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畢業(yè)設計（論文）任務書
機電工程學院 學院 機械設計制造及其自動化 專業(yè)
設計（論文）題目 鏈式刀具庫總成及控制系統(tǒng)設計
學 生 姓 名
班 級
起 止 日 期
指 導 教 師
教研室主任
發(fā)任務書日期 年 月 日
1.畢業(yè)設計的背景：
機床原來的刀庫控制程序是單獨設計的，沒有采用刀具管理系統(tǒng)，功能也比較單
一，只實現(xiàn)了刀庫刀具的找刀、刀庫最短路徑定位、主軸換刀，而且不支持大型刀具。
在刀庫自動選刀方面，在計算機記憶式選刀的基礎上采用了西門子840D特色功能，
使選刀程序更簡潔，并完成空刀套的查找。刀庫快速換刀利用STEP一7完成編程，
并在實際中得到驗證。在刀庫定位問題上，PLC程序控制采用模塊化設計方法，這對
今后生產(chǎn)類似機床將十分有利，很容易將其利用到其他機床上。自動換刀系統(tǒng)將以較
快的速度增長，縮短換刀時間，提高刀具的定位精度是重要的手段，有利于數(shù)控技術
的發(fā)展。
2.畢業(yè)設計(論文)的內(nèi)容和要求：
加工中心可以對零件進行多種形式的加工，其刀具庫可提供多種刀具以供選用，
本課題設計的刀具庫可以容納32把刀具，根據(jù)加工心的加工數(shù)控程序要求，刀具庫
可以自動把所需刀具送到加工中心換刀機械手位置。要求刀具庫在送刀時選最便捷路
徑送刀。
3.主要參考文獻：
[1]吳登橋、單寶忠、王義行，HP型鏈條及鏈式刀庫機械傳動系統(tǒng)設計。
[2]吳蹤澤、羅圣國.機械課程設計手冊[M]。
[3]楊黎明、楊志勤，機構選型與運動設計。
[4]朱龍根.簡明機械零件設計手冊。
[5]邱宣懷.機械設計[M]。
[6]徐圣群. 簡明機械加工工藝手冊[M]。
[7]艾興、肖詩綱.切削用量手冊[M]。
[8]郁漢琪.機床電氣及可編程控制器實驗、課程設計指導書[M]。
4.畢業(yè)設計(論文)進度計劃(以周為單位)：
起 止 日 期
工 作 內(nèi) 容
備 注
第1周
第2周
第3周
第4周
第5周
第6周
第7周
第8周
第9周
第10周
第11周
第12周
第13周
第14周
第15周
第16周
《中型加工中心刀具系統(tǒng)》進行相關調(diào)研，寫出調(diào)研報告。
確定自己的設計方案，畫出工作原理圖。
根據(jù)設計方案和設計要求進行有關計算。
根據(jù)設計方案和設計要求進行有關計算。
繪制刀具庫總裝配圖（機械部分）
繪制刀具庫總裝配圖（機械部分）
根據(jù)自己設計的刀具庫總裝配圖，繪制指導老師指定零件的零件圖。
編制自己設計的零件的加工工藝規(guī)程。
編制自己設計的零件的加工工藝規(guī)程。
某道工序工裝設計。
某道工序工裝設計。
繪制零件的機械加工工藝過程卡片。
進行控制系統(tǒng)部分的設計，繪制電氣接線圖及PLC程序圖。
進行控制系統(tǒng)部分的設計，繪制電氣接線圖及PLC程序圖。
編寫設計說明書。
準備答辯。
教研室審查意見：
室主任
年 月 日
學院審查意見：
教學院長
年 月 日
附錄
英文
中文翻譯
開發(fā)后置三種類型的五軸聯(lián)動機床
摘要:本文提出了一種后處理能力轉化刀具的位置（氯離子）大壩，以機械控制的數(shù)據(jù)為典型的5軸機床工具，以建立一個之間的接口，電腦輔助制造（ CAM ）系統(tǒng)和數(shù)控控制（ NC ）進行儀器，分析方程，為數(shù)控數(shù)據(jù)，得到了使用齊次坐標矩陣和逆運動學。此外，該發(fā)達的后處理方法是通過一個測量儀對5軸機床的驗證坐標測量。實驗結果證實有效，建議后處理方法可以被用來整合各種五軸聯(lián)動機床受聘于制造系統(tǒng)。
關鍵詞 坐標變換矩陣；刀具的位置數(shù)據(jù)；五軸聯(lián)動機器；數(shù)控編程
1導言
自由曲面（或曲面）已經(jīng)找到了廣泛的工業(yè)應用，如在汽車機構，船體航天部分。模具或沖壓模具用于創(chuàng)建這樣一個部分，通常是加工使用數(shù)控（數(shù)控）機床。傳統(tǒng)方式加工的自由曲面是用3軸機床與球頭軋機。3軸機床不能改變的工具方向，因此5軸機床是介紹定切削刀具在適當?shù)姆较颍咝实臋C器。與日新月異的計算機技術， commercial CAD / CAM系統(tǒng)的設計可以自由曲面和產(chǎn)生，無論是3軸或5軸刀具路徑。刀具位置（氯離子）的數(shù)據(jù)，組成的刀具尖端的地位和工具的方向，便可以直接獲得由民航處模型的產(chǎn)品設計創(chuàng)造了在CAD / CAM系統(tǒng)。然而，困難，經(jīng)常出現(xiàn)在溝通該CAM系統(tǒng)和數(shù)控機床的，尤其是當各種機床是受雇于CAM系統(tǒng)。界面鏈接該CAM系統(tǒng)和數(shù)控機床是所謂后處理器轉換多款數(shù)據(jù)機的代碼?；旧喜煌M合機床的控制單元，需要不同的后處理器。因此，制造系統(tǒng)與各種機床需要若干后處理器。各種研究解決問題的發(fā)展后處理器的機床。貝迪和維氏制定了一個后處理程序法努克機工具。巴拉吉介紹了制定和實施一個后處理轉換成源代碼機器代碼格式。林和朱推導出數(shù)控數(shù)據(jù)機床制造凸輪與菲亞特-面對追隨者用改進的代碼。但是，上述工程不僅關系到3軸加工。此外，由于工具軸取向，這是一個固定為三軸機床轉型，由氯離子數(shù)據(jù)，以數(shù)控數(shù)據(jù)很簡單，沒有額外的坐標變換技術是美國履行其工業(yè)界的需求，為品種和幾何精度高，使用多軸加工有所增加，特別是加工雕塑表面。徐和李開發(fā)了4軸CAM系統(tǒng)包括多款數(shù)據(jù)生成和后處理。用克沖浪的方法界定和復合機曲率表面上三，四和五軸機床。竹內(nèi)和渡邊提出了五軸聯(lián)動控制碰撞-免費工具，路徑和后處理的方法有兩種機器配置。坂本和稻崎分類配置的5軸機床工具分為3類。不過，分析數(shù)控數(shù)據(jù)的表達是不具備的上述工程。林仔最近使用的生署符號生成1數(shù)控數(shù)據(jù)方程的加工空間凸輪上一個四人軸機床。介紹技術加工球面。在他們的工作，理想的數(shù)控數(shù)據(jù)導出只有一個配置5軸機床。與此同時，饒等人。發(fā)展主要軸的方法，以機復雜曲面上二配置的5軸機器。不過，只有旋轉運動的決心。平移搬遷為機床沒有進行調(diào)查。既然有可能有相當數(shù)量的組合，五軸聯(lián)動機床配置，后處理將不可避免地發(fā)展個體。不過，根據(jù)該分類所提出的坂本和稻崎，5軸機床的結構可分為三種基本類型。沒有上述研究已推導完整的分析方程的數(shù)控數(shù)據(jù)，其中包含三個直線運動和兩輪轉動的議案。這項工作旨在建立一個后置三種五軸聯(lián)動數(shù)控機床的基礎上，齊次坐標變換矩陣。分析方程的數(shù)控數(shù)據(jù)可以得到等同的形式，塑造函數(shù)矩陣與已知的氯離子數(shù)據(jù)和解決的同時代數(shù)方程。此外，機床的設置程序和的特點，為不同的配置進行了討論。以驗證的正確性和有效性發(fā)達后處理，設計Bezier曲面是加工模型材料的一個典型的五軸聯(lián)動加工中心和然后來衡量坐標測量機（ CMM ）的。
2運動學模型
機床是鉸接式開放鏈串聯(lián)聯(lián)系接頭。關節(jié)可被旋轉或棱柱。驅(qū)動一個旋轉的聯(lián)合旋轉的聯(lián)系，對聯(lián)合軸而驅(qū)動一個棱柱聯(lián)合的鏈接沿聯(lián)合軸。要適當?shù)乜刂频匚缓头较?，刀具和機床，模型建立的數(shù)學描述的幾何形狀和運動的機床是必需的。 denavit和hartenberg首先介紹了空間轉換接連兩次的聯(lián)系坐標系統(tǒng)使用4 × 4齊次坐標變換矩陣。這是一個傳統(tǒng)的模擬技術用于機制，機器人技術，誤差分析與計算機編程。在本文中，四個基本變換矩陣使用他們的介紹。他們可以表述如下
（a，b，c）意味著翻譯所提供的載體ai+bj+ck ，和Rot（X，θ），Rot（Y，θ） ，Rot（ Z，θ）暗示輪換θ關于x ， y和z坐標軸，分別為“ C ”和“ S ”型是指余弦和正弦職能?？臻g轉型，從一個坐標系統(tǒng)，以另一個坐標系統(tǒng)，因此可以分解相結合的根本轉變矩陣。
3定義中CL數(shù)據(jù)五軸聯(lián)動
加工刀具的位置數(shù)據(jù)為5軸銑削組成的位置和方向的刀具與加工工件坐標系，顯示在圖1。在這方面的文件，這一點的矢量為，和載體形式，是用來代表方向齊次坐標；標“ T ”型是指該換位矩陣。這值得一提的是顯著刀具的立場是定義為刀具中心的提示，而不是刀具的接觸點。對于給定的參數(shù)化設計，表面加工利用5軸銑削與一般性的切割工具的定義按照DIN 66215凡任何一點的刀具可以被界定為聯(lián)絡點，適當?shù)亩嗫顢?shù)據(jù)才能確定由微分幾何和齊次坐標變換矩陣。
4后置5軸加工
流動注射化學發(fā)光的檔案，一旦取得，應轉化為參考的投入（即三直線運動加兩輪轉動議案）利用逆運動學轉化為協(xié)商的5軸機床。這是眾所周知的翻譯作為翻譯軟件是所謂的逆運動學的意思。
圖1幾何定義多款數(shù)據(jù)
圖2配置三種五軸聯(lián)動加工中心 (a)表傾斜類型，
（b）主軸傾斜類型，（c）表/主軸傾斜類型
逆運動學轉型取決于對幾何結構的5軸機床使用。理論上，用很多的組合來產(chǎn)生5軸機床的配置。然而，在實踐中，配置可分為三種基本類型，根據(jù)軸向分布的兩個旋轉運動單位[6，7] ：
1 、表傾斜與二輪調(diào)，放在表上。
2 、主軸傾斜與二輪調(diào)，對主軸。
3 、表/主軸傾斜與一輪換，每個表和主軸。
該后置5軸加工介紹了在這文件是適用于上述三種類型。此外，運動學結構在圖（2a）至（2c），是挑選的開始推導程序。此外，兩個旋轉軸假定不斷交叉與對方表傾斜的類型和主軸傾斜類型的配置簡化的提法。一般而言，加工工件對數(shù)控機根據(jù)一項計劃的一部分，坐標系統(tǒng)和一軸指定系統(tǒng)首先必須確定。此外，三線性垂直軸（X ，Y，Z）的，數(shù)控機床工具可能涉及扶輪社的議案，圍繞旋轉軸，其中所指定的字符A ，B和C的說明扶輪的議案，周圍的X，Y和Z軸。因此，5軸機床配置在圖2(a)~ 2(c)能的特點是（X ，Y ，Z，A，c）和（X ，Y ，Z，A，B） 。所有的動作，應交由程序坐標系統(tǒng)，例如：該G54 - G59代碼是用來定義程序坐標系統(tǒng)，在Fanuc的控制器。大多數(shù)情況下，程序坐標系統(tǒng)是吻合工件坐標系統(tǒng)和應用，因此在這文件。
4、1表傾斜類型
關于表傾斜類型，圖3描繪有關奈特系統(tǒng) 。坐標系統(tǒng)和是重視工件和刀具。該支點R是相交的兩個旋轉軸。偏移向量所確定的，從低點， R是所需的坐標變換。
圖3坐標系統(tǒng)表傾斜型的配置
自從他的結構要素的機床，構成一個扶輪社能，線性表，機床床身，主軸和刀具，他發(fā)電的議案，機床，它決定他設計的特點，為機床和轉介作為形式塑造功能，可特色序列從工件和截至切割。為機床配置圖中顯示。他連續(xù)結構要素可以說是根據(jù)圖4，因此，相對方位刀具與尊重到工件坐標系能夠確定乘以相應的基地在變換矩陣系列，應一律平等，以他已知的氯離子數(shù)據(jù)， [0]噸和[1]。數(shù)學表達式是描述如下：
凡政治部和 ?的旋轉角度約的X和Z軸，分別和積極的輪換是在方向推進右手邊的螺釘在+X和+ Z軸的方向。，，是翻譯的相對距離分別為X ，Y和z表。乘以方程（5）及（6），收益率：
圖4 關系的結構性要素表傾斜式協(xié)商成形
從上述方程，轉角（，）和相對翻譯的距離內(nèi)（，，）都可以得到解決。另一方面的X ，Y ，Z值的數(shù)控數(shù)據(jù)在程控明，得到了利用方程（6）的條件下，== 0 ，和=，以來，該計劃坐標系統(tǒng)是同步與工件坐標制度。這導致了：
因此，理想的方程為數(shù)控數(shù)據(jù)這一配置可表示為如下：
凡arctan2 （y，x）是函數(shù)返回的角度，在距離五瓦特通過審查的跡象，雙方的Y和x[12] 。
4、2主軸傾斜類型
主軸傾斜類型為主軸的傾斜式配置，二旋轉軸（A和B軸）是適用于主軸（圖2b）條，使該支點住宅（圖五）是選定要的交叉口，這些兩條軸線上。此外，由于主軸將輪流在加工，有效的工具L1，確定從該支點R以刀具中心或提示，是需要數(shù)控機床數(shù)據(jù)的推導。同樣的坐標變換程序，類似的表型傾斜配置，導致到下面的方程：
因此，分析方程，為數(shù)控數(shù)據(jù)可得到求解（15）-（17） ：
圖5坐標系統(tǒng)的主軸-累型配置 圖6坐標系統(tǒng)表/主軸傾斜型的配置
4、3表/主軸傾斜類型
在該案件此配置，有一個旋轉軸就扶輪表和主軸，以及樞軸點位分別對A和B軸。顯示在圖6，支點類是位于A軸任意，和支點經(jīng)常預算是選擇要相交的主軸擺式軸（二軸）和刀具的軸。偏移向量是計算從?有效的工具，是距離之間的支點和刀具中心。同樣地之前，下列方程可以得到利用坐標變換矩陣：
再次，通過求解方程（23）-（25），分析方程的數(shù)控數(shù)據(jù)，這臺機器的配置可以表現(xiàn)為：
5討論
從推導描述在前面的章節(jié)，有些調(diào)查結果可以說明如下：
1、如果有一個旋轉運動對扶輪表（如表傾斜的類型和表/主軸傾斜型），抵銷載體相關工件的起源與樞軸點必須確定由式觸摸傳感器的工具后，工件已夾緊夾具上就座。
2、當旋轉運動，是適用于主軸（如主軸傾斜的類型和表/主軸傾斜型），有效的工具，這是長度之間的距離樞軸點和刀具秘訣中心和可以考慮作為總擺動半徑為工具提示，應加以衡量。
該工具單位是用來測量距離，這是所謂的一套長度，從搜集到的飛機尖端的工具，顯示在圖7 。壓力計的飛機是在特定直徑的錐柄，以確保所有工具融入了同樣的立場，在主軸的鼻子。那么，有效的工具，長度可以計算出加入設置長度和距離，這是一個常數(shù)值由機嘟嘟制造，從主軸的鼻子該支點。
3、該支點的定義是相交的兩個旋轉軸。不過，對于表/主軸傾斜協(xié)商成形，旋轉軸不相交，在太空中。同樣地如前所述，支點為轉臺可以任意選定的旋轉軸。這個現(xiàn)象可以解釋為觀察數(shù)控數(shù)據(jù)表達的方程（28）-（30），由于這些方程是獨立的值。
6 執(zhí)行和核查
6、1實驗實施
以驗證的可行性，所提出的后處理方法，測量儀實驗進行了一張表/主軸傾斜5軸加工中心在國家成大大學。數(shù)控加工的數(shù)據(jù)涉及的條款都抵消了矢量和有效的工具，長度為此配置。 1 Bezier曲面與4 × 4控制點矩陣所給予的：
（-20，-40，0） （0，-40，10） （20，-40，10） （40，-40，0）
（-20，-20，0） （0，-20，10） （20，-20，10） （40，-20，0）
（-20，0，0） （0，0，10） （20，0，10） （40，0，0）
（-20，20，0） （0，20，10） （20，20，10） （40，20，0）
是加工。在這個文件中，刀具軌跡生成是基于對等參方法與球頭立銑刀，其刀具的方向，假設為正常的聯(lián)絡點的表面。在數(shù)學方面，Bezier曲面可表示為，其中和是獨立的參數(shù)[15]。等參步長的定義是投入增量的變化在每個參數(shù)。一旦和參數(shù)已經(jīng)明確，這點可以加以界定表面上，并用來作為刀位點，同時，刀具的方向可以計算用微分幾何[15] ：
因此，完整的CL數(shù)據(jù)等參工具路徑才能確定。AC程序是用來產(chǎn)生流動注射化學發(fā)光的數(shù)據(jù)和轉換多款數(shù)據(jù)機控制數(shù)據(jù)（ NC代碼）使用的建議后處理的方法。那個試點已削減的基礎上進行以下實驗條件：
1、直徑的球頭立銑刀是10的mm 。
2、該主軸轉速是500轉，和進給速度是200mm/min。
3、逐步超過該工具的路徑是0.5毫米。
4、偏移向量=0，=-10.0mm和=-25.0mm。
5 、有效的工具的長度=409.571mm。
6 、工件材料是丙烯酸樹脂。
6、2 CMM的核查
成品的一部分（圖9）是根據(jù)（模型bhn710）CMM的構成一橋型的主體和個人電腦。在實際測量，16套典型測量數(shù)據(jù)（見圖10）所采取的三坐標測量機使用2毫米，直徑雷尼紹pH值-9輕觸式觸發(fā)探頭。那個觸摸式觸發(fā)探頭，可以驅(qū)動對部分沿正常的方向發(fā)展。外界的指導點和內(nèi)指南點（圖11）產(chǎn)生的根據(jù)，表面上正常向量所得的方程（31）。探測路徑可以表示在條款的具體數(shù)控代碼和發(fā)送到的CNC控制器。同時，加工測量行動中，最初探針移動到指定點以外的指南很快。其次，探針移動到里面，慢慢引導點直到它觸及表面點。一測點與位置坐標探頭球中心是收集和保存在一個檔案。累積數(shù)據(jù)補償，抵銷了探針中心的協(xié)調(diào)與半徑的探頭球沿黨內(nèi)正常的方向表面。比較實測樣本點與設計是表面所顯示的圖12 。這個數(shù)字表明，最大偏差的加工表面相比，設計，表面上是0.02mm 。這些結果表明，所建議的后處理方法是非常有效和可靠的。
圖7定長度的刀具 圖8加工由表/主軸傾斜類型的加工中心
圖9測量加工工件的CMM 圖10檢查要點，供加工表面
圖11內(nèi)外指南點為探針 圖12尺寸誤差
7結論
本文介紹的分析方法，以發(fā)展后置三種典型的五軸聯(lián)動機床，形式塑造功能是源自根據(jù)均相坐標變換矩陣。完整的分析方程式籌措的數(shù)控數(shù)據(jù)得到等同的形式塑造功能和氯離子的數(shù)據(jù)。執(zhí)行與測量儀5軸加工中心和核查對三坐標測量機證實，擬議的后處理方法是可靠的。此外，為了整合各種配置五軸機床，發(fā)展一個籠統(tǒng)的后處理方法是在目前的進展情況。
70
畢業(yè)設計（論文）開題報告
課 題 名 稱： 鏈式刀具庫總成及控制系統(tǒng)設計
學 生 姓 名：
指 導 教 師：
所 在 學 院：
專 業(yè) 名 稱：
說 明
1．根據(jù)《徐州工程學院畢業(yè)設計(論文)管理規(guī)定》，學生必須撰寫《畢業(yè)設計（論文）開題報告》，由指導教師簽署意見、教研室審查，學院教學院長批準后實施。
2．開題報告是畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。學生應當在畢業(yè)設計（論文）工作前期內(nèi)完成，開題報告不合格者不得參加答辯。
3．畢業(yè)設計開題報告各項內(nèi)容要實事求是，逐條認真填寫。其中的文字表達要明確、嚴謹，語言通順，外來語要同時用原文和中文表達。第一次出現(xiàn)縮寫詞，須注出全稱。
4．本報告中，由學生本人撰寫的對課題和研究工作的分析及描述，沒有經(jīng)過整理歸納，缺乏個人見解僅僅從網(wǎng)上下載材料拼湊而成的開題報告按不合格論。
5. 課題類型填：工程設計類；理論研究類；應用（實驗）研究類；軟件設計類；其它。
6、課題來源填：教師科研；社會生產(chǎn)實踐；教學；其它
課題
名稱
刀具庫的總裝與控制系統(tǒng)設計
課題來源
社會生產(chǎn)實踐
課題類型
工程設計類
選題的背景及意義
機床原來的刀庫控制程序是單獨設計的，沒有采用刀具管理系統(tǒng)，功能也比較單一，只實現(xiàn)了刀庫刀具的找刀、刀庫最短路徑定位、主軸換刀，而且不支持大型刀具。
在刀庫自動選刀方面，在計算機記憶式選刀的基礎上采用了西門子840D特色功能，使選刀程序更簡潔，并完成空刀套的查找。刀庫快速換刀利用STEP一7完成編程，并在實際中得到驗證。在刀庫定位問題上，PLC程序控制采用模塊化設計方法，這對今后生產(chǎn)類似機床將十分有利，很容易將其利用到其他機床上。自動換刀系統(tǒng)將以較快的速度增長，縮短換刀時間，提高刀具的定位精度是重要的手段，有利于數(shù)控技術的發(fā)展。
研究內(nèi)容擬解決的主要問題
加工中心可以對零件進行多種形式的加工，其刀具庫可提供多種刀具以供選用，本課題設計的刀具庫可以容納32把刀具，根據(jù)加工心的加工數(shù)控程序要求，刀具庫可以自動把所需刀具送到加工中心換刀機械手位置。要求刀具庫在送刀時選最便捷路徑送刀。
研究方法技術路線
本設計的刀庫的作用是儲備一定數(shù)量的刀具，刀具庫中的刀具主要用于對工件的切、鉆、銑、鏜等的加工。XHAD—765加工中心的刀具庫主要由電動機、制動器、減速器、槽輪機構、鏈輪鏈條組成。減速器是三級圓柱齒輪減速器，其結構緊湊、傳動比大，均載效果好。做為動力源的電動機，要選擇經(jīng)濟實惠的電動機；減速器中的軸與齒輪均要進行強度校核，軸按照計算彎曲應力來校核其強度；槽輪機構要選擇適當?shù)牟蹟?shù)與撥銷數(shù)；鏈條鏈輪同樣要選擇好鏈輪的齒數(shù)；控制部分主要研究PLC在選刀方面的作用。
研究的總體安排和進度計劃
第1周 《中型加工中心刀具系統(tǒng)》進行相關調(diào)研，寫出調(diào)研報告。
第2周 確定自己的設計方案，畫出工作原理圖。
第3周 根據(jù)設計方案和設計要求進行有關計算。
第4周 根據(jù)設計方案和設計要求進行有關計算。
第5周 繪制刀具庫總裝配圖（機械部分）
第6周 繪制刀具庫總裝配圖（機械部分）
第7周 根據(jù)自己設計的刀具庫總裝配圖，繪制指導老師指定零件的零件圖。
第8周 編制自己設計的零件的加工工藝規(guī)程。
第9周 編制自己設計的零件的加工工藝規(guī)程。
第10周 某道工序工裝設計。
第11周 某道工序工裝設計。
第12周 繪制零件的機械加工工藝過程卡片。
第13周 進行控制系統(tǒng)部分的設計，繪制電氣接線圖及PLC程序圖。
第14周 進行控制系統(tǒng)部分的設計，繪制電氣接線圖及PLC程序圖。
第15周 編寫設計說明書。
第16周 準備答辯。
主要參考
文獻
[1]吳登橋、單寶忠、王義行，HP型鏈條及鏈式刀庫機械傳動系統(tǒng)設計。
[2]吳蹤澤、羅圣國.機械課程設計手冊[M]。
[3]楊黎明、楊志勤，機構選型與運動設計。
[4]朱龍根.簡明機械零件設計手冊。
[5]邱宣懷.機械設計[M]。
[6]徐圣群. 簡明機械加工工藝手冊[M]。
[7]艾興、肖詩綱.切削用量手冊[M]。
[8]郁漢琪.機床電氣及可編程控制器實驗、課程設計指導書[M]。
[9]王兆義.小型可編程控制器實用技術[M]。
[10]東北重型機械學院、洛陽工學院.機床夾具設計手冊[M]。
[11]白成軒. 機床夾具設計原理[M].機械工業(yè)出版社。
[12]王炳實. 機床電氣控制[M].機械工業(yè)出版社。
指導教師
意 見
指導教師簽名：
年 月 日
教研室意見
學院意見
教研室主任簽名：
年 月 日
教學院長簽名：
年 月 日
鏈式刀具庫總成及控制系統(tǒng)設計
摘要
刀具庫作為加工中心的輔助設備，在制造業(yè)中起著舉足輕重的作用。刀具庫由支架、驅(qū)動機構、傳動系統(tǒng)、刀架、護罩、電氣控制系統(tǒng)等部分組成。刀具的類型有盤式刀庫、鏈式刀庫等多種形式，刀庫的形式和容量要根據(jù)機床的工藝范圍來確定。本刀具儲存系統(tǒng)的電氣控制主要是對其貨架進行運行控制和位置控制。運行控制包括運行設備的啟動、制動控制。位置控制主要是對貨架位置和地址進行檢測。
本設計的刀庫的作用是儲備一定數(shù)量的刀具，刀具庫中的刀具主要用于對工件的切、鉆、銑、鏜等的加工。XHAD—765加工中心的刀具庫主要由電動機、制動器、減速器、槽輪機構、鏈輪鏈條組成。減速器是三級圓柱齒輪減速器，其結構緊湊、傳動比大，均載效果好。做為動力源的電動機，要選擇經(jīng)濟實惠的電動機；減速器中的軸與齒輪均要進行強度校核，軸按照計算彎曲應力來校核其強度；槽輪機構要選擇適當?shù)牟蹟?shù)與撥銷數(shù)；鏈條鏈輪同樣要選擇好鏈輪的齒數(shù)；控制部分主要研究PLC在選刀方面的作用。
關鍵詞 加工中心；刀具庫；總裝與控制
Abstract
Tool as a processing center for the support equipment in the manufacturing sector plays a pivotal role. Tool from the stent, drive, drive system, Turret, shielding, control systems and other electrical components. Tool is the type of disc the knife, the knife chain, and other means, in the form of the knife and capacity according to the machine to determine the scope of the process. This tool storage of electrical control system is mainly for operational control of its shelf and position control. Operational control equipment, including the start-up operation, the brake control. Position Control is the main location and address of the shelves for testing.
The design of the knife is the role of reserve a certain number of knives, cutting tool in the tool used for the main part of the cutting, drilling, milling, processing, and so boring. XHAD-765 processing center of the main tool by the motor, brakes, reducer, geneva, sprocket chain formed. Reducer are three cylindrical gear reducer, the compact structure, transmission ratio, are contained good effect. As a power source for the motor, it is necessary to choose the economic benefits of the motor; reducer in the shaft and gear are required to check for strength, calculated in accordance with the shaft bending stress to check their strength; tank round of institutions to choose the appropriate slot for the number of sales ; Chain sprocket have to choose the good sprocket teeth; control of the main PLC elections knife in the role.
Key words machining centers tool library assembly and control
目 錄
1 緒論 1
1．1 國內(nèi)外數(shù)控機床的發(fā)展情況 1
1．2 國內(nèi)外數(shù)控機床的現(xiàn)狀 1
1．3 數(shù)控機床發(fā)展趨勢 2
1．4 刀具庫的概述 3
1．5 鏈式刀具庫原理圖 3
1．6 本文的主要研究內(nèi)容、意義與前景 3
2 鏈條的選擇 5
2．1 HP型刀庫專用鏈條 5
2．2 鏈條參數(shù)的選擇 6
3 電動機的選擇 7
3．1 計算刀庫的總重量 7
3．2 電動機的選擇 8
4 減速器的設計與計算 9
4．1 確定減速器的總傳動比及分配傳動比 9
4．1．1 確定總傳動比 9
4．1．2 分配減速器各級傳動比 9
4．2 計算減速器的動力參數(shù) 9
4．2．1 各軸的轉速 9
4．2．2 各軸的輸入轉矩 10
4．2．3 各軸的輸入功率 10
4．3 減速器內(nèi)齒輪的設計 11
4．3．1 第一級圓柱齒輪的設計 11
4．3．2 第二級圓柱齒輪的設計 13
4．3．3 第三級圓柱齒輪的設計 15
4．4 軸的計算與校核 16
4．4．1 軸Ⅰ的計算設計 16
4．4．2 軸Ⅱ的計算設計 17
4．4．3 軸Ⅲ的計算設計 21
4．4．4 軸Ⅳ的計算設計 25
4．5 軸承的選用與計算 28
4．5．1 軸Ⅰ與軸Ⅱ上軸承的選用 28
4．5．2 軸Ⅲ上軸承的選用與計算 29
4．5．3 軸Ⅳ上軸承的選用與計算 31
5 槽輪機構的設計 32
6 鏈輪的設計 33
7 箱體加工工藝與工裝的設計 34
7．1 箱體工藝設計 34
7．1．1 箱體的工藝分析 34
7．1．2 選擇毛坯 34
7．1．3 定位基準的選擇 34
7．1．4 箱體加工工藝路線的制定 35
7．1．5 確定各工序的切削用量及基本工時 35
7．2 夾具的設計 52
7．2．1 定位方案設計 52
7．2．2 對刀裝置設計 53
7．2．3 夾緊裝置設計 53
8 控制系統(tǒng)的設計 55
總結 56
致謝 57
參考文獻 58
附錄 59
英文 59
中文翻譯 67
54
1 緒論
1．1 國內(nèi)外數(shù)控機床的發(fā)展情況
隨著數(shù)控技術的發(fā)展，帶有自動換刀系統(tǒng)的加工中心在現(xiàn)代制造業(yè)中起著愈來愈重要的作用，它能縮短產(chǎn)品的制造周期，提高產(chǎn)品的加工精度，適合柔性加工。自動換刀系統(tǒng)一般由刀庫、機械手和驅(qū)動裝置組成。刀庫容量可大可小，其裝刀數(shù)在20～180把之間。刀庫的功能是存儲刀具并把下一把即將要用的刀具準確地送到換刀位置，供換刀機械手完成新舊刀具的交換。當?shù)稁烊萘看髸r，常遠離主軸配置且整體移動不易，這就需要在主軸和刀庫之間配置換刀機構來執(zhí)行換刀動作。完成此功能的機構包括送刀臂、擺刀站和換刀臂，總稱為機械手。具體來說，它的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與刀庫之間的傳遞。驅(qū)動裝置則是使刀庫和機械手實現(xiàn)其功能的裝置，一般由步進電機或液壓(或氣液機構)或凸輪機構組成。機械手完成刀庫里的刀(新刀)與主軸上的刀(舊刀)的交換工作。由于數(shù)控加工中心的刀庫容量、換刀可靠性及換刀速度直接影響到加工中心的效率，而自動換刀就是進一步壓縮非切削時間，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件。所以數(shù)控機床為了能在工件一次裝夾中完成多道加工工序，縮短輔助時間，減少多次安裝工件所引起的誤差，必須帶有自動換刀裝置。
1．2 國內(nèi)外數(shù)控機床的現(xiàn)狀
當今世界，工業(yè)發(fā)達國家對機床工業(yè)高度重視，競相發(fā)展機電一體化、高精、高效、自動化先進機床，以加速工業(yè)和國民經(jīng)濟的發(fā)展。長期以來，歐、美、亞在國際市場上相互展開激烈競爭，己形成一條無形戰(zhàn)線，特別是隨微電子、計算機技術的進步，數(shù)控機床在20世紀80年代以后加速發(fā)展，各方用戶提出更多需求，早己成為四大國際機床展上各國機床制造商競相展示先進技術、爭奪用戶、擴大市場的焦點。中國加入WTO后，正式參與世界市場激烈競爭，今后如何加強機床工業(yè)實力、加速數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實是緊迫而又艱巨的任務。
自從1952年美國麻省理工學院研制出世界上第一臺數(shù)控機床以來，數(shù)控機床在制造工業(yè)，特別是在汽車、航空航天、以及軍事工業(yè)中被廣泛地應用，數(shù)控技術無論在硬件和軟件方面，都有飛速發(fā)展。1956年，日本富士通研究成功數(shù)控轉塔式?jīng)_床，美國IBM公司同期研制成功了“APT”(刀具程序控制裝置)的加工中心。1958年美國K&T公司研制出帶ATC(自動刀具交換裝置)的加工中心。1967年出現(xiàn)了FMS，1978年以后，加工中心迅速發(fā)展，帶有ATC裝置?？蓪崿F(xiàn)多工序加工的機床步入了機床發(fā)展的黃金時代。
中國1958年研制出第一臺數(shù)控機床以來，發(fā)展過程大致可分為兩大階段161。在1958~1979年間為第一階段，從1979年至今為第二階段。第一階段中對數(shù)控機床特點、發(fā)展條件缺乏認識，在人員素質(zhì)差、基礎薄弱、配套件不過關的情況下，無法用于生產(chǎn)而停頓。主要存在的問題是盲目性大，缺乏實事求是的科學精神。在第二階段從日、德、美、西班牙先后引進數(shù)控系統(tǒng)技術，從美、日、德等引進數(shù)控機床先進技術和合作、合資生產(chǎn)，解決了可靠性、穩(wěn)定性問題，數(shù)控機床開始正式生產(chǎn)和使用，并逐步向前發(fā)展。在20余年間，數(shù)控機床的設計和制造技術有較大提高，主要表現(xiàn)在三大方面:培訓了一批設計、制造、使用和維護的人才;通過合作生產(chǎn)先進數(shù)控機床，使設計、制造、使用水平大大提高，縮小了與世界先進技術的差距；通過利用國外先進零部件、數(shù)控系統(tǒng)配套，開始能自行設計及制造高速、高性能、五面或五軸聯(lián)動加工的數(shù)控機床，供應國內(nèi)市場的需求，但對關鍵技術的試驗、消化、掌握及創(chuàng)新卻較差。至今許多重要功能部件、自動化刀具、數(shù)控系統(tǒng)依靠國外技術支撐，不能獨立發(fā)展，基本上處于從仿制走向自行開發(fā)階段，與日本數(shù)控機床的水平差距很大。存在的主要問題包括:缺乏各方面專家人才和熟練技術工人；缺少深入系統(tǒng)的科研工作；零部件和數(shù)控系統(tǒng)不配套:企業(yè)和專業(yè)間缺乏合作，基本上孤軍作戰(zhàn)，雖然廠多人眾，但形成不了合力。
1．3 數(shù)控機床發(fā)展趨勢
(1) 高速化、高精度化、高可靠性
質(zhì)量、效率是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。
高速化：(1)提高進給速度：采用直線滾珠式導軌等；(2)提高主軸轉速:采用直線電機技術，直接將電機與主軸連接成一體后，裝入主軸部件，可以在1.8秒從0到15000r/min。
高精度化：精密化是為了適應高新技術發(fā)展的需要，隨著高新技術的發(fā)展和對機電產(chǎn)品性能與質(zhì)量要求的提高，機床用戶對機床加工精度的要求也越來越高。數(shù)控機床的加工精度提高了一倍，達到巧微米。
高可靠性：一般數(shù)控系統(tǒng)的可靠性要高于數(shù)控設備的可靠性在一個數(shù)量級以上。
(2) 復合化
數(shù)控機床的功能復合化的發(fā)展，以其復合加工實現(xiàn)了一次裝夾后完成各種復雜零件的全部加工，從而減少了不創(chuàng)造價值的輔助時間，提高了機床的效率和加工精度，降低了生產(chǎn)制造成本，提高了生產(chǎn)的柔性。復合功能的機床是近年來發(fā)展很快的機種，其核心是在一臺機床上要完成車、銑、鉆、銼、攻絲、鉸孔和擴孔等多種操作工序。
(3) 智能化
智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量的智能化，如自適應控制、工藝參數(shù)自動生成等；為提高驅(qū)動性能的智能化，如：前饋控制、電機參數(shù)的自適用運算、自動識別負載、自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化；還有如智能化的自動編程、智能化的人機界面等，及智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容，方便系統(tǒng)的診斷及維修等。
(4) 柔性化、集成化
為適應制造自動化的發(fā)展，向FMC、FMS、CIMS提供基礎設備，要求數(shù)控系統(tǒng)不僅能完成通常的加工功能，而且還能夠具備自動測量自動上、下料，自動換刀，自動誤差補償、自動診斷、進線和聯(lián)網(wǎng)功能，依據(jù)用戶的不同的要求，可方便地靈活配置及集成。
1．4 刀具庫的概述
刀具庫由支架、驅(qū)動機構、傳動系統(tǒng)、刀架、護罩、電氣控制系統(tǒng)等部分組成。刀庫的作用是儲備一定數(shù)量的刀具，機械手實現(xiàn)主軸上刀具的互換。刀具的類型有盤式刀庫、鏈式刀庫等多種形式，刀庫的形式和容量要根據(jù)機床的工藝范圍來確定。本刀具儲存系統(tǒng)的電氣控制主要是對其貨架進行運行控制和位置控制。運行控制包括運行設備的啟動、制動控制。位置控制主要是對貨架位置和地址進行檢測。
1．5 鏈式刀具庫原理圖
圖1–1 鏈式刀具庫原理圖
1．6 本文的主要研究內(nèi)容、意義與前景
(1) 本課題研究目標
針對現(xiàn)有加工中心的刀具庫裝置進一步減少簡單合理，提高刀庫定位精度。
(2) 本課題研究內(nèi)容
加工中心可以對零件進行多種形式的加工，其刀具庫可提供多種刀具以供選用，本課題設計的刀具庫可以容納32把刀具，根據(jù)加工心的加工數(shù)控程序要求，刀具庫可以自動把所需刀具送到加工中心換刀機械手位置。要求刀具庫在送刀時選最便捷路徑送刀。
主要參數(shù)：
1.最大刀具直徑：250㎜
2.刀具間距：190㎜
3.刀具平均質(zhì)量：5 ㎏
4.刀具庫容刀量：32把刀具
(3) 本課題提出的研究意義與前景
機床原來的刀庫控制程序是單獨設計的，沒有采用刀具管理系統(tǒng)，功能也比較單一，只實現(xiàn)了刀庫刀具的找刀、刀庫最短路徑定位、主軸換刀，而且不支持大型刀具。
在刀庫自動選刀方面，在計算機記憶式選刀的基礎上采用了西門子840D特色功能，使選刀程序更簡潔，并完成空刀套的查找。刀庫快速換刀利用STEP—7完成編程，并在實際中得到驗證。在刀庫定位問題上，PLC程序控制采用模塊化設計方法，這對今后生產(chǎn)類似機床將十分有利，很容易將其利用到其他機床上。自動換刀系統(tǒng)將以較快的速度增長，縮短換刀時間，提高刀具的定位精度是重要的手段，有利于數(shù)控技術的發(fā)展。
2 鏈條的選擇
鏈式刀庫具有容刀量大、結構簡單、運行可靠、維護方便以及在換刀位置不變情況下容易改變?nèi)莸读康葍?yōu)點，適合于大、中型加工中心使用。因此，有關鏈式刀庫系統(tǒng)刀庫配件的設計與應用研究以顯得特別急迫。用作刀庫的鏈條稱為ATC鏈條。ATC鏈條可以有多種結構，其中圖1所示的HP型鏈條是一種具有中空銷軸結構的輸送鏈，刀套裝在鏈條銷軸內(nèi)部，不需另外配置附件，結構緊湊，因此逐漸在ATC鏈條中占主導地位。
圖2–1 HP型鏈條
1﹑6軸用彈簧擋圈 2.刀套組件
3.套筒 4.內(nèi)鏈板 5.外鏈板
2．1 HP型刀庫專用鏈條
HP型刀庫專用鏈條是一種大節(jié)距中空銷軸的軸板鏈。國際市場提供的HP型鏈條的具體結構不完全相同。圖2匯總了幾種常見結構，圖2e是改進設計。
圖2–2 HP型鏈條的結構
比較5種結構，圖2e鏈條的結構除具有一般鏈條的特性外，還具有如下優(yōu)點：
(1) 采用塑料刀套與金屬鏈條可分離式結構，易于調(diào)整維護和更換刀套。
(2) 為提高機械強度，減輕鏈條重量，刀套采用優(yōu)質(zhì)工程塑料埋鋼整體結構。該刀套尺寸受溫度變化影響小。
(3) 內(nèi)鏈板與鋼套采用過盈配合形成固定鏈條框架，保證了內(nèi)節(jié)內(nèi)寬尺寸，使鏈條與鏈輪有良好配合，保證機械手抓取刀具時所需的軸向位置精度。
(4) 塑料刀套與鋼套采用間隙配合，使用過程中二者之間可以相對回轉，可防止定向元件損壞和刀柄，拉釘組件的松脫。此結構亦可微量補償機械手抓刀時的誤差。
2．2 鏈條參數(shù)的選擇
HP型鏈條的結構尺寸主要取決于刀柄，拉釘組件結構尺寸。本設計采用刀柄號為32的鏈條，由參考文獻[1]選其主要參數(shù)為，， ，，，。
3 電動機的選擇
3．1 計算刀庫的總重量
(1) 設定鏈片鏈節(jié)的尺寸結構如下圖：
圖3–1 鏈片結構圖
(2) 單個鏈片的體積
V=140×80×4＋4×3.14×402－2×3.14×252×4＝49196㎜3
(3) 單個鏈片的重量
材料為45鋼，由參考文獻[2]表1-1得，該材料的密度為
ｍ＝V＝49196×7.85＝0.386㎏
(4) 單個鏈節(jié)的體積
V＝3.14×（252-232）×100＝30144㎜3
(5) 單個鏈節(jié)的重量
ｍ＝V＝30144×7.85＝0.237㎏
(6) 32把刀具鏈節(jié)鏈片的總重量
ｍ＝32×（0.386＋0.237）＝19.94㎏
(7) 32把刀具的總重量
ｍ=32×5×1=160kg
(8) 刀庫的總重量
式中10kg為其他零件和標準件的質(zhì)量，ｍ＝19.94＋160＋10＝189.94㎏
3．2 電動機的選擇
由參考文獻[3]得 撥銷的轉速為
設槽輪的停留時間為4.5s
r／min
則槽輪的轉速
／min
槽輪的角速度
r／min
鏈輪的速度
m／s
電動機的輸出功率
式(3.1)
電動機的驅(qū)動載荷為
鏈條的速度為 m／s
刀庫的總效率為
式(3.2)
式中 ——軸套傳動效率0.99
——鏈傳動效率0.93
——齒輪傳動效率0.98
——滾動軸承傳動效率0.98
則
∴
取電動機的額定功率為1.5kw
由參考文獻[3]附表選用Y90L—4型電動機，其額定功率為1.5kw，同步轉速為r/min，滿載轉速r/min
4 減速器的設計與計算
4．1 確定減速器的總傳動比及分配傳動比
4．1．1 確定總傳動比
由選定的電動機滿載轉速和工作機主動軸轉速，可得減速器的傳動比見式(4.1)
式(4.1)
因為減速器的總傳動比>40，所以該減速器采用直齒圓柱齒輪三級傳動。減速器齒輪示意圖
圖4–1減速器齒輪示意圖
4．1．2 分配減速器各級傳動比
初步選擇第一級傳動比為=3，第二級傳動比為=3.5，第三級傳動比為,見式(4.2)
式(4.2)
4．2 計算減速器的動力參數(shù)
4．2．1 各軸的轉速
軸Ⅰ的轉速
r/min
軸Ⅱ的轉速
r/min
軸Ⅲ的轉速
r/min
軸Ⅳ的轉速
r/min
4．2．2 各軸的輸入轉矩
電動機輸出轉矩
Nm
軸Ⅰ的轉矩
==10.3N.m
軸Ⅱ的轉矩
N.m
軸Ⅲ的轉矩
N.m
軸Ⅳ的轉矩
N.m
4．2．3 各軸的輸入功率（減速器的效率為0.95）
軸Ⅰ的功率
kw
軸Ⅱ的功率
kw
軸Ⅲ的功率
kw
軸Ⅳ的功率
kw
4．3 減速器內(nèi)齒輪的設計
4．3．1 第一級圓柱齒輪的設計
1．材料的選擇： 小齒輪 40Cr（調(diào)質(zhì)處理） 硬度為280HBS
大齒輪 45# （調(diào)質(zhì)處理） 硬度為240HBS
2．齒面接觸疲勞強度計算
⑴初步計算
轉矩
N.mm
齒寬系數(shù) 由參考文獻[5]表12.3 取
接觸疲勞極限 由參考文獻[5]圖12.17C 得
MPa ，MPa
初步計算的許用接觸應力為[]
，
由參考文獻[5]表12.16 取=85
初步計算的小齒輪直徑 見式(4.3)
式(4.3)
取
初步計算齒寬
⑵校核計算
圓周速度
式(4.4)
精度等級 由參考文獻[5]表12.6 選8級精度
齒數(shù)和模數(shù)
初步取齒數(shù) ，，
由參考文獻[5]表12.3 取
則
使用系數(shù) 由參考文獻[5]表12.9 取
動載系數(shù) 由參考文獻[5]圖12.9 取
齒間載荷分配系數(shù) 由參考文獻[5]表12.10 先求圓周力
式(4.4)
式(4.5)
式(4.6)
(直齒圓柱齒輪傳動角 )
由此得 式(4.7)
齒向載荷分布系數(shù) 由參考文獻[5]表12.11
式(4.8)
載荷系數(shù)
式(4.9)
彈性系數(shù) 由參考文獻[5]表12.12
節(jié)點區(qū)域系數(shù) 由參考文獻[5]圖12.16
接觸最小安全系數(shù) 由參考文獻[5]表12.14
總工作時間
應力循環(huán)次數(shù) 由參考文獻[5]表12.15,估計
則 指數(shù)
式(4.10)
原估計應力循環(huán)次數(shù)正確
式(4.11)
接觸壽命系數(shù) 由參考文獻[5]圖12.18得 ，
許用接觸應力
式(4.12)
式(4.13)
驗算
式(4.14)
計算結果表明，接觸疲勞強度較為合適，齒輪尺寸無須調(diào)整。
3．確定傳動主要尺寸
分度圓直徑
，
中心距
4．3．2 第二級圓柱齒輪的設計
1．材料的選擇： 小齒輪 40Cr（調(diào)質(zhì)處理） 硬度為280HBS
大齒輪 45# （調(diào)質(zhì)處理） 硬度為240HBS
2．初步計算
轉距
N.mm
齒寬系數(shù) 由參考文獻[5]表12.13 取
接觸疲勞極限 由參考文獻[5]圖12.17C得
MPa ，MPa
初步計算的需用接觸應力
[]≈0.9MPa ， []≈0.9MPa
由參考文獻[5]表12.16 取
初步計算小齒輪直徑
圓整取
初步計算齒寬
3．校核計算
圓周速度
齒數(shù)和模數(shù)
初步選取 ，，
由參考文獻[5]表12.3 取則
，
4．確定傳動主要尺寸
分度圓直徑
，
中心距
4．3．3 第三級圓柱齒輪的設計
1．材料的選擇： 小齒輪 40Cr（調(diào)質(zhì)處理） 硬度為280HBS
大齒輪 45# （調(diào)質(zhì)處理） 硬度為240HBS
2．初步計算
轉距
N.mm
齒寬系數(shù) 由參考文獻[5]表12.13 取
接觸疲勞極限 由參考文獻[5]圖12.17C得
MPa，MPa
初步計算的需用接觸應力
[]≈0.9MPa， []≈0.9MPa
由參考文獻[5]表12.16 取
初步計算小齒輪直徑
圓整取
初步計算齒寬
3．校核計算
圓周速度
齒數(shù)和模數(shù)
初步選取 則 ，
由參考文獻[5]表12.3 取 則
，
4．確定傳動主要尺寸
分度圓直徑
,
中心距
4．4 軸的計算與校核
4．4．1 軸Ⅰ的計算設計
1．選擇軸的材料，確定許用應力
由以上條件知減速器傳動的功率屬于小功率，對材料無特殊要求，故選擇45號鋼并作調(diào)質(zhì)處理。由參考文獻[5]表13.4得
抗拉強度MPa 屈服點MPa
彎曲疲勞極限MPa 扭轉疲勞極限MPa
2．按扭轉強度估算軸的直徑
由參考文獻[5]表13.1得A=118～107，A為振幅，由公式13.2得軸的最小直徑為
式(4.15)
∵考慮到軸的最小直徑處要安裝制動器，會由鍵槽的存在，故將估算直徑加大3%～5%
∴ 式(4.16)
由參考文獻[5]表13.3—4，取標準直徑
3．軸Ⅰ的結構設計（結構草圖如下）
圖4–2 軸Ⅰ的結構草圖
(1) 確定軸上零件的位置和固定方式
要確定軸的結構形式，必須先確定軸上零件的裝拆順序和固定方式，如上圖可見，由于齒輪的軸徑較小，所以采用齒輪軸的形式。軸承從軸的左端套入軸段②上，采用過盈配合，軸向固定采用軸套和軸肩③，再裝上制動器，周向固定采用平鍵作固定，軸向固定采用軸套與軸肩②。
(2) 確定各軸段的直徑
如上圖，軸段①的最小直徑。軸段②上要安裝軸承，軸段②必須滿足軸承的內(nèi)徑標準，故軸段②的直徑，由參考文獻[2]表6-1選用6204型深溝球軸承。軸段③是作軸肩用，其尺寸為。由于加工齒輪時，為了順利退刀，所以軸段④處為退刀槽，其直徑為。
(3) 確定各軸段的長度
因為軸Ⅰ選用的是齒輪軸，所以軸段⑤處的長度為32，退刀槽的寬度為5。為了保證齒輪端面與箱體內(nèi)壁不相碰，齒輪斷面與箱體內(nèi)壁間應有一定的距離，取該距離為10，為了保證軸承安裝在箱體軸承座孔中（軸承寬度為12），并考慮軸承的潤滑，取軸承端面距箱體內(nèi)壁的距離為5，制動器的總長，軸段①的要確定軸的結構形式，必須先確定軸上零件的裝拆順序和固定方式，如上圖可見，由于齒輪的軸徑較小，所以采用齒輪軸的形式。軸承從軸的左端套入軸段②上，采用過盈配合，軸向固定采用軸套和軸肩③，再裝上制動器，周向固定采用平鍵作固定，軸向固定采用軸套與軸肩②。
(4) 由于該軸承受的彎矩較小故不需要進行彎矩合成強度校核軸徑。
4．4．2 軸Ⅱ的計算設計
1．選擇軸的材料，確定許用應力
由以上條件知減速器傳動的功率屬于小功率，對材料無特殊要求，故選擇45號鋼并作調(diào)質(zhì)處理。由參考文獻[5]表13.4得
抗拉強度MPa 屈服點MPa
彎曲疲勞極限MPa 扭轉疲勞極限MPa
2．按扭轉強度估算軸的直徑
由參考文獻[5]表13.1得A=118～107，A為振幅，由公式13.2得軸的最小直徑為
∵考慮到軸上會由鍵槽的存在，故將估算直徑加大3%～5%
∴
由參考文獻[5]表13.3-4，取標準直徑
3．軸Ⅱ的結構設計（結構草圖如下）
圖4–3 軸Ⅱ的結構草圖
⑴確定軸上零件的位置和固定方式
根據(jù)軸的結構設計原理，由兩個滾動軸承支承，齒輪從軸的左端裝入，齒輪的左右端均用軸套做軸向固定，采用鍵作周向固定，軸承對稱安裝在齒輪的兩側，其周向用軸肩固定。
⑵確定各軸段的直徑
如上圖所示，軸段②處安裝軸承，軸承必須滿足軸承內(nèi)徑標準，故取軸段②的直徑，由參考文獻[2]表6-1選用6204型深溝球軸承。軸承周采用過盈配合固定，軸向采用彈性擋圈和軸肩固定，軸段③的直徑。軸段④的直徑取。
⑶確定各軸段的長度
因為軸Ⅱ中的小齒輪選用的是齒輪軸，所以軸段⑤處的長度為44，為了保證齒輪端面與箱體內(nèi)壁不相碰，齒輪斷面與箱體內(nèi)壁間應有一定的距離，取該距離為10，為了保證軸承安裝在箱體軸承座孔中（軸承寬度為12），并考慮軸承的潤滑，取軸承端面距箱體內(nèi)壁的距離為5，齒輪左右軸套的長度均為10，左軸承的左軸段伸出15，所以軸段①的長度為15，軸段②的長度為86，軸承支點的距離為，鍵槽的長度比相應的輪轂寬度小約5～10。
4．按彎曲合成強度校核軸徑
⑴畫出軸的受力圖，如下圖所示
圖4–4 軸的受力圖
圓周力 式(4.17)
式(4.18)
徑向力 式(4.19)
式(4.20)
⑵計算水平面支承反力和彎矩
水平面受力簡圖
圖4–5 軸的水平受力圖
式(4.21)
（負號說明假設方向與實際相反）
Ⅰ—Ⅰ截面的彎矩為
式(4.22)
Ⅱ—Ⅱ截面的彎矩為
式(4.23)
⑶計算垂直面內(nèi)的支承反力和彎矩
垂直面受力簡圖
圖4–6 軸的垂直受力圖
式(4.24)
（負號說明假設方向與實際相反）
Ⅰ—Ⅰ截面的彎矩為
式(4.25)
Ⅱ—Ⅱ截面的彎矩為
式(4.26)
⑷合成彎矩
Ⅰ—Ⅰ截面的合成彎矩為
式(4.27)
Ⅱ—Ⅱ截面的合成彎矩為
式(4.28)
⑸計算許用應力
用插入法參考文獻[5]由表16.3得
MPa，MPa
應力校正系數(shù)
式(4.29)
⑹計算當量彎矩
Ⅰ—Ⅰ截面的當量彎矩為
式(4.30)
Ⅱ—Ⅱ截面的當量彎矩
式(4.31)
⑺確定危險截面及校核強度
Ⅰ—Ⅰ截面為
MPa 式(4.32)
Ⅱ—Ⅱ截面為
MPa 式(4.33)
軸滿足的條件，故設計的軸有足夠的強度。
4．4．3 軸Ⅲ的計算設計
1．選擇軸的材料，確定許用應力
由以上條件知減速器傳動的功率屬于小功率，對材料無特殊要求，故選擇45號鋼并作調(diào)質(zhì)處理。由參考文獻[5]表13.4得
抗拉強度MPa 屈服點MPa
彎曲疲勞極限MPa 扭轉疲勞極限MPa
2．按扭轉強度估算軸的直徑
由參考文獻[5]表13.1得A=118～107，A為振幅，由公式13.2得軸的最小直徑為
∵考慮到軸上會由鍵槽的存在，故將估算直徑加大4%～5%
∴
由參考文獻[5]表13.3—4，取標準直徑
3．軸Ⅲ的結構設計（結構草圖如下）
圖4–7 軸Ⅲ的結構草圖
⑴確定軸上零件的位置和固定方式
根據(jù)軸的結構設計原理，軸由兩個滾動軸承支承，參考上圖，齒輪4從軸的左端裝入，齒輪的左端用軸套與墊片定位，右端采用彈性擋圈固定，這樣齒輪在軸上的位置完全固定，齒輪的周向采用平鍵連接固定，軸段②的右段是齒輪軸，軸段①處最小直徑處安裝軸承，其軸向固定采用軸段②與軸套固定，周向采用過盈配合固定。
⑵確定各軸段的直徑
如上圖所示，軸段①處安裝軸承，軸段①處的直徑必須滿足軸承內(nèi)徑標準，故取軸段①的直徑，由參考文獻[2]表6-1選用6205型深溝球軸承。軸段②的直徑。
⑶確定各軸段的長度
左端齒輪輪轂的寬度為50，為了保證齒輪端面與箱體內(nèi)壁不相碰，齒輪斷面與箱體內(nèi)壁間應有一定的距離，取該距離為10，為了軸承安裝在箱體軸承座孔中（軸承寬度為15），并考慮軸承的潤滑，取軸承端面距箱體內(nèi)壁的距離為5，因為軸Ⅲ中的小齒輪選用的是齒輪軸，其寬度為65。取軸段②的長度為210，軸段①的長度為30。軸承支點的距離為，軸段②上的鍵槽的長度比相應的輪轂寬度小約5～10。
4．按彎曲合成強度校核軸徑
⑴畫出軸的受力圖，如下圖所示
圖4–8 軸的受力圖
圓周力
徑向力
⑵計算水平面支承反力和彎矩
水平面受力簡圖
圖4–9 軸的水平受力圖
Ⅰ—Ⅰ截面的彎矩為
Ⅱ—Ⅱ截面的彎矩為
⑶計算垂直面內(nèi)的支承反力和彎矩
垂直面受力簡圖
圖4–10 軸的垂直受力圖
Ⅰ—Ⅰ截面的彎矩為
Ⅱ—Ⅱ截面的彎矩為
⑷合成彎矩
Ⅰ—Ⅰ截面的合成彎矩為
Ⅱ—Ⅱ截面的合成彎矩為
⑸計算許用應力
用插入法參考文獻[5]由表16.3得 MPa，MPa
應力校正系數(shù)
⑹計算當量彎矩
Ⅰ—Ⅰ截面的當量彎矩為
Ⅱ—Ⅱ截面的當量彎矩為
⑺確定危險截面及校核強度
Ⅰ—Ⅰ截面為
MPa
Ⅱ—Ⅱ截面為
MPa
軸滿足的條件，故設計的軸有足夠的強度。
4．4．4 軸Ⅳ的計算設計
1．選擇軸的材料，確定許用應力
由以上條件知減速器傳動的功率屬于小功率，對材料無特殊要求，故選擇45號鋼并作調(diào)質(zhì)處理。由參考文獻[5]表13.4得
抗拉強度MPa 屈服點MPa
彎曲疲勞極限MPa 扭轉疲勞極限MPa
2．按扭轉強度估算軸的直徑
由參考文獻[5]表13.1得A=118～107，A為振幅，由公式13.2得軸的最小直徑為
∵考慮到軸上會由鍵槽的存在，故將估算直徑加大4%～5%
∴
由參考文獻[5]表13.3—4，取標準直徑
3．軸Ⅳ的結構設計（結構草圖如下）
圖4–11 軸Ⅳ的結構草圖
⑴確定軸上零件的位置和固定方式
根據(jù)軸的結構設計原理，軸由兩個滾動軸承支承，參考上圖，齒輪6從軸的左端裝入，齒輪的左端用軸套與墊片定位，右端采用彈性擋圈固定，這樣齒輪在軸上的位置完全固定，齒輪的周向采用平鍵連接固定，軸段①處最小直徑處安裝軸承，其軸向固定采用軸段②與軸套固定，周向采用過盈配合固定。軸段③為輸出端。
⑵確定各軸段的直徑
如上圖所示，軸段①處安裝軸承，軸段①處的直徑必須滿足軸承內(nèi)徑標準，故取軸段①的直徑，由參考文獻[2]表6-1選用6208型深溝球軸承。軸段②的直徑。軸段③的直徑為。
⑶確定各軸段的長度
齒輪6輪轂的寬度為60，為了保證齒輪端面與箱體內(nèi)壁不相碰，齒輪斷面與箱體內(nèi)壁間應有一定的距離，取該距離為10，為了軸承安裝在箱體軸承座孔中（軸承寬度為18），并考慮軸承的潤滑，取軸承端面距箱體內(nèi)壁的距離為5，所以軸段①的長度為23，軸段②的長度為65。軸承支點的距離為，軸段②與③上分別加工出鍵槽使鍵槽處于軸的同一母線上，鍵槽的長度比相應的輪轂寬度小約5～10。
4．按彎曲合成強度校核軸徑
⑴畫出軸的受力圖，如下圖所示
圖4–12 軸的受力圖
圓周力
徑向力
⑵計算水平面支承反力和彎矩
水平面受力簡圖
圖4–13 軸的水平受力圖
Ⅰ—Ⅰ截面的彎矩為
Ⅱ—Ⅱ截面的彎矩為
⑶計算垂直面內(nèi)的支承反力和彎矩
垂直面受力簡圖
圖4–14 軸的垂直受力圖
Ⅰ—Ⅰ截面的彎矩為
Ⅱ—Ⅱ截面的彎矩為
⑷合成彎矩
Ⅰ—Ⅰ截面的合成彎矩為
Ⅱ—Ⅱ截面的合成彎矩為
⑸計算許用應力
用插入法參考文獻[5]由表16.3得 MPa，MPa
應力校正系數(shù)
⑹計算當量彎矩
Ⅰ—Ⅰ截面的當量彎矩為
Ⅱ—Ⅱ截面的當量彎矩為
⑺確定危險截面及校核強度
Ⅰ—Ⅰ截面為
MPa
Ⅱ—Ⅱ截面為
MPa
軸滿足的條件，故設計的軸有足夠的強度。
4．5 軸承的選用與計算
4．5．1 軸Ⅰ與軸Ⅱ上軸承的選用
軸Ⅰ與軸Ⅱ的軸頸處直徑均為20 ，由參考文獻[5]附表18.1得，軸承選用6204型深溝球滾子軸承。
1．軸Ⅱ上軸承進行計算
已知軸的直徑為20 ，軸速為1390r/min，軸承所受的徑向載荷為，，工作溫度正常，要求軸承的預期壽命為 。
2．求當量動載荷
因為該軸承只承受徑向載荷，由參考文獻[5]表14.12得載荷系數(shù) 見式(4.34)
式(4.34)
，
3．計算徑向動載荷值
式(4.35)
式中的為壽命指數(shù)，對于球軸承，是溫度系數(shù)，，則
式(4.36)
式(4.37)
由參考文獻[5]可知6204型深溝球滾子軸承的基本額定動載荷，，基本額定靜載荷。
4．驗算軸承壽命
由式(4.38) 式(4.39)得
式(4.38)
式(4.39)
即 軸承的壽命大于軸承的預期使用壽命。
5．靜強度計算
由式(4.40) 得
, 式(4.40)
由參考文獻[5]表14.18得滾動軸承的安全系數(shù)
由式(4.41) 得
， 式(4.41)
所以所用的軸承是合格的。
4．5．2 軸Ⅲ上軸承的選用與計算
軸Ⅲ的軸頸處直徑均為25 ，由參考文獻[5]附表18.1得，軸承選用6205型深溝球滾子軸承。
1．軸Ⅲ上軸承進行計算
已知軸的直徑為25 ，軸速為132.38r/min，軸承所受的徑向載荷為，，工作溫度正常，要求軸承的預期壽命為 。
2．求當量動載荷
因為該軸承只承受徑向載荷，由參考文獻[5]表14.12得載荷系數(shù)
由公式得
，
3．計算徑向動載荷值
由公式得
式中的為壽命指數(shù)，對于球軸承，是溫度系數(shù)，，則
由參考文獻[5]可知6205型深溝球滾子軸承的基本額定動載荷，，基本額定靜載荷。
4．驗算軸承壽命
由公式得
即 軸承的壽命大于軸承的預期使用壽命。
5．靜強度計算
由公式得
，
由參考文獻[5]表14.18得滾動軸承的安全系數(shù)，由公式得
，
所以所用的軸承是合格的。
4．5．3 軸Ⅳ上軸承的選用與計算
軸Ⅳ的軸頸處直徑均為40 ，由參考文獻[5]附表18.1得，軸承選用6208型深溝球滾子軸承。
1．軸Ⅲ上軸承進行計算
已知軸的直徑為40 ，軸速為33r/min，軸承所受的徑向載荷為，工作溫度正常，要求軸承的預期壽命為 。
2．求當量動載荷
因為該軸承只承受徑向載荷，由參考文獻[5]表14.12得 載荷系數(shù) 由公式 得
3．計算徑向動載荷值
由公式得
式中的為壽命指數(shù)，對于球軸承，是溫度系數(shù)，，則
由參考文獻[5]可知6205型深溝球滾子軸承的基本額定動載荷，，基本額定靜載荷。
4．驗算軸承壽命
由公式得
即 軸承的壽命大于軸承的預期使用壽命。
5．靜強度計算
由公式得
由參考文獻[5]表14.18得滾動軸承的安全系數(shù)
由公式得
所以所用的軸承是合格的。
5 槽輪機構的設計
已知槽輪的材料為45鋼，設槽輪的槽數(shù)為8，撥銷的直徑為
中心距。由參考文獻[3]得
主動曲柄半徑
式(5.1)
槽輪半徑
式(5.2)
槽輪高
式(5.3)
槽深
式(5.4)
鎖止弧半徑
式(5.5)
槽輪寬
式(5.6)
輪轂寬
式(5.7)
6 鏈輪的設計
已知鏈輪的材料為45鋼，鏈的節(jié)距，先設定齒數(shù) Z=8。由參考文獻[3]得
分度圓直徑
齒頂圓直徑
式(6.1)
式(6.2)
根圓直徑
式(6.3)
齒側槽間直徑
式(6.4)
齒寬
取雙列鏈輪總寬度
=
鏈的排距
7 箱體加工工藝與工裝的設計
7．1 箱體工藝設計
7．1．1 箱體的工藝分析
由圖可知，其材料為 HT200，該材料具有較高的強度﹑耐磨性﹑耐熱性及減振性，適用與承受較大的應力，要求耐磨的零件。
該零件主要加工面為 A﹑B﹑C﹑D 面和鏜孔，其中32 和47 的一組通孔的同軸度要求很高，因此在加工它們時，最好能在一次裝夾下加工出來。
由以上分析可知，對加工精度的要求很高，但是一般機床是可以加工的，我們按照工序集中的原則，力求簡化工藝過程，對其加工機械進行設計。
圖7-1 箱體毛胚圖
7．1．2 選擇毛坯
確定機械加工余量及毛坯尺寸，根據(jù)零件的材料確定毛坯為主見。又由題目一知零件的生產(chǎn)綱領為中批量，通過可計算零件的重量約為 5kg。毛坯的鑄造方式選用金屬鑄造方式，此外為了消除殘余應力，鑄造后應安排人工時效處理。由參考文獻[7]表 2.2-4用查表法確定各表面的總余量、加工余量，公差等見工藝卡。
7．1．3 定位基準的選擇
基面的選則是工藝規(guī)程設計中最重要的工作之一，基面選擇的正確合理，可以使加工質(zhì)量得到可靠的保證，生產(chǎn)率得到提高，否則，不但在工藝規(guī)程中出現(xiàn)問題，甚至會造成成批的報廢，使生產(chǎn)無法正常進行。
根據(jù)對工件的分析，根據(jù)粗基準選擇原則，選擇孔作為粗基準，加工箱體的下接合面A，然后以 A 面作為基準加工其余的面。此外，A 面的面積較大，定位比較穩(wěn)定，夾緊方案也比較簡單、可靠、操作方便。
7．1．4 箱體加工工藝路線的制定
制定工藝的出發(fā)點，應當是使零件的幾何形狀、尺寸精度及位置精度等技術要求能得到合理的保證。在生產(chǎn)綱領已確定的大中批生產(chǎn)條件下，可以考慮采用萬能性機床配已專用夾具，并盡量使工序集中來提高生產(chǎn)率。除此以外，還應當考慮經(jīng)濟效果，以便使生產(chǎn)成本盡量下降。箱體的加工一般是先進行面的加工，在進行孔的加工。按照先加工基準面及先粗后精的原則，箱體可按下述方案進行加工：
1．工藝路線方案一
工序 10 鑄造
工序 20 時效
工序 30 油漆
工序 40 粗銑箱體的下接合面（A 面）
工序 50 鉆鉸箱體在下接合面的定位孔
工序 60 精銑箱體的下接合面（A 面）
工序 70 粗精銑箱體兩側面（C、D 面）和上接合面（B 面）
工序 80 粗鏜32、35、26、28、42、47的孔
工序 90 精鏜32、35、26、28、42、47的孔
工序 100 鏜在47 孔上的彈簧擋圈槽
工序 110 鉆箱體下接合面5.5的通孔并锪孔，鉆3的孔并攻絲
工序 120 鉆箱體左接合面5的孔并攻絲
工序 130 鉆箱體右接合面4孔并攻絲
工序 140 去毛刺
工序 150 檢驗
工序 160 清洗
工序 170 入庫
工序 140 去毛刺
工序 150 檢驗
工序 160 清洗
工序 170 入庫
7．1．5 確定各工序的切削用量及基本工時
工序 40
粗銑箱體的下接合面（A 面）
1．刀具的選擇 由參考文獻[6]表 12-21 選擇鑲齒套式面銑刀（硬質(zhì)合金刀片）
由表 11-21 銑削深度時，銑刀的直徑。由參考文獻[7]表 14 得刀具的齒數(shù) Z=16
2．切削用量的選擇
（1）決定銑削深度 由于加工余量不大，故在一次走刀內(nèi)完成，則箱體的低面
（2）進給量的確定 由于采用面銑刀由參考文獻[7]表 25 選則X63銑床，功率為 10kw，，由參考文獻[6]表11-22得，由式(7.1)
式(7.1)
由參考文獻[7]表25可取機床進給速度 。
（3）確定切削速度 由參考文獻[6]表 11-28 選 。
（4）計算銑削力并校驗機床功率 由參考文獻[6]表11-29 銑削力見式(7.2)
式(7.2)
由此得 A 面的切削力見式(7.3)
式(7.3)
由參考文獻[7]表18 當鑄鐵的硬度 HB=174～207 時，，， 。
近似功率為 ，
根據(jù)銑削部份表25可知機床主軸允許的功率為
故 ，因此所選擇的切削用量可以采用，， ，。
（5）計算基本的工時
由參考文獻[6]表 11-14 得 ， ，面銑刀銑平面的機動時間
式(7.4)
式中 ——工作臺的進給量（）；
——銑刀的每齒進給量；
Z——銑刀的齒數(shù)。
N——銑刀的每分鐘轉數(shù) 。
式(7.5)
式中 ——機動時間（）；
——加工的長度（）；
——切入長度（）；
——超出長度（）。
工序 50
鉆鉸箱體在下接合面的定位孔
1．刀具的選用 選用高速鋼鉆頭
2．切削用量的選擇
（1）確定進給量 由參考文獻[7]表11-10 得
（2）選擇切削速度 由參考文獻[7]表11-12 可得
（3）計算主軸轉速
式(7.6)
根據(jù)機床說明書取主軸的轉速
（4）計算基本時間
式(7.7)
鉸的孔
（1）刀具的選擇 選用高速鋼鉸刀
（2）確定切削深度及進給量
取 由參考文獻[6]表11-16 取
（3）確定切削速度及主軸轉速
由參考文獻[7]第二部分孔加工切削用