第1章緒論1.1研究背景及意義近些年來(lái),隨著中央政府推出一系列文件政策來(lái)促進(jìn)我國(guó)制造業(yè)以及數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，例如《中國(guó)制造2025》文件的發(fā)布，給我國(guó)機(jī)械技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了源源不斷的動(dòng)力。各地在大力發(fā)展智能機(jī)械加工技術(shù)的過(guò)程中，一直堅(jiān)持速度、質(zhì)量、品質(zhì)全面發(fā)展[1-2]。在制造業(yè)產(chǎn)品朝著多樣化、個(gè)性化發(fā)展的趨勢(shì)下，加工工藝愈發(fā)復(fù)雜，往往需要在一次裝夾過(guò)程中運(yùn)用銑削、鉆孔、鏜削、攻絲等多種切削方式，這就使得加工過(guò)程中對(duì)不同類(lèi)型刀具的切換使用頻率大幅增加，這種變化對(duì)刀庫(kù)的刀具存儲(chǔ)容量、換刀速度以及刀具管理的智能化水平提出了更高要求。斗笠式刀庫(kù)作為數(shù)控機(jī)床里的核心功能部件，其研發(fā)源于現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)高效加工、柔性生產(chǎn)的急切需求，在航空航天、新能源汽車(chē)等對(duì)零件加工精度與效率要求極高的領(lǐng)域，傳統(tǒng)鏈?zhǔn)降稁?kù)逐步顯露出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、換刀時(shí)間長(zhǎng)（大多超過(guò)10秒）、空間利用效率低等問(wèn)題，很難跟上高速加工的需求。20世紀(jì)90年，日本大隈公司最早推出斗笠式刀庫(kù)，該刀庫(kù)運(yùn)用回轉(zhuǎn)刀盤(pán)跟氣缸驅(qū)動(dòng)相聯(lián)合的復(fù)合運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，把換刀所需時(shí)間縮短至3秒以?xún)?nèi)，此刀庫(kù)的空間占用率下降了40個(gè)百分點(diǎn)，可支持多把刀具進(jìn)行快速切換，成為中小型數(shù)控加工中心的核心構(gòu)成[3]。按照國(guó)際生產(chǎn)工程科學(xué)院（CIRP）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，采用斗笠式刀庫(kù)可明顯提高機(jī)床的有效利用率，降低單個(gè)零件加工費(fèi)用，它的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在換刀既快速又精準(zhǔn)的能力上——在批量生產(chǎn)期間，多次進(jìn)行刀具更換是影響生產(chǎn)效率的關(guān)鍵要點(diǎn)，而斗笠式刀庫(kù)經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)讓換刀速度和可靠性得到提高，切實(shí)降低了機(jī)床的停機(jī)時(shí)長(zhǎng)，維護(hù)了加工過(guò)程的連貫狀態(tài)，由此明顯提升單位時(shí)間內(nèi)零件的加工數(shù)量，這種技術(shù)優(yōu)勢(shì)不僅契合了制造業(yè)對(duì)高效生產(chǎn)的迫切訴求，同樣成為企業(yè)增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要技術(shù)倚靠。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1加工中心及刀庫(kù)分類(lèi)加工中心作為帶有刀庫(kù)且能自動(dòng)換刀的多工序加工數(shù)控機(jī)床[4]，在以提高加工效率為目的的背景下應(yīng)運(yùn)而生，主要包括車(chē)銑削以及鉆削加工中心等[5]。這類(lèi)機(jī)床在加工過(guò)程中需要有刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置，以便選用不同的刀具，完成不同工序的加工工藝。加工中心(Machiningcenter)簡(jiǎn)稱(chēng)MC。它首次出現(xiàn)在1958年，當(dāng)時(shí)美國(guó)的K&T公司把車(chē)、鉆、銑等多道工序集中于一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上，通過(guò)換刀方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工，成為世界上第一臺(tái)加工中心。該產(chǎn)品的出現(xiàn)使得數(shù)控機(jī)床頻繁更抉刀具的問(wèn)題得到了極大解決，極大地提高了生產(chǎn)效率。產(chǎn)品剛一問(wèn)世，便銷(xiāo)路驚人，引起了日、美、德、英、法、意等先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的高度重視，竟相開(kāi)發(fā)生產(chǎn)。不斷擴(kuò)展和完善機(jī)床的功能，如今，它已成為數(shù)控機(jī)床中發(fā)展最快，需求量最大的商品之一[6]。圖1.1斗笠式刀庫(kù)加工中心刀庫(kù)作為加工中心的重要組成部分，也隨著加工中心枝術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展[7]。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)國(guó)外多年的發(fā)展，刀庫(kù)從最初的只能儲(chǔ)存幾把刀的簡(jiǎn)易機(jī)構(gòu)，發(fā)展成了種類(lèi)繁多、特性各異的系列功能部件。在實(shí)際生產(chǎn)生活中，根據(jù)刀具的數(shù)量及刀庫(kù)的換刀方式的不同，目前市場(chǎng)上主要的刀庫(kù)產(chǎn)品可以分為四大類(lèi)：轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)、圓盤(pán)式刀庫(kù)、鏈?zhǔn)降稁?kù)、斗笠式刀庫(kù)[8]。轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)?：采用旋轉(zhuǎn)塔形結(jié)構(gòu)，刀具容量?。?~24把），換刀速度極快（0.5~2秒），結(jié)構(gòu)緊湊且維護(hù)簡(jiǎn)單，減少了換刀時(shí)間并提高了加工效率，適合高速加工和小型加工中心（如鉆攻中心）。其缺點(diǎn)是刀具容量和尺寸受限，無(wú)法支持大直徑刀具，并且故障率較高，利用率較低，因此適用于高頻率換刀但工序簡(jiǎn)單的場(chǎng)景。盤(pán)式刀庫(kù)?：圓盤(pán)上刀具呈放射狀排布，容量為中等規(guī)模，換刀速度挺快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易且成本恰當(dāng)，頻繁應(yīng)用于中小型通用數(shù)控機(jī)床，劣勢(shì)是擴(kuò)展性差，占用空間也大，符合中等批量的加工要求，在速度跟容量之間達(dá)成均衡。鏈?zhǔn)降稁?kù)?：依靠鏈條將刀具串聯(lián)，其容量極大，擴(kuò)展性良好，可容納大尺寸刀具，不過(guò)換刀速度偏慢，維護(hù)成本高昂，主要用于大型加工中心以及復(fù)雜多工序的加工，適配需大量刀具的重型機(jī)床以及長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)操作的作業(yè)場(chǎng)景。斗笠式刀庫(kù)?：斗笠式刀庫(kù)以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低作為核心長(zhǎng)處，憑借氣缸或液壓驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)整體移動(dòng)實(shí)現(xiàn)換刀操作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本實(shí)惠且維護(hù)省心，十分適合中小型加工中心；即便換刀速度較慢，但其布局緊湊且具有高穩(wěn)定性，與中低速、多品種的中小批量生產(chǎn)場(chǎng)景高度契合，綜合的性?xún)r(jià)比可觀(guān)。?轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)?盤(pán)式刀庫(kù)?鏈?zhǔn)降稁?kù)?斗笠式刀庫(kù)圖1.2常見(jiàn)刀庫(kù)分類(lèi)1.2.2國(guó)外研究概況當(dāng)今世界，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)機(jī)床工業(yè)高度重視，競(jìng)相發(fā)展機(jī)電一體化、高精、高效、自動(dòng)化先進(jìn)機(jī)床，以加速工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。長(zhǎng)期以來(lái)，歐、美、亞在國(guó)際市場(chǎng)上相互展開(kāi)激烈競(jìng)爭(zhēng)，已形成一條無(wú)形戰(zhàn)線(xiàn)，特別是隨微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床在20世紀(jì)80年代以后加速發(fā)展，各方用戶(hù)提出更多需求，早已成為四大國(guó)際機(jī)床展上各國(guó)機(jī)床制造商競(jìng)相展示先進(jìn)技術(shù)、爭(zhēng)奪用戶(hù)、擴(kuò)大市場(chǎng)的焦點(diǎn)。中國(guó)加入WTO后，正式參與世界市場(chǎng)激烈競(jìng)爭(zhēng)，今后如何加強(qiáng)機(jī)床工業(yè)實(shí)力、加速數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實(shí)是緊迫而又艱巨的任務(wù)[9]。國(guó)外對(duì)加工中心斗笠式刀庫(kù)的研究起步較早，尤其在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、動(dòng)力學(xué)分析與智能化控制領(lǐng)域成果顯著，代表性進(jìn)展如下：1.刀庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化2015年德國(guó)設(shè)計(jì)出模塊化斗笠式刀庫(kù)，以分體式刀盤(pán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速擴(kuò)大容量，刀具的容納數(shù)量從12刀提升至24刀，刀盤(pán)剛度往上提升了18%。2016年日本面對(duì)刀盤(pán)振動(dòng)這一問(wèn)題，推出雙阻尼器耦合減振舉措，在刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)軸跟支撐座彼此之間增設(shè)粘彈性阻尼層，換刀過(guò)程里振動(dòng)幅值減少了40個(gè)百分點(diǎn)，且憑借實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其耐久性。2020日本采用了磁懸浮刀套的定位技術(shù)，借助電磁力動(dòng)態(tài)改變刀具的夾持位置，實(shí)現(xiàn)了±0.003mm的定位精度，消除了傳統(tǒng)機(jī)械定位的磨損困擾。2.動(dòng)力學(xué)與可靠性研究2017美國(guó)基于A(yíng)DAMS多體動(dòng)力學(xué)仿真，優(yōu)化刀盤(pán)加速曲線(xiàn)，將換刀時(shí)間從3.2秒縮短至2.5秒，同時(shí)降低電機(jī)峰值負(fù)載15%。為了計(jì)算加工參數(shù)，Mazzuchi等人基于泰勒公式，建立了數(shù)控機(jī)床的刀具可靠性的模型，將吃刀量、切削速度以及切削深度考慮到模型里，該模型計(jì)算簡(jiǎn)便，然而只局限于統(tǒng)計(jì)模型[10]。德國(guó)的數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠(chǎng)商注重整理用戶(hù)的故障反饋信息，建立了機(jī)床診斷與預(yù)測(cè)系統(tǒng)，并建立了可靠性保障體系，加拿大口對(duì)機(jī)床的主軸在穩(wěn)態(tài)以及瞬態(tài)下的可靠性進(jìn)行了估計(jì)，研究了動(dòng)力學(xué)與可靠性的相關(guān)性[11]。3.智能化控制技術(shù)2021年，瑞士開(kāi)發(fā)出依托工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的刀庫(kù)健康管理系統(tǒng)，憑借傳感器數(shù)據(jù)預(yù)判刀具磨損及刀庫(kù)故障，維護(hù)成本降低至原有的78%。2022年，意大利將人工智能算法添加進(jìn)換刀邏輯里，采用歷史數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)來(lái)優(yōu)化刀具調(diào)用的順序，換刀效率上揚(yáng)了12%，尤其適合小批量多品種的生產(chǎn)條件。國(guó)外研究趨勢(shì)：國(guó)外研究把重點(diǎn)集中到了輕量化材料、主動(dòng)減振技術(shù)和智能化運(yùn)維上，但高精度刀庫(kù)技術(shù)依舊受專(zhuān)利壁壘的約束，且此項(xiàng)成本較高。1.2.3國(guó)內(nèi)研究概況國(guó)內(nèi)研究起步較晚，但近年來(lái)通過(guò)產(chǎn)學(xué)研合作取得局部突破，主要進(jìn)展如下：1.結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與優(yōu)化2018年華中科技大學(xué)借鑒蜂巢仿生學(xué)原理，設(shè)計(jì)鋁合金蜂窩夾層刀盤(pán)，在相同剛度下質(zhì)量減少20%，并通過(guò)疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證其10萬(wàn)次循環(huán)壽命。2020年哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出雙凸輪-滾子定位機(jī)構(gòu)，優(yōu)化凸輪輪廓曲線(xiàn)，換刀重復(fù)定位精度達(dá)±0.01mm，已應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)VMC650系列加工中心。圖1.3VMC650加工中心2021年沈陽(yáng)機(jī)床推出分層可擴(kuò)展式斗笠刀庫(kù)，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)12~18刀靈活配置，但高速換刀時(shí)振動(dòng)幅值達(dá)0.05mm，仍需進(jìn)一步優(yōu)化。2.自動(dòng)換刀穆德敏[12]等人在《新型全自動(dòng)落地式刀庫(kù)》中提出了一種適用于空間緊湊工況的落地式刀庫(kù)設(shè)計(jì)方案，采用固定落地式布局和刀盤(pán)-槽輪組合結(jié)構(gòu)，通過(guò)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)、氣缸帶動(dòng)刀套組件上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝便捷、換刀效率高（實(shí)測(cè)換刀時(shí)間2.3秒，優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)）等特點(diǎn)，經(jīng)48小時(shí)無(wú)故障運(yùn)行測(cè)試驗(yàn)證了其穩(wěn)定性和可靠性。曹東級(jí)[13]等人在《基于PLC的刀庫(kù)自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》中，針對(duì)圓盤(pán)式刀庫(kù)開(kāi)發(fā)了以三菱FX系列PLC為核心的控制系統(tǒng)，通過(guò)優(yōu)化外圍電路提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，可完成刀具識(shí)別、路徑規(guī)劃及故障自診斷功能，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)響應(yīng)迅速、控制精度高，滿(mǎn)足數(shù)控加工中心的高效換刀需求。蔣繼紅[14]等人在《淺談基于PLC的刀庫(kù)自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》中進(jìn)一步探索PLC技術(shù)在刀庫(kù)控制中的應(yīng)用，針對(duì)江蘇德速智能工具公司的ADKY圓盤(pán)系列（BT40）刀庫(kù)，開(kāi)發(fā)了一套基于可編程控制器（PLC）的自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)。通過(guò)優(yōu)化控制邏輯，實(shí)現(xiàn)了刀具位置的精準(zhǔn)比對(duì)與最短路徑選刀，縮短了換刀時(shí)間；設(shè)計(jì)了刀套翻轉(zhuǎn)與機(jī)械手動(dòng)作的協(xié)同控制程序，確保換刀流程的連貫性與可靠性，并加入故障指示燈提升系統(tǒng)可維護(hù)性。范巍[15]在相關(guān)文獻(xiàn)《加工中心機(jī)械手自動(dòng)換刀的PLC程序設(shè)計(jì)》中，針對(duì)配備鏈?zhǔn)降稁?kù)的立式加工中心，參照換刀時(shí)序圖設(shè)計(jì)西門(mén)子S7-1200PLC梯形圖的程序，達(dá)成刀套翻轉(zhuǎn)以及機(jī)械手三位置（原點(diǎn)、松刀點(diǎn)、拉刀點(diǎn)）精準(zhǔn)定位的自動(dòng)化協(xié)同運(yùn)作，依靠I/O信號(hào)配置及傳感器反饋，制訂刀套氣動(dòng)控制與機(jī)械手電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯，經(jīng)HMI驗(yàn)證合乎時(shí)序要求，處理多機(jī)構(gòu)動(dòng)作協(xié)同難題，其模塊化設(shè)計(jì)可為同類(lèi)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供工程借鑒，提升換刀可靠性及適配的能力。郭佳樂(lè)[16]等相關(guān)學(xué)者在《高速切削加工中心刀庫(kù)自動(dòng)換刀系統(tǒng)的穩(wěn)定性?xún)?yōu)化與維護(hù)》之中，倡導(dǎo)采用磁力裝夾、真空吸附等新型的裝夾技術(shù)，引入伺服電機(jī)傳動(dòng)裝置把傳統(tǒng)齒輪傳動(dòng)替換掉，采用人工智能技術(shù)達(dá)成刀具智能選定與系統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，且借助數(shù)據(jù)分析工具對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行做優(yōu)化，為高速切削加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)和性能提高提供了有效舉措。研究趨勢(shì)：國(guó)內(nèi)研究把重點(diǎn)放在低成本結(jié)構(gòu)改進(jìn)及局部精度提高上，但在高動(dòng)態(tài)性能與系統(tǒng)集成創(chuàng)新方面依舊需要突破。1.3主要研究?jī)?nèi)容本研究聚焦于斗笠式刀庫(kù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，核心研究?jī)?nèi)容如下：1、刀庫(kù)傳動(dòng)系統(tǒng)槽輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)；2、刀盤(pán)的分析與設(shè)計(jì)；3、刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選用；4、確定傳動(dòng)軸尺寸以及軸承和聯(lián)軸器的選用，計(jì)算所能承受最大極限，判斷危險(xiǎn)截面以及校驗(yàn)強(qiáng)度；5、氣缸設(shè)計(jì)與校核6、根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)零件，按照計(jì)算所得的尺寸繪制裝配圖以及相關(guān)三維模型；1.4本章小結(jié)本章圍繞斗笠式刀庫(kù)的研究背景、國(guó)內(nèi)外發(fā)展形勢(shì)以及核心研究?jī)?nèi)容展開(kāi)探討，為全文打造理論框架并明確研究路徑，在研究背景跟意義這部分，參考數(shù)控機(jī)床朝高效化、智能化發(fā)展的走向，論證了斗笠式刀庫(kù)作為核心功能部件，對(duì)提升加工效率、精度和自動(dòng)化水平起到的關(guān)鍵作用；開(kāi)展針對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)性能的優(yōu)化性探究，對(duì)推動(dòng)國(guó)產(chǎn)數(shù)控裝備實(shí)現(xiàn)自主化具有重要的實(shí)際工程意義。第2章斗笠式刀庫(kù)總體設(shè)計(jì)方案2.1刀庫(kù)容量設(shè)計(jì)依據(jù)1.行業(yè)需求分析：對(duì)一家年產(chǎn)量50萬(wàn)件的汽車(chē)零部件制造企業(yè)加工工藝做統(tǒng)計(jì)，加工缸體、變速箱殼體等零件，需采用12-15種刀具，其余的刀位可用來(lái)儲(chǔ)備備用刀具或做特殊工序的拓展，16刀容量能覆蓋95%的該加工任務(wù)。2.國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)標(biāo)：按照ISO10791-7的規(guī)定，中小型加工中心的推薦刀具容量是12-24把，16刀設(shè)計(jì)與行業(yè)通用要求相契合，同時(shí)規(guī)避過(guò)度冗余造成的成本上揚(yáng)。2.2總體設(shè)計(jì)方案采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)槽輪機(jī)構(gòu)快速精確分度，槽輪主軸帶動(dòng)刀盤(pán)完成傳動(dòng)，刀具隨著刀盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)換到正確的位置。1.刀庫(kù)基座2.氣缸3.移動(dòng)底板4.伺服電機(jī)5.刀盤(pán)6.槽輪7.刀具圖2.1斗笠式刀庫(kù)三維裝配圖刀庫(kù)基座用于固定氣缸以及移動(dòng)底板的導(dǎo)軌，承受刀庫(kù)總體重量；氣缸與移動(dòng)底板共同帶動(dòng)刀庫(kù)向主軸方向移動(dòng)；伺服電機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)八槽輪機(jī)構(gòu)傳遞到刀盤(pán)；槽輪機(jī)構(gòu)為傳動(dòng)裝置，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)撥盤(pán)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)槽輪完成間歇式分度運(yùn)動(dòng)，但啟動(dòng)和停止時(shí)會(huì)產(chǎn)生劇烈磨損，因此要保證槽輪材料要有足夠的耐磨性。2.3傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，關(guān)乎機(jī)械設(shè)備動(dòng)力傳輸方式的選擇，對(duì)設(shè)備運(yùn)行效率與性能影響重大。本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以下是傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)方案比較：1.齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)通過(guò)齒輪嚙合傳遞動(dòng)力，具有高精度、高承載能力和傳動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)。適用于需要精密定位的場(chǎng)景，但需配合棘輪或離合器才能實(shí)現(xiàn)間歇分度，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。而且齒輪需潤(rùn)滑維護(hù)，長(zhǎng)期運(yùn)行易產(chǎn)生磨損和噪音，相對(duì)占用空間較大，對(duì)緊湊的16刀斗笠式刀庫(kù)布局不利。圖2.2齒輪傳動(dòng)2.帶傳動(dòng)（如同步帶、V帶）帶傳動(dòng)依賴(lài)柔性帶傳遞動(dòng)力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、噪音小，具有緩沖吸震能力。適合經(jīng)濟(jì)型設(shè)計(jì)，但傳動(dòng)精度低，無(wú)法滿(mǎn)足高精度分度需求（如16刀需22.5°精準(zhǔn)分度），易因彈性變形或磨損導(dǎo)致定位誤差，頻繁啟停易加速疲勞，需定期調(diào)整張緊力或更換皮帶，維護(hù)頻率高。圖2.3帶傳動(dòng)3.槽輪機(jī)構(gòu)槽輪機(jī)構(gòu)通過(guò)主動(dòng)撥盤(pán)與從動(dòng)槽輪配合，將連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為間歇分度運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。但啟動(dòng)和停止時(shí)有沖擊，轉(zhuǎn)速不宜過(guò)高。圖2.4槽輪機(jī)構(gòu)在16刀斗笠式刀庫(kù)設(shè)計(jì)工作里，槽輪機(jī)構(gòu)借助以下特點(diǎn)成為最適宜的選擇：1.精細(xì)分度，達(dá)成16刀位需求，誤差可控。2.實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，省去齒輪組、制動(dòng)器這類(lèi)復(fù)雜零件，降低出現(xiàn)故障的幾率。3.經(jīng)濟(jì)上實(shí)現(xiàn)高效，低的成本、少的維護(hù)，貼合斗笠式刀庫(kù)的經(jīng)濟(jì)屬性定位。4.穩(wěn)定持久，自鎖特性結(jié)合低沖擊的設(shè)計(jì)，保障長(zhǎng)期穩(wěn)定的可靠運(yùn)行。結(jié)論：槽輪機(jī)構(gòu)在精度、結(jié)構(gòu)、成本及可靠性方面，全方位優(yōu)于齒輪和帶傳動(dòng)，是斗笠式刀庫(kù)間歇分度傳動(dòng)的絕佳解決辦法。2.4本章小結(jié)本章介紹了加工中心16刀斗笠式刀庫(kù)的刀庫(kù)容量設(shè)計(jì)依據(jù)，總體設(shè)計(jì)方案以及傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)，通過(guò)槽輪機(jī)構(gòu)與齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)的對(duì)比分析，最終選用槽輪機(jī)構(gòu)為傳動(dòng)方案。第3章主要零部件的計(jì)算與校核3.1刀盤(pán)的設(shè)計(jì)刀盤(pán)作為斗笠式刀庫(kù)的核心零件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響著刀庫(kù)的承載能力、換刀效率以及運(yùn)行的穩(wěn)定程度，本節(jié)依據(jù)16刀容量的需求來(lái)開(kāi)展，實(shí)施刀盤(pán)的幾何建模與刀具布局的優(yōu)化。1.功能需求分析刀盤(pán)需容納16把刀具，實(shí)現(xiàn)快速分度換刀，承受切削力與慣性載荷。刀具分布圓直徑D22.材料選擇本設(shè)計(jì)刀盤(pán)材料采用45鋼，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理以滿(mǎn)足需求，其硬度為217HB-255HB，屈服強(qiáng)度極限σs=355MPa，[（3-1）3.分布參數(shù)設(shè)計(jì)刀盤(pán)直徑：D1刀具分布圓直徑：D2相鄰刀具中心角：θ刀具間距：L=（3-2）需要確保刀具外徑≤50mm（標(biāo)準(zhǔn)BT40刀柄外徑44mm），滿(mǎn)足安全間距要求。4.強(qiáng)度校核假設(shè)刀盤(pán)承受最大切削力Fmax彎矩計(jì)算：M=（3-3）刀盤(pán)視為實(shí)心圓盤(pán)，抗彎截面系數(shù)：W（3-4）彎曲應(yīng)力校核：σ（3-5）則刀盤(pán)強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。圖3.1刀盤(pán)3.2槽輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用八槽輪雙滾子機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)快速傳動(dòng)和高精度分度。3.2.1槽輪材料的選擇1.槽輪材料的選擇槽輪在工作過(guò)程中要承受周期性分度沖擊載荷，要求表面要有高的耐磨性、芯部要有高的韌性以及整體要有良好的抗疲勞性。而20CrMnTi合金鋼，經(jīng)滲碳淬火處理后能滿(mǎn)足要求。其表面硬度為58-62HRC，芯部硬度為30-35HRC，屈服強(qiáng)度極限σs=835MPa，抗拉強(qiáng)度極限σb2.滾子材料的選擇滾子材料要求具有高的接觸疲勞強(qiáng)度與耐磨性。GCr15軸承鋼，經(jīng)淬火+低溫回火后能滿(mǎn)足要求。其硬度為60-62HRC，屈服強(qiáng)度極限σs=1500MPa，抗拉強(qiáng)度極限σb3.2.2槽輪機(jī)構(gòu)工作原理1.機(jī)構(gòu)組成驅(qū)動(dòng)盤(pán)：安裝雙滾子，對(duì)稱(chēng)分布，間隔180°槽輪：8槽均布，槽形為徑向直槽。鎖止?。翰圯嗢o止時(shí)，驅(qū)動(dòng)盤(pán)鎖止弧與槽輪外圓貼合，防止誤動(dòng)。2.分度過(guò)程第一步：驅(qū)動(dòng)盤(pán)旋轉(zhuǎn)180°，主動(dòng)滾子嵌入槽輪槽內(nèi)，推動(dòng)槽輪旋轉(zhuǎn)45°（對(duì)應(yīng)刀盤(pán)切換2個(gè)刀位）。第二步：驅(qū)動(dòng)盤(pán)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)180°，從動(dòng)滾子接替，完成下一次分度。圖3.2槽輪傳動(dòng)3.2.3槽輪機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)1.幾何參數(shù)中心距：a=120mm（驅(qū)動(dòng)盤(pán)與槽輪中心距離，確保分度穩(wěn)定性）槽輪外徑：D=200mm滾子半徑：r=8mm（與槽輪槽寬匹配，公差±0.01mm）槽深：h=2r+δ=18mm（預(yù)留安全間隙鎖止弧角度：β2.動(dòng)力學(xué)參數(shù)分度時(shí)間：t=0.5s角加速度：α（3-6）槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J=1驅(qū)動(dòng)軸需求扭矩：T=J3.2.4強(qiáng)度校核1.滾子接觸應(yīng)力校核赫茲接觸應(yīng)力公式：σ（3-7）式中接觸力F=150N；彈性模量E=210GPa,滾子半徑r=0.08mm,則σ結(jié)論：滾子理論接觸應(yīng)力低于材料GCr15的接觸疲勞極限，安全。2.槽輪彎曲應(yīng)力校核最大彎矩：M=F（3-8）抗彎截面系數(shù)：W（3-9）彎曲應(yīng)力：σ（3-10）結(jié)論：彎曲應(yīng)力遠(yuǎn)低于20CrMnTi的屈服強(qiáng)度，安全。3.3驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選定斗笠式刀庫(kù)比較常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)有伺服電機(jī)跟步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)精度十分高，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的位置把控，能保證刀庫(kù)中的刀具精準(zhǔn)抵達(dá)指定位置；擁有迅速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)本領(lǐng)；可按照負(fù)載的改變自動(dòng)調(diào)整輸出的扭力，而步進(jìn)電機(jī)的精度和速度表現(xiàn)相對(duì)較差，處于高速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)容易出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，對(duì)刀具定位精度以及換刀效率造成影響，本次設(shè)計(jì)選取伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。3.3.1電機(jī)的選型加在伺服電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，應(yīng)比電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩T斗笠式刀庫(kù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩T1，主要是來(lái)自刀具重量的不平衡。應(yīng)當(dāng)選取最重刀具進(jìn)行計(jì)算，刀具最大重量為8kg，已知刀庫(kù)半徑為160mm故T將以上計(jì)算的負(fù)載轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩TLT（3-11）式中：i—傳動(dòng)比；η—傳動(dòng)效率。在八槽輪機(jī)構(gòu)中，主動(dòng)撥盤(pán)每轉(zhuǎn)動(dòng)180°，槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)45°，即傳動(dòng)比i=4傳動(dòng)效率為：η（3-12）式中：η1η2η3根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可得：η1=0.99；η根據(jù)公式(3-2)得總的傳動(dòng)效率：η故T但在實(shí)際的電機(jī)運(yùn)行中，額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)為負(fù)載轉(zhuǎn)矩的倍，即T根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，所選電機(jī)型號(hào)如下：表3.1電機(jī)選型型號(hào)輸入功率P額定轉(zhuǎn)矩T最大轉(zhuǎn)矩Tmax最高轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)子慣量JSGM7G-20A1.520602400.0053.3.2分配傳動(dòng)比已知傳動(dòng)比i=4故各軸轉(zhuǎn)速主動(dòng)軸n從動(dòng)軸n各軸的輸入功率主動(dòng)軸P從動(dòng)軸P各軸的輸入轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩T為T(mén)=9.55（3-13）主動(dòng)軸T從動(dòng)軸T表3.2傳動(dòng)比分配表軸名稱(chēng)功率P轉(zhuǎn)矩T轉(zhuǎn)速n效率η電機(jī)軸1.514.3252400.99主動(dòng)軸1.48514.1822400.97從動(dòng)軸1.03739.619600.723.4傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)3.4.1材料的選擇本設(shè)計(jì)刀盤(pán)材料采用45鋼，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理以滿(mǎn)足需求，其硬度為217HB-255HB，屈服強(qiáng)度極限σs=355MPa，[3.4.2主動(dòng)軸尺寸的估算軸的直徑可以通過(guò)軸的傳動(dòng)功率以及軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行估算d≥（3-14） 式中：C-與軸有關(guān)的材料系數(shù)，因所選的軸材料為45號(hào)鋼，106<C<118，故選取則根據(jù)公式(3-6)d由于軸上有鍵槽，故需將計(jì)算值加大3%，則d主≥21.18mm。為方便計(jì)算，3.4.3滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)選擇角接觸球軸承7206AC，可同時(shí)承受徑向和軸向載荷，也可單獨(dú)承受軸向載荷，一般成對(duì)使用。表3.37206AC角接觸球軸承軸承代號(hào)d/mmD/mmB/mm7206AC3062163.4.4聯(lián)軸器的選擇初步選用凸緣式（系列）中的T（3-15）式中：-聯(lián)軸器所傳遞的轉(zhuǎn)矩-工作情況系數(shù)，k=1.3；因?yàn)橥咕壥铰?lián)軸器的傳遞轉(zhuǎn)矩為T(mén)1=63N?mm>TL(合格）3.4.5主動(dòng)軸各段尺寸的設(shè)計(jì)圖3.3主動(dòng)軸表3.4主動(dòng)軸各段尺寸1段2段3段4段5段長(zhǎng)度2080204040直徑30383026223.4.6從動(dòng)軸尺寸的估算軸的直徑可以通過(guò)軸的傳動(dòng)功率以及軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行估算則根據(jù)公式(3-6)d由于軸上有鍵槽，故需將計(jì)算值加大3%，則d從≥29.83mm3.4.7滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)選擇角接觸球軸承7208AC，可同時(shí)承受徑向和軸向載荷，也可單獨(dú)承受軸向載荷，一般成對(duì)使用。表3.57208AC角接觸球軸承軸承代號(hào)d/mmD/mmB/mm7208AC4080183.4.8從動(dòng)軸各段尺寸的設(shè)計(jì)圖3.4從動(dòng)軸表3.6從動(dòng)軸各段尺寸1段2段3段4段5段6段長(zhǎng)度603020102030直徑3040506050403.4.9軸強(qiáng)度的校核對(duì)稱(chēng)循環(huán)疲勞極限:軸的材料選用的是45號(hào)鋼，并經(jīng)過(guò)了調(diào)制處理。則σB=650MPa，σ（3-16）τ（3-17）脈動(dòng)循環(huán)疲勞極限σ（3-18）τ（3-19）彎矩M彎曲應(yīng)力幅σ彎曲平均應(yīng)力σ扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力τ扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力幅和平均切應(yīng)力τ有效應(yīng)力集中系數(shù)在《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中可查出k表面狀態(tài)系數(shù)由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得β尺寸系數(shù)由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得εσ=0.88彎曲安全系數(shù)設(shè)為無(wú)限壽命，KNS（3-20）扭矩安全系數(shù)S（3-21）復(fù)合安全系數(shù)S=（3-22）經(jīng)校核，軸足夠安全。3.5氣缸的設(shè)計(jì)假設(shè)刀庫(kù)總重量m=40kg，氣源提供壓力p=0.5MPa，氣缸材料選用45鋼管，[1.氣缸內(nèi)徑負(fù)載力計(jì)算F式中k為安全系數(shù)取1.5氣缸內(nèi)徑DD（3-23）代入數(shù)據(jù)得D≥38.69mm,查閱《液壓與氣壓傳動(dòng)》可知，所求得的D值，一般要提高20%再圓整到系列標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)《液壓與氣壓傳動(dòng)》表12-1，選取氣缸直徑D=50mm,活塞桿直徑為d=16mm。2.壁厚δ根據(jù)《液壓與氣壓傳動(dòng)》表12-3，由于材料選擇為45鋼，故壁厚δ3.活塞桿強(qiáng)度校核活塞行程L通常?。?.5-5）D,本設(shè)計(jì)取L=2D=100mm當(dāng)活塞桿的長(zhǎng)度L≤即活塞桿的直徑：d（3-24）式中，F(xiàn)為活塞桿所受外力，[σ]實(shí)際選用直徑d=16mm＞dmin=2.4,則活塞桿3.6本章小結(jié)本章主要對(duì)刀盤(pán)、槽輪、電機(jī)、軸、氣缸等刀庫(kù)主要零部件間的設(shè)計(jì)與校核，通過(guò)理論計(jì)算、材料選型與校核，驗(yàn)證了各零部件的可靠性，滿(mǎn)足16刀斗笠式刀庫(kù)的強(qiáng)度、精度與壽命要求。第4章結(jié)論與展望4.1結(jié)論本研究圍繞斗笠式刀庫(kù)開(kāi)展了成體系的設(shè)計(jì)與分析，以理論推導(dǎo)、參數(shù)優(yōu)化及結(jié)構(gòu)方案創(chuàng)新為途徑，得到了既有工程實(shí)用性又有技術(shù)創(chuàng)新性的研究成果，下面把具體情況做個(gè)總結(jié)：1.在總體方案設(shè)計(jì)的階段，緊密貼合中小型數(shù)控加工中心的典型加工需要，以常見(jiàn)零件加工要求的刀具種類(lèi)及數(shù)量為參照，合理選定16刀容量配置，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)放式的對(duì)比篩選與空間布局的優(yōu)化，制定出包含工作原理、結(jié)構(gòu)框架以及傳動(dòng)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，為后續(xù)部件詳細(xì)設(shè)計(jì)給出了清晰的技術(shù)指引。2.以核心傳動(dòng)部件雙滾子槽輪機(jī)構(gòu)為對(duì)象，采用建立槽輪槽數(shù)與滾子分布角度的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合動(dòng)力學(xué)分析做好關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)，保障分度運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)運(yùn)行及定位的精準(zhǔn)度，材料抉擇與強(qiáng)度校準(zhǔn)環(huán)節(jié)，基于赫茲接觸理論對(duì)滾子的接觸應(yīng)力展開(kāi)分析，結(jié)合工況情況優(yōu)選高強(qiáng)度合金材料，著實(shí)提升了傳動(dòng)裝置的承載能力與使用期限，在核心部件的層面上保障了刀庫(kù)長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。3.處于刀庫(kù)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，以“達(dá)到輕量化、維持高剛度、實(shí)現(xiàn)易維護(hù)”為目標(biāo)，做好刀盤(pán)結(jié)構(gòu)與刀具布局的設(shè)計(jì)，降低高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)隱患。電機(jī)選型階段，按照負(fù)載特性建立動(dòng)力學(xué)模型，以功率、扭矩及轉(zhuǎn)速的多參數(shù)做匹配，選定合適的電機(jī)，保障動(dòng)力系統(tǒng)與機(jī)械結(jié)構(gòu)達(dá)成高效協(xié)同。本研究得出的斗笠式刀庫(kù)設(shè)計(jì)方案在容量配置、傳動(dòng)性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及控制精度等方面均符合預(yù)期目標(biāo)，相關(guān)的設(shè)計(jì)方法跟參數(shù)優(yōu)化策略存在工程推廣價(jià)值，研究成果不僅為斗笠式刀庫(kù)的國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)提供了可借鑒的技術(shù)樣本，也為數(shù)控機(jī)床功能部件的自主研發(fā)積累下關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。4.2研究展望盡管本研究在斗笠式刀庫(kù)設(shè)計(jì)事宜上取得了一定成果，但由于時(shí)間、技術(shù)以及實(shí)驗(yàn)條件等因素的掣肘，部分內(nèi)容依舊需要進(jìn)一步研究與改進(jìn)。從設(shè)計(jì)優(yōu)化的維度去考量，伴隨現(xiàn)代加工技術(shù)朝著高速、高精度方向邁進(jìn)，對(duì)刀庫(kù)性能的要求不斷攀升，接下來(lái)可對(duì)刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做進(jìn)一步的優(yōu)化工作，就像采用更先進(jìn)的輕量化設(shè)計(jì)手段，在維持刀庫(kù)強(qiáng)度及剛度的基礎(chǔ)之上，減少刀庫(kù)整個(gè)的重量值，減少刀庫(kù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的慣性，通過(guò)此方式改善刀庫(kù)的換刀速度與響應(yīng)性能。就智能化控制層面而言，當(dāng)下研究主要以刀庫(kù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為中心展開(kāi)，未來(lái)應(yīng)強(qiáng)化刀庫(kù)智能化控制技術(shù)這方面的研究，采用傳感器技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刀庫(kù)的運(yùn)行狀態(tài)，涉及刀具的在位狀態(tài)、刀庫(kù)位置的準(zhǔn)確程度、各傳動(dòng)部件的磨損情形等，依靠數(shù)據(jù)分析和處理達(dá)成故障預(yù)警及診斷功效，加強(qiáng)刀庫(kù)的可靠性及可維護(hù)能力。就實(shí)驗(yàn)研究而言，因?qū)嶒?yàn)條件受限，本研究在刀庫(kù)性能測(cè)試與驗(yàn)證上存在一定不足，往后應(yīng)搭建更完備的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)設(shè)計(jì)好的刀庫(kù)開(kāi)展實(shí)際性能測(cè)試，涵蓋換刀時(shí)間方面測(cè)試、定位精度方面測(cè)試、長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性方面測(cè)試等，憑借實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)方案做進(jìn)一步的驗(yàn)證與優(yōu)化。伴隨新材料與新工藝持續(xù)涌現(xiàn)，未來(lái)可去探索將新型材料應(yīng)用到刀庫(kù)關(guān)鍵部件，就像采用高強(qiáng)度、輕量化特性的復(fù)合材料制造刀盤(pán)和傳動(dòng)部件，拔高刀庫(kù)的綜合水平，探求新的加工工藝，增進(jìn)刀庫(kù)零部件的制造精度及表面品質(zhì)，進(jìn)一步提升刀庫(kù)整體的性能與可靠水平。斗笠式刀庫(kù)的研究跟發(fā)展仍有很大的拓展空間，采用持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化修正，有望推動(dòng)斗笠式刀庫(kù)在現(xiàn)代機(jī)械加工領(lǐng)域發(fā)揮更大的效能，貼合持續(xù)上升的加工需求和技術(shù)發(fā)展要求。參考文獻(xiàn)[1]丘立慶.數(shù)控加工中心斗笠式刀庫(kù)與自動(dòng)換刀裝置的可靠性研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2017,(11):11-12+15.DOI:10.14016/ki.1001-9227.2017.11.011.[2