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基于VT10模块化加工中心刀库设计
1 前言
本设计题目为VT10模块化加工中心刀库设计，应用于小型数控加工中心的刀库系统，设计中涉及的工程技术领域有机械制造、机械设计、机械原理、机电一体化自动控制、材料工程、传动控制等方面。
1.1 加工中心刀库的技术现状
20年以来，数控加工技术迅速普及和发展，高速加工中心是新时代数控机床在机床领域广泛使用的代表。自动换刀刀库的技术，在技术领域中发展出符合机床高精度、高效率、高可靠性及多任务复合等概念的独特产品。刀库作为加工中心最重要的部分之一，它的发展直接决定了加工中心的发展。本设计完成的是盘式刀库的总体设计、传动设计、结构设计以及传动部分的运动和动力设计。这种刀库在数控加工中心上应用广泛，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。
加工中心刀库的技术现状:超重负荷、高效率且定位精确的驱动及选刀系统的发展；多型式刀具容载、任意点之换刀系统的发展；轻量化、低成本架构、大型及高容量刀库的发展。
1.2 加工中心刀库设计的要求及目标
本课题主要完成VT10模块化加工中心刀库部分方案选择、结构设计及零件设计。产品设计要求在满足功能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。要求会使用三维设计软件，收集机床设计相关文献资料，熟悉数控机床结构及其设计。
通过本设计锻炼学生对所学知识的综合应用能力、对文献资料的查阅检索能力以及对新知识的自学能力。深化和检验我们所学专业知识的深度和广度,综合考查我们运用所学专业知识进行理论探讨或发现问题,分析问题和解决问题的能力。本课题主要完成VT10模块化加工中心刀库设计，通过设计过程中的锻炼，使学生认识机械产品的综合设计过程。
设 计 总 结
毕业设计在这里就要接近尾声，它是我大学四年所学知识的综合性、总结性的设计，涉及到我们所学专业课的几乎所有知识。这是对我们所学知识的一个检验与巩固，让我们学习到一种科学的设计思路与方法，也为我们以后走向工作岗位进行专业性设计打下了良好的基础。
毕业设计之初，拿到的仅是一个任务书，有几个设计参数而已，其他一无所知。不用说加工中心刀库的设计，更是让人摸不着头脑。通过从图书馆借阅资料和在陈兴洲老师的建议与帮助下，参观了国际车床展览中心，开始逐步加深了对加工中心的认识。通过在会展中心的学习，我对加工中心刀库的了解从无形到有形，对其整体的结构、换刀过程都有了一个完整的认识。
分析设计任务书的要求，主要有两点：一是要满足10把刀具的设计要求，二是要满足换刀时间<5s的设计要求。首先进行的是结构设计，对10把刀具的要求分析的比较多。能满足精确定位且准确的分度要求，有电气式自动控制，但需要伺服电机控制，对于小型加工中心来说，价格昂贵，因此不在应用讨论之列。机械式结构有分度功能的有涡轮蜗杆、槽轮、棘轮、凸轮式等结构，考虑到其生产成本、制造的难易程度、传动性能等，在陈兴洲老师的帮助下，我确定选择槽轮机构。
在设计计算时，在查询了大量的资料后，还是不知道从哪里开始设计，只会槽轮的设计参数的方法，在陈老师的指导下，我抓住换刀时间<5s这一设计要求，计算刀盘转速、转矩、电机转速、转矩、功率等，从而使我的设计向前进了一大步。
在最后校核强度的时候，我发现了自己前面做的设计及计算都顿时成了无用功。在设计之初，我选择的槽轮槽数是10个，但到槽轮的轴的设计校核那块，发现最小轴的直径都比槽轮的半径要大。所以，我又从头开始，将槽数减半，设定槽数为5个，这才满足了设计要求。
在用Pro/E绘制三维图的时候，明显感觉自己进度很慢，因为原来学习的这个软件都忘记了，连基本的指令都必须重新学习。可见自己平时太过注重理论知识的学习，而这些基本的使用工具都不会用了。我们这个专业，如果不会使用这些软件，就不会将自己的设计理论转化为成果。现代的设计，都是基于计算机的使用为前提，我们如果以后要从事机械技术研发这一行业，必须学会使用专业的设计软件，这样才不会落后，也才能在行业中站稳。
总的来说，我的毕业设计收获很多，不但是对我以往知识的回顾，也是提高我综合设计能力的唯一途径。在这里，陈老师的功不可没，每在我们设计进行不下去的时候，他的指导使我重新看到了设计的曙光。即将走出校园的我，很珍惜这次的设计机会，这次也许是我们最后一次有老师指导的设计，我们学到的不仅仅是方法，更是一种严谨的设计态度，对设计的所有结果，都不是凭空而来，都有它的来源与参考依据。
参 考 资 料
[1] 濮良贵 等编著.机械设计.北京：高等教育出版社，2008年4月。
[2] 孙恒 等编著.机械原理.北京：高等教育出版社，2006年5月
[3]隋秀凛 高安邦主编.实用机床设计手册.北京：机械工业出版社，2010年4月
[4] 王少怀 主编.机械设计师手册（上册）.北京:电子工业出版社，2006年8月
[5] 吴宗泽 罗圣国等主编.机械设计课程设计手册.北京：高等教育出版社，2009年5月
[6] 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年2月
[7] 邹平 译 机械设计实用机构与装置图册。北京：机械工业出版社，2007年4月
[8] 朱张校 主编．工程材料．北京：清华大学出版社，2001年1月
[9] 闻邦椿 主编.机械设计手册.北京：机械工业出版社，2010年1月
[10] 刘昆政 主编．间歇运动机构．辽宁：大连理工出版社，1991年
[11] 杨贺来 编著.数控机床.北京：清华大学出版社；北京交通大学出版社，2009年1月
[12] 周开勤 编著.机械零件手册.北京：高等教育出版社，2004年
[13] 曲继方，安子军，曲志刚 主编.机构创新原理.北京.科学出版社.2001年
[14] 朱正伟 编著.数控机床机械系统.北京：中国劳动社会保障出版社，2005年
[15]毕承恩 等编著.现代数控机床（上、下册）.北京：机械工业出版社，1993年
1 前言
本设计题目为VT10模块化加工中心刀库设计，应用于小型数控加工中心的刀库系统，设计中涉及的工程技术领域有机械制造、机械设计、机械原理、机电一体化自动控制、材料工程、传动控制等方面。
1.1 加工中心刀库的技术现状
20年以来，数控加工技术迅速普及和发展，高速加工中心是新时代数控机床在机床领域广泛使用的代表。自动换刀刀库的技术，在技术领域中发展出符合机床高精度、高效率、高可靠性及多任务复合等概念的独特产品。刀库作为加工中心最重要的部分之一，它的发展直接决定了加工中心的发展。本设计完成的是盘式刀库的总体设计、传动设计、结构设计以及传动部分的运动和动力设计。这种刀库在数控加工中心上应用广泛，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。
加工中心刀库的技术现状:超重负荷、高效率且定位精确的驱动及选刀系统的发展；多型式刀具容载、任意点之换刀系统的发展；轻量化、低成本架构、大型及高容量刀库的发展。
1.2 加工中心刀库设计的要求及目标
本课题主要完成VT10模块化加工中心刀库部分方案选择、结构设计及零件设计。产品设计要求在满足功能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。要求会使用三维设计软件，收集机床设计相关文献资料，熟悉数控机床结构及其设计。
通过本设计锻炼学生对所学知识的综合应用能力、对文献资料的查阅检索能力以及对新知识的自学能力。深化和检验我们所学专业知识的深度和广度,综合考查我们运用所学专业知识进行理论探讨或发现问题,分析问题和解决问题的能力。本课题主要完成VT10模块化加工中心刀库设计，通过设计过程中的锻炼，使学生认识机械产品的综合设计过程。
设 计 总 结
毕业设计在这里就要接近尾声，它是我大学四年所学知识的综合性、总结性的设计，涉及到我们所学专业课的几乎所有知识。这是对我们所学知识的一个检验与巩固，让我们学习到一种科学的设计思路与方法，也为我们以后走向工作岗位进行专业性设计打下了良好的基础。
毕业设计之初，拿到的仅是一个任务书，有几个设计参数而已，其他一无所知。不用说加工中心刀库的设计，更是让人摸不着头脑。通过从图书馆借阅资料和在陈兴洲老师的建议与帮助下，参观了国际车床展览中心，开始逐步加深了对加工中心的认识。通过在会展中心的学习，我对加工中心刀库的了解从无形到有形，对其整体的结构、换刀过程都有了一个完整的认识。
分析设计任务书的要求，主要有两点：一是要满足10把刀具的设计要求，二是要满足换刀时间<5s的设计要求。首先进行的是结构设计，对10把刀具的要求分析的比较多。能满足精确定位且准确的分度要求，有电气式自动控制，但需要伺服电机控制，对于小型加工中心来说，价格昂贵，因此不在应用讨论之列。机械式结构有分度功能的有涡轮蜗杆、槽轮、棘轮、凸轮式等结构，考虑到其生产成本、制造的难易程度、传动性能等，在陈兴洲老师的帮助下，我确定选择槽轮机构。
在设计计算时，在查询了大量的资料后，还是不知道从哪里开始设计，只会槽轮的设计参数的方法，在陈老师的指导下，我抓住换刀时间<5s这一设计要求，计算刀盘转速、转矩、电机转速、转矩、功率等，从而使我的设计向前进了一大步。
在最后校核强度的时候，我发现了自己前面做的设计及计算都顿时成了无用功。在设计之初，我选择的槽轮槽数是10个，但到槽轮的轴的设计校核那块，发现最小轴的直径都比槽轮的半径要大。所以，我又从头开始，将槽数减半，设定槽数为5个，这才满足了设计要求。
在用Pro/E绘制三维图的时候，明显感觉自己进度很慢，因为原来学习的这个软件都忘记了，连基本的指令都必须重新学习。可见自己平时太过注重理论知识的学习，而这些基本的使用工具都不会用了。我们这个专业，如果不会使用这些软件，就不会将自己的设计理论转化为成果。现代的设计，都是基于计算机的使用为前提，我们如果以后要从事机械技术研发这一行业，必须学会使用专业的设计软件，这样才不会落后，也才能在行业中站稳。
总的来说，我的毕业设计收获很多，不但是对我以往知识的回顾，也是提高我综合设计能力的唯一途径。在这里，陈老师的功不可没，每在我们设计进行不下去的时候，他的指导使我重新看到了设计的曙光。即将走出校园的我，很珍惜这次的设计机会，这次也许是我们最后一次有老师指导的设计，我们学到的不仅仅是方法，更是一种严谨的设计态度，对设计的所有结果，都不是凭空而来，都有它的来源与参考依据。
参 考 资 料
[1] 濮良贵 等编著.机械设计.北京：高等教育出版社，2008年4月。
[2] 孙恒 等编著.机械原理.北京：高等教育出版社，2006年5月
[3]隋秀凛 高安邦主编.实用机床设计手册.北京：机械工业出版社，2010年4月
[4] 王少怀 主编.机械设计师手册（上册）.北京:电子工业出版社，2006年8月
[5] 吴宗泽 罗圣国等主编.机械设计课程设计手册.北京：高等教育出版社，2009年5月
[6] 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年2月
[7] 邹平 译 机械设计实用机构与装置图册。北京：机械工业出版社，2007年4月
[8] 朱张校 主编．工程材料．北京：清华大学出版社，2001年1月
[9] 闻邦椿 主编.机械设计手册.北京：机械工业出版社，2010年1月
[10] 刘昆政 主编．间歇运动机构．辽宁：大连理工出版社，1991年
[11] 杨贺来 编著.数控机床.北京：清华大学出版社；北京交通大学出版社，2009年1月
[12] 周开勤 编著.机械零件手册.北京：高等教育出版社，2004年
[13] 曲继方，安子军，曲志刚 主编.机构创新原理.北京.科学出版社.2001年
[14] 朱正伟 编著.数控机床机械系统.北京：中国劳动社会保障出版社，2005年
[15]毕承恩 等编著.现代数控机床（上、下册）.北京：机械工业出版社，1993年
目 次
1 前言 1
1.1 加工中心刀库的技术现状 1
1.2 加工中心刀库设计的要求及目标 1
1.3 VT10模块化加工中心刀库设计总体介绍 2
2 槽轮的设计计算 2
2.1 槽轮机构的原理 2
2.2 槽轮机构参数计算 3
2.3 减小槽轮机构运动冲击的方法 3
3 电机的选择计算 4
3.1 刀盘部分的设计 4
3.2 电机的选择计算 4
4 弹簧的设计计算 7
4.1 刀爪张开范围 7
4.2 刀爪受力分析 8
4.3 确定弹簧的结构参数 9
5 回转轴的设计 10
5.1 回转轴的材料及强度 10
5.2 估算最小轴径 10
5.3 回转轴的结构设计 11
5.4 回转轴的轴向和周向固定 11
5.5 回转轴的强度校核 12
6 支撑轴承的选择与校核 14
6.1 支撑轴承的选择 15
6.2 支撑轴承轴向力的计算 15
6.3 支撑轴承当量动载荷的计算 16
6.4 校核轴承的寿命 17
7 键的选择与计算 17
7.1 键的选择 17
7.2 键的校核 17
8 机架的设计 17
设 计 总 结 19
致 谢 21
参 考 资 料 22
