加工中心刀库与自动换刀装置结构设计（全套含CAD图纸）
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J. (2012) 19: 174178 1209883 of 41 012 To to be an to a is to be is a of as a of 12, to of by of to It is to an in of by of by in to in it is to be a to As a it is to of in In a on an an to an 4 h. in a to as by TC is to a 1. it an an of is to in to is to or to TC in a in In of to to by 80 in a 2. it is to of of In is of 3. et 4 of by et 5 on 6 to of NC 7 a on 8 be an of of et 9 to on In TC of to 10. It a if it to in a if of 20110426; 20111010 +82552133622; . (2012) 19: 174178 175of is of in is by of 11. In a 11, a 5 in 2 TC of as is a is an by in in a by 80. of TC by 5 1 of he of of of of 12. by in In a in a 1 794 13 496 of 2 of or in at of TC to In a 47 N to at of of 3. of at m at is at of of TC is 3 of (a) (b) of he D/F), be by an of In in it as as to be As of is as of of 12. J. (2012) 19: 174178 176 in is as a is as a By an be is as a on in is by a in 0%. of of n of to of of 4 TC he be by 1315. TC is as X) A, B, C U(=A, B, C) X=A, B, C of , B, 30 mm in to of in on In of 5 of of of in as as of 5 (a) (b) of of of is an of it is to by a 16. of is in in 0% of on in of of is be as Z) rr is of a r, is . (2012) 19: 174178 177to in is in of of As 6, a by on to a of on of 6 of 7 of he is in as as of is 8 of (a) (b) he of is m in m by as at of as as is in by as In is kg in kg by as of of 11 of in of ) B) C) , it be in to 4 ) By it is to an in of 2) In of of 3) By by of by it is is 4) on of it is it be to of J. (2012) 19: 174178 178 1 W, K. TC J. 2006, 23(6): 111118. (2 Y. of M. 1977: 111. (3 , , . in J. 2008, 57: 697715. 4 H, S, G, J. of by J. 2005, 38(4): 403412. (5 , , , . in C/ 2006: 644. 6 , . A NC of J. 2006, 29(9): 940947. 7 . An of J. 2008, 86: 19361953. 8 . of by J. 2009, 22: 691711. 9 D, J, K. to on J. 2010, 47(11): 16181640. (10 , , , . J. 2011, 6523: 492502. 11 H, J, M. of TC of C/ of 2010: 357362. (12 W, G. of 1) J. 2001, 18(11): 155160. (13 J, M. A on of J. 2009, 27(2): 8693. (14 S. to M. 2003: 89. 15 S, S. of by J. 2008, 22(1): 2533. (16 S. A on of in J. of 2007, 16(2): 813. ( 1 链 式自动换刀臂的多阶段优化设计 韩国昌原国立大学机电学院，昌原 641 中南大学出版社和柏林海德堡施普林格出版社 2012 摘要：为了提高加工效率，刀具更换时间需要有所减少。因此，用于连接到一个自动换刀加工中心的换刀时间将减少。同时自动换刀系统是加工中心的一个重要部分，作为驱动源。使用商业代码 12试 图解释自动换刀装置的静态属性，对和自动换刀臂的优化设计进行了多级优化设计。依靠自动换刀的形状的优化建议，并对结 果进行了验证，获得可接受的改进。它是能够获得一个与初始模型的比较，最大变形，最大应力和质量分别减少 优化模型。同时，实验设计方法也与常规的实验设计方法进行了多级优化比较。 关键词：自动换刀装置；优化设计；结构分析；交换臂 1 引言 最近，在机械制造行业中，模具和机械零件已经变成了小批量生产系统。同时， 需要 提高生产率和切割速度。然而， 从实践观点看 ，高质量和低成本是有针对性的实际的立场。因此，对于这样的目标追求实现机床高速加工，实现自动化，缩短交货时间。结果，它是可 能的检查状态的工具和工件在机床使用适当的传感器。此外，加工中心的自动换刀装置 （ 和一个托盘自动交换装置 （ 在操作无人值守厂 24 小时，自动换刀装置存储用于加工中心的杂志和变化的工具自动为所需的工具。改变这样的管制 的 工具正是安装在主轴 1。 同时，它代表了一种先进的优势，由于对机床的干扰少，加工中心操作者可以从事其他工作。也就是说，运营商可以控制其他机床或准备下一个工件，从而减少生产时间。 在这项研究中使用的链式 表着许多工具都存储在一个特征模块。在工具的改变，两个臂移动到旋转 180在 直接转换的方式配置工具更改到下一个工具 2。因此，有必要同时确保结构特点和设计轻量化。 在实际的工业领域，优化设计是非常重要的。因此，提出了各种机械零件优化各种优化方法 3。 宋等人 4 提出的轴承短优化设计提高学报的人工生命算法。阿莱尔等人 5 结合结构优化的拓扑和形状的进行推导。 6 提出田口优化验证数控铣削的最佳表面粗糙度。兰博迪 7 提出了一种基于模拟退火算法的桁架结 2 构优化设计。塞库尔斯基 8 表明，遗传算法是一种有效的多目标优化工具的拓扑结构同时设计优化的 设计工具。 9 提出的形状优化和基于 在优化空管部门，其结构特点的因素和轻量化是彼此相反 10 。它显示一个权衡，如果追求提高结构轻巧，结构特点，将是一个弱点，如果改进的结构特点，对轻量化的实现是很困难的。因此 ， 为了满足这些相反的因素和优化，以不同方式等臂形状优化是通过实验设计了 11 。 在这项研究中，获得更为优化的模型比以前的研究 11 ，一个多阶段进行的优化设计。优化设计是利用商业分析程序， 5和 分析 的有效性是通过比较初始和传统优化模型在这项研究中实现的优化模型研究。 2 结构 杂志，更换部分，和臂部。部分杂志是一种装置，储存大量的工具和修改工具使用伺服电机。该变换器部分配备伺服电机，旋转臂。臂部的啮合工具在加工中心的旋转 180主轴和杂志显示臂形变化的工具。 图 1说 明了 5 图 1 就 手臂的初始模型进行结构分析。在进行有限元分析的参考，使用商业分析程序进行了初步的有限元分析模型，利用 12。分析是通过 3 最小化在臂的附加部分进行。在分析方法上，一个十六进制主导的方法应用于一个有限元分析 共 51794个节点和 13496元素。图 2显示了手臂的初始有限元模型。 图 2 初始有限元模型的手臂 在分析的边界条件，在 中心孔的支持，和重力加速度的应用到整个身体。在负载条件下，负载 147 结构分析的结果示于图 3。时，最大应力在截面边缘产生，这推动了空管部门后 帕的的手指 。 图 3 结构分 析：（一）臂的变形分布；（ b）的应力分布 3 4 静态顺应性 = D / F）可通过静刚度的得出了。特别是，在一些机械结构的机床和工业机器人要求高精度和加工效率，就成为最重要的静态特性以及结构的重量，这些因素是综合评价，同时。正如上面提到的，静态优化的问题被确定为这两个目标函数的静态特性和重量最小化的问题 12。 因此，在这项研究中，优化是为满足每个目标函数的一个多级的方式进行。第一阶段为提高静态特征的阶段。通过定义设计因素，减少变形，可诱导的最佳模型。第二阶段是确定为实现其轻量化的一 个阶段。基于第一阶段提出的优化模型，形状优化是针对它的重量减少了 10%行。 在第一阶段的优化设计，优化设计的目的是最大限度地减少臂的变形。 图 4说明了手臂的设计变量。 图 4 臂 的尺寸和形状优化设计的一般形式可以通过定义目标函数和约束条件下的函数 13为实现对 式化定义如下： 其中 和 显示应力和变形，分别。同时， 示的应力和变形的允许值，分别为。一方面， A， B，和 C 的设计变量。设计变量的配 置 30毫米，不到目前的碰撞干涉的影响在结构上的设计 。 在最佳设计，最佳的解决方案可以最大限度地减少臂的变形使用 5的产品工程优化。表 1给出了优化结果。 5 图 5说明了该优化设计的臂的结构分析结果。在分析中的边界条件被配置为作为初始模型同样存在。 表 1 优化结果减小变形 图 5 减少变形的结构分析优化的 a）变形分布；（ b）的应力分布 实现手臂的轻量化是降低工件成本的重要因素。同时，可以通过引入一个轻量级的结构 16 改善经济。因此，实现手臂的轻量 化优化设计是在第二阶段进行。在降低质量的目标是 10%的基础上的最佳设计的第一阶段提出的模型的手臂。为 6 减少手臂的质量，形状优化采用 优化设计的形式化可以如下： 在 和显示压力和变形 ,分别和 时 ,设计变量 置 找到所有部分的质量减少可能除了部分 ,它有一些局限性在设计。 图 6说明了最佳的解决方案，最大限度地减少臂的变形结果。如图 6所示，提出了 “部分删除 “代表一个质量可部分去除它。根据研究结果，可部分 除去到最高水平。图 7显示了基于形状优化结果的臂轻量化提出的最佳形状。 图 6 基于 图 7臂设计 结构分析使用所提出的优化设计进行。同时，在分析中的边界条件被施加作为现有的初始模型相同的。 7 图 8显示了结构分析的结果，这是通过施加的最佳形状进行。 图 8结构分析的轻量化优化臂：（ a）变形分布；（ b）的应力分布 该模型的最大变形采用优化设计，从 少 7M 产生在夹子端作为初始模型相同的。同时，最大应力降低 兆帕 在初始模型 兆帕高达 此外，质量从 公斤的初始模型，提出了减少到 公斤，多达 表 2给出了比较的结果的优化设计 11 采用多级优化设计实现了在这项研究中进行的实验设计。 表 2 结果比较 8 在本研究中得到的结果与实验设计的结果比较，最大变形，最大应力，和质量的 和 降低，分别为。因此，可以看出，使用 行本研究多级设计使得有可能吸引更多的改进优化设计比现有的研究。 4 结论 1） 采用多级优化设 计，可以获得一个优化模型，与初始模型的比较最大变形，最大应力和质量分别减少 。 2）在多级优化设计和进行实验设计与优化设计的比较，最大变形，最大应力和质量分别减少了 3）通过比较常规方法的结果的实验设计方法，提出了采用多级优化设计，验证了优化设计是否正确进行。 4） 基于 业软件使用多级优化设计验证，预计可应用于机床的结构优化设计。 9 参考文献 1 W, K. TC J. 2006, 23(6): 111 118. ( 2 Y. of M. 1977: 1 11. ( 3 , , . in J. 2008, 57: 697715. 4 H, S, G, J. of by J. 2005, 38(4): 403 412. ( 5 , , , . in C/ 2006: 644. 6 , . A NC of J. 2006, 29(9): 940 947. 7 . An of J. 2008, 86: 1936 1953. 8 . of by J. 2009, 22: 691 711. 9 D, J, K. on J. 2010, 47(11): 1618 1640. ( 10 , , , . J. 2011, 6523: 492502. 11 H, J, M. of TC of C/ of 2010: 357 362. ( 12 W, G. of 1) J. 2001, 18(11): 155160. ( 13 J, M. A on of J. 2009, 27(2): 86 93. ( 14 S. to M. 2003: 89. 15 S, S. of by J. 10 2008, 22(1): 2533. ( 16 S. A on of in J. of 2007, 16(2): 813. (购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 摘要 自 90年代以来，数控加工技术与数控车床得到迅速的发展与普及。加工中心作为新的时代数控机床的代表，已被广泛使用。刀库与自动换刀装置作为加工中心的最重要的部分，它们的发展直接决定了加工中心的快速发展。本论文完成的是立式加工中心链式刀库与自动换刀装置的结构设计、传动设计与传动部分动力设计。链式刀库在加工中心应用十分广泛，其换刀过程简单、换刀时间短；链式刀库其刀库容量比较大，结构比较灵活和紧凑，常为轴向取刀。可根据机床的布局将链环配置成各种形状，也可将换刀位置刀座突出以利于换刀。刀库传动部分采用采用蜗轮蜗 杆减速装置，这种设计方案可以提高输出轴传动平稳性能，提高刀库运转平稳性。本刀库满载装刀 40 把，选择任意选刀方式，设计中机械手采用回转式单臂双手机械手，这种机械手可以同时完成拔刀和插刀动作，结构简单，换刀快。 关键词： 加工中心 链式刀库 机械手 自动换刀装置购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 990s, NC as a of a NC as of of is in is is is by of of 0, of a at is is 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 目录 第 1章 绪论 . 1 加工中心释义 . 1 加工中心之发展史 . 1 加工中心的国内外应用现状 . 1 加工中心结构组成机构 . 2 第 2章 加工中心刀库设计 . 2 介 . 3 刀库方案设计 . 3 . 4 . 4 链轮链条确定 . 4 库选用的负载转矩计算 . 5 伺服电机确定 . 8 动比分配 . 10 轴工作功率 . 10 轴转矩 . 10 第 3章 传动设计 . 11 轮蜗杆的选用 . 11 . 11 闭式蜗轮的齿面接触疲劳强度进行设计计算 . 11 杆蜗轮主要参数几何尺寸 . 12 核闭式蜗轮齿根弯曲疲劳强度 . 14 的尺寸的设计计算 . 14 材料选定 . 14 杆轴设计计算 . 15 . 15 轴器选定 . 15 承的确定 . 15 轴段尺寸确定 . 15 轴承校核 . 16 力球轴承校核 . 16 柱滚子轴承校核 . 16 的校核 . 17 轮轴设计计算 . 19 步计算轴最小直径 . 19 算各段蜗轮轴段尺寸 . 19 轴承校核 . 20 的校核 . 20 第 4章 刀库尺寸的确定 . 22 库总尺寸的计算 . 22 刀库尺寸的计算 . 22 刀 库其余部件设计 . 22 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 . 22 簧的设计 . 23 寸的确定 . 24 . 24 第 5章 自动换刀装置设计计算 . 26 述 . 26 刀装置位置顺序及原理 . 27 机械手驱动传动结构 . 28 械手机构结构设计 . 30 述 . 30 械手类型 . 30 械手 设计 . 31 . 32 簧选取 . 32 . 33 紧销的选取验证 . 35 栓的确定 . 35 . 36 结束语 . 37 参考 文献 . 38 致谢 . 39 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 1 绪论 加工中心释义 加工中心是适应省时、节能和省力的时代需求而快速发展起来的自动换刀数控机床，综合了电子技术、机械技术、现代控制理论、计算机软件技术、测量及传感技术以及刀具和编程技术和通信诊断的产品。加工中心能够集中多种工序，具有工序集中、自动换刀、精度高等特点，使机床切削利用率高于普通机床的 3至 4倍，是数控机床中自动化程度与生产率最高的综合性机床。 加工中心之发展史 1958 年，美国卡尼特雷克公司把铣、镗、钻等多种工序集中到一台机床上，通过换刀实现连续加工，成为世界上第一台数控加工中心。产品问世后，引起英国、德国各先进工业国的高度重视，竞相生产开发，不断完善和扩大机床功能，成为数控机床中发展最快的产品之一。如今，世界上出现了卧式、立式等各种加工中心。 未来加工中心的发展动向进一步提高精度以及高速化机能。自 70年代开始，我国加工中心已得到迅速发展，但未能适应我国快速发展的经济， 与世界水平相差甚远。 加工中心的国内外应用现状 由于加工中心在加工过程中的重要作用，各国皆是十分重视，使在产量和技术上得到了迅速发展。目前全世界加工中心以日本、美国、欧盟以及中国台湾等为代表性的生产基地。我国加工中心虽发展迅速，但与世界水平相差甚远，尤其是与日本与德国差距。目前，国产加工中心主要是卧式与立式加工中心，规格一般为 300、 400、 500、 630 和 800。而德国 本 加工中心发展倾向为 （ 1) 高效率、高速率 （ 2) 高精度 （ 3)高可靠性 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 加工中心结构组成机构 （ 1） 基础部件 主要由立柱、床身和工作台等组成。 （ 2） 主轴系统 主要由主轴电动机、主轴箱和主轴以及主轴零部件组成。 （ 3） 数控系统 主要由可编程序控制器、 置和电动机等组成。 （ 4） 自动换刀系统 主要由刀库与自动换刀装置等组成。 （ 5） 辅助系统 包括冷却、润滑、排屑、液压和随机检测系统等部分。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 2 加工中心刀库设计 介 本设计采用刀库式自动换刀装置，只需一个夹持刀具进行加工的主轴，刀库中刀具数目可根据要求与机床布局而定，刀具数目可较多。刀库位置可根据需要与机床结构布局而定，可远离加工区，消除与工件相干扰的可能，并且加工中刀库不承受作用力。 刀库方案设计 （ 1） 盘式刀库 刀库轴线与鼓盘轴线平行的鼓式刀库 径向、轴向两种取刀方式，结构简单，适用于刀库容量较少的情况。为增加刀库空间利用率，可采用双环或者 多环排列刀具的形式，但鼓盘直径增加，转动惯量就增加，选刀时间也增长。 鼓盘轴线与刀具轴线不平行的鼓式刀库 种刀库占用面积大，刀库容量与刀库在机床上的安装位置受很大程度的限制，所以在生产中应用较少，但这种刀库能够很大程度的有效的减少机械手在生产中的换刀动作，并且很大程度上简化机械手结构。 （ 2） 链式刀库 链式刀库结构较为紧凑，通常为轴向取刀，刀库容量可较大，链环可根据机床布局配置成各种形状，也可将换刀位置刀座突出以利换刀，一般刀具数量在30至 120把时，多采用链式刀库。 （ 3） 格子 型盒子式刀库 刀具在刀库中分几列直线排列，由横、纵的方向移动，由此取刀，由机械手完成选刀动作，将为之后工作而选取的刀具送到换到位置 换刀机械手进行完成交换刀具的动作。由于刀具排列密集，所以此种刀库空间利用率很高，并且刀库容量很大。 由上述条件，根据加工要求与本设计任务，刀库采用链式刀库，主要参数如下： 1） 刀库容量：最大容量 40把 2）选刀方式：随机选刀 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 3） 换刀方式：机械手换刀 4）选用刀具 5）最大刀具重量： 8库总体方案结构设计 库总体设计 图 2式刀库类型 刀库的主运动为链式运动，主动链轮由伺服电动机通过蜗轮蜗杆减速装置驱动。由主动链轮与兼起张紧轮作用的导向轮组成，导向轮一般做成光轮，圆周表面硬化处理。电机提供动力，电动机通过皮带轮、蜗轮蜗杆驱动驱动轮转动，从而实现整个刀库的运转，并由设计需求选用上述（ b）型链式刀库。 链轮链条确定 考虑到刀具的重量与刀库的工作平稳性，采用 参考文献 1取尺寸如下： 表 2由文献知链轮齿数不宜少于 9齿，则取为 15齿。 （ 1） 由文献 1可知链轮齿顶圆直径 为： 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 8 0co （ 2 取 计算为 (2) 链轮节圆直径为： 180(2 式中 计算为 3）其余链轮的 确定 其余链轮为从动轮，设计为光轮，其外径 计算公式如下： d10 式中 m） 已知 ， d=入上式得 = 刀库选用的负载转矩计算 由参考文献（ 3）链式刀库负载转矩由刀具不平衡重量和滑动摩檫力引起， W+ 式中 ） N) N) m) 1,刀具最大不平衡重量 1/10刀库最大刀具容量最终刀具总重量计算，如下： 10m ax (2 式中 代入计算得 2，滑动摩檫力 刀库链轮节圆直径 具最大重量 8具平均重量 7个方购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 向上 20把刀具，刀具重量 140具不平衡重量 向约束力 1400N， 滑动摩檫力由链条与导向板之间的摩察产生，垂直布置的链条左右两侧设有导向板，用以减少链条的抖动，提高刀具定位精度，如图所示： 图 2直布置链条及导向板装配图 垂直不是的链条与导向板的摩擦力主要是由刀具下垂引起的，取垂直布置链条的一节链板与对应的两个刀套、刀具，刀柄为研究对象，进行受力分析，简化受力分析如图所示， 图中 别集中于 A、 中在左右侧外链板中心处， 具、刀柄重量（ N) 的距离（ m） 2的距离（ m) 的距离（ m) 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 图 2直布置链条受力分析 根据图列写平衡方程 解得： 可得 21v1 （ 2 式中 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 刀库最大容量 40 把，刀库中最大刀具质量 8刀库最大容量下计算 刀具平均质量 7知型号 条每组内链板及其两刀套质量为m=得35N；各尺寸为 86815图可知垂直方向布置链条共含研究对象 24。刀库中导向板材料为尼龙 1010，链条材料为 45号淬火钢，由文献 1可知两者摩擦因数为 各参数代入上述公式得： 伺服电机确定 （ 1） 链条转速平均值可确定为： 60/ ， （ 2 式中 r/ 由文献（ 4）可知链条速度 v=s,已知 N=21， f= 则链轮转速 n 为 负载所需功率为 P=549= 2）同步带传动设计 为减轻同步带轮质量以及满足轻度要求，选择带轮材料为 传动比定为 ，查文献 1得传动效率为 = 根据负载转矩与传递功率范围由文献 1选择 型为梯形，节距为 宽为 轮齿数为 18，节圆直径为 轮双面加挡边。 （ 3） 伺服电机选型 由动力学定律得以下方程： （ 2 i m （ 2 式中 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 选择伺服电机应符合以下条件 （ 1） T 式中 (2) T , m a A X （ 2 式中 最大角速度加速时电机转矩 电机最大转矩 （ 3） J 3， （ 2 式中 - 负载转动惯量折算到电机输出轴上的等效转动惯量 动机转子惯量 式中 蜗轮蜗杆传动效率 同步带效率 蜗轮蜗杆传动比 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 0 同步带传动比 已知 、 =40、 代入上式得 ， =40 代入得 则 文献 2选择电机型号如下： 表 2机参数 动比分配 轴： n1=nm/00r/轴： n2=n1/ 各轴工作功率 轴： 0 =轴： 1 1= 各轴转矩 电机输出轴： 550P0/n=轴： 轴： 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 1 3 传动设计 轮蜗杆的选用 由文献 4 蜗轮蜗杆对于传动设计，参考 6 至 9 级精度，并蜗轮蜗杆难以保证较高的接触精度，涡轮应用减摩性能较好的软性材料来制造。由于蜗杆会受到短时冲击，故此次设计蜗杆采用 45 钢，调质表面硬度 45轮采用 10085用渐开线蜗杆。 选用 蜗杆涡轮减速器，输入功率为 速 500r/动比i=40,，预期寿命 12000h。 闭式蜗轮的齿面接触疲劳强度进行设计计算 此次毕业设计，刀库中蜗轮蜗杆设计中根据闭式传动蜗杆传动设计准则，先按蜗轮齿面的接触疲劳强度进行设计，之后再校核蜗轮齿根的弯曲疲劳强度。查文献 4式 10： 22212480 （ 31)确定传动中机构作用在涡轮上的转矩 按 ， = 3 3 2 7 9 （ 3 2） 确定载荷系数 K 工作载荷稳定，故K=1,由文献 4表 11转速不高，冲击不大，可取动载荷系数 K=3)确认弹性影响系数 有选用材料可知 60 (4)确定涡轮齿数 1 i=1 40=40 （ 5） 确定许用接触应力 g购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 2 由表 11 g=268力循环次数 N=600 12000=9 106 寿命系数 g=g= 6） 计算 140 4 803 32 7 9 由表 11m=4杆分度圆直径 0 蜗杆蜗轮主要参数几何尺寸 （ 1） 中心距 a=(d1+2=(60+40 4)/2=110 2） 蜗杆 轴向齿距 径系数 q=10；齿顶圆直径 8根圆直径度圆导程角 =5042 。 (3)蜗轮尺寸 蜗轮分度圆直径 602 蜗轮喉圆直径 68轮齿根圆直径 22 (4)蜗轮蜗杆各参数尺寸如下 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 3 表 3轮蜗杆参数 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 4 核闭式蜗轮齿根弯曲疲劳强度 F = T F （ 3 当量齿数232图 11可查的齿形系数 2旋角系数 Y=1=用弯曲应力 【 F 】 =【 F 】 由表 11F 】 =56命系数 【 F 】 =算得 F =弯曲强度满足要求。 的尺寸的设计计算 材料选定 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 5 轴材料选用碳钢及合金钢，减速装置中轴以 45号调质钢应用广泛。 杆轴设计计算 轴的直径可由功率与转速确定，按下式计算： 3o ，由表 1512，代入数据计算得 d 由此取为 轴器选定 由传动设置工作条件选择 算转矩如下： 550 （ 3中 r/ 由文献 5取值 1； 由文献 5表 6为 取值 1； 由表 6； 入计算得3文献 5，根据上述条件选择 孔直径为 36 进而确定蜗杆轴轴伸处直径为 40孔长度 L=70D=1001D =60 承的确定 由于此次设计采用的是蜗轮蜗杆传动设计，故受轴向力与径向力，由文献 4采用推力球轴承与圆柱滚子轴承搭配使用，另一方向使用圆锥滚子轴承，查文献6表 1414141210， 2010 轴段尺寸确定 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 6 图 3轮轴 由轴上受力情况，根据固定和定位的要求，蜗杆轴分为八段，轴由联轴器需求，设计为 60径为 40由右侧轴肩对联轴器进行轴向定位；轴设计为紧定螺钉轴段，既有固定联轴器作用，也有对右侧轴承进行轴向定位的作用，直径与长度分别设计为 4520安装有推力球轴承与圆柱滚子轴承，右侧由挡圈与轴肩进行轴向定位，直径与长度分别设计为 5078安装轴承与挡圈，左侧由挡圈、右侧由轴肩进行轴向定位，直径与长度分别设计为 5553为轴肩，对左侧轴承进行轴向定位，直径与长度分别设计为 6030为蜗杆处，蜗杆齿顶圆直径为 68度设计为 102为轴肩，对右侧轴承进行轴向定位，直径与长度分别设计为 5050安装有圆锥滚子轴承，右侧由弹性挡圈进行轴向定位，直径与长度分别设计为 402518 轴承校核 力球轴承校核 由文献 4式 13)60106 （ 3文献 4式 11，式 11 代入数据计算得 160N 514N 由文献 6查得 c=上式代入计算得2823h，满足需求。 柱滚子轴承校核 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 7 由文献 4式 13)由文献 6查得 c=25上式代入计算得8197h，满足要求。 的校核 (1)蜗杆轴水平面受力如下图所示： 图 3杆轴受力分析 图中 881 , 7572 , 1602 , 水平弯矩图如下图所示： 图 3杆轴水平弯矩图 (2)蜗杆轴 垂直面受力如下图所示： 垂直方向弯矩图如下图所示： 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 8 图 3蜗杆轴垂直弯矩图 轴的材料选取为 45钢， 00 ， S 蜗杆受力计算如下： 蜗杆转矩：5005 4 61 103991 蜗轮转矩： 62 3327982 轴向力： 1 6 03 3 2 7 9 822 2 221 16021 径向力： 6 0ta 51421 圆周力： 6010399212 121 4621 确认许用应力为： 查表得 5o ， 5校核轴径如下： 由 径为： b 由此可知 故而，轴径满足要求。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 9 轮轴设计计算 步计算轴最小直径 由文献 4 式 15 ，由表 1512，代入数据计算得d于轴上由蜗轮与带动刀库转动的需要，设有两个键槽，故需要增大 10%因此定为 60 算各段蜗轮轴段尺寸 由轴上零件受力情况，由于固定与轴向定位的需要，初步确定轴的阶段轴，蜗轮轴共为 7段，图、数据如 下所示： 图 3杆轴 如上式所计算，轴直径为 60有 32912号圆锥滚子轴承， T=17，轴承左侧由箱体进行轴向定位，右侧由轴肩进行定位，由此 长度设计为 23轴为轴承轴向定位轴肩，直径为 70度设计为 15轴为蜗轮轴向定位轴肩，直径设计为 85度设计为 25轴为轴头，与蜗轮配合，对蜗轮进行周向定位，直径为 75轮宽度为 86此设计轴头长为 84槽参数为 b h=25 14，长度设计为 75轴为轴颈，安装有 32914号圆锥滚子 轴承，右侧由挡圈对蜗轮和轴承进行轴向定位，右侧由箱体对轴承进行轴向定位；轴为安装箱体部分轴段，并对右侧链轮进行轴向定位，直径设计为65度设计为 105轴为轴头，安装有链轮并由键对链轮进行周向定位，链轮左侧由轴肩进行轴向定位，右侧由箱体或其他部件进行轴向定位，直径与长度皆设计为 60尺寸为 bh=1811，长度设计为 50蜗轮轴总长为354 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 0 轴承校核 由文献 4知 )由文献 6可知 c=X 可知 X=Y=入计算得3981h，满足要求。 的校核 蜗轮轴水平受力如下图所示： 图 3轮轴受力分析 蜗轮轴水平弯矩图如下图所示： 图 3轮轴水平弯矩图 蜗轮轴垂直方向受力如下图所示： 图 3轮轴垂直方向受力分析 蜗轮轴垂直方向弯矩图如下图所示： 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 1 图 3轮轴垂直方向弯矩图 轴材料选取为 45 钢， 00 ， 55 ，由上可知蜗轮直径为160轮直径为 432轮转矩 3327982 ， 轴上圆周力、径向力与轴向力如上计算 可知。 链轮受力如下所示； V 计算得： 36承受许用应力如下： 由表查得 50 5由 轮轴所需直径计算得： b 由此可知上述设计轴径满足需求。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 2 4 刀库尺寸的确定 库总尺寸的计算 在 选用的为 号链条，链条中心距为 90次设计为 1 摘要 自 90 年代以来，数控加工技术与数控车床得到迅速的发展与普及。加工中心作为新的时代数控机床的代表，已被广泛使用。刀库与自动换刀装置作为加工中心的最重要的部分，它们的发展直接决定了加工中心的快速发展。本论文完成的是立式加工中心链式刀库与自动换刀装置的结构设计、传动设计与传动部分动力设计。链式刀库在加工中心应用十分广泛，其换刀过程简单、换刀时间短；链式刀库其刀库容量比较大，结构比较灵活和紧凑，常为轴向取刀。可根据机床的布局将链环配置成各种形状，也可将换刀位置刀座突出以利于换刀。刀库传动部分采用采用蜗轮蜗 杆减速装置，这种设计方案可以提高输出轴传动平稳性能，提高刀库运转平稳性。本刀库满载装刀 40 把，选择任意选刀方式，设计中机械手采用回转式单臂双手机械手，这种机械手可以同时完成拔刀和插刀动作，结构简单，换刀快。 关键词： 加工中心 链式刀库 机械手 自动换刀装置 2 990s, NC as a of a NC as of of is in is is is by of of 0, of a at is is 3 目录 第 1 章 绪论 . 错误 !未定义书签。 加工中心释义 . 错误 !未定义书签。 加工中心之发展史 . 错误 !未定义书签。 加工中心的国内外应用现状 . 错误 !未定义书签。 加工中心结构组成机构 . 错误 !未定义书签。 第 2 章 加工中心刀库设计 . 错误 !未定义书签。 介 . 错误 !未定义书签。 刀库方案设计 . 错误 !未定义书签。 库总体方案结构设计 . 错误 !未定义书签。 库总体设计 . 错误 !未定义书签。 链轮链条确定 . 错误 !未定义书签。 库选用的负载转矩计算 . 错误 !未定义书签。 伺服电机确定 . 错误 !未定义书签。 动比分配 . 错误 !未定义书签。 轴工作功率 . 错误 !未定义书签。 轴转矩 . 错误 !未定义书签。 第 3 章 传动设计 . 错误 !未定义书签。 轮蜗杆的选用 . 错误 !未定义书签。 杆涡轮传动设计计算 . 错误 !未定义书签。 闭式蜗轮的齿面接触疲劳强度进行设计计算 . 错误 !未定义书签。 杆蜗轮主要参数几何尺寸 . 错误 !未定义书签。 核闭式蜗轮齿根弯曲疲劳强度 . 错误 !未定义书签。 的尺寸的设计计算 . 错误 !未定义书签。 材料选定 . 错误 !未定义书签。 杆轴设计计算 . 错误 !未定义书签。 步计算轴最小直径 . 错误 !未定义书签。 轴器选定 . 错误 !未定义书签。 承的确定 . 错误 !未定义书签。 轴段尺寸确定 . 错误 !未定义书签。 轴承校核 . 错误 !未定义书签。 力球轴承校核 . 错误 !未定义书签。 柱滚子轴承校核 . 错误 !未定义书签。 的校核 . 错误 !未定义书签。 轮轴设计计算 . 错误 !未定义书签。 步计算轴最小直径 . 错误 !未定义书签。 算各段蜗轮轴段尺寸 . 错误 !未定义书签。 轴承校核 . 错误 !未定义书签。 的校 核 . 错误 !未定义书签。 第 4 章 刀库尺寸的确定 . 错误 !未定义书签。 库总尺寸的计算 . 错误 !未定义书签。 刀库尺寸的计算 . 错误 !未定义书签。 刀库其余部件 设计 . 错误 !未定义书签。 4 套的设计 . 错误 !未定义书签。 簧的设计 . 错误 !未定义书签。 寸的确定 . 错误 !未定义书签。 套气缸 的设计 . 错误 !未定义书签。 第 5 章 自动换刀装置设计计算 . 错误 !未定义书签。 述 . 错误 !未定义书签。 刀装置位置顺序及原理 . 错误 !未定义书签。 机 械手驱动传动结构 . 错误 !未定义书签。 械手机构结构设计 . 错误 !未定义书签。 述 . 错误 !未定义书签。 械手类型 . 错误 !未定义书签。 械手设计 . 错误 !未定义书签。 械手手部类型 . 错误 !未定义书签。 簧选取 . 错误 !未 定义书签。 动销选取验证 . 错误 !未定义书签。 紧销的选取验证 . 错误 !未定义书签。 栓的确定 . 错误 !未定义书签。 体尺寸的确定 . 错误 !未定义书签。 结束语 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 致谢 . 错误 !未定义书签。 1 摘要 自 90年代以来，数控加工技术与数控车床得到迅速的发展与普及。加工中心作为新的时代数控机床的代表，已被广泛使用。刀库与自动换刀装置作为加工中心的最重要的部分，它们的发展直接决定了加工中心的快速发展。本论文完成的是立式加工中心链式刀库与自动换刀装置的结构设计、传动设计与传动部分动力设计。链式刀库在加工中心应用十分广泛，其换刀过程简单、换刀时间短；链式刀库其刀库容量比较大，结构比较灵活和紧凑，常为轴向取刀。可根据机床的布局将链环配置成各种形状，也可将换刀位置刀座突出以利于换刀。刀库传动部分采用采用蜗轮蜗 杆减速装置，这种设计方案可以提高输出轴传动平稳性能，提高刀库运转平稳性。本刀库满载装刀 40 把，选择任意选刀方式，设计中机械手采用回转式单臂双手机械手，这种机械手可以同时完成拔刀和插刀动作，结构简单，换刀快。 关键词： 加工中心 链式刀库 机械手 自动换刀装置 2 990s, NC as a of a NC as of of is in is is is by of of 0, of a at is is 3 目录 第 1章 绪论 . 1 加工中心释义 . 1 加工中心之发展史 . 1 加工中心的国内外应用现状 . 1 加工中心结构组成机构 . 2 第 2章 加工中心刀库设计 . 2 介 . 3 刀库方案设计 . 3 . 4 . 4 链轮链条确定 . 4 库选用的负载转矩计算 . 5 伺服电机确定 . 8 动比分配 . 10 轴工作功率 . 10 轴转矩 . 10 第 3章 传动设计 . 11 轮蜗杆的选用 . 11 . 11 闭式蜗轮的齿面接触疲劳强度进行设计计算 . 11 杆蜗轮主要参数几何尺寸 . 12 核闭式蜗轮齿根弯曲疲劳强度 . 14 的尺寸的设计计算 . 14 材料选定 . 14 杆轴设计计算 . 15 . 15 轴器选定 . 15 承的确定 . 15 轴段尺寸确定 . 15 轴承校核 . 16 力球轴承校核 . 16 柱滚子轴承校核 . 16 的校核 . 17 轮轴设计计算 . 19 步计算轴最小直径 . 19 算各段蜗轮轴段尺寸 . 19 轴承校核 . 20 的校 核 . 20 第 4章 刀库尺寸的确定 . 22 库总尺寸的计算 . 22 刀库尺寸的计算 . 22 刀库其余部件 设计 . 22 4 . 22 簧的设计 . 23 寸的确定 . 24 设计 . 24 第 5章 自动换刀装置设计计算 . 26 述 . 26 刀装置位置顺序及原理 . 27 机 械手驱动传动结构 . 28 械手机构结构设计 . 30 述 . 30 械手类型 . 30 械手设计 . 31 . 32 簧选取 . 32 . 33 紧销的选取验证 . 35 栓的确定 . 35 . 36 结束语 . 37 参考文献 . 38 致谢 . 39 1 1 绪论 加工中心释义 加工中心是适应省时、节能和省力的时代需求而快速发展起来的自动换刀数控机床，综合了电子技术、机械技术、现代控制理论、计算机软件技术、测量及传感技术以及刀具和编程技术和通信诊断的产品。加工中心能够集中多种工序，具有工序集中、自动换刀、精度高等特点，使机床切削利用率高于普通机床的 3至 4倍，是 数控机床中自动化程度与生产率最高的综合性机床。 加工中心之发展史 1958 年，美国卡尼特雷克公司把铣、镗、钻等多种工序集中到一台机床上，通过换刀实现连续加工，成为世界上第一台数控加工中心。产品问世后，引起英国、德国各先进工业国的高度重视，竞相生产开发，不断完善和扩大机床功能，成为数控机床中发展最快的产品之一。如今，世界上出现了卧式、立式等各种加工中心。 未来加工中心的发展动向进一步提高精度以及高速化机能。自 70年代开始，我国加工中心已得到迅速发展，但未能适应我国快速发展的经济，与世界水平 相差甚远。 加工中心的国内外应用现状 由于加工中心在加工过程中的重要作用，各国皆是十分重视，使在产量和技术上得到了迅速发展。目前全世界加工中心以日本、美国、欧盟以及中国台湾等为代表性的生产基地。我国加工中心虽发展迅速，但与世界水平相差甚远，尤其是与日本与德国差距。目前，国产加工中心主要是卧式与立式加工中心，规格一般为 300、 400、 500、 630 和 800。而德国 本 加工中心 发展倾向为 （ 1) 高效率、高速率 （ 2) 高精度 （ 3)高可靠性 2 加工中心结构组成机构 （ 1） 基础部件 主要由立柱、床身和工作台等组成。 （ 2） 主轴系统 主要由主轴电动机、主轴箱和主轴以及主轴零部件组成。 （ 3） 数控系统 主要由可编程序控制器、 置和电动机等组成。 （ 4） 自动换刀系统 主要由刀库与自动换刀装置等组成。 （ 5） 辅助系统 包括冷却、润滑、排屑、液压和随机检测系统等部分。 3 2 加工中心刀库设计 介 本设计采用刀库式自动换刀装置，只需一个夹持刀具进行加工的主轴，刀库中刀具数目可根据要求与机床布局而定，刀具数目可较多。刀库位置可根据需要与机床结构布局而定，可远离加工区，消除与工件相干扰的可能，并且加工中刀库不承受作用力。 刀库方案设计 （ 1） 盘式刀库 刀库轴线与鼓盘轴线平行的鼓式刀库 径向、轴向两种取刀方式，结构简单，适用于刀库容量较少的情况。为增加刀库空间利用率，可采用双环或者多环排列刀 具的形式，但鼓盘直径增加，转动惯量就增加，选刀时间也增长。 鼓盘轴线与刀具轴线不平行的鼓式刀库 种刀库占用面积大，刀库容量与刀库在机床上的安装位置受很大程度的限制，所以在生产中应用较少，但这种刀库能够很大程度的有效的减少机械手在生产中的换刀动作，并且很大程度上简化机械手结构。 （ 2） 链式刀库 链式刀库结构较为紧凑，通常为轴向取刀，刀库容量可较大，链环可根据机床布局配置成各种形状，也可将换刀位置刀座突出以利换刀，一般刀具数量在30至 120把时，多采用链式刀库。 （ 3） 格子型盒子式刀 库 刀具在刀库中分几列直线排列，由横、纵的方向移动，由此取刀，由机械手完成选刀动作，将为之后工作而选取的刀具送到换到位置 换刀机械手进行完成交换刀具的动作。由于刀具排列密集，所以此种刀库空间利用率很高，并且刀库容量很大。 由上述条件，根据加工要求与本设计任务，刀库采用链式刀库，主要参数如下： 1） 刀库容量：最大容量 40把 2）选刀方式：随机选刀 4 3） 换刀方式：机械手换刀 4）选用刀具 5）最大刀具重量： 8库总体方案结构设计 计 图 2式刀库类型 刀库的主运动为链式运动，主动链轮由伺服电动机通过蜗轮蜗杆减速装置驱动。由主动链轮与兼起张紧轮作用的导向轮组成，导向轮一般做成光轮，圆周表面硬化处理。电机提供动力，电动机通过皮带轮、蜗轮蜗杆驱动驱动轮转动，从而实现整个刀库的运转，并由设计需求选用上述（ b）型链式刀库。 链轮链条确定 考虑到刀具的重量与刀库的工作平稳性，采用 参考文献 1取尺寸如下： 表 2由文献知链轮齿数不宜少于 9齿，则取为 15齿。 （ 1） 由文献 1可知链轮齿顶圆直径为： 5 8 0co （ 2 取 计算为 (2) 链轮节圆直径为： 180(2 式中 计算为 3）其余链轮的确定 其余 链轮为从动轮，设计为光轮，其外径 计算公式如下： d10 式中 m） 已知 ， d=入上式得 = 刀库选用的负载转矩计算 由参考文献（ 3）链式刀库负载转矩由刀具不平衡重量和滑动摩檫力引起， W+ 式中 ） N) N) m) 1,刀具最大不平衡重量 1/10刀库最大刀具容量最终刀具总重量计算，如下： 10m ax (2 式中 代入计算得 2，滑动摩檫力 刀库链轮节圆直径 具最大重量 8具平均重量 7个方 6 向上 20把刀具 ，刀具重量 140具不平衡重量 向约束力 1400N， 滑动摩檫力由链条与导向板之间的摩察产生，垂直布置的链条左右两侧设有导向板，用以减少链条的抖动，提高刀具定位精度，如图所示： 图 2直布置链条及导向板装配图 垂直不是的链条与导向板的摩擦力主要是由刀具下垂引起的，取垂直布置链条的一节链板与对应的两个刀套、刀具，刀柄为研究对象，进行受力分析，简化受力分析如图所示， 图中 别集中于 A、 中在左右侧外链板中心处， 具、刀柄重量（ N) 的距离（ m） 2的距离（ m) 的距离（ m) 7 图 2直布置链条受力分析 根据图列写平衡方程 解得： 可得 21v1 （ 2 式中 8 刀库最大容量 40 把，刀库中最大刀具质量 8刀库最大容量下计算 刀具平均质量 7知型号 条每组内链板及其两刀套质量为m=得35N；各尺寸为 86815 图可知垂直方向布置链条共含研究对象 24。刀库中导向板材料为尼龙 1010，链条材料为 45号淬火钢，由文献 1可知两者摩擦因数为 各参数代入上述公式得： 伺服电机确定 （ 1） 链条转速平均值可确定为： 60/ ， （ 2 式中 r/ 由文献（ 4）可知链条速度 v=s,已知 N=21， f= 则链轮转速 n 为 负载所需功率为 P=549= 2）同步带传动设计 为减轻同步带轮质量以及满足轻度要求，选择带轮材料为 传动比定为 ，查文献 1得传动效率为 = 根据负载转矩与传递功率范围由文献 1选择 型为梯形，节距为 宽为 轮齿数为 18，节圆直 径为 轮双面加挡边。 （ 3） 伺服电机选型 由动力学定律得以下方程： （ 2 i m （ 2 式中 9 选择伺服电机应符合以下条件 （ 1） T 式中 (2) T , m a A X （ 2 式中 最大角速度加速时电机转矩 电机最大转矩 （ 3） J 3， （ 2 式中 - 负载转动惯量折算到电机输出轴上的等效转动惯量 动机转子惯量 式中 蜗轮蜗杆传动效率 同步带效率 蜗轮蜗杆传动比 10 同步带传动比 已知 、 =40、 代入上式得 ， =40 代入得 则 文献 2选择电机型号如下： 表 2机参数 动比分配 轴： n1=nm/00r/轴： n2=n1/ 各轴工作功率 轴： 0 =轴： 1 1= 各轴转矩 电机输出轴： 550P0/n=轴： 轴： 11 3 传动设计 轮蜗杆的选用 由文献 4 蜗轮蜗杆对于传动设计，参考 6 至 9 级精度，并蜗轮蜗杆难以保证较高的接触精度，涡轮应用减摩性能较好的软性材料来制造。由于蜗杆会受到短时冲击，故此次设计蜗杆采用 45 钢，调质表面硬度 45轮采用 10085用渐开线蜗杆。 选用 蜗杆涡轮减速器，输入功率为 速 500r/动比i=40,，预期寿命 12000h。 闭式蜗轮的齿面接触疲劳强度进行设计计算 此次毕业设计，刀库中蜗轮蜗杆设计中根据闭式传动蜗杆传动设计准则，先按蜗轮齿面的接触疲劳强度进行设计，之后再校核蜗轮齿根的弯曲疲劳强度。查文献 4式 10： 22212480 （ 31)确定传动中机构作用在涡轮上的转矩 按 ， = 3 3 2 7 9 （ 3 2） 确定载荷系数 K 工作载荷稳定，故K=1,由文献 4表 11转速不高，冲击不大，可取动载荷系数 K=3)确认弹性影响系数 有选用材料可知 60 (4)确定涡轮齿数 1 i=1 40=40 （ 5） 确定许用接触应力 g 12 由表 11 g=268力循环次数 N=600 12000=9 106 寿命系数 g=g= 6） 计算 140 4 803 32 7 9 由表 11m=4杆分度圆直径 0 蜗杆蜗轮主要参数几何尺寸 （ 1） 中心距 a=(d1+2=(60+40 4)/2=110 2） 蜗杆 轴向齿距 径系数 q=10；齿顶圆直径 8根圆直径度圆导程角 =5042 。 (3)蜗轮尺寸 蜗轮分度圆直径 602 蜗轮喉圆直径 68轮齿根圆直径 22 (4)蜗轮蜗杆各参数尺寸如下 13 表 3轮蜗杆参数 14 核闭式蜗轮齿根弯曲疲劳强度 F = T F （ 3 当量齿数232图 11可查的齿形系数 2旋角系数 Y=1=用弯曲应力 【 F 】 =【 F 】 由表 11F 】 =56命系数 【 F 】 =算得 F =弯曲强度满足要求。 的尺寸的设计计算 材料选定 15 轴 材料选用碳钢及合金钢，减速装置中轴以 45号调质钢应用广泛。 杆轴设计计算 轴的直径可由功率与转速确定，按下式计算： 3o ，由表 1512，代入数据计算得 d 由此取为 轴器选定 由传动设置工作条件选择 算转矩如下： 550 （ 3中 r/ 由文献 5取值 1； 由文献 5表 6 取值 1； 由表 6； 入计算得3文献 5，根据上述条件选择 孔直径为 36 进而确定蜗杆轴轴伸处直径为 40 孔长度 L=70D=1001D =60 承的确定 由于此次设计采用的是蜗轮蜗杆传动设计，故受轴向力与径向力，由文献 4采用推力球轴承与圆柱滚子轴承搭配使用，另一方向使用圆锥滚子轴承，查文献6表 1414141210， 2010 轴段尺寸确定 16 图 3轮轴 由轴上受力情况，根据固定和定位的要求，蜗杆轴分为八段，轴由联轴器需求，设计为 60径 为 40由右侧轴肩对联轴器进行轴向定位；轴设计为紧定螺钉轴段，既有固定联轴器作用，也有对右侧轴承进行轴向定位的作用，直径与长度分别设计为 4520安装有推力球轴承与圆柱滚子轴承，右侧由挡圈与轴肩
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