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加工中心24刀盤式刀庫及自動換刀裝置機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
摘 要
隨著社會發(fā)展和科技的進步，產(chǎn)品加工由手工制造轉(zhuǎn)變?yōu)榘胱詣蛹庸ぶ圃旌腿詣蛹庸ぶ圃?。由此帶動了機床產(chǎn)業(yè)的飛快發(fā)展，數(shù)控加工中心應(yīng)運而生并且發(fā)展迅速，但是如何提高定位精度、重復(fù)精度及減少自動換刀時間以提高加工效率一直是人們研究的重要課題。
這次畢業(yè)設(shè)計設(shè)計的是加工中心24刀盤式刀庫及自動換刀機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用機械手在刀庫與刀具主軸之間換刀的自動換刀裝置，刀庫安裝在機床立柱的頂端，用于一般中等容量刀庫的機床。單盤式的刀庫，刀具與刀盤垂直，采用液壓馬達和伺服電機驅(qū)動刀庫，使其可以進行回轉(zhuǎn)運動，并且使用蝸輪蝸桿傳動作為一種減速裝置。
本次設(shè)計的重點部分在于蝸輪、蝸桿和主要軸的設(shè)計計算及其校核，控制刀庫運刀的部分使用液壓及PLC來操縱。抓刀的機械手設(shè)計部分是采用單臂雙爪式。
關(guān)鍵字：加工中心；盤式刀庫；機械手；PLC
Abstract
With the progress of social development and science technology, product processing is transformed from manual manufacturing to semi-automatic processing and automatic processing. Thus driving the rapid development of the machine tool industry, CNC machining center came into being and developed quickly, but how to improve the positioning accuracy and repeat precision and reduce the automatic tool change time in order to improve the machining efficiency has been the important topic studied by people.
This graduation design is design of machining center 24 disc knife library and automatic tool change of mechanical structure design, the manipulator in the knife tool change between library and tool spindle automatic tool change device, knife library is installed on the top of the machine tool column, used in general machine tool of intermediate size knife library. Single disc knife library, vertical cutter and cutting wheel, driven by hydraulic motor and servo motor knife library, making it possible to rotary motion, and use the worm gear and worm drive as a kind of speed reducer.
The key part of this design is the design and calculation of worm gear, worm and main shaft, and the control of the part of the operation knife, which is controlled by hydraulic and PLC. The design part of the manipulator is a single arm double claw.
Key words: machining center；disc cutter base；manipulator；PLC
目 錄
引 言 1
第一章 加工中心的簡介 2
1.1 加工中心的發(fā)展歷史 2
1.2加工中心的組成結(jié)構(gòu) 3
1.3加工中心的類型 4
1.3.1立式加工中心 4
1.3.2臥式加工中心 5
1.3.3五坐標加工中心 5
1.4加工中心的多個優(yōu)點 6
1.5加工中心的未來發(fā)展勢態(tài) 6
第二章 刀庫種類 9
2.1刀庫總體類型介紹 9
2.2加工中心常用刀庫類型 10
2.3刀庫傳動原理 12
2.3.1刀庫結(jié)構(gòu)和傳動 12
2.4刀庫相關(guān)參數(shù)設(shè)定 13
2.4.1計算電機的傳動比 13
2.4.2電動機的校核 14
第三章 刀庫傳動部分的設(shè)計 16
3.1刀庫部分設(shè)計 16
3.1.1確定蝸桿和蝸輪的基礎(chǔ)尺寸參數(shù) 16
3.1.2相關(guān)校核驗算 17
3.2傳動軸部分的設(shè)計 18
3.2.1蝸桿部分的尺寸設(shè)計 18
3.2.2蝸輪部分的尺寸設(shè)計 19
第四章 各設(shè)計尺寸及零件的驗算校核 21
4.1蝸桿軸驗算 21
4.2蝸輪軸驗算 23
4.3軸承校核 24
第五章 其它主要部分設(shè)計 26
5.1刀套結(jié)構(gòu)設(shè)計 26
5.2刀具的識別裝置 26
5.3設(shè)計液壓系統(tǒng) 27
5.3.1液壓缸載荷的有關(guān)計算 27
5.3.2確定液壓缸的相關(guān)尺寸 27
5.3.3初步設(shè)定液壓系統(tǒng) 29
5.3.4PLC控制原理 30
結(jié) 論 31
參考文獻 32
致 謝 33
引 言
數(shù)控技術(shù)是人操作電腦，在電腦中輸進可以讓機床自動加工產(chǎn)品的程序的一項先進的技術(shù)，其中可以輸入程序并自動加工的機器就是數(shù)控機床。
世界上的第一臺數(shù)控機床出現(xiàn)在1952年，這臺數(shù)控機床的出現(xiàn)使各種各樣品種的、中小批量的產(chǎn)品制造機器設(shè)備在加工效率、生產(chǎn)自動化和柔性制造方面引發(fā)了巨大的制造產(chǎn)業(yè)的革命。在1958年間第一臺加工中心的問世，它讓鉆、鉸、鏜、銑、攻絲等多道加工工序集中于一體。加工中心具備普通機床沒有的特點，其一是可以進行種類繁多的和生產(chǎn)數(shù)量較多的零件的加工操作；其二是它能夠增加機床的功能，例如自動檢測、自動換刀、自動轉(zhuǎn)換零件等。
加工中心的出現(xiàn)是一場使加工制造業(yè)更加完善、更加精密、更加高效的技術(shù)革命。高效率的完成產(chǎn)品作業(yè)任務(wù)依賴于各方面的協(xié)調(diào)運作，加工中心的自動換刀裝置能夠快速、精準的實現(xiàn)定位并換刀就是其中重要的一個環(huán)節(jié)。所以在進行刀庫設(shè)計及自動換刀裝置的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要考慮多方面的影響精度的因素。數(shù)控機床的典型代表就是加工中心，加工中心具有數(shù)控機床可以自動加工零件的能力。它的定義就是使用了晶體管元件和印刷電路板的數(shù)控裝置，出現(xiàn)于1959年，是一種本身就帶有自動換刀裝置的數(shù)控機床，加工中心的問世標志著數(shù)控裝置進入了第二代。
由于加工中心集多工序與一身，所以提高了加工效率，實現(xiàn)了機械自動化。它是高技術(shù)、高效率、高精度的機械制造自動化加工設(shè)備，受到世界上各國的高度關(guān)注，德國、美國、日本等國家的數(shù)控機床的質(zhì)量和精度是處于世界領(lǐng)先水平的，我國還在發(fā)展中階段，要向擁有高端技術(shù)水平的國家學(xué)習(xí)，不斷完善我國的數(shù)控機床精度和質(zhì)量，最終擁有一流水平，這就需要眾多研究者的不斷努力。我們相信隨著中國科技力量的不斷提高，經(jīng)濟迅猛發(fā)展，國民創(chuàng)新能力逐步加強，最終實現(xiàn)由進口高精度數(shù)控機床向出口高精度機床的轉(zhuǎn)變。
第一章 加工中心的簡介
1.1 加工中心的發(fā)展歷史
世界上第一臺數(shù)控機床出現(xiàn)于1952年，它的出現(xiàn)使種類多樣的、中小批量的加工制造機器設(shè)備在高效率生產(chǎn)、自動化生產(chǎn)和柔性生產(chǎn)上發(fā)生了一次舉世矚目的變革。操作人員在數(shù)控機床的自帶的電腦中輸人程序，使用便于修改操作的計算機加工程序?qū)?shù)控機床進行控制，以此完成工件的生產(chǎn)加工。所以比生產(chǎn)大批量工件的組合機床和專門生產(chǎn)特定零件的專用機床更加能夠適應(yīng)因生產(chǎn)不同工件而產(chǎn)生的各種各樣的變化，具有更高的柔性化，非常容易進行種類多樣的工件的加工生產(chǎn)。該數(shù)控機床通過數(shù)控系統(tǒng)對產(chǎn)品的生產(chǎn)實現(xiàn)全數(shù)字控制，同時控制機床主軸及刀具的幾何圖形運動功能，并且還可以實現(xiàn)對機床工藝、工序、工步等步驟和輔助功能的控制功能。這臺數(shù)控機床的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)的機械加工方式，因其生產(chǎn)高效和便捷，減少了部分勞動力，降低了生產(chǎn)成本，使整個行業(yè)都開始使用數(shù)控機床來加工零件，尤其是改變了中小批量的生產(chǎn)情況，其中普通機床占有比例大大降低。但是因為數(shù)控機床較之普通機床結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、價格較高、維修更是繁復(fù)，所以在一些小型企業(yè)中數(shù)控機床并沒有被很廣泛應(yīng)用，甚至不被使用。
1958年數(shù)控技術(shù)升級第二代，以此技術(shù)為基礎(chǔ)的第一臺加工中心在美國卡尼特雷克公司誕生。那么人們不禁發(fā)問：加工中心到底有什么功能，可以在哪種情況應(yīng)用呢？首先，加工中心是數(shù)控銑床或者說成是數(shù)控鏜床的二次升級版本。它是在數(shù)控鏜、銑床的原定基礎(chǔ)上又增加了機械手及自動換刀結(jié)構(gòu)裝置，使工件在裝夾完成后，不必有拆裝刀具的換刀步驟，大大節(jié)省了時間。工件和刀具僅一次裝夾動作就可以完成鉆孔、鏜孔、車螺紋、鉸孔等車床、銑床和鏜床的工作任務(wù)，更重要的是，加工程序儲存于加工中心或與之連接的電腦中，查找、修改錯誤或不完善的程序更加方便快速。其次，加工中心假若帶有可以自動回旋轉(zhuǎn)動的工作臺或者可以旋轉(zhuǎn)到各個范圍的主軸箱，那么零件裝夾完成后，加工中心可以實現(xiàn)在多平面、多角度完成操作。最后，設(shè)想在兩臺加工中心之間設(shè)有中轉(zhuǎn)站，那么在一臺機器故障的時候不影響其它機器繼續(xù)工作，提高了柔性化程度。另外，單獨的裝卸臺也是增強柔性的方法，工件在一臺加工中心被加工時，其它的工件在裝卸臺裝卸，不使加工過程受到任何影響。
綜上所述，加工中心的出現(xiàn)是一場使機械制造業(yè)更加完善、更加精密、更加高效的技術(shù)革命。加工中心具備普通機床沒有的特點，其一是可以進行種類繁多的和生產(chǎn)數(shù)量較多的零件的加工操作；其二是它能夠增加機床的功能，例如自動檢測、自動換刀、自動轉(zhuǎn)換零件等。世界上并沒有定義加工中心的標準，但是我們可以了解掌握的是加工中心使用數(shù)控技術(shù)利用數(shù)控系統(tǒng)對加工過程實時監(jiān)控檢測保證加工順利完成。可以自動換刀的數(shù)控鏜、銑床就可以被稱之為加工中心。
1.2加工中心的組成結(jié)構(gòu)
機床的功能、參數(shù)、類別不同，加工中心的結(jié)構(gòu)組成也會有所差別。機床由基本零件和選擇零件組成，數(shù)控系統(tǒng)有基本功能和選用功能兩類，機床參數(shù)也有主參數(shù)和其它參數(shù)，所以加工中心的結(jié)構(gòu)組成更是多樣。但是在實際生活中，生產(chǎn)機床的工廠會根據(jù)客戶的要求來生產(chǎn)適用不同工件的機床。大致來講，同一種類的機床的功能和組成部件是沒有太大的差異，加工中心的組成基本有以下幾個部分：
1、基礎(chǔ)部件
基礎(chǔ)部件主要由機床床體、立柱和工作臺等部分組成，是加工中心的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。在加工工件時主要承載切削載荷和加工中心本身的靜載荷，所以這些部件本身的剛度要非常高，足以承受負載。制作這部分基礎(chǔ)部件時，要合理選擇工藝，可以是鑄造也可以是焊接。材料選擇同樣重要，因為基礎(chǔ)部件是加工中心體積最大、質(zhì)量最重的部分。
2、主軸系統(tǒng)
主軸系統(tǒng)主要由主軸箱、主軸、主軸處軸承、傳遞系統(tǒng)動力的電動機等零部件組成。數(shù)控系統(tǒng)控制主軸運動的開始、結(jié)束和變速轉(zhuǎn)動等動作，刀具切削加工零件，是主運動，輸出切削加工的功率，刀具是安裝在主軸上的。主軸系統(tǒng)在整個加工中心中起著至關(guān)重要的作用，它是加工中心的關(guān)鍵之處，其結(jié)構(gòu)優(yōu)劣決定了加工中心性能的好壞。
3、數(shù)控系統(tǒng)
數(shù)控系統(tǒng)主要由PLC、伺服驅(qū)動裝置、CNC裝置和動力裝置組成的。這個組成部分負責(zé)使加工中心能夠按程序指令完成加工順序，實現(xiàn)對加工過程的操縱。
4、自動換刀系統(tǒng)
自動換刀系統(tǒng)是由刀庫和自動換刀裝置組成。儲存加工過程中所有的工序會用到的刀具的倉庫就是刀庫。當發(fā)出換刀指令時，通過數(shù)控系統(tǒng)命令自動換刀系統(tǒng)由液壓缸操縱機械手同時將主軸完成加工步驟的和被選定的刀盤刀座中的刀具拔出，然后旋轉(zhuǎn)90度，再同時將刀具插入主軸孔和刀座中。刀庫的類型是多種多樣的，有刀具呈單環(huán)排列的單盤式刀庫、雙盤式刀庫、重疊雙盤式刀庫、三盤式刀庫、行星盤式刀庫、單環(huán)鏈式刀庫、多環(huán)鏈式刀庫、單面格子箱式刀庫和多面格子箱式刀庫多種。根據(jù)它們不同的適用范圍和特點進行選用，它們的刀庫容量也各不相同，有的可以容納上百把，有的僅僅可以容納十幾把。完成換刀動作的機械手根據(jù)主軸與刀庫相對位置的不同分為回轉(zhuǎn)式、單臂式、雙臂式和軌道式。
5、輔助系統(tǒng)
輔助系統(tǒng)主要是由液壓、潤滑、冷卻、防護、排屑和隨時檢測系統(tǒng)等部分組成。雖然輔助部分不是直接參加到切削動作中，但是輔助系統(tǒng)對加工中心執(zhí)行指令的精度、可靠性、安全性以及重要的加工效率方面起著不可磨滅的重要作用，它是加工中心的保護屏障。此外，為了達成更加快速地完成加工，減少不必要的非加工時間，一些加工中心安裝有自動托盤交換系統(tǒng)。比如，已經(jīng)裝夾在工作臺的工件可以在另一個地方進行拆卸，全部動作完成后托盤交換，這種做法愈加減少非切削時間，有效提高工作效率。
1.3加工中心的類型
1.3.1立式加工中心
根據(jù)加工中心形體樣式的不同，將其分為臥式、立式和五坐標加工中心三種類型。如圖1-1所示，立式加工中心安裝有長方形工作臺，立柱一般是固定不可移動的，適合加工體積不大的盤類、板類、殼體類工件。立式加工中心主軸軸向線始終呈垂直狀。
圖1-1 立式加工中心
1.3.2臥式加工中心
如圖1-2所示，臥式加工中心的主軸軸向線始終處于水平狀態(tài)。臥式加工中心的結(jié)構(gòu)與立式加工中心相較有所不同，臥式加工中心的工作臺是正方形的，并且可以進行分角度回旋轉(zhuǎn)動。臥式加工中心的運動坐標通常為3-5個，其中我們最為常見，了解比較多的是X-Y-Z直線運動坐標系。這種模式能夠在零件裝夾好后，一次完成不包括零件與工作臺的重疊面和最上方的平面外剩余平面的切削工作，所以適用于加工箱體類零件。[1]
圖1-2 臥式加工中心
1.3.3五坐標加工中心
五坐標加工中心的功能更加齊全，它包含了立式加工中心與臥式加工中心所涵蓋的一切功能。一次性裝夾好工件后，五坐標加工中心可以很順利地實現(xiàn)切削除零件本身與工作臺重和面與頂端平面外的所有平面的功能。因為能夠一次加工五個平面，所以被人們叫做五坐標工中心。五坐標加工中心有兩種常見結(jié)構(gòu)類型，第一種是工作臺能夠90度角旋轉(zhuǎn)，第二種是主軸能夠旋轉(zhuǎn)90度。
1.4加工中心的多個優(yōu)點
（1）提高加工質(zhì)量 加工中心使工件完成一次裝夾后，不必有二次裝卸，就是實現(xiàn)了多道工序在一臺機器上就可以完成的任務(wù)。這樣做保證了工件的加工精度，很大程度地減小了加工誤差。較為重要的是，加工中心依靠的是數(shù)控系統(tǒng)而不是人工操作，減少了由于人為原因造成的失誤，大大增加了穩(wěn)定性和精度。
（2）縮短加工準備時間 普通機床在加工零件時所需要的準備時間是加工中心所需要時間的數(shù)倍。加工中心可以加工多種工序而不需要多次拆裝工件，這就大大節(jié)省了時間。
（3）減少在制品數(shù)目 過去傳統(tǒng)的加工方法是一個工件在完成一種加工工序后會被傳遞到完成下一道工序的機床操作臺上，可以想像這會有較多的正在加工中的產(chǎn)品。但是加工中心就改變了這一現(xiàn)狀，充分發(fā)揮它“集多工序于一體”的優(yōu)勢，有效減少在制產(chǎn)品的數(shù)目。
（4）減少刀具費用 加工中心本身就帶有可以容納刀具的刀庫，容納程度大小不一。而普通機床沒有刀庫裝置，需要另設(shè)刀架盛放刀具，這就增加了購買刀架的費用。加工中心使用刀庫在空間利用率方面上大大節(jié)省了空間，降低了刀具的成本。
（5）較少的直接勞務(wù)費 利用數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)全自動控制加工過程的加工中心由一名工作人員操作和管理，或者是一名工作人員操作管理多臺加工中心，而且加工中心的工作臺自動托盤交換裝置和一些其它的輔助交換裝置在夜晚照常工作，不會像人一樣疲勞，這都是減少了聘用工人而花費的直接勞動費用。
（6）較少的間接勞務(wù)費 因為加工中心使多道工序集于一臺設(shè)備完成，從而不需要工人將完成一道加工工序的零件搬至另一臺設(shè)備來完成另一道加工工序，所以使間接勞動費用很大程度地降低，節(jié)省人工成本。
（7）增加設(shè)備利用率 使用普通機床加工工件的效率僅僅是加工中心的幾分之一，使用加工中心加工能夠大大地提高加工效率。此外，加工中心的適用范圍大多是小批量或中批量零件和品種多樣的零件的加工生產(chǎn)。
1.5加工中心的未來發(fā)展勢態(tài)
立式加工中心主要面向發(fā)展態(tài)勢良好的汽車零件企業(yè)、模具制造業(yè)、民用飛機企業(yè)、醫(yī)學(xué)設(shè)備、電子設(shè)備、物理光學(xué)設(shè)備等產(chǎn)業(yè)。由于在制造飛機時，組成飛機的零部件大多是品種多樣、生產(chǎn)批量很小的產(chǎn)品，所以飛機制造業(yè)更傾向于使用五軸加工中心來制造零部件。那么以后的精密零件、電子零件、半導(dǎo)體有關(guān)零件等相關(guān)企業(yè)也會需要使用制造更加精密的五軸加工中心生產(chǎn)零件。
生產(chǎn)有關(guān)飛機、半導(dǎo)體、模具等精密零件、電子零件的制造企業(yè)，正面臨著加緊開發(fā)五軸加工中心以達到擴大市場占有率，提高企業(yè)競爭力的目的。在過去的幾年間，制造零件大都使用立式加工中心，較之現(xiàn)在，越來越多的制造廠更加注重以模具制造為第一目標的提案不斷涌現(xiàn)。據(jù)此能夠清晰地看出目前需求不斷向高效率、高品質(zhì)、高速度靠近。
根據(jù)高精制造的生產(chǎn)目標，有些制造企業(yè)較為重視研究開發(fā)能夠適應(yīng)新加工環(huán)境的加工中心，例如可以加工不便于被切削制造材料的加工中心。還有一些新加工技術(shù)也在制造產(chǎn)品的同時被開發(fā)出來，比如減少工件裝入和拆除加工中心的時間和更加集中加工工序的制造技術(shù)。但是研發(fā)人員并不滿足于此，他們在完善加工中心的路上越走越遠。一些廠商不斷在試著將立式加工中心的控制軸再加上1-2個軸以此進一步提高工作效率，由于改良后是五軸同時控制，所以這樣更加適用于復(fù)雜形狀、曲面自由等零件的裝夾。[2]
因為客戶對產(chǎn)品要求愈加嚴格，在研究開發(fā)方面不得不加大力度，規(guī)定在降低成本或者不增加成本的同時保證產(chǎn)品高品質(zhì)。這需要更加先進的制造技術(shù)及制造設(shè)備，更加催促廠商要不斷更新、創(chuàng)新，研究出柔性制造設(shè)備?，F(xiàn)在干式切削也在研究中，例如已經(jīng)投入使用的高純度氮氣的干式加工系統(tǒng)。干式加工系統(tǒng)是通過氧化來控制精度變化，與此同時，為了不污染環(huán)境、提高材料利用率，把排屑集中處理便于回收二次利用。
由于臥式加工中心加工面是垂直的，切屑容易掉落，較適應(yīng)長時間無人操作。它可以在較短時間內(nèi)輸入最適用規(guī)模的系統(tǒng)得益于它的模塊結(jié)構(gòu)。重要的是，臥式加工中心可以長時間無人操作，降低了成本?？蛻魧εP式加工中心的要求更加趨向多品種、小批量的生產(chǎn)，要求生產(chǎn)設(shè)備能夠靈活適應(yīng)多工序工件的生產(chǎn)變化。根據(jù)汽車廠家的設(shè)備投資不斷上升的態(tài)勢，可見需求有望進一步擴大。除此之外，人們對產(chǎn)品生產(chǎn)的認知和對制造體系的看法正在發(fā)生本質(zhì)的改變，于是因此而出現(xiàn)的新的制造體系大概會對小型設(shè)備形成的柔性制造線有潛在需求。
放眼望去，生產(chǎn)這些機器設(shè)備的企業(yè)不斷追求高品質(zhì)、高精度、高速度，同時也下手控制著生產(chǎn)成本，提高企業(yè)競爭力。通俗來講就是這些企業(yè)的立足根本是如何研制小型設(shè)備、提高柔性化程度。從開發(fā)技術(shù)的趨勢來看，如何在提高主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、提高精度的同時將模塊化、有效應(yīng)對熱變位等目的集中表現(xiàn)出來是重點。其實，將機床高速化的研究課題一直在取得引人注目的優(yōu)秀成績。
因為主軸進給速度對加工時間有著直接影響，所以為了提高加工效率，利用高速進給技術(shù)通過安裝直線電機驅(qū)動裝置的設(shè)備類型不斷增加。于此同時也有一些制造企業(yè)使用導(dǎo)程大的滾珠絲杠驅(qū)動進給軸而不是采用直線電機。高速臥式加工中心進給速度為120mm/min，進給加速度1.5G-2G，它是在主軸上使用雙面約束刀具，從而減少重復(fù)定位、節(jié)省時間。為防止精度降低就要解決因高速引起的熱變位問題，通常都利用單獨的補正裝置、冷卻裝置或主軸冷卻結(jié)構(gòu)。
數(shù)控立式車床適用于大體積、大質(zhì)量、大直徑工件的加工。雖然其也被各制造業(yè)使用，但是具有市場局限性。由于產(chǎn)品的市場占有率很大程度地反映了用戶的需求意向，所以數(shù)控立式車床大多是根據(jù)客戶要求專門訂做的，增加了客戶和廠商的親密度。近期，向中國出售機床設(shè)備的廠商大量需要數(shù)控立式車床的情況引人注目，好似制船業(yè)對數(shù)控立式車床的需求進入暗淡期。大約從去年開始，生產(chǎn)數(shù)控車床的企業(yè)就在期待著高性能發(fā)電機、風(fēng)力發(fā)電機、飛機業(yè)的訂單，期盼這些行業(yè)會活躍于各社會行業(yè)中以此提高數(shù)控車床的需求量。
市場在交貨期、質(zhì)量、價格方面的要求不斷提高，催發(fā)一些使用中小規(guī)模設(shè)備的企業(yè)為縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，更青睞一次裝夾、適合多種加工的復(fù)合型加工設(shè)備。由于要考慮到環(huán)境要求，采用半干式加工的需要也在增長。據(jù)此類客戶的需求，企業(yè)以產(chǎn)學(xué)協(xié)作方法研究出了氣化熱半干式加工技術(shù)，這種技術(shù)能夠節(jié)省能源、控制電力使用。
如今的市場對高度通用性、價格低廉的立式數(shù)控車床的需求量仍然持續(xù)增加，與數(shù)控臥式車床相似的附帶同加工中心功能一樣的復(fù)合數(shù)控車床的研發(fā)始終處于高度活躍狀態(tài)。眾所周知，現(xiàn)今對形狀復(fù)雜、曲面自由的工件的制造要求越來越嚴格，催生了眾多研制帶有鏜、銑、鉆等功能的車床的企業(yè)。
大體介紹加工中心的特點和發(fā)展趨勢后，下面將著重介紹本次設(shè)計的重點--加工中心的刀庫。
第二章 刀庫種類
2.1刀庫總體類型介紹
自動換刀裝置中最重要部分之一有刀庫，它能容納的刀具數(shù)和布置結(jié)構(gòu)對加工中心整體性能有重要影響。刀庫主要用來存放刀具，大多數(shù)的加工中心都在某一固定點取刀、送刀，所以設(shè)計刀庫時必須要有定位機構(gòu)和可回轉(zhuǎn)裝置來保障換刀的可靠性。刀庫的動力裝置使用伺服電動機，同時還配有蝸輪蝸桿減速裝置。為了使刀庫定位更加精準，每一把刀都可以準確停在固定位置換刀，可以使用定位控制器，也可以使用由液壓缸控制的銷定位，其定位精度一般可以達到0.1-0.5mm。[3]
由于不同種類的刀庫容量不同，取刀方式更是多種多樣，所以在設(shè)計刀庫時可供參考的方案更加繁多。如圖2-1所示，這些是幾種常見刀庫類型。
a）軸向式 b）徑向式 c）斜向式 d）刀具翻轉(zhuǎn)式 e）鼓筒彈夾式 f）鏈式 g）多盤
h）格子式
a-d是單盤式刀庫，將刀具的軸線按不同方向、不同角度布置可以更好地適應(yīng)主軸的布置。其中，d所示為刀具可以旋轉(zhuǎn)90度的盤式刀庫，這種刀庫結(jié)構(gòu)簡單，主要可以方便取刀，應(yīng)用范圍比較廣，但是有一個缺點，那就是受到刀盤尺寸局限，該形式的刀庫容量比較小，只可容納15-30把刀。采用圖2-1中e-h所示刀庫時，就不必考慮刀庫結(jié)構(gòu)尺寸的限制，它們可以容納較多數(shù)量的刀具并且不會使用過多空間，大大提高加工中心的空間利用率。圖2-2-e所列的鼓筒彈夾式刀庫，雖然它的刀庫容量大，結(jié)構(gòu)緊湊，但其較為復(fù)雜的選刀、取刀操作使其使用帶來一些困難。如圖2-1-f，鏈式刀庫的結(jié)構(gòu)與盤式刀庫相比是比較靈活的，能容納較多刀具，容易選刀和取刀。當?shù)毒邤?shù)目過多而需要較長的鏈條時，同時也要考慮節(jié)省空間，將鏈條折疊盤繞。圖2-1-g的多盤式刀庫和圖2-1-h的格子箱式刀庫雖然也具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點，但是由于選刀和取刀動作不簡單，所以很少使用。
2.2加工中心常用刀庫類型
刀庫類型較為豐富，但是不是每一種都可以廣泛使用，盤式刀庫和鏈式刀庫是在加工中心上使用廣泛的兩種類型。
（1）盤式刀庫 盤式刀庫又分為鼓輪彈夾式、雙鼓式、重疊雙鼓式、行星鼓輪式等多種類型。由于多數(shù)刀具是在刀盤上單環(huán)形排列的，浪費了較多空間，為了減少浪費，出現(xiàn)了雙環(huán)形和多環(huán)形排列的盤式刀庫，這種排列方式可使刀庫容納更多數(shù)量的刀具。但是這種結(jié)構(gòu)也有缺點，它會使刀庫直徑增大，轉(zhuǎn)動慣量隨之增大，選刀時間增長的問題也相伴而來。因此當?shù)毒邤?shù)目較少時，選用盤式刀庫會更為合適。
圖2-2-1盤式刀庫的不同形式
a）徑向取刀形式 b）軸向取刀形式 c）刀具徑向安裝 d）刀具斜向安裝
（2）鏈式刀庫 如圖2-2-2所示，結(jié)構(gòu)緊湊、容納量大的鏈式刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計更為靈活，因為鏈式刀庫的鏈條可以折疊盤繞，能夠適應(yīng)多種機床的布置格局。換刀刀位可以設(shè)計成凸起的，這樣有利于換刀。鏈式刀庫的刀座不足以容納更多的刀具時僅需增加鏈條便可而不需要改變刀庫結(jié)構(gòu)及尺寸。在不超過額定范圍時，線速度和轉(zhuǎn)動慣量也是不需要更改的。鏈式刀庫的這些特點使其在加工中心應(yīng)用方面具有很大優(yōu)勢，應(yīng)用廣泛，可以滿足不同條件的使用要求。
圖2-2-2 鏈式刀庫
此次設(shè)計的是加工中心24刀盤式刀庫及自動換刀裝置機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，下面將接一下設(shè)計過程。要想弄懂刀庫的結(jié)構(gòu)原理，就必須先明白如何換刀。
換刀過程：
（1）刀套下翻 換刀之前，刀庫2先轉(zhuǎn)動，等到被換刀具5轉(zhuǎn)到定點，刀套4向下翻轉(zhuǎn)90度。
（2）機械手爪刀 機械手1在原位置上旋轉(zhuǎn)90度，手爪分別抓住主軸3和刀座上的刀具。
（3）刀具松開 主軸上的夾緊機構(gòu)松開刀具。
（4）手爪拔刀 機械手下降后，一同拔出刀具。
（5）換刀 機械手抓著交換后的刀具旋轉(zhuǎn)180度。
（6）手爪插刀 機械手向上升，將兩把刀具分別插入主軸孔和刀座中。
（7）刀具夾緊 主軸上的夾緊機構(gòu)自動夾緊刀具。
（8）液壓缸的活塞復(fù)位 使機械手逆向旋轉(zhuǎn)180度的液壓缸的活塞復(fù)位。
（9）機械手松開刀具 從k向觀察，機械手1會逆向轉(zhuǎn)動75度，放開刀具并且回到原位。
（10）刀套上翻 刀具伴隨刀套向上翻轉(zhuǎn)90度。
圖2-2-3 換刀過程的示意圖
1—機械手 2—刀庫 3—主軸 4—刀套 5—刀具
2.3刀庫傳動原理
2.3.1刀庫結(jié)構(gòu)和傳動
（1）刀庫組成 如圖2-3-1，是盤式刀庫大體結(jié)構(gòu)組成，主要有電動機、刀盤、刀座刀套、撥叉等部件組成。更詳細部分可參考圖2-3-2。
（2）刀庫如何選刀 數(shù)控系統(tǒng)下達選刀命令，伺服電機1通過連軸器2、蝸桿3及蝸輪4傳遞動力，使刀盤12轉(zhuǎn)動到指定地點。
（3）刀套向下翻動 等到待換刀具到達換刀地點時，刀套尾端的滾子10轉(zhuǎn)進撥叉8的槽孔內(nèi)。由此，液壓缸5下腔內(nèi)通進液壓油，活塞使撥叉上升，同時放開行程開關(guān)，以達到斷開電路的目的，防止發(fā)生錯動作。撥叉上升，連帶刀套向下翻轉(zhuǎn)90度，讓刀具軸線和主軸軸線處于平行狀態(tài)，同時按下開關(guān)6，發(fā)出信號讓機械手爪刀。相反，撥叉下降，刀套隨之上翻90度。[4]
圖2-3-2 刀庫結(jié)構(gòu)圖
1—電動機 2—聯(lián)軸器 3—蝸桿 4—蝸輪 5—液壓缸 6、7—行程開關(guān) 8—撥叉 9—擋標 10—滾子 11—刀套 12—刀盤
圖2-3-2 刀庫結(jié)構(gòu)圖
1—電動機 2—聯(lián)軸器 3—蝸輪 4—蝸桿 5—液壓缸 6—活塞桿 7—撥叉 8—擋標 9、10—行程開關(guān) 11—滾子 12—銷軸 13—刀套 14—刀盤
2.4刀庫相關(guān)參數(shù)設(shè)定
目前常見的驅(qū)動方式有使用液壓機和伺服電機驅(qū)動兩種，現(xiàn)如今我國的加工中心大都使用伺服電機，所以此次設(shè)計也采用伺服電機用于驅(qū)動。
主要參數(shù)設(shè)定：側(cè)掛式刀庫、24把刀具、最大刀具直徑40mm、換刀時間2.8s、平均重量7kg、最大線速度22-30m/min、刀具規(guī)格BT45。
2.4.1計算電機的傳動比
選取交流伺服電動機：型號Parker SMH 115、額定功率1.5kw、額定轉(zhuǎn)矩9Nm、最大輸出轉(zhuǎn)矩18Nm、滿載轉(zhuǎn)速1600r/min、轉(zhuǎn)動慣量900kgmm2、刀盤轉(zhuǎn)速60r/min。
1、計算總傳動比：
i=nmn=160060=26.7 （2-1）
由《機械設(shè)計手冊》中選擇標準傳動比i=20。[5]
2、計算各軸的轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)矩
電機輸入轉(zhuǎn)矩：
Td=9.55×106Pdnm=9.55×106×1.51600=8.95×103N?mm （2-2）
軸I（蝸桿軸）：
nI=nm=1600r/min （2-3）
PI=Pdη1η2=1.5×0.72×0.98=1.0584kw （2-4）
TI=Tdη1=8950×0.98=8771N?mm （2-5）
軸II（蝸輪軸）：
nII=nmi=160020=80r/min （2-6）
PII=PIη2=1.0584×0.98=1.037kw （2-7）
TII=TIη2η1i=8771×0.98×0.72×20=1.24×105N?mm （2-8）
表2-2 傳動比的分配
軸名
功率kw
轉(zhuǎn)矩Nmm
轉(zhuǎn)速r/min
傳動比i
效率
電機軸
1.5
8950
1600
1
0.98
軸I
1.0584
8771
1600
20
0.98
軸II
1.037
124000
80
20
0.72
2.4.2電動機的校核
1、按負載轉(zhuǎn)動慣量
JLC=Jininm2 （2-9）
JLC—負載轉(zhuǎn)動慣量
Ni—各旋轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)速
Nm—電機轉(zhuǎn)速
JLC=6016002+160016002+8016002=1040kg?mm2 （2-10）
由于：
Jmc≥JLC3 （2-11）
900≥10403=347
Jmc—電動機轉(zhuǎn)動慣量
所以：符合要求。
2、按由重力引起的摩擦力矩TFc
TFc≈μGcRsp=0.15×118×0.309=0.267N?m （2-12）
μ--槽輪與鎖止盤之間的摩擦系數(shù)，取0.15
Gc—刀盤重量
Rsp—滾子中心距鎖止盤中心距離
因為TFc≤電動機的額定轉(zhuǎn)矩9Nm，所以符合要求。
3、按最大加速轉(zhuǎn)矩Tcam
當電動機由開始啟動到加速于最大轉(zhuǎn)速時：
Tcam=Jc2πncmax60tca=1.04×10-3×2×3.14×160060×0.2=0.87Nm （2-13）
ncmax—電動機的最高轉(zhuǎn)速
tca--加速時間，取0.2秒
電動機的最大起動轉(zhuǎn)矩：
Tcr=TFc+Tcam=0.267+0.87=1.137N?m （2-14）
由于Tcr≤電動機的最大轉(zhuǎn)矩18Nm，所以符合要求。
第三章 刀庫傳動部分的設(shè)計
3.1刀庫部分設(shè)計
選刀效率會受到刀套的線速度的影響，所以要選擇合適的線速度來保證刀庫工作的高效率和可靠性。在這次設(shè)計中，選擇線速度為25m/min。同時保證交流伺服電動機在最佳的狀態(tài)時高質(zhì)完成工作，大都不會選擇使用交流伺服電動機的低速度時段，所以要采用蝸輪蝸桿裝置降速。
蝸桿的傳動類型：漸開線蝸桿，45號鋼，淬火處理。
蝸輪：鑄造錫青銅，金屬模鑄造。[6]
3.1.1確定蝸桿和蝸輪的基礎(chǔ)尺寸參數(shù)
表3-1 尺寸參數(shù)表
模數(shù)m
軸向齒距px
分度圓直徑d1
頭數(shù)z1
直徑系數(shù)q=d1/m
3.15
9.896
35.5
2
11.270
齒頂圓直徑da
齒根圓直徑df
分度圓導(dǎo)程角γ
法向壓力角αn
m2d1
41.8
27.9
10°03'48"
20?
352.25
中心距
a
a=80mm
按規(guī)定選擇
齒頂高系數(shù)
ha*
ha*=1
頂隙系數(shù)
ca*
ca*=0.2
頂隙
c
c=2
按規(guī)定選擇
蝸桿
齒頂高
ha
ha=4
按規(guī)定選擇
蝸桿齒根高
hf1
hf1=6
蝸桿齒高
h1
h1=28
蝸輪齒數(shù)
=40
分度圓直徑
=126
齒頂圓直徑
=132.3
齒根圓直徑
=121.3
蝸輪咽喉
母圓半徑
=16
3.1.2相關(guān)校核驗算
1、滑移速度Vs
Vs=V1cosγ=πd1n160×1000cosγ=π×35.5×160060×1000×cos10°03'48"=3.02m/s （3-1）
2、蝸輪齒面接處疲勞強度
K=KAKβKv=1.15×1×1.05=1.21
N=60jn2Lh=60×1×80×365×5×24=2.02×107
σH=KHNσH'=8107N×268=81072.02×107×268=245.45 （3-2）
σH=480kT2d2m2Z12=1.21×110.68×100035.5×3.152×402=212.7<σH （3-3）
經(jīng)計算，符合要求。
3、蝸輪齒根的彎曲皮勞強度
x2=am-d1+d22m=803.15-35.3+1262×3.15=-0.2 （3-4）
ZV2=Z2cosγ=40cos10°03'48"=41.67 （3-5）
KFN=9106N （3-6）
σF=σF'KFN=56×9106109=43.36 （3-7）
σF=1.53KT2d1d2mYFa2Yβ=1.53×1.21×110.68×100035.5×126×3.15×2.62×1-10°03'48"140°=29.28<σF （3-8）
經(jīng)計算，符合要求。
4、驗算m2d1
m2d1≥1.53KT2Z2σFYFa2Yβ=1.53×1.21×110.68×100040×43.36×2.62×0.93=237.90mm3 （3-9）
因為m2d1=352.25mm3，所以符合要求。
5、蝸桿剛度的校核
蝸桿所受圓周力：
Ft1=2T2d1=6235.49 （3-10）
蝸桿所受徑向力：
Fr1=2T2d2tan20°=639.43 （3-11）
E=200GPa
I=πdf1464=π×27.9464=2.97×104 （3-12）
L'=0.9d2=0.9×126=113.4 （3-13）
y=d11000=0.0355 （3-14）
y=Ft12+Fr1248EIL'3=6235.492+639.43248×2×105×2.97×104×113.43=0.032
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