伺服轉(zhuǎn)塔刀架設(shè)計(jì)【含CAD圖紙和說明書】

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Turret turret with rotary function, with the horizontal structure of CNC machine tools, you can work in the workpiece after clamping, you can achieve multi - knife, multi - process processing. This method of processing can adapt to different specifications of the workpiece, in the market application is also relatively wide, has been welcomed by the vast number of machining personnel. The purpose of this graduation project is to design a servo turret turret with 8 disk type. It uses servo motors to provide power for the cutter to transfer gears, and greatly improves the speed of tool changing, so it is relatively high in reliability. This design work is as follows: firstly, to complete the structure of turret, the selected motor model, determine the transmission form of the turret; secondly, to determine the cutter style; again, the end tooth plate system, locking device design, determine the cutter conversion function design; the most complete, aided design the cooling system, including design, cutter and other parts of the internal structure. Key wordsTurret; cutter head; servo motor; locking device; end gear disc 目錄 摘要 1 ABSTRACT 2 第一章緒論 4 1.1 本課題研究的背景及其意義 4 1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 4 1.3 本次設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容 6 第二章伺服轉(zhuǎn)塔刀架的方案設(shè)計(jì) 7 2.1 伺服轉(zhuǎn)塔刀架功能部件的介紹及工作原理 7 2.1.1伺服轉(zhuǎn)塔刀架各部分功能介紹 7 2.1.2伺服轉(zhuǎn)塔刀架工作原理 7 2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 8 2.3 分度裝置的方案設(shè)計(jì) 9 2.4 端齒盤鎖緊方案設(shè)計(jì) 9 2.5 冷卻系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 10 2.6 伺服轉(zhuǎn)塔刀架設(shè)計(jì)要求 10 第三章 伺服轉(zhuǎn)塔刀架轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 11 3.1伺服電機(jī)的選型計(jì)算 11 3.2齒輪傳動(dòng)部分各軸的轉(zhuǎn)速、功率、扭矩的計(jì)算。 13 3.3齒輪部分設(shè)計(jì)與計(jì)算。 14 3.3.1第一級(jí)齒輪的傳動(dòng)計(jì)算 14 3.3.2第二級(jí)齒輪的傳動(dòng)計(jì)算 18 3.3.3第三級(jí)齒輪的傳動(dòng)計(jì)算 21 第四章 端齒盤結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì) 25 4.1端齒盤主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算 25 4.2鎖緊力的校核 28 4.3液壓缸的行程 29 第五章 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 30 5.1箱體管道的設(shè)計(jì) 30 5.2出水盤設(shè)計(jì) 31 5.3分水盤設(shè)計(jì) 32 5.4刀盤冷卻孔的設(shè)計(jì) 33 總結(jié) 34 參考文獻(xiàn) 35 致謝 36 2 第一章緒論 1.1 本課題研究的背景及其意義 工業(yè)的發(fā)展，從本質(zhì)上講就是制造技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床作為現(xiàn)代制造業(yè)的重要加工設(shè)備，更是日新月異的發(fā)展，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)床的發(fā)展方向也趨于自動(dòng)化、高速化、高精度。 刀架是機(jī)床的重要組成部分，隨著上個(gè)世紀(jì)五十年代初，麻省理工學(xué)院在一臺(tái)銑床上研發(fā)了一款可以控制三軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)，到了五十年代末，美國(guó)的卡奈特雷克公司就在數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上研發(fā)出具有自動(dòng)換刀裝置的刀架。隨著數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展，具有自動(dòng)換刀裝置的刀架也相應(yīng)得到了發(fā)展。與數(shù)控機(jī)床一樣，刀架系統(tǒng)也使用數(shù)控系統(tǒng)，所以采用高性能的刀架系統(tǒng)對(duì)于數(shù)控機(jī)床的加工精度與加工穩(wěn)定性有著重要的意義。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有許多公司可以生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床上專用的轉(zhuǎn)塔刀架，但是其生產(chǎn)技術(shù)與生產(chǎn)工藝大部分都來自于歐美等先進(jìn)工業(yè)國(guó)家，所以所生產(chǎn)的產(chǎn)品在性能方面與原裝進(jìn)口產(chǎn)品有一定的差距，這些差距主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)理念與加工工藝方面，從技術(shù)水平來看，存在一到兩代的差距，由于進(jìn)口轉(zhuǎn)塔刀架在價(jià)格上遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品，所以市場(chǎng)上迫切希望國(guó)內(nèi)能生產(chǎn)出性能比較優(yōu)秀的轉(zhuǎn)塔刀架，能代替一部分進(jìn)口產(chǎn)品，有效降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。 1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 目前，我國(guó)數(shù)控刀架起點(diǎn)較低，存在一定的缺點(diǎn)，其產(chǎn)品種類單一，在生產(chǎn)上也存在一定的不可靠性，其相關(guān)配套廠家也比較少，所以與世界上先進(jìn)的制造業(yè)國(guó)家相比較，存在一定的差距。 近年來，我國(guó)數(shù)控機(jī)床等相關(guān)產(chǎn)品也將出現(xiàn)井噴式的發(fā)展，其發(fā)展方向必然為趨向中高檔方向，特別是高檔機(jī)床，將采用具有動(dòng)力源型的刀架，所以在此基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)控刀架技術(shù)的研究就有了重要的意義。 在分類上，數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架主要分為兩種形式，分別是非動(dòng)力刀架和動(dòng)力刀架，其中非動(dòng)力刀架主要有電動(dòng)刀架、液壓刀、以及伺服刀架等幾種形式，而動(dòng)力刀架主要分為雙動(dòng)力刀架、單動(dòng)力刀架以及復(fù)合型刀架幾種形式。 非動(dòng)力刀架的劃分一般根據(jù)其驅(qū)動(dòng)形式來進(jìn)行的，其中電動(dòng)刀架的驅(qū)動(dòng)力來源自普通電機(jī)，液壓刀架的驅(qū)動(dòng)力來源自液壓馬達(dá)，伺服刀架的驅(qū)動(dòng)力來源自伺服刀架，直驅(qū)刀架的的驅(qū)動(dòng)力來源自直驅(qū)電機(jī)。 其中伺服刀架廣泛應(yīng)用在高檔數(shù)控機(jī)床之上，它采用液壓系統(tǒng)鎖緊，響應(yīng)時(shí)間迅速且鎖緊可靠，受到用戶的廣泛好評(píng)。伺服刀架的機(jī)械部分主要由伺服電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓鎖緊系統(tǒng)等部分構(gòu)成，由電氣控制系統(tǒng)操作，可迅速完成刀盤的轉(zhuǎn)位、定位以及鎖緊等操作步驟。其外形圖如圖1-1所示。 圖1-1 伺服轉(zhuǎn)塔刀架 隨著我國(guó)對(duì)高檔數(shù)控機(jī)床的需求量越來越多，對(duì)伺服轉(zhuǎn)塔刀架的需求量也越來越大，由于我國(guó)目前在相關(guān)轉(zhuǎn)塔刀架的研發(fā)水平與先進(jìn)制造國(guó)家有差距，導(dǎo)致市場(chǎng)上的伺服轉(zhuǎn)塔刀架大多是進(jìn)口產(chǎn)品，且價(jià)格都比較高，這也價(jià)格最終會(huì)轉(zhuǎn)化的產(chǎn)品的成本上，所以迫切需要我國(guó)的研發(fā)設(shè)計(jì)人員能設(shè)計(jì)出達(dá)到，或者接近進(jìn)口轉(zhuǎn)塔刀架的產(chǎn)品，進(jìn)而增強(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，本次設(shè)計(jì)就是在這一需求的基礎(chǔ)上提出的。 1.3 本次設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容 本次設(shè)計(jì)的目的是完成任務(wù)書要求的伺服轉(zhuǎn)塔刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于伺服轉(zhuǎn)塔刀架分為機(jī)械系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)兩部分，本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容是完成機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及部分零部件的選型工作，其步驟如下： 1. 完成伺服轉(zhuǎn)塔刀架的方案設(shè)計(jì)，分析伺服轉(zhuǎn)塔刀架的各部分功能，對(duì)相關(guān)部分進(jìn)行初步方案設(shè)計(jì)； 2. 完成伺服轉(zhuǎn)塔刀架主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，完成伺服電機(jī)的選型，初步完成齒輪、軸及鍵的強(qiáng)度校核。 3. 完成鎖緊裝置的設(shè)計(jì)，包括鎖緊力的校核，液壓缸的選型與設(shè)計(jì)。 4. 對(duì)伺服轉(zhuǎn)塔刀架的輔助系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要是刀盤的冷卻系統(tǒng)。 第二章伺服轉(zhuǎn)塔刀架的方案設(shè)計(jì) 高檔數(shù)控機(jī)床普遍使用伺服轉(zhuǎn)塔刀架，它采用伺服電機(jī)和液壓驅(qū)動(dòng)的方式對(duì)刀盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和鎖緊。從換刀動(dòng)作進(jìn)行分析，換刀過程可以分為刀盤的抬起、分度轉(zhuǎn)位、鎖緊三個(gè)步驟，其中刀盤分度轉(zhuǎn)位由伺服電機(jī)提供動(dòng)力，而刀盤的抬起和刀盤的鎖緊功能由液壓缸提供動(dòng)力。 以上工作步驟為伺服轉(zhuǎn)塔刀架的工作過程，下面將根據(jù)以上工作內(nèi)容，對(duì)伺服轉(zhuǎn)塔的各個(gè)部件進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)，對(duì)整機(jī)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。 2.1 伺服轉(zhuǎn)塔刀架功能部件的介紹及工作原理 2.1.1伺服轉(zhuǎn)塔刀架各部分功能介紹 1. 刀盤用于安裝刀具，因設(shè)計(jì)要求采用8工位，所以刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用8工位設(shè)計(jì)，為了在切削加工時(shí)對(duì)切削刀進(jìn)行冷卻，刀盤內(nèi)部設(shè)計(jì)有潤(rùn)滑通道； 2. 動(dòng)力轉(zhuǎn)動(dòng)部分這部分的功能是完成刀盤的分度轉(zhuǎn)位，由伺服電機(jī)提供動(dòng)力，經(jīng)多級(jí)齒輪傳動(dòng)后實(shí)現(xiàn)刀具的轉(zhuǎn)動(dòng)，由于采用多級(jí)齒輪減速，可以實(shí)現(xiàn)刀盤的精度定位； 3. 液壓控制系統(tǒng)這部分的作用是完成刀盤的抬起和刀盤的鎖緊功能，通過液壓系統(tǒng)，控制端齒盤結(jié)構(gòu)的鎖緊與分離。 4. 其它輔助部件這兩面包括箱體結(jié)構(gòu)，分水盤等部件，主要為伺服轉(zhuǎn)塔刀架的正常工作而存在的。 2.1.2伺服轉(zhuǎn)塔刀架工作原理 伺服轉(zhuǎn)塔刀架的換刀工作過程簡(jiǎn)單來說可以分為三個(gè)步驟，分別是端齒盤分離，刀盤接受指令轉(zhuǎn)到預(yù)定位置，以及端齒盤重新在液壓系統(tǒng)的作用下鎖緊。但是實(shí)際操作過程中，因涉及多個(gè)部件的工作，需要一個(gè)精確的數(shù)控系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)，其工作原理可以見圖2-1。 如圖2-1所示，其換刀工作通過數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的操作共同完成的。 2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 工業(yè)上常用的傳動(dòng)形式有兩種，分別是圓柱齒輪傳動(dòng)和渦輪蝸桿傳動(dòng)兩種形式，圓柱齒輪傳動(dòng)和渦輪蝸桿傳動(dòng)在傳遞動(dòng)力上都有精度高、傳動(dòng)穩(wěn)定等特點(diǎn)。但是它們之間又有一定的區(qū)別。 圓柱齒輪傳動(dòng)是最常用的傳遞形式，齒輪傳動(dòng)減速比配比比較自由，可以通過多級(jí)減速實(shí)現(xiàn)所需要的傳遞轉(zhuǎn)速，制造成本也比較高。 渦輪蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)是采用空間交錯(cuò)的方式進(jìn)行傳遞運(yùn)動(dòng)，其空間交錯(cuò)的夾角可以任意調(diào)節(jié)。與圓柱齒輪相比較，具有單級(jí)速比比較大，特別是渦輪材料需要使用減磨青銅材料，具有加工難度大，造價(jià)比較高的缺點(diǎn)。特別是傳動(dòng)效率比較低。 根據(jù)兩種傳動(dòng)方式的比較，本次設(shè)計(jì)所選擇的傳動(dòng)方式為圓柱齒輪傳動(dòng)。 2.3 分度裝置的方案設(shè)計(jì) 在轉(zhuǎn)塔刀架換刀過程中，換刀位置的精確與否主要由分度裝置來掌握，對(duì)于轉(zhuǎn)塔刀架裝置，端齒盤，也叫做鼠牙盤，是最為常用的分度裝置，由于其特殊的結(jié)構(gòu)形式，端齒盤具有分度精確度高、重復(fù)定位精度高以及能夠自動(dòng)定心等優(yōu)點(diǎn)。特別是其在使用壽命方面是其它分度裝置所不能媲美的，所以本身設(shè)計(jì)的分度裝置選擇的也是端齒盤結(jié)構(gòu)。 2.4 端齒盤鎖緊方案設(shè)計(jì) 當(dāng)換刀工作到位后，需要對(duì)端齒盤進(jìn)行鎖緊，使端齒盤重新嚙合，才能進(jìn)行下一步的加工工作，在轉(zhuǎn)塔刀架裝置中，常用的鎖緊裝置有兩種，分別采用的是液壓鎖緊和電磁鐵鎖緊。 液壓鎖緊裝置采用的方法是液壓缸驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行鎖緊，將要鎖緊的端齒盤與液壓鎖緊裝置中的活塞部件通過螺栓進(jìn)行連接，在液壓油的作用下，活塞可以在一個(gè)行程內(nèi)進(jìn)行前進(jìn)或者后退，當(dāng)活塞后退時(shí)，兩個(gè)端齒盤進(jìn)行分離，當(dāng)活塞前進(jìn)時(shí)，兩個(gè)端齒盤重新嚙合。 電磁鐵鎖緊裝置采用電磁鐵通電或者斷電的方式進(jìn)行鎖緊，鎖緊時(shí)電磁鐵的磁力線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，這樣楔形鐵塊在磁力的作用下做軸向運(yùn)動(dòng)，楔形磁鐵進(jìn)而推動(dòng)端齒盤進(jìn)行前進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)端齒盤的鎖緊工作；換刀時(shí)電磁鐵的磁力圈失電，這樣楔形鐵塊在彈簧的作用下后退，帶動(dòng)端齒盤后退。 通過兩種方式的對(duì)比，液壓鎖緊裝置具有相應(yīng)時(shí)間迅速，運(yùn)行平穩(wěn)，且設(shè)計(jì)比較自由，制造也比較容易，所以本次設(shè)計(jì)鎖緊裝置選用液壓鎖緊。 2.5 冷卻系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 由于刀具在切削加工過程中產(chǎn)生大量的熱，所以需要冷卻液對(duì)其進(jìn)行降溫處理，在本次設(shè)計(jì)中，冷卻液通過轉(zhuǎn)塔刀架殼體兩端的輸入口進(jìn)入出水盤，出水盤固定在箱體上，出水盤上有四個(gè)孔，分別與刀架課題的四個(gè)輸入孔對(duì)應(yīng)，當(dāng)使用一端的輸入口時(shí)，另一端的輸入口采用水堵堵住，分水盤與刀盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，分水盤上一共有16個(gè)孔，當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)動(dòng)到工作位置時(shí)，分水盤上的孔與輸入口的孔對(duì)應(yīng)，這樣冷卻液通過分水盤進(jìn)入刀盤，然后從刀盤的流道流出，進(jìn)而對(duì)刀具盡心降溫處理。 2.6 伺服轉(zhuǎn)塔刀架設(shè)計(jì)要求 通過以上方案的設(shè)計(jì)，可以初步完成伺服轉(zhuǎn)塔刀架的整體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，下面對(duì)伺服轉(zhuǎn)塔刀架的各部分進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。其設(shè)計(jì)要求見表2-1： 表2-1 伺服轉(zhuǎn)塔刀架性能參數(shù) 中心高 100 轉(zhuǎn)45°時(shí)間（s） 0.2 轉(zhuǎn)45°并鎖緊時(shí)間（s） 0.35 轉(zhuǎn)180°并鎖緊時(shí)間（s） 0.76 最大攜帶轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.m2） 3 最大不平衡力矩（N.m） 30 重復(fù)定位精度 ±1.6” 分度精度 ±4” 工作壓力（MPa） 3.5±0.2 最大切向力矩（N.m） 3200 最大軸向力矩（N.m） 4000 第三章 伺服轉(zhuǎn)塔刀架轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 在完成伺服轉(zhuǎn)塔刀架總體方案設(shè)計(jì)后，下一步需要進(jìn)行的工作是需要對(duì)伺服轉(zhuǎn)塔刀架各部分進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，根據(jù)已知設(shè)計(jì)條件，對(duì)各部分進(jìn)行選型與設(shè)計(jì)計(jì)算。 3.1伺服電機(jī)的選型計(jì)算 在伺服電機(jī)的選擇上，需要同時(shí)滿足轉(zhuǎn)塔刀具在工作時(shí)的負(fù)載扭矩和啟動(dòng)過載中克服自身阻力產(chǎn)生的扭矩。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書說明，負(fù)載扭矩為3N.m，所以根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)伺服轉(zhuǎn)塔刀架的電機(jī)進(jìn)行選型。 1.伺服轉(zhuǎn)塔刀架相關(guān)技術(shù)參數(shù) 工位數(shù)：8 減速齒輪比：36 負(fù)載扭矩：3N.m 2.伺服電機(jī)扭矩計(jì)算 伺服轉(zhuǎn)塔刀架在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中需要克服的扭矩有以下幾個(gè) 1）.刀盤在啟動(dòng)過程中的加速扭矩TZ； 2）.刀盤在完成刀具安裝后所產(chǎn)生的不平衡，這個(gè)不平衡所引起的扭矩TP，轉(zhuǎn)塔刀架在實(shí)際應(yīng)用中一般采用滿載狀態(tài)，所以產(chǎn)生的偏載扭矩很小，此處取0； 3）.伺服轉(zhuǎn)塔刀架在工作過程中產(chǎn)生的摩擦扭矩TM，由于伺服轉(zhuǎn)塔刀架內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以在對(duì)摩擦扭矩的計(jì)算一般選用經(jīng)驗(yàn)法，在本次設(shè)計(jì)中取TM=30N.m； 首先是計(jì)算刀盤在啟動(dòng)過程的加速扭矩TJ 式中?????????? nm—在換刀過程中電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)； ?? ?tj?—加速時(shí)間，通常取0.05s； ?????????????? ?Jm—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量(kg.m2)； ??????????????? TL—負(fù)載扭矩，3N.m； 負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量的JL估算 式中 ?????????????? ?Jh—各個(gè)旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg.m2)； ??????????????? —各個(gè)旋轉(zhuǎn)部件的角速度(rad/s)； —電機(jī)的角速度(rad/s)； 其中各個(gè)旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量包括齒輪、軸、刀盤等各個(gè)部分的旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)慣量，在設(shè)計(jì)中，對(duì)于齒輪、軸等部件。由于其在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，遠(yuǎn)小于刀盤和刀盤上負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，所以在本次計(jì)算中，對(duì)于這一步的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不予考慮， 在本次設(shè)計(jì)中，刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算方法采用三維建模的方式得到，在完成刀盤的三維建模后，以自身旋轉(zhuǎn)軸為中心，計(jì)算刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。JL僅代表刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，經(jīng)建模后驗(yàn)算，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為3.6kg.m2。而刀盤上最大負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量作用在電機(jī)的負(fù)載扭矩為3N.m。 將刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量數(shù)值帶入公式，可得 N.m 所以可以求得轉(zhuǎn)塔刀架在啟動(dòng)過程中的加速扭矩TZ TZ= Tj +TP +TM=303+0+30=333N.m 根據(jù)計(jì)算，伺服電機(jī)在輸出端所輸出的最大扭矩為333N.m，因此扭矩是電機(jī)經(jīng)多級(jí)齒輪減速后得到的，所以伺服電機(jī)所輸出的最大扭矩應(yīng)該為333/36=9.25N.m。查詢電機(jī)樣本，最終選擇的伺服電機(jī)的型號(hào)為ECMA-EΔ1310S(DELTA)，輸出功1Kw，額定扭矩4.77，最大輸出扭矩14.3N.m，額定轉(zhuǎn)速2000r/min，最高轉(zhuǎn)速3000r/min。 3.2齒輪傳動(dòng)部分各軸的轉(zhuǎn)速、功率、扭矩的計(jì)算。 在完成伺服電機(jī)的選型以后，需要齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，本次齒輪傳動(dòng)的減速比為36，采用三級(jí)減速，在減速比的分配上，減速器的第一級(jí)、第二級(jí)、第三級(jí)速比分別是i1=2.5，i2=3.2,，i3=4.5。 1. 齒輪傳動(dòng)各軸的理論轉(zhuǎn)速 電機(jī)軸：nd=2000 r/min Ⅰ軸：n1=2000 r/min Ⅱ軸： Ⅲ軸： 輸出軸： 2. 齒輪傳動(dòng)各根軸的理論輸入功率 電機(jī)軸： Ⅰ軸： Ⅱ軸： Ⅲ軸： 輸出軸： 2.各根軸的理論輸入扭矩 電機(jī)軸： Ⅰ軸： Ⅱ軸： Ⅲ軸： 輸出軸： 在完成以上數(shù)值的計(jì)算后，然后再進(jìn)進(jìn)行匯總，可得到表3-1 表3.1 各軸運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)匯總表(理論值) 軸號(hào) 理論轉(zhuǎn)速 （） 輸入功率 （） 理論轉(zhuǎn)矩 （） 理論傳動(dòng)比 電機(jī)軸 2000 1 4775 / 軸1 2000 0.99 4727 2.5 軸2 800 0.95 11341 3.2 軸3 250 0.91 34762 4.5 輸出軸 55.6 0.87 149433 3.3齒輪部分設(shè)計(jì)與計(jì)算。 在完成傳動(dòng)系統(tǒng)速比的分配后，可以對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于轉(zhuǎn)塔刀架在工作時(shí)傳遞的扭矩不大，本次設(shè)計(jì)齒輪選擇圓柱直齒輪，這樣齒輪在傳遞過程中不承受軸向力，且軸承可以選用深溝球軸承。下面將對(duì)三級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)一一進(jìn)行計(jì)算。 3.3.1第一級(jí)齒輪的傳動(dòng)計(jì)算 兩個(gè)齒輪的具體材料屬性如下： 小齒輪：20CrMnTi 熱處理方式：滲碳淬火，齒面硬度58-62HRC，齒輪芯部35-40HRC 接觸疲勞強(qiáng)度極限： 彎曲疲勞強(qiáng)度極限： 大齒輪：20CrMnTi 熱處理方式：滲碳淬火，齒面硬度58-62HRC，齒輪芯部35-40HRC 接觸疲勞強(qiáng)度極限： 彎曲疲勞強(qiáng)度極限： 初步選取小齒輪的模數(shù)1.5，齒數(shù) Z1=24，則大齒輪的齒數(shù)：Z2=i·Z1=2.5×24=60 1.按齒面接觸強(qiáng)度進(jìn)行校核 確定公式內(nèi)的各計(jì)算值 1） Kt：載荷系數(shù)；取1.3。 2） 計(jì)算許用接觸應(yīng)力 ①應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 小齒輪： 大齒輪： ②接觸疲勞壽命系數(shù) 查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-19得，KHN1=0.88；KHN2=0.9。 ③計(jì)算許用接觸應(yīng)力 設(shè)失效概率1%，安全系數(shù)S=1; 小齒輪： 大齒輪： 其中取數(shù)值較小的，所以 3） T1:小齒輪轉(zhuǎn)矩；T1=4721N.mm。 4） ：齒寬系數(shù)；查表10-7，由于傳遞的扭矩不大，取。 5） ZE：材料彈性影響系數(shù)；查表10-6得，Mpa1/2 6） u：傳動(dòng)比；u=2.5。 將以上各值帶入計(jì)算 7）試算小齒輪分度圓直徑 根據(jù)前文所選取的模數(shù)與齒數(shù)，小齒輪的分度圓d1t=36mm，所以選取的模數(shù)與齒數(shù)合適。 8）計(jì)算圓周速度 9）計(jì)算齒寬b 10）計(jì)算載荷系數(shù)，公式： ① KA：使用系數(shù)；查表10-2,得 ② KV：動(dòng)載系數(shù)；查《圖10-8，得KV=1. ③ ：齒間載荷分布系數(shù)；查表10-3，得。 ④ ：齒向載荷分布系數(shù)；查表10-4，得。 將載荷系數(shù)帶入下式： 根據(jù)齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)，所選擇的模數(shù)與齒數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。 2. 按齒根彎曲強(qiáng)度進(jìn)行校核 1）計(jì)算載荷系數(shù) ①彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4。 ②彎曲疲勞壽命系數(shù)：查圖10-18， 得，。 2）計(jì)算兩個(gè)齒輪的并加進(jìn)行對(duì)比 對(duì)比： 故取0.01572。 將以上各值帶入進(jìn)行計(jì)算 所選取的齒輪模數(shù)為1.5mm，所以所選取的齒輪模數(shù)滿足齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。 3.幾何尺寸計(jì)算 1）計(jì)算中心距 2）計(jì)算大小齒輪的分度圓直徑 3)計(jì)算齒輪寬度 圓整后b=15mm。 3.3.2第二級(jí)齒輪的傳動(dòng)計(jì)算 兩個(gè)齒輪的具體材料屬性如下： 小齒輪：20CrMnTi 熱處理方式：滲碳淬火，齒面硬度58-62HRC，齒輪芯部35-40HRC 接觸疲勞強(qiáng)度極限： 彎曲疲勞強(qiáng)度極限： 大齒輪：20CrMnTi 熱處理方式：滲碳淬火，齒面硬度58-62HRC，齒輪芯部35-40HRC 接觸疲勞強(qiáng)度極限： 彎曲疲勞強(qiáng)度極限： 初步選取小齒輪的模數(shù)1.5，齒數(shù) Z1=20，則大齒輪的齒數(shù)：Z2=i·Z1=3.2×20=64 1.按齒面接觸強(qiáng)度進(jìn)行校核 確定公式內(nèi)的各計(jì)算值 1） Kt：載荷系數(shù)；取1.3。 2）計(jì)算許用接觸應(yīng)力 ①應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 小齒輪： 大齒輪： ②接觸疲勞壽命系數(shù) 查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-19得，KHN1=0.9；KHN2=0.92。 ③計(jì)算許用接觸應(yīng)力 設(shè)失效概率1%，安全系數(shù)S=1; 小齒輪： 大齒輪： 其中取數(shù)值較小的，所以 3） T1:小齒輪轉(zhuǎn)矩；T1=11341N.mm。 4） ：齒寬系數(shù)；查表10-7，由于傳遞的扭矩不大，取。 5） ZE：材料彈性影響系數(shù)；查表10-6得，Mpa1/2 6）u：傳動(dòng)比；u=3.2。 將以上各值帶入計(jì)算 7）試算小齒輪分度圓直徑 根據(jù)前文所選取的模數(shù)與齒數(shù)，小齒輪的分度圓d1t=30mm，所以選取的模數(shù)與齒數(shù)合適。 8）計(jì)算圓周速度 9）計(jì)算齒寬b 10）計(jì)算載荷系數(shù)，公式： ⑤ KA：使用系數(shù)；查表10-2,得 ⑥ KV：動(dòng)載系數(shù)；查圖10-8，得KV=1.06 ⑦ ：齒間載荷分布系數(shù)；查表10-3，得。 ⑧ ：齒向載荷分布系數(shù)；查表10-4，得。 將載荷系數(shù)帶入下式： 根據(jù)齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)，所選擇的模數(shù)與齒數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。 2. 按齒根彎曲強(qiáng)度進(jìn)行校核 1）計(jì)算載荷系數(shù) ①彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4。 ②彎曲疲勞壽命系數(shù)：查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-18， 得，。 7）計(jì)算兩個(gè)齒輪的并加進(jìn)行對(duì)比 對(duì)比： 故取0.01536。 將以上各值帶入進(jìn)行計(jì)算 所選取的齒輪模數(shù)為1.5mm，所以所選取的齒輪模數(shù)滿足齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。 3.幾何尺寸計(jì)算 1）計(jì)算中心距 2）計(jì)算大小齒輪的分度圓直徑 4)計(jì)算齒輪寬度 3.3.3第三級(jí)齒輪的傳動(dòng)計(jì)算 兩個(gè)齒輪的具體材料屬性如下： 小齒輪：20CrMnTi 熱處理方式：滲碳淬火，齒面硬度58-62HRC，齒輪芯部35-40HRC 接觸疲勞強(qiáng)度極限： 彎曲疲勞強(qiáng)度極限： 大齒輪：20CrMnTi 熱處理方式：滲碳淬火，齒面硬度58-62HRC，齒輪芯部35-40HRC 接觸疲勞強(qiáng)度極限： 彎曲疲勞強(qiáng)度極限： 初步選取小齒輪的模數(shù)1.75，齒數(shù) Z1=18，則大齒輪的齒數(shù)：Z2=i·Z1=4.5×18=81 1.按齒面接觸強(qiáng)度進(jìn)行校核 確定公式內(nèi)的各計(jì)算值 1）Kt：載荷系數(shù)；取1.3。 2）計(jì)算許用接觸應(yīng)力 ①應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 小齒輪： 大齒輪： ②接觸疲勞壽命系數(shù) 查圖10-19得，KHN1=0.92；KHN2=0.96。 ③計(jì)算許用接觸應(yīng)力 設(shè)失效概率1%，安全系數(shù)S=1; 小齒輪： 大齒輪： 其中取數(shù)值較小的，所以 3）T1:小齒輪轉(zhuǎn)矩；T1=34762N.mm。 4）：齒寬系數(shù)；查表10-7，由于傳遞的扭矩不大，取。 5）ZE：材料彈性影響系數(shù)；查表10-6得，Mpa1/2 6）u：傳動(dòng)比；u=4.5。 將以上各值帶入計(jì)算 7）試算小齒輪分度圓直徑 根據(jù)前文所選取的模數(shù)與齒數(shù)，小齒輪的分度圓d1t=31.5mm，所以選取的模數(shù)與齒數(shù)合適。 8）計(jì)算圓周速度 9）計(jì)算齒寬b 10）計(jì)算載荷系數(shù)，公式： ① KA：使用系數(shù)；查表10-2,得 ② KV：動(dòng)載系數(shù)；查圖10-8，得KV=1.04 ③ ：齒間載荷分布系數(shù)；查表10-3，得。 ④ ：齒向載荷分布系數(shù)；查表10-4，得。 將載荷系數(shù)帶入下式： 根據(jù)齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)，所選擇的模數(shù)與齒數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。 2. 按齒根彎曲強(qiáng)度進(jìn)行校核 1）計(jì)算載荷系數(shù) ①彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4。 ②彎曲疲勞壽命系數(shù)：查圖10-18， 得，。 7）計(jì)算兩個(gè)齒輪的并加進(jìn)行對(duì)比 對(duì)比： 故取0.01523。 將以上各值帶入進(jìn)行計(jì)算 所選取的齒輪模數(shù)為1.75mm，所以所選取的齒輪模數(shù)滿足齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。 3.幾何尺寸計(jì)算 1）計(jì)算中心距 2）計(jì)算大小齒輪的分度圓直徑 4)計(jì)算齒輪寬度 圓整后取b=15mm 將以上各部分進(jìn)行計(jì)算后，其相關(guān)幾何尺寸見表3.2 表3.2 齒輪參數(shù)表 第一級(jí) 第二級(jí) 第三極 mn 1.5 1.5 1.75 a 63 63 86.625 μ 2.5 3.2 4.5 精度 7 7 7 齒輪 1 2 3 4 5 6 24 60 20 64 18 81 (mm) 36 90 30 96 31.5 141.75 (mm) 15 15 15 15 15 15 第四章 端齒盤結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì) 端齒盤又叫做鼠牙盤，是常用在加工中心、數(shù)控機(jī)床等需要精密分度的設(shè)備上的精密分度定位元件。在使用上，它具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1. 分度精度高； 2. 分度范圍大； 3. 精度重復(fù)性和持久性好； 4. 剛度好； 5. 結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便； 6. 便于維護(hù) 雖然端齒盤具有以上優(yōu)點(diǎn)，但是在使用時(shí)，還具有以下缺點(diǎn)。 1. 需要設(shè)計(jì)升降結(jié)構(gòu)，由于端齒盤在工作時(shí)需要脫開或者嚙合，需要有一定的機(jī)構(gòu)完成此部分工作； 2. 需要有鎖緊機(jī)構(gòu)，防止因外力而產(chǎn)生脫開，在設(shè)計(jì)時(shí)一般將此部分的設(shè)計(jì)與升降結(jié)構(gòu)同時(shí)完成； 3. 需要有嚴(yán)格的密封環(huán)境，防止因雜物進(jìn)入影響精度； 4. 不能任意連續(xù)分度。 4.1端齒盤主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算 1. 齒數(shù)的確定 端齒盤的齒數(shù)按下式進(jìn)行計(jì)算： 式中，所以齒數(shù)Z=120 2. 齒盤外徑d 端齒盤的外景主要由安裝空間決定，在安裝空間許可的范圍，外徑越大，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性就會(huì)越好。 3．端齒盤齒形角 端齒盤的齒形角與最大切向力矩M和軸向的鎖緊力N有關(guān)，把作用在端齒盤齒的切向外力Q和鎖緊力進(jìn)行分解，如圖4-1所示。 圖4-1 受力分析圖 由圖4-1可知 ，，， 所以上面的不等式可以變?yōu)? ，， 最后得 從上式可以看出，齒形角與鎖緊力成正比關(guān)系。所以在齒形角的設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮切向力矩和鎖緊力的平衡，通常齒形角有，，之分，本次選取。 4．端齒盤齒根角 齒根角如圖4-2所示，端齒盤在嚙合時(shí)齒寬方向的嚙合質(zhì)量與齒根角有關(guān)。 圖4-2 端齒盤剖視圖 圖4-3 單齒俯視圖與軸向展開圖 在圖4-3中，可以根據(jù)三角關(guān)系，得出以下兩式 最終可得，將式帶入下圖三角關(guān)系中。 圖4-4 齒面嚙合剖視圖 可得 當(dāng)時(shí)，上式可以變?yōu)? 5. 最大周節(jié)和最大齒厚 端齒盤齒厚的會(huì)向內(nèi)沿著中心線方向縮小，將齒形沿圓周方向展開，最大周節(jié)t和最大齒厚B為： 圖4-5 沿周長(zhǎng)方向展開齒形 6. 齒頂高和嚙合高度 齒頂高是指嚙合平面與齒頂?shù)淖畲缶嚯x，如圖4-5所示，齒頂高為h，h一般為 三角形高度的1/2.5，所以 當(dāng)時(shí)，。 上下端齒的嚙合高度為2h，所以脫離高度應(yīng)大于2h。 7. 齒寬 由于端齒盤嚙合時(shí)所有的齒同時(shí)嚙合，所以可按經(jīng)驗(yàn)公式取 8. 齒底槽寬和齒頂寬 齒槽寬是齒底上加工的一定寬度和深度的槽，圖4-5所示b就為齒槽寬 齒頂寬在確定齒頂高的時(shí)候自然形成，所以在這里不需要另行計(jì)算。 4.2鎖緊力的校核 根據(jù)設(shè)計(jì)書要求，軸向鎖緊力矩為M=4000N.m，最大的切向力矩為3200 N.m，所設(shè)計(jì)的齒盤的齒面最大外徑為170mm，齒面的內(nèi)徑為110mm?？梢杂?jì)算出齒盤的周向力： 軸向力： 預(yù)緊力可以根據(jù)下式求得： 式中K為安全悉數(shù)，在這里取1.8 4.3液壓缸的行程 液壓缸行程的就散與齒的嚙合高度有關(guān)，為了保證端齒盤能脫開，脫離高度應(yīng)大于嚙合高度，嚙合高度： 這里定液壓缸的行程為5mm。 第五章 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 機(jī)床在進(jìn)行切削加工的時(shí)候，需要有冷卻液。冷卻液主要是為了降低加工區(qū)域的溫度、清理加工時(shí)產(chǎn)生的碎屑以及防止產(chǎn)生腐蝕等功能，冷卻液一般根據(jù)加工工件的不同而使用的種類也不相同。 由于轉(zhuǎn)塔刀架在使用過程中需要經(jīng)常的旋轉(zhuǎn)，所以使用常規(guī)的冷卻方法很難實(shí)現(xiàn)，在本次設(shè)計(jì)中，冷卻液通過轉(zhuǎn)塔刀架殼體兩端的輸入口進(jìn)入出水盤，出水盤固定在箱體上，出水盤上有四個(gè)孔，分別與刀架課題的四個(gè)輸入孔對(duì)應(yīng)，當(dāng)使用一端的輸入口時(shí)，另一端的輸入口采用水堵堵住，分水盤與刀盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，分水盤上一共有16個(gè)孔，當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)動(dòng)到工作位置時(shí)，分水盤上的孔與輸入口的孔對(duì)應(yīng)，這樣冷卻液通過分水盤進(jìn)入刀盤，然后從刀盤的流道流出。下面伺服轉(zhuǎn)塔刀架的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 圖5-1冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.1箱體管道的設(shè)計(jì) 在伺服轉(zhuǎn)塔刀架工作過程中，因冷卻管道的需要，輸入端最好保持在靜止?fàn)顟B(tài)，在伺服轉(zhuǎn)塔刀架系統(tǒng)中，有足夠的空間，又保持靜止?fàn)顟B(tài)的直郵箱體了，所以本次設(shè)計(jì)中冷卻管道的設(shè)計(jì)在箱體上，在結(jié)構(gòu)上靠近刀盤端。 圖5-2 箱體管道設(shè)計(jì) 如圖5-2所示，冷卻液的進(jìn)入口在箱體的兩端，在使用時(shí)根據(jù)工件的位置不同，采用一個(gè)堵住，另一個(gè)通冷卻液；圖5-2所示的上下四個(gè)孔以及中間的兩個(gè)孔為工藝孔，作用是將進(jìn)入刀盤的孔串聯(lián)起來，以便冷卻液進(jìn)入，這六個(gè)工藝孔在裝配時(shí)需要用絲堵堵住。 5.2出水盤設(shè)計(jì) 出水盤如圖5-3所示，出水盤采用四個(gè)沉頭螺釘固定在箱體上，冷卻液可以在左右四個(gè)通孔進(jìn)入分水盤。 從圖5-1可知，出水盤固定在箱體上，冷卻液通過水嘴進(jìn)入分水盤，水嘴采用PTFE材料，在彈簧的作用下，具有一定密封性能，使冷卻液到達(dá)分水盤不泄露。 出書盤冷卻液有四個(gè)通道，圖5-1所示為流通通道，采用的是水嘴，另一端是不流通通道，采用的是水堵，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)加工條件調(diào)整冷卻液流通的方向。 圖5-3 出水盤設(shè)計(jì) 5.3分水盤設(shè)計(jì) 分水盤與旋轉(zhuǎn)的端齒盤通過銷固定在一起，所以在轉(zhuǎn)塔刀架轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與刀盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，分水盤一共有16個(gè)冷卻液通道，當(dāng)?shù)侗P旋轉(zhuǎn)到加工工位時(shí)，分水盤中的16個(gè)冷卻液通道中的兩個(gè)正好轉(zhuǎn)到出水盤所對(duì)應(yīng)的通道商行，這樣冷卻液就可以通過分水盤進(jìn)入到刀盤之內(nèi)。圖5-1所示，分水盤與刀盤接觸面通過O型密封圈進(jìn)行防水處理，保證冷卻液不會(huì)泄漏在外。 圖5-4 分水盤設(shè)計(jì) 5.4刀盤冷卻孔的設(shè)計(jì) 冷卻液最終是從刀盤流出的，所以刀盤的內(nèi)部需要有相應(yīng)的冷卻通道，由于刀盤需要轉(zhuǎn)動(dòng)，所以與分水盤一致，一共有16個(gè)冷卻液通道，如圖5-5所示， 圖5-5 刀盤冷卻孔設(shè)計(jì) 總結(jié) 在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，由于對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的不熟悉，主要通過網(wǎng)絡(luò)和圖書館獲取相關(guān)設(shè)計(jì)資料，特別是導(dǎo)師提供的參考資料，更是完成本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。 畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的是將本科期間所學(xué)的各個(gè)科目進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)的復(fù)習(xí)，以及掌握一定二維繪圖及三維繪圖技巧。通過本次設(shè)計(jì)的完成，基本掌握伺服轉(zhuǎn)塔刀架的結(jié)構(gòu)及運(yùn)轉(zhuǎn)過程，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)有了一定的認(rèn)識(shí)，初步掌握說明書的編寫以及基本的繪圖能力。 因時(shí)間及能力的關(guān)系，本次伺服轉(zhuǎn)塔刀架的設(shè)計(jì)主要完成了傳動(dòng)系統(tǒng)、端齒盤結(jié)構(gòu)以及冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)鎖緊原理和鎖緊力也進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算。由于液壓系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，所以本次設(shè)計(jì)并沒有詳細(xì)敘述，只完成了圖紙?jiān)O(shè)計(jì)部分，這是在以后的學(xué)習(xí)和工作中需要注意的地方。 參考文獻(xiàn) [1]??高澤遠(yuǎn)，王?金主編.?機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì).沈陽：東北工學(xué)院出版社?1987? 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