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加工中心24刀盘式刀库及自动换刀装置机械结构设计
摘 要
随着社会发展和科技的进步，产品加工由手工制造转变为半自动加工制造和全自动加工制造。由此带动了机床产业的飞快发展，数控加工中心应运而生并且发展迅速，但是如何提高定位精度、重复精度及减少自动换刀时间以提高加工效率一直是人们研究的重要课题。
这次毕业设计设计的是加工中心24刀盘式刀库及自动换刀机械结构设计，采用机械手在刀库与刀具主轴之间换刀的自动换刀装置，刀库安装在机床立柱的顶端，用于一般中等容量刀库的机床。单盘式的刀库，刀具与刀盘垂直，采用液压马达和伺服电机驱动刀库，使其可以进行回转运动，并且使用蜗轮蜗杆传动作为一种减速装置。
本次设计的重点部分在于蜗轮、蜗杆和主要轴的设计计算及其校核，控制刀库运刀的部分使用液压及PLC来操纵。抓刀的机械手设计部分是采用单臂双爪式。
关键字：加工中心；盘式刀库；机械手；PLC
Abstract
With the progress of social development and science technology, product processing is transformed from manual manufacturing to semi-automatic processing and automatic processing. Thus driving the rapid development of the machine tool industry, CNC machining center came into being and developed quickly, but how to improve the positioning accuracy and repeat precision and reduce the automatic tool change time in order to improve the machining efficiency has been the important topic studied by people.
This graduation design is design of machining center 24 disc knife library and automatic tool change of mechanical structure design, the manipulator in the knife tool change between library and tool spindle automatic tool change device, knife library is installed on the top of the machine tool column, used in general machine tool of intermediate size knife library. Single disc knife library, vertical cutter and cutting wheel, driven by hydraulic motor and servo motor knife library, making it possible to rotary motion, and use the worm gear and worm drive as a kind of speed reducer.
The key part of this design is the design and calculation of worm gear, worm and main shaft, and the control of the part of the operation knife, which is controlled by hydraulic and PLC. The design part of the manipulator is a single arm double claw.
Key words: machining center；disc cutter base；manipulator；PLC
目 录
引 言 1
第一章 加工中心的简介 2
1.1 加工中心的发展历史 2
1.2加工中心的组成结构 3
1.3加工中心的类型 4
1.3.1立式加工中心 4
1.3.2卧式加工中心 5
1.3.3五坐标加工中心 5
1.4加工中心的多个优点 6
1.5加工中心的未来发展势态 6
第二章 刀库种类 9
2.1刀库总体类型介绍 9
2.2加工中心常用刀库类型 10
2.3刀库传动原理 12
2.3.1刀库结构和传动 12
2.4刀库相关参数设定 13
2.4.1计算电机的传动比 13
2.4.2电动机的校核 14
第三章 刀库传动部分的设计 16
3.1刀库部分设计 16
3.1.1确定蜗杆和蜗轮的基础尺寸参数 16
3.1.2相关校核验算 17
3.2传动轴部分的设计 18
3.2.1蜗杆部分的尺寸设计 18
3.2.2蜗轮部分的尺寸设计 19
第四章 各设计尺寸及零件的验算校核 21
4.1蜗杆轴验算 21
4.2蜗轮轴验算 23
4.3轴承校核 24
第五章 其它主要部分设计 26
5.1刀套结构设计 26
5.2刀具的识别装置 26
5.3设计液压系统 27
5.3.1液压缸载荷的有关计算 27
5.3.2确定液压缸的相关尺寸 27
5.3.3初步设定液压系统 29
5.3.4PLC控制原理 30
结 论 31
参考文献 32
致 谢 33
引 言
数控技术是人操作电脑，在电脑中输进可以让机床自动加工产品的程序的一项先进的技术，其中可以输入程序并自动加工的机器就是数控机床。
世界上的第一台数控机床出现在1952年，这台数控机床的出现使各种各样品种的、中小批量的产品制造机器设备在加工效率、生产自动化和柔性制造方面引发了巨大的制造产业的革命。在1958年间第一台加工中心的问世，它让钻、铰、镗、铣、攻丝等多道加工工序集中于一体。加工中心具备普通机床没有的特点，其一是可以进行种类繁多的和生产数量较多的零件的加工操作；其二是它能够增加机床的功能，例如自动检测、自动换刀、自动转换零件等。
加工中心的出现是一场使加工制造业更加完善、更加精密、更加高效的技术革命。高效率的完成产品作业任务依赖于各方面的协调运作，加工中心的自动换刀装置能够快速、精准的实现定位并换刀就是其中重要的一个环节。所以在进行刀库设计及自动换刀装置的机械结构设计时，要考虑多方面的影响精度的因素。数控机床的典型代表就是加工中心，加工中心具有数控机床可以自动加工零件的能力。它的定义就是使用了晶体管元件和印刷电路板的数控装置，出现于1959年，是一种本身就带有自动换刀装置的数控机床，加工中心的问世标志着数控装置进入了第二代。
由于加工中心集多工序与一身，所以提高了加工效率，实现了机械自动化。它是高技术、高效率、高精度的机械制造自动化加工设备，受到世界上各国的高度关注，德国、美国、日本等国家的数控机床的质量和精度是处于世界领先水平的，我国还在发展中阶段，要向拥有高端技术水平的国家学习，不断完善我国的数控机床精度和质量，最终拥有一流水平，这就需要众多研究者的不断努力。我们相信随着中国科技力量的不断提高，经济迅猛发展，国民创新能力逐步加强，最终实现由进口高精度数控机床向出口高精度机床的转变。
第一章 加工中心的简介
1.1 加工中心的发展历史
世界上第一台数控机床出现于1952年，它的出现使种类多样的、中小批量的加工制造机器设备在高效率生产、自动化生产和柔性生产上发生了一次举世瞩目的变革。操作人员在数控机床的自带的电脑中输人程序，使用便于修改操作的计算机加工程序对数控机床进行控制，以此完成工件的生产加工。所以比生产大批量工件的组合机床和专门生产特定零件的专用机床更加能够适应因生产不同工件而产生的各种各样的变化，具有更高的柔性化，非常容易进行种类多样的工件的加工生产。该数控机床通过数控系统对产品的生产实现全数字控制，同时控制机床主轴及刀具的几何图形运动功能，并且还可以实现对机床工艺、工序、工步等步骤和辅助功能的控制功能。这台数控机床的出现改变了传统的机械加工方式，因其生产高效和便捷，减少了部分劳动力，降低了生产成本，使整个行业都开始使用数控机床来加工零件，尤其是改变了中小批量的生产情况，其中普通机床占有比例大大降低。但是因为数控机床较之普通机床结构更加复杂、价格较高、维修更是繁复，所以在一些小型企业中数控机床并没有被很广泛应用，甚至不被使用。
1958年数控技术升级第二代，以此技术为基础的第一台加工中心在美国卡尼特雷克公司诞生。那么人们不禁发问：加工中心到底有什么功能，可以在哪种情况应用呢？首先，加工中心是数控铣床或者说成是数控镗床的二次升级版本。它是在数控镗、铣床的原定基础上又增加了机械手及自动换刀结构装置，使工件在装夹完成后，不必有拆装刀具的换刀步骤，大大节省了时间。工件和刀具仅一次装夹动作就可以完成钻孔、镗孔、车螺纹、铰孔等车床、铣床和镗床的工作任务，更重要的是，加工程序储存于加工中心或与之连接的电脑中，查找、修改错误或不完善的程序更加方便快速。其次，加工中心假若带有可以自动回旋转动的工作台或者可以旋转到各个范围的主轴箱，那么零件装夹完成后，加工中心可以实现在多平面、多角度完成操作。最后，设想在两台加工中心之间设有中转站，那么在一台机器故障的时候不影响其它机器继续工作，提高了柔性化程度。另外，单独的装卸台也是增强柔性的方法，工件在一台加工中心被加工时，其它的工件在装卸台装卸，不使加工过程受到任何影响。
综上所述，加工中心的出现是一场使机械制造业更加完善、更加精密、更加高效的技术革命。加工中心具备普通机床没有的特点，其一是可以进行种类繁多的和生产数量较多的零件的加工操作；其二是它能够增加机床的功能，例如自动检测、自动换刀、自动转换零件等。世界上并没有定义加工中心的标准，但是我们可以了解掌握的是加工中心使用数控技术利用数控系统对加工过程实时监控检测保证加工顺利完成。可以自动换刀的数控镗、铣床就可以被称之为加工中心。
1.2加工中心的组成结构
机床的功能、参数、类别不同，加工中心的结构组成也会有所差别。机床由基本零件和选择零件组成，数控系统有基本功能和选用功能两类，机床参数也有主参数和其它参数，所以加工中心的结构组成更是多样。但是在实际生活中，生产机床的工厂会根据客户的要求来生产适用不同工件的机床。大致来讲，同一种类的机床的功能和组成部件是没有太大的差异，加工中心的组成基本有以下几个部分：
1、基础部件
基础部件主要由机床床体、立柱和工作台等部分组成，是加工中心的基础结构。在加工工件时主要承载切削载荷和加工中心本身的静载荷，所以这些部件本身的刚度要非常高，足以承受负载。制作这部分基础部件时，要合理选择工艺，可以是铸造也可以是焊接。材料选择同样重要，因为基础部件是加工中心体积最大、质量最重的部分。
2、主轴系统
主轴系统主要由主轴箱、主轴、主轴处轴承、传递系统动力的电动机等零部件组成。数控系统控制主轴运动的开始、结束和变速转动等动作，刀具切削加工零件，是主运动，输出切削加工的功率，刀具是安装在主轴上的。主轴系统在整个加工中心中起着至关重要的作用，它是加工中心的关键之处，其结构优劣决定了加工中心性能的好坏。
3、数控系统
数控系统主要由PLC、伺服驱动装置、CNC装置和动力装置组成的。这个组成部分负责使加工中心能够按程序指令完成加工顺序，实现对加工过程的操纵。
4、自动换刀系统
自动换刀系统是由刀库和自动换刀装置组成。储存加工过程中所有的工序会用到的刀具的仓库就是刀库。当发出换刀指令时，通过数控系统命令自动换刀系统由液压缸操纵机械手同时将主轴完成加工步骤的和被选定的刀盘刀座中的刀具拔出，然后旋转90度，再同时将刀具插入主轴孔和刀座中。刀库的类型是多种多样的，有刀具呈单环排列的单盘式刀库、双盘式刀库、重叠双盘式刀库、三盘式刀库、行星盘式刀库、单环链式刀库、多环链式刀库、单面格子箱式刀库和多面格子箱式刀库多种。根据它们不同的适用范围和特点进行选用，它们的刀库容量也各不相同，有的可以容纳上百把，有的仅仅可以容纳十几把。完成换刀动作的机械手根据主轴与刀库相对位置的不同分为回转式、单臂式、双臂式和轨道式。
5、辅助系统
辅助系统主要是由液压、润滑、冷却、防护、排屑和随时检测系统等部分组成。虽然辅助部分不是直接参加到切削动作中，但是辅助系统对加工中心执行指令的精度、可靠性、安全性以及重要的加工效率方面起着不可磨灭的重要作用，它是加工中心的保护屏障。此外，为了达成更加快速地完成加工，减少不必要的非加工时间，一些加工中心安装有自动托盘交换系统。比如，已经装夹在工作台的工件可以在另一个地方进行拆卸，全部动作完成后托盘交换，这种做法愈加减少非切削时间，有效提高工作效率。
1.3加工中心的类型
1.3.1立式加工中心
根据加工中心形体样式的不同，将其分为卧式、立式和五坐标加工中心三种类型。如图1-1所示，立式加工中心安装有长方形工作台，立柱一般是固定不可移动的，适合加工体积不大的盘类、板类、壳体类工件。立式加工中心主轴轴向线始终呈垂直状。
图1-1 立式加工中心
1.3.2卧式加工中心
如图1-2所示，卧式加工中心的主轴轴向线始终处于水平状态。卧式加工中心的结构与立式加工中心相较有所不同，卧式加工中心的工作台是正方形的，并且可以进行分角度回旋转动。卧式加工中心的运动坐标通常为3-5个，其中我们最为常见，了解比较多的是X-Y-Z直线运动坐标系。这种模式能够在零件装夹好后，一次完成不包括零件与工作台的重叠面和最上方的平面外剩余平面的切削工作，所以适用于加工箱体类零件。[1]
图1-2 卧式加工中心
1.3.3五坐标加工中心
五坐标加工中心的功能更加齐全，它包含了立式加工中心与卧式加工中心所涵盖的一切功能。一次性装夹好工件后，五坐标加工中心可以很顺利地实现切削除零件本身与工作台重和面与顶端平面外的所有平面的功能。因为能够一次加工五个平面，所以被人们叫做五坐标工中心。五坐标加工中心有两种常见结构类型，第一种是工作台能够90度角旋转，第二种是主轴能够旋转90度。
1.4加工中心的多个优点
（1）提高加工质量 加工中心使工件完成一次装夹后，不必有二次装卸，就是实现了多道工序在一台机器上就可以完成的任务。这样做保证了工件的加工精度，很大程度地减小了加工误差。较为重要的是，加工中心依靠的是数控系统而不是人工操作，减少了由于人为原因造成的失误，大大增加了稳定性和精度。
（2）缩短加工准备时间 普通机床在加工零件时所需要的准备时间是加工中心所需要时间的数倍。加工中心可以加工多种工序而不需要多次拆装工件，这就大大节省了时间。
（3）减少在制品数目 过去传统的加工方法是一个工件在完成一种加工工序后会被传递到完成下一道工序的机床操作台上，可以想像这会有较多的正在加工中的产品。但是加工中心就改变了这一现状，充分发挥它“集多工序于一体”的优势，有效减少在制产品的数目。
（4）减少刀具费用 加工中心本身就带有可以容纳刀具的刀库，容纳程度大小不一。而普通机床没有刀库装置，需要另设刀架盛放刀具，这就增加了购买刀架的费用。加工中心使用刀库在空间利用率方面上大大节省了空间，降低了刀具的成本。
（5）较少的直接劳务费 利用数控系统实现全自动控制加工过程的加工中心由一名工作人员操作和管理，或者是一名工作人员操作管理多台加工中心，而且加工中心的工作台自动托盘交换装置和一些其它的辅助交换装置在夜晚照常工作，不会像人一样疲劳，这都是减少了聘用工人而花费的直接劳动费用。
（6）较少的间接劳务费 因为加工中心使多道工序集于一台设备完成，从而不需要工人将完成一道加工工序的零件搬至另一台设备来完成另一道加工工序，所以使间接劳动费用很大程度地降低，节省人工成本。
（7）增加设备利用率 使用普通机床加工工件的效率仅仅是加工中心的几分之一，使用加工中心加工能够大大地提高加工效率。此外，加工中心的适用范围大多是小批量或中批量零件和品种多样的零件的加工生产。
1.5加工中心的未来发展势态
立式加工中心主要面向发展态势良好的汽车零件企业、模具制造业、民用飞机企业、医学设备、电子设备、物理光学设备等产业。由于在制造飞机时，组成飞机的零部件大多是品种多样、生产批量很小的产品，所以飞机制造业更倾向于使用五轴加工中心来制造零部件。那么以后的精密零件、电子零件、半导体有关零件等相关企业也会需要使用制造更加精密的五轴加工中心生产零件。
生产有关飞机、半导体、模具等精密零件、电子零件的制造企业，正面临着加紧开发五轴加工中心以达到扩大市场占有率，提高企业竞争力的目的。在过去的几年间，制造零件大都使用立式加工中心，较之现在，越来越多的制造厂更加注重以模具制造为第一目标的提案不断涌现。据此能够清晰地看出目前需求不断向高效率、高品质、高速度靠近。
根据高精制造的生产目标，有些制造企业较为重视研究开发能够适应新加工环境的加工中心，例如可以加工不便于被切削制造材料的加工中心。还有一些新加工技术也在制造产品的同时被开发出来，比如减少工件装入和拆除加工中心的时间和更加集中加工工序的制造技术。但是研发人员并不满足于此，他们在完善加工中心的路上越走越远。一些厂商不断在试着将立式加工中心的控制轴再加上1-2个轴以此进一步提高工作效率，由于改良后是五轴同时控制，所以这样更加适用于复杂形状、曲面自由等零件的装夹。[2]
因为客户对产品要求愈加严格，在研究开发方面不得不加大力度，规定在降低成本或者不增加成本的同时保证产品高品质。这需要更加先进的制造技术及制造设备，更加催促厂商要不断更新、创新，研究出柔性制造设备。现在干式切削也在研究中，例如已经投入使用的高纯度氮气的干式加工系统。干式加工系统是通过氧化来控制精度变化，与此同时，为了不污染环境、提高材料利用率，把排屑集中处理便于回收二次利用。
由于卧式加工中心加工面是垂直的，切屑容易掉落，较适应长时间无人操作。它可以在较短时间内输入最适用规模的系统得益于它的模块结构。重要的是，卧式加工中心可以长时间无人操作，降低了成本。客户对卧式加工中心的要求更加趋向多品种、小批量的生产，要求生产设备能够灵活适应多工序工件的生产变化。根据汽车厂家的设备投资不断上升的态势，可见需求有望进一步扩大。除此之外，人们对产品生产的认知和对制造体系的看法正在发生本质的改变，于是因此而出现的新的制造体系大概会对小型设备形成的柔性制造线有潜在需求。
放眼望去，生产这些机器设备的企业不断追求高品质、高精度、高速度，同时也下手控制着生产成本，提高企业竞争力。通俗来讲就是这些企业的立足根本是如何研制小型设备、提高柔性化程度。从开发技术的趋势来看，如何在提高主轴转速、进给速度、提高精度的同时将模块化、有效应对热变位等目的集中表现出来是重点。其实，将机床高速化的研究课题一直在取得引人注目的优秀成绩。
因为主轴进给速度对加工时间有着直接影响，所以为了提高加工效率，利用高速进给技术通过安装直线电机驱动装置的设备类型不断增加。于此同时也有一些制造企业使用导程大的滚珠丝杠驱动进给轴而不是采用直线电机。高速卧式加工中心进给速度为120mm/min，进给加速度1.5G-2G，它是在主轴上使用双面约束刀具，从而减少重复定位、节省时间。为防止精度降低就要解决因高速引起的热变位问题，通常都利用单独的补正装置、冷却装置或主轴冷却结构。
数控立式车床适用于大体积、大质量、大直径工件的加工。虽然其也被各制造业使用，但是具有市场局限性。由于产品的市场占有率很大程度地反映了用户的需求意向，所以数控立式车床大多是根据客户要求专门订做的，增加了客户和厂商的亲密度。近期，向中国出售机床设备的厂商大量需要数控立式车床的情况引人注目，好似制船业对数控立式车床的需求进入暗淡期。大约从去年开始，生产数控车床的企业就在期待着高性能发电机、风力发电机、飞机业的订单，期盼这些行业会活跃于各社会行业中以此提高数控车床的需求量。
市场在交货期、质量、价格方面的要求不断提高，催发一些使用中小规模设备的企业为缩短产品的生产周期，更青睐一次装夹、适合多种加工的复合型加工设备。由于要考虑到环境要求，采用半干式加工的需要也在增长。据此类客户的需求，企业以产学协作方法研究出了气化热半干式加工技术，这种技术能够节省能源、控制电力使用。
如今的市场对高度通用性、价格低廉的立式数控车床的需求量仍然持续增加，与数控卧式车床相似的附带同加工中心功能一样的复合数控车床的研发始终处于高度活跃状态。众所周知，现今对形状复杂、曲面自由的工件的制造要求越来越严格，催生了众多研制带有镗、铣、钻等功能的车床的企业。
大体介绍加工中心的特点和发展趋势后，下面将着重介绍本次设计的重点--加工中心的刀库。
第二章 刀库种类
2.1刀库总体类型介绍
自动换刀装置中最重要部分之一有刀库，它能容纳的刀具数和布置结构对加工中心整体性能有重要影响。刀库主要用来存放刀具，大多数的加工中心都在某一固定点取刀、送刀，所以设计刀库时必须要有定位机构和可回转装置来保障换刀的可靠性。刀库的动力装置使用伺服电动机，同时还配有蜗轮蜗杆减速装置。为了使刀库定位更加精准，每一把刀都可以准确停在固定位置换刀，可以使用定位控制器，也可以使用由液压缸控制的销定位，其定位精度一般可以达到0.1-0.5mm。[3]
由于不同种类的刀库容量不同，取刀方式更是多种多样，所以在设计刀库时可供参考的方案更加繁多。如图2-1所示，这些是几种常见刀库类型。
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
h）格子式
a-d是单盘式刀库，将刀具的轴线按不同方向、不同角度布置可以更好地适应主轴的布置。其中，d所示为刀具可以旋转90度的盘式刀库，这种刀库结构简单，主要可以方便取刀，应用范围比较广，但是有一个缺点，那就是受到刀盘尺寸局限，该形式的刀库容量比较小，只可容纳15-30把刀。采用图2-1中e-h所示刀库时，就不必考虑刀库结构尺寸的限制，它们可以容纳较多数量的刀具并且不会使用过多空间，大大提高加工中心的空间利用率。图2-2-e所列的鼓筒弹夹式刀库，虽然它的刀库容量大，结构紧凑，但其较为复杂的选刀、取刀操作使其使用带来一些困难。如图2-1-f，链式刀库的结构与盘式刀库相比是比较灵活的，能容纳较多刀具，容易选刀和取刀。当刀具数目过多而需要较长的链条时，同时也要考虑节省空间，将链条折叠盘绕。图2-1-g的多盘式刀库和图2-1-h的格子箱式刀库虽然也具有结构紧凑的特点，但是由于选刀和取刀动作不简单，所以很少使用。
2.2加工中心常用刀库类型
刀库类型较为丰富，但是不是每一种都可以广泛使用，盘式刀库和链式刀库是在加工中心上使用广泛的两种类型。
（1）盘式刀库 盘式刀库又分为鼓轮弹夹式、双鼓式、重叠双鼓式、行星鼓轮式等多种类型。由于多数刀具是在刀盘上单环形排列的，浪费了较多空间，为了减少浪费，出现了双环形和多环形排列的盘式刀库，这种排列方式可使刀库容纳更多数量的刀具。但是这种结构也有缺点，它会使刀库直径增大，转动惯量随之增大，选刀时间增长的问题也相伴而来。因此当刀具数目较少时，选用盘式刀库会更为合适。
图2-2-1盘式刀库的不同形式
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2-2-2所示，结构紧凑、容纳量大的链式刀库的结构设计更为灵活，因为链式刀库的链条可以折叠盘绕，能够适应多种机床的布置格局。换刀刀位可以设计成凸起的，这样有利于换刀。链式刀库的刀座不足以容纳更多的刀具时仅需增加链条便可而不需要改变刀库结构及尺寸。在不超过额定范围时，线速度和转动惯量也是不需要更改的。链式刀库的这些特点使其在加工中心应用方面具有很大优势，应用广泛，可以满足不同条件的使用要求。
图2-2-2 链式刀库
此次设计的是加工中心24刀盘式刀库及自动换刀装置机械结构设计，下面将接一下设计过程。要想弄懂刀库的结构原理，就必须先明白如何换刀。
换刀过程：
（1）刀套下翻 换刀之前，刀库2先转动，等到被换刀具5转到定点，刀套4向下翻转90度。
（2）机械手爪刀 机械手1在原位置上旋转90度，手爪分别抓住主轴3和刀座上的刀具。
（3）刀具松开 主轴上的夹紧机构松开刀具。
（4）手爪拔刀 机械手下降后，一同拔出刀具。
（5）换刀 机械手抓着交换后的刀具旋转180度。
（6）手爪插刀 机械手向上升，将两把刀具分别插入主轴孔和刀座中。
（7）刀具夹紧 主轴上的夹紧机构自动夹紧刀具。
（8）液压缸的活塞复位 使机械手逆向旋转180度的液压缸的活塞复位。
（9）机械手松开刀具 从k向观察，机械手1会逆向转动75度，放开刀具并且回到原位。
（10）刀套上翻 刀具伴随刀套向上翻转90度。
图2-2-3 换刀过程的示意图
1—机械手 2—刀库 3—主轴 4—刀套 5—刀具
2.3刀库传动原理
2.3.1刀库结构和传动
（1）刀库组成 如图2-3-1，是盘式刀库大体结构组成，主要有电动机、刀盘、刀座刀套、拨叉等部件组成。更详细部分可参考图2-3-2。
（2）刀库如何选刀 数控系统下达选刀命令，伺服电机1通过连轴器2、蜗杆3及蜗轮4传递动力，使刀盘12转动到指定地点。
（3）刀套向下翻动 等到待换刀具到达换刀地点时，刀套尾端的滚子10转进拨叉8的槽孔内。由此，液压缸5下腔内通进液压油，活塞使拨叉上升，同时放开行程开关，以达到断开电路的目的，防止发生错动作。拨叉上升，连带刀套向下翻转90度，让刀具轴线和主轴轴线处于平行状态，同时按下开关6，发出信号让机械手爪刀。相反，拨叉下降，刀套随之上翻90度。[4]
图2-3-2 刀库结构图
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2-3-2 刀库结构图
1—电动机 2—联轴器 3—蜗轮 4—蜗杆 5—液压缸 6—活塞杆 7—拨叉 8—挡标 9、10—行程开关 11—滚子 12—销轴 13—刀套 14—刀盘
2.4刀库相关参数设定
目前常见的驱动方式有使用液压机和伺服电机驱动两种，现如今我国的加工中心大都使用伺服电机，所以此次设计也采用伺服电机用于驱动。
主要参数设定：侧挂式刀库、24把刀具、最大刀具直径40mm、换刀时间2.8s、平均重量7kg、最大线速度22-30m/min、刀具规格BT45。
2.4.1计算电机的传动比
选取交流伺服电动机：型号Parker SMH 115、额定功率1.5kw、额定转矩9Nm、最大输出转矩18Nm、满载转速1600r/min、转动惯量900kgmm2、刀盘转速60r/min。
1、计算总传动比：
i=nmn=160060=26.7 （2-1）
由《机械设计手册》中选择标准传动比i=20。[5]
2、计算各轴的转速、功率、转矩
电机输入转矩：
Td=9.55×106Pdnm=9.55×106×1.51600=8.95×103N∙mm （2-2）
轴I（蜗杆轴）：
nI=nm=1600r/min （2-3）
PI=Pdη1η2=1.5×0.72×0.98=1.0584kw （2-4）
TI=Tdη1=8950×0.98=8771N∙mm （2-5）
轴II（蜗轮轴）：
nII=nmi=160020=80r/min （2-6）
PII=PIη2=1.0584×0.98=1.037kw （2-7）
TII=TIη2η1i=8771×0.98×0.72×20=1.24×105N∙mm （2-8）
表2-2 传动比的分配
轴名
功率kw
转矩Nmm
转速r/min
传动比i
效率
电机轴
1.5
8950
1600
1
0.98
轴I
1.0584
8771
1600
20
0.98
轴II
1.037
124000
80
20
0.72
2.4.2电动机的校核
1、按负载转动惯量
JLC=Jininm2 （2-9）
JLC—负载转动惯量
Ni—各旋转件转速
Nm—电机转速
JLC=6016002+160016002+8016002=1040kg∙mm2 （2-10）
由于：
Jmc≥JLC3 （2-11）
900≥10403=347
Jmc—电动机转动惯量
所以：符合要求。
2、按由重力引起的摩擦力矩TFc
TFc≈μGcRsp=0.15×118×0.309=0.267N∙m （2-12）
μ--槽轮与锁止盘之间的摩擦系数，取0.15
Gc—刀盘重量
Rsp—滚子中心距锁止盘中心距离
因为TFc≤电动机的额定转矩9Nm，所以符合要求。
3、按最大加速转矩Tcam
当电动机由开始启动到加速于最大转速时：
Tcam=Jc2πncmax60tca=1.04×10-3×2×3.14×160060×0.2=0.87Nm （2-13）
ncmax—电动机的最高转速
tca--加速时间，取0.2秒
电动机的最大起动转矩：
Tcr=TFc+Tcam=0.267+0.87=1.137N∙m （2-14）
由于Tcr≤电动机的最大转矩18Nm，所以符合要求。
第三章 刀库传动部分的设计
3.1刀库部分设计
选刀效率会受到刀套的线速度的影响，所以要选择合适的线速度来保证刀库工作的高效率和可靠性。在这次设计中，选择线速度为25m/min。同时保证交流伺服电动机在最佳的状态时高质完成工作，大都不会选择使用交流伺服电动机的低速度时段，所以要采用蜗轮蜗杆装置降速。
蜗杆的传动类型：渐开线蜗杆，45号钢，淬火处理。
蜗轮：铸造锡青铜，金属模铸造。[6]
3.1.1确定蜗杆和蜗轮的基础尺寸参数
表3-1 尺寸参数表
模数m
轴向齿距px
分度圆直径d1
头数z1
直径系数q=d1/m
3.15
9.896
35.5
2
11.270
齿顶圆直径da
齿根圆直径df
分度圆导程角γ
法向压力角αn
m2d1
41.8
27.9
10°03'48"
20︒
352.25
中心距
a
a=80mm
按规定选择
齿顶高系数
ha*
ha*=1
顶隙系数
ca*
ca*=0.2
顶隙
c
c=2
按规定选择
蜗杆
齿顶高
ha
ha=4
按规定选择
蜗杆齿根高
hf1
hf1=6
蜗杆齿高
h1
h1=28
蜗轮齿数
=40
分度圆直径
=126
齿顶圆直径
=132.3
齿根圆直径
=121.3
蜗轮咽喉
母圆半径
=16
3.1.2相关校核验算
1、滑移速度Vs
Vs=V1cosγ=πd1n160×1000cosγ=π×35.5×160060×1000×cos10°03'48"=3.02m/s （3-1）
2、蜗轮齿面接处疲劳强度
K=KAKβKv=1.15×1×1.05=1.21
N=60jn2Lh=60×1×80×365×5×24=2.02×107
σH=KHNσH'=8107N×268=81072.02×107×268=245.45 （3-2）
σH=480kT2d2m2Z12=1.21×110.68×100035.5×3.152×402=212.7<σH （3-3）
经计算，符合要求。
3、蜗轮齿根的弯曲皮劳强度
x2=am-d1+d22m=803.15-35.3+1262×3.15=-0.2 （3-4）
ZV2=Z2cosγ=40cos10°03'48"=41.67 （3-5）
KFN=9106N （3-6）
σF=σF'KFN=56×9106109=43.36 （3-7）
σF=1.53KT2d1d2mYFa2Yβ=1.53×1.21×110.68×100035.5×126×3.15×2.62×1-10°03'48"140°=29.28<σF （3-8）
经计算，符合要求。
4、验算m2d1
m2d1≥1.53KT2Z2σFYFa2Yβ=1.53×1.21×110.68×100040×43.36×2.62×0.93=237.90mm3 （3-9）
因为m2d1=352.25mm3，所以符合要求。
5、蜗杆刚度的校核
蜗杆所受圆周力：
Ft1=2T2d1=6235.49 （3-10）
蜗杆所受径向力：
Fr1=2T2d2tan20°=639.43 （3-11）
E=200GPa
I=πdf1464=π×27.9464=2.97×104 （3-12）
L'=0.9d2=0.9×126=113.4 （3-13）
y=d11000=0.0355 （3-14）
y=Ft12+Fr1248EIL'3=6235.492+639.43248×2×105×2.97×104×113.43=0.032
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