盘式刀库机械结构设计及PLC控制（机械CAD图纸）

本科机械毕业设计论文CAD图纸 QQ 401339828 摘 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。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，设计了相应的刀的圆盘式刀库，并且对它的控制进行了一定的研究。论文首先对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：，刀库，蜗杆蜗轮，液压，PLC。ABSTRACTTool storage is one of the main components of automatic tool changer, have a great influence on the capacity, position and structure design of machining center.16-tool tool storage is used in the machining center is the most extensive, according to situation and actual requirements, design tool storage accordingly, and the control of it was studied.Firstly, the overall design scheme of the tool storage, this paper presents the principle of each part, then the calculation and design of each part of structure design and control tool chapters.The structure design of the knife is the focus of this paper, the transmission part is a worm and worm gear reducer, the worm, the worm wheel and the related device in the axis are calculated; the control part are tool storage delivering parts, controlled by the hydraulic control and PLC. Key words: tool storage, worm, worm gear, hydraulic pressure, PLC目 录摘 要I第1章 绪论11.1 自动换刀装置的定义11.2自动换刀刀库的历程11.3 自动换刀装置在国内外发展现状11.4 自动换刀刀库形式及各自应用范围21.4.1刀库的类型41.4.2本文所设计的刀库5第2章 刀库驱动电动机的选定82.1 按负载转矩选82.3 校验92.4 分配传动比10第3章刀库传动机构的设计113.1初定刀套线速度113.2刀库传动方式以及11第4章传动轴的设计154.1轴的材料154.2蜗杆轴的初步估算154.2.1初步估算轴的最小直径154.2.2选择联轴器154.2.3确定滚动轴承的类型164.2.4初步估计蜗杆轴各段的尺寸164.3 蜗轮轴的初步估算174.3.1初步估算轴的最小直径174.3.2确定轴伸处的最小直径174.3.3确定滚动轴承的类型174.3.4初步估计蜗轮轴的各段尺寸174.4 轴径的设计与校核184.4.1 蜗杆轴184.4.2蜗轮轴的计算214.5蜗杆轴244.6蜗轮轴25第5章 刀具交换装置的设计265.1换刀机械手抓刀部分结构265.2 机械手工作原理265.3 自动换刀装置的动作顺序275.4回零减速撞块尺寸的计算275.5刀盘与刀套的设计285.5.1 刀套285.5.2 刀盘295.6刀具（刀座）识别装置29第6章 自动换刀系统的设计306.1 刀库选刀控制方式306.2 PLC型号选择306.2.1 CPU22X系列基本单元306.3 控制系统结构316.4 自动换刀系统控制原理316.5盘式刀库换刀过程的介绍326.5.1 自动换刀程序流程图336.5.2自动换刀参数设置346.5.3 宏程序设计346.5.4 PMC程序设计34第7章 结论35参 考 文 献36致 谢3741第1章 绪论1.1 自动换刀装置的定义自动换刀装置（Automatic tool changer,简称ATC）是指加工中心中能完成刀具储存位置与主轴间的交换刀具装置。其包括存储刀具和刀具交换两部分，前者称为刀库（Tool magazine），后者称为换刀机构(Tool change mechanism)。刀库是用来储存加工过程中使用的刀具的一种装置。当加工中需要换刀具时，由换刀机构即机械手将刀具从刀库中取出装入主轴中，在此同时主轴中的旧刀具送到刀库中储存起来等待下次备用。二者根据主轴与刀库刀具的相对位置，在比较有限的空间里巧妙的安装和换刀动作设计，使刀库中的新刀具可以经换刀机构与主轴中的旧刀具进行刀具交换动作。它的主要目的是为了减少机械加工过程中的非切削加工时间，以达到提高效率。降低上产成本的目的，进一步提高机床在整个生产过程中的生产力，因此自动换刀刀库在加工中心中有着十分重要的角色。目前刀库市场的ATC种类极其繁多，并且很多机型都是由厂商直接设计定型，因此自动刀库既需要满足功能上的需要，又需要成为机床的一部分。在当今激烈的市场环境中，由于自动换刀装置在缩短非机械加工时间中扮演重要角色。所以自动换刀装置ATC的换刀时间也成为衡量机床性能的一个重要指标。1.2自动换刀刀库的历程从自动换刀装置发展进程来看，1956年日本富士通研究出了数控转塔式冲床，美国IBM公司也同期研制出“APT(刀具过程控制装置)。1958年美国K&T公司研制成功带有自动交换刀具装置的加工中心。继而1967年研制出了FMS(柔性制造系统)。1978年以后，加工中心得到了迅速发展，同时带有ATC装置，可以完成多种加工工序的机床，进入了机床发展的黄金时代。直到1983年国际标准化组织制定出了数控刀具锥柄的国际化标准，自动换刀系统从此形成了统一。1.3 自动换刀装置在国内外发展现状当前国内外数控机床自动换刀系统中，刀具、辅具很多都是使用锥柄结构，刀柄与机床主轴的联结、切削刀具的夹紧放松机构以及驱动方法大多都是使用同一种结构模式。在这种统一结构模式中，机床的主轴大多都是采用空心且带有碟形弹簧组、长拉杆的结构形式，用液压或者是气动装置提供驱动动力，来完成夹紧放松刀柄的动作。使用这种机构夹持刀具进行机械加工的最大障碍是，它无法同一时刻得到较高的夹持刚度和刀具振动精度，并且由于主轴结构复杂，主轴轴向尺寸有时会很大，再加之它的液压驱动装置和刀具辅具锥柄的制造成本较高，使得自动换刀系统的成本在机床整机中占有较大的比重。在刀具使用锥柄夹头、侧压夹头或者是弹簧夹头夹紧性能的对比实验中，采用弹簧夹头夹持刀具是唯一可以获得高的夹持刚度和振摆精度。所使用这种夹持组件，刀具或刀具辅具可以做成圆柱形状，就可以降低它的制造成本，提高制造精度。所以在当今的数控机床中也是采用弹簧夹头作为刀具的夹持组件，因此机床的主轴结构和驱动方式仍需要使用和锥柄刀具完全相同的结构。在实际的数控机械加工中，特别是在要求有超高速主轴、主轴的径向、轴向尺寸都很小的时候、如果没有足够大的换刀空间的微细加工场合中很难完成自动换刀，如果需要来完成自动换刀那势必将提高机床成本。如在CNC控制磨削球面铣刀的数控磨削机床上，直接驱动主轴的是高速电机，使用的是小直径盘形砂轮和指形砂轮来加工球面铣刀，换刀空间是比较小，在这种条件比较差的情况下，将很难完成自动换刀。国外研制最新的内圆磨床中也是采用的弹簧夹头自动换刀装置并且售价昂贵。 1.4 自动换刀刀库形式及各自应用范围因为加工中心的自动换刀装置是由机械手和刀库组成的，它的机械机构是比较复杂，所以自动换刀装置的品种繁多。因为自动换刀频率比较高，所以加工中心对自动换刀的装置的要求就相当苛刻如要求定位精度高动作平稳，工作可靠以及精度保持性等。这些要求都与加工中心的性能息息相关。表1.1 自动换刀刀库的形式及应用范围形式类别特点应用范围转塔式垂直转塔头根据驱动方式不同，可分为顺序选刀或任意选刀结构紧凑简单容纳刀具数目少用于钻削中心水平转塔头刀库式无机械手的换刀方式运用刀库运动与主轴直接换刀的方式，省略去机械手结构紧凑刀库运动较多小型加工中心机械手换刀刀库只做选刀运动，机械手换刀布局灵活，换刀速度快各种加工中心机械手和刀具运送器刀库距离机床主轴比较远时，用刀具运送器可以将刀具送至机械手结构复杂大型加工中心成套更换方式更换转塔的方式利用更换转塔头，增加换刀数目换刀时间基本不变扩大加工工艺的钻削中心更换主轴箱的方式利用替换主轴箱，来扩展组合机床所需要的加工工艺范围结构比较复杂扩大柔性的组合机床更换刀库的方式通过扩展加工工艺，替换刀库，还有其他的刀库存储器充分提高机床利用率和自动化程度扩展加工中心所需的加工工艺范围加工比较复杂零件的时候，就需要拥有很多刀具的加工中心或组成比较高级别的自动化的生产系统本科机械毕业设计论文CAD图纸 QQ 401339828 1.4.1刀库的类型刀库中的最关键的部件就是自动换刀装置，自动换刀装置的布局，容量和其机械结构都会对加工中心的具体设计产生重要影响。刀库可以用来存放加工所需的刀具和辅助工具。因为大多数的数控中心换刀装刀的位置都是对应着刀库中一个固定的刀位，所以想要保证有可靠的换刀性能就必须要有能使刀具运动和定位机构。如果需要的话还要有一定传动比减速机构。刀库的定位即是能使需要的每一把刀或者是其刀套停在准确的位置。其控制部分可以采用十分简的易位置控制器或相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。依据不同的取刀方法及不同的刀库容量，刀库可以被定为很多种类。图1.1所示为常用的几种刀库形式。图1.1中的是盘式的刀库，为了能够满足不同的机床布局，刀库的刀具轴线可以配置成不同的方向，图1.1中d所示的盘式刀库的刀具就可以翻转，使用取刀动作比较简化的结构，取刀也较为方便，多以它得到了最广泛的使用。但由于圆盘尺寸受限制，刀库的容量较小（通常装把刀）。图1.1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）格子式如果需要安放更多的刀具时，就可以选用图1.1中的刀库，它们可以在有限的空间里完成换刀的一系列动作，并且它们没有过大的尺寸。图1.1e所示的是鼓筒弹夹式刀库，由于它有很紧凑的结构，可以在相同的空间里拥有很大的刀库容量。但是也带来了取选刀的动作繁琐的缺点。图1.1f所示的是链式刀库，它拥有很好的灵活性，因此有较多的刀库容量。并且选刀和取刀的动作也是相当简单。如果链条较长时，就可以增加支撑链轮的数目，使链条折迭能够回绕，这一举措大大提高了空间使用率。图1.12g 1.1h所示的分别为多盘式和格子式刀库，虽然它们都有前面所说的一些优点，但是由于换刀动作过于复杂，因此得到了较少的运用。1、 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1.2所示。因为刀具被排列成环形，降低了空间使用率。所以才有了双环或者多环的盘式排列方式，这大大的增加了空间的利用率。但是这样做的缺点就是有过大的外径的刀盘，也带来了过大的转动惯量，选刀时间也延长很多，所以盘式刀库能满足刀具数量较少的场合。图1.2 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1.3，链式刀库有紧凑的结构和较大的刀库数量。链环可以根据场合不同做成不同的形状，也可将换刀位翻转出来以利换刀。如果链式刀库需要增加刀具的数量时，就可以通过改变链条的长度和支撑轮的数量来实现，在一定要求范围内，就不用改变线速度及惯量。正是应为有这些特点及便于设计制造才使得链式刀库得到了很大程度的运用。一般链式刀库刀具数量在30120。图1.3 链式刀库的形式1.4.2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结构组成与传动过程。1、 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，其中刀库的安装轴线方向和主轴线相垂直。换刀的时候应该先将刀具的位置与主轴轴线平行。等加工完成后主轴回到换刀点时，就可以自动换刀，如图1.4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。（2）机械手抓刀 机械手1由原来位置按照顺时针旋转90度，等到两手爪分别抓住主轴上的刀具和刀库下翻的刀具。（3）刀具松开 主轴内的刀具接受到传感器信号使得自动夹紧机构松开刀具。（4）机械手拔刀 机械手下降，下降的同时可以同一时刻拔出两把刀具。（5）刀具位置交换 机械手抓着两把刀具按照逆时针旋转，完成交换两把刀具位置。（6）机械手插刀 机械手上升，上升到特定位置时就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1.4 换到过程示意图1机械手 2刀库 3主轴 4刀套 5刀具（8）液压缸活塞复位 驱动机械手按照逆时针旋转度的液压缸活塞回到原始位置。（9）机械手松刀 机械手1逆时针旋转90度，松开刀具并回到原始位置。（10）刀套上翻 刀套带着刀具上翻。2、刀库的结构与传动（1）刀库的结构组成 如图1.5所示，为盘式刀库结构示意图。它的组成部件有电动机和蜗杆蜗轮、刀盘、刀套、液压缸、及拨叉。它的具体机构，如图1.6所示。（2）刀库的选刀过程 首先由数控系统发出了换刀的信号，通过直流伺服电动机1再经联轴器2及蜗杆3、蜗轮4来带动刀盘12和安装在它上的16个刀套11旋转相应角度，以实现选刀的过程。（3）刀套翻转过程 等到所需刀具到达了换刀位置的时候，刀套尾部的滚子10就会转入拨叉8的槽内。这是，在液压缸5的下腔注入液压油后，活塞就会推动拨叉上升，此时就会自动松开行程开关7，来断开相应电路，防止刀库、主轴发生意外。随着拨叉上升，连带动刀套下翻，以使得主轴轴线与刀具轴线平行，这时行程开关6，发出信号使机械手抓住刀。相反，拨叉下降后，就会带动刀套上翻。图1.5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1.6 刀库结构图 4蜗杆11液压缸 12活塞杆 16拨叉40销轴 49滚子17刀套55蜗轮56行程开关本科机械毕业设计论文CAD图纸 QQ 401339828 第2章 刀库驱动电动机的选定刀库的驱动大多都是用伺服电机或者是液动电机，由于我国加工中心大多都采用伺服电机驱动的方式，所以在本论文设计中也用伺服电动机来作为驱动。2.1 按负载转矩选 施加在伺服电动机轴上的负载转矩应比电动机额定连续转矩小。由于盘式刀库的负载转矩主要来自刀具重量的不平衡，其计算方法如下：假设将三把最重刀具摆放在一起，按加工中心规格规定的最大刀具重量计算，并且使得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 通过公式把上面的负载转矩转化为电机主轴上的转矩 式中：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。传动效率为： 式中：联轴器的传动功率； 蜗杆的传动功率； 轴承的传动功率。 考虑到实际情况比计算时所设定条件复杂，电机额定转矩应为负载转矩的1.21.5倍，亦即： 2.2按加速时的最大转矩选加速时的最大转矩,包括加速转矩和负载转矩，即： 加速转矩按下式计算： 式中：刀库选刀时的电动机转速； 加速时间，通常取150200（ms）； 电动机转子惯量； 负载惯量折算到电动机轴上的惯量。设计中，初选，。 加速时的最大转矩应小于电机的最大转矩，即： 2.3 校验 因为 所以该结果满足条件。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 号输入功率额定转矩（）最大转矩最高转速转子惯量FB252.534.330910000.0322.4 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 轴 各轴的输入功率轴 轴 各轴的输入转矩电动机的输入转矩为:故: 轴 轴 表2.2 分配传动比轴名功率转矩转速传动比效率电机轴2.523875100010.99轴2.47523636.251000200.99轴1.764336958.3850200.72第3章 刀库传动机构的设计3.1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刀库传动方式以及为了能够让伺服电机能保持最好的工作性能，大多数情况下都是不采用低速段的伺服电机。这就使得必须要采用蜗轮减速装置了。以下为蜗杆传动的设计计算：蜗杆材料一般都是采用45#钢，表面硬度45HRC，砂型铸造，蜗杆材料采用ZCuSn10P1，计算步骤如下：计算项目 计算内容 计算结果（一）初选【】值 1、当量摩擦系数 设，查机械设计 表13.6，取大值； 2、选【】值 在机械设计图13.11的线上任选一点，查得，（传动啮合效率）。（二）中心距计算1、蜗轮转矩 2、使用系数 按题意查机械设计表12.9 3、转速系数 4、弹性系数 由机械设计查表13.2得 本科机械毕业设计论文CAD图纸 QQ 401339828 5、寿命系数 6、接触系数 由机械设计图13.12线查出 7、接触疲劳极限 由机械设计表13.2得 8、接触疲劳最小安全系数 由机械设计手册查得 9、中心距 取 中心距可以通过由机械设计手册第三册的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 取2、蜗轮系数 取3、模数 取4、蜗杆分度圆直径 取5、蜗轮分度圆直径 6、蜗杆导程角 7、蜗轮宽度 取8、蜗杆圆周速度 9、相对滑动速度 10、当量摩擦系数 由机械设计表13.6查得 （四）齿面解除疲劳强度验算1、许用接触应力 2、最大接触应力 （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 2、弯曲疲劳最小安全系数 通过题目要求和机械设计手册查出 3、许用弯曲疲劳应力 4、轮齿最大弯曲应力 （六）蜗杆轴扰度验算1、轴惯性矩 2、允许蜗杆扰度 3、蜗杆轴扰度 （此处取） 合格 （七）温度计算1、传动啮合效率 2、搅油效率 根据蜗杆的润滑条件，查机械设计手册得： 3、轴承效率 根据蜗杆传动要求，查 机械设计手册得： 4、总效率 5、散热面积估算 6、箱体工作温度 （八）润滑油粘度和润滑方法1、润滑油粘度 2、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3-1 蜗轮蜗杆的几何尺寸名称符号计算结果蜗杆头数模数蜗杆分度圆直径中心距蜗轮齿数蜗轮分度圆直径蜗轮宽度蜗杆轴向齿距蜗杆导程蜗杆齿顶圆直径蜗杆齿根圆直径节圆直径中圆导程角蜗轮喉圆直径蜗轮齿根圆直径蜗轮外径注：取齿顶高，径向间隙，。第4章 传动轴的设计蜗杆涡轮常常是作为一种重要的减速装置，在减速装置中轴它既要收弯矩又要受扭矩。轴的设计过程中通常包括如下内容：材料选择，初步估算轴径，轴的结构设计，通过弯扭的合成来进行轴的强度校核，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，。4.2蜗杆轴的初步估算4.2.1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,按下式进行估算：该段轴上有一键槽将计算值加大3%，应为16.07式中：C与轴材料有关的系数，通过机械设计表16.2查得，根据轴的材料取115。4.2.2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：式中：T联轴器所传递的名义转矩； k工作情况系数，；根据，通过查机械设计课程设计手册YLD4, YL4型凸缘联轴器就可以满足传递转矩的要求,其轴孔直径范围为。二、最后确定蜗杆轴轴伸处的直径为，型轴孔长度，螺栓数量为4，直径M8，型。4.2.3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 所选轴承型号轴承代号基本尺寸/mm安装尺寸70000C70000AC极限转速dDBmin基本额定基本额定脂润滑油润滑动载荷静载荷动载荷静载荷minmaxKNKN7007C35621410.34156113.519.514.218.318.513.58500120004.2.4初步估计蜗杆轴各段的尺寸根据轴上零件的受力大小情况不同，满足固定和定位，来初步确定轴的阶梯段。 图4.1 蜗杆轴估计各段尺寸：1、3段 通过1、3段轴上安装的是轴承，然而轴承的直径约为，所以可以确定1,3段轴的直径为，长度为25mm。2段 由于蜗杆的齿根圆直径为，所以确定这段轴的直径为，长度为250mm。4段 选用直径为，长度为50mm。5段 直径为，长度为100mm，键，。4.3 蜗轮轴的初步估算4.3.1初步估算轴的最小直径初步估计轴直径，可以根据轴上所传递的功率大小及轴的转速,高低进行估算：该段轴上有一键槽将计算值加大3%，应为38.85mm公式中：C与轴材料有关的系数，通过机械设计表16.2查得，根据轴的材料取115。4.3.2确定轴伸处的最小直径通过对刀盘的大概设计要求，最后确定了蜗轮轴轴伸处的直径是。4.3.3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 所选轴承型号轴承代号基本尺寸/mm安装尺寸70000C70000AC极限转速dDBmin基本额定基本额定脂润滑油润滑动载荷静载荷动载荷静载荷minmaxKNKN7010C50801610.35674116.726.522.023.221.06700670090004.3.4初步估计蜗轮轴的各段尺寸通过对轴上零件的受力情况不同，固定和定位的要求不同，初步确定轴的阶梯段。图4.2 蜗轮轴估计各段尺寸：2、6段 由于2 ，6段轴上安装的是轴承，轴承的直径，所以可以确定两端轴的直径为，长度为；1段 直径为，长度为，；3段 直径为，长为50mm；4段 直径为，长为10mm；5段 直径为，长为60mm，。4.4 轴径的设计与校核4.4.1 蜗杆轴一、计算蜗杆受力： 二、蜗杆受力： (a) 垂直面受力图：解得： (b) 垂直面弯矩图：（c）水平面受力图：（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：，2、应力校正系数 3、画当量弯矩图 4、当量弯矩 在蜗杆中间截面处： 在左轴颈中间截面处： 当量弯矩图如图（g）所示。四、校核轴径1、齿根圆直径 2、轴径 五、用安全系数法校核转轴的强度（一）、 判断危险截面初步估计分析、四个截面上都有较大的应力集中，一下是以截面为例进行安全系数校核。1、对称循环疲劳极限 轴材料采用45#钢调质，由机械设计表3.2的公式可求得疲劳极限； 2、脉动循环疲劳极限 3、等效系数 （二）、截面上的应力1、弯矩（截面） 2、弯曲应力幅 3、弯曲平均应力 4、扭转切应力 5、扭转切应力幅和平均切应力 （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，从机械设计附录表1中查出（用插值法），2、表面状态系数 由机械设计附录表5查得， 3、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）（四）安全系数1、弯曲安全系数 设为无限寿命，由机械设计式16.5得： 2、扭转安全系数 3、复合安全系数 结论：根据校核，截面足够安全。4.4.2蜗轮轴的计算一、 计算蜗轮受力圆周力： 径向力： 轴向力： （a） 垂直面受力图：（b） 垂直面弯矩图：（c） 水平面受力图：（d） 水平面弯矩图：（e） 合成弯矩图：（f） 转矩图：（g） 当量弯矩图：二、 许用应力1、许用应力值 用插入法由机械设计表16.3查得：，2、应力校正系数 三、画当量弯矩图1、当量转矩 ，见图（f）2、当量弯矩 在蜗轮轴的中间截面处； 在左轴颈中间截面处； 三、 校核轴径1、轴径 四、 用安全系数法校核轴的强度（一）、判断危险截面 初步估计分析、四个截面都有较大的应力集中，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，由机械设计表3.2所列公式可求得疲劳极限： 2、脉动循环疲劳极限 3、等效系数 （二）、截面上的应力1、弯矩（截面） 2、弯曲应力幅 3、弯曲平均应力 4、扭转切应力 5、扭转切应力幅和平均切应力 （三）、应力集中系数1、有效应力集中系数 在这个截面处，有轴直径的变化，过渡圆角半径，由，和，机械设计附录表1中查出（用插值法），2、表面状态系数 由机械设计附录表5查得： 3、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）（四）、安全系数1、弯曲安全系数 设为无限寿命，,由机械设计式16.5得： 2、扭转安全系数 3、复合安全系数 结论：根据校核，截面足够安全。4.5蜗杆轴查手册7007C轴承主要性能参数如下：, , ；用插入法查得：，查机械设计课程设计手册,计算额定动载荷：4.6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：，；用插入法查得：，查机械设计课程设计手册，计算额定动载荷：第5章 刀具交换装置的设计5.1换刀机械手抓刀部分结构图5.1 机械手结构图1.手爪 2.锥销 3.手臂 4.5.弹簧 6.活动销 7.长销 8.锁紧销本机床上使用的换刀机械手都是回转式单臂双手式。在完成换刀过程中，机械手必须按顺序完成抓刀，拔刀，然后是交换刀具，后一步就是插刀，复位动作。本文中的机械手主要是通过机械臂9和固定在其两端的完全一样的两个手爪6组成。手爪6上的圆弧都有一个锥销4，当机械手抓刀的时侯，该锥销即会插入刀柄的键槽中。在机械手从原位的位置旋转90后抓住刀具时，两手爪上的长销钉12就会分别被主轴前端面和刀库上的挡块压下，这样就会使地轴向开有长槽的活动销14在弹簧的作用下向右端移动顶住刀具锥柄。当机械手拔刀时侯，长销就会与挡块脱离接触，锁紧销就会被弹簧弹起，使的活动销顶住刀具刀柄不能后移，这种结构的好处在于机械手做回转180时，刀具就不会被甩出。当机械手上升插刀的过程中时，两长销又会被两挡块压下，锁紧销就会从活动销孔中退出，松开刀具，机械手便可反转90复位。5.2 机械手工作原理 大多数机械手安装在主轴的左侧面，随同主轴箱一起运动。机械手由机械手臂与45的斜壳体组成。机械手臂1形状对称。固定在回转轴4上，回转轴与主轴成45角，安装在壳体3上，5为手臂托，可由液压缸带动（图中未标出），机械手有伸缩、回转、抓刀、松刀等动作。伸缩动作：液压缸（图中未标出）带动手臂托架5沿主轴轴向移动。回转动作：液压缸2中的齿条轮经过齿轮带动回转轴4一起转动。从而完成手臂正向和反向180的旋转运动。抓刀、松刀动作：机械手对刀具的夹紧和松开是被液压缸6控制。碟形弹簧7及拉杆8、杠杆9、活动爪10来完成。碟形弹簧实现夹紧，液压缸实现松开。在活动爪中有两个销子11，当夹紧刀具时，插入刀柄凸缘的孔内，确保安全、可靠。5.3 自动换刀装置的动作顺序换刀动作的大致过程为：1)主轴箱回到最高处（z坐标零点），同时实现“主轴准停”。 保证二者键槽始终正对2)机械手抓住主轴和刀库上的刀具。如图6.2所示。3)把卡紧在主轴和发库上的刀具松开4)活塞杆推动机械手做下行运动时，从主轴和刀库中取出刀具5)机械手回转180，交换刀具位置，6)将更换后的刀具装入主轴和刀库7)分别夹紧主轴和刀库上的刀具8)机械手松开主轴和刀库上的刀具9)当机械手松开刀具后，同时限位开关就会发出“换刀完毕”的信号，主轴就可以开始加工或其他程序动作。在整个换刀过程中，各项运动都必须由限位开关来控制，只有上一个动作完成后，才可以进行下一个动作，继而才能确保了运动的可靠性图5.2自动换刀的顺序 5.4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5.3所示，按下列公式计算：图5.3 回零减速撞块尺寸计算减速撞块长度:式中：快速移动速度（）； 快速移动时间常熟（），通常取； 伺服时间常熟（），； 减速后速度（），可在范围内设定，一般设在30左右为好，在该设计中，取； 。5.5刀盘与刀套的设计5.5.1 刀套参考数控机床与机械结构中对刀套结构的设计，所以采用40号刀柄的进行设计，草图如图5.4所示，尺寸参照零件图；图5.4 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5.5.2 刀盘刀盘尺寸由装配图可知。5.6刀具（刀座）识别装置刀具的识别是组成自动换刀系统的重要部分。在本论文中也同样采用接触式刀具识别。接触式刀具识别相对于其它装置应用较少，尤其能够满足在较小空间位置的刀具编码。其识别原理如图5.5所示。在刀柄1上装有两种直径大小不同的编码圆环，按照通用规定大直径的环代表着二进制的“1”，小直径的环代表着“0”，图中有5个编码环4，在刀库附近固定的一个刀具识别装置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。在其上面的每个触针都会与一个继电器相联，当编码环是大直径时与触针接触，继电器就会导通通电，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”。由于各继电器读出的数码与所需刀具的编码一致，由控制装置发出信号，使刀库停转，等待换刀。图5.5 刀柄编码示意图1刀柄 2刀具识别装置 3触针 4编码环第6章 自动换刀系统的设计6.1 刀库选刀控制方式换刀方式主要有固定换刀和随机换刀。前一种方式刀库的刀套号和刀具号始终一致; 而后一种方式,刀套号和刀具号在换刀过程中不一致。固定的换刀方式它没有预选功能。不管换刀的次数频率多少，刀套号与刀具号始终对应。这种换刀方式的弊端就在于换刀时间较长，只能满足刀具容量较小的场合。由于它没有预选功能,每次加工完都必须先归还旧刀再换新刀, 刀库是不带机械手, 用Z 轴运动进给, 换刀时间较长。随机换刀是带有机械手臂,能够完成预选刀具。刀具号与刀套号不对应, 其自带的系统有相应的刀具表，这个表会自动记忆刀具使用情况, 刀具表中刀套号是固定不变的, 然而刀具号是会随时随刀具交换发生变化的。 只要产生刀具交换,则刀具表也会立马进行数据交换。通过这种方式换刀优点在于换刀时间短，适用于多种换刀系统。6.2 PLC型号选择由西门子公司生产的S7-200系列PLC大多数情况下可以满足多种自动化控制的需要。它设计紧凑，扩展性好，价格低廉，指令系统强大，多以在市场上深受消费者好评。这些特点使得S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。此外，多种多样的CPU类型和电压等级让它在工业控制问题中能很好的解决问题。同时也具有很强的适应性和可选择性。 图6.1 主机与计算机连接 S7-200 CPU22X系列的PLC，由于它具有多种功能模块和人机界面可供选择，因此很容易组成PLC网络。 6.2.1 CPU22X系列基本单元近几年西门子公司推出的S7-200 CPU22X系列产品有：CPU221模块、CPU222模块、CPU224模块、CPU226模块、CPU226XM模块。S7-200 CPU22X系列产品的主要性能如表4.1所示，供用户在进行系统设计时查询。CPU22X系列产品指令丰富、速度快、具有较强的通信能力。例如，CPU226模块的I/O总数为40点，其中输入点24点，输出点16点；可带7个扩展模块；用户程序存储器容量为8KB；内置高速计数器，具有PID控制器的功能；有2个高速脉冲输出端和2个RS-485通信口；具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由口协议的通信能力；运行速度快、功能强，适用于要求较高的中小型控制系统。6.3 控制系统结构该换刀装置属于大型的换刀系统，单臂抓刀量达到65kg，容量为16把刀，所以注定了其机械结构比较复杂。该刀库采用油压为动力源，因此由油压系统和运动部件两部分组成。运动部件包括刀库体(即刀套承载体)和机械手(负责抓刀、换刀)两部分。刀库体的转动、机械手的整体旋转和刀号的转换都是通过伺服电动机来控制，以保证其能够得到较高的精度。运用电磁阀来控制机械手的动作，比如张开、闭合、等。控制系统采用了S7-200PLC。运用位置控制单元通过脉冲输出来带动伺服电动机，达到了较高的定位精度。系统结构如图8.2所示。图6.2 大型刀库的控制系统6.4 自动换刀系统控制原理圆盘式刀库是ATC 随机换刀的典型形式之一,通过机构来完成整个换刀过程。换刀的动作能够做到快速准确可靠,所以是一种常采用的刀库形式。在换刀控制时, 一般情况下将刀具交换分大致为两个步骤, 先调用T 指令来完成搜索刀库中的刀具, 再使用M06指令来实现刀具的交换动作, 使主轴上更换新的刀具。因此, 刀具交换实际上就是指搜索刀具和交换目标刀具两个动作节拍。随机换刀即指刀具在刀库中的位置时随机的，这需要对刀具进行编码。理想的随机换刀控制一般都是通过盘式刀库的PMC 用户程序和NC宏程序两部分来共同完成的。PMC 用户程序和NC宏程序共同根据T 码来完成搜索刀库中的刀具、进而再进行刀具的交换。西门子数控系统的NC宏程序是可以读取、使用系统产生的变量将宏程序中大小直径刀具的交换状态位作为换刀宏程序判断跳步执行的条件, 通过宏程序及PMC之间的信号应答, 可以非常容易地实现大小直径刀具的随机换刀与固定换刀方式选择。自动换刀系统的总体控制思路：运行M06加工程序代码时自动调用宏程序 。宏程序实现一系列换刀动作过程控制。宏程序中的会有很多辅助指令功能则是需要通过PLC程序实现。同时要设置相应的参数使以上过程生效。加工程序，宏程序和PLC程序之间的关系如图6.3所示。图6.3 加工程序，宏程序和PLC程序关系示意图6.5盘式刀库换刀过程的介绍选刀根据T代码选取相应刀具号，梯形图控制刀库正转或者反转。每旋转一个位置，刀库给出一个脉冲信号。倒刀刀库当前位置的刀套旋转90，处于换刀位置。通常气动或液压电磁阀控制。刀套到位后，给出到位反馈信号。机械手臂旋转90，扣刀同时抓住刀库和主轴上的刀具，并由机械手臂传感器给出扣刀反馈信号。从主轴和刀库中向下拉刀主轴松刀、吹气，机械手臂向下拉刀。此时，机械手臂两端分别夹持主轴上的刀具和待换目标刀具。主轴端和刀库端同时完成动作。机械手臂旋转180，换刀机械手臂拉刀到位后，旋转180，主轴上刀具和待换目标刀具交换，旋转到位后，机械手臂给出到位信号。刀具向上插入主轴和刀库机械手臂向上，将刀具同时插入主轴和当前刀套，主轴将刀具卡紧。主轴端和刀库端同时完成动作。反向旋转90机械手臂反向旋转回原位，完成一个换刀动作。更新数据表。6.5.1 自动换刀程序流程图6.5.2自动换刀参数设置I1.0机械手臂位置传感器1Q2.0主轴松/拉刀开关I1.1机械手臂位置传感器2Q2.1主轴吹气开关I2.1刀具松开传感器Q2.2刀库正转I2.2刀套放下传感器Q2.3刀库反转I2.3刀具夹紧传感器Q2.4刀套抬起I2.5刀套抬起传感器Q2.5刀套放下I2.7刀盘旋转一格位置/计数传感器Q2.6机械手臂旋转电机I3.3手动主轴松/拉刀按钮I3.4机械手臂位置传感器3