小型立式加工中心圆盘式刀库的设计

第１８卷第６期２００５年”月

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Ｎｏｖ一２００５

小型立式加工中心圆盘式刀库的设计

曹秋霞，马国亮

（河南机电高等专科学校，河南新乡４５３００２）

摘要：介绍了Ｍｃｖ２５２０小型立式加工中一心圆盘式刀库的设计计算过程。重点阐述了刀盘部分的设计、

槽轮机构的结构参数计算和刀库转动电机的计算和选择。

关键词：加工中心；圆盘式；刀库；槽轮机构

中图分类号：ＴＧ６５９

文献标识码：Ａ

文章编号：１００２—６６７３（２００５）０６一１４５一０３

一些孔加工

Ｏ引言

Ｍｃｖ２５２０小型立式加工中心主要用于小型板类、盘类、壳类、模具类等复杂零件的多品种中小批量加工，能完成铣、钻、扩、铰、锪、攻丝等多种加工工序，体积小、结构紧凑、价格低、生产效率高、精度较高。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，减小加工中心的外形轮廓尺寸，刀库尽量结构简单紧凑，易制造，从而降低生产加工中心饷成本。

加工中心的换刀方式有：机械手式和无机械手式。根据刀具的数量，刀库结构有：链式、盘式和格子式等种类…。刀库结构选用旋转刀盘方式，换刀选用主轴运动抓刀方式来实现，这种设计结构简单，调试方便。主轴抓刀时，为防止向上的运动导致刀具受损，故在刀库的设计时，使刀架进行一定角度的旋转，并配有调整块，不仅能保证刀盘的垂直度，而且可使主轴和刀具在抓刀时免于受损。刀位是通过在槽轮上的感应开关控制旋转角度来实现的，由交流伺服电机驱动。刀库的结构设计从以下方面进行。

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；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；再

考虑到主要

１刀盘部件２．轴承３轴承套４轴５箱盖６拨销７锁止盘８电机９槽轮１０葙体１１感应开关

图ｌ刀库结构组成示意图

用于中小批酶ｌ肼赡瑚Ｉ山ＩＩａｔｊｃ

ｓｌ【ｅｔ血０ｆ侧ｍａ蛳

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。

（２）刀具最大直径和长度。立铣刀的最大直径定为４０ｍｍ，钻头的最大直径定为１０ｍｍ，最大工作部分长度

定为１５０ｍｍ。

１刀库的组成

刀库由刀盘部件、轴承、轴承套、轴、箱盖、拨Ｉ销、锁止盘、电机、槽轮、箱体和感应开关等组成，结Ｉ构组成示意图，如图１所示。

（３）刀具最大重量为１ｋ。

（４）刀具最大运动线速度为２２ｎ∥ｍｉ＂３０ｒｎ／ｍｉｎ。

３刀盘部分的设计

（１）刀盘尺寸

Ｉ

２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七的小孔和小平面，所以刀库上主要安装

收稿日期：２００５—０８—２３

作者简介：曾秋霞（１９６６一），女，河南原阳人，副教授，硕士。主要从事机械设计与制造、ｃＡＤ／ｃＡＥ／ｃＡＭ等方面的教学与研究。

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

，

１刀盘２夹堤３刀瓜

图２刀盘部件图

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数控机床世界

程中不发生干涉即可，刀盘直径为２１０㈨。

（２）刀爪尺寸的设计。刀爪的外型尺寸根据３０号刀柄设计。

（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。因此对夹块的宽度尺寸精度要求很高。夹块宽度的尺寸主要由键的宽度来决定。

（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，则角加速度的变化越大，由此产生的冲击和磨损也就越大。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８。设计中刀库容量为８把刀。槽轮机构的其他参数可由表１求出。

表１槽轮机构的参数

Ｔａｂ１参数名称

槽问角２Ｑ：

槽轮每次转位时曲柄的转角

２Ｑｌ

２‘ｐＦ３６００／ｚ２十Ｆ１８０。一２９２

４刀库转动定位机构的设计

（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。

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，很多采用槽轮机构来驱动刀库的分度回转运动。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。

（２）槽轮机构的工作原理。槽轮机构（叉称马尔他机构）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。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Ｍ。刀库即可采用外啮合槽轮机构也可采用内啮合槽轮机构。设计中采用外啮合槽轮机构。外啮合槽轮机构的工作原理如图３所示，它由主动曲柄１、槽轮２、拨销３和锁止盘４组成。

ＰａｒａｍｅｔｅｒＳｏｆｇｒｏｏｖｅｗｈｅｅ

计算公式

槽轮与锁止盘问的中心距Ｌ主动曲柄长度Ｒ，槽轮半径Ｒ：圆销半径ｒ槽底高ｂ槽深ｈ

锁止弧半径Ｒｘ

选用时考虑转位定位机构强度和刚度，井使其结构紧凑。Ｒ产ｋｉ“恍

ＲＦＬｃｏｓ‘Ｐ２ｒ＝Ｒ，／６

ｂ＝Ｌ一（Ｒ１十Ｉ，一（３—５）

ｈ＝Ｒ２＿ｂ

Ｒｘ＝Ｒ１－ｒ－ｅ式中，ｅ＝（０６加８）ｒ，且必须大于３—５ｎｌＩＩｌ

根据以上参数可设计出槽轮和锁止盘的尺寸。当槽轮机构进人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：①减小或消除拨销和槽之间的间隙；②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。略大于槽

轮的名义外圆半径Ｒ２，取Ｒ０＝Ｒ，仔，式ｒ为拨销半径；

１主动曲柄２槽轮３拨销４锁止盘

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。

５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。负载的转动惯量ｋ

和刀库系统转动惯量Ｊｃ：

Ｆｉｇ．３

图３外啮合槽轮机构的工作原理

Ｆ咖ｃ廿蚰砒．ｄｉａｇｒａｍｏｆｅｘｔｅ皿ａｌｇ蛐ｒｉⅡｇＦｏｏ耽ｗｈｅ一

２

Ｊ。＝∑Ｊ√｝１…ｍ＋

Ｊ爿。Ｌ斗ｋ

（１）（２）

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。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。

式中：Ｊ．一各旋转件的转动惯量（ｋｇｍ２）；ｎ，一各旋

转件的转速（ｒ／ｍｉｎ）；Ｊ碰一电机的转动惯量（ｋ舯２）；

ｎ。ｒ一电机的转速（ｒ／血ｎ）。

２

ＪＦ

ｕ川一Ｊ一㈦（詈）

（３）

１４６

数控机床世界

式中：Ｊ肿、Ｊ：、ｋ、Ｊｒ分别为刀盘、轴、稽轮和

锁止盘的转动惯量（ｏ即－２）；ｎｃ＿刀盘的转速（ｒ／ｌＩｌｉｎ）。

要求。

最大加速转矩７ｋ。。当电机从静止升至ｎ一时：

ＪＦ号×７．８×ｌｏ。１２Ｄ二ｋ

（ｍｍ）。

（４’Ｉ

Ｔ衄。Ｊｃ％｝７肛褂ｋ

电机的最大启动转矩：

‘７）

式中：ＤｏＰ＿一刀盘直径（ｍｍ）；Ｌ瑾广一刀盘厚度【

式中：ｎ一一电机最高转速（ｒ／ｍｉｎ）；ｋ一加速时间（曲

ｌ取Ｏ．２ｓ

（８）

。ｅ！苎娶堕

式中：Ｖ一刀具的最大运动线速度（。ｎ／ｍｉｎ）。

（５）

．．…”

一．……

ｋ≥等

初选电机，其额定转矩、最大转矩、转动惯量ｋ

均可选定。即可计算：

ＪＦＪ。ｃ千ｋ

摩擦引起的负载转矩计算。由重力产生的摩擦力矩

Ｔｍ（Ｎｍ）：

Ｔｍ≈肛ＧｃＲｓＰ

立；果；：姜电机的最大转矩，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

Ｉ选择与电机相匹配的型号。

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～

锁止盘中心的距离。如果Ｔ托≤电机的额定转矩，则符合

［４］张世民机械原理［Ｍ】．北京：中央广播电视大学出版社，１９９２

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１４７

小型立式加工中心圆盘式刀库的设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

曹秋霞， 马国亮， CAO Qiu-Xia， MA Guo-Liang河南机电高等专科学校,河南,新乡,453002

机电产品开发与创新

DEVELOPMENT & INNOVATION OF MACHINERY & ELECTRICAL PRODUCTS2005,18(6)1次

参考文献(4条)

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2. 曹秋霞. 陈新亚. Cao Qiuxia. Chen Xinya 加工中心圆盘式刀库转动定位机构的设计计算[期刊论文]-机械传动2006,30(4)

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引证文献(1条)

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引用本文格式：曹秋霞. 马国亮. CAO Qiu-Xia. MA Guo-Liang 小型立式加工中心圆盘式刀库的设计[期刊论文]-机电产品开发与创新 2005(6)