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1、本科学生毕业设计数控加工中心刀库及自动换刀机械手设计系部名称： 机电工程学院 专业班级： 机械设计制造及其自动化 08-14班 学生姓名： 郭媛媛 指导教师： 孟兆生 职 称： 教授 黑 龙 江 工 程 学 院二一二年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeDesign on Cutter Storehouse and Automatic Tool Changing Manipulator for CNC Machining CenterCandidate：Guo YuanyuanSpecialty：Mechanical Design and M
2、anufacture Automation Class：08-14 Supervisor：Professor Meng Zhaosheng Heilongjiang Institute of Technology2012-06Harbin摘 要加工中心是备有刀库，并能自动更换刀具，对工件进行多工序加工的数字控制机床。工件经一次装夹后，数字控制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及其他辅助机能，依次完成工件几个面上多工序的加工。加工中心由于工序的集中和自动换刀，减少了工件的装夹。本文在介绍了数控加工中心的特点后，将着重对数控加工中心刀
3、库及自动换刀机械手进行设计。通过收集资料和相关公式的获取和应用确定设计方案并进行设计：设计的刀库及机械手在工件一次装夹后，由数控系统控制，可连续的完成铣、钻、铰、扩攻螺纹等多种工序加工，故适用小型板类、盘类、壳体类、模具等零件加工。具体布局为刀库位于立柱的一侧，中间安装机械手控制箱，机械手的长度为主轴轴心线到刀库的刀具换刀位置之间的距离。换刀机械手为单臂双爪回转式机械手。关键词：数控加工中心；刀库；自动换刀；机械手；数控系统ABSTRACTMachining Center has cutter storehouse and can change cutter automatically. It
4、 is a numerical control machine which can do the multiple work processing. After a work piece fixture, numerical control system can select and change cutter, changes spindle speed, feed rate and related cutter trajectory, finishes manufacturing to different facets. Machining center has concentrated
5、process and the function of automatic cutter changing, so as to reduce the work piece fixture.In this paper, after indicating the features of NC machining center, emphasizes the design on cutter storehouse and automatic manipulator of CNC machining center. Through the collection of information and r
6、elated formulas, the design has been accomplished. After the work piece is fixed, the machine can finish milling, drilling, reaming, trapping and other process under the control of CNC system, which is suitable for processing board, plate, and shell body. The specific layout of the center is as foll
7、ows. Cutter storehouse is at the left of column, the manipulator control box is in the middle, which has the same length from spindle axis to ATC. The manipulator has two-claw with single hand.Key words: CNC Machining Center; The Cutter Storehouse; Automatic Tool Changing; Manipulator; Numerical Con
8、trol System目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1课题背景11.2数控加工中心的发展现状21.3研究的意义11.4主要工作2第2章 刀库及其机械手装置32.1. 刀库32.1.1 盘式刀库的结构52.1.2 链式刀库的结构52.2. 机械手62.2.1机械手的形式与种类62.2.2 常用换刀机械手72.2.3机械手的结构原理及驱动装置72.3刀具的选择与识别82.3.1 刀具的选择方式82.3.2刀具的识别装置82.4本章小结8第3章 数控铣床加工中心刀库结构设计93.1 总体结构方案拟定93.2 主要参数93.3 主要结构设计93.3.1立柱的结构及与主轴箱、床身的装
9、配关系93.3.2刀库存储量的确定103.3.3刀库的工作原理103.3.4刀库具体结构的确定103.3.5 蜗杆轴强度的校核计算203.4本章小结24第4章 数控铣床加工中心换刀机械手结构设计254.1 机械手的工作原理254.2 机械手臂和手爪的工作原理254.3 机械手结构的确定254.3.1 升降气缸的选择254.3.2 套筒、套筒盖的结构274.3.3 轴承的选择274.3.4抓刀齿轮、齿条传动的确定274.3.5换位齿轮、齿条传动的确定314.3.6 机械手臂结构确定324.3.7 机械手换刀动作运动过程334.4 刀具的选择334.5本章小结34结论35参考文献36致谢37第1章
10、 绪 论1.1课题背景随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日趋激烈，产品更新速度越来越快，复杂形状的零件越来越多，精度要求越来越高，多品种、中小批量生产的比重明显增加。激烈的市场竞争是产品研制生产周期越来越短。传 统的加工设备和制造方法已难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高效高质量加工要求。近几十年来，世界各国十分重视发展能有效解决复杂、精密、小批多变零件的数控加工技术，在加工设备中大量采用以微电子技术和计算机技术为基础的数控技术。加工中心就是将这些技术聚集在一台加工设备上，并增设有自动换刀装置和刀库，可在一次工件裝夹后，按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变主轴的转速、进给量和刀具相对
11、工件的运动轨迹及其他辅助功能，一次完成多面和多工序的加工。它的出现使机械加工过程工序集中，机床数目减少，辅助时间减少，工作效率大大提高。1.2研究的意义步入21世纪，随着我国综合经济实力的快速提高，加工中心市场进入了快速发展期。汽车及其零部件、通用机械、航空航天、模具等等各行业对加工中心需求的大幅度上升，国产加工中心择优选择国内外数控系统、功能部件等配套件，加快产业化生产步伐，质量、可靠性大幅度提高，据一样性价比优势，逐步得到了国内用户的肯定和认可。与此同时，企业加强了产品开发研究、资金投入和研发力量，一批国内急需，长期依赖进口的高档数控加工中心，如高速加工中心、五轴加工中心等取得了突破，有的
12、已与国外产品一样，进入批生产现场。国内加工中心步入了快速发展期。目前国产数控加工中心在技术水平上，与国外同类产品的先进水平相比约落后1 0 1 5 年，在高精尖技术方面则更大。在产品结构上，高端产品市场（即高速、精密、多轴、复合、数控机床市场）基本上被欧、美、日等发达工业国家所垄断，国内开发的五轴联动数控机床、复合加工中心、高速加工中心等产品，多数与商品化尚有一段距离，而且在技大差距。低端产品市场（即通用普及型产品市场）受到我国台湾省机床的较大冲击，就连我们唯一的价格优势也显得更加弱。其原因是在国产加工中心上采用的许多功能部标准件需要从国外进口，提高了产品的制造成本所致。在产品开发能力上，国内
13、生产企业缺乏对产品竞争前的数控技术的深入研究与开发，特别是对加工中心应用领域的拓展力度不强；集中体现在技术创新能力不强，产品开发能力较弱，对产品标准规范的研究、制定滞后。导致开发出的产品市场针对性不强，技术先进性不明显，缺乏市场竞争力。产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，虽然近年来国产加工中心的产量增加较快，但从总体上看，还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及配套能力较低；产品质量不高，主要体现在外观质量相对差，可靠性不高，商品化程度不足；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。因此我们要加快功能部件的国产化使得主机厂不得不花高价进口国外的功能部件。这在很大程度上提高了国
14、产加工中心的制造成本，也是造成国产加工中心交货期长的主要原因。我国数控机床功能部件的发展已经是提高国产加工中心市场竞争力迫在眉睫的重要问题。解决这一问题的关键还是要在政府的统一规划下，举国家之力，组织高校、科研院所与企业走产、学、研相结合的道路共同攻关。有组织、有计划、有针对性地开发一系列关键功能部件并率先实现国产化，从根本上降低国产加工中心的制造成本。发达工业国家的经验也是如此，值得借鉴。1.3数控加工中心的发展现状我国加工中心技术起步较晚，对自动换刀机械手研究进入20世纪90年代后，北京机床研究所、大连组合机床研究所、济南第一机床厂、青海机床厂以及陕西省的秦川机床厂都对数控加工中心刀库和立
15、式自动换刀机械手进行了研究和开发。迄今为止，我国制造的加工中心配置的刀库和自动换刀机械手大多数是进口的。其主要原因：一是国内生产的刀库和换刀机械手质量较差，成本也不低；二是进口刀库和换刀机械手价格虽然较高，但在整个加工中心中所占份额不大，作为加工中心的配套技术，刀库和自动换刀机械手的研究和开发将直接影响到我国自动化生产水平的提高。立式换刀机械手和卧式换刀机械手已得到广泛应用。20世纪90年代以来，数控加工技术得到迅速的普及和发展，数控机床在制造业得到了越来越广泛的应用，带有刀库和自动换刀系统的数控加工中心在现代先进制造业中起着愈来愈重要的作用，它能缩短产品的制造周期，提高产品的加工精度，适合柔
16、性加工。1.4主要工作设计前首先查阅了相关资料，了解了各种刀库及自动换刀机械装置的形式及其结构根据设计要求确立设计方案。然后进行总体方案的拟定，主要结构设计及确定参数。最后根据资料和公式对各部分结构进行计算和校核，以达到设计要求。第2章 刀库及自动换刀机械手装置2.1 刀库刀库的功能是储存加工工序所需的各种刀具，并按程序指令，把即将要用的刀具迅速、准确地送到换刀位置，并接受主轴送回的已用刀具，是自动换刀装置中主要部件之一。2.1.1刀库的形式刀库的形式是多种多样的，主要有如下图所示的几种形式。图2.1刀库形式示意图1.鼓轮式刀库（盘式刀库）（1）单鼓轮式刀库刀具、鼓轮轴线平行（图2.1a）刀具
17、环形排列分径向取刀形式（1）和轴向取刀形式（2），这种刀库结构简单，应用较多，适用于刀库容量少的情况。刀具、鼓轮轴线垂直（图2.1b）刀库占地面积大，刀库位置受限制，但若置于卧式加工中心顶部，则可用单臂双手机械手很方便地实现换刀动作，换刀时间可较短，使整个换刀装置较简单。刀具、鼓轮轴线或锐角（图2.1c）刀库可根据机床总体布局及主轴位置灵活安排刀库位置，刀库容量不宜过大。刀具可作90翻转的鼓轮式刀库（图2.1d）刀库为刀具可做90翻转的鼓轮刀库，采用这种形式的刀库可简化取刀动作。鼓轮端面上双环排列（图2.1e）刀库空间利用率较高，但装刀、取刀机构复杂，仅适用于机床空间有限制而刀库容量有较大的场
18、合。鼓轮端上多环排列（图2.1f）刀库适用于大容量刀库，一般大于60把。鼓轮弹仓式（图2.1g）刀库结构紧凑、空间利用率大，故转动惯量大，其结构和换刀运动控制装置复杂，用于刀库机床立柱顶部且要求刀库容量又较大的场合。上述-种刀库形式结构简单紧凑，应用较多，但因刀具单环排列，空间利用率低，若刀库容量增大时，则直径加大，转动惯量大，选刀运动时间长，适用于刀库容量较小的场合，一般不多于32把。（2）多鼓轮式双鼓轮式（图2.1h）两刀库分别置于机床主轴两侧，刀库结构可简单，从而使机床总体布局较紧凑，适用于中小型数控加工中心。重叠双鼓轮式（图2.1i）上刀库（I）为小型刀具刀库，存储钻、镗、铰刀等，下刀
19、库（II）为大型刀具刀库，由于轻、重型刀具分别安置在各自适当的位置，从而使刀库得到充分利用，由此刀库结构复杂，适用于双主轴的大型加工中心。三鼓轮式（图2.1j）不同刀具的类型及轻、重型刀具分别放置，但传动机构复杂，只有当刀库容量大时才考虑用这种形式的刀库。行星鼓轮式（图2.1k）在一个大鼓轮中有4个或若干个小鼓轮，有公转及自转运动，可充分利用空间，扩大刀库容量，结构紧凑，但传动及识别刀库装置均较为复杂，适用于刀库置于机床立柱顶端，位置受限制而刀库容量又大的场合。2.链式刀库（1）单环链式刀库（图2.1）刀库结构紧凑，容量大，链环可根据机床的布局配制成灵活的形式，可充分利用空间，常为轴向取刀，位
20、置精度较低，适用刀库容量大的场合。若增加刀具数量时，只增加链长，而链轮直径不变，链轮的圆周速度可不增加，因而刀库运动惯量不像鼓轮式刀库增加的那样多。（2）多环链式刀库（图2.1m）当刀库容量很大时，为不使刀库过高又能增加容量，可采用多环链，以使刀库外形更紧凑。（3）加长链式刀库（图2.1n）加长链式刀库采用增加支撑链轮数目的方法，使链条折叠回绕，提高空间利用率，增加刀库容量。3.格子箱式刀库（1）单面网格式刀库（图2.1o）刀库结构紧凑，空间利用率高，但换刀时间较长，小直径刀具采用轴向取刀，大直径刀具采用径向取刀，布局不灵活，刀库通常安置在工作台，应用较少。（2）多面网格式刀库（图2.1p）刀
21、库容量大，辅助装置较复杂，用于需刀库容量大的机床上，这种刀库，可根据需要在机床上使用一侧的刀座板时，更换另一侧的刀座板。4.直线式刀库（图2.1q）刀库容量小，结构简单，一般为十多把刀。多用在简易自动换刀数控机床上。2.1.2刀库的结构1.盘式刀库的结构传统圆盘式刀库可容纳40把刀具，由液压马达驱动，通过蜗杆蜗轮、端齿离合器带动与圆盘相连的轴转动。圆盘上均布40个刀座，其外侧边缘有相应的刀座编码板，刀库下方有固定不动的刀座号读取装置。圆盘转动时，刀座号板依次经过刀座号读取装置，读出各刀座的编号，与输入指令比较，当找到所要求的刀座号时，发出信号，液压缸右腔进入高压油，使端齿离合器脱开，使圆盘处于
22、浮动状态。同时另一液压缸前腔的高压油通路被切断，使其与回油箱连通，在弹簧的作用下，后者液压缸的活塞杆带着定位V形块使圆盘定位，以便换刀装置换刀。这种方法，装置比较简单，总体布局比较紧凑，但圆盘直径较大，转动惯量大，而且刀具离主轴较远，需采用中间搬运装置来换刀。2.链式刀库的结构方形链式刀库的主动链轮由伺服电动机通过蜗轮减速装置驱动。这种传动方式，不仅在链式刀库中采用，在其他形式的刀库传动中也多采用。导向轮一般做成光轮，圆周表面硬化处理。兼起张紧轮作用的左侧两个导轮，其轮座必须带有导向槽（或导向键），以免松开安装螺钉时，轮座位置歪扭，对张紧调节带来麻烦。回零撞块可装在链条的任意位置上，而回零开关
23、则安装在便于调整的地方。调整回零开关的位置，使刀套准确的停在换刀机械手抓刀位置上。刀库回零时，只能从一个方向回零。2.2 机械手2.2.1机械手的形式与种类主轴(a)(b)(c)(d)(e)(f)图2.2机械手形式（1）单臂单爪回转式机械手（图2.2a）这种机械手的手臂可以回转不同的角度进行换刀，手臂上只有一个夹爪，不论在刀库上或在主轴上，均靠这一个夹爪来装刀及卸刀，故换刀时间较长。（2）单臂双爪摆动式机械手（图2.2b）这种机械手手臂上有两个夹爪，两个夹爪有所分工，一个夹爪只执行从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务，另一个爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务，换刀时间较单爪回转式机械手要少
24、。（3）单臂双爪回转式机械手（图2.2c）这种机械手手臂的两端各有一个夹爪，两个夹爪可同时抓取刀库及主轴上的刀具，回转180后，又同时将刀具放回刀库及主轴。换刀时间较以上两种单臂机械手均短，是最常用的一种形式。图c右边的机械手在抓取刀具或将刀具送入刀库及主轴时，两臂可伸缩。（4）双机械手（图2.2d）这种机械手相当两个单爪机械手，相互配合起来进行自动换刀。其中一个机械手从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个机械手由刀库取出“新刀”装入机床主轴。（5）双臂往复交叉式机械手（图2.2e）这种机械手的两手臂可以往复运动，并交叉成一定角度。一个手臂从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个手臂由刀库取出“新刀
25、”装入主轴。整个机械手可沿某导轨直线移动或绕某个转轴回转，以实现刀库与主轴间的运刀运动。（6）双臂端面夹紧式机械手（图2.2f）这种机械手只是在夹紧部位上与前几种不同。前几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面以抓取刀具，这种机械手则夹紧刀柄的两个端面。这几种机械手均能够完成抓刀、拔刀、插刀以及返回等全部动作。为了防止刀具掉落，各种机械手的活动爪必须带自锁机构。2.2.2 常用换刀机械手（1）单臂双爪式机械手单臂双爪式机械手也叫扁担式机械手，它是目前加工中心上用得最多的一种。这种机械手的拔刀、插刀动作，大都由液压缸来完成。近年来凸轮联动式单臂双爪机械手得到广泛的应用，这是因为这种机械手由电动机驱动，不
26、需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，机械手手臂的回转和插刀、拔刀的分解动作是联动的，部分时间可重叠，大大缩短了换刀时间。（2）双臂单爪交叉型机械手。（3）单臂双爪且手臂回转轴与主轴成45的机械手。这种机械手换刀动作可靠，换刀时间短，缺点是刀柄精度要求高，结构复杂，联机调整的相关精度要求高，机械手离加工区较近。2.2.3机械手的结构原理及驱动装置（1）工作原理机械手有两对抓刀爪，分别由液压缸驱动。当液压缸驱动机械手抓刀爪外伸时，抓刀爪上的销轴在支架上的导向槽内滑动，使抓刀爪绕销摆动，抓刀爪合拢抓住刀具；当液压缸回缩时，支架上的导向槽迫使抓刀爪张开，放松刀具
27、。由于抓刀动作由机械机构实现，且能自锁，故工作安全可靠。（2）机械手的驱动机构气缸通过杆带动机械手臂升降。当机械手在上边位置时，气缸通过抓刀齿条、抓刀齿轮、传动盘、杆带动机械手臂回转；当机械手在下边位置时，气缸通过换刀齿条、换刀齿轮、传动盘、杆带动机械手臂回转。2.3刀具的选择与识别2.3.1 刀具的选择方式在自动换刀装置换刀时，按数控装置的刀具选择指令，从刀库中将所需要的刀具其转到取刀位置。（1）任意选择方式任意选择方式是根据准确地自动地选出，并转换到取刀位置，称为自动选刀。（2）顺序选择方式顺序选择方式是按零件加工的规定工序要求依次将所用刀具存入刀库的刀座使用时按顺序将程序指令的要求任意选
28、择所需要的刀具，刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列，可任意存放。（3）利用PC实现随机换刀随着计算机技术的发展，利用软件选刀以代替传统的编码环和识刀器。在这种选刀和换刀的方式中，刀库上的刀具能与主轴上的刀具任意地直接交换，即随即换刀。 在刀具夹头上设置编码装置，在刀库固定位置上设置“读码传感器”进行找刀。RAM方式。在刀夹和刀座上均无检测元件，而用控制装置的随机存储器（RAM）来寄存刀具的编号，在刀具交换中，随着实际动作自动在存储器内调整刀号。 2.3.2刀具的识别装置（1）接触式刀具识别装置接触式刀具识别装置应用广泛，特别适用于空间位置较小的刀具编码。这种识别装置结构简单，但可靠性较差，
29、且难于快速换刀。（2）非接触式刀具识别装置非接触式刀具识别装置无机械接触、无磨损、无噪声、寿命长、反应速度快，适用于高速且换刀频繁的场合。非接触式刀具识别方法主要有：磁性识别法、光学纤维识别法、图像识别法。2.4本章小结本章对各种形式刀库和自动换刀机械手的结构和原理进行大体了解和说明。并且对各种刀库和换刀机械手进行比较，找出其优缺点。第3章 数控铣床加工中心刀库结构设计3.1 总体结构方案拟定设计的刀库及机械手在工件一次装夹后，由数控系统控制，可连续的完成铣、钻、铰、扩、攻螺纹等多种工序加工，故适合于小型板类、盘类、壳体类、模具等零件的加工。具体布局为刀库位于立柱的左侧，中间安装机械手控制箱，
30、机械手的长度为主轴轴心线到刀库的刀具换刀位置之间的距离。换刀机械手为单臂双爪回转式机械手。3.2 主要参数主轴箱行程：470主轴端面到工作台的距离：80-650主轴中心线到床身直导轨的距离：450主轴转速范围：30-3000r/min主轴电动机：FANUC 交流电动机12型快速移动速度：刀库电动机：FANUC BESK直流伺服电动机15型最大刀具质量：10kg机床定位精度：0.012/300重复定位精度：0.0063.3 主要结构设计在结构设计中，除了设计计算外，在绘制总装图时，还要注重部件与部件之间、零件与零件之间的装配定位关系、装配顺序、零件之间间隙的调整、轴承预紧以及所设计的零件能否加工
31、。即在完成原理设计之后，还要分析装配关系和工艺性能。3.3.1立柱的结构及与主轴箱、床身的装配关系立式加工中心的立柱，为封闭的箱形结构，内腔是空的，便于放置平衡重锤。立柱承受两个方向的弯矩和扭矩，截面形状近似地取为正方形，其截面尺寸较大，内壁设置有竖向筋和横向环形筋，刚度较高。立柱与主轴箱之间是直线滚动导轨，立柱与床身的联结采用螺栓紧固和圆锥销定位方式。设计中，并未对立柱、床身、主轴箱进行设计，但作为一个完整的体系，仍有必要提一下相关的内容。必须采用专用圆锥销；为了提高立柱与床身的接触刚度，需采用预紧力；螺栓联结时，使结合面保持不小于2的预紧力；接触面采用刮研与磨削的手段实现。3.3.2刀库存
32、储量的确定 刀库存储量过大，导致刀库结构庞大影响机床总体布局；过小，则不能满足复杂零件的加工要求。因此刀库的容量确定应在合理的条件下，将所需的全部刀具装入刀库，缩短每次装刀的装调时间。通过查阅参考文献2刀具数量统计图分析：铣削90%加工量由4把刀具即可完成；钻削用14把刀具可完成80%加工量。而一般刀库的存储量以10-40把较为合适，少于10把和多于60把的都很少。确定刀库的容量为16把刀具，而且刀座在刀库中等间距排列。3.3.3刀库的工作原理刀库位于立柱的左侧，由专门的伺服电动机FB15驱动，通过滑块联轴节、蜗轮副带动蜗轮，蜗轮通过键将运动传给刀库的圆盘，使圆盘带着刀套旋转，刀套的滚子在静盘
33、的槽中受到限位，静盘在最下端的换刀位置开一个缺口。刀套以铰链的形式与支承板相连，平时弹簧将滚子销压在支承板的凹槽中，使刀套定位在水平位置。换刀时，气缸拉动拨叉向上运动，拨动滚子，使最下方的刀套绕轴逆时针旋转，滚子销退出支承板的凹槽，刀套转至垂直位置等待机械手换刀。此时刀柄的尾部被弹簧球头销钉夹住，刀具不致落下。当刀具换完后，该刀套插入主轴换下来的刀具，通过气缸作用与上述动作相反，刀套带着刀具顺时针旋转，直转到水平位置为止，此时滚子销重新处于支承板的凹槽中。3.3.4刀库具体结构的确定1 刀库电机刀库电机选用的是FB15直流伺服电动机。查阅参考文献1：则电机输出的额定转速： (3.1)2联轴器的
34、选择及计算（1）联轴器的选择联轴器主要根据其计算转矩不能超出许用转矩来选择。 即： = (3.2)其中 计算转矩；工况系数；许用转矩；传递的转矩。查参考文献12，取=1.7又已知=17.64N/m，则计算出计算转矩为：= (3.3)联轴器转速为： (3.4)查参考文献12，选择尼龙滑块联轴器435/40。尼龙滑块联轴器适用于转矩小，转速高的传动。可以不用润滑剂，维护简便，无污染，而且属挠性联轴器，可以补偿两轴的相对位移。（2）联轴器的强度计算：查参考文献12： = (3.5)来验算联轴器工作面的压力。其中 工作压力/；联轴器计算转矩；滑块厚度；滑块边长；半联轴器端面与滑块接触的许用压力。对于尼
35、龙表面=811，则计算可得： (3.6) 故可满足要求。由于径向位移、滑块偏心和摩擦，在滑块联轴器工作过程中产生较大的径向力Fr，且径向力： (3.7)故可计算在此过程中产生的径向力为： 3 轴承的选择刀库转轴的支承前端采用一对背对背圆锥滚子轴承支承。其优点是，该轴承可承受轴向力，也可承受径向力。并且在安装或检修时，可通过调整某个轴承套圈的轴向位置，使轴承达到所要求的游隙或预紧量。结构简单，精度较高。轴承的润滑采用脂润滑。4 蜗杆蜗轮的确定（1）蜗杆蜗轮参数的确定盘式刀库转速一般1090/s，驱动电机，故其运动传动比大，选择蜗杆蜗轮传动，蜗杆蜗轮传动工作平稳，噪声低，结构紧凑，可自锁。查参考文
36、献12：确定蜗杆头数Z1=1。根据蜗杆轴直径=50,查参考文献12：选择蜗杆分度圆直径=50,模数=5,传动角=54238。选择传动比=30,中心距=100，蜗轮齿数=31，变位系数=-0.5。查参考文献12：确定蜗轮蜗杆的几何尺寸：蜗杆：分度圆直径：=50；齿顶圆直径：=60；齿根圆直径：=60；轴向齿距：=5；蜗轮：分度圆直径：=155；喉圆直径：=160；齿根圆直径：=138；齿宽：=45；齿顶圆弧半径：=20；齿根圆弧半径：=31；查参考文献1：蜗杆螺纹长度=140。（2）蜗杆受力及强度刚度的验算蜗杆的受力查参考文献12：蜗杆圆周力大小：= (3.8)=1200蜗轮上的转矩：= (3.
37、9)=629.7 蜗杆轴向力大小：= (3.10)=8396 蜗杆径向力： = (3.11)=3055.9 滑移速度：= (3.12)=1.18其中 蜗杆分度圆直径；传递的转矩；传递的效率，取0.7；齿形角，取=20。蜗杆的强度、刚度计算查参考文献12：接触强度： (3.13)=332.4/ 其中 弹性系数，查图取值为=162/；使用系数，查图取值为=0.8；动载荷系数，查图取值为=1.0；动载荷系数，查图取值为=1.0。查参考文献12：故，满足要求。弯曲强度： (3.14) 其中 ；动载荷系数，；查参考文献12：故，满足要求。蜗杆轴刚度： (3.15) 其中 弹性模量，=207000 /；
38、蜗杆支撑点跨度，=179；查参考文献12：故，满足要求。(3)蜗杆蜗轮的材料及结构 蜗杆蜗轮的材料查参考文献15：蜗杆材料：45钢，表面淬火蜗轮材料：，砂模铸造蜗杆蜗轮的结构查参考文献15：蜗杆通常与轴做成一体，有车制和铣制两种。当轴径小于蜗杆齿根圆直径时，用车制；当轴径大于蜗杆齿根圆直径时，采用铣制。本设计采用铣制蜗杆。蜗轮结构采用整体式。蜗杆与蜗轮的润滑采用润滑脂润滑。5 刀库尺寸参数的确定（1）刀套结构确定数控机床的刀柄通常采用统一的结构，本数控铣床加工中心采用7：24圆锥刀柄45号。（2）刀盘结构的确定刀盘用于固定刀套，16个刀套固定在刀盘上，随刀盘一起转动，实现换刀。图3.1刀盘大小
39、示意图假设刀套在圆盘上紧密排列（相切），则：此时刀套中心所在圆的周长为：。 而实际上刀套间存在一定的间隙，取间隙大约为25，这时刀套中心所在圆的周长变为： 此时刀套中心所在圆的直径为： 圆整后取。则刀套下表面到静轴中心的距离为：最终确定取刀盘的直径，厚。静盘用于刀套的辅助支撑，取其直径为,厚。（3）刀库支撑轴轴径的确定估算轴径：支撑轴材料选用40，调质，以增加其机械性能。并考虑空心轴结构较实心轴好，能减少整体的重量，设。 刀库支撑轴结构设计为静轴，按弯曲强度进行计算。查参考文献15：由而得出的： (3.16)来确定轴径大小。其中 ；mm；查参考文献15：由于支撑轴为静轴，不存在扭矩，既=0，则
40、： (3.17)分析轴计算截面上受最大弯矩处可能为轴端或刀盘处。现分别计算两处的弯矩：轴端： (3.18) (3.19) 刀盘处： (3.20) (3.21) 其中 计算截面处的重力N； 计算截面处部件的体积； 计算截面处的弯矩； 计算截面到支撑点的距离；比较，故刀盘处轴截面受的弯矩最大，由此来估算轴径的大小。则： (3.22)=40.4轴上开有两个键槽和若干螺钉孔，还要支撑蜗轮等部件，将轴径放大，取=75，则：足以满足要求。（4）刀具中心线位置的确定图3.2刀具中心位置草图设销轴中心距离刀套边距为10，连接板宽为20，滚子中心距刀套距离为25，连接板中心距刀套中心距离为5。刀套逆时针旋转90后，刀具中心线距离水平状态刀套的边距为：37.5-10=27.5此过程中拨叉行程为25+37.5+5=67.5,取拨叉厚为7.5。由此可确定微行开关间的距离：=67.5+7.5=75滚子中心在此过程中水平移动的距离：取滚子直径=20，则拨叉口深为：15.3+20=35.3取为35。6开关的选择查参考文献1：选择83118系列微动开关，进行行程和位置控制。查参考文献1：选择19001型开关，控制转盘转向，实现最小转角到达预选位置。7气缸的选择选择气缸要满足气缸的输出推力能够实现刀套带动刀具的旋转运动。已知气缸输出推力： 又已知气缸输出推力： (3.23)推出： (3.24)
