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哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告
學(xué)生姓名
張翃彪
分院
機(jī)電學(xué)院
專業(yè)、班級(jí)
機(jī)電四班
指導(dǎo)教師姓名
王月紅
職稱
助理工程師
從事
專業(yè)
工學(xué)院
是否外聘
□是否
題目名稱
立式車床刀具伺服刀庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義
目的：針對(duì)機(jī)床的特點(diǎn)，在自動(dòng)換刀裝置整體設(shè)計(jì)方案中，結(jié)構(gòu)形式上采用了盤式刀庫(kù)和液壓機(jī)械手臂相結(jié)合的形式．在控制上，采用了無(wú)觸點(diǎn)接近式開(kāi)關(guān)來(lái)控制盤式刀庫(kù)和機(jī)械手臂的順序動(dòng)作，不僅提高了動(dòng)作的精度，而且便于調(diào)整和維護(hù)．
意義：在零件制造過(guò)程中，大量的時(shí)間用于更換刀具，切削加工時(shí)間僅占整個(gè)工時(shí)中較小的比例。為了縮短非切削時(shí)間，提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，機(jī)床正朝著一臺(tái)機(jī)床在一次裝夾中完成多工序的方向發(fā)展。在這類多工序的數(shù)控機(jī)床中，必須帶有自動(dòng)換刀裝置。使加工中心功能有所提升，更能滿足生產(chǎn)加工的需要，進(jìn)一步提高加工的自動(dòng)化程度，提高生產(chǎn)效率。
二、設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容、擬解決的主要問(wèn)題
主要由動(dòng)力傳動(dòng)裝置、機(jī)械手、刀夾定位塊、12 工位刀盤等組成。
1、傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)：動(dòng)力傳動(dòng)裝置主要由交流伺服電機(jī)、精密減速器、減速器座、小齒輪、齒圈等組成。電機(jī)、減速器與小齒輪直聯(lián)，并通過(guò)減速器座固定在刀庫(kù)連接板上。電機(jī)經(jīng)精密減速器降速后，帶動(dòng)齒圈，使與齒圈通過(guò)螺栓連結(jié)的12工位刀盤旋轉(zhuǎn)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)置及倍率選擇可以調(diào)整，從而獲得需要的刀盤旋轉(zhuǎn)速度。
2、械手設(shè)計(jì)：刀庫(kù)與刀架滑枕間換刀過(guò)程的送刀和取刀動(dòng)作是由機(jī)械手完成的。機(jī)械手主要由推拉油缸、導(dǎo)向桿、機(jī)械手手臂、機(jī)械手手指等部分組成。推拉油缸通過(guò)螺栓固定在連接板上。推拉油缸右端的送刀進(jìn)油口來(lái)油時(shí)，推動(dòng)活塞帶動(dòng)機(jī)械手手臂將刀架所需更換的刀夾從刀庫(kù)中送出，此時(shí)左端的取刀進(jìn)油口回油。推拉油缸左端的取刀進(jìn)油口來(lái)油時(shí)，推動(dòng)活塞帶動(dòng)機(jī)械手臂將刀架不需要的刀夾取回刀庫(kù)，此時(shí)右端的送刀進(jìn)油口回油。刀夾上有相應(yīng)的機(jī)構(gòu)，由機(jī)械手手指勾住，完成送刀、取刀的動(dòng)作。機(jī)械手手指勾住刀夾的動(dòng)作由機(jī)械手手臂中的液壓缸完成。當(dāng)機(jī)械手手指動(dòng)作，來(lái)油口來(lái)油時(shí)，液壓油經(jīng)導(dǎo)向桿內(nèi)的油孔作用于機(jī)械手手臂的小活塞上，推動(dòng)設(shè)計(jì)成杠桿機(jī)構(gòu)的手指鉤，完成勾住刀夾的動(dòng)作。手指鉤、小活塞分別由彈簧完成復(fù)位動(dòng)作。
3、在刀庫(kù)盤上的定位夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：刀夾定位夾持機(jī)構(gòu)用于支承、定位刀夾。在刀盤的每個(gè)工位上均設(shè)置兩塊刀夾定位塊，每?jī)蓧K為一組，用于支承并定位刀夾，使刀夾均勻分布在圓周上，并使之與刀盤回轉(zhuǎn)中心尺寸一致。提高換刀過(guò)程的可靠性。定位機(jī)構(gòu)是由定位銷、彈簧、絲堵、刀夾墊組成。定位靠彈簧頂住定位銷頂進(jìn)刀夾兩側(cè)的定位窩實(shí)現(xiàn)的
三、技術(shù)路線
1．了解題目、熟悉相關(guān)資料。
2．結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
3．參數(shù)的確定及計(jì)算；
4．圖紙?jiān)O(shè)計(jì)
5. 完成1.5萬(wàn)字說(shuō)明書
本設(shè)計(jì)的刀庫(kù)是儲(chǔ)備一定數(shù)量的刀具，刀具庫(kù)中的刀具主要用于對(duì)工件的切、鉆、銑、鏜等加工。刀庫(kù)主要由電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、減速器、機(jī)械手、刀盤等組成。定減速器、傳動(dòng)比。選取電動(dòng)機(jī)并且進(jìn)行齒輪強(qiáng)度校核；了解設(shè)計(jì)機(jī)械手；設(shè)計(jì)刀盤等。
四、進(jìn)度安排
1——2周：完成開(kāi)題報(bào)告；
3——6周：進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，完成整體結(jié)構(gòu)草圖；
7——13周：優(yōu)化方案，設(shè)計(jì)計(jì)算及繪制裝配圖；
14——16周：完成說(shuō)明書，最終檢查，整理資料，準(zhǔn)備答辯。
五、參考文獻(xiàn)
1.?《機(jī)械設(shè)計(jì)》??邱宣懷，高等教育出版社；
2.?《實(shí)用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》??除顥，機(jī)械設(shè)計(jì)工業(yè)出版社；
3.?《立式加工中心刀庫(kù)刀套的改進(jìn)設(shè)計(jì)》??李體仁，張淳，機(jī)械設(shè)計(jì)與制造；
4.?《盤式刀庫(kù)加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)控制》?陳芳，李繼中，機(jī)械設(shè)計(jì)與制造；
5.?《一種新型的無(wú)機(jī)械手自動(dòng)換刀裝置》??謝紅，機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程；
六、備注
指導(dǎo)教師意見(jiàn)：
簽字： 年 月 日
寧XX大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
立式車床刀具伺服刀庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)老師
年 月 日
摘 要
90年代以來(lái)，數(shù)控加工技術(shù)得到迅速的普及發(fā)展，高速加工中心作為新時(shí)代數(shù)控機(jī)床的代表，已在機(jī)床領(lǐng)域廣泛。自動(dòng)換刀刀庫(kù)的發(fā)展儼然已超越為數(shù)控加工中心配套的角色，在其特有的技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展出符合機(jī)床高精度、高效率、高可靠度及多任務(wù)復(fù)合等概念的獨(dú)特產(chǎn)品。本課題是鏈?zhǔn)降稁?kù)的總體設(shè)計(jì)、傳動(dòng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及傳動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力設(shè)計(jì)。這種刀庫(kù)在數(shù)控加工中心上應(yīng)用非常廣泛,其換刀過(guò)程簡(jiǎn)單，換刀時(shí)間短；總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，動(dòng)作準(zhǔn)確可靠；維護(hù)方便，成本低。本課題的目的就是要通過(guò)對(duì)立式車床刀庫(kù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高換刀速度，減少助助時(shí)間。
在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用了系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法，將設(shè)計(jì)看成由若干個(gè)設(shè)計(jì)要素組成的一個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)設(shè)計(jì)要素具有獨(dú)立性，各個(gè)要素間存在著有機(jī)的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設(shè)計(jì)要素結(jié)合后，即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需完成的任務(wù)。
在借鑒和參考大量有關(guān)刀庫(kù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)后，結(jié)合實(shí)際情況，決定采用鏈?zhǔn)降稁?kù)雙手式機(jī)械手換刀方案，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械原理等有關(guān)知識(shí)對(duì)立式車床刀庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用AutoCAD 2004中文版對(duì)刀庫(kù)及關(guān)鍵零件進(jìn)行繪制。
關(guān)鍵詞：加工中心；刀庫(kù)；數(shù)控加工
35
Abstract
Since the 1990s,CNC machine technology has made the rapid and universial development, as a new era of the representatives of NC machine tools. High-speed processing center has been widely used in the field of machine tools. The development of automatic Tool Chane, tool house in recent years seems to have gone beyond the NC Center for supporting the role of technology in their unique areas of development to meet the high-precision machine tools, high efficiency and reliability, and more complex tasks, such as the concept of unique products. The tool house as a processing center one of the most important part, it has a direct bearing on the development of the processing center’s development. This paper completed the overall design, transmission design, structure design and the transmission part’s movement and dynamic design of the sword library. Such a tool house in the CNC Machine Center is widely used, the tool change is simple,, tool change time is short; overall structure is simple and compact. Action is accurate and reliable; convenient maintenance and low cost.
The purpose of this project is to improve the speed of the tools change and reduce auxiliary time through the optimization design of the JCS-013 type NC horizontal boring and milling machine tool store.
In developing the design, I have adopted the systematic design method. The design is regarded as a system which is consisted of several design elements. Each design elements is in depend , but there is the organic relation between them and they are of different levels. The system can realize the required task after that all the design elements combined.
According to actual condition, I introduce the chain knife library of robot hands cutter replacement plan after referencing to the vast library mechanical structure of the sword. According to the Mechanical Design, the Mechanical Principle and other relevant knowledge, there are some designs about JCS-013 type nc horizontal boring and milling machine tool store and I have drew the key parts of library using AutoCAD 2004.
Keywords: machining center; Tool house; NC
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒 言 1
1.1本課題在國(guó)內(nèi)外的研究動(dòng)態(tài) 1
1.1.1刀庫(kù)產(chǎn)品目前的水平 2
1.1.2刀庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 2
1.1.3刀庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展方向 3
1.2課題的目的、意義和開(kāi)展研究工作的設(shè)想 3
1.2.1課題的目的 3
1.2.2開(kāi)展研究工作的設(shè)想 3
1.2.3課題設(shè)計(jì)方案的選擇和設(shè)計(jì)手段 4
第2章 刀庫(kù)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6
2.1刀庫(kù)主要設(shè)計(jì)參數(shù) 6
2.2刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的選擇 6
2.2.1刀庫(kù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TF計(jì)算 6
2.2.2確定馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù) 8
2.3齒輪設(shè)計(jì)參數(shù) 9
2.3.1 選擇齒輪材料、熱處理方法及精度等級(jí) 9
2.3.2 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒輪 9
2.3.3主要參數(shù)選擇和幾何尺寸計(jì)算 11
2.3.4 齒根校核 12
2.3.5 軸的設(shè)計(jì) 13
2.3.6滾動(dòng)軸承的選擇與校核計(jì)算 18
2.3.7 鍵聯(lián)接的選擇及其校核計(jì)算 19
第3章 鏈參數(shù)計(jì)算 22
3.1傳送鏈的設(shè)計(jì) 22
3.2鏈?zhǔn)捷S的設(shè)計(jì) 23
3.2.1 驅(qū)動(dòng)軸的設(shè)計(jì) 23
3.3軸承的選型及校核 25
3.4鏈強(qiáng)度計(jì)算 27
3.4.1 鏈傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性 27
3.4.2 鏈傳動(dòng)的動(dòng)載荷 28
3.4.3 鏈傳動(dòng)的受力分析 29
3.4.4 滾輪接觸強(qiáng)度的計(jì)算 30
第4章 刀庫(kù)準(zhǔn)停系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 31
結(jié) 論 33
參考文獻(xiàn) 34
致 謝 35
第1章 緒 言
1.1本課題在國(guó)內(nèi)外的研究動(dòng)態(tài)
隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)機(jī)床制造業(yè)既面臨著提升機(jī)械制造業(yè)水平的需求而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機(jī)，也面臨著加入WTO后激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力。從技術(shù)層面上講，加速推進(jìn)數(shù)控技術(shù)將是解決機(jī)床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵。
數(shù)控機(jī)床及由數(shù)控機(jī)床組成的制造系統(tǒng)是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、構(gòu)建數(shù)字化企業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直備受人們關(guān)注。數(shù)控機(jī)床以其卓越的柔性自動(dòng)化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，它開(kāi)創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品機(jī)電一體化發(fā)展的先河，因此數(shù)控技術(shù)成為先進(jìn)制造技術(shù)中的一項(xiàng)核心技術(shù)。另一方面，通過(guò)持續(xù)的研究，信息技術(shù)的深化應(yīng)用促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的進(jìn)一步提升【1】。
隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床品種日益增多，有車床、銑床、鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機(jī)床和電火花加工機(jī)床等。此外還有能自動(dòng)換刀、一次裝卡進(jìn)行多工序加工的加工中心、車削中心等。
數(shù)控機(jī)床主要由數(shù)控裝置、伺服機(jī)構(gòu)和機(jī)床主體組成，輸入數(shù)控裝置的程序指令記錄在信息載體上，由程序讀入裝置接收，或由數(shù)控裝置的鍵盤直接手動(dòng)輸入[2]。
隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)日益趨向于小型化和多功能化，具備完善的自診斷功能，可靠性也大大提高，數(shù)控系統(tǒng)本身將普遍實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程。
未來(lái)數(shù)控機(jī)床的類型將更加多樣化，多工序集中加工的數(shù)控機(jī)床品種越來(lái)越多；激光加工等技術(shù)將應(yīng)用在切削加工機(jī)床上，從而擴(kuò)大多工序集中的工藝范圍；數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度更加提高，并具多種監(jiān)控功能，從而形成一個(gè)柔性制造單元，更加便于納入高度自動(dòng)化的柔性制造系統(tǒng)中[3]。
數(shù)控機(jī)床為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)率，進(jìn)一步壓縮非切削時(shí)間，現(xiàn)代的機(jī)床逐步發(fā)展為在一臺(tái)機(jī)床上一次裝夾中完成多工序或全部工序的加工。數(shù)控機(jī)床為了能在工件一次裝夾中完成多個(gè)工步，以縮減輔助時(shí)間和減少多次安裝工件引起的誤差，通常帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)。對(duì)工件的多工序加工而設(shè)置的存儲(chǔ)及更換刀具的裝置稱為自動(dòng)換刀裝置（Automatic Tool Changer，ATC）；自動(dòng)換刀（Automatic Tool Change 簡(jiǎn)稱ATC）系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和換刀裝置組成。在數(shù)控鏜銑床的基礎(chǔ)上，如果再配以刀具和自動(dòng)換刀系統(tǒng)，就構(gòu)成加工中心（Machining center 簡(jiǎn)稱MC）。在這類數(shù)控機(jī)床上，自動(dòng)換刀裝置（ATC）是必不可少的[4]。例如加工中心機(jī)床又稱多工序自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床，它主要是指具有自動(dòng)換刀及自動(dòng)改變工件加工位置功能的數(shù)控機(jī)床，具有自動(dòng)換刀裝置是加工中心機(jī)床的典型特征，是多工序加工的必要條件。自動(dòng)換刀裝置的功能，對(duì)整機(jī)的加工效率有很大的影響[5]。
數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，選擇何種形式，主要取決于機(jī)床的種類、工藝范圍以及刀具的種類和數(shù)量等。本課題中的數(shù)控臥式鏜銑床將采用的是帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀形式。
1.1.1刀庫(kù)產(chǎn)品目前的水平
在此概念基礎(chǔ)下，刀庫(kù)產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)況為：
（1） 超重刀庫(kù)的發(fā)展：發(fā)展出刀鏈系統(tǒng)能承載重量70kg以上之超重刀具，擁有強(qiáng)力鎖刀裝置的穩(wěn)定刀鏈架構(gòu)，可防止重型刀具于運(yùn)轉(zhuǎn)中墜落。
（2） 高效率且定位精度的驅(qū)動(dòng)及選刀系統(tǒng)的發(fā)展：發(fā)展出高精度系統(tǒng)配置以及高質(zhì)量、高定位精度的伺服電動(dòng)機(jī)及減速器，以符合選刀迅速、換刀精確的主要性能需求。
（3） 多型式刀具容載刀庫(kù)的發(fā)展：發(fā)展出同時(shí)可容納多種型式刀具（如ISO50及ISO60）的刀鏈系統(tǒng)，也被視為是必須時(shí)常變換使用多種主軸的加工中心的必備裝置。
（4） 不同型式刀及其任意點(diǎn)換刀系統(tǒng)的發(fā)展：可以同時(shí)夾取不同型式刀具（如ISO50及ISO60），因應(yīng)需求必須有不同的刀具。為了縮短換刀時(shí)間，多點(diǎn)式或任意點(diǎn)式換刀系統(tǒng)是有必要的。
（5） 輕量化、低成本架構(gòu)刀庫(kù)的發(fā)展：發(fā)展出輕量化的塑鋼射出刀套架構(gòu)，整體重量較傳統(tǒng)刀庫(kù)減輕100kg以上，成本大幅降低的刀庫(kù)。
（6） 大型及高容量刀庫(kù)的發(fā)展：在機(jī)床多功能趨勢(shì)演化下，大量的刀具被使用在同一臺(tái)機(jī)床上，刀庫(kù)的架構(gòu)必須兼顧換刀效率及儲(chǔ)刀效能，多變的刀庫(kù)型體（可容納120/180/200把以上刀具）及多樣精密的換刀系統(tǒng)（如各種立式、臥式、立臥單點(diǎn)及多點(diǎn)式換刀系統(tǒng)），是其主要的特色[6]。
1.1.2刀庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
近年來(lái)刀庫(kù)的發(fā)展儼然已超越其為裝備的角色，在特有的技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)展出符合工具機(jī)高精度、高效能、高可靠度及多任務(wù)復(fù)合等概念產(chǎn)品，多樣化產(chǎn)品，左右工具機(jī)在生產(chǎn)效能及產(chǎn)品精度的表現(xiàn)。刀庫(kù)的容量、布局，針對(duì)不同的工具機(jī)，形式也有所不同。根據(jù)刀庫(kù)的容量、外型和取刀的方式可大概分為斗笠式刀庫(kù)、圓盤式刀庫(kù)、鏈條式刀庫(kù)[7]。其發(fā)展趨勢(shì)為：
（1）高效能的產(chǎn)品
發(fā)展符合高荷重、高容量、高速化概念的刀庫(kù)產(chǎn)品。
（2）輕量化、低成本的產(chǎn)品
發(fā)展符合重量輕、成本低概念的刀庫(kù)產(chǎn)品。
1.1.3刀庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展方向
刀庫(kù)系統(tǒng)作為自動(dòng)化加工過(guò)程中所需的儲(chǔ)刀及換刀需求的一種裝置，為數(shù)控機(jī)床縮短機(jī)床非切削時(shí)間，降低勞動(dòng)強(qiáng)度提供了必要條件，是數(shù)控機(jī)床的重要的功能部件，必將向以下幾個(gè)方向發(fā)展。一方面隨著主機(jī)的“單機(jī)多任務(wù)復(fù)合化”發(fā)展，刀庫(kù)也必將向容量大、結(jié)構(gòu)精、速度快、效率高的方向發(fā)展，以適應(yīng)主機(jī)的高轉(zhuǎn)速、高精度和強(qiáng)力切削的機(jī)械特性。此類刀庫(kù)大部分為臥式刀庫(kù)，有下面幾個(gè)特點(diǎn)：
（1） 可遠(yuǎn)距離傳輸。
（2） 換刀時(shí)可同步打刀，縮短換刀時(shí)間。
（3） 大容量且可擴(kuò)充。
（4） 高效且精準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)和選刀系統(tǒng)。
（5） 控制系統(tǒng)復(fù)雜
（6） 刀具重量大。比如適合五軸聯(lián)動(dòng)的立臥轉(zhuǎn)換伺服刀庫(kù)。而另一方面，刀庫(kù)僅作為單純的儲(chǔ)刀倉(cāng)功能存在，主軸主動(dòng)抓刀的“固定地址換刀”刀庫(kù)也是發(fā)展的方向之一，此時(shí)刀庫(kù)好比數(shù)控系統(tǒng)的一個(gè)控制軸，僅有旋轉(zhuǎn)定位功能，如立車刀庫(kù)、轉(zhuǎn)盤刀庫(kù)等[8]。
尤其以40盤式刀庫(kù)為代表，換刀速度和刀庫(kù)重量已經(jīng)成為衡量刀庫(kù)性能的主要參數(shù)之一，比如，吉輔40盤式刀庫(kù)的換刀速度1.1s，重量已經(jīng)降到295kg。
在選材上更環(huán)保，在制作過(guò)程中減少消耗，使用過(guò)程智能、安全等也是刀庫(kù)發(fā)展的方向之一。
1.2課題的目的、意義和開(kāi)展研究工作的設(shè)想
1.2.1課題的目的
未來(lái)工具機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，均以追求高速、高精度、高效率為目標(biāo)。隨著切削速度的提高，切削時(shí)間的不斷縮短，對(duì)換刀時(shí)間的要求也在逐步提高；換刀的速度已成為高等級(jí)工具機(jī)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本課題的目的就是要通過(guò)對(duì)刀庫(kù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高換刀速度，減少助助時(shí)間。
1.2.2開(kāi)展研究工作的設(shè)想
為了達(dá)到減少輔助加工時(shí)間目的，綜合考慮工具機(jī)的各方面因素，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成刀具交換一般強(qiáng)調(diào)換刀速度快的臥式機(jī)臺(tái)，皆有幾個(gè)特點(diǎn)：1.刀臂短 2.刀臂不一定成直線 3.兩刀可能互相垂直 4.凸輪箱小且可移動(dòng)。其主要目的是要讓換刀時(shí)，可動(dòng)件之轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，以達(dá)到快速換刀之目的。該技術(shù)包括刀庫(kù)的設(shè)置、換刀方式、換刀執(zhí)行機(jī)構(gòu)和適應(yīng)高速工具機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等。
（1）提高換刀速度的基本原則
工具機(jī)的換刀裝置，通常由刀庫(kù)和換刀機(jī)構(gòu)組成，有些應(yīng)用機(jī)械手臂換刀，有些換刀方式并不需要機(jī)械手臂，刀庫(kù)的形式和擺放位置也不一樣。為了適合高速運(yùn)動(dòng)的需要，高速工具機(jī)在結(jié)構(gòu)上已和傳統(tǒng)的工具機(jī)不同。以刀具運(yùn)動(dòng)進(jìn)給為主，減小運(yùn)動(dòng)工件的質(zhì)量，已成為高速工具機(jī)設(shè)計(jì)的主流。因此，設(shè)計(jì)換刀裝置時(shí)，要充分考慮到高速工具機(jī)的結(jié)構(gòu)特征[9]。
（2）提高換刀速度的主要技術(shù)方法
適合于工具機(jī)的快速自動(dòng)換刀技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面：在傳統(tǒng)自動(dòng)換刀裝置的基礎(chǔ)上提高動(dòng)作速度，或采用動(dòng)作速度更快的機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)元件。例如，機(jī)械凸輪結(jié)構(gòu)的換刀速度高于液壓和氣動(dòng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)高速工具機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)刀庫(kù)和換刀裝置的形式和位置。例如，傳統(tǒng)工具機(jī)的刀庫(kù)和換刀裝置多裝在立柱一側(cè)，在高速工具機(jī)則多為立柱移動(dòng)的進(jìn)給方式，為減輕運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量，刀庫(kù)和換刀裝置不宜再裝在立柱上。采用新方法進(jìn)行刀具快速交換，不用刀庫(kù)和機(jī)械手方式，而改用其它方式換刀。例如不用換刀，用換主軸的方法。使用適合于高速工具機(jī)的刀柄。如HSK刀柄質(zhì)量輕，裝卸刀具的行程短，可以使自動(dòng)換刀裝置的速度提高?？焖僮詣?dòng)換刀裝置采用HSK空心短錐柄刀是發(fā)展的趨勢(shì)。
1.2.3課題設(shè)計(jì)方案的選擇和設(shè)計(jì)手段
I設(shè)計(jì)方案選擇
刀庫(kù)是刀具交換系統(tǒng)的一部分，加工中心的刀具交換系統(tǒng)也稱為自動(dòng)換刀裝置（ATC）,它通常是由刀庫(kù)和機(jī)械手組成。自動(dòng)換刀裝置是加工中心不可缺少的組成部分，也是加工中心的象征，又是加工中心成敗的關(guān)鍵。
加工中心有立式、臥式、龍門式幾種，所以這些機(jī)床的刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置也是各種各樣。加工中心上的刀庫(kù)類型有鼓輪式刀庫(kù)，鏈?zhǔn)降稁?kù)，格子箱式刀庫(kù)和直線刀庫(kù)等。
（1）鼓輪式刀庫(kù)：
應(yīng)用較廣，這種刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)緊湊，但因刀具單環(huán)排列、定向利用率低，大容量刀庫(kù)的外徑較大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，選刀時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。因此這種刀庫(kù)的容量較小，一般不超過(guò)32把刀具。
（2）鏈?zhǔn)降毒?
容量較大，當(dāng)采用多環(huán)鏈?zhǔn)降稁?kù)時(shí)，刀庫(kù)的外形較緊湊，占用空間小，適合用于做大容量刀庫(kù)。在增加存儲(chǔ)刀具數(shù)目時(shí)，可增加鏈條的長(zhǎng)度，而不增加鏈輪直徑，因此，鏈輪的圓周速度不會(huì)增加，且刀庫(kù)的運(yùn)動(dòng)慣量不像鼓輪式刀庫(kù)增加的那么多。
（3）格子箱式刀庫(kù)
刀庫(kù)容量大，結(jié)構(gòu)緊湊，空間利用率高，但布局不靈活，通常將刀庫(kù)安放于工作臺(tái)上。有時(shí)甚至在使用一側(cè)的刀具時(shí)，必須更換另一側(cè)的刀座板。
（4）直線式刀庫(kù)
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，刀庫(kù)容量較小，一般用于數(shù)控車床，數(shù)控鉆床，個(gè)別加工中心也有采用。
換刀機(jī)械手分為單臂單手式，單臂雙手式和雙手式機(jī)械手。單臂單手式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，換刀時(shí)間較長(zhǎng)，適用于刀具主軸與刀庫(kù)刀套平行，刀庫(kù)刀套軸線與主軸軸線平行，以及刀庫(kù)刀套軸線與主軸軸線垂直的場(chǎng)合。單臂雙手機(jī)械手可同時(shí)抓住主軸和刀庫(kù)中的刀具，并進(jìn)行拔出、插入，換刀時(shí)間短，廣泛應(yīng)用于加工中心上的刀庫(kù)刀套軸線與主軸平行的場(chǎng)合。雙手式機(jī)械手結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，換刀時(shí)間短，這種機(jī)械手除了完成拔刀、插刀外，還起運(yùn)輸?shù)毒叩淖饔谩?
結(jié)合所給題目，初步?jīng)Q定采用鏈?zhǔn)降稁?kù)雙手式機(jī)械手換刀方案。
II設(shè)計(jì)手段
采用系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法，將設(shè)計(jì)看成由若干個(gè)設(shè)計(jì)要素組成的一個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)設(shè)計(jì)要素具有獨(dú)立性，各個(gè)要素間存在著有機(jī)的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設(shè)計(jì)要素結(jié)合后，即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需完成的任務(wù)。結(jié)合本課題實(shí)際，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械原理等有關(guān)知識(shí)對(duì)立式車床刀庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用AutoCAD 2004中文版對(duì)刀庫(kù)及關(guān)鍵零件進(jìn)行繪制。
第2章 刀庫(kù)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1刀庫(kù)主要設(shè)計(jì)參數(shù)
安裝形式：鏈?zhǔn)降稁?kù)
刀庫(kù)容量：60把
送刀方式：任意
擬定的設(shè)計(jì)參數(shù)
刀具尺寸（最大）：長(zhǎng)400毫米，直徑φ120毫米
刀具重量（Mj）：約10千克
鏈條快速移動(dòng)速度為8米/分，慢速移動(dòng)速度為0.2米/分。
2.2刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)的選擇
刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)的選擇應(yīng)同時(shí)滿足刀庫(kù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TF，和起動(dòng)時(shí)的加速轉(zhuǎn)矩TJ的要求。由于鏈條轉(zhuǎn)速很低和液壓馬達(dá)慣性小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小的特點(diǎn)，為了計(jì)算簡(jiǎn)便，在計(jì)算時(shí)，忽略起動(dòng)加速轉(zhuǎn)矩TJ，在最后結(jié)果上乘以一個(gè)工作系數(shù)。
2.2.1刀庫(kù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TF計(jì)算
鏈?zhǔn)降稁?kù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TF用來(lái)克服刀具不平衡重力FWmax和導(dǎo)向面的摩擦力F，如圖2-1所示。
FWmax ：不平衡重力；F3：摩擦力
圖2-1 鏈條受力分析圖
F1和F3是支承面的摩擦力;F2和F4則是導(dǎo)向面上因刀具下垂而引起的摩擦力。不平衡重力可按刀庫(kù)一側(cè)裝滿刀、一側(cè)不裝刀時(shí)的最大重力差值來(lái)計(jì)算。
（1）確定不平衡重力FWmax
由圖2-1知,不平衡重力
M-刀具的質(zhì)量
g-重力加速度
（2）確定摩擦力F3
(2-1)
μ——鋼與銅之間的摩擦系數(shù)，約取0.2；
N——垂直作用在導(dǎo)向面上的壓力，包括刀具、刀柄和刀座產(chǎn)生的重力，分別為Wj，Wb，Wt。
R——刀座外半徑，取50mm；
L——刀座長(zhǎng)度，取210mm。
（3）確定每排刀具負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tf
（4）確定每排刀具作用在主動(dòng)輪上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tz
(2-2)
η1——圓柱齒輪傳動(dòng)效率，取0.98；
η2——鏈傳動(dòng)效率,取0.96；
η3——深溝球軸承傳動(dòng)效率，取0.98。
（5）確定作用在液壓馬達(dá)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Ty
(2-3)
i——液壓馬達(dá)軸至刀庫(kù)軸的速比，取9；
η——傳動(dòng)效率。
考慮到實(shí)際情況比計(jì)算時(shí)所設(shè)定的條件復(fù)雜，液壓馬達(dá)額定轉(zhuǎn)矩Ts應(yīng)為負(fù)載轉(zhuǎn)矩Ty的1.5倍，即
2.2.2確定液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù)
由刀庫(kù)設(shè)計(jì)參數(shù)知，鏈條快速移動(dòng)速度為8米/分，即8000mm/min，慢速移動(dòng)速度為0.2米/分，即200mm/min。
（1）確定鏈輪周長(zhǎng)S
d=272mm（結(jié)構(gòu)參數(shù)，自己設(shè)定，圖紙表達(dá)了）
（2）確定液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速范圍
根據(jù)參數(shù)，選型為BM-R80
2.3齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)
2.3.1 選擇齒輪材料、熱處理方法及精度等級(jí)
① 齒輪材料、熱處理方法及齒面硬度
因?yàn)檩d荷中有輕微振動(dòng)，傳動(dòng)速度不高，傳動(dòng)尺寸無(wú)特殊要求，屬于一般的齒輪傳動(dòng)，故兩齒輪均可用軟齒面齒輪。查《機(jī)械基礎(chǔ)》P322表14－10，小齒輪選用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度260HBS；大齒輪選用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為220HBS。
② 精度等級(jí)初選
減速器為一般齒輪傳動(dòng)，圓周速度不會(huì)太大，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)》P145表5－7，初選8級(jí)精度。
2.3.2 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒輪
由于本設(shè)計(jì)中的減速器是軟齒面的閉式齒輪傳動(dòng)，齒輪承載能力主要由齒輪接觸疲勞強(qiáng)度決定，其設(shè)計(jì)公式為：
① 確定載荷系數(shù)K
因?yàn)樵擙X輪傳動(dòng)是軟齒面的齒輪，圓周速度也不大，精度也不高，而且齒輪相對(duì)軸承是對(duì)稱布置，根據(jù)電動(dòng)機(jī)和載荷的性質(zhì)查《機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)》P147表5－8，得K的范圍為1.4~1.6， 取K＝1.5。
② 小齒輪的轉(zhuǎn)矩
接觸疲勞許用應(yīng)力
?。┙佑|疲勞極限應(yīng)力
由《機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)》P150圖5－30中的MQ取值線，根據(jù)兩齒輪的齒面硬度，查得45鋼的調(diào)質(zhì)處理后的極限應(yīng)力為
=600MPa ， =560MPa
ⅱ）接觸疲勞壽命系數(shù)ZN
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)公式為 N=60 n jth
工作壽命每年按300天，每天工作8小時(shí)，故
th=(300×10×8)=24000h
N1=60×466.798×1×24000=6.722×108
查《機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)》P151圖5－31，且允許齒輪表面有一定的點(diǎn)蝕
ZN1=1.02 ZN2=1.15
ⅲ) 接觸疲勞強(qiáng)度的最小安全系數(shù)SHmin
查《機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)》P151表5－10，得SHmin＝1
ⅳ）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。
將以上各數(shù)值代入許用接觸應(yīng)力計(jì)算公式得
ⅴ）齒數(shù)比
因?yàn)?Z2=i Z1，所以
ⅶ）齒寬系數(shù)
由于本設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)中的齒輪為對(duì)稱布置，且為軟齒面?zhèn)鲃?dòng)，查《機(jī)械基礎(chǔ)》P326表14－12，得到齒寬系數(shù)的范圍為0.8～1.1。取。
ⅵ）計(jì)算小齒輪直徑d1
由于，故應(yīng)將代入齒面接觸疲勞設(shè)計(jì)公式，得
④ 圓周速度v
查《機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)》P145表5－7，v1<2m/s，該齒輪傳動(dòng)選用9級(jí)精度。
2.3.3主要參數(shù)選擇和幾何尺寸計(jì)算
① 齒數(shù)
對(duì)于閉式軟齒面齒輪傳動(dòng)，通常z1在20～40之間選取。為了使重合度較大，取z1＝20，則z2＝iz1＝80。使兩齒輪的齒數(shù)互為質(zhì)數(shù)，最后確定z2=81。
② 模數(shù)m
標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)應(yīng)大于或等于上式計(jì)算出的模數(shù)，查《機(jī)械基礎(chǔ)》P311表14－1，選取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=3mm。
③ 分度圓直徑d
④ 中心距a
⑤ 齒輪寬度b
大齒輪寬度
小齒輪寬度
⑥ 其他幾何尺寸的計(jì)算（，）
齒頂高 由于正常齒輪，
所以
齒根高 由于正常齒
所以
全齒高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
2.3.4 齒根校核
齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核公式為
① 齒形系數(shù)YF
根據(jù)Z1、Z2,查《機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)》P153表5－11，得YF1＝2.81，YF2＝2.24
② 彎曲疲勞許用應(yīng)力計(jì)算公式
ⅰ)彎曲疲勞極限應(yīng)力
根據(jù)大小齒輪的材料、熱處理方式和硬度，由《機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)》P154圖5－33的MQ取值線查得
，
ⅱ）彎曲疲勞壽命系數(shù)YN
根據(jù)N1=6.722>和N2=>，查《機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)》P156圖5－34得，
YN1=1 , YN2=1
ⅲ)彎曲疲勞強(qiáng)度的最小安全系數(shù)SFmin
本傳動(dòng)要求一般的可靠性，查《機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)》P151表5－10，取SFmin＝1.2。
ⅳ）彎曲疲勞許用應(yīng)力
將以上各參數(shù)代入彎曲疲勞許用應(yīng)力公式得
ⅴ）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核
因此，齒輪齒根的抗彎強(qiáng)度是安全的。
2.3.5 軸的設(shè)計(jì)
（1） 高速軸的設(shè)計(jì)
① 選擇軸的材料和熱處理
采用45鋼，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，查《機(jī)械基礎(chǔ)》P369表16－1，得其許用彎曲應(yīng)力，。
② 初步計(jì)算軸的直徑
由前計(jì)算可知：P1=2.09KW,n1=466.798r/min
其中，A取112。
考慮到有一個(gè)鍵槽，將該軸徑加大5%，則
查《機(jī)械基礎(chǔ)》P458附錄1，取d=25mm
③ 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
高速軸初步確定采用齒輪軸，即將齒輪與軸制為一體。根據(jù)軸上零件的安裝和固定要求，初步確定軸的結(jié)構(gòu)。設(shè)有7個(gè)軸段。
1段：該段是小齒輪的左軸端與帶輪連接，該軸段直徑為25mm，查《機(jī)械基礎(chǔ)》P475附錄23，取該軸伸L1＝60mm。
2段： 參考《機(jī)械基礎(chǔ)》P373，取軸肩高度h為1.5mm，則d2=d1+2h=28mm。
此軸段一部分用于裝軸承蓋，一部分伸出箱體外。
3段：此段裝軸承，取軸肩高度h為1mm，則d3=d2+2h=30mm。
選用深溝球軸承。查《機(jī)械基礎(chǔ)》P476附錄24，此處選用的軸承代號(hào)為6306，其內(nèi)徑為30mm，寬度為19 mm。為了起固定作用，此段的寬度比軸承寬度小1~2mm。取此段長(zhǎng)L3=17mm。
4段與6段：為了使齒輪與軸承不發(fā)生相互沖撞以及加工方便，齒輪與軸承之間要有一定距離，取軸肩高度為2mm，則d4=d6=d3+2h=33mm，長(zhǎng)度取5mm，則L4= L6＝5mm。
5段：：此段為齒輪軸段。由小齒輪分度圓直徑d=60mm可知，d6=60mm。因?yàn)樾↓X輪的寬度為70mm，則L5=70mm。
7段：此段裝軸承，選用的軸承與右邊的軸承一致，即d7=30mm，L7＝17mm。
由上可算出，兩軸承的跨度L＝mm
⑤ 按彎矩復(fù)合強(qiáng)度計(jì)算
A、圓周力：
B、徑向力：
?。├L制軸受力簡(jiǎn)圖
ⅱ）繪制垂直面彎矩圖
軸承支反力：
由兩邊對(duì)稱，知截面C的彎矩也對(duì)稱。截面C在垂直面彎矩為
如圖
ⅲ）繪制水平面彎矩圖
ⅳ）繪制合彎矩圖
ⅴ）繪制扭轉(zhuǎn)圖
轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的扭剪力按脈動(dòng)循環(huán)變化，取α=0.6，
ⅵ）繪制當(dāng)量彎矩圖
截面C處的當(dāng)量彎矩：
ⅶ)校核危險(xiǎn)截面C的強(qiáng)度
軸上合成彎矩最大的截面在位于齒輪輪緣的C處，W＝0.1d43
所以 軸強(qiáng)度足夠。
（2）低速軸的設(shè)計(jì)
① 選擇軸的材料和熱處理
采用45鋼，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，查《機(jī)械基礎(chǔ)》P369表16－1，得其許用彎曲應(yīng)力，。
② 初步計(jì)算軸的直徑
由前計(jì)算可知：P2=2.007KW,n2=116.700r/min
計(jì)算軸徑公式：
即：
其中，A取106。
考慮到有一個(gè)鍵槽，將該軸徑加大5%，則
查《機(jī)械基礎(chǔ)》P458附錄1，取d=30mm
③ 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)軸上零件得安裝和固定要求，并考慮配合高速軸的結(jié)構(gòu)，初步確定低速軸的結(jié)構(gòu)。設(shè)有6個(gè)軸段。
1段： 此段裝聯(lián)軸器。裝聯(lián)軸器處選用最小直徑d1=32mm，根據(jù)《機(jī)械基礎(chǔ)》P482附錄32，選用彈性套柱銷聯(lián)軸器，其軸孔直徑為32mm，軸孔長(zhǎng)度為60mm。根據(jù)聯(lián)軸器的軸孔長(zhǎng)度，又由《機(jī)械基礎(chǔ)》P475附錄23，取軸伸段（即Ⅰ段）長(zhǎng)度L1＝58mm。
2段：查《機(jī)械基礎(chǔ)》P373，取軸肩高度h為1.5mm，則d2=d1+2h=mm
此軸段一部分長(zhǎng)度用于裝軸承蓋，一部分伸出箱體外。
3段：取軸肩高度h為2.5mm，則d3=d2+2h=35+2mm。此段裝軸承與套筒。選用深溝球軸承。查機(jī)械基礎(chǔ)P476附錄24，此處選用的軸承代號(hào)為6208，其內(nèi)徑為40mm，寬度為18mm。為了起固定作用，此段的寬度比軸承寬度小1~2mm。取套筒長(zhǎng)度為10mm，則此段長(zhǎng)L3=（18-2）+10+2=28mm。
4段：此段裝齒輪，取軸肩高度h為2.5mm，則d4=d3+2h=mm。因?yàn)榇簖X輪的寬度為60mm，則L4=60-2=58mm
5段：取軸肩高度h為2.5mm，則d5=d4+2h=50mm，長(zhǎng)度與右面的套筒相同，即L5=10mm。
6段：此段裝軸承，選用的軸承與右邊的軸承一致，即d6=40mm，L6＝17mm。
由上可算出，兩軸承的跨度L＝。
④ 低速軸的軸段示意圖如下：
⑤ 按彎矩復(fù)合強(qiáng)度計(jì)算
A、圓周力：
B、徑向力：
?。┣笾Х戳AX、FBY、FAZ、FBZ
ⅱ)由兩邊對(duì)稱，知截面C的彎矩也對(duì)稱。截面C在垂直面彎矩為
受力圖：
ⅲ）截面C在水平面上彎矩為：
ⅳ）合成彎矩為：
ⅴ）轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的扭剪力按脈動(dòng)循環(huán)變化，取α=0.6，截面C處的當(dāng)量彎矩：
ⅵ)校核危險(xiǎn)截面C的強(qiáng)度
軸上合成彎矩最大的截面在位于齒輪輪緣的C處，W＝0.1d43
所以軸強(qiáng)度足夠。
2.3.6滾動(dòng)軸承的選擇與校核計(jì)算
根據(jù)《機(jī)械基礎(chǔ)》P437推薦的軸承壽命最好與減速器壽命相同，取10年，一年按300天計(jì)算， T h=(300×10×8)=24000h
（1）高速軸承的校核
選用的軸承是6306深溝型球軸承。
軸承的當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷為
由《機(jī)械基礎(chǔ)》P407表18－6查得，fd＝1.2～1.8，取fd=1.2。
因?yàn)镕a1=0N，F(xiàn)r1= 518.8N，則
查《機(jī)械基礎(chǔ)》P407表18－5得，X= 1，Y= 0 。
查《機(jī)械基礎(chǔ)》p406表18-3得：ft=1 ，
查《機(jī)械基礎(chǔ)》p405得：深溝球軸承的壽命指數(shù)為＝3 ，
Cr= 20.8KN；
則
所以預(yù)期壽命足夠，軸承符合要求。
（2）低速軸承的校核
選用6208型深溝型球軸承。
軸承的當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷為
由《機(jī)械基礎(chǔ)》P407表18－6查得，fd＝1.2～1.8，取fd=1.2。
因?yàn)镕a2=0N，F(xiàn)r2=492N，則
查《機(jī)械基礎(chǔ)》P407表18－5得，X=1 ，Y=0 。
查《機(jī)械基礎(chǔ)》p406表18-3得：ft=1 ，
查《機(jī)械基礎(chǔ)》p405得：深溝球軸承的壽命指數(shù)為＝3 ，Cr=22.8KN；
則
所以預(yù)期壽命足夠,軸承符合要求。
2.3.7 鍵聯(lián)接的選擇及其校核計(jì)算
（1）選擇鍵的類型和規(guī)格
軸上零件的周向固定選用A形普通平鍵，聯(lián)軸器選用B形普通平鍵。
① 高速軸（參考《機(jī)械基礎(chǔ)》p471、附錄17，《袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》p835、表15-12a）：根據(jù)帶輪與軸連接處的軸徑25mm，軸長(zhǎng)為60mm，查得鍵的截面尺寸b＝8mm ，h＝7mm
根據(jù)輪轂寬取鍵長(zhǎng)L＝40mm
高速齒輪是與軸共同制造，屬于齒輪軸。
② 低速軸：
根據(jù)安裝齒輪處軸徑，查得鍵的截面尺寸，根據(jù)輪轂寬取鍵長(zhǎng)。
根據(jù)安裝聯(lián)軸器處軸徑，查得鍵的截面尺寸，取鍵長(zhǎng)L=50mm。
根據(jù)輪轂寬取鍵長(zhǎng)L＝72mm（長(zhǎng)度比輪轂的長(zhǎng)度小10mm）
（2）校核鍵的強(qiáng)度
① 高速軸軸端處的鍵的校核：
鍵上所受作用力：
?。╂I的剪切強(qiáng)度
鍵的剪切強(qiáng)度足夠。
ⅱ）鍵聯(lián)接的擠壓強(qiáng)度
<
鍵聯(lián)接的擠壓強(qiáng)度足夠。
② 低速軸兩鍵的校核
A、 低速軸裝齒輪軸段的鍵的校核：
鍵上所受作用力：
?。╂I的剪切強(qiáng)度
鍵的剪切強(qiáng)度足夠。
ⅱ）鍵聯(lián)接的擠壓強(qiáng)度
鍵聯(lián)接的擠壓強(qiáng)度足夠。
B、低速軸軸端處的鍵的校核：
鍵上所受作用力 ：
?。╂I的剪切強(qiáng)度
鍵的剪切強(qiáng)度足夠。
ⅱ）鍵聯(lián)接的擠壓強(qiáng)度
鍵聯(lián)接的擠壓強(qiáng)度足夠。
第3章 鏈參數(shù)計(jì)算
3.1傳送鏈的設(shè)計(jì)
鏈傳動(dòng)是一種撓性運(yùn)動(dòng)，它由鏈條和鏈輪組成。通過(guò)鏈輪輪齒與鏈條鏈節(jié)的嚙合來(lái)傳
遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。鏈傳動(dòng)按用途不同可以分為傳動(dòng)鏈、輸送鏈和起重鏈。
圖3-1 鏈傳動(dòng)
滾子鏈的結(jié)構(gòu)如圖3-1所示：它是由內(nèi)鏈板1、外鏈板2、銷軸3、套筒4和滾子5組成。內(nèi)鏈板與套筒之間、外鏈板與銷軸之間為過(guò)盈配合，滾子與套筒之間、套筒與銷軸之間為間隙配合。當(dāng)內(nèi)、外鏈板相對(duì)撓曲時(shí)，套筒可繞銷軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。滾子是活套在套筒上的，工作時(shí)，滾子沿鏈輪齒廓滾動(dòng)，這樣就可減少齒廓的磨損。鏈的磨損主要發(fā)生在銷軸與套筒的接觸面上。因此，內(nèi)、外鏈板間應(yīng)留少許間隙，以便潤(rùn)滑油滲入銷軸和套筒的摩擦面間。
鏈板一般制成8字形，以使它的各個(gè)橫截面具有接近相等的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)也減少了鏈的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性力。
圖3-2 滾子鏈的結(jié)構(gòu)
當(dāng)傳遞大功率時(shí)，可采用雙排鏈或多排鏈。多排鏈的承載能力與排數(shù)成正比。但由于精度的影響，各排鏈承受的載荷不易均勻，故排數(shù)不宜過(guò)多。
滾子鏈的鏈節(jié)數(shù)為偶數(shù)時(shí)，接頭處可用開(kāi)口銷或彈簧卡片來(lái)固定，一般前者用于大節(jié)距，后者用于小節(jié)距；當(dāng)鏈節(jié)數(shù)為奇數(shù)時(shí)，需采用過(guò)渡鏈節(jié)。由于過(guò)渡鏈節(jié)的鏈板要受附加彎矩的作用，所以在一般情況下最好不用奇數(shù)鏈節(jié)。
3.2鏈?zhǔn)捷S的設(shè)計(jì)
3.2.1 驅(qū)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)
圖3-4驅(qū)動(dòng)軸受力分析圖
由靜力平衡方程
求得支反力為
以梁的左端為坐標(biāo)原點(diǎn)，選取坐標(biāo)系如圖4.9a所示。集中力F作用于C點(diǎn)，梁在AC和CB兩段內(nèi)的剪力或彎矩不能用同一方程式來(lái)表示，應(yīng)分段考慮。在AC段內(nèi)取距原點(diǎn)為x的任意截面，截面以左只有外力，根據(jù)剪力和彎矩的計(jì)算方法和符號(hào)規(guī)則，求得這一截面上的和M分別為
（a）
(b)
這就是在AC段內(nèi)的剪力方程和彎矩方程。如在CB段內(nèi)取距左端為x的任意截面，則截面以左右和F兩個(gè)外力，截面上的剪力和彎矩是
(c)
(d)
當(dāng)然，如用截面右側(cè)的外力來(lái)計(jì)算會(huì)得到相同的結(jié)果。
由(a)式可知，在AC段內(nèi)梁的任意截面上的剪力皆為常數(shù)，且符號(hào)為正，所以在AC段(0
10r／min),可按基本額定動(dòng)載荷計(jì)算值選擇軸承，然后校核其額定靜載荷是否滿足要求。當(dāng)軸承可靠性為90％、軸承材料為常規(guī)材料并在常規(guī)條件下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，取500h作為額定壽命的基準(zhǔn)，同時(shí)考慮溫度、振動(dòng)、沖擊等變化，則軸承基本額定動(dòng)載荷可按下式進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。
C——基本額定動(dòng)載荷計(jì)算值，N；
P——當(dāng)量動(dòng)載荷，N；
fh——壽命因數(shù)；1
fn——速度因數(shù)；0.822
fm——力矩載荷因數(shù)，力矩載荷較小時(shí)取1.5，較大時(shí)取2；
fd——沖擊載荷因數(shù)；1.5
fT——溫度因數(shù)；1
CT——軸承尺寸及性能表中所列徑向基本額定動(dòng)載荷，N；
查表得，fh=1；fn=0.822；fm=1.5；fd=1.5；fT=1。
在本輸送裝置中，可以假設(shè)軸承只承受徑向載荷，則當(dāng)量動(dòng)載荷為：
P=XFr+YFa
查文獻(xiàn)[3]的表6-2-18，得，X=1，Y=0；
所以，P=Fr=1128N。由以上可得：
本輸送機(jī)中的軸承承受的載荷多為徑向載荷，所以選取深溝球軸承，查文獻(xiàn)的附表，并考慮軸的外徑，選取軸承6305-RZ，其具體參數(shù)為：內(nèi)徑d=25mm，外徑D=62mm，基本額定載荷，基本額定靜載荷，極限速度為10000r/min，質(zhì)量為0.219kg。
然后校核該軸承的額定靜載荷。額定靜載荷的計(jì)算公式為：
式中：
——基本額定靜載荷計(jì)算值，N;
——當(dāng)量靜載荷，N；
——安全因數(shù);
——軸承尺寸及性能表中所列徑向基本額定靜載荷，
查文獻(xiàn)[3]的表6-2-14知，對(duì)于深溝球軸承，其當(dāng)量靜載荷等于徑向載荷。
查文獻(xiàn)[3]的表6-2-14知，安全系數(shù)
則軸承的基本額定靜載荷為：
由上式可知，選取的軸承符合要求
3.4鏈強(qiáng)度計(jì)算
3.4.1 鏈傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性
由于鏈?zhǔn)怯蓜傂枣湽?jié)通過(guò)銷軸鉸接而成，當(dāng)鏈繞在鏈輪上時(shí)，其鏈節(jié)與相應(yīng)的輪齒嚙合后，這一段鏈條將曲折成正多邊形的一部分。該正多邊形的邊長(zhǎng)等于鏈條的節(jié)距p，邊數(shù)等于鏈輪齒數(shù)z，鏈輪每轉(zhuǎn)過(guò)一圈，鏈條走過(guò)zp長(zhǎng)，所以鏈的平均速度v為
==
式中： 、——分別為主、從動(dòng)鏈輪的齒數(shù)；
、——分別為主、從動(dòng)鏈輪的轉(zhuǎn)速，r/min。
鏈傳動(dòng)的平均傳動(dòng)比
因?yàn)殒渹鲃?dòng)為嚙合傳動(dòng)，鏈條和鏈輪之間沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，所以平均鏈速和平均傳動(dòng)比都是常數(shù)。但是，仔細(xì)考察絞鏈鏈節(jié)隨同鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程就會(huì)發(fā)現(xiàn)，鏈傳動(dòng)的瞬間傳動(dòng)比和鏈速并非常數(shù)我們知道，鏈條由剛性鏈板通過(guò)鉸鏈連接而成。當(dāng)鏈條繞在鏈輪上時(shí)，其形狀如圖所示：
在主動(dòng)鏈輪上，鉸鏈A正在牽引鏈條沿直線運(yùn)動(dòng)，繞在主動(dòng)鏈輪上的其他鉸鏈并不直接牽引鏈條，因此，鏈條的運(yùn)動(dòng)速度完全有鉸鏈A的運(yùn)動(dòng)所決定。鉸鏈A隨同主動(dòng)鏈輪運(yùn)動(dòng)的線速度方垂直于AO，與鏈直線運(yùn)動(dòng)方向的夾角為。因此，鉸鏈A實(shí)際用于牽引鏈條運(yùn)動(dòng)的速度為
式中。為主動(dòng)鏈輪的分度圓半徑，m。因?yàn)槭亲兓?，所以即使主?dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速恒定，鏈條的運(yùn)動(dòng)速度也是變化的。當(dāng)=時(shí)，鏈速最低；當(dāng)=0，鏈速最高，是主動(dòng)鏈輪上的一個(gè)鏈節(jié)所對(duì)的中心角。鏈速的變化呈周期性，鏈輪轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)鏈節(jié)，對(duì)應(yīng)鏈速變化的一個(gè)周期。鏈速變化的程度與主動(dòng)鏈輪的轉(zhuǎn)速和齒數(shù)有關(guān)。轉(zhuǎn)速越高、齒數(shù)越少，則鏈速變化范圍越大。
在鏈速變化的同時(shí)，鉸鏈A還帶動(dòng)鏈條上下運(yùn)動(dòng)，其上下運(yùn)動(dòng)的鏈速 也是隨鏈節(jié)呈周期性變化的。
在主動(dòng)鏈輪牽引鏈條變速運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，從動(dòng)鏈輪上也發(fā)生著類似的過(guò)程。從動(dòng)鏈輪上的鉸鏈C正在被直線鏈條拉動(dòng)，并由此帶動(dòng)從動(dòng)鏈輪以轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)殒溗俜较蚺c鉸鏈的C的線速度方向之間的夾角為，所以鉸鏈C沿圓周方向運(yùn)動(dòng)的線速度為
式中，為從動(dòng)鏈輪的分度圓半徑，
由此可知從動(dòng)鏈輪的轉(zhuǎn)速為
在傳動(dòng)過(guò)程中因?yàn)樵趦?nèi)不斷變化，加上也是不斷變化，多以即使是常數(shù)，也是周期性變化的。
從上式中可得鏈傳動(dòng)的瞬時(shí)傳動(dòng)比為
可見(jiàn)鏈傳動(dòng)的瞬時(shí)傳動(dòng)比是變化的。鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)比變化與鏈條繞在鏈輪上的多邊形特征有關(guān)，故以上現(xiàn)象稱為鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)。
3.4.2 鏈傳動(dòng)的動(dòng)載荷
鏈傳動(dòng)在工作過(guò)程中，鏈速和主從鏈輪的轉(zhuǎn)速都是變化的，因而會(huì)引起變化的慣性力及相應(yīng)的動(dòng)載荷。
鏈速變化引起的慣性力為=ma
式中：—緊邊鏈條的質(zhì)量，kg;
—鏈條變速運(yùn)動(dòng)的加速度，/。
如果視主動(dòng)鏈輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，則
當(dāng)時(shí),
(
從動(dòng)鏈輪因角加速度引起的慣性力為
式中：J—從動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化到從動(dòng)鏈輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，;
—從動(dòng)鏈輪的角速度，rad/s.
鏈輪的轉(zhuǎn)速越高，節(jié)距越大，齒數(shù)越少，則慣性力就越大，相應(yīng)的動(dòng)載荷也就越大。同時(shí)，鏈條沿垂直方向也在做變速運(yùn)動(dòng)，也會(huì)產(chǎn)生一定的動(dòng)載荷。
此外，鏈節(jié)和鏈輪嚙合瞬間的相對(duì)速度，也將引起沖擊和振動(dòng)，當(dāng)鏈節(jié)和鏈輪輪齒接觸的瞬間，因鏈節(jié)的運(yùn)動(dòng)速度和鏈輪輪齒的運(yùn)動(dòng)速度在大小和方向上的差別，從而產(chǎn)生沖擊和附加的動(dòng)載荷。顯然，節(jié)距越大，鏈輪的轉(zhuǎn)速越高，則沖擊越嚴(yán)重。
3.4.3 鏈傳動(dòng)的受力分析
鏈傳動(dòng)在安裝時(shí)，應(yīng)使鏈條受到一定的張緊力。張緊力是通過(guò)使鏈條保持適當(dāng)?shù)拇苟人a(chǎn)生的懸垂拉力來(lái)獲得的。鏈傳動(dòng)張緊的目的主要是使松邊不致過(guò)松，以免出現(xiàn)鏈條的不正常嚙合、跳齒或脫鏈。因?yàn)殒渹鲃?dòng)為嚙合傳動(dòng)，所以與帶傳動(dòng)相比，鏈傳動(dòng)所需的張緊力要小得多。
鏈傳動(dòng)在工作時(shí)，存在緊邊拉力和松邊拉力。如果不計(jì)傳動(dòng)中的動(dòng)載荷，則緊邊拉力和松邊拉力分別為
式中： F— 有效圓周力，N;
F— 離心力引起的拉力，N；
F— 懸垂拉力，N。
有效圓周力為
式中： P— 傳動(dòng)的功率，kW；
V — 鏈速，m/s。
離心力引起的拉力為
式中： q為鏈條單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，kg/m。懸垂拉力Ff為
Ff=max(Ff,Ff)
其中：Ff =Kfqa Ff =(Kf+sina)qa
式中：—鏈傳動(dòng)的中心距，mm
Kf——垂度系數(shù)，見(jiàn)下圖。圖中f為下垂度，為中心線與水平面夾角。
圖3-11 懸垂拉力
3.4.4 滾輪接觸強(qiáng)度的計(jì)算
機(jī)械中各零件之間力的傳遞，總是通過(guò)兩零件的接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)的。除了共形面相接觸的情況外大量存在著異形曲面相接觸的情況。這些異形曲面在未受外力時(shí)的初始接觸情況，不外乎是點(diǎn)接觸和面接觸兩種。
已知的原始條件有：
軌道的材料: Q235-A =235Mpa =440Mpa E=206Gpa
橇體重G=250kg 工件重G=650kg 每輪載荷F=2256.3N 走輪直徑D=125mm
走輪有效踏面長(zhǎng)L=4800mm
根據(jù)計(jì)算公式Pmax=0.418SQRT(F/LE/R)
由上面的計(jì)算可知P0.418
=0.52Mpa
第4章 刀庫(kù)準(zhǔn)停系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
為了確保刀座不能準(zhǔn)確地停在換刀位置上，需要采取如下措施：（1）刀座的精確定位是靠裝在Ⅰ軸上的定位嚙合牙嵌式電磁離合器M實(shí)現(xiàn)的，如3-1所示。離合器的磁軛和銜鐵的齒面是不等分的，每間隔不同齒數(shù)有一個(gè)寬平齒，銜鐵和磁軛只有在一個(gè)位置上才能嚙合。磁軛固定在刀庫(kù)法蘭盤上，銜鐵隨Ⅰ軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通電后，銜鐵轉(zhuǎn)到固定位置與磁軛嚙合，使Ⅰ軸每次停在固定的方位上，保證了每個(gè)刀座的正確定位，如圖3-2所示。為了保證刀座的準(zhǔn)停精度和刀座定位的剛性，鏈?zhǔn)降稁?kù)的換刀位置設(shè)在主動(dòng)鏈輪上。
如果刀座不能準(zhǔn)確地停在換刀位置上，將會(huì)使換刀機(jī)械手抓刀不住，以致在換刀時(shí)容易發(fā)生掉刀現(xiàn)象。因此，刀座的準(zhǔn)停問(wèn)題，將是影響換刀動(dòng)作可靠性的重要因素之一。
圖3-2磁軛（左）、銜鐵（右）零件圖
（2）鏈?zhǔn)降稁?kù)要選用節(jié)距精度較高的套筒滾子鏈和鏈輪，該設(shè)計(jì)選用的是鏈號(hào)為20A的鏈條。
（3）盡量減少刀座孔徑和軸向尺寸的分散度，以保證刀柄槽在換刀位置上的軸向位置精度。
（4）要消除反向間隙的影響。刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)鏈，必然會(huì)有傳動(dòng)間隙，且這種間隙還隨機(jī)械磨損