(wo)數(shù)控刀架的設(shè)計(jì)

(wo)數(shù)控刀架的設(shè)計(jì),wo,數(shù)控,刀架,設(shè)計(jì) 南京工程學(xué)院先進(jìn)制造技術(shù)工程中心畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 目錄 前言 1 第一章 緒論 3 1.1國內(nèi)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(zhuǎn)塔刀架的開發(fā)應(yīng)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(jī)床刀架的類型 8 2.3.3數(shù)控機(jī)床刀架應(yīng)滿足的要求 9 第三章 車削中心動力刀架總體方案設(shè)計(jì) 11 3.1調(diào)查研究與資料收集 11 3.1.1 課題的調(diào)查研究 11 3.1.2資料收集 11 3.2動力刀架的整體方案設(shè)計(jì)與選擇 11 3.2.1 動力刀架的整體方案設(shè)計(jì) 11 3.2.2液壓驅(qū)動的刀架工作原理 12 3.2.3 刀架定位精度及重復(fù)定位精度 13 3.3動力刀架傳動部分方案設(shè)計(jì) 13 3.4 動力刀架的分度機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 14 3.5動力刀架動力刀具方案設(shè)計(jì) 15 3.5.1 齒輪傳動的分類和特點(diǎn) 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(shè)計(jì)和選用 18 4.1　動力刀架傳動部分 18 4.1.1 刀架軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 18 4.1.2　液壓缸的設(shè)計(jì) 19 4.1.2.1 選擇液壓缸類型 19 4.1.2.2 液壓缸內(nèi)徑D和活塞直徑d的計(jì)算 20 4.1.3 碟形彈簧的計(jì)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(yīng)用 23 4.1.5.2端齒盤的特點(diǎn) 24 4.1.5.3 端齒盤的設(shè)計(jì) 24 4.2 動力刀架的分度機(jī)構(gòu)部分 25 4.2.1伺服電機(jī)的選用 25 4.2.1.1伺服電機(jī)的分類 26 4.2.1.2 伺服電機(jī)的一般選擇原則 26 4.2.1.3伺服電機(jī)的選用 26 4.2.2凸輪機(jī)構(gòu)的選用及計(jì)算 30 4.2.2.1凸輪式間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用 30 4.2.2.2圓柱凸輪分度機(jī)構(gòu)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(jī)的選擇 32 4.3.1.1概述 32 4.3.1.2 伺服電機(jī)的性能 32 4.3.2　齒輪設(shè)計(jì)計(jì)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(zhuǎn)塔刀架三維制作 36 5.1 典型零部件實(shí)體制作 36 5.1.1刀架軸的實(shí)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(jié) 42 致謝 43 參考文獻(xiàn)： 44 前言 制造業(yè)是一個(gè)國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，其發(fā)展水平標(biāo)志著該國或地區(qū)經(jīng)濟(jì)的實(shí)力，科技水平，生活水準(zhǔn)和國防實(shí)力。國際市場的競爭歸根到底是各國制造生產(chǎn)能力及機(jī)械制造裝備的競爭。 自從20世紀(jì)60年代世界上第一臺數(shù)控機(jī)床問世以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和機(jī)械制造技術(shù)等各相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)已成為現(xiàn)代先進(jìn)制造系統(tǒng)(FMS，CIMS等)中不可缺少的基礎(chǔ)技術(shù)。由于機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜，種類繁多?，F(xiàn)在數(shù)控機(jī)床的“使用難、維修難”問題，已經(jīng)是影響數(shù)控機(jī)床有效利用的首要問題。 　 工業(yè)發(fā)達(dá)國家都非常注重機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，為了用先進(jìn)技術(shù)和工藝裝備制造業(yè)，機(jī)械制造裝備工業(yè)得到先發(fā)展。對比之下，我國目前機(jī)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(jī)械制造裝備基本上是通用機(jī)床加專用工藝裝備，數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重還非常低，導(dǎo)致“剛性”強(qiáng),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(gè)工人，一把刀，一臺機(jī)床”，導(dǎo)致勞動生產(chǎn)率低下，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。 因此，要縮小我國同工業(yè)發(fā)達(dá)國家的差距,我們必須在機(jī)械制造裝備方面大下功夫，其中最重要的一個(gè)方面就是增加數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重[1]。 本課題為CK6130車削中心動力轉(zhuǎn)塔刀架設(shè)計(jì)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(kuò)大，大大提高了加工精度和生產(chǎn)效率。本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為：1．CK6130車削中心動力轉(zhuǎn)塔刀架總體布局設(shè)計(jì)；2．動力刀架傳動部分設(shè)計(jì)；3．動力刀架分度機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；4．動力刀架刀具設(shè)計(jì)；5.外文資料的翻譯。 　　分度機(jī)構(gòu)和動力刀具部分設(shè)計(jì)是這次設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)內(nèi)容，同時(shí)也是難點(diǎn)。通過廣泛查閱文獻(xiàn)資料，參觀數(shù)控車床實(shí)物樣機(jī)以及與指導(dǎo)老師相互討論等途徑，擬定了如下的研究手段： 回轉(zhuǎn)刀架的換刀分為刀盤抬起、刀架鎖緊和刀盤轉(zhuǎn)位三個(gè)動作。其中刀盤抬起和刀架鎖緊由液壓來實(shí)現(xiàn)，而刀盤轉(zhuǎn)位則由伺服電機(jī)來驅(qū)動。刀盤抬起動作的實(shí)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(jìn)入液壓缸右腔活塞向左運(yùn)動刀架主軸向左移動端齒盤脫離嚙合刀盤抬起。刀盤轉(zhuǎn)位動作的實(shí)現(xiàn)順經(jīng)以下步驟：數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀盤轉(zhuǎn)位的命令伺服電機(jī)啟動圓柱凸輪轉(zhuǎn)動刀架主軸轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)位。刀盤鎖緊動作的實(shí)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(fù)位活塞向右運(yùn)動刀架主軸向右移動端齒盤嚙合實(shí)現(xiàn)刀盤鎖緊。 　 第一章 緒論 1.1國內(nèi)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(jī)床，一直到20世紀(jì)60年代中期還處于研制開發(fā)時(shí)期。當(dāng)時(shí)，一些高等院校，科研單位研制出試樣樣機(jī)，是從電子管起步的。 　　1965年，國內(nèi)開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。20世紀(jì)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(jī)。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(jì)70年代開始,數(shù)控技術(shù)在車，銑 ，鏜,磨，齒輪加工，電加工等領(lǐng)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(zhì)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(jì)80年代，我國從昌本發(fā)那科公司引進(jìn)了3,5,6,7等系列的數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服電機(jī)，直流主軸電機(jī)等制造技術(shù)，以及引進(jìn)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(diào)速裝置，并進(jìn)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(shí)，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(jī)驅(qū)動的同步數(shù)控系統(tǒng)(用于火焰切割機(jī))和新品種的伺服電機(jī)，推動了我國數(shù)控機(jī)床穩(wěn)定發(fā)展，使我國數(shù)控機(jī)床在性能和質(zhì)量上產(chǎn)生了一個(gè)質(zhì)的飛躍。 1985年，我國數(shù)控機(jī)床的品種有了新的發(fā)展。數(shù)控機(jī)床品種不斷增多，規(guī)格齊全。許多技術(shù)復(fù)雜的大型數(shù)控機(jī)床，重型數(shù)控機(jī)床都相繼研制出來。為了跟蹤國外現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，北京機(jī)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(gè)時(shí)期，我國在引進(jìn)，消化國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(jī)。 我國的數(shù)控技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)，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)?！笆濉惫リP(guān)開發(fā)的成果：華中號、中華號、航天號和藍(lán)天號4種基本系統(tǒng)建立了具有中國自主版機(jī)的數(shù)控技術(shù)平臺。具有中國特色濟(jì)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(rèn)可，在市場上站住了腳[2]。 目前我國數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠有100多家，生產(chǎn)數(shù)控機(jī)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(jì)型，普及型和高級型?！熬盼濉逼陂g數(shù)控機(jī)床發(fā)展已進(jìn)入實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化階段，數(shù)控機(jī)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(jī)床產(chǎn)品大部分達(dá)到期際上20世紀(jì)80年代中期水平，部分達(dá)到90年代水平，為國家重點(diǎn)建設(shè)提供了一批高水平數(shù)控機(jī)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(qū)動和伺服驅(qū)動方向發(fā)展。 目前國內(nèi)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(zhuǎn)，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(qū)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(dá)1000～1500臺。 1.3 數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的開發(fā)應(yīng)用 數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架是以回轉(zhuǎn)分度實(shí)現(xiàn)刀具自動交換及回轉(zhuǎn)動力刀具的傳動。因此技術(shù)含量高，已趨向?qū)I(yè)化開發(fā)生產(chǎn)。所以對數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的研究開發(fā)及應(yīng)用已引起數(shù)控機(jī)床行業(yè)重視。 典型數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架一般由動力源（電機(jī)或油缸、液壓馬達(dá)）、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)、預(yù)分度機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、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(zhuǎn)塔刀架的動作循環(huán)為：T指令（換刀指令）刀盤放松轉(zhuǎn)位刀位檢測預(yù)分度精確定位刀盤鎖緊結(jié)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(zhuǎn)塔式，雖然換刀過程、選刀方式、刀庫結(jié)構(gòu)、機(jī)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(jī)或液壓或氣動機(jī)構(gòu)驅(qū)動刀庫和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)刀具的選擇與交換。我們把這種為實(shí)現(xiàn)多工序的連續(xù)加工，在加工中心或車削中心中，可進(jìn)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(shí)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(jī)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(shí)，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(dú)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(jī)械手加鏈?zhǔn)降稁欤ū本C(jī)床研究所設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jì)生產(chǎn)了50多臺，由于其結(jié)構(gòu)簡單，迅速可靠（刀對刀2.5s），受到廣大國內(nèi)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(gè)方向：一是高速、可靠，追求的目標(biāo)是換刀時(shí)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(shí)用、造價(jià)低、使用可靠，但換刀速度不快。 自動換刀裝置開發(fā)技術(shù)要全面注意下列五個(gè)方面： 1）自動換刀裝置的可靠性與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。通過對自動換刀裝置進(jìn)行可靠性分析研究，找出其薄弱環(huán)節(jié)，通過改進(jìn)設(shè)計(jì)，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(zhì)。通過對自動換刀裝置進(jìn)行多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其動態(tài)性能達(dá)到最優(yōu)，進(jìn)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(shí)間對40刀柄不大于1s，達(dá)到世界先進(jìn)水平。 2）自動換刀裝置的系列化與CAD設(shè)計(jì)。使自動換刀裝置適用國內(nèi)廠家的各種產(chǎn)品，以便得到推廣和使用。即達(dá)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(nèi)先進(jìn)水平的。 3）自動換刀裝置制造技術(shù)研究。針對自動換刀裝置中關(guān)鍵零件的制造技術(shù)進(jìn)行研究，以提高其制造質(zhì)量和降低制造成本。 4）自動換刀裝置新技術(shù)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(shù)。 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(zhì)量，同時(shí)在我國有巨大的市場，因此，在技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)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(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下基本要求： 1）換刀時(shí)間短，以減少非加工時(shí)間。 2）減少換刀動作對加工范圍的干擾。 3）刀具重復(fù)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(jī)配合，使機(jī)床外觀協(xié)調(diào)美觀。 7）刀具裝卸、調(diào)整、維修方便，并能得到清潔的維護(hù)[4]。 2.2 ATC刀具自動換刀形式 為進(jìn)一步提高數(shù)控機(jī)床的加工效率，數(shù)控機(jī)床正向著工件在一臺機(jī)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(jī)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(jī)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(yīng)當(dāng)具備換刀時(shí)間短、刀具重復(fù)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(jī)床的自動換到裝置的結(jié)構(gòu)取決于機(jī)床的類型、工藝范圍、使用刀具種類和數(shù)量。數(shù)控機(jī)床常用的自動換刀裝置的類型、特點(diǎn)、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(diǎn) 適用范圍 轉(zhuǎn)塔式 回轉(zhuǎn)刀架 多為順序換刀，換刀時(shí)間短、結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)塔頭 順序換刀，換刀時(shí)間短，刀具主軸都集中在轉(zhuǎn)塔頭上，結(jié)構(gòu)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(yùn)動集中，運(yùn)動不見少。但刀庫容量受限 　　各種類型的自動換刀數(shù)控機(jī)床。尤其是對使用回轉(zhuǎn)類刀具的數(shù)控鏜、銑床類立式、臥式加工中心機(jī)床 要根據(jù)工藝范圍和機(jī)床特點(diǎn)，確定刀庫容量和自動換刀裝置類型 　　用機(jī)械手配合刀庫進(jìn)行換刀 刀庫只有選刀運(yùn)動，機(jī)械手進(jìn)行換刀運(yùn)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(zhuǎn)塔刀架是加工中心、數(shù)控車床必備的機(jī)床附件，尤其適用全功能數(shù)控車床。當(dāng)前，數(shù)控機(jī)床發(fā)展迅猛，一方面向高速、高效、高精度方面發(fā)展，同時(shí)，在制造行業(yè)中廣泛存在原有設(shè)備的數(shù)控改造和系統(tǒng)升級問題。作為關(guān)鍵附件，高性能的數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架對于提高機(jī)床整體運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性和效率有著重要意義，數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架是由數(shù)控系統(tǒng)來控制的，因此，在轉(zhuǎn)塔刀架本身性能提高的情況下，如何實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)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(jī)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(zhuǎn)塔車床的轉(zhuǎn)塔刀架，回輪式轉(zhuǎn)塔車床的回輪刀架，自動車床的轉(zhuǎn)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(shù)的發(fā)展，機(jī)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(gè)回轉(zhuǎn)刀盤。加工中心則進(jìn)一步采用了刀庫和換刀機(jī)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(shí)間從十幾秒減少到幾秒甚至零點(diǎn)幾秒。這種刀庫和換刀機(jī)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(jié)構(gòu)往往直接影響到機(jī)床的切削性能、切削效率和體現(xiàn)了機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)水平[7]。 2.3.2數(shù)控機(jī)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)形式為： 夾持著各種不同用途刀具的刀夾沿著機(jī)床的X坐標(biāo)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(jī)床調(diào)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(wù)后，橫向滑板只要按程序沿X軸移動預(yù)先設(shè)定的距離后，第二把刀就到達(dá)加工位置，這樣就完成了機(jī)床的換刀動作。這種換刀方式迅速省時(shí)，有利于提高機(jī)床的生產(chǎn)效率。寶雞機(jī)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(zhuǎn)刀架 回轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動換刀動作，根據(jù)加工要求可設(shè)計(jì)成四方、六方刀架或圓盤式刀架，并相應(yīng)地安裝4把、6把或更多的刀具?；剞D(zhuǎn)刀架的換刀動作可分為刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位和刀架鎖緊等幾個(gè)步驟。它的動作是由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令完成的?；剞D(zhuǎn)刀架根據(jù)刀架回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)刀架所安裝的刀具都不可能太多，即使是裝備兩個(gè)刀架，對刀具的數(shù)目也有一定限制。當(dāng)由于某種原因需要數(shù)量較多的刀具時(shí)，應(yīng)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(jī)構(gòu)組成。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (a)回轉(zhuǎn)刀架 (b) 排式刀架 圖2.1 機(jī)床刀架類型結(jié)構(gòu)圖 2.3.3數(shù)控機(jī)床刀架應(yīng)滿足的要求 1） 滿足工藝過程所提出的要求。機(jī)床依靠刀具和工件間相對運(yùn)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(shí)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(zhuǎn)位。 2） 在刀架以要能牢固地安裝刀具，在刀架上安裝刀具進(jìn)還應(yīng)能精確地調(diào)整刀具的位置，采用自動交換刀具時(shí)，應(yīng)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(zhǔn)確的相對位置。刀架的運(yùn)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(yùn)動軌跡必須準(zhǔn)確，運(yùn)動應(yīng)平穩(wěn)，刀架運(yùn)轉(zhuǎn)的終點(diǎn)到位應(yīng)準(zhǔn)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(yīng)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(zhuǎn)換過程中方向變換較復(fù)雜，而且有些刀架還直接承受切削力?？紤]到采用新型刀具材料和先進(jìn)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(jī)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(jī)床自動化而出現(xiàn)的，因而它的換刀時(shí)間應(yīng)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(shí)間在0.8—6秒之間不等。而且還在進(jìn)一步縮短。 6） 操作方便和安全。刀架是工人經(jīng)常操作的機(jī)床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是評價(jià)刀架設(shè)計(jì)好壞的指標(biāo)。刀架上應(yīng)便于工人裝刀和調(diào)刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作調(diào)整刀架的手柄（或手輪）要省力，應(yīng)盡量設(shè)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(shè)計(jì) 3.1調(diào)查研究與資料收集 3.1.1 課題的調(diào)查研究 從國內(nèi)外市場調(diào)研結(jié)果看，國內(nèi)對數(shù)控車床轉(zhuǎn)塔刀架的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)都是依賴于先進(jìn)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(shè)計(jì)一種性能最優(yōu)，最有實(shí)用價(jià)值的轉(zhuǎn)塔刀架，適應(yīng)市場，替代進(jìn)口產(chǎn)品低價(jià)位的數(shù)控車床用轉(zhuǎn)塔刀架，占領(lǐng)國內(nèi)市場，并達(dá)到國際領(lǐng)先水平，為國產(chǎn)機(jī)床工業(yè)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。車削加工中心是目前國際上比較前端的一種數(shù)控機(jī)床，可以進(jìn)行多工序加工，如車削、鉆削、銑削等。有關(guān)人士指出，數(shù)控機(jī)床附件及其配套功能附件是我國機(jī)床工具制造業(yè)“十五”計(jì)劃重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)品。雖然我國數(shù)控機(jī)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(jìn)水平相比還是有一定差距的。為確保國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的大發(fā)展，就必須把數(shù)控機(jī)床附件盡快搞上去。為此他們建議國家有關(guān)部門，盡快制定有關(guān)鼓勵(lì)、扶持國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床附件發(fā)展的相關(guān)政策，加大數(shù)控機(jī)床附件行業(yè)科研和技術(shù)改進(jìn)投入，使國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床附件行業(yè)有一個(gè)大發(fā)展。而且動力刀架是數(shù)控機(jī)床附件中尤為重要的一個(gè)部件，把這一技術(shù)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(guān)知識包括：數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)、車削加工中心、自動換刀裝置等等方面；其次還包括一些機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械傳動、液壓、間歇分度機(jī)構(gòu)等方面的知識，在校圖書館借閱了一些關(guān)于本次設(shè)計(jì)有關(guān)的資料，而且還在網(wǎng)上搜索了一些相關(guān)資料：1）現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊；2）實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊；3）機(jī)械設(shè)計(jì)手冊；4）數(shù)控車床設(shè)計(jì)；5）數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)與維修等等。 3.2動力刀架的整體方案設(shè)計(jì)與選擇 3.2.1 動力刀架的整體方案設(shè)計(jì) 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(jìn)行切削，用于夾持切削用的刀具,因此其結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)位由交流伺服電動機(jī)驅(qū)動，刀位由二進(jìn)制絕對編碼器識別，動力刀具由變頻電機(jī)驅(qū)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(jī)床刀架類型、性能及其使用場合的綜合比較，并結(jié)合現(xiàn)有數(shù)控車床的實(shí)例，本次設(shè)計(jì)的CK6130車削中心動力刀架擬采用液壓驅(qū)動的動力轉(zhuǎn)塔刀架。該刀架的換刀動作分為刀盤抬起、刀盤分度轉(zhuǎn)位和刀盤鎖緊三個(gè)步驟，其中刀盤抬起由單作用液壓缸來實(shí)現(xiàn)，刀盤鎖緊由碟形彈簧復(fù)位來實(shí)現(xiàn)，而刀盤的分度轉(zhuǎn)位是由圓柱凸輪分度機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，由伺服電機(jī)驅(qū)動凸輪軸實(shí)現(xiàn)分度。 3.2.2液壓驅(qū)動的刀架工作原理 液壓驅(qū)動的轉(zhuǎn)塔刀架，是用液壓缸夾緊，液壓馬達(dá)驅(qū)動分度，端齒盤副定位，當(dāng)?shù)都芙邮盏睫D(zhuǎn)位指令后，液壓油進(jìn)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(zhuǎn)位作好準(zhǔn)備。當(dāng)?shù)侗P處于完全脫開位置時(shí)，行程開關(guān)發(fā)出轉(zhuǎn)位信號，液壓馬達(dá)帶動轉(zhuǎn)位凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪依次推動回轉(zhuǎn)盤上的柱銷。使回轉(zhuǎn)盤通過鍵帶動中心軸及刀盤做分度運(yùn)動。凸輪每轉(zhuǎn)一周撥過一個(gè)柱銷。使刀盤旋轉(zhuǎn)1/n周（n為刀架的工位數(shù)）。中心軸的尾端固定著一個(gè)有n個(gè)齒的凸輪，當(dāng)中心軸和刀盤轉(zhuǎn)過一個(gè)工位時(shí)，凸輪壓合計(jì)數(shù)開關(guān)一次，開關(guān)將此信號送入控制系統(tǒng)。當(dāng)?shù)侗P旋轉(zhuǎn)到預(yù)定工位時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號使液壓馬達(dá)剎車，轉(zhuǎn)位凸輪停止運(yùn)動，刀架處于預(yù)定位狀態(tài)。與此同時(shí)，碟形彈簧復(fù)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(zhuǎn)位結(jié)束信號。 圖3.2車削中心動力轉(zhuǎn)塔刀架示意圖 3.2.3 刀架定位精度及重復(fù)定位精度 定位精度是指轉(zhuǎn)塔到位后，刀架指定工位把刀孔中心線與設(shè)計(jì)中心線在豎直平面內(nèi)的偏差。重復(fù)定位精度是指刀架各工位反復(fù)鎖緊多次后的偏差平均值。由于該刀架轉(zhuǎn)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(jī)的電磁閥斷電，此時(shí)電機(jī)內(nèi)部的機(jī)械自鎖部件使電機(jī)停在預(yù)定位置上，所以刀架具有較高的定位精度和重復(fù)定位精度。 3.3動力刀架傳動部分方案設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的車削中心動力轉(zhuǎn)塔刀架是通過液壓驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)刀架抬起動作，當(dāng)?shù)都茌S尾部檢測裝置觸碰到微動開關(guān)，刀架開始轉(zhuǎn)位，而轉(zhuǎn)位動作是由圓柱凸輪分度機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，換刀時(shí)間為1s，最后一個(gè)動作為刀架瑣緊動作，由端齒盤來進(jìn)行瑣緊定位。 3.4 動力刀架的分度機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 　　生產(chǎn)和日常生活中，經(jīng)常需要某些機(jī)構(gòu)的主動件連續(xù)運(yùn)動，從動件產(chǎn)生“動作——停止——?jiǎng)幼鳌钡拈g歇運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，稱為間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)。常用的間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)有棘輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)、不完全齒輪機(jī)構(gòu)和凸輪式間歇機(jī)構(gòu)等。它們廣泛用于自動及半自動機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)、送料機(jī)構(gòu)、刀架轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)及包裝機(jī)等機(jī)構(gòu)中。 　1)棘輪機(jī)構(gòu)主要由棘輪、棘爪、搖桿、制動爪和機(jī)架等組成。按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為具有輪齒的棘輪機(jī)構(gòu)和摩擦式棘輪機(jī)構(gòu)兩大類。其特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速不高的場合，如各種機(jī)床和自動機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)中。 　　2)槽輪機(jī)構(gòu)由主動撥盤、從動槽輪及機(jī)架組成。槽輪機(jī)構(gòu)有外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)和內(nèi)嚙合槽輪機(jī)構(gòu)兩種。其結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，進(jìn)入和脫離嚙合時(shí)運(yùn)動平穩(wěn)；由于槽輪的轉(zhuǎn)角大小無法調(diào)節(jié)，故只能用于定轉(zhuǎn)角的間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)中。比如電影放映機(jī)上卷片機(jī)構(gòu)等都是槽輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。 　　3)不完全齒輪機(jī)構(gòu)是由普通漸開線齒輪機(jī)構(gòu)演化而成的。但不同的是輪齒不布滿整個(gè)圓周，它可分為外嚙合和內(nèi)嚙合兩種。其結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，從動輪的運(yùn)動時(shí)間和靜止時(shí)間比例可不受結(jié)構(gòu)的限制。其缺點(diǎn)是從動輪在進(jìn)入和脫開嚙合時(shí)，都有嚴(yán)重的剛性沖擊，故一般只用于低速、輕載場合。 　　4)凸輪間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)是由凸輪、轉(zhuǎn)盤及機(jī)架組成的。凸輪間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)有兩種形式，一種是圓柱凸輪間歇運(yùn)動，另一種是蝸桿凸輪間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)。這種凸輪機(jī)構(gòu)可以通過調(diào)整凸輪與轉(zhuǎn)盤中心距來消除滾子與凸輪突脊接觸的間隙。 這種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)依靠凸輪輪廓強(qiáng)制刀架作轉(zhuǎn)位運(yùn)動，運(yùn)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(zhuǎn)盤（相當(dāng)于刀架體）端面有多個(gè)柱銷，銷子數(shù)量與工位數(shù)相等。當(dāng)圓柱凸輪按固定的旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動時(shí)，有的柱銷會進(jìn)入凸輪輪廓的曲線段，使凸輪開始驅(qū)動回轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)位，與此同時(shí)有的圓柱銷會與凸輪輪廓脫離，當(dāng)柱銷接觸的凸輪輪廓由曲線段過渡到直線段時(shí)，即使凸輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)盤也不會轉(zhuǎn)動，即完成了一次刀盤分度轉(zhuǎn)位動作。如此反復(fù)下去，就能實(shí)現(xiàn)多次的刀架換刀操作。由于凸輪是一個(gè)兩端開口的非閉合曲線輪廓，所以當(dāng)凸輪正反轉(zhuǎn)進(jìn)均可帶動刀盤正反兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)。這種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)位速度高、精度較低，運(yùn)動特性可以自由設(shè)計(jì)選取但制造較困難、成本較高、結(jié)構(gòu)尺寸較大。這種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)方向，以縮短轉(zhuǎn)位輔助時(shí)間。 凸輪間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：傳動可靠、平穩(wěn)，轉(zhuǎn)盤可以實(shí)現(xiàn)任何運(yùn)動規(guī)律，以適應(yīng)高轉(zhuǎn)速要求；可以改變凸輪曲線槽所對應(yīng)的β角，改變轉(zhuǎn)動與停歇時(shí)間比值；轉(zhuǎn)盤停歇時(shí)，一般就依靠凸輪棱進(jìn)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(zhuǎn)位的分度裝置和要求步進(jìn)動作的機(jī)械中，如多共位立式半自動機(jī)床工作盤的轉(zhuǎn)位、輕工業(yè)包裝機(jī)等[9]。 圖3.3圓柱凸輪分度機(jī)構(gòu) 結(jié)合上述三種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)位機(jī)理和特點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)的車削中心動力刀架決定采用間歇分度機(jī)構(gòu)——圓柱凸輪分度轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)。如圖3.3。 3.5動力刀架動力刀具方案設(shè)計(jì) 車削加工中心自驅(qū)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(qū)動力刀具附件（鉆孔附件和銑削附件）。采用變頻電機(jī)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(shù)可達(dá)到的指標(biāo)：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(diǎn) 其特點(diǎn)： 1） 瞬時(shí)傳動比恒定。非圓齒輪傳動的瞬時(shí)傳動比又能按需要的變化 規(guī)律來設(shè)計(jì)。 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(dá)99%以上。 5）結(jié)構(gòu)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(jī)床、刀具和量儀等，故制造工藝復(fù)雜，成本高。 7）精度不高的齒輪，傳動時(shí)噪聲、振動和沖擊大，污染環(huán)境。 8）無過載保護(hù)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(yùn)轉(zhuǎn)的固定式設(shè)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(yùn)動的移動式設(shè)備，應(yīng)要求結(jié)構(gòu)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(shè)備條件、生產(chǎn)批量等。 3）考慮合理性、先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性等。 由于本次設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)動力刀具的旋轉(zhuǎn)。 第4章 典型零件的設(shè)計(jì)和選用 4.1　動力刀架傳動部分 4.1.1 刀架軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算[10] 1. 軸是組成刀架的重要零部件之一，在設(shè)計(jì)當(dāng)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(jìn)行調(diào)質(zhì)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(yùn)用軸肩，其結(jié)構(gòu)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(yùn)用在軸承的固定上。 3）軸套也是用到比較多的，它的結(jié)構(gòu)簡單、定位可靠，軸不開槽、鉆孔等，可以提高軸的強(qiáng)度。 4）彈性擋圈其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、工藝性好，但是應(yīng)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(dǎo)向性好，裝拆方便，不過制造困難，在這次設(shè)計(jì)中運(yùn)動的是矩形花鍵，主要用在分度機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(shí)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(jī)的功率為0.3kW，電機(jī)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)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(jì)算截面處軸的直徑，單位為mm； 　　　　　 為軸的轉(zhuǎn)速，單位為； 　　　　選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)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(shè)計(jì) 4.1.2.1 選擇液壓缸類型 液壓缸按其結(jié)構(gòu)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(cè)的活塞直徑相等，它的進(jìn)、出油位于缸筒兩端。當(dāng)工作壓力和輸入流量相同時(shí)，兩個(gè)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(jī)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(fù)運(yùn)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(jìn)、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(qū)動刀架主軸的直線往反運(yùn)動.故選用雙作用單桿活塞缸。 4.1.2.2 液壓缸內(nèi)徑D和活塞直徑d的計(jì)算 計(jì)算液壓缸的內(nèi)徑和活塞桿直徑都必須考慮到設(shè)備的類型，例如在金屬切削機(jī)床中，對于動力較大的機(jī)床(刨床、拉床和組合機(jī)床)一定要滿足牽引力的要求，計(jì)算時(shí)要以力為主;對于輕載高速的機(jī)床(磨床、珩磨機(jī)和研磨機(jī)等)一定要滿足速度的要求，計(jì)算時(shí)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(shí)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(jìn)油壓力不需要很大，此次設(shè)計(jì)進(jìn)油壓力確定為低壓0~2.5MPa，然后根據(jù)進(jìn)油壓力查表20-6-3可初步選定速比φ=1.33(計(jì)算速比主要是為了確定活塞桿的直徑和要否設(shè)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(xì)導(dǎo)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(cè)公式 (4-2) 式中 F2 ——液壓缸的理論拉力； p ——供油壓力； D ——缸筒內(nèi)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(shè)計(jì)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(jì)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(gè)特點(diǎn)： （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(zhì) 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(nèi)徑100mm，查機(jī)械設(shè)計(jì)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(nèi)徑 t-------厚度 h0-------壓平時(shí)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(shí)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(jì)算得到 FC ——彈簧壓平時(shí)載荷（N）； K1、K2、K3、K4 ——計(jì)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(guān)鍵部位 由和C=1.96從圖7.2-3查得疲勞破壞的關(guān)鍵部位在Ⅱ點(diǎn)。 （3） 計(jì)算應(yīng)力 當(dāng)f1=0.616mm時(shí) 圖4.3碟形彈簧示意圖 4.1.4　軸承的選用 1. 軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu) 軸承內(nèi)部一般由內(nèi)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(diǎn) 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(diào)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(diào)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(diào)心滾子軸承。 刀架軸向所選軸承的特點(diǎn) 深溝球軸承 1.轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速 滾動軸承的轉(zhuǎn)速主要受容許運(yùn)轉(zhuǎn)溫度的限制，摩擦阻力較低的軸承產(chǎn)生的內(nèi)熱較小,最適合高速運(yùn)轉(zhuǎn)，只承受徑向載荷時(shí)，深溝球軸承或圓柱滾子軸承的容許轉(zhuǎn)速最高,但若承受聯(lián)合載荷時(shí)，角接觸球軸承的容許轉(zhuǎn)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(yīng)用 端齒盤又稱多齒盤、細(xì)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(yīng)用與加工中心、柔性單元、數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)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(jī)構(gòu)、以及其他需要精密分度的各種設(shè)備上。如數(shù)控車床中的多工位自動回轉(zhuǎn)刀架，銑床及加工中心用的回轉(zhuǎn)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(fù)定位精度高而最受歡迎。端齒盤實(shí)際上相當(dāng)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(diǎn) 　　目前在刀架的定位機(jī)構(gòu)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(shí)容易出現(xiàn)間隙，圓錐銷定位精度較高，它進(jìn)入定位孔時(shí)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(gè)齒形相同的端面齒盤相嚙合而成，由于齒合時(shí)各個(gè)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(diǎn)： （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(jié)構(gòu)，經(jīng)過研齒的齒盤其分度精度一般可達(dá)左右，最高可過以上，一對齒盤嚙合時(shí)具有自動定心作用。所以中心軸的回轉(zhuǎn)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(fù)定位精度好 由于多齒嚙合相當(dāng)于上下齒盤的反復(fù)磨合對研，越磨合精度越高，重復(fù)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(qiáng)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(shè)計(jì) 動齒盤與靜齒盤是數(shù)控刀架的兩個(gè)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(shù)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(shí)的接觸齒數(shù)應(yīng)在90%以上，接觸不良的齒不嚙合；安裝基準(zhǔn)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(yīng)在0.01mm以內(nèi)；安裝基準(zhǔn)端面對分度的平行度，一般取0.01~0.04mm，對精密齒盤應(yīng)在0.01mm以內(nèi)。本刀架采用標(biāo)準(zhǔn)直齒端齒盤，齒的嚙合深度通常設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)將齒的嚙合深度設(shè)計(jì)為4mm。這一設(shè)計(jì)也可減少活塞的行程，節(jié)省功率。 查得有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)得出以下參數(shù)： 端齒盤外徑d：端齒盤的外徑主要由設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)所允許的空間范圍來確定。在結(jié)構(gòu)允許 的情況下，外徑越大越好，這樣可以增強(qiáng)分度或定位機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。 根據(jù)車削中心動力刀架的總體結(jié)構(gòu)和外徑系列選取d=180mm。 齒數(shù)z： 根據(jù)JB/T 4316.1-1999查得當(dāng)外徑d=180mm時(shí)，齒數(shù)可以為60和 72兩種，它們的最小分度角分別為和，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的動力刀架 工位數(shù)為8工位，轉(zhuǎn)一個(gè)工位從動盤需要轉(zhuǎn)過角度，應(yīng)該是最小 分度角的倍數(shù)關(guān)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(yuǎn): 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(jī)構(gòu)部分 動力刀架的轉(zhuǎn)位需要凸輪分度機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，而驅(qū)動凸輪軸旋轉(zhuǎn)是由伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，電機(jī)的選擇要滿足所需負(fù)載和轉(zhuǎn)矩。從而需要我們對電機(jī)進(jìn)一步的選擇。 4.2.1伺服電機(jī)的選用 4.2.1.1伺服電機(jī)的分類 直流伺服電機(jī)分為：有刷和無刷電機(jī)。 有刷電機(jī)----成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大,調(diào)速范圍寬,控制容易,需要維護(hù),但維護(hù)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(jī)----體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝?fù)雜，容易實(shí)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(jī)免維護(hù)，效率很高，運(yùn)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(jī)：也是無刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)，目前運(yùn)動控制中一般都用同步電機(jī)，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)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(yùn)行的應(yīng)用。 4.2.1.2 伺服電機(jī)的一般選擇原則 在確定了電機(jī)系列和額定轉(zhuǎn)速后，按以下3個(gè)要素確定伺服電機(jī)容量： 1）負(fù)載慣量比。若負(fù)載慣量比過大，則控制易變得不穩(wěn)定，伺服參數(shù)調(diào)整也很困難。 2）短時(shí)間特性（加減速轉(zhuǎn)矩）。伺服電機(jī)除連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域外，還有短時(shí)間內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性如電機(jī)加減速，用最大轉(zhuǎn)矩表示，最大轉(zhuǎn)矩影響驅(qū)動電機(jī)的加減速時(shí)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(jī)床，為避免電機(jī)過熱，必須檢查它在一個(gè)周期內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的均方根值，并使它小于電機(jī)連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩。 4.2.1.3伺服電機(jī)的選用 刀架驅(qū)動電動機(jī)的選擇應(yīng)同時(shí)滿足刀架運(yùn)轉(zhuǎn)的負(fù)載扭矩和起動時(shí)的加速扭矩 的要求。 1) 刀架負(fù)載扭矩的計(jì)算 動力刀架負(fù)載扭矩估算方法如下：由于這種刀架的負(fù)載扭矩主要用來克服刀具質(zhì)量的不平衡，估算按如下的情況進(jìn)行：用平均重力的刀具插滿刀盤的半個(gè)圓，根據(jù)工藝要求所需的各種刀具，確定每個(gè)刀具的（包括刀柄）平均重力，而其重心則設(shè)定為離刀架回轉(zhuǎn)中心2/3半徑處。由以上的方法可知，由于是8工位動力轉(zhuǎn)塔刀架，因而插滿刀盤的半個(gè)圓需要4把刀具。設(shè)工藝要求所需的每個(gè)刀具的平均重力=4.9N；刀盤的回轉(zhuǎn)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(shí)的電動機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min); ---加速時(shí)間,通常取150~200ms; ---電動機(jī)轉(zhuǎn)子慣量(),可查樣本; ---負(fù)載慣量折算到電動機(jī)軸上的慣量(). 3) 負(fù)載慣量折算到電動機(jī)軸上的慣量的估算 （4-4） 式中 ---各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量(); ---各旋轉(zhuǎn)件的角速度(); ---各直線運(yùn)動件的質(zhì)量(); ---各直線運(yùn)動件的速度(); ---伺服電機(jī)的角速度(). 4) 各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量的估算 由刀架的結(jié)構(gòu)簡圖可知,刀架在完成換刀動作時(shí),伺服電機(jī)帶動其旋轉(zhuǎn)的部件共3個(gè),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(zhuǎn)動慣量的計(jì)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(zhuǎn)動慣量 =1.13 (2)刀架主軸的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動慣量 =0.2237 （3）從動盤的轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動慣量 　　　　　　　　　　 =0.0002 (4) 聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算 由于聯(lián)軸器已標(biāo)準(zhǔn)化，查表取聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量 (5) 對各旋轉(zhuǎn)件的角速度作如