初始條件：刀盤中心高為120mm，相鄰刀具相差30，相鄰刀具轉(zhuǎn)位時(shí)間0.2s
即主軸轉(zhuǎn)速為25r/min。
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是描述剛體在轉(zhuǎn)動(dòng)中的慣性大小的物理量。當(dāng)兩個(gè)繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的不同剛體受到相同的力矩分別作用時(shí)，它們所獲得的角加速度一般是不一樣的，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的剛體所獲得的角加速度小，即角速度改變得慢；反之，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的剛體所獲得的角加速度大，即角速度改變得快。
剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的定義是：
若剛體為連續(xù)體，則用積分代替求和：
根據(jù)加工的要求，所需的動(dòng)力刀具也不盡相同，但是重量差別不是很多，估算時(shí)可以用平均重量進(jìn)行估算。受到電動(dòng)機(jī)的力矩驅(qū)動(dòng)時(shí)，整個(gè)盤共搭載12把刀具，估算時(shí)假設(shè)質(zhì)量平均分部于刀盤。
由刀架的結(jié)構(gòu)簡圖可知,刀架在完成換刀動(dòng)作時(shí),伺服電機(jī)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)的部件共四個(gè),它們分別是傳動(dòng)齒輪，刀架主軸和刀盤，因而只需估算這些元素的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量然后累加在一起就能初步估算出來整個(gè)轉(zhuǎn)位系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，進(jìn)而可以求得電機(jī)需要提供的力矩大小。
現(xiàn)選取sauter公司的刀盤，刀盤外徑為=410mm，刀具孔中心圓=370mm與刀盤座連接的螺孔中心圓為120mm。刀盤中心通孔=70mm。如圖
圖 刀盤二維圖
刀盤三維模型如圖
圖 刀盤三維圖
按照公式計(jì)算刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量即
即刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可近似看成1.53。
刀盤座根據(jù)設(shè)計(jì)，三維模型如圖
圖 刀盤座三維圖
根據(jù)公式計(jì)算其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
主軸根據(jù)空間結(jié)構(gòu)其傳動(dòng)要求初步設(shè)計(jì)，三維模型如圖
圖 大軸三維圖
二維圖及尺寸如圖
圖 大軸二維圖
根據(jù)公式計(jì)算其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
其余零件由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量太小，在初步計(jì)算中不列于考慮范圍。
等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，根據(jù)公式根據(jù)相鄰刀位轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間0.2s的初始條件，若連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)則電機(jī)轉(zhuǎn)速為25。則按照公式初步計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為
=22
根據(jù)查閱的資料，初步選擇為安川伺服電機(jī)，根據(jù)查閱安川伺服電機(jī)說明手冊(cè)，選取安川伺服電機(jī)SGMGH-44A。此伺服電機(jī)的數(shù)據(jù)如圖
圖 安川伺服電機(jī)部分?jǐn)?shù)據(jù)
伺服電機(jī)型號(hào)
SGMGH-44A
額定輸出
4.4kw
額定扭矩
28.4
瞬間最大扭矩
71.7
額定電流
32.8A
額定轉(zhuǎn)速
3000r/min
最高轉(zhuǎn)速
6000r/min
根據(jù)查閱安川伺服電機(jī)說明手冊(cè)，安川伺服電機(jī)的SGMGH-44A的額定功率為4.4kw。額定扭矩為28.4。滿足初步計(jì)算的扭矩要求。
根據(jù)電機(jī)的額定輸出功率計(jì)算刀盤轉(zhuǎn)位驅(qū)動(dòng)軸的最小軸徑，運(yùn)用公式。經(jīng)過計(jì)算結(jié)果為=48mm，經(jīng)過圓整為50mm。
根據(jù)電機(jī)的額定輸出功率計(jì)算動(dòng)力刀具傳動(dòng)軸的最小軸徑，運(yùn)用公式。經(jīng)過計(jì)算結(jié)果為=22mm，經(jīng)過圓整為25mm。
刀盤轉(zhuǎn)位傳動(dòng)齒輪計(jì)算
電機(jī)輸出功率為4.4kw，小齒輪轉(zhuǎn)速根據(jù)初始條件計(jì)算為50r/mm。根據(jù)公式計(jì)算其轉(zhuǎn)矩為：
刀盤轉(zhuǎn)位驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩根據(jù)公式計(jì)算為
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，傳動(dòng)比為2。
小齒輪初選材料為40Cr，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，硬度HBS=241—286。
大齒輪初選材料為45鋼，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，硬度為HBS=217-253。
初選
選用斜齒輪。
選擇齒寬系數(shù)
齒寬系數(shù)不宜過大，因此取。
按齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算
根據(jù)資料選 選 ，取，，，
查得許用接觸應(yīng)力，。
根據(jù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)查得，。
取失效概率1%，安全系數(shù)S=1。
計(jì)算
計(jì)算圓周速度
計(jì)算齒寬b及計(jì)算模數(shù)
計(jì)算齒寬吃高之比
計(jì)算縱向重合度
計(jì)算載荷系數(shù)K
已知使用系數(shù)根據(jù)v=0.984m/s，8級(jí)精度，查得動(dòng)載系數(shù)，，，。
按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑
計(jì)算模數(shù)
按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)縱向重合度查得螺旋角影響系數(shù)
計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)
查取齒形系數(shù)
由資料查得，
查應(yīng)力校正系數(shù)
由資料查得，
計(jì)算大小齒輪的并加以比較
由資料查得小齒輪的彎曲疲勞極限，大齒輪的彎曲疲勞極限。
由資料查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，。
去彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4計(jì)算
故，。
所以設(shè)計(jì)計(jì)算得
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法面模數(shù)小于由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算去，可滿足彎曲疲勞強(qiáng)度，為滿足接觸疲勞強(qiáng)度，需按照接觸疲勞強(qiáng)度算得的分度圓直徑。
計(jì)算齒數(shù) 。
可取，。
計(jì)算中心距圓整為83mm
齒輪寬度，
驅(qū)動(dòng)齒輪如圖
圖 驅(qū)動(dòng)齒輪三維圖
因?yàn)樵O(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)齒輪及動(dòng)力刀具傳動(dòng)齒輪的傳動(dòng)比為1：1，所以動(dòng)力刀具傳動(dòng)軸上的齒輪可以選用與驅(qū)動(dòng)齒輪一樣的齒輪。
計(jì)算過度齒輪
動(dòng)力刀具傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩計(jì)算運(yùn)用公式
過度齒輪的轉(zhuǎn)矩為
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，傳動(dòng)比為4。
小齒輪初選材料為40Cr，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，硬度HBS=241—286。
大齒輪初選材料為45鋼，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，硬度為HBS=217-253。
初選
選用斜齒輪。
選擇齒寬系數(shù)
因?yàn)闇p速器為閉式傳動(dòng)，所以齒寬系數(shù)不宜過大，因此取。
選螺旋角
初選螺旋角
按齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算
根據(jù)資料選 選 ，取，，，
查得許用接觸應(yīng)力，。
根據(jù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)查得，。
取失效概率1%，安全系數(shù)S=1。
計(jì)算
計(jì)算圓周速度
計(jì)算齒寬b及計(jì)算模數(shù)
計(jì)算齒寬吃高之比
計(jì)算縱向重合度
計(jì)算載荷系數(shù)K
已知使用系數(shù)根據(jù)v=0.984m/s，8級(jí)精度，查得動(dòng)載系數(shù)，，，。
按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑
計(jì)算模數(shù)
按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)縱向重合度查得螺旋角影響系數(shù)
計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)
查取齒形系數(shù)
由資料查得，
查應(yīng)力校正系數(shù)
由資料查得，
計(jì)算大小齒輪的并加以比較
由資料查得小齒輪的彎曲疲勞極限，大齒輪的彎曲疲勞極限。
由資料查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，。
去彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4計(jì)算
故，。
所以設(shè)計(jì)計(jì)算得
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法面模數(shù)小于由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算去，可滿足彎曲疲勞強(qiáng)度，為滿足接觸疲勞強(qiáng)度，需按照接觸疲勞強(qiáng)度算得的分度圓直徑。
計(jì)算齒數(shù) 。
可取，。
計(jì)算中心距圓整為138mm。
齒輪寬度，。
因?yàn)檫^度齒輪是動(dòng)力刀具的傳動(dòng)齒輪，但是安裝在刀盤轉(zhuǎn)位驅(qū)動(dòng)軸上。因?yàn)檫^度齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)不能帶動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)位驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，所以在過度齒輪與刀盤轉(zhuǎn)位驅(qū)動(dòng)軸之間加入一個(gè)軸承，以便實(shí)現(xiàn)過度齒輪在軸上空轉(zhuǎn)。由于過度齒輪不承受多少軸向力，所以在其內(nèi)可安裝深溝球軸承。如圖
圖 過度齒輪二維圖
動(dòng)力刀具驅(qū)動(dòng)齒輪和過度齒輪的傳動(dòng)比根據(jù)設(shè)計(jì)為1：1，可以采用與動(dòng)力刀具傳動(dòng)軸相同直徑以及模數(shù)的齒輪。
軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
刀盤轉(zhuǎn)位驅(qū)動(dòng)軸
最小軸徑計(jì)算=48mm，圓整為50mm。
軸如圖
圖 大軸設(shè)計(jì)圖
取d1=50mm，在軸的后端需要安裝軸承，所以設(shè)計(jì)L1=25mm。第二段加工為花鍵軸，以便實(shí)現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)位與動(dòng)力刀具驅(qū)動(dòng)之間的動(dòng)力切換。L2=74mm，然后查閱花鍵國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1144-2001,取軸的大徑為60mm，小徑為52mm，鍵寬為10mm。花鍵部分國家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表
小徑
d
輕系列
中系列
規(guī)格
鍵數(shù)
大徑
D
鍵寬B
規(guī)格
鍵數(shù)
大徑D
鍵寬B
11
6x11x14x3
6
14
3
13
6x13x16x3.5
16
3.5
16
6x16x20x4
20
4
18
6x18x22x5
22
5
21
6x21x25x5
25
23
6x23x26x6
6
26
6
6x23x28x6
28
6
26
6x26x30x6
30
6x26x32x6
32
28
6x28x32x7
32
7
6x28x34x7
34
7
32
6x32x38x6
36
6
8x32x38x6
8
38
6
36
8x36x40x7
8
40
7
8x36x42x7
42
7
42
8x42x46x8
46
8
8x42x48x8
48
8
46
8x46x50x9
50
9
8x46x54x9
54
9
52
8x52x59x10
58
10
8x52x60x10
60
10
56
8x56x62x10
62
8x56x65x10
65
62
8x62x68x10
68
12
8x62x72x12
72
12
72
10x72x78x10
76
10x72x82x12
82
82
10x82x88x12
88
10x82x92x12
92
表 部分花鍵國家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)
L3段需安裝軸承取d3=70mm，L3=28.5mm。軸承需軸肩定位，去d4=80mm，L4段需要安裝端齒盤及液壓系統(tǒng)，為其流出安裝空間，設(shè)計(jì)L4=101mm。L5段為與端齒盤中的動(dòng)盤的連接需要，d5=100mm，L5=10mm。L6段安裝過度齒輪，d6=80mm，L6=55mm。
動(dòng)力刀具傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)計(jì)算
根據(jù)電機(jī)的額定輸出功率確定最小軸徑，運(yùn)用公式計(jì)算得=11mm，圓整為20mm。動(dòng)力刀具傳動(dòng)軸如圖
圖 動(dòng)力刀具傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)圖
L1段需安裝齒輪，故需安裝鍵槽，由于齒輪相對(duì)與軸承為懸臂支撐，所以軸兩端需要安裝軸端擋圈，設(shè)計(jì)d1=20mm，L1=35mm。L2和L4段需要安裝軸承，d2=d4=25mm，L2=L4=17mm。L3段為刀架空間設(shè)計(jì)需要，同時(shí)軸承需要軸肩定位，取d3=30mm。L5段為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)力刀具和動(dòng)力脫開嚙合設(shè)計(jì)為花鍵軸，大徑為25mm，小徑為21mm，取中系列，花鍵國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1144-2011的部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖 。
軸承的選擇計(jì)算
各種軸承特性如表
軸承名稱
特點(diǎn)
調(diào)心球軸承
能承受少量軸向力，因外圈滾道是以軸承中心為中心的球面，故能自動(dòng)調(diào)心，允許內(nèi)圈相對(duì)外圈軸線偏斜量。一般不宜承受純軸向載荷。
調(diào)心滾子軸承
性能、特點(diǎn)與調(diào)心球軸承相同，但具有較大的徑向承載能力，允許內(nèi)圈對(duì)外圈軸線偏斜量。
推力調(diào)心滾子軸承
用于承受以軸向載荷為主的軸向、徑向聯(lián)合載荷，但徑向載荷不得超過軸向載荷的55%。運(yùn)轉(zhuǎn)中滾動(dòng)體受離心力矩作用，滾動(dòng)體與滾道間產(chǎn)生滑動(dòng)，并導(dǎo)致軸圈與座圈分離。為保證正常工作，需是施加一定的軸向預(yù)載荷。允許軸圈對(duì)座圈軸線偏斜量。
圓錐滾子軸承
可以同時(shí)承受徑向載荷及軸向載荷（30000型以徑向載荷為主，3000B型以軸向載荷為主）。外圈可分離，安裝時(shí)可調(diào)整軸承的游隙。一般成對(duì)使用。
推力球軸承
只能承受軸向載荷。高速時(shí)離心力大，鋼球與保持架磨損，發(fā)熱嚴(yán)重，壽命降低，故極限轉(zhuǎn)速很低。為了防止鋼球與滾道之間的滑動(dòng)，工作是必須加有一定的軸向載荷。軸線必須與軸承座底面垂直，載荷必須與軸線重合，以保證鋼球載荷的均勻分配。
深溝球軸承
主要承受徑向載荷，也可同時(shí)承受小的軸向載荷。當(dāng)量摩擦系數(shù)最小。在高轉(zhuǎn)速時(shí)，可用來承受純軸向載荷，工作中允許內(nèi)、外圈軸線偏斜量，大量生產(chǎn)，價(jià)格最低。
角接觸球軸承
可以同時(shí)承受徑向載荷及軸向載荷及軸向載荷，也可以單獨(dú)承受軸向載荷。能在較高轉(zhuǎn)速下正常工作。由于宇哥軸承只能承受單向的軸向力，因此，一般成對(duì)使用。承受軸向載荷的能力與接觸角有關(guān)。接觸角大的，承受軸向載荷的能力也高。
圓柱滾子軸承
有較大的徑向承載能力。外圈可以分離，故不能承受軸向載荷，滾子由內(nèi)圈的擋邊軸向定位，工作時(shí)允許內(nèi)、外圈有少量的軸向錯(cuò)動(dòng)。內(nèi)外圈軸線的允許偏斜量有?。?’-4’）.此類軸承還可以不帶外圈或內(nèi)圈。
滾針軸承
在同樣內(nèi)徑條件下，與其他類型軸承相比，其外徑最小，內(nèi)圈或外圈可以分離，工作室允許內(nèi)、外圈有少量的軸向錯(cuò)動(dòng)。有較大的徑向承載能力。一般不帶保持架。摩擦系數(shù)較大。
帶頂絲外球面球軸承
內(nèi)部結(jié)構(gòu)與深溝球軸承相同，但外圈具有球形外表面，與帶有凹球面的軸承座相配能自動(dòng)調(diào)心。常用緊定螺釘、偏心套或緊定套將軸承內(nèi)圈固定在軸上。軸心線語序偏斜。
根據(jù)各軸受力情況分析選取軸承，在刀盤轉(zhuǎn)位驅(qū)動(dòng)軸的L1段選取深溝球軸承6010GB/T276-1994，因?yàn)樯顪锨蜉S承可承受徑向力，也可以承受較小的軸向力，在L3段選用圓錐滾子軸承30214GB/T297-1994來承受由端齒盤嚙合以及齒輪滑移帶來的軸向力。
在動(dòng)力刀具傳動(dòng)軸的的L2與L4段因?yàn)閾懿鎿軇?dòng)滑移齒輪產(chǎn)生的軸向力較小，所以可以選用深溝球軸承來承受較小的軸向力，選用6005GB/T276-1994。
在動(dòng)力刀具驅(qū)動(dòng)軸上因基本不承受軸向力，所以選用兩個(gè)深溝球軸承承受徑向力。選用
6007GB/T276-1994。
液壓系統(tǒng)計(jì)算
本次設(shè)計(jì)中運(yùn)用到了液壓系統(tǒng)。一個(gè)完整的液壓系統(tǒng)由五個(gè)部分組成，即動(dòng)力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件（附件）和液壓油。
動(dòng)力元件：動(dòng)力元件的作用是將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能，指液壓系統(tǒng)中的油泵，它向整個(gè)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。液壓泵的結(jié)構(gòu)形式一般有齒輪泵、葉片泵、柱塞泵和螺桿泵。
執(zhí)行元件：執(zhí)行元件(如液壓缸和液壓馬達(dá))的作用是將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)負(fù)載作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
控制元件：控制元件(即各種液壓閥)在液壓系統(tǒng)中控制和調(diào)節(jié)液體的壓力、流量和方向。根據(jù)控制功能的不同，液壓閥可分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。壓力控制閥包括溢流閥(安全閥)、減壓閥、順序閥、壓力繼電器等；流量控制閥包括節(jié)流閥、調(diào)整閥、分流集流閥等；方向控制閥包括單向閥、液控單向閥、梭閥、換向閥等。根據(jù)控制方式不同，液壓閥可分為開關(guān)式控制閥、定值控制閥和比例控制閥。
輔助元件：輔助元件包括油箱、濾油器、冷卻器、加熱器、蓄能器、油管及管接頭、密封圈、快換接頭、高壓球閥、膠管總成、測(cè)壓接頭、壓力表、油位計(jì)、油溫計(jì)等。
液壓油：液壓油是液壓系統(tǒng)中傳遞能量的工作介質(zhì)，有各種礦物油、乳化液和合成型液壓油等幾大類。
本次設(shè)計(jì)中涉及要液壓系統(tǒng)的有兩處：鼠牙盤離合系統(tǒng)以及動(dòng)力切換裝置中的撥叉撥動(dòng)滑移齒輪。所以需要計(jì)算液壓缸直徑，查資料取液壓缸的工作壓力位0-2.5MPa。運(yùn)用公式計(jì)算液壓直徑。所以設(shè)計(jì)鼠牙盤離合系統(tǒng)液壓缸直為90mm。撥叉驅(qū)動(dòng)液壓缸運(yùn)用公式計(jì)算其直徑，設(shè)計(jì)撥叉驅(qū)動(dòng)液壓缸直徑為20mm。
強(qiáng)度校核
如圖 為主軸和刀盤連接示意圖，通過8個(gè)M12的螺栓螺母將刀盤座和刀盤連接在一起，通過4個(gè)M10的內(nèi)六角頭螺釘將刀盤座和主軸連接。不難發(fā)現(xiàn)，4個(gè)M10的內(nèi)六角頭螺釘承受相當(dāng)大的剪切應(yīng)力，是連接的薄弱部分，需要對(duì)其進(jìn)行校核。
1. 刀盤 2.螺栓 3.內(nèi)六角頭螺釘 4.主軸
刀盤以及刀盤座的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和為1.7設(shè)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)加速度為α。則通過螺釘傳遞的轉(zhuǎn)矩以及負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量滿足下列公式：
得出結(jié)果帶入上式得出。
螺釘受的剪切力運(yùn)用公式計(jì)算如下：
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得，所用內(nèi)六角頭螺釘?shù)脑S用剪切應(yīng)力為120MPa，所以此內(nèi)六角頭螺釘滿足剪切應(yīng)力的要求，下面校核擠壓應(yīng)力：
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得，所用內(nèi)六角頭螺釘?shù)脑S用擠壓應(yīng)力為150MPa，所以此內(nèi)六角頭螺釘滿足擠壓應(yīng)力的要求。
綜上所述，在這部分的連接中，所設(shè)計(jì)的連接時(shí)可靠的，滿足材料的許用應(yīng)力的要求。