12位盘型刀塔伺服驱动设计

前 言现代工业发展其实就是制造工艺的发展，而这其中一个非常重要的因素就是制造工具机床的发展。现代机床的发展都趋向于自动化、复合化以及高速化。而作为制造业主力军的数控机床来说，它的发展更是日新月异。自从 20 世纪 60 年代世界上第一台数控机床问世以来，随着计算机技术、微电子技术、现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通信技术和机械制造技术等各相关领域的发展，数控技术已成为现代先进制造系统(FMS，CIMS等)中不可缺少的基础技术。由于机床数控系统技术复杂，种类繁多。现在数控机床的“使用难、维修难”问题，已经是影响数控机床有效利用的首要问题。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，高性能的刀塔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，数控刀塔是由数控系统来控制的，因此，在刀塔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。国内数控车床转塔刀架的设计和生产都是依赖先进国家的，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，来适应市场，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。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，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，因此对刀塔的设计以及它本身性能的研究就显得十分重要。本次的课题是 12 位盘型伺服刀塔设计，该机构可以一次装夹 12 把动力刀，可以在加工过程中一次性的进行多道工序的加工，大 大 提 高 了 加 工 精 度 和 生 产效 率 。 本 次 设 计 的 主 要 内 容 是 ： 1.对刀塔的结构，刀塔的传动形式以及驱动方式的设计；2.刀塔与刀座的连接形式、刀座的选择；3.刀具的交换动作设计、交换时间以及定位锁紧计算；4.刀塔其他辅助部件的设计其结构尺寸进行选择设计，根据课题所要求的刀塔的驱动方式，对其进行设计进而加以优化。总之，本课题的意义在于:1 根据设计要求，在最短的时间内设计出最优的 12 位盘型刀塔结构，并对其进行伺服驱动；2.减少物质的浪费，用最少的材料设计出满足其设计要求及加工精度的刀塔结构；3.为解决同类问题即关于刀塔的结构形式、刀塔的驱动方式，提供一种研究方法；4.培养综合运用专业基础知识和专业技能来解决工程实际问题的能力；5.强化工程实践能力和意识,提高本人综合素质和创新能力；6.，使本人受到从事本专业工程技术和科学研究工作的基本训练,提高工程绘图、计算、数据处理、外文资料文献阅读、使用计算机、使用文献资和手册、文字表达等各方面的能力；7.培养正确的设计思想和工程经济观点，理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度以及积极向上的团队合作精神。在本次设计过程中，分度锁紧和动力刀座部分是重中之重。通 过 广 泛 查 阅文 献 资 料 ， 毕 业 设 计 小 组 之 间 以 及 与 指 导 老 师 相 互 讨 论 等 途 径 ， 拟 定 了 如 下的 研 究 手 段 ：刀塔的换刀过程可以分解成为三个动作：上下端齿盘松开、刀盘转位、上下端齿盘啮合锁紧。其中上下端齿盘的松开以及锁紧都是通过液压驱动来实现的。而刀盘的转位以及动力刀座的运转皆由伺服电动机驱动，刀盘转位可以是交流伺服电机，也可以是直流伺服电机，而动力刀座的驱动则是由交流伺服电动机驱动。刀盘动作的大概步骤如下：系统发出换刀指令 动 力 刀 座 驱 动 电机 停 转 液 压 系 统 启 动 下 端 齿 盘 向 右 运 动 ， 与 上 端 齿 盘 脱 开 动 力刀 座 驱 动 轴 向 右 运 动 ， 与 动 力 刀 座 脱 开 信 号 反 馈 ， 系 统 指 令 转 位 电机 启 动 刀 盘 转 位 信 号 反 馈 转 位 电 机 停 转 液 压 系 统 动 作 上下 端 齿 盘 锁 合 动 力 刀 座 驱 动 轴 与 动 力 刀 座 锁 合 信 号 反 馈 ， 系 统 指 令动 力 刀 座 驱 动 电 机 动 作 。第 一 章 绪 论刀塔目前主要应用于数控车床、数控铣床以及车铣复合加工中心，所以与刀塔发展最相关的领域就是数控车床、数控铣床以及车铣复合加工中心的发展。1.1 数控机床发展历程以及国内外发展现状的思考1949 年帕森公司正式接受美国空军委托，在麻省理工学院伺服机构试验室的协助下，开 始从事数控机床的研制工作。经过三年时间的研究，于 1952 年试制成功世界第一台数控机床试验性样机，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，这便是数控机床的第一代 2。1953 年，美国空军与麻省理工学院协作，开始从事计算机自动编程的研究，这就是创制 APT(Automatically Programmed Tools )自动编程系统的开始。1955 年，美国空军花费巨额经费订购了大约 100 台数控机床,此后两年，数控机床在美国进入迅速发展阶段,市场上出现了商品化数控机床。1958 年，美国克耐 杜列克公司(Keaney m-加速时间,通常取 150 ;jt 20s:-电动机转子惯量( ),可查样本 ;Jkg-负载惯量折算到电动机轴上的惯量( ). L 2kgm3) 负载惯量折算到电动机轴上的惯量 的估算LJ22hiLKiJm2:式中 -各旋转件的转动惯量( );h kg-各旋转件的角速度( );/rads-各直线运动件的质量( );im-各直线运动件的速度( );i/ms-伺服电机的角速度( )6.rad4) 各旋转件的转动惯量 的估算hJ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 4 个，它们分别是变速齿轮副,刀塔主轴，刀盘以及下端齿盘。计算出这几者的转动惯量即可。(1) 刀盘转动惯量的计算刀盘以肖特公司生产的 AK31 系列数控转塔刀架的配套产品，其主要尺寸如下：刀盘外径 ；刀盘与刀架主轴相连的孔径 ；刀盘宽1320Dm150dm。42Pm则刀盘的转动惯量22111hdJ2222111DDdP2222310.19.50.19.57.85.4.42=0.042kg 2m(2) 刀塔主轴转动惯量的计算刀塔主轴的转动惯量 按如下的方法估算：2hJ刀架主轴的最大直径 ；最小直径 ；刀架主轴长度取max50dmin15d。150l则刀架主轴的转动惯量 72maxin21hJ22axinmaxinddl2 2310.510.517.8514.2 =0.0021 2kgm:(3) 变速齿轮副的转动惯量的计算变速齿轮副的转动惯量 的估算方法如下：3hJ设齿轮的分度圆直径 ；其与刀架主轴相连的孔径 ；蜗轮齿宽 .D3hd3hb则每个齿轮的转动惯量 222233331hhhhDb222233333317.850.142hhhhhDddb=12330.75 7222233333hhhhhddb2kgm:以上为齿轮转动惯量的普遍计算公式，下面分别针对每个齿轮单独进行计算，带入各自的假设值进行转动惯量的估算： 高速级小齿轮转动惯量估算：假设其分度圆直径 =18mm,其与电机主31hD轴相连孔的直径为 =8mm，齿轮宽度为 =22mm ,则可知：31hdb=31hJ232hDM=12330.7522223131313131hhhhhdDdb=12330.7522220.8.00.8.0. = 621.7kgm 高速级大齿轮转动惯量估算：假设其分度圆直径 =45mm,其与电机主32hD轴相连孔的直径为 =10mm，齿轮宽度为 =18mm ,则可知：32hdb=32hJ231hDdM=12330.75222233333hhhhhDdb=12330.7522220.45.010.45.01.8 = 52.68kgm 低速级小齿轮转动惯量估算：假设其分度圆直径 =18mm,其与轴相连3hD孔的直径为 =10mm，齿轮宽度为 =22mm ,则可知：3hd3hb=32hJ21dM=12330.7522233333hhhhhDDdb=12330.7522220.18.00.18.0. = 621.0kgm 低速级大齿轮转动惯量估算：假设其分度圆直径 =54mm,其与轴相连34hD孔的直径为 =20mm，齿轮宽度为 =18mm ,则可知：34hd34hb=32hJ21dM=12330.752223434343434hhhhhDDdb=12330.7522220.5.00.5.0.18 = 421.7kgm(4) 下端齿盘转动惯量的计算：假设下端齿盘的大径 =60mm,与轴相4hD=25mm,端齿盘厚度为 =10mm，则其转动惯量约为： =4hd4hb 4hJ24412hhDdM=12330.7522244444hhhhhdb =12330.7522220.6.050.6.05.1 = 524.9kgm(5) 对各旋转件的角速度作如下设定：伺服电机的角速度 ；1502/6157/rads齿轮 1 的角速度 ；3h齿轮 2 的角速度 ；32150/62.8/.h rads齿轮 3 的角速度 3/0./2.5h rs齿轮 4 的角速度 341502/60.93/.h rads刀架主轴的角速 ；2/./7.5h rs下端齿盘转位时的角速度 4102/60.93/.h rads刀盘转位时的角速度 。15/./7.h rs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22hiLKiJm2kg:2 25625 417.8.4.(.6810.)0.157165.93(4.690.47 =0.008 2kgm:取 ；刀架换刀时伺服电机的转速 ；伺服电动机1.jtms 150/innr转子转动惯量 。203Jkg:则刀架加速扭矩 60mj LjnTJtN:23.1450.3.08=0.81 5) 驱动电动机输出扭矩 的估算 7DT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，FTJT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D式为：FDTNm:式中 -传动效率 取 0.95。则有 FDT1.8620.1795Nm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sTD倍。1.25:所以取 1.3.72.4sDT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 5 ，额定功率为 0.4kW。Nm:3.2 主轴是设计计算3.2.1 主轴是设计由刀塔装配图可知，刀架主轴的支承方式为两端游动支承，其一端与刀盘固连，另外一端是角接触球轴承 2 与变速齿轮副相连接，角接触球轴承 2 起右支承作用可以使我们得到自己所想要的转速。而轴的中间部位由刀盘至轴的右端的方向分别与角接触球轴承 1 和上端齿盘相连，角接触球轴承 1 起左支承作用。已知伺服电机的功率为 0.4kW，电机转速 ，取经齿轮传动副传动的150/minnr效率 ，齿轮传动副的传动比 。0.977.i1) 先求出刀架主轴上的传递功率 、转速 和转矩2P33T20.49.6PkW315/70/minnri于是 3 4.371.802T Nmn2) 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。0PdA式中： 为系数，轴的材料不同，则 的值会不同；0 0A为轴传递的功率，单位为 ；PkW为计算截面处轴的直径，单位为 mm；d为轴的转速，单位为 ；n/minr选取轴的材料为 45 钢，调质处理。根据表 153，取 ，于是得015A3min00.761512.95PdAm根据刀塔的设计思路，我们确定在最右端要安装角接触球轴承 2，所以在进行轴径确定的时候，要配合轴承选型手册进行轴径设计。从而取轴的最小直径为 ；轴的最大直径为min15max0d3）求作用在齿轮上的力以知低速级大齿轮的分度圆直径为： 4154dz而 N342.806.7tTF由此可知： antan26.745.0coscos3“itta.ta869FN圆周力 ，径向力 以及轴向力 的方向如 3.2.2 图所示。ti 4）轴的结构设计（1）拟定轴上零件的转配方案主轴的装配方案经过分析比较，最终确定的结构装配图方案如下图3.1.1 所示。图 3.1.1（2）根据轴向定位要求确定各段轴的直径以及长度 因轴同时承受径向力以及轴向力的作用，故选用角接触球轴承。参照工作要求并根据上面所计算的轴的最小直径，选用内径为 的角接15触球轴承，具体型号为 7002c GB/T 292-1994,其基本尺寸为：d D T=15mm 32mm 9mm,故轴 参数为： =15mm 16mm.1dl 轴 的设计：由于轴 上只是安装一个齿轮，所以轴的是长度和齿轮宽度差不多，已知齿轮宽度为 =18mm，故设计轴的长度为 。34hb25lm3.2.2 主轴的强度校核F3.3 转位部分齿轮系设计第三章 液压系统的设计计算3.1 刀架液压控制系统液压泵及油泵电动机的选择计算由于该刀塔锁紧部分的松开和夹紧均由液压系统通才液压缸活塞的往反运动来实现，当动力刀座驱动电机停转，刀盘将要进行转位时，液压缸推动活塞沿轴向右运动，使上下端齿盘脱开，再右刀盘转位电机驱动刀盘进行转位；当刀盘转位结束时，液压缸又推动活塞杆沿轴向左运动，使上下端齿盘啮合锁紧，从而使刀塔在加工过程中不会因为受到切向力而发生转动，起到锁紧作用。刀具所受的切削力由端面齿盘通过设定的移动轨道卸荷给箱体，再由箱体卸载给机床，为使刀架在强力切削下能稳妥可靠地工作，液压缸必须有足够的拉紧力拉住刀盘，使用于夹紧定位的端面齿盘在车床切削过程中始终处于啮合状态。因而液压泵及油泵电动机的配置对液压系统的工作性能有重要的影响 7。3.1.1 液压油泵的选择选择油泵的主要依据是压力和流量，一般来说，齿轮泵价格低，维修方便，但当系统压力达到较大值时，输油压力脉动大，噪声大。不宜作数控机床的油源；叶片泵的输油压力脉动小，噪声小。因而被广泛用于数控机床的主要油源。所以本液压系统的液压泵选用叶片泵。3.2.2 液压缸内径 和活塞杆直径 的计算Dd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.3.2.2.1 动力刀座驱动部分液压缸的计算(1)由于液压缸的动作分为两个，一个时液压缸驱动动力刀驱动部分使之向后移动，与动力刀座脱开，以便进行换刀，这种情况下不受外力，设计计算要以速度为主；另一个情况时液压缸驱动动力刀驱动部分向左移动，使之与动力刀座相啮合，以进行加工，这种情况下它会受到一个轴向力，因此这种情况下应该以力的计算为主。所以经过综合考虑，最终的计算应该以力的计算为主。下面就以力为主来计算动力刀部分液压缸的内径 和活塞杆直径1D1d根据执行机构的速度要求和选定的液压泵流量来确定液压缸内径 和活塞D杆直径 ，再从 标准中选取相近尺寸加以圆整。d23480GB对于单活塞杆缸来说，当液压油进入油腔时2qDd式中 -输入液压缸的流量；q-液压缸活塞的运动速度；设液压缸活塞的往复速度比值为 ，即： 。由于活塞往复运动的速度12/相等，所以 。由相关资料可知，当 时，一般取 。1.3:/0.34dD:则得 24qDd20.153420.5； 。0.78m.0.dm从 GB-2348-80 标准中选取的液压缸内径为 80mm,活塞杆直径取 40mm.3.1.2 油泵电动机功率的选择计算1）油泵工作压力的计算油泵工作压力 应等于液压缸的工作压力 和油液在管道中流动时产生的sp0p压力损失 之和。即 p0s（1）液压缸工作压力的估算对于中小型的数控车床，通常推荐液压缸的拉紧力为 10 。液压缸20kN:活塞的有效工作面积设定为 ；则该刀架液压缸的工作压力20.43Sm。03.5apM（2）活塞移动速度计算液压系统所需的油泵流量是由工作油缸的尺寸和运动速度的快慢要求来决定的。由已知条件可以知道，总的换刀时间位 0.3s，分配给刀盘转位的时间位0.025s，信号传递时间忽略不计，其余时间全部分配给液压系统，则一个换刀过程中液压系统所耗费的时间位为： 0.325.7ts故活塞每次移动的时间为： 10.275.13ts又由端齿盘的设计结果可以知道，端齿盘的齿高为 ，故可以知道10hm活塞的移动距离为 ，活塞移动过程中匀速移动，由此可知活塞的移lhm动速度为： 1072.3/0.73/.5sss（3）油液压力损失 的估算p在液压系统方案未确定之前，先对整个系统的压力损失进行估算，等到正式系统设计完成后，再进行详细的验算。347.810QlpKd2/Nm式中 -油的运动粘度（厘沲） ；-流量（升 /分） ；Q-管子的内径（毫米） ；d-管道总长（米） ；l-修正系数。K当 时， =1eR20当 时， 。e 346.8Qd流量 的计算方式如下：Q工作油缸需油量用下式计算： QA式中 -活塞运动速度；-活塞有效工作面积。A取 ；取 。Q0.5/ms20.43m代入上式得 = QA350.15/2.9s/minL考虑到泄漏的影响油缸实际需油量为：K式中 为修正系数在 之间。K1.3:所以 295.48Q/minL选用管径油管内径应足够大，以减少油的压力损失。但管径若过大则会使结构笨重、增加制造成本。正确选用管径一般是先选取管中的流速，然后计算管径，再按与标准规格相近的选用。由于 24Qd所以 式中 -管子的内径；d-通过管子的流量；Q-管中流速，取 0.25 。 /ms将上面计算的结果代入式中得 4Qd0.215.033m设液压系统管道的总长度 50l则有 360.643364 4.7.8107.81401QpKd aP得油泵的工作压力 = 0sp3.5aaaMPM根据能量守恒原理，油泵输出液压油的功率就是需要油泵电动机的功率（不考虑效率） 。因此只需算出油泵输出液压油的功率就可以确定该选多大功率的电动机。油泵的输出功率 sNPQ式中 -液压泵的工作压力；sP-液压系统的液压油流量。Q将相关数据代入可得 =sNP350.2157.W则油泵电动机的功率为： 72.9.68sQk效率可由产品目录查到.如 型齿轮泵 ; 型叶片泵,CB0.3.:YB.此外,尚需考虑电动机本身的效率及从电动机到油泵的联轴节或0.6582:皮带传动等的效率,故电动机的功率应适当地加大 7。3.2 液压缸的设计3.2.1 选择液压缸类型由于该液压缸主要用于驱动刀架主轴的直线往反动动.故选用双作用单杆活塞缸.3.2.2 液压缸内径 和活塞杆直径 的计算Dd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,因而符合第二种情况,计算时以速度为主 17。3.2.2.1 以速度为主计算液压缸的内径 和活塞杆直径Dd根据执行机构的速度要求和选定的液压泵流量来确定液压缸内径 和活塞D杆直径 ，再从 标准中选取相近尺寸加以圆整。d23480GB对于单活塞杆缸来说，当液压油进入油腔时2qDd式中 -输入液压缸的流量；q-液压缸活塞的运动速度；设液压缸活塞的往复速度比值为 ，即： 。由于活塞往复运动的速度12/相等，所以 。由相关资料可知，当 时，一般取 。1.3:/0.34dD:则得 24qDd20.153420.5； 。0.78.Dm0.23.dm从 GB-2348-80 标准中选取的液压缸内径为 80mm,活塞杆直径取 40mm.3.3 数控车床液压系统的设计3.3.1 液压回路的选择首先选择调速回路。由本数控车床刀架的工作原理可知，这台车床液压系统的功率较小，推动刀架主轴往复运动的液压缸活塞运动速度低，工作负载变化小，因而可采用进口节流的调速形式。为了解决进口节流调速回路在活塞杆到达最大行程时冲击现象，回油路上要设置背压阀。为保证夹紧力可靠，且能单独调节，在支路上串接减压阀和单向阀；为保证定位，夹紧的顺序动作，在进入夹紧缸的油路上接单向顺序阀来控制，只有当刀盘抬起达到目标值后，液压缸才会反向通油，执行刀盘夹紧动作。为保证工件确已夹紧后车床切削才能动作，在夹紧缸进口处装一压力继电器，只有当夹紧压力达到压力继电器的调节压力时，才能发出信号，车床才能进行切削加工 18。3.3.2 拟定液压系统图 18综合以上分析和所拟定的方案，将各种回路合理地组合成为该车床液压系统原理图，如下图所示。结 论本次课题是针对经济型数控车床的刀架及其液压控制部分进行主要设计，刀架是数控机床的主要部件之一。刀架的精度，刚度以及可靠性都直接影响机床的使用性能，在机床的致命性分析中转塔刀架的致命度是最高的，数控系统发出指令后刀架不转位、刀架转位错误、刀架错位、刀架报警、刀架不能正常换刀等等一系列的故障都会导致机床不能正常工作。本次设计针对这些可能出现的故障及错误进行了仔细，严谨，认真的分析，使车床回转刀架的可靠性有了很大程度的提高。在设计中得到邓老师耐心的指导和同学的热心帮助才使得这次毕业设计能够完满完成，同时也巩固了我所学的知识，作为大学四年的最后的一次作业，自始至终我都用心的去完成，并从中学到了不少的知识。在能力培养方面也基本达到了预期的目的，即不但培养了我综合应用专业基础知识来解决实际工程问题的能力，而且还使我初步树立了很强的工作责任感。在设计中我们小组紧密配合，虽是共同设计一台数控车床，但各有分工。这就为我们的创新思维留足了广阔的自由空间，在追求统一的前提下充分发挥自己的想象力。讲求团队合作精神，这一课题的设置符合高等院校办学精神，同时也符合现代企业的择人准则。独立思考、广泛讨论是获取新知识的有效捷径这一思想正在被越来越多的人所接受。经过我们小组同学的认真讨论和研究，最终我们圆满的设计出了一台 CK20 数控车床，虽然这台车床在很多方面还没有达到工程实际要求的水平，但必尽这是我们迈向工程实际的第一步，也是最为关键的一步。相信经过这次训练后，无论是在以后的工作还是学习中，必定能使我们少走弯路。参考文献1.李国慧.车铣复合加工中心刀塔结构静动态性能的分析及研究.兰州理工大学2.郭永环.数控车床用转塔动力刀架的发展方向.徐州师范大学工学院3.刘建慧，邹做君.加工中心自动换刀装置类型综述及设计特点.上海交通大学4.徐正平.从 CCM T2008 看国产加工中心的技术进步.上海机床工具集团有限公司市场部5.P. 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