专用转塔车床转塔刀架部件设计 毕业论文.doc

毕业设计(论文)专用转塔车床转塔刀架部件设计所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文专用转塔车床转塔刀架部件设计均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 年 月 日摘 要数控机床上的刀架是安放刀具的重要部件，许多刀架还直接参与切削工作，如卧式车床上的四方刀架，转塔车床的转塔刀架，回轮式转塔车床的回轮刀架，自动车床的转塔刀架和天平刀架等。这些刀架既安放刀具，而且还直接参与切削，承受极大的切削力作用，所以它往往成为工艺系统中的较薄弱环节。随着自动化技术的发展，机床的刀架也有了许多变化，特别是数控车床上采用电(液)换位的自动刀架，有的还使用两个回转刀盘。加工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手，定现了大容量存储刀具和自动交换刀具的功能，这种刀库安放刀具的数量从几十把到上百把，自动交换刀具的时间从十几秒减少到几秒甚至零点几秒。因此，刀架的性能和结构往往直接影响到机床的切削性能、切削效率和体现了机床的设计和制造技术水平.关键词：刀架，转塔刀架,回轮刀架，车床IIIAbstractCNC machine tool holder is placed the important parts, many turret was also directly involved in cutting work, such as horizontal lathe square turret, turret lathe turret, back wheel turret lathe of wheel cutter, automatic lathe turret and balance tool carrier. The turret is placing cutting tools, but also directly involved in the cutting, under a great deal of cutting force, it often becomes a weak link in process system. With the development of automation technology, machine tool also has many changes, especially on the CNC lathe using electric ( liquid ) transposition of the automatic knife, some still use the two rotary cutter disc. Machining center is further used a knife and tool changing manipulator fixed now, high-capacity storage tool and automatic tool exchange function, this kind of knife placing cutting tools from tens to hundreds of put put, automatic tool changing time from ten seconds are reduced to a few seconds and tenths. Therefore, tool performance and structure are often directly affect the cutting performance, the cutting efficiency and the embodiment of the machine tool design and manufacturing technology level.Key Words: Tool carrier，Turret, The back wheel knife,lathe目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 绪论11.1数控机床的产生11.2数控机床的发展11.3我国数控机床的发展概况21.4 数控机床的发展趋势21.5数控刀架的发展趋势31.6 数控转塔刀架的开发应用3第二章 数控车床自动换刀装置42.1概述42.2 ATC刀具自动换刀形式52.3 数控车床刀架的功能、类型和满足的要求62.3.1数控车床刀架的功能62.3.2数控机床刀架的类型72.3.3数控机床刀架应满足的要求8第三章 车削中心动力刀架总体方案设计93.1课题的研究93.2动力刀架的整体方案设计与选择93.2.1 动力刀架的整体方案设计93.2.2液压驱动的刀架工作原理93.2.3 刀架定位精度及重复定位精度113.3动力刀架传动部分方案设计113.4 动力刀架的分度机构方案设计113.5动力刀架动力刀具方案设计113.5.1 齿轮传动的分类和特点113.5.2 齿轮传动类型选择的原则13第四章 典型零件的设计和选用134.1动力刀架传动部分134.1.1 刀架轴的结构设计及计算10134.1.2液压缸的设计154.1.3轴承的选用164.2 动力刀架的分度机构部分174.2.1伺服电机的选用174.3动力刀架动力刀具部分224.3.1交流伺服电动机的选择224.3.2齿轮设计计算及选用234.3.3轴承的选用23第六章 总结24致谢25参考文献26第一章 绪论普通车床是金属切削加工最常用的一类机床。普通机床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。1.1数控机床的产生 数控机床最早是从美国开始研制的。1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。1949年，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研制工作。并于1952年试制成功世界上第一台数控机床实验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。经过三年改进和自动编程研究，于1955年进入实用阶段。一直到20世纪50年代末，由于价格和技术原因，品种多为连续控制系统。到了60年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术不断的扩展应用范围。1.2数控机床的发展自1952年，美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等相关技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代，先后经历了五个发展阶段。第一代数控：1952-1959年采用电子管元件构成的专用数控装置。第二代数控：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。第三代数控：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。第四代数控：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统。第五代数控：从1974年开始采用微型电子计算机控制的系统。目前，第五代微机数控系统基本上取代了以往的普通数控系统，形成了现代数控系统。它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。这些控制功能是由一系列控制程序来实现的。这些数控系统的通用性很强，几乎只需改变软件，就可以适应不同类型机床的控制要求，具有很大的柔性。随着集成电路规模的日益扩大，光缆通信技术应用于数控装置中，使其体积日益缩小，价格逐年下降，可靠性显著提高，功能也更加完善。近年来，微电子和计算机技术的日益成熟，它的成果正在不断渗透到机械制造的各个领域中，先后出现了计算机直接数控系统，柔性制造系统和计算机集成制造系统。所有这些高级的自动化生产系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展趋势。1.3我国数控机床的发展概况我国从1958年由北京机床研究所和清华大学等首先研制数控机床，并试制成功第一台电子管数控机床。从1965年开始，研制晶体管数控系统，直到60年代末和70年代初，研制的劈锥数控铣床、非圆锥插齿机等获得成功。与此同时，还开展了数控加工平面零件自动编程的研究。1972-1979年是数控机床的生产和使用阶段。例如：清华大学研制成功集成电路数控系统；数控技术在车、铣、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域开始研究与应用；数控加工中心机床研制成功；数控升降台铣床和数控齿轮加工机床开始小批生产供应市场。从80年代初开始，随着我国开放政策的实施，先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。上海机床研究所引进美国GE公司的MTC-1数控系统等。在引进、消化、吸收国外先进技术基础上，北京机床研究所又开发出BSO3经济型数控系统和BSO4全功能数控系统，航空航天部706所研制出MNC864数控系统等。进而推动了我国数控技术的发展，使我国数控机床在品种上、性能上以及水平上均有了新的飞跃。我国的数控机床已跨入一个新的发展阶段。1.4 数控机床的发展趋势从数控机床技术水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自动化是数控机床的重要发展趋势。对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求具有进入更高层次的柔性制造系统和计算机集成制造系统的适应能力。在数控系统方面，目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，诸如日本的FANCU，德国的SIEMENS和美国的A-B公司，产品都向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。它们的数控系统都采用了16位和32位微机处理机、标准总线及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到1MB以上，机床分辨率可达0.1微米，高速进给可达100m/min,控制轴数可达16个，并采用先进的电装工艺。在驱动系统方面，交流驱动系统发展迅速。交流传动已由模拟式向数字式方向发展，以运算放大器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数字集成元件所取代，从而克服了零点漂移、温度漂移等弱点。1.5数控刀架的发展趋势 数控刀架的发展趋势是：随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。 目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。立式刀架有四、六工位两种形式，主要用于简易数控车床；卧式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能数控车床。另外卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。数控刀架的市场分析：国产数控车床今后将向中高档发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种，近年来需要量可达10001500台。1.6 数控转塔刀架的开发应用 数控转塔刀架是以回转分度实现刀具自动交换及回转动力刀具的传动。因此技术含量高，已趋向专业化开发生产。所以对数控转塔刀架的研究开发及应用已引起数控机床行业重视。 典型数控转塔刀架一般由动力源（电机或油缸、液压马达）、机械传动机构、预分度机构、定位机构、锁紧机构、检测装置、接口电路、刀具安装台（刀盘）、动力刀座等组成。数控转塔刀架的动作循环为：T指令（换刀指令）刀盘放松转位刀位检测预分度精确定位刀盘锁紧结束信号。第二章 数控车床自动换刀装置2.1概述 我国对加工中心的需求一直是有增无减，同时，加工中心自动换刀装置的开发也有长足的发展。对于卧式加工中心来说，有从用于JCS-013的独立式自动换刀装置到用于TH6350、TH6363、TH6380和TH63100的TB51.02双层缸式通用机械手加链式刀库（北京机床研究所设计并制造）的自动换刀装置；对于立式加工中心来说，有从用于JCS-018的气液型鼓轮式自动换刀装置到用于XH715B和XH715C的多凸轮联动型鼓轮式自动换刀装置。特别是用于TH715B和TH715C的多凸轮联动型鼓轮式自动换刀装置，他的研制成功，为我国自动换刀装置设计与制造翻开了崭新的一页，自1991年鉴定后批量生产，已累计生产了50多台，由于其结构简单，迅速可靠（刀对刀2.5s），受到广大国内外用户的一致好评。 加工中心和车削中心自动换刀装置的发展趋势是四个方向：一是高速、可靠，追求的目标是换刀时间尽量的短，以换取加工中心和车削中心的高效性；二是简单实用、造价低、使用可靠，但换刀速度不快。 自动换刀装置开发技术要全面注意下列五个方面： 1）自动换刀装置的可靠性与优化设计研究。通过对自动换刀装置进行可靠性分析研究，找出其薄弱环节，通过改进设计，使自动换刀装置故障率大大减少，保证百万次以上正常换刀的品质。通过对自动换刀装置进行多目标的优化设计，使其动态性能达到最优，进而提高自动换刀装置的性能，降低其制造成本，使刀对刀换刀时间对40刀柄不大于1s，达到世界先进水平。 2）自动换刀装置的系列化与CAD设计。使自动换刀装置适用国内厂家的各种产品，以便得到推广和使用。即达到厂家一旦提出的参数：不同刀柄型号，刀库容量等的自动换刀装置，使厂家立即投入生产，并且是处于国内先进水平的。 3）自动换刀装置制造技术研究。针对自动换刀装置中关键零件的制造技术进行研究，以提高其制造质量和降低制造成本。 4）自动换刀装置新技术的研究。跟踪国际加工中心和车削中心自动换刀装置的发展主流，研究自动换刀装置的新工作原理及新技术。 5）自动换刀装置产业化研究。自动换刀装置由专业厂生产比现有各厂家自行生产可降低成本，也能保证质量，同时在我国有巨大的市场，因此，在技术研究的基础上，应研究使我国的自动换刀装置生产走上产业化的道路，建立生产自动换刀装置的基地。 自动换刀装置的设计应满足以下基本要求： 1）换刀时间短，以减少非加工时间。 2）减少换刀动作对加工范围的干扰。 3）刀具重复定位精度高。 4）识刀、选刀可靠，换刀动作简单可靠。 5）刀库刀具存储量合理。 6）刀库占地面积小，并能与主机配合，使机床外观协调美观。 7）刀具装卸、调整、维修方便，并能得到清洁的维护4。 2.2 ATC刀具自动换刀形式 为进一步提高数控机床的加工效率，数控机床正向着工件在一台机床一次装夹即可完成多道工序或全部工序加工的方向发展，因此出现了各种类型的加工中心机床，如车削中心、镗铣加工中心、钻削中心等等。这类多工序加工的数控机床在加工过程中要使用多种刀具，因此必须有自动换到装置，以便选用不同刀具，完成不同工序的加工工艺。自动换到装置应当具备换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具储备量、占地面积小、安全可靠等特性5。 各类数控机床的自动换到装置的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具种类和数量。数控机床常用的自动换刀装置的类型、特点、适用范围见表1-1。 表1-1 自动换刀装置类型 类别型式 特点 适用范围转塔式 回转刀架多为顺序换刀，换刀时间短、结构简单紧凑、容纳刀具较少各种数控车床，数控车削加工中心 转塔头顺序换刀，换刀时间短，刀具主轴都集中在转塔头上，结构紧凑。但刚性较差，刀具主轴数受限制数控钻、镗、铣床刀库式 刀具与主轴之间直接换刀 换刀运动集中，运动不见少。但刀库容量受限 各种类型的自动换刀数控机床。尤其是对使用回转类刀具的数控镗、铣床类立式、卧式加工中心机床 要根据工艺范围和机床特点，确定刀库容量和自动换刀装置类型 用机械手配合刀库进行换刀 刀库只有选刀运动，机械手进行换刀运动，刀库容量大2.3 数控车床刀架的功能、类型和满足的要求数控转塔刀架是加工中心、数控车床必备的机床附件，尤其适用全功能数控车床。当前，数控机床发展迅猛，一方面向高速、高效、高精度方面发展，同时，在制造行业中广泛存在原有设备的数控改造和系统升级问题。作为关键附件，高性能的数控转塔刀架对于提高机床整体运行的可靠性、稳定性和效率有着重要意义，数控转塔刀架是由数控系统来控制的，因此，在转塔刀架本身性能提高的情况下，如何实现控制任务就显得十分重要了。2.3.1数控车床刀架的功能数控机床上的刀架是安放刀具的重要部件，许多刀架还直接参与切削工作，如卧式车床上的四方刀架，转塔车床的转塔刀架，回轮式转塔车床的回轮刀架，自动车床的转塔刀架和天平刀架等。这些刀架既安放刀具，而且还直接参与切削，承受极大的切削力作用，所以它往往成为工艺系统中的较薄弱环节。随着自动化技术的发展，机床的刀架也有了许多变化，特别是数控车床上采用电(液)换位的自动刀架，有的还使用两个回转刀盘。加工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手，定现了大容量存储刀具和自动交换刀具的功能，这种刀库安放刀具的数量从几十把到上百把，自动交换刀具的时间从十几秒减少到几秒甚至零点几秒。这种刀库和换刀机械手组成的自动换刀装置，就成为加工中心的主要特征6。因此，刀架的性能和结构往往直接影响到机床的切削性能、切削效率和体现了机床的设计和制造技术水平7。2.3.2数控机床刀架的类型按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式，下面对这三种形式的刀架作简单的介绍。 1. 排式刀架 排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。其结构形式为：夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床的X坐标轴方向排列在横向滑板上。刀具的典型布置方式如图2.1所示。这种刀架在刀具布置和机床调整等方面都较为方便，可以根据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具，一把刀具完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿X轴移动预先设定的距离后，第二把刀就到达加工位置，这样就完成了机床的换刀动作。这种换刀方式迅速省时，有利于提高机床的生产效率。宝鸡机床厂生产的CK7620P全功能数控车床配置的就是排式刀架。 2. 回转刀架 回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，一般通过液压系统或电气来实现机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架，并相应地安装4把、6把或更多的刀具。回转刀架的换刀动作可分为刀架抬起、刀架转位和刀架锁紧等几个步骤。它的动作是由数控系统发出指令完成的。回转刀架根据刀架回转轴与安装底面的相对位置，分为立式刀架和卧式刀架两种。 3. 带刀库的自动换刀装置 上述排刀式刀架和回转刀架所安装的刀具都不可能太多，即使是装备两个刀架，对刀具的数目也有一定限制。当由于某种原因需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。带刀库的自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成。 (a)回转刀架 (b) 排式刀架 图2.1 机床刀架类型结构图2.3.3数控机床刀架应满足的要求 1） 满足工艺过程所提出的要求。机床依靠刀具和工件间相对运动形成工件表面，而工件的表面形状和表面位置的不同，要求刀架能够布置足够多的刀具，而且能够方便而正确地加工各工件表面， 为了实现在工件的一次安装中完成多工序加工，所以要求刀架可以方便地转位。 2） 在刀架以要能牢固地安装刀具，在刀架上安装刀具进还应能精确地调整刀具的位置，采用自动交换刀具时，应能保证刀具交换前后都能处于正确位置。以保证刀具和工件间准确的相对位置。刀架的运动精度将直接反映到加工工件的几何形状精度和表面粗糙度上，为此，刀架的运动轨迹必须准确，运动应平稳，刀架运转的终点到位应准确。面且这种精度保持性要好，以便长期保持刀具的正确位置。 3） 刀架应具有足够的刚度。由于刀具的类型、尺寸各异，重量相差很大，刀具在自动转换过程中方向变换较复杂，而且有些刀架还直接承受切削力。考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量，所以刀架必须具有足够的刚度，以使切削过程和换刀过程平稳。 4） 可靠性高。由于刀架在机床工作过程中，使用次数很多，而且使用频率也高，所以必须充分重视它的可靠性。 5） 刀架是为了提高机床自动化而出现的，因而它的换刀时间应尽可能缩短，以利于提高生产率。目前自动换刀装置的换刀时间在0.86秒之间不等。而且还在进一步缩短。 6） 操作方便和安全。刀架是工人经常操作的机床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是评价刀架设计好坏的指标。刀架上应便于工人装刀和调刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作调整刀架的手柄（或手轮）要省力，应尽量设置在便于操作的地方8。 第三章 车削中心动力刀架总体方案设计3.1课题的研究 从国内外市场调研结果看，国内对数控车床转塔刀架的设计和生产都是依赖于先进国家的，而且产品的性能方面跟国外还有一定的差距，期待开发设计一种性能最优，最有实用价值的转塔刀架，适应市场，替代进口产品低价位的数控车床用转塔刀架，占领国内市场，并达到国际领先水平，为国产机床工业的发展作出贡献。车削加工中心是目前国际上比较前端的一种数控机床，可以进行多工序加工，如车削、钻削、铣削等。有关人士指出，数控机床附件及其配套功能附件是我国机床工具制造业“十五”计划重点发展产品。虽然我国数控机床产品附件的研制由无到有，取得了显著成绩，但与国外先进水平相比还是有一定差距的。为确保国产数控机床的大发展，就必须把数控机床附件尽快搞上去。为此他们建议国家有关部门，尽快制定有关鼓励、扶持国产数控机床附件发展的相关政策，加大数控机床附件行业科研和技术改进投入，使国产数控机床附件行业有一个大发展。而且动力刀架是数控机床附件中尤为重要的一个部件，把这一技术提高是我们义不容辞的事情。3.2动力刀架的整体方案设计与选择3.2.1 动力刀架的整体方案设计 刀架是车床的重要组成部分，车削中心的动力刀架可安装各种非动力辅助刀夹和动力刀夹进行切削，用于夹持切削用的刀具,因此其结构直接影响到车床的切削性能和切削效率。刀架采用端齿分度，转位由交流伺服电动机驱动，刀位由二进制绝对编码器识别，动力刀具由变频电机驱动，通过同步齿形带等将动力传递到刀夹。 根据前部分对机床刀架类型、性能及其使用场合的综合比较，并结合现有数控车床的实例，本次设计的车削中心动力刀架拟采用液压驱动的动力转塔刀架。该刀架的换刀动作分为刀盘抬起、刀盘分度转位和刀盘锁紧三个步骤，其中刀盘抬起由单作用液压缸来实现，刀盘锁紧由碟形弹簧复位来实现，而刀盘的分度转位是由圆柱凸轮分度机构来实现的，由伺服电机驱动凸轮轴实现分度。3.2.2液压驱动的刀架工作原理液压驱动的转塔刀架，是用液压缸夹紧，液压马达驱动分度，端齿盘副定位，当刀架接收到转位指令后，液压油进入液压缸的右腔，通过活塞推动中心轴将刀盘左移，使定位副端齿盘脱离啮合状态，为转位作好准备。当刀盘处于完全脱开位置时，行程开关发出转位信号，液压马达带动转位凸轮旋转，凸轮依次推动回转盘上的柱销。使回转盘通过键带动中心轴及刀盘做分度运动。凸轮每转一周拨过一个柱销。使刀盘旋转1/n周（n为刀架的工位数）。中心轴的尾端固定着一个有n个齿的凸轮，当中心轴和刀盘转过一个工位时，凸轮压合计数开关一次，开关将此信号送入控制系统。当刀盘旋转到预定工位时，控制系统发出信号使液压马达刹车，转位凸轮停止运动，刀架处于预定位状态。与此同时，碟形弹簧复位，通过活塞将中心轴拉回，端齿盘副啮合。精确定位，刀盘便完成定位和夹紧动作。刀盘夹紧后，中心轴尾部压下发出转位结束信号。 图3.2车削中心动力转塔刀架示意图3.2.3 刀架定位精度及重复定位精度 定位精度是指转塔到位后，刀架指定工位把刀孔中心线与设计中心线在竖直平面内的偏差。重复定位精度是指刀架各工位反复锁紧多次后的偏差平均值。由于该刀架转塔到位前，控制刀架初定位的霍尔元件发出信号使控制电机的电磁阀断电，此时电机内部的机械自锁部件使电机停在预定位置上，所以刀架具有较高的定位精度和重复定位精度。3.3动力刀架传动部分方案设计本次设计的车削中心动力转塔刀架是通过液压驱动来实现刀架抬起动作，当刀架轴尾部检测装置触碰到微动开关，刀架开始转位，而转位动作是由圆柱凸轮分度机构来实现的，换刀时间为1s，最后一个动作为刀架琐紧动作，由端齿盘来进行琐紧定位。3.4 动力刀架的分度机构方案设计生产和日常生活中，经常需要某些机构的主动件连续运动，从动件产生“动作停止动作”的间歇运动，实现这种运动的机构，称为间歇运动机构。常用的间歇运动机构有棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构和凸轮式间歇机构等。它们广泛用于自动及半自动机床的进给机构、送料机构、刀架转位机构及包装机等机构中。3.5动力刀架动力刀具方案设计 车削加工中心自驱动动力刀具主要由三部分组成：动力源，变速传动装置和自驱动力刀具附件（钻孔附件和铣削附件）。采用变频电机作为其动力源，圆柱齿轮传动作为其变速传动装置。 目前齿轮技术可达到的指标：圆周速度v=300m/s，n=105r/min，传递的功率P=105kW，模数m=(0.004100)mm，直径d=1mm152.3mm。3.5.1 齿轮传动的分类和特点 其特点： 1） 瞬时传动比恒定。非圆齿轮传动的瞬时传动比又能按需要的变化 规律来设计。 2）传动比范围大，可用于减速或增速。 3）速度（指节圆圆周速度）和传动功率的范围大，可用于高速(v40m/s)、 中速和低速(v25m/s)的传动功率可从小于1W到105W。 4）传动效率高，一对高精度的渐开线圆柱齿轮，效率可达99%以上。 5）结构紧凑，适用于近距离传动。 6）制造成本较高，某些具有特殊齿形或精度很高的齿轮，因需要专用 或高精度的机床、刀具和量仪等，故制造工艺复杂，成本高。 7）精度不高的齿轮，传动时噪声、振动和冲击大，污染环境。 8）无过载保护作用。3.5.2 齿轮传动类型选择的原则 1）满足使用要求，如对传动结构尺寸、重量、功率、速度、传动比、寿命、可靠性的要求等。对以上要求应作全面的、深入分析，满足主要的要求，兼顾其他。如对大功率长期运转的固定式设备，则着重于齿轮的寿命长和提高齿轮的传动效率；对短期间歇运动的移动式设备，应要求结构紧凑为主；对重要的齿轮传动，则要求可靠性高。 2）考虑工艺条件，如制造厂的工艺水平、设备条件、生产批量等。 3）考虑合理性、先进性和经济性等。 由于本次设计的车削中心动力刀架动力刀具传递范围和切削功率比较大以及加工的难易程度，为了满足要求，所以选择以渐开线圆柱齿轮传动来实现动力刀具的旋转。 第4章 典型零件的设计和选用4.1动力刀架传动部分4.1.1 刀架轴的结构设计及计算10 1. 轴是组成刀架的重要零部件之一，在设计当中主要考虑的是轴的刚度，而碳钢与合金钢的弹性模数相差很小，所以通常选用轴的材料35和45钢，这里选用的是45钢，进行调质处理，以改善装配工艺和保证装配的精度。 2. 这次刀架中用到了以下几种固定方式： 1）常用的是运用轴肩，其结构简单，定位可靠。2）螺母的轴向定位，其定位可靠、装拆方便，但是会增加零件的数量，常用双螺母或圆螺母与止动垫圈固定，运用在轴承的固定上。3）轴套也是用到比较多的，它的结构简单、定位可靠，轴不开槽、钻孔等，可以提高轴的强度。4）弹性挡圈其结构简单、紧凑、工艺性好，但是应力集中较大，适合轴向力小的场合，在这里主要用于轴承的固定。5）轴端挡圈装拆方便可以承受大的轴向力、振动，用于轴端固定零件。6）花键的纵向固定，其承载能力高，定心性、导向性好，装拆方便，不过制造困难，在这次设计中运动的是矩形花键，主要用在分度机构转盘与刀架轴、凸轮的纵向定位中。7）其次平键，其承受载荷不大。 8）紧定螺钉结构简单，不仅可以纵向定位，还能轴向定位，承受不大的轴向力。 3. 由刀架装配图可知，刀架主轴的支承方式为两端游动支承，其一端与刀盘固连，另一端与液压缸的活塞间隙配合，同时起到左端支承作用。而轴的中间部位由刀盘至液压缸的方向分别与推力球轴承和从动盘相连，双列圆柱滚子轴承与滚针轴承起左端支承作用。已知伺服电机的功率为0.3kW，电机转速n1=1400r/min，取圆柱凸轮效率为=0.96。如图4.1 1) 先求出刀架主轴上的传递功率、转速和转矩 P2=P=0.30.96=0.288kW n3=60/8=7.5r/min 2) 初步确定轴的最小直径由式 可初步估算设计轴的最小直径式中：为系数，轴的材料不同，则的值会不同； 为轴传递的功率，单位为； 为计算截面处轴的直径，单位为mm； 为轴的转速，单位为；选取轴的材料为45钢，调质处理。根据表153，取，于是得从而取轴的最小直径为dmin=36mm；轴的最大直径为dmax=119mm。 图4.1刀架轴示意图4.1.2液压缸的设计4.1.2.1 选择液压缸类型 液压缸按其结构的形式，可以分为活塞缸、柱塞缸和伸缩缸等。 （1）活塞式液压缸 双杆活塞缸 缸筒固定的双杆活塞缸，活塞两侧的活塞直径相等，它的进、出油位于缸筒两端。当工作压力和输入流量相同时，两个方向上输出的推力F和速度v是相等的。 这种安装形式，工作台移动范围约为活塞有效行程的三倍，占地面积大，使用于小型机械。 单杆活塞缸 由于只在活塞的一端有活塞杆，使两腔的有效工作面积不相等，因此在两腔分别输入相同流量的情况下，活塞的往复运动速度不相等。他的安装也有缸筒固定和活塞杆固定两种，进、出口的布置根据安装方式而定；但工作台移动范围都为活塞有效行程的两倍11。 由于该液压缸主要用于驱动刀架主轴的直线往反运动.故选用双作用单杆活塞缸。4.1.2.2 液压缸内径D和活塞直径d的计算 计算液压缸的内径和活塞杆直径都必须考虑到设备的类型，例如在金属切削机床中，对于动力较大的机床(刨床、拉床和组合机床)一定要满足牵引力的要求，计算时要以力为主;对于轻载高速的机床(磨床、珩磨机和研磨机等)一定要满足速度的要求，计算时要以速度为主。由于本刀架的抬起动作是在数控车床脱离切削时完成的，因而在换刀过程中并没有承受切削力的作用，所以进油压力不需要很大，此次设计进油压力确定为低压02.5MPa，然后根据进油压力查表20-6-3可初步选定速比=1.33(计算速比主要是为了确定活塞杆的直径和要否设置缓冲装置。速度不宜过大或过小，以免产生过大的背压或造成因活塞杆太细导致稳定性不好。) 可按下式初步选取d值： (4-1) 根据活塞杆侧公式 (4-2) 式中 F2 液压缸的理论拉力； p 供油压力； D 缸筒内径； d 活塞杆直径。 根据式4-1和式4-2得D=94.8mm，查液压设计手册表20-6-2选D=100mm，再根据表20-6-9中选得缸筒外径D1=121mm，根据表20-6-16选出d=50mm。 4.1.3轴承的选用 1. 轴承内部结构 轴承内部一般由内圈、外圈、滚动体和保持架组成-通常称为四大件。对于密封轴承，再加上润滑剂和密封圈（或防尘盖）-又称六大件。 2. 轴承分类与特点 总的可以分为球轴承和滚子轴承两大类。球轴承分为深沟球轴承、角接触球轴承、调心球轴承、推力球轴承、推力角接触球轴承。滚子轴承分为圆柱滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承、调心滚子轴承、推力圆柱滚子轴承、推力滚子轴承、推力圆锥滚子轴承、推力调心滚子轴承。 刀架轴向所选轴承的特点 深沟球轴承1.转速高2.精度高3.噪声、振动小4.主要承受径向载荷5.也能承受一定轴向载荷6.制造简单，成本低 滚针轴承1.转速较高2.能承受较高的径向载荷（比径向尺寸相同的其他轴承承受的径向载荷大）3.不能承受轴向载荷4.刚性较高 推力球轴承1.转速低2.只能承受单面轴向载荷3.轴圈和座圈不能倾斜3. 轴承的转速 滚动轴承的转速主要受容许运转温度的限制，摩擦阻力较低的轴承产生的内热较小,最适合高速运转，只承受径向载荷时，深沟球轴承或圆柱滚子轴承的容许转速最高,但若承受联合载荷时，角接触球轴承的容许转速最高12。 本次刀架轴从动盘以左使用深沟球轴承和滚针轴承来承受径向载荷，右端使用推力球轴承来承受轴向载荷。4.2 动力刀架的分度机构部分 动力刀架的转位需要凸轮分度机构来实现，而驱动凸轮轴旋转是由伺服电机来实现的，电机的选择要满足所需负载和转矩。从而需要我们对电机进一步的选择。4.2.1伺服电机的选用4.2.1.1伺服电机的分类 直流伺服电机分为：有刷和无刷电机。 有刷电机-成本低，结构简单，启动转矩大,调速范围宽,控制容易,需要维护,但维护方便(换碳刷),产生电磁干扰,对环境有要求。因此它可经用于对成本敏感的普能工业和以用场合。 无刷电机-体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于名种环境。交流伺服电机：也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。4.2.1.2 伺服电机的一般选择原则 在确定了电机系列和额定转速后，按以下3个要素确定伺服电机容量： 1）负载惯量比。若负载惯量比过大，则控制易变得不稳定，伺服参数调整也很困难。 2）短时间特性（加减速转矩）。伺服电机除连续运转区域外，还有短时间内的运转特性如电机加减速，用最大转矩表示，最大转矩影响驱动电机的加减速时间常数。 3）连续特性（工作状态载荷扭矩）。对要求频繁启动、制动的数控机床，为避免电机过热，必须检查它在一个周期内电机转矩的均方根值，并使它小于电机连续额定转矩。4.2.1.3伺服电机的选用 刀架驱动电动机的选择应同时满足刀架运转的负载扭矩和起动时的加速扭矩的要求。1) 刀架负载扭矩的计算 动力刀架负载扭矩估算方法如下：由于这种刀架的负载扭矩主要用来克服刀具质量的不平衡，估算按如下的情况进行：用平均重力的刀具插满刀盘的半个圆，根据工艺要求所需的各种刀具，确定每个刀具的（包括刀柄）平均重力，而其重心则设定为离刀架回转中心2/3半径处。由以上的方法可知，由于是8工位动力转塔刀架，因而插满刀盘的半个圆需要4把刀具。设工艺要求所需的每个刀具的平均重力=4.9N；刀盘的回转中心直径D=312.5mm。则有 2) 刀架加速扭矩的估算 （4-3） 式中 -刀架换刀时的电动机转速(r/min); -加速时间,通常取150200ms; -电动机转子惯量(),可查样本; -负载惯量折算到电动机轴上的惯量(). 3) 负载惯量折算到电动机轴上的惯量的估算 （4-4） 式中 -各旋转件的转动惯量(); -各旋转件的角速度(); -各直线运动件的质量(); -各直线运动件的速度(); -伺服电机的角速度().4) 各旋转件的转动惯量的估算 由刀架的结构简图可知,刀架在完成换刀动作时,伺服电机带动其旋转的部件共3个,它们分别是从动盘,刀架主轴和刀盘。因而只需估算这三者的传动惯量即可。(1) 刀盘转动惯量的计算 其主要尺寸如下：刀盘外径D1=382mm；刀盘与刀架主轴相连的孔径d1=80mm；刀盘宽P=69mm。 则刀盘的转动惯量 =1.13 (2)刀架主轴的转动惯量按如下的方法估算： 刀架主轴的最大直径dmax=119mm；最小直径dmin=36mm；刀架主轴长度取l=503.3mm 则刀架主轴的转动惯量 =0.2237 （3）从动盘的转动惯量的计算 其主要尺寸如下：从动盘分度圆直径D2=117mm，宽度P=20mm则从动盘的转动惯量 =0.0028 求得圆柱凸轮的分度圆直径Dh32=50mm圆柱凸轮的转动惯量 =0.0002 (4) 联轴器转动惯量的计算 由于联轴器已标准化，查表取联轴器的转动惯量 (5) 对各旋转件的角速度作如下设定： 伺服电机的角速度 ；凸轮的角速度 ；从动盘的角速度 刀架主轴的角速 ；刀盘转位时的角速度 。 则将以上计算所得的数据代入下式： 得负载惯量折算到电动机轴上的惯量 =0.000373 取；刀架换刀时伺服电机的转速；伺服电动机转子转动惯量Jm=0.00003。则刀架加速扭矩 = 6) 驱动电动机输出扭矩的估算 驱动电动机的输出扭矩应同时满足刀架负载扭矩和加速扭矩之和，将以上计算的刀架负载扭矩和加速扭矩换为驱动电动机轴上的输出扭矩的公式为： （4-5）式中 -传动效率 取0.75。则有 考虑到实际情况比计算时所设定条件复杂，电动机额定转矩应为的1.21.5倍。所以取经查阅西门子电机手册，选项用西门子1FT6交流伺服电动机。该电机的额定转速为1500r/min，额定输出转矩为5Nm，额定功率为0.4kW。4.3动力刀架动力刀具部分车削加工中心自驱动力刀具主要由三部分组成：动力源，变速传动装置和自驱动力刀具附件（钻孔附件和铣削附件）。采用变频电机作为其动力源，圆柱齿轮传动作为其变速传动装置。4.3.1交流伺服电动机的选择4.3.1.1概述 伺服电机是由同步电动机，转子位置传感器，速度传感器组成。 1. 结构 它主要由三部分组成：定子、转子和检测元件（转子位置传感器和测速发电机）。其中定子有齿槽，内有三相绕组，形状与普通感应电动机的钉子相同。但其外圆多呈多边形。且无外壳，以利于散热，避免电动机发热对工作台精度造成影响。 2. 工作原理 一个二极永磁转子（可多极），当定子三相绕组通上交流电源后，产生一个旋转磁场，用另一对旋转磁极表示，该旋转磁场将以同步转速ns旋转。由于磁极同性相斥，异性相吸与转子的永磁磁极相互吸引，并带者转子一起旋转，因此，转子也将以同步转速ns与旋转磁场一起。当转子加上负载转矩之后，转子磁极轴线将落后定子磁场轴线一个角度，随着负载增加，此角度也随之增加；负载减小时，角度也减小；只要不超过一定限度，转子始终