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南 京 理 工 大 学毕业设计说明书(论文)作 者:学 号：教学点:专 业:题 目:加工中心40刀刀库设计(链式刀库)指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 年 月毕业设计说明书（论文）中文摘要以加工中心自动换刀装置中的刀库的设计与控制为背景，根据使用的场合和实际运用的要求，设计了相应的40刀的链式刀库，并且对它的控制进行了一定的研究。论文首先对40刀刀库总体设计方案进行阐述，阐述其各部件的工作原理，然后就刀库的结构设计与控制分章节对各个部分进行计算与设计。刀库的机构设计是研究的重点，传动部分为蜗杆蜗轮的减速装置，控制部分为刀库送刀机构，由PLC控制刀库的正反转。关键词：加工中心，刀库，蜗杆蜗轮， PLC。毕业设计说明书（论文）外文摘要Title 40 Machining Center Design Magazine (Chain Magazine) AbstractTake the machining center automatically trades in the knife installment the Tool magazine design and the control as a background, according to the use situation and the actual utilizations request, has designed the corresponding forty tools chain Tool magazine, and has conducted certain research to its control.The paper first carries on the elaboration to forty Tool magazine overall project design, elaborated that its various parts principle of work, is divided the chapter on the Tool magazine s structural design and the control to carry on the computation and the design to each part.The Tool magazines organization design is the research key point, the transmission part for the worm bearing adjuster worm gears decelerating device, the control section delivers the knife organization for the Tool magazine, controls the Tool magazine by PLC the reverse.Key words: Machining center, Tool magazine , worm bearing adjuster worm gear, PLC. 本科毕业设计说明书（论文） 第5 页共49 页目 录1 绪论61.1 引言61.2 加工中心简介61.2.1 加工中心的发展简史61.2.2 加工中心的结构组成71.2.3 加工中心的分类81.2.4 加工中心的主要优点91.2.5 加工中心的发展趋势101.3 刀库111.3.1 刀库简介111.3.2 刀库的类型122 刀库驱动电机的选定162.1 刀套线速度162.2 链轮参数确定162.3 负载转矩选电机162.4 传动比分配182.4.1 各轴转速182.4.2 各轴功率182.4.3 各轴转矩193 刀库传动方式203.1 蜗杆蜗轮传动203.2 链传动264 轴的设计294.1 轴材料选定294.2 蜗杆轴设计294.2.1 初步估算轴的最小直径294.2.2 联轴器选定294.2.3 确定轴承类型304.2.4 初步估算蜗杆轴各段尺寸304.2.5 蜗杆轴校核304.3 蜗轮轴的设计334.3.1 初步估算轴的最小直径334.3.2 初步估算蜗轮轴各段尺寸334.3.3 蜗轮轴校核345 轴承校核385.1 蜗杆轴承效核385.2 蜗轮轴效核386 刀库控制系统406.1 刀具的选择方式406.1.1 顺序选择406.1.2 任意选择406.2刀具识别装置416.3 刀库控制系统设计427 其它零部件设计45结论47参 考 文 献48致 谢49 本科毕业设计说明书（论文） 第49 页共49 页1 绪论本章首先从数控机床的发展历程引出加工中心的发展趋势，再具体到本次设计针对的刀库的任务要求，明确了本设计任务的主要内容。1.1 引言1952年世界上出现了第一台数控机床，使多品种、中小批量的机械加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。1958年第一台加工中心问世，它将多工序（铣、钻、镗、铰、攻丝等）加工集于一身；适应加工多品种和大批量的工件；增加机床功能（自动换刀、自动换工件、自动检测等），使自动化程度和加工效率上了一个新台阶；使无人化（或长时间无人操作）加工成为现实。90年代以来，数控加工技术得到迅速的普及及发展，数控加工中心在制造业得到越来越广泛的应用。目前国内企业生产制造的加工中心主要是面向生产领域，其结构复杂、精度高、封闭性强，价格昂贵。加工中心已成为柔性制造系统、计算机集成制造系统和自动化工厂的基本单元。加工中心是数控机床的代表，是高新技术集成度高的典型机电一体化机械加工设备，受到世界各工业发达国家的高度重视，技术迅速发展，品种和数量大幅度增加，成为当今世界机械加工设备中最引人注目的一类产品。1.2 加工中心简介1.2.1 加工中心的发展简史1952年世界上出现第一台数控机床，使多品种、中小批量的机械加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。它用易于修改的数控加工程序进行控制，因而比大批量生产重使用组合机床生产线和凸轮、开关控制的专用机床有更大的柔性，容易适应加工件品种的变化，进行多品种加工。它用数控系统对机床的工艺功能、几何图形运动功能和辅助功能实行全自动的数字控制，因为有更高的自动化程度和加工效率，大大改变了中小批量生产中普通机床占整个机械加工的状况。数控机床能实现两坐标以上联动的功能，其效率和精度比用手工和样板控制加工复杂零件要高得多。1958年第一台加工中心在美国卡尼、特雷克（Kearney&Trecker）公司问世。现代加工中心的内容是什么？第一，它是在数控镗床或数控铣床的基础上增加自动换刀装置，可使工件在一次装卡中，能够自动更换刀具，自动完成工件上的铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等工序的数控机床。第二，加工中心上如果带有自动分度回转工作台或自动转角度的主轴箱，可使工件在一次装卡中，自动完成多个平面和多个角度位置的多工序加工。第三，加工中心上如果带有交换工作台，工件在工作位置的工作台上进行加工的同时，另外的工件在装卸位置的工作台上进行装卸，不影响加工的进行。由上述可知，加工重心在加工的柔性、自动化程度和加工效率上，在一般数控机床的基础上又上了一个新的台阶，又是一次新的变革。加工中心的定义是什么？目前世界上并无标准定义，但目前普遍认为是指：在工件一次装卡中，能够实现自动铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等多工序的数控机床。更为明确的说法是：加工中心就是自动换刀数控镗铣床。这就把加工中心与自动换刀数控车床或车削中心区别开来。1.2.2 加工中心的结构组成加工中心的组成岁机床的类别、功能、参数的不同而有所区别。机床本身分基本部件和选择部件，数控系统有基本功能和选用功能，机床参数有主参数和其它参数。机床制造厂可根据用户提出的要求进行生产，但在同类机床的基本功能和部件组成一般差别不大。从总体上看，加工中心基本上由以下几大部分组成。 基础部件 主要由床身、立柱和工作台等大件组成。它们是加工中心的基础结构，要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削负载，因此必须是刚度很高的部件。这些大件可以是铸铁件也可以是焊接的刚结构件，是加工中心中重量和体积最大的部件。 主轴系统 主要由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零部件组成。主轴的启动、停止和变转速等动作均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴系统是加工中心的关键部件，其结构的好坏，对加工中心的性能有很大的影响。 数控系统 主要由CNC装置、可编程序控制器、伺服驱动装置以及电动机等部分组成，它们是加工中心执行顺序控制动作和完成加工过程的控制中心。 自动换刀系统 主要由刀库、自动换刀装置等部件组成。刀库是存放加工过程所要使用的全部刀具的装置。当需要换刀时，根据数控系统的指令，由机械手（或通过别的方式）将刀具从刀库取出装入主轴孔中。刀库有盘式、链式和鼓式等多种形式，容量从几把到几百把。机械手的结构根据刀库与主轴的相对位置几结构的不痛也有多种形式。如单臂式、双臂式。回转式和轨道式等等。有的加工中心利用主轴箱或刀库的移动来实现换刀。 辅助系统 包括润滑、冷却、排屑防护、液压和随机检测系统等部分。辅助系统虽不直接参与切削运动。但对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，为进一步缩短非切削时间，有的加工中心还配备了自动托盘交换系统。例如，配有两个自动交换工件托盘的加工中心，一个安装工件在工作台上加工，另一个则位于工作台外进行工件的装卸。当完成一个托盘上工件的加工后，便自动交换托盘，进行新零件的加工，这样可以减少辅助时间，提高加工效率。1.2.3 加工中心的分类按照加工中心形态不同进行分类，可分为立式、卧式和五坐标加工中心。 立式加工中心（如图1-1） 立式加工中心的主轴轴心线为垂直状态配置，结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形，适合加工小型板类、盘类、壳体类零件。图1-1 立式加工中心卧式加工中心（如图1-2） 卧式加工中心是指主轴轴线为水平状态设置的加工中心，通常都带有可进行分度回转运动的正方形分度工作台。卧式加工中心一般具有35个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标(沿X、Y、Z轴方向)加一个回转运动坐标(回转工作台)，它能够使工件在一次装夹后完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工，最适合箱体类工件的加工。 五坐标加工中心 五坐标加工中心间距立式和卧式加工中心的功能，工件一次装夹后能完成除安装面外的所有侧面和顶面等五个面的加工，因此也叫五面加工中心。常见的五坐标加工中心有两种结构形式，一种是主轴可以旋转，另一种是工作台可以旋转。图1-2 卧式加工中心1.2.4 加工中心的主要优点 提高加工质量 工件一次装夹，即可实现多工序集中加工，大大减少多次装夹所带来的误差。另外，由于是数控加工，较少依赖操作者的技术水平，可得到相当高的稳定精度。 缩短加工准备时间 加工中心既然可以顶替多台通用机床，那么加工一个零件嗦需准备时间，是每台加工单元所损耗的准备时间之和。从这个意义上说，加工中心的准备时间显然短得多。 减少在制品 以往的加工方式是工件流动与多台通用机床之间，这就要有相当数量的在制品，而在加工中心上加工，即可发挥其“多工序集中”的优势，在一台机床上完成多个工序，就能大大减少在制品数量。 减少刀具费 把分散设置在各通用机床上的刀具，集中在加工中心刀库上，有可能用最少量的刀具，实现公共有效利用。这样既提高刀具利用率，又减少了道具数量。最少的直接劳务费 由NC装置实现多工序加工的信息集约化和一人多台管理，以及用工作台自动托盘交换装置（Automatic Pallet Changer简称APC）等辅助装置，实现夜间无人运转。这些都可缩减直接劳务费。 最少的简介劳务费 由于工序集中，工件搬运和质量检查工作量都大为减少，这就使间接劳务费最少。设备利用率高 加工中心设备利用率为通用机床的几倍。另外，由于工序集中，容易适应多品种、中小批量生产。1.2.5 加工中心的发展趋势 立式加工中心立式加工中心主要的用户层面为,以看好的汽车零部件行业为首，还有模具、飞机、医疗设备、IT、光学设备等行业。在飞机制造业因绝大多数加工件为多品种、小批量的产品，因此五轴加工机为主的立式加工中心有潜在的需求。今后电子零部件、精密机枝零部件、半导体模具等行业也具有需求潜力。各生产厂家面对预期需求扩大的飞机、模立式加工中心主要的用户层面为,以看好的汽车零部件行业为首，还有模具、飞机、医疗设备、IT、光学设备等行业。在飞机制造业因绝大多数加工件为多品种、小批量的产品，因此五轴加工机为主的立式加工中心有潜在的需求。今后电子零部件、精密机枝零部件、半导体模具等行业也具有需求潜力。 卧式加工中心 卧式加工中心因其加工面是垂直的，切屑易脱落，比较适应时间无操作。又因是模块结构，可以短时间内导入最适当规模的系统。因其无人操作时间较长，在成本费用方面与单机相比效果更好。 从技术开发动向来看，是谋求提高主轴转速、进给速度、提高精密度、并将对应热变位、模块化等集中体现出来。其中，作为机床基本课题的高速化研究也不断取得成果。 由于提高进给速度直接关系到产品的加工时间，以利提高生产效率，因此在高速进给技术方面，驱动装置采用直线电机的机型正在增多。同时也有厂家在开发不使用直线电机，采用进给轴以大导程滚珠丝杠为驱动，进给加速度1.5G 2G、快速进给速度120 mmmin的高速卧式加工中心。并在主轴上采用双面约束刀具、主轴转速为 2 万 r/min、快速进给速度为60 m/min、以尽量缩短重复定位、刀至刀等的非切削时间。为解决速度提高带来的热变位影响，防止精度下降，一般都采用独自的补正装置或主轴冷却结构、冷却装置等。1.3 刀库1.3.1 刀库简介刀库是自动换刀装置中最主要的部件之一，其容量、布局以及具体结构对加工中心的设计有很大影响。刀库是用来储存加工刀具及辅助工具的地方。由于多数加工中心的取送刀位置都是在刀库中的某一固定刀位，因此刀库还需要有使刀具运动及定为的机构来保证换刀的可靠。其动力可采用液动机或电动机，如果需要还要有减速机构。刀库的定为机构是用来保证更换的每一把刀具或刀套都能准确地停在换到位置上。其控制部分可以采用简易位置控制器或类似半闭环进给系统的伺服位置控制，也可以采用电气和机械相结合的销定为方式，一般要求综合定为精度达到0.10.5 mm。根据刀库所需要的容量和取刀方式，可以将刀库设计成多种形式。图1-3列出了常用的几种刀库。图1-3是但盘式刀库，为适应机床主轴的布局，刀库的刀具轴线可以按不同的方向配置，图1-3d是刀具可作翻转的圆盘刀库，采用这种结构能够简化取刀动作。单盘式刀库的结构简单，取刀也较为方便，因此应用最为广泛。但由于圆盘尺寸受限制，刀库的容量较小（通常装1632把刀）。图1-3 刀库的形式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）多盘式 h）格子式当需要存放更多数量的刀具时，可以采用图1-3形式的刀库，它们充分利用了机床周围的有效空间，且刀库的外形尺寸又不致过于庞大。图1-3e是鼓筒弹夹式刀库，其结构十分紧凑，在相同的空间内，它的刀库容量较大，但选刀和取刀的动作较复杂。图1-3f是链式刀库，其结构有较大的灵活性，存放刀具的数量也较多，选刀和取刀动作十分简单。当链条较长时，可以增加支撑链轮的数目，使链条折迭回绕，提高了空间利用率。图1-3g和1-3h分别为多盘式和格子式刀库，它们虽然也具有结构紧凑的特点，但选刀和取刀动作复杂，较少应用。1.3.2 刀库的类型加工中心上普遍采用的刀库是盘式刀库和链式刀库。密集型的固定刀库目前于用于FMS中的集中供刀系统。 盘式刀库 盘式刀库结构简单，应用较多，如图1-4所示。由于刀具环形排列，空间利用率低。因此出现了将刀具在盘中采用双环或多环排列，以增加空间的利用率。但这样一来使刀库的外径过大，转动惯量也很大，选刀时间也较长。因此，盘式刀图1-4 盘式刀库的形式a）径向取刀形式 b）轴向取刀形式 c）刀具径向安装 d）刀具斜向安装库一般适用于刀具容量较少的刀库。 链式刀库 如图1-5所示，链式刀库的结构紧凑，刀库容量较大，链环的形状可以根据机床的布局配置成各种形状，也可将换刀位突出以利换刀。当链式刀库需增加刀具容量时，只需增加链条的长度和支承链轮的数目，在一定范围内，无需变更线速度及惯量。这些特点也为系列刀库的设计与制造带来了很大的方便，可以满足不同使用条件。一般刀具数量在30120把时，多采用链式刀库。图1-5 链式刀库的形式 换刀位置 为保证刀套准停精度和刀套定位刚性，链式刀库的换刀位置一般设在主动链轮上如图1-6所示，或者设在尽可能靠近主动链轮的刀套处，如图1-7所示图1-7 链式刀库换刀位置图1-6 链式刀库换刀位置 链条形式 我国目前还没有厂家生产加工中心刀库专用链条，因而不得不用标准套筒辊子链，通过连接器把刀套固定在链条上。这种方式不仅结构复杂，装配调试费时，而且套筒位置精度亦差我国部分厂家，购买日本椿本链条公司（TSUBAKI CHAIN Co.）生产的已转有刀套的刀库专用链条来装备刀库，效果颇佳。考虑到刀具重量和刀库工作的平稳性，推荐采用：HP型链条 这种链条是套筒式链条，其辊子本身就是刀套，该链条型式及尺寸见表1-1表1-1链条型号刀具锥柄号POLHWRTHP40905586.58860684.01） HP-T型链轮节圆直径 式中 N当量齿数（实际齿数/3）链轮外径D0 式中 P链条节距注：链轮齿数可从9个起使用。但是为了增加链条的耐用度和运行效率，齿数还是尽可能多为好。链轮之间的中心距，以取链条节距整数倍为宜。2 刀库驱动电机的选定驱动刀库，目前常见的方式有伺服电动机驱动和液动机驱动两种，我国加工中心都选用伺服电机驱动方式，在本设计中也将采用伺服电动机来驱动。2.1 刀套线速度选用HP型链条，锥柄号40链行程 S=20P=2090=1.8m由选刀时间t.=4s,可得到链速v.链速 刀套线速度v=27 m/min,查相关资料刀套线速度影响选刀效率，但是过快的线速度又影响刀库工作可靠性。一般推荐在2230m/min之间。链速适用。2.2 链轮参数确定取链轮齿数z=24链轮节圆直径DP 式中 N当量齿数（实际齿数/3）P链条节距链轮外径D0 链轮转速n 2.3 负载转矩选电机加在伺服电动机轴上的负载转矩，应比电动机额定连续转矩小。链式式刀库负载转矩计算方法 链式刀库的负载转矩T1是由刀具不平衡重量Wmax和导向面（或支承面）的摩擦力F所组成，如图2-1所示。图2-1 链式刀库力的分布不平衡重量Wmax，可按在一个垂直方向刀套上装有1/10刀库容量数的最大刀具重量来计算。F1和F3是支承面的摩擦力；F2、F4则是导向面上因刀具下垂而引起的摩擦力。计算摩擦力时，刀具重量均按刀具平均重量计算。刀库链轮半径为118.5mm，刀具最大重量为20kg，刀具平均重量17kg，每个方向上10把刀，刀具重量m=170kg;刀具不平衡重量Wmax=800N。法向约束力FN=1700N，摩擦系数fs=0.11。摩擦力F=fsFN=0.111700=187N所以 负载所需功率 取传动比i=40。传动总效率为：式中：1联轴器的功率； 2蜗杆的功率； 3轴承的功率；4链传动效率。把如上计算的负载转矩，转换为电机轴上的转矩TL为： 考虑到实际情况比计算时所设定条件复杂，电机额定转矩Ts应为负载转矩的1.21.5倍，亦即： 根据以上计算结果，所选电机型号如下：表2-1 所选电机型号型 号输出功率额定转矩最大转矩最高转速工作转速FB250.521030910005002.4 传动比分配刀库选刀需要低速转动，就要求降低传动的速度，传动比选为i=40。2.4.1 各轴转速轴 轴 2.4.2 各轴功率轴 轴 2.4.3 各轴转矩电动机的输出转矩Td为:电机输出轴 轴 轴 表2-2 运动和动力参数表轴功率转矩T(Nmm)转速n(r/min)传动比i效率电机轴0.521050011轴0.519.950010.99轴0.41316.812.5400.83 刀库传动方式为使伺服电机在最佳状态下工作，一般不采用伺服电机的低速段。刀库需要在伺服电机恒转矩下运转工作，并且减速比不能过大，否则不能达到刀库需要的转矩，这就要求减速装置既要很大的减速比，又要保证电机工作在恒转矩下，选用蜗杆减速装置。3.1 蜗杆蜗轮传动 特点和应用蜗杆传动用于传递交错轴之间的回转运动。在绝大多数情况下，两轴在空间是互相垂直的，轴交角为90。它广泛应用在机床、汽车、仪器、起重运输机械、冶金机械以及其他机械制造部门中，最大传动功率可达750 kW，通常用在50 kW以下；最高滑动速度可达35 m/s,通常用在15 m/s以下。蜗杆传动的主要优点是结构紧凑、工作平稳、无噪声、冲击振动小以及能得到很大的单级传动比。在传递动力时，传动比一般为8100，常用的为1550。在机床工作台中，传动比可达几百，甚至到1000。这时，需采用导程角很小的单头蜗杆，但传动效率很低，只能用在功率小的场合。在现代机械制造业中正力求提高蜗杆传动的效率，多头蜗杆的传动效率已可达到98%。与多级齿轮传动相比，蜗杆传动零件数目少，结构尺寸小，重量轻。缺点是在制造精度和传动比相同的条件下，蜗杆传动的效率比齿轮传动低，同时蜗杆一般需用贵重的减摩材料（如青铜）制造。蜗杆传动多用于减速，以蜗杆为原动件。也可用于增速，齿数比单级为515，但应用很少。 精度等级的选择蜗杆可以在车床上切制，也可以在特种铣床上用圆盘铣刀或指形铣刀铣制。由于蜗杆传动的轴间距离必须与蜗杆滚刀在切制蜗轮时的轴间定位距离相等才能得到正确的啮合，所以蜗轮要用与它相捏合的蜗杆同样大小的滚刀来切制。由于蜗杆传动啮合轮齿的刚度较齿轮传动大，所以制造精度对传动的影响比齿轮传动更显著。蜗杆传动规定了12个精度等级，对于动力传动，要按照69级精度制造。 材料选择考虑到蜗杆传动难于保证高的接触精度，滑动速度有较大，以及蜗杆变形等因素，故蜗杆，蜗轮不能都用硬材料制造，其中之一（通常为蜗轮）应该用减摩性良好的软材料来制造。蜗轮材料。通常是指蜗轮齿冠部分的材料。主要有以下几种：铸锡青铜 是适用于和持续运转的工况，离心铸造的可得到致密的细晶粒组织，可取大值，砂型铸造的取小值。铸铝青铜 适用于的工况，抗胶合能力差，蜗杆硬度应不低于45 HRC。铸铝黄铜 点蚀强度高，但磨损性能差，宜用于低滑动速度场合。灰铸铁和球墨铸铁 使用于的工况，前者表面经硫化处理有利于减轻磨损，后者若与淬火蜗杆配对能用于重载场合。直径较大的蜗轮常用铸铁。蜗杆材料。蜗轮直径很大时，可以采用青铜蜗杆，蜗轮则用铸铁。在要求持久性高的动力传动中，可选用渗碳钢淬火，也可选用中碳钢表面或整体淬火以得到必要的硬度，制造时必须磨削。用氮化钢氮处理的蜗杆可以不磨削，但需要抛光。只有在缺乏磨削设备是才选用调质蜗杆。受短时冲击载荷的蜗杆，不宜用渗碳钢淬火，最好用调质钢。铸铁蜗轮与镀铬蜗杆配对时，有利于提高传动的承载能力和滑动速度。 蜗杆和蜗轮的结构蜗杆通常与轴做成整体很少做成装配式的。蜗轮可指成整体的或组合的。组合蜗轮的齿冠可以铸在或用过盈配合装在铸铁或铸钢的轮心上，常用的配合为H7/r6。为了增加过盈配合的可靠性，沿着接合缝还要拧上螺钉，螺钉孔中心线偏向轮毂一侧。当蜗轮直径较大时，可采用螺栓联接，最好采用受剪螺栓联接。 蜗杆蜗轮传动设计计算：ZA型蜗杆减速器，输入功率P1=0.52kW，转速n1=500r/min,传动比i=40。工作机载荷平稳，动力机有轻微振动。预期寿命12000h。蜗杆采用45钢，表面硬度45HRC，蜗轮材料采用ZCuSn10P1，砂型铸造，计算步骤如下表：计算项目 计算内容 计算结果初选d1/a值当量摩擦系数 设vs=1m/s1.5m/s，查机械设计 v=0.05 表13.6，取大值 v=3选d1/a值 在机械设计图13.11的i=40线上选一点，查得d1/a=0.4，=6 （z1=1），1=0.8中心距计算蜗轮转矩 使用系数 按题意查机械设计表12.9 转速系数 弹性系数 根据蜗轮辐材料查表13.2得 寿命系数 接触系数 由机械设计图13.12线查出 接触疲劳极限 由机械设计表13.2得 Hlim=265MPa接触疲劳最小安全系数 由机械设计手册查得 SHmin=1.3中心距 取a=160mm传动基本尺寸蜗杆头数 由机械设计图13.11查得=6，z1=1;也可用式13.22计算 取z1 = 1蜗轮齿数 z2=iz1=401 取z2 = 40模数 m =(1.41.7)a/z2 =(1.41.7)160/40=5.66.8 取m = 6.3 mm蜗杆分度圆直径 d1 = d1/aa =0.4160=64 查表13.4 d1=0.68a0.875 =0.681600.875=58 取d1 = 63 mm蜗轮分度圆直径 d2=mz2=6.340 d2 = 252 mm蜗杆导程角 tan=z1m/d1 =16.3/63 =5.7蜗轮宽度 取b2=50 mm蜗杆圆周速度 相对滑动速度 当量摩擦系数 由机械设计表13.6查得 v = 0.0408 v=2.17齿面解除疲劳强度验算许用接触应力 最大接触应力 轮齿弯曲疲劳强度验算齿根弯曲疲劳极限 由机械设计表13.2查出 Flim = 115MPa弯曲疲劳最小安全系 根据机械设计手册查出 SFmin=1.4许用弯曲疲劳应力 轮齿最大弯曲应力 蜗杆轴扰度验算轴惯性矩 允许蜗杆扰度 蜗杆轴扰度 （此处取） 合格 温度计算传动啮合效率 搅油效率 根据蜗杆的润滑条件，查机械设计手册得： 轴承效率 根据蜗杆传动要求，查 机械设计手册得： 总效率 散热面积估算 箱体工作温度 润滑油粘度和润滑方法润滑油粘度: 润滑方法:由机械设计表13.7，可采用浸油所有计算结果如表2-3所示：表2-3 普通圆柱蜗杆传动几何尺寸计算名 称代 号公 式 及 说 明中心距aa=(d1+d2+2x2m)/2=160mm蜗杆头数z1Z1=1蜗轮齿数z2Z2=i Z1=40齿形角ZA型X=20，其余n=20模数mm=6.3mm蜗轮变位系数x2蜗杆轴向间距pxpx=m=20 mm蜗杆分度圆直径d1d1=mz1/tan=63mm 根据机械设计与m匹配蜗杆齿顶圆直径da1da1= d1+2ha*m=75.6mm蜗杆齿根圆直径df1df1= d1-2m(ha*+c*)=47.88mm蜗杆齿顶高ha1ha1= ha*m=6.3 齿顶隙系数一般ha*=1顶隙cc= c*m=1.26 一般顶隙系数c*=0.2蜗杆齿根高hf1hf1=( ha*+c*)m=7.56mm蜗杆齿高h1h1= ha1+ hf1=13.86mm渐开线蜗杆基圆直径db1db1=z1m/tanb=16.7mm渐开线蜗杆基圆导程角bcosb=coscosn b=20.7蜗杆齿宽b1b1(12+0.1z2)m b1=102mm蜗轮分度圆直径d2d2=m z2=252mm蜗轮喉圆直径da2da2= d2+2 ha2=269.64mm蜗轮齿根圆直径df2df2= d22 hf2=241.92mm蜗轮齿顶高ha2ha2=m(ha*+x2)=8.82mm蜗轮齿根高hf2hf2=m(ha*x2+c*)=5.04mm蜗轮齿高h2h2= ha2 +hf2=13.86mm蜗轮顶圆直径de2de2= da2+2m=382.24mm蜗轮齿宽b2b20.75 da1=56.7mm蜗轮齿顶圆弧半径Ra2蜗轮齿根圆弧半径Rf2蜗杆轴向齿厚sx1sx1=m/2=9.9mm蜗杆法向齿厚sn1sn1= sx1 cos=9.85mm蜗杆分度圆齿厚s2s2=(0.5+2x2tanx)m=1.86mm蜗杆节圆直径d1d1=d1+2x2m=68.04 mm蜗轮节圆直径d2d2= d2=252mm注：取齿顶高，径向间隙，。3.2 链传动 概述链传动是在两个或多个链轮之间用链作为挠性拉曳元件的一种啮合传动，因其经济、可靠，故广泛用于农业、采矿、冶金、起重、运输、石油、化工、纺织等各种机械的动力传动中。链传动在传递功率、速度、传动比、中心距等方面都有很广的应用范围。目前，最大传递功率达到5000 kW，最高速度达到40 m/s,最大传动比达到15，最大中心距达到8 m。由于经济及其他原因，链传动的传动功率一般小于100 kW，速度小于15 m/s，传动比小于8。 链轮链轮轮齿的齿形应保证链节能自由地进入和退出啮合，在啮合是应保证良好的接触，同时它的形状应尽可能地简单。1.滚子链链轮标准只规定链轮的最大齿槽形状和最小齿槽形状。实际齿槽形状在最大、最小范围内都可以用，因而链轮齿廓曲线的几何形状可以有很大的灵活性。常用的齿廓为三圆弧一直线齿形。2.链轮结构 小直径链轮可采用实心式，腹板式，或将链轮与轴做成一体。链轮损坏主要由于齿的磨损。链轮的材料 链轮材料应能满足强度和耐磨性的要求。在低速、轻载、平稳传动中，链轮可采用中碳钢制造；中速、中载时，采用中碳钢淬火处理，其硬度40HRC45HRC;高速、重载、连续工作的传动，采用低碳钢、低碳合金钢表面渗碳淬火或中碳钢、中碳合金钢表面淬火。 载荷平稳、速度较低、齿数较多时，也允许采用的铸铁制造链轮。在工作环境较差、链轮容易磨损的场合，铸铁最好经过等温淬火处理或采用优质铸铁。 链轮主要尺寸名称符号公式及计算分度圆直径d齿顶圆直径齿根圆直径齿侧凸缘h内链板高度 查套筒滚子链相关参数齿宽（单排）b1内链节内宽倒角宽倒角半径倒角深齿侧凸缘圆角半径链轮齿总宽注：表中相关参数查HP型套筒滚子链。4 轴的设计轴是机器中的重要零件，在设计汇总，蜗杆涡轮是作为一种减速装置，在减速装置中轴是既要收弯矩又要受扭矩的转轴。在一般情况下，轴的工作能力决定与它的强度和刚度，对与机床主轴，后者尤为重要。高速转轴则决定于它的振动稳定性。在设计轴是，除应按工作能力准则进行设计计算或校核计算外，在结构设计上还须满足其他一系列的要求。轴的设计，共包括如下内容：轴的材料选择，轴径的初步估算，轴的结构设计，按弯扭合成进行轴的强度校核，按疲劳强度进行轴的精确交合，轴的公差与配合的确定，轴的工作图的绘制。4.1 轴材料选定轴的材料用碳钢及合金钢，减速装置的轴以45号钢调质处理应用最为广泛，硬度217HB255HB，。4.2 蜗杆轴设计4.2.1 初步估算轴的最小直径轴的直径，可根据轴所传递的功率及轴的转速,按下式进行估算：该段轴上有一键槽将计算值加大3%，应为16式中：C与轴材料有关的系数，由机械设计表16.2查得，根据轴的材料取112。4.2.2 联轴器选定根据传动装置的工作条件拟选用YL,YLD型凸缘联轴器（GB5843-86摘录）。计算转矩为：式中：T许用名义转矩； k工作情况系数，；根据Tc=15 Nm，查机械设计课程设计手册YL8,YLD8型凸缘联轴器就能满足传递转矩的要求Tn=250 Nm,其轴孔直径范围为d=3245mm。最后确定蜗杆轴轴伸处的直径为dmin=40mm，型轴孔长度L=84mm,D=130mm,D1=105mm,，螺栓数量为4，直径M10，型L0=173mm。4.2.3 确定轴承类型由于采用的是蜗杆传动，既受径向力，也受轴向力，链式刀库传动主要承受径向力，选用角接触球轴承（GB/T 292-94）4.2.4 初步估算蜗杆轴各段尺寸根据轴上零件的受力情况，固定和定位的要求，初步确定轴的阶梯段，该轴有8段。初步估计各段尺寸如图41所示图4-1 蜗杆轴4.2.5 蜗杆轴校核图43图42轴材料选用45钢调质，。轴的计算步骤列于下表。计算项目 计算内容 计算结果计算蜗杆受力蜗杆转矩 蜗轮转矩 轴向力 径向力 圆周力 画蜗杆轴受力 见图42b 计算支承受力水平面反力 垂直面反力 水平面（xy）受力图 见图42c垂直面（xz）受力图 见图42e 画轴弯矩图水平面弯矩图 见图42d垂直面弯矩图 见图42f合成弯矩图 见图42g 合成弯矩 画轴转矩图轴受转矩 T=T1 转矩图 见图42h 许用应力许用应力值 应力校正系数 画当量弯矩图当量转矩 各段弯矩 见图42i当量转矩图 见图42i校核轴径齿根圆直径 轴径 4.3 蜗轮轴的设计4.3.1 初步估算轴的最小直径估算直径，可根据轴所传递的功率及轴的转速,按下式进行估算：该段轴上有一键槽将计算值加大3%，应为37mm式中：C与轴材料有关的系数，由机械设计表16.2查得，根据轴的材料取1124.3.2 初步估算蜗轮轴各段尺寸根据轴上零件的受力情况，固定和定位的要求，初步确定轴的阶梯段，该轴有5段。估计各段尺寸如图43所示。图4-3 蜗轮轴4.3.3 蜗轮轴校核图44轴材料选用45钢调质，。轴的计算步骤列于下表 计算项目 计算内容 计算结果计算蜗轮链轮受力蜗轮直径 链轮直径 蜗轮受力：转矩 圆周力 径向力 轴向力 链轮受力：工作拉力 画受力图 见图44b 计算支承反力水平面受力 垂直面受力 水平面（xy）受力图 见图44c垂直面（xz）受力图 见图44e 画轴弯矩图水平面弯矩图 见图44d垂直面弯矩图 见图44f合成弯矩图 见图44g 合成弯矩 画轴转矩图轴受转矩 转矩图 见图44h 许用应力许用应力值 由表16.3查得：应力校正系数 画当量弯矩图当量转矩 当量弯矩图 见图44i 校核轴径齿根圆直径 轴径 5 轴承校核5.1 蜗杆轴承效核查机械手册7009C轴承主要性能参数如下：；用插入法查得：，查机械设计,当量动载荷P计算额定动载荷C： 轴承满足条件，所选轴承合格。5.2 蜗轮轴效核查机械设计手册7012C轴承主要性能参数如下：，；用插入法查得：，查机械设计手册当量动载荷P 计算额定动载荷C ： 轴承满足条件，所选轴承合格。6 刀库控制系统6.1 刀具的选择方式数控机床采用的是标准化、系列化刀具，并主要针对刀柄和刀头两部分规定标准、系列。为使刀具在机床上迅速地定位夹紧。6.1.1 顺序选择将刀具按加工工序的顺序，依次放入刀库的每一个刀座内。每次换刀时，刀库顺序转动一个刀座的位置，并取出所需要的刀具，已经使用过的刀具可以放回到原来的刀座内，也可以按顺序放入下一个刀座内。采用这种方式，不需要刀具识别装置，而且驱动控制也比较简单，工作可靠，可以直接由刀库的分度机械来实现。但由于刀库中刀具在不同工序中不能重复使用，必须增加刀具的数量和刀库的容量，降低了刀具和刀库的利用率。人工装刀操作必须十分谨慎。6.1.2 任意选择根据程序指令的要求选择可需要的刀具，这时必须有刀具识别装置。刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列，可任意存放，每把刀具（或刀座）都编上代码，自动换刀时，刀库旋转，每把刀具（或刀座）都经过“刀具识别装置”接受识别。当某把刀具的代码与数控指令的代码相符合时，该刀具就被选中，并将刀具送到换刀位置，等待机械手来抓取。任意选择刀具法的优点是刀库中刀具的排列顺序与工件加工顺序无关，相同的刀具可以重复使用。因此，刀具数量比较少，刀库也相应的比较小。任意选刀法必须对刀具编码，以便识别。编码方式主要有以下三种。刀具编码方式。采用特殊的刀柄结构进行编码，刀柄后端的拉杆上套装着等间隔的编码环，由锁紧螺母固定。编码环直径有大小直径两种，分别表示二进制的“1”和“0”，通过这两个圆环的不用排列，可以得到一系列代码。例如由六个大小直径的圆环便可组成能区别63种刀具的编码。通常全部为0的代码不许使用，以避免与刀座中没有刀具的状况混淆。刀座编码方式。对刀座编码，刀具编号，并将刀具放到与其号码相符的刀座中。换刀时刀库旋转，使每个刀座位依次经过识刀器，找到刀座，刀库便停止旋转。这时刀柄上没有编码环，使刀柄简化。编码附件方式。这种方式有编码钥匙、编码卡片、编码杆和编码盘等，其中应用最多的是编码钥匙。先给刀具都附上一把表示该刀具号的编码钥匙，当把各刀具存放到刀库的刀座中时，将编码钥匙插进刀座旁边的钥匙孔中，这样就把钥匙的号码转记到刀座中，给刀座编上了号码。6.2刀具识别装置 接触式刀具识别装置接触式刀具识别装置应用较少，特别适应于空间位置较小的刀具编码，其识别原理如图6-1所示。在刀柄1上装有两种直径不同的编码环，规定大直径的环表示二进制的“1”，小直径的环为“0”，图中有5个编码环4，在刀库附近固定一刀具识别装置2，从中伸出几个触针3，触针数量与刀柄上的编码环个数相等。每个触针与一个继电器相联，当编码环是大直径时与触针接触，继电器通电，其数码为“1”。当编码环是小直径时与触针不接触，继电器不通电，其数码为“0”。当各继电器读出的数码与所需刀具的编码一致时，由控制装置发出信号，使刀库停转，等待换刀。非接触式刀具识别装置磁性识别法利用磁性材料和非磁性材料的磁感应强弱的不同，通过感应线圈读取代码。其编码环的直径相等，分别由导磁材料和非导磁材料制成，构成“1”、“0”码。在检测线圈的一次线圈中输入交流电压时，能在二次线圈中感应出高低两种电压，就能识别刀具的号码。光电识别法利用光导纤维良好的光传感特性，采用多束光导纤维构成阅读法。6.3 刀库控制系统设计刀库为了实现最短距离选刀，就要求刀库电机能正反转。这就需要控制电机的正反转动。根据输入输出选择PLC型号为FXOS14MR，输入端8个接口，输出6个接口。电动机的正反转控制要求：按下启动按钮SB1，接触器KM1闭合，电