沈會(huì)， 丁蕾， 楊宇峰

（1.沈陽機(jī)床股份有限公司，沈陽110142；2.沈陽工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，沈陽110142）

減速機(jī)結(jié)構(gòu)立式伺服刀架設(shè)計(jì)

沈會(huì)1， 丁蕾2， 楊宇峰1

（1.沈陽機(jī)床股份有限公司，沈陽110142；2.沈陽工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，沈陽110142）

將減速機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)用到立式伺服刀架的研究中，在對(duì)刀架進(jìn)行原理說明及結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，介紹了該刀架的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容，通過與齒輪箱刀架的對(duì)比試驗(yàn)，確定了此款結(jié)構(gòu)的合理性。

減速機(jī)；立式伺服刀架

0 引言

隨著世界機(jī)床制造水平的提高，對(duì)功能部件領(lǐng)域提出了更高的要求。功能部件的研制應(yīng)該融合到主機(jī)的設(shè)計(jì)中。目前，國外車床制造商主流配置刀架為伺服刀架、單伺服動(dòng)力刀架。國內(nèi)車床制造商刀架配置為電動(dòng)刀架、液壓刀架以及伺服刀架。刀架作為車床的核心功能部件，已經(jīng)由電動(dòng)和液壓刀架發(fā)展到了伺服刀架的廣泛應(yīng)用。

伺服刀架在刀架的設(shè)計(jì)理念上代表著刀架技術(shù)的全面升級(jí)，電氣技術(shù)的高度集成，機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜到簡(jiǎn)單化，從而帶來了優(yōu)越的產(chǎn)品性能。例如，轉(zhuǎn)位快、定位精確、性能穩(wěn)定。目前，國內(nèi)主要數(shù)控立車廠家均選用立式伺服刀架作為標(biāo)準(zhǔn)配置。但是國內(nèi)刀架的制造水平、伺服刀架的研制水平還存在一些問題。為了解決立式伺服數(shù)控刀架轉(zhuǎn)位噪聲及校正缺陷，沈陽機(jī)床股份有限公司數(shù)控刀架分公司研制了減速機(jī)結(jié)構(gòu)立式伺服數(shù)控刀架。

1 減速機(jī)刀架結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 刀架結(jié)構(gòu)

減速機(jī)結(jié)構(gòu)立式伺服刀架主要由以下幾部分組成：電氣部分由伺服控制器、伺服電機(jī)、接近開關(guān)及線纜構(gòu)成；三聯(lián)齒盤部分由鎖緊齒盤、動(dòng)齒盤及定齒盤構(gòu)成；剛性連接部分由底座、主軸、法蘭構(gòu)成；液壓部分由油路、鎖緊油腔及松開油腔構(gòu)成；傳動(dòng)部分由減速機(jī)、過渡齒輪及內(nèi)齒圈構(gòu)成。

圖1 產(chǎn)品應(yīng)用

產(chǎn)品應(yīng)用如圖1，刀架傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 刀架傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

各部分功能如下：伺服控制器控制伺服電機(jī)提供動(dòng)力源及初定位；三聯(lián)齒盤通過液壓部分提供的壓力實(shí)現(xiàn)定位鎖緊及脫開；剛性連接結(jié)構(gòu)主要是在齒盤鎖緊狀態(tài)下保證刀架整體的剛性；減速機(jī)在伺服電機(jī)的傳動(dòng)下，通過齒輪軸、過渡齒輪、內(nèi)齒圈實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位功能。

1.2 工作原理

伺服刀架的工作原理主要體現(xiàn)在電氣控制上，下面結(jié)合刀架在立車的使用進(jìn)行說明。

回零：機(jī)床電氣系統(tǒng)啟動(dòng)，機(jī)床液壓系統(tǒng)啟動(dòng)，手動(dòng)啟動(dòng)復(fù)位按鈕，刀架開始順時(shí)針轉(zhuǎn)位到一工位。

轉(zhuǎn)位：機(jī)床系統(tǒng)發(fā)出轉(zhuǎn)位指令，伺服控制器發(fā)出控制信號(hào)控制液壓松開鎖緊系統(tǒng)松開，接近開關(guān)作為松開鎖緊信號(hào)的反饋依據(jù)。伺服控制器發(fā)出脈沖給電機(jī)驅(qū)動(dòng)，伺服刀架刀臺(tái)開始轉(zhuǎn)位，伺服電機(jī)將動(dòng)力傳遞到減速機(jī)，通過內(nèi)齒圈輸出帶動(dòng)動(dòng)齒盤，動(dòng)齒盤和箱體開始轉(zhuǎn)位，工作位置接近開關(guān)作為參考零點(diǎn)提供轉(zhuǎn)位信號(hào)反饋依據(jù)，刀臺(tái)轉(zhuǎn)到指定工位后，伺服控制器控制液壓松開鎖緊裝置鎖緊。

圖3 刀架傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

切削：立式伺服刀架在三聯(lián)齒盤鎖緊的狀態(tài)下開始切削工件。

2 減速機(jī)結(jié)構(gòu)刀架設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

2.1 刀架設(shè)計(jì)

通過對(duì)市場(chǎng)的調(diào)研，以滿足重點(diǎn)行業(yè)（汽車零部件加工、石油管箍加工）需求為宗旨，充分考慮刀架結(jié)構(gòu)、工藝性、剛性、可靠性等幾項(xiàng)指標(biāo)，在滿足刀架加工零件精度的前提下，力求降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。嚴(yán)格貫徹國家標(biāo)準(zhǔn)，貫徹ISO9000質(zhì)量保證體系標(biāo)準(zhǔn)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

產(chǎn)品采用伺服技術(shù)轉(zhuǎn)位、分度和液壓鎖緊、大三聯(lián)高精度端面齒盤定位，電機(jī)倒置，大減速比高慣量，大三聯(lián)齒盤定位，定齒盤與動(dòng)齒盤相對(duì)旋轉(zhuǎn)面上移，法蘭與主軸高連接剛性，平面滾針軸承以及鋼背軸承應(yīng)用等全新設(shè)計(jì)理念。

伺服電機(jī)及伺服控制器選用國際知名廠家產(chǎn)品，保證了產(chǎn)品的可靠性。減速機(jī)選用國內(nèi)品牌減速機(jī)廠家。目前，國內(nèi)沒有這種尺寸的平面滾針軸承批量制造廠家，設(shè)計(jì)人員同外協(xié)廠家協(xié)同設(shè)計(jì)制造解決了技術(shù)難題。鋼背軸承為分公司成熟技術(shù)積累，保證了刀架轉(zhuǎn)位過程平穩(wěn)。

相關(guān)部件的自主研制實(shí)現(xiàn)了同類產(chǎn)品比國外價(jià)格低一半。同時(shí)，解決了國內(nèi)立式伺服刀架帶載能力差及性能不穩(wěn)定的問題。

設(shè)計(jì)時(shí)，提出了各類相關(guān)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了理論計(jì)算及仿真分析，并通過了相關(guān)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

2.2 仿真計(jì)算

應(yīng)用SolidWorks 2012中Simulation功能，對(duì)刀架主要零件進(jìn)行有限元靜態(tài)分析。通過對(duì)模型設(shè)置相關(guān)的假設(shè)條件，附加相應(yīng)的約束及載荷，得出了箱體、底座及三齒盤的有限元分析結(jié)果，通過對(duì)結(jié)果的比對(duì)，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 刀架試驗(yàn)

刀架的試驗(yàn)通常分成3個(gè)部分：一是刀架的裝配、機(jī)械性能測(cè)試，松開鎖緊及相關(guān)精度檢測(cè)；二是伺服電機(jī)、減速器性能測(cè)試及相關(guān)剛性指標(biāo)的檢測(cè)；三是電氣程序調(diào)試、運(yùn)車壽命測(cè)試。下面舉例說明。

加載運(yùn)車實(shí)驗(yàn)：刀架運(yùn)車保證空運(yùn)轉(zhuǎn)12 h。根據(jù)代表性用戶立式刀架調(diào)裝的使用情況，以及國外同等規(guī)格刀架的性能指標(biāo)，我們初步選定圖4中所示刀夾，每個(gè)刀夾重量20 kg，刀夾長度300 mm，此時(shí)刀架整體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為18，我們?cè)O(shè)計(jì)刀架轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為25，加載過程為逐步加載，這個(gè)過程可以測(cè)試刀架不平衡扭矩，滿負(fù)荷運(yùn)車48 h，經(jīng)過驗(yàn)證立式伺服數(shù)控刀架性能指標(biāo)合格。

圖4 刀架滿載運(yùn)車

圖5 刀架剛度實(shí)驗(yàn)

圖5為切向剛度實(shí)驗(yàn)。打切向剛度需要的工具有剛性試驗(yàn)臺(tái)、刀架光機(jī)、加長刀桿、千斤頂、測(cè)力計(jì)（測(cè)量極限為25 000 N·m）、2塊百分表（1塊測(cè)量刀架變形，1塊測(cè)量測(cè)力計(jì)變形）。通過此項(xiàng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了刀架的剛性，得出了剛性指標(biāo)數(shù)值，同時(shí)確定了液壓鎖緊壓力的合理值為4 MPa。

表1 SFL3205N刀架剛度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 齒輪箱結(jié)構(gòu)與減速機(jī)結(jié)構(gòu)性能對(duì)比

齒輪箱結(jié)構(gòu)的刀架箱體內(nèi)部需要四級(jí)減速來實(shí)現(xiàn)降速增扭矩。涉及到幾個(gè)方面的問題需要解決，首先是齒輪的相關(guān)精度保證，增加了裝配過程的復(fù)雜程度。其次是刀架轉(zhuǎn)位過程中易產(chǎn)生噪聲，因?yàn)閮?nèi)齒圈及各級(jí)雙聯(lián)齒輪的加工精度不易保證。

減速機(jī)結(jié)構(gòu)刀架則可以解決上述問題。此刀架減速機(jī)一般是由供應(yīng)商提供，減速機(jī)輸出齒輪軸標(biāo)準(zhǔn)間隙12′。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了鎖緊過程無校正及轉(zhuǎn)位過程無噪音。

4 結(jié)語

通過對(duì)減速機(jī)結(jié)構(gòu)立式伺服數(shù)控刀架設(shè)計(jì)研究，結(jié)合了刀架設(shè)計(jì)過程、刀架理論分析、有限元分析、實(shí)驗(yàn)過程及與其它結(jié)構(gòu)刀架的對(duì)比。此刀架結(jié)構(gòu)合理，性能優(yōu)越，是立式數(shù)控車床配套的可靠解決方案。

圖6 齒輪箱刀架

圖7 減速機(jī)刀架

［1］ 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京.機(jī)械工業(yè)出版社出版，1995.

［2］ 徐灝.疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京.機(jī)械工業(yè)出版社出版，1985.

（編輯啟 迪）

Design of Vertical Servo Tool Turret with Planetary Gearbox

SHEN Hui1， DING Lei2， YANG Yufeng1
（1.Shenyang Machine Tool Co.,Ltd,Shenyang 110142,China;2.School of Science,Shenyang University of Technology, Shenyang 110142,China）

The structure of planetary gear box is applied in the vertical servo tool turret.Based on the working principle and structure analysis of the turret,design and test of the turret are introduced.Comparing with the other gear box,the rationality of this structure is ensured.

planetary gear box;vertical servo tool turret

TH 132

B

1002－2333（2014）05－0216－02

沈會(huì)（1981—），男，工程師，從事立式伺服數(shù)控刀架研發(fā)工作。

2014-03-26