試驗(yàn)室用自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)

摘要

如今數(shù)控技術(shù)已經(jīng)是當(dāng)今社會(huì)制造業(yè)的主導(dǎo)技術(shù)，數(shù)控技術(shù)大力發(fā)展同步教學(xué)資源也得

到了提高，研究教學(xué)用裝置模型已是必不可少歐I,將裝置的模型在課堂上展示能更好地體

現(xiàn)真實(shí)性，不過(guò)目前試驗(yàn)室模型技術(shù)不夠完善。其中試驗(yàn)室用自動(dòng)換刀裝置重要是為教學(xué)

提供，可以真實(shí)的體目前數(shù)控機(jī)床上，大大減少了零件加工的情助時(shí)間，極大H勺提高了生

產(chǎn)率。伴隨數(shù)控機(jī)床H勺普和運(yùn)用，加工機(jī)械的自動(dòng)化程度大大提高，數(shù)控機(jī)床發(fā)展成了當(dāng)

今普遍應(yīng)用的一種更新、更先進(jìn)的制造設(shè)備即加工中心。加工中心帶有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝

置，能對(duì)工件按預(yù)定程序進(jìn)行多工序加工的高度自動(dòng)化的多功能的數(shù)字控制機(jī)床。

自動(dòng)換刀裝置應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足換刀時(shí)間短、刀具存儲(chǔ)量足夠、刀具的安頓空間小以和安仝可

靠等基本規(guī)定。加工中心的關(guān)鍵在于CNC對(duì)刀庫(kù)的自動(dòng)選刀和刀庫(kù)、機(jī)械手與主軸間自動(dòng)

換刀。本課題就是對(duì)試驗(yàn)室用自動(dòng)換刀裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)用PLC對(duì)刀庫(kù)H勺選刀控制和刀庫(kù)、

機(jī)械手與主軸間H勺自動(dòng)換刀控制。試驗(yàn)室用自動(dòng)換刀裝置不僅能以便的為教學(xué)提供模擬儀

器，更能讓研究者對(duì)換刀裝置H勺深入理解，從而對(duì)裝置FI勺研究與開(kāi)發(fā)。

關(guān)鍵詞試驗(yàn)室用教學(xué)用品，主軸一刀庫(kù)系統(tǒng)，自動(dòng)換刀功能。

目錄

摘要............................................................................I

1緒論...........................................................................1

1.1課題背景.................................................................1

1.2研究的重要內(nèi)容..........................1

2自動(dòng)換刀系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì).............................................3

2.1刀座的設(shè)計(jì)................................................................3

2.1.1刀座基本形狀和尺寸確實(shí)定.......................................3

刀座強(qiáng)度日勺校核............................................................6

2.2刀盤(pán)重要尺寸確實(shí)定......................................................7

2.3傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì).........................8

2.4刀架主軸的設(shè)計(jì).........................8

2.4.1初步確定軸的最小直徑.................................................8

2.4.2軸的構(gòu)造設(shè)計(jì).........................................................9

2.4.3校核鍵的強(qiáng)度........................................................11

2.5共挽分度凸輪機(jī)構(gòu)基本參數(shù)確實(shí)定........................................11

2.5.1共挽分度凸輪的簡(jiǎn)介..................................................11

2.5.2重要運(yùn)動(dòng)參數(shù)的選擇..................................................12

2.5.3重要幾何尺寸確實(shí)定..................................................12

2.6端齒盤(pán)的選擇...........................................................12

2.6.1端齒盤(pán)的簡(jiǎn)介.......................................................13

2.6.2端齒盤(pán)的特點(diǎn)........................................................13

2.6.3端齒盤(pán)重要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算...........................................13

2.6.4螺栓組強(qiáng)度校核......................................................17

2.5潤(rùn)滑劑的選擇............................................................20

2.51對(duì)壓力油的規(guī)定.........................20

5結(jié)論...............................................................39

參照文獻(xiàn)............................................................40

道謝.................................................................41

1緒論

1.1課題背景

伴隨數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的加工中心在現(xiàn)代制造業(yè)中起著愈來(lái)愈重要

的作用，它能縮短產(chǎn)品II勺制造周期，提高產(chǎn)品的加工精度，適合柔性加工。自動(dòng)換刃系統(tǒng)

一般由刀庫(kù)、機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成。刀庫(kù)容量可大可小，其裝刀數(shù)在8?180把之間.刀

迅速發(fā)展，帶有ATC裝置.可實(shí)現(xiàn)多工序加工H勺機(jī)床步入了機(jī)床發(fā)展H勺黃金時(shí)代。中國(guó)1958

年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床以來(lái)，發(fā)展過(guò)程大體可分為兩大階段.在1958?1979年間為第一

階段，從1979年至今為第二階段。第一階段中對(duì)數(shù)控機(jī)床特點(diǎn)、發(fā)展條件缺乏認(rèn)識(shí)，在人

員素質(zhì)差、基礎(chǔ)微弱、配套件不過(guò)關(guān)口勺狀況下，無(wú)法用于生產(chǎn)而停止。重要存在口勺問(wèn)題是

盲目性大，缺乏實(shí)事求是口勺科學(xué)精神。在第二階段從日、德、美、西班牙先后引進(jìn)數(shù)控系

統(tǒng)技術(shù)，從美、日、德等引進(jìn)數(shù)控機(jī)床先進(jìn)技術(shù)和合作、合資生產(chǎn)，處理了可靠性、穩(wěn)定

性問(wèn)題，數(shù)控機(jī)床開(kāi)始正式生產(chǎn)和使用，并逐漸向前發(fā)展。在20余年問(wèn)，數(shù)控機(jī)床內(nèi)設(shè)計(jì)

和制造技術(shù)有較大提高，重要表目前三大方面：培訓(xùn)了一批設(shè)計(jì)、制造、使用和維護(hù)的人

才；通過(guò)合作生產(chǎn)先進(jìn)數(shù)控機(jī)床，使設(shè)計(jì)、制造、使用水平大大提高，縮小了與世界先進(jìn)

技術(shù)的I差距；通過(guò)運(yùn)用國(guó)外先進(jìn)零部件、數(shù)控系統(tǒng)配套，開(kāi)始能自行設(shè)計(jì)和制造高速、高

性能、五面或五軸聯(lián)動(dòng)加工的數(shù)控機(jī)床，供應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，但對(duì)關(guān)鍵技術(shù)口勺試驗(yàn)、消

化、掌握和創(chuàng)新卻較差。至今許多重要功能部件、自動(dòng)化刀具、數(shù)控系統(tǒng)依托國(guó)外技術(shù)支

撐，不能獨(dú)立發(fā)展，基本上處在從仿制走向自行開(kāi)發(fā)階段，與口本數(shù)控機(jī)床H勺水平差距很

大。存在H勺重要問(wèn)題包石：缺乏各方面專(zhuān)家人才和純熟技術(shù)工人；缺乏深入系統(tǒng)的I科研工

作；零部件和數(shù)控系統(tǒng)不配套；企業(yè)和專(zhuān)業(yè)間缺乏合作，基本上孤軍作戰(zhàn)，雖然廠多人眾,

但形成不了合力。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，數(shù)控加工技術(shù)得到迅速的普和和發(fā)展，數(shù)控機(jī)床在制造業(yè)得

到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的數(shù)控加工中心在現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)中起著愈來(lái)

愈重要日勺作用，它能縮短產(chǎn)品的制造周期，提高產(chǎn)品的加工精度，適合柔性加工。加工中

心是數(shù)控機(jī)床中較為復(fù)雜的J加工設(shè)備，由于其具有多種加工能力而得到廣泛日勺應(yīng)用，其強(qiáng)

大的加工能力和效率得益于其配置的I自動(dòng)換刀裝置。換刀裝置作為加工中心日勺重要構(gòu)成部

分，其重要作用在于減少加工過(guò)程中Fl勺非切削時(shí)間，提高生產(chǎn)率，減少生產(chǎn)成本，進(jìn)而提

高機(jī)床乃至整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)力。加工中心自動(dòng)換刀裝置是實(shí)現(xiàn)多工序持續(xù)加工口勺重要裝

置，其構(gòu)造設(shè)計(jì)和其控制是實(shí)現(xiàn)加工中心設(shè)計(jì)制造H勺關(guān)鍵。加工中心的換刀過(guò)程較為復(fù)雜,

動(dòng)作多，動(dòng)作間的互相辦調(diào)關(guān)系多，因而自動(dòng)換刀系統(tǒng)性能的好壞直接影響加工效率日勺高

下。

自動(dòng)換刀系統(tǒng)一般由刀庫(kù)、機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成。刀庫(kù)容量可大可小，其裝刀數(shù)在

8-180把之間。刀庫(kù)的功能是存儲(chǔ)刀具并把下一把即將要用的刀具精確地送到換刀位置，

供換刀機(jī)械手完畢新舊刀具的互換。當(dāng)?shù)稁?kù)容量大時(shí)，常遠(yuǎn)離主軸配置且整體移動(dòng)不易，

這就需要在主軸和刀庫(kù)之間配置換刀機(jī)構(gòu)來(lái)執(zhí)行換刀動(dòng)作。完畢此功能日勺機(jī)構(gòu)包括送刀臂,

擺刀站和換刀臂，總稱(chēng)為機(jī)械手。詳細(xì)來(lái)說(shuō)，它的功能是完畢刀具的裝卸和在主軸頭與刀

庫(kù)之間的傳遞。驅(qū)動(dòng)裝置則是使刀庫(kù)和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)其功能的裝置.，一般由步進(jìn)電機(jī)或液壓

（或液機(jī)構(gòu)）或凸輪機(jī)溝構(gòu)成。機(jī)械手完畢刀庫(kù)里口勺刀（新刀）與主軸上的刀（舊刀）的

互換工作。由于數(shù)控加工中心的刀庫(kù)容量、換刀可靠性和換刀速度直接影響到加工中心的

效率，而自動(dòng)換刀就是深入壓縮非切削時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件。因此數(shù)控機(jī)

床為了能在工件一次裝夾中完畢多道加工工序，縮短輔助時(shí)間，減少多次安裝工件所引起

的誤差，必須帶有自動(dòng)換刀裝置。

在國(guó)內(nèi)外數(shù)控技術(shù)如火如茶的發(fā)展中，換刀技術(shù)內(nèi)發(fā)展也得到了大大的提高，試驗(yàn)室

用的I數(shù)控裝置模型卻發(fā)展緩慢，不能為教學(xué)提供愈加便利的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。其中試?yàn)使用自動(dòng)

換刀裝置的研究可以滿(mǎn)足教學(xué)使用，能真實(shí)的體現(xiàn)數(shù)控機(jī)床換刀裝置的特點(diǎn)。

1.2研究日勺重要內(nèi)容

本課題重要研究為教學(xué)使用H勺試驗(yàn)室用自動(dòng)換刀裝置的I設(shè)計(jì)，該裝置為主軸一刀庫(kù)系

統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀功能。

試驗(yàn)室用自動(dòng)換刀裝置可以真實(shí)口勺體現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的換刀裝置.，提供一種為教學(xué)使用，

具有體積小、重量輕、強(qiáng)度高、可拆卸、仿真性能好、使用安全可靠?？紤]如下幾方面日勺

問(wèn)題。第一、刀架形式，根據(jù)本課題規(guī)定的換刀數(shù)為8把刀，因此選擇圓盤(pán)式刀架。第二、

刀具的安裝方式，選擇刀座安裝刀具日勺方式，由于刀座安裝方式既可以以便日勺安裝車(chē)刀又

可以將鉆頭或絲錐等其他刀具安裝在上面從而擴(kuò)大了車(chē)床的用途。第三、定位裝置的選擇,

定位裝置是保證自動(dòng)換刀系統(tǒng)加工精度的重要零件，因此選用定位精度相對(duì)較高的端齒盤(pán)

進(jìn)行反更定位，進(jìn)而保證其反復(fù)定位精度。第四、分度裝置確實(shí)定，老式口勺圓柱分度裝置

精度低、換刀速度不能太快，處理方案采用分度精度較高的平板凸輪機(jī)構(gòu)，可以很好處理

這個(gè)問(wèn)題。第五、檢測(cè)裝置，使用檢測(cè)精度較高日勺靠近開(kāi)關(guān)組?？拷_(kāi)關(guān)價(jià)格比較廉價(jià)，

并且輕易更換，從而減少自動(dòng)換刀系統(tǒng)的J造價(jià)?？刂葡到y(tǒng)選擇PLC進(jìn)行控制，由于可編程序

控制器是一種面向生產(chǎn)過(guò)程控制日勺數(shù)字電子裝置，它具有控制能力強(qiáng)、操作以便靈活、價(jià)

格廉價(jià)、可靠性高等特點(diǎn)。它不僅可以取代老式日勺繼電器控制系統(tǒng)，還可構(gòu)成復(fù)雜的工業(yè)

過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)，是一種適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的新型控制器。

2自動(dòng)換刀系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)H勺對(duì)象為試驗(yàn)室用自動(dòng)換刀裝置°自動(dòng)換刀裝置日勺重要性能指標(biāo)

為:

1）刀庫(kù)容量：8把。

2）刀柄型號(hào)：￡050。

3）最大刀具質(zhì)量：16kg。

4）最大刀具直徑：①126mm。

5）最大刀具長(zhǎng)度：400mm。

6）最大刀具（相鄰是空位）：①256nlm。

7）刀庫(kù)選刀日勺時(shí)間：＜20so

8）換刀時(shí)間（刀對(duì)刀）：＜4so

2.1刀座日勺設(shè)計(jì)

2.1.1刀座基本形狀和尺寸確實(shí)定

①根據(jù)所選機(jī)床的型號(hào)，查刀具手冊(cè)選擇刀具口勺尺寸，從而確定刀座的尺

寸c由于本設(shè)計(jì)選擇的車(chē)床型號(hào)為CK6136c其重要參數(shù)如下:

車(chē)床型號(hào)CK6136

最大加工直徑360mm

主軸轉(zhuǎn)速1002000r

主電機(jī)功率5.5KW

Z軸最大行程750mm

Z向迅速移運(yùn)速度58m/min

X軸最大行程200mm

X向迅速移運(yùn)速度38m/min

最大刀具尺寸20/wnx20nvn

②為了滿(mǎn)足刀座日勺日勺剛度規(guī)定，因此選擇合金鋼作為刀座材料。由以上參

數(shù)可知此型號(hào)車(chē)床為中小型車(chē)床，其切削力和最大加工直徑均不大，因此選擇

刀具材料為硬質(zhì)合金，其基本尺寸為：刀具寬度和高度〃均為20〃向，其長(zhǎng)刀

桿日勺長(zhǎng)度為125〃〃〃，短刀桿的長(zhǎng)度為8()〃甘"。艱據(jù)刀具安裝和其尺寸確定刀座

的基本形狀尺寸如下：

圖2.1刀具的構(gòu)造示意圖

2.1.2刀座強(qiáng)度的校核

①切削力的計(jì)算

要進(jìn)行刀具強(qiáng)度的計(jì)算必須先計(jì)算出切削力，要計(jì)算切削力就要先確定工

件口勺材料、刀具的幾何參數(shù)和切削要素。由于車(chē)床在切削時(shí)重要加工的是鋼件

和鑄鐵，因此在計(jì)算切削力時(shí)選擇具有代表性口勺45鋼作為計(jì)算的根據(jù)。在計(jì)算

最大切削力時(shí)，應(yīng)以粗加工時(shí)作為計(jì)算根據(jù)。粗加工時(shí)重要影響切削力的刀具

幾何參數(shù)根據(jù)［13］查得如下:

主偏角kr75

前角“10

刃傾角20

切削要素確實(shí)定,根據(jù)［13］和所選車(chē)床的重要性能確定粗加工日勺切削要素。

切削要素如下:

背吃刀量巧,3"〃77

進(jìn)給量了0.75〃〃〃/r

切削速度u5m/s

②由切削力日勺計(jì)算公式

￡=9.81金%產(chǎn)泮心⑸式⑵1)

G=9.81Cy「(6(h*K/式⑵2)

Fx=9.81C&4jY60u)"&K&⑸式(2.3)

根據(jù)以上參數(shù)查得對(duì)應(yīng)日勺系數(shù)代入公式得

F=二9.81金%產(chǎn)代K后

=9.81x270x3'x0.75°7sx(60x5)-015x0.92xlxlx0.75

=1878.72N

5=9.81金。廠(60口產(chǎn)品.

=9.81x270x309xO.7506x(60x5)-03x0.62xlxlxl.35

=667.65?/

月=9.81CM『(60以

=9.81x270x3lx0.75°5x(60x5)-O4xlxlxlxl.l3

=864.75/V

③對(duì)刀座進(jìn)行受力分析

對(duì)刀座進(jìn)行受力分析，切削力弓最大且對(duì)刀座的影響最大，因此在對(duì)刀座

進(jìn)行受力分析時(shí)重要考慮切削力B。受力分析如下:

根據(jù)材料力學(xué)可知其受力可以簡(jiǎn)化如下:

根據(jù)上圖計(jì)算如下：

OQQQ

2x—xZ^=Z^x(--b40+30)

『'ox"。］。,.

1160

入=月一B=3405.18-1878.72=1526.46N

根據(jù)”計(jì)算刀座上線性分布的載荷如下：

1x40x^=3405.18

2x3405.18

0==170.26N/〃加

40

④強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)/計(jì)算刀座強(qiáng)度，由刀座的I尺寸和受力可知刀座的I下部是危險(xiǎn)截面，

因此只需對(duì)下部進(jìn)行強(qiáng)度校核。由于在進(jìn)行受力分析的時(shí)候只考慮了切削力片，

因此受力分析不夠精確，為此在計(jì)算刀座強(qiáng)度E寸取一安全系數(shù)2=1.5。強(qiáng)度計(jì)

算如下:

kxq、1.5x170.26

15.96M2

A-20x1x10-6

r<[r]=26()MP;

因此刀座強(qiáng)度服合規(guī)定

對(duì)刀座安裝在刀盤(pán)上的圓柱形齒條進(jìn)行強(qiáng)度校核

T=FZL=\878.72x0.18=338.17N山

2.6/?

W-~D,3QX10-3

|81式Q.4)

「2十0.78

2.6x21xlQ3

3oxip-330x1(尸

?-------=--3-.34x10-3

0.321xIQ-38

4-0.7

30xl(y3

T_338.17

r=\.0\MP

max一可一3.34x10-3

團(tuán)=0.5[可=260/0優(yōu)

、<[7]

強(qiáng)度服合規(guī)定

2.2刀盤(pán)日勺重要尺寸確實(shí)定

根據(jù)所選機(jī)床日勺型號(hào)，查［3］選擇刀具的尺寸，從而確定刀盤(pán)的尺寸。由于

本設(shè)計(jì)選擇日勺車(chē)床型號(hào)為CK6136,此型號(hào)車(chē)床為中小型車(chē)床，其切削力和最大

加工直徑均不大，因此選擇刀具日勺基本尺寸為：刀具寬度〃和高度力均為20〃〃〃,

其長(zhǎng)刀桿歐I長(zhǎng)度為125〃?〃?，短刀桿日勺長(zhǎng)度為80m〃?。由于本設(shè)計(jì)日勺刀具數(shù)量為

8把刀，因此選擇臥式日勺自動(dòng)換刀構(gòu)造，采用刀盤(pán)夾持刀具。由于是選用刀座安

裝刀具，考慮到刀具安裝時(shí)不發(fā)生干涉，確定刀盤(pán)的直徑為300相〃?，考慮刀盤(pán)

的強(qiáng)度和安裝刀座日勺狀況，確定刀盤(pán)的厚度為6()"〃〃。刀座是通過(guò)刀座上面的I

齒條由螺栓和錐形圓柱齒安裝在刀盤(pán)上面。由于圓柱型齒條直徑為3()〃皿，因

此必須在刀盤(pán)上設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)日勺安裝刀座的圓孔，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定圓孔中心所在歐J直

徑為24()〃〃〃，其上均布8個(gè)圓孔用于安裝刀座。固定刀座的錐形圓柱齒的直徑

略不不小于齒條為28〃〃"，錐形圓柱齒用沉頭螺釘緊固在刀盤(pán)上，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選

擇M8日勺螺釘，因此需要在刀盤(pán)上鉆對(duì)應(yīng)螺紋孔，為了保證在裝刀的時(shí)候每次

錐形圓柱齒都能與刀座很好日勺配合，在打螺紋聯(lián)結(jié)孔時(shí)形成一種偏心，偏心距

為3mm,這樣就可以保證每次裝刀的時(shí)候錐形圓柱齒都能安裝在固定日勺位置，

從而保證刀具歐I安裝精度。

圖2.4刀盤(pán)構(gòu)造示意圖

2.3傳動(dòng)齒輪基本參數(shù)確實(shí)定

①選定齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料和齒數(shù)

按傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。自動(dòng)換刀系統(tǒng)是精密的工作部件、

是數(shù)控機(jī)床加工精度的重保證，速度較高，故選用6級(jí)精度。查⑶中189頁(yè)表

10-1。小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS,大齒輪的材料選用45鋼（調(diào)

質(zhì)）硬度為240HBs，其材料硬度相差40HBS,由于較多的齒數(shù)有助于傳動(dòng)的

平穩(wěn)性、并且充足考慮自動(dòng)換刀系統(tǒng)的體積，因此取小齒輪齒數(shù)z,=40,大齒

輪齒數(shù)z?=40x2=80o

②由于本傳動(dòng)齒輪重要是傳遞的運(yùn)動(dòng)而承受口勺載荷比較小，因此選擇齒輪

的模數(shù)為原則模數(shù)m=1.25。

因此小齒輪4歐J重要參數(shù)：

分度圓直徑為4==1.25x40=50〃〃〃

齒頂圓直徑為公=（馬+2h*）m=42x1.25=50.5mm

齒根圓直徑為41=（Z]-2〃；-2c）m=37.5xl.25=46.88M%

大齒輪Z2的重要參數(shù)：

分度圓直徑為4=,nz2=1-25x80=100mm

齒頂圓直徑為da2=（z2+2/?*）/n=82x1.25=102.5mm

齒根圓直徑為d/2=（z2-2h：_2c=77.5xl.25=96.88〃im

通過(guò)計(jì)算可得：

齒距為〃=7vm=3.93mm

齒厚為s=m/2=1.96/wn

兩齒輪的J中心距為a=（Z[+z2）m/2=15mm

由[6]第201頁(yè)知金屬切削機(jī)床的齒輪傳動(dòng)，傳遞日勺功率不大時(shí)，齒寬系數(shù)

叱可小到（）.2。由于本齒輪重要是傳遞運(yùn)動(dòng)、且為了使換刀系統(tǒng)構(gòu)造愈加緊湊,

因此取大齒輪的I齒寬系數(shù)為①.=0.3,因此大齒輪的I齒寬為8==30〃〃〃。

小齒輪的寬度一般比大齒輪的寬度大幾亳米，因此取小齒輪口勺寬度為35"〃〃。

由于換刀系統(tǒng)在換刀日勺時(shí)候要抬刀才能實(shí)現(xiàn)換刀，因此必須設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)日勺構(gòu)造。

本設(shè)計(jì)采用軸軸向移動(dòng)而齒輪不產(chǎn)生軸向移動(dòng)的方式，采用導(dǎo)向鍵導(dǎo)向H勺構(gòu)造,

這樣對(duì)軸的摩擦相對(duì)較小，有助于提高軸的I使用壽命。

由于齒輪傳遞的重要是運(yùn)動(dòng)而不是力因此不而需要進(jìn)行強(qiáng)度校核。

2.4刀架主軸的設(shè)計(jì)

由于主軸不承受切削力、只承受換刀時(shí)產(chǎn)生的慣性力因此對(duì)主軸的強(qiáng)度規(guī)

定不高。只需計(jì)算出軸的最小截面，然后根據(jù)軸n勺構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計(jì)，不需要進(jìn)行

強(qiáng)度校核。

初步確定軸日勺最小直徑

首先選用軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的重要是刀盤(pán)，根據(jù)

工式八,府/2。根據(jù)手冊(cè)查得鋼的密度為0=7.78xlO"g/，刀盤(pán)日勺質(zhì)量由

公式m=pv=-7iD2hp=32.99^。因此刀盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

4

2

J=mR/2=非必。⑸=0370由于在分析轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的時(shí)候沒(méi)有考慮軸自身

2

和軸上零件等原因，因此要取一安全系數(shù)2=1.5。由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩加=以〃，由

馬達(dá)的基本參數(shù)知其加速度為4RW//S2,主軸的加速度為馬達(dá)的二分之一即

得轉(zhuǎn)矩M==1.5x0.37x24=3.48N?〃z。根據(jù)最小直.徑工式得：

心里產(chǎn)『…州式Q.5)

Y)V^x355xl0

主軸日勺最小直徑顯然是安傳動(dòng)齒輪處軸口勺直徑4-7(如圖2.5)。

圖2.5主軸構(gòu)造示意圖

綜合考慮換刀系統(tǒng)日勺構(gòu)造取其最小軸的直徑為26〃“。由于軸日勺最小直徑為

4.6〃"〃，因此最小直徑取強(qiáng)度足以滿(mǎn)足規(guī)定。軸日勺長(zhǎng)度根據(jù)齒輪日勺尺寸和

換刀系統(tǒng)的規(guī)定，取4-7=78〃〃"o

軸日勺構(gòu)造設(shè)計(jì)

①根據(jù)軸向定位和構(gòu)造的規(guī)定確定軸日勺各段直徑和長(zhǎng)度

1)6—7軸段需安裝齒輪，由于軸需要軸向運(yùn)動(dòng)，因此齒輪不需要進(jìn)行軸向

定位。左端軸即軸&-6的直徑根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取為35〃〃，其長(zhǎng)度由主軸日勺構(gòu)造決定，

其長(zhǎng)度確定為68/77/7?o

2)4一4尺寸確實(shí)定。4.6日勺直徑為31〃〃72,考慮到其右端用螺母定位，初

步選擇其直徑為42〃期左右，為了使所選的軸直徑與軸承的孔徑相適應(yīng)，故應(yīng)先

確定軸承，由于刀盤(pán)產(chǎn)生日勺轉(zhuǎn)矩重要集中在此，因此軸承受的力較大且軸規(guī)定

能實(shí)現(xiàn)軸向運(yùn)動(dòng)，因此軸3-4處采用一對(duì)推力釉承和滾針軸承。產(chǎn)品目錄中初

步選用0基本游隙組、原則精度級(jí)日勺推力軸承51108,其尺寸為

dxDxT=40/72/77x60/7/7?x13mm。因此安裝軸承處0tl直徑為軸承日勺內(nèi)徑取

40“〃，因此4_3處的直徑取40,加〃。軸日勺左端采用軸肩定位，軸肩高度〃一般

aA=(0.070.1)”,d為與零件相配處口勺軸的直徑，因此取軸肩的高度為

定位，因此可以確定4.3直徑為46〃〃〃，其長(zhǎng)度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取8帆力。其右端采用

套筒加螺母定位。根據(jù)定位規(guī)定，選擇小螺母的規(guī)格為M36X1.5,其尺寸為

￡)x%xm=36〃〃〃x52mmx。因止匕J4_5Ff'J直徑取，為了防止螺母Ff'J松

動(dòng)，采用雙螺母定位，因此軸dylT'J長(zhǎng)度應(yīng)不小于2倍螺母的寬度，取其長(zhǎng)度

為21〃〃*由于要加工螺紋，因此在4-5軸日勺左瑞要加工退刀槽，退刀槽的尺寸

為bxh=2mmxInvn>

3)軸的尺寸確實(shí)定與刀盤(pán)日勺聯(lián)結(jié)采用一般螺栓聯(lián)結(jié)，綜合考慮刀盤(pán)

的尺寸和軸所承受歐J力確定其基本尺寸直徑4=80〃〃〃、長(zhǎng)度/二20〃〃〃。安裝螺

栓日勺螺紋孔加工在直徑為4=62"7〃z處。初步確定螺栓日勺公稱(chēng)直徑為M6,因此

要加口勺螺紋孔的直徑為6帆帆。

4)4_8軸曰勺尺寸確實(shí)定根據(jù)軸痣.7日勺直徑確定其直徑，其直徑確定為

d=23/nm,靠近開(kāi)關(guān)日勺尺寸和軸軸向位移又決定了套筒的長(zhǎng)度，靠近開(kāi)關(guān)的直

徑為d=5〃⑼、軸的軸向位移為6.5〃加，綜合考慮取分度檢測(cè)套筒的長(zhǎng)度為

76mm。其軸向定位采用套筒定位，因此軸應(yīng)比套筒的I長(zhǎng)度短某些，取其長(zhǎng)度為

取75mm。

6)4_9尺寸確實(shí)定8-9軸日勺重要作用是加套筒對(duì)左端日勺分度檢測(cè)裝置起

軸向定位作用和安裝檢測(cè)刀架與否抬起日勺裝置。其軸日勺直徑為d=18mm,其長(zhǎng)

度為/=25.5〃切。其右端采用螺母定位，根據(jù)4_9日勺直徑選擇螺母日勺規(guī)格為

A/16xl.5,其基本尺寸為Dxdkxm=16mmxx6mm。因此4飛日勺直徑為

d=16mm,為了防止螺母的)松動(dòng)，采用雙螺母定位，因此其長(zhǎng)度應(yīng)不小于2倍

螺母的寬度，取/=16.5〃〃〃，由于要在軸上加工睬紋因此要在軸時(shí)左端加工退刀

槽，其尺寸為〃x〃=1.5〃〃〃x\.5nun。

至此，已初步確定了軸的各段直徑和長(zhǎng)度(詳細(xì)尺寸見(jiàn)零件圖)。

②軸上零件口勺周向定位

齒輪和分度檢測(cè)套筒軸向定位均采用鍵聯(lián)接。4.7用A型平鍵，由［14］查

得A型平鍵截面48x5(GB1096—79)O由于軸要軸向移動(dòng)，因此鍵不僅要起周

向定位的作用、還要起導(dǎo)向的作用，因此鍵日勺長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)盡量獲得長(zhǎng)某些，綜合

考慮對(duì)應(yīng)軸日勺尺寸取其長(zhǎng)度為566加，同步為了保證齒輪與軸配合有良好的對(duì)稱(chēng)

中性，故選用齒輪輪轂與軸的配合為“7/g6；同樣，分度檢測(cè)套筒與軸的聯(lián)接,

選用A型平鍵為4儀4(GB1096—79),鍵長(zhǎng)為46帆加。分度檢測(cè)套筒軸與軸

酉己合為〃7/g6。

③確定軸上圓角和倒角尺寸

參照［4］15—2,除安裝齒輪右端的倒角為0.5x45,其他軸端倒角均為1x45。

2.4.3校核鍵的)強(qiáng)度

由于主軸上只有痣.7的鍵才承受轉(zhuǎn)矩，因此只需對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核

據(jù)［3］103頁(yè)公式6—1和104頁(yè)表6—2得

聯(lián)接齒輪鍵的強(qiáng)度校核

二27x10,二2x3.84x10'

哪"kid_05x4x(20-8)x25

=\2.SMPa<［外］=\20MPa

符合強(qiáng)度規(guī)定。

2.5共軻分度凸輪機(jī)構(gòu)基本參數(shù)確實(shí)定

2.5.1共鞭分度凸輪日勺簡(jiǎn)介

共加分度凸輪機(jī)構(gòu)用于兩平行軸間H勺間歇運(yùn)動(dòng)。規(guī)定在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不能有

沖擊，旋轉(zhuǎn)時(shí)不顫動(dòng)，并且定位要精確可靠。在保證使用性能H勺前提下，要合

理提高間歇運(yùn)動(dòng)日勺轉(zhuǎn)速，發(fā)揮設(shè)備效能，提高生產(chǎn)效率。比較目前應(yīng)用H勺各分

度機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺陷：槽輪機(jī)構(gòu)與凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)沖擊力大，弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)加工

難度大、成本高；共輾分度凸輪機(jī)構(gòu)定位精確、轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，通過(guò)度析確定選用

共挽分度凸輪作為實(shí)現(xiàn)精確分度日勺主機(jī)構(gòu)。

積極凸輪由前后兩片盤(pán)形凸輪構(gòu)成，這兩片凸輪在制造時(shí)輪廓形狀完全相

似，安裝時(shí)使前后再片成鏡像對(duì)稱(chēng)，錯(cuò)開(kāi)一定的相位角。從動(dòng)端為裝著兩排滾

子日勺從動(dòng)盤(pán)，如圖2.6所示，前排的滾子和凸輪輪廓線表達(dá)，后排日勺滾子和凸輪

用虛線表達(dá)。在一種運(yùn)動(dòng)周期中，每個(gè)凸輪都要依次推進(jìn)若干個(gè)滾子，一段接

一段推進(jìn)對(duì)應(yīng)的滾子完畢各自的角位移，因此每個(gè)凸輪輪廓曲線都是由幾段曲

線組合而成日勺。

2.5.2共聊分度凸輪重要運(yùn)動(dòng)參數(shù)日勺選擇計(jì)算”刀

名稱(chēng)單位選擇計(jì)算和闡明

凸輪轉(zhuǎn)速n\00rpm凸輪持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)

轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)一周停歇次數(shù)/‘根據(jù)分度需要選擇/=4

機(jī)構(gòu)頭數(shù)〃選擇〃一2

轉(zhuǎn)盤(pán)滾子數(shù)z根據(jù)轉(zhuǎn)位的角度取Z=8

凸輪分度期轉(zhuǎn)位角力()根據(jù)停歇時(shí)間盡量大口勺特點(diǎn)，選擇〃=16。

凸輪停歇期轉(zhuǎn)位角斗()%=360-160=200

凸輪角位移。()一般以凸輪分度期轉(zhuǎn)角開(kāi)始處作為6=0

轉(zhuǎn)盤(pán)分度期轉(zhuǎn)位角%()

(pf=2x45=90

工作特性系數(shù)KK=%/(360/)=0.8

2.5.3共聊分度凸輪重要幾何尺寸確定

①中心距確實(shí)定：根據(jù)齒輪箱構(gòu)造實(shí)際狀況選擇乙=1006機(jī)。

②轉(zhuǎn)盤(pán)日勺節(jié)圓半徑/確實(shí)定：先按構(gòu)造條件選定/=38〃〃〃，

6>)(///=16072=80，按［14］中圖4284查得能形成凸輪輪廓線的(//。皿=0.38現(xiàn)

(7/￡)=038,故知可用。再/=4,(〃—)=0.38,按［14］中圖4-2-85查得不會(huì)

發(fā)生自交現(xiàn)象的(%)向=15(),目前烏=160,故知合格。又Z=8,(//￡)=0.38,

［14］中圖4-2-86查得品僦=55,在許用范圍內(nèi)，故知可用。

③轉(zhuǎn)盤(pán)的基準(zhǔn)起始位置角。=180/Z=180/8=22.5，。是轉(zhuǎn)盤(pán)上滾子中

心與轉(zhuǎn)盤(pán)軸心間的徑向連線與中心距連線這間的夾角。

④凸輪日勺基準(zhǔn)起始向徑4=(/?+/2_2〃COS〃嚴(yán)=32.64〃?〃?，一是轉(zhuǎn)盤(pán)在

基準(zhǔn)位置。處的凸分輪理論輪廓線向徑。

⑤凸輪的基準(zhǔn)起始位置角分二arcsin(/sin〃/R0)=12.63,夕是與。相對(duì)應(yīng)

的凸輪基準(zhǔn)起始向徑與中心距連心線這間的夾角。

⑥凸輪H勺基圓半徑r確實(shí)定：/-=￡-/=100-38=62/7W?O

⑦子半徑p確實(shí)定：p<(0.40.6)/sin(180/Z)=5.8w/n,取夕=5"皿，可

滿(mǎn)足規(guī)定。

⑧滾子寬度b確實(shí)定:b=(\1.4)p=1.2x6=7.2mm,選〃=8〃〃〃。

⑨前后兩片凸輪歐J安裝相位角a=360-160-2x12.63=174.74,0〃是

前后兩片凸輪在安裝時(shí)基準(zhǔn)起始向徑之間的夾角。

2.6端齒盤(pán)日勺選擇

端齒盤(pán)的簡(jiǎn)介

端齒盤(pán)又稱(chēng)多齒盤(pán)、細(xì)牙盤(pán)、鼠牙盤(pán)，是具有自動(dòng)定心功能的精密分度定

位元件，廣泛應(yīng)用于加工中心、柔性單元、數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床、測(cè)量?jī)x器、

多種高精度間歇式圓周分度裝置、多工位定位機(jī)構(gòu)以和其他需要分度的多種設(shè)

備上。如數(shù)控車(chē)床中多工位自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架、銃床和加工中心用的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和

其他分度裝置中都采用端齒盤(pán)作為精確定位元件。端齒盤(pán)實(shí)際上相稱(chēng)于一對(duì)齒

數(shù)相似MJ離合器,其嚙合過(guò)程與離合器MJ嚙合類(lèi)似0端齒盤(pán)MJ齒形有百齒和弧

齒兩種，直端面齒盤(pán)由于加工以便、定位精度高而最受歡迎。

端齒盤(pán)的特點(diǎn)

在分度定位裝置中，一般用端齒盤(pán)作為其精定位元件。它具有如下長(zhǎng)處：

①分度精度高，可高達(dá)01,實(shí)際分度誤差等于所有齒單個(gè)分度誤差的平均

值。

②精度日勺反復(fù)性和持久性好，反復(fù)定位精度可達(dá)0.2,由于工作時(shí)相稱(chēng)于

上下齒盤(pán)在不停地對(duì)研，因此使用越久，分度精度日勺反復(fù)性也就越好，并且精

度有也許提高。

③剛性好，因所有齒面同步參與嚙合，不管承受H勺是切向力、徑向力還是

軸向力，整個(gè)分度裝置形成一種良好的剛性整體。

④構(gòu)造緊湊，使用以便，這一點(diǎn)比其他高精定的分度裝置更為突出。

⑤維護(hù)簡(jiǎn)便，多次拆裝不影響其原有的精度。

基于端齒盤(pán)日勺用途和長(zhǎng)處，因此在本設(shè)計(jì)中選用直端齒盤(pán)作為自動(dòng)換刀系

統(tǒng)H勺定位元件。

2.6.3端齒盤(pán)重要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算

①齒數(shù)Z確實(shí)定

可根據(jù)定位規(guī)定，即需要日勺強(qiáng)度和精度來(lái)確定，并結(jié)合生產(chǎn)條件，齒數(shù)

z=80o

②端齒盤(pán)外徑4

重要由設(shè)計(jì)構(gòu)造所容許的空間范圍來(lái)確定C在構(gòu)造容許的狀況下，外徑越

大，分度或定位機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性越好。根據(jù)刀盤(pán)和主軸的尺寸確定外徑為

d=200〃”刀o

③端齒盤(pán)齒形角

選用時(shí)應(yīng)考慮作用在端齒盤(pán)上的負(fù)荷力矩M和鎖緊力N總的大小，如圖2.7

所示。將作用于齒盤(pán)上每齒的切向外力。和軸向鎖緊力N沿著齒面方向達(dá)行分

解，如圖2.8所示，應(yīng)滿(mǎn)足如下條件

圖2.7端齒盤(pán)受力圖圖2.8齒面上的切向外力和軸向鎖緊力

以

而

N總2M

N”Ncos犯,Q,=Qs吟，N=2=

022N~dz

則不等式變?yōu)?/p>

Ncos”>Qsin---

即

—^A^cos—>筌。，吟

2z2

圖2.9端齒盤(pán)剖視圖

最終得到

4Ma4x338.17“3

>-----tan—n=-------------tan30=3904.84N|161式(2.6)

d2().2

從式（2.6）可以闡明，在外載M不變時(shí)，齒形角劭越小，所需自鎖力N總

越小，即自變鎖性越強(qiáng)，但齒對(duì)應(yīng)深，齒厚變??；齒形角為越大，需要的鎖緊

力N總也越大,即承受外轉(zhuǎn)矩的能力下降，但齒高變低，端齒嚙合的高度下降，

構(gòu)造緊湊；同步也闡明了加大外徑d有助于提高端盤(pán)的承載能力。

v

圖2.10單齒俯視示意圖圖2.11單齒周向展開(kāi)示意圖

在選用時(shí)齒形隹為）時(shí)，應(yīng)綜合考慮作用在端齒盤(pán)上的負(fù)荷和鎖緊力日勺大

小，同步受齒形加工刀具日勺限制，現(xiàn)已原則化，一般取40、60、90等。本設(shè)

計(jì)取60齒形角。

④齒根角5（嚙合斜角）

為了保證在齒寬方向上口勺嚙合質(zhì)量，加工端齒時(shí)必須調(diào)整分度盤(pán)回轉(zhuǎn)中心線

和工作臺(tái)面傾斜角，即齒根或嚙合斜角6，以保證齒盤(pán)大端和小端日勺齒厚與齒槽

寬度相等。

由式齒數(shù)得

八360「

。=——=4.5

80

在圖2.10直角三角形中

0yd.0

sin—=-^―,yiyy=—sin—

2d222

在圖2.11直角三角形中

^/sin-

)

tan,貝I」H二'_2

2Htan%2lan%

22

在圖2.12直角三角形中

tan/」

d/2d

將”代入此式得:

.e

sin—

1現(xiàn)sin圖㈣

tand=-------—=-cot式(2.7)

22z

2tan—

2

式（2.7）即為齒根角3日勺計(jì)算公式。

因止匕tan6=—sin=0.034

2z

得5=@儂2狙0.()34=1.95

⑤最大齒距（周節(jié)）/和最大齒厚8

齒厚沿著徑向向中心逐漸縮小，在沿圓周展開(kāi)方向上（如圖2.13所示），根

據(jù)圓周計(jì)算公式，最大齒距（周節(jié)）/和最大齒厚8分別為

圖2.13沿周向展開(kāi)日勺齒面三角形

t=7id/z

B=t/2

⑥齒頂高和嚙合高度

齒頂高就是嚙合平面到齒頂?shù)淖畲缶嚯x，在如圖2.13所示的由齒廓展開(kāi)圖

形成的直角三角形中l(wèi)an（即/2）=〃2斤，而齒頂高力一般取三角形高度”的

1/2.5,即”=2.5〃，得到齒頂高力的計(jì)算公式為

h=----------——=2。。"=2.72〃/⑹式（2.9）

5tan等5ztan等5x80x—

223

上下端齒的嚙合高度為2/2=2x2.72=5.44〃,〃，端齒在旋轉(zhuǎn)時(shí)H勺脫齒高度應(yīng)

不小于嚙合高度2〃,則取活塞軸向移運(yùn)距離為6.5〃〃〃。

⑦齒寬（徑向）F

因所有的端齒同步嚙合，故一般不必通過(guò)增長(zhǎng)齒形的徑向?qū)挾菷來(lái)增長(zhǎng)強(qiáng)

度，尸一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用，一般取

F=2t?3t

常在10mm30fmz范圍內(nèi)。

⑧齒底槽寬和齒頂寬

為了保證齒盤(pán)工作時(shí)各個(gè)端齒能很好日勺嚙合，常在齒底加工一定寬度和深

度的槽，即齒底槽，并將齒頂做成一定寬度的小平面，如圖2.13所示。齒底槽

寬〃常取

/?<0.2^-J/z

齒底槽的作用是：a.加工齒形時(shí)H勺退刀槽：b.嚙合時(shí)齒頂不會(huì)碰到齒底,

同步還可容納落入嚙面日勺臟物，保證齒面嚙合質(zhì)量；C.使每個(gè)端齒在嚙合過(guò)程

中產(chǎn)生一定的彈性，嚙合時(shí)先接觸的齒產(chǎn)生彈性退讓變形，使嚙合面積增大，

有助于深入提高分度精度。

2.6.4螺栓組強(qiáng)度校核

在自動(dòng)換刀系統(tǒng)中重要是端齒盤(pán)承受切削力，因此固定端齒盤(pán)的螺栓需進(jìn)

行強(qiáng)度校核。此外聯(lián)結(jié)刀盤(pán)與主軸的螺栓也要承受較大日勺預(yù)緊力，因此也需進(jìn)

行強(qiáng)度校核。端齒盤(pán)與刀盤(pán)日勺聯(lián)結(jié)均采用一般螺栓組聯(lián)結(jié)，選擇螺栓的性能等

級(jí)為4.8,螺栓的日勺型號(hào)為"6x1,由［7］查得其最小直徑為4.917〃"〃。由⑹

查得屈服極限為320M7即［b|=320MA每組螺栓日勺數(shù)目為6個(gè)，靠聯(lián)接預(yù)

緊后在接合而間產(chǎn)生的摩擦力矩來(lái)抵御轉(zhuǎn)矩T。假設(shè)各螺栓日勺預(yù)緊程度相似，即

各螺栓日勺預(yù)緊力均為F,則各螺栓聯(lián)接處產(chǎn)生的I摩擦力均相等，并假設(shè)此摩擦力

集中作用在螺栓中心處。為制止接合面發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，各摩擦力應(yīng)與各螺栓的

軸線到螺栓組對(duì)稱(chēng)中心的連線相垂直。根據(jù)作用在底板上日勺力矩平衡和聯(lián)接強(qiáng)

度日勺條件，應(yīng)有

nfF.r>kJ

即

玲=勺工⑹式(2.10)

nfr

式中：一一/接合面的摩擦系數(shù)；由［14］查得為0.15；

-一，?為螺栓到圓心日勺距離；

〃螺栓數(shù)目為6；

&防滑系數(shù)為1.2；

①端齒盤(pán)螺栓強(qiáng)度的校核

將數(shù)據(jù)代入式2.10得

二12x190.94=3636.95N

°6x0.15x0.07

由強(qiáng)度校核公式得

_1.3x3636.95x4

=248.99MP,<[(T]=320ME,

色笛1x(4.917x10-3)2

端齒盤(pán)螺栓強(qiáng)度服合規(guī)定。

②刀盤(pán)螺栓強(qiáng)度的校核

將數(shù)據(jù)代入式2.10得

"舟磊1=2499.78'

由強(qiáng)度校核公式得

1.3R1.3x2499.78x4…

=——=------------=171.14W?<crl=320M與

兀*4x(497x10-3)2“L」“

41

刀盤(pán)螺栓強(qiáng)度服合規(guī)定。

2.7液壓缸日勺構(gòu)造和重要尺寸的設(shè)計(jì)

根據(jù)自動(dòng)換刀系統(tǒng)日勺形式和液壓缸日勺安裝方式確定液壓缸口勺構(gòu)造。其構(gòu)造

為圓柱形，中間開(kāi)孔安裝刀盤(pán)主軸。考慮到液壓缸的I制造和安裝口勺以便，將液

壓缸制成可拆分的構(gòu)造，其配合處用密封圈密封。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取液壓缸日勺壁厚

為10〃〃〃，由于液壓缸要用螺栓聯(lián)結(jié)在自動(dòng)換刀的箱體上，因此其螺紋聯(lián)結(jié)處日勺

壁厚要增長(zhǎng)，取其壁厚為16〃〃〃。為便于液壓油的進(jìn)入，在液壓缸日勺左端和活塞

的左端設(shè)計(jì)一凸臺(tái)。考慮到液壓缸口勺尺寸大小和進(jìn)油等狀況取油口的尺寸為

姬〃由于無(wú)法直接形成彎曲日勺油孔，因此必須鉆一通孔，孔的外部用沉頭螺

釘堵孔，螺釘?shù)男吞?hào)為M6x0.8,其長(zhǎng)度為5,〃加。液壓缸構(gòu)造圖如下：

圖2.14液壓缸示意圖

2.8箱體日勺基本形狀和尺寸確實(shí)定

由于箱體的左端要承受切削力，因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取其壁厚為60〃"〃。其他壁所

受日勺力較小，參照其他換刀系統(tǒng)的箱體的設(shè)計(jì)，取其壁厚為10〃〃〃?？紤]到內(nèi)部

各零件的尺寸和安裝狀況，取箱體的長(zhǎng)度為210〃加、寬度為247m帆、高度為

435m加。為便于箱體中零件日勺安裝以便，右端采用可拆分的蓋板通過(guò)螺栓聯(lián)結(jié),

由于其上還要安裝液壓馬達(dá)，因此其厚度應(yīng)對(duì)應(yīng)日勺增長(zhǎng)，取其厚度為20〃〃〃。刀

盤(pán)日勺壓緊采用的是液壓缸壓緊的方式，因此要在箱體上鉆油孔，充足考慮換刀

的速度和參照其他日勺換刀系統(tǒng)油孔日勺直徑，取其直徑為5mm。油孔的布置為垂

直于安裝平面向下打通孔，將油路布置在換刀系統(tǒng)日勺下方。安裝平面要進(jìn)行機(jī)

械加工，為了減少加工的工作量，應(yīng)在安裝面上開(kāi)槽，因此其厚度也應(yīng)增長(zhǎng)為

17〃〃〃?？紤]到要在安裝平面上布置油路且油管日勺直徑為5〃m，因此開(kāi)槽的深

度為7〃"72,槽的）寬度為311〃掰2（詳細(xì)尺寸見(jiàn)零件圖）。

2.9液壓馬達(dá)和靠近開(kāi)關(guān)的）選擇

液壓馬達(dá)的選擇

根據(jù)［14］軸向柱塞馬達(dá)知其構(gòu)造緊湊，徑向尺寸小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，轉(zhuǎn)速較

高負(fù)載大，有變速規(guī)定，負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小，低速平穩(wěn)性規(guī)定高。軸向柱塞馬達(dá)重

要應(yīng)于起重機(jī)、欽車(chē)、內(nèi)燃機(jī)、數(shù)控機(jī)床、行走機(jī)械等。由于具有以上這些長(zhǎng)

處，因此在換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中選用向柱塞馬達(dá)，結(jié)合本設(shè)計(jì)的詳細(xì)狀況選擇向

柱塞馬達(dá)IKJ型號(hào)為朋/,35。其基本參數(shù)如下：

幾何排量10.55mL?r~]

最高轉(zhuǎn)速3600fin”

最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速100r?min-1

加速度2r.r2

最圖_L作壓力20.7MP

最大輸出轉(zhuǎn)矩31N*m

重量5kg

靠近開(kāi)關(guān)的選擇

換刀系統(tǒng)靠近開(kāi)關(guān)日勺選擇重要取決于換刀系統(tǒng)的構(gòu)造、尺寸和檢測(cè)精?度。

根據(jù)換刀系統(tǒng)的以上規(guī)定選擇靠近開(kāi)關(guān)日勺型號(hào)為L(zhǎng)B08-2K。其重要參數(shù)如下:

基本尺寸M5

檢測(cè)距離0.8nlm±20%

設(shè)定距離0~0.5mm

回差值不不小于檢測(cè)距離的10%

原則檢測(cè)體5X5X1鐵

工作電壓10-3VD

響應(yīng)頻率1000Hz

溫度范圍在-25℃至IJ+70C范圍內(nèi)

耐壓1500VAC50/601IZ一分鐘

抗振動(dòng)10-5511Z（周期每分鐘）復(fù)振幅1mm

2.10潤(rùn)滑劑日勺選擇

由干自動(dòng)換刀系統(tǒng)在T作時(shí)受力不大目不是長(zhǎng)時(shí)間丁作，因此軸承和齒輪

都選擇脂潤(rùn)滑。根據(jù)口4］查得潤(rùn)滑脂的型號(hào)如工：

軸承潤(rùn)滑脂采用滾動(dòng)軸承脂，原則號(hào)SH0386-1992,錐入度250-290、滴點(diǎn)

不低于120度，重要用于汽車(chē)、機(jī)車(chē)、電機(jī)和其他機(jī)械的滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑。

齒輪潤(rùn)滑脂采用7903號(hào)耐油密封潤(rùn)滑脂，原則號(hào)SH0011-1990,錐入度

55-70、滴點(diǎn)不低于250度，合用于T0T50度范圍的）多種機(jī)械設(shè)備、機(jī)床變速

箱等。

2.11壓力油的J規(guī)定

在安裝自動(dòng)換刀系統(tǒng)時(shí)為了保證端齒盤(pán)有充足的災(zāi)緊力，進(jìn)入換刀系統(tǒng)液

壓缸H勺壓力油H勺壓力必須到達(dá)一定H勺值。由于在切削時(shí)端齒盤(pán)所須日勺壓力為

32

3904.84N,液壓缸活塞與壓力油接觸的面積為3.23xlO-///o壓強(qiáng)為

P=3904.84/3.23x10-3=1.2MP,因此液壓系統(tǒng)所提供H勺壓力油的壓力必須不小

Fl.2MA

為了保證換刀的迅速性，必須使進(jìn)入液壓缸的壓力油有較快的速度。液壓

缸的體積大概為2.2x10-5],且由于油管的直徑為5〃〃％。要使活塞在0.35內(nèi)移

動(dòng)到位，進(jìn)入液壓缸的壓力油的I速度為

2.2x10-52.2x10-5

V=-----------=--------------------------=3.73m/s。

7ir~t0.3X.7CX(2.5x10-3)2

因此進(jìn)入液壓缸的壓力油的速度應(yīng)不小于3.73m/一

3PLC控制硬件設(shè)計(jì)

3.1換刀系統(tǒng)日勺工作原理

要對(duì)數(shù)控?fù)Q刀系統(tǒng)進(jìn)行控制，首先要對(duì)換刀系統(tǒng)的換刀過(guò)程有充足H勺理解。

根據(jù)前面確定跖工尺寸畫(huà)出刀架構(gòu)造示意圖如下:

?

=

幺

圖3.1刀架構(gòu)造示意圖

如圖3.1所示,該回轉(zhuǎn)刀架的夾緊與松開(kāi)、刀盤(pán)的轉(zhuǎn)位均由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，

PLC次序控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，10是安裝刀具的刀盤(pán)，它與刀架主軸5固定連接。當(dāng)?shù)?/p>

架主軸5帶動(dòng)刀回旋轉(zhuǎn)時(shí)，其上的鼠牙盤(pán)12和固定在刀架上叫鼠牙盤(pán)9脫開(kāi)，

旋轉(zhuǎn)到指定刀位后，刀盤(pán)的定位由鼠牙盤(pán)的嚙合來(lái)完畢。

活塞8支承在一對(duì)推力軸承6和11和滾針軸承7上，它可以通過(guò)推力軸承

帶動(dòng)刀架主軸移動(dòng)。當(dāng)接到換刀指令時(shí)，活塞8和軸5在壓力油的推進(jìn)下左移

動(dòng)，當(dāng)左移到位后靠近開(kāi)關(guān)PRS5確認(rèn)并向系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，左移停止。這樣使鼠

牙盤(pán)12與9脫開(kāi)，液壓馬達(dá)2啟動(dòng)帶動(dòng)平板共姬分度凸輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)齒輪3帶

動(dòng)刀架主軸和刀回旋轉(zhuǎn)。刀回旋轉(zhuǎn)的精確位置，通過(guò)靠近開(kāi)關(guān)PRS1、PRS2、PRS3、

PRS4的通斷組合來(lái)檢測(cè)確認(rèn)。當(dāng)?shù)痘匦D(zhuǎn)到指定H勺刀位后，向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出信

號(hào)，指令液壓馬達(dá)停轉(zhuǎn)，這時(shí)壓力油推進(jìn)活塞8向右移動(dòng)，使鼠牙盤(pán)12和9嚙

合，刀盤(pán)被定位夾緊后壓力繼電器向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，于是刀架日勺轉(zhuǎn)位換刀

循環(huán)完畢。

在機(jī)床自動(dòng)工作狀態(tài)下，當(dāng)接受到換刀日勺刀號(hào)后，數(shù)控系統(tǒng)可以通過(guò)內(nèi)部

的運(yùn)算判斷，實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)就近轉(zhuǎn)位換刀，即刀盤(pán)可正轉(zhuǎn)也可反轉(zhuǎn)。但當(dāng)手動(dòng)操作

機(jī)床時(shí)，從刀盤(pán)方向觀測(cè)，只容許刀盤(pán)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)換刀。

3.2PLC簡(jiǎn)介

可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作口勺電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)

計(jì)『、Jc它采用一類(lèi)可編程的存儲(chǔ)器,用干其內(nèi)皆存儲(chǔ)程序.執(zhí)行邏輯運(yùn)算，次序

控制，定期，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向顧客口勺指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸

出控制多種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊炭刂破骱推溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都按易

于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一種整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)?？删幊绦蚩刂?/p>

器是一種面向生產(chǎn)過(guò)程控制口勺數(shù)字電子裝置，它具有控制能力強(qiáng)、操作以便靈

活、價(jià)格廉價(jià)、可靠性高等特點(diǎn)。它不僅可以取代老式的繼電器控制系統(tǒng)，還

可構(gòu)成復(fù)雜日勺工業(yè)過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)，是一種適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展H勺新型控制器。

總之，可編程控制器是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，它是專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造H勺

計(jì)算機(jī)。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。但可編程控

制器產(chǎn)品并不針對(duì)某一詳細(xì)工業(yè)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，其硬件需根據(jù)實(shí)際需要

進(jìn)行選用配置，其軟件需根據(jù)控制規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)編制。

3.2.1PLC的分類(lèi)

①根據(jù)1/0點(diǎn)數(shù)分類(lèi)

PLC的)輸入、輸出點(diǎn)數(shù)表明PLC可以從外部接受多少個(gè)輸入量和向外部輸出

多少個(gè)輸出量。實(shí)際上也就是PLC日勺輸入、輸出端子數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，點(diǎn)數(shù)多的PLC,

功能也對(duì)應(yīng)較強(qiáng)。

1)I/O點(diǎn)數(shù)(總數(shù))在256點(diǎn)如下的稱(chēng)為小型機(jī)，一般只有邏輯運(yùn)算、定期、

計(jì)數(shù)、移位等功能，合用于開(kāi)關(guān)量日勺控制，可用它實(shí)現(xiàn)條件控制、定期/計(jì)數(shù)控

制、次序控制等。有些小型機(jī)，如0MR0N的IP型機(jī)、三菱的JF1系列PLC、西門(mén)子的I

S7系列PLC等增長(zhǎng)了某些算術(shù)運(yùn)算和模擬量處理功能，以適應(yīng)更廣泛的需要。

2)I/O點(diǎn)數(shù)在256點(diǎn)至1024點(diǎn)之間日勺，稱(chēng)為中型機(jī)，它除了具有邏輯運(yùn)算

功能，還增長(zhǎng)了模擬量處理、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)通訊等功能，可完畢

既有開(kāi)關(guān)量、又有模擬量的復(fù)雜控制。

3)I/O點(diǎn)數(shù)在1024點(diǎn)以上時(shí)稱(chēng)為大型機(jī)，其功能愈加完善，具有數(shù)據(jù)處理、

模擬調(diào)整、聯(lián)網(wǎng)通訊、監(jiān)視、記錄、打印等功能，可以進(jìn)行中斷控制、智能控

制、遠(yuǎn)程控制等，可用于大規(guī)?？谏走^(guò)程控制，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)或整個(gè)工廠

的集成系統(tǒng)。

②根據(jù)構(gòu)造、形狀分類(lèi)

從構(gòu)造和形狀上看，PLC可分為整體式和模塊式兩種。一般的小型機(jī)多為整體式

構(gòu)造。這種構(gòu)造的PLC,其電源、CPUoI/O部釁等都集中配置在一起，有的甚

至所有裝在一塊印刷電路板上，構(gòu)造緊湊、體積小、重量輕、價(jià)格低、輕易裝

配在工業(yè)控制設(shè)備的內(nèi)部，比較適合于生產(chǎn)設(shè)備的單機(jī)控制。整體式PLC的缺陷

是主機(jī)H勺I/O點(diǎn)數(shù)固定，使用不夠靈活，維修也不以便。模塊式結(jié)構(gòu)歐JPLC各

部分以單獨(dú)日勺模塊分開(kāi)設(shè)置，如電源模塊、CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和其

他高機(jī)能模塊等。這種PLC一般由機(jī)架底板聯(lián)結(jié)各模塊（也有日勺PLC為串行聯(lián)接，

沒(méi)有底板），底板上有苦干插座，使用時(shí)，多種模塊直接插入機(jī)架底板即可。這

種構(gòu)造日勺PLC配置靈活、裝配以便、易于擴(kuò)展，可根據(jù)控制規(guī)定靈活配