CW6163型卧式车床的数控化改造总体设计及自动回转刀架设计.doc
CW6163型卧式车床的数控化改造总体设计及自动回转刀架设计【说明书+CAD】
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学 毕 业 设 计（论 文） 题 目： 卧式车床的数控化改造 总体设计及自动回转刀架设计 院 （系）： 专 业： 班 级： 学生姓名： 导师姓名： 职称： 起止时间： 摘 要 随着当今工业设备对精密程度的要求越来越高，对机械加工设备的加工精密程度也要求越来越高。而在中国的机械加工设备的车床中普通车床占了很大比例。这已经越来越制约着当今工业的发展。而数控机床由于价格昂贵，且需要较高技术的加工工人。所以对机床进行自动化改造很是必要。本篇论文是在对普通卧式车床 关键词： 机床改造； 自动化机床； 控制系统 of of is of is a in of N is So it is a to to is in of it 目录 前言 . 1 第一章 绪论 . 6 内外数控车床的研究状况与成果 . 3 控刀架的发展趋势 . 错误 !未定义书签。 第二章 数控车床自动换刀装置 . 14 述 . 14 具自动换刀形式 . 16 控车床刀架的功能、类型和满足的要求 . 17 控车床刀架的功能 . 17 控机床 刀架的类型 . 17 控机床刀架应满足的要求 . 18 第三章 车削中心动力刀架总体方案设计 . 19 查研究与资料收集 . 19 课题的调查研究 . 19 料收集 . 20 力刀架的整体方案设计与选择 . 20 力刀架的整体方案设计 . 20 压驱动的刀架工作原理 . 20 架定位精度及重复定位精度 . 22 力刀架传动部分方案设计 . 22 力刀架的分度机构方案设计 . 22 力刀架动力刀具方案设计 . 24 轮传动的分类和特点 . 24 轮传动类型选择的原则 . 26 第四章 典型零件的设计和选用 . 26 力刀架传动部分 . 27 架轴的结构设计及计算 . 27 压缸的设计 . 28 择液压缸类型 . 28 压缸内径 D 和活塞直径 d 的计算 . 29 形弹簧的计算及选用 . 30 承的选用 . 31 齿盘的选用 . 32 齿盘的应用 . 32 齿盘的特点 . 33 齿盘的设计 . 33 力刀架的分度机构部分 . 34 服电机的选用 . 34 服电机的分类 . 34 服电机的一般选择原则 . 35 服电机的选用 . 35 轮机构的选用及计算 . 39 轮式间歇运动机构的特点及应用 . 39 柱凸轮分度机构参 数确定 . 39 力刀架动力刀具部分 . 40 流伺服电动机的选择 . 40 述 . 41 服电机的性能 . 41 轮设计计算及选用 . 41 承的选用 . 44 第六章 总结 . 44 致谢 . 45 参考文献： . 46 第一章 绪论 文选题的背景及意义 述 整个人类社会的文明史，就是制造技术不断演变和发展的历史。任何国家的制造业都是国民经济的基础产业，也是国民经济的主要来源。没有发达的制造业，就不可能有国家真正的繁荣和强大。制造技术是制造业的技术支柱，是一个国家科技水平、综合国力的重要体现，制造 技术的发展是一个国家经济增长的根本动力。而制造业中机床是其基础装备。我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的 1/10 左右，差距太大，急待改造。旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、 术改造普通机床 ，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。 1984 年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。 控机床的优越性 数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物 ,是 技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。它与普通机床相比 ,其优越性是显而易见的 ,不仅零件加工精度高 ,产品质量稳定 ,且自动化程度极高 ,可减轻工人的体力劳动强度 ,大大提高了生产效率 ,特别值得一提的是数控机床可完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工 ,因而数控机床在机械制造业中的地位愈来愈显得重要。 控机床在我国的发展现状 我国是世界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即使国内市场也面临着严峻的形势 ,一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求 ,而另一方面却有不少国产机床滞销积压 ,国外机床产品充斥市场。 90年国外数控机床在我国市场的占有率仅达 15%左右 ,而 95年已达 77%。严重影响我国数控机床自主发展的势头。 这种现象的出现 ,除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外 ,一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进 ,新产品 (包括基型、变型和专用机床 )的开发周期长 ,从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。具体地说 ,这个问题反映在下列五个方面 : (1) 我国机床厂目前开发基型产品的周期约为 15 18个月 ,其中设计时间约为5 8个月 ,占总周期的 40%左右。而国外一些先进机床厂同类基型产品的开发周期为6 9个月 ,其中设计约 2个月 ,只占 25%。因此无论是产品开发的总周期还是设计所占的时间比例均与国外先进水平有很大的差距。 (2) 我国工厂由于缺乏设计的科学分析工具 (如分析和评价软件、整机结构有限元分析方法以及机床性能测试装置等 ),自行开发的新产品大多基于直观经验和类比设计 ,使设计一次成功的把握性降低 ,往往需要反复试制才能定型 ,从而可能错过新产品推向市场的良机。 (3) 用户根据使用需要 ,在订货时往往提出一些特殊要求 ,甚至在产品 即将投产时有的用户临时提出一些要求 ,这就需要迅速变型设计和修改相应的图纸及技术文件。在国外 ,这项修改工作在计算机的辅助下一般仅需数天至一周 ,而在我国机床厂用手工操作就至少需 1 2个月 ,且由于这些图纸和文件涉及多个部门 ,常会出现漏改和失误的现象 ,影响了产品的质量和交货期。 (4) 现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数 ,他们的专业知识和实际经验不足 , 又担负着开发的重任。 (5)由于长期以来形成的设计、工艺和制造部门分立 ,缺乏有效的协同开发的模式 ,不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见 ,容易造成产品的反 复修改 ,延长了开发的周期。 为解决这些问题 ,必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术 ,发展优化和仿真技术 ,提高产品结构性能 ,并建立起基于并行工程 ( 使设计、工艺和制造人员协同工作和知识共享的产品虚拟开发环境 ,使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有效地解决产品开发的落后局面 ,使企业取得良好的经济效益。 床数控化改造的必要性 我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 台，即我国机床数控化率不到 3%。近 10 年来，我国数控机床年产量约 为 台，年产值约为 18 亿元。机床的年产量数控化率为 6%。我国机床役龄 10 年以上的占 60%以上； 10 年以下的机床中，自动 /半自动机床不到 20%， 自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占 60%以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所 以必须大力提高机床的数控化率。 经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做法具有投资少、见效快的特点。事实证明：用较少的资金，将普通机床改造升级为数控机床，可以为企业带来可观的经济效益。 床数控技术的基本概念 控机床和数控技术 数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益，显示了其在国家基础工业现代化中的战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志 。数控技术及数控机床的广泛应用，给机械制造业的产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性的变化。数控机床是现代加工车间最重要的装备。它的发展是信息技术 (1T)与制造技术 (合发展的结果。现代的 捷制造和智能制造技术，都是建立在数控技术之上的。掌握现代数控技术知识是现代机电类专业学生必不可少的。 在 数控加工 中，从零件的设计图纸到零件成品合格交付，不仅要考虑到数控程序的编制，还要考虑到诸如零件加工工艺路线 的安排、加工机床的选择、切削刀具的选择、零件加工中的定位装夹等一系列因素的影响，在开始编程前， 必须要对零件设计图纸和技术要求进行详细的数控加工工艺分析，以最终确定哪些是零件的技术关键，哪些是数控加工的难点，以及数控程序编制的难易程度。 零件的数控加工工艺分析是编制数控程序中最重要而又极其复杂的环节，也是数控加工工艺方案设计的核心工作，必须在数控加工方案制定前完成。一个合格的编程人员对数控机床及其控制系统的功能及特点，以及影响数控加工的每个环节都要有一个清晰、全面的了解，这样才能避免由于工艺方案考虑不周而可能 出现的产品质量问题，造成无谓的人力、物力等资源的浪费。全面合理的数控加工工艺分析是提高数控编程质量的重要保障。 数控车床是目前使用最广泛的数控机床之一。数控车床主要用于加工轴类、盘类等回转体零件。通过数控加工程序的运行，可自动完成内外圆柱面、圆锥面、成形表面、螺纹和端面等工序的切削加工，并能进行车槽、钻孔、扩孔、铰孔等工作。 数控机床的特点 数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床的大脑。与普通机床相比，数控机床有如下特点： 加工精度高，具有稳定的加工质量； 可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； 加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间； 机床本身的精度高、刚性大 ,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的 35 倍）； 机床自动化程度高，可以减轻劳动强度； 对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。 数控机床一般由下列几个部分组成： 主机，他是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。 数控装置，是数控机床的 核心，包括硬件（印刷电路板、 示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、 插补 运算以及实现各种控制功能。 驱动装置 ，他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、 进给单元、主轴 电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。 辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换 工作台 、数控转台和数控分度头，还包括 刀具 及监控检测装置等。 编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。 自从 1952 年美国 麻省理工学院 研制出世界上第一台数控机床以来，数控机床在制造工业，特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中被广泛地应用，数控技术无论在硬件和软件方面，都有飞速发展。 控机床的组成和分类 控机床的组成 (1)输入输出设备 输入输出设备主要实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存储和打印 。 (2)数控装置 数控装置是数控机床的核心。它接受来自输入设备的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等功能。 (3)伺服系统 伺服系统是接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驭动部件。它包括伺服电路和伺服电机组成。一般来说，数控机床的伺服驱动要求有好的快速响应性能，能灵敏而准确地跟踪由数控装置发出的指令信号。 (4)测量反馈装置 该装置由测量部件和响应的测量 电路组成，其作用是检测速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制系统。 (5)机床本体 机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分。 控机床的特点 数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床的大脑。与普通机床相比，数控机床有如下特点： 加工精度高，具有稳定的加工质量； 可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； 加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间； 机床本身的精度高、刚性大 ,可选择有利的加工用量，生产率高（ 一般为普通机床的 35 倍）； 机床自动化程度高，可以减轻劳动强度； 对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。 数控机床一般由下列几个部分组成： 主机，他是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。 数控装置，是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、 示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、 插补 运算以及实现各种控制功能。 驱动装置 ，他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。 辅助装置，指数控机床的一些必要的配 套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换 工作台 、数控转台和数控分度头，还包括 刀具 及监控检测装置等。 编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。 自从 1952 年美 国 麻省理工学院 研制出世界上第一台数控机床以来，数控机床在制造工业，特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中被广泛地应用，数控技术无论在硬件和软件方面，都有飞速发展。 控机床的发展 电子技术、信息技术、网络技术、模糊控制技术的发展使新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床产业的蓬勃发展，也促进了现代制造技术的快速发展。数控机床性能在高速度、高精度、高可靠性和复合化、 网 络化、智能化、柔性化、绿色化方面取得了长足的进步。现代制造业正在迎来一场新的技术革命。数控系统未来分以下几个发展方向： 数控系统向开放式体系结构发展 数控系统向软数控方向发展 数控系统控制性能向智能化方向发展 数控系统向网络化方向发展 数控系统向高可靠性方向发展 数控系统向复合化方向发展 数控系统向多轴联动化方向发展 2 总体方案的拟定 总体方案的设计 本设计是针对 通车床进行数控改造。利用微机对纵向进给系统进行开 环控制，纵向（ Z 向）脉冲当量为 冲驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠。 对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。 数控系统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续控制系统。由于要求 床加工复杂轮廓零件，所以微机数控系统采用两轴联动连续控制系统。图 2示。 伺服进给系统的改造设计 数控机床的伺服进给系统有开环、闭环之分。因为 开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。 图 2式车床简图 床的主轴转速部分保留原机床的功能，即手动变速。车床的纵向（ Z 轴）进给运动采用步进电机驱动。由 8031 单片机组成微机作为数控装置的核心，由 I/O 接口、环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向进给运动。为保持切削螺纹的功能，必须安装主轴脉冲发生器，为此采用主轴靠同步齿行带使脉冲发 生器同步旋 转，发出两路信号：每转发出的脉冲个数和一个同步信号，经隔离电路以及 I/O 接口送给微机。系统总体方案图 2示： 图 2济型数控机床总体方案总体 第二章 数控车床自动换刀装置 述 自动换刀装置的形式是多种多样的，有刀库式和转塔式，虽然换刀过程、选刀方式、刀库结构、机械手类型等各不相同，但都是在数控装置及可编程序控制器控制下，有电动机或液压或气动机构驱动刀库和机械手实现刀具的选择与交换。我们把这种为实现多工序的连续加工，在加工中心或车削中心中，可进行刀具的选择与交换的装置叫自动换刀装 置（ 称 自动换刀装置是数控车床最普遍的一种辅助装置，它可使数控车床在工件一次装夹中完成多种甚至所有的加工工序，以缩短加工的辅助时间，减少加工过程中由于多次安装工件而引起的误差，从而提高机床的加工效率和加工精度 3。 我国对加工中心的需求一直是有增无减，同时，加工中心自动换刀装置的开发也有长足的发展。对于卧式加工中心来说，有从用于 独立式自动换刀装置到用于 层缸 式通用机械手加链式刀库（北京机床研究所设计并制造）的自动换刀装置；对于立式加工中心来说，有从用于 气液型鼓轮式自动换刀装置到用于 多凸轮联动型鼓轮式自动换刀装置。特别是用于 多凸轮联动型鼓轮式自动换刀装置，他的研制成功，为我国自动换刀装置设计与制造翻开了崭新的一页，自 1991 年鉴定后批量生产，已累计生产了 50 多台，由于其结构简单，迅速可靠（刀对刀 受到广大国内外用户的一致好评。 加工中心和车削中心自动换刀装置的发展趋 势是四个方向：一是高速、可靠，追求的目标是换刀时间尽量的短，以换取加工中心和车削中心的高效性；二是简单实用、造价低、使用可靠，但换刀速度不快。 自动换刀装置开发技术要全面注意下列五个方面： 1） 自动换刀装置的可靠性与优化设计研究。通过对自动换刀装置进行可靠性分析研究，找出其薄弱环节，通过改进设计，使自动换刀装置故障率大大减少，保证百万次以上正常换刀的品质。通过对自动换刀装置进行多目标的优化设计，使其动态性能达到最优，进而提高自动换刀装置的性能，降低其制造成本，使刀对刀换刀时间对 40 刀柄不大于 1s，达到世界先进水平。 2）自动换刀装置的系列化与 计。使自动换刀装置适用国内厂家的各种产品，以便得到推广和使用。即达到厂家一旦提出的参数：不同刀柄型号，刀库容量等的自动换刀装置，使厂家立即投入生产，并且是处于国内先进水平的。 3）自动换刀装置制造技术研究。针对自动换刀装置中关键零件的制造技术进行研究，以提高其制造质量和降低制造成本。 4）自动换刀装置新技术的研究。跟踪国际加工中心和车削中心自动换刀装置的发展主流，研究自动换刀装置的新工作原理及新技术。 5）自动换刀装置产业化研究 。自动换刀装置由专业厂生产比现有各厂家自行生产可降低成本，也能保证质量，同时在我国有巨大的市场，因此，在技术研究的基础上，应研究使我国的自动换刀装置生产走上产业化的道路，建立生产自动换刀装置的基地。 自动换刀装置的设计应满足以下基本要求： 1）换刀时间短，以减少非加工时间。 2）减少换刀动作对加工范围的干扰。 3）刀具重复定位精度高。 4）识刀、选刀可靠，换刀动作简单可靠。 5）刀库刀具存储量合理。 6）刀库占地面积小，并能与主机配合，使机 床外观协调美观。 7）刀具装卸、调整、维修方便，并能得到清洁的维护 4。 具自动换刀形式 为进一步提高数控机床的加工效率，数控机床正向着工件在一台机床一次装夹即可完成多道工序或全部工序加工的方向发展，因此出现了各种类型的加工中心机床，如车削中心 、镗铣加工中心、钻削中心等等。这类多工序加工的数控机床在加工过程中要使用多种刀具，因此必须有自动换到装置，以便选用不同刀具，完成不同工序的加工工艺。自动换到装置应当具备换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具储备量、占地面积小、安 全可靠等特性 5。 各类数控机床的自动换到装置的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具种类和数量。数控机床常用的自动换刀装置的类型、特点、适用范围见表1 表 1自动换刀装置类型 类别型式 特点 适用范围 转塔式 回转刀架 多为顺序换刀，换刀时间短 、结构简单紧凑、容纳刀具较少 各种数控车床，数控车削加工中心 转塔头 顺序换刀，换刀时间短，刀具主轴都集中在转塔头上，结构紧凑。但 刚性较差，刀具主轴数受限制 数控钻 、镗、铣床 刀刀具与主轴之间直接换刀 换刀运动集中，运动不见少。但刀库容量受限 各种类型的自动换刀数控机床。尤其是对使用回转类刀具的数控镗 、铣床 库式 用机械手配合刀库进行换刀 刀库只有选刀运动，机械手进行换刀运动，刀库容量大 类立式、卧式加工中心机床 要根据工艺范围和机床特点，确定刀库容量和自动换刀装置类型 控车床刀架的功能、类型和满足的要求 数控转塔刀架是加工中心、数控车床必备的机床附件， 尤其适用全功能数控车床。当前，数控机床发展迅猛，一方面向高速、高效、高精度方面发展，同时，在制造行业中广泛存在原有设备的数控改造和系统升级问题。作为关键附件，高性能的数控转塔刀架对于提高机床整体运行的可靠性、稳定性和效率有着重要意义，数控转塔刀架是由数控系统来控制的，因此，在转塔刀架本身性能提高的情况下，如何实现控制任务就显得十分重要了。 控车床刀架的功能 数控机床上的刀架是安放刀具的重要部件，许多刀架还直接参与切削工作，如卧式车床上的四方刀架，转塔车床的转塔刀架，回轮式转塔车床的回轮刀架，自 动车床的转塔刀架和天平刀架等。这些刀架既安放刀具，而且还直接参与切削，承受极大的切削力作用，所以它往往成为工艺系统中的较薄弱环节。随着自动化技术的发展，机床的刀架也有了许多变化，特别是数控车床上采用电 (液 )换位的自动刀架，有的还使用两个回转刀盘。加工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手，定现了大容量存储刀具和自动交换刀具的功能，这种刀库安放刀具的数量从几十把到上百把，自动交换刀具的时间从十几秒减少到几秒甚至零点几秒。这种刀库和换刀机械手组成的自动换刀装置，就成为加工中心的主要特征 6。 因此，刀架的性能和结 构往往直接影响到机床的切削性能 、切削效率和体现了机床的设计和制造技术水平 7。 控机床刀架的类型 按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式 ，下面对这三种形式的刀架作简单的介绍。 1. 排式刀架 排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。 其 结构形式 为： 夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床的 X 坐标轴方向排列在横向滑板上。刀具的典型布置方式如图 示。这种刀架在刀具布置和机床调整等方面都较为方便，可以根 据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具，一把刀具完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿 X 轴移动预先设定的距离后，第二把刀就到达加工位置，这样就完成了机床的换刀动作。这种换刀方式迅速省时，有利于提高机床的生产效率。宝鸡机床厂生产的 功能数控车床配置的就是排式刀架。 2. 回转刀架 回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架， 一般 通过 液压系统或电气来实现 机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架，并相应地安装 4 把、 6 把或更多的刀 具 。回转刀架的换刀动 作可分为刀架抬起、刀架转位和刀架锁紧等几个步骤。它的动作是由数控系统发出指令完成的。回转刀架根据刀架回转轴与安装底面的相对位置，分为立式刀架和卧式刀架两种。 3. 带刀库的自动换刀装置 上述排刀式刀架和回转刀架所安装的刀具都不可能太多，即使是装备两个刀架，对刀具的数目也有一定限制。当由于某种原因需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。带刀库的自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成。 (a) 回 转 刀 架 (b) 排式刀架 图 床刀架类型 结构图 控机床刀架应满足的要求 1） 满足工艺过程所提出的要求。机床依靠刀具和工件间相对运动形成工件表面，而工件的表面形状和表面位置的不同，要求刀架能够布置足够多的刀具，而且能够方便而正确地加工各工件表面， 为了实现在工件的一次安装中完成多工序加工，所以要求刀架可以方便地转位。 2） 在刀架以要能牢固地安装刀具，在刀架上安装刀具进还应能精确地调整刀具 的位置，采用自动交换刀具时，应能保证刀具 交换前后都能处于正确位置。以保证刀具和工件间准确的相对位置。刀架的运动精度将直接反映到加工工件的几何形状精度和表面粗糙度上，为此，刀架的运动轨迹必须准确，运动应平稳，刀架运转的终点到位应准确。面且这种精度保持性要好，以便长期保持刀具的正确位置。 3） 刀架应具有足够的刚度。由于刀具的类型、尺寸各异，重量相差很大，刀具在自动转换过程中方向变换较复杂，而且有些刀架还直接承受切削力。考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量，所以刀架必须具有足够的刚度，以使切削过程和换刀过程平稳。 4） 可靠性高。由于刀架在 机床工作过程中，使用次数很多，而且使用频率也高，所以必须充分重视它的可靠性。 5） 刀架是为了提高机床自动化而出现的，因而它的换刀时间应尽可能缩短，以利于提高生产率。目前自动换刀装置的换刀时间在 6 秒之间不等。而且还在进一步缩短。 6） 操作方便和安全。刀架是工人经常操作的机床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是评价刀架设计好坏的指标。刀架上应便于工人装刀和调刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作调整刀架的手柄（或手轮）要省力，应尽量设置在便于操作的地方 8。 第三章 车削中心动力刀架总体方案设计 查研究与资料收集 课题的调查研究 从国内外市场调研结果看，国内对数控车床转塔刀架的设计和生产都是依赖于先进国家的，而且产品的性能方面跟国外还有一定的差距，期待开发设计一种性能最优，最有实用价值的转塔刀架，适应市场，替代进口产品低价位的数控车床用转塔刀架，占领国内市场，并达到国际领先水平，为国产机床工业的发展作出贡献。 车 削加工中心是目前国际上比较前端的一种数控机床，可以进行多工序加工，如车削、钻削、铣削等 。有关人士指出，数控机床附件及其配套 功能附件是我国机床工具制造业“十五”计划重点发展产品。虽然我国数控机床产品附件的研制由无到有，取得了显著成绩，但与国外先进水平相比还是有一定差距的。为确保国产数控机床的大发展，就必须把数控机床附件尽快搞上去。为此他们建议国家有关部门，尽快制定有关鼓励、扶持国产数控机床附件发展的相关政策，加大数控机床附件行业科研和技术改进投入，使国产数控机床附件行业有一个大发展。而且动力刀架是数控机床附件中尤为重要的一个部件，把这一技术提高是我们义不容辞的事情。 料收集 课题涉及到的有关知识包括：数控机床结构、车 削加工中心、自动换刀装置等等方面；其次还包括一些机械设计、机械传动、液压、间歇分度机构等方面的知识，在校图书馆借阅了一些关于本次设计有关的资料，而且还在网上搜索了一些相关资料： 1）现代实用机床设计手册； 2）实用机床设计手册； 3）机械设计手册； 4）数控车床设计； 5）数控机床结构与维修等等。 力刀架的整体方案设计与选择 力刀架的整体方案设计 刀架是车床的重要组成部分， 车削中心的动力刀架可安装各种非动力辅助刀夹和动力刀夹进行切削， 用于夹持切削用的刀具 ,因此其结构直接影响到车床的切削性 能和切削效率。 刀架采用端齿分度，转位由 交流伺服 电动机驱动，刀位由二进制绝对编码器识别，动力刀具由变频电机驱动，通过同步齿形带等将动力传递到刀夹 。 根据前部分对机床刀架类型、性能及其使用场合的综合比较，并结合现有数控车床的实例，本次设计的 削中心动力刀架拟采用液压驱动的动力转塔刀架。该刀架的换刀动作分为刀盘抬起、刀盘分度转位和刀盘锁紧三个步骤，其中刀盘抬起由单作用液压缸来实现，刀盘锁紧由碟形弹簧复位来实现，而刀盘的分度转位是由圆柱凸轮分度机构来实现的，由伺服电机驱动凸轮轴实现分度。 压驱动的刀架工作原理 液压驱动的转塔刀架，是用液压缸夹紧，液压马达驱动分度，端齿盘副定位， 当刀架接收到转位指令后，液压油进入液压缸的右腔，通过活塞推动中心轴将刀盘左移，使定位副端齿盘脱离啮合状态，为转位作好准备。当刀盘处于完全脱开位置时，行程开关发出转位信号，液压马达带动转位凸轮旋转，凸轮依次推动回转盘上的柱销。使回转盘通过键带动中心轴及刀盘做分度运动。凸轮每转一周拨过一个柱销。使刀盘旋转 1/n 周（ n 为刀架的工位数）。中心轴的尾端固定着一个有 n 个齿的凸轮，当中心轴和刀盘转过一个工位时，凸轮压合计数开关 一次，开关将此信号送入控制系统。当刀盘旋转到预定工位时，控制系统发出信号使液压马达刹车，转位凸轮停止运动，刀架处于预定位状态。与此同时，碟形弹簧复位，通过活塞将中心轴拉回，端齿盘副啮合。精确定位，刀盘便完成定位和夹紧动作。刀盘夹紧后，中 心轴尾部压下发出转位结束信号。 图 削中心动力转塔刀架示意图 架定位精度及重复定位精度 定位精度是指转塔到位后，刀架指定工位把刀孔中心线与设计中心线在竖直平面内的 偏差。重复定位精度是指刀架各工位反复锁紧多次后的偏差平均值。由于该刀架转塔到位前，控制刀架初定位的霍尔元件发出信号使控制电机的电磁阀断电，此时电机内部的机械自锁部件使电机停在预定位置上，所以刀架具有较高的定位精度和重复定位精度 。 力刀架传动部分方案设计 本次设计的车削中心动力转塔刀架是通过液压驱动来实现刀架抬起动作，当刀架轴尾部检测装置触碰到微动开关，刀架开始转位，而转位动作是由圆柱凸轮分度机构来实现的，换刀时间为 1s，最后一个动作为刀架琐紧动作，由端齿盘来进行琐紧定位。 力刀架的分度机构 方案设计 生产和日常生活中，经常需要某些机构的主动件连续运动，从动件产生“动作 停止 动作”的间歇运动，实现这种运动的机构，称为间歇运动机构。常用的间歇运动机构有棘轮机构 、槽轮机构、不完全齿轮机构和凸轮式间歇机构等。它们广泛用于自动及半自动机床的进给机构、送料机构、刀架转位机构及包装机等机构中。 1)棘轮机构主要由棘轮、棘爪、摇杆、制动爪和机架等组成。按照结构特点，可分为具有轮齿的棘轮机构和摩擦式棘轮机构两大类。其特点结构简单，转角大小改变较方便，但它的动力不大，且传动平稳性差，因此只适用于转 速不高的场合，如各种机床和自动机床进给机构中。 2)槽轮机构由主动拨盘、从动槽轮及机架组成。槽轮机构有外啮合槽轮机构和内啮合槽轮机构两种。其结构简单，工作可靠，进入和脱离啮合时运动平稳；由于槽轮的转角大小无法调节，故只能用于定转角的间歇运动机构中。比如电影放映机上卷片机构等都是槽轮机构来实现的。 3)不完全齿轮机构是由普通渐开线齿轮机构演化而成的。但不同的是轮齿不布满整个圆周，它可分为外啮合和内啮合两种。其结构简单，制造方便，从动轮的运 动时间和静止时间比例可不受结构的限制。其缺点是从动轮在进入和脱开 啮合时，都有严重的刚性冲击，故一般只用于低速、轻载场合。 4)凸轮间歇运动机构是由凸轮、转盘及机架组成的。凸轮间歇运动机构有两种形式，一种是圆柱凸轮间歇运动，另一种是蜗杆凸轮间歇运动机构。这种凸轮机构可以通过调整凸轮与转盘中心距来消除滚子与凸轮突脊接触的间隙。 这种转位机构依靠凸轮轮廓强制刀架作转位运动，运动规律完全取决于凸轮轮廓形状。圆柱凸轮是在圆周面上加工出一条两端有头的凸起 =轮廓，从动回转盘（相当于刀架体）端面有多个柱销，销子数量与工位数相等。当圆柱凸轮按固定的旋转方向运动时，有的柱销会进 入凸轮轮廓的曲线段，使凸轮开始驱动回转盘转位，与此同时有的圆柱销会与凸轮轮廓脱离，当柱销接触的凸轮轮廓由曲线段过渡到直线段时，即使凸轮继续旋转，回转盘也不会转动，即完成了一次刀盘分度转位动作。如此反复下去，就能实现多次的刀架换刀操作。由于凸轮是一个两端开口的非闭合曲线轮廓，所以当凸轮正反转进均可带动刀盘正反两个方向的旋转。这种转位机构转位速度高、精度较低，运动特性可以自由设计选取但制造较困难、成本较高、结构尺寸较大。这种转位机构可以通过控制系统中的逻辑电路或 序来自动选择回转方向，以缩短转位辅助时间。 凸轮间歇运动机构的优点是：传动可靠、平稳，转盘可以实现任何运动规律，以适应高转速要求；可以改变凸轮曲线槽所对应的 角，改变转动与停歇时间比值；转盘停歇时，一般就依靠凸轮棱进行定位，不需要附加定位装置。但凸轮加工要求精度高。常用于需间歇转位的分度装置和要求步进动作的机械中，如多共位立式半自动机床工作盘的转位、轻工业包装机等 9。 图 柱凸轮分度机构 结合上述三种转位机构的转位机理和特点，并结合实际情况，本次设计的车削中心动力刀架决定采用间歇分度机构 圆柱凸轮分度转位机构。如图 力刀架动力刀具方案设计 车削加工中心自驱动动力刀具主要由三部分组成：动力源，变速传动装置和自驱动力刀具附件（钻孔附件和铣削附件）。采用变频电机作为其动力源，圆柱齿轮传动作为其变速传动装置。 目前齿轮技术可达到的指标：圆周速度 v=300m/s， n=105r/递的功率P=105数 m=(00)径 d=1 轮传动的分类和特点 渐 开 线 齿 轮 传 动圆 弧 齿 轮 传 动圆 柱 齿 轮 传 动平 行 轴 齿 轮 传 动 摆 线 齿 轮 传 动其 他非 圆 柱 齿 轮 传 动齿 轮 传 动直 齿 锥 齿 轮 传 动斜 齿 锥 齿 轮 传 动曲 线 齿 锥 齿 轮 传 动交 错 轴 斜 齿 轮 传 动相 交 轴 齿 轮 传 动 准 双 曲 面 齿 轮 传 动普 通 圆 柱 蜗 杆
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