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1、加工中心刀库自动换刀装置结构设计绪论1.1 背景及研究意义随着机械加工工业的发展，制造行业对于具有高效高性能的加工中心的需求量越来越大。自动换刀装置作为加工中心的重要组成部分其主要的作用在于减少加工过程中的非切削时间，以提高生产率、降低生产成本，进而提升机床及至整个生产线的生产率，所以自动换刀装置在交工中心中扮演着重要角色。1.2 自动换刀装置国内外发展与现状从换刀系统发展的历史来看，1956年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM公司同期也研制成功了“APT”（刀具程序控制装置）。1958年美国K&T公司研制出带ATC（自动刀具交换装置）的加工中心。1967年出现了FMS（柔性制造系统
2、）。1978年以后,加工中心迅速发展,带有ATC装置，可实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。1983年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，自动换刀系统便形成了统一的结构模式。目前国内外数控机床自动换刀系统中，刀具、辅具多采用锥柄结构，刀柄与机床主轴的联结、刀具的夹紧放松机构及驱动方式几乎都采用同一种结构模式。在这种模式中，机床主轴常采用空心的带有长拉杆、碟形弹簧组的结构形式，由液压或气动装置提供动力，实现夹紧放松刀柄的动作。切削加工正在进入以高速切削（HSC）为特征的发展阶段，因高速切削而切削效率飞速提高，因此，进一步减少机床加工辅助时间的技术也伴随高速切削的发展而不断发
3、展。快速换刀技术是减少加工辅助时间重要手段，而且正在处于发展阶段。许多研究人员利用各种方法来缩短换刀时间来提高切削速度。下面介绍几种常用加工中心的换刀方法:1、多主轴换刀这种机床没有传统的刀库和换刀装置，而是采用多个主轴并排固定在主轴架上，一般为 318 个。每根主轴由各自的电动机直接驱动，并且每个主轴上安装了不同的刀具。换刀时不是主轴上的刀具交换，而是安装在夹具上的工件快速从一个主轴的加工位置移动到另一个装有不同刀具的主轴，实现换刀并立即加工。这个移动时间就是换刀时间，而且非常短。由夹具快速移动完成换刀，省去了复杂的换刀机构。奥地利 ANGERG 公司生产这种结构的机床，实现了切屑对切屑换刀
4、时间仅为0.4s，是目前世界上切屑对切屑换刀时间最短的机床。这种结构的机床和通常的加工中心结构已大不相同，不仅可以用于需要快速换刀的加工，而且可以多轴同时加工，适合在高效率生产线上使用。2、双主轴换刀加工中心有两个工作主轴，但不是同时用于切削加工。两个主轴交替将刀送到工作位置，一个主轴用于加工，另一个主轴在此期间更换刀具。在需要换刀时，加工的主轴迅速退出，换好刀具的主轴立即开始加工。由于两个过程可以同时进行，换刀时间实际就是已经装好刀具的两个主轴的换位时间，使辅助时间减少到最少，也即机床切屑对切屑换刀时间达到最短，这样每个主轴换刀时间的长短对加工几乎没有影响。每个主轴的换刀装置和普通加工中心一
5、样。由于有两个主轴，这种机床的刀库和换刀机械手可以是一套，也可以是两套，如德国 AlfingKessler 公司生产的加工中心采用双主轴系统，使用一套刀库和换刀机械手；而德国 Hornsbeng Lamb 公司生产的 HSC500 、 HSC630 和HFC 630 加工中心有两个主轴和两套换刀系统，两个主轴可以用 1 . 0 1 . 5s的时间移动到加工位置并启动加速到加工的最大速度，具体的交换时间取决于机床的尺寸。3、刀库布置在主轴周围的转塔方式刀库布置在主轴的周围刀库本身就相当于机械手，即通过刀库拔插刀并采用顺序换刀，使机床切屑对切屑换刀时间较短。这种方式如果要实现任意换刀，则换刀时间将
6、随所选刀在刀库的位置不同而长短不等，最远的刀可能换刀时间较长，因此，这种方式作为高速自动换刀装置最好采用顺序选刀的方式。 4、多机械手方式刀库同样布置在主轴的周围，但采用每把刀有一个机械手的方式使换刀几乎没有时间的损失，并可以采用任意选刀的方式。德国 CHIRON 公司生产这种结构的机床。其刀库布置在加工主轴的周围可随主轴一起移动，每一个刀具有一套换刀机械手，这样换刀时就几乎没有时间的损失，实现了切屑对切屑换刀时间仅为1.5s，是目前世界上单主轴机床切屑对切屑换刀时间最短的加工中心。本文主要是对双主轴换刀进行研究。1.3 工作内容1、主轴箱先抬起30mm，然后旋转180；2、主轴交换时间2.5
7、s；3、刀柄锥度为40度，机械手拔刀行程为84mm；4、机械手能够实现抓刀、180换刀和回零，换刀时间为3.5s。1.4 设计构想1、主轴交换装置由于交流电动机一般为鼠笼式感应电机结构，其体积小，转动惯性小，动态响应快。无电刷，最高转速不受火花限制。采用全封闭结构，具有空气强冷，可保证高转速和超载能力，有很宽的调速范围。所以选择交流电动机驱动。用液压缸来实现转塔体的抬起动作，利用活塞的行程来实现抬起的高度，同时用定位销来保证转塔体的定位，用活塞杆齿条和齿轮的啮合使转塔体实现转位。2、刀库刀库由伺服电机带动蜗轮蜗杆驱动。刀具有一套识别装置来控制电机的停止和转动。3、换刀装置由于凸轮联动式单臂双手
8、爪机械手由电动机驱动，不需要复杂的液压系统及其密封、缓冲机构，没有漏油现象，结构简单，工作可靠。同时机械手的手臂回转和插刀、拔刀的动作式联动的，部分时间常数可重叠，从而大大缩短了换刀时间。所以本设计也采用了这种装置。研究内容：总体方案设计、主轴转动的设计计算，圆柱齿轮的结构设计，输出轴齿轮的设计，主轴的设计，花键轴的设计，转位装置的设计计算，刀库的设计计算，机械手驱动装置的设计。第2章 设计总体方案论证通过的市场的调研和常见的换刀装置的比较，多主轴换刀的方式刀具数量有限，不能进行多工序加工；刀库布置在主轴周围的转塔方式，换刀的时间随所选刀在刀库的位置不同而长短不等。选择了如图1-1所示的布局方
9、案。加工中心有两个工作主轴，1- 转塔体 2-压缩空气管接头 3-行程开关 4-活塞 5-液压缸 6-弹簧 7-大齿轮 8-碟形弹簧9-拉杆 10-主轴 11-拉钉 12-刀夹 13-端面键 14-钢球 15-滑移齿轮图2-1 双主轴换刀但不是同时用于切削加工。两个主轴交替将刀送到工作位置，一个主轴用于加工，另一个主轴在此期间更换刀具。在需要换刀时，加工的主轴迅速退出，换好刀具的主轴立即开始加工。双主轴用转塔头的方式实现旋转交换。2.1 刀库和交换主轴换刀装置的原理2.1.1 主轴交换的原理其结构如图1.1a所示：转塔头内交错分布着两个结构完全相同的刀具主轴，主轴的回转运动由电动机由传动机构、
10、滑移齿轮15和大齿轮7输入。当数控装置发出换刀指令时，通过液压拨叉（图中未画出）将滑移齿轮15与大齿轮7脱离啮合。同时在中心液压缸的作用下使转塔体1抬起（原理在2.1.2中介绍）。然后压力油进入转位液压缸，使转塔体转位180（原理在2.1.2中介绍），将下一工序的主轴转到工作位置。切削轴进行切削加工，另一个轴在此间换刀。刀夹12以锥度为7：14的锥柄在主轴10前端的锥空中定位，并通过拧紧在锥柄尾部的拉钉11被拉紧在锥孔中。夹紧刀夹时，液压缸5右腔接通回油，弹簧6推活塞4右移，拉钉11在碟形弹簧8作用下向右移动，由于此时装在拉杆9前端径向孔中的四个钢球14进入主轴孔中直径较小的d2处，见图1.1
11、b，被迫径向收拢而卡进拉钉11的环型槽内，因而刀杆被拉杆5拉紧，依靠摩擦力紧固在主轴上。切削扭矩由端面键13传递。换刀前需将刀夹松开时，压力油进入液压缸右腔，活塞6推动拉杆9向左移动，碟形弹簧8被压缩；当钢球14随拉杆9一起左移至进入主轴孔直径较大的d1处时，它就不再能约束拉钉11的头部，紧接着拉杆9前端内孔的台肩端面碰到拉钉11，把刀顶松。此时行程开关3发出信号，换刀机械手随即将刀夹取下。与此同时，压缩空气管接头2经活塞和拉杆的中心通孔吹入主轴装刀孔内，把切削或脏物清除干净，以保证刀具的安装精度。机械手把新刀装上主轴后，液压缸5接通回油，碟形弹簧8又拉紧刀夹。刀夹拉紧后行程开关发出信号。2.
12、1.2 主轴抬起及转位的原理如图3.2所示，当滑移齿轮和主轴齿轮脱离啮合时，中心液压缸2通压力油，使转塔体8抬起，定位销5和大齿轮6随着转塔体一起上移，与轴8上的小齿轮4啮合。当推动转塔头转位液压缸活塞移动时，活塞杆齿条3经齿轮轴8，使转塔头实现转位180。转位完成时，中心液压缸接通回油，转塔体落下，定位销实现转塔体的定位。 1，2-中心液压缸 3-活塞杆齿轮条 4-小齿轮 5-定位销 6-大齿轮 7-轴 8-转塔体 图2-2 主轴转位装置2.1.3 刀库及换刀装置刀库是存储刀具的装置,常见的刀库主要有以下几种形式:1、转塔式刀库包括水平转塔头和垂直转塔头两种，其特点为：所有刀具固定在同一转塔
13、上,无换刀臂，储刀数量有限，通常为68把。一般仅用于轻便而简单的机型。常见于车削中心和钻削中心。在钻削中心储刀位置即主轴,其外部结构紧凑但内部构造复杂，精度要求高。2、盘式刀库刀库呈盘状，其特点：刀具沿盘面垂直排列（包括径向取刀和轴向取刀）。沿盘面径向排列或成锐角排列的形式的刀库结构简单紧凑，应用较多，但刀具单环排列，空间利用率低。若增加刀库容量必须使刀库的外径增大，那么转动惯量也相应增大，选刀运动时间长。刀具数量一般不多于32把。刀具呈多环排列的刀库的空间利用率高，但必然使得取刀机构复杂，适用于机床空间受限制而刀库容量又较大的场合；双盘式结构是两个较小容量的刀库分置于主轴两侧，布局较紧凑，储
14、刀数量也相应增大，适用于中小型加工中心。3、链式刀库包括单环链和多环链,链环形式可有多种变化，其特点：适用于刀库容量较大的场合，所占的空间小。一般适用于刀具数在30120把。仅增加链条长度即可增加刀具数，可以不增加圆周速度，其转动惯量不像盘式刀库增加的那样大。4、直线式刀库和组合刀库直线式刀库结构简单，刀具单行排列，刀库容量小。多用于数控车床和钻床上。组合刀库一般是转塔式刀库的组合。转塔式与盘式刀库的组合及链式刀库的组合，每单个刀库的储刀量较小，换刀速度快。另外，还有一些密集型的鼓轮式。弹匣式和格子式刀库。这些密集型刀库虽占地面积小，但由于结构限制，基本上不用于单机加工中心，多用于FMS的集中
15、供刀系统。通过以上比较，由于本次设计的换刀装置用于中小型加工中心，所以选用盘式刀库，刀具的数量为20把刀，并且把刀库和换刀装置设计为一个整体，放置在机床主轴的上方，节省了空间。刀库选取伺服电机带动蜗轮蜗杆驱动，机械手由凸轮联动装置来驱动。2.2 本章小结本章通过对刀库和交换主轴的总体原理设计，确定了换刀装置的基本结构，通过对刀库的了解，确定了刀库的形式及容量。同时确定了主要零部件的主要作用，从而设计各个部分的具体的形状和尺寸。其中最主要的是装置的抬起和转位部分，抬起和转位是本次设计中的最大的难点之一。第3章 主轴转动的设计计算3.1 传动系统的原理设计根据任务书要求，主轴电机功率15kW、主轴转速3000r/min、刀柄锥度号为40。确定传动系统总体结构如图3.1所示。图3-1 主传动系统3.1.1 电动机的选择1、选择电动机的类型按已知要求和条件选择Y系列一般用途的全封闭自扇冷鼠笼式三相异步电动机。2、选择电动机的容量任务书给出电动机的功率为：=15kW3、电动机功率的选择主轴转速为： n=6000r/min轴与轴齿轮传动比为2，轴与轴的齿轮传动比为1，则电动机的最高转速为：由以上数据可选出电动机的型号为Y
