苏ICP备112451047180号-6
VT10模块化加工中心刀库设计方案论证报告
1 任务分析
要求设计产品在满足功能要求的前提下尽可能降低成本。设计装置满足GD4032模块化加工中心的需要，参数要求如下：设计用于小型加工中心的具有模块化特点的刀库，配套立式加工中心参数为：X轴行程 400mm，Y轴行程320mm, Z轴行程400mm；刀库容量：10把，最大刀具直径/邻刀空90/125mm， 最大刀具长度240mm，换刀时间（T-T）<5秒，刀具最大重量6 kg。
VT10模块化加工中心刀库设计包括设计部分和控制部分。设计部分包括加工中心的自动换刀装置、刀具的夹持方式、回转轴的支撑形式、刀库材料的选择等。控制部分包括电机的选择、选刀的方式等。
2 市场调研
在明确总体设计的任务后，为对机床有一个进一步的认识，我们借助互联网、图书馆等一些资源，以及对实地参观考察，如机床会展中心和实验中心，对现有的加工中心刀库的结构与功能有了一个全面深入的了解。通过市场调研，了解到刀库的发展趋势如下：
近年来自动换刀刀库的发展俨然已超越其为综合切削加工机床配套的角色，在其特有的技术领域中展出符合机床高精度、高效能、高可靠度及多任务复合等概念之独特产品。以其多样化产品的功能，左右了综合切削加工机床在生产效能及产品精度的表现。
近年来刀库产品之发展趋势为：1）高效能的产品：发展符合高荷重、高容量、高速化概念之刀库产品。2）轻量化、低成本的产品发展符合重量轻、成本低概念之刀库产品。在此概念基础下，刀库产品之发展现况为：
（1）超重刀具负荷之刀库的发展 发展出刀链系统能承载重量70kg以上之超重刀具，拥有强力锁刀装置之稳固刀链架构，可防止重型刀具于运转中坠落。
（2）高效率且定位精确的驱动及选刀系统的发展 发展出高精度系统配置日系高质量、高定位精度之伺服电动机及减速机，以符合选刀迅速、换刀精确的主要性能需求。
（3）多型式刀具容载刀库的发展 发展出同时可容纳多种型式刀具（如ISO50及ISO60）的刀链系统，也被视为是必须时常变换使用多种主轴之加工中心的必备装置。
（4）不同型式刀具及任意点之换刀系统的发展 可以同时夹取不同型式刀具,如ISO50及ISO60，因应需求必须有不同的刀具。为了缩短换刀时间，多点式或任意点式之换刀系统是有必要的。
（5）轻量化、低成本架构之刀库的发展 发展出轻量化之塑钢射出刀套架构，整体重量较传统刀库减轻100kg以上，成本大幅降低之刀库。
（6）大型及高容量刀库的发展 在机床多功能之趋势演化下，大量的刀具被使用在同一台机床上，刀库之架构必须兼顾换刀效率及储刀效能，多变的刀库型体（可容纳120/180/200把以上刀具）及多样精密之换刀系统（如各种立式、卧式、立卧单点及多点式换刀系统），是其主要之特色。
无庸置疑，未来刀库的演进及发展简直难以想象，新时代刀库被赋予着能符合未来全方位综合切削加工机床及多任务复合加工机床需求之使命。快速而多功能之换刀系统（预期BT-40型式可达到1s以内；BT-50型式轻刀可达到1.5s以内）、扩充式及高储刀效能之刀库架构（可容纳240/300/360把以上刀具）、仓储式刀库架构以及更轻量化快速及成本低廉之刀库架构，必将成为未来发展最受期待之焦点。
3 刀库结构的方案论证与选择
①满足工艺要求 机床依靠刀具和工件间相对运动形成工作表面，而加工工件的表面形状和表面位置多种多样，要求刀库能够布置足够的刀具，换刀时间短，能够方便而正确地加工各个工件表面。为了实现在工件的一次安装中完成多种工序加工，要求刀库可以方便转位。
②保证足够的重复定位精度 在刀架上安装刀具时，应能精确地调整刀具的位置，采用自动交换刀具时，应能保证刀具交换前后都能处于正确位置，以保证刀具和工件间准确的相对位置。
③具有足够的刚度 由于刀具的类型、尺寸各异，重量均小于6kg，但刀具在自动转换过程中方向交换较为复杂，而且有些刀架直接承受切削力。考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量，刀库和换刀机械手都必须有足够的刚度，以使切削过程和换刀过程平稳。
④提高可靠性 由于刀库和自动换刀装置在机床工作过程中，使用频率很高，所以必须充分重视它的可靠性。
⑤缩短换刀时间 刀库和自动换刀装置是为了提高机床的自动化而设置的，因而它的换刀时间应尽可能缩短，以提高生产效率。根据设计要求换刀时间要小于5秒，这就对刀库类型和布局提出了较高的要求。
（2）自动换刀装置的形式
加工中心自动换刀装置的结构形式取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具种类和数量。目前加工中心使用的自动换刀装置主要有转塔式自动换刀和刀库式自动换刀两种，其特点和适用范围见下页表1。
表1 自动换刀装置的类型
3.2 刀库结构类型的选择
加工中心目前最常见的刀库形式有圆盘式刀库、链式刀库、直线刀库，并根据不同的机床可以采用多种布局形式。[3]
3.2.1 圆盘式刀库
圆盘式刀库又称鼓轮式刀库，其中最常见的形式有刀具轴线与圆盘轴线平行式布局和刀具轴线与圆盘轴线倾斜式布局两种。
（a）平行式
如图3-1（a）所示刀库，刀具径向布置，占有空间较大，一般置于机床立柱上端。如图3-1(b)所示，刀具轴向布置，常置于主轴侧面，刀库轴心可垂直放置，也可水平放置。刀库结构紧凑，在中小型加工中心上应用较多。但因刀具为单环排列，空间利用率低，且刀具长度较长时，容易和工件、夹具干涉。另外，大容量的刀库外径比较大，转动惯量大，选刀时间长，因此，这种刀库形式一般适用于刀库容量不超过24把的场合。
（a）平行式径向布置 （b）平行式轴向布置 （c）倾斜式
图3-1 盘式刀库结构
（b)倾斜式刀库
如图3-1(c)所示刀具轴线与鼓轮轴线成一定角度（小于90°），呈伞状布置，这可根据机床的总体布局要求安排刀库的位置，多斜放于立柱上端，刀库容量不易过大。
3.2.2 链式刀库
链式刀库就是在环形链条上装有许多刀座，刀座的孔中装夹各种刀具，链条由链轮驱动。如图3-2所示，链式刀库的优点是结构紧凑，布局灵活，适用于刀库容量较大的场合，可以实现刀具的“预选”，换刀时间短。但刀库一般都需要独立安装于机床侧面或顶部，占地面积较大。另外，由于通常情况下，刀具轴线和主轴轴线垂直，因此，换刀必须通过机械手进行，且多为轴向取刀，机械结构比鼓轮式刀库复杂。
图3-2 链式刀库结构
3.2.3 直线刀库
如图3-3所示，刀具在刀库中直线排列，结构简单，存放刀具数量有限（一般8-12把）。多用于数控车床，钻床也有使用。
图3-3 直线刀库结构示意图
小结：考虑到设计任务是用于小型加工中心具有模块化特点的刀库，配套立式VT10加工中心，其刀库容量为10把，要求结构简单，空间布局紧凑。因此，本设计采用圆盘式刀库，刀具轴向布置。
3.3 加工中心的刀具更换的方案论证与选择
加工中心刀具更换的种类有更换主轴换刀，带刀库的自动换刀装置，其中带刀库的自动换刀装置有机械手换刀和无机械手换刀。[3]
3.3.1 更换主轴换刀
更换主轴换刀是一种比较简单的换刀方式。这种机床的主轴头就是一个转塔刀库，主轴头有卧式和立式两种。主轴头上装有主轴，每根主轴上装有一把刀具。根据工序的要求按顺序自动地将装有所需要的刀具主轴转到工作位置，实现自动换刀，同时接通主传动。不处在工作位置的主轴便与主传动脱开。转塔头的转位由槽轮机构来实现，每次转位包括下列动作：脱开主轴传动、转塔头抬起、转塔头换位、转塔头定位压紧和主轴传动重新接通。
这种换刀装置的优点在于省去了自动松、夹、卸刀、装刀，以及道具搬运等一系列的复杂动作，从而缩短了换刀时间，并提高了换刀的可靠性。但是由于空间位置的限制，使主轴部件结构不能设计得十分坚固，因而影响了主轴系统的刚度。为了保证主轴的刚度，必须限制主轴数目，否则将使结构尺寸大大增加。由于这些结构上的原因，转塔主轴头通常只适应工序较少，精度要求不太高的机床，例如数控钻床、铣床等，因此本方案不予采用。
3.3.2 带刀库的自动换刀系统
带刀库的自动换刀系统，其优点是：加工中心只需一个主轴；主轴刚度较好；有利于提高加工精度和效率；要求参与换刀的部件的动作必须准确协调，刀具存储容量增多，有利于加工复杂零件，刀库可离开加工区，消除很多不必要的干扰。缺点是：换刀过程比较复杂。换刀方法有机械手换刀和无机械手换刀。[3]
（1）机械手换刀
在有机械手换刀的过程中，使用一个机械手将加工用毕的刀具从主轴中拔出，与此同时，另一机械手将在刀库中待命的刀具从刀库拔出，然后两者交换位置，完成换刀过程，如图3-4所示。
采用机械手进行刀具交换的方式应用得最为广泛，这是因为机械手换刀系统在刀库配置、与主轴的相对位置及刀具数量上，有很大的灵活性，而且可以减少换刀时间。但在小型立式加工中心，刀库设计要求不高，采用机械手较为复杂，且设计成本较高，因此不予采用。
图3-4 机械手换刀系统
（2）无机械手换刀
无机械手换刀时，刀库中刀具存放方向与主轴平行，刀具放在主轴可达到的位置。如图3-5所示，换刀时，主轴箱移到刀库换刀位置上方，利用主轴Z向运动将待命刀具从刀库中取出，然后刀库中待换刀具转到待命位置，主轴Z向运动将待用刀具从刀库中取出，将刀具插入主轴。必须首先将用过的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出新刀具，这两个动作不可能同时进行，因此换刀时间稍长，但仍可满足5秒内的换刀时间。 因此，本方案可以采用。
图3-5 无机械手换刀系统
小结：考虑到小型立式加工中心，刀库设计要求不高，采用机械手结构较为复杂，且设计成本较高；采用更换主轴换刀，影响主轴的刚度且占用空间位置较大。因此，采用无机械手换刀方式。
3.4 刀具的选择方式方案论证与选择
按数控装置的刀具选择指令，从刀库中将所需要的刀具转换到取刀位置，称为自动选刀。在刀库中选择刀具通常采用的方法有以下三种。[3]
3.4.1 顺序选择刀具
刀具按预定工序的先后顺序插入刀库的刀座中，使用时按顺序转到取刀位置。用过的刀具放回原来的刀座内，也可以按加工顺序放人下一个刀座内。该法不需要刀具识别装置，驱动控制也较简单，工作可靠。但刀库中每一把刀具在不同的工序中不能重复使用，为了满足加工需要，加工中心只有增加刀具的数量和刀库的容量，这就降低了刀具和刀库的利用率。此外，装刀时必须十分谨慎，如果刀具不按顺序装在刀库中，将会产生严重的后果。
3.4.2 任意选择刀具
这种方法根据程序指令的要求任意选择所需要的刀具，刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列，可以任意存放。每把刀具(或刀座)都编上代码， 自动换刀时，刀库旋转，每把刀具(或刀座)都经过“刀具识别装置”接受识别。调整刀具时无需选择刀座，交换刀具时，刀具无需归还原位。因此，任意选择刀具方式在容量较大的刀库中应用较广泛。
任意选择法必须对刀具编码，以便识别。编码方式主要有以下方式：
（1）采用特殊的刀柄结构进行编码。（2）对刀库中每个刀座、刀具进行编码，并将刀具放到与其号码相符合的刀座中。（3）编码附件方式可分为编码钥匙、编码卡片、编码杆和编码盘等，其中应用最多的是编码钥匙。（4）非接触式刀具识别装置。
3.4.3 利用PLC（可编程序控制器）实现随机换刀
由于计算机技术的发展，可以利用软件选刀，加工中心它代替了传统的编码环和识刀器。在这种选刀与换刀的方式中，刀库中的刀具能与主轴上的刀具任意的直接交换，即随机换刀。主轴上换来的新刀具号及还回刀库上的刀具号，均在PLC内部相应地存储单元记忆。随机换刀控制方式需要在PLC内部设置一个模拟刀库的数据表，其长度和表内设置的数据与刀库的编号和刀具号相对应。这种方法主要由软件完成选刀，加工中心从而消除了由于刀具识别装置的稳定性、可靠性所带来的选刀失误。其功能及可靠性虽然较好，但对于小型加工中心来说，其成本比较高。因此，不予采用PLC实现随机换刀。
小结：对VT10加工中心这样小容量的刀库较多采用顺序选择刀具方式, 不需要对刀具进行编码, 这样可以减少成本，因而也不需要刀具识别装置。
3.5 本章小结
小型加工中心的具有模块化特点的刀库，配套立式加工中心参数为：X轴行程 400mm，Y轴行程320mm, Z轴行程400mm；刀库容量：10把，最大刀具直径/邻刀空90/125mm， 最大刀具长度240mm，换刀时间(T-T)<5秒。
选择圆盘式刀库，刀具轴向布置，置于主轴侧面。加工中心的自动换刀装置选择带刀库的自动换刀系统，无机械手换刀。刀具的选择方式为顺序选择刀具方式。[3] [6]
4 刀具的夹持方式方案论证与选择
根据设计要求，选用的刀柄标准为BT40刀柄，其结构如 4-1图所示，图中1为键槽，用于传递切削扭矩，通过键连接到机床主轴，又可用于刀具的周向定位，且便于实现主轴的准停后正确安装刀具；2为机械手抓取部位；3为刀柄定位及夹持部位；4为螺孔，用以安装可调节拉杆，供拉紧刀柄。
刀具的夹持要求有：机械手的夹持部分要十分可靠，保证有适当的夹紧力，能起到准确的定位的作用。基于BT40刀柄键槽的定位要求，夹持方式必须要用夹块来准确定位，如图4-2刀爪夹持形式所示。目前常用的夹持形式还有柄式夹持和法兰盘式夹持。[4]
（1） 刀爪夹持形式
夹块在刀爪抓刀时插入到键下半部中，以及刀具在刀库中时夹块一直插在键中，起准确定位的作用。因此对夹块的宽度尺寸精度要求很高。夹块宽度的尺寸主要由键的宽度来决定。刀盘采用轮辐式结构，这样既能满足使用的要求，又能保证刀盘的强度。
（2）柄式夹持（轴向夹持）
我国较多采用如图4-3所示形式，该加持方式具有结构简单、装夹方便且牢固可靠。但该种夹持方式不能起到准确定位的作用。
小结：考虑到BT40刀柄夹持方式的限制及定位要求，整体刀库的结构设计和经济成本，因此选用刀具的夹持方式为刀爪夹持，如图4-2所示。
5 回转轴的支撑形式方案论证与选择
VT10加工中心设计用于小型加工中心的具有模块化特点的刀库，回转轴垂直放置，盘式刀库固定在联轴器上，在回转轴与联轴器之间，需要有回转轴承连接，有刀库的回转支承承受的刀具重量不超过60kg，属于轻型机械，无较大的径向力、轴向力和倾覆力矩。[7]
滚动轴承是现代机器中广泛应用的支撑部件，它是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件的，一般由内圈、外圈、滚动体和保持架等四部分组成，具有维修方便、摩擦阻力小、功率消耗少、起动性能好、工作可靠等优点。常用的滚动轴承类型有圆锥滚子轴承、角接触球轴承、深沟球轴承等。
圆锥滚子轴承可以承受大的径向载荷和轴向载荷，其外圈可分离，安装时可调整轴承的游隙。由于圆锥滚子轴承只能传递单向轴向载荷，因此，为传递相反方向的轴向载荷就需要另一个与之对称安装的圆锥滚子轴承。
角接触球轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷，也可以单独承受轴向载荷，能在较高转速下正常工作，其轴向承载能力随接触角增大而提高。其由于一个轴承只能承受单向的轴向力，因此一般成对使用。
深沟球轴承主要承受径向载荷，也可同时承受径向载荷和轴向载荷：当其仅承受径向载荷时，接触角为零；当深沟球轴承具有较大的径向游隙时，具有角接触轴承的性能，可承受较大的轴向载荷。深沟球轴承是最具代表性的滚动轴承，用途广泛。适用于高转速甚至极高转速的运行，而且非常耐用，无需经常维护。该类轴承摩擦系数小，极限转速高， 结构简单，制造成本低，易达到较高制造精度。
小结：本设计中，轴承所受载荷主要来自刀具的重量，径向载荷主要来自刀盘的旋转，考虑到轴承转速、经济方便性等方面的因素，因此选用角接触球轴承。
6 驱动装置的选择
驱动装置是提供动力及传递动力的装置，由两部分组成，传动机构和电机的选择。
6.1传动机构的方案论证与选择
在VT10加工中心的刀库中, 实际加工的要求需要安装10把刀具, 这10把刀具全部安装在一个刀盘上, 而刀盘需要一个间歇分度机构来带动。可以实现间歇分度运动的机构很多, 如槽轮机构、不完全齿轮机构和凸轮机构等等。[8]
1） 槽轮机构
槽轮机构由具有径向槽的槽轮2、带有圆销A的拨盘1和机架组成，如图6-1所示。拨盘和槽轮上都有锁止弧，槽轮上的凹圆弧、拨盘上的凸圆弧，起锁定作用。拨盘1作匀速转动时，驱使槽轮2作时转时停的间歇运动。拨盘1上的圆销A尚未进入槽轮2的径向槽时，由于槽轮2的内凹锁住弧β被拨盘1的外凸圆弧卡住，故槽轮2静止不动。图中所示位置是当圆销A开始进入槽轮2的径向槽时的情况。这时锁住弧被松开，因此槽轮2受圆销A驱使沿逆时 针转动。当圆销A开始脱出槽轮的径向槽时，槽轮的另一内凹锁住弧又被拨盘1的外凸圆弧卡住，致使槽轮2又静止不动，直到圆销A再进入槽轮2的另一径向槽时，两者又重复上述的运动循环。为了防止槽轮在工作过程中位置发生偏移，除上述锁住弧之外也可以采用其他专门的定位装置。
槽轮机构的优缺点：结构简单、制造容易、工作可靠、机械效率高，能平稳地、间歇地进行转位。因槽轮运动过程中角速度有变化 ，不适合高速运动场合。
2） 不完全齿轮机构
如图6-2所示为不完全齿轮机构。这种机构的主动轮为只有一个齿或几个齿的不完全齿轮，从动轮由正常齿和带锁住弧的厚齿彼此相间地组成。当主动轮的有齿部分作用时，从动轮就转动；当主动轮的无齿圆弧部分作用时，从动轮停止不动，因而当主动轮连续转动时，从动轮获得时转时停的间歇运动。
不完全齿轮机构的优缺点：结构简单、制造容易、工作可靠、从动轮运动时间和静止时间的比例可在较大范围内变化。但从动轮在开始进入啮合与脱离啮合时有较大冲击，故一般只用于低速、轻载场合。
3） 凸轮间歇运动机构
凸轮间歇运动机构通常有两种型式
（1）如图6-3所示的圆柱形凸轮间歇运动机构，凸轮呈圆柱形，滚子均匀分布在转盘的端面。滚子中心与转盘中心的距离等于R2。这种机构实质上是一个摆杆长度等于R2、只有推程和远休止角的摆动从动件圆柱凸轮机构。
（2）如图6-4所示的蜗杆形凸轮间歇运动机构，凸轮形状如同圆弧面蜗杆一样，滚子均匀分布在转盘的圆柱面上，犹如蜗轮的齿。这种凸轮间歇运动机构可以通过调整凸轮与转盘的中心距来消除滚子与凸轮接触面间的间隙以补偿磨损。
凸轮间歇运动机构的优缺点：运转可靠、传动平稳、转盘可以实现任何运动规律，还可以用改变凸轮推程运动角来得到所需要的转盘转动与停歇时间的比值。但凸轮加工较复杂、安装调整要求严格。凸轮间歇运动机构常用于传递交错轴间的分度运动和需要间歇转位的机械装置中。
小结：槽轮机构具有冲击小，工作平稳性较高，机械效率高，可以在较高转速下工作，且有结构简单，易制造等优点，在目前生产的圆盘式刀库的加工中心机床上很多采用槽轮机构来驱动刀库的分度回转运动。
根据以上要求，圆盘式刀库的回转驱动方式通常有两种，一种是由伺服电机通过减速装置进行驱动；另一种是采用调速电动机通过外啮合槽轮机构进行驱动。前者结构简单，回转速度快，定位准确，但由于选用了伺服电机，电气控制复杂，制造成本高。后者采用机械方式分度定位，可靠性高，虽然定位精度较前者低，但完全能够满足加工中心机床的要求。选用调速电动机，电气控制简单，制造成本比前者低。因此，选用调速电动机驱动，通过槽轮机构实现。
6.3 本章小结
综上所述，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，圆盘式刀库的加工中心机床上采用槽轮机构来驱动刀库的分度回转运动，驱动元件选用调速电动机。
7 刀库材料的选择
加工中心刀库零部件在工作时将受到剪切、扭转、振动等力的作用，或几种力的同时作用，其工作温度多在—50℃~150℃之间，同时受到大气、水分、润滑油及其他介质的腐蚀作用。刀库材料的选择将直接影响到加工中心刀库各零部件及整体的强度和工作可靠性，所以刀库材料的选择要充分考虑零部件的性能要求和实际工作状态等。本设计中，刀库的选择包括的元件有盘式刀库、夹持的刀爪、回转轴、槽轮机构、防护罩等，标准件如轴承、联轴器等采用国家标准。
7.1 盘式刀库的材料的选用
灰铸铁是价格便宜、应用最广泛的铸铁材料。灰铸铁有一定的强度和良好的减震性，用灰铸铁制作刀架等零件时，能有效地吸收机器震动的能量，同时它还具有良好的润滑、导热和铸造性能。其流动性能良好，线收缩率和体收缩率较小，铸件不易产生开裂，有效地保证了刀库的强度。[5]
因此，盘式刀库采用Q235A制造。
7.2夹持的刀爪的材料的选用
夹持的刀爪是用来夹持刀柄的，要求其材料具有较好的耐磨性，有较好的强度和韧性，长期使用及更换刀具时不能对刀柄造成巨大磨损。材料的选用有两种类型。方案一：采用金属材料，如HT100。方案二：采用高分子材料，如尼龙。传统的刀爪均采用金属材料，其加工材料成本较高，机械加工工序复杂，成本较高。而新兴的高分子材料——尼龙，具有材质轻，性能好，制造容易等优点，制造可以注塑成型，大大减少机加工工序，节约成本。[5]
因此，夹持刀爪的材料选用尼龙。
7.3 回转轴的材料的选用
45钢是强度较高的一种合金钢，是轴类零件的常用材料，它价格便宜，经过正火或调质处理后可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性，综合机械性能良好。
40Cr具有更好的力学性能和热处理性能，但对应力集中敏感较小，且价格较贵，所以当载荷较大并要求限制轴的外形、尺寸和重量，或轴颈的耐磨性回转轴等要求较高时多采用这种材料。
综合力学性能及生产成本的考虑，因此，宜采用45钢制造。[5]
7.4 槽轮机构的材料的选用
槽轮机构转速不高，载荷不大，工作时会产生一定的冲击，制造和装配精度要求较高，因此选用中碳钢制造，为了提高淬透性，也可选用中碳合金钢。因此，在本设计中，选用45钢制造槽轮机构，采用合理的热处理工艺，以保证其强度和耐磨性。[5]
7.5 防护罩的材料的选用
防护罩形状简单，负载极低，对磨损和变形要求不高，这些板材通常只需简单加工或焊接连接，因此选用钢板Q235制造，制造成本较低。[5]
8 安全防护
每台数控机床在运行一段时间后，某些元器件或机械部件难免出现一些损坏或故障现象。对于这种高精度、高效益且又昂贵的设备，如何延长元器件的寿命和零部件的磨损周期，预防各种故障，特别是将恶性事故消灭在 萌芽状态，从而提高数空机床的平均无故障工作时间和使用寿命，一个重要的方面是要做好系统维护，另一方面是要有安全防护系统。
(1)系统维护
数控工作台环境复杂，常有金属屑、油污、粉尘等落入刀库系统中，很容易划伤刀具，影响刀具的精度，从而影响机床加工精度。用防护罩将刀库密封，可保证刀库内部的环境长时间保持不变。
(2)安全防护系统
如果主轴与刀库发生碰撞，刀库圆盘、刀具、回转轴等将受到损坏。为防止刀库整体损坏，将刀库整体固定在一个主轴上，当发生碰撞时，碰撞强度超过固定刀库的圆柱销的强度，圆柱销断裂，刀库整体将绕主轴旋转一定的角度，从而防止刀库整体的损坏。
论证结果
VT10模块化加工中心刀库容量为10把，采用盘式结构，其材料为HT150。由于刀库容量小，刀库换刀按照刀具与刀座固定对应方式，选择带刀库的自动换刀系统，无机械手换刀，由主轴直接实现，刀具轴向布置，置于主轴侧面。刀具的选择方式为顺序选择刀具方式。BT40刀柄夹持方式为刀爪夹持，刀爪的材料为尼龙。回转轴承用深沟球轴承，回转轴采用45钢制造。
圆盘式刀库采用具有减速装置的调速电动机驱动，通过采用45钢的槽轮机构实现，实现刀盘的转动。在槽轮转臂上安装有感应块，槽轮转臂旋转一圈，也就是刀盘转一个刀位，接近开关产生一次感应信号，PLC根据接受的信号进行计数并实现刀库到位停止，刀盘的准确定位靠电动机刹车实现。
参考文献
[1] 沙杰 等编著.加工中心结构、调试与维护.北京：机械工业出版社,2003.8
[2] 文怀兴编.数控机床系统设计.北京：化学工业出版社，2005
[3] 夏田编.数控加工中心设计.北京：化学工业出版社
[4] 王爱玲编.数控机床结构及应用.北京：机械工业出版社，2006.3
[5] 朱张校编.工程材料.北京：清华大学出版社，2001.1
[6] 王宗才编.机电传动与控制.北京：电子工业出版社,2011.6
[7] 濮良贵编著.机械设计.北京：清华大学出版社，2006.5
[8] 孙恒主编.机械原理.北京：高等教育出版社，2006.5
[9] 许晓旸主编.专用机床设备设计.重庆：重庆大学出版社，2003.7
[10] 图书馆相关资料，相关网络资源
[11] 机床设计手册.北京：机械工业出版社
1 任务分析
要求设计产品在满足功能要求的前提下尽可能降低成本。设计装置满足GD4032模块化加工中心的需要，参数要求如下：设计用于小型加工中心的具有模块化特点的刀库，配套立式加工中心参数为：X轴行程 400mm，Y轴行程320mm, Z轴行程400mm；刀库容量：10把，最大刀具直径/邻刀空90/125mm， 最大刀具长度240mm，换刀时间（T-T）<5秒，刀具最大重量6 kg。
VT10模块化加工中心刀库设计包括设计部分和控制部分。设计部分包括加工中心的自动换刀装置、刀具的夹持方式、回转轴的支撑形式、刀库材料的选择等。控制部分包括电机的选择、选刀的方式等。
2 市场调研
在明确总体设计的任务后，为对机床有一个进一步的认识，我们借助互联网、图书馆等一些资源，以及对实地参观考察，如机床会展中心和实验中心，对现有的加工中心刀库的结构与功能有了一个全面深入的了解。通过市场调研，了解到刀库的发展趋势如下：
近年来自动换刀刀库的发展俨然已超越其为综合切削加工机床配套的角色，在其特有的技术领域中展出符合机床高精度、高效能、高可靠度及多任务复合等概念之独特产品。以其多样化产品的功能，左右了综合切削加工机床在生产效能及产品精度的表现。
近年来刀库产品之发展趋势为：1）高效能的产品：发展符合高荷重、高容量、高速化概念之刀库产品。2）轻量化、低成本的产品发展符合重量轻、成本低概念之刀库产品。在此概念基础下，刀库产品之发展现况为：
（1）超重刀具负荷之刀库的发展 发展出刀链系统能承载重量70kg以上之超重刀具，拥有强力锁刀装置之稳固刀链架构，可防止重型刀具于运转中坠落。
（2）高效率且定位精确的驱动及选刀系统的发展 发展出高精度系统配置日系高质量、高定位精度之伺服电动机及减速机，以符合选刀迅速、换刀精确的主要性能需求。
（3）多型式刀具容载刀库的发展 发展出同时可容纳多种型式刀具（如ISO50及ISO60）的刀链系统，也被视为是必须时常变换使用多种主轴之加工中心的必备装置。
（4）不同型式刀具及任意点之换刀系统的发展 可以同时夹取不同型式刀具,如ISO50及ISO60，因应需求必须有不同的刀具。为了缩短换刀时间，多点式或任意点式之换刀系统是有必要的。
（5）轻量化、低成本架构之刀库的发展 发展出轻量化之塑钢射出刀套架构，整体重量较传统刀库减轻100kg以上，成本大幅降低之刀库。
（6）大型及高容量刀库的发展 在机床多功能之趋势演化下，大量的刀具被使用在同一台机床上，刀库之架构必须兼顾换刀效率及储刀效能，多变的刀库型体（可容纳120/180/200把以上刀具）及多样精密之换刀系统（如各种立式、卧式、立卧单点及多点式换刀系统），是其主要之特色。
无庸置疑，未来刀库的演进及发展简直难以想象，新时代刀库被赋予着能符合未来全方位综合切削加工机床及多任务复合加工机床需求之使命。快速而多功能之换刀系统（预期BT-40型式可达到1s以内；BT-50型式轻刀可达到1.5s以内）、扩充式及高储刀效能之刀库架构（可容纳240/300/360把以上刀具）、仓储式刀库架构以及更轻量化快速及成本低廉之刀库架构，必将成为未来发展最受期待之焦点。
3 刀库结构的方案论证与选择
3.1 刀库的基本要求和类型
（1）自动换刀装置的基本要求①满足工艺要求 机床依靠刀具和工件间相对运动形成工作表面，而加工工件的表面形状和表面位置多种多样，要求刀库能够布置足够的刀具，换刀时间短，能够方便而正确地加工各个工件表面。为了实现在工件的一次安装中完成多种工序加工，要求刀库可以方便转位。
②保证足够的重复定位精度 在刀架上安装刀具时，应能精确地调整刀具的位置，采用自动交换刀具时，应能保证刀具交换前后都能处于正确位置，以保证刀具和工件间准确的相对位置。
③具有足够的刚度 由于刀具的类型、尺寸各异，重量均小于6kg，但刀具在自动转换过程中方向交换较为复杂，而且有些刀架直接承受切削力。考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量，刀库和换刀机械手都必须有足够的刚度，以使切削过程和换刀过程平稳。
④提高可靠性 由于刀库和自动换刀装置在机床工作过程中，使用频率很高，所以必须充分重视它的可靠性。
⑤缩短换刀时间 刀库和自动换刀装置是为了提高机床的自动化而设置的，因而它的换刀时间应尽可能缩短，以提高生产效率。根据设计要求换刀时间要小于5秒，这就对刀库类型和布局提出了较高的要求。
（2）自动换刀装置的形式
加工中心自动换刀装置的结构形式取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具种类和数量。目前加工中心使用的自动换刀装置主要有转塔式自动换刀和刀库式自动换刀两种，其特点和适用范围见下页表1。
表1 自动换刀装置的类型
| 类别形式 | 特点 | 适用范围 | |
| 转塔型 | 回转刀架 | 多为顺序换刀，换刀时间短，结构简单紧凑，容纳刀具较少 | 各种数控机床，数控车削加工中心 |
| 转塔头 | 顺序换刀，换刀时间短，刀具主轴都集中在转塔头上，结构紧凑，但刚性较差，刀具主轴数受限制 | 数控钻、镗、铣床 | |
| 刀库式 | 刀具与主轴之间换刀 | 换刀运动集中，运动部件少，但刀库只有容量受限 |
各种类型的自动换刀数控机床。尤其是对使用刀具的数控镗、铣床类立式、卧式加工中心机床 要根据工艺范围和机床特点，确定刀库容量和自动换刀装置类型 |
| 用机械手配合刀库进行换刀 | 刀库只有选刀运动，机械手进行换刀运动，刀库容量大 | ||
3.2 刀库结构类型的选择
加工中心目前最常见的刀库形式有圆盘式刀库、链式刀库、直线刀库，并根据不同的机床可以采用多种布局形式。[3]
3.2.1 圆盘式刀库
圆盘式刀库又称鼓轮式刀库，其中最常见的形式有刀具轴线与圆盘轴线平行式布局和刀具轴线与圆盘轴线倾斜式布局两种。
（a）平行式
如图3-1（a）所示刀库，刀具径向布置，占有空间较大，一般置于机床立柱上端。如图3-1(b)所示，刀具轴向布置，常置于主轴侧面，刀库轴心可垂直放置，也可水平放置。刀库结构紧凑，在中小型加工中心上应用较多。但因刀具为单环排列，空间利用率低，且刀具长度较长时，容易和工件、夹具干涉。另外，大容量的刀库外径比较大，转动惯量大，选刀时间长，因此，这种刀库形式一般适用于刀库容量不超过24把的场合。
（a）平行式径向布置 （b）平行式轴向布置 （c）倾斜式
图3-1 盘式刀库结构
（b)倾斜式刀库
如图3-1(c)所示刀具轴线与鼓轮轴线成一定角度（小于90°），呈伞状布置，这可根据机床的总体布局要求安排刀库的位置，多斜放于立柱上端，刀库容量不易过大。
3.2.2 链式刀库
链式刀库就是在环形链条上装有许多刀座，刀座的孔中装夹各种刀具，链条由链轮驱动。如图3-2所示，链式刀库的优点是结构紧凑，布局灵活，适用于刀库容量较大的场合，可以实现刀具的“预选”，换刀时间短。但刀库一般都需要独立安装于机床侧面或顶部，占地面积较大。另外，由于通常情况下，刀具轴线和主轴轴线垂直，因此，换刀必须通过机械手进行，且多为轴向取刀，机械结构比鼓轮式刀库复杂。
图3-2 链式刀库结构
3.2.3 直线刀库
如图3-3所示，刀具在刀库中直线排列，结构简单，存放刀具数量有限（一般8-12把）。多用于数控车床，钻床也有使用。
图3-3 直线刀库结构示意图
小结：考虑到设计任务是用于小型加工中心具有模块化特点的刀库，配套立式VT10加工中心，其刀库容量为10把，要求结构简单，空间布局紧凑。因此，本设计采用圆盘式刀库，刀具轴向布置。
3.3 加工中心的刀具更换的方案论证与选择
加工中心刀具更换的种类有更换主轴换刀，带刀库的自动换刀装置，其中带刀库的自动换刀装置有机械手换刀和无机械手换刀。[3]
3.3.1 更换主轴换刀
更换主轴换刀是一种比较简单的换刀方式。这种机床的主轴头就是一个转塔刀库，主轴头有卧式和立式两种。主轴头上装有主轴，每根主轴上装有一把刀具。根据工序的要求按顺序自动地将装有所需要的刀具主轴转到工作位置，实现自动换刀，同时接通主传动。不处在工作位置的主轴便与主传动脱开。转塔头的转位由槽轮机构来实现，每次转位包括下列动作：脱开主轴传动、转塔头抬起、转塔头换位、转塔头定位压紧和主轴传动重新接通。
这种换刀装置的优点在于省去了自动松、夹、卸刀、装刀，以及道具搬运等一系列的复杂动作，从而缩短了换刀时间，并提高了换刀的可靠性。但是由于空间位置的限制，使主轴部件结构不能设计得十分坚固，因而影响了主轴系统的刚度。为了保证主轴的刚度，必须限制主轴数目，否则将使结构尺寸大大增加。由于这些结构上的原因，转塔主轴头通常只适应工序较少，精度要求不太高的机床，例如数控钻床、铣床等，因此本方案不予采用。
3.3.2 带刀库的自动换刀系统
带刀库的自动换刀系统，其优点是：加工中心只需一个主轴；主轴刚度较好；有利于提高加工精度和效率；要求参与换刀的部件的动作必须准确协调，刀具存储容量增多，有利于加工复杂零件，刀库可离开加工区，消除很多不必要的干扰。缺点是：换刀过程比较复杂。换刀方法有机械手换刀和无机械手换刀。[3]
（1）机械手换刀
在有机械手换刀的过程中，使用一个机械手将加工用毕的刀具从主轴中拔出，与此同时，另一机械手将在刀库中待命的刀具从刀库拔出，然后两者交换位置，完成换刀过程，如图3-4所示。
采用机械手进行刀具交换的方式应用得最为广泛，这是因为机械手换刀系统在刀库配置、与主轴的相对位置及刀具数量上，有很大的灵活性，而且可以减少换刀时间。但在小型立式加工中心，刀库设计要求不高，采用机械手较为复杂，且设计成本较高，因此不予采用。
图3-4 机械手换刀系统
（2）无机械手换刀
无机械手换刀时，刀库中刀具存放方向与主轴平行，刀具放在主轴可达到的位置。如图3-5所示，换刀时，主轴箱移到刀库换刀位置上方，利用主轴Z向运动将待命刀具从刀库中取出，然后刀库中待换刀具转到待命位置，主轴Z向运动将待用刀具从刀库中取出，将刀具插入主轴。必须首先将用过的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出新刀具，这两个动作不可能同时进行，因此换刀时间稍长，但仍可满足5秒内的换刀时间。 因此，本方案可以采用。
图3-5 无机械手换刀系统
小结：考虑到小型立式加工中心，刀库设计要求不高，采用机械手结构较为复杂，且设计成本较高；采用更换主轴换刀，影响主轴的刚度且占用空间位置较大。因此，采用无机械手换刀方式。
3.4 刀具的选择方式方案论证与选择
按数控装置的刀具选择指令，从刀库中将所需要的刀具转换到取刀位置，称为自动选刀。在刀库中选择刀具通常采用的方法有以下三种。[3]
3.4.1 顺序选择刀具
刀具按预定工序的先后顺序插入刀库的刀座中，使用时按顺序转到取刀位置。用过的刀具放回原来的刀座内，也可以按加工顺序放人下一个刀座内。该法不需要刀具识别装置，驱动控制也较简单，工作可靠。但刀库中每一把刀具在不同的工序中不能重复使用，为了满足加工需要，加工中心只有增加刀具的数量和刀库的容量，这就降低了刀具和刀库的利用率。此外，装刀时必须十分谨慎，如果刀具不按顺序装在刀库中，将会产生严重的后果。
3.4.2 任意选择刀具
这种方法根据程序指令的要求任意选择所需要的刀具，刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列，可以任意存放。每把刀具(或刀座)都编上代码， 自动换刀时，刀库旋转，每把刀具(或刀座)都经过“刀具识别装置”接受识别。调整刀具时无需选择刀座，交换刀具时，刀具无需归还原位。因此，任意选择刀具方式在容量较大的刀库中应用较广泛。
任意选择法必须对刀具编码，以便识别。编码方式主要有以下方式：
（1）采用特殊的刀柄结构进行编码。（2）对刀库中每个刀座、刀具进行编码，并将刀具放到与其号码相符合的刀座中。（3）编码附件方式可分为编码钥匙、编码卡片、编码杆和编码盘等，其中应用最多的是编码钥匙。（4）非接触式刀具识别装置。
3.4.3 利用PLC（可编程序控制器）实现随机换刀
由于计算机技术的发展，可以利用软件选刀，加工中心它代替了传统的编码环和识刀器。在这种选刀与换刀的方式中，刀库中的刀具能与主轴上的刀具任意的直接交换，即随机换刀。主轴上换来的新刀具号及还回刀库上的刀具号，均在PLC内部相应地存储单元记忆。随机换刀控制方式需要在PLC内部设置一个模拟刀库的数据表，其长度和表内设置的数据与刀库的编号和刀具号相对应。这种方法主要由软件完成选刀，加工中心从而消除了由于刀具识别装置的稳定性、可靠性所带来的选刀失误。其功能及可靠性虽然较好，但对于小型加工中心来说，其成本比较高。因此，不予采用PLC实现随机换刀。
小结：对VT10加工中心这样小容量的刀库较多采用顺序选择刀具方式, 不需要对刀具进行编码, 这样可以减少成本，因而也不需要刀具识别装置。
3.5 本章小结
小型加工中心的具有模块化特点的刀库，配套立式加工中心参数为：X轴行程 400mm，Y轴行程320mm, Z轴行程400mm；刀库容量：10把，最大刀具直径/邻刀空90/125mm， 最大刀具长度240mm，换刀时间(T-T)<5秒。
选择圆盘式刀库，刀具轴向布置，置于主轴侧面。加工中心的自动换刀装置选择带刀库的自动换刀系统，无机械手换刀。刀具的选择方式为顺序选择刀具方式。[3] [6]
4 刀具的夹持方式方案论证与选择
刀具的夹持要求有：机械手的夹持部分要十分可靠，保证有适当的夹紧力，能起到准确的定位的作用。基于BT40刀柄键槽的定位要求，夹持方式必须要用夹块来准确定位，如图4-2刀爪夹持形式所示。目前常用的夹持形式还有柄式夹持和法兰盘式夹持。[4]
（1） 刀爪夹持形式
夹块在刀爪抓刀时插入到键下半部中，以及刀具在刀库中时夹块一直插在键中，起准确定位的作用。因此对夹块的宽度尺寸精度要求很高。夹块宽度的尺寸主要由键的宽度来决定。刀盘采用轮辐式结构，这样既能满足使用的要求，又能保证刀盘的强度。
（2）柄式夹持（轴向夹持）
我国较多采用如图4-3所示形式，该加持方式具有结构简单、装夹方便且牢固可靠。但该种夹持方式不能起到准确定位的作用。
小结：考虑到BT40刀柄夹持方式的限制及定位要求，整体刀库的结构设计和经济成本，因此选用刀具的夹持方式为刀爪夹持，如图4-2所示。
5 回转轴的支撑形式方案论证与选择
VT10加工中心设计用于小型加工中心的具有模块化特点的刀库，回转轴垂直放置，盘式刀库固定在联轴器上，在回转轴与联轴器之间，需要有回转轴承连接，有刀库的回转支承承受的刀具重量不超过60kg，属于轻型机械，无较大的径向力、轴向力和倾覆力矩。[7]
滚动轴承是现代机器中广泛应用的支撑部件，它是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件的，一般由内圈、外圈、滚动体和保持架等四部分组成，具有维修方便、摩擦阻力小、功率消耗少、起动性能好、工作可靠等优点。常用的滚动轴承类型有圆锥滚子轴承、角接触球轴承、深沟球轴承等。
圆锥滚子轴承可以承受大的径向载荷和轴向载荷，其外圈可分离，安装时可调整轴承的游隙。由于圆锥滚子轴承只能传递单向轴向载荷，因此，为传递相反方向的轴向载荷就需要另一个与之对称安装的圆锥滚子轴承。
角接触球轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷，也可以单独承受轴向载荷，能在较高转速下正常工作，其轴向承载能力随接触角增大而提高。其由于一个轴承只能承受单向的轴向力，因此一般成对使用。
深沟球轴承主要承受径向载荷，也可同时承受径向载荷和轴向载荷：当其仅承受径向载荷时，接触角为零；当深沟球轴承具有较大的径向游隙时，具有角接触轴承的性能，可承受较大的轴向载荷。深沟球轴承是最具代表性的滚动轴承，用途广泛。适用于高转速甚至极高转速的运行，而且非常耐用，无需经常维护。该类轴承摩擦系数小，极限转速高， 结构简单，制造成本低，易达到较高制造精度。
小结：本设计中，轴承所受载荷主要来自刀具的重量，径向载荷主要来自刀盘的旋转，考虑到轴承转速、经济方便性等方面的因素，因此选用角接触球轴承。
6 驱动装置的选择
驱动装置是提供动力及传递动力的装置，由两部分组成，传动机构和电机的选择。
6.1传动机构的方案论证与选择
在VT10加工中心的刀库中, 实际加工的要求需要安装10把刀具, 这10把刀具全部安装在一个刀盘上, 而刀盘需要一个间歇分度机构来带动。可以实现间歇分度运动的机构很多, 如槽轮机构、不完全齿轮机构和凸轮机构等等。[8]
1） 槽轮机构
槽轮机构由具有径向槽的槽轮2、带有圆销A的拨盘1和机架组成，如图6-1所示。拨盘和槽轮上都有锁止弧，槽轮上的凹圆弧、拨盘上的凸圆弧，起锁定作用。拨盘1作匀速转动时，驱使槽轮2作时转时停的间歇运动。拨盘1上的圆销A尚未进入槽轮2的径向槽时，由于槽轮2的内凹锁住弧β被拨盘1的外凸圆弧卡住，故槽轮2静止不动。图中所示位置是当圆销A开始进入槽轮2的径向槽时的情况。这时锁住弧被松开，因此槽轮2受圆销A驱使沿逆时 针转动。当圆销A开始脱出槽轮的径向槽时，槽轮的另一内凹锁住弧又被拨盘1的外凸圆弧卡住，致使槽轮2又静止不动，直到圆销A再进入槽轮2的另一径向槽时，两者又重复上述的运动循环。为了防止槽轮在工作过程中位置发生偏移，除上述锁住弧之外也可以采用其他专门的定位装置。
槽轮机构的优缺点：结构简单、制造容易、工作可靠、机械效率高，能平稳地、间歇地进行转位。因槽轮运动过程中角速度有变化 ，不适合高速运动场合。
2） 不完全齿轮机构
如图6-2所示为不完全齿轮机构。这种机构的主动轮为只有一个齿或几个齿的不完全齿轮，从动轮由正常齿和带锁住弧的厚齿彼此相间地组成。当主动轮的有齿部分作用时，从动轮就转动；当主动轮的无齿圆弧部分作用时，从动轮停止不动，因而当主动轮连续转动时，从动轮获得时转时停的间歇运动。
不完全齿轮机构的优缺点：结构简单、制造容易、工作可靠、从动轮运动时间和静止时间的比例可在较大范围内变化。但从动轮在开始进入啮合与脱离啮合时有较大冲击，故一般只用于低速、轻载场合。
3） 凸轮间歇运动机构
凸轮间歇运动机构通常有两种型式
（1）如图6-3所示的圆柱形凸轮间歇运动机构，凸轮呈圆柱形，滚子均匀分布在转盘的端面。滚子中心与转盘中心的距离等于R2。这种机构实质上是一个摆杆长度等于R2、只有推程和远休止角的摆动从动件圆柱凸轮机构。
（2）如图6-4所示的蜗杆形凸轮间歇运动机构，凸轮形状如同圆弧面蜗杆一样，滚子均匀分布在转盘的圆柱面上，犹如蜗轮的齿。这种凸轮间歇运动机构可以通过调整凸轮与转盘的中心距来消除滚子与凸轮接触面间的间隙以补偿磨损。
凸轮间歇运动机构的优缺点：运转可靠、传动平稳、转盘可以实现任何运动规律，还可以用改变凸轮推程运动角来得到所需要的转盘转动与停歇时间的比值。但凸轮加工较复杂、安装调整要求严格。凸轮间歇运动机构常用于传递交错轴间的分度运动和需要间歇转位的机械装置中。
小结：槽轮机构具有冲击小，工作平稳性较高，机械效率高，可以在较高转速下工作，且有结构简单，易制造等优点，在目前生产的圆盘式刀库的加工中心机床上很多采用槽轮机构来驱动刀库的分度回转运动。
6.2 驱动元件的方案论证与选择
本设计得驱动元件是根据控制信号，准确、实时地完成信号的检测、变换和传递，因此，需要选择控制型电动机， 其要求是快速响应、高精度、高灵敏度和高可靠性，其输出功率要小。[6]根据以上要求，圆盘式刀库的回转驱动方式通常有两种，一种是由伺服电机通过减速装置进行驱动；另一种是采用调速电动机通过外啮合槽轮机构进行驱动。前者结构简单，回转速度快，定位准确，但由于选用了伺服电机，电气控制复杂，制造成本高。后者采用机械方式分度定位，可靠性高，虽然定位精度较前者低，但完全能够满足加工中心机床的要求。选用调速电动机，电气控制简单，制造成本比前者低。因此，选用调速电动机驱动，通过槽轮机构实现。
6.3 本章小结
综上所述，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，圆盘式刀库的加工中心机床上采用槽轮机构来驱动刀库的分度回转运动，驱动元件选用调速电动机。
7 刀库材料的选择
加工中心刀库零部件在工作时将受到剪切、扭转、振动等力的作用，或几种力的同时作用，其工作温度多在—50℃~150℃之间，同时受到大气、水分、润滑油及其他介质的腐蚀作用。刀库材料的选择将直接影响到加工中心刀库各零部件及整体的强度和工作可靠性，所以刀库材料的选择要充分考虑零部件的性能要求和实际工作状态等。本设计中，刀库的选择包括的元件有盘式刀库、夹持的刀爪、回转轴、槽轮机构、防护罩等，标准件如轴承、联轴器等采用国家标准。
7.1 盘式刀库的材料的选用
灰铸铁是价格便宜、应用最广泛的铸铁材料。灰铸铁有一定的强度和良好的减震性，用灰铸铁制作刀架等零件时，能有效地吸收机器震动的能量，同时它还具有良好的润滑、导热和铸造性能。其流动性能良好，线收缩率和体收缩率较小，铸件不易产生开裂，有效地保证了刀库的强度。[5]
因此，盘式刀库采用Q235A制造。
7.2夹持的刀爪的材料的选用
夹持的刀爪是用来夹持刀柄的，要求其材料具有较好的耐磨性，有较好的强度和韧性，长期使用及更换刀具时不能对刀柄造成巨大磨损。材料的选用有两种类型。方案一：采用金属材料，如HT100。方案二：采用高分子材料，如尼龙。传统的刀爪均采用金属材料，其加工材料成本较高，机械加工工序复杂，成本较高。而新兴的高分子材料——尼龙，具有材质轻，性能好，制造容易等优点，制造可以注塑成型，大大减少机加工工序，节约成本。[5]
因此，夹持刀爪的材料选用尼龙。
7.3 回转轴的材料的选用
45钢是强度较高的一种合金钢，是轴类零件的常用材料，它价格便宜，经过正火或调质处理后可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性，综合机械性能良好。
40Cr具有更好的力学性能和热处理性能，但对应力集中敏感较小，且价格较贵，所以当载荷较大并要求限制轴的外形、尺寸和重量，或轴颈的耐磨性回转轴等要求较高时多采用这种材料。
综合力学性能及生产成本的考虑，因此，宜采用45钢制造。[5]
7.4 槽轮机构的材料的选用
槽轮机构转速不高，载荷不大，工作时会产生一定的冲击，制造和装配精度要求较高，因此选用中碳钢制造，为了提高淬透性，也可选用中碳合金钢。因此，在本设计中，选用45钢制造槽轮机构，采用合理的热处理工艺，以保证其强度和耐磨性。[5]
7.5 防护罩的材料的选用
防护罩形状简单，负载极低，对磨损和变形要求不高，这些板材通常只需简单加工或焊接连接，因此选用钢板Q235制造，制造成本较低。[5]
8 安全防护
每台数控机床在运行一段时间后，某些元器件或机械部件难免出现一些损坏或故障现象。对于这种高精度、高效益且又昂贵的设备，如何延长元器件的寿命和零部件的磨损周期，预防各种故障，特别是将恶性事故消灭在 萌芽状态，从而提高数空机床的平均无故障工作时间和使用寿命，一个重要的方面是要做好系统维护，另一方面是要有安全防护系统。
(1)系统维护
数控工作台环境复杂，常有金属屑、油污、粉尘等落入刀库系统中，很容易划伤刀具，影响刀具的精度，从而影响机床加工精度。用防护罩将刀库密封，可保证刀库内部的环境长时间保持不变。
(2)安全防护系统
如果主轴与刀库发生碰撞，刀库圆盘、刀具、回转轴等将受到损坏。为防止刀库整体损坏，将刀库整体固定在一个主轴上，当发生碰撞时，碰撞强度超过固定刀库的圆柱销的强度，圆柱销断裂，刀库整体将绕主轴旋转一定的角度，从而防止刀库整体的损坏。
论证结果
VT10模块化加工中心刀库容量为10把，采用盘式结构，其材料为HT150。由于刀库容量小，刀库换刀按照刀具与刀座固定对应方式，选择带刀库的自动换刀系统，无机械手换刀，由主轴直接实现，刀具轴向布置，置于主轴侧面。刀具的选择方式为顺序选择刀具方式。BT40刀柄夹持方式为刀爪夹持，刀爪的材料为尼龙。回转轴承用深沟球轴承，回转轴采用45钢制造。
圆盘式刀库采用具有减速装置的调速电动机驱动，通过采用45钢的槽轮机构实现，实现刀盘的转动。在槽轮转臂上安装有感应块，槽轮转臂旋转一圈，也就是刀盘转一个刀位，接近开关产生一次感应信号，PLC根据接受的信号进行计数并实现刀库到位停止，刀盘的准确定位靠电动机刹车实现。
参考文献
[1] 沙杰 等编著.加工中心结构、调试与维护.北京：机械工业出版社,2003.8
[2] 文怀兴编.数控机床系统设计.北京：化学工业出版社，2005
[3] 夏田编.数控加工中心设计.北京：化学工业出版社
[4] 王爱玲编.数控机床结构及应用.北京：机械工业出版社，2006.3
[5] 朱张校编.工程材料.北京：清华大学出版社，2001.1
[6] 王宗才编.机电传动与控制.北京：电子工业出版社,2011.6
[7] 濮良贵编著.机械设计.北京：清华大学出版社，2006.5
[8] 孙恒主编.机械原理.北京：高等教育出版社，2006.5
[9] 许晓旸主编.专用机床设备设计.重庆：重庆大学出版社，2003.7
[10] 图书馆相关资料，相关网络资源
[11] 机床设计手册.北京：机械工业出版社
目 次
1 任务分析 1
2 市场调研 1
3 刀库结构的方案论证与选择 2
3.1 刀库的基本要求和类型 2
3.2 刀库结构类型的选择 3
3.3 加工中心的刀具更换的方案论证与选择 4
3.4 刀具的选择方式方案论证与选择 6
3.5 本章小结 7
4 刀具的夹持方式方案论证与选择 7
5 回转轴的支撑形式方案论证与选择 8
6 驱动装置的选择 9
6.1传动机构的方案论证与选择 9
6.2 驱动元件的方案论证与选择 10
6.3 本章小结 11
7 刀库材料的选择 11
7.1 盘式刀库的材料的选用 11
7.2夹持的刀爪的材料的选用 11
7.3 回转轴的材料的选用 12
7.4 槽轮机构的材料的选用 12
7.5 防护罩的材料的选用 12
8 安全防护 12
论证结果 13
参考文献 14