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四轴卧式换刀机械装置

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四轴卧式换刀机械装置
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卧式 机械 装置
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四轴卧式换刀机械装置,卧式,机械,装置
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of a a H. 120&D 4461207907 007; 3 007)in a as in in on a by A In we a as as a of a to TC LC on an of as We in of an in in a as to in TC of a of as of is as a in on a by or in to In of as in of In a on to or as a 994). In an 005) a et to at on TC o (1997) an a NC 2000) a of a on In 2004) a to of of on a of on on a of to 2001)*21, 8, 008, 885894951362008 9511920701819171, a et (2003) a of NC u (2006)a a on an 1998) a as et (2000) be to et (2000) of to a a of of it is to an TC on of or as As a it to or of or of to a of TC be LC of be TC so be to we We a is as by or or to of as in a TC in . of TC a a is to a to . of a TC et is a TC We to of an in a to is LC of TC TC of a a a a A to to It of a an to a to a a . TC of a to to a of in a In we of of be . of a . as a . of 87In we we of in TC as a in to a LC in is an be a 1a of of of is to as be to . As is in or is in (360), , be 6,d, of s of N in of in on 2002). of to as of in a is to in is of of be a a of a a we of et 2006) . be at in of to a to or is as in 5). . of TC am 330 (of of of 75 (On of 210 (of of 14 5of 0. of TC et s. (a) (b) at .1 m. TC of TC to LC of NC TC in a o.) a in (a), (b), c) is 2. (a) of to of (b) c) of to We of of of to of of ). % . TC . )91We of as a if it be LC a in a a 0 of of of an a a to a of as TC in a to to in on an I T) a 12 MB of We a an .5 ms ms TC 1(a) b) a TC 0. of a 1. et 1(a), is by of a at a .5 s, to of an In LC as an 1(b) a an s of s,to 200% of a to 2(a) b) of a a a in 4 we a of a an to a in of as as be in an of We to of simulationmod国家计算机集成制造杂志 卷 21, 8 号, 2008 十二月, 885 894 一个实时仿真虚拟加工中心自动换刀装置 H. a 120b &D 446c 120d 7907 007; 3 007) 在加工中心的离散系统,如自动换刀装置和托盘自动交换装置在提高加工自动化生产中扮演着重要的角色。然而, 系统配置和时序逻辑编程仍需要相当大的技能和基础上 ,根据实际情况处理。 基于仿真的验证环境可以改善系统性能 ,减少过渡时间和成本 ,避免错误的设置和系统。 在这项研究中 ,我们开发了一个仿真模型以及盘式自动换工具的可视化与空中交通管制 (助机械设计和 辑验证 。 我们的仿 真模型是基于面向对象的建模方法 ,并由模型块对应的基本组件(如电机、齿轮组、等 ) ,功能和接近传感器。我们测试了在实时仿真模型 ,使用一个实际的机床控制器的软件组件的仿真循环评估实时计算性能和可行性在真实的应用程序中 ,如逻辑和配置验证。相关结果提要驱动运动在 塔操作限制传感器行动表明 ,我们的方法是实用和满足实时要求。 关键词 :自动工具改变 ;面向对象模型 ;逻辑验证 ;实时仿真 计算机数控 (床是由各种复杂的元素 ,比如提要驱动主轴 ,工具自动更换装置 (自动托盘商 (计算机数字控制 器和可编程序逻辑控制器(因此 ,设计、构建和安装是一个复杂和耗时的过程。 一个典型的加工中心有几个重要的离散系统 ,如空中交通管制 ,卫大门。这些子系统扮演了一个重要的角色在机床操作和加工自动化。因此 ,任何性能改进的离散系统可以大大提高生产率。然而 ,系统配置、时序逻辑生成和验证所有仍然需要大量的技巧和治疗基础上 ,根据实际情况 ,因为这个过程没有有效的验证方法或环境。 仿真技术已经成功地使用在许多行业提高产品质量和减少开发周期时间。在机床行业 ,许多类型的模拟等机床有限元方法 (架 ,例如 ,用于机床的开发和管理。在这种背景下 ,基于仿真验证环境可以提高系统性能 ,减少走弯路和成本 ,避免错误的设置和系统恶化。 各种方法用于控制或模拟离散系统 ,如生产线。典型的和最普遍的方法使用佩特里网 (大卫和真主安拉 1994)。在一个模范的研究中 ,李和许 (2005)提出了一个简化的佩特里网控制器 ,其中包括传感器状态信息来简化控制器设计层面的过程建模。在 设计机制 ,研究 997)设计了一个自动盘式工具改变卧式数控加工中心 ,和 000)提出了一种遗传算法优化 方法指数一个空中交通管制的刀具的位置。此外 , 004)提出了一个 化系统来确定刀具的最佳索引位置最小化 一个验证开发的饲料与摩擦传动系统的动态模型表示为 线 ,并确定了系统参数使用最小二乘法和卡尔曼滤波。书钉 et (2003)介绍了一个基于互联网的虚拟机工具使用机械部件的运动链数控和计算机辅助设计和制造 ( 于教育目的。张文雄和傅 (2006)还开发出一种虚拟 机工具培训以及网络制造控制。重要的是 ,他们的系统包括一个切削力预测模块基于人工神经网络 (侯赛因 (1998)提出了一个统一的方法对机电一体化系统模型使用多维数组和映射函数作为造型方案 ,虽然 et (2000)介绍了一个集成的机械设计和控制环境 ,可以应用于机械设计 ,控制和维护。哈里森 et 2000)应用的逻辑设计和快速成型部分的环境他们设计开发饮料 造机器。 然而 ,尽管大量的研究机床的模拟和离散系统 ,很难找到一个 统仿真方法 ,减少机床开发成本和 减轻 辑生成和验证的难度和复杂性。此外 ,现有的离散系统的仿真研究考虑系统作为一个简单的序列或数据流 ,而忽略机械运动学或动力学等特点。因此 ,它已经很难包含系统的运动学或动力学行为或部分在系统级模拟。 本研究的目的是开发一个仿真模型 ,可以应用到 空中交通管制机制设计和 辑验证。目标特性的仿真模型 ,该模型必须 是 通用 的,是 可重用的扩展 成 各种 型 ,并且模型必须准确地描述传感器信号和部分运动运动 ,这样他们就可以被应用到各种应用程序。在这种背景下 ,我们开发了以下 模型的 策略。我们使用了一个基于组 件的方法提高通用性。这意味着组件模型块被定义为可更换单元所购买机床建设者。每个模型块有自己的参数 ,有关其运动方程 ,并定义输入和输出信号描述模型之间的连接块。商业化或标准化的造型语言和工具被用来确保兼容性等各种机床的开发流程设计、优化和验证逻辑 ,和维护过程。 我们描述一个典型的盘式 制 ,在第二节的基本组件。第三节讨论了真模型的细节我们发达的模型块对应的基本部分。第四节描述了两个仿真结果 ,介绍了实时仿真方法和仿真结果可视化模块。第一个模拟与提要驱动器与极限运动传感器模拟工具改变位置的方法。第二 个是 塔工具变化的模拟操作。我们使用我们的实时仿真方法结合仿真模型与实际机床控制器的软件组件在一个模拟循环使用内部数据通信表明 ,我们的模型实时计算性能和 辑验证是可行的。结论在第五节。 图 1 原理图的一个典型的盘式 有改变 图 2 等效的模型等。 图 3 简化的快动作开关用作限制传感器。 图 4 接近传感器的等效模型和遥感磁盘和螺栓。 2。调查的 型杂志 典型的盘式 置 包含以下基本组件 :一个炮塔磁盘 ,一组齿轮、回转马达、等功能 ,和几个传感器。回转马达 ,它提供了驱 动功率的 塔 装置 等轴旋转 , 间歇旋转等变化连续动作 ,从垂直旋转轴方向横向。它使用的组合凸轮和磁盘索引 ,转移其旋转运动通过其轴等功能的装置。最后 ,齿轮装置 和磁盘旋转速度剖面 ,可以简化低速度值 为零的 矩形波 。 注意 ,本研究中使用的盘式 置 有两个类型的接近传感器 ,使用磁盘和螺栓检测工具改变位置和计算炮塔旋转间隔。图 1显示了一个示意图的互连基本组件在一个典型的盘式 在本研究中 ,我们模拟限制传感器模拟自动工具的复杂连续的运动变化 ,包括炮塔 装置的 驱动和运动。 图 5 仿真模型的一个提要积极限制传感器驱 动系统。 图 6 一个提要驱动系统的仿真结果积极限制传感器。 图 7 塔的仿真模型。 4。模拟的自动工具改变 本研究构建的仿真模型使用基于 勃拉克 et 2002年 )。模型的仿真模型由组件 (如电机、齿轮的集合 (齿轮箱 )) 等对应 的 功能。每个模型块标准形式 ,其中包括输入和输出信号 ,模型参数 ,和自己的方程式。该模型结构容易实现 言 ,因为语言是面向对象的。模型的每个部分的属性等参数和方程可以指定和修改使用图形框图界面或在一个文本文 件中。 模拟的操作限制传感器在旋转电机驱动的线性阶段 ,我们联合动态仿真模型的线性阶段从先前的工作 (et 2006 年 )限制传感器模型 ,如图 3 所示。图 5 显示了总体仿真模块 ,该模块可用于遥感超程阶段归航 ,到达的位置工具改变操作。在这项研究中所使用的线性阶段模型由模型块对应的速度和转矩控制 ,一个简单的直流电机 ,轴向联合、导螺杆和导轨。积极的限制传感器响应瞬时表位置。的图中显示积极限制传感器监控表的位置。因此 ,饲料的表位置获得或预测转移到限制传感器块驱动仿真模型 ,方程 (5)所示。限制传感器模型块 比较转移位置指定的限制传感器位置。图 6 显示了模拟线性阶段 ,传感器操作控制电机速度时 60 s。图 6(a)显示了电机速度和驱动电流、和图 6(b)显示了表和传感器位置。注意 ,传感器输出从 0 变为 1 当表到达 。传感器的传感器位置公差模型中被设置为 0。 图 8 塔操作的仿真结果。 我们使用我们的 塔模型模拟 塔的性能。图 7 显示了 塔的实际仿真模型和恒定的命令。这表明两个接近传感器分别检测螺栓和连接到炮塔磁盘。仿真模型显示当前工具数量随着炮塔角度 变化 。此外 ,两个距离传 感器的输出信号监测的 核提供 制器 ,控制 塔操作。仿真中使用的模型参数如表 1 所示 ,从改造小型加工中心 (代汽车 (o。 )和一个炮塔类型 志和一个基于 数控 (十四 个 工具 装置 。图 8(a)、 (b)和 (c)显示仿真结果当工具改变从 1 号到 12 号。更具体地说 ,图 8(一个 )显示炮塔的旋转角 ,不断旋转的动作等功能。图 8(b)和 (c)显示的逻辑输出接近传感器连接到磁盘和等轴炮塔。从这些数据中我们可以看到接近 传感器的输出的炮塔磁盘是相反的 ,接近传感器等因为等对应的旋转炮塔的旋转磁盘。 我们比较仿真结果与实际行动炮塔运动。图 9 显示了这种比较的结果变化时间从第一个工具 (工具 1)到最后一个工具 。仿真结果在 2%的实际时间。我们推断这个错误来自实际电机的速度变化和识别错误的仿真模型参数如电机速度和传动比。 图 9 模拟和测量之间的比较结果 更时间从第一个工具 (工具 1)。 图 10。原理图的实时仿真。 我们介绍了实时仿真方法是否可以应用于 辑验证。我们设计了一个模拟循环在计算机实时内核 ,分 离软件对控制器的仿真模型。图 10 显示了这个模拟的结构。仿真回路由一个实际的控制器的软件部分和一个动态链接库 (真模型的文件 ;这些相通通过共享内存。控制器库是由数控 (核控制驱动系统和 内核操作的离散系统 ,如限制传感器和 塔。仿真模型包括饲料驱动器和 塔模型在第三节中描述。我们监控使用单独的计算机仿真结果 ,以避免影响计算机运行的实时性能仿真循环。之间的连接控制器软件和控制器之间的仿真模型是相同的 ,和实际的饲料驱动器的 塔 ,除了实际的线路被内部数据通信所取代。提出的模拟进行 了工业个人电脑 ( 8186 实时内核 , 512 随机存取存储器。我们使用四阶龙格 秒的时间步长仿真。控制器更新时间设置为 1 要驱动器和 4 塔。 结论 在这项研究中 ,我们开发了一个仿真模型的自动工具变换器使用炮塔杂志。 塔模型作为单独的块 ,和连接在一起他们会在实际的 一块都有自己的参数和方程描述相应的块的运动。 仿真结果表明 ,该方法生成 的现实操作组件运动和传感器信号。我们开发了一个三维可视化演示仿真结果。集成的仿真模型与实际机床控制器表明 ,我们的模型可以用于实时逻辑验证为了减少走弯路和错误的设置问题。的实时仿真 模型成功地扮演了真正的 塔和饲料的角色。我们表明 ,我们的模型可以满足实时要求 ,和计算时间的仿真循环时间不到 30 分之一。 确认 本研究得到了批准号 2004 - 202 - 技部。 参考文献 1a . 。 ,2004 年。启发式优化系统测定在索引位置数控杂志考虑刀具重复。国际期刊的生产研究 ,42(7),1281 - 1303。 2D。 ,et ,2002。 模和仿真。 :2号国际 议 , 3r 和真主安拉 ,H。 ,1994 年。佩特里网建模的动态系统调查。自动化 ,30(2),175 - 202。 4t 和 2000 年。分配使用遗传算法优化索引位置 工具杂志。机器人和自动化系统 ,33 岁 ,155 - 167。 5k 和 。 ,2001 年。高速数控系统的设计。第二部分 :建模和识别饲料驱动器。国际期刊的机床和制造 ,41 岁 ,1487 - 1509。 6丁和 1997 年。设计一个自动工具变换器与圆盘杂志 控卧式加工中心。国际期刊的机床和制造、 37(3),277 - 286。 哈里森 ,R。西 ,赖特 ,2000 年。集机械设计和控制。国际计算机杂志 造、 13(6),498 - 516。 7学士学位 ,1998 年。一个造型机电一体化系统的系统方法。 报 ,48(1),431 - 436。 8 ,2006 年。估计机床饲料驱动倾向从电流测量和数学模型。国际期刊的机床和制造 ,46 岁 ,1343 - 1349。 9u, ,2005 年。顺序控制器的系统方法设计制造系统。国际先进制造技术杂志上 ,25 岁 ,754 - 760。 10青木 ,2006 年。发展高速加工的智能虚拟现实系统。材料科学论坛 ,505 - 507,626 - 630。 11 et 2003 年。建模和基于互联网的虚拟机的实现工具。国际先进制造技术杂志 ,21 岁 ,516 - 522。 封面自己换换 毕业设计开题报告 学 生 姓 名: 学 号: 学 院: 专 业: 设计 (论文 )题目 : 指导教师 : 年 月 日 开题报告填写要求 1开题报告作为毕业设计(论文)答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下,由学生在毕业设计(论文)工作前期内完成,经指导教师审查后生效; 2开题报告内容必须用按教务处统一设计的电子文档标准格式(可从教务处网页上下载)打印,禁止打印在其它纸上后剪贴,完成后应及时交给指导教师签署意见; 3文中应用参考文献处应标出文献序号,文后 “参考文献”的书写,应按照国标 714 87文后参考文献著录规则的要求书写,不能有随意性 ; 4 学生的“学号”要写全号(如 0201140102,为 10 位数),不能只写最后 2 位或 1 位数字; 5. 有关年月日等日期的填写,应当按照国标 7408 94数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求,一律用阿拉伯数字书写。如“ 2004 年 3 月 15 日”或“ 2004 6. 指导教师意见 用黑墨水笔工整 书写,不得随便涂改或潦草书写 。 毕 业 设 计 开 题 报 告 1选题依据: 卧式加工中心自动换刀装置是一种数控机床中比较重要机械装置,他的作用就是提高加工效率,减少操作失误和工人体力劳动。这个设计题目也是一个综合性的设计题目,首先通过对加工中心认识,区别出卧式加工中心和立式加工中心的区别,选择四轴卧式加工中心作为设计要求基本要素,这项工作除了对机床有基本的认识之外,还要有对机床加工特点的分析和实际工作的考察。当选择好机器之后,根据现有的换刀装置标准,选择适合卧式加工中心的刀库和机械手。普通的卧式 铣床有 X 轴, Y 轴, Z 轴三轴联动进行加工,可以对大部分的零件进行加工, 特别对箱体零件上的一些孔和孔系,以及孔和型腔与基准面有严格要求的箱体,容易得到保证,适合于批量加工。 当一些产品的尺寸精度和位置精度提高了更多的时候,就出现了多轴机床。相对于 轴,多轴机床多出了 A 轴和 B 轴,如果在卧式铣床的导轨上面加一个分度头,就可以称为 A 轴,也可以说是旋转轴,这个轴也要受到数控编程代码的控制,就是多轴卧式铣床。如果在铣床上面加上刀库就可以称为加工中心。这种加工中心相对于铣床最大的区别就是,加工中心可以自动换刀,也就是今 天需要设计的自动换刀装置。 在 2013 年,兰州理工大学的牛朝阳通过 式加工中心自动换刀装置的特性分析与优化分析指出 随着工业的发展 ,在制造业行业中 ,保障产品质量的前提下 ,企业为了降低生产成本和提高生产效率 ,追求利益的最大化。数控加工中心成为必不可少的装备 ,在多工序加工时 ,会进行频繁换刀 ,则自动换刀装置在加工中心中的作用变得越来越重要。在减少换刀辅助时间的同时 ,也要使换刀机构尽可能减少故障率 ,以确保加工中心的自动换刀装置安全可靠运行 ,提高生产效率 ,需对自动换刀的结构进行优化分析。作者以 目的是为了提高换刀机构的结构性能和增加结构的稳定性。文章通过有限元法仿真分析 ,把换刀机构中的关键件作为 个子结构进行强度、刚度、振动及疲劳寿命以及组合机构的动态特性等分析。具体过程为:首先 ,对自动换刀机构的进行结构分析 ,充分利用结构的特性 ,采用三维软件对所研究的机构进行三维参数化实体建模 ,同时对所建模型采取相应的简化处理。作者通过对换刀机构的研究 ,是为 卧式加工中心换刀机构的改进提供理论依据 ,这些方面的工作是为了找出换刀装置的薄弱环节 ,提高加工中心加工换刀装置 的可靠性。 在 2011 年,厦门大学的郑新武,章明众,李春木,李寅,陈永明 数控加工中心自动换刀系统的研究中提出自动换刀系统( 括刀库机构、换刀机构以及控制系统 3 个部分,是加工中心的重要组件之一。文章指出利用刀库( 现自动换刀是目前加工中心大量使用的换刀方式,独立的刀库大大增加了刀具的存储数量,有利于扩大机床的功能,并能较好地隔离各种影响加工精度因素的干扰 1 。加工中心的常用刀库类型有:盘式刀库和链式刀库。刀库换刀方式按照换刀过程有无机械手参与,分成有机械手换刀和无机械手换刀。 数控编程 通过 T 指令、 M 指令完成自动换刀动作,换刀指令经系统内部译码,将目标刀号、宏指令号译为相对应的二进制数保存到系统指定的寄存器。 统中 T 指令译码到 M 指令译码到 户可根据换刀动作要求编写宏程序以及 序。 T 指令指定目标刀号,完成刀库选刀、刀库旋转方向的判断以及旋转步距的确定; M 指令指定宏程序号,根据换刀要求完成主轴回零,Z 轴回换刀点,刀臂旋转方向、位置以及刀杯上下等动作。 毕 业 设 计 开 题 报 告 设计方案: 为了完成本次设计要求,具体办法: 真回顾温习以前学习过得相关知识,能够做到想用的时候记得起来,不模糊,不生涩。 解国内外有关专用机床研究方面的现状、发展和应用状况,明确课题研究的目的、意义、任务及内容。 件 本次设计用到的参考资料有: 1 吴宗泽 ,罗圣国 M高等教育出版社 ,1999. 2廖念钊 ,莫雨松 ,李硕根 ,杨兴骏 M中国计 量出版社 ,2000. 3陈锦昌 ,刘就女 ,刘林 M华南理工大学出版社 ,1999. 4冯辛安 ,黄玉美 ,杜君文 M机械工业出版社 ,2004. 5熊光华 M. 北京 :机械工业出版社 ,2001. 6李峻勤 ,费仁元 M国防工业出版社 ,2000. 7张柱银 ,陈思义 ,明兴祖 M化学工业出版社 ,2003. 8林东 M北京理工大学出版社 ,1995. 9王爱玲 ,白思远 M国防工业出版社 ,2001. 10何存兴 ,张铁华 M华中科技大学出版社 ,2000. 11毛谦德 ,李振清 M机械工业出版社 ,2001. 12朱龙根 M机械工业出版社 ,2000. 13王可 M 辽宁科学技术出版社 ,1999. 14牛朝阳 式加工中心自动换刀装置的特性分析与优化 D 兰州理工大学 ,2013. 15郑新武,章明众,李春木,李寅,陈永明 厦门大学 ,2011. 毕 业 设 计 开 题 报 告 指导教师意见 : 指导教师: 年 月 日 附件:参考文献注释格式 学术期刊 作者 论文题目 J 期刊名称,出版年份,卷 (期 ):页次 如果作者的人数多于 3 人,则写前三位作者的名字后面加“等”,作者之间以逗号隔开。例如: 1 李峰 ,胡征 ,景苏等 . 纳米粒子的控制生长和自组装研究进展 J. 无机化学学报, 2001, 17(3): 315324 2 of . 2001,233:5 7 学术会议论文集 作者 论文题目 文集编者姓名 学术会议文集名称 C,出版地:出版者,出版年份:页次 例如: 3 司宗国 谢去病 王群 重子湮没快度关联的研究 见赵维勤,高崇寿编 第五届高能粒子产生和重离子碰撞理论研讨会文集 C,北京:中国高等科学技术中心, 1996:105 图书 著者 书名 M 版本 出版地:出版者,出版年 页次 如果该书是第一版则可以略去版次。 例如: 4韩其智 孙洪洲 群论 M 北京:北京大学出版社, 1987 101 学位论文 作者 论文题目 D 学 士 (或硕士、博士 )学位论文 . 出版地:出版者,出版年份 例如: 5 陈异 D. 硕士学位论文 . 北京 : 中国科学院 , 2002 专利 专利所有者 P. 专利国别:专利号,日期 . 例如: 6 姜锡洲 . 一种温热外敷药制备方案 P. 中国专利: 881056073, 1989报纸类 作者 N版日期(版次) 7 李大伦 N1998 12 27( 3) xxxx 毕业设计第 1 页 共 34 页四轴卧式加工中心换刀装置设计xxxx 毕业设计第 2 页 共 34 页目 录摘 要.3前 言.5第一章 绪论.61.1 数控机床知识 .61.2 数控铣床的分类 .61.2.1 数控立式铣床.61.2.2 卧式数控铣床.71.3 数控铣床的结构特征 .71.3.1 数控铣床的主轴特征.71.3.2 控制机床运动的坐标特征.71.4 数控铣床的主要功能及加工对象 .71.4.1 数控铣床的功能.71.4.2 自动换刀装置(ATC)及其形式.81.4.3 自动换刀装置应当满足的基本要求.8第二章 总体方案的确定.92.1 四轴卧式加工中心及其主要参数 .92.1.1 主要规格及技术参数.72.2 初定其自动换刀装置的设计参数 .10第 3 章 刀库的设计.113.1 确定刀库容量 .113.2 刀库结构设计.123.3 刀库主要零件设计.123.3.1 刀库驱动电动机的选择.133.3.2 传动装置传动比的设计.133.4 刀库传动机构的设计.143.4.1 蜗杆蜗轮机构的设计.133.4.2 蜗杆轴的设计.13第四章 刀具交换装置的设计.264.1 自动换刀的顺序 .264.2 自动夹紧装置 .264.3 机械手的结构和原理 .274.4 设计计算 .27xxxx 毕业设计第 3 页 共 34 页总结.28致谢.29参考文献.30摘 要四轴卧式加工中心的换刀装置是刀库和换刀机械手组成的,只有在卧式铣床加上换刀装置时,才可以被称为卧式加工中心,所以一套完整的换刀装置对加工中心是非常重要的,如果换刀装置的换刀速度快,就可以减少准备时间,提高加工效率。换刀装置先工作之前,需要编程工程师将所需要的刀具按照程序编码将刀具按照在刀库上面,在机床面板输入换刀代码。刀具交换装置就会从刀库和主轴上面取出刀具,进行位置的互换,换刀结束时旧刀会放入刀库,新刀会插入刀具主轴。机械手的刀具交换工作是油缸提供的动力。根据结构要求,可以采用油缸动,活塞固定;或活塞动,油缸固定的结构形式。关键词:关键词:四轴卧式铣床;自动换刀装置;刀库;刀具交换系统Abstractxxxx 毕业设计第 4 页 共 34 页This design mainly carries on the design to the four axis horizontal processing center automatic tool change system, this design change the knife device to have the circular knife storehouse. The automatic tool changing device with the knife storehouse is composed of a tool magazine and a cutter exchange system. The utility model has the advantages of good tool changing speed, high precision, and can greatly improve the efficiency and speed of the tool changing. Before the work of the tool changing device, it is necessary for the programming engineer to encode the required tools according to the program code. Cutter exchange device will be removed from the cutter and the main shaft of the cutter, the location of the swap, the end of the old knife will be put into the knife library, the new knife will be inserted into the cutter spindle.This mechanical hand sword, knife, mostly from the cylinder moves to complete. According to the requirements of the structure, the cylinder can be used to move, and the piston is fixed. The manipulator is composed of mechanical arm telescopic mechanism, mechanical claw switching mechanism composed of slewing mechanism and handling tool linear motion mechanism. The manipulator is composed of mechanical arm telescopic mechanism, mechanical claw switching mechanism composed of slewing mechanism and handling tool linear motion mechanism.Key words: four axis horizontal milling machine; automatic tool changing device; cutter library; tool exchange systemxxxx 毕业设计第 5 页 共 34 页前 言本次毕业设计主要是对四轴卧式加工中心自动换刀装置的设计,主要包括的是刀库和刀具交换系统,刀库具有存放刀具,正确输送刀具位置到换刀点的功能,刀具交换系统(机械手)是整个加工卧式加工中心换刀装置中最重要的组成部分,主要功能就是把刀库上的刀具和主轴上的刀具进行交换,并且保证将刀具送到安全可靠的位置上面。设计刀库和机械手的目的是为了让四轴卧式加工中心的加工效率更高,是机床的功能得到充分的展现,提现出数字化,智能化的加工目的。其次,数控铣床每把刀具都是 8KG 左右,工人换刀时还要受到主轴箱气缸的阻挡,自动换刀装置的出现,可以改善人工换刀带来的生产效率低,出现事故率高的弊端。所以这次设计我的主要设计内容是幅轮式刀具和油回转液压装置的机械手。由于本人的知识和见识一般,本次设计出现了很多问题,希望老师给予指导帮助。xxxx 毕业设计第 6 页 共 34 页第一章 绪论1.1 数控机床知识数控机床通过字面解释可以了解到是数字代码控制的机床,机床 X 轴,Y轴,z 轴或者是 A 轴的运动,都是由程序和代码控制的,我们可以把这种机床称为数控机床。数控机床的灵活性很高,只要在面板输入正学的程序,就可以自动加工完所需要的零件。加工的精度比一般的自动机床搞,尤其是在尺寸精度要求高,位置精度要求高,曲面复杂的零件上面都可以获得比较好的经济效果。现代化的数控技术发展的很快,很多普通机床都开始向数字化控制系统发展,比较常见的有数控车,数控铣等等。甚至还出来一次装夹多次加工的加工中心设备。数控机床主要由数字化控制系统,机床床身和伺服控制器负载。当我们在面板输入指令,指令会记录在数控系统中,数控系统控制伺服系统进行指令执行。就可以完成数控机床的操作。2017 年是 AI 智能机器人突飞猛进的一年,以代码控制的新型智能机器人开始在服务和生产行业迅猛发展。在数控加工生产方向,最为显著的例子就是在已经出现了自动编程的五轴数控加工中心。在未来会有更多的机床向数控化,智能化和自动化发展,能够满足一次装夹多次加工的数控机床也会越来越多。在未来不仅仅不会金属切割机床,还会水切割,激光切割都现代化基础。所以我的本次设计基于数控机床自动化和智能化的方向设计,设计出可以自动换刀的机械手。1.2 数控铣床的分类1.2.1 数控立式铣床在判断机床类别的时候,可以通过观察机床主轴,一般主轴垂直的就是立式铣床。立式铣床的使用范围比较广,通过三轴联动可以加工出任何想要的精度和曲面要求。如果是五轴联动的机床可以满足一次装夹,多次加工和多面加工的要求。总体来说数控立式铣床的坐标轴越多,机床的功能和加工范围以及加工精度就越高。同时对数控系统和数控编程工程师的要求也就更多,同时设备的使用成本也会增加。1.2.2 卧式数控铣床卧式数控铣床的主轴是水平的,这种主轴水平的机床的加工范围很大,需要立式铣床加工不出的零件,卧式铣床都可以加工出来。四轴卧式加工中心的xxxx 毕业设计第 7 页 共 34 页第四轴由万能分度头来实现驱动。在加工时通过工件的旋转可以对零件实现回转加工,达到多面加工的效果。减少了换刀次数,增加了加工效率。1.3 数控铣床的结构特征1.3.1 数控铣床的主轴特征数控铣床的主轴具备主轴正转和主轴反正得基本特征,还要具备主轴突然加速和减速的能力,这些功能可以通过数控代码控制。普通的数控铣床采用变频机组来固定转速。加工师傅通过刀具的材料和加工的表面粗糙度来选择合适的转速,但是转速一旦选定,在加工的过程中就不可以改变。如果采用变频器调整的话。可以将转速分为几档,编程时可以选择其中一档。目前最常见的就是无级变速。可以随时调整转速,但是这个调整不能过大或者过小,如果加工转速时 1000R/min,突然减少 10 倍。就可以造成刀具断裂。或者是加工表面粗糙度不够。多轴数控铣床的主轴可以有主轴摆动的功能,可以扩大加工效果。1.3.2 控制机床运动的坐标特征数控铣床加工的零件都是复杂伦家组成的,在加工的时候需要控制刀具走直线,走圆弧甚至是空间曲线,所以要求数控机床的伺服系统可以同时控制每个轴的同时运动,并且可以互相配合,达到预期的效果。卧式数控铣床至少是两轴联动,本次设计选择的是 4 轴卧式加工中心,所以需要四轴联动。每增加一个轴,数控机床的质量和加工就会上升很多。1.4 数控铣床的主要功能及加工对象1.4.1 数控铣床的功能数控铣床一般具有点控制工能,这个功能在加工许多孔的时候,可以保证孔的互相位置精度,刀具半径补偿功能,这个功能是最重要的,可以非常清楚的判断对刀的位置。数控铣床的镜像加工功能,就像照镜子一样,可以自动加工完成另外一半一模一样的零件。数控铣床的固定循环功能是非常重要的,尤其是在深孔的钻的时候,可以保证钻孔铁削的排出。数控机床的刀具长度补偿功能可以帮助数控机床操作人员,迅速找到 Z 轴零件。数控铣床可以对平面,曲面,斜角,圆角等特征进行加工,尤其是普通铣床中中级工和高级工的难题,在数控铣床中很简单就可以做出来。1.4.2 自动换刀装置介绍数控铣床如果没有自动换刀装置可以称为数控铣床,如果加上自动换刀装xxxx 毕业设计第 8 页 共 34 页置,可以称为加工中心。为了进一步的提高加工速度,更快的制造成品,压缩切削时间,目前市场上面的机床都在进行改造,向高端机床市场进发,如果让数控机床可以一次装夹完成多个工步,就可以减少工人停车换刀和清扫测量的时间,这个时候需要用到数控机床自动换刀装置。对于工件的多个位置加工儿设置的刀具交换系统,称为自动换刀装置()主ATCChanger Tool Automatic要就是刀具和机械手组成。比如说价格一个零件需要用到钻孔,铣平面,铣槽三把刀具,就可以把这三把刀放在数控铣床的刀库里面,通过合理的设置,点一次循环启动按钮,机床即可实现自动加工。安装有自动换刀装置的数控机床具有自动换刀时间快,刀具安装定位精度高,简单刀具摆放占据的空间,提高换刀时的工人安全以及工人换刀时的操作失误。xxxx 毕业设计第 9 页 共 34 页第二章 总体方案的确定我们需要设计一套四轴卧式加工中心的自动换刀装置。我们以云南乔鸿机床厂,生产的 TOM800 卧式加工中心位置,本套机床时在普通的卧式铣床上面加上了旋转轴,称为了四轴铣床,现在我们为它设计自动换刀装置,就可以称为四轴卧式加工中心。本次设计的 TOM800 的主要组成部分由主要组成部分是机床床身,机床工作台,铣床头,电气系统,拉刀系统组成。自动换刀系统是一套独立的,完整的机床部件。这样的设计最初的考虑就是在自动换刀系统坏了之后,机床还可以由人工控制进行工作。2.1 四轴卧式加工中心及其主要参数这套机床的机身和其他大件都是由优质灰铸铁树脂砂铸造形成,主轴箱采用全齿轮传动,恒温控制。控制精度的滚珠丝杆和轴承都是由日本公司生产,气动液压装置都是由台湾公司生产,电气元件为国产配置,整体设计全方位保护,并且设有积屑车。机床的控制系统可以自由选择,常见的有西门子,法兰克,华中,广数等先进的系统。控制控制面板操作可以实现 X 轴 Y 轴 Z 轴 A 轴的直线定位,圆弧插补或者是四轴联动等要求。2.1.1 其主要规格及技术参数xxxx 毕业设计第 10 页 共 34 页数控加工中心一般都是进行批量加工,加工的材料也有很多,常见的加工材料有铸铁,铸钢,碳素结构钢,铝材或者是钢铜等,比如在加工碳素结构钢时,选择 D16 的立铣刀就可以满足每刀加工 1.5mm 深度进行铣削。2.2 初定其自动换刀装置的设计参数四轴卧式加工中心在加工零件时,尤其是在表面加工时,选择的刀具半径都会比较大,刀齿比较多的刀具。因为这样的刀具刚性比较高,刀片比较耐磨。还要就是刀具在实际使用中可以减少走刀次数。本次设计卧式铣床的换刀装置,可以选择最大铣床直径 250mm。初估最大直径刀具的重量为 8kg。xxxx 毕业设计第 11 页 共 34 页第三章 刀库的设计刀库的样式,刀库的布局,刀库的结构都会影响到数控机床的换刀速度,对数控机床的性能有很大的影响。3.1 确定刀库容量不同的机床所需要的刀库的容量是不同的,主要是机床的加工类型,加工工艺和相同类型的机床刀库容量决定的。大部分带有自动换刀装置的数控机床都在进行小批量,多种类生产。就可以采集多个加工零件,分析加工时需要的刀具,来确定加工刀具数量,以卧式加工中心为例,常见的加工特征需要用到圆盘刀,立铣刀,铰刀,钻头,镗刀等刀具,在实际工作者,配备刀具的种类和规格越多,工作效率也就越高。如果刀库的容量较大,就会使整体结构变大,会影响和机床的装配,如果刀库的容量很小,会导致刀具数量不够,无法完成加工复杂零件。所以在设计机床时要考虑经济性,合理性,尽可能把所有刀具都装入刀库中,缩短换刀时间。一般数控加工中心在加工时,加工最复杂的零件为模具零件,一般有钻孔加工,平面加工,各种大小不同的槽加工或者是斜面曲面加工等等,所以在设计加工中心刀库时,一定要合理的设计刀库的容量,如果设计刀库的容量较小,则不能满足加工的需求,如果设计的刀库容量过大则会导致刀具载体变大,与卧式加工中心的整体布局格格不入。所以根据观察图 3-1,得出 95%的铣床加工零件可以由四把铣刀加工完成,70%的孔加工需要十把麻花钻或者铰刀。因此,本次的四轴卧式加工中心,通过对比常见的加工零件,设计刀具容量可以同时按照 16 刀具。确定刀具的容量之后,需要选择刀库的刀库类型。常见的刀库类型有斗笠式刀库,链条式刀具等,本次设计选择幅轮式刀库。xxxx 毕业设计第 12 页 共 34 页3.2 刀库结构设计数控机床换刀机械手的设计一般都是采用蜗轮蜗杆传动结构进行设计,这种结构可以改变力的方向。比如数控机床在换刀时,需要正在加工的刀具和刀库中的刀具进行交换,需要改变刀具的位置,选择蜗轮蜗杆传动就符合刀具换刀的运动路线。蜗轮蜗杆的传动属于齿轮传动, 齿轮在运动时需要由电机输入功率。所以本次设计选择交流伺服电机来满足刀库在换刀过程中的驱动力。在设计电机和涡轮蜗杆机构链接的方式时,可以选择键链接,联轴器链接等等。考虑到加工中心在换刀时速度一直不变。并且运动过程很简单,所以选择联轴器作为转矩的传递体。图 3-2 结构示意图3.3 刀库主要零件设计3.3.1 驱动电机的选择电机在运动时需要能够驱动 16 把刀具的重量已经刀具本身的重量,假设这些重量加再一起等于。然后选择可以取代重量的伺服电机,还要考虑到kg8kg8伺服电机本身的转矩比选择好的电动机转矩要下,所以计算电动机负载为:假设传动比,可以设计出本次结构设计的传动效率为20=i0.699=0.99*0.99*0.99*0.723*3*2*1nnnnn总联轴器的机械传动效率1nxxxx 毕业设计第 13 页 共 34 页蜗杆的传动效率2n轴承的传动效率3n1.402n.m=.69919600/20/0=Tl通过计算,确定电机的转矩为 1.402n.m,计算结构为满载计算,所以在实际选择电动机的转矩时,选择 T1x1.2 倍T1x1.5 倍。TlTs)5 . 12 . 1 (1.402*1.5)-(1.2Ts2.103-1.68Ts如果转矩越小则越接近计算值,会对电机的寿命和刀具换刀时所提供的动力有所影响,所以选择巨大转矩计算。电机的最大转矩是根据电机的负债与加速转矩之和计算:TlTaT计算加速转矩如下:Ta=2*()/()NmJlJmTa60;加工时间Ta;工作电机转速Nm;电机轴上的惯量Jl;电机转子管量Jm = 1500r/minNm 0.019n.s.sJm.s0.016n.m.sJl1.8s=180mstaTa=2*n*m*()/()TlTmTa60n.m 3.05=1.8)*0.016)/(60+(0.019*20*1500*3.14*2=Ta4.4551.402+3.05 Tl+TaT根据对比本次设计最大转矩小于电机的额定转矩,满足使用要求T25N.m=T轴孔的直径范围为mm18-12确定其轴孔的直径为16mm在蜗轮蜗杆的传动过程中,轴既受径向力又受轴向力的作用,故轴承的类型选择角接触球轴承,根据轴径选择70000C如图 3-1 所示图 3-3 蜗杆轴在第三段和第五段是轴承,故,长度20mm=20mm;=l第六段和第二段是锁紧螺母,用双螺母来进行锁紧,故,长度18mm=;25mm=l第一段与联轴器相连,故,长度 =30mm,键为,长度为;16mm=l5*820mm第四段长度;250mm=2.蜗杆轴的最小直径蜗轮轴选用调质处理的 45#。根据表 15-3(机械设计基础课设设计指导手册)有=1120A=26.45mm330min3/*nPAd由于该轴上有键槽,在计算的过程中应该考虑这个因素的影响,故计算出来的最小轴。27mm=mind在蜗轮蜗杆的传动过程中,轴既受径向力又受轴向力的作用,故轴承的类型选择角接触球轴承,根据轴径选择。7006Cxxxx 毕业设计第 18 页 共 34 页图 3-4 涡轮轴在第二段和第六段是轴承,故,长度,第六段长度为30mm=20mm=l;50mm第一段和第七段是锁紧螺母,故,长度;28mm=30mm=l第五段与涡轮相连,直径为,长度为,上面有一个键,长度40mm50mm5*12为;28mm第三段直径为,长度;40mm50mm第四段直径为长度为;60mm12mm第八段为花键轴,它与刀盘连接,长度为.100mm蜗杆轴轴径的校核蜗杆轴;由可知=2*4/40tan11mZd 11tandmZ =11.3蜗杆受力轴向力:=1564 N22112dTFFa径向力:=312.85 Ntan221rrtFFF圆周力:=366.26 Ntan221rrrFFF垂直受力; ;0rF0121rRRFFF 0AM0200*373*12rRFF得NFR88.1691NFR38.1962xxxx 毕业设计第 19 页 共 34 页图 3-3 垂直受力图垂直面弯矩图图 3-6 垂直面弯矩图水平面受力 F0 3731731RtFF得=145 N 1RF =167.85 N 2RF图 3-7 水平面受力图xxxx 毕业设计第 20 页 共 34 页水平面弯矩图图 3-8 水平面弯矩图-合成弯矩图图 3-9 合成弯矩图转矩图xxxx 毕业设计第 21 页 共 34 页设他的6 . 0故5320.2T当量弯矩图:图 3-11 当量弯矩图又由可知1222224 WTMWTWMca在涡轮轴中=2195.2323dW故=45542/2185.2=20.84ca查表 15-1(机械设计)可知=55 1故轴满足设计的条件。涡轮轴的校核蜗杆受力:图 3-10 转矩图xxxx 毕业设计第 22 页 共 34 页轴向力:=1564N22222dTFFa径向力:=366.26 Ntan222rrtFFF圆周力:=312.85 Ntan222rrrFFF在垂直方向上受力:图 3-12 垂直方向受力0:0423rrryFFFF0*341*80106*:042rarcFFFM得 NFr1784NFr5143垂直面弯矩图xxxx 毕业设计第 23 页 共 34 页图 3-13 垂直面弯矩图水平面受力图 0 *341106*2:04rcFFtM得:0 :0423rtryFFFF NFr486 4NFr1078 3图 3-14 水平面受力图水平面弯矩图图 3-15 水平面弯矩图合成弯矩图xxxx 毕业设计第 24 页 共 34 页图 3-16 合成弯矩图转矩图图 3-17 转矩图当量弯矩图图 3-18 当量弯矩图有1222224 WTMWTWMca在蜗轮轴上有5120W28.71ca故齿轮轴合格。xxxx 毕业设计第 25 页 共 34 页第四章 刀具交换装置的设计4.1 自动换刀的顺序本次设计的是四轴卧式加工中心的自动换刀装置,设计换刀装置在加工中心机身左边。在使用刀具之前,将刀具按照编程工程师编写的程序代码安装在刀库中。1 号刀具和主轴垂直。在加工中心的操作面板上面输入换刀指令,然后刀库开始选择选刀,将指定的刀具旋转到指定的位置,比如输入 T06 指令,刀库会将 6 号刀具旋转到加工位置。刀具旋转到换刀位置之后,刀库不再做出运动,然后刀套带动刀具旋转角度 90。然后换刀机械手开始运动,分别将主轴上的刀具和刀库上的刀具取下来。取下的过程为,分别抓住,刀套松开刀具,铣床主轴拉杆松开刀具,然后换刀机械手往下拔刀。机械手旋转 180之后,刀具交换完毕。按照拔刀的样式,将刀具安装回去。4.2 自动夹紧装置刀具的夹具装置是依靠主轴上的拉杆对刀具进行锁定的,这种换刀装置比普通铣床的机械加紧式的换刀装置要好用很多。如下图所示,铣刀的导套和夹紧装置都有一个锥面,依靠圆锥面对刀具进行定位和装夹,当刀具夹紧时,蝶形弹簧通过拉杆和双瓣卡爪在套筒的动作可以使刀柄的尾端拉紧从而实现刀具的夹紧。在换刀时压力油就会进入到油腔中,活塞通过推动拉杆来压缩弹簧,在弹簧的作用下卡爪张开,导致喷气头将刀柄顶住,当压力达到一定的值时,刀柄松开,这个时候刀具就可以被机械手拔出,完成拔刀的动作。当机械手换刀后,机械手要把新的刀具放到主轴中,压力油进入油腔中,上述提到的使刀具夹紧。这样就完成了刀具的在主轴上的自动夹紧的过程。在这个装置中,活塞的极限位置中都有行程开关开控制在刀具的夹紧和松开。xxxx 毕业设计第 26 页 共 34 页图 4.1 主轴夹紧装置4.3 机械手的结构和原理图 4.2 机械手爪结构机械手两端设计两个环形手指,主要作用是对刀具进行抓取,刀具上有一个活动销。销和弹簧进行配合就可以在抓取刀具之后将刀具定位,对刀具进行完全定位,防止在刀具换刀过程中将刀具丢出去。4.4 设计计算4.4.1 手指夹紧力的计算手指对工件的夹紧力可按下式计算:xxxx 毕业设计第 27 页 共 34 页kgk1k2k3G N式中本次设计;21.2k1通常选择安全系数1.8=k1 k2=1;动载系数2K数 k3=1.0;方位系数3KG=11kg。刀具重量G则我们设计的机械手手指的夹紧力为:N1.811.011 kgf = 19.8 kgf整个回转头回转 180换刀的运动是由回转液压缸 8 驱动,回转液压缸的输出轴上安装有齿轮 99,齿轮 41 装在套筒上,回转液压缸固定在立柱上。当回转液压缸动片转动时,齿轮 99 带动齿轮 41 转动,其转角的极限位置可由螺钉限定,同时有微动行程开关发出到位信号,其运动的计算公式为:Z2+Z1Z2/=41/99由于在这里,即:280=99180=44180/280= Z2/(Z1+Z2)解得:两齿轮的齿数比 = Z2/Z1=1.8选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1)选用直齿圆柱齿轮传动。2)换刀机械手换刀时速度较高,选用 6 级精度。3)材料选择。选择小齿轮材料为 40Cr,表面调质处理,保证齿轮的精度和使用寿命,硬度为 280HBS,大齿轮材料为 45 钢,表面调质处理,保证齿轮的精度和使用寿命,硬度为 240HBS,二者材料硬度差为 40HBS。4)选小齿轮齿数为大齿轮齿数取24,=Z143.2,=241.8=Z1=Z2。43=Z2按齿面接触强度设计由设计公式(10-9a)进行计算,即: H)21/31)/)/(Z(KtT1/(K2.32d1t1)确定公式内各计算式数值试选载荷系数1.3=Kt计算小齿轮传递的转矩105N.mm1.962= 1460N.mm30/ 10595.5=105P1/n195.5=T1由表 10-7 选取齿宽系数 d1由表 10-6 查的材料的弹性影响系数2189.8MPa1/= ZE由图 10-21d 按齿轮齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 Hlim1 xxxx 毕业设计第 28 页 共 34 页=600MPa;大齿轮的接触疲劳强度极限 Hlim2=550MPa; 由式 10-13 计算应力循环次数N1=60n1jLh=6014601(2830015)=6.307109N2=4.147109/3.2=1.296109由图 10-19 查得接触疲劳寿命系数 KHN1 =0.91;K HN2=0.94计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1%,安全系数 S=1,由式(10-12)得546MP=600MPa0.91=/SKHN1HN1H =H 517Mpa=550Mpa0.94=/SKHN2HN2H =H2)计算试算小齿轮分度圆直径 d1t,代入H中较小的值d1t2.32(KtT1/d)(1)/(ZE/H)21/3 =2.32(1.31.962105/1)(4.7+1)/4.7(109.8/517)21/3 =80.445mm计算圆周速度 v6.15m/s=1000m/s1460/6080.445=1000d1tn1/60=v计算齿宽 b80.445=80.4451=dd1t=b计算齿宽与齿高之比 b/h模数 3.352=80.445/24=d1t/ Z1=mt 齿高 7.54mm=3.352mm2.25=2.25mt=h 10.67=480.445/7.5=b/h计算载荷系数根据级精度,由图 10-8 查得动载荷系数:6.15m/s,6=v1.02;=KV直齿轮 ,假设 KAFt/b100N/.由表 10-3 查得:1.2;=KF=KH由表 10-4 查得使用系数:1;=KA由表 10-4 查的 7 级精度、小齿轮相对支承非对称分布时,3b-100.23+0.6.6d2)+0.18(1+1.12=KH将数据代入后得1.75=80.4453-100.23+1212)0.6+0.18(1+1.12=KH由 b/h=10.67, KH=1.75,查图 10-13 得 KF=1.35;故载荷系数:xxxx 毕业设计第 29 页 共 34 页2.142=1.751.21.021=KAKVKHAKV=K按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径,由式(10-10a)得95.01=)2/3(2.142/1.380.445=/3d1t(K/Kt)2 =d1 计算模数 m3.95=9
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