摘 要
刀库作为自动换刀装置中最重要的结构之一，其存储刀量、配置以及整体结构都会对加工中心的设计与制造产生很大的影响。加工中心在制造业中应用十分广泛，只不过其应用的场景有所不同罢了。由于本次设计的刀库主要应用在小型加工中心上，设计了能存储10把刀具的盘式刀库结构，并对其控制系统进行了一定的研究。
本设计的内容包括电动机的选择、传动机构的设计、刀盘刀套的设计以及液压系统的设计等。本设计的重点是对传动机构中蜗轮蜗杆减速装置的设计，而对于液压系统只进行了简单的设计与介绍。先对刀库的结构进行分析，然后优化设计方案，最后通过校核保证方案的可行性，这样大大的缩短了设计的时间。
加工中心刀库结构的设计对于数控技术来说是一次重大创新，此次创新所产生的效果是使加工中心精度更高、效率更高以及智能化程度更高。本次的设计不仅降低了生产资金的投入量，同时减轻了操作人员的工作强度。
关键词：刀库；加工中心；盘式刀库；减速装置
ABSTRACT
As one of the most important structures in the automatic tool changer, the tool magazine has a great impact on the design and manufacture of machining centers due to its stored tool quantity, configuration and overall structure. Machining centers are widely used in manufacturing, but their application scenarios are different. Since the tool magazine designed this time is mainly used in small machining centers, a disk-type tool magazine structure that can store 10 tools is designed, and a certain research on its control system is carried out.CNC机床
The content of this design includes the selection of the motor, the design of the transmission mechanism, the design of the cutter head and the design of the hydraulic system, etc. The focus of this design is the design of the worm gear reducer in the transmission mechanism, but only a simple design and introduction to the hydraulic system. First analyze the structure of the tool magazine, then optimize the design plan, and finally check the feasibility of the plan, which greatly shortens the design time.CNC机床
The design of the tool magazine structure of the machining center is a major innovation for CNC technology. The effect of this innovation is to make the machining center more accurate, more efficient and more intelligent. This design not only reduces the amount of investment in production funds, but also reduces the work intensity of the operators.CNC机床
Keywords:Tool library;Machining Center;Disc tool magazine;Deceleration device
1 绪论
1.1引言
世界上首台数控机床的问世，距今已经有70多年，它的出现使机械设备的灵活性、智能化和加工效率都发生了巨大的改变。首台加工中心是在二十世纪五十年代诞生的，它不仅将多种加工工序集于一身，而且还可以用来加工多种类型的工件。加工中心的出现不只增加了数控机床的功能,而且让其智能化程度和生产效率都上升了一个新阶段，让无人化的生产变成了现实。现如今，加工中心设备已是FMS系统和计算机集成制造系统的基本组成单元了。CNC机床
1.2选题背景与意义
1.2.1 选题的背景
随着现代数控技术的高速发展和普及，加工中心的重要性也逐渐突现出来了。为了更好的提升数控设备的加工效率，工件只需要在机床上装夹一回就能完成多道工序的加工，这就是未来加工中心设备的发展目标。自加工中心出现以来，世界上发展出了各种类型的数控加工中心设备，比如车削、钻削、铣削、镗削等类型的加工中心设备。这类可以进行多种工序加工的机床设备在加工期间需要用到几种刀具，因此要有一个能自动换刀的装置，也就是我们所说的刀库系统。加工中心装备上刀库系统以后，在加工零件的不同工序时，加工中心可以自行切换刀具，这样加工中心就可以自动完成零件的加工，从而减少了换刀工序的占用时间，以此提高了加工的效率。另外，加工中心还有复合形式的机床，它具有立、卧两个形式的主轴，在加工时可以根据需求进行立式或卧式主轴的切换，一般能对工件进行五个面的加工。
近年来，刀库的发展非常迅速，在其独特的技术领域中已经研发出了符合机床可靠性高、加工效率高、精度高和多工位复合加工等理念的产品。如今，机床设备的性能表现已经关系到生产物品的质量高低，而对于高速度、高精度和高效率的生产目标也早已成为未来机床设备的发展趋势。随着机床切削速度的不断增高以及切削时间的不断减少，对于刀库系统的换刀时间要求也在不断的提升。当今，机床的换刀速度已经是判别高级刀库系统的重要性能指标。自动换刀技术可以很大程度的去缩短非切削加工时间，以保证能够在较少的时间内完成加工刀具的切换。CNC机床
1.2.2 选题的目的及意义
加工中心是集成度比较高的智能化产品，它将机械电子技术、计算机控制技术以及工程控制技术等集成于一身。刀库系统是实现工件持续加工的必要装备之一，只有装上刀库以后才可以自动的进行镗、扩、铰、攻、铣、削、钻等多种工步的加工，这让加工中心设备能集中进行多种工序的加工变为可能。刀库作为换刀系统中的核心部件，主要的作用是为了缩短加工中的非切削时间，以此来提升机床的生产率和降低零件产品的投入资金，这样就可以极大的提升整个生产线的产能。近年来，随着加工中心的不断发展与创新以及国家企业对高速，大功率和高效率的追求，都使得刀库的设计变得更为关键和重要了。CNC机床
1.3加工中心简介
1.3.1 加工中心的结构组成
自加工中心出现以来，世界各地都出现了不同类型的加工中心。虽然它们的形状和结构有所不同，但都是由以下部分构成。
1、基础部件 是数控加工中心的基本构成结构，其主要是由床体、立柱支承以及加工工件的平台等大型零部件组成。
2、主轴组件 主要是由主轴、为主轴提供动力的电动机、存放主轴的轴箱以及主轴的轴承等部件组成。
3、数控系统 其主要是由CNC控制装置、PLC、伺服控制器以及操作面板等部分组成。是加工中心的控制中心。
4、伺服系统 可以把数控装置的信号转换成运动，是影响加工中心性能的主要因素之一。常用的有半闭环控制、封闭环控制以及开环控制等三种形式。
5、自动换刀装置 其主要是由换刀机械手、存放刀具的刀库以及驱动机构等部分组成。
6、辅助系统 主要包括防护功能、排屑功能、冷却功能、润滑功能和随机检查系统。
1.3.2 加工中心的分类
加工中心可以分为以下三种类型：
1、万能加工中心（复合加工中心）（如图1-4）包含了立式加工中心和卧式加工中心的功能，可以在一次装夹中完成除装夹面以外的其他几个面的加工（侧面和顶面）。
1-1 万能加工中心2、立式加工中心（如图1-1）机床主轴的轴心线垂直放置，结构多为固定立柱式，矩形加工台，没有分度回转的功能，有3个运动坐标，适合圆盘类型零件的加工。CNC机床
图1-2 立式加工中心
3、卧式加工中心（如图1-2）主轴轴线水平设置，具备分度回转功能，加工台为方形，有3到5个坐标，适合箱体零件的加工。
图1-3 卧式加工中心
1.3.3 加工中心的主要优点
1、加工方便高效 可以在减少工装数量的情况下，加工出结构复杂的工件。加工时，如果要改变工件的结构尺寸，只需从新设计加工程序即可。
2、加工质量高 加工中心制造出来的工件质量稳定，精度和重复性比较好，主要应用于现代加工制造工业领域。
3、加工效率快捷 在生产过程中，可以缩减生产准备，检验以及设备的调整时间；可以进行小批量、多品种生产，其加工效率比较高；可以缩短切削加工时间。
4、加工性能强 可以用来加工传统方法难以处理的复杂面和无法查看到的工件内部。
5、经济效益较好
1.4国内外研究现状
国内数控技术起步比较晚，在20世纪50年代的末期才开始出现，经过几个阶段的发展，已经逐渐形成了自己的数控技术产业。虽然历经不断的发展与创新，数控设备的性能和可靠性有了较大的提高，但是由于系统技术含量比较低，与国外的系统技术相比，还有很大的差距。CNC机床
国外的数控技术自问世以来，发展比较迅速，形成了各种类型的数控加工设备。在20世纪70年代，数控技术的发展进入了黄金阶段，相继出现了高性能、高精度以及高可靠性的数控加工设备。比如，奥地利成功研发出了换刀时间最短的自动换刀机床，换刀的时间只有0.4s。
1.5主要的研究内容
本次主要的研究内容是对刀库的结构组成进行设计。刀库采用伺服电动机进行驱动；传动机构采用蜗轮蜗杆减速装置，主要进行了蜗轮蜗杆的设计与校核；控制部分采用液压控制系统，对它进行了一定的设计与计算；刀盘和刀套进行了结构设计。
2刀库的设计
2.1刀库的类型
根据刀库的容量和取刀方式，刀库的类型可以设计为多种形式。以下是一些常见的刀库形式。
（1）直线型刀库 刀具呈直线型排列，其结构组成非常简单，存储的刀具数量不多（8～12个），主要用于数控车床。
（2）圆盘式刀库 刀具呈圆形排列，空间使用率低。其结构组成并不复杂，应用的设备比较多。个别会采用双圆环或多圆环排列，可以增加空间使用率。
（3）链式刀库 是加工中心中普遍采用的一种结构形式，刀座往往固定在链节上。有单排式，存刀量在30把以下，特殊情况下可以达到60把。增加储刀量方便，只需改变链条长度和链轮数目。常用链式刀库，储存的刀具数量在30把到120把之间。CNC机床
（4）其他刀库 如格子箱刀库，容刀量比较多，整箱刀库可以与机外交换。
2.2本次设计的刀库
本次设计的是圆盘式刀库，下面是对其传动过程以及结构组成的介绍。
1、换刀过程
更换刀具的过程（如图2-1）所示
图2-1 换刀过程示意图
1—机械手 2—刀库 3—主轴 4—刀套 5—刀具
（1）刀套下翻 在准备更换加工刀具之前，让存储刀具的刀库2从原始位置旋转，把需要更换的加工刀具5送到换刀处。在进行更换刀具时，装有加工刀具的刀套4向下翻转90度，使加工刀具的轴线与机床的主轴轴线相互平行。
（2）机械手抓刀 首先让更换加工刀具的机械手1从初始位置顺时针75度旋转（K方向），然后用机械手上的两个抓手分别抓住刀库和机床主轴上的待更换的加工刀具。
（3）刀具松开 机床主轴上的自动夹紧机构主动放开要更换的加工刀具。
（4）机械手拔刀 更换加工刀具的机械手向下方移动，同时取出将要更换的两把加工刀具。
（5）刀具位置交换 机械手携带着需要更换的两把刀具进行逆时针180度旋转（K向观察），以此过程来更换两把刀具的位置。CNC机床
（6）机械手插刀 携带刀具的机械手向上方移动，分别把更换的刀具插入到主轴的锥孔和刀套中去。
（7）刀具夹紧 机床主轴上的自动夹紧机构夹紧刀具。
（8）液压缸活塞复位 此时更换加工刀具的机械手保持原先动作不变。
（9）机械手松刀 控制机械手进行逆时针旋转75度(K方向),放下刀具并回到初始位置。
（10）刀套上翻 刀套和刀具一起上翻90度。
2、刀库的结构与传动
图2-2 刀库结构示意图
（1）刀库的结构组成（如图2-2）主要是由提供动力的电动机、蜗轮蜗杆传动机构、液压缸、刀盘刀套以及拨叉等部分组成。
（2）刀库的选刀过程 机床的数控系统发出选择加工刀具的命令，伺服电动机1开始进行旋转，经联接在电动机上的联轴器2带动蜗杆3和蜗轮4转动，由于蜗轮蜗杆传动机构又与刀盘12相连接，所以带动刀盘上的10个刀套11旋转一定的角度，完成选刀的过程。
（3）刀套翻转过程 把需要更换的加工刀具旋转到换刀的地点时，装有加工刀具的刀套尾部滚子10就旋转到拨叉8的槽中，这时候刀库中的液压缸5下腔输入液压油，活塞就会带动拨叉向上方移动，同时把行程开关7松开，以此断开相应的电路，防止存储刀具的刀库和机床主轴出现失误运动。在拨叉向上移动期间，将带着刀套向下翻转90度，使更换刀具的轴心线与机床主轴的轴心线相互平行，并同时把行程开关6压下，以此发出信息让换刀机械手进行抓取加工刀具。相反，拨叉向下移动，带着刀具刀套向上翻转90度。CNC机床
2.3刀库参数
本此的设计为加工中心的圆盘刀库，其容量为10把，换刀的时间和刀柄的规格需要自己选择，最大的刀具长度不超过240mm，最大的刀具直径也不超过φ120mm，最大刀具重量为6kg。
2.4刀库速度
根据刀库换刀速度的限制，又考虑到刀库执行时间的响应，所以初选刀库速度为
3刀库电动机的选择
电机是用来为刀库提供动力的，刀库的运转离不开电机的参与。目前，常用的驱动方式有：伺服电机以及液动机两种驱动方式。现如今，我国应用广泛的驱动方式为伺服电机驱动，所以本次运用伺服电动机进行驱动圆盘式刀库。
3.1按负载转矩选
负载转矩小于额定转矩。
刀库上的负载转矩来自加工刀具重量的不协调，所以将刀库中质量最大的三把加工刀具放在一起，则可得到质量最大的加工刀具重量，而其重心则设在刀库回转中心点的半径处。
蜗轮轴
各个轴的输入转矩
电动机的输入转矩
蜗杆轴的输入转矩
蜗轮轴的输入转矩
表3-2 各个轴传动参数CNC机床
后续未完，含有整套图纸
方式加扣扣：三二四八一四八二三七
