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1、燕京理工学院毕业设计（论文）燕京理工学院Yanching Institute OF Technology论文题目：XKA5032AC数控立式升降台铣床自动换刀装置的设计学院：工学院专业：机械工程学号：150350045姓名：郑鑫指导教师：李靖2019年4月IVXKA5032A/C数控立式升降台铣床自动换刀装置设计作者XX专业 XX班 学号XX指导教师 XX教授 摘 要 数控加工设备的问世对于机械加工的作业效率、产品质量等方面均有着极大的提升效果。数控加工中心具有对目标件进行一次装夹，即可实现多道工序加工的能力。实现这一功能的关键在于具有自动换刀能力的换刀系统，并且换刀效率对设备的加工效率有很大
2、影响，因此对自动换刀系统进行设计和研究具有极大的工程实际意义。以XKA5032A/C数控立式升降台铣床为应用对象，进行功能性改进设计，为其配备自动换刀机构。该机构主要由支撑结构、滑移机构、刀库、换刀组件等部分组成。详细设计了自动换刀机构组件中各组成件的结构，并给出了主要参数。另外，为了验证所设计的自动换刀装置系统的可靠性，对一些典型易损零部件进行了强度校核和寿命分析。研究结果表明，设计的自动换刀机构符合设计题目要求，功能完备，可靠性满足使用要求。 关键词：数控铣床 自动换刀 刀库Design of Automatic Tool Changing Device for XKA5032A/C CN
3、C Vertical Lift Milling MachineAbstract The advent of numerical control processing equipment has greatly improved the efficiency and product quality of mechanical processing. The NC machining center has the ability to clamp the target parts once, which can realize multi-process processing. The key t
4、o realize this function lies in the tool changing system with automatic tool changing capability. And tool change efficiency has a great influence on the processing efficiency of equipment. Therefore, the design and research of automatic tool change system has great practical significance in enginee
5、ring.Taking XKA5032A/C CNC vertical elevator milling machine as the application object, the functional improvement design is carried out, and the automatic tool changing mechanism is equipped for it. The mechanism is mainly composed of support structure, sliding mechanism, tool storehouse, tool chan
6、ge component and so on. The structure of each component of the automatic tool changing mechanism is designed in detail, and the main parameters are given.In addition, in order to verify the reliability of the designed automatic tool changer system, some typical vulnerable parts were checked for stre
7、ngth and life. The results show that the automatic tool changer designed for XKA5032A/C CNC vertical elevator milling machine meets the design objectives and the reliability meets the application requirements.（空一行）Key words: CNC milling machine automatic tool changer Tool magazine目 录 前 言1第1章 课题研究背景与
8、价值2第11节 选题的意义与价值2第12节 研究背景综述3第13节 主要设计和研究内容4第2章 自动换刀装置总体方案设计5第21节 选用的铣床结构及参数5第22节 自动换装置的形式选择8第23节 总体方案设计10第3章 刀库系统设计12第31节 刀库结构方案设计12第32节 圆形刀盘结构设计13第33节 刀柄固定套结构设计13第34节 连接法兰结构设计15第35节 驱动电机的选型设计15第36节 传动系统设计16第4章 换刀系统设计20第41节 总体方案设计20第42节 机械手结构设计21第43节 换刀传动机构设计22第44节 驱动电机选型设计24第45节 支撑及滑移机构设计24第5章 典型零
9、部件可靠性分析26第51节 螺栓强度校核26第52节 轴承寿命分析27第53节 键连接强度校核28结 论30参考文献31前 言数控铣床属于一种高端精密加工设备，数控加工设备的问世和崛起对于提升加工效率、降低操作者的劳动强度以及严控产品质量具有不可磨灭的积极促进作用。并且在全面快速发展的社会中，往往效率是第一生产要素，因此对于如何提高生产效率一直都是重要研究方向。自动换刀装置对于提高数控机床的加工效率具有非常重要的作用。故而本次毕业设计在检验大学所学知识的同时，对于加工制造业也具有一定的贡献价值。本设计将综合运用大学所学理论知识，基于现有产品结构，对自动换刀机构进行设计和布置。根据题目要求，本设
10、计将对刀库、自动换刀机构进行详细设计，对一些典型零部件进行选型、设计和校核，所设计内容覆盖面广，研究内容高端，能够很好的检验作者是否满足机械相关行业的从业要求。限于时间和设计经验等多方面原因，本设计不免有些许未尽完善和不足之处，本人将悉心求教，敬请指正。第1章 课题研究背景与价值 第11节 选题的意义与价值 科技作为社会的首要生产力，不仅影响着社会进步，更对人们的生产、生活有着巨大的推动促进作用。科技的快速发展带动了社会的进步，同时也带来了新的生活、生产方式。在各行业均在做大跨步攀升的大背景下，加工制造业一直扮演者整个科技环境基石的重要角色，为了适应时代的快速发展，效率和质量成为了我们加工制造
11、业及其关键的指标。数控加工设备的问世对于机械加工的作业效率、产品质量等方面均有着极大的提升效果。数控加工设备或称为数控机床是在普通加工设备的基础上增加了数控系统，由电脑代替人工对机床发出一系列加工指令，从而减少工作量，加快制件速度 1。近些年，为了顺应时代的发展，数控加工设备也是在不断的改良，不断的创新。单一功能的数控加工设备难以满足加工需求，我们行业的人都知道，一个零件从毛培件到成品件，往往需要进行多道工序，一些复杂零件甚至需要几十道甚至上百道工序，如果一个设备单次只能进行一道工序的加工，即使采用数控技术也难提高生产率，这就需要数控加工设备能够完成多道工序的加工，也因此数控加工设备逐渐由具备
12、单一加工功能向着集合多种作业功能的目标发展2-5。具备多种加工功能的数控加工设备常常被称之为数控加工中心，数控加工中心将多种传统机床与数控技术强强联合，从而具备了加工复杂高难度结构能力。以其功能多、效率高、精度高、综合能力强等优点成为了全世界加工制造业的重要加工设备。并且在数控的精准超控下，数控加工中心在加工铺通机床难以加工的零件方面成绩更佳突出。距离首台数控加工中心的问世已经过去了很多年，经年发展，数控加工设备的种类也是琳琅满目，比较先进的床子还能实现三轴、五轴及以上的联动控制5-9。一台数控加工中心能够实现多种功能、多道工序的加工，其原因是在于自动换刀系统。很明显，钻一个小孔和一个大孔就需
13、要两把刀具，再需要铣一个平面，还需要一把铣刀，类似种种，所以功能越多，需要的刀具种类就越多，换个角度说，一个数控加工中心具备的刀具数量越多，其加工功能越强大。如此多的刀具集成在一个设备上，在刀具的管理上以及在刀具的取用上都是很大的难题，而自动换刀系统就是为了解决这个难题而设计的。一个件的加工效率主要取决于各个工序加工的速度和工序间的停歇时间，即加工效率不仅受到主加工轴进给速度和切削速度的影响，还受到换刀机构完成一次换刀循环时间的影响。自动换刀系统能够实现刀具的存储、取用和交换，如何快速的换刀是缩短工序间的停歇时间的重要途径。故对自动换刀机构进行研究和设计，具有工程实际意义。第12节 研究背景综
14、述科学技术的快速发展带动了全社会的快速进步，同时也给人们带来了新的生活、生产方式。横梁一个国家是否具有真正的实力，不再仅仅是在军事的强弱上，在科技较量方面更是硝烟弥漫。数控加工设备在科学技术领域的地位不亚于一只军队，以数控加工中心作为将领的数控加工技术正渐渐代表着国家综合科技实力。当下时代，欧洲、美洲、亚洲的各个国家在世界市场上正在进行着激烈的竞争，争先恐后的发展各自的轻、重工业。国外数控技术起步较早，其中以美国、德国、英国、日本为主要代表。地球上第一款真正具备车、铣、钻等多道连续工序加工能力的数控加工设备在1958年的美国问世，震惊世人，其高超的工作性能得到业内人事的高度认可，进而引起各大工
15、业强国的模仿。尤其是在计算机技术飞书发展之后，带动了数控加工设备在20世纪八十年代快速发展。同期，美国推出了一款带ATC凸轮式自动换刀的加工中心，从此带有自动换刀系统的数控加工设备也如雨后春笋般大量涌现，这种能够完成多道工序加工的机床在1978年以后就进入了黄金时代。现阶段，带有复杂刀库系统和自动换刀机构的加工中心种类十分丰富，并且，德国、日本、韩国等更是将自动换刀装置应用在高端设备上。为了适应不同类型的机床种类，自动换刀装置的实现形式也是多种多样，并且由于某些大型加工中心的存在，能够在一台设备上完成上百把刀具自动化换刀系统已经被应用和验证13-16。我国对于数控加工设备的研发起步稍晚，但与国
16、外的技术也是同一时期出现。当时我国的综合科技水平还不高，一些基础的硬件设施不同于国外某些大型先进企业，进而使我国对数控加工设备的研发没能紧跟时代的步伐，甚至还出现了研发停滞的情况，不得不购买国外研发的产品。但是到了1979年，国内机械加工行业重新对高端数控技术发起冲击，不惜大量财力物力去培养相关领域人才，同时加大了与国外先进企业的合作力度，从那时起，我国在数控加工设备领域得到了飞速进步。21世纪初，在国家政策的指挥下，再次加大发展大型高精密数控设备的力度，使我国的数控加工设备行业得到进一步发展。目前，我国企业、高校均在数控方面有很大的成功，已具备生产带有斗笠式、圆盘式等自动换刀系统的大型数控加
17、工设备的能力，但是限于工艺等其他因素的制约，整体水平尤其是关键零部件制造精密程度仍不及国际先进水平，需要进一步提高。为此本设计从实际需求出发，对普通铣床进行改进设计，加装自动换刀机构，意在为祖国的数控加工设备行业舔砖加瓦。第13节 主要设计和研究内容本设计根据题目要求，对XKA5032A/C型数控立式升降台铣床自动换刀装置进行设计和研究，主要包括以下研究内容：（1）对数控铣床的结构特征进行深入了解和研究；（2）确定自动换刀装置的基本要求及其形式；（3）对自动换刀装置的控制原理进行研究；（4）对自动换刀机构在铣床上的布置和总体结构方案进行设计；（5）对自动换刀机构中重要组件之一的刀库进行设计；（
18、6）对自动换刀机构中重要组件之一的刀具交换装置进行设计；（7）对典型零件结构进行选型、设计和校核。第2章 自动换刀装置总体方案设计根据设计题目要求，以XKA5032A/C型普通铣床为应用对象，设计一种自动换刀机构。本章将首先对选用的目标铣床进行结构特点剖析，并对其主要性能参数进行介绍；其次，确定自动换刀装置的基本形式，以及自动换刀装置的各个组成系统；最终设计总体布置方案。第21节 选用的铣床结构及参数选用的改型设计应用对象为XKA5032A/C数控立式升降台铣床（以下简称C型铣床）。其是一种适用性较为宽泛的机床，多用于结构复杂、加工精度高的零件加工。例如，液力变矩器叶片、变截面弧形体、模具、高
19、精度轴等。并且该款机床满足JB/T9928.1-1999数控升降台铣床 精度检验精度标准要求。2.1.1基本结构组成XKA5032A/C型铣床基本结构主要分为八个部分，分别是主轴箱、主轴、控制面板、图2.1 XKA5032A/C数控立式升降台铣床立柱、电气柜、工作台、冷却系统以及床身，如图2.1所示。可见，普通的XKA5032A/C数控立式铣床没有配备自动换刀装置。通常，此类数控铣床的数控系统为OSP-U10M，即可以采用手动控制，又可以采用程序指令进行控制。在精准的数控系统的辅助下，其能够完成三个坐标方向的定位和直线插补，与此同时还能够进行二轴圆弧插补。2.1.2主要结构特点（1）主传动机构
20、XKA5032A/C数控立式铣床的主轴动力来源于一种7.5Kw的交流法兰盘式电动机，电机通过联轴器将动力传递至变速箱，变速箱能够提供十八级变速，最低转速为30r/min，最高转速达到1500 r/min。为防止突发情况，主传动系统设置有制动器，是一种电磁式离合器，能够提供敏捷稳定的制动。（2）进给机构该铣床能够提供X、Y、Z三方向的进给：在X方向，由伺服电机C12/2000i驱动滚珠丝杠，根据实际需求能够提供6-3000m/min的进给量，无工作阻力时6000m/min；在Y方向，由伺服电机C12/2000i驱动滚珠丝杠，根据实际需求能够提供6-3200m/min的进给量，无工作阻力时6000
21、m/min；在Z方向即主轴方向，由伺服电机C22Bi通过弧形锥齿轮驱动滚珠丝杠，根据实际需求能够提供3-1600m/min的进给量，无工作阻力时3000m/min。并且，各向进给的速度均由数控系统统一控制。（3）主轴及刀柄主轴为立式，配以BT30刀柄，在刀柄上可安装符合标准的铣刀或过渡刀套，主轴即可单独伸缩亦可随着Z向进给共同移动，也可倾斜45工作。（4）床身铣床的床身与底座通过细牙放松螺栓固连，为整个机器提供固定和支撑。床身底部内布置有传动轴和传动齿轮，并设置有冷却液盛放箱。另外还设置有润滑油泵，为各部位提供润滑。（5）其他结构控制柜位于车床一侧，通常为右侧；工作台可升降，依靠燕尾型导轨和滚
22、珠丝杠配合完成；立柱支撑着主轴箱和铣头部分，要求刚度大，结构稳固。2.1.3铣床主要技术参数XKA5032A/C型铣床的主要技术参数见表2.1。表2.1 主要技术参数名称单位值铣床外轮廓尺寸（长x宽x高）mm1929x2055x2216整机质量kg2800工作台宽mm320工作台长mm1320工作台T形槽数量/3工作台T形槽宽度mm18工作台纵向（X）行程mm780工作台横向（Y）行程mm300工作台纵向（Z）行程mm380主轴孔径mm29主轴套筒行程mm80主轴端面距工作台面尺寸mm70-450主轴轴线距床身导轨面尺寸mm350重复定位精度mm0.005主轴端部锥度/ISO.NO.50主轴可
23、变级数/18铣头回转角度范围/45主轴转速r/min301500纵向进给速度mm/min603200横向进给速度mm/min603200立向进给速度mm/min31600纵向快进给速度mm6000横向快进给速度mm6000立向快进给速度mm3000主传动电机功率kW7.5主传动电机转速r/min1440主轴转矩Nm1000工件最大质量kg320第22节 自动换装置的形式选择自动换刀机构是实现数控加工中心高效工作的重要系统，不同的加工需求对应不同的刀具，所以自动换刀机构在一个零件的加工循环中应用频次很高，因此自动换刀的效率严重就影响着整机的加工效率。2.2.1常见自动换刀装置形式通常，自动换刀装
24、置的实现形式往往依据不同数控加工设备、不同的工艺编制而有所区别。目前，自动换刀装置主要有以下几种10-13：（1）更换主轴头式这种类型的换刀装置往往在主轴头处设置有一个圆形的刀架盘，刀架盘上预先安装需要用的刀具，通过旋转刀架盘实现刀具的转位，只有在加工位置上的主轴头与主轴箱具有动力传递，其他位置的均处于分离状态。此种换刀方式适用于刀具数量少的加工设备。（2）回转刀架式此种类型的换刀装置属于比较原始的换刀方式，且结构简单。具备回转功能的刀架上固定着刀具，通常为4-6把，通过控制回转刀架的转位来实现换刀。此种方式同样适用于刀具数量少的加工设备，且需要刀架结构稳定，转位精准。（3）刀库式此种类型的换
25、刀装置是目前比较先进的换刀方式。将需要使用的刀具在一处存放，需要更换刀具时通过机械手将刀具取出，并与旧刀具进行交换。此种方式刀具容量大，加工精度不受外在因素影响，适用于大型精密数控设备14,15。综合比较各种自动换刀的形式，根据C型铣床的结构特点，自动换刀装置应满足换刀迅速、占用空间小、换刀过程安全可靠等要求，故本设计选用带有刀库的自动换刀形式。2.2.2常见刀库形式综合国内外现阶段各种加工中心，刀库的实现形式多种多样16-18，其中尤以下列几种形式为主：（1）圆盘式刀库圆盘式刀库结构见图2.2，主要由卡套、固定盘、换刀组件、传动机构等组成。依靠机械手臂换刀，该种刀库运行稳定，但成本较高，一般
26、受空间尺寸的影响可容纳刀数不多。图2.2 圆盘式刀库（2）斗笠式刀库该种刀库主要由电机、刀柄、传动机构、卡盘和气动装置等组成，见图2.3。其没有独立的换刀装置，依靠主轴换刀。通常可存贮十几把刀具。此种换刀装置结构较为简单、精度也比较高，但主轴工作量大，影响整机维修周期。图2.3 斗笠式刀库（3）链条式刀库该种刀库包括链式刀架、链轮、液动组件等机构，见图2.4。类似于圆盘式刀库，依靠独立的换刀机构实现刀具的交换通，只不过由于链式刀库的刀具存储量大，惯性大，因此常采用液压驱动的形式。能够容纳上百件刀具，适用于大型数控加工设备。图2.4 链条式刀库综合比较各种刀库形式并结合C型铣床的结构特点，采取圆
27、盘形式刀库。第23节 总体方案设计为了将设计的自动换刀形式合理的布置在XKA5032A/C数控立式铣床上，综合分析了该机床的结构特点及换刀过程，以尽量保持原机床结构不变的原则，最终选择将自动换刀装置布置在机床的左侧。基于设计要求及目标，以机械设计原理为基础并结合实践经验，设计了一种带有圆盘式刀库和换刀机械手的自动换刀装置，其总体结构方案如图2.5所示。设计的应用于C型铣床的自动换刀装置主要包括是三个部分，分别是圆盘式刀库、换刀系统和滑移支架组件，各部分的具体结构及组成将在后续章节详细设计。其中刀库系统主要功能是对刀具进行存储和选用，即将替换刀具移动到换刀位置，由换刀系统中的换刀机械手将刀具取出
28、，并将被替换刀具存放到刀库中，；换刀系统一方面将旧刀取下并送至刀库，另一方面将新刀取出并安装；滑移支架组件主要用于对前两部分组件进行固定和支撑，另一个重要用途是调节自动换刀系统与主轴间的距离，当需要换刀时，将自动换刀装置靠近主轴，到达指定位置后，开始换刀动作，换刀完成后，再将自动换刀装置远离主轴，以免干涉主轴或是工件。设计的自动换刀装置不止适用于C型铣床，在其他结构类似的机床上也可使用，仅需调整连接机构即可，此种设计体现了通用性，进而更加具有工程实际意义。1-支撑及滑移机构；2-刀库系统；3-换刀系统；4-主轴；5-控制面板；6-工作台；7-支撑图2.5 总体结构方案第3章 刀库系统设计 刀库
29、系统是数控加工中心的重要组成部分，更是自动换刀装置的关键要素之一，它为高效自动化加工提供加工刀具的存储及选用功能19-21。由于XKA5032A/C数控立式升降台铣床的空间有限，需考虑多种限制因素，更要各个模块巧妙集成。本章将对刀库总体结构方案进行设计，并对各个主要零部件进行详细设计。第31节 刀库结构方案设计根据自动换刀装置的总体设计方案以及设计题目需求，对刀库系统进行设计。根据应用对象的特点，XKA5032A/C数控立式升降台铣床属于一种小型数控加工中心，通常加工一些非复杂零部件，因此对刀库的容量要求不高，本次设计的刀库容量为5，为了满足通用性，采用可更换式刀盘，当需要扩展刀库容量时，仅需
30、更换刀盘即可。在驱动方面，为了达到按指令选刀的目的，选用伺服电机。在动力传递方面，选用蜗轮蜗杆。设计的圆盘式刀库系统如图3.1所示。图3.1 圆盘式刀库系统结构方案图3.1所示的圆盘式刀库系统是由圆形盘、固定套、连接法兰、传动系统、伺服电机、固定支撑箱、滑动轴承以及连接螺栓等构建而成。根据总体设计方案，刀具库将容纳5柄铣刀，因此在刀库系统中设置有5个刀具固定套筒，刀具固定套垂直均布于圆形刀盘上，每个刀具固定套与刀盘间再用螺栓紧固；圆形刀盘的转位由数控系统对伺服电机发出指令，伺服电机将动力输入蜗轮蜗杆传动系统，经蜗轮蜗杆传动系统减速后将动力输出，刀盘与蜗杆轴支架设置有连接法兰。第32节 圆形刀盘
31、结构设计设计的刀具固定套垂直布置于圆形刀盘上，刀具将存放于固定套内，刀具的插拔方向与刀盘的轴线平行。根据刀具固定套的数量，确定圆形刀盘应设置5组安装接口，根据前文的连接方案，设计的圆形刀盘结构见图3.2。图3.2 刀盘结构为了保证刀盘的刚度，采用20mm厚的钢板制成；考虑到导套在其上的空间布置情况，为了不在换刀时产生干涉现象，经多次运动演示，最终确定其外圆直径尺寸为369mm时比较合适。用于连接刀柄固定套的五组接口均布在圆形刀盘外缘处，每组接口设置有四个直径为9mm的通孔，通孔所在分布圆与刀柄固定套一致。中间开设有减轻质量的通孔直径为80mm。为了与法兰盘链接，在中心孔的周边均布有四个直径为1
32、1mm通孔。第33节 刀柄固定套结构设计数控铣床的刀具在铣床上装夹需要通过刀柄组件，刀柄组件中设置有卡扣，用于在主轴上定位，并通过电磁力进行紧固。参考主轴固定刀柄的方式，设计的刀库中设置有刀柄固定套本设计的应用对象XKA5032A/C数控立式升降台铣床选用的刀柄型号为BT30，重复定位精度0.02mm，查询相关标准得知其具体结构参数，根据相关参数绘制的结构示意图见图3.3。1-拉钉； 图3.3 BT30刀柄结构根据BT30刀柄结构，参考主轴上的刀座结构，对刀柄固定套进行设计，设计完成的刀柄固定套结构见图3.4。1-弹簧；2-钢珠；3-刀柄固定壳；4-限位盖图3.4 刀柄固定套结构设计的刀具固定
33、套采用刀柄固定壳、钢珠、弹簧以及限位盖构成。刀柄固定壳为圆柱类空心结构件，为了紧密配合BT30刀柄，设计的刀柄固定套内旋转凹槽形状与刀柄一致。二者间通过锥形面限位，为了避免刀柄从刀柄固定套中脱落，设置了四组弹性卡紧结构，每组卡紧结构均由圆球、弹簧和限位板构成。圆球受弹力的作用向中心轴压紧，进而使圆球卡紧刀柄拉钉，使刀柄在轴向方向不易移动。换刀时，刀柄在换刀机械手的拉力下，使刀柄克服弹簧的弹力，从刀柄固定套中脱离，进而完成取刀的动作。另外，为了使刀柄固定套可靠的连接在圆形刀盘上，在其左端面上设置有四个M8的螺纹盲孔。刀柄固定套内旋转凹槽形状刀柄一致，则有凹槽右端大径为30mm，中端斜面终点处直径
34、为16.5mm，左端小径处的直径与刀柄拉钉的最大径处采用间隙配合，直径两端各预留0.25mm的间隙，则有 （3.1）计算出左端小径为11.5mm。刀柄固定套的外圆柱面直径为51mm，总长为78.5mm。钢珠轨道直径为8mm。第34节 连接法兰结构设计连接法兰作为传动系统与圆形刀盘之间的过渡件，具有传递动力和连接的作用。根据总体布置方案，一方面，连接法兰套装在蜗轮轴上，二者间通过平键连接；另一方面连接法兰通过螺栓与圆形带盘连接。基于结构需求设计的连接法兰见图3.5。图3.5 连接法兰如图3.5所示，设计的连接法兰为左小右大的阶梯状轴套类结构件。左侧外圆柱面直径尺寸为50mm，轴向尺寸20mm。右
35、侧外圆柱面直径尺寸为120mm，轴向尺寸18mm，二者间通过圆弧倒角过渡连接。右端设置有4个直径为11mm的通孔，所在分度圆直径为100mm，用于套装连接圆形刀盘的螺栓；整体连接法兰的中心设置有一个直径为30mm的贯穿中心孔，孔壁上设置有一个宽度为8mm的平键槽，用于配合蜗轮轴。第35节 驱动电机的选型设计设计的刀库系统不仅仅是存贮刀具，更重要的作用是根据数控指令将目标刀具运送至换刀位置。本设计中的刀库为圆盘式，所以运送刀具的过程相当于圆形刀盘转动一定的角度。为了实现精准快速的完成刀具运送，本设计采用伺服电机作为动力源。由于刀库整体的轴线为竖直方向，因此圆形刀盘在转动的过程中不会出现因刀具质量
36、不同而造成的重力势能的表换，也就意味着，伺服电机不需要克服重力产生转矩；而且数控设备的润滑系统非常完善，所以摩擦力亦可忽略不计。综上在计算伺服电机所需转矩时仅需考虑启动转矩即可。刀库系统的启动转矩与各相关转动零部件的转动惯量以及角加速度有关。设计的刀具容量为5，各个刀具均布，则有相邻刀具间角度为72，拟定1.5s可完成一个刀位的转移量，则有圆形刀盘的角速度约为0.837 rad/s。刀库系统在接受换刀指令时，会有启动、运行和停止3个过程，平均每个过程为半秒，根据计算式 （32）计算出角加速度为1.67rad/s2。根据三维模型计算出个旋转零件的转动惯量，并将将各零件的转动惯量转化到蜗轮轴上，计
37、算出刀库系统的启动转矩约为608Nm，则可计算出启动功率为 （33）实际情况下，伺服电机将动力输入至蜗轮蜗杆组成的传动系统中，需克服传动机构和支撑结构的摩擦力。查得，齿轮传动效率为98%，轴承损失功率为1%，另外考虑电机的过载系数1.1，则伺服电机至少要具备0.693kW的功率。基于上述计算，选用HF-SP-81(B)伺服电机，其额定功率为0.85 kW，额定工况下的转速为1000r/min。第36节 传动系统设计伺服电机的转矩和转速需要经过传动系统才能传递到圆形刀盘。设计的圆形刀盘平均转速为8r/min，选用的伺服电机的额定转速为1000 r/min，计算出传动需要对电机转速进行125倍的降
38、速，根据转速较大的特点，采用一组蜗轮蜗杆，如图3.6所示。图3.6 蜗轮蜗杆设计的蜗杆与伺服电机机械连接，蜗轮套装在输出轴上。根据机械设计理论，当传动比大于40时，蜗杆头数应该设计为1，依据公式 （34）计算出Z2=125。在材料方面，考虑到传递载荷较小，转速也不高，蜗杆采用比较常用的40Cr，为了加强接触面硬度，对其接触面进行淬火处理，蜗轮选用ZCuSn10Pb1。在结构尺寸方面，详细结构依据齿面接触强度进行设计。 =220 MPa，=220 MPa根据转矩计算式计算蜗轮上的转矩 （35）计算出蜗轮转矩T2=1014.7Nm按齿面接触疲劳强度设计m2d1KT2 (mm3)根据载荷系数公式确定
39、K （36）因工作冲击一般，Kv取1.05，工作载荷分布均匀，故齿向载荷分布系数取1，基于传动需求，查表得取1.15，最终得到K=1.21。弹性影响系数根据选用材料相关，设计的蜗轮蜗杆材料分别为40Cr与铸锡磷青铜ZCuSn10Pb1，查表得知。接触系数与蜗杆分度圆直径和中心距有关，拟定+。在许用应力方面，钢明显比铸锡磷青铜要强一些，因此只计算蜗轮的即可，铸锡磷青铜的许用应力可根据设计表查得，=其值为=268MPa。基于上述数据以及中心距计算式 （37）计算出中心距a应不小于103.8mm。基于上述数据以根据机械设计手册中的蜗轮蜗杆搭配设计表查得，选用头数Z1为1的蜗杆结构，模数m=2mm，蜗
40、杆分度圆直径d1为40mm，根据公式 （38） （39）计算出蜗杆轴向齿距P=6.28mm，导程为6.28mm，右旋。根据传动比需求，Z2=125蜗轮分度圆直径为 （310）计算得出d2=250mm，计算出中心距为（250+40）/2=145mm，满足中心距要求。对设计完成的蜗轮蜗杆进行强度校核，采用齿根弯曲强度的方法进行，公式如下 （311）a)使用系数=1.15b)动载荷系数=1.05c)载荷分布系数=1d1=40 mm，=m=250mm,其中模数m=2(mm)。d)蜗轮齿形系数=2.87e)导程角系数=1-/120=0.9f)许用弯曲应力=700.542=37.94 MPa由于，故满足蜗
41、轮轮齿强度条件。其中YFa2是齿形系数，查表得其值为2.87，=0.9，将上述各值带入可计算出=242MPa，由此可得出结论满足强度要求。热平衡计算蜗杆传动由于效率低，所以工作时发热量大。在闭式传动中，如果产生的热量不能及时地散逸，将因油温不断升高而使润滑油稀释，从而增大磨擦损失，甚至发生胶合。所以必须根据单位时间内的发热量等于同时间内的散热量的条件进行热功平衡计算，以保证油温稳定牌规定的范围内。由于摩擦损耗的功率=（1-）kW,则产生的热流量（单位为1W=1j/s）为=1000（1-）W式中为蜗杆传递的功率（单位：kW）。以自然冷却方式，从箱体外壁散发到周围空气中去的热流量为=kA(-)W式
42、中k热导率，一般取k=8.717.5W(),环境空气流通较差时，取较小值，否则取较大值；A传动装置散热的计算面积，即内面被没浸溅的，而外面又被空气所能冷却的的箱壳面积（）；润滑油的工作温度，一般限制在6070，最高不能超过80；周围环境温度，一般取室温=20。按热平衡条件=，可求得在既定工作条件下的没温为=+ 在绘制传动装置结构图的基础上进行热平衡计算：=0.09280=0.0736 kW取=20,=0.95, k=10,并估算A=0. 006，则=20+=81.3380由于80,超过最高工作温度，所以必须采取一些散热措施，以提高散热能力，如在传动箱内装循环冷却管路。第4章 换刀系统设计 第4
43、1节 总体方案设计自动换刀系统是自动换刀装置中自动化程度最高，同时也是实现数控铣床高度自动化的重要功能组件21。基于设计的应用于C型铣床的自动换刀结构的总体设计方案以及设计题目需求，参考现有相关产品的实施方式，设计了一种自动换刀系统，其总体结构方案见图4.1。1-固定箱；2-双凸台摆动轮；3-凸轮；4-拨叉；5-拨盘；6-大螺母；7-盖板；8-花键轴；9-内花键轴套；10-机械臂图4.1 自动换刀系统方案如图4.1所示，设计的自动换刀系统主要由固定箱、带有两个凸台的摆动轮、凸轮、拨叉、拨盘、盖板、花键轴、内花键轴套、机械臂组件以及紧固螺栓等组成。设计的自动换刀系统各零部件间的装配关系如下：机械
44、臂组件套装于花键轴下端，二者间过渡配合，利用花键轴肩定位，并采用螺母紧固；拨盘布置于花键轴上端，同样利用轴肩进行定位，螺母紧固；花键轴安置于带有内花键的轴套内，内花键轴套布置与固定箱的轴承孔内，二者间采用轴承支撑连接。凸轮3套装在电机轴上，拨叉4和双凸台摆动轮2套装在轴上。空间上，上述三轴两两垂直。电机轴上设置有两个凸轮，其中一个与内花键轴套的凸台配合，另一个与双凸台摆动轮配合；双凸台摆动轮与拨叉同轴转动，拨叉的叉头与拨盘相互配合。当伺服电机接受到换刀指令时，驱动电机轴转动，进而带动两个凸轮转动，两个凸轮分别带动内花键轴套和双凸台摆动轮运动，内花键轴套转动可以使机械臂绕中心线转动，双凸台摆动轮
45、转动可带动拨叉动作进而带动拨盘移动，使机械臂上下运动。机械臂上下运动可完成拔出刀具和插入刀具的动作，机械臂转动可完成新旧刀具位置的转换动作，可想而知通过调整两个凸轮的轨迹线就可以顺利完成整套换刀动作。第42节 机械手结构设计换刀机械手臂是换刀系统的执行机构，用于将被替换刀具从主轴中取出并存放到刀库系统，并将替换刀具从刀库中取出并安装到主轴上。一个工作循环内主要包括四个动作，分别是卡紧铣刀、拔出铣刀、运送铣刀及插入铣刀四个动作。其一、卡紧铣刀，即用换刀机械手抓紧刀柄，将刀柄固在换刀机械手臂上。其二、拔出铣刀，即利用机械手柄将刀柄从主轴或是刀库中取出，为了简化换刀步骤，同时将旧刀和新刀拔出。其三、运送铣刀，即将旧刀和新刀互换位置。其四、插入铣刀与拔出铣刀过程相反。机械手的结构应根据刀柄型号进行设计，广泛应用的刀柄是BT30，参考现有产品结构，设计的机械手结构如图4.2所示。1-移动杆；2-弹簧；3-压板；4-机械臂图4.2 机械手结构为了适应各种功能，设计的换刀臂由一个机械臂、两个移动杆、两根弹簧和两个压板构成。根据总体升级方案，机械手臂依靠旋转运动