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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)當具備換刀時間短、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)計題目是數(shù)控加工中心盤式刀庫設(shè)計。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。然后進一步介紹數(shù)控加工中心盤式刀庫設(shè)計總體結(jié)構(gòu)和各部件方案的選擇，并在此基礎(chǔ)上進行了機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算，進行了相關(guān)部件的設(shè)計選型和計算等。
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 進行總體方案的設(shè)計…………………………………………………………6
2.1 運動方案的設(shè)計…………………………………………………………6
2.1.1 運動數(shù)目的確定……………………………………………………6
2.1.2 運動方案的確定……………………………………………………6
2.2 功能部件的設(shè)計方案……………………………………………………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………………………………………………………………13
3.1 刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計…………………………………………………………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……………………………………………………13
3.1.3 刀庫轉(zhuǎn)動定位機構(gòu)的設(shè)計…………………………………………13
3.1.4 軸的設(shè)計……………………………………………………………16
3.1.5 滾動軸承的選擇計算………………………………………………18
3.1.6 鍵的選用與計算……………………………………………………19
3.1.7 刀庫的支承部分的設(shè)計……………………………………………19
3.4 小結(jié)………………………………………………………………………21
結(jié)論………………………………………………………………………………22
致謝………………………………………………………………………………23
參考文獻…………………………………………………………………………24
1 緒 論
加工中心是一種綜合加工能力較強的數(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。這為新產(chǎn)品的研制和改型換代節(jié)省大量的時間和費用，從而使企業(yè)具有較強的競爭力。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)特性及它與機床主軸的聯(lián)結(jié)方式，將直接影響機床的加工性能。刀庫結(jié)構(gòu)形式及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)本身及相關(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。
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準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。
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。加工中最少有三個運動坐標系，多的達十幾個。其控制功能最少可實現(xiàn)兩軸聯(lián)動控制，實現(xiàn)刀具運動直線插補和圓弧插補。多的可實現(xiàn)五軸聯(lián)動、六軸聯(lián)動，從而保證刀具進行復(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)，刀具半徑自動補償，刀具長度自動補償，刀具破損報警，刀具壽命管理，過載超程自動保護，絲杠螺距誤差補償，絲杠間隙補償，故障自動診斷，工件與加工過程圖形顯示，人機顯示，工件在線檢測和加工自動補償、離線編程等，這些功能提高了數(shù)控機床的加工效率，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。加工中心綜合加工能力較強，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。這為新產(chǎn)品的研制和改型換代接生大量的時間和費用，從而使企業(yè)具有較強的競爭能力。因此它也是判斷企業(yè)技術(shù)技術(shù)能力和工藝水平標志的一個方面。如今，加工中心已成為現(xiàn)代機床發(fā)展的主流方向，廣泛用于機械制造中。
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。
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)控機床、加工中心以至FMS、CIMS等各種新技術(shù)的研究與發(fā)展進程，是與世界經(jīng)濟形勢緊密相連的。機床工業(yè)與世界經(jīng)濟相互促進和發(fā)展，進入21世紀知識經(jīng)濟時代，人們的知識所起的作用更加突出，而機床工業(yè)作為機器制造業(yè)的基礎(chǔ)，其重點地位與戰(zhàn)略意義更加明顯。當前世界NC機床的技術(shù)研究主要有以下幾點：
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、高速直線電機等的開發(fā)研究。以加工工藝的改進創(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)新機種。
2.提高機床加工的精度的研究
為了提高加工中心的加工精度，不斷提高機床的剛度、減少振動，消除熱變形，降低噪聲，提高NC機床的定位精度、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行機床熱誤差、機床運動及負載變形誤差的軟件補償技術(shù)研究，并采取精度補償、軟件補償?shù)却胧┘右愿纳?，有的已可使此類誤差消除60%。并在不斷開發(fā)精細加工，納米加工。
3.提高機床加工生產(chǎn)率的研究
世界NC機床、加工中心及相應(yīng)的高速電主軸、直線電機、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)展狀況
我國數(shù)控機床工業(yè)起步較早，北京機床研究所于1973年研制了臥式加工中心JCS013。1980 年北京機床研究所引進了日本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)與國外廠商進行合作，引進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)兩個階段，已為數(shù)控機床的產(chǎn)業(yè)化奠定了良好的基礎(chǔ)，并取得了長足的進步?！熬盼濉逼陂g數(shù)控機床發(fā)展已進入了實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化階段。
1.部分產(chǎn)品已達到國外同類產(chǎn)品水平
具備了自行開發(fā)各種各樣專用機床和特殊功能機床系統(tǒng)的能力。數(shù)控機床新開發(fā)品種300個，已有一定的覆蓋面。新開發(fā)的國產(chǎn)數(shù)控機床大部分達到國際20 世紀 90 年代水平，為國家重點建設(shè)提供了一批高水平數(shù)控機床。
2.數(shù)控機床在技術(shù)上取得了一定的進步
進入了高速高精度精密數(shù)控機床生產(chǎn) 國行列。高速主軸制造技術(shù)可達12000~18000r/min，快速進給可達60m/min，快速換刀可達 1.5s可以生產(chǎn)定位精度達3um的立式加工中心、主軸回轉(zhuǎn)精度達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)、高速進給數(shù)控系統(tǒng)、實時多任務(wù)操作系統(tǒng)都已研制成功。尤其是基于PC 機的開放式智能化數(shù)控系統(tǒng)，可實施多軸控制，具備聯(lián)網(wǎng)進線等功能。這些數(shù)控系統(tǒng)的研制成功使得多坐標聯(lián)動技術(shù)已不再是難題，且逐漸成熟。
4.大部分數(shù)控機床配套產(chǎn)品已能國內(nèi)生產(chǎn)
我國數(shù)控機床生產(chǎn)廠共有 100 多家，數(shù)控系統(tǒng)（包括主軸和進給驅(qū)動單元）生產(chǎn)企業(yè)約50 家，生產(chǎn)數(shù)控機床配套產(chǎn)品的企業(yè)共計300 余家，產(chǎn)品品種包括八大類2000 種以上。數(shù)控機床自我配套率超過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)控制造裝備可實現(xiàn)在多臺機床連成的局域網(wǎng)上實現(xiàn)集成、資源共享、實時圖象監(jiān)視和管理，服務(wù)器上實現(xiàn)加工對象的實體造型并將刀具路徑文件和加工程序自動化送至各數(shù)控機床。
總之，隨著科學技術(shù)的進一步發(fā)展，市場經(jīng)濟活動的不斷深入，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機床的需求將日益增多，NC機床的發(fā)展前景非常廣闊。中國機床工業(yè)能否振興、NC 機床技術(shù)能否迅速提高、產(chǎn)量能否迅速擴大，關(guān)鍵在于中國是否有此實力。
1.3 本論文完成的主要工作
進行數(shù)控加工中心盤式刀庫設(shè)計。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)計方案的分析對比，確定加工中心刀庫的總體技術(shù)設(shè)計方案和主要技術(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)計方案的對比分析，確定刀庫的設(shè)計方案，并進行相關(guān)設(shè)計和計算。
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準零件的零件圖。
2 進行總體方案的設(shè)計
加工中心刀庫的總體方案設(shè)計是根據(jù)其功能和設(shè)計要求，從全局的角度，以系統(tǒng)的觀點，進行自動換刀裝置刀庫整體方面的設(shè)計，主要包括運動功能方案設(shè)計、基本參數(shù)設(shè)計、傳動系統(tǒng)設(shè)計、總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計等內(nèi)容。
2.1 運動方案的設(shè)計
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 運動數(shù)目的確定
要實現(xiàn)以上各種零件表面的鉆削和銑削加工功能，機床必須具有以下運動：一個是主運動即主軸帶動刀具回轉(zhuǎn)（Vc）；另一個是三個方向的進給運動，包括實現(xiàn)切入工件一定深度（Z方向）的進給運動；實現(xiàn)在水平面內(nèi)兩個方向（X、Y方向）的進給運動。此外，還必須有換刀功能，因此還必須有非成形運動，如換刀需要刀庫轉(zhuǎn)位、移動等運動。
2.1.2 運動方案的確定
加工中心加工工件所需的這些運動，必須由對應(yīng)的執(zhí)行部件來實現(xiàn)。加工中心的主運動一般都由主軸部件（主傳動系統(tǒng)）來完成，而進給運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動
方案：
1.由工件完成三個方向的進給運動，當加工質(zhì)量較輕工件時，分別由X-Y向工作臺和升降臺來實現(xiàn)；
2.工作臺帶動工件做一個方向的進給運動，其他兩個方向的進給運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.由刀架來完成三個方向的進給運動，當加工較重或尺寸較高的工件時，則不宜由工件做進給運動，而是工作臺固定不動，改為由刀具來完成進給運動。采用了立柱在床身上沿前后方向移動來Y方向的進給；由刀具在橫梁上移動來完成Z向的進給。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，有利于提高機床精度。
4.由工作臺實現(xiàn) X、Y 兩個方向的進給，而唷刀具來完成垂直進給運動，當加工質(zhì)量較輕、體積較小的工件，且主軸部件的重量、體積較小時，也可以由X-Y工作臺實現(xiàn)兩個方向的進給，而由刀具來完成垂直進給運動。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)計方案
2.2.1 自動換刀系統(tǒng)
通過自動換刀系統(tǒng)來實現(xiàn)零件加工時的換刀。它由刀庫電機、傳動裝置、刀夾等組成。任務(wù)要求采用無機械手換刀方式。
無機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)]有機械手，因而結(jié)構(gòu)簡單。換刀時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，這兩個動作不能同時進行，所以換刀過程較為復(fù)雜，它的選刀和換刀由三個坐標軸的數(shù)控定位系統(tǒng)來完成，因此換刀時間較長，影響了機床的加工效率但是刀庫回轉(zhuǎn)時在工步于工步之間，即非切削時進行的，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床?？紤]到所設(shè)計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間的長短，決定采用30號刀柄。
2.刀庫形式的選取
無機械手換刀方式中，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)實用性進行考慮，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)計方案進行了分析、比較，確定了較合理的總體設(shè)計方案。還確定了主要技術(shù)參。
3 盤式刀庫的設(shè)計
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)計是加工中心設(shè)計的核心。由于作者所要設(shè)計的加工中心是一個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)濟實用的條件下，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
在總體設(shè)計方案中已確定：自動換刀系統(tǒng)采用無機械手換刀，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。采用盤型刀庫，由槽輪機構(gòu)實現(xiàn)回轉(zhuǎn)、分度和轉(zhuǎn)位，由交流伺服電機驅(qū)動。刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計從以下幾個方面進行。
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、擴孔鉆等）和加工小平面的立銑刀及小直徑的面銑刀；同時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)及教學實驗等，刀具的品種不宜過多，以免造成不必要的浪費和刀庫尺寸過大，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
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，又能保證刀盤的強度。在整個設(shè)計的過程中要保證各個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
刀爪的外型尺寸根據(jù)30號刀柄設(shè)計。
3.1.3 刀庫轉(zhuǎn)動定位機構(gòu)的設(shè)計
1.刀庫轉(zhuǎn)動定位機構(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，此傳動機構(gòu)在使用中可隨時調(diào)整蝸輪蝸桿的傳動間隙，實現(xiàn)準確的轉(zhuǎn)位分度，保證刀庫工作的可靠性，但此傳動機構(gòu)較復(fù)雜，而且單頭雙導(dǎo)程蝸輪和蝸桿的加工較困難。
槽輪機構(gòu)具有沖擊小，工作平穩(wěn)性較高，機械效率高，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，在目前生產(chǎn)的鼓輪式刀庫的加工中心機床上很多采用槽輪機構(gòu)來驅(qū)動刀庫的分度回轉(zhuǎn)運動。因此本設(shè)計采用槽輪機構(gòu)，來實現(xiàn)刀庫的轉(zhuǎn)動、分度和定位。但此機構(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，從而可保證較高的定位精度。
2.槽輪機構(gòu)的工作原理
槽輪機構(gòu)（又稱馬耳他機構(gòu)）能把主軸的勻速連續(xù)運動轉(zhuǎn)換為從動軸的周期性間歇運動，常用于各種分度轉(zhuǎn)位機構(gòu)中。槽輪機構(gòu)又三種基本類型：外嚙合槽輪機構(gòu)、內(nèi)嚙合槽輪機構(gòu)和球面槽輪機構(gòu)。此刀庫采用外嚙合槽輪機構(gòu)。外嚙合槽輪機構(gòu)的工作原理如圖3-1所示。
外嚙合槽輪機構(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)，當轉(zhuǎn)臂上的滾子進入槽中，就撥動槽輪作反向轉(zhuǎn)位運動，當滾子從槽中脫出，槽輪即靜止不動，并由鎖止盤定位。當只有一個滾子時，轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)一周，槽輪作轉(zhuǎn)一個角度的步進運動，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)位、分度和定位。
圖3-1 槽輪機構(gòu)圖
槽輪機構(gòu)的設(shè)計
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)動電機的選擇
刀庫的回轉(zhuǎn)驅(qū)動電機的選擇時，須考慮由摩擦引起的負載轉(zhuǎn)據(jù)和各負載的轉(zhuǎn)動慣量。
1）負載的轉(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—電機的轉(zhuǎn)動慣量，kgm2 ；
nmc—電機的轉(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）摩擦引起的負載轉(zhuǎn)矩計算
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(電機的額定轉(zhuǎn)矩),符合要求。
3）最大加速轉(zhuǎn)矩 T cam
當電機從靜止升至 n max 時
T cam= J C×(2πnc max/60tCa)
式中 n cmax—電機最高轉(zhuǎn)速，3000r/min；
t ca —加速時間(s) 取 0.2s
T cam=2.04 ×10 (2π×3000/60 ×0.2)≈0.32Kgm=3.2Nm
4)電機的最大啟動轉(zhuǎn)矩
TCr=Tcam+TFC
Tcr=3.2+0.335=3.535Nm
TCr=3.535≤3.82Nm(電機的最大轉(zhuǎn)矩)，符合要求。
最終確定電機型號為 MQMA042A1D，其輸出功率為 400W 。相應(yīng)的伺服驅(qū)動器選 擇與電機相匹配的 MQMA043A1A型號。
3.1.4 軸的設(shè)計
軸是機械設(shè)備中的重要零件之一.其主要功能是支承作回轉(zhuǎn)運動的零件,并傳遞運動和動力.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)計軸的合理外形應(yīng)滿足:軸和裝在軸上的零件要有準確的工作位置;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.）軸的強度計算
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；
求當量彎矩 取修正系數(shù)α為0.6
M I = ==52371 N·㎜
MII ===19384 N·㎜
確定危險截面及校核強度
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（機械設(shè)計手冊）知s=60 Mpa，滿足s￡小于s的條件，故設(shè)計的軸有足夠的強度，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 滾動軸承的選擇計算
1 滾動軸承的類型選擇:
選取向心球軸承原則:
①軸承負荷
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 滾動軸承的計算
滾動軸承疲勞壽命的基本計算公式為:
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--當量東載荷(N);
C--基本額定動負荷(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
因為所設(shè)計軸的強度裕度不大，此軸不必在做修改
3.1.6 鍵的選用與計算
因為鍵是動聯(lián)接，所以選用普通的平鍵
軸上鍵的選擇
由參考文獻（機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計）知：
鍵的寬度b=28㎜,高h=16㎜，長L=50 ㎜
驗算鍵的強度
鍵的強度公式為：σfy=2T/ dkL
σfy=2T/ dkL=2 ×4600/15×3×50=11.4 Mpa
由參考文獻（機械設(shè)計）知：[σfy ]= 100Mpa 即σfy=11.4Mpa ≤[σfy ]= 100Mpa鍵的強度足夠
3.1.7 刀庫的支承部分的設(shè)計
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)
本章對刀庫進行了設(shè)計和計算。確定了刀庫的主要參數(shù)，對刀盤部分的各零件進行了設(shè)計，對刀庫的槽輪轉(zhuǎn)位分度機構(gòu)進行了設(shè)計和計算。還計算選擇了刀庫回轉(zhuǎn)交流伺服電機和刀庫移動滾珠絲杠和交流伺服電機。刀庫回轉(zhuǎn)交流伺服電機型號為 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型號 MSMA102A1C，伺服驅(qū)動器型號 MSMA103A1A。
結(jié) 論
本設(shè)計得益于各個方面的幫助，過程中掌握了該課題的的設(shè)計，最終結(jié)果是該設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊、規(guī)范，使用簡單方便。同時本此設(shè)計在借鑒國內(nèi)結(jié)構(gòu)的諸多優(yōu)點的前提下，比較注重的是整體的簡單，操作的簡易，力求整個機組更好的發(fā)揮其動力性和經(jīng)濟性。
經(jīng)過大量的資料對比及反復(fù)的實際操作，設(shè)計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)計的各個方面都沒有達到最優(yōu)化，還有很多地方有待改進。
在具體的設(shè)計工作中，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，每一個步驟，每一個設(shè)計，都是我通過親身實踐自己完成的，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。
在整個設(shè)計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)計任務(wù)。設(shè)計經(jīng)驗對我小白來說還不存在，所以錯誤會有很多，在此希望各位老師能夠進行指導(dǎo)。
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致 謝
時間轉(zhuǎn)眼間已經(jīng)到了畢業(yè)之時。四年的大學生活和學習始終在腦中浮現(xiàn)，這其中感覺到了無限的感激與留戀。學校良好的學習環(huán)境可使我們能夠在此專心的學習，此外還能夠得到各個指導(dǎo)老師的細細關(guān)懷和幫助，我感覺我選擇這個學校使幸運的。所以要感謝我的學校和老師。本次設(shè)計的所有成果是離不開老師的指點和幫助的。從一開始的選題到時間計劃的安排，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。同時還要像我的同學表示感謝，謝謝他們的相關(guān)輔助。
畢業(yè)設(shè)計論文設(shè)計是四年學習知識的總結(jié)再利用的過程，完成了本次畢業(yè)設(shè)計，這也代表這我即將進入社會，對自己所學知識的再實踐的開始。通過本次設(shè)計也是我深入的掌握和了解相關(guān)零件的設(shè)計步驟和方法，通過老師的輔助也是我知道了怎么去查閱相關(guān)資料進行設(shè)計，同時我也學到了如何像老師那樣有踏實的作風和一絲不茍的精神，像老師表示敬意！
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