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1 緒 論
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，世界先進(jìn)制造技術(shù)的興起和成熟，而對(duì)作為現(xiàn)代制造業(yè)非常重要的加工中心提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)加工中心的組成部分提出了更高的性能指標(biāo)。
加工中心是一種綜合加工能力較強(qiáng)的數(shù)控加工設(shè)備，工件一次裝夾后能完成較多的加工工序，加工精度較高，就中等加工難度的批量工件，其效率是普通設(shè)備的5～10倍，特別是它能完成許多普通設(shè)備不能一次完成的加工。加工中心對(duì)形狀較復(fù)雜，精度要求高的單件加工或中小批量多品種生產(chǎn)更為合適，特別是對(duì)于必需采用工裝和專用設(shè)備來保證產(chǎn)品質(zhì)量和效率的工件，采用加工中心加工，可以省去工裝和專機(jī)。這為新產(chǎn)品的研制和改型換代節(jié)省大量的時(shí)間和費(fèi)用，從而使企業(yè)具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。然而目前國內(nèi)外加工中心的生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)生產(chǎn)的加工中心大多是大、中型零件的加工。
加工中心有多種形式，常見的有盤式、鏈?zhǔn)絻煞N刀庫。
盤式結(jié)構(gòu)中,刀具可以沿著主軸的軸向、徑向、斜向按放，刀具軸向的安裝的結(jié)構(gòu)最為緊密，但為了換到時(shí)與主軸同向，有的刀具庫中刀具需要在換刀位作90度翻轉(zhuǎn)。在刀庫容量較大時(shí)，為在存放方便的同時(shí)保持結(jié)構(gòu)緊湊，可采用彈倉式結(jié)構(gòu)，目前大量的刀庫安裝在機(jī)車立柱的頂面或側(cè)面，在刀庫較大時(shí)，也有安裝在專門的地基上，以隔離刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)造成的震動(dòng)。
鏈?zhǔn)降稁齑娣诺毒呷萘勘缺P式大，結(jié)構(gòu)比較靈活，可以采用加長鏈帶方式加大刀庫容量，也可以采用鏈帶折疊回繞的方式提高空間利用率，在需要刀具容量較大時(shí)，還可以采用多鏈帶結(jié)構(gòu)。
1.1 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
1.1.1 當(dāng)前世界NC機(jī)床的研究現(xiàn)狀
世界各國對(duì)數(shù)控機(jī)床、加工中心以至FMS、CIMS等各種新技術(shù)的研究與發(fā)展進(jìn)程，是與世界經(jīng)濟(jì)形勢(shì)緊密相連的。機(jī)床工業(yè)與世界經(jīng)濟(jì)相互促進(jìn)和發(fā)展，進(jìn)入21世紀(jì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，人們的知識(shí)所起的作用更加突出，而機(jī)床工業(yè)作為機(jī)器制造業(yè)的基礎(chǔ)，其重點(diǎn)地位與戰(zhàn)略意義更加明顯。當(dāng)前世界NC機(jī)床的技術(shù)研究主要有以下幾點(diǎn)：
1.更加重視新技術(shù)和創(chuàng)新
在世界范圍內(nèi)，對(duì)新工藝、新材料、新結(jié)構(gòu)、新單元、新元件的研究開發(fā)工作正在大力發(fā)展，如新的刀具材料、新的主軸結(jié)構(gòu)、高速電主軸、高速直線電機(jī)等的開發(fā)研究。以加工工藝的改進(jìn)創(chuàng)新為基礎(chǔ)，為加工超硬、難切削材料及特殊符合材料及復(fù)雜零件、不規(guī)則曲面等在不斷研究開發(fā)新機(jī)種。
2.提高機(jī)床加工的精度的研究
為了提高加工中心的加工精度，不斷提高機(jī)床的剛度、減少振動(dòng)，消除熱變形，降低噪聲，提高NC機(jī)床的定位精度、重復(fù)精度、工作可靠性、穩(wěn)定性、精度保持性，世界很多國家都在進(jìn)行機(jī)床熱誤差、機(jī)床運(yùn)動(dòng)及負(fù)載變形誤差的軟件補(bǔ)償技術(shù)研究，并采取精度補(bǔ)償、軟件補(bǔ)償?shù)却胧┘右愿纳疲械囊芽墒勾祟愓`差消除60%。并在不斷開發(fā)精細(xì)加工，納米加工。
3.提高機(jī)床加工生產(chǎn)率的研究
世界NC機(jī)床、加工中心及相應(yīng)的高速電主軸、直線電機(jī)、測(cè)量系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、NC系統(tǒng)的開發(fā)，均以提高生產(chǎn)率為前提。
4.許多國家都已經(jīng)開始對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的智能化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化研究
1.1.2 我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r
我國數(shù)控機(jī)床工業(yè)起步較早，北京機(jī)床研究所于1973年研制了臥式加工中心JCS013。1980 年北京機(jī)床研究所引進(jìn)了日本FANUC 公司的數(shù)控系統(tǒng)制造技術(shù)，并投入批量生產(chǎn)。國家“六五”和“七五”規(guī)劃期間，我國大力發(fā)展加工中心，幫助部分骨干企業(yè)與國外廠商進(jìn)行合作，引進(jìn)了加工中心的制造技術(shù)?！鞍宋濉逼陂g科技攻關(guān)開發(fā)自主版權(quán)數(shù)控系統(tǒng)兩個(gè)階段，已為數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)業(yè)化奠定了良好的基礎(chǔ)，并取得了長足的進(jìn)步。“九五”期間數(shù)控機(jī)床發(fā)展已進(jìn)入了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化階段。
1.部分產(chǎn)品已達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平
具備了自行開發(fā)各種各樣專用機(jī)床和特殊功能機(jī)床系統(tǒng)的能力。數(shù)控機(jī)床新開發(fā)品種300個(gè)，已有一定的覆蓋面。新開發(fā)的國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床大部分達(dá)到國際20 世紀(jì) 90 年代水平，為國家重點(diǎn)建設(shè)提供了一批高水平數(shù)控機(jī)床。
2.數(shù)控機(jī)床在技術(shù)上取得了一定的進(jìn)步
進(jìn)入了高速高精度精密數(shù)控機(jī)床生產(chǎn) 國行列。高速主軸制造技術(shù)可達(dá)12000~18000r/min，快速進(jìn)給可達(dá)60m/min，快速換刀可達(dá) 1.5s可以生產(chǎn)定位精度達(dá)3um的立式加工中心、主軸回轉(zhuǎn)精度達(dá)8um 的臥式加工中心和精度為2um 的車削中心等。
3.多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)更加成熟
0.1um 當(dāng)量的超精密數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控仿形系統(tǒng)、非圓齒輪加工系統(tǒng)、高速進(jìn)給數(shù)控系統(tǒng)、實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)都已研制成功。尤其是基于PC 機(jī)的開放式智能化數(shù)控系統(tǒng)，可實(shí)施多軸控制，具備聯(lián)網(wǎng)進(jìn)線等功能。這些數(shù)控系統(tǒng)的研制成功使得多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)技術(shù)已不再是難題，且逐漸成熟。
4.大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床配套產(chǎn)品已能國內(nèi)生產(chǎn)
我國數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠共有 100 多家，數(shù)控系統(tǒng)（包括主軸和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)單元）生產(chǎn)企業(yè)約50 家，生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床配套產(chǎn)品的企業(yè)共計(jì)300 余家，產(chǎn)品品種包括八大類2000 種以上。數(shù)控機(jī)床自我配套率超過60%。
5.在網(wǎng)絡(luò)化、集成化、柔性化數(shù)控制造成套設(shè)備技術(shù)上也有了新突破
網(wǎng)絡(luò)化、集成化、柔性化數(shù)控制造裝備可實(shí)現(xiàn)在多臺(tái)機(jī)床連成的局域網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)集成、資源共享、實(shí)時(shí)圖象監(jiān)視和管理，服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)加工對(duì)象的實(shí)體造型并將刀具路徑文件和加工程序自動(dòng)化送至各數(shù)控機(jī)床。
總之，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的不斷深入，中國在加入WTO參與世界市場(chǎng)激烈競(jìng)爭(zhēng)中，無論是國內(nèi)市場(chǎng)、國際市場(chǎng)，對(duì)NC機(jī)床的需求將日益增多，NC機(jī)床的發(fā)展前景非常廣闊。中國機(jī)床工業(yè)能否振興、NC 機(jī)床技術(shù)能否迅速提高、產(chǎn)量能否迅速擴(kuò)大，關(guān)鍵在于中國是否有此實(shí)力。
1.1.3 加工中心的發(fā)展動(dòng)向
近年來，加工中心的發(fā)展主要目標(biāo)是主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和自動(dòng)換刀（ATC）的高速化、縮短輔助時(shí)間、提高加工精度、縮短刀具交換時(shí)間、提高自動(dòng)化程度等。國際上加工中心正向自動(dòng)化程度更好、機(jī)床精度更高、功能更全、切削效率更高、機(jī)床結(jié)構(gòu)更趨合理的方向發(fā)展。
1.1.4 我國數(shù)控機(jī)床研究存在的問題
我國的數(shù)控機(jī)床行業(yè)在近幾年中有了很大的發(fā)展，但對(duì)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)口量依然很大。我國進(jìn)口的NC 機(jī)床，大都是自己不能生產(chǎn)、水平達(dá)不到的中、高檔機(jī)床，其中特別是加工中心。均采用CAD、有限元分析、先進(jìn)的數(shù)控程序軟件等先進(jìn)方法，配套基礎(chǔ)元部件、NC 系統(tǒng)實(shí)行國際配套方面，我國仍需大力提高。
1.2 加工中心概論
加工中心的功能及特點(diǎn)：
1.加工中心的功能
加工中心（Machining Center-MC）是一種功能較全的數(shù)控加工機(jī)床。它把銑削、鏜削、鉆削和切削螺紋等功能集中在一臺(tái)設(shè)備上，使其具有多種工藝功能。加工中心設(shè)置有刀庫，刀庫中存放著不同數(shù)量的各種刀具和量具，在加工過程中由程序自動(dòng)選用和更換。這是它與數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床的主要區(qū)別。加工中心與同類數(shù)控機(jī)床相比結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，控制系統(tǒng)功能較多。加工中最少有三個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，多的達(dá)十幾個(gè)。其控制功能最少可實(shí)現(xiàn)兩軸聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)刀具運(yùn)動(dòng)直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)。多的可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)、六軸聯(lián)動(dòng)，從而保證刀具進(jìn)行復(fù)雜加工。加工中心還具有不同的輔助功能；如：各種加工固定循環(huán)，刀具半徑自動(dòng)補(bǔ)償，刀具長度自動(dòng)補(bǔ)償，刀具破損報(bào)警，刀具壽命管理，過載超程自動(dòng)保護(hù)，絲杠螺距誤差補(bǔ)償，絲杠間隙補(bǔ)償，故障自動(dòng)診斷，工件與加工過程圖形顯示，人機(jī)顯示，工件在線檢測(cè)和加工自動(dòng)補(bǔ)償、離線編程等，這些功能提高了數(shù)控機(jī)床的加工效率，保證 了產(chǎn)品的加工精度和質(zhì)量，是普通加工設(shè)備無法相比的。
2.加工中心的特點(diǎn)
加工中心是典型的集高新技術(shù)于一體的機(jī)械加工設(shè)備，它的發(fā)展代表了一個(gè)國家設(shè)計(jì)、制造的水平，因此在國內(nèi)外企業(yè)界都受到高度重視。加工中心綜合加工能力較強(qiáng)，工件一次裝夾后能完成較多的加工步驟，加工精度較高，對(duì)于中等加工難度的批量工件，其效率是普通設(shè)備的5~10 倍。加工中心對(duì)形狀較復(fù)雜，精度要求高的的單件加工或中小批量多品種生產(chǎn)更為合適。特別是對(duì)于必須采用工裝和專機(jī)設(shè)備來保證產(chǎn)品質(zhì)量和效率的工件，采用加工中心加工，可以省去工裝和專機(jī)。這為新產(chǎn)品的研制和改型換代接生大量的時(shí)間和費(fèi)用，從而使企業(yè)具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。因此它也是判斷企業(yè)技術(shù)技術(shù)能力和工藝水平標(biāo)志的一個(gè)方面。如今，加工中心已成為現(xiàn)代機(jī)床發(fā)展的主流方向，廣泛用于機(jī)械制造中。與普通數(shù)控機(jī)床相比，它有以下幾個(gè)突出要點(diǎn)：
1）工序集中
加工中心備有刀庫，能自動(dòng)換刀，并能對(duì)工件進(jìn)行多工序加工?，F(xiàn)代加工中心可使工件在一次裝夾后實(shí)現(xiàn)多表面、多工位的連續(xù)、高效、高精度加工，即工序集中。這是加工
中心最突出的特點(diǎn)。
2）加工精度高
加工中心同其他數(shù)控機(jī)床一樣具有加工精度高的特點(diǎn)，而且加工中心可一次裝夾工件，實(shí)現(xiàn)多工序集中加工，減少了多次裝夾帶來的誤差，故加工精度更高，加工質(zhì)量更加穩(wěn)定。
3）適用性強(qiáng)
加工中心對(duì)加工對(duì)象的適用性強(qiáng)。加工中心改變加工零件時(shí)，只需重新編制（更換）程序，輸入新的程序就能實(shí)現(xiàn)對(duì)新的零件的加工，這對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件的單件、小批量生產(chǎn)及新產(chǎn)品試制帶來極大的方便。同時(shí)，它還能自動(dòng)加工普通機(jī)床很難加工或無法加工的精密復(fù)雜零件。
4 ）生產(chǎn)效率高
加工中心帶有刀庫，在一臺(tái)機(jī)床上能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測(cè)量和機(jī)床的調(diào)整時(shí)間，減少工件半成品的周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)和存放時(shí)間，機(jī)床的切削利用率（切削時(shí)間和開動(dòng)時(shí)間之比）高。
5）經(jīng)濟(jì)效益好
加工中心加工零件時(shí)，雖分?jǐn)傇诿總€(gè)零件上的設(shè)備費(fèi)用較昂貴，但在單件、小批量生產(chǎn)的情況下，可以節(jié)省許多其他方面的費(fèi)用。由于是數(shù)控加工，加工中心不必準(zhǔn)備專用鉆模等工藝裝備，加工之前節(jié)省了劃線工時(shí)，零件安裝到機(jī)床上之后可以減少調(diào)整、加工和檢驗(yàn)時(shí)間。另外，由于加工中心的加工穩(wěn)定，減少了廢品率，使生產(chǎn)成本進(jìn)一步下降。
6）自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低
加工中心的加工零件是按事先編好的程序自動(dòng)完成的，操作者除了操作鍵盤、裝卸零件、進(jìn)行關(guān)鍵工序的中間測(cè)量以及觀察機(jī)床的運(yùn)行之外，不需要進(jìn)行繁重的重復(fù)性手工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度可大為減輕。
7）有利于生產(chǎn)的現(xiàn)代化管理
用加工中心加工零件，能夠準(zhǔn)確地計(jì)算零件的加工工時(shí)，并有效地簡(jiǎn)化檢驗(yàn)和工夾具、半成品的管理工作。這些特點(diǎn)有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。
1.2.1 自動(dòng)換刀系統(tǒng)產(chǎn)品化的意義和前景
自動(dòng)換刀系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。刀具夾持元件的結(jié)構(gòu)特性及它與機(jī)床主軸的聯(lián)結(jié)方式，將直接影響機(jī)床的加工性能。刀庫結(jié)構(gòu)形式及刀具交換裝置的工作方式，則會(huì)影響機(jī)床的換刀效率。自動(dòng)換刀系統(tǒng)本身及相關(guān)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，又會(huì)對(duì)整機(jī)的成本造價(jià)產(chǎn)生直接影響。
隨著機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對(duì)于帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的高效高性能加工中心的需求量越來越大。在現(xiàn)有的各種類型的加工中心中，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)的造價(jià)在機(jī)床整機(jī)造價(jià)中總是占著很大比重，這是加工中心價(jià)格居高不下、應(yīng)用不普遍的重要原因。如果把自動(dòng)換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造從現(xiàn)有加工中心的制造模式中分離出來，把它作為加工中心的標(biāo)準(zhǔn)件或附件組織專門化的生產(chǎn)，同時(shí)由于該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用簡(jiǎn)化了機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)、采用彈簧夾頭和外驅(qū)動(dòng)機(jī)械手等關(guān)鍵技術(shù)、采用圓柱柄刀具和輔具，這不僅使數(shù)控機(jī)床工作性能有所提高，而且使得由它配套構(gòu)成的加工中心的總體造價(jià)大幅度下降。低造價(jià)高性能的加工中心將會(huì)被中小廠廣泛接收，這樣必將給自動(dòng)換刀系統(tǒng)生產(chǎn)廠商和加工中心制造廠商帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
1.3 本論文研究的目的和意義
本課題開發(fā)設(shè)計(jì)的小型加工中心刀庫。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和普及，加工中心的作用越發(fā)突顯它的重要性。為進(jìn)一步提高數(shù)控機(jī)床的加工效率，數(shù)控機(jī)床正向著工件在一臺(tái)機(jī)床一次裝夾即可完成多道工序或全部工序加工的方向發(fā)展，因此出現(xiàn)了各種類型的加工中心機(jī)床，如車削中心、鏜銑加工中心、鉆削中心等等。這類多工序加工的數(shù)控機(jī)床在加工過程中要使用多種刀具，因此必須有自動(dòng)換刀裝置，也就是所說的刀庫，以便選用不同刀具，完成不同工序的加工工藝。自動(dòng)換刀裝置應(yīng)當(dāng)具備換刀時(shí)間短、刀具重復(fù)定位精度高、足夠的刀具儲(chǔ)備量、占地面積小、安全可靠等特性。
1.4 本論文完成的主要工作
本論文是開發(fā)設(shè)計(jì)出一種體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格較低、生產(chǎn)周期短的小型立式加工中心無機(jī)械手換刀刀庫。主要完成以下工作：
1.通過深入各種類型的企業(yè)、高工專學(xué)校、中專、技校現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，通過查閱相關(guān)的資料，對(duì)國內(nèi)外同類產(chǎn)品進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研、技術(shù)調(diào)研和社會(huì)環(huán)境調(diào)研，了解該產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展方向，從而確定本課題的可行性和必要性。
2.通過對(duì)不同的結(jié)構(gòu)原理方案和各部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的分析對(duì)比，確定加工中心刀庫的總體技術(shù)設(shè)計(jì)方案和主要技術(shù)性能參數(shù)。
3.通過對(duì)加工中心的自動(dòng)換刀系統(tǒng)不同設(shè)計(jì)方案的對(duì)比分析，確定刀庫的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)和計(jì)算。
4.用CAD軟件繪制總體裝配圖、各部件、組件裝配圖及主要非標(biāo)準(zhǔn)零件的零件圖。
2 總體方案的設(shè)計(jì)
加工中心刀庫的總體方案設(shè)計(jì)是根據(jù)其功能和設(shè)計(jì)要求，從全局的角度，以系統(tǒng)的觀點(diǎn)，進(jìn)行自動(dòng)換刀裝置刀庫整體方面的設(shè)計(jì)，主要包括運(yùn)動(dòng)功能方案設(shè)計(jì)、基本參數(shù)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)等內(nèi)容。
2.1 運(yùn)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)
加工中心主要用來加工小型板類、盤類、模具類、多孔類零件上的小孔和平面。主要是鉆削和銑削加工。
2.1.1 運(yùn)動(dòng)數(shù)目的確定
要實(shí)現(xiàn)以上各種零件表面的鉆削和銑削加工功能，機(jī)床必須具有以下運(yùn)動(dòng)：一個(gè)是主運(yùn)動(dòng)即主軸帶動(dòng)刀具回轉(zhuǎn)（Vc）；另一個(gè)是三個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，包括實(shí)現(xiàn)切入工件一定深度（Z方向）的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；實(shí)現(xiàn)在水平面內(nèi)兩個(gè)方向（X、Y方向）的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。此外，還必須有換刀功能，因此還必須有非成形運(yùn)動(dòng)，如換刀需要刀庫轉(zhuǎn)位、移動(dòng)等運(yùn)動(dòng)。
2.1.2 運(yùn)動(dòng)方案的確定
加工中心加工工件所需的這些運(yùn)動(dòng)，必須由對(duì)應(yīng)的執(zhí)行部件來實(shí)現(xiàn)。加工中心的主運(yùn)動(dòng)一般都由主軸部件（主傳動(dòng)系統(tǒng)）來完成，而進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可以由工件來完成；也可以由刀具來完成；或者是由刀具和工件來共同完成。這樣就影響到部件的相互位置關(guān)系的配制和總體關(guān)系。采用哪種形式與被加工工件尺寸、形狀、質(zhì)量和功能等因素有關(guān)。對(duì)具有鉆、銑的功能的立式加工中心，根據(jù)工件的質(zhì)量、尺寸等的不同，可以有以下幾種不同的運(yùn)動(dòng)
方案：
1.由工件完成三個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，當(dāng)加工質(zhì)量較輕工件時(shí)，分別由X-Y向工作臺(tái)和升降臺(tái)來實(shí)現(xiàn)；
2.工作臺(tái)帶動(dòng)工件做一個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，其他兩個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由刀具在立柱與橫梁上移動(dòng)來完成，這種方案不僅適用于質(zhì)量大的工件加工，還可增多主軸頭，使加工中心的生產(chǎn)效率得到很大的提高。
3.由刀架來完成三個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，當(dāng)加工較重或尺寸較高的工件時(shí)，則不宜由工件做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而是工作臺(tái)固定不動(dòng)，改為由刀具來完成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。采用了立柱在床身上沿前后方向移動(dòng)來Y方向的進(jìn)給；由刀具在橫梁上移動(dòng)來完成Z向的進(jìn)給。通常見于大 、中型動(dòng)柱式加工中心。這種方案可以避免的尺寸工作臺(tái)在溜板兩端極限位置發(fā)生翹曲和大溜板加工難的問題，從而減少了溜板和結(jié)構(gòu)的多層，有利于提高機(jī)床精度。
4.由工作臺(tái)實(shí)現(xiàn) X、Y 兩個(gè)方向的進(jìn)給，而唷刀具來完成垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，當(dāng)加工質(zhì)量較輕、體積較小的工件，且主軸部件的重量、體積較小時(shí)，也可以由X-Y工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的進(jìn)給，而由刀具來完成垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。適用于小型加工中心，通常都采用固定立柱方式。由于立柱固定在床身上，就便于把刀庫、電柜等裝在立柱上。
2.2 功能部件的設(shè)計(jì)方案
加工中心一般由主傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給伺服系統(tǒng)、自動(dòng)換刀系統(tǒng)、基礎(chǔ)部件、數(shù)控系統(tǒng)和輔助裝置等部分組成。
2.2.1主傳動(dòng)系統(tǒng)
主傳動(dòng)系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)加工中心的主運(yùn)動(dòng)。由主軸箱、主軸、軸承、松拉刀機(jī)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)等零件組成。這是加工中心自動(dòng)換刀裝置的關(guān)鍵部分，主軸的啟動(dòng)、停止、變速等動(dòng)作通過數(shù)控系統(tǒng)控制由主傳動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。并且通過安裝在主軸上的刀具實(shí)現(xiàn)切削運(yùn)動(dòng)。
要求主軸部件必須具備足夠的轉(zhuǎn)速范圍、功率和扭矩，在大部分轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)要保持恒功率，當(dāng)降到計(jì)算轉(zhuǎn)速以下時(shí)，要保持恒扭矩傳動(dòng)；主傳動(dòng)系統(tǒng)的各零部件，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和必要的剛度及抗震性能；噪聲低、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性好。傳動(dòng)方案有以下幾種：
1.齒輪傳動(dòng)
目前加工中心主傳動(dòng)大多用寬調(diào)速主軸電機(jī), 其調(diào)速范圍達(dá) 1：100。對(duì)某些中小型加工中心，已經(jīng)足夠了，不需要經(jīng)過齒輪變速。如果所需轉(zhuǎn)速范圍超過 1：100（如中型以上規(guī)格的加工中心），則需通過齒輪換檔的方法實(shí)現(xiàn)。
2.帶傳動(dòng)
加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)使用的帶傳動(dòng)多為同步帶傳動(dòng)。它是一種綜合了帶、鏈傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)的新型傳動(dòng)。具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1）傳動(dòng)比準(zhǔn)確 同步帶傳動(dòng)是嚙合傳動(dòng)，工作時(shí)無滑動(dòng)。
2）傳動(dòng)效率高 可達(dá)98%以上，節(jié)能效果明顯。
3）重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊 不需依靠摩擦傳動(dòng)，預(yù)緊張力小，對(duì)軸和軸承的作用力小，帶輪直徑小。
4）線速度高 可達(dá)50m/s，因齒形帶較薄。
5）傳動(dòng)平穩(wěn) 動(dòng)態(tài)特性良好，能吸振，噪聲小。
6) 使用范圍廣 傳遞功率由幾瓦至數(shù)千瓦，速比可達(dá)10左右。
7）使用保養(yǎng)方便 不需要潤滑，耐油、耐磨性和抗老化好，還能在高溫、灰塵、水及腐蝕介質(zhì)等環(huán)境中工作。
由于以上優(yōu)點(diǎn)，所以實(shí)際中多用。但安裝要求較高，兩帶輪軸心線平行度要求高，中心距要求嚴(yán)格。帶和帶輪的制造工藝復(fù)雜，成本低。
3.電主軸
有內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”，這種傳動(dòng)方式取消了從主電動(dòng)機(jī)到主軸之間一切中間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)（如皮帶、齒輪、離合器等），實(shí)現(xiàn)了主電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸的一體化。
如果采用齒輪、帶傳動(dòng)則需自行設(shè)計(jì)主傳動(dòng)系統(tǒng)，將會(huì)增加設(shè)計(jì)和制造周期，且為單件生產(chǎn)，成本也較高，轉(zhuǎn)速也受到一定的限制。該加工中心主要用來加工小孔和小平面，因此要想提高零件加工的生產(chǎn)率，也須提高主軸的轉(zhuǎn)速。如果選用由專門廠家生產(chǎn)的已系列化和標(biāo)準(zhǔn)化電主軸，轉(zhuǎn)速可根據(jù)需要選擇。不僅可保證高的生產(chǎn)率，而且也可根據(jù)用戶的不同要求選用不同的規(guī)格，可縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造周期。對(duì)比以上三種方案選用電主軸。
2.2.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)
進(jìn)給系統(tǒng)由伺服電機(jī)、滾珠絲杠、導(dǎo)軌等組成。要求進(jìn)給伺服系統(tǒng)必須具有高速下的平穩(wěn)運(yùn)行，較高的定位精度且防止爬行，要求進(jìn)給系統(tǒng)中的機(jī)械傳動(dòng)裝置和元件具有較高的靈敏度，低摩擦阻力和動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差小以及高壽命等。
1.進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制方式
進(jìn)給伺服系統(tǒng)可分為半閉環(huán)、全閉環(huán)和混合伺服控制三種方式。
2.伺服電機(jī)常用的伺服電機(jī)有支流和交流兩種：
1）直流伺服電機(jī)
數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用較多的是寬調(diào)速直流伺服電機(jī)，其主要特點(diǎn)是調(diào)速范圍寬、低速運(yùn)行平穩(wěn)；負(fù)載特性硬、過載能力強(qiáng)，在一定的速度范圍內(nèi)可以做到恒力矩輸出；反應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好。但體積較大，電刷易磨損，壽命受到一定的限制。
2）交流伺服電機(jī)
這種伺服電機(jī)的主要特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩和慣量比高，能承受高的加減速；轉(zhuǎn)矩波動(dòng)?。坏退傩阅芎?，在很低速時(shí)，電機(jī)仍能平滑旋轉(zhuǎn)；在保證高輸出轉(zhuǎn)矩的情況下，電機(jī)的體積小，重量輕；由于采用高頻寬調(diào)制控制，電機(jī)只有很低的噪聲和振動(dòng)。利用交流伺服系統(tǒng)可進(jìn)行精密定位控制。所以應(yīng)用越來越廣。
由于該加工中心刀庫容量較小，而且精度較高，故選用交流伺服電機(jī)。設(shè)計(jì)中選用了日本Panasonic 公司生產(chǎn)的MINASA 系列交流伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器。
2.2.3 自動(dòng)換刀系統(tǒng)
通過自動(dòng)換刀系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)零件加工時(shí)的換刀。它由刀庫電機(jī)、傳動(dòng)裝置、刀夾等組成。任務(wù)要求采用無機(jī)械手換刀方式。
無機(jī)械手換刀方式是直接在刀庫與主軸（或刀架）之間的自動(dòng)換刀方式。這種換刀方式?jīng)]有機(jī)械手，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。換刀時(shí)必須首先將用過的刀具送回刀庫，然后再從刀庫中取出新刀具，這兩個(gè)動(dòng)作不能同時(shí)進(jìn)行，所以換刀過程較為復(fù)雜，它的選刀和換刀由三個(gè)坐標(biāo)軸的數(shù)控定位系統(tǒng)來完成，因此換刀時(shí)間較長，影響了機(jī)床的加工效率但是刀庫回轉(zhuǎn)時(shí)在工步于工步之間，即非切削時(shí)進(jìn)行的，因此雖然刀庫設(shè)置在立柱側(cè)面，卻免去刀庫回轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)對(duì)加工精度的影響。
適用于40號(hào)以下刀柄的小型加工中心或換刀次數(shù)少的用重型刀具的重型機(jī)床?？紤]到所設(shè)計(jì)的小型加工中心主要用于中小批量生產(chǎn)，且只用來加工小型零件上的孔和面，刀庫容量較小，無須過多考慮換刀時(shí)間的長短，決定采用30號(hào)刀柄。
2.刀庫形式的選取
無機(jī)械手換刀方式中，刀庫可以是圓盤形、直線排列式，也可以是格子箱式等。無機(jī)械手換刀方式中特別需要注意的是刀庫轉(zhuǎn)位定位的作用準(zhǔn)確度。圓盤形刀庫容量較小，刀庫結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，刀庫轉(zhuǎn)位、換刀方便，易控制。直線排列式和格子箱式刀庫結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，適用于刀庫容量較大的加工中心。
考慮到所設(shè)計(jì)的加工中心只用來加工小型零件上的孔和面，不必在刀庫里放太多刀具，根據(jù)實(shí)用性進(jìn)行考慮，因此選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容量較小、體積較小的圓盤式刀庫。
3.刀庫位置的放置
立式加工中心無機(jī)械手換刀方式的圓盤形刀庫的放置又兩種形式：
1）刀庫置于立柱側(cè)面大橫梁上
如圖2-4a) 所示。此方案可使工作臺(tái)的尺寸較小，且可采用廠家已生產(chǎn)隊(duì)合適尺寸的工作臺(tái)，可減少設(shè)計(jì)制造周期。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且不會(huì)發(fā)生刀庫和主軸干涉現(xiàn)象，但刀庫的支承剛性較差，須增強(qiáng)立柱的剛度，以減小橫梁彎扭矩的影響。
2）刀庫置于工作臺(tái)上
如圖 2-4b)所示。此方案刀庫的支承剛性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但影響加工中心主軸 y 軸方向上的行程，要求工作臺(tái)的尺寸較大，須自行設(shè)計(jì)，且減少了工作臺(tái)的有效面積
綜合分析以上兩種方案，采用 1）方案，即圖 2-4a)的布置形式。在立柱左邊安裝一橫梁，在橫梁有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上安裝有滑座，將刀庫安裝在滑座上，通過刀庫沿橫梁移動(dòng)刀主軸端，由主軸來實(shí)現(xiàn)換刀。
1.主軸箱 2.立柱 3.刀庫 4.工作臺(tái) 5.床身
圖 2-4 無機(jī)械手換刀裝置的布置
4.刀庫在橫梁上的移動(dòng)
刀庫在橫梁上的移動(dòng)由兩種方案：一方案使絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，采用滾珠絲杠和交流伺服電機(jī)；另一方案使液壓傳動(dòng)，采用液壓滑臺(tái)。由于液壓傳動(dòng)必須由專門設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)機(jī)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)刀庫的分度和定位。但此機(jī)構(gòu)定位精度不夠高，為提高其定位精度可采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
2.2.4 基礎(chǔ)部件
基礎(chǔ)部件是加工中心的基礎(chǔ)，由床身、立柱和工作臺(tái)等組成。主要承受加工中心的靜載荷和在加工時(shí)產(chǎn)生的切削負(fù)荷，因此必須由足夠的靜、動(dòng)剛度和精度保持性。
1.立柱
立柱采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其正面設(shè)置由導(dǎo)軌，導(dǎo)軌可采用滾動(dòng)和滑動(dòng)兩種結(jié)構(gòu)，可由用戶自行選擇。正中間安裝由滾珠絲杠，立柱導(dǎo)軌上安裝滑座、主軸箱。立柱中空，可安裝平衡塊，壁上設(shè)置有肋板，以增加立柱的強(qiáng)度和剛性。立柱連接在床身上。并且使主軸中心線與Z向進(jìn)給絲杠布置在同一個(gè)平面YOZ平面內(nèi)，絲杠的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)力與主切削抗力在同一平面內(nèi)，因而扭矩很小，容易保證銑削精度和鉆孔加工的平行。
2.床身
床身是加工中心的基礎(chǔ)部件，也是加工中心關(guān)鍵元件之一，床身結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣直接影響加工中心的使用性能。因此要求床身設(shè)計(jì)具有：
1）很高的精度和精度保持性
在床身上有安裝立柱和X-Y工作臺(tái)的加工面，這些面本身精度和相互位置精度要求很高。
2）具有足夠的動(dòng)靜剛度
機(jī)床在切削加工時(shí)靜、動(dòng)載荷往往都傳到床身上，所以床身上受力比較復(fù)雜。
3）較好的熱穩(wěn)定性、抗熱變形性、抗振性
在設(shè)計(jì)上要做到使整機(jī)熱變形較小、振動(dòng)小?；蚴篃嶙冃螌?duì)加工精度影響最小。
床身的設(shè)計(jì)要受到加工中心總體設(shè)計(jì)的制約，在滿足總體設(shè)計(jì)的前提下，盡可能做到床身外形、結(jié)構(gòu)合理，肋板布置恰當(dāng)，保證良好的冷熱加工性，減少機(jī)床重量，節(jié)省材料，提高整個(gè)機(jī)床的剛度。
3.工作臺(tái)
X-Y 向工作臺(tái)有兩種方案：一種是選用南京工藝裝備制造廠制造生產(chǎn)的 X-Y 兩軸精密數(shù)控工作臺(tái)，數(shù)控工作臺(tái)的上下兩層運(yùn)動(dòng)臺(tái)（X 向、Y 向）結(jié)構(gòu)相同。另一種是自行設(shè)計(jì)，橫向（Y向）滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠安裝在橫向?qū)к壔?。后一種方案各部分均需設(shè)計(jì)或選擇，且床身制造麻煩，周期長，不易實(shí)現(xiàn)系列化，單件生產(chǎn)成本也高。而前一種采用已系列化的精密數(shù)控工作臺(tái)，此工作臺(tái)已經(jīng)過許多用戶使用后的驗(yàn)證，精度較高，而且可根據(jù)不同的加工要求，選用不同的精度等級(jí)。不僅制造周期短、精度易保證，且可根據(jù)用戶的不同需要選擇不同的型號(hào)。故采用前一種方案。
2.2.5 數(shù)控系統(tǒng)
數(shù)控系統(tǒng)由CNC裝置、可編程控制器、伺服驅(qū)動(dòng)裝置等部分組成。由它來完成對(duì)加工中心各部分的控制工作。伺服驅(qū)動(dòng)裝置采用 Panasonic 公司生產(chǎn)的 MINASA系列交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。其他部分的設(shè)計(jì)方案根據(jù)用戶需要選擇。
2.2.6 輔助裝置
輔助裝置包括潤滑、冷卻、排屑、防護(hù)、液壓、氣動(dòng)和檢測(cè)系統(tǒng)和平衡裝置等部分。這些裝置雖然不直接參與切削運(yùn)動(dòng)，但對(duì)加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起著保障作用。
2.3 總體布局
經(jīng)過對(duì)以上運(yùn)動(dòng)方案和各部件的設(shè)計(jì)方案的定性分析比較可確定該小型立式加工中心刀庫的總體設(shè)計(jì)方案為：自動(dòng)換刀系統(tǒng)采用無機(jī)械手換刀，且刀庫置于立柱側(cè)面的橫梁上。刀庫在橫梁上的移動(dòng)采用滾珠絲杠傳動(dòng)和交流伺服電機(jī)采用盤形刀庫，由槽輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、分度和轉(zhuǎn)位，由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
總體結(jié)構(gòu)布局圖如圖2-5所示。
2.4 主要技術(shù)參數(shù)
根據(jù)已知條件，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，盡量使設(shè)計(jì)出來的加工中心結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，確定該加工中心的主要技術(shù)性能參數(shù)如下：
X、Y、Z行程（mm） 150×150×350
Z向快速移動(dòng)速度（m/min） 15
X、Y向快速移動(dòng)速度（m/min） 12
工作臺(tái)尺寸（長×寬）（mm×mm） 400×250
主軸轉(zhuǎn)速范圍（r/min） 0～18000
主軸電機(jī)功率（kw） 12
刀庫容量（把） 12
定位精度（mm） ±0.025
重復(fù)定位精度（mm） ±0.005
主軸錐孔 ISO/BT30
換刀時(shí)間（s/次） 8
機(jī)床總重量（kg） 650
外形尺寸（長×寬×高）（mm×mm×mm） 2036×1264×1670
最大工作進(jìn)給速度（m/min） 1
工作臺(tái)允許載荷（kg） 15
鉆孔能力（mm） 10
銑削能力（cm3/min） 80
圖 2-5 總體結(jié)構(gòu)布局示意圖
2.5 小結(jié)
本章對(duì)刀庫的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析、比較，確定了較合理的總體設(shè)計(jì)方案。還確定了主要技術(shù)參。
3 刀庫的設(shè)計(jì)
刀庫是加工中心的象征，是加工中心區(qū)別于NC鏜床和NC銑床的本質(zhì)所在，因此來說，刀庫的設(shè)計(jì)是加工中心設(shè)計(jì)的核心。由于作者所要設(shè)計(jì)的加工中心是一個(gè)主要用來加工中小批量電子元件等小型零件的小型加工中心，在滿足加工要求，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的條件下，應(yīng)盡量使加工中心的結(jié)構(gòu)緊湊，減小加工中心的外形輪廓尺寸，刀庫在滿足使用要求的前提下，盡量結(jié)構(gòu)使其簡(jiǎn)單緊湊，易制造，從而降低生產(chǎn)加工中心的成本。
3.1 刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在總體設(shè)計(jì)方案中已確定：自動(dòng)換刀系統(tǒng)采用無機(jī)械手換刀，且刀庫置于立柱側(cè)面的橫梁上。刀庫在橫梁上的移動(dòng)采用滾珠絲杠傳動(dòng)和快速移動(dòng)電機(jī)。采用盤型刀庫，由槽輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、分度和轉(zhuǎn)位，由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。
3.1.1 刀庫主要參數(shù)的確定
1.刀庫容量
本加工中心主要用來加工小型零件或多孔零件上的小孔和小平面，所以刀庫上主要安裝一些孔加工刀具（如鉆頭、擴(kuò)孔鉆等）和加工小平面的立銑刀及小直徑的面銑刀；同時(shí)又考慮到所選用電主軸軸端的尺寸及刀盤直徑等的限制；再考慮到主要用于中小批生產(chǎn)及教學(xué)實(shí)驗(yàn)等，刀具的品種不宜過多，以免造成不必要的浪費(fèi)和刀庫尺寸過大，采用12把刀。
2.刀具最大直徑和長度
立銑刀的最大直徑定為 40mm,鉆頭的最大直徑定為 10mm,最大工作部分長度定為150mm.
3.刀具最大重量為1kg.
4.刀具最大運(yùn)動(dòng)線速度為22m/min～30m/min.
3.1.2 刀盤部分的設(shè)計(jì)
1.刀盤尺寸的確定
刀盤采用輪輻式結(jié)構(gòu)，這樣既能滿足使用的要求，又能保證刀盤的強(qiáng)度。在整個(gè)設(shè)計(jì)的過程中要保證各個(gè)尺寸在換刀過程不發(fā)生干涉即可，刀盤直徑為 720mm,其他尺寸見刀盤零件圖。
2.刀爪尺寸的設(shè)計(jì)
刀爪的外型尺寸根據(jù)30號(hào)刀柄設(shè)計(jì)。
3.1.3 刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
1.刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)的選擇
目前圓盤式刀庫大多采用的是單頭雙導(dǎo)程蝸輪蝸桿傳動(dòng)，此傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在使用中可隨時(shí)調(diào)整蝸輪蝸桿的傳動(dòng)間隙，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)位分度，保證刀庫工作的可靠性，但此傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，而且單頭雙導(dǎo)程蝸輪和蝸桿的加工較困難。
槽輪機(jī)構(gòu)具有沖擊小，工作平穩(wěn)性較高，機(jī)械效率高，可以在較高轉(zhuǎn)速下工作，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易制造等優(yōu)點(diǎn)，在目前生產(chǎn)的鼓輪式刀庫的加工中心機(jī)床上很多采用槽輪機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)刀庫的分度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此本設(shè)計(jì)采用槽輪機(jī)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)刀庫的轉(zhuǎn)動(dòng)、分度和定位。但此機(jī)構(gòu)定位精度不夠高，為提高其定位精度可采用帶制動(dòng)器和交流伺服電機(jī)，從而可保證較高的定位精度。
2.槽輪機(jī)構(gòu)的工作原理
槽輪機(jī)構(gòu)（又稱馬耳他機(jī)構(gòu)）能把主軸的勻速連續(xù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為從動(dòng)軸的周期性間歇運(yùn)動(dòng)，常用于各種分度轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)中。槽輪機(jī)構(gòu)又三種基本類型：外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)、內(nèi)嚙合槽輪機(jī)構(gòu)和球面槽輪機(jī)構(gòu)。此刀庫采用外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)。外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)的工作原理如圖3-1所示。
外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)軸線與槽輪回轉(zhuǎn)軸線平行，通常轉(zhuǎn)臂作等速回轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)臂上的滾子進(jìn)入槽中，就撥動(dòng)槽輪作反向轉(zhuǎn)位運(yùn)動(dòng)，當(dāng)滾子從槽中脫出，槽輪即靜止不動(dòng)，并由鎖止盤定位。當(dāng)只有一個(gè)滾子時(shí)，轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)一周，槽輪作轉(zhuǎn)一個(gè)角度的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位、分度和定位。
圖3-1 槽輪機(jī)構(gòu)圖
槽輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
1）槽數(shù)Z 因刀庫容量為12把刀，所以槽輪槽數(shù)Z=12
2）槽間角2φ２ 2φ２＝360 o / Z＝360 /12=30 o
3）槽輪每次轉(zhuǎn)位時(shí)曲柄的轉(zhuǎn)角2φ1 2φ1=180-2φ２=150o
4) 槽輪與鎖止盤間的中心距L 為了使轉(zhuǎn)為定位機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊，采用L 360mm 。
5）主動(dòng)曲柄長度R1 R1=LSinφ２=360Sin15.5 o=93mm
6）槽輪半徑R2 R2=LCosφ２=360Cos15.5 o=348mm
7）圓銷半徑r r=R1/6=93/6=15.5mm
8) 槽底高b b=L-(R1+r) -(3 ~ 5)=248mm
9) 槽深h h=R2-b=348-248=100mm
10) 鎖止弧半徑R R=R -r -e 式中，e=(0.6 ~ 0.8)r ，且必須大于3～5mm,
取e=17.5mm,Rx=60mm
根據(jù)以上參數(shù)可設(shè)計(jì)出槽輪和鎖止盤的尺寸，如槽輪和鎖止盤的零件圖所示。
3.刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的選擇
刀庫的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇時(shí)，須考慮由摩擦引起的負(fù)載轉(zhuǎn)據(jù)和各負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
1）負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J LC 和刀庫系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J C
J LC=∑J i (ni/nm)2
JC=Jmc+JLC
式中 Ji—各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kgm2 ；
ni—各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)速，r/min；
Jmc—電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kgm2 ；
nmc—電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min。
JLC= (J DP +J Z +J CL+J SP ) nc/ nmc
式中J DP、J Z、J CL、J SP—分別為刀盤、軸、槽輪和鎖止盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kgm2 ；
nc—刀盤的轉(zhuǎn)速，r/min。
JDP=（π/32）×7.8×10﹣12DDP LDP
式中 DDP—刀盤直徑，mm；
LDP—刀盤厚度，mm。
JDP=（π/32）×7.8×10﹣12×（210-8×30-24）×10≈148×10kgm2
同理可求得：
Jz≈2.16×10 kgm2
J CL≈17.3×10 kgm2
J SP ≈5.2×10 kgm2
nc=(V×1000)/ πDDP≈24.5r / min
nmc =3000r/min
J CL≈1.4×10 kgm
J mC≥J CL/3≈0.45 ×10-4 kgm2
初選電機(jī)為 MQMA042A1D，其額定轉(zhuǎn)矩為1.3Nm，最大轉(zhuǎn)矩為 3.82 Nm，
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 0.64×10 kgm2 。
J C = J mC + J CL =0.64 + 1.4 = 2.04×10kgm2
2）摩擦引起的負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算
由重力產(chǎn)生的摩擦力矩 T FC（Nm）
TFC≈ μG C R SP
式中 μ—槽輪和鎖止盤間摩擦系數(shù)，取 0.15
G C—刀盤、軸、槽輪等的重量，N；
G C = 25.6 +12.6 + 9.8 + 8 +16 = 72N
R SP —滾子中心到鎖止盤中心的距離，31mm，
TFC≈0.15×72×31×10﹣3= 0.335Nm
0.335Nm〈1.3Nm(電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩),符合要求。
3）最大加速轉(zhuǎn)矩 T cam
當(dāng)電機(jī)從靜止升至 n max 時(shí)
T cam= J C×(2πnc max/60tCa)
式中 n cmax—電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，3000r/min；
t ca —加速時(shí)間(s) 取 0.2s
T cam=2.04 ×10 (2π×3000/60 ×0.2)≈0.32Kgm=3.2Nm
4)電機(jī)的最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩
TCr=Tcam+TFC
Tcr=3.2+0.335=3.535Nm
TCr=3.535≤3.82Nm(電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩)，符合要求。
最終確定電機(jī)型號(hào)為 MQMA042A1D，其輸出功率為 400W 。相應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器選 擇與電機(jī)相匹配的 MQMA043A1A型號(hào)。
3.1.4 軸的設(shè)計(jì)
軸是機(jī)械設(shè)備中的重要零件之一.其主要功能是支承作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零件,并傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力.根據(jù)軸的受力情況不同,可把軸分成心軸、轉(zhuǎn)軸和傳動(dòng)軸3種.軸的常用材料軸的材料主要采用碳素鋼和合金鋼,常用材料為優(yōu)質(zhì)中碳鋼,如35、45、50鋼，這里選取45鋼為材料.
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的合理外形應(yīng)滿足:軸和裝在軸上的零件要有準(zhǔn)確的工作位置;軸上的零件應(yīng)便于裝拆和調(diào)整;軸應(yīng)具有良好的制造工藝性.影響軸結(jié)構(gòu)的主要因素包括:軸的受力性質(zhì)、大小、方向及分布情況；軸上零件的布置和固定形式；所采用的軸承類型和尺寸；軸的加工工藝等.）軸的強(qiáng)度計(jì)算
由于功率P=400W已知,轉(zhuǎn)速n =250r/min,β取0.5,A取110, [т]取35MPa,
則軸徑 d ≥A3
d ≥1103= 128.7mm
式中 d--計(jì)算剖面處軸的直徑（mm）;
P--軸的傳遞功率（KW）；
n--軸的轉(zhuǎn)速（r/min）;
故d最小應(yīng)取129mm.軸徑取130mm。
校核軸
轉(zhuǎn)矩 T=9.55×10 p/n
T=9550000×0.4/250=10186N .mm
式中 p--功率；n—轉(zhuǎn)速。
圓周力 Ft1=2T1/d1=2×10186/120=1700N;
Ft2=2T2/d2=2×130822/120=681.4N;
Ft3=2T3/d3=620N;
徑向力 Fr1=Ft1tanα=1488N;
Fr2=Ft2tanα=248N；
Fr3=Ft3tanα=226N.
則由受力分析圖可知：
FAy=3687.4N,FAz=1342N,
FBy=1020.2N,FBz=372N,
水平面彎矩 Mcx=1342×30=40260N·mm;
Mdx=226×195=44070N·mm；
則M X ===59691 N·mm；
垂直面彎矩 Mcy=3687.4×30=110622 N·mm；
Mdy=620×195=120900 N·mm；
則M X===21872 N·mm；
求當(dāng)量彎矩 取修正系數(shù)α為0.6
M I = ==52371 N·㎜
MII ===19384 N·㎜
確定危險(xiǎn)截面及校核強(qiáng)度
σI= MI/ W
σI= MI/ W=52371/0.1×123=14.3 Mpa
σII= MI/ W=19384/0.1×123=11.6 Mpa
由參考文獻(xiàn)（機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)）知s=60 Mpa，滿足s￡小于s的條件，故設(shè)計(jì)的軸有足夠的強(qiáng)度，并有一定裕度。因此，此軸不必在做修改
軸的結(jié)構(gòu)和受力分析如圖（3-2）所示：
圖3-2-1
圖3-2-2 軸的結(jié)構(gòu)和受力分析
3.1.5 滾動(dòng)軸承的選擇計(jì)算
1 滾動(dòng)軸承的類型選擇:
選取向心球軸承原則:
①軸承負(fù)荷
②軸承的轉(zhuǎn)速
③調(diào)心性能
④安裝與拆卸
這里選取軸承代號(hào)為3182124的雙列向心短圓柱滾子軸承
基本額定動(dòng)載荷為255KN；
2 滾動(dòng)軸承的計(jì)算
滾動(dòng)軸承疲勞壽命的基本計(jì)算公式為:
L10=(C/P)ε
其中 ε--壽命系數(shù); 球軸承ε=3,滾子軸承ε=10/3;
P--當(dāng)量東載荷(N);
C--基本額定動(dòng)負(fù)荷(N);
因P=X×Fr+Y×Fa，又Fa =0，故P=1488×1=1488N,
其中X、Y由表3-89選的，
X=1，Y=0；
C=Cr=22KN, ε=3,
故其疲勞壽命 L10=(22×103/1488)3 =3.2×103×103×103r;
或由公式 L10h=103×103/60n·(C/P)ε
得 L10h=103×103/60×122·(22×103/1488)3≈441518h
因?yàn)樗O(shè)計(jì)軸的強(qiáng)度裕度不大，此軸不必在做修改
3.1.6 鍵的選用與計(jì)算
因?yàn)殒I是動(dòng)聯(lián)接，所以選用普通的平鍵
軸上鍵的選擇
由參考文獻(xiàn)（機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)）知：
鍵的寬度b=28㎜,高h(yuǎn)=16㎜，長L=50 ㎜
驗(yàn)算鍵的強(qiáng)度
鍵的強(qiáng)度公式為：σfy=2T/ dkL
σfy=2T/ dkL=2 ×4600/15×3×50=11.4 Mpa
由參考文獻(xiàn)（機(jī)械設(shè)計(jì)）知：[σfy ]= 100Mpa 即σfy=11.4Mpa ≤[σfy ]= 100Mpa鍵的強(qiáng)度足夠
3.1.7 刀庫的支承部分的設(shè)計(jì)
刀庫的支承部分包括刀庫箱體、箱蓋、軸、軸承、軸承套等，見圖3-3 刀庫總裝圖。各部分的具體結(jié)構(gòu)尺寸見其零件圖。
刀庫主要由刀盤部件 1、軸承 2、軸承套 3、軸 4、箱蓋 5、滾子 6、 鎖止盤 7、電機(jī) 8、槽輪 9、箱體 10 和一些連接螺釘、螺母、銷、鍵等組成。
圖3-3 刀庫總裝圖
3.2 刀庫移動(dòng)部分的設(shè)計(jì)
3.2.1 刀庫支承橫梁和導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)
橫梁支撐著刀庫的整個(gè)重量，因此，它的強(qiáng)度和剛度要求較高。且為了實(shí)現(xiàn)刀庫的移動(dòng)，在橫梁上要設(shè)計(jì)可使刀庫移動(dòng)的導(dǎo)軌，根據(jù)床身的整體高度及立柱的形狀來考慮，橫梁的端面與立柱的聯(lián)接斷面應(yīng)成長方形長、寬分別定為 240mm、180mm。此連接處的面板厚度為 30mm 與立柱用 6個(gè)直徑為φ25mm 的螺栓來連接，由兩個(gè)φ16mm 的圓柱銷定位，在裝配時(shí)配作。
在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，因刀庫的行程 160mm，再加上滑臺(tái)的尺寸和刀盤尺寸等，靜導(dǎo)軌的總長度定為 480mm，兩端可各裝一減振器，目的是為了消除滑臺(tái)到兩端時(shí)的沖擊力。考慮刀庫移動(dòng)電機(jī)和絲杠的安裝尺寸等，靜導(dǎo)軌的高度定為 130mm，寬度定為 192mm，其它尺寸見橫梁零件圖?？紤]到刀庫支承部分的尺寸，滑座和動(dòng)導(dǎo)軌的長度定為 140mm，考慮靜導(dǎo)軌的寬度和刀庫支承部分在該方向的尺寸滑座的寬度定為 240mm，滑座的高度定為50mm。
為了減輕它自身的重量，將其鑄造成中空的。同時(shí)，為了加強(qiáng)它的剛度，還設(shè)有加強(qiáng)肋板。導(dǎo)軌的形式有滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌兩種形式。此處，僅設(shè)計(jì)滑動(dòng)導(dǎo)軌，滑動(dòng)導(dǎo)軌采用雙矩形形式的整體 HT300 鑄鐵導(dǎo)軌，并采用中頻淬火，淬火后的硬度為 50～55HRC。
導(dǎo)軌的精度要求為：平面度為 0.015mm，長方向的直線度為 0.01mm，側(cè)導(dǎo)向面的直線度為 0.015m