轉(zhuǎn)塔刀架設(shè)計及相關(guān)技術(shù)研究【含11張cad圖紙+文檔全套資料】

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With the development of technology and servo motors, servo motors gradually replaced the traditional coarse positioning CNC turret on signal transmission and other devices, greatly simplifies the turret structure, greatly improving the reliability of the knife holder, and significantly reducing tool change time and improve the overall performance of the tool holder. However, since the conventional servo motors commonly used in low-speed torque characteristics well, so when using the reduction gear mechanism must be used to meet the high torque at low speed turret rotation generated. Drive the motor unit directly is not directly driven by the intermediate gear and load, reducing the intermediate power transmission link. Direct drive motor with respect to the advantages of traditional servo motor is: can output a large torque at low speed, there by directly driving low-speed production equipment without going through reduction gear, has a high social value of practical application. In order to simplify the structure of CNC turret, greatly improve their overall performance, this paper will apply the technology on CNC turret. The main contents of this paper are as follows: Firstly, study the situation of the CNC turret tool post, study the structure of some CNC turret tool post at home and abroad, analyze the characteristics、applications、advantages and disadvantages of various structure, analyze the characteristics of direct-drive servomotor and the feasibility to drive the turret. Secondly, learn from the structure of CNC turret tool post at home and abroad, according to the direct-drive servomotor's own structure and characteristics, design a horizontal CNC turret tool post, including detent mechanism, control devices, sealing device etc.. Thirdly, the turret and release the locking mechanism designed mainly for turret cylinder block design, calculation of cylinder parameters. Fourth, CNC turret two-dimensional modeling, the first two-dimensional drawing software Autocad its various key member, and then follow the relationship between the turret assembly is assembled, after verification of qualified, can be used Spare delivery factory implementation process. Keywords: brick turret；servo motor；permanent magnet synchronous AC servo motor 目 錄 摘要 I Abstract II 目錄 IV 1 緒論 1 1.1 課題研究背景 1 1.2 轉(zhuǎn)塔刀架的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 1 1.2.2 國外研究現(xiàn)狀 2 1.3 主要研究內(nèi)容和意義 3 1.3.1 主要的研究內(nèi)容 3 1.3.2 研究意義 3 2 轉(zhuǎn)塔刀架的研究方案 4 2.1 刀架的基本分類 4 2.2 刀架設(shè)計基本要求 4 2.3 轉(zhuǎn)塔刀架的方案研究 5 2.3.1 動力裝置的選擇 4 2.3.2 主軸部件 6 2.3.3 裝刀機構(gòu) 6 2.3.4 分度、定位機構(gòu) 7 2.3.5 精定位機構(gòu) 8 2.3.6 轉(zhuǎn)塔刀架的密封 9 2.3.7 動力傳動機構(gòu) 10 2.4 轉(zhuǎn)塔刀架的整體設(shè)計 10 3 轉(zhuǎn)塔刀架的鎖緊與松開技術(shù) 12 3.1 液壓的鎖緊與松開的基本控制原理 12 3.2 液壓缸的設(shè)計 13 3.2.1 活塞缸的類型 13 3.2.2 缸筒的計算設(shè)計 14 3.3 活塞的計算設(shè)計 14 3.4 密封裝置的設(shè)計 15 4 轉(zhuǎn)塔刀架的二維模型的建立 17 4.1 AUTOCAD簡介 17 4.2 轉(zhuǎn)塔刀架二維模型的建立 17 總結(jié) 20 參考文獻 19 致謝 21 V 1 緒論 1.1 課題研究背景 數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架是加工中心、數(shù)控車床必備的機床附件，是數(shù)控車床上的核心功能部件之一，尤其適用全功能數(shù)控車床。作為關(guān)鍵附件，高性能的數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架對于提高機床整體運行的可靠性、穩(wěn)定性和效率有著重要意義，數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架是由數(shù)控系統(tǒng)來控制的，因此，在轉(zhuǎn)塔刀架本身性能提高的情況下，如何實現(xiàn)控制任務(wù)就顯得十分重要了［1］。 1.2 轉(zhuǎn)塔刀架的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 目前國內(nèi)主要刀架產(chǎn)品生產(chǎn)廠家有:煙臺環(huán)球、常州宏達、常州亞興、臺灣六鑫、臺灣德士、臺灣亙陽、沈陽精誠等。經(jīng)過近幾年的發(fā)展,國內(nèi)及時跟蹤國外先進技術(shù),不斷開發(fā)推出新產(chǎn)品,刀架技術(shù)得到了很大提高。 煙臺環(huán)球公司研制的AK系列刀架采用伺服電機進行分度,液壓控制松開,以端齒輪(三聯(lián)齒輪)進行精密定位,可實現(xiàn)雙向轉(zhuǎn)位和任意刀位就近選刀,最快轉(zhuǎn)位時間,中心高有、和,刀孔的定位精度達,重復(fù)定位精度達,轉(zhuǎn)位的分度時間達到,最多同時能裝12把刀,動力刀具轉(zhuǎn)速達［2］。其開發(fā)的AK31刀架如圖1-1所示： 圖1-1 AK31刀架實物圖 臺灣德士公司研制的中心高不同的軸向動力刀架和徑向動力刀架在精度、換刀時間方面等都有了提高[3]。相鄰兩刀的換刀時間為,轉(zhuǎn)位的時間為,重復(fù)定位精度達，動力刀具轉(zhuǎn)速達。 1.2.2 國外研究現(xiàn)狀 國外數(shù)控機床的發(fā)展己有七十多年的歷史,伺服刀架的發(fā)展約有二十年的歷史,伺服動力刀架有十余年的歷史,己進入成熟期。國外刀架發(fā)展的趨勢是:液壓凸輪刀架、電動刀架、伺服刀架、分度馬達刀架、動力刀架、帶Y軸刀架、帶B軸刀架及直聯(lián)式力矩電機刀架等［4］。 目前，日本、德國、英國等發(fā)達國家均有成熟的刀架產(chǎn)品生產(chǎn)，如德國Index公司開發(fā)的車削中心V300Vertical Line上固定安裝一個立式刀具臺和1~2個轉(zhuǎn)塔動力刀架,可配置26把單獨驅(qū)動的動力刀具。 國外數(shù)控機床刀架的專業(yè)生產(chǎn)廠家主要有：德國肖特(SAUTER)、意大利巴拉法第(BARUFFALDI)、杜普馬帝克(DUPLOMATIC)等，這些專業(yè)廠家刀架生產(chǎn)歷史悠久，產(chǎn)品系列全。 德國肖特(SAUTER)是國外生產(chǎn)刀架產(chǎn)品質(zhì)量較好的公司，其研制的刀架多種多樣，主要有電動刀架、雙馬達伺服刀架、單馬達伺服刀架、四方刀架、B軸刀架和皇冠刀架等［5］。電動刀架控制簡單,能夠?qū)崿F(xiàn)軸向和徑向出刀，具有Y軸功能；雙馬達伺服刀架具有極佳的溫度穩(wěn)定性,也具有軸向和徑向出刀能力，適用于背面加工；單馬達伺服刀架定位和動力刀共享單一馬達,能夠?qū)崿F(xiàn)超高速定位，的分度時間達到，同時具有Y軸功能；B軸刀架兼具Y軸及刀庫功能，適用于復(fù)雜工件的切削及輪廓銑削,重復(fù)定位精度高達；皇冠刀架尺寸小，換刀快，可達,主軸轉(zhuǎn)速高達，定位準(zhǔn)確，其定位精度，重復(fù)定位精度，最多可以8個獨立刀座及多頭刀座，刀架內(nèi)部具有超載保護裝置可減少撞車時對刀架的損壞，換刀時刀盤不需有抬起動作，適宜在生產(chǎn)線上大量使用。 1.3 主要研究內(nèi)容和意義 1.3.1 主要的研究內(nèi)容 本文主要是借鑒國內(nèi)外研究刀架的資料，自己設(shè)計完成一種數(shù)控機床的轉(zhuǎn)塔刀架。對此刀架進行結(jié)構(gòu)的設(shè)計，包括定位機構(gòu)、控制裝置、轉(zhuǎn)位機構(gòu)和密封裝置等等；對刀架的液壓缸進行設(shè)計，液壓系統(tǒng)通過控制活塞的運動決定刀架是換刀還是進行鉆削；對轉(zhuǎn)塔刀架的松開與鎖緊機構(gòu)進行設(shè)計，主要是對刀架的液壓缸進行設(shè)計,計算與刀架液壓系統(tǒng)有關(guān)的參數(shù),選擇合適的電機型號；對轉(zhuǎn)塔刀架的轉(zhuǎn)位控制技術(shù)進行研究,分析數(shù)控刀架刀具的識別方式；對轉(zhuǎn)塔刀架進行二維圖的繪制,用二維軟件Autocad建立轉(zhuǎn)塔刀架的二維草圖。 1.3.2 研究意義 本設(shè)計主要通過大量閱讀文獻掌握機床轉(zhuǎn)塔刀架的基本知識；研究數(shù)控機床轉(zhuǎn)塔刀架及刀庫的關(guān)鍵技術(shù)，了解其選型、應(yīng)用及設(shè)計方法等；完成某種數(shù)控銑床用轉(zhuǎn)塔刀塔的設(shè)計，并且轉(zhuǎn)塔刀架的裝刀數(shù)量不少于8把，對于數(shù)控車床轉(zhuǎn)塔刀架設(shè)計的基本要求是轉(zhuǎn)位準(zhǔn)確可靠，工作平穩(wěn)安全；轉(zhuǎn)位時間短；轉(zhuǎn)位 以后重復(fù)定位精度高；防水防屑，密封性能優(yōu)良；夾緊剛性高，適宜重負荷切削。 22 2 轉(zhuǎn)塔刀架的研究方案 2.1 刀架的基本分類 數(shù)控刀架大致可分為伺服刀架、全液動刀架、電動刀架和動力轉(zhuǎn)塔刀架。 伺服刀架:隨著伺服技術(shù)的廣泛使用,伺服電機的應(yīng)用得到了普及。伺服電機簡化了刀架結(jié)構(gòu)[6]。這種刀架的幾乎所有指標(biāo),比如剛性、轉(zhuǎn)位速度、可靠性、轉(zhuǎn)位的平穩(wěn)性、易維修性、和精度等幾乎都有大幅度的提高。但是伺服刀架必須使用多級減速齒輪機構(gòu)來保證低速軸上能夠輸出充足的扭矩。而減速齒輪的使用會大大地增加制造成本。 全液動刀架:刀架技術(shù)的核心是采用了“集成式液壓分度馬達”裝置，這種裝置可以自動加減速、可實現(xiàn)內(nèi)部的粗定位。此類刀架刀盤釆用液壓來實現(xiàn)松開和鎖緊,其對液壓油的質(zhì)量要求較高,調(diào)整維護非常復(fù)雜。刀架體積大,通用范圍小,通常情況下只適用于大型機床。 動力轉(zhuǎn)塔刀架:在伺服刀架的基礎(chǔ)上加裝動力裝置就是動力轉(zhuǎn)塔刀架,實現(xiàn)刀架的多功能用途,如車、磨、鉆等,這種刀架可以實現(xiàn)在一次裝夾的情況下完成多道工序的加工,多用于加工中心。通常情況下,動力轉(zhuǎn)塔到家結(jié)構(gòu)簡單,易于控制。 2.2 刀架設(shè)計基本要求 本次設(shè)計的刀架需要滿足以下基本要求： (1)裝刀不小于8把，并且不會與周圍其他裝置發(fā)生干涉、碰撞。 (2)刀架具有足夠的剛度。刀架在加工過程中要承受很大的鉆削力和切削力,并且切削過程和換刀過程平穩(wěn)。 (3)換刀時間一定要少。轉(zhuǎn)塔刀架換刀時間應(yīng)該盡可能縮短,按最短路徑實現(xiàn)邏輯換刀,以利于提高生產(chǎn)率。 (4)刀架定位精度高,且具有較高重復(fù)定位精度能承受機床在強力切削時產(chǎn)的振動力和扭矩。 2.3 轉(zhuǎn)塔刀架的方案研究 轉(zhuǎn)塔刀架是以回轉(zhuǎn)分度來實現(xiàn)刀具的自動更換,而數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架一般是由驅(qū)動裝置、中間傳動裝置、粗定位裝置、精定位裝置、鎖緊裝置和刀盤等組成[7]。本文主要在說明刀架各組成部分組成以及優(yōu)缺點,并且研究新型轉(zhuǎn)塔刀架結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案。 2.3.1 動力裝置的選擇 電機伺服技術(shù)在機械產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用,主要是因為伺服電機控制方便、簡單,沒有污染,也比較容易維護[8]。在電機伺服系統(tǒng)中,按電機類型來分通常有交流和直流伺服系統(tǒng)兩類。由于交流伺服系統(tǒng)占有很明顯的優(yōu)越性,它將會慢慢取代直流伺服系統(tǒng)。交流伺服系統(tǒng)又可分為同步型和異步型交流伺服系統(tǒng)兩種。 直流伺服電機存在機械換向器,因此需要的維護更多,轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱,長期以來這一直是人們改良的難題和需要解決的問題。但是交流伺服電機自身結(jié)夠簡單、沒有機械換向、沒有太多的維護。這使得交流伺服電機克服了直流伺服電機的很多缺點,發(fā)揮了他的優(yōu)勢。交流伺服電機又分為永磁同步伺服電機和異步伺服電機。異步型伺服電機控制比較復(fù)雜且電機低速特性很不好,特別容易發(fā)熱。在轉(zhuǎn)速較低的伺服系統(tǒng)中基本上都采用同步型伺服電機。 而永磁同步交流伺服電機作為數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的驅(qū)動,可以極大地減少刀架的換刀時間,大大地簡化刀架結(jié)構(gòu)[9]。隨著主機向著髙速、精密、環(huán)保方向的發(fā)展，永磁同步交流伺服電機的應(yīng)用給數(shù)控刀架提供了美好的前景。 綜上,永磁同步交流伺服電機具有快速響應(yīng)、質(zhì)量小、不易產(chǎn)生震動等優(yōu)點,而且扭矩特性好,能夠很大程度的簡化刀架結(jié)構(gòu),是本次設(shè)計的驅(qū)動裝置的最佳選擇，其實物圖如2-1所示。 圖2-1 永磁同步交流伺服電機 2.3.2 主軸部件 主軸是轉(zhuǎn)塔中心非常重要的部件，它與轉(zhuǎn)塔刀具直接相連。而且主軸的精度非常重要，因為其精度對零件的后期加工和機器自身的壽命均有重要影響[10]。因此，主軸必須滿足以下幾方面的要求：(1)回轉(zhuǎn)精度高；(2)支承剛性高；(3)主軸組件的靜平衡和動平衡好；(4)內(nèi)錐孔和端面的耐磨性好；(5)能夠良好地輸出動力和扭矩。 因為主軸要安裝刀具，并且外伸部分較長，所欲主軸整體長度相對較長，為了保證主軸具有良好的回轉(zhuǎn)精度和剛性，主軸上布置了角接觸球軸承，以增大主軸的剛度和精度，能夠承受較大的軸向力和徑向力的沖擊。軸承也是主軸的關(guān)鍵部件，其性能的好壞會直接對對主軸的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、剛性、精度、溫升等參數(shù)產(chǎn)生很大的影響，從而間接影響機床的加工精度、尺寸精度和表面粗糙度等指標(biāo)。所以，為了讓機床長期擁有較高的加工能力，必須為主軸配置高性能的軸承。軸承外圈的一端用軸肩定位，另一端用軸用彈性擋圈定位。 2.3.3 裝刀機構(gòu) 轉(zhuǎn)塔刀架的裝刀裝置包括刀盤、刀夾和夾刀裝置。目前廣泛應(yīng)用的刀盤有2種模式:日式槽刀盤和歐式VDI刀盤如圖2-2所示。 圖2-2 槽式和VDI刀盤 VDI刀盤,采用德國標(biāo)準(zhǔn),刀具孔分為徑向形式和軸向兩種形式[11]。齒形剎緊柱緊固刀夾,刀夾用DIN69880標(biāo)準(zhǔn),分為軸向、徑向、圓柱孔、莫氏孔和組合等多種形式刀夾。根據(jù)不同的加工工藝,可選擇不同的刀夾形式。這種刀夾已有專業(yè)生產(chǎn)廠。 由于刀盤的結(jié)構(gòu)并不是本次結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究重點,所以在選用刀盤時我選用結(jié)構(gòu)比較簡單的VDI式刀盤,另外由于刀盤的現(xiàn)有資料搜集的比較少,所以也沒有更加深入的考慮其他的性能。 2.3.4 分度、定位機構(gòu) 大部分情況下,分度、定位機構(gòu)指的是同一種機構(gòu),只有當(dāng)分度、定位精度達不到所需的要求是時,才需要增加專門的精定位裝置[12]。分度機構(gòu)的主要功能是實現(xiàn)圓周分度轉(zhuǎn)動和直線分度移動,按定位機構(gòu)的結(jié)構(gòu)可分為連續(xù)運動和間歇運動結(jié)構(gòu)。快速換刀大部分選用雙向均可旋轉(zhuǎn)的連續(xù)運動機構(gòu)?，F(xiàn)在對分度、定位機構(gòu)做一個簡單的介紹： （1） 槽輪分度定位機構(gòu) 槽輪機構(gòu)主要由撥盤、槽輪和機架三部分組成。它的主要作用就是將主動軸的連續(xù)勻速轉(zhuǎn)動變成從動軸的不連續(xù)的間歇轉(zhuǎn)動[13]。其結(jié)構(gòu)相對簡單,工作可靠,并且可以雙向旋轉(zhuǎn),最高可達的分度精度,且加工制造成本很低。但這種機構(gòu)轉(zhuǎn)位速度相對較慢,只適用于中低速旋轉(zhuǎn)；再者,槽輪分度機構(gòu)屬于間歇分度機構(gòu),轉(zhuǎn)位分度太慢,換刀時間相對較長,而且轉(zhuǎn)位時存在很大的沖擊,在電機無加減速的條件下只能由刀架來被動地承受所產(chǎn)生的巨大沖擊力。 （2） 凸輪分度定位機構(gòu) 凸輪分度定位機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單方便、并且應(yīng)用廣泛，因為其不僅可以實現(xiàn)任意的間歇運動并且分度精度高。凸輪分度機構(gòu)又分為直移凸輪分度機構(gòu)、圓柱凸輪分度機構(gòu)、弧面分度凸輪機構(gòu)、平行凸輪分度機構(gòu)、等四種結(jié)構(gòu)。 在刀架的分度方面應(yīng)用最廣泛的應(yīng)屬圓柱凸輪分度機構(gòu),這種結(jié)構(gòu)的從動件和凸輪軸互相垂直,凸輪軸轉(zhuǎn)一圈,從動盤便完成一次分度,由于其依靠凸輪輪廓的強制刀架轉(zhuǎn)位運動,所以他的運動規(guī)律基本上完全取決于凸輪輪廓形狀。凸輪分度機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單,但是預(yù)緊非常難,高速性能恨普通。平行共輒凸輪自身也可以實現(xiàn)分度轉(zhuǎn)位并實現(xiàn)鎖緊功能,但是結(jié)構(gòu)特別龐大,基本上不適合普通數(shù)控機床刀架選用。 （3） 棘輪分度定位機構(gòu) 棘輪分度結(jié)構(gòu)主要由棘爪、棘輪、搖桿、制動抓和機架等組成,按照其結(jié)構(gòu)特點,又可分為摩擦式棘輪機構(gòu)和具有輪齒的棘輪機構(gòu)兩大類,棘輪分度機構(gòu)的優(yōu)點是:結(jié)構(gòu)相對簡單,轉(zhuǎn)角大小的改變比較方便；缺點是它只能單向旋轉(zhuǎn)、動力不大且換刀時間長。因此棘輪分度機構(gòu)基本上只適用于轉(zhuǎn)速不高的場合,比如各種機床和自動機床進給機構(gòu)中。 （4） 直線傳動分度定位機構(gòu) 本次的課程設(shè)計由于驅(qū)動裝置采用的是永磁同步交流伺服電機,里面裝有絕對值編碼器,因此可以實現(xiàn)在任意位置的精確定位準(zhǔn)停[14]。永磁同步交流伺服電機通過花鍵直接與刀架主軸相聯(lián)接,帶動刀盤轉(zhuǎn)動。 2.3.5 精定位機構(gòu) 一般情況下不需要精定位機構(gòu)，如果粗定位不能滿足的時候，在設(shè)計精定位機構(gòu)。定位精度是指刀架在旋轉(zhuǎn)至目標(biāo)位置后，目標(biāo)工位的刀孔的中心線與結(jié)構(gòu)設(shè)計中心線在豎直平面內(nèi)的偏差距離。而重復(fù)定位精度是指刀架各工位反復(fù)鎖緊多次后的偏差平均值。為了保證刀架具有較高的重復(fù)定位精度，因此轉(zhuǎn)塔刀架必須選擇可行的定位方案和比較合理的定位結(jié)構(gòu)。大體上來看，轉(zhuǎn)塔刀架的精定位主要有端齒盤定位、鋼珠定位和插銷定位等等，而端齒盤和插銷定位應(yīng)用較為廣泛。 齒盤有的地方稱為端齒分度盤或著鼠齒盤,齒盤是具有分度裝置的一種精密分度元件,并且具有自動定心功能[15]。端齒盤按其齒形可以分為直齒和弧齒齒盤；弧齒端齒盤的優(yōu)點是：具有很好的自動定心功能、耐磨損并且使用壽命長,缺點是：加工時間太長；相比來說,直齒端齒盤應(yīng)用更加廣泛，因為其加工簡單、定位精度及重復(fù)定位精度相對較高。 端齒盤工作原理:端齒盤對是由齒形和齒數(shù)相同的端面齒盤對合而成[16]。動齒盤與主軸通過螺栓聯(lián)接在一起,鎖緊齒盤在液壓元件的作用下實現(xiàn)與動齒盤的松開與鎖緊。分度定位轉(zhuǎn)動時,鎖緊齒盤與動齒盤分開,然后動齒盤轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置,當(dāng)轉(zhuǎn)至指定位置時,鎖緊齒盤在液壓缸給他的軸向力的作用下擠壓動齒盤實現(xiàn)刀盤的鎖緊。齒盤的形狀如圖2-3所示： 圖2-3 端齒盤 在精密分度裝置中,通常使用端齒盤作為其精定位元件,它具有至少3個優(yōu)點：（1）定位剛度好；（2）分度精度高，其最高的精度可以達到以上，并且具有自動定心的功能；（3）重復(fù)定位精度高。 這次的設(shè)計采用電機自帶的編碼器實施其粗定位，再使用端盤齒盤實現(xiàn)其精確定位[17]。在旋轉(zhuǎn)分度定位時，通過電機采用其編碼器進行粗定位，從而使刀架轉(zhuǎn)到一個及其小的誤差范圍之內(nèi)的位置；然后，在機械上采用端齒盤對其進行精確定位。這樣，即極大地縮短分度轉(zhuǎn)為時間，又克服了刀盤在分度定位時產(chǎn)生的沖擊和撞擊現(xiàn)象。 2.3.6 轉(zhuǎn)塔刀架的密封 因為轉(zhuǎn)塔刀架內(nèi)部有精定位端齒盤,所以要有較好的密封來確保其正常運行,這樣才可以保證刀架的正常使用功能和延長其使用壽命[18]。防塵、防水設(shè)計的不好,那么在轉(zhuǎn)塔刀架工作的過程中切削、灰塵等雜質(zhì)就會進入刀架對端齒盤造成損傷,甚至降低使用精度和使用壽命。 對于密封裝置有一下基本要求： (1)一定要保證良好的密封效果,確保較小的泄露量； (2)確保密封時的摩擦系數(shù)小,摩擦力保持均勻,不要引起不必要的運動件的摩擦甚至卡死； (3)一定要有較強的耐磨性,較長的使用壽命,最好能夠自動修復(fù)被密封件的損傷和幾何精度的誤差； (4)對被密封件的表面沒有副作用； (5)確保良好的耐油性和較高的抗腐燭性,不容易老化,不與油液等其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 密封效果得好壞直接決定了液壓缸的容積效率,也間接影響液壓缸的工作速度,因為如果速度過的話，就有可能對高密封元件造成燒傷、粘結(jié)甚至是過度磨損。選擇密封件時，首先一定要分析液壓紅的各種重要參數(shù)、工作環(huán)境,并且還要充分了解各種密封件的密封原理、性能、材料的結(jié)構(gòu)、配合及安裝形式，以便合理選用密封形式，只有充分的了解才能正確設(shè)計密封。 2.3.7 動力傳動機構(gòu) 對于一些不經(jīng)常拆卸的場合，大部分也采用過盈配合來實現(xiàn)刀架主軸的旋轉(zhuǎn)。而在本次設(shè)計的刀架結(jié)構(gòu)中，電機是通過平鍵和齒輪直接相聯(lián)系的，然后直接把動力傳給主軸，這種連接結(jié)構(gòu)相對來說比較簡單；本次設(shè)計中，由于選用的是直驅(qū)電機，所以刀架主軸與電機采用得連接采用花鍵連接。 花鍵連接的主要特點有： （1)連接時兩根軸的總的結(jié)合面積大，承載力較強，這樣就能夠傳遞較大的扭矩； （2）同軸度相對好，定心精度比平鍵連接要高； （3）花鍵的強度高，聯(lián)接剛度較大，并且使用壽命比平鍵連接要長。 花鍵的定心方式可分為3種，主要有大徑定心方式、小徑定心方式和齒廓定心方式[19]。他的有點是：定心精度高；而齒廓定心方式主要用于漸開線花鍵連接，他的優(yōu)點是在受載情況下能自動定心，并且可以使多數(shù)齒同時參與接觸，缺點是：加工工藝相對來說較為復(fù)雜，無形中提高了制造成本。 綜上所述，本次的設(shè)計釆用性能較好的矩形花鍵，這樣可以簡單、高效實現(xiàn)的電機和刀架主軸的連接。 2.4 轉(zhuǎn)塔刀架的整體設(shè)計 本次轉(zhuǎn)塔刀架的設(shè)計方案:主要部件有液壓虹、傳感器和端齒盤。轉(zhuǎn)塔刀架釆用端齒盤來進行精定位,轉(zhuǎn)位由永磁電機通過矩形花鍵來直接驅(qū)動刀架主軸的旋轉(zhuǎn),刀位的識別通過永磁電機內(nèi)置絕對值編碼器來完成控制。釆用液壓驅(qū)動裝置實現(xiàn)轉(zhuǎn)塔刀架的松開與鎖緊，是否鎖緊則由閥內(nèi)的壓力傳感器來進行檢測。 3 轉(zhuǎn)塔刀架的鎖緊與松開技術(shù) 數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架在進行換刀時首先需要松開刀盤,然后永磁同步伺服電機驅(qū)動刀架轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)到所需要加工的工位，之后再由夾緊機構(gòu)對其進行鎖緊,在切削加工的過程中刀架還要承受很大的切削力矩的作用,所以一定要有很大的鎖緊力才能保證刀架有足夠的剛度。由電機驅(qū)動刀架轉(zhuǎn)位,由液壓缸控制刀盤的松開和鎖緊是目前應(yīng)用廣泛的并且應(yīng)用較好的方案,液壓鎖緊機構(gòu)操作方便、簡單并且鎖緊力很大。機械與液壓的組合可以大大地簡化刀架結(jié)構(gòu)、極大地縮短每次的換刀時間、并且提高刀架的可靠性。 這一章主要研究數(shù)控刀架松開與鎖緊的原理,并且針對刀架液壓松開、鎖緊機構(gòu)進行設(shè)計。 3.1 液壓的鎖緊與松開的基本控制原理 在液壓控制回路的設(shè)中時，要考慮數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架在突然斷電或者終止的情況下，其裝置的可靠性，所以液壓回路被設(shè)計成如圖3-1所示的情況。當(dāng)b端由于某種原因突然斷電時，電磁換向閥停留在最右端，活塞位于最左端，轉(zhuǎn)塔刀盤處于鎖緊狀態(tài)，刀架亦處于鎖定狀態(tài)。當(dāng)b端又帶電時,液壓缸左腔進油，活塞帶動鎖緊齒盤向右運動并且松開刀盤，當(dāng)壓力傳感器檢測到既定壓力，刀架電機便開始進入工作狀態(tài)，驅(qū)動刀盤一直運動到預(yù)定工位；當(dāng)b端再次斷電，電磁閥返回原來的位置，此時，刀架便完成了一次轉(zhuǎn)位。儲能器的存在可以彌補液壓泄露而導(dǎo)致得鎖緊力不足的問題，從而確保鎖緊的可靠性；另外為了方便、簡化刀架的結(jié)構(gòu)，在液壓組外部采取緩沖措，以此來保證轉(zhuǎn)塔刀架在進行鎖緊時運行平穩(wěn)，避免鎖緊齒盤與動齒盤和箱體之間的劇烈碰撞。 1.油箱 2.濾油器 3.液壓泵 4.泄壓閥 5.儲能器 6.壓力表 7.可調(diào)單向節(jié)流閥 8.液壓缸 9.電磁閥 10.調(diào)速器 11.單向閥 12.溢流閥 圖3-1 液壓控制原理圖 3.2 液壓缸的設(shè)計 液壓缸是轉(zhuǎn)塔刀架液壓系統(tǒng)中最主要的執(zhí)行部件，但是其結(jié)構(gòu)相對簡單,設(shè)計、制造起來也比較容易[20]。如果用它來實現(xiàn)緊鎖齒盤的往復(fù)運動，那么久可不用安裝減速裝置，而且不會出現(xiàn)傳動間隙，并且運動平穩(wěn)，因而液壓缸在各種機械的液壓系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛。 3.2.1 活塞缸的類型 根據(jù)前文的分析，本次的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要采用活塞缸結(jié)構(gòu)[21]。根單桿活塞缸是在活塞的一端有活塞桿，根據(jù)缸體的固定方式又可分為缸體固定和活塞桿固定兩種形式。有桿腔和無桿腔的有效相對壓力面積不相等，當(dāng)分別向無桿腔和有桿腔輸入同樣大小的壓力和同樣流量的液壓油時，活塞會產(chǎn)生不同大小的推力和運動速度。而雙桿活塞缸是在活塞的兩端均有活塞桿，雙桿活塞缸也有兩種安裝形式，一種是缸體體固定，活塞桿移動的安裝形式[22]。另一種則相反，是活塞桿固定,缸筒移動的安裝形式。利用活塞桿固定的安裝形式時,液壓油可以通過兩端空心的活塞桿進入缸的兩腔。 從作用原理來分，液壓缸則可分為兩大類：單作用缸和雙作用缸。單作用缸按照字面的意思就是只有一個油腔，靠通入液壓油來實現(xiàn)單方向的簡單運動，反方向則需要其他的外力作用來實現(xiàn)運動，例如活塞的自重、外部載荷、彈簧力等。雙作用缸在缸體的兩端均有一個油腔,原理依然是利用油壓推動活塞產(chǎn)生雙方向的運動。 綜合以上兩方面考慮，由于轉(zhuǎn)塔刀架主軸不能進行軸向的移動，所以本次設(shè)計釆用雙作用雙桿活塞缸，釆用活塞桿固定形式，利用油壓壓力以此來推動主活塞帶動鎖緊齒盤來實現(xiàn)刀架的鎖緊和松開。 3.2.2 缸筒的計算設(shè)計 液壓缸最主要零件應(yīng)屬缸筒，它依靠與其他零部件的相互配合構(gòu)成密閉性非常好的油腔，形成內(nèi)壓推動活塞的難移動。在設(shè)計液壓缸筒時，首先要保證液壓缸有十分可靠的液壓作用力、活塞固定的移動速度和有效行程，其次還需滿足缸筒的足夠的強度和足夠的剛度，以便能夠充分抵抗壓力和其他外力的作用。另外，缸筒與活塞之間的相對運動，既需要可以自由的滑動，又要能保持良好的密封性，因此必須具有較高的幾何精度、表面粗糙度和較高配合精度。所以本次的設(shè)計把刀架箱體內(nèi)壁作為缸筒來使用。 假設(shè)液壓缸活塞的往復(fù)速度比值為，也就是。本次設(shè)計刀架鎖緊和松開的時間相等,所以活塞的運動速度也是相等的,即當(dāng)，一般取。 因此。 大部分情況下液壓缸缸筒內(nèi)徑計算完之后需要將其圓整到標(biāo)準(zhǔn)值，然而本次設(shè)計的數(shù)控刀架的中心高為，由于限于刀架的空間結(jié)構(gòu)和空間尺寸,而且液壓缸也不是標(biāo)準(zhǔn)形式，取缸筒內(nèi)徑為。 綜合其他的因素，本次設(shè)計的缸筒和內(nèi)徑的配合取。 3.3 活塞的計算設(shè)計 由于活塞的有效工作面積將直接影響液壓缸的有效作用力和相對運動速度。因此活塞與缸筒配合應(yīng)當(dāng)合適，如果配合過緊，那么活塞的啟動壓力就會大大地增大，并且機械效率也會降低，而且還特別容易磨損甚至毀壞缸筒和活塞的相互滑動配合的表面，也會大大地加速密封件的破壞[23]。相反，如果間隙過大，則會引起液壓缸內(nèi)部液壓油的泄露，使得容積效率極大地降低，設(shè)計活塞時還特別應(yīng)該注意活塞磨損的問題，因為一旦活塞磨損，密封件特別容易在液壓壓力油力的作用下被擠入間隙而致使整個結(jié)構(gòu)遭到破壞，因此一定要盡可能地提高活塞的耐磨性能。 活塞常用材料最主要是各級灰鑄鐵、耐磨鑄鐵、35及40鋼和鋁合金等材料。而此次的設(shè)計依然選擇耐磨鑄鐵，其結(jié)構(gòu)如圖3-2所示： 圖3-2 活塞剖面圖 3.4 密封裝置的設(shè)計 液壓缸密封裝置性能的好壞，將直接影響缸體的工作性能[24]。一個密封不好的液壓缸他的容積效率一定會大大地降低、并且一定會有很大的功率損失，嚴(yán)重時甚至還會影響液壓缸的正常動作。 因此密封部位的設(shè)計和密封件的選用一定要合理,既要保證密封性能的可靠、泄漏量較小、摩擦力盡量的小、壽命盡量的長、更換簡單方便。密封裝置按使用方法可分為往復(fù)運動密封、固定密封和旋轉(zhuǎn)運動密封；按密封件材料不同可分為塑料、皮革、橡膠和金屬密封。 O形橡膠密封圈是世界上應(yīng)用最廣泛、最普遍的擠壓密封件。在沒有液壓壓力作用時，O形橡膠密封圈主要靠預(yù)壓縮變形以此來實現(xiàn)初始密封。當(dāng)液壓力作用時，O形橡膠密封圈被壓力擠到槽的另一側(cè)，貼于槽壁和密封面上，即極大地增加了密封面的接觸壓力，又在很大程度上提高了密封效果。由于本次設(shè)計中活塞的運動速度不是很高，而且工作壓力適中，所以O(shè)形密封就能滿足要求，因此，本次設(shè)計中的密封全部選用O形密封。 4 轉(zhuǎn)塔刀架的二維模型的建立 雖然對轉(zhuǎn)塔刀架的各個部分進行了設(shè)計計算，但是在進行產(chǎn)品的制造加工之前，工人師傅一定要參考工程圖對其進行加工，所以工程圖的制作顯得尤其的重要。 本文主要采用Autocad2010對數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架進行二維建模，然后通過分析零件圖驗證此設(shè)計是否合理。 4.1 AUTOCAD簡介 AutoCAD是我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常使用的軟件，在我國的市場上擁有重要地位。AutoCAD軟件具有如下幾個特點： (1) 具有比較完善的二維和三維圖形繪制功能。 (2) 具有其他軟件沒有的強大的圖形編輯功能。 (3) 可以采用多種方式進行二次開發(fā)。 (4) 可以在多種圖形格式之間進行轉(zhuǎn)換，具有非常強的數(shù)據(jù)交換能力。 (5) 支持很多種硬件設(shè)備，幾乎不受限制。 (6) 支持多種操作平臺。 (7) 具有很好的通用性、易用性，幾乎適用于各類用戶。 4.2 轉(zhuǎn)塔刀架二維模型的建立 本次使用的箱體用鑄造一體澆筑而成，在設(shè)計上采用整體的一體結(jié)構(gòu)，這樣可以很大程度上提高箱體的整體強度。目前就已有的刀架箱體大部分采用的都是由兩部分組裝的機構(gòu)，兩部分分別為主箱體和中間過度體。如果是兩部分的話，那么就給箱體的制造加工帶來很大的難度，主要是為了保證刀架組裝前后的同軸度的要求，對裝配工藝的要求就會大大增加。而如果采用整體結(jié)構(gòu)就可以實現(xiàn)其一次澆筑而成，這樣就可以大大地提高箱體內(nèi)部的同軸度，箱體的結(jié)構(gòu)如圖4-1所示： 圖4-1 箱體的結(jié)構(gòu)圖 刀架主軸的支撐方式采用兩端支撐，主軸的前端和動齒盤通過螺栓緊固件連接在一起，動齒盤通過與箱體的配合，可以繞箱體轉(zhuǎn)動，主軸的中間部分與液壓缸的活塞有間隙配合，在配合的同事也對主軸自身起支撐作用，主軸的后端主要通過軸瓦支撐在箱體上，主軸的末端通過花鍵與電機線連接以此來傳遞動力。主軸的模型如圖4-2所示： 圖4-2 主軸的結(jié)構(gòu) 通過各個關(guān)鍵零部件的建立，在Autocad上進行組裝，得到數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的總裝圖如圖4-3所示： 1.DVI刀盤 2.動齒盤 3.緊鎖齒盤 4.吊環(huán) 5.主活塞 6.副活塞 7.軸蓋 8.軸瓦 9.定子 10.轉(zhuǎn)子 11.連接架 12.電機外殼 13.螺母 14.彈性元件 15.推力軸承 16.主軸 17.箱體 18.麻花鉆 19.車刀 圖4-3 轉(zhuǎn)塔刀架總裝圖 總 結(jié) 本論文是關(guān)于“數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計”,對于一個相對完整可靠的數(shù)控刀架產(chǎn)品來說,其需要解決的關(guān)鍵技術(shù)特別的多,比如密封技術(shù)、降噪技術(shù)、傳動鏈優(yōu)化、伺服控制參數(shù)的優(yōu)化技術(shù)、可靠性技術(shù)、工藝優(yōu)化及試驗檢測技術(shù)、而完成上述所有的關(guān)鍵技術(shù)的研究需要巨大的精力和巨大的財力。本論文主要對轉(zhuǎn)塔刀架的進行了簡答的研究。 本次論文的創(chuàng)新主要有以下幾個方面: 1.采用永磁直驅(qū)伺服電機作為刀架的動力裝置。 永磁直驅(qū)伺服電機應(yīng)用于臥式端齒分度的數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架,其優(yōu)點在于取消了齒輪減速的部分,基本消除了齒輪的反向間隙造成的巨大的噪聲問題,成功解決了齒輪減速潤滑漏油問題,極大地縮小了刀架的整體結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了從驅(qū)動軸到負載的零傳動,使電機的控制快速準(zhǔn)確。由于傳動鏈得到極大地了優(yōu)化,大大的提高了傳動效率,降低了能量的損耗。 2.使用雙齒盤實現(xiàn)刀架內(nèi)托起功能的同時,減少一個端齒盤,降低了刀架的成本,提髙了可靠性。 3.使用加工中心上普遍采用的壓力傳感器取代了傳統(tǒng)的霍爾感應(yīng)開關(guān)來檢測刀盤的松開與鎖緊狀態(tài),進一步簡化了刀架的結(jié)構(gòu)。 需要說明的是,雖然永磁直驅(qū)伺服電機作為數(shù)控刀架的驅(qū)動裝置大大提高了刀架可靠性、極大地降低了噪聲、極大地減少了油污,給數(shù)控刀架帶來了極大的好處,但其并沒有從根本上提高分度精度,因為這種刀架的精密分度裝置仍是采用相互嚙合的端齒盤決定，所以此次數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架還需進一步研究其性能，以確 參 考 文 獻 [1] 李憲凱.車銑復(fù)合加工中心結(jié)構(gòu)分析[J].設(shè)備管理與維修，2006(1)：36. 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