1 引（yǐn） 言

      20世（shì）紀90年代以來（lái）, 數控加工技術得到迅速的普及（jí）和發展, 數控機床在製造業得到了越來越廣泛的（de）應用。帶有自動換刀係統的數（shù）控（kòng）加工中心在現（xiàn）代先進製（zhì）造業中起著（zhe）愈來愈重要的作用（yòng）, 它能縮短產品的製造（zào）周期, 提高產品的加（jiā）工精度, 適合（hé）柔性加工[ 1] 。根據項目中（zhōng）所要加工泵的孔分布特點運用槽輪機構實現換刀運動, 並利用So lidWorks軟件（jiàn）建立刀庫模型, 通過（guò）後期的運（yùn）動仿真模擬換刀過程以進行結構優化改（gǎi）進。

      2 加工中心係統分析和技術方案

      2. 1 刀庫種類和換刀方式

      目前數控機床的（de）加工中心的（de）刀（dāo）庫種類和換刀（dāo）方式很多, 在多工序數控機床上大多采用帶有自動換刀機構的（de）刀庫。刀（dāo）庫用於存放刀具, 它是自動換刀裝置中的（de）主要部件之一, 根據刀庫存放刀具的數目和取刀方式（shì）不同, 常見（jiàn）刀庫形式有: 直線刀庫、圓盤刀庫、鏈式刀庫、其他刀庫等。

      數控（kòng）機床的自動換刀裝置中, 實現刀庫與機床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置。根據是否帶有換（huàn）刀裝置可分為: ¹ 無機械手換刀。其（qí）舊（jiù）刀具的換下（xià）和新刀具（jù）的取出需順序（xù）進行, 因而換刀時間較長; º 機械手換刀。采用機械手進行刀具（jù）交換的方式應用得最為廣泛, 它（tā）具有很大靈活性, 可減少換刀時間。該換刀過程較複雜, 把（bǎ）加工過程中需使用的全部刀（dāo）具（jù）分別安裝在標準的刀柄上, 按（àn）一定的方式放入刀庫, 換刀時先在刀庫中進行選刀, 並（bìng）由刀具交換（huàn）裝（zhuāng）置從刀庫和主軸上取出刀具[ 2, 3] 。

      2. 2 無機械手換刀裝置刀庫的設計

      由所要加工泵體的結構尺寸分析可知, 利（lì）用小型立式加工中心就可以完成加工。這裏所采用的機床外型如圖1所示（shì）。該機床主軸采用步進伺服高（gāo）速電機電主軸, 工作（zuò）台為X - Y雙向數控工作台（tái）, 可實（shí）現X、Y、Z 三個方向的進給。由於所設計的小型加（jiā）工中心主要用於中小批（pī）量某類型泵體（tǐ）零件上孔的工藝加工, 刀具數量不多, 不需要頻繁換刀, 因此刀庫（kù）宜選擇無機械手換刀方式。

      無機械手換刀方式中, 刀庫可以是圓盤（pán）形、直線（xiàn）排列式。直線排（pái）列式適用於刀（dāo）庫（kù）中所裝刀具數量較多的加工中心; 圓盤形（xíng）刀庫的結（jié）構簡（jiǎn）單緊（jǐn）湊, 刀庫轉位、換刀方便, 易於控製[ 4] 。由於該加工中心主要用來加（jiā）工小型（xíng）零件上孔, 隻（zhī）裝夾鑽（zuàn）削刀具, 故此選用圓盤式刀（dāo）庫。立（lì）式（shì）加工中心無（wú）機械手換刀方式的圓盤形刀庫的放置有兩種方式: 刀庫置於立柱側麵的橫梁上和置於工作台上。這裏選用刀庫置於立（lì）柱側麵的橫梁上,其結構比較簡單, 由於刀庫不（bú）位於主軸下方, 在加工過程中不會發生幹涉現象。

      2. 2. 1 刀庫的組成及主要參數的確定

      刀庫由刀盤部件、軸、軸承（chéng）、軸承套、箱蓋、槽輪機構、電機（jī）、箱體等組成。

      ( 1) 刀庫容量。該加工（gōng）中心主要用來加工泵體（tǐ）上的孔, 裝夾鑽削刀具。根據所加工的孔的直徑範圍（wéi）, 刀（dāo）具的品種不宜過多, 這裏采（cǎi）用8把刀。

      ( 2) 刀具最大直徑和長度。根（gēn）據（jù）泵體上加工孔的直徑範圍為10 ~ 25mm, 確定最大工作部（bù）分長度150mm。

      ( 3) 根（gēn）據所加工孔（kǒng）的係列刀具質量分析, 最大質量刀具為1kg。

      2. 2. 2 刀盤部（bù）分（fèn）的設計

      ( 1) 刀盤結構設計。刀庫采用輪輻式（shì）刀盤結構,在保（bǎo）證刀盤（pán）強度（dù）的同時又滿（mǎn）足使用要求。設計過程中以保證各尺寸在換刀過程中不發（fā）生幹涉為原則, 確定刀盤直（zhí）徑為200mm。

      ( 2) 刀（dāo）爪結（jié）構設計。刀爪的外型結構根據30號刀柄設計, 刀夾如圖3所示。它的V 形槽夾持結構能（néng）與刀柄很好的吻合[ 5 ] 。

      ( 3)夾塊的設計。夾塊在刀盤中起刀爪抓刀時對（duì）刀具的定位（wèi）作用, 最後整個刀盤裝配如圖4所示。

      2. 2. 3 刀庫（kù）轉動（dòng）定位機構（gòu）的設計

      ( 1) 刀庫轉動定位機構的選擇。目前盤式刀庫大多（duō）采用的是蝸輪蝸杆傳動傳動（dòng）, 但（dàn）其結構較複雜（zá）,成（chéng）本較高。而槽輪機構具有衝（chōng）擊小, 工作平穩性較高, 機械效率高, 可以在較高轉速下工作, 且結構（gòu）簡單, 易於製造等（děng）優點。這裏可采用交流伺服電（diàn）機以克（kè）服其定位（wèi）精度不（bú）高的缺點。

      ( 2) 槽輪機構的工作原理。槽輪機構能把主動軸（zhóu）的（de）勻速連（lián）續運動轉換為從動軸的周期性間歇運動,常用於各種分度轉位機構中。設計中采用外齧合槽（cáo）輪機構, 外齧合槽輪機構的工作原理如圖5所示, 它由槽（cáo）輪、撥銷、主（zhǔ）動曲柄、和鎖止盤組成[ 6] 。

      ( 3) 槽輪機構的運動參數和幾何尺寸計算。槽輪機構的主要參數是槽數Z, Z 由刀庫容量決定, 設計刀庫容量（liàng）為8把刀, 則槽數Z = 8。表（biǎo）1中L 為轉臂機構的的中心距; r為圓銷半徑; 槽輪運動角2W2 = P/4, 轉臂運動角2W1 = P- P/4=3P/4; 轉臂圓柱銷數k< 2z / ( z - 2) = 16 /6, 這（zhè）裏取k= 1; 暫取L = 100mm , 則槽頂（dǐng）高A= 100 @ cos ( P/8) = 92. 4mm; 外凸鎖止弧張開（kāi）角C= 2P- 3P/4= 5P/4; 圓銷的回轉（zhuǎn）半徑R = 100 @ sin( P/8) = 38. 3mm; 圓銷（xiāo）的半徑r= 6mm; 槽底高b[ L - (R + r) = 55. 7mm,取b= 50mm; 取槽頂側壁厚e= 5mm。最終根（gēn）據計算所得數據, 由So lidWo rks建模模型如圖6所示（shì）。

      2. 2. 4 刀庫（kù）轉動電（diàn）機選擇

      在選取刀庫（kù）槽輪機構回轉驅動電機時, 要綜合（hé）考慮各（gè）負載的轉動慣量和由摩擦引起的負載轉動慣量。刀庫係統轉動（dòng）慣量JC及負（fù）載的轉動慣量JLC為:

      式（shì）中: P 為軸傳遞的功率; n 為軸的轉速; C 為軸的材料（liào）和受載荷情況確定的係數（shù）。這裏軸為低速軸, 取（qǔ）C= 106, 電機功率為550W, 主軸轉速定為200r /m in。

      槽對軸的強度的影響, 並將軸徑圓整後取d = 20mm。然後按軸上零件的布置（zhì）方案和位置（zhì）要求, 設計各段軸頸。軸的長度根據刀具（jù）的長度確定, 要保證刀盤上的刀具不會與箱（xiāng）體發生幹涉。最終設計（jì）模型如圖7。

      2. 2. 6 刀（dāo）庫其（qí）他（tā）部件的設計

      ( 1) 軸承的選擇和安裝。根據軸承所受工作載（zǎi）荷的大小,方向和性（xìng）質, 轉速的高低, 調心性（xìng）等要求, 選用圓錐滾子軸承,它能承（chéng）受較（jiào）大的徑向（xiàng）載荷和（hé）單向的軸向（xiàng）載荷[ 7] 。其采用的安裝方（fāng）式是背靠背安裝, 通過軸承內圈與軸（zhóu）間實（shí）現軸向定位, 如圖8所示。

      ( 2)刀庫用（yòng）箱體。上箱蓋連接軸承座, 以（yǐ）支撐刀庫部件。刀盤轉位槽（cáo）輪機構位於箱體內部, 驅動電機連接在下箱體上。箱體尺寸（cùn）主要由刀庫槽輪機（jī）構尺寸決定, 為了減輕重量、使結構緊（jǐn）湊, 確定箱體尺寸為330 @ 330 @ 68mm。建模模型（xíng）如圖9所示（shì）。

      ( 3) 刀庫支承橫梁和導軌。采用（yòng）滑動導軌, 導軌截麵為雙凸三角形, 如（rú）圖10所示。材料采用HT300並中頻淬（cuì）火（huǒ）, 淬火後的硬度為HRC 50~ 55。

      ( 5) 刀庫移動驅動機構。這裏（lǐ）采用絲杠傳動機構, 它具有: 傳動效率精度高、摩擦小、適當預緊、定位精度好、剛度好、運動平穩, 無爬行現象、磨損小, 使用壽命長等優點。無機械手換刀裝置組合安裝（zhuāng）如（rú）圖11所示, 刀庫在絲杠上可移動的距離為420mm。

      3 總 結

      采用（yòng）理論分析（xī）與軟件建模仿真（zhēn）相結合的方式對圓盤式刀（dāo）庫進行設計（jì）, 重點闡述（shù）了關鍵部件的設計和結構參（cān）數計算。依靠So lidW orks三維設計軟件進行設計, 有利於機構設計初（chū）期方案的篩選和優化, 提高了設計人員的（de）工（gōng）作效率。