12位盤(pán)型刀塔伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

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前 言現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展其實(shí)就是制造工藝的發(fā)展，而這其中一個(gè)非常重要的因素就是制造工具——機(jī)床的發(fā)展?，F(xiàn)代機(jī)床的發(fā)展都趨向于自動(dòng)化、復(fù)合化以及高速化。而作為制造業(yè)主力軍的數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，它的發(fā)展更是日新月異。自從 20 世紀(jì) 60 年代世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床問(wèn)世以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和機(jī)械制造技術(shù)等各相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)已成為現(xiàn)代先進(jìn)制造系統(tǒng)(FMS，CIMS等)中不可缺少的基礎(chǔ)技術(shù)。由于機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜，種類繁多。現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床的“使用難、維修難”問(wèn)題，已經(jīng)是影響數(shù)控機(jī)床有效利用的首要問(wèn)題。當(dāng)前，數(shù)控機(jī)床發(fā)展迅猛，一方面向高速、高效、高精度方面發(fā)展，同時(shí)，在制造行業(yè)中廣泛存在原有設(shè)備的數(shù)控改造和系統(tǒng)升級(jí)問(wèn)題。作為關(guān)鍵附件，高性能的刀塔對(duì)于提高機(jī)床整體運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性和效率有著重要意義，數(shù)控刀塔是由數(shù)控系統(tǒng)來(lái)控制的，因此，在刀塔本身性能提高的情況下，如何實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)就顯得十分重要了。國(guó)內(nèi)數(shù)控車床轉(zhuǎn)塔刀架的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)都是依賴先進(jìn)國(guó)家的，而且產(chǎn)品的性能方面跟國(guó)外還有一定的差距，期待開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一種性能最優(yōu)，最有實(shí)用價(jià)值的轉(zhuǎn)塔刀架，來(lái)適應(yīng)市場(chǎng)，替代進(jìn)口產(chǎn)品低價(jià)位的數(shù)控車床用轉(zhuǎn)塔刀架，占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，并達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，為國(guó)產(chǎn)機(jī)床工業(yè)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。數(shù)控車床今后將向中高當(dāng)發(fā)展，中檔采用普及型數(shù)控刀架配套，高檔采用動(dòng)力型刀架，兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種，預(yù)計(jì)近年來(lái)對(duì)數(shù)控刀架需求量將大大增加，隨著數(shù)控車床的發(fā)展，數(shù)控刀架開(kāi)始向快速換刀、電液組合驅(qū)動(dòng)和伺服驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展，因此對(duì)刀塔的設(shè)計(jì)以及它本身性能的研究就顯得十分重要。本次的課題是 12 位盤(pán)型伺服刀塔設(shè)計(jì)，該機(jī)構(gòu)可以一次裝夾 12 把動(dòng)力刀，可以在加工過(guò)程中一次性的進(jìn)行多道工序的加工，大 大 提 高 了 加 工 精 度 和 生 產(chǎn)效 率 。 本 次 設(shè) 計(jì) 的 主 要 內(nèi) 容 是 ： 1.對(duì)刀塔的結(jié)構(gòu)，刀塔的傳動(dòng)形式以及驅(qū)動(dòng)方式的設(shè)計(jì)；2.刀塔與刀座的連接形式、刀座的選擇；3.刀具的交換動(dòng)作設(shè)計(jì)、交換時(shí)間以及定位鎖緊計(jì)算；4.刀塔其他輔助部件的設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)，根據(jù)課題所要求的刀塔的驅(qū)動(dòng)方式，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)進(jìn)而加以優(yōu)化。總之，本課題的意義在于:1 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在最短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出最優(yōu)的 12 位盤(pán)型刀塔結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)；2.減少物質(zhì)的浪費(fèi)，用最少的材料設(shè)計(jì)出滿足其設(shè)計(jì)要求及加工精度的刀塔結(jié)構(gòu)；3.為解決同類問(wèn)題即關(guān)于刀塔的結(jié)構(gòu)形式、刀塔的驅(qū)動(dòng)方式，提供一種研究方法；4.培養(yǎng)綜合運(yùn)用專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)技能來(lái)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力；5.強(qiáng)化工程實(shí)踐能力和意識(shí),提高本人綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力；6.，使本人受到從事本專業(yè)工程技術(shù)和科學(xué)研究工作的基本訓(xùn)練,提高工程繪圖、計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、外文資料文獻(xiàn)閱讀、使用計(jì)算機(jī)、使用文獻(xiàn)資和手冊(cè)、文字表達(dá)等各方面的能力；7.培養(yǎng)正確的設(shè)計(jì)思想和工程經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)，理論聯(lián)系實(shí)際的工作作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度以及積極向上的團(tuán)隊(duì)合作精神。在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，分度鎖緊和動(dòng)力刀座部分是重中之重。通 過(guò) 廣 泛 查 閱文 獻(xiàn) 資 料 ， 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 小 組 之 間 以 及 與 指 導(dǎo) 老 師 相 互 討 論 等 途 徑 ， 擬 定 了 如 下的 研 究 手 段 ：刀塔的換刀過(guò)程可以分解成為三個(gè)動(dòng)作：上下端齒盤(pán)松開(kāi)、刀盤(pán)轉(zhuǎn)位、上下端齒盤(pán)嚙合鎖緊。其中上下端齒盤(pán)的松開(kāi)以及鎖緊都是通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而刀盤(pán)的轉(zhuǎn)位以及動(dòng)力刀座的運(yùn)轉(zhuǎn)皆由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，刀盤(pán)轉(zhuǎn)位可以是交流伺服電機(jī)，也可以是直流伺服電機(jī)，而動(dòng)力刀座的驅(qū)動(dòng)則是由交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。刀盤(pán)動(dòng)作的大概步驟如下：系統(tǒng)發(fā)出換刀指令 動(dòng) 力 刀 座 驅(qū) 動(dòng) 電?機(jī) 停 轉(zhuǎn) 液 壓 系 統(tǒng) 啟 動(dòng) 下 端 齒 盤(pán) 向 右 運(yùn) 動(dòng) ， 與 上 端 齒 盤(pán) 脫 開(kāi) 動(dòng) 力?刀 座 驅(qū) 動(dòng) 軸 向 右 運(yùn) 動(dòng) ， 與 動(dòng) 力 刀 座 脫 開(kāi) 信 號(hào) 反 饋 ， 系 統(tǒng) 指 令 轉(zhuǎn) 位 電機(jī) 啟 動(dòng) 刀 盤(pán) 轉(zhuǎn) 位 信 號(hào) 反 饋 轉(zhuǎn) 位 電 機(jī) 停 轉(zhuǎn) 液 壓 系 統(tǒng) 動(dòng) 作 上下 端 齒 盤(pán) 鎖 合 動(dòng) 力 刀 座 驅(qū) 動(dòng) 軸 與 動(dòng) 力 刀 座 鎖 合 信 號(hào) 反 饋 ， 系 統(tǒng) 指 令動(dòng) 力 刀 座 驅(qū) 動(dòng) 電 機(jī) 動(dòng) 作 。第 一 章 緒 論刀塔目前主要應(yīng)用于數(shù)控車床、數(shù)控銑床以及車銑復(fù)合加工中心，所以與刀塔發(fā)展最相關(guān)的領(lǐng)域就是數(shù)控車床、數(shù)控銑床以及車銑復(fù)合加工中心的發(fā)展。1.1 數(shù)控機(jī)床發(fā)展歷程以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的思考1949 年帕森公司正式接受美國(guó)空軍委托，在麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)試驗(yàn)室的協(xié)助下，開(kāi) 始從事數(shù)控機(jī)床的研制工作。經(jīng)過(guò)三年時(shí)間的研究，于 1952 年試制成功世界第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床試驗(yàn)性樣機(jī)，這是一臺(tái)采用脈沖乘法器原理的直線插補(bǔ)三坐標(biāo)連續(xù)控制銑床，這便是數(shù)控機(jī)床的第一代 [2]。1953 年，美國(guó)空軍與麻省理工學(xué)院協(xié)作，開(kāi)始從事計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程的研究，這就是創(chuàng)制 APT(Automatically Programmed Tools )自動(dòng)編程系統(tǒng)的開(kāi)始。1955 年，美國(guó)空軍花費(fèi)巨額經(jīng)費(fèi)訂購(gòu)了大約 100 臺(tái)數(shù)控機(jī)床,此后兩年，數(shù)控機(jī)床在美國(guó)進(jìn)入迅速發(fā)展階段,市場(chǎng)上出現(xiàn)了商品化數(shù)控機(jī)床。1958 年，美國(guó)克耐 ?杜列克公司(Keaney m---加速時(shí)間,通常取 150 ;jt 20s:---電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量( ),可查樣本 ;Jkg---負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量( ). L 2kgm?3) 負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量 的估算LJ22hiLKiJm?????????????????2:式中 ---各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量( );h kg---各旋轉(zhuǎn)件的角速度( );/rads---各直線運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量( );im---各直線運(yùn)動(dòng)件的速度( );i?/ms---伺服電機(jī)的角速度( )[6].?rad4) 各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 的估算hJ由刀架的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖可知,刀架在完成換刀動(dòng)作時(shí),伺服電機(jī)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)的部件共 4 個(gè)，它們分別是變速齒輪副,刀塔主軸，刀盤(pán)以及下端齒盤(pán)。計(jì)算出這幾者的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量即可。(1) 刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算刀盤(pán)以肖特公司生產(chǎn)的 AK31 系列數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的配套產(chǎn)品，其主要尺寸如下：刀盤(pán)外徑 ；刀盤(pán)與刀架主軸相連的孔徑 ；刀盤(pán)寬1320Dm?150dm?。42Pm?則刀盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量22111hdJ???????????2222111DDdP?????????????????2222310.19.50.19.57.85.4.42??????????????????????????????=0.042kg 2m(2) 刀塔主軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算刀塔主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 按如下的方法估算：2hJ刀架主軸的最大直徑 ；最小直徑 ；刀架主軸長(zhǎng)度取max50d?min15d?。150l?則刀架主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 [7]2maxin21hJ???????22axinmaxinddl??????????2 2310.510.517.8514.2 ?????????=0.0021 2kgm:(3) 變速齒輪副的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算變速齒輪副的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 的估算方法如下：3hJ設(shè)齒輪的分度圓直徑 ；其與刀架主軸相連的孔徑 ；蝸輪齒寬 .D3hd3hb則每個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ?222233331hhhhDb?????????????????????222233333317.850.142hhhhhDddb???????????????????????????=12330.75 [7]?222233333hhhhhddb?????????????????????????2kgm:以上為齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的普遍計(jì)算公式，下面分別針對(duì)每個(gè)齒輪單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算，帶入各自的假設(shè)值進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的估算：? 高速級(jí)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量估算：假設(shè)其分度圓直徑 =18mm,其與電機(jī)主31hD軸相連孔的直徑為 =8mm，齒輪寬度為 =22mm ,則可知：31hdb=31hJ232hDM???????=12330.75?22223131313131hhhhhdDdb????????????????????????=12330.7522220.8.00.8.0.???? ????= 621.7kgm???? 高速級(jí)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量估算：假設(shè)其分度圓直徑 =45mm,其與電機(jī)主32hD軸相連孔的直徑為 =10mm，齒輪寬度為 =18mm ,則可知：32hdb=32hJ231hDdM???????=12330.75?222233333hhhhhDdb????????????????????????=12330.7522220.45.010.45.01.8???? ????= 52.68kgm???? 低速級(jí)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量估算：假設(shè)其分度圓直徑 =18mm,其與軸相連3hD孔的直徑為 =10mm，齒輪寬度為 =22mm ,則可知：3hd3hb=32hJ21dM???????=12330.75?22233333hhhhhDDdb????????????????????????=12330.7522220.18.00.18.0.?? ??? ???? ?= 621.0kgm???? 低速級(jí)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量估算：假設(shè)其分度圓直徑 =54mm,其與軸相連34hD孔的直徑為 =20mm，齒輪寬度為 =18mm ,則可知：34hd34hb=32hJ21dM???????=12330.75?2223434343434hhhhhDDdb????????????????????????=12330.7522220.5.00.5.0.18?? ??? ???? ?= 421.7kgm???(4) 下端齒盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算：假設(shè)下端齒盤(pán)的大徑 =60mm,與軸相4hD=25mm,端齒盤(pán)厚度為 =10mm，則其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約為： =4hd4hb 4hJ24412hhDdM??????????=12330.75?22244444hhhhhdb??? ???????? ??????=12330.7522220.6.050.6.05.1?? ?? ?? ??????= 524.9kgm???(5) 對(duì)各旋轉(zhuǎn)件的角速度作如下設(shè)定：伺服電機(jī)的角速度 ；1502/6157/rads????齒輪 1 的角速度 ；3h?齒輪 2 的角速度 ；32150/62.8/.h rads?????????齒輪 3 的角速度 3/0./2.5h rs????????齒輪 4 的角速度 341502/60.93/.h rads???????????刀架主軸的角速 ；2/./7.5h rs??????下端齒盤(pán)轉(zhuǎn)位時(shí)的角速度 4102/60.93/.h rads???????????刀盤(pán)轉(zhuǎn)位時(shí)的角速度 。15/./7.h rs??????則將以上計(jì)算所得的數(shù)據(jù)代入下式： 得負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量22hiLKiJm?????????????????2kg:2 25625 417.8.4.(.6810.)0.157165.93(4.690.47????? ??????????? ???? ????????=0.008 2kgm:取 ；刀架換刀時(shí)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速 ；伺服電動(dòng)機(jī)1.jtms? 150/innr?轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 。203Jkg:則刀架加速扭矩 ??60mj LjnTJt???N:?23.1450.3.08??=0.81 ?5) 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出扭矩 的估算 [7]DT驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩 應(yīng)同時(shí)滿足刀架負(fù)載扭矩 和加速扭矩 之和，F(xiàn)TJT將以上計(jì)算的刀架負(fù)載扭矩和加速扭矩?fù)Q為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸上的輸出扭矩 的公D式為：FDT???Nm:式中 ----傳動(dòng)效率 取 0.95。?則有 FDT???1.8620.1795?Nm?考慮到實(shí)際情況比計(jì)算時(shí)所設(shè)定條件復(fù)雜，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩 應(yīng)為 的sTD倍。1.25:所以取 1.3.72.4sDT????經(jīng)查閱西門(mén)子電機(jī)手冊(cè)，選項(xiàng)用西門(mén)子 1FT6 交流伺服電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為 1500r/min，額定輸出轉(zhuǎn)矩為 5 ，額定功率為 0.4kW。Nm:3.2 主軸是設(shè)計(jì)計(jì)算3.2.1 主軸是設(shè)計(jì)由刀塔裝配圖可知，刀架主軸的支承方式為兩端游動(dòng)支承，其一端與刀盤(pán)固連，另外一端是角接觸球軸承 2 與變速齒輪副相連接，角接觸球軸承 2 起右支承作用可以使我們得到自己所想要的轉(zhuǎn)速。而軸的中間部位由刀盤(pán)至軸的右端的方向分別與角接觸球軸承 1 和上端齒盤(pán)相連，角接觸球軸承 1 起左支承作用。已知伺服電機(jī)的功率為 0.4kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速 ，取經(jīng)齒輪傳動(dòng)副傳動(dòng)的150/minnr?效率 ，齒輪傳動(dòng)副的傳動(dòng)比 。0.97??7.i1) 先求出刀架主軸上的傳遞功率 、轉(zhuǎn)速 和轉(zhuǎn)矩2P33T20.49.6PkW???315/70/minnri于是 3 4.371.802T Nmn???2) 初步確定軸的最小直徑由式 可初步估算設(shè)計(jì)軸的最小直徑。0PdA?式中： 為系數(shù)，軸的材料不同，則 的值會(huì)不同；0 0A為軸傳遞的功率，單位為 ；PkW為計(jì)算截面處軸的直徑，單位為 mm；d為軸的轉(zhuǎn)速，單位為 ；n/minr選取軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)表 15—3，取 ，于是得015A?3min00.761512.95PdAm???根據(jù)刀塔的設(shè)計(jì)思路，我們確定在最右端要安裝角接觸球軸承 2，所以在進(jìn)行軸徑確定的時(shí)候，要配合軸承選型手冊(cè)進(jìn)行軸徑設(shè)計(jì)。從而取軸的最小直徑為 ；軸的最大直徑為min15max0d3）求作用在齒輪上的力以知低速級(jí)大齒輪的分度圓直徑為： 4154dz????而 N342.806.7tTF由此可知： antan26.745.0coscos'3“it??????ta.ta86'9FN???圓周力 ，徑向力 以及軸向力 的方向如 3.2.2 圖所示。ti ?4）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）擬定軸上零件的轉(zhuǎn)配方案主軸的裝配方案經(jīng)過(guò)分析比較，最終確定的結(jié)構(gòu)裝配圖方案如下圖3.1.1 所示。圖 3.1.1（2）根據(jù)軸向定位要求確定各段軸的直徑以及長(zhǎng)度? 因軸同時(shí)承受徑向力以及軸向力的作用，故選用角接觸球軸承。參照工作要求并根據(jù)上面所計(jì)算的軸的最小直徑，選用內(nèi)徑為 的角接15?觸球軸承，具體型號(hào)為 7002c GB/T 292---1994,其基本尺寸為：d D T=15mm 32mm 9mm,故軸 參數(shù)為： =15mm 16mm.???1d?l? 軸 的設(shè)計(jì)：由于軸 上只是安裝一個(gè)齒輪，所以軸的是長(zhǎng)度和齒輪?寬度差不多，已知齒輪寬度為 =18mm，故設(shè)計(jì)軸的長(zhǎng)度為 。34hb25lm?3.2.2 主軸的強(qiáng)度校核F?3.3 轉(zhuǎn)位部分齒輪系設(shè)計(jì)第三章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 刀架液壓控制系統(tǒng)液壓泵及油泵電動(dòng)機(jī)的選擇計(jì)算由于該刀塔鎖緊部分的松開(kāi)和夾緊均由液壓系統(tǒng)通才液壓缸活塞的往反運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)動(dòng)力刀座驅(qū)動(dòng)電機(jī)停轉(zhuǎn)，刀盤(pán)將要進(jìn)行轉(zhuǎn)位時(shí)，液壓缸推動(dòng)活塞沿軸向右運(yùn)動(dòng)，使上下端齒盤(pán)脫開(kāi)，再右刀盤(pán)轉(zhuǎn)位電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤(pán)進(jìn)行轉(zhuǎn)位；當(dāng)?shù)侗P(pán)轉(zhuǎn)位結(jié)束時(shí)，液壓缸又推動(dòng)活塞桿沿軸向左運(yùn)動(dòng)，使上下端齒盤(pán)嚙合鎖緊，從而使刀塔在加工過(guò)程中不會(huì)因?yàn)槭艿角邢蛄Χl(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，起到鎖緊作用。刀具所受的切削力由端面齒盤(pán)通過(guò)設(shè)定的移動(dòng)軌道卸荷給箱體，再由箱體卸載給機(jī)床，為使刀架在強(qiáng)力切削下能穩(wěn)妥可靠地工作，液壓缸必須有足夠的拉緊力拉住刀盤(pán)，使用于夾緊定位的端面齒盤(pán)在車床切削過(guò)程中始終處于嚙合狀態(tài)。因而液壓泵及油泵電動(dòng)機(jī)的配置對(duì)液壓系統(tǒng)的工作性能有重要的影響 [7]。3.1.1 液壓油泵的選擇選擇油泵的主要依據(jù)是壓力和流量，一般來(lái)說(shuō)，齒輪泵價(jià)格低，維修方便，但當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到較大值時(shí)，輸油壓力脈動(dòng)大，噪聲大。不宜作數(shù)控機(jī)床的油源；葉片泵的輸油壓力脈動(dòng)小，噪聲小。因而被廣泛用于數(shù)控機(jī)床的主要油源。所以本液壓系統(tǒng)的液壓泵選用葉片泵。3.2.2 液壓缸內(nèi)徑 和活塞桿直徑 的計(jì)算Dd計(jì)算液壓缸的內(nèi)徑和活塞桿直徑都必須考慮到設(shè)備的類型,例如在金屬切削機(jī)床中,對(duì)于動(dòng)力較大的機(jī)床(刨床,拉床和組合機(jī)床)一定要滿足牽引力的要求,計(jì)算時(shí)要以力為主;對(duì)于輕載高速的機(jī)床(磨床,珩磨機(jī)和研磨機(jī)等 )一定要滿足速度的要求,計(jì)算時(shí)要以速度為主.3.2.2.1 動(dòng)力刀座驅(qū)動(dòng)部分液壓缸的計(jì)算(1)由于液壓缸的動(dòng)作分為兩個(gè)，一個(gè)時(shí)液壓缸驅(qū)動(dòng)動(dòng)力刀驅(qū)動(dòng)部分使之向后移動(dòng)，與動(dòng)力刀座脫開(kāi)，以便進(jìn)行換刀，這種情況下不受外力，設(shè)計(jì)計(jì)算要以速度為主；另一個(gè)情況時(shí)液壓缸驅(qū)動(dòng)動(dòng)力刀驅(qū)動(dòng)部分向左移動(dòng)，使之與動(dòng)力刀座相嚙合，以進(jìn)行加工，這種情況下它會(huì)受到一個(gè)軸向力，因此這種情況下應(yīng)該以力的計(jì)算為主。所以經(jīng)過(guò)綜合考慮，最終的計(jì)算應(yīng)該以力的計(jì)算為主。下面就以力為主來(lái)計(jì)算動(dòng)力刀部分液壓缸的內(nèi)徑 和活塞桿直徑1D1d根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度要求和選定的液壓泵流量來(lái)確定液壓缸內(nèi)徑 和活塞D桿直徑 ，再?gòu)?標(biāo)準(zhǔn)中選取相近尺寸加以圓整。d23480GB?對(duì)于單活塞桿缸來(lái)說(shuō)，當(dāng)液壓油進(jìn)入油腔時(shí)2qDd????式中 ----輸入液壓缸的流量；q----液壓缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度；?設(shè)液壓缸活塞的往復(fù)速度比值為 ，即： 。由于活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度?12/??相等，所以 。由相關(guān)資料可知，當(dāng) 時(shí)，一般取 。1??.3?:/0.34dD?:則得 24qDd???20.1534???20.5； 。0.78m?.0.dm從 GB-2348-80 標(biāo)準(zhǔn)中選取的液壓缸內(nèi)徑為 80mm,活塞桿直徑取 40mm.3.1.2 油泵電動(dòng)機(jī)功率的選擇計(jì)算1）油泵工作壓力的計(jì)算油泵工作壓力 應(yīng)等于液壓缸的工作壓力 和油液在管道中流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的sp0p壓力損失 之和。即 p?0s???（1）液壓缸工作壓力的估算對(duì)于中小型的數(shù)控車床，通常推薦液壓缸的拉緊力為 10 。液壓缸20kN:活塞的有效工作面積設(shè)定為 ；則該刀架液壓缸的工作壓力20.43Sm?。03.5apM?（2）活塞移動(dòng)速度計(jì)算液壓系統(tǒng)所需的油泵流量是由工作油缸的尺寸和運(yùn)動(dòng)速度的快慢要求來(lái)決定的。由已知條件可以知道，總的換刀時(shí)間位 0.3s，分配給刀盤(pán)轉(zhuǎn)位的時(shí)間位0.025s，信號(hào)傳遞時(shí)間忽略不計(jì)，其余時(shí)間全部分配給液壓系統(tǒng)，則一個(gè)換刀過(guò)程中液壓系統(tǒng)所耗費(fèi)的時(shí)間位為： 0.325.7ts??故活塞每次移動(dòng)的時(shí)間為： 10.275.13ts?又由端齒盤(pán)的設(shè)計(jì)結(jié)果可以知道，端齒盤(pán)的齒高為 ，故可以知道10hm?活塞的移動(dòng)距離為 ，活塞移動(dòng)過(guò)程中勻速移動(dòng)，由此可知活塞的移lhm?動(dòng)速度為： 1072.3/0.73/.5sss??（3）油液壓力損失 的估算p?在液壓系統(tǒng)方案未確定之前，先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的壓力損失進(jìn)行估算，等到正式系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，再進(jìn)行詳細(xì)的驗(yàn)算。347.810QlpKd????2/Nm式中 ----油的運(yùn)動(dòng)粘度（厘沲） ；?----流量（升 /分） ；Q----管子的內(nèi)徑（毫米） ；d-----管道總長(zhǎng)（米） ；l----修正系數(shù)。K當(dāng) 時(shí)， =1eR20?當(dāng) 時(shí)， 。e? 346.8Qd????????流量 的計(jì)算方式如下：Q工作油缸需油量用下式計(jì)算： 'QA??式中 ----活塞運(yùn)動(dòng)速度；?----活塞有效工作面積。A取 ；取 。'Q?0.5/ms20.43m?代入上式得 = 'QA?350.15/2.9s???/minL考慮到泄漏的影響油缸實(shí)際需油量為：K?式中 為修正系數(shù)在 之間。K1.3:所以 295.48Q??/minL選用管徑油管內(nèi)徑應(yīng)足夠大，以減少油的壓力損失。但管徑若過(guò)大則會(huì)使結(jié)構(gòu)笨重、增加制造成本。正確選用管徑一般是先選取管中的流速，然后計(jì)算管徑，再按與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格相近的選用。由于 24Qd???所以 式中 ----管子的內(nèi)徑；d----通過(guò)管子的流量；Q----管中流速，取 0.25 。 ?/ms將上面計(jì)算的結(jié)果代入式中得 4Qd???0.215.033m???設(shè)液壓系統(tǒng)管道的總長(zhǎng)度 50l則有 360.643364 4.7.8107.81401QpKd?? ?????aP得油泵的工作壓力 = 0sp???3.5aaaMPM??根據(jù)能量守恒原理，油泵輸出液壓油的功率就是需要油泵電動(dòng)機(jī)的功率（不考慮效率） 。因此只需算出油泵輸出液壓油的功率就可以確定該選多大功率的電動(dòng)機(jī)。油泵的輸出功率 sNPQ??式中 ----液壓泵的工作壓力；sP----液壓系統(tǒng)的液壓油流量。Q將相關(guān)數(shù)據(jù)代入可得 =sNP??350.2157.W??則油泵電動(dòng)機(jī)的功率為： 72.9.68sQk???效率可由產(chǎn)品目錄查到.如 型齒輪泵 ; 型葉片泵,CB0.3.:YB.此外,尚需考慮電動(dòng)機(jī)本身的效率及從電動(dòng)機(jī)到油泵的聯(lián)軸節(jié)或0.6582??:皮帶傳動(dòng)等的效率,故電動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)適當(dāng)?shù)丶哟?[7]。3.2 液壓缸的設(shè)計(jì)3.2.1 選擇液壓缸類型由于該液壓缸主要用于驅(qū)動(dòng)刀架主軸的直線往反動(dòng)動(dòng).故選用雙作用單桿活塞缸.3.2.2 液壓缸內(nèi)徑 和活塞桿直徑 的計(jì)算Dd計(jì)算液壓缸的內(nèi)徑和活塞桿直徑都必須考慮到設(shè)備的類型,例如在金屬切削機(jī)床中,對(duì)于動(dòng)力較大的機(jī)床(刨床,拉床和組合機(jī)床)一定要滿足牽引力的要求,計(jì)算時(shí)要以力為主;對(duì)于輕載高速的機(jī)床(磨床,珩磨機(jī)和研磨機(jī)等 )一定要滿足速度的要求,計(jì)算時(shí)要以速度為主.由于本刀架的抬起動(dòng)作是在數(shù)控車床脫離切削時(shí)完成的，因而在換刀過(guò)程中并沒(méi)有承受切削力的作用,因而符合第二種情況,計(jì)算時(shí)以速度為主 [17]。3.2.2.1 以速度為主計(jì)算液壓缸的內(nèi)徑 和活塞桿直徑Dd根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度要求和選定的液壓泵流量來(lái)確定液壓缸內(nèi)徑 和活塞D桿直徑 ，再?gòu)?標(biāo)準(zhǔn)中選取相近尺寸加以圓整。d23480GB?對(duì)于單活塞桿缸來(lái)說(shuō)，當(dāng)液壓油進(jìn)入油腔時(shí)2qDd????式中 ----輸入液壓缸的流量；q----液壓缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度；設(shè)液壓缸活塞的往復(fù)速度比值為 ，即： 。由于活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度?12/??相等，所以 。由相關(guān)資料可知，當(dāng) 時(shí)，一般取 。1??.3?:/0.34dD?:則得 24qDd???20.1534???20.5； 。0.78.Dm?0.23.dm?從 GB-2348-80 標(biāo)準(zhǔn)中選取的液壓缸內(nèi)徑為 80mm,活塞桿直徑取 40mm.3.3 數(shù)控車床液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.3.1 液壓回路的選擇首先選擇調(diào)速回路。由本數(shù)控車床刀架的工作原理可知，這臺(tái)車床液壓系統(tǒng)的功率較小，推動(dòng)刀架主軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)的液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)速度低，工作負(fù)載變化小，因而可采用進(jìn)口節(jié)流的調(diào)速形式。為了解決進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路在活塞桿到達(dá)最大行程時(shí)沖擊現(xiàn)象，回油路上要設(shè)置背壓閥。為保證夾緊力可靠，且能單獨(dú)調(diào)節(jié)，在支路上串接減壓閥和單向閥；為保證定位，夾緊的順序動(dòng)作，在進(jìn)入夾緊缸的油路上接單向順序閥來(lái)控制，只有當(dāng)?shù)侗P(pán)抬起達(dá)到目標(biāo)值后，液壓缸才會(huì)反向通油，執(zhí)行刀盤(pán)夾緊動(dòng)作。為保證工件確已夾緊后車床切削才能動(dòng)作，在夾緊缸進(jìn)口處裝一壓力繼電器，只有當(dāng)夾緊壓力達(dá)到壓力繼電器的調(diào)節(jié)壓力時(shí)，才能發(fā)出信號(hào)，車床才能進(jìn)行切削加工 [18]。3.3.2 擬定液壓系統(tǒng)圖 [18]綜合以上分析和所擬定的方案，將各種回路合理地組合成為該車床液壓系統(tǒng)原理圖，如下圖所示。結(jié) 論本次課題是針對(duì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的刀架及其液壓控制部分進(jìn)行主要設(shè)計(jì)，刀架是數(shù)控機(jī)床的主要部件之一。刀架的精度，剛度以及可靠性都直接影響機(jī)床的使用性能，在機(jī)床的致命性分析中轉(zhuǎn)塔刀架的致命度是最高的，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令后刀架不轉(zhuǎn)位、刀架轉(zhuǎn)位錯(cuò)誤、刀架錯(cuò)位、刀架報(bào)警、刀架不能正常換刀等等一系列的故障都會(huì)導(dǎo)致機(jī)床不能正常工作。本次設(shè)計(jì)針對(duì)這些可能出現(xiàn)的故障及錯(cuò)誤進(jìn)行了仔細(xì)，嚴(yán)謹(jǐn)，認(rèn)真的分析，使車床回轉(zhuǎn)刀架的可靠性有了很大程度的提高。在設(shè)計(jì)中得到鄧?yán)蠋熌托牡闹笇?dǎo)和同學(xué)的熱心幫助才使得這次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠完滿完成，同時(shí)也鞏固了我所學(xué)的知識(shí)，作為大學(xué)四年的最后的一次作業(yè)，自始至終我都用心的去完成，并從中學(xué)到了不少的知識(shí)。在能力培養(yǎng)方面也基本達(dá)到了預(yù)期的目的，即不但培養(yǎng)了我綜合應(yīng)用專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)來(lái)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，而且還使我初步樹(shù)立了很強(qiáng)的工作責(zé)任感。在設(shè)計(jì)中我們小組緊密配合，雖是共同設(shè)計(jì)一臺(tái)數(shù)控車床，但各有分工。這就為我們的創(chuàng)新思維留足了廣闊的自由空間，在追求統(tǒng)一的前提下充分發(fā)揮自己的想象力。講求團(tuán)隊(duì)合作精神，這一課題的設(shè)置符合高等院校辦學(xué)精神，同時(shí)也符合現(xiàn)代企業(yè)的擇人準(zhǔn)則。獨(dú)立思考、廣泛討論是獲取新知識(shí)的有效捷徑這一思想正在被越來(lái)越多的人所接受。經(jīng)過(guò)我們小組同學(xué)的認(rèn)真討論和研究，最終我們圓滿的設(shè)計(jì)出了一臺(tái) CK20 數(shù)控車床，雖然這臺(tái)車床在很多方面還沒(méi)有達(dá)到工程實(shí)際要求的水平，但必盡這是我們邁向工程實(shí)際的第一步，也是最為關(guān)鍵的一步。相信經(jīng)過(guò)這次訓(xùn)練后，無(wú)論是在以后的工作還是學(xué)習(xí)中，必定能使我們少走彎路。參考文獻(xiàn)[1].李國(guó)慧.車銑復(fù)合加工中心刀塔結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)性能的分析及研究.蘭州理工大學(xué)[2].郭永環(huán).數(shù)控車床用轉(zhuǎn)塔動(dòng)力刀架的發(fā)展方向.徐州師范大學(xué)工學(xué)院[3].劉建慧，鄒做君.加工中心自動(dòng)換刀裝置類型綜述及設(shè)計(jì)特點(diǎn).上海交通大學(xué)[4].徐正平.從 CCM T2008 看國(guó)產(chǎn)加工中心的技術(shù)進(jìn)步.上海機(jī)床工具集團(tuán)有限公司市場(chǎng)部[5].P. 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