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摘 要
動力刀架是現(xiàn)今精密數(shù)控機床中的核心部件。隨著科技的進步發(fā)展，動力刀架的技術也趨于成熟和完善。國外很多在動力刀架方面知名的公司和生產(chǎn)商都研發(fā)和推出了系列化的產(chǎn)品。雖然國內(nèi)也有較為完善的生產(chǎn)機制，但是大多還是模仿國外的產(chǎn)品，缺乏自主創(chuàng)新能力，與國外相比仍有較大差距。
現(xiàn)在導師的指導下，設計一種單伺服電機驅(qū)動的動力刀架。該刀架是依靠伺服電機和液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)離合，刀盤轉位，以及動力切換，利用高精度的端齒盤來實現(xiàn)刀盤轉位的精定位，通過撥叉撥動滑移齒輪來實現(xiàn)刀盤轉位和動力刀具之間的動力切換。它能搭載12把刀具，可以實現(xiàn)車、銑等各種加工方式。特點是刀具轉位速度快，分位精度高，重復精度高，可靠性強。
在進行文獻查閱和調(diào)查國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎上，分析了設計單伺服電機驅(qū)動的動力刀架設計的重點難點，提出了相應的解決方法。完成了裝配圖和部分零件圖。運用Pro/Engineer軟件建立三維模型，并且對建立出的三維模型進行運動仿真。
關鍵詞：動力刀架；單伺服驅(qū)動；動力切換
Abstract
Dynamic tool rest is now the key department of precision CNC Turning and milling machining center.Along with the development of the science and technology,the manufacturing technology of dynamic tool rest is well developed.Many foreign company and manufacturer which is famous for dynamic tool rest has produce a series of production.there is also a completed productive system,but there are a lot of production which is imitative.The producers inland lack of the innovative ability.Comparing with the foreign producer ,we still have a long way to go .
Under the guide of the teacher,I design a type of dynamic tool rest which is driven by one -servo-motor.This tool rest uses servo motors and hydraulic system to go on clutching ,shifting the tool position and switching power, uses high-precision tooth couplings for accurate positioning,and uses shifting forks to dislodge the gears tor realize the power switching.the tool rest can carry 12 different kinds of power tools,it can achieve milling, turning and other processing. It features fast tool change position, sub-bit high precision, high repeatability and reliability.
The study of dynamic tool rest is based on literature research and study of the advanced technology inland and abroad,then analyses the key point and difficulty of the design of the dynamic tool rest driven by single servo motor,and figure out the precept to solve the problem.And finish the assembly drawing and some part drawings.Finally I use the software named Pro/Engineer to finish the 3D model and the motion simulation.
Keywords: dynamic tool rest;driven by single servo motor;power switching
目 錄
摘要…………………………………………………………………………………………I
Abstract……………………………………………………………………………………II
第一章 緒論 …………………………………….……………………………………1
1.1 研究現(xiàn)狀………………………………… ……………………………………1
1.2 設計內(nèi)容…………………………………………………………………………3
第二章 總體方案設計…………………………………………………………………4
2.1 雙伺服動力刀架…………………………………………………………………4
2.2 單伺服動力刀架…………………………………………………………………4
2.3 直驅(qū)刀架外加電主軸模塊………………………………………………………5
2.4 力矩電機外置加電主軸…………………………………………………………6
2.5 本章小結 ………………………………… ……………………………………6
第三章 動力刀架的設計計算 ……… ………………………………………………7
3.1 伺服電機的選擇計算……………………… ……………………………………7
3.1.1 旋轉件的轉動慣量計算 ……………… …………………………………… 7
3.1.2電機轉矩的估算 …………………… ……………………………………10
3.2 動力刀具傳動鏈的轉動慣量計算 ……………………………………………11
3.3 傳動齒輪的設計計算 …………………… ……………………………………12
3.4 傳動軸的設計計算 …………………… ……………………………………19
3.5 軸承的選擇 ……………………………… ……………………………………21
3.6 端齒盤的設計計算 ……………………… ……………………………………23
3.7 強度校核 ………………………………… ……………………………………24
3.8 關鍵部分設計 …………………………… ……………………………………25
3.8.1液壓系統(tǒng)設計 ……………………… ……………………………………25
3.8.2 動力刀具接口設計………………… ……………………………………27
結束語 ……………………… …………………………………………………………30
參考文獻 …………………………………
注：1 摘要、章、結束語、參考文獻：（宋體、小四、加粗、居左）；
2 節(jié)：（宋體、五號）；
3 中文摘要、英文摘要、目錄的頁碼依次編排用“Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ …”羅馬數(shù)字（宋體、小五號、居中、底部）。
第1章 概述
目前，在世界機床制造和機械加工領域，復合加工技術是處于領先地位的技術。實現(xiàn)車銑復合加工，有許多可行方案，而臥式車床床身搭載轉塔動力刀架就是其多種方案中應用最廣泛的一個。其中，數(shù)控轉塔刀架是實現(xiàn)復合加工的核心功能部件，不僅可以像普通刀架裝配多把普通車刀，并且能夠同時提供動力驅(qū)動動力刀具，完成銑、鉆、攻絲、鉸孔等加工。
在當今市場單件小批量和快速生產(chǎn)的需求的刺激下，催生出了復合加工。在眾多領域中，車銑復合加工發(fā)展目前來說已經(jīng)具有一定規(guī)模。在一般的機械加工領域中,加工主要分為以下兩種方式：第一，工件轉動，這種加工方式是車削加工；第二，刀具轉動，這種加工方式是加工中心加工。這兩種加工方式的結合就是車銑復合加工,它既能夠完成車削功能,同時又能夠完成銑、鏜、鉆、鉸、擴等功能。車銑復合加工不僅是機械加工的發(fā)展方向之一，同樣也是當今世界機床技術發(fā)展的大潮流。銑刀旋轉、工件旋轉、銑刀軸向進給和徑向進給，在這四個車銑復合加工機床的基本運動中，要完成這銑刀旋轉的動作就需要使用到動力刀架。在引入動力數(shù)控刀架后，車銑復合加工中心基本實現(xiàn)了如下幾個目標:
⑴縮短制造工藝鏈和物流長度;⑵減少裝夾次數(shù)以及工裝夾具數(shù)量;⑶減小使用占地面積，降低了成本。實現(xiàn)了在確保質(zhì)量的前提下，提高生產(chǎn)率和自動化的程度。
步入新世紀以來，我國的數(shù)控機床行業(yè)發(fā)展勢態(tài)愈發(fā)迅猛，主機技術向著高速、智能、復合、環(huán)保方向不斷發(fā)展。動力刀架作為數(shù)控機床及加工中心重要部件之一，它的性能優(yōu)劣關系到整臺機床的性能，甚至深刻影響著我國制造業(yè)整體水平的高低。當前市場中，動力刀架技術已經(jīng)趨近成熟完善，國外很多著名刀架生產(chǎn)商都已設計研發(fā)并推廣出自己的系列化產(chǎn)品，國內(nèi)也已有較為完善的生產(chǎn)機制。但是絕大部分仍然是模仿國外的產(chǎn)品，缺乏自主創(chuàng)新能力，它與國外的先進水平相比較，在精度等方面還存在著一定的差距，在一定程度上這會制約機床發(fā)展。所以，在動力數(shù)控刀架的設計上，提高反復多次定位的精度和降低刀架出現(xiàn)故障的概率意義重大。
1.1研究的現(xiàn)狀
動力刀架最早出現(xiàn)于1980年。經(jīng)過30多年的發(fā)展，隨著伺服刀架的出現(xiàn)，動力刀架由最初的外加動力刀具驅(qū)動模塊的形式發(fā)展為現(xiàn)今伺服動力刀架。伺服刀架又分為雙伺服動力刀架以及單伺服動力刀架。
隨著車削中心和車銑復合機床模塊化設計的發(fā)展以及對功能部件性能參數(shù)和可靠性要求的逐漸提高，在單伺服動力刀架的基礎上衍生出下列動力刀架產(chǎn)品：
（1） 內(nèi)置電主軸的直驅(qū)動力刀具刀架結構
這種動力刀架采用內(nèi)置的電主軸直接驅(qū)動動力刀具代替伺服電機通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動刀具，是動力刀具的最大轉速得到了提升，可達到10000r/min。同時刀盤和動力刀座采用了BMT接口，提高了重復定位精度。此項技術最先由德國Sauter公司申請專利。
（2） 力矩電機直驅(qū)式動力刀架
這種動力刀架大幅度減少傳動系統(tǒng)的復雜性，省去大量零件，使刀架體積變小，性能與功能與原來的伺服電機驅(qū)動刀盤的動力刀架。但是因為簡化了傳動系統(tǒng)，因此可靠性大幅度提升。
（3） 帶Y軸、B軸的動力刀架
目前國外動力刀架的研究均已成熟，德國，日本，意大利，英國等發(fā)達國家均有成熟的產(chǎn)品運用于生產(chǎn)。國外的生產(chǎn)商如德國肖特公司（sauter），意大利巴拉法蒂（baruffaldi）、杜普瑪?shù)峡耍╠uplomatic）等著名的生產(chǎn)商。
世界上最著名數(shù)控轉塔刀架生產(chǎn)企業(yè)是德國的Sauter公司和意大利Baruffaldi公司。
這兩家企業(yè)刀架的性能指標如表1.1所示:
表1.1 國外廠家生產(chǎn)的刀架的技術參數(shù)
廠家
中心高
（mm）
工位
（個）
45°轉位時間
(s)
45°轉位并加緊時間（s）
Sauter公司
160
8
0.38
0.78
Baruffaldi公司
160
8
0.44
0.84
國內(nèi)的動力刀架技術仍處于發(fā)展階段，目前國內(nèi)動力刀架生產(chǎn)較為著名的生產(chǎn)商有：常州市宏達機床數(shù)控設備有限公司、常州市新墅數(shù)控設備有限公司、煙臺環(huán)球機床附件集團有限公司、沈陽精誠數(shù)控機床附件廠。這些廠家中技術規(guī)格參數(shù)指標較高的是沈陽機床數(shù)控刀架分廠和煙臺環(huán)球機床附件廠。表1.2是國內(nèi)兩個廠家生產(chǎn)的兩種型號的轉塔刀架的技術參數(shù)。
表1.2 國內(nèi)廠家的刀架技術參數(shù)
廠家
中心高
（mm）
工位
（個）
45°轉位時間（s）
45°轉位并夾緊時間（s）
引進技術
煙臺環(huán)球機床附件廠AK31
160
8
0.66
1.54
意大利Baruffaldi
沈陽機床廠TSMA160
160
8
0.44
意大利Baruffaldi
圖1.1 國內(nèi)產(chǎn)品 圖1.2 國外產(chǎn)品
從上面兩表的數(shù)據(jù)就可以看出國外生產(chǎn)的刀架轉位速度快，在實際加工時有較高的效率。45°轉位并加緊時間這項種煙臺環(huán)球機床附件廠生產(chǎn)的刀架的用時是德國肖特公司的一倍。而且兩家國內(nèi)生產(chǎn)廠家的技術還是從意大利Baruffaldi公司引進的。由此可見，國內(nèi)的刀架生產(chǎn)技術與國外的先進水平仍有很大差距。
目前煙臺環(huán)球機床附件廠生產(chǎn)的動力刀架均有不錯的性能具體參數(shù)見表1.3
表1.3 煙臺環(huán)球機床附件廠的動力刀架參數(shù)
No
項目
AK3380X12A
AK33100X12A
AK33125X12A
1
中心高
80
100
125
2
工位數(shù)
12
12
12
3
刀孔定位精度
6"
6"
6"
4
重復定位精度
2"
2"
2"
5
30°轉位時間
0.19
0.15
0.32
6
180°轉位并夾緊時間
1.54
1.0
2.5
7
最大不平衡負重力矩
15
40
60
8
分度頻數(shù)
750
750
750
9
最大轉動慣量
1.3
4.5
1
10
最大載重
40
120
160
11
刀柄直徑
Φ30
Φ30/Φ40
Φ50
12
刀具接口
DIN5482
DIN5482
DIN5482
13
傳動比
1:1
1:1
1:1.05
14
最高轉速
5000
4000
3000
15
最大扭矩
20
40
60
16
最高功率
6
8
10
17
可配動力刀夾數(shù)
12
12
12
18
冷卻水口
G1/4
G1/4
G3/8
19
電纜接口
/
/
M24x1.5
20
刀架凈重
228
408
21
刀架毛重
256
453
22
箱體尺寸（長X寬X高）
620X510X590
700X650X810
880X764X810
目前，我校研究生在楊慶東教授的指導下也研制出了國內(nèi)首創(chuàng)的力矩電機直驅(qū)刀架。
力矩電機直驅(qū)刀架大幅度簡化了刀盤的傳動系統(tǒng)，使刀架體積大幅度減小，由于傳動系統(tǒng)的簡化，刀架的精度以及可靠性也得到了提升。
1.2 設計內(nèi)容
1、 進行數(shù)控車削中心動力刀架總體研究，并進行整體布局設計；
2、 研究各種電機，為動力刀架選擇合適的電機；
3、 研究出一種動力切換的可行方案
4、設計刀架結構、動力驅(qū)動，完成關鍵部件的設計計算；
5、完成動力刀架的二維設計和三維設計 。
第2章 方案選擇
動力刀架在其發(fā)展時間內(nèi)已發(fā)展出了多種的形式，設計方式也各有不同。以下是在導師指導下選出的四種方案。
2.1 雙伺服電機驅(qū)動動力刀架
雙伺服電機驅(qū)動動力刀架是最早出現(xiàn)的動力刀架形式，經(jīng)過很長時間的發(fā)展，有了很成熟的研究結果，也已經(jīng)推出了一系列的產(chǎn)品。在其上改進的空間不大。雙伺服電機驅(qū)動動力刀架的示意圖如圖2.1
圖2.1 雙伺服動力刀架簡圖
1：刀盤驅(qū)動電機 2：動力刀具驅(qū)動電機
雙伺服電機驅(qū)動動力刀架，使用兩個電機分別驅(qū)動刀盤以及動力刀具，刀盤的精定位則通過高精度鼠牙盤和液壓系統(tǒng)離合實現(xiàn)鼠牙盤的嚙合脫開來實現(xiàn)刀盤的精定位。這種動力刀架所占空間較大，結構較為簡單，傳動方式也較為簡單。而且國內(nèi)外雙伺服動力刀架產(chǎn)品已經(jīng)較成熟，設計價值不高。所以棄用此方案。
2.2 單伺服電機驅(qū)動動力刀架
單伺服電機驅(qū)動動力刀架是在雙伺服驅(qū)動動力刀架的基礎上，發(fā)展出的一種更為先進的動力刀架。單伺服動力刀架性能優(yōu)越，結構緊湊，較之雙伺服動力刀架有較大的優(yōu)勢。示意圖如圖2.2
圖 2.2 單伺服電機驅(qū)動動力刀架簡圖
單伺服動力刀架較之雙伺服動力刀架難度較大，關鍵在于單伺服動力刀架有一個動力切換的問題，雙伺服電機驅(qū)動只需電機直接控制刀盤和動力刀具即可。而單伺服電機驅(qū)動的動力刀架因為僅使用一個伺服電機，所以在完成刀盤轉位之后必須完成一個動力切換過程，將伺服電機驅(qū)動刀盤轉為驅(qū)動動力刀具。所以需要一個動力切換裝置來完成這個動力切換的過程。刀盤的精定位同樣使用鼠牙盤和液壓系統(tǒng)，通過液壓系統(tǒng)帶動鼠牙盤的離合來實現(xiàn)刀盤的精定位。而動力切換裝置則擬以撥叉和滑移齒輪實現(xiàn)。
單伺服動力刀架目前在我國的研究發(fā)展制造仍然處于起步階段，對單伺服動力刀架的研究開發(fā)是非常有必要的，單伺服動力刀架相較于雙伺服動力刀架而言，性能更優(yōu)越，因為使用單電機所以結構較緊湊，在未來有較大的發(fā)展?jié)摿?，且?nèi)部傳動結構較為復雜，有研究開發(fā)的意義。所以選用此方案。
2.3力矩電機直驅(qū)刀架外加電主軸模塊
力矩電機直驅(qū)刀架是我校自主研究開發(fā)的刀架，目前還在實驗階段，簡圖如圖2.3
圖 2.3 力矩電機直驅(qū)刀架外加電主軸模塊
此刀架的主體部分是我校自主研發(fā)的，將力矩電機內(nèi)置于刀盤的內(nèi)部，同樣以鼠牙盤和液壓系統(tǒng)的離合來實現(xiàn)刀盤的精定位，此刀架將電機內(nèi)置，節(jié)省了很大一部分空間，是刀架的結構更加緊湊，同時也減輕了刀架的整體重量。同時直驅(qū)刀架是零傳動，所謂零傳動就是利用力矩電機直接驅(qū)動回轉運動，省去齒輪傳動等等中間環(huán)節(jié)，把機床傳動鏈的長度縮短為零。該方式避免了中間環(huán)節(jié)能量的損失，并能得到高的動態(tài)性能和好的定位精度，直驅(qū)刀架以其緊湊的結構，迷你的機體，零傳動的高精度，在未來具有十分廣闊的發(fā)展前景。
但是此刀架在設計時，將刀盤內(nèi)部空間已經(jīng)布滿，想要在這個刀架的基礎上再加上電主軸和動力刀座的設計難度較大，對于我目前的知識水平來說有相當大的難度。所以棄用此方案。
2.4力矩電機外置加上電主軸模塊
這種方案是在方案三的基礎上為了設計的可行性改進的方案，簡圖如圖2.4
圖 2.4力矩電機外置加電主軸模塊
這種方案將刀盤內(nèi)的力矩電機外置，提供了電主軸以及動力刀具的設計安裝的可行性，但是這種方案也使電機的體積增加，失去了直驅(qū)刀架的體積小，結構緊湊，以及零傳動的優(yōu)勢。在結構的緊湊性上甚至還不如單伺服動力刀架，所以棄用此方案。
2.5本章小結
本章描述了設計動力刀架的四種方案，對于四種方案的優(yōu)劣進行了比較。經(jīng)過對比，選擇設計單伺服動力刀架，單伺服動力刀架目前在我國的研究發(fā)展制造仍然處于起步階段，對單伺服動力刀架的研究開發(fā)是非常有必要的，單伺服動力刀架相較于雙伺服動力刀架而言，性能更優(yōu)越，因為使用單電機所以結構較緊湊，在未來有較大的發(fā)展?jié)摿?，且?nèi)部傳動結構較為復雜，有研究開發(fā)的意義。所以選用此方案。而更有發(fā)展?jié)摿Φ闹彬?qū)刀架則因能力有限所以不選用。
第3章 動力刀架的設計計算及關鍵部分設計
設計中的主要的重點和難點有（1）伺服電機的選擇（2）液壓機構及控制系統(tǒng)的結構設計（3）刀盤的轉定位與精確定位（4）輪系的設計（5）整個刀塔系統(tǒng)的運動仿真（6）單伺服電機驅(qū)動刀盤和動力刀具的協(xié)調(diào)問題。所以在設計計算中應該優(yōu)先解決這些問題。
3.1 伺服電機的選擇計算
3.1.1 旋轉件的轉動慣量計算
轉動慣量是描述剛體在轉動中的慣性大小的物理量。當兩個繞定軸轉動的不同剛體受到相同的力矩分別作用時，它們所獲得的角加速度一般是不一樣的，轉動慣量大的剛體所獲得的角加速度小，即角速度改變得慢；反之，轉動慣量小的剛體所獲得的角加速度大，即角速度改變得快。
剛體的轉動慣量的定義是：
若剛體為連續(xù)體，則用積分代替求和：
根據(jù)加工的要求，所需的動力刀具也不盡相同，但是重量差別不是很多，估算時可以用平均重量進行估算。受到電動機的力矩驅(qū)動時，整個盤共搭載12把刀具，估算時假設質(zhì)量平均分部于刀盤。
由刀架的結構簡圖可知,刀架在完成換刀動作時,伺服電機帶動其旋轉的部件共四個,它們分別是傳動齒輪，刀架主軸和刀盤，因而只需估算這些元素的轉動慣量然后累加在一起就能初步估算出來整個轉位系統(tǒng)的轉動慣量，進而可以求得電機需要提供的力矩大小。
現(xiàn)選取sauter公司的刀盤，刀盤外徑為=410mm，刀具孔中心圓=370mm與刀盤座連接的螺孔中心圓為120mm。刀盤中心通孔=70mm。如圖3.1.1.1
圖3.1.1.1 刀盤二維圖
刀盤三維模型如圖3.2
圖3.1.1.2刀盤三維圖
按照公式計算刀盤轉動慣量即
即刀盤的轉動慣量可近似看成1.53。
刀盤座根據(jù)設計，三維模型如圖3.1.1.3
圖3.1.1.3刀盤座三維圖
根據(jù)公式計算其轉動慣量：
主軸根據(jù)空間結構其傳動要求初步設計，三維模型如圖3.4
圖3.1.1.4 大軸三維圖
二維圖及尺寸如圖3.1.1.5
圖3.1.1.5大軸二維圖
根據(jù)公式計算其轉動慣量
其余零件由于轉動慣量太小，在初步計算中不列于考慮范圍。
3.1.2電機轉矩估算
等效轉動慣量折算電機的轉矩，根據(jù)公式根據(jù)相鄰刀位轉動時間0.2s的初始條件，若連續(xù)轉動則電機轉速為25。則按照公式初步計算電機的轉矩為
=22
根據(jù)查閱的資料，初步選擇為安川伺服電機，根據(jù)查閱安川伺服電機說明手冊，選取安川伺服電機SGMGH-44A。此伺服電機的數(shù)據(jù)如表3.1.2.1
表3.1 .2.1安川伺服電機部分數(shù)據(jù)
伺服電機型號
SGMGH-44A
額定輸出
4.4kw
額定扭矩
28.4
瞬間最大扭矩
71.7
額定電流
32.8A
額定轉速
3000r/min
最高轉速
6000r/min
根據(jù)查閱安川伺服電機說明手冊，安川伺服電機的SGMGH-44A的額定功率為4.4kw。額定扭矩為28.4。滿足初步計算的扭矩要求。
3.2 動力刀具傳動鏈的轉動慣量計算
動力刀具傳動鏈有傳動齒輪以及傳動軸，要計算動力刀具傳動鏈的轉動慣量則需計算其傳動鏈上的所有零件的轉動慣量。
若把動力刀具傳動軸上的所有零件視為整體，三維圖如圖3.2.1
圖3.2.1 動力刀具傳動軸
運用公式計算其轉動慣量為
計算過度齒輪的轉動慣量運用公式
計算動力刀具軸的轉動慣量
等效轉動慣量折算電機的轉矩，根據(jù)公式根據(jù)動力刀具最高轉速為6000r/min的初始條件，假設3秒達到6000r/min的最高轉速。則按照公式初步計算電機的轉矩為
=6.4056
查閱安川伺服電機說明書，查得SGMGH-44A的扭矩轉速圖如圖3.2.2
圖3.2.2 SGMGH-44A扭矩轉速圖
如上圖顯示，電機在最高轉速6000r/min時的扭矩最大可達到10。滿足動力刀具傳動鏈的扭矩要求，所以此電機是滿足此刀架的動力需求的。
3.3 傳動齒輪的設計計算
電機輸出功率為4.4kw，小齒輪轉速根據(jù)初始條件計算為50r/mm。根據(jù)公式計算其轉矩為：
刀盤轉位驅(qū)動軸的轉矩根據(jù)公式計算為
根據(jù)設計要求，傳動比為2。
小齒輪初選材料為40Cr，進行調(diào)質(zhì)處理，硬度HBS=241—286。
大齒輪初選材料為45鋼，進行調(diào)質(zhì)處理，硬度為HBS=217-253。
初選
選用斜齒輪。
選擇齒寬系數(shù)
齒寬系數(shù)不宜過大，因此取。
按齒面接觸強度計算
根據(jù)資料選 選 ，取，，，
查得許用接觸應力，。
根據(jù)應力循環(huán)次數(shù)查得，。
取失效概率1%，安全系數(shù)S=1。
計算
計算圓周速度
計算齒寬b及計算模數(shù)
計算齒寬吃高之比
計算縱向重合度
計算載荷系數(shù)K
已知使用系數(shù)根據(jù)v=0.984m/s，8級精度，查得動載系數(shù)，，，。
按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑
計算模數(shù)
按齒根彎曲強度設計
計算載荷系數(shù)
根據(jù)縱向重合度查得螺旋角影響系數(shù)
計算當量齒數(shù)
查取齒形系數(shù)
由資料查得，
查應力校正系數(shù)
由資料查得，
計算大小齒輪的并加以比較
由資料查得小齒輪的彎曲疲勞極限，大齒輪的彎曲疲勞極限。
由資料查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，。
去彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4計算
故，。
所以設計計算得
對比計算結果，由彎曲疲勞強度計算的法面模數(shù)小于由齒面接觸疲勞強度計算去，可滿足彎曲疲勞強度，為滿足接觸疲勞強度，需按照接觸疲勞強度算得的分度圓直徑。
計算齒數(shù) 。
可取，。
計算中心距圓整為83mm
齒輪寬度，
驅(qū)動齒輪如圖3.2.3
圖3.2.3 驅(qū)動齒輪三維圖
因為設計中驅(qū)動齒輪及動力刀具傳動齒輪的傳動比為1：1，所以動力刀具傳動軸上的齒輪可以選用與驅(qū)動齒輪一樣的齒輪。
計算過度齒輪
動力刀具傳動軸轉矩計算運用公式
過度齒輪的轉矩為
根據(jù)設計要求，傳動比為4。
小齒輪初選材料為40Cr，進行調(diào)質(zhì)處理，硬度HBS=241—286。
大齒輪初選材料為45鋼，進行調(diào)質(zhì)處理，硬度為HBS=217-253。
初選
選用斜齒輪。
按齒面接觸強度計算
根據(jù)資料選 選 ，取，，，
查得許用接觸應力，。
根據(jù)應力循環(huán)次數(shù)查得，。
取失效概率1%，安全系數(shù)S=1。
計算
計算圓周速度
計算齒寬b及計算模數(shù)
計算齒寬齒高之比
計算縱向重合度
計算載荷系數(shù)K
已知使用系數(shù)根據(jù)v=0.984m/s，8級精度，查得動載系數(shù)，，，。
按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑
計算模數(shù)
按齒根彎曲強度設計
計算載荷系數(shù)
根據(jù)縱向重合度查得螺旋角影響系數(shù)
計算當量齒數(shù)
查取齒形系數(shù)
由資料查得，
查應力校正系數(shù)
由資料查得，
計算大小齒輪的并加以比較
由資料查得小齒輪的彎曲疲勞極限，大齒輪的彎曲疲勞極限。
由資料查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，。
去彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4計算
故，。
所以設計計算得
對比計算結果，由彎曲疲勞強度計算的法面模數(shù)小于由齒面接觸疲勞強度計算去，可滿足彎曲疲勞強度，為滿足接觸疲勞強度，需按照接觸疲勞強度算得的分度圓直徑。
計算齒數(shù) 。
可取，。
計算中心距圓整為138mm。
齒輪寬度，。
因為過度齒輪是動力刀具的傳動齒輪，但是安裝在刀盤轉位驅(qū)動軸上。因為過度齒輪轉動不能帶動刀盤轉位驅(qū)動軸轉動，所以在過度齒輪與刀盤轉位驅(qū)動軸之間加入一個軸承，以便實現(xiàn)過度齒輪在軸上空轉。由于過度齒輪不承受多少軸向力，所以在其內(nèi)可安裝深溝球軸承。如圖3.2.4
圖3.2.4 過度齒輪二維圖
動力刀具驅(qū)動齒輪和過度齒輪的傳動比根據(jù)設計為1：1，可以采用與動力刀具傳動軸相同直徑以及模數(shù)的齒輪。
3.4 傳動軸的設計計算
刀盤轉位驅(qū)動軸
最小軸徑計算=48mm，圓整為50mm，軸設計圖如圖3.3.1。
圖3.3.1 大軸設計圖
取d1=50mm，在軸的后端需要安裝軸承，所以設計L1=25mm。第二段加工為花鍵軸，以便實現(xiàn)刀盤轉位與動力刀具驅(qū)動之間的動力切換。L2=74mm，然后查閱花鍵國家標準GB/T1144-2001,取軸的大徑為60mm，小徑為52mm，鍵寬為10mm?；ㄦI部分國家標準數(shù)據(jù)如表3.3.1
小徑
d
輕系列
中系列
規(guī)格
鍵數(shù)
大徑
D
鍵寬B
規(guī)格
鍵數(shù)
大徑D
鍵寬B
11
6x11x14x3
6
14
3
13
6x13x16x3.5
16
3.5
16
6x16x20x4
20
4
18
6x18x22x5
22
5
21
6x21x25x5
25
23
6x23x26x6
6
26
6
6x23x28x6
28
6
26
6x26x30x6
30
6x26x32x6
32
28
6x28x32x7
32
7
6x28x34x7
34
7
32
6x32x38x6
36
6
8x32x38x6
8
38
6
36
8x36x40x7
8
40
7
8x36x42x7
42
7
42
8x42x46x8
46
8
8x42x48x8
48
8
46
8x46x50x9
50
9
8x46x54x9
54
9
52
8x52x59x10
58
10
8x52x60x10
60
10
56
8x56x62x10
62
8x56x65x10
65
62
8x62x68x10
68
12
8x62x72x12
72
12
72
10x72x78x10
76
10x72x82x12
82
82
10x82x88x12
88
10x82x92x12
92
表3.3.1 部分花鍵國家標準數(shù)據(jù)
L3段需安裝軸承取d3=70mm，L3=28.5mm。軸承需軸肩定位，去d4=80mm，L4段需要安裝端齒盤及液壓系統(tǒng)，為其流出安裝空間，設計L4=101mm。L5段為與端齒盤中的動盤的連接需要，d5=100mm，L5=10mm。L6段安裝過度齒輪，d6=80mm，L6=55mm。
動力刀具傳動軸設計計算
根據(jù)電機的額定輸出功率確定最小軸徑，運用公式計算得=11mm，圓整為20mm。動力刀具傳動軸如圖3.3.2
圖3.3.2動力刀具傳動軸設計圖
L1段需安裝齒輪，故需安裝鍵槽，由于齒輪相對與軸承為懸臂支撐，所以軸兩端需要安裝軸端擋圈，設計d1=20mm，L1=35mm。L2和L4段需要安裝軸承，d2=d4=25mm，L2=L4=17mm。L3段為刀架空間設計需要，同時軸承需要軸肩定位，取d3=30mm。L5段為了實現(xiàn)動力刀具和動力脫開嚙合設計為花鍵軸，大徑為25mm，小徑為21mm，取中系列，花鍵國家標準GB/T1144-2011的部分數(shù)據(jù)如表5。
3.5 軸承的選擇
各種軸承特性如表3.4.1
軸承名稱
特點
調(diào)心球軸承
能承受少量軸向力，因為外圈滾道是以軸承中心為中心的球面，故能自動調(diào)心，允許內(nèi)圈相對外圈軸線偏斜量。一般不宜承受純軸向載荷。
調(diào)心滾子軸承
性能、特點與調(diào)心球軸承相同，但具有較大的徑向承載能力，允許內(nèi)圈對外圈軸線偏斜量。
推力調(diào)心滾子軸承
用于承受以軸向載荷為主的軸向、徑向聯(lián)合載荷，但徑向載荷不得超過軸向載荷的55%。運轉中滾動體受離心力矩作用，滾動體與滾道間產(chǎn)生滑動，并導致軸圈與座圈分離。為保證正常工作，需是施加一定的軸向預載荷。允許軸圈對座圈軸線偏斜量。
圓錐滾子軸承
可以同時承受徑向載荷及軸向載荷（30000型以徑向載荷為主，3000B型以軸向載荷為主）。外圈可分離，安裝時可調(diào)整軸承的游隙。一般成對使用。
推力球軸承
只能承受軸向載荷。高速時離心力大，鋼球與保持架磨損，發(fā)熱嚴重，壽命降低，故極限轉速很低。為了防止鋼球與滾道之間的滑動，工作是必須加有一定的軸向載荷。軸線必須與軸承座底面垂直，載荷必須與軸線重合，以保證鋼球載荷的均勻分配。
深溝球軸承
主要承受徑向載荷，也可同時承受小的軸向載荷。當量摩擦系數(shù)最小。在高轉速時，可用來承受純軸向載荷，工作中允許內(nèi)、外圈軸線偏斜量，大量生產(chǎn)，價格最低。
角接觸球軸承
可以同時承受徑向載荷及軸向載荷及軸向載荷，也可以單獨承受軸向載荷。能在較高轉速下正常工作。由于宇哥軸承只能承受單向的軸向力，因此，一般成對使用。承受軸向載荷的能力與接觸角有關。接觸角大的，承受軸向載荷的能力也高。
圓柱滾子軸承
有較大的徑向承載能力。外圈可以分離，故不能承受軸向載荷，滾子由內(nèi)圈的擋邊軸向定位，工作時允許內(nèi)、外圈有少量的軸向錯動。內(nèi)外圈軸線的允許偏斜量有?。?’-4’）.此類軸承還可以不帶外圈或內(nèi)圈。
滾針軸承
在同樣內(nèi)徑條件下，與其他類型軸承相比，其外徑最小，內(nèi)圈或外圈可以分離，工作室允許內(nèi)、外圈有少量的軸向錯動。有較大的徑向承載能力。一般不帶保持架。摩擦系數(shù)較大。
帶頂絲外球面球軸承
內(nèi)部結構與深溝球軸承相同，但外圈具有球形外表面，與帶有凹球面的軸承座相配能自動調(diào)心。常用緊定螺釘、偏心套或緊定套將軸承內(nèi)圈固定在軸上。軸心線語序偏斜。
表3.4.1 各種軸承的特性
根據(jù)各軸受力情況分析選取軸承，在刀盤轉位驅(qū)動軸的L1段選取深溝球軸承6010GB/T276-1994，因為深溝球軸承可承受徑向力，也可以承受較小的軸向力，在L3段選用圓錐滾子軸承30214GB/T297-1994來承受由端齒盤嚙合以及齒輪滑移帶來的軸向力。
在動力刀具傳動軸的的L2與L4段因為撥叉撥動滑移齒輪產(chǎn)生的軸向力較小，所以可以選用深溝球軸承來承受較小的軸向力，選用6005GB/T276-1994。
在動力刀具驅(qū)動軸上因基本不承受軸向力，所以選用兩個深溝球軸承承受徑向力。選用
6007GB/T276-1994。
3.6端齒盤設計計算
端齒盤是動力刀架刀盤轉位控制精度的重要零件。其精度決定刀盤轉位精度。為了保證端齒盤的定位精度和剛度，對端齒盤做以下技術要求：端齒盤材料采用40Cr，齒部滲氮后磨齒加工；齒寬接觸率為70%以上；齒高接觸為嚙合高度85%以上，兩齒盤嚙合時的接觸齒數(shù)應在90%以上，接觸不良的齒不嚙合；安裝基準孔軸線對分度中心的位置度，一般取0.02~0.04mm，對精密齒盤應在0.01mm以內(nèi)；安裝基準端面對分度的平行度，一般取0.01~0.04mm，對精密齒盤應在0.01mm以內(nèi)。本刀架采用標準直齒端齒盤，齒的嚙合深度通常設計為4~5mm，可獲得所需的瑣緊力滿足刀架剛度要求，所以本次設計將齒的嚙合深度設計為4mm。這一設計也可減少活塞的行程，節(jié)省功率。
查得有關標準得出以下參數(shù)：
端齒盤外徑d：端齒盤的外徑主要由設計結構所允許的空間范圍來確定。在結構允許
的情況下，外徑越大越好，這樣可以增強分度或定位機構的穩(wěn)定性。
根據(jù)車削中心動力刀架的總體結構和外徑系列選取d=180mm。
齒數(shù)z： 根據(jù)JB/T 4316.1-1999查得當外徑d=180mm時，齒數(shù)可以為60和
72兩種，它們的最小分度角分別為和，因為本次設計的動力刀架
工位數(shù)為8工位，轉一個工位從動盤需要轉過角度，應該是最小
分度角的倍數(shù)關系，所以選取最小分度角為，從而選取z=72。
齒長F： F=10mm
齒盤厚度： H/2+m=21.24mm
齒距t: t=7.85mm
齒厚S： S=3.93mm
全齒高h: h=5mm
齒頂高m: m=1.24mm
端齒盤部分國家標準見表3.5.1
序號
外徑
D
內(nèi)徑
d
齒長Fmax
齒盤副厚度H
螺 栓 孔
錐銷 孔
分布圓直徑D
數(shù)量
n
直徑
沉孔直徑
沉孔深度
b
1
100
55
6
30
72
6
6.6
11
6.8
8
2
110
65
82
3
125
70
8
90
4
140
80
40
102
9
15
9
5
160
100
122
6
180
120
10
140
7
200
140
160
8
220
150
50
175
8
11
18
11
10
9
250
180
12
202
10
280
200
230
11
320
220
260
12
360
260
16
60
295
12
13.5
20
13
12
13
400
300
335
14
450
350
385
15
500
400
20
70
430
16
560
450
485
17.5
26
17.5
16
17
630
500
25
80
540
18
710
580
620
表3.5.1 端齒盤部分國家標準
3.7強度校核
如圖3.7.1為主軸和刀盤連接示意圖，通過8個M12的螺栓螺母將刀盤座和刀盤連接在一起，通過4個M10的內(nèi)六角頭螺釘將刀盤座和主軸連接。不難發(fā)現(xiàn)，4個M10的內(nèi)六角頭螺釘承受相當大的剪切應力，是連接的薄弱部分，需要對其進行校核。
圖3.7.1 刀架薄弱連接示意圖
1. 刀盤 2.螺栓 3.內(nèi)六角頭螺釘 4.主軸
刀盤以及刀盤座的轉動慣量之和為1.7設刀盤轉動時的啟動加速度為α。則通過螺釘傳遞的轉矩以及負載轉動慣量滿足下列公式：
得出結果帶入上式得出。
螺釘受的剪切力運用公式計算如下：
根據(jù)機械設計手冊查得，所用內(nèi)六角頭螺釘?shù)脑S用剪切應力為120MPa，所以此內(nèi)六角頭螺釘滿足剪切應力的要求，下面校核擠壓應力：
根據(jù)機械設計手冊查得，所用內(nèi)六角頭螺釘?shù)脑S用擠壓應力為150MPa，所以此內(nèi)六角頭螺釘滿足擠壓應力的要求。
綜上所述，在這部分的連接中，所設計的連接時可靠的，滿足材料的許用應力的要求。
3.8關鍵部分設計
3.8.1液壓系統(tǒng)設計計算
本次設計中運用到了液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)一共有五個組成部分，即動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件（附件）和液壓油。
動力元件：動力元件的作用是將原動機的機械能轉換成液體的壓力能，即是液壓系統(tǒng)中的油泵，它向整個液壓系統(tǒng)提供動力。液壓泵的結構形式一般有齒輪泵、葉片泵、柱塞泵和螺桿泵等等。
執(zhí)行元件：執(zhí)行元件(如液壓缸和液壓馬達)的作用是將液體的壓力能轉換為機械能，驅(qū)動負載作直線往復運動或回轉運動。
控制元件：控制元件(即各種液壓閥)在液壓系統(tǒng)中控制和調(diào)節(jié)液體的壓力、流量和方向。根據(jù)控制功能的不同，液壓閥可分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。壓力控制閥包括溢流閥(安全閥)、減壓閥、順序閥、壓力繼電器等；流量控制閥包括節(jié)流閥、調(diào)整閥、分流集流閥等；方向控制閥包括單向閥、液控單向閥、梭閥、換向閥等。根據(jù)控制方式不同，液壓閥可分為開關式控制閥、定值控制閥和比例控制閥。
輔助元件：輔助元件包括油箱、濾油器、冷卻器、加熱器、蓄能器、油管及管接頭、密封圈、快換接頭、高壓球閥、膠管總成、測壓接頭、壓力表、油位計、油溫計等。
液壓油：液壓油是液壓系統(tǒng)中傳遞能量的工作介質(zhì)，有各種礦物油、乳化液和合成型液壓油等幾大類。
本次設計中涉及要液壓系統(tǒng)的有兩處：鼠牙盤離合系統(tǒng)以及動力切換裝置中的撥叉撥動滑移齒輪。所以需要計算液壓缸直徑，查資料取液壓缸的工作壓力位0-2.5MPa。運用公式計算液壓直徑。所以設計鼠牙盤離合系統(tǒng)液壓缸直為90mm。撥叉驅(qū)動液壓缸運用公式計算其直徑，設計撥叉驅(qū)動液壓缸直徑為20mm。
轉塔動力刀架的整個液壓系統(tǒng)由油泵、兩個二位四通閥及液壓缸組成，分別控制端齒盤和動力刀具離合結構。塔身離合控制機構與動力刀具離合結構的端部分別裝有行程開關，程序根據(jù)傳感器的信號來判斷兩個液壓缸是否運動到位。二位四通閥是通過電磁鐵完成換位動作，根據(jù)二位四通閥的換位來控制液壓缸動作。
當?shù)侗P需要轉位時，電磁鐵通電，二位四通換位閥工作，將端齒盤的定盤以及液壓缸中的活塞體向右推，是端齒盤的動盤和定盤脫開。當?shù)侗P轉位完成后，電磁鐵在工作將二位四通閥換位，使端齒盤的定盤和活塞體一起向左運動，是端齒盤完成嚙合，實現(xiàn)刀盤轉位的精定位。在刀盤轉位完成后，控制系統(tǒng)發(fā)出信號，驅(qū)動兩個小液壓缸的液壓控制器，兩個小液壓缸使用并聯(lián)油路，在刀盤轉位完成后，是撥叉撥動滑移齒輪同時完成刀盤的驅(qū)動齒輪的脫開和動力刀具傳動齒輪的嚙合。示意圖3.8.1.1
圖3.8.1.1 液壓系統(tǒng)示意圖
3.8.2 動力刀具接口設計
目前在市場上有多種動力刀座如：DIN1809接口類型、DIN5480與DIN5480P接口類型、DIN5482接口類型和梅花式接口類型。
各種類型接口如圖3.8.2.1
圖3.8.2.1各種動力刀座接口
各種接口特點如表3.8.2.1
表3.8.2.1 各種動力刀具接口特點
接口類型
DIN1809
DIN5480
其他
所占比例
75%
20%
5%
優(yōu)點
大大簡化了離合器設計，切換速度較快
切換速度快
切換刀具，電機不需要停止
缺點
啟動的時候有振動，噪聲略大，時間長有磨損
離合器設計較為復雜，加工制造成本較高，裝配困難
通用性較差，動力刀座多為廠家的定制產(chǎn)品
發(fā)展趨勢
目前已經(jīng)開發(fā)出可補償?shù)?809接口，間隙減小，溫升、噪聲大大降低，在未來BMT刀架應用上會成為主流接口
隨著DIN5480P專利的保戶過期，10-15年內(nèi)（VDI應用），這種接口會得到廣泛應用
隨著BMT刀架的流行，未來此類接口不會得到普及
DIN1809接口的外形呈一字型，區(qū)別于其他接口的最大的優(yōu)點是不需要離合。相比其他外形的接口而言，花鍵外形的DIN5480接口、漸開線花鍵外形的DIN5482接口、端面鍵外形的梅花式接口，都需要通過液壓缸驅(qū)動的離合器用來控制動力刀座與傳動軸的脫開分離與接合鎖緊。當采用DIN1809接口時，刀座固連于刀盤上，并且在跟隨刀盤一起轉位到目標位置之后，接口能夠直接進入動力傳動軸的楔口，然后進而去驅(qū)動動力刀座。因此，動力刀座采用一字型接口，不僅使結構更為簡單，而且提高了換刀速度。鑒于上述原因，本課題中的動力刀架采用DIN1809。
因為DIN1809接口需要接口轉動到相應的位置時，才能完成離合。所以可以在接口處安裝一個圓光柵傳感器，對接口的位置進行控制。
第4章 三位模型
在完成整體的設計以及二維裝配圖之后，完成了三維的裝配圖。
如圖4.1，4.2為三位裝配圖
圖4.1 三維模型裝配圖
圖4.2 三維模型裝配圖
爆炸視圖的操作方法如下：
1. 點擊視圖管理器新建一個分解視圖如圖4.3
圖 4.3 爆炸視圖1
2. 點擊編輯位置，將零件拖動到預想位置如圖4.4
圖 4.4 爆炸視圖2
如圖4.5為最后制作出的爆炸裝配圖
圖 4.5 爆炸裝配圖
在Pro/Engineer中進行運動仿真則是將轉動零件按照一定裝配關系進行裝配，比如轉動件需要進行銷連接，滑動件進行滑動連接，機體需要剛性固定等等。然后再原動件處加上伺服電機，然后對伺服電機進行參數(shù)設置，然后進行運動仿真即可。
結束語
在本次的畢業(yè)設計中，我設計的題目是動力刀架設計。在初次接到這個題目時，我也是毫無頭緒。經(jīng)過老師的講解以及自己查閱一些資料后對這個題目有了一定的了解。于是自己摸索著做一些設計，在了解了動力刀架的國內(nèi)外的發(fā)展情況后，發(fā)現(xiàn)動力刀架這一方面在國內(nèi)的發(fā)展與國外相比還是相當?shù)穆浜螅S多核心技術還是在國外的掌控之中。產(chǎn)品還是多以模仿為主，缺乏自主創(chuàng)新的產(chǎn)品。在對背景資料有了一定的了解之后，在老師的指點下，對動力刀架的設計提出了四種方案，在經(jīng)過對比比較之后，決定對方案二，即單伺服動力刀架進行設計，單伺服動力刀架較雙伺服動力刀架而言，結構較為緊湊，性能優(yōu)越。而相對于另外的兩種方案而言，難度適中。在設計的過程中，有過種種的困難，如單伺服動力刀架的動力切換裝置的設計，初次設計時，對這種裝置如何設計也是毫無頭緒，但是在查閱更多資料和導師研究之后決定采用撥叉和滑移齒輪的動力切換裝置，雖然這種方式切換動力仍然存在著不少的問題，但是我盡可能在我能力范圍內(nèi)設計到最好。這次畢業(yè)設計讓我第一次獨立設計了一種機構，期間的各種困難都教會了我很多解決困難的方法，期間老師同學也給我很多幫助，感謝他們。
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