基于无机械手圆盘式刀库的卧式加工中心换刀系统的研究

目录1.课题名称……………………12.课题来源……………………13.绪论…………13.1课题的意义………………13.2国内外自动换刀系统的发展现状………13.3本课题的主要内容………104.刀库的设计…………………114.1换刀系统总体布局图……………………114.2换刀流程…………………114.3刀库装配图………………124.4刀库各部分技术方案……………………125.立柱的设计…………………155.1立柱装配图………………155.2滚动直线导轨的选型与计算……………165.3滚珠丝杠的选型与计算…………………186.主轴的设计…………336.1主轴装配图………………336.2主轴结构分析……………337.整体的三维造型…………458.课题设计结论………………469.毕业设计总结………………489.1思想心路历程……………489.2毕业设计体会……………499.3心得与收获………………50致谢…………5111.参考文献…………………52附录1……………56附录2……………56附录3……………57基于无机械手圆盘式刀库的卧式加工中心换刀系统的研究与设计学生：XXXXXXXX机电与建筑工程学院教导教师：XXXXXXX机电与建筑工程学院摘要加工中心是数控机床出现之后，为提高加工效率，减少非切削时间，将自动换刀装置与数控机床集成而形成的具有高自动化程度和高效率的数控机床。它的发展备受世界各国关注，其发展状况是一个国家制造业发展水平的重要标志。加工中心在我国各行各业中都起着重要作用，但是我国的加工中心发展水平并不高，大部分精密加工中心依然需要进口。为努力达到发达国家的技术水平，应将发展精密加工中心置于优先战略地位。本课题主要研究无机械手圆盘式刀库的卧式加工中心换刀系统。通过对立柱、主轴、刀库三个部件设计与研究以及其中重要功能零、部件的设计、选型和计算，加深对加工中心结构了解并增强实际设计能力。关键词：数控机床、加工中心、换刀系统、部件设计与研究AbstractmachiningcenterisoneoftheCNCmachineappearsafternormalCNCmachinewhichintegratetheautomatictoolchangerwithCNCmachinetoolstoimproveprocessingefficiency,reducenon-cuttingtime.Itsdevelopmentmuchattentionaroundtheworld,anditsdevelopmentisanimportantindicatorofacountry'slevelofdevelopmentofmanufacturingindustry.Processingcenterplaysanimportantroleinallwalksoflifeinourcountry,butthelevelofdevelopmentofChina'sprocessingcenterisnothigh,mostprecisionmachiningcentersstillneedtoimport.Tonarrowthegapwiththedevelopedcountriesassoonaspossible,weshouldplacethedevelopmentofprecisionmachiningcentersonprioritystrategicposition.Theresearchmainontoolchangersystemwithouthorizontalmachiningcentermanipulatordiscmagazine.Throughthecolumn,spindle,magazinedesignandresearchthethreecomponentsaswellassomeimportantfunctionscomponent.deepenunderstandingandenhancemachiningcenterstructuretheactualdesigncapacity.Keywords:CNCmachinetools,machiningcenters,ATCsystems,components,designandresearch.1.课题名称基于无机械手圆盘式刀库的卧式加工中心换刀系统的研究与设计2.课题来源指导老师的科研项目3.绪论3.1课题提出的意义制造业是一个国家综合实力的最直接表现，而机床作为机械制造行业中的主要设备，尤其是具有高精度加工能力的数控机床在我国重点发展的能源、汽车制造业、航天制造业等领域中占有举足轻重的地位。近年来随着高科技技术的蓬勃发展，数控机床也开始呈现出高速度、高精度、高效率、柔性制造等发展趋势。加工中心作为数控机床和自动换刀装置融合的产物，能一次完成零件装夹中的铣、镗、钻、扩等多道工序，更是成为数控机床发展的重中之重，直接影响着现代高新制造业的发展。自动换刀系统作为加工中心的重要组成部件，是保证加工中心能完成多道加工工序的基本条件，其性能的好坏对加工效率和产品质量有着至关重要的影响，自动换刀系统主要由刀库、主轴和立柱组成。它应当满足换刀时间短、精确定位、储存所需全部刀具、结构紧凑等要求。本课题就是要对加工中心中无机械手圆盘式刀库换刀的自动换刀系统的研究与设计。3.2当代自动换刀系统的发展现状3.2.1几种典型的换刀装置1.回转刀架换刀回转刀架换刀作为一种比较简便实用的自动换刀方式，在数控机床的设计中使用广泛。根据不同的需求，它可以相应的设计成四方刀架或者六角刀架等多种形式。这些回转刀架上也就储存着相同数量的的刀具，并根据数控装置的程序换刀。回转刀架在结构上应能保持较高的刚度和强度，能抵抗粗加工时的切削抗力。由于刀尖位置将对加工精度有很大影响，故于数控车床而言，进行加工时刀具位置将不会人工调整，所以说确定完善的定位方案以及合理的定位结构是必须的，用来确保回转刀架每次转位之后，具有比较高的重复定位精度。回转刀架按照工作原理的不同分为若干不同种类。2.更换主轴换刀至于更换主轴换刀则是携带旋转刀具的加工中心的一种常用的换刀方式。主轴头分为卧式和立式两种形式，采取旋转转塔头的方式来更换主轴头，达到自动换刀的目的。在转塔的每一个主轴上，提前安装有每道加工所需要的刀具，发出换刀指令后，每个主轴头按照程序指令依次旋转到加工位，并联通主运动，让对应的主轴带着刀具旋转，其他在不加工位置上的主轴都不会接通主运动。转塔头每次转位包括下列动作：①脱离开主传动；②转塔头脱开；③转塔头转位；④转塔头定位压紧；⑤联通主轴传动；这种换刀方式，精简了自动松夹、卸刀、装刀以及刀具运输等许多的操作步骤，从而减少了换刀时间，提高换刀效率，同时也增加了换刀的稳定性。这种换刀方式受到空间位置的制约，主轴部件结构尺寸一般较小，在一定程度上影响了主轴系统的刚性。为了确保主轴的刚性，必须对主轴的数目进行限制。所以这种换刀方式普遍适用于工序较少、精度要求不高的机床，如数控钻、铣床等。3.更换主轴箱换刀有的加工中心和组合机床一样，选用具有多个主轴的主轴箱，通过更换主轴箱来实现换刀的目的。主轴箱库里悬挂备用主轴箱。在主轴箱两端的导轨上，安装同步运动的小车，通过它们进行对主轴箱库与机床动力头之间主轴箱的运送。依照根据加工需要，选定所需的主轴箱，等到两小车运行到所需主轴箱的地方时，把主轴箱推到小车上，两只小车同时运动到机床动力头两边互换位置。等上一道工序加工完成后，动力头携带使用完后的主轴箱上升到更换位置，夹紧机构松开这只主轴箱，在定位孔中拔出定位销，推杆机构会把使用完的主轴箱推上小车。同时，又将另一个待用主轴箱推到机床动力头上，同时定位并夹紧。然后，两小车同时返回主轴箱库，停在下道工序所需的主轴箱旁。推杆机构把下道工序所需的主轴箱装到小车上，同时把用过的主轴箱从小车上卸下并放入主轴箱库里面的空位中。机械手也可以用于刀库和主轴箱之间进行刀具交换。这种换刀形式，特别有利于箱体类零件的加工，提高生产效率。4.带刀库的自动换刀系统带刀库的换刀系统由刀库、选刀机构、刀具自动装卸装置和刀具交换机构等部分组成，在以上几种换刀方式中采用最多。刀库--机械手自动换刀系统，换刀流程非常复杂。开始要把加工过程中所需的每一把刀具安装装在各自相应规格刀柄上，在未插进刀库之前进行尺寸预调整，然后放入刀库中。换刀时根据发出的选刀程序在刀库里选刀，由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具，进行拉刀和松刀，然后将下道工序所需的刀具装入主轴，将加工完成的刀具放回刀库。这种换刀装置和之前几种换刀方式相比，机床主轴箱内只有一根主轴，在结构上可以提高主轴的刚性，适合用于精密加工和切削。刀库中刀具可根据加工需要和机床结构布局来选用，刀具数目可多可少，来实现复杂加工面的多工序加工，从而增强了机床的适应性和提高切削效率。此外，刀库应放置在远离加工区的地方，消除刀库对工件加工产生干扰的可能性。然而使用这种自动换刀系统，需要添加刀具自动夹紧、放松机构、刀库运动和定位机构，同时也需要设置清洁刀柄及刀孔、刀座的装置，导致结构较复杂。有换刀过程繁多、时间长的缺点。存在较多因素影响换刀工作可靠性。为减少换刀时间，可选择带刀库的双主轴或多主轴换刀系统。当水平方向的主轴在进行切削加工时，需要更换刀具的主轴转换到换刀位，由刀具交换装置进行提前换刀，等到上一道工序加工完成，转塔头旋转实现交换主轴（即换刀），这种换刀方式，换刀时间和机械加工时间大部分重合，只消耗转塔头转位的时间，故换刀所需时间少，转塔头上的主轴数目少，有利于提高主轴的结构刚度，刀库中刀具的数目也可增加，对多工序连续加工加工有利。但这种换刀方式不易保持较高主轴精度来进行精镗加工。所以，这种换刀方式主要用于钻床，也适用于铣镗类和数控组合机床。3.2.2自动换刀系统中关键技术1.滚动直线导轨滚动导轨具有较长的历史，伴随着数控机床朝着高速化趋势不断发展而被应用得愈发广泛。与滑动导轨区别的是，滚动直线导轨采用了钢球或滚柱做为滚动体，其与导轨的接触特点为点接触或线接触，拥有摩擦系数小的特点。而且滚动导轨在安装过程中施加了一定的负荷，阻尼特性较好，但这种阻尼特性相比于传统滑动导轨的阻尼特性存在一定差距。滚动导轨相比于滑动导轨所具有的较大的接触面积而言，具有“最小的接触面积”的特点，能极大地减小摩擦，从而使机床的响应更迅速，快移速度更高，非常适合于复杂外形的精密零件加工。根据滚子在导轨与滑块之间的接触形式，滚动导轨可以分为歌德式牙型滚动导轨和圆弧式牙型滚动导轨。如图5所示，这两种滚动导轨相比，承受切向力时，歌德式滚动导轨由于滚珠完全被约束住，故无侧向偏移，切向刚性非常稳定；而圆弧式滚动导轨在切向力的垂直方向无完全约束，且接触形式为圆弧型，会产生一定的偏移，致使接触角发生改变影响导轨的性能。而歌德式牙型其接触角能保持不变，刚性亦较稳定。图3-1导轨样式图2.滚珠丝杠滚珠丝杠可以作为滚动轴承的一种变形，由于使用场合的不同，有单螺母或双螺母，可以是单插管、双插管或三插管；也可以是插管外循环或塞块内循环。其主要的受力摩擦点都在滚道的45°方位上，淬硬加工后必须保证45°。存在以下几大特点：（1）高效率：利用滚动摩擦，所以静态和动态的摩擦系数都很小，一般是在0．003—0．005。其作功效率都在90gb上。与滑动摩擦的梯形丝杠相比，效率提高1一3倍。（2）高寿命：滚珠丝杠一般淬硬至HRC56以上，在滚动回转下，工作载荷不大，一般都能保证运转200万次以上，比梯形丝杠寿命提高5—10倍。在正常的机械上工作8—10年，精度可以基本不变，磨损量不到0．01mm。正常工作寿命可达到10—20年。（3）高精度：精密滚珠丝杠经过淬硬和精密螺纹磨削及研磨或珩磨后，能达到很高的精度，可以作为长度基准，用于数控机床及其他机械。滚珠丝杠的预紧方式：（1）双螺母调整间隙实现预紧结构。滚珠丝杠两螺母副通过平键与外套相联，用两个锁紧螺母调整丝杠螺母的预紧量。简单易实现，但是精度很低。（2）通过改变垫片厚度，使滚珠丝杠的左右螺母无相对旋转，作轴向位移，实现预紧。这种结构简单，有利于提高刚性。加工过程中需卸调整垫片进行修磨，为易于实现，调整垫片做成半环。（3）齿差式预紧结构。在左右螺母的的端部做成外齿轮，齿数Z1比Z2少一个。两个齿轮分别与两端对应内齿圈啮合。内齿圈固定在螺母座上，预紧时脱开内齿圈，两螺母向同一方向进给一样的齿数，合上内齿圈，两螺母的轴向位置发生变化达到调整间隙和施加预紧力的目的。滚珠丝杠的支承方式：(1)两端固定目前大部分的普通数控机床的滚珠丝杠副采用两端固定的支承方式，丝杠两端通过配对好的角接触推力球轴承进行支承，丝杠两端均为固定，不能自由伸缩。通过结构设计，增加调整垫片可以实现对丝杠的准确预拉伸，以提高丝杠刚性和消除部分热变形误差。(2)一端固定一端游动该支撑方式与前一种支撑方式不同之处在于，丝杠一端固定一端游动，该方式通过结构设计，让丝杠一端（一般为电机轴端）固定，另一端能游动，丝杠可以自由伸长；由于没有预拉伸轴承的轴向载荷不大，可以支承丝杠高速运转，提高进给速度。3.驱动电机及连接方式电机作为驱动装置，需要为整个系统提供动力，所以电机的选择至关重要，电机的动力需要靠连接装置来将动力传动到主轴上，所以连接装置的选择也同样重要。（1）步进电机步进电机是一种将电脉冲转换成相应的机械角位移或直线位移的控制电动机。步进电机也成脉冲电动机或电脉冲马达。对步进电机输入一个控制脉冲，则输出一个位移（角位移或直线位移）称为一步。脉冲数增加，位移量随之增加；脉冲频率增高，则位移变化的速度增高。脉冲的相序反向，则位移的方向反向。由于其没有积累误差(精度为100%)的特点,它被广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机(HB)和单相式步进电机。(2)伺服电机伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。广泛应用于对精度有较高要求的机械设备，如机床和CNC数控设备、装配线和材料夹持自动生产、激光加工设备、机器人、自动化生产线等对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求相对较高的设备。数控机床进给驱动对位置精度、快速响应特性、调速范围等有较高要求。电动机与丝杠间的连接主要有三种方式：(1)带有齿轮传动的进给运动采用齿轮副达到一定的降速比要求，由于齿轮制造中存在误差及一定降速比要求，由于齿轮制造中存在误差及一定的齿侧间隙，对于传动正常工作必要的齿侧间隙会造成进给系统的反向失动量，也会影响系统的稳定性。因此，齿轮传动副常采用消隙措施来尽量减小齿轮侧隙，但此措施结构较复杂。（2）经同步带传动的进给系统这种连接形式的机械结构比较简单。同步带传动综合了带传动和链传动的优点，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但只适合低转矩特性要求的场合。安装时中心距要求严格，且带与带轮的制造工艺复杂。（3）电机通过联轴器直接与丝杠连接电动机轴与丝杠之间采用锥环无键联接或高精度十字联轴器联接，从而使进给传动系统具有较高的传动精度和传动刚度，并大大简化了机械结构。在加工中心和精度较高的数控机床进给运动中，得到普遍应用。4.刀库（1）单盘式刀库一般存放15~40把刀，为适应机床主轴的布局，刀库上刀具轴线可以按不同方向配置，如轴向、径向或斜向。采用这种结构可以简化取刀动作。单盘式结构简单，取刀也很方便，因此采用广泛。（2）鼓轮弹仑式刀库，又称刺猬式刀库，这种刀库结构紧凑。在相同的空间里，它的刀库容量最大，但选刀和取刀的动作比较复杂。（3）链式刀库，其结构有较大的灵活性，单排链式刀库置于机床立柱侧面，可容纳45把刀具，如刀具储存量过大，将使刀库过高。为增加链式刀库的储存量，可采用多排链式刀库。刀具的选择方式通常有两种方式：（1）顺序选择刀具刀具按预定工序的先后顺序插入刀库刀座中，使用时按顺序转到取刀位置。用过的刀具放回原来的刀座内，也可以按加工顺序放入下一个刀座内。（2）任意选择刀具刀具在到库中任意摆放，每把刀具（或刀座）上都有代码，自动换刀时，刀库旋转，每把刀具（或刀座）都经过“刀具识别装置”进行识别。选刀符合要求的刀具时，刀库会将刀具送到换刀位置，等待机械手来拾取。5.主轴（1）支承方式①前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60°角接触双列向心推力轴承组合，后支承采用向心推力球轴承。此配置方式使主轴的综合刚度大幅提高，可以满足强力切削的要求。因此普遍应用于各类数控机床的主轴。②前支承采用高精度双列向心推力轴承，向心推力球轴承具有良好的高速性能，主轴最高转速可达4000r/min，但它的承载能力小，因而适用于高速、轻载和精密的数控机床的主轴。③双列和单列圆锥滚子轴承，这种轴承能承受较大的径向和轴向力，能承受重载荷尤其是能承受较强的动载荷，安装与调整性能好，但这种配置方式限制了主轴最高转速和精度，因此，适用于中等精度、低速与重载数控机床主轴。（2）传动方式图3-2传动方式①主轴电动机直接驱动如图8-1（a）所示，电动轴与主轴用联轴器同轴连接，大大简化主轴箱和主轴结构，有效地调高了主轴部件的刚度。但主轴输出转矩小，电动机发热对主轴精度精度影响大。近年来采用的交流伺服电动机，功率可以很大，而且其输出功率与消耗的功率又保持同步，效率很高。②电动机经同步齿形带带动主轴如图8-1（b）所示，电动机将其运动经同步齿形带以定比传动传递给主轴。由于输出转矩较小，这种传动主要用于小型数控机床低转矩特性要求的主轴，可以减小传动中的振动和噪声。③电机经齿轮变速传动主轴如图8-1（c）所示，主轴电动机经二级齿轮变速，使主轴获得低速和高速两种转速系统，使之成为分段无级调速，这种现置方法在大中型数控机床中采用较多，通过齿轮传动减速后，输出转矩可以扩大，以满足主轴低速时输出转矩特性的要求。3.3本课题的主要内容1.设计无机械手圆盘式刀库的卧式加工中心换刀系统，包括主轴、立柱和刀库三个部件。2.关键零件的设计与计算；3.功能部件的选型与计算、进给传动系统地刚度计算、伺服电机的选型与计算。4.设计参数：主电机功率：5.5kw，主轴转速范围20~8000r/min主轴锥孔序号：IOS№40滚珠丝杠直径：φ40mm；行程（Y轴）：600mm；快速移动速度：18000mm/minY轴承载重量：4000N；定位精度：0.02mm，重复定位精度：0.01mm；刀库容量：24把，刀柄规格：BT40.成果展现形式：论文及图纸。设计方案要求：1、确定滚珠丝杠支承方式、型号与结构；2、选择滚动直线导轨型号与支承方式；3、选择交流伺服电机型号与安装方式；4、确定主轴支承方式。4.刀库的设计4.1换刀系统总体布局图图4-1刀库总体布局图4.2换刀流程上一工序结束后执行换刀指令，主轴定向准停，主轴箱带动主轴快速上升到换刀位置，做好换刀准备，如图（a)所示；主轴向上移动，上一把刀具进入刀库交换刀具的空位，刀具被刀库夹紧，主轴内的刀具夹紧装置放松，刀具被松开，如图（b)所示；主轴箱上升，从主轴锥孔中将刀拔出，主轴上的刀具放回刀库的空刀座中，如图（c）所示；刀库转位，按照程序指令要求将选好的的刀具转到下一个工序所要用的刀具位置，主轴孔吹气进行清洗，如图（d）所示；主轴箱下降，将新刀插入主轴锥孔，主轴内刀具夹紧装置将刀柄夹紧，如图（e）所示；主轴快速向下移动回到加工位置，进行下一工序的加工，如图（f）所示。4.3刀库装配图4.4刀库各部分技术方案4.4.1刀库形式的选择由于本课题加工中心刀库中装有24刀具，刀具数量不多，属于是中小型的加工中心，为简化刀库结构和换刀动作，同时能尽量减小刀库的体积，故选择了盘式刀库，将刀库置于立柱上方，取刀简便，方便换刀动作的实现。以下是刀盘的零件图：图4-3刀盘4.4.2刀具编号方式的选择(1)顺序选择刀具刀具按照预定的工序先后顺序插入刀库的刀座中，使用时按顺序转到取刀位置。用过的刀具放回原来的刀座中，也可以按加工顺序放入下一个刀座中。该方法不需要刀具识别装置，驱动控制也比较简单，工作可靠。但刀库中每一把刀具在不同的工序中不能重复使用，为了满足加工需要只有增加刀具的数量的刀库的容量，这无形中降低了刀库的使用率，增大了刀库的体积。同时，装刀时必须非常小心，必须得按照预先指定的工艺加工流程对应的安放刀具，否则极易损坏设备。故在现今加工中心设计中使用较少。(2)任意选择刀具这种方式使通过指令控制任意选择刀具，刀具在刀库中可以随意摆放，不必受加工顺序的限制。但是每把刀具上都有相应的的编码，在执行换刀指令时，刀库旋转，每一把刀具都将经过刀具识别器，根据数控指令来选择所需要的刀具。当所需刀具被选中后，刀库会将刀具送到换刀位置，等待通过刀库和主轴的相对运动来实现刀具的交换。任意选择刀具法的特点是刀库中刀具的摆放顺序和加工顺序无关，刀具可以循环使用。故相比于顺序换刀，刀具数量可相应减少，同时刀库也会小一些。这种选刀方式的三种编码方式如下：①刀具编码此种方式是把每一把刀具进行编码，因而每一把刀具都有一个不同于其他刀具的代码，所以刀具可以在刀库中任意摆放。这样每一把刀具在加工中就可以重复使用，刀具使用完之后，不需要放回原来的刀座中，也就不存在因为刀具放置顺序错误而引发事故。同时，缩短了换刀用的时间，简化了换刀动作。②刀座编码方式该编码方式对每个刀座进行编码，同时对刀具也编码，将刀具摆放到与其编码相同的刀座中，进行换刀动作时，刀盘转动，各个刀座依次转过编码识别器，找到需要的刀座后，刀盘便停止转动。这种编码方式不需要编码环，使刀柄结构大大简化。故此种刀库的编码识别器可以放在较适合的地方，不用受刀柄结构限制。缺点是换刀时，刀具必须摆放在编码对应的刀座中，增加了换刀动作，降低了换刀效率。③编码附件方式编码附件方式可以分为编码钥匙、编码卡片、编码杆和编码盘，编码钥匙应用最为广泛。这种方式在每把刀具上都系一把记录该刀具编码的编码钥匙，每把刀具放回刀座中时，编码钥匙将放入旁边钥匙孔里面，这样就可以把每把刀具的编码转记到刀座上，对刀座进行了编码。识别器可以通过刀座上的编码来选择旁边刀座中的刀具。此种编码方式为临时性的编码，当刀具取出时，刀座中的编码也会随之消失，因此具有更大的灵活性。但是放回的刀具必须放回原来的刀座中。本课题中加工中心刀具数为24把，属于中小型加工中心，从降低成本、减小刀库体积、提高换刀效率、简化换刀动作等方面综合考虑来看。选择任意选择刀具中的刀具编码方式。4.4.3刀库传动方式的选择刀库为保证换刀动作的顺利完成，常采用单独的驱动装置。一般有以下几种方式：(1)带传动带传动为一种挠性传动。其基本组成零件为带轮（主动轮和从动轮）以及传动带。当主动轮转动时，借助皮带和带轮之间的摩擦或啮合，将动力通过皮带传递给从动轮。这种传动方式具有结构简单、传动平稳、价格低廉等特点，在机械中应用很广。(2)链传动这种传动是一种挠性传动，由链条和链轮（小链轮和大链轮）组成。通过链轮齿和链条链节的啮合来传递运动和动力，链传动在机械设备中使用广泛。这种传动方式与带传动相比，无滑动和打滑现象，能保持较准确地传动比，传动效率高，由于无需张紧而对轴径向力较小，结构紧凑，且适应在温度高、湿度高的环境下工作，成本较低。但是链传动只能平行轴间的同向传动，无法保证瞬时传动比的恒定，工作时存在噪声，无法在高速、载荷变化大的情况下工作。（3）齿轮传动齿轮传动的应用最为广泛。可适应大功率、高速度的传动。主要具有以下优点：①效率高，在四重常见机械传动中，齿轮传动的效率最高。②结构紧凑，同等传动条件下，齿轮传动的所需的空间最小；③传动可靠、寿命长，一般的齿轮传动，只有结构合理正确，及时进行良好的润滑维护，寿命可长达数十年。④传动比稳定，瞬时传动比和平均传动比均为恒定值(4)蜗轮蜗杆蜗杆传动是在空间交错两轴间传递运动的一种机构，两轴线之间可以以任意角度交叉，一般为90°，具有以下特点：①使用单头蜗杆时，可以实现较大的传动比，传动比范围为5~80；②由于蜗杆传动是逐渐啮合和逐渐退出啮合，所以蜗杆啮合比齿轮传动更加平稳，噪声更小；③具有自锁性能；④啮合处存在滑动，若工作调件比较恶劣时，容易产生剧烈摩擦而发热严重，会损坏零件，降低传动效率。本课题中选择了圆盘式刀库，刀库将放置在立柱的上面，由于链传动和带传动一般用于平行轴间的传动，结构不够紧凑，不利于刀库在立柱上的安装。同时这两种传动方式传动不够平稳，将会影响换刀动作的精确完成。蜗轮蜗杆的两轴线可成任意角度，有利于结构的紧凑设计，同时相比于齿轮传动而言，蜗杆传动更加平稳，且成本较低。本刀库采用渐开线蜗杆，考虑到传动比和效率的因素，确定蜗杆的头数为2。蜗轮采用拼铸式蜗轮，在铸铁的轮芯上加铸青铜齿圈。同时为了使刀库传动机构不与刀盘产生干涉，必须将蜗轮蜗杆机构倾斜15°放置。4.4.4刀库电机传动连接方式的选择电机和蜗杆之间采用弹性膜片联轴器直联，可以减小刀库箱体的体积，有利于简化结构提高传动件的刚度。5.立柱的设计5.1立柱装配图5.2滚动直线导轨的选型与计算5.2.1滚动直线导轨的优点滚动直线导轨是由导轨、滑块、钢球、反相器、保持架、密封端盖及挡板组成。当导轨与滑块做相对直线运动时，钢球就沿着导轨上的滚道滚动（导轨上有四条经过淬硬和精密磨削加工而成的滚道）。在滑块的端部，钢球又通过反向装置（反向器）进入反向孔再进入导轨上的滚道。钢球就这样周而复始进行滚动运动。反向器两端装有防尘密封端盖，可以有效防止灰尘、屑末进入滑块内部。具有以下优点：①导轨动、静摩擦系数差别小，随动性好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔短，有效的提高了数控系统的响应速度和灵敏度；②可以实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度；③成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”从而可以降低基础件的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度；④简化了机械结构的设计和制造。故本课题中加工中心选用滚动直线导轨。5.2.2滚动直线导轨的选型一般是依据导轨的承载量，先根据经验确定导轨的的规格，然后进行寿命计算。导轨的承载量与导轨规格一般由下表中所列的经验关系。表5-1导轨承载量与导轨规格对应的经验关系承载量/N3000以下3000~50005000~1000010000~2500025000~5000050000~80000导轨规格303545556585（1）滚动直线导轨的计算由于给定承载量为4000N，且采用了平衡油缸使其平衡了大约承载量的95%，故实际的承载量为200N。则可以预选型号为GGB30AA的滚动直线导轨。导轨的距离额定寿命L和时间额定寿命可以用以下公式来计算：km（5—1）式中：——硬度系数，一般要求滚道的硬度不得低于58HRC，故可通常取=1;——温度系数，参见表温度系数；——接触系数，参见表接触系数；——精度系数，参见表温度系数；——载荷系数，参见表载荷系数；——额定动载荷（N）；F——计算载荷（N）。（5—2）式中：l——形成长度（m）N——每分钟往次数。表5-2温度系数工作温度/°C<100≥100~150≥150~200≥200~2501.000.90.730.60表5-3接触系数每根导轨上的滑块数123451.000.810.720.660.61表5-4精度系数精度等级23451.01.00.90.9表5-5载荷系数工作条件无外部冲击或振动的低速运动（速度小于15m/min）场合无明显冲击或振动的中速运动（速度小于15~60m/min）场合有外部冲击或振动的高速运动(速度大于60m/min）场合1~1.51.5~2.02.0~3.5根据表格选择=1.00，=1.0，=0.81，=1.0，=1.8根据预选滚动直线导轨查得=27.6kN带入式（5-1）得L=291600km>>50km,同时算得=2016900h>345.8h故所预选的滚动直线导轨完全满足立柱机构所需条件，故选择型号为GGB30A的滚动直线导轨。5.3滚珠丝杠的选型与计算5.3.1滚珠丝杠螺母副的工作原理与特点滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置，在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，当他们套装在一起便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠的回路管道，将几圈螺旋滚道的的两端连接起来构成封闭的螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母（或滚珠丝杠）轴向移动。其具有以下特点：(1)传动效率高，摩擦损失小；(2)适当预紧可消除螺纹间隙，反向时可以消除空载死区，使丝杠定位精度高，刚度好；(3)运动平稳，无爬行现象，传动精度高；(4)具有可逆性，既可以从旋转运动变成直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动；(5)磨损小，使用寿命长；(6)制造工艺复杂，成本高。5.3.2本课题丝杠装配图图5-2丝杠装配图5.3.3滚珠丝杠的选型和计算(1)技术要求工作台、工件所受重力W=4000N；工作台最大行程=600mm；工作台快速移动速度=18000mm/min;工作台采用滚动直线导轨，导轨的动、静摩擦系数均为0.01,主轴箱的定位精度为20µm，重复定位精度为10µm，加工中心的工作寿命为20000h（即工作时间为10年）。机床采用主轴伺服电动机，额定功率=5.5kW,机床采用端面铣刀进行强力切削，铣刀直径D=125mm，主轴转速n=1500r/min,切削状况如表所示。表5-6切削状况表切削方式进给速度/(m/min)时间比例/(%)备注强力切削0.610主电动机满功率下切削一般切削0.830粗加工精加工切削150精加工快速进给1810空载条件下工作台快速进给(2)总体方案设计为了满足以上设计要求，采取以下技术方案。①工作台工作面尺寸（宽度×长度）确定为400mm×1200mm。②工作台导轨采用滚动直线导轨。③对滚珠丝杠螺母副进行预紧。④采用伺服电机驱动。⑥采用膜片弹性联轴器与滚珠丝杠直连。(3)设计计算主切削力及其切削分力计算①计算主切削力Fz。根据已知条件，采用端面铣刀在主轴计算转速下进行强力切削（铣刀直径D=125mm），主轴具有最大扭矩并能传递主电动机的全部功率，此时铣刀的切削速度为（5—3）若机械效率m=0.8，则由下式可以计算主切削力Fz：（5—4）②计算各切削分力。根据表2-1可得工作台纵向切削分力F1、横向切削分力Fc和垂向切削力Fv分（5—5）（5—6）（5—7）进给系统导轨摩擦力的计算①计算在切削状态下的导轨摩擦力，此时导轨摩擦系数，查表得导轨紧固力，则（5—8）②计算在不切削状态下的导轨摩擦力和导轨静摩擦力F0。（5—9）（5—10）（4）计算进给系统滚珠丝杠螺母副的轴向负载力①由式（2-10a）计算最大轴向负载力Famax。（5—11）W1为主轴箱重力的95%，即W1=95%其中=40000N②由式（2-11a）计算最小负载力Famin。（5—12）(5)进给系统滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算①确定滚珠丝杠的导程L0根据已知条件，取电动机的最高转速nmax=1800r/min，由下式得（5—13）②计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷估算在各种切削方式下滚珠丝杠的轴向载荷，将估算结果填入下表。立式加工中心滚珠丝杠的计算表5-7切削力的计算切削方式轴向载荷/N进给速度/(m/min)时间比例（%）备注强力切削357.8110一般切削（粗加工）74.3130精细加工（精加工）20.6450快移和钻镗定位2.7510③计算滚珠丝杠螺母副在各种切削方式下的转速ni。（5—14）（5—15）（5—16）（5—17）④由式（2-17）计算滚珠丝杠螺母副的平均转速nm。（5—18）⑤由式（2-18）计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷Fm。（5-19）⑥确定滚珠丝杠预期的额定动载荷Cam由预定工作时间按式（5-20）计算。查表得，根据载荷性质，有轻微冲击，取载荷系数；查表得，根据初步选择滚珠丝杠的精度等级为2级精度，取精度系数；查表2-30，一般情况下可靠性应达到97%，故可靠性系数。（5—20）因对滚珠丝杠螺母副将实施预紧，所以还可以按式（5-21）估算最大轴向载荷。查表中预载选取预加载荷系数，则（5—21）确定滚珠丝杠预期的额定动载荷Cam。取以上两种结果的最大值，即。⑦按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。已知X轴工作台的定位精度为20，重复定位精度为10，根据式（5-22）、式（5-23）以及定位精度和重复定位精度的要求得（5—22）（5—23）取上述计算结果的较小值，即。估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m。本工作台（X轴）滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用两端固定的支承方式，滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为L=行程+安全行程+2×余程+螺母长度+支承长度≈（1.2~1.4）行程+（25~30）L0则970mm≤L≤1140mm又==7.48N，由式（2-24）得（5—24）⑧初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号根据计算所得的L0、Cam、d2m和结构的需要，初步选择南京工艺装备公司生产的FFZD型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠螺母副，型号为：FFZD4010-3,其公称直径d0、基本导程L0、额定动载荷Ca和丝杠底径d2如下：故满足要求。⑨确定滚珠丝杠螺母副的预紧力由式（2-25）得（5—25）⑩确定滚珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号由式（2-33）计算轴承所承受的最大轴向载荷。（5—26）计算轴承的预紧力。（5—27）计算轴承的当量轴向载荷。（5—28）由式（2-29）计算轴承的基本额定动载荷C。已知轴承的工作转速与滚珠丝杠的当量转速相同，取；轴承的基本额定寿命，轴承所承受的轴向载荷。轴承的径向载荷和轴向载荷分别为（5—29）（5—30）因为，所以查表得，DF组合径向系数X1、轴向系数Y1分别为。故（5—31）（5—32）DFF组合径向系数X2、轴向系数Y2分别为。故（5—33）（5—34）（6）确定轴承的规格型号。因为滚珠丝杠螺母副拟采用两端固定的支承方式，所以将选用60°角接触球轴承背对背安装，以承受两个方向的轴向力。由于滚珠丝杠的螺纹底径为34.4mm，所以选择轴承内径d为35mm，以满足滚珠丝杠结构的需要。选择国产60°角接触球轴承背对背安装，型号为760307TNI，尺寸（内径×外径×宽度）为35mm×80mm×21mm，选用油脂润滑。该轴承的预载荷能力为N，大于计算所得的轴承预紧力。在油脂润滑状态下的极限转速为2800r/min，高于本机床最高转速，故满足要求。该轴承的额定动载荷，而该轴承在20000h工作寿命下的基本额定动载荷，故也满足要求。5.3.4丝杠计算简图图5-35.3.5滚珠丝杠螺母副的承载能力校验（1）滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷的校验本工作台的滚珠丝杠支承方式采用预拉伸结构，丝杠始终受拉而不受压。因此，不存在压杆不稳定问题。（2）滚珠丝杠螺母副临界转速的校验由图5-3得滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度，其弹性模量，已知材料密度，重力加速度，安全系数，由表2-44得与支承有关的系数。滚珠丝杠的最小惯性矩为（5—35）滚珠丝杠的最小截面积为（5—36）（5—37）本工作台滚珠丝杠螺母副的最高转速为1800r/min，远小于其临界转速，故满足要求。滚珠丝杠螺母副额定寿命的效验查表得滚珠丝杠的额定动载荷=30000N，轴向载荷=210.28N，运转条件系数=1.3。滚珠丝杠转速n=1800r/min,则计算可得（5—38）（5—39）一般来讲，在设计数控机床时，应保证数控机床滚珠丝杠螺母副的总工作寿命≥20000h，故满足要求。5.3.6计算机械传动系统刚度(1)机械传动系统的刚度计算①计算滚珠丝杠的拉压刚度。本加工中心的丝杠支承方式为两端固定。由丝杠计算简图可知，滚珠丝杠的螺母中心至固定端支承中心的距离a=时，滚珠丝杠具有最小拉压刚度，（5—40）当时，滚珠丝杠螺母副具有的最大拉压刚度，得（5—41）②计算滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度。已知轴承接触角，滚动体直径，滚动体个数Z=17，轴承的最大轴向工作载荷=357.81N，可得（2—42）③计算滚珠与滚道的接触刚度。查表得滚珠丝杠的刚度K=，额定动载荷，滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷，可算得（5—43）④计算进给传动系统的综合拉压刚度K。传动系统的综合拉压刚度最大值为（5—44）故传动系统的综合拉压刚度最小值为（5—45）⑤滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算由计算简图可知，扭矩作用点之间的距离1182mm,剪切模量G=，滚珠丝杠的底径=34.4mm，故可得（5—46）5.3.7驱动电机的选型与计(1)计算折算到电动机轴上的负载惯量①计算滚珠丝杠的转动惯量。已知滚珠丝杠的密度ρ=，故可得（2—47）②计算联轴器的转动惯量。（5—48）③计算折算到电动机轴上的移动部件的转动惯量。已知机床执行部件的总质量m=20kg，电机每转一圈，机床执行部件在轴向移动距离L=10mm=0.01m，则（5—49）④计算加在电动机轴上的总的负载转动惯量。（5—50）(2)计算折算到电动机轴上的负载力矩①计算切削负载力矩。切削状态下坐标轴的轴向负载力，电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动距离L=10mm=0.01m，进给传动系统的总效率，则（5—51）②计算摩擦负载力矩。在不切削状态下坐标轴的轴向负载力（即为空载时的导轨摩擦力），故（5—52）③计算由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩。滚珠丝杠螺母副的预紧力，滚珠丝杠螺母副的基本导程，滚珠丝杠螺母副的效率，则（5—53）(3)计算坐标轴折算到电动机各轴上各种所需的力矩①计算线性加速力矩。已知机床执行部件以最快速度运动时电动机的最高转速，电动机的转动惯量，坐标轴的负载惯量。取进给伺服系统的位置环增益，则加速时间，故（5—54）②计算阶跃加速力矩。加速时间，故（5—55）③计算坐标轴所需折算到电动机轴上的各种力矩。计算线性加速度时的空载启动力矩。（5—56）计算阶跃加速度时的空载启动力矩。（5—57）计算空载时快进力矩。（5—58）计算切削时工进力矩。（5—59）（4）选择驱动电机的型号①选择驱动电机的型号。根据以上计算以及查表，选择华中数控GK6081型交流永磁伺服电机作为驱动电动机。其技术参数如下：额定功率，3.5kW；额定转速，2000r/min;额定力矩，21Nm；转动惯量，35.7kg；质量，19.5kg。交流伺服电动机的加速力矩一般为额定力矩的5~10倍，若按5倍计算，该电动机的加速力矩为105Nm；均大于本加工中心线性加速时的空载启动力矩或阶跃加速时的空载启动力矩，所以，不管采用何种加速方式，本电动机均满足加速力矩要求。该电机的额定力矩为21Nm；均大于本加工中心的快进力矩或工进力矩。因此，不管是快进还是工进，本电机均满足驱动力矩要求。②惯量匹配验算。为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量与伺服电机的转动惯量之比一般应满足下式，即（5—60）而在本课题中，，故满足惯量匹配要求。5.3.8.机械传动系统的动态分析(1)计算丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率已知滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度，滚珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量，其中m、分别为机床执行部件的质量和滚珠丝杠螺母副的质量，已知m=20kg，则（5—61）（5—62）（5—63）(2)计算扭转振动系统的最低固有频率折算到滚珠丝杠轴上的系统总当量转动惯量为（5—64）又丝杠的扭转刚度,则（5—65）由以上计算可知，丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率、扭转振动系统的最低固有频率都比较高。一般按的要求来设计机械系统的刚度，故满足要求。5.3.9机械传动系统的误差计算与分析(1)计算机械传动系统的反向死区已知进给传动系统的综合拉压刚度的最小值，导轨静摩擦力，得（5—66）即<2.67，故满足要求。(2)计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差。（5—67）即<4，故满足要求。(3)计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差①计算由扭转矩引起的滚珠丝杠螺母副的变形量。负载力矩T=。由扭转作用点之间的距离,丝杠底径，则（5—68）②由该扭转变形量引起的轴向移动滞后量将影响工作台的定位精度。得（5—69）5.3.10确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号(1)确定滚珠丝杠螺母副的精度等级。本加工中心采用半闭环控制系统，、应满足下列要求：（定位精度-）=（5—70）（定位精度-）=15.5（5—71）滚珠丝杠螺母副拟采用的精度等级为2级，查表得==8<15.5。当螺纹长度为932mm时，=15<15.5，故满足设计要求。(2)确定滚珠丝杠螺母副的规格型号。滚珠丝杠螺母副的规格型号为FFZD4010-3-P2/1412932，其具体参数如下。公称直径与导程：40mm，10mm；螺纹长度：932mm；丝杠长度：1412mm；类型与精度：P类，2级精度。6.主轴的设计6.1主轴装配图6.2主轴结构分析6.2.1主轴支承方式由主轴装配图可知主轴采用，前侧采用4列角接触球轴承（DBB型），后侧采用高刚度双列圆柱滚子轴承。这种配置同时兼顾了高速性能和径向刚度，可进行高速重型切削。6.2.2轴承型号的选择首先确定主轴的轴承直径然后才能确定轴承之间的跨距，同步齿形带传动的轴径通常由主轴电机功率和扭矩确定为5.5kw。一般采用经验类比法，确定主轴轴承内径确定为60mm。根据轴承系列尺寸选定主轴轴承外径为110mm。通过查国标精密滚动轴承样本选定轴承：4列角接触球轴承（DBB）为：7212ACDBBP4其中7212AC为单个轴承的型号，DBB为轴承的摆放形式，P4代表精度等级为ISO4级表6-1轴承类型类型材料内外圈滚动体S轴承钢轴承钢H轴承钢陶瓷X高速耐用刚陶瓷为保障轴承的性能，我们选最够一种类型，其基本参数为单列圆柱滚子轴承的型号为。6.2.3主轴的润滑方式主轴的润滑主要有油脂润滑、油雾润滑和油气润滑这几种主要方式，下面将分别对这几种方式做个简要的介绍(1)油脂润滑这是目前世界上采用最广泛的一种方式，通常加入的油脂应不能超过轴承空间的15%，加入过多容易使摩擦产生的热量无法及时散发，反而会损坏轴承。采用此种方式润滑时，一定要采用相应的密封方式，避免润滑油渗入到主轴中，一般采用迷宫密封的密封方式。(2)油雾润滑此种方式除起到较好的润滑作用外，同时也可以起到散热的作用，但是有可能对环境产生影响。(3)油气润滑这种方式是针对一些新研发的速度比较高的主轴而设计的，用较少油实现润滑的同时，减小轴承的发热。油气润滑的方式针对高速主轴，兼具润滑和散热的作用，但是不管是油气润滑、油雾润滑都需要在主轴上设计较多的联通管道来实现油的流通，，这样主轴套筒本身还有冷却孔、气密封孔螺钉孔等孔系在结构上容易相互干涉。相比较而言，油脂润滑就具有主轴结构简单、便于安装、成本低、好维护、故障率低等优点。油脂润滑的最大缺点就是发热量太大不易散热。故对于本加工中心的主轴转速较高的情况下，会产生大量的热量，为避免主轴由于过热影响加工，故应采用油气润滑。6.2.4轴承的预紧轴承的预紧程度越高，其刚度越大。另一方面，过大的的预紧量会减少疲劳寿命，增加摩擦发热量，易使轴承磨损，甚至在极端情况下产生燃烧等不良现象。因此，要根据主轴的具体情况具体分析，根据需要施加适当的预紧，以避免过大的预紧量损坏主轴。6.2.5主轴的冷却热变形是主轴高速转动中的重要问题，加工中心工作时各部件相对运动的摩擦而产生热量形成温差，使主轴组件变形和零件位置偏差。大部分高速旋转的主轴和轴承由于有相互接触即使有润滑措施，还是会产生大量的热，从而造成主轴轴承的内外圈变形，以此造成轴承径向间隙减小和接触角的变化，这些对主轴转速和精度危害是极大的。所以降低运转时主轴的温度以达到主轴温度不变是主轴冷却系统设计的一个重点。在冷却液的选择上，有空气，水，冷却专用油和主轴油等。从冷却效果上分析，水的粘度小，比热和密度大，所以其冷却效率：水>主轴油>空气(各种冷却剂的特性比较见下表)，但是同时考虑防锈的话，认为冷却专用油在本例中更为合适。表6-2冷却剂的性能比较本课题使用内部冷却主轴，内冷式主轴轴系是由主轴后端的冷却旋转接头将冷却液通过主轴端部两侧油孔(或通过刀柄、拉刀中心)进入刀具中心对刀具进行冷却。此类主轴非常适用于对零件中深小孔的加工。6.2.6主轴的密封方法主轴部件密封装置的作用，首先防止润滑剂从部件中流出，其次也要防止冷却液、湿气、灰尘、切屑及杂质等侵入部件内，导致主轴、轴承和传动件等腐蚀及磨损过快，影响主轴的工作性能。对于主轴部件密封性能有以下要求：(1)适应转速的要求，在一定的压力和温度范围内具有良好的密封性能。在密封部位引起的摩擦力尽量小，摩擦系数应尽量稳定。(2)适应工作环境的要求，密封性能好，耐腐蚀，磨损小，工作寿命长。(3)结构尽可能的紧凑，特别是主轴前支撑处的密封装置，轴向尺寸尽量小，以减少主轴前端部悬伸量，提高主轴部件刚度。同时力求结构简单、拆卸方便。为满足主轴部件密封性的要求，一般有以下几种密封方式，下面就对几种密封方式作简要的介绍：(1)非接触式密封间隙密封：靠轴与轴承盖间细小的环形间隙来密封。曲路密封：靠旋转的与固定的零件之间复杂而曲折的小间隙来密封。垫圈式密封：靠离心力作用甩去油和杂志来密封的。(2)接触式密封有毡封圈和径向密封圈(皮碗式密封)两种。(3)气密封属于气膜密封的一种，不改变愿密封装配结构尺寸，只是在原梳齿迷宫的环行腔内引入具有一定温度和压力的稳定干气源，保证密封齿和转子之间形成持续不断的并具有一定压强的气膜，该气膜可以有效阻止低压介质的泄漏，达到密封的效果。本课题加工中心的的密封方式如下图：图6-2主轴装配图局部视图这是主轴前端轴承处采用了间隙密封同时由于油气润滑也实现了气密封。图6-3主轴装配图局部视图这是主轴后端处采用间隙密封和垫圈密封。由上图可知本课题加工中心如图所示主轴局部视图可见在主轴设计时采用了三种密封型式：间隙密封，垫圈式密封和气密封通过在主轴上添加这三种密封型式，将轴承中的润滑脂保护起来，即便在较高速度的切削条件下下，即使切屑液飞溅也可确保轴承润滑脂不受杂物的侵入。6.2.7主轴中抓刀机构设计(1)拉刀动作控制系统发出拉刀信号一电磁阀动作一液压油通过液压油通道1进入油缸一液压油推动活塞(向电机侧移动)一蝶簧推动推杆一推杆拉动0TT拉杆(蝶形弹簧压缩)一拉爪夹紧一通过腔体结构强制拉爪收缩一拉爪拉紧刀柄尾部拉钉一刀柄紧贴主轴锥孔内壁。(2)松刀动作控制系统发出松刀信号一电磁阀动作一液压油通过液压油通道2进入油缸一液压油推动活塞(向刀具侧移动)一活塞推动推杆一推杆推动0TT拉杆(蝶形弹簧压缩)一拉爪松开一拉杆继续前进推动刀柄一刀柄推出脱离主轴锥孔。(3)拉到机构结构设计拉刀机构主要由拉爪、拉杆、碟形弹簧、导向套、锁紧螺母、单活塞杆液压缸等组成。拉杆的结构图如下图所示：图6-4拉刀结构图①夹头，主轴通过拉爪的拉紧松开，实现对刀柄的夹紧和放松。当主轴拉刀时蝶形弹簧被放松，通过接触面带动拉杆，由于主轴内孔每一段直径不同，拉杆在向后移动的时候，夹头被强行拉入直径较小的一段圆柱孔。夹头被强行夹紧，夹头中三个钢柱也同时被夹紧，这些钢柱凸出方形槽的部分夹紧刀座。②蝶形弹簧，由于本加工中心主轴采用的BT40规格刀柄，主轴扭矩在200～300NM之间，故拉刀力7800N，松刀力12000N，通过蝶形弹簧的压缩和放松来提供夹紧力。6.2.7主轴刚度校核轴在载荷作用下，将产生弯曲或扭转变形。若变形量超过允许的限度，就会影响轴上零件的正常工作，甚至会丧失机器应有的工作性能。若轴的挠度过大而导致轴颈偏斜过大时，将使轴颈和轴承发生边缘接触，造成不均匀磨损和过度发热。因此，在设计有刚度要求的轴时，必须进行轴的刚度校核计算。（1）轴的弯曲刚度校核计算常见的轴大多数可视为简支梁。若是光轴，可直接用材料力学中的公式计算其挠度或偏转角；若是阶梯轴，若果对计算精度要求不高，则可用当量直径法作近似计算。即把阶梯轴看成是当量直径为的光轴，然后再按照力学中的公式计算。当量直径（单位为mm）为（6—1）其中：——阶梯轴第i段的长度，mm；——阶梯轴第i段的直径，mm；——阶梯轴的计算长度，mm；——阶梯轴计算长度内的轴段数。主轴的计算简图如下：图6-5主轴计算简图其中F=95%=，则最大挠度（6—2）其中E=200GPa，。故算得（6—3）轴的弯曲刚度条件为：挠度。轴的允许挠度及允许偏转角见下表表6-3各类轴承的性能，故轴的刚度满足要求。(2)轴的扭转刚度校核轴的扭转变形用每米长的扭转角来表示。圆轴扭转角[单位为（°）/m]的计算公式为：光轴（6—4）式中：T——轴所受的扭矩，Nmm；G——轴的材料的剪切弹性模量，MPa，对于钢材，；——轴截面的极惯性矩，，对于圆轴，；L——阶梯轴受扭矩作用的长度，mm；、、——分别代表阶梯轴第i段上所受的扭矩、长度和极惯性矩，单位同前；Z——阶梯轴受扭转矩作用的轴段数。，，则，故满足要求。6.2.8主轴中同步齿形带的选用(1)计算设计功率Pdkw（6—5）Pm为课题已知的Pm=5.5kw；k0为载荷修正系数，可以查资料得出经验值，k0=1.8；k1为使用张紧轮的修正系数，k1=0；k2为增速传动修正系数，k2=0。Pd=5.51.8=9.9kw(2)选出同步带型号根据设计功率Pd和小带轮的转速n1，在同步带选型图上查出同步带型号。如下图。表6-4同步带选型图nn1/(r/min)(3)确定带轮齿数z与直径d。表6-5带轮最小许用齿数小带轮速n1/（r/min）同步带型号MXLXXLXLLHXHXXH同步带轮最小许用齿数<900——1012142222》900~120012121012162424》1200~180014141214182626》1800~3600161612162030—》3600~48001818151822——查表得z1=18i=1z1=z2Pb=12.7mm圆整取。(4)选择同步带长度Lp。根据已知中心距A（mm）的要求或初选中心距A，计算同步带的长度Lp。（6—5）其中已知中心距A=208mm(5)计算实际传动中心距A其中Pb可以在参考书中表格里面查取Pb=12.7mm同步带齿数zb=50其中(6)选择带宽bs选择带宽的目的是限制作用在同步带整个宽度上的拉力，以保证同步带的强度和使用寿命。bs=70mm①根据带型、小带轮齿数z1=18及转速n1由附录表可以查出对应的同步带基准宽度bs0（mm）及基准额定功率P0（kw）bs0=76.2mmP0=11.92kw②计算同步带传动的啮合齿数zm（6—6）③计算啮合齿数系数Kz当zm》6时，有Kz=1当zm<6时，有所以Kz=1④确定齿宽系数Kw。（6—7）此时带宽尚未确定，由该式可建立带宽bs与基准带宽bs0的关系。⑤确定额定功率P。kw（6—8）⑥选择带宽bs根据设计要求，同步带传动的设计功率Pd应小于所选带型的额定功率P，即Pd《P,根据此条件，导出带宽bs的计算公式如下：mm（6—9）查表可取标准带宽bs0=76.2mm>64.7mm，代号为300。(7)同步带传动设计的主要结果构成①同步带：型号H，节距Pb=12.7mm，齿数=50，带长Lp=635mm，长度代号235H，带宽=76.2mm，带宽代号为300。②带轮：齿数z1=z2=18，直径d1=d2=72mm；③中心距A=203.2mm。6.2.8主轴带轮的张紧在本课题中，我采用定期张紧装置。如下图所示图6-6同步带电机张紧装置在水平或倾斜不大的传动中，可采用图示的方法，将装有带轮的电动机安装在装有滑道的基板上。通过旋动下侧的调节螺钉，将电动机向上推移到所需位置后，拧紧电动机安装螺钉即可实现张紧。6.2.9主轴电机的选型GM7系列交流伺服变频（主轴）电机可与国内外各类变频器或主轴变频器配套，进行开环控制运行，或闭环控制运行，取得与配套普通交流变频电机完全不同的优异特性，广泛应用于数控机床、建材、塑机、纺织、轻工机械、冶金、输送线、等需要调速的场合。GM7系列交流伺服变频（主轴）电机由定子、鼠笼转子、低噪音风机、高精度编码器（开环控制时不需要）等组成，在进行结构优化设计，磁路优化的基础上，采用F级特殊绝缘结构及整机加工和高精度动平衡工艺，使该电机具有如下优点：（1）结构紧凑，体积小，重量轻，功率密度高；（2）采用了特殊设计，电磁振动小，噪音低，旋转精度高，恒转矩及恒功率调速范围宽；（3）转子惯量小，响应速度快；（3）气隙均匀，平衡精度高，转矩脉动小；（4）全密封设计，防护等级IP54；（5）特殊F级绝缘结构，抗浪涌电流及电晕现象（6）耐冲击，寿命长，运行可靠；（7）性价比高。根据本课题加工中心的设计要求，主电机功率：5.5kW，主轴转速范围20~8000r/min,查找该型号的数控电机类型表（见附录1、附录2、附录3）后选择GM7130-4SB61型号的主轴电机。7.整体的三维造型图7-1整体三维造型课题设计结论数控机床作为机床发展的最前沿，影响着一个国家制造业的水平的提升，必须要引起足够的重视。随着一大批高新技术的涌现，对于机械制造行业来说，高性能的加工制造将不会以高速为唯一指标，也会考虑到高效率和高质量，总的来说就是兼顾生产效率和保持高速速、高精度、高可靠性和环保等几项重要指标。因此，开发综合性能优异的数控机床将在提高中国制造业的水平和增强市场竞争力的事业中扮演重要角色。高速精密卧式加工中心是一种顺应当前国内外数控机床发展趋势以高速化为基本指标、向多轴联动加工和超高精度方向发展的一种数控加工装备。本课题是一个既能了解当前数控技术发展潮流并具有重要实际应用意义的研究。本论文的研究工作始终围绕盘式刀库自动换刀系统的技术特点以及要求，对度卧式加工中心换刀系统涉及的理论和关键技术，包括换刀系统的总体布局、主要功能部件的结构设计和分析、关键零部件的选用、支承方式的选择、刀具的编码技术以及刀库换刀流程的设计等进行系统的研究和实践。总结论文的研究工作，主要有以下主要结论：自动换刀系统作为数控加工中心的重要部件，以后必将朝着大刀具容量，