JCS-013型數(shù)控臥式鏜銑床刀庫設(shè)計(jì) JCS-013 Type NC Horizontal Boring And Milling Machine Tool Store Design 學(xué) 院 ： 專業(yè)班級 ： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 學(xué) 號 ： 學(xué)生姓名 ： 指導(dǎo)教師 ： 2013 年 5 月 I 摘 要 90 年代以來，數(shù)控加工技術(shù)得到迅速的普及發(fā)展，高速加工中心作為新時(shí)代數(shù)控機(jī)床的代表，已在機(jī)床領(lǐng)域廣泛。自動換刀刀庫的發(fā)展儼然已超越為數(shù)控加工中心配套的角色， 在其特有的技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展出符合機(jī)床高精度、高效率、高可靠度及多任務(wù)復(fù)合等概念的獨(dú)特產(chǎn)品。 本課題 是鏈?zhǔn)降稁斓目傮w設(shè)計(jì)、傳動設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及傳動部分的運(yùn)動和動力設(shè)計(jì)。這種刀庫在數(shù)控加工中心上應(yīng)用非常廣泛 ,其換刀過程簡單，換刀時(shí)間短；總體結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，動作準(zhǔn)確可靠；維護(hù)方便，成本低。 本課題 的目的就是要通過對 JCS-013 型數(shù)控臥式鏜銑床 刀庫的優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高換刀速度，減少助助時(shí)間。 在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用了 系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法 ， 將設(shè)計(jì)看成由若干個(gè)設(shè)計(jì)要素組成的一個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)設(shè)計(jì)要素具有獨(dú)立性，各個(gè)要素間存在著有機(jī)的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設(shè)計(jì)要素結(jié)合后，即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需完成的任務(wù)。 在借鑒和參考大量有關(guān)刀庫的機(jī)械結(jié)構(gòu)后，結(jié)合實(shí)際情況， 決定采用鏈?zhǔn)降稁祀p手式機(jī)械手換刀方案，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械原理等有關(guān)知識對 JCS-013型數(shù)控臥式鏜銑床刀庫進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用 AutoCAD 2004 中文版對刀庫及關(guān)鍵零件進(jìn)行繪制。 關(guān)鍵詞： 加工中心； 刀庫 ； 數(shù)控 加工 II Abstract Since the 1990s,CNC machine technology has made the rapid and universial 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 Chane,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 centers development.This paper completed the overall design,transmission design,structure design and the transmission parts movement and dynamic design of the sword library.Such a tool house in the CNC Machine Center is widely used,the tool change is simple,tool change time is short；overall structure is simple and compact.Action is accurate and reliable；convenient maintenance and low cost. The purpose of this project is to improve the speed of the tools change and reduce auxiliary time through the optimization design of the JCS-013 type NC horizontal boring and milling machine tool store. In developing the design, I have adopted the systematic design method.The design is regarded as a system which is consisted of several design elements. Each design elements is independ ,but there is the organic relation between them and they are of different levels. The system can realize the required task after that all the design elements combined. According to actual condition,I introduce the chain knife library of robot hands cutter replacement plan after referencing to the vast library mechanical structure of the sword.According to the Mechanical Design,the Mechanical Principle and other relevant knowledge,there are some designs about JCS-013 type nc horizontal boring and milling machine tool store and I have drew the key parts of library using AutoCAD 2004. Keywords: machining center； Tool house；NC III 目 錄 摘 要 . I Abstract .II 第 1 章 緒 言 . 1 1.1 本課題在國內(nèi)外的研究動態(tài) . 1 1.1.1 刀庫產(chǎn)品目前的水平 . 2 1.1.2 刀庫系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 . 3 1.1.3 刀庫系統(tǒng)的發(fā)展方向 . 3 1.2 課題的目的、意義和開展研究工作的設(shè)想 . 4 1.2.1 課題的目的 . 4 1.2.2 開展研究工作的設(shè)想 . 4 1.2.3 課題設(shè)計(jì)方案的選擇和設(shè)計(jì)手段 . 5 第 2 章 刀庫傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 7 2.1 刀庫主要設(shè)計(jì)參數(shù) . 7 2.2 刀庫驅(qū)動液壓馬達(dá)的選擇 . 7 2.2.1 刀庫負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TF 計(jì)算 . 7 2.2.2 確定液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù) . 9 2.3 傳動齒輪的設(shè)計(jì) . 10 2.3.1 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) . 10 2.3.2 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) . 11 2.3.3 幾何尺寸的計(jì)算 . 14 2.3.4 按齒根彎曲強(qiáng)度進(jìn)行校核 . 15 2.4 傳動軸的設(shè)計(jì) . 16 2.4.1 初步確定最小軸頸及所用材料 . 16 2.4.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 16 2.4.3 軸的強(qiáng)度校核 . 17 2.4 軸承壽命校核 . 24 第 3 章 刀庫準(zhǔn)停系統(tǒng)的設(shè)計(jì) . 26 第 4 章 鏈傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì) . 29 4.1 鏈輪、鏈條的計(jì)算及鏈輪中心距的確定 . 29 IV 4.2 刀庫鏈條的張緊 . 31 第 5 章 結(jié) 論 . 32 參考 文獻(xiàn) . 33 致 謝 . 34 1 第 1章 緒 言 1.1本課題在國內(nèi)外的研究動態(tài) 隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，進(jìn)入 21 世紀(jì)，我國機(jī)床制造業(yè)既面臨著提升機(jī)械制造業(yè)水平的需求而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機(jī)，也面臨著加入WTO 后激烈的市場競爭的壓力。從技術(shù)層面上講，加速推進(jìn)數(shù)控技術(shù)將是解決機(jī) 床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵。 數(shù)控機(jī)床及由數(shù)控機(jī)床組成的制造系統(tǒng)是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、構(gòu)建數(shù)字化企業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直備受人們關(guān)注。數(shù)控機(jī)床以其卓越的柔性自動化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，它開創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品機(jī)電一體化發(fā)展的先河，因此數(shù)控技術(shù)成為先進(jìn)制造技術(shù)中的一項(xiàng)核心技術(shù)。另一方面，通過持續(xù)的研究，信息技術(shù)的深化應(yīng)用促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的進(jìn)一步提升 【 1】 。 隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床品種日益增多，有車床、銑床、鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機(jī)床和電火花加工機(jī)床等。此外還有能 自動換刀、一次裝卡進(jìn)行多工序加工的加工中心、車削中心等。 數(shù)控機(jī)床主要由數(shù)控裝置、伺服機(jī)構(gòu)和機(jī)床主體組成，輸入數(shù)控裝置的程序指令記錄在信息載體上，由程序讀入裝置接收，或由數(shù)控裝置的鍵盤直接手動輸入 2。 隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)日益趨向于小型化和多功能化，具備完善的自診斷功能，可靠性也大大提高，數(shù)控系統(tǒng)本身將普遍實(shí)現(xiàn)自動編程。 未來數(shù)控機(jī)床的類型將更加多樣化，多工序集中加工的數(shù)控機(jī)床品種越來越多；激光加工等技術(shù)將應(yīng)用在切削加工機(jī)床上，從而擴(kuò)大多工序集中的工藝范圍； 數(shù)控機(jī)床的自動化程度更加提高，并具多種監(jiān)控功能，從而形成一個(gè)柔性制造單元，更加便于納入高度自動化的柔性制造系統(tǒng)中 3。 數(shù)控機(jī)床為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)率，進(jìn)一步壓縮非切削時(shí)間，現(xiàn)代的機(jī)床逐步發(fā)展為在一臺機(jī)床上一次裝夾中完成多工序或全部工序的加工。數(shù)控機(jī)床為了能在工件一次裝夾中完成多個(gè)工步，以縮減輔助時(shí)間和減少多次安裝工件引起的誤差，通常帶有自動換刀系統(tǒng)。對工件的多工序加工而設(shè)置的存 2 儲及更換刀具的裝置稱為自動換刀裝置（ Automatic Tool Changer， ATC）；自動換刀（ Automatic Tool Change 簡稱 ATC）系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和換刀裝置組成 6 。在數(shù)控鏜銑床的基礎(chǔ)上，如果再配以刀具和自動換刀系統(tǒng)，就構(gòu)成加工中心（ Machining center 簡稱 MC）。在這類數(shù)控機(jī)床上，自動換刀裝置（ ATC）是必不可少的 4。例如加工中心機(jī)床又稱多工序自動換刀數(shù)控機(jī)床，它主要是指具有自動換刀及自動改變工件加工位置功能的數(shù)控機(jī)床，具有自動換刀裝置是加工中心機(jī)床的典型特征，是多工序加工的必要條件。自動換刀裝置的功能，對整機(jī)的加工效率有很大的影響 5。 數(shù)控機(jī) 床的自動換刀裝置的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，選擇何種形式，主要取決于機(jī)床的種類、工藝范圍以及刀具的種類和數(shù)量等。本課題中的 JCS-013型數(shù)控臥式鏜銑床將采用的是帶刀庫的自動換刀形式。 1.1.1刀庫產(chǎn)品目前的水平 在此概念基礎(chǔ)下，刀庫產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)況為： （ 1） 超重刀庫的發(fā)展：發(fā)展出刀鏈系統(tǒng)能承載重量 70kg 以上之超重刀具，擁有強(qiáng)力鎖刀裝置的穩(wěn)定刀鏈架構(gòu)，可防止重型刀具于運(yùn)轉(zhuǎn)中墜落。 （ 2） 高效率且定位精度的驅(qū)動及選刀系統(tǒng)的發(fā)展：發(fā)展出高精度系統(tǒng)配置以及高質(zhì)量、高定位精度的伺服電動機(jī)及減速器，以符合選刀迅速、換刀精確的主要性能 需求。 （ 3） 多型式刀具容載刀庫的發(fā)展：發(fā)展出同時(shí)可容納多種型式刀具（如 ISO50及 ISO60）的刀鏈系統(tǒng)，也被視為是必須時(shí)常變換使用多種主軸的加工中心的必備裝置。 （ 4） 不同型式刀及其任意點(diǎn)換刀系統(tǒng)的發(fā)展：可以同時(shí)夾取不同型式刀具（如 ISO50 及 ISO60），因應(yīng)需求必須有不同的刀具。為了縮短換刀時(shí)間，多點(diǎn)式或任意點(diǎn)式換刀系統(tǒng)是有必要的。 （ 5） 輕量化、低成本架構(gòu)刀庫的發(fā)展：發(fā)展出輕量化的塑鋼射出刀套架構(gòu)，整體重量較傳統(tǒng)刀庫減輕 100kg以上，成本大幅降低的刀庫。 （ 6） 大型及高容量刀庫的發(fā)展：在機(jī)床多功能趨勢演化下，大量的刀具 被使用在同一臺機(jī)床上，刀庫的架構(gòu)必須兼顧換刀效率及儲刀效能，多變的刀庫型體（可容納 120/180/200 把以上刀具）及多樣精密的換刀系統(tǒng)（如各種立式、臥式、立臥單點(diǎn)及多點(diǎn)式換刀系統(tǒng)），是其主要的特色 6。 3 1.1.2刀庫系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 近年來刀庫的發(fā)展儼然已超越其為裝備的角色，在特有的技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)展出符合工具機(jī)高精度、高效能、高可靠度及多任務(wù)復(fù)合等概念產(chǎn)品，多樣化產(chǎn)品，左右工具機(jī)在生產(chǎn)效能及產(chǎn)品精度的表現(xiàn)。刀庫的容量、布局，針對不同的工具機(jī)，形式也有所不同。根據(jù)刀庫的容量、外型和取刀的方式可大概分為斗笠式 刀庫、圓盤式刀庫、鏈條式刀庫 7。其發(fā)展趨勢為： （ 1）高效能的產(chǎn)品 發(fā)展符合高荷重、高容量、高速化概念的刀庫產(chǎn)品。 （ 2）輕量化、低成本的產(chǎn)品 發(fā)展符合重量輕、成本低概念的刀庫產(chǎn)品 。 1.1.3刀庫系統(tǒng)的發(fā)展方向 刀庫系統(tǒng)作為自動化加工過程中所需的儲刀及換刀需求的一種裝置，為數(shù)控機(jī)床縮短機(jī)床非切削時(shí)間，降低勞動強(qiáng)度提供了必要條件，是數(shù)控機(jī)床的重要的功能部件，必將向以下幾個(gè)方向發(fā)展。一方面隨著主機(jī)的“單機(jī)多任務(wù)復(fù)合化”發(fā)展，刀庫也必將向容量大、結(jié)構(gòu)精、速度快、效率高的方向發(fā)展，以適應(yīng)主 機(jī)的高轉(zhuǎn)速、高精度和強(qiáng)力切削的機(jī)械特性。此類刀庫大部分為臥式刀庫，有下面幾個(gè)特點(diǎn)： （ 1） 可遠(yuǎn)距離傳輸。 （ 2） 換刀時(shí)可同步打刀，縮短換刀時(shí)間。 （ 3） 大容量且可擴(kuò)充。 （ 4） 高效且精準(zhǔn)的驅(qū)動和選刀系統(tǒng)。 （ 5） 控制系統(tǒng)復(fù)雜 （ 6） 刀具重量大。比如適合五軸聯(lián)動的立臥轉(zhuǎn)換伺服刀庫。而另一方面 ， 刀庫僅作為單純的儲刀倉功能存在，主軸主動抓刀的“固定地址換刀”刀庫也是發(fā)展的方向之一，此時(shí)刀庫好比數(shù)控系統(tǒng)的一個(gè)控制軸，僅有旋轉(zhuǎn)定位功能，如立車刀庫、轉(zhuǎn)盤刀庫等 8。 尤其以 40 盤式刀庫為代表，換刀速度和刀庫重量已經(jīng)成為衡量刀庫性能的主要參數(shù)之一，比如， 吉輔 40 盤式刀庫的換刀速度 1.1s，重量已經(jīng)降到 295kg。 在選材上更環(huán)保，在制作過程中減少消耗，使用過程智能、安全等也 4 是刀庫發(fā)展的方向之一。 1.2課題的目的、意義和開展研究工作的設(shè)想 1.2.1課題的目的 未來工具機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，均以追求高速、高精度、高效率為目標(biāo)。隨著切削速度的提高，切削時(shí)間的不斷縮短，對換刀時(shí)間的要求也在逐步提高；換刀的速度已成為高等級工具機(jī)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。 本課題的目的就是要通過對刀庫的優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高換刀速度，減少助助時(shí)間。 1.2.2開展研究工作的設(shè)想 為了達(dá)到 減少輔助加工時(shí)間 目 的， 綜合考慮工具機(jī)的各方面因素，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成刀具交換一般強(qiáng)調(diào)換刀速度快的臥式機(jī)臺，皆有幾個(gè)特點(diǎn)： 1.刀臂短 2.刀臂不一定成直線 3.兩刀可能互相垂直 4.凸輪箱小且可移動。其主要目的是要讓換刀時(shí)，可動件之轉(zhuǎn)動慣量小，以達(dá)到快速換刀之目的。該技術(shù)包括刀庫的設(shè)置、換刀方式、換刀執(zhí)行機(jī)構(gòu)和適應(yīng)高速工具機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等 。 （ 1） 提高換刀速度的基本原則 工具機(jī)的換刀裝置，通常由刀庫和換刀機(jī)構(gòu)組成，有些應(yīng)用機(jī)械手臂換刀，有些換刀方式并不需要機(jī)械手臂，刀庫的形式和擺放位置也不一樣。為了適合高速運(yùn)動的需要，高速工 具機(jī)在結(jié)構(gòu)上已和傳統(tǒng)的工具機(jī)不同。以刀具運(yùn)動進(jìn)給為主，減小運(yùn)動工件的質(zhì)量，已成為高速工具機(jī)設(shè)計(jì)的主流。因此，設(shè)計(jì)換刀裝置時(shí)，要充分考慮到高速工具機(jī)的結(jié)構(gòu)特征 9。 （ 2） 提高換刀速度的主要技術(shù)方法 適合于工具機(jī)的快速自動換刀技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面：在傳統(tǒng)自動換刀裝置的基礎(chǔ)上提高動作速度，或采用動作速度更快的機(jī)構(gòu)和驅(qū)動元件。例如，機(jī)械凸輪結(jié)構(gòu)的換刀速度高于液壓和氣動結(jié)構(gòu)。根據(jù)高速工具機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)刀庫和換刀裝置的形式和位置。例如，傳統(tǒng)工具機(jī)的刀庫和換刀裝置多裝在立柱一側(cè)，在高速工具機(jī)則多為立柱移動的進(jìn)給方 式，為減輕運(yùn)動件質(zhì)量，刀庫和換刀裝置不宜再裝在立柱上。采用新方法進(jìn)行刀具快速交換，不用刀庫和機(jī)械手方式，而改用其它方式換刀。例如不用換刀，用換主軸的方法。使用適合于高速工具機(jī)的刀柄。如 HSK 刀柄質(zhì)量輕，裝卸刀具的行 5 程短，可以使自動換刀裝置的速度提高?？焖僮詣訐Q刀裝置采用 HSK 空心短錐柄刀是發(fā)展的趨勢。 1.2.3課題設(shè)計(jì)方案的選擇和設(shè)計(jì)手段 I 設(shè)計(jì)方案選擇 刀庫是刀具交換系統(tǒng)的一部分，加工中心的刀具交換系統(tǒng)也稱為自動換刀裝置（ ATC） ,它通常是由刀庫和機(jī)械手組成。自動換刀裝置是加工中心不可缺少的組成部分，也 是加工中心的象征，又是加工中心成敗的關(guān)鍵。 加工中心有立式、臥式、龍門式幾種，所以這些機(jī)床的刀庫和自動換刀裝置也是各種各樣。加工中心上的刀庫類型有鼓輪式刀庫，鏈?zhǔn)降稁欤褡酉涫降稁旌椭本€刀庫等。 （ 1）鼓輪式刀庫： 應(yīng)用較廣，這種刀庫的結(jié)構(gòu)緊湊，但因刀具單環(huán)排列、定向利用率低，大容量刀庫的外徑較大，轉(zhuǎn)動慣量大，選刀時(shí)運(yùn)動時(shí)間長。因此這種刀庫的容量較小，一般不超過 32 把刀具。 （ 2）鏈?zhǔn)降毒?容量較大，當(dāng)采用多環(huán)鏈?zhǔn)降稁鞎r(shí)，刀庫的外形較緊湊，占用空間小，適合用于做大容量刀庫。在增加存儲刀具數(shù)目時(shí)，可增加鏈條的 長度，而不增加鏈輪直徑，因此，鏈輪的圓周速度不會增加，且刀庫的運(yùn)動慣量不像鼓輪式刀庫增加的那么多。 （ 3）格子箱式刀庫 刀庫容量大，結(jié)構(gòu)緊湊，空間利用率高，但布局不靈活，通常將刀庫安放于工作臺上。有時(shí)甚至在使用一側(cè)的刀具時(shí)，必須更換另一側(cè)的刀座板。 （ 4）直線式刀庫 結(jié)構(gòu)簡單，刀庫容量較小，一般用于數(shù)控車床，數(shù)控鉆床，個(gè)別加工中心也有采用。 換刀機(jī)械手分為單臂單手式，單臂雙手式和雙手式機(jī)械手。單臂單手式結(jié)構(gòu)簡單，換刀時(shí)間較長，適用于刀具主軸與刀庫刀套平行，刀庫刀套軸線與主軸軸線平行，以及刀庫刀套軸線與主軸軸 線垂直的場合。單臂雙手機(jī)械手可同時(shí)抓住主軸和刀庫中的刀具，并進(jìn)行拔出、插入，換刀時(shí)間短，廣泛應(yīng)用于加工中心上的刀庫刀套軸線與主軸平行的場合。雙手式機(jī)械手結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，換刀時(shí)間短，這種機(jī)械手除了完成拔刀、插刀外，還起運(yùn)輸?shù)毒叩淖?6 用。 結(jié)合所給題目，初步?jīng)Q定采用鏈?zhǔn)降稁祀p手式機(jī)械手換刀方案。 II 設(shè)計(jì)手段 采用 系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法 ， 將設(shè)計(jì)看成由若干個(gè)設(shè)計(jì)要素組成的一個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)設(shè)計(jì)要素具有獨(dú)立性，各個(gè)要素間存在著有機(jī)的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設(shè)計(jì)要素結(jié)合后，即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需完成的任務(wù)。 結(jié)合本課題實(shí)際，根據(jù)機(jī)械設(shè) 計(jì)與機(jī)械原理等有關(guān)知識對 JCS-013 型數(shù)控臥式鏜銑床刀庫進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用 AutoCAD 2004 中文版對刀庫及關(guān)鍵零件進(jìn)行繪制。 7 第 2章 刀庫 傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1刀庫 主要設(shè)計(jì)參數(shù) 安裝形式：鏈?zhǔn)降稁?刀庫容量： 60 把 送刀方式：任意 刀具尺寸（最大）：長 400 毫米，直 徑 125 毫米 刀具重量 （ Mj） ：約 12 千克 鏈條快速移動速度為 16 米 /分，慢速移動速度為 4 米 /分。 2.2刀庫驅(qū)動液壓馬達(dá)的選擇 刀庫驅(qū)動液壓馬達(dá)的選擇應(yīng)同時(shí)滿足刀庫運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TF， 和起動時(shí)的加速轉(zhuǎn)矩 TJ 的要求。由于鏈條轉(zhuǎn)速很低 和 液 壓馬達(dá)慣性小 、 起動轉(zhuǎn)矩小的特點(diǎn) ，為了計(jì)算簡便，在計(jì)算時(shí)，忽略起動加速轉(zhuǎn)矩 TJ，在最后結(jié)果上乘以一個(gè)工作系數(shù)。 2.2.1刀庫負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TF 計(jì)算 鏈?zhǔn)降稁熵?fù)載轉(zhuǎn)矩 TF用來克服刀具不平衡重力 FWmax和導(dǎo)向面的摩擦力F，如圖 2-1 所示。 FWmax ：不平衡重力； F3：摩擦力 圖 2-1 鏈條受力分析圖 8 F1和 F3是支承面的摩擦力 ；F2和 F4則是導(dǎo)向面上因刀具下垂而引起的摩擦力。 不平衡重力可按刀庫一側(cè)裝滿刀、一側(cè)不裝刀時(shí)的最大重力差值來計(jì)算。 （ 1） 確定不平衡重力 FWmax 由圖 2-1 知 ,不平衡重力 3m a x GMF dW N38.912 N353 （ 2）確定摩擦力 F3 NF 3 (2-1) 鋼與 銅之間的摩擦系數(shù)，約取 0.2； N 垂直作 用在導(dǎo)向面上的壓力，包括刀具、刀柄和 刀座 產(chǎn)生的重力，分別為 Wj， Wb， Wt。 N747N8.9)1 0 0 08.78.21514.312(3)(3)(32 LRMWWWNdtbj N1 5 04.1 4 97 4 72.03 NF R 刀座 外半徑，取 50mm； L 刀座 長度，取 218mm。 （ 3）確定每排刀具負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Tf mN44mN)150353(086.0)( m a x3 WLf FFRT （ 4）確定每排刀具 作用在主動輪上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Tz 9 2321/ fz TT (2-2) mN98.096.098.0 44 2 zT mN49 1 圓柱齒輪傳動效率，取 0.98； 2 鏈傳動效率 ,取 0.96； 3 深溝球軸承傳動效率，取 0.98。 （ 5） 確定作用在液壓馬達(dá)上的負(fù)載 轉(zhuǎn)矩 Ty 4321 4iTT fy (2-3) mN25mN98.098.09 494 42 yT i 液壓馬達(dá)軸至刀庫軸的速比 ，取 9； 傳動效率 。 考慮到實(shí)際情況比計(jì)算時(shí)所設(shè)定的條件復(fù)雜，液壓馬達(dá)額定轉(zhuǎn)矩 Ts 應(yīng)為負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Ty的 1.5 倍 ，即 ys TT 5.1 255.1 mN38 2.2.2確定液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù) 由刀庫設(shè)計(jì)參數(shù)知，鏈條快速移動速度為 16 米 /分，即 16000mm/min 慢速移動速度為 4 米 /分，即 4000mm/min。 （ 1） 確定鏈輪周長 S mm542mm55.17214.3 ds （ 2） 確定液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速范圍 10 r / m in7.265r / m i542 916000m a x nn r / m in4.66r / m in5 42 94 00 0m in n 根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)選定 BM2-200 擺線馬達(dá)。 液壓馬達(dá)參數(shù) 型號： BM2-200 擺線馬達(dá) 排量： 200ml/r 壓力：額定 10MPa 最高 12.5MPa 轉(zhuǎn)矩：額定 mN240 最高 mN240 轉(zhuǎn)速：額定 320r/min 最高 400r/min 質(zhì)量 ： 10.5kg 2.3傳動齒輪的設(shè)計(jì) 2.3.1選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) （ 1）按圖 2-2 所示的傳動方案。 11 圖 2-2 刀庫驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局 （ 2）由于機(jī)器速度較低，故選用 7 級精度（ GB10095-88）。 （ 3）查機(jī)械手冊選擇小齒輪材料為 40Cr（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)為 Z1=28，大齒輪齒數(shù)為 Z2=84。 2.3.2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式 2-4 進(jìn)行試算，即 12 32.21 td 3 221)1(HdEZKT (2-4) （ 1） 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 1)試選載荷系數(shù)為 K=1.3 2)確定小輪傳遞的扭矩 2214iTT zy (2-5) mN98.098.03 494 2 yT mN1095.6mN5.694 3)由于兩支承相對于小齒輪做不對稱布置，所以齒寬系數(shù)d=1。 4)由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊查得材料的彈性影響系數(shù) ZE= 21MPa8.189 。 5)按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 MPa600lim H ；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 MPa550lim H 。 6） 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 估計(jì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)應(yīng)該低于 107 轉(zhuǎn) 。 7)取接觸疲勞壽命系數(shù) KHN！ =1.4； KHN2=1.5。 8)計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。 取失效概率為 1 ,安全系數(shù) S=1，由公式 2-6 得 1H = SK HN 1lim1 M P a84 0M P a1 60 04.1 (2-6) 2H = SK HN 2lim2 M P a82 5M P a1 55 05.1 13 （ 2） 計(jì)算 1）計(jì)算小齒輪分度圓直徑td1，代入 H中較小的值 。 3 2211 )1(32.2HdEt ZKTd (2-7) mm8252.3 8.1892.41095.63.13 2 241 td mm795.42 考慮到外部零件要保證互相不產(chǎn)生干涉的條件下， d1t 74mm。 2）計(jì)算圓周速度 v。 m m / s60542 7414.3316000m a x v mm/s343 m/s343.0 m m / s6054 2 7414.3340 00m a x v mm/s7.85 m/s086.0 3）計(jì)算齒寬 b 與齒高之比 b/h。 b= d d1t=1 42.795mm=42.795mm，取 b=48mm。 4)計(jì)算模數(shù) 和齒高 643.22874111 zdm t (2-8) mm95.5mm6 4 11 mh (2-9) 07.895.548 hb 5）計(jì)算載荷系數(shù)。 14 根據(jù) v=0.171m/s， 7 級精度，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得動載系數(shù) Kv=1.01； 直齒輪， 0.1HK； 查得使用系數(shù) ；0.1AK 用插值法查得 7 級精度、小齒輪相對支承非對稱布置時(shí)， 428.1HK。 442.140.1 HHvA KKKKK (2-10) 6）按實(shí)際載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由公式 2-11 得 mm253.44mm3.1 422.1795.42 3311 tt KKdd (2-11) 由于 44.253mm 72mm ，故 mm721 d 。 7）確定模數(shù) 模數(shù) 3m 8）計(jì)算大齒輪齒數(shù) 8432812 izz (2-12) 2.3.3幾何尺寸的計(jì)算 （ 1）計(jì)算分度圓直徑 mm84mm32811 mzd (2-13) mm252mm38422 mzd （ 2） 計(jì)算中心距 a2 21 dd =225284mm168mm 15 確定齒寬 ， 取齒寬 mm481 b，取 mm442 b。 2.3.4按齒根彎曲強(qiáng)度進(jìn)行校核 1） 由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊查得， 75.0,61.1,58.211 YYY SaSa。 小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 MPa4501lim F；大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限MPa4002lim F 。 2） 由應(yīng)力循環(huán)次數(shù)取彎曲疲勞壽命系數(shù) KFN1=0.98， KFN2=0.99。 3） 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.5，由公式得 SK FFNF 1lim11 (2-14) M P a5.1 45 098.0 F MPa294 2F = SK FFN 2lim2 M P a5.1 40 099.01 F MPa264 21 ,m in FFF MPa264F 4）計(jì)算齒根彎曲應(yīng)力 YYYmbdKTsaFaF 111 112 (2-15) 16 M P a38448 75.061.158.236950442.121 F = MPa16.5 M P a26 4M P a16.5 ， 安全。 2.4傳動軸的設(shè)計(jì) 2.4.1初步確定最小軸頸及所用材料 （ 1） 求軸上轉(zhuǎn)速 n、 轉(zhuǎn)矩 T 和功率 P r/m in542 31 6 0 0 0 n r/min56.88 mmN98.098.034944424321TiTT z (2-16) mmN72278 P9550nT (2-17) kW9550 278.7228.44 P = kW335.0 （ 2） 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件 初步確定軸上的最小直徑 mm6.21mm28.44 336.0110 330m i n nPAd (2-18) 由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要，取 mm22min d ，材料為 45#鋼（正火）。 2.4.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 擬定軸上零件的裝配方案，根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度，如圖 2-3 所示。 17 圖 2-3 軸的結(jié)構(gòu)與裝配 2.4.3軸的強(qiáng)度校核 （ 1）求作用在齒輪上的力 先將作用于直齒圓柱齒輪上的嚙合力分解為圓周力tF和徑向力 rF 。 1） 計(jì)算大 齒 輪的圓周力1tF和徑向力 1rF 1tF12dT = 252722782 N=573.7N (2-19) N8.2 0 8N20t a n7.5 7 3t a n11 tr FF (2-20) a 標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的壓力角，取 a =20 2） 計(jì)算小 齒輪的圓周力2tF和徑向力 2rF 2tF22dT = 84722782 N=1721N (2-21) N20t a n1 7 2 1t a n22 tr FF =626.4N (2-22) 18 圓周力tF軸線簡化后，得到作用于 軸線上的橫向力riHF和力偶矩 T。 力偶矩 T 引起軸的扭轉(zhuǎn)變形，而橫向力 FrH及徑向力 FrV引起軸在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)的彎曲變形，軸的計(jì)算簡圖如圖 2-4、 2-5 所示。 圖 2-4 軸在垂直面內(nèi)的受力簡圖 圖 2-5 軸在水平面內(nèi)的受力簡圖 （ 3） 計(jì)算圖中各個(gè)力的大小 1） 計(jì)算徑向力rvF N4.626；N8.208 2211 rvrrvr FFFF 2)計(jì)算橫向力 rHF N1 7 2 1；N7.5 7 3 2211 tHrtHr FFFF 3）計(jì)算軸承支反力 由靜力學(xué)方程 19 ,0vM 0)()( 212113212 LLFLFLLLR vrvrv 得 ， 32121212 )( LLL LLFFR vrvrv 代入數(shù)值計(jì)算，得 N4.5322 vR 由靜力 程 學(xué)方 ,0vF vrvrvv FFRR 2121 得， vvrvrv RFFR 2211 代入數(shù)值計(jì)算，得 N1.3031 vR 由靜力學(xué)方程 ,0 HM 0)()(212113212 LLFLFLLLR HrHrH 得， 321112122 )( LLL LFLLFR HrHrH 代入數(shù)值計(jì)算，得 N7.11192 HR 由靜力學(xué)方程 ,0 HFHrHHHr FRRF 2211 得， HrHHrH FRFR 1221 代入數(shù)值計(jì)算，得 N6.271 HR 20 4）列出剪力方程及彎矩 方程 以軸的左端為 坐標(biāo)原點(diǎn)，選取坐標(biāo)系如圖 2-6 所示。 圖 2-6 坐標(biāo)系示意圖 垂直 面內(nèi) 的剪力方程為 xFs)()0(321212112111111LLLxLLFFRLLxLFRLxRvrvrvvrvv（ 代入數(shù)值得， )208156(N1.532)9462(N3.94)620(N1.303)(xxxxF s 垂直 面內(nèi)的彎矩方程為 )(xM)()()()()0(3212121211121111111LLLxLLLLxFLxFRLLxLLxFxRLxxRvrvrvvrvv（ 代入數(shù)值得， )208156(1.532110664)9462(6.129453.94)620(1.303)(xxxxxxxM 水平 面內(nèi)的剪力方程為 xFs)()0(321212112111111LLLxLLFFRLLxLFRLxRHrHrvHHrHH（ 代入數(shù)值得 21 )208156(N7.1119)9462(N3.601)620(N6.27)(xxxxF s 水平 面內(nèi)的彎矩方程為 )(xM)()()()()0(3212121211121111111LLLxLLLLxFLxFRLLxLLxFxRLxxRHrHrHHrHH（ 代入數(shù)值得 ， )208156(7.11196.232906)9462(4.355693.601)620(6.27)(xxxxxxxM （ 4） 作剪力圖和彎矩圖 在垂直面 內(nèi) ， 剪力圖和彎矩圖如圖 2-7、 2-8 所示 。 / 圖 2-7 垂直面內(nèi)的 剪力圖 / 圖 2-8 垂直面內(nèi)的 彎矩圖 22 在水平面內(nèi)，剪力圖和彎矩圖如圖 2-9、 2-10 所示 。 / 圖 2-9 水平面內(nèi)的 剪力圖 / 圖 2-10 水平面內(nèi)的 彎矩圖 （ 5） 作扭 矩圖 ，如圖 2-11 所示。 23 圖 2-11 轉(zhuǎn)矩圖 由扭矩圖和彎矩圖分析得，軸上 C 點(diǎn)處的截面是最危險(xiǎn)截面，因此，在此截面上，按彎扭合成強(qiáng)度條件對軸進(jìn)行校核。 （ 6） 計(jì)算 危險(xiǎn)截面上的 合成彎矩 22HV MMM (2-23) mN233.58656.27 22 M mN47.64 （ 7） 確定危險(xiǎn)截面上的計(jì)算彎矩 22 )( TMMca (2-24) mN2 7 8.7247.64 22 caM mN859.96 根據(jù)轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生應(yīng)力的性質(zhì)而定的應(yīng)力校正系數(shù)，對頻繁正反轉(zhuǎn)變化的轉(zhuǎn)矩，取 =1。 （ 8） 確定計(jì)算彎曲應(yīng)力 24 MP a134.15MP a1 5 1 3 4 2 1 8104.6859.961.0)(6322dTMWMcacaca (2-25) 由 45#鋼（正火）抗拉強(qiáng)度極限 MPa580b，查得軸的許用彎曲應(yīng)力 MPa551 b 。 1 ba ，安全。 2.4軸承壽命校核 （ 1）受力簡圖如圖 2-4、 2-5。 （ 2）計(jì)算軸承的支反力 R1 和 R2 N1.3 0 4N6.271.3 0 3RRR222H12V11 N8.1 2 3 9N7.1 1 1 94.5 3 2RRR222H22v22 （ 3）計(jì)算軸承的當(dāng)量動載荷 P1 和 P2 。 )( YAXRffPmd (2-26) df 沖擊載荷系數(shù)，查手冊取df=1.1。 mf 力矩載荷系數(shù)，因軸承不承受 力矩載荷，故 1mf。 X 徑向系數(shù)； Y 軸向系數(shù)。 25 由于軸承幾乎不承受軸向力，所以 0,1 YX 。 因此 N8.1 3 6 31.1,N4.3331.12211 RPRP。 （ 4）校核軸承壽命 因12 PP ，故按 P2 計(jì)算 h364507h888601060103610610hhLPCnL (2-27) 壽命足夠長，故 6008 軸 承適用 。 26 第 3章 刀庫準(zhǔn)停系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 如果刀座不能準(zhǔn)確地停在換刀位置上，將會使換刀機(jī)械手抓刀不住，以致在換刀時(shí)容易發(fā)生掉刀現(xiàn)象。因此，刀座的準(zhǔn)停問題，將是影響換刀動作可靠性的重要因素之一。 為了確保刀座不能準(zhǔn)確地停在換刀位置上，需要采取如下措施：（ 1）刀座的精確定位是靠裝在軸上的定位嚙合牙嵌式電磁離合器 M 實(shí)現(xiàn)的，如 3-1 所示。離合器的磁軛和銜鐵的齒面是不等分的，每間隔不同齒數(shù)有一個(gè)寬平齒，銜鐵和磁軛只有在一個(gè)位置 上才能嚙合。磁軛固定在刀庫法蘭盤上，銜鐵隨軸轉(zhuǎn)動，通電后，銜鐵轉(zhuǎn)到固定位置與磁軛嚙合，使軸每次停在固定的方位上，保證了每個(gè)刀座的正確定位，如圖 3-2 所示。為了保證刀座的準(zhǔn)停精度和刀座定位的剛性，鏈?zhǔn)降稁斓膿Q刀位置設(shè)在主動鏈輪上。 圖 3-1 刀庫準(zhǔn)停系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 27 圖 3-2 磁軛（左）、銜鐵（右）零件圖 （ 2）鏈?zhǔn)降稁煲x用節(jié)距精度較高的套筒滾子鏈和鏈輪，該設(shè)計(jì)選用的是鏈號為 20A 的 鏈條。 （ 3）盡量減少刀座孔徑和軸向尺寸的分散度，以保證刀柄槽在換刀位置上的軸向位置精度。 （ 4）要消除反向間隙的影響。刀庫驅(qū)動傳動鏈，必然會有傳動間隙，且這種間隙還隨機(jī)械磨損而增大，這將影響刀庫的準(zhǔn)停精度，所以，必須采用各種辦法減少或消除齒輪間隙。 本設(shè)計(jì)將采用柔性調(diào)整法來消除齒輪間隙。柔性調(diào)整法是指調(diào)整后齒側(cè)間隙可以自動補(bǔ)償?shù)姆椒?。這種調(diào)整法在齒輪的齒后和周節(jié)有差異的情況下，仍可始終保持無間隙嚙合。但將影響傳動的平穩(wěn)性，而且這種調(diào)整法的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，傳動剛度低，如圖 3-3 所示。 28 圖 3-3 壓力彈簧消除間隙結(jié)構(gòu)示意圖 1、 2 薄齒輪； 3 圓柱銷； 4 鑲塊； 5 圓弧槽； 6 彈簧 先將一個(gè)大的直齒圓柱齒輪加工成 1、 2 兩個(gè)薄齒輪，齒輪的下半部分 1 上帶有三個(gè)周向圓弧槽 5，齒輪的上半部分 2 上鉆有三個(gè)銷孔，圓柱銷 3 依靠微量過盈固定在銷孔中，套裝在圓弧槽內(nèi)，彈簧 6 的兩端分別頂在圓柱銷 3 和鑲塊 4上，使兩個(gè)薄齒輪的齒錯(cuò)位，起到消除間隙的作用。 29 第 4章 鏈傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4.1鏈輪、鏈條的計(jì)算及鏈輪中心距的確定 （ 1） 本刀庫由四排帶 刀 座 的鏈條組成，每排鏈條裝 有 15 把刀， 考慮刀庫的運(yùn)轉(zhuǎn)精度選用鏈號為 20A 的滾子鏈。 由于刀具的最大直徑為 125 mm ，結(jié)合鏈條型號確定 刀 座 與 刀 座 之間的中心距為 127mm ， 如圖 4-1 所示。 圖 4-1 刀套 刀座 之間的距離 （ 2）確定 鏈條總長為 mm1 9 0 5mm151 2 7 。 確定兩鏈輪中心距為 1905-3.14 161 2mm 447mm ，如圖 5-2 所示。 （ 3） 確定鏈輪的基本尺寸 選取鏈輪齒數(shù)為 17Lz 。 1） 確定分度圓直徑 d LPdz180sin (4-1) mmz180s in75.31 Ld = mm5.172 P 滾子鏈的節(jié)距 30 2） 確定齒頂圓直徑 1)6.11( dpzddLa (4-2) mm05.19)17 6.11(75.3155.172 ad mm26.182 1d 鏈條滾子外徑 3） 確定齒根圓直徑 1ddd f mm05.1955.1 7 2 fd mm5.153 3） 確定鏈輪齒寬 mm955.17mm9.1895.095.011 bb f (4-3) 圖 4-2 鏈輪之間的距離 31 4.2刀庫鏈條的張緊 為了避免在鏈條的松邊垂度過大時(shí)產(chǎn)生嚙合不良和鏈條的振動現(xiàn)象，同時(shí)也為了增加鏈條和鏈輪的嚙合包角，要對鏈條進(jìn)行張緊。本刀庫張緊結(jié)構(gòu)如圖5-3 所示。 圖 4-3 鏈條張緊結(jié)構(gòu)示意圖 刀庫鏈條的張緊是在后鏈輪座處。松開后鏈輪導(dǎo)板鎖緊螺釘 1，轉(zhuǎn)動尾部調(diào)整螺桿 2，可調(diào)整鏈條松緊。 32 第 5章 結(jié) 論 在傳統(tǒng)的制造業(yè) 中，大量的時(shí)間用于更換刀具、裝卸零件、測量和搬運(yùn)零件等非切削時(shí)間上，切削加工的時(shí)間僅占整個(gè)工時(shí)中較小的比例，而刀庫即由此“工序集中”的特點(diǎn)及功能， 也就說刀庫的發(fā)展 極大左右了加工中心的發(fā)展，而鏈?zhǔn)降稁斓慕Y(jié)構(gòu)解決了刀庫容量，機(jī)床加工范圍等眾多問題。 本次設(shè)計(jì)的刀庫滿載裝刀 60 把，鏈條快速移動速度為 16 米 /分，慢速移動速度為 4 米 分。滿足實(shí)際加工中節(jié)省時(shí)間的目的，提高了加工效率。通過這次比較完整的鏈?zhǔn)降稁煸O(shè)計(jì)，我擺脫了單純的理論知識學(xué)習(xí)狀態(tài)，和實(shí)際設(shè)計(jì)的結(jié)合鍛煉了我的綜合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)知識，解決實(shí)際工程問題的能力 ，同時(shí)也提高了我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)手冊、設(shè)計(jì)規(guī)范以及 CAD 制圖等其他專業(yè)能力水平，而且通過了對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細(xì)節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉。 33 參考文獻(xiàn) 1Chang W C, Van Y T. Researching Design Trens for the Redesign of Product. Design Studies，2003， 24(2):173-180. 2Mou J, Liu C R.An error correction met