1、摘 要刀庫是自動換刀裝置中最主要的部件之一，其容量、布局以及具體結構對加工中心的設計有很大影響。刀庫是在小型加工中心應用最為廣泛，根據使用的場合和實際運用的要求，設計了相應的刀的圓盤式刀庫，并且對它的控制進行了一定的研究。論文首先對刀刀庫總體設計方案進行闡述，闡述其各部件的工作原理，然后就刀庫的結構設計與控制分章節對各個部分進行計算與設計。刀庫的結構設計是本文研究的重點，傳動部分為蝸桿蝸輪的一種減速裝置，對于該裝置中的蝸桿、蝸輪以及相關的軸都進行了詳細的計算;控制部分為刀庫送刀部分，由液壓控制和PLC控制完成。關鍵詞：，刀庫，蝸桿蝸輪，液壓，PLC。全套圖紙，加ABSTRACTTool sto

2、rage is one of the main components of automatic tool changer, have a great influence on the capacity, position and structure design of machining center.16-tool tool storage is used in the machining center is the most extensive, according to situation and actual requirements, design tool storage acco

3、rdingly, and the control of it was studied.Firstly, the overall design scheme of the tool storage, this paper presents the principle of each part, then the calculation and design of each part of structure design and control tool chapters.The structure design of the knife is the focus of this paper,

4、the transmission part is a worm and worm gear reducer, the worm, the worm wheel and the related device in the axis are calculated; the control part are tool storage delivering parts, controlled by the hydraulic control and PLC. Key words: tool storage, worm, worm gear, hydraulic pressure, PLC目 錄摘 要I

5、第1章 緒論11.1 自動換刀裝置的定義11.2自動換刀刀庫的歷程11.3 自動換刀裝置在國內外發展現狀11.4 自動換刀刀庫形式及各自應用范圍21.4.1刀庫的類型41.4.2本文所設計的刀庫5第2章 刀庫驅動電動機的選定82.1 按負載轉矩選82.3 校驗92.4 分配傳動比10第3章刀庫傳動機構的設計113.1初定刀套線速度113.2刀庫傳動方式以及11第4章傳動軸的設計154.1軸的材料154.2蝸桿軸的初步估算154.2.1初步估算軸的最小直徑154.2.2選擇聯軸器154.2.3確定滾動軸承的類型164.2.4初步估計蝸桿軸各段的尺寸164.3 蝸輪軸的初步估算174.3.1初步估

6、算軸的最小直徑174.3.2確定軸伸處的最小直徑174.3.3確定滾動軸承的類型174.3.4初步估計蝸輪軸的各段尺寸174.4 軸徑的設計與校核184.4.1 蝸桿軸184.4.2蝸輪軸的計算214.5蝸桿軸244.6蝸輪軸25第5章 刀具交換裝置的設計265.1換刀機械手抓刀部分結構265.2 機械手工作原理265.3 自動換刀裝置的動作順序275.4回零減速撞塊尺寸的計算275.5刀盤與刀套的設計285.5.1 刀套285.5.2 刀盤295.6刀具（刀座）識別裝置29第6章 自動換刀系統的設計306.1 刀庫選刀控制方式306.2 PLC型號選擇306.2.1 CPU22X系列基本單元

7、306.3 控制系統結構316.4 自動換刀系統控制原理316.5盤式刀庫換刀過程的介紹326.5.1 自動換刀程序流程圖336.5.2自動換刀參數設置346.5.3 宏程序設計346.5.4 PMC程序設計34第7章 結論35參 考 文 獻36致 謝37第1章 緒論1.1 自動換刀裝置的定義自動換刀裝置（Automatic tool changer,簡稱ATC）是指加工中心中能完成刀具儲存位置與主軸間的交換刀具裝置。其包括存儲刀具和刀具交換兩部分，前者稱為刀庫（Tool magazine），后者稱為換刀機構(Tool change mechanism)。刀庫是用來儲存加工過程中使用的刀具的一

8、種裝置。當加工中需要換刀具時，由換刀機構即機械手將刀具從刀庫中取出裝入主軸中，在此同時主軸中的舊刀具送到刀庫中儲存起來等待下次備用。二者根據主軸與刀庫刀具的相對位置，在比較有限的空間里巧妙的安裝和換刀動作設計，使刀庫中的新刀具可以經換刀機構與主軸中的舊刀具進行刀具交換動作。它的主要目的是為了減少機械加工過程中的非切削加工時間，以達到提高效率。降低上產成本的目的，進一步提高機床在整個生產過程中的生產力，因此自動換刀刀庫在加工中心中有著十分重要的角色。目前刀庫市場的ATC種類極其繁多，并且很多機型都是由廠商直接設計定型，因此自動刀庫既需要滿足功能上的需要，又需要成為機床的一部分。在當今激烈的市場環

9、境中，由于自動換刀裝置在縮短非機械加工時間中扮演重要角色。所以自動換刀裝置ATC的換刀時間也成為衡量機床性能的一個重要指標。1.2自動換刀刀庫的歷程從自動換刀裝置發展進程來看，1956年日本富士通研究出了數控轉塔式沖床，美國IBM公司也同期研制出“APT(刀具過程控制裝置)。1958年美國K&T公司研制成功帶有自動交換刀具裝置的加工中心。繼而1967年研制出了FMS(柔性制造系統)。1978年以后，加工中心得到了迅速發展，同時帶有ATC裝置，可以完成多種加工工序的機床，進入了機床發展的黃金時代。直到1983年國際標準化組織制定出了數控刀具錐柄的國際化標準，自動換刀系統從此形成了統一。1.3 自

10、動換刀裝置在國內外發展現狀當前國內外數控機床自動換刀系統中，刀具、輔具很多都是使用錐柄結構，刀柄與機床主軸的聯結、切削刀具的夾緊放松機構以及驅動方法大多都是使用同一種結構模式。在這種統一結構模式中，機床的主軸大多都是采用空心且帶有碟形彈簧組、長拉桿的結構形式，用液壓或者是氣動裝置提供驅動動力，來完成夾緊放松刀柄的動作。使用這種機構夾持刀具進行機械加工的最大障礙是，它無法同一時刻得到較高的夾持剛度和刀具振動精度，并且由于主軸結構復雜，主軸軸向尺寸有時會很大，再加之它的液壓驅動裝置和刀具輔具錐柄的制造成本較高，使得自動換刀系統的成本在機床整機中占有較大的比重。在刀具使用錐柄夾頭、側壓夾頭或者是彈簧

11、夾頭夾緊性能的對比實驗中，采用彈簧夾頭夾持刀具是唯一可以獲得高的夾持剛度和振擺精度。所使用這種夾持組件，刀具或刀具輔具可以做成圓柱形狀，就可以降低它的制造成本，提高制造精度。所以在當今的數控機床中也是采用彈簧夾頭作為刀具的夾持組件，因此機床的主軸結構和驅動方式仍需要使用和錐柄刀具完全相同的結構。在實際的數控機械加工中，特別是在要求有超高速主軸、主軸的徑向、軸向尺寸都很小的時候、如果沒有足夠大的換刀空間的微細加工場合中很難完成自動換刀，如果需要來完成自動換刀那勢必將提高機床成本。如在CNC控制磨削球面銑刀的數控磨削機床上，直接驅動主軸的是高速電機，使用的是小直徑盤形砂輪和指形砂輪來加工球面銑刀，

12、換刀空間是比較小，在這種條件比較差的情況下，將很難完成自動換刀。國外研制最新的內圓磨床中也是采用的彈簧夾頭自動換刀裝置并且售價昂貴。 1.4 自動換刀刀庫形式及各自應用范圍因為加工中心的自動換刀裝置是由機械手和刀庫組成的，它的機械機構是比較復雜，所以自動換刀裝置的品種繁多。因為自動換刀頻率比較高，所以加工中心對自動換刀的裝置的要求就相當苛刻如要求定位精度高動作平穩，工作可靠以及精度保持性等。這些要求都與加工中心的性能息息相關。表1.1 自動換刀刀庫的形式及應用范圍形式類別特點應用范圍轉塔式垂直轉塔頭根據驅動方式不同，可分為順序選刀或任意選刀結構緊湊簡單容納刀具數目少用于鉆削中心水平轉塔頭刀庫式

13、無機械手的換刀方式運用刀庫運動與主軸直接換刀的方式，省略去機械手結構緊湊刀庫運動較多小型加工中心機械手換刀刀庫只做選刀運動，機械手換刀布局靈活，換刀速度快各種加工中心機械手和刀具運送器刀庫距離機床主軸比較遠時，用刀具運送器可以將刀具送至機械手結構復雜大型加工中心成套更換方式更換轉塔的方式利用更換轉塔頭，增加換刀數目換刀時間基本不變擴大加工工藝的鉆削中心更換主軸箱的方式利用替換主軸箱，來擴展組合機床所需要的加工工藝范圍結構比較復雜擴大柔性的組合機床更換刀庫的方式通過擴展加工工藝，替換刀庫，還有其他的刀庫存儲器充分提高機床利用率和自動化程度擴展加工中心所需的加工工藝范圍加工比較復雜零件的時候，就需

14、要擁有很多刀具的加工中心或組成比較高級別的自動化的生產系統1.4.1刀庫的類型刀庫中的最關鍵的部件就是自動換刀裝置，自動換刀裝置的布局，容量和其機械結構都會對加工中心的具體設計產生重要影響。刀庫可以用來存放加工所需的刀具和輔助工具。因為大多數的數控中心換刀裝刀的位置都是對應著刀庫中一個固定的刀位，所以想要保證有可靠的換刀性能就必須要有能使刀具運動和定位機構。如果需要的話還要有一定傳動比減速機構。刀庫的定位即是能使需要的每一把刀或者是其刀套停在準確的位置。其控制部分可以采用十分簡的易位置控制器或相類似半閉環進給系統的伺服位置控制，也可以采用電氣和機械相結合的銷定為方式，一般要求綜合定為精度達到。

15、依據不同的取刀方法及不同的刀庫容量，刀庫可以被定為很多種類。圖1.1所示為常用的幾種刀庫形式。圖1.1中的是盤式的刀庫，為了能夠滿足不同的機床布局，刀庫的刀具軸線可以配置成不同的方向，圖1.1中d所示的盤式刀庫的刀具就可以翻轉，使用取刀動作比較簡化的結構，取刀也較為方便，多以它得到了最廣泛的使用。但由于圓盤尺寸受限制，刀庫的容量較?。ㄍǔＱb把刀）。圖1.1刀庫的形式a）軸向式 b）徑向式 c）斜向式 d）刀具翻轉式 e）鼓筒彈夾式f）鏈式 g）多盤式 h）格子式如果需要安放更多的刀具時，就可以選用圖1.1中的刀庫，它們可以在有限的空間里完成換刀的一系列動作，并且它們沒有過大的尺寸。圖1.1e所

16、示的是鼓筒彈夾式刀庫，由于它有很緊湊的結構，可以在相同的空間里擁有很大的刀庫容量。但是也帶來了取選刀的動作繁瑣的缺點。圖1.1f所示的是鏈式刀庫，它擁有很好的靈活性，因此有較多的刀庫容量。并且選刀和取刀的動作也是相當簡單。如果鏈條較長時，就可以增加支撐鏈輪的數目，使鏈條折迭能夠回繞，這一舉措大大提高了空間使用率。圖1.12g 1.1h所示的分別為多盤式和格子式刀庫，雖然它們都有前面所說的一些優點，但是由于換刀動作過于復雜，因此得到了較少的運用。1、 刀庫的類型加工中心上普遍采用的刀庫是盤式刀庫和鏈式刀庫。密集型的固定刀庫目前于用于FMS中的集中供刀系統。（1）盤式刀庫 盤式刀庫結構簡單，應用較

17、多，如圖1.2所示。因為刀具被排列成環形，降低了空間使用率。所以才有了雙環或者多環的盤式排列方式，這大大的增加了空間的利用率。但是這樣做的缺點就是有過大的外徑的刀盤，也帶來了過大的轉動慣量，選刀時間也延長很多，所以盤式刀庫能滿足刀具數量較少的場合。圖1.2 盤式刀庫的形式a）徑向取刀形式 b）軸向取刀形式 c）刀具徑向安裝 d）刀具斜向安裝（2）鏈式刀庫 如圖1.3，鏈式刀庫有緊湊的結構和較大的刀庫數量。鏈環可以根據場合不同做成不同的形狀，也可將換刀位翻轉出來以利換刀。如果鏈式刀庫需要增加刀具的數量時，就可以通過改變鏈條的長度和支撐輪的數量來實現，在一定要求范圍內，就不用改變線速度及慣量。正是

18、應為有這些特點及便于設計制造才使得鏈式刀庫得到了很大程度的運用。一般鏈式刀庫刀具數量在30120。圖1.3 鏈式刀庫的形式1.4.2本文所設計的刀庫由于是使用在小型加工中心上，所以采用的是圓盤刀庫的結構形式，以下是介紹本設計的結構組成與傳動過程。1、 換刀過程在介紹刀庫結構之前，先了解一下換刀過程。刀庫位于立柱左側，其中刀庫的安裝軸線方向和主軸線相垂直。換刀的時候應該先將刀具的位置與主軸軸線平行。等加工完成后主軸回到換刀點時，就可以自動換刀，如圖1.4所示。（1）刀套下翻 換刀前，刀庫2轉動，將待換刀具5送到換刀位置。換刀時，帶有刀具5的刀套4下翻，使刀具軸線與主軸軸線平行。（2）機械手抓刀

19、機械手1由原來位置按照順時針旋轉90度，等到兩手爪分別抓住主軸上的刀具和刀庫下翻的刀具。（3）刀具松開 主軸內的刀具接受到傳感器信號使得自動夾緊機構松開刀具。（4）機械手拔刀 機械手下降，下降的同時可以同一時刻拔出兩把刀具。（5）刀具位置交換 機械手抓著兩把刀具按照逆時針旋轉，完成交換兩把刀具位置。（6）機械手插刀 機械手上升，上升到特定位置時就把刀具插入主軸錐孔和刀套中。（7）刀具夾緊 主軸內的刀具自動夾緊機構加緊刀具。圖1.4 換到過程示意圖1機械手 2刀庫 3主軸 4刀套 5刀具（8）液壓缸活塞復位 驅動機械手按照逆時針旋轉度的液壓缸活塞回到原始位置。（9）機械手松刀 機械手1逆時針旋轉

20、90度，松開刀具并回到原始位置。（10）刀套上翻 刀套帶著刀具上翻。2、刀庫的結構與傳動（1）刀庫的結構組成 如圖1.5所示，為盤式刀庫結構示意圖。它的組成部件有電動機和蝸桿蝸輪、刀盤、刀套、液壓缸、及撥叉。它的具體機構，如圖1.6所示。（2）刀庫的選刀過程 首先由數控系統發出了換刀的信號，通過直流伺服電動機1再經聯軸器2及蝸桿3、蝸輪4來帶動刀盤12和安裝在它上的16個刀套11旋轉相應角度，以實現選刀的過程。（3）刀套翻轉過程 等到所需刀具到達了換刀位置的時候，刀套尾部的滾子10就會轉入撥叉8的槽內。這是，在液壓缸5的下腔注入液壓油后，活塞就會推動撥叉上升，此時就會自動松開行程開關7，來斷開

21、相應電路，防止刀庫、主軸發生意外。隨著撥叉上升，連帶動刀套下翻，以使得主軸軸線與刀具軸線平行，這時行程開關6，發出信號使機械手抓住刀。相反，撥叉下降后，就會帶動刀套上翻。圖1.5刀庫結構示意圖1電動機 2聯軸器 3蝸桿 4蝸輪 5液壓缸 6、7行程開關8撥叉 9擋標 10滾子 11刀套 12刀盤圖1.6 刀庫結構圖 4蝸桿11液壓缸 12活塞桿 16撥叉40銷軸 49滾子17刀套55蝸輪56行程開關第2章 刀庫驅動電動機的選定刀庫的驅動大多都是用伺服電機或者是液動電機，由于我國加工中心大多都采用伺服電機驅動的方式，所以在本論文設計中也用伺服電動機來作為驅動。2.1 按負載轉矩選 施加在伺服電動

22、機軸上的負載轉矩應比電動機額定連續轉矩小。由于盤式刀庫的負載轉矩主要來自刀具重量的不平衡，其計算方法如下：假設將三把最重刀具擺放在一起，按加工中心規格規定的最大刀具重量計算，并且使得其重心則設定為離刀庫回轉中心半徑處。設刀庫半徑為300mm，刀具最大重量為8kg。所以 通過公式把上面的負載轉矩轉化為電機主軸上的轉矩 式中：傳動比； 傳動效率。本設計中，為了降低傳動速度，所以傳動比定為。傳動效率為： 式中：聯軸器的傳動功率； 蝸桿的傳動功率； 軸承的傳動功率。 考慮到實際情況比計算時所設定條件復雜，電機額定轉矩應為負載轉矩的1.21.5倍，亦即： 2.2按加速時的最大轉矩選加速時的最大轉矩,包括

23、加速轉矩和負載轉矩，即： 加速轉矩按下式計算： 式中：刀庫選刀時的電動機轉速； 加速時間，通常取150200（ms）； 電動機轉子慣量； 負載慣量折算到電動機軸上的慣量。設計中，初選，。 加速時的最大轉矩應小于電機的最大轉矩，即： 2.3 校驗 因為 所以該結果滿足條件。根據以上計算結果，所選電機型號如下：表2.1 所選電機型號型 號輸入功率額定轉矩（）最大轉矩最高轉速轉子慣量FB252.534.330910000.0322.4 分配傳動比在前一章中以介紹為了降低傳動的速度，傳動比選為20. 各軸轉速軸 軸 各軸的輸入功率軸 軸 各軸的輸入轉矩電動機的輸入轉矩為:故: 軸 軸 表2.2 分配傳

24、動比軸名功率轉矩轉速傳動比效率電機軸2.523875100010.99軸2.47523636.251000200.99軸1.764.3850200.72第3章 刀庫傳動機構的設計3.1初定刀套線速度刀套線速度影響選刀效率，但是過快的線速度又影響刀庫工作可靠性。一般推薦為2230m/min，在本次設計中，刀套線速度初定為25m/min。3.2刀庫傳動方式以及為了能夠讓伺服電機能保持最好的工作性能，大多數情況下都是不采用低速段的伺服電機。這就使得必須要采用蝸輪減速裝置了。以下為蝸桿傳動的設計計算：蝸桿材料一般都是采用45#鋼，表面硬度45HRC，砂型鑄造，蝸桿材料采用ZCuSn10P1，計算步驟如

25、下：計算項目 計算內容 計算結果（一）初選【】值 1、當量摩擦系數 設，查機械設計 表13.6，取大值； 2、選【】值 在機械設計圖13.11的線上任選一點，查得，（傳動嚙合效率）。（二）中心距計算1、蝸輪轉矩 2、使用系數 按題意查機械設計表12.9 3、轉速系數 4、彈性系數 由機械設計查表13.2得 5、壽命系數 6、接觸系數 由機械設計圖13.12線查出 7、接觸疲勞極限 由機械設計表13.2得 8、接觸疲勞最小安全系數 由機械設計手冊查得 9、中心距 取 中心距可以通過由機械設計手冊第三冊的23-211表25-5-4（GB10085-88）選取而得。（三）傳動基本尺寸1、蝸桿頭數 由

26、機械設計圖13.11查得 ，也可用式13.22計算 取2、蝸輪系數 取3、模數 取4、蝸桿分度圓直徑 取5、蝸輪分度圓直徑 6、蝸桿導程角 7、蝸輪寬度 取8、蝸桿圓周速度 9、相對滑動速度 10、當量摩擦系數 由機械設計表13.6查得 （四）齒面解除疲勞強度驗算1、許用接觸應力 2、最大接觸應力 （五）輪齒彎曲疲勞強度驗算1、齒根彎曲疲勞極限 由機械設計表13.2查出 2、彎曲疲勞最小安全系數 通過題目要求和機械設計手冊查出 3、許用彎曲疲勞應力 4、輪齒最大彎曲應力 （六）蝸桿軸擾度驗算1、軸慣性矩 2、允許蝸桿擾度 3、蝸桿軸擾度 （此處取） 合格 （七）溫度計算1、傳動嚙合效率 2、攪

27、油效率 根據蝸桿的潤滑條件，查機械設計手冊得： 3、軸承效率 根據蝸桿傳動要求，查 機械設計手冊得： 4、總效率 5、散熱面積估算 6、箱體工作溫度 （八）潤滑油粘度和潤滑方法1、潤滑油粘度 2、潤滑方法 由機械設計表13.7，可采用浸油潤滑所有計算結果如表2-3所示：表3-1 蝸輪蝸桿的幾何尺寸名稱符號計算結果蝸桿頭數模數蝸桿分度圓直徑中心距蝸輪齒數蝸輪分度圓直徑蝸輪寬度蝸桿軸向齒距蝸桿導程蝸桿齒頂圓直徑蝸桿齒根圓直徑節圓直徑中圓導程角蝸輪喉圓直徑蝸輪齒根圓直徑蝸輪外徑注：取齒頂高，徑向間隙，。第4章 傳動軸的設計蝸桿渦輪常常是作為一種重要的減速裝置，在減速裝置中軸它既要收彎矩又要受扭矩。軸

28、的設計過程中通常包括如下內容：材料選擇，初步估算軸徑，軸的結構設計，通過彎扭的合成來進行軸的強度校核，軸的公差與配合的確定，軸的工作圖的繪制。4.1軸的材料軸的材料用碳鋼及合金鋼，減速裝置的軸以45號鋼調質處理應用最為廣泛，硬度217HB255HB，。4.2蝸桿軸的初步估算4.2.1初步估算軸的最小直徑軸的直徑，可根據軸所傳遞的功率及軸的轉速,按下式進行估算：該段軸上有一鍵槽將計算值加大3%，應為16.07式中：C與軸材料有關的系數，通過機械設計表16.2查得，根據軸的材料取115。4.2.2選擇聯軸器一、根據傳動裝置的工作條件擬選用YL,YLD型凸緣聯軸器（GB5843-86摘錄）。計算轉矩

29、為：式中：T聯軸器所傳遞的名義轉矩； k工作情況系數，；根據，通過查機械設計課程設計手冊YLD4, YL4型凸緣聯軸器就可以滿足傳遞轉矩的要求,其軸孔直徑范圍為。二、最后確定蝸桿軸軸伸處的直徑為，型軸孔長度，螺栓數量為4，直徑M8，型。4.2.3確定滾動軸承的類型由于采用的是蝸桿蝸輪傳動，既受徑向力，也受軸向力，所以采用角接觸球軸承（GB292-94）.表4.1 所選軸承型號軸承代號基本尺寸/mm安裝尺寸70000C70000AC極限轉速dDBmin基本額定基本額定脂潤滑油潤滑動載荷靜載荷動載荷靜載荷minmaxKNKN7007C35621410.34156113.519.514.218.31

30、8.513.58500120004.2.4初步估計蝸桿軸各段的尺寸根據軸上零件的受力大小情況不同，滿足固定和定位，來初步確定軸的階梯段。 圖4.1 蝸桿軸估計各段尺寸：1、3段 通過1、3段軸上安裝的是軸承，然而軸承的直徑約為，所以可以確定1,3段軸的直徑為，長度為25mm。2段 由于蝸桿的齒根圓直徑為，所以確定這段軸的直徑為，長度為250mm。4段 選用直徑為，長度為50mm。5段 直徑為，長度為100mm，鍵，。4.3 蝸輪軸的初步估算4.3.1初步估算軸的最小直徑初步估計軸直徑，可以根據軸上所傳遞的功率大小及軸的轉速,高低進行估算：該段軸上有一鍵槽將計算值加大3%，應為38.85mm公式

31、中：C與軸材料有關的系數，通過機械設計表16.2查得，根據軸的材料取115。4.3.2確定軸伸處的最小直徑通過對刀盤的大概設計要求，最后確定了蝸輪軸軸伸處的直徑是。4.3.3確定滾動軸承的類型與蝸桿一樣，采用角接觸球軸承（GB292-94）表4.2 所選軸承型號軸承代號基本尺寸/mm安裝尺寸70000C70000AC極限轉速dDBmin基本額定基本額定脂潤滑油潤滑動載荷靜載荷動載荷靜載荷minmaxKNKN7010C50801610.35674116.726.522.023.221.06700670090004.3.4初步估計蝸輪軸的各段尺寸通過對軸上零件的受力情況不同，固定和定位的要求不同，

32、初步確定軸的階梯段。圖4.2 蝸輪軸估計各段尺寸：2、6段 由于2 ，6段軸上安裝的是軸承，軸承的直徑，所以可以確定兩端軸的直徑為，長度為；1段 直徑為，長度為，；3段 直徑為，長為50mm；4段 直徑為，長為10mm；5段 直徑為，長為60mm，。4.4 軸徑的設計與校核4.4.1 蝸桿軸一、計算蝸桿受力： 二、蝸桿受力： (a) 垂直面受力圖：解得： (b) 垂直面彎矩圖：（c）水平面受力圖：（d）水平面彎矩圖：(e) 合成彎矩圖：(f) 轉矩圖：(g) 當量彎矩圖：三、許用應力1、許用應力值 用插入法由機械設計表16.3查得：，2、應力校正系數 3、畫當量彎矩圖 4、當量彎矩 在蝸桿中間

33、截面處： 在左軸頸中間截面處： 當量彎矩圖如圖（g）所示。四、校核軸徑1、齒根圓直徑 2、軸徑 五、用安全系數法校核轉軸的強度（一）、 判斷危險截面初步估計分析、四個截面上都有較大的應力集中，一下是以截面為例進行安全系數校核。1、對稱循環疲勞極限 軸材料采用45#鋼調質，由機械設計表3.2的公式可求得疲勞極限； 2、脈動循環疲勞極限 3、等效系數 （二）、截面上的應力1、彎矩（截面） 2、彎曲應力幅 3、彎曲平均應力 4、扭轉切應力 5、扭轉切應力幅和平均切應力 （三）、應力集中系數1、有效應力集中系數 因在此截面處，有軸直徑變化，過渡圓角半徑，由，和，從機械設計附錄表1中查出（用插值法），2

34、、表面狀態系數 由機械設計附錄表5查得， 3、尺寸系數 由機械設計附錄表6查得（按靠近應力集中處的最小直徑查得）（四）安全系數1、彎曲安全系數 設為無限壽命，由機械設計式16.5得： 2、扭轉安全系數 3、復合安全系數 結論：根據校核，截面足夠安全。4.4.2蝸輪軸的計算一、 計算蝸輪受力圓周力： 徑向力： 軸向力： （a） 垂直面受力圖：（b） 垂直面彎矩圖：（c） 水平面受力圖：（d） 水平面彎矩圖：（e） 合成彎矩圖：（f） 轉矩圖：（g） 當量彎矩圖：二、 許用應力1、許用應力值 用插入法由機械設計表16.3查得：，2、應力校正系數 三、畫當量彎矩圖1、當量轉矩 ，見圖（f）2、當量彎

35、矩 在蝸輪軸的中間截面處； 在左軸頸中間截面處； 三、 校核軸徑1、軸徑 四、 用安全系數法校核軸的強度（一）、判斷危險截面 初步估計分析、四個截面都有較大的應力集中，下面以截面為例進行安全系數校核。1、對稱循環疲勞極限 軸的材料選用45鋼調質，由機械設計表3.2所列公式可求得疲勞極限： 2、脈動循環疲勞極限 3、等效系數 （二）、截面上的應力1、彎矩（截面） 2、彎曲應力幅 3、彎曲平均應力 4、扭轉切應力 5、扭轉切應力幅和平均切應力 （三）、應力集中系數1、有效應力集中系數 在這個截面處，有軸直徑的變化，過渡圓角半徑，由，和，機械設計附錄表1中查出（用插值法），2、表面狀態系數 由機械設

36、計附錄表5查得： 3、尺寸系數 由機械設計附錄表6查得：，（按靠近應力集中處的最小直徑查得）（四）、安全系數1、彎曲安全系數 設為無限壽命，,由機械設計式16.5得： 2、扭轉安全系數 3、復合安全系數 結論：根據校核，截面足夠安全。4.5蝸桿軸查手冊7007C軸承主要性能參數如下：, , ；用插入法查得：，查機械設計課程設計手冊,計算額定動載荷：4.6蝸輪軸查機械設計課程設計手冊7010C軸承主要性能參數如下：，；用插入法查得：，查機械設計課程設計手冊，計算額定動載荷：第5章 刀具交換裝置的設計5.1換刀機械手抓刀部分結構圖5.1 機械手結構圖1.手爪 2.錐銷 3.手臂 4.5.彈簧 6.

37、活動銷 7.長銷 8.鎖緊銷本機床上使用的換刀機械手都是回轉式單臂雙手式。在完成換刀過程中，機械手必須按順序完成抓刀，拔刀，然后是交換刀具，后一步就是插刀，復位動作。本文中的機械手主要是通過機械臂9和固定在其兩端的完全一樣的兩個手爪6組成。手爪6上的圓弧都有一個錐銷4，當機械手抓刀的時侯，該錐銷即會插入刀柄的鍵槽中。在機械手從原位的位置旋轉90后抓住刀具時，兩手爪上的長銷釘12就會分別被主軸前端面和刀庫上的擋塊壓下，這樣就會使地軸向開有長槽的活動銷14在彈簧的作用下向右端移動頂住刀具錐柄。當機械手拔刀時侯，長銷就會與擋塊脫離接觸，鎖緊銷就會被彈簧彈起，使的活動銷頂住刀具刀柄不能后移，這種結構的

38、好處在于機械手做回轉180時，刀具就不會被甩出。當機械手上升插刀的過程中時，兩長銷又會被兩擋塊壓下，鎖緊銷就會從活動銷孔中退出，松開刀具，機械手便可反轉90復位。5.2 機械手工作原理 大多數機械手安裝在主軸的左側面，隨同主軸箱一起運動。機械手由機械手臂與45的斜殼體組成。機械手臂1形狀對稱。固定在回轉軸4上，回轉軸與主軸成45角，安裝在殼體3上，5為手臂托，可由液壓缸帶動（圖中未標出），機械手有伸縮、回轉、抓刀、松刀等動作。伸縮動作：液壓缸（圖中未標出）帶動手臂托架5沿主軸軸向移動?；剞D動作：液壓缸2中的齒條輪經過齒輪帶動回轉軸4一起轉動。從而完成手臂正向和反向180的旋轉運動。抓刀、松刀動

39、作：機械手對刀具的夾緊和松開是被液壓缸6控制。碟形彈簧7及拉桿8、杠桿9、活動爪10來完成。碟形彈簧實現夾緊，液壓缸實現松開。在活動爪中有兩個銷子11，當夾緊刀具時，插入刀柄凸緣的孔內，確保安全、可靠。5.3 自動換刀裝置的動作順序換刀動作的大致過程為：1)主軸箱回到最高處（z坐標零點），同時實現“主軸準?！薄?保證二者鍵槽始終正對2)機械手抓住主軸和刀庫上的刀具。如圖6.2所示。3)把卡緊在主軸和發庫上的刀具松開4)活塞桿推動機械手做下行運動時，從主軸和刀庫中取出刀具5)機械手回轉180，交換刀具位置，6)將更換后的刀具裝入主軸和刀庫7)分別夾緊主軸和刀庫上的刀具8)機械手松開主軸和刀庫上的

40、刀具9)當機械手松開刀具后，同時限位開關就會發出“換刀完畢”的信號，主軸就可以開始加工或其他程序動作。在整個換刀過程中，各項運動都必須由限位開關來控制，只有上一個動作完成后，才可以進行下一個動作，繼而才能確保了運動的可靠性圖5.2自動換刀的順序 5.4回零減速撞塊尺寸的計算為了使刀套準確地回到坐標零點，在零點前面設置減速行程開關，其回零減速撞塊尺寸如圖5.3所示，按下列公式計算：圖5.3 回零減速撞塊尺寸計算減速撞塊長度:式中：快速移動速度（）； 快速移動時間常熟（），通常取； 伺服時間常熟（），； 減速后速度（），可在范圍內設定，一般設在30左右為好，在該設計中，??； 。5.5刀盤與刀套的設

41、計5.5.1 刀套參考數控機床與機械結構中對刀套結構的設計，所以采用40號刀柄的進行設計，草圖如圖5.4所示，尺寸參照零件圖；圖5.4 刀套結構圖1彈簧 2螺紋套 3球頭銷釘 4刀套體 5滾套 6銷軸 7滾子5.5.2 刀盤刀盤尺寸由裝配圖可知。5.6刀具（刀座）識別裝置刀具的識別是組成自動換刀系統的重要部分。在本論文中也同樣采用接觸式刀具識別。接觸式刀具識別相對于其它裝置應用較少，尤其能夠滿足在較小空間位置的刀具編碼。其識別原理如圖5.5所示。在刀柄1上裝有兩種直徑大小不同的編碼圓環，按照通用規定大直徑的環代表著二進制的“1”，小直徑的環代表著“0”，圖中有5個編碼環4，在刀庫附近固定的一個

42、刀具識別裝置2，從中伸出幾個觸針3，觸針數量與刀柄上的編碼環個數相等。在其上面的每個觸針都會與一個繼電器相聯，當編碼環是大直徑時與觸針接觸，繼電器就會導通通電，其數碼為“1”。當編碼環是小直徑時與觸針不接觸，繼電器不通電，其數碼為“0”。由于各繼電器讀出的數碼與所需刀具的編碼一致，由控制裝置發出信號，使刀庫停轉，等待換刀。圖5.5 刀柄編碼示意圖1刀柄 2刀具識別裝置 3觸針 4編碼環第6章 自動換刀系統的設計6.1 刀庫選刀控制方式換刀方式主要有固定換刀和隨機換刀。前一種方式刀庫的刀套號和刀具號始終一致; 而后一種方式,刀套號和刀具號在換刀過程中不一致。固定的換刀方式它沒有預選功能。不管換刀

43、的次數頻率多少，刀套號與刀具號始終對應。這種換刀方式的弊端就在于換刀時間較長，只能滿足刀具容量較小的場合。由于它沒有預選功能,每次加工完都必須先歸還舊刀再換新刀, 刀庫是不帶機械手, 用Z 軸運動進給, 換刀時間較長。隨機換刀是帶有機械手臂,能夠完成預選刀具。刀具號與刀套號不對應, 其自帶的系統有相應的刀具表，這個表會自動記憶刀具使用情況, 刀具表中刀套號是固定不變的, 然而刀具號是會隨時隨刀具交換發生變化的。 只要產生刀具交換,則刀具表也會立馬進行數據交換。通過這種方式換刀優點在于換刀時間短，適用于多種換刀系統。6.2 PLC型號選擇由西門子公司生產的S7-200系列PLC大多數情況下可以滿

44、足多種自動化控制的需要。它設計緊湊，擴展性好，價格低廉，指令系統強大，多以在市場上深受消費者好評。這些特點使得S7-200可以近乎完美地滿足小規模的控制要求。此外，多種多樣的CPU類型和電壓等級讓它在工業控制問題中能很好的解決問題。同時也具有很強的適應性和可選擇性。 圖6.1 主機與計算機連接 S7-200 CPU22X系列的PLC，由于它具有多種功能模塊和人機界面可供選擇，因此很容易組成PLC網絡。 6.2.1 CPU22X系列基本單元近幾年西門子公司推出的S7-200 CPU22X系列產品有：CPU221模塊、CPU222模塊、CPU224模塊、CPU226模塊、CPU226XM模塊。S7-200 CPU22X系列產品的主要性能如表4.1所示，供用戶在進行系統設計時查詢。CPU22X系列產品指令豐富、速度快、具有較強的通信能力。例如，CPU226模塊的I/O總數為40點，其中輸入點24點，輸出點16點；可帶7個擴展模塊；用戶程序存儲器容量為8KB；內置高速計數器，具有PID控制器的功能；有2個高速脈沖輸出端和2個RS-485通信口；具有PPI通信協議、MP