小型数控加工中心自动换刀系统设计

西安航空职业技术学院毕 业 设 计（论 文）论文题目： 小型数控加工中心自动换刀系统设计 所属系部： 航空制造工程学院指导老师： 职 称： 学生姓名： 班级、学号: 专 业： 西安航空职业技术学院制2013年 11 月 20 日西安航空职业技术学院 毕业设计（论文）任务书题目：小型数控加工中心自动换刀系统设计（机械部分）任务与要求：小型数控加工中心自动换刀系统要求针对圆盘式刀库的8把刀具，以准停位置为基准通过PLC控制刀盘顺时针和逆时针旋转利用气动装置从而实现换刀，自动换刀过程和自动换刀各部分组成,换刀时间2s，刀盘转速为60r/min。时间： 2013年 11 月 18 日至 2014年 1 月 10 日 共 8 周所属系部：航空制造工程学院学生姓名： 学 号：专业： 指导单位或教研室： 指导教师： 职 称： 西安航空职业技术学院制2013年 11 月 20 日毕业设计(论文)进度计划表日 期工 作 内 容执 行 情 况指导教师签 字第一周通过对课本知识所学和同学之间的相互探讨以及自己在图书馆及网上查阅相关资料后，了解了本次题目的主要内容第二周向指导老师汇报前段准备情况，并开始着手整理相关资料第三周根据整理的相关资料，初步建立起论文的基本框架，并和指导老师讨论是否合适，修改完善第四周对所掌握的资料进行合理的筛选后，初步形成论文的初稿，并发送给指导老师，接受老师的指导第五周就指导老师对初稿指出的相关问题，尤其是论文格式问题，进行及时修改，并对论电子稿再次发给老师第六周就指导老师对第二稿稿指出的相关问题，并对论文所涉及到的理论问题进行了认真审查，修改后，将电子稿再次发给老师第七周就指导老师再次提出的相关问题进行修改，并经过多次讨论，形成满足学校要求的论文接受老师最后的修改，打印提交教师对进度计划实施情况总评 签名 年 月 日 本表作评定学生平时成绩的依据之一。目 录【摘要】- 1 -1绪论- 2 -1.1 加工中心简介- 3 -1.1.1 加工中心的发展简史- 3 -1.2 加工中心的发展趋势- 4 -2 总体方案的确定- 6 -2.1 加工中心的结构组成- 6 -2.2 刀库的类型- 7 -2.3 刀具自动换刀分析- 8 -2.4 无机械手换刀装置刀库的设计- 8 -2.4.1 刀库主要参数- 10 -2.4.2 刀盘部分的设计- 10 -2.4.3 刀盘尺寸的确定- 11 -2.4.4 刀库转动定位机构的选择- 11 -3 动力装置分析- 11 -3.1 初选电机- 11 -3.1.1 确定传动装置的传动比- 11 -3.1.2 确定各轴转速、转矩和功率- 12 -3.2 电动机的校核- 13 -3.2.1 涡轮轴的设计计算- 13 -3.2.2 计算并校核伺服电机的扭矩- 13 -3.3 刀库转位机构的普通圆柱蜗杆传动的设计- 15 -3.3.1 选择蜗杆传动类型- 15 -3.4 蜗轮轴的校核- 19 -4 总结- 22 -致 谢- 23 -参考文献- 24 -数控加工中心刀具库自动换刀系统【摘要】本设计介绍了加工中心自动换刀装置的机械部分设计，最终实现自动换刀动作，介绍了目前加工中心常用的刀库，及其在加工中心上的应用情况，从而可以看出在数控方面的发展趋势。 换刀装置作为加工中心的重要组成部分，其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间，提高生产率，降低生产成本，进而提升机床乃至整个生产线的生产力。加工中心自动换刀装置是实现多工序连续加工的重要装置，其结构设计及其控制是实现加工中心设计制造的关键。加工中心的换刀过程较为复杂，动作多，动作间的相互协调多，进而自动换刀系统的好坏直接影响加工效率的高低。 带有自动换刀系统的数控加工中心在现代先进制造业中起着越来越重要的作用，它能缩短产品的制造周期，提高产品的加工精度，适合柔性加工。加工中心是数控中较为复杂的加工设备，由于其具有多种加工能力而得到广泛的应用，其强大的加工能力和效率得益于其配置的自动换刀装置。关键字：数控加工中心，无机械手自动换刀，刀库Abstract:This design introduced the design of mechanical parts of automatic tool changer for machine center, realize the automatic tool change action, introduces the machining center tool library, and its applications in the machining center, which can be seen in the development trend of nc.As an important part of the machining center tool change device, its main role is non cutting time, reduce the machining process to improve productivity, reduce production costs, and enhance the productivity of machine tools and the whole production line. Machining center automatic tool change device is an important device to realize the multi process continuous process, the structure design and control is the key of manufacturing processing center. Tool changing process of machining center is more complex, action, coordinated action among many, and has automatic tool changing system directly affects the machining efficiency.With NC machining center automatic tool changing system plays a more and more important role in modern advanced manufacturing industry, it can shorten the manufacturing cycle, improve product processing precision, suitable for flexible processing. Machining center is a complicated machining CNC equipment, because it has many kinds of processing capacity and wide range of applications, automatic tool changing device for its powerful processing capacity and efficiency due to its configuration.Key words: CNC machining center, Automatic tool change without mechanical hand, The knife1绪论1952年世界上出现了第一台数控机床，使多品种、中小批量的机械加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。1958年第一台加工中心问世，它将多工序（铣、钻、镗、铰、攻丝等）加工集于一身；适应加工多品种和大批量的工件；增加机床功能（自动换刀、自动换工件、自动检测等），使自动化程度和加工效率上了一个新台阶；使无人化（或长时间无人操作）加工成为现实。加工中心已成为柔性制造系统、计算机集成制造系统和自动化工厂的基本单元。加工中心是数控机床的代表，是高新技术集成度高的典型机电一体化机械加工设备，受到世界各工业发达国家的高度重视，技术迅速发展，品种和数量大幅度增加，成为当今世界机械加工设备中最引人注目的一类产品。1.1 加工中心简介1.1.1 加工中心的发展简史1952年世界上出现第一台数控机床，使多品种、中小批量的机械加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。它用易于修改的数控加工程序进行控制，因而比大批量生产重使用组合机床生产线和凸轮、开关控制的专用机床有更大的柔性，容易适应加工件品种的变化，进行多品种加工。它用数控系统对机床的工艺功能、几何图形运动功能和辅助功能实行全自动的数字控制，因为有更高的自动化程度和加工效率，大大改变了中小批量生产中普通机床占整个机械加工的状况。数控机床能实现两坐标以上联动的功能，其效率和精度比用手工和样板控制加工复杂零件要高得多。1958年第一台加工中心在美国卡尼、特雷克（Kearney&Trecker）公司问世。现代加工中心的内容是什么？第一，它是在数控镗床或数控铣床的基础上增加自动换刀装置，可使工件在一次装卡中，能够自动更换刀具，自动完成工件上的铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等工序的数控机床。第二，加工中心上如果带有自动分度回转工作台或自动转角度的主轴箱，可使工件在一次装卡中，自动完成多个平面和多个角度位置的多工序加工。第三，加工中心上如果带有交换工作台，工件在工作位置的工作台上进行加工的同时，另外的工件在装卸位置的工作台上进行装卸，不影响加工的进行。由上述可知，加工重心在加工的柔性、自动化程度和加工效率上，在一般数控机床的基础上又上了一个新的台阶，又是一次新的变革。加工中心的定义是什么？目前世界上并无标准定义，但目前普遍认为是指：在工件一次装卡中，能够实现自动铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等多工序的数控机床。更为明确的说法是：加工中心就是自动换刀数控镗铣床。这就把加工中心与自动换刀数控车床或车削中心区别开来。1.2 加工中心的发展趋势立式加工中心主要的用户层面为,以看好的汽车零部件行业为首，还有模具、飞机、医疗设备、IT、光学设备等行业。在飞机制造业因绝大多数加工件为多品种、小批量的产品，因此五轴加工机为主的立式加工中心有潜在的需求。今后电子零部件、精密机枝零部件、半导体模具等行业也具有需求潜力。各生产厂家面对预期需求扩大的飞机、模具、半导体等行业，正在抓紧开发五轴加工机。和几年前的以生产一般零部件为主的立式加工中心形成鲜明对比的，突出以加工模具为主的设备方案不断从厂家出现，由此可明显地看出对高速、高效、高品位加工的需求正在增加。针对高精度加工，一些厂家比较注重研制对不易切削材质搞重切削加工的机型。同时，以减少工件更换时间和集中工序为目的的复合化加工技术也在不断创新。为进一步提高效率，有些厂家正在尝试在立式加工中心的控制轴方面再加上l2个轴，形成五轴控制，样对于形状复杂的工件和自由曲面等工件都可完成一次装卡加工。在产品开发方面，由于用户的要求更加严格，不得不在保持低价位的同时不断追求高性能的技术。由于正在加快适应环保要求的新技术开发，因此，更加需要可以调整品种、数量的可形成柔性线结构的设备。现在干式切削也在研制之中，如已经出现的使用高纯度氮气的干式加工系统，以氧化来控制精度变化。同时为改善作业环境、提高经济效率，对于切屑的处理也采用了易于回收的方式。卧式加工中心卧式加工中心因其加工面是垂直的，切屑易脱落，比较适应时间无操作。又因是模块结构，可以短时间内导入最适当规模的系统。因其无人操作时间较长，在成本费用方面与单机相比效果更好。从用户需求来看，对卧式加工中心的要求更加趋向于适应多品种小批量的生产，要求加工设备能够灵活地适应工序集中导致的生产型加工件的变化。现在由于汽车厂家的设备投资呈上升趋势，需求可望进一步扩大。此外，因对于产品制造的认识和对生产体系的看法正在发生根本的转变，由此而派生的新的生产体系可能对能形成柔性线的小型机种产生需求。着手生产以上机型的厂家在追求高速、高精度的同时，还在如何使机体小型化及成本控制方面下功夫。也就是说此类产品的开发重点在于机体的小型化、适应形成柔性线体系方面。从技术开发动向来看，是谋求提高主轴转速、进给速度、提高精密度、并将对应热变位、模块化等集中体现出来。其中，作为机床基本课题的高速化研究也不断取得成果。由于提高进给速度直接关系到产品的加工时间，以利提高生产效率，因此在高速进给技术方面，驱动装置采用直线电机的机型正在增多。同时也有厂家在开发不使用直线电机，采用进给轴以大导程滚珠丝杠为驱动，进给加速度1.5G2G、快速进给速度120mmmin的高速卧式加工中心。并在主轴上采用双面约束刀具、主轴转速为2万r/min、快速进给速度为60m/min、以尽量缩短重复定位、刀至刀等的非切削时间。为解决速度提高带来的热变位影响，防止精度下降，一般都采用独自的补正装置或主轴冷却结构、冷却装置等。数控立式车床适合于加工大直径、大吨位外圆型工件的立式车床，也被各行业采用。由于其市场的局限性，产品在很大程度上反应了用户的意向，很多是以专用机的形式交货投付使用的，这也是用户和厂家形成密切联系的原因。最近，对中出口看好的建设机械厂家对立式车床的需求令人瞩目，造船行业的订货则似乎暂告一段落。从去年起，数控车床生产厂家期待着在飞机、高性能发电机、风力发电机等方面设备投资比较活跃的重电机行业的订货。由于市场在交货期、质量、价格方面的要求越来越高，一些中小规模的设备用户为缩短产品的生产周期，更青睐一次装卡、可搞多种加工的复合型加工机。考虑到环保要求而采用半干式加工的需求也在增加，根据这类用户的要求，OM制作所以产学协作的方式开发出采用气化热半干式加工技术，并加强了节省能源的措施，控制了电力的使用。现在，市场对于提高了通用性的、低价位的小型数控立式车床的需求仍在扩大，同时，和卧式数控车床一样，带有加工中心意识的功能型复合机的开发研制比较活跃。例如，随着对复杂形状工件成品加工要求的提高，也在研制将立式车床功能加上钻、攻丝、镗等旋转方面的加工功能。因配置了C轴，不同的复合加工也可通过一次装卡进行。此外，在以切削为主的同时，加上采用单刀具的双面约束ATC方式后，在铣加工功能方面也见到不少可进行重切加工的工序集约型产品。2 总体方案的确定2.1 加工中心的结构组成加工中心的组成因机床的类别、功能、参数的不同而有所区别。机床本身分基本部件和选择部件，数控系统有基本功能和选用功能，机床参数有主参数和其它参数。机床制造厂可根据用户提出的要求进行生产，但在同类机床的基本功能和部件组成一般差别不大。从总体上看，加工中心基本上由以下几大部分组成。1、基础部件 主要由床身、立柱和工作台等大件组成。它们是加工中心的基础结构，要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削负载，因此必须是刚性很高的部件。这些大件可以是铸铁件也可以是焊接的刚结构件，是加工中心中重量和体积最大的部件。2、主轴系统 主要由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零部件组成。主轴的启动、停止和变转速等动作均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴系统是加工中心的关键部件，其结构的好坏，对加工中心的性能有很大的影响。3、数控系统主要由CNC装置、可编程序控制器、伺服驱动装置以及电动机等部分组成，它们是加工中心执行顺序控制动作和完成加工过程的控制中心。4、自动换刀系统主要由刀库、自动换刀装置等部件组成。刀库是存放加工过程所要使用的全部刀具的装置。当需要换刀时，根据数控系统的指令，由机械手（或通过别的方式）将刀具从刀库取出装入主轴孔中。刀库有盘式、链式和鼓式等多种形式，容量从几把到几百把。机械手的结构根据刀库与主轴的相对位置几结构的不痛也有多种形式。如单臂式、双臂式。回转式和轨道式等等。有的加工中心利用主轴箱或刀库的移动来实现换刀。5、辅助系统 包括润滑、冷却、排屑防护、液压和随机检测系统等部分。辅助系统虽不直接参与切削运动。但对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，为进一步缩短非切削时间，有的加工中心还配备了自动托盘交换系统。例如，配有两个自动交换工件托盘的加工中心，一个安装工件在工作台上加工，另一个则位于工作台外进行工件的装卸。当完成一个托盘上工件的加工后，便自动交换托盘，进行新零件的加工，这样可以减少辅助时间，提高加工效率。2.2 刀库的类型刀库是自动换刀装置中最主要的部件之一，其容量、布局以及具体结构对加工中心的设计有很大影响。刀库是用来储存加工刀具及辅助工具的地方。由于多数加工中心的取送刀位置都是在刀库中的某一固定刀位，因此刀库还需要有使刀具运动及定为的机构来保证换刀的可靠。其动力可采用液动机或电动机，如果需要还要有减速机构。刀库的定为机构是用来保证更换的每一把刀具或刀套都能准确地停在换到位置上。其控制部分可以采用简易位置控制器或类似半闭环进给系统的伺服位置控制，也可以采用电气和机械相结合的销定为方式，一般要求综合定为精度达到0.10.5mm。加工中心上普遍采用的刀库是盘式刀库和链式刀库。1）盘式刀库盘式刀库结构简单，应用较多，如图2-1所示。由于刀具环形排列，空间利用率低。因此出现了将刀具在盘中采用双环或多环排列，以增加空间的利用率。但这样一来使刀库的外径过大，转动惯量也很大，选刀时间也较长。因此，盘式刀库一般适用于刀具容量较少的刀库。图2-1a）径向取刀形式b）轴向取刀形式c）刀具径向安装d）刀具斜向安装（2）链式刀库如图2-2所示，链式刀库的结构紧凑，刀库容量较大，链环的形状可以根据机床的布局配置成各种形状，也可将换刀位突出以利换刀。当链式刀库需增加刀具容量时，只需增加链条的长度和支承链轮的数目，在一定范围内，无需变更线速度及惯量。这些特点也为系列刀库的设计与制造带来了很大的方便，可以满足不同使用条件。一般刀具数量在30120把时，多采用链式刀库。图2-2本文所设计的刀库由于是使用在小型加工中心上，所以采用的是圆盘刀库的结构形式，以下是介绍本设计的换刀过程及刀库结构设计2.3 刀具自动换刀分析加工中心自动换刀装置有两种形式：有机械手换刀和无机械手换刀。加工中心的自动换刀装置，大都采用有机械手换刀方式。它是由机械手将刀库上的刀具送到主轴上，再把主轴上已用过的刀具返送到刀库上。其优点是换刀时间短，但其机械结构比较复杂。无机械手换刀方式是直接在刀库与主轴（或刀架）之间换刀的自动换刀方式。因无机械手，所以结构简单。换刀时必须先将用过的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出新刀具，这两个动作不能同时进行，所以换刀过程较为复杂，换到时间较长。但是刀库回转时是在工步与工步之间，即飞切削时进行的，因此可以免去刀库回转时的振动对加工精度的影响。无机械手换刀方式适用于40号以下的小型加工中心或换刀次数少的用重型刀具的重型机床。考虑此机床为教学用品无须考虑换刀时间的长短，只针对小型加工中心进行设计，所以采用无机械手换刀方式。2.4 无机械手换刀装置刀库的设计1.刀库形式的选取无机械手换刀方式中，刀库可以是圆盘形、直线排列式、也可以是格子箱式等。直线排列式和格子箱式刀库结构相比较复杂，适用于刀库容量较大的加工中心；圆盘形刀库容量较小，刀库结构简单紧凑，刀库转位、换刀方便，易控制。且所设计的加工中心主要用来教学，不必再刀库里放太多的刀具，因此选用圆盘式刀库。2.刀库放置立式加工中心无机械手换刀方式的圆盘形刀库的放置有两种形式：刀库置于立柱侧面的横梁上和置于工作台上。由于采用的是标准的精密数控工作台，所以选用刀库置于立柱侧面的横梁上，此结构简单，且不会发生刀库和主轴的干涉现象，但刀库的支承刚性较差，须增强立柱的刚度，以减小横梁弯扭矩的影响。在横梁上有导轨，导轨上安装有滑座，将刀库安装在滑座上，通过气动方式将刀库沿横梁移动到主轴端，由主轴来实现自动换刀。3.刀库的组成刀库由刀盘部件、轴承、轴承套、电机、拨销、槽轮、蜗轮蜗杆、气缸等组成。2.4.1 刀库主要参数（1）刀库容量本加工中心主要用来加工小型零件或多孔零件和小平面，所以刀库上主要安装一些孔加工刀具（如钻头、扩孔钻等）和加工小平面用的立铣刀及小直径的面铣刀;同时又考虑到所选用电主轴轴端的尺寸及刀盘直径等的限制；再考虑到主要用于中小批生产机教学实验等，刀具的品种不宜过多，以免造成不必要的消费和刀库尺寸过大，采用8把刀。（2）刀具最大直径和长度立铣刀的最大直径为40mm，钻头的最大直径定为10mm，最大工作部分长度定为150mm。（3）刀具最大重量为1kg。（4）刀具最大运动线速度为2230mmin。2.4.2 刀盘部分的设计2.4.3 刀盘尺寸的确定 刀盘采用轮辐式结构，这样既能满足使用的要求，又能保证刀盘的强度。在整个设计的过程中要保证各个尺寸在换刀过程中不发生干涉即可，刀盘直径为210mm。（1） 刀爪尺寸的设计 刀爪的外型尺寸根据30号刀柄设计。（2）夹块的设计 夹块在刀爪抓刀时插入到键下半部中，以及刀具在刀库中的夹块一直插在键中，起准确定位的作用。因此，夹块的宽度尺寸精度要求很高。夹块宽度的尺寸主要由键的宽度决定。2.4.4 刀库转动定位机构的选择目前圆盘式刀库大多采用的是单头双导程蜗轮蜗杆传动，此传动机构在使用中可随时调整蜗轮蜗杆的传动间隙，实现准确的转位分度轮和蜗杆的加工较困难。槽轮机构具有冲击小，工作平稳性较高，机械效率高，可以在较高的转速下工作，且结构简单，易制造等优点，在目前生产的鼓轮式刀库的加工中心机床上，通常采用槽轮机构来驱动刀库的分度回转运动。但此机构定位精度不够高，为提高其定位精度可采用带制动器的交流伺服电机，从而可保证较高的定位精度。3 动力装置分析3.1 初选电机刀库的驱动系统中，由于刀库的驱动转矩小，所以决定采用直流伺服电动机驱动。直流伺服电动机具有体积小、重量轻、伺服性好、力能指标高等优点，且该电机可用信号电压进行无极调速。采用电磁式交流伺服电动机，其基本参数为：功率1.5K W，额定转速1500r/min，额定扭矩T=6.4 N/m；最大输出扭矩T1=19.2N m；转动惯量J=15Kg ；刀盘转速N=60r/min。3.1.1 确定传动装置的传动比由选定电动机的满载转速n1和刀库主动轴转速n，可得传动装置总传动比 ： i1= （3-1）电机满载转速n1为1500r/min，则传动比i2=25选取蜗轮蜗杆的标准传动比i=20.5，则因此刀库输出转速 N= =73.17（r/min）3.1.2 确定各轴转速、转矩和功率传动装置总效率 =联承齿 （3-2）蜗轮蜗杆传动效率齿=0.98（齿轮精度为8级）联轴器效率联=0.99滚动轴承效率承=0.99则得传动总效率=0.99*0.99*0.98=0.95i轴m至n的传动比；（如电动机轴至I轴之间采用联轴器联接，则i01=1）轴m至轴n的传动效率。0轴：0轴即电动机轴P0=Pd=1.5 Kwn0=n1=1500r/minT0=Td=6.4NmI轴：I轴即蜗杆轴P1=P0联=1.5*0.99=1.485（Kw）T0=Td=6.4Nm轴：轴即蜗杆轴P1=P0联=1.5*0.99=1.485（kw）n1=1500（r/min）T1=T0i0101=T0i联联=6.4*1*0.99=6.336（Nm）轴：轴即蜗轮轴P2=P112=P1承齿=1.485*0.99*0.98=1.44Kwn2=73.17（r/min）T2=T0i联齿联=6.4*20.5*0.99=126.02（Nm）将上述计算结果汇总列于下表中：轴序号功率P/kw转速n/（r/min）转矩T/（Nm）传动形式传动比效率01.515006.4联轴器10.99I1.48515006.3361.4473.17126.02蜗轮蜗杆传动20.50.963.2 电动机的校核3.2.1 涡轮轴的设计计算（1） 选择轴材料为45号钢，正火处理，由袖珍机械设计师手册P529表10-2查的：当d100mm时， b=588MPa ，r=294MPa -1=238MPa，-1=138MPa （2）初步估算轴端直径，由袖珍机械设计师手册P541表10-12得： d2A0=150*=40.5mm 取d2=44mm其中A0按袖珍机械设计师手册P542表10-13取A0=1103.2.2 计算并校核伺服电机的扭矩 伺服电机必须的扭矩T： T=T1+T2 （3-3）其中 T1传动摩擦扭矩 T2启动扭矩（加速扭矩）（1） 计算传动链摩擦扭矩T1： T1= （3-4） 式中：G-刀库的重量 R承回转半径 轴承摩擦系数 i总传动比则由上式得： T1=0.0045（Nm）（2） 计算启动扭矩T2： T2= （3-5）式中： J刀库转动惯量 启动角加速度刀库转动惯量的估算：根据袖珍机械设计师手册P42表2-12得 Jy= m刀库R 则 J=Jy=*287.5*（）=11.27（kgm）刀库启动加速时间t=0.3 s则角加速度 = = =20.9则由式的启动扭矩T2=11.4899（Nm）（3） 计算伺服电机必须的扭矩T由式得伺服电机必须的扭矩： T=T1+T2=0.0045+11.4899=11.4944（Nm）因为=1.673，即所选用的伺服电机最大输出扭矩在驱动刀库刀盘分度所需最大扭矩的三倍以内，符合计算目的，满足使用要求。此外所选用的电机有足够的扭矩储备，可确保刀盘频繁转位时电机不发热，能长期、稳定、安全地使用，另外也有进一步提高刀盘分度转位速度的余地。采用交流伺服电机的优点：（1）交流伺服电机无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。因此采用交流伺服电机驱动刀库传动，大幅度简化了结构，提高了机械部分的易维修性和可靠性；（2）由于伺服电机速度通过参数设定，可人为控制分度启动时加速曲线特性和停止时的减速曲线，使分度速度提高的同时，动作更平滑、稳定、刀盘定位精度更高；（3）由于伺服电机具有优良的过载特性，在刀具重量大或者刀具安装偏载的极端情况下也能胜任，正常的工作；（4）交流伺服电机惯量小，易于提高系统的快速性；（5）交流伺服电机同功率下有较小的体积和重量，因而减轻了系统的质量。3.3 刀库转位机构的普通圆柱蜗杆传动的设计刀库的主运动是圆周回转运动，如图所示，交流伺服电动机通过弹性柱销联轴器与谐波传动减速器连接减速后驱动蜗杆，设计刀库转位机构的普通圆柱蜗杆传动，由刀库转位机构实现。已知直流伺服电动机的功率0.092KW，转速为3000R/MIN，谐波传动减速器的传动比为100，传动效率为80%，直流伺服电动机经谐波传动减速器减速后驱动蜗杆，蜗杆为主动，蜗轮为从动。3.3.1 选择蜗杆传动类型根据GB10085-88的推荐，采用渐开线蜗杆。选择材料蜗杆采用45号钢，齿面淬火，硬度为45-50HRC；蜗轮采用铸锡磷青铜ZCuSn10Pb1，金属模铸造。确定主要参数蜗杆蜗轮传动，以蜗杆为主传动，蜗轮为从传动。根据袖珍机械设计师手册P985表18-4，由于i=20.5 则Z=2，预计工作寿命为5年，则 Zl=5*20.5=412 按齿面接触疲劳强度设计计算 md1（）KT2（mm）（1） 蜗轮轴转矩T2=126.02Nm（2） 载荷系数K=1.1（3） 许用接触应力HP2： HP2=HPZvsZn （3-6）式中HP=220MPa；估算滑动速度v5m/s，喷油润滑，由袖珍机械设计师手册P995图18-2查得Zvs=0.96；NL=60an2t=60*1*73.17*5*300*8=5.3*，按袖珍机械设计师手册P997图18-3查得ZN=0.8则许用接触应力HP2=220*0.96*0.8=168.96（MPa）（4） 计算md1值并选定模数m和蜗杆分度圆直径d1md1（）*1.1*126.02=647（mm）按袖珍机械设计师手册P984表18-3查得m=5mm，d1=50mm（md1值应大于计算值）。（5） 验算滑动速度v 计算蜗杆速度v1 V1=3.925（m/s） 计算滑动速度vs vs= （3-6）其中y=arctan（）=arctan（）=111836则由式得滑动速度vs=4（m/s）则初估的vs值合适（6） 验算蜗轮轮齿弯曲强度验算公式为 F2=YFSYFP2 （3-7）由袖珍机械设计师手册P995表18-12取如下参数： 动载荷系数Kv蜗轮速度v2=0.785（m/s）则蜗轮速度v2=0.785m/s3m/s，Kv=11.取Kv=1.03 载荷分布系数KB载荷平稳，取KB=1 蜗轮齿形系数YFS蜗轮当量齿数Zv2=43.48按蜗轮当量齿数Zv2，查袖珍机械设计师手册P911图17-2，取蜗轮齿形系数YFS=4.01 导程角系数YB YB=1-=1-=0.906 许用弯曲应力FP2系数YN由袖珍机械设计师手册P997图18-3查取，YN=0.8，则许用弯曲应力FP2=FP2YN=70*0.8=56（MPa）。计算弯曲应力F2式中d=50mm,d2=mZ2=5*41=205(mm)，m=5mm，则由式（3-7）得F2=6.74（MPa）则F2FP2，满足蜗轮轮齿强度条件。（7） 计算蜗轮蜗杆的主要参数 分度圆直径d1d2 d1=50mmd2=mZ2=5*41=205（mm） 中心距a a= （3-8）-蜗轮变位系数，取=-0.5；则代入式（3-8）中得中心距a=125（mm）。（按袖珍机械设计师手册P987表18-7进行匹配） 蜗杆导程角 =arctan（）=arctan（）=111836(8)计算其他尺寸（按袖珍机械设计师手册P985表18-5进行计算）蜗杆齿顶圆直径da1=d1+2ha1=d1+2m=50+2*5=60(mm)蜗轮齿顶圆直径da2=d2+2ha2=d2+2m(ha+x2)=205+2*5*（1-0.5）=210（mm）其中ha=1蜗轮外圆直径de2da2+1.5m=210+1.5*5=217.5(mm), 则取de2=215mm。蜗杆齿宽b1：由袖珍机械设计师手册P986表18-6得 b1（8+0.06Z2）m=(8+0.06*41)*5=52.3(mm),取 b1=55mm。蜗轮宽度b2：b20.75 da1=0.75*60=45（mm），取b2=40mm。蜗杆齿根高hf1：hf1=m+cm=5+0.2*5=6(mm),其中c=0.2蜗轮齿根高hf2：hf2=（ha+ c-）m=(1+0.2+0.5)*5=8.5(mm)蜗杆齿根圆直径df1：df1=d1-2hf1=50-2*6=38(mm)蜗轮齿根圆直径df2：df2=d2-2hf2=205-2*8.5=188（mm）蜗轮齿顶圆弧半径Ra2：Ra2=a-=125 -=20(mm)蜗轮齿根圆弧半径Rf2:Rf2=+0.2*5=31(mm)蜗杆轴向齿厚sx1:sx1=7.85(mm)蜗杆法向sn1:sn1= sx1cos=7.85*cos111836=7.7（mm）蜗轮分度圆齿厚s2:s2=(0.5+2tan)m （3-9） 其中变位系数=-0.5，ZA型=20，则由式得蜗轮分度圆齿厚： s2=(0.5*3.14-2*0.5*tan20)*5=6.03（mm）蜗杆齿顶高ha2：ha2=m=5mm3.4 蜗轮轴的校核蜗轮轴的外形图如图所示，总长为287mm，从左至右的直径尺寸为40mm，44mm，50mm，44mm，40mm。其上键的选择为平键，尺寸为b*h=12*8，t=5；花键为开线花键，尺寸为8*36*40*7。轴两端采用6208型深沟球轴承，主要尺寸参数为d=40，D=80，B=18。1. 按弯扭合成强度条件校核轴（1） 画出受力简图并求支反力、扭矩图中(如图3-1)： 刀库上的压轴力G刀库=2875（N） 蜗轮重量估算 G蜗轮=Vg （3-10） 体积V=（）h =（）*40 =1.4*10（mm） 45钢的密度=7.85g/cm 则代入（3-10）式中得 G蜗轮=1.4*10*7.85*10*10*10=110（N）轴承支撑力R1、R2 218G刀库+59G蜗轮-121R1=0得R1=5233（N） 97 G刀库-62 G蜗轮+121R2=0得R2=2248（N） 扭矩T刀库，T蜗轮 T刀库=T蜗轮=126Nm=126000Nmm（2） 求轴的弯矩M，并画弯矩图(如图3-1)M1= G刀库*97=2875*97=278875（Nmm）M2=R2*59=2248*132632（Nmm）（3） 求扭矩T，并画出扭矩图(如图3-1) T1=- T刀库=-126000（Nmm） T2= T蜗轮=126000（Nmm）（4） 计算弯矩Mca，并画出弯矩图(如图3-1)弯矩 Mca= （3-11）取=0.6，则由（3-11）式得： Mca0=(Nmm) Mca1=288940（Nmm） Mca2=152665（Nmm） Mca3=75600（Nmm）图3-14 总结在机械加工行业里,由于数控机床有许多优点,已逐渐代替普通车床成为主导机床。按工艺用途它可以分为一般数控机床和数控加工中心两大类,而后者因带有由刀库和机械手组成的自动换刀装置,能使工件在一次装夹中完成大部分甚至全部工序。根据数控系统选刀指令,从刀库中将所需要的刀具转到取刀位置,称为自动选刀。本次设计的题目是小型数控加工中心自动换刀系统设计，在设计的过程中遇到了很多的困难，最主要的就是结构设计。这其中包括了：蜗轮，蜗杆的设计，蜗轮，蜗杆轴的校核等。随着机械加工业的发展，制造行业对于带有自动换刀系统的高效高性能加工中心的需求量越来越大。在现有的各种类型的加工中心中，传统结构的自动换刀系统的造价在机床整机造价中总是占着很大比重，这是加工中心价格居高不下、应用不普遍的重要原因。如果把自动换刀系统的设计制造从现有加工中心的制造模式中分离出来，把它作为加工中心的标准件或附件组织专门化的生产，同时由于该项技术的应用简化了机床主轴结构、采用弹簧夹头和外驱动机械手等关键技术、采用圆柱柄刀具和辅具，这不仅使数控机床工作性能有所提高，而且使得由它配套构成的加工中心的总体造价大幅度下降。低造价高性能的加工中心将会被中小厂广泛接收，这样必将给自动换刀系统生产厂商和加工中心制造厂商带来巨大的经济效益。在这次的设计中得到了很大的收获，提高了自己的自学能力和独自解决问题能力，也丰富了自己的理论知识，这为我们以后的工作打下了坚定的基础。致 谢 在论文的写作过程中，我遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师以及工友的帮助下度过了，尤其要强烈感谢我的论文指导老师张老师，张老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿论文的修改和改进方面，我都得到了张老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益。另外，在校图书馆以及公司图书馆查找资料的时候，图书馆管理员也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮我的所有人表示由衷的感谢，感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中提供热情帮助。由于我的学习水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请老师批评指正。 最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师。参考文献1毛谦德袖珍机械设计师手册 机械工业出版社2夏田数控加工中心设计 化学工业出版社3胡育辉数控铣床加工中心 辽宁科学技术出版社4闻邦椿机械设计手册机械工业出版社5Robert O. Parmley. P.E.（邹平译）机械设计零件与实用装置图册机械工业出版社西安航空职业技术学院毕 业 设 计（论文）审 查 意 见 书指导教师对学生 所完成的题目为 小型数控加工中心自动换刀系统设计 的毕业设计（论文）进行情况、完成质量的审查意见： 成绩： 指导教师： 年 月 日西安航空职业技术学院毕 业 设 计（论文）评 阅 意 见 书评阅人对学生 所完成的题目为 小型数控加工中心自动换刀系统设计 的毕业设计（论文）评阅意见为： 成绩： 评阅人： 年 月 日西安航空职业技术学院毕 业 设 计（论文）答 辩 结 果毕业设计（论文）答辩委员会对学生 所完成的题目为 小型数控加工中心自动换刀系统设计 的毕业设计（论文）及答辩评语为： 经答辩委员会研究，确定成绩为： 毕业设计（论文）答辩委员会主任： 答辩委员会委员： 年 月 日该生毕业设计（论文）最终成绩评定：审阅成绩（权重0.4）评阅成绩（权重0.4）答辩成绩（权重0.2）最终成绩