毕业设计（论文）-M-H50C卧式加工中心换刀刀库机械手臂设计

M-H50C卧式加工中心自动换刀机械手设计绪论1.1研究背景及意义数控机床是制造业的“工业母机”，其技术水平是国家制造业发展水平的重要标志。在全球范围内，强大的制造业是各工业强国的共同特征，而机床工业则是制造业中不可或缺的重要组成部分。同时，高端数控机床是实现国防军工所需尖端技术和先进设备的基础[1]。随着我国制造业的发展，国内机床行业市场竞争日益激烈，用户对产品服役性能和可靠性的要求越来越高[2]。数控机床是由主轴、换刀装置（刀架和刀库机械手）、滚珠丝杠等功能部件组成。机床企业大多通过外购外协不同功能部件并组合装配，搭建完成机床整机。因此，功能部件的可靠性水平对整机可靠性水平会产生直接影响[3]。因此，提高数控机床可靠性水平的关键是提高数控机床关键功能部件的可靠性。在现代机床加工领域，追求更高的生产效率和更低的成本始终是企业的核心目标。在加工中心，众多刀具协同工作，迅速将毛坯转变为精密工件。无论是粗削、光顺表面、钻孔、攻丝还是精加工，频繁的刀具更换必不可少。然而尽管每次换刀仅需短短几秒，但机床在这期间处于停工状态。这意味着，换刀时间的微小缩短，都能直接转化为加工成本的显著降低。图1-1数控中心模型图本文从分析M-H50C卧式加工中心的换刀机械手的主体结构和传动系统入手，优化了传动系统的结构，为提高传动系统的精度和稳定性提供了必要的理论依据，希望通过本课题的研究，使M-H50C卧式加工中心的结构更紧凑、性能更高、生产加工更精确。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状国外比较有代表性的刀架公司主要包括德国DMGMORI、美国HaasAutomation、日本Mazak等。德国DMGMORI公司数控刀架以其高精度、高效能而闻名，其通常配备先进的刀具管理系统，能够对刀具的状态进行监控、管理和优化，从而提高机床的工作效率。美国HaasAutomation公司是一家优秀的数控机床和刀具制造商，专注于设计和生产高性能数控机床及其相关配件，以高性能的数控刀架著称。HaasAutomation公司的数控刀架产品通常包括自动刀塔系统，能够实现刀具的快速、自动更换，提高了生产效率。日本Mazak公司也是一家优秀的数控机床制造商，其产品线包括各种高精度数控刀架，其数控刀架通常配备多轴刀塔系统，实现了多刀具的自动切换，提高了切削效率。法格塞达开发了一种机器人存储设备，用于自动配置纵切线的刀具，称为法格塞达纵切刀具机器人(FASTR)，控制PC配备了一个用于计算剪切设置的助手。该系统优化了所用刀具的数量，考虑了要剪切的厚度和材料的特性，并保证了指定的剪切宽度。图1-2法格塞达机器人换刀存储设备FANUC是市场普及率最高的数控系统，基于FANUC的加工中心换刀动作PMC设计应用广泛。圆盘式刀库配以换刀机械手构成的换刀系统结构简单，圆盘式刀库与换刀机械手动作分工明确，控制顺序清晰，是大部分中小型经济型加工中心采用的配置。图1-3FANUC换刀机械手随着工业5.0的新时代发展正式基于智能制造的基础进行发展起来的，智能化的机器人势必能够引起新的技术产业革命，目前全球各个国家正在努力地投入更多的时间和精力发展机械手在各个领域的协同配合应用，旨在提高传统生产力的发展，目前机械手是近年来发展起来的高科技自动化生产设备。1.2.2国内研究现状目前针对复杂的高级的数控加工中心的研究和对机械手的配合使用目前还无良好的设计体系，目前机械手的应用主要针对流水线的发展和应用，其主要实现简单工序的物料搬运和上下料取料，对于采用特定的机床仿形机械手的结构设计，目前还缺乏相关的理论参考和具体的实际案例，因此目前世界各国都在加大资金的投入和人才的培养，着重发展与机床配合使用的机械手，因此机械手的可靠性研究显得尤为重要，能够减少人工的劳动作业强度。

效率和稳定性是数控机床性能优化的主要方向，优化换刀动作可以有效缩短节拍，提高用户加工效率。海天精工二次开发后的刀具设定人机界面可方便用户根据不同的刀具属性对其长度及重量进行选择，从而调整刀臂速度，刀库门及工作台的行程，实现自适应换刀。图1-4海天精工换刀机械手中建二局工程研究院自主研发国内首个工业级盾构滚刀智能换刀机器人，具有7个自由度，基于极端环境设计自由座，升级配套刀盘滚刀支座和机器人刀仓，具备刀具磨损自动化监测、刀具搬运、精准定位及清洗拆除、新刀具安装等功能，形成一套完整的标准化智能换刀技术，填补国内盾构机智能换刀机器人系统软件的空白。图1-5盾构滚刀智能换刀机器人广东佛山研制的HM-612SH六刀库自动换刀装置，采用四轴承定位杆双夹手机构，六刀库（可定制8刀库），可做牛角拉手、嵌入式拉手、拉米诺等零件加工，根据板材宽度自动调节侧靠位置，避免板材高速运动时的材料侧面的磨损，适应不同宽度板材加工需要，达到最佳钻孔效果。图1-6HM-612SH六刀库自动换刀装置目前国外先进加工中心的换刀时间一般在1s左右，最高可达0.5s，甚至更快。在结构方面，国外加工中心多采用龙门式结构；根据德国标准，定位精度可以控制在0.006~0.01mm以内。而国内加工中心的快进转速为300m/min，最高可达60m/min，主轴转速一般为6000~1800r/min，定位精度在0.008-0.015mm以内，重复定位精度在0.005-0.01mm以内，关于换刀速度，国内的机床大多为4~5s，不能与国际水平相比。近年来，加工中心取得了很大的进步。然而，与国外同类产品相比，仍然存在许多差异，国内加工中心的市场份额正在逐年下降。与国外产品相比，国产加工中心的差异主要在于机床的高速性、效率和精度。此外，机床的可靠性也存在明显差异，国外机床的平均无故障时间（MTBF）超过5000小时，而国产机床的平均无故障时间较低。1.3本文研究内容本课题的目的是设计M-H50C卧式加工中心的换刀机械手的结构，主轴总成作为加工中心的执行元件，需要完成刀具定位、运动传递并满足相关技术指标的要求，换刀机械手的设计目标是使充分利用加工中心，通过自动化更换刀具处理程序，可以减少手动更换效率低和事故频繁的缺点。本文的主要研究内容如下:多方文献查阅，在充分了解M-H50C卧式加工中心的结构形式下，提出最佳设计方案。完成M-H50C卧式加工中心主轴部分的设计，包括电机的选型、参数的计算、轴及轴承的设计与校核等、齿轮传动的基本计算。完成换刀机械手运动所需的结构设计和驱动装置，并根据实际需要完成换刀机械手的旋转和提升运动。利用三维软件对所设计的主轴组件与换刀机械手进行三维建模，并对模型进行材料的选择和质量设定，为机械部分设计提供基础。完成机械部分设计，并基于Solidworks建立其三维模型，通过CAD完成二维总装配图和相关重要零件图的绘制。

2机械手结构方案设计2.1M-H50C卧式加工中心结构组成M-H50C卧式加工中心通常由以下机械结构组成：（1）主轴组件：加工中心主轴总成的基本要求是适应足够的刚度、精度、足够的动力传递和扭矩、高速运行和自动换刀的条件。（2）立柱：侧导式便于机床整体设计，生产成本低，然而在工作时，立柱的强度条件较差，热变形的对称性较差，加工精度影响很大。因此加工中心主要采用门式刚架结构，具有良好的热对称性和受力条件。（3）工作台：刀库的主轴是垂直放置的，刀具容量通常很大，可以存放数百个刀具，与卧式加工中心相比，可以减少机床工作台，便于管理。对于多工序零件，只有一台加工中心可以完成所有加工，减少半成品库存。在进行换刀机械手的设计时应考虑相应的主轴结构，因此首先针对M-H50C卧式加工中心的主轴传动及驱动系统结构组成进行阐述：（1）主轴传动机构目前加工中心的主轴传动机构主要分为齿轮传动和同步带传动，齿轮传动用途广，种类多，其传递功率最大可至10kW，圆周速度可至200m/s，效率可达到0.99，但不适合价格高、传动距离过大的情况。（2）主轴进给机构根据本课题的需要，采用了驱动效率高、磨损小、驱动稳定的滚珠丝杠式的传动方式，丝杠用于主轴垂直方向的进给，因此对高低速运转的稳定性有高要求。（3）刀具自动夹紧机构在自动更换工具时，需要能自动松开工具并夹持工具，该部分不属于本文设计内容，采用市场的外购件。（4）主轴驱动系统方案的确定步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行器。当引入电脉冲时，每次电机绕组接收到电脉冲时，转子以旋转相应的步距角。转子角位移的大小和速度与输入电脉冲的频率成正比，对于本文所需的电机，步进电机难以准确确保主轴组件的旋转精度，故不合适。表2-1步进电机与伺服电机对比伺服电机步进电机控制类型闭环控制，能够及时反馈位置，定位精度高开环控制低频特性低速运转时的交流伺服电机运行相对平稳，没有振动现象平稳性差，低速易出现振动，噪音大矩频特性恒力矩输出，一般额定转速在2000r/min-3000r/min力矩输出随转速升高而变大，一般额定转速在300r/min-600r/min过载能力具有较强过载能力伺服电机的过载能力约为步进电机的三倍一般不具有过载能力，但在工作时受惯性力矩，所以在选型时选取较大转矩的步进电机来克服，然而在工作时往往不需要这么大的转矩，常常造成力矩浪费现象。结合这几点和对上述电机的分析，换刀机械手在工作中，运动相比很频繁，而且所要求的工作精度也较高，根据电动机的工作电源、工作条件和负载特性，主轴电机选择采用交流伺服电机，定位精度可达±1mm[9][10]。直流伺服电机通过电刷和换向器关产生的研磨作用，它具有响应速度快、精度高、频率高、控制特性好等优点，然而由而使用电刷和开关，使用寿命较低，需要定期维护，因此故适用于主轴电机，但可用于进给电机。由于交流伺服电机具有直流伺服电机的所有优点，并且没有电刷和开关，因此不需要定期维护，虽然交流伺服电机价格昂贵，但由于其可靠的性能和良好的精度，正逐渐取代直流电机。2.2换刀机械手方案设计2.2.1工作原理分析刀库是现在加工中心广泛使用的交换方法，有利于提高主轴刚性。独立的刀库有助于大幅增加工具的存储量，扩大机床的功能，更好地隔离影响加工精度的干扰因素。刀库的刀具更换可分为带机械手的刀具更换和不带机械手的刀具更换，具体取决于刀具更换过程中是否涉及机械手。在未进行换刀时，刀具存储方向与主轴平行，配置在主轴接触的位置，系统收到指令后，主轴返回换刀位置并停止运动，在换刀位置上方向刀库方向移动主轴，当主轴进入刀库时主轴向上移动，断开与旧刀的连接，当主轴进入刀库时，轴向上移动断开与刀库的连接，并沿Z方向升降主轴，将刀具插入主轴部件的锥形孔，完成换刀工作。加工中心的换刀机构由铸铁制成，换刀机构采用换刀机械手，在频繁更换刀具的加工中心中，换刀机械手常因刀架最薄弱部位的疲劳而断裂，导致成本高，而且对生产的进展也会产生严重影响。2.2.2型式确定常见的加工中心换刀机械手如下：单臂单爪回转机械手机器人的摆动轴与工具主轴平行，机器人可以以不同角度旋转，实现自动更换，更换工具需要很长时间，使用刀座与刀库的换刀轴线平行时。⑵单臂双爪回转式机械手机械手有两个夹爪，一个夹爪执行从轴上卸下“旧刀”并返回刀库，另一个夹爪执行从刀库上卸下“新刀”并将其运输到主轴，如图3.2所示，换刀时间比上述单爪旋转机械手短。图2-1单臂单爪回转式机械手图2-2单臂双爪回转式机械手机械手有两个夹爪，一个夹爪执行从轴上卸下“旧刀”并返回刀库，另一个夹爪执行从刀库上卸下“新刀”并将其运输到主轴，如图3.2所示，换刀时间比上述单爪旋转机械手短。（3）双臂回转式机械手（俗称扁担式）机械手的两臂都有爪，可以同时抓取装载机和主轴刀具。旋转180°后，添加主轴并返回刀库。这是加工中心机床上最常用的形状，如图2-3所示，换刀效率更高。（4）双臂往复交叉式机械手机械手的双臂可以以一定的角度前后移动并交叉，被称为分别装刀和卸刀臂，卸刀臂从主轴上移除旧刀具，装刀臂从刀具库中取出新刀具并将其加载到轴中。整个机械手可沿导轨或螺杆直线移动或绕旋转轴旋转，实现刀库与主轴之间的刀具输送。图2-3双臂回转式机械手图2-4双臂往复交叉式机械手（5）双臂端面夹紧式机械手图2-5双臂端面夹紧式机械手这种类型的机器人与以往的机器人只有锁定部件不同，所述机器人手部通过拧紧工具手柄的外圆表面来握住工具，如图2-5所示，该类型的机器人手部是夹紧刀柄的两端面。2.2.3手爪方案（1）机械锁刀爪-弹簧销爪：采用这种形式的夹持机构，不需要具备传动装置，结构简单，应用广泛，然而为了避免刀具的抖动，必须具有自锁机构。（3）钳形杠杆手柄：机械手爪的张力需要动力传动装置，传动复杂，但爪的构造比较简单。广泛使用（3）虎钳形指：定位销放置在定位爪中，以将刀具放置在定位爪中，刀具需要特殊的附加加工，标准刀具无法使用，因此使用很少。（4）电磁感应刀锁刀手柄：电磁锁刀夹持的机械手柄，结构简单，装置简单，能满足工作要求。故选择设计的第四种方案。2.2.4刀具的夹持及刀柄在刀具自动交换装置中，机械臂夹持刀具具的方法分为以下两种：柄式夹持（轴向夹持）如图2-6所示，它是锥柄柄式夹持的，刀柄外缘的V槽用于固定刀具以实现夹紧刀具，柄式夹持可以根据不同要求设计成不同的形式。图2-6刀柄的型式法兰式夹持刀具夹头前端的机械臂有一个法兰盘，当进行换刀时，刀具夹头可以很容易地从进行移动，并且通过凹陷的法兰固定。本文综合考虑，采用第一种夹持方案，同时选择刀柄型号为BT40，锥度为7：24。表2-1日本BT标准刀柄的尺寸：柄部型号锥体螺纹孔凸缘D1LRl1l2l3d1gd2tbBT4044.4565.419307017M161922.516.1BT4557.1582.81.211387021M20232919.3BT5069.85101.81.513459025M242735.325.7表2-2刀柄参数表柄部型号凸缘参考尺寸L1WD2D3TYY1VdD4BT40210.125363251.61.616.61075.679BT45260.126880301295.215BT50310.2085100315119.0192.3总体设计方案根据前文各部件的选择，总体设计方案应确定如下：在主轴的传动方式中选择齿轮传动，进给运动中选择滚珠丝杠。具有优良的耐磨耗性，磨损小，低速运转时无振动，能够良好保证Z轴进给精度。本课题采用油缸的交换工作方式，通过活塞、拉伸杆等多个部件的运动，达到拧紧放松杆的目的。另外为了减少油压推力在主轴支架上的磨损，设置了缓冲活塞对牵引轴的作用的弹簧。同时活塞和杆的内部为中空形状，可导入一定量的压缩空气来除去碎屑。刀杆和主轴始终具有良好的匹配精度，进给系统选择直流伺服电机作为驱动，主轴选择交流伺服电机。图2-7本文的总体工作原理图1-机架；2-升降丝杠；3-换刀机械手；4-换刀机械手主轴；5-圆盘刀库；6-刀库传动装置；7-液压缸；8-主轴转动装置；9-主轴升降装置；10-液压缸本文共分为三部分的驱动装置；第一部分为刀库5的运动，在加工中心换刀的过程需要对刀库选择不同的刀具，故需实现其自动的转动，采用电机驱动蜗杆带动蜗轮6实现工作；第二季驱动为换刀机械手的运动，分为旋转与升降运动，旋转采用电机通过联轴器直接带动主轴4的转动，主轴4通过螺钉与换刀机械手3进行连接，而升降运动采用气缸7驱动；第三级驱动装置为主轴组件的设计，分为主轴的旋转、换刀的升降、Z轴的升降三个运动，主轴采用机械式主轴，通过电机带队一对斜齿轮8进行运动，而换刀升降采用液压缸10带动退关进行工作，整体安装在Z轴主架1上，通过丝杠传动2实现上下的移动已完成本文的设计要求。2.4本章小结本章要紧表达了M-H50C卧式加工中心自动换刀机械手结构设计的工作原理，介绍了确定结构设计方案，阐述了加工中心自动换刀的结构系统组成，为下文的设计提供了良好的设计方案及步骤。

3换刀系统的设计3.1电机的选型机械臂进行选型电机的计算较为复杂，需要考虑机械臂的主要性能（启动、过载和调速），所选电机的额定功率、额定转速和扭矩应考虑满足机械的要求。3.1.1机械手负载计算1.机械手外形及锁刀装置设计机械手的上部和下部分别由一定厚度和形状的钢板通过两个螺钉和两个螺钉连接。与主轴结合的孔内壁为螺纹连接，与轴1结合，底端狭窄，用螺母紧固。通过铸造内部结构，可以固定线圈和励磁挡块，使顶杆在一定距离内伸缩。机械手爪是具有一定厚度和宽度的半圆弧。当机械手抓取刀具时，将半圆凸轮推入刀柄的V形槽中，与永磁推杆一起完成夹刀动作。图3-1机械手外形和内部结构图3-2锁刀部位2.参数的计算（1）转速的确定工程上常用每分钟转过的圈数n（简称转速）来描述刚体转动的快慢，其单位是r/min，显然角速度与n间的关系是。本文要求机械手n=150r/min，加速时间为0.5s，则：=3.14*150/30=15.7(rad/s)。加速度为：角速度对时间的一阶导数就是绕定轴转动刚体的角加速度，以符号表示,=3.14(r/)。（2）工作转矩的计算根据旋转运动系统的牛顿第二定律：式中，T为电动机的电磁转矩，为负载转矩，J为旋转系统的转动惯量，为旋转机械的角速度。为旋转系统半径。目前CAE技术已经得到了很好的发展，当需要得到部件的重量、质心、转动惯量等，通过Solidworks进行建模，在指定模型的材料属性后，可以得到相关参数，为动态计算提供了基础。旋转系统由机械手及主轴轴组成;首先估算各部分质量，通过Solidworks进行建模，根据质量属性的大小进行估算，换刀主轴选用45#，质量为5.3kg，初步取为5.5kg；（3）转动惯量的确定1.主轴的转动惯量查《机械设计手册》可知，圆柱体的转动惯量为：本文取轴的平均直径为30mm，则主轴的转动惯量为：2.联轴器的转动惯量联轴器的外径和内控分为别33.3mm、16mm，长度为43mm，估算其转动惯量：图3-3主轴的质量估算图3-4联轴器的外形结构3.机械臂的转动惯量通过Solidworks进行建模，根据质量属性的大小进行估算，机械臂拟选用45#，质量为8.4kg，考虑安装等各零部件的连接等，初步取为10kg；图3-5机械臂的质量估算机械臂的转动惯量按杆的转动惯量进行计算：机械臂的总长约为550mm，则4.刀具的转动惯量本文选择BT40标准刀具，BT40刀具是用在加工中心上的，是指夹持刀具的刀柄屁股锥度规格，是目前加工中心机最常用的刀柄规格，BT40一般是刀具重量小于8KG,本文取8kg，直径极限D130mm,长度L300mm。按照柱体的转动惯量计算：（4）计算在电动机轴上总的负载转动惯量：由式可得：3.1.2电机的选型1.折算到电动机轴上的负载力矩假设电机以最快速度运动时，最高转速，假设电动机的转动惯量，坐标轴的负载惯量，进给伺服系统的位置环增益，加速时间，（1）计算线性加速力矩由式得（2）计算阶跃加速力矩：已知加速时间，由式得2.选择驱动电动机的型号(1)选择驱动电动机的型号根据以上计算和查参考文献[1]，选择日本松下公司生产的XJ175BS型交流伺服电动机为驱动电动机。主要技术参数如下:额定功率400W；最高转速3000；额定力矩12；转动惯量，，本电动机均满足加速力矩要求。（2）惯量匹配验算。为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量与伺服电动机的转动惯量之比一般应满足式而在本设计中，故满足惯量匹配要求。3.2换刀主轴的设计3.2.1轴的结构设计1.设计参数的确定轴的结构设计就是设计安装各个配件的位置，轴结构设计的几个基本要点：1）方便加工，轴上零件便于安装拆卸；2）通过结构设计能够将轴和轴上的零件准确的定位；3）通过结构设计使轴和轴上的各零件都能够固定在相应的位置上。由于轴工作的条件基本是交变应力，所以对于材料的要求是：强度高，有好的刚性，有好的加工性能，抗疲劳性能好，对于应力集中的敏感度小，而且表面粗糙度也要好一些，主从轴安装后要进行动平衡调节，动平衡精度高，噪音低。（1）选择输入轴的材料：轴的材料种类很多，主要是根据铀的强度、刚度、耐磨性等要求，以及热处理方法来确定的，同时考虑选择经济合理的生产工艺。轴的常用材料为35、45和50#碳素钢，本文的轴采用45#，经调质处理，通过查阅机械设计手册得抗拉强度600MPa，屈服极限350MPa。钢需用拉应力为177.5MPa，其中n为安全系数，通常塑性材料取1.5~2之间，所以，。表4-145#的材质性能热处理毛坯直径(mm)硬度(HB)拉伸强度极限拉伸屈服极限()弯曲疲劳极限()剪切疲劳极限()许用弯曲应力正火2524161036026015055正火100170~217600300275140回火>100~300162~217580290270135调质200217~255650360300155602.最小轴径的确定假设所选轴的材料为45#，进行调质处理，按公式来确定轴的最小直径；根据轴的材料查《机械设计手册》表6-1-19选取=105，则最小轴径为：其中：输入功率，取400W；输入转速，伺服电机的额定转速为3000r/min，根据前文换刀机械手所需转速，取150r/min；该轴最小轴径用于与联轴器进行连接，考虑将最小轴径增大5%，，取。3.轴的结构设计图根据轴向定位来确定中间齿轮轴的各段直径和长度：段为联轴器连接轴段，根据最小轴径要求取，右边用轴肩定位，取,故选择段的直径为20mm，长度分别为20mm与30mm；同样23段由于安装轴承，考虑到换刀机械手是绕轴向运动，该处轴承仅受径向力，本文选用圆柱滚子轴承NU204E，内径为20mm，外径为47mm，长度为14mm；段为轴的轴承定位段，靠轴肩进行定位，取，；轴的支主撑段，取，，段同样由于右端轴承的定位；段用于安装右端轴承，同样选用NU204E，则其轴径为20mm，为了考虑与换刀机械手的连接，故中间开有螺纹孔，选择总长为15mm；图3-6换刀主轴结构图为了标准化，键槽采用相同尺寸。取轴端倒角为245°，至此，已初步确定轴段的直径和长度，则设计轴段的总长为900mm。下文根据参数进行轴的强度校核：3.3主轴的强度校核3.3.1轴的受力分析换刀主轴在转动时，换刀机械手主用作用于沿换刀主轴径向的作用力，根据转动时的离心受力：1.做出轴的受力简图如下：在水平面上：在垂直平面上：图3-7轴的受力简图则经计算可得，2.轴承Ⅰ上的总支承反力：轴承Ⅱ上的总支承反力：3.画弯矩图在水平面上A-A剖面左侧：A剖面右侧：电机所传递的弯矩为：则A-A剖面左侧为危险段，仅计算剖面左侧。3.3.2轴的扭转强度校核按弯扭合成强度计算。根据参考文献[1]式9.3，有式中：——I-I截面处弯矩；——I-I截面处转矩；——抗弯剖面模量，由参考文献[1]表9.6;则——根据转矩性质而定的折合系数，对于脉动的转矩，；——对称循环的许用弯曲应力，由参考文献[1]表9.7，=90Mpa；因此轴的强度满足；3.3.3轴的疲劳系数校核计算弯曲应力：，扭转应力：由参考文献[1]式9.4、9.5、9.6：式中：——弯矩安全系数；——转矩安全系数；、——材料对称循环的弯曲疲劳极限和扭转疲劳极限，由《机械设计手册》表9.3，45号钢调质处理，；——有效应力集中系数，查表得；——绝对尺寸系数，查表得；——表面质量系数，，查表得；——应力幅的等效系数，；——弯曲应力的应力幅和平均应力；—扭转剪应力的应力幅和平均应力；——许用疲劳强度安全系数，由《机械设计手册》表9.13，；经校核安全系数满足要求。3.3.4轴承的校核由参考文献[2]表12.4知，轴承选用圆柱滚子轴承NU204E,动态载荷C=25.8kN，静态载荷C0=24kN.比较两轴承的受力，由于直承受径向载荷，故只需校核轴承II。当量动载荷为：校核轴承寿命。轴承在以下工作，查参考文献[1]表11.9得。平稳，查表11.10，得。轴承I的寿命为假设机械转台使用5年，三班制工作，则预期寿命显然，故轴承寿命很充裕。3.4机械手的升降运动3.4.1基本参数的计算根据前文的设计计算出的驱动力为选用液压缸带动其完成升降运动，当活塞杆伸出时，换刀机械手不进行工作，当活塞杆收缩时，换刀机械手工作。初选活塞杆的直径为36mm，缸径为63mm，则夹紧气缸时的驱动压力P为[3]：P=4F/(D2-d2)=4×406.7/(632-362)≈0.4MPa此处圆整为0.5MPa，能够满足机械臂移动的设计要求。对于低压系统，按薄壁筒计算，则缸筒的壁厚δ为[3]δ≥pyD/2式中：δ——缸筒厚度；py——试验压力，大小为工作压力的1.5倍；D——缸内径，mm；——缸体材料的许用应力，选用钢管，许用应力为100~110MPa。计算驱动油缸的缸筒壁厚为：δ≥pyD/2≥1.5×2.5×63/（2×100）≥1.50mm考虑到缸筒的连接刚度和强度，圆柱体的壁厚为5mm。选择活塞杆的行程为100mm，液压缸的平均运动速度为0.5m/s，故气缸的流量Q计算为：Q=D2L/(4L/V)=×632×100/(4×100/0.5)×10-4=0.25L/min在0.25L/min的液压供量下，液压缸的运动速度将大于0.5m/s的运动速度，满足设计要求。3.4.2液压缸的选型由于前文计算实际的驱动力F实为406.7N，液压缸行程L为100mm，经液压缸的动作时：经计算t约为0.16s，则气缸的平均速度为：选取负载率：由公式得理论输出力为得液压缸的缸径约为：查取液压缸标准尺寸参数如下表，本文手爪夹紧的升降液压缸选择SMC的CHSDLA63-100A，SMC是世界著名的气动液压元件综合制造商。

4主轴系统的设计计算4.1主轴结构方案4.1.1型式确定主轴是数字控制机床的心脏，目前还没有能够满足各种加工条件要求的主轴结构，主轴结构与应用领域、加工技术、工具、零部件材料和加工精度密切相关。:主轴是数控加工中心非常重要的部件，它决定着加工中心的切削速度和切削力。一些低速主轴的切削力较大，而一些高速主轴的切削力较小。因此，在数控加工中心上有三种常见的主轴形状。（1）电主轴：这种高速电主轴的转速很高，当转速达到80000转/分时没有问题。主轴的转速越高，切削力越低。主要用于铣削和钻孔。日本NAKANISHI高速电主轴hes系列可达到80000转/分，气动主轴可达到160000转/分，适用于超高速的加工中心。（2）平旋盘式主轴平盘的旋转运动是主电机通过齿轮传动完成的主切削运动，平转盘的径向前进运动由伺服电机驱动，由行星齿轮机构传递。平盘还能够同时使两个滑块沿径向相反方向移动，实现功率处理。平盘的旋转运动是主电机通过齿轮传动完成的主切削运动，平转盘的径向前进运动由伺服电机驱动，由行星齿轮机构传递。平盘还能够同时使两个滑块沿径向相反方向移动，实现功率处理。（3）机械主轴数控机床通常采用整体式紧凑型主轴组结构，由独立的伺服电机驱动，齿轮驱动主轴旋转，采用齿轮减速传动，主轴转速范围大，能满足大扭矩、大切削的要求。此外还有采用同步齿带传动结构可实现主轴无级调速。这种传统的间接驱动方式给加工设计带来了很多方便。首先主轴支承在切削中产生的轴方向和半径方向的力。电机和传动系统只提供转矩和转速，维护、更换相对简单，可以通过齿轮或带轮改变传动比，实现变速。除此之外还有皮带式主轴，皮带式主轴相对坚固，适合重型切削。它用于大型数控加工中心；直结式主轴，与皮带主轴相比，切削力更小，主要用于加工小零件和产品，而无需进行大量切削。4.1.2主轴电机选型1首先进行工作功率的估算：1)计算主铣削力根据传统的经验公式：式中：-铣削力，即主切削力（切向圆周分力），-铣削深度，；-每齿进给量，-铣削宽度，；-铣刀直径，；Z-铣刀齿数-铣削力修正系数，-工件材料抗拉强度，选取技术条件参数：高速钢刀具；刀具前角；主偏角；工件材料为碳钢；每齿进给量；刀具直径为，齿数；工件宽度，切削深度将上述各条件代入公式，则主切削力为：切削速度[6]经计算为：2)主电机功率估算[6]铣削功率主电机功率式中：——机床主传动系统传动效率。滚珠轴承传动效率0.99[6]，齿轮传动效率0.98[6]2.主电机选型FAUC交流主轴马达S系列共13种，分别为0.65kW～37kW。旋转数高，输出功率大，性能可靠，精度好，振动小，噪音低，适合高速切削和低速再切削。这个系列可以应用于各种类型的数字控制机床。由于电机功率PE=5.48kW[6]，因此本课题选择FAUC交流主轴电机6S模型[6]。主要技术参数如下：额定输出功率：；最高速度：；额定输出转矩：；4.2主轴的结构设计4.2.1参数的确定主轴的主要参数是指：主轴前轴颈直径；主轴内孔径；主轴悬伸量和主轴支承跨距，见图4-1所示。图4-1主轴主要参数示意图1）主轴轴径的确定主轴直径通常指主轴前轴颈的直径，这对主轴部件的刚度有很大影响。直径的增加可以减少主轴本身弯曲变形引起的轴端位移和轴承弹性变形引起的轴端位移，从而提高轴主要部件的刚度。然而，直径的增加受到轴承的限制，导致相应零件的尺寸增加、制造困难、结构庞大和重量增加。因此，只要满足刚度要求，就应取最小值。在设计中，类比分析法主要用于确定主轴前轴颈直径。加工中心主轴前轴颈的直径由电机功率决定。从表3.11-6[2]中确定。由于安装的需要，主轴的直径总是从前颈部到后部缓慢逐渐减小。在确定前轴直径后，从[2]得后轴颈直径的关系：2）主轴内孔直径的确定主轴内孔的直径与机床类型有关：通过拉杆确定孔径，孔径的原则是满足空心主轴的孔径和最小壁厚要求，以及不削弱主轴刚度的要求。从经验来看，当时，主轴的刚度急剧下降。另一方面，当时，内孔对主轴刚度几乎没有影响，可以忽略，孔径的极限值为：此时，刚度削弱小于，根据各轴段直径的实际大小，确定内孔直径为：3）主轴端部形状的选择机床主轴端通常用于安装刀具、夹紧工件或夹紧设备。在结构上，应保证放置准确、安装可靠、连接牢固、拆装方便、传递足够的扭矩。图4-2为本文主轴端部的形状，其尺寸由JB2324-78确定。在本文件中，选择了50号主轴端部尺寸。图4-2铣床主轴的轴端形式3）主轴悬伸量的确定主轴伸量是指从主轴前端面到前支承径向反作用力中点的距离（通常是支架在前径向上的中点），与工作机的其他结构参数有关，因此主要由结构设计确定，确定悬伸量的原则是在满足结构要求的前提下，尽可能假定最小值。4）主轴支承跨距的确定支承跨距是指与主轴相邻的轴承的两个反作用点之间的距离，是决定主轴系统动静态刚度的重要因素，合理确定支承跨距是实现主轴部件静刚度最大化的重要条件之一。最佳跨度是指通过切削力使主轴前端的柔软性值最小的跨度，可按下列公式计算[6]：式中：，式中：——主轴前端悬伸长，单位为；——材料的弹性模量，单位为；——轴惯性矩，单位为；——前轴承刚度值，单位为；——后轴承刚度值，单位为。按上式计算最优跨距，计算过程如下：式中：——主轴跨距部分的平均直径，单位为；——主轴跨距部分的平均孔颈，单位为。4.2.2结构与校核主轴的结构尺寸如图4-3所示：图4-3主轴的结构尺寸由上式得：由参考文献[6]中图3.11-11确定，；由主轴材料为40Cr查得材料的弹性模量；将上述参数值代入公式，得：由主轴的结构形式确定主轴前端悬伸长将，值代入，得按照结构设计的要求，取。由于，故满足设计要求。4.3主轴传动系统的设计本文采用机械主轴，由电机驱动的传动轴通过齿轮啮合带动主轴转动，故本小节主要对传动系统进行设计。4.3.1齿轮组的设计及校核1.齿轮组的条件确定设计要求：齿数比u=2,工作寿命10年（每年工作360天），每天工作。选择小齿轮材料为，齿面硬度，大齿轮材料为（调质），齿面硬度为。（2）选用7级精度。（3）选小齿轮齿数z1=20，大齿轮齿数z2=20×2=40，取z2=40。（4）斜齿圆柱齿轮传动，压力角。同时为了保证轴向力不过大，螺旋角不能较大，螺旋角初取30°。2.按齿面接触疲劳强度设计（1）试算小齿轮分度圆直径，即：1）确定公式中的各参数值。①试选载荷系数KHt=1.3②小齿轮传递的转矩：③小齿轮看作悬臂布置，选取齿宽系数φd=0.5④由图查取区域系数ZH=2.4⑤查表得材料的弹性影响系数ZE=189.8MPa1/2⑥计算重合度系数：则重合度系数为⑦计算接触疲劳许用应力[H]查表得小齿轮和大齿轮的接触疲劳极限分别为Hlim1=600MPa、Hlim2=550MPa。计算小齿轮应力循环次数：（中间大齿轮有三处啮合点）大齿轮应力循环次数：查取接触疲劳寿命系数:取失效概率为1%,安全系数S=1,得:取和中的较小者作为该齿轮副的接触疲劳许用应力，即试算小齿轮分度圆直径（2）调整小齿轮分度圆直径1）在计算实际负载系数前的数据准备①圆周速度v②齿宽b2）计算实际载荷系数KH①由表查得使用系数KA=1。②根据v=9.1m/s、7级精度，由图查得动载系数KV=1.05。③齿轮的圆周力为：查表得齿间载荷分配系数KHα=1.5。④由表用插值法查得7级精度、小齿轮悬臂布置时，KH=1.184。则载荷系数为：3）可得按实际负载系数算得分度圆直径：及相应的齿轮模数考虑弯曲强度，以及主轴的高速运转，模数取为标准值m=4mm。3.几何尺寸计算根据其齿数和计算中心距:同时考虑整体结构尺寸，选择实际中心距为168.7mm；（1）计算分度圆直径计算齿轮宽度，取b2=b1=50mm4.按齿根弯曲疲劳强度校核齿根弯曲疲劳强度条件如下所示：查表得小齿轮和大齿轮的齿根弯曲疲劳极限分别为这里为了节省篇幅，仅给出计算验算大小齿轮齿根疲劳弯曲疲劳极限故满足要求。4.3.2键的设计计算键在传递动力的过程中，会受到剪切和挤压的破坏，其受力如下图4-4所示：图4-4键剪切与挤压受力图键在传递动力过程中，容易发生挤压的失效形式，验算其挤压强度：本文选择A型圆头普通平键，根据轴径,选择。键的强度校核，验算其挤压强度，查表得其中键的工作长度则，符合强度要求。

5基于Solidworks的建模与刀库设计5.1Solidworks建模Solidworks作为第一个以windows为基础开发的三维CAD系统，因为该项技术符合CAD新时代下的发展，Solidworks在市场上十分的成功。SolidWorks以简单、稳定、创新为基准不断的改进创新为设计师设计提供了便利。Solidworks可以动态的查看装配部件的运动情况，并可以对零件进行动态干涉分析，还可以进行仿真分析。本文通过加工中心主轴组件与换刀机械手的选型，然后对其进行Solidworks三维建模，在进行设计建模时一定要注意加工中心的整体布局，确定好的布局有利于对主轴组件的配合和位置关系的确定，有利于建模。通过Solidworks的装配图特征，如镜像、线性阵列等，再配以相应的配合关系，最终的加工中心主轴组件与换刀装置的三维模型如图5-1所示。加工中心的组成部分与普通机床相类似，包括以下几个组成部分：（1）主传动系统及主轴部件——使刀具(或工件)产生主切削运动；（2）进给传动系统——使工件(或刀具)产生进给运动并实现定位；（3）基础件——床身、立柱、滑座、工作台等；（4）其他辅助装置——如液压、气动、润滑、切削液等系统及装置。图5-1M-H50C卧式加工中心自动换刀机械手的Solidworks模型5.2主轴组件的设计本次设计采用的是斜齿圆柱齿轮传动，比较于直齿圆柱齿轮具有以下特点：1)啮合特性好、2)重合度大、3)不产生根切的最小齿数较直齿少。图5-2主轴组件的结构组成主轴的工作原理：当要换刀时，液压装置推动液压杆，液压杆推动拉杆，拉杆连接着喷气头，喷气头套筒会一直被推动直到卡爪被推出套筒，此时喷气头与喷气头套筒相互作用使卡爪张开释放刀柄，之后由气压系统向进气管通入高压气体气体由液压推杆、拉杆、喷气头进入推动刀柄，使刀从主轴脱落，被换刀装置接走。装入刀具时。液压装置释放油液，液压推杆松开，拉杆端帽在弹簧作用下恢复原来位置，同时带动拉杆拉动喷气头，喷气头与喷气头套筒相互作用使卡爪闭合，抓住刀柄，完成换刀动作。图5-3主轴的工作原理5.3刀盘组件的设计换刀装置分为刀盘组件与机械手传动组件，刀盘由电机驱动，通过蜗轮蜗杆带动刀盘转动，本文设计的刀盘为20把刀，选用刀具BT40作为标准，中心距为320mm；而机械手换刀组件由液压缸作为升降驱动，电机作为旋转运动，从而实现本文的设计工作。图5-4刀库组件的Solidworks模型刀库组件由电机作为驱动输入端，通过一对蜗轮蜗杆传动将扭矩输送给末端刀盘组件，在设计刀库传动系统时需要按照任务要求：1）刀库容量：24把刀；2）刀柄型号：40号刀柄；3）刀具最大直径：120mm；4）刀具重量：11kg；5）换刀时间：6s。下文进行蜗轮蜗杆传动的计算，而电机的选型与前文一致，采用松下750W伺服电机MSMF082L1U2M作为输入端，计算方法此处不再阐述。（1）蜗杆直径的确定1、蜗轮蜗杆的材料选择蜗杆材料选用45钢，整体调质、表面淬火，齿面硬度45~50HRC，根据蜗杆相对速度的传动经验公式可知：（5-1）其中，n1为蜗杆转速，伺服电机的额定转速较大，取计算转速为1500r/min；T2为蜗轮转矩，取蜗杆的头数为1，蜗轮的齿数为30，则经计算可得：代入式（3-13）中可得：（5-2）根据蜗杆副的滑动速度选择蜗轮的材料为铝青铜合金。2、按疲劳强度设计，根据公式（5-3）其中，为涡轮的齿数，取蜗杆头数为1，初选为重合度系数，查《机械设计手册》取160，为材料的许用应力，选用45#，查得为180Mpa。K为载荷系数，根据《机械设计手册》查得动载系数使用系数KA=1，KV=1.05，螺旋角系数，因此总载荷系数为：（5-4）参考文献[1]表7.6取，则有：（5-4）由参考文献[1]表7.1，按，取m=4，则，则取蜗杆分度圆直径式中，——蜗杆直径系数，取为12.5；（2）基本参数的确定由于整体结构尺寸的布置，提示根据蜗轮蜗杆传递的中心距为：a=0.5(d1+d2)=0.5m(q+z2)（5-5）选择蜗杆与蜗轮的中心距为a=85mm，因此蜗轮的实际齿数为z2=30；则蜗轮分度圆直径：（5-6）1、蜗杆导程角：（5-7）2、蜗轮圆周速度：（5-8）3、蜗杆副滑动速度：（5-9）4、蜗杆圆周速度：（5-10）故选择蜗杆传动的类型为蜗杆侧置。5、查参考文献[1]，查《机械设计手册》取当量摩擦角则蜗杆的实际传动效率：（5-11）由参考文献[1]表7.8知符合初取的效率值，后文效率按0.6进行。（3）热平衡计算1）估算散热面积A：（5-12）2）验算散热面积A：取油温，室温：通常取C。散热系数=14~17.5：通风良好，取Ks=17.5W/(m2·℃)；传动效率，则（5-13）故散热面积符合要求，不用加装散热片等。

总结通过本科毕设，对机器的设计过程有了新的理解，为了以最有效的方式达到预期目的，有时只需稍加思考就可以形成设计理念，但这并不容易构思和完成，需要通过机械设计、机原原理的知识，结合相应的计算形成设计方案。M-H50C卧式加工中心的主要方式是利用电机传递的扭矩作用在主轴上，换刀主要是通过蜗杆及蜗轮的变向实现刀盘转动，然后利用换挡机械手进行工作，根据任务要求，本设计改进了加工中心主轴组件和换刀系统的结构和功能，经过反复讨论、研究、分析和比较，设计已基本完成。通过整合所学知识，先确定M-H50C卧式加工中心换刀机械手的结构方案及工作原理，然后确定运动方式及相应的传动机构，包括机构及传动系统的尺寸、运动分析和强度，利用机械原理和机械设计等大学课程的知识完成主轴组件和换刀系统系统的设计，最后通过Solidworks软件对主轴组件和换刀系统的重要部件进行了设计。当然在论文的写作过程中仍然存在一些不足的地方，最后阶段主要是修改设计中的一些详细错误以及图纸的修改和完善，学习了许多相关的专业知识。本文的研究成果对矩阵料仓的研发具有普遍的指导价值，具有结构简单、外形小、设计价格低等优点，具有广阔的应用前景。

参考文献周丹.卧式加工中心主轴热特性测试与分析[J].制造技术与机床,2021(12):115-119.DOI:10.19287/ki.1005-2402.2021.12.023.康程铭,赵春雨,付立新.基于物理建模法的加工中心主轴热误差建模[J].东北大学学报(自然科学版),2020,41(04):528-533.杨明华,程丽,潘友胜,关百军,宋健.车削加工中心主轴档位切换控制研究[J].造纸装备及材料,2021,50(06):33-34.宗建军.日本三菱加工中心主轴拉刀轴拆卸与测试[J].金属加工(冷加工),2020(01):82-83.张强.加工中心主轴锥孔严重损伤简易修复方法[J].设备管理与维修,2019(19):54-56.DOI:10.16621/ki.issn1001-0599.2019.10.27.孙军,孔碧溪,张祥,吴方凯.镗铣加工中心主轴系统热误差测量实验研究[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2017,33(06):1107-1115.王鑫,陈侠.数控加工中心换刀系统故障分析[J].设备管理与维修,2021(06):45-46.DOI:10.16621/ki.issn1001-0599.2021.03D.26.PengJi,YinMing,CaoLi,LiaoQihao,WangLing,YinGuofu.Studyonthespindleaxialthermalerrorofafive-axismachiningcenterconsideringthethermal