JCS-013型数控卧式镗铣床刀库设计 毕业设计论文

定制全套设计，选择圆梦设计 I 宁学 毕业设计 (论文 ) 数控卧式镗铣床刀库设计 所在学院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导老师 年 月 日 要 90 年代以来，数控加工技术得到迅速的普及发展，高速加工中心作为新时代数控机床的代表，已在机床领域广泛。自动换刀刀库的发展俨然已超越为数控加工中心配套的角色，在其特有的技术领域发展出符合机床高精度、高效率、高可靠度及多任务复合等概念的独特产品。本课题是链式刀库的总体设计、传动设计、结构设计以及传 动部分的运动和动力设计。这种刀库在数控加工中心上应用非常广泛 ,其换刀过程简单，换刀时间短；总体结构简单、紧凑，动作准确可靠；维护方便，成本低。 本课题的目的就是要通过对 数控卧式镗铣床 刀库的优化设计以提高换刀速度，减少助助时间。 在进行设计时，采用了 系统化设计方法 ， 将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。 在借鉴和参考大量有关刀库的机械结构后，结合实际情况， 决定采用链式刀库双 手式机械手换刀方案，根据机械设计与机械原理等有关知识对 用 004 中文版对刀库及关键零件进行绘制。 关键词：加工中心；刀库；数控加工 定制全套设计，选择圆梦设计 990s,as a of C in of of in to C of in of to as of as a of it a on of s s of a in is is is is is of is to of of C In I is as a is of is is of to of to of to nc of 004. C 录 摘 要 . . 录 . 1 章 绪 言 . 1 课题在国内外的研究动态 . 1 库产品目前的水平 . 2 库系统的发展趋势 . 2 库系统的发展方向 . 3 题的目的、意义和开展研究工作的设想 . 3 题的目的 . 3 展研究工作的设想 . 3 题设计方案的选择和设计手段 . 4 第 2 章 刀库传动系 统设计 . 6 库主要设计参数 . 6 库驱动液压马达的选择 . 6 库负载转矩 算 . 6 定液压马达转数 . 8 轮设计参数 . 9 择齿轮材料、热处理方法及精度等级 . 9 齿面接触疲劳强度设计齿轮 . 9 要参数选择和几何尺寸计算 . 11 根校核 . 12 的设计 . 13 动轴承的选择与校核计算 . 18 联接的选择及其校核计算 . 19 第 3 章 链参数计算 . 22 送链的设计 . 22 定制全套设计，选择圆梦设计 V 式轴的设计 . 23 动轴的设计 . 23 承的选型及校核 . 25 强度计算 . 27 链传动的运动特 性 . 27 链传动的动载荷 . 28 链传动的受力分析 . 29 轮接触强度的计算 . 30 第 4 章 刀库准停系统的设计 . 31 结 论 . 33 参考文献 . 34 致 谢 . 35 定制全套设计，选择圆梦设计 1 第 1 章 绪 言 课题在国内外的研究动态 随着中国经济的快速发展，进入 21 世纪，我国机床制造业既面临着提 升机械制造业水平的需求而引发的制造装备发展的良机，也面临着加入 激烈的市场竞争的压力。从技术层面上讲，加速推进数控技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。 数控机床及由数控机床组成的制造系统是改造传统产业 、构建数字化企业的重要基础装备，它的发展一直备受人们关注。数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，它开创了机械产品机电一体化发展的先河，因此数控技术成为先进制造技术中的一项核心技术。另一方面，通过持续的研究，信息技术的深化应用促进了数控机床的进一步提升 【 1】 。 随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。 数控机床主要由数控装 置、伺服机构和机床主体组成，输入数控装置的程序指令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入 2。 随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能，可靠性也大大提高，数控系统本身将普遍实现自动编程。 未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多；激光加工等技术将应用在切削加工机床上，从而扩大多工序集中的工艺范围；数控机床的自动化程度更加提高，并具多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加 便于纳入高度自动化的柔性制造系统中 3。 数控机床为了进一步提高生产率，进一步压缩非切削时间，现代的机床逐步发展为在一台机床上一次装夹中完成多工序或全部工序的加工。数控机床为了能在工件一次装夹中完成多个工步，以缩减辅助时间和减少多次安装工件引起的误差，通常带有自动换刀系统。对工件的多工序加工而设置的存储及更换刀具的装置称为自动换刀装置（ 自动换刀（ 称 统由控制系统和换刀装置组成 6 。在数控镗铣床的基础上，如果再配以刀具和自动换刀系统，就构成加工中心（ 称 在这类数控机床上，自动换刀装置（ 必不可少的 4。例如加工中心机床又称多工序自动换刀数控机床，它主要是指具有自动换刀及自动改变工件加工位置功能的数控机 2 床，具有自动换刀装置是加工中心机床的典型特征，是多工序加工的必要条件。自动换刀装置的功能，对整机的加工效率有很大的影响 5。 数控机床的自动换刀装置的结构形式多种多样，选择何种形式，主要取决于机床的种类、工艺范 围以及刀具的种类和数量等。本课题中的 数控卧式镗铣床将采用的是带刀库的自动换刀形式。 库产品目前的水平 在此概念基础下，刀库产品的发展现况为： （ 1） 超重刀库的发展：发展出刀链系统能承载重量 70上之超重刀具，拥有强力锁刀装置的稳定刀链架构，可防止重型刀具于运转中坠落。 （ 2） 高效率且定位精度的驱动及选刀系统的发展：发展出高精度系统配置以及高质量、高定位精度的伺服电动机及减速器，以符合选刀迅速、换刀精确的主要性能需求。 （ 3） 多型式刀具容载刀库的发展：发展出同时可容纳多种型式刀具（如 刀链系统，也被视为是必须时常变换使用多种主轴的加工中心的必备装置。 （ 4） 不同型式刀及其任意点换刀系统的发展：可以同时夹取不同型式刀具（如 因应需求必须有不同的刀具。为了缩短换刀时间，多点式或任意点式换刀系统是有必要的。 （ 5） 轻量化、低成本架构刀库的发展：发展出轻量化的塑钢射出刀套架构，整体重量较传统刀库减轻 100上，成本大幅降低的刀库。 （ 6） 大型及高容量刀库的发展：在机床多功能趋势演化下，大量的刀具被使用在同一台机床上，刀库的架构必须兼顾换刀效率及储刀效能，多变的刀库型体（可容纳 120/180/200 把以上刀具）及多样精密的换刀系统（如各种立式、卧式、立卧单点及多点式换刀系统），是其主要的特色 6。 库系统的发展趋势 近年来刀库的发展俨然已超越其为装备的角色，在特有的技术领域中发展出符合工具机高精度、高效能、高可靠度及多任务复合等概念产品，多样化产品，左右工具机在生产效能及产品精度的表现。刀库的容量、布局，针对不同的工具机，形式也有所不同。根据刀库的容量、外型和取刀的方式可大概分为斗笠式刀库、圆盘式刀库、链条式刀库 7。其发展趋势为： （ 1）高效能的产品 发展符合高荷重、高容量、高速化概念的刀库产品。 （ 2）轻量化、低成本的产品 定制全套设计，选择圆梦设计 3 发展符合重量轻、成本低概念的刀库产品。 库系统的发展方向 刀库系统作为自动化加工过程中所需的储刀及换刀需求的一种装置，为数控机床缩短机床非切削时间，降低劳动强度提供了必要条件，是数控机床的重要的功能部件，必将向以下几个方向发展。一方面随着主机的“单机多任务复合化”发展，刀库也必将向容量大、结构精、速度快、效率高的方向发展，以适应主机的高转速、高精度和强力切削的机械特性。此类刀库大部分为卧式刀库，有下面几个特 点： （ 1） 可远距离传输。 （ 2） 换刀时可同步打刀，缩短换刀时间。 （ 3） 大容量且可扩充。 （ 4） 高效且精准的驱动和选刀系统。 （ 5） 控制系统复杂 （ 6） 刀具重量大。比如适合五轴联动的立卧转换伺服刀库。而另一方面，刀库仅作为单纯的储刀仓功能存在，主轴主动抓刀的“固定地址换刀”刀库也是发展的方向之一，此时刀库好比数控系统的一个控制轴，仅有旋转定位功能，如立车刀库、转盘刀库等 8。 尤其以 40 盘式刀库为代表，换刀速度和刀库重量已经成为衡量刀库性能的主要参数之一，比如，吉辅 40 盘式刀库的换刀速度 量已经降到 295 在选材上更环保 ，在制作过程中减少消耗，使用过程智能、安全等也是刀库发展的方向之一。 题的目的、意义和开展研究工作的设想 题的目的 未来工具机产业的发展，均以追求高速、高精度、高效率为目标。随着切削速度的提高，切削时间的不断缩短，对换刀时间的要求也在逐步提高；换刀的速度已成为高等级工具机的一项重要指标。 本课题的目的就是要通过对刀库的优化设计以提高换刀速度，减少助助时间。 展研究工作的设想 为了达到 减少辅助加工时间 目的， 综合考虑工具机的各方面因素，在尽可能短的时间内完成刀具交换一般强调换刀速度 快的卧式机台，皆有几个特点： 主要目的是要让换刀时，可动件之转动惯量小，以达到快速换刀之目的。该技术包括刀库的设置、换刀方式、换刀执行机构和适应高速工具机的结构特点等 。 4 （ 1） 提高换刀速度的基本原则 工具机的换刀装置，通常由刀库和换刀机构组成，有些应用机械手臂换刀，有些换刀方式并不需要机械手臂，刀库的形式和摆放位置也不一样。为了适合高速运动的需要，高速工具机在结构上已和传统的工具机不同。以刀具运动进给为主，减小运动工件的质量，已成 为高速工具机设计的主流。因此，设计换刀装置时，要充分考虑到高速工具机的结构特征 9。 （ 2）提高换刀速度的主要技术方法 适合于工具机的快速自动换刀技术主要有以下几个方面：在传统自动换刀装置的基础上提高动作速度，或采用动作速度更快的机构和驱动元件。例如，机械凸轮结构的换刀速度高于液压和气动结构。根据高速工具机的结构特点设计刀库和换刀装置的形式和位置。例如，传统工具机的刀库和换刀装置多装在立柱一侧，在高速工具机则多为立柱移动的进给方式，为减轻运动件质量，刀库和换刀装置不宜再装在立柱上。采用新方法进行刀具快速交 换，不用刀库和机械手方式，而改用其它方式换刀。例如不用换刀，用换主轴的方法。使用适合于高速工具机的刀柄。如 卸刀具的行程短，可以使自动换刀装置的速度提高。快速自动换刀装置采用 心短锥柄刀是发展的趋势。 题设计方案的选择和设计手段 I 设计方案选择 刀库是刀具交换系统的一部分，加工中心的刀具交换系统也称为自动换刀装置（ ,它通常是由刀库和机械手组成。自动换刀装置是加工中心不可缺少的组成部分，也是加工中心的象征，又是加工中心成败的关键。 加工中心有立式、卧式、龙门式几种， 所以这些机床的刀库和自动换刀装置也是各种各样。加工中心上的刀库类型有鼓轮式刀库，链式刀库，格子箱式刀库和直线刀库等。 （ 1）鼓轮式刀库： 应用较广，这种刀库的结构紧凑，但因刀具单环排列、定向利用率低，大容量刀库的外径较大，转动惯量大，选刀时运动时间长。因此这种刀库的容量较小，一般不超过 32 把刀具。 （ 2）链式刀具 容量较大，当采用多环链式刀库时，刀库的外形较紧凑，占用空间小，适合用于做大容量刀库。在增加存储刀具数目时，可增加链条的长度，而不增加链轮直径，因此，链轮的圆周速度不会增加，且刀库的运动惯量不像鼓轮 式刀库增加的那么多。 （ 3）格子箱式刀库 定制全套设计，选择圆梦设计 5 刀库容量大，结构紧凑，空间利用率高，但布局不灵活，通常将刀库安放于工作台上。有时甚至在使用一侧的刀具时，必须更换另一侧的刀座板。 （ 4）直线式刀库 结构简单，刀库容量较小，一般用于数控车床，数控钻床，个别加工中心也有采用。 换刀机械手分为单臂单手式，单臂双手式和双手式机械手。单臂单手式结构简单，换刀时间较长，适用于刀具主轴与刀库刀套平行，刀库刀套轴线与主轴轴线平行，以及刀库刀套轴线与主轴轴线垂直的场合。单臂双手机械手可同时抓住主轴和刀库中的刀具，并进行拔出、插入，换 刀时间短，广泛应用于加工中心上的刀库刀套轴线与主轴平行的场合。双手式机械手结构较复杂，换刀时间短，这种机械手除了完成拔刀、插刀外，还起运输刀具的作用。 结合所给题目，初步决定采用链式刀库双手式机械手换刀方案。 计手段 采用 系统化设计方法 ， 将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。 结合本课题实际，根据机械设计与机械原理等有关知识对 数控卧式镗铣床刀库进行设计，采用 004 中文版对刀库及关键零件进行绘制。 6 第 2 章 刀库传动系统设计 库主要设计参数 安装形式：链式刀库 刀库容量： 60 把 送刀方式：任意 刀具尺寸（最大）：长 400 毫米，直径 120 毫米 刀具重量（ 约 10 千克 链条快速移动速度为 8 米 /分，慢速移动速度为 /分。 库驱动液压马达的选择 刀库驱动液压马达的选择应同时满足刀库运转时的负载转矩 和起动时的加速转矩 要求。由于链条转速很低和液压马达惯性小、起动转矩小的特点，为了计算简便，在计算时，忽略起动加速转矩 在最后结果上乘以一个工作系数。 库负载转矩 算 链式刀库负载转矩 ，如图 2示。 不平衡重力； 擦力 图 2条受力分析图 支承面的摩擦力 ; 是导向面上因刀具下垂而引起的摩擦力。不平衡重力可按刀库一侧装满刀、一侧不装刀时的最大重力差值来计算。 （ 1）确定不平衡重力 图 2 ,不平衡重力 3mm 定制全套设计，选择圆梦设计 7 （ 2）确定摩擦力 F 3 (2 钢与铜之间的摩擦系数，约取 N 垂直作用在导向面上的压力，包括刀具、刀柄和刀座产生的重力，分别为 b， )(3 2 01 2 96 4 刀座外半径，取 50 L 刀座长度，取 210 （ 3）确定每排刀具负载转矩 Tf 30300( m a 4）确定每排刀具作用在主动轮上的负载转矩 321/ T (2 1 圆柱齿轮传动效率，取 2 链传动效率 ,取 3 深沟球 轴承传动效率，取 （ 5）确定作用在液压马达上的负载转矩 8 4321 4(22 i 液压马达轴至刀库轴的速比，取 9； 传动效率。 考虑到实际情况比计算时所设定的条件复杂，液压马达额定转矩 为负载转矩 ，即 T 定液压马达转数 由刀库设计参数知，链条快速移动速度为 8 米 /分，即 8000mm/慢速移动速度为 /分，即 200mm/ （ 1）确定链轮周长 S 0 d=272构参数，自 己设定，图纸表达了） （ 2）确定液压马达的转速范围 / m m 0 98 00 0m a x n 定制全套设计，选择圆梦设计 9 根据参数，选型为 轮 设计参数 择齿轮材料、热处理方法及精度等级 齿轮材料、热处理方法及齿面硬度 因为载荷中有轻微振动，传动速度不高，传动尺寸无特殊要求，属于一般的齿轮传动，故两齿轮均可用软齿面齿轮。查机械基础 14 10，小齿轮选用 45 号钢，调质处理，硬 度 260齿轮选用 45 号钢，调质处理，硬度为 220 精度等级初选 减速器为一般齿轮传动，圆周速度不会太大，根据机械设计学基础 5 7，初选 8 级精度。 齿面接触疲劳强度设计齿轮 由于本设计中的减速器是软齿面的闭式齿轮传动，齿轮承载能力主要由齿轮接触疲劳强度决定，其设计公式为： 123113 . 5 3() 确定载荷系数 K 因为该齿轮传动是软齿面的齿轮，圆周速度也不大，精度也不高，而且齿轮相对轴承是对称布置，根据电动机和载荷的性质查机械设计 学基础 5 8，得 K 的范围为 取 K 小齿轮的转矩 10 1 1 12 . 0 99 5 5 0 / 9 5 5 0 4 2 . 7 5 8 4 2 7 5 84 6 6 . 7 9 8 / m i n N m N m 接触疲劳许用应力 l i S ）接触疲劳极限应力 由机械设计学基础 5 30 中的 值线，根据两齿轮的齿面硬度，查得 45 钢的调质处理后的极限应力为 600 ， 560 ）接触疲劳寿命系数 应力循环次数公式为 N=60 n 工作寿命每年按 300 天，每天工作 8 小时，故 300 10 8)=24000h 0 1 24000=108 8 812N 6 . 7 2 2 1 0N = 1 . 6 8 1 1 0 查机械设计学基础 5 31，且允许齿轮表面有一定的点蚀 ) 接触疲劳强度的最小安全系数 机械设计学基础 5 10，得 1 ）计算接触疲劳许用应力 。 将以上各数值代入许用接触应力计算公式得 l i m 1 11m i 0 1 . 0 2 6121Z M P a M P l i m 2 22m i 0 1 . 1 5 6441Z M P a M P ）齿数比 因为 Z2=i 以214）齿宽系数 由于本设计的齿轮传动中的齿轮为对称布置，且为软齿面传动，查机械基础 定制全套设计，选择圆梦设计 11 14 12， 得到齿宽系数的范围为 1d 。 ）计算小齿轮直径 于 21 ，故应将 1p 代入齿面接触疲劳设计公式，得 22 1 3313 . 5 3 1 3 . 5 3 1 8 9 . 8 1 . 5 4 2 7 5 8 4 1( ) 4 5 . 8 0 m 2 1 4 M ud m 圆周速度 v 111 4 6 6 . 7 9 8 4 5 . 8 0 1 . 1 2 /6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0m s 查机械设计学基础 5 7， 3 10 和 0 63 10 ，查机械设计学基础 5 34 得， , )弯曲疲劳强度的最小安全系数 传动要求一般的可靠性，查 机械设计学基础 5 10，取 ）弯曲疲劳许用应力 定制全套设计，选择圆梦设计 13 将以上各参数代入弯曲疲劳许用应力公式得 F l i m 1F P 1 N 1F m i Y = 1 M P a = 1 5 0 M P . 2 F l i m 2F P 2 N 2F m i Y = 1 M P a = 1 4 1 . 6 7 M P . 2 ）齿根 弯曲疲劳强度校核 11 1 112 2 1 . 5 4 2 7 5 8= 2 . 8 1 M P a = 3 3 . 3 7 M P 3 6 0F F F b m d 12 2 212 2 1 . 5 4 2 7 5 8 2 . 2 4 2 6 . 6 06 0 3 6 0F F F M P a M P ab m d 因此，齿轮齿根的抗弯强度是安全的。 的设计 （ 1） 高速轴的设计 选择轴的材料和热处理 采用 45钢，并经调质处理，查 机械基础 6 1， 得其许用弯曲应力 1 60M ，118 106A 。 初步计算轴的直径 由前计算可知： 中， 12。 13312 . 0 91 1 2 2 0 . 1 0 8 m 6 . 7 9 8 主考虑到有一个键槽，将该轴径加大 5%，则 d = 2 0 . 1 0 8 1 0 5 % = 2 1 . 1 1 m m 2 2 . 4 m m 查 机械基础 录 1，取 d=25 轴的结构设计 高速轴初步确定采用齿轮轴，即将齿轮与轴制为一体。 根据轴上零件 的 安装和固定要求，初步确定轴的结构。设有 7 个轴段。 1 段：该段是小齿轮的左轴端与带轮连接，该轴段直径为 25机械基础 3，取该轴伸 60 14 2 段： 参考机械基础 轴肩高度 h 为 d2=h=28 此轴段一部分用于装轴承盖，一部分伸出箱体外。 3 段：此段装轴承，取轴肩高度 h 为 1 d3=h=30 选用深沟球轴承。查机械基础 录 24，此处选用的轴承代号为 6306，其内径为 30度为 19 为了起固定作用，此段的宽度比轴承宽度小12此段长 7 4 段 与 6 段：为了使齿轮与轴承不发生相互冲撞以及加工方便，齿轮与轴承之间要有一定距离，取轴肩高度为 2 d4=d6=h=33度取 5 5 5 段：此段 为 齿轮 轴段。由小齿轮 分度圆直径 600因为小齿轮的宽度为 70则 0 7 段： 此段装轴承，选用的轴承与右边的轴承一致，即 017 由上可算出，两轴承的跨度 L 1 7 5 2 7 0 9 7L 按弯矩复合强度计算 A、 圆周力： 11 12 2 4 2 7 5 8 1 4 2 5 . 360t B、径向力： 011 t a n 1 4 2 5 . 3 t a n 2 0 5 1 8 . 8 N ） 绘制轴受力简图 定制全套设计，选择圆梦设计 15 ） 绘制垂直面弯矩图 轴承支反力： 1 5 1 8 . 8 2 5 9 . 422A Y B Y N 1 1 4 2 5 . 3 7 1 2 . 6 522A z B z N 由两边对称，知截面 C 的弯矩也对称。截面 C 在垂直面弯矩为 1 9 7 9 72 5 9 . 4 1 2 5 8 0 . 922c A N m m 如图 ） 绘制水平面弯矩图 2 977 1 2 . 6 5 3 4 5 6 3 . 522c A Z N m m ） 绘制合弯矩图 22 22111 ( ) 1 2 5 8 0 . 9 3 4 5 6 3 . 5 3 6 7 8 2 . 0 1C V C HM c M M N m m 16 ）绘制扭转图 转矩产生的扭剪力按脉动循环变化，取 = 1 0 . 6 4 2 7 5 8 2 5 6 5 4 . 8a M N m m ） 绘制当量弯矩图 截面 C 处的当量弯矩： 22 221( ( ) ) 3 6 7 8 2 . 0 1 ( 0 . 6 4 2 7 5 8 ) 4 4 8 4 5 . 1 2cM e c M M N m m )校核危险截面 C 的强度 轴上合成弯矩最大的截面在位于齿轮轮缘的 C 处， W 34 4 8 4 5 . 1 2 1 2 . 4 8 6 00 . 1 3 3 e c M P a M P 所以 轴强度足够。 （ 2）低速轴的设计 选择轴的材料和热处理 采用 45钢，并经调质处理，查 机械基础 6 1， 得其许用弯曲应力 1 60M ，118 106A 。 初步计算轴的直径 由前计算可知： 算轴径公式： 2322： 其中， 06。 定制全套设计，选择圆梦设计 17 2 33222 . 0 0 71 0 6 2 7 . 3 61 1 6 . 7 0 0 m 考虑 到有一个键槽，将该轴径加大 5%，则 2 2 7 . 3 6 1 . 0 5 2 8 . 7 3d m m 查 机械基础 录 1，取 d=30 轴的结构设计 根据轴上零件得安装和固定要求，并考虑配合高速轴的结构，初步确定低速轴的结构。设有 6 个轴段。 1 段： 此段装联轴器。装联轴器处选用最小直径 2据机械基础 录32，选用8232 82326 1 轴孔直径为 32孔长度为60据联轴器的轴孔长度，又由机械基础 录 23，取 轴伸段（即段）长度 58 2 段： 查机械基础 轴肩高度 h 为 d2=h= 轴段一部分长度 用于 装轴承盖，一部分伸出箱体外。 3 段： 取轴肩高度 h