加工中心刀库与自动换刀装置结构设计

喜欢这套资料就充值下载吧。资源目录里展示的都可在线预览哦。下载后都有，请放心下载，文件全都包含在内，图纸为CAD格式可编辑，有疑问咨询QQ:414951605 或 1304139763p 摘要 自90年代以来，数控加工技术与数控车床得到迅速的发展与普及。加工中心作为新的时代数控机床的代表，已被广泛使用。刀库与自动换刀装置作为加工中心的最重要的部分，它们的发展直接决定了加工中心的快速发展。本论文完成的是立式加工中心链式刀库与自动换刀装置的结构设计、传动设计与传动部分动力设计。链式刀库在加工中心应用十分广泛，其换刀过程简单、换刀时间短；链式刀库其刀库容量比较大，结构比较灵活和紧凑，常为轴向取刀。可根据机床的布局将链环配置成各种形状，也可将换刀位置刀座突出以利于换刀。刀库传动部分采用采用蜗轮蜗杆减速装置，这种设计方案可以提高输出轴传动平稳性能，提高刀库运转平稳性。本刀库满载装刀40把，选择任意选刀方式，设计中机械手采用回转式单臂双手机械手，这种机械手可以同时完成拔刀和插刀动作，结构简单，换刀快。 关键词：加工中心 链式刀库 机械手 自动换刀装置 1 ABSTRACT Since 1990s, CNC lathe and CNC machining technology have been rapid developed and spread.Machining center as a representative of a new era of CNC machine tools, has been widely used.Magazine and automatic tool changer as the most important part of the machining center, their development directly determines the rapid development of machining center.Chain magazine is widely used in the machining center, the tool changing process is simple, tool changing time is short; the chain magazine with its relatively large capacity, more flexible and compact structure, is often taken by the axial blade.Magazine transmission part adopts worm gear reduction device, this design can improve smooth performance of the output shaft, enhance the smooth functioning of the magazine.The magazine loaded with loaded knife 40, select any tool selection mode, the design of the robot arm using a rotary robot hands, this robot can complete his sword blades and action at the same time, the structure is simple,tool changing time is short. Key Words：Machining Center Chain magazine Mechanical Arm Automatic Tool Changer 3 目录 第1章 绪论 6 1.1 加工中心释义 6 1.2 加工中心之发展史 6 1.3 加工中心的国内外应用现状 7 1.5 加工中心结构组成机构 7 第2章 加工中心刀库设计 8 2.1 简介 8 2.2 刀库方案设计 8 2.3刀库总体方案结构设计 9 2.3.1刀库总体设计 9 2.3.2 链轮链条确定 10 2.3.3 刀库选用的负载转矩计算 10 2.3.4 伺服电机确定 13 2.4 传动比分配 15 2.4.2 各轴工作功率 15 2.4.3 各轴转矩 15 第3章 传动设计 16 3.1 蜗轮蜗杆的选用 16 3.2蜗杆涡轮传动设计计算 16 3.2.1 按闭式蜗轮的齿面接触疲劳强度进行设计计算 16 3.2.2 蜗杆蜗轮主要参数几何尺寸 17 3.2.3 校核闭式蜗轮齿根弯曲疲劳强度 19 3.3 轴的尺寸的设计计算 19 3.3.1 轴材料选定 19 3.3.2 蜗杆轴设计计算 20 3.3.2.1初步计算轴最小直径 20 3.3.2.2 联轴器选定 20 3.3.2.3 轴承的确定 20 3.3.2.4 各轴段尺寸确定 20 3.3.3 轴承校核 21 3.3.3.1 推力球轴承校核 21 3.3.3.2 圆柱滚子轴承校核 21 3.3.4 轴的校核 22 3.3.5 蜗轮轴设计计算 23 3.3.5.1 初步计算轴最小直径 24 3.3.5.2 计算各段蜗轮轴段尺寸 24 3.3.5.3 轴承校核 25 3.3.5.6 轴的校核 25 第4章 刀库尺寸的确定 27 4.1 刀库总尺寸的计算 27 4.2 刀库尺寸的计算 27 4.3 刀库其余部件设计 27 4 4.3.1刀套的设计 27 4.3.1.1 弹簧的设计 28 4.3.1.2 尺寸的确定 29 4.3.2刀套气缸的设计 29 第5章 自动换刀装置设计计算 31 5.1 概述 31 5.2 换刀装置位置顺序及原理 32 5.3 机械手驱动传动结构 33 5.4 机械手机构结构设计 35 5.4.1 概述 35 5.4.2 机械手类型 35 5.4.3 机械手设计 36 5.4.3.1机械手手部类型 37 5.4.3.2 弹簧选取 37 5.4.3.3活动销选取验证 38 5.4.3.4 锁紧销的选取验证 39 5.4.3.5 螺栓的确定 40 5.4.3.6总体尺寸的确定 41 结束语 42 参考文献 43 致谢 44 5 摘要 自90年代以来，数控加工技术与数控车床得到迅速的发展与普及。加工中心作为新的时代数控机床的代表，已被广泛使用。刀库与自动换刀装置作为加工中心的最重要的部分，它们的发展直接决定了加工中心的快速发展。本论文完成的是立式加工中心链式刀库与自动换刀装置的结构设计、传动设计与传动部分动力设计。链式刀库在加工中心应用十分广泛，其换刀过程简单、换刀时间短；链式刀库其刀库容量比较大，结构比较灵活和紧凑，常为轴向取刀。可根据机床的布局将链环配置成各种形状，也可将换刀位置刀座突出以利于换刀。刀库传动部分采用采用蜗轮蜗杆减速装置，这种设计方案可以提高输出轴传动平稳性能，提高刀库运转平稳性。本刀库满载装刀40把，选择任意选刀方式，设计中机械手采用回转式单臂双手机械手，这种机械手可以同时完成拔刀和插刀动作，结构简单，换刀快。 关键词：加工中心 链式刀库 机械手 自动换刀装置 1 ABSTRACT Since 1990s, CNC lathe and CNC machining technology have been rapid developed and spread.Machining center as a representative of a new era of CNC machine tools, has been widely used.Magazine and automatic tool changer as the most important part of the machining center, their development directly determines the rapid development of machining center.Chain magazine is widely used in the machining center, the tool changing process is simple, tool changing time is short; the chain magazine with its relatively large capacity, more flexible and compact structure, is often taken by the axial blade.Magazine transmission part adopts worm gear reduction device, this design can improve smooth performance of the output shaft, enhance the smooth functioning of the magazine.The magazine loaded with loaded knife 40, select any tool selection mode, the design of the robot arm using a rotary robot hands, this robot can complete his sword blades and action at the same time, the structure is simple,tool changing time is short. Key Words：Machining Center Chain magazine Mechanical Arm Automatic Tool Changer 3 目录 第1章 绪论 6 1.1 加工中心释义 6 1.2 加工中心之发展史 6 1.3 加工中心的国内外应用现状 7 1.5 加工中心结构组成机构 7 第2章 加工中心刀库设计 8 2.1 简介 8 2.2 刀库方案设计 8 2.3刀库总体方案结构设计 9 2.3.1刀库总体设计 9 2.3.2 链轮链条确定 10 2.3.3 刀库选用的负载转矩计算 10 2.3.4 伺服电机确定 13 2.4 传动比分配 15 2.4.2 各轴工作功率 15 2.4.3 各轴转矩 15 第3章 传动设计 16 3.1 蜗轮蜗杆的选用 16 3.2蜗杆涡轮传动设计计算 16 3.2.1 按闭式蜗轮的齿面接触疲劳强度进行设计计算 16 3.2.2 蜗杆蜗轮主要参数几何尺寸 17 3.2.3 校核闭式蜗轮齿根弯曲疲劳强度 19 3.3 轴的尺寸的设计计算 19 3.3.1 轴材料选定 19 3.3.2 蜗杆轴设计计算 20 3.3.2.1初步计算轴最小直径 20 3.3.2.2 联轴器选定 20 3.3.2.3 轴承的确定 20 3.3.2.4 各轴段尺寸确定 20 3.3.3 轴承校核 21 3.3.3.1 推力球轴承校核 21 3.3.3.2 圆柱滚子轴承校核 21 3.3.4 轴的校核 22 3.3.5 蜗轮轴设计计算 23 3.3.5.1 初步计算轴最小直径 24 3.3.5.2 计算各段蜗轮轴段尺寸 24 3.3.5.3 轴承校核 25 3.3.5.6 轴的校核 25 第4章 刀库尺寸的确定 27 4.1 刀库总尺寸的计算 27 4.2 刀库尺寸的计算 27 4.3 刀库其余部件设计 27 4 4.3.1刀套的设计 27 4.3.1.1 弹簧的设计 28 4.3.1.2 尺寸的确定 29 4.3.2刀套气缸的设计 29 第5章 自动换刀装置设计计算 31 5.1 概述 31 5.2 换刀装置位置顺序及原理 32 5.3 机械手驱动传动结构 33 5.4 机械手机构结构设计 35 5.4.1 概述 35 5.4.2 机械手类型 35 5.4.3 机械手设计 36 5.4.3.1机械手手部类型 37 5.4.3.2 弹簧选取 37 5.4.3.3活动销选取验证 38 5.4.3.4 锁紧销的选取验证 39 5.4.3.5 螺栓的确定 40 5.4.3.6总体尺寸的确定 41 结束语 42 参考文献 43 致谢 44 5 1 绪论 1.1 加工中心释义 加工中心是适应省时、节能和省力的时代需求而快速发展起来的自动换刀数控机床，综合了电子技术、机械技术、现代控制理论、计算机软件技术、测量及传感技术以及刀具和编程技术和通信诊断的产品。加工中心能够集中多种工序，具有工序集中、自动换刀、精度高等特点，使机床切削利用率高于普通机床的3至4倍，是数控机床中自动化程度与生产率最高的综合性机床。 1.2 加工中心之发展史 1958年，美国卡尼·特雷克公司把铣、镗、钻等多种工序集中到一台机床上，通过换刀实现连续加工，成为世界上第一台数控加工中心。产品问世后，引起英国、德国各先进工业国的高度重视，竞相生产开发，不断完善和扩大机床功能，成为数控机床中发展最快的产品之一。如今，世界上出现了卧式、立式等各种加工中心。 未来加工中心的发展动向进一步提高精度以及高速化机能。自70年代开始，我国加工中心已得到迅速发展，但未能适应我国快速发展的经济，与世界水平相差甚远。 1.3 加工中心的国内外应用现状 由于加工中心在加工过程中的重要作用，各国皆是十分重视，使在产量和技术上得到了迅速发展。目前全世界加工中心以日本、美国、欧盟以及中国台湾等为代表性的生产基地。我国加工中心虽发展迅速，但与世界水平相差甚远，尤其是与日本与德国差距。目前，国产加工中心主要是卧式与立式加工中心，规格一般为300、400、500、630和800。而德国EX-CELL-O GMBH公司与Chrion Werke、日本Mazak公司等国外著名公司是世界加工中心先进生产的代表。 加工中心发展倾向为 （1) 高效率、高速率 （2) 高精度 （3) 高可靠性 1.5 加工中心结构组成机构 （1） 基础部件 主要由立柱、床身和工作台等组成。 （2） 主轴系统 主要由主轴电动机、主轴箱和主轴以及主轴零部件组成。 （3） 数控系统 主要由可编程序控制器、CNC装置和电动机等组成。 （4） 自动换刀系统 主要由刀库与自动换刀装置等组成。 （5） 辅助系统 包括冷却、润滑、排屑、液压和随机检测系统等部分。 2 加工中心刀库设计 2.1 简介 本设计采用刀库式自动换刀装置，只需一个夹持刀具进行加工的主轴，刀库中刀具数目可根据要求与机床布局而定，刀具数目可较多。刀库位置可根据需要与机床结构布局而定，可远离加工区，消除与工件相干扰的可能，并且加工中刀库不承受作用力。 2.2 刀库方案设计 （1） 盘式刀库 刀库轴线与鼓盘轴线平行的鼓式刀库---刀具环形排列，分径向、轴向两种取刀方式，结构简单，适用于刀库容量较少的情况。为增加刀库空间利用率，可采用双环或者多环排列刀具的形式，但鼓盘直径增加，转动惯量就增加，选刀时间也增长。 鼓盘轴线与刀具轴线不平行的鼓式刀库---鼓盘轴线与轴线之间的夹角为或锐角。这种刀库占用面积大，刀库容量与刀库在机床上的安装位置受很大程度的限制，所以在生产中应用较少，但这种刀库能够很大程度的有效的减少机械手在生产中的换刀动作，并且很大程度上简化机械手结构。 （2） 链式刀库 链式刀库结构较为紧凑，通常为轴向取刀，刀库容量可较大，链环可根据机床布局配置成各种形状，也可将换刀位置刀座突出以利换刀，一般刀具数量在30至120把时，多采用链式刀库。 （3） 格子型盒子式刀库 刀具在刀库中分几列直线排列，由横、纵的方向移动，由此取刀，由机械手完成选刀动作，将为之后工作而选取的刀具送到换到位置-刀座上，由换刀机械手进行完成交换刀具的动作。由于刀具排列密集，所以此种刀库空间利用率很高，并且刀库容量很大。 由上述条件，根据加工要求与本设计任务，刀库采用链式刀库，主要参数如下： 1） 刀库容量：最大容量40把 2）选刀方式：随机选刀 3） 换刀方式：机械手换刀 4）选用刀具 BT40刀柄 5）最大刀具重量：8kg 2.3刀库总体方案结构设计 2.3.1刀库总体设计 图2-1 链式刀库类型 刀库的主运动为链式运动，主动链轮由伺服电动机通过蜗轮蜗杆减速装置驱动。由主动链轮与兼起张紧轮作用的导向轮组成，导向轮一般做成光轮，圆周表面硬化处理。电机提供动力，电动机通过皮带轮、蜗轮蜗杆驱动驱动轮转动，从而实现整个刀库的运转，并由设计需求选用上述（b）型链式刀库。 2.3.2 链轮链条确定 考虑到刀具的重量与刀库的工作平稳性，采用HP型链条，由参考文献1取尺寸如下： 表2-1链条参数 由文献知链轮齿数不宜少于9齿，则取为15齿。 （1） 由文献1可知链轮齿顶圆直径为： （2-1） 取0.2，则计算为441.42mm, P-链条节距 (2) 链轮节圆直径为： (2-2) 式中 N-齿数 计算为432.88mm （3）其余链轮的确定 其余链轮为从动轮，设计为光轮，其外径Do’计算公式如下： (2-3) 式中i1-链传动传动比 d-链条套筒直径（m） 已知i1=1，Dp=0.433m,d=0.055m，代入上式得D0‘=0.378m 2.3.3 刀库选用的负载转矩计算 由参考文献（3）链式刀库负载转矩由刀具不平衡重量和滑动摩檫力引起， Tm=（W+FV)R 式中 TM--刀库负载转矩（） W--刀具不平衡重量（N) --链条总滑动摩檫力(N) R--链轮节圆半径(m) 1,刀具最大不平衡重量可按在一个垂直方向分布的刀套上装有 1/10刀库最大刀具容量最终刀具总重量计算，如下： (2-4) 式中 no--刀库最大容刀数量 --刀库中一把刀具最大质量（kg) 代入计算得=313.6N 2，滑动摩檫力FV计算 刀库链轮节圆直径0.518mm，刀具最大重量8kg,刀具平均重量7kg，每个方向上20把刀具，刀具重量140kg，刀具不平衡重量Wmax313.6N，法向约束力1400N， 滑动摩檫力由链条与导向板之间的摩察产生，垂直布置的链条左右两侧设有导向板，用以减少链条的抖动，提高刀具定位精度，如图所示： 图2-2 垂直布置链条及导向板装配图 垂直不是的链条与导向板的摩擦力主要是由刀具下垂引起的，取垂直布置链条的一节链板与对应的两个刀套、刀具，刀柄为研究对象，进行受力分析，简化受力分析如图所示， 图中Fn1、Fn2--导向板对链板的作用力，分别集中于A、B处， Tb1、Tv2--链条内部张力，集中在左右侧外链板中心处， --每组内链板及其对应的刀套、刀具、刀柄重量（N) L1--右侧外链板作用力Tv1、Tv2在x方向距A的距离（m） --在y方向上距A的距离（m) --在x方向上距A的距离（m) 图2-3 垂直布置链条受力分析 根据图列写平衡方程 解得： 可得计算公式如下: （2-5） 式中µ--导向板与链条间动摩擦因数 nv1--垂直方向分布的链条含研究对象数 刀库最大容量40把，刀库中最大刀具质量8kg，在刀库最大容量下计算Fvmax，得刀具平均质量7kg。已知型号HP40-90链条每组内链板及其两刀套质量为m=5.0kg，可得=135N；各尺寸为L1=68mm，Ln2=168mm，=115mm。由图可知垂直方向布置链条共含研究对象24。刀库中导向板材料为尼龙1010，链条材料为45号淬火钢，由文献1可知两者摩擦因数为0.24，将各参数代入上述公式得： =749.83N，则=321.08Nm 2.3.4 伺服电机确定 （1） 链条转速平均值可确定为：， （2-6） 式中n--链轮转速（r/min） 由文献（4）可知链条速度v=0.30.5m/s,已知N=21，f=0.09m， 则链轮转速n为9.5215.87r/min。 负载所需功率为P=Tn/9549=0.54KW （2）同步带传动设计 为减轻同步带轮质量以及满足轻度要求，选择带轮材料为YL12， 传动比定为i3=1，查文献1得传动效率为=0.98。 根据负载转矩与传递功率范围由文献1选择L型同步带，齿型为梯形，节距为9.525mm，带宽为25.4mm；带轮齿数为18，节圆直径为54.57mm，带轮双面加挡边。 （3） 伺服电机选型 由动力学定律得以下方程： （2-7） （2-8） 式中---电机驱动转矩； --负载转矩折算到电机输出轴的静阻力距； ---电机输出轴与主动链轮轴转速比； ---电机输出角速度 --电机输出轴到主动链轮传动效率； ---运动部件折算到电机输出轴等效转动惯量 选择伺服电机应符合以下条件 （1） 式中TS---电机额定转矩 (2) , （2-9） 式中最大角速度加速时电机转矩 电机最大转矩 （3） ， （2-10） 式中-- 负载转动惯量折算到电机输出轴上的等效转动惯量 -- 电动机转子惯量 式中— —蜗轮蜗杆传动效率 ——同步带效率 ——蜗轮蜗杆传动比 ——同步带传动比 已知、=40、 代入上式得，=40 代入得TDX=10.29Nm, 则TS为12.348－15.435Nm 由文献2选择电机型号如下： 表2-2 电机参数 2.4 传动比分配 Ⅰ轴：n1=nm/i1=500r/min Ⅱ轴：n2=n1/i2=12.5r/min 2.4.2 各轴工作功率 Ⅰ轴：P1=P0×η=0.55×0.99=0.5445KW Ⅱ轴：P2=P1×η1=0.5445×0.8=0.4356KW 2.4.3 各轴转矩 电机输出轴：T0=9550P0/n=10.5Nm Ⅰ轴：T1=10.4Nm Ⅱ轴：T2=332.8Nm 3 传动设计 3.1 蜗轮蜗杆的选用 由文献4蜗轮蜗杆对于传动设计，参考6至9级精度，并蜗轮蜗杆难以保证较高的接触精度，涡轮应用减摩性能较好的软性材料来制造。由于蜗杆会受到短时冲击，故此次设计蜗杆采用45钢，调质表面硬度>45HRC，涡轮采用ZCuSn10P1，由GB/T 10085-1998推荐，采用渐开线蜗杆。 3.2蜗杆涡轮传动设计计算 选用ZA型蜗杆涡轮减速器，输入功率为0.55KW，转速500r/min,传动比i=40,，预期寿命12000h。 3.2.1 按闭式蜗轮的齿面接触疲劳强度进行设计计算 此次毕业设计，刀库中蜗轮蜗杆设计中根据闭式传动蜗杆传动设计准则，先按蜗轮齿面的接触疲劳强度进行设计，之后再校核蜗轮齿根的弯曲疲劳强度。查文献4式得： （3-1） (1) 确定传动中机构作用在涡轮上的转矩 按Z1=1，η=0.8，则 （3-2） （2） 确定载荷系数K 工作载荷稳定，故=1,由文献4表11-5选取=1.15；并转速不高，冲击不大，可取动载荷系数=1.05，则K==1.21 (3) 确认弹性影响系数 有选用材料可知ZE=160MPa1/2 (4) 确定涡轮齿数 Z2=Z1×i=1×40=40 （5） 确定许用接触应力 由表11-7中查得许用应力=268MPa 应力循环次数 N=60jn2Lh=60×12.5×12000=9×106 寿命系数KHN=1.013，则=KHN=271.48MPa （6） 计算m2d1值 由表11-2取模数m=4mm,蜗杆分度圆直径d1=60mm 3.2.2 蜗杆蜗轮主要参数几何尺寸 （1） 中心距 a=(d1+d2)/2=(60+40×4)/2=110mm （2） 蜗杆 轴向齿距Pa=12.566mm；直径系数q=10；齿顶圆直径da1=68mm；齿根圆直径df1=50.4mm;分度圆导程角γ=5042‘。 (3)蜗轮尺寸 蜗轮分度圆直径 蜗轮喉圆直径da2=d2+2ha2=168mm 蜗轮齿根圆直径 (4)蜗轮蜗杆各参数尺寸如下 表3-1 蜗轮蜗杆参数 3.2.3 校核闭式蜗轮齿根弯曲疲劳强度 =≤ （3-3） 当量齿数==40.46，从图11-17中可查的齿形系数 =2.38，螺旋角系数 =1-=0.959 许用弯曲应力 【】=【】’ 由表11-8查得【】’=56MPa 寿命系数 =0.783， 【】=43.869MPa 计算得=36.62MPa，故弯曲强度满足要求。 3.3 轴的尺寸的设计计算 3.3.1 轴材料选定 轴材料选用碳钢及合金钢，减速装置中轴以45号调质钢应用广泛。 3.3.2 蜗杆轴设计计算 3.3.2.1初步计算轴最小直径 轴的直径可由功率与转速确定，按下式计算： ，由表15-3，取值112，代入数据计算得d≥11.52 则由此取为 3.3.2.2 联轴器选定 由传动设置工作条件选择SL系列十字滑块联轴器，计算转矩如下： （3-4） 式中 T--理论转矩 Nm； --驱动功率 KW； n--工作转速 r/min； --动力机系数 由文献5取值1； K--工况系数 由文献5表6-2-2取值为1.25； --启动系数 取值1； --温度系数 由表6-2-3取值1； --公称转矩，Nm 代入计算得=13Nm 由文献5，根据上述条件选择SL100型号联轴器，内孔直径为36-40mm。 进而确定蜗杆轴轴伸处直径为40mm,轴孔长度L=70mm，D=100mm,=60mm。 3.3.2.3 轴承的确定 由于此次设计采用的是蜗轮蜗杆传动设计，故受轴向力与径向力，由文献4采用推力球轴承与圆柱滚子轴承搭配使用，另一方向使用圆锥滚子轴承，查文献6表14-3、14-6、14-7采用型号分别为51210，NU1010,32010X2。 3.3.2.4 各轴段尺寸确定 图3-1 蜗轮轴 由轴上受力情况，根据固定和定位的要求，蜗杆轴分为八段，轴Ⅰ由联轴器需求，设计为60mm，直径为40mm，并由右侧轴肩对联轴器进行轴向定位；轴Ⅱ设计为紧定螺钉轴段，既有固定联轴器作用，也有对右侧轴承进行轴向定位的作用，直径与长度分别设计为45mm、20mm；轴Ⅲ安装有推力球轴承与圆柱滚子轴承，右侧由挡圈与轴肩进行轴向定位，直径与长度分别设计为50mm、78mm；轴Ⅳ安装轴承与挡圈，左侧由挡圈、右侧由轴肩进行轴向定位，直径与长度分别设计为55mm、53mm；轴Ⅴ为轴肩，对左侧轴承进行轴向定位，直径与长度分别设计为60mm、30mm；轴Ⅵ为蜗杆处，蜗杆齿顶圆直径为68mm，长度设计为102mm；轴Ⅶ为轴肩，对右侧轴承进行轴向定位，直径与长度分别设计为50mm、50mm；轴Ⅷ安装有圆锥滚子轴承，右侧由弹性挡圈进行轴向定位，直径与长度分别设计为40mm、25mm总长度为418mm。 3.3.3 轴承校核 3.3.3.1 推力球轴承校核 由文献4式13-5可知 （3-5） 由文献4式11-6可知，式11-7知α 代入数据计算得Fa1=Ft2=4160N Fr1=Fr2=1514N 由文献6查得c=48.5KN 由上式代入计算得=52823h，满足需求。 3.3.3.2 圆柱滚子轴承校核 由文献4式13-5可知 由文献6查得c=25KN 由上式代入计算得=38197h，满足要求。 3.3.4 轴的校核 (1)蜗杆轴水平面受力如下图所示： 图3-2 蜗杆轴受力分析 图中,,, 水平弯矩图如下图所示： 图3-3 蜗杆轴水平弯矩图 (2) 蜗杆轴垂直面受力如下图所示： 垂直方向弯矩图如下图所示： 图3-4 蜗杆轴垂直弯矩图 轴的材料选取为45钢，， 蜗杆受力计算如下： 蜗杆转矩： 计算得： 蜗轮转矩： 计算得： 轴向力： 计算得： 径向力： 计算得： 圆周力： 计算得： 确认许用应力为： 查表得， 校核轴径如下： 由3.2.2可知齿根圆直径为50.4mm 轴径为： 由此可知 故而，轴径满足要求。 3.3.5 蜗轮轴设计计算 3.3.5.1 初步计算轴最小直径 由文献4式15-2 ，由表15-3 取112，代入数据计算得d≥36.58mm,由于轴上由蜗轮与带动刀库转动的需要，设有两个键槽，故需要增大10%-15%，因此定为60mm。 3.3.5.2 计算各段蜗轮轴段尺寸 由轴上零件受力情况，由于固定与轴向定位的需要，初步确定轴的阶段轴，蜗轮轴共为7段，图、数据如下所示： 图3-5 蜗杆轴 如上式所计算，Ⅰ轴直径为60mm，装有32912x2型号圆锥滚子轴承，T=17，轴承左侧由箱体进行轴向定位，右侧由轴肩进行定位，由此 长度设计为23mm；Ⅱ轴为轴承轴向定位轴肩，直径为70mm，长度设计为15mm；Ⅲ轴为蜗轮轴向定位轴肩，直径设计为85mm，长度设计为25mm；Ⅳ轴为轴头，与蜗轮配合，对蜗轮进行周向定位，直径为75mm，蜗轮宽度为86mm，由此设计轴头长为84mm，键槽参数为b×h=25×14，长度设计为75mm；Ⅴ轴为轴颈，安装有32914x2型号圆锥滚子轴承，右侧由挡圈对蜗轮和轴承进行轴向定位，右侧由箱体对轴承进行轴向定位；Ⅵ轴为安装箱体部分轴段，并对右侧链轮进行轴向定位，直径设计为65mm,长度设计为105mm；Ⅶ轴为轴头，安装有链轮并由键对链轮进行周向定位，链轮左侧由轴肩进行轴向定位，右侧由箱体或其他部件进行轴向定位，直径与长度皆设计为60mm，键尺寸为b×h=18×11，长度设计为50mm；蜗轮轴总长为354mm。 3.3.5.3 轴承校核 由文献4知 由文献6可知c=34.5KN P=X+Y 由文献4可知X=0.4，Y=0.63 代入计算得=33981h，满足要求。 3.3.5.6 轴的校核 蜗轮轴水平受力如下图所示： 图3-6 蜗轮轴受力分析 蜗轮轴水平弯矩图如下图所示： 图3-7 蜗轮轴水平弯矩图 蜗轮轴垂直方向受力如下图所示： 图3-8 蜗轮轴垂直方向受力分析 蜗轮轴垂直方向弯矩图如下图所示： 图3-9 蜗轮轴垂直方向弯矩图 轴材料选取为45钢，，，由上可知蜗轮直径为160mm，链轮直径为432mm，蜗轮转矩 ，轴上圆周力、径向力与轴向力如上计算可知。 链轮受力如下所示； 计算得： 承受许用应力如下： 由表查得 由3.2.2可知蜗轮齿根圆直径为150.4mm 蜗轮轴所需直径计算得： 由此可知上述设计轴径满足需求。 40 4 刀库尺寸的确定 4.1 刀库总尺寸的计算 在2.3中选用的为HP-90型号链条，链条中心距为90mm，此次设计为40把链式刀库，故链条总长度应为L=40×90=3600mm。 4.2 刀库尺寸的计算 在2.3中链轮节圆直径为432.88mm，2.3中提到选用的链式刀库链条宽度为88mm，故链式刀库高度H=432.88+88×2=609mm，即0.609m。 链条套筒中心圆周线在两端直径为d=432.88+88=520.88mm，两端圆周长之和=520.88×π=1636.39。两链轮中心距==981.80mm。链式刀库两端半圆轴向长度=+88=304.44mm。 故链式刀库总长=+2=1590.68mm。 4.3 刀库其余部件设计 刀库在机床中工作过程中时，当数控系统在工作中发出指令后，由此之后伺服电动机接通，其传动的运动过程通过十字连轴器、蜗杆、蜗轮、链轮传送到机床中的刀库。由此刀库带动其上工作的刀套运转，完成工作过程中的选刀动作。刀库中每一个刀套尾部皆需要有一个滚子，当工作过程中待换刀具旋转到换刀位置时，其尾部的滚子进入机构中的拨叉槽内，并且在此同时气缸的下腔通压缩空气，由此液压缸下的活塞杆带动拨叉上升，放开位置开关，用以由此断开相关电路，防止机床中的刀库、主轴等有误动作。随机构中的拨叉的上升，带动刀库中的刀套绕着销轴逆时针向下翻转90度，从而使刀库中的刀具轴线与主轴轴线平行。刀套下翻90度，液压缸下的拨叉上升到终点，压下机构中的定位开关，发出信号命令换刀机械手抓刀。通过机构中的螺杆，可以由此调整拨叉工作行程，而机构中的拨叉工作行程决定了刀具轴线相对主轴线位置。 由上述刀库工作原理可知，刀库运转除链式刀库与2.3设计的链轮链条与3.2、3.3设计的蜗轮蜗杆、轴之外，需要气缸、活塞杆、拨叉、螺杆、位置开关、定位开关、棍子、销轴以及刀套。 4.3.1刀套的设计 刀套设计图如下所示： 图4-1刀套结构 刀套材料设计为玻璃纤维增强的不饱和聚酯，模压成型，制造成本低，重量轻，工作中噪音小。刀套的锥孔尾部设计有两个球头销钉。在设计的刀套零部件中，在螺纹套与球头销之间装有弹簧。当刀具插入刀套后，由于弹簧力的作用，使刀柄被夹紧。拧动螺纹套，可以调节夹紧力的大小。当刀套在刀库中处于水平位置时，靠刀套顶部滚子支撑。 4.3.1.1 弹簧的设计 由上述可知当刀套旋转之后，刀具由弹簧力的作用夹紧，弹簧设计如下： 通过计算两弹簧压缩量之和至少为26.5mm,故选择压缩量为15mm的弹簧。 下面拿一弹簧为例计算如下： 所需夹紧刀具力计算为： （4-1） 刀具最大重量为8Kg，要使刀具在夹紧力的作用下不掉下，摩擦力需大于重力，由于此处为金属的接触，摩擦系数选为 （4-2） 式中N--对刀具的压力 即>G 即>=8×9.8/0.12=653N 由此可知弹簧对刀具的夹紧力需大于653N，即 >653N 联立上面各式可以得到: >653/2N 即>24.2 所以K值取为25 4.3.1.2 尺寸的确定 零部件尺寸如下： 由2.2可知最大刀具重量为8kg以及刀具尺寸，刀套尺寸设计为， 棍子尺寸设计为mm。刀套中弹簧通过螺纹套与导套箱体链接，螺纹套尺寸设计为，长度设计为，螺纹套通过球头销定将其与刀套连接，球头销定尺寸设计为。刀套中，由右至左各段孔尺寸依次设计为Ⅰ段设计为，Ⅱ段孔尺寸设计为，Ⅲ段孔尺寸设计为阶梯孔，优选尺寸设计为，左端尺寸设计为，长度设计为19mm；Ⅳ段孔尺寸设计如下：左端为，右端为，长度为；Ⅴ段孔尺寸设计如下：右端为，左端为，长度为。导套总尺寸设计为。 4.3.2刀套气缸的设计 刀库在工作过程中，选定刀具之后，当刀库运转至换到位置时，由位置挡块限定位置之后，发住换刀信号之后，由气缸带动刀套旋转，之后由机械手完成之后一系列的换刀动作。气缸设计如下： 由刀套工作怨气能力选用双作用普通气缸。这种气缸诱惑带分成两个腔室，为有敢抢与无杆腔。压缩空气进入无感强之后，压缩空气作用在活塞右侧的力推动活塞塞杆运动，使得刀套复位；压缩空气进入与偶敢抢的时候，活塞变相有运动，带动刀套向上运动使其旋转。 气缸尺寸设计如下： 刀套在工作过程中，由气缸通过拨叉与滚子带动，刀具最大重量为，刀套、拨叉以及棍子等总重量为，由此重理论输出力为，工作压力为 5 自动换刀装置设计计算 5.1 概述 自动换刀装置（Automatic Tool Changer)是由机械手及其相关的控制系统组成。一般刀具都是安装在机床主轴上，加工工件时工件安装在工作台上。为能使工序较为集中，尽量能够节省辅助时间，于是在数控铣床上安装自动换刀装置，便形成加工中心（MC)。 加工中心开始的时候曾采用转塔头的方式进行换刀，在其结构中，电动机、转塔头、变速箱等做成一体，这样结构紧凑；但变速箱工作的时候，产生的振动和热量都会直接传到转塔的上面，而且转塔式刀库中，每把刀具皆需要一个主轴，因此，导致其刀具尺寸、结构、数量都受到很多限制。 换刀方式确认如下： 图5-1 换刀方式 如上图所示，为无机械手换刀方式。小型加工中心有些采用无机械手换刀方式进行换刀，其刀库立于立柱前方的上部，刀库中刀具存放方式与主轴方向一致。换刀时，主轴箱带着主轴在导轨上上升至换刀位置，主轴上刀具进入刀库的一个存放位置，主轴内夹刀机构松开，刀库沿着主轴方向移动，随即从主轴上拔出刀具，之后刀库回转。这种换刀方式，刀库整体前后移动，结果导致刀具数量少，并且刀具尺寸也小，这种刀库旋转是在加工工序之间进行的，也就是说刀库回转所需要的复制时间与加工所需时间不重合，此种刀库与换刀装置限制很大，而此次设计刀具数量不少，因此采用机械手换刀方式。 5.2 换刀装置位置顺序及原理 换刀装置位置顺序如下如下图所示： 图5-2 换刀过程 上一工序加工完毕后，停在主轴准停位置，之后由自动换刀装置换刀，顺序如下： （1）刀库下翻。机床刀库位于立柱左侧，刀具在链式刀库中的安装方向与主轴轴线垂直，如图a所示。换刀前，链式刀库转动，将待用刀具送到换刀位置，之后将带有此把刀库刀具的刀套下翻转，使得此把刀具轴线与主轴的轴线平行。 （2）机械手转动。机床进行加工时，机械手手臂与主轴中心到换刀位置刀具中心线的连线为，该位置为机械手原始位置。机械手进行换刀的第一个动作是顺时针旋转，如图c所示，两手爪分别抓住刀库待用道具与主轴刀具的刀柄。 （3）刀具松开。机械手抓住主轴刀具的刀柄之后，刀具的自动夹紧机构会松开刀具。 (4)机械手拔刀。机械手下降，将同时拔出量把刀具，如图d所示。 （5）交换两把刀具位置。机械手带动两把刀具逆时针旋转，使主轴刀具与刀库待用刀具交换位置，如图e所示。 （6）机械手插刀。机械手上升，如图f所示，分别把两把刀具插入主轴锥孔与刀套中。 （7）刀具夹紧。换刀之后的刀具插入主轴中的锥孔之后，刀具中的自动夹紧机构会此时夹紧刀具。 （8）机械手反转。机械手将反转，如图h所示，回到原始位置。 （9）刀库上翻。刀套带动刀具向上翻转，如图g所示，为再次选刀做准备。 5.3 机械手驱动传动结构 如5.1中所述，机械手的旋转抓刀，需要机械手手臂轴上齿轮齿条的啮合传动来完成；机械手上升与下降需要液压缸，使活塞杆推动机械手完成，由此，机械手传动结构设计如下图所示： 图5-3 机械手驱动结构 机械手驱动传动结构工作原理如下： 如前所述，刀套下翻之后，压下上行程开关，会发出机械手抓刀信号。此时，机械手处于图中所示上面位置，液压缸18右腔会通压力油，活塞杆将推着齿条17向左方移动，使齿轮11转动，带动机械手手臂轴转动。如上图所示，使得机械手回转抓刀。抓到动作结束之后，齿条17上档环12将压下位置开关14，会发出拔刀信号，此时液压缸15上腔的通油，使活塞杆推动机械手手臂轴16，使其下降拔刀。在轴16下降之时，传动盘会随之下降，其下端销子8会插入连接盘5的销孔之中，连接盘5和其下面的齿轮同时也是罗费那个连接的，空套在轴16上。当拔刀动作完成之后，轴16上档环2会压下位置开关1，发出拔刀信号。此时，液压缸20右腔通压力油，使得活塞杆推动齿条19向左方移动，使齿轮4与连接盘5转动，并通过销子8，由传动盘会带动机械手旋转，使刀库上刀具与主轴上刀具交换位置。在换刀动作完成之后，齿条19上档环6压下位置开关9，并发出插刀信号，使液压缸15下腔会通压力油，使得活塞杆带着机械手手臂轴上升插刀，同时并传动盘下面之销子8自连接盘5的销孔中移出，在插刀动作完成之后，轴16上的档环会压下位置开关3，使得液压缸20左腔通压力油，使得活塞杆带动齿条19向左方移动复位，而此时，齿轮4空转，而机械手无动作。在齿条19复位之后，其上面档环会压下位置开关7，使得液压缸18的左腔会通压力油，使得活塞杆带动齿条17将向右移动，并通过齿轮11使得机械手反转复位。在机械手复位之后，齿条17上面的档环将压下位置开关13，之后发出换刀完成的信号，使得刀套向上翻转，并为下次选刀动作做好准备。 5.4 机械手机构结构设计 5.4.1 概述 机械手是在主轴上的刀具完成加工工作之后，把此刀具送到刀库，并把在接下来的加工工作中所需要的刀具从刀库之中取出，并装入主轴交换刀具的部件。对机械手的要求是换刀动作迅速可靠、准确协调、换刀所耗时间短。由于各种自动换刀装置的刀库与其主轴的相对位置及其距离不同，机械手在工作中的换刀过程也会不同。单臂单手机械手用一个手部依次完成主轴上卸刀并送回到库，并从刀库中取刀并且装入主轴，因此，换到时间长。现在，各种回转式单臂机械手已经应用广泛，其双手可同时工作，并通过其手臂回转交换刀具位置，所以，换刀时间短。 5.4.2 机械手类型 1， （1） 两手不能伸缩的回转形式单臂双手机构机械手 适用于刀库中刀座轴线与主轴轴线平行的自动换刀装置，机械手回转时不得与换刀位置刀座相邻的刀具干涉。换刀过程如下： （1） （2） 手臂前移，拔刀 （3） 手臂旋转回转，交换两刀具位置 （4） （5） 机械手逆时针旋转的、复位 （2） 两手伸缩的回转式单臂双手机械手 此种机械手也适用于刀库中刀座轴线与主轴轴线平行的自动换刀装置。由于两手可以伸缩，缩回后回转可避免与刀库中其他刀具干涉。两手在旋转、拔刀之后的带刀旋转，复位皆需缩回，于是增加了两手伸缩动作，换刀时间长。 （3） 2，两手互相垂直的回转式单臂双手机械手 此种机械手用于刀库轴线与机床主轴线垂直，刀库为径向存取刀具形式的自动换刀装置。机械手有伸缩、回转、抓刀、松刀等动作。伸缩动作:液压缸带动手臂托架沿着主轴轴方向移动。回转动作：液压缸活塞驱动齿条使与机械手相连的齿轮旋转。抓刀动作：液压驱动抓刀活塞移动，通过活塞杆末端齿条传动两个小齿轮，在通过小齿条移动两个手部中抓刀动块，抓刀动块与抓刀顶块撑紧在刀具颈部两法兰之间。 3，双手交叉机构式机械手 机械手移动到刀库处作用是送回卸下的刀具，之后进行选择刀具：手臂座横移至刀库的上面，并沿着轴向向前移动；卸刀手前伸使刀具对准刀库中的空刀座；手臂座向后移动，卸刀手把刀具插入刀座；卸刀手缩回，刀库进行选刀运动，之后将进行加工所需刀具旋转到换刀的位置；装刀手向前伸动抓刀，手臂座向前移动进行拔刀，装刀手缩回。 如上面所述，由各种机械手结构特点与设计需要，此次设计选取两手成的回转式单臂双手机械手。 5.4.3 机械手设计 图5-4 机械手结构 机械手换刀过程如上述5.2所述，机械手机械结构如上图所示。 机械手由以下机构组成： 1，机械手腕部、手部 2，驱动传动的机构 3，主轴上的自动夹紧刀具机构 驱动机构如上述5.3所述，而此次设计只需考虑1、3两个机构。 机械手手部作用是用之来抓刀具，机械手手部抓刀具的精准将会直接影响机械手的工作功能，是机械手的关键部分。 5.4.3.1机械手手部类型 由机械手所夹持的刀具形状与尺寸、材料与重量的各异，手部具有各种结构形式，而手部工作方式一般有手指式，吸盘式与特殊式。 手指式是指由手指的张开与关闭来实现夹刀工作。这种形式对各种形状的刀具具有很大的适应性，故应用较广。手指式手部一般具有2或3指以及多指。 吸盘式手部是指利用吸力来加持工件。空气负压吸盘适用于表面光滑的材料。 特殊式手部是指为了提高加工具的能力和特殊条件情况下使用。 在此次设计中，机械手的设计应该注意一下问题： 1，手指应该由充分的夹紧力，加持加紧工作，除刀具自身重量之外，还有刀具传递过程中的动载荷。 2，应能保证刀具在手指内的精确位置 3，结构相当紧凑，重量相当轻 4，手指应在一定开闭范围内，主要与工件尺寸有关。 工作机构原理如下： 当手臂位于换刀位置时，锁紧销被挡块压下，活动销就能够活动，这时，使得机械手可以抓住刀套与主轴中刀具，而刀具被活动销顶靠在固定抓中，锁紧销这时被弹簧弹起，使得此活动销被锁紧，不能退，从而保证了在机械手运动中，手爪中刀具不会被甩掉。 5.4.3.2 弹簧选取 刀具中最大尺寸为mm，所以我这次设计中手爪为mm，而实际中需要 调节活动销行程实现加持刀具。在计算中得出，活动销行程应该大于L=mm，这就需要弹簧压缩量至少为mm,在此次设计中选取压缩量为mm的弹簧。 对直径为mm的刀具来说，弹簧对刀具的夹紧力为弹簧的反力，而夹紧力 =X 直径为90mm的刀具重量为Kg，为了在加持过程中刀具不掉落，故摩擦力大于刀具重力。 由于是钢铁的摩擦，这次设计中摩擦因数=，摩擦力 （5-1） 式中：N--活动销对刀具的压力 因此，需要 即：N>=8×9.8/0.12=653N 从此式中可以看出活动销对刀具的压力需大于653N，即P>653N 联合上式得出：P=>653N K=>653/26.5=24.6 故因此取K=25N/mm 5.4.3.3活动销选取验证 由于活动销在工作中承受压力大，因此，选用45钢（调质） ’是工作中刀具对活动销的支撑反力 ’=P=KX=25N/mm×26.5mm=662.5N F’是摩擦产生的结果，是活动销阻止刀具下落的作用反力，与f作用方向相反，即方向向上 力之大小计算如下如下： f’=f==662.5×0.12=79.5N （5-2） F’为工作中弹簧对活动销的作用力 F’=KX=25N/mm×26.5mm=662.5N 而F1是固定活动销之外壁产生的，由力平衡得知： （5-3） （5-4） 即F1=f’=79.5N，方向向上 对X轴方向上，活动销受到F’与N’的同时作用力 因此产生的内部应力为 （5-5） 即 式中：=58Mpa =662.5N 因此式中，因A= 即=14.54 综合考虑取d=16mm 销长度确定如下： 在F1与f’作用下产生一力矩，大小为：M=F1L 式中L为活动销长度 由此可知：弯曲应力 式中W--抗弯截面系数 （5-6） 因此，由上述材料选择45钢，弯曲应力为40Mpa。因此，由上式可计算得 由此可取得L=140mm。 5.4.3.4 锁紧销的选取验证 因在工作中锁紧销没活动销的要求高，因此选用20钢 其剪应力为 （5-7） （5-8） 可得到 由此取d=7mm，由参考文献5选取销为。 5.4.3.5 螺栓的确定 机械手的结构如上图所示，手部是通过螺栓连接在腕部的，而手部与腕部的链接需要精确地固定相对位置，因此此次设计中选用普通螺栓进行连接，螺栓布置如上图所示，在上表面通过五螺栓随手部与腕部进行连接。 现在对这5螺栓进行受力分析，工作过程中这5螺栓同时共受到力 F=662.5N 以及力矩的作用 由上述可知此次设计中选用的是普通螺栓，所以每个螺栓受力为 ’= 所以螺栓验证如下： （5-9） 即 式中 i--结合面数，此处i取为2 K--防滑系数，=1.1-1.3，此处取为1.2 f--摩擦系数，取为0.1 可得知 螺栓危险截面拉伸公式为： (5-10) 由于螺栓采用的中碳钢，所以许用应力=43Mpa 以上式可计算如下： 由于此次为粗略计算，故取值为d=12mm，螺栓布置如5.4.3图所示 5.4.3.6总体尺寸的确定 由于机械手手腕部分在工作中要求比手部低，故材料选取20碳钢，其厚度设计为，宽度设计为，手腕部分长度设计为，机械手中心到手腕部长度设计为184mm，机械手总长设计为925mm。