12位盤型刀塔伺服驅(qū)動設(shè)計

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1、 前言 現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展其實就是制造工藝的發(fā)展，而這其中一個非常重要的因素就是制造工具——機床的發(fā)展?，F(xiàn)代機床的發(fā)展都趨向于自動化、復(fù)合化以及高速化。而作為制造業(yè)主力軍的數(shù)控機床來說，它的發(fā)展更是日新月異。 自從20世紀(jì)60年代世界上第一臺數(shù)控機床問世以來，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和機械制造技術(shù)等各相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)已成為現(xiàn)代先進制造系統(tǒng)(FMS，CIMS等)中不可缺少的基礎(chǔ)技術(shù)。由于機床數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜，種類繁多?，F(xiàn)在數(shù)控機床的“使用難、維修難”問題，已經(jīng)是影響數(shù)控機床有效利用的首要問題。 當(dāng)前，數(shù)控機床發(fā)展迅猛，一方面向高

2、速、高效、高精度方面發(fā)展，同時，在制造行業(yè)中廣泛存在原有設(shè)備的數(shù)控改造和系統(tǒng)升級問題。作為關(guān)鍵附件，高性能的刀塔對于提高機床整體運行的可靠性、穩(wěn)定性和效率有著重要意義，數(shù)控刀塔是由數(shù)控系統(tǒng)來控制的，因此，在刀塔本身性能提高的情況下，如何實現(xiàn)控制任務(wù)就顯得十分重要了。國內(nèi)數(shù)控車床轉(zhuǎn)塔刀架的設(shè)計和生產(chǎn)都是依賴先進國家的，而且產(chǎn)品的性能方面跟國外還有一定的差距，期待開發(fā)設(shè)計一種性能最優(yōu)，最有實用價值的轉(zhuǎn)塔刀架，來適應(yīng)市場，替代進口產(chǎn)品低價位的數(shù)控車床用轉(zhuǎn)塔刀架，占領(lǐng)國內(nèi)市場，并達(dá)到國際領(lǐng)先水平，為國產(chǎn)機床工業(yè)的發(fā)展作出貢獻。數(shù)控車床今后將向中高當(dāng)發(fā)展，中檔采用普及型數(shù)控刀架配套，高檔采用動力型刀架，

3、兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種，預(yù)計近年來對數(shù)控刀架需求量將大大增加，隨著數(shù)控車床的發(fā)展，數(shù)控刀架開始向快速換刀、電液組合驅(qū)動和伺服驅(qū)動方向發(fā)展，因此對刀塔的設(shè)計以及它本身性能的研究就顯得十分重要。 本次的課題是12位盤型伺服刀塔設(shè)計，該機構(gòu)可以一次裝夾12把動力刀，可以在加工過程中一次性的進行多道工序的加工，大大提高了加工精度和生產(chǎn)效率。本次設(shè)計的主要內(nèi)容是：1.對刀塔的結(jié)構(gòu)，刀塔的傳動形式以及驅(qū)動方式的設(shè)計；2.刀塔與刀座的連接形式、刀座的選擇；3.刀具的交換動作設(shè)計、交換時間以及定位鎖緊計算；4.刀塔其他輔助部件的設(shè)計其結(jié)構(gòu)尺寸進行選擇設(shè)計，根據(jù)課題所要求的刀塔的驅(qū)動方式，對其

4、進行設(shè)計進而加以優(yōu)化。總之，本課題的意義在于: 1根據(jù)設(shè)計要求，在最短的時間內(nèi)設(shè)計出最優(yōu)的12位盤型刀塔結(jié)構(gòu)，并對其進行伺服驅(qū)動； 2.減少物質(zhì)的浪費，用最少的材料設(shè)計出滿足其設(shè)計要求及加工精度的刀塔結(jié)構(gòu)； 3.為解決同類問題即關(guān)于刀塔的結(jié)構(gòu)形式、刀塔的驅(qū)動方式，提供一種研究方法； 4.培養(yǎng)綜合運用專業(yè)基礎(chǔ)知識和專業(yè)技能來解決工程實際問題的能力； 5.強化工程實踐能力和意識,提高本人綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力； 6.，使本人受到從事本專業(yè)工程技術(shù)和科學(xué)研究工作的基本訓(xùn)練,提高工程繪圖、計算、數(shù)據(jù)處理、外文資料文獻閱讀、使用計算機、使用文獻資和手冊、文字表達(dá)等各方面的能力； 7.培養(yǎng)正確的

5、設(shè)計思想和工程經(jīng)濟觀點，理論聯(lián)系實際的工作作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度以及積極向上的團隊合作精神。 在本次設(shè)計過程中，分度鎖緊和動力刀座部分是重中之重。通過廣泛查閱文獻資料，畢業(yè)設(shè)計小組之間以及與指導(dǎo)老師相互討論等途徑，擬定了如下的研究手段： 刀塔的換刀過程可以分解成為三個動作：上下端齒盤松開、刀盤轉(zhuǎn)位、上下端齒盤嚙合鎖緊。其中上下端齒盤的松開以及鎖緊都是通過液壓驅(qū)動來實現(xiàn)的。而刀盤的轉(zhuǎn)位以及動力刀座的運轉(zhuǎn)皆由伺服電動機驅(qū)動，刀盤轉(zhuǎn)位可以是交流伺服電機，也可以是直流伺服電機，而動力刀座的驅(qū)動則是由交流伺服電動機驅(qū)動。刀盤動作的大概步驟如下：系統(tǒng)發(fā)出換刀指令動力刀座驅(qū)動電機停轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)啟動下端齒

6、盤向右運動，與上端齒盤脫開動力刀座驅(qū)動軸向右運動，與動力刀座脫開信號反饋，系統(tǒng)指令轉(zhuǎn)位電機啟動刀盤轉(zhuǎn)位信號反饋轉(zhuǎn)位電機停轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)動作上下端齒盤鎖合動力刀座驅(qū)動軸與動力刀座鎖合信號反饋，系統(tǒng)指令動力刀座驅(qū)動電機動作。 第一章 緒論 刀塔目前主要應(yīng)用于數(shù)控車床、數(shù)控銑床以及車銑復(fù)合加工中心，所以與刀塔發(fā)展最相關(guān)的領(lǐng)域就是數(shù)控車床、數(shù)控銑床以及車銑復(fù)合加工中心的發(fā)展。 1.1數(shù)控機床發(fā)展歷程以及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的思考 1949年帕森公司正式接受美國空軍委托，在麻

7、省理工學(xué)院伺服機構(gòu)試驗室的協(xié)助下，開 始從事數(shù)控機床的研制工作。經(jīng)過三年時間的研究，于1952年試制成功世界第一臺數(shù)控機床試驗性樣機，這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補三坐標(biāo)連續(xù)控制銑床，這便是數(shù)控機床的第一代[2]。 1953年，美國空軍與麻省理工學(xué)院協(xié)作，開始從事計算機自動編程的研究，這就是創(chuàng)制APT(Automatically Programmed Tools )自動編程系統(tǒng)的開始。 1955年，美國空軍花費巨額經(jīng)費訂購了大約100臺數(shù)控機床,此后兩年，數(shù)控機床在美國進入迅速發(fā)展階段,市場上出現(xiàn)了商品化數(shù)控機床。1958年，美國克耐杜列克公司(Keaney &

8、Trecker Co.)在世界上首先研制成功帶自動換刀裝置的數(shù)控機床，稱為”加工中心”。 1959年，計算機行業(yè)研制出晶體管元器件，因而數(shù)控裝置中廣泛采用晶體管和印制電路板，從而跨入第二代數(shù)控時代。同時美國航空工業(yè)協(xié)會(AIA)和麻省理工學(xué)院發(fā)展了APT程序語言。 1960年以后，點位控制機床在美國得到迅速發(fā)展,數(shù)控技術(shù)不僅在機床上得到實際應(yīng)用，而且逐步推廣到?jīng)_壓機、繞線機、焊接機、火焰切割機、包裝機和坐標(biāo)測量機等，在程序編制方面，已由手工編程逐步發(fā)展到采用計算機自動編程。除了APT數(shù)控語言外，又發(fā)展了許多自動騙程語言。 從1960年開始，德國，日本等先進工業(yè)國家

9、都陸續(xù)開發(fā)，生產(chǎn)及使用了數(shù)控機床， 1965年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路。由于它體積小，功耗低，使用數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得以進一步提高，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代【2】。 1967年，英國首先把幾臺數(shù)控機床聯(lián)接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是最初的FMS(Flexible Manufacturing System，柔性制造系統(tǒng))。之后，美，歐，日也相繼進行開發(fā)與應(yīng)用。 1970年前后，美國英特爾公司開發(fā)和使用了微處理器。1974年美，日等國首先研制出以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)。近20年來，微處理機數(shù)控系統(tǒng)的摟控機床得到飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，這就是第五代數(shù)控系統(tǒng)(MNC)。 20世

10、紀(jì)80年代初，國際上又出現(xiàn)了柔性制造單元FMC(Fleibie—Manufacturing Cell) [3]。 通過以上介紹，我們了解了數(shù)控機床的發(fā)展歷程，而目前我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀(jì)五十年代，通過“六五”期間引進數(shù)控技術(shù)，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關(guān)”，我國數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相當(dāng)大的成績。特別是最近幾年，我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，1998～2004年國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)量和消費量的年平均增長率分別為39.3%34.9%。盡管如此，進口機床的發(fā)展勢頭依然強勁，從2002年開始，中國連續(xù)三年成為世界機床消費第一大國、機床進口第一大國，2004年中國機床主機消費高達(dá)94.6億美元，

11、但進出口逆差嚴(yán)重，國產(chǎn)機床市場占有率連年下降，1999年是33.6%，2003年僅占27.7%。1999年機床進口額為8.78億美元（7624臺），2003年達(dá)27.1億美元（23320臺），相當(dāng)于同年國內(nèi)數(shù)控機床產(chǎn)值的2.7倍。國內(nèi)數(shù)控機床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機床的研究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進口。由此可以看出國產(chǎn)數(shù)控機床特別是中高檔數(shù)控機床仍然缺乏市場競爭力，究其原因主要在于國產(chǎn)數(shù)控機床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務(wù)意識與能力欠缺、數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。 總的來說“我國的數(shù)控系統(tǒng)在中、高檔領(lǐng)域還基本

12、上是靠進口。現(xiàn)階段我國的機床行業(yè)在高精尖數(shù)控技術(shù)方面還處于模仿階段, 基礎(chǔ)研究遠(yuǎn)跟不上世界先進水平的發(fā)展”[文獻2]，因此我們應(yīng)看清形勢，充分認(rèn)識國產(chǎn)數(shù)控機床的不足，努力發(fā)展先進技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓(xùn)服務(wù)力度，以縮短與發(fā)達(dá)國家之間的差距。 1.2數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 目前，數(shù)控機床的發(fā)展日新月異，高速化、高精度化、復(fù)合化、智能化、開放化、并聯(lián)驅(qū)動化、網(wǎng)絡(luò)化、極端化、綠色化已成為數(shù)控機床發(fā)展的趨勢和方向。中國作為一個制造大國，主要還是依靠勞動力、價格、資源等方面的比較優(yōu)勢，而在產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新與自主開發(fā)方面與國外同行的差距還很大。中國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)不能安于現(xiàn)狀，應(yīng)該抓住機會不斷發(fā)展，努力發(fā)

13、展自己的先進技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與人才培訓(xùn)力度，提高企業(yè)綜合服務(wù)能力，努力縮短與發(fā)達(dá)國家之間的差距。力爭早日實現(xiàn)數(shù)控機床產(chǎn)品從低端到高端、從初級產(chǎn)品加工到高精尖產(chǎn)品制造的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)從中國制造到中國創(chuàng)造、從制造大國到制造強國的轉(zhuǎn)變。 3.研究方法 一般在機加工過程中，一個零件的加工往往需要多道工序才能完成，因此數(shù)控機床研究的一個重要領(lǐng)域就是如何在這一方面提高效率，壓縮非切削時間以提高生產(chǎn)效率，同時也為了盡量減少由于多次安裝工件所引起的加工誤差，一次數(shù)控加工過程中一般對工件只進行一次裝夾，然后在加工過程中通過自動換刀完成多道工序或全部工序的加工，所以對數(shù)控木工機床的自動換刀方式的研究就成為了目前

14、研究的一個重要領(lǐng)域。“自動換刀方式主要有更換主軸頭換刀方式和帶刀庫的自動換刀方式兩種形式， 更換主軸頭換刀方式應(yīng)用于數(shù)控鏤銑機，而帶刀庫的自動換刀方式應(yīng)用于數(shù)控加工中心”“在具有多根主軸的數(shù)控鏤銑銑床上， 通過更換主軸頭進行換刀是一種簡單的換刀方式，由于在換刀過程中并不拆卸刀具，而是將刀具和主軸一起更換，所以省去了自動松夾’卸刀’裝刀’夾緊以及刀具搬運等一系列復(fù)雜的操作， 從而顯著減少了換刀時間。所以這種換刀方式的換刀速度很快，同時也提高了換刀的可靠性。根據(jù)主軸頭布置方式不同， 通常有平行刀軸式換刀和回轉(zhuǎn)刀架式換刀兩種方式”“ 數(shù)控加工中心的一個顯著結(jié)構(gòu)特征是配置有帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)， 刀庫

15、可以存放較多的刀具，能滿足復(fù)雜零件的多工序加工需要，可明顯提高機床的適應(yīng)性和加工效率，應(yīng)用廣泛。換刀系統(tǒng)的整個換刀過程較為復(fù)雜：首先&應(yīng)把加工過程中需要使用的全部刀具分別安裝在標(biāo)準(zhǔn)刀柄上，在機外進行尺寸調(diào)整之后&按一定的方式放入刀庫，換刀的時候，按一定的選擇方法進行選刀，并由刀具交換裝置實現(xiàn)刀具在刀庫和主軸之間的傳遞和裝卸。刀具的交換方式通常分為無機械手換刀和有機械手換刀兩大類”[文獻3] 總的來說為了提高機加工的效率以及機加工的精度，換刀裝置無可厚非的成了其研究的一個重要領(lǐng)域。 1.3 設(shè)計內(nèi)容和研究方法 本次設(shè)計所選擇的題目是：12位盤型伺服刀塔設(shè)計。本課題主要研究數(shù)控車床（車削中

16、心、車銑復(fù)合中心）的刀具交換系統(tǒng)（ATC）的主要部件——刀塔。刀塔的使用可以有效擴大機床的工藝范圍，提高機床的加工效率。本次選題的目的是對刀塔的結(jié)構(gòu)，刀塔的傳動形式以及驅(qū)動方式的設(shè)計；刀塔與刀座的連接形式、刀座的選擇；刀具的交換動作設(shè)計、交換時間以及定位鎖緊計算；刀塔其他輔助部件的設(shè)計。通過對本課題的設(shè)計，達(dá)到對數(shù)控機床中換刀機構(gòu)的充分了解，以便于以后應(yīng)用。 本次課題為12位盤型伺服刀塔設(shè)計，簡單的來說就是對刀塔進行伺服驅(qū)動設(shè)計。機械系統(tǒng)的伺服驅(qū)動設(shè)計大的來說分為兩部分：機械系統(tǒng)的設(shè)計和電子部分的設(shè)計。機械系統(tǒng)是對刀塔的外形尺寸進行設(shè)計及選擇；而電子部分的設(shè)計首先要選擇伺服類型：液壓伺服驅(qū)動

17、或電機伺服驅(qū)動。對于電機伺服驅(qū)動來說，在選定這種類型以后，還要考慮是用交流伺服驅(qū)動還是直流伺服驅(qū)動，之后在進行伺服驅(qū)動系統(tǒng)以及伺服電機進行選擇。最后對兩大部分進行綜合的考慮，將其合理的組裝在一起以達(dá)到做佳的效果。 所以本次設(shè)計的大概思路如下： 12位盤型伺服刀塔 電氣部分 機械部分 伺服類型及驅(qū)動方式 結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 刀位選擇 形狀選擇 電機伺服驅(qū)動 交直流伺服驅(qū)動 驅(qū)動器選擇 伺服電機選擇 12位

18、盤型 由上圖我們可以看出設(shè)計的大概過程，機械部分主要是對刀塔的結(jié)構(gòu)外形尺寸設(shè)計，在設(shè)計過程中所設(shè)計的參數(shù)要與現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)刀架的參數(shù)相匹配，不能脫離標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的限制，否則最終所設(shè)計的刀塔將無法與標(biāo)準(zhǔn)件刀架進行匹配。電氣部分的兩個重點問題是伺服方式、伺服驅(qū)動器選擇及伺服電機選擇。在方案選擇中，我們可以寫出以交流伺服驅(qū)動與直流伺服驅(qū)動的雙重方案，然后再進行對比，篩選出較為合理，更加實用以及實惠的方案。對于伺服驅(qū)動器的選擇，可以進行多種選擇再對比篩選。而對伺服電機來說，電機的尺寸最終要與刀塔的外形結(jié)構(gòu)尺寸進行匹配，在選擇過程中這一點要引起注意。

19、 第二章 12位伺服刀塔總體方案設(shè)計 2.1調(diào)查研究與資料收集 2.1.1 課題的調(diào)查研究 從國內(nèi)外市場調(diào)研結(jié)果看，國內(nèi)對數(shù)控車床轉(zhuǎn)塔刀架的設(shè)計和生產(chǎn)都是依賴于先進國家的，而且產(chǎn)品的性能方面跟國外還有一定的差距，期待開發(fā)設(shè)計一種性能最優(yōu)，最有實用價值的轉(zhuǎn)塔刀架，適應(yīng)市場，替代進口產(chǎn)品低價位的數(shù)控車床用轉(zhuǎn)塔刀架，占領(lǐng)國內(nèi)市場，并達(dá)到國際領(lǐng)先水平，為國產(chǎn)機床工業(yè)的發(fā)展作出貢獻。車削加工中心是目前國際上比較前端的一種數(shù)控機床，可以進行多工序加工，如車削、鉆削、銑削等。有關(guān)人

20、士指出，數(shù)控機床附件及其配套功能附件是我國機床工具制造業(yè)“十五”計劃重點發(fā)展產(chǎn)品。雖然我國數(shù)控機床產(chǎn)品附件的研制由無到有，取得了顯著成績，但與國外先進水平相比還是有一定差距的。為確保國產(chǎn)數(shù)控機床的大發(fā)展，就必須把數(shù)控機床附件盡快搞上去。為此他們建議國家有關(guān)部門，盡快制定有關(guān)鼓勵、扶持國產(chǎn)數(shù)控機床附件發(fā)展的相關(guān)政策，加大數(shù)控機床附件行業(yè)科研和技術(shù)改進投入，使國產(chǎn)數(shù)控機床附件行業(yè)有一個大發(fā)展。而且動力刀架是數(shù)控機床附件中尤為重要的一個部件，把這一技術(shù)提高是我們義不容辭的事情。 2.1.2資料收集 課題涉及到的有關(guān)知識包括：數(shù)控機床結(jié)構(gòu)、車削加工中心、自動換刀裝置等等方面；其次還包括一些機械設(shè)計

21、、機械傳動、液壓、分度機構(gòu)等方面的知識，在校圖書館借閱了一些關(guān)于本次設(shè)計有關(guān)的資料，而且還在網(wǎng)上搜索了一些相關(guān)資料：1）現(xiàn)代實用機床設(shè)計手冊；2）實用機床設(shè)計手冊；3）機械設(shè)計手冊；4）數(shù)控車床設(shè)計；5）數(shù)控機床結(jié)構(gòu)與維修等等；6）機械原理。而主要的資料則是現(xiàn)在已有的各種刀塔及其參數(shù)，比如肖特的動力刀座，迪普馬等。詳細(xì)資料見本說明書最后的參考資料。下面是幾幅圖刀塔相關(guān)的圖片： 1.徑向刀塔 2.軸向刀塔 3.動力刀座 4.刀塔外觀圖 2.2 刀塔的整體方案設(shè)計 通過查閱相關(guān)資料，最初擬定以下及格

22、方案，下面對每個方案進行研究分析，選擇最優(yōu)方案在進行設(shè)計。初始擬定方案如下： 1. 單電機雙驅(qū)動 本方案是通過一個電機來進行刀盤轉(zhuǎn)位驅(qū)動以及動力刀座的驅(qū)動。 第三章 典型零件的設(shè)計和選用 3.1刀盤轉(zhuǎn)位伺服電機的選擇計算 刀盤轉(zhuǎn)位驅(qū)動伺服電動機的選擇應(yīng)同時滿足刀架運轉(zhuǎn)的負(fù)載扭矩和起動時的加速扭矩的要求。 1) 刀架負(fù)載扭矩的計算 回轉(zhuǎn)刀架負(fù)載扭矩估算方法如下：由于這種刀架的負(fù)載扭矩主要用來克服刀具質(zhì)量的不平衡，估算按如

23、下的情況進行：用平均重力的刀具插滿刀盤的半個圓，根據(jù)工藝要求所需的各種刀具，確定每個刀具的（包括刀柄）平均重力，而其重心則設(shè)定為離刀架回轉(zhuǎn)中心2/3半徑處。由以上的方法可知，由于該設(shè)計采用的是電和液換位的12工位盤型刀塔，因而插滿刀盤的半個圓需要6把刀具。設(shè)工藝要求所需的每個刀具的平均重力=4.9N；刀盤的回轉(zhuǎn)中心直徑。 則有 2) 刀架加速扭矩的估算 [6] 式中 ----刀架換刀時的電動機轉(zhuǎn)速(r/min); ---加速時間,通常取150; ---電動機轉(zhuǎn)子

24、慣量(),可查樣本; ---負(fù)載慣量折算到電動機軸上的慣量(). 3) 負(fù)載慣量折算到電動機軸上的慣量的估算 式中 ---各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量(); ---各旋轉(zhuǎn)件的角速度(); ---各直線運動件的質(zhì)量(); ---各直線運動件的速度(); ---伺服電機的角速度()[6]. 4) 各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量的估算 由刀架的結(jié)構(gòu)簡圖可知,刀架在完成換刀動作時,

25、伺服電機帶動其旋轉(zhuǎn)的部件共4個，它們分別是變速齒輪副,刀塔主軸，刀盤以及下端齒盤。計算出這幾者的轉(zhuǎn)動慣量即可。 (1) 刀盤轉(zhuǎn)動慣量的計算 刀盤以肖特公司生產(chǎn)的AK31系列數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的配套產(chǎn)品，其主要尺寸如下：刀盤外徑；刀盤與刀架主軸相連的孔徑；刀盤寬。 則刀盤的轉(zhuǎn)動慣量 =0.042kg (2) 刀塔主軸轉(zhuǎn)動慣量的計算 刀塔主軸的轉(zhuǎn)動慣量按如下的方法估算： 刀架主軸的最大直徑；最小直徑；刀架主軸長度取。 則刀架主軸的轉(zhuǎn)動慣量[7] =0.0021 (3) 變速齒輪副的轉(zhuǎn)動慣量

26、的計算 變速齒輪副的轉(zhuǎn)動慣量的估算方法如下： 設(shè)齒輪的分度圓直徑；其與刀架主軸相連的孔徑；蝸輪齒寬. 則每個齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 =12330.75 [7] 以上為齒輪轉(zhuǎn)動慣量的普遍計算公式，下面分別針對每個齒輪單獨進行計算，帶入各自的假設(shè)值進行轉(zhuǎn)動慣量的估算： l 高速級小齒輪轉(zhuǎn)動慣量估算：假設(shè)其分度圓直徑=18mm,其與電機主軸相連孔的直徑為=8mm，齒輪寬度為=22mm ,則可知： = =12330.75

27、 =12330.75 = l 高速級大齒輪轉(zhuǎn)動慣量估算：假設(shè)其分度圓直徑=45mm,其與電機主軸相連孔的直徑為=10mm，齒輪寬度為=18mm ,則可知： = =12330.75 =12330.75 = l 低速級小齒輪轉(zhuǎn)動慣量估算：假設(shè)其分度圓直徑=18mm,其與軸相連孔的直徑為=10mm，齒輪寬度為=22mm ,則可知： = =12330.75 =12330.75 = l 低速級大齒輪轉(zhuǎn)動慣量估算：假設(shè)其分度圓直徑=54mm,其與軸相連孔的直徑為=20mm，齒輪寬度為=18mm ,則

28、可知： = =12330.75 =12330.75 = (4) 下端齒盤轉(zhuǎn)動慣量的計算：假設(shè)下端齒盤的大徑=60mm,與軸相 =25mm,端齒盤厚度為=10mm，則其轉(zhuǎn)動慣量約為： = =12330.75 =12330.75 = (5) 對各旋轉(zhuǎn)件的角速度作如下設(shè)定： 伺服電機的角速度 ； 齒輪1的角速度 ； 齒輪2的角速度 ； 齒輪3的角速度 齒輪4的角速度 刀架主軸的角速 ； 下端齒盤轉(zhuǎn)位時的角速度 刀盤轉(zhuǎn)位時的角速度 。 則將以上計算所得的數(shù)據(jù)代入下式： 得負(fù)載慣量折算到電動機軸上的慣量

29、 =0.008 取；刀架換刀時伺服電機的轉(zhuǎn)速；伺服電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量。 則刀架加速扭矩 =0.81 5) 驅(qū)動電動機輸出扭矩的估算[7] 驅(qū)動電動機的輸出扭矩應(yīng)同時滿足刀架負(fù)載扭矩和加速扭矩之和，將以上計算的刀架負(fù)載扭矩和加速扭矩?fù)Q為驅(qū)動電動機軸上的輸出扭矩的公式為： 式中 ----傳動效率 取0.95。 則有 考慮到實際情況比計算時所設(shè)定條件復(fù)雜，電動機額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)為的倍。 所以取 經(jīng)查閱西門子電

30、機手冊，選項用西門子1FT6交流伺服電動機。該電機的額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，額定輸出轉(zhuǎn)矩為5，額定功率為0.4kW。 3.2主軸是設(shè)計計算 3.2.1主軸是設(shè)計 由刀塔裝配圖可知，刀架主軸的支承方式為兩端游動支承，其一端與刀盤固連，另外一端是角接觸球軸承2與變速齒輪副相連接，角接觸球軸承2起右支承作用可以使我們得到自己所想要的轉(zhuǎn)速。而軸的中間部位由刀盤至軸的右端的方向分別與角接觸球軸承1和上端齒盤相連，角接觸球軸承1起左支承作用。已知伺服電機的功率為0.4kW，電機轉(zhuǎn)速，取經(jīng)齒輪傳動副傳動的效率，齒輪傳動副的傳動比。 1) 先求出刀架主軸上的傳遞功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩

31、 于是 2) 初步確定軸的最小直徑 由式 可初步估算設(shè)計軸的最小直徑。 式中：為系數(shù)，軸的材料不同，則的值會不同； 為軸傳遞的功率，單位為； 為計算截面處軸的直徑，單位為mm； 為軸的轉(zhuǎn)速，單位為； 選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)表15—3，取，于是得 根據(jù)刀塔的設(shè)計思路，我們確定在最右端要安裝角接觸球軸承2，所以在進行軸徑確定的時候，要配合軸承選型手冊進行軸徑設(shè)計

32、。從而取軸的最小直徑為；軸的最大直徑為 3）求作用在齒輪上的力 以知低速級大齒輪的分度圓直徑為： 而 N 由此可知： 圓周力，徑向力以及軸向力的方向如3.2.2圖所示。 4）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 （1）擬定軸上零件的轉(zhuǎn)配方案 主軸的裝配方案經(jīng)過分析比較，最終確定的結(jié)構(gòu)裝配圖方案如下圖3.1.1所示。 圖3.1.1 （2）根據(jù)軸向定位要求確定各段軸的直徑以及長度 l 因軸同時承受徑向力以及軸向力的作用，故選用角接觸球軸承。參照工作要求并根據(jù)上面所計算的軸的最小直徑，選用內(nèi)徑為的角接觸球

33、軸承，具體型號為7002c GB/T 292---1994,其基本尺寸為：dDT=15mm32mm9mm,故軸參數(shù)為：=15mm16mm. l 軸的設(shè)計：由于軸上只是安裝一個齒輪，所以軸的是長度和齒輪寬度差不多，已知齒輪寬度為=18mm，故設(shè)計軸的長度為。 3.2.2主軸的強度校核 3.3轉(zhuǎn)位部分齒輪系設(shè)計 第三章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計計算 3.1刀架液壓控制系統(tǒng)液壓泵及油泵電動機的選擇計算 由于該刀塔鎖緊部分的松開和夾緊均由液壓系統(tǒng)通才液壓缸活塞的往反運動來實現(xiàn)，當(dāng)動力刀座驅(qū)動電機停轉(zhuǎn)，刀盤將要進行轉(zhuǎn)位時，液壓缸推動活塞沿軸向右運動，使上下端齒盤脫開，再

34、右刀盤轉(zhuǎn)位電機驅(qū)動刀盤進行轉(zhuǎn)位；當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)位結(jié)束時，液壓缸又推動活塞桿沿軸向左運動，使上下端齒盤嚙合鎖緊，從而使刀塔在加工過程中不會因為受到切向力而發(fā)生轉(zhuǎn)動，起到鎖緊作用。刀具所受的切削力由端面齒盤通過設(shè)定的移動軌道卸荷給箱體，再由箱體卸載給機床，為使刀架在強力切削下能穩(wěn)妥可靠地工作，液壓缸必須有足夠的拉緊力拉住刀盤，使用于夾緊定位的端面齒盤在車床切削過程中始終處于嚙合狀態(tài)。因而液壓泵及油泵電動機的配置對液壓系統(tǒng)的工作性能有重要的影響[7]。 3.1.1液壓油泵的選擇 選擇油泵的主要依據(jù)是壓力和流量，一般來說，齒輪泵價格低，維修方便，但當(dāng) 系統(tǒng)壓力達(dá)到較大值時，輸油壓力脈動大，噪聲大。不宜

35、作數(shù)控機床的油源；葉片泵的輸油壓力脈動小，噪聲小。因而被廣泛用于數(shù)控機床的主要油源。所以本液壓系統(tǒng)的液壓泵選用葉片泵。 3.2.2液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的計算 計算液壓缸的內(nèi)徑和活塞桿直徑都必須考慮到設(shè)備的類型,例如在金屬切削機床中,對于動力較大的機床(刨床,拉床和組合機床)一定要滿足牽引力的要求,計算時要以力為主;對于輕載高速的機床(磨床,珩磨機和研磨機等)一定要滿足速度的要求,計算時要以速度為主. 3.2.2.1動力刀座驅(qū)動部分液壓缸的計算 (1)由于液壓缸的動作分為兩個，一個時液壓缸驅(qū)動動力刀驅(qū)動部分使之向后移動，與動力刀座脫開，以便進行換刀，這種情況下不受外力，設(shè)計計算要

36、以速度為主；另一個情況時液壓缸驅(qū)動動力刀驅(qū)動部分向左移動，使之與動力刀座相嚙合，以進行加工，這種情況下它會受到一個軸向力，因此這種情況下應(yīng)該以力的計算為主。所以經(jīng)過綜合考慮，最終的計算應(yīng)該以力的計算為主。下面就以力為主來計算動力刀部分液壓缸的內(nèi)徑和活塞桿直徑 根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)的速度要求和選定的液壓泵流量來確定液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑，再從標(biāo)準(zhǔn)中選取相近尺寸加以圓整。 對于單活塞桿缸來說，當(dāng)液壓油進入油腔時 式中 ----輸入液壓缸的流量； ----液壓缸活塞的運動速度； 設(shè)液壓缸活塞的往復(fù)速度比值為，即：。由于活塞往復(fù)運動的速度相

37、等，所以。由相關(guān)資料可知，當(dāng)時，一般取。 則得 ；。 從GB-2348-80標(biāo)準(zhǔn)中選取的液壓缸內(nèi)徑為80mm,活塞桿直徑取40mm. 3.1.2油泵電動機功率的選擇計算 1） 油泵工作壓力的計算 油泵工作壓力應(yīng)等于液壓缸的工作壓力和油液在管道中流動時產(chǎn)生的壓力損 失之和。即 （1）液壓缸工作壓力的估算 對于中小型的數(shù)控車床，通常推薦液壓缸的拉緊力為10。液壓缸活塞的有效工作面積設(shè)定為；則該刀架液壓缸的工作壓力。 （2）活塞移動速度計算 液壓系統(tǒng)所需的油泵流量是由工

38、作油缸的尺寸和運動速度的快慢要求來決定的。由已知條件可以知道，總的換刀時間位0.3s，分配給刀盤轉(zhuǎn)位的時間位0.025s，信號傳遞時間忽略不計，其余時間全部分配給液壓系統(tǒng)，則一個換刀過程中液壓系統(tǒng)所耗費的時間位為： 故活塞每次移動的時間為： 又由端齒盤的設(shè)計結(jié)果可以知道，端齒盤的齒高為，故可以知道活塞的移動距離為，活塞移動過程中勻速移動，由此可知活塞的移動速度為： （3）油液壓力損失的估算 在液壓系統(tǒng)方案未確定之前，先對整個系統(tǒng)的壓力損失進行估算，等到正式系統(tǒng)設(shè)計完成后，再進行詳細(xì)的驗算。 式中 ----油的運動粘度（厘

39、沲）； ----流量（升/分）； ----管子的內(nèi)徑（毫米）； -----管道總長（米）； ----修正系數(shù)。 當(dāng)時，=1 當(dāng)時，。 流量的計算方式如下： 工作油缸需油量用下式計算： 式中 ----活塞運動速度； ----活塞有效工作面積。 ?。蝗?。 代入上式得 = 考慮到泄漏的影響油缸實際需油量為： 式中 為修正系數(shù)在之間。

40、 所以 選用管徑 油管內(nèi)徑應(yīng)足夠大，以減少油的壓力損失。但管徑若過大則會使結(jié)構(gòu)笨重、增加制造成本。正確選用管徑一般是先選取管中的流速，然后計算管徑，再按與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格相近的選用。 由于 所以 式中 ----管子的內(nèi)徑； ----通過管子的流量； ----管中流速，取0.25。 將上面計算的結(jié)果代入式中得 設(shè)液壓系統(tǒng)管道的總長度 則有 360.64 得油泵的工作壓力 = 根據(jù)能量守恒原理，油泵輸出液壓油的功率就是需要油泵

41、電動機的功率（不考慮效率）。因此只需算出油泵輸出液壓油的功率就可以確定該選多大功率的電動機。 油泵的輸出功率 式中 ----液壓泵的工作壓力； ----液壓系統(tǒng)的液壓油流量。 將相關(guān)數(shù)據(jù)代入可得 = 則油泵電動機的功率為： 效率可由產(chǎn)品目錄查到.如型齒輪泵;型葉片泵,.此外,尚需考慮電動機本身的效率及從電動機到油泵的聯(lián)軸節(jié)或皮帶傳動等的效率,故電動機的功率應(yīng)適當(dāng)?shù)丶哟骩7]。 3.2 液壓缸的設(shè)計 3.2.1 選擇液壓缸類型 由于該液壓缸主要用于驅(qū)動刀架主軸的直線往反動動.故選用雙作用

42、單桿活塞缸. 3.2.2液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的計算 計算液壓缸的內(nèi)徑和活塞桿直徑都必須考慮到設(shè)備的類型,例如在金屬切削機床中,對于動力較大的機床(刨床,拉床和組合機床)一定要滿足牽引力的要求,計算時要以力為主;對于輕載高速的機床(磨床,珩磨機和研磨機等)一定要滿足速度的要求,計算時要以速度為主.由于本刀架的抬起動作是在數(shù)控車床脫離切削時完成的，因而在換刀過程中并沒有承受切削力的作用,因而符合第二種情況,計算時以速度為主[17]。 3.2.2.1以速度為主計算液壓缸的內(nèi)徑和活塞桿直徑 根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)的速度要求和選定的液壓泵流量來確定液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑，再從標(biāo)準(zhǔn)中選取相近尺寸加以

43、圓整。 對于單活塞桿缸來說，當(dāng)液壓油進入油腔時 式中 ----輸入液壓缸的流量； ----液壓缸活塞的運動速度； 設(shè)液壓缸活塞的往復(fù)速度比值為，即：。由于活塞往復(fù)運動的速度相等，所以。由相關(guān)資料可知，當(dāng)時，一般取。 則得 ；。 從GB-2348-80標(biāo)準(zhǔn)中選取的液壓缸內(nèi)徑為80mm,活塞桿直徑取40mm. 3.3數(shù)控車床液壓系統(tǒng)的設(shè)計 3.3.1液壓回路的選擇 首先選擇調(diào)速回路。由本數(shù)控車床刀架的工作原理可知，這臺車床液壓系統(tǒng)的功率較小，

44、推動刀架主軸往復(fù)運動的液壓缸活塞運動速度低，工作負(fù)載變化小，因而可采用進口節(jié)流的調(diào)速形式。為了解決進口節(jié)流調(diào)速回路在活塞桿到達(dá)最大行程時沖擊現(xiàn)象，回油路上要設(shè)置背壓閥。 為保證夾緊力可靠，且能單獨調(diào)節(jié)，在支路上串接減壓閥和單向閥；為保證定位，夾緊的順序動作，在進入夾緊缸的油路上接單向順序閥來控制，只有當(dāng)?shù)侗P抬起達(dá)到目標(biāo)值后，液壓缸才會反向通油，執(zhí)行刀盤夾緊動作。為保證工件確已夾緊后車床切削才能動作，在夾緊缸進口處裝一壓力繼電器，只有當(dāng)夾緊壓力達(dá)到壓力繼電器的調(diào)節(jié)壓力時，才能發(fā)出信號，車床才能進行切削加工[18]。 3.3.2擬定液壓系統(tǒng)圖[18] 綜合以上分析和所擬定的方案，將各種回路合

45、理地組合成為該車床液壓系統(tǒng)原理圖， 如下圖所示。 結(jié) 論 本次課題是針對經(jīng)濟型數(shù)控車床的刀架及其液壓控制部分進行主要設(shè)計，刀架是數(shù)控機床的主要部件之一。刀架的精度，剛度以及可靠性都直接影響機床的使用性能，在機床的致命性分析中轉(zhuǎn)塔刀架的致命度是最高的，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令后刀架不轉(zhuǎn)位、刀架轉(zhuǎn)位錯誤、刀架錯位、刀架報警、刀架不能正常換刀等等一系列的故障都會導(dǎo)致機床不能正常工作。本次設(shè)計針對這些可能出現(xiàn)的故

46、障及錯誤進行了仔細(xì)，嚴(yán)謹(jǐn)，認(rèn)真的分析，使車床回轉(zhuǎn)刀架的可靠性有了很大程度的提高。在設(shè)計中得到鄧?yán)蠋熌托牡闹笇?dǎo)和同學(xué)的熱心幫助才使得這次畢業(yè)設(shè)計能夠完滿完成，同時也鞏固了我所學(xué)的知識，作為大學(xué)四年的最后的一次作業(yè)，自始至終我都用心的去完成，并從中學(xué)到了不少的知識。在能力培養(yǎng)方面也基本達(dá)到了預(yù)期的目的，即不但培養(yǎng)了我綜合應(yīng)用專業(yè)基礎(chǔ)知識來解決實際工程問題的能力，而且還使我初步樹立了很強的工作責(zé)任感。在設(shè)計中我們小組緊密配合，雖是共同設(shè)計一臺數(shù)控車床，但各有分工。這就為我們的創(chuàng)新思維留足了廣闊的自由空間，在追求統(tǒng)一的前提下充分發(fā)揮自己的想象力。講求團隊合作精神，這一課題的設(shè)置符合高等院校辦學(xué)精神，同

47、時也符合現(xiàn)代企業(yè)的擇人準(zhǔn)則。獨立思考、廣泛討論是獲取新知識的有效捷徑這一思想正在被越來越多的人所接受。經(jīng)過我們小組同學(xué)的認(rèn)真討論和研究，最終我們圓滿的設(shè)計出了一臺CK20數(shù)控車床，雖然這臺車床在很多方面還沒有達(dá)到工程實際要求的水平，但必盡這是我們邁向工程實際的第一步，也是最為關(guān)鍵的一步。相信經(jīng)過這次訓(xùn)練后，無論是在以后的工作還是學(xué)習(xí)中，必定能使我們少走彎路。 參考文獻 [1].李國慧.車銑復(fù)合加工中心刀塔結(jié)構(gòu)靜動態(tài)性能的分析及研究.蘭州理工大學(xué) [2].郭永環(huán).數(shù)控車床用轉(zhuǎn)塔動力刀架的發(fā)展方向.徐州師范大學(xué)工學(xué)院 [3].劉建慧，鄒做君.加工中心自動換刀裝置類型綜述及設(shè)計特點.上海

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