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畢業(yè)設(shè)計(論文)
題 目：
30#--12T型立式加工中心盤式刀庫設(shè)計
學生姓名
學 號
學 校
專業(yè)班級
指導教師
年月
1
中文摘要
摘 要
90年代以來，數(shù)控加工技術(shù)得到迅速的普及及發(fā)展，高速加工中心作為新時代數(shù)控機床的代表，已在機床領(lǐng)域廣泛使用。自動換刀刀庫的發(fā)展儼然已超越其為數(shù)控加工中心配套的角色，在其特有的技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)展出符合機床高精度、高效率、高可靠度及多任務(wù)復合等概念的獨特產(chǎn)品。刀庫作為加工中心最重要的部分之一，它的發(fā)展也直接決定了加工中心的發(fā)展。本論文完成的是盤式刀庫的總體設(shè)計、傳動設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及傳動部分的運動和動力設(shè)計。這種刀庫在數(shù)控加工中心上應用非常廣泛，其換刀過程簡單，換刀時間短，定位精度高；總體結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，動作準確可靠；維護方便，成本低。本刀庫減速傳動部分分兩級減速，一級傳動部分采用齒輪減速裝置，二級傳動部分采用蝸輪蝸桿減速裝置，此種設(shè)計方案可提高輸出軸的傳動平穩(wěn)性能，即提高刀盤的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。本刀庫滿載裝刀24把，采用單環(huán)排列方式排放，按就近選刀原則選刀。
關(guān)鍵詞：加工中心；刀庫；數(shù)控加工
2
英文摘要
ABSTRACT
Since the 1990s, CNC machining technology made the rapid and universal development, as a new era of the representatives of NC machine tools, High-speed processing center has been widely used in the field of machine tools. The development of automatic Tool Change,s tool house in recent years seems to have gone beyond the NC Center for supporting the role of technology in their unique areas of development to meet the high-precision machine tools, high efficiency and reliability, and more complex tasks, such as the concept of unique products . The tool house as a processing center one of the most important part, it has a direct bearing on the development of the processing center's development. This paper completed the overall design,transmission design,structure design and the transmission part's movement and dynamic design of the disc tool house. Such a tool house in the CNC Machining Center is widely used, the tool change is simple, tool change time is short, high-precision positioning; overall structure is simple and compact , Action is accurate and reliable; convenient maintenance and low cost. The slowdown part in the transmission of the tool house includes two parts, the first part of the transmission is gear deceleration device, the second transmission part of the transmission is Worm Gear deceleration device, such design can increase the output shaft of the transmission smooth performance, improve the smooth functioning of the tool house. The tool house which can load with the maximum of 24 tools use single-ring arrangement of emissions and according to the principle of the nearest to election tools.
Key words: Machining centers; Tool house; NC
3
目錄
目 錄
1 引言 1
1.1 數(shù)控加工中心概述 1
1.2 數(shù)控加工中心的分類 1
1.3 加工中心的主要加工對象 2
1.4 加工中心的特點 3
1.5 加工中心刀庫的形式 4
1.6 換刀裝置的形式 5
2 總體方案的確定 7
2.1 刀庫主要參數(shù) 7
2.2 電動機的初選 7
2.3 確定傳動裝置的總傳動比和分配傳動比 8
2.4 確定各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率 9
2.5 電動機的校核 11
3 刀庫設(shè)計與校核 13
3.1 齒輪傳動的計算 13
3.2軸的校核 17
3.3滾動軸承的校核 21
3.4蝸輪蝸桿的設(shè)計 22
3.5鍵的校核 22
4 刀具交換裝置 23
4.1換刀簡介 23
4.2換刀過程 23
結(jié)論 24
致謝 25
參考文獻 26
附錄1 27
附錄2 28
附錄3 28
4
廣東白云學院（論文）
1 引 言
1.1數(shù)控加工中心概述
數(shù)字控制是20世紀中期發(fā)展起來的一種自動控制技術(shù)，是用數(shù)字化信號進行控制的一種方法[16]。采用數(shù)控技術(shù)進行控制的機床，稱為數(shù)控機床[8]。加工中心（Machining Center,簡稱MC）是一種備有刀庫并能自動更換刀具對工件進行多工序加工的數(shù)控機床。它是適應省力、省時和節(jié)能的時代要求而發(fā)展起來的，它綜合了機械技術(shù)、電子技術(shù)、計算機軟件技術(shù)、氣動技術(shù)、拖動技術(shù)、現(xiàn)在控制理論、測量及傳感技術(shù)以及通訊診斷、刀具和應用編程技術(shù)的高技術(shù)產(chǎn)品，將數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床的功能聚集在一臺加工設(shè)備上，且增設(shè)有自動換刀裝置和刀庫，可以在一次安裝工件后，數(shù)控系統(tǒng)控制機床按不同工序自動選擇和更換刀具，自動改變機床主軸轉(zhuǎn)速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡及其他輔助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、內(nèi)外倒角、環(huán)形槽及攻螺紋等加工[4]。
隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，以及各種性能良好的傳感器的出現(xiàn)和運用，加工中心的功能日趨完善，這些功能包括：刀具壽命的監(jiān)視功能，刀具磨損和損傷的監(jiān)視功能，切削狀態(tài)的監(jiān)視功能，切削異常的監(jiān)視、報警和自動停機功能，自動檢測和自我診斷功能及自適應控制功能等[1]。加工中心還與載有隨行夾具的自動托板進行有機連接，并能進行切屑自動處理，使得加工中心成為柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)合自動化工廠的關(guān)鍵設(shè)備和基本單元。
1.2 立式數(shù)控加工中心的定義和組成部件
立式加工中心 指主軸軸心線為垂直狀態(tài)設(shè)置的加工中心。立式加工中心一般具有三個直線運動坐標，工作臺具有分度和旋轉(zhuǎn)功能，可在工作臺上安裝—個水平軸的數(shù)控轉(zhuǎn)臺用以加工螺旋線零件。立式加工中心多用于加工筒單箱體、箱蓋、板類零件和平面凸輪的加工。立式加工中心具有結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、價格低的優(yōu)點。
加工中心的組成部分 同類型的加工中心與數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)布局相似，主要在刀庫的結(jié)構(gòu)和位置上有區(qū)別，一般由床身、主軸箱、工作臺、底座、立柱、橫梁、進給機構(gòu)、自動換刀裝置、輔助系統(tǒng)（氣液、潤滑、冷卻）、控制系統(tǒng)等組成。其中本次論文主要研究刀庫和自動換刀裝置。
1.進給伺服電機；2.換刀機構(gòu)；3.數(shù)控柜；4.刀庫工作臺；5.主軸箱； 6.控制面板；7.驅(qū)動電源；8.工作臺裝置；9.滑枕；10.床身；
1.2.1加工中心刀庫的分類
加工中心刀庫主要分為：斗笠式刀庫,圓盤式刀庫,鏈條式刀庫。加工中心使用的刀庫最常見的形式是圓盤式刀庫和機械手換刀刀庫。而我設(shè)計的刀庫是無機械手的盤式刀庫。
1.2.2盤式刀庫的組成
刀庫由刀盤部件、軸承、軸承套、軸、箱蓋、撥
銷、鎖止盤、電機、凸輪、箱體和感應開關(guān)等組成.
1.2.3按換刀形式分類
（1）帶刀庫機械手的加工中心 加工中心換刀裝置由刀庫、機械手級組成，換刀動作由機械手完成。
（2）機械手的加工中心 這種加工中心的換刀通過刀庫和主軸箱配合動作來完成換刀過程。
（3）轉(zhuǎn)塔刀庫式加工中心 一般應用于小型加工中心，主要以加工孔為主。
加工中心常按主軸在空間所處的狀態(tài)分為立式加工中心和臥式加工中心，加工中心的主軸在空間處于垂直狀態(tài)的稱為立式加工中心，主軸在空間處于水平狀態(tài)的稱為臥式加工中心。主軸可作垂直和水平轉(zhuǎn)換的，稱為立臥式加工中心或五面加工中心，也稱復合加工中心。按加工中心立柱的數(shù)量分；有單柱式和雙柱式（龍門式） [7]。
1.2.3按數(shù)控系統(tǒng)功能分類
加工中心根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)控制功能的不同分：有三軸二聯(lián)動、三軸三聯(lián)動、四軸三聯(lián)動、五軸四聯(lián)動、六軸五聯(lián)動等。三軸、四軸是指加工中心具有的運動坐標數(shù)，聯(lián)動是指控制系統(tǒng)可以同時控制運動的坐標數(shù)，從而實現(xiàn)刀具相對工件的位置和速度控制[11]。
1.3 加工中心的主要加工對象
加工中心適宜于加工復雜、工序多、要求較高、需用多種類型的普通機床和眾多刀具夾具，且經(jīng)多次裝夾和調(diào)整才能完成加工的零件。其加工的主要對象有箱體類零件、復雜曲面、異形件、盤套板類零件和特殊加工等五類[4-6]。
1.3.1箱體類零件
箱體類零件一般是指具有一個以上孔系，內(nèi)部有型腔，在長、寬、高方向有一定比例的零件。這類零件在機床、汽車、飛機制造等行業(yè)用的較多。箱體類零件一般都需要進行多工位孔系及平面加工，公差要求較高，特別是形位公差要求較為嚴格，通常要經(jīng)過銑、鉆、擴、鏜、鉸、锪，攻絲等工序，需要刀具較多，在普通機床上加工難度大，工裝套數(shù)多，費用高，加工周期長，需多次裝夾、找正，手工測量次數(shù)多，加工時必須頻繁地更換刀具，工藝難以制定，更重要的是精度難以保證。
加工箱體類零件的加工中心，當加工工位較多，需工作臺多次旋轉(zhuǎn)角度才能完成的零件，一般選臥式鏜銑類加工中心。當加工的工位較少，且跨距不大時，可選立式加工中心，從一端進行加工。
1.3.2復雜曲面
復雜曲面在機械制造業(yè)，特別是航天航空工業(yè)中占有特殊重要的地位。復雜曲面采用普通機加工方法是難以甚至無法完成的。在我國，傳統(tǒng)的方法是采用精密鑄造，可想而知其精度是低的。復雜曲面類零件如：各種葉輪，導風輪，球面，各種曲面成形模具，螺旋槳以及水下航行器的推進器，以及一些其它形狀的自由曲面。這類零件均可用加工中心進行加工。銑刀作包絡(luò)面來逼近球面。復雜曲面用加工中心加工時，編程工作量較大，大多數(shù)要有自動編程技術(shù)。
1.3.3異形件
異形件是外形不規(guī)則的零件，大都需要點、線、面多工位混合加工。異形件的剛性一般較差，夾壓變形難以控制，加工精度也難以保證，甚至某些零件的有的加工部位用普通機床難以完成。用加工中心加工時應采用合理的工藝措施，一次或二次裝夾，利用加工中心多工位點、線、面混合加工的特點，完成多道工序或全部的工序內(nèi)容。
1.3.4盤、套、板類零件
帶有鍵槽，或徑向孔，或端面有分布的孔系，曲面的盤套或軸類零件，如帶法蘭的軸套，帶鍵槽或方頭的軸類零件等，還有具有較多孔加工的板類零件，如各種電機蓋等。端面有分布孔系、曲面的盤類零件宜選擇立式加工中心，有徑向孔的可選臥式加工中心。
1.3.5特殊加工
在熟練掌握了加工中心的功能之后，配合一定的工裝和專用工具，利用加工中心可完成一些特殊的工藝工作，如在金屬表面上刻字、刻線、刻圖案；在加工中心的主軸上裝上高頻電火花電源，可對金屬表面進行線掃描表面淬火；用加工中心裝上高速磨頭，可實現(xiàn)小模數(shù)漸開線圓錐齒輪磨削及各種曲線、曲面的磨削等[7，8]。
1.4加工中心的特點
加工中心（Machining?Center）是典型的集高新技術(shù)于一體的機械加工設(shè)備，它的發(fā)展代表了一個國家設(shè)計、制造的水平，因此在國內(nèi)外企業(yè)界都受到高度重視。如今，加工中心已成為現(xiàn)代機床發(fā)展的主流方向，加工廣泛應用于機械制造中[8，9]。與普通數(shù)控機床相比，它具有以下幾個突出特點：
1.4.1工序集中
加工中心備有刀庫并能自動更換刀具，對工件進行多工序加工，使得工件在一次裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機床按不同工序，自動選擇和更換刀具，自動改變機床主軸轉(zhuǎn)速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡，以及其他輔助功能，現(xiàn)代加工中心更大程度地使工件在一次裝夾后實現(xiàn)多表面、多特征、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。
1.4.2對加工對象的適應性強
加工中心生產(chǎn)的柔性不僅體現(xiàn)在對特殊要求的快速反應上．而且可以快速實現(xiàn)批量生產(chǎn)，提高市場競爭能力
1.4.3加工精度高
加工中心同其他數(shù)控機床一樣具有加工精度高的特點，而且加工中心由于加工工序集中，避免了長工藝流程，減少了人為千擾，故加工精度更高，加工質(zhì)量更加穩(wěn)定。
1.4.4加工生產(chǎn)率高
零件加工所需要的時間包括機動時間與輔助時間兩部分。加工中心帶有刀庫和自動換刀裝置，在一臺機床上能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和機床的調(diào)整時間，減少工件半成品的周轉(zhuǎn)、搬運和存放時間，使機床的切削利用率（切削時間和開動時間之比）高于普通機床3～4倍，達80％以上。
1.4.5操作者的勞動強度減輕
加工中心對零件的加工是按事先編好的程序自動完成的，操作者除了操作鍵盤、裝卸零件、進行關(guān)鍵工序的中間測量以及觀察機床的運行之外，不需要進行繁重的重復性手工操作，勞動強度和緊張程度均可大為減輕，勞動條件也得到很大的改善。
1.4.6經(jīng)濟效益高
使用加工中心加工零件時，分攤在每個零件上的設(shè)備費用是較昂貴的，但在單件、小批生產(chǎn)的情況下，可以節(jié)省許多其他方面的費用，因此能獲得良好的經(jīng)濟效益。例如，在加工之前節(jié)省了劃線工時，在零件安裝到機床上之后可以減少調(diào)整、加工和檢驗時間，減少了直接生產(chǎn)費用。另外，由于加工中心加工零件不需手工制作模型、凸輪、鉆模板及其他工夾具，省去了許多工藝裝備，減少了硬件投資．還由于加工中心的加工穩(wěn)定，減少了廢品率，使生產(chǎn)成本進一步下降。
1.4.7有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化
用加工中心加工零件，能夠準確地計算零件的加工工時，并有效地簡化了檢驗和工夾具、半成品的管理工作。這些特點有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。當前有許多大型CAD/CAM集成軟件已經(jīng)開發(fā)了生產(chǎn)管理模塊，實現(xiàn)了計算機輔助生產(chǎn)管理。
1.5加工中心刀庫的形式
加工中心使用的刀庫最常見的形式是圓盤式刀庫和機械手換刀刀庫[2]。
1.5.1圓盤式刀庫
圓盤式刀庫應該稱之為固定地址換刀刀庫，即每個刀位上都有編號，一般從1編到12、18、20、24等，即為刀號地址。操作者把一把刀具安裝進某一刀位后，不管該刀具更換多少次，總是在該刀位內(nèi)。
（1）制造成本低。主要部件是刀庫體及分度盤，只要這兩樣零件加工精度得到保證即可，運動部件中刀庫的分度使用的是非常經(jīng)典的“馬氏機構(gòu)”，前后、上下運動主要選用氣缸。裝配調(diào)整比較方便，維護簡單。一般機床制造廠家都能自制。
（2）刀號的計數(shù)原理。一般在換刀位安裝一個無觸點開關(guān)，1號刀位上安裝擋板。每次機床開機后刀庫必須“回零”，刀庫在旋轉(zhuǎn)時，只要擋板靠近（距離為0.3mm左右）無觸點開關(guān)，數(shù)控系統(tǒng)就默認為1號刀。并以此為計數(shù)基準，“馬氏機構(gòu)”轉(zhuǎn)過幾次，當前就是幾號刀。只要機床不關(guān)機，當前刀號就被記憶。刀具更換時，一般按最近距離旋轉(zhuǎn)原則，刀號編號按逆時針方向，如果刀庫數(shù)量是18，當前刀號位8，要換6號刀，按最近距離換刀原則，刀庫是逆時針轉(zhuǎn)。如要換10號刀，刀庫是順時針轉(zhuǎn)。機床關(guān)機后刀具記憶清零。
（3）固定地址換刀刀庫換刀時間比較長國內(nèi)的機床一般要8秒以上（從一次切削到另一次切削）。
（4）圓盤式刀庫的總刀具數(shù)量受限制，不宜過多，一般40#刀柄的不超過24把，50#的不超過20把，大型龍門機床也有把圓盤轉(zhuǎn)變?yōu)殒準浇Y(jié)構(gòu)，刀具數(shù)量多達60把[8-13]。
1.5.2機械手刀庫
機械手刀庫換刀是隨機地址換刀。每個刀套上無編號，它最大的優(yōu)點是換刀迅速、可靠。
（1）制造成本高。刀庫有一個個刀套鏈式組合起來，機械手換刀的動作有凸輪機構(gòu)控制，零件的加工比較復雜。裝配調(diào)試也比較復雜，一般由專業(yè)廠家生產(chǎn)，機床制造商一般不自制。
（2）刀號的計數(shù)原理。與固定地址選刀一樣，它也有基準刀號：1號刀。但我們只能理解為1號刀套，而不是零件程序中的1號刀：T1。系統(tǒng)中有一張刀具表。它有兩欄。一欄是刀套號，一欄是對應刀套號的當前程序刀號。假如我們編一個三把刀具的加工程序，刀具的放置起始是1號刀套裝T1（1號刀），2號刀套裝T2，3號刀套裝T3，我們知道當主軸上T1在加工時，T2刀即準備好，換刀后，T1換進2號刀套，同理，在T3加工時，T2就裝在3號刀套里。一個循環(huán)后，前一把刀具就安裝到后一把刀具的刀套里。數(shù)控系統(tǒng)對刀套號及刀具號的記憶是永久的，關(guān)機后再開機刀庫不用“回零”即可恢復關(guān)機前的狀態(tài)。如果“回零”，那必須在刀具表中修改刀套號中相對應的刀具號。
（3）機械手刀庫換刀時間一般為4秒（從一次切削到另一次切削）。
（4）刀具數(shù)量一般比圓盤刀庫多，常規(guī)有18、20、30、40、60等
（5）刀庫的凸輪箱要定期更換起潤滑、冷卻作用的齒輪油[8-13]。
1.6換刀裝置的形式
換刀裝置的形式有回轉(zhuǎn)刀架換刀、更換主軸換刀、更換主軸箱換刀、帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)[1]。
2 總體方案的確定
圖2-1系統(tǒng)設(shè)計簡圖
2.1 刀庫主要參數(shù)
載刀量：12把
主軸鼻端：刀具形式BT30
刀具直徑：80mm
平均重量：4Kg
初選刀庫直徑：660mm
刀盤最低轉(zhuǎn)速：60r/min
由于刀具形式為BT30，其刀具直徑為80mm，按初選的刀庫直徑660mm來排列可知每把刀之間的間隔約為6mm，符合安裝要求。刀庫的系統(tǒng)傳動部分的簡圖如上圖2.1所示。
2.2 電動機的初選
（1） 選擇電動機類型
按工作要求和條件，選用三相異步電動機，電壓380V，Y型。
（2） 選擇電動機的容量
初選電動機型號為Y2—712—2，其主要參數(shù)如下表1：
表2-1 （需添加表名）
型號
額定功率
滿載轉(zhuǎn)速
額定轉(zhuǎn)矩
最大轉(zhuǎn)矩
質(zhì)量
Y2－712－2
0.55
2820
2.2
2.3
電動機輸出轉(zhuǎn)矩：
9550 Nm
=9550 Nm
=1.86 Nm
在此論文中、分別為軸承、齒輪傳動（包括蝸輪蝸桿）的傳動效率。
取=0.98(滾子軸承), =0.97(齒輪精度為8級,不包括軸承效率)。
（3） 確定電動機轉(zhuǎn)速
刀庫工作刀庫轉(zhuǎn)盤所必需滿足的轉(zhuǎn)速最低為：
n = 60
根據(jù)傳動比合理取值，取一級齒輪的傳動比i2,二級渦輪蝸桿減速器傳動比i20，則總傳動比合理范圍為i40，故電動機轉(zhuǎn)速約為
n= in=40=2400
2.3 確定傳動裝置的總傳動比和分配傳動比
由選定電動機滿載轉(zhuǎn)速n和工作機主動軸轉(zhuǎn)速n,可得傳動裝置總傳動比為
（2-1）
總傳動比為各級傳動比,、、的乘積，即
電動機型號為Y2－712－2，滿載轉(zhuǎn)速n=2820。
（1） 總傳動比
由式(1)
=47
（2） 分配減速器的各級傳動比
按展開式布置?？紤]潤滑條件，得2，=19.5
則此時的輸出轉(zhuǎn)速為n=72.31
2.4 確定各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率
（1） 各軸轉(zhuǎn)速
（2-2）
式中：——電動機滿載轉(zhuǎn)速；
——電動機至軸的傳動比。
以及 = （2-3）
（2-4）
由式（2-3）~（2-5）得
I軸 ==1410
II軸 = = 1410
III軸 = = 72.31
（2） 各軸輸入功率
kW （2-5）
kW , （2-6）
kW, （2-7）
式中、分別為軸承、齒輪傳動的傳動效率。
由式（5）~（7）得
I軸 = 0.55 ×0.98 =0.54kW
II軸 = = 0.5390.980.97 =0.51kW
III軸 0.51 0.40 kW
I—III軸的輸出功率則分別為輸入功率乘軸承效率0.98,例如I軸輸出功率為0.53kW,其余類推。
（3） 各軸輸入轉(zhuǎn)矩
Nm （2-8）
其中為電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，按下式計算：
9550 Nm （2-9）
所以
= 9550 Nm （2-10）
= 9550 Nm （2-11）
= 9550 Nm （2-12）
= 9550 Nm （2-13）
由式（8）~（13）
電動機軸輸出轉(zhuǎn)矩
9550=9550= 1.86 Nm
I—III軸的輸入轉(zhuǎn)矩
I軸 = 9550
=1.860.97× 2 = 3.61Nm
II軸
=×0.97
=3.610.97
=3.50 Nm
III軸 =
= 3.5019.50.980.80
= 53.51 Nm
I~III軸的輸出轉(zhuǎn)矩則分別為各軸的輸入轉(zhuǎn)矩乘軸承效率0.98,例如I周的輸出轉(zhuǎn)矩為3.61×0.98=3.54 Nm,其余類推。
運動和動力參數(shù)計算結(jié)果如下表2-2：
表2-2 （需添加表名）
軸名
轉(zhuǎn)矩T
Nm
功率P
kW
轉(zhuǎn)速n
傳動比
i
效率
輸入
輸出
輸入
輸出
電動機軸
1.86
0.55
2820
2
0.96
I軸
3.61
3.54
0.54
0.53
1410
1
0.95
II軸
3.50
3.43
0.51
0.50
1410
19.5
0.78
III軸
53.51
52.44
0.40
0.39
72.31
1.00
0.97
2.5 電動機的校核
（1）轉(zhuǎn)矩校核
加載在刀盤轉(zhuǎn)軸上的重力為
刀庫旋轉(zhuǎn)刀架的重力，其中刀架厚度為15mm：
G1==5.6××[4×0.015×0.16×0.06+×（-）×0.03+×（-）×0.03]×10=150N
刀庫轉(zhuǎn)盤的重量，其中轉(zhuǎn)盤厚度為30mm：
G2=+70×24=5.6××0.15××=4560N
則可得刀庫作用在軸3上的轉(zhuǎn)矩
T/3 =Gd3=0.004×(4560+150)×0.06 Nm =1.13 Nm
可得T/3<,故此電動機的轉(zhuǎn)矩符合刀庫的設(shè)計要求。
（2）轉(zhuǎn)速校核
由上述計算可知電動機要滿足刀庫最低每分鐘60轉(zhuǎn)的要求，則此電動機轉(zhuǎn)速應不低于n= in=40=2400，而此次選的電動機的轉(zhuǎn)速為n=2820，即n> n，故此電動機的轉(zhuǎn)速也滿足刀庫的轉(zhuǎn)速要求。
綜合考慮電動機和傳動裝置的尺寸、轉(zhuǎn)矩、價格和帶傳動、減速器的傳動比，可見此電動機比較合適。因此選定電動機型號為Y2-112-2。
3 刀庫設(shè)計與校核
3.1 齒輪傳動的計算
1、選擇齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
1） 選用直齒輪
2） 加工中心為一般工作機器且輕質(zhì)載荷，故選用7級精度（GB10095－88）
3） 材料選擇。選擇小齒輪材料為40（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)）硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。
4） 選小齒輪齒數(shù)=20，傳動比為= 2, 大齒輪齒數(shù)= 220 = 40
2、 按齒面接觸強度設(shè)計
由設(shè)計計算公式（10－9a）進行試算，即
2.32
(1) 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
1） 試選載荷系數(shù)=1.3。
2） 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。
= Nmm
=0.3657 Nmm
3)由表10－7選取齒寬系數(shù)= 1。
4)由表10－6查得材料的彈性影響系數(shù)= 189.8
5)由表10－21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限=600;大齒輪的接觸疲勞強度極限=550。
6）由式10－13計算應力循環(huán)次數(shù)。
= 60 = 6014101（283658）= 1.441
==0.251
7)由圖10－19取接觸疲勞壽命系數(shù)=0.95;=0.96。[21]
8）計算接觸疲勞許用應力。
取失效概率為1，安全系數(shù)S = 1，由式（10－12）得
[]==0.95600=570
[]==0.96550=528
(2) 計算
1） 試算小齒輪分度圓直徑，代入[]中較小的值。
2.32
=2.32mm
=22.6mm
由于機床實際的尺寸關(guān)系，這里小齒輪的分度圓直徑取為=40mm
2)計算圓周速度v。
v===1.08
3)計算齒寬b。
根據(jù)機床經(jīng)驗公式，齒寬為模數(shù)的6～8倍，這里模數(shù)先試取2，故b =（6～8）m = 16mm , 這里取b=20mm
4)計算齒寬與齒高之比。
模數(shù) == 40/20 mm = 2 mm
齒高 h = 2.25 = 2.252 mm = 4.5 mm
= = 10.67
5)計算載荷系數(shù)。
根據(jù)v = 1.46, 7級精度，由圖10—8查得動載系數(shù)= 1.06 [21]；
直齒輪，==1
由表10－2查得使用系數(shù)=1.25；
由表10－4用插值法查得7級精度、小齒輪相對支承非對稱布置時，=1.420。
由= 10.67, =1.420查圖10－13得=1.35；故載荷系數(shù)
==1.251.0611.420 = 1.8815
6）按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由式(10－10a)得：
==40=45.246mm
7）計算模數(shù)m
m = =mm = 2.26mm
3、按齒根彎曲強度設(shè)計
由式(10－5)得彎曲強度的設(shè)計公式[21]為
m
（1） 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
1） 由圖10－20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限=500大齒輪的彎曲強度極限=380
2） 由圖10—18取彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.88,=0.90；
3） 計算彎曲疲勞許用應力。
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由式(10－12)得：
[]===314.29
[]===244.29
4） 計算載荷系數(shù)K。
K==1.251.0611.35
=1.789
5） 查取齒形系數(shù)。
由表10－5查得 =2.80;=2.40。
6） 查取應力校正系數(shù)。
由表10－5查得 =1.55;=1.67。
7） 計算大、小齒輪的并加以比較。
==0.01381
==0.01640
大齒輪的數(shù)值大。
（2） 設(shè)計計算
m mm
=0.81 mm
故可知上面所預選的模數(shù)m=2符合設(shè)計要求。
===20
大齒輪齒數(shù) =220=40。
4、幾何尺寸計算
（1）計算分度圓直徑
=m=202=40 mm
=m=402=80 mm
（2）計算中心距
a==mm = 60mm
（3）計算齒輪寬度
根據(jù)機床實際設(shè)計取值，取=20mm,=15mm。
5、結(jié)構(gòu)設(shè)計及繪制齒輪零件圖3-1
圖3-1（需添加圖名）
3.2軸的校核
圖3-2 （需添加圖名）
受力分析圖及彎扭矩圖：
圖3-3（需添加圖名）
圖3-4（需添加圖名）
（1）計算作用在軸上的作用力
蝸輪：由于軸3的輸入轉(zhuǎn)矩=53.51 Nm
則由式=
為渦輪的分度圓直徑，=62.25mm
可得=/=53.51/0.06225=859.60N
這個力是作用在蝸輪上，對軸3產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，由已知導程角和齒形角可算出其余的力，蝸輪的受力情況可由蝸桿的受力圖分析：
圖3-5（需添加圖名）
圓周力==859.60N
徑向力=tan= tan=1774.36N
周向力==4875N
為刀庫旋轉(zhuǎn)刀架的重力，其中刀架厚度為15mm：
==5.6××[4×0.015×0.16×0.06+×（-）×0.03+×（-）×0.03]×10
=150N
為刀庫轉(zhuǎn)盤的重量，其中轉(zhuǎn)盤厚度為30mm：
=+70×24=5.6××0.15××
=4560N
(2) 計算支座反力
a、垂直面上的軸承的支承力。
由=0和以左齒輪中點A的彎矩平衡得：
+++= 即 150+4560+859.60+=
168+×89=46+×75
可得=10790N =5220N
b、水平面上的軸承的支承力。
由=0和以右齒輪B中點的彎矩平衡得：
+= 即 +=1774.36N
75=29
可得=-686.09N =1088.27N
(3)、水平面上的彎矩
=79=11.85N*M
=168+×89=431.04 N*M
=75+×46=431.04 N*M
=29=151.38 N*M
(4)、垂直面上的彎矩
=46=31.56N*M
=29=31.56N*M
(5)、兩平面上的彎矩的合成
==431.04 N*M
==154.62 N*M
(6)、計算當量彎矩
由圖可看出A處為危險截面，計算A截面的當量彎矩，因為是單向回轉(zhuǎn)軸，所以扭轉(zhuǎn)切應力應視為脈動循環(huán)應力，取折算系數(shù)=0.6
A處：==432.23N*M
(7)、彎扭合成強度校核
==M=20.01 M
因為D點比A點多出Z方向的彎矩，雖然D點在Y方向上的彎矩不是最大的，但也應校核一下D點的強度：
==157.92 N*M
==M=7.31M
由上述計算可知A點比D點更加危險，根據(jù)選定的軸的材料45號鋼，調(diào)質(zhì)處理，由查表得[]=60 M。因為<[],故強度足夠，此軸符合設(shè)計要求！
3.3 滾動軸承的校核
3軸上的軸承的校核
1、徑向載荷
根據(jù)軸的分析，可知A點總支反力==10811.79N,2點總支反力==5332.24 N，兩軸承的周向力同為===2438.65N。
2．當量動載荷
根據(jù)有輕微沖擊的工況查表得出載荷系數(shù)=1.1
1軸承：=0.226
，故只需驗算軸承A。軸承預期壽命與整機預期壽命相同，為8（年）365（天）12（小時）=10220小時。
==10340.43h>10220h
其中，為溫度系數(shù)=1（軸承工作溫度小于120），軸承具有足夠壽命。
3.4蝸輪蝸桿設(shè)計
取中心距a = 80mm,傳動比為i = 19.5，模數(shù) m = 3.15，齒數(shù)為 Z1 = 2，Z1 = 39，其它：=0.1，=。
圖3-6 （需添加圖名）
3.5 鍵的校核
校核3軸上蝸輪上的鍵為代表
由3軸的細部結(jié)構(gòu)設(shè)計，選定鍵1為=11mm11mm-24mm。齒輪軸段d = 60mm,鍵的接觸高度0.5h=0.511mm=5.5mm;傳遞的轉(zhuǎn)矩T=53.51Nm，查表得鍵靜聯(lián)接時的擠壓許用應力[] = 100MP（鍵、齒輪輪轂、軸的材料均為方45鋼，調(diào)質(zhì)）。
==15.15M<[],故鍵聯(lián)接強度足夠！
4 刀具交換裝置
4.1換刀簡介
換刀過程的完成依靠連軸器上布置的三個軸轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速測量定位裝置。三個傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過軟件分析可以對刀庫刀盤的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角進行準確定位，從而快速、準確地找到所需刀號，使其位于換刀位上，為接下來的換刀做好準備。刀具選定后，換刀開始。
4.2換刀過程
圖4-1（需添加圖名）
如圖4-1所示， 當?shù)毒哌x定后，滑塊A沿著活塞桿向上滑動，帶動撥叉B，使得刀套C繞O點旋轉(zhuǎn)，從而使刀具完成倒刀過程。
倒刀結(jié)束后，D點受壓（如圖4-2），使得鋼珠向外擴張，刀具松動從而可以實現(xiàn)換刀；換刀完成后，D點松開，鋼珠重新受壓，刀具被加緊，刀套再由垂直方向轉(zhuǎn)回水平方向，完成整個換刀動作。
圖4-2（需添加圖名）
結(jié) 論
數(shù)控技術(shù)的發(fā)展必定是未來制造業(yè)的發(fā)展方向，刀庫的發(fā)展極大的左右了加工中心的發(fā)展，而盤式刀庫的結(jié)構(gòu)解決了刀庫容量，機床加工范圍等的眾多問題。在傳統(tǒng)的制造業(yè)中，大量的時間用于更換刀具、裝卸零件、測量和搬運零件等非切削時間上，切削加工時間僅占整個工時中較小的比例[1]。而刀庫即有此“工序集中”的特點及功能，因此數(shù)控加工特別是帶刀庫的加工中心是未來制造業(yè)的發(fā)展方向。
本次設(shè)計的刀庫滿載裝刀24把，刀盤最低轉(zhuǎn)速達到60r/min，滿足了實際加工中節(jié)省時間的目的，提高了加工效率。通過這次比較完整的盤式刀庫設(shè)計，我擺脫了單純的理論知識學習狀態(tài)，和實際設(shè)計的結(jié)合鍛煉了我的綜合運用所學的專業(yè)基礎(chǔ)知識，解決實際工程問題的能力，同時也提高我查閱文獻資料、設(shè)計手冊、設(shè)計規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉。
致 謝
從十二月份接受課題到現(xiàn)在完成畢業(yè)設(shè)計論文，我的本科畢業(yè)設(shè)計論文一直是在導師宋本基教授的悉心指導下進行的，衷心的感謝我的指導老師宋本基老師給予了精心的指導和熱情的幫助，尤其在課題設(shè)計的前期準備階段和本人的總體的設(shè)計階段，導師提出許多寶貴的設(shè)計意見，在最后的修改階段老師在百忙之中抽出時間為我提供了必要的幫助，這樣使得我得以順利的完成畢業(yè)設(shè)計開發(fā)工作，在短暫的幾個月的相處時間里，老師淵博的知識，敏銳的思路和實事求是的工作作風給我留下了深刻的印象，這將使得我終身受益。
宋本基教授治學態(tài)度嚴謹，學識淵博，為人和藹可親，在機械及自動化方面具有豐富的實踐經(jīng)驗，對我的實驗工作給予了很多的指導和幫助，使我能夠?qū)⒗碚撝械慕Y(jié)果與實際相結(jié)合。并且在整個畢業(yè)設(shè)計過程中，宋本基教授不斷對我得到的結(jié)論進行總結(jié)，并提出新的問題，使得我的畢業(yè)設(shè)計課題能夠深入地進行下去，也使我接觸到了許多理論和實際上的新問題，使我做了許多有益的思考。另外，他對待問題的嚴謹作風也給我留下了深刻的印象。在此表示深深的謝意！
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附錄1（標準件）
序號
名稱
數(shù)量
材料
備注
2007
螺釘
2
Q235
GB71-85 M4×10
2008
螺釘
3
Q235
GB71-85 M3×13
2010
墊圈
1
45鋼
GB971-85
2012
螺釘
1
Q235
GB70-85 M10×35
2013
螺釘
1
Q235
GB70-85 M8×28
2019
螺釘
1
Q235
GB71-85 M5×13
2020
螺釘
4
Q235
GB70-85 M8×45
2021
螺釘
2
Q235
GB70-85 M10×32
2022
螺釘
4
Q235
GB70-85 M4
2026
擋圈
1
65錳
GB/T894.1-1986 55
2027
螺釘
4
Q235
GB/T70-85 M12×40
2031
螺釘
1
35鋼
M16×50
2032
墊圈
1
45鋼
GB/T859-1987
2033
圓錐銷
1
Q235
GB/T117 8×40
2034
圓柱銷
2
Q235
GB/T119 16×50
2035
圓柱銷
2
Q235
GB/T119 16×45
2045
螺母
2
Q235
GB/T810-1998
2047
螺釘
2
Q235
GB70-85 M4×15
2049
螺釘
4
Q235
GB70-85 M5
2050
螺釘
4
Q235
GB70-85 M6
2052
螺釘
4
Q235
GB70-85 M6
2053
螺釘
2
Q235
GB71-85 M12
2054
銷
48
Q235
GB/T119 8×40
2055
螺釘
48
Q235
GB70-85 M8×42
2056
螺釘
24
Q235
GB71-85 M8×40
2059
擋圈
48
65錳
GB/T894.1-1986 8
2061
擋圈
48
65錳
GB/T894.1-1986 8
2062
螺釘
24
Q235
GB70-85 M4
2063
彈簧
48
65錳
GB/T1239.6-92
2065
彈簧
24
65錳
GB/T1239.6-92
附錄2（基本件）
序號
名稱
數(shù)量
材料
備注
2001
悶堵
1
鑄鐵
2003
套筒
1
45鋼
2004
鍵
1
35鋼
GB/T1096-2003 6×12
2005
齒輪
1
45鋼
m =2 z = 40
2006
箱體
1
鑄鐵
2011
軸承蓋
1
HT200
2014
鍵
1
35鋼
GB/T1076-2003 5×17
2015
鍵
1
35鋼
GB/T1076-2003 5×20
2016
鋼絲圈
1
45鋼
2017
齒輪
1
45鋼
m = 2 z = 20
2018
鍵
1
35鋼
GB/T1096-2003 5×16
2023
幅板
4
HT200
2024
幅板
4
HT200
2025
套環(huán)
1
45鋼
2028
鍵
1
35鋼
GB/T1096-2003 18×125
2029
墊塊
1
45鋼
2030
耳環(huán)蓋
1
45鋼
2036
軸套
4
45鋼
2037
軸
2
45鋼
2038
軸座
4
45鋼
2039
軸承蓋
1
鑄鐵
2040
箱體
1
鑄鐵
2041
軸承蓋
1
鑄鐵
2042
軸
2
45鋼
2044
鍵
1
35鋼
GB/T1096-2003 18×24
2046
蝸輪
1
45鋼
m = 3.15 z = 39
2048
箱蓋
1
鑄鐵
2057
刀套
24
粉墨冶金
2058
轉(zhuǎn)軸
24
45鋼
2060
轉(zhuǎn)軸
24
45鋼
2064
圓珠
72
40Cr
附錄3（外購件）
序號
名稱
數(shù)量
材料
備注
2002
軸承
2
2009
軸承
2
GB/T292-1994 7004AC
2043
軸承
2
GB292-94 7011C
2051
行程開關(guān)
1
35
3c2e62e3-9c59-4757-84b8-5a6856d6e617.pdf