毕业论文：数控机床换刀系统设计

根据中国加工中心年消费增长模型，预计年加工中心消费数量将达万台，较年年均增长率为。

数控机床技术的发展趋势高速精密复合智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。

主要表现在机床复合技术进步扩展随着数控机床技术进步，复合加工技术日趋成熟，包括铣车复合车铣复合车镗钻齿轮加工等复合，车磨复合，成形复合加工特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。

台机床就是个加工厂次装卡，完全加工等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。

智能化技术有新突破数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。

如自动调整干涉防碰撞功能断电后工件自动退出安全区断电保护功能加工零件检测和自动补偿学习功能高精度加工零件智能化参数选用功能加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。

机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用，使得柔性线更加灵活功能进步扩展柔性线进步缩短效率更高。

机器人与加工中心车铣复合机床磨床齿轮加工机床工具磨床电加工机床锯床冲压机床激光加工机床水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。

精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级提升到目前的微米级，有些品种已达到左右。

超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到左右，形状精度可达左右。

采用光电化学等能源的特种加工精度可达到纳米级。

通过机床结构设计优化机床零部件的超精加工和精密装配采用高精度的全闭环控制及温度振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差表面粗糙度等，从而进入亚微米纳米级超精加工时代。

功能部件性能不断提高功能部件不断向高速度高精度大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。

全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴力矩电机直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平。

第二节加工中心加工中心是在数控铣床的基础上加上刀库及自动换刀装置或多个工作台，集数控铣床数控镗床数控钻床的功能于身的种由计算机来控制的高效高自动化的机床。

工件在次装夹后，数控系统根据加工的需要，自动选择和更换刀具，根据粗精加工的不同要求自动改变机床主轴的转速进给量和刀具相对于工件的运动轨迹和其他辅助功能，次完成多工序的加工。

减少了工件的装夹测量和机床调整等时间，使机床的切削时间达到机床开动时间的左右普通机床仅为同时也减少了工序之间的工件周转搬运和存放时间，缩短了生产周期，具有明显的经济效益。

加工中心适用于零件形状比较复杂精度要求较高产品更换频繁的中小批量生产。

加工中心的组成加工中心自问世至今已有三十多年，世界各国出现了各种类型的加工中心，虽然外形结构各异，但从总体来看主要由以下几大部分组成。

基础部件。

基础部件由床身立柱和工作台等组成，它是加工中心的基础结构，主要承受加工中心的静载荷以及在加工时产生的切削负载，因此必须要有足够的刚度。

这些大件可以是铸铁件，也可以是焊接而成的钢结构件，它们是加工中心体积和质量最大的部件。

主轴部件。

主轴部件由主轴箱主轴电动机主轴和主轴轴承等零件组成。

主轴的启停和变速等动作均由数控系统控制，并且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。

主轴是加工中心的关键部件，其结构的优劣对加工中心的性能有很大影响。

伺服系统。

伺服系统主要是进给传动系统，其作用是把来自数控装置的信号转换为机床移动部件的运动，其性能是决定机床的加工精度表面精度表面质量和生产效率的主要因素之。

加工中心普遍采用半闭环闭环和开环三种控制方式。

数控系统。

加工中心的数控部分是由装置可编程控制器伺服驱动装置以及操作面板等组成。

它是执行顺序控制动作和完成加工过程的控制中心。

自动换刀系统。

自动换刀系统是由刀库机械手等部件组成。

当需要换刀时，数控系统发出指令，由机械手或通过其他方式将刀具从刀库内取出装入主轴孔中。

辅助装置。

辅助装置包括润滑冷却排屑防护液压气动和检测系统等部分。

这些装置虽然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着保障作用，因此也是加工中心不可缺少的部分。

加工中心的特点结构特点。

机床的刚度高抗振性好。

为了满足加工中心高自动化高速度高精度高可靠性的要求，加工中心的轮传动时，通常按保证齿根弯曲疲劳强度及保证齿面接触疲劳强度两准则进行计算。

设计齿轮传动时，应使齿面具有较高的抗磨损抗点蚀抗胶合及抗塑性变形的能力，而齿根要有较高的抗折断的能力。

因此，对齿轮材料性能的基本要求为齿面要硬，齿芯要韧。

常用的齿轮材料有钢铸铁和些非金属材料。

设计步骤在换刀的过程中，整个机械手的转角为，且只经过级齿轮传动就满足我们的传动要求，所以可以直接计算出此处的传动比，所用公式为式中机械手的回转角度回转液压缸动片的转角从动轮齿数主动轮齿数由于在这里，即解得两齿轮的齿数比选定齿轮类型精度等级材料及齿数选用直齿圆柱齿轮传动。

换刀机械手换刀时速度较高，我们选用级精度。

材料选择。

我们选择小齿轮材料为调质，硬度为，大齿轮材料为钢调质硬度为，二者材料硬度差为。

选小齿轮齿数为，大齿轮齿数，取。

按齿面接触强度设计由设计公式进行计算，即确定公式内各计算式数值试选载荷系数计算小齿轮传递的转矩选取齿宽系数确定许用接触应力按齿轮齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限，大齿轮的接触疲劳强度极限，取安全系数，计算许用接触应力得计算将以上数据代入公式中，初算中心距为计算模数按公式计算出模数，将初选的齿数代入公式计算得，按照标准模数系列取。

计算主要尺寸分度圆直径计算中心距计算尺宽，取按轮齿弯曲强度校核轮齿弯曲强度校核公式为确定公式中有关数值查图得知小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮的弯曲疲劳强度极限，取安全系数，计算许用弯曲应力得查表得齿形系数，将有关数值代入公式中计算轮齿弯曲强度校核合格。

至此，传递机械手换刀动力的齿轮副设计计算完成，具体为。

另外，机械手臂的伸出和缩回是通过齿轮齿条传动进行的，其设计过程与此相似，由于受篇幅的限制，这里就不再叙述设计步骤。

轴的设计轴是组成机械的个常用的重要零件，它支持着其他转动零件如齿轮蜗轮等零件回转并传递动力，轴轴承和轴上安装的零件形成个组成体，称为轴系。

组成轴系的主要零件轴轴承联轴器等称为轴系零件。

轴的设计主要包括轴的材料选择结构设计轴的强度刚度和振动稳定性计算等，设计轴的主要步骤如下根据机械传动总体布局拟定轴上零件的位置轴的材料的选择初步估计轴的直径进行轴的强度刚度振动计算校核键轴承联轴器等的强度或寿命。

轴的常用材料轴的材料种类很多，设计时主要根据对轴的强度刚度耐磨性等要求，以及为实现这些要求而采用的热处理方式，同时考虑制造工艺加以选用，力求经济合理。

轴的常用材料是优质碳素钢，对于受力较大，轴的尺寸和重量受到限制，以及有些特殊要求的轴，可采用合金钢。

根据工作条件要求，轴可在加工前或加工后经过整体或表面处理，以及表面强化处理如喷丸辊压氮化等，以提高其强度尤其疲劳强度和耐磨耐腐蚀等性能。

轴般由轧制圆钢或锻件经切削加工制造。

轴的直径较小，可用圆钢棒制造对于重要的，大直径或阶梯直径变化较大的轴，采用锻坯。

为节约材料和提高工艺性，直径大的轴还可以制成空心的，并且带有焊接的或者锻造的凸缘。

对于形状复杂的轴，可采用铸造。

轴的结构决定于受载情况轴上零件的布置和固定方式轴承的类型和尺寸轴的毛坯制造和装配工艺及安装运输等条件。

轴的结构应是尽量减小应力集中，受力合理，有良好工艺性，并使轴上零件定位可靠，装拆方便。

对于要求刚度大的轴，还应在结构上考虑减小轴的变形。

零件与轴的固定或联接方式，随零件的作用而异。

般情况下，为了保证零件在轴上具有固定的工作位置，需从轴向和周向加以固定。

轴的设计过程给定轴的已知条件为传递的功率轴的转速为。

依据上述已知条件具体进行轴的设计。

选择材料及估算轴径选择轴的材料为，经调质处理，材料的各机械性能如下轴的直径按下式进行估算由于所选材料为，所以取计算系数，代入式中得我们选用花键轴的尺寸为轴的结构设计轴的结构如图所示。

轴的受力分析轴的受力分析如图所示。

轴传递的转矩为齿轮的圆周力为齿轮的径向力为图求支反力在水平面上求支反力由得则由得数值为负表示方向与图示方向相反，如图所示。

在垂直面上求支反力由得则由得数值为负表示方向与图示方向相反，如图所示。

作弯矩和扭矩图齿轮的作用力在水平平面的弯矩图如图所示齿轮的作用力在垂直平面的弯矩图如图所示齿轮作用力在截面作出的最大合成弯矩为作出扭矩图，如图所示轴的强度校核根据轴的结构尺寸以及弯矩图扭矩图，截面处弯矩较大，且具有轴承配合引起的应力集中，截面处弯矩最大，且有齿轮配合与键槽引起的应力集中，故属危险截面。

现对截面进行强度校核。

由于该轴转动，弯矩引起对称循环的弯应力，转矩引起的为脉动循环的剪应力。

弯曲应力副为将数据代入求得。

所以经校核，该轴是安全的。

经过上述的设计计算，本设计的主要设计部分已经完成。

至此本设计已基本完成，通过对本设计内容的相关设计计算，我对大学期间学习的相关内容有了更深的理解。

这更加深了我对书本知识的理解，同时也使我自己对课本知识向实践转变有了更深的体会。

致谢弹指挥间，大学年已经接近了尾声。

当自己怀着忐忑不安的心情完成这篇毕业论文的时候，自己也从当年个从山里走出的懵懂孩子变成了个成熟青年，回想自己的十几年的求学生涯，虽然只是个专科毕业，但也实属不容易。

首先，从小学到大学的学费和生活费就不是个小数目，这当然要感谢我的爸爸妈妈，他们都是农民，没有他们的勤勤恳恳和细心安排，我是无论如何也完成不了我的大学生活。

毕业论文正代表着大学的终结，完成它既有种收获感，又有种失落感，可无论如何它代表着我三年的努力，代表了我三年的历程。

当它终于快完工的时候，我不禁想起了很多人，很多事。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长同学朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意，感谢我的指导教师王素暖。

在她的指导下，她告诉我如何搜集材料她告诉我如何快捷地找到相关论文。

她指导我如何利用手头上的论文取舍嫁接整合。

本论文的完成，离不开她的悉心指导和孜孜不倦地教诲。

书到用时方恨少，在这篇论文的写作过程中，我深感自己的水平还非常的欠缺。

生命不息，学习不止，人生就是个不断学习和完善的过程，敢问路在何方路在脚下，参考文献蔡厚道，吴暐数控机床构造北京北京理工大学出版社，重印韩鸿鸾，荣维芝数控机床的结构与维修北京机械工业出版社，周兰，陈少艾数控机床故障诊断与维修北京人民邮电出版社，重印杨贺来数控机床北京清