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图1 总体结构图
2.3.2刀库的锁紧机构设计
在没有刀的情况下，紧装置的弹簧使的两刀夹处在夹紧的状态下。在收到来自计算机的换刀命令时，刀库的圆盘式刀盘将位于其上的空刀夹单元旋转到刀库换刀点位置上，在这个时候刀具释放块跟随主轴快速移动到刀库需要换刀地点，由于刀具释放块的指引作用，安装在刀库旋转圆盘上的刀夹单元的解锁销钉子被打开，所需换刀的刀具在主轴的夹持下，与主轴一同移动到换刀位置。这时两刀夹在夹紧弹簧的作用下，把刀具夹得很紧。此时主轴松开刀柄向后边移动，解锁销钉位于刀夹单元后端，解锁销钉在锁刀弹簧的作用下，将解锁销钉上的斜面紧紧推靠在刀夹后端的两侧斜面上，完成锁刀动作(如图2所示)。刀库回转体将所需要的刀具转至刀库换刀点，主轴向前移动，刀库回转体将所需要的刀具转至刀库换刀点，主轴向前移动，主轴前端的刀具释放块将解锁销钉打开，同时主轴夹紧刀柄。主轴上装夹上所要的刀具后，刀库回转体转回刀库原位，刀库完成一次换刀循环[8]。
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图2 锁紧机构工作原理
2.3.3刀库的刀夹单元设计
夹持力和夹爪的设计是刀夹最关键的设计。换刀时，夹持力过大，换刀机械
手承载过大力，且对刀柄的磨损也大，如果夹持力不够，会造成掉刀危险。因此，弹簧设计便很重要了，且24个夹持用的弹簧特性尽量一致。使夹持力最好相同，夹爪硬度低于刀柄硬度。我们知道刀夹要安装在刀库的回转体上的，同时回转体是刀库的重要部件之一，回转体安装和制造精度直接影响到整个刀库性能发挥，对刀夹的寿命以及装夹的精度都有影响。24组刀夹单元及刀具分布在回转体上，在保证其运动刚度要求为前提，使其重量应越轻，这几可使刀库的回转特性良好，又降低了加工费用。因此，回转体采用了平板开孔的方法，大大减轻刀盘重量。刀夹结构如图3所示[8]。
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图3刀夹单元
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3 刀库机械结构设计及部件校核
3.1 刀盘设计计算
在本次设计中刀盘采用45钢，刀盘上安装有各种刀具，在加工中心工作时其相对于工件的位置直接影响着加工中心的加工精度，所以在设计过程中尤其要注意把安装刀具的位置和加工中心加工主要的设计参数结合起来，确保加工过程中各刀具之间在换刀或者加工时互不影响，做出完善的刀具干涉图，下面主要把刀具的干涉图作简要分析，如图3.1所示，在刀盘的上同时安装有二十四把刀具，满足技术参数：刀库容量：24把；选刀方式：随机；换刀时间：6秒； 最大刀具长度：300mm;；最大刀具直径：100mm；刀柄型号：BT40。就必须使刀盘在转动到每一个刀位是都能够顺利加工工件。
根据已知的要求初步选定载刀刀盘的直径为620mm。 托刀刀盘的直径为580mm。螺栓安装处距离边缘20mm，两把刀具的安装中心弧段长度为39mm，托刀刀盘和载刀刀盘的厚度均为30mm.在两盘的盘腹部位开一系列的圆孔来减轻盘的重量。
图3.1 刀具干涉图 3.2 刀库传动轴的设计计算
轴是组成刀库机械系统的主要零部件之一，起着支撑安装在其上面的零件和做回转运动,传递动力和运动的作用。带动刀具的刀盘必须安装在轴上才可以旋转运动。作回转运动的传动零件蜗轮蜗杆，必须安装在轴上才能传递运动和动力。在这里，轴的作用主要是传递运动和动力，以带动其上零件——刀盘转动，完成送刀，换刀动作。 设计参数为：刀库容量：24把；选刀方式：随机；换刀时间：6秒；最大刀具长度：300mm；最大刀具直径：100mm；刀柄型号：BT40。
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3.2.1 轴的结构设计
1．轴上零件的装配方案
轴上零件有套筒、推力轴承、轴承挡圈、蜗轮蜗杆。根据传动的需要确定刀库系统蜗杆传动轴的各个零部件的位置。初步确定布置的方案是：从左端伺服电机开始由膜片式的联轴器与传动轴相连，其后安装一对相配合使用的推力球轴承，中间用套筒隔开，后面一段轴肩上安装一只角接触球轴承起支撑轴的作用。再往后是与轴配做在一起的蜗杆，最后是一只角接触球轴承起支撑轴的作用，其由轴端的端盖固定。
2.轴上的转矩及功率
按最大刀具重量（并考虑刀座及其辅助零件的重量）计算转矩由式3-2-1求得：
T?F?L?2?8?9.8?339?2?4.5?9.8?169.5?6.81051?104（N·mm） （3-2-1）
3．作用于蜗杆上的力 蜗杆的直径126mm，由公式（3-2-2），求得其上的力为：
2T2?6.81051?104??90.806（8N） Ft? （3-2-2） d150选取轴的材料为45钢，其最小直径为,22mm，起着带动蜗轮蜗杆运动，连接伺服电机与刀盘之间的传动。
4.根据轴向定位要求及运动要求确定轴的各段直径和长度。
（1）轴的最左端用联轴器与伺服电机相连接来传递动力，与联轴器相连的这一段轴长60 其上留有安装端盖的长度。后一段轴的长度是20mm,直径是30mm 其上安装一型号为51206的推力球轴承，外径D=52mm 宽度T=16mm。后一段轴端长度为50mm，直径是40mm，其上安装一对型号是51208的推力球轴承，其间用套筒隔开定位，推力球轴承的外径D=68mm 宽度T=19mm。后面又是一段轴段，长度为20mm 直径是60mm。
（2）蜗杆与轴是配做在一起的，蜗杆段轴的长度为72mm 总体的直径是126mm 。其后是一段直径是60mm 的轴段，长度为30mm 其后是一段直径为30mm 长度是30mm的轴，其上安装有一深沟球轴承起支撑的作用，深沟球轴承在轴上由轴端挡圈来定位固定，最后由端盖的左端对其外圈固定。 3.2.2 轴的校核
在进行轴的校核计算时应根据具体的受载及受力情况，采取相应的计算方法，并恰当的选取其需用应力。对于传动轴，应按扭转强度进行计算。对于心轴，应按弯曲强度进行计算。对于既受扭转又受弯曲的轴，应该按照弯扭组合强度条件进行校核，在精确要求的条件下还要按照疲劳强度条件进行校核。并且对于瞬时载荷过大或者应力循环不对称性较严重时，还要对轴按突变载荷校核其静强度。
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按扭转强度条件进行校核计算
?TP955000Tn??????T30.2dWT式中：?T???扭转切应力，MPAT???轴所受的扭矩，N?mmWr???轴的抗扭截面系数，mm3n???轴的转速，r/minp???轴传递的功率，kWd???计算切面处的轴的直径，mm
??r????许用扭转切应力，MPA，见下表轴的材料 Q235-A、20 45 40Cr、35SiMn Q275、35 38SiMnMo 3Cr13 （1Cr18Ni9Ti） 切应力 截面积
由以上的公式知道轴的直径为：
d?39550000p9550000pp3?3?A0?30.2n[?T]0.2[?T]nn9550000,查上表知：0.2[?T]p?20.5mmn(1??2)15-25 149-126 25-45 126-103 35-55 112-97 20-35 135-112 式中，A0?3 d?A03
由计算结果可知实际的轴直径大于计算出的轴最小直径，所以说按照扭转强度校核该轴，该轴是安全的[10]。
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