1 引言

      隨著科學（xué）技術的飛速發展和經濟競爭的日趨激烈，產品更新速度越來越快。形狀複雜的零件越來越多，對精度的要求也越來越高。多品種、中小批量的生產（chǎn）方（fāng）式逐漸占據了工業市場。激烈的市場競爭使得產品研發生產周期（qī）逐漸（jiàn）縮短。傳統的加工設備和製造方法已難以滿足這種多樣化、柔性化的（de）高效高質量零件加工要求。近幾十年來，世界各國（guó）十分重視發展能有效解決複雜、精密（mì）、小批多（duō）變零件的數控加工技（jì）術，在加（jiā）工設備中大量采用以微電（diàn）子技（jì）術和計算機技術為基礎的數控技術［1］。加工中心就是一種這樣應（yīng）運而生的數控設備［2］。

      目前我國加工中心技術水平同發達國家相比仍存在巨大差距，本（běn）設計（jì）力（lì）求在刀庫（kù）及換刀裝置方麵最大限度地（dì）改進並設計出相對可（kě）靠、高效率的刀庫裝置［3］。

      2 刀庫的綜述

      首（shǒu）先我們要對（duì）刀（dāo）庫進行一次係統的定義。刀庫是儲存加工工序所需的各種刀具的機構，可以按程序指令，把即將使用的刀具迅速、準確地送到換刀位置，並接受計（jì）算機（jī）指令將使用過的刀具複位。因此，刀庫不（bú）單單是儲存（cún）刀具的單一機構，而是能夠按程序運作的一個精（jīng）確機（jī）構［4］。常見刀庫形式（shì）可分為三種（zhǒng）：圓（yuán）盤式刀庫，鏈條式刀庫以及鬥笠式刀庫（kù），具體對比見（jiàn）表1。

      對於（yú）每（měi）種刀庫，它們各自的結構也不同，這裏主要介紹設（shè）計中所（suǒ）選擇的圓盤式刀庫結構［5］。傳（chuán）統圓盤（pán）式刀庫通（tōng）

      常可容納40 把刀具，由直流伺服電機驅動，通過半聯軸（zhóu）器（qì）和蝸杆蝸輪帶動與圓盤相連的軸轉動。圓盤上均布40個刀座和刀套，其外側邊緣有相應的刀座編碼板，刀庫下方（fāng）有固（gù）定不動的刀座（zuò）號讀取裝置。圓盤轉動時，刀座號板依次經過刀座號讀取裝置。這種刀庫結構比較簡單，總體布（bù）局比較緊湊，但圓盤直徑較大，轉動慣量大，而且刀具離主軸較遠，需使用換刀機械手來（lái）換刀。

      3 刀庫總體（tǐ）結構方案擬定

      設（shè）計的機械手在工（gōng）件一次裝夾後，由數（shù）控係統控製，可連續完成銑、鑽、鉸、擴、攻絲等多（duō）種工（gōng）序加工，故適（shì）合（hé）於小（xiǎo）型板類（lèi）、盤類、殼體類、模具等零件的加工。具體布局為立柱的中間安裝機械手控製箱，機械手的長度為主軸軸心線到刀庫的刀具換刀位置之間的距離。換刀機械手為（wéi）單臂雙爪回轉式機械手，大致裝配關係如圖1。各項主要參數見表2。

      4 刀庫的結構設（shè）計

      4.1 電機的選（xuǎn）擇

      根據數控（kòng）係統常用配套（tào）電（diàn）機選擇方式及刀庫低扭矩、低（dī）轉速（sù）等要求，設計（jì）中選取FANUC FB15 直流伺服電動機，輸出功率1.4kW，最（zuì）高轉速1500r/min，額定（dìng）轉速757.9r/min。

      4.2 蝸杆蝸輪參數計算

      蝸杆蝸輪由於具有（yǒu）良好的傳動性能，工作平穩，噪聲低，結構緊湊（còu），可自鎖而且傳動比準確，能夠改變力矩方向，故在刀庫結構中是最重要的傳動機構。盤式刀庫角速度一般在10°/s～90°/s，驅動電機最高（gāo）轉速1500r/min，故（gù）其運動傳動比大（dà）［6］。在查閱相關文獻後，確定蝸杆蝸輪相關參（cān）數見表3、表4。蝸杆材料采用（yòng）綜合機械性能較好的45鋼，表麵淬火，蝸輪材料采（cǎi）用（yòng）耐磨且強度（dù）較高的ZCuAl10Fe3，砂模鑄造；蝸杆通常與軸做成一體，有車製和銑製兩種（zhǒng）。當軸徑小於蝸（wō）杆齒根圓直（zhí）徑時，采用車削；當軸徑大於蝸杆齒根圓直徑時，采用銑削。故本設計采用銑削蝸杆。蝸輪結構采用整體式。蝸杆與蝸輪分別采用潤滑脂潤滑.

      4.3 刀盤及刀具夾緊結構設計

      刀盤（pán）用於固定刀套，16 個刀套固定在刀盤（pán）上，隨著刀（dāo）盤一起轉動，實（shí）現換刀。故刀盤在換刀時起著至關重要的（de）作用。假設刀套在圓盤上緊（jǐn）密排列（即刀（dāo）套間以相切形式排列（liè）），則（zé）刀具中（zhōng）心線夾角（jiǎo）22.5°，回轉（zhuǎn）半徑192.2mm；此時刀套中心所在圓的理論周長為1207.016mm，而實際上刀套間存在一定的（de）間隙，取間隙大約為25mm，這時刀套中心所在圓的周長變為1607.016mm，此時刀套中心所在圓的直徑為511.8mm 圓整後取（qǔ）525mm。刀套下表麵到靜軸中心的距離為225mm， 最終確定取刀盤的直（zhí）徑420mm，厚20mm。靜盤用於刀套的輔助支撐，取其直徑為435mm,厚30mm。刀盤采用40Cr 材料（liào），調質處理，保（bǎo）證機械性能［8］。

      刀具夾（jiá）緊彈簧用於防止刀具在刀套旋轉至垂直位置的過程中被甩出。查閱參考（kǎo）文獻，彈簧材料選用60Si2MnA。已知彈簧工（gōng）作載荷100N，直（zhí）徑2mm，中徑12mm，節距（jù）4.28mm，工作極限載荷184.4N。

      5 結論

      本（běn）次設計完成了刀庫裝置結構設計，其中采用了常見的圓盤式（shì）刀庫，以便提高設備的通用（yòng）性（xìng）及可更換性。本設計中刀庫（kù）針對立式（shì）加工中心設計，故使用時（shí）需注意。