目录
前言1
第一章 绪论3
1.1国内外数控车床的研究状况与成果3
1.2数控刀架的发展趋势4
1.3 数控转塔刀架的开发应用4
第二章 数控车床自动换刀装置5
2.1概述5
2.2 ATC刀具自动换刀形式6
2.3 数控车床刀架的功能、类型和满足的要求7
2.3.1数控车床刀架的功能8
2.3.2数控机床刀架的类型8
2.3.3数控机床刀架应满足的要求9
第三章 车削中心动力刀架总体方案设计11
3.1调查研究与资料收集11
3.1.1 课题的调查研究11
3.1.2资料收集11
3.2动力刀架的整体方案设计与选择11
3.2.1 动力刀架的整体方案设计11
3.2.2液压驱动的刀架工作原理12
3.2.3 刀架定位精度及重复定位精度13
3.3动力刀架传动部分方案设计13
3.4 动力刀架的分度机构方案设计14
3.5动力刀架动力刀具方案设计15
3.5.1 齿轮传动的分类和特点16
3.5.2 齿轮传动类型选择的原则17
第四章 典型零件的设计和选用18
4.1 动力刀架传动部分18
4.1.1 刀架轴的结构设计及计算18
4.1.2 液压缸的设计19
4.1.2.1 选择液压缸类型19
4.1.2.2 液压缸内径D和活塞直径d的计算20
4.1.3 碟形弹簧的计算及选用21
4.1.4 轴承的选用22
4.1.5 端齿盘的选用23
4.1.5.1端齿盘的应用23
4.1.5.2端齿盘的特点24
4.1.5.3 端齿盘的设计24
4.2 动力刀架的分度机构部分25
4.2.1伺服电机的选用25
4.2.1.1伺服电机的分类26
4.2.1.2 伺服电机的一般选择原则26
4.2.1.3伺服电机的选用26
4.2.2凸轮机构的选用及计算30
4.2.2.1凸轮式间歇运动机构的特点及应用30
4.2.2.2圆柱凸轮分度机构参数确定31
4.3 动力刀架动力刀具部分31
4.3.1交流伺服电动机的选择32
4.3.1.1概述32
4.3.1.2 伺服电机的性能32
4.3.2 齿轮设计计算及选用33
4.3.3 轴承的选用35
第五章 CK6130车削中心动力转塔刀架三维制作36
5.1 典型零部件实体制作36
5.1.1刀架轴的实体制作36
5.1.2刀盘的制作36
5.1.3齿轮制作37
5.1.4圆柱凸轮制作37
5.2 装配图、剖视图、爆炸图39
第六章 总结42
致谢43
参考文献：44
前言
制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国或地区经济的实力，科技水平，生活水准和国防实力。国际市场的竞争归根到底是各国制造生产能力及机械制造装备的竞争。
自从20世纪60年代世界上第一台数控机床问世以来，随着计算机技术、微电子技术、现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通信技术和机械制造技术等各相关领域的发展，数控技术已成为现代先进制造系统(FMS，CIMS等)中不可缺少的基础技术。由于机床数控系统技术复杂，种类繁多。现在数控机床的“使用难、维修难”问题，已经是影响数控机床有效利用的首要问题。
工业发达国家都非常注重机械制造业的发展，为了用先进技术和工艺装备制造业，机械制造装备工业得到先发展。对比之下，我国目前机械制造业的装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专用工艺装备，数控机床在机械制造装备中的比重还非常低，导致“刚性”强,更新产品速度慢，生产批量不宜太小，生产品种不宜过多；自动化程度基本上还是“一个工人，一把刀，一台机床”，导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。 因此，要缩小我国同工业发达国家的差距,我们必须在机械制造装备方面大下功夫，其中最重要的一个方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重[1]。
本课题为CK6130车削中心动力转塔刀架设计及三维制作，该刀架能够在一次装夹中完成多道工序，使加工范围扩大，大大提高了加工精度和生产效率。本次设计的主要内容为：1．CK6130车削中心动力转塔刀架总体布局设计；2．动力刀架传动部分设计；3．动力刀架分度机构设计；4．动力刀架刀具设计；5.外文资料的翻译。
分度机构和动力刀具部分设计是这次设计中的重点内容，同时也是难点。通过广泛查阅文献资料，参观数控车床实物样机以及与指导老师相互讨论等途径，拟定了如下的研究手段：
回转刀架的换刀分为刀盘抬起、刀架锁紧和刀盘转位三个动作。其中刀盘抬起和刀架锁紧由液压来实现，而刀盘转位则由伺服电机来驱动。刀盘抬起动作的实现须经以下步骤：数控系统发出刀盘抬起命令 液压系统启动 压力油进入液压缸右腔 活塞向左运动 刀架主轴向左移动 端齿盘脱离啮合 刀盘抬起。刀盘转位动作的实现顺经以下步骤：数控系统发出刀盘转位的命令 伺服电机启动 圆柱凸轮转动 刀架主轴转动 实现刀盘转位。刀盘锁紧动作的实现顺经以下的步骤： 数控系统发出刀盘锁紧顺序动作：碟形弹簧复位 活塞向右运动 刀架主轴向右移动 端齿盘啮合 实现刀盘锁紧。
第一章 绪论
1.1国内外数控车床的研究状况与成果
我国从1958年开始研究数控机床，一直到20世纪60年代中期还处于研制开发时期。当时，一些高等院校，科研单位研制出试样样机，是从电子管起步的。
1965年，国内开始研制晶体管数控系统。20世纪60年代末至70年代初研制成了劈锥数控铣床，数控非圆齿轮插齿机。CIL—18晶体管数控系统及Z53K—1G立式数控铣床。
从20世纪70年代开始,数控技术在车，铣 ，镗,磨，齿轮加工，电加工等领域全面展开，数控加工中心在上海，北京研制成功。但由于电子元器件的质量和制造工艺水平差，致使数控系统的可靠性,稳定性末行到解决，因此末能广泛推广。
20世纪80年代，我国从昌本发那科公司引进了3,5,6,7等系列的数控系统和直流伺服电机，直流主轴电机等制造技术，以及引进美国GE公司的MCI系统和交流伺服系统，德国西门子VS系列可控硅调速装置，并进行了商品化生产.这些系统可靠性高，功能齐全。与此同时，还自行开发了3、4、5轴联动的数控系统以及双电机驱动的同步数控系统(用于火焰切割机)和新品种的伺服电机，推动了我国数控机床稳定发展，使我国数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。
1985年，我国数控机床的品种有了新的发展。数控机床品种不断增多，规格齐全。许多技术复杂的大型数控机床，重型数控机床都相继研制出来。为了跟踪国外现代制造技术的发展，北京机床研究所研制出了JCS-FMS-1型和2型的柔性制造单元和柔性制造系统。这个时期，我国在引进，消化国外技术的基础上，进行了大量开发工作。一些较高档次的数控系统(5轴联动)，分辨率为0.02 的高精度数控系统，数字仿型数控系统为柔性单元配套的数控系统都开发出来了，并造出样机。
我国的数控技术经过“六五”，“七五”，“八五”，到“九五”的近20年的发展，基本上掌握了关键技术，建立了数控开发，生产基地，培养了一批数控人才，初步形成了自己的数控产业。“十五”攻关开发的成果：华中 号、中华 号、航天 号和蓝天 号4种基本系统建立了具有中国自主版机的数控技术平台。具有中国特色济型数控系统经过这些年来的发展，有了较大的提高。它们逐渐被用户认可，在市场上站住了脚[2]。
目前我国数控机床生产厂有100多家，生产数控机床配套产品的企业有300余家，产品品种包括八大类2000种以上。目前已新开发出数控系统80余种，分为3种型级，即经济型，普及型和高级型。“九五”期间数控机床发展已进入实现产业化阶段，数控机床新开发品种300余种，已有一定的覆盖面。新开发的国产数控机床产品大部分达到期际上20世纪80年代中期水平，部分达到90年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床。
1.2数控刀架的发展趋势
数控刀架的发展趋势是：随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。
目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。立式刀架有四、六工位两种形式，主要用于简易数控车床；卧式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能数控车床。另外卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。
数控刀架的市场分析：国产数控车床今后将向中高档发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种，近年来需要量可达1000～1500台。
1.3 数控转塔刀架的开发应用
数控转塔刀架是以回转分度实现刀具自动交换及回转动力刀具的传动。因此技术含量高，已趋向专业化开发生产。所以对数控转塔刀架的研究开发及应用已引起数控机床行业重视。
典型数控转塔刀架一般由动力源（电机或油缸、液压马达）、机械传动机构、预分度机构、定位机构、锁紧机构、检测装置、接口电路、刀具安装台（刀盘）、动力刀座等组成。数控转塔刀架的动作循环为：T指令（换刀指令） 刀盘放松 转位 刀位检测 预分度 精确定位 刀盘锁紧 结束信号。
第二章 数控车床自动换刀装置
2.1概述
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（automatic tool change 简称ATC）。
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JCS-013的独立式自动换刀装置到用于TH6350、TH6363、TH6380和TH63100的TB51.02双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JCS-018的气液型鼓轮式自动换刀装置到用于XH715B和XH715C的多凸轮联动型鼓轮式自动换刀装置。特别是用于TH715B和TH715C的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2.5s），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CAD设计。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]。
2.2 ATC刀具自动换刀形式
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1-1。
表1-1 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
刀库式
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
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
2.3 数控车床刀架的功能、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。
2.3.1数控车床刀架的功能
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