ｋｗ。

２／１　数控机床坐标系的确定

数控机床坐标系是为了确定工件在机床中的位置，机床运动的特殊位置（如换刀点、参考点等）以及运动范围（如行程范围）等而建立的几何坐标系。

本设计以我国执行的JB305-82《数控机床坐标与运动方向的命名》为准。

标准坐标系采用右手直角笛卡尔坐标系。

它规定直角坐标X、Y、Z三者的关系,其正方向用右手定则判定，围绕Ｘ、Ｙ、Ｚ轴的回转运动，其正方向＋Ａ、＋Ｂ、＋Ｃ分别用右手螺旋法则判定。

本设计中主轴坐标为Ｚ轴，向上为正方向。

２／２　数控机床的主要性能指标

一、本设计机床的精度指标

一般来说，一台完整的数控机床包括以下精度指标：

１：

定位精度和重复定位精度

２：

分度精度

３：

分辨度与脉冲当量

本设计为数控机床的一部分，涉及第一、第三精度，第二精度是指分度工作台在分度时，理论要求回转的角度值与实际回转的角度值之差，属于工作台设计环节，不在本设计考虑范围之内。

定位精度是指数控机床工作台等移动部件在确定的终点所达到的实际位置精度，因此移动部件实际位置与理想位置之间的误差称为定位误差。

定位误差包括伺服系统、检测系统，进给系统等误差，还包括移动导轨的几何误差。

定位误差将直接影响零件加工的位置精度。

本设计参考国内外的一些数控机床，将机床定位精度初定为+0.012/300mm。

重复定位精度是指在同一台数控机床上应用相同程序相同代码加工一批零件所得到的连续结果的一致程度。

重复定位精度受伺服系统特性、进给系统的间隙与刚性以及摩擦特性等因素的影响。

一般情况下,重复定位精度是成离散状态分布的偶然误差,它影响零件加工的一致性,是非常重要的指标。

本设计的重复定位精度初定为+0.006mm。

分辨度是指两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隙。

对测量系统而言，分辩度是可以测量的最小增量：

即数控装置每发出一个脉冲信号反映到机床移动部件上的移动量，一般称为脉冲当量。

脉冲当量是设计数控机床的原始数据之一，其数值大小决定数控机床的加工精度和表面质量。

本设计机床的脉冲当量初定为+0.001mm。

二、可控轴数

数控机床的可控轴数是机床数控装置能够控制的坐标数目。

数控机床可控轴数与数控装置的运算处理能力、运算速度、内存容量有关。

本设计可控轴为Ｚ轴，即主轴沿直线上下运动。

三、运动性能指标

数控机床的运动性能指标主要包括主轴转速、进给速度、坐标行程、摆角范围、刀库容量与换刀时间等。

１：

主轴转速

本设计的主轴采用调速主轴电动机驱动，选用高速精密轴承支承，保证主轴具有较宽的调速范围和足够高的回转精度、刚度与抗震性。

机床主轴转速可达3000rpm。

２：

进给速度

数控机床的进给速度是影响零件加工质量、生产效率以及刀具寿命的主要因素。

它受数控装置的运算速度、机床动特性以及工艺系统刚度等因素的限制。

本设计机床的Ｚ轴进给速度初定为1∽400mm/min。

３：

行程

数控机床坐标轴Ｘ、Ｙ、Ｚ的行程大小，构成数控机床的加工空间范围，即能加工零件的大小。

行程是直接体现机床加工能力的指标参数。

本设计主轴箱上下行程（Ｚ轴）为470mm。

４：

刀库容量和换刀时间

刀库容量和换刀时间对数控机床的生产效率有直接影响。

刀库容量是指刀库能存放的加工所需要的刀具数量，此内容将在其他环节详细介绍。

本设计刀库容量为16把刀。

换刀时间指带有自动交换刀具系统的数控机床将主轴上使用的刀具与装在刀库上的刀具进行交换所需要的时间。

本设计机床能在10～20S内完成换刀。

２／３　本设计加工中心的主要优点

本设计的加工中心参考了许多国内外的成熟产品，设计时吸取了一些经验，作了一些改进，总的来说有以下优点：

１：

提高加工质量

工件一次装夹，既可实现多工序加工，大大减少多次装夹带来的误差。

另外由于是数控加工，对操作人员的技术水平依赖程度较低，可得到相当高的稳定精度。

２：

缩短加工准备时间

本设计的加工中心可以代替多台机床，那么加工中心的准备时间比多台加工单元的准备时间之和相比自然短得多。

另外数控机床不必准备专用钻等工艺设备，可以大大减少准备时间。

３：

减少在制品

以往的加工方式是工件流动于多台通用机床之间，这就造成相当数量的在制品，而在加工中心上加工，可发挥其“多工序集中”的优势，在一台机床上完成多个工序，就能大大减少在制品的数量。

４：

减少刀具费用

把分散在各通用机床上的刀具集中在加工中心的刀库上，有可能用最少量的刀具实现公共有效利用。

这样即提高了刀具利用率，又能减少刀具数量。

５：

最少的直接劳务费

由NC装置实现多工序加工的信息集约化和一人多工位等等，可缩减直接劳务费。

６：

最少的间接劳务费

由于工序集中，工件搬运和质检工作量大大减少，可缩减间接劳务费。

７：

设备利用率高

加工中心设备利用率为通用机床的数倍。

由于工序集中，还适

品种、中小批量生产。

第三章　　立柱

3/1对立柱的要求

加工中心的立柱因卧式加工中心与立式加工中心而不同，虽然其结构形式不同，但是既然是加工中心的立柱就要支撑主轴箱，使之沿垂直方向运动。

因此要求它承受切削力、振动、温度变化等恶劣条件下工作。

立柱是加工中心的关键部件，要求具有足够的构件刚度、良好的抗振性和抗热变形性。

为了满足对立柱的要求，在结构设计与肋板布局上，要合理安排。

３／２　立柱的结构

立式加工中心的立柱，通常采用如图的形式：

即主轴箱吊挂在立柱一侧。

平衡主轴箱的平衡重，设计在立柱内腔，随