《JCS-013型数控卧式镗铣床刀库设计毕业论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《JCS-013型数控卧式镗铣床刀库设计毕业论文.doc（33页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、JCS-013型数控卧式镗铣床刀库设计JCS-013 type NC horizontal boring and milling machine tool store design摘 要90年代以来，数控加工技术得到迅速的普及发展，高速加工中心作为新时代数控机床的代表，已在机床领域广泛。自动换刀刀库的发展俨然已超越为数控加工中心配套的角色，在其特有的技术领域发展出符合机床高精度、高效率、高可靠度及多任务复合等概念的独特产品。本课题是链式刀库的总体设计、传动设计、结构设计以及传动部分的运动和动力设计。这种刀库在数控加工中心上应用非常广泛,其换刀过程简单，换刀时间短；总体结构简单、紧凑，动作准确可
2、靠；维护方便，成本低。本课题的目的就是要通过对JCS-013型数控卧式镗铣床刀库的优化设计以提高换刀速度，减少助助时间。在进行设计时，采用了系统化设计方法，将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。在借鉴和参考大量有关刀库的机械结构后，结合实际情况，决定采用链式刀库双手式机械手换刀方案，根据机械设计与机械原理等有关知识对JCS-013型数控卧式镗铣床刀库进行设计，采用AutoCAD 2004中文版对刀库及关键零件进行绘制。关键词：加工中心；刀库；数控加工AbstractSin
3、ce 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 g
4、one 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 p
5、art,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
6、 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-01
7、3 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 the
8、y 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 t
9、o 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;NCSince the 90s, the nc machi
10、ning technology of rapid development, the popularity of the high speed machining center as the new times the representative of the numerical control machine, has set up a file in the machine tool widely. Automatically change the knife knife library development beyond the peremptory nc processing cen
11、ter for supporting role, in its unique technology development for the machine tool high precision, high efficiency, high reliability and more complex tasks concepts such as a unique product. This topic is the chain of the overall design, tool store transmission design, structural design and transmis
12、sion part of the movement and power design. This sword library in the numerical control machining center are widely used large capacity, its appearance is more compact, take up the space is little, suitable for large capacity knife library do. In additional storage tool number, can increase the leng
13、th of the chain, and do not increase the sprocket, therefore, sprocket diameter circle of speed, and the sword will not increase the library as a drum not moving inertia wheeled tool store increased so much. The purpose of this project is to through to the JCS-013 type nc horizontal boring and milli
14、ng machine tool store the optimization design of the change in order to improve the knife speed, reducing help help time. In developing the design, the systematic design method, the design as by several design elements consisting of a system, each design elements, the elements of independence betwee
15、n the organic relation, and are of different levels, and all the design elements, with the design of the system can be realized for the task. In reference to the vast library mechanical structure of the sword, and according to actual condition, decided to use the chain knife knife of robot hands in
16、library, according to the mechanical design scheme and mechanical principle and other relevant knowledge on JCS-013 type nc horizontal boring and milling machine tool store design, using AutoCAD 2004 Chinese sword and key parts of library draw. Now I completed preliminary drawings aspects in the des
17、ign in theory, it needs to be improved, and the more need to accept the actual production testing. Keywords: knife library; Numerical control; cutting Since the 90s, the nc machining technology of rapid development, the popularity of the high speed machining center as the new times the representativ
18、e of the numerical control machine, has set up a file in the machine tool widely. Automatically change the knife knife library development beyond the peremptory nc processing center for supporting role, in its unique technology development for the machine tool high precision, high efficiency, high r
19、eliability and more complex tasks concepts such as a unique product. This topic is the chain of the overall design, tool store transmission design, structural design and transmission part of the movement and power design. This sword library in the numerical control machining center are widely used l
20、arge capacity, its appearance is more compact, take up the space is little, suitable for large capacity knife library do. In additional storage tool number, can increase the length of the chain, and do not increase the sprocket, therefore, sprocket diameter circle of speed, and the sword will not in
21、crease the library as a drum not moving inertia wheeled tool store increased so much. The purpose of this project is to through to the JCS-013 type nc horizontal boring and milling machine tool store the optimization design of the change in order to improve the knife speed, reducing help help time.
22、In developing the design, the systematic design method, the design as by several design elements consisting of a system, each design elements, the elements of independence between the organic relation, and are of different levels, and all the design elements, with the design of the system can be rea
23、lized for the task. In reference to the vast library mechanical structure of the sword, and according to actual condition, decided to use the chain knife knife of robot hands in library, according to the mechanical design scheme and mechanical principle and other relevant knowledge on JCS-013 type n
24、c horizontal boring and milling machine tool store design, using AutoCAD 2004 Chinese sword and key parts of library draw. Now I completed preliminary drawings aspects in the design in theory, it needs to be improved, and the more need to accept the actual production testing. Keywords: knife library
25、; Numerical control; cutting 目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 言11.1本课题在国内外的研究动态11.1.1刀库产品目前的水平21.1.2刀库系统的发展趋势21.1.3刀库系统的发展方向31.2课题的目的、意义和开展研究工作的设想31.2.1课题的目的31.2.2开展研究工作的设想31.2.3课题设计方案的选择和设计手段4第2章 刀库传动系统设计62.1刀库主要设计参数62.2刀库驱动液压马达的选择62.2.1刀库负载转矩TF计算62.2.2确定液压马达转数82.3传动齿轮的设计92.3.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数92.3.2按齿面接触强度设
26、计92.3.3几何尺寸的计算122.3.4按齿根弯曲强度进行校核122.4传动轴的设计132.4.1初步确定最小轴颈及所用材料132.4.2轴的结构设计142.4.3轴的强度校核152.4轴承寿命校核21第3章 刀库准停系统的设计22第4章 链传动系统的设计254.1链轮、链条的计算及链轮中心距的确定254.2刀库链条的张紧26第5章 结 论28参考文献29致 谢3029第1章 绪 言1.1本课题在国内外的研究动态随着中国经济的快速发展，进入21世纪，我国机床制造业既面临着提升机械制造业水平的需求而引发的制造装备发展的良机，也面临着加入WTO后激烈的市场竞争的压力。从技术层面上讲，加速推进数控
27、技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。数控机床及由数控机床组成的制造系统是改造传统产业、构建数字化企业的重要基础装备，它的发展一直备受人们关注。数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，它开创了机械产品机电一体化发展的先河，因此数控技术成为先进制造技术中的一项核心技术。另一方面，通过持续的研究，信息技术的深化应用促进了数控机床的进一步提升【1】。随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。数控机床主要由数控装置
28、、伺服机构和机床主体组成，输入数控装置的程序指令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入2。随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能，可靠性也大大提高，数控系统本身将普遍实现自动编程。未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多；激光加工等技术将应用在切削加工机床上，从而扩大多工序集中的工艺范围；数控机床的自动化程度更加提高，并具多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中3。数控机床为了进一步提高生产率，进一步压缩非切削时间，现代的机
29、床逐步发展为在一台机床上一次装夹中完成多工序或全部工序的加工。数控机床为了能在工件一次装夹中完成多个工步，以缩减辅助时间和减少多次安装工件引起的误差，通常带有自动换刀系统。对工件的多工序加工而设置的存储及更换刀具的装置称为自动换刀装置（Automatic Tool Changer，ATC）；自动换刀（Automatic Tool Change 简称ATC）系统由控制系统和换刀装置组成。在数控镗铣床的基础上，如果再配以刀具和自动换刀系统，就构成加工中心（Machining center 简称MC）。在这类数控机床上，自动换刀装置（ATC）是必不可少的4。例如加工中心机床又称多工序自动换刀数控机床
30、，它主要是指具有自动换刀及自动改变工件加工位置功能的数控机床，具有自动换刀装置是加工中心机床的典型特征，是多工序加工的必要条件。自动换刀装置的功能，对整机的加工效率有很大的影响5。数控机床的自动换刀装置的结构形式多种多样，选择何种形式，主要取决于机床的种类、工艺范围以及刀具的种类和数量等。本课题中的JCS-013型数控卧式镗铣床将采用的是带刀库的自动换刀形式。1.1.1刀库产品目前的水平在此概念基础下，刀库产品的发展现况为：（1） 超重刀库的发展：发展出刀链系统能承载重量70kg以上之超重刀具，拥有强力锁刀装置的稳定刀链架构，可防止重型刀具于运转中坠落。（2） 高效率且定位精度的驱动及选刀系统
31、的发展：发展出高精度系统配置以及高质量、高定位精度的伺服电动机及减速器，以符合选刀迅速、换刀精确的主要性能需求。（3） 多型式刀具容载刀库的发展：发展出同时可容纳多种型式刀具（如ISO50及ISO60）的刀链系统，也被视为是必须时常变换使用多种主轴的加工中心的必备装置。（4） 不同型式刀及其任意点换刀系统的发展：可以同时夹取不同型式刀具（如ISO50及ISO60），因应需求必须有不同的刀具。为了缩短换刀时间，多点式或任意点式换刀系统是有必要的。（5） 轻量化、低成本架构刀库的发展：发展出轻量化的塑钢射出刀套架构，整体重量较传统刀库减轻100kg以上，成本大幅降低的刀库。（6） 大型及高容量刀库
32、的发展：在机床多功能趋势演化下，大量的刀具被使用在同一台机床上，刀库的架构必须兼顾换刀效率及储刀效能，多变的刀库型体（可容纳120/180/200把以上刀具）及多样精密的换刀系统（如各种立式、卧式、立卧单点及多点式换刀系统），是其主要的特色6。1.1.2刀库系统的发展趋势近年来刀库的发展俨然已超越其为装备的角色，在特有的技术领域中发展出符合工具机高精度、高效能、高可靠度及多任务复合等概念产品，多样化产品，左右工具机在生产效能及产品精度的表现。刀库的容量、布局，针对不同的工具机，形式也有所不同。根据刀库的容量、外型和取刀的方式可大概分为斗笠式刀库、圆盘式刀库、链条式刀库7。其发展趋势为：（1）高
33、效能的产品 发展符合高荷重、高容量、高速化概念的刀库产品。（2）轻量化、低成本的产品 发展符合重量轻、成本低概念的刀库产品。1.1.3刀库系统的发展方向刀库系统作为自动化加工过程中所需的储刀及换刀需求的一种装置，为数控机床缩短机床非切削时间，降低劳动强度提供了必要条件，是数控机床的重要的功能部件，必将向以下几个方向发展。一方面随着主机的“单机多任务复合化”发展，刀库也必将向容量大、结构精、速度快、效率高的方向发展，以适应主机的高转速、高精度和强力切削的机械特性。此类刀库大部分为卧式刀库，有下面几个特点：（1） 可远距离传输。（2） 换刀时可同步打刀，缩短换刀时间。（3） 大容量且可扩充。（4）
34、 高效且精准的驱动和选刀系统。（5） 控制系统复杂（6） 刀具重量大。比如适合五轴联动的立卧转换伺服刀库。而另一方面，刀库仅作为单纯的储刀仓功能存在，主轴主动抓刀的“固定地址换刀” 刀库也是发展的方向之一，此时刀库好比数控系统的一个控制轴，仅有旋转定位功能，如立车刀库、转盘刀库等8。尤其以40盘式刀库为代表，换刀速度和刀库重量已经成为衡量刀库性能的主要参数之一，比如，吉辅40盘式刀库的换刀速度1.1s，重量已经降到295kg。 在选材上更环保，在制作过程中减少消耗，使用过程智能、安全等也是刀库发展的方向之一。1.2课题的目的、意义和开展研究工作的设想1.2.1课题的目的未来工具机产业的发展，均
35、以追求高速、高精度、高效率为目标。随着切削速度的提高，切削时间的不断缩短，对换刀时间的要求也在逐步提高；换刀的速度已成为高等级工具机的一项重要指标。本课题的目的就是要通过对刀库的优化设计以提高换刀速度，减少助助时间。1.2.2开展研究工作的设想为了达到减少辅助加工时间目的，综合考虑工具机的各方面因素，在尽可能短的时间内完成刀具交换一般强调换刀速度快的卧式机台，皆有几个特点：1.刀臂短 2.刀臂不一定成直线 3.两刀可能互相垂直 4.凸轮箱小且可移动。其主要目的是要让换刀时，可动件之转动惯量小，以达到快速换刀之目的。该技术包括刀库的设置、换刀方式、换刀执行机构和适应高速工具机的结构特点等。（1）
36、提高换刀速度的基本原则工具机的换刀装置，通常由刀库和换刀机构组成，有些应用机械手臂换刀，有些换刀方式并不需要机械手臂，刀库的形式和摆放位置也不一样。为了适合高速运动的需要，高速工具机在结构上已和传统的工具机不同。以刀具运动进给为主，减小运动工件的质量，已成为高速工具机设计的主流。因此，设计换刀装置时，要充分考虑到高速工具机的结构特征9。（2）提高换刀速度的主要技术方法适合于工具机的快速自动换刀技术主要有以下几个方面：在传统自动换刀装置的基础上提高动作速度，或采用动作速度更快的机构和驱动元件。例如，机械凸轮结构的换刀速度高于液压和气动结构。根据高速工具机的结构特点设计刀库和换刀装置的形式和位置。
37、例如，传统工具机的刀库和换刀装置多装在立柱一侧，在高速工具机则多为立柱移动的进给方式，为减轻运动件质量，刀库和换刀装置不宜再装在立柱上。采用新方法进行刀具快速交换，不用刀库和机械手方式，而改用其它方式换刀。例如不用换刀，用换主轴的方法。使用适合于高速工具机的刀柄。如HSK刀柄质量轻，装卸刀具的行程短，可以使自动换刀装置的速度提高。快速自动换刀装置采用HSK空心短锥柄刀是发展的趋势。1.2.3课题设计方案的选择和设计手段I设计方案选择刀库是刀具交换系统的一部分，加工中心的刀具交换系统也称为自动换刀装置（ATC）,它通常是由刀库和机械手组成。自动换刀装置是加工中心不可缺少的组成部分，也是加工中心的
38、象征，又是加工中心成败的关键。加工中心有立式、卧式、龙门式几种，所以这些机床的刀库和自动换刀装置也是各种各样。加工中心上的刀库类型有鼓轮式刀库，链式刀库，格子箱式刀库和直线刀库等。（1）鼓轮式刀库：应用较广，这种刀库的结构紧凑，但因刀具单环排列、定向利用率低，大容量刀库的外径较大，转动惯量大，选刀时运动时间长。因此这种刀库的容量较小，一般不超过32把刀具。（2）链式刀具容量较大，当采用多环链式刀库时，刀库的外形较紧凑，占用空间小，适合用于做大容量刀库。在增加存储刀具数目时，可增加链条的长度，而不增加链轮直径，因此，链轮的圆周速度不会增加，且刀库的运动惯量不像鼓轮式刀库增加的那么多。（3）格子箱
39、式刀库刀库容量大，结构紧凑，空间利用率高，但布局不灵活，通常将刀库安放于工作台上。有时甚至在使用一侧的刀具时，必须更换另一侧的刀座板。（4）直线式刀库结构简单，刀库容量较小，一般用于数控车床，数控钻床，个别加工中心也有采用。换刀机械手分为单臂单手式，单臂双手式和双手式机械手。单臂单手式结构简单，换刀时间较长，适用于刀具主轴与刀库刀套平行，刀库刀套轴线与主轴轴线平行，以及刀库刀套轴线与主轴轴线垂直的场合。单臂双手机械手可同时抓住主轴和刀库中的刀具，并进行拔出、插入，换刀时间短，广泛应用于加工中心上的刀库刀套轴线与主轴平行的场合。双手式机械手结构较复杂，换刀时间短，这种机械手除了完成拔刀、插刀外，
40、还起运输刀具的作用。结合所给题目，初步决定采用链式刀库双手式机械手换刀方案。II设计手段 采用系统化设计方法，将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。结合本课题实际，根据机械设计与机械原理等有关知识对JCS-013型数控卧式镗铣床刀库进行设计，采用AutoCAD 2004中文版对刀库及关键零件进行绘制。第2章 刀库传动系统设计2.1刀库主要设计参数安装形式：链式刀库刀库容量：60把送刀方式：任意刀具尺寸（最大）：长400毫米，直径125毫米刀具重量（Mj）：约12千克链条快
41、速移动速度为16米/分，慢速移动速度为4米分。2.2刀库驱动液压马达的选择刀库驱动液压马达的选择应同时满足刀库运转时的负载转矩TF，和起动时的加速转矩TJ的要求。由于链条转速很低和液压马达惯性小、起动转矩小的特点，为了计算简便，在计算时，忽略起动加速转矩TJ，在最后结果上乘以一个工作系数。2.2.1刀库负载转矩TF计算链式刀库负载转矩TF用来克服刀具不平衡重力FWmax和导向面的摩擦力F，如图2-1所示。FWmax ：不平衡重力；F3：摩擦力图2-1 链条受力分析图F1和F3是支承面的摩擦力;F2和F4则是导向面上因刀具下垂而引起的摩擦力。不平衡重力可按刀库一侧装满刀、一侧不装刀时的最大重力差
42、值来计算。（1）确定不平衡重力FWmax由图2-1知,不平衡重力 （2）确定摩擦力F3 （2-1）钢与铜之间的摩擦系数，约取0.2；N垂直作用在导向面上的压力，包括刀具、刀柄和刀座产生的重力，分别为Wj，Wb，Wt。 R刀座外半径，取50mm；L刀座长度，取218mm。（3）确定每排刀具负载转矩Tf （4）确定每排刀具作用在主动轮上的负载转矩Tz （2-2） 1圆柱齿轮传动效率，取0.98；2链传动效率,取0.96；3深沟球轴承传动效率，取0.98。（5）确定作用在液压马达上的负载转矩Ty (2-3) i液压马达轴至刀库轴的速比，取9；传动效率。考虑到实际情况比计算时所设定的条件复杂，液压马达
43、额定转矩Ts应为负载转矩Ty的1.5倍，即 2.2.2确定液压马达转数由刀库设计参数知，链条快速移动速度为16米/分，即16000mm/min慢速移动速度为4米/分，即4000mm/min。（1）确定链轮周长S （2）确定液压马达的转速范围根据计算数据选定BM2-200摆线马达。液压马达参数型号：BM2-200摆线马达排量：200ml/r压力：额定10MPa 最高12.5MPa转矩：额定 最高转速：额定320r/min 最高400r/min质量：10.5kg2.3传动齿轮的设计2.3.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数（1）按图2-2所示的传动方案。图2-2 刀库驱动系统结构布局（2）由于机
44、器速度较低，故选用7级精度（GB10095-88）。（3）查机械手册选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45#钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。（4）选小齿轮齿数为Z1=28，大齿轮齿数为Z2=84。2.3.2按齿面接触强度设计由设计计算公式2-4进行试算，即 （2-4） （1）确定公式内的各计算数值1)试选载荷系数为K=1.32)确定小轮传递的扭矩 （2-5）3)由于两支承相对于小齿轮做不对称布置，所以齿宽系数=1。4)由机械设计手册查得材料的弹性影响系数ZE=。 5)按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限;大齿轮的接触疲劳强度极限。6
45、）计算应力循环次数 估计应力循环次数应该低于107转。7)取接触疲劳寿命系数KHN！=1.4；KHN2=1.5。8)计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1,安全系数S=1，由公式2-6得= （2-6）=（2）计算1）计算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值。 （2-7）考虑到外部零件要保证互相不产生干涉的条件下，d1t74mm。2）计算圆周速度v。3）计算齿宽b与齿高之比b/h。b=dd1t=142.795mm=42.795mm，取b=48mm。4)计算模数和齿高 （2-8） （2-9） 5）计算载荷系数。根据v=0.171m/s，7级精度，查机械设计手册得动载系数Kv=1.01；直齿轮，；查得使用系数用插值法查得7级精度、小齿轮相对支承非对称布置时，。 （2-10）6）按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径，由公式2-11得 （2-11）由于44.