直驱电机集成的转塔刀架结构设计

1、直驱电机集成的转塔刀架结构设计姓名：赵启明指导教师：王科社制作时间：2014-2-24至2014-6-8总体概述 目前国内数控刀塔主要是采用高速伺服电机+齿轮传动的驱动方式,存在着机械传动链，易产生的弹性变形且难以实现高精度加工。解决这些问题途径之一就是采用直接驱动技术实现零传动，本课题设计取消了从电动机到工作台之间的一切机械中间传动环节,伺服系统省掉了机械速度变换机构,将负载与电机的转子直接相连创新点 直驱电机直驱刀塔采用直驱电机嵌入刀盘的结构，刀盘与转子磁轭固联为电机转子，电机定子绕组与主轴固联为电机定子，直接实现刀盘的旋转换刀，同时，后部设计液压机构实现鼠牙盘的分离和啮合。该刀塔创新性大

2、，具有更好的集成化结构，最小的自由度，转矩高、响应速度快和定位精度高等性能优势。基本结构 驱动部分：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，实现电机转动所需空间要求和刀盘的精定位。 鼠牙盘部分：控制刀盘的分离与刹紧。 分度部分：分粗定位和精定位，粗定位主要通过连接在电机上的编码器控制电机转动位置来实现，粗定位是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：主要由电机编码器、位置传感器等组成。 刀具系统：主要由刀盘、刀座、刀具组成。工作原理 液压系

3、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。鼠牙盘到位后接近开关发出信号，直驱电机启动，在编码器的控制下带动刀盘快速旋转到指定位置并停止。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。电机选择 此为外转子永磁同步电机，其工作原理是根据电流切割磁感线产生直驱，这点和普通电机类似。 其特点为运动更加平稳，电机气隙直径大，切向力大，从而输出转矩大，可保证正常工作。轴承 根据尺寸配合，可选择单列圆锥滚子轴承32018。校核轴承 轴承承受径向力和切向力应不大于切割时受力，径向力Fy和切向力Fz分别分

4、别为Fy=1683N、Fz=4883N，总受力为F=5164N。可见，静载荷完全满足圆锥滚子轴承的额定静载荷：220300(N)以下的条件。（计算过程后面详述）轴承寿命 对低转速的轴承，主要失效形式是疲劳点蚀，轴承任意元件出现疲劳点蚀之前工作的总转数或在一定转速下总的工作小时数称为轴承寿命。在当量动载荷作用下，轴承的工作寿命与在实际工作载荷下的寿命相等。P=X.Fr+Y.Fa P为当量动载荷（N）；Fr轴承承受径向载荷（N）；Fa轴承承受轴向载荷（N）；X,Y径向载荷系数和轴向载荷系数，查表得X=1，Y=0； 则经计算当量动载荷P为5164N。 滚动轴承的载荷P与寿命L10的关系方程为：610

5、10PCLP为轴当量动载荷（N)；L10为额定寿命(h)； 为轴寿命系数：对于球轴承为3，对于滚子轴承为10/3；C为基本额定动载荷(N），查表的139800N； 在实际应用中，习惯用工作小时数L表示寿命，若轴承的转速为n，则L10=60nL，最大转速n为40rad/min则有： 将各项数据带入计算得L=2.2X107小时，符合额定寿命的要求。PCn6010L6密封圈选择选择丁腈橡胶O形圈原因：丁腈橡胶耐汽油及脂肪烃油类的性能 特别好,其耐热性、气密性、耐磨损性及耐水性等均较好,粘接力强。刀架运动和动力学分析 转位时间控制 转动惯量估算转位时间控制 根据任务书中对换刀速度的要求，30转位并刹紧

6、时间0.8s；30转位时间0.27s，刹紧时间0.53s；180转位并刹紧时间：2.5s，即转位时间小于2s。为实现快速换刀要求，确定了直驱永磁电机的运动速度为一梯形曲线，运动时间曲线分为：加速曲线区、匀速区和减速曲线区。速度曲线如图4.1所示，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。 式中t表示刀盘在t时刻的角速度；0表示刀盘初始角速度；为刀盘角加速度；为刀盘转速。经过简单计算，我们可以得到该电机的角加速度为83.7rad/s2。0tt）单位为（snn/rad60/20060/40205. 007 .83转动惯量估算 使用cad软件里的功能可以很快