加工中心自动换刀系统设计

加工中心自动换刀系统设计摘要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。16刀刀库是在小型加工中心应用最为广泛，根据使用的场合和实际运用的要求，设计了相应的16刀的圆盘式刀库，并且对它的控制进行了一定的研究。论文首先对16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。刀库的结构设计是本文研究的重点，传动部分为蜗杆蜗轮的一种减速装置，对于该装置中的蜗杆、蜗轮以及相关的轴都进行了详细的计算控制部分为刀库送刀部分，由液压控制和PLC控制完成。关键词加工中心，刀库，蜗杆蜗轮，液压，PLC。ABSTRACTTOOLSTORAGEISONEOFTHEMAINCOMPONENTSOFTHEAUTOMATICALLYTRADINGKNIFEINSTALLMENTITSCAPACITY,POSITIONANDSTRUCTUREHAVEGREATINFLUENCETOTHEDESIGNOFTHEMACHININGCENTRE16TOOLTOOLSTORAGEISWIDELYUSEDINTHEMACHININGCENTREBASEDONTHESITUATIONANDREQUIREMENTTHE16TOOLUSED,THEDISCSTYLETOOLSTORAGEOFTHE16TOOLISDESIGNEDANDSOMERESEARCHABOUTITSCONTROLISMADEINTHISPAPERTHEPAPERILLUSTRATESTHEDESIGNPROJECTOFTHE16TOOLTOOLSTORAGEFIRSTLY,ANDTHENEXPLAINSITSOPERATIONPRINCIPLE,ANDATLASTCALCULATESANDDESIGNSTHESTRUCTUREANDCONTROLOFTHETOOLSTORAGESEPARATELYBYCHAPTERSTHEDESIGNOFTHESTRUCTUREOFTHETOOLSTORAGEISTHEKEYPOINTOFTHISRESEARCHDRIVINGPARTISADECELERATINGSETOFTHEWORMANDWORMGEARTHESIZESOFTHEWORM,WORMGEARANDAXISARECALCULATEDTHECONTROLPARTSARETOOLSTORAGEDELIVERINGPARTS,WHICHISCOMPLETEDBYTHEHYDRAULICPRESSUREANDPLCCONTROLKEYWORDSMACHININGCENTRE,MAGAZINE,WORM,WORMGEAR,HYDRAULICPRESSURE,PLC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。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。11加工中心简介111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（KEARNEYTRECKER）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。112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。1、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。2、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。3、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。4、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。5、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。113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11）立式加工中心的主轴轴心线为垂直状态图11立式加工中心配置，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。卧式加工中心（如图12）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。图12卧式加工中心3、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90旋转，另一种是工作台可以90旋转。加工中心的主要优点（1）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。（2）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。（3）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。（4）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。（5）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（AUTOMATICPALLETCHANGER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。（6）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。（7）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。114加工中心的发展趋势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。各生产厂家面对预期需求扩大的飞机、模具、半导体等行业，正在抓紧开发五轴加工机。和几年前的以生产一般零部件为主的立式加工中心形成鲜明对比的，突出以加工模具为主的设备方案不断从厂家出现，由此可明显地看出对高速、高效、高品位加工的需求正在增加。针对高精度加工，一些厂家比较注重研制对不易切削材质搞重切削加工的机型。同时，以减少工件更换时间和集中工序为目的的复合化加工技术也在不断创新。为进一步提高效率，有些厂家正在尝试在立式加工中心的控制轴方面再加上L2个轴，形成五轴控制，样对于形状复杂的工件和自由曲面等工件都可完成一次装卡加工。在产品开发方面，由于用户的要求更加严格，不得不在保持低价位的同时不断追求高性能的技术。由于正在加快适应环保要求的新技术开发，因此，更加需要可以调整品种、数量的可形成柔性线结构的设备。现在干式切削也在研制之中，如已经出现的使用高纯度氮气的干式加工系统，以氧化来控制精度变化。同时为改善作业环境、提高经济效率，对于切屑的处理也采用了易于回收的方式。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。从用户需求来看，对卧式加工中心的要求更加趋向于适应多品种小批量的生产，要求加工设备能够灵活地适应工序集中导致的生产型加工件的变化。现在由于汽车厂家的设备投资呈上升趋势，需求可望进一步扩大。此外，因对于产品制造的认识和对生产体系的看法正在发生根本的转变，由此而派生的新的生产体系可能对能形成柔性线的小型机种产生需求。着手生产以上机型的厂家在追求高速、高精度的同时，还在如何使机体小型化及成本控制方面下功夫。也就是说此类产品的开发重点在于机体的小型化、适应形成柔性线体系方面。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15G2G、快速进给速度120MMIN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60M/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。数控立式车床适合于加工大直径、大吨位外圆型工件的立式车床，也被各行业采用。由于其市场的局限性，产品在很大程度上反应了用户的意向，很多是以专用机的形式交货投付使用的，这也是用户和厂家形成密切联系的原因。最近，对中出口看好的建设机械厂家对立式车床的需求令人瞩目，造船行业的订货则似乎暂告一段落。从去年起，数控车床生产厂家期待着在飞机、高性能发电机、风力发电机等方面设备投资比较活跃的重电机行业的订货。由于市场在交货期、质量、价格方面的要求越来越高，一些中小规模的设备用户为缩短产品的生产周期，更青睐一次装卡、可搞多种加工的复合型加工机。考虑到环保要求而采用半干式加工的需求也在增加，根据这类用户的要求，OM制作所以产学协作的方式开发出采用气化热半干式加工技术，并加强了节省能源的措施，控制了电力的使用。现在，市场对于提高了通用性的、低价位的小型数控立式车床的需求仍在扩大，同时，和卧式数控车床一样，带有加工中心意识的功能型复合机的开发研制比较活跃。例如，随着对复杂形状工件成品加工要求的提高，也在研制将立式车床功能加上钻、攻丝、镗等旋转方面的加工功能。因配置了C轴，不同的复合加工也可通过一次装卡进行。此外，在以切削为主的同时，加上采用单刀具的双面约束ATC方式后，在铣加工功能方面也见到不少可进行重切加工的工序集约型产品。本文研究的主要内容刀库2刀库的类型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0105M。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13列出了常用的几种刀库。图13AD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13D是刀具可作90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1530把刀）。图13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13EH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13E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13F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13G和13H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。21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。（1）盘式刀库盘式刀库结构简单，应用较多，如图14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，盘式刀库一般适用于刀具容量较少的刀库。图14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（2）链式刀库如图15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15链式刀库的形式本文所设计的刀库由于是使用在小型加工中心上，所以采用的是圆盘刀库的结构形式，以下是介绍本设计的结构组成与传动过程。换刀过程在介绍刀库结构之前，先了解一下换刀过程。刀库位于立柱左侧，其中刀库的安装方向与主轴轴线垂直，换刀前应改变在换刀位置的刀具轴线方向，使之与主轴轴线平行。某工序加工完毕，主轴定向后，可由自动换刀装置换刀，如图16所示。（1）刀套下翻换刀前，刀库2转动，将待换刀具5送到换刀位置。换刀时，带有刀具5的刀套4下翻90，使刀具轴线与主轴轴线平行。（2）机械手抓刀机械手1从原始位置顺时针旋转75（K向观察），两手爪分别抓住刀库上和主轴3上的刀具。（3）刀具松开主轴内的刀具自动夹紧机构松开刀具。（4）机械手拔刀机械手下降，同时拔出两把刀具。（5）刀具位置交换机械手带着两把刀具逆时针旋转180（K向观察），交换两把刀具位置。（6）机械手插刀机械手上升，分别把刀具插入主轴锥孔和刀套中。（7）刀具夹紧主轴内的刀具自动夹紧机构加紧刀具。图16换刀过程示意图1机械手2刀库3主轴4刀套5刀具（8）液压缸活塞复位驱动机械手逆时针旋转180的液压缸活塞复位（机械手无动作）。（9）机械手松刀机械手1逆时针旋转75（K向观察），松开刀具回到原始位置。（10）刀套上翻刀套带着刀具上翻90。22刀库的结构与传动（1）刀库的结构组成如图17所示，为盘式刀库结构示意图。它主要由电动机蜗杆蜗轮、刀盘、刀套、液压缸、及拨叉等构建组成。其盘式刀库的具体机构，如图18所示。（2）刀库的选刀过程根据数控系统发出的选刀指令，直流伺服电动机1经联轴器2和蜗杆3、蜗轮4带动刀盘12和安装其上的16个刀套1旋转相应角度，完成选刀的过程。（3）刀套翻转过程待换刀具转到换刀位置时，刀套尾部的滚子10转入拨叉8的槽内。这是，液压缸5的下腔通入液压油，活塞带动拨叉上升，同时松开行程开关7，用以断开相应电路，防止刀库、主轴等出现误动作。拨叉上升，带动刀套下翻90，使刀具轴线与主轴轴线平行，同时压下行程开关6，发出信号使机械手抓刀。反之，拨叉下降，带动刀套上翻90。图17刀库结构示意图1电动机2联轴器3蜗杆4蜗轮5液压缸6、7行程开关8拨叉9挡标10滚子1刀套12刀盘图18刀库结构图1电动机2联轴器3蜗轮4蜗杆5液压缸6活塞杆7拨叉8挡标9、10行程开关1滚子12销轴13刀套14刀盘23刀库驱动电动机的选定驱动刀库，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，故在本设计中也将采用伺服电动机来驱动。231按负载转矩选加在伺服电动机轴上的负载转矩LT，应比电动机额定连续转矩ST小。圆盘式刀库负载转矩计算方法，这种刀库的负载转矩1T，主要来自刀具重量的不平衡。其计算方法如下将三把最重刀具挨在一起，按加工中心规格规定的最大刀具重量MAXW计算，而其重心则设定为离刀库回转中心半径处。设刀库半径为300M，刀具最大重量为8KG。所以1898/3002352TKGNKGMMNMMG把如上计算的负载转矩，转换为电机轴上的转矩LT的公式为HITTL1式中I传动比；H传动效率。本设计中，为了降低传动速度，所以传动比定为20I。传动效率为2123HHHHGG总2072099099069式中1H联轴器的传动功率；2H蜗杆的传动功率；3H轴承的传动功率。12352168200699LTTNMMIHG考虑到实际情况比计算时所设定条件复杂，电机额定转矩ST应为负载转矩的1215倍，亦即1215SLTT1215168STNMMG2016252STNMMG232按加速时的最大转矩选加速时的最大转矩T,包括加速转矩AT和负载转矩LT，即ALTTT加速转矩AT按下式计算260AMLANMTJJNMTPG式中MN刀库选刀时的电动机转速/MINR；AT加速时间，通常取150200（MS）；MJ电动机转子惯量；LJ负载惯量折算到电动机轴上的惯量。设计中，初选1000/MINMNR，20032MJNMSGG，20016LJNMSGG，18018ATMSS。260MAMLANTJJTP2314100003200166018279NMGALTTT279168T447T加速时的最大转矩T应小于电机的最大转矩MAXT，即MAXTT45HRC，蜗杆材料采用ZCUSN10P1，砂型铸造，计算步骤如下计算项目计算内容计算结果（一）初选【1/DA】值1、当量摩擦系数设4/7/SVMSMS，查机械设计003VM表136，取大值；2VR2、选【1/DA】值在机械设计图131的20I线上任选一点，查得11/0355,132DAZG，1088H（传动啮合效率）。（二）中心距计算1、蜗轮转矩211236362520088TTIH2415998TNMMG2、使用系数按题意查机械设计表12911AK3、转速系数1/8218NNZ1/820018072NZ4、弹性系数由机械设计查表132得147EZMPA5、寿命系数62500HHZL6250001200011316HZG,其轴孔直径范围为1828DM。二、最后确定蜗杆轴伸处的直径为MIN25DMM，1,JJ型轴孔长度144,100,80LMMDMMDMM，螺栓数量为4，直径M8，1,JJ型092LM。423确定滚动轴承的类型由于采用的是蜗杆蜗轮传动，既受径向力，也受轴向力，所以采用角接触球轴承（GB29294）表41所选轴承型号轴承代号基本尺寸/MM安装尺寸70000C15A70000AC25A极限转速/MINRDDBSR1SRADMADASRAMM基本额定AMM基本额定脂润油润IN动载荷RC静载荷0RC动载荷RC静载荷0RC滑滑MINMAXKNKN7007C35621410341561135195142183185135850012000424初步估计蜗杆轴各段的尺寸根据轴上零件的受力情况，固定和定为的要求，初步确定轴的阶梯段，该轴有5段。图41蜗杆轴估计各段尺寸由于1、3段轴上安装的是轴承，轴承的直径35DM，所以可以确定这两段轴的直径为35MF，长度为25M。由于蜗杆的齿根圆直径为4788MF，所以确定这段轴的直径为42MF，长度为250M。选用直径为30MF，长度为50M。直径为25MF，长度为100M，键87BH，50LM。43蜗轮轴的初步估算431初步估算轴的最小直径估算直径D，可根据轴所传递的功率PKW及轴的转速/MINNR,按下式进行估算331764115377250PDCMMN该段轴上有一键槽将计算值加大3，MIND应为3885MM式中C与轴材料有关的系数，由机械设计表162查得，根据轴的材料取115。432确定轴伸处的最小直径根据刀盘的设计要求，最后确定蜗轮轴轴伸处的直径为MIN40DMM。433确定滚动轴承的类型与蜗杆一样，采用角接触球轴承（GB29294）表42所选轴承型号轴承代号基本尺寸/MM安装尺寸70000C15A70000AC25A极限转速/MINRDDBSR1SRADADASRAMM基本额定AMM基本额定脂润油润MIN滑滑动载荷RC静载荷0RC动载荷RC静载荷0RCMINMAXKNKN7010C50801610356741167265220232210670067009000434初步估计蜗轮轴的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6段。图42蜗轮轴估计各段尺寸由于2段和6段轴上安装的是轴承，轴承的直径50DM，所以可以确定两端轴的直径为50MF，长度为60M；直径为40MF，长度为10M，14980LMM键，；直径为60MF，长为50M；直径为80MF，长为10M；直径为60MF，长为60M，181140LM键，。44轴径的设计与校核441蜗杆轴一、计算蜗杆受力11TANZMDG11263TAN631131ZMDGG二、蜗杆受力2122223369583825412626519ATTFFND轴向力122122TAN254126TAN113150826TAN254126TAN2092494TATRRTFFFNFFFNGA圆周力径向力垂直面受力图12100YRRRFFFF120304500ARRMFF解得130831RFN261663RFN垂直面弯矩图（C）水平面受力图“11504500TRFF“115053491783450RFN“2450300RTFF“2303566450TRFFN（D）水平面弯矩图E合成弯矩图F转矩图G当量弯矩图三、许用应力1、许用应力值用插入法由机械设计表163查得01025BMPAS，160BMPAS2、应力校正系数10600591025BBSAS3、画当量弯矩图0591408625TTNMAG4、当量弯矩在蜗杆中间截面处221064729MMTNMMAG在左轴颈中间截面处2210647502MMTNMMAG当量弯矩图如图（G）所示。四、校核轴径1、齿根圆直径112FADDHCM6321026347252、轴径331064729260847250160MDMMS结论根据校核，截面足够安全。442蜗轮轴的计算计算蜗轮受力圆周力222223369583825412626519TTFND径向力22TAN254126TAN2092494RTFFNA轴向力22TAN254126TAN113150826ATFFNG垂直面受力图32400YRRRFFFF22402351325953200CRARMFFF343504899RRFNFN垂直面弯矩图水平面受力图“23400YTRRFFFF“2402353200CTRMFF“3“4675061862RRFNFN水平面弯矩图合成弯矩图转矩图当量弯矩图许用应力1、许用应力值用插入法由机械设计表163查得01025BMPAS，160BMPAS2、应力校正系数10600591025BBSAS三、画当量弯矩图1、当量转矩05936924198785TNMAG，见图（F）2、当量弯矩在蜗轮轴的中间截面处；222217573891987852653293MMTNMMAG在左轴颈中间截面处；22221588526719878525445MMTNMMAG校核轴径1、轴径332544593487600160MDMMMMS结论根据校核，截面足够安全。5轴承的校核51蜗杆轴查手册7007C轴承主要性能参数如下0142RCKN,195RCKN,0/26743/195000137ARFC；用插入法查得048E，/26743/9734275ARFFE查机械设计课程设计手册044,117XY,0449734117267433557227RAPXFYF计算额定动载荷331667010003557227720001667058HRNCPLKNC查机械设计课程设计手册044,144XY，04497341445348611985RAPXFYF计算额定动载荷331667050119857200016670719HRNCPLKNC式中RV快速移动速度（/MINM）；RT快速移动时间常熟（MS），通常取15020；ST伺服时间常熟（MS），33ST；LV减速后速度（/MINM），可在6150范围内设定，一般设在30左右为好，在该设计中，LV取40/MINM；25/MIN25000/MINRVMMM。1802500030334040332600006463DWDWLLMM65DWLMM根据实际应用中，取为。62刀盘与刀套的设计621刀套参照数控机床与机械结构一书中对刀套的设计，由于本设计用于小型加工中心，所以采用40号刀柄的尺寸而进行设计，草图如图62所示，尺寸参照零件图；图62刀套结构图1弹簧2螺纹套3球头销钉4刀套体5滚套6销轴7滚子622刀盘刀盘尺寸由装配图可知。63刀具（刀座）识别装置刀具（刀座）识别装置是自动换刀系统中重要组成部分，在本设计中采用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63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。图63刀柄编码示意图1刀柄2刀具识别装置3触针4编码环7液压系统的设计71液压缸的载荷组成和计算设刀套重量为10KG，拨叉重量为10KG，作用在活塞杆上的外部载荷为刀具，刀套以及拨叉所有重力之和；898/KG1098/KG1098/KG2744NWFFFFNNN刀具拨叉刀套除外载荷WF外，作用于活塞上的载荷F还包括液压缸密封处的摩擦阻力MF，由于各种缸的密封材质和密封形式不同，密封阻力难以精确计算，一般估算为1MMFFH式中MH液压缸的机械效率，一般取090095N；2744295093WMFFNH110932952065MMFFNH72液压缸内径以及其它尺寸的确定液压缸不同负载时的工作压力查液压传动表112，故取工作压力108PMPA，根据根据所选工作压力1P查机械设计手册表3755G，取背压力205PMPA。721计算液压缸的主要结构尺寸活塞杆受压时1122WMFFPAPAH活塞杆受拉时1221WMFFPAPAH式中214ADP无杆腔活塞有效作用面积2M2224ADDP有杆腔活塞有效作用面积2M1P液压缸工作腔压力PA2P液压缸回油腔压力PAD活塞直径MD活塞杆直径M一般液压缸在受力状态下工作，其活塞面积为2211FPAAP令杆径比/DDF，其比值可按机械设计手册表3756G选取05F21224142953140805105429531404252974FDPPMPF由机械设计手册表3758G，取63DM，则根据液压缸内径D查机械设计手册表3759，取活塞杆直径35DM。活塞杆直径的强度在高压系统中需要进行校核4FDPS式中F活塞杆上所受的作用力。S活塞杆材料的许用应力，初选材料为45号钢，则许用应力为650MPA。6429500007607631465010DMMM即076DM则设计符合要求。722油缸壁厚的计算对于低压系统或当16ALFD,油缸的壁厚D有2YPALFDD式中YP缸筒试验应力，当缸的额定压力16NPMPA时，取15YNPP，当16NPMPA时，取125YNPP；D缸筒材料的许用应力，初选为45号钢，650MPAD。6615810630058265010D根据结构需要取8MD723缸底厚度计算平形缸底无油孔时0433YPHALFS式中H缸底厚度MALF液压缸内径MYP试验压力MPAD缸底材料的许用应力MPA，初选缸底材料为45号钢，所以650MPAD。5604315810043363650100433630043117YPHALFS73油缸长度L的确定液压缸的缸筒长度由最大工作行程决定，缸筒的长度一般最好不超过其内径的20倍。20306312601890L即假设伸缩行程为10M，故根据结构需要取120LM74液压系统初步设计图71液压系统图表71电磁阀动作表动作YA1YA2工进工退停止8PLC控制本章主要任务是PLC的控制，PLC控制是加工中心的核心技术，机床上都内置PLC芯片，根据加工中心与刀库的要求，设计了如下的PLC梯形图图81PLC梯形图接线图如下图所示图82外部接线图工作原理SB2，SB3和SB1分别是正反转起动和停止按钮。SQ1,SQ2是刀库换向按钮，FR是热继电器的保护触点，用它在PC外端直接通断正反转接触器KM1,KM2的电源更为可靠。X400和X401的常闭触点用来实现按钮联锁，Y430和Y431的常闭触点用来实现Y430和Y431的互锁。为确保在任何情况（例如某一接触器的主触头熔焊）下，两个接触器都不会同时接通，除以上的软件联锁外，还在PLC的外部设置由KM1和KM2常闭触头实现的硬件互锁。程序LDX400ORY430ANIX402ANIX401ANIY431ANIY432OUTY430LDX401ORY431ANIX402ANIX400ANIY430ANIY432OUTY4319结论经过三个多月的时间，毕业设计终于完成了。这次的设计不同以往其它的设计，因为这次设计综合了大学四年所学的所有知识，使我们对所学的知识得到了更好的巩固和提高。在设计初期，我们通过各种不同的途径来查阅相关资料，从图书馆馆藏书目到网上图书馆，再到查阅四年来所学