【数控镗铣床自动换刀装置刀库设计6000字（论文）】

第一章绪论随着时间的发展，使得多品种、中小批量制造的机械加工专用技术装备在其柔软度、自动化技术及提高效益等方面都发生了重要转变。1958年推出第一个加工管理服务中心,集铣、钻、镗、铰、攻丝等多道工序于一体;多种工件和大量工件的集成加工;增强了数控车床的作用(自动换刀、自动换刀、自动识别等),将自动化技术水平和高加工效率提升到一个新的水平;使智能(或长时间无人操作)处理变为现实。加工管理中心已成为柔性制造、电子计算机集成生产制造系统软件和自动化工厂的基础模块。加工管理中心是一种数控机床,是一种典型的机电一体化加工机械设备,具有高技术加工速度,他受到了世界各个国家和工业生产资本主义的国家高度关注。技术进步发展迅速,品种和总数大大的增加使它已成为当今社会机械加工机械设备中最引人注目的商品类型之一。第二章刀库驱动电动机的选定通过查阅大量的文献资料可以知道对刀库进行驱动时往往都采用控制精度较高的伺服电动机来实现。所以为了更好的适应市场的需求本次也采用这种控制方式。2.1按负载转矩选TL=式中:i－传动比η－传动效率。为了防止速度过高选用了较大的传动比i=20。传动效率为：η总=0.72×0.99×0.990.699式中：η1——η2——η3——TL2.2校验JL=0.016N·m·s2Jm=0.03N·∴∴该结果满我。足条件。根据以上计算结果，所选电机型号如下：表2-1所选电机型号2.3分配传动比传动比选为20.各轴转速Ⅰ轴n1=nⅡ轴nII=nI各轴的输入功率Ⅰ轴PI=PdηⅡ轴PII=PIη各轴的输入转矩电动机的输入转矩TdTd=9.55×p故:Ⅰ轴T1=TdηⅡ轴TII=T表2-2分配传动比名称功率p（km）转矩T（N·mm）转速n(r/min)传动比i效率η电机轴2.523875100010.99Ⅰ轴2.47523636.251000200.99Ⅱ轴1.764336958.3850200.72

第三章刀库传动机构的设计3.1初定刀套线速度刀套速度较高虽然换刀的效率能有所保证，但是换刀的可靠性又会降低，通过查阅文献资料可以知道通常这种速度要控制在22~30m/min，本文选25m/min的刀套速度。3.2刀库传动方式以及因为刀库的运动速度不是特别的高，所以不考虑采用电动机来实现这种低速度，通常采用大传动比的蜗轮减速装置即可。以下为蜗杆传动的设计计算：采用以下的相关数据进行推倒计算：计算项目计算内容计算结果（一）初选【d11、当量摩擦系数设vs=4m/s~7m/s表13.6，取大值；2、选【d1/a】值i=20线上任选一点，查得[（传动啮合效率）。（二）中心距计算1、蜗轮转矩T22、使用系数取得KA=1.13、转速系数z=(200084、弹性系数取得zE5、寿命系数zℎ==625000zℎ=1.136、接触系数由《机械设计》图13.12Ⅰ线查出zP=7、接触疲劳极限由《机械设计》表13.2得σ8、接触疲劳最小安全系数查阅表格可以得到S9、中心距a=3=31.1取a=160mm（三）传动基本尺寸1、蜗杆头数由《机械设计》图13.11查得γ=13°,zz=(7+2.4160)/20

=1.862、蜗轮系数z2=3、模数m=(1.4~1.7)a/=(1.4~1.7)×160/41

=5.4~6.63取m=6.34、蜗杆分度圆直径d=0.355×160=56.8或d=0.68×1600.875=57.69，

5、蜗轮分度圆直径d2=2a'6、蜗杆导程角tanγ=7、蜗轮宽度b=2×6.3×(0.5+636.3+1)8、蜗杆圆周速度v=π×63×1000/(60×1000)v9、相对滑动速度v=3.3/cos110、当量摩擦系数取得μv=0.25（四）齿面解除疲劳强度验算1、许用接触应力[=0.72×1.13×2651.32、最大接触应力σ=147×2.85×1.1×415998160σH=140<165.8MPa（五）轮齿弯曲疲劳强度验算1、齿根弯曲疲劳极限取得σ2、弯曲疲劳最小安全系数取得S3、许用弯曲疲劳应力[=1151.44、轮齿最大弯曲应力σ=2×1.1×4159986.3×50×265.19

=10.96MPaσ（六）蜗杆轴扰度验算1、轴惯性矩I=πd12、允许蜗杆扰度[δ]=0.004m=0.004×6.3[δ]=0.0252mm3、蜗杆轴扰度δ==2×415998265.19×265.19（此处取l≈D（七）温度计算1、传动啮合效率η1=tanγ2、搅油效率根据蜗杆的润滑条件，查《机械设计手册》得：η3、轴承效率根据蜗杆传动要求，查《机械设计手册》得：η4、总效率η=η15、散热面积估算A=9×10−5a1.886、箱体工作温度t1=1000p1(1−η)此处取（八）润滑油粘度和润滑方法1、润滑油粘度根据vs=3.37m/s由《机械设计》

2、润滑方法可采用浸油润滑所有计算结果如表2-3所示：表2-3蜗轮蜗杆的几何尺寸名称符号计算结果蜗杆头数zz模数mm=6.3mm蜗杆分度圆直径dd中心距aa=160mm蜗轮齿数zz蜗轮分度圆直径dd2蜗轮宽度bb蜗杆轴向齿距pp蜗杆导程pp蜗杆齿顶圆直径dd蜗杆齿根圆直径dd节圆直径dd中圆导程角γ=mγ=16.7°蜗轮喉圆直径dd蜗轮齿根圆直径dd蜗轮外径dd注：取齿顶高ℎa=m，径向间隙c=0.2m，第四章传动轴的设计轴是设备的关键部件。在设计方案中，采用涡轮增压器作为减速装置。减速装置的后轴是一个传动轴，它既接受弯曲距离，又接受扭矩。轴设计方案包括以下内容：轴原材料的选择、轴颈的基本估算、轴的整体设计、根据弯曲和扭转产生的轴刚度计算、轴的精确相互作用。轴根据疲劳极限，与轴的公差配合明确，制作轴的工作图。4.1轴的材料4.2蜗杆轴的初步估算4.2.1初步估算轴的最小直径d≥Cdmin4.2.2选择联轴器选用YL,YLD型凸缘联轴器计算转矩为：TL=kT

=1.5×23875N·mm式中：T——联轴器所传递的名义转矩；k——工作情况系数，k=1.5；二、4.2.3确定滚动轴承的类型角接触球轴承（GB292-94）能够很好的承担该减速装置中的半径和轴向的作用力。表4-1所选轴承型号代号基本尺寸/mm安装尺寸型号：70000C(a=15°)型号：70000AC(a=25°)极限转速r/mindDBrrdminDramm基本额定amm基本额定脂润滑油润滑动载荷C静载荷C动载荷C静载荷CminmaxKNKN7007C35621410.34156113.519.514.218.318.513.5850012000

4.2.4初步估计蜗杆轴各段的尺寸下图对轴的5段形状进行了一个大致的展示。图4-1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d=35mm，所以可以确定这两段轴的直径为Φ35mm，长度为25mm。直径设计为Φ42mm，长度250mm。选用直径为Φ30mm，长度为50mm。直径为Φ25mm，长度为100mm，键8×7(b×ℎ)，l=50mm。4.3蜗轮轴的初步估算4.3.1初步估算轴的最小直径直径d按下式计算：d≥C该段轴上有一键槽将计算值加大3%，dmin4.3.2确定轴伸处的最小直径根据刀盘的相关参数限制取蜗轮轴轴伸处的直径为dmin4.3.3确定滚动轴承的类型采用角接触球轴承（GB292-94）表4-2所选轴承型号代号基本尺寸/mm安装尺寸70000C70000AC极限转速r/mindDBrrdminDramm基本额定amm基本额定脂润滑油润滑动载荷C静载荷C动载荷C静载荷CminmaxKNKN7010C50801610.35674116.726.522.023.221.06700670090004.3.4初步估计蜗轮轴的各段尺寸可以初步确定轴的阶梯段，该轴有6段。图4-2蜗轮轴估计各段尺寸：设计两端轴的直径为50mm，长度为60mm；直径为Φ40mm，长度为100mm，键14×9，l=80mm；直径为Φ60mm，长为50mm；直径为Φ80mm，长为10mm；直径为Φ60mm，长为60mm，键18×11，l=40mm。4.4轴径的设计与校核4.4.1蜗杆轴一、计算蜗杆受力：dtanγ=二、蜗杆受力：轴向力：Fa1=F垂直面受力图：FM解得：FF垂直面弯矩图：（c）水平面受力图：150∴450∴（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、许用应力值查得：[σ0b2、应力校正系数α=3、画当量弯矩图αT=0.59×T=14086.25N·mm4、当量弯矩在蜗杆中间截面处：M在左轴颈中间截面处：M当量弯矩图如图（g）所示。四、校核轴径1、齿根圆直径d=63−2×(1+0.2)×6.3

=47.252、轴径dd五、用安全系数法校核转轴的强度（一）、判断危险截面初步分析Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个截面有较大的应力和应力集中，下面以截面Ⅰ为例进行安全系数校核。1、对称循环疲劳极限轴材料我们可以选用45#钢调质，σB=650MPa，σστ2、脉动循环疲劳极限στ3、等效系数ϕϕ（二）、截面Ⅰ上的应力1、弯矩（截面Ⅰ）M2、弯曲应力幅σ3、弯曲平均应力σ4、扭转切应力τ=5、扭转切应力幅和平均切应力τ（三）、应力集中系数1、有效应力集中系数过渡圆角半径r=2mm，由D/d=35/30=1.17，r/d=2/30=0.067和σB=650MPa，从《机械设计》附录表1中查出（用插值法）k2、表面状态系数查得β=0.92(Rσ3、尺寸系数查得ε（四）安全系数1、弯曲安全系数设kNS2、扭转安全系数S3、复合安全系数S=4.4.2蜗轮轴的计算计算蜗轮受力圆周力：F径向力：F轴向力：F垂直面受力图：FM∴F垂直面弯矩图：水平面受力图：FM∴FR3水平面弯矩图：合成弯矩图：转矩图：当量弯矩图：许用应力1、许用应力值查得：[σ0b2、应力校正系数α=三、画当量弯矩图1、当量转矩αT=0.59×336924=198785Nmm，见图（f）2、当量弯矩在蜗轮轴它的中部截面处；M在左轴颈中间截面处；M校核轴径1、轴径dd用安全系数法校核轴的强度（一）、判断危险截面不难分析Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个截面有较大的应力和应力集中，下面以截面Ⅰ为例进行安全系数校核。1、对称循环疲劳极限轴的材料我们可以采用45钢调质，σB=650MPa，στ2、脉动循环疲劳极限στ3、等效系数ϕϕ（二）、截面Ⅰ上的应力1、弯矩（截面Ⅰ）M2、弯曲应力幅σ3、弯曲平均应力σ4、扭转切应力τ=5、扭转切应力幅和平均切应力τ（三）、应力集中系数1、有效应力集中系数因在这个截面处，有轴直径变化，过渡圆角半径r=2mm，由D/d=60/50=1.2，r/d=2/50=0.04和σB=650MPa，查出（用插值法）k2、表面状态系数查得：β=0.92(3、尺寸系数查得：εσ=0.81，ετ（四）、安全系数1、弯曲安全系数假设为无限寿命，kNS2、扭转安全系数S3、复合安全系数S=最后结论：根据校核，截面Ⅰ足够安全。第五章轴承的校核5.1蜗杆轴查手册7007C轴承主要性能参数如下：C0r=14.2kN,Cr用插入法查得：e=0.48，F查《机械设计课程设计手册》X=0.44,Y=1.17,∴P=XFr+Y计算额定动载荷：C=P3n16670L∴5.2蜗轮轴型号为7010C轴承主要性能参数如下：C0r=22.0kN，Cr用插入法查得：e=0.39，FX=0.44,Y=1.44，∴P=XFr+Y计算额定动载荷：C=P3n16670L∴轴承满足条件，所选轴承合格。第六章其它零部件尺寸的设计与计算6.1回零减速撞块尺寸的计算可以使刀套的速度减慢保证回零位置的精确。图6-1对减速撞块的具体尺寸进行了详细的展示，具体参数见以下的求解过程：图6-1回零减速撞块尺寸计算减速撞块长度:L式中：VR——快速移动速度（mm/minTR——快速移动时间常熟（ms），通常取150~200TS——伺服时间常熟（ms），TVR∴LDW∴根据实际应用中，L6.2刀盘与刀套的设计6.2.1刀套40号刀柄能够更好的匹配本次的设计要求。图6-2对于相关尺寸进行了一个详细的展示；图6-2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6.2.2刀盘刀盘尺寸由装配图可知。6.3刀具（刀座）识别装置刀具（刀头）识别装置是自动换刀系统软件的关键组成部分。本设计选用容量网格工具识别装置。容量网格工具识别装置很少使用，尤其是集成到室内空间较小的工具代码中。其识别的基本原理如图6-3所示。夹头1装有两种不同直径的编码环。要求大径环用二进制“1”表示，小径环用“0”表示。图中有五个编码环4，位于数控刀具周围。刀具识别装置2固定，并从其上延伸出多个触针3。触针总数与夹头上的编码环数相同。每个触针都连接到一个汽车继电器。编码环直径大时，与触针接触，插入汽车继电器，其编号为“1”。码环直径较小时，不接触触针，汽车继电器未插上，其编号为“0”。当每个汽车继电器读取的数字与所需刀具的代码一致时，控制装置发出信号，停止数控刀具，等待换刀。图6-3刀柄编码示意图1刀柄，2具识别装置，3触针，4编码环·液压系统的设计

第七章PLC控制本章完成的是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8-1PLC梯形图接线图如下图所示：图8-2外部接线图程序：LDX400ORY430ANIX402ANIX401ANIY431ANIY432OUTY430LDX401ORY431ANIX402ANIX400ANIY430ANIY432OUTY4317.1液压缸的载荷组成和计算FW=F刀具液压缸在运动时由于会受到摩擦阻力以及各种材料等类的影响，所以在进行活塞的受力计算时一般只进行一个粗略的估计推导，具体计算过程见以下内容：F式中：ηm——F=∴7.2液压缸内径以及其它尺寸的确定7.2.1计算液压缸的主要结构尺寸活塞杆受压时：F=活塞杆受拉时：F=式中：A1=πA2=πp1——液压缸工作腔压力p2——液压缸回油腔压力D——活塞直径md——活塞杆直径m在普通状态下液压缸在受力状态下工作，其活塞面积为：A我们设杆径比φ=d/D，其比值可按《机械设计手册》表375−6选取φ=0.5∴D=4Fπ[p1−p我们取D=63mm，则根据液压缸内径D查《机械设计手册》表37·5-9，取活塞杆直径d=35mm。活塞杆直径的强度如果高压系统时，我们还需要验证一下：d≥式中：F——活塞杆上所受的作用力。∴d≥即d≥0.76mm则设计符合要求。7.2.2油缸壁厚的计算对于低压系统或当φALδ≥16,油缸的壁厚δ≥∴根据结构需要取δ=8mm7.2.3缸底厚度计算平形缸底无油孔时：ℎ=0.433φAL式中：ℎ——缸底厚度mφAL——液压缸内径mpy——试验压力∴ℎ=0.433φALpy[σ]

7.3油缸长度L的确定通过查阅文献资料可以知道液压缸的长度不能够高于内部直径的20倍。∴假设伸缩行程为100mm，故根据结构需要取L=120mm7.4液压系统初步设计图7-1液压系统图表7-1电磁阀动作表动作YA1YA2工进+-工退-+停止--

结论在整个论文的研究与设计中最大的拦路虎则是装配图的设计。要想绘制出一张完整而优质的装配图必须对局部零件以及整个机械结构进行一个详细的掌握与了解，如果某一个方面出现差错整个机构便不能够被制造，即使机械能够很好的设计出来在后期的使用中也不会有太好的功能体验。经过本次毕业设计我的知识体系被不断的丰富，眼界也得到了进一步的扩张，在解决相应的问题时更加的自信，不会再感觉到盲目，这为我的四年大学生活留下了一个非常好的结局。本篇论文为加工中心配备了一个自动的换刀系统。链刀库的使用可以大幅度增加刀具的数量和种类，能够更好的适应大型加工中心的需要。由于生产力的不断增加大中型加工中心的应用也将更加广泛。参