第二章 加工中心—刀库
2.1 刀库的分类
近年来刀库的发展已超越其为工具机配件的角色，在其特有的技术领域中发展出符合工具机高精度、高效能、高可靠度及多工复合等概念之产品。其产品品质的优劣，关系到工具机的整体效能表现。
刀库的容量、布局，针对不同的工具机，其形式也有所不同，根据刀库的容量、外型和取刀方式可概分为以下几种：
2.1.1 斗笠式刀库
一般只能存16~24把刀具，斗笠式刀库在换刀时整个刀库向主轴移动。当主轴上的刀具进入刀库的卡槽时，主轴向上移动脱离刀具，这时刀库转动。当要换的刀具对正主轴正下方时主轴下移，使刀具进入主轴锥孔内，夹紧刀具后，刀库退回原来的位置。

2.1.2 圆盘式刀库
圆盘式刀库通常应用在小型立式综合加工机上。“圆盘刀库"一般俗称"盘式刀库”，以便和"斗笠式刀库"、"链条式刀库"相区分。圆盘式的刀库容量不大，顶多二、三十把刀。需搭配自动换刀机构ATC(Auto Tools Change)进行刀具交换。

2.1.3 链条式刀库
链条式刀库的特点是可储放较多数量之刀具，一般都在20把以上，有些可储放120把以上。它是藉由链条将要换的刀具传到指定位置，由机械手将刀具装到主轴上。换刀动作均采用马达加机械凸轮的结构，此设计之结构简单、动作快速、确实、可靠，但是价格较高，通常为客制化产品。

第三章 总体方案的设计
加工中心刀库的总体方案设计是根据其功能和设计要求，从全局的角度，以系统的观点，进行自动换刀装置刀库整体方面的设计，主要包括运动功能方案设计、基本参数设计、传动系统设计、总体结构布局设计等内容。
3.1 运动方案的设计
加工中心主要用来加工小型板类、盘类、模具类、多孔类零件上的小孔和平面。主要是钻削和铣削加工。
3.1.1 运动数目的确定
机床必须具有以下运动：一个是主运动即主轴带动刀具回转（Vc）；另一个是三个方向的进给运动，包括实现切入工件一定深度（Z方向）的进给运动；实现在水平面内两个方向（X、Y方向）的进给运动。此外，还必须有换刀功能，因此还必须有非成形运动，如换刀需要刀库转位、移动等运动。
3.1.2 运动方案的确定
加工中心加工工件所需的这些运动，必须由对应的执行部件来实现。加工中心的主运动一般都由主轴部件（主传动系统）来完成，而进给运动可以由工件来完成；也可以由刀具来完成；或者是由刀具和工件来共同完成。这样就影响到部件的相互位置关系的配制和总体关系。采用哪种形式与被加工工件尺寸、形状、质量和功能等因素有关。对具有钻、铣的功能的立式加工中心，根据工件的质量、尺寸等的不同，可以有以下几种不同的运动
方案：
1.由工件完成三个方向的进给运动，当加工质量较轻工件时，分别由X-Y向工作台和升降台来实现；
2.工作台带动工件做一个方向的进给运动，其他两个方向的进给运动由刀具在立柱与横梁上移动来完成，这种方案不仅适用于质量大的工件加工，还可增多主轴头，使加工中心的生产效率得到很大的提高。
3.由刀架来完成三个方向的进给运动，当加工较重或尺寸较高的工件时，则不宜由工件做进给运动，而是工作台固定不动，改为由刀具来完成进给运动。采用了立柱在床身上沿前后方向移动来Y方向的进给；由刀具在横梁上移动来完成Z向的进给。通常见于大 、中型动柱式加工中心。这种方案可以避免的尺寸工作台在溜板两端极限位置发生翘曲和大溜板加工难的问题，从而减少了溜板和结构的多层，有利于提高机床精度。
4.由工作台实现 X、Y 两个方向的进给，而唷刀具来完成垂直进给运动，当加工质量较轻、体积较小的工件，且主轴部件的重量、体积较小时，也可以由X-Y工作台实现两个方向的进给，而由刀具来完成垂直进给运动。适用于小型加工中心，通常都采用固定立柱方式。由于立柱固定在床身上，就便于把刀库、电柜等装在立柱上。
3.2 功能部件的设计方案
加工中心一般由主传动系统、进给伺服系统、自动换刀系统、基础部件、数控系统和辅助装置等部分组成。
3.2.1 主传动系统
主传动系统用来实现加工中心的主运动。由主轴箱、主轴、轴承、松拉刀机构、电动机等零件组成。这是加工中心自动换刀装置的关键部分，主轴的启动、停止、变速等动作通过数控系统控制由主传动系统来实现。并且通过安装在主轴上的刀具实现切削运动。
要求主轴部件必须具备足够的转速范围、功率和扭矩，在大部分转速范围内要保持恒功率，当降到计算转速以下时，要保持恒扭矩传动；主传动系统的各零部件，应具有足够的强度和必要的刚度及抗震性能；噪声低、运转平稳性好。传动方案有以下几种：
1.齿轮传动
目前加工中心主传动大多用宽调速主轴电机, 其调速范围达 1：100。对某些中小型加工中心，已经足够了，不需要经过齿轮变速。如果所需转速范围超过 1：100（如中型以上规格的加工中心），则需通过齿轮换档的方法实现。
2.带传动
加工中心主传动系统使用的带传动多为同步带传动。它是一种综合了带、链传动优点的新型传动。具有以下优点：
1）传动比准确；
2）传动效率高；
3）重量轻，结构紧凑；
4）线速度高；
5）传动平稳；
6) 使用范围广；
7）使用保养方便。
第四章 刀库的设计
刀库是加工中心的象征，是加工中心区别于NC镗床和NC铣床的本质所在，因此来说，刀库的设计是加工中心设计的核心。由于作者所要设计的加工中心是一个主要用来加工中小批量电子元件等小型零件的小型加工中心，在满足加工要求，经济实用的条件下，应尽量使加工中心的结构紧凑，减小加工中心的外形轮廓尺寸，刀库在满足使用要求的前提下，尽量结构使其简单紧凑，易制造，从而降低生产加工中心的成本。
4.1 刀库主要参数的确定
1、刀库容量
本加工中心主要用来加工小型零件或多孔零件上的小孔和小平面，所以刀库上主要安装一些孔加工刀具（如钻头、扩孔钻等）和加工小平面的立铣刀及小直径的面铣刀；同时又考虑到所选用电主轴轴端的尺寸及刀盘直径等的限制；再考虑到主要用于中小批生产及教学实验等，刀具的品种不宜过多，以免造成不必要的浪费和刀库尺寸过大，采用16把刀。
2、刀具最大直径和长度
立铣刀的最大直径定为 63mm，最大工作部分长度定为250mm.
3、刀具最大重量为5kg.
4、刀具最大运动线速度为22m/min～30m/min.
4.2 刀盘部分的设计
1、刀盘尺寸的确定
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。在整个设计的过程中要保证各个尺寸在换刀过程不发生干涉即可，刀盘直径为 600mm,其他尺寸见刀盘零件图。
2、刀爪尺寸的设计
刀爪的外型尺寸根据40号刀柄设计。

第五章 轴的设计
轴是机械设备中的重要零件之一.其主要功能是支承作回转运动的零件,并传递运动和动力.根据轴的受力情况不同,可把轴分成心轴、转轴和传动轴3种.轴的常用材料轴的材料主要采用碳素钢和合金钢,常用材料为优质中碳钢,如35、45、50钢，这里选取45钢为材料.
轴的结构设计轴的合理外形应满足:轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置;轴上的零件应便于装拆和调整;轴应具有良好的制造工艺性.影响轴结构的主要因素包括:轴的受力性质、大小、方向及分布情况；轴上零件的布置和固定形式；所采用的轴承类型和尺寸；轴的加工工艺等.）轴的强度计算
由于功率P=400W已知,转速n =250r/min,β取0.5,A取110, [т]取35MPa,
则轴径 d ≥A³
d ≥110³= 128.7mm
式中 d–计算剖面处轴的直径（mm）;
P–轴的传递功率（KW）；
n–轴的转速（r/min）;
故d最小应取129mm.轴径取130mm。
校核轴
转矩 T=9.55×10 p/n
T=9550000×0.4/250=10186N .mm
式中 p–功率；n—转速。
圆周力 Ft1=2T1/d1=2×10186/120=1700N;
Ft2=2T2/d2=2×130822/120=681.4N;
Ft3=2T3/d3=620N;
径向力 Fr1=Ft1tanα=1488N;
Fr2=Ft2tanα=248N；
Fr3=Ft3tanα=226N.
则由受力分析图可知：
FAy=3687.4N,FAz=1342N,
FBy=1020.2N,FBz=372N,
水平面弯矩 Mcx=1342×30=40260N·mm;
Mdx=226×195=44070N·mm；

第六章 导轨的选型及计算
按结构特点和摩擦特性划分的导轨类型见表6-1,各类导轨的主要特点及应用列于表中。
表6-1 导轨类型特点及应用
导轨类型 主要特点 应用 导轨类型 主要特点 应用
滑动导轨 1, 结构简单,使用维修方便。2,未形成完全液体摩擦时低速易爬行 3,磨损大寿命低,运动精度不稳定 普通机床,冶金设备上应用普遍 滚动导轨 1,运动灵敏度高,低速运动平稳性好,定位精度高。2,精度保持性好,磨损少,寿命长。3,刚性和抗振性差,结构复杂成本高,要求良好的保护 广泛用于各类精密机床,数控机床,纺织机械等
塑料导轨 1,动导轨表面贴塑料软带等与铸铁 或钢导轨搭配,摩擦系数小,且动静摩擦系数搭配,不易爬行,抗摩擦性能好。2,贴塑工艺简单。3,刚度较低,耐热性差容易蠕变 主要应用与中大型机床压强不大的导轨应用日益广泛 动压导轨 1,速度高(90m/min~600m/min),形成液体摩擦2,阻尼大,抗阵性好 3,结构简单,不需复杂供油系统,使用维护方便4,油膜厚度随载荷与速度而变化。影响加工精度,低速重载易出现导轨面接触 主要用语速度高,精度要求一般的机床主运动导轨
镶钢,镶金属导轨 1,在支撑导轨上镶装有一定硬度的不钢板或钢带,提高导轨耐磨性,改善摩擦或满足焊接床身结构需要。2,在动导轨上镶有青铜只类的金属防止咬合磨损,提高耐磨性,运动平稳精度高 镶钢导轨工艺复杂,成本高。常用于重型机床如立车,龙门铣床的导轨上 静压导轨 1,摩擦系数很小,驱动力小。2,低速运动平稳性好 3,承载能力大,刚性,吸阵性好4,需要一套液压装置,结构复杂,调整困难 各种大型,重型机床,精密机床,数控机床的工作台
6.1 初选导轨型号及估算导轨长度
X方向初选导轨型号为 [6]具体数据见《机械设计手册》9-149 Y方向初选导轨型号为
导轨的运动条件为常温，平稳，无冲击和震动
为何选用滚动直线导轨副：
1）滚动直线导轨副动静摩擦力之差很小，摩擦阻力小，随动性极好。有利于提高数控系统的响应速度和灵敏度。驱动功率小，只相当普通机械的十分之一。
2）承载能力大，刚度高。
3）能实现高速直线运动，起瞬时速度比滑动导轨提高10倍。
4）采用滚动直线导轨副可简化设计，制造和装配工作，保证质量，缩短时间，降低成本。
导轨的长度：
由于导轨长度影响工作台的工作精度和高度，一般可根据滑块导向部分的长度来确定导轨长度。
其公式为：
L=H+S+△l-S1-S2
由此公式估算出Lx=940mm,Ly=1090mm
其中L—导轨长度
H—滑块的导向面长度
S—滑块行程
△l—封闭高度调节量
S1—滑块到上死点时，滑块露出导轨部分的长度
S2—滑块到下死点时，滑块露出导轨部分的长度