小型立式加工中心无机械手自动换刀装置的设计曹秋霞"河南机电高等专科学校!新乡45300Z#摘要!主要介绍了M C V Z5Z0小型立式加工中心无机械手自动换刀装置设计过程O重点阐述了无机械手自动换刀装置主要组成部分刀库的设计计算方法O关键词!加工中心;无机械手自动换刀;刀库中图分类号!T G659 文献标识码!B文章编号!1001-3881"Z006#9-054-3D e s i gnonn o-f i n ge r a u t om at i c t ool c h an ge r of mi n i at u r e v e r t i c al mac h i n i n g c e n t e rC A Oo i ux i a(H e na n M e c ha ni c a nd E l e c t r i c E ng i ne e r i ng C o l l e g e X i nx i a ng H e na n45300Z C hi naa b s t r ac t1T he de s i g ni ng pr o c e s s o n no-f i ng e r a ut o m a t i c t o o l c ha ng e r o f M C V Z5Z0m i ni a t ur e v e r t i c a l m a c hi ni ng c e nt e r w a s i nt r o-duc e d.T he de s i g ni ng a nd c a l c ul a t i ng m e t ho ds o f m a j o r c o m po ne nt pa r t t o o l m a g a z i ne o f no-f i ng e r a ut o m a t i c t o o l c ha ng e r w e r e e x po unde d.K e yw or d s1M a c hi ni ng c e nt e r;N o-f i ng e r a ut o m a t i c t o o l c ha ng e r;T o o l m a g a z i ne0引言M C V Z5Z0小型立式加工中心体积小\结构紧凑\生产效率高\精度较高能完成铣\钻\扩\铰\锪\攻丝等多种加工工序能进行小型板类\盘类\壳类\模具类等复杂零件的多品种中小批量加工O主轴采用高速电主轴;工作台采用的是X-Y双向精密数控工作台;可以实现X\Y\Z三个方向的进给;有自动换刀装置可以安装各类钻\铣类刀具并自动换刀O M C V Z5Z0小型立式加工中心总体结构布局如图1所示O1.床身 Z.X-Y精密数控工作台 3.刀库移动部件4.刀库5.Z向进给部件6.立柱7.电主轴图1 M C V Z5Z0小型立式加工中心总体结构示意图为使加工中心的结构紧凑减小加工中心的外形尺寸降低成本在设计自动换刀装置时应在满足使用要求的前提下尽量使其结构简单紧凑价格低廉易制造拆卸\装配维修方便备件容易得到O 加工中心自动换刀装置有两种形式[1]1有机械手换刀和无机械手换刀O加工中心的自动换刀装置大都采用有机械手换刀方式O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O换刀时间短但其机械结构比较复杂[1]O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O因无机械手所以结构简单O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较为复杂换刀时间较长O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可免去刀库回转时的振动对加工精度的影响O无机械手换刀方式适用于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[1]O考虑到所设计的小型加工中心主要用于中小批量生产且主要用来加工小型零件上的孔和平面等刀库容量较小无须过多考虑换刀时间的长短且采用的是30号刀柄综合考虑刀库宜选择无机械手换刀方式O1无机械手换刀装置刀库的设计1.1 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O直线排列式和格子箱式刀库结构相比较复杂适用于刀库容量较大的加工中心;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[1]O且所设计的加工中心主要用来加工小型零件上孔和平面等不必在刀库里放太多刀具因此选用圆盘式刀库O1.Z 刀库的放置立式加工中心无机械手换刀方式的圆盘形刀库的放置有两种形式1刀库置于立柱侧面的横梁上和置于工作台上O由于采用的是标准的精密数控工作台所以选用刀库置于立柱侧面的横梁上O此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 须增强立柱的刚度 以减小横梁弯扭矩的影响O 在立柱左边安装一横梁 在横梁上有导轨 导轨上安装有滑座 将刀库安装在滑座上 通过刀库沿横梁移动到主轴端 由主轴来实现换刀 如图1所示O1.3 刀库的组成图Z 刀库结构组成示意图刀库由刀盘部件\轴承\轴承套\轴\箱盖\拨销\锁止盘\电机\槽轮\箱体等组成 结构组成示意图 如图Z 所示O1.4 刀库主要参数的确定(1)刀库容量本加工中心主要用来加工小型零件或多孔零件上的小孔和小平面 所以刀库上主要安装一些孔加工刀具(如钻头\扩孔钻等)和加工小平面用的立铣刀及小直径的面铣刀S 同时又考虑到所选用电主轴轴端的尺寸及刀盘直径等的限制S 再考虑到主要用于中小批生产及教学实验等 刀具的品种不宜过多 以免造成不必要的浪费和刀库尺寸过大 采用8把刀O(Z )刀具最大直径和长度立铣刀的最大直径定为40m m 钻头的最大直径定为10m m 最大工作部分长度定为150m m O(3)刀具最大重量为1kg O(4)刀具最大运动线速度为ZZ ~30m /m i n O1.5 刀盘部分的设计图3 刀盘部件图1.5.1 刀盘尺寸的确定刀盘采用轮辐式结构 这样既能满足使用的要求 又能保证刀盘的强度O 在整个设计的过程中要保证各个尺寸在换刀过程中不发生干涉即可 刀盘直径为Z10m m O1.5.Z 刀爪尺寸的设计刀爪的外型尺寸根据30号刀柄设计O 1.5.3 夹块的设计夹块在刀爪抓刀时插入到键下半部中 以及刀具在刀库中时夹块一直插在键中 起准确定位的作用O 因此 夹块的宽度尺寸精度要求很高O 夹块宽度的尺寸主要由键的宽度来决定O1.6 刀库转动定位机构的设计1.6.1 刀库转动定位机构的选择目前圆盘式刀库大多采用的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 1 O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的加工中心机床上 通常采用槽轮机构来驱动刀库的分度回转运动O 但此机构定位精度不够高 为提高其定位精度可采用带制动器的交流伺服电机 从而可保证较高的定位精度O1.6.Z 槽轮机构的工作原理图4 外啮合槽轮机构 的工作原理图槽轮机构(又称马尔他机构)能把主动轴的匀速连续运动转换为从动轴的周期性间歇运动 常用于各种分度转位机构中O 槽轮机构有三种基本类型=外啮合槽轮机构\内啮合槽轮机构和球面槽轮机构 Z 4 O 刀库即可采用外啮合槽轮机构也可采用内啮合槽轮机构O 设计中采用外啮合槽轮机构O 外啮合槽轮机构的工作原理如图4所示 它由主动曲柄\槽轮\拨销和锁止盘组成O外啮合槽轮机构的主动曲柄回转轴线与槽轮回转轴线平行 通常主动曲柄作等速回转 当主动曲柄上的拨销进入槽中 就拨动槽轮作反向转位运动 当拨销从槽中脱出 槽轮即静止不动 并由锁止盘定位O 当只有一个拨销时 主动曲柄转一周 槽轮作转一个角度的步进运动 从而实现转位\分度和定位 Z O1.6.3 槽轮机构参数计算槽轮槽数Z 可根据刀库容量选取 但不同槽数时外啮合槽轮的角速度和角加速度的变化不同 槽数越小O 则角加速度的变化越大 由此产生的冲击和磨损也就越大O 因此在用外啮合槽轮机构作为刀库转动定位机构时 槽数不应小于8O 设计中刀库容量为8把刀槽轮机构的其它参数可由表1 Z ]求出表1 槽轮机构的参数参数名称计算公式槽间角Z Z Z Z =360 /Z 槽轮每次转位时曲柄的转角Z 1Z 1=180 -Z Z槽轮与锁止盘间的中心距L 选用时考虑转位定位机构强度和刚度,并使其结构紧凑主动曲柄长度R 1R 1=L s i n Z 槽轮半径R Z R Z =L c o s Z 圆销半径r r =R 1/6槽底高66=L -(R 1+r )-(3~5)槽深h h =R Z -6锁止弧半径R xR x =R 1-r - 式中: =(0.6~0.8)r ,且必须大于3~5m m根据以上参数可设计出槽轮和锁止盘的尺寸当槽轮机构进入和脱出槽口的瞬时位置,主动曲柄中心与槽的中心线垂直,使槽轮转位起~停瞬时的角速度等于零,避免了刚性冲击 但是槽轮转位起~停时的角加速度变化较大,且在转位过程的前半阶段与后半阶段的角加速度方向不同,因此,当槽与滚子之间存在间隙时,会产生一定冲击,为减小冲击可采取以下方法 3]:(1)减小或消除拨销和槽之间的间隙;(Z )消除拨销开始进入槽时的间隙,应使槽轮的实际外圆半径R Z a 略大于槽轮的名义外圆半径R Z ,取R Z Z a =R Z Z +r Z,式中r 为拨销半径 (3)回转轴采用空心结构,减小槽轮组件的转动惯量(4)增加轴承的预紧力,使轴承的间隙为零,从而增加槽轮组件的回转阻尼1.7 刀库转动电机的选择刀库的回转驱动电机的选择时,须考虑由摩擦引起的负载转矩和各负载的转动惯量 1]1.7.1 负载的转动惯量 LC和刀库系统转动惯量 C LC =Z i(n i n m)Z(1) C = m C + LC(Z )式中: i 为各旋转件的转动惯量,kgm Z; n i 为各旋转件的转速,r /m i n ;m C为电机的转动惯量,kg m Z; n m C 为电机的转速,r /m i n LC =( D P + Z + C L + SP)(n C n m C)Z(3)式中: D P ~ Z ~ C L ~ SP 分别为刀盘~轴~槽轮和锁止盘的转动惯量,kg m Z;n C 为刀盘的转速,r /m i nD P =、3ZX 7.8X 10-1Z D 4D P L D P (4)式中:D D P为刀盘直径,m m ;L D P 为刀盘厚度,m m n C =1X 1000、D D P(5)式中:1为刀具的最大运动线速度,m /m i nm CB LC3初选电机,其额定转矩~最大转矩~转动惯量 m C均可选定 即可计算 C = m C + LC 1.7.Z 摩擦引起的负载转矩计算由重力产生的摩擦力矩T F C (N m )T F C =~G CR SP (6)式中:~为槽轮和锁止盘间摩擦系数,取0.15;G C 为刀盘~轴~槽轮等的重量,N ; R SP 为滚子中心到锁止盘中心的距离 如果T F Cs 电机的额定转矩,则符合要求 1.7.3 最大加速转矩T c am当电机从静止升至n m a x时T c am = CZ 、n C m a x60t C a(7)式中:n C m a x为电机最高转速,r /m i n ; t C a 为加速时间(s),取0.Zs 1.7.4 电机的最大启动转矩T C r =T c am +T F C (8)如果T C rs 电机的最大转矩,则符合要求 最终确定电机型号~输出功率 相应的伺服驱动器选择与电机相匹配的型号1.8 刀库移动部分的设计1.8.1 刀库支承横梁和导轨的设计横梁支撑着刀库的整个重量,因此,它的强度和刚度要求较高 且为了实现刀库的移动,在横梁上要设计可使刀库移动的导轨,根据床身的整体高度及立柱的形状来考虑,横梁的端面与立柱的联接断面应成长方形 连接处的凸缘与立柱用螺栓来连接,由定位销定位,在装配时配作根据刀库的行程,再加上滑台的尺寸和刀盘尺寸等,确定静导轨的总长度,两端各装一减振器,目的是为了消除滑台到两端时的冲击力 考虑刀库移动电机和丝杠的安装尺寸等,确定静导轨的高度和宽度;考虑到刀库支承部分的尺寸,确定滑座和动导轨的长度;考虑静导轨的宽度和刀库支承部分在该方向的尺寸,确定滑座的宽度和高度"下转第108页#应尽量使筋板厚度一致,取所有筋板厚度为30m m0所得初始子模型如图60分析结果:最大应变= 0.814m m,最大应力=177.4M P a,重量=3Z.56t0(3>结果评价0该模型的许用应变为1.08m m,许用应力为16Z.5M P a,所求最大应力为应力集中,焊接后可消除,则强度~刚度满足设计要求0但该结构的典型特点为台面尺寸大,仍取原13m Z模型所使用的油缸时,油缸直径太小,容易导致上滑块下行不平稳0(4>修改结构0根据设计经验取油缸直径为1650m m0修改后的上梁子模型如图70图616m Z的10000kN上梁模块初始模型图7修改后的16m Z~10000 kN上梁模块子模型修改结构后,最大应变=0.971m m,最大应力= 175.6M P a,重量=3Z.33t0修改前后分析结果比较见表30表3 16m Z\10000kN上梁模型修改前后分析结果对比最大应变最大应力重量初始子模型0.814m m177.4M P a3Z.56t 修改后子模型0.971m m175.6M P a3Z.33t 变化量+19.3%-1.0%-0.7%尽管修改后的应变有所增大,但仍然小于许用应变,且克服了上述上滑块下行不平稳的缺点,同时又使筋板布局更趋均匀0同样的方法可以扩展液压机中的其它模块,从而形成各种柔性模块族表0各个模块独立设计完成之后,根据模块的接口信息,进行整机拼合,从而完成液压机产品的快速设计03结束语液压机产品的设计与制造快速响应市场能力对企业的国际竞争力有着重要的影响,而液压机主机设计是影响该类产品设计的关键0由于其主机结构变化多样,传统的模块化设计理论和方法已不能满足设计需求,基于柔性模块的快速设计理论,给模块化设计赋予了新的涵义,通过对柔性模块的参数化~变量化设计~以及产品族的规划,依照一定的模块和产品扩展原则可快速设计出个性化的~符合用户需求的产品0参考文献H1H徐丽萍.面向产品族的液压机广义模块化设计研究D].天津大学,Z004.1.H Z H钟伟弘.面向产品族的液压机广义模块化快速设计技术D].天津大学,Z004.8.H3H徐燕申,侯亮.液压机广义模块化设计原理及其应用].机械设计,Z001(7>:1-4.H4H童时中.模块化原理设计方法及应用].北京:中国标准出版社,Z000.作者简介I黎旭(197Z->,男,天津工业大学教师,多年从事制造业自动化~C I M S~快速设计/制造等方面的研究,发表论文多篇0黄艳群(197Z->,女,天津大学博士,讲师,主要从事C I M S~C A P P等研究,发表论文30余篇0电话:138Z1893956,E-m a i l:h_Z000@e y o u.c o m0收稿日期$Z005-08-0Z"上接第56页#为了加强它的刚度,还设有加强肋板0导轨用滑动导轨,滑动导轨采用双矩形形式的整体H T300铸铁导轨,并采用中频淬火,淬火后的硬度为H R C50 ~5501.8.Z 刀库移动丝杠和电机的选择要实现刀库的移动,采用丝杠~电机驱动或液动~气动装置0该加工中心采用丝杠和电机驱动方式0丝杠支承方式采用两端固定,两端各采用一角接触球轴承02无机械手换刀装置的安装无机械手换刀装置各部分的安装如图5所示0图5 无机械手换刀装置的安装参考文献H1H廉元国,张永洪.加工中心设计与应用M].北京:机械工业出版社,1995.3:94-103.H Z H邓召义,姚振甫.实用机械电子技术设计手册(机械部分>M].北京:机械工业出版社,Z001.11:1Z10-1Z17.H3H彭文.槽轮机构在加工中心鼓轮式刀库上的应用].机械工程师,1999(1>:Z6-Z7.H4H张世民.机械原理M].北京:中央广播电视大学出版社,199Z.10:351-355.作者简介I曹秋霞(1966->,女,河南原阳人,副教授,硕士,主要从事机械设计与制造~C A D/C A M等方面的教学与研究00373-339Z386(O>,0373-ZZ9Z903 (小灵通>,E-m a i l:gi ux i a c a o@1Z6.c o m0收稿日期$Z005-09-Z6小型立式加工中心无机械手自动换刀装置的设计作者：曹秋霞， CAO Qiuxia作者单位：河南机电高等专科学校,新乡,453002刊名：机床与液压英文刊名：MACHINE TOOL & HYDRAULICS年，卷(期)：2006(9)被引用次数：10次1.廉元国;张永洪加工中心设计与应用 19952.邓召义;姚振甫实用机械电子技术设计手册(机械部分) 20013.彭文槽轮机构在加工中心鼓轮式刀库上的应用[期刊论文]-机械工程师 1999(01)4.张世民机械原理 19921.谭光恒大型刀库及自动换刀装置的研制[期刊论文]-机械工程师2010(7)2.王科社.杨庆东.赵宏林高速加工中心的快速自动换刀技术[期刊论文]-制造技术与机床2001(12)3.黄泽正.刘冲.陈志辉.HUANG Ze-zheng.LIU Chong.CHEN Zhi-hui加工中心自动换刀装置的设计[期刊论文]-机械工程与自动化2007(1)4.刘建慧.邹慧君加工中心自动换刀装置类型综述及设计特点[期刊论文]-机械设计与研究2001(3)5.韩越梅.HAN Yue-mei加工中心自动换刀装置的研究进展[期刊论文]-装备制造技术2010(5)6.戚洪利自动换刀装置及其控制的研究[学位论文]20077.牛军燕.顾寄南.NIU Jun-yan.GU Ji-nan基于PLC的自动换刀系统研究[期刊论文]-制造业自动化2010,32(6)8.王宝金数控镂铣机和数控加工中心的自动换刀[期刊论文]-木材加工机械2004,15(3)9.许为民.XU Weimin基于PLC的气动换刀装置设计[期刊论文]-液压与气动2009(1)10.刘炜.LIU Wei数控加工中心自动换刀系统[期刊论文]-机床与液压2005(5)1.黄菊生.吴晨曦.刘军安微加工中心刀库定位控制技术[期刊论文]-制造技术与机床 2009(4)2.黄菊生.刘玉松.伍新基于1PG定位模块的刀库控制技术[期刊论文]-电气传动 2009(8)3.宋子深.王晓倩数控车床钻小孔误差分析及改进措施[期刊论文]-导航与控制 2015(1)4.李隽.鹿晓莹.徐宏彦.鲍秋辉.徐宏海数控加工中心自动换刀控制[期刊论文]-中国科技博览 2011(1)5.邹晔.韦志强.张新亮随机换刀式加工中心刀库的大直径刀具控制[期刊论文]-无锡职业技术学院学报 2009(6)6.聂小春.韩利红.孙晓辉.汪菊英45＃-16 T型立式加工中心盘式刀库的设计[期刊论文]-机械研究与应用 2013(6)7.华红芳.邹晔.严勇.韦志强圆盘式刀库加工中心随机换刀系统的研究[期刊论文]-机床与液压 2010(18)8.付杰.赵奇平基于SolidWorks的某型泵专用钻削加工中心刀库的设计[期刊论文]-机械研究与应用 2010(2)9.应保胜.杨威.邱新桥高速加工中心自动换刀装置的研究[期刊论文]-机床与液压 2013(8)10.董锋.徐骥.汪地.叶林.林锋.杨浩加工中心盘式刀库自动换刀控制系统设计[期刊论文]-机械设计与制造2011(5)11.张建成.张之敬.金鑫.周敏可重配置的微小型刀库控制系统[期刊论文]-北京理工大学学报 2008(10)引用本文格式：曹秋霞.CAO Qiuxia小型立式加工中心无机械手自动换刀装置的设计[期刊论文]-机床与液压2006(9)。