2924 加工中心自動換刀系統(tǒng)設計1,加工,中心,自動,系統(tǒng),設計 加工中心自動換刀系統(tǒng)設計目錄摘 要 .3緒論 .11引言 .11.1加工中心簡介 .11.1.1加工中心的發(fā)展簡史 .11.1.2加工中心的結構組成 .31.1.3加工中心的分類 .41.1.4加工中心的發(fā)展趨勢 .82刀庫的類型 .112.1刀庫的類型 .122.2刀庫的結構與傳動 .152.3刀庫驅動電動機的選定 .182.3.1按負載轉矩選 .182.3.2按加速時的最大轉矩選 .202.3.3校驗 .212.3.4分配傳動比 .213刀庫傳動機構的設計 .223.1初定刀套線速度 .223.2刀庫傳動方式 .224.1軸的材料 .304.2蝸桿軸的初步估算 .304.2.1初步估算軸的最小直徑 .304.2.2選擇聯軸器 .314.2.3確定滾動軸承的類型 .324.2.4初步估計蝸桿軸各段的尺寸 .324.3 蝸輪軸的初步估算 .334.3.1初步估算軸的最小直徑 .334.3.2確定軸伸處的最小直徑 .344.3.3確定滾動軸承的類型 .344.3.4初步估計蝸輪軸的各段尺寸 .354.4 軸徑的設計與校核 .354.4.1 蝸桿軸 .354.4.2蝸輪軸的計算 .425軸承的校核 .485.1蝸桿軸 .485.2 蝸輪軸 .486其它零部件尺寸的設計與計算 .506.1 回零減速撞塊尺寸的計算 .506.2 刀盤與刀套的設計 .516.2.1 刀套 .516.2.2 刀盤 .526.3 刀具（刀座）識別裝置 .527液壓系統(tǒng)的設計 .547.1 液壓缸的載荷組成和計算 .547.2 液壓缸內徑以及其它尺寸的確定 .547.2.1計算液壓缸的主要結構尺寸 .557.2.2 油缸壁厚的計算 .567.2.3 缸底厚度計算 .577.3 油缸長度 L的確定 .587.4 液壓系統(tǒng)初步設計 .588 PLC控制 .609結論 .6310致 謝 .65參 考 文 獻 .66摘 要刀庫是自動換刀裝置中最主要的部件之一，其容量、布局以及具體結構對加工中心的設計有很大影響。16刀刀庫是在小型加工中心應用最為廣泛，根據使用的場合和實際運用的要求，設計了相應的 16刀的圓盤式刀庫，并且對它的控制進行了一定的研究。論文首先對 16刀刀庫總體設計方案進行闡述，闡述其各部件的工作原理，然后就刀庫的結構設計與控制分章節(jié)對各個部分進行計算與設計。刀庫的結構設計是本文研究的重點，傳動部分為蝸桿蝸輪的一種減速裝置，對于該裝置中的蝸桿、蝸輪以及相關的軸都進行了詳細的計算;控制部分為刀庫送刀部分，由液壓控制和 PLC控制完成。關鍵詞：加工中心，刀庫，蝸桿蝸輪，液壓，PLC。ABSTRACTTool 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河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文緒論本章首先從數控機床的發(fā)展歷程引出加工中心的發(fā)展趨勢，再具體到本次設計針對的刀庫的任務要求，明確了本設計任務的主要內容。1 引言1952年世界上出現了第一臺數控機床，使多品種、中小批量的機械加工設備在柔性、自動化和效率上產生了巨大變革。1958 年第一臺加工中心問世，它將多工序（銑、鉆、鏜、鉸、攻絲等）加工集于一身；適應加工多品種和大批量的工件；增加機床功能（自動換刀、自動換工件、自動檢測等） ，使自動化程度和加工效率上了一個新臺階；使無人化（或長時間無人操作）加工成為現實。加工中心已成為柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)和自動化工廠的基本單元。加工中心是數控機床的代表，是高新技術集成度高的典型機電一體化機械加工設備，受到世界各工業(yè)發(fā)達國家的高度重視，技術迅速發(fā)展，品種和數量大幅度增加，成為當今世界機械加工設備中最引人注目的一類產品。1.1 加工中心簡介1.1.1 加工中心的發(fā)展簡史1952年世界上出現第一臺數控機床，使多品種、中小批量的機械加工設備在柔性、自動化和效率上產生了巨大變革。它用易于修改的數控加工程序進行控制，因而比大批量生產重使用組合機床生產線和凸輪、河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文開關控制的專用機床有更大的柔性，容易適應加工件品種的變化，進行多品種加工。它用數控系統(tǒng)對機床的工藝功能、幾何圖形運動功能和輔助功能實行全自動的數字控制，因為有更高的自動化程度和加工效率，大大改變了中小批量生產中普通機床占整個機械加工的狀況。數控機床能實現兩坐標以上聯動的功能，其效率和精度比用手工和樣板控制加工復雜零件要高得多。1958 年第一臺加工中心在美國卡尼、特雷克（Kearney&Trecker）公司問世?，F代加工中心的內容是什么？第一，它是在數控鏜床或數控銑床的基礎上增加自動換刀裝置，可使工件在一次裝卡中，能夠自動更換刀具，自動完成工件上的銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等工序的數控機床。第二，加工中心上如果帶有自動分度回轉工作臺或自動轉角度的主軸箱，可使工件在一次裝卡中，自動完成多個平面和多個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，工件在工作位置的工作臺上進行加工的同時，另外的工件在裝卸位置的工作臺上進行裝卸，不影響加工的進行。由上述可知，加工重心在加工的柔性、自動化程度和加工效率上，在一般數控機床的基礎上又上了一個新的臺階，又是一次新的變革。加工中心的定義是什么？目前世界上并無標準定義，但目前普遍認為是指：在工件一次裝卡中，能夠實現自動銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等多工序的數控機床。更為明確的說法是：加工中心就是自動換刀數控鏜銑床。這就把加工中心與自動換刀數控車床或車削中心區(qū)別開來河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文。1.1.2 加工中心的結構組成加工中心的組成歲機床的類別、功能、參數的不同而有所區(qū)別。機床本身分基本部件和選擇部件，數控系統(tǒng)有基本功能和選用功能，機床參數有主參數和其它參數。機床制造廠可根據用戶提出的要求進行生產，但在同類機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、基礎部件 主要由床身、立柱和工作臺等大件組成。它們是加工中心的基礎結構，要承受加工中心的靜載荷以及在加工時的切削負載，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構件，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、主軸電動機、主軸和主軸軸承等零部件組成。主軸的啟動、停止和變轉速等動作均由數控系統(tǒng)控制，并通過裝在主軸上的刀具參與切削運動，是切削加工的功率輸出部件。主軸系統(tǒng)是加工中心的關鍵部件，其結構的好壞，對加工中心的性能有很大的影響。3、數控系統(tǒng) 主要由 CNC 裝置、可編程序控制器、伺服驅動裝置以及電動機等部分組成，它們是加工中心執(zhí)行順序控制動作和完成加工過程的控制中心。4、自動換刀系統(tǒng) 主要由刀庫、自動換刀裝置等部件組成。刀庫是存放加工過程所要使用的全部刀具的裝置。當需要換刀時，根據數控系統(tǒng)的指令，由機械手（或通過別的方式）將刀具從刀庫取出裝入主軸孔中。刀庫有盤式、鏈式和鼓式等多種形式，容量從幾把到幾百把。機械手的結構根據刀庫與主軸的相對位置幾結構的不痛也有多種形式。如單河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文臂式、雙臂式?；剞D式和軌道式等等。有的加工中心利用主軸箱或刀庫的移動來實現換刀。5、輔助系統(tǒng) 包括潤滑、冷卻、排屑防護、液壓和隨機檢測系統(tǒng)等部分。輔助系統(tǒng)雖不直接參與切削運動。但對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，為進一步縮短非切削時間，有的加工中心還配備了自動托盤交換系統(tǒng)。例如，配有兩個自動交換工件托盤的加工中心，一個安裝工件在工作臺上加工，另一個則位于工作臺外進行工件的裝卸。當完成一個托盤上工件的加工后，便自動交換托盤，進行新零件的加工，這樣可以減少輔助時間，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)不同進行分類，可分為立式、臥式和五坐標加工中心。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)河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文圖 1-1 立式加工中心配置，結構形式多為固定立柱式，工作臺為長方形，適合加工小型板類、盤類、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)設置的加工中心，通常都帶有可進行分度回轉運動的正方形分度工作臺。臥式加工中心一般具有 35 個運動坐標，常見的是三個直線運動坐標(沿 X、 Y、Z 軸方向)加一個回轉運動坐標 (回轉工作臺)，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面的加工，最適合箱體類工件的加工。圖 1-2 臥式加工中心河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文3、五坐標加工中心 五坐標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面和頂面等五個面的加工，因此也叫五面加工中心。常見的五坐標加工中心有兩種結構形式，一種是主軸可以 旋轉，另一種是工作臺可以 旋轉。9090加工中心的主要優(yōu)點（1）提高加工質量 工件一次裝夾，即可實現多工序集中加工，大大減少多次裝夾所帶來的誤差。另外，由于是數控加工，較少依賴操作者的技術水平，可得到相當高的穩(wěn)定精度。（2）縮短加工準備時間 加工中心既然可以頂替多臺通用機床，那么加工一個零件嗦需準備時間，是每臺加工單元所損耗的準備時間之和。從這個意義上說，加工中心的準備時間顯然短得多。（3）減少在制品 以往的加工方式是工件流動與多臺通用機床之間，這就要有相當數量的在制品，而在加工中心上加工，即可發(fā)揮其“多工序集中”的優(yōu)勢，在一臺機床上完成多個工序，就能大大減少在制品數量。（4）減少刀具費 把分散設置在各通用機床上的刀具，集中在加工中心刀庫上，有可能用最少量的刀具，實現公共有效利用。這樣既提高刀具利用率，又減少了道具數量。（5）最少的直接勞務費 由 NC 裝置實現多工序加工的信息集約化和一人多臺管理，以及用工作臺自動托盤交換裝置（Automatic Pallet Changer 簡稱 APC）等輔助裝置，實現夜間無人運轉。這些都可縮減直接勞務費。（6）最少的簡介勞務費 由于工序集中，工件搬運和質量檢查工作量都大為減少，這就使間接勞務費最少。（7）設備利用率高 加工中心設備利用率為通用機床的幾倍。另外，河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文由于工序集中，容易適應多品種、中小批量生產。1.1.4 加工中心的發(fā)展趨勢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、醫(yī)療設備、IT、光學設備等行業(yè)。在飛機制造業(yè)因絕大多數加工件為多品種、小批量的產品，因此五軸加工機為主的立式加工中心有潛在的需求。今后電子零部件、精密機枝零部件、半導體模具等行業(yè)也具有需求潛力。各生產廠家面對預期需求擴大的飛機、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、醫(yī)療設備、IT、光學設備等行業(yè)。在飛機制造業(yè)因絕大多數加工件為多品種、小批量的產品，因此五軸加工機為主的立式加工中心有潛在的需求。今后電子零部件、精密機枝零部件、半導體模具等行業(yè)也具有需求潛力。 各生產廠家面對預期需求擴大的飛機、模具、半導體等行業(yè)，正在抓緊開發(fā)五軸加工機。和幾年前的以生產一般零部件為主的立式加工中心形成鮮明對比的，突出以加工模具為主的設備方案不斷從廠家出現，由此可明顯地看出對高速、高效、高品位加工的需求正在增加。 針對高精度加工，一些廠家比較注重研制對不易切削材質搞重切削加工的機型。同時，以減少工件更換時間和集中工序為目的的復合化加工技術也在不斷創(chuàng)新。為進一步提高效率，有些廠家正在嘗試在立式加工中心的控制軸方面再加上 l2 個軸，形成五軸控制，樣對于形狀復雜的工件和自由曲面等工件都可完成一次裝卡加工。 在產品開發(fā)方面，由于用戶的要求更加嚴格，不得不在保持低價位的同時不斷追求高性能的技術。由于正在加快適應環(huán)保要求的新技術開發(fā)，因此，更加需要可以調整品種、數量的可形成柔性線結構的設備。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文現在干式切削也在研制之中，如已經出現的使用高純度氮氣的干式加工系統(tǒng)，以氧化來控制精度變化。同時為改善作業(yè)環(huán)境、提高經濟效率，對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，比較適應時間無操作。又因是模塊結構，可以短時間內導入最適當規(guī)模的系統(tǒng)。因其無人操作時間較長，在成本費用方面與單機相比效果更好。 從用戶需求來看，對臥式加工中心的要求更加趨向于適應多品種小批量的生產，要求加工設備能夠靈活地適應工序集中導致的生產型加工件的變化?，F在由于汽車廠家的設備投資呈上升趨勢，需求可望進一步擴大。此外，因對于產品制造的認識和對生產體系的看法正在發(fā)生根本的轉變，由此而派生的新的生產體系可能對能形成柔性線的小型機種產生需求。 著手生產以上機型的廠家在追求高速、高精度的同時，還在如何使機體小型化及成本控制方面下功夫。也就是說此類產品的開發(fā)重點在于機體的小型化、適應形成柔性線體系方面。 從技術開發(fā)動向來看，是謀求提高主軸轉速、進給速度、提高精密度、并將對應熱變位、模塊化等集中體現出來。其中，作為機床基本課題的高速化研究也不斷取得成果。 由于提高進給速度直接關系到產品的加工時間，以利提高生產效率，因此在高速進給技術方面，驅動裝置采用直線電機的機型正在增多。同時也有廠家在開發(fā)不使用直線電機，采用進給軸以大導程滾珠絲杠為驅動，進給加速度 1.5G 2G、快速進給速度 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、主軸轉速為 2 萬 r/min、快速進給速度為 60 m/min、以盡量縮短重復定位、刀至刀等的非切削時間。為解決速度提高帶來的熱變位影響，防止精度下降，一般都采用獨自的補正河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文裝置或主軸冷卻結構、冷卻裝置等。數控立式車床 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。由于其市場的局限性，產品在很大程度上反應了用戶的意向，很多是以專用機的形式交貨投付使用的，這也是用戶和廠家形成密切聯系的原因。最近，對中出口看好的建設機械廠家對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，數控車床生產廠家期待著在飛機、高性能發(fā)電機、風力發(fā)電機等方面設備投資比較活躍的重電機行業(yè)的訂貨。 由于市場在交貨期、質量、價格方面的要求越來越高，一些中小規(guī)模的設備用戶為縮短產品的生產周期，更青睞一次裝卡、可搞多種加工的復合型加工機。 考慮到環(huán)保要求而采用半干式加工的需求也在增加，根據這類用戶的要求，OM 制作所以產學協作的方式開發(fā)出采用氣化熱半干式加工技術，并加強了節(jié)省能源的措施，控制了電力的使用。 現在，市場對于提高了通用性的、低價位的小型數控立式車床的需求仍在擴大，同時，和臥式數控車床一樣，帶有加工中心意識的功能型復合機的開發(fā)研制比較活躍。例如，隨著對復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、鏜等旋轉方面的加工功能。因配置了 C 軸，不同的復合加工也可通過一次裝卡進行。此外，在以切削為主的同時，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到不少可進行重切加工的工序集約型產品。本文研究的主要內容刀庫河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文2 刀庫的類型刀庫是自動換刀裝置中最主要的部件之一，其容量、布局以及具體結構對加工中心的設計有很大影響。刀庫是用來儲存加工刀具及輔助工具的地方。由于多數加工中心的取送刀位置都是在刀庫中的某一固定刀位，因此刀庫還需要有使刀具運動及定為的機構來保證換刀的可靠。其動力可采用液動機或電動機，如果需要還要有減速機構。刀庫的定為機構是用來保證更換的每一把刀具或刀套都能準確地停在換到位置上。其控制部分可以采用簡易位置控制器或類似半閉環(huán)進給系統(tǒng)的伺服位置控制，也可以采用電氣和機械相結合的銷定為方式，一般要求綜合定為精度達到 。0.15m根據刀庫所需要的容量和取刀方式，可以將刀庫設計成多種形式。圖 1-3 列出了常用的幾種刀庫。圖 1-3 是但盤式刀庫，為適應機床ad主軸的布局，刀庫的刀具軸線可以按不同的方向配置，圖 1-3d 是刀具可作 翻轉的圓盤刀庫，采用這種結構能夠簡化取刀動作。單盤式刀90庫的結構簡單，取刀也較為方便，因此應用最為廣泛。但由于圓盤尺寸受限制，刀庫的容量較小（通常裝 把刀） 。1530河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文圖 1-3 刀庫的形式a）軸向式 b）徑向式 c）斜向式 d）刀具翻轉式 e）鼓筒彈夾式f）鏈式 g）多盤式 h）格子式當需要存放更多數量的刀具時，可以采用圖 1-3 形式的刀庫，它們h充分利用了機床周圍的有效空間，且刀庫的外形尺寸又不致過于龐大。圖 1-3e 是鼓筒彈夾式刀庫，其結構十分緊湊，在相同的空間內，它的刀庫容量較大，但選刀和取刀的動作較復雜。圖 1-3f 是鏈式刀庫，其結構有較大的靈活性，存放刀具的數量也較多，選刀和取刀動作十分簡單。當鏈條較長時，可以增加支撐鏈輪的數目，使鏈條折迭回繞，提高了空間利用率。圖 1-3g 和 1-3h 分別為多盤式和格子式刀庫，它們雖然也具有結構緊湊的特點，但選刀和取刀動作復雜，較少應用。2.1 刀庫的類型加工中心上普遍采用的刀庫是盤式刀庫和鏈式刀庫。密集型的固定刀庫目前于用于 FMS 中的集中供刀系統(tǒng)。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文（1）盤式刀庫 盤式刀庫結構簡單，應用較多，如圖 1-4 所示。由于刀具環(huán)形排列，空間利用率低。因此出現了將刀具在盤中采用雙環(huán)或多環(huán)排列，以增加空間的利用率。但這樣一來使刀庫的外徑過大，轉動慣量也很大，選刀時間也較長。因此，盤式刀庫一般適用于刀具容量較少的刀庫。圖 1-4 盤式刀庫的形式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）鏈式刀庫 如圖 1-5 所示，鏈式刀庫的結構緊湊，刀庫容量較大，鏈環(huán)的形狀可以根據機床的布局配置成各種形狀，也可將換刀位突出以利換刀。當鏈式刀庫需增加刀具容量時，只需增加鏈條的長度和支承鏈輪的數目，在一定范圍內，無需變更線速度及慣量。這些特點也為系列刀庫的設計與制造帶來了很大的方便，可以滿足不同使用條件。一般刀具數量在 30120 把時，多采用鏈式刀庫。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文圖 1-5 鏈式刀庫的形式本文所設計的刀庫由于是使用在小型加工中心上，所以采用的是圓盤刀庫的結構形式，以下是介紹本設計的結構組成與傳動過程。換刀過程在介紹刀庫結構之前，先了解一下換刀過程。刀庫位于立柱左側，其中刀庫的安裝方向與主軸軸線垂直，換刀前應改變在換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，可由自動換刀裝置換刀，如圖 1-6 所示。（1）刀套下翻 換刀前，刀庫 2 轉動，將待換刀具 5 送到換刀位置。換刀時，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）機械手抓刀 機械手 1 從原始位置順時針旋轉 （K 向觀察） ，7兩手爪分別抓住刀庫上和主軸 3 上的刀具。（3）刀具松開 主軸內的刀具自動夾緊機構松開刀具。（4）機械手拔刀 機械手下降，同時拔出兩把刀具。（5）刀具位置交換 機械手帶著兩把刀具逆時針旋轉 （K 向觀180察） ，交換兩把刀具位置。（6）機械手插刀 機械手上升，分別把刀具插入主軸錐孔和刀套中。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文（7）刀具夾緊 主軸內的刀具自動夾緊機構加緊刀具。圖 1-6 換刀過程示意圖1機械手 2刀庫 3主軸 4刀套 5刀具（8）液壓缸活塞復位 驅動機械手逆時針旋轉 的液壓缸活塞復180位（機械手無動作） 。（9）機械手松刀 機械手 1 逆時針旋轉 （ K 向觀察） ，松開刀具75回到原始位置。（10）刀套上翻 刀套帶著刀具上翻 。902.2 刀庫的結構與傳動（1）刀庫的結構組成 如圖 1-7 所示，為盤式刀庫結構示意圖。它主要由電動機蝸桿蝸輪、刀盤、刀套、液壓缸、及撥叉等構建組成。其河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文盤式刀庫的具體機構，如圖 1-8 所示。（2）刀庫的選刀過程 根據數控系統(tǒng)發(fā)出的選刀指令，直流伺服電動機 1 經聯軸器 2 和蝸桿 3、蝸輪 4 帶動刀盤 12 和安裝其上的 16 個刀套 11 旋轉相應角度，完成選刀的過程。（3）刀套翻轉過程 待換刀具轉到換刀位置時，刀套尾部的滾子 10轉入撥叉 8 的槽內。這是，液壓缸 5 的下腔通入液壓油，活塞帶動撥叉上升，同時松開行程開關 7，用以斷開相應電路，防止刀庫、主軸等出現誤動作。撥叉上升，帶動刀套下翻 ，使刀具軸線與主軸軸線平行，90同時壓下行程開關 6，發(fā)出信號使機械手抓刀。反之，撥叉下降，帶動刀套上翻 。90圖 1-7 刀庫結構示意圖1電動機 2聯軸器 3蝸桿 4蝸輪 5液壓缸 6、7行程開關 8撥叉 9擋標 10滾子 11刀套 12刀盤河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文圖 1-8 刀庫結構圖1電動機 2聯軸器 3蝸輪 4蝸桿 5液壓缸 6活塞桿 7撥叉 8擋標 9、10行程開關 11滾子 12銷軸 13刀套 14刀盤河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文2.3 刀庫驅動電動機的選定驅動刀庫，目前常見的方式有伺服電動機驅動和液動機驅動兩種，我國加工中心都選用伺服電機驅動方式，故在本設計中也將采用伺服電動機來驅動。2.3.1 按負載轉矩選加在伺服電動機軸上的負載轉矩 LT，應比電動機額定連續(xù)轉矩ST小。圓盤式刀庫負載轉矩計算方法，這種刀庫的負載轉矩 1T，主要來自刀具重量的不平衡。其計算方法如下：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計算，而其重心則設定為離刀庫回轉中心半徑處。設刀庫半徑為 300mm，刀具最大重量為 8kg。所以 189./302.5TkgNmNA把如上計算的負載轉矩，轉換為電機軸上的轉矩 的公式為：LTiTL1式中： i傳動比；傳動效率。本設計中，為了降低傳動速度，所以傳動比定為 20i。傳動效率為：213A總20.79.6河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文式中： 1聯軸器的傳動功率；2蝸桿的傳動功率；3軸承的傳動功率。1.51.68209LTNmiA考慮到實際情況比計算時所設定條件復雜，電機額定轉矩 ST應為負載轉矩的 1.21.5 倍，亦即：(1.25)sLT.68SNmA(.0)河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文2.3.2 按加速時的最大轉矩選加速時的最大轉矩 T,包括加速轉矩 aT和負載轉矩 LT，即：aL加速轉矩 a按下式計算：2()(60amLanTJNtA式中： mn刀庫選刀時的電動機轉速 ；/inrat加速時間，通常取 150200（ms） ；mJ電動機轉子慣量；L負載慣量折算到電動機軸上的慣量。設計中，初選 10/inmnr，20.3mJNsA，20.16LJNmsA，180.ats。 2()6aLTt3.140(.320.16)82.79NmAaLT.16847加速時的最大轉矩 應小于電機的最大轉矩 maxT，即：maxT河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文2.3.3 校驗 20.16LJNmsA20.3mJNsA該結果滿足條件。根據以上計算結果，所選電機型號如下：表 2-1 所選電機型號型 號輸入功率 ()Pkw額定轉矩 ST（ NA）最大轉矩 max()最高轉速 max(/in)r轉子慣量 2()mJNsAFB25 2.5 34.3 309 1000 0.0322.3.4 分配傳動比在前一章中以介紹為了降低傳動的速度，傳動比選為 20.各軸轉速軸 10/minmnr軸 52i 各軸的輸入功率軸 1.09.47dPkw軸 23521.64 各軸的輸入轉矩電動機的輸入轉矩 dT為:河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文662.59.5109.10387ddmPT NmnA故: 軸 387.96.25dT軸 2 093658.i NmA 表 2-2 分配傳動比軸名 功率 ()Pkw轉矩TA（ Nm）轉速 (/in)r傳動比 i效率 電機軸 2.5 23875 1000 1 0.99軸 2.475 23636.25 1000 20 0.99軸 1.764 336958.38 50 20 0.723 刀庫傳動機構的設計3.1 初定刀套線速度刀套線速度影響選刀效率，但是過快的線速度又影響刀庫工作可靠性。一般推薦為 2230m/min，在本次設計中，刀套線速度初定為25m/min。3.2 刀庫傳動方式為使伺服電機在最佳狀態(tài)下工作，一般不采用伺服電機的低速段。這就要采用蝸輪減速裝置了。以下為蝸桿傳動的設計計算：河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文蝸桿采用 45#鋼，表面硬度45HRC ，蝸桿材料采用 ZCuSn10P1，砂型鑄造，計算步驟如下：計算項目 計算內容 計算結果（一）初選【 1/da】值1、當量摩擦系數 設 ，查機械設計 4/7/svms0.3v表 13.6，取大值； 2v2、選【 1/da】值 在機械設計圖 13.11 的 線上0i任選一點，查得 ，11/0.35,(2)z10.8（傳動嚙合效率） 。（二）中心距計算1、蝸輪轉矩 2136.250.8Ti 24598TNmA2、使用系數 按題意查 機械設計表 12.9 1.AK3、轉速系數 1/82()nZ1/800.72nZ4、彈性系數 由機械設計查表 13.2 得 1EMPa河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文5、壽命系數 6250hhZL61201.36hZ6、接觸系數 由機械設計圖 13.12線查出 2.857、接觸疲勞極限 由機械設計表 13.2 得 lim6HMPa8、接觸疲勞最小安全系數 由機械設計手冊查得 li1.3S9、中心距 2lim32()EHAnhZSakT23147.85.31.59()0642取 160am中心距由機械設計手冊第三冊23-211 表 25-5-4（GB10085-88）選取而得。（三）傳動基本尺寸1、蝸桿頭數 由機械設計圖 13.11 查得，也可用式 13.22 計算13,2z1(7.4)/au60.8取 12z河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文2、蝸輪系數 22160.340.79amqz取 41z3、模數 2(1.47)/maz60415.3取 6.3m4、蝸桿分度圓直徑 1/da0.356.8或.8710.5.9，取 標 準 值 （ 機 械 設 計 表 13.4）取 163dm5、蝸輪分度圓直徑 216032(0.65).3daxm 26.19d6、蝸桿導程角 1tan/./.2zd.37、蝸輪寬度 12(0.5)dbm63.4809取 250bm8、蝸桿圓周速度 1/(6)svdn河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文6310/(0)13./vms9、相對滑動速度 1/cossv3.3.7/svs10、當量摩擦系數 由機械設計表 13.6 查得 0.2517v（四）齒面解除疲勞強度驗算1、許用接觸應力 limnHHnhZS2650.713.165.8HMPa2、最大接觸應力 23AHEkTZa31.4598147.860014065.8HMPa 合 格（五）輪齒彎曲疲勞強度驗算1、齒根彎曲疲勞極限 由機械設計 表 13.2 查出 lim5FPa2、彎曲疲勞最小安全系數 由題目要求，根據機械設計手冊查出 min1.4FS河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文3、許用彎曲疲勞應力 limnFS15.482FMPa4、輪齒最大彎曲應力 2AFkTmbd1.4598630.MPa10.9682FMPa 合 格（六）蝸桿軸擾度驗算1、軸慣性矩 441/63/6Id640.73Im2、允許蝸桿擾度 0.m.53、蝸桿軸擾度 3221tant()/(48t vFl EI322364598.6.ta0t(1.7).0 0.1m（此處取 ） 2lD合格 （七）溫度計算河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文1、傳動嚙合效率 1tan/()v =.3t1.+7)0.8652、攪油效率 根據蝸桿的潤滑條件，查機械設計手冊得： 20.93、軸承效率 根據蝸桿傳動要求，查機械設計手冊得： 30.94、總效率 1230.865.90.85、散熱面積估算 51.8.906Aa =21.3Am6、箱體工作溫度 1100()2.5.8423wpttaA 140.28tC 合 格215/()waWmCA此 處 取 ， 中 等 通 風 環(huán) 境（八）潤滑油粘度和潤滑方法1、潤滑油粘度 3.7/1svs根 據 由 機 械 設 計 表 選 取2403/CVms2、潤滑方法 由機械設計表 13.7，可采用浸油潤滑所有計算結果如表 2-3 所示：河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文表 2-3 蝸輪蝸桿的幾何尺寸名稱 符號 計算結果蝸桿頭數 2z2z模數 m6.3m蝸桿分度圓直徑 1d1d中心距 a0a蝸輪齒數 2z24z蝸輪分度圓直徑 d65.19dm蝸輪寬度 2b20b蝸桿軸向齒距 xpm.7xp蝸桿導程 1z 396z蝸桿齒頂圓直徑 12aadh15.adm蝸桿齒根圓直徑 ()f c478f節(jié)圓直徑 1xm160.9中圓導程角 1/zd蝸輪喉圓直徑 2()aadh2.adm蝸輪齒根圓直徑 f xc418f蝸輪外徑 2eam27.9e注：取齒頂高 ，徑向間隙 ， 。ahm0.cax河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文4傳動軸的設計軸是機器中的重要零件，在設計匯總，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軸。軸的設計，共包括如下內容：軸的材料選擇，軸徑的初步估算，軸的結構設計，按彎扭合成進行軸的強度校核，按疲勞強度進行軸的精確交合，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 號鋼調質處理應用最為廣泛，硬度 217HB255HB， ， ，650BMPa360sPa， 。130MPa15Pa4.2 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，可根據軸所傳遞的功率 及軸的轉速 ,按下式進()Pkw(/min)r行估算： 332.51.60PdCmn該段軸上有一鍵槽將計算值加大 3%， 應為 16.07mind式中：C 與軸材料有關的系數，由機械設計表 16.2 查得，根據軸的材料取 115。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文4.2.2 選擇聯軸器一、根據傳動裝置的工作條件擬選用 YL,YLD 型凸緣聯軸器（ GB5843-86 摘錄） 。計算轉矩為： 1.52387.LTkNmA = 式中：T聯軸器所傳遞的名義轉矩；k工作情況系數， ；1.5k根據 ，查機械設計課程設計手冊YL4,YLD4 型凸緣35.812LNmA聯軸器就能滿足傳遞轉矩的要求 ,其軸孔直徑范圍為(40)nLTNmA。d二、最后確定蝸桿軸軸伸處的直徑為 ， 型軸孔長度in25d1,J，螺栓數量為 4，直徑 M8， 型14,0,8LmD1,J。092河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文4.2.3 確定滾動軸承的類型由于采用的是蝸桿蝸輪傳動，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 所選軸承型號基本尺寸 /mm 安裝尺寸70000C(15)a70000AC(25)a極限轉速/minr基本額定基本額定sr1aDsr動載荷 rC靜載荷 0動載荷 r靜載荷 0C軸承代號 d D Bmindminmax KNamKN脂潤滑油潤滑7007C356214 10.34156 113.519.514.218.318.513.58500120004.2.4 初步估計蝸桿軸各段的尺寸根據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。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文圖 4-1 蝸桿軸估計各段尺寸：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，長度為 250mm。42m選用直徑為 ，長度為 50mm。30直徑為 ，長度為 100mm，鍵 ， 。25m87()bh50lm4.3 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 ，可根據軸所傳遞的功率 及軸的轉速 ,按下式d()Pkw(/min)r進行估算： 331.7645.20PCmn該段軸上有一鍵槽將計算值加大 3%， 應為 38.85mmind式中：C 與軸材料有關的系數，由機械設計表 16.2 查得，根據軸的材料取 115。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文4.3.2 確定軸伸處的最小直徑根據刀盤的設計要求，最后確定蝸輪軸軸伸處的直徑為 。min40d4.3.3 確定滾動軸承的類型與蝸桿一樣，采用角接觸球軸承（GB292-94）表 4-2 所選軸承型號基本尺寸/mm 安裝尺寸70000C(15)a70000AC(25)a極限轉速/minr基本額定基本額定sr1aDsr動載荷 rC靜載荷 0動載荷 r靜載荷 0C軸承代號 d D Bmindminmax KNamKN脂潤滑油潤滑7010C508016 10.35674 116.726.522.023.2 21.0670067009000河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文4.3.4 初步估計蝸輪軸的各段尺寸根據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 ，長度為 ；50m60直徑為 ，長度為 ， ；401498l鍵 ，直徑為 ，長為 50mm； 6直徑為 ，長為 10mm；8直徑為 ，長為 60mm， 。0m1840lm鍵 ，4.4 軸徑的設計與校核4.4.1 蝸桿軸一、計算蝸桿受力： 1tanzmd河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文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.RN26F垂直面彎矩圖：河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文（c）水平面受力圖： 115040tRF3.978.RN2t0356.4tRF（d）水平面彎矩圖：河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文(e) 合成彎矩圖：(f) 轉矩圖：河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文(g) 當量彎矩圖：三、許用應力1、許用應力值 用插入法由機械設計表 16.3 查得：，02.5bMPa160bPa2、應力校正系數 100.592b3、畫當量彎矩圖 .59486.TNmA4、當量彎矩 在蝸桿中間截面處：22()107.9MT在左軸頸中間截面處： 22()645.Nm A 當量彎矩圖如圖（g）所示。四、校核軸徑1、齒根圓直徑 *12()fadhc河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文632(10.)6347.52、軸徑 33472.9.0847.25Md m -1b.3365.3 -1b0.五、用安全系數法校核轉軸的強度（一） 、 判斷危險截面初步分析、四個截面有較大的應力和應力集中，下面以截面為例進行安全系數校核。1、對稱循環(huán)疲勞極限 軸材料選用 45#鋼調質， ，650BMPa，由機械設計表 3.2 所列公式可求得疲勞極限；360sMPa10.4.65028bB319Pa2、脈動循環(huán)疲勞極限 01.7.4bb6532M3、等效系數 102860.184b109532.（二） 、截面上的應力1、彎矩（截面） 69.42MNmA2、彎曲應力幅 316.70.a MPaW3、彎曲平均應力 m河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文4、扭轉切應力 328754.0.TMPaW5、扭轉切應力幅和平均切應力 .2.1ama（三） 、應力集中系數1、有效應力集中系數 因在此截面處，有軸直徑變化，過渡圓角半徑 ，由 ， 和2rm/35/01.7Dd/230.67rd，從機械設計附錄表 1 中查出（用插值法） ，650BMPa 1.73k1.8k2、表面狀態(tài)系數 由機械設計附錄表 5 查得，0.9(3.2aRm650)BMPa3、尺寸系數 由機械設計 附錄表 6 查得（按靠近應力集中處的最小直徑 查得）0.8,.1 35（四）安全系數1、彎曲安全系數 設為無限壽命， ，由機械設計式1Nk16.5 得：12860.28.73.09NbamSk2、扭轉安全系數 11954.8.28.02.109