直驱电机集成的转塔刀架结构设计
表4-1 几种常用材料的E 材料名称 碳钢 合金钢 灰铸铁 E/(GPa) 196~216 186~206 78.5~157 u 0.24~0.28 0.25~0.30 0.23~0.27 0.31~0.42 0.33 铜及其合金刚 72.6~128 铝合金 选E为200GPa即200*10^9Pa。
170 由题知：最大负载质量(kg):160，所以F=mg=160*9.8=1568N，取最大挠度Wmax=0.08mm。L=307mm。
Wmax = -Fl^3/(48EI). （4-7） -0.08≥-1568*307^3/48*200*(πD^4/32) D≥63mm
所以轴的最小直径为68mm。 经校核公式
σca?[(M2αT2)?4()]?W2W?M2?(ααT2/W??σ?1?? （4-8）
校核，此轴符合要求。
图4-1 轴示意图
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4.2力矩电机的设计与选择
4.2.1力矩电机的分类
力矩电机是一种具有软机械特性和宽调速范围的特种电机。力矩电机包括：直流力矩电机、交流力矩电机、和无刷直流力矩电机。 4.2.2力矩电机的构造原理
当负载增加时，电动机的转速能自动的随之降低，而输出力矩增加，保持与负载平衡。力矩电机的堵转转矩高，堵转电流小，能承受一定时间的堵转运行。由于转子电阴高，损耗大，所产生的热量也大，特别在低速运行和堵转时更为严重，因此，电机在后端盖上装有独立的轴流或离心式风机（输出力矩较小100机座号及以下除外），作强迫通风冷却，力矩电机配以可控硅控制装置，可进行调压调速，调速范围可达1：4，转速变化率≤10%。本系列电机的特性使其适用于卷绕，开卷、堵转和调速等场合及其他用途，被广泛应用于纺织、电线电缆、金属加工、造纸、橡胶、塑料以及印刷机械等工业领域。 4.2.3力矩电机的特点
力矩电机主要特点：力矩电机的特点是具有软的机械特性,可以堵转.当负载转矩增大时能自动降低转速,同时加大输出转矩.当负载转矩为一定值时改变电机端电压便可调速.但转速的调整率不好。因而在电机轴上加一测速装置,配上控制器.利用测速装置输出的电压和控制器给定的电压相比,来自动调节电机的端电压.使电机稳定。具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动小等特点，可直接驱动负载省去减速传动齿轮，从而提高了系统的运行精度。为取得不同性能指标，该电机有小气隙、中气隙、大气隙三种不同结构形式，小气隙结构，可以满足一般使用精度要求，优点是成本较低；大气隙结构，由于气隙增大，消除了齿槽效应，减小了力矩波动，基本消除了磁阻的非线性变化，电机线性度更好，电磁气隙加大，电枢电感小，电气时间常数小，但是制造成本偏高；中气隙结构，其性能指标略低于大气隙结构电机，但远高于小气隙结构电机，而体积小于大气隙结构电机，制造成本低于大气隙结构电机。 4.2.4力矩电机的选择计算
刀盘转位驱动力矩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1)
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Wcp=3.5N；刀盘的回转中心直径D=405mm。
12 则有 TF?6WP?D??23
63.5*0.5*0.405*2/3=2.835N.mm （2）刀架加速扭矩Tj的估算
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Tj? （4-9）
2?nm?Jm?JL?60tj
N?m
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
2200ms;
Jm---电动机转子惯量(kgm),可查样本;
JL---负载惯量折算到电动机轴上的惯量(kg?m). （3） 负载惯量折算到电动机轴上的惯量JL的估算
22??i?2?h? JL??J????mi??? kgm （4-10）???Ki?h??2 式中 Jh---各旋转件的转动惯量(kgm);
?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); ?---力矩电机的角速度(rad/s). （4）刀盘转动惯量的计算
刀盘以烟台环球数控公司独立设计开发的的AK33125X12A型动力型转塔刀架。可多刀夹持，双向转位和任意刀位就近选刀，实现了加工程序的自动化、高效化。它采用端齿盘作为分度定位元件，分度工位由二进制绝对值编码器识别。结构简单性能可靠，配合主机可完成车、铣、钻、镗等工序，特别适宜车削中心、全功能数控车床，是数控机床的必备附件。其主要尺寸如下：刀盘外径D1=500mm；刀盘与刀架主轴相连的孔径d1=200mm；刀盘宽P=86mm。
221??D1??d1?? 则刀盘的转动惯量Jh1?m????????2?2????2??[6]
2
（4-11）
??D1?2?d1?2???D1?2?d1?2?1????P??????? ???????2???2??2??????2??2??5/2)^2+(0.2/2)^2)
=4.03kg.m2
（5）刀塔主轴转动惯量的计算
=1/2?7.85?10^3?3.14?((0.5/2)^2-(0.2/2)^2)?0.086?((0.
刀塔主轴的转动惯量Jh2按如下的方法估算：
刀架主轴的最大直径dmax=35mm；最小直径dmin=25mm；刀架主轴长度取l=150mm 则刀架主轴的转动惯量
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1?dmax?dmin?1?dmax?dmin?Jh2?m???????2222????
22?dmax?dmin?l??2?? （4-12）
2 =1/237.8510^333.143((0.035+0.025)/2)^230.153((0.035+0.025)/2)^2 =0.0015kgm
2则估算刀架主轴的转动惯量Jh2?0.0015kg?m
2 （6）下端齿盘转动惯量的计算：假设下端齿盘的大径D=165mm；小径d=25mm,端齿盘厚度为B=30mm，则其转动惯量约为：
21??Dh4??dh4???52Jh== （4-13） 4.09?10kg?mM??? ??????2??2??2?? （7）对各旋转件的角速度作如下设定：
伺服电机的角速度 w=15032π/60=15.7rad/s；
刀架主轴的角速 Wh1=(150/7.532π)/60=2.093rad/s； 下端齿盘转位时的角速度 Wh2=(150/7.532π)/60=2.093rad/s； 刀盘转位时的角速度 Wh3=(150/7.532π)/60=2.093rad/s；。
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
Ki
由于30°转位时间(s)：0.27，所以取tj?160ms?0.16s；刀架换刀时伺服电机的转
??i?22?h?JL??Jh?????mi?? kgm=0.005 kgm （4-14） ??????22速nm=18.5r/min；则刀架加速扭矩：Tj=Tm-Tf=Jdw/dt=Tj?nm---------刀架换刀时的刀盘转速（r/min） Tj--------加速时间，通常取150~200ms； Jm-------电动机转子惯量（kg.m2）；
2?nm?Jm?JL?Nm （4-15） 60tjJl---------负载惯量折算到电动机轴上的惯量（kg.m2）。
Tm≈ Tj?2?nm?Jm?JL? Nm 60tj =23.14318.53(4.03+0.0015)/(6030.16)=49N?m
（8）驱动电动机输出扭矩TD的估算
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=Tm/ηNm
式中 ?----传动效率 取0.95。
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则有 TD=Tm/ηNm =49/0.95=51.6 N?m （4-16） 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所以取 Ts=1.4TD=1.2351.6=62N?m
表4-2 电机参数表
TM180-S TM180-M TM230-S TM230-M TM295-S
基本尺寸 电机型号
) 50 80 100 200 150
(N.M) r/min r/min 150 240 300 600 500
200 200 150 150 100
300 300 240 240 200
T0(N.M
Tm
nN
nM
1.5倍。
表4-3 外形尺寸表
选择TM180-M型为宜，其额定转矩T=80Nm 额定转速n=200r/min 由外形尺寸知D1=?180 D2= ?105 L=135
图4-2 力矩电机
由于长度过长，占用空间，根据任务书要求直驱电机与转塔集成设计，结构尽量紧凑。故自己设计电动机。如图
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