加工中心刀库自动换刀装置

加工中心刀库自动换刀装置 摘要 切削加工正在进入以高速切削为特征的发展阶段,因高速切削而切削效率飞速提高， 进一步减少机床加工辅助时间的技术也伴随高速切削的发展而不断发展。快速换刀技术是减少加工辅助时间重要手段。刀库和交换主轴换刀装置是转塔头换刀装置和刀库式换刀装置的结合。首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在刀柄上，在刀库中进行选刀，并由刀具交换装置从刀库中取出刀具，把刀具安装在非工作主轴上。换刀时间通过转塔头交换装置旋转180?，交换主轴。这样就可以使切削加工和主轴换刀同时进行，由此可知换刀时间实际就是已经装好刀具的两个主轴的换位时间，使辅助时间减少到最少，即机床切屑对切屑时间达到最短。同时，刀库可以存放数量很大的刀具，因而能够进行复杂的多工序加工，这样就明显提高了机床的适应性和加工效率。 关键词 高速切削;刀库;交换主轴;换刀装置;换刀时间 - I - Design Of Automatic Tool Change On Tool Magazine Abstract Cutting is developing which has the characteristic of high-speed cutting. The high-speed cutting has lead the rapid improvement of efficiency of cutting, then the technology which will further reduce machining assistant time is developing as the high-speed cutting. ATC(Tool changer)technology is one of the most important methods to reduce the assistant time in cutting. The tool magazine and exchange spindle are the integration of turret head and ATC. First, all the cutting-tool which is needed are installed on the standard cutting-tool handle, and then select a tool in tool magazine, and take the tool by exchange device in tool magazine, install it onto the none-work spindle. During tool changing, turret head is rotated 180?to change the main spindle. That will enable cutting and exchanging tool of spindle simultaneous, it means the time of cutting-tool places. Thus assistant time is least. Meanwhile the tool magazine can hold a large number of cutting tool, so more complex machining processes can be done, the adaptability and processing efficiency of machine can be improved. Keywords High-speed Cutting;Tool Magazine;Exchange Spindle; ATC;Tool- chasing Time - II - 目录 摘要 ...................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................... II 1.1 背景及研究意义 ....................................................................................... 3 1.2 自动换刀装置国内外发展与现状 ........................................................... 3 1.3 工作内容 ................................................................................................... 4 1.4 设计构想 ................................................................................................... 5 第2章 设计总体论证 ................................................................................ 6 2.1 刀库和交换主轴换刀装置的原理 ........................................................... 7 2.1.1 主轴交换的原理 ................................................................................ 7 2.1.2 主轴抬起及转位的原理 .................................................................... 7 2.1.3 刀库及换刀装置 ................................................................................ 8 2.2 本章小结 ................................................................................................... 9 第3章 主轴转动的设计计算 .......................................................................... 10 3.1 传动系统的原理设计 ............................................................................. 10 3.1.1 电动机的选择 .................................................................................. 10 3.1.2 计算传动装置的运动和动力参数 .................................................. 11 3.2 圆柱齿轮的结构设计 ............................................................................. 11 3.2.1 设计内容及方法 .............................................................................. 11 3.2.2 齿轮的设计 ...................................................................................... 12 3.2.3 齿轮的结构设计 .............................................................................. 14 3.2.4 齿轮的受力分析 .............................................................................. 14 3.3 输出轴齿轮的设计计算 ......................................................................... 16 3.3.1 齿轮的设计 ...................................................................................... 16 3.3.2 齿轮的结构设计 .............................................................................. 18 3.3.3 齿轮的受力分析 .............................................................................. 18 3.4 主轴及组件的设计计算 ......................................................................... 18 3.4.1 主轴组件的设计要求 ...................................................................... 18 3.4.2 主轴及组件的设计与校核 .............................................................. 19 3.4.3 键连接的设计计算 .......................................................................... 23 3.4.4 夹紧装置的设计计算 ...................................................................... 23 3.5 花键轴的设计计算 ................................................................................. 26 3.5.1 花键轴结构设计 .............................................................................. 26 3.5.2 传动齿轮键连接的设计计算 .......................................................... 28 3.6 润滑与密封 ............................................................................................. 29 - 1 - 3.6.1 系统的润滑 ...................................................................................... 29 3.6.2 轴承的密封 ...................................................................................... 29 3.7 本章小结 ................................................................................................. 29 第4章 转位装置的设计计算 .......................................................................... 30 4.1 中心液压缸的设计计算 ......................................................................... 30 4.2 转位齿轮的设计计算 ............................................................................. 31 4.2.1 选择齿轮传动的及热处理 ...................................................... 31 4.2.2 确定选择齿轮传动的参数和尺寸 .................................................. 31 4.2.3 验算齿根弯曲应力 .......................................................................... 32 4.3 本章小结 ................................................................................................. 33 第5章 刀库的设计计算 .................................................................................. 34 5.1 电动机的选择 ......................................................................................... 34 5.2 蜗轮蜗杆的设计计算 ............................................................................. 34 5.2.1 蜗轮蜗杆的计算 .............................................................................. 34 5.2.2 蜗轮、蜗杆承载能力计算 .............................................................. 37 5.3 本章小结 ................................................................................................. 38 第6章 机械手驱动装置的设计 ...................................................................... 39 6.1 概述 ......................................................................................................... 39 6.2 凸轮联动装置的原理 ............................................................................. 39 6.2.1 基本原理 .......................................................................................... 39 6.2.2 凸轮曲线的设计 .............................................................................. 40 6.3 本章小结 ................................................................................................. 41 结论 .................................................................................................................... 42 致谢 .................................................................................... 错误～未定义书签。 参考文献 ............................................................................................................ 43 附录A ................................................................................................................ 44 附录B ................................................................................................................ 47 - 2 - 绪论 1.1 背景及研究意义 随着机械加工工业的发展，制造行业对于具有高效高性能的加工中心的需求量越来越大。自动换刀装置作为加工中心的重要组成部分其主要的作用在于减少加工过程中的非切削时间，以提高生产率、降低生产成本，进而提升机床及至整个生产线的生产率，所以自动换刀装置在交工中心中扮演着重要角色。 1.2 自动换刀装置国内外发展与现状 从换刀系统发展的历史来看，1956年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM公司同期也研制成功了“APT”(刀具程序控制装置)。1958年美国K&T公司研制出带ATC(自动刀具交换装置)的加工中心。1967年出现了FMS(柔性制造系统)。1978年以后,加工中心迅速发展,带有ATC装置，可实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。1983年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，自动换刀系统便形成了统一的结构模式。目前国内外数控机床自动换刀系统中，刀具、辅具多采用锥柄结构，刀柄与机床主轴的联结、刀具的夹紧放松机构及驱动方式几乎都采用同一种结构模式。在这种模式中，机床主轴常采用空心的带有长拉杆、碟形弹簧组的结构形式，由液压或气动装置提供动力，实现夹紧放松刀柄的动作。 切削加工正在进入以高速切削(HSC)为特征的发展阶段，因高速切削而切削效率飞速提高，因此，进一步减少机床加工辅助时间的技术也伴随高速切削的发展而不断发展。快速换刀技术是减少加工辅助时间重要手段，而且正在处于发展阶段。许多研究人员利用各种方法来缩短换刀时间来提高切削速度。 下面介绍几种常用加工中心的换刀方法: 1、多主轴换刀 这种机床没有传统的刀库和换刀装置，而是采用多个主轴并排固定在主轴架上，一般为 3~18 个。每根主轴由各自的电动机直接驱动，并且每个主轴上安装了不同的刀具。换刀时不是主轴上的刀具交换，而是安装在夹具上的工件快速从一个主轴的加工位置移动到另一个装有不同刀具的主轴，实现换刀并立即加工。这个移动时间就是换刀时间，而且非常短。由夹具快速移动完成换刀，省去了复杂的换刀机构。奥地利 ANGERG 公司生产这种结构的机床，实现了切屑对切屑换刀时间仅为0.4s，是目前世界 - 3 - 上切屑对切屑换刀时间最短的机床。这种结构的机床和通常的加工中心结构已大不相同，不仅可以用于需要快速换刀的加工，而且可以多轴同时加工，适合在高效率生产线上使用。 2、双主轴换刀 加工中心有两个工作主轴，但不是同时用于切削加工。两个主轴交替将刀送到工作位置，一个主轴用于加工，另一个主轴在此期间更换刀具。在需要换刀时，加工的主轴迅速退出，换好刀具的主轴立即开始加工。由于两个过程可以同时进行，换刀时间实际就是已经装好刀具的两个主轴的换位时间，使辅助时间减少到最少，也即机床切屑对切屑换刀时间达到最短，这样每个主轴换刀时间的长短对加工几乎没有影响。每个主轴的换刀装置和普通加工中心一样。由于有两个主轴，这种机床的刀库和换刀机械手可以是一套，也可以是两套，如德国 Alfing—Kessler 公司生产的加工中心采用双主轴系统，使用一套刀库和换刀机械手;而德国 Hornsbeng — Lamb 公司生产的 HSC—500 、 HSC—630 和HFC— 630 加工中心有两个主轴和两套换刀系统，两个主轴可以用 1 . 0 — 1 . 5s的时间移动到加工位置并启动加速到加工的最大速度，具体的交换时间取决于机床的尺寸。 3、刀库布置在主轴周围的转塔方式 刀库布置在主轴的周围刀库本身就相当于机械手，即通过刀库拔插刀并采用顺序换刀，使机床切屑对切屑换刀时间较短。这种方式如果要实现任意换刀，则换刀时间将随所选刀在刀库的位置不同而长短不等，最远的刀可能换刀时间较长，因此，这种方式作为高速自动换刀装置最好采用顺序选刀的方式。 4、多机械手方式 刀库同样布置在主轴的周围，但采用每把刀有一个机械手的方式使换刀几乎没有时间的损失，并可以采用任意选刀的方式。德国 CHIRON 公司生产这种结构的机床。其刀库布置在加工主轴的周围可随主轴一起移动，每一个刀具有一套换刀机械手，这样换刀时就几乎没有时间的损失，实现了切屑对切屑换刀时间仅为1.5s，是目前世界上单主轴机床切屑对切屑换刀时间最短的加工中心。 本文主要是对双主轴换刀进行研究。 1.3 工作内容 1、主轴箱先抬起30mm，然后旋转180?; 2、主轴交换时间2.5s; 3、刀柄锥度为40度，机械手拔刀行程为84mm; 4、机械手能够实现抓刀、180?换刀和回零，换刀时间为3.5s。 - 4 - 1.4 设计构想 1、主轴交换装置 由于交流电动机一般为鼠笼式感应电机结构，其体积小，转动惯性小，动态响应快。无电刷，最高转速不受火花限制。采用全封闭结构，具有空气强冷，可保证高转速和超载能力，有很宽的调速范围。所以选择交流电动机驱动。用液压缸来实现转塔体的抬起动作，利用活塞的行程来实现抬起的高度，同时用定位销来保证转塔体的定位，用活塞杆齿条和齿轮的啮合使转塔体实现转位。 2、刀库 刀库由伺服电机带动蜗轮蜗杆驱动。刀具有一套识别装置来控制电机的停止和转动。 3、换刀装置 由于凸轮联动式单臂双手爪机械手由电动机驱动，不需要复杂的液压系统及其密封、缓冲机构，没有漏油现象，结构简单，工作可靠。同时机械手的手臂回转和插刀、拔刀的动作式联动的，部分时间常数可重叠，从而大大缩短了换刀时间。所以本设计也采用了这种装置。 研究内容: 总体方案设计、主轴转动的设计计算，圆柱齿轮的结构设计，输出轴齿轮的设计，主轴的设计，花键轴的设计，转位装置的设计计算，刀库的设计计算，机械手驱动装置的设计。 - 5 - 第2章 设计总体方案论证 通过的市场的调研和常见的换刀装置的比较，多主轴换刀的方式刀具数量有限，不能进行多工序加工;刀库布置在主轴周围的转塔方式，换刀的时间随所选刀在刀库的位置不同而长短不等。选择了如图1-1所示的布局方案。加工中心有两个工作主轴， 1- 转塔体 2-压缩空气管接头 3-行程开关 4-活塞 5-液压缸 6-弹簧 7-大齿轮 8-碟形弹簧9-拉杆 10-主轴 11-拉钉 12-刀夹 13-端面键 14-钢球 15-滑移齿轮 图2-1 双主轴换刀 但不是同时用于切削加工。两个主轴交替将刀送到工作位置，一个主 - 6 - 轴用于加工，另一个主轴在此期间更换刀具。在需要换刀时，加工的主轴迅速退出，换好刀具的主轴立即开始加工。双主轴用转塔头的方式实现旋转交换。 2.1 刀库和交换主轴换刀装置的原理 2.1.1 主轴交换的原理 其结构如图1.1a所示:转塔头内交错分布着两个结构完全相同的刀具主轴，主轴的回转运动由电动机由传动机构、滑移齿轮15和大齿轮7输入。当数控装置发出换刀指令时，通过液压拨叉(图中未画出)将滑移齿轮15与大齿轮7脱离啮合。同时在中心液压缸的作用下使转塔体1抬起(原理在2.1.2中介绍)。然后压力油进入转位液压缸，使转塔体转位180?(原理在2.1.2中介绍)，将下一工序的主轴转到工作位置。切削轴进行切削加工，另一个轴在此间换刀。 刀夹12以锥度为7:14的锥柄在主轴10前端的锥空中定位，并通过拧紧在锥柄尾部的拉钉11被拉紧在锥孔中。夹紧刀夹时，液压缸5右腔接通回油，弹簧6推活塞4右移，拉钉11在碟形弹簧8作用下向右移动，由于此时装在拉杆9前端径向孔中的四个钢球14进入主轴孔中直径较小的d2处，见图1.1b，被迫径向收拢而卡进拉钉11的环型槽内，因而刀杆被拉杆5拉紧，依靠摩擦力紧固在主轴上。切削扭矩由端面键13传递。换刀前需将刀夹松开时，压力油进入液压缸右腔，活塞6推动拉杆9向左移动，碟形弹簧8被压缩;当钢球14随拉杆9一起左移至进入主轴孔直径较大的d1处时，它就不再能约束拉钉11的头部，紧接着拉杆9前端内孔的台肩端面碰到拉钉11，把刀顶松。此时行程开关3发出信号，换刀机械手随即将刀夹取下。与此同时，压缩空气管接头2经活塞和拉杆的中心通孔吹入主轴装刀孔内，把切削或脏物清除干净，以保证刀具的安装精度。机械手把新刀装上主轴后，液压缸5接通回油，碟形弹簧8又拉紧刀夹。刀夹拉紧后行程开关发出信号。 2.1.2 主轴抬起及转位的原理 如图3.2所示，当滑移齿轮和主轴齿轮脱离啮合时，中心液压缸2通压力油，使转塔体8抬起，定位销5和大齿轮6随着转塔体一起上移，与轴8上的小齿轮4啮合。当推动转塔头转位液压缸活塞移动时，活塞杆齿条3经齿轮轴8，使转塔头实现转位180?。转位完成时，中心液压缸接通回油，转塔体落下，定位销实现转塔体的定位。 - 7 - 8 7 6 5 4 3 2 1 1，2-中心液压缸 3-活塞杆齿轮条 4-小齿轮 5-定位销 6-大齿轮 7-轴 8-转塔体 图2-2 主轴转位装置 2.1.3 刀库及换刀装置 刀库是存储刀具的装置,常见的刀库主要有以下几种形式: 1、转塔式刀库 包括水平转塔头和垂直转塔头两种，其特点为:所有刀具固定在同一转塔上,无换刀臂，储刀数量有限，通常为6,8把。一般仅用于轻便而简单的机型。常见于车削中心和钻削中心。在钻削中心储刀位置即主轴,其外部结构紧凑但内部构造复杂，精度要求高。 2、盘式刀库 刀库呈盘状，其特点:刀具沿盘面垂直排列(包括径向取刀和轴向取刀)。沿盘面径向排列或成锐角排列的形式的刀库结构简单紧凑，应用较多，但刀具单环排列，空间利用率低。若增加刀库容量必须使刀库的外径增大，那么转动惯量也相应增大，选刀运动时间长。刀具数量一般不多于32把。刀具呈多环排列的刀库的空间利用率高，但必然使得取刀机构复杂，适用于机床空间受限制而刀库容量又较大的场合;双盘式结构是两个较小容量的刀库分置于主轴两侧，布局较紧凑，储刀数量也相应增大，适用于中小型加工中心。 3、链式刀库 包括单环链和多环链,链环形式可有多种变化，其特点:适用于刀库容量较大的场合，所占的空间小。一般适用于刀具数在30,120把。仅增加链条长度即可增加刀具数，可以不增加圆周速度，其转动惯量不像盘式刀库增加的那样大。 4、直线式刀库和组合刀库 直线式刀库结构简单，刀具单行排列，刀库容量小。多用于数控车床 - 8 - 和钻床上。组合刀库一般是转塔式刀库的组合。转塔式与盘式刀库的组合及链式刀库的组合，每单个刀库的储刀量较小，换刀速度快。另外，还有一些密集型的鼓轮式。弹匣式和格子式刀库。这些密集型刀库虽占地面积小，但由于结构限制，基本上不用于单机加工中心，多用于FMS的集中供刀系统。 通过以上比较，由于本次设计的换刀装置用于中小型加工中心，所以选用盘式刀库，刀具的数量为20把刀，并且把刀库和换刀装置设计为一个整体，放置在机床主轴的上方，节省了空间。刀库选取伺服电机带动蜗轮蜗杆驱动，机械手由凸轮联动装置来驱动。 2.2 本章小结 本章通过对刀库和交换主轴的总体原理设计，确定了换刀装置的基本结构，通过对刀库的了解，确定了刀库的形式及容量。同时确定了主要零部件的主要作用，从而设计各个部分的具体的形状和尺寸。其中最主要的是装置的抬起和转位部分，抬起和转位是本次设计中的最大的难点之一。 - 9 - 第3章 主轴转动的设计计算 3.1 传动系统的原理设计 根据任务书要求，主轴电机功率15kW、主轴转速3000r/min、刀柄锥度号为40。确定传动系统总体结构如图3.1所示。 图3-1 主传动系统 3.1.1 电动机的选择 1、选择电动机的类型 按已知要求和条件选择Y系列一般用途的全封闭自扇冷鼠笼式三相异步电动机。 2、选择电动机的容量 任务书给出电动机的功率为:=15kW P, 3、电动机功率的选择 主轴转速为: n=6000r/min 轴?与轴?齿轮传动比为2，轴?与轴?的齿轮传动比为1，则电动机的最高转速为: ni6000，12v,,,3000rmin ,i21 由以上数据可选出电动机的型号为Y160M2-2，其满载转速为2930r/min。其主要技术数据、外形和安装尺寸见表3-1: - 10 - 表3-1 电动机主要技术数据、外形和安装尺寸表 型号 额定功率/ kw 额定转速r/min 最大转矩(额定转矩) Y160M2-2 15 2930 3.2 外形尺寸/ mm×mm×中心高/mm 安装尺寸/mm 轴伸尺寸/ mm×mm×mm H mm A×B L×(AB/2+AD)+HD D×E 160 650×430×385 254×254 42×110 3.1.2 计算传动装置的运动和动力参数 1、各轴转速 nni,,,，,293025860rmin轴? ,,,1 轴? n,ni,2930,1,2930rmin,,,,,2 轴? n,n,2930rmin,,,, 2、各轴功率 轴? P,P,,,,,14.2，0.995，0.97,13.7kw,,,齿滚 轴? P,P,,,,,14.7，0.995，0.97,14.2kw ,,,,,齿滚 轴? P,P,,,15，0.98,14.7kw,,,,联 3、各轴扭矩 由文献[6] P15,T,9550,9550，,48.89Ν,m 电机轴 ,n2930, P13.7,T,9550,9550，,44.81Ν,m轴? ,n5860, P14.2,,T,9550,9550，,46.28Ν,m轴? ,,n2930,, P14.7,,,T,9550,9550，,47.91Ν,m轴? ,,,n2930,,, 3.2 圆柱齿轮的结构设计 3.2.1 设计内容及方法 圆柱齿轮传动的结构设计内容包括齿轮的结构选择、齿轮精度选择及润滑方式的选择。 齿轮零件的结构设计包括轮体和齿圈(渐开线齿廓)两部分，圆柱齿轮的结构类型分为:实心式、齿轮轴式、腹板式和轮辐式等。其中实心式结构适用于齿顶圆直径的齿轮，齿轮轴式结构的齿轮与轴做成d,160mma 一体，适用于齿根圆直径与轴的直径相差很小，或齿根到键槽底部的距离小于的齿轮;腹板式结构适用于齿顶圆直径d,500mm的结构，其3.5man - 11 - 他尺寸确定如下:轮毂外径为(为内孔直径)，长度(bl,bd,1.6ddhh22 c,10为齿轮的宽度)，腹板的厚度c=0.2,0.3b，且mm;轮辐式结构适用于 齿顶圆直径mm的齿轮。 d,500a 3.2.2 齿轮的设计 1、 选择齿轮传动的材料及热处理 由表查取，主动齿轮的材料用40Cr钢，调质热处理230,11,1 260HBS，取260HBS，从动齿轮与主动齿轮相同。 2、 强度的计算 由于主从动齿轮齿面硬度均小于350HRS，所以为闭式软齿面的齿轮传 动。 按齿面接触强度设计 KT1aAi,(，1) (3-1) 3a2,i,,,aH 13,1其中:Aa由表，按直齿轮，β=0?，查取Aa=453; K由参考材料10中表13-3，按原动机为电动机，工作载荷有中等冲 击，查取K=1.2,1.6，取K=1.4; ，取; ,,0.2~0.6,,0.3aa P14.7,,,T,9550,9550，,47.90N,m ,,,n2930,,, ，,由图13-2，按齿轮材料、调质处理，齿面硬度,,,,0.9,HlimHHlim ,,,HHlim1lim2260HBS，查取=710 MPa ,,,,,,,,0.9，710,639MPaHh1 1.4，47.913a,483，(1，1),99.03mm 20.3，1，639 3、确定选择齿轮传动的参数和尺寸 由于选 Z,25~40z,40z,iz,1，40,401121 2am, (3-2) z，z12 2a2，99.03m,,,2.49mm z，z40，4012 m,3由表3-2查取，。 所以实际中心距 - 12 - m(z，z)12a, (3-3) 2 a,120mm b,44mm，取 b,,a,0.3，120,36mma b,b，(3~50),44，4,48mm12 , d,m(z，2),3，(40，2),126mmd,mz,3，40,120mma1111 , d,m(z，2),3，(40，2),126mmd,mz,3，40,120mma2222 2930，120n,d,11 ,,,18.40msv160，100060000 4、验算齿根弯曲应力 (3-4) ,,,,,FF FKKKKKKAVF,FS,,F,,, (3-5) Fbm YYYY,,FlimNRX,,, (3-6) ,FSFmin其中: 2000T2000，47.911F,,,798.5N(1) t1d1201 13,3(2)由表，按原动机工作平稳，工作载荷有中等冲击，查得KA ，取。 K,1.2~1.6K,1.6AA vz18.4，4011K(3)由图13-5，按?公差组7级，,,7.36，直齿V100100 轮，查取。 K,1.76V b48,,,,0.4K(4)由图13-6，按,主从动齿轮齿面硬度小于F,dd1201 350HBS，查取K,1.03。 F, K(5)由表13-5，按按?公差组7级，未经表面淬火的直齿轮，查F, K,1取。 F, K(6)由图13-4，按，查取z,40z,40x,0FS12 Y,Y,4.03。 FS1FS2 Y13,8(7)图，按 ,, - 13 - ,,112,,， ,,1.88,3.2，，,1.88,3.2，,1.72,,,,azz40,,z2,, 查取Y,0.68。 ,, ,Flim(8)由图13-3，按齿面材料，调质热处理，齿面硬度为260HBS，查取。 ,,,,290MPaFlim1Flim2 (9)Y按长期工作， ，查取。 N,NY,1N0N (10)Y，一般。 Y,1,, (11)按表面粗糙度，查取。 YR,3.2μmY,1RaR Y,1m,3X(12)Y由图13-12，按齿面材料，调质热处理，，查取。 x 1(13)由表13-7，按失效概率，查取，因有资,SS,1.25FminFmin1000 料可参照，可增大1.2,1.6倍，。 S,1.25，1.4,1.75Fmin 可得: 290，1，1，1，1 ,,,,,,,,,165.7MPaF1F21.75 798.51.61.7611.034.060.68，，，，，， ,,,,,44.08MPa,,F1F1483， 798.51.61.7611.034.030.68，，，，，， ,,MPa,,,48.05,,FF22443， 3.2.3 齿轮的结构设计 如图3-2表示直齿圆柱齿轮的零件简图。 ，主从动齿轮均采用实心式结构。 d,d,126mm,160mma1a2 按，主从动齿轮齿面硬度均小于350HBS，直齿，查取?公差组的精v1 度等级为7级，齿轮精度为8-7-7-GB。 3.2.4 齿轮的受力分析 一对渐开线齿轮啮合，若不计摩擦力，则轮齿之间相互作用的法向力Fn的方向始终沿啮合线。为了计算方便，将法向力Fn在节点P处分解为两个相互垂直的分力，即圆周力Ft和Fr，如图3.3所示。 FTd,2/t11 (3-7) FF,tan,rt (3-8) - 14 - 图3-2 主动齿轮 图3-3 受力图 FnF,/cos,t (3-9) 式中:—小齿轮传递的名义转矩; T1 ,—啮合角。 ,,,20对于按标准中心距安装的标准齿轮，。小齿轮传递的名义转矩P14.7。可得F,798.5N，，T,9550,9550，,47.91N,mF,290.6Nt1rn2930 - 15 - F,849.7Nn 3.3 输出轴齿轮的设计计算 3.3.1 齿轮的设计 1、 选择齿轮传动的材料及热处理 由表查取，小齿轮的材料用40Cr钢，调质热处理230,11,1 260HBS，取260HBS，大齿轮的材料用45钢，调质热处理200,250HBS， 取230HBS。 2、 强度的计算 由于大小动齿轮齿面硬度均小于350HBS，所以为闭式软齿面的齿轮传 动。 按齿面接触强度设计 KT1aAi,(，1)由(3-1) 得 3a2,i,,,aH 其中:Aa表13-1，按直齿轮，β=0?，查取Aa=453; K由表13-3，按原动机为电动机，工作载荷有中等冲击，查取 K=1.2,1.6，取K=1.4; Ψa=0.2,0.6，取Ψa=0.3; P13.71T,9550,9550，,44.81N,m 1n58601 ，由图13-2，按齿轮材料、调质处理，齿面硬度,,,,,0.9,HlimHHlim ,,Hlim1Hlim2260HBS，查取=710MPa，=520MPa ， ,,,,,,0.9，710,639MPa,,0.9，580,522MPaHh12 1.4，44.813a,483，(2，1),105.29mm 20.3，2，522 3、确定选择齿轮传动的参数和尺寸 由于，选 z,25~40z,40z,iz,2，40,801121 2a2，105.29m,,,1.75 由式(3-2)得 mm z，z40，8012 m,3由表3-2查取，。 所以实际中心距 m(z，z)12 由(3-3)得 a,,180mm 2 b,60mm ，取 b,,a,0.3，180,54mma b,b，(3~5),60，4,64mm12 - 16 - , d,m(z，2),3，(40，2),126mmd,mz,3，40,120mma1111 , d,m(z，2),3，(80，2),246mmd,mz,3，80,240mma2222 5860，120n,d,11 ,,,36.8msv160，100060000 4、验算齿根弯曲应力 由公式(3-4)，(3-5)，(3-6)得 其中: 2000T2000，44.811F,,,746.8N(1) t1d1201 (2)由表13-3，按原动机工作平稳，工作载荷有中等冲击，查得KA =1.2,1.6，取。 KK,1.6AA vz36.8，4011K由图13-5，按?公差组7级，，直齿(3),,14.72V100100 轮，查取。 K,1.32V b64,,,,0.53K(4)由图13-6，按,大小齿轮齿面硬度小于dF,d1201 K,1.03。 350HBS，查取F, K(5)由表13-5，按按?公差组7级，未经表面淬火的直齿轮，查F, 取。 K,1F, (6)Y由图13-4，按，查取z,40z,80x,0FS12YY,,4.034，FSFS12。 Y(7)由图13-8， 按 ,, ,,1111,,， ,,1.88,3.2，，,1.88,3.2，，,1.76,,,,azz4080,,12,, Y,0.69查取。 ,, ,Flim(8)由图13-3，按齿面材料，调质热处理，齿面硬度为 260HBS，查取，。 ,,290MPa,,220MPaFlim1Flim2 Y(9)按长期工作，N,N ，查取Y,1。 N0N Y,1,Y，一般。 (10), (11)按表面粗糙度，查取=1。 YR,3.2μmYRaR Y,1Xm,3Y(12)由图13-12，按齿面材料，调质热处理，，查取。 x 1(13)由表13-7，按失效概率,，查取，因有资SS,1.25FminFmin1000料可参照，可增大1.2,1.6倍，。 S,1.25，1.4,1.75Fmin - 17 - 290，1，1，1，1 ,,,,,165.7MPaF11.75 220，1，1，1，1 ,,,,,129MPaF21.75 746.8，1.6，1.32，1，1.03，4.03，0.69 ,,,,,23.52MPa,,F1F164，3 Y4FS2,,,,23.52，,23.35MPa,,,, FF21F2Y4.03FS1 3.3.2 齿轮的结构设计 如图3.4表示直齿圆柱齿轮的零件简图 小齿轮采用实心式结构 d,126mm,160mma1 小齿轮采用腹板式结构 d,246mm,500mma2 v1按，主从动齿轮齿面硬度均小于350HBS，直齿，查取?公差组的精 度等级为7级，齿轮精度为8-7-7-GB。 3.3.3 齿轮的受力分析 由前3.2.3节可知，齿轮受Fn、Ft、Fr F,2Td,2，44.81120,746.8Nt11 : F,Ftan,,74.68，tan20,271.8Nrt :F,Fcos,,44.81cos20,476.9N nt 3.4 主轴及组件的设计计算 3.4.1 主轴组件的设计要求 主轴组件应达到以下几点设计基本要求: 1、旋转转度 指机床在空载低速旋转时，主轴前端安装工件或刀具部 位的径向和轴向跳动值满足要求。目的是保证加工零件的精度和表面粗糙 度。 - 18 - (a)小齿轮 (b)大齿轮 图3-4 输出轴齿轮 2、刚度 指主轴组件在外力的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。刚度不足时，不仅影响加工精度和表面质量，还容易引起振动。恶化传动件和轴承的工作条件。设计时应在其他条件允许的条件下，尽量提高刚度值。 3、抗振性 指主轴组件在切削过程中抵抗强迫振动和自激振动保持平稳运转的能力。抗振性直接影响加工表面质量和生产率，应尽量提高。 4、温度和热变形 温升会引起机床部件热变形，使主轴旋转中心的相对位置发生变化，影响加工精度。并且温度过高会改变轴承等元件的间隙、破坏润滑条件，加速磨损甚至抱轴 5、磨损性 指长时期保持其原始精度的能力。主要影响因素是材料热处理、轴承类型和润滑方式。 同时。主轴结构要保证各零件定位可靠、工艺性好等要求。 3.4.2 主轴及组件的设计与校核 1、 初定轴的直径(危险截面) 轴的材料选用45钢，经正火处理。主轴的最底转速为75r/min,为空心轴 1p33d,A (3-10) 41,,n 式中:A — 与材料有关的系数 P — 轴传递的功率 kW - 19 - n — 轴的转速 r/min d — 危险截面的直径尺寸 mm 通常取β=0.5,0.6。 故 113.733d,，110，,63.79mm 41,0.575考虑到有键连接轴径应增加3%，故取危险端面尺寸66mm。 2、 主轴及其组件的结构设计 如图3.5所示，根据轴的受力选N231E型和7016型轴承，轴结构设计 如图所示: 图3-5 主轴总体布局 3.按扭曲合成强度校核轴的直径 P13.71T,9550,9550，,44810N,m 1n58601 F,2Td,2，44.81120,746.8N1t11 : N F,Ftan,,74.68，tan20,271.81rt : N F,Fcos,,44.81cos20,476.91nt 水平面: - 20 - (a) (b) (c) (d) (e) (f) (h) 图3-6 受力简图 m(F),0 ( 3-11) ,A 122F,192R,01tH2 122122，746.8F1r ,,,472.1NRH2193193 mF,0，，,C (3-12) - 21 - 71F,193R,01tH1 71F71746.8，1tR,,,274.7NH1193193 竖直面: mF,0，，,A (3-13) 1221930FR,,12rVa 122122271.8F，1rR,,,171.8NV2193193 mF,0，，,C 711930FR,,11rVa 71F71271.8，1rR,,,99.99NV1193193 1)作出轴的空间受力简图(图3.6 a) 2)作出水平面和竖直面的受力简图(图3.6b、c) 3)作出水平面弯矩图(图3.6d) Nm,Nm,MH1=33.5191, MH2=33.5191 4)作出垂直面弯矩图(图3.6e)。 Nm,Nm,MV1=12.19851 , MV2=12.19851 4)求出合成弯矩，并画出合成弯矩图(图3.6f)。 2222N M,M，M,12198.51，33519.1,35669.87VHmaxmaxmax 5)作出扭矩图(图3.4h) T,44810N,m ,,0.66)求出当量弯矩Memax 取 2222M,M，(,T),35669.87，(0.6，44810),44667.62N ,max 7)校核轴的强度 考虑到此轴为空心轴，材料为45钢，查得,,,,95MPa 0 M44667.62max, ,,,,10.77MPa,,,,,95MPa0,3W0.2，66 安全系数合格。 - 22 - 3.4.3 键连接的设计计算 1、选择键连接类型及尺寸 由于齿轮传动的对中性要求较高以免齿轮啮合不良，所以选择普通的 12,10平键连接，按表且根据d=66和B=64选择双圆头平键，尺寸为: b=20mm , h=12mm, l=60mm , k=6.7mm。 2、强度的计算 按式(12-8)、式(12-9) 得 2T2T，，,?,?,,,,,,jyjy，，dbldkl11， ， ,,,,60~90MPal,l,b,(60,20)mm,40mm1 由表，根据轮毂材料为45钢，载荷为轻微冲击，查取12,11 ,,,,100~120MPa jy 2，44810 ,,,1.7MPa,,,,66，20，40 2，44810,, ,,,5.07MPa,,jyjy66，6.7，40 所以键连接的设计计算合格。 3、键连接的结构设计 (1)轴的键槽尺寸偏差 00宽度为20N9();槽深;表面粗糙度d,t,(66,7.5)mm,58.5mm-0.052-0.2 Ra值两侧面为3.2µm，底面为6.3µm (2)轮毂的键槽尺寸偏差 ，0.2宽度为;槽深;表面粗糙d，t,(66，4.9)mm,70.9mm20JS9(,0.026)0 R度表面粗糙度值两侧面为3.2µm，底面为6.3µm。 a 3.4.4 夹紧装置的设计计算 1、概述 目前国内外数控机床自动换刀系统中,刀具、辅具多采用锥柄结构,刀柄与机床主轴的联结、刀具的夹紧放松机构及驱动方式几乎都采用同一种结构模式。在这种模式中,机床主轴常采用空心的带有长拉杆、碟形弹簧组的结构形式,由液压或气动装置提供动力,实现夹紧放松刀柄的动作。本课题设计选用液压缸、长拉杆、碟形弹簧来实现刀柄的加紧和放松。 2、蝶形弹簧主要参数的确定及选择 选用碟形弹簧的材料为50CrVA。弹簧承受16公斤的力时的变形量要求为20mm,导杆的最大直径为20mm。 按导杆尺寸条件，在GB/T1972，选取内径d=20.4mm的弹簧三种，尺 3.1寸如表所示: - 23 - 由表可见，采用单个弹簧不能满足要求，所以采用A系列弹簧对合组 合。由公式式得: ，，1.7,17 24Et2PK (3-14) ,,t4221,kD,1 表3-1 蝶形弹簧的尺寸 D d t h0 H0 P f σ?或σ? (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) F=0.75 h0 碟形弹簧 N (mm) (N/mm2) A40 40 20.4 3.25 0.9 3.15 6500 0.68 σ?=1330 GB/T1972 A40 40 20.4 1.5 1.15 3.65 2620 0.86 σ?=1140 GB/T1972 A40 40 20.4 1 1.3 3.30 1020 0.98 σ?=1060 GB/T1972 式中: 42弹簧钢的弹性模量为; E,2.06，10Nmm 弹簧钢的泊松比; ,,0.3 ,,9由公式可知 K1.7,201 C1,,,,,1C,,K, (3-15) 1C12，,,C1lnC, C,12,1,,,,,,,,11C2,,,, 由式(3-15)得 K,,，,0.691C，122，12,3.14,，C,1lnC2,1ln2 无支撑面=1。 K4424，2.06，102.25，0.92P,，，1,373.7N c221,0.30.69，40 P2801,,0.75P373.3C P1,0.751.7,17由图,A系列的，根据查出，变ht,0.4fh,0.2500PC 形量，因此为满足变形量为20mm，所需弹f,0.25h,0.25，0.9,0.45mm10 簧量片数为: - 24 - f201zi,,,44.4 f0.451 取45片，则弹簧的尺寸为: 未受载荷时的自由高度:。 H,iZ,45，3.15,141.75mmZ 3、夹紧放松液压缸的设计 (1)确定液压缸的输出推力:夹紧和放松刀柄时，液压缸主要克服弹簧的弹力和摩擦力，所以液压缸的输出推力为: F=1.1 (3-16) F1 式中为工作机构的负载力。将缸的输出力大于工作机构负载力的原F1 因，是液压缸本身摩擦部位的摩擦力和惯性力也抵消一部分缸的输出力。F=1.1×280=308N (2)确定活塞杆直径d。 选定活塞杆材料为不锈钢，d值可按杆件简单拉伸计算: F (3-17) 1.13mmd,,,, 式中:为活塞杆材料的许用应力，取为，其中为,,,,,,,,,(1.3~3)11 材料的抗拉强度，查表中，可知不锈钢的抗拉强度为520MPa。 11,4 308，2F则 ,1.13,1.13,4.76mmd,,,520 3,2与表对照进行圆整取d=16mm 表3-2 活塞杆直径标准值(摘自GB2348-80) mm 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 32 39 40 45 50 56 63 70 (3) 确定缸筒的内径 D,(1.4~1.8)d,28.8mm (3-18) 与表3.3[9]对照进行圆整取D=50mm。 表3-3 缸筒内径标准值(摘自GB2348-80) mm 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 320 400 — — (4)确定工作压力 4F1P,,6.27MPa (3-19) 22,(D,d) 3.4与表对照进行圆整取p=6.3 MPa。 - 25 - (5)缸筒的最小壁厚。 表3.4 液压缸公称压力(摘自GB2346-80) mm 0.63 1 1.6 3.5 4 6.3 10 16 25 40 缸筒采用无缝钢管制成，则壁厚为: pmaxD,, (3-20) ,,2, 式中pmax=1.5p=9.54MPa，为缸的实验压力;[σ]为缸体材料的许用应力，一般无缝钢管取为110,120 MPa，可知 max9.45，50PD, ,,,2.17mm,,,22，110 (6)缸体和活塞的最大相对运动速度。 3.5速度v通过表进行选取 表3-5 缸体和活塞最大相对速度极限值 mm 活塞和缸体之间的活塞和缸体之间的缸内径(mm) 缸内径(mm) 最大相对速度最大相对速度 (m/s) (m/s) 0.8 0.2 25,63 250,320 0.6 0.1 80,100 400,500 0.4 — — 125,200 选择v=0.8 m/s。 (7) 确定缸体所需的流量 ,2QDv,4 式中D为缸内径; v 为活塞相对于缸体的运动速度。 可得: 3.14,22,33 Q,Dv,，50，0.8,1.7，10ms44 3.5 花键轴的设计计算 3.5.1 花键轴结构设计 1、 初定轴的直径(危险截面) 轴的材料选用45钢，经正火处理。主轴的最底转速为160r/min, P3d,A (3-21) n 式中 A —— 与材料有关的系数 - 26 - P —— 轴传递的功率 kW n —— 轴的转速 r/min d —— 危险截面的直径尺寸 mm 故 14.23d,104，,46.38mm 160 考虑到有键连接轴径应增加7%，故取危险端面尺寸50mm。 2、花键轴的结构设计 花键轴的零部件布置如图3.7所示: 图3-7 花键轴结构 3、花键的设计计算 (1)选择键连接类型及尺寸 由于空载时，齿轮要求能够沿着轴向移动，所以选择矩形花键连接。 ,,10由表且根据轴径d=78查取矩形花键的连接尺寸为10×72×78×12,13 12,c=0.4mm。轴和齿轮的材料为钢，齿面经热处理，硬度为30HRC。 (2)强度的计算 12,13按式得 T,,,,,, (3-22) jyjyzhlr,m N,m式中: T —花键轴传递的转矩，; Ψ —载荷分布不均匀系数，Ψ=0.7,0.8; z —花键的数量，常见 z=10; h—花键侧面的工作高度。 D,d78,72,,h,,2C,,2，0.4mm,3.2mm (3-23),,22,, - 27 - D，d78，72 (3-24) r,,,75mmm22 Ψ=0.7,0.8,取Ψ=0.75 由表12-14，根据无载荷时轴向移动，工作情况良好齿面经热处理，查,,取,,40~70MPa。 jy 46280 ,,,,,0.63MPa,,jyjy0.75，10，2.2，75，60 所以键连接的设计计算合格。 (3)矩形花键连接的结构设计 定心方式采取外径定心;花键轴的配合精度为10×78a11×72f7×12d10, 花键孔的配合精度为10×78H10×72H7×12H11。 3.5.2 传动齿轮键连接的设计计算 1、选择键连接类型及尺寸 由于齿轮传动的对中性要求较高以免齿轮啮合不良，所以选择普通的 12,10平键连接，按表且根据d=60和B=48选择双圆头平键，尺寸为: b=18mm , h=11mm , l=38mm , k=5.2mm。 2、强度的计算 按式(12-8)、式(12-9)得 2T,,,,,, (3-25) dbl1 T2,,,,,, (3-26) jyjydkl1 ， ,,,,60~90MPal,l,b,(38,18)mm,20mm1 由表12,11，根据轮毂材料为45钢，载荷为轻微冲击，查取 ,, ,,70~80MPa jy 2，46280 ,,,4.3MPa,,,,60，18，20 2，46280,, ,,,14.8MPa,,jyjy60，5.2，20 所以键连接的设计计算合格。 3、键连接的结构设计 (1)轴的键槽尺寸偏差 R00a20N9()宽度为;槽深;表面粗糙度d,t,(60,7)mm,53mm-0.043-0.2 值两侧面为3.2µm，底面为6.3µm。 (2)轮毂的键槽尺寸偏差 - 28 - ，0.2宽度为;槽深mm;表面d，t,(60，4.4)mm,64.420JS9(,0.0215)mm0粗糙度表面粗糙度值两侧面为3.2µm，底面为6.3µm。 Ra 3.6 润滑与密封 3.6.1 系统的润滑 1.齿轮传动的润滑 [齿轮啮合传动时，齿面间会产生摩擦和磨损。为了减少摩擦，减低磨损而采用的最有效的方法是润滑。特别是高速传动，更需要考虑齿轮的润滑。润滑可以减小摩擦损失，提高传动效率;减缓和降低磨损，提高使用寿命;同时还有散热、防锈和缓冲更改善工作条件的作用。本设计采用压力循环润滑即用中心供油站或油泵把压力油经管道由喷嘴喷至齿轮齿合面。 3.轴承的润滑 轴承润滑主要目的是减少摩擦与磨损，同时起到冷却、吸振、防锈及降低噪音的作用。一般高速轴承都采用油润滑，润滑及冷却效果均较好。 2m/sV在闭式齿轮传动装置中，当齿轮圆周速度?时，常采用飞溅润滑。利用齿轮的转动把润滑齿轮的油摔倒箱体四周壁面上，然后通过沟槽把油 引进轴承。因此本设计也选用油润滑。 3.6.2 轴承的密封 轴承密封是为了阻止灰尘及杂物进入轴承，并防止润滑剂流失。本设计选用毡圈密封和挡油盘式密封两种方式。 3.7 本章小结 主传动系统的设计是根据设计参数中，把轴所能传递的功率作为基本参数考虑。主轴做成空心的结构，主轴的结构设计需考虑与传动轴的连接装配工艺、刀具的连接尺寸、定位及密封。传动轴要考虑其轴向定位与装配精度，所以轴径的设计要兼顾滚动轴承与矩形花键的标准尺寸系列。 - 29 - 第4章 转位装置的设计计算 4.1 中心液压缸的设计计算 1、确定液压缸的输出推力: 液压缸主要作用是抬起转塔体: F=1.1 (4-1) F1 =G=mg=360×3.14×1002×8000×10N=20000N F1 式中为工作机构的负载力。将缸的输出力定的大于工作机构负载力F1 的原因，式液压缸本身摩擦部位的摩擦力和惯性力页抵消一部分缸的输出 力。 F=1.1×20000N=22000N 2、确定活塞杆直径d 选定活塞杆材料为不锈钢，d值可按杆件简单拉伸计算: F (4-2) 1.13mmd,,,, 式中为活塞杆材料的许用应力，取为，其中为材,,,,,,,,,(1.3~3)11料的抗拉强度，查表中，可知不锈钢的抗拉强度为520MPa。 11,4 则: 2000，2F ,1.13,1.13,20mmd,,,520与表3.2对照进行圆整取d=25mm。 3、确定缸筒的内径 D,(1.4~1.8)d,37.5mm (4-3) 与表3.3对照进行圆整取D=40mm。 4、确定工作压力 4F1 p,,6.27MPa 22),(D,d 与表3.4对照进行圆整取p=6.3 MPa。 5、缸筒的最小壁厚 缸筒采用无缝钢管制成，则壁厚为: pDmax,, (4-4) ,,2, 式中p,1.5p,9.45MPa，为缸的实验压力;为缸体材料的许用,,,max 应力，一般无缝钢管取为110,120 MPa，可知 - 30 - 9.45，50pmaxD, ,,,2.17mm,,,22，110 6、缸体和活塞的最大相对运动速度 速度v通过表3.5进行选取 ,选择v=0.8 m/s。 7、确定缸体所需的流量 ,2 Q,Dv4 式中D为缸内径; v 为活塞相对于缸体的运动速度。 可得: 3.14,22,33 Q,Dv,，40，0.8,1.761，10ms44 4.2 转位齿轮的设计计算 4.2.1 选择齿轮传动的材料及热处理 由11,1查取，小齿轮的材料用45钢，调质热处理200,250HBS，大 齿轮的材料用45钢，正火处理170,217HBS。 4.2.2 强度的计算 由于大小动齿轮齿面硬度均小于350HBS，所以为闭式软齿面的齿轮传 动。 按齿面接触强度设计 KT1，，a,Ai，1 (4-5) 3a2,,,i,aH 13,1其中:Aa表，按直齿轮，β=0?，查取Aa =483; 13,3K由表，按原动机为电动机，工作载荷有中等冲击，查取K=1.2,1.6，取K=1.2; Ψa=0.2,0.6，取Ψa=0.4; P11T,9550,9550，,397.9N,m 1n241 13,2，由图，按齿轮材料、调质、正火热处理，,,,,,0.9,HlimHHlim ,,520MPa， 齿面硬度200HBS，查取,,560MPaHlim2Hlim1 ， ,,,,,,0.9，560MPa,504MPa,,0.9，580MPa,468MPaHH12 1.2，397.93，，a,483，4，1,286.76mm 20.4，4,4684.2.2 确定选择齿轮传动的参数和尺寸 由于，选 z,25~40z,40z,iz,2.5，40,1001121 - 31 - 2a2，286.76m,,,2.36mm z，z25，10012 m,2.53,2由表查取，。 所以实际中心距 mz，z，，12 a,,175mm2 根据设计要求取齿宽b=39mm。 ，，b,b，3~5,39，3,42mm12 , d,mz,2.5，40,100mm11 ，，，，d,mz，2,2.5，40，2,105mma11 , d,mz,2.5，100,250mm22 ，，，，d,mz，2,2.5，100，2,255mma22 10，100n,d,11 ,,,0.052msv160，100060000 4.2.3 验算齿根弯曲应力 (4-6) ,,,,,FF FKKKYYKAVF,FS,,F,,, (4-7) Fbm ,YYYY,FlimNRX,,, (4-8) ,FSFmin其中: 2000T2000，531F,,,2120N(1) 1td1201 13,3(2)由表，按原动机工作平稳，工作载荷有中等冲击，查得KA ，取。 K,1.2~1.6K,1.2AA vz36.8，401113,5K(3)由图，按?公差组7级，,,14.72，直齿V100100 轮，查取。 K,1.32V b42,,,,0.42K13,6(4)由图，按,大小齿轮齿面硬度小于dF,d10001 K,1.32350 HBS，查取。 F, 13,5K(5)由表，按按?公差组7级，未经表面淬火的直齿轮，F, 查取K,1。 F, - 32 - 13,4(6)Y由图，按，查取，Y,4.21z,40z,100x,0FSFS112 。 Y,3.75FS2 Y13,8(7)由图， ,, ,,1111,,按，查取,,1.88,3.2，，,1.88,3.2，，,1.81,,,,azz40100,,12,, Y,0.67。 ,, 13,3(8)由图，按齿面材料，调质热处理，齿面硬度为,Flim 200HBS;正火钢，170HBS，查取，MPa。 ,,210,,200Flim1Flim2 (9)Y按长期工作， ，查取。 N,NY,1N0N Y(10)，一般Y,1。 ,, (11)按表面粗糙度，查取。 YR,3.2μmY,1RaR m,2.513,12Y(12)由图，按齿面材料，调质热处理，，查取x Y,1X。 113,7(13)由表，按失效概率,，查取，因有SS,1.25FminFmin1000资料可参照，可增大1.2,1.6倍，。 S,1.25，1.4,1.75Fmin 210，1，1，1，1 ,,,,,168MPaF11.25 200，1，1，1，1 ,,,,,160MPaF11.25 2120，1.2，1.35，1，1.32，4.21，0.67 ,,,,MPa,121.78MPa,F1F142，2.5 Y3.75FS2,,,,121.78，MPa,108.47MPa,,,, FF21F2Y4.21FS1 齿轮强度合格。 4.3 本章小结 在设计中，由于装置的整体结构，中心液压缸需要抬起30mm，持续 6s，等待转位完成。转位时，把齿轮设计成半啮合的方式，避免了齿轮移 动带来的碰齿现象。 - 33 - 第5章 刀库的设计计算 5.1 电动机的选择 根据设计要求选用三相异步交流电动机，型号为Y801-2型，其满载转速为2825r/min。其主要技术数据、外形和安装尺寸见表5.1: 表5-1 电动机主要技术数据、外形和安装尺寸表 型号 额定功率/ kw 额定转速r/min 最大转矩(额定转矩) Y801-2 0.75 2825 2.2 外形尺寸/ 中心高/mm 安装尺寸/mm 轴伸尺寸/ mm×mm×mm H A×B mm×mm×mm D×E L×(AB/2+AD) ×HD 295×323×175 80 125×100 19×40 5.2 蜗轮蜗杆的设计计算 5.2.1 蜗轮蜗杆的计算 1、选择传动的类型和精度等级 考虑到传递的功率不大，转速较低，选用ZA蜗杆，精度8级，蜗杆采用型号 GB10089-89，要求寿命为20000小时。 2、选择材料，确定许用应力 蜗杆采用材料为45号钢，表面淬火，硬度为45,55HRC,蜗轮外圈用铸锡青铜，金属模铸造。 由文献表10-5和表10-7中分别查得 ,,,,220MPaOH ,,56MPa,,0F 28008应力循环次数 N=60 nJL,60，，20000,3.36，10H210 7108寿命系数 Z,,0.644N83.36，10 许用应力 ,,,,,,Z,,0.664，220,141.68MPaHNOH ,,,,，,Y0.5245629.34MPa,,,,FNF0 3、选择蜗杆头数和蜗轮齿数 ZZ12 根据传动比i=10,参考文献表10-2取=2则=i =10×2=20。 ZZZ121 4、按蜗轮齿面接触疲劳强度设计 - 34 - 2,,Z2Emd,9kT (5-1) ,,12,,Z,2H,, (1)确定载荷系数K，由参考文献表10-3中选取使用系数，K,1.1A K,1由于载荷平稳，选取，因转速不高，选取 K,1.05,v则 K,KKK,1.1，1，1.05,1.16A,v (2)计算作用在蜗轮上的转矩，取效率，刀库转速为,,0.80 150r/min ( 5-2) T,i,T21 代入数值得 69.55，10，0.75T,10，0.8，,20.46429N,m 12800 (3)确定弹性系数，由文献表10-4查得 ZZ,155EE2(4)计算，确定模数m和蜗杆分度圆直径 mdd11 2,,Z2EmdkT,9,,12,,Z,H2,, 2155,,,9，1.16，20464.29， ,,20，141.68,, 3,639.27mm 根据计算由文献表10-1查得取m=4mm,=40mm d1(5)确定中心距a dd，，，4042012a,,,60mm22 5、校核齿根弯曲疲劳强度 ,(1)计算蜗杆导程角 mZ42，0'"1,,,,arctanarctan111836d401 Z(2)计算蜗轮当量齿数 v2 2020Z2,,,,21.224 Zv33:2,coscos11.30.942(3)确定齿形系数 Y,2.87Fa, Y(4)确定螺旋角系数 , - 35 - 011.31,,,Y10.90575,0120 (5)校核弯曲强度 ,F 1.53KT2,,YYFFa,,mdd12 (5-3) 代入数值得 1.53，1.16，20464.29,,，2.87，0.90575F40，80，4 ,7.38MPa,,,,,36.1MPaH 满足要求。 6、蜗杆和蜗轮主要几何尺寸计算 (1)蜗杆 蜗杆分度圆直径 d1 =40mm d1 q 蜗杆直径系数 d401q,,,10m4 d 蜗杆齿顶圆直径 a1 *ddhm,，,，，，240241=48mmaa11 d 蜗杆齿根圆直径 f1 ,,，，d,d,2，，h，cm,40,21，0.2，4,30.4mm f11a p 蜗杆轴向齿距 a1 Pm,,,,,412.56a1 mm Lz 蜗杆导程 LZP,,，,212.5625.12mmZa11 S 蜗杆轴向齿厚 a1 1 S,,m,6.28mma12 (2)蜗轮 - 36 - 蜗轮分度圆直径 dmZ,,，420=80mm22 蜗轮喉圆直径 *ddhxm,，，,，，,2802488mm，，aa222 蜗轮齿根圆直径 ,,d,d,2，，h，c,xm,70.4mm f22a2 5.2.2 蜗轮、蜗杆承载能力计算 1、蜗杆传动的受力分析及计算校核 (1)各力的大小如下: 因为蜗轮轴和蜗杆轴之间的轴交角为90?，蜗杆的圆周力F与蜗轮的t1 FFF轴向力的大小相等，方向相反;蜗杆的轴向力与蜗轮的圆周力的a2a1t2 大小相等，方向相反;蜗杆的径向力与蜗轮的径向力的大小相等，FFr1r2 方向相反。 30.75，10F,F,2，9549，,128N ta122800，40 1 F,F,2，20464.29，,511607Na1t280: F,F,Ftan,,511.607，tan20,186.21Nr1r2a1 511.607Fa1 ,,,554.804NFn::cos20cos11.310.94，0.981 (2)蜗杆传动的计算载荷为 FKFKKKF,,canAn,, ,，，，,111554.804NFn 式中 —使用系数 KA K—齿向载荷分布系数 , K—动载系数 v 2、蜗杆传动的强度校核 蜗轮齿面接触疲劳强度校核 9KT2,, (5-4) ZHE2dd12 - 37 - 代入数值得 9，1,20464.29,,155H240，80 ,,,131.47MPa,,,250MPaH 3、蜗轮齿根弯曲疲劳强度校核 1.53KT2,YY, (5-5) FFa2,ddm12 代入数值得 1.53，20464.29,,，2.13，0.9F40，80，4 ,4.69MPa,,,,,,,Y,,0.524，56,29.3MPaFNOF 5.3 本章小结 本章节根据计算数据，结合设计机构的具体工作情况，按照机械设计所遵循的设计原则，将传动系统的部分蜗轮蜗杆进行了设计选择，并加以校核，以确保其安全可用。并实现优化设计，使其具有经济，简洁，性价比高等优势。针对可能出现的不同情况，我们要具体问题具体分析，及早解决，让加工中心机械手能更大限度的发挥功能，我们取得最大化的收益。 - 38 - 第6章 机械手驱动装置的设计 6.1 概述 在加工中心上， 机械手自动换刀的速度与可靠性直接关系到生产效率和整个机床的可靠性， 是机床制造厂和用户都十分关注的问题。通常机械手的驱动有液压驱动和机械式凸轮驱动两种。 1、液压式 采用液压式驱动的ATC，插、拔刀动作均由油缸完成。常见的方案是机械手装在套筒上，活塞杆固定，缸套同套筒一起移动，油缸左右腔进油完成动作。机械手的回转既可以采用回转油缸，也可以采用直线运动油缸通过齿轮齿条带动来完成。 2、凸轮联动式 机械凸轮联动驱动的ATC，插、拔刀动作通常由凸轮驱动摆杆来完成。回转动作常通过弧面分度凸轮或平行分度凸轮带动滚子盘直接驱动机械手或再通过一对齿轮驱动机械手旋转。 3、性能比较 从已有的统计情况来看机械式凸轮联动换刀比液压式驱动换刀快大约1,1.4倍。原因有以下几个方面: (1) 凸轮联动驱动ATC动作可重叠,液压驱动一般在前一动作确认无误后,才能进行下一个动作。 (2) 前者驱动的运动规律可由设计者选择,液压驱动却不行。 (3) 在相同冲击、振动和噪声指标限制条件下，凸轮驱动比液压驱动可获得更大的换刀速度。另外，液压驱动装置所使用的电磁阀及液压元件的可靠性也比凸轮低得多。但凸轮的缺点是造价高，且长时间使用后会出现磨损,影响换刀动作可靠性。 通过以上条件对比，本设计中机械手的驱动选用凸轮联动装置。 6.2 凸轮联动装置的原理 6.2.1 基本原理 目前，加工中心上使用的典型的凸轮联动ATC的换刀动作基本可以分作两部分: (1)机械手的旋转分度动作。包括抓刀、180?换刀回零。 (2)机械手的直线平移动作。包括拔刀、插刀。 其中机械手的旋转分度动作采用滚子凸轮垂直分度机构来实现;机械手的直线平移动作采用圆柱槽凸轮摆动机构来实现。 - 39 - 6.2.2 凸轮曲线的设计 表示ATC凸轮联动换刀动作关系的曲线见图5.2，凸轮从零位开始旋 转，旋转到,时，机械手开始抓刀，旋转到时，机械手手臂旋转角，,,011完成抓刀动作;凸轮继续旋转到时，ATC开始拔刀，到时,拔刀动作完,,24成;从,开始到,，ATC手臂从旋转到,，完成180?换刀;从,到,36351 ,，ATC完成插刀动作;从,到,，ATC手臂从反转到,，完成回零,78932动作，换刀结束。 图6-1 滚子凸轮与圆柱槽凸轮运动关系曲线 (1)凸轮曲线的选择 由于变性正弦曲线(MS)最适合用于高速中载和重载的场合。因此，在 凸轮曲线的设计中，一般优先选用变性正弦曲线。 ,,,(2)最大压力角的确定 m :,,,,50对于滚子凸轮，最大许用压力角;对于圆柱槽凸轮m ,,:60,,m。 (3)凸轮的拔、插刀转角、 ，，，，,,,,,,4242 一般取40?,60?。 ,(4)凸轮的初始回转角 0 :, ATC在零位时,滚子凸轮的定位角,,,，360,,，应根据驱动电09动机的制动转角 (指从电动机制动开始到电动机停止时凸轮的转角)来确,ZH::定，一般使。设计时取，一般取,,7.5~15。本设计取,,0.5,,,3,00ZH :,,15 0 (5)间歇角、 ,,12 ，,,,,,，凸轮在和角度范围内旋转，机械手不,,,,,,,28712121 ,动作，主轴和刀套在凸轮从转至之间完成松刀动作，在凸轮从转至,,712 ::,之间完成刀具锁紧动作。一般取。本设计中取,,,,0~30812,,,,:2012。 - 40 - (6)重合角、 ,,12 ，，由于主轴和刀具之间为锥面连接，设计中为,,,,,,,,,,143265 :了改善凸轮曲线的动态特性和提高换刀速度，可使，即换刀180,,,,012动作与拔、插刀动作之间存在重合区。这样设计必须保证刀具锥柄与主轴之间不产生运动干涉，所以本设计中取。 ,,,,012 (7)滚子盘的抓刀转角 、回零转角、换刀转角, ,,312 ，，， 、根据设计时的空间结构,,,,,,,,,,,,,,,2323311211 :::制定，一般取。本设计中取。 ,,,,90,,,,60~901212 (8)拔、插刀行程 (6-1) ，，H,H，H，H，3~5mm123 本设计中采用锥度为40的锥柄，所以可得:H,68.4，8，3.6，4,84mm 6.3 本章小结 本章采用凸轮联动装置驱动机械手上下及回转运动，用步进电机作为装置的驱动，通过凸轮的曲线实现机械手的运动。但是凸轮长时间使用后会出现磨损,影响换刀动作可靠性。 - 41 - 结论 刀库和交换主轴的换刀装置用转塔头换刀装置和刀库式换刀装置相结合的方式，既解决了转塔头换刀装置主轴数目较少，只适用与工序较少的数控机床的问题;同时也缩短了刀库式换刀装置的换刀时间。主轴的转动采用电动机驱动，经过二级传动使主轴达到所需转速。主轴及组件的设计通过市场调研及和典型的组合形式确定主轴结构。转塔头的抬起动作利用液缸抬起。利用活塞杆和齿轮啮合的方式使转塔头转位，转位齿轮和传动齿轮处在半啮合状态，这样就避免了碰齿情况的发生。本设计中利用一个定位销和两个定位孔实现转塔头的定位。 刀库选用盘形刀库，可容20把刀具。由电机经蜗轮蜗杆传动。 机械手的驱动采用凸轮联动装置。解决了采用液压装置的交换速度不高、结构尺寸较大且容易出现故障等缺点。 刀库和交换主轴的换刀装置综合运用了机械零件、理论力学、机械原理、机械制图、金属工艺学、液压等多学科的相关专业知识，并将相关知识紧密联系起来，根据对国内外同类机械的分析研究，搜集相关的文献资料，综合应用完成了整个设计。 ～ - 42 - 参考文献 1 黄泽正，刘冲，陈志辉。加工中心自动换刀装置的设计机械工程与自动 化，2007，(01) 2 周保牛.XH756型卧式加工中心主传动系统的巧妙设计。机械设计与研 究，2007，(22) 3 王世刚，张秀亲，苗淑杰.机械设计实践。哈尔滨:哈尔滨工程大学出版 社，2003 4 刘跃南.数控机床系统设计。北京:化学工业出版社，2005 5 周松鹤，徐烈烜.工程力学。北京:化学工业出版社，2003 6 王三民，诸文俊.机械原理与设计。北京:机械工业出版社，2001 7 李洪.适用机床设计手册。辽宁:辽宁科技技术出版社，1999 8 成大先.机械设计手册。北京:化工工业出版社， 2004 9 现代综合机械设计手册(下)。北京:北京出版社，1999 10 季明善.机械设计基础。北京:高等教育出版社， 2005 11 王爱玲.现代数控机床。北京:国防工业出版社，2003 12 杜君文，邓广敏.数控技术。天津:天津大学出版社，2003 13 洪钟德.简明机械设计手册。上海:同济大学出版社， 2003 14 刘书华.数控机床与编程。北京:机械工业出版社，2001 15 董献坤.数控机床结构与编程。北京:机械工业出版社,1998 16 何存兴，张铁华.液压传动与气压传动。武汉:华中科技大学出版社, 2000 17 刘建慧，邹慧君，颜洪森.对加工中心自动换刀装置时间的探讨。 组合 机床与自动化加工技术,2004(8):35 18 梁楚华，朱志坚，吴金强.数控机床自动换刀系统产品化研究。机械工艺 师,2000(8):20-21 19 王科社，杨庆东，孙志永. 浅谈快速换刀装置。新技术新工 艺,2002(10):21-22 20 丁雪生 . 欧洲双主轴加工中心简介。 世界制造技术与装备市场，2005, (02) 21 ISO 10791-9: Test conditions for machining centers—PART 9:evaluation of the operating times of tool change and pallet change,1998. 22 FCChen , H S Yan . Configuration synthsis of machining centers with tool change mechanisms . International Jounral of Ma-chine Tool & Manufacture 1999, (39) : 273-295 - 43 - 附录A Industry Manipulator The industry manipulator is one kind of high tech automation production equipment which the nearly several dozens years develop ,the industry manipulator is an industry robot important branch ,its charachteristic is may complete each kind of the machine respective merit in the structure and the performance,has manifested human’s intelligence and the compatibility especially,in the manipulator work accuracy and each kind of environment completes the work ability,has the broad prospects for development in the national economy various domains,along with the industrial automation development , appeared the numerical control processing center,it while reduces work’s labor intensity,enhanced the labor productivity greatly,but in numerical control processing common on yummy treats working procedure,usually still use the manual control or the radition black-white control semiautomatic installment ,the former required a lot of work time-consuming,the efficiency is low,because the latter designed complex ,had many relays,the wiring to be numerous and diverse,is vibrated esily the chassis the disturbance,but had the reliability badly,the breakdown many ,questions and so on service difficulty,the programmable controller PLC control on yummy treats manipulator control system movement simple,the line design reasonable ,had the strong anttjamming ability ,had guaranteed the system movement reliability,reduced the service rate,enhanced the working efficiency. The manipulator technology involves to mechanice ,mechanics,the electrical hydraulic pressure technology ,the automatic control - 44 - technology ,the sensor technology and the computer technology and so on,is an interdisciplinary comprehensive technology. The manipulator is one kind can automate localization control and may program the multi-purpose machines which the foreword changes,it hans many degrees of freedom,available transports the object to complete in each different environment works. In wage level low China,plastic profession although still belonged to the labor force intensity,manipulator’s use already more and more popularized,these electronic and automobile industry European and American Multinational corporation was very early on is located in China’s factory in them to introduce the automated production ,but the present change was these distributes in industry crowded South China,East China coastal area Chinese Native place Plastic Processing factory also starts to the mechanical wristwatch to appear the more and more strong interest,because they had to face the worker rate of personnel loss to be high,as well as the halving belt came challenge. Along with our country industrial production leap development ,the automaticity rapid enhancement ,realization work picec loading and unloading,welding torch,spray gun,trigger tools and so on changes ,the transportation or managers carries on work and so on processing,assembly automations,has brought to people’s attention increasingly ,simultaneously also requests the feeder construction to be more nimble.the flexibility ,adapts for delivers the different goods,this enables for the feeding manipulator in the automaton ,to obtain the increasingly widespread application from the generatrix in. In the production may enhance the production using the manipulator the automated level and the labor productivity,may reduce the labor intensity ,the guarantee produt quality ,the realization safety in production,the industry manipulator can replace the human in the - 45 - industrial production to make certain monotonous,frequent and the redundant long time work ,perhape dangerous ,under adverse circumstance work , for example in the ramming ,the pressure casting,the heat treatment ,the welding,the painting, plastic working procedures and so on in product forming,machine-finishing and simple assembly,as well as in departments and so on in atomic-energy industry,completes to the human body harmful material transporing or the craft operation,as well as aspects and so on light industry ,transportation shipping industry obtain the more and more widespread application. - 46 - 附录B 工业机械手 工业机械手是近几年发展起来的一种高科技自动化生产设备，工业机械手是工业机器人的一个重要分支，它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性，机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景，随着工业自动化的发展，出现了数控加工中心，它减轻工人的劳动前度的同时，大大提高了劳动生产率，但数控加工中常见的上下料工序，通常仍采用人工操作或传统继电器，接线繁杂，易受车体震动干扰，而存在可靠性差，故障多，维修困难等问题，可编程序控制器PLC控制的上下料机械手控制系统动作简便，线路设计合理，具有较强的抗干扰能力，保证了系统运行的可靠性，降低了维修率，提高了工作效率。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等，是一门跨学科综合技术。 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 在工资水平较低的中国，塑料制品行业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及，那些电子和汽车业得欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产，但现在的变化是那些分布在工业密集的华南，华东沿海地区的中国本土塑料加工厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要对工人流失率高，以及交带来的挑战。 随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已越来越引起人们的重视，同时也要求供料机构更加灵活、柔性化，以适应供送不同的物品，这使得供送料机械手在自动机、自动线上得到越来越广泛的应用。 生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现，工业机械手在工业生产中能代替做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险，恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成型、机械 - 47 - 加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作，以及轻工业，交通运输业等方面得到越来越广泛的应用。 - 48 -