開題報(bào)告 動(dòng)力刀架設(shè)計(jì) 開題報(bào)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(shí)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(dòng)力刀架就是其多種方案中應(yīng)用最廣泛的一個(gè)。其中，數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架是實(shí)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(shí)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)動(dòng)力刀具，完成銑、鉆、攻絲、鉸孔等加工。 在當(dāng)今市場(chǎng)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(dòng)，這種加工方式是車削加工；第二，刀具轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)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(gè)車銑復(fù)合加工機(jī)床的基本運(yùn)動(dòng)中，要完成這銑刀旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作就需要使用到動(dòng)力刀架。在引入動(dòng)力數(shù)控刀架后，車銑復(fù)合加工中心基本實(shí)現(xiàn)了如下幾個(gè)目標(biāo): ⑴縮短制造工藝鏈和物流長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)了在確保質(zhì)量的前提下，提高生產(chǎn)率和自動(dòng)化的程度。 步入新世紀(jì)以來，我國(guó)的數(shù)控機(jī)床行業(yè)發(fā)展勢(shì)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(dòng)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(tái)機(jī)床的性能，甚至深刻影響著我國(guó)制造業(yè)整體水平的高低。當(dāng)前市場(chǎng)中，動(dòng)力刀架技術(shù)已經(jīng)趨近成熟完善，國(guó)外很多著名刀架生產(chǎn)商都已設(shè)計(jì)研發(fā)并推廣出自己的系列化產(chǎn)品，國(guó)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(guó)外的產(chǎn)品，缺乏自主創(chuàng)新能力，它與國(guó)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(huì)制約機(jī)床發(fā)展。所以，在動(dòng)力數(shù)控刀架的設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)力刀架由最初的外加動(dòng)力刀具驅(qū)動(dòng)模塊的形式發(fā)展為現(xiàn)今伺服動(dòng)力刀架。伺服刀架又分為雙伺服動(dòng)力刀架以及單伺服動(dòng)力刀架。 隨著車削中心和車銑復(fù)合機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)的發(fā)展以及對(duì)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(dòng)力刀架的基礎(chǔ)上衍生出下列動(dòng)力刀架產(chǎn)品： （1） 內(nèi)置電主軸的直驅(qū)動(dòng)力刀具刀架結(jié)構(gòu) 這種動(dòng)力刀架采用內(nèi)置的電主軸直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)力刀具代替伺服電機(jī)通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)刀具，是動(dòng)力刀具的最大轉(zhuǎn)速得到了提升，可達(dá)到10000r/min。同時(shí)刀盤和動(dòng)力刀座采用了BMT接口，提高了重復(fù)定位精度。此項(xiàng)技術(shù)最先由德國(guó)Sauter公司申請(qǐng)專利。 （2） 力矩電機(jī)直驅(qū)式動(dòng)力刀架 這種動(dòng)力刀架大幅度減少傳動(dòng)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(dòng)刀盤的動(dòng)力刀架。但是因?yàn)楹?jiǎn)化了傳動(dòng)系統(tǒng)，因此可靠性大幅度提升。 （3） 帶Y軸、B軸的動(dòng)力刀架 目前國(guó)外動(dòng)力刀架的研究均已成熟，德國(guó)，日本，意大利，英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家均有成熟的產(chǎn)品運(yùn)用于生產(chǎn)。國(guó)外的生產(chǎn)商如德國(guó)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(guó)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(guó)外廠家生產(chǎn)的刀架的技術(shù)參數(shù) 國(guó)內(nèi)的動(dòng)力刀架技術(shù)仍處于發(fā)展階段，目前國(guó)內(nèi)動(dòng)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(tái)環(huán)球機(jī)床附件集團(tuán)有限公司、沈陽(yáng)精誠(chéng)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(yáng)機(jī)床數(shù)控刀架分廠和煙臺(tái)環(huán)球機(jī)床附件廠。表2是國(guó)內(nèi)兩個(gè)廠家生產(chǎn)的兩種型號(hào)的轉(zhuǎn)塔刀架的技術(shù)參數(shù)。 表2 國(guó)內(nèi)廠家的刀架技術(shù)參數(shù) 圖1 國(guó)內(nèi)產(chǎn)品 圖2 國(guó)外產(chǎn)品 圖1，圖2分別為國(guó)內(nèi)和國(guó)外生產(chǎn)的產(chǎn)品 從上面兩表的數(shù)據(jù)就可以看出國(guó)外生產(chǎn)的刀架轉(zhuǎn)位速度快，在實(shí)際加工時(shí)有較高的效率。45°轉(zhuǎn)位并加緊時(shí)間這項(xiàng)種煙臺(tái)環(huán)球機(jī)床附件廠生產(chǎn)的刀架的用時(shí)是德國(guó)肖特公司的一倍。而且兩家國(guó)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(guó)內(nèi)的刀架生產(chǎn)技術(shù)與國(guó)外的先進(jìn)水平仍有很大差距。 3 已有成果 目前煙臺(tái)環(huán)球機(jī)床附件廠生產(chǎn)的動(dòng)力刀架均有不錯(cuò)的性能具體參數(shù)見圖3 圖3 煙臺(tái)環(huán)球機(jī)床附件廠的動(dòng)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(guó)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(jiǎn)化了刀盤的傳動(dòng)系統(tǒng)，使刀架體積大幅度減小，由于傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，刀架的精度以及可靠性也得到了提升。 2、 研究?jī)?nèi)容 1 研究方向 作為大學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)于動(dòng)力刀架的設(shè)計(jì)以及研究，要緊跟國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平，在了解先進(jìn)動(dòng)力刀架結(jié)構(gòu)的同時(shí)，設(shè)計(jì)出符合畢業(yè)設(shè)計(jì)要求的動(dòng)力刀架。根據(jù)導(dǎo)師指導(dǎo)建議，設(shè)計(jì)單伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力刀架。 2 研究?jī)?nèi)容 1、 進(jìn)行數(shù)控車削中心動(dòng)力刀架總體研究，并進(jìn)行整體布局設(shè)計(jì)； 2、 研究各種電機(jī)，為動(dòng)力刀架選擇合適的電機(jī)； 3、 研究出一種動(dòng)力切換的可行方案 4、設(shè)計(jì)刀架結(jié)構(gòu)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，完成關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)計(jì)算； 5、完成動(dòng)力刀架的二維設(shè)計(jì)和三維設(shè)計(jì) 。 3、 實(shí)現(xiàn)方法及預(yù)期目標(biāo) 基礎(chǔ)參數(shù) 動(dòng)力刀架中心高 120mm 刀位 12 動(dòng)力到頭最高速度 6000r/min 相鄰刀具轉(zhuǎn)位時(shí)間 0.2s 1 實(shí)施的初步方案 動(dòng)力刀架基本結(jié)構(gòu)：（1）轉(zhuǎn)位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(2)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(dòng)作。 驅(qū)動(dòng)方式方案 方案一：采用雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) 雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力刀架是最基礎(chǔ)的動(dòng)力刀架，技術(shù)成熟，成本相對(duì)其他刀架較小。簡(jiǎn)圖如圖3 圖3 雙伺服動(dòng)力刀架簡(jiǎn)圖 采用兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)1通過液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)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(dòng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力刀具。 方案二：?jiǎn)嗡欧姍C(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力刀架 簡(jiǎn)圖如圖4 圖 4 單伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力刀架簡(jiǎn)圖 單伺服動(dòng)力刀架只采用一個(gè)伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)和動(dòng)力刀具，減小了動(dòng)力刀架的體積，節(jié)省了空間，減少了功率損失。同時(shí)比起雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，單電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤和動(dòng)力刀具，有一個(gè)動(dòng)力切換的問題，難度相對(duì)大一些。 方案三：力矩電機(jī)直驅(qū)刀架和電主軸動(dòng)力模塊 簡(jiǎn)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(dòng)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(shí)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(dòng)動(dòng)力刀具 簡(jiǎn)圖如圖 6 圖 6 力矩電機(jī)外置為安裝動(dòng)力模塊提供了空間，減小了方案三的難度，但同時(shí)也增大了整個(gè)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(dòng)力。單伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)節(jié)省了較多空間，使刀架體積變小，且只采用一個(gè)電機(jī)，提高了功率利用率。 精定位機(jī)構(gòu) 刀具在切削時(shí)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(dòng)齒盤的松開和鎖緊,刀架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且刀盤鎖緊力大,縮短了傳動(dòng)鏈,提高了傳動(dòng)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(shí)現(xiàn)。這種機(jī)液結(jié)合的方法可以簡(jiǎn)化刀架的結(jié)構(gòu),能夠迅速換向,傳動(dòng)平穩(wěn),縮短換刀的時(shí)間,數(shù)控刀架執(zhí)行動(dòng)作簡(jiǎn)單且刀盤鎖緊力大,提高刀架的分度速度外,同時(shí)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(dòng)力刀座選擇 目前在市場(chǎng)上有多種動(dòng)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(dòng)力刀座接口 各種接口特點(diǎn)如表3 表3 在此畢業(yè)設(shè)計(jì)中選擇DIN1809接口作為動(dòng)力刀座的接口。 2 重點(diǎn)、難點(diǎn) 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(jì) 3)刀盤的旋轉(zhuǎn)定位與精確定位 4）輪系的設(shè)計(jì) 5）整個(gè)刀塔系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)仿真。 6）單伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤和動(dòng)力刀具的協(xié)調(diào)問題 3 擬解決方案 1.參考機(jī)床動(dòng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)室其他實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(qǐng)教、研討測(cè)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(bào)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(shí)際 問題。 四、對(duì)進(jìn)度的具體安排 周次 任務(wù) 5-6 根據(jù)老師的意見對(duì)自己的方案進(jìn)行修改；選定各種部件型號(hào)， 設(shè)計(jì)整體方案計(jì)算主要參數(shù)，畫出草圖； 7-8 關(guān)鍵零件設(shè)計(jì)計(jì)算強(qiáng)度校核，刀塔總裝配草圖設(shè)計(jì)，動(dòng)力刀部 分設(shè)計(jì)； 9-10 完成動(dòng)力部分設(shè)計(jì) 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(jì)及其圖紙 15 完成設(shè)計(jì)說明書 16 準(zhǔn)備答辯，上交論文 五、參考文獻(xiàn) [1] 王家興，馬仕龍.動(dòng)力刀架的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用分析[J].機(jī)械工程師，2010，(12). 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