數(shù)控機床刀庫換刀裝置畢業(yè)論文

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1、 . 畢業(yè)設(shè)計（論文） 題 目：數(shù)控機床刀庫與換刀裝置設(shè)計 摘要 隨著機械加工業(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。換刀機械手的主要任務(wù)是，完全模擬人手的換刀動作，給機床主軸與彈簧夾頭提供相對轉(zhuǎn)動實現(xiàn)夾緊、放松刀具的動作。機械手應(yīng)具備足夠的轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩還必須恒定(可調(diào))。同時還應(yīng)使機械手具備結(jié)構(gòu)緊湊、占據(jù)空間小的特點，以適應(yīng)不同類型機床的換刀空間。為了實現(xiàn)數(shù)控加工中心主軸豎直放置，刀架軸線水平，刀庫的刀軸垂直情況下利用機械手實現(xiàn)自動換刀的動作。其中，機械手手臂可轉(zhuǎn)90。使

2、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化程度，提高生產(chǎn)效率。 論文第二部分工作是討論設(shè)計整體與傳動方案，并對方案進(jìn)行分析優(yōu)化；選擇最佳的方案，接下來進(jìn)行相關(guān)的干涉與強度校核計算。自動換刀系統(tǒng)采用單片機或PLC控制，它通過幾條與主控機的聯(lián)絡(luò)信號線以與系統(tǒng)設(shè)置的自診斷、自適應(yīng)功能實現(xiàn)對換刀系統(tǒng)的全自動控制管理。加工中心具有自動換刀裝置，能做到一次裝夾，多工序加工，把許多相關(guān)的分散工序集中在一起，形成一個以工件為中心的多工序自動加工系統(tǒng)，從而大大縮短了機床上零件的裝卸時間和更換刀具的時間，改變了過去小批量生產(chǎn)中一人、一機、一刀的局面。 關(guān)鍵詞：換刀機械手，換刀空間，P

3、LC，自適應(yīng) Abstract With machinery and processing industries developing, the manufacturing industry with an automatic blade system for the efficient growing demand for high-performance processing center become more and more. Blade mechanical hand main task is complete simulation manpower b

4、lade moves to the main axis of machine tools and equipment and provide powerfor movements. Mechanical hand should have sufficient torque, the torque must be constant (scale). At the same time, they should also have the structure to mechanical hand tight, a small space characteristics to meet differe

5、nt types of machine tools condition. To achieve digital processing center axis vertical placement, tool carrier axis level, the knives use mechanical hand vertical axis achieve automatic blade moves. The manipulator arm can turn 90.The processing center functions have been enhanced so that it can be

6、tter meet production processing needs, and further enhance the degree of automation of processing and improve production efficiency. The second part of paper is the discussion overall of the design and the programme of translation. Analysis the programme andchoose the best option, followed associa

7、ted with the calculation accuracy and intensity. PC or PLC system using automatic blade control it through several signal lines and liaison with centre computer system established since diagnosis, adaptive function to achieve the fully automatic control system for blade management. Processing center

8、 with automatic changer devices, a place can do more work processing, put many related to decentralization processes together to form a working center for the multi-processing system automatically processes, thereby greatly reducing the machine tools, spare parts handling time and the replacement of

9、 cutlery time, changed the production of a small, one plane, cut situation. Key words:Blade mechanical hand, The blade space, Process control logic 目 錄 摘 要 I ABSTRACT（英文摘要） II 目 錄 III 第一章 引言 1 1.1 課題的目的和意義 1 1.2自動換刀系統(tǒng)歷史、現(xiàn)狀和前景 1 第二章方案的分析論證與確定 4 2.1 方案的提出 4 2.1.1 機械結(jié)

10、構(gòu)方案的提出 4 2.1.2 傳動方案的提出 4 2.2 方案的可行性分析 4 2.2.1 機械結(jié)構(gòu)方案的可行性分析 4 2.2.2 傳動方案的可行性分析 5 2.3 方案的確定 5 2.3.1 機械結(jié)構(gòu)方案的確定 5 2.3.2 傳動方案的確定 5 2.3.3 換刀工作流程 6 2.4本章小結(jié) 7 第三章設(shè)計計算 8 3.1 各部分設(shè)計參數(shù)的確定 8 3.1.1 設(shè)計參數(shù) 8 3.1.2 機械手取刀干涉計算 9 3.2 電機的選擇 10 3.2.1 小臂電機的選擇 10 3.2.2 大臂電機的選擇 10 3.2.3 刀庫電機的選擇 11 3.3小臂校核計算

11、 12 3.3.1 蝸輪蝸桿校核 12 3.3.2蝸桿軸與軸承校核 13 3.3.2.1 蝸桿軸校核 13 3.3.2.2 軸承校核 16 3.3.3 蝸輪軸與軸承校核18 3.3.3.1 蝸輪軸校核18 3.3.3.2 軸承校核24 3.4 大臂校核計算 27 3.4.1 蝸輪蝸桿校核 27 3.4.2蝸桿軸與軸承校核 28 3.4.2.1 蝸桿軸校核 28 3.4.2.2 軸承校核 31 3.4.3 蝸輪軸與軸承校核32 3.4.3.1 蝸輪軸校核32 3.4.3.2 軸承校核36 3.4.4 汽缸校核37 3.5 刀庫校核計算 38 3.5.1 蝸輪

12、蝸桿校核 38 3.5.2蝸桿軸與軸承校核 39 3.5.2.1 蝸桿軸校核 39 3.5.2.2 軸承校核 42 3.5.3 蝸輪軸與軸承校核43 3.5.3.1 蝸輪軸校核43 3.5.3.2 軸承校核47 3.6鍵校核計算 48 3.6.1 小臂校核計算 48 3.6.2 大臂校核計算 49 3.6.2.1 蝸桿軸校核 49 3.6.2.2 蝸輪軸校核 49 3.6.3 刀庫校核計算49 3.6.3.1 蝸桿軸校核49 3.6.3.2 蝸輪軸校核50 3.7本章小結(jié) 50 結(jié)論 51 參考文獻(xiàn) 52 致 53

13、 第一章 引 言 1.1 課題的目的和意義 隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，對機床特別是高精度和高效率數(shù)控機床的要求也越來越高，而數(shù)控機床刀庫與換刀裝置作為機床的主要構(gòu)件又直接影響到機床的加工效率，因此數(shù)控機床刀庫與換刀裝置設(shè)計又顯得特別重要。為此，設(shè)計了一種數(shù)控機床刀庫與換刀裝置。實現(xiàn)數(shù)控加工中心主軸豎直放置，刀架軸線水平，刀庫的刀軸垂直情況下利用機械手實現(xiàn)自動換的動作，其中機械手手臂可轉(zhuǎn)90。該裝置能使加工中心功能有所提升，更能足生產(chǎn)加工的需要，進(jìn)一步提高加工的自動化程度，提高生產(chǎn)效率。 自動換刀系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組

14、成部分。刀具夾持元件的結(jié)構(gòu)特性與它與機床主軸滿的聯(lián)結(jié)方式，將直接影響機床的加工性能。刀庫結(jié)構(gòu)形式與刀具交換裝置的工作方式，則會影響機床的換刀效率。自動換刀系統(tǒng)本身與相關(guān)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，又會對整機的成本造價產(chǎn)生直接影響。 ? 自動換刀系統(tǒng)采用單片機或PLC控制，它通過幾條與主控機的聯(lián)絡(luò)信號線以與系統(tǒng)設(shè)置的自診斷、自適應(yīng)功能實現(xiàn)對換刀系統(tǒng)的全自動控制管理。采用高性能彈簧夾頭夾持刀具，使用外驅(qū)動機械手完成刀具的夾緊、放松，系統(tǒng)配置擴展型鏈?zhǔn)降稁旌偷毒呓粨Q裝置，整機采用電磁機械傳動、PLC控制，換刀系統(tǒng)具有夾緊力大、夾緊力恒定(可調(diào))、自動復(fù)位以與各種自檢保護(hù)功能，同時具有占據(jù)空間小的特點。

15、研究的最終目標(biāo)是，期望能夠形成一種結(jié)構(gòu)緊湊、工作穩(wěn)定可靠、造價低廉、可供不同類型數(shù)控機床選型配套的智能型高性能自動換刀系統(tǒng)系列產(chǎn)品。 1.2 自動換刀系統(tǒng)歷史、現(xiàn)狀和前景 從換刀系統(tǒng)發(fā)展的歷史來看，1956年日本富士通研究成功數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床，美國IBM公司同期也研制成功了“APT”(刀具程序控制裝置)。1958年美國K&T公司研制出帶ATC(自動刀具交換裝置)的加工中心。1967年出現(xiàn)了FMS(柔性制造系統(tǒng))。1978年以后，加工中心迅速發(fā)展，帶有ATC裝置，可實現(xiàn)多種工序加工的機床，步入了機床發(fā)展的黃金時代。1983年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了數(shù)控刀具錐柄的國際標(biāo)準(zhǔn)，自動換刀系統(tǒng)便形成了統(tǒng)一的

16、結(jié)構(gòu)模式。 目前國外數(shù)控機床自動換刀系統(tǒng)中，刀具、輔具多采用錐柄結(jié)構(gòu)，刀柄與機床主軸的聯(lián)結(jié)、刀具的夾緊放松機構(gòu)與驅(qū)動方式幾乎都采用同一種結(jié)構(gòu)模式。在這種模式中，機床主軸常采用空心的帶有長拉桿、碟形彈簧組的結(jié)構(gòu)形式，由液壓或氣動裝置提供動力，實現(xiàn)夾緊放松刀柄的動作。利用這種機構(gòu)夾持刀具進(jìn)行數(shù)控加工的最大問題是，它不能同時獲得高的夾持剛度和刀具振擺精度，而且主軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主軸軸向尺寸過大，加上它的液壓驅(qū)動裝置與刀具輔具錐柄的制造成本，使得自動換刀系統(tǒng)的造價在機床整機中占有較大的比重。據(jù)有關(guān)資料介紹，在刀具采用錐柄夾頭、側(cè)壓夾頭以與彈簧夾頭夾緊性能的對比實驗中，采用彈簧夾頭夾持刀具是唯一可同時獲得

17、高的夾持剛度和振擺精度的理想元件。采用這種夾持元件，刀具或刀具輔具可作成圓柱柄，其制造成本低，精度易保證，這對大容量刀庫降低刀具輔具的制造成本，意義更為顯著。在現(xiàn)代數(shù)控機床上亦有采用彈簧夾頭作為刀具的夾持元件，但機床的主軸結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式仍然采用與上述錐柄刀具完全一樣的結(jié)構(gòu)形式。采用這種結(jié)構(gòu)模式，在實際數(shù)控加工中，尤其是在需要超高速主軸、主軸的徑向、軸向尺寸都很小、沒有足夠的換刀空間的微細(xì)加工場合中實現(xiàn)自動換刀將會是很困難的，如果實施自動換刀那將使機床成本大幅度提高。如在CNC控制磨削球面銑刀的數(shù)控磨削機床上，直接由高速電機驅(qū)動主軸，使用小直徑盤形砂輪和指形砂輪加工球面銑刀，換刀空間很小，在這種

18、條件下，將難以實現(xiàn)自動換刀。國外最新研制的圓磨床上采用的彈簧夾頭自動換刀裝置售價昂貴。 隨著機械加工業(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)的造價在機床整機造價中總是占著很大比重，這是加工中心價格居高不下、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)，同時由于該項技術(shù)的應(yīng)用簡化了機床主軸結(jié)構(gòu)、采用彈簧夾頭和外驅(qū)動機械手等關(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

19、體造價大幅度下降。低造價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)濟效益。 　　隨著計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了人機對話式編制程序的數(shù)控裝置，并具有了自動檢測工件等功能。CAD/CAM（CAD指計算機輔助設(shè)計，CAM指計算機輔助制造）的出現(xiàn)，使數(shù)控機床的自動化水平進(jìn)一步提高，實現(xiàn)了自動生成程序控制數(shù)控機床。開辟了無紙全自動制造這一機械加工制造的新途徑，從而節(jié)省了大量的材料、資金和人力，給機械設(shè)計和加工帶來了革命性變革。

20、 第二章 方案的分析論證與確定 2.1 方案的提出 2.1.1機械結(jié)構(gòu)方案的提出 方案一：直接在刀庫與主軸之間換刀 方案二：用機械手在刀庫與主軸之間換刀 方案三：用機械手和轉(zhuǎn)塔頭配合刀庫進(jìn)行換刀 2.1.2傳動方案的提出 方案一：轉(zhuǎn)動用步進(jìn)電機帶傳動，移動用氣壓或液壓傳動 方案二：轉(zhuǎn)動用步進(jìn)電機帶傳動，移動用絲杠傳動 方案三：轉(zhuǎn)動用步進(jìn)電機齒輪傳動，移動用氣壓或液壓傳動 方案四：轉(zhuǎn)動用步進(jìn)電機蝸輪蝸桿傳動，移動用氣壓傳動 2.2 方案的可行性分析 2.2.1機械結(jié)構(gòu)方案的可行性分析 方案一：直接在刀庫與主軸之間換刀 這種換刀裝置只

21、有一個刀庫，刀庫中儲存著加工過程中需要使用的刀具，利用機床本身與刀庫的運動實現(xiàn)換刀過程。它的刀庫需要整體運動，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且刀庫容量較小。主要運用在需要刀具較少的數(shù)控車床中。 方案二：用機械手在刀庫與主軸之間換刀 這是目前用的最普遍的一種自動換刀裝置，其布局結(jié)構(gòu)多種多樣。它利用機械手在刀庫和機床之間實現(xiàn)換刀過程。由于這種結(jié)構(gòu)有一個中間介質(zhì)機械手，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計比較靈活，也比較簡單。 方案三：用機械手和轉(zhuǎn)塔頭配合刀庫進(jìn)行換刀 這種換刀裝置實際上是轉(zhuǎn)塔頭式換刀裝置和刀庫換刀裝置的結(jié)合。這種換刀裝置轉(zhuǎn)塔頭上有兩個刀具主軸，當(dāng)一個刀具主軸上的刀具進(jìn)行加工時，可由機械手將下一工步需用的刀具換到不

22、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，但是兩個刀具主軸的結(jié)構(gòu)嚴(yán)重限制了它的使用圍。 2.2.2傳動方案的可行性分析 方案一：轉(zhuǎn)動用步進(jìn)電機帶傳動，移動用氣壓或液壓傳動 步進(jìn)電機可精確控制轉(zhuǎn)動的角度和轉(zhuǎn)向，但是價格比伺服電機便宜的多。由于換刀不需要反饋系統(tǒng)，因此不必要選伺服點電機。帶傳動可以降低對電機的沖擊，雖然可以配合齒輪傳動達(dá)到較大的傳動比，但是機構(gòu)所占空間大，在要求機構(gòu)緊湊的數(shù)控機床上顯然不適合。氣壓和液壓傳動都有快的優(yōu)勢，但是相比之下，在需要的力并不大的地方選用價格更便宜的氣壓傳動更經(jīng)濟一些。 方案二：轉(zhuǎn)動用步進(jìn)電機帶傳動，

23、移動用絲杠傳動 絲杠雖然可以實現(xiàn)移動，但是在力較小、并且需要快速移動的地方就不如氣壓傳動適合了。 方案三：轉(zhuǎn)動用步進(jìn)電機齒輪傳動，移動用氣壓或液壓傳動 齒輪傳動和帶傳動一樣能達(dá)到的一級降速傳動比小，不能自鎖。 方案四：轉(zhuǎn)動用步進(jìn)電機蝸輪蝸桿傳動，移動用氣壓傳動 蝸輪蝸桿傳動不僅傳動大，而且可以自鎖。 2.3 方案的確定 2.3.1機械結(jié)構(gòu)方案的確定 經(jīng)過綜合分析確定選擇方案二，即用機械手在刀庫與主軸之間換刀的方案進(jìn)行設(shè)計。機械手兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)。 2.3.2傳動方案的確定 經(jīng)過綜合分析確定選擇方案四，即轉(zhuǎn)動用步進(jìn)電機蝸輪蝸桿傳動，移動用氣壓傳動。 2.3.3換刀

24、工作流程 換刀工作流程，如圖所示： 圖2-1、機械手工作流程圖 機械手初始位置、、。 1、小臂電機工作，小臂轉(zhuǎn)動90度到； 2、汽缸活塞桿縮回到； 3、小臂電機反轉(zhuǎn)到取刀； 4、汽缸活塞桿伸出到； 5、小臂轉(zhuǎn)動到； 6、大臂電機工作，大臂轉(zhuǎn)到水平位置； 7、小臂電機反轉(zhuǎn)到； 8、汽缸活塞桿縮回到，將刀放好； 9、小臂轉(zhuǎn)動到，同時刀庫轉(zhuǎn)到指定位置； 10、小臂電機反轉(zhuǎn)到； 11、汽缸活塞桿伸出到，將刀取出； 12、小臂轉(zhuǎn)動到； 13、大臂電機工作，大臂反轉(zhuǎn)到初始位置； 14、小臂電機反轉(zhuǎn)到；

25、15、汽缸活塞桿縮回到放刀； 16、小臂轉(zhuǎn)動到； 17、汽缸活塞桿伸出到； 18、小臂電機反轉(zhuǎn)到初始位置，換刀完成。 2.4 本章小結(jié) 分析設(shè)計題目，提出一系列機械結(jié)構(gòu)與傳動方案，并對機械結(jié)構(gòu)與傳動方案的綜合分析，確定最終的設(shè)計方案，為下一階段的工作作好準(zhǔn)備 第三章 設(shè)計計算 3.1 各部分設(shè)計參數(shù)的確定 3.1.1 設(shè)計參數(shù) 蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動參數(shù)： 蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動參數(shù)表 單位：mm 小臂 大臂 刀庫 中心距 a

26、80 160 250 傳動比 i 62 83 81 模數(shù) m 2 3.15 5 蝸桿分度圓直徑 d1 35.5 56 90 蝸桿頭 z1 1 1 1 蝸輪齒數(shù) z2 62 83 81 蝸桿分度圓導(dǎo)程(度) 3.224523 3.219495 3.17983 變位系數(shù) x 0.125 0.4048 0.5 蝸輪分度圓直徑 d2 124 261.45 405 蝸桿節(jié)圓直徑 d1' 36 58.557 92.5 蝸輪節(jié)圓直徑

27、 d2' 124 261.45 405 蝸桿齒頂圓直徑 da1 39.5 62.3 100 蝸輪齒頂圓直徑 da2 128.5 270.3 420 蝸桿齒根圓直徑 df1 30.7 48.44 78 蝸輪齒根圓直徑 df2 119.7 256.45 398 蝸桿齒寬 b1 35 52 75 蝸輪齒寬 b2 30 42 70 刀庫直徑1000mm ，刀具重量12Kg/把 ，機械手大臂長度550 mm ，小臂長度300mm ，刀庫容量20把刀 汽缸參數(shù)：工作氣壓P=1 MPa ，活塞桿直徑d=25mm，

28、汽缸徑D=34mm，工作行程L=160 mm，汽缸長370mm，寬120mm，高50mm。 3.1.2 機械手取刀干涉計算 圖3-1 ，， ， ， ， ， ， ， 取刀時的間隙為：，因此間隙足夠不會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。其中，是機械手小臂半徑。 3.2 電機的選擇 3.2.1 小臂電機的選擇 小臂重量：12，長度：300mm，蝸輪減速比：i=62 1、刀具轉(zhuǎn)動慣量 J=mR2=12=1.08· 2、小臂轉(zhuǎn)動慣量 J===1.25· 3、折算到電機軸的轉(zhuǎn)動慣量 J= （J+ J）/

29、i=6.06· 4、電機啟動加速力矩 Ma= J·n/T=0.77265· 式中：n---電機所需達(dá)到的轉(zhuǎn)速，T---電機的升速時間 5、折算到電機軸的靜力距 M=· 6、選電機：90BF002 J=1.764· ，Tmax=3.92· ， 式中：T---電機輸出總力矩 Tmax----電機輸出最大扭矩 Jm---電機轉(zhuǎn)動慣量 因此所選電機滿足要求。 3.2.2 大臂電機的選擇 大臂重量：35，長度：550mm，蝸輪減速比：i=83 1、小臂的轉(zhuǎn)動慣量 J=md=27·

30、2、大臂的轉(zhuǎn)動慣量 J=· 3、蝸桿軸的轉(zhuǎn)動慣量 J· 4、折算到電機軸的轉(zhuǎn)動慣量 Jt=· 5、電機啟動加速力矩 Ma= Jt·n/T=1.0· 6、折算到電機軸的靜力矩 M· 7、選電機：150BF003 Jm=102.9· ， Tmax=15.68 · ， 因此所選電機滿足要求。 3.2.3 刀庫電機的選擇 刀庫重量：300 1、大小輪的轉(zhuǎn)動慣量 J=· J· 2、刀、刀盤與軸的轉(zhuǎn)動慣量 J· J· J·

31、3、折算到電機軸的轉(zhuǎn)動慣量 Jt=· 4、電機啟動加速力矩 Ma= Jt·n/T=14.51· 5、選電機：160BC380A Tmax=30· ， 因此所選電機滿足要求。 3.3 小臂校核計算 3.3.1 蝸輪蝸桿校核 受力計算：T· ，T· Ft· Ft Fr·tan 校核：[ ， [ ·MPa<[] MPa <[] 式中：K---使用系數(shù) Y---齒形系數(shù) 查手冊得：K=1.4，Y=0.47 因此此蝸輪蝸桿傳動可行。 3.3.2 蝸桿軸與軸承校核 3.3.2.1

32、蝸桿軸校核 軸的結(jié)構(gòu)圖： 圖3-2 軸的受力圖： 圖3-3 X方向受力圖： 圖3-4 X方向彎矩圖： 圖3-5 Y方向受力圖： 圖3-6 Y方向彎矩圖： 圖3-7 合成彎矩圖： 圖3-8 轉(zhuǎn)矩圖：

33、 圖3-9 當(dāng)量彎矩圖： 圖3-10 計算支承反力 X方向反力 Y方向反力 X方向受力圖 見圖 3-4 Y方向受力圖 見圖 3-6 畫彎矩圖 X方向彎矩圖 見圖 3-5 Y方向彎矩圖 見圖 3-7 合成彎矩圖見圖 3-8 合成彎矩 畫軸轉(zhuǎn)矩圖 軸受轉(zhuǎn)矩 · 轉(zhuǎn)矩圖見圖 3-9 許用應(yīng)力 許用應(yīng)力值 材料40Cr是合金鋼， 查手冊得：[] ，[] 應(yīng)力校正系數(shù)

34、 畫當(dāng)量彎矩圖 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 · 當(dāng)量彎矩 當(dāng)量彎矩圖 見圖 3-10 校核軸徑 軸徑 故此軸強度足夠。 3.3.2.2 軸承校核 推力軸承 51204 Ca=22.2KN ，Ca=37.5KN 壽命計算： Fa=1256.55N， Fr=0N 查手冊得：X=0，Y=1，X，Y 當(dāng)量動載荷 P=f 壽命計算Lh 當(dāng)量靜載荷 PN 額定靜載荷計算 C

35、-軸承靜載荷安全系數(shù) 查手冊得：f=1.5，S=1.5 深溝球軸承6202 Cr=7.65KN C=3.72 KN 壽命計算： 徑向力 F= F 查手冊得：X=1 ,Y=0 當(dāng)量動載荷 P=f P=f 壽命計算Lh (因Pc>Pa,只計算軸承C) 查手冊得： X， Y 當(dāng)量靜載荷 P P P P 額定靜載荷計算 C< Cr=3.72KN （因P，只計算軸承C） 綜上所述，兩對軸承均滿足要求。 3.3.3 蝸輪軸與軸承校核

36、 3.3.3.1 蝸輪軸校核 當(dāng)大臂處于水平位置時，小臂的重力將是軸承的徑向力： 軸的結(jié)構(gòu)圖： 圖3-11 軸的受力圖： 圖3-12 X方向受力圖： 圖3-13 X方向彎矩圖： 圖3-14 Y方向受力圖： 圖3-15 Y方向彎矩圖： 圖3-16 合成彎矩圖： 圖3-17 轉(zhuǎn)矩圖： 圖3-18 當(dāng)量彎矩圖： 圖3-19 計算支承反力 X方向反力 Y方向反力 X方向受力圖 見圖 3-1

37、3 Y方向受力圖 見圖 3-15 畫彎矩圖 X方向彎矩圖 見圖 3-14 Y方向彎矩圖 見圖 3-16 合成彎矩圖見圖 3-17 合成彎矩 畫軸轉(zhuǎn)矩圖 軸受轉(zhuǎn)矩 · 轉(zhuǎn)矩圖見圖 3-18 許用應(yīng)力 許用應(yīng)力值 材料40Cr是合金鋼， 查手冊得：[] ，[] 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 當(dāng)量彎矩圖 見圖 3-19 校核軸徑 軸徑 當(dāng)大臂處于豎直位置時，小臂的重力將是軸承的軸向力： 軸的受力圖：

38、 圖3-20 X方向受力圖： 圖3-21 X方向彎矩圖： 圖3-22 Y方向受力圖： 圖3-23 Y方向彎矩圖： 圖3-24 合成彎矩圖： 圖3-25 轉(zhuǎn)矩圖： 圖3-

39、26 當(dāng)量彎矩圖： 圖3-27 計算支承反力 X方向反力 Y方向反力 X方向受力圖 見圖 3-21 Y方向受力圖 見圖 3-23 畫彎矩圖 X方向彎矩圖 見圖 3-22 Y方向彎矩圖 見圖 3-24 合成彎矩圖見圖 3-25 合成彎矩 畫軸轉(zhuǎn)矩圖 軸受轉(zhuǎn)矩 N·mm 轉(zhuǎn)矩圖見圖 3-26 許用應(yīng)力 許用應(yīng)力值 材料40Cr是合金鋼， 查手冊得：[] ，[] 應(yīng)力校正系數(shù) 畫當(dāng)量彎

40、矩圖 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 N·mm 當(dāng)量彎矩 當(dāng)量彎矩圖 見圖 3-27 校核軸徑 軸徑 故此軸強度足夠。 3.3.3.2 軸承校核 當(dāng)大臂處于水平位置時，小臂的重力將是軸承的徑向力： 軸承：7207AC Cr=27KN C =18.8KN 壽命計算： 徑向力 附加軸向力 軸向力 因，所以軸承C壓緊 F=387.68+71=458.68N FF X、Y值 F F 查手冊得：X=1 ，Y=0 ，X，

41、Y=0.87 當(dāng)量動載荷 P= P =1.5N (因P，只計算軸承C) 壽命計算Lh 查手冊得： X， Y 當(dāng)量靜載荷 PN N PN P PN 額定靜載荷計算 C< Cr18.8KN （因P，只計算軸承A） 當(dāng)大臂處于豎直位置時，小臂的重力將是軸承的軸向力： 壽命計算： 徑向力 附加軸向力 N 軸向力 因，所以軸承C壓緊 F F=F X、Y值 F F 查手冊得：X=1 ，Y=0 ，X，Y=0.

42、87 當(dāng)量動載荷 P P 1.5N (因P，只計算軸承A) 壽命計算Lh 查手冊得： X， Y 當(dāng)量靜載荷 PN N PN P PN 額定靜載荷計算 C< Cr18.8KN （因P，只計算軸承A） 綜上所述，軸承7207AC滿足要求。 3.4 大臂校核計算 3.4.1 蝸輪蝸桿校核 受力計算：T N·m，T N·m Ft FtN Fr·tan N 校核：[ ， [ ·MPa < [] MPa <[] 式中：K---使用系數(shù) Y---齒形系

43、數(shù) 查手冊得K=1.4，Y=0.47 因此此蝸輪蝸桿傳動可行。 3.4.2 蝸桿軸與軸承校核 3.4.2.1 蝸桿軸校核 軸的受力圖： 圖3-28 Y方向受力圖： 圖3-29 Y方向彎矩圖： 圖3-30 X方向受力圖： 圖3-31 X方向彎矩圖：

44、 圖3-32 合成彎矩圖： 圖3-33 轉(zhuǎn)矩圖： 圖3-34 當(dāng)量彎矩圖： 圖3-35 計算支承反力 X方向反力 Y方向反力 X方向受力圖見圖 3-31 Y方向受力圖見圖 3-29 畫彎矩圖 X方向彎矩圖見圖 3-32 Y方向彎矩圖見圖 3-30 合成彎矩圖見圖3-33合成彎矩 畫軸轉(zhuǎn)矩圖 軸受轉(zhuǎn)矩N·mm 轉(zhuǎn)矩圖見圖 3-34 許用應(yīng)力 許用應(yīng)力值材料

45、40Cr是合金鋼， 查手冊得：[]，[] 應(yīng)力校正系數(shù) 畫當(dāng)量彎矩圖 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 N·mm 當(dāng)量彎矩 當(dāng)量彎矩圖見圖 3-35 校核軸徑 軸徑 故此軸強度足夠。 3.4.2.2 軸承校核 圓錐滾子軸承 31305 Cr ，Cr e Y=0.7 Y 壽命計算： 徑向力 附加軸向力 軸向力 因，所以軸承A壓緊 F F=F X、Y值 F F 查手冊得： X，Y 當(dāng)量動載荷 P P 1.5 (因P，只計算軸承A) 壽

46、命計算Lh 查手冊得： X， Y 當(dāng)量靜載荷 P P P P 額定靜載荷計算 C< Cr （因P，只計算軸承A）式中： 綜上所述，軸承31305滿足要求。 3.4.3 蝸輪軸與軸承校核 3.4.3.1 蝸輪軸校核 軸的結(jié)構(gòu)圖： 圖3-36 軸的受力圖： 圖3-37 Y方向受力圖： 圖3-38 Y方向彎矩圖：

47、 圖3-39 X方向受力圖： 圖3-40 X方向彎矩圖： 圖3-41 合成彎矩圖： 圖3-42 轉(zhuǎn)矩圖： 圖3-43 當(dāng)量彎矩圖： 圖3-44 計算支承反力 X方向反力 Y方向反力 X方向受力

48、圖 見圖 3-41 Y方向受力圖 見圖 3-38 畫彎矩圖 X方向彎矩圖 見圖 3-42 Y方向彎矩圖 見圖 3-40 合成彎矩圖見圖 3-42 合成彎矩 畫軸轉(zhuǎn)矩圖 軸受轉(zhuǎn)矩 N·mm 轉(zhuǎn)矩圖見圖 3-43 許用應(yīng)力 許用應(yīng)力值 材料40Cr是合金鋼， 查手冊得：[] ，[] 應(yīng)力校正系數(shù) 畫當(dāng)量彎矩圖 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 N·mm 當(dāng)量彎矩 當(dāng)量彎矩圖 見圖 3-44 校核軸徑 軸徑 故此軸強度足夠。 3.4.3.2 軸承校核

49、 軸承 7211AC Cr=50.5KN ， Cr=38.5KN 徑向力 附加軸向力 N 因，所以軸承C壓緊 軸向力 FN FF X、Y值 F F 查手冊得：X=1 ，Y=0 ，X，Y=0.87 當(dāng)量動載荷 P= P =1.5 (因P，只計算軸承B) 壽命計算Lh 查手冊得： X， Y 當(dāng)量靜載荷 PN N PN P PN 額定靜載荷計算 C< Cr38.5KN （因P，

50、只計算軸承B） 綜上所述，軸承7211AC滿足要求。 3.4.4 汽缸校核 汽缸校核計算： 活塞桿受力圖： 圖3-45 對A點的彎矩： N·m 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩： N·m 式中： 當(dāng)量彎矩： N·m 校核軸徑： 活塞桿強度足夠。 3.5 刀庫校核計算 3.5.1 蝸輪蝸桿校核 受力計算：T·，T· Ft Ft Fr·tan 校核： [ ，[ ·MPa < []

51、 MPa <[] 式中：K---使用系數(shù) Y---齒形系數(shù) 查手冊得K=1.4，Y=0.47 因此此蝸輪蝸桿傳動可行。 3.5.2 蝸桿軸與軸承校核 3.5.2.1 蝸桿軸校核 軸的受力圖： 圖3-46 X方向受力圖： 圖3-47 X方向彎矩圖： 圖3-48 Y方向受力圖： 圖3-49 Y方向彎矩圖：

52、 圖3-50 合成彎矩圖： 圖3-51 轉(zhuǎn)矩圖： 圖3-52 當(dāng)量彎矩圖： 圖3-53 計算支承反力 X方向反力 Y方向反力 X方向受力圖見圖 3-47 Y方向受力圖見圖 3-49 畫彎矩圖 X方向彎矩圖見圖 3-48 Y方向彎矩圖見圖 3-50 合成彎矩圖見圖3-51合成彎矩 畫軸轉(zhuǎn)矩圖 軸受轉(zhuǎn)矩N·mm 轉(zhuǎn)矩

53、圖見圖 3-52 許用應(yīng)力 許用應(yīng)力值材料40Cr是合金鋼， 查手冊得：[]，[] 應(yīng)力校正系數(shù) 畫當(dāng)量彎矩圖 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 N·mm 當(dāng)量彎矩 當(dāng)量彎矩圖見圖 3-53 校核軸徑 軸徑 故此軸強度足夠。 3.5.2.2 軸承校核 圓錐滾子軸承 32208 Cr ，Cr e Y Y 壽命計算： 徑向力 附加軸向力 軸向力 因，所以軸承C壓緊 F F=F X、Y值 F F 查手冊得：X=1 ，Y=0

54、，X，Y 當(dāng)量動載荷 P P 1.5 (因P，只計算軸承C) 壽命計算Lh 查手冊得： X， Y 當(dāng)量靜載荷 P P P P 額定靜載荷計算 C< Cr （因P，只計算軸承C）式中： 綜上所述，軸承332208滿足要求。 3.5.3 蝸輪軸與軸承校核 3.5.3.1 蝸輪軸校核 軸的受力圖： 圖3-54 X方向受力圖： 圖3-55 X方向彎矩圖：

55、 圖3-56 Y方向受力圖： 圖3-57 Y方向彎矩圖： 圖3-58 合成彎矩圖： 圖3-59 轉(zhuǎn)矩圖： 圖3-60 當(dāng)量彎矩圖： 圖3-61 計算支承反力 X方向反力 Y方向反力 X

56、方向受力圖 見圖 3-55 Y方向受力圖 見圖 3-57 畫彎矩圖 X方向彎矩圖 見圖 3-56 Y方向彎矩圖 見圖 3-58 合成彎矩圖見圖 3-59 合成彎矩 畫軸轉(zhuǎn)矩圖 軸受轉(zhuǎn)矩 N·mm 轉(zhuǎn)矩圖見圖 3-60 許用應(yīng)力 許用應(yīng)力值 材料高強度合金鋼， 查手冊得：[] ，[] 應(yīng)力校正系數(shù) 畫當(dāng)量彎矩圖 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 N·mm 當(dāng)量彎矩 當(dāng)量彎矩圖 見圖 3-61 校核軸徑 軸徑 花鍵

57、 式中：D---花鍵大徑， d---花鍵小徑， z---花鍵齒數(shù)， b---花鍵齒寬 故此軸強度足夠。 3.5.3.2 軸承校核 深溝球軸承6202 Cr ， C 壽命計算： 徑向力 F= F 軸向力 Fa 查手冊得： X=1 , Y=0 查手冊，由插值法得：e X、Y值 F F 查手冊得：X=1 ，Y=0 ， X，Y 當(dāng)量動載荷 P= P 1.5 (因P，只計算軸承C) 壽命計算Lh 查手冊得： X， Y 當(dāng)量靜載荷 PN P

58、 P P 額定靜載荷計算 C< Cr （因P，只計算軸承C） 綜上所述，軸承6311滿足要求。 3.6 鍵校核計算 3.6.1 小臂校核計算 T N·m ， []120MPa 鍵A： 鍵能傳遞的扭矩是：T 式中：h---鍵的高度，---鍵的接觸長度，d---軸的直徑， []---鍵的許用擠壓應(yīng)力 鍵B： 鍵能傳遞的扭矩是：T 因此此軸上的兩鍵強度足夠。 3.6.2 大臂校核計算 3.6.2.1 蝸桿軸校核 N·m， []120MPa 鍵A： 鍵能傳遞的扭矩是：T

59、 因此此軸上的鍵強度足夠。 3.6.2.2 蝸輪軸校核 N·m 鍵B： ， []80MPa 鍵能傳遞的扭矩是：T 鍵B： ， []100MPa 鍵能傳遞的扭矩是：T 因此此軸上的兩鍵強度足夠。 3.6.3 刀庫校核計算 3.6.3.1 蝸桿軸校核 N·m， []120MPa 鍵A： 鍵能傳遞的扭矩是：T 因此此軸上的鍵強度足夠。 3.6.3.2 蝸輪軸校核 N·m ， []80MPa 兩花鍵：，長度：L 花鍵能傳遞的扭矩是： T

60、 式中：k---載荷不均系數(shù)，z---齒數(shù)，h，r C---齒頂?shù)牡箞A半徑 因此此軸上的兩花鍵強度足夠。 3.7 本章小結(jié) 本章對設(shè)計中所涉與的軸、軸承與鍵進(jìn)行強度校核。通過計算各個部件都能滿足設(shè)計要求。其中所有的公式都是引用于參考資料。聯(lián)軸器是根據(jù)其公稱扭矩進(jìn)行選擇的，因此不用進(jìn)行強度校核。螺栓螺釘選用時有較大的安全系數(shù)，因此不用進(jìn)行校核。 結(jié) 論 該課題的主要目的是數(shù)控機床刀庫與換刀裝置設(shè)計，實現(xiàn)數(shù)控加工中心主軸豎直放置

61、，刀架軸線水平，刀庫的刀軸垂直情況下利用機械手實現(xiàn)自動換刀的動作。其中，機械手手臂可轉(zhuǎn)90度 。預(yù)期目標(biāo)是達(dá)到一次換刀時間在0.8到2分鐘之間，刀具重量為每把十二公斤。通過這次畢業(yè)設(shè)計熟悉掌握機電產(chǎn)品從設(shè)計、制定方案、元器件購置、檢測、外協(xié)加工、裝配和到成品的全部生產(chǎn)過程。提高機床換刀效率，同時滿足多種機床的要求，即經(jīng)濟又實用。 利用機械手轉(zhuǎn)動實現(xiàn)換刀過程，使結(jié)構(gòu)更加簡單，維護(hù)和安裝方便。傳動采用蝸輪蝸桿傳動，不僅可以自鎖，而且還可以使結(jié)構(gòu)緊湊。步進(jìn)電機的采用使位置控制更方便和準(zhǔn)確，而不需要更多的傳感器等檢測裝置，降低了控制的難度，使操作過程更簡單。雙活塞桿汽缸的使用大大的降低了機械手的結(jié)構(gòu)

62、復(fù)雜程度，因為兩根平行的活塞桿可以抗扭。氣缸的制動靠電磁卡環(huán)實現(xiàn)的，并且結(jié)構(gòu)簡單工作平穩(wěn)沖擊小。 通過兩個多月的畢業(yè)設(shè)計，我們受到了全方面的鍛煉，包括調(diào)查和研究、查閱文獻(xiàn)和檢索資料的能力，數(shù)據(jù)處理、綜合分析、理論聯(lián)系實際的能力與計算機繪圖和文字處理的能力。在畢業(yè)設(shè)計中使我們熟悉并正確運用有關(guān)的技術(shù)資料、國家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)等。并且綜合運用所學(xué)的基礎(chǔ)知識理論和基礎(chǔ)技能來分析解決工程實際問題的能力也得到很大的提高。不僅鞏固了所學(xué)知識，而且擴大專業(yè)知識面，為以后的工作打下了良好的基礎(chǔ)。 通過本次設(shè)計, 我深刻的體會到理論聯(lián)系實際的重要性。意識到在工作要不斷地用理論來指導(dǎo)實踐,用實踐來深化理論，并且深入掌

63、握理論知識。 參考文獻(xiàn) [1] 成大先，機械設(shè)計手冊，機械工業(yè)，2002 [2] 機床設(shè)計手冊編寫組，機床設(shè)計手冊， 1986 [3] 洪，機床設(shè)計手冊， 1999 [4] 數(shù)控機床技術(shù)手冊編寫組，數(shù)控機床技術(shù)手冊，，1996。 [5] 成大先，機械設(shè)計手冊，機械傳動單行本，化學(xué)工業(yè)，2004 [6] 邱宣懷，機械設(shè)計，高等教育，1997 [7] 殷際英，何廣平，關(guān)節(jié)型機器人，化學(xué)工業(yè)，2003 [8] 王蘭美，畫法幾何與工程制圖，機械工業(yè)，2002 [9] 培剛，蓋玉先，機電一體化系統(tǒng)設(shè)計，機械

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