伺服转塔刀架传动系统设计及疲劳寿命分析

摘要

伺服转塔刀架是数控机床的核心功能部件，其能否可靠运行在很大程度上影响着机床的综合性能。实现工位转换是伺服刀架的基本功能，由刀架传动系统执行完成。伺服刀架传动系统主要由伺服电机、齿轮系以及刀盘组成。电机动力通过三级减速齿轮系传递至刀盘，最终实现工位转换。
　　工位转换这一功能可靠性的保障，依赖于刀架传动系统满足预定的疲劳寿命。要完成传动系统的疲劳寿命设计，需要具有针对该系统的快速开发工具以及合理的可靠性分析方法。
　　本文从齿轮系快速设计、伺服电机动力学匹配设计、齿轮啮合力学分析和齿轮疲劳寿命分析等方面进行研究，主要内容包括:1）提出针对伺服刀架齿轮齿数分配和位置布置的设计方法，使用Matlab编程语言及优化工具箱实现其设计步骤，并通过Matlab GUI实现其可视化操作;2）在ADAMS中建立传动系统的多体动力学模型，通过控制规划伺服电机运动模式，实现传动系统的虚拟转位仿真，得到伺服电机在不同运行模式和不同负载条件下的转矩输出，并找到满足转位时间要求、符合电机输出能力的电机设置参数;3）运用齿轮啮合理论，分析某个轮齿从进入啮合到退出啮合的转位角度和转位时间，并在ABAQUS中建立三维有限元齿轮模型，以某个轮齿为目标，分析其在双齿-单齿-双齿过程中的接触合力、齿面接触应力、齿根弯曲应力的变化趋势，从而为进一步进行齿轮疲劳寿命分析提供了依据;4）结合齿轮有限元分析结果和疲劳寿命理论，完成目标齿轮的疲劳寿命可靠性分析。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 国内外刀架发展现状

1．2．1 国外刀架发展

1．2．2 国内刀架发展

1．3 动力传动系统研究现状

1．3．1 机械动力传动概述

1．3．2 齿轮传动概述

1．3．3 齿轮啮合力学研究现状

1．3．4 齿轮疲劳寿命研究现状

1．4 本文研究内容

第二章 伺服刀架齿轮传动系快速设计

2．1 伺服刀架齿轮传动系说明

2．2 齿轮齿数分配设计

2．2．1 齿数分配设计准则

2．2．2 齿轮疲劳强度计算方法

2．3 齿轮传动系位置布置设计

2．4 传动系统快速设计在Matlab中的实现

2．4．1 Matlab优化工具箱

2．4．2 齿数分配在Matlab中的实现

2．4．3 齿轮位置布置在Matlab中的实现

2．5 SLT125伺服刀架齿轮系设计结果

2．5．1 齿轮基本参数输入

2．5．2 齿数分配计算结果及强度结果显示

2．5．3 齿轮位置布置结果

2．6 本章小结

第三章 伺服电机动力学匹配设计

3．1 多体系统动力学研究方法

3．2 伺服刀架转位时间计算

3．2．1 电机运转模式

3．2．2 转位时间计算方法

3．2．3 SLT125伺服刀架转位时间计算结果

3．3 伺服电机负载能力分析

3．3．1 刀架传动系三维模型建立

3．3．2 传动系在ADAMS中的三维建模

3．3．3 传动系在ADAMS中的约束

3．4 ADAMS仿真分析

3．4．1 伺服电机参数介绍

3．4．2 刀盘满载仿真计算

3．4．3 刀盘偏载仿真计算

3．5 本章小结

第四章 传动齿轮啮合力学分析

4．1 齿轮啮合传动分析

4．2 齿轮啮合相关参数计算

4．2．1 理论啮合线段长度及重合度

4．2．2 轮齿啮入角度计算

4．2．3 目标轮齿啮合转位角度计算

4．3 齿轮柔体有限元模型仿真

4．3．1 齿轮三维模型建立

4．3．2 齿轮有限元模型建立

4．4 齿轮计算结果分析

4．4．1 分析结果概述

4．4．2 齿面接触力分析

4．4．3 齿面接触应力和齿根弯曲应力分析

4．5 本章小结

第五章 传动齿轮疲劳寿命可靠性分析

5．1 金属疲劳计算概述

5．2 疲劳计算设计方法

5．2．1 材料疲劳属性介绍

5．2．2 线性累计损伤理论

5．2．3 疲劳载荷谱处理

5．3 SLT125伺服刀架齿轮疲劳寿命计算

5．3．1 齿轮材料基本力学属性

5．3．2 齿面接触疲劳寿命计算

5．3．3 齿根弯曲疲劳寿命计算

5．4 本章小节

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献