車床-CK6130車削中心動力轉塔刀架設計
車床-CK6130車削中心動力轉塔刀架設計,車床,ck6130,車削,中心,動力,刀架,設計
南京工程學院
先進制造技術工程中心
本科畢業(yè)設計（論文）開題報告
題目：CK6130車削中心動力轉塔刀架設計與三維制作
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
班 級： D機加工041 學 號： 231040232
學生姓名： 張志偉
指導教師： 周明虎/關芳芳
2008年3月28日
本科畢業(yè)設計(論文)開題報告
學生姓名
張志偉
學 號
231040232
專 業(yè)
機械設計制造及其自動化
指導教師姓名
周明虎/關芳芳
職 稱
高工/助教
所在院系
先進制造技術工程中心
課題來源
自擬課題
課題性質
工程設計
課題名稱
CK6130車削中心動力轉塔刀架設計及三維制作
畢業(yè)設計的內容和意義?
畢業(yè)設計的具體內容：
1、動力轉塔刀架的整體結構，換刀的步驟，刀具的傳動方式
2、間隙分度機構中圓柱凸輪分度機構的設計和計算(八個工位)
3、單作用液壓缸的計算及設計(刀架的軸向力夾緊力)
4、減速電機的選擇，變頻電機的選擇用于刀具的旋轉(500-750W,2極)
5、端齒盤的設計及刀位的檢測裝置選用并掌握其工作原理
6、三維制作及裝配
7、撰寫畢業(yè)論文
本課題研究的意義：
在機械領域中，數(shù)控機床解決了很多普通機床所不能加工的復雜、精密的各種零件，有效的提高了生產(chǎn)效率。隨著我國綜合國力的進一步加強和加入世貿組織，我國經(jīng)濟全面與國際接軌，并逐步成為全球制造中心，從數(shù)控技術這行業(yè)體現(xiàn)出了我國的“效率”和“創(chuàng)新”兩大特點，注重科學實驗，理論與實際相結合。
數(shù)控轉塔刀架是加工中心、數(shù)控車床必備的機床附件，尤其適用全功能數(shù)控車床。當前，數(shù)控機床發(fā)展迅猛，一方面向高速、高效、高精度方面發(fā)展，同時，在制造行業(yè)中廣泛存在原有設備的數(shù)控改造和系統(tǒng)升級問題。作為關鍵附件，高性能的數(shù)控轉塔刀架對于提高機床整體運行的可靠性、穩(wěn)定性和效率有著重要意義，數(shù)控轉塔刀架是由數(shù)控系統(tǒng)來控制的，因此，在轉塔刀架本身性能提高的情況下，如何實現(xiàn)控制任務就顯得十分重要了。國內數(shù)控車床轉塔刀架的設計和生產(chǎn)都是依賴先進國家的，而且產(chǎn)品的性能方面跟國外還有一定的差距，期待開發(fā)設計一種性能最優(yōu)，最有實用價值的轉塔刀架，來適應市場，替代進口產(chǎn)品低價位的數(shù)控車床用轉塔刀架，占領國內市場，并達到國際領先水平，為國產(chǎn)機床工業(yè)的發(fā)展作出貢獻。
本次設計的動力轉塔刀架的刀架抬起和夾緊是通過氣液增壓缸來實現(xiàn)的，成本比較低，而且自鎖可靠、密封性好、安全。刀架轉位采用圓柱凸輪分度機構，用單作用液壓缸抬起刀架，同時通過碟形彈簧復位壓緊；采用端齒盤來進行精確定位；用變頻電機通過齒輪傳動帶動刀具旋轉。
英文期刊文章引用：作者. 題名. 期刊名, 出版年份，期號：起止頁碼
文
獻
綜
述
隨著科學技術和社會生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對機械產(chǎn)品的性能、質量、生產(chǎn)率和成本提出了越來越高的要求，并隨著汽車、飛機和導彈制造業(yè)的迅速發(fā)展，原來的加工設備已無法承擔加工航空工業(yè)需要的復雜型面零件。數(shù)控技術是為了解決復雜型面零件加工的自動化而生產(chǎn)的。為了滿足市場和科學技術發(fā)展的需要，為了達到現(xiàn)代制造技術對數(shù)控技術提出的更高的要求，當前的數(shù)控技術及其裝備正朝著高速、高效和高精度、高可靠性、模塊化、智能化、柔性化和集成化、開放性、出現(xiàn)新一代數(shù)控加工工藝與裝備這幾個方向發(fā)展[1]。
現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要目標是為了進一步降低價格，增加可靠性，拓寬功能，提高操作舒適性，提高集成性，提高系統(tǒng)的柔性和開放性，減小體積，提高數(shù)控機床的生產(chǎn)能力[2]。最終研制開發(fā)出軟、硬件都具有開放式機構的智能化全功能通用數(shù)控裝置。我國目前還沒有制定出開放式數(shù)控系統(tǒng)的標準規(guī)范，但從“八五”開始也對此作了一些有益的探索工作，并開發(fā)出具有我國自主知識產(chǎn)權的數(shù)控系統(tǒng)，特別是提出開發(fā)中華Ι型和航天Ⅰ型兩個基本系統(tǒng)及系列產(chǎn)品，并利用基本系統(tǒng)發(fā)揮我國的軟件優(yōu)勢，實施平臺戰(zhàn)略，發(fā)展我國的數(shù)控軟件的指導思想。多軸車床中心在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中是很重要的，機床的復雜結構會引起刀具位移不精密，從而導致運動參數(shù)誤差，產(chǎn)生制造誤差、裝配誤差、或準靜力誤差。機床的正確數(shù)理分析對發(fā)現(xiàn)這些源頭誤差是很有必要的[3]。
車削中心是以車削加工中心模式為主，添加動力刀頭后又可進行銑削加工模式的“車、銑合一”的切削加工類型的機床 [4]。一般數(shù)控車床的轉塔刀架只是純粹的進行車，鉆等加工項目。在熟悉車削中心的基礎上，掌握各工作原理，區(qū)別于其他一般的數(shù)控車床，普通刀架一般的只是用于工序較少，精度要求不高，而且只能車削回轉零件的場合，但是車削中心在一次裝夾中能夠完成多道工序的加工任務，結合了“車銑合一”的原則，這就要求轉塔刀頭能在各個工位提供多個軸線的回轉運動，使加工范圍進一步的擴大，從而大大提高了加工精度和生產(chǎn)效率。這種多工序的加工中心，必然需要使用多種刀具，因此對自動換刀裝置有較高的要求，以實現(xiàn)換刀時間短、刀具重復定位精度高、足夠的刀具儲備量、占地面積小、安全可靠等特性[5]。對于一般的數(shù)控車床刀架設計的基本要求是轉位準確可靠，工作平穩(wěn)安全；轉位時間短；轉位以后重復定位精度高；防水防屑，密封性能優(yōu)良；夾緊剛性高，適宜重負荷切削?，F(xiàn)有的數(shù)控刀架有數(shù)控轉塔式（立式和臥式）和直排式刀架。刀架換刀可分為排刀式刀架，經(jīng)濟型數(shù)控車床方刀架，一般轉塔回轉刀架，電動機傳動的轉塔刀架，液壓驅動的轉塔刀架，車削中心的動力刀具。立式數(shù)控轉塔刀架是回轉軸線與安裝基面垂直，可裝夾多把刀具或工具，采用數(shù)字信息指令控制轉位的刀架，它常采用4和6兩種工位，按性能可分為驅動，通過減速機構，行星機構，馬氏機構或凸輪機構來完成刀架的松開、抬起、轉位和夾緊等動作；它可按主機的編程要求完成刀架的自動換刀動作，以實現(xiàn)數(shù)控機床加工程序的自動化和高效化。而臥式數(shù)控轉塔刀架為一種回轉軸線與安裝基面平行的，可裝夾多把刀具或工具，采用數(shù)字信息指令控制的刀架。它利用裝夾于刀盤上的非動力刀夾和動力刀夾來夾持各種不同用途的刀具或工具，刀盤根據(jù)機床編程的指令轉過若干個工位，來實現(xiàn)主機的自動換刀動作；車削中心的動力刀架可安裝各種非動力輔助刀夾和動力刀夾進行切削，刀架采用端齒分度，轉位由三相異步電動機驅動，刀位由二進制絕對編碼器識別，動力刀具由交流伺服電動機驅動，通過同步齒形帶等將動力傳遞到刀夾。
液壓驅動的轉塔刀架，是利用液壓缸夾緊，液壓馬達驅動分度，端齒盤副定位，當?shù)都芙邮盏睫D位指令后，液壓油進入液壓缸的右腔，通過活塞推動中心軸將刀盤左移，使定位副端齒盤脫離嚙合狀態(tài)，為轉位作好準備。當?shù)侗P處于完全脫開位置時，行程開關發(fā)出轉位信號，液壓馬達帶動轉位凸輪旋轉，凸輪依次推動回轉盤上的柱銷，使回轉盤通過鍵帶動中心軸及刀盤做分度運動。凸輪每轉一周撥過一個柱銷，使刀盤旋轉1/n周（n為刀架的工位數(shù)）。中心軸的尾端固定著一個有n個齒的凸輪，當中心軸和刀盤轉過一個工位時，凸輪計數(shù)開關一次，開關將此信號送入控制系統(tǒng)。當?shù)侗P旋轉到預定工位時，控制系統(tǒng)發(fā)出信號使液壓馬達剎車，轉位凸輪停止運動，刀架處于預定位狀態(tài)。與此同時，液壓缸左進油，通過活塞將中心軸拉回，端齒盤副嚙合。精確定位，刀盤便完成定位和夾緊動作。刀盤夾緊后，中心軸尾部壓下發(fā)出轉位結束信號[6-7]。液壓缸的結構可分為缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置和排氣裝置五個部分[8]。其中刀架的轉位是通過圓柱凸輪間歇運動機構來實現(xiàn)的，這種凸輪機構可以通過調整凸輪與轉盤中心距來消除滾子與凸輪突脊接觸的間隙，傳動可靠、平穩(wěn)，轉盤可以實現(xiàn)任何運動規(guī)律，以適應高轉速要求；可以改變凸輪曲線槽所對應的β角，改變轉動與停歇時間比值；轉盤停歇時，一般就依靠凸輪棱進行定位，不需要附加定位裝置，但凸輪加工要求精度高[9]。
想要加工出精度較高的零件，不僅對于刀架的轉位精度要求高，而且對于刀具的選擇也很有講究。車削中心動力刀架一般以車削為主的形式，再附加銑削為輔的綜合加工，車刀按加工表面一般可分為外圓車刀、端面車刀、切斷車刀、螺紋車刀和內孔車刀等；按結構類型分為整體式、焊接式、機夾式、可轉位式。車削時，由于刀具幾何形狀的不同和輪廓變化將影響到加工精度，這些都可以通過電腦模擬仿真來查看一系列的誤差并加以修改[10]。銑刀一般分為尖齒銑刀、可轉位面銑刀、鏟齒成形銑刀等[11]。數(shù)控編程加工也具有很大的靈活性，對同一個加工對象，將會有不同的加工方案，也就有不同的加工程序。數(shù)控加工是通過數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行程序來控制機床的運行的，而程序簡單地說就是在加工前用規(guī)定的指令代碼描述加工所需要的各種操作計劃信息的指令集合。從而總結出以下優(yōu)點：（1）加工精度高；（2）加工生產(chǎn)率高；（3）加工適應性好；（4）加工勞動強度低；（5）良好的經(jīng)濟效益；（6）有利于生產(chǎn)管理現(xiàn)代化[12]。
總之，數(shù)控技術給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控技術集成了傳統(tǒng)的機械制造技術,計算機技術,成組技術與現(xiàn)代控制技術,傳感檢測技術 ,信息處理技術,網(wǎng)絡通訊技術,液壓氣動技術,光機電技術于一體,是現(xiàn)代先進制造技術的基礎和核心。
參考文獻：
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研究內容
１、對車削中心進一步熟悉和認識
車削中心是以車削加工中心模式為主，添加動力刀頭后又可進行銑削加工模式的車-銑合一的切削加工類型，使加工范圍進一步的擴大。
2、動力轉塔刀架的整體結構，換刀的步驟，刀具的傳動方式
動力轉塔刀架的整體結構為液壓驅動的轉塔刀架，分為抬起、轉位、夾緊三個步驟，其中抬起和夾緊是通過氣液增壓缸來實現(xiàn)的，轉位是通過圓柱凸輪分度機構來實現(xiàn)的，而凸輪機構是通過電機來驅動的。
3、間隙分度機構中圓柱凸輪分度機構的設計和計算(八個工位)
圓柱凸輪分度機構是由凸輪、轉盤、機架組成。當凸輪轉過曲線槽所對應的角度時，凸輪曲線槽推動滾子使轉盤轉過相鄰兩滾子所夾的中心角，當凸輪繼續(xù)轉過其余角度時，轉盤靜止不動。這樣，就實現(xiàn)了該機構的間歇運動。
4、單作用液壓缸的計算，設計(刀架的軸向力夾緊力)
通過液壓來推動刀架軸運動，自鎖性可靠，密封好。
５、減速電機的選擇(刀架的轉動)，變頻電機的選擇用于刀具的旋轉(500-750W,2極)
根據(jù)安裝條件選定，主要選擇電機類型、結構、容量、轉速、最后確定電機型號和規(guī)格。
6、端齒盤的設計
端齒盤分為靜端齒盤和動端齒盤兩種，可以通過其整體結構計算然后選擇外購。
7、刀位的檢測裝置選用并掌握其工作原理
檢測刀位信號，當上刀體轉到某一刀位時，磁鋼與發(fā)信盤相對應，該刀位為低電平。與系統(tǒng)的輸入指令性比較，當實際刀號與輸入指令相一致，則轉到位向系統(tǒng)發(fā)出到位信號，若不一致則繼續(xù)找刀，如果某個刀位上得霍爾開關損壞，數(shù)控裝置將檢測不到刀位信號，會造成刀架體連續(xù)旋轉。不定位。
８、繪制三維圖形
研究計劃
研究周期與時間安排
畢業(yè)設計起止日期：3.10─6.13 (第三周─第十六周)
第一階段 (3.10-3.21)：熟悉課題，收集借閱有關資料，粗擬開題報告；
第二階段 (3.24-3.28)：完成開題報告；
第三階段 (3.31-4.4)：構思總體設計方案；
第四階段 (4.7-4.18)：CK6130車削中心動力轉塔刀架總圖設計；
第五階段 (4.21-4.25)：中期檢查；
第六階段 (4.28-5.9)：傳動機構和分度機構零件圖設計；
第七階段 (5.12-5.16)：階段檢查、整改和完善；
第八階段 (5.19-5.23)：翻譯有關英文資料；
第九階段 (5.26-5.30)：論文定稿；
第十階段 (6.2-6.13)：整理資料并進行答辯。
特色與創(chuàng)新
本論文特色與創(chuàng)新如下：
1、 采用單作用液壓缸來實現(xiàn)刀架的抬起動作；采用碟形彈簧復位夾緊，端齒盤實
現(xiàn)刀架精確定位。
2、采用圓柱凸輪分度機構實現(xiàn)間歇運動，其中從動盤與刀架軸采用花鍵聯(lián)接，刀
架軸與刀架采用螺釘來固定，從而實現(xiàn)刀架的轉位動作。
3、采用減速電機驅動動力刀具旋轉，刀具傳動機構中采用齒輪傳動來提高效率。
指導教師
意 見
指導教師簽名：
年 月 日
教研室意見
系部意見
主任簽名：
年 月 日
教學主任簽名：
年 月 日
南京工程學院先進制造技術工程中心畢業(yè)設計說明書（論文）
目錄
前言 1
第一章 緒論 3
1.1國內外數(shù)控車床的研究狀況與成果 3
1.2數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢 4
1.3 數(shù)控轉塔刀架的開發(fā)應用 4
第二章 數(shù)控車床自動換刀裝置 5
2.1概述 5
2.2 ATC刀具自動換刀形式 6
2.3 數(shù)控車床刀架的功能、類型和滿足的要求 7
2.3.1數(shù)控車床刀架的功能 8
2.3.2數(shù)控機床刀架的類型 8
2.3.3數(shù)控機床刀架應滿足的要求 9
第三章 車削中心動力刀架總體方案設計 11
3.1調查研究與資料收集 11
3.1.1 課題的調查研究 11
3.1.2資料收集 11
3.2動力刀架的整體方案設計與選擇 11
3.2.1 動力刀架的整體方案設計 11
3.2.2液壓驅動的刀架工作原理 12
3.2.3 刀架定位精度及重復定位精度 13
3.3動力刀架傳動部分方案設計 13
3.4 動力刀架的分度機構方案設計 14
3.5動力刀架動力刀具方案設計 15
3.5.1 齒輪傳動的分類和特點 16
3.5.2 齒輪傳動類型選擇的原則 17
第四章 典型零件的設計和選用 18
4.1 動力刀架傳動部分 18
4.1.1 刀架軸的結構設計及計算 18
4.1.2 液壓缸的設計 19
4.1.2.1 選擇液壓缸類型 19
4.1.2.2 液壓缸內徑D和活塞直徑d的計算 20
4.1.3 碟形彈簧的計算及選用 21
4.1.4 軸承的選用 22
4.1.5 端齒盤的選用 23
4.1.5.1端齒盤的應用 23
4.1.5.2端齒盤的特點 24
4.1.5.3 端齒盤的設計 24
4.2 動力刀架的分度機構部分 25
4.2.1伺服電機的選用 25
4.2.1.1伺服電機的分類 26
4.2.1.2 伺服電機的一般選擇原則 26
4.2.1.3伺服電機的選用 26
4.2.2凸輪機構的選用及計算 30
4.2.2.1凸輪式間歇運動機構的特點及應用 30
4.2.2.2圓柱凸輪分度機構參數(shù)確定 31
4.3 動力刀架動力刀具部分 31
4.3.1交流伺服電動機的選擇 32
4.3.1.1概述 32
4.3.1.2 伺服電機的性能 32
4.3.2 齒輪設計計算及選用 33
4.3.3 軸承的選用 35
第五章 CK6130車削中心動力轉塔刀架三維制作 36
5.1 典型零部件實體制作 36
5.1.1刀架軸的實體制作 36
5.1.2刀盤的制作 36
5.1.3齒輪制作 37
5.1.4圓柱凸輪制作 37
5.2 裝配圖、剖視圖、爆炸圖 39
第六章 總結 42
致謝 43
參考文獻： 44
前言
制造業(yè)是一個國家或地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，其發(fā)展水平標志著該國或地區(qū)經(jīng)濟的實力，科技水平，生活水準和國防實力。國際市場的競爭歸根到底是各國制造生產(chǎn)能力及機械制造裝備的競爭。
自從20世紀60年代世界上第一臺數(shù)控機床問世以來，隨著計算機技術、微電子技術、現(xiàn)代控制技術、傳感檢測技術、信息處理技術、網(wǎng)絡通信技術和機械制造技術等各相關領域的發(fā)展，數(shù)控技術已成為現(xiàn)代先進制造系統(tǒng)(FMS，CIMS等)中不可缺少的基礎技術。由于機床數(shù)控系統(tǒng)技術復雜，種類繁多。現(xiàn)在數(shù)控機床的“使用難、維修難”問題，已經(jīng)是影響數(shù)控機床有效利用的首要問題。
工業(yè)發(fā)達國家都非常注重機械制造業(yè)的發(fā)展，為了用先進技術和工藝裝備制造業(yè)，機械制造裝備工業(yè)得到先發(fā)展。對比之下，我國目前機械制造業(yè)的裝備水平還比較落后，表現(xiàn)在大部分工廠的機械制造裝備基本上是通用機床加專用工藝裝備，數(shù)控機床在機械制造裝備中的比重還非常低，導致“剛性”強,更新產(chǎn)品速度慢，生產(chǎn)批量不宜太小，生產(chǎn)品種不宜過多；自動化程度基本上還是“一個工人，一把刀，一臺機床”，導致勞動生產(chǎn)率低下，產(chǎn)品質量不穩(wěn)定。 因此，要縮小我國同工業(yè)發(fā)達國家的差距,我們必須在機械制造裝備方面大下功夫，其中最重要的一個方面就是增加數(shù)控機床在機械制造裝備中的比重[1]。
本課題為CK6130車削中心動力轉塔刀架設計及三維制作，該刀架能夠在一次裝夾中完成多道工序，使加工范圍擴大，大大提高了加工精度和生產(chǎn)效率。本次設計的主要內容為：1．CK6130車削中心動力轉塔刀架總體布局設計；2．動力刀架傳動部分設計；3．動力刀架分度機構設計；4．動力刀架刀具設計；5.外文資料的翻譯。
分度機構和動力刀具部分設計是這次設計中的重點內容，同時也是難點。通過廣泛查閱文獻資料，參觀數(shù)控車床實物樣機以及與指導老師相互討論等途徑，擬定了如下的研究手段：
回轉刀架的換刀分為刀盤抬起、刀架鎖緊和刀盤轉位三個動作。其中刀盤抬起和刀架鎖緊由液壓來實現(xiàn)，而刀盤轉位則由伺服電機來驅動。刀盤抬起動作的實現(xiàn)須經(jīng)以下步驟：數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀盤抬起命令液壓系統(tǒng)啟動壓力油進入液壓缸右腔活塞向左運動刀架主軸向左移動端齒盤脫離嚙合刀盤抬起。刀盤轉位動作的實現(xiàn)順經(jīng)以下步驟：數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀盤轉位的命令伺服電機啟動圓柱凸輪轉動刀架主軸轉動實現(xiàn)刀盤轉位。刀盤鎖緊動作的實現(xiàn)順經(jīng)以下的步驟： 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀盤鎖緊順序動作：碟形彈簧復位活塞向右運動刀架主軸向右移動端齒盤嚙合實現(xiàn)刀盤鎖緊。
第一章 緒論
1.1國內外數(shù)控車床的研究狀況與成果
我國從1958年開始研究數(shù)控機床，一直到20世紀60年代中期還處于研制開發(fā)時期。當時，一些高等院校，科研單位研制出試樣樣機，是從電子管起步的。
1965年，國內開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。20世紀60年代末至70年代初研制成了劈錐數(shù)控銑床，數(shù)控非圓齒輪插齒機。CIL—18晶體管數(shù)控系統(tǒng)及Z53K—1G立式數(shù)控銑床。
從20世紀70年代開始,數(shù)控技術在車，銑 ，鏜,磨，齒輪加工，電加工等領域全面展開，數(shù)控加工中心在上海，北京研制成功。但由于電子元器件的質量和制造工藝水平差，致使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性,穩(wěn)定性末行到解決，因此末能廣泛推廣。
20世紀80年代，我國從昌本發(fā)那科公司引進了3,5,6,7等系列的數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服電機，直流主軸電機等制造技術，以及引進美國GE公司的MCI系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)，德國西門子VS系列可控硅調速裝置，并進行了商品化生產(chǎn).這些系統(tǒng)可靠性高，功能齊全。與此同時，還自行開發(fā)了3、4、5軸聯(lián)動的數(shù)控系統(tǒng)以及雙電機驅動的同步數(shù)控系統(tǒng)(用于火焰切割機)和新品種的伺服電機，推動了我國數(shù)控機床穩(wěn)定發(fā)展，使我國數(shù)控機床在性能和質量上產(chǎn)生了一個質的飛躍。
1985年，我國數(shù)控機床的品種有了新的發(fā)展。數(shù)控機床品種不斷增多，規(guī)格齊全。許多技術復雜的大型數(shù)控機床，重型數(shù)控機床都相繼研制出來。為了跟蹤國外現(xiàn)代制造技術的發(fā)展，北京機床研究所研制出了JCS-FMS-1型和2型的柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng)。這個時期，我國在引進，消化國外技術的基礎上，進行了大量開發(fā)工作。一些較高檔次的數(shù)控系統(tǒng)(5軸聯(lián)動)，分辨率為0.02的高精度數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)字仿型數(shù)控系統(tǒng)為柔性單元配套的數(shù)控系統(tǒng)都開發(fā)出來了，并造出樣機。
我國的數(shù)控技術經(jīng)過“六五”，“七五”，“八五”，到“九五”的近20年的發(fā)展，基本上掌握了關鍵技術，建立了數(shù)控開發(fā)，生產(chǎn)基地，培養(yǎng)了一批數(shù)控人才，初步形成了自己的數(shù)控產(chǎn)業(yè)。“十五”攻關開發(fā)的成果：華中號、中華號、航天號和藍天號4種基本系統(tǒng)建立了具有中國自主版機的數(shù)控技術平臺。具有中國特色濟型數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過這些年來的發(fā)展，有了較大的提高。它們逐漸被用戶認可，在市場上站住了腳[2]。
目前我國數(shù)控機床生產(chǎn)廠有100多家，生產(chǎn)數(shù)控機床配套產(chǎn)品的企業(yè)有300余家，產(chǎn)品品種包括八大類2000種以上。目前已新開發(fā)出數(shù)控系統(tǒng)80余種，分為3種型級，即經(jīng)濟型，普及型和高級型?！熬盼濉逼陂g數(shù)控機床發(fā)展已進入實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化階段，數(shù)控機床新開發(fā)品種300余種，已有一定的覆蓋面。新開發(fā)的國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)品大部分達到期際上20世紀80年代中期水平，部分達到90年代水平，為國家重點建設提供了一批高水平數(shù)控機床。
1.2數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢
數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢是：隨著數(shù)控車床的發(fā)展，數(shù)控刀架開始向快速換刀、電液組合驅動和伺服驅動方向發(fā)展。
目前國內數(shù)控刀架以電動為主，分為立式和臥式兩種。立式刀架有四、六工位兩種形式，主要用于簡易數(shù)控車床；臥式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋轉，就近選刀，用于全功能數(shù)控車床。另外臥式刀架還有液動刀架和伺服驅動刀架。
數(shù)控刀架的市場分析：國產(chǎn)數(shù)控車床今后將向中高檔發(fā)展，中檔采用普及型數(shù)控刀架配套，高檔采用動力型刀架，兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種，近年來需要量可達1000～1500臺。
1.3 數(shù)控轉塔刀架的開發(fā)應用
數(shù)控轉塔刀架是以回轉分度實現(xiàn)刀具自動交換及回轉動力刀具的傳動。因此技術含量高，已趨向專業(yè)化開發(fā)生產(chǎn)。所以對數(shù)控轉塔刀架的研究開發(fā)及應用已引起數(shù)控機床行業(yè)重視。
典型數(shù)控轉塔刀架一般由動力源（電機或油缸、液壓馬達）、機械傳動機構、預分度機構、定位機構、鎖緊機構、檢測裝置、接口電路、刀具安裝臺（刀盤）、動力刀座等組成。數(shù)控轉塔刀架的動作循環(huán)為：T指令（換刀指令）刀盤放松轉位刀位檢測預分度精確定位刀盤鎖緊結束信號。
第二章 數(shù)控車床自動換刀裝置
2.1概述
自動換刀裝置的形式是多種多樣的，有刀庫式和轉塔式，雖然換刀過程、選刀方式、刀庫結構、機械手類型等各不相同，但都是在數(shù)控裝置及可編程序控制器控制下，有電動機或液壓或氣動機構驅動刀庫和機械手實現(xiàn)刀具的選擇與交換。我們把這種為實現(xiàn)多工序的連續(xù)加工，在加工中心或車削中心中，可進行刀具的選擇與交換的裝置叫自動換刀裝置（automatic tool change 簡稱ATC）。
自動換刀裝置是數(shù)控車床最普遍的一種輔助裝置，它可使數(shù)控車床在工件一次裝夾中完成多種甚至所有的加工工序，以縮短加工的輔助時間，減少加工過程中由于多次安裝工件而引起的誤差，從而提高機床的加工效率和加工精度[3]。
我國對加工中心的需求一直是有增無減，同時，加工中心自動換刀裝置的開發(fā)也有長足的發(fā)展。對于臥式加工中心來說，有從用于JCS-013的獨立式自動換刀裝置到用于TH6350、TH6363、TH6380和TH63100的TB51.02雙層缸式通用機械手加鏈式刀庫（北京機床研究所設計并制造）的自動換刀裝置；對于立式加工中心來說，有從用于JCS-018的氣液型鼓輪式自動換刀裝置到用于XH715B和XH715C的多凸輪聯(lián)動型鼓輪式自動換刀裝置。特別是用于TH715B和TH715C的多凸輪聯(lián)動型鼓輪式自動換刀裝置，他的研制成功，為我國自動換刀裝置設計與制造翻開了嶄新的一頁，自1991年鑒定后批量生產(chǎn)，已累計生產(chǎn)了50多臺，由于其結構簡單，迅速可靠（刀對刀2.5s），受到廣大國內外用戶的一致好評。
加工中心和車削中心自動換刀裝置的發(fā)展趨勢是四個方向：一是高速、可靠，追求的目標是換刀時間盡量的短，以換取加工中心和車削中心的高效性；二是簡單實用、造價低、使用可靠，但換刀速度不快。
自動換刀裝置開發(fā)技術要全面注意下列五個方面：
1）自動換刀裝置的可靠性與優(yōu)化設計研究。通過對自動換刀裝置進行可靠性分析研究，找出其薄弱環(huán)節(jié)，通過改進設計，使自動換刀裝置故障率大大減少，保證百萬次以上正常換刀的品質。通過對自動換刀裝置進行多目標的優(yōu)化設計，使其動態(tài)性能達到最優(yōu)，進而提高自動換刀裝置的性能，降低其制造成本，使刀對刀換刀時間對40刀柄不大于1s，達到世界先進水平。
2）自動換刀裝置的系列化與CAD設計。使自動換刀裝置適用國內廠家的各種產(chǎn)品，以便得到推廣和使用。即達到廠家一旦提出的參數(shù)：不同刀柄型號，刀庫容量等的自動換刀裝置，使廠家立即投入生產(chǎn)，并且是處于國內先進水平的。
3）自動換刀裝置制造技術研究。針對自動換刀裝置中關鍵零件的制造技術進行研究，以提高其制造質量和降低制造成本。
4）自動換刀裝置新技術的研究。跟蹤國際加工中心和車削中心自動換刀裝置的發(fā)展主流，研究自動換刀裝置的新工作原理及新技術。
5）自動換刀裝置產(chǎn)業(yè)化研究。自動換刀裝置由專業(yè)廠生產(chǎn)比現(xiàn)有各廠家自行生產(chǎn)可降低成本，也能保證質量，同時在我國有巨大的市場，因此，在技術研究的基礎上，應研究使我國的自動換刀裝置生產(chǎn)走上產(chǎn)業(yè)化的道路，建立生產(chǎn)自動換刀裝置的基地。
自動換刀裝置的設計應滿足以下基本要求：
1）換刀時間短，以減少非加工時間。
2）減少換刀動作對加工范圍的干擾。
3）刀具重復定位精度高。
4）識刀、選刀可靠，換刀動作簡單可靠。
5）刀庫刀具存儲量合理。
6）刀庫占地面積小，并能與主機配合，使機床外觀協(xié)調美觀。
7）刀具裝卸、調整、維修方便，并能得到清潔的維護[4]。
2.2 ATC刀具自動換刀形式
為進一步提高數(shù)控機床的加工效率，數(shù)控機床正向著工件在一臺機床一次裝夾即可完成多道工序或全部工序加工的方向發(fā)展，因此出現(xiàn)了各種類型的加工中心機床，如車削中心、鏜銑加工中心、鉆削中心等等。這類多工序加工的數(shù)控機床在加工過程中要使用多種刀具，因此必須有自動換到裝置，以便選用不同刀具，完成不同工序的加工工藝。自動換到裝置應當具備換刀時間短、刀具重復定位精度高、足夠的刀具儲備量、占地面積小、安全可靠等特性[5]。
各類數(shù)控機床的自動換到裝置的結構取決于機床的類型、工藝范圍、使用刀具種類和數(shù)量。數(shù)控機床常用的自動換刀裝置的類型、特點、適用范圍見表1-1。
表1-1 自動換刀裝置類型
類別型式
特點
適用范圍
轉塔式
回轉刀架
多為順序換刀，換刀時間短、結構簡單緊湊、容納刀具較少
各種數(shù)控車床，數(shù)控車削加工中心
轉塔頭
順序換刀，換刀時間短，刀具主軸都集中在轉塔頭上，結構緊湊。但剛性較差，刀具主軸數(shù)受限制
數(shù)控鉆、鏜、銑床
刀庫式
刀具與主軸之間直接換刀
換刀運動集中，運動不見少。但刀庫容量受限
各種類型的自動換刀數(shù)控機床。尤其是對使用回轉類刀具的數(shù)控鏜、銑床類立式、臥式加工中心機床
要根據(jù)工藝范圍和機床特點，確定刀庫容量和自動換刀裝置類型
用機械手配合刀庫進行換刀
刀庫只有選刀運動，機械手進行換刀運動，刀庫容量大
2.3 數(shù)控車床刀架的功能、類型和滿足的要求
數(shù)控轉塔刀架是加工中心、數(shù)控車床必備的機床附件，尤其適用全功能數(shù)控車床。當前，數(shù)控機床發(fā)展迅猛，一方面向高速、高效、高精度方面發(fā)展，同時，在制造行業(yè)中廣泛存在原有設備的數(shù)控改造和系統(tǒng)升級問題。作為關鍵附件，高性能的數(shù)控轉塔刀架對于提高機床整體運行的可靠性、穩(wěn)定性和效率有著重要意義，數(shù)控轉塔刀架是由數(shù)控系統(tǒng)來控制的，因此，在轉塔刀架本身性能提高的情況下，如何實現(xiàn)控制任務就顯得十分重要了。
2.3.1數(shù)控車床刀架的功能
數(shù)控機床上的刀架是安放刀具的重要部件，許多刀架還直接參與切削工作，如臥式車床上的四方刀架，轉塔車床的轉塔刀架，回輪式轉塔車床的回輪刀架，自動車床的轉塔刀架和天平刀架等。這些刀架既安放刀具，而且還直接參與切削，承受極大的切削力作用，所以它往往成為工藝系統(tǒng)中的較薄弱環(huán)節(jié)。隨著自動化技術的發(fā)展，機床的刀架也有了許多變化，特別是數(shù)控車床上采用電(液)換位的自動刀架，有的還使用兩個回轉刀盤。加工中心則進一步采用了刀庫和換刀機械手，定現(xiàn)了大容量存儲刀具和自動交換刀具的功能，這種刀庫安放刀具的數(shù)量從幾十把到上百把，自動交換刀具的時間從十幾秒減少到幾秒甚至零點幾秒。這種刀庫和換刀機械手組成的自動換刀裝置，就成為加工中心的主要特征[6]。
因此，刀架的性能和結構往往直接影響到機床的切削性能、切削效率和體現(xiàn)了機床的設計和制造技術水平[7]。
2.3.2數(shù)控機床刀架的類型
按換刀方式的不同，數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉刀架、排式刀架和帶刀庫的自動換刀裝置等多種形式，下面對這三種形式的刀架作簡單的介紹。
1. 排式刀架
排式刀架一般用于小規(guī)格數(shù)控車床，以加工棒料或盤類零件為主。其結構形式為：
夾持著各種不同用途刀具的刀夾沿著機床的X坐標軸方向排列在橫向滑板上。刀具的典型布置方式如圖2.1所示。這種刀架在刀具布置和機床調整等方面都較為方便，可以根據(jù)具體工件的車削工藝要求，任意組合各種不同用途的刀具，一把刀具完成車削任務后，橫向滑板只要按程序沿X軸移動預先設定的距離后，第二把刀就到達加工位置，這樣就完成了機床的換刀動作。這種換刀方式迅速省時，有利于提高機床的生產(chǎn)效率。寶雞機床廠生產(chǎn)的CK7620P全功能數(shù)控車床配置的就是排式刀架。
2. 回轉刀架
回轉刀架是數(shù)控車床最常用的一種典型換刀刀架，一般通過液壓系統(tǒng)或電氣來實現(xiàn)機床的自動換刀動作，根據(jù)加工要求可設計成四方、六方刀架或圓盤式刀架，并相應地安裝4把、6把或更多的刀具?；剞D刀架的換刀動作可分為刀架抬起、刀架轉位和刀架鎖緊等幾個步驟。它的動作是由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令完成的。回轉刀架根據(jù)刀架回轉軸與安裝底面的相對位置，分為立式刀架和臥式刀架兩種。
3. 帶刀庫的自動換刀裝置
上述排刀式刀架和回轉刀架所安裝的刀具都不可能太多，即使是裝備兩個刀架，對刀具的數(shù)目也有一定限制。當由于某種原因需要數(shù)量較多的刀具時，應采用帶刀庫的自動換刀裝置。帶刀庫的自動換刀裝置由刀庫和刀具交換機構組成。
(a)回轉刀架 (b) 排式刀架
圖2.1 機床刀架類型結構圖
2.3.3數(shù)控機床刀架應滿足的要求
1） 滿足工藝過程所提出的要求。機床依靠刀具和工件間相對運動形成工件表面，而工件的表面形狀和表面位置的不同，要求刀架能夠布置足夠多的刀具，而且能夠方便而正確地加工各工件表面， 為了實現(xiàn)在工件的一次安裝中完成多工序加工，所以要求刀架可以方便地轉位。
2） 在刀架以要能牢固地安裝刀具，在刀架上安裝刀具進還應能精確地調整刀具的位置，采用自動交換刀具時，應能保證刀具交換前后都能處于正確位置。以保證刀具和工件間準確的相對位置。刀架的運動精度將直接反映到加工工件的幾何形狀精度和表面粗糙度上，為此，刀架的運動軌跡必須準確，運動應平穩(wěn)，刀架運轉的終點到位應準確。面且這種精度保持性要好，以便長期保持刀具的正確位置。
3） 刀架應具有足夠的剛度。由于刀具的類型、尺寸各異，重量相差很大，刀具在自動轉換過程中方向變換較復雜，而且有些刀架還直接承受切削力。考慮到采用新型刀具材料和先進的切削用量，所以刀架必須具有足夠的剛度，以使切削過程和換刀過程平穩(wěn)。
4） 可靠性高。由于刀架在機床工作過程中，使用次數(shù)很多，而且使用頻率也高，所以必須充分重視它的可靠性。
5） 刀架是為了提高機床自動化而出現(xiàn)的，因而它的換刀時間應盡可能縮短，以利于提高生產(chǎn)率。目前自動換刀裝置的換刀時間在0.8—6秒之間不等。而且還在進一步縮短。
6） 操作方便和安全。刀架是工人經(jīng)常操作的機床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是評價刀架設計好壞的指標。刀架上應便于工人裝刀和調刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作調整刀架的手柄（或手輪）要省力，應盡量設置在便于操作的地方[8]。
第三章 車削中心動力刀架總體方案設計
3.1調查研究與資料收集
3.1.1 課題的調查研究
從國內外市場調研結果看，國內對數(shù)控車床轉塔刀架的設計和生產(chǎn)都是依賴于先進國家的，而且產(chǎn)品的性能方面跟國外還有一定的差距，期待開發(fā)設計一種性能最優(yōu)，最有實用價值的轉塔刀架，適應市場，替代進口產(chǎn)品低價位的數(shù)控車床用轉塔刀架，占領國內市場，并達到國際領先水平，為國產(chǎn)機床工業(yè)的發(fā)展作出貢獻。車削加工中心是目前國際上比較前端的一種數(shù)控機床，可以進行多工序加工，如車削、鉆削、銑削等。有關人士指出，數(shù)控機床附件及其配套功能附件是我國機床工具制造業(yè)“十五”計劃重點發(fā)展產(chǎn)品。雖然我國數(shù)控機床產(chǎn)品附件的研制由無到有，取得了顯著成績，但與國外先進水平相比還是有一定差距的。為確保國產(chǎn)數(shù)控機床的大發(fā)展，就必須把數(shù)控機床附件盡快搞上去。為此他們建議國家有關部門，盡快制定有關鼓勵、扶持國產(chǎn)數(shù)控機床附件發(fā)展的相關政策，加大數(shù)控機床附件行業(yè)科研和技術改進投入，使國產(chǎn)數(shù)控機床附件行業(yè)有一個大發(fā)展。而且動力刀架是數(shù)控機床附件中尤為重要的一個部件，把這一技術提高是我們義不容辭的事情。
3.1.2資料收集
課題涉及到的有關知識包括：數(shù)控機床結構、車削加工中心、自動換刀裝置等等方面；其次還包括一些機械設計、機械傳動、液壓、間歇分度機構等方面的知識，在校圖書館借閱了一些關于本次設計有關的資料，而且還在網(wǎng)上搜索了一些相關資料：1）現(xiàn)代實用機床設計手冊；2）實用機床設計手冊；3）機械設計手冊；4）數(shù)控車床設計；5）數(shù)控機床結構與維修等等。
3.2動力刀架的整體方案設計與選擇
3.2.1 動力刀架的整體方案設計
刀架是車床的重要組成部分，車削中心的動力刀架可安裝各種非動力輔助刀夾和動力刀夾進行切削，用于夾持切削用的刀具,因此其結構直接影響到車床的切削性能和切削效率。刀架采用端齒分度，轉位由交流伺服電動機驅動，刀位由二進制絕對編碼器識別，動力刀具由變頻電機驅動，通過同步齒形帶等將動力傳遞到刀夾。
根據(jù)前部分對機床刀架類型、性能及其使用場合的綜合比較，并結合現(xiàn)有數(shù)控車床的實例，本次設計的CK6130車削中心動力刀架擬采用液壓驅動的動力轉塔刀架。該刀架的換刀動作分為刀盤抬起、刀盤分度轉位和刀盤鎖緊三個步驟，其中刀盤抬起由單作用液壓缸來實現(xiàn)，刀盤鎖緊由碟形彈簧復位來實現(xiàn)，而刀盤的分度轉位是由圓柱凸輪分度機構來實現(xiàn)的，由伺服電機驅動凸輪軸實現(xiàn)分度。
3.2.2液壓驅動的刀架工作原理
液壓驅動的轉塔刀架，是用液壓缸夾緊，液壓馬達驅動分度，端齒盤副定位，當?shù)都芙邮盏睫D位指令后，液壓油進入液壓缸的右腔，通過活塞推動中心軸將刀盤左移，使定位副端齒盤脫離嚙合狀態(tài)，為轉位作好準備。當?shù)侗P處于完全脫開位置時，行程開關發(fā)出轉位信號，液壓馬達帶動轉位凸輪旋轉，凸輪依次推動回轉盤上的柱銷。使回轉盤通過鍵帶動中心軸及刀盤做分度運動。凸輪每轉一周撥過一個柱銷。使刀盤旋轉1/n周（n為刀架的工位數(shù)）。中心軸的尾端固定著一個有n個齒的凸輪，當中心軸和刀盤轉過一個工位時，凸輪壓合計數(shù)開關一次，開關將此信號送入控制系統(tǒng)。當?shù)侗P旋轉到預定工位時，控制系統(tǒng)發(fā)出信號使液壓馬達剎車，轉位凸輪停止運動，刀架處于預定位狀態(tài)。與此同時，碟形彈簧復位，通過活塞將中心軸拉回，端齒盤副嚙合。精確定位，刀盤便完成定位和夾緊動作。刀盤夾緊后，中
心軸尾部壓下發(fā)出轉位結束信號。
圖3.2車削中心動力轉塔刀架示意圖
3.2.3 刀架定位精度及重復定位精度
定位精度是指轉塔到位后，刀架指定工位把刀孔中心線與設計中心線在豎直平面內的偏差。重復定位精度是指刀架各工位反復鎖緊多次后的偏差平均值。由于該刀架轉塔到位前，控制刀架初定位的霍爾元件發(fā)出信號使控制電機的電磁閥斷電，此時電機內部的機械自鎖部件使電機停在預定位置上，所以刀架具有較高的定位精度和重復定位精度。
3.3動力刀架傳動部分方案設計
本次設計的車削中心動力轉塔刀架是通過液壓驅動來實現(xiàn)刀架抬起動作，當?shù)都茌S尾部檢測裝置觸碰到微動開關，刀架開始轉位，而轉位動作是由圓柱凸輪分度機構來實現(xiàn)的，換刀時間為1s，最后一個動作為刀架瑣緊動作，由端齒盤來進行瑣緊定位。
3.4 動力刀架的分度機構方案設計
生產(chǎn)和日常生活中，經(jīng)常需要某些機構的主動件連續(xù)運動，從動件產(chǎn)生“動作——停止——動作”的間歇運動，實現(xiàn)這種運動的機構，稱為間歇運動機構。常用的間歇運動機構有棘輪機構、槽輪機構、不完全齒輪機構和凸輪式間歇機構等。它們廣泛用于自動及半自動機床的進給機構、送料機構、刀架轉位機構及包裝機等機構中。
1)棘輪機構主要由棘輪、棘爪、搖桿、制動爪和機架等組成。按照結構特點，可分為具有輪齒的棘輪機構和摩擦式棘輪機構兩大類。其特點結構簡單，轉角大小改變較方便，但它的動力不大，且傳動平穩(wěn)性差，因此只適用于轉速不高的場合，如各種機床和自動機床進給機構中。
2)槽輪機構由主動撥盤、從動槽輪及機架組成。槽輪機構有外嚙合槽輪機構和內嚙合槽輪機構兩種。其結構簡單，工作可靠，進入和脫離嚙合時運動平穩(wěn)；由于槽輪的轉角大小無法調節(jié)，故只能用于定轉角的間歇運動機構中。比如電影放映機上卷片機構等都是槽輪機構來實現(xiàn)的。
3)不完全齒輪機構是由普通漸開線齒輪機構演化而成的。但不同的是輪齒不布滿整個圓周，它可分為外嚙合和內嚙合兩種。其結構簡單，制造方便，從動輪的運動時間和靜止時間比例可不受結構的限制。其缺點是從動輪在進入和脫開嚙合時，都有嚴重的剛性沖擊，故一般只用于低速、輕載場合。
4)凸輪間歇運動機構是由凸輪、轉盤及機架組成的。凸輪間歇運動機構有兩種形式，一種是圓柱凸輪間歇運動，另一種是蝸桿凸輪間歇運動機構。這種凸輪機構可以通過調整凸輪與轉盤中心距來消除滾子與凸輪突脊接觸的間隙。
這種轉位機構依靠凸輪輪廓強制刀架作轉位運動，運動規(guī)律完全取決于凸輪輪廓形狀。圓柱凸輪是在圓周面上加工出一條兩端有頭的凸起=輪廓，從動回轉盤（相當于刀架體）端面有多個柱銷，銷子數(shù)量與工位數(shù)相等。當圓柱凸輪按固定的旋轉方向運動時，有的柱銷會進入凸輪輪廓的曲線段，使凸輪開始驅動回轉盤轉位，與此同時有的圓柱銷會與凸輪輪廓脫離，當柱銷接觸的凸輪輪廓由曲線段過渡到直線段時，即使凸輪繼續(xù)旋轉，回轉盤也不會轉動，即完成了一次刀盤分度轉位動作。如此反復下去，就能實現(xiàn)多次的刀架換刀操作。由于凸輪是一個兩端開口的非閉合曲線輪廓，所以當凸輪正反轉進均可帶動刀盤正反兩個方向的旋轉。這種轉位機構轉位速度高、精度較低，運動特性可以自由設計選取但制造較困難、成本較高、結構尺寸較大。這種轉位機構可以通過控制系統(tǒng)中的邏輯電路或PC程序來自動選擇回轉方向，以縮短轉位輔助時間。
凸輪間歇運動機構的優(yōu)點是：傳動可靠、平穩(wěn)，轉盤可以實現(xiàn)任何運動規(guī)律，以適應高轉速要求；可以改變凸輪曲線槽所對應的β角，改變轉動與停歇時間比值；轉盤停歇時，一般就依靠凸輪棱進行定位，不需要附加定位裝置。但凸輪加工要求精度高。常用于需間歇轉位的分度裝置和要求步進動作的機械中，如多共位立式半自動機床工作盤的轉位、輕工業(yè)包裝機等[9]。
圖3.3圓柱凸輪分度機構
結合上述三種轉位機構的轉位機理和特點，并結合實際情況，本次設計的車削中心動力刀架決定采用間歇分度機構——圓柱凸輪分度轉位機構。如圖3.3。
3.5動力刀架動力刀具方案設計
車削加工中心自驅動動力刀具主要由三部分組成：動力源，變速傳動裝置和自驅動力刀具附件（鉆孔附件和銑削附件）。采用變頻電機作為其動力源，圓柱齒輪傳動作為其變速傳動裝置。
目前齒輪技術可達到的指標：圓周速度v=300m/s，n=105r/min，傳遞的功率P=105kW，模數(shù)m=(0.004~100)mm，直徑d=1mm~152.3mm。
3.5.1 齒輪傳動的分類和特點
其特點： 1） 瞬時傳動比恒定。非圓齒輪傳動的瞬時傳動比又能按需要的變化
規(guī)律來設計。
2）傳動比范圍大，可用于減速或增速。
3）速度（指節(jié)圓圓周速度）和傳動功率的范圍大，可用于高速(v>40m/s)、
中速和低速(v>25m/s)的傳動功率可從小于1W到105W。
4）傳動效率高，一對高精度的漸開線圓柱齒輪，效率可達99%以上。
5）結構緊湊，適用于近距離傳動。
6）制造成本較高，某些具有特殊齒形或精度很高的齒輪，因需要專用
或高精度的機床、刀具和量儀等，故制造工藝復雜，成本高。
7）精度不高的齒輪，傳動時噪聲、振動和沖擊大，污染環(huán)境。
8）無過載保護作用。
3.5.2 齒輪傳動類型選擇的原則
1）滿足使用要求，如對傳動結構尺寸、重量、功率、速度、傳動比、壽命、可靠性的要求等。對以上要求應作全面的、深入分析，滿足主要的要求，兼顧其他。如對大功率長期運轉的固定式設備，則著重于齒輪的壽命長和提高齒輪的傳動效率；對短期間歇運動的移動式設備，應要求結構緊湊為主；對重要的齒輪傳動，則要求可靠性高。
2）考慮工藝條件，如制造廠的工藝水平、設備條件、生產(chǎn)批量等。
3）考慮合理性、先進性和經(jīng)濟性等。
由于本次設計的CK6130車削中心動力刀架動力刀具傳遞范圍和切削功率比較大以及加工的難易程度，為了滿足要求，所以選擇以漸開線圓柱齒輪傳動來實現(xiàn)動力刀具的旋轉。
第4章 典型零件的設計和選用
4.1 動力刀架傳動部分
4.1.1 刀架軸的結構設計及計算[10]
1. 軸是組成刀架的重要零部件之一，在設計當中主要考慮的是軸的剛度，而碳鋼與合金鋼的彈性模數(shù)相差很小，所以通常選用軸的材料35和45鋼，這里選用的是45鋼，進行調質處理，以改善裝配工藝和保證裝配的精度。
2. 這次刀架中用到了以下幾種固定方式：
1）常用的是運用軸肩，其結構簡單，定位可靠。
2）螺母的軸向定位，其定位可靠、裝拆方便，但是會增加零件的數(shù)量，常用雙螺母或圓螺母與止動墊圈固定，運用在軸承的固定上。
3）軸套也是用到比較多的，它的結構簡單、定位可靠，軸不開槽、鉆孔等，可以提高軸的強度。
4）彈性擋圈其結構簡單、緊湊、工藝性好，但是應力集中較大，適合軸向力小的場合，在這里主要用于軸承的固定。
5）軸端擋圈裝拆方便可以承受大的軸向力、振動，用于軸端固定零件。
6）花鍵的縱向固定，其承載能力高，定心性、導向性好，裝拆方便，不過制造困難，在這次設計中運動的是矩形花鍵，主要用在分度機構轉盤與刀架軸、凸輪的縱向定位中。
7）其次平鍵，其承受載荷不大。
8）緊定螺釘結構簡單，不僅可以縱向定位，還能軸向定位，承受不大的軸向力。
3. 由刀架裝配圖可知，刀架主軸的支承方式為兩端游動支承，其一端與刀盤固連，另一端與液壓缸的活塞間隙配合，同時起到左端支承作用。而軸的中間部位由刀盤至液壓缸的方向分別與推力球軸承和從動盤相連，雙列圓柱滾子軸承與滾針軸承起左端支承作用。已知伺服電機的功率為0.3kW，電機轉速n1=1400r/min，取圓柱凸輪效率為η=0.96。如圖4.1
1) 先求出刀架主軸上的傳遞功率、轉速和轉矩
P2=Pη=0.3×0.96=0.288kW
n3=60/8=7.5r/min
2) 初步確定軸的最小直徑
由式 可初步估算設計軸的最小直徑
式中： 為系數(shù)，軸的材料不同，則的值會不同；
為軸傳遞的功率，單位為；
為計算截面處軸的直徑，單位為mm；
為軸的轉速，單位為；
選取軸的材料為45鋼，調質處理。根據(jù)表15—3，取，于是得
從而取軸的最小直徑為dmin=36mm；軸的最大直徑為dmax=119mm。
圖4.1刀架軸示意圖
4.1.2 液壓缸的設計
4.1.2.1 選擇液壓缸類型
液壓缸按其結構的形式，可以分為活塞缸、柱塞缸和伸縮缸等。
（1）活塞式液壓缸
<1> 雙桿活塞缸 缸筒固定的雙桿活塞缸，活塞兩側的活塞直徑相等，它的進、出油位于缸筒兩端。當工作壓力和輸入流量相同時，兩個方向上輸出的推力F和速度v是相等的。
這種安裝形式，工作臺移動范圍約為活塞有效行程的三倍，占地面積大，使用于小型機械。
<2>單桿活塞缸 由于只在活塞的一端有活塞桿，使兩腔的有效工作面積不相等，因此在兩腔分別輸入相同流量的情況下，活塞的往復運動速度不相等。他的安裝也有缸筒固定和活塞桿固定兩種，進、出口的布置根據(jù)安裝方式而定；但工作臺移動范圍都為活塞有效行程的兩倍[11]。
由于該液壓缸主要用于驅動刀架主軸的直線往反運動.故選用雙作用單桿活塞缸。
4.1.2.2 液壓缸內徑D和活塞直徑d的計算
計算液壓缸的內徑和活塞桿直徑都必須考慮到設備的類型，例如在金屬切削機床中，對于動力較大的機床(刨床、拉床和組合機床)一定要滿足牽引力的要求，計算時要以力為主;對于輕載高速的機床(磨床、珩磨機和研磨機等)一定要滿足速度的要求，計算時要以速度為主。由于本刀架的抬起動作是在數(shù)控車床脫離切削時完成的，因而在換刀過程中并沒有承受切削力的作用，所以進油壓力不需要很大，此次設計進油壓力確定為低壓0~2.5MPa，然后根據(jù)進油壓力查表20-6-3可初步選定速比φ=1.33(計算速比主要是為了確定活塞桿的直徑和要否設置緩沖裝置。速度不宜過大或過小，以免產(chǎn)生過大的背壓或造成因活塞桿太細導致穩(wěn)定性不好。)
可按下式初步選取d值：
(4-1)
根據(jù)活塞桿側公式
(4-2)
式中 F2 ——液壓缸的理論拉力；
p ——供油壓力；
D ——缸筒內徑；
d ——活塞桿直徑。
根據(jù)式4-1和式4-2得D=94.8mm，查液壓設計手冊表20-6-2選D=100mm，再根據(jù)表20-6-9中選得缸筒外徑D1=121mm，根據(jù)表20-6-16選出d=50mm。
4.1.3 碟形彈簧的計算及選用[10]
碟形彈簧是用鋼板沖壓成形的截錐形壓縮彈簧。
它有四個特點：
（1）剛度大 能以小變形承受大載荷，適合于軸向空間要求小的場合。
（2）具有變剛度的性質 碟形彈簧壓平變形量h0和厚度t的比值不同，其特性曲線
也不同。
根據(jù)液壓缸內徑100mm，查機械設計手冊表7.2-2碟形彈簧的系列、尺寸和參數(shù)選出彈簧D=100mm，d=51mm,t=6mm,h0=2.2mm,H0=8.2mm。
D-------彈簧外徑
d-------彈簧內徑
t-------厚度
h0-------壓平時變形量
H0-------自由高度
已知上述選用的碟形彈簧參數(shù)，采用對合組合形式彈簧組合，抬起時需要承受載荷F1=2000×9.8=19600N。如圖4.3。
（1）求f1
由彈簧的直徑比C=，從表7.2-5查得K1=0.686，K2=1.211，K3=1.362。碟簧是無支承面的，K4=1。
計算得到
FC ——彈簧壓平時載荷（N）；
K1、K2、K3、K4 ——計算系數(shù)；
由此變形量f1=0.28h0=0.28×2.2=0.616mm，總變形量fz=6×0.616=3.696mm。
（2）疲勞破壞的關鍵部位
由和C=1.96從圖7.2-3查得疲勞破壞的關鍵部位在Ⅱ點。
（3） 計算應力
當f1=0.616mm時
圖4.3碟形彈簧示意圖
4.1.4 軸承的選用
1. 軸承內部結構
軸承內部一般由內圈、外圈、滾動體和保持架組成----通常稱為四大件。對于密封軸承，再加上潤滑劑和密封圈（或防塵蓋）----又稱六大件。
2. 軸承分類與特點
總的可以分為球軸承和滾子軸承兩大類。球軸承分為深溝球軸承、角接觸球軸承、調心球軸承、推力球軸承、推力角接觸球軸承。滾子軸承分為圓柱滾子軸承、滾針軸承、圓錐滾子軸承、調心滾子軸承、推力圓柱滾子軸承、推力滾子軸承、推力圓錐滾子軸承、推力調心滾子軸承。
刀架軸向所選軸承的特點
深溝球軸承
1.轉速高
2.精度高
3.噪聲、振動小
4.主要承受徑向載荷
5.也能承受一定軸向載荷
6.制造簡單，成本低
滾針軸承
1.轉速較高
2.能承受較高的徑向載荷（比徑向尺寸相同的其他軸承承受的徑向載荷大）
3.不能承受軸向載荷
4.剛性較高
推力球軸承
1.轉速低
2.只能承受單面軸向載荷
3.軸圈和座圈不能傾斜
3. 軸承的轉速
滾動軸承的轉速主要受容許運轉溫度的限制，摩擦阻力較低的軸承產(chǎn)生的內熱較小,最適合高速運轉，只承受徑向載荷時，深溝球軸承或圓柱滾子軸承的容許轉速最高,但若承受聯(lián)合載荷時，角接觸球軸承的容許轉速最高[12]。
本次刀架軸從動盤以左使用深溝球軸承和滾針軸承來承受徑向載荷，右端使用推力球軸承來承受軸向載荷。
4.1.5 端齒盤的選用
4.1.5.1端齒盤的應用
端齒盤又稱多齒盤、細齒盤、鼠牙盤，是具有自動定心功能的精密分度定位元件，廣泛應用與加工中心、柔性單元、數(shù)控機床、組合機床、測量儀器、各種高精度間歇式圓周分度裝置、多工位定位機構、以及其他需要精密分度的各種設備上。如數(shù)控車床中的多工位自動回轉刀架，銑床及加工中心用的回轉工作臺及其它分度裝置中都采用端齒盤作為精確定位元件。端齒盤的齒形有直齒和弧齒兩種，直齒端齒盤由于加工方便、定位精度及其重復定位精度高而最受歡迎。端齒盤實際上相當于一對齒數(shù)相同的離合器，其嚙合過程與離合器的嚙合類似。
4.1.5.2端齒盤的特點
目前在刀架的定位機構中多采用錐銷定位和端面齒盤定位。由于圓柱銷和斜面銷定位時容易出現(xiàn)間隙，圓錐銷定位精度較高，它進入定位孔時一般靠彈簧力或液壓力、氣動力，圓錐銷磨損后仍可以消除間隙，以獲得較高的定位精度。端齒盤定位由兩個齒形相同的端面齒盤相嚙合而成，由于齒合時各個齒的誤差相互抵償，起著誤差均化的作用，定位精度高。
端齒盤定位的特點：
（1）定位精度高 由于端齒盤定位齒數(shù)多，且沿圓周均布，向心多齒結構，經(jīng)過研齒的齒盤其分度精度一般可達左右，最高可過以上，一對齒盤嚙合時具有自動定心作用。所以中心軸的回轉精度、間隙及磨損對定心精度幾乎沒有影響，對中心軸的精度要求低，裝置容易。
（2）重復定位精度好 由于多齒嚙合相當于上下齒盤的反復磨合對研，越磨合精度越高，重復定位精度也越好。
（3）定位剛性好，承載能力大，兩齒盤多齒嚙合。由于齒盤齒部強度高，并且一般齒數(shù)嚙合率不少于90%，齒面嚙合長度不少于60%，故定位剛性好，承載能力大。
4.1.5.3 端齒盤的設計
動齒盤與靜齒盤是數(shù)控刀架的兩個主要零件。其精度決定刀架性能的好壞。為了保證端齒盤的定位精度和剛度，對端齒盤做以下技術要求：端齒盤材料采用40Cr，齒部滲氮后磨齒加工；齒寬接觸率為70%以上；齒高接觸為嚙合高度85%以上，兩齒盤嚙合時的接觸齒數(shù)應在90%以上，接觸不良的齒不嚙合；安裝基準孔軸線對分度中心的位置度，一般取0.02~0.04mm，對精密齒盤應在0.01mm以內；安裝基準端面對分度的平行度，一般取0.01~0.04mm，對精密齒盤應在0.01mm以內。本刀架采用標準直齒端齒盤，齒的嚙合深度通常設計為4~5mm，由于本刀架的液壓系統(tǒng)采用變量泵，可獲得所需的瑣緊力滿足刀架剛度要求，所以本次設計將齒的嚙合深度設計為4mm。這一設計也可減少活塞的行程，節(jié)省功率。
查得有關標準得出以下參數(shù)：
端齒盤外徑d：端齒盤的外徑主要由設計結構所允許的空間范圍來確定。在結構允許
的情況下，外徑越大越好，這樣可以增強分度或定位機構的穩(wěn)定性。
根據(jù)車削中心動力刀架的總體結構和外徑系列選取d=180mm。
齒數(shù)z： 根據(jù)JB/T 4316.1-1999查得當外徑d=180mm時，齒數(shù)可以為60和
72兩種，它們的最小分度角分別為和，因為本次設計的動力刀架
工位數(shù)為8工位，轉一個工位從動盤需要轉過角度，應該是最小
分度角的倍數(shù)關系，所以選取最小分度角為，從而選取z=72。
齒長F： F=10mm
齒盤厚度： H/2+m=21.24mm
齒距t: t=7.85mm
齒厚S： S=3.93mm
全齒高h: h=5mm
齒頂高m: m=1.24mm
圖4.4端齒盤示意圖
4.2 動力刀架的分度機構部分
動力刀架的轉位需要凸輪分度機構來實現(xiàn)，而驅動凸輪軸旋轉是由伺服電機來實現(xiàn)的，電機的選擇要滿足所需負載和轉矩。從而需要我們對電機進一步的選擇。
4.2.1伺服電機的選用
4.2.1.1伺服電機的分類
直流伺服電機分為：有刷和無刷電機。
有刷電機----成本低，結構簡單，啟動轉矩大,調速范圍寬,控制容易,需要維護,但維護方便(換碳刷),產(chǎn)生電磁干擾,對環(huán)境有要求。因此它可經(jīng)用于對成本敏感的普能工業(yè)和以用場合。
無刷電機----體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝碗s，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于名種環(huán)境。
交流伺服電機：也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運行的應用。
4.2.1.2 伺服電機的一般選擇原則
在確定了電機系列和額定轉速后，按以下3個要素確定伺服電機容量：
1）負載慣量比。若負載慣量比過大，則控制易變得不穩(wěn)定，伺服參數(shù)調整也很困難。
2）短時間特性（加減速轉矩）。伺服電機除連續(xù)運轉區(qū)域外，還有短時間內的運轉特性如電機加減速，用最大轉矩表示，最大轉矩影響驅動電機的加減速時間常數(shù)。
3）連續(xù)特性（工作狀態(tài)載荷扭矩）。對要求頻繁啟動、制動的數(shù)控機床，為避免電機過熱，必須檢查它在一個周期內電機轉矩的均方根值，并使它小于電機連續(xù)額定轉矩。
4.2.1.3伺服電機的選用
刀架驅動電動機的選擇應同時滿足刀架運轉的負載扭矩和起動時的加速扭矩
的要求。
1) 刀架負載扭矩的計算
動力刀架負載扭矩估算方法如下：由于這種刀架的負載扭矩主要用來克服刀具質量的不平衡，估算按如下的情況進行：用平均重力的刀具插滿刀盤的半個圓，根據(jù)工藝要求所需的各種刀具，確定每個刀具的（包括刀柄）平均重力，而其重心則設定為離刀架回轉中心2/3半徑處。由以上的方法可知，由于是8工位動力轉塔刀架，因而插滿刀盤的半個圓需要4把刀具。設工藝要求所需的每個刀具的平均重力=4.9N；刀盤的回轉中心直徑D=312.5mm。
則有
2) 刀架加速扭矩的估算
（4-3）
式中 ----刀架換刀時的電動機轉速(r/min);
---加速時間,通常取150~200ms;
---電動機轉子慣量(),可查樣本;
---負載慣量折算到電動機軸上的慣量().
3) 負載慣量折算到電動機軸上的慣量的估算
（4-4）
式中 ---各旋轉件的轉動慣量();
---各旋轉件的角速度();
---各直線運動件的質量();
---各直線運動件的速度();
---伺服電機的角速度().
4) 各旋轉件的轉動慣量的估算
由刀架的結構簡圖可知,刀架在完成換刀動作時,伺服電機帶動其旋轉的部件共3個,它們分別是從動盤,刀架主軸和刀盤。因而只需估算這三者的傳動慣量即可。
(1) 刀盤轉動慣量的計算
其主要尺寸如下：刀盤外徑D1=382mm；刀盤與刀架主軸相連的孔徑d1=80mm；刀盤寬P=69mm。
則刀盤的轉動慣量
=1.13
(2)刀架主軸的轉動慣量按如下的方法估算：
刀架主軸的最大直徑dmax=119mm；最小直徑dmin=36mm；刀架主軸長度取l=503.3mm
則刀架主軸的轉動慣量
=0.2237
（3）從動盤的轉動慣量的計算
其主要尺寸如下：從動盤分度圓直徑D2=117mm，寬度P=20mm
則從動盤的轉動慣量
=0.0028
求得圓柱凸輪的分度圓直徑Dh32=50mm
圓柱凸輪的轉動慣量
=0.0002
(4) 聯(lián)軸器轉動慣量的計算
由于聯(lián)軸器已標準化，查表取聯(lián)軸器的轉動慣量
(5) 對各旋轉件的角速度作如
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