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銑加工中心換刀機構設計
總計：
摘 要
加工中心是一種配以刀具庫和自動換刀系統(tǒng)的高自動化、高柔性的加工設備。自動換刀系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和換刀裝置組成，PLC 控制換刀機構完成自動換刀，一次能完成多種工藝。在數(shù)控機床內，加工中心運用廣泛，因此對換刀機構的設計研究是很有意義的。
本設計主要對主軸以及換刀機構進行設計計算。根據(jù)設計要求，參考設計手冊， 進行了主軸的直徑選取、扭矩校核和使用壽命驗算等計算。為了有利于自動裝卸刀具， 主軸內還設計有自動夾緊裝置和切屑清除裝置。換刀機構采用回轉式單臂雙手機械 手，由液壓缸來完成對換刀動作的驅動。另外，本設計還研究了電氣控制系統(tǒng)，采用PLC 對其進行控制，合理選用了單片機并設計了電氣控制線路。
本次設計自動換刀裝置是數(shù)控銑加工中心的重要部件，完成和其它的部件裝配后，可以有效提高切削功率以及加工效率，并能使得換刀時間縮短，提升刀具的是重復定位精度。
關鍵詞： 加工中心；主軸；換刀裝置；PLC
I
ABSTRACT
The machining center is a highly automated, highly flexible processing equipment with a tool magazine and automatic tool changer system. Automatic tool changer system consists of control system and tool changer. PLC makes the tool changer complete the automatic tool change.At the same time,it can complete a variety of processes. In the CNC machine tool, the processing center is widely used, so the design of the tool change is very meaningful.
The paper designs and calculates the spindle and tool change mechanism. According to the design requirements, refer to the design manual, the diameter of the spindle is selected, the torque of the spindle is checked and the life of the spindle is checked. In order to facilitate to load and unload tool automatically，the spindle is also designed with automatic clamping device and chip removal device. The tool changer adopts a rotary single-arm, two-handed manipulator, and the hydraulic cylinder is used to complete the driving of the tool change. In addition, the design also the electrical control system which controlled by PLC.What's more,it selects single chip reasonably and designes the electrical control circuit.
Automatic tool changer is an important part of CNC milling machining center. After the completion of assembly with other parts, it can effectively improve the cutting power and processing efficiency. It can also shorten the time of changing tools and raise the repeatability of the tool.
Key words: Machine Center ; Principle axis ;Tool Changer;PLC
目 錄
1. 緒論 1
1.1 數(shù)控機床的概述 1
1.2 數(shù)控機床的特點 1
1.3 加工中心的原理 2
1.4 數(shù)控技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 3
1.5 本設計研究內容 4
2. 加工中心換刀機構方案設計 5
3. 主軸及換刀機構的設計計算 7
3.1 主軸的性能分析 7
3.2 刀具自動裝卸及切屑清除裝置 7
3.3 主軸準停裝置 8
3.4 主軸部分零件的設計計算 8
3.5 換刀機構的設計 13
3.6 液壓缸的計算 15
4. 加工中心硬件的選擇設計 19
4.1 CPU 的選擇 19
4.2 程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴展 19
4.3 I/O 接口的擴展 19
4.4 步進電機驅動器的選擇 20
4.5 液壓缸的控制 21
5. 結 論 22
參 考 文 獻 23
致 謝 24
附錄 1：外文翻譯 25
附錄 2：外文原文 30
II
銑加工中心換刀機構設計
1. 緒 論
1.1 數(shù)控機床的概述
作為高度一體化的產(chǎn)品，加工中心包括傳統(tǒng)車床、銑床、鉆床等，對機械加工有著較大的影響。它依靠編程來實現(xiàn)對加工速度和進給量的控制，加工后，零部件擁有很高的精度以及高的工作效率，同時對經(jīng)濟效益有良好的促進作用。加工中心可以一次性的加工多個工序，不僅可以實現(xiàn)工序的集中而且還能實現(xiàn)工藝的復合，因此能減少加工的時間，增加效率，減少安裝次數(shù)和定位次數(shù)。就目前而言，在數(shù)控機床的范圍內加工中心的生產(chǎn)的量是最多的，同時也是應用最廣泛的。因此對換刀機構的設計研究很有研究價值。
進入新世紀以來，我國的綜合實力日益增強，加工中心市場發(fā)展愈發(fā)迅速，汽車行業(yè)，機械行業(yè)以及航天行業(yè)等方面對加工中心的依賴日益增加，我國也開始自己研發(fā)生產(chǎn)加工中心，對數(shù)控系統(tǒng)以及一些零部件進行擇優(yōu)選擇，不僅提高了生產(chǎn)質量而且還提高了性價比，漸漸地在國內受到認可和肯定。
伴隨科技的不斷進步，對機械產(chǎn)品的精度要求也是與日俱增。在造船、宇航、等領域需要的機械零件的要求是高精度，小批量。加工此類產(chǎn)品工序繁瑣，復雜度高， 普通的機床已經(jīng)無法完成這種復雜的加工。因此，一種新型的機床—數(shù)控機床由此誕生。強適應性、高加工精度、穩(wěn)定的加工質量穩(wěn)定和高的生產(chǎn)效率是這種機床的顯著特點。數(shù)控機床結合了多方位的資源，其中包括計算機、自動控制以及新型機械結構技術等，機床控制的發(fā)展也會向數(shù)控機床靠攏。
廣泛采用自動機床、組合機床等被大批量的自動化生產(chǎn)采用，能夠實現(xiàn)多把刀具、多個工位、多個加工面同時加工，這樣就提高了生產(chǎn)效率和自動化程度。然而這些生產(chǎn)并不能在小批量生產(chǎn)中應用，因為在小批量生產(chǎn)中，產(chǎn)品的品種經(jīng)常變換，因此柔性對于生產(chǎn)線是十分重要的?？梢哉f，數(shù)控機床的出現(xiàn)同時滿足了兩方面的要求，一是剛性生產(chǎn)線，二是柔性生產(chǎn)線。
1.2 數(shù)控機床的特點
除少數(shù)使用步進電動機驅動的簡易數(shù)控機床以及作為特殊用途的數(shù)控機床外，一般來說，數(shù)控機床具有以下特點：
1 加工精度高
數(shù)控機床加工精度比普通機床高主要由以下幾個方面體現(xiàn)：
1） 數(shù)控機床的脈沖當量小，位置分辨率高。
2） 數(shù)控系統(tǒng)具備誤差自動補償功能。
3） 數(shù)控機床的傳動系統(tǒng)與機床結構設計都具有比普通機床更高的剛度和穩(wěn)定性，部件的制造和裝配精度均比較高，提高了機床本身的精度和穩(wěn)定性。
- 24 -
4)數(shù)控機床采用了自動加工方式，避免了加工過程中的人為誤差。
2 機床的柔性強
在數(shù)控機床上，改變加工零件只需要重新編制程序，就能實現(xiàn)對不同零件的加工， 它為多品種，小批量生產(chǎn)加工以及新產(chǎn)品試制提供了極大的便利。同時，由于數(shù)控機床通過多軸聯(lián)動，具備曲線曲面的加工能力，擴大了機床的適用范圍。特別對于普通機床難以加工或無法加工的復雜零件，利用數(shù)控機床可以充分發(fā)揮功能，提高加工精度和效率。因此，對加工對象變化的適應性好，柔性比普通機床強。
3 自動化程度高，勞動強度低
數(shù)控機床對零件的加工是根據(jù)事先編制好的程序自動完成的。在正常加工過程中，操作者只要進行極為簡單的操作，即可完成零件的自動加工，不需要進行繁雜的重復性手工操作，操作者的勞動強度可大大減輕。此外，數(shù)控機床一般具有較好的安全防護、自動排屑、自動冷卻和自動潤滑裝置，使操作者的勞動條件也得到了很大改善。
4 生產(chǎn)率高
數(shù)控機床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)率高，一般為普通機床的 3～5 倍，對某些復雜零件的加工，生產(chǎn)效率可以提高十幾倍甚至幾十倍。
5 良好的經(jīng)濟效益
數(shù)控機床雖然設備價格較高，分攤到每個零件的加工費用較普通機床高，但使用數(shù)控機床加工，可以通過上述優(yōu)點體現(xiàn)出整體效益。特別是數(shù)控機床的加工精度穩(wěn)定， 減少了廢品，降低了生產(chǎn)成本；此外，數(shù)控機床還可一機多用，節(jié)省廠房面積和投資。因此，使用數(shù)控機床，通?？梢垣@得良好的經(jīng)濟效益。
6.有利于現(xiàn)代化管理
采用數(shù)控機床加工，能準確地計算零件加工工時和費用，簡化了檢驗工、夾具， 減少了半成品的管理環(huán)節(jié)，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化
1.3 加工中心的原理
在數(shù)控機床上加工零件時,首先應根據(jù)零件的形狀和尺寸分段,然后根據(jù)工藝要求確定加工程序,坐標移動量,并確定相應的進給速度和主運動速度等參數(shù),最后將程序輸入微機,完成編程運行過程.伺服機構根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)出的信息指令,驅動機床有關部件,使刀具和工件嚴格按照程序設定的相對運動,從而使機床精確的加工出符合圖紙要求的工件。
加工中心一般分為以下幾個組成部分:程序編制、數(shù)控裝置、伺服機構、機床本件。程序編制雖然不是加工中心的一個具體部件,但是它的作用已經(jīng)遠遠的超過了一個部件的作用。在加工復雜零件時,程序的編制是非常重要的,它是有效利用數(shù)控機床的關鍵。數(shù)控裝置實施數(shù)控機床的計算和控制系統(tǒng),它接受編制的程序之后,控制有關部件做出所需的動作,完成加工任務。伺服機構是數(shù)控機床在機床結構方面有別于別
的機床的地方,屬于加工中心的一個特殊的部件。機床組件包括有液壓部件和機械加工的相關部件。
1.4 數(shù)控技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
1.3.1 數(shù)控（NC）階段
早期的時候，計算機還沒完全發(fā)展起來，運算的速度無法保證能夠對機床進行實時控制。這時就需要借助數(shù)字邏輯電路來完成，將這些電路組成機床專用的計算機， 來作為數(shù)控系統(tǒng)，簡稱數(shù)控（NC）。在元器件不斷開發(fā)的過程中，一共走過了三個階段，分別是 1952 年的電子管到 1959 年的晶體管再到 1959 年的小規(guī)模集成電路。
1.3.2 計算機數(shù)控（CNC）階段
上世紀 70 年代，小型計算機業(yè)發(fā)展迅速，可以被通用，同時也可以大批量的生產(chǎn)。由于小型計算機日趨成熟，人們開始使用它成為數(shù)控系統(tǒng)的核心，這標志著正式進入計算機數(shù)字控制的階段。眾所周知，計算機上的兩個最重要的核心部件是控制器和運算器，它們是由美國公司 INTEL 在上世紀 80 年代初融合在一塊芯片上所制作完成的，人們稱它為微處理器或者是中央處理單元，簡稱為 CPU。上世紀 90 年代末， 個人計算機（PC 機）的得到非常迅速的發(fā)展，在處理能力和處理速度上面有了很大的提升和優(yōu)化，已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件。
上世紀 50 年代末我國開始研究數(shù)控技術，到上世紀 60 年代中，我國一直處于研發(fā)階段。之后我國開始致力于晶體管數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)。1970 后，我國在數(shù)控技術的領域開始全面快速的發(fā)展，包括車床、銑床等各種車床，齒輪加工、點等各種復雜高精度要求的加工，同時我國在數(shù)控加工中心的領域內取得了很大的成果。與此同時，數(shù)控機床也在模具生產(chǎn)中廣泛應用由于它結構簡便，成本低等優(yōu)點。上世紀80 年代，我國向日本學習了一些先進的數(shù)控技術，并將這些先進的數(shù)控系統(tǒng)和完善的伺服驅動機引入到國內，同時也向德國和美國這些技術發(fā)達的國家學習了先進的數(shù)控技術。因此我國在機床的質量和性能上有了很大的提高。上世紀 90 年代后，低檔次的數(shù)控系統(tǒng)逐漸被淘汰，高檔的機床開始穩(wěn)步發(fā)展。雖然我國目前可以生產(chǎn)各個種類的數(shù)控機床，但總體來說，平均水平還是不高，較為先進的可以生產(chǎn)加工超精密的產(chǎn)品，而一些落后的技術就很難跟上世界的步伐。但倘若國家政府開始重視，達到領先水平也是可以期盼的。最后，計算機數(shù)控階段也經(jīng)歷了三個階段，分別是 1970 年的小型計算機，1974 年的微處理器和 1990 年的基于 PC 三個階段。
1.3.3 數(shù)控技術的發(fā)展方向
伴隨著科學的不斷發(fā)展，技術的不斷革新，人們對數(shù)控技術的性能提出了更高的要求。要求數(shù)控機床的精度要越來越高，速度越來越快，智能性和可靠性越來越高。主要在以下幾個方面展現(xiàn)：
⑴ 高速度與高精度化
速度和精度是展現(xiàn)數(shù)控機床先進程度的兩個重要性能，它們不僅能影響產(chǎn)品的質量，也會影響生產(chǎn)的效率，尤其在超切削速度很高以及加工很高精度產(chǎn)品的條件下， 這就要求機床坐標軸有更快的位移速度以及更高的定位精度。當然，高速度和高精度也是互相牽制的，加工精度越高位移速度也就越難保證?，F(xiàn)代數(shù)控機床的進給速度已經(jīng)可以達到 lμ m (100 一 2 40m / min）、0 01μ m (24m /min）、0.01m (400 一800mm/min)。以下幾個方面的措施研究用于滿足高速度以及高精度的要求:
⑵ 多功能化
1） 為了使設備的利用率能有所提高，數(shù)控機床通常要具有多個功能。
2） 為了使工作效率以及利用率有所提升，前后臺需要達到能同時工作的能力。
3） 除具有通信口、DNC 功能，現(xiàn)代數(shù)控機床還應該有網(wǎng)絡功能。
⑶ 智能化
1） 自適應控制技術的引進。在改變加工過程的時候，系統(tǒng)可以按照實時測出的工參數(shù)，從而去調整校正整個機器運轉的工作狀態(tài)，這樣就能使加工的時候各組件趨于更完善的工作狀態(tài)，這也是自適應控制技術的目的。
2） 當機器發(fā)生問題的時候能夠自身進行診斷問題所在，并對其進行修復的功能主要是通過數(shù)控系統(tǒng)內部安置的程序來實現(xiàn)的，這種程序可以幫助在線的做出故障診斷，當有故障發(fā)生的時候，整個機器將自動的停止運作，并與此同時，CRT 開始工作，進行對故障發(fā)出警報，提示有故障發(fā)生，然后運用用“冗余”技術，使得發(fā)生故障的模塊自動的脫離機器，使得正常的待機模塊與機器相連接。
3） 使用紅外、聲發(fā)射、激光等檢測手段有助于對自動的檢測刀具壽命以及完成換刀時候的自動化。當發(fā)現(xiàn)一些如工件的質量不符合要求，刀具開始磨損等問題的時候，系統(tǒng)會及時的報警，并對已經(jīng)產(chǎn)生的誤差進行補償，并對損壞的刀具進行更換從而使得產(chǎn)品的質量能夠得到保證。
1.5 本設計研究內容
本畢業(yè)設計選擇的題目是“銑床加工中心換刀機構設計”，本次設計主要包括主軸設計，換刀機械手設計，電器控制圖。主要技術參數(shù)及技術要求： X，Y，Z 軸的行程分別是 600，300，400mm；進給精度 0.001mm；X，Y，Z 軸的移動速度分別是2.5，2，1mm/min；工作臺面尺寸 320×1000mm；脈沖當量 0.01mm/步；重復定位精度 0.01mm。
2. 換刀機構的方案設計
為了方便實現(xiàn)換刀的過程，選擇了用一根軸來帶動機械手的轉動，其次為了穩(wěn)定的實現(xiàn)換刀的功能，機械手臂通過螺紋聯(lián)接在主軸上。在控制方式的選擇上，選擇液壓傳動，相比于其它的傳動方式更有利于對換刀的自動控制。
原理如圖 2.1 所示。在換刀的時候，機械手主要完成以下幾個動作，分別是抓住刀具，將刀具拔出，對刀具進行更換，將刀具插入，使機械手復位這幾個動作。
1：液壓缸
2：液壓缸
3：液壓缸
4：機械手抓
5：擋板
6：齒輪
7：花鍵套
圖 2.1 換刀機構原理圖
8：齒輪
自動換刀的過程說明：
抓刀：需要抓刀時，缸 2 左腔進油。在推力的作用下，裝有齒條的桿就開始向右
移動。在向右移動的過程中，齒條便與齒輪 8 相嚙合，前者使得后者開始旋轉。齒輪
8 連接一個花鍵套 7，它們的連接方式是銷鍵聯(lián)接，于是花鍵套 7 一開始轉動。液壓
缸 2 桿上的右端和行動軌跡線上分別設有一個擋板和行程開關，當它倆接觸的時候，
此時主軸就旋轉一定的角度，并使得主機械手 4 實現(xiàn)抓刀。
拔刀：拔刀時缸 1 上腔進油，在推力的作用下，主軸開始向下移動，向下移動過
程中，花鍵套 7 便和齒輪 8 分開，當行程開關和主軸上的擋板 5 相接觸時，花鍵套 7
和齒輪 6 銷鍵聯(lián)接。這時機械手 4 就將刀具同時拔出。
換刀：換刀時，缸 3 左腔進油。在推力的作用下，裝有齒條的桿就開始向右移動。
向右移動的過程中，齒條與齒輪 6 相互嚙和，前者使得后者開始轉動。齒輪 6 連接一個花鍵套 7，它們的連接方式是銷鍵聯(lián)接動，主軸開始旋轉。當桿上的擋板接觸到行程開關時，這時主軸轉過的角度為 180 度，于是就完成是換刀的動作。
插刀：插刀的時候，缸 1 下腔進油。在推力的作用下，主軸開始向上移動，這時
花花鍵套 7 便和齒輪 6 分開，當主軸上的擋板 5 接觸到行程開關的時候， 7 與 8 開
始聯(lián)接。這時機械手 4 就在主軸的孔中插入刀具，同時將刀具插入刀套的孔中，這樣就實現(xiàn)了插刀。
復位：復位的時候缸 2 右腔進油。在推力的作用下，裝有齒條的桿就開始向左，
移動。齒輪 8 開始轉動，齒輪 8 與花鍵套 7 連接，前者的轉動就能帶動后者的轉動，
從而帶動主軸的轉動。液壓缸 2 桿上的右端有一個擋塊，當它碰到右邊的行程快關的
時候，主軸轉過的角度是 75 度，同時機械手 4 松刀。此時缸 3 右腔進油，在推力的
作用下，桿向左移動，液壓缸 2 活塞桿上的右端有一個擋塊，當它碰到左邊的行程快關的時候停止進油，這樣就實現(xiàn)了復位。
銑加工中心換刀機構設計
3 主軸及換刀機構的設計計算
3.1 主軸的性能分析
主軸是機床上很重要的部件。它的性能往往可以影響整個機床的性能。由于主軸的轉速范圍很大且主要的切削力由主軸來承受，因此主軸組件需要滿足以下幾點要求：
（1） 旋轉精度高
（2） 剛度強。
（3） 溫升和熱變形小。
（4） 抗振性好
（5） 精度保持性好。
當然，以上這些要求有時候不能同時達到，比如旋轉精度越高，剛度就很難有所保證；旋轉的速度越快，溫升也會隨之加速等。所以具體要滿足哪些要求要看具體情況進行分析。
3.2 刀具自動裝卸及切屑清除裝置
主軸的性能除了要滿足高精度以及高剛度外，還需要安裝一些裝置使得刀具可以實現(xiàn)自動的安裝卸下，同時能使得主軸孔內的切屑能夠得到有效的清除。實現(xiàn)裝夾錐柄刀具的 7：24 的錐孔安裝在主軸的前端。端面鍵有兩個作用，一是可以用于刀具定位，二是可以傳遞扭矩，刀具自動夾緊裝置安裝在主軸內，它的目的是完成刀具的自動裝卸。該機床設有拉緊機構可以實現(xiàn)對刀具的自動夾緊。當?shù)毒弑还潭〞r，液壓缸上腔進油，彈簧被向上推并且活塞被鎖定，桿運動軌跡是向上。拉桿的徑向孔中有四個鋼球，它們開始進入拉釘?shù)沫h(huán)形凹槽。使得心軸被拉桿緊固，并且固定在軸上通過摩擦力的方式。在刀具更換時，刀具被釋放，液壓缸的上部腔室與油接觸，活塞將桿向下推，使它向下，從而使得壓縮彈簧;當鋼球隨著桿向下移動到較大的直徑進入主軸孔時。不能夠對拉定頭部有約束限制作用，然后刀夾開始松動，緊接著機械手收到信號便把刀取下。同時，壓縮空氣管從管道通過活塞和桿孔進入主軸裝刀孔，移除屑或碎屑，這樣刀具夾緊的精度就可以被保證。新刀被安放在主軸上后，液壓缸被接通， 液壓油進入液壓缸，與此同時，刀夾被彈簧拉緊。當?shù)毒邤Q緊時，信號將由行程開關被發(fā)出。在換刀的時候，主軸孔中的碎屑能被及時的清除是很重要的。
3.3 主軸準停裝置
為了使主軸可以精確在固定的軸向位置上停止，準停裝置將被安裝在機床的主軸部件上。這種裝置可以使得在換刀的時候主軸上的端面鍵的母線與刀夾上鍵槽的
母線相對齊，也可以保證在裝刀的時候，刀夾相對于主軸的位置不會發(fā)生變化。這樣有利于安裝精度的提高，并對孔的加工有促進作用。在本設計中，電氣準停裝置安裝于主軸部件上，圖 3.1 展示了它的工作原理，多楔帶輪和主軸連接，前者能帶動后者一起轉動，厚墊片起固定作用，將它安放在帶輪的端面上，并將一個小體積的永久磁鐵安裝在厚墊片上。磁傳感器安裝在需要主軸準確停止的相應位置上。當機器要停止換刀時，CNC 系統(tǒng)發(fā)出信號，這時主軸電動機將立刻減速，當主軸轉動的速度減少到最低，這時厚墊片上的永久磁鐵便與磁傳感器相對準，磁傳感器將會發(fā)出指令，使得主軸停止在準確的位置上。這個信號經(jīng)過放大器然后被放大，被放大后的信號經(jīng)過定向電路，定向電路得到信號并執(zhí)行它便開始控制主軸電動機，
前者使后者可以準確的在規(guī)定的軸向位置上停止。這種裝置可以大大提高重復精度，并能控制在±1°范圍的范圍內。
1. 多楔帶輪
2. 磁傳感器
3. 永久磁鐵
4. 墊片
5. 主軸
圖 3.1 電氣準停裝置工作原理圖
3.4 主軸部分零件的設計計算
3.4.1 主軸電機的選取
（1） 銑削力 Fc 的計算
F z
Fc =C t0.86 Bz f D-0.86
由機床數(shù)控技術表 13-1 查得CF = 637
0.86 -0.86
Fc =CF t Bz fz D
（3.1）
= 637′ 200.86 ′5′ 4′ 0.10.72 ′ 40-0.86
= 1337
（2） 銑削功率 Pc 的計算
銑加工中心換刀機構設計
F z
P = C ·10-5 · t 0.86nBzf D-0.86
由表 13-1 查得CF = 3.5
F z
P = C ·10-5 · t 0.86nBzf D-0.86
= 3.5′10-5 ′ 200.86 ′3000′5′ 4′ 0.10.72 ′ 400.14
= 8.8KW
（3.2）
主電動機的功率
E
P = 1.15PC
hm
= 8.8
0.75
= 11.7KW
（3.3）
選功率為P = 12KW的 FANUCα 12 型交流電機
3.4.2 帶傳動的計算
（1） 求Pca
查得工作情況系數(shù) KA = 1.2 ，故
（3.4）
Pca = K
P = 1.2′12 = 14.4KW
A
（2） 選窄 V 帶帶型
根據(jù) Pca、n1 選SPA 型
（3） 確定帶輪基準直徑
由表8 - 7 以及表8 - 9 進行選取， D1 = 110mm
從動輪基準直徑 D2
驗算帶的速度
D2 = iD1 = 1.9 ′110 = 209mm
D2取210mm
V = pD1n1
60 ′1000
= p ′110 ′1440 60 ′1000
= 8.29 < 35m/s
由計算得，帶的速度合適。
（4） 窄V帶基準長度和傳動中心距的確定。
（3.5）
根據(jù)0.（7
D1 +D2）< a0 < 2(D1 +D2 )
初步確定中心距a0 = 300mm
計算帶所需的基準長度
p (D - D )2
L' d
= 2a + (D + D ) + ?2 1
0 2 2 1
4a0
2
= 2′ 300 + p (210 +110) + (210-100) = 1111mm 2 4′ 300
（3.6）
基準長度 Ld = 1120mm 可以參照機械設計表 8-3 選取由機械設計式 8-21 計算實際中心距 a
L - L' d
a = a0
+ d
2
= 300 + 1120 - 1111
2
= 304.5mm
（5） 驗算主動輪上的包角 a1
（3.7）
a = 1800 - D2 - D1 ′ 600
1 a
（6） 計算V帶根數(shù)z
= 1800 - 210 - 110 ′ 600
304.5
= 160.30 > 1200
所以包角合適
（3.8）
z = Pca
(P0 + DP0）Ka KL
（3.9）
由n1 = 1440r / min 、 p1 = 110 、i=1.9,查表 8-4 和表 8-5 得
P0 = 1.6012KW 、 DP0 = 0.02KW
由機械設計表 8-1 得 Ka = 0.89 表 8-10 得 KL = 0.96 則
z =?3.9
(1.6012 + 0.02) ′ 0.89 ′ 0.96
（3.10）
取 z=3 根
（7） 計算預緊力 F0
= 2.80
F = 500 pca ( 2.5 -1）+ qV 2
0 vz
Ka （3.11）
由機械設計表 8-3 得 q=0.07Kg/m,故
F0 = 500
14.4
8.44 ′ 3
′ ( 2.5
0.89
-1）+ 0.07 ′ 8.442 = 519.39N
（8） 計算作用在軸上的壓軸力 Q
Q = 2zF0
sin a1
2
160.30
= 2 ′ 3 ′ 519.39 sin
= 3078N
3.4.3 軸的強度剛度校核計算
（1） 主軸整體結構強度校核：
d1 = 100mm
d3 = 272mm
2
d2 = 153mm
d4 = 140mm
（3.12）
各截面彎矩
計算彎矩
M zⅠ = 37 /1127 ′163.21 = 5.36N.m M zⅡ = 109 ′163.21/1127 = 15.79N.m M ZⅢ = 163.21
M ZⅣ = 76 ′163.21/1094 = 11.34
M ca =
=
校核軸的強度
= 165.07N.m
（3.13）
s ca
=
= M ca / w
/ w ￡ [s -1 ]MPa
（3.14）
根據(jù)機械設計軸的類型表 15-4 得：
w = 0.1d 3 = 0.1′ (100 ′10-3 )3 = 0.1′10-3
s ca
= M ca
/ w = 165.07 / 0.1′10-3 = 1.65MPa
[s -1 ] = 0.43s b = 0.43′ 637 = 273.91MPa
軸的材為 45 號鋼，查表得
s b = 637MPa
sca < [s-1 ] ：軸的彎曲強度符合要求。
（2） 軸的彎曲剛度校核計算：
①根據(jù)公式計算：
銑加工中心換刀機構設計
dV =
=
= 56mm
②軸的扭轉剛度校核計算：
a. 扭角的計算：
參照（機械設計》公式 15-15 可以得到軸的扭轉變形：
（3.15）
j = 5.73′104
其中 T: 軸所受的扭矩，N.mm;
T GIP
G; 軸的材料得到剪切彈性模量，Mpa,對于鋼材
G = 8.1′104 Mpa
pd 4
IP = 32
j = 5.73′104
T GIP
= 5.73′104 ′
17.94
4
604
（3.16）
8.1′10 ′
32
b. 計算軸的彎曲剛度
計算截面I處的撓度：
= 0.0003130 < [j ]= 0.30
yⅠ
軸的剛度滿足要求
= -Pb[l(x - a)3 / b + (l 2 + b2 )x - x3 ] / 6EIl
= -0.2′ 294′ 64 ′[(0.422 + 0.22 ) ′ 0.22 - 0.223 ] /
6′ 2.15′103 ′ 3.14 ′（56 ±′10-3）′ 0.42
= 0.00263mm < 0.1d = 0.1′ 0.5 = 0.05
（3.17）
3.4.4 軸承的壽命計算：
（1） 軸承的受力分析：
① 徑向力
由于是雙支撐軸承
R1V R2V
②兩軸承的當量動載荷:
= RA / 2 = 188.17 / 2 = 94.09N
= RB / 2 = 141.13 / 2 = 70.57N
由于軸承不受軸向力
徑向動荷系數(shù)
X 1 = 1
X 2 = 1
Y1 = 0
Y2 = 0
因為在軸承運動的時候不受到?jīng)_擊或受到的沖擊很小,那么就可以按照按表 13-6
選取得 f p = 1.1
（2） 壽命計算：
P1 =
P2 =
f P (x1 R1 + Y1 A1 ) = 1.1′ 94.09 = 103.50
P
f (x2 R2 + Y2 A2 ) = 1.1′ 70.57 = 77.63
P1 > P2
所以按軸承 A 的壽命計算
壽命計算公式：
3.5 換刀機構的設計
L = 106 (c / P)e / 60n
h
= 106 (48810 / 94.09)3 / 60 ′ 3000
= 774 ′106 (h)
(3.18)
3.5.1 換刀機構的結構設計:
本設計中，選用的換刀機械手是回轉式單臂雙使機械手，換刀手如圖 3.1，它的三維實體圖如圖 3.2 所示。
圖 3.1 換刀手
銑加工中心換刀機構設計
圖 3.2 回轉式單臂雙手機械手三維實體圖
圖 3.3 換刀機構三維實體圖
換刀幾個號三維實體圖如圖 3.3 所示，機械手臂通過螺紋來連接在主軸上，這樣主軸的轉動就可以帶動手臂的轉動，為了保證轉動的平穩(wěn)性，使用圓柱銷來定位，并用螺母來使它固定。手抓和手臂通過兩個螺釘來固定連接。
3.5.2 控制方式的選擇:
本設計中，選用的控制方式是液壓傳動，目的是這樣有利于完成對換刀過程的自動控制。主要由四個部分構成液壓系統(tǒng)，具體如下：
(1) 液壓泵：它的功能是把機械能轉化成液壓能。
(2) 執(zhí)行元件：它的功能是把液壓能轉化成機械能。
(3) 控制元件：憑借控制液體的壓力，流量以及方向去控制執(zhí)行元件的運動速度，控制元件的方向以及作用力等。
(4) 輔助元件：除了液壓泵，執(zhí)行元件，控制元件以外的其它元件，如：管道， 管接頭，油箱等。
液壓傳動的優(yōu)點：比起機械傳動以及電氣傳動有如下的優(yōu)點： (1)液壓傳動中的各類元件構造簡單，有利于布置其位置。 (2)易于控制，其調速的變動范圍較大。
(3) 當元件的負荷超載的時候，可以自動保護。
(4) 由于采用的介質是礦物油，這樣就能起到潤滑的作用，可以延長使用壽命。(5)有利于完成直線運動。
3.6 液壓缸的計算
1 液壓缸工作壓力的確定
液壓缸主要承受的三個方面的負載如實際的工作負載、運動時的受到的摩擦力以及慣性力等。液壓設備根據(jù)用途的不同，工作條件的不同以及不同的壓力范圍來確定工作負載。液壓缸的公稱壓力由《液壓傳動系統(tǒng)及設計》表 9—5 可知，有如下幾種標準；
1.0
1.6
2.5
4.0
6.3
10
16
25
單位： MPa
在本次設計中擬選用 Pn = 4.0MPa
2 計算液壓缸活塞以及活塞桿的直徑
液壓缸的負載率 y = 實際使用推力
理論額定推力
ψ 通常的取值范圍是 0.5～0.7，本設計選用的值是 0.6。
（3.19）
2
j = A = V = D
速比
選取j = 1.32
1 2
2 1
A V D2 - d 2
(3.20)
于是
經(jīng)轉換得
d = 0.5D
2
D
1.32 = D2 - d 2
當液壓缸返回的時候，這時作用在活塞上的力 F:
F = Fa + Fb + Fc + Fd
其中 Fa 是外負載力，取 Fa = 1000N
Fb是回油阻力， DP 取 0.5MPa。
（3.21）
F = p D2 DP = 3.14 ′ 0.5 ′106 D2 = 4 ′105 D2
b 4 4
（3.22）
Fc 是密封圈在受到摩擦的情況下所遇到的阻力，公式如下
Fc =
fDPp (DbD KD + dbd Kd )
（3.23）
f 的取值范圍為 0.05～0.2
a
DP 是密封圈兩側的壓力差
DP = P - P0
= 4MPa
- 0.5MPa
= 3.5MPa
= 3.5′106 P
（3.24）
根據(jù)書本取bD = bd = 0.006 ， KD = Kd = 0.25
這樣帶入公式 Fc = f DPp (DbDKD + dbd Kd )
= 0.15′ 3.5′106 ′ 3.14 ′(D ′ 0.006 ′ 0.25 + 0.5D ′ 0.006 ′ 0.25)
= 3700D
取 Fd =50Kg，a=1m/s
Fd = mg + ma = m(g + a)
（3.25）
這樣就有
= 50 ′ (10 + 1)
= 550N
F = Fa + Fb + Fc + Fd
= 1000 + 0.39 ′106 D2 + 3700D + 550
= 0.39 ′106 D2 + 3700D +1550
（3.26）
（3.27）
當液壓油進入到有桿的那個腔內的時候，活塞所受到的力為；
F = ( A P - A P )h = p [D2 (P - P ) - d 2 P]h
2 2 1 0 m 4 0 m
（3.28）
m
hm 是液壓缸的機械效率，取h = 0.92
把上述值帶入公式 F = p [D2 (P - P ) - d 2 P]h
2 4 0 m
= 3.14 [D2 (4MP - 0.5MP ) - (0.5D)2 4MP ]′ 0.92
4 a a a
= 3.14 ′ 2.5 ′106 D2 ′ 0.92 = 1.8 ′106 D2
4
（3.29）
2
根據(jù)公式 F = j F 即0.39 ′106 D2 + 3700D +1550 = 0.6 ′1.8′106 D2
這樣就得到關于 D 的方程0.71′106 D2 - 3700D -1550 = 0
解方程可得到
D =
將其圓整得 D=50mm
2 ′ 0.71′106
= 0.0494m = 49.4mm
（3.30）
于是活塞桿的直徑為d = 0.5D = 0.5′ 50 = 25mm
3、缸筒壁厚根據(jù)公式:
選用 Pmax = 32MPa
d 3 Pmax D
2.3s P - 3Pmax
（3.31）
s = 缸筒材料的屈服強度 = s s
P 安全系數(shù) n
(3.32)
查表可知，45 號鋼s s = 600MPa ，n 是安全系數(shù)，擬取 n=4
所以 s = s s
= 600MPa
= 150MP
p n 4 a
d 3 Pmax D
2.3s P - 3Pmax
= 32 ′ 0.05
2.3 ′150 - 3 ′ 32
= 1.6
249
= 6.5mm
考慮到安全帶因素，取δ = 8mm 。
（3） 液壓缸的驗算
①液壓缸的額定壓力 Pn：
（3.34）
s (D 2 - D 2 )
D
2
n
P ￡ 0.35 s 1
1
= 600(0.0662 - 0.052 )
0.35
= 89.47MPa
0.0662
(3.35)
其中 D1 是液壓缸的外徑 D1 = D + 2d = 0.05 + 2′ 0.008 = 0.066m
Pn = 4MPa < 89.47MPa
4 液壓缸的驗算
所以符合要求。
① 液壓缸的額定壓力 Pn 不能超過極限值
s (D 2 - D 2 )
D
2
n
P ￡ 0.35 s 1
1
= 600(0.0662 - 0.052 )
0.35
= 89.47MPa
0.0662
(3.24)
D1 ;液壓缸的外徑 D1 = D + 2d = 0.05 + 2′ 0.008 = 0.066m
在本次設計中取值
Pn = 4MPa < 89.47MPa
所以滿足要求
②Pn 和塑性變形壓力之間的關系：：
Pn ￡ 0.35 - 0.42PPL
（3.25）
其中 Ppl 是液壓缸的塑性變形壓力
P ￡ 2.3s
log D1
= 2.3′ 600 log 0.066 = 166.4MP
PL s D
0.05
a
（3.26）
這樣就有
Pn ￡ 0.35 - 0.42PPL
= 0.35′166.4 = 58.24MPa
（3.27）
由于 Pn = 4MPa < 58.24MPa
，故滿足設計要求。
銑加工中心換刀機構設計
4. 加工中心硬件的選擇設計
4.1 CPU 的選擇
在主控制器的選擇上，結合性價比考慮，本設計中選用單片機是 8031。8031 有很強的功能，這個系列的產(chǎn)品將 CPU、I/O 端口和部分 RAM 等集中在一起。在些許外設器件的輔助下就能形成一個完整的微型計算機控制。此外開發(fā)手段具有多樣性，指令系統(tǒng)有很強大的功能，同時具有靈活性以及許多的硬件資料。8031 在工業(yè)控制中有很大的優(yōu)勢，有著相當普遍的應用。
4.2 程序，數(shù)據(jù)存儲器的擴展
單片機應用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片，其型號分別為：2716、2732、2764、27128、27256 等，其容量分別位 2k、4k、8k、16k、32k。在選擇芯片時， 要考慮 CPU 與 EPROM 時序的匹配。即 8031 所能讀取的時間必須大于 EPROM 要求的讀取時間。此外，還要考慮最大讀出速度、存儲器的容量。在滿足容量要求應盡量選擇大容量芯片、以減少芯片數(shù)量，使系統(tǒng)簡化。在本系統(tǒng)中，我們擬采用 2764 作為擴展芯片。
2764 與 8031 主要是三總線的聯(lián)接。2764 中的低 8 位地址線通過地址寄存器
74LS373 與 8031P0 口相聯(lián)。當?shù)刂芳拇嬖试S信號 ALE 位高電平，則 P0 口輸出地址有效。8 位數(shù)據(jù)線直接與 8031 P0 口相聯(lián)；高 5 位地址線分別與 P2.0～P2.4 相聯(lián)， OE 引腳直接同 8031PSEN 引腳相聯(lián)，片選信號 CE 接地，以便總能選中。由于 8031 只能選通外部程序存儲器，因而其 EA 引腳接地。
由于 8031 內部 RAM 只有 128 字節(jié)，遠遠不能滿足系統(tǒng)的要求，須擴展片
外的數(shù)據(jù)存儲器。單片機應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲器擴展電路一般采用 6116 和 6264 靜態(tài) RAM 數(shù)據(jù)存儲器，其選用的規(guī)則與 EPROM 程序存儲器的要求相同。本系統(tǒng)擬采用 6264 芯片作為數(shù)據(jù)存儲器的外擴芯片。
6264 低 8 位地址線通過地址鎖存器 74LS373 與 8031 P0 口相接，高 5 位地
址線分別與 P2.0～P2.4 相聯(lián)，8 位數(shù)據(jù)線直接接至 8031 P0 口，讀寫控制引腳OE、WR 與 8031 的讀寫控制引腳 RD、WR 直接相聯(lián)，片選端 CE1 通過譯碼電路與 8031 相聯(lián)。
4..3 I/O 接口的擴展
8031 單片機共有四個 8 位并行 I/O 口，但可供用戶使用的只有 P1 口及部
分 P3 口線。因此在大部分應用系統(tǒng)中都不可避免地要進行 I/O 口的擴展。通用可編程接口芯片 8255 具有 2k 位的靜態(tài) RAM，3 個 8 位可編程并行 I/O 口、一個 14 位的計數(shù)器。由于 8255 與單片機的接口簡單，是單片機系統(tǒng)廣泛使用的芯片。
8255 與 8031 的聯(lián)接可歸結為三總線的聯(lián)接。8255 本身具有地址鎖存信號控制線和地址鎖存器，故可直接將地址、數(shù)據(jù)線 AD0～AD7 直接與 8031 口線對應的相聯(lián)，8255的 ALE 與 8031 的 ALE 直接相聯(lián)，高 8 位地址的 P2.5～P2.7 經(jīng)譯碼器 74LS138 提供8255 的片選信號 CE,A 0 和 A 1 分別和 8031 的 A 0 和 A 1 相連，其它讀寫信號 WR、RD 也都對應相聯(lián)。8255 的地址與 8031 統(tǒng)一編址。
4.4 步進電機驅動器的選擇
圖 4.4 步進電機
算機和接口電路的損壞。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔步進電機是一種用脈沖信號控制的電動機。在負載能力及動態(tài)特性范圍內，電動機的角位移僅與控制脈沖成正比。在多數(shù)情況下，用步進電機作為執(zhí)行元件的數(shù)控系統(tǒng)不需要A/D 或 D/A 轉換，可采用較為簡單的開環(huán)控制，因而成為經(jīng)濟性數(shù)控機床最主要的一種伺服驅動元件。
在該控制系統(tǒng)中擬選用的是集成的步進電機驅動器，它的內部包括環(huán)行脈
沖分配器，光電隔離保護電路和功率放大電路。這樣就簡化了硬件之間的連接， 使線路簡單，連接可靠。
脈沖分配器又叫做環(huán)形分配器，是驅動步進電機必不可少的環(huán)節(jié)。步進電機的控制方式由環(huán)形分配器實現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列脈沖指令按一定的分配方式和順序輸送給步進電機的各項繞組，實現(xiàn)電機的正轉或反轉。在數(shù)控系統(tǒng)中使用較多的是集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。而在本系統(tǒng)中使用的是軟件脈沖分配， 通過編程來達到脈沖分配的目的，從而控制步進電機的各項繞組。
隔離和放大電路：在步進電機驅動電路中，脈沖分配器輸出的信號經(jīng)放大后控制步進電機的勵磁繞組。由于步進電機需要的驅動電壓較高（幾十伏），電流也較大， 如果將輸出信號直接與功率放大器相聯(lián)，將會引起強電器干擾，輕則影響計算機程序的正常進行，重則導致計離電路，實現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的是 4.4 功率放大器
脈沖分配器的輸出功率很小，遠不能滿足步進電機的需要，必須將輸出的信號放大產(chǎn)生足夠大的功率，才能驅動步進電機正常運轉。驅動器的型號由選擇的步進電機的類型和型號決定。
4.4 液壓缸的控制
為了能實現(xiàn)換刀過程的自動化，就需要把行程開關的狀態(tài)讀進計算機內部，通過程序判斷，輸出指令，來控制電磁換向閥的線圈，進而控制閥芯的位置，來決定液壓油的流向和活塞的運動方向。因為擴展后的 8255 的 I/O 口還不能滿足要求，就需要在擴展一片 8255，它的接線方式和上一片 8255 的接線方式大致相同。PB 口的 8 個I/O 分別接 8 個行程開關的狀態(tài)，為輸入口。PC 口其中的四個口接液壓缸的電磁換向閥線圈，為輸出口。
5 結 論
本次設計介紹了數(shù)控機床出現(xiàn)的背景，它的產(chǎn)生以及現(xiàn)狀，然后介紹了數(shù)控機床的特點，分析了數(shù)控技術的發(fā)展趨勢。
通過對刀具切削力的計算，選取主軸電機為 FANUCα 12 型交流電機 P=12KW； 通過帶傳動的計算，確定了帶輪的各種基本參數(shù)；通過主軸性能的分析去對部分零件進行設計計算，計算主軸各個截面的彎曲扭矩去選用何時主軸工件的部件；接著校核主軸的剛度強度并進行選材；換刀機構最終的三維示圖如圖 5.1 所示，機械手通過螺紋連接在主軸上，液壓缸推動齒條移動，后者與齒輪嚙合，齒輪隨之轉動，于是帶動花鍵套與主軸一起轉動。
它完成一系列換刀動作是通過三個液壓缸和一些必要的控制設備來完成，先設計計算了液壓缸的參數(shù)；然后設計選擇程序控制的 CPU，選用的單片機型號是 8031，選用 PLC 程序來完成對各個部件的控制。
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致 謝
通過本次畢業(yè)設計讓我對課堂的理論知識有了更深層次的理解，并將其連貫起來運用到實際中去，學會融會貫通