1、河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 I 摘 要 以加工中心自动换刀装置中的刀库的设计与控制为背景，根据使用的场合和实际运用的要求，设计了相应的 40 刀的链式刀库，并且对它的控制进行了一定的研究。 论文首先对 40 刀刀库总体设计方案进行阐述，阐述其各部件的工作原理，然后就刀库的结构设计与控制分节对各个部分进行计算与设计。 刀库的机构设计是研究的重点，传动部分为蜗杆蜗轮的减速装置，控制部分为刀库送刀机构，由 PLC 控制刀库的正反转。 关键词 ：加工中心，刀库，蜗杆蜗轮， PLC。 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 I Abstract Take the machining center
2、 automatically trades in the knife installment the Tool magazine design and the control as a background, according to the use situation and the actual utilizations request, has designed the corresponding forty tools chain Tool magazine, and has conducted certain research to its control. The paper fi
3、rst carries on the elaboration to forty Tool magazine overall project design, elaborated that its various parts principle of work, is divided the chapter on the Tool magazine s structural design and the control to carry on the computation and the design to each part. The Tool magazines organization
4、design is the research key point, the transmission part for the worm bearing adjuster worm gears decelerating device, the control section delivers the knife organization for the Tool magazine, controls the Tool magazine by PLC the reverse. Key words: Machining center, Tool magazine , worm bearing ad
5、juster worm gear, PLC. 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 1 目 录 1 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 加工中心简介 . 1 1.2.1 加工中心的发展简史 . 1 1.2.2 加工中心的结构组成 . 2 1.2.3 加工中心的分类 . 4 1.2.4 加工中心的主要优点 . 5 1.2.5 加工中心的发展趋势 . 6 1.3 刀库 . 7 1.3.1 刀库简介 . 7 1.3.2 刀库的类型 . 8 1.3.3 方案的分析论证及确定 . 12 2 刀库驱动电机的选定 . 15 2.1 刀套线速度 . 15 2.2 链轮参数确定 . 15 2.3 根据负
6、载转矩选电机 . 16 2.4 传动比分配 . 18 2.4.1 各轴转速 . 18 2.4.2 各轴功率 . 18 2.4.3 各轴转矩 . 18 3 刀库传动方式 . 20 3.1 刀库传动方式设计 . 20 3.1.1 蜗杆蜗轮传动 . 20 3.1.2 链传动 . 29 4 轴的设计 . 32 4.1 轴材料选定 . 32 4.2 蜗杆轴设计 . 32 4.2.1 初步估算轴的最小直径 . 32 4. 2.2 联轴器选定 . 33 4.2.3 确定轴承类型 . 33 4.2.4 初步估算蜗杆轴各段尺寸 . 33 4.2.5 蜗杆轴校核 . 34 4.3 蜗轮轴校核 . 30 河南理工大
7、学万方科技学院本科毕业论文 1 4.3.1 初步估算轴的最小直径 . 38 4.3.2 初步估算蜗轮轴各段的尺寸 . 38 4.3.3 蜗轮轴校核 . 38 4.4 键的校核 . 42 5 轴承校核 . 44 5.1 蜗杆轴承校核 . 44 5.2 蜗轮轴承校核 . 44 6 刀库控制系统 . 46 6.1 刀具的选择方式 . 46 6.1.1 顺序选择 . 46 6.1.2 任意选择 . 46 6.2 刀具识别装置 . 47 6.3 刀库控制系统设计 . 48 7 其它零部件设计 . 51 8 结论 . 53 致谢 . 54 参考文献 . 55 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 - 1
8、- 一 绪论 本首 先从数控机床的发展历程引出加工中心的发展趋势，再具体到本次设计针对的刀库的任务要求，明确了本设计任务的主要内容。 1.1 引言 1952 年世界上出现了一台数控机床，使多品种、中小批量的机械加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。 1958 年一台加工中心问世，它将多工序（铣、钻、镗、铰、攻丝等）加工集于一身；适应加工多品种和大批量的工件；增加机床功能（自动换刀、自动换工件、自动检测等），使自动化程度和加工效率上了一个新台阶；使无人化（或长时间无人操作）加工成为现实。 90 年代以来，数控加工技术得到迅速的普及及发展， 数控加工中心在制造业得到越来越广泛的应用。目前国
9、内企业生产制造的加工中心主要是面向生产领域，其结构复杂、精度高、封闭性强，价格昂贵。加工中心已成为柔性制造系统、计算机集成制造系统和自动化工厂的基本单元。 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，受到世界各工业发达国家的高度重视，技术迅速发展，品种和数量大幅度增加，成为当今世界机械加工设备中最引人注目的一类产品。 1.2 加工中心简介 1.2.1 加工中心的发展简史 1952 年世界上出现一台数控机床，使多品种、中小批量的机械加工设备在柔性、自动 化和效率上产生了巨大变革。它用易于修改的数控加工程序进行控制，因而比大批量生产重使用组合机床生产线和凸轮、开关控制
10、的专用机床有更大的柔性，容易适应加工件品种的变化，进行多品种加工。它用数控系统对机床的工艺功能、几何图形运动功能和辅助功能实行全自动的数字控制，因为有更高的自动化程度和加工效率，大大改变了中小批量生产中普通机床占整个机械加工 70%80% 的状况。数控机床能实现两坐标以上联动的功能，其效率和精度比用手工和样板控制加工复杂零件要高得 多。 1958 年一台加工中心在美国卡尼、特雷克（ Kearney&Trecker）公司问世。现代加工中心的内容是什么？一，它是在数控镗床或数控铣床的基础上增加自动换刀装置，可使工件在一次装卡中，能够自动更换刀具，自动完成工件上的铣削、钻孔、镗孔、铰孔、河南理工大学
11、万方科技学院本科毕业论文 - 2 - 攻丝等工序的数控机床。二，加工中心上如果带有自动分度回转工作台或自动转角度的主轴箱，可使工件在一次装卡中，自动完成多个平面和多个角度位置的多工序加工。三，加工中心上如果带有交换工作台，工件在工作位置的工作台上进行加工的同时，另外的工件在装卸位置的工作台上进行装卸 ，不影响加工的进行。 由上述可知，加工重心在加工的柔性、自动化程度和加工效率上，在一般数控机床的基础上又上了一个新的台阶，又是一次新的变革。 加工中心的定义是什么？目前世界上并无标准定义，但目前普遍认为是指：在工件一次装卡中，能够实现自动铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等多工序的数控机床。更为明确的说
12、法是：加工中心就是自动换刀数控镗铣床。这就把加工中心与自动换刀数控车床或车削中心区别开来。 1.2.2 加工中心的结构组成 加工中心的组成 随 机床的类别、功能、参数的不同而有所区别。机床本身分基本部件和选择部件，数控系统有基本 功能和选用功能，机床参数有主参数和其它参数。机床制造厂可根据用户提出的要求进行生产，但在同类机床的基本功能和部件组成一般差别不大。从总体上看，加工中心基本上由以下几大部分组成。 基础部件 主要由床身、立柱和工作台等大件组成。它们是加工中心的基础结构，要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削负载，因此必须是刚度很高的部件。这些大件可以是铸铁件也可以是焊接的刚结构件，是加
13、工中心中重量和体积最大的部件。 主轴系统 主要由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零部件组成。主轴的启动、停止和变转速等 动作均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴系统是加工中心的关键部件，其结构的好坏，对加工中心的性能有很大的影响。 数控系统 主要由 CNC 装置、可编程序控制器、伺服驱动装置以及电动机等部分组成，它们是加工中心执行顺序控制动作和完成加工过程的控制中心。 自动换刀系统 主要由刀库、自动换刀装置等部件组成。刀库是存放加工过程所要使用的全部刀具的装置。当需要换刀时，根据数控系统的指令，由机械手（或通过别的方式）将刀具从刀库取出装入主
14、轴孔中。刀库有盘式、 链式和鼓式等多种形式，河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 - 3 - 容量从几把到几百把。机械手的结构根据刀库与主轴的相对位置几结构的不 同 也有多种形式。如单臂式、双臂式。回转式和轨道式等等。有的加工中心利用主轴箱或刀库的移动来实现换刀。 辅助系统 包括润滑、冷却、排屑防护、液压和随机检测系统等部分。辅助系统虽不直接参与切削运动。但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起到保障作用，因此也是加工中心中不可缺少的部分。 另外，为进一步缩短非切削时间，有的加工中心还配备了自动托盘交换系统。例如，配有两个自动交换工件托盘的加工中心，一个安装工件在工作 台上加工，另一个则位于
15、工作台外进行工件的装卸。当完成一个托盘上工件的加工后，便自动交换托盘，进行新零件的加工，这样可以减少辅助时间，提高加工效率。 1.2.3 加工中心的分类 按照加工中心形态不同进行分类，可分为立式、卧式和五坐标加工中心。 立式加工中心（如图 1-1） 立式加工中心的主轴轴心线为垂直状态配置，结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形，适合加工小型板类、盘类、壳体类零件。 卧式加工中心（如图 1-2） 卧式加工中心是指主轴轴线为水平状态设置的加工中心，通常都带有可进行分度回转运动的正方形分 度工作台。卧式加工中心一般具有 35 个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标 (沿 X、 Y、 Z 轴方向 )加一
16、个回转运动坐标 (回转工作台 )，它能够使工件在一次装夹后完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工，最适合箱体类工件的加工。 五坐标加工中心 五坐图 1-1 立式加工中心 图 1-2 卧式加工中心 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 - 4 - 标加工中心 兼具 立式和卧式加工中心的功能，工件一次装夹后能完成除安装面外的所有侧面和顶面等五个面的加工，因此也叫五面加工中心。常见的五坐标加工中心有两种结构形式，一种是主轴可以 90 旋转 ，另一种是工作台可以 90 旋转。 1.2.4 加工中心的主要优点 提高加工质量 工件一次装夹，即可实现多工序集中加工，大大减少多次装夹所带来的误差。另外，由于
17、是数控加工，较少依赖操作者的技术水平，可得到相当高的稳定精度。 缩短加工准备时间 加工中心既然可以顶替多台通用机床，那么加工一个零件 所 需准备时间，是每台加工单元所损耗的准备时间之和。从这个意义上说，加工中心的准备时间显然短得多。 减少在制品 以往的加工方式是 工件流动与多台通用机床之间，这就要有相当数量的在制品，而在加工中心上加工，即可发挥其 “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数量。 减少刀具费 把分散设置在各通用机床上的刀具，集中在加工中心刀库上，有可能用最少量的刀具，实现公共有效利用。这样既提高刀具利用率，又减少了道具数量。 最少的直接劳务费 由 NC
18、 装置实现多工序加工的信息集约化和一人多台管理，以及用工作台自动托盘交换装置（ Automatic Pallet Changer 简称 APC）等辅助装置，实现夜间无人运转 。这些都可缩减直接劳务费。 最少的简介劳务费 由于工序集中，工件搬运和质量检查工作量都大为减少，这就使间接劳务费最少。 设备利用率高 加工中心设备利用率为通用机床的几倍。另外，由于工序集中，容易适应多品种、中小批量生产。 1.2.5 加工中心的发展趋势 立式加工中心 立式加工中心主要的用户层面为 ,以看好的汽车零部件行业为首，还有模具、飞机、医疗设备、 IT、光学设备等行业。在飞机制造业因绝大多数加工件为多品种、小批量的河
19、南理工大学万方科技学院本科毕业论文 - 5 - 产品，因此五轴加工机为主的立式加工中心有潜在的需求。今后电子零部件、精密机枝零部 件、半导体模具等行业也具有需求潜力。各生产厂家面对预期需求扩大的飞机、模 立式加工中心主要的用户层面为 ,以看好的汽车零部件行业为首，还有模具、飞机、医疗设备、 IT、光学设备等行业。在飞机制造业因绝大多数加工件为多品种、小批量的产品，因此五轴加工机为主的立式加工中心有潜在的需求。今后电子零部件、精密机枝零部件、半导体模具等行业也具有需求潜力。 卧式加工中心 卧式加工中心因其加工面是垂直的，切屑易脱落，比较适应时间无操作。又因是模块结构，可以短时间内导入最适当规模的
20、系统。因其无人操作时间较长，在成本费用 方面与单机相比效果更好。 从技术开发动向来看，是谋求提高主轴转速、进给速度、提高精密度、并将对应热变位、模块化等集中体现出来。其中，作为机床基本课题的高速化研究也不断取得成果。 由于提高进给速度直接关系到产品的加工时间，以利提高生产效率，因此在高速进给技术方面，驱动装置采用直线电机的机型正在增多。同时也有厂家在开发不使用直线电机，采用进给轴以大导程滚珠丝杠为驱动，进给加速度 1.5G 2G、快速进给速度 120 mm min 的高速卧式加工中心。并在主轴上采用双面约束刀具、主轴转速为 2 万 r/min、快 速进给速度为 60 m/min、以尽量缩短重复
21、定位、刀至刀等的非切削时间。为解决速度提高带来的热变位影响，防止精度下降，一般都采用独自的补正装置或主轴冷却结构、冷却装置等。 1.3 刀库 1.3.1 刀库简介 刀库是自动换刀装置中最主要的部件之一，其容量、布局以及具体结构对加工中心的设计有很大影响。刀库是用来储存加工刀具及辅助工具的地方。由于多数加工中心的取送刀位置都是在刀库中的某一固定刀位，因此刀库还需要有使刀具运动及定为的机构来保证换刀的可靠。其动力可采用液动机或电动机，如果需要还要有减速机构。刀库的定为机构是用来保证更 换的每一把刀具或刀套都能准确地停在换到位置上。其控制部分可以采用简易位置控制器或类似半闭环进给系统的伺服位置控制，
22、也可以采用电气和机械相结合的销定为方式，一般要求综合定为精度达到 0.1 0.5 mm。 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 - 6 - 根据刀库所需要的容量和取刀方式，可以将刀库设计成多种形式。图 1-3 列出了常用的几种刀库。图 1-3 ad是但盘式刀库，为适应机床主轴的布局，刀库的刀具轴线可以按不同的方向配置，图 1-3d 是刀具可作 90 翻转的圆盘刀库，采用这种结构能够简化取刀动作。单盘式刀库的结构简单，取刀也较为方便，因此应用最为广泛。但由于圆盘尺寸受限制，刀库的容量较小（通常装 16 32 把刀）。 当需要存放更多数量的刀具时，可以采用图 1-3 eh形式的刀库，它们充分利用了
23、机床周围的有效空间，且刀库的外形尺寸又不致过于庞大。图 1-3e 是鼓筒弹夹式刀库，其结构十分紧凑，在相同的空间内，它的刀库容量较 大，但选刀和取刀的动作较复杂。图 1-3f 是链式刀库，其结构有较大的灵活性，存放刀具的数量也较多，选刀和取刀动作十分简单。当链条较长时，可以增加支撑链轮的数目，使链条折迭回绕，提高了空间利用率。图 1-3g 和 1-3h 分别为多盘式和格子式刀库，它们虽然也具有结构紧凑的特点，但选刀和取刀动作复杂，较少应用。 1.3.2 刀库的类型 加工中心上普遍采用的刀库是盘式刀库和链式刀库。密集型的固定刀库目前于用于 FMS 中的集中供刀系统。 图 1-3 刀库的形式 a）轴向式 b）径向式 c）斜向式 d）刀具翻转式 e）鼓筒弹夹式 f）链式 g）多盘式 h）格子式
