动力刀架设计毕业论文

摘 要动力刀架是现今精密数控机床中的核心部件。随着科技的进步发展，动力刀架的技术也趋于成熟和完善。国外很多在动力刀架方面知名的公司和生产商都研发和推出了系列化的产品。虽然国内也有较为完善的生产机制，但是大多还是模仿国外的产品，缺乏自主创新能力，与国外相比仍有较大差距。现在导师的指导下，设计一种单伺服电机驱动的动力刀架。该刀架是依靠伺服电机和液压系统来实现离合，刀盘转位，以及动力切换，利用高精度的端齿盘来实现刀盘转位的精定位，通过拨叉拨动滑移齿轮来实现刀盘转位和动力刀具之间的动力切换。它能搭载 12把刀具，可以实现车、铣等各种加工方式。特点是刀具转位速度快，分位精度高，重复精度高，可靠性强。在进行文献查阅和调查国内外研究现状的基础上，分析了设计单伺服电机驱动的动力刀架设计的重点难点，提出了相应的解决方法。完成了装配图和部分零件图。运用Pro/Engineer 软件建立三维模型，并且对建立出的三维模型进行运动仿真。关键词：动力刀架；单伺服驱动；动力切换IAbstract 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 switchingII目 录摘要IAbstractII第一章 绪论 .1 1.1 研究现状 11.2 设计内容3第二章 总体方案设计42.1 双伺服动力刀架42.2 单伺服动力刀架42.3 直驱刀架外加电主轴模块52.4 力矩电机外置加电主轴62.5 本章小结 6第三章 动力刀架的设计计算 73.1 伺服电机的选择计算 73.1.1 旋 转 件 的 转 动 惯 量 计 算 73.1.2 电机转矩的估算 103.2 动力刀具传动链的转动惯量计算 11 3.3 传动齿轮的设计计算 12 3.4 传动轴的设计计算 193.5 轴承的选择 213.6 端齿盘的设计计算 233.7 强度校核 243.8 关键部分设计 253.8.1 液压系统设计 253.8.2 动力刀具接口设计 27结 束 语 30 参考文献 注：1 摘要、章、结束语、参考文献：（宋体、小四、加粗、居左） ；2 节：（宋体、五号） ；3 中文摘要、英文摘要、目录的页码依次编排用“、 ”罗马数字（宋体、小五号、居中、底部） 。III0第 1 章 概述目前，在世界机床制造和机械加工领域，复合加工技术是处于领先地位的技术。实现车铣复合加工，有许多可行方案，而卧式车床床身搭载转塔动力刀架就是其多种方案中应用最广泛的一个。其中，数控转塔刀架是实现复合加工的核心功能部件，不仅可以像普通刀架装配多把普通车刀，并且 能 够 同 时 提 供 动 力 驱 动 动 力 刀 具 ， 完 成 铣 、 钻 、 攻 丝 、 铰 孔 等 加 工 。在当今市场单件小批量和快速生产的需求的刺激下，催生出了复合加工。在众多领域中，车铣复合加工发展目前来说已经具有一定规模。在一般的机械加工领域中,加工主要分为以下两种方式：第一，工件转动，这种加工方式是车削加工；第二，刀具转动，这种加工方式是加工中心加工。这两种加工方式的结合就是车铣复合加工,它既能够完成车削功能,同时又能够完成铣、镗、钻、铰、扩等功能。车铣复合加工不仅是机械加工的发展方向之一，同样也是当今世界机床技术发展的大潮流。铣刀旋转、工件旋转、铣刀轴向进给和径向进给，在这四个车铣复合加工机床的基本运动中，要完成这铣刀旋转的动作就需要使用到动力刀架。在引入动力数控刀架后，车铣复合加工中心基本实现了如下几个目标:缩短制造工艺链和物流长度;减少装夹次数以及工装夹具数量;减小使用占地面积，降低了成本。实现了在确保质量的前提下，提高生产率和自动化的程度。步入新世纪以来，我国的数控机床行业发展势态愈发迅猛，主机技术向着高速、智能、复合、环保方向不断发展。动力刀架作为数控机床及加工中心重要部件之一，它的性能优劣关系到整台机床的性能，甚至深刻影响着我国制造业整体水平的高低。当前市场中，动力刀架技术已经趋近成熟完善，国外很多著名刀架生产商都已设计研发并推广出自己的系列化产品，国内也已有较为完善的生产机制。但是绝大部分仍然是模仿国外的产品，缺乏自主创新能力，它与国外的先进水平相比较，在精度等方面还存在着一定的差距，在一定程度上这会制约机床发展。所以，在动力数控刀架的设计上，提高反复多次定位的精度和降低刀架出现故障的概率意义重大。1.1 研究的现状动力刀架最早出现于 1980 年。经过 30 多年的发展，随着伺服刀架的出现，动力刀架由最初的外加动力刀具驱动模块的形式发展为现今伺服动力刀架。伺服刀架又分为双伺服动力刀架以及单伺服动力刀架。随着车削中心和车铣复合机床模块化设计的发展以及对功能部件性能参数和可靠性要求的逐渐提高，在单伺服动力刀架的基础上衍生出下列动力刀架产品：（1）内置电主轴的直驱动力刀具刀架结构这种动力刀架采用内置的电主轴直接驱动动力刀具代替伺服电机通过传动系统驱动刀具，是动力刀具的最大转速得到了提升，可达到 10000r/min。同时刀盘和动力刀座采用了BMT 接口，提高了重复定位精度。此项技术最先由德国 Sauter 公司申请专利。（2）力矩电机直驱式动力刀架这种动力刀架大幅度减少传动系统的复杂性，省去大量零件，使刀架体积变小，性能与功能与原来的伺服电机驱动刀盘的动力刀架。但是因为简化了传动系统，因此可靠性大幅度提升。（3）带 Y 轴、B 轴的动力刀架目前国外动力刀架的研究均已成熟，德国，日本，意大利，英国等发达国家均有成熟的产品运用于生产。国外的生产商如德国肖特公司（sauter） ，意大利巴拉法蒂（baruffaldi） 、杜普玛迪克（duplomatic）等著名的生产商。世界上最著名数控转塔刀架生产企业是德国的Sauter公司和意大利Baruffaldi公司。1这两家企业刀架的性能指标如表1.1所示:表1.1 国外厂家生产的刀架的技术参数厂家 中心高（mm）工位（个）45转位时间(s)45转位并加紧时间（s）Sauter公司 160 8 0.38 0.78Baruffaldi公司 160 8 0.44 0.84国内的动力刀架技术仍处于发展阶段，目前国内动力刀架生产较为著名的生产商有：常州市宏达机床数控设备有限公司、常州市新墅数控设备有限公司、烟台环球机床附件集团有限公司、沈阳精诚数控机床附件厂。这些厂家中技术规格参数指标较高的是沈阳机床数控刀架分厂和烟台环球机床附件厂。表 1.2 是国内两个厂家生产的两种型号的转塔刀架的技术参数。表 1.2 国内厂家的刀架技术参数厂家 中心高（mm）工位（个）45转位时间（s）45转位并夹紧时间（s）引进技术烟台环球机床附件厂AK31160 8 0.66 1.54意大利Baruffaldi沈阳机床厂TSMA160160 8 0.44 意大利Baruffaldi图 1.1 国内产品 图 1.2 国外产品从上面两表的数据就可以看出国外生产的刀架转位速度快，在实际加工时有较高的效率。45转位并加紧时间这项种烟台环球机床附件厂生产的刀架的用时是德国肖特公司的一倍。而且两家国内生产厂家的技术还是从意大利 Baruffaldi 公司引进的。由此可见，国内的刀架生产技术与国外的先进水平仍有很大差距。目前烟台环球机床附件厂生产的动力刀架均有不错的性能具体参数见表 1.3表 1.3 烟台环球机床附件厂的动力刀架参数2No 项目 AK3380X12A AK33100X12A AK33125X12A1 中心高 80 100 1252 工位数 12 12 123 刀孔定位精度 6“6“6“4 重复定位精度 2“ 2“ 2“5 30转位时间 0.19 0.15 0.326 180转位并夹紧时间 1.54 1.0 2.57 最大不平衡负重力矩 15 40 608 分度频数 750 750 7509 最大转动惯量 1.3 4.5 110 最大载重 40 120 16011 刀柄直径 30 30/40 5012 刀具接口 DIN5482 DIN5482 DIN548213 传动比 1:1 1:1 1:1.0514 最高转速 5000 4000 300015 最大扭矩 20 40 6016 最高功率 6 8 1017 可配动力刀夹数 12 12 1218 冷却水口 G1/4 G1/4 G3/819 电缆接口 / / M24x1.520 刀架净重 228 40821 刀架毛重 256 45322 箱体尺寸（长 X 宽 X 高） 620X510X590 700X650X810 880X764X810目前，我校研究生在杨庆东教授的指导下也研制出了国内首创的力矩电机直驱刀架。力矩电机直驱刀架大幅度简化了刀盘的传动系统，使刀架体积大幅度减小，由于传动系统的简化，刀架的精度以及可靠性也得到了提升。1.2 设计内容1、进行数控车削中心动力刀架总体研究，并进行整体布局设计；2、研究各种电机，为动力刀架选择合适的电机；3、研究出一种动力切换的可行方案4、设计刀架结构、动力驱动，完成关键部件的设计计算；5、完成动力刀架的二维设计和三维设计 。3第 2 章 方案选择动力刀架在其发展时间内已发展出了多种的形式，设计方式也各有不同。以下是在导师指导下选出的四种方案。2.1 双伺服电机驱动动力刀架双伺服电机驱动动力刀架是最早出现的动力刀架形式，经过很长时间的发展，有了很成熟的研究结果，也已经推出了一系列的产品。在其上改进的空间不大。双伺服电机驱动动力刀架的示意图如图 2.1图 2.1 双伺服动力刀架简图1：刀盘驱动电机 2：动力刀具驱动电机双伺服电机驱动动力刀架，使用两个电机分别驱动刀盘以及动力刀具，刀盘的精定位则通过高精度鼠牙盘和液压系统离合实现鼠牙盘的啮合脱开来实现刀盘的精定位。这种动力刀架所占空间较大，结构较为简单，传动方式也较为简单。而且国内外双伺服动力刀架产品已经较成熟，设计价值不高。所以弃用此方案。2.2 单伺服电机驱动动力刀架单伺服电机驱动动力刀架是在双伺服驱动动力刀架的基础上，发展出的一种更为先进的动力刀架。单伺服动力刀架性能优越，