1、本科毕业论文（20 届）数控钻铣床转塔式自动换刀装置结构设计所在学院专业班级 机械设计制造及其自动化学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 数控钻铣床转塔式自动换刀装置结构设计1课题意义及目标转塔式自动换刀装置由于省去了自动松、夹，卸刀、装刀等动作，缩短了换刀时间；提高了换刀的可靠性；常用于工序较少，使用旋转刀具的机床。该课题旨在设计一种结构简单、安全实用的转塔式自动换刀装置，用于数控钻铣床。2主要任务该课题要求学生在了解数控机床转塔式刀
2、库的结构组成及自动换刀过程的基础上，分析自动换刀装置各部分的功能、基本换刀动作及其设计要求；确定加工部位刀具的动力传递途径及方法。主轴转速范围 60-4000（rpm）； 刀具数量：8； 工作形式：铣、钻；布局形式：立式；工作台尺寸：300650mm 1）毕业设计论文一份；2）自动换刀装置结构装配图；3）主要零件图；4）换刀控制 PLC 程序3主要参考资料1 廉元国，张永洪.加工中心设计与应用.北京：机械工业出版社，19952 曹秋霞，马国亮.小型立式加工中心圆盘式刀库的设计.机电产品开发与创新，20053 郁汉琪.可编程自动化控制器技术及应用.北京：机械工业出版社，2010.104进度安排设
3、计各阶段名称 起 止 日 期1 拟定并论证总体方案 3 月 3 日3 月 23 日2 进行自动换刀装置结构设计 3 月 24 日4 月 13 日3 绘制结构装配图及零件图 4 月 14 日5 月 4 日4 完善说明书和图纸 5 月 5 日6 月 1 日5 完成毕业论文及答辩工作 6 月 2 日6 月 22 日审核人：_ 年 月 日I数控钻铣床转塔式自动换刀装置结构设计摘要:该课题在了解数控机床转塔式刀库的结构组成及自动换刀过程的基础上，分析自动换刀装置各部分的功能、基本换刀动作及其设计要求；确定加工部位刀具的动力传递途径及方法。自动换刀装置应满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀具储存量足够、
4、结构紧凑及安全可靠等要求。数控转塔式镗铣床八方形转塔头上装有八根主轴，转塔头的转位由槽轮机构采实现。转塔头的转位过程为：（1）脱开主轴传动；（2）转塔头抬起；（3）转塔头转位；（4）转塔头定位压紧；（5）主轴传动重新接通。关键词：数控机床，八轴转塔头，自动换刀装置Structure Design Of Turret Automatic Tool Changer For NC Drilling And Milling MachineAbstract: This paper is based on the understanding of the structure and the automat
5、ic tool changing process of the turret knife base in the numerical control machine tool. The function and basic tool movement of the automatic tool changer and the design requirement of the tool are analyzed. Determine the power transfer way and method of processing parts tools. Automatic tool chang
6、e device should meet the tool change time is short, high repeat positioning accuracy, sufficient quantities of tools, compact structure, safe and reliable requirements. The turret of eight square rotary tower of CNC turret milling machine is equipped with eight spindles, and the turret head is reali
7、zed by the mechanism of groove wheel. Turret head for inversion process: (1) Release the spindle drive; (2)Turret head up; (3) turret head transposition; (4) turn tower head positioning and pressing; (5) the spindle drive is switched on again.Keywords: the technology of numerical control, eight axle
8、s turret, Automatic tool changer.II目 录前 言 .11 技术参数分析及方案的制定 .21.1 技术参数分析 .21.2 初步方案制定 .21.2.1 机床总体方案的制定 .21.2.2 确定相应的主轴部件 .31.3 八轴转塔式自动换刀装置结构的设计 .42 设计计算 .62.1 电动机的选择 .62.2 计算总传动比 .62.3 传动装置的运动和动力参数 .62.4 带传动的设计 .72.5 锥齿轮传动的设计 .82.6 圆柱齿轮设计 .112.7 主轴部分的设计计算 .142.8 轴的设计 .162.9 轴承的设计计算 .212.10 键强度的校核 .2
9、53 操作/使用说明 .263.1 基本要求 .263.2 操作注意事项 .274 结 论 .28参考文献 .291前 言在毕业设计中，我的题目是数控钻铣床转塔式自动换刀装置结构设计，拿到题目后，我查了很多的资料，包括网上，书籍等等。当今企业的竞争集中表现在产品款式、新产品开发周期及产品生产规模。加工中心和柔性生产线作为工作母机，在企业未来的竞争中将发挥关键的作用，并将成为本世纪机械制造业的主导。为了使高速加工中心具有组合机床和专用机床的高生产效率，近几年来，包括主轴高速化、进给高速化、结构高刚性、高加减速、快速自动换刀装置与快速工件交换系统的机床产品正不断涌现。实现自动换刀装置的高速化是各加
10、工中心制造企业之间竞争焦点之一，这是因为高速切削使切削时间不断缩短，因而换刀时间的缩短对于加工中心生产率的提高就显得更加重要。因此，机床生产企业和机床的用户都在关注国内外高速加工中心及其配置的快速自动换刀装置的发展情况。转塔式自动换刀装置将刀库布置在主轴周围，刀库本身相当于机械手，通过刀库拔插刀具并采用顺序换刀而使切屑对切屑换刀时间较短。若要实现任意换刀，换刀时间会随所选刀具在刀库位置的不同而有所不同，如选最远的刀，切屑对切屑换刀时间就长。因此这种方式作为快速自动换刀装置，一般只能采用顺序选刀的方式。作为提高换刀速度行之有效的方式之一，转塔式换刀装置具有如下优势：（1）提高生产过程中的自动化程
11、度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本；（2）改善劳动条件，避免人身事故。在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用自动换刀装置即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以自动换刀装置代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 （3）可以减轻人力，并便于有节奏的生产。应用自动换刀装置代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用自动换刀装置可以连续的工作，2这是减少人力的另一个侧面。 1 技术参数分析及方案的制定1
12、.1 技术参数分析因为这个主轴部件要直接进行切削工作，所以数控加工钻铣床的加工质量大多数要用它来保证。所以，主轴部件主要参数大概有一下这些： 主轴各部分运动部件的旋转精度。因为有时候她的回转中心的位置会不断的产生一些变化，也就是所谓的主轴轴心漂移，所以应该尽可能使用回转精度比较好的轴承和使用提高与轴承配合精度的方法。 静刚度。一旦静刚度不足，就会可能导致加工的尺寸以及形状上存在一些误差，而且也会影响主轴工作部件的一些工作上的性能和寿命。所以，可以通过适当的加粗主轴部分的直径，还有选择最好的跨距等方法来提高静刚度。 抗振性。因为传动过程中存在缺陷的齿轮或切削过程中产生的自振所引起的冲击和交变力的
13、干扰，因此使主轴产生变动，这会影响加工精度和表面质量，还会使加工不能进行。所以，可以提高主轴的刚度。比如阻尼较大的主轴轴承，和主轴部件的运动件应该有足够的精度以动平衡。 热稳定性。因此，可以减少加工部件中的产生的热量，还要尽量减少外部温度的影响，并且创造良好的散热条件来提高热稳定性。1.2 初步方案制定1.2.1 机床总体方案的制定机床主体通常用一些提高结构质量的方法来提高机床主机的一些强度等等，好让机床尽可能自动连续的切削加工。可以采取一步步的改善机床的结构以及各部位的布局，也可以减少一些易热部件的发热，来控制温度的提高以及利用热位移补偿等相当的措施，这样可以减少一些热变形对数控机床的主机的
14、影响；利用性能比较3好的主轴部件，和进给伺服驱动的装置，可以在很大的程度上缩短数控机床的传动链，也可以尽可能的减少机械传动的结构复杂程度；对于数控机床的配套部件辅助装置来说，它是保证能充分利用并且发挥各部分功能所必需的配套装置。辅助装置包括：润滑装置，以及防护装置、液压装置，冷却装置等等。排屑装置具有将切屑从加工区域排出口排出的作用。切屑能被快速地排除，这是保证数控机床自动化的进行切削加工的一种必要的装置。1.2.2 确定相应的主轴部件为了很好的提高能量转换的效率，以及信息在转换以及传达中所要保持的精度，所以伺服电机应该具有一下要求：要好的调速性能，很好的维护，高一点的功率， 控制特性比较良好
15、，较高的功率比，好一点的散热性，成本不要太高。现在很多数控机床的主传动系统一般都是用交流或直流伺服电机，以此来通过变速齿轮带动主轴转动的。但是有因为在交流伺服电机与直流伺服电机之间，交流伺服电机的结构简单，可达到的输出功率最大，可达到的最大转速最高，维护简单方便，防爆特性好等特点，所以我选择了交流伺服电机。而且为了避免振动和噪声，我采用了电机通过皮带带动主轴转动的传动方案。大概如下图所示：4图 1.2.2 带式传动换刀装置因为控制变频调速使用了变频器，而且大概 50HZ 左右的变频器，750r/min 转速的主轴，变频范围是 50200HZ 的变频器,所以主轴的转速范围是 604000r/mi
16、n。主轴轴承配置大概有以下三种方式：前面的轴承使用角接触球型轴承，或双列短圆柱滚子轴承组合，后面的轴承使用双列短圆柱滚子轴承，这是一种不错的配置，可以提高主轴的刚度，一些强力的加工工作能被满足； 前面轴承使用双列和单列圆锥滚子轴承的组合，这种方案能承受重载荷，安装调整性好，但这种方案也限制了主轴转速和精度；前面轴承使用比较高的精度双列向心推力球轴承的，这种方案具有良好的快速的传递性，可是它的承受载荷的能力相对较低。所以我选择了第三种方案。如图 1.2.3 所示：图 1.2.3 双列向心推理球轴承 图 1.2.4 鼠齿盘关于所要用到的定位装置，因为机床要求加工等方面的精度较高，所以，我准备使用鼠
17、齿盘进行定位。在现实应用中，鼠齿盘也是比较常见，而且也是比较常用的定位装置，和一般的定位装置相比的话，它定位精度较高，定心精度也比较好，还有较高的定位刚度，而且可以用在多种分度的场合中，并且它的磨损也比较小。如图 1.2.4。1.3 八轴转塔式自动换刀装置结构的设计因为是八轴转塔头，它的上面径向分布着八根结构完全相同的主轴，主轴的回转运动可以由齿轮输入。一个八方形的主轴头，装上八根主轴。转塔头的定位控制5准备使用槽轮机构实现。转塔头的转位过程为：（1）脱开主轴传动；（2）转塔头抬起；（3）转塔头转位；（4）转塔头定位压紧；（5）主轴传动重新接通，实物如下图： 图 1.3.1 转塔式换刀装置转定
18、位结束之后，压力油灌入中心油缸的下腔，使转塔头下降，两个鼠齿盘可以重新啮合，实现定位的精确。在压力油的作用下，动件压紧主轴头，转位油缸被迫退回原位。然后通过液压拨叉拨动移动齿轮部件，使它与新换上的主轴齿轮完全的啮合。为了改善主轴结构，以及它要具有良好的装配工艺性，可以吧主轴部件装在一个套筒累零件里，拆掉螺钉，就可以取出部件。采用锥孔双列圆柱滚子轴承的主轴前轴承，调整时卸下端盖，做完这个动作后再拧动螺母，让轴向运动的内环作移动，来消除轴承的径向间隙。至于正在工作中的刀具，想要卸下它，可以按下操纵杆，顶杆累的零件能被推动，以至于顶出刀具，然后取出刀具。转塔主轴头的转位，定位和压紧方式。它与鼠齿盘式分度工作台极为相似。但因为在转塔上分布着许多回转类的主轴部件，使砖塔上的结构变得更为复杂。而且根据要求必须要保证主轴的刚度，所以可以限制主轴的数目，不然就会使机床结构尺寸增加不少。转塔主轴头换刀方式省去了一系列的操作，它包括松夹、卸刀、装刀、加紧和
