小型數(shù)控加工中心自動換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）論文題目： 小型數(shù)控加工中心自動換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì) 所屬系部： 航空制造工程學(xué)院指導(dǎo)老師： 職 稱： 學(xué)生姓名： 班級、學(xué)號: 專 業(yè)： 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院制2013年 11 月 20 日西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書題目：小型數(shù)控加工中心自動換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)（機(jī)械部分）任務(wù)與要求：小型數(shù)控加工中心自動換刀系統(tǒng)要求針對圓盤式刀庫的8把刀具，以準(zhǔn)停位置為基準(zhǔn)通過PLC控制刀盤順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)利用氣動裝置從而實(shí)現(xiàn)換刀，自動換刀過程和自動換刀各部分組成,換刀時間2s，刀盤轉(zhuǎn)速為60r/min。時間： 2013年 11 月 18 日至 2014年 1 月 10 日 共 8 周所屬系部：航空制造工程學(xué)院學(xué)生姓名： 學(xué) 號：專業(yè)： 指導(dǎo)單位或教研室： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院制2013年 11 月 20 日畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)進(jìn)度計(jì)劃表日 期工 作 內(nèi) 容執(zhí) 行 情 況指導(dǎo)教師簽 字第一周通過對課本知識所學(xué)和同學(xué)之間的相互探討以及自己在圖書館及網(wǎng)上查閱相關(guān)資料后，了解了本次題目的主要內(nèi)容第二周向指導(dǎo)老師匯報(bào)前段準(zhǔn)備情況，并開始著手整理相關(guān)資料第三周根據(jù)整理的相關(guān)資料，初步建立起論文的基本框架，并和指導(dǎo)老師討論是否合適，修改完善第四周對所掌握的資料進(jìn)行合理的篩選后，初步形成論文的初稿，并發(fā)送給指導(dǎo)老師，接受老師的指導(dǎo)第五周就指導(dǎo)老師對初稿指出的相關(guān)問題，尤其是論文格式問題，進(jìn)行及時修改，并對論電子稿再次發(fā)給老師第六周就指導(dǎo)老師對第二稿稿指出的相關(guān)問題，并對論文所涉及到的理論問題進(jìn)行了認(rèn)真審查，修改后，將電子稿再次發(fā)給老師第七周就指導(dǎo)老師再次提出的相關(guān)問題進(jìn)行修改，并經(jīng)過多次討論，形成滿足學(xué)校要求的論文接受老師最后的修改，打印提交教師對進(jìn)度計(jì)劃實(shí)施情況總評 簽名 年 月 日 本表作評定學(xué)生平時成績的依據(jù)之一。目 錄【摘要】- 1 -1緒論- 2 -1.1 加工中心簡介- 3 -1.1.1 加工中心的發(fā)展簡史- 3 -1.2 加工中心的發(fā)展趨勢- 4 -2 總體方案的確定- 6 -2.1 加工中心的結(jié)構(gòu)組成- 6 -2.2 刀庫的類型- 7 -2.3 刀具自動換刀分析- 8 -2.4 無機(jī)械手換刀裝置刀庫的設(shè)計(jì)- 8 -2.4.1 刀庫主要參數(shù)- 10 -2.4.2 刀盤部分的設(shè)計(jì)- 10 -2.4.3 刀盤尺寸的確定- 11 -2.4.4 刀庫轉(zhuǎn)動定位機(jī)構(gòu)的選擇- 11 -3 動力裝置分析- 11 -3.1 初選電機(jī)- 11 -3.1.1 確定傳動裝置的傳動比- 11 -3.1.2 確定各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率- 12 -3.2 電動機(jī)的校核- 13 -3.2.1 渦輪軸的設(shè)計(jì)計(jì)算- 13 -3.2.2 計(jì)算并校核伺服電機(jī)的扭矩- 13 -3.3 刀庫轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的普通圓柱蝸桿傳動的設(shè)計(jì)- 15 -3.3.1 選擇蝸桿傳動類型- 15 -3.4 蝸輪軸的校核- 19 -4 總結(jié)- 22 -致 謝- 23 -參考文獻(xiàn)- 24 -數(shù)控加工中心刀具庫自動換刀系統(tǒng)【摘要】本設(shè)計(jì)介紹了加工中心自動換刀裝置的機(jī)械部分設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)自動換刀動作，介紹了目前加工中心常用的刀庫，及其在加工中心上的應(yīng)用情況，從而可以看出在數(shù)控方面的發(fā)展趨勢。 換刀裝置作為加工中心的重要組成部分，其主要作用在于減少加工過程中的非切削時間，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，進(jìn)而提升機(jī)床乃至整個生產(chǎn)線的生產(chǎn)力。加工中心自動換刀裝置是實(shí)現(xiàn)多工序連續(xù)加工的重要裝置，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其控制是實(shí)現(xiàn)加工中心設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵。加工中心的換刀過程較為復(fù)雜，動作多，動作間的相互協(xié)調(diào)多，進(jìn)而自動換刀系統(tǒng)的好壞直接影響加工效率的高低。 帶有自動換刀系統(tǒng)的數(shù)控加工中心在現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)中起著越來越重要的作用，它能縮短產(chǎn)品的制造周期，提高產(chǎn)品的加工精度，適合柔性加工。加工中心是數(shù)控中較為復(fù)雜的加工設(shè)備，由于其具有多種加工能力而得到廣泛的應(yīng)用，其強(qiáng)大的加工能力和效率得益于其配置的自動換刀裝置。關(guān)鍵字：數(shù)控加工中心，無機(jī)械手自動換刀，刀庫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緒論1952年世界上出現(xiàn)了第一臺數(shù)控機(jī)床，使多品種、中小批量的機(jī)械加工設(shè)備在柔性、自動化和效率上產(chǎn)生了巨大變革。1958年第一臺加工中心問世，它將多工序（銑、鉆、鏜、鉸、攻絲等）加工集于一身；適應(yīng)加工多品種和大批量的工件；增加機(jī)床功能（自動換刀、自動換工件、自動檢測等），使自動化程度和加工效率上了一個新臺階；使無人化（或長時間無人操作）加工成為現(xiàn)實(shí)。加工中心已成為柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和自動化工廠的基本單元。加工中心是數(shù)控機(jī)床的代表，是高新技術(shù)集成度高的典型機(jī)電一體化機(jī)械加工設(shè)備，受到世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家的高度重視，技術(shù)迅速發(fā)展，品種和數(shù)量大幅度增加，成為當(dāng)今世界機(jī)械加工設(shè)備中最引人注目的一類產(chǎn)品。1.1 加工中心簡介1.1.1 加工中心的發(fā)展簡史1952年世界上出現(xiàn)第一臺數(shù)控機(jī)床，使多品種、中小批量的機(jī)械加工設(shè)備在柔性、自動化和效率上產(chǎn)生了巨大變革。它用易于修改的數(shù)控加工程序進(jìn)行控制，因而比大批量生產(chǎn)重使用組合機(jī)床生產(chǎn)線和凸輪、開關(guān)控制的專用機(jī)床有更大的柔性，容易適應(yīng)加工件品種的變化，進(jìn)行多品種加工。它用數(shù)控系統(tǒng)對機(jī)床的工藝功能、幾何圖形運(yùn)動功能和輔助功能實(shí)行全自動的數(shù)字控制，因?yàn)橛懈叩淖詣踊潭群图庸ば?，大大改變了中小批量生產(chǎn)中普通機(jī)床占整個機(jī)械加工的狀況。數(shù)控機(jī)床能實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)以上聯(lián)動的功能，其效率和精度比用手工和樣板控制加工復(fù)雜零件要高得多。1958年第一臺加工中心在美國卡尼、特雷克（Kearney&Trecker）公司問世?，F(xiàn)代加工中心的內(nèi)容是什么？第一，它是在數(shù)控鏜床或數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上增加自動換刀裝置，可使工件在一次裝卡中，能夠自動更換刀具，自動完成工件上的銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等工序的數(shù)控機(jī)床。第二，加工中心上如果帶有自動分度回轉(zhuǎn)工作臺或自動轉(zhuǎn)角度的主軸箱，可使工件在一次裝卡中，自動完成多個平面和多個角度位置的多工序加工。第三，加工中心上如果帶有交換工作臺，工件在工作位置的工作臺上進(jìn)行加工的同時，另外的工件在裝卸位置的工作臺上進(jìn)行裝卸，不影響加工的進(jìn)行。由上述可知，加工重心在加工的柔性、自動化程度和加工效率上，在一般數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上又上了一個新的臺階，又是一次新的變革。加工中心的定義是什么？目前世界上并無標(biāo)準(zhǔn)定義，但目前普遍認(rèn)為是指：在工件一次裝卡中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等多工序的數(shù)控機(jī)床。更為明確的說法是：加工中心就是自動換刀數(shù)控鏜銑床。這就把加工中心與自動換刀數(shù)控車床或車削中心區(qū)別開來。1.2 加工中心的發(fā)展趨勢立式加工中心主要的用戶層面為,以看好的汽車零部件行業(yè)為首，還有模具、飛機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、IT、光學(xué)設(shè)備等行業(yè)。在飛機(jī)制造業(yè)因絕大多數(shù)加工件為多品種、小批量的產(chǎn)品，因此五軸加工機(jī)為主的立式加工中心有潛在的需求。今后電子零部件、精密機(jī)枝零部件、半導(dǎo)體模具等行業(yè)也具有需求潛力。各生產(chǎn)廠家面對預(yù)期需求擴(kuò)大的飛機(jī)、模具、半導(dǎo)體等行業(yè)，正在抓緊開發(fā)五軸加工機(jī)。和幾年前的以生產(chǎn)一般零部件為主的立式加工中心形成鮮明對比的，突出以加工模具為主的設(shè)備方案不斷從廠家出現(xiàn)，由此可明顯地看出對高速、高效、高品位加工的需求正在增加。針對高精度加工，一些廠家比較注重研制對不易切削材質(zhì)搞重切削加工的機(jī)型。同時，以減少工件更換時間和集中工序?yàn)槟康牡膹?fù)合化加工技術(shù)也在不斷創(chuàng)新。為進(jìn)一步提高效率，有些廠家正在嘗試在立式加工中心的控制軸方面再加上l2個軸，形成五軸控制，樣對于形狀復(fù)雜的工件和自由曲面等工件都可完成一次裝卡加工。在產(chǎn)品開發(fā)方面，由于用戶的要求更加嚴(yán)格，不得不在保持低價位的同時不斷追求高性能的技術(shù)。由于正在加快適應(yīng)環(huán)保要求的新技術(shù)開發(fā)，因此，更加需要可以調(diào)整品種、數(shù)量的可形成柔性線結(jié)構(gòu)的設(shè)備。現(xiàn)在干式切削也在研制之中，如已經(jīng)出現(xiàn)的使用高純度氮?dú)獾母墒郊庸は到y(tǒng)，以氧化來控制精度變化。同時為改善作業(yè)環(huán)境、提高經(jīng)濟(jì)效率，對于切屑的處理也采用了易于回收的方式。臥式加工中心臥式加工中心因其加工面是垂直的，切屑易脫落，比較適應(yīng)時間無操作。又因是模塊結(jié)構(gòu)，可以短時間內(nèi)導(dǎo)入最適當(dāng)規(guī)模的系統(tǒng)。因其無人操作時間較長，在成本費(fèi)用方面與單機(jī)相比效果更好。從用戶需求來看，對臥式加工中心的要求更加趨向于適應(yīng)多品種小批量的生產(chǎn)，要求加工設(shè)備能夠靈活地適應(yīng)工序集中導(dǎo)致的生產(chǎn)型加工件的變化?，F(xiàn)在由于汽車廠家的設(shè)備投資呈上升趨勢，需求可望進(jìn)一步擴(kuò)大。此外，因?qū)τ诋a(chǎn)品制造的認(rèn)識和對生產(chǎn)體系的看法正在發(fā)生根本的轉(zhuǎn)變，由此而派生的新的生產(chǎn)體系可能對能形成柔性線的小型機(jī)種產(chǎn)生需求。著手生產(chǎn)以上機(jī)型的廠家在追求高速、高精度的同時，還在如何使機(jī)體小型化及成本控制方面下功夫。也就是說此類產(chǎn)品的開發(fā)重點(diǎn)在于機(jī)體的小型化、適應(yīng)形成柔性線體系方面。從技術(shù)開發(fā)動向來看，是謀求提高主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、提高精密度、并將對應(yīng)熱變位、模塊化等集中體現(xiàn)出來。其中，作為機(jī)床基本課題的高速化研究也不斷取得成果。由于提高進(jìn)給速度直接關(guān)系到產(chǎn)品的加工時間，以利提高生產(chǎn)效率，因此在高速進(jìn)給技術(shù)方面，驅(qū)動裝置采用直線電機(jī)的機(jī)型正在增多。同時也有廠家在開發(fā)不使用直線電機(jī)，采用進(jìn)給軸以大導(dǎo)程滾珠絲杠為驅(qū)動，進(jìn)給加速度1.5G2G、快速進(jìn)給速度120mmmin的高速臥式加工中心。并在主軸上采用雙面約束刀具、主軸轉(zhuǎn)速為2萬r/min、快速進(jìn)給速度為60m/min、以盡量縮短重復(fù)定位、刀至刀等的非切削時間。為解決速度提高帶來的熱變位影響，防止精度下降，一般都采用獨(dú)自的補(bǔ)正裝置或主軸冷卻結(jié)構(gòu)、冷卻裝置等。數(shù)控立式車床適合于加工大直徑、大噸位外圓型工件的立式車床，也被各行業(yè)采用。由于其市場的局限性，產(chǎn)品在很大程度上反應(yīng)了用戶的意向，很多是以專用機(jī)的形式交貨投付使用的，這也是用戶和廠家形成密切聯(lián)系的原因。最近，對中出口看好的建設(shè)機(jī)械廠家對立式車床的需求令人矚目，造船行業(yè)的訂貨則似乎暫告一段落。從去年起，數(shù)控車床生產(chǎn)廠家期待著在飛機(jī)、高性能發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等方面設(shè)備投資比較活躍的重電機(jī)行業(yè)的訂貨。由于市場在交貨期、質(zhì)量、價格方面的要求越來越高，一些中小規(guī)模的設(shè)備用戶為縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，更青睞一次裝卡、可搞多種加工的復(fù)合型加工機(jī)?？紤]到環(huán)保要求而采用半干式加工的需求也在增加，根據(jù)這類用戶的要求，OM制作所以產(chǎn)學(xué)協(xié)作的方式開發(fā)出采用氣化熱半干式加工技術(shù)，并加強(qiáng)了節(jié)省能源的措施，控制了電力的使用。現(xiàn)在，市場對于提高了通用性的、低價位的小型數(shù)控立式車床的需求仍在擴(kuò)大，同時，和臥式數(shù)控車床一樣，帶有加工中心意識的功能型復(fù)合機(jī)的開發(fā)研制比較活躍。例如，隨著對復(fù)雜形狀工件成品加工要求的提高，也在研制將立式車床功能加上鉆、攻絲、鏜等旋轉(zhuǎn)方面的加工功能。因配置了C軸，不同的復(fù)合加工也可通過一次裝卡進(jìn)行。此外，在以切削為主的同時，加上采用單刀具的雙面約束ATC方式后，在銑加工功能方面也見到不少可進(jìn)行重切加工的工序集約型產(chǎn)品。2 總體方案的確定2.1 加工中心的結(jié)構(gòu)組成加工中心的組成因機(jī)床的類別、功能、參數(shù)的不同而有所區(qū)別。機(jī)床本身分基本部件和選擇部件，數(shù)控系統(tǒng)有基本功能和選用功能，機(jī)床參數(shù)有主參數(shù)和其它參數(shù)。機(jī)床制造廠可根據(jù)用戶提出的要求進(jìn)行生產(chǎn)，但在同類機(jī)床的基本功能和部件組成一般差別不大。從總體上看，加工中心基本上由以下幾大部分組成。1、基礎(chǔ)部件 主要由床身、立柱和工作臺等大件組成。它們是加工中心的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，要承受加工中心的靜載荷以及在加工時的切削負(fù)載，因此必須是剛性很高的部件。這些大件可以是鑄鐵件也可以是焊接的剛結(jié)構(gòu)件，是加工中心中重量和體積最大的部件。2、主軸系統(tǒng) 主要由主軸箱、主軸電動機(jī)、主軸和主軸軸承等零部件組成。主軸的啟動、停止和變轉(zhuǎn)速等動作均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過裝在主軸上的刀具參與切削運(yùn)動，是切削加工的功率輸出部件。主軸系統(tǒng)是加工中心的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)的好壞，對加工中心的性能有很大的影響。3、數(shù)控系統(tǒng)主要由CNC裝置、可編程序控制器、伺服驅(qū)動裝置以及電動機(jī)等部分組成，它們是加工中心執(zhí)行順序控制動作和完成加工過程的控制中心。4、自動換刀系統(tǒng)主要由刀庫、自動換刀裝置等部件組成。刀庫是存放加工過程所要使用的全部刀具的裝置。當(dāng)需要換刀時，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的指令，由機(jī)械手（或通過別的方式）將刀具從刀庫取出裝入主軸孔中。刀庫有盤式、鏈?zhǔn)胶凸氖降榷喾N形式，容量從幾把到幾百把。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)根據(jù)刀庫與主軸的相對位置幾結(jié)構(gòu)的不痛也有多種形式。如單臂式、雙臂式?；剞D(zhuǎn)式和軌道式等等。有的加工中心利用主軸箱或刀庫的移動來實(shí)現(xiàn)換刀。5、輔助系統(tǒng) 包括潤滑、冷卻、排屑防護(hù)、液壓和隨機(jī)檢測系統(tǒng)等部分。輔助系統(tǒng)雖不直接參與切削運(yùn)動。但對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，為進(jìn)一步縮短非切削時間，有的加工中心還配備了自動托盤交換系統(tǒng)。例如，配有兩個自動交換工件托盤的加工中心，一個安裝工件在工作臺上加工，另一個則位于工作臺外進(jìn)行工件的裝卸。當(dāng)完成一個托盤上工件的加工后，便自動交換托盤，進(jìn)行新零件的加工，這樣可以減少輔助時間，提高加工效率。2.2 刀庫的類型刀庫是自動換刀裝置中最主要的部件之一，其容量、布局以及具體結(jié)構(gòu)對加工中心的設(shè)計(jì)有很大影響。刀庫是用來儲存加工刀具及輔助工具的地方。由于多數(shù)加工中心的取送刀位置都是在刀庫中的某一固定刀位，因此刀庫還需要有使刀具運(yùn)動及定為的機(jī)構(gòu)來保證換刀的可靠。其動力可采用液動機(jī)或電動機(jī)，如果需要還要有減速機(jī)構(gòu)。刀庫的定為機(jī)構(gòu)是用來保證更換的每一把刀具或刀套都能準(zhǔn)確地停在換到位置上。其控制部分可以采用簡易位置控制器或類似半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的伺服位置控制，也可以采用電氣和機(jī)械相結(jié)合的銷定為方式，一般要求綜合定為精度達(dá)到0.10.5mm。加工中心上普遍采用的刀庫是盤式刀庫和鏈?zhǔn)降稁臁?）盤式刀庫盤式刀庫結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用較多，如圖2-1所示。由于刀具環(huán)形排列，空間利用率低。因此出現(xiàn)了將刀具在盤中采用雙環(huán)或多環(huán)排列，以增加空間的利用率。但這樣一來使刀庫的外徑過大，轉(zhuǎn)動慣量也很大，選刀時間也較長。因此，盤式刀庫一般適用于刀具容量較少的刀庫。圖2-1a）徑向取刀形式b）軸向取刀形式c）刀具徑向安裝d）刀具斜向安裝（2）鏈?zhǔn)降稁烊鐖D2-2所示，鏈?zhǔn)降稁斓慕Y(jié)構(gòu)緊湊，刀庫容量較大，鏈環(huán)的形狀可以根據(jù)機(jī)床的布局配置成各種形狀，也可將換刀位突出以利換刀。當(dāng)鏈?zhǔn)降稁煨柙黾拥毒呷萘繒r，只需增加鏈條的長度和支承鏈輪的數(shù)目，在一定范圍內(nèi)，無需變更線速度及慣量。這些特點(diǎn)也為系列刀庫的設(shè)計(jì)與制造帶來了很大的方便，可以滿足不同使用條件。一般刀具數(shù)量在30120把時，多采用鏈?zhǔn)降稁?。圖2-2本文所設(shè)計(jì)的刀庫由于是使用在小型加工中心上，所以采用的是圓盤刀庫的結(jié)構(gòu)形式，以下是介紹本設(shè)計(jì)的換刀過程及刀庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.3 刀具自動換刀分析加工中心自動換刀裝置有兩種形式：有機(jī)械手換刀和無機(jī)械手換刀。加工中心的自動換刀裝置，大都采用有機(jī)械手換刀方式。它是由機(jī)械手將刀庫上的刀具送到主軸上，再把主軸上已用過的刀具返送到刀庫上。其優(yōu)點(diǎn)是換刀時間短，但其機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。無機(jī)械手換刀方式是直接在刀庫與主軸（或刀架）之間換刀的自動換刀方式。因無機(jī)械手，所以結(jié)構(gòu)簡單。換刀時必須先將用過的刀具送回刀庫，然后再從刀庫中取出新刀具，這兩個動作不能同時進(jìn)行，所以換刀過程較為復(fù)雜，換到時間較長。但是刀庫回轉(zhuǎn)時是在工步與工步之間，即飛切削時進(jìn)行的，因此可以免去刀庫回轉(zhuǎn)時的振動對加工精度的影響。無機(jī)械手換刀方式適用于40號以下的小型加工中心或換刀次數(shù)少的用重型刀具的重型機(jī)床?？紤]此機(jī)床為教學(xué)用品無須考慮換刀時間的長短，只針對小型加工中心進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以采用無機(jī)械手換刀方式。2.4 無機(jī)械手換刀裝置刀庫的設(shè)計(jì)1.刀庫形式的選取無機(jī)械手換刀方式中，刀庫可以是圓盤形、直線排列式、也可以是格子箱式等。直線排列式和格子箱式刀庫結(jié)構(gòu)相比較復(fù)雜，適用于刀庫容量較大的加工中心；圓盤形刀庫容量較小，刀庫結(jié)構(gòu)簡單緊湊，刀庫轉(zhuǎn)位、換刀方便，易控制。且所設(shè)計(jì)的加工中心主要用來教學(xué)，不必再刀庫里放太多的刀具，因此選用圓盤式刀庫。2.刀庫放置立式加工中心無機(jī)械手換刀方式的圓盤形刀庫的放置有兩種形式：刀庫置于立柱側(cè)面的橫梁上和置于工作臺上。由于采用的是標(biāo)準(zhǔn)的精密數(shù)控工作臺，所以選用刀庫置于立柱側(cè)面的橫梁上，此結(jié)構(gòu)簡單，且不會發(fā)生刀庫和主軸的干涉現(xiàn)象，但刀庫的支承剛性較差，須增強(qiáng)立柱的剛度，以減小橫梁彎扭矩的影響。在橫梁上有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上安裝有滑座，將刀庫安裝在滑座上，通過氣動方式將刀庫沿橫梁移動到主軸端，由主軸來實(shí)現(xiàn)自動換刀。3.刀庫的組成刀庫由刀盤部件、軸承、軸承套、電機(jī)、撥銷、槽輪、蝸輪蝸桿、氣缸等組成。2.4.1 刀庫主要參數(shù)（1）刀庫容量本加工中心主要用來加工小型零件或多孔零件和小平面，所以刀庫上主要安裝一些孔加工刀具（如鉆頭、擴(kuò)孔鉆等）和加工小平面用的立銑刀及小直徑的面銑刀;同時又考慮到所選用電主軸軸端的尺寸及刀盤直徑等的限制；再考慮到主要用于中小批生產(chǎn)機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)等，刀具的品種不宜過多，以免造成不必要的消費(fèi)和刀庫尺寸過大，采用8把刀。（2）刀具最大直徑和長度立銑刀的最大直徑為40mm，鉆頭的最大直徑定為10mm，最大工作部分長度定為150mm。（3）刀具最大重量為1kg。（4）刀具最大運(yùn)動線速度為2230mmin。2.4.2 刀盤部分的設(shè)計(jì)2.4.3 刀盤尺寸的確定 刀盤采用輪輻式結(jié)構(gòu)，這樣既能滿足使用的要求，又能保證刀盤的強(qiáng)度。在整個設(shè)計(jì)的過程中要保證各個尺寸在換刀過程中不發(fā)生干涉即可，刀盤直徑為210mm。（1） 刀爪尺寸的設(shè)計(jì) 刀爪的外型尺寸根據(jù)30號刀柄設(shè)計(jì)。（2）夾塊的設(shè)計(jì) 夾塊在刀爪抓刀時插入到鍵下半部中，以及刀具在刀庫中的夾塊一直插在鍵中，起準(zhǔn)確定位的作用。因此，夾塊的寬度尺寸精度要求很高。夾塊寬度的尺寸主要由鍵的寬度決定。2.4.4 刀庫轉(zhuǎn)動定位機(jī)構(gòu)的選擇目前圓盤式刀庫大多采用的是單頭雙導(dǎo)程蝸輪蝸桿傳動，此傳動機(jī)構(gòu)在使用中可隨時調(diào)整蝸輪蝸桿的傳動間隙，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)位分度輪和蝸桿的加工較困難。槽輪機(jī)構(gòu)具有沖擊小，工作平穩(wěn)性較高，機(jī)械效率高，可以在較高的轉(zhuǎn)速下工作，且結(jié)構(gòu)簡單，易制造等優(yōu)點(diǎn)，在目前生產(chǎn)的鼓輪式刀庫的加工中心機(jī)床上，通常采用槽輪機(jī)構(gòu)來驅(qū)動刀庫的分度回轉(zhuǎn)運(yùn)動。但此機(jī)構(gòu)定位精度不夠高，為提高其定位精度可采用帶制動器的交流伺服電機(jī)，從而可保證較高的定位精度。3 動力裝置分析3.1 初選電機(jī)刀庫的驅(qū)動系統(tǒng)中，由于刀庫的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩小，所以決定采用直流伺服電動機(jī)驅(qū)動。直流伺服電動機(jī)具有體積小、重量輕、伺服性好、力能指標(biāo)高等優(yōu)點(diǎn)，且該電機(jī)可用信號電壓進(jìn)行無極調(diào)速。采用電磁式交流伺服電動機(jī)，其基本參數(shù)為：功率1.5K W，額定轉(zhuǎn)速1500r/min，額定扭矩T=6.4 N/m；最大輸出扭矩T1=19.2N m；轉(zhuǎn)動慣量J=15Kg ；刀盤轉(zhuǎn)速N=60r/min。3.1.1 確定傳動裝置的傳動比由選定電動機(jī)的滿載轉(zhuǎn)速n1和刀庫主動軸轉(zhuǎn)速n，可得傳動裝置總傳動比 ： i1= （3-1）電機(jī)滿載轉(zhuǎn)速n1為1500r/min，則傳動比i2=25選取蝸輪蝸桿的標(biāo)準(zhǔn)傳動比i=20.5，則因此刀庫輸出轉(zhuǎn)速 N= =73.17（r/min）3.1.2 確定各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率傳動裝置總效率 =聯(lián)承齒 （3-2）蝸輪蝸桿傳動效率齒=0.98（齒輪精度為8級）聯(lián)軸器效率聯(lián)=0.99滾動軸承效率承=0.99則得傳動總效率=0.99*0.99*0.98=0.95i軸m至n的傳動比；（如電動機(jī)軸至I軸之間采用聯(lián)軸器聯(lián)接，則i01=1）軸m至軸n的傳動效率。0軸：0軸即電動機(jī)軸P0=Pd=1.5 Kwn0=n1=1500r/minT0=Td=6.4NmI軸：I軸即蝸桿軸P1=P0聯(lián)=1.5*0.99=1.485（Kw）T0=Td=6.4Nm軸：軸即蝸桿軸P1=P0聯(lián)=1.5*0.99=1.485（kw）n1=1500（r/min）T1=T0i0101=T0i聯(lián)聯(lián)=6.4*1*0.99=6.336（Nm）軸：軸即蝸輪軸P2=P112=P1承齒=1.485*0.99*0.98=1.44Kwn2=73.17（r/min）T2=T0i聯(lián)齒聯(lián)=6.4*20.5*0.99=126.02（Nm）將上述計(jì)算結(jié)果匯總列于下表中：軸序號功率P/kw轉(zhuǎn)速n/（r/min）轉(zhuǎn)矩T/（Nm）傳動形式傳動比效率01.515006.4聯(lián)軸器10.99I1.48515006.3361.4473.17126.02蝸輪蝸桿傳動20.50.963.2 電動機(jī)的校核3.2.1 渦輪軸的設(shè)計(jì)計(jì)算（1） 選擇軸材料為45號鋼，正火處理，由袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊P529表10-2查的：當(dāng)d<100mm時， b=588MPa ，r=294MPa -1=238MPa，-1=138MPa （2）初步估算軸端直徑，由袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊P541表10-12得： d2A0=150*=40.5mm 取d2=44mm其中A0按袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊P542表10-13取A0=1103.2.2 計(jì)算并校核伺服電機(jī)的扭矩 伺服電機(jī)必須的扭矩T： T=T1+T2 （3-3）其中 T1傳動摩擦扭矩 T2啟動扭矩（加速扭矩）（1） 計(jì)算傳動鏈摩擦扭矩T1： T1= （3-4） 式中：G-刀庫的重量 R承回轉(zhuǎn)半徑 軸承摩擦系數(shù) i總傳動比則由上式得： T1=0.0045（Nm）（2） 計(jì)算啟動扭矩T2： T2= （3-5）式中： J刀庫轉(zhuǎn)動慣量 啟動角加速度刀庫轉(zhuǎn)動慣量的估算：根據(jù)袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊P42表2-12得 Jy= m刀庫R 則 J=Jy=*287.5*（）=11.27（kgm）刀庫啟動加速時間t=0.3 s則角加速度 = = =20.9則由式的啟動扭矩T2=11.4899（Nm）（3） 計(jì)算伺服電機(jī)必須的扭矩T由式得伺服電機(jī)必須的扭矩： T=T1+T2=0.0045+11.4899=11.4944（Nm）因?yàn)?1.673，即所選用的伺服電機(jī)最大輸出扭矩在驅(qū)動刀庫刀盤分度所需最大扭矩的三倍以內(nèi)，符合計(jì)算目的，滿足使用要求。此外所選用的電機(jī)有足夠的扭矩儲備，可確保刀盤頻繁轉(zhuǎn)位時電機(jī)不發(fā)熱，能長期、穩(wěn)定、安全地使用，另外也有進(jìn)一步提高刀盤分度轉(zhuǎn)位速度的余地。采用交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：（1）交流伺服電機(jī)無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護(hù)和保養(yǎng)要求低。因此采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動刀庫傳動，大幅度簡化了結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)械部分的易維修性和可靠性；（2）由于伺服電機(jī)速度通過參數(shù)設(shè)定，可人為控制分度啟動時加速曲線特性和停止時的減速曲線，使分度速度提高的同時，動作更平滑、穩(wěn)定、刀盤定位精度更高；（3）由于伺服電機(jī)具有優(yōu)良的過載特性，在刀具重量大或者刀具安裝偏載的極端情況下也能勝任，正常的工作；（4）交流伺服電機(jī)慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性；（5）交流伺服電機(jī)同功率下有較小的體積和重量，因而減輕了系統(tǒng)的質(zhì)量。3.3 刀庫轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的普通圓柱蝸桿傳動的設(shè)計(jì)刀庫的主運(yùn)動是圓周回轉(zhuǎn)運(yùn)動，如圖所示，交流伺服電動機(jī)通過彈性柱銷聯(lián)軸器與諧波傳動減速器連接減速后驅(qū)動蝸桿，設(shè)計(jì)刀庫轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的普通圓柱蝸桿傳動，由刀庫轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。已知直流伺服電動機(jī)的功率0.092KW，轉(zhuǎn)速為3000R/MIN，諧波傳動減速器的傳動比為100，傳動效率為80%，直流伺服電動機(jī)經(jīng)諧波傳動減速器減速后驅(qū)動蝸桿，蝸桿為主動，蝸輪為從動。3.3.1 選擇蝸桿傳動類型根據(jù)GB10085-88的推薦，采用漸開線蝸桿。選擇材料蝸桿采用45號鋼，齒面淬火，硬度為45-50HRC；蝸輪采用鑄錫磷青銅ZCuSn10Pb1，金屬模鑄造。確定主要參數(shù)蝸桿蝸輪傳動，以蝸桿為主傳動，蝸輪為從傳動。根據(jù)袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊P985表18-4，由于i=20.5 則Z=2，預(yù)計(jì)工作壽命為5年，則 Zl=5*20.5=412 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 md1（）KT2（mm）（1） 蝸輪軸轉(zhuǎn)矩T2=126.02Nm（2） 載荷系數(shù)K=1.1（3） 許用接觸應(yīng)力HP2： HP2=HPZvsZn （3-6）式中HP=220MPa；估算滑動速度v<5m/s，噴油潤滑，由袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊P995圖18-2查得Zvs=0.96；NL=60an2t=60*1*73.17*5*300*8=5.3*，按袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊P997圖18-3查得ZN=0.8則許用接觸應(yīng)力HP2=220*0.96*0.8=168.96（MPa）（4） 計(jì)算md1值并選定模數(shù)m和蝸桿分度圓直徑d1md1（）*1.1*126.02=647（mm）按袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊P984表18-3查得m=5mm，d1=50mm（md1值應(yīng)大于計(jì)算值）。（5） 驗(yàn)算滑動速度v 計(jì)算蝸桿速度v1 V1=3.925（m/s） 計(jì)算滑動速度vs vs= （3-6）其中y=arctan（）=arctan（）=111836則由式得滑動速度vs=4（m/s）則初估的vs值合適（6） 驗(yàn)算蝸輪輪齒彎曲強(qiáng)度驗(yàn)算公式為 F2=YFSYFP2 （3-7）由袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊P995表18-12取如下參數(shù)： 動載荷系數(shù)Kv蝸輪速度v2=0.785（m/s）則蝸輪速度v2=0.785m/s3m/s，Kv=11.取Kv=1.03 載荷分布系數(shù)KB載荷平穩(wěn)，取KB=1 蝸輪齒形系數(shù)YFS蝸輪當(dāng)量齒數(shù)Zv2=43.48按蝸輪當(dāng)量齒數(shù)Zv2，查袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊P911圖17-2，取蝸輪齒形系數(shù)YFS=4.01 導(dǎo)程角系數(shù)YB YB=1-=1-=0.906 許用彎曲應(yīng)力FP2系數(shù)YN由袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊P997圖18-3查取，YN=0.8，則許用彎曲應(yīng)力FP2=FP2YN=70*0.8=56（MPa）。計(jì)算彎曲應(yīng)力F2式中d=50mm,d2=mZ2=5*41=205(mm)，m=5mm，則由式（3-7）得F2=6.74（MPa）則F2FP2，滿足蝸輪輪齒強(qiáng)度條件。（7） 計(jì)算蝸輪蝸桿的主要參數(shù) 分度圓直徑d1d2 d1=50mmd2=mZ2=5*41=205（mm） 中心距a a= （3-8）-蝸輪變位系數(shù)，取=-0.5；則代入式（3-8）中得中心距a=125（mm）。（按袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊P987表18-7進(jìn)行匹配） 蝸桿導(dǎo)程角 =arctan（）=arctan（）=111836(8)計(jì)算其他尺寸（按袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊P985表18-5進(jìn)行計(jì)算）蝸桿齒頂圓直徑da1=d1+2ha1=d1+2m=50+2*5=60(mm)蝸輪齒頂圓直徑da2=d2+2ha2=d2+2m(ha+x2)=205+2*5*（1-0.5）=210（mm）其中ha=1蝸輪外圓直徑de2da2+1.5m=210+1.5*5=217.5(mm), 則取de2=215mm。蝸桿齒寬b1：由袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊P986表18-6得 b1（8+0.06Z2）m=(8+0.06*41)*5=52.3(mm),取 b1=55mm。蝸輪寬度b2：b20.75 da1=0.75*60=45（mm），取b2=40mm。蝸桿齒根高h(yuǎn)f1：hf1=m+cm=5+0.2*5=6(mm),其中c=0.2蝸輪齒根高h(yuǎn)f2：hf2=（ha+ c-）m=(1+0.2+0.5)*5=8.5(mm)蝸桿齒根圓直徑df1：df1=d1-2hf1=50-2*6=38(mm)蝸輪齒根圓直徑df2：df2=d2-2hf2=205-2*8.5=188（mm）蝸輪齒頂圓弧半徑Ra2：Ra2=a-=125 -=20(mm)蝸輪齒根圓弧半徑Rf2:Rf2=+0.2*5=31(mm)蝸桿軸向齒厚sx1:sx1=7.85(mm)蝸桿法向sn1:sn1= sx1cos=7.85*cos111836=7.7（mm）蝸輪分度圓齒厚s2:s2=(0.5+2tan)m （3-9） 其中變位系數(shù)=-0.5，ZA型=20，則由式得蝸輪分度圓齒厚： s2=(0.5*3.14-2*0.5*tan20)*5=6.03（mm）蝸桿齒頂高h(yuǎn)a2：ha2=m=5mm3.4 蝸輪軸的校核蝸輪軸的外形圖如圖所示，總長為287mm，從左至右的直徑尺寸為40mm，44mm，50mm，44mm，40mm。其上鍵的選擇為平鍵，尺寸為b*h=12*8，t=5；花鍵為開線花鍵，尺寸為8*36*40*7。軸兩端采用6208型深溝球軸承，主要尺寸參數(shù)為d=40，D=80，B=18。1. 按彎扭合成強(qiáng)度條件校核軸（1） 畫出受力簡圖并求支反力、扭矩圖中(如圖3-1)： 刀庫上的壓軸力G刀庫=2875（N） 蝸輪重量估算 G蝸輪=Vg （3-10） 體積V=（）h =（）*40 =1.4*10（mm） 45鋼的密度=7.85g/cm 則代入（3-10）式中得 G蝸輪=1.4*10*7.85*10*10*10=110（N）軸承支撐力R1、R2 218G刀庫+59G蝸輪-121R1=0得R1=5233（N） 97 G刀庫-62 G蝸輪+121R2=0得R2=2248（N） 扭矩T刀庫，T蝸輪 T刀庫=T蝸輪=126Nm=126000Nmm（2） 求軸的彎矩M，并畫彎矩圖(如圖3-1)M1= G刀庫*97=2875*97=278875（Nmm）M2=R2*59=2248*132632（Nmm）（3） 求扭矩T，并畫出扭矩圖(如圖3-1) T1=- T刀庫=-126000（Nmm） T2= T蝸輪=126000（Nmm）（4） 計(jì)算彎矩Mca，并畫出彎矩圖(如圖3-1)彎矩 Mca= （3-11）取=0.6，則由（3-11）式得： Mca0=(Nmm) Mca1=288940（Nmm） Mca2=152665（Nmm） Mca3=75600（Nmm）圖3-14 總結(jié)在機(jī)械加工行業(yè)里,由于數(shù)控機(jī)床有許多優(yōu)點(diǎn),已逐漸代替普通車床成為主導(dǎo)機(jī)床。按工藝用途它可以分為一般數(shù)控機(jī)床和數(shù)控加工中心兩大類,而后者因帶有由刀庫和機(jī)械手組成的自動換刀裝置,能使工件在一次裝夾中完成大部分甚至全部工序。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)選刀指令,從刀庫中將所需要的刀具轉(zhuǎn)到取刀位置,稱為自動選刀。本次設(shè)計(jì)的題目是小型數(shù)控加工中心自動換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的過程中遇到了很多的困難，最主要的就是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這其中包括了：蝸輪，蝸桿的設(shè)計(jì)，蝸輪，蝸桿軸的校核等。隨著機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對于帶有自動換刀系統(tǒng)的高效高性能加工中心的需求量越來越大。在現(xiàn)有的各種類型的加工中心中，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自動換刀系統(tǒng)的造價在機(jī)床整機(jī)造價中總是占著很大比重，這是加工中心價格居高不下、應(yīng)用不普遍的重要原因。如果把自動換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造從現(xiàn)有加工中心的制造模式中分離出來，把它作為加工中心的標(biāo)準(zhǔn)件或附件組織專門化的生產(chǎn)，同時由于該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用簡化了機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)、采用彈簧夾頭和外驅(qū)動機(jī)械手等關(guān)鍵技術(shù)、采用圓柱柄刀具和輔具，這不僅使數(shù)控機(jī)床工作性能有所提高，而且使得由它配套構(gòu)成的加工中心的總體造價大幅度下降。低造價高性能的加工中心將會被中小廠廣泛接收，這樣必將給自動換刀系統(tǒng)生產(chǎn)廠商和加工中心制造廠商帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。在這次的設(shè)計(jì)中得到了很大的收獲，提高了自己的自學(xué)能力和獨(dú)自解決問題能力，也豐富了自己的理論知識，這為我們以后的工作打下了堅(jiān)定的基礎(chǔ)。致 謝 在論文的寫作過程中，我遇到了無數(shù)的困難和障礙，都在同學(xué)和老師以及工友的幫助下度過了，尤其要強(qiáng)烈感謝我的論文指導(dǎo)老師張老師，張老師傾注了大量的心血和汗水，無論是在論文的選題、構(gòu)思和資料的收集方面，還是在論文的研究方法以及成文定稿論文的修改和改進(jìn)方面，我都得到了張老師悉心細(xì)致的教誨和無私的幫助，特別是他廣博的學(xué)識、深厚的學(xué)術(shù)素養(yǎng)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和一絲不茍的工作作風(fēng)使我終生受益。另外，在校圖書館以及公司圖書館查找資料的時候，圖書館管理員也給我提供了很多方面的支持與幫助。在此向幫我的所有人表示由衷的感謝，感謝我的同學(xué)和朋友，在我寫論文的過程中提供熱情幫助。由于我的學(xué)習(xí)水平有限，所寫論文難免有不足之處，懇請老師批評指正。 最后，衷心地感謝在百忙之中評閱論文和參加答辯的各位老師。參考文獻(xiàn)1毛謙德袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊 機(jī)械工業(yè)出版社2夏田數(shù)控加工中心設(shè)計(jì) 化學(xué)工業(yè)出版社3胡育輝數(shù)控銑床加工中心 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社4聞邦椿機(jī)械設(shè)計(jì)手冊機(jī)械工業(yè)出版社5Robert O. Parmley. P.E.（鄒平譯）機(jī)械設(shè)計(jì)零件與實(shí)用裝置圖冊機(jī)械工業(yè)出版社西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）審 查 意 見 書指導(dǎo)教師對學(xué)生 所完成的題目為 小型數(shù)控加工中心自動換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì) 的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)行情況、完成質(zhì)量的審查意見： 成績： 指導(dǎo)教師： 年 月 日西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）評 閱 意 見 書評閱人對學(xué)生 所完成的題目為 小型數(shù)控加工中心自動換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì) 的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評閱意見為： 成績： 評閱人： 年 月 日西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）答 辯 結(jié) 果畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會對學(xué)生 所完成的題目為 小型數(shù)控加工中心自動換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì) 的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）及答辯評語為： 經(jīng)答辯委員會研究，確定成績?yōu)椋?畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會主任： 答辯委員會委員： 年 月 日該生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）最終成績評定：審閱成績（權(quán)重0.4）評閱成績（權(quán)重0.4）答辯成績（權(quán)重0.2）最終成績