1、本科毕业论文（20 届）三轴立式加工中心圆盘式刀库结构设计所在学院专业班级 机械设计制造及其自动化学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 2015 年 06 月 01 日毕业设计任务书设计题目： 三轴立式加工中心圆盘式刀库结构设计 1课题意义及目标本课题拟设计一种盘式刀库，这种刀库在数控加工中心上应用非常广泛，其换刀过程简单，换刀时间短，定位精度高；总体结构简单、紧凑，动作准确可靠；维护方便，成本低。本课题研究对象为立式加工中心，刀库容量为 24 把，换刀时间为5 秒，刀柄
2、规格自定，最大刀具长度 300mm，最大刀具直径 80mm，最大刀具重量7kg。2主要内容该课题要求设计出一种结构简单、安全实用的立式加工中心的圆盘式刀库；并利用 PLC 实现对刀库的选刀控制。1）毕业设计论文一份；2）刀库结构装配图；3）主要零件图；4）选刀控制 PLC 程序3主要参考资料1 廉元国，张永洪编.加工中心设计与应用.北京：机械工业出版社，19952 向金林.TH7130 立式加工中心自动换刀系统的设计.装备制造技术，20063 曹秋霞，马国亮.小型立式加工中心圆盘式刀库的设计.机电产品开发与创新，20054进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1 拟定并论证总体方案 3 月 3
3、 日3 月 23 日2 根据刀库类型进行刀库结构设计 3 月 24 日4 月 13 日3 绘制结构装配图及零件图 4 月 14 日5 月 4 日4 选刀控制 PLC 程序设计 5 月 5 日6 月 1 日5 完成毕业论文及答辩工作 6 月 2 日6 月 22 日审核人： 年 月 日I三轴立式加工中心圆盘式刀库结构设计摘 要：三轴立式加工中心圆盘式刀库在数控加工中心上应用非常广泛，其换刀过程简单，换刀时间短，定位精度高；总体结构简单、紧凑，动作准确可靠；维护方便，成本低。本课题研究对象为立式加工中心，刀库容量为 24 把，换刀时间为 5 秒，刀柄规格自定，最大刀具长度 300mm，最大刀具直径
4、80mm，最大刀具重量 7kg。本设计主要进行刀库的结构设计，传动部分为蜗杆蜗轮减速装置；并用 PLC 完成控制选刀。关键词： 三轴立式加工中心，圆盘式刀库，刀库，PLC 控制程序Three-axis vertical machining centre disc-cutter structure design Abstract：Three-axis vertical machining centre disc tool magazine is widely used in NC machining center, the tool changing process is simple, too
5、l changing time is short, high positioning accuracy; the overall structure is simple and compact, accurate and reliable; easy maintenance and low cost.This project studied the vertical machining center, tool storage capacity of 24, tool changing time is 5 seconds, handle custom specifications, maxim
6、um tool length 300mm, Max tool diameter 80mm maximum tool weight 7kg. The design of the main structure design of tool storage, transmission parts for worm speed reducers using PLC control selected knives.Keywords: Three-axis vertical machining centers, disc cutter, tool storage ,PLC control program.
7、II目 录1 前言 .11.1 加工中心的概述 .11.2 加工中心的分类 .11.3 刀库 .31.4 刀库及其换刀方式 .41.4.1 换刀方式 .41.4.2 刀库的结构 .52 刀库的主要参数 .72.1 刀库的速度拟定 .72.2 刀库直径的拟定 .72.3 刀柄型号参数 .73 刀库电动机的选择 .94 蜗轮与蜗杆 .114.1 蜗轮与蜗杆的材料选择 .114.2 蜗轮与蜗杆的参数确定 .114.3 蜗轮与蜗杆的强度计算 .144.3.1 蜗轮齿面接触疲劳强度计算与校核 .144.3.2 蜗轮齿根弯曲疲劳强度的计算与校核 .144.4 蜗杆的刚度计算 .154.5 蜗杆轴的校核 .
8、164.6 联轴器的确定 .164.7 蜗杆滚动轴承的选择 .174.8 初步设计蜗杆轴的尺寸 .174.9 蜗轮轴的初步设计 .174.10 蜗轮轴的轴承选择 .184.11 蜗轮轴的尺寸确定 .185 蜗轮轴与蜗杆轴的受力分析及校核 .195.1 蜗杆轴的受力分析 .19III5.2 蜗杆轴的校核 .225.3 蜗轮轴的受力分析 .235.4 蜗轮轴的校核 .255.5 轴承的计算及使用寿命的预期计算 .265.5.1 角接触轴承的径向载荷 Fr 与轴向载荷 Fa 的计算 .265.5.2 蜗杆轴的角接触球轴承的预期寿命计算 .275.5.3 蜗轮轴的角接触球轴承的预期寿命计算 .286
9、刀库设计中的液压系统设计 .317 PLC 选刀控制 .347.1 控制系统结构的设计 .347.2 PLC 控制程序的设计 .347.3 PLC 程序设计 .358 毕业设计结论 .38参考文献 .39致 谢 .40太原工业学院毕业设计11 前言1.1 加工中心的概述出现在1952年第一次世界上数控机床,使多品种、中小批量机械加工设备的柔性化、自动化和效率发生了一个巨大的变化。很容易修改数控加工程序,从而比大规模生产重使用组合机床生产线和凸轮开关控制特殊机床更加灵活,容易适应产品品种的变化,各种各样的处理。它使用机床的数控系统技术,全自动数字控制和辅助功能,因此有一个更高的自动化程度和加工效
10、率,从而改变了在中小批量生产的传统机床加工条件。数控机床可以达到超过两坐标联动功能,其效率和达到的精度比传统机床高得多。在1958年第一个加工中心在美国哈卡尼,特雷克(Kearney&Trecker)公司诞生。加工中心的内容是什么? 首先 ,它是在数控镗床、数控铣床上增加自动装置,能使工件在一次装卡中,完成工件铣削、钻孔、铰孔、攻丝等过程的数控机床。其次,在加工中心自动分度回转工作台或自动转角度的主轴箱的条件下,可使工件一次装卡下,可以完成多步过程的多个平面和多个角度位置的加工。再次,如果有交换工作台的加工中心,加工工件在工作位置的工作同时,在装卸位置的工件不受影响。加工中心的定义是什么? 世
11、界上如今没有标准的定义,但人们普遍认为指的是:在工件一次装卡下,并能实现自动铣、钻、镗、铰孔、攻丝过程的数控机床。还有一种明确的说法: 是带有刀库和自动换刀装置的一种高度自动化的多功能数控机床。1.2 加工中心的分类加工中心按其加工工序分为镗铣和车削两大类，按控制轴数可分为三轴、四轴和五轴加工中心，依据加工中心形式不同进行分类，可分为立式、卧式、万能加工中心。太原工业学院毕业设计21）立式加工中心（如图 1-1）指主轴轴线与工作台垂直设置的加工中心，主要是适用于加工盘类、板类、模具及小型壳体类等复杂零件。图 1.1 立式加工中心1床身 2滑座 3工作台 4润滑油箱 5立柱 6数控柜 7刀库8机
12、械手 9主轴箱 10操作面板 11控制柜 12主轴立式加工中心可以完成铣、钻削、镗削、攻螺纹等工序。立式加工中心最少是三轴二联动，一般可实现三轴三联动。2）卧式加工中心（如图 1-2） 是指主轴轴线与工作台平行设置的加工中心，主要适用于加工箱体类零件。一般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多个运动坐标，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)，它可以使工件在一次装夹下完成除了顶面和安装面以外的四个面的加工。太原工业学院毕业设计3图 1.2 卧式加工中心1-刀库；2-换刀装嚣；3-支座；4-Y 轴伺服电机；5-主轴箱；6-
13、主轴；7-数控装置；8- 防溅挡板；9-回转工作台；10-切屑槽3）万能加工中心又称多轴联动型加工中心是指通过加工主轴轴线与工作台回转轴线的角度从而控制联动变化，再而完成复杂空间曲面加工的加工中心。最适合用于具有复杂空间曲面的叶轮转子、模具、刃具等工件的加工。1.3 刀库自动换刀装置中最主要的部件其中包括刀库，刀库的容量、布局以及结构设计对加工中心的设计有非常大的影响。刀库的作用是用来储存加工刀具以及储存辅助工具的地方。但多数加工中心的取送刀位置都是在刀库的固定刀位，因此刀库需要有使刀具运动及定为的装置来保证换刀的可靠性。动力一般采用电动机，但也可以采用液动机，如果刀库速度太高，可以采用减速装
14、置来是速度达到要求。刀库的定位机构是用来保证更换的每一个刀套都能准确地停在换刀位置上。依据刀库储存刀具的容量和取刀的方式，刀库的结构设计有多种形式。首先有盘式刀库，盘式刀库是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，因此刀具也因需要可作 翻转的圆盘刀库，使用这种结构可以简化取刀动作。90盘式刀库可以分为单盘式刀库和多盘式刀库，单盘式刀库的结构比较简单，取刀也比较方便，因此单盘式刀库结构应用比较广泛。但单盘式刀库也有缺点，就是由于太原工业学院毕业设计4圆盘尺寸受到限制，导致刀库的容量不能太大，一般刀库容量为1530把刀。但如果刀具数量过多，多盘式刀库结构也可以满足要求。但是多盘式
15、刀库选刀和取刀比较复杂，一般应用较少。除了盘式刀库还有链式刀库，链式刀库充分利用了机床周围的有效空间，而且刀库的结构尺寸又不会过于庞大。链式刀库的结构有较大的灵活性，存放刀具的数量相对于盘式刀库比较多，选刀和取刀动作不会太复杂。如果链条较长时，可以通过增加支撑链轮的数目，来使链条折迭回绕，从而提高了空间利用率。1.4 本毕业设计所设计的刀库与采用的换刀方式本设计要求设计三轴立式加工中心圆盘式刀库结构设计，以下是介绍本设计的结构组成与传动过程。1.4.1 换刀方式换刀过程刀库位于立柱左侧，刀库的安装方向与主轴轴线垂直，换刀前改变在换刀位置的刀具轴线方向，使之与主轴轴线平行。工序加工完毕，主轴定向
16、后，可由自动换刀装置换刀，如图所示。（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。（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
