XXXX毕业设计（论文） 第 11 页
下图所示为回转刀架的结构图，刀架的松开和夹紧以及刀盘的分度转位分别由液压系统和直流伺服电机来实现。5为安装刀具的刀盘，它与轴6固定连接，当刀架主轴6带动刀盘旋转时，其上的端齿盘4和固定在刀盘上的端齿盘3脱开，旋转指定刀位后，刀盘的定位由端齿盘的啮合来完成。活塞1支承在一对推力球轴承上，它们可以通过推力球轴承带动刀架主轴来移动。当车床数控系统发出换刀指令后，刀架上的液压缸右腔通入压力油，活塞1及轴6在压力油推动下向左移动，通过刀架主轴使端齿盘3和4脱开啮合，实现刀盘抬起动作。随后伺服电机启动，带动蜗杆2和蜗轮7转动，经刀架主轴6带动刀架的刀盘旋转，实现刀架换刀动作，转位的速度和角位移均通过半闭环反馈系统进行精确控制。当刀盘旋转到指定的刀位后，数控系统发出信号，指令伺服电机停转，这时，压力油进入液压缸的左腔，推动活塞1和刀架主轴6向右移动，使端齿盘3和4重新啮合，实现刀盘锁动作。刀盘被定位夹紧并向数控系统发出信号，于是刀架的转位、换刀循环完成。在车床自动工作状态下，当指定换刀的刀号后，数控系统可以通过内部的运算判断，实行刀盘就近转位换刀，即刀盘既可正转也可以反转。但当手动操作车床时，从刀盘方向观察，只充许刀盘顺时针转动换刀。
图2.2 数控车床回转刀架结构图 2.4刀架的设计计算
2.4.1 驱动刀架的伺服电机的选择计算
XXXX毕业设计（论文） 第 12 页
刀架驱动电动机的选择应同时满足刀架运转的负载扭矩TF和起动时的加速扭矩TJ 的要求。
1) 刀架负载扭矩TF的计算
回转刀架负载扭矩TF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Wcp，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，由于该数控车床采用的是电和液换位的6工位六方自动回转刀架，因而插满刀盘的半个圆需要3把刀具。设工艺要求所需的每个刀具的平均重力Wcp=4.9N；刀盘的回转中心直径D?270mm。
1212则有 TF?4WP?D??3?4.9??0.27??1.764N?mm
23232) 刀架加速扭矩Tj的估算
Tj?2?nm?Jm?JL? N?m[6] 60tj 式中 nm----刀架换刀时的电动机转速(r/min); tj ---加速时间,通常取150?200ms; Jm---电动机转子惯量(kg?m2),可查样本;
JL---负载惯量折算到电动机轴上的惯量(kg?m2). 3) 负载惯量折算到电动机轴上的惯量JL的估算
22??i?2?h?????mi?? kg JL??Jh? ?m??????Ki 式中 Jh---各旋转件的转动惯量(kg?m2); ?h ---各旋转件的角速度(rad/s); mi---各直线运动件的质量(kg); ?i---各直线运动件的速度(m/s); ?---伺服电机的角速度(rad/s)[6]. 4) 各旋转件的转动惯量Jh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3个,
XXXX毕业设计（论文） 第 13 页
它们分别是蜗轮蜗杆副,刀架主轴和刀盘。因而只需估算这三者的传动惯量即可。 (1) 刀盘转动惯量的计算
刀盘采用烟台环球公司生产的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D1?320mm；盘也刀架主轴相连的孔径d1?40mm；刀盘宽P?56mm。
221??D1??d1??则刀盘的转动惯量Jh1?m???????
?2???2??2??2??D1?2?d1?2???D1?2?d?11? ??????????P???????
??2??2????2??2??2????
2??0.3?123??7.85?10?3.?1??4??22???2?0.0??4?????2??????02.?32?0.?0??56????2???2?20??.04 ????=0.45kg?m2
(2) 刀架主轴转动惯量的计算
刀架主轴的转动惯量Jh2按如下的方法估算：
刀架主轴的最大直径dmax?40mm；最小直径dmin?25mm；刀架主轴长度取l?390mm。
1?dmax?dmin?则刀架主轴的转动惯量Jh2?m??2?2?2[7]
21?dmax?dmin??????22??2?dmax?dmin?l??
2??221?0.04?0.025??0.04?0.025???7.85?103?3.14??0.39???? 222????=0.0048 kg?m2
(3) 蜗轮蜗杆转动惯量的计算
蜗轮蜗杆的转动惯量Jh3的估算方法如下：
设蜗轮的分度圆直径Dh3?124mm；其与刀架主轴相连的孔径dh3?32.5mm；蜗轮齿宽
bh3?10mm.
21??Dh3??dh3??则蜗轮的转动惯量Jh31?M?? ???????2??2??2?? XXXX毕业设计（论文） 第 14 页
22??Dh3?2?dh3?2???Dh?13?dh?3?b?? ????? ??????????????22???2??2????2???
2?10.124???3??7.85?10?3?.?14????2?2???20.03??25????2??2??0.?012?40?.?01?????2??2??2?0?.0325 ????
=0.002 kg?m2[7]
设蜗杆的分度圆直径Dh32?35.5mm;蜗杆长l?200mm.
1?Dk32?则蜗杆的转动惯量Jh32?M??
2?2?1?Dk32? ?????2?2?22?Dk32?l??
2??2221?0.0355??0.0355? ??7.85?103?3.14???0.2????
2?2??2? =0.00024 kg?m2 (4) 连轴器转动惯量的计算
由于连轴器已标准化，查表取连轴器的转动惯量Jh4?0.0003 kg?m2 (5) 对各旋转件的角速度作如下设定：
0?2伺服电机的角速度 ??140?/?601r4a6d.5s ；
蜗杆的角速度 ?h32?1400?2?/60?146.5rad/s；
?1400?蜗轮的角速度 ?h31???2??/60?2.44rad/s；
?60??1400?刀架主轴的角速 ?h2???2??/60?2.44rad/s；
?60??1400?刀盘转位时的角速度 ?h1???2??/60?2.44rad/s。
?60?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
XXXX毕业设计（论文） 第 15 页
22??i?2?h??mi? JL??J?? ? kg?m?????Ki?h??
4?2.44??2.4??0.45???0.00?48????5?146.??146.?5=0.00067 kg?m2
22?2.4?40.?002??14?6.5?214?6.5?0.?00024??1?46.5?21?46.5? 0.00??03??146.52取tj?160ms?0.16s；刀架换刀时伺服电机的转速nm?1400r/min；伺服电动机转子转动惯量Jm?0.00003kg?m2。 则刀架加速扭矩 Tj? ?2?nm?Jm?JL? N?m 60tj2?3.1?41400??0.000?0360?0.160.0?0 067 =0.32 N?m
5) 驱动电动机输出扭矩TD的估算[7]
驱动电动机的输出扭矩TD应同时满足刀架负载扭矩TF和加速扭矩TJ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TD的公式为： TD?TF?TF? N?m
式中 ?----传动效率 取0.75。 则有 TD?TF?TF?1.76?40.32?2.7 8 N?m
0.75?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Ts应为TD的1.2?1.5倍。
3TD?1?.32?.78 N?m 所以取 Ts?1.?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。 2.4.2 蜗轮蜗杆的设计计算 2.4.2.1各参数的取定