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1 本科畢業(yè)設計 論文 任務書 畢業(yè)設計 論文 題目 立式高速銑削加工中心圓盤刀庫機構設計 畢業(yè)設計 論文 工作內容 從專業(yè)知識的綜合運用 論文框架的設計 文獻資料的收集和應用 觀點創(chuàng)新等方面詳細說明 本課題擬根據現(xiàn)代機械行業(yè)對高速鉆銑加工的需求 針對立式高速銑削加工中心 的設計功能需求 開展圓盤刀庫機構的設計工作 具備機械原理 機械設計 機械制造技術基礎 互換性與公差測量 SolidWorks 三維 CAD 建模與仿真等的基本知識和能力 進行必要的設計計算和校核 結構設計 技術參數 名 稱 規(guī) 格 刀庫規(guī)格 BT40 刀庫容量 20 最大刀具直徑 滿刀 80 最大刀具直徑 臨空刀 160 最大刀具長度 300mm 最大刀具重量 7kg 刀庫重量 220kg 刀架水平運動行程 240mm 具體工作內容 2 1 查閱與課題相關文獻資料 10 篇以上 其中英文資料 2 篇以上 英文資料翻譯 5000 漢字以上 2 在分析立式高速銑削加工中心設計功能要求的基礎上 研究其圓盤刀庫機構的總 體設計方案 并撰寫課題開題報告 3 圓盤刀庫傳動機構設計 電 機 選 型 傳 動 件 設 計 支承組件等 4 刀 庫 轉 動 定 位 機 構 設 計 5 設計圖紙量 折合約 3 張 A0 6 設計說明書一份 1 1 5 萬字 要求電腦打印 說明書組成包括畢業(yè)設計任務書 中外文摘要及關鍵詞 目錄 正文 主要參考文獻 致謝和附錄等 具體格式參 照學院畢業(yè)設計 論文 工作管理規(guī)定 進度安排 2014 年 10 月 20 日 2014 年 11 月 9 日 3 周 選擇題目 收集材料 聯(lián)系 落實畢業(yè)實習單位 填寫畢業(yè)設計任務書 2014 年 11 月 10 日 2014 年 12 月 7 日 4 周 布置任務 明確目標 制定 計劃 確定初步畢業(yè)設計方案 2014 年 12 月 8 日 2015 年 1 月 4 日 4 周 深化初步方案 結合畢業(yè)實習 加深對畢業(yè)設計方案的認識 2015 年 1 月 5 日 2015 年 1 月 16 日 2 周 學生畢業(yè)設計方案進一步完善 2015 年 1 月 17 日 2015 年 3 月 1 日 6 周 繼續(xù)前期工作 2015 年 3 月 2 日 2015 年 5 月 17 日 11 周 學生全部返校 進行畢業(yè)設計 計算 繪圖 編制畢業(yè)設計說明書 完成畢業(yè)設計工作任務 2015 年 3 月 30 日 2015 年 4 月 5 日接受學校畢業(yè)設計期中檢查 2015 年 5 月 18 日 2015 年 5 月 31 日 2 周 畢業(yè)成果預提交 修改 評閱 答辯 主要參考資料 1 夏田 數控加工中心設計 M 北京 化學工業(yè)出版社 2006 2 李佳 歐陽渺安 趙小林等 數控機床及應用 M 北京 清華大學出版社 2001 3 晏初宏 數控機床與機械結構 M 北京 機械工業(yè)出版社 2005 4 楊美英 數控機床主軸組件設計及剛度計算 J 機械工程與自動化 2004 2 71 74 5 王愛玲 白恩遠 趙學良等 現(xiàn)代數控機床 M 北京 國防工業(yè)出版社 2003 6 朱孝錄主編 中國機械工程學會 中國機械設計大典 編委會 中國機械設計大典 第 4 卷 機械傳動設計 M 南昌 江西科學技術出版社 2002 7 文懷興 陸君 呂玉清 高速立式加工中心主軸箱結構設計及分析 J 中國制造業(yè)信息化 2010 19 37 40 3 8 劉超峰 張淳 張功學 基于 ANYSY 的高速加工中心主軸箱有限元分析及優(yōu)化 J 組合 機床與自動化加工技術 2010 07 26 28 34 9 趙東平 高速臥式加工中心立柱的輕量化設計 D 蘭州理工大學 2012 10 現(xiàn)代實用機床設計手冊 編委會編 現(xiàn)代實用機床設計手冊 上 下冊 M 北京 機械工業(yè)出版社 2006 11 成大先主編 機械設計手冊 第三版 M 北京 化學工業(yè)出版社 1993 12 束雯 王瑋 機床主傳動系統(tǒng)優(yōu)化設計方法的研究 J 機床與液壓 2006 2 61 63 13 吳宗澤 羅圣國 機械設計課程設計手冊 第二版 M 北京 高等教育出版社 1999 14 文懷興 夏田 數控機床系統(tǒng)設計 M 北京 化學工業(yè)出版社 2005 15 加工中心 BT40 24DV 圓盤式刀庫產品說明書 16 曹秋霞 陳新亞 加工中心圓盤式刀庫轉動定位機構的設計計算 J 機械傳動 2005 30 4 34 36 指導教師 簽名 年 月 日 學生姓名 簽名 專業(yè)年級 系負責人審核意見 從選題是否符合專業(yè)培養(yǎng)目標 是否結合科研或工程實際 綜 合訓練程度 內容難度及工作量等方面加以審核 專業(yè)負責人簽字 年 月 日 I 本 科 畢 業(yè) 論 文 設 計 題目 立式高速銑削加工中心圓盤刀庫機構 學 院 姓 名 小二宋體加粗 學 號 小二宋體加粗 專 業(yè) 小二宋體加粗 班 級 小二宋體加粗 指導教師 小二宋體加粗 職 稱 小二宋體加粗 二 0 年 月 II 摘 要 課題是加工中心刀具庫結構設計 刀庫容量 20 把刀 最大 臨空刀 空刀刀具 直徑 160mm 最大刀具直徑 滿刀 80 刀具庫由電機傳動 這種刀庫在數控加工中 心上應用非常廣泛 其換刀過程簡單 換刀時間短 總體結構簡單 緊湊 動作準確可 靠 維護方便 成本低 本課題的目的就是要通過對加工中心刀庫的優(yōu)化設計以提高 換刀速度 減少助助時間 關鍵詞 加工中心 刀具庫 電機 數控 I Abstract Subject is to design the structure of machining center tool library Tool storage capacity of 20 knife the maximum air knife air cutter diameter 160mm diameter of cutter Man Dao 80 the machine tool library This knife is widely used in CNC machining center tool change its process is simple tool change time is short the overall structure is simple compact reliable action and convenient maintenance low cost The purpose of this paper is to through the optimization design of the machining center to improve the tool change speed reduce the time to help Keywords processing center CNC machine tool library 2 目 錄 摘 要 II Abstract I 目 錄 2 第 1 章 緒 言 4 1 1 課題的目的 4 1 2 課題設計方案的選擇和設計手段 4 1 3 刀庫系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 5 1 4 刀庫系統(tǒng)的發(fā)展方向 6 第 2 章 方案論證 7 2 1 圓盤刀庫方案 7 2 1 1 步進電機的原理 7 2 1 2 傳動方案傳動時應滿足的要求 7 2 1 3 傳動方案及其分析 8 2 1 4 伺服電機選擇 8 2 2 變速機構設計 11 第 3 章 圓盤刀庫結構設計 13 3 1 傳動部分的設計 13 3 1 1 選擇齒輪傳動的類型 13 3 1 2 選擇材料 13 3 1 3 按齒面接觸疲勞強度設計 13 3 1 4 確定齒輪的主要參數與主要尺寸 13 3 1 5 校核齒根彎曲疲勞強度 13 3 1 6 確定齒輪傳動精度 14 3 1 7 齒輪結構設計 14 3 2 電機的選擇及運動參數的計算 14 3 3 蝸輪及蝸桿的選用與校核 15 3 3 1 選擇蝸桿傳動類型 15 3 3 3 2 選擇材料 15 3 3 3 按齒面接觸疲勞強度設計 15 3 4 蝸桿與蝸輪的主要參數與幾何尺寸 16 3 4 1 蝸桿 16 3 4 2 蝸輪 16 3 4 3 校核齒根彎曲疲勞強度 16 3 5 軸的校核與計算 17 3 5 1 畫出受力簡圖 17 3 5 2 畫出扭矩圖 17 3 5 3 彎矩圖 18 3 6 彎矩組合圖 18 3 7 根據最大危險截面處的扭矩確定最小軸徑 18 3 8 齒輪上鍵的選取與校核 19 3 9 軸承的選用 19 3 9 1 軸承的類型 19 3 9 2 軸承的游隙及軸上零件的調配 19 3 9 3 滾動軸承的配合 19 3 9 4 滾動軸承的潤滑 19 3 9 5 滾動軸承的密封裝置 20 第 4 章 刀庫轉動定位機構設計 21 結束語 22 致謝 23 參考文獻 24 4 第 1 章 緒 言 1 1 課題的目的 未 來 工 具 機 產 業(yè) 的 發(fā) 展 均 以 追 求 高 速 高 精 度 高 效 率 為 目 標 隨 著 切 削 速 度 的 提 高 切 削 時 間 的 不 斷 縮 短 對 換 刀 時 間 的 要 求 也 在 逐 步 提 高 換 刀 的 速 度 已 成 為 高 等 級 工 具 機 的 一 項 重 要 指 標 本 課 題 的 目 的 就 是 要 通 過 對 刀 庫 的 設 計 以 提 高 換 刀 速 度 減 少 助 助 時 間 1 提高換刀速度的基本原則 工具機的換刀裝置 通常由刀庫和換刀機構組成 有些應用機械手臂換刀 有些換刀方式并不需要機械手臂 刀庫的形式和擺放位置也不一樣 為了適合高 速運動的需要 高速工具機在結構上已和傳統(tǒng)的工具機不同 以刀具運動進給為 主 減小運動工件的質量 已成為高速工具機設計的主流 因此 設計換刀裝置 時 要充分考慮到高速工具機的結構特征 9 2 提高換刀速度的主要技術方法 適合于工具機的快速自動換刀技術主要有以下幾個方面 在傳統(tǒng)自動換刀裝 置的基礎上提高動作速度 或采用動作速度更快的機構和驅動元件 例如 機械 凸輪結構的換刀速度高于液壓和氣動結構 根據高速工具機的結構特點設計刀庫 和換刀裝置的形式和位置 例如 傳統(tǒng)工具機的刀庫和換刀裝置多裝在立柱一側 在高速工具機則多為立柱移動的進給方式 為減輕運動件質量 刀庫和換刀裝置 不宜再裝在立柱上 采用新方法進行刀具快速交換 不用刀庫和機械手方式 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的 刀柄 如 HSK 刀柄質量輕 裝卸刀具的行程短 可以使自動換刀裝置的速度提高 快速自動換刀裝置采用 HSK 空心短錐柄刀是發(fā)展的趨勢 1 2 課題設計方案的選擇和設計手段 I 設計方案選擇 刀庫是刀具交換系統(tǒng)的一部分 加工中心的刀具交換系統(tǒng)也稱為自動換刀裝 置 ATC 它通常是由刀庫和機械手組成 自動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鍵 加工中心有立式 臥式 龍門式幾種 所以這些機床的刀庫和自動換刀裝置 也是各種各樣 加工中心上的刀庫類型有鼓輪式刀庫 鏈式刀庫 格子箱式刀庫 和直線刀庫等 1 鼓輪式刀庫 5 應用較廣 這種刀庫的結構緊湊 但因刀具單環(huán)排列 定向利用率低 大容 量刀庫的外徑較大 轉動慣量大 選刀時運動時間長 因此這種刀庫的容量較小 一般不超過 32 把刀具 2 鏈式刀具 容量較大 當采用多環(huán)鏈式刀庫時 刀庫的外形較緊湊 占用空間小 適合 用于做大容量刀庫 在增加存儲刀具數目時 可增加鏈條的長度 而不增加鏈輪 直徑 因此 鏈輪的圓周速度不會增加 且刀庫的運動慣量不像鼓輪式刀庫增加 的那么多 3 格子箱式刀庫 刀庫容量大 結構緊湊 空間利用率高 但布局不靈活 通常將刀庫安放于 工作臺上 有時甚至在使用一側的刀具時 必須更換另一側的刀座板 4 直線式刀庫 結構簡單 刀庫容量較小 一般用于數控車床 數控鉆床 個別加工中心也 有采用 結合所給題目 初步決定采用鏈式刀庫換刀方案 1 3 刀庫系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 1958 年 美國卡尼 特雷克 Kearney Trecker 公司首次把銑 鉆 鏜等多種工 序集中于一臺數控機床上 通過換刀方式實現(xiàn)連續(xù)加工 成為世界上第一臺加工中心 該產品出現(xiàn)后 銷路驚人 引起了日 德 美 英 法 意等先進工業(yè)國家的高度重 視 競相開發(fā)生產 不斷擴大和完善機床的功能 成為數控機床中發(fā)展最快 需求量 最大的商品之一 如今 世界上出現(xiàn)了立式 臥式 龍門式 落地式等各種加工中心 據不完全統(tǒng)計 大約有 1000 多個品種規(guī)格 未來加工中心的發(fā)展動向是高速化 進一步提高精度和愈發(fā)完善的機能 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 我國的 加工中心從 70 年代開始 已有很大發(fā)展 但技術 品種和數量上都還遠不能適應我國 經濟 技術發(fā)展的需要 隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展 推動了模具制造業(yè) 機械加工業(yè) 的巨大發(fā)展 使得數控機床的使用越來越普遍 而加工中心更是以其高自動化程度得 到廣泛應用 然而 目前市場上生產和銷售的都是以大 中型的加工中心為主 小型 加工中心幾乎是空白 而機械加工業(yè) 小型模具的制造 工科院校 技工學校等對小 型加工中心存在著大量的需求 為加速我國加工中心的發(fā)展 需進一步加強對加工中 心的研究 設計 制造和應用 在加工中心中 刀庫和機械手組成自動換刀裝置 6 Automatic Tool Changer 簡稱 ATC 而自動換刀裝置的好壞 將直接影響加工中心 的好壞 從目前情況看 加工中心的主機部分基本定型 變化不大 但自動換刀裝置 種類繁多 五花八門 是最難搞好的部分 它是加工中心的象征 又是加工中心成敗 的關鍵環(huán)節(jié) 因此各加工中心制造廠家都在下大力研制動作迅速 可靠性高的自動換 刀裝置 以求在激烈的競爭中取得好效益 正因為自動換刀裝置是加工中心的核心內 容 各廠家都在保密 極少公開有關資料 尤其機械手這部分更是如此 近年來刀庫的發(fā)展儼然已超越其為裝備的角色 在特有的技術領域中發(fā)展出 符合工具機高精度 高效能 高可靠度及多任務復合等概念產品 多樣化產品 左右工具機在生產效能及產品精度的表現(xiàn) 刀庫的容量 布局 針對不同的工具 機 形式也有所不同 根據刀庫的容量 外型和取刀的方式可大概分為斗笠式刀 庫 圓盤式刀庫 鏈條式刀庫 7 其發(fā)展趨勢為 1 高效能的產品 發(fā)展符合高荷重 高容量 高速化概念的刀庫產品 2 輕量化 低成本的產品 發(fā)展符合重量輕 成本低概念的刀庫產品 1 4 刀庫系統(tǒng)的發(fā)展方向 刀庫系統(tǒng)作為自動化加工過程中所需的儲刀及換刀需求的一種裝置 為數控 機床縮短機床非切削時間 降低勞動強度提供了必要條件 是數控機床的重要的 功能部件 必將向以下幾個方向發(fā)展 一方面隨著主機的 單機多任務復合化 發(fā)展 刀庫也必將向容量大 結構精 速度快 效率高的方向發(fā)展 以適應主機 的高轉速 高精度和強力切削的機械特性 此類刀庫大部分為臥式刀庫 有下面 幾個特點 1 可遠距離傳輸 2 換刀時可同步打刀 縮短換刀時間 3 大容量且可擴充 4 高效且精準的驅動和選刀系統(tǒng) 5 控制系統(tǒng)復雜 6 刀具重量大 比如適合五軸聯(lián)動的立臥轉換伺服刀庫 而另一方面 刀庫僅作 為單純的儲刀倉功能存在 主軸主動抓刀的 固定地址換刀 刀庫也是發(fā)展的 方向之一 此時刀庫好比數控系統(tǒng)的一個控制軸 僅有旋轉定位功能 如立車 刀庫 轉盤刀庫等 8 尤其以 20 盤式刀庫為代表 換刀速度和刀庫重量已經成為衡量刀庫性能的主 要參數之一 比如 吉輔 20 盤式刀庫的換刀速度 1 1s 重量已經降到 295kg 7 在選材上更環(huán)保 在制作過程中減少消耗 使用過程智能 安全等也是刀庫 發(fā)展的方向之一 第 2 章 方案論證 2 1 圓盤刀庫方案 2 1 1 步進電機的原理 步進電機是一種能將數字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件 每輸入一個脈沖電機轉軸步進一個步距角增量 電機總的回轉角與輸入脈沖數成正比 例 相應的轉速取決于輸入脈沖頻率 步進電機是機電一體化產品中關鍵部件之一 通常被用作定位控制和定速控制 步進電機慣量低 定位精度高 無累積誤差 控制簡單等特點 廣泛應用于機電一體 化產品中 如 數控機床 包裝機械 計算機外圍設備 復印機 傳真機等 選擇步進電機時 首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率 而在選 用功率步進電機時 首先要計算機械系統(tǒng)的負載轉矩 電機的矩頻特性能滿足機械負 載并有一定的余量保證其運行可靠 在實際工作過程中 各種頻率下的負載力矩必須 在矩頻特性曲線的范圍內 一般地說最大靜力矩 Mjmax 大的電機 負載力矩大 選擇步進電機時 應使步距角和機械系統(tǒng)匹配 這樣可以得到機床所需的脈沖當 量 在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當量 一是可以改變絲桿的導程 二是 可以通過步進電機的細分驅動來完成 但細分只能改變其分辨率 不改變其精度 精 度是由電機的固有特性所決定 選擇功率步進電機時 應當估算機械負載的負載慣量和機床要求的啟動頻率 使 之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量 使之最高速連續(xù)工作頻率能滿 足機床快速移動的需要 2 1 2 傳動方案傳動時應滿足的要求 數控圓盤刀庫一般由原動機 傳動裝置和工作臺組成 傳動裝置在原動機和工作 臺之間傳遞運動和動力 并可實現(xiàn)分度運動 在本課題中 原動機采用電液脈沖馬達 工作臺為 T 形槽工作臺 傳動裝置由齒輪傳動和蝸桿傳動組成 合理的傳動方案主要滿足以下要求 1 機械的功能要求 應滿足工作臺的功率 轉速和運動形式的要求 2 工作條件的要求 例如工作環(huán)境 場地 工作制度等 3 工作性能要求 保證工作可靠 傳動效率高等 4 結構工藝性要求 如結構簡單 尺寸緊湊 使用維護便利 工藝性和經濟合 理等 8 2 1 3 傳動方案及其分析 該傳動方案分析如下 齒輪傳動承受載能力較高 傳遞運動準確 平穩(wěn) 傳遞 功率和圓周速度范圍很 大 傳動效率高 結構緊湊 蝸桿傳動有以下特點 1 傳動比大在分度機構中可達 1000 以上 與其他傳動形式相比 傳動比相同時 機構尺寸小 因而結構緊湊 2 傳動平穩(wěn) 蝸桿齒是連續(xù)的螺旋齒 與蝸輪的嚙合是連續(xù)的 因此 傳動平穩(wěn) 噪聲低 3 可以自鎖 當蝸桿的導程角小于齒輪間的當量摩擦角時 若蝸桿為主動件 機 構將自鎖 這種蝸桿傳動常用于起重裝置中 4 效率低 制造成本較高 蝸桿傳動是 齒面上具有較大的滑動速度 摩擦磨損 大 故效率約為 0 7 0 8 具有自鎖的蝸桿傳動效率僅為 0 4 左右 為了提高減摩擦性 和耐磨性 蝸輪通常采用價格較貴的有色金屬制造 由以上分析可得 將齒輪傳動放在傳動系統(tǒng)的高速級 蝸桿傳動放在傳動系統(tǒng)的 低速級 傳動方案較合理 同時 對于數控圓盤刀庫 結構簡單 它有兩種型式 開環(huán)圓盤刀庫 閉環(huán)圓盤 刀庫 兩種型式各有特點 開環(huán)圓盤刀庫 開環(huán)圓盤刀庫和開環(huán)直線進給機構一樣 都可以用點液脈沖馬達 功率步進電機來驅動 閉環(huán)圓盤刀庫 閉環(huán)圓盤刀庫和開環(huán)圓盤刀庫大致相同 其區(qū)別在于 閉環(huán)圓盤 刀庫有轉動角度的測量元件 圓光柵 所測量的結果經反饋與指令值進行比較 按閉 環(huán)原理進行工作 使轉臺分度定位精度更高 2 1 4 伺服電機選擇 根據經驗和現(xiàn)有其他形式刀庫參數給定情況 并充分考慮實際情況的影響 技術參數 名 稱 規(guī) 格 刀庫規(guī)格 BT40 刀庫容量 20 最大刀具直徑 滿刀 80 9 最大刀具直徑 臨空 刀 160 最大刀具長度 300mm 最大刀具重量 7kg 刀庫重量 220kg 刀架水平運動行程 240mm 尤其是轉動慣量轉動速度之間的關系 給定轉速范圍在每分鐘 4 16 轉之間 我們設 定刀盤轉速為 15 轉 分鐘 以下計算按此轉速進行 實際使用時可根據具體情況適當 調整 1 確定電動機轉速 根據傳動比合理取值 取一級齒輪的傳動比 i 2 78 二級渦輪蝸桿減速器傳動比 i 1 35 則總傳動比合理范圍為 i 97 故電動機轉速約為 2 a n i n 97 1455 2 1 d a 15 minr 故選取轉速為 1500 的電機 初選 SM130 100 15LFB 伺服電機 其規(guī)格參數mr 如下 2 各軸轉速 2 2 01inm ir 式中 電動機滿載轉速 mn 電動機至 軸的傳動比 0i 以及 2 3 In101iim nr 2 4 2102iiII i 由式 2 3 2 5 得 I 軸 1500 01inm 5inr II 軸 540 I101ii i 10 III 軸 15 4 2102ininmII 3578 0 minr 3 各軸輸入功率 2 5 dIP kW 2 6 12 IIP321 kW 2 7 33 式中 分別為軸承 齒輪傳動的傳動效率 2 3 由式 5 7 得 I 軸 1 5kWdIP II 軸 1 5 0 98 0 97 1 4259kW 12 I 32 d III 軸 1 4259 1 3555 kWI 3I 97 08 II III 軸的輸出功率則分別為輸入功率乘軸承效率 0 98 分別為 1 3974kW 和 1 3284kW I 軸為電機軸 輸出功率為 1 5kW 4 各軸輸入轉矩 9550 N m 2 8 TnP 其中 為電動機的輸出轉矩 按下式計算 dT 9550 N m 2 9 dd 所以 9550 9 55N m 2 10 dIT 150 9550 25 2173N m 2 11 I429 9550 N m 2 12 I 86 153 II III 軸的輸出轉矩則分別為輸入轉矩乘軸承效率 0 98 分別為 24 7130 N m 和 823 7743 N m I 軸為電機軸 輸出轉矩為 9 55 N m 運動和動力參數計算結果如下表 2 2 表 2 2 軸名 轉矩 T N m 功率 PkW 轉速 n 傳動 比 效率 11 輸入 輸出 輸入 輸出 minri I 軸 9 55 9 55 1 5 1 5 1500 2 78 0 93 II 軸 25 2173 24 7130 1 4259 1 3974 540 III 軸 840 5860 823 7743 1 3555 1 3284 15 4 35 0 95 5 校核電動機 轉矩校核 加載在刀盤轉軸上的重力為刀庫旋轉刀架的重力 其中刀盤厚度為 40mm 直徑為 430mm 刀具平均重量 5kg 共有 24 把刀 G 5 6 0 04 10 24 5 10 1525N mg24 3104 23 0 則可得刀庫作用在軸 III 上的轉矩 T 3 Gd3 1525 0 025 38 1 N m 可得 T 3 inr mirm n 故此電動機的轉速也滿足刀庫的轉速要求 d 綜合考慮電動機和傳動裝置的尺寸 轉矩 轉速等各方面 可見此電動機比較合 適 因此選定電動機型號為 SM130 100 15LFB 2 2 變速機構設計 1 齒輪變速機構 齒輪傳動平穩(wěn) 傳動比精確 工作可靠 效率高 壽命長 使用的功率 速度和 尺寸范圍大 由于電機轉速較高 在這里 我選用直齒輪變速機構作為第一級變速 設計傳動比為 2 78 齒輪 1 模數 m 2 齒數 Z 18 d 36 20 度 齒輪厚度 B 20mm 齒輪 2 模數 m 2 齒數 Z 50 d 100 20 度 齒輪厚度 B 20mm 2 蝸輪蝸桿變速機構 蝸輪蝸桿傳動是用來傳遞運動和動力的傳動機構 在工業(yè)生產領域中有很普遍的 應用 蝸輪蝸桿是兩個交錯軸之間的傳動 在中間平面內的狀態(tài)相當于齒輪和齒條 12 而蝸桿的構造和形狀與螺桿相類似 蝸輪蝸桿傳動作為諸多傳動方式的一種 有著自身獨特的優(yōu)點 從而開拓了廣泛 的使用空間 渦輪蝸桿傳動有很大的傳動比和軸向力 比交錯軸斜齒輪的結構更為緊 湊 更適用于兩軸交錯傳動的狀態(tài) 渦輪蝸桿傳動的兩輪嚙合齒面間為線接觸 能獲得比交錯軸斜齒輪機構更好的嚙 合效果 傳動比和承載能力也更高 蝸輪蝸桿傳動是異種螺旋式傳動 傳動中主要形式為齒嚙合傳動 因此傳動更為 平穩(wěn) 振動小 噪音低 適合需要穩(wěn)固狀態(tài)的機械使用 蝸輪蝸桿傳動機構比其他傳動機構突出的優(yōu)點在于其自鎖功能 蝸輪蝸桿機構的 蝸桿導程角小于嚙合輪齒間當量摩擦角時 蝸輪蝸桿傳動機構就會反向自鎖 這時只 能是蝸桿帶動蝸輪 而蝸輪無法帶動蝸桿 即可實現(xiàn)對機械的安全保護 13 第 3 章 圓盤刀庫結構設計 3 1 傳動部分的設計 3 1 1 選擇齒輪傳動的類型 根據 GB T10085 1988 的推薦 采用直齒輪傳動的形式 3 1 2 選擇材料 考慮到齒輪傳動效率不大 速度只是中等 故蝸桿用 45 號鋼 為達到更高的效率 和更好的耐磨性 要求齒輪面 硬度為 45 55HRC 3 1 3 按齒面接觸疲勞強度設計 先按齒面接觸疲勞強度進行設計 在校核齒根彎曲疲勞強度 傳遞轉矩 T1 9 55 106P1 N1 9 55X106 0 75 3000 2 39N M 載荷系數 K 因載荷平穩(wěn) 由表 6 6 取 K 1 2 齒寬系數 d 由表 6 7 取 d 1 許用接觸壓力 H H H2 220Mpa 傳動比 i i 3 將以上參數代入公式 D13 671 h 2 6 21 KT1 i 1 di D1 32 88mm 3 1 4 確定齒輪的主要參數與主要尺寸 1 齒數 取 Z1 22 則 Z2 i Z1 3 22 66 取 Z2 66 2 模數 m d1 Z1 32 88 22 1 49mm 取標準值 m 1 5 3 中心距 標準中心距 m 2 Z1 Z2 60 5mm 4 其他主要尺寸 分度圓直徑 d1 mZ1 1 5x22 33mm d2 mZ2 1 5x66 99mm 齒頂圓直徑 da1 d1 2m 33 2x1 5 36mm da2 d2 2m 99 2x1 5 102mm 齒寬 b dd1 0 6x33 19 8mm 取 b2 20 b2 b1 5 10 20 30mm 取 b1 20mm 3 1 5 校核齒根彎曲疲勞強度 F 22KT1YFS bmd1 F 復合齒形系數 Ys 由 x 0 標準齒輪 及 Z1 Z2 查圖 6 29 得 14 YFS1 4 12 YFS2 3 96 則 f1 2kT1YFS1 bmd1 2x1 2x2 39x103x4 12 19 8x1 5x33 74 6Mpa F1 f2 f1YFS2 YFS1 74 6x3 96 4 12 Mpa 71 70MPa F2 彎曲強度足夠 3 1 6 確定齒輪傳動精度 齒輪圓周速度 v d1n 60 x1000 3 14x72 5x970 600 x1000 3 68m s 由表 6 4 確定第 公差組為 8 級 第 公差組也定為 8 級 齒厚偏差選 HK 3 1 7 齒輪結構設計 小齒輪 da1 33mm 采用實心式齒輪 大齒輪 da2 99mm 采用腹板式齒輪 3 2 電機的選擇及運動參數的計算 許多機械加工需要微量進給 要實現(xiàn)微量進給 步進電機 直流伺服交流伺服電 機都可作為驅動元件 對于后兩者 必須使用精密的傳感器并構成閉環(huán)系統(tǒng) 才能實 現(xiàn)微量進給 在閉環(huán)系統(tǒng)中 廣泛采用電液脈沖馬達作為執(zhí)行單元 1 電機電機的選擇 按照工作要求和條件選 Y 系列一般用途的全封閉自扇冷鼠籠型三相異步電機 2 選擇電機的額定功率 馬達的額定功率應等于或稍大于工作要求的功率 額定功率小于工作要求 則不 能保證工作機器正常工作 或使馬達長期過載 發(fā)熱大而過早損壞 額定功率過大 則馬達價格高 并且由于效率和功率因素低而造成浪費 工作所需功率為 Pw FwVw 1000 w KW Pw Tnw 9950 w KW 式中 T 150N M nw 36r min 電機工作效率 w 0 97 代入上式得 Pw 150 36 9950 0 97 0 56 KW 電機所需的輸出功率為 P0 Pw 式中 為電機至工作臺主動軸之間的總效率 由表 2 4 查得 齒輪傳動的效率為 w 0 97 一對滾動軸承的效率為 w 0 99 蝸桿傳動的效率為 w 0 8 因此 1 23 3 0 97 0 993 0 8 0 75 P0 Pw 0 56 0 75 0 747 KW 一般電機的額定功率 Pm 1 1 3 P0 1 1 3 0 747 0 747 0 97 KW 則由表 2 1 取電機額定功率為 Pm 0 75 KW 確定電機轉速 按表 2 5 推薦的各種機構傳動范圍為 取 齒輪傳動比 3 5 15 蝸桿傳動比 15 32 則總的傳動范圍為 i i1 i2 3 15 5 32 45 160 電機轉速的范圍為 N i nw 45 160 36 1620 5760 r min 為降低電機的重量和價格 由表 2 1 中選取常用的同步轉速為 3000r min 的 Y 系 列電機 型號為 Y801 2 其滿載轉速 nm 3000r min 此外 電機的安裝和外形尺寸可 查表 2 2 3 3 蝸輪及蝸桿的選用與校核 由于前述所選電機可知 T 6 93N M 傳動比設定為 i 27 5 效率 0 8 工作日安排 每年 300 工作日計 壽命為 10 年 3 3 1 選擇蝸桿傳動類型 根據 GB T10085 1988 的推薦 采用漸開線蝸桿 3 3 2 選擇材料 考慮到蝸桿傳動效率不大 速度只是中等 故蝸桿用 45 號鋼 為達到更高的效率 和更好的耐磨性 要求蝸桿螺旋齒面淬火 硬度為 45 55HRC 蝸輪用鑄錫磷青銅 Zcusn10p1 金屬鑄造 為了節(jié)約貴重的有色金屬 僅齒圈用青銅制造 而輪芯用灰鑄 鐵 HT100 制造 3 3 3 按齒面接觸疲勞強度設計 根據閉式蝸桿傳動的設計準則 先按齒面接觸疲勞強度進行設計 在校核齒根彎 曲疲勞強度 傳動中心距 232 EHZakT 3 2 1 確定作用在蝸輪上的轉距 T2 按 Z1 2 估取效率 0 8 則 T2 T i 153 4N M 3 3 2 確定載荷系數 K 因工作載荷較穩(wěn)定 故取載荷分布不均系數 K 1 由使用系數 KA 表從而選取 KA 1 15 由于轉速不高 沖擊不大 可取動載系數 KV 1 1 則 K KA K KV 1 1 15 1 1 1 265 1 27 3 4 3 確定彈性影響系數 ZE 選用的鑄錫磷青銅蝸輪和蝸桿相配 4 確定接觸系數 Z 16 先假設蝸桿分度圓直徑 d1 和傳動中心距 a 的比值 d1 a 0 30 從而可查出 Z 3 12 5 確定許用應力 H 根據蝸輪材料為鑄錫磷青銅 zcusn10p1 金屬模鑄造 蝸桿螺旋齒面硬度 45HRC 從而可查得蝸輪的基本許用應力 H 268MPA 因為電動刀架中蝸輪蝸桿的傳動為間隙性的 故初步定位 其壽命系數為 KHN 0 92 則 H KHN H 0 92 268 246 56 247MPA 3 5 6 計算中心距 23160 71 2758 4am 3 6 取中心距 a 50mm m 1 25mm 蝸桿分度圓直徑 d1 22 4mm 這時 0 448 從而可 查得接觸系數 2 72 因為 Z 因此以上計算結果可用 3 4 蝸桿與蝸輪的主要參數與幾何尺寸 3 4 1 蝸桿 直徑系數 q 17 92 分度圓直徑 d1 22 4mm 蝸桿頭數 Z1 1 分度圓導程角 3 11 38 蝸桿軸向齒距 PA 3 94mm 3 7 蝸桿齒頂圓直徑 123 2aadhm 3 8 蝸桿軸向齒厚 S 1 97mm 3 10 3 4 2 蝸輪 蝸輪齒數 Z2 62 變位系數 0 驗算傳動比 i 2z 1 62 1 62 3 11 這是傳動比誤差為 60 62 60 2 60 0 033 3 3 3 12 蝸輪分度圓直徑 d2 mz2 5627 m 3 13 蝸輪喉圓直徑 da2 d2 2ha2 93 5 3 14 蝸輪喉母圓直徑 rg2 a 1 2 da2 50 1 293 5 3 25 3 17 3 4 3 校核齒根彎曲疲勞強度 21 53 aFFFkTYdm 3 18 當量齒數 17 3236 cos 1862oVZCOS 3 19 根據 2 0 ZV2 62 可查得齒形系數 2aFY 2 31 螺旋角系數 Y 1 140 0 9773 3 20 許用彎曲應力 F H KFN F 56 0 72 40 32MPa 3 21 H 1 532704 2 31 0 9773 4 29MPa 3 22 所以彎曲強度是滿足要求的 3 5 軸的校核與計算 3 5 1 畫出受力簡圖 圖 3 1 受力簡圖 計算出 R1 46 6N R2 26 2N 扭 矩 圖 3 5 2 畫出扭矩圖 T i T 電機 0 36 60 0 98 18 21 2 N M 3 33 圖 3 2 扭矩圖 3 5 3 彎矩圖 M 72 8 180 10 3 13 1N 3 34 圖 3 3 彎矩圖 3 6 彎矩組合圖 由此可知軸的最大危險截面所在 組合彎矩 22 MaT 3 35 3 7 根據最大危險截面處的扭矩確定最小軸徑 221 caW 3 36 扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力 取 0 6 抗彎截面系數 W 0 1d3 根據各個零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀及小 19 3 8 齒輪上鍵的選取與校核 取鍵連接的類型好尺寸 因其軸上鍵的作用是傳遞扭矩 應用平鍵連接就可以了 在此用平鍵 由資料可 查出鍵的截面尺寸為 寬度 b 5mm 高度 h 5mm 由連軸器的寬度并參考鍵的長度系列 從而取鍵長 L 10mm 2 鍵連接的強度 鍵 軸和連軸器的材料都是鋼 因而可查得許用擠壓力 p 50 60MPa 取其 平均值 p 135MPa 鍵的工作長度 l L b 10 5 5mm 鍵與連軸器的鍵槽的接觸高度 k 0 5h 2 5mm 從 而可得 p 2000T kld 127 p 可見滿足要求 此鍵的標記為 鍵 B5 10 GB T 1096 1979 3 9 軸承的選用 滾動軸承是現(xiàn)代機器中廣泛應用的部件之一 它是依靠主要元件的滾動接觸來支 撐轉動零件的 與滑動軸承相比 滾動軸承摩擦力小 功率消耗少 啟動容易等優(yōu)點 并且常用的滾動軸承絕大多數已經標準化 因此使用滾動軸承時 只要根據具體工作 條件正確選擇軸承的類型和尺寸 驗算軸承的承載能力 以及與軸承的安裝 調整 潤滑 密封等有關的 軸承裝置設計 問題 3 9 1 軸承的類型 考慮到軸各個方面的誤差會直接傳遞給加工工件時的加工誤差 因此選用調心性 能比較好的圓錐滾子軸承 此類軸承可以同時承受徑向載荷及軸向載荷 外圈可分離 安裝時可調整軸承的游隙 其機構代碼為 3000 然后根據安裝尺寸和使用壽命選出軸 承的型號為 30208 3 9 2 軸承的游隙及軸上零件的調配 軸承的游隙和欲緊時靠端蓋下的墊片來調整的 這樣比較方便 3 9 3 滾動軸承的配合 滾動軸承是標準件 為使軸承便于互換和大量生產 軸承內孔于軸的配合采用基 孔制 即以軸承內孔的尺寸為基準 軸承外徑與外殼的配合采用基軸制 即以軸承的 外徑尺寸為基準 3 9 4 滾動軸承的潤滑 考慮到電動刀架工作時轉速很高 并且是不間斷工作 溫度也很高 故采用油潤 滑 轉速越高 應采用粘度越低的潤滑油 載荷越大 應選用粘度越高的 20 3 9 5 滾動軸承的密封裝置 軸承的密封裝置是為了阻止灰塵 水 酸氣和其他雜物進入軸承 并阻止?jié)櫥瑒?流失而設置的 密封裝置可分為接觸式及非接觸式兩大類 此處 采用接觸式密封 唇形密封圈 唇形密封圈靠彎折了的橡膠的彈性力和附加的環(huán)行螺旋彈簧的緊扣作用而套緊在 軸上 以便起密封作用 唇形密封圈封唇的方向要緊密封的部位 即如果是為了油封 密封唇應朝內 如果主要是為了防止外物浸入 蜜蜂唇應朝外 21 第 4 章 刀庫轉動定位機構設計 為了確保刀座不能準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 軸上的定位嚙合牙嵌式電磁離合器 M 實現(xiàn)的 如 3 1 所示 離合器的 磁軛和銜鐵的齒面是不等分的 每間隔不同齒數有一個寬平齒 銜鐵和磁軛只有在一 個位置上才能嚙合 磁軛固定在刀庫法蘭盤上 銜鐵隨 軸轉動 通電后 銜鐵轉到 固定位置與磁軛嚙合 使 軸每次停在固定的方位上 保證了每個刀座的正確定位 如圖 3 2 所示 為了保證刀座的準停精度和刀座定位的剛性 鏈式刀庫的換刀位置設 在主動鏈輪上 如果刀座不能準確地停在換刀位置上 將會使換刀機械手抓刀不住 以致在換刀 時容易發(fā)生掉刀現(xiàn)象 因此 刀座的準停問題 將是影響換刀動作可靠性的重要因素 之一 圖 3 2 磁軛 左 銜鐵 右 零件圖 2 鏈式刀庫要選用節(jié)距精度較高的套筒滾子鏈和鏈輪 該設計選用的是鏈號為 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 刀庫驅動傳動鏈 必然會有傳動間隙 且這種間隙還隨 機械磨損而增大 這將影響刀庫的準停精度 所以 必須采用各種辦法減少或消 除齒輪間隙 本設計將采用柔性調整法來消除齒輪間隙 柔性調整法是指調整后齒側間隙可 以自動補償的方法 這種調整法在齒輪的齒后和周節(jié)有差異的情況下 仍可始終保 持無間隙嚙合 先將一個大的直齒圓柱齒輪加工成 1 2 兩個薄齒輪 齒輪的下半部 分 1 上帶有三個周向圓弧槽 5 齒輪的上半部分 2 上鉆有三個銷孔 圓柱銷 3 依靠 22 微量過盈固定在銷孔中 套裝在圓弧槽內 彈簧 6 的兩端分別頂在圓柱銷 3 和鑲塊 4 上 使兩個薄齒輪的齒錯位 起到消除間隙的作用 23 結束語 本次畢業(yè)設計將近尾聲 感覺受益匪淺 通過本次畢業(yè)設計 不僅把大學所學到的理論知識很好的運用到畢業(yè)設計中 而且 培養(yǎng)了自己認真思考的能力 在處理問題時有了新的認識和方法 并加強了和同學之 間進行探討和解決問題的能力 通過對專業(yè)知識的接觸和深入學習 以及對相關信息的獲取 我深切地認識到 就目前的發(fā)展而言 我國的工業(yè)還比較落后 與發(fā)達國家相比還存在很大的差距 盡 管我們不斷地在努力 但想在很短的時間內改變這種現(xiàn)狀是很難的 尤其是對于我們 這樣一個國情的大國 所以 我們應該擁有的是一種民族意識 不斷的追求創(chuàng)新 本次畢業(yè)設計中 我做的是整體設計部分 通過本次畢業(yè)設計 不僅鍛煉了自己查 閱資料的能力 而且能夠熟練運用國家標準 機械類手冊和圖冊等工具進行設計計算 分析 這次畢業(yè)設計還讓我體會到團體的力量 提高自己的團隊意識 遇到問題時和 小組成員進行討論和分析或是請教明老師 直到得到滿意的結果 24 致謝 在我進行畢業(yè)設計的過程中 我的老師和同學們給了我很大的幫助 這里我向他們 表示誠摯的敬意 首先 我要感謝指導教師 XX 老師 通過這次畢業(yè)設計他教會了我如何去設計 怎 么去設計 以及在最初構思時 應該注意的各種問題 他嚴謹治學的態(tài)度 不辭辛勞 指導我做畢業(yè)設計 嚴于律己 寬以待人的為人都給我留下了深深的印象 他的熱情 他的執(zhí)著 更是讓我終身難忘 這一切將對我以后的學習和工作有很大的幫助 我還 要感謝進行畢業(yè)設計中期檢查的各位領導和機械工程系的其他老師 他們及時的給我 指出了畢業(yè)設計當中的不足 并且給予我很多完成設計的便利條件 在各位老師和同學的大力幫助下 才使我的畢業(yè)設計得以完成 最后 再次對他 們給予我的幫助 表示衷心的感謝 并對論文審閱老師的辛勤勞動表示敬意 25 參考文獻 1 張建民等著 機電一體化系統(tǒng)設計 高等教育出版社 2001 年 8 月第 1 版 版社 2005 年 10 月第 1 版 2 馮開平 左宗義主編 畫法幾何與機械制圖 華南理工大學出版社 2005 年 3 顧崇銜等編著 機械制造工藝學 陜西科學技術出版社 1999 年 11 月第 3 版 4 哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室編 理論力學 高等教育出版社 2002 年 8 月第 6 版 5 華東紡織工學院 哈爾濱工業(yè)大學 天津大學 機床設計圖冊 上海科學技術出版 社 6 機械設計手冊編寫組 機械設計手冊 機械工業(yè)出版社 1986 年 12 月 7 邱宣懷主編 機械設計 高等教育出版社 2004 年 5 月 8 李華 李煥峰副主編 機械制造技術 機械工業(yè)出版社出版 9 葉偉昌 林崗副主編 機械工程及自動化簡明設計手冊 機械工業(yè)出版社出 版