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摘 要
加工中心的作用目前地位凸顯，尤其是隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和普及，其越來越重要。目前數(shù)控機(jī)床的加工效率比較高，主要取決于刀庫和自動換刀裝置的作用。數(shù)控機(jī)床在加工過程中要使用多種刀具，因此增加自動換刀裝置提高效率，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、足夠的刀具儲備量、占地面積小、安全可靠等特性。
本文的設(shè)計(jì)題目是數(shù)控加工中心盤式刀庫設(shè)計(jì)。首先介紹了國內(nèi)外加工中心研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，闡明了本課題研究的目的、意義。然后進(jìn)一步介紹數(shù)控加工中心盤式刀庫設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)和各部件方案的選擇，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，進(jìn)行了相關(guān)部件的設(shè)計(jì)選型和計(jì)算等。
關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng) 加工中心 刀庫
目錄
摘要……………………………………………………………………………I
1 緒論…………………………………………………………………………1
1.1 課題研究背景和意義…………………………………………1
1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢…………………………………………1
1.3 本論文主要內(nèi)容…………………………………………………5
2 進(jìn)行總體方案的設(shè)計(jì)…………………………………………………………6
2.1 運(yùn)動方案的設(shè)計(jì)…………………………………………………………6
2.1.1 運(yùn)動數(shù)目的確定……………………………………………………6
2.1.2 運(yùn)動方案的確定……………………………………………………6
2.2 功能部件的設(shè)計(jì)方案……………………………………………………6
2.2.1自動換刀系統(tǒng)………………………………………………………8
2.3 小結(jié)………………………………………………………………………12
3 盤式刀庫的設(shè)計(jì)………………………………………………………………13
3.1 刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………………13
3.1.1 刀庫主要參數(shù)的確定………………………………………………13
3.1.2 刀盤部分的設(shè)計(jì)……………………………………………………13
3.1.3 刀庫轉(zhuǎn)動定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)…………………………………………13
3.1.4 軸的設(shè)計(jì)……………………………………………………………16
3.1.5 滾動軸承的選擇計(jì)算………………………………………………18
3.1.6 鍵的選用與計(jì)算……………………………………………………19
3.1.7 刀庫的支承部分的設(shè)計(jì)……………………………………………19
3.4 小結(jié)………………………………………………………………………21
結(jié)論………………………………………………………………………………22
致謝………………………………………………………………………………23
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………24
1 緒 論
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，一次可以加工多道工序的內(nèi)容，其加工精度較高，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)的競爭力。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。
自動換刀系統(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，則會影響機(jī)床的換刀效率。自動換刀系統(tǒng)本身及相關(guān)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，又會對整機(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)對于帶有自動換刀系統(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)用簡化了機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)、采用彈簧夾頭和外驅(qū)動機(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被中小廠廣泛接收，這樣必將給自動換刀系統(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。
1.1 課題的研究背景和意義
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)動控制，實(shí)現(xiàn)刀具運(yùn)動直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)。多的可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動、六軸聯(lián)動，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)，刀具半徑自動補(bǔ)償，刀具長度自動補(bǔ)償，刀具破損報(bào)警，刀具壽命管理，過載超程自動保護(hù)，絲杠螺距誤差補(bǔ)償，絲杠間隙補(bǔ)償，故障自動診斷，工件與加工過程圖形顯示，人機(jī)顯示，工件在線檢測和加工自動補(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。
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)的競爭能力。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。
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 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
1.2.1 國外的研究現(xiàn)狀
世界各國對數(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)知識經(jīng)濟(jì)時(shí)代，人們的知識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，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)開始對數(shù)控系統(tǒng)的智能化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化研究
1.2.2 國內(nèi)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?！熬盼濉逼陂g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)加工對象的實(shí)體造型并將刀具路徑文件和加工程序自動化送至各數(shù)控機(jī)床。
總之，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，市場經(jīng)濟(jì)活動的不斷深入，中國在加入WTO參與世界市場激烈競爭中，無論是國內(nèi)市場、國際市場，對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。
1.3 本論文完成的主要工作
進(jìn)行數(shù)控加工中心盤式刀庫設(shè)計(jì)。主要完成以下工作：
1.通過深入、調(diào)查，通過查閱相關(guān)的資料，對國內(nèi)外同類產(chǎn)品進(jìn)行市場調(diào)研、技術(shù)調(diào)研和社會環(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.通過對加工中心的自動換刀系統(tǒng)不同設(shè)計(jì)方案的對比分析，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 進(jìn)行總體方案的設(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)行自動換刀裝置刀庫整體方面的設(shè)計(jì)，主要包括運(yùn)動功能方案設(shè)計(jì)、基本參數(shù)設(shè)計(jì)、傳動系統(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：一個(gè)是主運(yùn)動即主軸帶動刀具回轉(zhuǎn)（Vc）；另一個(gè)是三個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動，包括實(shí)現(xiàn)切入工件一定深度（Z方向）的進(jìn)給運(yùn)動；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。此外，還必須有換刀功能，因此還必須有非成形運(yùn)動，如換刀需要刀庫轉(zhuǎn)位、移動等運(yùn)動。
2.1.2 運(yùn)動方案的確定
加工中心加工工件所需的這些運(yùn)動，必須由對應(yīng)的執(zhí)行部件來實(shí)現(xiàn)。加工中心的主運(yùn)動一般都由主軸部件（主傳動系統(tǒng)）來完成，而進(jìn)給運(yùn)動可以由工件來完成；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
方案：
1.由工件完成三個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動，當(dāng)加工質(zhì)量較輕工件時(shí)，分別由X-Y向工作臺和升降臺來實(shí)現(xiàn)；
2.工作臺帶動工件做一個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動，其他兩個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動由刀具在立柱與橫梁上移動來完成，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，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，而是工作臺固定不動，改為由刀具來完成進(jìn)給運(yùn)動。采用了立柱在床身上沿前后方向移動來Y方向的進(jìn)給；由刀具在橫梁上移動來完成Z向的進(jìn)給。通常見于大 、中型動柱式加工中心。這種方案可以避免的尺寸工作臺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，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。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
2.2.1 自動換刀系統(tǒng)
通過自動換刀系統(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）之間的自動換刀方式。這種換刀方式?jīng)]有機(jī)械手，因而結(jié)構(gòu)簡單。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)的振動對加工精度的影響。
適用于40號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)簡單、容量較小、體積較小的圓盤式刀庫。
2.3 小結(jié)
本章對刀庫的設(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 盤式刀庫的設(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采用滾珠絲杠傳動和快速移動電機(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。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20把刀。
給定的具體數(shù)據(jù)如下：
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號刀柄設(shè)計(jì)。
3.1.3 刀庫轉(zhuǎn)動定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
1.刀庫轉(zhuǎn)動定位機(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，此傳動機(jī)構(gòu)在使用中可隨時(shí)調(diào)整蝸輪蝸桿的傳動間隙，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)動刀庫的分度回轉(zhuǎn)運(yùn)動。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、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)動轉(zhuǎn)換為從動軸的周期性間歇運(yùn)動，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，就撥動槽輪作反向轉(zhuǎn)位運(yùn)動，當(dāng)滾子從槽中脫出，槽輪即靜止不動，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，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)動電機(jī)的選擇
刀庫的回轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(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)動慣量。
1）負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量J LC 和刀庫系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量J C
J LC=∑J i (ni/nm)2
JC=Jmc+JLC
式中 Ji—各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量，kgm2 ；
ni—各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)速，r/min；
Jmc—電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，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)型號為 MQMA042A1D，其輸出功率為 400W 。相應(yīng)的伺服驅(qū)動器選 擇與電機(jī)相匹配的 MQMA043A1A型號。
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)動的零件,并傳遞運(yùn)動和動力.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）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 軸的結(jié)構(gòu)和受力分析
3.1.5 滾動軸承的選擇計(jì)算
1 滾動軸承的類型選擇:
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
這里選取軸承代號為3182124的雙列向心短圓柱滾子軸承
基本額定動載荷為255KN；
2 滾動軸承的計(jì)算
滾動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。
圖3-3 刀庫總裝圖
3.4 小結(jié)
本章對刀庫進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算。確定了刀庫的主要參數(shù)，對刀盤部分的各零件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對刀庫的槽輪轉(zhuǎn)位分度機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算。還計(jì)算選擇了刀庫回轉(zhuǎn)交流伺服電機(jī)和刀庫移動滾珠絲杠和交流伺服電機(jī)。刀庫回轉(zhuǎn)交流伺服電機(jī)型號為 MQMA042A1D，相匹配的伺服驅(qū)動器的型號 MQMA043A1A。刀庫移動滾珠絲杠副型號為 FFB2505—2—T3/385×215。刀庫移動交流伺服電機(jī)型號 MSMA102A1C，伺服驅(qū)動器型號 MSMA103A1A。
結(jié) 論
本設(shè)計(jì)得益于各個(gè)方面的幫助，過程中掌握了該課題的的設(shè)計(jì)，最終結(jié)果是該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、規(guī)范，使用簡單方便。同時(shí)本此設(shè)計(jì)在借鑒國內(nèi)結(jié)構(gòu)的諸多優(yōu)點(diǎn)的前提下，比較注重的是整體的簡單，操作的簡易，力求整個(gè)機(jī)組更好的發(fā)揮其動力性和經(jīng)濟(jì)性。
經(jīng)過大量的資料對比及反復(fù)的實(shí)際操作，設(shè)計(jì)方案力求各組件基本符合其技術(shù)要求。但是，由于條件限制，在設(shè)計(jì)的各個(gè)方面都沒有達(dá)到最優(yōu)化，還有很多地方有待改進(jìn)。
在具體的設(shè)計(jì)工作中，網(wǎng)絡(luò)是我采用的資料查詢手段，此外我還需要查閱手冊等相關(guān)資料的圖書，每一個(gè)步驟，每一個(gè)設(shè)計(jì)，都是我通過親身實(shí)踐自己完成的，但這離不開老師從思路上，內(nèi)容上的關(guān)懷和幫助，總體說我是收益匪淺的。
在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中有了知識的攝取，雖然有很多不懂的地方，但是在老師的幫助下我逐步的解決了很多難題，完成了我的設(shè)計(jì)任務(wù)。設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對我小白來說還不存在，所以錯(cuò)誤會有很多，在此希望各位老師能夠進(jìn)行指導(dǎo)。
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致 謝
時(shí)間轉(zhuǎn)眼間已經(jīng)到了畢業(yè)之時(shí)。四年的大學(xué)生活和學(xué)習(xí)始終在腦中浮現(xiàn)，這其中感覺到了無限的感激與留戀。學(xué)校良好的學(xué)習(xí)環(huán)境可使我們能夠在此專心的學(xué)習(xí)，此外還能夠得到各個(gè)指導(dǎo)老師的細(xì)細(xì)關(guān)懷和幫助，我感覺我選擇這個(gè)學(xué)校使幸運(yùn)的。所以要感謝我的學(xué)校和老師。本次設(shè)計(jì)的所有成果是離不開老師的指點(diǎn)和幫助的。從一開始的選題到時(shí)間計(jì)劃的安排，以及論文的質(zhì)量等相關(guān)要求這些都離不開老師的指導(dǎo)，這其中也充滿了老師的汗水，再一次像老師表示感謝。同時(shí)還要像我的同學(xué)表示感謝，謝謝他們的相關(guān)輔助。
畢業(yè)設(shè)計(jì)論文設(shè)計(jì)是四年學(xué)習(xí)知識的總結(jié)再利用的過程，完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，這也代表這我即將進(jìn)入社會，對自己所學(xué)知識的再實(shí)踐的開始。通過本次設(shè)計(jì)也是我深入的掌握和了解相關(guān)零件的設(shè)計(jì)步驟和方法，通過老師的輔助也是我知道了怎么去查閱相關(guān)資料進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)我也學(xué)到了如何像老師那樣有踏實(shí)的作風(fēng)和一絲不茍的精神，像老師表示敬意！
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