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1、河北工业大学2019届本科毕业设计说明书河 北 工 业 大 学 毕业设计说明书（论文）作 者： 张忠杨 学 号： 150557 学 院： 机械工程学院 系(专业)： 机械电子工程 题 目： 加工中心八角盘式自动换刀装置设计 指导者： 刘瑞素 教授 (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2019年5月20日毕业设计（论文）中文摘要加工中心八角盘式自动换刀装置设计 摘要：大型加工中心可以反映出一个国家制造业的发展程度。随着制造业的发展，对加工中心的要求越来越高。自动换刀装置作为加工中心的重要环节，其性能不断改善。在本次课题研究中，考察了国内外自动换刀装置的发展现状，比
2、较不同应用实例，构思出一套可以应用在车铣复合加工中心的换刀装置，可以同时存放8把车刀与8把铣刀，并且应用本科期间的课程知识详细设计它的机械结构、传动装置和控制系统。 关键词： 发展现状 自动换刀装置 车铣复合加工中心 控制系统 河北工业大学2019届本科毕业设计说明书毕业设计（论文）外文摘要Title Design of Automatic Tool Changer with Octagonal Disk in Machining Center AbstractLarge processing centers can reflect the development of a countrys
3、manufacturing industry. With the development of manufacturing industry, the requirement for processing centers is getting higher and higher. As an important part of the machining center, the performance of the automatic tool changer has been continuously improved. In this research, the development s
4、tatus of automatic tool changer at home and abroad is investigated, and different application examples are compared. A set of tool changer which can be used in Turning-Milling compound machining center is conceived. It can store eight turning tools and eight milling cutters at the same time, and its
5、 mechanical structure, transmission device and control system are designed in detail by using the undergraduate course knowledge.Keywords：Development status 、 Automatic tool changer、 Turning-milling machining center 、 Control system 目 录1 引言 11.1 课题研究的目的和意义 11.2 国内外研究现状 11.3 本课题主要研究内容 52 总体方案 52.1 初步
6、方案设想 62.2 两种方案比较 62.3 最终方案确定 73 八角盘式自动换刀装置机械结构详细设计 73.1 锥齿轮轴系设计 73.2 铣削部分原理和结构设计 73.3 车削部分设计113.4 转刀盘设计123.5 传动部分设计133.6 电机设计153.7 轴与箱体之间的防磨损设计193.8 转刀盘的锁紧设计194 八角盘式自动换刀装置关键部分校核 204.1 轴与花键套筒的校核204.2 锥齿轮轴承轴承的校核225 控制系统 235.1 控制气路245.2 电气原理图255.2 PLC27结论 29参考文献30致谢312河北工业大学2019届本科毕业设计说明书1 引言11 课题研究的目的
7、和意义大型数控加工中心是高端制造装备的典型代表和尖端技术，广泛用于制造航空航天、卫星以及轨道交通中的复杂零件。把车削和铣削结合起来的大型数控加工中心就具有了车削中心和铣削中心的所有功能，并且不需要在铣床和车床之间的来回搬运工件，节省时间。因此，大型数控加工中心代表着一个国家工业制造能力的发展水平。从最近的大型机床展上可以预见，高精度高效率的复合加工中心是一个不可逆转发展大势。自动换刀装置（）作为加工中心的重要一环，必然提高企业竞争力。在此次设计中车铣加工中心的自动换刀装置就是在这样的背景下提出来的。12 国内外研究现状1.2.1 车铣复合机床及自动换刀装置总体情况简介车铣复合加工机床按照其轴的
8、种类可以分为四轴加工中心（XZY和ABC三个旋转轴之一，如XZCY），五轴加工中心(XZCYB等)甚至更多，具体轴的情况如图1.1所示。车铣复合机床普遍具有五轴的加工能力，对于四轴加工中心，则要求三直线轴（XYZ）与旋转轴之间可以进行加工及插补运算，即为联动，如图1.2所示，该机床为A轴联动。加工中心不同其轴数未必相同，其它装置也有所不同，因此自动换刀装置也不尽相同。 图1.1 机床典型轴示意图 图1.2 A轴联动1.2.2 ATC各组成部分研究现状对于刀库来说，如图1.3所示，目前常用的有链式刀库，盘式刀库(图1.3b)以及转塔式刀库(图1.3c)其中链式刀库的容量是最大的。 （a） （b）
9、 （c）图1.3 刀库种类如图1.3a所示，该链式刀库的链比较长，曲折地挂在支撑面上，是增加刀库容量地一种方法，其他地方法还有使用多排链的链式刀库。如今链式刀库可以存放30-120把刀。盘式刀库由于结构简单紧凑，经常应用于各种加工中心。但是随着刀具数量的增加，其直径也会相应增加，如果刀具单环排列，刀库中心位置的空间得不到有效利用；双环排列又会使换刀机械手的结构复杂起来。常用的解决方法是把两个比较小的盘式刀库放置到主轴两侧，称为双盘式结构，常常用于中小型机床。转塔式刀库最大的特点是不需使用机械手换刀，刀具通过刀库的旋转直接到达加工位置，但是存放刀具有限，其结构外部简单内部复杂。如图1.4所示，该
10、动力刀塔上有车刀安装位和铣刀安装位。铣削时，刀塔不转铣刀转；而在更换刀具时，刀具不转刀塔转。此装置驱动铣刀旋转与驱动刀盘旋转合用一个电机，图示位置时电机轴通过锥齿轮带动铣刀旋转；当需要转动刀盘时，锁紧拨叉在气缸的带动下移动，使得刀盘放松。相比之下，普通车床的转塔上只需保证刀塔旋转而不需要车刀旋转，因此其结构要简单很多。图1.4 加工中心刀塔内部结构对于驱动方式来说，主要有液压驱动与双凸轮联动。传统的方法是液压驱动，应用广泛。双凸轮联动由于运动可重叠，换刀速度快；几乎没有中间传动装置，则换刀的可靠性和准确性高，定位误差较小。双凸轮包括弧面分度凸轮和槽面凸轮两个，分度凸轮用来旋转机械手完成搬运刀具
11、，而槽面凸轮通过连杆带动机械手上下移动完成拔刀与插刀的动作。有时这两个凸轮合二为一成为复合凸轮，结构更加紧凑。但是缺点是凸轮设计与制造困难，价格昂贵。1.2.3 ATC各部分在加工中心中的布置情况评价ATC优越性的重要指标是换刀速度，此外还需要考虑其体积大小与换刀可靠性。采用不同的布置方式对此影响很大。(1)使用带B轴的车铣头（车削单元与铣削单元合二为一）：一般换刀位置比较固定，刀库与车铣头分离。大多数用机械手进行刀库与车铣头之间的刀具（图1.5）。如图1.6所示，为无机械手车铣头换刀原理，图1.7为无机械手车铣头实例，图中为车铣头完成换刀动作之后返回加工位置。车铣头可以通过其左侧和下侧的褶皱
12、面上下、左右移动到达换刀位置，换刀时车铣头旧刀放入空刀位，之后车铣头稍微外移，刀库旋转把新刀送到指定位置，车铣头内移插入新刀。沈阳机床厂的B轴车铣头中动力主轴依赖进口，B轴为自己生产；国际上的知名机床厂德马吉、MFL为了降低生产成本自行制造车铣头，不售卖；售卖车铣头的厂家则主要有等。虽然目前为止，国内企业在带B轴车铣头上有了一定经验，但与国外仍有较大差距。图1.5 有机械手式 图1.6 无机械手式换刀原理 图1.7 无机械手换刀实例(2)车削单元和铣削单元相分离：如图1.8所示，该机床有两个转台，无机械手双主轴。由于刀具距离加工位置近，并且可以在一个转台进行加工的时候另一个转台开始换刀，节省了
13、大量时间。图1.8 一种特殊的车铣加工中心(3)一个主车铣单元和一个副车削单元:如图1.9所示，是奥地利生产的WFLM系列的加工中心。它有两个刀库，一个位于图中右下角的滑轨上，可以左右移动，实现进给。另一个刀库位于机床左侧内部，供车铣头使用。值得注意的是该机床可以实现两个单元同时进行车削加工（图1.10），极大地提高了生产效率。图1.9 WFLM系列车铣加工中心图1.10两个单元同时进行车削13 本课题主要研究内容此次设计的八角盘式自动换刀装置具有可以存放8把车刀和8把铣刀的刀盘以及实现自动换刀的驱动装置和控制装置。其中要求加工中心X轴最大加工尺寸为300mm,Z轴最大加工尺寸为500mm,并
14、且ATC最少可以放下8把车刀与8把铣刀，刀具的定位精度限制在0.01mm以内。因此，本课题主要涉及到确定刀库、机械手、驱动装置的类型以及它们三者在加工中心里的布置方式，使它们能够相互配合完成车铣加工。2 总体方案此次课题的第一个难点在于自动换刀装置的多样性，并且与车铣加工中心的结构密且相关。如何选择要考虑实际可行性，比如国内的制造能力、成本以及最终方案的加工能力等。21 初步方案设想2.1.1 方案：依靠机床结构其总体配置布局与WFL M系列加工中心类似（如图1.9所示），使用两个刀库，其中一个为八角盘式转塔，专门存放8把车刀，做为车削单元，驱动方式为伺服电机加减速器直接驱动；另一个刀库存放8
15、把铣刀，使用机械手将刀具送至车铣头，机械手的旋转和伸缩分别由两个凸轮控制。2.1.2 方案：依靠自动换刀装置内部结构布置方式：主要设计一个八角盘式刀塔（与图1.4类似），整个刀盘的大端面上均匀的放八把车刀14；侧壁上存放八把铣刀23。传动方式：传动系统中所有的动力均来自电主轴转子5、转子套筒6和花键套筒7通过过盈配合紧密结合在一起的整体（这个整体与轴27不固定），花键套筒的左侧有滑动花键槽，34离合器可以在此处左右滑动，达到切换动力传递路线的目的。当离合器位于右侧时，动力通过最上方的轴8传递至刀盘，使得整个刀盘转动；位于左侧时，动力由轴27经锥齿轮传递至铣刀安装位置23。锁紧方式：在在换刀的时
16、候刀盘必须是转动的；但进行车削或铣削加工时，又要严格保证刀盘不转。为实现此要求，用螺钉将11转动齿盘紧紧固定在刀盘上，把10定位齿盘固定在电主轴外壳上，再设计一个可以左右滑动的12锁紧齿盘。当锁紧齿盘位于左侧时，刀盘就被锁在电主轴外壳上无法转动；锁紧齿盘位于右侧时，刀盘与电主轴外壳不再有连接关系，又可以转动了。转换方式：在此装置中存在着需要不断变换位置的离合器，用来转换整个机构的工作状态（转动刀盘和转动铣刀、锁紧刀盘和放松刀盘）。为此，可以选用小型气缸来控制离合器的位置。22 两种方案比较经过考虑，我最终选择方案。原因在于方案的设计难点多，一个是凸轮的设计与制造，另一个是换刀机械手的结构（要实
17、现夹紧刀具、放松刀具与刀具的定位）；另一个比较致命缺点是其结构复杂、所占空间大，对机床的整体结构也有一定的要求，互换性不好。对于方案来说，这两个问题都不存在，其缺点就是使用了电主轴散热效果不太好，需要额外设计冷却装置或者是直接用伺服电机替换电主轴。对此，我选择使用伺服电机，也算是对原装置的一个改进。经过考虑，我最终选择地方案。23 最终方案确定整个装置大致分为两个部分，头部（八角盘式刀架）和传动箱体。头部与方案几乎一样，侧面放铣刀，底面放车刀；传动箱体则是对方案的一个改进，类似与变速箱，大致分为两档，一档用来转动刀盘，二档用来转动铣刀。在车削的时候是位与一档的，但是伺服电机不转，相当于锁紧刀盘
18、，防止车削过程中刀盘转动影响加工。换挡由气缸带动拨叉实现。在设计中需要设计齿轮、轴系、车刀与铣刀夹具、电机选型等工作。3 八角盘式自动换刀装置机械结构详细设计31 锥齿轮轴系设计3.1.1 锥齿轮在该设计中，锥齿轮的作用是实现水平中心轴到铣刀之间的动力传递，轴交角为，对于传动比而言，没有具体的要求，可以采用等径锥齿轮传动。为此，可以选用小原齿轮工业（KHK）公司的SMA2.5-25型的锥齿轮(如图所示)。参数为模数，齿数，经过高频淬火处理。选用该锥齿轮相比普通锥齿轮传动（如图3.1b所示，传动比大的非等径锥齿轮传动中小齿轮的直径比较小，常常无法加工键槽，与轴成为一体；大锥齿轮可能有键槽也可能没
19、有）的一个好处就是两个锥齿轮都有键槽，并且可以在轴系安装完成之后安装锥齿轮，简化了轴系的设计，降低了安装难度。 a. SMA2.5-25型等径锥齿轮传动 b.普通锥齿轮传动图3.1 锥齿轮传动3.1.2 锥齿轮轴系设计轴系的大致结构如图3.2所示，锥齿轮通过轴肩定位，由螺钉及垫圈固定在轴上；两个轴承通过轴肩与套筒的突起定位，由防松螺母夹紧；在整个轴系的最左端设计有端盖和垫圈，使得轴系与整个装置分开，防止发生干涉并起到了密封的作用。图3.2 轴系结构轴承设计：由于使用了斜齿轮传动，轴在运转的过程中不可避免的受到了指向锥齿轮大端的轴向力。初步选定可以承受较大轴向力的角接触球轴承,并且在轴承安装处轴
20、颈为20mm,选用7204BW型。螺母设计：在轴系中螺母部分的要求有两个，一个是夹紧轴承，另一个是防止在转动的过程中发生松动。对此有两种解决方案，一种是使用普通螺母搭配止动垫圈的方法，另一种是直接选用特殊的防松螺母。本着设计简单安装方便的原则，直接选用米思米公司的HLN16型防松动螺帽。密封圈选用米思米公司的MFHN15。螺钉的设计：连接竖直轴系的端盖与套筒：选用内六角花形圆柱头螺钉M10x45, GB/T 6191-1986。固定水平轴系：选用内六角花形圆柱头螺钉M10x80, GB/T 6191-1986固定锥齿轮和轴：内六角平园头螺钉M12x25 GB/T 70.2-2000垫圈：16号
21、平垫圈GB/T 97.1-19853.1.3 轴系连接件的设计在该装置中存在着两个轴系，它们相互垂直。其中一个轴系直接固定在箱体上，另一个轴系则通过连接件实现定位，由螺钉将其固定在连接件上。如图3.3所示，位于图中间部分的带筋L形板为连接件。图3.3 轴系连接板32 铣削部分原理和结构设计如图3.4（a）所示，铣削部分的大致结构包括了大套筒，垫板和螺钉。位于最下方的锥孔用于放置BT40铣刀刀柄，螺钉用于将铣刀刀柄拉紧，使其紧紧贴在锥孔表面上；最上方的缺口用来传递动力；中下部的环形突出则是止推滑动轴承的一部分，其上表面可用来承受来自铣刀的轴向推力，下表面可以防止铣削模块因为重力的作用掉下去。那么
22、由于环形突出的上下表面都要受力，为了便于安装，该滑动轴承必须设计成剖分式的。 (a) 铣削部分结构 (b)弹性夹头尺寸 (c)安装过程图3.4 铣削部分原理与结构3.2.1 铣刀的装夹原理使用弹性夹头装夹，弹性夹头同时具有了定位与夹紧铣刀的作用。如图1.4（c）所示，首先将弹性夹头锥柄通过螺钉安装在转刀盘上，通过螺母把铣刀和卡簧同时安装或者拆卸。下图为刀柄的结构尺寸图，其中的锥度部分已经标准化。可以按照BT40的标准来设计大套筒锥孔，以适应不同型号的铣刀的铣刀刀柄。通过换用规格的弹性夹头，可以安装铣刀刀杆直径为1640mm的铣刀。对于一般立铣刀而言（如图1.5所示），刀刃处的直径大致与铣刀杆直
23、径相等或略大。图3.5 不同形式的铣刀3.2.2 铣削部分滑动轴承的设计外部直径，根据机械设计手册，取。，取。3.2.3 铣刀与竖直轴系的连接块设计 图3.6 连接块建模图关于链接块的结构如图3.6所示，该自动换刀装置在工作的过程当中，水平轴系与竖直轴系相对于整机的位置固定不变；而铣削部分选择铣刀时绕着水平轴系中心线旋转，那么铣刀部分的上表面扫过的轨迹为一个圆环。如果按照图3.7（a）的方式装配（铣削部分上表面直接与连接块圆板下表面接触），会发生零件之间的干涉。解决方法如图3.7(b)所示，将铣削部分向下平移一段距离再安装（这个距离由转刀盘来保证）。经Solidworks测量得连接块圆板下表面
24、到水平轴系中心线的距离，链接块圆板处半径，那么铣削部分上表面与水平轴系中心线的距离最小值，取。 （a）错误安装 （b）正确安装图3.7 两种不同的安装方式33 车削部分设计目前市场上主要存在这两种规格的方形车刀杆（车刀杆横截面规格为25x25和20x20），如图3.8所示，需要设计车刀夹具将车刀杆固定在刀盘上，车刀杆上安装车刀。考虑到车刀的车削的过程中的受力方向，将从两个方向同时夹紧车刀。如图所示，车刀夹具底部的燕尾槽插入转刀盘，通过螺钉固定在转盘上，左侧与上侧的螺纹孔用来放螺钉夹紧车刀杆。该车刀夹具的所有尺寸均按照20x20的车刀杆进行设计。 （a）结构 （b）安装图3.8 车削夹具设计34
25、 转刀盘设计3.4.1 铣刀与竖直轴系的连接块设计如图3.9所示，分别在侧面和低面放置铣刀和车刀，由于铣削部分使用了双向止推滑动轴承，所以该转刀盘为剖分式的，并且在尺寸上与铣削部分和车削部分相适应。如图所示，8个燕尾槽用来放车刀；8处与侧面相垂直的孔用来放铣刀；设计齿圈是为了可以转动刀盘达到选刀的目的，另外还需要在这两个零件上都设计8光孔光孔，用来安装螺栓，使两部分合二为一。其中前转刀盘左侧的两处环槽为双环式双向止推滑动轴承的一部分，是转刀盘与箱体之间的连接部分。注：图3.9（b）将零件的一个外表面（安装车刀的面）设置成了透明状态。 （a） 前转刀盘 （b）后转刀盘 （c）前转刀盘盖（d）转刀
26、盘装配图图3.9 转刀盘设计3.4.2 转刀盘选型和参数设计转刀盘齿圈设计：转刀盘内径为510mm,假定内齿圈模数为5mm。内齿轮齿根圆直径，其中，当时，。可以取。图3.10 滑动轴承设计原理转刀盘与箱体之间滑动轴承设计：设计原理如图3.10所示，根据箱体外径与前转刀盘尺寸初步确定滑动轴承小径，那么大径，取。，取。35 传动部分设计3.5.1 原理与结构如图3.11所示，传动部分主要有三根轴组成，从左至右依次命名为轴1、轴2和轴3。其中轴1用来转动转刀盘，完成选刀的动作；轴2是动力轴，由两部分组成一端有花键的轴和一端有花键的套筒，花键轴可以在拨叉（图中的透明部分）的带动下可以沿着轴的方向往复运
27、动，控制着花键轴齿轮与轴1和轴3上的齿轮的分离与啮合，花键套筒则只能绕着轴2的中心线转动无法沿着中心线往复运动，但是花键套筒上的齿轮直接与伺服电机相连接；对于轴3而言，当拨叉向纸外拨动花键轴之后，花键轴齿轮与轴3上的齿轮啮合，动力通过轴3、水平轴系、等径锥齿轮、竖直轴系最终传递道铣削部分，铣刀转动进行铣削。图3.11 传动结构3.5.2 参数设计（1）拨动转刀盘的齿轮设计：该齿轮用于转动转刀盘，由于转动转刀盘的速度并不需要很大，同时也为了减小齿轮所占的空间，应该采用降速传动，齿数尽量少，但齿数太少有容易发生根切现象。最小齿数，取5模数齿轮齿数。那么轴1到轴3之间的距离。（2） 确定轴1、轴2、
28、轴3上的三个重要齿轮的齿数、和以及它们的模数：根据齿轮中心距公式，有，为设计成标准齿轮标准安装，首先要选择优选模数，然后保证齿数有正整数解，那么模数必须是小数，取mm,可以得到关系式：。其中齿轮2、3之间为降速传动（转动转刀盘），齿轮2、1之间可以设计成升速传动，实现高速铣削。由此可知。最后确定，所有的齿轮都是标准齿轮。3.5.3 联轴器的设计联轴器用于连接轴3和水平轴系的中心轴。水平轴系中心轴在安装的时候由锥齿轮处沿着背离转刀盘的方向插入，在与联轴器相接触的地方轴颈最小，仅仅15mm;而轴3安装在整个装置的箱体中，安装着齿轮，轴颈最小的地方也是在与联轴器相接触的地方。为了方便安装，必须设计一
29、个联轴器。我选用MCSLC50-15-20型联轴器，如图3.12所示，蓝色部分为螺钉，使用时拧紧螺钉，就可以将联轴器与轴连接在一起。其容许力矩为，最高转速为。图3.12 联轴器建模图3.5.4 气缸设计拨叉的动力来源为气缸。由于拨叉拨动花键轴仅仅需要克服花键轴与箱体、与花键套之间的摩擦阻力，所需要的力并不大，所以选择气缸的依据主要是行程。在此次设计中，滑移齿轮需要移动的距离是。选择行程为的型气缸。图3.13 气缸36 电机设计3.6.1 电机选型依据由于转刀盘总体形状规则，并且各个刀具安装位置成圆周阵列分布，整个转刀盘的质心分布在水平轴中心线上。电机需要克服的阻力除了摩擦阻力，主要来自于铣刀的
30、铣削阻力矩。电机选型的依据有两个：力矩和功率。其中电机的功率必须大于铣削功率，但是经过2级齿轮传动系统或减速机，电机轴上的力矩未必大于铣刀上的阻力矩。3.6.2 切削力与切削力矩的确定主切削力的经验公式为。其中，、都是可以根据有关资料查出来的常数； 三个切削用量。切削力的影响因素十分复杂。所以，我在电机选型中估算主切削力主要通过参考一般的加工条件下得出的切削力来取一个合适的值。在陈学胜、郭东亮等人的研究圆刀片切削力计算方法中，工件材料为7075铝合金，切削速度3140mm/s，切削深度0.4mm,刀具前角后角分别为1和7。这种条件下测得的切削力为411N，计算值为456N。在韩变枝、陈明等人的
31、钛合金高速铣削的切削力实验研究与建模 中则测出了钛合金在不同的切削用量下的切削力，结果如下图所示。图3.14 不同切削用量对切削力的影响7075铝合金为常用材料，使用更广泛；钛合金使用较少，为高强度材料且实验中高速切削（每秒超过100转），所以像进给量为0.8mm/r时的总切削力=653N这样的力出现较少。在选取铣削阻力时，必须保证满足切削铝合金所需要的力，并增加一定的裕量，可以参考两次研究的平均值，取设计铣削阻力为550N。那么最大铣削阻力矩牛米，铣削功率中进给抗力做功只占，背向力则不做功，那么可以直接用主切削力的功率来代替总切削力的功率，。可以选择功率为2000w,转矩为7.7的型伺服电机
32、。图3.15 型伺服电机3.6.3 齿轮轴系的设计轴2上的转矩牛米；则电机轴至轴2的齿轮最大传动比为。假设电机轴上的齿数为20，那么花键套齿轮最少齿数为40，取齿数为50。模数确定为2.75mm,那么两轴间距离为。由于轴在工作过程中轴向力很小，可直接选用深沟球轴承。但考虑到电机齿轮轴系安装空间比较小，要求尽量降低轴的复杂程度，方便安装。如图3.16a所示，该齿轮轴只有一个轴肩，但设有两处键槽与两处环槽；环槽处安装弹性挡圈（如图3.16b所示），用来定位轴上零件，此外还设计了定位套筒，它们起到了轴肩的作用。如图所示，轴系采用两头各单向端固定的方式，一侧使用箱体上阶梯孔定位，另一侧则使用孔用轴端挡
33、圈(如图3.16c)，安装时可以将轴系从箱体右侧的孔插入，最后安装孔用弹性挡圈。如果轴受到震动、冲击而产生的轴向力，最终则传递到箱体上。 (a) 电机齿轮轴 (b) 轴用弹性挡圈 (c)孔用弹性挡圈图1.15 电机轴重要零件图1.16 电机轴安装图3.6.4 电机的安装型伺服电机的箱体上有四个直径5mm的长通孔。如图1.17所示，在这四个通孔中放入四根4mm铁柱，两端由滚花高螺母拧在箱体上（如图1.18所示，它是一种特殊的小型螺母），这样整个电机的重量就压在四根铁柱上了，最后由四根螺钉将电机固定在右侧突出板上。 图3.18 电机安装图 图3.19 滚花高螺母3.6.5 电机联轴器选型选用多节膜
34、片式夹紧螺丝固定型的带键槽联轴器（如图3.20所示）。它是一种弹性联轴器，补偿一些径向、轴向偏差。最终选型为。这种联轴器容许力矩比较大，达到了。图3.20 联轴器37 轴与箱体之间的防磨损设计在此次设计中，传动部分比较复杂，使用的轴比较多。一旦这些转动着的轴如果直接与箱体接触，就会磨损箱体，降低传动精度。可以安装轴承避开箱体与转轴直接接触，但设计中的一些位置空间狭小，难于安装滑动轴承。对此，改用轴套。一般而言，大多数的轴套材料都有减摩性，有的还具有自润滑的功能，在使用时甚至不需要专门加润滑剂。如果时间久了轴套磨损，可以换一个，直接避免了箱体磨损。在本次设计中使用了型法兰轴套（LFF），如图3.
35、21所示，它有一个环形突出，可以用来定位，避免了轴套在使用过程中滑落。根据轴的直径与箱体的壁厚，选用的型号有、和三种。图3.21 LLF型法兰轴套38 转刀盘的锁紧设计这种换刀装置在进行车削或者铣削的时候，转刀盘必须都是锁紧不转的状态。由于该装置在铣削时拨动转刀盘齿轮上的扭矩为零，只能在车削的时候起到锁紧转刀盘的作用，所以有必要专门设计一个锁紧部件。3.8.1 锁紧原理如图3.22所示，锁紧部件中有四根立柱，他们穿过内箱体（在整个工作过程当中始终不转）上的四个通孔，导致锁紧齿轮在任何状态下都是无法转动的。一个无法转动的齿轮与转刀盘内齿圈啮合就会达到锁紧的目的。锁紧齿轮可以在小行程气缸（图中颜色
36、最深的部分）的带动下往复移动，实现与内齿圈的啮合与分离（夹紧和放松）。 (a)结构 (b)锁紧部件在整个装置中的位置图3.22 锁紧部件3.8.2 关于锁紧部件可行性的思考在进行车铣加工时，转刀盘所受到的扭矩比较大，那么仅仅依靠四根立柱能锁住转刀盘吗？假设锁不住，锁紧齿轮发生转动，成为从动轮，转刀盘内齿圈是主动轮。，相当于一个升速传动，扭矩几乎减小至原来的，所以最终每一个立柱上所承受的力都不大。这也和车辆中将闸片设置在高速轴上的原理一致。3.8.3 零部件的选型与设计气缸选型：气缸的行程要小，对于承载能力要求不大。选用型气缸，型号为，行程。齿轮设计：模数，齿数。螺母：。4 八角盘式自动换刀装置
37、关键部分校核41 轴与花键套筒的校核4.1.1 水平轴系与竖直轴系中心轴的校核竖直轴系中心轴属于传动轴，可以按照扭转强度来计算最小轴径。查机械设计手册中表6-1-18，轴颈公式，其中是许用扭转切应力，竖直中心轴的材料选取35,其许用扭转切应力。取，那么。考虑到轴上有键槽，轴直径扩大，。然而在竖直中心轴上的最小轴颈为15mm,所以满足强度条件。对于水平轴系中心轴而言，受力性质与竖直中心轴一样，都不受弯矩只受扭矩，校核数据也一样。在设计时为了尽量使用同一型号的零件，最小轴颈也设置成了15mm,也满足强度条件。电机轴上的扭矩：对于此传动系统而言，当电机用于为铣刀提供动力时电机轴上扭矩达到最大值。电机
38、轴到铣刀的传动比，电机轴上的实际扭矩。电机轴的材料选为Q235，取最小基本直径，对于安装键槽处的轴径为。轴1仅仅用于转动转刀盘，而转刀盘的质心又位于水平轴系中心线上，即便是在工作的情况下扭矩也可以忽略不计。所以轴1不用进行强度校核，材料选取普通碳素结构钢Q235。轴2上的扭矩：当轴2用于为铣刀传递动力时扭矩最大。最大扭矩为，并且只在有花键的一端到齿轮之间有扭矩且这一部分的扭矩全部为（此处联轴器的容许力矩为，联轴器符合要求），在齿轮到轴的另一端无扭矩。轴材料依旧选Q235，其基本直径为。对于有键槽的那一部分轴颈适当加大，那么。实际上该轴的最小轴颈为20mm,满足要求。花键套筒上的扭矩与轴2一样，
39、为，但是花键套筒属于空心轴。根据机械设计手册表6-1-21，其外径公式为，其中为内径与外径之比,。花键套筒材料依旧选为Q235，那么最小轴径为，实际上花键套的最小直径为27.3mm。满足要求。42 锥齿轮轴承的校核在本次设计中，一共有3处使用轴承，两处角接触球轴承和一处深沟球轴承。其中深沟球轴承用在电机轴上，不受轴向力，径向力之和仅仅等于整个轴系的重力，对轴承来说完全可以忽略不计，不需要校核。锥齿轮在啮合中所受到的力可以分解为三个相互垂直的力，分别为切向力，径向力和轴向力。角接触球轴承则用在安装了锥齿轮的水平轴系和竖直轴系中，他们同时受径向力与轴向力。如前所诉，竖直轴系与铣削部分留有一定的空隙
40、，铣刀铣削时产生的进给抗力最终经过止推滑动轴承作用在转刀盘上。这两个轴系中径向力与轴向力只来源于锥齿轮。锥齿轮直径，锥距齿宽系数，B为锥齿轮齿宽，对于SMA2.5-25型锥齿轮来说，所以，传动比，那么两齿轮的分锥角分别为；平均直径；由此计算齿轮的三个分力：确定支反力，在垂直面内，解得；在水平面内，解得。由此确定两轴承的径向力，所选用的轴承型号为7204BW，根据机械原理与机械设计（下册）中21-11，角接触球轴承派生轴向力公式为，由此可以算得，。并且两轴承为背靠背安装，派生轴向力背向指向两侧轴端。确定两轴承所受的轴向力：，两者中取较大值718N；，两者中取较大值827N。计算两轴承的当量动载荷
41、，并且该装置应用在机床上，具有中等冲击，查表21-8，取。根据，查表21-7，得；。；，。两轴承完全一样，只需验算轴承2的寿命。轴承寿命，对于型轴承来说，并且属于球轴承，。那么；假设铣削时转速为，其寿命为。寿命很长，轴承满足要求。5 控制系统51 控制气路5.1.1 控制气路设计要求与原理图控制气路用来控制气缸的往复运动，以拨动拨叉完成“换挡”操作。换挡的关键轴2上安装了轴套，具有减摩作用，并且在换挡的过程之中只需要克服摩擦阻力的作用，所以对整个气路中气压的限制不大。由于拨叉运行距离小，对控制气路的要求主要是要有调速作用，保证拨叉运动基本处于低速状态；同时还要保证轴2齿轮与轴1或轴3啮合的时候
42、轴2的位置不变，具有锁紧的功能。气路原理如图5.1所示，采用了单向节流阀进行速度控制；由中间封闭的三位五通阀进行换向。在气缸的右侧设置两个行程开关，当杠杆碰到开关时，换向阀电磁铁失电，阀芯复位，气缸两端都是压缩空气，无法移动，达到锁紧的目的。当另一侧电磁铁得电时，气缸拨动拨叉换挡，然后锁紧，等待另一侧电磁铁再次得电，如此反复。图5.1 气路原理图5.1.1 控制气路选型（1）单向节流阀选型：换挡气缸的节流阀：拨叉运行距离为40mm,选定运行速度为20mm/s。MY1M16型气缸的受压面积为200，则此时的流量为，可以选用调节流量为的精密型单向节流阀。如图5.2所示，精密型单向节流阀的流量有上线
43、和下线之分，选取平均值为参考，那么使用时应该转动指针4圈。图5.2 精密型单向节流阀性质锁紧气缸的节流阀：的受压面积为，行程，工作中移动距离为，选定速度为，那么流量为，仍然可以选的精密型单向节流阀。只不过使用时指针选装2圈。（3） 中封式三位五通阀选型：首先确定阀的驱动方式，优先选用电磁驱动。因为此装置用于数控加工中心，选用电磁驱动易于整个控制系统与机床的数控指令衔接在一起。图5.3是五通阀的选型表。假设工作压力为，对于换挡气缸来说，实际流量特性；对于锁紧气缸而言，。所以两个气缸的换向阀型号一致，都是连接口径为的型中封式阀。图5.3 五通阀基本参数表（4） 三联件的选用：三联件过滤减压阀+油雾器的选用标准主要是螺纹种类与接口管径，最终选择型号为AC20A-2001的三联件。52 电气原理图5.2.1