数控铣削中心-自动换刀装置设计

数控铳削中心一自动换刀装置设计

摘要

不用人工操作的能够自主进行换刀的一种装置被称为自动换刀装置，它用数控代码

设置程序，使机器进行有目的性的工作，自动换刀装置可以使刀具有选择性、安全、精

准地进行更换。

数控削铳中心应用最为广泛的便是刀库，设计相应的刀的圆盘式刀的灵感来源于其

使用的场合和实际运用的要求，最后对它的控制进行一定的探究。

本次设计的主要任务是对刀库的结构、传动的结构、各部件工作原理介绍说明以及

各零件的计算，还有就足对各个部位的CAD零件图进行绘画以及装配图的绘画，最后尝

试进行三维仿真。

本次设计所研究的重点刀库的结构设计，一是对自动换刀装置进行介绍：一是对传

动部分蜗杆、蜗轮的介绍以及计算；三是驱动电机的选择与计算；最后对刀库送刀部分、

液压控制和PLC控制部分进行简要的介绍。

关键词：数控削铳中心、自动换刀装置、刀库结构、传动结构

CNCmillingcenter

----Designofautomatictoolchangedevice

Abstract

Akindofdevicethatcanchangethetoolindependentlywithoutmanual

operationiscalledautomatictoolchangedevice.Ttusesnumericalcontrolcode

tosettheprogramtomakethemachineworkpurposefully.Theautomatictool

changedevicecanmakethetoolchangeselectively,safelyandaccurately.

ThetoolmagazinewasthemostwidelyusedinCNCmillingcenter.The

inspirationofdesigningthedisccutterofthecorrespondingcuttercomesfrom

theoccasionofitsuseandtherequirementsofitspracticalapplication.

Finally,thecontrolofitisexplored.

Themaintaskofthisdesignistointroducethestructureofthetool

magazine,thestructureofthetransmission,theworkingprincipleofeach

componentandthecalculationofeachpart,andtodrawtheCADpartdrawing

ofeachpartandtheassemblydrawing,andfinallytrytocarryout

three-dimensionalsimulation.

ThetoolmagazineisIlieino«Iiniporltiiilfocusesinthisdesignaxestrueluxe

designof.Thefirstistheintroductionoftheautomatictoolchangedevice;

Thesecondpartistheintroductionandcalculationofthewormgearinthe

transmissionpart;thethirdpartistheselectionandcalculationofthedriving

motor;thelastisthebriefintroductionofthetoolmagazinefeedingpart,

hydrauliccontrolandPLCcontrolpart.

Keywords:CNCmillingcenter,automatictoolchangedevice,toolmagazine

structure,transmissionstructure

目录

目录......................................................................................2

第1章绪论..............................................................................3

1.2.1数控削铳中心的发展历史.....................................................4

1.2.2数控削铳中心的结构.........................................................4

1.3.1立式削铳....................................................................5

1.3.2卧式削铳....................................................................6

1.3.3五坐标削铳.................................................................7

1.6本文研究主要内容一一自动换刀装置...............................................9

1.6.1数控削铳刀库的分类.........................................................9

1.6.2本文所设计的刀库..........................................................12

第2章驱动电机的选定...................................................................16

2.1通过负载转矩进行电机选定........................................................16

2.2按加速时的最大转矩选定.........................................................17

2.3校验............................................................................17

2.4分配传动比.....................................................................18

第3章刀库传动部分的设计...............................................................18

3.1刀套的线速度....................................................................18

3.2刀库传动方式....................................................................18

第4章传动轴的设计.....................................................................23

4.1进行轴材料的选择................................................................23

4.2估算蜗杆轴的参数...............................................................24

4.2.1估算轴的最小直径..........................................................24

4.2.2选择关联的联轴器..........................................................24

4.2.3选择滚动轴承的类型........................................................24

4.2.4对蜗杆轴各段的尺寸进行估计..............................................25

4.3蜗轮轴的估算....................................................................26

4.3.1估算轴的最小直径..........................................................26

4.3.2轴伸处最小直径的确认......................................................26

4.3.3确定滚动轴承的类型........................................................26

4.3.4蜗轮轴各段尺寸的估算......................................................26

4.4轴径的设计与校核................................................................27

4.4.1蜗杆轴........................................................................27

4.4.2蜗轮轴的计算..............................................................33

第5章轴承的校核.......................................................................37

5.1蜗杆轴..........................................................................37

5.2蜗轮轴的参数...................................................................37

第6章其余零部件的设计与计算..........................................................38

6.1回零减速撞块...................................................................38

6.2圆盘刀库与刀套的设计...........................................................39

6.2.1刀套......................................................................39

6.2.2圆形刀盘..................................................................39

6.3刀具（刀座）识别装置...........................................................40

第7章三维造型设计.....................................................................40

7.1蜗杆的二维造型..................................................................41

7.2涡轮的三维造型..................................................................41

7.3刀库的三维造型..................................................................42

参考文献.............................................................................44

致谢................................................................

附录.....................................................................................45

第1章绪论

削铳中心的发展趋势首先由数控机床的发展历程引出，然后具体到本次设计针对的

自动换刀装置的任务要求，明确本设计任务的主要内容。

1.1引言

什么是数控削铳中心？在地球人的认知中，数控削铳中心主要是指：在工件装卡到

机器并输入代码后，机器能够不用人操作地进行铁削、钻孔、锋孔、较孔、攻丝等多工

序的数控机床。削铳中心还应当分为铳床和车床，又分为立式、卧式以及立卧式这些多

种类型。

这些数控削铳机器能够加工非常多品种的工件，以及一些中小型机流，多工序（铳、

钻、镇、较、攻丝等）加工被它集中于一身，它的出现是一场巨大的革命，自动化使得

人工减少，生产的效率也因此得以大大地提高，不仅如此，加工多品种的、大批量的工

件对它来说也是轻而易举；自主换刀、自动换工件、自动检测等功能使得数控削铳机床

的自动化程度和加工效率发生了一个大跃进，升高了一个新台阶；人们可以不再像以前

流水线一样进行工作，只需要一个懂专业的看护人员就可以对机器进行操作了。

本文中所研究的主要内容-一自动换刀装置便是数控削铳中心的一个非常重要的机

构。

1.2加工中心

1.2.1数控削铳中心的发展历史

美国的卡尼、特雷克（Kearney&Trecker）的公司在1858年的时候将地球中第一

台ATC（自动换刀装置）的加工中心发明了出来。这便是历史上第一台数控削铳机器的

问世。数控削铳中心包括数控车床和数控铳床等，其中自动换刀装置是它们最大的特点

之一。数控时代因为第一台数控削铳机器的问世而来临。数控削铳机器能使得两个坐标

以上一起联合行动，易于修改的数控（CNC）装置能够控制着整个加工程序，在进行工

作时，样板控制的加工零件以及手工进行加工的复杂零件的效率和精度远远不如数控削

铳机器。应对与不同的工件品种变化它可以采取不同的应对方式，从实现而多方位多角

度多品种地加工。

现今2020年的这个世界上，美国、德国、日本三个国家是在数控机床科研、设计、

制造和使用上，技术最先进、经验最多的国家。它们因为不一样的国情、不一样的环境

拥有各自不同的特点。

1.2.2数控削铳中心的结构

数控削铳中心是的组成有很多多种类型，根据不同的加工类别、根据它们加工的不

同功能、不同的特点、不同参数有不一样的削铳机器，比如说，刀动为铳床，工件动为

车床类似这样，机床的部件还包括了基本的一些部件和选择性的部件，包括了基本功能

和选择性功能；参数包括了刀具的重量、刀具的尺寸，换刀的时间、刀具/工件旋转的速

度等等。在生产这种类型的机器的时候，都会根据客户所需要进行加工的东西的大小、

精度、特点等进行选择性制造。而机器在进行生产的时候也是可以根据不同的工序使用

不同的刀具。

以下为数控削铳机器应当有的•些零部件：

1、基本部件：由床身、立柱和工作台等大件组成的在肉眼可见的部件。床身是为

了装载整个机器，立柱是为了支撑起机器，工作台是为了加工零件，这些东西都是数控

削铳机器必不可少的东西，也是最为基础的结构，再然后他们需要承受住一些静载荷、

动载荷、负载、高温等，因此高硬度、耐磨、耐高温是它们的必要因素。铸铁件、焊接

的刚性构件可以满足高硬度的需求，而耐高温材料的应用也是其特点之一。

2、传动系统：在主轴电动机的驱动下，轴承担任撑住主轴的部位，主轴箱进行发

电，使得主轴上的刀具参与加工工作，进行切削。工人也能够通过数控系统控制这个系

统的主轴启动、停止、变换转速或者加工速度。切削运动的进行离不开数控系统的控制,

他们是相辅相成的，因此，我们要特别重视主轴系统的设计。

3、数控系统：数控系统的组成包括了代码、电动机、CNC装置，它是削铳机器控

制的核心部分，代码就像人的大脑一样发出指令，引导各种部件进行行动，包括刀具换

刀、主轴传动等整个加工中心工作的执行都是数控系统领导。

4、自动换刀装置：由刀具、刀套、伺服系统、机械手（或其他方式）等组成，首

先很重要的一个部件便是刀库，用于存放各种各样的刀具，而刀具在生产不一样工件时

起到重要的作用。刀库包括盘式刀库、链式刀库等。刀库的容量少的有几把，多的更有

上百把。机械手的类型乜有很多种，它们的主要功能都是将刀具从刀库中取出需要的刀，

然后装入到主轴孔中随后进行加工。机械手包含回旋式、双鸭、单臂等多种类型。刀库

的移动由主轴系统来完成。

5、辅助系统：工件加工的过程中，需要对工件进行润滑，否则会有磨损；加工过

程的温度过高，因此需要进行冷却操作；在加工过程中会有碎屑飞出，因而还需考虑到

碎屑的防护。液压系统使得冷却液系统，气动清洗枪能进行工作。辅助系统能够对削铳

中心的安全、加工效率、加工精度都起到重要的作用，是削铳中心必不可少的部分。

1.3数控削铳中心的分类

立式、卧式和五坐标是当今世界上比较通用的三种数控机器。

1.3.1立式削铳

立式数控中心的立柱式是它的主要结构，它的主轴呈垂直状态，配备着长方形的工

作台。这样设置的数控机床比较适合加工小型的工件，如图所示。

图1-1立式削铳中心

1.3.2卧式削铳

卧式数控削铳中心和立式数控削铳中心较大的不同之处在于，卧式数控削铳机床的

主轴轴线呈水平状态，并且，卧式数控削铳机床带有的工作台呈正方形状，并且可

进行分度回转运动，它能够在三轴方向上进行加工（X,Y,Z轴），还有的拥有更多

个运动坐标（X,YZ轴加回转运动坐标）。工件在装夹上去之后所有的面都能够在

机床上进行加工除了安装面和上面那一面暂时还无法进行加工。因此，箱体类的加

工最适合卧式机床，如图1-2所不。

z轴方向

（支座）

X轴方向

（工作台）

图1-2卧式削铳中心

1.3.3五坐标削铳

五坐标削铳机床的主要结构有两种，第一种是工作台可以在工作过程旋转90°,第

二种是主轴可以旋转90°。五坐标削铳机床具有按照立式机床和卧式机床中心间距

削铳的功能，它除了装夹面之外的所有其他的五个面均能被机床进行加工，所以被

命名为五面加工机末。

1.4数控削铳机床的主要优点

（1）提高工件的质量：数控削铳机床加工的工件只需要在程序的控制下，人工进行一

次装夹便可实现多种工序集中的加工，相比以往的人工进行多次装夹多次加工，这样的

模式能够很大程度的减少误差，并且工件加工的精度也由于机器的精密计算而高出相当

多。

（2）减少加工时间：数控机器的工作效率对比传统的机床来说要高出好几个档次。数

控机床加工一个工件的准备时间，只需要工人编程好一个代码，然后调试好机器便可进

行，而传统的机床还要进行多次装夹，多次修改的操作显然加工时间数控机床要短的多。

（3）增加产量：数控机床能够只需要一台机器、一套代码就能够完成多种工序，比如

粗加工、精加工、冷却降温等，而传统的机床工件需要流通到多台机器进行加工，这样

就浪费了很多的时间，而数控机床的加工模式很明显就缩短了加工时间，因比同时间的

产量就大大增加了。

（4）减少加工费用：为了提高利用率、使用最少量的刀具，其分散了设置在各通用机

床上的刀具，集中在削诜中心刀库上，这样既提高刀具利用率，又减少了刀具数量。

（5）减少劳务费：数控装置在生产过程中，老板只需要安排一名到两名专业的工人进

行代码的变成以及机器的看护就能够让工件从机器里安全完整地生产出来，而传统的需

要多种工序多台机器，因此需要很多名工人，这样对比下，数控削铳中心的劳务费就减

少了很多。

（6）数控装置利用率高：数控削铳装置能够很好的适应各类工件的加工，各种批量的

生产也能够进行，并且加工速度远远快于传统的机床好的好几倍（前面说过是由于加工

工序的集中进行），而且它加工出来的产品精度远远高于传统机床，换句话说就是成品

高。因此它的利用率就高很多了。

1.5数控削铳机床未来发展趋势

（1）立式削铳中心：

未来几年，拥有数控机床的厂家主要会将汽车零部件作为主行业生产，少数资金比

较充足的会购入更精密的设备，然后以飞机、模具、IT、医疗设备和光学设备作为主要

发展的行业。

汽车零部件作为主行业的原因是，目前的中国汽车需求量较高，大部分年轻人都到

了能够购买车辆的年龄，再结合其他行业来看，由于大部分机械零件都是小批量产品，

未来IT、电子零件、精密机械零件、半导体模具等都将成为更瘦欢迎的数控加工产品。

通用机械零件显示了厂家的需求，对高速、高效、高档模具加工提出了更高的要求。

针对加工精度高的问题，一些厂家在开发重型机械模型的同时，也提出了一种复杂

的加工工艺，目的是减少工件的更换时间，提高加工效率，一些厂家正在尝试将1轴添

加到机床的控制轴上立式加工中心，形状复杂。

在对新产品的开发问题上，无论是在技术上，还是收益上，我们都必须追求环保、

高性能，同时能够使价咯保持比较客观的一个价格，不仅为了满足客户的需求，还是为

了未来更客观的发展。

目前，干切削行业也在发展。同时，为了改善工作环境和经济效益，高纯氮气干燥

工作系统。

(2)卧式削铳中心：

卧式削铳中心是一种垂直于加工表面的加工中心。其芯片易脱落，结构模块化。它

可以在短时间内输入最佳系统尺寸，而旦由于加工时间不长，与机器相比。

根据客户的需求，卧式加工中心的要求往往能适应各种小批量生产，加工设备也能

灵活适应当前的变化，另外，汽车制造企业的设备投资和对小型机械的需求形成了柔性

生产线也从新的生产系统中获得。

同时，小型化产晶才是开发产晶的主要任务，因为我们在追求高质量、高速度生产、

高精度生产的同时，还应当努力使产品小型化，这样才符合环保节能的发展原则。

不同的刀决定着不一样的精度，而进给速度、主轴转速是技术发展的关键趋势，因

此对进给传动系统、刀库的研究是本设计的关键。

为了提高生产效率，一些厂家开发了一种无直线电机的高速卧式加工中心，因为加

工时间的一个直接相关条件是进给的速度。为了尽量减小热位移对转速的影响，防止精

度下降，通常采用整流将或主轴

1.6本文研究主要内容一一自动换刀装置

1.6.1数控削铳刀库的分类

自动换刀装置是数控削铳机床必不可少的一个重要装置，也是整个机器的核心部

分。而自动换刀装置中最关键的部位之一便是刀库，刀库里面所存放的刀具的种类关系

到加工工件的质量、精度等，最终成品的性能也很大程度取决于刀具。刀具库的控制部

分一般采用私服系统进行控制，少数的会使用电气与机械相结合的方式。刀具库还需要

动力机构或液压马达一种用于确保每一个工具或工具改变多少可以保持准确的位置变

化的定位机构。

根据刀具的能力和双刀方法，可设计不同形状的刀具库。如图1-3所示，图中列出

了几种常用的工具库，是一种适用于机床主轴设计的盘形刀库，这一种圆盘形状工具具

有结构简单、刀具选择方便、使用较广泛的优点，但由于圆盘尺寸有限，刀具容量也是

有限的。

51

5

图L3刀库的形式

1、轴向式2、径向式3、斜向式4、刀具翻转式5、鼓筒弹夹式

6、链式7、多盘式8、格子式

让刀库能够存放更多刀具，通过使用第5种刀库形式能够使得刀库能够存放更多刀具，

从而充分利用机床周围的有效空间的5型鼓形刀夹该库结构非常紧凑，在同一空间内，

具有相当大的图形容量6是一个字符串工具库，具有较大的结构灵活性，当字符串长时

大量存储工具可增加托链轮，使链条折叠。

7为多盘式，8为格子式刀库，这两种类型的选刀比较复杂，虽然结构也紧凑但是

选择他们的人相对比较少。

1、刀库的类别

现今世界上的数控加工机床上大多数购买和使用的刀库便是盘型式刀库和链式刀

库这两种类型。

(1)盘式刀库的结构相对比较简单，形状呈圆盘状，这种刀库也比较容易设计，

由于刀圈布置而减少了空间利用率，从而提高了刀盘的空间利用率。采用双回路或多回

路布置，可使刀具库外径过大，因此，圆盘刀具适用于一•般的刀具。如图1-4所示。

图1-4不同形式的盘式刀库

1、径向取刀的形式2、轴向取刀的形式3、径向刀具安装式.

4、斜向安装式

(2)链式刀库的形状呈链状，这种类型的刀库能容装下很多的刀具(甚至100多

把)刀库容量非常大，并月.结构紧凑。可根据机床的设计安排不同形状的链条连接形式,

也可在该系列刀具库需要增加刀具容量，只需在一定范围内将链条增加，拼接上去，并

且增加托链轮的数量，这样做也不需要改变线速度，既能使刀库正常工作乂能增加刀库

容量。这些特点在设计和制造中带来了极大的方便。工具系列一般存放一些工具，用于

处理30-12()把刀具，

图1-4链式刀库的形式

162本文所设计的刀库

由于是使用在容量为16把刀的自动换刀装置上，所以本文采用的是刀库式盘式刀

库。

1、换刀过程（所有方向都从K方向观察）

盘式刀库的位置在立柱的左边、方向与主轴垂直，刀具换刀之前，主轴在代码的操

控下平行于刀库，此时主轴进行定位，而自动换刀装置的位置可改变，如图1-6所示：

（1）换刀之前，b在代码控制下转动，通过旋转，刀具e到达了待换刀的位置，紧接着,

刀具e随着刀套d往下翻转90°来到机械手取刀的位置，这时候主轴的轴线平行于刀具

的轴线。

（2）当刀套d带着刀具e翻转下来之后，机械手a开始进行抓刀，从原始位置开始顺

时针旋转75°,机械手的两只爪分别抓住主轴c和待换刀库上的刀具。

（3）当机械手抓住了主轴c和待换刀库上的刀具e之后，主轴内的自动夹紧装置接到

指令松开刀具。

（4）当自动夹紧装置将刀具松开之后，机械手下降进行取刀，从c和d两边同时拔出

两把刀具，随后顺时针旋转将两个刀具的位置进行交换。

（5）两个刀具进行了位置交换之后，更换之后的刀具在随后上升的机械手的作用下插

入刀具轴套和锥孔中。

（6）当更换之后的刀具完全进入了轴套和锥孔之后，自动夹紧装置分别将两个刀具夹

紧。

图1・6换刀过程示意图

a•机械手b•刀库c-主轴d-刀套e・刀具

（7）紧接着，机械手在液压缸的作用下进行驱动逆时针旋转180°的复位，机械手不执

行动作。

（8）当驱动完成逆时针180°复位之后,机械手a在驱动的作用下进行逆时针旋转75°,

松开刀具回到最开始的位置。

（9）完成上述所有动作之后，刀套带着刀具顺时针旋转翻90°回归原位。

2、刀库的结构与传动

（1）刀库的结构组成：本次毕业设计的圆状盘形刀具结构示意图主要由蜗轮蜗杆传动、

刀头、刀组和刀盘库的具体机构组成，如图1-8所示。

（2）刀库的选刀过程：将伺服电动机a（直流）经过联轴器b和蜗杆c、泯轮d之后，

带动着盘状刀盘/以及在刀盘上面所安装的十六个刀套k旋转特定的角度，这边是选刀

的过程。

（3）刀套的翻转：刀的位置在选刀完成之后，刀套的端根在刀在选刀完成之后开始在

换挡之后的拨叉槽里面进行转动。随后将液压油注入液压缸e里面，液压油注入之后，

活塞的驱动叉在液压的作用下上升，同时行程开关g被松开，为了断开相应的电路，作

为一个安全措施，为了防止刀库与主轴等部件在工作过程中出现错误的操作。在完成以

上动作之后拨叉上升，随后刀套开始下翻90°,使得刀具的轴线与主轴轴线平行。完成

这一系列动作之后，将行程开关f压下，机械手接收到信号进行抓刀。执行相反动作时，

拨叉下降，刀套上翻9C°如图卜7所示。

图17刀库的结构图

a.电动机b.联轴器c.蜗杆（蜗轮e.液压缸3g-行程开关

h.拨叉i-挡标j-滚子卜刀套1-刀盘

图1-8刀库结构装配图

a电动机b联轴器c蜗轮d蜗杆e液压缸f活塞杆g拨叉

h挡标i、j行程开关k滚子1销轴m刀套11刀盘

第2章驱动电机的选定

目前，我国机械制造业中有两种伺服电机、液压驱动电机，几乎所有加工中心都选

用了伺服电机，本文也不例外的在参照了各种文献之后选择使用伺服电机。

2.1通过负载转矩进行电机选定

由于伺服电机的机轴上的负载转矩「在选定时应当使其比电动机额定转矩羯小。

根据查询到书本的公式，把三个重量最大的刀具粘到一起之后，这便是盘式刀库的

负载转矩最主要的来自刀具不平衡的重量，，根据资料，将重心设置在刀库的车削中心

半径处，用最大刀具的重量进行计算

假设刀库半径为250mm,刀具的最大重量为6kg。则Tl=6kgX9.8N/kgX

250mm=14.7N•g/mm

把如上计算的负载转矩，转换为电机轴上的转矩TL的公式为:

其中：n——传动效率;

i一一传动比。

本设计中，为了降低传动速度，传动比定为1=20。

传动效率为〃总=n电n2n3

=0.72X0.99X0.99

=0.699

其中：”——联轴器的传动功率；

%——蜗杆的传动功率；

%——轴承的传动功率。

一=盖=1.052y/〃〃〃

在实际操作的过程中，真实的情况应该更为复杂，因此需要将电动机的额定转矩Ts定

位原来负载转矩的1.2-1.5倍，

Ts>(1.2〜1.5)TL

Ts>(1.2〜1.5)X1.0527V•g/mm

7s>(1.2624-1.578)N・g/mm

2.2按加速时的最大转矩选定

加速时的最大转矩T,分别是加速转矩q和负载转矩,，即:

T>T0+TL

加速转矩।按照下而式子计算:

Ijinm,,，、…、

--6--0-f----"j,+J1L)A(N

式中：；/a一加速时间,取150〜200(ms)

/2m刀库选刀时电动机转动的速度(”min)；

-负载惯量折算到电动机轴上的惯量。

m-电动机转子惯量

22

设计中，初选nm=800r/min,Jm=0.030Ngmgs,JL=0.015Ngmgs,ta=180ms=1.8so

,3勰q+jJ

_2X3.14X800

X(0.03+0.015)

60X1.8

%2.09Ngm

•••7>767+71

7>2.09+1.052

7>3,142

加速时的最大转矩7应小于电机的最大转矩Tmax,即:

TVTmax

2.3校验

JL=0.015Ngmgs2Jm=0.030Ngmgs2

■:JL<JM

・・・这个结果能够满足校验要求。

通过上面计算出来的结果选择的电机型号如下：

表2-1所选电机型号

型输入功率额定转矩最大转矩Tmax最高转速转子惯量

号P(左卬)Ts(Ng/mni)(Ngm)Nmax(r/min)Jm(Ngmgs2)

FB252.51.53.28000.030

2.4分配传动比

在前面已介绍为了降低传动速度，传动比选为20.

各轴转速

I轴n\=nm=S00r/min

nl800

..nil=—=---=4Or/min

ITIT轴zil207

各轴的输入功率

I轴Pi=Pdn1=2.5X0.99=2.475kw

II轴Pn=Pin2e2.475X0.72XO.99=1.764kw

各轴的输入转矩

电动机的输入转矩Td为:

Td=9.55X106X—=9.55X1O6X^_=29843.757V^mm

故：I轴Ti=7dn1=29843.75X0.99=29545.3125^gimn

II轴Tn=Ti小〃3力:29545.3125X0.72X0.99X20=421197.975Ng〃〃〃

表2-2分配传动比

轴名功率户（bv；转矩T/Ngmm转速日（r/rnin）传动比i效率n

电机轴2.529843.7580010.99

I轴2.47529545.3125800200.99

II轴1.764421197.97540200.72

第3章刀库传动部分的设计

3.1刀套的线速度

选刀的效率很大程度取决于刀套的线速度，太快的线速度影响刀库工作的安全、可靠性,

太慢的线速度又影响效率。综合考虑，决定将刀套线速度定在22m/min到3（）m/min之间。

3.2刀库传动方式

本次设计使用到了大二学过的减速器，这样的目的是为了让伺服电机能够在使用时

处于最佳工作状态中。

蜗杆传动的设计：

本设计采用45号蜗杆，ZCuSnlOPl是此蜗杆所采用的材料，该蜗杆的表面硬度设计为

>5HRC,进行砂型铸造。

,计算步骤如下所示：

（一）选择【"J4】值

1、当量摩擦系数：设躇=4m/s〜7m/s,《机械设计基础》〃产0.03

取大值；夕产2°

2、选【力/〃】值：在《机械设计基础》在i=20线上

任选一点，查得，d\/a=0.355,y=\3°（z/=2）

Q1=0.88（传动啮合效率）。

（一）中心距计算

1、蜗轮转矩：T2=T/iny=29545.3125X20X0.88->-T2=519997.5Ngmm

2、使用系数：按题意查《机械设计》表12.9--KA=1.1

Z“=（_+l）T/8

3、转速系数：8

=（如%一

8Zn=0.72

z.=\47手旃

4、弹性系数：由《机械设计基础》查表得£

r12500（）

5、寿命系数：V。

_J25000

~V12000Zn=l.I3<1.6

6、接触系数：由《机械设计基础》查出ZP=2.85

7、接触疲劳极：由《机械设计基础》查得=265MPa

8、根据《机械设计基础》查得接触疲劳最小安全系数：S'lim=L3

9、中心距：4冬见，

147x2.851.3、2

=31.1x415998x(-----------------x——)一

0.72x1.13265取a=160mm

=142.9

中心距由《机械设计手册第三册》的(GB10085-88)选取而得。

(三)传动基本尺寸

1、蜗杆头数：由《机械设计基础》查得

r=13°,zi=2

Z[=(7+2.4右)/〃

=(7+2.47160)/20

取zi=2

=1.86

,rl+人/她2a—，nq2x160-6.3x10“一、

2、蜗111轮系数：z.=------------=--------------------------=40.79取Z2=4

m6.3

3、模数：m=(1.4〜1.7)tz/z2

=(1.4~1.7)X160/41

=5.4〜6.63取m=6.3

4、蜗杆分度圆直径：df=[dl/a\a

=0.355X16()=56.8或

d1=0.68a。875

=0.68X160°875=57.69

取标准值

(参照《机械设计基础》)取di等于63mm

5、蜗轮分度圆直径：上=2a-d\-2xni

=2X160-63-2X(-0.65)X6.3

di=265.19mm

6、蜗杆导程角：由〃y=zim/di=2X6.3/63=0.2r=n.3i°

7、蜗轮宽度：/A=2,77(0.5+.p+l)

Vm

=2x6.3x(0.5+J券+1)

取匕2=50mm

=48.089

8、蜗杆圆周速度:v5=^dini/(60X800)

=nX63X800/60X800v产3.3

9、相对滑动速度计算：vs=w/cosy

=3.3/cosH.3\°Vs=3.37/7/Zy

4=0.25

10、由《机械设计基础》查得当量摩擦系数：

A=1.7°

(四)解除齿面疲劳强度验算

1、许用接触应力：［b'kZ'Z.y也

„__…265

=0.72xl.l3x---

[aH]=[65.^MPa

1.3

2最大接触应力

11.1X421197.97S

ccl\160X160X160

=147X2.85X---------------------------

1七140.9140.9<

165.8MPa,因此合格

(五)齿轮的弯曲疲劳强度验算

1、齿根弯曲疲劳极限根据《机械设计基础》可知的im=U5MRz

2、弯曲疲劳的最小安全系数亦可以根据上诉书本选出：SFH^I.4

3、许用弯曲疲劳应力：［。尸］=｝皿

3Finin

115

[(j]=S2MPa

-L4F

4、轮齿的最大弯曲应力：c.=丝三

mb2d2

2x1.1x415998

=10.96<82MPtz

-6.3x50x265.19

合格

=10.96MP6/

（六）蜗杆轴扰度验算

1、轴惯性矩：/二口44/64=jix63力641=0.773X106mm4

2、允许蜗杆扰度：除］=0.004加=0.004x6.3⑸=0.0252〃"〃

3、蜗杆轴扰度：5=F/M?R+tan2(>+A)/(4SE/)

2x415998

x265.193x

265.19

(^=0.001/mj

7tan220o+tan2(11.31o+l.r)

48x2()6x10、0.773x1(「

（此处取人。2）合格

（七）温度的计算

I、传动啮合的效率：〃in"tan（y+p）,1=0,865

=tanll.31o/tan（11.31o+1.7°）

2、搅油的效率：根据《机械设计基础》以及蜗杆的润滑条件可知:

〃2=0.99

3、轴承的效率：根据蜗杆传动要求，查《机械设计手册》得：〃3=0.99

4、总效率：n=Q\m73=0.865X0.99X0.99〃=0.848

4=9x10-5/88

5、散热面积的估算:A=1.253m2

=9X10-5X160188

100077,(1-7)

6、箱体的工作温度：!“J°

tl=40.22℃<80℃,合格

1000x2.5x(1-0.848)

=---------------------F20

15x1.253

此处取“产/5W/（"/g。C）,中等通风环境

（八）润滑油粘度和润滑方法

1、润滑油粘度：由v=3.37m2再根据《机械设计基础》可得：V40r=320m7s

2、润滑方法：查阅《机械设计》后，选用浸油润滑的方式

所有计算结果如表2-3所示：

名称符号计算结果

蜗杆头数22Z2=2

模数mm=6.3mni

蜗杆分度圆直径力di=63nun

中心距aa=160mni

蜗轮齿数Z2Z2=4J

蜗轮分度圆直径d2d2=265.19inm

蜗轮宽度bib2=50mm

蜗杆轴向齿距冗

px=mpx=19.79mm

=39.6〃〃〃

蜗杆导程p2=Jrmzip.

蜗杆齿顶圆直径4〃=75.6〃〃〃

da/=d/+2ham

蜗杆齿根圆直径

dfi=di-2(ha+c)dfi=47.88mni

节圆直径di=di+2xmdi=60.905inm

中圆导程角3

y=mzl/dlrr=/6.7

蜗轮喉圆直径d(,2=d2+2(ha+xm)da2=269.6nim

蜗轮齿根圆直径dp=d2-2(ha-xm+c)dj2=241.88tnm

蜗轮外径de2-27L49mm

2-3蜗轮蜗杆的几何尺寸表

注：取齿顶高/?”二〃?，径向间隙c=0.2m,x=---o

m

计算完成了并确定刀套的各种尺寸等数据后，我绘制了刀套CAD零件图，如