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河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文
摘 要
以加工中心自動換刀裝置中的刀庫的設計與控制為背景，根據(jù)使用的場合和實際運用的要求，設計了相應的40刀的鏈式刀庫，并且對它的控制進行了一定的研究。
論文首先對40刀刀庫總體設計方案進行闡述，闡述其各部件的工作原理，然后就刀庫的結(jié)構(gòu)設計與控制分節(jié)對各個部分進行計算與設計。
刀庫的機構(gòu)設計是研究的重點，傳動部分為蝸桿蝸輪的減速裝置，控制部分為刀庫送刀機構(gòu)，由PLC控制刀庫的正反轉(zhuǎn)。
關鍵詞：加工中心，刀庫，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 加工中心簡介 1
1.2.1 加工中心的發(fā)展簡史 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 5
1.2.5 加工中心的發(fā)展趨勢 6
1.3 刀庫 7
1.3.1 刀庫簡介 7
1.3.2 刀庫的類型 8
1.3.3方案的分析論證及確定 12
2 刀庫驅(qū)動電機的選定 15
2.1 刀套線速度 15
2.2 鏈輪參數(shù)確定 15
2.3 根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩選電機 16
2.4 傳動比分配 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 刀庫傳動方式 20
3.1 刀庫傳動方式設計 20
3.1.1 蝸桿蝸輪傳動 20
3.1.2 鏈傳動 29
4 軸的設計 32
4.1 軸材料選定 32
4.2 蝸桿軸設計 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刀具識別裝置 47
6.3刀庫控制系統(tǒng)設計 48
7 其它零部件設計 51
8 結(jié)論 53
致謝 54
參考文獻 55
1
一 緒論
本首先從數(shù)控機床的發(fā)展歷程引出加工中心的發(fā)展趨勢，再具體到本次設計針對的刀庫的任務要求，明確了本設計任務的主要內(nèi)容。
1.1 引言
1952年世界上出現(xiàn)了一臺數(shù)控機床，使多品種、中小批量的機械加工設備在柔性、自動化和效率上產(chǎn)生了巨大變革。1958年一臺加工中心問世，它將多工序（銑、鉆、鏜、鉸、攻絲等）加工集于一身；適應加工多品種和大批量的工件；增加機床功能（自動換刀、自動換工件、自動檢測等），使自動化程度和加工效率上了一個新臺階；使無人化（或長時間無人操作）加工成為現(xiàn)實。90年代以來，數(shù)控加工技術得到迅速的普及及發(fā)展，數(shù)控加工中心在制造業(yè)得到越來越廣泛的應用。目前國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)制造的加工中心主要是面向生產(chǎn)領域，其結(jié)構(gòu)復雜、精度高、封閉性強，價格昂貴。加工中心已成為柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)和自動化工廠的基本單元。
加工中心是數(shù)控機床的代表，是高新技術集成度高的典型機電一體化機械加工設備，受到世界各工業(yè)發(fā)達國家的高度重視，技術迅速發(fā)展，品種和數(shù)量大幅度增加，成為當今世界機械加工設備中最引人注目的一類產(chǎn)品。
1.2 加工中心簡介
1.2.1 加工中心的發(fā)展簡史
1952年世界上出現(xiàn)一臺數(shù)控機床，使多品種、中小批量的機械加工設備在柔性、自動化和效率上產(chǎn)生了巨大變革。它用易于修改的數(shù)控加工程序進行控制，因而比大批量生產(chǎn)重使用組合機床生產(chǎn)線和凸輪、開關控制的專用機床有更大的柔性，容易適應加工件品種的變化，進行多品種加工。它用數(shù)控系統(tǒng)對機床的工藝功能、幾何圖形運動功能和輔助功能實行全自動的數(shù)字控制，因為有更高的自動化程度和加工效率，大大改變了中小批量生產(chǎn)中普通機床占整個機械加工的狀況。數(shù)控機床能實現(xiàn)兩坐標以上聯(lián)動的功能，其效率和精度比用手工和樣板控制加工復雜零件要高得多。
1958年一臺加工中心在美國卡尼、特雷克（Kearney&Trecker）公司問世。現(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)控銑床的基礎上增加自動換刀裝置，可使工件在一次裝卡中，能夠自動更換刀具，自動完成工件上的銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等工序的數(shù)控機床。二，加工中心上如果帶有自動分度回轉(zhuǎn)工作臺或自動轉(zhuǎn)角度的主軸箱，可使工件在一次裝卡中，自動完成多個平面和多個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，工件在工作位置的工作臺上進行加工的同時，另外的工件在裝卸位置的工作臺上進行裝卸，不影響加工的進行。
由上述可知，加工重心在加工的柔性、自動化程度和加工效率上，在一般數(shù)控機床的基礎上又上了一個新的臺階，又是一次新的變革。
加工中心的定義是什么？目前世界上并無標準定義，但目前普遍認為是指：在工件一次裝卡中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等多工序的數(shù)控機床。更為明確的說法是：加工中心就是自動換刀數(shù)控鏜銑床。這就把加工中心與自動換刀數(shù)控車床或車削中心區(qū)別開來。
1.2.2 加工中心的結(jié)構(gòu)組成
加工中心的組成隨機床的類別、功能、參數(shù)的不同而有所區(qū)別。機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，機床參數(shù)有主參數(shù)和其它參數(shù)。機床制造廠可根據(jù)用戶提出的要求進行生產(chǎn)，但在同類機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 基礎部件 主要由床身、立柱和工作臺等大件組成。它們是加工中心的基礎結(jié)構(gòu)，要承受加工中心的靜載荷以及在加工時的切削負載，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、主軸電動機、主軸和主軸軸承等零部件組成。主軸的啟動、停止和變轉(zhuǎn)速等動作均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過裝在主軸上的刀具參與切削運動，是切削加工的功率輸出部件。主軸系統(tǒng)是加工中心的關鍵部件，其結(jié)構(gòu)的好壞，對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)動裝置以及電動機等部分組成，它們是加工中心執(zhí)行順序控制動作和完成加工過程的控制中心。
㈣ 自動換刀系統(tǒng) 主要由刀庫、自動換刀裝置等部件組成。刀庫是存放加工過程所要使用的全部刀具的裝置。當需要換刀時，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的指令，由機械手（或通過別的方式）將刀具從刀庫取出裝入主軸孔中。刀庫有盤式、鏈式和鼓式等多種形式，容量從幾把到幾百把。機械手的結(jié)構(gòu)根據(jù)刀庫與主軸的相對位置幾結(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的移動來實現(xiàn)換刀。
㈤ 輔助系統(tǒng) 包括潤滑、冷卻、排屑防護、液壓和隨機檢測系統(tǒng)等部分。輔助系統(tǒng)雖不直接參與切削運動。但對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，為進一步縮短非切削時間，有的加工中心還配備了自動托盤交換系統(tǒng)。例如，配有兩個自動交換工件托盤的加工中心，一個安裝工件在工作臺上加工，另一個則位于工作臺外進行工件的裝卸。當完成一個托盤上工件的加工后，便自動交換托盤，進行新零件的加工，這樣可以減少輔助時間，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)不同進行分類，可分為立式、臥式和五坐標加工中心。
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，工作臺為長方形，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)設置的加工中心，通常都帶有可進行分度回轉(zhuǎn)運動的正方形分度工作臺。臥式加工中心一般具有3~5個運動坐標，常見的是三個直線運動坐標(沿X、Y、Z軸方向)加一個回轉(zhuǎn)運動坐標(回轉(zhuǎn)工作臺)，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面的加工，最適合箱體類工件的加工。
㈢ 五坐標加工中心 五坐標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)面和頂面等五個面的加工，因此也叫五面加工中心。常見的五坐標加工中心有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是主軸可以旋轉(zhuǎn)，另一種是工作臺可以旋轉(zhuǎn)。
1.2.4 加工中心的主要優(yōu)點
㈠ 提高加工質(zhì)量 工件一次裝夾，即可實現(xiàn)多工序集中加工，大大減少多次裝夾所帶來的誤差。另外，由于是數(shù)控加工，較少依賴操作者的技術水平，可得到相當高的穩(wěn)定精度。
㈡ 縮短加工準備時間 加工中心既然可以頂替多臺通用機床，那么加工一個零件所需準備時間，是每臺加工單元所損耗的準備時間之和。從這個意義上說，加工中心的準備時間顯然短得多。
㈢ 減少在制品 以往的加工方式是工件流動與多臺通用機床之間，這就要有相當數(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，在一臺機床上完成多個工序，就能大大減少在制品數(shù)量。
㈣ 減少刀具費 把分散設置在各通用機床上的刀具，集中在加工中心刀庫上，有可能用最少量的刀具，實現(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最少的直接勞務費 由NC裝置實現(xiàn)多工序加工的信息集約化和一人多臺管理，以及用工作臺自動托盤交換裝置（Automatic Pallet Changer簡稱APC）等輔助裝置，實現(xiàn)夜間無人運轉(zhuǎn)。這些都可縮減直接勞務費。
㈥ 最少的簡介勞務費 由于工序集中，工件搬運和質(zhì)量檢查工作量都大為減少，這就使間接勞務費最少。
㈦設備利用率高 加工中心設備利用率為通用機床的幾倍。另外，由于工序集中，容易適應多品種、中小批量生產(chǎn)。
1.2.5 加工中心的發(fā)展趨勢
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、醫(yī)療設備、IT、光學設備等行業(yè)。在飛機制造業(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、精密機枝零部件、半導體模具等行業(yè)也具有需求潛力。各生產(chǎn)廠家面對預期需求擴大的飛機、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、醫(yī)療設備、IT、光學設備等行業(yè)。在飛機制造業(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、精密機枝零部件、半導體模具等行業(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，比較適應時間無操作。又因是模塊結(jié)構(gòu)，可以短時間內(nèi)導入最適當規(guī)模的系統(tǒng)。因其無人操作時間較長，在成本費用方面與單機相比效果更好。
從技術開發(fā)動向來看，是謀求提高主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、提高精密度、并將對應熱變位、模塊化等集中體現(xiàn)出來。其中，作為機床基本課題的高速化研究也不斷取得成果。
由于提高進給速度直接關系到產(chǎn)品的加工時間，以利提高生產(chǎn)效率，因此在高速進給技術方面，驅(qū)動裝置采用直線電機的機型正在增多。同時也有廠家在開發(fā)不使用直線電機，采用進給軸以大導程滾珠絲杠為驅(qū)動，進給加速度1.5G~ 2G、快速進給速度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 r/min、快速進給速度為60 m/min、以盡量縮短重復定位、刀至刀等的非切削時間。為解決速度提高帶來的熱變位影響，防止精度下降，一般都采用獨自的補正裝置或主軸冷卻結(jié)構(gòu)、冷卻裝置等。
1.3 刀庫
1.3.1 刀庫簡介
刀庫是自動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)對加工中心的設計有很大影響。刀庫是用來儲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中的某一固定刀位，因此刀庫還需要有使刀具運動及定為的機構(gòu)來保證換刀的可靠。其動力可采用液動機或電動機，如果需要還要有減速機構(gòu)。刀庫的定為機構(gòu)是用來保證更換的每一把刀具或刀套都能準確地停在換到位置上。其控制部分可以采用簡易位置控制器或類似半閉環(huán)進給系統(tǒng)的伺服位置控制，也可以采用電氣和機械相結(jié)合的銷定為方式，一般要求綜合定為精度達到0.1～0.5 mm。
根據(jù)刀庫所需要的容量和取刀方式，可以將刀庫設計成多種形式。圖1-3列出了常用的幾種刀庫。圖1-3是但盤式刀庫，為適應機床主軸的布局，刀庫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，采用這種結(jié)構(gòu)能夠簡化取刀動作。單盤式刀庫的結(jié)構(gòu)簡單，取刀也較為方便，因此應用最為廣泛。但由于圓盤尺寸受限制，刀庫的容量較?。ㄍǔＱb16～32把刀）。
圖1-3 刀庫的形式
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）鏈式 g）多盤式 h）格子式
當需要存放更多數(shù)量的刀具時，可以采用圖1-3形式的刀庫，它們充分利用了機床周圍的有效空間，且刀庫的外形尺寸又不致過于龐大。圖1-3e是鼓筒彈夾式刀庫，其結(jié)構(gòu)十分緊湊，在相同的空間內(nèi)，它的刀庫容量較大，但選刀和取刀的動作較復雜。圖1-3f是鏈式刀庫，其結(jié)構(gòu)有較大的靈活性，存放刀具的數(shù)量也較多，選刀和取刀動作十分簡單。當鏈條較長時，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，它們雖然也具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點，但選刀和取刀動作復雜，較少應用。
1.3.2 刀庫的類型
加工中心上普遍采用的刀庫是盤式刀庫和鏈式刀庫。密集型的固定刀庫目前于用于FMS中的集中供刀系統(tǒng)。
㈠ 盤式刀庫 盤式刀庫結(jié)構(gòu)簡單，應用較多，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。但這樣一來使刀庫的外徑過大，轉(zhuǎn)動慣量也很大，選刀時間也較長。因此，盤式刀圖1-4 盤式刀庫的形式
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
庫一般適用于刀具容量較少的刀庫。
㈡ 鏈式刀庫 如圖1-5所示，鏈式刀庫的結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫容量較大，鏈環(huán)的形狀可以根據(jù)機床的布局配置成各種形狀，也可將換刀位突出以利換刀。當鏈式刀庫需增加刀具容量時，只需增加鏈條的長度和支承鏈輪的數(shù)目，在一定范圍內(nèi)，無需變更線速度及慣量。這些特點也為系列刀庫的設計與制造帶來了很大的方便，可以滿足不同使用條件。一般刀具數(shù)量在30~120把時，多采用鏈式刀庫。
圖1-5 鏈式刀庫的形式
⑴ 換刀位置 為保證刀套準停精度和刀套定位剛性，鏈式刀庫的換刀位置一般設在主動鏈輪上如圖1-6所示，或者設在盡可能靠近主動鏈輪的刀套處，如圖1-7所示
圖1-7 鏈式刀庫換刀位置
圖1-6 鏈式刀庫換刀位置
⑵ 鏈條形式 我國目前還沒有廠家生產(chǎn)加工中心刀庫專用鏈條，因而不得不用標準套筒輥子鏈，通過連接器把刀套固定在鏈條上。這種方式不僅結(jié)構(gòu)復雜，裝配調(diào)試費時，而且套筒位置精度亦差
我國部分廠家，購買日本椿本鏈條公司（TSUBAKI CHAIN Co.）生產(chǎn)的已轉(zhuǎn)有刀套的刀庫專用鏈條來裝備刀庫，效果頗佳。考慮到刀具重量和刀庫工作的平穩(wěn)性，推薦采用：
HP型鏈條 這種鏈條是套筒式鏈條，其輥子本身就是刀套，該鏈條型式及尺寸見表1-1
鏈條型號
刀具錐柄號
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——當量齒數(shù)（實際齒數(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個起使用。但是為了增加鏈條的耐用度和運行效率，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)塔頭配合刀庫進行換刀
1.3.3.2 傳動方案的提出
方案一：轉(zhuǎn)動用步進電機帶傳動，移動用氣壓或液壓傳動
方案二：轉(zhuǎn)動用步進電機帶傳動，移動用絲杠傳動
方案三：轉(zhuǎn)動用步進電機齒輪傳動，移動用氣壓或液壓傳動
方案四：轉(zhuǎn)動用步進電機蝸輪蝸桿傳動，移動用氣壓傳動
1.3.3.3方案的可行性分析
1.3.3.4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，當一個刀具主軸上的刀具進行加工時，可由機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，但是兩個刀具主軸的結(jié)構(gòu)嚴重限制了它的使用范圍。
1.3.3.5傳動方案的可行性分析
方案一：轉(zhuǎn)動用步進電機帶傳動，移動用氣壓或液壓傳動
步進電機可精確控制轉(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)動用步進電機帶傳動，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到的一級降速傳動比小，不能自鎖。
方案四：轉(zhuǎn)動用步進電機蝸輪蝸桿傳動，移動用氣壓傳動
蝸輪蝸桿傳動不僅傳動大，而且可以自鎖。
1.3.3.6方案的確定
1.3.3.7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行設計。機械手兩個轉(zhuǎn)動關節(jié)和一個移動關節(jié)。
13.3.8 傳動方案的確定
經(jīng)過綜合分析確定選擇方案四，即轉(zhuǎn)動用步進電機蝸輪蝸桿傳動，移動用氣壓傳動。
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二 刀庫驅(qū)動電機的選定
驅(qū)動刀庫，目前常見的方式有伺服電動機驅(qū)動和液動機驅(qū)動兩種，我國加工中心都選用伺服電機驅(qū)動方式，在本設計中也將采用伺服電動機來驅(qū)動。
2.1 刀套線速度
選用HP型鏈條，錐柄號40
鏈行程 S=20×P=20×90=1.8m
由選刀時間t.=4s,可得到鏈速v.
鏈速
刀套線速度v=27 m/min,查相關資料刀套線速度影響選刀效率，但是過快的線速度又影響刀庫工作可靠性。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——當量齒數(shù)（實際齒數(shù)/3）
P——鏈條節(jié)距
鏈輪外徑D0
鏈輪轉(zhuǎn)速n
2.3 負載轉(zhuǎn)矩選電機
加在伺服電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩，應比電動機額定連續(xù)轉(zhuǎn)矩小。
鏈式式刀庫負載轉(zhuǎn)矩計算方法 鏈式刀庫的負載轉(zhuǎn)矩T1是由刀具不平衡重量Wmax和導向面（或支承面）的摩擦力F所組成，如圖2-1所示。
圖2-1 鏈式刀庫力的分布
不平衡重量Wmax，可按在一個垂直方向刀套上裝有1/10刀庫容量數(shù)的最大刀具重量來計算。F1和F3是支承面的摩擦力；F2、F4則是導向面上因刀具下垂而引起的摩擦力。計算摩擦力時，刀具重量均按刀具平均重量計算。
刀庫鏈輪半徑為118.5mm，刀具最大重量為20kg，刀具平均重量17kg，每個方向上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
負載所需功率
取傳動比i=40。
傳動總效率為：
式中：η1——聯(lián)軸器的功率；
η2——蝸桿的功率；
η3——軸承的功率；
η4——鏈傳動效率。
把如上計算的負載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)換為電機軸上的轉(zhuǎn)矩TL為：
考慮到實際情況比計算時所設定條件復雜，電機額定轉(zhuǎn)矩Ts應為負載轉(zhuǎn)矩的1.2～1.5倍，亦即：
根據(jù)以上計算結(jié)果，所選電機型號如下：
表2-1 所選電機型號
型 號
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 傳動比分配
刀庫選刀需要低速轉(zhuǎn)動，就要求降低傳動的速度，傳動比選為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
電動機的輸出轉(zhuǎn)矩Td為:
電機輸出軸
Ⅰ軸
Ⅱ軸
表2-2 運動和動力參數(shù)表
軸
功率
轉(zhuǎn)矩T(N·mm)
轉(zhuǎn)速
n(r/min)
傳動比
i
效率
η
電機軸
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 刀庫傳動方式
3.1 刀庫傳動方式設計
為使伺服電機在最佳狀態(tài)下工作，一般不采用伺服電機的低速段。刀庫需要在伺服電機恒轉(zhuǎn)矩下運轉(zhuǎn)工作，并且減速比不能過大，否則不能達到刀庫需要的轉(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
㈠ 特點和應用
蝸桿傳動用于傳遞交錯軸之間的回轉(zhuǎn)運動。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°。它廣泛應用在機床、汽車、儀器、起重運輸機械、冶金機械以及其他機械制造部門中，最大傳動功率可達750 kW，通常用在50 kW以下；最高滑動速度可達35 m/s,通常用在15 m/s以下。
蝸桿傳動的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、工作平穩(wěn)、無噪聲、沖擊振動小以及能得到很大的單級傳動比。在傳遞動力時，傳動比一般為8～100，常用的為15～50。在機床工作臺中，傳動比可達幾百，甚至到1000。這時，需采用導程角很小的單頭蝸桿，但傳動效率很低，只能用在功率小的場合。在現(xiàn)代機械制造業(yè)中正力求提高蝸桿傳動的效率，多頭蝸桿的傳動效率已可達到98%。與多級齒輪傳動相比，蝸桿傳動零件數(shù)目少，結(jié)構(gòu)尺寸小，重量輕。缺點是在制造精度和傳動比相同的條件下，蝸桿傳動的效率比齒輪傳動低，同時蝸桿一般需用貴重的減摩材料（如青銅）制造。
蝸桿傳動多用于減速，以蝸桿為原動件。也可用于增速，齒數(shù)比單級為5～15，但應用很少。
㈡ 精度等級的選擇
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。由于蝸桿傳動的軸間距離必須與蝸桿滾刀在切制蝸輪時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切制。
由于蝸桿傳動嚙合輪齒的剛度較齒輪傳動大，所以制造精度對傳動的影響比齒輪傳動更顯著。蝸桿傳動規(guī)定了12個精度等級，對于動力傳動，要按照6～9級精度制造。
㈢ 材料選擇
考慮到蝸桿傳動難于保證高的接觸精度，滑動速度又較大，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）應該用減摩性良好的軟材料來制造。
——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)運轉(zhuǎn)的工況，離心鑄造的可得到致密的細晶粒組織，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，蝸桿硬度應不低于45 HRC。⑶鑄鋁黃銅 點蝕強度高，但磨損性能差，宜用于低滑動速度場合。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能用于重載場合。直徑較大的蝸輪常用鑄鐵。
——蝸桿材料。蝸輪直徑很大時，可以采用青銅蝸桿，蝸輪則用鑄鐵。在要求持久性高的動力傳動中，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。只有在缺乏磨削設備是才選用調(diào)質(zhì)蝸桿。受短時沖擊載荷的蝸桿，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時，有利于提高傳動的承載能力和滑動速度。
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)。當蝸輪直徑較大時，可采用螺栓聯(lián)接，最好采用受剪螺栓聯(lián)接。
㈤ 蝸桿蝸輪傳動設計計算：
ZA型蝸桿減速器，輸入功率P1=0.52kW，轉(zhuǎn)速n1=500r/min,傳動比i=40。工作機載荷平穩(wěn)，動力機有輕微振動。預期壽命12000h。
蝸桿采用45鋼，表面硬度>45HRC，蝸輪材料采用ZCuSn10P1，砂型鑄造，計算步驟如下：
初選[d1/a]值
當量摩擦系數(shù) 設vs=1m/s～1.5m/s，查《機械設計》 μv=0.05
表13.6，取大值 ρv=3°
選[d1/a]值 在《機械設計》圖13.11的i=40線上
選一點，查得[d1/a]=0.4，γ=6°
（z1=1），η1=0.8
中心距計算
蝸輪轉(zhuǎn)矩
使用系數(shù) 按題意查《機械設計》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《機械設計》圖13.12Ⅰ線查出
接觸疲勞極限 由《機械設計》表13.2得 σHlim=265MPa
接觸疲勞最小安全系數(shù) 由《機械設計手冊》查得 SHmin=1.3
中心距
取a=160mm
傳動基本尺寸
蝸桿頭數(shù) 由《機械設計》圖13.11查得γ=6°，z1=1;
也可用式13.22計算
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
相對滑動速度
當量摩擦系數(shù) 由《機械設計》表13.6查得 μv = 0.0408
ρv=2.17°
齒面解除疲勞強度驗算
許用接觸應力
最大接觸應力
輪齒彎曲疲勞強度驗算
齒根彎曲疲勞極限 由《機械設計》表13.2查出 σFlim = 115MPa
彎曲疲勞最小安全系 根據(jù)《機械設計手冊》查出 SFmin=1.4
許用彎曲疲勞應力
輪齒最大彎曲應力
蝸桿軸擾度驗算
軸慣性矩
允許蝸桿擾度
蝸桿軸擾度
（此處?。? 合格
溫度計算
傳動嚙合效率
攪油效率 根據(jù)蝸桿的潤滑條件，查
《機械設計手冊》得：
軸承效率 根據(jù)蝸桿傳動要求，查
《機械設計手冊》得：
總效率
散熱面積估算
箱體工作溫度
潤滑油粘度和潤滑方法
潤滑油粘度
潤滑方法 由《機械設計》表13.7，可采用浸油潤滑
—————————————————————————————————————
所有計算結(jié)果如表2-3所示：
名 稱
代 號
公 式 及 說 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)《機械設計》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
漸開線蝸桿基圓直徑
db1
db1=z1m/tanγb=16.7mm
漸開線蝸桿基圓導程角
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 普通圓柱蝸桿傳動幾何尺寸計算
注：取齒頂高，徑向間隙，。
3.1.2 鏈傳動
㈠ 概述
鏈傳動是在兩個或多個鏈輪之間用鏈作為撓性拉曳元件的一種嚙合傳動，因其經(jīng)濟、可靠，故廣泛用于農(nóng)業(yè)、采礦、冶金、起重、運輸、石油、化工、紡織等各種機械的動力傳動中。
鏈傳動在傳遞功率、速度、傳動比、中心距等方面都有很廣的應用范圍。目前，最大傳遞功率達到5000 kW，最高速度達到40 m/s,最大傳動比達到15，最大中心距達到8 m。由于經(jīng)濟及其他原因，鏈傳動的傳動功率一般小于100 kW，速度小于15 m/s，傳動比小于8。
㈡ 鏈輪
鏈輪輪齒的齒形應保證鏈節(jié)能自由地進入和退出嚙合，在嚙合是應保證良好的接觸，同時它的形狀應盡可能地簡單。
1.滾子鏈鏈輪
標準只規(guī)定鏈輪的最大齒槽形狀和最小齒槽形狀。實際齒槽形狀在最大、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
鏈輪材料應能滿足強度和耐磨性的要求。在低速、輕載、平穩(wěn)傳動中，鏈輪可采用中碳鋼制造；中速、中載時，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，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，也允許采用的鑄鐵制造鏈輪。在工作環(huán)境較差、鏈輪容易磨損的場合，鑄鐵最好經(jīng)過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
公式及計算
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：表中相關參數(shù)查HP型套筒滾子鏈。
四 軸的設計
軸是機器中的重要零件，在設計匯總，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度和剛度，對與機床主軸，后者尤為重要。高速轉(zhuǎn)軸則決定于它的振動穩(wěn)定性。在設計軸是，除應按工作能力準則進行設計計算或校核計算外，在結(jié)構(gòu)設計上還須滿足其他一系列的要求。
軸的設計，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)設計，按彎扭合成進行軸的強度校核，按疲勞強度進行軸的精確交合，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號鋼調(diào)質(zhì)處理應用最為廣泛，硬度217HB~255HB，，，，。
4.2 蝸桿軸設計
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,按下式進行估算：
該段軸上有一鍵槽將計算值加大3%，應為16
式中：C——與軸材料有關的系數(shù)，由《機械設計》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)傳動裝置的工作條件擬選用YL,YLD型凸緣聯(lián)軸器（GB5843-86摘錄）。
計算轉(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《機械設計課程設計手冊》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，既受徑向力，也受軸向力，鏈式刀庫傳動主要承受徑向力，選用角接觸球軸承（70000C，α=15°，基本額定動載荷比=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)，。軸的計算步驟列于下表。
計算項目 計算內(nèi)容 計算結(jié)果
計算蝸桿受力
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 見圖4—2b
計算支承受力
水平面反力
垂直面反力
水平面（xy）受力圖 見圖4—2c
垂直面（xz）受力圖 見圖4—2e
畫軸彎矩圖
水平面彎矩圖 見圖4—2d
垂直面彎矩圖 見圖4—2f
合成彎矩圖 見圖4—2g 合成彎矩
畫軸轉(zhuǎn)矩圖
軸受轉(zhuǎn)矩 T=T1
轉(zhuǎn)矩圖 見圖4—2h
許用應力
許用應力值
應力校正系數(shù)
畫當量彎矩圖
當量轉(zhuǎn)矩
各段彎矩 見圖4—2i
當量轉(zhuǎn)矩圖 見圖4—2i
校核軸徑
齒根圓直徑
軸徑
4.3 蝸輪軸的設計
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,按下式進行估算：
該段軸上有一鍵槽將計算值加大3%，應為37mm
式中：C——與軸材料有關的系數(shù)，由《機械設計》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)，。軸的計算步驟列于下表
計算項目 計算內(nèi)容 計算結(jié)果
計算蝸輪鏈輪受力
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 見圖4—4b
計算支承反力
水平面受力
垂直面受力
水平面（xy）受力圖 見圖4—4c
垂直面（xz）受力圖 見圖4—4e
畫軸彎矩圖
水平面彎矩圖 見圖4—4d
垂直面彎矩圖 見圖4—4f
合成彎矩圖 見圖4—4g 合成彎矩
畫軸轉(zhuǎn)矩圖
軸受轉(zhuǎn)矩
轉(zhuǎn)矩圖 見圖4—4h
許用應力
許用應力值 由表16.3查得：
應力校正系數(shù)
畫當量彎矩圖
當量轉(zhuǎn)矩
當量彎矩圖 見圖4—4i
校核軸徑
齒根圓直徑
軸徑
4.4鍵的校核
4.4.1 鍵1的設計計算
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的設計計算
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
.