数控车削中心主轴箱及自驱动刀架的设计Word文件下载.docx
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organizationdesign,theelectricalmachineryselection,theknifestorehouserotation
detentmechanismdesignknifestorehousemigrationpartdesignandsoon.
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numericallycontrolledlathe;
machiningcenters;
cutdatabase;
mechanicalhand
1、绪言……………………………………………………………4
2、毕业设计工艺要求的基本任务和要求……………………………………4
2.1、基本任务………………………………………………………………………5
2.1.1、工艺设计的基本任务……………………………………………………6
2.1.2、夹具设计的基本任务……………………………………………………6
2.2、设计要求……………………………………………………6
2.2.1、工艺设计的设计要求……………………………………………………6
2.2.2、夹具设计的设计要求……………………………………………………6
3.1刀库的结构设计……………………………………………………………8
3.1.1刀库主要参数的确定…………………………………………………10
3.1.2刀盘部分的设计………………………………………………………10
3.1.3刀库转动定位机构的设计……………………………………………10
3.1.4轴的设计…………………………………………………………………11
3.1.5滚动轴承的选择计算…………………………………………………12
3.1.6键的选用与计算………………………………………………………13
3.1.4刀库的支承部分的设计……………………………………………14
3.2刀库移动部分的设计……………………………………………………14
3.2.1刀库支承横梁和导轨的设计………………………………………14
3.2.2刀库移动丝杠和电机的选择……………………………………15
3.3刀库、横梁的安装……………………………………………………16
4刀具交换装置的设计……………………………………………………16
4.1确定换刀机械手形式………………………………………………………18
4.2换刀机械手的工作原理……………………………………………………22
4.3机械手的自动换刀过程的动作顺序………………………………………22
4.4机械手回转轴4上的齿轮齿条设计………………………………………23
4.5自动换刀装置的相关技术要求……………………………………………24
4.5.1主轴准停装置…………………………………………………………24
4.5.2换刀机械手的安装与调试……………………………………………24
4.6自动换刀程序的编制……………………………………………………26
5自动换刀装置的控制原理…………………………………………………27
5.1自动换刀装置的液压系统原理图………………………………………28
5.2自动换刀装置换刀动作的顺序控制过程………………………………29
6、经济型数控机床改造时数控系统的选用………………………31
小结………………………………………………………………………………31
参考文献…………………………………………………………………………32
1、绪言
1.1、毕业设计的目的
（1）培养工程意识
（2）训练基本技能
（3）培养质量意识
（4）培养规范意识
2、毕业设计工艺要求的基本任务和要求
2.1、基本任务
2.1.1、工艺设计的基本任务
（1）绘制零件工作图一张
（2）绘制毛坯-零件合图一张
（3）编制机械加工工艺规程卡片一套
（4）编写设计说明书一份
2.1.2、夹具设计的基本任务
（1）收集资料,为夹具设计做好准备
（2）绘制草图,进行必要的理论计算和分析以及夹具的结构方案
（3）绘制总图和主要非标准件零件图,编写设计说明书
（4）编制夹具的使用说明或技术要求
2.2、设计要求
2.2.1、工艺设计的设计要求
（1）保证零件加工质量,达到图纸的技术要求
（2）在保证加工质量的前提下,尽可能提高生产效率
（3）要尽量减轻工人的劳动强度,生产安全
（4）在立足企业的前提下,尽可能采用国内技术和装备
（5）工艺规程应正确.清晰,规范化,标准化的要求
2.2.2、夹具设计的设计要求
（1）保证工件的加工精度
（2）提高生产效率
（3）工艺性好
（4）使用性好
（5）经济性好
第3章刀库的设计
刀库是加工中心的象征，是加工中心区别于NC镗床和NC铣床的本质所在，因此来说，刀库的设计是加工中心设计的核心。
由于作者所要设计的加工中心是一个主要用来加工中小批量电子元件等小型零件的小型加工中心，在满足加工要求，经济实用的条件下，应尽量使加工中心的结构紧凑，减小加工中心的外形轮廓尺寸，刀库在满足使用要求的前提下，尽量结构使其简单紧凑，易制造，从而降低生产加工中心的成本。
3.1刀库的结构设计
在总体设计方案中已确定：
自动换刀系统采用无机械手换刀，且刀库置于立柱侧面的横梁上。
刀库在横梁上的移动采用滚珠丝杠传动和快速移动电机。
采用盘型刀库，由槽轮机构实现回转、分度和转位，由交流伺服电机驱动。
刀库的结构设计从以下几个方面进行。
3.1.1刀库主要参数的确定
1.刀库容量
本加工中心主要用来加工小型零件或多孔零件上的小孔和小平面，所以刀库上主要安装一些孔加工刀具（如钻头、扩孔钻等）和加工小平面的立铣刀及小直径的面铣刀；
同时又考虑到所选用电主轴轴端的尺寸及刀盘直径等的限制；
再考虑到主要用于中小批生产及教学实验等，刀具的品种不宜过多，以免造成不必要的浪费和刀库尺寸过大，采用8把刀。
2.刀具最大直径和长度
立铣刀的最大直径定为40mm,钻头的最大直径定为10mm,最大工作部分长度定为
150mm.
3.刀具最大重量为1kg.
4.刀具最大运动线速度为22m/min～30m/min.
3.1.2刀盘部分的设计
1.刀盘尺寸的确定
刀盘采用轮辐式结构，这样既能满足使用的要求，又能保证刀盘的强度。
在整个设计的过程中要保证各个尺寸在换刀过程不发生干涉即可，刀盘直径为720mm,其他尺寸见刀盘零件图。
2.刀爪尺寸的设计
刀爪的外型尺寸根据30号刀柄设计。
3.1.3刀库转动定位机构的设计
1.刀库转动定位机构的选择
目前圆盘式刀库大多采用的是单头双导程蜗轮蜗杆传动，此传动机构在使用中可随时调整蜗轮蜗杆的传动间隙，实现准确的转位分度，保证刀库工作的可靠性，但此传动机构较复杂，而且单头双导程蜗轮和蜗杆的加工较困难。
槽轮机构具有冲击小，工作平稳性较高，机械效率高，可以在较高转速下工作，且结构简单，易制造等优点，在目前生产的鼓轮式刀库的加工中心机床上很多采用槽轮机构来驱动刀库的分度回转运动。
因此本设计采用槽轮机构，来实现刀库的转动、分度和定位。
但此机构定位精度不够高，为提高其定位精度可采用带制动器和交流伺服电机，从而可保证较高的定位精度。
2.槽轮机构的工作原理
槽轮机构（又称马耳他机构）能把主轴的匀速连续运动转换为从动轴的周期性间歇运动，常用于各种分度转位机构中。
槽轮机构又三种基本类型：
外啮合槽轮机构、内啮合槽轮机构和球面槽轮机构。
此刀库采用外啮合槽轮机构。
外啮合槽轮机构的工作原理如图
3.1所示。
外啮合槽轮机构的转臂回转轴线与槽轮回转轴线平行，通常转臂作等速回转，当转臂上的滚子进入槽中，就拨动槽轮作反向转位运动，当滚子从槽中脱出，槽轮即静止不动，并由锁止盘定位。
当只有一个滚子时，转臂转一周，槽轮作转一个角度的步进运动，从而实现转位、分度和定位。
1.转臂2.槽轮3.滚子4.锁止盘
图3.1外啮合槽轮机构的工作原理
槽轮机构的设计
1）槽数Z因刀库容量为8把刀，所以槽轮槽数Z=8.
2）槽间角22ϕοοο84523603602ϕ=Z==（3.1）
3）槽轮每次转位时曲柄的转角12ϕ2180ο2135ο__________12ϕ=−ϕ=（3.2）
4）槽轮与锁止盘间的中心距L为了使转为定位机构的结构紧凑，采用L=360mm。
5）主动曲柄长度1RRLSin360Sin22.5138mm12=ϕ=ο=（3.3）
6）槽轮半径R2RLCos360Cos22.5333mm22=ϕ=ο=（3.4）
7）圆销半径rrR623mm1386=1==（3.5）
8）槽底高bbL（Rr）（3~5）194mm1=−+−=（3.6）
9）槽深hhRb139mm2=−=（3.7）
10）锁止弧半径xRRRrex=−−1式中，e=（0.6~0.8）r，且必须大于3～5mm,
取emmRmmx=18,=97（3.8）根据以上参数可设计出槽轮和锁止盘的尺寸，如槽轮和锁止盘的零件图所示。
3.刀库转动电机的选择
刀库的回转驱动电机的选择时，须考虑由摩擦引起的负载转据和各负载的转动惯量。
1）负载的转动惯量JLC和刀库系统转动惯量JC
2
.
.
=Σ
m
i
LCin
JJn（3.9）
CmcLCJ=J+J（3.10）
式中Ji—各旋转件的转动惯量，kgm2；
ni—各旋转件的转速，r/min；
JmC—电机的转动惯量，kgm2；
nmC—电机的转速，r/min。
（）
mC
C
LCDPZCLSPn
n
J=J+J+J+J（3.11）
式中JDP、JZ、JCL、JSP—分别为刀盘、轴、槽轮和锁止盘的转动惯量，kgm2；
nC—刀盘的转速，r/min。
DPDPDPJ7.81012D4L
32
=×
×
−π
（3.12）
式中DDP—刀盘直径，mm；
LDP—刀盘厚度，mm。
7.81012（21048304244）101481042
JkgmDP
−×
≈×
同理可求得：
JZ≈2.16×
-4kgm2
JCL≈17.3×
10-4kgm2
JSP≈5.2×
24.5/min
3.14260
1000201000r
D
nV
DP
c≈
×
=
π
（3.13）
nmC=3000r/min
JLC≈1.4×
0.451042
3
kgm
J
JLC
≥≈×
−初选电机为MQMA042A1D，其额定转矩为1.3Nm，最大转矩为3.82Nm，
转动惯量为0.64×
10-4kgm2。
JC=JmC+JLC=0.64+1.4=2.04×
10-4kgm2
2）摩擦引起的负载转矩计算
由重力产生的摩擦力矩TFC（Nm）
TFC≈μGCRSP（3.14）
式中μ—槽轮和锁止盘间摩擦系数，取0.15
GC—刀盘、轴、槽轮等的重量，N；
GC=25.6+12.6+9.8+8+16=72N
RSP—滚子中心到锁止盘中心的距离，31mm，
TFC≈0.15×
72×
31×
10-3=0.335Nm
0.335Nm〈1.3Nm（电机的额定转矩）,符合要求。
3）最大加速转矩Tcam
当电机从静止升至nmax时
Ca
camCt
TJ
60
2maxπ
=（3.15）
式中ncmax—电机最高转速，3000r/min；
tca—加速时间（s）取0.2s
TKgmNmCam0.323.2
600.2
2.0410423000≈=
−π
4）电机的最大启动转矩
TCr=Tcam+TFC（3.16）
Tcr=3.2+0.335=3.535Nm
TCr=3.535≤3.82Nm（电机的最大转矩），符合要求。
最终确定电机型号为MQMA042A1D，其输出功率为400W。
相应的伺服驱动器选择与电机相匹配的MQMA043A1A型号。
3.1.4轴的设计
轴是机械设备中的重要零件之一.其主要功能是支承作回转运动的零件,并传递运动和动力.根据轴的受力情况不同,可把轴分成心轴、转轴和传动轴3种.
轴的常用材料轴的材料主要采用碳素钢和合金钢,常用材料为优质中碳钢,如35、45、50钢，这里选取45钢为材料.
轴的结构设计轴的合理外形应满足:
轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置;
轴上的零件应便于装拆和调整;
轴应具有良好的制造工艺性.影响轴结构的主要因素包括:
轴的受力性质、大小、方向及分布情况；
轴上零件的布置和固定形式；
所采用的轴承类型和尺寸；
轴的加工工艺等.）轴的强度计算由于功率P=400W已知,转速n=375r/min,β取0.5,A取110,[т]取35MPa,
则轴径3
d≥Ap（3.17）
d114.4mm
375
≥1103400=
式中d--计算剖面处轴的直径（mm）;
P--轴的传递功率（KW）；
n--轴的转速（r/min）;
故d最小应取115mm.轴径取120mm。
校核轴
转矩
T=9.55×
106p（3.18）
T10186N.mm
95500000.4=
式中p--功率；
n—转速。
圆周力Ft1=2T1/d1=2×
10186/120=1700N;
Ft2=2T2/d2=2×
130822/120=681.4N;
Ft3=2T3/d3=620N;
径向力Fr1=Ft1tanα=1488N;
Fr2=Ft2tanα=248N；
Fr3=Ft3tanα=226N.
则由受力分析图可知：
FAy=3687.4N,FAz=1342N,
FBy=1020.2N,FBz=372N,
水平面弯矩Mcx=1342×
30=40260N·
mm;
Mdx=226×
195=44070N·
mm；
徐州工程学院07届本科生毕业设计（论文）
第31页
则=2+2=402602+440702=59691XcxdxMMMN·
垂直面弯矩Mcy=3687.4×
30=110622N·
Mdy=620×
195=120900N·
则=2+2=106222+209002=21872XcydyMMMN·
求当量弯矩取修正系数α为0.6
2（）2596912（0.610186）252371
M=M+T=+×
=IxαN·
㎜
2（）2218722（0.610186）219384
=IIxαN·
确定危险截面及校核强度
W
MI
Iσ=（3.19）
14.3
0.112
52371
0.13
3=
===d
I
IW
σMMpa
11.6
19384
IIW
由参考文献（机械设计手册）知[]160bs-=Mpa，满足[]e1bss-£
的条件，故设计的轴有足够的强度，并有一定裕度。
因此，此轴不必在做修改
轴的结构和受力分析如图（3.2）所示：
Fr3
FVAFVB
FHA
Fr2
FrB
Ft2Ft3
Fr2Fr3
a）轴的结构
b）轴受力图
c）水平面受力图
d）垂直面受力图
M/N.mm
T=130822N.mm
121423
87012
11408
81764
41584
29760
h）转矩图
g）合成弯矩图
f）垂直面弯矩图
e）水平面弯矩图
图（3.2）轴的结构和受力分析
3.1.5滚动轴承的选择计算
1滚动轴承的类型选择:
选取向心球轴承原则:
①轴承负荷
②轴承的转速
③调心性能
④安装与拆卸
这里选取轴承代号为3182124的双列向心短圆柱滚子轴承
基本额定动载荷为255KN；
2滚动轴承的计算
滚动轴承疲劳寿命的基本计算公式为:
L10=（C/P）ε（3.20）
其中ε--寿命系数;
球轴承ε=3,滚子轴承ε=10/3;
P--当量东载荷（N）;
C--基本额定动负荷（N）;
因P=X×
Fr+Y×
Fa，又Fa=0，故P=1488×
1=1488N,
其中X、Y由表3-89选的，
X=1，Y=0；
C=Cr=22KN,ε=3,
故其疲劳寿命L10=（22×
10³
1488）³
3.2×
;
或由公式L10h=10³
60n·
（C/P）ε（3.21）
得L10h=10³
60×
122·
（22×
≈441518h
因为所设计轴的强度裕度不大，此轴不必在做修改
3.1.6键的选用与计算
因为键是动联接，所以选用普通的平键
轴
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