开题报告-动力刀架设计.doc

开题报告动力刀架设计开题报告班级（学号）机械1106（2011010148） 姓名 何林锋指导教师 杨庆东1、 综述1 研究的意义 目前，在世界机床制造和机械加工领域，复合加工技术是处于领先地位的技术。实现车铣复合加工，有许多可行方案，而卧式车床床身搭载转塔动力刀架就是其多种方案中应用最广泛的一个。其中，数控转塔刀架是实现复合加工的核心功能部件，不仅可以像普通刀架装配多把普通车刀，并且能够同时提供动力驱动动力刀具，完成铣、钻、攻丝、铰孔等加工。 在当今市场单件小批量和快速生产的需求的刺激下，催生出了复合加工。在众多领域中，车铣复合加工发展目前来说已经具有一定规模。在一般的机械加工领域中,加工主要分为以下两种方式：第一，工件转动，这种加工方式是车削加工；第二，刀具转动，这种加工方式是加工中心加工。这两种加工方式的结合就是车铣复合加工,它既能够完成车削功能,同时又能够完成铣、镗、钻、铰、扩等功能。车铣复合加工不仅是机械加工的发展方向之一，同样也是当今世界机床技术发展的大潮流。铣刀旋转、工件旋转、铣刀轴向进给和径向进给，在这四个车铣复合加工机床的基本运动中，要完成这铣刀旋转的动作就需要使用到动力刀架。在引入动力数控刀架后，车铣复合加工中心基本实现了如下几个目标:缩短制造工艺链和物流长度;减少装夹次数以及工装夹具数量;减小使用占地面积，降低了成本。实现了在确保质量的前提下，提高生产率和自动化的程度。步入新世纪以来，我国的数控机床行业发展势态愈发迅猛，主机技术向着高速、智能、复合、环保方向不断发展。动力刀架作为数控机床及加工中心重要部件之一，它的性能优劣关系到整台机床的性能，甚至深刻影响着我国制造业整体水平的高低。当前市场中，动力刀架技术已经趋近成熟完善，国外很多著名刀架生产商都已设计研发并推广出自己的系列化产品，国内也已有较为完善的生产机制。但是绝大部分仍然是模仿国外的产品，缺乏自主创新能力，它与国外的先进水平相比较，在精度等方面还存在着一定的差距，在一定程度上这会制约机床发展。所以，在动力数控刀架的设计上，提高反复多次定位的精度和降低刀架出现故障的概率意义重大。2 研究的现状动力刀架最早出现于1980年。经过30多年的发展，随着伺服刀架的出现，动力刀架由最初的外加动力刀具驱动模块的形式发展为现今伺服动力刀架。伺服刀架又分为双伺服动力刀架以及单伺服动力刀架。随着车削中心和车铣复合机床模块化设计的发展以及对功能部件性能参数和可靠性要求的逐渐提高，在单伺服动力刀架的基础上衍生出下列动力刀架产品：（1） 内置电主轴的直驱动力刀具刀架结构这种动力刀架采用内置的电主轴直接驱动动力刀具代替伺服电机通过传动系统驱动刀具，是动力刀具的最大转速得到了提升，可达到10000r/min。同时刀盘和动力刀座采用了BMT接口，提高了重复定位精度。此项技术最先由德国Sauter公司申请专利。（2） 力矩电机直驱式动力刀架这种动力刀架大幅度减少传动系统的复杂性，省去大量零件，使刀架体积变小，性能与功能与原来的伺服电机驱动刀盘的动力刀架。但是因为简化了传动系统，因此可靠性大幅度提升。（3） 带Y轴、B轴的动力刀架目前国外动力刀架的研究均已成熟，德国，日本，意大利，英国等发达国家均有成熟的产品运用于生产。国外的生产商如德国肖特公司（sauter），意大利巴拉法蒂（baruffaldi）、杜普玛迪克（duplomatic）等著名的生产商。世界上最著名数控转塔刀架生产企业是德国的Sauter公司和意大利Baruffaldi公司。这两家企业刀架的性能指标如表1所示:表1 国外厂家生产的刀架的技术参数 国内的动力刀架技术仍处于发展阶段，目前国内动力刀架生产较为著名的生产商有：常州市宏达机床数控设备有限公司、常州市新墅数控设备有限公司、烟台环球机床附件集团有限公司、沈阳精诚数控机床附件厂。这些厂家中技术规格参数指标较高的是沈阳机床数控刀架分厂和烟台环球机床附件厂。表2是国内两个厂家生产的两种型号的转塔刀架的技术参数。表2 国内厂家的刀架技术参数 图1 国内产品 图2 国外产品 图1，图2分别为国内和国外生产的产品从上面两表的数据就可以看出国外生产的刀架转位速度快，在实际加工时有较高的效率。45转位并加紧时间这项种烟台环球机床附件厂生产的刀架的用时是德国肖特公司的一倍。而且两家国内生产厂家的技术还是从意大利Baruffaldi公司引进的。由此可见，国内的刀架生产技术与国外的先进水平仍有很大差距。3 已有成果 目前烟台环球机床附件厂生产的动力刀架均有不错的性能具体参数见图3 图3 烟台环球机床附件厂的动力刀架参数 目前，我校研究生在杨庆东教授的指导下也研制出了国内首创的力矩电机直驱刀架。力矩电机直驱刀架大幅度简化了刀盘的传动系统，使刀架体积大幅度减小，由于传动系统的简化，刀架的精度以及可靠性也得到了提升。2、 研究内容1 研究方向作为大学生的毕业设计对于动力刀架的设计以及研究，要紧跟国内外先进水平，在了解先进动力刀架结构的同时，设计出符合毕业设计要求的动力刀架。根据导师指导建议，设计单伺服电机驱动动力刀架。2 研究内容1、 进行数控车削中心动力刀架总体研究，并进行整体布局设计；2、 研究各种电机，为动力刀架选择合适的电机；3、 研究出一种动力切换的可行方案4、设计刀架结构、动力驱动，完成关键部件的设计计算；5、完成动力刀架的二维设计和三维设计 。3、 实现方法及预期目标基础参数动力刀架中心高 120mm刀位 12动力到头最高速度 6000r/min相邻刀具转位时间 0.2s1 实施的初步方案动力刀架基本结构：（1）转位驱动系统(2)动力驱动系统（3）冷却装置（4）精定位装置（5）装刀装置（6）数控刀架换刀动作。驱动方式方案方案一：采用双伺服电机驱动双伺服电机驱动的动力刀架是最基础的动力刀架，技术成熟，成本相对其他刀架较小。简图如图3 图3 双伺服动力刀架简图 采用两个伺服电机驱动，伺服电机1通过液压机构驱动刀盘粗分度，再由端齿盘压紧确定精确分度，伺服电机2通过齿轮传动驱动动力刀具。方案二：单伺服电机驱动动力刀架简图如图4 图 4 单伺服电机驱动动力刀架简图单伺服动力刀架只采用一个伺服电机来驱动刀盘转动和动力刀具，减小了动力刀架的体积，节省了空间，减少了功率损失。同时比起双伺服电机驱动，单电机驱动刀盘和动力刀具，有一个动力切换的问题，难度相对大一些。方案三：力矩电机直驱刀架和电主轴动力模块简图如图5 图 5力矩电机直驱刀架为我校自助研发的刀架，直驱刀盘没有传动系统精度更高，且电机在刀盘内部，极大减小了刀盘的体积，但是这种技术还不太成熟，实现的难度较大。方案四：力矩电机外置加上电主轴驱动动力刀具 简图如图 6 图 6力矩电机外置为安装动力模块提供了空间，减小了方案三的难度，但同时也增大了整个刀架的体积。根据导师的建议以及本人的能力水平决定采用方案二。采用液压与齿轮的配合切换动力。单伺服电机驱动节省了较多空间，使刀架体积变小，且只采用一个电机，提高了功率利用率。精定位机构刀具在切削时需要很高的刚性和定位精度，因此刀架选用端齿盘做精定位元件。如图 7 图 7 夹紧机构 压直接锁紧机构是由液压油紅直接控制动齿盘的松开和锁紧,刀架结构简单且刀盘锁紧力大,缩短了传动链,提高了传动效率。为了完成快速刹紧和得到大的刹紧力,松幵和刹紧一般选用液压和机械等来实现。这种机液结合的方法可以简化刀架的结构,能够迅速换向,传动平稳,缩短换刀的时间,数控刀架执行动作简单且刀盘锁紧力大,提高刀架的分度速度外,同时也使刀具寿命得到提高。装刀装置 装刀装置包括刀盘、刀夹及夹刀装置。目前刀盘有2种模式:欧式VDI刀盘和日式槽刀盘。动力刀座选择目前在市场上有多种动力刀座如：DIN1809接口类型、DIN5480与DIN5480P接口类型、DIN5482接口类型和梅花式接口类型。各种类型接口如图4图4各种动力刀座接口各种接口特点如表3表3在此毕业设计中选择DIN1809接口作为动力刀座的接口。2 重点、难点1) 伺服电机的选择2)液压机构及控制系统的结构设计3)刀盘的旋转定位与精确定位4）轮系的设计5）整个刀塔系统的运动仿真。6）单伺服电机驱动刀盘和动力刀具的协调问题3 拟解决方案1.参考机床动力学常规建模方式进行建模，然后根据方程进行动力学仿真。然后根据仿真结果，再重新优化建模方式。 2.参考实验室其他实验平台的搭建方法，在此基础上做合理的方法改进与技术的引用。3.向刀架生产厂家专业人员请教、研讨测试的相关事宜。4.通过网络和图书馆以及电子图书馆查阅相关专业性文献资料。 5.定期向导师汇报阶段性的科研成果，提出阶段性的问题，与导师共同商讨并解决实际 问题。 四、对进度的具体安排周次 任务5-6 根据老师的意见对自己的方案进行修改；选定各种部件型号， 设计整体方案计算主要参数，画出草图；7-8 关键零件设计计算强度校核，刀塔总装配草图设计，动力刀部 分设计；9-10 完成动力部分设计11-12 完成总装配图，零件图，及三维模型13-14 修改改进设计及其图纸15 完成设计说明书16 准备答辩，上交论文五、参考文献1 王家兴，马仕龙.动力刀架的发展趋势和应用分析J.机械工程师，2010，(12). 2 赵尚福，郭智春.单伺服动力刀架关键技术研究J.机械工程师.2012年6期3 马仕龙，李兆维，刘春时.动力刀架的动力刀座接口研究J.机械设计与制造.2010(12). 4刘范力旻，刘建功.伺服电机自动转位刀架应用及电机匹配计算J.宁夏机械,2003,(03). 6初福春,柳玉民.数控转塔刀架技术发展及其应用J.现代制造,2004(16):88-917郭永环.数控车床用转塔动力刀架的发展方向J.机床与液压,2002(6):25-27.8苏晓晖.机床六工位转塔动力刀架的设计J.制造技术与机床,2010(3):46.9郑申,张瑞乾.多工位数控转塔动力刀架设计J.机械研究与应用,2010(5):84-88.10刘军山.车铣复合数控机床方案设计与运动仿真分析J.西安理工大学,200111吉涛,刘乘.多工位转塔刀架的数控实现J.机床及液压,2006,(9)12张璇; 吕英波; 赵文波. 新型电动刀架的设计.机电技术.2009年 04期13郭永环.数控车床用转塔动力刀架的发展方向J.机床及液压,200214苏晓晖.机床六工位转塔动力刀架的设计J.制造技术与机床,2010(3):46-48.15吴华平,杨俊召.浅谈数控转塔刀架行业的发展J.金属加工,2010(6):20-21.16蒋宏生.数控车削中心动力刀架的计算机辅助设计.硕士学位