車(chē)磨復(fù)合機(jī)床尾架設(shè)計(jì)

車(chē)磨復(fù)合機(jī)床尾架設(shè)計(jì),復(fù)合,機(jī)床,架設(shè) 北京信息科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目： 直驅(qū)伺服刀架設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 陳婉 班級(jí)/學(xué)號(hào) 機(jī)械1002 2010010033 指導(dǎo)老師/督導(dǎo)老師： 彭寶營(yíng) 起止時(shí)間：2014 年 2 月 23 日 至 2014 年 6 月 14 日 摘要 摘 要 近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)外，數(shù)控機(jī)床逐漸在現(xiàn)代機(jī)床控制技術(shù)中占據(jù)了不可替代的位置。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和客觀需求，數(shù)控機(jī)床正向著高性能、高精度、高穩(wěn)定性、高速度的方向發(fā)展，與此同時(shí)，作為數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件，數(shù)控刀架的主流發(fā)展方向也就相繼確定，以此來(lái)滿(mǎn)足高效率、高質(zhì)量的生產(chǎn)要求。刀架主要是用在車(chē)床上，使車(chē)削中心一次裝卡可以完成多道工序，避免了二次裝卡帶來(lái)的誤差。參考傳統(tǒng)的伺服刀架以及直驅(qū)伺服刀架的原理及結(jié)構(gòu)，本次設(shè)計(jì)了一種力矩電機(jī)嵌入刀盤(pán)內(nèi)部，直接驅(qū)動(dòng)刀架的結(jié)構(gòu)。 本次設(shè)計(jì)的刀架依靠嵌入在刀盤(pán)內(nèi)部的力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，沒(méi)有中間環(huán)節(jié)。電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子分別與主軸和刀盤(pán)固聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)換刀。利用光柵與刀盤(pán)螺紋連接，實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)的粗定位，通過(guò)鼠牙盤(pán)的嚙合和分離實(shí)現(xiàn)精確定位。同時(shí)，后部設(shè)計(jì)了液壓系統(tǒng)來(lái)控制鼠牙盤(pán)的運(yùn)動(dòng)。該刀架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有精度高，故障率低等優(yōu)點(diǎn)，且占據(jù)面積小，節(jié)省空間。 在設(shè)計(jì)出直驅(qū)伺服刀架基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析工作原理，進(jìn)一步完成刀架的總體設(shè)計(jì)。對(duì)刀架的關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，尤其是力矩電機(jī)的參數(shù)計(jì)算。完成二維裝配圖，建立三維模型并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析。 關(guān)鍵詞：直驅(qū)刀架；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元分析 Ⅰ Abstract Abstract In recent years, at home and abroad, CNC machine tools in the modern machine tool control technology gradually occupy an irreplaceable position. With the development of science and technology and the objective demand, NC machine tools are going to be high performance, high precision, high stability, high speed, at the same time, as the key components of NC machine tool, the mainstream development direction of CNC turrets have been determined, in order to meet the production requirements of high efficiency, high quality. Turret is mainly used in lathe turning center, make a card can complete the multi-channel processes, avoid two times chucking error. According to traditional servo turret and direct drive servo turret principle and structure, the design of a torque motor embedded within the structure of disc cutter, direct drive the turret The design of the tool by torque motor is embedded in the cutter internal drive directly, without intermediate links. Motor stator and rotor are respectively fixed with spindle and cutter, so as to realize the rotary knife changing cutter. The thread connecting grating and cutter, achieve the coarse positioning cutter, to achieve precise positioning of the engagement and separation of rat tooth disc. At the same time, the design of the hydraulic system will control the mouse tooth plate motion. The knife has the advantages of simple structure, high accuracy, low failure rate, and small occupied area, save a space. In terms of the basic structure design of direct drive servo turret, through the analysis of the working principle, work out the overall design tool. Design and calculation of key parts of the rest, especially the calculation parameters of torque motor. Complete 2D drawing, 3D modeling and finite element analysis of key parts. Keywords: direct drive turret；structure design；finite element analysis Ⅱ 目錄 目錄 第一章 概述 1 1.1 課題背景和研究意義 1 1.2 數(shù)控刀架的發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.3 嵌入式直驅(qū)伺服刀架優(yōu)勢(shì)初步探討 3 1.4 具體的工作內(nèi)容 4 第二章 嵌入式力矩電機(jī)直驅(qū)刀架設(shè)計(jì)方案 5 2.1數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 5 2.1.1 基本結(jié)構(gòu) 5 2.1.2 運(yùn)動(dòng)規(guī)律 5 2.2嵌入式力矩電機(jī)直驅(qū)刀架總體設(shè)計(jì)方案 5 2.3刀架嵌入式力矩電機(jī)基本設(shè)計(jì)方案 7 2.3.1主要約束條件 7 2.3.2轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼形式 7 2.4設(shè)計(jì)方案優(yōu)勢(shì)分析 9 第三章 刀架設(shè)計(jì)計(jì)算和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 3.1嵌入式力矩電機(jī)基本參數(shù)設(shè)計(jì) 10 3.1.1主要尺寸 10 3.1.2極槽數(shù)的選擇 10 3.1.3氣隙長(zhǎng)度的確定 11 3.1.4定子沖片尺寸 11 3.1.5永磁體尺寸 12 3.16嵌入式力矩電機(jī)基本參數(shù) 13 3.1.7力矩電機(jī)力矩計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式 13 3.2刀架快速換刀扭矩分析 14 3.2.1換刀加速度曲線(xiàn)的選取 14 3.2.2旋轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量估算 15 3.2.3刀盤(pán)換刀啟動(dòng)扭矩分析 16 3.2.4刀具均布時(shí)電機(jī)扭矩校核 16 3.2.5刀具不均布時(shí)電機(jī)扭矩校核 17 第四章 三維建模 18 4.1 關(guān)鍵零件三維模型 18 4.2 三維總裝圖 20 第五章 力矩電機(jī)直驅(qū)刀架的剛度分析 21 5.1 刀架的靜剛度檢測(cè) 21 5.1.1 切削力估算 21 5.1.2建模與有限元分析軟件選擇 23 5.2刀架的動(dòng)剛度檢測(cè) 24 5.2.1動(dòng)剛度檢驗(yàn)的理論依據(jù) 24 5.2.2機(jī)座Ansys模態(tài)分析的過(guò)程和結(jié)果 25 5.3刀盤(pán)結(jié)構(gòu)Ansys模態(tài)分析的過(guò)程和結(jié)果 27 第六章 總結(jié)與展望 30 6.1研究結(jié)果總結(jié) 30 6.2 展望 30 參考文獻(xiàn) 31 致謝 33 Ⅲ 第一章 第一章 概述 數(shù)控機(jī)床的飛速發(fā)展為制造業(yè)的進(jìn)步做出了卓越的貢獻(xiàn)，作為數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件——數(shù)控刀架的發(fā)展也就有了更深刻的涵義。本章簡(jiǎn)要介紹了本課題的研究背景，闡述了直驅(qū)刀架對(duì)于提高中高檔數(shù)控機(jī)床性能的重要意義。對(duì)比分析了國(guó)內(nèi)外數(shù)控刀架的現(xiàn)狀，我國(guó)在數(shù)控刀架領(lǐng)域還處于落后階段，從換刀速度、定位精度等方面分析，國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家遠(yuǎn)不及國(guó)外優(yōu)秀廠(chǎng)家。通過(guò)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)刀架和直驅(qū)動(dòng)力刀架的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)原理的分析，得出后者在定位精度和換刀速度上的巨大優(yōu)勢(shì)。并簡(jiǎn)要描述了本課題的具體工作內(nèi)容。 1.1 課題背景和研究意義 目前，國(guó)際上數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品發(fā)展迅速，高精度，高速度的數(shù)控機(jī)床層出不窮。我國(guó)的數(shù)控機(jī)床行業(yè)也有了很大發(fā)展，但是總體情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品與國(guó)外產(chǎn)品還有很大的差距。我國(guó)主要生產(chǎn)中低檔數(shù)控機(jī)床，產(chǎn)量也基本能保證需求，但是量只是一個(gè)方面，更重要的是提高數(shù)控機(jī)床的性能。我國(guó)數(shù)控機(jī)床性能落后于國(guó)際水平，主要關(guān)鍵功能部件性能差。例如數(shù)控刀架作為機(jī)床上的關(guān)鍵功能部件，在國(guó)內(nèi)在刀架行業(yè)，雖然很多企業(yè)有自己的成熟產(chǎn)品，但是，因?yàn)閲?guó)內(nèi)要求標(biāo)準(zhǔn)低，其產(chǎn)品性能比國(guó)際先進(jìn)刀架落后很多，屬于中低檔產(chǎn)品。一些高端產(chǎn)品都是從國(guó)外的像巴拉法蒂、迪普馬、肖特的一些國(guó)家直接進(jìn)口，但是從國(guó)外進(jìn)口刀架交貨時(shí)間比較長(zhǎng)而且價(jià)格也相對(duì)較高。為了使我國(guó)的數(shù)控機(jī)床行業(yè)能趕上世界先進(jìn)水平，極其需要研制出我們自己的高性能數(shù)控刀架，這是國(guó)內(nèi)每一個(gè)數(shù)控企業(yè)的共同目標(biāo)。 數(shù)控刀架最早出現(xiàn)時(shí)間可追溯到上世紀(jì)八十年代，早期數(shù)控刀架基本結(jié)構(gòu)為普通伺服驅(qū)動(dòng)加齒輪傳動(dòng)，目前已經(jīng)發(fā)展成熟，被中端數(shù)控機(jī)床大量裝備。一般數(shù)控刀架具有兩個(gè)電機(jī)，一個(gè)負(fù)責(zé)換刀，一個(gè)為刀具切削提供動(dòng)力，這種結(jié)構(gòu)刀架是最傳統(tǒng)，也是比較成熟的一種數(shù)控刀架。但是電機(jī)占了刀架的很大空間，使得傳統(tǒng)刀架看起來(lái)很笨重，因此就希望有新的結(jié)構(gòu)形式來(lái)代替目前的機(jī)械傳動(dòng)鏈，，使刀架的整體尺寸變小。為了滿(mǎn)足這種需求，隨后就出現(xiàn)了單電機(jī)式動(dòng)力刀架，進(jìn)一步出現(xiàn)直驅(qū)數(shù)控刀架（圖1.1a）。 普通直驅(qū)刀架力矩電機(jī)位于刀架后端，電機(jī)與刀盤(pán)還需要連接件連接，并不是最小的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。高檔數(shù)控機(jī)床開(kāi)發(fā)要求結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單緊湊，因此為進(jìn)一步減小數(shù)控刀架體積，設(shè)計(jì)了嵌入式直驅(qū)刀架，該刀架充分利用刀盤(pán)內(nèi)部空間，設(shè)計(jì)了安裝在刀盤(pán)內(nèi)部的力矩電機(jī)（圖1.1b）。該電機(jī)嵌入運(yùn)動(dòng)部件從而實(shí)現(xiàn)無(wú)傳動(dòng)環(huán)節(jié)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，相比相同中心高的數(shù)控刀架，其總體尺寸大大減小。 a. 普通直驅(qū)刀架 b. 嵌入式直驅(qū)刀架 圖1.1 直驅(qū)數(shù)控刀架 1.2 數(shù)控刀架的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著客觀需求的變化和科技的進(jìn)步，數(shù)控刀架正向著更多元的方向迅速發(fā)展。根據(jù)CIMT2012（第十三屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)）上的產(chǎn)品分析，世界上裝備制造企業(yè)發(fā)展非常迅速，許多進(jìn)技術(shù)大都被應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床上，催生了大量先進(jìn)機(jī)床及其先進(jìn)功能部件，這與世界各國(guó)對(duì)本國(guó)裝備制造業(yè)的重視是分不開(kāi)的。具體到刀架，從展會(huì)看來(lái)，復(fù)合、高精、高速、模塊化、智能化仍將是其發(fā)展主流。 國(guó)內(nèi)數(shù)控刀架形勢(shì)分析：目前我國(guó)生產(chǎn)數(shù)控刀架的廠(chǎng)商主要有四家，分別是：煙臺(tái)環(huán)球機(jī)床附件集團(tuán)有限公司、常州市宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備有限公司、沈陽(yáng)精誠(chéng)數(shù)控機(jī)床附件廠(chǎng)、常州市新墅數(shù)控設(shè)備有限公司。國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床刀架產(chǎn)品也正在朝著世界先進(jìn)水平發(fā)展，但畢竟起步晚，許多世界上先進(jìn)結(jié)構(gòu)數(shù)控刀架，在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一家廠(chǎng)商生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家生產(chǎn)的數(shù)控刀架一般是普通機(jī)械傳動(dòng)伺服刀架，結(jié)構(gòu)也較國(guó)外刀架笨重。即使是先進(jìn)動(dòng)力數(shù)控刀架，也都是雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對(duì)于國(guó)外早就生產(chǎn)過(guò)的單電機(jī)數(shù)控動(dòng)力刀架，國(guó)內(nèi)都沒(méi)有廠(chǎng)家開(kāi)發(fā)過(guò)。無(wú)論是采用何種結(jié)構(gòu)的刀架，都是為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床高速、高精度的發(fā)展趨勢(shì)，這就要求設(shè)計(jì)的刀架具有定位準(zhǔn)確，轉(zhuǎn)位速度快的特點(diǎn)，所以，有必要設(shè)計(jì)出一個(gè)重復(fù)定位精度高，故障發(fā)生率低的數(shù)控刀架。表1-1是根據(jù)CIMT2012（第十三屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)）的情況，統(tǒng)計(jì)的國(guó)內(nèi)數(shù)控刀架主要性能參數(shù)。 表1-1 國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床轉(zhuǎn)塔刀架主要參數(shù) 參數(shù) 廠(chǎng)名 中心高 工位 30度轉(zhuǎn)位時(shí)間 180度轉(zhuǎn)位 180度轉(zhuǎn)位并加緊時(shí)間 重復(fù)定位精度 亞興數(shù)控SLT80型 80mm 12 0.2s 0.5s <5" 亞興數(shù)控ELT125型 125mm 12 0.3s 2.23s <5" 沈陽(yáng)數(shù)控TSMA160 160mm 8 0.44s 3.4s 常州宏達(dá)AK36型 100mm 12 0.15s 1s <2" 從表中可以明顯看出國(guó)內(nèi)數(shù)控刀架的換刀速度和定位精度，以30°轉(zhuǎn)位時(shí)間為例，大中心距的刀架，轉(zhuǎn)位速度慢，沈陽(yáng)車(chē)床數(shù)控TSMA160系列刀架30°轉(zhuǎn)位時(shí)間需要0.44s。目前最快的是常州宏達(dá)AK36型，其速度可達(dá)0.15s，這僅僅指的轉(zhuǎn)位時(shí)間，加上刀盤(pán)鎖緊，時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。所以國(guó)內(nèi)數(shù)控刀架30°轉(zhuǎn)位時(shí)間基本上維持在0.2s以上。重復(fù)定位精度也在2"以上。 國(guó)外數(shù)控刀架形勢(shì)分析：國(guó)外刀架總體上看比較成熟，數(shù)控刀架廠(chǎng)商比較多，如幾個(gè)有代表性的廠(chǎng)家：德國(guó)的Sauter公司、意大利DUPLOMATIC公司、印度PRAGATI公司等。特別是德國(guó)的Sauter公司、意大利DUPLOMATIC公司，他們是是世界著名數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架生產(chǎn)企業(yè)。目前世界上大多數(shù)高端數(shù)控機(jī)床都用的這兩個(gè)品牌的刀架。以Duplomatic的SMA系列刀架為例，其180°轉(zhuǎn)位速度加鎖緊已達(dá)到1s 以?xún)?nèi), 重復(fù)定位精度可保證小于0.002mm，定位精度可達(dá)±4"。而國(guó)內(nèi)仍達(dá)不到這個(gè)數(shù)據(jù)。拿煙臺(tái)環(huán)球機(jī)床附件集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的AK36系列數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架為例，這個(gè)數(shù)據(jù)為±6"。 1.3 嵌入式直驅(qū)伺服刀架優(yōu)勢(shì)初步探討 國(guó)內(nèi)數(shù)控刀塔主要還是采用伺服電機(jī)加齒輪傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式,由于存在著機(jī)械傳動(dòng)鏈?zhǔn)沟眠M(jìn)給方式變得復(fù)雜，響應(yīng)慢，難以實(shí)現(xiàn)較高的精度要求。 采用直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可以有效解決上述問(wèn)題。直驅(qū)技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)最大區(qū)別是現(xiàn)了實(shí)零傳動(dòng)，取消了動(dòng)力源于運(yùn)動(dòng)部件之間的一切傳動(dòng)環(huán)節(jié)，直驅(qū)電機(jī)與運(yùn)動(dòng)負(fù)載直接連接（如下圖所示），這樣伺服系統(tǒng)的控制也更加簡(jiǎn)單。本課題設(shè)計(jì)的內(nèi)嵌式力矩電機(jī)直驅(qū)刀塔具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于安裝、響應(yīng)迅速、成本低廉、集成化程度更高等優(yōu)勢(shì)。 圖1.2 從機(jī)械傳動(dòng)到嵌入式直驅(qū)傳動(dòng) 普通力矩電機(jī)位于刀架后端，電機(jī)與刀盤(pán)還需要連接件連接，電機(jī)長(zhǎng)度使了刀架整體尺寸變大，并不是最小的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用刀盤(pán)內(nèi)部空間，設(shè)計(jì)出安裝在刀盤(pán)內(nèi)部的力矩電機(jī)，該電機(jī)嵌入刀盤(pán)內(nèi)部，不僅大大減小了刀架整體體積，結(jié)構(gòu)較普通直驅(qū)刀架更加簡(jiǎn)單，同時(shí)具有普通力矩電機(jī)直驅(qū)刀架的所有優(yōu)勢(shì)。表1-2給出嵌入式力矩電機(jī)直驅(qū)刀架的優(yōu)點(diǎn)與性能。 表1-2 嵌入式力矩電機(jī)直驅(qū)刀架的優(yōu)點(diǎn)與性能 優(yōu)點(diǎn) 性能 沒(méi)有聯(lián)軸器，沒(méi)有齒輪系 更少的零件，需要的安裝空間更少 更緊湊的設(shè)計(jì)，可以直接集成進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu) 高剛度 整體重量/轉(zhuǎn)動(dòng)慣量更低，摩擦小 更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng) 沒(méi)有反向間隙 提高了重復(fù)精度和輪廓精度 1.4 具體的工作內(nèi)容 本課題的主要研究?jī)?nèi)容為參考國(guó)外相關(guān)產(chǎn)品的構(gòu)型、技術(shù)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)方式，采用液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)，伺服電機(jī)控制技術(shù)完成力矩電機(jī)直驅(qū)結(jié)構(gòu)刀塔設(shè)計(jì)，并對(duì)其做初步分析。具體工作包括刀架的二維CAD建模，基于proe的三維建模，基于ANSYS有限元分析軟件的動(dòng)力學(xué)、靜力學(xué)分析。 (1) 刀架總體方案規(guī)劃：調(diào)研動(dòng)力刀架生產(chǎn)廠(chǎng)商成熟產(chǎn)品的工作原理，初步擬定設(shè)計(jì)方案，確定刀架基座基本尺寸，初步定出中心高通過(guò)刀具切削過(guò)程中受力分析以及快速換刀所要達(dá)到的加速度特性（包括轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，力矩等），初步選定電機(jī)參數(shù)、關(guān)鍵部件的尺寸、內(nèi)嵌力矩電機(jī)與刀盤(pán)耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 (2) 具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：完成二維總體裝配圖及零件圖的設(shè)計(jì)； (3)力矩電機(jī)的設(shè)計(jì):因?yàn)榱仉姍C(jī)內(nèi)嵌在刀盤(pán)內(nèi)，并且要滿(mǎn)足刀塔高速換刀的要求,要單獨(dú)設(shè)計(jì)力矩電機(jī)； (4) 虛擬樣機(jī)建模與檢測(cè)：參考二維圖紙建立各零部件的三維建模并進(jìn)行虛擬裝配得到三維樣機(jī)； (5)剛度分析：建立三維模型，對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)和零部件進(jìn)行靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析。 4 第二章 第二章 嵌入式力矩電機(jī)直驅(qū)刀架設(shè)計(jì)方案 本章對(duì)嵌入式力矩電機(jī)直驅(qū)刀架的基本結(jié)構(gòu)和工作原理做了詳細(xì)介紹，對(duì)比分析傳統(tǒng)刀架和嵌入式直驅(qū)刀架結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)方式，制定了嵌入式力矩電機(jī)直驅(qū)刀架的總體設(shè)計(jì)方案。根據(jù)刀架特點(diǎn)和力矩電機(jī)特點(diǎn)，擬定了嵌入式力矩電機(jī)的基本設(shè)計(jì)方案。對(duì)嵌入式直驅(qū)刀架方案進(jìn)行分析，得出其在具有轉(zhuǎn)矩大、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低等方面的優(yōu)勢(shì)。 2.1數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架盡管有多重驅(qū)動(dòng)方式和結(jié)構(gòu)內(nèi)容，但其基本組成部分是不變的，一般認(rèn)為數(shù)控刀架有以下幾部分組成：轉(zhuǎn)位驅(qū)動(dòng)部分、液壓驅(qū)動(dòng)部分、分度部分、位置控制部分、刀具系統(tǒng)部分。嵌入式力矩電機(jī)直驅(qū)刀架采用力矩電機(jī)直驅(qū)形式，電機(jī)嵌入刀盤(pán)內(nèi)部，這樣的設(shè)計(jì)充分利用刀盤(pán)內(nèi)部空間，比普通直驅(qū)刀架的結(jié)構(gòu)集成化成度更高。 2.1.1 基本結(jié)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)部分：主要是伺服電機(jī)、液壓馬達(dá)、力矩電機(jī)等。一般刀架動(dòng)力傳動(dòng)過(guò)程是，驅(qū)動(dòng)部分通過(guò)中間一系列機(jī)械傳動(dòng)帶動(dòng)刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)換刀動(dòng)作。直驅(qū)刀架，沒(méi)有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)刀盤(pán)。 液壓驅(qū)動(dòng)部分：液壓缸的布局多樣，但其功能都是為了帶動(dòng)鼠牙盤(pán)的分離和嚙合，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所需空間要求和刀盤(pán)的精定位。 分度部分：分度部分可分為粗定位和精定位兩部分，粗定位主要通過(guò)連接在刀盤(pán)上的光柵控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)，粗定位必須達(dá)到鼠牙盤(pán)嚙合所需精度要求。分度機(jī)構(gòu)的精確定位采用三片式鼠牙盤(pán)進(jìn)行精確定位，利用液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行鎖緊。 位置控制部分：控制部分主要由電機(jī)編碼器、位置傳感器等組成。 刀具系統(tǒng)部分：主要由刀盤(pán)、刀座、刀具組成。目前國(guó)際上廣泛應(yīng)用的是德國(guó)的VDI標(biāo)準(zhǔn)刀盤(pán)，課題刀架也采用了這種刀盤(pán)。 2.1.2 運(yùn)動(dòng)規(guī)律 1) 由系統(tǒng)發(fā)出換刀指令，液壓系統(tǒng)分離電磁閥動(dòng)作，液壓缸左腔進(jìn)油，活塞通過(guò)連桿帶動(dòng)鼠牙盤(pán)松開(kāi)； 2) 鼠牙盤(pán)到位后接近開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)，直驅(qū)電機(jī)啟動(dòng)，在光柵的控制下帶動(dòng)刀盤(pán)快速旋轉(zhuǎn)到指定位置并停止； 3) 液壓系統(tǒng)鎖緊電磁閥動(dòng)作，液壓缸右腔進(jìn)油，活塞帶動(dòng)鼠牙盤(pán)平移盤(pán)移動(dòng)，鼠牙盤(pán)內(nèi)外齒圈嚙合實(shí)現(xiàn)精定位，系統(tǒng)確認(rèn)后進(jìn)行切削，完成整個(gè)換刀動(dòng)作。 2.2嵌入式力矩電機(jī)直驅(qū)刀架總體設(shè)計(jì)方案 直驅(qū)刀塔伺服系統(tǒng)的最明顯特點(diǎn)是集機(jī)械結(jié)構(gòu)、材料技術(shù)、電磁、控制于一體，國(guó)內(nèi)在有關(guān)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、應(yīng)用等方面技術(shù)還不是很多。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一家廠(chǎng)商生產(chǎn)力矩電機(jī)直驅(qū)刀架。為了提高我國(guó)制造業(yè)的水平，迎頭趕上世界列強(qiáng)，設(shè)計(jì)出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)并且性能可靠的轉(zhuǎn)塔刀架十分必要。參考國(guó)外相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)品構(gòu)型、技術(shù)參數(shù)（表2-1）和運(yùn)動(dòng)方式，利用液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)，直驅(qū)電機(jī)以及PLC控制技術(shù)，設(shè)計(jì)產(chǎn)品。 表2-1 迪普瑪?shù)端?shù) Duplomatic刀架 刀位數(shù)目 30度轉(zhuǎn)位時(shí)間 180度轉(zhuǎn)位并鎖緊時(shí)間 中心高 定位精度 參數(shù) 8-12 0.15s 1.16s 120mm <5” 按設(shè)計(jì)要求，該直驅(qū)刀架采用徑向出刀方式，中心高120mm，具有十二個(gè)工位，刀架30°換刀時(shí)間不超過(guò)0.2s，180°換刀時(shí)間不超過(guò)1s，可以雙向轉(zhuǎn)動(dòng)、就近選刀功能。表2-2列出了不同傳動(dòng)類(lèi)型刀架換刀時(shí)間對(duì)比，直驅(qū)刀架在換刀速度上的優(yōu)勢(shì)明顯。 表2-2 幾種動(dòng)力刀架的換刀時(shí)間對(duì)比 刀架型號(hào) 機(jī)械傳動(dòng)刀架 直驅(qū)刀架 嵌入式直驅(qū)刀架 中心高 30°換刀時(shí)間 180°換刀時(shí)間 125mm 0.27s~0.32s 2.5s 125mm <0.2s <1s 120mm <0.2s <1s 力矩電機(jī)直驅(qū)刀塔采用力矩電機(jī)嵌入刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)，刀盤(pán)與轉(zhuǎn)子磁軛剛性連接固聯(lián)為電機(jī)轉(zhuǎn)子，電機(jī)定子繞組與主軸固聯(lián)為電機(jī)定子，直接實(shí)現(xiàn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)換刀。同時(shí)，刀架后部設(shè)計(jì)液壓機(jī)構(gòu)完成三聯(lián)齒盤(pán)的分離和嚙合，從而實(shí)現(xiàn)刀架的精確定位。為了保證所涉及產(chǎn)品的通用性，在刀塔設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)上采用了德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的刀座( VDI Toolholder System )規(guī)范。 以下是直驅(qū)刀架的三維模型圖（圖2.1） 圖2.1 三維模型圖 2.3刀架嵌入式力矩電機(jī)基本設(shè)計(jì)方案 2.3.1主要約束條件 數(shù)控刀架嵌入式力矩電機(jī)主要特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子磁軛與運(yùn)動(dòng)部件直接連接實(shí)現(xiàn)耦合，電機(jī)大小要滿(mǎn)足刀盤(pán)機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求，這就需要根據(jù)結(jié)構(gòu)約束設(shè)計(jì)電機(jī)。表2-3為嵌入式直接驅(qū)動(dòng)刀架永磁環(huán)形力矩電機(jī)的約束條件。 表2-3 電機(jī)約束條件 約束條件 參量 數(shù)值 尺寸和材料約束 電機(jī)外徑 ≤312mm 鐵芯長(zhǎng)度 ≤80mm 電機(jī)內(nèi)徑 ≥140mm 定子鐵芯材料 DW312-50 永磁體剩磁 1.1T 永磁體相對(duì)磁導(dǎo)率 1.04 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ≤kgm2 功率電路限制 逆變器輸入電壓 220V 輸出最大電流 4.7A 額定轉(zhuǎn)速 60r/min 2.3.2轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁鋼形式 力矩電機(jī)的工作原理和普通電機(jī)是一樣的，都是根據(jù)電流切割磁感線(xiàn)產(chǎn)生力矩，力矩電機(jī)的機(jī)械特性比普通電機(jī)的機(jī)械特性軟的多。這樣力矩電機(jī)的運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。當(dāng)力矩電機(jī)帶動(dòng)的負(fù)載變化時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著負(fù)載的增加而降低，但其輸出轉(zhuǎn)矩變大，保證了電機(jī)輸出動(dòng)力與負(fù)載平衡。即所謂的低轉(zhuǎn)速大扭矩。另外，力矩電機(jī)可以承受一定時(shí)間的堵轉(zhuǎn)運(yùn)行，一般其堵轉(zhuǎn)力矩也稱(chēng)作力矩電機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩。 力矩電機(jī)有多種分類(lèi)方式，按其結(jié)構(gòu)形式分為：內(nèi)轉(zhuǎn)子力矩電機(jī)，外轉(zhuǎn)子力矩電機(jī)、內(nèi)外轉(zhuǎn)子力矩電機(jī)、盤(pán)式單邊力矩電機(jī)等（圖2.2） (a) 內(nèi)轉(zhuǎn)子力矩電機(jī) (b) 外轉(zhuǎn)子力矩電機(jī) (c) 內(nèi)外轉(zhuǎn)子力矩電機(jī) (d) 盤(pán)式單邊力矩電機(jī) 圖2.2不同結(jié)構(gòu)力矩電機(jī) 不同力矩電機(jī)特性差異很大，應(yīng)根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求選擇力矩電機(jī)，表2-4給出了不同結(jié)構(gòu)力矩電機(jī)的特性。目前應(yīng)用在數(shù)控刀架上的多為外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子力矩電機(jī)。嵌入式力矩電機(jī)結(jié)構(gòu)的確定需考慮刀盤(pán)結(jié)構(gòu)和電機(jī)結(jié)構(gòu)能最大限度耦合，既充分利用刀盤(pán)中部空間，在相同尺寸和力能密度的情況下，外轉(zhuǎn)子電機(jī)有以下優(yōu)勢(shì)： (1) 外轉(zhuǎn)子力矩電機(jī)具有較大氣隙直徑，電機(jī)切向力大，允許有較高的極數(shù)，輸出轉(zhuǎn)矩大。 (2) 外轉(zhuǎn)子力矩電機(jī)的定子鐵心在電機(jī)中心，遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子磁路，因此定子軛部的磁勢(shì)小。有效的減小了磁能損失。 (3) 外轉(zhuǎn)子力矩電機(jī)長(zhǎng)徑比小，定子軛部短，繞組用線(xiàn)量少，電機(jī)銅耗低。 (4) 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，永磁體離心力作用于轉(zhuǎn)子磁軛上，使得它們更加難以脫離。 根據(jù)相關(guān)原理及性能特點(diǎn)，綜合以上考慮，選擇外轉(zhuǎn)子力矩電機(jī)比較合理。 表2-4 各結(jié)構(gòu)力矩電機(jī)特性 力矩電機(jī)類(lèi)型 內(nèi)轉(zhuǎn)子 外轉(zhuǎn)子 內(nèi)外轉(zhuǎn)子 盤(pán)式單邊 安裝剛度 較好 較好 好 差 本體剛度 較好 較好 好 好 單位體積轉(zhuǎn)矩 較大 較大 很大 小 磁拉力 很小 很小 很小 很大 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)率 小 小 小 大 冷卻 較容易 較容易 很復(fù)雜 復(fù)雜 一般力矩電機(jī)永磁體的安裝形式有三種，面裝式、插入式和內(nèi)裝式，如圖2.3圖2.4和圖2.5所示。 圖2.3面裝式 圖2.4內(nèi)裝式 a) 橫向充磁 b）徑向充磁 圖2.5插入式 對(duì)于每種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)，永磁體的形狀和轉(zhuǎn)子具體結(jié)構(gòu)形式不同，根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求的不同，可以有多種的選擇[10]。切向磁極結(jié)構(gòu)有較大的磁場(chǎng)強(qiáng)度，較大的磁阻轉(zhuǎn)矩；面裝式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)很大的等效氣隙，減小電樞反應(yīng)，可忽略電樞反應(yīng)，氣隙磁場(chǎng)畸變小，大大減小了轉(zhuǎn)矩紋波，同時(shí)，氣隙增大可使電機(jī)電感參數(shù)變小，減小電氣時(shí)間常數(shù)，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度[19]；而且，本樣機(jī)采用高剩磁密度和高矯頑力的欽鐵硼永磁材料，可以提供較高的氣隙磁密，綜合上述原因，采用了表面式安裝結(jié)構(gòu)。 2.4設(shè)計(jì)方案優(yōu)勢(shì)分析 自動(dòng)化制造裝備的發(fā)展經(jīng)歷了由機(jī)械動(dòng)力取代人力勞動(dòng)、再由機(jī)械自動(dòng)化取代人工操作、又由電氣傳動(dòng)取代機(jī)械傳動(dòng)的演進(jìn)過(guò)程，而將來(lái)隨著直驅(qū)技術(shù)的發(fā)展，直接驅(qū)動(dòng)必然會(huì)取代傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。嵌入式力矩電機(jī)直驅(qū)刀塔整體尺寸小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要零部件要比傳統(tǒng)刀塔少很多，大大降低了制造成本。同時(shí)，取消了齒輪傳動(dòng)等中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的部件，減少零部件，刀塔轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，提高了可靠性，更利于刀塔快速啟動(dòng)，完成快速換刀。由于采用力矩電機(jī)作為動(dòng)力源，其輸出轉(zhuǎn)矩大，響應(yīng)迅速，預(yù)測(cè)會(huì)有更高的效率和精度。 33 第三章 第三章 刀架設(shè)計(jì)計(jì)算和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 力矩電機(jī)的設(shè)計(jì)選取是本次設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。本章首先對(duì)嵌入式力矩電機(jī)的槽數(shù)、主要尺寸、定子沖片尺寸、氣隙長(zhǎng)度、永磁體尺寸基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)；嵌入式這種結(jié)構(gòu)限制了電機(jī)的外形尺寸，同時(shí)使嵌入式力矩電機(jī)必須滿(mǎn)足刀盤(pán)高速換刀所需力矩，根據(jù)提供的力矩電機(jī)設(shè)計(jì)的理論參考公式，計(jì)算出直驅(qū)打架嵌入式力矩電機(jī)最大瞬時(shí)扭矩可達(dá)244N.m。對(duì)兩種極限工況下刀架所需扭矩進(jìn)行分析，刀盤(pán)30°換刀時(shí)間能控制在0.2s以?xún)?nèi)，驗(yàn)證了嵌入式力矩電機(jī)能夠滿(mǎn)足刀盤(pán)快速換刀要求。 3.1嵌入式力矩電機(jī)基本參數(shù)設(shè)計(jì) 嵌入式力矩電機(jī)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)電機(jī)主要尺寸、極槽數(shù)的選擇、設(shè)計(jì)定子沖片、氣隙長(zhǎng)度、確定永磁體尺寸、繞組數(shù)據(jù)的確定，根據(jù)公式對(duì)初始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行校核，調(diào)整電機(jī)的部分設(shè)計(jì)參數(shù)，直至嵌入式電機(jī)的方案符合設(shè)計(jì)要求。 3.1.1主要尺寸 嵌入式刀盤(pán)力矩電機(jī)的主要尺寸是定子沖片外徑D和電樞計(jì)算長(zhǎng)度Lef。一般來(lái)說(shuō)，嵌入式力矩電機(jī)與刀盤(pán)直接耦合，其主要尺寸的設(shè)計(jì)必須要滿(mǎn)足刀盤(pán)機(jī)械結(jié)構(gòu)件的要求，而且還需滿(mǎn)足最大輸出扭矩要求。本設(shè)計(jì)數(shù)控刀塔要求刀盤(pán)180度轉(zhuǎn)位速度在1s以?xún)?nèi)，計(jì)算刀盤(pán)加速度及各轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可求出所需轉(zhuǎn)矩為T(mén)。當(dāng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為T(mén)em (N.m)時(shí)，由電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)主要尺寸符合和如下關(guān)系： (3.1) 式中，Bσ_____氣隙磁密基波幅值（T） A_____定子電負(fù)荷有效值（A/cm） （3.2） 式中，m_____電機(jī)相數(shù) N_____每相繞組串聯(lián)匝數(shù) I_____相電流 Kdp____電機(jī)繞組系數(shù) p_____電機(jī)極對(duì)數(shù) τ_____電機(jī)極距 所設(shè)計(jì)電機(jī)必須滿(mǎn)足力矩要求，既Tem>T。 3.1.2極槽數(shù)的選擇 由于該樣機(jī)額定轉(zhuǎn)速為60r/min，運(yùn)轉(zhuǎn)速度較低，應(yīng)設(shè)計(jì)成多極數(shù)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是每對(duì)極下有對(duì)稱(chēng)的三相繞組，選擇多槽數(shù)，從而減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但是槽數(shù)過(guò)多必然使每槽所占面積變小，這不僅給槽的加工增加了難度，而且降低了每槽繞組的利用率。因此，本文考慮用分?jǐn)?shù)槽解決上述問(wèn)題，選擇一種適當(dāng)?shù)臉O槽配合，既可以使電機(jī)有對(duì)稱(chēng)的三相繞組，也減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。通過(guò)綜合分析本設(shè)計(jì)最終選擇了72/66的槽極比。 具體斜槽距離tsk可根據(jù)以下公式確定。 （3.3） 式中 t_____定子齒距（cm） Q_____槽數(shù) p_____極對(duì)數(shù) 3.1.3氣隙長(zhǎng)度的確定 氣隙的大小關(guān)系電機(jī)性能的優(yōu)劣，選擇氣隙大，釹鐵硼的充磁方向長(zhǎng)，這樣電機(jī)也就是做大了，銅和鐵消耗量加大，所以浪費(fèi)材料；一般來(lái)講氣隙不要選的太大，小的氣隙能提高效率及功率因數(shù)等；另一方面，如果氣隙小了，安裝不好操作、容易產(chǎn)生機(jī)械摩擦，噪聲也會(huì)加大。所以說(shuō)選擇適當(dāng)?shù)臍庀洞笮『苤匾?，氣隙太大太小都不符合電機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)律。經(jīng)驗(yàn)而論：就氣隙而言，永磁電機(jī)氣隙要比感應(yīng)電機(jī)大，大概的范圍在0.1～0.3mm[10]。依據(jù)電機(jī)具體工況要求，本樣機(jī)的氣隙長(zhǎng)度選為 1mm。 3.1.4定子沖片尺寸 電機(jī)電樞齒磁密Bt和氣隙磁密決定槽寬與齒寬之比，如Bt=1.7T、=0.8T，則槽與齒的寬度近似相等;如果<0.8T，則槽比齒寬。電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)槽寬和齒寬最佳之比為1。在保證機(jī)械加工和下線(xiàn)方便情況下，槽口寬b02應(yīng)在2~4mm的范圍內(nèi)取值；槽口高h(yuǎn)02應(yīng)在0.8~2mm的范圍內(nèi)取值;齒寬bt為： （3.4） 其中，KFe為電樞疊壓系數(shù)，一般取0.92~0.95，La為電機(jī)的軸向長(zhǎng)度，且=+2。 扼高h(yuǎn)j為： （3.5） 其中，為每極氣隙磁通，通常取Bj=1.2~1.5T。 依據(jù)上述公式和經(jīng)驗(yàn)確定了定子沖片槽型（圖3.1）。 圖3.1 定子沖片槽型 3.1.5永磁體尺寸 永磁體的尺寸主要包括永磁體的軸向長(zhǎng)度LM磁化方向長(zhǎng)度hM和寬度bM，永磁體的軸向長(zhǎng)度一般取得與電動(dòng)機(jī)鐵心軸向長(zhǎng)度相等或稍小于鐵心軸向長(zhǎng)度，因此實(shí)際上只有兩個(gè)永磁體尺寸（既hM和bM）需設(shè)計(jì)[19]。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮下列因素： 1) 永磁體的hM會(huì)影響直軸電抗Xad，而Xad又對(duì)電機(jī)其他性能有影響，hM故要合理。 2) hM不要設(shè)計(jì)的太薄。其一hM太小會(huì)使永磁體的生產(chǎn)制造難度加大；其二永磁體太薄容易導(dǎo)致其退磁。 3) hM的確定應(yīng)能保證永磁體工作于最佳工作點(diǎn)。因?yàn)橛来朋w的長(zhǎng)度hM對(duì)其最佳工作點(diǎn)影響很大。 4) 因?yàn)閎M決定永磁體提供的磁通面積，故bM選取必須合理。 永磁體的材料對(duì)永磁體的性能等有很大的影響。隨著性能的不斷完善和價(jià)格的逐漸降低，釹鐵硼永磁在電機(jī)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在部分應(yīng)用場(chǎng)合已經(jīng)取代其他永磁材料。所以本次設(shè)計(jì)永磁體選擇釹鐵硼，材料牌號(hào)為NTP38SH。 計(jì)算剩磁密度公式： （3.6） 式中：Br20 ____20°C時(shí)的剩磁密度 ； IL____Br的不可逆損失率； αBr____Br的可逆溫度系數(shù)； t____預(yù)計(jì)工作溫度75°C。 代入上式可得剩磁密度Br=1.25T 矯頑力計(jì)算公式： （3.7） 式中：Hc20____20℃時(shí)的計(jì)算矯頑力，875 kA/m 代入上式可得矯頑力Hc=907 kA/m 相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率計(jì)算公式： （3.8） 式中：μ0=4π×10-7H/m 代入上式可得相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率μr=1.046 磁化方向長(zhǎng)度hM=0.55 cm；寬度Bm=1.22 cm；軸向長(zhǎng)度LM=4 cm提供每極磁通的截面積 Am=bMLM 值為4.88cm2 永磁體總質(zhì)量 （3.9） 式中：ρm____永磁體密度 7.4g/cm3 代入上式可得永磁體總質(zhì)量為 1.31kg 3.16嵌入式力矩電機(jī)基本參數(shù) 根據(jù)上面電機(jī)計(jì)算公式計(jì)算出電機(jī)參數(shù),具體數(shù)值如表3-1。 表3-1 嵌入式力矩電機(jī)參數(shù) 電機(jī)參數(shù) 參數(shù)值[單位] 額定功率（PN） 0.75kw 相數(shù)（m） 3 額定線(xiàn)電壓（UNl） 220V 額定頻率（f） 33Hz 極對(duì)數(shù)（p） 33 額定效率（ηN） 88% 額定相電壓（UN） 127.02V 最大相電流（Imax） 4.7A 額定轉(zhuǎn)速（nN） 60rpm 額定轉(zhuǎn)矩（TN） 200N.m 槽數(shù)(Ns) 72 定子外徑（D1） 28.5cm 定子內(nèi)徑（Di1） 2234cm 轉(zhuǎn)子外徑（D2） 35.5cm 轉(zhuǎn)子內(nèi)徑（Di2） 2837cm 氣隙長(zhǎng)度（δ） 0.1cm 永磁體寬度（bM） 1.22cm 永磁體厚度（hM） 0.55cm 電樞鐵芯長(zhǎng)（La） 3.8cm 定子槽滿(mǎn)率（Sf2） 82.05% 3.1.7力矩電機(jī)力矩計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式 永磁同步電機(jī)最大電磁轉(zhuǎn)矩為T(mén)em (N.m)，其值與電磁負(fù)荷和電動(dòng)機(jī)主要尺寸有關(guān)，公式（6）給出了其計(jì)算關(guān)系： （3.10） 其中A_____定子電負(fù)荷有效值（A/cm） （3.11） 其中m_____電機(jī)相數(shù) I _____相電流（A） Kdp____電機(jī)繞組系數(shù) N_____每相繞組串聯(lián)匝數(shù) （3.12） 其中Ns_____每槽導(dǎo)體數(shù) Q_____定子槽數(shù) ɑ_____并聯(lián)支路數(shù)，為1 因?yàn)榍度胧诫姍C(jī)受到尺寸限制，設(shè)計(jì)者在最初并不知道在給定尺寸下，所設(shè)計(jì)電機(jī)能否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。為了在設(shè)計(jì)之初就能估算出嵌入式電機(jī)輸出的最大力矩，根據(jù)上述相關(guān)關(guān)系式，推導(dǎo)出公式（3.13）。 (3.13) 由式（3.13）可以看出，只要給定力矩電機(jī)的上述參數(shù)，就能計(jì)算出該電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩。根據(jù)該公式計(jì)算出本文設(shè)計(jì)的嵌入式力矩電機(jī)可輸出最大扭矩為244N.m。 3.2刀架快速換刀扭矩分析 3.2.1換刀加速度曲線(xiàn)的選取 根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)中對(duì)換刀速度的要求，刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)30°換刀時(shí)間要控制在在0.2s以?xún)?nèi)。為了實(shí)現(xiàn)快速換刀要求，確定了一力矩電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度為一梯形曲線(xiàn)，其運(yùn)行過(guò)程分為三部分：加速曲線(xiàn)區(qū)、勻速區(qū)和減速曲線(xiàn)區(qū)。梯形速度曲線(xiàn)（圖3.3）為電機(jī)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止提供了平滑的動(dòng)作。在圖中n表示電機(jī)速度（梯形速度曲線(xiàn)），t表示電機(jī)運(yùn)行時(shí)間。 圖3.3 電機(jī)梯形速度曲線(xiàn) 由梯形圖， （3.14） （3.15） （3.16） 式中ωt_____刀盤(pán)在t時(shí)刻的角速度； ω0_____刀盤(pán)初始角速度； ε_(tái)____刀盤(pán)角角速度； θ_____角速度； _____刀盤(pán)轉(zhuǎn)速。 經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算，我們可以得到該曲線(xiàn)電機(jī)的角加速度為87.3rad/s2。 3.2.2旋轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量估算 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是剛體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)慣性（回轉(zhuǎn)物體保持其勻速圓周運(yùn)動(dòng)或靜止的特性）的量度，一般用字母I或J表示。對(duì)于刀塔而言，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小，越容易實(shí)現(xiàn)大加速度，使刀盤(pán)在短時(shí)內(nèi)達(dá)到較大的速度，從而實(shí)現(xiàn)快速換到。所以計(jì)算刀盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)刀架性能分析很有必要。 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的表達(dá)式為： （3.17） 當(dāng)剛體質(zhì)量連續(xù)分布時(shí)，表達(dá)式為： （3.18） (式中m表示剛體的某個(gè)質(zhì)元的質(zhì)量，r表示該質(zhì)元到轉(zhuǎn)軸的垂直距離,ρ表示該處的密度，求和號(hào)（或積分號(hào)）遍及整個(gè)剛體。)[25] 根據(jù)以上公式計(jì)算了本課題的嵌入式力矩電機(jī)直驅(qū)刀架和一種機(jī)械傳動(dòng)刀架的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其中形狀規(guī)則零件可按照公式進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于復(fù)雜零件，采用計(jì)算機(jī)建立三維模型，使用cad軟件里的功能可以很快的計(jì)算出零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，表3-2、表3-3列出了兩種刀架的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 表3-2 嵌入式力矩電機(jī)直驅(qū)刀架各部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 序號(hào) 零件 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Kg·m2 1 2 3 4 5 刀盤(pán) 轉(zhuǎn)子磁軛 磁鋼 鼠牙盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán) 刀具 1..6 2.62×10-1 3.4×10-2 1.48×10-1 1.2×10-1（12把） 表3-3 機(jī)械傳動(dòng)數(shù)控刀架各部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 零件 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Kg·m2 序號(hào) 零件 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Kg·m2 1 2 3 4 5 伺服電機(jī)齒輪 外花鍵齒輪軸 內(nèi)花鍵滑移齒輪 大齒輪 刀盤(pán) 1.34×10-4 1.9×10-2 1.08×10-3 6.0×10-3 1.6 6 7 8 9 10 主軸 水盤(pán) 轉(zhuǎn)動(dòng)鼠牙盤(pán) 刀盤(pán)座 刀具 4.0×10-2 1.3×10-2 5.0×10-3 3.3×10-2 1.2×10-1（12把） 由表我們不難看出，嵌入式力矩電機(jī)直驅(qū)刀架的轉(zhuǎn)動(dòng)零件要比機(jī)械傳動(dòng)刀架少很多，這個(gè)我們前面已經(jīng)提起過(guò)，而且其總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也比機(jī)械傳動(dòng)刀架小很多。也就是說(shuō)其更容易得到大的加速度，即更容易滿(mǎn)足快速換到要求。由表3.2我們得到嵌入式力矩電機(jī)直驅(qū)刀架的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J為 2.164Kg·m2。 3.2.3刀盤(pán)換刀啟動(dòng)扭矩分析 換刀過(guò)程中，電機(jī)需要克服以下三種不同的扭矩： (1) 刀盤(pán)啟動(dòng)時(shí)因加速度引起的啟動(dòng)扭矩T1； (2) 由于刀盤(pán)裝刀位置不平均產(chǎn)生的偏載扭矩T2； (3) 刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)各零件間的摩擦扭矩T3，經(jīng)估算取5N.m。 因此，嵌入式力矩電機(jī)提供的扭矩為： (3.19) 需要說(shuō)明的是，為保證刀架正常工作，防止在工作中出現(xiàn)振動(dòng)、過(guò)載對(duì)刀架造成的永久性傷害，電機(jī)除了要滿(mǎn)足以上三種力矩要求，還應(yīng)具有克服在實(shí)際工況中由于毛坯外形尺寸不規(guī)則或材料不均勻等原因產(chǎn)生的外荷載的能力。 刀架的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)因?yàn)檠b刀情況的不同而變化，根據(jù)刀具安裝位置和安裝數(shù)量，刀架的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有兩個(gè)極限狀態(tài)。即刀盤(pán)12個(gè)刀具安裝位均安裝刀具和只有四個(gè)相鄰裝刀孔安裝刀具兩種情況，以下就這兩種情況下刀架轉(zhuǎn)位時(shí)產(chǎn)生的扭矩進(jìn)行分析，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)力矩電機(jī)能否滿(mǎn)足刀架高速換刀轉(zhuǎn)動(dòng)的要求。 3.2.4刀具均布時(shí)電機(jī)扭矩校核 第一種情況：刀盤(pán)12個(gè)刀具安裝位均安裝刀具時(shí)電機(jī)扭矩計(jì)算 此工況下不因裝刀不平衡引起的偏載力矩T2為0，因此嵌入式力矩電機(jī)需要克服的總負(fù)載扭矩T為： (3.20) 根據(jù)牛頓第二定律，剛體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)滿(mǎn)足 (3.21) 式中， 角加速度ε為87.3rad/s2，J為該工況下刀架的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,其值為2.164Kg·m2。 由式3.29計(jì)算的T1=193.9N.m，將其帶入式3.28，可得當(dāng)?shù)侗P(pán)12個(gè)刀具安裝位均安裝刀具時(shí)，電機(jī)需要提供扭矩為193.9N.m。根據(jù)前文對(duì)刀架嵌入式力矩電機(jī)力矩的分析，所設(shè)計(jì)力矩電機(jī)最大力矩滿(mǎn)足該工況下?lián)Q刀要求。 3.2.5刀具不均布時(shí)電機(jī)扭矩校核 第二種情況：只有四個(gè)相鄰裝刀孔安裝刀具時(shí) 當(dāng)?shù)都芴幵诖喂r下，嵌入式力矩電機(jī)在刀架轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程需要客服的扭矩為刀盤(pán)啟動(dòng)時(shí)因加速度引起的啟動(dòng)扭矩T1；由于刀盤(pán)裝刀位置不平均產(chǎn)生的偏載扭矩T2；刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)各零件間的摩擦扭矩T3。上文分析T2僅在裝刀位置不平均時(shí)產(chǎn)生，即當(dāng)只有四個(gè)相鄰裝刀孔安裝刀具時(shí)，而刀盤(pán)其它裝刀位置空載（圖3.4）時(shí)取得最大值。 圖3.4 刀具安裝示意圖 因此，需要計(jì)算出由于刀盤(pán)裝刀位置不平均產(chǎn)生的偏載扭矩T2。刀具質(zhì)量可近似取為3.5kg，則圖3偏載扭矩T2計(jì)算如下。 （3.22） 此時(shí)，負(fù)載折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1.86kg·m2，其他計(jì)算參考上文內(nèi)容，得到此工況下嵌入式力矩電機(jī)需要提供的轉(zhuǎn)矩為168.778N·M。由此可見(jiàn)，力矩電機(jī)可以為換刀動(dòng)作提供足夠動(dòng)力，而且換刀速度可以根據(jù)實(shí)際需要在滿(mǎn)足關(guān)鍵部件強(qiáng)度要求的前提下進(jìn)一步提高。 根據(jù)對(duì)兩種極限工況下，刀架轉(zhuǎn)位換刀對(duì)電機(jī)力矩的需求進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)多刀盤(pán)轉(zhuǎn)位換刀影響最大的負(fù)載扭矩是刀盤(pán)啟動(dòng)時(shí)因加速度引起的啟動(dòng)扭矩T1，啟動(dòng)扭矩T1大小由旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量決定，因此，要進(jìn)一步提高刀架換刀速度，必須減小旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，減小刀盤(pán)以及電機(jī)磁軛的質(zhì)量會(huì)對(duì)其剛度有較大影響，需要做進(jìn)一步分析。 第四章 第四章 三維建模 根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算得到的參數(shù)以及二維圖紙進(jìn)行虛擬樣機(jī)的模型建立是本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它承接了后續(xù)的分析與仿真等步驟。 4.1 關(guān)鍵零件三維模型 本次三維建模所使用的軟件為proe 5.0，以下為一些關(guān)鍵零件的三維模型圖 圖4.1 刀盤(pán) 圖4.2 電機(jī)定子 圖4.3 電機(jī)轉(zhuǎn)子 圖4.4 主軸  圖 4.5 鼠牙盤(pán)平移盤(pán) 圖4.6 鼠牙盤(pán)定盤(pán) 圖4.7 鼠牙盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán) 圖4.8 光柵 圖4.9 活塞體1 圖4.10 活塞體2  圖4.11 機(jī)座 圖4.12 接近開(kāi)關(guān) 4.2 三維總裝圖 建立各零件三維模型后，利用proe的組件工具，根據(jù)相應(yīng)的約束條件將各零件裝配起來(lái)。以下分別為三維總裝圖的剖面視圖和爆炸視圖。 圖4.12 剖面視圖 圖4.13 爆炸視圖 第五章 第五章 力矩電機(jī)直驅(qū)刀架的剛度分析 剛度體現(xiàn)了機(jī)械結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛度由組成材料、結(jié)構(gòu)集合形狀、邊界條件、和受力情況決定。對(duì)于嵌入式力矩電機(jī)直驅(qū)刀架，由于其結(jié)構(gòu)新穎，在設(shè)計(jì)階段對(duì)其進(jìn)行剛度分析很有必要。以下對(duì)課題刀架做了兩種剛度分析： 1.嵌入式力矩電機(jī)直驅(qū)刀架的靜剛度分析，即刀架在進(jìn)行切削加工時(shí)，刀架整體抵抗切削力的能力。 2.嵌入式力矩電機(jī)直驅(qū)刀架動(dòng)剛度分析，通過(guò)模態(tài)分析，得到刀架結(jié)構(gòu)的固有頻率和主振型，確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。 5.1 刀架的靜剛度檢測(cè) 5.1.1 切削力估算 切屑力的定義：在切屑過(guò)程中產(chǎn)生的，同時(shí)作用于刀具和被加工件上的方向相反，大小相等的力。圖5.1是刀具切削受力示意圖，假設(shè)刀具在切削加工時(shí)受到的合力為F，且其在x、y、z方向上的分離分別為fx、fy、fz。 圖5.1 刀具切削受力示意圖 如圖所示，fx稱(chēng)作進(jìn)給力，方向平行于工件軸線(xiàn)；fy稱(chēng)作背向力，方向指向刀具，背離加工件且垂直于其軸向，是切屑加工刀具受力的主要來(lái)源，對(duì)加工精度影響也較大；fz為主切削力，方向?yàn)橄嗲信c加工件表面向下。上述各分力中，F(xiàn)x、Fy為影響系統(tǒng)剛度的主要對(duì)象，刀架因以上兩力引起的變形應(yīng)該作為對(duì)主軸優(yōu)化時(shí)的主要參考。國(guó)際單位中，常常用Ff、Fp、Fc 分別表示進(jìn)給力、背向力、主切削力。 影響切削力大小的因素有多種，如：刀具種類(lèi)、被加工金屬的材料、加工工藝、切削液的種類(lèi)等，多種影響因素導(dǎo)致估算切削力是比較復(fù)雜的。為了準(zhǔn)確的計(jì)算刀架的剛度，準(zhǔn)且計(jì)算出切削力，引用目前應(yīng)用最廣泛的指數(shù)公式來(lái)計(jì)算切削力。取刀具進(jìn)行切削加工時(shí)的實(shí)際受力方向?yàn)榍邢髁Ψ较颍饔命c(diǎn)在刀尖處，由以下公式： （5.1） （5.2） 式中：Ff為進(jìn)給力，單位N； Fp為背向力，單位N； Fc為主切削力，單位N； C 為決定于被加工金屬和切削條件的系數(shù)，可由表5-1查得； ap為背吃刀量； f為進(jìn)給量； u為切削速度； X、y、u分別為以上三參數(shù)的指數(shù)值，可查表5-2得到； KFc、KFf、KFp為分別為當(dāng)實(shí)際加工條件與所求的經(jīng)驗(yàn)公式的條件不符合時(shí)，各種因素對(duì)切削力三個(gè)方向分力的修正系數(shù)，大小與刀具材料和刀具的主偏角Kr、前角γo、刃傾角λs、刀尖圓弧半徑rε相關(guān)，如果上述四參數(shù)確定，可根據(jù)查閱相關(guān)資料及表5.2得到各參數(shù)，代入公式5.2求得。 表5-1 公式中系數(shù)和指數(shù) 表5-2 鋼和鑄鐵強(qiáng)度改變時(shí)的切削力修正系數(shù)KmF 嵌入式力矩電機(jī)直驅(qū)刀架在一般的車(chē)削加工的工況下工作： (1) 加工對(duì)象：40Cr熱軋的合金結(jié)構(gòu)鋼。 (2) 刀具：YT15硬質(zhì)合金機(jī)夾外圓車(chē)刀（主偏角Kr=75°、刃傾角λs=10°、前角γ=10°、刀尖圓弧半徑rε0.5mm）。 (3) 切削深度為5mm。 (4) 轉(zhuǎn)速為0.4mm/r。 (5) 切削速度為100m/min。 根據(jù)以上各表查出各系數(shù)，代入公式5.1，求得在切槽或切斷時(shí)的徑向力Fy和切向力Fz分別為： Fy=1683N Fz=4883N 5.1.2建模與有限元分析軟件選擇 有限元分析是用許多簡(jiǎn)單的問(wèn)題替代復(fù)雜問(wèn)題，然后對(duì)簡(jiǎn)單問(wèn)題求解的方法。它將解決域劃分成許多小的互連的子域，對(duì)每個(gè)分支單元假定一個(gè)合適的近似解，然后求解這個(gè)域，然后給各個(gè)域加上一般的平衡條件，再對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解。這種方法求得的結(jié)果是不準(zhǔn)確的，但非常接近于實(shí)際解。 刀架工作時(shí)，切削力和整個(gè)刀架的重力都作用在機(jī)座上，因此，機(jī)座是整個(gè)刀架受力最大的地方，所以在設(shè)計(jì)機(jī)座時(shí)在機(jī)座兩側(cè)各加了一個(gè)加強(qiáng)筋。對(duì)機(jī)座進(jìn)行受力分析，分析起受力情況。通過(guò)ANSYS軟件對(duì)機(jī)座模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到機(jī)座有限元模型（圖5.2），網(wǎng)格劃分使用六面體自動(dòng)劃分，從圖上看出機(jī)座開(kāi)孔、機(jī)座內(nèi)腔凸臺(tái)處網(wǎng)格劃分密集，網(wǎng)格劃分正常。 圖5.2 機(jī)座有限元模型 根據(jù)上面對(duì)刀架切削力的估算，根據(jù)等效力原理，切削力Fy、Fz以及刀架重力G作用在刀架上就變成三個(gè)同方向的力Fy1、Fz1以及刀架重力G1和各力產(chǎn)生的彎矩T1、T2。 T1=G+Fz).L=6154.55N （5.3） 式中L為刀尖到主軸中心距離，L=260mm，G=1271.55N。 T2=Fy.L=437.58N （5.4） 對(duì)機(jī)座模型施加力和約束并進(jìn)行有限元模型求解，得到機(jī)座應(yīng)力云圖，如下圖5.4： 圖5.4 機(jī)座應(yīng)力云圖 從圖5.4上可以看出，機(jī)座結(jié)構(gòu)的變形主要出現(xiàn)在開(kāi)有內(nèi)腔壁周?chē)图訌?qiáng)筋的下不以及機(jī)座開(kāi)孔處，最大應(yīng)變力值為1.2084e7pa，應(yīng)變較小，滿(mǎn)足剛度要求。 5.2刀架的動(dòng)剛度檢測(cè) 5.2.1動(dòng)剛度檢驗(yàn)的理論依據(jù) 嵌入式力矩電機(jī)直驅(qū)刀架動(dòng)剛度分析，是通過(guò)模態(tài)分析，得到刀架結(jié)構(gòu)的固有頻率和主振型，確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。 由系統(tǒng)振動(dòng)理論，任何一個(gè)具有n自由度的系統(tǒng)都可以通過(guò)n個(gè)廣義坐標(biāo)定義其運(yùn)動(dòng)形態(tài)，根據(jù)n個(gè)廣義坐標(biāo)的定義，系統(tǒng)可以由n個(gè)兩階常微分方程表示，這些常微分方程稱(chēng)作系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程。n個(gè)自由度的系統(tǒng)一般具有n個(gè)固有頻率，當(dāng)系統(tǒng)在其中一個(gè)固有頻率下自由振動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生的共振運(yùn)動(dòng)叫做系統(tǒng)的一個(gè)模態(tài)。而模態(tài)分析的目的是將線(xiàn)性定常系統(tǒng)的振動(dòng)微分方程組中的物理坐標(biāo)變?yōu)槟B(tài)坐標(biāo)，使上述方程組解耦成為一組以模態(tài)參數(shù)及模態(tài)坐標(biāo)描述的獨(dú)立方程，從而求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。坐標(biāo)變換