CK6130车削中心动力转塔刀架设计

摘要数控车床今后将向中高当发展，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，预计近年来对数控刀架需求量将大大增加。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。根据加工对象不同，有四方刀架、六角刀架和八（或更多）工位的圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。回转刀架上分别安装四把、六把或更多刀具，并按数控装置的指令换刀。本部分主要对四工位立式电动刀架的机械设计和应用继电-接触控制系统控制部分的设计。并对以上部分运用UGNX10做图，对电动刀架有更直观的了解。关键词：数控刀架，电动刀架，四工位Abstractnumericalcontrollathe,willinfuturedevelopment,themiddle-gradehighwhentobysupporting,high-gradenccutterrevisedbybothcutting,dynamictypehydrauliccutter,servocutter,verticalcutteretcvarieties,expectedinrecentyearsonthenccutterdemandwillincreasegreatly.Nccutteristhedevelopmenttrendofthedevelopmentofnumericalcontrollathe,alongwith,nccutterbegantochangecuttersquicklyandelectrohydraulicservodrivercombineddrivinganddirection.Accordingtodifferenttargets,havefourprocessingcutting,hexagonalcutterandeight(ormore)candise-typeaxialoutfitknifeknife,andotherforms.Turnthetoolcarrierseparatelyinstallsfour,sixormoretools,andpressCNCequipmentinstructionschangeknife.Thispartof4Labourverticalelectricmainlythemechanicaldesignandapplicationofcuttingtherelay-contactcontrolsystemofcontrolpartofthedesign.AndtheabovepartofUGNX10dodiagram,amoreintuitiveelectricknifeunderstanding.Keywords:nccutter,electriccutter,fourlocations前言一个国家或地区的发达程度，制造业是一个重要的恒量标准和尺度，其发展水平实力着重体现在，科技技术水平，生活水准和国防实力。全球市场的竞争最终体现在一个国家或地区的机械制造水平及其机械制造的设计、研发和生产能力上。自上世纪60年代第一台数控设备问世以来，同时计算机应用技术、现代电子控制技术、传感电器设备的检测技术、信息数据的处理技术、网络端口通信技术以及机械设计加工制造技术在各他领域的高速发展，数控应用控制技术已成为近代先进制造行业中不可或缺的基础性技术。同时，因为数控设备的数控系统技术难度高，品种规格较多。出现了数控设备的“使用困难、维修难度高”等问题，这些问题是直接影响数控设备高效使用的首要问题，急待解决！在西方的一些发达国家都比较重视机械设计加工制造业的发展，相比较而言，我国机械设计加工制造的整体水平还是有些落后的，具体表现在大多数机械加工制造工厂所运用的机械加工制造设备基本上是采用通用机械设备再加上专用工艺进行改制。数控加工设备在机械制造装备中的占有率比较低，这就直接导致产口更新较慢，加工生产批量不能太少，生产品种规格不能过于繁多；自动化的集成程度从根本上来说，依旧是一个生产工人运用一把刀具操作一台加工设备，这就直接导致生产效率不高，产品质量可靠性、稳定性较差。因此，要缩小我国同工业发达国家的差距,我们必须在机械制造装备方面大下功夫，其中最重要的一个方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重[1]。本课题为CK6130车削中心动力转塔刀架设计及三维制作，该刀架能够在一次装夹中完成多道工序，使加工范围扩大，大大提高了加工精度和生产效率。本次设计的课题的主要内容如下：1.CK6130数控机床刀架的总体设计和布局；2．刀架的传动部分的机构设计；3．刀架的分度部分机构设计；4．刀架所采用的刀具部分。此次课题所设计中的重点和难点是分度机构部分和刀架动力部分的设计。经过查阅大量的文献资料，参观数控设备展销会，到工厂观察设备实物等方式，采用了以下的研究手段：刀架换刀的回转的步骤是，第一步先让刀盘抬起，第二步是刀架锁紧和第三步刀盘转位完成换刀三个动作。其中刀盘抬起和刀架锁紧的动力源均由液压来实现，刀盘换位转动则由伺服电动机作为动力源。要实现第一步让刀盘抬起的动作有以下几个步骤：电控软件系统发出刀盘抬起指令液压系统启动压力油进入液压缸右腔活塞向左运动刀架主轴向左移动端齿盘脱离啮合实现刀盘抬起动作。要实现刀盘转动换的位动作需要经过以下几个步骤：电控软件系统发出刀盘转位的指令伺服电机启动圆柱凸轮转动刀架主轴转动实现刀架换位动作。刀盘自动锁紧步骤是：系统发出刀盘锁紧指令：碟形弹簧复位活塞向右运动刀架主轴向右移动端齿盘啮合实现刀盘锁紧。第一章绪论1.1目前国内外数控加工设备的研究状况与取得成果在80年代，我国从日本发那科公司引进了多轴数控机床如5,6,等系列的数控系统和直流伺服电机的制造技术，同时，我国还自行研发了3、4、5轴联动的数控系统以及双电机驱动的同步数控系统推动了我国数控机床稳定发展。我国在采购引进、消化国外技术的基础上，进行了大量开发工作。一些较高难度和高精密度的数控系统，分辨率为0.02的高精度控制系统，都开发出来了，并制造出试样样机。我国的数控加工设备设计制造技术经过多年发展，结合各大院校出培养了一批数控人才，基本形成了自己的数控产业。其中“十五”攻艰克难取得的研究成果：华中号、中华号、航天号和蓝天号这几种数控系统构成了具有中国自主的数控技术平台。经过多年的发展，它们运行的可靠性和稳定性都有的质的提升。它们逐渐被用户认可，在市场上站住了脚[2]。1.2数控刀架未来的发展趋势目前国内数控机床上的刀架依然是以电力动为主要动力源，其中数控车床又分为数控立式车床和数控卧式车床两种。刀架的数控技术主要向电能液压相结合作为动力来源和更快速精准的换刀等主面发展。第二章数控车床自动换刀装置2.1概述自动换刀装置是数控车床最普遍的一种辅助装置，它可使数控车床在工件一次装夹中完成多种甚至所有的加工工序，以缩短加工的辅助时间，减少加工过程中由于多次安装工件而引起的误差，从而提高机床的加工效率和加工精度[3]。目前国内自动换刀装置的发展趋势大致是有以下几点：一是换刀速度快、稳定性可靠性高，以保证提高数控加工设备的高效率；二是实用型的，制造容易、造价低。自动换刀的刀架或刀库的设计要满足以下基本要求：1）避免换刀的动作对加工范围的影响。2）刀架旋转至同一位置的高精度的重复定位。3）快速识别选择刀具，更换刀具动作简单可靠。4）刀库刀具存储量合理。5）刀库用空间不宜过大，和机床外观协调美观。7）刀具装卸、调整、维护方便，并能得到清洁的维护[4]。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]。数控设备常用回转刀架的类型、特点、适用范围见表1-1。表1-1自动换刀装置类型图表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2.2数控机床刀架的类型根据换刀方式的不同，刀架系统主要有排式刀架和带刀库的自动换刀装置、回转刀架等多种形式，下面对这几种形式的刀架作简要的介绍：2.2.1排式刀架排式刀架主主要应用在小型数控车床，以棒料加工或盘类零件为主。其结构形式简述如下：夹持固定着各种刀具的刀座沿着机床的X轴方向有序排列在大拖板上。刀具的布置方式如下图2-1（b）所示。2.2.2回转刀架

回转刀架在数控设备上是最常用的一种刀架，动力来源一般有液压系统或电气来实现机床刀架的换刀动作。2.2.3带刀库的自动换刀装置

当需要数量较多的刀具时，就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)回转式刀架(b)排式刀架图2-1机床刀架类型结构图第三章车削中心动力刀架总体方案设计3.1研究调查与收集资料3.1.1课题的设计调研目前国际上比较高端的一种数控设备是数控加工中心，一台数控加工中心就可以进行多道工序的生产加工，如车、铣、钻孔攻丝等。我们要在现有的基础上，把我国数控加工设备整体上进行提升，从现有到精密。而且刀架是数控加工设备中尤为重要的一部分，我们有责任把这一技术进行提高。3.1.2课题所需资料的收集此次课题涉及到的知识比较多，需要大量的查阅相关资料，涉及到的知识点包括：数控设备的结构构成、数控机床的自动换刀装置等方面；包括一些机械结构设计、机械传动比率设计、液压控制系统、分度系统中分度配置设计等方面的知识，为此到图书馆查阅一些相关资料：例如《机械设计手册》；《数控车床设计技术》；《现代实用机床设计手册》；《实用机床设计手册》等等。3.2刀架设计和选择的整体方案3.2.1刀架设计和选择的整体方案动力刀架是数控机床不可或缺的组成部分，数控加工中心的刀架能够安装各种刀夹进行切削加工，其结构的选择和设计的合理性将直接影响到数控机床的切削性能和效率。动力刀架运用端齿分度，刀架转动换位由交流伺服电机作为动力源，刀位号的识别采用二进制绝对编码器，刀具由变频电动机作为动力源，用同步带将动力传导致刀夹。根据上述部分对动力刀架类型、性能及应用范围等多方面的比较，同时结合现有数控加工设备的实例，此次课题所设计的CK6130车削中心动力刀架将采用液压驱动的动力转塔刀架。该动力刀架的换刀动作分为以下几个步骤：1、刀盘抬起；2、刀盘分度转动换位；3、刀盘锁紧3.2.2液压驱动的刀架工作原理拟采用的液压驱动的转塔刀架，采用液压缸松开夹紧，液压电机驱动分度，定位副端齿盘，当动力刀架接收到数控系统发出的转动换位命令后，液压油就会进入液压缸的右腔，推动活塞中心轴迫使刀盘左移，动力刀架也就完成了转动定位和夹紧动作。刀盘夹紧后，中心轴尾部压下开关会发出转动换位结束信号。图3-1转塔刀架示意图3.2.3刀架转动实现重复定位和定位精度的控制此次设计的动力刀架转塔在到位前，采用霍尔元件在控制刀架到达预定位工位号时，发出信号命令控制电机的电磁阀断电，此时伺服电机内部的机械自锁装置会使电机停在预定位置上，动力刀架也就具备了较高的重复定位精度和定位精度。3.3刀架传动部分的设计方案此次课题所设计的数控转塔刀架是通过液压驱动作为动力源来实现刀架抬起的动作，数控系统发出换位指令时刀架轴尾部检测装置会触碰到微动开关，刀架开始执行换位命令，而转位动作是由圆柱形凸轮分度机构来实现的，在1s内完成转动换位，最后一个动作为刀架琐紧动作，采用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1)棘轮机构主要由摇杆、制动爪、棘爪、机架和棘轮这此部分组成。根据其结构又可分为不带轮齿的摩擦式的棘轮机构和带轮齿的棘轮机构两类。优点是结构较为简单，可以很方便的改变转角的大小，缺点是动力小，刚性差，故尔大多应用在对转速、精度等要求不高的场合。2)凸轮间歇转动机构主要是由转盘、凸轮以及机架所组成的。这种转动机构主要有两种运动形式，一个是蜗杆凸轮间歇运动机构，另一种是圆柱凸轮间歇运动，凸轮机构能够通过调整转盘和凸轮中心距离来消除凸轮突脊接触和滚子之间的间隙

凸轮间歇运动机构的优点比较多：比如传动时较高的可靠性、平滑稳定性，转盘能够实现各种运动规律，高转速的要求能够得以适应。缺点是：凸轮制造麻烦，对材质和加工生产的精度要求高。常用于需间歇转位的分度装置和要求步进动作的机械中，如多共位立式半自动机床工作盘的转位、轻工业包装机等[9]。图3-2圆柱形凸轮分度机构示意图综合上述几种转位机构优缺点和相关特点，并结合实际情况，此次课题所设计的刀架决定采用间歇分度机构——圆柱形凸轮分度转位机构。如图3-2所示。3.5刀架及动力刀具设计方案此次课题运用变频电动机作为动力来源，圆柱形齿轮传动作为调整变速传动的装置。3.5.1齿轮传动的分类和特点介绍如下：其特点如下：1）传动功率的范围大，可应用在低速、中速和高速场合。2）传动效率高。3）结构体积小，占用空间少。4）生产制造成本高，加工工艺复杂。3.5.2传动类型的齿轮选择原则1）为了满足使用需求，对传动结构体积、质量、功率大小、速度快慢、传动比高低、寿命长短、稳定性、可靠性的要求等。从以上几点根据使用环境场合作出相应选择。2）思考加工工艺条件，如生产单位的生产工艺水平、设备状况等。3）思考选用的齿轮的合理性和经济性等指标。根据此次课题所设计的CK6130数控车床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，同时为了满足要求，选择以渐开线圆柱形齿轮传动来实现刀架的旋转。关键零件的选择和设计4.1刀架传动部分的选择和设计4.1.1刀架轴的结构设计及计算[10]1.组成刀架的关键零件之一是刀架传动轴，刀架传动轴的刚性在设计当中是要主要考虑的，材质的选择就尤其重要了。我们知道优质的中碳钢和合金钢的弹性模数几乎没有差别，所以我们选用的刀架传动轴的材料选是45#钢，并对材料进行调质处理，以改善材料的性状，提高加工精度。2.此次设计的动力刀架用到的固定方式如下：1）市场上最常用的是采用轴肩固定，这种结构简单，定位稳定。2）采用轴套固定也是用的比较多的一中固定方式，它定位稳定可靠，轴也用额外的打孔、铣槽等，不会影响轴的刚性。3）采用弹簧挡圈这种方式的结构比较简单、节约空间，应力比较容易集中，在在此次刀架轴中主要运用到轴承的固定上。3.通过查看动力刀架装配图可知，刀架主轴的支承方式采用的是两端浮动支承，其中一端与刀盘相固定连接，另一端则与液压缸的活塞相连接，也起到了对左端支承的作用。而轴的中间部分则由刀盘至液压缸的方向分别和推力球轴承以及从动盘相固连，两个圆柱滚子轴承和滚针轴承一同起到对左端支承的作用。已知伺服电动机的额定功率为0.3kW，电机额定转速为n1=1400r/min，取圆柱形凸轮效率为η=0.96。如下图4-1所示1)先计算出刀架主轴上的传动功率、转速和转矩P2=Pη=0.3×0.96=0.288kWn3=60/8=7.5r/min2)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15—3，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4.1.2液压缸的选择和设计选择液压缸结构类型单活塞式液压缸的特点：由于缸筒内只有一端有活塞杆，缸筒腔内的有效工作面积就不会相等，在缸筒两腔内流量的输入相等的情况下，因其缸筒内面积不同，那么单杆活塞的往复运动速度也不会相等。工作台移动范围都为活塞有效行程的两倍[11]。因该款液压缸主要作用是带动刀架主轴的直线往复运动.故尔选用单杆活塞式液压缸。计算液压缸体内径D和活塞杆直径d活塞杆的直径和缸体内径的选用都必须考虑到设备的类型，此次设计的动力刀架的抬起动作是在数控车床停止车削时完成的，因此在换刀过程中不会承受切削力的作用，所以油缸不需要太大的进油压力，本次设计的进油压力是低压（0~2.5MPa），查阅进油压力表20-6-3，能够大致确定进出速比为φ=1.33按下列公式初步选取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——输油压力；D——缸体内径；d——活塞杆直径。根据式4-1和式4-2得D=94.8mm，查阅液压设计手册表20-6-2，选用D=100mm，再查阅手册表20-6-9，选用缸体外径D1=121mm，查阅手册20-6-16，活塞杆外径采用d=50mm。4.1.3碟形弹簧的计算及选用[10]碟形弹簧是是直接采用钢板冷冲压成形的压缩性弹簧。它具有以下特点：（1）刚性好能够承受大载荷。（2）具有变形后回弹力较好的性状。查阅《机械设计手册》中的表7.2-2碟形弹簧的系列、尺寸和参数选出弹簧D=100mm，d=51mm,t=6mm,h0=2.2mm,H0=8.2mm。D外径d内径t弹簧厚度h0压平后的变形数值H0自然状态下厚度如图4-2所示（1）计算f1的值用碟形弹簧的直径比C=，查表7.2-5得知K1=0.686，K2=1.211，K3=1.362。弹簧没有支承面，K4=1。计算得到FC——弹簧压平时载荷（N）；K1、K2、K3、K4——计算系数；由此变形量f1=0.28h0=0.28×2.2=0.616mm，总变形量fz=6×0.616=3.696mm。（2）疲劳破坏的关键部位由和C=1.96查表7.2-3得知弹簧疲劳关键的破坏部位在Ⅱ点。计算应力当f1=0.616mm时图4-2碟形弹簧4.1.4轴承的选用原则简述：1.轴承内部结构介绍轴承内部一般由滚子保持架、转动体、轴承内圈和轴承外圈所组成一般称为轴承四大件。而密封性轴承，还要加上防尘盖和涂抹油脂又称为轴承六大件。2.轴承分类与特点根据其转动体的不同，轴承分为滚子轴承和球轴承两大类别。其中，球轴承分为推力角接触球轴承、深沟球轴承、推力球轴承等多种。滚子轴承又分为滚针式轴承、圆柱形滚子轴承、圆锥滚子轴承等多中。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.轴承的转速选择依据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]。4.1.5端齿盘的选用端齿盘的应用端齿盘又称鼠牙盘，端面齿盘是分度设备的关键部件，它能确保数控机床的转塔刀架、等分转台等多工序自动数控机床和其它分度设备的运行精度。端齿盘的特点简述如下：端齿盘的定位是用两个齿形相同的端面齿盘相互啮合而成，因此端齿盘在啮合时各个齿的误差会相互抵消。所以会有较高定位精度。端齿盘定位的特点如下：（1）较高的定位精度经过研磨后的齿的齿盘其分度精度一般可达左右，最高可过，一对齿盘在啮合时具备自定心的作用。因此对中心轴的旋转精度、间隙、磨损对定心精度几乎没有影响，同时对中心轴的加工精度要求较低，容易加工装配。（2）较高的定位刚性，承受载荷力较大，两齿盘多齿相互啮合。而且齿盘的齿部有比较高的强度，一般齿数啮合率不会低于90%，齿面啮合深度不会低于60%，因此定位刚性好，载荷力比较大。端齿盘的设计原理简述端齿盘分为动齿盘与静齿盘，它们是动力刀架上的两个关键零件。其精度高低直接决定了刀架性能的高低。为了保证端齿盘的定位精度和刚性要求，对端齿盘做出以下技术要求：端齿盘材料采用40Cr优质材料，齿部渗氮后对齿部进行磨削加工；齿宽之间接触率不能低于75%；齿深接触不能低于啮合深度的90%，动静两齿盘啮合时的接触齿数应该在95%以上，安装基准轴线对分度中心的位置误差值，一般取值0.02~0.04mm，对精密齿盘其安装误差值应在0.01mm以内；安装基准端面对分度的平行度误差值，一般取0.01~0.04mm，对精密齿盘安装平行度的误差值应不得超过0.01mm。此次设计的刀架采用标准直齿端齿盘，查阅相关标准可得出以下参数：根据刀架的总体结构和外径系列选取d=180mm。齿数z根据JB/T4316.1-1999查得当外径d=180mm时，齿数可以为60和72两种，它们的最小分度角分别为和，此次课题所设计的动力刀架为8工位，每变换一个工位从动盘就要转动，应该是最小分度角的倍数关系，所以选取最小分度角为，从而选取z=72。齿长F：F=10mm齿盘厚度：H/2+m=21.24mm齿距t:t=7.85mm齿厚S：S=3.93mm全齿高h:h=5mm齿顶高m:m=1.24mm图4-3端齿盘示图4.2刀架的分度机构部分刀架的转动换位采用凸轮分度机构来实现，驱动凸轮轴的旋转又是由伺服电动机来实现的，电动机的选择要满足所需载荷和转动力矩。因此需要对电动机作出进一步的选择。4.2.1伺服电机的选用伺服电动机的分类直流伺服电动机分为：有刷电动机和无刷电动机。有刷电动机结构简单，启动转矩大,制造成本低，变速范围宽,容易控制,需要维护（换碳刷)，容易产生电磁干扰,对使用环境有一定要求。无刷电机转速高，运转可靠，体积小，重量轻，力矩大，反应快，力矩平稳。终身免维护，运行时温度低，电磁辐射比较小，使用寿命较长，可在各种环境下采用。交流伺服电机：也是无刷电机的一中，又分为同步电动机和异步电动机，市场上起到运动控制作用的设备当中大多采用同步电动机，由于其功率范围大，能够到比较大的功率。最高转动速度又相对较低，而且会随着功率的加大。选择伺服电动机的一般原则首先要先行确定电动机系列和额定转速，然后根据下面3个要素来确定伺服电动机的性能参数：1）负载惯量比。负载惯量比太大，控制将变得不可靠，那么调整伺服参数的难度也会大大增加。2）短时间性能（瞬时加速转动、减速转动）。测算驱动电动机的短时间内的加减转速的时间参数。3）连续特性。在工作中会频繁启动、制动的数控机床设备，为避免电动机发热，就要检查它在一个制动、启动周期内电动机转矩的平均值。伺服电动机的选用依据：作为刀架动力来源的电动机的选择应该同时满足刀架旋转的载荷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计算方法：采用平均重力的方法，把刀具插满刀盘的半个圆，根据工艺要求选择所需要的各种刀具，确定每个刀具的平均重力值，因此布满刀盘的半个圆则需要4把刀具。假设按工艺要求需要的每把刀具的平均重力为=4.9N；那么刀盘的回转中心直径为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150~200ms;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计：(1)刀盘转动惯量的计算如下：刀盘的主要尺寸为：刀盘大外径为D1=382mm；刀盘与刀架主轴相连的过孔直径为d1=80mm；刀盘厚度为P=69mm。可得出刀盘的转动惯量计算公式为=1.13(2)刀架主轴的转动惯量按下面的办法估算可得出：刀架旋转主轴的最小外径为dmin=36mm；最大外径为dmax=119mm；刀架旋转主轴长度取值为l=503.3mm可得出刀架主轴的转动惯量计算公式为=0.2237（3）从动盘的转动惯量的计算如下：主要尺寸计算如下：从动盘分度圆盘直径为D2=117mm，厚度为P=20mm可得出动盘的转动惯量的计算公式=0.0028据上公式可得出圆柱形凸轮的分度圆盘直径为Dh32=50mm圆柱形凸轮的转动惯量计算公式为=0.0002(4)选用的联轴器转动惯量的计算依据如下：采有标准化的联轴器，查询表单，可知联轴器的转动惯量为(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。把上面计算公式所得的数据代入到下列公式中：得到的载荷惯量换算到电机轴上的惯量，代入公式如下：=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，将上面所计算的刀架载荷扭矩和加速扭矩变换为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1.2~1.5倍。所以取通过查阅西门子电机手册，选择采用西门子1FT6交流伺服电动机。该电机主要参数为额定转速1500r/min，额定的输出转矩为5N·m，额定功率为0.4kW。体积小，重量轻，动力足。4.2.2凸轮式间歇运动机构的特点及应用简述如下：常见的棘轮机构、槽轮机构，由于结构组成、运动特性和动力来源等条件的限制，大多数情况下应用于转速低的场合。相比较而言，凸轮式间歇运动机构只要经过合理的选择转盘的运动规律及运动特性，完全可达到传动过程可靠平稳，负载振动小，同时转盘换位精确高，不必特别附加定位装置，因此，此机构大多应用于高速换位、起到分度作用的机构当中。凸轮加工工序工艺比较复杂，加工精度比较高，装配后的调整麻烦。在铣削加工中分度头、加工中心的刀库，都采用了凸轮间歇运动机构达到了高速分度运动的目的。一般情况下可以依据凸轮棱来进行定位，不必再附加其它定位装置。这就需要提高凸轮的加工精度，以保证其定位精度。圆柱形凸轮分度机构所采用的参数确定依据如下图表4-1所示：图表4-1圆柱凸轮分度机构参数选择参数名称计算公式及选定原则参数确定滚子数z2z2=4~100，z<6时凸轮加工困难，一般取z2=6~48z2=8滚子盘分度角ψmψm=360º/z245º凸轮分度角Φm60º~180º，凸轮连续转动，常用120ºΦm={180º~270º，凸轮间歇回转，常用240ºΦm=240º最大压力角从动盘分度圆半径R2根据容许的结构尺寸和凸轮所承受的载荷等确定，R2大有利于提高分度精度以及机构的强度和刚度R2=117/2=58.5凸轮升程pp=44.75凸轮分度圆半径R1滚子半径r初选r=(0.2~0.3)p，如用轴承，r需选用标准尺寸r=8滚子宽度b初选b=(0.2~0.4)p，如用轴承，则需用轴承的标准尺寸滚子端面至凸轮槽底的间隙ΔΔ=(0.04~0.08)pΔ=24.3刀架动力部分的组成简述如下：此次课题所设计的刀架运用变频电机作为转动动力源，圆柱形齿轮作为变速传动的装置。4.3.1交流伺服电动机的选择依据概述伺服电动机的构成主要由同步电动机，转子运转位置传感器，转速传感器等部分组成。1.结构简述如下：伺服电动机主要由以下三部分组成：定子绕组、转子和传感器检测元件。定子主体上有齿槽，用于安装绕组，绕组是U、V、W，且相位互差120度的三相。定子外壳大多都呈现多边形。便于散发热量，避免伺服电动机热量过大，影响到工作台的精度。2.转子的速度计算公式为nr=ns=60f/p，也就是由电源频率f和磁极对数p相除所得的数值而决定。伺服电动机的性能及优点简述：1）直流伺服电动机和交流伺服电动机相比较而言，交流伺服电动机的机械性能要硬一些，同时交流伺服电动机的运动直线更为接近水平线。连续工作区范围更宽，尤其是在高速区的体现，更加显著，同时对于提高电动机的加、减速性能也更加有利。2）稳定性和可靠性较高。采用电子逆变器替代了直流电动机换向器和电刷，工作寿命由所采用的轴承的性能参数来决定。没有了换向器或电子碳刷，节约了相关的保养和维护的工作及费用。3）伺服电机在旋转或工作时的主要损耗是在定子绕组与转子铁心轴上。这种结构使得其在工作中产生的热量容易散走，也方便安装散热保护装置；相对而言直流电动机在工作中的损耗主要在转子上，使得定子绕组产生的热量不易散走。4）转子惯量比较小，这种结构可以允许高速工作。5）占用空间小，重量轻。4.3.2齿轮模数的设计计算及选择应用此次设计的动力刀架旋转部分主轴最高旋转速度为n3=3000r/min，多级变速传动，可以提高刀架的载荷能力。切削刀具能够承受较高的切削作用力。此次设计的刀架传动结构初步选定数据如下图4.5所示，齿轮z4与齿轮z5的中心距离为a45=85mm，齿轮z1与齿轮z2的中心距离a12=156mm，齿轮z2与齿轮z3的中心距离a23=165mm，带动动力刀具作用的主动齿轮z1最高转速初步设置为n1=4500r/min，n4=2825r/min，计算z1齿轮、z2齿轮、z3齿轮、z4齿轮、z5齿轮直径和模数。如下图4-4所示。图4-4示意图1)初步选择模数m的方法及过程：依据硬齿面外啮合的闭式传动情况，可按m=(0.016~0.0315)a=(0.016~0.0315)×85=1.36~2.67mm，查询相关数据表单13.1-2可得出m=2.5mm。2）求传动比i45=μ=n3/n4=3000/2825=1.063)求z4和z5根据式d4=mz4=2.5×33=82.5mmda=(z4+2)m=(33+2)×2.5=87.5mmdf=(z4-2.5)m=(33-2.5)×2.5=76.25mmz5=i45z4=1.06×33=35d5=mz5=2.5×35=87.5mmda=(z5+2)m=(35+2)×2.5=92.5mmdf=(z5-2.5)m=(35-2.5)×2.5=81.25mm4)大齿轮z2的选择理论依据按照整体尺寸配合的紧密程度，首先确定分度圆d2=250mm，m=2.5mm。z2=d2/m=250/2.5=100da=(z2+2)m=(100+2)×2.5=255mmdf=(z2-2.5)m=(100-2.5)×2.5=243.75mm5)求出z1和z3根据得:z1=24.8取整得:z1=25d1=mz1=2.5×25=62.5mmda=(z1+2)m=(25+2)×2.5=67.5mmdf=(z1-2.5)m=(25-2.5)×2.5=56.25mm中心距:同理：得:z3=32d3=mz3=2.5×32=80mmda=(z3+2)m=(32+2)×2.5=85mmdf=(z3-2.5)m=(32-2.5)×2.5=73.75mm6)验证传动比经验算，传动比符合使用要求。4.3.3轴承的选择和运用选择合适的轴承并应用在机械装置中的相关部位，依据使用条件和工作环境条件是选择适合采用轴承的前提。深沟球轴承的特点简述如下：1）有较高的运转速度2）高精密度3）低噪声、振动轻4）能够承受径向力的负荷，5）可以承受一定的轴向力的负荷。6）制造容易方便，价格低廉。依据上面叙述的深沟球轴承的特点，此次设计的自驱动力刀具系统中，运用深沟球轴承来承载径向力和轴向力。第五章CK6130车削中心旋转塔刀架三维图制作5.1刀架主要关键的零部件实体制作制图软件：UGNX105.1.1刀架旋转轴的实体制图简述：使用UGNX10中草图命令，先画出刀架旋转轴的轮廓半径，约束其相关尺寸后，再切换到建模界面，并对刀架旋转轴进行旋转操作。螺纹处的绘制运用工具栏当中的插入，激活设计特征中的螺纹命令来创建并绘制出螺纹图样。如下图5-1所示：图5-1刀架轴示意图5.1.2刀盘的制图过程简述：同样运用UG10草图命令，先在草图界面画出刀盘的半径，再调出建模命令并在里面进行旋转操作，刀盘当中的8个通孔可以运用工具栏里面的特征进行环行阵列。如下图5-2所示：图5-2刀盘平面示意图5.1.3齿轮制图过程简述：此次设计课题运用了齿轮制作当中的齿轮模块小插件，在UG10当中可能直接调用gear.dll文件，按快捷键Ctrl+U调出并运用齿轮模块，在对话框中输入以下参数，如下图5-3所示：图5-3画出齿轮如图5-4：图5-4齿轮示意图5.1.4圆柱形凸轮制图过程简述：根据需要，先画出圆柱形实体，再在圆柱形实体上根据需要画出螺旋线，运用以下命令，如下图5-5所示：图5-5其次再使用已扫掠命令如图5-6:图5-6使用差集得出如图5-7：图5-7圆柱形凸轮图5.2装配图1.装配图是表示机构或设备部件的运动方式、工作原理、零件间的连接方式及其装配关系的图纸，是主要的生产技术文件之一。机械设备或机构在设计的过程中，装配图要在零件图之前进行绘制，而且装配图与零件图所表述的内容也不一样，装配图主要应用于机械设备、部件或机构的装配、调试、维修等场景，是主要也是重要的技术文件，非常具有逻辑性。2.UG10是在装配过程建立各零部件之间的