【正文】 機械制造技術(shù)等各相關領域的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)已成為現(xiàn)代先進制造系統(tǒng) (FMS， CIMS 等 )中不可缺少的基 礎技術(shù)。作為關鍵附件，高性能的刀塔對于提高機床整體運行的可靠性、穩(wěn)定性和效率有著重要意義，數(shù)控刀塔是由數(shù)控系統(tǒng)來控制的，因此，在刀塔本身性能提高的情況下，如何實現(xiàn)控制任務就顯得十分重要了。本次設計的主要內(nèi)容是： 對 刀塔的結(jié)構(gòu)，刀塔的傳動形式以及驅(qū)動方式 的設計 ；刀塔與刀座的連接形式、刀座的選擇；刀具的交換動作設計、交換時間以及定位鎖緊計算；刀塔其他輔助部件的設計 其結(jié)構(gòu)尺寸進行選擇設計，根據(jù)課題所要求的刀塔的驅(qū)動方式，對其進行設計進而加以優(yōu)化。經(jīng)過三年時間的研究，于 1952 年試制成功世界第一臺數(shù)控機床試驗性樣機，這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補三坐標連續(xù)控制銑床，這便是數(shù)控機床的第一代。Trecker Co.)在世界上首先研制成功帶自動換刀裝置的數(shù)控機床，稱為 ”加工中心 ” 。除了 APT 數(shù)控語言外，又發(fā)展了許多自動騙程語言。之后，美，歐，日也相繼進行 陜西理工學院畢業(yè)論文（設計） 第 6 頁 共 47 頁 開發(fā)與應用。 20 世紀 80年代初，國際上又出現(xiàn)了柔性 制造單元 FMC(Fleibie— Manufacturing Cell) 。 1999年機床進口額為 （ 7624臺）， 2020年達 （ 23320臺），相當于同年國內(nèi)數(shù)控機床產(chǎn)值的 倍?，F(xiàn)階段我國的機床行業(yè)在高精尖數(shù)控技術(shù)方面還處于模仿階段 , 基礎研究遠跟不上世界先進水平的發(fā)展”[2]， 因此 我們應看清形勢，充分認識國產(chǎn)數(shù)控機床的不足，努力發(fā)展先進技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓服務力度，以縮短與發(fā)達國家之間的差距。力爭早日實現(xiàn)數(shù)控機床產(chǎn)品從低端到高 陜西理工學院畢業(yè)論文（設計） 第 7 頁 共 47 頁 端、從初級產(chǎn)品加工到高精尖產(chǎn)品制造的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)從中國制造到中國創(chuàng)造、從制造大國到制造強國的轉(zhuǎn)變。 根據(jù)主軸頭布置方式不同 ， 通常有平行刀軸式換刀和回轉(zhuǎn)刀架式換刀兩種方式”“ 數(shù)控加工中心的一個顯著結(jié)構(gòu)特征是配置有帶刀庫的自動換刀系統(tǒng) ， 刀庫可以存放較多的刀具 ， 能滿足復雜零件的多工序加工需要 ， 可明顯提高機床的適應性和加工效率 ， 應用廣泛 。 刀具的交換方式通常分為無機械手換刀和有機械手換刀兩大類” 。 課題涉及到的有關知識包括：數(shù) 控機床結(jié)構(gòu)、車削加工中心、自動換刀裝置等等方面；其次還包括一些機械設計、機械傳動、液壓、分度機構(gòu)等方面的知識，在校圖書館借閱了一些關于本次設計有關的資料，而且還在網(wǎng) 陜西理工學院畢業(yè)論文（設計） 第 8 頁 共 47 頁 上搜索了一些相關資料： 1）現(xiàn)代實用機床設計手冊； 2）實用機床設計手冊； 3）機械設計手冊； 4）數(shù)控車床設計； 5）數(shù)控機床結(jié)構(gòu)與維修等等； 6）機械原理。刀塔的使用可以有效擴大機床的工藝范圍，提高機床的加工效率。機械系統(tǒng)的伺服驅(qū)動設計大的來說分為 兩部分：機械系統(tǒng)的設計和電子部分的設計。所以本次設計的大概思路如 圖 所示 ： 圖 12 位星型伺服刀塔 機械部分 電氣部分 星型 形狀選擇 刀位選擇 12 位 結(jié)構(gòu)尺寸設計 伺服類型及驅(qū)動方式 電機伺服驅(qū)動 交直流伺服驅(qū)動 驅(qū)動器選擇 伺服電機選擇 陜西理工學院畢業(yè)論文（設計） 第 10 頁 共 47 頁 由上圖我們可以看出設計的大概過程，機械部分主要是對刀塔的結(jié)構(gòu)外形尺寸設計，在設計過程中所設計的參數(shù)要與現(xiàn)有的標準刀架的參數(shù)相匹配，不能脫離標準參數(shù)的限制，否則最終所設計的刀塔將無法與標準件刀架進行匹配。而對伺服電機來說，電機的尺寸最終要與刀塔的外形結(jié)構(gòu)尺寸進行匹配，在選擇過程中這一點要引起注意。 刀具的切削功率計算公式為： 60000CCC FVP ? 切削力計算公式： 0 .8 6 0 .2 4120 .8 6 10P p zC C a f B ZF K KD?? 式中： B：切削寬度（ mm） ； D：銑刀直徑 （ mm）； 1K ：刀具前角對切削力的影響系數(shù)； 2K ：切削速度對切削力的影響系數(shù)； PC ：加工材料的影響系數(shù)； pa ：吃刀量（ mm） 切削速度計算公式： 陜西理工學院畢業(yè)論文（設計） 第 12 頁 共 47 頁 1000C Dnv ?? 取銑刀直徑 D=60mm,前角為零度，刀具轉(zhuǎn)速 n=750r/min, ZF =, pa =4mm, B=40mm, z=8 3 . 1 4 6 0 7 5 0 1 4 1 . 3 / m in1 0 0 0 1 0 0 0C Dnvm? ??? ? ? 查《簡明金屬切削計算手冊》，工件材料為鋼，圓柱銑刀，查得工件材料對切削利的影響系數(shù) PC =68； 刀具前角為零度，查《簡明金屬切削計算手冊》，查得刀具前角對切削力的影響系數(shù) 1K =； 切削速度 cv =, 查《簡明金屬切削計算手冊》 ,查得切削速度對切削力的影響系數(shù) 2K =,則 ： 0 .8 6 0 .2 4120 .8 6 10P p zC C a f B ZF K KD?? 4 40 1060CF ? ? ? ?? ? ? ? =2550N 2 5 5 0 1 4 1 .3 66 0 0 0 0 6 0 0 0 0CCC FVP KW?? ? ? 經(jīng)查閱《同步伺服電機選型手冊》，選用 DSM200T0378S15H 型電機，該電機的額定轉(zhuǎn)速為 =1500r/min，額定轉(zhuǎn)矩 T=，額定功率 P=。 選齒輪 4的齒數(shù) 4z =22 ，齒輪 5的齒數(shù) 5 4 4 5 2 2 1 .5 3 3z z i? ? ? ?。 由《 機械設計 》圖 1021d按齒面硬度查得齒輪 4的接觸疲勞強度極限 lim4H? =600MPa, 齒輪 5 的接觸疲勞強度極限 lim5H? =550MPa。 陜西理工學院畢業(yè)論文（設計） 第 18 頁 共 47 頁 計算齒輪的 ? ?Fa saFYY? 并加以比較： ? ?444 2 . 7 2 1 . 5 7 0 . 0 1 4 0 73 0 3 . 5 7F a saFYY? ??? ? ?555 2 . 4 7 8 1 . 6 4 0 . 0 1 7 0 12 3 8 . 8 6F a saFYY? ??? 設計計算： ? ? 44 33 2242 2 1 . 5 0 1 3 . 8 9 8 1 0 0 . 0 1 7 0 1 1 . 61 2 2F a s adF YYKTm m mQz ??? ? ? ?? ? ? ??? ??? 對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù) m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲疲勞強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所 決定的承載能力，僅與 齒輪直徑有關，可取由彎曲疲勞強度算得的 模數(shù) 并就近圓整為標準值 m=2mm，按接觸強度算得的分度圓直徑 4 mm? ，算出齒輪4 的齒數(shù) 44 5 6 .6 3 9 2 8 .3 22dz m? ? ? ，取 4 28z ? 5 4 4 5 28 1. 5 42z z i? ? ? ? 4） 幾何尺寸計算 計算分度圓直徑 44 28 2 56d z m mm? ? ? ? 55 42 2 84d z m mm? ? ? ? 計算中心距 4545 5 6 8 4 7022dda m m? ?? ? ? 計算齒輪寬度 4 56db Q d mm?? 取 4 56b mm? ， 5 60b mm? 。 由《 機械設計 》表 106查得材料的彈性影響系數(shù) MPa? 。 由 ? ， ? ? 由《 機械設計 》查圖 1013得 ? ? ； 陜西理工學院畢業(yè)論文（設計） 第 21 頁 共 47 頁 故載荷系數(shù)： 1 1 . 1 1 1 . 4 2 1 1 . 5 6 3A V H a HK K K K K ?? ? ? ? ? ? 按實際載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑： 3366 1 . 5 6 35 5 . 7 8 5 5 9 . 3 21 . 3ttKd d m mK? ? ? ? 計算模數(shù)： 66 dm mmz?? 3）按齒根彎曲強度設計 彎曲強度設計公式： ? ?63 262 Fa sadFKT Y Ym Qz ???? ???? 由《 機械設計 》查圖 1020c 查得 齒輪 6 的彎曲疲勞極限 6 500FE MPa? ? ，齒輪 7的彎曲疲勞極限 7 380FE MPa? ? ； 由《 機械設計 》查圖 1018 取彎曲疲勞壽命系數(shù) 6 ? ， 7 ? ； 計算彎曲疲勞許用應力； 取彎曲疲勞安全系數(shù) S=，得 ? ? 666 0 . 8 5 5 0 0 3 0 3 . 5 71 . 4F N F EF K M P aS?? ?? ? ? ? ? 777 0 . 8 8 3 8 0 2 3 8 . 8 61 . 4F N F EF K M P aS?? ?? ? ? 計算載荷系數(shù) K： 1 1 . 1 1 1 . 3 5 1 . 4 6 3A V F a FK K K K K ?? ? ? ? ? ? 查取齒形系數(shù)， 由《 機械設計 》 表 105 查得 6 ? ， 7 ? ； 查取應力校正系數(shù)， 由《 機械設計 》 表 105 查得 6 ? ， 7 ? 。 齒輪 1 的轉(zhuǎn)矩： 1 .T N m? 由《 機械設計 》表 106查得材料的彈性影響系數(shù) MPa? 。 計算齒輪的 ? ?Fa saFYY? 并加以比較： ? ?111 2 . 6 2 1 . 5 9 0 . 0 1 3 7 23 0 3 . 5 7F a saFYY? ??? ? ?335 2 . 3 2 1 . 7 0 0 . 0 1 6 5 12 3 8 . 8 6F a saFYY? ??? 設計計算： 陜西理工學院畢業(yè)論文（設計） 第 26 頁 共 47 頁 ? ? 41 33 2212 2 1 . 5 2 3 3 . 8 9 8 1 0 0 . 0 1 6 5 1 1 . 4 5 91 2 5F a s adF YYKTm m mQz ??? ? ? ?? ? ? ??? ??? 對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù) m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲疲勞強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與 齒輪直徑有關，可取由彎曲疲勞強度算得的模數(shù) 并圓整為標準值 m=2mm，按接觸強度算得的分度圓直徑 1 mm? ，算出齒輪 1 的齒數(shù) 11 5 4 .6 8 2 2 7 .3 42dz m? ? ?，取 1 27z? 1 1 1 3 27 2 54z z i? ? ? ? 4） 幾何尺寸計算 計算分度圓直徑 11 2 7 2 5 4d z m m m? ? ? ? 33 54 2 10 8d z m m m? ? ? ? 計算中心距 13 5 4 1 0 8 8122dda m m? ?? ? ? 計算齒輪寬度 1 54db Q d mm?? 取 1 54b mm? ， 3 58b mm? 。1951ehpKTd u?? 選取載荷系數(shù) K=。 887 5 .8 5 6 3 .4 522ee dm m mz? ? ? 查《機械設計手冊單行本齒輪傳動》表 ，取 mm? ； 大端分度圓直徑： 88 77eed z m mm?? 99 77ee