加工中心刀库自动换刀装置

加工中心刀库自动换刀装置摘要切削加工正在进入以高速切削为特征的开展阶段,因高速切削而切削效率飞速提高， 进一步减少机床加工辅助时间的技术也伴随高速切削的开展而不断开展。快速换刀技术是减少加工辅助时间重要手段。刀库和交换主轴换刀装置是转塔头换刀装置和刀库式换刀装置的结合。首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准刀柄上，在刀库中进行选刀，并由刀具交换装置从刀库中取出刀具，把刀具安装在非工作主轴上。换刀时间通过转塔头交换装置旋转180，交换主轴。这样就可以使切削加工和主轴换刀同时进行，由此可知换刀时间实际就是已经装好刀具的两个主轴的换位时间，使辅助时间减少到最少，即机床切屑对切屑时间到达最短。同时，刀库可以存放数量很大的刀具，因而能够进行复杂的多工序加工，这样就明显提高了机床的适应性和加工效率。关键词高速切削；刀库；交换主轴；换刀装置；换刀时间Design Of Automatic Tool Change On Tool MagazineAbstractCutting is developing which has the characteristic of high-speed cutting. The high-speed cutting has lead the rapid improvement of efficiency of cutting, then the technology which will further reduce machining assistant time is developing as the high-speed cutting. ATCTool changertechnology is one of the most important methods to reduce the assistant time in cutting. The tool magazine and exchange spindle are the integration of turret head and ATC. First, all the cutting-tool which is needed are installed on the standard cutting-tool handle, and then select a tool in tool magazine, and take the tool by exchange device in tool magazine, install it onto the none-work spindle. During tool changing, turret head is rotated 180to change the main spindle. That will enable cutting and exchanging tool of spindle simultaneous, it means the time of cutting-tool places. Thus assistant time is least. Meanwhile the tool magazine can hold a large number of cutting tool, so more complex machining processes can be done, the adaptability and processing efficiency of machine can be improved. Keywords High-speed Cutting；Tool Magazine；Exchange Spindle；ATC；Tool- chasing Time目录摘要IAbstractII1.1 背景及研究意义31.2 自动换刀装置国内外开展与现状31.3 工作内容41.4 设计设想5第2章 设计总体方案论证62.1 刀库和交换主轴换刀装置的原理7 主轴交换的原理7 主轴抬起及转位的原理7 刀库及换刀装置82.2 本章小结9第3章 主轴转动的设计计算103.1 传动系统的原理设计10 电动机的选择10 计算传动装置的运动和动力参数113.2 圆柱齿轮的结构设计11 设计内容及方法11 齿轮的设计12 齿轮的结构设计14 齿轮的受力分析143.3 输出轴齿轮的设计计算16 齿轮的设计16 齿轮的结构设计18 齿轮的受力分析183.4 主轴及组件的设计计算18 主轴组件的设计要求18 主轴及组件的设计与校核19 键连接的设计计算23 夹紧装置的设计计算233.5 花键轴的设计计算26 花键轴结构设计26 传动齿轮键连接的设计计算283.6 润滑与密封29 系统的润滑29 轴承的密封293.7 本章小结29第4章 转位装置的设计计算304.1 中心液压缸的设计计算304.2 转位齿轮的设计计算31 选择齿轮传动的材料及热处理31 确定选择齿轮传动的参数和尺寸31 验算齿根弯曲应力324.3 本章小结33第5章 刀库的设计计算345.1 电动机的选择345.2 蜗轮蜗杆的设计计算34 蜗轮蜗杆的计算34 蜗轮、蜗杆承载能力计算375.3 本章小结38第6章 机械手驱动装置的设计396.1 概述396.2 凸轮联动装置的原理39 根本原理39 凸轮曲线的设计406.3 本章小结41结论42致谢43参考文献44附录A45附录B48绪论1.1 背景及研究意义随着机械加工工业的开展，制造行业对于具有高效高性能的加工中心的需求量越来越大。自动换刀装置作为加工中心的重要组成局部其主要的作用在于减少加工过程中的非切削时间，以提高生产率、降低生产本钱，进而提升机床及至整个生产线的生产率，所以自动换刀装置在交工中心中扮演着重要角色。1.2 自动换刀装置国内外开展与现状从换刀系统开展的历史来看，1956年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM公司同期也研制成功了“APT刀具程序控制装置。1958年美国K&T公司研制出带ATC自动刀具交换装置的加工中心。1967年出现了FMS柔性制造系统。1978年以后,加工中心迅速开展,带有ATC装置，可实现多种工序加工的机床，步入了机床开展的黄金时代。1983年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，自动换刀系统便形成了统一的结构模式。目前国内外数控机床自动换刀系统中，刀具、辅具多采用锥柄结构，刀柄与机床主轴的联结、刀具的夹紧放松机构及驱动方式几乎都采用同一种结构模式。在这种模式中，机床主轴常采用空心的带有长拉杆、碟形弹簧组的结构形式，由液压或气动装置提供动力，实现夹紧放松刀柄的动作。切削加工正在进入以高速切削HSC为特征的开展阶段，因高速切削而切削效率飞速提高，因此，进一步减少机床加工辅助时间的技术也伴随高速切削的开展而不断开展。快速换刀技术是减少加工辅助时间重要手段，而且正在处于开展阶段。许多研究人员利用各种方法来缩短换刀时间来提高切削速度。下面介绍几种常用加工中心的换刀方法:1、多主轴换刀这种机床没有传统的刀库和换刀装置，而是采用多个主轴并排固定在主轴架上，一般为 318 个。每根主轴由各自的电动机直接驱动，并且每个主轴上安装了不同的刀具。换刀时不是主轴上的刀具交换，而是安装在夹具上的工件快速从一个主轴的加工位置移动到另一个装有不同刀具的主轴，实现换刀并立即加工。这个移动时间就是换刀时间，而且非常短。由夹具快速移动完成换刀，省去了复杂的换刀机构。奥地利 ANGERG 公司生产这种结构的机床，实现了切屑对切屑换刀时间仅为0.4s，是目前世界上切屑对切屑换刀时间最短的机床。这种结构的机床和通常的加工中心结构已大不相同，不仅可以用于需要快速换刀的加工，而且可以多轴同时加工，适合在高效率生产线上使用。2、双主轴换刀加工中心有两个工作主轴，但不是同时用于切削加工。两个主轴交替将刀送到工作位置，一个主轴用于加工，另一个主轴在此期间更换刀具。在需要换刀时，加工的主轴迅速退出，换好刀具的主轴立即开始加工。由于两个过程可以同时进行，换刀时间实际就是已经装好刀具的两个主轴的换位时间，使辅助时间减少到最少，也即机床切屑对切屑换刀时间到达最短，这样每个主轴换刀时间的长短对加工几乎没有影响。每个主轴的换刀装置和普通加工中心一样。由于有两个主轴，这种机床的刀库和换刀机械手可以是一套，也可以是两套，如德国 AlfingKessler 公司生产的加工中心采用双主轴系统，使用一套刀库和换刀机械手；而德国 Hornsbeng Lamb 公司生产的 HSC500 、 HSC630 和HFC 630 加工中心有两个主轴和两套换刀系统，两个主轴可以用 1 . 0 1 . 5s的时间移动到加工位置并启动加速到加工的最大速度，具体的交换时间取决于机床的尺寸。3、刀库布置在主轴周围的转塔方式刀库布置在主轴的周围刀库本身就相当于机械手，即通过刀库拔插刀并采用顺序换刀，使机床切屑对切屑换刀时间较短。这种方式如果要实现任意换刀，那么换刀时间将随所选刀在刀库的位置不同而长短不等，最远的刀可能换刀时间较长，因此，这种方式作为高速自动换刀装置最好采用顺序选刀的方式。4、多机械手方式刀库同样布置在主轴的周围，但采用每把刀有一个机械手的方式使换刀几乎没有时间的损失，并可以采用任意选刀的方式。德国 CHIRON 公司生产这种结构的机床。其刀库布置在加工主轴的周围可随主轴一起移动，每一个刀具有一套换刀机械手，这样换刀时就几乎没有时间的损失，实现了切屑对切屑换刀时间仅为1.5s，是目前世界上单主轴机床切屑对切屑换刀时间最短的加工中心。本文主要是对双主轴换刀进行研究。1.3 工作内容1、主轴箱先抬起30mm，然后旋转180；2、主轴交换时间2.5s；3、刀柄锥度为40度，机械手拔刀行程为84mm；4、机械手能够实现抓刀、180换刀和回零，换刀时间为3.5s。1.4 设计设想1、主轴交换装置由于交流电动机一般为鼠笼式感应电机结构，其体积小，转动惯性小，动态响应快。无电刷，最高转速不受火花限制。采用全封闭结构，具有空气强冷，可保证高转速和超载能力，有很宽的调速范围。所以选择交流电动机驱动。用液压缸来实现转塔体的抬起动作，利用活塞的行程来实现抬起的高度，同时用定位销来保证转塔体的定位，用活塞杆齿条和齿轮的啮合使转塔体实现转位。2、刀库刀库由伺服电机带动蜗轮蜗杆驱动。刀具有一套识别装置来控制电机的停止和转动。3、换刀装置由于凸轮联动式单臂双手爪机械手由电动机驱动，不需要复杂的液压系统及其密封、缓冲机构，没有漏油现象，结构简单，工作可靠。同时机械手的手臂回转和插刀、拔刀的动作式联动的，局部时间常数可重叠，从而大大缩短了换刀时间。所以本设计也采用了这种装置。研究内容：总体方案设计、主轴转动的设计计算，圆柱齿轮的结构设计，输出轴齿轮的设计，主轴的设计，花键轴的设计，转位装置的设计计算，刀库的设计计算，机械手驱动装置的设计。第2章 设计总体方案论证通过的市场的调研和常见的换刀装置的比拟，多主轴换刀的方式刀具数量有限，不能进行多工序加工；刀库布置在主轴周围的转塔方式，换刀的时间随所选刀在刀库的位置不同而长短不等。选择了如图1-1所示的布局方案。加工中心有两个工作主轴，1- 转塔体 2-压缩空气管接头 3-行程开关 4-活塞 5-液压缸 6-弹簧 7-大齿轮 8-碟形弹簧9-拉杆 10-主轴 11-拉钉 12-刀夹 13-端面键 14-钢球 15-滑移齿轮图2-1 双主轴换刀但不是同时用于切削加工。两个主轴交替将刀送到工作位置，一个主轴用于加工，另一个主轴在此期间更换刀具。在需要换刀时，加工的主轴迅速退出，换好刀具的主轴立即开始加工。双主轴用转塔头的方式实现旋转交换。2.1 刀库和交换主轴换刀装置的原理2.1.1 主轴交换的原理其结构如下图1.1a：转塔头内交错分布着两个结构完全相同的刀具主轴，主轴的回转运动由电动机由传动机构、滑移齿轮15和大齿轮7输入。当数控装置发出换刀指令时，通过液压拨叉图中未画出将滑移齿轮15与大齿轮7脱离啮合。同时在中心液压缸的作用下使转塔体1抬起原理在中介绍。然后压力油进入转位液压缸，使转塔体转位180原理在2.1.2中介绍，将下一工序的主轴转到工作位置。切削轴进行切削加工，另一个轴在此间换刀。刀夹12以锥度为7：14的锥柄在主轴10前端的锥空中定位，并通过拧紧在锥柄尾部的拉钉11被拉紧在锥孔中。夹紧刀夹时，液压缸5右腔接通回油，弹簧6推活塞4右移，拉钉11在碟形弹簧8作用下向右移动，由于此时装在拉杆9前端径向孔中的四个钢球14进入主轴孔中直径较小的d2处，见图1.1b，被迫径向收拢而卡进拉钉11的环型槽内，因而刀杆被拉杆5拉紧，依靠摩擦力紧固在主轴上。切削扭矩由端面键13传递。换刀前需将刀夹松开时，压力油进入液压缸右腔，活塞6推动拉杆9向左移动，碟形弹簧8被压缩；当钢球14随拉杆9一起左移至进入主轴孔直径较大的d1处时，它就不再能约束拉钉11的头部，紧接着拉杆9前端内孔的台肩端面碰到拉钉11，把刀顶松。此时行程开关3发出信号，换刀机械手随即将刀夹取下。与此同时，压缩空气管接头2经活塞和拉杆的中心通孔吹入主轴装刀孔内，把切削或脏物去除干净，以保证刀具的安装精度。机械手把新刀装上主轴后，液压缸5接通回油，碟形弹簧8又拉紧刀夹。刀夹拉紧后行程开关发出信号。2.1.2 主轴抬起及转位的原理如图3.2所示，当滑移齿轮和主轴齿轮脱离啮合时，中心液压缸2通压力油，使转塔体8抬起，定位销5和大齿轮6随着转塔体一起上移，与轴8上的小齿轮4啮合。当推动转塔头转位液压缸活塞移动时，活塞杆齿条3经齿轮轴8，使转塔头实现转位180。转位完成时，中心液压缸接通回油，转塔体落下，定位销实现转塔体的定位。 1，2-中心液压缸 3-活塞杆齿轮条 4-小齿轮 5-定位销 6-大齿轮 7-轴 8-转塔体 图2-2 主轴转位装置2.1.3 刀库及换刀装置刀库是存储刀具的装置,常见的刀库主要有以下几种形式:1、转塔式刀库包括水平转塔头和垂直转塔头两种，其特点为：所有刀具固定在同一转塔上,无换刀臂，储刀数量有限，通常为68把。一般仅用于轻便而简单的机型。常见于车削中心和钻削中心。在钻削中心储刀位置即主轴,其外部结构紧凑但内部构造复杂，精度要求高。2、盘式刀库刀库呈盘状，其特点：刀具沿盘面垂直排列包括径向取刀和轴向取刀。沿盘面径向排列或成锐角排列的形式的刀库结构简单紧凑，应用较多，但刀具单环排列，空间利用率低。假设增加刀库容量必须使刀库的外径增大，那么转动惯量也相应增大，选刀运动时间长。刀具数量一般不多于32把。刀具呈多环排列的刀库的空间利用率高，但必然使得取刀机构复杂，适用于机床空间受限制而刀库容量又较大的场合；双盘式结构是两个较小容量的刀库分置于主轴两侧，布局较紧凑，储刀数量也相应增大，适用于中小型加工中心。3、链式刀库包括单环链和多环链,链环形式可有多种变化，其特点：适用于刀库容量较大的场合，所占的空间小。一般适用于刀具数在30120把。仅增加链条长度即可增加刀具数，可以不增加圆周速度，其转动惯量不像盘式刀库增加的那样大。4、直线式刀库和组合刀库直线式刀库结构简单，刀具单行排列，刀库容量小。多用于数控车床和钻床上。组合刀库一般是转塔式刀库的组合。转塔式与盘式刀库的组合及链式刀库的组合，每单个刀库的储刀量较小，换刀速度快。另外，还有一些密集型的鼓轮式。弹匣式和格子式刀库。这些密集型刀库虽占地面积小，但由于结构限制，根本上不用于单机加工中心，多用于FMS的集中供刀系统。通过以上比拟，由于本次设计的换刀装置用于中小型加工中心，所以选用盘式刀库，刀具的数量为20把刀，并且把刀库和换刀装置设计为一个整体，放置在机床主轴的上方，节省了空间。刀库选取伺服电机带动蜗轮蜗杆驱动，机械手由凸轮联动装置来驱动。2.2 本章小结本章通过对刀库和交换主轴的总体原理设计，确定了换刀装置的根本结构，通过对刀库的了解，确定了刀库的形式及容量。同时确定了主要零部件的主要作用，从而设计各个局部的具体的形状和尺寸。其中最主要的是装置的抬起和转位局部，抬起和转位是本次设计中的最大的难点之一。第3章 主轴转动的设计计算3.1 传动系统的原理设计根据任务书要求，主轴电机功率15kW、主轴转速3000r/min、刀柄锥度号为40。确定传动系统总体结构如图3.1所示。图3-1 主传动系统3.1.1 电动机的选择1、选择电动机的类型按要求和条件选择Y系列一般用途的全封闭自扇冷鼠笼式三相异步电动机。2、选择电动机的容量任务书给出电动机的功率为：=15kW3、电动机功率的选择主轴转速为： n=6000r/min轴与轴齿轮传动比为2，轴与轴的齿轮传动比为1，那么电动机的最高转速为：由以上数据可选出电动机的型号为Y160M2-2，其满载转速为2930r/min。其主要技术数据、外形和安装尺寸见表3-1：表3-1 电动机主要技术数据、外形和安装尺寸表型号额定功率/ kw额定转速r/min最大转矩额定转矩Y160M2-21529303.2外形尺寸/ mmmmmmLAB/2+AD+HD中心高/mmH安装尺寸/mmAB轴伸尺寸/ mmmmmmDE650430385160254254421103.1.2 计算传动装置的运动和动力参数1、各轴转速轴轴轴2、各轴功率轴轴轴3、各轴扭矩 由文献6电机轴 轴轴轴3.2 圆柱齿轮的结构设计3.2.1 设计内容及方法圆柱齿轮传动的结构设计内容包括齿轮的结构选择、齿轮精度选择及润滑方式的选择。齿轮零件的结构设计包括轮体和齿圈渐开线齿廓两局部，圆柱齿轮的结构类型分为：实心式、齿轮轴式、腹板式和轮辐式等。其中实心式结构适用于齿顶圆直径的齿轮，齿轮轴式结构的齿轮与轴做成一体，适用于齿根圆直径与轴的直径相差很小，或齿根到键槽底部的距离小于的齿轮；腹板式结构适用于齿顶圆直径的结构，其他尺寸确定如下：轮毂外径为为内孔直径，长度b为齿轮的宽度，腹板的厚度c=0.20.3b，且mm;轮辐式结构适用于齿顶圆直径mm的齿轮。3.2.2 齿轮的设计1、 选择齿轮传动的材料及热处理由表查取，主动齿轮的材料用40Cr钢，调质热处理230260HBS，取260HBS，从动齿轮与主动齿轮相同。2、 强度的计算由于主从动齿轮齿面硬度均小于350HRS，所以为闭式软齿面的齿轮传动。按齿面接触强度设计 3-1其中：Aa由表，按直齿轮，=0，查取Aa=453；K由参考材料10中表13-3，按原动机为电动机，工作载荷有中等冲击，查取K=1.21.6，取K=1.4；，取；，由图13-2，按齿轮材料、调质处理，齿面硬度260HBS，查取=710 MPa3、确定选择齿轮传动的参数和尺寸由于选 3-2由表3-2查取，。所以实际中心距 3-3，取, , 4、验算齿根弯曲应力 3-4 3-5 3-6其中：12由表，按原动机工作平稳，工作载荷有中等冲击，查得，取。3由图13-5，按公差组7级，直齿轮，查取。4由图13-6，按,主从动齿轮齿面硬度小于350HBS，查取。5由表13-5，按按公差组7级，未经外表淬火的直齿轮，查取。6由图13-4，按，查取。7图，按，查取。8由图13-3，按齿面材料，调质热处理，齿面硬度为260HBS，查取。9按长期工作， ，查取。10，一般。11按外表粗糙度，查取。12由图13-12，按齿面材料，调质热处理，查取。13由表13-7，按失效概率，查取，因有资料可参照，可增大1.21.6倍，。可得：3.2.3 齿轮的结构设计如图3-2表示直齿圆柱齿轮的零件简图。，主从动齿轮均采用实心式结构。按，主从动齿轮齿面硬度均小于350HBS，直齿，查取公差组的精度等级为7级，齿轮精度为8-7-7-GB。3.2.4 齿轮的受力分析一对渐开线齿轮啮合，假设不计摩擦力，那么轮齿之间相互作用的法向力Fn的方向始终沿啮合线。为了计算方便，将法向力Fn在节点P处分解为两个相互垂直的分力，即圆周力Ft和Fr，如图3.3所示。 3-73-8图3-2 主动齿轮图3-3 受力图 3-9式中：小齿轮传递的名义转矩；啮合角。对于按标准中心距安装的标准齿轮，。小齿轮传递的名义转矩。可得，3.3 输出轴齿轮的设计计算3.3.1 齿轮的设计1、 选择齿轮传动的材料及热处理由表查取，小齿轮的材料用40Cr钢，调质热处理230260HBS，取260HBS，大齿轮的材料用45钢，调质热处理200250HBS，取230HBS。2、 强度的计算由于大小动齿轮齿面硬度均小于350HBS，所以为闭式软齿面的齿轮传动。按齿面接触强度设计由3-1 得 其中：Aa表13-1，按直齿轮，=0，查取Aa=453；K由表13-3，按原动机为电动机，工作载荷有中等冲击，查取K=1.21.6，取K=1.4；a=0.20.6，取a=0.3；，由图13-2，按齿轮材料、调质处理，齿面硬度260HBS，查取=710MPa，=520MPa，3、确定选择齿轮传动的参数和尺寸由于，选 由式3-2得 mm由表3-2查取，。所以实际中心距 由3-3得 ，取, , 4、 验算齿根弯曲应力 由公式3-4，3-5，3-6得其中：12由表13-3，按原动机工作平稳，工作载荷有中等冲击，查得=1.21.6，取。3由图13-5，按公差组7级，直齿轮，查取。4由图13-6，按,大小齿轮齿面硬度小于350HBS，查取。5由表13-5，按按公差组7级，未经外表淬火的直齿轮，查取。6由图13-4，按，查取。7由图13-8， 按，查取。8由图13-3，按齿面材料，调质热处理，齿面硬度为260HBS，查取，。9按长期工作， ，查取。10，一般。11按外表粗糙度，查取=1。12由图13-12，按齿面材料，调质热处理，查取。13由表13-7，按失效概率，查取，因有资料可参照，可增大1.21.6倍，。3.3.2 齿轮的结构设计如图3.4表示直齿圆柱齿轮的零件简图 小齿轮采用实心式结构 小齿轮采用腹板式结构按，主从动齿轮齿面硬度均小于350HBS，直齿，查取公差组的精度等级为7级，齿轮精度为8-7-7-GB。3.3.3 齿轮的受力分析由前节可知，齿轮受Fn、Ft、Fr3.4 主轴及组件的设计计算3.4.1 主轴组件的设计要求主轴组件应到达以下几点设计根本要求：1、旋转转度 指机床在空载低速旋转时，主轴前端安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动值满足要求。目的是保证加工零件的精度和外表粗糙度。a小齿轮 b大齿轮图3-4 输出轴齿轮2、刚度 指主轴组件在外力的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。刚度缺乏时，不仅影响加工精度和外表质量，还容易引起振动。恶化传动件和轴承的工作条件。设计时应在其他条件允许的条件下，尽量提高刚度值。3、抗振性 指主轴组件在切削过程中抵抗强迫振动和自激振动保持平稳运转的能力。抗振性直接影响加工外表质量和生产率，应尽量提高。4、温度和热变形 温升会引起机床部件热变形，使主轴旋转中心的相对位置发生变化，影响加工精度。并且温度过高会改变轴承等元件的间隙、破坏润滑条件，加速磨损甚至抱轴5、磨损性 指长时期保持其原始精度的能力。主要影响因素是材料热处理、轴承类型和润滑方式。同时。主轴结构要保证各零件定位可靠、工艺性好等要求。3.4.2 主轴及组件的设计与校核1、 初定轴的直径危险截面 轴的材料选用45钢，经正火处理。主轴的最底转速为75r/min,为空心轴 3-10式中：A 与材料有关的系数P 轴传递的功率 kW n 轴的转速 r/min d 危险截面的直径尺寸 mm通常取=0.50.6。故 考虑到有键连接轴径应增加3%，故取危险端面尺寸66mm。2、 主轴及其组件的结构设计如图3.5所示，根据轴的受力选N231E型和7016型轴承，轴结构设计如下图：图3-5 主轴总体布局3. 按扭曲合成强度校核轴的直径N N 水平面：(a) (b) (c) (d) (e) (f) (h) 图3-6 受力简图 ( 3-11) 3-12 竖直面： 3-13 1作出轴的空间受力简图图3.6 a2作出水平面和竖直面的受力简图图3.6b、c3作出水平面弯矩图图3.6dMH1=33.5191, MH2=33.51914作出垂直面弯矩图图3.6e。 MV1=12.19851 , MV2=12.198514求出合成弯矩，并画出合成弯矩图图3.6f。N5作出扭矩图图3.4h6求出当量弯矩Memax 取N7校核轴的强度考虑到此轴为空心轴，材料为45钢，查得平安系数合格。3.4.3 键连接的设计计算1、选择键连接类型及尺寸由于齿轮传动的对中性要求较高以免齿轮啮合不良，所以选择普通的平键连接，按表且根据d=66和B=64选择双圆头平键，尺寸为: b=20mm , h=12mm, l=60mm , k=6.7mm。2、强度的计算按式12-8、式12-9 得， ，由表，根据轮毂材料为45钢，载荷为轻微冲击，查取所以键连接的设计计算合格。3、键连接的结构设计1轴的键槽尺寸偏差宽度为；槽深；外表粗糙度值两侧面为3.2m，底面为6.3m2轮毂的键槽尺寸偏差宽度为;槽深；外表粗糙度外表粗糙度值两侧面为3.2m，底面为6.3m。3.4.4 夹紧装置的设计计算1、概述目前国内外数控机床自动换刀系统中,刀具、辅具多采用锥柄结构,刀柄与机床主轴的联结、刀具的夹紧放松机构及驱动方式几乎都采用同一种结构模式。在这种模式中,机床主轴常采用空心的带有长拉杆、碟形弹簧组的结构形式,由液压或气动装置提供动力,实现夹紧放松刀柄的动作。本课题设计选用液压缸、长拉杆、碟形弹簧来实现刀柄的加紧和放松。2、蝶形弹簧主要参数确实定及选择选用碟形弹簧的材料为50CrVA。弹簧承受16公斤的力时的变形量要求为20mm,导杆的最大直径为20mm。按导杆尺寸条件，在GB/T1972，选取内径d=20.4mm的弹簧三种，尺寸如表所示：由表可见，采用单个弹簧不能满足要求，所以采用A系列弹簧对合组合。由公式式得： 3-14表3-1 蝶形弹簧的尺寸碟形弹簧Dmmdmmtmmh0mmH0mmPf或F=0.75 h0NmmN/mm2A40 GB/T19724020.43.250.93.1565000.68=1330A40 GB/T19724020.41.51.153.6526200.86=1140A40 GB/T19724020.411.33.3010200.98=1060式中:弹簧钢的弹性模量为;弹簧钢的泊松比；由公式可知 3-15 由式3-15得 无支撑面=1。由图,A系列的，根据查出，变形量，因此为满足变形量为20mm，所需弹簧量片数为：取45片，那么弹簧的尺寸为：未受载荷时的自由高度：。3、夹紧放松液压缸的设计1确定液压缸的输出推力：夹紧和放松刀柄时，液压缸主要克服弹簧的弹力和摩擦力，所以液压缸的输出推力为：F=1.1 3-16式中为工作机构的负载力。将缸的输出力大于工作机构负载力的原因，是液压缸本身摩擦部位的摩擦力和惯性力也抵消一局部缸的输出力。F=1.1280=308N2确定活塞杆直径d。选定活塞杆材料为不锈钢，d值可按杆件简单拉伸计算： 3-17式中：为活塞杆材料的许用应力，取为，其中为材料的抗拉强度，查表中，可知不锈钢的抗拉强度为520MPa。那么与表对照进行圆整取d=16mm表3-2 活塞杆直径标准值摘自GB2348-80mm4568101214161820222532394045505663703 确定缸筒的内径 3-18 与表3.39对照进行圆整取D=50mm。表3-3 缸筒内径标准值摘自GB2348-80mm8101216202532405063801001251602002503204004确定工作压力 3-19与表对照进行圆整取p=6.3 MPa。5缸筒的最小壁厚。 表3.4 液压缸公称压力摘自GB2346-80 mm0.6311.63.546.310162540缸筒采用无缝钢管制成，那么壁厚为： 3-20式中pmax=1.5p=9.54MPa，为缸的实验压力；为缸体材料的许用应力，一般无缝钢管取为110120 MPa，可知 6缸体和活塞的最大相对运动速度。速度v通过表进行选取 表3-5 缸体和活塞最大相对速度极限值mm缸内径mm活塞和缸体之间的最大相对速度m/s缸内径mm活塞和缸体之间的最大相对速度m/s25630.82503200.2801000.64005000.11252000.4选择v=0.8 m/s。7 确定缸体所需的流量式中D为缸内径； v 为活塞相对于缸体的运动速度。可得： 3.5 花键轴的设计计算3.5.1 花键轴结构设计1、 初定轴的直径危险截面 轴的材料选用45钢，经正火处理。主轴的最底转速为160r/min, 3-21式中 A 与材料有关的系数 P 轴传递的功率 kW n 轴的转速 r/min d 危险截面的直径尺寸 mm故 考虑到有键连接轴径应增加7%，故取危险端面尺寸50mm。2、花键轴的结构设计花键轴的零部件布置如图3.7所示：图3-7 花键轴结构3、花键的设计计算1选择键连接类型及尺寸由于空载时，齿轮要求能够沿着轴向移动，所以选择矩形花键连接。由表且根据轴径d=78查取矩形花键的连接尺寸为10727812,c=0.4mm。轴和齿轮的材料为钢，齿面经热处理，硬度为30HRC。 2强度的计算按式得 3-22式中: T花键轴传递的转矩，；载荷分布不均匀系数，=0.70.8； z 花键的数量，常见 z=10；h花键侧面的工作高度。 3-23 3-24=0.70.8,取=0.75由表12-14，根据无载荷时轴向移动，工作情况良好齿面经热处理，查取。 所以键连接的设计计算合格。3矩形花键连接的结构设计定心方式采取外径定心;花键轴的配合精度为1078a1172f712d10,花键孔的配合精度为1078H1072H712H11。3.5.2 传动齿轮键连接的设计计算1、选择键连接类型及尺寸由于齿轮传动的对中性要求较高以免齿轮啮合不良，所以选择普通的平键连接，按表且根据d=60和B=48选择双圆头平键，尺寸为: b=18mm , h=11mm , l=38mm , k=5.2mm。2、强度的计算按式12-8、式12-9得 3-25 3-26，由表，根据轮毂材料为45钢，载荷为轻微冲击，查取 所以键连接的设计计算合格。3、键连接的结构设计1轴的键槽尺寸偏差宽度为；槽深；外表粗糙度值两侧面为3.2m，底面为6.3m。2轮毂的键槽尺寸偏差宽度为;槽深mm；外表粗糙度外表粗糙度值两侧面为3.2m，底面为6.3m。3.6 润滑与密封3.6.1 系统的润滑1.齿轮传动的润滑齿轮啮合传动时，齿面间会产生摩擦和磨损。为了减少摩擦，减低磨损而采用的最有效的方法是润滑。特别是高速传动，更需要考虑齿轮的润滑。润滑可以减小摩擦损失，提高传动效率；减缓和降低磨损，提高使用寿命；同时还有散热、防锈和缓冲更改善工作条件的作用。本设计采用压力循环润滑即用中心供油站或油泵把压力油经管道由喷嘴喷至齿轮齿合面。3.轴承的润滑轴承润滑主要目的是减少摩擦与磨损，同时起到冷却、吸振、防锈及降低噪音的作用。一般高速轴承都采用油润滑，润滑及冷却效果均较好。在闭式齿轮传动装置中，当齿轮圆周速度2m/s时，常采用飞溅润滑。利用齿轮的转动把润滑齿轮的油摔倒箱体四周壁面上，然后通过沟槽把油引进轴承。因此本设计也选用油润滑。3.6.2 轴承的密封轴承密封是为了阻止灰尘及杂物进入轴承，并防止润滑剂流失。本设计选用毡圈密封和挡油盘式密封两种方式。3.7 本章小结主传动系统的设计是根据设计参数中，把轴所能传递的功率作为根本参数考虑。主轴做成空心的结构，主轴的结构设计需考虑与传动轴的连接装配工艺、刀具的连接尺寸、定位及密封。传动轴要考虑其轴向定位与装配精度，所以轴径的设计要兼顾滚动轴承与矩形花键的标准尺寸系列。第4章 转位装置的设计计算4.1 中心液压缸的设计计算1、确定液压缸的输出推力：液压缸主要作用是抬起转塔体：F=1.1 4-1=G=mg=3603.141002800010N=20000N式中为工作机构的负载力。将缸的输出力定的大于工作机构负载力的原因，式液压缸本身摩擦部位的摩擦力和惯性力页抵消一局部缸的输出力。F=1.120000N=22000N2、确定活塞杆直径d选定活塞杆材料为不锈钢，d值可按杆件简单拉伸计算： 4-2式中为活塞杆材料的许用应力，取为，其中为材料的抗拉强度，查表中，可知不锈钢的抗拉强度为520MPa。那么：与表3.2对照进行圆整取d=25mm。3、确定缸筒的内径 4-3与表3.3对照进行圆整取D=40mm。4、确定工作压力与表3.4对照进行圆整取p=6.3 MPa。5、缸筒的最小壁厚缸筒采用无缝钢管制成，那么壁厚为： 4-4式中，为缸的实验压力；为缸体材料的许用应力，一般无缝钢管取为110120 MPa，可知6、缸体和活塞的最大相对运动速度速度v通过表3.5进行选取 ,选择v=0.8 m/s。7、确定缸体所需的流量式中D为缸内径； v 为活塞相对于缸体的运动速度。可得：4.2 转位齿轮的设计计算4.2.1 选择齿轮传动的材料及热处理由查取，小齿轮的材料用45钢，调质热处理200250HBS，大齿轮的材料用45钢，正火处理170217HBS。 强度的计算由于大小动齿轮齿面硬度均小于350HBS，所以为闭式软齿面的齿轮传动。按齿面接触强度设计 4-5其中：Aa表，按直齿轮，=0，查取Aa =483；K由表，按原动机为电动机，工作载荷有中等冲击，查取K=1.21.6，取K=1.2；a=0.20.6，取a=0.4；，由图，按齿轮材料、调质、正炽热处理，齿面硬度200HBS，查取，4.2.2 确定选择齿轮传动的参数和尺寸由于，选由表查取，。所以实际中心距 根据设计要求取齿宽b=39mm。, , 4.2.3 验算齿根弯曲应力 4-6 4-7 4-8其中：1 2由表，按原动机工作平稳，工作载荷有中等冲击，查得，取。3由图，按公差组7级，直齿轮，查取。4由图，按,大小齿轮齿面硬度小于350 HBS，查取。5由表，按按公差组7级，未经外表淬火的直齿轮，查取。6由图，按，查取，。7由图，按，查取。8由图，按齿面材料，调质热处理，齿面硬度为200HBS；正火钢，170HBS，查取，MPa。9按长期工作， ，查取。10，一般。11按外表粗糙度，查取。12由图，按齿面材料，调质热处理，查取。13由表，按失效概率，查取，因有资料可参照，可增大1.21.6倍，。齿轮强度合格。4.3 本章小结在设计中，由于装置的整体结构，中心液压缸需要抬起30mm，持续6s，等待转位完成。转位时，把齿轮设计成半啮合的方式，防止了齿轮移动带来的碰齿现象。第5章 刀库的设计计算5.1 电动机的选择根据设计要求选用三相异步交流电动机，型号为Y801-2型，其满载转速为2825r/min。其主要技术数据、外形和安装尺寸见表5.1：表5-1 电动机主要技术数据、外形和安装尺寸表型号额定功率/ kw额定转速r/min最大转矩额定转矩Y801-20.7528252.2外形尺寸/ mmmmmmLAB/2+AD HD中心高/mmH安装尺寸/mmAB轴伸尺寸/ mmmmmmDE2953231758012510019405.2 蜗轮蜗杆的设计计算5.2.1 蜗轮蜗杆的计算1、选择传动的类型和精度等级考虑到传递的功率不大，转速较低，选用ZA蜗杆，精度8级，蜗杆采用型号GB10089-89，要求寿命为20000小时。2、选择材料，确定许用应力蜗杆采用材料为45号钢，外表淬火，硬度为4555HRC,蜗轮外圈用铸锡青铜，金属模铸造。 由文献表10-5和表10-7中分别查得应力循环次数 N=60寿命系数许用应力 3、选择蜗杆头数和蜗轮齿数根据传动比i=10,参考文献表10-2取=2那么=i =102=20。4、 按蜗轮齿面接触疲劳强度设计 5-11确定载荷系数K，由参考文献表10-3中选取使用系数，由于载荷平稳，选取，因转速不高，选取那么2计算作用在蜗轮上的转矩，取效率，刀库转速为150r/min ( 5-2) 代入数值得3确定弹性系数，由文献表10-4查得4计算，确定模数m和蜗杆分度圆直径根据计算由文献表10-1查得取m=4mm,=40mm5确定中心距a5、校核齿根弯曲疲劳强度1计算蜗杆导程角2计算蜗轮当量齿数3确定齿形系数4确定螺旋角系数（5） 校核弯曲强度 5-3 代入数值得 满足要求。6、蜗杆和蜗轮主要几何尺寸计算1蜗杆 蜗杆分度圆直径 =40mm蜗杆直径系数 蜗杆齿顶圆直径 蜗杆齿根圆直径 蜗杆轴向齿距 mm蜗杆导程 蜗杆轴向齿厚 2蜗轮蜗轮分度圆直径 蜗轮喉圆直径 蜗轮齿根圆直径 5.2.2 蜗轮、蜗杆承载能力计算1、蜗杆传动的受力分析及计算校核1各力的大小如下：因为蜗轮轴和蜗杆轴之间的轴交角为90，蜗杆的圆周力与蜗轮的轴向力的大小相等，方向相反；蜗杆的轴向力与蜗轮的圆周力的大小相等，方向相反；蜗杆的径向力与蜗轮的径向力的大小相等，方向相反。2蜗杆传动的计算载荷为式中 使用系数 齿向载荷分布系数动载系数2、蜗杆传动的强度校核蜗轮齿面接触疲劳强度校核 5-4代入数值得3、 蜗轮齿根弯曲疲劳强度校核 5-5代入数值得5.3 本章小结本章节根据计算数据，结合设计机构的具体工作情况，按照机械设计所遵循的设计原那么，将传动系统的局部蜗轮蜗杆进行了设计选择，并加以校核，以确保其平安可用。并实现优化设计，使其具有经济，简洁，性价比高等优势。针对可能出现的不同情况，我们要具体问题具体分析，及早解决，让加工中心机械手能更大限度的发挥功能，我们取得最大化的收益。第6章 机械手驱动装置的设计6.1 概述在加工中心上， 机械手自动换刀的速度与可靠性直接关系到生产效率和整个机床的可靠性， 是机床制造厂和用户都十分关注的问题。通常机械手的驱动有液压驱动和机械式凸轮驱动两种。1、液压式 采用液压式驱动的ATC，插、拔刀动作均由油缸完成。常见的方案是机械手装在套筒上，活塞杆固定，缸套同套筒一起移动，油缸左右腔进油完成动作。机械手的回转既可以采用回转油缸，也可以采用直线运动油缸通过齿轮齿条带动来完成。2、凸轮联动式 机械凸轮联动驱动的ATC，插、拔刀动作通常由凸轮驱动摆杆来完成。回转动作常通过弧面分度凸轮或平行分度凸轮带动滚子盘直接驱动机械手或再通过一对齿轮驱动机械手旋转。3、性能比拟从已有的统计情况来看机械式凸轮联动换刀比液压式驱动换刀快大约11.4倍。原因有以下几个方面：1 凸轮联动驱动ATC动作可重叠,液压驱动一般在前一动作确认无误后,才能进行下一个动作。2 前者驱动的运动规律可由设计者选择,液压驱动却不行。3 在相同冲击、振动和噪声指标限制条件下，凸轮驱动比液压驱动可获得更大的换刀速度。另外，液压驱动装置所使用的电磁阀及液压元件的可靠性也比凸轮低得多。但凸轮的缺点是造价高，且长时间使用后会出现磨损,影响换刀动作可靠性。通过以上条件比照，本设计中机械手的驱动选用凸轮联动装置。6.2 凸轮联动装置的原理6.2.1 根本原理目前，加工中心上使用的典型的凸轮联动ATC的换刀动作根本可以分作两局部：1机械手的旋转分度动作。包括抓刀、180换刀回零。2机械手的直线平移动作。包括拔刀、插刀。其中机械手的旋转分度动作采用滚子凸轮垂直分度机构来实现；机械手的直线平移动作采用圆柱槽凸轮摆动机构来实现。6.2.2 凸轮曲线的设计表示ATC凸轮联动换刀动作关系的曲线见图5.2，凸轮从零位开始旋转，旋转到时，机械手开始抓刀，旋转到时，机械手手臂旋转角，完成抓刀动作；凸轮继续旋转到时，ATC开始拔刀，到时,拔刀动作完成；从开始到，ATC手臂从旋转到，完成180换刀；从到，ATC完成插刀动作；从到，ATC手臂从反转到，完成回零动作，换刀结束。图6-1 滚子凸轮与圆柱槽凸轮运动关系曲线1凸轮曲线的选择 由于变性正弦曲线(MS)最适合用