【016】616無換刀機械手刀庫結構設計,016,無換刀,機械手,結構設計 北京信息科技大學 畢 業(yè) 設 計（論 文）說 明 書 題 目 無換刀機械手刀庫結構設計 學 生 朱 彪 系 別 機電工程學院 專 業(yè) 班 級 機械1003班 學 號 2010010077 指 導 教 師 王會香 47 北京信息科技大學 畢業(yè)設計（論文）任務書 設計（論文）題目： 無換刀機械手刀庫結構設計 系： 機電工程學院 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化（機電一體化）班級：1003班 學 號： 2010010077 學生： 朱彪 指導教師： 王會香 接受任務時間 3月5日 教研室主任 （簽名）　　系主任 （簽名） 1．畢業(yè)設計（論文）的主要內(nèi)容及基本要求 （1）、主要技術指標及要求 刀座數(shù)：16 選刀時間：8S （2）、設計內(nèi)容與要求 （3）、 編寫設計計算說明書 說明書應有以下內(nèi)容 ：①目錄；②300字以上的中、英文摘要；③機構原理、液壓驅動原理、電器控制原理；④主要零件的設計（包括強度、剛度計算等）；⑤總結；⑥參考文獻等內(nèi)容。 （4）、工程圖紙要求 ① 機構裝配總圖（人工繪圖）； ② 主要零部件圖（CAD繪圖） 2．指定查閱的主要參考文獻及說明 （1）《機械設計手冊》 （2）《數(shù)控機床設計手冊》 （3）《傳感器》 （4）《機電傳動控制》 （5）《液壓與氣壓傳動》 （6）《數(shù)控機床》 3．進度安排 設計（論文）各階段名稱 起 止 日 期 1 相關資料的收集及總體機構的確定 2007.3.5至2007.3.25 2 主要零件的設計和強度計算 2007.3.26至2007.4.20 3 畫裝配圖及零件圖 2007.4.21至2007.5.31 4 設計說明書編制 2007.6.1至2007.6.4 5 檢查 2007.6.5至2007.6.6 注：本表在學生接受任務時下達 目 錄 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 第一章 緒論 1 1.1 引言 1 1.2 加工中心簡介 1 1.2.1 加工中心的發(fā)展簡史 1 1.2.2 加工中心的結構組成 2 1.2.3 加工中心的分類 3 1.2.4 加工中心的主要優(yōu)點 4 1.2.5 加工中心的發(fā)展趨勢 5 1.3 本文研究的主要內(nèi)容——刀庫 7 1.3.1 刀庫的類型 7 1.3.2 本文所設計的刀庫 9 第二章 刀庫驅動電動機的選定 12 2.1 按負載轉矩選 12 2.2按加速時的最大轉矩選 13 2.3 校驗 13 2.4 分配傳動比 13 第三章 刀庫傳動機構的設計 15 3.1初定刀套線速度 15 3.2刀庫傳動方式以及 15 第四章 傳動軸的設計 19 4.1軸的材料 19 4.2蝸桿軸的初步估算 19 4.2.1初步估算軸的最小直徑 19 4.2.2選擇聯(lián)軸器 19 4.2.3確定滾動軸承的類型 20 4.2.4初步估計蝸桿軸各段的尺寸 20 4.3 蝸輪軸的初步估算 21 4.3.1初步估算軸的最小直徑 21 4.3.2確定軸伸處的最小直徑 21 4.3.3確定滾動軸承的類型 21 4.3.4初步估計蝸輪軸的各段尺寸 21 4.4 軸徑的設計與校核 22 4.4.1 蝸桿軸 22 4.4.2蝸輪軸的計算 26 第五章 軸承的校核 30 5.1蝸桿軸 30 5.2 蝸輪軸 30 第六章 其它零部件尺寸的設計與計算 31 6.1 回零減速撞塊尺寸的計算 31 6.2 刀盤與刀套的設計 31 6.2.1 刀套 31 6.2.2 刀盤 32 6.3 刀具（刀座）識別裝置 32 第七章 液壓系統(tǒng)的設計 34 7.1 液壓缸的載荷組成和計算 34 7.2 液壓缸內(nèi)徑以及其它尺寸的確定 34 7.2.1計算液壓缸的主要結構尺寸 34 7.2.2 油缸壁厚的計算 35 7.2.3 缸底厚度計算 35 7.3 油缸長度L的確定 36 7.4 液壓系統(tǒng)初步設計 36 第八章 PLC控制 37 第九章 結論 39 參 考 文 獻 40 致 謝 41 摘 要 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(jù)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。 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, tool storage, worm, worm gear, hydraulic pressure, PLC 四川理工學院畢業(yè)設計（論文） 第一章 緒論 本章首先從數(shù)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(nèi)容。 1.1 引言 1952年世界上出現(xiàn)了第一臺數(shù)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(chǎn)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(xiàn)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(shù)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(shù)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(chǎn)品。 1.2 加工中心簡介 1.2.1 加工中心的發(fā)展簡史 1952年世界上出現(xiàn)第一臺數(shù)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(chǎn)生了巨大變革。它用易于修改的數(shù)控加工程序進行控制，因而比大批量生產(chǎn)重使用組合機床生產(chǎn)線和凸輪、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(shù)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(shù)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(chǎn)中普通機床占整個機械加工的狀況。數(shù)控機床能實現(xiàn)兩坐標以上聯(lián)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(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(shù)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。 四川理工學院畢業(yè)設計（論文） 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(shù)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(xiàn)自動銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等多工序的數(shù)控機床。更為明確的說法是：加工中心就是自動換刀數(shù)控鏜銑床。這就把加工中心與自動換刀數(shù)控車床或車削中心區(qū)別開來。 1.2.2 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(shù)的不同而有所區(qū)別。機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，機床參數(shù)有主參數(shù)和其它參數(shù)。機床制造廠可根據(jù)用戶提出的要求進行生產(chǎn)，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(shù)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(shù)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(jù)數(shù)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(jù)刀庫與主軸的相對位置幾結構的不痛也有多種形式。如單臂式、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(xiàn)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。 四川理工學院畢業(yè)設計（論文） 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。 1.2.3 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。 1、 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)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。 圖1-1 立式加工中心 2、 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3~5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 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。 1.2.4 加工中心的主要優(yōu)點 （1）提高加工質(zhì)量 工件一次裝夾，即可實現(xiàn)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(shù)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(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，在一臺機床上完成多個工序，就能大大減少在制品數(shù)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(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）最少的直接勞務費 由NC裝置實現(xiàn)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(xiàn)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(zhì)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，由于工序集中，容易適應多品種、中小批量生產(chǎn)。 1.2.5 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(shù)加工件為多品種、小批量的產(chǎn)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(chǎn)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(shù)加工件為多品種、小批量的產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)，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(zhì)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l~2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(chǎn)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(diào)整品種、數(shù)量的可形成柔性線結構的設備。 　　 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(jīng)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(nèi)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(chǎn)，要求加工設備能夠靈活地適應工序集中導致的生產(chǎn)型加工件的變化?，F(xiàn)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(chǎn)品制造的認識和對生產(chǎn)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(chǎn)體系可能對能形成柔性線的小型機種產(chǎn)生需求。 　　 著手生產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)品的加工時間，以利提高生產(chǎn)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裝置或主軸冷卻結構、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。由于其市場的局限性，產(chǎn)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(lián)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(shù)控車床生產(chǎn)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(zhì)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(chǎn)品的生產(chǎn)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(jù)這類用戶的要求，OM制作所以產(chǎn)學協(xié)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(xiàn)在，市場對于提高了通用性的、低價位的小型數(shù)控立式車床的需求仍在擴大，同時，和臥式數(shù)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(chǎn)品。 1.3 本文研究的主要內(nèi)容——刀庫 1.3.1 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(shù)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。 根據(jù)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）。 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(shù)量的刀具時，可以采用圖1-3形式的刀庫，它們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(nèi)，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(shù)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(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。 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)。 （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(xiàn)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(jù)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(shù)目，在一定范圍內(nèi)，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(shù)量在30~120把時，多采用鏈式刀庫。 圖1-5 鏈式刀庫的形式 1.3.2 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。 1、 換刀過程 在介紹刀庫結構之前，先了解一下?lián)Q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。 （2）機械手抓刀 機械手1從原始位置順時針旋轉（K向觀察），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(nèi)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。 （7）刀具夾緊 主軸內(nèi)的刀具自動夾緊機構加緊刀具。 圖1-6 換到過程示意圖 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），松開刀具回到原始位置。 （10）刀套上翻 刀套帶著刀具上翻。 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(jù)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的選刀指令，直流伺服電動機1經(jīng)聯(lián)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(nèi)。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(xiàn)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，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。 圖1-7 刀庫結構示意圖 1—電動機 2—聯(lián)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 圖1-8 刀庫結構圖 1—電動機 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 9、10—行程開關 11—滾子 12—銷軸 13—刀套 14—刀盤 第二章 刀庫驅動電機的選定 第二章 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。 1.4 2.1 按負載轉矩選 加在伺服電動機軸上的負載轉矩，應比電動機額定連續(xù)轉矩小。 圓盤式刀庫負載轉矩計算方法，這種刀庫的負載轉矩，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 把如上計算的負載轉矩，轉換為電機軸上的轉矩的公式為： 式中：——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。 傳動效率為： 式中：——聯(lián)軸器的傳動功率； ——蝸桿的傳動功率； ——軸承的傳動功率。 考慮到實際情況比計算時所設定條件復雜，電機額定轉矩應為負載轉矩的1.2~1.5倍，亦即： 四川理工學院畢業(yè)設計（論文） 2.2按加速時的最大轉矩選 加速時的最大轉矩,包括加速轉矩和負載轉矩，即： 加速轉矩按下式計算： 式中：——刀庫選刀時的電動機轉速； ——加速時間，通常取150~200（ms）； ——電動機轉子慣量； ——負載慣量折算到電動機軸上的慣量。 設計中，初選，，，。 加速時的最大轉矩應小于電機的最大轉矩，即： 2.3 校驗 該結果滿足條件。 根據(jù)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 額定轉矩 （） 最大轉矩 最高轉速 轉子慣量 FB25 2.5 34.3 309 1000 0.032 2.4 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 Ⅰ軸 Ⅱ軸 各軸的輸入功率 Ⅰ軸 Ⅱ軸 各軸的輸入轉矩 電動機的輸入轉矩為: 故: Ⅰ軸 Ⅱ軸 表2-2 分配傳動比 軸名 功率 轉矩 轉速 傳動比 效率 電機軸 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 第三章 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22~30m/min，在本次設計中，刀套線速度初定為25m/min。 3.2刀庫傳動方式以及 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： 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(nèi)容 計算結果 （一）初選【】值 1、當量摩擦系數(shù) 設，查《機械設計》 表13.6，取大值； 2、選【】值 在《機械設計》圖13.11的線上 任選一點，查得， （傳動嚙合效率）。 （二）中心距計算 1、蝸輪轉矩 2、使用系數(shù) 按題意查《機械設計》表12.9 3、轉速系數(shù) 4、彈性系數(shù) 由《機械設計》查表13.2得 5、壽命系數(shù) 6、接觸系數(shù) 由《機械設計》圖13.12Ⅰ線查出 7、接觸疲勞極限 由《機械設計》表13.2得 8、接觸疲勞最小安全系數(shù) 由《機械設計手冊》查得 9、中心距 取 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(shù) 由《機械設計》圖13.11查得 ，也可用式13.22計算 取 2、蝸輪系數(shù) 取 3、模數(shù) 取 4、蝸桿分度圓直徑 取 5、蝸輪分度圓直徑 6、蝸桿導程角 7、蝸輪寬度 取 8、蝸桿圓周速度 四川理工學院畢業(yè)設計（論文） 9、相對滑動速度 10、當量摩擦系數(shù) 由《機械設計》表13.6查得 （四）齒面解除疲勞強度驗算 1、許用接觸應力 2、最大接觸應力 （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 2、彎曲疲勞最小安全系數(shù) 由題目要求，根據(jù)《機械設 計手冊》查出 3、許用彎曲疲勞應力 4、輪齒最大彎曲應力 （六）蝸桿軸擾度驗算 1、軸慣性矩 2、允許蝸桿擾度 3、蝸桿軸擾度 （此處?。? 合格 （七）溫度計算 1、傳動嚙合效率 2、攪油效率 根據(jù)蝸桿的潤滑條件，查 《機械設計手冊》得： 3、軸承效率 根據(jù)蝸桿傳動要求，查 《機械設計手冊》得： 4、總效率 5、散熱面積估算 6、箱體工作溫度 （八）潤滑油粘度和潤滑方法 1、潤滑油粘度 2、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： 表2-3 蝸輪蝸桿的幾何尺寸 名稱 符號 計算結果 蝸桿頭數(shù) 模數(shù) 蝸桿分度圓直徑 中心距 蝸輪齒數(shù) 蝸輪分度圓直徑 · 蝸輪寬度 蝸桿軸向齒距 蝸桿導程 蝸桿齒頂圓直徑 蝸桿齒根圓直徑 節(jié)圓直徑 中圓導程角 蝸輪喉圓直徑 蝸輪齒根圓直徑 蝸輪外徑 注：取齒頂高，徑向間隙，。 第四章 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(nèi)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(diào)質(zhì)處理應用最為廣泛，硬度217HB~255HB，，，，。 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速,按下式進行估算： 該段軸上有一鍵槽將計算值加大3%，應為16.07 式中：C——與軸材料有關的系數(shù)，由《機械設計》表16.2查得，根據(jù)軸的材料取115。 4.2.2選擇聯(lián)軸器 一、根據(jù)傳動裝置的工作條件擬選用YL,YLD型凸緣聯(lián)軸器（GB5843-86摘錄）。 計算轉矩為： 式中：T——聯(lián)軸器所傳遞的名義轉矩； k——工作情況系數(shù)，； 根據(jù)，查《機械設計課程設計手冊》YL4,YLD4型凸緣聯(lián)軸器就能滿足傳遞轉矩的要求,其軸孔直徑范圍為。 二、最后確定蝸桿軸軸伸處的直徑為，型軸孔長度，螺栓數(shù)量為4，直徑M8，型。 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 軸承代號 基本尺寸/mm 安裝尺寸 70000C 70000AC 極限轉速 d D B min 基本額定 基本額定 脂 潤 滑 油 潤 滑 動載荷 靜 載 荷 動載荷 靜 載 荷 min max KN KN 7007C 35 62 14 1 0.3 41 56 1 13.5 19.5 14.2 18.3 18.5 13.5 8500 12000 4.2.4初步估計蝸桿軸各段的尺寸 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。 圖4-1 蝸桿軸 估計各段尺寸： 1、3段 由于1、3段軸上安裝的是軸承，軸承的直徑，所以可以確定這兩段軸的直徑為，長度為25mm。 2段 由于蝸桿的齒根圓直徑為，所以確定這段軸的直徑為，長度為250mm。 4段 選用直徑為，長度為50mm。 5段 直徑為，長度為100mm，鍵，。 四川理工學院畢業(yè)設計（論文） 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速,按下式進行估算： 該段軸上有一鍵槽將計算值加大3%，應為38.85mm 式中：C——與軸材料有關的系數(shù)，由《機械設計》表16.2查得，根據(jù)軸的材料取115。 4.3.2確定軸伸處的最小直徑 根據(jù)刀盤的設計要求，最后確定蝸輪軸軸伸處的直徑為。 4.3.3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 軸承代號 基本尺寸/mm 安裝尺寸 70000C 70000AC 極限轉速 d D B min 基本額定 基本額定 脂 潤 滑 油 潤 滑 動載荷 靜載荷 動載荷 靜 載 荷 min max KN KN 7010C 50 80 16 1 0.3 56 74 1 16.7 26.5 22.0 23.2 21.0 6700 6700 9000 4.3.4初步估計蝸輪軸的各段尺寸 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 估計各段尺寸： 2、6段 由于2段和6段軸上安裝的是軸承，軸承的直徑，所以可以確定兩端軸的直徑為，長度為； 1段 直徑為，長度為，； 3段 直徑為，長為50mm； 4段 直徑為，長為10mm； 5段 直徑為，長為60mm，。 4.4 軸徑的設計與校核 4.4.1 蝸桿軸 一、計算蝸桿受力： 二、蝸桿受力： (a) 垂直面受力圖： 解得： (b) 垂直面彎矩圖： （c）水平面受力圖： （d）水平面彎矩圖： (e) 合成彎矩圖： (f) 轉矩圖： (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：， 2、應力校正系數(shù) 3、畫當量彎矩圖 4、當量彎矩 在蝸桿中間截面處： 在左軸頸中間截面處： 當量彎矩圖如圖（g）所示。 四、校核軸徑 1、齒根圓直徑 2、軸徑 五、用安全系數(shù)法校核轉軸的強度 （一）、 判斷危險截面 初步分析Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個截面有較大的應力和應力集中，下面以截面Ⅰ為例進行安全系數(shù)校核。 1、對稱循環(huán)疲勞極限 軸材料選用45#鋼調(diào)質(zhì)，，，由《機械設計》表3.2所列公式可求得疲勞極限； 2、脈動循環(huán)疲勞極限 3、等效系數(shù) （二）、截面Ⅰ上的應力 1、彎矩（截面Ⅰ） 2、彎曲應力幅 3、彎曲平均應力 4、扭轉切應力 5、扭轉切應力幅和平均切應力 （三）、應力集中系數(shù) 1、有效應力集中系數(shù) 因在此截面處，有軸直徑變化，過渡圓角半徑，由，和，從《機械設計》附錄表1中查出（用插值法）， 2、表面狀態(tài)系數(shù) 由《機械設計》附錄表5查得， 3、尺寸系數(shù) 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） （四）安全系數(shù) 1、彎曲安全系數(shù) 設為無限壽命，，由《機械設計》式16.5得： 2、扭轉安全系數(shù) 3、復合安全系數(shù) 結論：根據(jù)校核，截面Ⅰ足夠安全。 4.4.2蝸輪軸的計算 一、 計算蝸輪受力 圓周力： 徑向力： 軸向力： （a） 垂直面受力圖： （b） 垂直面彎矩圖： （c） 水平面受力圖： （d） 水平面彎矩圖： （e） 合成彎矩圖： （f） 轉矩圖： （g） 當量彎矩圖： 二、 許用應力 1、許用應力值 用插入法由《機械設計》表16.3查得：， 2、應力校正系數(shù) 三、畫當量彎矩圖 1、當量轉矩 ，見圖（f） 2、當量彎矩 在蝸輪軸的中間截面處； 在左軸頸中間截面處； 三、 校核軸徑 1、軸徑 四、 用安全系數(shù)法校核軸的強度 （一）、判斷危險截面 初步分析Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個截面有較大的應力和應力集中，下面以截面Ⅰ為例進行安全系數(shù)校核。 1、對稱循環(huán)疲勞極限 軸的材料選用45鋼調(diào)質(zhì)，，，由《機械設計》表3.2所列公式可求得疲勞極限： 2、脈動循環(huán)疲勞極限 3、等效系數(shù) （二）、截面Ⅰ上的應力 1、彎矩（截面Ⅰ） 2、彎曲應力幅 3、彎曲平均應力 4、扭轉切應力 5、扭轉切應力幅和平均切應力 （三）、應力集中系數(shù) 1、有效應力集中系數(shù) 因在此截面處，有軸直徑變化，過渡圓角半徑，由 ，和，《機械設計》附錄表1中查出（用插值法）， 2、表面狀態(tài)系數(shù) 由《機械設計》附錄表5查得： 3、尺寸系數(shù) 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） （四）、安全系數(shù) 1、彎曲安全系數(shù) 設為無限壽命，,由《機械設計》式16.5得： 2、扭轉安全系數(shù) 3、復合安全系數(shù) 結論：根據(jù)校核，截面Ⅰ足夠安全。 第五章 軸承的校核 5.1蝸桿軸 查手冊7007C軸承主要性能參數(shù)如下： , , ； 用插入法查得：， 查《機械設計課程設計手冊》, 計算額定動載荷： 5.2 蝸輪軸 查《機械設計課程設計手冊》7010C軸承主要性能參數(shù)如下： ，，； 用插入法查得：， 查《機械設計課程設計手冊》， 計算額定動載荷： 四川理工學院畢業(yè)設計（論文） 第六章 其它零部件尺寸的設計與計算 6.1 回零減速撞塊尺寸的計算 為了使刀套準確地回到坐標零點，在零點前面設置減速行程開關，其回零減速撞塊尺寸如圖6-1所示，按下列公式計算： 圖6-1 回零減速撞塊尺寸計算 減速撞塊長度: 式中：——快速移動速度（）； ——快速移動時間常熟（），通常?。? ——伺服時間常熟（），； ——減速后速度（），可在范圍內(nèi)設定，一般設在30左右為好，在該設計中，??； 。 。 6.2 刀盤與刀套的設計 6.2.1 刀套 參照《數(shù)控機床與機械結構》一書中