毕业论文-直驱伺服刀架设计.doc

北京信息科技大学 毕业设计（论文）题 目： 直驱伺服刀架设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化学生姓名： 班级/学号指导老师/督导老师： 起止时间：2014 年 2 月 23 日 至 2014 年 6 月 14 日摘要摘 要近年来，在国内外，数控机床逐渐在现代机床控制技术中占据了不可替代的位置。随着科学技术的发展和客观需求，数控机床正向着高性能、高精度、高稳定性、高速度的方向发展，与此同时，作为数控机床的关键部件，数控刀架的主流发展方向也就相继确定，以此来满足高效率、高质量的生产要求。刀架主要是用在车床上，使车削中心一次装卡可以完成多道工序，避免了二次装卡带来的误差。参考传统的伺服刀架以及直驱伺服刀架的原理及结构，本次设计了一种力矩电机嵌入刀盘内部，直接驱动刀架的结构。本次设计的刀架依靠嵌入在刀盘内部的力矩电机直接驱动，没有中间环节。电机的定子与转子分别与主轴和刀盘固联，从而实现刀盘的旋转换刀。利用光栅与刀盘螺纹连接，实现刀盘的粗定位，通过鼠牙盘的啮合和分离实现精确定位。同时，后部设计了液压系统来控制鼠牙盘的运动。该刀架结构简单，具有精度高，故障率低等优点，且占据面积小，节省空间。在设计出直驱伺服刀架基本结构的基础上，通过分析工作原理，进一步完成刀架的总体设计。对刀架的关键部件进行设计计算，尤其是力矩电机的参数计算。完成二维装配图，建立三维模型并对关键部件进行有限元分析。关键词：直驱刀架；结构设计；有限元分析 AbstractAbstractIn recent years, at home and abroad, CNC machine tools in the modern machine tool control technology gradually occupy an irreplaceable position. With the development of science and technology and the objective demand, NC machine tools are going to be high performance, high precision, high stability, high speed, at the same time, as the key components of NC machine tool, the mainstream development direction of CNC turrets have been determined, in order to meet the production requirements of high efficiency, high quality. Turret is mainly used in lathe turning center, make a card can complete the multi-channel processes, avoid two times chucking error. According to traditional servo turret and direct drive servo turret principle and structure, the design of a torque motor embedded within the structure of disc cutter, direct drive the turretThe design of the tool by torque motor is embedded in the cutter internal drive directly, without intermediate links. Motor stator and rotor are respectively fixed with spindle and cutter, so as to realize the rotary knife changing cutter. The thread connecting grating and cutter, achieve the coarse positioning cutter, to achieve precise positioning of the engagement and separation of rat tooth disc. At the same time, the design of the hydraulic system will control the mouse tooth plate motion. The knife has the advantages of simple structure, high accuracy, low failure rate, and small occupied area, save a space. In terms of the basic structure design of direct drive servo turret, through the analysis of the working principle, work out the overall design tool. Design and calculation of key parts of the rest, especially the calculation parameters of torque motor. Complete 2D drawing, 3D modeling and finite element analysis of key parts.Keywords: direct drive turret；structure design；finite element analysis目录目录第一章 概述11.1 课题背景和研究意义11.2 数控刀架的发展现状21.3 嵌入式直驱伺服刀架优势初步探讨31.4 具体的工作内容4第二章 嵌入式力矩电机直驱刀架设计方案52.1数控回转刀架的基本结构及工作原理52.1.1 基本结构52.1.2 运动规律52.2嵌入式力矩电机直驱刀架总体设计方案52.3刀架嵌入式力矩电机基本设计方案72.3.1主要约束条件72.3.2转子结构和磁钢形式72.4设计方案优势分析9第三章 刀架设计计算和关键结构设计103.1嵌入式力矩电机基本参数设计103.1.1主要尺寸103.1.2极槽数的选择103.1.3气隙长度的确定113.1.4定子冲片尺寸113.1.5永磁体尺寸123.16嵌入式力矩电机基本参数133.1.7力矩电机力矩计算经验公式133.2刀架快速换刀扭矩分析143.2.1换刀加速度曲线的选取143.2.2旋转件转动惯量估算153.2.3刀盘换刀启动扭矩分析163.2.4刀具均布时电机扭矩校核163.2.5刀具不均布时电机扭矩校核17第四章 三维建模184.1 关键零件三维模型184.2 三维总装图20第五章 力矩电机直驱刀架的刚度分析215.1 刀架的静刚度检测215.1.1 切削力估算215.1.2建模与有限元分析软件选择235.2刀架的动刚度检测245.2.1动刚度检验的理论依据245.2.2机座Ansys模态分析的过程和结果255.3刀盘结构Ansys模态分析的过程和结果27第六章 总结与展望306.1研究结果总结306.2 展望30参考文献31致谢33 第一章第一章 概述数控机床的飞速发展为制造业的进步做出了卓越的贡献，作为数控机床的关键部件数控刀架的发展也就有了更深刻的涵义。本章简要介绍了本课题的研究背景，阐述了直驱刀架对于提高中高档数控机床性能的重要意义。对比分析了国内外数控刀架的现状，我国在数控刀架领域还处于落后阶段，从换刀速度、定位精度等方面分析，国内厂家远不及国外优秀厂家。通过对机械传动刀架和直驱动力刀架的结构和运动原理的分析，得出后者在定位精度和换刀速度上的巨大优势。并简要描述了本课题的具体工作内容。1.1 课题背景和研究意义目前，国际上数控机床产品发展迅速，高精度，高速度的数控机床层出不穷。我国的数控机床行业也有了很大发展，但是总体情况来看，国内产品与国外产品还有很大的差距。我国主要生产中低档数控机床，产量也基本能保证需求，但是量只是一个方面，更重要的是提高数控机床的性能。我国数控机床性能落后于国际水平，主要关键功能部件性能差。例如数控刀架作为机床上的关键功能部件，在国内在刀架行业，虽然很多企业有自己的成熟产品，但是，因为国内要求标准低，其产品性能比国际先进刀架落后很多，属于中低档产品。一些高端产品都是从国外的像巴拉法蒂、迪普马、肖特的一些国家直接进口，但是从国外进口刀架交货时间比较长而且价格也相对较高。为了使我国的数控机床行业能赶上世界先进水平，极其需要研制出我们自己的高性能数控刀架，这是国内每一个数控企业的共同目标。数控刀架最早出现时间可追溯到上世纪八十年代，早期数控刀架基本结构为普通伺服驱动加齿轮传动，目前已经发展成熟，被中端数控机床大量装备。一般数控刀架具有两个电机，一个负责换刀，一个为刀具切削提供动力，这种结构刀架是最传统，也是比较成熟的一种数控刀架。但是电机占了刀架的很大空间，使得传统刀架看起来很笨重，因此就希望有新的结构形式来代替目前的机械传动链，使刀架的整体尺寸变小。为了满足这种需求，随后就出现了单电机式动力刀架，进一步出现直驱数控刀架（图1.1a）。普通直驱刀架力矩电机位于刀架后端，电机与刀盘还需要连接件连接，并不是最小的空间结构设计。高档数控机床开发要求结构更加简单紧凑，因此为进一步减小数控刀架体积，设计了嵌入式直驱刀架，该刀架充分利用刀盘内部空间，设计了安装在刀盘内部的力矩电机（图1.1b）。该电机嵌入运动部件从而实现无传动环节的回转运动，相比相同中心高的数控刀架，其总体尺寸大大减小。a. 普通直驱刀架 b. 嵌入式直驱刀架图1.1 直驱数控刀架1.2 数控刀架的发展现状 随着客观需求的变化和科技的进步，数控刀架正向着更多元的方向迅速发展。根据CIMT2012（第十三届中国国际机床展览会）上的产品分析，世界上装备制造企业发展非常迅速，许多进技术大都被应用在数控机床上，催生了大量先进机床及其先进功能部件，这与世界各国对本国装备制造业的重视是分不开的。具体到刀架，从展会看来，复合、高精、高速、模块化、智能化仍将是其发展主流。国内数控刀架形势分析：目前我国生产数控刀架的厂商主要有四家，分别是：烟台环球机床附件集团有限公司、常州市宏达机床数控设备有限公司、沈阳精诚数控机床附件厂、常州市新墅数控设备有限公司。国内数控机床刀架产品也正在朝着世界先进水平发展，但毕竟起步晚，许多世界上先进结构数控刀架，在国内还没有一家厂商生产。国内厂家生产的数控刀架一般是普通机械传动伺服刀架，结构也较国外刀架笨重。即使是先进动力数控刀架，也都是双电机驱动，对于国外早就生产过的单电机数控动力刀架，国内都没有厂家开发过。无论是采用何种结构的刀架，都是为了适应数控机床高速、高精度的发展趋势，这就要求设计的刀架具有定位准确，转位速度快的特点，所以，有必要设计出一个重复定位精度高，故障发生率低的数控刀架。表1-1是根据CIMT2012（第十三届中国国际机床展览会）的情况，统计的国内数控刀架主要性能参数。表1-1 国内数控机床转塔刀架主要参数参数厂名中心高工位30度转位时间180度转位180度转位并加紧时间重复定位精度亚兴数控SLT80型80mm120.2s0.5s5亚兴数控ELT125型125mm120.3s2.23s5沈阳数控TSMA160160mm80.44s3.4s常州宏达AK36型100mm120.15s1s2从表中可以明显看出国内数控刀架的换刀速度和定位精度，以30转位时间为例，大中心距的刀架，转位速度慢，沈阳车床数控TSMA160系列刀架30转位时间需要0.44s。目前最快的是常州宏达AK36型，其速度可达0.15s，这仅仅指的转位时间，加上刀盘锁紧，时间会更长。所以国内数控刀架30转位时间基本上维持在0.2s以上。重复定位精度也在2以上。国外数控刀架形势分析：国外刀架总体上看比较成熟，数控刀架厂商比较多，如几个有代表性的厂家：德国的Sauter公司、意大利DUPLOMATIC公司、印度PRAGATI公司等。特别是德国的Sauter公司、意大利DUPLOMATIC公司，他们是是世界著名数控转塔刀架生产企业。目前世界上大多数高端数控机床都用的这两个品牌的刀架。以Duplomatic的SMA系列刀架为例，其180转位速度加锁紧已达到1s 以内, 重复定位精度可保证小于0.002mm，定位精度可达4。而国内仍达不到这个数据。拿烟台环球机床附件集团有限公司生产的AK36系列数控转塔刀架为例，这个数据为6。1.3 嵌入式直驱伺服刀架优势初步探讨国内数控刀塔主要还是采用伺服电机加齿轮传动的驱动方式,由于存在着机械传动链使得进给方式变得复杂，响应慢，难以实现较高的精度要求。采用直接驱动技术，可以有效解决上述问题。直驱技术与传统机械传动技术最大区别是现了实零传动，取消了动力源于运动部件之间的一切传动环节，直驱电机与运动负载直接连接（如下图所示），这样伺服系统的控制也更加简单。本课题设计的内嵌式力矩电机直驱刀塔具有结构紧凑、易于安装、响应迅速、成本低廉、集成化程度更高等优势。图1.2 从机械传动到嵌入式直驱传动普通力矩电机位于刀架后端，电机与刀盘还需要连接件连接，电机长度使了刀架整体尺寸变大，并不是最小的空间结构设计。利用刀盘内部空间，设计出安装在刀盘内部的力矩电机，该电机嵌入刀盘内部，不仅大大减小了刀架整体体积，结构较普通直驱刀架更加简单，同时具有普通力矩电机直驱刀架的所有优势。表1-2给出嵌入式力矩电机直驱刀架的优点与性能。表1-2 嵌入式力矩电机直驱刀架的优点与性能优点性能没有联轴器，没有齿轮系更少的零件，需要的安装空间更少更紧凑的设计，可以直接集成进机械结构高刚度整体重量/转动惯量更低，摩擦小更快的动态响应没有反向间隙提高了重复精度和轮廓精度1.4 具体的工作内容本课题的主要研究内容为参考国外相关产品的构型、技术参数和运动方式，采用液压驱动技术，伺服电机控制技术完成力矩电机直驱结构刀塔设计，并对其做初步分析。具体工作包括刀架的二维CAD建模，基于proe的三维建模，基于ANSYS有限元分析软件的动力学、静力学分析。(1) 刀架总体方案规划：调研动力刀架生产厂商成熟产品的工作原理，初步拟定设计方案，确定刀架基座基本尺寸，初步定出中心高通过刀具切削过程中受力分析以及快速换刀所要达到的加速度特性（包括转动惯量，力矩等），初步选定电机参数、关键部件的尺寸、内嵌力矩电机与刀盘耦合结构设计。(2) 具体结构设计：完成二维总体装配图及零件图的设计；(3)力矩电机的设计:因为力矩电机内嵌在刀盘内，并且要满足刀塔高速换刀的要求,要单独设计力矩电机；(4) 虚拟样机建模与检测：参考二维图纸建立各零部件的三维建模并进行虚拟装配得到三维样机； (5)刚度分析：建立三维模型，对整机结构和零部件进行静力学及动力学分析。4第二章第二章 嵌入式力矩电机直驱刀架设计方案本章对嵌入式力矩电机直驱刀架的基本结构和工作原理做了详细介绍，对比分析传统刀架和嵌入式直驱刀架结构和传动方式，制定了嵌入式力矩电机直驱刀架的总体设计方案。根据刀架特点和力矩电机特点，拟定了嵌入式力矩电机的基本设计方案。对嵌入式直驱刀架方案进行分析，得出其在具有转矩大、响应速度快、结构简单、制造成本低等方面的优势。2.1数控回转刀架的基本结构及工作原理数控回转刀架尽管有多重驱动方式和结构内容，但其基本组成部分是不变的，一般认为数控刀架有以下几部分组成：转位驱动部分、液压驱动部分、分度部分、位置控制部分、刀具系统部分。嵌入式力矩电机直驱刀架采用力矩电机直驱形式，电机嵌入刀盘内部，这样的设计充分利用刀盘内部空间，比普通直驱刀架的结构集成化成度更高。2.1.1 基本结构驱动部分：主要是伺服电机、液压马达、力矩电机等。一般刀架动力传动过程是，驱动部分通过中间一系列机械传动带动刀盘转动，实现换刀动作。直驱刀架，没有中间传动环节，由电机直接驱动刀盘。液压驱动部分：液压缸的布局多样，但其功能都是为了带动鼠牙盘的分离和啮合，从而实现电机转动所需空间要求和刀盘的精定位。分度部分：分度部分可分为粗定位和精定位两部分，粗定位主要通过连接在刀盘上的光栅控制电机转动位置来实现，粗定位必须达到鼠牙盘啮合所需精度要求。分度机构的精确定位采用三片式鼠牙盘进行精确定位，利用液压执行机构进行锁紧。位置控制部分：控制部分主要由电机编码器、位置传感器等组成。刀具系统部分：主要由刀盘、刀座、刀具组成。目前国际上广泛应用的是德国的VDI标准刀盘，课题刀架也采用了这种刀盘。2.1.2 运动规律1) 由系统发出换刀指令，液压系统分离电磁阀动作，液压缸左腔进油，活塞通过连杆带动鼠牙盘松开；2) 鼠牙盘到位后接近开关发出信号，直驱电机启动，在光栅的控制下带动刀盘快速旋转到指定位置并停止；3) 液压系统锁紧电磁阀动作，液压缸右腔进油，活塞带动鼠牙盘平移盘移动，鼠牙盘内外齿圈啮合实现精定位，系统确认后进行切削，完成整个换刀动作。2.2嵌入式力矩电机直驱刀架总体设计方案直驱刀塔伺服系统的最明显特点是集机械结构、材料技术、电磁、控制于一体，国内在有关领域的设计、应用等方面技术还不是很多。目前国内还没有一家厂商生产力矩电机直驱刀架。为了提高我国制造业的水平，迎头赶上世界列强，设计出拥有自主知识产权并且性能可靠的转塔刀架十分必要。参考国外相关产品的产品构型、技术参数（表2-1）和运动方式，利用液压驱动技术，直驱电机以及PLC控制技术，设计产品。表2-1 迪普玛刀塔参数Duplomatic刀架刀位数目30度转位时间180度转位并锁紧时间中心高定位精度参数8-120.15s1.16s120mm5”按设计要求，该直驱刀架采用径向出刀方式，中心高120mm，具有十二个工位，刀架30换刀时间不超过0.2s，180换刀时间不超过1s，可以双向转动、就近选刀功能。表2-2列出了不同传动类型刀架换刀时间对比，直驱刀架在换刀速度上的优势明显。表2-2 几种动力刀架的换刀时间对比刀架型号机械传动刀架直驱刀架嵌入式直驱刀架中心高30换刀时间180换刀时间125mm0.27s0.32s2.5s125mm0.2s1s120mm0.2sT。3.1.2极槽数的选择由于该样机额定转速为60r/min，运转速度较低，应设计成多极数，传统的设计方法是每对极下有对称的三相绕组，选择多槽数，从而减小转矩脉动，但是槽数过多必然使每槽所占面积变小，这不仅给槽的加工增加了难度，而且降低了每槽绕组的利用率。因此，本文考虑用分数槽解决上述问题，选择一种适当的极槽配合，既可以使电机有对称的三相绕组，也减小转矩脉动。通过综合分析本设计最终选择了72/66的槽极比。具体斜槽距离tsk可根据以下公式确定。 （3.3）式中 t_定子齿距（cm） Q_槽数 p_极对数3.1.3气隙长度的确定气隙的大小关系电机性能的优劣，选择气隙大，钕铁硼的充磁方向长，这样电机也就是做大了，铜和铁消耗量加大，所以浪费材料；一般来讲气隙不要选的太大，小的气隙能提高效率及功率因数等；另一方面，如果气隙小了，安装不好操作、容易产生机械摩擦，噪声也会加大。所以说选择适当的气隙大小很重要，气隙太大太小都不符合电机设计规律。经验而论：就气隙而言，永磁电机气隙要比感应电机大，大概的范围在0.10.3mm10。依据电机具体工况要求，本样机的气隙长度选为 1mm。3.1.4定子冲片尺寸电机电枢齿磁密Bt和气隙磁密决定槽宽与齿宽之比，如Bt=1.7T、=0.8T，则槽与齿的宽度近似相等;如果0.8T，则槽比齿宽。电机设计时槽宽和齿宽最佳之比为1。在保证机械加工和下线方便情况下，槽口宽b02应在24mm的范围内取值；槽口高h02应在0.82mm的范围内取值;齿宽bt为： （3.4）其中，KFe为电枢叠压系数，一般取0.920.95，La为电机的轴向长度，且=+2。扼高hj为： （3.5）其中，为每极气隙磁通，通常取Bj=1.21.5T。依据上述公式和经验确定了定子冲片槽型（图3.1）。图3.1 定子冲片槽型3.1.5永磁体尺寸永磁体的尺寸主要包括永磁体的轴向长度LM磁化方向长度hM和宽度bM，永磁体的轴向长度一般取得与电动机铁心轴向长度相等或稍小于铁心轴向长度，因此实际上只有两个永磁体尺寸（既hM和bM）需设计19。设计时应考虑下列因素：1) 永磁体的hM会影响直轴电抗Xad，而Xad又对电机其他性能有影响，hM故要合理。2) hM不要设计的太薄。其一hM太小会使永磁体的生产制造难度加大；其二永磁体太薄容易导致其退磁。3) hM的确定应能保证永磁体工作于最佳工作点。因为永磁体的长度hM对其最佳工作点影响很大。4) 因为bM决定永磁体提供的磁通面积，故bM选取必须合理。永磁体的材料对永磁体的性能等有很大的影响。随着性能的不断完善和价格的逐渐降低，钕铁硼永磁在电机中的应用越来越广泛，在部分应用场合已经取代其他永磁材料。所以本次设计永磁体选择钕铁硼，材料牌号为NTP38SH。计算剩磁密度公式： （3.6）式中：Br20 _20C时的剩磁密度 ； IL_Br的不可逆损失率；Br_Br的可逆温度系数； t_预计工作温度75C。代入上式可得剩磁密度Br=1.25T矫顽力计算公式： （3.7）式中：Hc20_20时的计算矫顽力，875 kA/m代入上式可得矫顽力Hc=907 kA/m相对回复磁导率计算公式： （3.8）式中：0=410-7H/m代入上式可得相对回复磁导率r=1.046磁化方向长度hM=0.55 cm；宽度Bm=1.22 cm；轴向长度LM=4 cm提供每极磁通的截面积 Am=bMLM 值为4.88cm2永磁体总质量 （3.9）式中：m_永磁体密度 7.4g/cm3代入上式可得永磁体总质量为 1.31kg3.16嵌入式力矩电机基本参数根据上面电机计算公式计算出电机参数,具体数值如表3-1。表3-1 嵌入式力矩电机参数电机参数参数值单位额定功率（PN）0.75kw相数（m）3额定线电压（UNl）220V额定频率（f）33Hz极对数（p）33额定效率（N）88%额定相电压（UN）127.02V最大相电流（Imax）4.7A额定转速（nN）60rpm额定转矩（TN）200N.m槽数(Ns)72定子外径（D1）28.5cm定子内径（Di1）2234cm转子外径（D2）35.5cm转子内径（Di2）2837cm气隙长度（）0.1cm永磁体宽度（bM）1.22cm永磁体厚度（hM）0.55cm电枢铁芯长（La）3.8cm定子槽满率（Sf2）82.05%3.1.7力矩电机力矩计算经验公式永磁同步电机最大电磁转矩为Tem (N.m)，其值与电磁负荷和电动机主要尺寸有关，公式（6）给出了其计算关系： （3.10）其中A_定子电负荷有效值（A/cm） （3.11）其中m_电机相数 I _相电流（A）Kdp_电机绕组系数N_每相绕组串联匝数 （3.12）其中Ns_每槽导体数Q_定子槽数_并联支路数，为1因为嵌入式电机受到尺寸限制，设计者在最初并不知道在给定尺寸下，所设计电机能否满足设计要求。为了在设计之初就能估算出嵌入式电机输出的最大力矩，根据上述相关关系式，推导出公式（3.13）。 (3.13)由式（3.13）可以看出，只要给定力矩电机的上述参数，就能计算出该电机最大转矩。根据该公式计算出本文设计的嵌入式力矩电机可输出最大扭矩为244N.m。3.2刀架快速换刀扭矩分析3.2.1换刀加速度曲线的选取根据设计目标中对换刀速度的要求，刀盘转动30换刀时间要控制在在0.2s以内。为了实现快速换刀要求，确定了一力矩电机的运动速度为一梯形曲线，其运行过程分为三部分：加速曲线区、匀速区和减速曲线区。梯形速度曲线（图3.3）为电机控制系统的启动与停止提供了平滑的动作。在图中n表示电机速度（梯形速度曲线），t表示电机运行时间。图3.3 电机梯形速度曲线由梯形图， （3.14） （3.15） （3.16）式中t_刀盘在t时刻的角速度；0_刀盘初始角速度；_刀盘角角速度；_角速度；_刀盘转速。经过简单计算，我们可以得到该曲线电机的角加速度为87.3rad/s2。3.2.2旋转件转动惯量估算转动惯量是刚体绕轴转动时惯性（回转物体保持其匀速圆周运动或静止的特性）的量度，一般用字母I或J表示。对于刀塔而言，其转动惯量越小，越容易实现大加速度，使刀盘在短时内达到较大的速度，从而实现快速换到。所以计算刀盘的转动惯量对刀架性能分析很有必要。转动惯量的表达式为： （3.17）当刚体质量连续分布时，表达式为： （3.18）(式中m表示刚体的某个质元的质量，r表示该质元到转轴的垂直距离,表示该处的密度，求和号（或积分号）遍及整个刚体。)25根据以上公式计算了本课题的嵌入式力矩电机直驱刀架和一种机械传动刀架的转动惯量，其中形状规则零件可按照公式进行计算，对于复杂零件，采用计算机建立三维模型，使用cad软件里的功能可以很快的计算出零件的转动惯量，表3-2、表3-3列出了两种刀架的转动惯量。表3-2 嵌入式力矩电机直驱刀架各部分转动惯量序号零件转动惯量Kgm212345刀盘转子磁轭磁钢鼠牙盘转动盘刀具1.62.6210-13.410-21.4810-11.210-1（12把）表3-3 机械传动数控刀架各部分转动惯量零件转动惯量Kgm2序号零件转动惯量Kgm212345伺服电机齿轮外花键齿轮轴内花键滑移齿轮大齿轮刀盘1.3410-41.910-21.0810-36.010-31.6678910主轴水盘转动鼠牙盘刀盘座刀具4.010-21.310-25.010-33.310-21.210-1（12把）由表我们不难看出，嵌入式力矩电机直驱刀架的转动零件要比机械传动刀架少很多，这个我们前面已经提起过，而且其总的转动惯量也比机械传动刀架小很多。也就是说其更容易得到大的加速度，即更容易满足快速换到要求。由表3.2我们得到嵌入式力矩电机直驱刀架的总转动惯量J为 2.164Kgm2。3.2.3刀盘换刀启动扭矩分析换刀过程中，电机需要克服以下三种不同的扭矩：(1) 刀盘启动时因加速度引起的启动扭矩T1；(2) 由于刀盘装刀位置不平均产生的偏载扭矩T2；(3) 刀盘旋转时各零件间的摩擦扭矩T3，经估算取5N.m。因此，嵌入式力矩电机提供的扭矩为： (3.19)需要说明的是，为保证刀架正常工作，防止在工作中出现振动、过载对刀架造成的永久性伤害，电机除了要满足以上三种力矩要求，还应具有克服在实际工况中由于毛坯外形尺寸不规则或材料不均匀等原因产生的外荷载的能力。刀架的总转动惯量会因为装刀情况的不同而变化，根据刀具安装位置和安装数量，刀架的转动惯量有两个极限状态。即刀盘12个刀具安装位均安装刀具和只有四个相邻装刀孔安装刀具两种情况，以下就这两种情况下刀架转位时产生的扭矩进行分析，以验证所设计力矩电机能否满足刀架高速换刀转动的要求。3.2.4刀具均布时电机扭矩校核第一种情况：刀盘12个刀具安装位均安装刀具时电机扭矩计算此工况下不因装刀不平衡引起的偏载力矩T2为0，因此嵌入式力矩电机需要克服的总负载扭矩T为： (3.20)根据牛顿第二定律，刚体转动时满足 (3.21)式中， 角加速度为87.3rad/s2，J为该工况下刀架的总转动惯量,其值为2.164Kgm2。由式3.29计算的T1=193.9N.m，将其带入式3.28，可得当刀盘12个刀具安装位均安装刀具时，电机需要提供扭矩为193.9N.m。根据前文对刀架嵌入式力矩电机力矩的分析，所设计力矩电机最大力矩满足该工况下换刀要求。3.2.5刀具不均布时电机扭矩校核第二种情况：只有四个相邻装刀孔安装刀具时当刀架处在次工况下，嵌入式力矩电机在刀架转动过程需要客服的扭矩为刀盘启动时因加速度引起的启动扭矩T1；由于刀盘装刀位置不平均产生的偏载扭矩T2；刀盘旋转时各零件间的摩擦扭矩T3。上文分析T2仅在装刀位置不平均时产生，即当只有四个相邻装刀孔安装刀具时，而刀盘其它装刀位置空载（图3.4）时取得最大值。图3.4 刀具安装示意图因此，需要计算出由于刀盘装刀位置不平均产生的偏载扭矩T2。刀具质量可近似取为3.5kg，则图3偏载扭矩T2计算如下。 （3.22）此时，负载折算到电机轴的转动惯量为1.86kgm2，其他计算参考上文内容，得到此工况下嵌入式力矩电机需要提供的转矩为168.778NM。由此可见，力矩电机可以为换刀动作提供足够动力，而且换刀速度可以根据实际需要在满足关键部件强度要求的前提下进一步提高。根据对两种极限工况下，刀架转位换刀对电机力矩的需求进行分析，发现多刀盘转位换刀影响最大的负载扭矩是刀盘启动时因加速度引起的启动扭矩T1，启动扭矩T1大小由旋转系统的转动惯量决定，因此，要进一步提高刀架换刀速度，必须减小旋转部件的转动惯量，减小刀盘以及电机磁轭的质量会对其刚度有较大影响，需要做进一步分析。第四章第四章 三维建模根据结构设计计算得到的参数以及二维图纸进行虚拟样机的模型建立是本次设计的关键环节，它承接了后续的分析与仿真等步骤。4.1 关键零件三维模型本次三维建模所使用的软件为proe 5.0，以下为一些关键零件的三维模型图 图4.1 刀盘 图4.2 电机定子 图4.3 电机转子 图4.4 主轴 图 4.5 鼠牙盘平移盘 图4.6 鼠牙盘定盘 图4.7 鼠牙盘转动盘 图4.8 光栅 图4.9 活塞体1 图4.10 活塞体2 图4.11 机座 图4.12 接近开关4.2 三维总装图 建立各零件三维模型后，利用proe的组件工具，根据相应的约束条件将各零件装配起来。以下分别为三维总装图的剖面视图和爆炸视图。 图4.12 剖面视图 图4.13 爆炸视图第五章第五章 力矩电机直驱刀架的刚度分析刚度体现了机械结构抵抗变形的能力，一个机械结构的刚度由组成材料、结构集合形状、边界条件、和受力情况决定。对于嵌入式力矩电机直驱刀架，由于其结构新颖，在设计阶段对其进行刚度分析很有必要。以下对课题刀架做了两种刚度分析：1.嵌入式力矩电机直驱刀架的静刚度分析，即刀架在进行切削加工时，刀架整体抵抗切削力的能力。2.嵌入式力矩电机直驱刀架动刚度分析，通过模态分析，得到刀架结构的固有频率和主振型，确定设计结构的振动特性。5.1 刀架的静刚度检测5.1.1 切削力估算切屑力的定义：在切屑过程中产生的，同时作用于刀具和被加工件上的方向相反，大小相等的力。图5.1是刀具切削受力示意图，假设刀具在切削加工时受到的合力为F，且其在x、y、z方向上的分离分别为fx、fy、fz。图5.1 刀具切削受力示意图如图所示，fx称作进给力，方向平行于工件轴线；fy称作背向力，方向指向刀具，背离加工件且垂直于其轴向，是切屑加工刀具受力的主要来源，对加工精度影响也较大；fz为主切削力，方向为相切与加工件表面向下。上述各分力中，Fx、Fy为影响系统刚度的主要对象，刀架因以上两力引起的变形应该作为对主轴优化时的主要参考。国际单位中，常常用Ff、Fp、Fc 分别表示进给力、背向力、主切削力。影响切削力大小的因素有多种，如：刀具种类、被加工金属的材料、加工工艺、切削液的种类等，多种影响因素导致估算切削力是比较复杂的。为了准确的计算刀架的刚度，准且计算出切削力，引用目前应用最广泛的指数公式来计算切削力。取刀具进行切削加工时的实际受力方向为切削力方向，作用点在刀尖处，由