畢業(yè)論文-動力刀架設(shè)計

1、摘 要動力刀架是現(xiàn)今精密數(shù)控機(jī)床中的核心部件。隨著科技的進(jìn)步發(fā)展，動力刀架的技術(shù)也趨于成熟和完善。國外很多在動力刀架方面知名的公司和生產(chǎn)商都研發(fā)和推出了系列化的產(chǎn)品。雖然國內(nèi)也有較為完善的生產(chǎn)機(jī)制，但是大多還是模仿國外的產(chǎn)品，缺乏自主創(chuàng)新能力，與國外相比仍有較大差距?，F(xiàn)在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，設(shè)計一種單伺服電機(jī)驅(qū)動的動力刀架。該刀架是依靠伺服電機(jī)和液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)離合，刀盤轉(zhuǎn)位，以及動力切換，利用高精度的端齒盤來實現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)位的精定位，通過撥叉撥動滑移齒輪來實現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)位和動力刀具之間的動力切換。它能搭載12把刀具，可以實現(xiàn)車、銑等各種加工方式。特點(diǎn)是刀具轉(zhuǎn)位速度快，分位精度高，重復(fù)精度高，可靠性強(qiáng)。在進(jìn)行

2、文獻(xiàn)查閱和調(diào)查國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了設(shè)計單伺服電機(jī)驅(qū)動的動力刀架設(shè)計的重點(diǎn)難點(diǎn)，提出了相應(yīng)的解決方法。完成了裝配圖和部分零件圖。運(yùn)用Pro/Engineer軟件建立三維模型，并且對建立出的三維模型進(jìn)行運(yùn)動仿真。關(guān)鍵詞：動力刀架；單伺服驅(qū)動；動力切換 Abstract Dynamic tool rest is now the key department of precision CNC Turning and milling machining center.Along with the development of the science and technology,the man

3、ufacturing technology of dynamic tool rest is well developed.Many foreign company and manufacturer which is famous for dynamic tool rest has produce a series of production.there is also a completed productive system,but there are a lot of production which is imitative.The producers inland lack of th

4、e innovative ability.Comparing with the foreign producer ,we still have a long way to go .Under the guide of the teacher,I design a type of dynamic tool rest which is driven by one -servo-motor.This tool rest uses servo motors and hydraulic system to go on clutching ,shifting the tool position and s

5、witching power, uses high-precision tooth couplings for accurate positioning,and uses shifting forks to dislodge the gears tor realize the power switching.the tool rest can carry 12 different kinds of power tools,it can achieve milling, turning and other processing. It features fast tool change posi

6、tion, sub-bit high precision, high repeatability and reliability.The study of dynamic tool rest is based on literature research and study of the advanced technology inland and abroad,then analyses the key point and difficulty of the design of the dynamic tool rest driven by single servo motor,and fi

7、gure out the precept to solve the problem.And finish the assembly drawing and some part drawings.Finally I use the software named Pro/Engineer to finish the 3D model and the motion simulation.Keywords: dynamic tool rest;driven by single servo motor;power switching目 錄摘要IAbstractII第一章 緒論 .1 1.1 研究現(xiàn)狀 1

8、 1.2 設(shè)計內(nèi)容3第二章 總體方案設(shè)計4 2.1 雙伺服動力刀架4 2.2 單伺服動力刀架4 2.3 直驅(qū)刀架外加電主軸模塊5 2.4 力矩電機(jī)外置加電主軸6 2.5 本章小結(jié) 6第三章 動力刀架的設(shè)計計算 7 3.1 伺服電機(jī)的選擇計算 7 3.1.1 旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量計算 7 3.1.2電機(jī)轉(zhuǎn)矩的估算 10 3.2 動力刀具傳動鏈的轉(zhuǎn)動慣量計算 11 3.3 傳動齒輪的設(shè)計計算 12 3.4 傳動軸的設(shè)計計算 19 3.5 軸承的選擇 21 3.6 端齒盤的設(shè)計計算 23 3.7 強(qiáng)度校核 24 3.8 關(guān)鍵部分設(shè)計 25 3.8.1液壓系統(tǒng)設(shè)計 25 3.8.2 動力刀具接口設(shè)計 27

9、結(jié)束語 30 參考文獻(xiàn) 注：1 摘要、章、結(jié)束語、參考文獻(xiàn)：（宋體、小四、加粗、居左）；2 節(jié)：（宋體、五號）；3 中文摘要、英文摘要、目錄的頁碼依次編排用“、 ”羅馬數(shù)字（宋體、小五號、居中、底部）。III第1章 概述 目前，在世界機(jī)床制造和機(jī)械加工領(lǐng)域，復(fù)合加工技術(shù)是處于領(lǐng)先地位的技術(shù)。實現(xiàn)車銑復(fù)合加工，有許多可行方案，而臥式車床床身搭載轉(zhuǎn)塔動力刀架就是其多種方案中應(yīng)用最廣泛的一個。其中，數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架是實現(xiàn)復(fù)合加工的核心功能部件，不僅可以像普通刀架裝配多把普通車刀，并且能夠同時提供動力驅(qū)動動力刀具，完成銑、鉆、攻絲、鉸孔等加工。 在當(dāng)今市場單件小批量和快速生產(chǎn)的需求的刺激下，催生出了復(fù)合加

10、工。在眾多領(lǐng)域中，車銑復(fù)合加工發(fā)展目前來說已經(jīng)具有一定規(guī)模。在一般的機(jī)械加工領(lǐng)域中,加工主要分為以下兩種方式：第一，工件轉(zhuǎn)動，這種加工方式是車削加工；第二，刀具轉(zhuǎn)動，這種加工方式是加工中心加工。這兩種加工方式的結(jié)合就是車銑復(fù)合加工,它既能夠完成車削功能,同時又能夠完成銑、鏜、鉆、鉸、擴(kuò)等功能。車銑復(fù)合加工不僅是機(jī)械加工的發(fā)展方向之一，同樣也是當(dāng)今世界機(jī)床技術(shù)發(fā)展的大潮流。銑刀旋轉(zhuǎn)、工件旋轉(zhuǎn)、銑刀軸向進(jìn)給和徑向進(jìn)給，在這四個車銑復(fù)合加工機(jī)床的基本運(yùn)動中，要完成這銑刀旋轉(zhuǎn)的動作就需要使用到動力刀架。在引入動力數(shù)控刀架后，車銑復(fù)合加工中心基本實現(xiàn)了如下幾個目標(biāo):縮短制造工藝鏈和物流長度;減少裝夾次數(shù)

11、以及工裝夾具數(shù)量;減小使用占地面積，降低了成本。實現(xiàn)了在確保質(zhì)量的前提下，提高生產(chǎn)率和自動化的程度。步入新世紀(jì)以來，我國的數(shù)控機(jī)床行業(yè)發(fā)展勢態(tài)愈發(fā)迅猛，主機(jī)技術(shù)向著高速、智能、復(fù)合、環(huán)保方向不斷發(fā)展。動力刀架作為數(shù)控機(jī)床及加工中心重要部件之一，它的性能優(yōu)劣關(guān)系到整臺機(jī)床的性能，甚至深刻影響著我國制造業(yè)整體水平的高低。當(dāng)前市場中，動力刀架技術(shù)已經(jīng)趨近成熟完善，國外很多著名刀架生產(chǎn)商都已設(shè)計研發(fā)并推廣出自己的系列化產(chǎn)品，國內(nèi)也已有較為完善的生產(chǎn)機(jī)制。但是絕大部分仍然是模仿國外的產(chǎn)品，缺乏自主創(chuàng)新能力，它與國外的先進(jìn)水平相比較，在精度等方面還存在著一定的差距，在一定程度上這會制約機(jī)床發(fā)展。所以，在動

12、力數(shù)控刀架的設(shè)計上，提高反復(fù)多次定位的精度和降低刀架出現(xiàn)故障的概率意義重大。1.1研究的現(xiàn)狀 動力刀架最早出現(xiàn)于1980年。經(jīng)過30多年的發(fā)展，隨著伺服刀架的出現(xiàn)，動力刀架由最初的外加動力刀具驅(qū)動模塊的形式發(fā)展為現(xiàn)今伺服動力刀架。伺服刀架又分為雙伺服動力刀架以及單伺服動力刀架。隨著車削中心和車銑復(fù)合機(jī)床模塊化設(shè)計的發(fā)展以及對功能部件性能參數(shù)和可靠性要求的逐漸提高，在單伺服動力刀架的基礎(chǔ)上衍生出下列動力刀架產(chǎn)品：（1） 內(nèi)置電主軸的直驅(qū)動力刀具刀架結(jié)構(gòu)這種動力刀架采用內(nèi)置的電主軸直接驅(qū)動動力刀具代替伺服電機(jī)通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動刀具，是動力刀具的最大轉(zhuǎn)速得到了提升，可達(dá)到10000r/min。同時刀盤

13、和動力刀座采用了BMT接口，提高了重復(fù)定位精度。此項技術(shù)最先由德國Sauter公司申請專利。（2） 力矩電機(jī)直驅(qū)式動力刀架這種動力刀架大幅度減少傳動系統(tǒng)的復(fù)雜性，省去大量零件，使刀架體積變小，性能與功能與原來的伺服電機(jī)驅(qū)動刀盤的動力刀架。但是因為簡化了傳動系統(tǒng)，因此可靠性大幅度提升。（3） 帶Y軸、B軸的動力刀架目前國外動力刀架的研究均已成熟，德國，日本，意大利，英國等發(fā)達(dá)國家均有成熟的產(chǎn)品運(yùn)用于生產(chǎn)。國外的生產(chǎn)商如德國肖特公司（sauter），意大利巴拉法蒂（baruffaldi）、杜普瑪?shù)峡耍╠uplomatic）等著名的生產(chǎn)商。世界上最著名數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架生產(chǎn)企業(yè)是德國的Sauter公司和意

14、大利Baruffaldi公司。這兩家企業(yè)刀架的性能指標(biāo)如表1.1所示:表1.1 國外廠家生產(chǎn)的刀架的技術(shù)參數(shù)廠家中心高（mm）工位（個）45°轉(zhuǎn)位時間(s)45°轉(zhuǎn)位并加緊時間（s）Sauter公司16080.380.78Baruffaldi公司16080.440.84 國內(nèi)的動力刀架技術(shù)仍處于發(fā)展階段，目前國內(nèi)動力刀架生產(chǎn)較為著名的生產(chǎn)商有：常州市宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備有限公司、常州市新墅數(shù)控設(shè)備有限公司、煙臺環(huán)球機(jī)床附件集團(tuán)有限公司、沈陽精誠數(shù)控機(jī)床附件廠。這些廠家中技術(shù)規(guī)格參數(shù)指標(biāo)較高的是沈陽機(jī)床數(shù)控刀架分廠和煙臺環(huán)球機(jī)床附件廠。表1.2是國內(nèi)兩個廠家生產(chǎn)的兩種型號的轉(zhuǎn)塔刀

15、架的技術(shù)參數(shù)。表1.2 國內(nèi)廠家的刀架技術(shù)參數(shù)廠家中心高（mm）工位（個）45°轉(zhuǎn)位時間（s）45°轉(zhuǎn)位并夾緊時間（s）引進(jìn)技術(shù)煙臺環(huán)球機(jī)床附件廠AK3116080.661.54意大利Baruffaldi沈陽機(jī)床廠TSMA16016080.44意大利Baruffaldi 圖1.1 國內(nèi)產(chǎn)品 圖1.2 國外產(chǎn)品從上面兩表的數(shù)據(jù)就可以看出國外生產(chǎn)的刀架轉(zhuǎn)位速度快，在實際加工時有較高的效率。45°轉(zhuǎn)位并加緊時間這項種煙臺環(huán)球機(jī)床附件廠生產(chǎn)的刀架的用時是德國肖特公司的一倍。而且兩家國內(nèi)生產(chǎn)廠家的技術(shù)還是從意大利Baruffaldi公司引進(jìn)的。由此可見，國內(nèi)的刀架生產(chǎn)技術(shù)與

16、國外的先進(jìn)水平仍有很大差距。 目前煙臺環(huán)球機(jī)床附件廠生產(chǎn)的動力刀架均有不錯的性能具體參數(shù)見表1.3 表1.3 煙臺環(huán)球機(jī)床附件廠的動力刀架參數(shù)No項目AK3380X12AAK33100X12AAK33125X12A1中心高801001252工位數(shù)1212123刀孔定位精度6"6"6"4重復(fù)定位精度2"2"2"530°轉(zhuǎn)位時間26180°轉(zhuǎn)位并夾緊時間1.541.02.57最大不平衡負(fù)重力矩1540608分度頻數(shù)7507507509最大轉(zhuǎn)動慣量1.34.5110最大載重4012016011刀柄直

17、徑3030/405012刀具接口DIN5482DIN5482DIN548213傳動比1:11:11:1.0514最高轉(zhuǎn)速50004000300015最大扭矩20406016最高功率681017可配動力刀夾數(shù)12121218冷卻水口G1/4G1/4G3/819電纜接口/M24x1.520刀架凈重22840821刀架毛重25645322箱體尺寸（長X寬X高）620X510X590700X650X810880X764X810 目前，我校研究生在楊慶東教授的指導(dǎo)下也研制出了國內(nèi)首創(chuàng)的力矩電機(jī)直驅(qū)刀架。力矩電機(jī)直驅(qū)刀架大幅度簡化了刀盤的傳動系統(tǒng)，使刀架體積大幅度減小，由于傳動系統(tǒng)的簡化，刀架的精度以及可

18、靠性也得到了提升。1.2 設(shè)計內(nèi)容1、 進(jìn)行數(shù)控車削中心動力刀架總體研究，并進(jìn)行整體布局設(shè)計；2、 研究各種電機(jī)，為動力刀架選擇合適的電機(jī)；3、 研究出一種動力切換的可行方案4、設(shè)計刀架結(jié)構(gòu)、動力驅(qū)動，完成關(guān)鍵部件的設(shè)計計算；5、完成動力刀架的二維設(shè)計和三維設(shè)計 。第2章 方案選擇動力刀架在其發(fā)展時間內(nèi)已發(fā)展出了多種的形式，設(shè)計方式也各有不同。以下是在導(dǎo)師指導(dǎo)下選出的四種方案。2.1 雙伺服電機(jī)驅(qū)動動力刀架雙伺服電機(jī)驅(qū)動動力刀架是最早出現(xiàn)的動力刀架形式，經(jīng)過很長時間的發(fā)展，有了很成熟的研究結(jié)果，也已經(jīng)推出了一系列的產(chǎn)品。在其上改進(jìn)的空間不大。雙伺服電機(jī)驅(qū)動動力刀架的示意圖如圖2.1 圖2.1

19、雙伺服動力刀架簡圖1：刀盤驅(qū)動電機(jī) 2：動力刀具驅(qū)動電機(jī)雙伺服電機(jī)驅(qū)動動力刀架，使用兩個電機(jī)分別驅(qū)動刀盤以及動力刀具，刀盤的精定位則通過高精度鼠牙盤和液壓系統(tǒng)離合實現(xiàn)鼠牙盤的嚙合脫開來實現(xiàn)刀盤的精定位。這種動力刀架所占空間較大，結(jié)構(gòu)較為簡單，傳動方式也較為簡單。而且國內(nèi)外雙伺服動力刀架產(chǎn)品已經(jīng)較成熟，設(shè)計價值不高。所以棄用此方案。2.2 單伺服電機(jī)驅(qū)動動力刀架 單伺服電機(jī)驅(qū)動動力刀架是在雙伺服驅(qū)動動力刀架的基礎(chǔ)上，發(fā)展出的一種更為先進(jìn)的動力刀架。單伺服動力刀架性能優(yōu)越，結(jié)構(gòu)緊湊，較之雙伺服動力刀架有較大的優(yōu)勢。示意圖如圖2.2圖 2.2 單伺服電機(jī)驅(qū)動動力刀架簡圖單伺服動力刀架較之雙伺服動力刀

20、架難度較大，關(guān)鍵在于單伺服動力刀架有一個動力切換的問題，雙伺服電機(jī)驅(qū)動只需電機(jī)直接控制刀盤和動力刀具即可。而單伺服電機(jī)驅(qū)動的動力刀架因為僅使用一個伺服電機(jī)，所以在完成刀盤轉(zhuǎn)位之后必須完成一個動力切換過程，將伺服電機(jī)驅(qū)動刀盤轉(zhuǎn)為驅(qū)動動力刀具。所以需要一個動力切換裝置來完成這個動力切換的過程。刀盤的精定位同樣使用鼠牙盤和液壓系統(tǒng)，通過液壓系統(tǒng)帶動鼠牙盤的離合來實現(xiàn)刀盤的精定位。而動力切換裝置則擬以撥叉和滑移齒輪實現(xiàn)。單伺服動力刀架目前在我國的研究發(fā)展制造仍然處于起步階段，對單伺服動力刀架的研究開發(fā)是非常有必要的，單伺服動力刀架相較于雙伺服動力刀架而言，性能更優(yōu)越，因為使用單電機(jī)所以結(jié)構(gòu)較緊湊，在未

21、來有較大的發(fā)展?jié)摿?，且?nèi)部傳動結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，有研究開發(fā)的意義。所以選用此方案。2.3力矩電機(jī)直驅(qū)刀架外加電主軸模塊力矩電機(jī)直驅(qū)刀架是我校自主研究開發(fā)的刀架，目前還在實驗階段，簡圖如圖2.3圖 2.3 力矩電機(jī)直驅(qū)刀架外加電主軸模塊此刀架的主體部分是我校自主研發(fā)的，將力矩電機(jī)內(nèi)置于刀盤的內(nèi)部，同樣以鼠牙盤和液壓系統(tǒng)的離合來實現(xiàn)刀盤的精定位，此刀架將電機(jī)內(nèi)置，節(jié)省了很大一部分空間，是刀架的結(jié)構(gòu)更加緊湊，同時也減輕了刀架的整體重量。同時直驅(qū)刀架是零傳動，所謂零傳動就是利用力矩電機(jī)直接驅(qū)動回轉(zhuǎn)運(yùn)動，省去齒輪傳動等等中間環(huán)節(jié)，把機(jī)床傳動鏈的長度縮短為零。該方式避免了中間環(huán)節(jié)能量的損失，并能得到高的動態(tài)性

22、能和好的定位精度，直驅(qū)刀架以其緊湊的結(jié)構(gòu)，迷你的機(jī)體，零傳動的高精度，在未來具有十分廣闊的發(fā)展前景。但是此刀架在設(shè)計時，將刀盤內(nèi)部空間已經(jīng)布滿，想要在這個刀架的基礎(chǔ)上再加上電主軸和動力刀座的設(shè)計難度較大，對于我目前的知識水平來說有相當(dāng)大的難度。所以棄用此方案。2.4力矩電機(jī)外置加上電主軸模塊這種方案是在方案三的基礎(chǔ)上為了設(shè)計的可行性改進(jìn)的方案，簡圖如圖2.4圖 2.4力矩電機(jī)外置加電主軸模塊這種方案將刀盤內(nèi)的力矩電機(jī)外置，提供了電主軸以及動力刀具的設(shè)計安裝的可行性，但是這種方案也使電機(jī)的體積增加，失去了直驅(qū)刀架的體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，以及零傳動的優(yōu)勢。在結(jié)構(gòu)的緊湊性上甚至還不如單伺服動力刀架，所以

23、棄用此方案。2.5本章小結(jié)本章描述了設(shè)計動力刀架的四種方案，對于四種方案的優(yōu)劣進(jìn)行了比較。經(jīng)過對比，選擇設(shè)計單伺服動力刀架，單伺服動力刀架目前在我國的研究發(fā)展制造仍然處于起步階段，對單伺服動力刀架的研究開發(fā)是非常有必要的，單伺服動力刀架相較于雙伺服動力刀架而言，性能更優(yōu)越，因為使用單電機(jī)所以結(jié)構(gòu)較緊湊，在未來有較大的發(fā)展?jié)摿Γ覂?nèi)部傳動結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，有研究開發(fā)的意義。所以選用此方案。而更有發(fā)展?jié)摿Φ闹彬?qū)刀架則因能力有限所以不選用。第3章 動力刀架的設(shè)計計算及關(guān)鍵部分設(shè)計 設(shè)計中的主要的重點(diǎn)和難點(diǎn)有（1）伺服電機(jī)的選擇（2）液壓機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計（3）刀盤的轉(zhuǎn)定位與精確定位（4）輪系的設(shè)計

24、（5）整個刀塔系統(tǒng)的運(yùn)動仿真（6）單伺服電機(jī)驅(qū)動刀盤和動力刀具的協(xié)調(diào)問題。所以在設(shè)計計算中應(yīng)該優(yōu)先解決這些問題。3.1 伺服電機(jī)的選擇計算3.1.1 旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量計算 轉(zhuǎn)動慣量是描述剛體在轉(zhuǎn)動中的慣性大小的物理量。當(dāng)兩個繞定軸轉(zhuǎn)動的不同剛體受到相同的力矩分別作用時，它們所獲得的角加速度一般是不一樣的，轉(zhuǎn)動慣量大的剛體所獲得的角加速度小，即角速度改變得慢；反之，轉(zhuǎn)動慣量小的剛體所獲得的角加速度大，即角速度改變得快。剛體的轉(zhuǎn)動慣量的定義是：若剛體為連續(xù)體，則用積分代替求和：根據(jù)加工的要求，所需的動力刀具也不盡相同，但是重量差別不是很多，估算時可以用平均重量進(jìn)行估算。受到電動機(jī)的力矩驅(qū)動時，整個

25、盤共搭載12把刀具，估算時假設(shè)質(zhì)量平均分部于刀盤。由刀架的結(jié)構(gòu)簡圖可知,刀架在完成換刀動作時,伺服電機(jī)帶動其旋轉(zhuǎn)的部件共四個,它們分別是傳動齒輪，刀架主軸和刀盤，因而只需估算這些元素的轉(zhuǎn)動慣量然后累加在一起就能初步估算出來整個轉(zhuǎn)位系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，進(jìn)而可以求得電機(jī)需要提供的力矩大小。 現(xiàn)選取sauter公司的刀盤，刀盤外徑為=410mm，刀具孔中心圓=370mm與刀盤座連接的螺孔中心圓為120mm。刀盤中心通孔=70mm。如圖圖 刀盤二維圖刀盤三維模型如圖3.2圖刀盤三維圖按照公式計算刀盤轉(zhuǎn)動慣量即 即刀盤的轉(zhuǎn)動慣量可近似看成1.53。刀盤座根據(jù)設(shè)計，三

26、維模型如圖圖刀盤座三維圖根據(jù)公式計算其轉(zhuǎn)動慣量：主軸根據(jù)空間結(jié)構(gòu)其傳動要求初步設(shè)計，三維模型如圖3.4圖 大軸三維圖二維圖及尺寸如圖圖大軸二維圖根據(jù)公式計算其轉(zhuǎn)動慣量其余零件由于轉(zhuǎn)動慣量太小，在初步計算中不列于考慮范圍。3.1.2電機(jī)轉(zhuǎn)矩估算等效轉(zhuǎn)動慣量折算電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，根據(jù)公式根據(jù)相鄰刀位轉(zhuǎn)動時間0.2s的初始條件，若連續(xù)轉(zhuǎn)動則電機(jī)轉(zhuǎn)速為25。則按照公式初步計算電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為=22根據(jù)查閱的資料，初步選擇為安川伺服電機(jī)，根據(jù)查閱安川伺服電機(jī)說明手冊，選取安川伺服電機(jī)SGMGH-44A。此伺服電機(jī)的數(shù)據(jù)如表表3.1

27、 .2.1安川伺服電機(jī)部分?jǐn)?shù)據(jù)伺服電機(jī)型號SGMGH-44A額定輸出4.4kw額定扭矩28.4瞬間最大扭矩71.7額定電流32.8A額定轉(zhuǎn)速3000r/min最高轉(zhuǎn)速6000r/min根據(jù)查閱安川伺服電機(jī)說明手冊，安川伺服電機(jī)的SGMGH-44A的額定功率為4.4kw。額定扭矩為28.4。滿足初步計算的扭矩要求。3.2 動力刀具傳動鏈的轉(zhuǎn)動慣量計算動力刀具傳動鏈有傳動齒輪以及傳動軸，要計算動力刀具傳動鏈的轉(zhuǎn)動慣量則需計算其傳動鏈上的所有零件的轉(zhuǎn)動慣量。若把動力刀具傳動軸上的所有零件視為整體，三維圖如圖3.2.1圖3.2.1 動力刀具傳動軸運(yùn)用公式計算其轉(zhuǎn)動慣量為計算過度齒輪的轉(zhuǎn)動慣量運(yùn)用公式計

28、算動力刀具軸的轉(zhuǎn)動慣量等效轉(zhuǎn)動慣量折算電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，根據(jù)公式根據(jù)動力刀具最高轉(zhuǎn)速為6000r/min的初始條件，假設(shè)3秒達(dá)到6000r/min的最高轉(zhuǎn)速。則按照公式初步計算電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為=6.4056查閱安川伺服電機(jī)說明書，查得SGMGH-44A的扭矩轉(zhuǎn)速圖如圖3.2.2圖3.2.2 SGMGH-44A扭矩轉(zhuǎn)速圖如上圖顯示，電機(jī)在最高轉(zhuǎn)速6000r/min時的扭矩最大可達(dá)到10。滿足動力刀具傳動鏈的扭矩要求，所以此電機(jī)是滿足此刀架的動力需求的。3.3 傳動齒輪的設(shè)計計算 電機(jī)輸出功率為4.4kw，小齒輪轉(zhuǎn)速根據(jù)初始條件計算為50r/mm。根據(jù)公式計算其轉(zhuǎn)矩為：刀盤轉(zhuǎn)位驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)矩根據(jù)公式計算為根據(jù)

29、設(shè)計要求，傳動比為2。小齒輪初選材料為40Cr，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，硬度HBS=241286。大齒輪初選材料為45鋼，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，硬度為HBS=217-253。初選 選用斜齒輪。選擇齒寬系數(shù)齒寬系數(shù)不宜過大，因此取。按齒面接觸強(qiáng)度計算根據(jù)資料選 選 ，取，查得許用接觸應(yīng)力，。根據(jù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)查得，。取失效概率1%，安全系數(shù)S=1。計算計算圓周速度計算齒寬b及計算模數(shù)計算齒寬吃高之比計算縱向重合度計算載荷系數(shù)K已知使用系數(shù)根據(jù)v=0.984m/s，8級精度，查得動載系數(shù)，。按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑計算模數(shù)按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計計算載荷系數(shù)根據(jù)縱向重合度查得螺旋角影響系數(shù)計算當(dāng)量齒數(shù)查取齒形

30、系數(shù)由資料查得，查應(yīng)力校正系數(shù)由資料查得，計算大小齒輪的并加以比較由資料查得小齒輪的彎曲疲勞極限，大齒輪的彎曲疲勞極限。由資料查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，。去彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4計算故，。所以設(shè)計計算得對比計算結(jié)果，由彎曲疲勞強(qiáng)度計算的法面模數(shù)小于由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算去，可滿足彎曲疲勞強(qiáng)度，為滿足接觸疲勞強(qiáng)度，需按照接觸疲勞強(qiáng)度算得的分度圓直徑。計算齒數(shù) ?？扇?，。計算中心距圓整為83mm齒輪寬度，驅(qū)動齒輪如圖3.2.3圖3.2.3 驅(qū)動齒輪三維圖因為設(shè)計中驅(qū)動齒輪及動力刀具傳動齒輪的傳動比為1：1，所以動力刀具傳動軸上的齒輪可以選用與驅(qū)動齒輪一樣的齒輪。計算過度齒輪動力刀具傳動軸轉(zhuǎn)矩計算運(yùn)

31、用公式過度齒輪的轉(zhuǎn)矩為根據(jù)設(shè)計要求，傳動比為4。小齒輪初選材料為40Cr，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，硬度HBS=241286。大齒輪初選材料為45鋼，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，硬度為HBS=217-253。初選 選用斜齒輪。按齒面接觸強(qiáng)度計算根據(jù)資料選 選 ，取，查得許用接觸應(yīng)力，。根據(jù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)查得，。取失效概率1%，安全系數(shù)S=1。計算計算圓周速度計算齒寬b及計算模數(shù)計算齒寬齒高之比 計算縱向重合度計算載荷系數(shù)K已知使用系數(shù)根據(jù)v=0.984m/s，8級精度，查得動載系數(shù)，。按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑計算模數(shù)按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計計算載荷系數(shù)根據(jù)縱向重合度查得螺旋角影響系數(shù)計算當(dāng)量齒數(shù)查取齒形系數(shù)由資料

32、查得，查應(yīng)力校正系數(shù)由資料查得，計算大小齒輪的并加以比較由資料查得小齒輪的彎曲疲勞極限，大齒輪的彎曲疲勞極限。由資料查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，。去彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4計算故，。所以設(shè)計計算得對比計算結(jié)果，由彎曲疲勞強(qiáng)度計算的法面模數(shù)小于由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算去，可滿足彎曲疲勞強(qiáng)度，為滿足接觸疲勞強(qiáng)度，需按照接觸疲勞強(qiáng)度算得的分度圓直徑。計算齒數(shù) ?？扇?，。計算中心距圓整為138mm。齒輪寬度，。因為過度齒輪是動力刀具的傳動齒輪，但是安裝在刀盤轉(zhuǎn)位驅(qū)動軸上。因為過度齒輪轉(zhuǎn)動不能帶動刀盤轉(zhuǎn)位驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，所以在過度齒輪與刀盤轉(zhuǎn)位驅(qū)動軸之間加入一個軸承，以便實現(xiàn)過度齒輪在軸上空轉(zhuǎn)。由于過度齒輪不承受

33、多少軸向力，所以在其內(nèi)可安裝深溝球軸承。如圖3.2.4圖3.2.4 過度齒輪二維圖動力刀具驅(qū)動齒輪和過度齒輪的傳動比根據(jù)設(shè)計為1：1，可以采用與動力刀具傳動軸相同直徑以及模數(shù)的齒輪。3.4 傳動軸的設(shè)計計算刀盤轉(zhuǎn)位驅(qū)動軸最小軸徑計算=48mm，圓整為50mm，軸設(shè)計圖如圖3.3.1。圖3.3.1 大軸設(shè)計圖取d1=50mm，在軸的后端需要安裝軸承，所以設(shè)計L1=25mm。第二段加工為花鍵軸，以便實現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)位與動力刀具驅(qū)動之間的動力切換。L2=74mm，然后查閱花鍵國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1144-2001,取軸的大徑為60mm，小徑為52mm，鍵寬為10mm。花鍵部分國家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表3.3.1小徑d輕

34、系列中系列規(guī)格鍵數(shù)大徑D鍵寬B規(guī)格鍵數(shù)大徑D鍵寬B116x11x14x36143136x13x16x3.5163.5166x16x20x4204186x18x22x5225216x21x25x525236x23x26x662666x23x28x6286266x26x30x6306x26x32x632286x28x32x73276x28x34x7347326x32x38x63668x32x38x68386368x36x40x784078x36x42x7427428x42x46x84688x42x48x8488468x46x50x95098x46x54x9549528x52x59x1058108x

35、52x60x106010568x56x62x10628x56x65x1065628x62x68x1068128x62x72x1272127210x72x78x107610x72x82x12828210x82x88x128810x82x92x1292表3.3.1 部分花鍵國家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)L3段需安裝軸承取d3=70mm，L3=28.5mm。軸承需軸肩定位，去d4=80mm，L4段需要安裝端齒盤及液壓系統(tǒng)，為其流出安裝空間，設(shè)計L4=101mm。L5段為與端齒盤中的動盤的連接需要，d5=100mm，L5=10mm。L6段安裝過度齒輪，d6=80mm，L6=55mm。動力刀具傳動軸設(shè)計計算根據(jù)電機(jī)的額定

36、輸出功率確定最小軸徑，運(yùn)用公式計算得=11mm，圓整為20mm。動力刀具傳動軸如圖3.3.2圖3.3.2動力刀具傳動軸設(shè)計圖L1段需安裝齒輪，故需安裝鍵槽，由于齒輪相對與軸承為懸臂支撐，所以軸兩端需要安裝軸端擋圈，設(shè)計d1=20mm，L1=35mm。L2和L4段需要安裝軸承，d2=d4=25mm，L2=L4=17mm。L3段為刀架空間設(shè)計需要，同時軸承需要軸肩定位，取d3=30mm。L5段為了實現(xiàn)動力刀具和動力脫開嚙合設(shè)計為花鍵軸，大徑為25mm，小徑為21mm，取中系列，花鍵國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1144-2011的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表5。3.5 軸承的選擇各種軸承特性如表3.4.1軸承名稱特點(diǎn)調(diào)心球軸承

37、 能承受少量軸向力，因為外圈滾道是以軸承中心為中心的球面，故能自動調(diào)心，允許內(nèi)圈相對外圈軸線偏斜量。一般不宜承受純軸向載荷。調(diào)心滾子軸承 性能、特點(diǎn)與調(diào)心球軸承相同，但具有較大的徑向承載能力，允許內(nèi)圈對外圈軸線偏斜量。推力調(diào)心滾子軸承 用于承受以軸向載荷為主的軸向、徑向聯(lián)合載荷，但徑向載荷不得超過軸向載荷的55%。運(yùn)轉(zhuǎn)中滾動體受離心力矩作用，滾動體與滾道間產(chǎn)生滑動，并導(dǎo)致軸圈與座圈分離。為保證正常工作，需是施加一定的軸向預(yù)載荷。允許軸圈對座圈軸線偏斜量。圓錐滾子軸承 可以同時承受徑向載荷及軸向載荷（30000型以徑向載荷為主，3000B型以軸向載荷為主）。外圈可分離，安裝時可調(diào)整軸承的游隙。一

38、般成對使用。推力球軸承 只能承受軸向載荷。高速時離心力大，鋼球與保持架磨損，發(fā)熱嚴(yán)重，壽命降低，故極限轉(zhuǎn)速很低。為了防止鋼球與滾道之間的滑動，工作是必須加有一定的軸向載荷。軸線必須與軸承座底面垂直，載荷必須與軸線重合，以保證鋼球載荷的均勻分配。深溝球軸承 主要承受徑向載荷，也可同時承受小的軸向載荷。當(dāng)量摩擦系數(shù)最小。在高轉(zhuǎn)速時，可用來承受純軸向載荷，工作中允許內(nèi)、外圈軸線偏斜量，大量生產(chǎn)，價格最低。角接觸球軸承 可以同時承受徑向載荷及軸向載荷及軸向載荷，也可以單獨(dú)承受軸向載荷。能在較高轉(zhuǎn)速下正常工作。由于宇哥軸承只能承受單向的軸向力，因此，一般成對使用。承受軸向載荷的能力與接觸角有關(guān)。接觸角大

39、的，承受軸向載荷的能力也高。圓柱滾子軸承 有較大的徑向承載能力。外圈可以分離，故不能承受軸向載荷，滾子由內(nèi)圈的擋邊軸向定位，工作時允許內(nèi)、外圈有少量的軸向錯動。內(nèi)外圈軸線的允許偏斜量有小（2-4）.此類軸承還可以不帶外圈或內(nèi)圈。滾針軸承 在同樣內(nèi)徑條件下，與其他類型軸承相比，其外徑最小，內(nèi)圈或外圈可以分離，工作室允許內(nèi)、外圈有少量的軸向錯動。有較大的徑向承載能力。一般不帶保持架。摩擦系數(shù)較大。帶頂絲外球面球軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)與深溝球軸承相同，但外圈具有球形外表面，與帶有凹球面的軸承座相配能自動調(diào)心。常用緊定螺釘、偏心套或緊定套將軸承內(nèi)圈固定在軸上。軸心線語序偏斜。表3.4.1 各種軸承的特性根據(jù)各軸

40、受力情況分析選取軸承，在刀盤轉(zhuǎn)位驅(qū)動軸的L1段選取深溝球軸承6010GB/T276-1994，因為深溝球軸承可承受徑向力，也可以承受較小的軸向力，在L3段選用圓錐滾子軸承30214GB/T297-1994來承受由端齒盤嚙合以及齒輪滑移帶來的軸向力。在動力刀具傳動軸的的L2與L4段因為撥叉撥動滑移齒輪產(chǎn)生的軸向力較小，所以可以選用深溝球軸承來承受較小的軸向力，選用6005GB/T276-1994。在動力刀具驅(qū)動軸上因基本不承受軸向力，所以選用兩個深溝球軸承承受徑向力。選用6007GB/T276-1994。3.6端齒盤設(shè)計計算 端齒盤是動力刀架刀盤轉(zhuǎn)位控制精度的重要零件。其精度決定刀盤轉(zhuǎn)位精度。為

41、了保證端齒盤的定位精度和剛度，對端齒盤做以下技術(shù)要求：端齒盤材料采用40Cr，齒部滲氮后磨齒加工；齒寬接觸率為70%以上；齒高接觸為嚙合高度85%以上，兩齒盤嚙合時的接觸齒數(shù)應(yīng)在90%以上，接觸不良的齒不嚙合；安裝基準(zhǔn)孔軸線對分度中心的位置度，一般取0.020.04mm，對精密齒盤應(yīng)在0.01mm以內(nèi)；安裝基準(zhǔn)端面對分度的平行度，一般取0.010.04mm，對精密齒盤應(yīng)在0.01mm以內(nèi)。本刀架采用標(biāo)準(zhǔn)直齒端齒盤，齒的嚙合深度通常設(shè)計為45mm，可獲得所需的瑣緊力滿足刀架剛度要求，所以本次設(shè)計將齒的嚙合深度設(shè)計為4mm。這一設(shè)計也可減少活塞的行程，節(jié)省功率。 查得有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)得出以下參數(shù)：端齒盤外

42、徑d：端齒盤的外徑主要由設(shè)計結(jié)構(gòu)所允許的空間范圍來確定。在結(jié)構(gòu)允許 的情況下，外徑越大越好，這樣可以增強(qiáng)分度或定位機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。 根據(jù)車削中心動力刀架的總體結(jié)構(gòu)和外徑系列選取d=180mm。齒數(shù)z： 根據(jù)JB/T 4316.1-1999查得當(dāng)外徑d=180mm時，齒數(shù)可以為60和 72兩種，它們的最小分度角分別為和，因為本次設(shè)計的動力刀架 工位數(shù)為8工位，轉(zhuǎn)一個工位從動盤需要轉(zhuǎn)過角度，應(yīng)該是最小 分度角的倍數(shù)關(guān)系，所以選取最小分度角為，從而選取z=72。 齒長F： F=10mm齒盤厚度： H/2+m=21.24mm齒距t: t=7.85mm齒厚S： S=3.93mm全齒高h(yuǎn): h=5mm齒頂高

43、m: m=1.24mm端齒盤部分國家標(biāo)準(zhǔn)見表3.5.1序號外徑 D內(nèi)徑 d齒長Fmax齒盤副厚度H 螺 栓 孔錐銷 孔 分布圓直徑D數(shù)量 n直徑沉孔直徑沉孔深度 b1100556307266.6116.88211065823125708904140804010291595160100122618012010140720014016082201505017581118111092501801220210280200230113202202601236026016602951213.520131213400300335144503503851550040020704301656045048517.

44、52617.51617630500258054018710580620表3.5.1 端齒盤部分國家標(biāo)準(zhǔn)3.7強(qiáng)度校核如圖3.7.1為主軸和刀盤連接示意圖，通過8個M12的螺栓螺母將刀盤座和刀盤連接在一起，通過4個M10的內(nèi)六角頭螺釘將刀盤座和主軸連接。不難發(fā)現(xiàn)，4個M10的內(nèi)六角頭螺釘承受相當(dāng)大的剪切應(yīng)力，是連接的薄弱部分，需要對其進(jìn)行校核。圖3.7.1 刀架薄弱連接示意圖1. 刀盤 2.螺栓 3.內(nèi)六角頭螺釘 4.主軸刀盤以及刀盤座的轉(zhuǎn)動慣量之和為1.7設(shè)刀盤轉(zhuǎn)動時的啟動加速度為。則通過螺釘傳遞的轉(zhuǎn)矩以及負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量滿足下列公式：得出結(jié)果帶入上式得出。螺釘受的剪切力運(yùn)用公式計算如下：根據(jù)機(jī)械

45、設(shè)計手冊查得，所用內(nèi)六角頭螺釘?shù)脑S用剪切應(yīng)力為120MPa，所以此內(nèi)六角頭螺釘滿足剪切應(yīng)力的要求，下面校核擠壓應(yīng)力：根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊查得，所用內(nèi)六角頭螺釘?shù)脑S用擠壓應(yīng)力為150MPa，所以此內(nèi)六角頭螺釘滿足擠壓應(yīng)力的要求。綜上所述，在這部分的連接中，所設(shè)計的連接時可靠的，滿足材料的許用應(yīng)力的要求。3.8關(guān)鍵部分設(shè)計3.8.1液壓系統(tǒng)設(shè)計計算本次設(shè)計中運(yùn)用到了液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)一共有五個組成部分，即動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件（附件）和液壓油。動力元件：動力元件的作用是將原動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能，即是液壓系統(tǒng)中的油泵，它向整個液壓系統(tǒng)提供動力。液壓泵的結(jié)構(gòu)形式一般有齒輪泵、葉片

46、泵、柱塞泵和螺桿泵等等。執(zhí)行元件：執(zhí)行元件(如液壓缸和液壓馬達(dá))的作用是將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動負(fù)載作直線往復(fù)運(yùn)動或回轉(zhuǎn)運(yùn)動。控制元件：控制元件(即各種液壓閥)在液壓系統(tǒng)中控制和調(diào)節(jié)液體的壓力、流量和方向。根據(jù)控制功能的不同，液壓閥可分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。壓力控制閥包括溢流閥(安全閥)、減壓閥、順序閥、壓力繼電器等；流量控制閥包括節(jié)流閥、調(diào)整閥、分流集流閥等；方向控制閥包括單向閥、液控單向閥、梭閥、換向閥等。根據(jù)控制方式不同，液壓閥可分為開關(guān)式控制閥、定值控制閥和比例控制閥。輔助元件：輔助元件包括油箱、濾油器、冷卻器、加熱器、蓄能器、油管及管接頭、密封圈、快換接頭、高

47、壓球閥、膠管總成、測壓接頭、壓力表、油位計、油溫計等。液壓油：液壓油是液壓系統(tǒng)中傳遞能量的工作介質(zhì)，有各種礦物油、乳化液和合成型液壓油等幾大類。本次設(shè)計中涉及要液壓系統(tǒng)的有兩處：鼠牙盤離合系統(tǒng)以及動力切換裝置中的撥叉撥動滑移齒輪。所以需要計算液壓缸直徑，查資料取液壓缸的工作壓力位0-2.5MPa。運(yùn)用公式計算液壓直徑。所以設(shè)計鼠牙盤離合系統(tǒng)液壓缸直為90mm。撥叉驅(qū)動液壓缸運(yùn)用公式計算其直徑，設(shè)計撥叉驅(qū)動液壓缸直徑為20mm。轉(zhuǎn)塔動力刀架的整個液壓系統(tǒng)由油泵、兩個二位四通閥及液壓缸組成，分別控制端齒盤和動力刀具離合結(jié)構(gòu)。塔身離合控制機(jī)構(gòu)與動力刀具離合結(jié)構(gòu)的端部分別裝有行程開關(guān)，程序根據(jù)傳感器的

48、信號來判斷兩個液壓缸是否運(yùn)動到位。二位四通閥是通過電磁鐵完成換位動作，根據(jù)二位四通閥的換位來控制液壓缸動作。當(dāng)?shù)侗P需要轉(zhuǎn)位時，電磁鐵通電，二位四通換位閥工作，將端齒盤的定盤以及液壓缸中的活塞體向右推，是端齒盤的動盤和定盤脫開。當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)位完成后，電磁鐵在工作將二位四通閥換位，使端齒盤的定盤和活塞體一起向左運(yùn)動，是端齒盤完成嚙合，實現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)位的精定位。在刀盤轉(zhuǎn)位完成后，控制系統(tǒng)發(fā)出信號，驅(qū)動兩個小液壓缸的液壓控制器，兩個小液壓缸使用并聯(lián)油路，在刀盤轉(zhuǎn)位完成后，是撥叉撥動滑移齒輪同時完成刀盤的驅(qū)動齒輪的脫開和動力刀具傳動齒輪的嚙合。示意圖圖 液壓系統(tǒng)示意圖3.8.2 動力

49、刀具接口設(shè)計目前在市場上有多種動力刀座如：DIN1809接口類型、DIN5480與DIN5480P接口類型、DIN5482接口類型和梅花式接口類型。各種類型接口如圖圖各種動力刀座接口各種接口特點(diǎn)如表表 各種動力刀具接口特點(diǎn)接口類型DIN1809DIN5480其他所占比例75%20%5%優(yōu)點(diǎn)大大簡化了離合器設(shè)計，切換速度較快切換速度快切換刀具，電機(jī)不需要停止缺點(diǎn)啟動的時候有振動，噪聲略大，時間長有磨損離合器設(shè)計較為復(fù)雜，加工制造成本較高，裝配困難通用性較差，動力刀座多為廠家的定制產(chǎn)品發(fā)展趨勢目前已經(jīng)開發(fā)出可補(bǔ)償?shù)?809接口，間隙減小，溫升、噪聲大大降低，在未來BMT刀架應(yīng)用上會成為主流接口隨著DIN5480P專利的保戶過期，10-15年內(nèi)（VDI應(yīng)用），這種接口會得到廣泛應(yīng)用隨著BMT刀架的流行，未來此類接口不會得到普及DIN1809接口的外形呈一字型，區(qū)別于其他接口的最大的優(yōu)點(diǎn)是不需要離合。相比其他外形的接口而言，花鍵外形的DIN5480接口、漸開線花鍵外形的DIN5482接口、端面鍵外形的梅花式接口，都需要通過液壓缸驅(qū)動的離合器用來控制動力刀座與傳動軸的脫開分離與接合鎖緊。當(dāng)采用DIN1809接口時，刀座固連于刀盤上，并且在跟隨刀盤一起轉(zhuǎn)位到目標(biāo)位置之后，接口能夠直接進(jìn)入動力傳動軸的楔口，