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刀库设计
本科毕业论文（设计）
数控机床盘式刀库设计
龚剑锋
200730510311
指导教师
徐凤英副教授
学院名称
工程学院
专业名称
机械设计制造及其自动化
论文提交日期
2011年5月
论文答辩日期
2011年5月
摘要
加工中心是一种备有刀库并能自动换刀对工件进行多工序加工的数控机床。
它是适应省力、省时和节能的时代要求发展起来的，它综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、气动技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通讯诊断、刀具和应用编程技术为一身的高科技产品。
而刀库是一台加工中心关键的、必不可少的组成部分，刀库的功能是储存加工工序所需的各种刀具，并按程序T指令，把将要用的刀具准确地送到换刀位置，并接受从主轴送来的已用刀具。
刀库的储存量一般在8—64把范围内，多的可达100～200把。
加工中心刀库的形式很多，结构也各不相同，最常用的有圆盘式刀库、链式刀库和格子盒式刀库。
盘形刀库为最常用的一种形式，每一刀座均可存放一把刀具。
盘形刀库的储存量一般为15~40把。
盘形刀库的种类葚多，刀库的刀具轴线可以按不同的方向配置。
单盘式刀库的结构简单，取刀也较方便，因此应用最为广泛。
本设计是基于24把型号为BT40的刀具的盘式刀库整体结构设计。
其整体思路是：
利用两个伺服电机来实现换刀动作的整个圆盘的水平运动和转动，一个电机经槽轮、齿轮减速带动圆盘的转动，另外一个电机通过滚珠丝杠实现整个圆盘的水平运动。
关键词：
加工中心盘形刀库槽轮机构
DesignforDisk-typeKnifeLibrary
GongJianfeng
（CollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversityGuangzhou510642,China）
Abstract：
Machiningcenterisanumericalcontrolmachinewhichcanautomaticallychangethetoolsamongthelibraryofknives,forthemultistepprocessingofworkpiece.Asahigh-techproduct,machiningcentercombineswiththemechanicaltechnology,electronictechnology,computersoftwaretechnology,pneumatictechnology,draggingtechnology,moderncontroltheory,measurementandsensingtechnologyandcommunicationsdiagnosis,cuttingtoolsandapplicationprogrammingtechnology.However,knifelibraryisanindispensablepartofmachiningcenter.Knifelibraryisusedtostorevariousknivesneededinthemanufacturingprocesses,transferthemtotherightpositionfollowingtheTinstructions,andcollecttheusedknifefromthespindle.Aknifelibrarysimplelystores8to64knives,100to200tothemost.
Therearemanydifferenttypesofknifelibraryinthemachiningcenter,andthemostcommonlyusedincludesdisk-typeknifelibrary,chainknifelibraryandgridcassetteknifelibrary.
……
Keywords:
MachiningcenterDisk-typeknifelibraryGenevamechanism
1前言1
1.1设计意义1
1.2设计依据1
1.3数控加工中心概述1
1.3.1数控加工中心近十年国内外状况1
1.4数控加工中心自动换刀装置2
1.5数控加工中心的刀库形式2
1.6设计内容2
2总体方案确定3
2.1刀库方案比较3
2.2刀库方案选择3
3理论分析及设计4
3.1刀库有关参数的设定、校核4
3.2刀库的转动机构设计4
3.2.1槽轮尺寸计算5
3.2.2槽轮的校核5
3.3刀库转动交流伺服电机选择6
3.4确定各轴的输出转速和输出功率6
3.4.1各轴转速6
3.4.2轴功率6
3.5轴的设计6
3.6刀库水平移动传动机构设计7
3.6.1滚珠丝杠的运动参数7
3.6.2滚珠丝杠的设计7
3.6.3刀库移动横梁、导轨、安装板的设计8
4运动仿真与分析10
5结论12
参考文献13
附录14
致谢15
图、表清单、符合及其计量单位说明
图12
………
1前言
1.1设计意义
………
1.2设计依据
………
1.3数控加工中心概述
数控加工中心是目前世界上产量最高、应用最广泛的数控机床之一（HolbrookL.Horto，1959）。
它的综合加工能力较强，工件一次装夹后能完成较多的加工内容，加工精度较高，就中等加工难度的批量工件，其效率是普通设备的5-10倍，特别是它能完成许多普通设备不能完成的加工，对形状较复杂，精度要求高的单件加工或中小批量多品种生产更为适用（曹秋霞，2005；依兰欧克拉,2000）。
数控加工中心是一种功能较全的数控加工机床。
它把铣削、镗削、钻削、攻螺纹和切削螺纹等功能集中在一台设备上，使其具有多种工艺手段。
加工中心设置有刀库，刀库中存放着不同数量的各种刀具或检具，在加工过程中由程序自动选用和更换。
这是它与数控铣床、数控镗床的主要区别。
加工中心是一种综合加工能力较强的设备，工件一次装夹后能完成较多的加工步骤，加工精度较高，就中等加工难度的批量工件，其效率可以提高。
……
1.4数控加工中心自动换刀装置
数控镗、铣加工中心的自动换刀装置结构一般由刀库、机械手组成。
自动换刀装置应当具备换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具储备量、占地面积小、安全可靠等特性。
自动换刀的一般过程是：
刀库的储存、刀具的选择、刀具交换（韩俊峰，2007；廉元国,1995）。
（1）无机械手换刀
刀库与主轴同方向无机械手换刀方式的特点是：
刀库整体前后移动与主轴上直接换刀，省去机械手，结构紧凑，但刀库运动较多，刀库旋转是在工步与工步之间进行的，即旋转所需的辅助时间与加工时间不重合，因而换刀时间较长。
无机械手换刀方式主要用于小型加工中心，刀具数量较少，而且刀具尺寸也小。
（2）机械手换刀
……
1.5数控加工中心的刀库形式
刀库的功能是储存加工工序所需的各种刀具，并按程序T指令，把将要用的刀具准确地送到换取刀位置，并接受从主轴送来的已用刀具。
刀库的储存量一般在8-64把范围内，多的可达100～200把。
加工中心刀库的形式很多，结构也各不相同，最常用的有圆盘式刀库、链式刀库和格子盒式刀库（韩俊峰，2007；廉元国,1995；机电商情网，
（1）圆盘式刀库。
每个刀位上都有编号，一般从1编到12、18、20、24等，即为刀号地址。
其位置是固定不变的。
它具有制造成本低。
主要部件是刀库体及分度盘，只要这两样零件加工精度得到保证即可，运动部件中刀库的分度使用的是非常经典的“马氏机构”，前后、上下运动主要选用气缸。
装配调整比较方便，维护简单等特点。
……
1.6设计内容
在加工中心，刀库和机械手组成自动换刀装置ATC（AutomaticToolsChange），而这个换刀装置正是加工中心区别于NC镗铣床或NC铣床的本质所在，而自动换刀装置的优劣是判断加工中心性能好坏的主要因素。
圆盘式刀库及无臂式换刀装置适合于中小型加工中心，刀数目不多，结构紧凑，换刀速度一般。
本论文是开发设计出一种、成本较低、生产周期短的加工中心换刀刀库。
主要完成了一下的工作：
（1）论文设计前期，收集加工中心刀库资料，认识加工中心盘式刀库的作用的机构。
。
（2）通过对不用的结构原理方案和各部件的结构设计方案作分析对比，确定加工中心刀库的总体技术设计方案和主要技术性能参数。
……
2总体方案确定
2.1刀库方案比较
……
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，采用槽轮机构来驱动刀库的分度回转运动,可以简化机构。
但此机构定位精度不够高，为提高其定位精度宜采用带制动器的交流伺服电机，从而保证较高的定位精度。
……
2.2刀库方案选择
自动换刀系统采用无机械手换刀，刀库置于立柱侧面的横梁上（曹秋霞，2005；依兰欧克拉,2000）。
如图1所示。
1.主轴箱2立柱3.刀库4.工作台5.床身
图1刀库跟换刀装置结构图
刀库在横梁上的移动采用滚珠丝杆传动和快速移动电机。
采用盘形刀库，有槽轮机构（它转两圈，刀库主体转一圈）实现回转、分度和转位，有交流伺服电动机驱动。
3理论分析及设计
3.1刀库有关参数的设定、校核
表1盘式刀库主要参数
刀库容量
刀具规格
刀具最大直径
换刀时间
24把
BT40
Φ90（相邻有刀）
Φ140（无刀）
3.5s（刀对刀）
刀具最大重量
最大刀具长度
最大扭矩
6Kg
300mm
1591N*M
根据刀具形式及最大刀具直径，采用单环排列方式排放，每把刀之间的距离15mm,初选刀库直径D=850mm，采取轮辐式结构，材料为硬铝。
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。
一般刀套线速度
，得刀盘转速：
（3.1）
该YCMMV-66A系列加工中西的主轴转速范围是45-8000r/min，主轴电机功率是7.5KW，主轴端孔斜度是BT40，采用HSK刀柄，刀爪的外形尺寸据其设计，具体详见零件图1104-100000。
3.2刀库的转动机构设计
槽轮齿数z在3～18之间，过大会使槽轮尺寸变大，惯性力矩就随之变大，在槽轮转至要需要停止的位置要停止时振动也就大。
而我的刀库容量是24把刀，故在槽轮和刀盘主体之间加上一对减速比为2：
1的直齿圆柱轮，槽轮选择12齿，来实现槽轮转两圈，刀库主体转一圈，实现24把刀的准确定位。
槽轮机构如2图所示。
图2槽轮结构图
3.2.1槽轮尺寸计算
（1）槽轮角
：
（2）槽轮每次转位时曲柄的转角
：
（3）槽轮与锁止盘间的中心距L：
为了使转为定位机构更加紧凑，采用L=360mm
……
根据以上参数可设计出槽轮和锁止盘的尺寸，如槽轮和锁止盘零件图2所示。
材料选调质处理的45号钢。
3.2.2槽轮的校核
因为槽轮机构许用的最大法向接触力
（3.2）
（3.3）
……
3.3刀库转动交流伺服电机选择
（1）刀库系统转动惯量
（3.8）
（3.9）
式中:
：
负载的转动惯量，单位
：
各旋转件的转动惯量，单位
：
各旋转件的转速，单位r/min
：
电机的转动惯量，单位
：
电机的转速，单位r/min
……
3.4确定各轴的输出转速和输出功率
3.4.1各轴转速
伺服电机跟锁止盘相连，因此锁止盘的转速都等于电机的设定输出的转速，即：
槽轮轴（简称1轴）的转速：
……
3.4.2轴功率
……
3.5轴的设计
由上可知槽轮轴（简称1轴）输入功率：
，
转速
取
，
则轴径
轴上有两个键，轴的直径扩大10%～15%，取
（参考GT/T2822-1981）。
跟据d和扭矩选取角接轴承7226C。
轴的初步设计如图3所示：
图3槽轮轴结构图
装配方案是：
左端向右端依次安装左端轴承7232C、圆螺母、止动垫圈。
右端向左端依次安装右端轴承7232C、轴套、槽轮、圆螺母、止动垫圈、小齿轮、圆螺母、止动垫圈。
应用强度对上述的轴结构强度、键分别进行强度校核。
……
3.6刀库水平移动传动机构设计
3.6.1滚珠丝杠的运动参数
加速阶段：
匀速阶段：
……
3.6.2滚珠丝杠的设计
确定滚珠丝杠副的导程及额定动载荷
（3.12）
式中：
——滚珠丝管副的导程，单位mm
：
滑台的最高速度，单位m/min
：
电机最高转速，单位r/min
……
代入得
拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载
计算
……
3.6.3刀库移动横梁、导轨、安装板的设计
下方为刀库三维装配图的两个视图，1为安装板，作用是通过螺栓连接导轨连接到加工中心机床机体上，示意如图4所示。
滚珠丝杠的平台连接，实现刀库的水平移动。
装配关系详细请看总装配图1104-000000，安装板、导轨、移动板详细尺寸请看零件图1104-200020、1104-200030、1104-200040。
图4加工中心简图
1.立柱2.滚珠丝杠3.主轴4.刀库5.工作台6.床身
4运动仿真与分析
…….
图5刀库简略装配
1.箱体2.防尘环3.槽轮轴4.大轴承套5.槽轮6.大齿轮7.转盘轴8.中轴承套9.转盘体10.小齿轮11.小轴承套.12.锁止盘13.锁止盘轴
图6刀库三维装配图后视图
图7刀库三维装配俯视图
1．安装版2.导轨3.移动板
5结论
…….
参考文献
曹秋霞,陈新亚.加工中心圆盘式刀库转动定位机构的设计计算.机械传动.2005,30（4）:
34-36
邓文.槽轮机构在加工中心鼓轮式刀库上的应用.机械工程师,1999:
94-103
韩俊峰.加工中心刀柄系统.四川工程职业技术学院学报.2007,（3）:
62-65
机电商情网.数控机床自动换刀系统产品化研究.出版地：
出版者，出版年（更新日期）.
廉元国,张永洪.加工中心设计与应用.北京:
机械工业出版社,1995:
1-144
王健石.机械通用零部件优选手册.北京:
中国电力出版社,2008:
1-702
依兰欧克拉,比京克依兰,蒲小琼.数控平面加工中心轮式刀库自动换刀装置的设计.成都纺织高等专科学院学报.2000,14（3）:
27-30
HolbrookL.Horton.IngeniousMechanismsforDesignersandInventors.Newyork:
IndustrialPress,1959:
1-513
附录
…….
致谢
断断续续历时三个多月的毕业设计接近尾声了，我的设计也基本上圆满完成了。
此时回想过去设计的日子，体会多多，感慨也不少。
我基本上按照我初定的两阶段计划认真做我的毕业设计的。
设计过程也如我所料，遇到不少的问题。
开始的时候采用蜗轮蜗杆的传动机构，做了一小部分，由于后面的机构太复杂，搁置了。
现在看来其实蜗轮蜗杆机构比槽轮机构在转动控制方面好一些，刀盘运动比较平稳一些。
在设计刀夹机构的时候，因为找到的资料不多，只有一份期刊，两幅图，看了很长一段时间都没弄明白原理，后来才在参考实体的过程中慢慢领会。
这次设计中，从设计槽轮开始就要查机械设计手册，几乎每个主要零件设计都要查手册。
于是后来我就下了机械设计手册的PDF跟软件版。
软件版令我设计轴、齿轮、销、键等零件有很多便利。
毕业设计使把以前学过的学过的东西都融汇一炉了，从机构设计到力学校核，再到三维软件设计、AutoCAD出图，走了一个流程，明白了设计一个产品的基本思路。
这次毕业设计，我很感谢我的导师徐老师，从最初的设计思路、到之后的资料收集、方案确定落实、到后面的可行性分析，论文的写作，她都给耐心的指导和各方面得帮助。
我知道，为了指导我做好这次的毕业设计，徐老师付出了很多，在百忙之中抽出了很多时间给我。
没有徐老师的辛勤栽培，孜孜教诲，就没有我这次论文的顺利完成。
同时我还要感谢在我学习期间教会我各方面的知识，给予我极大的关心和支持的各位老师和同学。
毕业论文的完成，意味着我们踏入社会的新开始。
我是华南农业大学的学生，在今后的工作中我会继续发扬华农“不怕苦！
前途掌握在自己手里！
”的精神。
今天我以华农为荣，明天我要华农以我为荣！
再次感谢所有帮助和教育过我的老师，同学和朋友，从你们身上，我收获无数，谨以最朴实的话语致以最崇高的谢意！
华南农业大学
本科生毕业论文成绩评定表
学号
姓名
专业
毕业论文题目
指导教师评语
成绩（百分制）：
指导教师签名：
年 月 日
评
阅
人
评
语
及
成
绩
评
定
成绩
评定
标准
评分项目
分值
得分
选题
质量
20%
1
专业培养目标
5
2
课题难易度与工作量
10
3
理论意义或生产实践意义
5
能力
水平40%
4
查阅文献资料与综合运用知识能力
10
5
研究方案的设计能力
10
6
研究方法和手段的运用能力
10
7
外文应用能力
10
成果
质量40%
8
写作水平与写作规范
20
9
研究结果的理论或实际应用价值
20
评阅人评语：
成绩（百分制）：
评阅人签名：
年 月 日
答
辩委员会
意见与
成
绩
评
定
评价项目
具体要求（A级标准）
最高分
评分
A
B
C
D
E
论文质量
论文（设计）结构严谨，逻辑性强；有一定的学术价值或实用价值；文字表达准确流畅；论文格式规范；图表（或图纸）规范、符合要求。
60
55-60
49-54
43-48
37-42
≤36
论文报告、讲解
思路清晰；概念清楚，重点（创新点）突出；语言表达准确；报告时间、节奏掌握好。
20
19-20
17-18
15-16
13-14
≤12
答辩情况
答辩态度认真，能准确回答问题
20
19-20
17-18
15-16
13-14
≤12
是否同意通过论文答辩（打√）
1.同意
2.不同意
成绩（百分制）：
答辩委员会主席（签名）：
年月日
续上表：
成绩总评
论文总评分数：
论文成绩总评等级：
学院盖章：
年月日
注：
1、论文成绩评定等级：
参考评阅人的评阅、指导教师评阅情况，结合答辩情况，建议按指导教师评分、评阅人评分、答辩评分为4∶3∶3的比例评定论文总成绩分数，然后按优（90－100分）、良（80－89分）、中（70－79分）、及格（60－69分）、不及格（<60分）给出成绩等级。
2、论文成绩以分数的形式登记到教务管理系统。
附件六华南农业大学
本科生毕业设计成绩评定表
学号
姓名
专业
毕业设计题目
指导教师评语
成绩（百分制）：
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评阅人评语
成绩（百分制）：
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年 月 日
答辩委员会评语
成绩（百分制）：
答辩委员会签名：
年 月 日
成绩总评
毕业设计总评分数：
毕业设计成绩总评等级：
答辩委员会主席（签名）：
年月日
注：
1、毕业设计成绩评定等级：
参考评阅人的评阅、指导教师评阅情况，结合答辩情况，建议按指导教师评分、评阅人评分、答辩评分为4∶3∶3的比例评定论文总成绩分数，然后按优（90－100分）、良（80－89分）、中（70－79分）、及格（60－69分）、不及格（<60分）给出成绩等级。
2、论文成绩以分数的形式登记到教务管理系统
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