数控机床刀库换刀装置毕业论文

.毕业设计（论文）题 目：数控机床刀库与换刀装置设计 摘要 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。换刀机械手的主要任务是，完全模拟人手的换刀动作，给机床主轴与弹簧夹头提供相对转动实现夹紧、放松刀具的动作。机械手应具备足够的转矩，该转矩还必须恒定(可调)。同时还应使机械手具备结构紧凑、占据空间小的特点，以适应不同类型机床的换刀空间。为了实现数控加工中心主轴竖直放置，刀架轴线水平，刀库的刀轴垂直情况下利用机械手实现自动换刀的动作。其中，机械手手臂可转90。使加工中心功能有所提升，更能满足生产加工的需要，进一步提高加工的自动化程度，提高生产效率。论文第二部分工作是讨论设计整体与传动方案，并对方案进行分析优化；选择最佳的方案，接下来进行相关的干涉与强度校核计算。自动换刀系统采用单片机或PLC控制，它通过几条与主控机的联络信号线以与系统设置的自诊断、自适应功能实现对换刀系统的全自动控制管理。加工中心具有自动换刀装置，能做到一次装夹，多工序加工，把许多相关的分散工序集中在一起，形成一个以工件为中心的多工序自动加工系统，从而大大缩短了机床上零件的装卸时间和更换刀具的时间，改变了过去小批量生产中一人、一机、一刀的局面。关键词：换刀机械手，换刀空间，PLC，自适应AbstractWith machinery and processing industries developing, the manufacturing industry with an automatic blade system for the efficient growing demand for high-performance processing center become more and more. Blade mechanical hand main task is complete simulation manpower blade moves to the main axis of machine tools and equipment and provide powerfor movements. Mechanical hand should have sufficient torque, the torque must be constant (scale). At the same time, they should also have the structure to mechanical hand tight, a small space characteristics to meet different types of machine tools condition. To achieve digital processing center axis vertical placement, tool carrier axis level, the knives use mechanical hand vertical axis achieve automatic blade moves. The manipulator arm can turn 90.The processing center functions have been enhanced so that it can better meet production processing needs, and further enhance the degree of automation of processing and improve production efficiency. The second part of paper is the discussion overall of the design and the programme of translation. Analysis the programme andchoose the best option, followed associated with the calculation accuracy and intensity. PC or PLC system using automatic blade control it through several signal lines and liaison with centre computer system established since diagnosis, adaptive function to achieve the fully automatic control system for blade management. Processing center with automatic changer devices, a place can do more work processing, put many related to decentralization processes together to form a working center for the multi-processing system automatically processes, thereby greatly reducing the machine tools, spare parts handling time and the replacement of cutlery time, changed the production of a small, one plane, cut situation. Key words:Blade mechanical hand, The blade space, Process control logic目 录摘 要IABSTRACT（英文摘要）II目 录III第一章 引言11.1 课题的目的和意义11.2自动换刀系统历史、现状和前景1第二章方案的分析论证与确定42.1 方案的提出42.1.1 机械结构方案的提出42.1.2 传动方案的提出42.2 方案的可行性分析42.2.1 机械结构方案的可行性分析42.2.2 传动方案的可行性分析52.3 方案的确定52.3.1 机械结构方案的确定52.3.2 传动方案的确定52.3.3 换刀工作流程62.4本章小结7第三章设计计算83.1 各部分设计参数的确定83.1.1 设计参数83.1.2 机械手取刀干涉计算93.2 电机的选择103.2.1 小臂电机的选择103.2.2 大臂电机的选择103.2.3 刀库电机的选择113.3小臂校核计算123.3.1 蜗轮蜗杆校核123.3.2蜗杆轴与轴承校核133.3.2.1 蜗杆轴校核133.3.2.2 轴承校核163.3.3 蜗轮轴与轴承校核183.3.3.1 蜗轮轴校核183.3.3.2 轴承校核24 3.4 大臂校核计算273.4.1 蜗轮蜗杆校核273.4.2蜗杆轴与轴承校核283.4.2.1 蜗杆轴校核283.4.2.2 轴承校核313.4.3 蜗轮轴与轴承校核323.4.3.1 蜗轮轴校核323.4.3.2 轴承校核363.4.4 汽缸校核373.5 刀库校核计算383.5.1 蜗轮蜗杆校核383.5.2蜗杆轴与轴承校核393.5.2.1 蜗杆轴校核393.5.2.2 轴承校核423.5.3 蜗轮轴与轴承校核433.5.3.1 蜗轮轴校核433.5.3.2 轴承校核473.6键校核计算483.6.1 小臂校核计算483.6.2 大臂校核计算493.6.2.1 蜗杆轴校核493.6.2.2 蜗轮轴校核493.6.3 刀库校核计算493.6.3.1 蜗杆轴校核493.6.3.2 蜗轮轴校核503.7本章小结50结论51参考文献52致53第一章 引 言1.1 课题的目的和意义随着制造业的不断发展，对机床特别是高精度和高效率数控机床的要求也越来越高，而数控机床刀库与换刀装置作为机床的主要构件又直接影响到机床的加工效率，因此数控机床刀库与换刀装置设计又显得特别重要。为此，设计了一种数控机床刀库与换刀装置。实现数控加工中心主轴竖直放置，刀架轴线水平，刀库的刀轴垂直情况下利用机械手实现自动换的动作，其中机械手手臂可转90。该装置能使加工中心功能有所提升，更能足生产加工的需要，进一步提高加工的自动化程度，提高生产效率。自动换刀系统是数控机床的重要组成部分。刀具夹持元件的结构特性与它与机床主轴满的联结方式，将直接影响机床的加工性能。刀库结构形式与刀具交换装置的工作方式，则会影响机床的换刀效率。自动换刀系统本身与相关结构的复杂程度，又会对整机的成本造价产生直接影响。 自动换刀系统采用单片机或PLC控制，它通过几条与主控机的联络信号线以与系统设置的自诊断、自适应功能实现对换刀系统的全自动控制管理。采用高性能弹簧夹头夹持刀具，使用外驱动机械手完成刀具的夹紧、放松，系统配置扩展型链式刀库和刀具交换装置，整机采用电磁机械传动、PLC控制，换刀系统具有夹紧力大、夹紧力恒定(可调)、自动复位以与各种自检保护功能，同时具有占据空间小的特点。研究的最终目标是，期望能够形成一种结构紧凑、工作稳定可靠、造价低廉、可供不同类型数控机床选型配套的智能型高性能自动换刀系统系列产品。1.2 自动换刀系统历史、现状和前景从换刀系统发展的历史来看，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，加工中心迅速发展，带有ATC装置，可实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。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与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。利用这种机构夹持刀具进行数控加工的最大问题是，它不能同时获得高的夹持刚度和刀具振摆精度，而且主轴结构复杂，主轴轴向尺寸过大，加上它的液压驱动装置与刀具辅具锥柄的制造成本，使得自动换刀系统的造价在机床整机中占有较大的比重。据有关资料介绍，在刀具采用锥柄夹头、侧压夹头以与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同时获得高的夹持刚度和振摆精度的理想元件。采用这种夹持元件，刀具或刀具辅具可作成圆柱柄，其制造成本低，精度易保证，这对大容量刀库降低刀具辅具的制造成本，意义更为显著。在现代数控机床上亦有采用弹簧夹头作为刀具的夹持元件，但机床的主轴结构、驱动方式仍然采用与上述锥柄刀具完全一样的结构形式。采用这种结构模式，在实际数控加工中，尤其是在需要超高速主轴、主轴的径向、轴向尺寸都很小、没有足够的换刀空间的微细加工场合中实现自动换刀将会是很困难的，如果实施自动换刀那将使机床成本大幅度提高。如在CNC控制磨削球面铣刀的数控磨削机床上，直接由高速电机驱动主轴，使用小直径盘形砂轮和指形砂轮加工球面铣刀，换刀空间很小，在这种条件下，将难以实现自动换刀。国外最新研制的圆磨床上采用的弹簧夹头自动换刀装置售价昂贵。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。随着计算机软硬件技术的发展，产生了人机对话式编制程序的数控装置，并具有了自动检测工件等功能。CAD/CAM（CAD指计算机辅助设计，CAM指计算机辅助制造）的出现，使数控机床的自动化水平进一步提高，实现了自动生成程序控制数控机床。开辟了无纸全自动制造这一机械加工制造的新途径，从而节省了大量的材料、资金和人力，给机械设计和加工带来了革命性变革。第二章 方案的分析论证与确定2.1 方案的提出2.1.1机械结构方案的提出方案一：直接在刀库与主轴之间换刀方案二：用机械手在刀库与主轴之间换刀方案三：用机械手和转塔头配合刀库进行换刀2.1.2传动方案的提出 方案一：转动用步进电机带传动，移动用气压或液压传动方案二：转动用步进电机带传动，移动用丝杠传动方案三：转动用步进电机齿轮传动，移动用气压或液压传动方案四：转动用步进电机蜗轮蜗杆传动，移动用气压传动2.2 方案的可行性分析2.2.1机械结构方案的可行性分析方案一：直接在刀库与主轴之间换刀这种换刀装置只有一个刀库，刀库中储存着加工过程中需要使用的刀具，利用机床本身与刀库的运动实现换刀过程。它的刀库需要整体运动，结构较复杂，而且刀库容量较小。主要运用在需要刀具较少的数控车床中。方案二：用机械手在刀库与主轴之间换刀这是目前用的最普遍的一种自动换刀装置，其布局结构多种多样。它利用机械手在刀库和机床之间实现换刀过程。由于这种结构有一个中间介质机械手，因此结构设计比较灵活，也比较简单。方案三：用机械手和转塔头配合刀库进行换刀这种换刀装置实际上是转塔头式换刀装置和刀库换刀装置的结合。这种换刀装置转塔头上有两个刀具主轴，当一个刀具主轴上的刀具进行加工时，可由机械手将下一工步需用的刀具换到不工作的主轴上，待上一工步加工完毕后，转塔头回转180度，即完成换刀工作。这种装置换刀效率较高，但是两个刀具主轴的结构严重限制了它的使用围。2.2.2传动方案的可行性分析方案一：转动用步进电机带传动，移动用气压或液压传动步进电机可精确控制转动的角度和转向，但是价格比伺服电机便宜的多。由于换刀不需要反馈系统，因此不必要选伺服点电机。带传动可以降低对电机的冲击，虽然可以配合齿轮传动达到较大的传动比，但是机构所占空间大，在要求机构紧凑的数控机床上显然不适合。气压和液压传动都有快的优势，但是相比之下，在需要的力并不大的地方选用价格更便宜的气压传动更经济一些。方案二：转动用步进电机带传动，移动用丝杠传动丝杠虽然可以实现移动，但是在力较小、并且需要快速移动的地方就不如气压传动适合了。方案三：转动用步进电机齿轮传动，移动用气压或液压传动齿轮传动和带传动一样能达到的一级降速传动比小，不能自锁。方案四：转动用步进电机蜗轮蜗杆传动，移动用气压传动蜗轮蜗杆传动不仅传动大，而且可以自锁。2.3 方案的确定2.3.1机械结构方案的确定经过综合分析确定选择方案二，即用机械手在刀库与主轴之间换刀的方案进行设计。机械手两个转动关节和一个移动关节。2.3.2传动方案的确定经过综合分析确定选择方案四，即转动用步进电机蜗轮蜗杆传动，移动用气压传动。2.3.3换刀工作流程换刀工作流程，如图所示：图2-1、机械手工作流程图 机械手初始位置、。 1、小臂电机工作，小臂转动90度到； 2、汽缸活塞杆缩回到； 3、小臂电机反转到取刀； 4、汽缸活塞杆伸出到； 5、小臂转动到； 6、大臂电机工作，大臂转到水平位置； 7、小臂电机反转到； 8、汽缸活塞杆缩回到，将刀放好； 9、小臂转动到，同时刀库转到指定位置； 10、小臂电机反转到； 11、汽缸活塞杆伸出到，将刀取出； 12、小臂转动到； 13、大臂电机工作，大臂反转到初始位置； 14、小臂电机反转到； 15、汽缸活塞杆缩回到放刀； 16、小臂转动到； 17、汽缸活塞杆伸出到；18、小臂电机反转到初始位置，换刀完成。2.4 本章小结分析设计题目，提出一系列机械结构与传动方案，并对机械结构与传动方案的综合分析，确定最终的设计方案，为下一阶段的工作作好准备第三章 设计计算3.1 各部分设计参数的确定3.1.1 设计参数蜗轮蜗杆转动参数：蜗轮蜗杆转动参数表 单位：mm小臂大臂刀库中心距 a80160250传动比 i628381模数 m23.155蜗杆分度圆直径 d135.55690蜗杆头 z1111蜗轮齿数 z2628381蜗杆分度圆导程(度)3.2245233.2194953.17983变位系数 x0.1250.40480.5蜗轮分度圆直径 d2124261.45405蜗杆节圆直径 d13658.55792.5蜗轮节圆直径 d2124261.45405蜗杆齿顶圆直径 da139.562.3100蜗轮齿顶圆直径 da2128.5270.3420蜗杆齿根圆直径 df130.748.4478蜗轮齿根圆直径 df2119.7256.45398蜗杆齿宽 b1355275蜗轮齿宽 b2304270刀库直径1000mm ，刀具重量12Kg/把 ，机械手大臂长度550 mm ，小臂长度300mm ，刀库容量20把刀汽缸参数：工作气压P=1 MPa ，活塞杆直径d=25mm，汽缸径D=34mm，工作行程L=160 mm，汽缸长370mm，宽120mm，高50mm。3.1.2 机械手取刀干涉计算 图3-1，取刀时的间隙为：，因此间隙足够不会产生干涉现象。其中，是机械手小臂半径。3.2 电机的选择3.2.1 小臂电机的选择小臂重量：12，长度：300mm，蜗轮减速比：i=621、刀具转动惯量 J=mR2=12=1.08 2、小臂转动惯量 J=1.25 3、折算到电机轴的转动惯量 J= （J+ J）/i=6.06 4、电机启动加速力矩 Ma= Jn/T=0.77265式中：n-电机所需达到的转速，T-电机的升速时间 5、折算到电机轴的静力距 M= 6、选电机：90BF002 J=1.764 ，Tmax=3.92 ， 式中：T-电机输出总力矩 Tmax-电机输出最大扭矩 Jm-电机转动惯量 因此所选电机满足要求。3.2.2 大臂电机的选择大臂重量：35，长度：550mm，蜗轮减速比：i=831、小臂的转动惯量 J=md=27 2、大臂的转动惯量 J= 3、蜗杆轴的转动惯量 J 4、折算到电机轴的转动惯量 Jt= 5、电机启动加速力矩 Ma= Jtn/T=1.0 6、折算到电机轴的静力矩 M 7、选电机：150BF003 Jm=102.9 ， Tmax=15.68 ， 因此所选电机满足要求。3.2.3 刀库电机的选择 刀库重量：3001、大小轮的转动惯量 J= J2、刀、刀盘与轴的转动惯量 J J J3、折算到电机轴的转动惯量 Jt=4、电机启动加速力矩 Ma= Jtn/T=14.515、选电机：160BC380A Tmax=30 ， 因此所选电机满足要求。3.3 小臂校核计算3.3.1 蜗轮蜗杆校核受力计算：T ，T Ft Ft Frtan校核： ， MPa MPa 式中：K-使用系数 Y-齿形系数 查手册得：K=1.4，Y=0.47 因此此蜗轮蜗杆传动可行。3.3.2 蜗杆轴与轴承校核3.3.2.1 蜗杆轴校核轴的结构图： 图3-2轴的受力图： 图3-3X方向受力图： 图3-4X方向弯矩图： 图3-5Y方向受力图： 图3-6Y方向弯矩图： 图3-7合成弯矩图： 图3-8转矩图： 图3-9当量弯矩图： 图3-10计算支承反力X方向反力 Y方向反力 X方向受力图 见图 3-4Y方向受力图 见图 3-6画弯矩图X方向弯矩图 见图 3-5Y方向弯矩图 见图 3-7合成弯矩图见图 3-8 合成弯矩 画轴转矩图轴受转矩 转矩图见图 3-9许用应力许用应力值 材料40Cr是合金钢，查手册得： ，应力校正系数 画当量弯矩图当量转矩 当量弯矩 当量弯矩图 见图 3-10校核轴径轴径 故此轴强度足够。3.3.2.2 轴承校核推力轴承 51204 Ca=22.2KN ，Ca=37.5KN寿命计算： Fa=1256.55N， Fr=0N 查手册得：X=0，Y=1，X，Y 当量动载荷 P=f 寿命计算Lh 当量静载荷 PN额定静载荷计算 CPa,只计算轴承C)查手册得： X， Y当量静载荷 PP PP额定静载荷计算 C Cr=3.72KN（因P，只计算轴承C）综上所述，两对轴承均满足要求。3.3.3 蜗轮轴与轴承校核3.3.3.1 蜗轮轴校核当大臂处于水平位置时，小臂的重力将是轴承的径向力：轴的结构图：图3-11轴的受力图：图3-12X方向受力图： 图3-13X方向弯矩图：图3-14Y方向受力图：图3-15Y方向弯矩图：图3-16合成弯矩图：图3-17转矩图： 图3-18当量弯矩图： 图3-19计算支承反力X方向反力 Y方向反力 X方向受力图 见图 3-13Y方向受力图 见图 3-15画弯矩图X方向弯矩图 见图 3-14Y方向弯矩图 见图 3-16合成弯矩图见图 3-17 合成弯矩 画轴转矩图轴受转矩 转矩图见图 3-18许用应力许用应力值 材料40Cr是合金钢，查手册得： ，应力校正系数 画当量弯矩图当量转矩 当量弯矩 当量弯矩图 见图 3-19校核轴径轴径 当大臂处于竖直位置时，小臂的重力将是轴承的轴向力： 轴的受力图： 图3-20X方向受力图： 图3-21X方向弯矩图： 图3-22Y方向受力图： 图3-23Y方向弯矩图： 图3-24合成弯矩图： 图3-25转矩图： 图3-26当量弯矩图： 图3-27计算支承反力X方向反力 Y方向反力 X方向受力图 见图 3-21Y方向受力图 见图 3-23画弯矩图X方向弯矩图 见图 3-22Y方向弯矩图 见图 3-24合成弯矩图见图 3-25 合成弯矩 画轴转矩图轴受转矩 Nmm转矩图见图 3-26许用应力许用应力值 材料40Cr是合金钢， 查手册得： ，应力校正系数 画当量弯矩图当量转矩 Nmm当量弯矩 当量弯矩图 见图 3-27校核轴径轴径 故此轴强度足够。3.3.3.2 轴承校核当大臂处于水平位置时，小臂的重力将是轴承的径向力：轴承：7207AC Cr=27KN C =18.8KN寿命计算： 径向力 附加轴向力 轴向力 因，所以轴承C压紧 F=387.68+71=458.68NFFX、Y值 FF查手册得：X=1 ，Y=0 ，X，Y=0.87当量动载荷 P=P=1.5N(因P，只计算轴承C)寿命计算Lh查手册得： X， Y当量静载荷 PNNPN PPN额定静载荷计算 C Cr18.8KN（因P，只计算轴承A）当大臂处于竖直位置时，小臂的重力将是轴承的轴向力：寿命计算： 径向力 附加轴向力 N轴向力 因，所以轴承C压紧 FF=FX、Y值 F F查手册得：X=1 ，Y=0 ，X，Y=0.87当量动载荷 PP1.5N(因P，只计算轴承A)寿命计算Lh查手册得： X， Y当量静载荷 PNNPN PPN额定静载荷计算 C Cr18.8KN（因P，只计算轴承A）综上所述，轴承7207AC满足要求。3.4 大臂校核计算3.4.1 蜗轮蜗杆校核受力计算：T Nm，T Nm Ft FtN FrtanN校核： ， MPa MPa 式中：K-使用系数 Y-齿形系数 查手册得K=1.4，Y=0.47 因此此蜗轮蜗杆传动可行。3.4.2 蜗杆轴与轴承校核3.4.2.1 蜗杆轴校核轴的受力图： 图3-28Y方向受力图： 图3-29Y方向弯矩图： 图3-30X方向受力图： 图3-31X方向弯矩图： 图3-32合成弯矩图： 图3-33转矩图： 图3-34当量弯矩图： 图3-35计算支承反力X方向反力Y方向反力X方向受力图见图 3-31Y方向受力图见图 3-29画弯矩图X方向弯矩图见图 3-32Y方向弯矩图见图 3-30合成弯矩图见图3-33合成弯矩画轴转矩图轴受转矩Nmm转矩图见图 3-34许用应力许用应力值材料40Cr是合金钢，查手册得：， 应力校正系数画当量弯矩图当量转矩 Nmm当量弯矩当量弯矩图见图 3-35校核轴径轴径故此轴强度足够。3.4.2.2 轴承校核圆锥滚子轴承 31305 Cr ，Cre Y=0.7 Y寿命计算： 径向力 附加轴向力 轴向力 因，所以轴承A压紧 FF=FX、Y值 FF查手册得： X，Y当量动载荷 PP1.5(因P，只计算轴承A)寿命计算Lh查手册得： X， Y当量静载荷 PP PP额定静载荷计算 C Cr（因P，只计算轴承A）式中：综上所述，轴承31305满足要求。3.4.3 蜗轮轴与轴承校核3.4.3.1 蜗轮轴校核轴的结构图： 图3-36轴的受力图： 图3-37Y方向受力图： 图3-38Y方向弯矩图： 图3-39X方向受力图： 图3-40X方向弯矩图： 图3-41合成弯矩图： 图3-42转矩图： 图3-43当量弯矩图： 图3-44计算支承反力X方向反力 Y方向反力X方向受力图 见图 3-41Y方向受力图 见图 3-38画弯矩图X方向弯矩图 见图 3-42Y方向弯矩图 见图 3-40合成弯矩图见图 3-42 合成弯矩 画轴转矩图轴受转矩 Nmm转矩图见图 3-43许用应力许用应力值 材料40Cr是合金钢，查手册得： ，应力校正系数 画当量弯矩图当量转矩 Nmm当量弯矩 当量弯矩图 见图 3-44校核轴径轴径 故此轴强度足够。3.4.3.2 轴承校核轴承 7211AC Cr=50.5KN ， Cr=38.5KN径向力 附加轴向力 N 因，所以轴承C压紧轴向力 FNFFX、Y值 FF查手册得：X=1 ，Y=0 ，X，Y=0.87当量动载荷 P=P=1.5(因P，只计算轴承B)寿命计算Lh查手册得： X， Y当量静载荷 PNNPN PPN额定静载荷计算 C Cr38.5KN（因P，只计算轴承B）综上所述，轴承7211AC满足要求。3.4.4 汽缸校核汽缸校核计算：活塞杆受力图： 图3-45对A点的弯矩： Nm 当量转矩： Nm 式中：当量弯矩： Nm 校核轴径： 活塞杆强度足够。3.5 刀库校核计算3.5.1 蜗轮蜗杆校核受力计算：T，T Ft Ft Frtan校核： ，MPa MPa 式中：K-使用系数 Y-齿形系数查手册得K=1.4，Y=0.47因此此蜗轮蜗杆传动可行。3.5.2 蜗杆轴与轴承校核3.5.2.1 蜗杆轴校核轴的受力图： 图3-46X方向受力图： 图3-47X方向弯矩图： 图3-48Y方向受力图： 图3-49Y方向弯矩图： 图3-50合成弯矩图： 图3-51转矩图： 图3-52当量弯矩图： 图3-53计算支承反力X方向反力Y方向反力X方向受力图见图 3-47Y方向受力图见图 3-49画弯矩图X方向弯矩图见图 3-48Y方向弯矩图见图 3-50合成弯矩图见图3-51合成弯矩画轴转矩图轴受转矩Nmm转矩图见图 3-52许用应力许用应力值材料40Cr是合金钢，查手册得：，应力校正系数画当量弯矩图当量转矩 Nmm当量弯矩当量弯矩图见图 3-53校核轴径轴径故此轴强度足够。3.5.2.2 轴承校核圆锥滚子轴承 32208 Cr ，Cre Y Y寿命计算： 径向力 附加轴向力 轴向力 因，所以轴承C压紧 FF=FX、Y值 FF 查手册得：X=1 ，Y=0 ，X，Y当量动载荷 PP1.5(因P，只计算轴承C)寿命计算Lh查手册得： X， Y当量静载荷 PP PP额定静载荷计算 C Cr（因P，只计算轴承C）式中：综上所述，轴承332208满足要求。3.5.3 蜗轮轴与轴承校核3.5.3.1 蜗轮轴校核轴的受力图： 图3-54X方向受力图： 图3-55X方向弯矩图： 图3-56Y方向受力图： 图3-57Y方向弯矩图： 图3-58合成弯矩图： 图3-59转矩图： 图3-60当量弯矩图： 图3-61计算支承反力X方向反力 Y方向反力X方向受力图 见图 3-55Y方向受力图 见图 3-57画弯矩图X方向弯矩图 见图 3-56Y方向弯矩图 见图 3-58合成弯矩图见图 3-59 合成弯矩 画轴转矩图轴受转矩 Nmm转矩图见图 3-60许用应力许用应力值 材料高强度合金钢，查手册得： ，应力校正系数 画当量弯矩图当量转矩 Nmm当量弯矩 当量弯矩图 见图 3-61校核轴径轴径 花键 式中：D-花键大径， d-花键小径， z-花键齿数， b-花键齿宽 故此轴强度足够。3.5.3.2 轴承校核深沟球轴承6202 Cr ， C寿命计算： 径向力 F=F轴向力 Fa查手册得： X=1 , Y=0查手册，由插值法得：eX、Y值 FF查手册得：X=1 ，Y=0 ， X，Y当量动载荷 P=P1.5(因P，只计算轴承C)寿命计算Lh查手册得： X， Y当量静载荷 PNP PP额定静载荷计算 C Cr（因P，只计算轴承C） 综上所述，轴承6311满足要求。3.6 键校核计算3.6.1 小臂校核计算T Nm ， 120MPa 键A： 键能传递的扭矩是：T 式中：h-键的高度，-键的接触长度，d-轴的直径，-键的许用挤压应力 键B： 键能传递的扭矩是：T 因此此轴上的两键强度足够。3.6.2 大臂校核计算3.6.2.1 蜗杆轴校核 Nm， 120MPa 键A： 键能传递的扭矩是：T 因此此轴上的键强度足够。3.6.2.2 蜗轮轴校核 Nm 键B： ， 80MPa 键能传递的扭矩是：T 键B： ， 100MPa 键能传递的扭矩是：T 因此此轴上的两键强度足够。3.6.3 刀库校核计算3.6.3.1 蜗杆轴校核 Nm， 120MPa 键A： 键能传递的扭矩是：T 因此此轴上的键强度足够。3.6.3.2 蜗轮轴校核 Nm ， 80MPa 两花键：，长度：L 花键能传递的扭矩是：T 式中：k-载荷不均系数，z-齿数，h，r C-齿顶的倒圆半径 因此此轴上的两花键强度足够。3.7 本章小结本章对设计中所涉与的轴、轴承与键进行强度校核。通过计算各个部件都能满足设计要求。其中所有的公式都是引用于参考资料。联轴器是根据其公称扭矩进行选择的，因此不用进行强度校核。螺栓螺钉选用时有较大的安全系数，因此不用进行校核。结 论该课题的主要目的是数控机床刀库与换刀装置设计，实现数控加工中心主轴竖直放置，刀架轴线水平，刀库的刀轴垂直情况下利用机械手实现自动换刀的动作。其中，机械手手臂可转90度 。预期目标是达到一次换刀时间在0.8到2分钟之间，刀具重量为每把十二公斤。通过这次毕业设计熟悉掌握机电产品从设计、制定方案、元器件购置、检测、外协加工、装配和到成品的全部生产过程。提高机床换刀效率，同时满足多种机床的要求，即经济又实用。利用机械手转动实现换刀过程，使结构更加简单，维护和安装方便。传动采用蜗轮蜗杆传动，不仅可以自锁，而且还可以使结构紧凑。步进电机的采用使位置控制更方便和准确，而不需要更多的传感器等检测装置，降低了控制的难度，使操作过程更简单。双活塞杆汽缸的使用大大的降低了机械手的结构复杂程度，因为两根平行的活塞杆可以抗扭。气缸的制动靠电磁卡环实现的，并且结构简单工作平稳冲击小。通过两个多月的毕业设计，我们受到了全方面的锻炼，包括调查和研究、查阅文献和检索资料的能力，数据处理、综合分析、理论联系实际的能力与计算机绘图和文字处理的能力。在毕业设计中使我们熟悉并正确运用有关的技术资料、国家标准、规等。并且综合运用所学的基础知识理论和基础技能来分析解决工程实际问题的能力也得到很大的提高。不仅巩固了所学知识，而且扩大专业知识面，为以后的工作打下了良好的基础。通过本次设计, 我深刻的体会到理论联系实际的重要性。意识到在工作要不断地用理论来指导实践,用实践来深化理论，并且深入掌握理论知识。参考文献1 成大先，机械设计手册，机械工业，20022 机床设计手册编写组，机床设计手册， 19863 洪，机床设计手册， 19994 数控机床技术手册编写组，数控机床技术手册，1996。5 成大先，机械设计手册，机械传动单行本，化学工业，20046 邱宣怀，机械设计，高等教育，19977 殷际英，何广平，关节型机器人，化学工业，20038 王兰美，画法几何与工程制图，机械工业，20029 培刚，盖玉先，机电一体化系统设计，机械工业， 200310 玉刚，宋现春，数控技术，机械工业， 200311 王大康，卢颂峰，机械设计课程设计，工业大学 ，200512 贾亚洲，金属切削机床概论，机械工业，200413 鸿文，材料力学，高等教育，199114 机械零件设计手册，国防工业15 Robots, Industrial. 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