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 &Trecker Co.)在世界上首先研制成功带自动换刀装置的数控机床，称为”加工中心”。

1959年，计算机行业研制出晶体管元器件，因而数控装置中广泛采用晶体管和印制电路板，从而跨入第二代数控时代。

同时美国航空工业协会(AIA)和麻省理工学院发展了APT程序语言。

1960年以后，点位控制机床在美国得到迅速发展,数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到冲压机、绕线机、焊接机、火焰切割机、包装机和坐标测量机等，在程序编制方面，已由手工编程逐步发展到采用计算机自动编程。

除了APT数控语言外，又发展了许多自动骗程语言。

从1960年开始，德国，日本等先进工业国家都陆续开发，生产及使用了数控机床，
1965年，出现了小规模集成电路。

由于它体积小，功耗低，使用数控系统的可靠性得以进一步提高，数控系统发展到第三代【2】。

1967年，英国首先把几台数控机床联接成具有柔性的加工系统，这就是最初的FMS(Flexible Manufacturing System，柔性制造系统)。

之后，美，欧，日也相继进行开发与应用。

1970年前后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器。

1974年美，日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统。

近20年来，微处理机数控系统的搂控机床得到飞速发展和广泛应用，这就是第五代数控系统(MNC)。

20世纪80年代初，国际上又出现了柔性制造单元FMC(Fleibie—Manufacturing Cell) [3]。

通过以上介绍，我们了解了数控机床的发展历程，而目前我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。

特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，1998～2004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%34.9%。

尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，但进出口逆差严重，国产机床市场占有率连年下降，1999年是33.6%，2003年仅占27.7%。

1999年机床进
口额为8.78亿美元（7624台），2003年达27.1亿美元（23320台），相当于同年国内数控机床产值的2.7倍。

国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。

由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。

总的来说“我国的数控系统在中、高档领域还基本上是靠进口。

现阶段我国的机床行业在高精尖数控技术方面还处于模仿阶段, 基础研究远跟不上世界先进水平的发展”[文献2]，因此我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之间的差距。

1.2数控机床的发展趋势
目前，数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化已成为数控机床发展的趋势和方向。

中国作为一个制造大国，主要还是依靠劳动力、价格、资源等方面的比较优势，而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很大。

中国的数控产业不能安于现状，应该抓住机会不断发展，努力发展自己的先进技术，加大技术创新与人才培训力度，提高企业综合服务能力，努力缩短与发达国家之间的差距。

力争早日实现数控机床产品从低端到高端、从初级产品加工到高精尖产品制造的转变，实现从中国制造到中国创造、从制造大国到制造强国的转变。

3.研究方法
一般在机加工过程中，一个零件的加工往往需要多道工序才能完成，因此数控机床研究的一个重要领域就是如何在这一方面提高效率，压缩非切削时间以提高生产效率，同时也为了尽量减少由于多次安装工件所引起的加工误差，一次数控加工过程中一般对工件只进行一次装夹，然后在加工过程中通过自动换刀完成多道工序或全部工序的加工，所以对数控木工机床的自动换刀方式的研究就成为了目前研究的一个重要领域。

“自动换刀方式主要有更换主轴头换刀方式和带刀库的自动换刀方式两种形式，更换主轴头换刀方式应用于数控镂铣机，而带刀库的自动换刀方式应用于数控加工中心”“在具有多根主轴的数控镂铣铣床上，通过更换主轴头进行换刀是一种简单的换刀方式，由于在换刀过程中并不拆卸刀具，而是将刀具和主轴一起更换，所以省去了自动松夹’卸刀’装刀’夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作，从而显著减少了换刀时间。

所以这种换刀方式的换刀速度很快，同时也提高了换刀的可靠性。

根据主轴头布置方式不同，通常有平行刀轴式换刀和回转刀架式换刀两种方式”“数控加工中心的一个显著结构特征是配置有带刀库的自动换刀系统，刀库可以存放较多的刀具，能满足复杂零件的多工序加工需要，可明显提高机床的适应性和加工效率，应用广泛。

换刀系统的整个换刀过程较为复杂：首先&应把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准刀柄上，在机外进行尺寸调整之后&按一定的方式放入刀库，换刀的时候，按一定的选择方法进行选刀，并由刀具交换装置实现刀具在刀库和主轴之间的传递和装卸。

刀具的交换方式通常分为无机械手换刀和有机械手换刀两大类”[文献3]
总的来说为了提高机加工的效率以及机加工的精度，换刀装置无可厚非的成
了其研究的一个重要领域。

1.3 设计内容和研究方法
本次设计所选择的题目是：12位盘型伺服刀塔设计。

本课题主要研究数控车床（车削中心、车铣复合中心）的刀具交换系统（ATC）的主要部件——刀塔。

刀塔的使用可以有效扩大机床的工艺范围，提高机床的加工效率。

本次选题的目的是对刀塔的结构，刀塔的传动形式以及驱动方式的设计；刀塔与刀座的连接形式、刀座的选择；刀具的交换动作设计、交换时间以及定位锁紧计算；刀塔其他辅助部件的设计。

通过对本课题的设计，达到对数控机床中换刀机构的充分了解，以便于以后应用。

本次课题为12位盘型伺服刀塔设计，简单的来说就是对刀塔进行伺服驱动设计。

机械系统的伺服驱动设计大的来说分为两部分：机械系统的设计和电子部分的设计。

机械系统是对刀塔的外形尺寸进行设计及选择；而电子部分的设计首先要选择伺服类型：液压伺服驱动或电机伺服驱动。

对于电机伺服驱动来说，在选定这种类型以后，还要考虑是用交流伺服驱动还是直流伺服驱动，之后在进行伺服驱动系统以及伺服电机进行选择。

最后对两大部分进行综合的考虑，将其合理的组装在一起以达到做佳的效果。

所以本次设计的大概思路如下：
寸设计，在设计过程中所设计的参数要与现有的标准刀架的参数相匹配，不能脱离标准参数的限制，否则最终所设计的刀塔将无法与标准件刀架进行匹配。

电气部分的两个重点问题是伺服方式、伺服驱动器选择及伺服电机选择。

在方案选择中，我们可以写出以交流伺服驱动与直流伺服驱动的双重方案，然后再进行对比，筛选出较为合理，更加实用以及实惠的方案。

对于伺服驱动器的选择，可以进行多种选择再对比筛选。

而对伺服电机来说，电机的尺寸最终要与刀塔的外形结构尺寸进行匹配，在选择过程中这一点要引起注意。

第二章 12位伺服刀塔总体方案设计
2.1调查研究与资料收集
2.1.1课题的调查研究
从国内外市场调研结果看，国内对数控车床转塔刀架的设计和生产都是依赖于先进国家的，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，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。

车削加工中心是目前国际上比较前端的一种数控机床，可以进行多工序加工，如车削、钻削、铣削等。

有关人士指出，数控机床附件及其配套功能附件是我国机床工具制造业“十五”计划重点发展产品。

虽然我国数控机床产品附件的研制由无到有，取得了显著成绩，但与国外先进水平相比还是有一定差距的。

为确保国产数控机床的大发展，就必须把数控机床附件尽快搞上去。

为此他们建议国家有关部门，尽快制定有关鼓励、扶持国产数控机床附件发展的相关政策，加大数控机床附件行业科研和技术改进投入，使国产数控机床附件行业有一个大发展。

而且动力刀架是数控机床附件中尤为重要的一个部件，把这一技术提高是我们义不容辞的事情。

2.1.2资料收集
课题涉及到的有关知识包括：数控机床结构、车削加工中心、自动换刀装置等等方面；其次还包括一些机械设计、机械传动、液压、分度机构等方面的知识，在校图书馆借阅了一些关于本次设计有关的资料，而且还在网上搜索了一些相关资料：1）现代实用机床设计手册；2）实用机床设计手册；3）机械设计手册；4）数控车床设计；5）数控机床结构与维修等等；6）机械原理。

而主要的资料则是现在已有的各种刀塔及其参数，比如肖特的动力刀座，迪普马等。

详细资料见本说明书最后的参考资料。

下面是几幅图刀塔相关的图片：
1.径向刀塔
2.轴向刀塔
3.动力刀座
4.刀塔外观图
2.2 刀塔的整体方案设计
通过查阅相关资料，最初拟定以下及格方案，下面对每个方案进行研究分析，选择最优方案在进行设计。

初始拟定方案如下：
1.单电机双驱动
本方案是通过一个电机来进行刀盘转位驱动以及动力刀座的驱动。

第三章 典型零件的设计和选用
3.1刀盘转位伺服电机的选择计算
刀盘转位驱动伺服电动机的选择应同时满足刀架运转的负载扭矩F T 和起动时的加速扭矩J T 的要求。

1) 刀架负载扭矩F T 的计算
回转刀架负载扭矩F T 估算方法如下：由于这种刀架的负载扭矩主要用来克服刀具质量的不平衡，估算按如下的情况进行：用平均重力的刀具插满刀盘的半个圆，根据工艺要求所需的各种刀具，确定每个刀具的（包括刀柄）平均重力cp W ，而其重心则设定为离刀架回转中心2/3半径处。

由以上的方法可知，由于该设计采用的是电和液换位的12工位盘型刀塔，因而插满刀盘的半个圆需要6把刀具。

设工艺要求所需的每个刀具的平均重力cp W =4.9N ；刀盘的回转中心直径270D mm =。

则有 12623F P T W D ∙=∙=126 4.90.19 1.86223
N mm ⨯⨯⨯⨯=∙ 2) 刀架加速扭矩Tj 的估算
()260m j m L j
n T J J t π=+ N m ∙[6] 式中 m n ----刀架换刀时的电动机转速(r/min);
j t ---加速时间,通常取150200ms ;
m J ---电动机转子惯量(2kg m ),可查样本;
L J ---负载惯量折算到电动机轴上的惯量(2kg m ∙).
3) 负载惯量折算到电动机轴上的惯量L J 的估算
22h i L h i K i
J J m ωυωω⎛
⎫⎛⎫ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭=+∑∑ 2k g m 式中 h J ---各旋转件的转动惯量(2kg m );
h ω ---各旋转件的角速度(/rad s );
i m ---各直线运动件的质量(kg );
i υ---各直线运动件的速度(/m s );
ω---伺服电机的角速度(/rad s )[6].
4) 各旋转件的转动惯量h J 的估算
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1320D mm =；刀盘与刀架主轴相连的孔径150d mm =；刀盘宽42P mm =。

则刀盘的转动惯量221111222h D d J m ⎛⎫⎛⎫⎛⎫=+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭
22221111122222D d D d P ρπ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫=-+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭
2222310.190.050.190.057.85103.140.04222222⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫=⨯⨯⨯⨯-⨯⨯+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭
=0.042kg 2m
(2) 刀塔主轴转动惯量的计算
刀塔主轴的转动惯量2h J 按如下的方法估算：
刀架主轴的最大直径max 50d mm =；最小直径mi n 15d mm =；刀架主轴长度取150l mm =。

则刀架主轴的转动惯量2max min 2122h d d J m +⎛⎫= ⎪⎝⎭[7]
22max min max min 1222d d d d l ρπ++⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
22
310.050.0150.050.0157.8510 3.140.15222++⎛⎫⎛⎫=⨯⨯⨯⨯⨯ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
=0.00212kg m
(3) 变速齿轮副的转动惯量的计算
变速齿轮副的转动惯量3h J 的估算方法如下：
设齿轮的分度圆直径3h D ；其与刀架主轴相连的孔径3h d ；蜗轮齿宽3h b .
则每个齿轮的转动惯量=
22223333122222h h h h D d D d b ρπ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫=-+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭
222233333317.85103.1422222h h h h h D d D d b ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫=⨯⨯⨯-⨯⨯+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭
=12330.75⨯2222333332222h h h h h D d D d b ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫-⨯⨯+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭
2k g m [7] 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31h D =18mm,其与电机主
轴相连孔的直径为31h d =8mm ，齿轮宽度为31h b =22mm ,则可知：
31h J =2331222h h D d M ⎛⎫⎛⎫⎛⎫+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭
=12330.75⨯222231313131312222h h h h h D d D d b ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫-⨯⨯+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝
⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭ =12330.75⨯22220.0180.0080.0180.0080.0222222⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫-⨯⨯+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭
=62
1.7110kg m -⨯⋅
● 高速级大齿轮转动惯量估算：假设其分度圆直径32h D =45mm,其与电机主
轴相连孔的直径为32h d =10mm ，齿轮宽度为32h b =18mm ,则可知：
32h J =2331222h h D d M ⎛⎫⎛⎫⎛⎫+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝
⎭⎝⎭⎝⎭ =12330.75⨯222232323232322222h h h h h D d D d b ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫-⨯⨯+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭
=12330.75⨯22220.0450.0100.0450.0100.0182222⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫-⨯⨯+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝
⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭ =525.6810kg m -⨯⋅
● 低速级小齿轮转动惯量估算：假设其分度圆直径33h D =18mm,其与轴相连
孔的直径为33h d =10mm ，齿轮宽度为33h b =22mm ,则可知：
32h J =2331222h h D d M ⎛⎫⎛⎫⎛⎫+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭
=12330.75⨯222233333333332222h h h h h D d D d b ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫-⨯⨯+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭
=12330.75⨯22220.0180.0100.0180.0100.0222222⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫-⨯⨯+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝
⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭ =62
1.6110kg m -⨯⋅ ● 低速级大齿轮转动惯量估算：假设其分度圆直径34h D =54mm,其与轴相连
孔的直径为34h d =20mm ，齿轮宽度为34h b =18mm ,则可知：
32h J =2331222h h D d M ⎛⎫⎛⎫⎛⎫+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭
=12330.75⨯222234343434342222h h h h h D d D d b ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫-⨯⨯+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝
⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭ =12330.75⨯22220.0540.0200.0540.0200.0182222⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫-⨯⨯+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭
=42
1.7110kg m -⨯⋅
(4) 下端齿盘转动惯量的计算：假设下端齿盘的大径4h D =60mm,与轴相
4h d =25mm,端齿盘厚度为4h b =10mm ，则其转动惯量约为：
4h J =2441222h h D d M ⎛⎫⎛⎫⎛⎫+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝
⎭⎝⎭⎝⎭ =12330.75⨯2222444442222h h h h h D d D d b ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫-⨯⨯+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭
=12330.75⨯22220.0600.0250.0600.0250.0102222⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫-⨯⨯+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝
⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭ =524.0910kg m -⨯⋅
(5) 对各旋转件的角速度作如下设定：
伺服电机的角速度 15002/60157/rad s ωπ=⨯=；
齿轮1的角速度 3115002/60157/h rad s ωπ=⨯=；
齿轮2的角速度 3215002/6062.8/2.5h rad s ωπ⎛⎫=⨯= ⎪⎝⎭
； 齿轮3的角速度 3315002/6062.8/2.5h rad s ωπ⎛⎫=⨯= ⎪⎝⎭
齿轮4的角速度 3415002/6020.93/2.53h rad s ωπ⎛⎫=⨯= ⎪⨯⎝⎭
刀架主轴的角速 215002/6020.93/7.5h rad s ωπ⎛⎫=⨯= ⎪⎝⎭
； 下端齿盘转位时的角速度415002/6020.93/7.5h rad s ωπ⎛⎫=⨯= ⎪⎝⎭
刀盘转位时的角速度 115002/6020.93/7.5h rad s ωπ⎛⎫=⨯= ⎪⎝⎭。

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
22h i L h i K i J J m ωυωω⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪⎝
⎭⎝⎭=+∑∑ 2k g m 2225625415762.8 2.441.71(5.6810 1.6110)0.002157157146.520.93(4.69100.0420.0021 1.1710)157----⎛⎫⎛⎫⎛⎫=⨯+⨯+⨯⨯++ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭
⎛⎫⨯+++⨯+ ⎪⎝⎭
=0.008 2kg m
取1600.16j t ms s ==；刀架换刀时伺服电机的转速1500/min m n r =；伺服电动机转子转动惯量20.00003m J kg m =。

则刀架加速扭矩 ()260m j m L j n T J J t π=
+ N m ()23.1415000.000030.008
600.16⨯⨯=⨯+⨯ =0.81 N m ⋅
5) 驱动电动机输出扭矩D T 的估算[7]
驱动电动机的输出扭矩D T 应同时满足刀架负载扭矩F T 和加速扭矩J T 之和，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D T 的公式为：
F F
D T T T η+= N m
式中 η----传动效率 取0.95。

则有 F F D T T T η
+=1.862
0.811.720.95+== N m ⋅ 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s T 应为D T 的1.2 1.5倍。

所以取 1.31.31.722s D T T
==⨯= N m ⋅ 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5N m ，额定功率为0.4kW 。

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11500/min n r =，取经齿轮传动副传动的效率0.97η=，齿轮传动副的传动比7.5i =。

1) 先求出刀架主轴上的传递功率2P 、转速3n 和转矩3T
220.40.970.37
6P P k W η==⨯= 3111500/7.5200/min n n r i ===
于是 34330.376955000095500001.810
200P T N mm n ==⨯=⨯⋅ 2) 初步确定轴的最小直径
由式
d A ≥ 可初步估算设计轴的最小直径。

式中：0A 为系数，轴的材料不同，则0A 的值会不同；
P 为轴传递的功率，单位为kW ；
d 为计算截面处轴的直径，单位为mm ；
n 为轴的转速，单位为/min r ；
选取轴的材料为45钢，调质处理。

根据表15—3，取0105A =，于是得
m i n 610512.959d A mm === 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min 15d mm =；轴的最大直径为max 50d mm = 3）求作用在齿轮上的力
以知低速级大齿轮的分度圆直径为：
4415454d m z mm =⋅=⨯=
而 43422 1.810666.6754t T F d ⨯⨯===N
由此可知： t a n t a n 20666.67245.07c o s c o s 806'34"
n i t a F F N β︒=⨯=⨯=︒
tan 666.67tan806'34"95t F F N αβ=⨯=⨯︒=
圆周力t F ，径向力i F 以及轴向力F α的方向如3.2.2图所示。

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15Φ的角接触球
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I 参数为：1d ⨯1l =15mm ⨯16mm.
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34h b=18mm，故设计轴的长度为
225
l mm
=。

F
α
3.2.2主轴的强度校核
3.3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D和活塞杆直径d的计算
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1D和活塞杆直径1d
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D和活塞杆直径d，再从234880
GB--标准中选取相近尺寸加以圆整。