0318-加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)【盤(pán)式刀庫(kù)】【全套7張CAD圖】,盤(pán)式刀庫(kù),全套7張CAD圖,加工,中心,自動(dòng),系統(tǒng),設(shè)計(jì),全套,cad 1 目錄 摘 要 3 緒論 .1 1 引言 .1 1.1 加工中心簡(jiǎn)介 .1 1.1.1 加工中心的發(fā)展簡(jiǎn)史 .1 1.1.2 加工中心的結(jié)構(gòu)組成 .3 1.1.3 加工中心的分類 .4 1.1.4 加工中心的發(fā)展趨勢(shì) .8 2 刀庫(kù)的類型 11 2.1 刀庫(kù)的類型 12 2.2 刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)與傳動(dòng) 15 2.3 刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選定 18 2.3.1 按負(fù)載轉(zhuǎn)矩選 18 2.3.2 按加速時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩選 20 2.3.3 校驗(yàn) 21 2.3.4 分配傳動(dòng)比 21 3 刀庫(kù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 22 3.1 初定刀套線速度 22 3.2 刀庫(kù)傳動(dòng)方式 22 4.1 軸的材料 30 4.2 蝸桿軸的初步估算 30 4.2.1 初步估算軸的最小直徑 30 4.2.2 選擇聯(lián)軸器 31 4.2.3 確定滾動(dòng)軸承的類型 32 4.2.4 初步估計(jì)蝸桿軸各段的尺寸 32 4.3 蝸輪軸的初步估算 33 4.3.1 初步估算軸的最小直徑 33 4.3.2 確定軸伸處的最小直徑 34 4.3.3 確定滾動(dòng)軸承的類型 34 4.3.4 初步估計(jì)蝸輪軸的各段尺寸 35 4.4 軸徑的設(shè)計(jì)與校核 35 4.4.1 蝸桿軸 35 4.4.2 蝸輪軸的計(jì)算 42 2 5 軸承的校核 48 5.1 蝸桿軸 48 5.2 蝸輪軸 .48 6 其它零部件尺寸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 50 6.1 回零減速撞塊尺寸的計(jì)算 .50 6.2 刀盤(pán)與刀套的設(shè)計(jì) .51 6.2.1 刀套 .51 6.2.2 刀盤(pán) .52 6.3 刀具（刀座）識(shí)別裝置 .52 7 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 54 7.1 液壓缸的載荷組成和計(jì)算 .54 7.2 液壓缸內(nèi)徑以及其它尺寸的確定 .54 7.2.1 計(jì)算液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸 55 7.2.2 油缸壁厚的計(jì)算 .56 7.2.3 缸底厚度計(jì)算 .57 7.3 油缸長(zhǎng)度 L 的確定 .58 7.4 液壓系統(tǒng)初步設(shè)計(jì) .58 8 PLC 控制 60 9 結(jié)論 63 10 致 謝 .65 參 考 文 獻(xiàn) .66 3 摘 要 刀庫(kù)是自動(dòng)換刀裝置中最主要的部件之一，其容量、布局以及具體 結(jié)構(gòu)對(duì)加工中心的設(shè)計(jì)有很大影響。 16 刀刀庫(kù)是在小型加工中心應(yīng)用最為廣泛，根據(jù)使用的場(chǎng)合和實(shí) 際運(yùn)用的要求，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的 16 刀的圓盤(pán)式刀庫(kù)，并且對(duì)它的控制進(jìn) 行了一定的研究。 論文首先對(duì) 16 刀刀庫(kù)總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行闡述，闡述其各部件的工作 原理，然后就刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制分章節(jié)對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行計(jì)算與設(shè)計(jì)。 刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本文研究的重點(diǎn)，傳動(dòng)部分為蝸桿蝸輪的一種減速裝 置，對(duì)于該裝置中的蝸桿、蝸輪以及相關(guān)的軸都進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算;控 制部分為刀庫(kù)送刀部分，由液壓控制和 PLC 控制完成。 關(guān)鍵詞：加工中心，刀庫(kù)，蝸桿蝸輪，液壓，PLC。 4 ABSTRACT Tool storage is one of the main components of the automatically-trading- knife installment. Its capacity, position and structure have great influence to the design of the machining centre. 16-tool tool storage is widely used in the machining centre. Based on the situation and requirement the 16-tool used, the disc-style tool storage of the 16-tool is designed and some research about its control is made in this paper. The paper illustrates the design project of the 16-tool tool storage firstly, and then explains its operation principle, and at last calculates and designs the structure and control of the tool storage separately by chapters. The design of the structure of the tool storage is the key point of this research. Driving part is a decelerating set of the worm and worm gear. The sizes of the worm, worm gear and axis are calculated. The control parts are tool storage delivering parts, which is completed by the hydraulic pressure and PLC control. Key words: machining centre, Magazine, worm, worm gear, hydraulic pressure, PLC 1 緒論 本章首先從數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程引出加工中心的發(fā)展趨勢(shì)，再具體 到本次設(shè)計(jì)針對(duì)的刀庫(kù)的任務(wù)要求，明確了本設(shè)計(jì)任務(wù)的主要內(nèi)容。 1 引言 1952 年世界上出現(xiàn)了第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，使多品種、中小批量的機(jī) 械加工設(shè)備在柔性、自動(dòng)化和效率上產(chǎn)生了巨大變革。1958 年第一臺(tái) 加工中心問(wèn)世，它將多工序（銑、鉆、鏜、鉸、攻絲等）加工集于一身； 適應(yīng)加工多品種和大批量的工件；增加機(jī)床功能（自動(dòng)換刀、自動(dòng)換工 件、自動(dòng)檢測(cè)等） ，使自動(dòng)化程度和加工效率上了一個(gè)新臺(tái)階；使無(wú)人 化（或長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人操作）加工成為現(xiàn)實(shí)。加工中心已成為柔性制造系統(tǒng)、 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和自動(dòng)化工廠的基本單元。 加工中心是數(shù)控機(jī)床的代表，是高新技術(shù)集成度高的典型機(jī)電一體化機(jī) 械加工設(shè)備，受到世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視，技術(shù)迅速發(fā)展，品 種和數(shù)量大幅度增加，成為當(dāng)今世界機(jī)械加工設(shè)備中最引人注目的一類 產(chǎn)品。 1.1 加工中心簡(jiǎn)介 1.1.1 加工中心的發(fā)展簡(jiǎn)史 1952 年世界上出現(xiàn)第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，使多品種、中小批量的機(jī)械 加工設(shè)備在柔性、自動(dòng)化和效率上產(chǎn)生了巨大變革。它用易于修改的數(shù) 控加工程序進(jìn)行控制，因而比大批量生產(chǎn)重使用組合機(jī)床生產(chǎn)線和凸輪、 2 開(kāi)關(guān)控制的專用機(jī)床有更大的柔性，容易適應(yīng)加工件品種的變化，進(jìn)行 多品種加工。它用數(shù)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的工藝功能、幾何圖形運(yùn)動(dòng)功能和輔 助功能實(shí)行全自動(dòng)的數(shù)字控制，因?yàn)橛懈叩淖詣?dòng)化程度和加工效率， 大大改變了中小批量生產(chǎn)中普通機(jī)床占整個(gè)機(jī)械加工的狀況。數(shù)控機(jī)床 能實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)以上聯(lián)動(dòng)的功能，其效率和精度比用手工和樣板控制加工 復(fù)雜零件要高得多。 1958 年第一臺(tái)加工中心在美國(guó)卡尼、特雷克（Kearney&Trecker） 公司問(wèn)世?，F(xiàn)代加工中心的內(nèi)容是什么？第一，它是在數(shù)控鏜床或數(shù)控 銑床的基礎(chǔ)上增加自動(dòng)換刀裝置，可使工件在一次裝卡中，能夠自動(dòng)更 換刀具，自動(dòng)完成工件上的銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等工序的數(shù) 控機(jī)床。第二，加工中心上如果帶有自動(dòng)分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)或自動(dòng)轉(zhuǎn)角度 的主軸箱，可使工件在一次裝卡中，自動(dòng)完成多個(gè)平面和多個(gè)角度位置 的多工序加工。第三，加工中心上如果帶有交換工作臺(tái)，工件在工作位 置的工作臺(tái)上進(jìn)行加工的同時(shí)，另外的工件在裝卸位置的工作臺(tái)上進(jìn)行 裝卸，不影響加工的進(jìn)行。 由上述可知，加工重心在加工的柔性、自動(dòng)化程度和加工效率上， 在一般數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上又上了一個(gè)新的臺(tái)階，又是一次新的變革。 加工中心的定義是什么？目前世界上并無(wú)標(biāo)準(zhǔn)定義，但目前普遍認(rèn) 為是指：在工件一次裝卡中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、 攻絲等多工序的數(shù)控機(jī)床。更為明確的說(shuō)法是：加工中心就是自動(dòng)換刀 數(shù)控鏜銑床。這就把加工中心與自動(dòng)換刀數(shù)控車床或車削中心區(qū)別開(kāi)來(lái) 3 。 1.1.2 加工中心的結(jié)構(gòu)組成 加工中心的組成歲機(jī)床的類別、功能、參數(shù)的不同而有所區(qū)別。機(jī) 床本身分基本部件和選擇部件，數(shù)控系統(tǒng)有基本功能和選用功能，機(jī)床 參數(shù)有主參數(shù)和其它參數(shù)。機(jī)床制造廠可根據(jù)用戶提出的要求進(jìn)行生產(chǎn)， 但在同類機(jī)床的基本功能和部件組成一般差別不大。從總體上看，加工 中心基本上由以下幾大部分組成。 1、基礎(chǔ)部件 主要由床身、立柱和工作臺(tái)等大件組成。它們是加工 中心的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，要承受加工中心的靜載荷以及在加工時(shí)的切削負(fù)載， 因此必須是剛度很高的部件。這些大件可以是鑄鐵件也可以是焊接的剛 結(jié)構(gòu)件，是加工中心中重量和體積最大的部件。 2、主軸系統(tǒng) 主要由主軸箱、主軸電動(dòng)機(jī)、主軸和主軸軸承等零部 件組成。主軸的啟動(dòng)、停止和變轉(zhuǎn)速等動(dòng)作均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過(guò) 裝在主軸上的刀具參與切削運(yùn)動(dòng)，是切削加工的功率輸出部件。主軸系 統(tǒng)是加工中心的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)的好壞，對(duì)加工中心的性能有很大的 影響。 3、數(shù)控系統(tǒng) 主要由 CNC 裝置、可編程序控制器、伺服驅(qū)動(dòng)裝置以 及電動(dòng)機(jī)等部分組成，它們是加工中心執(zhí)行順序控制動(dòng)作和完成加工過(guò) 程的控制中心。 4、自動(dòng)換刀系統(tǒng) 主要由刀庫(kù)、自動(dòng)換刀裝置等部件組成。刀庫(kù)是 存放加工過(guò)程所要使用的全部刀具的裝置。當(dāng)需要換刀時(shí)，根據(jù)數(shù)控系 統(tǒng)的指令，由機(jī)械手（或通過(guò)別的方式）將刀具從刀庫(kù)取出裝入主軸孔 中。刀庫(kù)有盤(pán)式、鏈?zhǔn)胶凸氖降榷喾N形式，容量從幾把到幾百把。機(jī)械 手的結(jié)構(gòu)根據(jù)刀庫(kù)與主軸的相對(duì)位置幾結(jié)構(gòu)的不痛也有多種形式。如單 4 臂式、雙臂式?；剞D(zhuǎn)式和軌道式等等。有的加工中心利用主軸箱或刀庫(kù) 的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)換刀。 5、輔助系統(tǒng) 包括潤(rùn)滑、冷卻、排屑防護(hù)、液壓和隨機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)等 部分。輔助系統(tǒng)雖不直接參與切削運(yùn)動(dòng)。但對(duì)加工中心的加工效率、加 工精度和可靠性起到保障作用，因此也是加工中心中不可缺少的部分。 另外，為進(jìn)一步縮短非切削時(shí)間，有的加工中心還配備了自動(dòng)托盤(pán)交換 系統(tǒng)。例如，配有兩個(gè)自動(dòng)交換工件托盤(pán)的加工中心，一個(gè)安裝工件在 工作臺(tái)上加工，另一個(gè)則位于工作臺(tái)外進(jìn)行工件的裝卸。當(dāng)完成一個(gè)托 盤(pán)上工件的加工后，便自動(dòng)交換托盤(pán)，進(jìn)行新零件的加工，這樣可以減 少輔助時(shí)間，提高加工效率。 1.1.3 加工中心的分類 按照加工中心形態(tài)不同進(jìn)行分類，可分為立式、臥式和五坐標(biāo)加工 中心。立式加工中心（如圖 1-1）立式加工中心的主軸軸心線為垂直狀 態(tài) 5 圖 1-1 立式加工中心 配置，結(jié)構(gòu)形式多為固定立柱式，工作臺(tái)為長(zhǎng)方形，適合加工小型板類、 盤(pán)類、殼體類零件。 臥式加工中心（如圖 1-2） 臥式加工中心是指主軸軸線為水平狀態(tài) 設(shè)置的加工中心，通常都帶有可進(jìn)行分度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的正方形分度工作臺(tái)。 臥式加工中心一般具有 3~5 個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，常見(jiàn)的是三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo) (沿 X、 Y、Z 軸方向)加一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo) (回轉(zhuǎn)工作臺(tái))，它能夠使工件 在一次裝夾后完成除安裝面和頂面以外的其余四個(gè)面的加工，最適合箱 體類工件的加工。 圖 1-2 臥式加工中心 6 7 3、五坐標(biāo)加工中心 五坐標(biāo)加工中心間距立式和臥式加工中心的 功能，工件一次裝夾后能完成除安裝面外的所有側(cè)面和頂面等五個(gè)面的 加工，因此也叫五面加工中心。常見(jiàn)的五坐標(biāo)加工中心有兩種結(jié)構(gòu)形式， 一種是主軸可以 旋轉(zhuǎn)，另一種是工作臺(tái)可以 旋轉(zhuǎn)。90?90? 加工中心的主要優(yōu)點(diǎn) （1）提高加工質(zhì)量 工件一次裝夾，即可實(shí)現(xiàn)多工序集中加工，大 大減少多次裝夾所帶來(lái)的誤差。另外，由于是數(shù)控加工，較少依賴操作 者的技術(shù)水平，可得到相當(dāng)高的穩(wěn)定精度。 （2）縮短加工準(zhǔn)備時(shí)間 加工中心既然可以頂替多臺(tái)通用機(jī)床，那 么加工一個(gè)零件嗦需準(zhǔn)備時(shí)間，是每臺(tái)加工單元所損耗的準(zhǔn)備時(shí)間之和。 從這個(gè)意義上說(shuō)，加工中心的準(zhǔn)備時(shí)間顯然短得多。 （3）減少在制品 以往的加工方式是工件流動(dòng)與多臺(tái)通用機(jī)床之間， 這就要有相當(dāng)數(shù)量的在制品，而在加工中心上加工，即可發(fā)揮其“多工 序集中”的優(yōu)勢(shì)，在一臺(tái)機(jī)床上完成多個(gè)工序，就能大大減少在制品數(shù) 量。 （4）減少刀具費(fèi) 把分散設(shè)置在各通用機(jī)床上的刀具，集中在加工 中心刀庫(kù)上，有可能用最少量的刀具，實(shí)現(xiàn)公共有效利用。這樣既提高 刀具利用率，又減少了道具數(shù)量。 （5）最少的直接勞務(wù)費(fèi) 由 NC 裝置實(shí)現(xiàn)多工序加工的信息集約化 和一人多臺(tái)管理，以及用工作臺(tái)自動(dòng)托盤(pán)交換裝置（Automatic Pallet Changer 簡(jiǎn)稱 APC）等輔助裝置，實(shí)現(xiàn)夜間無(wú)人運(yùn)轉(zhuǎn)。這些都可縮減直 接勞務(wù)費(fèi)。 （6）最少的簡(jiǎn)介勞務(wù)費(fèi) 由于工序集中，工件搬運(yùn)和質(zhì)量檢查工作 量都大為減少，這就使間接勞務(wù)費(fèi)最少。 （7）設(shè)備利用率高 加工中心設(shè)備利用率為通用機(jī)床的幾倍。另外， 8 由于工序集中，容易適應(yīng)多品種、中小批量生產(chǎn)。 1.1.4 加工中心的發(fā)展趨勢(shì) 立式加工中心主要的用戶層面為,以看好的汽車零部件行業(yè)為首，還有 模具、飛機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、IT、光學(xué)設(shè)備等行業(yè)。在飛機(jī)制造業(yè)因絕大多 數(shù)加工件為多品種、小批量的產(chǎn)品，因此五軸加工機(jī)為主的立式加工中 心有潛在的需求。今后電子零部件、精密機(jī)枝零部件、半導(dǎo)體模具等行 業(yè)也具有需求潛力。各生產(chǎn)廠家面對(duì)預(yù)期需求擴(kuò)大的飛機(jī)、模 立式加工中心主要的用戶層面為,以看好的汽車零部件行業(yè)為首，還有 模具、飛機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、IT、光學(xué)設(shè)備等行業(yè)。在飛機(jī)制造業(yè)因絕大多 數(shù)加工件為多品種、小批量的產(chǎn)品，因此五軸加工機(jī)為主的立式加工中 心有潛在的需求。今后電子零部件、精密機(jī)枝零部件、半導(dǎo)體模具等行 業(yè)也具有需求潛力。 各生產(chǎn)廠家面對(duì)預(yù)期需求擴(kuò)大的飛機(jī)、模具、半導(dǎo)體等行業(yè)，正在抓緊 開(kāi)發(fā)五軸加工機(jī)。和幾年前的以生產(chǎn)一般零部件為主的立式加工中心形 成鮮明對(duì)比的，突出以加工模具為主的設(shè)備方案不斷從廠家出現(xiàn)，由此 可明顯地看出對(duì)高速、高效、高品位加工的需求正在增加。 針對(duì)高精度加工，一些廠家比較注重研制對(duì)不易切削材質(zhì)搞重切削加工 的機(jī)型。同時(shí)，以減少工件更換時(shí)間和集中工序?yàn)槟康牡膹?fù)合化加工技 術(shù)也在不斷創(chuàng)新。為進(jìn)一步提高效率，有些廠家正在嘗試在立式加工中 心的控制軸方面再加上 l~2 個(gè)軸，形成五軸控制，樣對(duì)于形狀復(fù)雜的工 件和自由曲面等工件都可完成一次裝卡加工。 在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面，由于用戶的要求更加嚴(yán)格，不得不在保持低價(jià)位的同 時(shí)不斷追求高性能的技術(shù)。由于正在加快適應(yīng)環(huán)保要求的新技術(shù)開(kāi)發(fā)， 因此，更加需要可以調(diào)整品種、數(shù)量的可形成柔性線結(jié)構(gòu)的設(shè)備。 9 現(xiàn)在干式切削也在研制之中，如已經(jīng)出現(xiàn)的使用高純度氮?dú)獾母墒郊庸?系統(tǒng)，以氧化來(lái)控制精度變化。同時(shí)為改善作業(yè)環(huán)境、提高經(jīng)濟(jì)效率， 對(duì)于切屑的處理也采用了易于回收的方式。 臥式加工中心 臥式加工中心因其加工面是垂直的，切屑易脫落，比較適應(yīng)時(shí)間無(wú)操作。 又因是模塊結(jié)構(gòu)，可以短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)入最適當(dāng)規(guī)模的系統(tǒng)。因其無(wú)人操作 時(shí)間較長(zhǎng)，在成本費(fèi)用方面與單機(jī)相比效果更好。 從用戶需求來(lái)看，對(duì)臥式加工中心的要求更加趨向于適應(yīng)多品種小批量 的生產(chǎn)，要求加工設(shè)備能夠靈活地適應(yīng)工序集中導(dǎo)致的生產(chǎn)型加工件的 變化?，F(xiàn)在由于汽車廠家的設(shè)備投資呈上升趨勢(shì)，需求可望進(jìn)一步擴(kuò)大。 此外，因?qū)τ诋a(chǎn)品制造的認(rèn)識(shí)和對(duì)生產(chǎn)體系的看法正在發(fā)生根本的轉(zhuǎn)變， 由此而派生的新的生產(chǎn)體系可能對(duì)能形成柔性線的小型機(jī)種產(chǎn)生需求。 著手生產(chǎn)以上機(jī)型的廠家在追求高速、高精度的同時(shí)，還在如何使機(jī)體 小型化及成本控制方面下功夫。也就是說(shuō)此類產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)在于機(jī)體 的小型化、適應(yīng)形成柔性線體系方面。 從技術(shù)開(kāi)發(fā)動(dòng)向來(lái)看，是謀求提高主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、提高精密度、 并將對(duì)應(yīng)熱變位、模塊化等集中體現(xiàn)出來(lái)。其中，作為機(jī)床基本課題的 高速化研究也不斷取得成果。 由于提高進(jìn)給速度直接關(guān)系到產(chǎn)品的加工時(shí)間，以利提高生產(chǎn)效率，因 此在高速進(jìn)給技術(shù)方面，驅(qū)動(dòng)裝置采用直線電機(jī)的機(jī)型正在增多。同時(shí) 也有廠家在開(kāi)發(fā)不使用直線電機(jī)，采用進(jìn)給軸以大導(dǎo)程滾珠絲杠為驅(qū)動(dòng)， 進(jìn)給加速度 1.5G~ 2G、快速進(jìn)給速度 120 mm／ min 的高速臥式加工中 心。并在主軸上采用雙面約束刀具、主軸轉(zhuǎn)速為 2 萬(wàn) r/min、快速進(jìn)給 速度為 60 m/min、以盡量縮短重復(fù)定位、刀至刀等的非切削時(shí)間。為解 決速度提高帶來(lái)的熱變位影響，防止精度下降，一般都采用獨(dú)自的補(bǔ)正 10 裝置或主軸冷卻結(jié)構(gòu)、冷卻裝置等。 數(shù)控立式車床 適合于加工大直徑、大噸位外圓型工件的立式車床，也被各行業(yè)采用。 由于其市場(chǎng)的局限性，產(chǎn)品在很大程度上反應(yīng)了用戶的意向，很多是以 專用機(jī)的形式交貨投付使用的，這也是用戶和廠家形成密切聯(lián)系的原因。 最近，對(duì)中出口看好的建設(shè)機(jī)械廠家對(duì)立式車床的需求令人矚目，造船 行業(yè)的訂貨則似乎暫告一段落。從去年起，數(shù)控車床生產(chǎn)廠家期待著在 飛機(jī)、高性能發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等方面設(shè)備投資比較活躍的重電機(jī)行 業(yè)的訂貨。 由于市場(chǎng)在交貨期、質(zhì)量、價(jià)格方面的要求越來(lái)越高，一些中小規(guī) 模的設(shè)備用戶為縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，更青睞一次裝卡、可搞多種加工 的復(fù)合型加工機(jī)。 考慮到環(huán)保要求而采用半干式加工的需求也在增加，根據(jù)這類用戶的要 求，OM 制作所以產(chǎn)學(xué)協(xié)作的方式開(kāi)發(fā)出采用氣化熱半干式加工技術(shù)， 并加強(qiáng)了節(jié)省能源的措施，控制了電力的使用。 現(xiàn)在，市場(chǎng)對(duì)于提高了通用性的、低價(jià)位的小型數(shù)控立式車床的需求仍 在擴(kuò)大，同時(shí)，和臥式數(shù)控車床一樣，帶有加工中心意識(shí)的功能型復(fù)合 機(jī)的開(kāi)發(fā)研制比較活躍。例如，隨著對(duì)復(fù)雜形狀工件成品加工要求的提 高，也在研制將立式車床功能加上鉆、攻絲、鏜等旋轉(zhuǎn)方面的加工功能。 因配置了 C 軸，不同的復(fù)合加工也可通過(guò)一次裝卡進(jìn)行。此外，在以 切削為主的同時(shí)，加上采用單刀具的雙面約束 ATC 方式后，在銑加工 功能方面也見(jiàn)到不少可進(jìn)行重切加工的工序集約型產(chǎn)品。 本文研究的主要內(nèi)容——刀庫(kù) 11 2 刀庫(kù)的類型 刀庫(kù)是自動(dòng)換刀裝置中最主要的部件之一，其容量、布局以及具體 結(jié)構(gòu)對(duì)加工中心的設(shè)計(jì)有很大影響。刀庫(kù)是用來(lái)儲(chǔ)存加工刀具及輔助工 具的地方。由于多數(shù)加工中心的取送刀位置都是在刀庫(kù)中的某一固定刀 位，因此刀庫(kù)還需要有使刀具運(yùn)動(dòng)及定為的機(jī)構(gòu)來(lái)保證換刀的可靠。其 動(dòng)力可采用液動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)，如果需要還要有減速機(jī)構(gòu)。刀庫(kù)的定為機(jī) 構(gòu)是用來(lái)保證更換的每一把刀具或刀套都能準(zhǔn)確地停在換到位置上。其 控制部分可以采用簡(jiǎn)易位置控制器或類似半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的伺服位置控 制，也可以采用電氣和機(jī)械相結(jié)合的銷定為方式，一般要求綜合定為精 度達(dá)到 。0.1~5m 根據(jù)刀庫(kù)所需要的容量和取刀方式，可以將刀庫(kù)設(shè)計(jì)成多種形式。 圖 1-3 列出了常用的幾種刀庫(kù)。圖 1-3 是但盤(pán)式刀庫(kù)，為適應(yīng)機(jī)床~ad 主軸的布局，刀庫(kù)的刀具軸線可以按不同的方向配置，圖 1-3d 是刀具 可作 翻轉(zhuǎn)的圓盤(pán)刀庫(kù)，采用這種結(jié)構(gòu)能夠簡(jiǎn)化取刀動(dòng)作。單盤(pán)式刀90? 庫(kù)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，取刀也較為方便，因此應(yīng)用最為廣泛。但由于圓盤(pán)尺寸 受限制，刀庫(kù)的容量較?。ㄍǔＱb 把刀） 。15~30 12 圖 1-3 刀庫(kù)的形式 a）軸向式 b）徑向式 c）斜向式 d）刀具翻轉(zhuǎn)式 e）鼓筒彈夾式 f）鏈?zhǔn)?g）多盤(pán)式 h）格子式 當(dāng)需要存放更多數(shù)量的刀具時(shí)，可以采用圖 1-3 形式的刀庫(kù)，它們~h 充分利用了機(jī)床周圍的有效空間，且刀庫(kù)的外形尺寸又不致過(guò)于龐大。 圖 1-3e 是鼓筒彈夾式刀庫(kù)，其結(jié)構(gòu)十分緊湊，在相同的空間內(nèi)，它的 刀庫(kù)容量較大，但選刀和取刀的動(dòng)作較復(fù)雜。圖 1-3f 是鏈?zhǔn)降稁?kù)，其結(jié) 構(gòu)有較大的靈活性，存放刀具的數(shù)量也較多，選刀和取刀動(dòng)作十分簡(jiǎn)單。 當(dāng)鏈條較長(zhǎng)時(shí)，可以增加支撐鏈輪的數(shù)目，使鏈條折迭回繞，提高了空 間利用率。圖 1-3g 和 1-3h 分別為多盤(pán)式和格子式刀庫(kù)，它們雖然也具 有結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，但選刀和取刀動(dòng)作復(fù)雜，較少應(yīng)用。 2.1 刀庫(kù)的類型 加工中心上普遍采用的刀庫(kù)是盤(pán)式刀庫(kù)和鏈?zhǔn)降稁?kù)。密集型的固定 刀庫(kù)目前于用于 FMS 中的集中供刀系統(tǒng)。 13 （1）盤(pán)式刀庫(kù) 盤(pán)式刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用較多，如圖 1-4 所示。由 于刀具環(huán)形排列，空間利用率低。因此出現(xiàn)了將刀具在盤(pán)中采用雙環(huán)或 多環(huán)排列，以增加空間的利用率。但這樣一來(lái)使刀庫(kù)的外徑過(guò)大，轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量也很大，選刀時(shí)間也較長(zhǎng)。因此，盤(pán)式刀庫(kù)一般適用于刀具容量較 少的刀庫(kù)。 圖 1-4 盤(pán)式刀庫(kù)的形式 a）徑向取刀形式 b）軸向取刀形式 c）刀具徑向安裝 d）刀具斜向安 裝 （2）鏈?zhǔn)降稁?kù) 如圖 1-5 所示，鏈?zhǔn)降稁?kù)的結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫(kù)容量較 大，鏈環(huán)的形狀可以根據(jù)機(jī)床的布局配置成各種形狀，也可將換刀位突 出以利換刀。當(dāng)鏈?zhǔn)降稁?kù)需增加刀具容量時(shí)，只需增加鏈條的長(zhǎng)度和支 承鏈輪的數(shù)目，在一定范圍內(nèi)，無(wú)需變更線速度及慣量。這些特點(diǎn)也為 系列刀庫(kù)的設(shè)計(jì)與制造帶來(lái)了很大的方便，可以滿足不同使用條件。一 般刀具數(shù)量在 30~120 把時(shí)，多采用鏈?zhǔn)降稁?kù)。 14 圖 1-5 鏈?zhǔn)降稁?kù)的形式 本文所設(shè)計(jì)的刀庫(kù) 由于是使用在小型加工中心上，所以采用的是圓盤(pán)刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)形式，以 下是介紹本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)組成與傳動(dòng)過(guò)程。 換刀過(guò)程 在介紹刀庫(kù)結(jié)構(gòu)之前，先了解一下?lián)Q刀過(guò)程。刀庫(kù)位于立柱左側(cè)，其中 刀庫(kù)的安裝 方向與主軸軸線垂直，換刀前應(yīng)改變?cè)趽Q刀位置的刀具軸線方向，使之 與主軸軸線平行。某工序加工完畢，主軸定向后，可由自動(dòng)換刀裝置換 刀，如圖 1-6 所示。 （1）刀套下翻 換刀前，刀庫(kù) 2 轉(zhuǎn)動(dòng)，將待換刀具 5 送到換刀位置。 換刀時(shí)，帶有刀具 5 的刀套 4 下翻 ，使刀具軸線與主軸軸線平行。90? （2）機(jī)械手抓刀 機(jī)械手 1 從原始位置順時(shí)針旋轉(zhuǎn) （K 向觀察） ，7? 兩手爪分別抓住刀庫(kù)上和主軸 3 上的刀具。 （3）刀具松開(kāi) 主軸內(nèi)的刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)松開(kāi)刀具。 （4）機(jī)械手拔刀 機(jī)械手下降，同時(shí)拔出兩把刀具。 （5）刀具位置交換 機(jī)械手帶著兩把刀具逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) （K 向觀180? 察） ，交換兩把刀具位置。 （6）機(jī)械手插刀 機(jī)械手上升，分別把刀具插入主軸錐孔和刀套中。 15 （7）刀具夾緊 主軸內(nèi)的刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)加緊刀具。 圖 1-6 換刀過(guò)程示意圖 1—機(jī)械手 2—刀庫(kù) 3—主軸 4—刀套 5—刀具 （8）液壓缸活塞復(fù)位 驅(qū)動(dòng)機(jī)械手逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 的液壓缸活塞復(fù)180? 位（機(jī)械手無(wú)動(dòng)作） 。 （9）機(jī)械手松刀 機(jī)械手 1 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) （ K 向觀察） ，松開(kāi)刀具75 回到原始位置。 （10）刀套上翻 刀套帶著刀具上翻 。90? 2.2 刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)與傳動(dòng) （1）刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)組成 如圖 1-7 所示，為盤(pán)式刀庫(kù)結(jié)構(gòu)示意圖。它 主要由電動(dòng)機(jī)蝸桿蝸輪、刀盤(pán)、刀套、液壓缸、及撥叉等構(gòu)建組成。其 16 盤(pán)式刀庫(kù)的具體機(jī)構(gòu)，如圖 1-8 所示。 （2）刀庫(kù)的選刀過(guò)程 根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的選刀指令，直流伺服電 動(dòng)機(jī) 1 經(jīng)聯(lián)軸器 2 和蝸桿 3、蝸輪 4 帶動(dòng)刀盤(pán) 12 和安裝其上的 16 個(gè)刀 套 11 旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，完成選刀的過(guò)程。 （3）刀套翻轉(zhuǎn)過(guò)程 待換刀具轉(zhuǎn)到換刀位置時(shí)，刀套尾部的滾子 10 轉(zhuǎn)入撥叉 8 的槽內(nèi)。這是，液壓缸 5 的下腔通入液壓油，活塞帶動(dòng)撥叉 上升，同時(shí)松開(kāi)行程開(kāi)關(guān) 7，用以斷開(kāi)相應(yīng)電路，防止刀庫(kù)、主軸等出 現(xiàn)誤動(dòng)作。撥叉上升，帶動(dòng)刀套下翻 ，使刀具軸線與主軸軸線平行，90? 同時(shí)壓下行程開(kāi)關(guān) 6，發(fā)出信號(hào)使機(jī)械手抓刀。反之，撥叉下降，帶動(dòng) 刀套上翻 。90? 圖 1-7 刀庫(kù)結(jié)構(gòu)示意圖 1—電動(dòng)機(jī) 2—聯(lián)軸器 3—蝸桿 4—蝸輪 5—液壓缸 6、7—行程 開(kāi)關(guān) 8—撥叉 9—擋標(biāo) 10—滾子 11—刀套 12—刀盤(pán) 17 圖 1-8 刀庫(kù)結(jié)構(gòu)圖 1—電動(dòng)機(jī) 2—聯(lián)軸器 3—蝸輪 4—蝸桿 5—液壓缸 6—活塞桿 7—撥 叉 8—擋標(biāo) 9、10—行程開(kāi)關(guān) 11—滾子 12—銷軸 13—刀套 14—刀 盤(pán) 18 2.3 刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選定 驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)，目前常見(jiàn)的方式有伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和液動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種， 我國(guó)加工中心都選用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，故在本設(shè)計(jì)中也將采用伺服電 動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。 2.3.1 按負(fù)載轉(zhuǎn)矩選 加在伺服電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 LT，應(yīng)比電動(dòng)機(jī)額定連續(xù)轉(zhuǎn)矩ST 小。 圓盤(pán)式刀庫(kù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法，這種刀庫(kù)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 1T，主要來(lái)自刀具 重量的不平衡。其計(jì)算方法如下： 將三把最重刀具挨在一起，按加工中心規(guī)格規(guī)定的最大刀具重量 maxW計(jì) 算，而其重心則設(shè)定為離刀庫(kù)回轉(zhuǎn)中心半徑處。 設(shè)刀庫(kù)半徑為 300mm，刀具最大重量為 8kg。 所以 189./302.5TkgNmN???A 把如上計(jì)算的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩 的公式為：LT ?i TL1 式中： i——傳動(dòng)比； ?——傳動(dòng)效率。 本設(shè)計(jì)中，為了降低傳動(dòng)速度，所以傳動(dòng)比定為 20?i。 傳動(dòng)效率為： 213?A總 20.79.? 6 19 式中： 1?——聯(lián)軸器的傳動(dòng)功率； 2——蝸桿的傳動(dòng)功率； 3——軸承的傳動(dòng)功率。? 1.51.68209LTNmi????A 考慮到實(shí)際情況比計(jì)算時(shí)所設(shè)定條件復(fù)雜，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩 ST應(yīng)為負(fù)載轉(zhuǎn) 矩的 1.2~1.5 倍，亦即： (1.2~5)sLT? .68SNm?A (.0) 20 2.3.2 按加速時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩選 加速時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩 T,包括加速轉(zhuǎn)矩 aT和負(fù)載轉(zhuǎn)矩 LT，即： aL?? 加速轉(zhuǎn)矩 a按下式計(jì)算： 2()(60amLanTJNt??A 式中： mn——刀庫(kù)選刀時(shí)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 ；/inr at——加速時(shí)間，通常取 150~200（ms） ； mJ——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量； L——負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量。 設(shè)計(jì)中，初選 10/inmnr?， 20.3mJNs?A ， 20.16LJNms?A ，180.ats? 。 ? 2()6aLTt?? 3.140(.320.16)8?? 2.79NmA aLT?? .168 47 加速時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩 應(yīng)小于電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩 maxT，即： maxT? 21 2.3.3 校驗(yàn) 20.16LJNms?A 20.3mJNs?A? ? 該結(jié)果滿足條件。 根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，所選電機(jī)型號(hào)如下： 表 2-1 所選電機(jī)型號(hào) 型 號(hào) 輸入功 率 ()Pkw 額定轉(zhuǎn)矩 ST （ NA ） 最大轉(zhuǎn)矩 max()最高轉(zhuǎn)速 max(/in)r轉(zhuǎn)子慣量 2()mJNsA FB25 2.5 34.3 309 1000 0.032 2.3.4 分配傳動(dòng)比 在前一章中以介紹為了降低傳動(dòng)的速度，傳動(dòng)比選為 20. 各軸轉(zhuǎn)速 Ⅰ軸 10/minmnr?? Ⅱ軸 52iⅠⅡ Ⅰ 各軸的輸入功率 Ⅰ軸 1.09.47dPkw????Ⅰ Ⅱ軸 23521.64Ⅱ Ⅰ 各軸的輸入轉(zhuǎn)矩 電動(dòng)機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩 dT為: 22 662.59.5109.10387ddmPT Nmn?????A 故: Ⅰ軸 387.96.25dT?Ⅰ Ⅱ軸 2 093658.i Nm??AⅡ Ⅰ 表 2-2 分配傳動(dòng)比 軸名 功率 ()Pkw轉(zhuǎn)矩TA（ Nm） 轉(zhuǎn)速 (/in)r 傳動(dòng)比 i效率 ? 電機(jī)軸 2.5 23875 1000 1 0.99 Ⅰ軸 2.475 23636.25 1000 20 0.99 Ⅱ軸 1.764 336958.38 50 20 0.72 3 刀庫(kù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3.1 初定刀套線速度 刀套線速度影響選刀效率，但是過(guò)快的線速度又影響刀庫(kù)工作可靠 性。一般推薦為 22~30m/min，在本次設(shè)計(jì)中，刀套線速度初定為 25m/min。 3.2 刀庫(kù)傳動(dòng)方式 為使伺服電機(jī)在最佳狀態(tài)下工作，一般不采用伺服電機(jī)的低速段。 這就要采用蝸輪減速裝置了。 以下為蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算： 23 蝸桿采用 45#鋼，表面硬度45HRC ，蝸桿材料采用 ZCuSn10P1，砂型 鑄造，計(jì)算步驟如下： 計(jì)算項(xiàng)目 計(jì)算內(nèi)容 計(jì)算結(jié)果 （一）初選【 1/da】值 1、當(dāng)量摩擦系數(shù) 設(shè) ，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》 4/~7/svms?0.3v?? 表 13.6，取大值； 2v? ?? 2、選【 1/da】值 在《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖 13.11 的 線上0i 任選一點(diǎn)，查得 ，11[/]0.35,(2)z????10.8?? （傳動(dòng)嚙合效率） 。 （二）中心距計(jì)算 1、蝸輪轉(zhuǎn)矩 2136.250.8Ti?? 24598TNmA 2、使用系數(shù) 按題意查 《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 12.9 1.AK? 3、轉(zhuǎn)速系數(shù) 1/82()nZ??? 1/80 0.72nZ? 4、彈性系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》查表 13.2 得 1EMPa 24 5、壽命系數(shù) 6250hhZL? 6120 1.36hZ?? 6、接觸系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖 13.12Ⅰ線查出 2.85? 7、接觸疲勞極限 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 13.2 得 lim6HMPa?? 8、接觸疲勞最小安全系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得 li1.3S 9、中心距 2lim32()EHAnhZSakT??? 23147.85.31.59()0642??? 取 160am? 中心距由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第三冊(cè)》23-211 表 25-5- 4（GB10085-88）選取而得。 （三）傳動(dòng)基本尺寸 1、蝸桿頭數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖 13.11 查得 ，也可用式 13.22 計(jì)算13,2z??? 1(7.4)/au? 60.8? 取 12z? 25 2、蝸輪系數(shù) 22160.340.79amqz????? 取 41z? 3、模數(shù) 2(1.4~7)/maz 60415.3?? 取 6.3m? 4、蝸桿分度圓直徑 1[/]da 0.356.8??或 .871 0.5.9?，取 標(biāo) 準(zhǔn) 值 （ 《 機(jī) 械 設(shè) 計(jì) 》 表 13.4） 取 163dm? 5、蝸輪分度圓直徑 '216032(0.65).3daxm???? 26.19d 6、蝸桿導(dǎo)程角 1tan/./.2zd??.3??? 7、蝸輪寬度 12(0.5)dbm?? 634809? 取 250bm? 8、蝸桿圓周速度 1/(6)svdn??? 26 6310/(0)????13./vms? 9、相對(duì)滑動(dòng)速度 1/cossv? 3??3.7/svs? 10、當(dāng)量摩擦系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 13.6 查得 0.2517v??? （四）齒面解除疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 1、許用接觸應(yīng)力 limn[]HHnhZS?? 2650.713.?[]165.8HMPa?? 2、最大接觸應(yīng)力 23AHEkTZa??? 3 1.4598147.8600?14065.8HMPa??? 合 格 （五）輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 1、齒根彎曲疲勞極限 由《機(jī)械設(shè)計(jì) 》表 13.2 查出 lim5FPa?? 2、彎曲疲勞最小安全系數(shù) 由題目要求，根據(jù)《機(jī)械設(shè) 計(jì)手冊(cè)》查出 min1.4FS? 27 3、許用彎曲疲勞應(yīng)力 limn[]FS?? 15.4[]82FMPa?? 4、輪齒最大彎曲應(yīng)力 2AFkTmbd?? 1.4598630MPa?10.9682FMPa??? 合 格 （六）蝸桿軸擾度驗(yàn)算 1、軸慣性矩 441/63/6Id???640.73Im?? 2、允許蝸桿擾度 []0.m?[].5? 3、蝸桿軸擾度 3221tant()/(48t vFl EI?????? 322364598.6.ta0t(1.7).0???? 0.1m?? （此處取 ） 2lD? 合格 （七）溫度計(jì)算 28 1、傳動(dòng)嚙合效率 1tan/()v??????? =.3t1.+7)0.865?? 2、攪油效率 根據(jù)蝸桿的潤(rùn)滑條件，查 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得： 20.9?? 3、軸承效率 根據(jù)蝸桿傳動(dòng)要求，查 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得： 30.9?? 4、總效率 1230.865.90???.8 5、散熱面積估算 51.8.906Aa? =21.3Am? 6、箱體工作溫度 1100()2.5.8423wpttaA????? 140.28tC??? 合 格 215/()waWmC??A此 處 取 ， 中 等 通 風(fēng) 環(huán) 境 （八）潤(rùn)滑油粘度和潤(rùn)滑方法 1、潤(rùn)滑油粘度 3.7/1svs根 據(jù) 由 《 機(jī) 械 設(shè) 計(jì) 》表 選 取2403/CVms?? 2、潤(rùn)滑方法 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 13.7，可采用浸油潤(rùn)滑 所有計(jì)算結(jié)果如表 2-3 所示： 29 表 2-3 蝸輪蝸桿的幾何尺寸 名稱 符號(hào) 計(jì)算結(jié)果 蝸桿頭數(shù) 2z2z? 模數(shù) m6.3m 蝸桿分度圓直徑 1d1d 中心距 a0a? 蝸輪齒數(shù) 2z24z 蝸輪分度圓直徑 d·65.19dm 蝸輪寬度 2b20b? 蝸桿軸向齒距 xpm??.7xp 蝸桿導(dǎo)程 1z 396z 蝸桿齒頂圓直徑 12aadh?15.adm? 蝸桿齒根圓直徑 ()f c??478f 節(jié)圓直徑 '1xm'160.9 中圓導(dǎo)程角 1/zd???? 蝸輪喉圓直徑 2()aadh??2.adm 蝸輪齒根圓直徑 f xc?418f 蝸輪外徑 2eam?27.9e? 注：取齒頂高 ，徑向間隙 ， 。ahm?0.c?'ax? 30 4 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì) 軸是機(jī)器中的重要零件，在設(shè)計(jì)匯總，蝸桿渦輪是作為一種減速裝 置，在減速裝置中軸是既要收彎矩又要受扭矩的轉(zhuǎn)軸。 軸的設(shè)計(jì)，共包括如下內(nèi)容：軸的材料選擇，軸徑的初步估算，軸 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，按彎扭合成進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核，按疲勞強(qiáng)度進(jìn)行軸的精確 交合，軸的公差與配合的確定，軸的工作圖的繪制。 4.1 軸的材料 軸的材料用碳鋼及合金鋼，減速裝置的軸以 45 號(hào)鋼調(diào)質(zhì)處理應(yīng)用 最為廣泛，硬度 217HB~255HB， ， ，650BMPa??360sPa?? ， 。130MPa???15Pa??? 4.2 蝸桿軸的初步估算 4.2.1 初步估算軸的最小直徑 軸的直徑，可根據(jù)軸所傳遞的功率 及軸的轉(zhuǎn)速 ,按下式進(jìn)()Pkw(/min)r 行估算： 332.51.60PdCmn?? 該段軸上有一鍵槽將計(jì)算值加大 3%， 應(yīng)為 16.07mind 式中：C ——與軸材料有關(guān)的系數(shù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 16.2 查得，根據(jù) 軸的材料取 115。 31 4.2.2 選擇聯(lián)軸器 一、根據(jù)傳動(dòng)裝置的工作條件擬選用 YL,YLD 型凸緣聯(lián)軸器（ GB5843- 86 摘錄） 。 計(jì)算轉(zhuǎn)矩為： 1.52387.LTkNm??A = 式中：T——聯(lián)軸器所傳遞的名義轉(zhuǎn)矩； k——工作情況系數(shù)， ；1.5k? 根據(jù) ，查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》YL4,YLD4 型凸緣35.812LNm?A 聯(lián)軸器就能滿足傳遞轉(zhuǎn)矩的要求 ,其軸孔直徑范圍為(40)nLTNm?A 。~d 二、最后確定蝸桿軸軸伸處的直徑為 ， 型軸孔長(zhǎng)度in25d?1,J ，螺栓數(shù)量為 4，直徑 M8， 型14,0,8LmD??1,J 。092 32 4.2.3 確定滾動(dòng)軸承的類型 由于采用的是蝸桿蝸輪傳動(dòng)，既受徑向力，也受軸向力，所以采用角接 觸球軸承（GB292-94）. 表 4-1 所選軸承型號(hào) 基本尺寸 /mm 安裝尺寸 70000C(15)a??70000AC(25)a?? 極限轉(zhuǎn) 速/minr 基本額 定 基本額 定sr1aDsr 動(dòng) 載 荷 rC 靜 載 荷 0 動(dòng) 載 荷 r 靜 載 荷 0C 軸 承 代 號(hào) d D B min d m in max KN am KN 脂 潤(rùn) 滑 油 潤(rùn) 滑 700 7C 3 5 6 2 1 4 1 0. 3 4 1 5 6 1 13 .5 19 .5 14 .2 18 .3 18. 5 13 .5 85 00 120 00 4.2.4 初步估計(jì)蝸桿軸各段的尺寸 根據(jù)軸上零件的受力情況，固定和定為的要求，初步確定軸的階梯 段，該軸有 5 段。 33 圖 4-1 蝸桿軸 估計(jì)各段尺寸： 由于 1、3 段軸上安裝的是軸承，軸承的直徑 ，所以可以確定35dm? 這兩段軸的直徑為 ，長(zhǎng)度為 25mm。35m? 由于蝸桿的齒根圓直徑為 ，所以確定這段軸的直徑為47.8 ，長(zhǎng)度為 250mm。42m 選用直徑為 ，長(zhǎng)度為 50mm。30 直徑為 ，長(zhǎng)度為 100mm，鍵 ， 。25m87()bh?50lm? 4.3 蝸輪軸的初步估算 4.3.1 初步估算軸的最小直徑 估算直徑 ，可根據(jù)軸所傳遞的功率 及軸的轉(zhuǎn)速 ,按下式d()Pkw(/min)r 進(jìn)行估算： 331.7645.20PCmn?? 該段軸上有一鍵槽將計(jì)算值加大 3%， 應(yīng)為 38.85mmind 式中：C ——與軸材料有關(guān)的系數(shù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 16.2 查得，根據(jù) 軸的材料取 115。 34 4.3.2 確定軸伸處的最小直徑 根據(jù)刀盤(pán)的設(shè)計(jì)要求，最后確定蝸輪軸軸伸處的直徑為 。min40d? 4.3.3 確定滾動(dòng)軸承的類型 與蝸桿一樣，采用角接觸球軸承（GB292-94） 表 4-2 所選軸承型號(hào) 基本尺寸/mm 安裝尺寸 70000C(15)a??70000AC(25)a?? 極限轉(zhuǎn) 速/minr 基本額 定 基本額 定sr1aDsr 動(dòng) 載 荷 rC 靜 載 荷 0 動(dòng) 載 荷 r 靜 載 荷 0C 軸 承 代 號(hào) d D B min d m in max KN am KN 脂 潤(rùn) 滑 油 潤(rùn) 滑 701 0C 5 0 8 0 1 6 1 0. 3 5 6 7 4 1 16 .7 26 .5 22 .0 23 .2 21.0 6 7 0 0 67 00 90 00 35 4.3.4 初步估計(jì)蝸輪軸的各段尺寸 根據(jù)軸上零件的受力情況，固定和定位的要求，初步確定軸的階梯段， 該軸有 6 段。 圖 4-2 蝸輪軸 估計(jì)各段尺寸： 由于 2 段和 6 段軸上安裝的是軸承，軸承的直徑 ，所以可以50dm? 確定兩端軸的直徑為 ，長(zhǎng)度為 ；50m?60 直徑為 ，長(zhǎng)度為 ， ；401498l?鍵 ， 直徑為 ，長(zhǎng)為 50mm； 6 直徑為 ，長(zhǎng)為 10mm；8 直徑為 ，長(zhǎng)為 60mm， 。0m1840lm??鍵 ， 4.4 軸徑的設(shè)計(jì)與校核 4.4.1 蝸桿軸 一、計(jì)算蝸桿受力： 1tanzmd?? 36 126.3tan.zmd????? 二、蝸桿受力： 2136958.241.6atTFNd???軸 向 力 ： 21an.tan.3508.2t 9tr???圓 周 力 ：徑 向 力 ： 垂直面受力圖： ''12100yRrFF????? '2345ArRM? 解得： '18.RN '26F? 垂直面彎矩圖： 37 （c）水平面受力圖： “115040tRF??“3.978.RN??“2t“0356.4tRF? （d）水平面彎矩圖： 38 (e) 合成彎矩圖： (f) 轉(zhuǎn)矩圖： 39 (g) 當(dāng)量彎矩圖： 三、許用應(yīng)力 1、許用應(yīng)力值 用插入法由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 16.3 查得： ，0[]2.5bMPa??1[]60bPa??? 2、應(yīng)力校正系數(shù) 100.59[2b??? 3、畫(huà)當(dāng)量彎矩圖 .59486.TNm?A 4、當(dāng)量彎矩 在蝸桿中間截面處： '22()107.9MT????Ⅳ 在左軸頸中間截面處： ' 22()645.Nm? AⅠ Ⅱ 當(dāng)量彎矩圖如圖（g）所示。 四、校核軸徑 1、齒根圓直徑 *12()fadhc??? 40 632(10.)6347.5???? 2、軸徑 '33472.9.0847.25Md m???ⅣⅣ -1b.[] '33653????Ⅰ ⅡⅠ Ⅱ -1b0.[] 五、用安全系數(shù)法校核轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度 （一） 、 判斷危險(xiǎn)截面 初步分析Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)截面有較大的應(yīng)力和應(yīng)力集中，下面以截 面Ⅰ為例進(jìn)行安全系數(shù)校核。 1、對(duì)稱循環(huán)疲勞極限 軸材料選用 45#鋼調(diào)質(zhì)， ，650BMPa?? ，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 3.2 所列公式可求得疲勞極限；360sMPa?? 10.4.65028bB???? 319Pa?? 2、脈動(dòng)循環(huán)疲勞極限 01.7.4bb? 6532M?? 3、等效系數(shù) 102860.184b????? 109532.??? （二） 、截面Ⅰ上的應(yīng)力 1、彎矩（截面Ⅰ） 69.42MNm??AⅠ 2、彎曲應(yīng)力幅 316.70.a MPaW??Ⅰ 3、彎曲平均應(yīng)力 m 41 4、扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 328754.0.TMPaW???? 5、扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力幅和平均切應(yīng)力 .2.1ama?? （三） 、應(yīng)力集中系數(shù) 1、有效應(yīng)力集中系數(shù) 因在此截面處，有軸直徑變化，過(guò)渡圓角半 徑 ，由 ， 和2rm?/35/01.7Dd?/230.67rd? ，從《機(jī)械設(shè)計(jì)》附錄表 1 中查出（用插值法） ，650BMPa? 1.73k??1.8k? 2、表面狀態(tài)系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》附錄表 5 查得 ，0.9(3.2aRm??? 650)BMPa?? 3、尺寸系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì) 》附錄表 6 查得 （按靠近應(yīng)力集中處的最小直徑 查得）0.8,.1??? 35? （四）安全系數(shù) 1、彎曲安全系數(shù) 設(shè)為無(wú)限壽命， ，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式1Nk? 16.5 得： 12860.28.73.09NbamSk?????????? 2、扭轉(zhuǎn)安全系數(shù) 11954.8.28.02.109namkS???????????? 3、復(fù)合安全系數(shù) 222.4.18.5[]08S S???????? 42 結(jié)論：根據(jù)校核，截面Ⅰ足夠安全。 4.4.2 蝸輪軸的計(jì)算 計(jì)算蝸輪受力 圓周力： 236958.241.6tTFNd??? 徑向力： 2tan.tan09.r?? 軸向力： 25416.315826at?? 垂直面受力圖： ' '32400yRrRFF????? '2451.930CaRMF?'3'4.89RN?? 垂直面彎矩圖： 43 水平面受力圖： “23400ytRFF???? “5CtM “3467.182RN?? 水平面彎矩圖： 44 合成彎矩圖： 轉(zhuǎn)矩圖： 當(dāng)量彎矩圖： 許用應(yīng)力 1、許用應(yīng)力值 用插入法由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 16.3 查得： 45 ，0[]12.5bMPa??1[]60bPa??? 2、應(yīng)力校正系數(shù) 00.592?? 三、畫(huà)當(dāng)量彎矩圖 1、當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 ，見(jiàn)圖（f）0.59362419875TNm???A 2、當(dāng)量彎矩 在蝸輪軸的中間截面處； '2222()17538.975639.MT??????AⅣ 在左軸頸中間截面處； ' 2222()158.6719854TNm??????AⅠ Ⅱ 校核軸徑 1、軸徑 '33 .8760]0.16Md??? ??Ⅰ ⅡⅠ Ⅱ -1b.[ '33259.3].m??ⅣⅣ -1b0.[ 用安全系數(shù)法校核軸的強(qiáng)度 （一） 、判斷危險(xiǎn)截面 初步分析Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)截面有較大的應(yīng)力和應(yīng)力集中， 下面以截面Ⅰ為例進(jìn)行安全系數(shù)校核。 1、對(duì)稱循環(huán)疲勞極限 軸的材料選用 45 鋼調(diào)質(zhì)， ，650BMPa?? ，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 3.2 所列公式可求得疲勞極限：360SMPa?? 10.4.65028bB???? 319Pa?? 46 2、脈動(dòng)循環(huán)疲勞極限 01.7.2864bbMPa????? 69531? 3、等效系數(shù) 1020.846bb??? 1095312.????? （二） 、截面Ⅰ上的應(yīng)力 1、彎矩（截面Ⅰ） 675.MAⅠ （ +） =47.Nm 2、彎曲應(yīng)力幅 32.801a MPaW????Ⅰ 3、彎曲平均應(yīng)力 m 4、扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 36924.80.5Ta? 5、扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力幅和平均切應(yīng)力 1.6.74amMP??? （三） 、應(yīng)力集中系數(shù) 1、有效應(yīng)力集中系數(shù) 因在此截面處，有軸直徑變化，過(guò)渡圓角半 徑 ，由2rm? ， 和/60/51.2Dd?/50.4rd? ， 《機(jī)械設(shè)計(jì)》附錄表 1 中查出（用插值法） ，650BMPa? 19k?1.k?? 2、表面狀態(tài)系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》附錄表 5 查得： 0.2?? (3.2,60)aBRmMPa??? 3、尺寸系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》附錄表 6 查得： ，.81?? （按靠近應(yīng)力集中處的最小直徑 查得）0.76???5? （四） 、安全系數(shù) 47 1、彎曲安全系數(shù) 設(shè)為無(wú)限壽命， ,由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式 16.51Nk? 得： 11286.32.95.0bamkS??????????? 2、扭轉(zhuǎn)安全系數(shù) 111.73.56.74025.092amkS????????????? 3、復(fù)合安全系數(shù) 2228.31.0.8415[]7S S???????? 結(jié)論：根據(jù)校核，截面Ⅰ足夠安全。 48 5 軸承的校核 5.1 蝸桿軸 查手冊(cè) 7007C 軸承主要性能參數(shù)如下： , , ；014.2rCkN?19.5rk0/2674.3/1950.37arFC?? 用插入法查得： ，048e?2e? 查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》 ,.,.XY0.4973.12674.352raPXFY???? 計(jì)算額定動(dòng)載荷： '3316705.27208hrnCPLKN??? ?軸 承 滿 足 條 件 ， 所 選 軸 承 合 格 。 5.2 蝸輪軸 查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》7010C 軸承主要性能參數(shù)如下： ， ， ；02.rCkN?26.5rk?0/534.86/20.4arFC?? 用插入法查得： ，039e975e? 查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》 ，.,1.XY0.4973.145.86185raPXFY???? 49 計(jì)算額定動(dòng)載荷： '31670598.20hrnCPLKN??? ?軸 承 滿 足 條 件 ， 所 選 軸 承 合 格 。 50 6 其它零部件尺寸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 6.1 回零減速撞塊尺寸的計(jì)算 為了使刀套準(zhǔn)確地回到坐標(biāo)零點(diǎn)，在零點(diǎn)前面設(shè)置減速行程開(kāi)關(guān)， 其回零減速撞塊尺寸如圖 6-1 所示，按下列公式計(jì)算： 圖 6-1 回零減速撞塊尺寸計(jì)算 減速撞塊長(zhǎng)度: (30)426RSLSDWTVVTL?? 式中： ——快速移動(dòng)速度（ ） ；R/min ——快速移動(dòng)時(shí)間常熟（ ） ，通常取 ；Ts150~2 ——伺服時(shí)間常熟（ ） ， ；S 3ST? ——減速后速度（ ） ，可在 范圍內(nèi)設(shè)定，一LV/in6 般設(shè)在 30 左右為好，在該設(shè)計(jì)中， 取 ；LV40/min 。25/min0/iR? 51 18025(3)403664.DWLm????? 。5DWLm根 據(jù) 實(shí) 際 應(yīng) 用 中 ， 取 為 6.2 刀盤(pán)與刀套的設(shè)計(jì) 6.2.1 刀套 參照《數(shù)控機(jī)床與機(jī)械結(jié)構(gòu)》一書(shū)中對(duì)刀套的設(shè)計(jì)，由于本設(shè)計(jì)用于小 型加工中 心，所以采用 40 號(hào)刀柄的尺寸而進(jìn)行設(shè)計(jì)，草圖如圖 6-2 所示，尺寸 參照零件圖； 52 圖 6-2 刀套結(jié)構(gòu)圖 1—彈簧 2—螺紋套 3—球頭銷釘 4—刀套體 5—滾套 6—銷軸 7—滾子 6.2.2 刀盤(pán) 刀盤(pán)尺寸由裝配圖可知。 6.3 刀具（刀座）識(shí)別裝置 刀具（刀座）識(shí)別裝置是自動(dòng)換刀系統(tǒng)中重要組成部分，在本設(shè)計(jì)中采 用接觸式刀具識(shí)別裝置。 53 接觸式刀具識(shí)別裝置應(yīng)用較少，特別適應(yīng)于空間位置較小的刀具編碼， 其識(shí)別原理如圖 6-3 所示。在刀柄 1 上裝有兩種直徑不同的編碼環(huán)，規(guī) 定大直徑的環(huán)表示二進(jìn)制的“1” ，小直徑的環(huán)為“0” ，圖中有 5 個(gè)編碼 環(huán) 4，在刀庫(kù)附近固定一刀具識(shí)別裝置 2，從中伸出幾個(gè)觸針 3，觸針 數(shù)量與刀柄上的編碼環(huán)個(gè)數(shù)相等。每個(gè)觸針與一個(gè)繼電器相聯(lián)，當(dāng)編碼 環(huán)是大直徑時(shí)與觸針接觸，繼電器通電，其數(shù)碼為