T5型数控钻孔攻牙机夹臂刀库机构设计含CAD图
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T5
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攻牙机夹臂刀库
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T5型数控钻孔攻牙机夹臂刀库机构设计含CAD图,T5,数控,钻孔,攻牙机夹臂刀库,机构,设计,CAD
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T5 型数控钻孔攻牙机夹臂刀库机构设计摘 要数控加工中心是一种备有刀库并能自动换刀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、现代控制理论、测量及传感技术以及通讯诊断、刀具和应用编程技术为一身的高科技产品。而刀库是一台加工中心关键的、必不可少的组成部分，刀库的功能是储存加工工序所需的各种刀具， 并按程序 T 指用的刀具准确地送到换刀位置，多的可达 100200 把。夹臂式刀库为最常用的一种形式，每一刀座均可存放一把刀具。夹臂式刀库的种类甚多，刀库的刀具轴线可以按不同的方向配置。总而言之，在分析 T5 型数控钻孔攻牙机设计功能要求的基础上，研究其夹臂式刀库的总体设计方案，然后根据给定的参数进行刀库电动机的选择，接着对传动件设计，最后是对刀库架结构设计。夹臂式刀库的结构简单，取刀也比较方便， 因此应用最为广泛关键词：T5 型数控钻床，电动机，夹臂刀库，结构。I ABSTRACTCNC machining center is a kind of can equipped with knifelibraryandautomatic tool change process of nc machine tools are more artifacts. Itis the energy, time and energy to meet the demand of The Times, it combines mechanical technology, electronic technology, computer software technology, pneumatic technology, drive technology, modern control theory, measurement and sensor technology and communication diagnosis, cutting tool and application programming technology as one of the high-tech products. And tool storage is a key and indispensable part of machining center, knife librarys function is to store all kinds of cutting tools, machining process and program T refers to the use of the cutting tool position accurately to change the knife, more can reach 100 100.Clamp arm type tool storage is one of the most commonly used form of each cutter holder can hold a knife. Clamp arm type knife library very much, the kinds of knife library configuration tool axis can be according to the different direction.To sum up, in the analysis of T5 CNC drilling tapping machine design, on the basis of functional requirements, the overall design scheme of the clamp arm type knife library, then according to the given parameters of knife library motor selection, and then to the transmission parts design, finally is the knife frame structure design. Clamp arm type tool storage structure is simple, take knife is more convenient, so the most widely usedKeywords: T5 type nc drilling machine, electric motor, knife library, clamp arm structure.III目录摘 要IABSTRACTIII1 绪论11.1 课题背景11.2 加工中心的发展慨况及发展趋势42 刀库的总体设计方案92.1 毕业设计的任务及要求92.2 刀库的类型选择102.3 夹臂刀库传动机构设计101. 运动数目的确定102. 运动方案的确定113. 主传动系统112.4 刀库架结构设计123 电机的选择133.1 电机的选型及相关参数133.2 各部分转动惯量的计算133.3 预选电机143.4 电机的校核144. 机械系统的设计154.1 刀库转动定位机构的设计154.2 滚动轴承的选择计算171 轴的校核计算184.3 键的设计计算184.4 齿轮的设计191 初步计算192 校核计算204.5 刀库的支承部分组件的设计215. 刀库架结构设计226 总结与展望25致谢26主要参考资料：27 1 绪论1.1 课题背景在现代数控机床中，加工中心(MC-Machining Center)能进行自动换刀、自动更换工件，实行平面、任意曲面、孔、螺纹等加工，成为一种独特的多功能高精、高效、高自动化的机床，并迅速向高速化、复合化、环保化、五轴联动等方向发展，己成为当今国际机床展上最大的亮点。加工中心是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床，它是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通信诊断、刀具和编程技术的高科技产品。在现在的机械行业中，产品不断向精密化，小批量，特点化等特殊复杂零件的柔性高效率加工，减少生产成本和转换时间。数控加工中心是目前世界上产量最高、应用最广泛的数控机床之一（HolbrookL.Horto，1959)。它的加件一次工内容，加工精度较高，就中等加工难度的批量工件，其效率是普通设备的 5-10 倍， 特别是它能完成多普通设备不能完成的加工。1996 年国产加工中心与进口加工中心的台数比，仅为百分之几，到 2005 年逐步增长到 39.4%。2005 年与 2000 年相比，进口的加工中心数量增加 4.8 倍。加工中心需求猛增的主要原因，大致有三:(l)整个机械工业原有工艺装备结构陈旧、性能落后，呈“三多三少”(手动的多、自动的少;粗加工的多、精加工的少; 低效的多、高效的少)，函需大量更新。能源、交通、冶金、发电、工程机械、造船、模具、IT 各业均需购置大、中、小各种 Mc，量大面广;(2)汽车工业迅速发展，2002-2004 年汽车产量分别为 325、444、507 万辆，发动机缸体、缸盖、变速箱及各种汽车零部件加工，均需增添高速、高精、环保、节能的各式 MC;(3) 航空、国防、军工产业，适应新形势发展，均在提高生产能力，需要大、中型各种立式、卧式、龙门式、五轴控制的高性能 MC，而且要求品种多、质量好、供货快。随着工业自动化的发展,出现了数控加工中心,它在减轻工人的劳动强度的同时, 大大提高了劳动生产率。但数控加工中常见的上下料工序,通常仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。前者费时费工、效率低；后者因设计28复杂,需较多继电器,接线繁杂, 易受车体振动干扰,而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。可编程序控制器 PLC 控制的上下料机械手控制系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力,保证了系统运行的可靠性,降低了维修率, 提高了工作效率。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。数控机床主要由数控系统、伺服系统、程序载体、输入输出装置、强电控制装置、辅助装置和机床主体组成。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。加工中心进口的快速增加，一方面反映了我国制造业对这类数控机床的需求旺盛，另一方面也反映了我国机床制造业在加工中心的生产能力和国产加工中心的竞争力上还存在差距。国产加工中心市场占有率低的主要原因是国产加工中心在产品水平、交货期、质量和可靠性上与国外同类产品相比存在不少差距。因此研究加工中心及其控制系统具有现实和长远的意义，掌握其中的关键技术是充分发挥加工中心功能和性能的先决条件，必将对我国装备制造业的整体水平的提高起到积极的作用数控加工中心是目前世界上产量最高、应用最广泛的数控机床之一（HolbrookL.Horto，1959)。它的综合加工能力较强，工件一次装夹后能完成较多的加工内容，加工精度较高，就中等加工难度的批量工件，其效率是普通设备的 5-10 倍，特别是它能完成许多普通设备不能完成的加工，对形状较复杂， 精度要求高的单件加工或中小批量多品种生产更为适用(曹秋霞，2005 欧克拉， 2000)。 数控加工中心是一种功能较全的数控加工机床。它把铣削、镗削、钻削、攻螺纹和切削螺纹等功能集中在一台设备上，使其具有多种工艺手段。传统的单功能机床只能完成单功能的工序加工，如钻、铣、镗、攻丝，而任何一个稍微复杂的零件的切削加工都需要多个工序，因此，制造一个稍复杂的零件我们就需要花费相当多的时间在更换刀具，装卸、测量、搬运零件等非切削加工时间上，切削加工时间仅占整个工时中最小的比列。为了缩短非切削加工时间， 60 年代末出现了能够实现工序集中的带有自动换刀装置的数控机床，即加工中心。加工中心的特点就是能够实现自动换刀，从而高质效的完成复杂工件上的多道工序，从而加工中心出现到今天出现了使用不同需求的多种类型的刀库。而在夹臂式刀库，斗笠是刀库，圆盘式刀库带机械手刀库。而在夹臂式刀库，结构简单，价格低廉，稳定可靠，非常适合刀库容量要求不是太大的小型加工中心使用， 目前夹臂式刀库采用弧面凸轮分割器，弧面凸轮分割器是输入轴上的弧面共轭凸轮与输出轴上的分渡轮无间隙垂直啮合的传动装置，弧面凸轮阔面的曲线段驱使分度轮，直线段使分度轮禁止，并定位锁，通过该机构将持续的输入运动转化为间歇式轴出运动，驱动电机带动输入轴转动一周，刀库回转一个到位，输入轴上的弧面共轭凸轮的直线段使得即使普通电机也能实现刀库到位的准确性，并实现反向自锁，防止刀库偏重时发生转动，但也正是这种间歇式的驱动降低了刀号间隔较大时换刀的效率。以 14 把刀的弧面凸轮分割器驱动的夹臂式刀库为例，相邻刀的 t-t 换刀时间大约在 4 秒时间左右。随着伺服驱动 系统，传统部件以及切削刀具的不断进步，如今的加工中心的快速移动和加工速度都在不断提高，使得加工时间不断缩短，换刀时间所占加工节拍的比列越来越高，使用弧面凸轮分割器作为驱动的夹臂式刀库的低效率更加突出，已经无法满足加工中心高速化的要求。考虑到夹臂式刀库结构简单，价格低廉，稳定可靠的特点，它仍然是小型钻攻中心的首选。介于此，我们要做的不是淘汰，而是努力提高这种刀库形式的换到效率，改造的重点就是变普通电机家弧面凸轮分割器的驱动方式为伺服电机加减速器的驱动方式，我们称这种刀库叫伺服型夹臂式刀库。伺服型夹臂式刀库的驱动部分，伺服电机 1 经过减速器 2 后驱动齿轮 3，齿轮 3 与和刀仓固定为一体的大齿轮 4 啮合，从而实现了刀仓的伺服驱动。伺服驱动电机在高分辨率编码器和伺服放大器的控制下能够实现任意位置的精确准停， 这就使得同一驱动组件能够保证多种刀具数量的刀库任意分度和精确定位，伺服电机的这个优势使得刀库回，转几个刀号都只是经过加速，快速，减速的过程一步到位，大大提高了换刀速度，还以 14 把刀的 bt30 夹臂式刀库为例，伺服驱动的夹臂式刀库换刀的时间约在 1.3 秒左右，而最远的刀换刀时间大约在 1.6 秒左右，由此可以看出换到效率相对分割器驱动的夹臂式刀库有大幅提高。另外，该机构在每个刀具交换位置是都安装有检测快 5，通过接近开关 6 对检测快 5 的检测来确定刀库的位置状态，确认位置后，才进行刀具交换，伺服电机的闭环控制和接近开关的位置确认对刀库位置的保证提供了双保险，真正确保了换刀系统的安全稳定。1.2 加工中心的发展慨况及发展趋势加工中心最初是从数控铣床发展而来的。第一台加工中心是 1958 年由美国卡尼特雷克公司首先研制成功的。它在数控卧式镗铣床的基础上增加了自动换刀装置，从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中加工。二十世纪 70 年代以来，加工中心得到迅速发展，出现了可换主轴箱加工中心，它备有多个可以自动更换的装有刀具的多轴主轴箱，能对工件同时进行多孔加工。现在加工中心逐渐成为机械加工业中最主要的设备之一。据统计，在整个机械工业中，箱体类零件大致占 60， 一般企业中复杂箱体类关键件约占 510，而在汽车、飞机、宇航等部门中，复杂件比重更大，因此，市场对加工中心的需求日益增多；同时，随着科技、微电子、计算机技术的发展，加工中心主机的设计制造技术迅速提高，各种配套功能部件和数控系统发展也较迅速。近年来，加工中心在品种、性能、功能方面有很大的发展。在品种上，有新型的立、卧五轴联动加工中心，可用于航空、航天零件加工；有专门用于模具加工的高性能加工中心， 集成三维CAD/CAM 对模具复杂的曲面超精加工；有适用于汽车、摩托车大批量零件加工的高速加工中心，生产效率高且具备柔性化。在性能上，普遍采用了万转以上的电主轴，最高可达 610 万转；直线电机的应用使机床加速度达到了 35g；执行 ISO/VDI 检测标准，促使制造商提高加工中心的双向定位精度。在功能方面，融合了激光加工的复合功能，结构上适合于组成模块式制造单元（FMC）和柔性生产线（FMS），并具有机电、通讯一体化功能。目前，世界加工中心的产量已从 2005 年的年产量 6.5 万台增加到 2008 年的 9 万台1。产值从 2005 年的约 78 亿美元增到 2008 年的 133.16 亿美元，约占当年世界机床产值的 15.64%（见表 1）。我国加工中心产量 2005 年居世界第六，到 2008 年已是世界第三（中国台湾第一，日本第二）。2008 年我国加工中心产值居世界第五，位于日本、德国、中国台湾和韩国之后。以上前四位国家（地区）的加工中心产值占该国（地区）机床产值的比例均已超过车床产值占比，居该国（地区）机床产值第一位。2007 年日本加工中心产值占机床产值的 26.9%，德国占 19.1%，韩国占 21.3%。预计随着我国数控机床生产的高速发展，加工中心在机床生产中的占比将继续增长。 2008 年我国消费了世界加工中心产量的近三分之一，消费金额占世界加工中心产值的 23.3%。从加工中心平均单价看，欧洲（德国、意大利、西班牙）较高，日本其次。我国加工中心平均单价最低，略低于中国台湾，这说明我国生产的加工中心价格竞争力还不够（见表 2）。表 12008 年世界加工中心生产、消费及进出口情况（单位：台；百万美元）国家/地区生产进口出口消费台数金额台数金额台数金额台数金额中国165121113.4138262087.6138098.2289583102.0日本202354823.875264.4115462948.494411939.9德国67323645.33789757.845002089.060212314.9美国10428766.367991318.72943356.8142841728.4韩国10500*1206.4NA270.1NA355.4NA1121.2中国台湾252701714.558058.9176751200.28175573.2意大利1022947.13864514.83124434.517621027.4西班牙NA192.7NA146.0NA155.1NA183.6瑞士NA52.3NA859.9NA3.9NA87.3英国NA88.5NA120.3NA139.0NA69.8法国NANANA197.3NA86.7NANA奥地利NA104.7NA203.2NA86.0NA221.3捷克NA212.0NA109.2NA118.5NA202.6印度138059.7580212.4420.33491271.9土耳其NA104.1NA212.8NA5.7NA311.1小计约 9200013316.3303106920.6412108072.07213212843.5注：*因没有韩国 2008 年产量数据，暂按产值估算其产量；*为计算方便，2008 年世界加工中心产值金额来自 CECIMO 数据，原货币单位是欧元，根据其说明，按当年欧元兑美元汇率为 1.47，折合成美元。资料来源：中国机床工具工业协会表 22008 年主要加工中心生产地单价对比日本德国美国韩国中国台湾中国产量（台）20235673210428105002527016512产值（百万美元）4823.83645.3766.31206.41714.51113.4单价（万美元/台）23.854.17.311.56.86.7资料来源：中国机床工具工业协会近年来，加工中心作为数控机床的重要代表性产品，频繁出现在世界四大国际机床展 上（欧洲国际机床展览会EMO、美国芝加哥国际机床展览会 IMTS、日本国际机床展览会JIMTOF 和中国国际机床展览会CIMT 并列被称为世界四大国际机床名展），世界各大机床厂商纷纷在展会上展示各公司新研发的加工中心。加工中心制造技术已成为各展会的重头戏。总的来说，加工中心的技术发展趋势同其他数控机床一样仍是：高效、高精、高速，同时也 可看到五轴联动机床、机床的复合化、与机器人有效的结合以及“绿色生态机床”是当前加工 中心发展的主要方向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 34 倍，因而比普通机床更高效。同时， 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，减少了人为干扰，因此加工精度更高，加工质量更加稳定。随着国民经济飞速发展和工业自动化水平的不断提高，制造业向着高、精、尖方向发展， 特别是汽车、船舶、纺织、电子技术、航空航天的迅猛发展，对加工中心的速度和生产效率要求也越来越高，主轴转速在 12000r/min 以上、快移速度大于 40m/min 的高效、高精、高速化加工中心已经是数控机床行业流行的趋势。五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高，专门用于加工复杂曲面的机床，这种机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等行业，有着举足轻重的影响力。五轴联动加工中心的结构形式多种多样，主要用于叶轮、叶片加工，也是每次国际机床展的重点展品之一。例如，在第十一届中国国际机床展览会（CIMT 2009）上，德国DMG 公司是展示五轴联动加工中心品种最多的供应商，其展出的加工中心品种琳琅满目，有多轴联动加工中心（包括铣头两联动和工作台两联动）、立柱移动式及工作台移动式、立柱与床身分体式（duoBLOCK）及立柱与床身铸成一体式（monoBLOCK）等，其中，最具代表的 是该公司展出的DMU 210 P 五轴联动加工中心，它的造型设计采用大视窗、大空间，这是一种国际新潮流，日本马扎克（MAZAK）公司也推崇这种理念，以方便操作工实施观察。DMU 210 P 五轴联动加工中心的可移操作台用 19 英寸大屏幕显示，比通常的显示屏幕要大， 这个操作台的视角可以调节而且和一个可调的柔软坐椅连接，让操作者使用更方便舒适，这种宜人化的工业造型设计，突出了以人为本的理念。此外，德国 Hermle、意大利 C.B.Ferrari 等公司也都展示了加工叶轮、叶片的高效五轴加工中心技术；丰富多彩的龙门五联动加工中心展品也各显其长。我国华中数控、南京四开等数控制造企业也都成功开发出五联动数控系统，北京机电院、江苏新瑞等也先后制造出中、高档的五轴联动加打破工艺界限，机床的复合加工也是当今数控机床发展的一大趋势。自 20 世纪 90 年代德国 WFL 公司发明车铣复合加工中心以来，日本MAZAK、韩国大宇（斗山）以及德国DMG 等均不断有新款推出。我国的北京一机床、青海一机床、秦川发展等也相继推出车铣、铣车、铣磨等复合加工中心机床，在 CIMT2009 上，北一、沈阳机床、大连机床以及陕西三丰、长沙金岭等都有产品展出。沈阳机床展出的GTM500200 龙门移动式车铣中心，是一台龙门框架移动式复合机床。工作台有两部分组成，外端是回转直径为 4500mm 的车削圆工作台，转速 40r/min；内端是 4500 7000mm 的铣削工作台，承重 15t。按不同工件的工艺要求，选择不同的工作台面。机床主传动功率 52kW，刀库容量 60 把。工业机器人在机床上的应用，也是当今数控机床发展的一大趋势，在欧、美、日等许多24 小时无人化工厂内，工业机器人已起到了主角作用。在CIMT 2009 上，日本 FANUC、日本 DENSO 等公司详尽地展示了此项技术，机器人不仅仅起到物流搬运作用，甚至还可进行切削加工。德国DMG 在展会期间的新闻发布会上也介绍了其将工业机器人技术在机床上的创新应用，这种机器人有 6-7 轴运动关节，可直接在机床上做抓取工件的各种动作。工业机器人同机床有效地结合在一起，让机器人从事简单而且重复的劳动，不仅可提高生产效率， 最大限度降低生产成本，同时，机器人不会疲劳且不会产生错误，因而对生产质量的稳定起到了很大的作用从近几年举行的国际机床展看，数控机床除了向高速、高精度、多轴联动、复合加工和智能化方向发展外，也更重视环保化，绿色生态机床开始成为研究热点并日益受到重视。“绿色生态机床”是近年来机床行业的一种发展趋势，其强调了机床、环境、人三者之间的关系， 目地是大幅度提高机床生产效率的同时降低对环境的影响和对操作者健康的危害。加工中心作为数控机床的重要代表性产品，也具有向环保化方向发展的趋势。2 刀库的总体设计方案2.1 毕业设计的任务及要求设计题目：T5 型数控钻孔攻牙机夹臂刀库机构设计名称规格刀库规格BT30刀库容量14最大刀具直径（满刀） 65最大刀具直径（临空刀） 75最大刀具长度300mm最大刀具重量3kg刀库重量54kg设计要求：设计一个数控钻孔攻牙机夹臂刀库传动机构设计（电机选型、传动件设计、支撑组件等）以及刀库架结构设计。主要性能指标参数如下:具体工作内容：1) 查阅与课题相关文献资料 10 篇以上，其中英文资料 2 篇以上，英文资料翻译 5000 汉字以上；2) 在分析 T5 型数控钻孔攻牙机设计功能要求的基础上，研究其夹臂刀库机构的总体设计方案，并撰写课题开题报告；3) 夹臂刀库传动机构设计（电机选型、传动件设计、支承组件等）；4) 刀库架结构设计5) 设计图纸量：折合约 3 张A0；设计说明书一份（1-1.5 万字，要求电脑打印，说明书组成包括毕业设计任务书、中外文摘要及关键词、目录、正文、主要参考文献、致谢和附录等，具体格式参照2.2 刀库的类型选择目前一般刀库按结构形式可以分为以下几种： 1）刀具储存在圆型鼓轮上，这种刀库结构简单，但刀具环形排列，空间利用率低，为了不致于刀库外径过大导致转动惯量过大，一般刀库容量在32把以下。使刀库中处于换刀位置的刀具轴线平行于主轴轴线，以简单的回转式机械手对刀库和主轴进行交换。要求刀库容量较大的场合，可以采用空间利用率较高的多重型鼓轮式刀库，这种刀库的传动装置和控制装置较为复杂。2） 链式刀库。 刀具储存在链条环节上，再以链轮驱动，结构紧凑，刀库容量较大，链环的现状可以根据机床的布局配置成各种形状，也可以将换刀位置突出以利换刀。当链式刀库需要增加刀库容量时，只需增加链条的长度，在一定的范围内，无需变更线速度及惯量，这种条件对系列刀库的设计与制造带来了很大的方便，可以满足不同的使用条件。3） 盒式刀库。 刀具储存在纵横排列的格子上，此种刀库空间利用率最高， 刀库容量大。4） 转塔式刀库。 刀具储存在同一转塔上，其主要特征是刀库环绕是主轴， 储刀位置即为主轴位置，因储存刀具数量有限，主要用于小型加工中心。5） 斗笠式刀库。斗笠式刀库由于其形状像个大斗笠而得名，一般存储刀具数量不能太多，1024把刀具为宜，具有体积小、安装方便等特点，在立式加工中心中应用较多。加工中心的一个很大优势在于它有ATC装置，使加工变得更具有柔性化。根据以上几种刀库的类型，立式加工中心的具体工作状态所需选择刀库。2.3 夹臂刀库传动机构设计1. 运动数目的确定要实现以上各种零件表面的钻削和铣削加工功能，机床必须具有以下运动：个是主运动即主轴带动刀具回转；另一个是三个方向的进给运动，包括实现切入工件一定深度的进给运动；实现水平面内两个方向的进给运动。此外，还必须有换刀功能，因此还必须有非成型运动，如换刀需要刀库转位、移动等运动。2. 运动方案的确定加工中心加工工件所需的这些运动，必须由对应的执行部件来实现。加工中心的主运动一般都由主轴部件来完成，而进给运动可以由工件来完成；也可以由刀具来完成；或者是由刀具和工件来共同完成的。这样就有可能影响到部件为置关系的配置和总体关系。如图 2-13. 主传动系统主传动系统用来实现加工中心的主运动。由主轴箱、主轴、轴承、松拉刀机构、电动机等零件组成。这是加工中心自动换刀装置的关键部分，主轴的启动、停止、变速等动作通过数控系统控制由主传动系统来实现。并且通过安装在主轴上的刀具实现切削运动。传动方案有以下几种： 1）齿轮传动目前加工中心主传动大多用宽调速主轴电机，转速范围超过 1：100，则需通过齿轮换挡的方案实现。2） 带传动加工中心主传动系统使用的带传动多为同步带传动。它是一种综合了带、链传动优点的新型传动。3） 电主轴机械结构最为简单，传动惯量小，实现了主轴部件的单元化，高速运转的可靠性与安全性好。如图 2-22.4 刀库架结构设计3 电机的选择3.1 电机的选型及相关参数法纳克公司生产的交流伺服电机性能型号3-02-01-0输出功率(kw)0.10.20.4额定转矩(N*m)0.491.02.0最大转矩(N*m)2.27.816最高转速(r/min)300020002000转子转动惯量(Kgm2 )7.3 10-53.610-46 10-43.2 各部分转动惯量的计算（1）刀盘：Jdp=1/124*m*D=1/14*3.526*0.25=0.0159 (2) 轴：1/3ml*l=1/3*4.35*0.135*0.135=0.0264(3) 刀具：J= m(R2 +DJr 2 ) = 143 (0.1152 + 34 0.012 ) = 0.5586(4) 槽轮：JCL= m 2(R2 + r 2 ) = 4.85 (0.12 + 0.052 ) = 0.03032(5) 锁止盘：JSZP= m 2(R2 + r 2 ) = 1.634 (0.12 + 0.042 ) = 9.4810-32（6）套筒：J = mr 2 = 0.068 0.03T2 + 0.129 0.032 = 1.77310-43.3 预选电机若选 200w，则 JM = 3.610-4 ,最高转速为 2000r/minnc = 2000 = 100速比 nmcJLC603c= J ( n i nmc)2 = (0.0159 + 0.0264 + 0.5586 + 0.0303 +可知：0.0095 + 0.0002) (100)2 = 0.576 10-33JL J惯量比：M= 0.576 10-3=0.36 10-31.6，满足 20 倍以下的要求。由此可知刀库系统的转动惯量为：J = J+ J= 0.576 10-3 + 0.36 10-3 = 0.936 10-3CmCLC3.4 电机的校核（1）由摩擦引起的摩擦力矩：TFC mGC RSP = 0.1538.59 0.0678 = 0.392 1.0（2）最大加速转矩：T= JCamC2pnC60tmax= 0.936 10-3 2p 200060 0.2= 0.979Ca(3) 电机的最大启动转矩：T= Tcam + TCrFC= 0.979 + 0.392= 1.37 7.8通过上述校核，得出电机符合要求。加速装置采用 XBI 型通用谐波减速器，减速比 100:3，输出轴径 20mm4. 机械系统的设计4.1 刀库转动定位机构的设计自动换刀装置为了实现快速可靠，应该满足三点要求：运动平稳、无冲击，即最大加速度和最大速度要小。各相邻动作可重叠者，要按其规律尽量多重叠。各个动作要可靠。为了实现自动换刀装置的功能，可以通过电、液、气、机联合实现需要的动作。常用的间歇运动机构有：（1） 弧面分度凸轮机构和圆柱分度凸轮机构；（2） 平行凸轮机构；（3） 槽轮机构；（4） 改良型槽轮机构；（5） 余摆线机构根据实际工作情况与目前以上几种间歇机构的特点，选择机械部分结构采用槽轮机构，槽轮机构是 20 世纪初就开始使用的间歇运动机构，也是成本最低的结构。槽轮机构(又称马尔他机构)能把主动轴的匀速连续运动转换为从动轴的周期性间歇运动，常用于各种分度转位机构中。槽轮机构有三种基本类型：外啮合槽轮机构、内啮合槽轮机构和球面槽轮机构。该刀库可容纳 14 把刀具，即槽轮的齿数为 14.刀库的回转选刀由刀库电机通过减速器带动曲柄，曲柄每回转一周，槽轮转过 25.7，,刀库刀盘转过一个刀位，并由锁止盘定位。刀库上的刀位信号由两只开关联合发出，在刀库的一号刀位上安装一只挡铁，在支架上安装一只检测开关，机床开机后，刀库自动回转寻找一号刀位(基准刀位)，当一号刀位上的挡铁触发支架上检测开关后刀库停止回转，刀库的当前刀位为一号刀位，刀库处于初始状态。其余刀位信号由安装在曲柄上的挡铁触发刀位检测开关进行累计计数，曲柄每回转一周即刀库转过一个刀位触发一次。通过控制刀库电机的旋转方向，实现刀库的双向选刀。综上所述：故刀库转动定位机构选择平面单销外槽轮机构。具体计算参数如下：2f2o槽间角：= 360o =1425. o2f1槽轮每次转位时曲柄的转角： 槽数：z=14；= 180o - 2f2= 154.3槽轮与锁止盘间的中心距:L=100.54mm；主动曲柄长度： R1= Lsinf2=100.54sin 22.5o = 38.47 ，根据装配要求，取61.6槽轮半径： R2= L cosf2= 100.54 cos 22.5o = 93 ，取1006r = R1圆销半径：= 61.6 6 = 10.27 ，取8.6槽底高：由于槽轮的角加速度变化较大，且在转位过程的前半阶段与后半阶段的角加速度方向不同，因此当槽与滚子之间存在间隙时，会产生冲击。为了减小冲击应采取以下措施：减小或消除滚子与槽之间的间隙；消除销开始进入槽时的间隙，应使槽轮的实际外圆半径Ra略大于槽轮名义外圆半径R，取 R =式中rA 为滚子半径。4.2 滚动轴承的选择计算滚动轴承的基本额定动负荷在条件是： 1）轴承材料为高质量淬硬钢2） 时效概率为10%3） 基本额定寿命为L = 10610根据轴承所受载荷的大小和方向，初选圆锥滚子轴承。设计参数：轴向力Fa = mi g = (3.56 + 4.35 + 24 + 4.85)9.8 = 360.248(N)径向力 Fr ，很小忽略不计。轴颈直径d1 = 50转速 n = 60(r / min)要求寿命L = 105 (h)h温度系数 ft = 1润滑方式 ：脂润滑。被选轴承信息：轴承型号 30210 轴承参数：基本额定动载荷： Cr = 73.2kN基本额定静载荷： Cro = 92.0kN根据 P =fp ( XFr + YFa )公式中：P 动载荷（N）；Fr 径向载荷（N）；Fa 轴向载荷（N）；X 径向动载荷系数； Y 轴向动载荷系数； 轴承寿命的校核：轴承基本额定寿命为： L= 106(Cr )e故型号为 30210 的圆锥滚子轴承符合要求轴的校核计算按扭转强度条件计算：T9.55106 P9.55106 0.2 0.75WtT =Tn =0.2d 3600.2 0.43= 1.87MPatT tT = 25MPa ，满足要求。4.3 键的设计计算选择A型平键键 1 的基本数据，12*14，L取40mm， s p = 60 90MPa ，取75MPa。工作长度l = L - b = 40 -12 = 28mmk = 0.5h = 0.5 14= 6mm键与轮毂键槽的接触高度o = 2T 103 = 2 154.98103 = 69.19MPapkld则6 28 40s spp ，满足要求。p，取75MPa。键2的基本数据，14*9，L取35mm，工作长度 l = L - b = 35 -14 = 21mms = 60 90MPa键与轮毂键槽的接触高度 k = 0.5h = 0.59 = 3mmo = 2T 103 = 2165.89103 =则pkld4.5 215070.21MPas spp ，满足要求。4.4 齿轮的设计按最大的转矩计算齿轮，且预期使用寿命 10 年，每年 300 个工作日，在使用期限内，工作时间占 20%。齿面接触疲劳强度计算1 初步计算转矩 T1T1=3190294=937860N.mm齿宽系数由表 12.13，取 =1.0接触疲劳极限 1由图 12.17c 1=900mpao 2=900mpa初步计算的许用接触应力 h=0.9 1=0.9900=810mpa Ad值由表12.16，取Ad=85初步计算小齿轮的直径d1d1 8593786049009003=105mm取d1=110mm初步齿宽bb= d1=1110=110mm2 校核计算精度等级由表12.6选8级精度齿数z和模数m初 取 齿 数 z1=55；z2=iz1=155=55 M=d1/z1=110/55=2,查表故就取m=2；使用系数kA由表12.9KA=1.0动载系数Kv由表12.9Kv=1.0齿问载荷分配系数Kha由表12.10，先求F=2T1/d1=2937860110=17052N KaFb=1.017052110=155N/mm100N/mmKh=A B(b d1) +C 1 1000 b=1.17+0.16+0.61 1 1000 110=1.4载荷系数KK=KA*KV*KH1*KH2=1.01.01.381.4=1.932弹性系数Zk由表12.12Zk=189.8mpa 节点区域系数Zh由表12.16Zh=2.5接触最小安全系数Smin由表12.14Smin=1.05 总工作时间thth=1030080.2=4800(h)验算： h=ZeZhZ2KT1(u+1)/bd1d1u=189.82.50.8521.93293786041101101103=768.5mpa故 h h2计算结果表明，接触疲劳强度较为合适，齿轮尺寸无需调整。否则，尺寸调整后还应在进行验算。4.5 刀库的支承部分组件的设计刀库的支承部分包括刀库箱体、箱盖、轴、轴承、轴承套等，见图 3-2 刀库总装图。刀库主要由 1、刀盘部件 2、轴承、3 轴承套 4、轴、5 箱盖 6、磙子 7、锁止盘 8、电机 9、槽轮 10、箱体以及一些连接螺钉、螺母、销、键等组成。5. 刀库架结构设计刀库架设计首先要考虑刀架体内零件的布置及与刀架体外部零件的关系，应考虑以下问题：（a） 满足强度和刚度要求。因为刀架体的刚度不仅影响传动件的正常工作， 而且还影响部件的工作精度。（b） 结构设计合理。如支点的安排，开孔位置和连接结构的设计等均要有利于提高刀架体的强度和刚度。（c） 工艺性好。包括毛呸制造、机械加工及热处理、装配调整、安装固定、吊装运输、维护修理等各方面的工艺性。（d） 造型好、质量小。刀库架的常用材料有：铸铁，多数刀架体的材料为铸铁，铸铁流动性好，收缩较小，容易获得形状和结构复杂的箱体。铸铁的阻尼作用强，动态刚性和机加工性能好，价格适度。加入合金元素还可以提高耐磨性。铸铁铝合金，用于要求减小质量且载荷不太大的箱体。多数可通过热处理进行强化，有足够的强度和姣好的塑形。6 总结与展望数控技术的发展必定是未来制造业的发展方向，刀库的发展极大的左右了加工中心的发展，而夹臂式刀库的结构解决了刀库容量，机床加工范围等的众多问题。在传统的制造业中，大量的时间用于更换刀具、装卸零件、测量和搬运零件等非切削时间上，切削加工时间仅占整个加工时间中较小的比列。而刀库及由此“工序集中”的特点及功能，因此数控加工特别是带刀库的加工中心是未来制造业的发展方向。本次设计的刀库满载装刀 24 把，刀盘最低转速达到 60r/min，满足了实际加工中节省时间的目的，提高了加工效率。通过这次比较完整的夹臂式刀库设计，我拜托了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高了我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平
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