特价促销

资讯中心

行业动态

当前位置:首页>资讯中心 >  行业动态
45°角换刀臂设计——不常见的刀库设计
发布日期:2017-08-12   点击次数:1154

确定自动换刀装置的形式

由于螺栓数控铣床是一种使用范围较广的机床,且其可加工零件的精度要求也较高,比较上章介绍的几种换刀形式,决定选用带刀库的自动换刀形式。

螺栓数控铣床主轴箱上方没有好的安装位置,安装在机床外又要增加刀具运输时间,降低效率,所以安装在机床侧面最合适,有些部件交错的地方,作适当的调整。因为螺栓数控铣床外形及其他性能参数等均与THK6363型自动换刀数控镗铣床相似,所以本机床的自动换刀装置的设计将仿效THK6363型自动换刀数控镗铣床换刀装置,设计成由由盘式刀库和回转式双臂机械手组成。设计增加自动换刀装置后的螺栓数控铣床的外观图如图1-1所示。

图1-1 螺栓数控铣床的外观图

 刀库的设计


刀库是带刀库自动换刀装置的主要部件之一,其容量形式、布局及具体结构对数控机床的性能有很大影响。

1)   确定刀库容量

决定刀库容量时,首先要考虑加工工艺的需要,同时还要调查分析同类型、相近规格的自动换刀机床的刀库容量及其发展趋势。由于带自动换刀装置的数控机床主要是在多品种、单件小批生产时使用,因而应根据广泛的工艺统计,依大多数工件加工时需要的刀具数来确定刀库容量。例如,对功能较为齐全的加工中心而言,它可承担多个工件的切削任务,因而要配备刀具的种类和规格较多。通常,配备的刀具越多,机床能加工工件的比率也越高,但它们并不是成正比例关系。图3-1为刀库容量与机床能加工工件的比率统计曲线。

刀库储存量过大,导致刀库的结构庞大而复杂,影响机床总体布局;储存量过小,则不能满足复杂零件的加工要求。因此,刀库容量应在经济合理的条件下,力图将一组类似的零件所需的全部刀具装入刀库,以缩短每次装刀所需的装调时间。对自动换刀数控机床的刀库容量,有关资料曾对15000个零件进行分组统计,指出不同工序加工时必须的刀具数不同,如图3-1所示。由图可知,4把铣刀可完成加工工件的95%左右的铣削工艺,10把孔加工刀具可完成70%的钻削工艺, 14把刀的容量就可完成70%以上工件的钻铣工艺,配有14—40把刀具的刀库就能够满足70%-95%工件的加工需要。因此,对螺栓数控铣床,从使用和经济效率角度来看,容量为6的刀库就可满足要求了。

2)      确定刀库容量

由以上考虑螺栓数控铣床的结构布局等原因,决定采用轴向放置的鼓盘式刀库形式。这种刀库结构简单,刀具排列较为紧凑,在刀库容理定为6的情况下体种不大,且取刀也较为方便,但需要考虑机械手的换刀动作空间。

3)      刀库结构设计

如刀库装配图所示,当数控系统发出换刀指令后,直流伺服电动机接通,其运动经过十字联轴器、波传动减速器、套筒式联轴器、蜗杆、蜗轮后,再经花键联接传到刀盘上,刀盘带动刀座上的6个刀套转动,完成选刀动作。

刀库装配图


4)      初估刀库驱动转矩及选定电机

刀库回转运动多数采用气压马达、直流电动机驱动,并没有降速传动装置。

初选电动机与降速传动装置

刀库的驱动系统中,由于本刀库的驱动转矩小,且所需转速小,所以决定采用直流伺服电动机驱动。直流伺服电动机具有体积小,重量轻、伺服性好、力能指标高等优点,且该电机可用信号电压进行无级调速。采用型号为90SZ03的SZ系列电磁式直流伺服电动机,其基本参数为:功率0.092KW,转速3000R/MIN(《袖珍机械师设计手册》P1275);降速传动装置型号为XB3-50-100A的扁平式谐波传动减速器,其基本参数为:输入功率0.092KW,输出转矩18N·m(《袖珍机械师设计手册》P1078-1079)。

5)      初估刀库驱动转矩

由于刀库容量6,下面就以THK6363型自动换刀数控镗铣床的刀库为设计参考(查参考资料14),采用经验法初估回转所需转矩。

THK6363型自动换刀数控镗铣床的刀库也是采用轴向放置的鼓盘式刀库形式,其容量为36把刀具,最大刀具重达10kgf,刀库回转由最大扭矩为25N·m的气压马达经谐波减速器驱动。现在由于设计的刀库容量为6把刀具,可初估刀库驱动转矩(主要是指直接驱动刀盘转动的转矩)为T0=8N·m。

6)      刀库转位机构的普通圆柱蜗杆传动的设计

刀库的主运动是圆周回转运动,如图3-3所示,直流伺服电动机1通过弹性柱销联轴器与谐波传动减速器2联接减速后驱动蜗杆3,设计刀库转位机构的普通圆柱蜗杆传动. 由刀库转位机构实现。

己知直流伺服电动机1的功率为0.092KW,转速为3000R/MIN,谐波传动减速器2的传动比为100.传动效率为80%,1经2减速后驱动蜗杆3,蜗杆为主动,蜗轮为从动,要求传动此为6,单向旋转,单班工作制,预计寿命为5年.

               图示3-3 刀库转位机构传动示意图

1)选择蜗杆传动类型

根据GB10085—88的推荐,采用渐开线蜗杆(ZI)。

2)选择材料

蜗杆采用45钢,齿面淬火,硬度为45~50HRC;蜗轮用铸锡磷青铜ZCuSn10Pb1,金属模铸造, =220 MPa, =220 MPa。

3)确定主要参数

蜗杆蜗轮传动,以蜗杆为主动,蜗轮为从动。为了提高传动效率,取Z1=6,传动比取6,单向旋转,单工作制,预计寿命为5年。则Z2= Z1ⅹi= 6ⅹ6=36。

4)按齿面接触疲劳强度设计

 m2d1  KT2  (mm3)

a)计算蜗轮轴转矩T2

初估传动效率η=0.95,则

T2=9549 =9549 η=9549 ⅹ0.95=133.53 N·m

其中n1 =3000/100=30(r/min)

b)载荷系数K=1.05

c)许用接触应力

 =   =220ⅹ0.9ⅹ1.48=293.04 MPa

式中,  =220 MPa,

估计滑动速度 <5m/s,用浸没润滑,则由(参考文献11) (P972图18—2)查得滑动速度影响系数 =0.9, =1.48(其中 =60a t=60ⅹ1ⅹ ⅹ5ⅹ300ⅹ8=3.6ⅹ ,按图18—3查得);

d)计算m2d1值,并选定模数m和蜗杆分度圆直径d1

m2d1  ⅹ1.05ⅹ133.53=283.46 mm3;

按表18—3查得模数m=3.15(mm), d1=35.5 (mm)

(m2d1值应大于计算值)

5)验算滑动速度

a)计算蜗杆速度

 = = =0.0558 m/s

b)计算滑动速度

 = / =0.0558/ =0.0632 m/s

其中 = = = ,则初估的 值合适。

6)验算蜗轮齿弯曲强度

验算公式为

a)使用系数 =1

b)动载荷系数 =1.03

c)载荷分布系数 =1

d1=35.5 mm, =m =3.15 36=113.4 mm,其中模数m=3.15(mm)。

d)蜗轮齿形系数 =4.00

e)按蜗轮当量齿数 = / =36/ =52.34,由图17—2查得。

f)导程角系数 =1- /120°=1- /120 =0.766

g)许用弯曲应力

 =  =70 0.542=37.94 MPa

h)计算弯曲应力

 =22.132

由于 < ,故满足蜗轮轮齿强度条件。

7)计算蜗杆蜗轮的主要参数

a)分度圆直径

 =35.5, =m =3.15 36=113.4mm

b)中心距a

a=( + +2 m)/2=[35.5+113.4+2 (-0.1349) 3.15]/2=74 mm

c)蜗杆导程角 

8)计算其他尺寸

a)蜗杆齿顶圆直径      = +2 =35.5+2 3.15=41.8 mm,

其中 为蜗杆齿顶高,且 =m=3.15 mm;

b)蜗轮喉圆直径       = +2 =113.4+2 0.8651 3.15=118.85 mm,

其中 为蜗轮齿顶高,且 = + =1-0.1349=0.8651 mm;

c)蜗轮外圆直径 = +m=118.85+3.15=122 mm;

d)蜗杆齿宽        由于 =6,故 按结构设计,取 =64 mm

e)蜗轮齿宽          0.67 =0.67 41.8 =28.006mm,取 =28 mm;

f)蜗轮齿顶圆弧半径      = -m= -3.15=14.6 mm

g)蜗轮齿根圆弧半径      = +c= +0.2m= +0.2 3.15=21.53 mm;

h)蜗杆轴向齿厚         = /2= =  3.15/2=4.948 mm,其中 为蜗杆轴向齿距;

i)蜗杆法向齿厚         =  =4.948 =4.368 mm;

j)蜗轮分度圆齿厚       =0.5 =0.5  3.15=4.948 mm。

夹紧机构插销剪切强度的校核

刀套在刀座上的夹紧由插销实现(见刀库装配图)。插销承受的主要是剪切力,以下对单个插销进行剪切强度的校核。

插销材料为45钢,[ ]=60MPa,直径d=6mm。

剪切力由重力引起,估算P=100N,插销受力如图所示。

由图可知该情况为双剪切,且由平衡方程易得Q=P/2,

于是,插销横截面上的剪切力为

 = Q/A=(100 )/[ ]=1.8MPa [ ]

故插销满足强度条件要求。

刀库的定位与刀具的松夹

刀库旋转定位是依靠简易定位装置来实现的。其控制过程示意图如下:






 刀库定位示意图

刀库的定位是由接近开关使直流伺服电机停止转动,然后由双向气压带动定位销6,插入刀座5上的定位孔,实现精确定位。在刀座5的每一个刀位上都装有如图所示的弹簧、导柱3、键块1和销2所组成的刀具固定装置。由此实现刀具在刀库上的固定锁紧。图中所示为刀具卡在刀座上的状况。当气压缸4通油后,将导柱3拉出,使销2退出,此时刀具在刀座上处于自由状态,控制刀具固定装置的气压缸4有两个,一个和定位销在一起,自动换刀时用,另一个在靠近立柱方向,用于刀库手动装卸刀。

  换刀机械手的工作原理

下面是以在螺栓数控铣床的自动换刀装置中采用这种上机械手换刀的工作原理。

该机械手安装在主轴的左侧面,随同主轴箱一起运动。机械手由机械手臂与45°的斜壳体组成。机械手臂1形状对称。固定在回转轴4上,回转轴与主轴成45°角,安装在壳体3上,5为手臂托,可由气压缸带动(图中未标出),机械手有伸缩、回转、抓刀、松刀等动作。

伸缩动作:气压缸(图中未标出)带动手臂托架5沿主轴轴向移动。

回转动作:气压缸2中的齿条轮通过齿轮带动回转轴4转动。从而实现手臂正向和反向180°的旋转运动。

抓刀、松刀动作:机械手对刀具的夹紧和松开是通过气压缸6。碟形弹簧7及拉杆8、杠杆9、活动爪10来实现。碟形弹簧实现夹紧,气压缸实现松开。在活动爪中有两个销子11,当夹紧刀具时,插入刀柄凸缘的孔内,确保安全、可靠。

2)   机械手的自动换刀过程的动作顺序

(a)                (b)             (c)             (d)

图4-6   换刀机械手的换刀过程

自动换刀装置的换刀过程由选刀和换刀两部分组成。

选刀即刀库按照选刀命令(或信息)自动将要用的刀具移动到换刀位置,完成选刀过程,为下面换刀做好准备,换刀即是机械手把主轴上用过的刀具取下,将选好的刀具安装在主轴之上。

换刀动作的大致过程为:

1)主轴箱回到最高处(z坐标零点),同时实现“主轴准停”。即主轴停止回转并准确停止在一个固定不变的角度方位上,保证主轴端面的键也在一个固定的方位,使刀柄上的键槽能恰好对正端面键。

2)机械手抓住主轴和刀库上的刀具。如图4-6(a)所示。

3)把卡紧在主轴和发库上的刀具松开

4)活塞杆推动机械手下行,从主轴和刀库上取出刀具

5)机械手回转180°,交换刀具位置,

6)将更换后的刀具装入主轴和刀库

7)分别夹紧主轴和刀库上的刀具

8)机械手松开主轴和刀库上的刀具

9)当机械手松开具后,限位开关发出“换刀完毕”的信号,主轴自由,可以开始加工或其他程序动作。

在自动换刀的整个过程中,各项运动均由限位开关控制,只有前一个动作完成后,才能进行下一个动作,从而保证了运动的可靠性。

3)   机械手回转轴4上的齿轮齿条设计

1)回转轴上齿轮采用渐开线标准直齿圆柱齿轮形式

2)取模数M=1。5。初取齿数z=30

3)下表为齿轮几何尺寸设计的基本参数:


名称

代号

计算公式

模数

m


压力角

分度圆直径

d

D=mz=1.5 30=45

齿顶高

齿根高

齿全高

h

齿顶圆直径

齿根圆直径

齿距

p

齿厚

s

顶隙

c

4)齿条的基本尺寸,按外齿轮几何尺寸的计算公式进行计算

收缩