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摘 要
動(dòng)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(dòng)力刀架的技術(shù)也趨于成熟和完善。國外很多在動(dòng)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。
現(xiàn)在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)一種單伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力刀架。該刀架是依靠伺服電機(jī)和液壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)離合，刀盤轉(zhuǎn)位，以及動(dòng)力切換，利用高精度的端齒盤來實(shí)現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)位的精定位，通過撥叉撥動(dòng)滑移齒輪來實(shí)現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)位和動(dòng)力刀具之間的動(dòng)力切換。它能搭載12把刀具，可以實(shí)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(jì)單伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力刀架設(shè)計(jì)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(dòng)仿真。
關(guān)鍵詞：動(dòng)力刀架；單伺服驅(qū)動(dòng)；動(dòng)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 manufacturing 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 the 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 switching 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 position, 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 figure 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…………………………………………………………………………………………I
Abstract……………………………………………………………………………………II
第一章 緒論 …………………………………….……………………………………1
1.1 研究現(xiàn)狀………………………………… ……………………………………1
1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容…………………………………………………………………………3
第二章 總體方案設(shè)計(jì)…………………………………………………………………4
2.1 雙伺服動(dòng)力刀架…………………………………………………………………4
2.2 單伺服動(dòng)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(dòng)力刀架的設(shè)計(jì)計(jì)算 ……… ………………………………………………7
3.1 伺服電機(jī)的選擇計(jì)算……………………… ……………………………………7
3.1.1 旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 ……………… …………………………………… 7
3.1.2電機(jī)轉(zhuǎn)矩的估算 …………………… ……………………………………10
3.2 動(dòng)力刀具傳動(dòng)鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 ……………………………………………11
3.3 傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 …………………… ……………………………………12
3.4 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 …………………… ……………………………………19
3.5 軸承的選擇 ……………………………… ……………………………………21
3.6 端齒盤的設(shè)計(jì)計(jì)算 ……………………… ……………………………………23
3.7 強(qiáng)度校核 ………………………………… ……………………………………24
3.8 關(guān)鍵部分設(shè)計(jì) …………………………… ……………………………………25
3.8.1液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) ……………………… ……………………………………25
3.8.2 動(dòng)力刀具接口設(shè)計(jì)………………… ……………………………………27
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“Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ …”羅馬數(shù)字（宋體、小五號、居中、底部）。
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(shí)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(dòng)力刀架就是其多種方案中應(yīng)用最廣泛的一個(gè)。其中，數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架是實(shí)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(shí)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)動(dòng)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(dòng)，這種加工方式是車削加工；第二，刀具轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)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(gè)車銑復(fù)合加工機(jī)床的基本運(yùn)動(dòng)中，要完成這銑刀旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作就需要使用到動(dòng)力刀架。在引入動(dòng)力數(shù)控刀架后，車銑復(fù)合加工中心基本實(shí)現(xiàn)了如下幾個(gè)目標(biāo):
⑴縮短制造工藝鏈和物流長度;⑵減少裝夾次數(shù)以及工裝夾具數(shù)量;⑶減小使用占地面積，降低了成本。實(shí)現(xiàn)了在確保質(zhì)量的前提下，提高生產(chǎn)率和自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jì)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(huì)制約機(jī)床發(fā)展。所以，在動(dòng)力數(shù)控刀架的設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)力刀架由最初的外加動(dòng)力刀具驅(qū)動(dòng)模塊的形式發(fā)展為現(xiàn)今伺服動(dòng)力刀架。伺服刀架又分為雙伺服動(dòng)力刀架以及單伺服動(dòng)力刀架。
隨著車削中心和車銑復(fù)合機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)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(dòng)力刀架的基礎(chǔ)上衍生出下列動(dòng)力刀架產(chǎn)品：
（1） 內(nèi)置電主軸的直驅(qū)動(dòng)力刀具刀架結(jié)構(gòu)
這種動(dòng)力刀架采用內(nèi)置的電主軸直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)力刀具代替伺服電機(jī)通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)刀具，是動(dòng)力刀具的最大轉(zhuǎn)速得到了提升，可達(dá)到10000r/min。同時(shí)刀盤和動(dòng)力刀座采用了BMT接口，提高了重復(fù)定位精度。此項(xiàng)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(dòng)力刀架
這種動(dòng)力刀架大幅度減少傳動(dòng)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(dòng)刀盤的動(dòng)力刀架。但是因?yàn)楹喕藗鲃?dòng)系統(tǒng)，因此可靠性大幅度提升。
（3） 帶Y軸、B軸的動(dòng)力刀架
目前國外動(dòng)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(gè)）
45°轉(zhuǎn)位時(shí)間
(s)
45°轉(zhuǎn)位并加緊時(shí)間（s）
Sauter公司
160
8
0.38
0.78
Baruffaldi公司
160
8
0.44
0.84
國內(nèi)的動(dòng)力刀架技術(shù)仍處于發(fā)展階段，目前國內(nèi)動(dòng)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(gè)廠家生產(chǎn)的兩種型號的轉(zhuǎn)塔刀架的技術(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(gè)）
45°轉(zhuǎn)位時(shí)間（s）
45°轉(zhuǎn)位并夾緊時(shí)間（s）
引進(jìn)技術(shù)
煙臺環(huán)球機(jī)床附件廠AK31
160
8
0.66
1.54
意大利Baruffaldi
沈陽機(jī)床廠TSMA160
160
8
0.44
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(shí)際加工時(shí)有較高的效率。45°轉(zhuǎn)位并加緊時(shí)間這項(xiàng)種煙臺環(huán)球機(jī)床附件廠生產(chǎn)的刀架的用時(shí)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(dòng)力刀架均有不錯(cuò)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(dòng)力刀架參數(shù)
No
項(xiàng)目
AK3380X12A
AK33100X12A
AK33125X12A
1
中心高
80
100
125
2
工位數(shù)
12
12
12
3
刀孔定位精度
6"
6"
6"
4
重復(fù)定位精度
2"
2"
2"
5
30°轉(zhuǎn)位時(shí)間
0.19
0.15
0.32
6
180°轉(zhuǎn)位并夾緊時(shí)間
1.54
1.0
2.5
7
最大不平衡負(fù)重力矩
15
40
60
8
分度頻數(shù)
750
750
750
9
最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
1.3
4.5
1
10
最大載重
40
120
160
11
刀柄直徑
Φ30
Φ30/Φ40
Φ50
12
刀具接口
DIN5482
DIN5482
DIN5482
13
傳動(dòng)比
1:1
1:1
1:1.05
14
最高轉(zhuǎn)速
5000
4000
3000
15
最大扭矩
20
40
60
16
最高功率
6
8
10
17
可配動(dòng)力刀夾數(shù)
12
12
12
18
冷卻水口
G1/4
G1/4
G3/8
19
電纜接口
/
/
M24x1.5
20
刀架凈重
228
408
21
刀架毛重
256
453
22
箱體尺寸（長X寬X高）
620X510X590
700X650X810
880X764X810
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(dòng)系統(tǒng)，使刀架體積大幅度減小，由于傳動(dòng)系統(tǒng)的簡化，刀架的精度以及可靠性也得到了提升。
1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容
1、 進(jìn)行數(shù)控車削中心動(dòng)力刀架總體研究，并進(jìn)行整體布局設(shè)計(jì)；
2、 研究各種電機(jī)，為動(dòng)力刀架選擇合適的電機(jī)；
3、 研究出一種動(dòng)力切換的可行方案
4、設(shè)計(jì)刀架結(jié)構(gòu)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，完成關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)計(jì)算；
5、完成動(dòng)力刀架的二維設(shè)計(jì)和三維設(shè)計(jì) 。
第2章 方案選擇
動(dòng)力刀架在其發(fā)展時(shí)間內(nèi)已發(fā)展出了多種的形式，設(shè)計(jì)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(dòng)動(dòng)力刀架
雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力刀架是最早出現(xiàn)的動(dòng)力刀架形式，經(jīng)過很長時(shí)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(dòng)動(dòng)力刀架的示意圖如圖2.1
圖2.1 雙伺服動(dòng)力刀架簡圖
1：刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī) 2：動(dòng)力刀具驅(qū)動(dòng)電機(jī)
雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力刀架，使用兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)刀盤以及動(dòng)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(shí)現(xiàn)鼠牙盤的嚙合脫開來實(shí)現(xiàn)刀盤的精定位。這種動(dòng)力刀架所占空間較大，結(jié)構(gòu)較為簡單，傳動(dòng)方式也較為簡單。而且國內(nèi)外雙伺服動(dòng)力刀架產(chǎn)品已經(jīng)較成熟，設(shè)計(jì)價(jià)值不高。所以棄用此方案。
2.2 單伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力刀架
單伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力刀架是在雙伺服驅(qū)動(dòng)動(dòng)力刀架的基礎(chǔ)上，發(fā)展出的一種更為先進(jìn)的動(dòng)力刀架。單伺服動(dòng)力刀架性能優(yōu)越，結(jié)構(gòu)緊湊，較之雙伺服動(dòng)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(dòng)動(dòng)力刀架簡圖
單伺服動(dòng)力刀架較之雙伺服動(dòng)力刀架難度較大，關(guān)鍵在于單伺服動(dòng)力刀架有一個(gè)動(dòng)力切換的問題，雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)只需電機(jī)直接控制刀盤和動(dòng)力刀具即可。而單伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力刀架因?yàn)閮H使用一個(gè)伺服電機(jī)，所以在完成刀盤轉(zhuǎn)位之后必須完成一個(gè)動(dòng)力切換過程，將伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力刀具。所以需要一個(gè)動(dòng)力切換裝置來完成這個(gè)動(dòng)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(dòng)鼠牙盤的離合來實(shí)現(xiàn)刀盤的精定位。而動(dòng)力切換裝置則擬以撥叉和滑移齒輪實(shí)現(xiàn)。
單伺服動(dòng)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(dòng)力刀架的研究開發(fā)是非常有必要的，單伺服動(dòng)力刀架相較于雙伺服動(dòng)力刀架而言，性能更優(yōu)越，因?yàn)槭褂脝坞姍C(jī)所以結(jié)構(gòu)較緊湊，在未來有較大的發(fā)展?jié)摿?，且?nèi)部傳動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)也減輕了刀架的整體重量。同時(shí)直驅(qū)刀架是零傳動(dòng)，所謂零傳動(dòng)就是利用力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，省去齒輪傳動(dòng)等等中間環(huán)節(jié)，把機(jī)床傳動(dòng)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(dòng)態(tài)性能和好的定位精度，直驅(qū)刀架以其緊湊的結(jié)構(gòu)，迷你的機(jī)體，零傳動(dòng)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(jì)時(shí)，將刀盤內(nèi)部空間已經(jīng)布滿，想要在這個(gè)刀架的基礎(chǔ)上再加上電主軸和動(dòng)力刀座的設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)力刀具的設(shè)計(jì)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(dòng)的優(yōu)勢。在結(jié)構(gòu)的緊湊性上甚至還不如單伺服動(dòng)力刀架，所以棄用此方案。
2.5本章小結(jié)
本章描述了設(shè)計(jì)動(dòng)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(jì)單伺服動(dòng)力刀架，單伺服動(dòng)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(dòng)力刀架的研究開發(fā)是非常有必要的，單伺服動(dòng)力刀架相較于雙伺服動(dòng)力刀架而言，性能更優(yōu)越，因?yàn)槭褂脝坞姍C(jī)所以結(jié)構(gòu)較緊湊，在未來有較大的發(fā)展?jié)摿?，且?nèi)部傳動(dòng)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(dòng)力刀架的設(shè)計(jì)計(jì)算及關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)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(jì)（3）刀盤的轉(zhuǎn)定位與精確定位（4）輪系的設(shè)計(jì)（5）整個(gè)刀塔系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)仿真（6）單伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤和動(dòng)力刀具的協(xié)調(diào)問題。所以在設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)算
3.1.1 旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是描述剛體在轉(zhuǎn)動(dòng)中的慣性大小的物理量。當(dāng)兩個(gè)繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的不同剛體受到相同的力矩分別作用時(shí)，它們所獲得的角加速度一般是不一樣的，轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)力刀具也不盡相同，但是重量差別不是很多，估算時(shí)可以用平均重量進(jìn)行估算。受到電動(dòng)機(jī)的力矩驅(qū)動(dòng)時(shí)，整個(gè)盤共搭載12把刀具，估算時(shí)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(dòng)作時(shí),伺服電機(jī)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)的部件共四個(gè),它們分別是傳動(dòng)齒輪，刀架主軸和刀盤，因而只需估算這些元素的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量然后累加在一起就能初步估算出來整個(gè)轉(zhuǎn)位系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)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3.1.1.1
圖3.1.1.1 刀盤二維圖
刀盤三維模型如圖3.2
圖3.1.1.2刀盤三維圖
按照公式計(jì)算刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量即
即刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可近似看成1.53。
刀盤座根據(jù)設(shè)計(jì)，三維模型如圖3.1.1.3
圖3.1.1.3刀盤座三維圖
根據(jù)公式計(jì)算其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
主軸根據(jù)空間結(jié)構(gòu)其傳動(dòng)要求初步設(shè)計(jì)，三維模型如圖3.4
圖3.1.1.4 大軸三維圖
二維圖及尺寸如圖3.1.1.5
圖3.1.1.5大軸二維圖
根據(jù)公式計(jì)算其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
其余零件由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量太小，在初步計(jì)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(dòng)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(dòng)時(shí)間0.2s的初始條件，若連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)則電機(jī)轉(zhuǎn)速為25。則按照公式初步計(jì)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3.1.2.1
表3.1 .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(jì)算的扭矩要求。
3.2 動(dòng)力刀具傳動(dòng)鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
動(dòng)力刀具傳動(dòng)鏈有傳動(dòng)齒輪以及傳動(dòng)軸，要計(jì)算動(dòng)力刀具傳動(dòng)鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量則需計(jì)算其傳動(dòng)鏈上的所有零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
若把動(dòng)力刀具傳動(dòng)軸上的所有零件視為整體，三維圖如圖3.2.1
圖3.2.1 動(dòng)力刀具傳動(dòng)軸
運(yùn)用公式計(jì)算其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為
計(jì)算過度齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量運(yùn)用公式
計(jì)算動(dòng)力刀具軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，根據(jù)公式根據(jù)動(dòng)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(jì)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(shí)的扭矩最大可達(dá)到10。滿足動(dòng)力刀具傳動(dòng)鏈的扭矩要求，所以此電機(jī)是滿足此刀架的動(dòng)力需求的。
3.3 傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)算為50r/mm。根據(jù)公式計(jì)算其轉(zhuǎn)矩為：
刀盤轉(zhuǎn)位驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩根據(jù)公式計(jì)算為
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，傳動(dòng)比為2。
小齒輪初選材料為40Cr，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，硬度HBS=241—286。
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(jì)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(jì)算
計(jì)算圓周速度
計(jì)算齒寬b及計(jì)算模數(shù)
計(jì)算齒寬吃高之比
計(jì)算縱向重合度
計(jì)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(dòng)載系數(shù)，，，。
按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑
計(jì)算模數(shù)
按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
計(jì)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(jì)算當(dāng)量齒數(shù)
查取齒形系數(shù)
由資料查得，
查應(yīng)力校正系數(shù)
由資料查得，
計(jì)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(jì)算
故，。
所以設(shè)計(jì)計(jì)算得
對比計(jì)算結(jié)果，由彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法面模數(shù)小于由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)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(jì)算齒數(shù) 。
可取，。
計(jì)算中心距圓整為83mm
齒輪寬度，
驅(qū)動(dòng)齒輪如圖3.2.3
圖3.2.3 驅(qū)動(dòng)齒輪三維圖
因?yàn)樵O(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)齒輪及動(dòng)力刀具傳動(dòng)齒輪的傳動(dòng)比為1：1，所以動(dòng)力刀具傳動(dòng)軸上的齒輪可以選用與驅(qū)動(dòng)齒輪一樣的齒輪。
計(jì)算過度齒輪
動(dòng)力刀具傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩計(jì)算運(yùn)用公式
過度齒輪的轉(zhuǎn)矩為
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，傳動(dòng)比為4。
小齒輪初選材料為40Cr，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，硬度HBS=241—286。
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(jì)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(jì)算
計(jì)算圓周速度
計(jì)算齒寬b及計(jì)算模數(shù)
計(jì)算齒寬齒高之比
計(jì)算縱向重合度
計(jì)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(dòng)載系數(shù)，，，。
按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑
計(jì)算模數(shù)
按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
計(jì)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(jì)算當(dāng)量齒數(shù)
查取齒形系數(shù)
由資料查得，
查應(yīng)力校正系數(shù)
由資料查得，
計(jì)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(jì)算
故，。
所以設(shè)計(jì)計(jì)算得
對比計(jì)算結(jié)果，由彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法面模數(shù)小于由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)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(jì)算齒數(shù) 。
可取，。
計(jì)算中心距圓整為138mm。
齒輪寬度，。
因?yàn)檫^度齒輪是動(dòng)力刀具的傳動(dòng)齒輪，但是安裝在刀盤轉(zhuǎn)位驅(qū)動(dòng)軸上。因?yàn)檫^度齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)不能帶動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)位驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，所以在過度齒輪與刀盤轉(zhuǎn)位驅(qū)動(dòng)軸之間加入一個(gè)軸承，以便實(shí)現(xiàn)過度齒輪在軸上空轉(zhuǎn)。由于過度齒輪不承受多少軸向力，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(dòng)力刀具驅(qū)動(dòng)齒輪和過度齒輪的傳動(dòng)比根據(jù)設(shè)計(jì)為1：1，可以采用與動(dòng)力刀具傳動(dòng)軸相同直徑以及模數(shù)的齒輪。
3.4 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
刀盤轉(zhuǎn)位驅(qū)動(dòng)軸
最小軸徑計(jì)算=48mm，圓整為50mm，軸設(shè)計(jì)圖如圖3.3.1。
圖3.3.1 大軸設(shè)計(jì)圖
取d1=50mm，在軸的后端需要安裝軸承，所以設(shè)計(jì)L1=25mm。第二段加工為花鍵軸，以便實(shí)現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)位與動(dòng)力刀具驅(qū)動(dòng)之間的動(dòng)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?；ㄦI部分國家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表3.3.1
小徑
d
輕系列
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B
11
6x11x14x3
6
14
3
13
6x13x16x3.5
16
3.5
16
6x16x20x4
20
4
18
6x18x22x5
22
5
21
6x21x25x5
25
23
6x23x26x6
6
26
6
6x23x28x6
28
6
26
6x26x30x6
30
6x26x32x6
32
28
6x28x32x7
32
7
6x28x34x7
34
7
32
6x32x38x6
36
6
8x32x38x6
8
38
6
36
8x36x40x7
8
40
7
8x36x42x7
42
7
42
8x42x46x8
46
8
8x42x48x8
48
8
46
8x46x50x9
50
9
8x46x54x9
54
9
52
8x52x59x10
58
10
8x52x60x10
60
10
56
8x56x62x10
62
8x56x65x10
65
62
8x62x68x10
68
12
8x62x72x12
72
12
72
10x72x78x10
76
10x72x82x12
82
82
10x82x88x12
88
10x82x92x12
92
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(jì)L4=101mm。L5段為與端齒盤中的動(dòng)盤的連接需要，d5=100mm，L5=10mm。L6段安裝過度齒輪，d6=80mm，L6=55mm。
動(dòng)力刀具傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)計(jì)算
根據(jù)電機(jī)的額定輸出功率確定最小軸徑，運(yùn)用公式計(jì)算得=11mm，圓整為20mm。動(dòng)力刀具傳動(dòng)軸如圖3.3.2
圖3.3.2動(dòng)力刀具傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)需要，同時(shí)軸承需要軸肩定位，取d3=30mm。L5段為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)力刀具和動(dòng)力脫開嚙合設(shè)計(jì)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
能承受少量軸向力，因?yàn)橥馊L道是以軸承中心為中心的球面，故能自動(dòng)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(dòng)體受離心力矩作用，滾動(dòng)體與滾道間產(chǎn)生滑動(dòng)，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(shí)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(shí)可調(diào)整軸承的游隙。一般成對使用。
推力球軸承
只能承受軸向載荷。高速時(shí)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(dòng)，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(shí)承受小的軸向載荷。當(dāng)量摩擦系數(shù)最小。在高轉(zhuǎn)速時(shí)，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(jià)格最低。
角接觸球軸承
可以同時(shí)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(shí)允許內(nèi)、外圈有少量的軸向錯(cuò)動(dòng)。內(nèi)外圈軸線的允許偏斜量有?。?’-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(cuò)動(dòng)。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(dòng)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)各軸受力情況分析選取軸承，在刀盤轉(zhuǎn)位驅(qū)動(dòng)軸的L1段選取深溝球軸承6010GB/T276-1994，因?yàn)樯顪锨蜉S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(dòng)力刀具傳動(dòng)軸的的L2與L4段因?yàn)閾懿鎿軇?dòng)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(dòng)力刀具驅(qū)動(dòng)軸上因基本不承受軸向力，所以選用兩個(gè)深溝球軸承承受徑向力。選用
6007GB/T276-1994。
3.6端齒盤設(shè)計(jì)計(jì)算
端齒盤是動(dòng)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(shí)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0.02~0.04mm，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0.01~0.04mm，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(jì)為4~5mm，可獲得所需的瑣緊力滿足刀架剛度要求，所以本次設(shè)計(jì)將齒的嚙合深度設(shè)計(jì)為4mm。這一設(shè)計(jì)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)：
端齒盤外徑d：端齒盤的外徑主要由設(shè)計(jì)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(dòng)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(shí)，齒數(shù)可以為60和
72兩種，它們的最小分度角分別為和，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的動(dòng)力刀架
工位數(shù)為8工位，轉(zhuǎn)一個(gè)工位從動(dòng)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
b
1
100
55
6
30
72
6
6.6
11
6.8
8
2
110
65
82
3
125
70
8
90
4
140
80
40
102
9
15
9
5
160
100
122
6
180
120
10
140
7
200
140
160
8
220
150
50
175
8
11
18
11
10
9
250
180
12
202
10
280
200
230
11
320
220
260
12
360
260
16
60
295
12
13.5
20
13
12
13
400
300
335
14
450
350
385
15
500
400
20
70
430
16
560
450
485
17.5
26
17.5
16
17
630
500
25
80
540
18
710
580
620
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(gè)M12的螺栓螺母將刀盤座和刀盤連接在一起，通過4個(gè)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(gè)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(dòng)慣量之和為1.7設(shè)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)加速度為α。則通過螺釘傳遞的轉(zhuǎn)矩以及負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)算如下：
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)的連接時(shí)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(jì)
3.8.1液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算
本次設(shè)計(jì)中運(yùn)用到了液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)一共有五個(gè)組成部分，即動(dòng)力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件（附件）和液壓油。
動(dòng)力元件：動(dòng)力元件的作用是將原動(dòng)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(gè)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。液壓泵的結(jié)構(gòu)形式一般有齒輪泵、葉片泵、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(dòng)負(fù)載作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
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、高壓球閥、膠管總成、測壓接頭、壓力表、油位計(jì)、油溫計(jì)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(jì)中涉及要液壓系統(tǒng)的有兩處：鼠牙盤離合系統(tǒng)以及動(dòng)力切換裝置中的撥叉撥動(dòng)滑移齒輪。所以需要計(jì)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(jì)算液壓直徑。所以設(shè)計(jì)鼠牙盤離合系統(tǒng)液壓缸直為90mm。撥叉驅(qū)動(dòng)液壓缸運(yùn)用公式計(jì)算其直徑，設(shè)計(jì)撥叉驅(qū)動(dòng)液壓缸直徑為20mm。
轉(zhuǎn)塔動(dòng)力刀架的整個(gè)液壓系統(tǒng)由油泵、兩個(gè)二位四通閥及液壓缸組成，分別控制端齒盤和動(dòng)力刀具離合結(jié)構(gòu)。塔身離合控制機(jī)構(gòu)與動(dòng)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)傳感器的信號來判斷兩個(gè)液壓缸是否運(yùn)動(dòng)到位。二位四通閥是通過電磁鐵完成換位動(dòng)作，根據(jù)二位四通閥的換位來控制液壓缸動(dòng)作。
當(dāng)?shù)侗P需要轉(zhuǎn)位時(shí)，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(dòng)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(dòng)，是端齒盤完成嚙合，實(shí)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(dòng)兩個(gè)小液壓缸的液壓控制器，兩個(gè)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(dòng)滑移齒輪同時(shí)完成刀盤的驅(qū)動(dòng)齒輪的脫開和動(dòng)力刀具傳動(dòng)齒輪的嚙合。示意圖3.8.1.1
圖3.8.1.1 液壓系統(tǒng)示意圖
3.8.2 動(dòng)力刀具接口設(shè)計(jì)
目前在市場上有多種動(dòng)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3.8.2.1
圖3.8.2.1各種動(dòng)力刀座接口
各種接口特點(diǎn)如表3.8.2.1
表3.8.2.1 各種動(dòng)力刀具接口特點(diǎn)
接口類型
DIN1809
DIN5480
其他
所占比例
75%
20%
5%
優(yōu)點(diǎn)
大大簡化了離合器設(shè)計(jì)，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(dòng)的時(shí)候有振動(dòng)，噪聲略大，時(shí)間長有磨損
離合器設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，加工制造成本較高，裝配困難
通用性較差，動(dòng)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(huì)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(huì)得到廣泛應(yīng)用
隨著BMT刀架的流行，未來此類接口不會(huì)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(dòng)的離合器用來控制動(dòng)力刀座與傳動(dòng)軸的脫開分離與接合鎖緊。當(dāng)采用DIN1809接口時(shí)，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(dòng)力傳動(dòng)軸的楔口，然后進(jìn)而去驅(qū)動(dòng)動(dòng)力刀座。因此，動(dòng)力刀座采用一字型接口，不僅使結(jié)構(gòu)更為簡單，而且提高了換刀速度。鑒于上述原因，本課題中的動(dòng)力刀架采用DIN1809。
因?yàn)镈IN1809接口需要接口轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的位置時(shí)，才能完成離合。所以可以在接口處安裝一個(gè)圓光柵傳感器，對接口的位置進(jìn)行控制。
第4章 三位模型
在完成整體的設(shè)計(jì)以及二維裝配圖之后，完成了三維的裝配圖。
如圖4.1，4.2為三位裝配圖
圖4.1 三維模型裝配圖
圖4.2 三維模型裝配圖
爆炸視圖的操作方法如下：
1. 點(diǎn)擊視圖管理器新建一個(gè)分解視圖如圖4.3
圖 4.3 爆炸視圖1
2. 點(diǎn)擊編輯位置，將零件拖動(dòng)到預(yù)想位置如圖4.4
圖 4.4 爆炸視圖2
如圖4.5為最后制作出的爆炸裝配圖
圖 4.5 爆炸裝配圖
在Pro/Engineer中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真則是將轉(zhuǎn)動(dòng)零件按照一定裝配關(guān)系進(jìn)行裝配，比如轉(zhuǎn)動(dòng)件需要進(jìn)行銷連接，滑動(dòng)件進(jìn)行滑動(dòng)連接，機(jī)體需要?jiǎng)傂怨潭ǖ鹊取Ｈ缓笤僭瓌?dòng)件處加上伺服電機(jī)，然后對伺服電機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，然后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真即可。
結(jié)束語
在本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我設(shè)計(jì)的題目是動(dòng)力刀架設(shè)計(jì)。在初次接到這個(gè)題目時(shí)，我也是毫無頭緒。經(jīng)過老師的講解以及自己查閱一些資料后對這個(gè)題目有了一定的了解。于是自己摸索著做一些設(shè)計(jì)，在了解了動(dòng)力刀架的國內(nèi)外的發(fā)展情況后，發(fā)現(xiàn)動(dòng)力刀架這一方面在國內(nèi)的發(fā)展與國外相比還是相當(dāng)?shù)穆浜螅S多核心技術(shù)還是在國外的掌控之中。產(chǎn)品還是多以模仿為主，缺乏自主創(chuàng)新的產(chǎn)品。在對背景資料有了一定的了解之后，在老師的指點(diǎn)下，對動(dòng)力刀架的設(shè)計(jì)提出了四種方案，在經(jīng)過對比比較之后，決定對方案二，即單伺服動(dòng)力刀架進(jìn)行設(shè)計(jì)，單伺服動(dòng)力刀架較雙伺服動(dòng)力刀架而言，結(jié)構(gòu)較為緊湊，性能優(yōu)越。而相對于另外的兩種方案而言，難度適中。在設(shè)計(jì)的過程中，有過種種的困難，如單伺服動(dòng)力刀架的動(dòng)力切換裝置的設(shè)計(jì)，初次設(shè)計(jì)時(shí)，對這種裝置如何設(shè)計(jì)也是毫無頭緒，但是在查閱更多資料和導(dǎo)師研究之后決定采用撥叉和滑移齒輪的動(dòng)力切換裝置，雖然這種方式切換動(dòng)力仍然存在著不少的問題，但是我盡可能在我能力范圍內(nèi)設(shè)計(jì)到最好。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我第一次獨(dú)立設(shè)計(jì)了一種機(jī)構(gòu)，期間的各種困難都教會(huì)了我很多解決困難的方法，期間老師同學(xué)也給我很多幫助，感謝他們。
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