加工中心自动换刀系统设计

加工中心自动换刀系统设计目录摘 要.3绪论.11 引言 .11.1 加工中心简介 .1加工中心的发展简史.1加工中心的结构组成.3加工中心的分类.4加工中心的发展趋势.82 刀库的类型 .112.1 刀库的类型 .122.2 刀库的结构与传动 .152.3 刀库驱动电动机的选定 .18按负载转矩选.18按加速时的最大转矩选.20校验.21分配传动比.213 刀库传动机构的设计 .223.1 初定刀套线速度 .223.2 刀库传动方式 .224.1 轴的材料 .304.2 蜗杆轴的初步估算 .30初步估算轴的最小直径.30选择联轴器.31确定滚动轴承的类型.32初步估计蜗杆轴各段的尺寸.324.3 蜗轮轴的初步估算 .33初步估算轴的最小直径.33确定轴伸处的最小直径.344.3.3 确定滚动轴承的类型 .34初步估计蜗轮轴的各段尺寸.354.4 轴径的设计与校核 .35蜗杆轴.35蜗轮轴的计算.425 轴承的校核 .485.1 蜗杆轴 .485.2 蜗轮轴 .486 其它零部件尺寸的设计与计算 .506.1 回零减速撞块尺寸的计算 .506.2 刀盘与刀套的设计 .51刀套.51刀盘.526.3 刀具（刀座）识别装置 .527 液压系统的设计 .547.1 液压缸的载荷组成和计算 .547.2 液压缸内径以及其它尺寸的确定 .54计算液压缸的主要结构尺寸.55油缸壁厚的计算.56缸底厚度计算.577.3 油缸长度 L 的确定 .587.4 液压系统初步设计 .588 PLC 控制 .609 结论 .6310 致 谢 .65参 考 文 献.66摘摘 要要 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。 16 刀刀库是在小型加工中心应用最为广泛，根据使用的场合和实际运用的要求，设计了相应的 16 刀的圆盘式刀库，并且对它的控制进行了一定的研究。由于某些原因，没有上传完整的毕业设计（完整的应包括毕业设计说明书、相关图纸 CAD/PROE、中英文文献及翻译等） ，此文档也稍微删除了一部分内容（目录及某些关键内容）如需要的朋友，请联系我的叩扣:2215891151，数万篇现成设计及另有的高端团队绝对可满足您的需要. 论文首先对 16 刀刀库总体设计方案进行阐述，阐述其各部件的工作原理，然后就刀库的结构设计与控制分章节对各个部分进行计算与设计。刀库的结构设计是本文研究的重点，传动部分为蜗杆蜗轮的一种减速装置，对于该装置中的蜗杆、蜗轮以及相关的轴都进行了详细的计算;控制部分为刀库送刀部分，由液压控制和 PLC 控制完成。关键词：加工中心，刀库，蜗杆蜗轮，液压，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, Magazine, worm, worm gear, hydraulic pressure, PLC绪论绪论 本章首先从数控机床的发展历程引出加工中心的发展趋势，再具体到本次设计针对的刀库的任务要求，明确了本设计任务的主要内容。1 引言引言 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 加工中心简介加工中心简介加工中心的发展简史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。加工中心的结构组成加工中心的结构组成 加工中心的组成岁机床的类别、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，因此必须是刚度很高的部件。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。加工中心的分类加工中心的分类按照加工中心形态不同进行分类，可分为立式、卧式和五坐标加工中心。立式加工中心（如图 1-1）立式加工中心的主轴轴心线为垂直状态图 1-1 立式加工中心配置，结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形，适合加工小型板类、盘类、壳体类零件。卧式加工中心（如图 1-2） 卧式加工中心是指主轴轴线为水平状态设置的加工中心，通常都带有可进行分度回转运动的正方形分度工作台。卧式加工中心一般具有 35 个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标(沿 X、Y、Z 轴方向)加一个回转运动坐标(回转工作台)，它能够使工件在一次装夹后完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工，最适合箱体类工件的加工。图 1-2 卧式加工中心 3、五坐标加工中心 五坐标加工中心间距立式和卧式加工中心的功能，工件一次装夹后能完成除安装面外的所有侧面和顶面等五个面的加工，因此也叫五面加工中心。常见的五坐标加工中心有两种结构形式，一种是主轴可以旋转，另一种是工作台可以旋转。9090加工中心的主要优点（1）提高加工质量 工件一次装夹，即可实现多工序集中加工，大大减少多次装夹所带来的误差。另外，由于是数控加工，较少依赖操作者的技术水平，可得到相当高的稳定精度。（2）缩短加工准备时间 加工中心既然可以顶替多台通用机床，那么加工一个零件嗦需准备时间，是每台加工单元所损耗的准备时间之和。从这个意义上说，加工中心的准备时间显然短得多。（3）减少在制品 以往的加工方式是工件流动与多台通用机床之间，这就要有相当数量的在制品，而在加工中心上加工，即可发挥其“多工序集中”的优势，在一台机床上完成多个工序，就能大大减少在制品数量。（4）减少刀具费 把分散设置在各通用机床上的刀具，集中在加工中心刀库上，有可能用最少量的刀具，实现公共有效利用。这样既提高刀具利用率，又减少了道具数量。（5）最少的直接劳务费 由 NC 装置实现多工序加工的信息集约化和一人多台管理，以及用工作台自动托盘交换装置（Automatic Pallet Changer 简称 APC）等辅助装置，实现夜间无人运转。这些都可缩减直接劳务费。（6）最少的简介劳务费 由于工序集中，工件搬运和质量检查工作量都大为减少，这就使间接劳务费最少。（7）设备利用率高 加工中心设备利用率为通用机床的几倍。另外，由于工序集中，容易适应多品种、中小批量生产。加工中心的发展趋势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 1.5G 2G、快速进给速度 120 mmmin 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 60 m/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。本文研究的主要内容刀库2 刀库的类型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。0.1 0.5mm根据刀库所需要的容量和取刀方式，可以将刀库设计成多种形式。图 1-3 列出了常用的几种刀库。图 1-3是但盘式刀库，为适应机床ad主轴的布局，刀库的刀具轴线可以按不同的方向配置，图 1-3d 是刀具可作翻转的圆盘刀库，采用这种结构能够简化取刀动作。单盘式刀90库的结构简单，取刀也较为方便，因此应用最为广泛。但由于圆盘尺寸受限制，刀库的容量较小（通常装把刀） 。15 30图 1-3 刀库的形式a）轴向式 b）径向式 c）斜向式 d）刀具翻转式 e）鼓筒弹夹式f）链式 g）多盘式 h）格子式当需要存放更多数量的刀具时，可以采用图 1-3形式的刀库，它们eh充分利用了机床周围的有效空间，且刀库的外形尺寸又不致过于庞大。图 1-3e 是鼓筒弹夹式刀库，其结构十分紧凑，在相同的空间内，它的刀库容量较大，但选刀和取刀的动作较复杂。图 1-3f 是链式刀库，其结构有较大的灵活性，存放刀具的数量也较多，选刀和取刀动作十分简单。当链条较长时，可以增加支撑链轮的数目，使链条折迭回绕，提高了空间利用率。图 1-3g 和 1-3h 分别为多盘式和格子式刀库，它们虽然也具有结构紧凑的特点，但选刀和取刀动作复杂，较少应用。2.1 刀库的类型刀库的类型加工中心上普遍采用的刀库是盘式刀库和链式刀库。密集型的固定刀库目前于用于 FMS 中的集中供刀系统。（1）盘式刀库 盘式刀库结构简单，应用较多，如图 1-4 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 1-4 盘式刀库的形式a）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 1-5 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 1-5 链式刀库的形式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结构组成与传动过程。换刀过程在介绍刀库结构之前，先了解一下换刀过程。刀库位于立柱左侧，其中刀库的安装方向与主轴轴线垂直，换刀前应改变在换刀位置的刀具轴线方向，使之与主轴轴线平行。某工序加工完毕，主轴定向后，可由自动换刀装置换刀，如图 1-6 所示。（1）刀套下翻 换刀前，刀库 2 转动，将待换刀具 5 送到换刀位置。换刀时，带有刀具 5 的刀套 4 下翻，使刀具轴线与主轴轴线平行。90（2）机械手抓刀 机械手 1 从原始位置顺时针旋转（K 向观察） ，75两手爪分别抓住刀库上和主轴 3 上的刀具。（3）刀具松开 主轴内的刀具自动夹紧机构松开刀具。（4）机械手拔刀 机械手下降，同时拔出两把刀具。（5）刀具位置交换 机械手带着两把刀具逆时针旋转（K 向观180察） ，交换两把刀具位置。（6）机械手插刀 机械手上升，分别把刀具插入主轴锥孔和刀套中。（7）刀具夹紧 主轴内的刀具自动夹紧机构加紧刀具。图 1-6 换刀过程示意图1机械手 2刀库 3主轴 4刀套 5刀具（8）液压缸活塞复位 驱动机械手逆时针旋转的液压缸活塞复180位（机械手无动作） 。（9）机械手松刀 机械手 1 逆时针旋转（K 向观察） ，松开刀具75回到原始位置。（10）刀套上翻 刀套带着刀具上翻。902.2 刀库的结构与传动刀库的结构与传动（1）刀库的结构组成 如图 1-7 所示，为盘式刀库结构示意图。它主要由电动机蜗杆蜗轮、刀盘、刀套、液压缸、及拨叉等构建组成。其盘式刀库的具体机构，如图 1-8 所示。（2）刀库的选刀过程 根据数控系统发出的选刀指令，直流伺服电动机 1 经联轴器 2 和蜗杆 3、蜗轮 4 带动刀盘 12 和安装其上的 16 个刀套 11 旋转相应角度，完成选刀的过程。（3）刀套翻转过程 待换刀具转到换刀位置时，刀套尾部的滚子 10转入拨叉 8 的槽内。这是，液压缸 5 的下腔通入液压油，活塞带动拨叉上升，同时松开行程开关 7，用以断开相应电路，防止刀库、主轴等出现误动作。拨叉上升，带动刀套下翻，使刀具轴线与主轴轴线平行，90同时压下行程开关 6，发出信号使机械手抓刀。反之，拨叉下降，带动刀套上翻。90图 1-7 刀库结构示意图1电动机 2联轴器 3蜗杆 4蜗轮 5液压缸 6、7行程开关 8拨叉 9挡标 10滚子 11刀套 12刀盘图 1-8 刀库结构图1电动机 2联轴器 3蜗轮 4蜗杆 5液压缸 6活塞杆 7拨叉 8挡标 9、10行程开关 11滚子 12销轴 13刀套 14刀盘 2.3 刀库驱动电动机的选定刀库驱动电动机的选定驱动刀库，目前常见的方式有伺服电动机驱动和液动机驱动两种，我国加工中心都选用伺服电机驱动方式，故在本设计中也将采用伺服电动机来驱动。按负载转矩选按负载转矩选 加在伺服电动机轴上的负载转矩LT，应比电动机额定连续转矩ST小。圆盘式刀库负载转矩计算方法，这种刀库的负载转矩1T，主要来自刀具重量的不平衡。其计算方法如下：将三把最重刀具挨在一起，按加工中心规格规定的最大刀具重量maxW计算，而其重心则设定为离刀库回转中心半径处。设刀库半径为 300mm，刀具最大重量为 8kg。所以 189.8/30023.52TkgN kgmmN mm把如上计算的负载转矩，转换为电机轴上的转矩的公式为：LT iTTL1式中：i传动比； 传动效率。本设计中，为了降低传动速度，所以传动比定为20i。传动效率为：2123 总 20.72 0.99 0.99 0.699式中：1联轴器的传动功率； 2蜗杆的传动功率； 3轴承的传动功率。 123.521.6820 0.699LTTN mmi考虑到实际情况比计算时所设定条件复杂，电机额定转矩ST应为负载转矩的 1.21.5 倍，亦即： (1.2 1.5)sLTT (1.2 1.5) 1.68STN mm (2.016 2.52)STN mm按加速时的最大转矩选按加速时的最大转矩选加速时的最大转矩T,包括加速转矩aT和负载转矩LT，即： aLTTT加速转矩aT按下式计算： 2()()60amLanmTJJN mt式中：mn刀库选刀时的电动机转速；( /min)r at加速时间，通常取 150200（ms） ； mJ电动机转子惯量； LJ负载惯量折算到电动机轴上的惯量。设计中，初选1000 /minmnr，20.032mJN m s ，20.016LJN m s ，1801.8atmss。 2()60mamLanTJJt 2 3.14 1000(0.0320.016)60 1.8 2.79N m aLTTT 2.79 1.68T 4.47T 加速时的最大转矩T应小于电机的最大转矩maxT，即： maxTT校验校验20.016LJN m s 20.032mJN m s LmJJ该结果满足条件。根据以上计算结果，所选电机型号如下：表 2-1 所选电机型号型 号输入功率()P kw额定转矩ST（N S）最大转矩maxT()N m最高转速max( /min)nr转子惯量2()mJN m s FB252.534.330910000.032分配传动比分配传动比在前一章中以介绍为了降低传动的速度，传动比选为 20. 各轴转速轴 1000 /minmnnr轴 100050 /min20nnri各轴的输入功率轴 12.5 0.992.475dPPkw轴 232.475 0.72 0.991.764PPkw 各轴的输入转矩电动机的输入转矩dT为:662.59.55 109.55 10238751000ddmPTN mmn故: 轴 123875 0.9923636.25dTTN mm 轴 2323636.25 0.72 0.99 20336958.38TTiN mm 表 2-2 分配传动比轴名功率()P kw转矩T（Nm m ）转速( /min)n r传动比i效率电机轴2.523875100010.99轴2.47523636.251000200.99轴1.764336958.3850200.723 刀库传动刀库传动机构的设计机构的设计3.1 初定刀套线速度初定刀套线速度刀套线速度影响选刀效率，但是过快的线速度又影响刀库工作可靠性。一般推荐为 2230m/min，在本次设计中，刀套线速度初定为25m/min。3.2 刀库传动方式刀库传动方式为使伺服电机在最佳状态下工作，一般不采用伺服电机的低速段。这就要采用蜗轮减速装置了。以下为蜗杆传动的设计计算：蜗杆采用 45#钢，表面硬度45HRC，蜗杆材料采用 ZCuSn10P1，砂型铸造，计算步骤如下：计算项目 计算内容 计算结果（一）初选【1/da】值 1、当量摩擦系数 设，查机械设计 4/ 7/svm sm s0.03v表 13.6，取大值； 2v 2、选【1/da】值 在机械设计图 13.11 的线上20i 任选一点，查得，11/ 0.355,13 (2)daz10.88（传动啮合效率） 。（二）中心距计算1、蜗轮转矩 21123636.25 20 0.88TTi 2415998TN mm2、使用系数 按题意查机械设计表 12.9 1.1AK 3、转速系数 1/82(1)8nnZ 1/82000(1)8 0.72nZ 4、弹性系数 由机械设计查表 13.2 得 147EZMPa5、寿命系数 625000hhZL 62500012000 1.131.6hZ 6、接触系数 由机械设计图 13.12线查出 2.85Z7、接触疲劳极限 由机械设计表 13.2 得 lim265HMPa8、接触疲劳最小安全系数 由机械设计手册查得 lim1.3HS9、中心距 2lim32lim()EHAnhHZ ZSak TZ Z 23147 2.851.31.1 415998 ()0.72 1.13265142.9取160amm 中心距由机械设计手册第三册23-211 表 25-5-4（GB10085-88）选取而得。（三）传动基本尺寸1、蜗杆头数 由机械设计图 13.11 查得 ，也可用式 13.22 计算113 ,2z 1(72.4)/zau (72.4 160)/201.86取12z 2、蜗轮系数 222 1606.3 1040.796.3amqzm取241z 3、模数 2(1.4 1.7) /ma z (1.4 1.7) 160/415.4 6.63取6.3m 4、蜗杆分度圆直径 11/ dda a 0.355 16056.8或 0.87510.68da 0.8750.68 16057.69，取标准值（机械设计表13. 4）取163dmm5、蜗轮分度圆直径 21222 160632 ( 0.65) 6.3dadxm 2265.19dmm6、蜗杆导程角 11tan/2 6.3/630.2z m d11.317、蜗轮宽度 122 (0.51)dbmm 632 6.3 (0.51)6.348.089取250bmm8、蜗杆圆周速度 1 1/(60 1000)svd n 63 1000/(60 1000)13.3/vm s9、相对滑动速度 1/cossvv 3.3/cos11.313.37/svm s10、当量摩擦系数 由机械设计表 13.6 查得 0.251.7vv（四）齿面解除疲劳强度验算1、许用接触应力 limminHHnhHZ ZS 2650.72 1.131.3165.8HMPa2、最大接触应力 23AHEk TZ Za 31.1 415998147 2.85160140140165.8HMPa 合格（五）轮齿弯曲疲劳强度验算1、齿根弯曲疲劳极限 由机械设计表 13.2 查出 lim115FMPa2、弯曲疲劳最小安全系数 由题目要求，根据机械设计手册查出 min1.4FS3、许用弯曲疲劳应力 limminFFFS 1151.482FMPa4、轮齿最大弯曲应力 2222AFk Tmb d 2 1.1 4159986.3 50 265.1910.96MPa10.9682FMPa 合格（六）蜗杆轴扰度验算1、轴惯性矩 441/6463 /64Id640.773 10Imm2、允许蜗杆扰度 0.0040.004 6.3m 0.0252mm3、蜗杆轴扰度 32221tantan () /(48)tvF lEI 322362 415998265.19265.19tan 20tan (11.311.7 )48 206 100.773 10 0.001mm （此处取） 2lD合格 （七）温度计算1、传动啮合效率 1tan/tan()v =t an11. 31 / t an(11. 31 +1. 7 )10.8652、搅油效率 根据蜗杆的润滑条件，查机械设计手册得： 20.993、轴承效率 根据蜗杆传动要求，查 机械设计手册得： 30.994、总效率 1230.865 0.99 0.99 0.8485、散热面积估算 51.8851.889 109 10160Aa =21.253Am6、箱体工作温度 1101000(1)1000 2.5 (1 0.848)2015 1.253wptta A 140.2280tCC 合格 215/()waWmC 此处取，中等通风环境（八）润滑油粘度和润滑方法1、润滑油粘度 3.37/13.7svm s根据由机械设计表选取240320/CVmms2、润滑方法 由机械设计表 13.7，可采用浸油润滑所有计算结果如表 2-3 所示：表 2-3 蜗轮蜗杆的几何尺寸名称符号计算结果蜗杆头数2z22z 模数m6.3mmm蜗杆分度圆直径1d163dmm中心距a160amm蜗轮齿数2z241z 蜗轮分度圆直径2d2265.19dmm蜗轮宽度2b250bmm蜗杆轴向齿距xpm19.79xpmm蜗杆导程1zpmz39.6zpmm蜗杆齿顶圆直径112aaddh m175.6admm蜗杆齿根圆直径112()faddhc147.88fdmm节圆直径112ddxm160.905dmm中圆导程角11/mzd16.7蜗轮喉圆直径222()aaddhxm2269.6admm蜗轮齿根圆直径222()faddhxmc2241.88fdmm蜗轮外径22eaddm2271.49edmm注：取齿顶高，径向间隙，。ahm0.2cmaaxm4 4 传动轴的设计传动轴的设计轴是机器中的重要零件，在设计汇总，蜗杆涡轮是作为一种减速装置，在减速装置中轴是既要收弯矩又要受扭矩的转轴。轴的设计，共包括如下内容：轴的材料选择，轴径的初步估算，轴的结构设计，按弯扭合成进行轴的强度校核，按疲劳强度进行轴的精确交合，轴的公差与配合的确定，轴的工作图的绘制。4.1 轴的材料轴的材料轴的材料用碳钢及合金钢，减速装置的轴以 45 号钢调质处理应用最为广泛，硬度 217HB255HB，650BMPa360sMPa，。1300MPa1155MPa4.2 蜗杆轴的初步估算蜗杆轴的初步估算初步估算轴的最小直径初步估算轴的最小直径轴的直径，可根据轴所传递的功率及轴的转速,按下式进()P kw( /min)n r行估算：332.511515.61000PdCmmn该段轴上有一键槽将计算值加大 3%，应为 16.07mind式中：C与轴材料有关的系数，由机械设计表 16.2 查得，根据轴的材料取 115。选择联轴器选择联轴器一、根据传动装置的工作条件拟选用 YL,YLD 型凸缘联轴器（GB5843-86 摘录） 。计算转矩为：1.5 2387535812.535.812LTkTN mmN mmN mm = = =式中：T联轴器所传递的名义转矩； k工作情况系数，；1.5k 根据，查机械设计课程设计手册YL4,YLD4 型凸缘35.812LTN m联轴器就能满足传递转矩的要求,其轴孔直径范围为(40)nLTN mT。18 28dmm二、最后确定蜗杆轴轴伸处的直径为，型轴孔长度min25dmm1,J J，螺栓数量为 4，直径 M8，型144,100,80Lmm Dmm Dmm1,J J。092Lmm确定滚动轴承的类型确定滚动轴承的类型由于采用的是蜗杆蜗轮传动，既受径向力，也受轴向力，所以采用角接触球轴承（GB292-94）.表 4-1 所选轴承型号基本尺寸/mm安装尺寸70000C(15 )a 70000AC(25 )a 极限转速/minr基本额定基本额定sr1sraDasr动载荷rC静载荷0rC动载荷rC静载荷0rC轴承代号dD BminadminmaxammKNammKN脂润滑油润滑7007C35621410.34156113.519.514.218.318.513.5850012000根据轴上零件的受力情况，固定和定为的要求，初步确定轴的阶梯段，该轴有 5 段。图 4-1 蜗杆轴估计各段尺寸：由于 1、3 段轴上安装的是轴承，轴承的直径，所以可以确定35dmm这两段轴的直径为，长度为 25mm。35mm由于蜗杆的齿根圆直径为，所以确定这段轴的直径为47.88mm，长度为 250mm。42mm 选用直径为，长度为 50mm。30mm 直径为，长度为 100mm，键，。25mm8 7()b h50lmm4.3 蜗轮轴的初步估算蜗轮轴的初步估算初步估算轴的最小直径初步估算轴的最小直径估算直径，可根据轴所传递的功率及轴的转速,按下式d()P kw( /min)n r进行估算：331.76411537.7250PdCmmn该段轴上有一键槽将计算值加大 3%，应为 38.85mmmind式中：C与轴材料有关的系数，由机械设计表 16.2 查得，根据轴的材料取 115。确定轴伸处的最小直径确定轴伸处的最小直径根据刀盘的设计要求，最后确定蜗轮轴轴伸处的直径为。min40dmm确定滚动轴承的类型确定滚动轴承的类型与蜗杆一样，采用角接触球轴承（GB292-94）表 4-2 所选轴承型号基本尺寸/mm安装尺寸70000C(15 )a 70000AC(25 )a 极限转速/minr基本额定基本额定sr1sraDasr动载荷rC静载荷0rC动载荷rC静载荷0rC轴承代号dD BminadminmaxammKNammKN脂润滑油润滑7010C50801610.35674116.726.522.023.221.0670067009000根据轴上零件的受力情况，固定和定位的要求，初步确定轴的阶梯段，该轴有 6 段。图 4-2 蜗轮轴估计各段尺寸：由于 2 段和 6 段轴上安装的是轴承，轴承的直径，所以可以50dmm确定两端轴的直径为，长度为；50mm60mm直径为，长度为，；40mm100mm14 980lmm键， 直径为，长为 50mm； 60mm 直径为，长为 10mm；80mm 直径为，长为 60mm，。60mm18 1140lmm键，4.4 轴径的设计与校核轴径的设计与校核 蜗杆轴蜗杆轴一、计算蜗杆受力：11tanz md 112 6.3tan6311.31z md二、蜗杆受力： 212222 336958.382541.26265.19atTFFNd轴向力：122122tan2541.26 tan11.31508.26tan2541.26 tan20924.94tatrrtFFFNFFFN 圆周力：径向力：垂直面受力图：12100yRRrFFFF 1203004500ArRMFF 解得：1308.31RFN 2616.63RFN垂直面弯矩图：（c）水平面受力图：11504500tRFF1150 534.9178.3450RFN24503000RtFF2300356.6450tRFFN（d）水平面弯矩图：(e) 合成弯矩图：(f) 转矩图：(g) 当量弯矩图：三、许用应力1、许用应力值 用插入法由机械设计表 16.3 查得：，0102.5bMPa160bMPa2、应力校正系数 10600.59102.5bb3、画当量弯矩图 0.5914086.25TTN mm4、当量弯矩 在蜗杆中间截面处： 22()106472.9MMTN mm 在左轴颈中间截面处： 22()106475.02MMTN mm 当量弯矩图如图（g）所示。四、校核轴径1、齿根圆直径 *112()faddhc m 632 (1 0.2) 6.347.25 2、轴径 33106472.926.0847.250.1 60Mdmm-1b0. 1 33106475.0226.08350.1 60Mdmm-1b0. 1五、用安全系数法校核转轴的强度（一） 、 判断危险截面初步分析、四个截面有较大的应力和应力集中，下面以截面为例进行安全系数校核。1、对称循环疲劳极限 轴材料选用 45#钢调质，650BMPa，由机械设计表 3.2 所列公式可求得疲劳极限；360sMPa 10.440.44 650286bBMPa 10.30.3 650195BMPa2、脉动循环疲劳极限 011.71.7 286486bbMPa 011.61.6 195312MPa3、等效系数 10022 2864860.18486bbb 10022 1953120.25312（二） 、截面上的应力1、弯矩（截面） 100 169.4216942MN mm2、弯曲应力幅 3169426.270.1 30aMMPaW3、弯曲平均应力 0m4、扭转切应力 3238754.420.2 30TTMPaW5、扭转切应力幅和平均切应力 4.422.2122amMPa（三） 、应力集中系数1、有效应力集中系数 因在此截面处，有轴直径变化，过渡圆角半径，由，和2rmm/35/301.17D d /2/300.067r d ，从机械设计附录表 1 中查出（用插值法），650BMPa1.73k1.28k2、表面状态系数 由机械设计附录表 5 查得，0.92(3.2aRm 650)BMPa3、尺寸系数 由机械设计附录表 6 查得（按靠近应力集中处的最小直径查得）0.88,0.8135（四）安全系数1、弯曲安全系数 设为无限寿命，由机械设计式1Nk16.5 得： 11 28620.281.736.60.92 0.88NbamkSk 2、扭转安全系数 11 19544.841.282.21 0.25 2.210.92 0.81namkSk 3、复合安全系数 222220.28 44.8418.481.5 20.2844.84S SSSSS结论：根据校核，截面足够安全。蜗轮轴的计算蜗轮轴的计算计算蜗轮受力圆周力： 22222 336958.382541.26265.19tTFNd径向力： 22tan2541.26 tan20924.94rtFFN 轴向力： 22tan2541.26 tan11.31508.26atFFN 垂直面受力图：32400yRrRFFFF 2240235132.5953200CraRMFFF 3435.04889.9RRFNFN 垂直面弯矩图：水平面受力图：23400ytRRFFFF 2402353200CtRMFF 34675.061866.2RRFNFN 水平面弯矩图：合成弯矩图：转矩图：当量弯矩图：许用应力1、许用应力值 用插入法由机械设计表 16.3 查得：，0102.5bMPa160bMPa2、应力校正系数 10600.59102.5bb三、画当量弯矩图1、当量转矩 ，见图（f）0.59 336924198785TN mm2、当量弯矩 在蜗轮轴的中间截面处； 2222()175738.9198785265329.3MMTN mm 在左轴颈中间截面处； 2222()158852.6719878525445MMTN mm校核轴径1、轴径 3325445934.87600.1 60Mdmmmm-1b0. 1 33265329.335.36600.1 60Mdmmmm-1b0. 1用安全系数法校核轴的强度（一） 、判断危险截面 初步分析、四个截面有较大的应力和应力集中，下面以截面为例进行安全系数校核。1、对称循环疲劳极限 轴的材料选用 45 钢调质，650BMPa，由机械设计表 3.2 所列公式可求得疲劳极限：360SMPa 10.440.44 650286bBMPa 10.30.3 650195BMPa2、脉动循环疲劳极限 011.71.7 286486bbMPa 011.61.6 195312MPa3、等效系数 10022 2864860.18486bbbb 10022 1953120.25312（二） 、截面上的应力1、弯矩（截面） 675.06M （60+10）=47254. 2Nm m2、弯曲应力幅 347254.23.780.1 50aMMPaW3、弯曲平均应力 0m4、扭转切应力 333692413.480.2 50TTMPaW5、扭转切应力幅和平均切应力 13.486.7422amMPa（三） 、应力集中系数1、有效应力集中系数 因在此截面处，有轴直径变化，过渡圆角半径，由2rmm ，和/60/501.2D d /2/500.04r d ， 机械设计附录表 1 中查出（用插值法），650BMPa1.95k1.55k2、表面状态系数 由机械设计附录表 5 查得：0.92 (3.2,650)aBRmMPa3、尺寸系数 由机械设计附录表 6 查得：，0.81（按靠近应力集中处的最小直径查得）0.7650（四） 、安全系数1、弯曲安全系数 设为无限寿命，,由机械设计式 16.51Nk得： 11 28628.321.953.860.92 0.81bamkSk 2、扭转安全系数 11 19511.731.556.740.25 6.740.92 0.76amkSk 3、复合安全系数 222228.32 11.7310.841.5 28.3211.73S SSSSS结论：根据校核，截面足够安全。 5 轴承的校核轴承的校核5.1 蜗杆轴蜗杆轴查手册 7007C 轴承主要性能参数如下：, , ；014.2rCkN19.5rCkN0/2674.3/195000.137arFC用插入法查得：，0.48e /2674.3/973.42.75arFFe查机械设计课程设计手册,0.44,1.17XY0.44 973.4 1.17 2674.33557.227raPXFYF 计算额定动载荷：331667010003557.22772000166705.8hrnCPLKNC 轴承满足条件，所选轴承合格。5.2 蜗轮轴蜗轮轴查机械设计课程设计手册7010C 轴承主要性能参数如下：，；022.0rCkN26.5rCkN0/534.86/220000.024arFC用插入法查得：，0.39e /534.86/973.40.55arFFe查机械设计课程设计手册，0.44,1.44XY0.44 973.4 1.44 534.861198.5raPXFYF 计算额定动载荷：3316670501198.572000166707.19hrnCPLKNC 轴承满足条件，所选轴承合格。 6 其它零部件尺寸的设计与计算其它零部件尺寸的设计与计算6.1 回零减速撞块尺寸的计算回零减速撞块尺寸的计算为了使刀套准确地回到坐标零点，在零点前面设置减速行程开关，其回零减速撞块尺寸如图 6-1 所示，按下列公式计算：图 6-1 回零减速撞块尺寸计算减速撞块长度:(30)40260000RRSLSDWTVTV TL式中：快速移动速度（） ；RV/minmm 快速移动时间常熟（） ，通常取；RTms150 200 伺服时间常熟（） ，；STms33ST 减速后速度（） ，可在范围内设定，一LV/minmm6 1500般设在 30 左右为好，在该设计中，取；LV40/minmm 。25/min25000/minRVmmm18025000 (3033)40 40 3326000064.63DWDWLLmm 。65DWLmm根据实际应用中，取为6.2 刀盘与刀套的设计刀盘与刀套的设计 刀套刀套参照数控机床与机械结构一书中对刀套的设计，由于本设计用于小型加工中心，所以采用 40 号刀柄的尺寸而进行设计，草图如图 6-2 所示，尺寸参照零件图；图 6-2 刀套结构图1弹簧 2螺纹套 3球头销钉 4刀套体 5滚套 6销轴 7滚子 刀盘刀盘刀盘尺寸由装配图可知。6.3 刀具（刀座）识别装置刀具（刀座）识别装置刀具（刀座）识别装置是自动换刀系统中重要组成部分，在本设计中采用接触式刀具识别装置。接触式刀具识别装置应用较少，特别适应于空间位置较小的刀具编码，其识别原理如图 6-3 所示。在刀柄 1 上装有两种直径不同的编码环，规定大直径的环表示二进制的“1” ，小直径的环为“0” ，图中有 5 个编码环 4，在刀库附近固定一刀具识别装置 2，从中伸出几个触针 3，触针数量与刀柄上的编码环个数相等。每个触针与一个继电器相联，当编码环是大直径时与触针接触，继电器通电，其数码为“1” 。当编码环是小直径时与触针不接触，继电器不通电，其数码为“0” 。当各继电器读出的数码与所需刀具的编码一致时，由控制装置发出信号，使刀库停转，等待换刀。图 6-3 刀柄编码示意图1刀柄 2刀具识别装置 3触针 4编码环 7 液压液压系统的设计系统的设计7.1 液压缸的载荷组成和计算液压缸的载荷组成和计算设刀套重量为 10kg，拨叉重量为 10kg，作用在活塞杆上的外部载荷为刀具，刀套以及拨叉所有重力之和；8 9.8/kg10 9.8/kg10 9.8/kg=274.4NWFFFFNNN 刀具拨叉 刀套 除外载荷外，作用于活塞上的载荷 F 还包括液压缸密封处的摩擦阻WF力，由于各种缸的密封材质和密封形式不同，密封阻力难以精确计mF算，一般估算为：(1)mmFF式中：液压缸的机械效率，一般取 0.900.95N；m 274.42950.93WmFFN (1)(1 0.93) 29520.65mmFFN 7.2 液压缸内径以及其它尺寸的确定液压缸内径以及其它尺寸的确定 液压缸不同负载时的工作压力查液压传动表 11-2，故取工作压力，根据根据所选工作压力查机械设计手册表，10.8pMP