開題報告
動力刀架設(shè)計
開題報告
1、 綜述
1 研究的意義
目前,在世界機(jī)床制造和機(jī)械加工領(lǐng)域,復(fù)合加工技術(shù)是處于領(lǐng)先地位的技術(shù)。實現(xiàn)車銑復(fù)合加工,有許多可行方案,而臥式車床床身搭載轉(zhuǎn)塔動力刀架就是其多種方案中應(yīng)用最廣泛的一個。其中,數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架是實現(xiàn)復(fù)合加工的核心功能部件,不僅可以像普通刀架裝配多把普通車刀,并且能夠同時提供動力驅(qū)動動力刀具,完成銑、鉆、攻絲、鉸孔等加工。
在當(dāng)今市場單件小批量和快速生產(chǎn)的需求的刺激下,催生出了復(fù)合加工。在眾多領(lǐng)域中,車銑復(fù)合加工發(fā)展目前來說已經(jīng)具有一定規(guī)模。在一般的機(jī)械加工領(lǐng)域中,加工主要分為以下兩種方式:第一,工件轉(zhuǎn)動,這種加工方式是車削加工;第二,刀具轉(zhuǎn)動,這種加工方式是加工中心加工。這兩種加工方式的結(jié)合就是車銑復(fù)合加工,它既能夠完成車削功能,同時又能夠完成銑、鏜、鉆、鉸、擴(kuò)等功能。車銑復(fù)合加工不僅是機(jī)械加工的發(fā)展方向之一,同樣也是當(dāng)今世界機(jī)床技術(shù)發(fā)展的大潮流。銑刀旋轉(zhuǎn)、工件旋轉(zhuǎn)、銑刀軸向進(jìn)給和徑向進(jìn)給,在這四個車銑復(fù)合加工機(jī)床的基本運(yùn)動中,要完成這銑刀旋轉(zhuǎn)的動作就需要使用到動力刀架。在引入動力數(shù)控刀架后,車銑復(fù)合加工中心基本實現(xiàn)了如下幾個目標(biāo):
⑴縮短制造工藝鏈和物流長度;⑵減少裝夾次數(shù)以及工裝夾具數(shù)量;⑶減小使用占地面積,降低了成本。實現(xiàn)了在確保質(zhì)量的前提下,提高生產(chǎn)率和自動化的程度。
步入新世紀(jì)以來,我國的數(shù)控機(jī)床行業(yè)發(fā)展勢態(tài)愈發(fā)迅猛,主機(jī)技術(shù)向著高速、智能、復(fù)合、環(huán)保方向不斷發(fā)展。動力刀架作為數(shù)控機(jī)床及加工中心重要部件之一,它的性能優(yōu)劣關(guān)系到整臺機(jī)床的性能,甚至深刻影響著我國制造業(yè)整體水平的高低。當(dāng)前市場中,動力刀架技術(shù)已經(jīng)趨近成熟完善,國外很多著名刀架生產(chǎn)商都已設(shè)計研發(fā)并推廣出自己的系列化產(chǎn)品,國內(nèi)也已有較為完善的生產(chǎn)機(jī)制。但是絕大部分仍然是模仿國外的產(chǎn)品,缺乏自主創(chuàng)新能力,它與國外的先進(jìn)水平相比較,在精度等方面還存在著一定的差距,在一定程度上這會制約機(jī)床發(fā)展。所以,在動力數(shù)控刀架的設(shè)計上,提高反復(fù)多次定位的精度和降低刀架出現(xiàn)故障的概率意義重大。
2 研究的現(xiàn)狀
動力刀架最早出現(xiàn)于1980年。經(jīng)過30多年的發(fā)展,隨著伺服刀架的出現(xiàn),動力刀架由最初的外加動力刀具驅(qū)動模塊的形式發(fā)展為現(xiàn)今伺服動力刀架。伺服刀架又分為雙伺服動力刀架以及單伺服動力刀架。
隨著車削中心和車銑復(fù)合機(jī)床模塊化設(shè)計的發(fā)展以及對功能部件性能參數(shù)和可靠性要求的逐漸提高,在單伺服動力刀架的基礎(chǔ)上衍生出下列動力刀架產(chǎn)品:
(1) 內(nèi)置電主軸的直驅(qū)動力刀具刀架結(jié)構(gòu)
這種動力刀架采用內(nèi)置的電主軸直接驅(qū)動動力刀具代替伺服電機(jī)通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動刀具,是動力刀具的最大轉(zhuǎn)速得到了提升,可達(dá)到10000r/min。同時刀盤和動力刀座采用了BMT接口,提高了重復(fù)定位精度。此項技術(shù)最先由德國Sauter公司申請專利。
(2) 力矩電機(jī)直驅(qū)式動力刀架
這種動力刀架大幅度減少傳動系統(tǒng)的復(fù)雜性,省去大量零件,使刀架體積變小,性能與功能與原來的伺服電機(jī)驅(qū)動刀盤的動力刀架。但是因為簡化了傳動系統(tǒng),因此可靠性大幅度提升。
(3) 帶Y軸、B軸的動力刀架
目前國外動力刀架的研究均已成熟,德國,日本,意大利,英國等發(fā)達(dá)國家均有成熟的產(chǎn)品運(yùn)用于生產(chǎn)。國外的生產(chǎn)商如德國肖特公司(sauter),意大利巴拉法蒂(baruffaldi)、杜普瑪?shù)峡耍╠uplomatic)等著名的生產(chǎn)商。
世界上最著名數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架生產(chǎn)企業(yè)是德國的Sauter公司和意大利Baruffaldi公司。
這兩家企業(yè)刀架的性能指標(biāo)如表1所示:
表1 國外廠家生產(chǎn)的刀架的技術(shù)參數(shù)
國內(nèi)的動力刀架技術(shù)仍處于發(fā)展階段,目前國內(nèi)動力刀架生產(chǎn)較為著名的生產(chǎn)商有:常州市宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備有限公司、常州市新墅數(shù)控設(shè)備有限公司、煙臺環(huán)球機(jī)床附件集團(tuán)有限公司、沈陽精誠數(shù)控機(jī)床附件廠。這些廠家中技術(shù)規(guī)格參數(shù)指標(biāo)較高的是沈陽機(jī)床數(shù)控刀架分廠和煙臺環(huán)球機(jī)床附件廠。表2是國內(nèi)兩個廠家生產(chǎn)的兩種型號的轉(zhuǎn)塔刀架的技術(shù)參數(shù)。
表2 國內(nèi)廠家的刀架技術(shù)參數(shù)
圖1 國內(nèi)產(chǎn)品 圖2 國外產(chǎn)品
圖1,圖2分別為國內(nèi)和國外生產(chǎn)的產(chǎn)品
從上面兩表的數(shù)據(jù)就可以看出國外生產(chǎn)的刀架轉(zhuǎn)位速度快,在實際加工時有較高的效率。45°轉(zhuǎn)位并加緊時間這項種煙臺環(huán)球機(jī)床附件廠生產(chǎn)的刀架的用時是德國肖特公司的一倍。而且兩家國內(nèi)生產(chǎn)廠家的技術(shù)還是從意大利Baruffaldi公司引進(jìn)的。由此可見,國內(nèi)的刀架生產(chǎn)技術(shù)與國外的先進(jìn)水平仍有很大差距。
3 已有成果
目前煙臺環(huán)球機(jī)床附件廠生產(chǎn)的動力刀架均有不錯的性能具體參數(shù)見圖3
圖3 煙臺環(huán)球機(jī)床附件廠的動力刀架參數(shù)
目前,我校研究生在楊慶東教授的指導(dǎo)下也研制出了國內(nèi)首創(chuàng)的力矩電機(jī)直驅(qū)刀架。
力矩電機(jī)直驅(qū)刀架大幅度簡化了刀盤的傳動系統(tǒng),使刀架體積大幅度減小,由于傳動系統(tǒng)的簡化,刀架的精度以及可靠性也得到了提升。
2、 研究內(nèi)容
1 研究方向
作為大學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計對于動力刀架的設(shè)計以及研究,要緊跟國內(nèi)外先進(jìn)水平,在了解先進(jìn)動力刀架結(jié)構(gòu)的同時,設(shè)計出符合畢業(yè)設(shè)計要求的動力刀架。根據(jù)導(dǎo)師指導(dǎo)建議,設(shè)計單伺服電機(jī)驅(qū)動動力刀架。
2 研究內(nèi)容
1、 進(jìn)行數(shù)控車削中心動力刀架總體研究,并進(jìn)行整體布局設(shè)計;
2、 研究各種電機(jī),為動力刀架選擇合適的電機(jī);
3、 研究出一種動力切換的可行方案
4、設(shè)計刀架結(jié)構(gòu)、動力驅(qū)動,完成關(guān)鍵部件的設(shè)計計算;
5、完成動力刀架的二維設(shè)計和三維設(shè)計 。
3、 實現(xiàn)方法及預(yù)期目標(biāo)
基礎(chǔ)參數(shù)
動力刀架中心高 120mm
刀位 12
動力到頭最高速度 6000r/min
相鄰刀具轉(zhuǎn)位時間 0.2s
1 實施的初步方案
動力刀架基本結(jié)構(gòu):(1)轉(zhuǎn)位驅(qū)動系統(tǒng)(2)動力驅(qū)動系統(tǒng)(3)冷卻裝置(4)精定位裝置(5)裝刀裝置(6)數(shù)控刀架換刀動作。
驅(qū)動方式方案
方案一:采用雙伺服電機(jī)驅(qū)動
雙伺服電機(jī)驅(qū)動的動力刀架是最基礎(chǔ)的動力刀架,技術(shù)成熟,成本相對其他刀架較小。簡圖如圖3
圖3 雙伺服動力刀架簡圖
采用兩個伺服電機(jī)驅(qū)動,伺服電機(jī)1通過液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動刀盤粗分度,再由端齒盤壓緊確定精確分度,伺服電機(jī)2通過齒輪傳動驅(qū)動動力刀具。
方案二:單伺服電機(jī)驅(qū)動動力刀架
簡圖如圖4
圖 4 單伺服電機(jī)驅(qū)動動力刀架簡圖
單伺服動力刀架只采用一個伺服電機(jī)來驅(qū)動刀盤轉(zhuǎn)動和動力刀具,減小了動力刀架的體積,節(jié)省了空間,減少了功率損失。同時比起雙伺服電機(jī)驅(qū)動,單電機(jī)驅(qū)動刀盤和動力刀具,有一個動力切換的問題,難度相對大一些。
方案三:力矩電機(jī)直驅(qū)刀架和電主軸動力模塊
簡圖如圖5
圖 5
力矩電機(jī)直驅(qū)刀架為我校自助研發(fā)的刀架,直驅(qū)刀盤沒有傳動系統(tǒng)精度更高,且電機(jī)在刀盤內(nèi)部,極大減小了刀盤的體積,但是這種技術(shù)還不太成熟,實現(xiàn)的難度較大。
方案四:力矩電機(jī)外置加上電主軸驅(qū)動動力刀具
簡圖如圖 6
圖 6
力矩電機(jī)外置為安裝動力模塊提供了空間,減小了方案三的難度,但同時也增大了整個刀架的體積。
根據(jù)導(dǎo)師的建議以及本人的能力水平?jīng)Q定采用方案二。采用液壓與齒輪的配合切換動力。單伺服電機(jī)驅(qū)動節(jié)省了較多空間,使刀架體積變小,且只采用一個電機(jī),提高了功率利用率。
精定位機(jī)構(gòu)
刀具在切削時需要很高的剛性和定位精度,因此刀架選用端齒盤做精定位元件。如圖 7
圖 7
夾緊機(jī)構(gòu)
壓直接鎖緊機(jī)構(gòu)是由液壓油紅直接控制動齒盤的松開和鎖緊,刀架結(jié)構(gòu)簡單且刀盤鎖緊力大,縮短了傳動鏈,提高了傳動效率。為了完成快速剎緊和得到大的剎緊力,松幵和剎緊一般選用液壓和機(jī)械等來實現(xiàn)。這種機(jī)液結(jié)合的方法可以簡化刀架的結(jié)構(gòu),能夠迅速換向,傳動平穩(wěn),縮短換刀的時間,數(shù)控刀架執(zhí)行動作簡單且刀盤鎖緊力大,提高刀架的分度速度外,同時也使刀具壽命得到提高。
裝刀裝置
裝刀裝置包括刀盤、刀夾及夾刀裝置。目前刀盤有2種模式:歐式VDI刀盤和日式
槽刀盤。
動力刀座選擇
目前在市場上有多種動力刀座如:DIN1809接口類型、DIN5480與DIN5480P接口類型、DIN5482接口類型和梅花式接口類型。
各種類型接口如圖4
圖4各種動力刀座接口
各種接口特點如表3
表3
在此畢業(yè)設(shè)計中選擇DIN1809接口作為動力刀座的接口。
2 重點、難點
1) 伺服電機(jī)的選擇
2)液壓機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計
3)刀盤的旋轉(zhuǎn)定位與精確定位
4)輪系的設(shè)計
5)整個刀塔系統(tǒng)的運(yùn)動仿真。
6)單伺服電機(jī)驅(qū)動刀盤和動力刀具的協(xié)調(diào)問題
3 擬解決方案
1.參考機(jī)床動力學(xué)常規(guī)建模方式進(jìn)行建模,然后根據(jù)方程進(jìn)行動力學(xué)仿真。然后根據(jù)仿
真結(jié)果,再重新優(yōu)化建模方式。
2.參考實驗室其他實驗平臺的搭建方法,在此基礎(chǔ)上做合理的方法改進(jìn)與技術(shù)的引用。
3.向刀架生產(chǎn)廠家專業(yè)人員請教、研討測試的相關(guān)事宜。
4.通過網(wǎng)絡(luò)和圖書館以及電子圖書館查閱相關(guān)專業(yè)性文獻(xiàn)資料。
5.定期向?qū)焻R報階段性的科研成果,提出階段性的問題,與導(dǎo)師共同商討并解決實際 問題。
四、對進(jìn)度的具體安排
周次 任務(wù)
5-6 根據(jù)老師的意見對自己的方案進(jìn)行修改;選定各種部件型號,
設(shè)計整體方案計算主要參數(shù),畫出草圖;
7-8 關(guān)鍵零件設(shè)計計算強(qiáng)度校核,刀塔總裝配草圖設(shè)計,動力刀部
分設(shè)計;
9-10 完成動力部分設(shè)計
11-12 完成總裝配圖,零件圖,及三維模型
13-14 修改改進(jìn)設(shè)計及其圖紙
15 完成設(shè)計說明書
16 準(zhǔn)備答辯,上交論文
五、參考文獻(xiàn)
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指導(dǎo)教師:(簽署意見并簽字) 年 月 日
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