数控加工加中心盘式刀库设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 I 摘 要 90 年代以来，数控加工技术得到迅速的普及及发展，高速加工中心作为新时代数控机床的代表，已在机床领域广泛使用。自动换刀刀库的发展俨然已超越其为数控加工中心配套的角色，在其特有的技术领域中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。刀库作为加工中心最重要的部分之一，它的发展也直接决定了加工中心的发展。本论文完成的是盘式刀库的总体设计、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，定位精度高；总体结构简单、紧凑 ，动作准确可靠；维护方便，成本低。本刀库减速传动部分分两级减速，一级传动部分采用齿轮减速装置，二级传动部分采用蜗轮蜗杆减速装置，此种设计方案可提高输出轴的传动平稳性能，即提高刀盘的运转平稳性。本刀库满载装刀 24 把，采用单环排列方式排放，按就近选刀原则选刀。 关键词： 加工中心；刀库；数控加工 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 990s, as a of C in of of s 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 in of of is of of of 4 of to of to 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 录 1 绪论 1 控加工中心概述 1 控加工中心的分类 1 工中心的主要加工对象 2 工中心的特点 3 工中心刀库的形式 4 刀装置的形式 5 2 总体方案的确定 7 库主要参数 7 动机的初选 7 定传动装置的总传动比和分配传动比 8 定各 轴转速、转矩和功率 9 动机的校核 11 3 刀库设计与校核 13 轮传动的计算 13 17 21 22 22 4 刀具交换装置 23 23 23 结论 24 致谢 25 参考文献 26 附录 1 27 附录 2 28 附录 3 28 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 1 绪论 数字控制是 20 世纪中期发展起来的一种自动控制技术，是用数字化信号进行控制的一种方法 16。采用数控技术进行 控制的机床，称为数控机床 8。 加工中心（ 称 一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床。它是适应省力、省时和节能的时代要求而发展起来的，它综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、气动技术、拖动技术、现在控制理论、测量及传感技术以及通讯诊断、刀具和应用编程技术的高技术产品，将数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能聚集在一台加工设备上，且增设有自动换刀装置和刀库，可以在一次安装工件后，数控系统控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进 给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、内外倒角、环形槽及攻螺纹等加工 4。 随着电子技术的迅速发展，以及各种性能良好的传感器的出现和运用，加工中心的功能日趋完善，这些功能包括：刀具寿命的监视功能，刀具磨损和损伤的监视功能，切削状态的监视功能，切削异常的监视、报警和自动停机功能，自动检测和自我诊断功能及自适应控制功能等 1。加工中心还与载有随行夹具的自动托板进行有机连接，并能进行切屑自动处理，使得加工中心成为柔性制造系统、计算机集成制造系统合自动化工厂的关键设备和 基本单元。 控加工中心的分类 照机床形态分类 （ 1） 卧式加工中心 指主轴轴线为水平状态设置的加工中心。卧式加工中心一般具有 3运动坐标。常见的有三个直线运动坐标 (沿 X、 Y、 Z 轴方向 )加一个回转坐标 (工作台 )，它能够使工件一次装夹完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工。卧式加工中心较立式加工中心应用范围广，适宜复杂的箱体类零件、泵体、阀体等零件的加工。但卧式加工中心占地面积大，重量大；结构复杂，价格较高 1。 （ 2） 立式加工中心 指主轴轴心线为垂直状态设置的加工中心。立式 加工中心一般具有三个直线运动坐标，工作台具有分度和旋转功能，可在工作台上安装个水平轴的数控转台用以加工螺旋线零件。立式加工中心多用于加工筒单箱体、箱盖、板类零件和平面凸轮的加工。立式加工中心具有结构简单、占地面积小、价格低的优点。 （ 3） 龙门加工中心 与龙门铣床类似，适应于大型或形状复杂的工件加工。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 （ 4） 万能加工中心 万能加工中心也称五面加工中心小工件装夹能完成除安装面外的所有面的加工；具有立式和卧式加工中心的功能。常见的万能加工中心有两种形式：一种是主轴可以旋转 900 既可象立式加工中心一样，也 可象卧式加工中心一样；另一种是主轴不改变方向，而工作台带着工件旋转 900 完成对工件五个面的加工。在万能加工中心安装工件避免了由于二次装夹带来的安装误差，所以效率和精度高，但结构复杂、造价也高 1， 2。 （ 1） 带刀库机械手的加工中心 加工中心换刀装置由刀库、机械手级组成，换刀动作由机械手完成。 （ 2） 机械手的加工中心 这种加工中心的换刀通过刀库和主轴箱配合动作来完成换刀过程。 （ 3） 转塔刀库式加工中心 一般应用于小型加工中心，主要以加工孔为主。 加工中心常按主轴在空间所处的状 态分为立式加工中心和卧式加工中心，加工中心的主轴在空间处于垂直状态的称为立式加工中心，主轴在空间处于水平状态的称为卧式加工中心。主轴可作垂直和水平转换的，称为立卧式加工中心或五面加工中心，也称复合加工中心。按加工中心立柱的数量分；有单柱式和双柱式（ 龙门式 ） 7。 加工中心根据数控系统控制功能的不同分：有三轴二联动、三轴三联动、四轴三联动、五轴四联动、六轴五联动等。三轴、四轴是指加工中心具有的运动坐标数，联动是指控制系统可以同时控制运动的坐标数，从而实现刀具相对工件的位置和速 度控制 11。 有单工作台加工中心、双工作台加工中心，和多工作台加工中心。 （ 1） 普通加工中心 普通加工中心，分辨率为 1m，最大进给速度 1525m/位精度 （ 2） 高精度加工中心 高精度加工中心，分辨率为 大进给速度为15 100m/位精度为 2于 2 5 称精密级 3。 工中心的主要加工对象 加工中心适宜于加工复杂、工序多、要求较高、需 用多种类型的普通机床和众多刀具夹具，且经多次装夹和调整才能完成加工的零件。其加工的主要对象有箱体类零件、复杂曲面、异形件、盘套板类零件和特殊加工等五类 4 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 箱体类零件一般是指具有一个以上孔系，内部有型腔，在长、宽、高方向有一定比例的零件。这类零件在机床、汽车、飞机制造等行业用的较多。箱体类零件一般都需要进行多工位孔系及平面加工，公差要求较高，特别是形位公差要求较为严格，通常要经过铣、钻、扩、镗、铰、锪，攻丝等工序，需要刀具较多，在普通机床上加工难度大，工装套数多，费用高，加工周 期长，需多次装夹、找正，手工测量次数多，加工时必须频繁地更换刀具，工艺难以制定，更重要的是精度难以保证。 加工箱体类零件的加工中心，当加工工位较多，需工作台多次旋转角度才能完成的零件，一般选卧式镗铣类加工中心。当加工的工位较少，且跨距不大时，可选立式加工中心，从一端进行加工。 复杂曲面在机械制造业，特别是航天航空工业中占有特殊重要的地位。复杂曲面采用普通机加工方法是难以甚至无法完成的。在我国，传统的方法是采用精密铸造，可想而知其精度是低的。复杂曲面类零件如：各种叶轮，导风轮，球面，各种曲 面成形模具，螺旋桨以及水下航行器的推进器，以及一些其它形状的自由曲面。这类零件均可用加工中心进行加工。铣刀作包络面来逼近球面。复杂曲面用加工中心加工时，编程工作量较大，大多数要有自动编程技术。 异形件是外形不规则的零件，大都需要点、线、面多工位混合加工。异形件的刚性一般较差，夹压变形难以控制，加工精度也难以保证，甚至某些零件的有的加工部位用普通机床难以完成。用加工中心加工时应采用合理的工艺措施，一次或二次装夹，利用加工中心多工位点、线、面混合加工的特点，完成多道工序或全部的工序内容。 、板类零件 带有键槽，或径向孔，或端面有分布的孔系，曲面的盘套或轴类零件，如带法兰的轴套，带键槽或方头的轴类零件等，还有具有较多孔加工的板类零件，如各种电机盖等。端面有分布孔系、曲面的盘类零件宜选择立式加工中心，有径向孔的可选卧式加工中心。 在熟练掌握了加工中心的功能之后，配合一定的工装和专用工具，利用加工中心可完成一些特殊的工艺工作，如在金属表面上刻字、刻线、刻图案；在加工中心的主轴上装上高频电火花电源，可对金属表面进行线扫描表面淬火；用加工中心装上高速磨头，可实现小模数渐 开线圆锥齿轮磨削及各种曲线、曲面的磨削等 7， 8。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 加工中心（ 典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，因此在国内外企业界都受到高度重视。如今，加工中心已成为现代机床发展的主流方向，加工广泛应用于机械制造中 8， 9。与普通数控机床相比，它具有以下几个突出特点 ： 加工中心备有刀库并能自动更换刀具，对工件进行多工序加工，使得工件在一次装夹后，数控系统能控制机床按不同工序，自动选择和更换刀具，自动 改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹，以及其他辅助功能，现代加工中心更大程度地使工件在一次装夹后实现多表面、多特征、多工位的连续、高效、高精度加 工，即工序集中 ， 这是加工中心最突出的特点。 加工中心生产的柔性不仅体现在对特殊要求的快速反应上而且可以快速实现批量生产，提高市场竞争能力 加工中心同其他数控机床一样具有加工精度高的特点，而且加工中心由于加工工序集中，避免了长工艺流程，减少了人为千扰，故加工精度更高，加工质量更加稳定。 生产率高 零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分。加工中心带有刀库和自动换刀装置，在一台机床上能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和机床的调整时间，减少工件半成品的周转、搬运和存放时间，使机床的切削利用率（切削时间和开动时间之比）高于普通机床 3 4 倍，达 80以上。 加工中心对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作键盘、装卸零件、进行关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度和紧张程度均可大为减轻，劳 动条件也得到很大的改善。 使用加工中心加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是较昂贵的，但在单件、小批生产的情况下，可以节省许多其他方面的费用，因此能获得良好的经济效益。例如，在加工之前节省了划线工时，在零件安装到机床上之后可以减少调整、加工和检验时间，减少了直接生产费用。另外，由于加工中心加工零件不需手工制作模型、凸轮、钻模板及其他工夹具，省去了许多工艺装备，减少了硬件投资还由于加工中心的加工稳定，减少了废品率，使生产成本进一步下降。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 用加工中心加 工零件，能够准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点有利于使生产管理现代化。当前有许多大型 成软件已经开发了生产管理模块，实现了计算机辅助生产管理。 加工中心使用的刀库最常见的形式是圆盘式刀库和机械手换刀刀库 2。 圆盘式刀库应该称之为固定地址换刀刀库，即每个刀位上都有编号，一般从 1编到 12、 18、 20、 24 等，即为刀号地址。操作者把一把刀具安装进某一刀位后，不管该刀具更换多少次，总是在该刀位内。 （ 1） 制造成本低。主要部件是刀库体及分度盘，只要这两样零件加工精度得到保证即可，运动部件中刀库的分度使用的是非常经典的 “马氏机构 ”，前后、上下运动主要选用气缸。装配调整比较方便，维护简单。一般机床制造厂家都能自制。 （ 2） 刀号的计数原理。一般在换刀位安装一个无触点开关， 1 号刀位上安装挡板。每次机床开机后刀库必须 “回零 ”，刀库在旋转时，只要挡板靠近（右）无触点开关，数控系统就默认为 1 号刀。并以此为计数基准， “马氏机构 ”转过几次，当前就是几号刀。只要机床不关机，当前刀号就被记忆。刀具更换时，一般按最 近距离旋转原则，刀号编号按逆时针方向，如果刀库数量是 18，当前刀号位 8，要换 6 号刀，按最近距离换刀原则，刀库是逆时针转。如要换 10号刀，刀库是顺时针转。机床关机后刀具记忆清零。 （ 3） 固定地址换刀刀库换刀时间比较长国内的机床一般要 8 秒以上（从一次切削到另一次切削）。 （ 4） 圆盘式刀库的总刀具数量受限制，不宜过多，一般 40#刀柄的不超过 24把， 50#的不超过 20 把，大型龙门机床也有把圆盘转变为链式结构，刀具数量多达 60 把 8 机械手刀库换刀是随机地址换刀。每个刀套上无编号，它最 大的优点是换刀迅速、可靠。 （ 1） 制造成本高。刀库有一个个刀套链式组合起来，机械手换刀的动作有凸轮机构控制，零件的加工比较复杂。装配调试也比较复杂，一般由专业厂家生产，机床制造商一般不自制。 （ 2） 刀号的计数原理。与固定地址选刀一样，它也有基准刀号： 1 号刀。但我们只能理解为 1 号刀套，而不是零件程序中的 1 号刀： 统中有一张刀具买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 表。它有两栏。一栏是刀套号，一栏是对应刀套号的当前程序刀号。假如我们编一个三把刀具的加工程序，刀具的放置起始是 1 号刀套装 1 号刀）， 2 号刀套装 3 号刀套装 们知道当主 轴上 加工时， 即准备好，换刀后，进 2 号刀套，同理，在 工时， 装在 3 号刀套里。一个循环后，前一把刀具就安装到后一把刀具的刀套里。数控系统对刀套号及刀具号的记忆是永久的，关机后再开机刀库不用 “ 回零 ” 即可恢复关机前的状态。如果 “ 回零 ” ，那必须在刀具表中修改刀套号中相对应的刀具号。 （ 3） 机械手刀库换刀时间一般为 4 秒（从一次切削到另一次切削）。 （ 4） 刀具数量一般比圆盘刀库多，常规有 18、 20、 30、 40、 60 等 （ 5） 刀库的凸轮箱要定期更换起润滑、冷却作用的齿轮油 8 装置的形式 换刀装置的形式有回转刀架换刀、更换主轴换刀、更换主轴箱换刀、带刀库的自动换刀系统 1。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 2 总体方案的确定 连轴器电动机I I I 轴I 轴图 2统设计简图 库主要参数 载刀量： 24 把 主轴鼻端：刀具形式 具直径： 80均重量： 7选刀库直径： 660盘最低转速： 60r/于刀具形式为 其刀具直径为 80按初选的刀库直径 660符合安装要求。刀库的系统传动部分的简图如上图 示。 动机的初选 （ 1） 选择电动机类型 按工作要求和条件，选用三相异步电动机，电压 380V， Y 型。 （ 2） 选择电动机的容量 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 初选电动机型号为 122，其主要参数如下表 1： 表 2 型号 额定功率 满载转速 额定转矩 最大转矩 质量 712 2 820 电动机输出转矩： 550m =m = m 在此论文中 1 、 2 分别为轴承、齿轮传动（包括蜗轮蜗杆）的传动效率。 取 1 =子轴承 ), 2 =轮精度为 8 级 ,不包括轴承效率 )。 （ 3） 确定电动机转速 刀库工作刀库转盘所必需满足的转速最低为： n = 60 根据传动比合理取值，取一级齿轮的传动比 i1 2,二级涡轮蜗杆减速器传动比i2 20，则总传动比合理范围为 ia 40，故电动机转速约为 nd= ia n=40 60 =2400 定传动装置的总传动比和分配传动比 由选定电动机满载转速 n,可得传动装置总传动比为 （ 2 总传动比为各级传动比 1i ,、 2i 、3i 的乘积，即 电动机型号为 712 2，满载转速 820 （ 1） 总传动比 由式 (1) 60282047 （ 2） 分配减速器的各级传动比 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 按展开式布置。考虑润滑条件，得 1i 2， 2i =此时的输出转速为 =定各轴转速、转矩和功率 （ 1） 各轴转速 01 m （ 2 式中：电动机满载转速； 0i电动机至 轴的传动比。 以及 101 （ 2 2102 （ 2 由式（ 2（ 2 I 轴 01 m = 22820 =1410 1410 102 = （ 2） 各轴输入功率 P 3 （ 2 12 P 3212 （ 2 23 223 （ 2 式中 2 、3分别为轴承、齿轮传动的传动效率。 由式（ 5） （ 7）得 I 轴 P 01= I 轴 12 P = 32 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 3223 的输出功率则分别为输入功率乘轴承效率 如 I 轴输出功率为 P 余类推。 （ 3） 各轴输入转矩 010N m （ 2 其中下式计算： m （ 2 所以 010= 9550010 m （ 2 121 9550 120110 m （ 2 232 9550231201210 m （ 2 34 T= 955034231201210 m （ 2 由式（ 8） （ 13） 电动机轴输出转矩 550 m I的输入转矩 I 轴 010= 955001 0i =2 = m T 1 = 1T m 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 232 212 = m I的输出转矩则分别为各轴的输入转矩乘轴承效率 如 I 周的输出转矩为 T m,其余类推。 运动和动力参数计算结果如下表 2 表 2 轴名 转矩 T N m 功率 P 速 n 传动比 i 效率 输入 输出 输入 输出 电 动机轴 820 2 轴 410 1 I 轴 410 动机的校核 （ 1）转矩校核 加载在刀盘转轴上的重力为 刀库旋转刀架的重力，其中刀架厚度为 15 g =310 4（ （ 10=150N 刀库转盘的重量，其中转盘厚度为 30 g +7024=310 4560N 则可得刀库作用在轴 3 上的转矩 T/3 = 4560+150) m = m 可得 T/3 nd，故此电动机的转速也满足刀库的转速要求。 综合考虑电动机和传动装置的尺寸、转矩、价格和带传动、减速器的传动比，可见此电动机比较合适。因此选定电动机型号为 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 3 刀库设计与校核 轮传动的计算 1、 选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数 1） 选用直齿轮 2） 加工中心为一般工作机器且轻质载荷，故选用 7 级精度（ 88） 3） 材料选择。选择小齿轮材料为 40 调质），硬度为 280齿轮材料为 45 钢（调质）硬度为 240者材料硬度差为 40 4） 选小齿轮齿数 1z =20，传动比为 i = 2, 大齿轮齿数 2z = 2 20 = 40 2、 按齿面接触强度设计 由设计计算公式（ 10 9a）进行试算，即 1 )(1(1) 确定公式内的各计算数值 1） 试选载荷系数 2） 计算小齿轮传递的转矩。 1T = n P 1410 N 410 N )由表 10 7 选取齿宽系数d= 1。 4)由表 10 6 查得材料的弹性影响系数 1表 10 21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 1=600齿轮 的接触疲劳强度极限 2=550 6）由式 10 13 计算应力循环次数。 1N = 6060 1410 1 （ 2 8 365 8） = 910 2N = =910 7)由图 10 19 取接触疲劳寿命系数121 8）计算接触疲劳许用应力。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 取失效概率为 1 00 ，安全系数 S = 1，由式（ 10 12）得 H 1 =60070H 2 =55028) 计算 1） 试算小齿轮分度圆直径入 H 中较小的值 。 1 )(1=4 )12110365 于机床实际的尺寸关系，这里小齿轮的分度圆直径取为0)计算圆周速度 v。 v=100060 11 nd t=100060 51440 3)计算齿宽 b。 根据机床经验公式，齿宽为模数的 6 8 倍，这里模数先试取 2，故 b =（ 6 8） m = 16 这里取 b=20)计算齿宽与齿高之比 模数 140/20 2 高 h = 2 4.5 mm )计算载荷系数。 根据 v = 7 级精度，由图 108 查得动载系数21； 直齿轮， 由表 10 2 查得使用系数 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 由表 10 4 用插值法查得 7 级精度、小齿轮相对支承非对称布置时， 由图 10 13 得故载荷系数 K = AK 1 ）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由式 (10 10a)得 ： 1d = 40 3 ）计算模数 m m = 11 、按齿根弯曲强度设计 由式 (10 5)得弯曲强度的设计公式 21为 m3 211 )(2（ 1） 确定公式内的各计算数值 1） 由图 10 20=500=380由图 1018 取弯曲疲劳寿命系数1 3） 计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数 S=式 (10 12)得 ： F 1 =1= F 2 =2= 计算载荷系数 K。 K= 1 ） 查取齿形系数。 由表 10 5 查得 1 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 6） 查取应力校正系数。 由表 10 5 查得 1 7） 计算大、小齿轮的 加以比较。 111 =22 Y=齿轮的数值大。 （ 2） 设计计算 m3 24 016 2 可知上面所预选的模数 m=2 符合设计要求。 1z = 240 =20 大齿轮齿数 2z =2 20=40。 4、几何尺寸计算 （ 1）计算分度圆直径 1d = 1z m=20 2=40 d = 2z m=40 2=80 2）计算中心距 a=2 21 =28040 60 3）计算齿轮宽度 根据机床实际设计取值，取 1B =202B =15 5、结构设计及绘制齿轮零件图 3文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 图 3 受力分析图及弯扭矩图 ： z 1F y 1F z 3F z 4F y 2A 图 3 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 图图图图图 3 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 （ 1）计算作用在轴上的作用力 蜗轮：由于轴 3 的输入转矩3T= m 则由式3T=3F 3直径，3d=得3F=3T/3d=个力是作用在蜗轮上，对轴 3 产生转矩，由已知导程角 和齿形角 可算出其余的力，蜗轮的受力情况可由蜗杆的受力图分析： F=向力 20 向力104875N 4刀库旋转刀架的重力，其中刀架厚度为 15 4 g =310 44 （ 4 （ 10 =150N 3中转盘厚度为 30 图 3 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 20 3g +7024=310 =4560N (2) 计算支座反力 a、垂直面上的轴承的支承力。 由 和以左齿轮中点 A 的弯矩平衡得： 4 3 2 1 即 150+4560+2 14 168+ 389= 46+ 275 可得 110790N 25220N b、水平面上的轴承的支承力。 由 和以右齿轮 B 中点的弯矩平衡得： 1 即 175= 29 可得123)、水平面上的弯矩 4 79= 左4 168+39=*M 右2 75+6=*M 2 29=*M (4)、垂直 面上的弯矩 左46= 右29=