减速机结构立式伺服刀架设计

沈会， 丁蕾， 杨宇峰

（1.沈阳机床股份有限公司，沈阳110142；2.沈阳工业大学理学院，沈阳110142）

减速机结构立式伺服刀架设计

沈会1， 丁蕾2， 杨宇峰1

（1.沈阳机床股份有限公司，沈阳110142；2.沈阳工业大学理学院，沈阳110142）

将减速机结构应用到立式伺服刀架的研究中，在对刀架进行原理说明及结构分析的基础上，介绍了该刀架的设计及实验的相关内容，通过与齿轮箱刀架的对比试验，确定了此款结构的合理性。

减速机；立式伺服刀架

0 引言

随着世界机床制造水平的提高，对功能部件领域提出了更高的要求。功能部件的研制应该融合到主机的设计中。目前，国外车床制造商主流配置刀架为伺服刀架、单伺服动力刀架。国内车床制造商刀架配置为电动刀架、液压刀架以及伺服刀架。刀架作为车床的核心功能部件，已经由电动和液压刀架发展到了伺服刀架的广泛应用。

伺服刀架在刀架的设计理念上代表着刀架技术的全面升级，电气技术的高度集成，机械结构的复杂到简单化，从而带来了优越的产品性能。例如，转位快、定位精确、性能稳定。目前，国内主要数控立车厂家均选用立式伺服刀架作为标准配置。但是国内刀架的制造水平、伺服刀架的研制水平还存在一些问题。为了解决立式伺服数控刀架转位噪声及校正缺陷，沈阳机床股份有限公司数控刀架分公司研制了减速机结构立式伺服数控刀架。

1 减速机刀架结构及工作原理

1.1 刀架结构

减速机结构立式伺服刀架主要由以下几部分组成：电气部分由伺服控制器、伺服电机、接近开关及线缆构成；三联齿盘部分由锁紧齿盘、动齿盘及定齿盘构成；刚性连接部分由底座、主轴、法兰构成；液压部分由油路、锁紧油腔及松开油腔构成；传动部分由减速机、过渡齿轮及内齿圈构成。

图1 产品应用

产品应用如图1，刀架传动结构如图2。

图2 刀架传动结构

各部分功能如下：伺服控制器控制伺服电机提供动力源及初定位；三联齿盘通过液压部分提供的压力实现定位锁紧及脱开；刚性连接结构主要是在齿盘锁紧状态下保证刀架整体的刚性；减速机在伺服电机的传动下，通过齿轮轴、过渡齿轮、内齿圈实现转位功能。

1.2 工作原理

伺服刀架的工作原理主要体现在电气控制上，下面结合刀架在立车的使用进行说明。

回零：机床电气系统启动，机床液压系统启动，手动启动复位按钮，刀架开始顺时针转位到一工位。

转位：机床系统发出转位指令，伺服控制器发出控制信号控制液压松开锁紧系统松开，接近开关作为松开锁紧信号的反馈依据。伺服控制器发出脉冲给电机驱动，伺服刀架刀台开始转位，伺服电机将动力传递到减速机，通过内齿圈输出带动动齿盘，动齿盘和箱体开始转位，工作位置接近开关作为参考零点提供转位信号反馈依据，刀台转到指定工位后，伺服控制器控制液压松开锁紧装置锁紧。

图3 刀架传动结构示意图

切削：立式伺服刀架在三联齿盘锁紧的状态下开始切削工件。

2 减速机结构刀架设计及试验

2.1 刀架设计

通过对市场的调研，以满足重点行业（汽车零部件加工、石油管箍加工）需求为宗旨，充分考虑刀架结构、工艺性、刚性、可靠性等几项指标，在满足刀架加工零件精度的前提下，力求降低成本，提高经济效益。严格贯彻国家标准，贯彻ISO9000质量保证体系标准，提高设计质量。

产品采用伺服技术转位、分度和液压锁紧、大三联高精度端面齿盘定位，电机倒置，大减速比高惯量，大三联齿盘定位，定齿盘与动齿盘相对旋转面上移，法兰与主轴高连接刚性，平面滚针轴承以及钢背轴承应用等全新设计理念。

伺服电机及伺服控制器选用国际知名厂家产品，保证了产品的可靠性。减速机选用国内品牌减速机厂家。目前，国内没有这种尺寸的平面滚针轴承批量制造厂家，设计人员同外协厂家协同设计制造解决了技术难题。钢背轴承为分公司成熟技术积累，保证了刀架转位过程平稳。

相关部件的自主研制实现了同类产品比国外价格低一半。同时，解决了国内立式伺服刀架带载能力差及性能不稳定的问题。

设计时，提出了各类相关的设计指标。设计过程进行了理论计算及仿真分析，并通过了相关实验的验证。

2.2 仿真计算

应用SolidWorks 2012中Simulation功能，对刀架主要零件进行有限元静态分析。通过对模型设置相关的假设条件，附加相应的约束及载荷，得出了箱体、底座及三齿盘的有限元分析结果，通过对结果的比对，满足设计要求。

2.3 刀架试验

刀架的试验通常分成3个部分：一是刀架的装配、机械性能测试，松开锁紧及相关精度检测；二是伺服电机、减速器性能测试及相关刚性指标的检测；三是电气程序调试、运车寿命测试。下面举例说明。

加载运车实验：刀架运车保证空运转12 h。根据代表性用户立式刀架调装的使用情况，以及国外同等规格刀架的性能指标，我们初步选定图4中所示刀夹，每个刀夹重量20 kg，刀夹长度300 mm，此时刀架整体转动惯量为18，我们设计刀架转动惯量为25，加载过程为逐步加载，这个过程可以测试刀架不平衡扭矩，满负荷运车48 h，经过验证立式伺服数控刀架性能指标合格。

图4 刀架满载运车

图5 刀架刚度实验

图5为切向刚度实验。打切向刚度需要的工具有刚性试验台、刀架光机、加长刀杆、千斤顶、测力计（测量极限为25 000 N·m）、2块百分表（1块测量刀架变形，1块测量测力计变形）。通过此项试验，验证了刀架的刚性，得出了刚性指标数值，同时确定了液压锁紧压力的合理值为4 MPa。

表1 SFL3205N刀架刚度试验数据

3 齿轮箱结构与减速机结构性能对比

齿轮箱结构的刀架箱体内部需要四级减速来实现降速增扭矩。涉及到几个方面的问题需要解决，首先是齿轮的相关精度保证，增加了装配过程的复杂程度。其次是刀架转位过程中易产生噪声，因为内齿圈及各级双联齿轮的加工精度不易保证。

减速机结构刀架则可以解决上述问题。此刀架减速机一般是由供应商提供，减速机输出齿轮轴标准间隙12′。经过现场试验对标，实现了锁紧过程无校正及转位过程无噪音。

4 结语

通过对减速机结构立式伺服数控刀架设计研究，结合了刀架设计过程、刀架理论分析、有限元分析、实验过程及与其它结构刀架的对比。此刀架结构合理，性能优越，是立式数控车床配套的可靠解决方案。

图6 齿轮箱刀架

图7 减速机刀架

［1］ 徐灏.机械设计手册［M］.北京.机械工业出版社出版，1995.

［2］ 徐灏.疲劳强度设计手册［M］.北京.机械工业出版社出版，1985.

（编辑启 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

沈会（1981—），男，工程师，从事立式伺服数控刀架研发工作。

2014-03-26