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机械装备寿命的可靠 构建与优化设计 摘要： 维护设计对于机电产品或系统的寿命周期来讲，是一种重要的设计方法。基于机构作用可能会出现失败的几率，机械系统的可靠性建模被发展了起来。基于部件可能会出现失败的情况，机械系统的可靠性建模就被发展了起来而系统最小的可靠性和最稳定的可靠性系数被定义为机械系统在寿命周期内大致的可靠性。其次，提出维护的一个基于可靠性的设计最优化模型， 总生活周期 消耗 被考虑 作为 设计目标和系统可靠性 。最终，维护的基于可靠性的设计最优化方法通过组分设计示范被说明。 关键词 :维护 ; 可靠性 ; 模拟 ; 优化设计 1. 介绍 在一个机械产品期间的生命周期，维护是非常重要 的，可以 保持产品可利用时间和延长它的寿命。 关于维护的研究机械产品的大致被分类为 以下 三种： (1)如何拟定维护政策或 (和 )如何优选考虑系统可靠性和维修费用的维护期间 14。(2)发展维护方法和工具保证系统维护到低成本和短的修理时间，例如发展特别的维护工具 59。 (3)在设计程序期间，为维护设计，系统可维护性 地 被评估和被改进 1012。维护在设计之初就开始了。 明显地，维护的设计方法论，是其中一个在产品的生命周期的最佳的有效的维护手段， 吸引许多 研究者的兴趣。然而， 维护设计的研究主要在于两个领域。 一个是在产品设计选择的可维护性评估 ; 另一个 是为方便维护设计的 特殊结构的零件 。在本文 中 ，根据时间对失败零件的密度函数， 要调查 接受维护的一个机械系统 的 零件的服务 寿命 。然后机械系统的可靠性模型被重建并且被 仿真 。 最终， 维护的新颖的设计最优化方法 通过一个链式设计被发展并说明。 2. 可靠性塑造维护的机械系统 型假定 在一个机械系统运行 一段时间 之后，由于失败的 被 替换分开，主要可靠模型是不适用 于 改变系统，因而应重建可靠性模型。 在本文谈论的机械系统有以下 特征： 一个 系统包括很 多 同样 的 零件，零件的数量在系统期间的一生周期是恒定的。 所有零件的时间对失败密度分布函数是 相同 的， 并且 替换件 也 和原始的零件一样有失败分布函数。 每个部分的失败是一个任意 的 独立事件， 也就是说 一部分的失败不影响其他部分在系统的 中 的失败。 维护的可靠性 建模 一个机械系统的可靠性取决于它的零件， 可靠性和失败的可能性取决于他们的工作寿命。在这里 ，根据时间的密度分布函数对零件的 失效 ， 应计算好部件在机械系统中工作寿命 ，然后 开发 机械系统的可靠性模型 。 在一个机械系统的服务期间，发生故障的有些零件 要求及时替换，因此机械系统的部分的 寿命 分布被改变了。推测在机械系统运行 一段时间后 中 是维护活动之间的时间，即维护间隔时间之后， 单位可以是几小时、几天、几个月或者几年。 如果 表零件的年龄比例在 n 用年龄 而部分的年龄分布在时间 上 表示 为 矩阵 L、 L， 。零件的失败密度函数和部分的寿命 分布在系统的确定 寿命 分布在下次或者 在下一段时间区内留下来的部分目录。寿命分布取决于每一段时间内每一部分部件在下一段时间区 内失效的几率。要发现零件的失 效 可能性失败密度函数 是从零开始的。 存留下来的数量在下一个时间段得到提升，失效的部分被新的部件替换被重新返回第一个盒子里。 最初 的 ，所有零件是 新的病在第一个盒子里 。 即在 ，在第一个箱子的部分 是 P0(1 (1) 在 ，第一个箱子的年龄分数和第二个箱子代表 ： P1(p0(1- f(x)P0(p0( f(x) (2) 两 种寿命盒子内 的部分 ， 生存并且到下个 寿命 箱子， 而 不合格 部件 的部分 被新的零件替换 ，从这 两个箱子 到 第一个箱子 。 在 2， 计算 前三个箱子的比例 P2(p1(1- f(x)P1(p0(1- f(x)P0( p1( f(x)p0( f(x) (3) 因此，通过使用以下等式，在 在每个 箱内的部分部件将 被 进行如下 计算 ： 当 P0(寿命在 部件总量的一小部分时，代表了部件刚刚被投入使用。这就意味着 P0(这部分的失效率，或者说是小部件的代替。换种说法就是说，这些在第一个盒子里的一小部分部件在 t0,用来取代失效部件的新部件。 一系列的系统包含了 N 个有相同失效概率分布的部件，每一个部分只是一系列的单元，每个单元是相对独立的。 在同一系列系统里任何一个单元的失效表现 为一个系统的失效，按照可能增长的原则， 一系列系统的可靠性就是： 由于组成系统的部件数量是恒定的，在此，机械系统维护的系统稳定性被定义为： 3. 维护可靠性的模拟仿真 模拟仿真的结果显示了系统的稳定性在工作期间是不断变化着的。一个系统的可靠性经历了几次波动，有时是最大值而有时是最小值，最终达到一个稳定的值。 系统稳定性的震动会周期性的衰减，这段时间是部件 的预期寿命（根据韦伯分布，参数 近似于大 的预期寿命） 。 对于机械系统的设计和维护，系统稳定性的最小值跟稳定值是最重要的。系统的最低稳定性出现在初始阶段，但系 统可靠性的稳定值出现在运行一段很长时间后。在此，为了后面方便讨论，系统维护的最低可靠性和稳定可靠性被定义为 基于如图 6 所示的系统稳定性的仿真结果中。 由于它发生在初始阶段，系统最小可靠性会在从 t=0 到 t=2的仿真结果的不相关联的可靠性值中找到。最小可靠性被定义为： 假设仿真时间是 别代替了在 t T ,T + 2 的最大值和最小值。一旦当最大可靠性值和最小可靠性值的比值 满足，系统可靠性被认为在 达到一个稳定的值。因此，系统稳定性或者说稳定可靠性被定义 为： 1 是稳定的要求，通常是 98%。 如果 存在，系统稳定性是不稳定的。 4. 可靠性的优化设计模型库 对于维护的一个基于可靠性优化设计模型被用来跟耗费维护的系统可靠性和寿命周期消费来代替，上述模型对于计算系统的部件替换率，最小可靠性和系统可靠性有帮助。 在这个模型里， 寿命周期的消耗被认为是一个设计目标，而系统的可靠性被认为是设计约束条件。我们的工作目标就是要去找到一个最小消耗的设计方法并同时满足这个系统规定参数。 型的寿命周期损耗 机械系统的寿命周期损耗包含着产品成本和维护成本。系统维 护成本是来源于以下所列的项目：（ 1）替代部件的成本；（ 2）操作损耗包括替换部件时的资源损耗（ 比如： 劳动、装备 ） ；（ 3）替换部件时的生产间隔造成的间接成本；（ 4）替换部件的准备工作成本。在前面的三个项目参与了每次维护时替代部件的数量。替换越多的部件就会耗费越多的资源，占用越多的生产时间，因而带来巨大的损失并增长了维护成本。最后一项没有参与替换部件的数量上但参与了每次维护跟替换上。结果，机械系统的维护成本 被保密为替换部件数量上的成本考虑和维护次数上的成本考虑。在这种方法下，对于一个包含固定数量 N 部件的机械系统 ，在它运行了一段时间 M，它的寿命周期损耗模型包含了生产成本和维护成本，表示为： 在式子 9， C 是系统内每一部分部件总的寿命周期损耗。 别表示部件生产系数，更换成本系数和准备成本系数，这些数据是统计分析领域的数据。m = M /， M 代表着系统寿命。式子 10 等号右边的首项代表系统的生产成本，式子 9 右边的第二项表示系统的维护成本。在式子 9 里，由于部件的替换成本包含着不仅仅是替换失效部件的部件生产成本，而且 有用于资源的成本 和用于替换的间接成本。显然，式子 10 里表示的不是绝对成本，而是相对成本。式 子 9 也可以表示为： 于可靠性的设计与优化 假设系统的一类部件有 X= (x1, 它们的失效密度函数被表示为每一种方案， X= (x1,它们的失效密度函数被表示为F=(f1(t),f2(t),L,fn(t) 作为每一个方案 。 对于一个维护的固定间隔 0，它的基于可靠性优化设计的模型 I 的维护被表示为： 显然的，最小寿命周期损耗和可靠性取自上述模型的一段特定的时间段。对于任何一个的 n 种设计方案，它的成本和可靠性取决于维护间隔 。最小的成品成本可以取 自于最优化的维护间隔。所谓的最佳的维护间隔，顾名思义地， 就是将维护间隔优化到最小的寿命周期成本，因此基于可靠性设计和优化的模型的维护克表示为： 在式子 11 和式子 12 里， C 是取自式子 9 或式子 10， 别表示系统的最小可靠性和稳定的可靠性。 系统允许的可靠性值。通常来讲，（ 也就意味着系统稳定性在整个寿命周期内允许在某一定的程度上 变化，但变化范围不会超过稳定可靠性值的 5%25%。 据系统可靠性模仿的设计最优化 显然 ，系统 平稳的可靠性、极小的可靠性和部分在设计模型的替换率可以从可靠性模仿 而获得。 所以，维护的设计最优化是 基于模拟 的设计方法。 在设计模型，可靠性模仿的输入的情况是时间对失败密度系统部分 F，系统服务生活 且生活周期 消耗 系数是 为固定的间隔时间维护，输入的情况在固定的维护间隔时间 0增加。 维护的时间与 M/ 0 明显地是相等的在一生周期期间。 至于维护间隔时间需要被优选的情况，维护的时间是获得的被环绕的 M/在另外维护间隔时间。另外，系统的设计选择必须满足系统可靠性的要求，因而 出来了 。 终于，一个优选设计选择和它极小的信度、平稳的可靠性和生活周期费用 被得出了 。 设计最优化流程图维护的显示作为 式子二 ，设计最优化二个模型维护的是联合。 最可能， 一个模型的解答通常是与另一个模型不同。 5. 设计示范 有链式传送机链接圆环的三个设计选择，产品使用期限 M 等于 100 个月。时间的密度分布函数对圆环的失败的是 作用 ，并且他们的发行参量和费用系数生命周期在表 1 被列出 如 下 。 假设极小的可靠性和平稳的可靠性的要求是 考虑系统维护间隔时间从 一系列的等效区别价值被挑选，离散最优化方法被采取。 两个设计模型的模仿结果维护在 表 到图 11 被列出说明系统可靠性和总生活周期费用随系统的工作次数变化。 注： 0是间隔时间固定周期维护的设计模型 11)，和最宜的间隔时间优选周期维护的设计模型 2). 当系统维护间隔固定，最宜的设计选择如显示从模仿结果在表 2 列出了 ，1)是选择 0 = 1 2 x。其中 1x 不满足系统可靠性压抑，并且共计选择 2 x 的寿命消耗 低于选择 3 x。 从 这个 例子， 了解到 不可能有将遇见系统可靠性为不适当的固定的维护间隔时间压抑的设计选择。当系统维护间隔时间被优选时，最宜的设计选择 被 获得了 。 2)是选择 3 x。 在 这个例子中 ，所有设计选择符合系统可靠性的要求，并且共计选择 3 x 的 寿命消耗 是最低的，相应地系统维护间隔时间 * 3 x。 显示易变的维护周期警察导致设计选择另外选择，并且共计生活费用可以是通过优选维护间隔时间减少。 几个有趣的结果能从图 3 到图 6 中 被找到 。 . （ 1） 当固定的间隔时间 (0 = 1)是坚定的，选择的系统可靠性 0 = 要求，而且接近对要求价值。选择 可靠性满足平稳的可靠性的要求，但是不满足极小的可靠性的要求竟管它最便宜。 虽然选择 3 x 满足系统可靠性的要求，平稳的可靠性或极小值可靠性，它有最高的总 寿命周期消耗 。 图 图 4. 设计选择的生活周期费用模仿固定的维护间隔时间 （ 2） 当维护间隔时间被优选时，最宜的间隔时间的选择根据系统可靠性的令人满意要求前提。 至于选择 1 x，为了符合系统可靠性的要求，维护间隔时间减退，但是它的总生活费用增加有些。 为选择 * = 护间隔时间在优化以后保留常数，也，因此意味着间隔时间 =1是这个选择的最宜的间隔时间。 为选择 3 x，由于优化、维护间隔时间增量、 =而它有更低的总生活周期费用。 其外，三个设计选择被优选，系统可靠性和总生活周期费用他们的曲线趋向对集中化和坚固性，并且费用区别在三个选择之中的减少。 图 图 (3) 当系统要求高 的 可靠性 时 ，相应地，维护间隔时间将减 少，并且维修费用将上升。 相反，当系统要求低可靠性，相应地，维护间隔时间将延迟，因此维修费用将减少，系统维护费用减退受系统可靠性要求支配。系统可靠性平稳的价值和最小值随着维护间隔时间的增加单调减少总生活周期费用随着维护间隔时间的增加 而 减少。结果，稳定的极小的间隔时间系统可靠性价值和最小值满足设计要求将得到设计选择的极小的总生活周期费用。必须指出设计选择的系统可靠性比要求价值不是相等与，而是少许更多由于离散最优化的采用。 (4) 当系统的设计选择决定时，设计选择最宜的选择取决于不仅维护系统可靠性和系统服务生活 的间隔时间而且 还有 要求。 例如，当间隔时间被固定时 ( 0 = 1)，并且需要的系统可靠性减少从对，从 11)m R = m R = 不是选择 2 x。当系统服务生活转换从 M = 100 到 50时，最宜的设计选择 被 获得了。 2)是替换 3 x 而 选择 1 x 显示作为图 6。 这就 意味着，因为高质量材料做的零件有长的产品使用期限，设计选择得到更低的总 寿命周期成本， 竟管他们 会有 更高的生产成本。 6. 结论 在产品期间的生命周期维护是其中一项重要任务。零件的替换 将导致系统可靠性和生活周期费用的变动。基于零件的时间 失效 密度函数，平稳的可靠性、极小的可靠性和生活周期费用可以通过可靠性模型的系统可靠性的重建和模仿得到。本文开发维护的基于可靠性的设计最优化方法学，总生活周期费用被看待，当作为设计的设计对象和系统可靠性压抑。它提供一种新的方法做在机 械系统之间的可靠性和总生活周期费用的一种交易在设计最优化的维护 。 鸣谢 这 项 工作 得到了 湖南科学技术大学 的刘博士的大力支持 。 笔者相当感激能得到其参考资料的注释，极大地改进了目前这项工作。 参考文献 1 et “of 5, 2 H. J. et “of 2006. 21, 3 Q. “of of 2005, 36, 4 H. H. “in S,1999, 91, 3055 “ 2002, 6 i, “of to of 004, 7 “ 2005, 750. 8 J. R. et “on 2005, 9 D. O. “ 1999, 10 “, 995. 11 U. “a 2002, 12 H. et “of on 2003 ,20, 13 Y. “A to . 008; 93(8): 113850,” 2009, 14 X. “of 2009, ab ab is an of or on of of on of a is in is as as is by of I. of a is to on (1) to to 14. (2) To to to as 9. (3) To is is 012. at is of in of a on is on is on is of In on of of of a of is a is by of of a F A. a to of is to be in of a of in of is of of as of is a of of in B. of a on of on to of to of of is of is of a to be in of of , is be or )t of nt of at 01(), (), , (), , ()nn in of of in at or of of to An at To of is of to is 50875082 9789/$009 029is by to to in in 0t =00() 1 (1) = , of 2) 11 0 0001 000() ()1 ()d() () ()pt fx pt fx =of to of by in = , of 22 11012 010202 11 0100() ()1 ()d() ()1 ()d() () () () ()pt pt fx pt fx xp t p t f p t f =+(3) at , of in by 110(1)1210(2)231022110101001() ( )1 ()d() ( )1 ()d() ( )1 ()d() ( )1 ()d() ( )1 ()d() ( )n n p t fx xp pt fx pt fx pt =)00()=(4) ()np t is of of It np t is of or of In of in 01, , is a is In of in in to of of ()00() 1 () =(5) of is of is )00()00() ()1() =(6) of a is of is of ( at . of of of of at of a to of on of as t(). s it at of be in of 030t = 2t = . is ) ) , 0,1, ,R Rt i n=L(7) R 0, 2+ of R is is as at at or as is =+)/2 (8) 1 is 8%. be 0N is to a of in to of In of is as a of is as is to a A. of of as (1) of (2) of (3) (4) of of is of of or As a of as In a a of it M , is 0101()c=+ + 2(9) q. (9), C is of of in of of of be by of c,c/, of of q.(10) of of q. (9) of q. (9), , of by q.(10) is 9) is +02101()mc c + (10) B. of a of n 2(, , , )nX xx x= L , to ()12(), (), ,L ()or a is 00 ),x (11) is to of n on . be of is to is 0 , ),x (12) q.(11) q.(12), C is q.(9) q.(10). , of 0, is of In 00( = ,to in is %25% of 1031C. on in be is a on In of to of , of of in c, of As to to be of M to at In of an of is in of of is F 012,. of . of of is 00 of to of is of as . x 0c/(1c/(c/( 5 10 3 7 4 12 5 10 4 20 10 18 of is a of is of . 8 11 of I. F x 0/( 1 1 1 x 0/( 1 0 is of q. (11), is of q. (12). *As , is q. (11) is 1 =2x . x of is of it be be a an is q. (12) is x . In of of x is .8 in It is to of be by be 36. (1) a ) is of 1 =2x to of x of 032of in of of or it 1. of a . of a 2) is of is on of of As to x , in to of , 2x , = is an x , to , it of to of 1. of an . of an 3) On so as of is to of of of As a of It be of is to to of (4) of of on of is 01 = ), q.(11) is 00宁波大红鹰学院 毕业 设计（ 论文 ） 任务书 所在学院 机电学院 专业 机械 设计制造及其 自动化 班级 10 机自（ X） 学生姓名 学号 10导教 师 题 目 数控加工中心刀库设计 一、 毕业设计（论文）工作内容与基本要求： 1、主要任务与目标 （ 1） 英文翻译： 认真查阅 10 篇以上专业文献，其中外文资料不少于 2 篇，并翻译一篇 中文字符 2000 字以上的外文文献。 （ 2） 毕业调研：完成文献综述、 开题 报告。 （ 3） 完成主要零件 的设计， 编写设计说明书。 （ 4） 用图纸绘制必要的 刀库 电气原理图和 控制 流程图。 （ 5） 完成毕业设计的其它工作 （完成指导记录、资料上传网络设计平台、答辩 备、资料装订整理） 。 2、主要内容与基本要求 （ 1） 主要内容： 1）介绍加工中心刀库的种类和最新技术 2） 了解 加工中心刀库 的总体结构， 具体 组成； 3） 完成 加工中心刀库主要零件的机械 设计 ； 4）介绍加工中心刀库的工作原理 （ 2） 要求： 1） 要求机构设 计方案合理 ； 2） 完成 3 张 合），并要求 制 ；总装图一张 ； 3） 撰写设计说明书 内容包括：课题的目的、意义、国内外动态；研究的主要内容；总体方案的拟定和主 要参数的设计计算；传动方案的确定 ， 设计主要零件，进行强度计算 ， 条理清楚，计算有据 ； 格式按 宁波大红鹰学院机电学院机自专业 全日制普通本科生毕业论文（设计）规范化要求。 文字在 1 万字以上 ， 4）其他 要求 ： 学生在进行设计过程中，应充分发挥自己独立思考和创作设计，培养和锻炼工程实际中的发现问题和解决问题的能力，反对盲从和抄袭行为。设计期间应完成以下工作：查阅相关文献资料，其中外文资料不少于两篇，外文翻译不低于 2000字，英文翻译必须注明出处，并提供原版 件； 3、 设计参数 设计参数： （ 1） 6 把刀更换 （ 2） 制 4、主要参考文献 相关课程教材； 1濮良贵，纪名刚主编 八版） M等教育出版社， 2成大先主编 五版） M学工业出版社， 3郭宏亮 主编 M京大学 出版社， 4林怡青，谢宋良，王文涛编 M华大学出版社， 5顾晓勤，刘申全主编 M. 北京：机械工业出版社， 、毕业论文进度计划 序号 各阶 段工作内容 起讫日期 备注 1 熟悉课题，了解粉碎机的相关情况调研 拿到毕业设计任务书起 到 2 查阅国内外 相关研究资料 文资料不少于两篇，翻译不低于 2000 字，提供原版 撰写 文献综述 4 撰写 开题报告 5 计算几何结构尺寸 要时去相关企业调查学习 6 绘制 台 总图、零件图 7 设计主要控制原理图 8 主 要元器件选型 2 月 30 日中期检查 9 修改 格式、文字以及错误处 进行修改 10 毕业答辩 准备 料装订完善、上交 11 答辩 5 8 优秀毕业设计 4 月 19 日答辩 三、专业（教研室）审批意见： 审批人（ 签字）： I 宁学 毕业设计 (论文 ) 数控加工中心刀库设计 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 加工中心 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 加工中心刀库 进行设计，采用 刀库及关键零件进行绘制。 关键词：加工中心；刀库；数控加工 1 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 in is of to I of to of to nc of 004. 目 录 摘 要 . . 1 目 录 . 2 第 1 章 绪 言 . 8 课题在国内外的研究动态 . 8 库产品目前的水平 . 9 库系统的发展趋势 . 9 库系统的发展方向 . 10 题的目的、意义和开展研究工作的设想 . 10 题的目的 . 10 展研究工作的设想 . 10 题设计方案的选择和设计手段 . 11 第 2 章 刀库传动系 统设计 . 13 库主要设计参数 . 13 库驱动液压马达的选择 . 13 库负载转矩 算 . 13 定液压马达转数 . 15 轮设计参数 . 16 择齿轮材料、热处理方法及精度等级 . 16 齿面接触疲劳强度设计齿轮 . 16 要参数选择和几何尺寸计算 . 18 根校核 . 19 的设计 . 20 动轴承的选择与校核计算 . 25 联接的选择及其校核计算 . 26 第 3 章 链参数计算 . 29 送链的设计 . 29 3 式轴的设计 . 30 动轴的设计 . 30 承的选型及校核 . 32 强度计算 . 34 链传动的运动特 性 . 34 链传动的动载荷 . 35 链传动的受力分析 . 36 轮接触强度的计算 . 37 第 4 章 刀库准停系统的设计 . 38 结 论 . 44 参考文献 . 45 致 谢 . 46 4 5 6 7 8 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 9 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 发展符合重量轻、成本低概念的刀库产品。 10 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 。 （ 1） 提高换刀速度的基本原则 11 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 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12 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 加工中心 刀库 进行设计，采用 004 中文版对刀库及关键零件进行绘制。 13 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 送刀方式：任意 拟定的设计参数 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 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 14 （ 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 15 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 16 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大齿轮选用 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 17 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 18 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 20 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 21 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 22 ） 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 2