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河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
設(shè)計(jì)題目
加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)（鏈?zhǔn)剑?
學(xué)生姓名
學(xué)號(hào)
專業(yè)
一、課題的目的意義：
使加工中心功能有所提升，更能滿足生產(chǎn)加工的需要，進(jìn)一步提高加工的自動(dòng)化程度，提高生產(chǎn)效率。
二、近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀：
目前，機(jī)床的自動(dòng)換刀系統(tǒng)主要采用單片機(jī)或PLC控制，可以正反轉(zhuǎn)和高低速控制。它通過(guò)幾條與主控機(jī)的聯(lián)絡(luò)信號(hào)線以及系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的自診斷、自適應(yīng)功能實(shí)現(xiàn)對(duì)換刀系統(tǒng)的全自動(dòng)控制管理。采用高性能彈簧夾頭夾持刀具，使用外驅(qū)動(dòng)機(jī)械手完成刀具的夾緊、放松，系統(tǒng)配置擴(kuò)展型鏈?zhǔn)降稁?kù)和刀具交換裝置，整機(jī)采用電磁機(jī)械傳動(dòng)、PLC控制，換刀系統(tǒng)具有夾緊力大、夾緊力恒定(可調(diào))、自動(dòng)復(fù)位以及各種自檢保護(hù)功能，同時(shí)具有占據(jù)空間小的特點(diǎn)。
現(xiàn)在加工中心逐漸成為機(jī)械加工業(yè)中最主要的設(shè)備，它加工范圍廣，使用量大。近年來(lái)在品種、性能、功能方面有很大的發(fā)展。品種：有新型的立、臥五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，可用于航空、航天零件加工；有專門用于模具加工的高性能加工中心，集成三維CAD/CAM對(duì)模具復(fù)雜的曲面超精加工；有適用于汽車、摩托車大批量零件加工的高速加工中心，生產(chǎn)效率高且具備柔性化。性能：普遍采用了萬(wàn)轉(zhuǎn)以上的電主軸，最高可達(dá)6～10萬(wàn)轉(zhuǎn)；直線電機(jī)的應(yīng)用使機(jī)床加速度達(dá)到了3-5g；執(zhí)行ISO/VDI檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，促使制造商提高加工中心的雙向定位精度。功能：糅合了激光加工的復(fù)合功能，結(jié)構(gòu)上適合于組成模塊式制造單元(FMC)和柔性生產(chǎn)線(FMS)，并具有機(jī)電、通訊一體化功能。
過(guò)去五軸加工中心多為德國(guó)、美國(guó)、日本、意大利制造，令人欣喜的是今年3月在上海舉行的“中國(guó)數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)”上，展出了多臺(tái)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的五軸加工中心。如濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)公司展出的龍門式五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，工作臺(tái)長(zhǎng)6m,寬2m，采用立式主軸回轉(zhuǎn)，A軸轉(zhuǎn)角±100度，C軸轉(zhuǎn)角±200度，這個(gè)龐然大物吸引了許多參觀者，它標(biāo)志著中國(guó)數(shù)控機(jī)床工業(yè)達(dá)到了先進(jìn)水平。上海第三機(jī)床廠、第四機(jī)床廠制造的立臥加工中心，工作臺(tái)630mm2，采用高速內(nèi)冷電主軸，主軸可立、臥轉(zhuǎn)換，工作臺(tái)可以360度等分，類似于上述簡(jiǎn)單配置為立、臥轉(zhuǎn)換的三軸加工中心，可對(duì)工件實(shí)現(xiàn)五面體加工，盡管還沒(méi)有配置五軸，也非常實(shí)用。:
三、設(shè)計(jì)方案的可行性分析和預(yù)期目標(biāo)
工件在加工中心上經(jīng)一次裝夾后，數(shù)字控制系統(tǒng)能控制機(jī)床按不同工序，自動(dòng)選擇和更換刀具，自動(dòng)改變機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)軌跡及其他輔助機(jī)能，依次完成工件幾個(gè)面上多工序的加工。并且有多種換刀或選刀功能，從而使生產(chǎn)效率大大提高。在參考了學(xué)校里的數(shù)控加工中心基礎(chǔ)上，對(duì)加工中心的刀庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行分析，闡述了其刀庫(kù)選刀控制方式及換刀動(dòng)作過(guò)程
四、所需要的儀器設(shè)備、材料：
計(jì)算機(jī)及相關(guān)的繪圖軟件、公式編輯軟件、圖紙、各種繪圖
五、課題分階段進(jìn)度計(jì)劃：
序號(hào)
起止日期
工 作 內(nèi) 容
階段成果
1
第1-4周
翻譯外文資料，查閱相關(guān)文獻(xiàn)
翻譯外文資料5000多字
2
第5-6周
確定整體方案，進(jìn)行整體構(gòu)思
完成整體結(jié)構(gòu)草圖
3
第7-8周
進(jìn)行傳動(dòng)功能設(shè)計(jì)，繪制草圖
完成總裝草圖一張
4
第9-10周
優(yōu)化方案，設(shè)計(jì)計(jì)算及繪制裝配圖
完成裝配圖和零件圖若干
5
第11-13周
完善裝配圖及繪制零件圖
完成裝配圖及零件圖若干
6
第14周
最終檢查，整理資料，準(zhǔn)備答辯
完成畢業(yè)論文的書寫
7
畢業(yè)前
答辯
指導(dǎo)教師意見(jiàn)：
簽字：劉建慧
2012 年 月 日
河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表
指導(dǎo)教師： 職稱： 教授
所在院（系）： 機(jī)械與動(dòng)力工程系 教研室（研究室）： 機(jī)制教研室
題 目
加工中心自動(dòng)換換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)（鏈?zhǔn)剑?
學(xué)生姓名
專業(yè)班級(jí)
學(xué)號(hào)
一、選題質(zhì)量：
1.加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合本專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，能夠體現(xiàn)綜合訓(xùn)練要求。
2.題目難易程度中等偏上。
3.設(shè)計(jì)說(shuō)明書的設(shè)計(jì)與計(jì)算部分難度中等但工作量較大。
4.此題目直接與現(xiàn)實(shí)中的生產(chǎn)相關(guān)，此設(shè)計(jì)可以直接與工廠生產(chǎn)相連，產(chǎn)
生效益；此題目為創(chuàng)新型題目，可培養(yǎng)學(xué)生的研究精神。
二、開(kāi)題報(bào)告完成情況：
按時(shí)完成
三、階段性成果：
1.完成開(kāi)題報(bào)告
2.設(shè)計(jì)說(shuō)明書計(jì)算部分草稿完成
3.完成AutoCAD的部分圖紙草繪
4.完成國(guó)外文獻(xiàn)的翻譯
四、存在主要問(wèn)題：
1.圖紙?jiān)O(shè)計(jì)需要查資料，因此進(jìn)展緩慢
2.設(shè)計(jì)計(jì)算工作量稍大，特別是需要校核部分
五、指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)生在畢業(yè)實(shí)習(xí)中，勞動(dòng)、學(xué)習(xí)紀(jì)律及畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)展等方面的評(píng)語(yǔ)
指導(dǎo)教師： （簽名）
年 月 日
3
河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文
摘 要
以加工中心自動(dòng)換刀裝置中的刀庫(kù)的設(shè)計(jì)與控制為背景，根據(jù)使用的場(chǎng)合和實(shí)際運(yùn)用的要求，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的40刀的鏈?zhǔn)降稁?kù)，并且對(duì)它的控制進(jìn)行了一定的研究。
論文首先對(duì)40刀刀庫(kù)總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行闡述，闡述其各部件的工作原理，然后就刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制分節(jié)對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行計(jì)算與設(shè)計(jì)。
刀庫(kù)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是研究的重點(diǎn)，傳動(dòng)部分為蝸桿蝸輪的減速裝置，控制部分為刀庫(kù)送刀機(jī)構(gòu)，由PLC控制刀庫(kù)的正反轉(zhuǎn)。
關(guān)鍵詞：加工中心，刀庫(kù)，蝸桿蝸輪， PLC。
Abstract
Take the machining center automatically trades in the knife installment the Tool magazine design and the control as a background, according to the use situation and the actual utilization's request, has designed the corresponding forty tool's chain Tool magazine, and has conducted certain research to its control.
The paper first carries on the elaboration to forty Tool magazine overall project design, elaborated that its various parts' principle of work, is divided the chapter on the Tool magazine 's structural design and the control to carry on the computation and the design to each part.
The Tool magazine's organization design is the research key point, the transmission part for the worm bearing adjuster worm gear's decelerating device, the control section delivers the knife organization for the Tool magazine, controls the Tool magazine by PLC the reverse.
Key words: Machining center, Tool magazine , worm bearing adjuster worm gear, PLC.
I
目 錄
1 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 加工中心簡(jiǎn)介 1
1.2.1 加工中心的發(fā)展簡(jiǎn)史 1
1.2.2 加工中心的結(jié)構(gòu)組成 2
1.2.3 加工中心的分類 4
1.2.4 加工中心的主要優(yōu)點(diǎn) 5
1.2.5 加工中心的發(fā)展趨勢(shì) 6
1.3 刀庫(kù) 7
1.3.1 刀庫(kù)簡(jiǎn)介 7
1.3.2 刀庫(kù)的類型 8
1.3.3方案的分析論證及確定 12
2 刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選定 15
2.1 刀套線速度 15
2.2 鏈輪參數(shù)確定 15
2.3 根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩選電機(jī) 16
2.4 傳動(dòng)比分配 18
2.4.1 各軸轉(zhuǎn)速 18
2.4.2 各軸功率 18
2.4.3 各軸轉(zhuǎn)矩 18
3 刀庫(kù)傳動(dòng)方式 20
3.1 刀庫(kù)傳動(dòng)方式設(shè)計(jì) 20
3.1.1 蝸桿蝸輪傳動(dòng) 20
3.1.2 鏈傳動(dòng) 29
4 軸的設(shè)計(jì) 32
4.1 軸材料選定 32
4.2 蝸桿軸設(shè)計(jì) 32
4.2.1 初步估算軸的最小直徑 32
4. 2.2 聯(lián)軸器選定 33
4.2.3 確定軸承類型 33
4.2.4 初步估算蝸桿軸各段尺寸 33
4.2.5 蝸桿軸校核 34
4.3 蝸輪軸校核 30
4.3.1 初步估算軸的最小直徑 38
4.3.2 初步估算蝸輪軸各段的尺寸 38
4.3.3 蝸輪軸校核 38
4.4 鍵的校核 42
5 軸承校核 44
5.1 蝸桿軸承校核 44
5.2 蝸輪軸承校核 44
6 刀庫(kù)控制系統(tǒng) 46
6.1 刀具的選擇方式 46
6.1.1 順序選擇 46
6.1.2任意選擇 46
6.2刀具識(shí)別裝置 47
6.3刀庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 48
7 其它零部件設(shè)計(jì) 51
8 結(jié)論 53
致謝 54
參考文獻(xiàn) 55
1
一 緒論
本首先從數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程引出加工中心的發(fā)展趨勢(shì)，再具體到本次設(shè)計(jì)針對(duì)的刀庫(kù)的任務(wù)要求，明確了本設(shè)計(jì)任務(wù)的主要內(nèi)容。
1.1 引言
1952年世界上出現(xiàn)了一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，使多品種、中小批量的機(jī)械加工設(shè)備在柔性、自動(dòng)化和效率上產(chǎn)生了巨大變革。1958年一臺(tái)加工中心問(wèn)世，它將多工序（銑、鉆、鏜、鉸、攻絲等）加工集于一身；適應(yīng)加工多品種和大批量的工件；增加機(jī)床功能（自動(dòng)換刀、自動(dòng)換工件、自動(dòng)檢測(cè)等），使自動(dòng)化程度和加工效率上了一個(gè)新臺(tái)階；使無(wú)人化（或長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人操作）加工成為現(xiàn)實(shí)。90年代以來(lái)，數(shù)控加工技術(shù)得到迅速的普及及發(fā)展，數(shù)控加工中心在制造業(yè)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)制造的加工中心主要是面向生產(chǎn)領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高、封閉性強(qiáng)，價(jià)格昂貴。加工中心已成為柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和自動(dòng)化工廠的基本單元。
加工中心是數(shù)控機(jī)床的代表，是高新技術(shù)集成度高的典型機(jī)電一體化機(jī)械加工設(shè)備，受到世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視，技術(shù)迅速發(fā)展，品種和數(shù)量大幅度增加，成為當(dāng)今世界機(jī)械加工設(shè)備中最引人注目的一類產(chǎn)品。
1.2 加工中心簡(jiǎn)介
1.2.1 加工中心的發(fā)展簡(jiǎn)史
1952年世界上出現(xiàn)一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，使多品種、中小批量的機(jī)械加工設(shè)備在柔性、自動(dòng)化和效率上產(chǎn)生了巨大變革。它用易于修改的數(shù)控加工程序進(jìn)行控制，因而比大批量生產(chǎn)重使用組合機(jī)床生產(chǎn)線和凸輪、開(kāi)關(guān)控制的專用機(jī)床有更大的柔性，容易適應(yīng)加工件品種的變化，進(jìn)行多品種加工。它用數(shù)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的工藝功能、幾何圖形運(yùn)動(dòng)功能和輔助功能實(shí)行全自動(dòng)的數(shù)字控制，因?yàn)橛懈叩淖詣?dòng)化程度和加工效率，大大改變了中小批量生產(chǎn)中普通機(jī)床占整個(gè)機(jī)械加工的狀況。數(shù)控機(jī)床能實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)以上聯(lián)動(dòng)的功能，其效率和精度比用手工和樣板控制加工復(fù)雜零件要高得多。
1958年一臺(tái)加工中心在美國(guó)卡尼、特雷克（Kearney&Trecker）公司問(wèn)世?，F(xiàn)代加工中心的內(nèi)容是什么？一，它是在數(shù)控鏜床或數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上增加自動(dòng)換刀裝置，可使工件在一次裝卡中，能夠自動(dòng)更換刀具，自動(dòng)完成工件上的銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等工序的數(shù)控機(jī)床。二，加工中心上如果帶有自動(dòng)分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)或自動(dòng)轉(zhuǎn)角度的主軸箱，可使工件在一次裝卡中，自動(dòng)完成多個(gè)平面和多個(gè)角度位置的多工序加工。三，加工中心上如果帶有交換工作臺(tái)，工件在工作位置的工作臺(tái)上進(jìn)行加工的同時(shí)，另外的工件在裝卸位置的工作臺(tái)上進(jìn)行裝卸，不影響加工的進(jìn)行。
由上述可知，加工重心在加工的柔性、自動(dòng)化程度和加工效率上，在一般數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上又上了一個(gè)新的臺(tái)階，又是一次新的變革。
加工中心的定義是什么？目前世界上并無(wú)標(biāo)準(zhǔn)定義，但目前普遍認(rèn)為是指：在工件一次裝卡中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等多工序的數(shù)控機(jī)床。更為明確的說(shuō)法是：加工中心就是自動(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床。這就把加工中心與自動(dòng)換刀數(shù)控車床或車削中心區(qū)別開(kāi)來(lái)。
1.2.2 加工中心的結(jié)構(gòu)組成
加工中心的組成隨機(jī)床的類別、功能、參數(shù)的不同而有所區(qū)別。機(jī)床本身分基本部件和選擇部件，數(shù)控系統(tǒng)有基本功能和選用功能，機(jī)床參數(shù)有主參數(shù)和其它參數(shù)。機(jī)床制造廠可根據(jù)用戶提出的要求進(jìn)行生產(chǎn)，但在同類機(jī)床的基本功能和部件組成一般差別不大。從總體上看，加工中心基本上由以下幾大部分組成。
㈠ 基礎(chǔ)部件 主要由床身、立柱和工作臺(tái)等大件組成。它們是加工中心的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，要承受加工中心的靜載荷以及在加工時(shí)的切削負(fù)載，因此必須是剛度很高的部件。這些大件可以是鑄鐵件也可以是焊接的剛結(jié)構(gòu)件，是加工中心中重量和體積最大的部件。
㈡ 主軸系統(tǒng) 主要由主軸箱、主軸電動(dòng)機(jī)、主軸和主軸軸承等零部件組成。主軸的啟動(dòng)、停止和變轉(zhuǎn)速等動(dòng)作均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過(guò)裝在主軸上的刀具參與切削運(yùn)動(dòng)，是切削加工的功率輸出部件。主軸系統(tǒng)是加工中心的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)的好壞，對(duì)加工中心的性能有很大的影響。
㈢ 數(shù)控系統(tǒng) 主要由CNC裝置、可編程序控制器、伺服驅(qū)動(dòng)裝置以及電動(dòng)機(jī)等部分組成，它們是加工中心執(zhí)行順序控制動(dòng)作和完成加工過(guò)程的控制中心。
㈣ 自動(dòng)換刀系統(tǒng) 主要由刀庫(kù)、自動(dòng)換刀裝置等部件組成。刀庫(kù)是存放加工過(guò)程所要使用的全部刀具的裝置。當(dāng)需要換刀時(shí)，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的指令，由機(jī)械手（或通過(guò)別的方式）將刀具從刀庫(kù)取出裝入主軸孔中。刀庫(kù)有盤式、鏈?zhǔn)胶凸氖降榷喾N形式，容量從幾把到幾百把。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)根據(jù)刀庫(kù)與主軸的相對(duì)位置幾結(jié)構(gòu)的不同也有多種形式。如單臂式、雙臂式?；剞D(zhuǎn)式和軌道式等等。有的加工中心利用主軸箱或刀庫(kù)的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)換刀。
㈤ 輔助系統(tǒng) 包括潤(rùn)滑、冷卻、排屑防護(hù)、液壓和隨機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)等部分。輔助系統(tǒng)雖不直接參與切削運(yùn)動(dòng)。但對(duì)加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起到保障作用，因此也是加工中心中不可缺少的部分。
另外，為進(jìn)一步縮短非切削時(shí)間，有的加工中心還配備了自動(dòng)托盤交換系統(tǒng)。例如，配有兩個(gè)自動(dòng)交換工件托盤的加工中心，一個(gè)安裝工件在工作臺(tái)上加工，另一個(gè)則位于工作臺(tái)外進(jìn)行工件的裝卸。當(dāng)完成一個(gè)托盤上工件的加工后，便自動(dòng)交換托盤，進(jìn)行新零件的加工，這樣可以減少輔助時(shí)間，提高加工效率。
1.2.3 加工中心的分類
圖1-1 立式加工中心
按照加工中心形態(tài)不同進(jìn)行分類，可分為立式、臥式和五坐標(biāo)加工中心。
㈠ 立式加工中心（如圖1-1） 立式加工中心的主軸軸心線為垂直狀態(tài)配置，結(jié)構(gòu)形式多為固定立柱式，工作臺(tái)為長(zhǎng)方形，適合加工小型板類、盤類、殼體類零件。
圖1-2 臥式加工中心
㈡臥式加工中心（如圖1-2） 臥式加工中心是指主軸軸線為水平狀態(tài)設(shè)置的加工中心，通常都帶有可進(jìn)行分度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的正方形分度工作臺(tái)。臥式加工中心一般具有3~5個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，常見(jiàn)的是三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)(沿X、Y、Z軸方向)加一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)(回轉(zhuǎn)工作臺(tái))，它能夠使工件在一次裝夾后完成除安裝面和頂面以外的其余四個(gè)面的加工，最適合箱體類工件的加工。
㈢ 五坐標(biāo)加工中心 五坐標(biāo)加工中心兼具立式和臥式加工中心的功能，工件一次裝夾后能完成除安裝面外的所有側(cè)面和頂面等五個(gè)面的加工，因此也叫五面加工中心。常見(jiàn)的五坐標(biāo)加工中心有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是主軸可以旋轉(zhuǎn)，另一種是工作臺(tái)可以旋轉(zhuǎn)。
1.2.4 加工中心的主要優(yōu)點(diǎn)
㈠ 提高加工質(zhì)量 工件一次裝夾，即可實(shí)現(xiàn)多工序集中加工，大大減少多次裝夾所帶來(lái)的誤差。另外，由于是數(shù)控加工，較少依賴操作者的技術(shù)水平，可得到相當(dāng)高的穩(wěn)定精度。
㈡ 縮短加工準(zhǔn)備時(shí)間 加工中心既然可以頂替多臺(tái)通用機(jī)床，那么加工一個(gè)零件所需準(zhǔn)備時(shí)間，是每臺(tái)加工單元所損耗的準(zhǔn)備時(shí)間之和。從這個(gè)意義上說(shuō)，加工中心的準(zhǔn)備時(shí)間顯然短得多。
㈢ 減少在制品 以往的加工方式是工件流動(dòng)與多臺(tái)通用機(jī)床之間，這就要有相當(dāng)數(shù)量的在制品，而在加工中心上加工，即可發(fā)揮其“多工序集中”的優(yōu)勢(shì)，在一臺(tái)機(jī)床上完成多個(gè)工序，就能大大減少在制品數(shù)量。
㈣ 減少刀具費(fèi) 把分散設(shè)置在各通用機(jī)床上的刀具，集中在加工中心刀庫(kù)上，有可能用最少量的刀具，實(shí)現(xiàn)公共有效利用。這樣既提高刀具利用率，又減少了道具數(shù)量。
㈤最少的直接勞務(wù)費(fèi) 由NC裝置實(shí)現(xiàn)多工序加工的信息集約化和一人多臺(tái)管理，以及用工作臺(tái)自動(dòng)托盤交換裝置（Automatic Pallet Changer簡(jiǎn)稱APC）等輔助裝置，實(shí)現(xiàn)夜間無(wú)人運(yùn)轉(zhuǎn)。這些都可縮減直接勞務(wù)費(fèi)。
㈥ 最少的簡(jiǎn)介勞務(wù)費(fèi) 由于工序集中，工件搬運(yùn)和質(zhì)量檢查工作量都大為減少，這就使間接勞務(wù)費(fèi)最少。
㈦設(shè)備利用率高 加工中心設(shè)備利用率為通用機(jī)床的幾倍。另外，由于工序集中，容易適應(yīng)多品種、中小批量生產(chǎn)。
1.2.5 加工中心的發(fā)展趨勢(shì)
㈠ 立式加工中心
立式加工中心主要的用戶層面為,以看好的汽車零部件行業(yè)為首，還有模具、飛機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、IT、光學(xué)設(shè)備等行業(yè)。在飛機(jī)制造業(yè)因絕大多數(shù)加工件為多品種、小批量的產(chǎn)品，因此五軸加工機(jī)為主的立式加工中心有潛在的需求。今后電子零部件、精密機(jī)枝零部件、半導(dǎo)體模具等行業(yè)也具有需求潛力。各生產(chǎn)廠家面對(duì)預(yù)期需求擴(kuò)大的飛機(jī)、模
立式加工中心主要的用戶層面為,以看好的汽車零部件行業(yè)為首，還有模具、飛機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、IT、光學(xué)設(shè)備等行業(yè)。在飛機(jī)制造業(yè)因絕大多數(shù)加工件為多品種、小批量的產(chǎn)品，因此五軸加工機(jī)為主的立式加工中心有潛在的需求。今后電子零部件、精密機(jī)枝零部件、半導(dǎo)體模具等行業(yè)也具有需求潛力。
㈡ 臥式加工中心
臥式加工中心因其加工面是垂直的，切屑易脫落，比較適應(yīng)時(shí)間無(wú)操作。又因是模塊結(jié)構(gòu)，可以短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)入最適當(dāng)規(guī)模的系統(tǒng)。因其無(wú)人操作時(shí)間較長(zhǎng)，在成本費(fèi)用方面與單機(jī)相比效果更好。
從技術(shù)開(kāi)發(fā)動(dòng)向來(lái)看，是謀求提高主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、提高精密度、并將對(duì)應(yīng)熱變位、模塊化等集中體現(xiàn)出來(lái)。其中，作為機(jī)床基本課題的高速化研究也不斷取得成果。
由于提高進(jìn)給速度直接關(guān)系到產(chǎn)品的加工時(shí)間，以利提高生產(chǎn)效率，因此在高速進(jìn)給技術(shù)方面，驅(qū)動(dòng)裝置采用直線電機(jī)的機(jī)型正在增多。同時(shí)也有廠家在開(kāi)發(fā)不使用直線電機(jī)，采用進(jìn)給軸以大導(dǎo)程滾珠絲杠為驅(qū)動(dòng)，進(jìn)給加速度1.5G~ 2G、快速進(jìn)給速度120 mm／min的高速臥式加工中心。并在主軸上采用雙面約束刀具、主軸轉(zhuǎn)速為 2 萬(wàn) r/min、快速進(jìn)給速度為60 m/min、以盡量縮短重復(fù)定位、刀至刀等的非切削時(shí)間。為解決速度提高帶來(lái)的熱變位影響，防止精度下降，一般都采用獨(dú)自的補(bǔ)正裝置或主軸冷卻結(jié)構(gòu)、冷卻裝置等。
1.3 刀庫(kù)
1.3.1 刀庫(kù)簡(jiǎn)介
刀庫(kù)是自動(dòng)換刀裝置中最主要的部件之一，其容量、布局以及具體結(jié)構(gòu)對(duì)加工中心的設(shè)計(jì)有很大影響。刀庫(kù)是用來(lái)儲(chǔ)存加工刀具及輔助工具的地方。由于多數(shù)加工中心的取送刀位置都是在刀庫(kù)中的某一固定刀位，因此刀庫(kù)還需要有使刀具運(yùn)動(dòng)及定為的機(jī)構(gòu)來(lái)保證換刀的可靠。其動(dòng)力可采用液動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)，如果需要還要有減速機(jī)構(gòu)。刀庫(kù)的定為機(jī)構(gòu)是用來(lái)保證更換的每一把刀具或刀套都能準(zhǔn)確地停在換到位置上。其控制部分可以采用簡(jiǎn)易位置控制器或類似半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的伺服位置控制，也可以采用電氣和機(jī)械相結(jié)合的銷定為方式，一般要求綜合定為精度達(dá)到0.1～0.5 mm。
根據(jù)刀庫(kù)所需要的容量和取刀方式，可以將刀庫(kù)設(shè)計(jì)成多種形式。圖1-3列出了常用的幾種刀庫(kù)。圖1-3是但盤式刀庫(kù)，為適應(yīng)機(jī)床主軸的布局，刀庫(kù)的刀具軸線可以按不同的方向配置，圖1-3d是刀具可作翻轉(zhuǎn)的圓盤刀庫(kù)，采用這種結(jié)構(gòu)能夠簡(jiǎn)化取刀動(dòng)作。單盤式刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，取刀也較為方便，因此應(yīng)用最為廣泛。但由于圓盤尺寸受限制，刀庫(kù)的容量較?。ㄍǔＱb16～32把刀）。
圖1-3 刀庫(kù)的形式
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?zhǔn)? g）多盤式 h）格子式
當(dāng)需要存放更多數(shù)量的刀具時(shí)，可以采用圖1-3形式的刀庫(kù)，它們充分利用了機(jī)床周圍的有效空間，且刀庫(kù)的外形尺寸又不致過(guò)于龐大。圖1-3e是鼓筒彈夾式刀庫(kù)，其結(jié)構(gòu)十分緊湊，在相同的空間內(nèi)，它的刀庫(kù)容量較大，但選刀和取刀的動(dòng)作較復(fù)雜。圖1-3f是鏈?zhǔn)降稁?kù)，其結(jié)構(gòu)有較大的靈活性，存放刀具的數(shù)量也較多，選刀和取刀動(dòng)作十分簡(jiǎn)單。當(dāng)鏈條較長(zhǎng)時(shí)，可以增加支撐鏈輪的數(shù)目，使鏈條折迭回繞，提高了空間利用率。圖1-3g和1-3h分別為多盤式和格子式刀庫(kù)，它們雖然也具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，但選刀和取刀動(dòng)作復(fù)雜，較少應(yīng)用。
1.3.2 刀庫(kù)的類型
加工中心上普遍采用的刀庫(kù)是盤式刀庫(kù)和鏈?zhǔn)降稁?kù)。密集型的固定刀庫(kù)目前于用于FMS中的集中供刀系統(tǒng)。
㈠ 盤式刀庫(kù) 盤式刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用較多，如圖1-4所示。由于刀具環(huán)形排列，空間利用率低。因此出現(xiàn)了將刀具在盤中采用雙環(huán)或多環(huán)排列，以增加空間的利用率。但這樣一來(lái)使刀庫(kù)的外徑過(guò)大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也很大，選刀時(shí)間也較長(zhǎng)。因此，盤式刀圖1-4 盤式刀庫(kù)的形式
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
庫(kù)一般適用于刀具容量較少的刀庫(kù)。
㈡ 鏈?zhǔn)降稁?kù) 如圖1-5所示，鏈?zhǔn)降稁?kù)的結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫(kù)容量較大，鏈環(huán)的形狀可以根據(jù)機(jī)床的布局配置成各種形狀，也可將換刀位突出以利換刀。當(dāng)鏈?zhǔn)降稁?kù)需增加刀具容量時(shí)，只需增加鏈條的長(zhǎng)度和支承鏈輪的數(shù)目，在一定范圍內(nèi)，無(wú)需變更線速度及慣量。這些特點(diǎn)也為系列刀庫(kù)的設(shè)計(jì)與制造帶來(lái)了很大的方便，可以滿足不同使用條件。一般刀具數(shù)量在30~120把時(shí)，多采用鏈?zhǔn)降稁?kù)。
圖1-5 鏈?zhǔn)降稁?kù)的形式
⑴ 換刀位置 為保證刀套準(zhǔn)停精度和刀套定位剛性，鏈?zhǔn)降稁?kù)的換刀位置一般設(shè)在主動(dòng)鏈輪上如圖1-6所示，或者設(shè)在盡可能靠近主動(dòng)鏈輪的刀套處，如圖1-7所示
圖1-7 鏈?zhǔn)降稁?kù)換刀位置
圖1-6 鏈?zhǔn)降稁?kù)換刀位置
⑵ 鏈條形式 我國(guó)目前還沒(méi)有廠家生產(chǎn)加工中心刀庫(kù)專用鏈條，因而不得不用標(biāo)準(zhǔn)套筒輥?zhàn)渔湥ㄟ^(guò)連接器把刀套固定在鏈條上。這種方式不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配調(diào)試費(fèi)時(shí)，而且套筒位置精度亦差
我國(guó)部分廠家，購(gòu)買日本椿本鏈條公司（TSUBAKI CHAIN Co.）生產(chǎn)的已轉(zhuǎn)有刀套的刀庫(kù)專用鏈條來(lái)裝備刀庫(kù)，效果頗佳?？紤]到刀具重量和刀庫(kù)工作的平穩(wěn)性，推薦采用：
HP型鏈條 這種鏈條是套筒式鏈條，其輥?zhàn)颖旧砭褪堑短?，該鏈條型式及尺寸見(jiàn)表1-1
鏈條型號(hào)
刀具錐柄號(hào)
P
O
L
H
W
R
T
HP
40
90
55
86.5
88
60
68
4.0
表1-1
1） HP-T型
①鏈輪節(jié)圓直徑
式中 N——當(dāng)量齒數(shù)（實(shí)際齒數(shù)/3）
②鏈輪外徑D0
式中 P——鏈條節(jié)距
注：鏈輪齒數(shù)可從9個(gè)起使用。但是為了增加鏈條的耐用度和運(yùn)行效率，齒數(shù)還是盡可能多為好。鏈輪之間的中心距，以取鏈條節(jié)距整數(shù)倍為宜。
1.3.3方案的分析論證及確定
1.3.3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)方案的提出
方案一：直接在刀庫(kù)與主軸之間換刀
方案二：用機(jī)械手在刀庫(kù)與主軸之間換刀
方案三：用機(jī)械手和轉(zhuǎn)塔頭配合刀庫(kù)進(jìn)行換刀
1.3.3.2 傳動(dòng)方案的提出
方案一：轉(zhuǎn)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)帶傳動(dòng)，移動(dòng)用氣壓或液壓傳動(dòng)
方案二：轉(zhuǎn)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)帶傳動(dòng)，移動(dòng)用絲杠傳動(dòng)
方案三：轉(zhuǎn)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)齒輪傳動(dòng)，移動(dòng)用氣壓或液壓傳動(dòng)
方案四：轉(zhuǎn)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)蝸輪蝸桿傳動(dòng)，移動(dòng)用氣壓傳動(dòng)
1.3.3.3方案的可行性分析
1.3.3.4機(jī)械結(jié)構(gòu)方案的可行性分析
方案一：直接在刀庫(kù)與主軸之間換刀
這種換刀裝置只有一個(gè)刀庫(kù)，刀庫(kù)中儲(chǔ)存著加工過(guò)程中需要使用的刀具，利用機(jī)床本身與刀庫(kù)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)換刀過(guò)程。它的刀庫(kù)需要整體運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且刀庫(kù)容量較小。主要運(yùn)用在需要刀具較少的數(shù)控車床中。
方案二：用機(jī)械手在刀庫(kù)與主軸之間換刀
這是目前用的最普遍的一種自動(dòng)換刀裝置，其布局結(jié)構(gòu)多種多樣。它利用機(jī)械手在刀庫(kù)和機(jī)床之間實(shí)現(xiàn)換刀過(guò)程。由于這種結(jié)構(gòu)有一個(gè)中間介質(zhì)機(jī)械手，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較靈活，也比較簡(jiǎn)單。
方案三：用機(jī)械手和轉(zhuǎn)塔頭配合刀庫(kù)進(jìn)行換刀
這種換刀裝置實(shí)際上是轉(zhuǎn)塔頭式換刀裝置和刀庫(kù)換刀裝置的結(jié)合。這種換刀裝置轉(zhuǎn)塔頭上有兩個(gè)刀具主軸，當(dāng)一個(gè)刀具主軸上的刀具進(jìn)行加工時(shí)，可由機(jī)械手將下一工步需用的刀具換到不工作的主軸上，待上一工步加工完畢后，轉(zhuǎn)塔頭回轉(zhuǎn)180度，即完成換刀工作。這種裝置換刀效率較高，但是兩個(gè)刀具主軸的結(jié)構(gòu)嚴(yán)重限制了它的使用范圍。
1.3.3.5傳動(dòng)方案的可行性分析
方案一：轉(zhuǎn)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)帶傳動(dòng)，移動(dòng)用氣壓或液壓傳動(dòng)
步進(jìn)電機(jī)可精確控制轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和轉(zhuǎn)向，但是價(jià)格比伺服電機(jī)便宜的多。由于換刀不需要反饋系統(tǒng)，因此不必要選伺服點(diǎn)電機(jī)。帶傳動(dòng)可以降低對(duì)電機(jī)的沖擊，雖然可以配合齒輪傳動(dòng)達(dá)到較大的傳動(dòng)比，但是機(jī)構(gòu)所占空間大，在要求機(jī)構(gòu)緊湊的數(shù)控機(jī)床上顯然不適合。氣壓和液壓傳動(dòng)都有快的優(yōu)勢(shì)，但是相比之下，在需要的力并不大的地方選用價(jià)格更便宜的氣壓傳動(dòng)更經(jīng)濟(jì)一些。
方案二：轉(zhuǎn)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)帶傳動(dòng)，移動(dòng)用絲杠傳動(dòng)
絲杠雖然可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，但是在力較小、并且需要快速移動(dòng)的地方就不如氣壓傳動(dòng)適合了。
方案三：轉(zhuǎn)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)齒輪傳動(dòng)，移動(dòng)用氣壓或液壓傳動(dòng)
齒輪傳動(dòng)和帶傳動(dòng)一樣能達(dá)到的一級(jí)降速傳動(dòng)比小，不能自鎖。
方案四：轉(zhuǎn)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)蝸輪蝸桿傳動(dòng)，移動(dòng)用氣壓傳動(dòng)
蝸輪蝸桿傳動(dòng)不僅傳動(dòng)大，而且可以自鎖。
1.3.3.6方案的確定
1.3.3.7機(jī)械結(jié)構(gòu)方案的確定
經(jīng)過(guò)綜合分析確定選擇方案二，即用機(jī)械手在刀庫(kù)與主軸之間換刀的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。機(jī)械手兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)。
13.3.8 傳動(dòng)方案的確定
經(jīng)過(guò)綜合分析確定選擇方案四，即轉(zhuǎn)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)蝸輪蝸桿傳動(dòng)，移動(dòng)用氣壓傳動(dòng)。
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二 刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選定
驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)，目前常見(jiàn)的方式有伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和液動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種，我國(guó)加工中心都選用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，在本設(shè)計(jì)中也將采用伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。
2.1 刀套線速度
選用HP型鏈條，錐柄號(hào)40
鏈行程 S=20×P=20×90=1.8m
由選刀時(shí)間t.=4s,可得到鏈速v.
鏈速
刀套線速度v=27 m/min,查相關(guān)資料刀套線速度影響選刀效率，但是過(guò)快的線速度又影響刀庫(kù)工作可靠性。一般推薦在22～30m/min之間。鏈速適用。
2.2 鏈輪參數(shù)確定
取鏈輪齒數(shù)z=24
鏈輪節(jié)圓直徑DP
式中 N——當(dāng)量齒數(shù)（實(shí)際齒數(shù)/3）
P——鏈條節(jié)距
鏈輪外徑D0
鏈輪轉(zhuǎn)速n
2.3 負(fù)載轉(zhuǎn)矩選電機(jī)
加在伺服電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，應(yīng)比電動(dòng)機(jī)額定連續(xù)轉(zhuǎn)矩小。
鏈?zhǔn)绞降稁?kù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法 鏈?zhǔn)降稁?kù)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T1是由刀具不平衡重量Wmax和導(dǎo)向面（或支承面）的摩擦力F所組成，如圖2-1所示。
圖2-1 鏈?zhǔn)降稁?kù)力的分布
不平衡重量Wmax，可按在一個(gè)垂直方向刀套上裝有1/10刀庫(kù)容量數(shù)的最大刀具重量來(lái)計(jì)算。F1和F3是支承面的摩擦力；F2、F4則是導(dǎo)向面上因刀具下垂而引起的摩擦力。計(jì)算摩擦力時(shí)，刀具重量均按刀具平均重量計(jì)算。
刀庫(kù)鏈輪半徑為118.5mm，刀具最大重量為20kg，刀具平均重量17kg，每個(gè)方向上10把刀，刀具重量m=170kg;刀具不平衡重量Wmax=800N。法向約束力FN=1700N，摩擦系數(shù)fs=0.11。
摩擦力F=fsFN=0.11×1700=187N
所以
負(fù)載所需功率
取傳動(dòng)比i=40。
傳動(dòng)總效率為：
式中：η1——聯(lián)軸器的功率；
η2——蝸桿的功率；
η3——軸承的功率；
η4——鏈傳動(dòng)效率。
把如上計(jì)算的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩TL為：
考慮到實(shí)際情況比計(jì)算時(shí)所設(shè)定條件復(fù)雜，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩Ts應(yīng)為負(fù)載轉(zhuǎn)矩的1.2～1.5倍，亦即：
根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，所選電機(jī)型號(hào)如下：
表2-1 所選電機(jī)型號(hào)
型 號(hào)
輸出功率
額定轉(zhuǎn)矩
最大轉(zhuǎn)矩
最高轉(zhuǎn)速
工作轉(zhuǎn)速
FB25
0.52
10
309
1000
500
2.4 傳動(dòng)比分配
刀庫(kù)選刀需要低速轉(zhuǎn)動(dòng)，就要求降低傳動(dòng)的速度，傳動(dòng)比選為i=40。
2.4.1 各軸轉(zhuǎn)速
Ⅰ軸
Ⅱ軸
2.4.2 各軸功率
Ⅰ軸
Ⅱ軸
2.4.3 各軸轉(zhuǎn)矩
電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Td為:
電機(jī)輸出軸
Ⅰ軸
Ⅱ軸
表2-2 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)表
軸
功率
轉(zhuǎn)矩T(N·mm)
轉(zhuǎn)速
n(r/min)
傳動(dòng)比
i
效率
η
電機(jī)軸
0.52
10
500
1
1
Ⅰ軸
0.51
9.9
500
1
0.99
Ⅱ軸
0.41
316.8
12.5
40
0.8
三 刀庫(kù)傳動(dòng)方式
3.1 刀庫(kù)傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)
為使伺服電機(jī)在最佳狀態(tài)下工作，一般不采用伺服電機(jī)的低速段。刀庫(kù)需要在伺服電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩下運(yùn)轉(zhuǎn)工作，并且減速比不能過(guò)大，否則不能達(dá)到刀庫(kù)需要的轉(zhuǎn)矩，這就要求減速裝置既要很大的減速比，又要保證電機(jī)工作在恒轉(zhuǎn)矩下，選用蝸桿減速裝置。
3.1.1 蝸桿蝸輪傳動(dòng)
㈠ 特點(diǎn)和應(yīng)用
蝸桿傳動(dòng)用于傳遞交錯(cuò)軸之間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在絕大多數(shù)情況下，兩軸在空間是互相垂直的，軸交角為90°。它廣泛應(yīng)用在機(jī)床、汽車、儀器、起重運(yùn)輸機(jī)械、冶金機(jī)械以及其他機(jī)械制造部門中，最大傳動(dòng)功率可達(dá)750 kW，通常用在50 kW以下；最高滑動(dòng)速度可達(dá)35 m/s,通常用在15 m/s以下。
蝸桿傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、工作平穩(wěn)、無(wú)噪聲、沖擊振動(dòng)小以及能得到很大的單級(jí)傳動(dòng)比。在傳遞動(dòng)力時(shí)，傳動(dòng)比一般為8～100，常用的為15～50。在機(jī)床工作臺(tái)中，傳動(dòng)比可達(dá)幾百，甚至到1000。這時(shí)，需采用導(dǎo)程角很小的單頭蝸桿，但傳動(dòng)效率很低，只能用在功率小的場(chǎng)合。在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中正力求提高蝸桿傳動(dòng)的效率，多頭蝸桿的傳動(dòng)效率已可達(dá)到98%。與多級(jí)齒輪傳動(dòng)相比，蝸桿傳動(dòng)零件數(shù)目少，結(jié)構(gòu)尺寸小，重量輕。缺點(diǎn)是在制造精度和傳動(dòng)比相同的條件下，蝸桿傳動(dòng)的效率比齒輪傳動(dòng)低，同時(shí)蝸桿一般需用貴重的減摩材料（如青銅）制造。
蝸桿傳動(dòng)多用于減速，以蝸桿為原動(dòng)件。也可用于增速，齒數(shù)比單級(jí)為5～15，但應(yīng)用很少。
㈡ 精度等級(jí)的選擇
蝸桿可以在車床上切制，也可以在特種銑床上用圓盤銑刀或指形銑刀銑制。由于蝸桿傳動(dòng)的軸間距離必須與蝸桿滾刀在切制蝸輪時(shí)的軸間定位距離相等才能得到正確的嚙合，所以蝸輪要用與它相捏合的蝸桿同樣大小的滾刀來(lái)切制。
由于蝸桿傳動(dòng)嚙合輪齒的剛度較齒輪傳動(dòng)大，所以制造精度對(duì)傳動(dòng)的影響比齒輪傳動(dòng)更顯著。蝸桿傳動(dòng)規(guī)定了12個(gè)精度等級(jí)，對(duì)于動(dòng)力傳動(dòng)，要按照6～9級(jí)精度制造。
㈢ 材料選擇
考慮到蝸桿傳動(dòng)難于保證高的接觸精度，滑動(dòng)速度又較大，以及蝸桿變形等因素，故蝸桿，蝸輪不能都用硬材料制造，其中之一（通常為蝸輪）應(yīng)該用減摩性良好的軟材料來(lái)制造。
——蝸輪材料。通常是指蝸輪齒冠部分的材料。主要有以下幾種：⑴鑄錫青銅 是適用于和持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的工況，離心鑄造的可得到致密的細(xì)晶粒組織，可取大值，砂型鑄造的取小值。⑵鑄鋁青銅 適用于的工況，抗膠合能力差，蝸桿硬度應(yīng)不低于45 HRC。⑶鑄鋁黃銅 點(diǎn)蝕強(qiáng)度高，但磨損性能差，宜用于低滑動(dòng)速度場(chǎng)合。⑷灰鑄鐵和球墨鑄鐵 使用于的工況，前者表面經(jīng)硫化處理有利于減輕磨損，后者若與淬火蝸桿配對(duì)能用于重載場(chǎng)合。直徑較大的蝸輪常用鑄鐵。
——蝸桿材料。蝸輪直徑很大時(shí)，可以采用青銅蝸桿，蝸輪則用鑄鐵。在要求持久性高的動(dòng)力傳動(dòng)中，可選用滲碳鋼淬火，也可選用中碳鋼表面或整體淬火以得到必要的硬度，制造時(shí)必須磨削。用氮化鋼氮處理的蝸桿可以不磨削，但需要拋光。只有在缺乏磨削設(shè)備是才選用調(diào)質(zhì)蝸桿。受短時(shí)沖擊載荷的蝸桿，不宜用滲碳鋼淬火，最好用調(diào)質(zhì)鋼。鑄鐵蝸輪與鍍鉻蝸桿配對(duì)時(shí)，有利于提高傳動(dòng)的承載能力和滑動(dòng)速度。
㈣ 蝸桿和蝸輪的結(jié)構(gòu)
蝸桿通常與軸做成整體很少做成裝配式的。
蝸輪可指成整體的或組合的。組合蝸輪的齒冠可以鑄在或用過(guò)盈配合裝在鑄鐵或鑄鋼的輪心上，常用的配合為H7/r6。為了增加過(guò)盈配合的可靠性，沿著接合縫還要擰上螺釘，螺釘孔中心線偏向輪轂一側(cè)。當(dāng)蝸輪直徑較大時(shí)，可采用螺栓聯(lián)接，最好采用受剪螺栓聯(lián)接。
㈤ 蝸桿蝸輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算：
ZA型蝸桿減速器，輸入功率P1=0.52kW，轉(zhuǎn)速n1=500r/min,傳動(dòng)比i=40。工作機(jī)載荷平穩(wěn)，動(dòng)力機(jī)有輕微振動(dòng)。預(yù)期壽命12000h。
蝸桿采用45鋼，表面硬度>45HRC，蝸輪材料采用ZCuSn10P1，砂型鑄造，計(jì)算步驟如下：
初選[d1/a]值
當(dāng)量摩擦系數(shù) 設(shè)vs=1m/s～1.5m/s，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》 μv=0.05
表13.6，取大值 ρv=3°
選[d1/a]值 在《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖13.11的i=40線上
選一點(diǎn)，查得[d1/a]=0.4，γ=6°
（z1=1），η1=0.8
中心距計(jì)算
蝸輪轉(zhuǎn)矩
使用系數(shù) 按題意查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.9
轉(zhuǎn)速系數(shù)
彈性系數(shù) 根據(jù)蝸輪輻材料查表13.2得
壽命系數(shù)
接觸系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖13.12Ⅰ線查出
接觸疲勞極限 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表13.2得 σHlim=265MPa
接觸疲勞最小安全系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得 SHmin=1.3
中心距
取a=160mm
傳動(dòng)基本尺寸
蝸桿頭數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖13.11查得γ=6°，z1=1;
也可用式13.22計(jì)算
取z1 = 1
蝸輪齒數(shù) z2=iz1=40×1 取z2 = 40
模數(shù) m =(1.4～1.7)a/z2
=(1.4～1.7)160/40=5.6～6.8 取m = 6.3 mm
蝸桿分度圓直徑 d1 = [d1/a]a
=0.4×160=64 查表13.4
d1=0.68a0.875
=0.68×1600.875=58 取d1 = 63 mm
蝸輪分度圓直徑 d2=mz2=6.3×40 d2 = 252 mm
蝸桿導(dǎo)程角 tanγ=z1m/d1
=1×6.3/63 γ=5.7°
蝸輪寬度
取b2=50 mm
蝸桿圓周速度
相對(duì)滑動(dòng)速度
當(dāng)量摩擦系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表13.6查得 μv = 0.0408
ρv=2.17°
齒面解除疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算
許用接觸應(yīng)力
最大接觸應(yīng)力
輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算
齒根彎曲疲勞極限 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表13.2查出 σFlim = 115MPa
彎曲疲勞最小安全系 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查出 SFmin=1.4
許用彎曲疲勞應(yīng)力
輪齒最大彎曲應(yīng)力
蝸桿軸擾度驗(yàn)算
軸慣性矩
允許蝸桿擾度
蝸桿軸擾度
（此處?。? 合格
溫度計(jì)算
傳動(dòng)嚙合效率
攪油效率 根據(jù)蝸桿的潤(rùn)滑條件，查
《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得：
軸承效率 根據(jù)蝸桿傳動(dòng)要求，查
《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得：
總效率
散熱面積估算
箱體工作溫度
潤(rùn)滑油粘度和潤(rùn)滑方法
潤(rùn)滑油粘度
潤(rùn)滑方法 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表13.7，可采用浸油潤(rùn)滑
—————————————————————————————————————
所有計(jì)算結(jié)果如表2-3所示：
名 稱
代 號(hào)
公 式 及 說(shuō) 明
中心距
a
a=(d1+d2+2x2m)/2=160mm
蝸桿頭數(shù)
z1
Z1=1
蝸輪齒數(shù)
z2
Z2=i Z1=40
齒形角
α
ZA型αX=20°，其余αn=20°
模數(shù)
m
m=6.3mm
蝸輪變位系數(shù)
x2
蝸桿軸向間距
px
px=πm=20 mm
蝸桿分度圓直徑
d1
d1=mz1/tanγ=63mm 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》與m匹配
蝸桿齒頂圓直徑
da1
da1= d1+2ha*m=75.6mm
蝸桿齒根圓直徑
df1
df1= d1-2m(ha*+c*)=47.88mm
蝸桿齒頂高
ha1
ha1= ha*m=6.3 齒頂隙系數(shù)一般ha*=1
頂隙
c
c= c*m=1.26 一般頂隙系數(shù)c*=0.2
蝸桿齒根高
hf1
hf1=( ha*+c*)m=7.56mm
蝸桿齒高
h1
h1= ha1+ hf1=13.86mm
漸開(kāi)線蝸桿基圓直徑
db1
db1=z1m/tanγb=16.7mm
漸開(kāi)線蝸桿基圓導(dǎo)程角
γb
cosγb=cosγ·cosαn γb=20.7°
蝸桿齒寬
b1
b1>(12+0.1z2)m b1=102mm
蝸輪分度圓直徑
d2
d2=m z2=252mm
蝸輪喉圓直徑
da2
da2= d2+2 ha2=269.64mm
蝸輪齒根圓直徑
df2
df2= d2－2 hf2=241.92mm
蝸輪齒頂高
ha2
ha2=m(ha*+x2)=8.82mm
蝸輪齒根高
hf2
hf2=m(ha*－x2+c*)=5.04mm
蝸輪齒高
h2
h2= ha2 +hf2=13.86mm
蝸輪頂圓直徑
de2
de2= da2+2m=382.24mm
蝸輪齒寬
b2
b2≤0.75 da1=56.7mm
蝸輪齒頂圓弧半徑
Ra2
蝸輪齒根圓弧半徑
Rf2
蝸桿軸向齒厚
sx1
sx1=mπ/2=9.9mm
蝸桿法向齒厚
sn1
sn1= sx1 cosγ=9.85mm
蝸桿分度圓齒厚
s2
s2=(0.5π+2x2tanαx)m=1.86mm
蝸桿節(jié)圓直徑
d′1
d′1=d1+2x2m=68.04 mm
蝸輪節(jié)圓直徑
d′2
d′2= d2=252mm
表2-3 普通圓柱蝸桿傳動(dòng)幾何尺寸計(jì)算
注：取齒頂高，徑向間隙，。
3.1.2 鏈傳動(dòng)
㈠ 概述
鏈傳動(dòng)是在兩個(gè)或多個(gè)鏈輪之間用鏈作為撓性拉曳元件的一種嚙合傳動(dòng)，因其經(jīng)濟(jì)、可靠，故廣泛用于農(nóng)業(yè)、采礦、冶金、起重、運(yùn)輸、石油、化工、紡織等各種機(jī)械的動(dòng)力傳動(dòng)中。
鏈傳動(dòng)在傳遞功率、速度、傳動(dòng)比、中心距等方面都有很廣的應(yīng)用范圍。目前，最大傳遞功率達(dá)到5000 kW，最高速度達(dá)到40 m/s,最大傳動(dòng)比達(dá)到15，最大中心距達(dá)到8 m。由于經(jīng)濟(jì)及其他原因，鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)功率一般小于100 kW，速度小于15 m/s，傳動(dòng)比小于8。
㈡ 鏈輪
鏈輪輪齒的齒形應(yīng)保證鏈節(jié)能自由地進(jìn)入和退出嚙合，在嚙合是應(yīng)保證良好的接觸，同時(shí)它的形狀應(yīng)盡可能地簡(jiǎn)單。
1.滾子鏈鏈輪
標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定鏈輪的最大齒槽形狀和最小齒槽形狀。實(shí)際齒槽形狀在最大、最小范圍內(nèi)都可以用，因而鏈輪齒廓曲線的幾何形狀可以有很大的靈活性。常用的齒廓為三圓弧一直線齒形。
2.鏈輪結(jié)構(gòu)
小直徑鏈輪可采用實(shí)心式，腹板式，或?qū)㈡溳喤c軸做成一體。鏈輪損壞主要由于齒的磨損。
㈢鏈輪的材料
鏈輪材料應(yīng)能滿足強(qiáng)度和耐磨性的要求。在低速、輕載、平穩(wěn)傳動(dòng)中，鏈輪可采用中碳鋼制造；中速、中載時(shí)，采用中碳鋼淬火處理，其硬度>40HRC～45HRC;高速、重載、連續(xù)工作的傳動(dòng)，采用低碳鋼、低碳合金鋼表面滲碳淬火或中碳鋼、中碳合金鋼表面淬火。
載荷平穩(wěn)、速度較低、齒數(shù)較多時(shí)，也允許采用的鑄鐵制造鏈輪。在工作環(huán)境較差、鏈輪容易磨損的場(chǎng)合，鑄鐵最好經(jīng)過(guò)等溫淬火處理或采用優(yōu)質(zhì)鑄鐵。
㈣ 鏈輪主要尺寸
名稱
符號(hào)
公式及計(jì)算
分度圓直徑
d
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒側(cè)凸緣
h——內(nèi)鏈板高度 查套筒滾子鏈相關(guān)參數(shù)
齒寬（單排）
b1——內(nèi)鏈節(jié)內(nèi)寬
倒角寬
倒角半徑
倒角深
齒側(cè)凸緣圓角半徑
鏈輪齒總寬
注：表中相關(guān)參數(shù)查HP型套筒滾子鏈。
四 軸的設(shè)計(jì)
軸是機(jī)器中的重要零件，在設(shè)計(jì)匯總，蝸桿渦輪是作為一種減速裝置，在減速裝置中軸是既要收彎矩又要受扭矩的轉(zhuǎn)軸。在一般情況下，軸的工作能力決定與它的強(qiáng)度和剛度，對(duì)與機(jī)床主軸，后者尤為重要。高速轉(zhuǎn)軸則決定于它的振動(dòng)穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)軸是，除應(yīng)按工作能力準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算或校核計(jì)算外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上還須滿足其他一系列的要求。
軸的設(shè)計(jì)，共包括如下內(nèi)容：軸的材料選擇，軸徑的初步估算，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，按彎扭合成進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核，按疲勞強(qiáng)度進(jìn)行軸的精確交合，軸的公差與配合的確定，軸的工作圖的繪制。
4.1 軸材料選定
軸的材料用碳鋼及合金鋼，減速裝置的軸以45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)處理應(yīng)用最為廣泛，硬度217HB~255HB，，，，。
4.2 蝸桿軸設(shè)計(jì)
4.2.1 初步估算軸的最小直徑
軸的直徑，可根據(jù)軸所傳遞的功率及軸的轉(zhuǎn)速,按下式進(jìn)行估算：
該段軸上有一鍵槽將計(jì)算值加大3%，應(yīng)為16
式中：C——與軸材料有關(guān)的系數(shù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表16.2查得，根據(jù)軸的材料取112。
4.2.2 聯(lián)軸器選定
根據(jù)傳動(dòng)裝置的工作條件擬選用YL,YLD型凸緣聯(lián)軸器（GB5843-86摘錄）。
計(jì)算轉(zhuǎn)矩為：
式中：T——許用名義轉(zhuǎn)矩；
k——工作情況系數(shù)，；
根據(jù)Tc=15 N·m，查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》YL8,YLD8型凸緣聯(lián)軸器就能滿足傳遞轉(zhuǎn)矩的要求Tn=250 N·m,其軸孔直徑范圍為d=32~45mm。
最后確定蝸桿軸軸伸處的直徑為dmin=40mm，型軸孔長(zhǎng)度L=84mm,D=130mm,D1=105mm,，螺栓數(shù)量為4，直徑M10，型L0=173mm。
4.2.3 確定軸承類型
由于采用的是蝸桿傳動(dòng)，既受徑向力，也受軸向力，鏈?zhǔn)降稁?kù)傳動(dòng)主要承受徑向力，選用角接觸球軸承（70000C，α=15°，基本額定動(dòng)載荷比=1.0-1.4）
4.2.4 初步估算蝸桿軸各段尺寸
根據(jù)軸上零件的受力情況，固定和定位的要求，初步確定軸的階梯段，該軸有8段。
初步估計(jì)各段尺寸如圖4—1所示
圖4-1 蝸桿軸
4.2.5 蝸桿軸校核
圖4—3
圖4—2
軸材料選用45鋼調(diào)質(zhì)，。軸的計(jì)算步驟列于下表。
計(jì)算項(xiàng)目 計(jì)算內(nèi)容 計(jì)算結(jié)果
計(jì)算蝸桿受力
蝸桿轉(zhuǎn)矩
蝸輪轉(zhuǎn)矩
軸向力
徑向力
圓周力
畫蝸桿軸受力 見(jiàn)圖4—2b
計(jì)算支承受力
水平面反力
垂直面反力
水平面（xy）受力圖 見(jiàn)圖4—2c
垂直面（xz）受力圖 見(jiàn)圖4—2e
畫軸彎矩圖
水平面彎矩圖 見(jiàn)圖4—2d
垂直面彎矩圖 見(jiàn)圖4—2f
合成彎矩圖 見(jiàn)圖4—2g 合成彎矩
畫軸轉(zhuǎn)矩圖
軸受轉(zhuǎn)矩 T=T1
轉(zhuǎn)矩圖 見(jiàn)圖4—2h
許用應(yīng)力
許用應(yīng)力值
應(yīng)力校正系數(shù)
畫當(dāng)量彎矩圖
當(dāng)量轉(zhuǎn)矩
各段彎矩 見(jiàn)圖4—2i
當(dāng)量轉(zhuǎn)矩圖 見(jiàn)圖4—2i
校核軸徑
齒根圓直徑
軸徑
4.3 蝸輪軸的設(shè)計(jì)
4.3.1 初步估算軸的最小直徑
估算直徑，可根據(jù)軸所傳遞的功率及軸的轉(zhuǎn)速,按下式進(jìn)行估算：
該段軸上有一鍵槽將計(jì)算值加大3%，應(yīng)為37mm
式中：C——與軸材料有關(guān)的系數(shù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表16.2查得，根據(jù)軸的材料取112
4.3.2 初步估算蝸輪軸各段尺寸
根據(jù)軸上零件的受力情況，固定和定位的要求，初步確定軸的階梯段，該軸有5段。
估計(jì)各段尺寸如圖4—3所示。
4.3.3 蝸輪軸校核
圖4—4
軸材料選用45鋼調(diào)質(zhì)，。軸的計(jì)算步驟列于下表
計(jì)算項(xiàng)目 計(jì)算內(nèi)容 計(jì)算結(jié)果
計(jì)算蝸輪鏈輪受力
蝸輪直徑
鏈輪直徑
蝸輪受力：轉(zhuǎn)矩
圓周力
徑向力
軸向力
鏈輪受力：工作拉力
畫受力圖 見(jiàn)圖4—4b
計(jì)算支承反力
水平面受力
垂直面受力
水平面（xy）受力圖 見(jiàn)圖4—4c
垂直面（xz）受力圖 見(jiàn)圖4—4e
畫軸彎矩圖
水平面彎矩圖 見(jiàn)圖4—4d
垂直面彎矩圖 見(jiàn)圖4—4f
合成彎矩圖 見(jiàn)圖4—4g 合成彎矩
畫軸轉(zhuǎn)矩圖
軸受轉(zhuǎn)矩
轉(zhuǎn)矩圖 見(jiàn)圖4—4h
許用應(yīng)力
許用應(yīng)力值 由表16.3查得：
應(yīng)力校正系數(shù)
畫當(dāng)量彎矩圖
當(dāng)量轉(zhuǎn)矩
當(dāng)量彎矩圖 見(jiàn)圖4—4i
校核軸徑
齒根圓直徑
軸徑
4.4鍵的校核
4.4.1 鍵1的設(shè)計(jì)計(jì)算
選擇A型平鍵
鍵1的基本數(shù)據(jù)，12*8，L取20mm，，取75MPa。
工作長(zhǎng)度mm
b
L
l
8
12
20
=
-
=
-
=
鍵與輪轂鍵槽的接觸高度
，滿足要求。
鍵2的設(shè)計(jì)計(jì)算
選擇A型平鍵
鍵2的基本數(shù)據(jù)，20*12，L取32mm，，，取75MPa。
工作長(zhǎng)度mm
b
L
l
12
20
32
=
-
=
-
=
鍵與輪轂鍵槽的接觸高度mm
h
k
6
12
5
.
0
5
.