数控专业毕业设计 .doc

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1、毕 业 设 计（论文）（说 明 书）题 目：数控加工中心盘式刀库设计姓 名： 曾庆杰 编 号： 平顶山工业职业技术学院 2011年 月 日平顶山工业职业技术学院毕 业 设 计 （论文） 任 务 书姓名 曾庆杰 专业 机电一体化（数控方向） 任 务 下 达 日 期 年 月 日设计（论文）开始日期 201 年 月 日设计（论文）完成日期 2011 年 月 日设计（论文）题目： 数控加工中心盘式刀库设计 A编制设计 B设计专题（毕业论文） 指 导 教 师 系（部）主 任 年 月 日平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）答辩委员会记录 机械工程系 系 机电一体化（数控方向） 专业，学生 曾庆杰 于 2

2、011 年 月 日进行了毕业设计（论文）答辩。设计题目： 数控加工中心盘式刀库设计 专题（论文）题目： 数控加工中心盘式刀库设计 指导老师： 答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给予学生 毕业设计（论文）成绩为 。答辩委员会 人，出席 人答辩委员会主任（签字）： 答辩委员会副主任（签字）： 答辩委员会委员： ， ， ， ， ， ， 平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）评语第 页共 页学生姓名： 曾庆杰 专业 机电一体化（数控方向） 年级 08级（三）班 毕业设计（论文）题目： 曲轴的加工工艺及夹具设计 评 阅 人： 指导教师： （签字） 年

3、月 日成 绩： 系（科）主任： （签字） 年 月 日毕业设计（论文）及答辩评语： 摘 要加工中心是典型的集高技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家设计制造的水平也大大提高了劳动生产率，降低了劳动成本，改善了工人的工作环境，降低了工人的劳动强度。自动换刀刀库的发展俨然已超越其为数控加工中心配套的角色，在其特有的技术领域中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。刀库作为加工中心最重要的部分之一，它的发展也直接决定了加工中心的发展。本论文完成的是盘式刀库的总体设计、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

4、单，换刀时间短，定位精度高；总体结构简单、紧凑，动作准确可靠；维护方便，成本低。本刀库减速传动部分分两级减速，一级传动部分采用齿轮减速装置，二级传动部分采用蜗轮蜗杆减速装置，此种设计方案可提高输出轴的传动平稳性能，即提高刀盘的运转平稳性。本刀库满载装刀24把，采用单环排列方式排放，按就近选刀原则选刀。关键词：加工中心；刀库；数控加工AbstractMachining center is a typical set of high-tech machining equipment in one, its development represents a countrys level of des

5、ign and manufacture greatly improved labor productivity, reduce labor costs, improved working environment and reduce the labor of workers strength. The development of automatic Tool Change,s tool house in recent years seems to have gone beyond the NC Center for supporting the role of technology in t

6、heir 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 process

7、ing centers development. This paper completed the overall design,transmission design,structure design and the transmission parts movement and dynamic design of the disc tool house. Such a tool house in the CNC Machining Center is widely used, the tool change is simple, tool change time is short, hig

8、h-precision positioning; overall structure is simple and compact , Action is accurate and reliable; convenient maintenance and low cost. The slowdown part in the transmission of the tool house includes two parts, the first part of the transmission is gear deceleration device, the second transmission

9、 part of the transmission is Worm Gear deceleration device, such design can increase the output shaft of the transmission smooth performance, improve the smooth functioning of the tool house. The tool house which can load with the maximum of 24 tools use single-ring arrangement of emissions and acco

10、rding to the principle of the nearest to election tools. Key words: Machining centers; Tool house; NC目录摘 要1ABSTRAC21 引言41.1 数控加工中心概述41.2 数控加工中心的分类41.3 加工中心的主要加工对象51.4 加工中心的特点71.5 加工中心刀库的形式81.6 换刀装置的形式92 总体方案的确定102.1 刀库主要参数102.2 电动机的初选102.3 确定传动装置的总传动比和分配传动比112.4 确定各轴转速、转矩和功率 122.5 电动机的校核 143 刀库设计与校核

11、163.1 齿轮传动的计算163.2轴的校核203.3滚动轴承的校核253.4蜗轮蜗杆的设计 263.5键的校核264 刀具交换装置284.1换刀简介284.2换刀过程28结论29致谢30参考文献311 引 言1.1数控加工中心概述数字控制是20世纪中期发展起来的一种自动控制技术，是用数字化信号进行控制的一种方法16。采用数控技术进行控制的机床，称为数控机床8。加工中心（Machining Center,简称MC）是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床。它是适应省力、省时和节能的时代要求而发展起来的，它综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、气动技术、拖动技术、现在控制

12、理论、测量及传感技术以及通讯诊断、刀具和应用编程技术的高技术产品，将数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能聚集在一台加工设备上，且增设有自动换刀装置和刀库，可以在一次安装工件后，数控系统控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、内外倒角、环形槽及攻螺纹等加工4。随着电子技术的迅速发展，以及各种性能良好的传感器的出现和运用，加工中心的功能日趋完善，这些功能包括：刀具寿命的监视功能，刀具磨损和损伤的监视功能，切削状态的监视功能，切削异常的监视、报警和自动停机功能，自动检测和自我诊断功能及自适应控制功能等

13、1。加工中心还与载有随行夹具的自动托板进行有机连接，并能进行切屑自动处理，使得加工中心成为柔性制造系统、计算机集成制造系统合自动化工厂的关键设备和基本单元。1.2 数控加工中心的分类1.2.1 按照机床形态分类（1）卧式加工中心 指主轴轴线为水平状态设置的加工中心。卧式加工中心一般具有3-5个运动坐标。常见的有三个直线运动坐标(沿X、Y、Z轴方向)加一个回转坐标(工作台)，它能够使工件一次装夹完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工。卧式加工中心较立式加工中心应用范围广，适宜复杂的箱体类零件、泵体、阀体等零件的加工。但卧式加工中心占地面积大，重量大；结构复杂，价格较高1。 （2）立式加工中心

14、指主轴轴心线为垂直状态设置的加工中心。立式加工中心一般具有三个直线运动坐标，工作台具有分度和旋转功能，可在工作台上安装个水平轴的数控转台用以加工螺旋线零件。立式加工中心多用于加工筒单箱体、箱盖、板类零件和平面凸轮的加工。立式加工中心具有结构简单、占地面积小、价格低的优点。 （3）龙门加工中心 与龙门铣床类似，适应于大型或形状复杂的工件加工。（4）万能加工中心 万能加工中心也称五面加工中心小工件装夹能完成除安装面外的所有面的加工；具有立式和卧式加工中心的功能。常见的万能加工中心有两种形式：一种是主轴可以旋转900既可象立式加工中心一样，也可象卧式加工中心一样；另一种是主轴不改变方向，而工作台带着

15、工件旋转900完成对工件五个面的加工。在万能加工中心安装工件避免了由于二次装夹带来的安装误差，所以效率和精度高，但结构复杂、造价也高1，2。1.2.2按换刀形式分类（1）带刀库机械手的加工中心 加工中心换刀装置由刀库、机械手级组成，换刀动作由机械手完成。（2）机械手的加工中心 这种加工中心的换刀通过刀库和主轴箱配合动作来完成换刀过程。（3）转塔刀库式加工中心 一般应用于小型加工中心，主要以加工孔为主。加工中心常按主轴在空间所处的状态分为立式加工中心和卧式加工中心，加工中心的主轴在空间处于垂直状态的称为立式加工中心，主轴在空间处于水平状态的称为卧式加工中心。主轴可作垂直和水平转换的，称为立卧式加

16、工中心或五面加工中心，也称复合加工中心。按加工中心立柱的数量分；有单柱式和双柱式（龙门式） 7。1.2.3按数控系统功能分类加工中心根据数控系统控制功能的不同分：有三轴二联动、三轴三联动、四轴三联动、五轴四联动、六轴五联动等。三轴、四轴是指加工中心具有的运动坐标数，联动是指控制系统可以同时控制运动的坐标数，从而实现刀具相对工件的位置和速度控制11。 1.2.4按工作台的数量和功能分类有单工作台加工中心、双工作台加工中心，和多工作台加工中心。1.2.5按加工精度分类（1）普通加工中心 普通加工中心，分辨率为1m，最大进给速度1525m/min，定位精度l0 m左右。（2）高精度加工中心 高精度加

17、工中心，分辨率为0.1m，最大进给速度为15100m/min，定位精度为2m左右。介于2l0 m之间的，以5 m较多，可称精密级3。1.3 加工中心的主要加工对象加工中心适宜于加工复杂、工序多、要求较高、需用多种类型的普通机床和众多刀具夹具，且经多次装夹和调整才能完成加工的零件。其加工的主要对象有箱体类零件、复杂曲面、异形件、盘套板类零件和特殊加工等五类4-6。1.3.1箱体类零件箱体类零件一般是指具有一个以上孔系，内部有型腔，在长、宽、高方向有一定比例的零件。这类零件在机床、汽车、飞机制造等行业用的较多。箱体类零件一般都需要进行多工位孔系及平面加工，公差要求较高，特别是形位公差要求较为严格，

18、通常要经过铣、钻、扩、镗、铰、锪，攻丝等工序，需要刀具较多，在普通机床上加工难度大，工装套数多，费用高，加工周期长，需多次装夹、找正，手工测量次数多，加工时必须频繁地更换刀具，工艺难以制定，更重要的是精度难以保证。加工箱体类零件的加工中心，当加工工位较多，需工作台多次旋转角度才能完成的零件，一般选卧式镗铣类加工中心。当加工的工位较少，且跨距不大时，可选立式加工中心，从一端进行加工。1.3.2复杂曲面复杂曲面在机械制造业，特别是航天航空工业中占有特殊重要的地位。复杂曲面采用普通机加工方法是难以甚至无法完成的。在我国，传统的方法是采用精密铸造，可想而知其精度是低的。复杂曲面类零件如：各种叶轮，导风

19、轮，球面，各种曲面成形模具，螺旋桨以及水下航行器的推进器，以及一些其它形状的自由曲面。这类零件均可用加工中心进行加工。铣刀作包络面来逼近球面。复杂曲面用加工中心加工时，编程工作量较大，大多数要有自动编程技术。1.3.3异形件异形件是外形不规则的零件，大都需要点、线、面多工位混合加工。异形件的刚性一般较差，夹压变形难以控制，加工精度也难以保证，甚至某些零件的有的加工部位用普通机床难以完成。用加工中心加工时应采用合理的工艺措施，一次或二次装夹，利用加工中心多工位点、线、面混合加工的特点，完成多道工序或全部的工序内容。1.3.4盘、套、板类零件带有键槽，或径向孔，或端面有分布的孔系，曲面的盘套或轴类

20、零件，如带法兰的轴套，带键槽或方头的轴类零件等，还有具有较多孔加工的板类零件，如各种电机盖等。端面有分布孔系、曲面的盘类零件宜选择立式加工中心，有径向孔的可选卧式加工中心。1.3.5特殊加工在熟练掌握了加工中心的功能之后，配合一定的工装和专用工具，利用加工中心可完成一些特殊的工艺工作，如在金属表面上刻字、刻线、刻图案；在加工中心的主轴上装上高频电火花电源，可对金属表面进行线扫描表面淬火；用加工中心装上高速磨头，可实现小模数渐开线圆锥齿轮磨削及各种曲线、曲面的磨削等7，8。1.4加工中心的特点加工中心（MachiningCenter）是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家

21、设计、制造的水平，因此在国内外企业界都受到高度重视。如今，加工中心已成为现代机床发展的主流方向，加工广泛应用于机械制造中8，9。与普通数控机床相比，它具有以下几个突出特点：1.4.1工序集中加工中心备有刀库并能自动更换刀具，对工件进行多工序加工，使得工件在一次装夹后，数控系统能控制机床按不同工序，自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹，以及其他辅助功能，现代加工中心更大程度地使工件在一次装夹后实现多表面、多特征、多工位的连续、高效、高精度加工，即工序集中，这是加工中心最突出的特点。1.4.2对加工对象的适应性强加工中心生产的柔性不仅体现在对特殊要求的快速反应上

22、而且可以快速实现批量生产，提高市场竞争能力1.4.3加工精度高加工中心同其他数控机床一样具有加工精度高的特点，而且加工中心由于加工工序集中，避免了长工艺流程，减少了人为千扰，故加工精度更高，加工质量更加稳定。1.4.4加工生产率高零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分。加工中心带有刀库和自动换刀装置，在一台机床上能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和机床的调整时间，减少工件半成品的周转、搬运和存放时间，使机床的切削利用率（切削时间和开动时间之比）高于普通机床34倍，达80以上。1.4.5操作者的劳动强度减轻加工中心对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作键盘、

23、装卸零件、进行关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度和紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到很大的改善。1.4.6经济效益高使用加工中心加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是较昂贵的，但在单件、小批生产的情况下，可以节省许多其他方面的费用，因此能获得良好的经济效益。另外，由于加工中心加工零件不需手工制作模型、凸轮、钻模板及其他工夹具，省去了许多工艺装备，减少了硬件投资还由于加工中心的加工稳定，减少了废品率，使生产成本进一步下降。1.5加工中心刀库的形式加工中心使用的刀库最常见的形式是圆盘式刀库和机械手换刀刀库2。1.5.1圆盘式刀库圆盘式刀库应该称之

24、为固定地址换刀刀库，即每个刀位上都有编号，一般从1编到12、18、20、24等，即为刀号地址。操作者把一把刀具安装进某一刀位后，不管该刀具更换多少次，总是在该刀位内。（1）制造成本低。主要部件是刀库体及分度盘，只要这两样零件加工精度得到保证即可，运动部件中刀库的分度使用的是非常经典的“马氏机构”，前后、上下运动主要选用气缸。装配调整比较方便，维护简单。一般机床制造厂家都能自制。（2）刀号的计数原理。一般在换刀位安装一个无触点开关，1号刀位上安装挡板。每次机床开机后刀库必须“回零”，刀库在旋转时，只要挡板靠近（距离为0.3mm左右）无触点开关，数控系统就默认为1号刀。并以此为计数基准，“马氏机构

25、”转过几次，当前就是几号刀。只要机床不关机，当前刀号就被记忆。刀具更换时，一般按最近距离旋转原则，刀号编号按逆时针方向，如果刀库数量是18，当前刀号位8，要换6号刀，按最近距离换刀原则，刀库是逆时针转。如要换10号刀，刀库是顺时针转。机床关机后刀具记忆清零。（3）固定地址换刀刀库换刀时间比较长国内的机床一般要8秒以上（从一次切削到另一次切削）。（4）圆盘式刀库的总刀具数量受限制，不宜过多，一般40#刀柄的不超过24把，50#的不超过20把，大型龙门机床也有把圆盘转变为链式结构，刀具数量多达60把8-13。1.5.2机械手刀库机械手刀库换刀是随机地址换刀。每个刀套上无编号，它最大的优点是换刀迅速

26、、可靠。（1）制造成本高。刀库有一个个刀套链式组合起来，机械手换刀的动作有凸轮机构控制，零件的加工比较复杂。装配调试也比较复杂，一般由专业厂家生产，机床制造商一般不自制。（2）刀号的计数原理。与固定地址选刀一样，它也有基准刀号：1号刀。但我们只能理解为1号刀套，而不是零件程序中的1号刀：T1。系统中有一张刀具表。它有两栏。一栏是刀套号，一栏是对应刀套号的当前程序刀号。假如我们编一个三把刀具的加工程序，刀具的放置起始是1号刀套装T1（1号刀），2号刀套装T2，3号刀套装T3，我们知道当主轴上T1在加工时，T2刀即准备好，换刀后，T1换进2号刀套，同理，在T3加工时，T2就装在3号刀套里。一个循环

27、后，前一把刀具就安装到后一把刀具的刀套里。数控系统对刀套号及刀具号的记忆是永久的，关机后再开机刀库不用“回零”即可恢复关机前的状态。如果“回零”，那必须在刀具表中修改刀套号中相对应的刀具号。（3）机械手刀库换刀时间一般为4秒（从一次切削到另一次切削）。（4）刀具数量一般比圆盘刀库多，常规有18、20、30、40、60等（5）刀库的凸轮箱要定期更换起润滑、冷却作用的齿轮油8-13。1.6换刀装置的形式换刀装置的形式有回转刀架换刀、更换主轴换刀、更换主轴箱换刀、带刀库的自动换刀系统1。2 总体方案的确定图2-1系统设计简图2.1 刀库主要参数载刀量：24把主轴鼻端：刀具形式BT40刀具直径：80m

28、m平均重量：7Kg初选刀库直径：660mm刀盘最低转速：60r/min由于刀具形式为BT40，其刀具直径为80mm，按初选的刀库直径660mm来排列可知每把刀之间的间隔约为6mm，符合安装要求。刀库的系统传动部分的简图如上图2.1所示。2.2 电动机的初选（1） 选择电动机类型按工作要求和条件，选用三相异步电动机，电压380V，Y型。（2） 选择电动机的容量初选电动机型号为Y27122，其主要参数如下表1：表2-1 （需添加表名）型号额定功率满载转速额定转矩最大转矩质量Y271220.5528202.22.3电动机输出转矩：9550 Nm=9550 Nm=1.86 Nm在此论文中、分别为轴承、

29、齿轮传动（包括蜗轮蜗杆）的传动效率。取=0.98(滚子轴承), =0.97(齿轮精度为8级,不包括轴承效率)。 （3） 确定电动机转速刀库工作刀库转盘所必需满足的转速最低为： n = 60根据传动比合理取值，取一级齿轮的传动比i2,二级涡轮蜗杆减速器传动比i20，则总传动比合理范围为i40，故电动机转速约为 n= in=40=24002.3 确定传动装置的总传动比和分配传动比由选定电动机满载转速n和工作机主动轴转速n,可得传动装置总传动比为 （2-1） 总传动比为各级传动比,、的乘积，即电动机型号为Y27122，满载转速n=2820。（1） 总传动比由式(1) =47（2） 分配减速器的各级传

30、动比按展开式布置。考虑润滑条件，得2，=19.5则此时的输出转速为n=72.312.4 确定各轴转速、转矩和功率（1） 各轴转速 （2-2）式中：电动机满载转速；电动机至轴的传动比。以及 = （2-3） （2-4）由式（2-3）（2-5）得I轴 =1410 II轴 = = 1410 III轴 = = 72.31 （2） 各轴输入功率 kW （2-5） kW , （2-6） kW, （2-7）式中、分别为轴承、齿轮传动的传动效率。由式（5）（7）得I轴 = 0.55 0.98 =0.54kWII轴 = = 0.5390.980.97 =0.51kW III轴 0.51 0.40 kWIIII轴的

31、输出功率则分别为输入功率乘轴承效率0.98,例如I轴输出功率为0.53kW,其余类推。（3） 各轴输入转矩 Nm （2-8）其中为电动机的输出转矩，按下式计算： 9550 Nm （2-9）所以 = 9550 Nm （2-10）= 9550 Nm （2-11） = 9550 Nm （2-12） = 9550 Nm （2-13）由式（8）（13）电动机轴输出转矩 9550=9550= 1.86 NmIIII轴的输入转矩I轴 = 9550 =1.860.97 2 = 3.61NmII轴 =0.97 =3.610.97 =3.50 NmIII轴 = = 3.5019.50.980.80 = 53.51

32、 NmIIII轴的输出转矩则分别为各轴的输入转矩乘轴承效率0.98,例如I周的输出转矩为3.610.98=3.54 Nm,其余类推。运动和动力参数计算结果如下表2-2： 表2-2 （需添加表名）轴名转矩TNm功率PkW转速n传动比i效率输入输出输入输出电动机轴1.860.55282020.96I轴3.613.540.540.53141010.95II轴3.503.430.510.50141019.50.78III轴53.5152.440.400.3972.311.000.972.5 电动机的校核（1）转矩校核加载在刀盘转轴上的重力为刀库旋转刀架的重力，其中刀架厚度为15mm：G1=5.640.

33、0150.160.06+（-）0.03+（-）0.0310=150N 刀库转盘的重量，其中转盘厚度为30mm：G2=+7024=5.60.15=4560N则可得刀库作用在轴3上的转矩T/3 =Gd3=0.004(4560+150)0.06 Nm =1.13 Nm可得T/3 n，故此电动机的转速也满足刀库的转速要求。综合考虑电动机和传动装置的尺寸、转矩、价格和带传动、减速器的传动比，可见此电动机比较合适。因此选定电动机型号为Y2-112-2。3 刀库设计与校核3.1 齿轮传动的计算1、选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数 1） 选用直齿轮2） 加工中心为一般工作机器且轻质载荷，故选用7级精度（GB

34、1009588）3） 材料选择。选择小齿轮材料为40（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=20，传动比为= 2, 大齿轮齿数= 220 = 402、 按齿面接触强度设计由设计计算公式（109a）进行试算，即2.32(1) 确定公式内的各计算数值1） 试选载荷系数=1.3。2） 计算小齿轮传递的转矩。= Nmm =0.3657 Nmm3)由表107选取齿宽系数= 1。4)由表106查得材料的弹性影响系数= 189.8 5)由表1021d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限=600;大齿轮的接触疲劳强度极限=5

35、50。6）由式1013计算应力循环次数。 = 60 = （）= 1.441=0.2517)由图1019取接触疲劳寿命系数=0.95;=0.96。218）计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1，安全系数S = 1，由式（1012）得 =0.95600=570 =0.96550=528(2) 计算1） 试算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值。 2.32=2.32mm=22.6mm由于机床实际的尺寸关系，这里小齿轮的分度圆直径取为=40mm2)计算圆周速度v。 v=1.083)计算齿宽b。 根据机床经验公式，齿宽为模数的68倍，这里模数先试取2，故b =（68）m = 16mm , 这里取b=20mm4)计算齿宽与齿高之比。模数 = 40/20 mm = 2 mm齿高 h = 2.25 = 2.252 mm = 4.5 mm = = 10.675)计算载荷系数。根据v = 1.46, 7级精度，由图108查得动载系数= 1.06 21；直齿轮，=1由表102查得使用系数=1.25；由表104用插值法查得7级精度、小齿轮相对支承非对称布置时，=1.420。由= 10.67, =1.420查图1013得=1.35；故载荷系数=1.251.0611