加工中心自动换刀系统设计（盘式）-刀库设计

目录

摘要......................................................3

绪论.........................................................1

1引言.......................................................1

1.1加工中心简介..........................................1

1.1.1加工中心的发展简史................................1

1.1.2加工中心的结构组成................................3

1.1.3加工中心的分类....................................4

1.1.4加工中心的发展趋势................................7

2刀库的类型................................................10

2.1刀库的类型...........................................11

2.2刀库的结构与传动.....................................14

2.3刀库驱动电动机的选定.................................17

2.3.1按负载转矩选.....................................17

2.3.2按加速时的最大转矩选.............................19

2.3.3校验.............................................20

2.3.4分配传动比.......................................20

3刀库传动机构的设计........................................21

3.1初定刀套线速度.......................................21

3.2刀库传动方式.........................................21

4.1轴的材料.............................................29

4.2蜗杆轴的初步估算.....................................29

4.2.1初步估算轴的最小直径.............................29

4.2.2选择联轴器.......................................29

4.2.3确定滚动轴承的类型................................31

4.2.4初步估计蜗杆轴各段的尺寸..........................31

4.3蜗轮轴的初步估算......................................32

4.3.1初步估算轴的最小直径..............................32

4.3.2确定轴伸处的最小直径..............................33

4.3.3确定滚动轴承的类型................................33

4.3.4初步估计蜗轮轴的各段尺寸..........................33

4.4轴径的设计与校核......................................34

4.4.1蜗杆轴............................................34

4.4.2蜗轮轴的计算.....................................40

5轴承的校核................................................46

5.1蜗杆轴...............................................46

5.2蜗轮轴..............................................46

6其它零部件尺寸的设计与计算................................48

6.1回零减速撞块尺寸的计算..............................48

6.2刀盘与刀套的设计.....................................49

6.2.1刀套...........................................49

6.2.2刀盘...........................................50

6.3刀具（刀座）识别装置.................................50

7液压系统的设计............................................52

7.1液压缸的载荷组成和计算...............................52

7.2液压缸内径以及其它尺寸的确定.........................52

7.2.1计算液压缸的主要结构尺寸..........................53

7.2.2油缸壁厚的计算...................................54

7.2.3缸底厚度计算.....................................55

7.3油缸长度L的确定...................................56

7.4液压系统初步设计...................................56

8PLC控制.................................................58

9结论......................................................61

10致谢................................................63

参考文献................................................63

摘要

刀库是自动换刀装置中最主要的部件之一，其容量、布局以及具体

结构对加工中心的设计有很大影响。

16刀刀库是在小型加工中心应用最为广泛，根据使用的场合和实际

运用的要求，设计了相应的16刀的圆盘式刀库，并且对它的控制进行了

一定的研究。

论文首先对16刀刀库总体设计方案进行阐述，阐述其各部件的工作

原理，然后就刀库的结构设计与控制分章节对各个部分进行计算与设计。

刀库的结构设计是本文研究的重点，传动部分为蜗杆蜗轮的一种减速装

置，对于该装置中的蜗杆、蜗轮以及相关的轴都进行了详细的计算;控制

部分为刀库送刀部分，由液压控制和PLC控制完成。

关键词：加工中心，刀库，蜗杆蜗轮，液压，PLCo

ABSTRACT

Toolstorageisoneofthemaincomponentsofthe

automatically-trading-knifeinstallment.Itscapacity,positionandstructure

havegreatinfluencetothedesignofthemachiningcentre.

16-tooltoolstorageiswidelyusedinthemachiningcentre.Basedonthe

situationandrequirementthe16-toolused,thedisc-styletoolstorageofthe

16-toolisdesignedandsomeresearchaboutitscontrolismadeinthispaper.

Thepaperillustratesthedesignprojectofthe16-tooltoolstoragefirstly,and

thenexplainsitsoperationprinciple,andatlastcalculatesanddesignsthe

structureandcontrolofthetoolstorageseparatelybychapters.

Thedesignofthestructureofthetoolstorageisthekeypointofthis

research.Drivingpartisadeceleratingsetofthewormandwormgear.The

sizesoftheworm,wormgearandaxisarecalculated.Thecontrolpartsare

toolstoragedeliveringparts,whichiscompletedbythehydraulicpressure

andPLCcontrol.

Keywords:machiningcentre,Magazine,worm,wormgear,hydraulic

pressure,PLC

绪论

本章首先从数控机床的发展历程引出加工中心的发展趋势，再具体到

本次设计针对的刀库的任务要求，明确了本设计任务的主要内容。

1引言

1952年世界上出现了第一台数控机床，使多品种、中小批量的机械

加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。1958年第一台加工

中心问世，它将多工序（铳、钻、镶、较、攻丝等）加工集于一身；适

应加工多品种和大批量的工件；增加机床功能（自动换刀、自动换工件、

自动检测等），使自动化程度和加工效率上了一个新台阶；使无人化（或

长时间无人操作）加工成为现实。加工中心已成为柔性制造系统、计算

机集成制造系统和自动化工厂的基本单元。

加工中心是数控机床的代表，是高新技术集成度高的典型机电一体化机

械加工设备，受到世界各工业发达国家的高度重视，技术迅速发展，品

种和数量大幅度增加，成为当今世界机械加工设备中最引人注目的一类

产品。

1.1加工中心简介

1.1.1加工中心的发展简史

1952年世界上出现第一台数控机床，使多品种、中小批量的机械加

工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。它用易于修改的数控

加工程序进行控制，因而比大批量生产重使用组合机床生产线和凸轮、

开关控制的专用机床有更大的柔性，容易适应加工件品种的变化，进行

多品种加工。它用数控系统对机床的工艺功能、几何图形运动功能和辅

助功能实行全自动的数字控制，因为有更高的自动化程度和加工效率，

大大改变了中小批量生产中普通机床占整个机械加工的状况。数控机床

能实现两坐标以上联动的功能，其效率和精度比用手工和样板控制加工

复杂零件要高得多。

1958年第一台加工中心在美国卡尼、特雷克(Kearney&Trecker)公

司问世。现代加工中心的内容是什么？第一，它是在数控键床或数控铳

床的基础上增加自动换刀装置，可使工件在一次装卡中，能够自动更换

刀具，自动完成工件上的铳削、钻孔、像孔、较孔、攻丝等工序的数控

机床。第二，加工中心上如果带有自动分度回转工作台或自动转角度的

主轴箱，可使工件在一次装卡中，自动完成多个平面和多个角度位置的

多工序加工。第三，加工中心上如果带有交换工作台，工件在工作位置

的工作台上进行加工的同时，另外的工件在装卸位置的工作台上进行装

卸，不影响加工的进行。

由上述可知，加工重心在加工的柔性、自动化程度和加工效率上，

在一般数控机床的基础上又上了一个新的台阶，又是一次新的变革。

加工中心的定义是什么？目前世界上并无标准定义，但目前普遍认

为是指：在工件一次装卡中，能够实现自动铳削、钻孔、镶孔、钱孔、

攻丝等多工序的数控机床。更为明确的说法是：加工中心就是自动换刀

数控镶铳床。这就把加工中心与自动换刀数控车床或车削中心区别开来

1.1.2加工中心的结构组成

加工中心的组成岁机床的类别、功能、参数的不同而有所区别。机

床本身分基本部件和选择部件，数控系统有基本功能和选用功能，机床

参数有主参数和其它参数。机床制造厂可根据用户提出的要求进行生产,

但在同类机床的基本功能和部件组成一般差别不大。从总体上看，加工

中心基本上由以下几大部分组成。

1、基础部件主要由床身、立柱和工作台等大件组成。它们是加工中

心的基础结构，要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削负载，因

此必须是刚度很高的部件。这些大件可以是铸铁件也可以是焊接的刚结

构件，是加工中心中重量和体积最大的部件。

2、主轴系统主要由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零部件

组成。主轴的启动、停止和变转速等动作均由数控系统控制，并通过装

在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴系统

是加工中心的关键部件，其结构的好坏，对加工中心的性能有很大的影

响。

3、数控系统主要由CNC装置、可编程序控制器、伺服驱动装置以

及电动机等部分组成，它们是加工中心执行顺序控制动作和完成加工过

程的控制中心。

4、自动换刀系统主要由刀库、自动换刀装置等部件组成。刀库是存

放加工过程所要使用的全部刀具的装置。当需要换刀时，根据数控系统

的指令，由机械手（或通过别的方式）将刀具从刀库取出装入主轴孔中。

刀库有盘式、链式和鼓式等多种形式，容量从几把到几百把。机械手的

结构根据刀库与主轴的相对位置几结构的不痛也有多种形式。如单臂式、

双臂式。回转式和轨道式等等。有的加工中心利用主轴箱或刀库的移动

来实现换刀。

5、辅助系统包括润滑、冷却、排屑防护、液压和随机检测系统等部

分。辅助系统虽不直接参与切削运动。但对加工中心的加工效率、加工

精度和可靠性起到保障作用，因此也是加工中心中不可缺少的部分。另

外，为进一步缩短非切削时间，有的加工中心还配备了自动托盘交换系

统。例如，配有两个自动交换工件托盘的加工中心，一个安装工件在工

作台上加工，另一个则位于工作台外进行工件的装卸。当完成一个托盘

上工件的加工后，便自动交换托盘，进行新零件的加工，这样可以减少

辅助时间，提高加工效率。

1.1.3加工中心的分类

按照加工中心形态不同进行分类，可分为立式、卧式和五坐标加工

中心。立式加工中心（如图1-1）立式加工中心的主轴轴心线为垂直状态

2'

图1-1立式加工中心

配置，结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形，适合加工小型板类、

盘类、壳体类零件。

卧式加工中心（如图1-2）卧式加工中心是指主轴轴线为水平状态设

置的加工中心，通常都带有可进行分度回转运动的正方形分度工作台。

卧式加工中心一般具有3~5个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标（沿

X、Y、Z轴方向）加一个回转运动坐标（回转工作台），它能够使工件在一

次装夹后完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工，最适合箱体类

工件的加工。

Y(

主

轴

轴

方

箱

向

)

图1-2卧式加工中心

3、五坐标加工中心五坐标加工中心间距立式和卧式加工中心的功

能，工件一次装夹后能完成除安装面外的所有侧面和顶面等五个面的加

工，因此也叫五面加工中心。常见的五坐标加工中心有两种结构形式，

一种是主轴可以90。旋转，另一种是工作台可以90。旋转。

加工中心的主要优点

(1)提高加工质量工件一次装夹，即可实现多工序集中加工，大大

减少多次装夹所带来的误差。另外，由于是数控加工，较少依赖操作者

的技术水平，可得到相当高的稳定精度。

(2)缩短加工准备时间加工中心既然可以顶替多台通用机床，那么

加工一个零件嗦需准备时间，是每台加工单元所损耗的准备时间之和。

从这个意义上说，加工中心的准备时间显然短得多。

(3)减少在制品以往的加工方式是工件流动与多台通用机床之间，

这就要有相当数量的在制品，而在加工中心上加工，即可发挥其“多工

序集中”的优势，在一台机床上完成多个工序，就能大大减少在制品数

量。

(4)减少刀具费把分散设置在各通用机床上的刀具，集中在加工中

心刀库上，有可能用最少量的刀具，实现公共有效利用。这样既提高刀

具利用率，又减少了道具数量。

(5)最少的直接劳务费由NC装置实现多工序加工的信息集约化和

一人多台管理，以及用工作台自动托盘交换装置(AutomaticPallet

Changer简称APC)等辅助装置，实现夜间无人运转。这些都可缩减直

接劳务费。

(6)最少的简介劳务费由于工序集中，工件搬运和质量检查工作量

都大为减少，这就使间接劳务费最少。

(7)设备利用率高加工中心设备利用率为通用机床的几倍。另外，

由于工序集中，容易适应多品种、中小批量生产。

1.1.4加工中心的发展趋势

立式加工中心主要的用户层面为，以看好的汽车零部件行业为首，还有模

具、飞机、医疗设备、IT、光学设备等行业。在飞机制造业因绝大多数

加工件为多品种、小批量的产品，因此五轴加工机为主的立式加工中心

有潜在的需求。今后电子零部件、精密机枝零部件、半导体模具等行业

也具有需求潜力。各生产厂家面对预期需求扩大的飞机、模

立式加工中心主要的用户层面为，以看好的汽车零部件行业为首，还有模

具、飞机、医疗设备、IT、光学设备等行业。在飞机制造业因绝大多数

加工件为多品种、小批量的产品，因此五轴加工机为主的立式加工中心

有潜在的需求。今后电子零部件、精密机枝零部件、半导体模具等行业

也具有需求潜力。

各生产厂家面对预期需求扩大的飞机、模具、半导体等行业，正在抓紧

开发五轴加工机。和几年前的以生产一般零部件为主的立式加工中心形

成鲜明对比的，突出以加工模具为主的设备方案不断从厂家出现，由此

可明显地看出对高速、高效、高品位加工的需求正在增加。

针对高精度加工，一些厂家比较注重研制对不易切削材质搞重切削加工

的机型。同时，以减少工件更换时间和集中工序为目的的复合化加工技

术也在不断创新。为进一步提高效率，有些厂家正在尝试在立式加工中

心的控制轴方面再加上1~2个轴，形成五轴控制，样对于形状复杂的工

件和自由曲面等工件都可完成一次装卡加工。

在产品开发方面，由于用户的要求更加严格，不得不在保持低价位的同

时不断追求高性能的技术。由于正在加快适应环保要求的新技术开发，

因此，更加需要可以调整品种、数量的可形成柔性线结构的设备。

现在干式切削也在研制之中，如已经出现的使用高纯度氮气的干式加工

系统，以氧化来控制精度变化。同时为改善作业环境、提高经济效率，

对于切屑的处理也采用了易于回收的方式。

卧式加工中心

卧式加工中心因其加工面是垂直的，切屑易脱落，比较适应时间无操作。

又因是模块结构，可以短时间内导入最适当规模的系统。因其无人操作

时间较长，在成本费用方面与单机相比效果更好。

从用户需求来看，对卧式加工中心的要求更加趋向于适应多品种小批量

的生产，要求加工设备能够灵活地适应工序集中导致的生产型加工件的

变化。现在由于汽车厂家的设备投资呈上升趋势，需求可望进一步扩大。

此外，因对于产品制造的认识和对生产体系的看法正在发生根本的转变,

由此而派生的新的生产体系可能对能形成柔性线的小型机种产生需求。

着手生产以上机型的厂家在追求高速、高精度的同时，还在如何使机体

小型化及成本控制方面下功夫。也就是说此类产品的开发重点在于机体

的小型化、适应形成柔性线体系方面。

从技术开发动向来看，是谋求提高主轴转速、进给速度、提高精密度、

并将对应热变位、模块化等集中体现出来。其中，作为机床基本课题的

高速化研究也不断取得成果。

由于提高进给速度直接关系到产品的加工时间，以利提高生产效率，因

此在高速进给技术方面，驱动装置采用直线电机的机型正在增多。同时

也有厂家在开发不使用直线电机，采用进给轴以大导程滚珠丝杠为驱动,

进给加速度L5G~2G、快速进给速度120mm/min的高速卧式加工中

心。并在主轴上采用双面约束刀具、主轴转速为2万r/min、快速进给

速度为60m/min、以尽量缩短重复定位、刀至刀等的非切削时间。为解

决速度提高带来的热变位影响，防止精度下降，一般都采用独自的补正

装置或主轴冷却结构、冷却装置等。

数控立式车床

适合于加工大直径、大吨位外圆型工件的立式车床，也被各行业采用。

由于其市场的局限性，产品在很大程度上反应了用户的意向，很多是以

专用机的形式交货投付使用的，这也是用户和厂家形成密切联系的原因。

最近，对中出口看好的建设机械厂家对立式车床的需求令人瞩目，造船

行业的订货则似乎暂告一段落。从去年起，数控车床生产厂家期待着在

飞机、高性能发电机、风力发电机等方面设备投资比较活跃的重电机行

业的订货。

由于市场在交货期、质量、价格方面的要求越来越高，一些中小规模

的设备用户为缩短产品的生产周期，更青睐一次装卡、可搞多种加工的

复合型加工机。

考虑到环保要求而采用半干式加工的需求也在增加，根据这类用户的要

求，0M制作所以产学协作的方式开发出采用气化热半干式加工技术，

并加强了节省能源的措施，控制了电力的使用。

现在，市场对于提高了通用性的、低价位的小型数控立式车床的需求仍

在扩大，同时，和卧式数控车床一样，带有加工中心意识的功能型复合

机的开发研制比较活跃。例如，随着对复杂形状工件成品加工要求的提

高，也在研制将立式车床功能加上钻、攻丝、键等旋转方面的加工功能。

因配置了C轴，不同的复合加工也可通过一次装卡进行。此外，在以切

削为主的同时，加上采用单刀具的双面约束ATC方式后，在铳加工功能

方面也见到不少可进行重切加工的工序集约型产品。

本文研究的主要内容一一刀库

2刀库的类型

刀库是自动换刀装置中最主要的部件之一，其容量、布局以及具体

结构对加工中心的设计有很大影响。刀库是用来储存加工刀具及辅助工

具的地方。由于多数加工中心的取送刀位置都是在刀库中的某一固定刀

位，因此刀库还需要有使刀具运动及定为的机构来保证换刀的可靠。其

动力可采用液动机或电动机，如果需要还要有减速机构。刀库的定为机

构是用来保证更换的每一把刀具或刀套都能准确地停在换到位置上。其

控制部分可以采用简易位置控制器或类似半闭环进给系统的伺服位置控

制，也可以采用电气和机械相结合的销定为方式，一般要求综合定为精

度达到0.1~0.5mm。

根据刀库所需要的容量和取刀方式，可以将刀库设计成多种形式。

图1-3列出了常用的几种刀库。图l-3a~d是但盘式刀库，为适应机床

主轴的布局，刀库的刀具轴线可以按不同的方向配置，图l-3d是刀具可

作90。翻转的圆盘刀库，采用这种结构能够简化取刀动作。单盘式刀库的

结构简单，取刀也较为方便，因此应用最为广泛。但由于圆盘尺寸受限

制，刀库的容量较小（通常装15~30把刀）。

a）轴向式b）径向式c）斜向式d）刀具翻转式e）鼓筒弹夹式

f）链式g）多盘式h）格子式

当需要存放更多数量的刀具时，可以采用图l-3e~〃形式的刀库，它们

充分利用了机床周围的有效空间，且刀库的外形尺寸又不致过于庞大。

图l-3e是鼓筒弹夹式刀库，其结构十分紧凑，在相同的空间内，它的刀

库容量较大，但选刀和取刀的动作较复杂。图l-3f是链式刀库，其结构

有较大的灵活性，存放刀具的数量也较多，选刀和取刀动作十分简单。

当链条较长时，可以增加支撑链轮的数目，使链条折迭回绕，提高了空

间利用率。图l-3g和l-3h分别为多盘式和格子式刀库，它们虽然也具有

结构紧凑的特点，但选刀和取刀动作复杂，较少应用。

2.1刀库的类型

加工中心上普遍采用的刀库是盘式刀库和链式刀库。密集型的固定

刀库目前于用于FMS中的集中供刀系统。

（1）盘式刀库盘式刀库结构简单，应用较多，如图1-4所示。由于

刀具环形排列，空间利用率低。因此出现了将刀具在盘中采用双环或多

环排列，以增加空间的利用率。但这样一来使刀库的外径过大，转动惯

量也很大，选刀时间也较长。因此，盘式刀库一般适用于刀具容量较少

的刀库。

图1-4盘式刀库的形式

a）径向取刀形式b）轴向取刀形式c）刀具径向安装d）刀具斜向安装

（2）链式刀库如图1-5所示，链式刀库的结构紧凑，刀库容量较大,

链环的形状可以根据机床的布局配置成各种形状，也可将换刀位突出以

利换刀。当链式刀库需增加刀具容量时，只需增加链条的长度和支承链

轮的数目，在一定范围内，无需变更线速度及惯量。这些特点也为系列

刀库的设计与制造带来了很大的方便，可以满足不同使用条件。一般刀

具数量在30~120把时，多采用链式刀库。

图1-5链式刀库的形式

本文所设计的刀库

由于是使用在小型加工中心上，所以采用的是圆盘刀库的结构形式，以

下是介绍本设计的结构组成与传动过程。

换刀过程

在介绍刀库结构之前，先了解一下换刀过程。刀库位于立柱左侧，其中

刀库的安装

方向与主轴轴线垂直，换刀前应改变在换刀位置的刀具轴线方向，使之

与主轴轴线平行。某工序加工完毕，主轴定向后，可由自动换刀装置换

刀，如图1-6所示。

（1）刀套下翻换刀前，刀库2转动，将待换刀具5送到换刀位置。

换刀时，带有刀具5的刀套4下翻90。，使刀具轴线与主轴轴线平行。

（2）机械手抓刀机械手1从原始位置顺时针旋转75。（K向观察）,

两手爪分别抓住刀库上和主轴3上的刀具。

（3）刀具松开主轴内的刀具自动夹紧机构松开刀具。

（4）机械手拔刀机械手下降，同时拔出两把刀具。

（5）刀具位置交换机械手带着两把刀具逆时针旋转180。（K向观

察），交换两把刀具位置。

（6）机械手插刀机械手上升，分别把刀具插入主轴锥孔和刀套中。

（7）刀具夹紧主轴内的刀具自动夹紧机构加紧刀具。

K

图1-6换刀过程示意图

1一机械手2一刀库3一主轴4一刀套5一刀具

（8）液压缸活塞复位驱动机械手逆时针旋转180。的液压缸活塞复位

（机械手无动作）。

（9）机械手松刀机械手1逆时针旋转75。（K向观察），松开刀具回

到原始位置。

（10）刀套上翻刀套带着刀具上翻90。。

2.2刀库的结构与传动

（1）刀库的结构组成如图1-7所示，为盘式刀库结构示意图。它主

要由电动机蜗杆蜗轮、刀盘、刀套、液压缸、及拨叉等构建组成。其盘

式刀库的具体机构，如图1-8所示。

(2)刀库的选刀过程根据数控系统发出的选刀指令，直流伺服电动

机1经联轴器2和蜗杆3、蜗轮4带动刀盘12和安装其上的16个刀套

11旋转相应角度，完成选刀的过程。

(3)刀套翻转过程待换刀具转到换刀位置时，刀套尾部的滚子10

转入拨叉8的槽内。这是，液压缸5的下腔通入液压油，活塞带动拨叉

上升，同时松开行程开关7,用以断开相应电路，防止刀库、主轴等出

现误动作。拨叉上升，带动刀套下翻90。，使刀具轴线与主轴轴线平行，

同时压下行程开关6,发出信号使机械手抓刀。反之，拨叉下降，带动

刀套上翻90。。

图1-7刀库结构示意图

1一电动机2—联轴器3—蜗杆4一蜗轮5—液压缸6、7一行程开

关8—拨叉9—挡标10一滚子11一刀套12一刀盘

图1-8刀库结构图

1—电动机2—联轴器3—蜗轮4—蜗杆5—液压缸6—活塞杆7一拨

叉8—挡标9、10一行程开关11一滚子12一销轴13一刀套14一刀盘

2.3刀库驱动电动机的选定

驱动刀库，目前常见的方式有伺服电动机驱动和液动机驱动两种，

我国加工中心都选用伺服电机驱动方式，故在本设计中也将采用伺服电

动机来驱动。

2.3.1按负载转矩选

加在伺服电动机轴上的负载转矩〃，应比电动机额定连续转矩G

小。

圆盘式刀库负载转矩计算方法，这种刀库的负载转矩力，主要来自刀具

重量的不平衡。其计算方法如下：

将三把最重刀具挨在一起，按加工中心规格规定的最大刀具重量吸”计

算，而其重心则设定为离刀库回转中心半径处。

设刀库半径为300mm,刀具最大重量为8kg。

所以7J=8kgx9.8N/kgx300/wn=2352Nanm

把如上计算的负载转矩，转换为电机轴上的转矩，的公式为：

「=工

式中：---传动比；

〃---传动效率。

本设计中，为了降低传动速度，所以传动比定为，.=2。。

_2

传动效率为：?总

=0.72X0.99X0.992

0.699

式中：---联轴器的传动功率；

%蜗杆的传动功率;

%一—轴承的传动功率。

23.52

=l.68Nanm

20x0.699

考虑到实际情况比计算时所设定条件复杂，电机额定转矩G应为负载转

矩的1.2~1.5倍,亦即：

7；.>(1.2-1.5)7；

々>(1.2〜1.5)x1.68N・M%

Ts>(2.016〜252)Nanm

2.3.2按加速时的最大转矩选

加速时的最大转矩T,包括加速转矩1和负载转矩〃，即:

T>Ta+TL

加速转矩।按下式计算:

271nmz._XZX7、

Ta=7L（4.+4）（N•帆）

式中：nm一一刀库选刀时的电动机转速(〃而刃；

——加速时间，通常取150~200(ms)；

J"'——电动机转子惯量；

人一一负载惯量折算到电动机轴上的惯量。

22

设计中初选%,=1000"minJm=0.032N*m*sJL=Q.0\()N*m*s

ta=180ms=1.8s

2万〃,■

Ta-(小乙)

60。

2x3.14x1000

x（0.032+0.016）

60x1.8

-2.79N*m

T>Ta+TL

T>2.79+1.68

T>4.47

加速时的最大转矩7应小于电机的最大转矩,ma，，即:

2.3.3校验

2

JL=0.0l6N*m*sJm=0.032N*m*s~

：.<Jm

,该结果满足条件。

根据以上计算结果，所选电机型号如下:

表2-1所选电机型号

输入功

型额定转矩最大转矩最高转速转子惯量

率

号Ts(N・S)图”(N•附〃max(7/min)J<N・m・s2)

P(kw)

FB252.534.330910000.032

2.3.4分配传动比

在前一章中以介绍为了降低传动的速度，传动比选为20.

各轴转速

［轴4=%,=1000/7min

%=生==50r/min

n轴“20

各轴的输入功率

［轴6=C再1=2.5x0.99=2.475Zw

［［轴［=々％小=2.475x0.72x0.99=1.764bv

各轴的输入转矩

电动机的输入转矩？为：

T.=9.55x1()6&=9.55xl06x=23875N・，”〃z

11

nm1000

故,I轴7]=T/i=23875x0.99=23636.25N•帆机

T==23636.25x0.72x0.99x20=336958.38N”先加

II轴n

表2-2分配传动比

转矩转速

轴名功率P(M传动比i效率"

«(r/min)

电机轴2.523875100010.99

I轴2.47523636.251000200.99

II轴1.764336958.3850200.72

3刀库传动机构的设计

3.1初定刀套线速度

刀套线速度影响选刀效率，但是过快的线速度又影响刀库工作可靠

性。一般推荐为22~30m/min,在本次设计中，刀套线速度初定为25m/min。

3.2刀库传动方式

为使伺服电机在最佳状态下工作，一般不采用伺服电机的低速段。

这就要采用蜗轮减速装置了。

以下为蜗杆传动的设计计算：

蜗杆采用45#钢，表面硬度＞45HRC,蜗杆材料采用ZCuSnlOPl,砂型铸

造，计算步骤如下:

计算项目计算内容

计算结果

(-)初选【4〃】值

1、当量摩擦系数设匕=4而s~7m/s,查《机械设计》

4=0.03

表13.6,取大值；4=2

2、选【4/勺值在《机械设计》图13.11的i=20线上

任选一点,查得[4/a]=0.355,y=13。(4=2),

7=0.88(传动啮合效率)。

(二)中心距计算

T=丁闻=23636.25x20x0.88

1、蜗轮转矩2

T2=415998N””加

2、使用系数按题意查《机械设计》表12.9

降=1.1

2=发+产

3、转速系数

二5

Z,,=0.72

4、弹性系数由《机械设计》查表13.2得

ZE=\An4MPci

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

5、寿命系数

J25000

V12000

Z„=1.13<1.6

6、接触系数由《机械设计》图13.12I线查出

Zp=2.85

7、接触疲劳极限由《机械设计》表13.2得

=265MPa

8、接触疲劳最小安全系数由《机械设计手册》查得

9、中心距a=337；（^^・丸）2

V-Z“Z%aHiim

一147x2.851.3筌

=31.1x415998x（z---------x——尸

V0.72x1.13265

142.9

取a=160/?w?

中心距由《机械设计手册第三册》23-211表25-5-4

(GB10085-88)选取而得。

(三)传动基本尺寸

1、蜗杆头数由《机械设计》图13.11查得

7=13。,4=2,也可用式13.22计算

Z[=(7+2.4&)/〃

=(7+2.47160)/20

=1.86

取Z1=2

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

2、蜗轮系数2x160-6.3x1°=4G79

m6.3

取Z2=41

3、模数/”=(1.4~1.7)。/z?

=(1.4-1.7)x160/41

=5.4~6.63

取加=6.3

4^蜗杆分度圆直径dx=[J]/a]a

=0.355x160=56.8或

4=0.68a0-875

=0.68x160°875=57.69,

取标准值(《机械设计》表13.4)

取4=63mm

5、蜗轮分度圆直径4：2a-4-2xm

2x160-63-2x(-0.65)x6.3

d2=265.19mm

6、蜗杆导程角tany=zxmld1=2x6.3/63=0.2

X=H.31°

7、蜗轮宽度7=2皿0.5+收■+.

।

=2x6.3x(0.5+3+1)

=48.089

取％=50mm

8、蜗杆圆周速度K=〃4〃"(60X1000)

=^-x63xl000/（60xl000）

v,=3.3m/s

9、相对滑动速度=v,/cos/

=3.3/cosll.31°

匕—337mls

10、当量摩擦系数由《机械设计》表13.6查得

氏=0.25

0=1.7。

（四）齿面解除疲劳强度验算

1、许用接触应力匕〃]=44职皿

八”一r

=0.72x1.12365x----

1.3

[aH]=165.SMPa

2、最大接触应力

,1.1x415998

=147x2.85x

V1603

=140

crw=140<165.8MPa

合格

（五）轮齿弯曲疲劳强度验算

1、齿根弯曲疲劳极限由《机械设计》表13.2查出

2、弯曲疲劳最小安全系数由题目要求，根据《机械设

计手册》查出SFmin=1.4

3、许用弯曲疲劳应力

^Fmin

115

~TA

[crF]=S2MPa

4、轮齿最大弯曲应力

mb2d2

2x1.1x415998

-6.3x50x265.19

=W.96MPa

=10.96<82MPa

合格

（六）蜗杆轴扰度验算

1、轴惯性矩/=乃1：/64=7x634/64

/=0.773x106〃”/

2、允许蜗杆扰度团=0.004m=0.004x6.3

团=0.02529

2

3、蜗杆轴扰度8=Fj/tan?d}+tan(/+pv)/(48E/)

2x415998

=----------x265.193x

265.19

Jtan220°+tan2(11.31°+1.7°)

48x206xl03x0.773xlO6

8=0.001加72

(此处取/®D2)

合格

（七）温度计算

7=tan//tan(/+p)

1、传动啮合效率v

=tanll.31°/tan(ll.31°+1.7°)

7=0.865

2、搅油效率根据蜗杆的润滑条件，查

《机械设计手册》得：%=0.99

3、轴承效率根据蜗杆传动要求，查

《机械设计手册》得：

%=0.99

4、总效率〃=0.865x0.99x0.99

7=0.848

4=9x10-5/8

5,散热面积估算

=9X10"5X160188

4=1.2534

1000^,(1-77),

一A十%

a..A

6、箱体工作温度

1000x2.5x(1-0.848)”

15x1.253

4=40.22℃<80℃

合格

此处取%,=15W/(m2.℃),中等通风环境

(八)润滑油粘度和润滑方法

根据匕=3.37m/s由《机械设计》

1、润滑油粘度

表13.7选取

匕o℃—320mm2/s

2、润滑方法由《机械设计》表13.7,可采用浸油润滑

所有计算结果如表2-3所示：

表2-3蜗轮蜗杆的几何尺寸

名称符号计算结果

蜗杆头数Z2z2=2

模数mm=6.3mm

蜗杆分度圆直径44=63mm

中心距aa=160mm

蜗轮齿数Z2z2=41

蜗轮分度圆直径“24=265.19加〃2•

蜗轮宽度b2b2=50mm

蜗杆轴向齿距Pr=兀mpx=19.79mm

蜗杆导程pz=7Vmzip,=39.6mm

蜗杆齿顶圆直径%=4+24产da】=15.6mm

蜗杆齿根圆直径d/1=4-2(ha+c)df[=47.88mm

节圆直径4=4+2xmd\-60.905mm

中圆导程角y=mz1/4y=16.7。

蜗轮喉圆直径da2=4+2(仅।+xrri)da2=269.6mm

「

蜗轮齿根圆直径df2=d2-2仇-xm+c)d=241.88/7W1

蜗轮外径42-da2+mde2=271.49mm

一Q

，径向间隙上

注：取齿顶高加c=0.2m,x=o

m

4传动轴的设计

轴是机器中的重要零件，在设计汇总，蜗杆涡轮是作为一种减速装

置，在减速装置中轴是既要收弯矩又要受扭矩的转轴。

轴的设计，共包括如下内容：轴的材料选择，轴径的初步估算，轴

的结构设计，按弯扭合成进行轴的强度校核，按疲劳强度进行轴的精确

交合，轴的公差与配合的确定，轴的工作图的绘制。

4.1轴的材料

轴的材料用碳钢及合金钢，减速装置的轴以45号钢调质处理应用最

为广泛，硬度217HB-255HB,%=650MRz,ax=360MPa,

(y_x=300Mpa,j=155MPa。

4.2蜗杆轴的初步估算

4.2.1初步估算轴的最小直径

轴的直径，可根据轴所传递的功率P(Rv)及轴的转速“(r/min),按下式进

行估算:

该段轴上有一键槽将计算值加大3%,4版应为16.07

式中：C——与轴材料有关的系数，由《机械设计》表16.2查得，根据

轴的材料取115o

4.2.2选择联轴器

一、根据传动装置的工作条件拟选用YL,YLD型凸缘联轴器(GB5843-86

摘录）。

计算转矩为：

TL=kT

=1.5x238757V•zizm

二35812.5N・〃2〃2

=35.812N・mm

式中：T一一联轴器所传递的名义转矩；

k------工作情况系数，攵=1.5；

根据7；=35.812N〃〃，查《机械设计课程设计手册》YL4,YLD4型凸缘

联轴器就能满足传递转矩的要求（5=40N・m>7；）,其轴孔直径范围为

d=18〜28mm。

二、最后确定蜗杆轴轴伸处的直径为4血=25根根，4型轴孔长度

L-44mm,D=100mm,D]=80mm,螺栓数量为4,直径M8,J,/型

L（）=92mm。

4.2.3确定滚动轴承的类型

由于采用的是蜗杆蜗轮传动，既受径向力，也受轴向力，所以采用角接

触球轴承（GB292-94）.

表4-1所选轴承型号

极限转

70000C70000AC

基本尺寸/mm安装尺寸速

（a=15。）(a=25°)

r/min

基本额

基本额

轴定

定

承

代da脂油

4Ka动静a动静

号

dDBmmmn\载载润润

m