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1、洛阳理工学院毕业设计（论文）加工中心自动换刀装置摘 要本课题所设计的是小型立式加工中心的自动换刀装置，该型加工中心主要是用来加工各种中、小批量的电子元件或者小型板类零件。该方案在设计的过程中牵涉到了刀盘的选取和设计、槽轮的选取与设计、刀库的形式和安放位置以及伺服电机的设计等诸多问题。本次设计在本着满足用户使用要求的前提下，尽量使结构简单、性能可靠、具有创新观念。关键词：加工中心，自动换刀装置，槽轮机构，伺服电机 Machining Center Automatic Tool ChangerABSTRACTWhat the topic designs is the automatica tool
2、 changer for small vertical machining center, which is mainly used for processing in each kind, the electronic component or the small board class components. This plan involved in the design process to the tool carousel selection and designing, the V-belt pulley selection and designing, the magazine
3、s position as well as the stepping motorss designing and so on many questions. This design in line with satisfies the user operation requirements under the premise, as far as possible enable the structure simply, the performance to be reliable, to have the innovation idea. In the design all of data
4、are passed through after the search material calculates repeatedly obtains.KEY WORD： Machining center，Automatica tool changger，Grooved pulley, Servo motor22目录前言1第1章刀库综述21.1刀库换刀装置21.1.1机械手换刀装置21.1.2无机械手换刀装置31.2刀库形式的选取31.3刀库位置的放置41.4 刀库的运动特点51.5 刀库的回转、分度和转位5第2章 设计可行性论证6第3章 槽轮机构73.1 槽轮机构的工作原理73.2 槽轮结构的
5、形式83.3槽轮机构的特点83.4槽轮机构的设计8 第4章 轴的设计与校核104.1轴的设计结构104.2轴的校核114.2.1 轴的强度校核114.2.2 按弯扭合成强度校核轴的强度124.2.3 按轴的疲劳强度安全系数校核轴的强度134.3 轴承的选取13第5章 刀库的设计165.1 刀库主要参数的确定165.1.1 刀库容量165.1.2 刀盘部分的设计165.1.3 刀盘装配图17第6章 刀库转动电机的选择19 第7章 其他部件的设计与选取227.1 刀库支撑部分的设计227.2箱体设计22结论24谢 辞25参考文献26前言随着数控技术的发展和普及，加工中心的作用越发凸显它的重要性。为
6、进一步数控机床的加工效率，数控机床正向着工件在一台机床一次装夹即可完成多道工序或全部工序加工的方向发展，因此出现了各种类型的加工中心机床，车削中心、镗铣加工中心、钻销中心等等。这类多工序的数控机床在加工过程中要使用多种刀具，因此必须有自动换刀装置，也就是所说的刀库，以便选用不同刀具，完成不同工序的加工工艺。自动换刀装置应当具备换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具储备量、占地面积小、安全可靠等特性。目前使用非常广泛本设计题目为加工中心自动换刀装置，它是根据实际情况，针对用户需求而提出的毕业设计，是一次综合性、应用性和实践性较强的设计过程。该方案在设计的过程中牵涉到了刀盘的选取和设计、槽轮的
7、选取与设计、刀库的形式和安放位置以及伺服电机的设计等诸多问题。本次设计在本着满足用户使用要求的前提下，尽量使结构简单、性能可靠、具有创新观念。设计中的数据都是经过查找资料并且经过反复计算得到的。第1章 刀库综述刀库是加工中心的象征，是加工中心区别于NC镗床和NC铣床的本质所在，因此来说，刀库的设计是加工中心设计的核心。由于本次所要设计的加工中心是一个主要用来加工中小批量电子元件等小型零件的小型加工中心，在满足加工要求经济实用的条件下，应尽量使加工中心的结构紧凑，减小加工中心的外型轮廓尺寸，刀库在满足使用要求的前提下，尽量结构使其简单紧凑、易制造，从而降低生产加工中心的成本。因此我们在选用刀库的
8、各项参数时本着这个设计原则，以下是我们设计和选用刀库各个零部件的过程。1.1刀库换刀装置刀库是加工中心的象征，而刀具交换装置又是加工中心设计成败的关键环节。一般带刀库的自动换刀装置的数控机床主轴箱内只有一个主轴，设计主轴，部件时就有可能充分增强它的刚度，因而能够满足精密加工的要求。另外，刀库可以存放数量很大的刀具（可以多达100把以上），因而能够进行复杂零件的多工序加工，这样就明显地提高了机床的适应性和加工效率。所以带刀库的自动换刀装置特别适用于数控车、数控镗、铣床和加工中心。通过自动换刀系统来实现零件加工时的换刀。它由刀库电机、传动装置、刀夹等组成。对于该加工中心自动换刀装置的设计可以有两类
9、方案：1.1.1 机械手换刀方式加工中心的ATC，大都采用有机械手换刀方式。它是由机械手把刀库上的刀具送到主轴上，再把主轴上已用过的刀具返送到刀库上。采用机械手进行刀具交换的方式应用很广泛，这是因为机械手换刀有很大的灵活性，尤其是双臂机械手，抓刀、拔刀、回转、插刀以及返回等动作一次性完成，可以减少换刀时间。但其机械结构比较复杂。1.1.2 无机械手换刀方式无机械手换刀方式是直接在刀库与主轴（或刀架）之间换刀的自动换刀方式。这种换刀方式没有机械手，因而结构简单。换刀时必须首先将用过的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出新刀具，这两个动作不能同时进行，所以换刀过程却较为复杂，它的选刀和换刀由三个坐标轴
10、的数控定位系统来完成，因此换刀时间较长，影响了机床的加工效率。但是刀库回转是在工步与工步之间，即非切削时进行的，因此虽然刀库设置在工作台上，却免去刀库回转时的振动对加工精度的影响。这种换刀方式适用于40号以下刀柄的小型加工中心或换刀次数少的用重型刀具的重型机床。考虑到所设计的加工中心主要用于中小批量生产，且只用来加工小型零件上的孔和平面，刀库容量较小，无须过多考虑换刀时间的长短，且采用的是40号刀柄，又要求加工中心体积小，机械结构简单，综合考虑，刀库宜选择无机械手换刀方式. 。 其换刀过程如下： a.上一工步，主轴准停，主轴箱上升。此时主轴内有刀具，而正对着主轴的刀库刀位空位;b.主轴箱上升到
11、一定位置，刀库前移，刀柄进入刀库的空位，此时刀柄被刀库上的刀爪夹住，主轴内自动松刀；c.主轴箱上移，刀具从主轴中拔出；d.刀库转位，把下一工步所需要的刀具转至主轴中心位置，压缩空气将主轴锥孔吹净；e.主轴箱下移，下一工步所需刀具插入主轴孔，同时主轴内的刀柄自动拉紧装置拉紧刀柄；f.刀库后移至起始位置，主轴启动进行下一工步。1.2 刀库形式的选取 无机械手换刀方式中，刀库可以是圆盘形、直线排列式，也可以是格子箱式等。无机械手换刀方式中特别需要注意的是刀库转位定位的准确度。圆盘形刀库容量较小，刀库结构简单紧凑，刀库转位，换刀方便，易控制。直线排列式和格子箱式刀库结构相当复杂，使用于刀库容量较大的加
12、工中心。考虑到所设计的加工中心只用来加工小型零件上孔和平面，不必在刀库里放太多刀具，根据实用性进行考虑，因此选用结构简单，容量较小、体积较小的圆盘式刀库。1.3刀库位置的放置立式加工中心无机械手换刀方式的圆盘型刀库的放置有两种形式：1.刀库置于立柱侧面的横梁上。如图1-1a所示。此方案使可工作台的尺寸较小，且可采用厂家已生产的合适尺寸的工作台，可减小设计制造周期。结构简单，且不会发生刀库和主轴的干涉现象。但刀库的支承刚性较差，须增加立柱的强度，以减少横梁弯扭矩的影响。2.刀库置于工作台上。如图1-1( b)所示。此方案刀库的支承刚性好，结构简单。但影响加工中心主轴y轴方向上的行程，要求工作台的
13、尺寸较大，须自行设计，且减少了工作台的有效使用面积。综合分析以上两种方案，采用b方案，即刀库置于工作台上的布置形式。通过主轴的移动来实现换刀。图1-11主轴箱 2立柱 3刀库 4工作台 5床身1.4 刀库的运动特点刀库的运动特点是：时间短暂的间歇运动，起停平稳无冲击，定位准确。任意选刀方式的刀库有的要能正、反运动；运动速度不高。1.5 刀库的回转、分度和转位刀库的回转、分度和转位，可以有两种方案：一种是槽轮机构；另一种是单头双导程蜗轮蜗杆传动，此传动机构在使用中可随时调整蜗轮蜗杆的传动间隙，实现准确的转位分度，保证刀库工作的可靠性，但此传动机构较复杂，而且单头双导程蜗轮和蜗杆的加工较困难。槽轮机构具有冲击小，工作平稳性较高，机械效率高，可以在较高转速下工作，且结构简单，易制造等优点，在目前生产的鼓轮式刀库上很多采用槽轮机构来驱动刀库的分度回转运动。因此设计中采用槽轮机构，来实现刀库的分度和定位。但此机构定位精度不够高，为提高其定位精度可采
