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转塔刀架设计及相关技术研究【机械函授自考毕业设计含说明书+CAD图纸】

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主活塞.dwg

刀架主轴.dwg

动齿盘.dwg

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关键词：: 刀架设计相关相干技术研究机械函授自考毕业设计说明书仿单 cad 图纸

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主活塞.dwg

任务书.doc

刀架主轴.dwg

动齿盘.dwg

总装图(1).dwg

电机外壳.dwg

箱体.dwg

紧锁齿盘.dwg

调环.dwg

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设计说明书.doc[11000字，26页]

转塔刀架设计及相关技术研究

摘要：数控转塔刀架作为衡量一台车床好坏的核心功能部件之一,其性能的优劣,直接影响着车床的加工精度和加工效率。但是,由于现有普遍使用的伺服电机低速扭矩特性不好,所以在使用时必须使用减速齿轮机构来满足转塔刀架在低速旋转时所产生的大扭矩。而直接传动装置是由电机不通过中间齿轮而直接驱动负载,减少了中间的动力传动环节。直驱电机相对于传统的伺服电机的优点是：能在低速旋转时输出很大扭矩,从而可以不通过减速齿轮而直接驱动低速生产设备,有很高的社会实际应用价值。为了简化数控转塔刀架结构、大幅度地提高其综合性能,本论文将这种技术应用于数控转塔刀架上。本论文的主要研究内容如下:

第一、了解数控转塔刀架的国内外研究现状,研究国内外各种刀架的机械结构,分析直驱伺服电机和其他伺服电机相比的优点以及其驱动刀架的可行性。

第二、根据直驱伺服电机自身的结构和功能特点,设计一种直驱数控卧式转塔刀架。并对其进行设计,包括转位机构、定位机构、密封装置、控制装置等。

第三、对转塔刀架的松开与锁紧机构进行设计,主要是对转塔刀架的液压缸缸体进行设计,计算液压缸的相关参数。

第四、对数控转塔刀架进行二维建模,首先用二维软件Autocad对其进行各个关键件的绘制，然后按照装配关系把转塔刀架装配起来，经过验证合格后，可用作零件图交付工厂实施加工。

关键词：数控；转塔刀架；伺服电机；永磁同步交流伺服电机

design of Turret tool post and study of related technologies

Abstract：CNC turret pagoda as one of the core features of a lathe to measure the quality of its performance directly affects the machining precision and efficiency of the lathe. With the development of technology and servo motors, servo motors gradually replaced the traditional coarse positioning CNC turret on signal transmission and other devices, greatly simplifies the turret structure, greatly improving the reliability of the knife holder, and significantly reducing tool change time and improve the overall performance of the tool holder. However, since the conventional servo motors commonly used in low-speed torque characteristics well, so when using the reduction gear mechanism must be used to meet the high torque at low speed turret rotation generated. Drive the motor unit directly is not directly driven by the intermediate gear and load, reducing the intermediate power transmission link. Direct drive motor with respect to the advantages of traditional servo motor is: can output a large torque at low speed, there by directly driving low-speed production equipment without going through reduction gear, has a high social value of practical application. In order to simplify the structure of CNC turret, greatly improve their overall performance, this paper will apply the technology on CNC turret. The main contents of this paper are as follows:

Firstly, study the situation of the CNC turret tool post, study the structure of some CNC turret tool post at home and abroad, analyze the characteristics、applications、advantages and disadvantages of various structure, analyze the characteristics of direct-drive servomotor and the feasibility to drive the turret.

Secondly, learn from the structure of CNC turret tool post at home and abroad, according to the direct-drive servomotor's own structure and characteristics, design a horizontal CNC turret tool post, including detent mechanism, control devices, sealing device etc..

Thirdly, the turret and release the locking mechanism designed mainly for turret cylinder block design, calculation of cylinder parameters.

Fourth, CNC turret two-dimensional modeling, the first two-dimensional drawing software Autocad its various key member, and then follow the relationship between the turret assembly is assembled, after verification of qualified, can be used Spare delivery factory implementation process.

Keywords: brick turret；servo motor；permanent magnet synchronous AC servo motor

摘要 I

Abstract II

目录 IV

1 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 转塔刀架的国内外研究现状 1

1.2.1 国内研究现状 1

1.2.2 国外研究现状 2

1.3 主要研究内容和意义 3

1.3.1 主要的研究内容 3

1.3.2 研究意义 3

2 转塔刀架的研究方案 4

2.1 刀架的基本分类 4

2.2 刀架设计基本要求 4

2.3 转塔刀架的方案研究 5

2.3.1 动力装置的选择 4

2.3.2 主轴部件 6

2.3.3 装刀机构 6

2.3.4 分度、定位机构 7

2.3.5 精定位机构 8

2.3.6 转塔刀架的密封 9

2.3.7 动力传动机构 10

2.4 转塔刀架的整体设计 10

3 转塔刀架的锁紧与松开技术 12

3.1 液压的锁紧与松开的基本控制原理 12

3.2 液压缸的设计 13

3.2.1 活塞缸的类型 13

3.2.2 缸筒的计算设计 14

3.3 活塞的计算设计 14

3.4 密封装置的设计 15

4 转塔刀架的二维模型的建立 17

4.1 AUTOCAD简介 17

4.2 转塔刀架二维模型的建立 17

总结 20

参考文献 19

致谢 21

刀架主轴.jpg

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内容简介：: 毕业设计任务书 1毕业设计的任务和要求：掌握机床转塔刀架的基本知识；研究数控机床转塔刀架及刀库的关键技术，了解其选型、应用及设计方法等；完成一种数控机床用转塔刀塔的设计，要求装刀数量不少于8 把，刀柄接口、转位精度、转位速度等满足普通精度机床的需要。 2毕业设计的具体工作内容： 1）分析题目要求，查阅相关的国内外文献、设计资料、有关专利文献等，在此基础上，了解开题报告的撰写方法、基本要求，完成开题报告； 2）学习和掌握转塔刀架的有关知识，了解数控机床转塔刀架设计的关键技术及发展现状；了解数控机床、加工中心对转塔刀架的要求；总结转塔刀架的设计要点、技术关键及发展方向；力争提出转塔刀架设计的发展方向； 3）按题目要求，设计一种满足普通精度数控机床使用的转塔刀架，完成结构图、主要零件图设计，给出回转精度、转位速度、刀具接口等必要的计算说明； 4）编写设计说明书； 5）翻译本专业外文科技文献一份。毕业设计任务书 3对毕业设计成果的要求： 1）转塔刀架装配图、主要零件图一套； 2）转塔刀架的研究及设计说明书一份； 3）本专业外文科技文献译文一份。 4毕业设计工作进度计划：起迄日期工作内容 2016 年 02 月 29 日 03 月 21 日 03 月 22 日 04 月 30 日 05 月 01 日 05 月 20 日 05 月 21 日 05 月 31 日 06 月 01 日 06 月 05 日分析课题要求，查阅相关文献资料，了解转塔刀架设计的国内外现状及发展趋势，提出自己的设计思路，完成开题报告；全面掌握转塔刀架的基本知识，了解数控机床对转塔刀架的要求，了解转塔刀架的设计特点；分析总结转塔刀架的发展方向；完成转塔刀架结构图、主要零件图的设计；完成研究总结及设计说明书撰写答辩讲稿，准备答辩；学生所在系审查意见：同意下发任务书系主任： 2016 年 2 月 29 日毕业设计开题报告 1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文献综述 1 课题目的及意义数控转塔刀架是加工中心、数控车床必备的机床附件，是数控车床上的核心功能部件之一，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 1因此数控车床的刀架设计的好与坏、效率高与低将直接影响到产品的加工时间和质量，进而影响到制造业的飞速发展。本设计主要通过大量阅读文献掌握机床转塔刀架的基本知识；研究数控机床转塔刀架及刀库的关键技术，了解其选型、应用及设计方法等；完成某种数控铣床用转塔刀塔的设计，并且转塔刀架的装刀数量不少于 8 把，对于数控车床转塔刀架设计的基本要求是转位准确可靠，工作平稳安全；转位时间短；转位以后重复定位精度高；防水防屑，密封性能优良；夹紧刚性高，适宜重负荷切削。内对转塔刀架的研究现状我国数控机床约有几十年的历史 ,目前正处在高速发展期 ,采用的刀架多为液压凸轮刀架 ,关于伺服动力刀架技术的研究刚刚起步 4。随着对机床精度、速度、可靠性、复合化程度等的要求的提高 ,迫切需要自主研发目前主要依靠进口的伺服刀架和伺服动力刀架 ,以满足高档数控机床发展的需要。目前国内主要刀架产品生产厂家有 :烟台环球、常州宏达、常州亚兴、台湾六鑫、台湾德士、台湾亘阳、沈阳精诚等。经过近几年的发展 ,国内及时跟踪国外先进技术 , 不断开发推出新产品 ,刀架技术得到了很大提高 5。烟台环球公司研制的列刀架采用伺服电机进行分度 ,液压控制松开 ,以端齿轮 (三联齿轮 )进行精密定位 ,可实现双向转位就近选刀 ,中心高有 80100125孔的定位精度达士 6 ,重复定位精度达士 2 转位 180 度的多同时能装 12 把刀 ,动力刀具转速达 5000。台湾德士公司研制的中心高不同的轴向动力刀架和径向动力刀架在精度、换刀时间方面等都有了提高 7。相邻两刀的换刀时间为位 180 度的时间为复定位精度达 2 ，动力刀具转速达 4000 外对转塔刀架的研究现状数控机床的发展己有五十多年的历史 ,伺服刀架的发展约有二十年的历史 ,伺服动力刀架有十余年的历史 ,己进入成熟期 8国外刀架发展的趋势是 :液压凸轮刀架、电动刀架、伺服刀架、分度马达刀架、动力刀架、带 Y 轴刀架、带 B 轴刀架及直联式力矩电机刀架等 11。目前 ,日本、德国、英国等发达国家均有成熟的刀架产品生产 ,如德国司开发的车削中心固定安装一个立式刀具台和 12 个转塔动力刀架 ,可配置 26 把单独驱动的动力刀具 ;日本的司的 3 个刀架 ,两个分别对应左、右侧对置主轴 ,第三个起平衡两主轴加工时间的作用 ;日本村田机械的列有两平行并列主轴 ,卡盘端面面向操作者 ,每轴配一个刀架 ,便于排屑和操作 ,适于盘类零件加工 12。国外数控机床刀架的专业生产厂家主要有 :德国肖特 (意大利巴拉法第(杜普马帝克 ( ,这些专业厂家刀架生产历史悠久 ,产品系列全 13。德国肖特 (国外生产刀架产品质量较好的公司 ,其研制的刀架多种多样 ,主要有电动刀架、双马达伺服刀架、单马达伺服刀架、四方刀架、 B 轴刀架和皇冠刀架等 14。电动刀架控制简单 ,能够实现轴向和径向出刀 ,具有 Y 轴功能 ;双马达伺服刀架具有极佳的温度稳定性 ,也具有轴向和径向出刀能力 ,适用于背面加工 ;单马达伺服刀架定位和动力刀共享单一马达 ,能够实现超高速定位 ,180分度时间达到轴功能 ;B 轴刀架兼具 Y 轴及刀库功能 ,适用于复杂工件的切削及轮廓铣削 ,重复定位精度高达 ;皇冠刀架尺寸小 ,换刀快 ,可达轴转速高达 18000位准确 ,其定位精度 ,重复定位精度 ,最多可以 8 个独立刀座及多头刀座 ,刀架内部具有超载保护装置可减少撞车时对刀架的损坏 ,换刀时刀盘不需有抬起动作 ,适宜在生产线上大量使用 15。内与国外的差距我国的数控机床行业与世界先进制造行业相比，存在很大的差距，而重要的原因是功能部件行业赶不上数控机床的发展 16。特别是数控转塔刀架行业，在 2007 年制定了国家标准，但是标准要求比较低 ,虽然每个企业都有了自主知识产权，但生产的产品以中、低档次为主。中、高档次产品都是从中国台湾地区和国外引进，特别是欧洲国家，像意大利的迪普马、巴拉法蒂，德国的肖特等都是有几十年的数控转塔刀架设计、研发、生产的专业企业，有丰富的经验积累，拥有自主知识产权，拥有自己的标准，有先进的加工检测手段，其精度等级、技术参数都远高于我国国家标准和任何一家企业标准。但是，进口刀架的价格昂贵，交货周期长，因此，目前配置在国内数控机床上的进口高档次功能部件还是比较少的 17。而中国台湾地区的液压刀架其稳定性、可靠性、适应性基本达到国际同类产品水平，而且有自己的特点，与欧洲产品相比，价格适中，具有很高的性价比。因此，台湾的数控转塔刀架在大陆有一定的占有量，而且在中档次机床的配置尤为突出 18。如何提升自己产品的技术含量，既适合我国数控机床发展的实际需要，又能在国际市场竞争中有一席之地，是我们值得思考的问题和今后各个企业所要走的路。 3. 转塔中心换刀原理分析主轴电机动力传递转塔中心的主轴切削加工和八角头转动换刀所需的动力由同一电机（主轴电机）提供，那么主轴电机的动力到底是如何传递给主轴和八角头分度机构的，则需将各部件结合起来进行深入分析后才可得知。经研究分析可得到主轴电机的动力流程，如图 1 所示。由于主轴转动，进行加工切削时，不允许八角头转动；八角头转动进行换刀时，主轴应失去动力。 19因此由一个电机为两者提供动力是不冲突的，并能节省成本和能源。而主轴的转动和八角头的转动不能同时进行，这是由离合器与滑动离合器的机械互锁来保证的，两个离合器依靠机械结构来协调动作，进行互锁，在同一时间，只能有一个离合器处于闭合状态。图 1 主轴电机动力传递流程塔中心换刀原理通过以上分析可知，转塔中心的自动换刀是通过一系列的机械机构的协调动作来完成的。主要通过两个离合器的是否闭合来控制主轴电机的动力传递，当滑动离合器闭合时，主轴电机带动主轴转动，进行切削工；当离合器闭合时，主轴电机带动六角头转动，进行主轴和刀具的更换，两个离合器通过机械结构互锁。利用凸轮与离合器拨叉的配合保证每次换刀，凸轮轴只转动一圈，离合器便分离；再利用槽轮机构实现分度，保证每次换刀六角头只转动 60。而凸轮轴上的凸轮与离合器臂的配合则使得，每次换刀前分度定位柱塞退出定位，而换刀结束后再对六角头进行定位，使得主轴和刀具具有较高的重复定位精度。每次换刀，六角头能自动转动 60，更换至下一根主轴用于切削加工，实现机床自动换刀 20。参考文献： 1李宪凯 J 设备管理与维修， 2006(1)： 36 2郭永环 J 机床与液压， 2002(6)： 24 3吉涛，刘乘 J机床与液压。 2006(9)： 89 4苏晓晖机床六工位转塔动力刀架的设计 J 制造技术与机床， 2010(3)： 46 5 陈代隆，于天标多工位液压数控转塔刀架 J 沈阳工业大学学报， 1999， 21(4)：312 6陈日曜金属切削原理 M北京：机械工业出版社， 2002 7俞文海，李朝荣八工位回转刀架的设计研究 J制造技术与机床， 1998(6)： 8卢建伟 . 数控车床转塔刀架可靠性试验台的研制 D2011. 9郑申 ,张瑞乾 . 多工位数控转塔动力刀架设计 J. 机械研究与应用 ,2010,05:848. 10 董红召 . 车削中心转塔刀架布刀的化方法 J. 农业机械学报 ,2007,02:17200. 11楼俏 . 数控车床动力转塔刀架可靠性试验台的研制 D2012. 12姜玉龙 . 数控车床转塔刀架可靠性试验台的电液伺服加载系统研制 D2012. 13吉涛 ,刘乘 . 多工位转塔刀架的数控实现 J. 机床与液压 ,2006,09:8916. 14卢金鼎 ,刘满银 . 数控转塔刀架的开发应用 J. 机械制造 ,1998,02:3215 李德贵 J2013， (11)： 9495. 16 丁义军 J2011， (33). 17 徐溥滋，张舒勃等 M龙江人民出版社， 1979. 18 李刚 J2011， 39(20)： 121123. 19 彭磊 J2012， 23(03)： 4549. 20 吴彬表机床的研制 D海大学机电工程与自动化学院， 2009 毕业设计开题报告 2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：： 1）机床的转塔刀架设计，包括动力方案设计、参数计算和整体布局设计。 2）机床关键部件转塔中心的内部机构和换刀原理的研究和分析。 3) 根据机床的功能要求，设计一种符合要求的转塔刀架。 4) 学习制出转塔刀架的零件图，装配图。究方案 1）从人机工程学的角度进行机床的整体布局设计。 2) 对现有自动换刀装置转塔中心进行分析，通过工程分析和研究，设计新型装置，提高换刀速度和精度 3) 完成一种数控满足刀数和精度的机床转塔刀架的设计。 4) 利用数控系统和机床控制系统，实现机床的各种控制功能，保证机床稳定可靠地运行。第 1：选择设计方向，收集资料，确定设计内容，撰写开题报告。第 3：调研。第 5：学习转塔刀架的设计方法。第 7：绘制转塔刀架的结构示意图。第 9：根据设计要求对相关参数进行计算。第 11：运用制转塔刀架工程图。第 13 周：完成论文初稿，根据提出的修改意见完善图纸及论文。第 14 周：毕业设计定稿、打印，毕业答辩。毕业设计开题报告指导教师意见：报告表明，该同学近期查阅了一些数控机床，数控刀具刀架方面的文献资料，对其发展历程有了初步的了解，但深入技术细节不够对研究现状 ,产品中的新技术了解不多，因此只提出了设计的思路，后期应尽快制定更详细的方案。同意开题指导教师： 2016 年 3 月 22 日所在系审查意见：系主任： 2016 年 3 月 22 日 I 转塔刀架设计及相关技术研究摘要：数控转塔刀架作为衡量一台车床好坏的核心功能部件之一 ,其性能的优劣 ,直接影响着车床的加工精度和加工效率。但是 ,由于现有普遍使用的伺服电机低速扭矩特性不好 ,所以在使用时必须使用减速齿轮机构来满足转塔刀架在低速旋转时所产生的大扭矩。而直接传动装置是由电机不通过中间齿轮而直接驱动负载 ,减少了中间的动力传动环节。直驱电机相对于传统的伺服电机的优点是：能在低速旋转时输出很大扭矩 ,从而可以不通过减速齿轮而直接驱动低速生产设备 ,有很高的社会实际应用价值。为了简化数控转塔刀架结构、大幅度地提高其综合性能 ,本论文将这种技术应用于数控转塔刀架上。本论文的主要研究内容如下 : 第一、了解数控转塔刀架的国内外研究现状 ,研究国内外各种刀架的机械结构 ,分析直驱伺服电机和其他伺服电机相比的优点以及其驱动刀架的可行性。第二、根据直驱伺服电机自身的结构和功能特点 ,设计一种直驱数控卧式转塔刀架。并对其进行设计 ,包括转位机构、定位机构、密封装置、控制装置等。第三、对转塔刀架的松开与锁紧机构进行设计 ,主要是对转塔刀架的液压缸缸体进行设计 ,计算液压缸的相关参数。第四、对数控转塔刀架进行二维建模 ,首先用二维软件其进行各个关键件的绘制，然后按照装配关系把转塔刀架装配起来，经过验证合格后，可用作零件图交付工厂实施加工。关键词：数控；转塔刀架；伺服电机；永磁同步交流伺服电机 II of as of of a to of of of NC on of of in so be to at is by to of a at by a of In to NC NC of as of NC of NC at of of to NC at to s a NC of is of be C V 目录摘要 . I . 录 . 绪论 . 1 题研究背景 . 1 塔刀架的国内外研究现状 . 1 内研究现状 . 1 外研究现状 . 2 要研究内容和意义 . 3 要的研究内容 . 3 究意义 . 3 2 转塔刀架的研究方案 . 4 架的基本分类 . 4 架设计基本要求 . 4 塔刀架的方案研究 . 5 力装置的选择 . 4 轴部件 . 6 刀机构 . 6 度、定位机构 . 7 定位机构 . 8 塔刀架的密封 . 9 力传动机构 . 10 塔刀架的整体设计 . 10 3 转塔刀架的锁紧与松开技术 . 12 压的锁紧与松开的基本控制原理 . 12 压缸的设计 . 13 V 塞缸的类型 . 13 筒的计算设计 . 14 塞的计算设计 . 14 封装置的设计 . 15 4 转塔刀架的二维模型的建立 . 17 介 . 17 塔刀架二维模型的建立 . 17 总结 . 20 参考文献 . 19 致谢 . 21 1 1 绪论题研究背景数控转塔刀架是加工中心、数控车床必备的机床附件，是数控车床上的核心功能部件之一，尤其适用全功能数控车床。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 1 。塔刀架的国内外研究现状内研究现状目前国内主要刀架产品生产厂家有 :烟台环球、常州宏达、常州亚兴、台湾六鑫、台湾德士、台湾亘阳、沈阳精诚等。经过近几年的发展 ,国内及时跟踪国外先进技术 ,不断开发推出新产品 ,刀架技术得到了很大提高。烟台环球公司研制的列刀架采用伺服电机进行分度 ,液压控制松开 ,以端齿轮 (三联齿轮 )进行精密定位 ,可实现双向转位和任意刀位就近选刀 ,30 最快转位时间中心高有 80 100 125刀孔的定位精度达 6 ,重复定位精度达 2 ,转位 180 的分度时间达到最多同时能装 12 把刀 ,动力刀具转速达 5000 2 。其开发的架如图 1示：图 1架实物图台湾德士公司研制的中心高不同的轴向动力刀架和径向动力刀架在精度、换刀时间方面等都有了提高 3。相邻两刀的换刀时间为转位 180 的时间为2 重复定位精度达 2 ，动力刀具转速达 4000 外研究现状国外数控机床的发展己有七十多年的历史 ,伺服刀架的发展约有二十年的历史 ,伺服动力刀架有十余年的历史 ,己进入成熟期。国外刀架发展的趋势是 :液压凸轮刀架、电动刀架、伺服刀架、分度马达刀架、动力刀架、带 Y 轴刀架、带 4 。目前，日本、德国、英国等发达国家均有成熟的刀架产品生产，如德国 3002个转塔动力刀架 ,可配置 26 把单独驱动的动力刀具。国外数控机床刀架的专业生产厂家主要有：德国肖特 (意大利巴拉法第 (杜普马帝克 ( ，这些专业厂家刀架生产历史悠久，产品系列全。德国肖特 (国外生产刀架产品质量较好的公司，其研制的刀架多种多样，主要有电动刀架、双马达伺服刀架、单马达伺服刀架、四方刀架、 B 轴刀架和皇冠刀架等 5 。电动刀架控制简单 ,能够实现轴向和径向出刀，具有 Y 轴功能；双马达伺服刀架具有极佳的温度稳定性 ,也具有轴向和径向出刀能力，适用于背面加工；单马达伺服刀架定位和动力刀共享单一马达 ,能够实现超高速定位， 180 的分度时间达到同时具有 Y 轴功能； B 轴刀架兼具 Y 轴及刀库功能，适用于复杂工件的切削及轮廓铣削 ,重复定位精度高达；皇冠刀架尺寸小，换刀快，可达主轴转速高达 18000 定位准确，其定位精度，重复定位精度，最多可以 8 个独立刀座及多头刀座，刀架内部具有超载保护装置可减少撞车时对刀架的损坏，换刀时刀盘不需有抬起动作，适宜在生产线上大量使用。要研究内容和意义要的研究内容本文主要是借鉴国内外研究刀架的资料，自己设计完成一种数控机床的转塔刀架。对此刀架进行结构的设计，包括定位机构、控制装置、转位机构和密封装置等等；对刀架的液压缸进行设计，液压系统通过控制活塞的运动决定刀架是换刀还是进行钻削；对转塔刀架的松开与锁紧机构进行设计，主要是对刀架的液压3 缸进行设计 ,计算与刀架液压系统有关的参数 ,选择合适的电机型号；对转塔刀架的转位控制技术进行研究 ,分析数控刀架刀具的识别方式；对转塔刀架进行二维图的绘制 ,用二维软件立转塔刀架的二维草图。究意义本设计主要通过大量阅读文献掌握机床转塔刀架的基本知识；研究数控机床转塔刀架及刀库的关键技术，了解其选型、应用及设计方法等；完成某种数控铣床用转塔刀塔的设计，并且转塔刀架的装刀数量不少于 8把，对于数控车床转塔刀架设计的基本要求是转位准确可靠，工作平稳安全；转位时间短；转位以后重复定位精度高；防水防屑，密封性能优良；夹紧刚性高，适宜重负荷切削。 4 2 转塔刀架的研究方案架的基本分类数控刀架大致可分为伺服刀架、全液动刀架、电动刀架和动力转塔刀架。伺服刀架 :随着伺服技术的广泛使用 ,伺服电机的应用得到了普及。伺服电机简化了刀架结构 6。这种刀架的几乎所有指标 ,比如刚性、转位速度、可靠性、转位的平稳性、易维修性、和精度等几乎都有大幅度的提高。但是伺服刀架必须使用多级减速齿轮机构来保证低速轴上能够输出充足的扭矩。而减速齿轮的使用会大大地增加制造成本。全液动刀架 :刀架技术的核心是采用了“集成式液压分度马达”装置，这种装置可以自动加减速、可实现内部的粗定位。此类刀架刀盘釆用液压来实现松开和锁紧 ,其对液压油的质量要求较高 ,调整维护非常复杂。刀架体积大 ,通用范围小 ,通常情况下只适用于大型机床。动力转塔刀架 :在伺服刀架的基础上加装动力装置就是动力转塔刀架 ,实现刀架的多功能用途 ,如车、磨、钻等 ,这种刀架可以实现在一次装夹的情况下完成多道工序的加工 ,多用于加工中心。通常情况下 ,动力转塔到家结构简单 ,易于控制。架设计基本要求本次设计的刀架需要满足以下基本要求： (1)装刀不小于 8 把，并且不会与周围其他装置发生干涉、碰撞。 (2)刀架具有足够的刚度。刀架在加工过程中要承受很大的钻削力和切削力 ,并且切削过程和换刀过程平稳。 (3)换刀时间一定要少。转塔刀架换刀时间应该尽可能缩短 ,按最短路径实现逻辑换刀 ,以利于提高生产率。 (4)刀架定位精度高 ,且具有较高重复定位精度能承受机床在强力切削时产的振动力和扭矩。塔刀架的方案研究转塔刀架是以回转分度来实现刀具的自动更换 ,而数控转塔刀架一般是由驱动装置、中间传动装置、粗定位装置、精定位装置、锁紧装置和刀盘等组成 7。5 本文主要在说明刀架各组成部分组成以及优缺点 ,并且研究新型转塔刀架结构的设计方案。力装置的选择电机伺服技术在机械产品中广泛应用 ,主要是因为伺服电机控制方便、简单 ,没有污染 ,也比较容易维护 8。在电机伺服系统中 ,按电机类型来分通常有交流和直流伺服系统两类。由于交流伺服系统占有很明显的优越性 ,它将会慢慢取代直流伺服系统。交流伺服系统又可分为同步型和异步型交流伺服系统两种。直流伺服电机存在机械换向器 ,因此需要的维护更多 ,转子容易发热 ,长期以来这一直是人们改良的难题和需要解决的问题。但是交流伺服电机自身结够简单、没有机械换向、没有太多的维护。这使得交流伺服电机克服了直流伺服电机的很多缺点 ,发挥了他的优势。交流伺服电机又分为永磁同步伺服电机和异步伺服电机。异步型伺服电机控制比较复杂且电机低速特性很不好 ,特别容易发热。在转速较低的伺服系统中基本上都采用同步型伺服电机。而永磁同步交流伺服电机作为数控转塔刀架的驱动 ,可以极大地减少刀架的换刀时间 ,大大地简化刀架结构 9。随着主机向着髙速、精密、环保方向的发展，永磁同步交流伺服电机的应用给数控刀架提供了美好的前景。综上 ,永磁同步交流伺服电机具有快速响应、质量小、不易产生震动等优点 ,而且扭矩特性好 ,能够很大程度的简化刀架结构 ,是本次设计的驱动装置的最佳选择，其实物图如 2 图 2磁同步交流伺服电机轴部件 6 主轴是转塔中心非常重要的部件，它与转塔刀具直接相连。而且主轴的精度非常重要，因为其精度对零件的后期加工和机器自身的寿命均有重要影响 10。因此，主轴必须满足以下几方面的要求： (1)回转精度高； (2)支承刚性高； (3)主轴组件的静平衡和动平衡好； (4)内锥孔和端面的耐磨性好； (5)能够良好地输出动力和扭矩。因为主轴要安装刀具，并且外伸部分较长，所欲主轴整体长度相对较长，为了保证主轴具有良好的回转精度和刚性，主轴上布置了角接触球轴承，以增大主轴的刚度和精度，能够承受较大的轴向力和径向力的冲击。轴承也是主轴的关键部件，其性能的好坏会直接对对主轴的旋转转速、刚性、精度、温升等参数产生很大的影响，从而间接影响机床的加工精度、尺寸精度和表面粗糙度等指标。所以，为了让机床长期拥有较高的加工能力，必须为主轴配置高性能的轴承。轴承外圈的一端用轴肩定位，另一端用轴用弹性挡圈定位。刀机构转塔刀架的装刀装置包括刀盘、刀夹和夹刀装置。目前广泛应用的刀盘有 2种模式 :日式槽刀盘和欧式图 2式和采用德国标准 ,刀具孔分为径向形式和轴向两种形式 11。齿形刹紧柱紧固刀夹 ,刀夹用分为轴向、径向、圆柱孔、莫氏孔和组合等多种形式刀夹。根据不同的加工工艺 ,可选择不同的刀夹形式。这种刀夹已有专业生产厂。由于刀盘的结构并不是本次结构设计的研究重点 ,所以在选用刀盘时我选用结构比较简单的另外由于刀盘的现有资料搜集的比较少 ,所以也没有7 更加深入的考虑其他的性能。度、定位机构大部分情况下 ,分度、定位机构指的是同一种机构 ,只有当分度、定位精度达不到所需的要求是时 ,才需要增加专门的精定位装置 12。分度机构的主要功能是实现圆周分度转动和直线分度移动 ,按定位机构的结构可分为连续运动和间歇运动结构。快速换刀大部分选用双向均可旋转的连续运动机构。现在对分度、定位机构做一个简单的介绍：（ 1）槽轮分度定位机构槽轮机构主要由拨盘、槽轮和机架三部分组成。它的主要作用就是将主动轴的连续匀速转动变成从动轴的不连续的间歇转动 13。其结构相对简单 ,工作可靠 ,并且可以双向旋转 ,最高可达 15 30 的分度精度 ,且加工制造成本很低。但这种机构转位速度相对较慢 ,只适用于中低速旋转；再者 ,槽轮分度机构属于间歇分度机构 ,转位分度太慢 ,换刀时间相对较长 ,而且转位时存在很大的冲击 ,在电机无加减速的条件下只能由刀架来被动地承受所产生的巨大冲击力。（ 2）凸轮分度定位机构凸轮分度定位机构结构简单方便、并且应用广泛，因为其不仅可以实现任意的间歇运动并且分度精度高。凸轮分度机构又分为直移凸轮分度机构、圆柱凸轮分度机构、弧面分度凸轮机构、平行凸轮分度机构、等四种结构。在刀架的分度方面应用最广泛的应属圆柱凸轮分度机构 ,这种结构的从动件和凸轮轴互相垂直 ,凸轮轴转一圈 ,从动盘便完成一次分度 ,由于其依靠凸轮轮廓的强制刀架转位运动 ,所以他的运动规律基本上完全取决于凸轮轮廓形状。凸轮分度机构结构简单 ,但是预紧非常难 ,高速性能恨普通。平行共辄凸轮自身也可以实现分度转位并实现锁紧功能 ,但是结构特别庞大 ,基本上不适合普通数控机床刀架选用。（ 3）棘轮分度定位机构棘轮分度结构主要由棘爪、棘轮、摇杆、制动抓和机架等组成 ,按照其结构特点 ,又可分为摩擦式棘轮机构和具有轮齿的棘轮机构两大类 ,棘轮分度机构的优点是 :结构相对简单 ,转角大小的改变比较方便；缺点是它只能单向旋转、动力不大且换刀时间长。因此棘轮分度机构基本上只适用于转速不高的场合 ,比如各8 种机床和自动机床进给机构中。（ 4）直线传动分度定位机构本次的课程设计由于驱动装置采用的是永磁同步交流伺服电机 ,里面装有绝对值编码器 ,因此可以实现在任意位置的精确定位准停 14。永磁同步交流伺服电机通过花键直接与刀架主轴相联接 ,带动刀盘转动。定位机构一般情况下不需要精定位机构，如果粗定位不能满足的时候，在设计精定位机构。定位精度是指刀架在旋转至目标位置后，目标工位的刀孔的中心线与结构设计中心线在竖直平面内的偏差距离。而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。为了保证刀架具有较高的重复定位精度，因此转塔刀架必须选择可行的定位方案和比较合理的定位结构。大体上来看，转塔刀架的精定位主要有端齿盘定位、钢珠定位和插销定位等等，而端齿盘和插销定位应用较为广泛。齿盘有的地方称为端齿分度盘或着鼠齿盘 ,齿盘是具有分度装置的一种精密分度元件 ,并且具有自动定心功能 15。端齿盘按其齿形可以分为直齿和弧齿齿盘；弧齿端齿盘的优点是：具有很好的自动定心功能、耐磨损并且使用寿命长 ,缺点是：加工时间太长；相比来说 ,直齿端齿盘应用更加广泛，因为其加工简单、定位精度及重复定位精度相对较高。端齿盘工作原理 :端齿盘对是由齿形和齿数相同的端面齿盘对合而成 16。动齿盘与主轴通过螺栓联接在一起 ,锁紧齿盘在液压元件的作用下实现与动齿盘的松开与锁紧。分度定位转动时 ,锁紧齿盘与动齿盘分开 ,然后动齿盘转到相应的位置 ,当转至指定位置时 ,锁紧齿盘在液压缸给他的轴向力的作用下挤压动齿盘实现刀盘的锁紧。齿盘的形状如图 2 9 图 2齿盘在精密分度装置中 ,通常使用端齿盘作为其精定位元件 ,它具有至少 3个优点：（ 1）定位刚度好；（ 2）分度精度高，其最高的精度可以达到上，并且具有自动定心的功能；（ 3）重复定位精度高。这次的设计采用电机自带的编码器实施其粗定位，再使用端盘齿盘实现其精确定位 17。在旋转分度定位时，通过电机采用其编码器进行粗定位，从而使刀架转到一个及其小的误差范围之内的位置；然后，在机械上采用端齿盘对其进行精确定位。这样，即极大地缩短分度转为时间，又克服了刀盘在分度定位时产生的冲击和撞击现象。塔刀架的密封因为转塔刀架内部有精定位端齿盘 ,所以要有较好的密封来确保其正常运行 ,这样才可以保证刀架的正常使用功能和延长其使用寿命 18。防尘、防水设计的不好 ,那么在转塔刀架工作的过程中切削、灰尘等杂质就会进入刀架对端齿盘造成损伤 ,甚至降低使用精度和使用寿命。对于密封装置有一下基本要求： (1)一定要保证良好的密封效果 ,确保较小的泄露量； (2)确保密封时的摩擦系数小 ,摩擦力保持均匀 ,不要引起不必要的运动件的摩擦甚至卡死； (3)一定要有较强的耐磨性 ,较长的使用寿命 ,最好能够自动修复被密封件的损伤和几何精度的误差； (4)对被密封件的表面没有副作用； 10 (5)确保良好的耐油性和较高的抗腐烛性 ,不容易老化 ,不与油液等其他物质发生化学反应。密封效果得好坏直接决定了液压缸的容积效率 ,也间接影响液压缸的工作速度 ,因为如果速度过的话，就有可能对高密封元件造成烧伤、粘结甚至是过度磨损。选择密封件时，首先一定要分析液压紅的各种重要参数、工作环境 ,并且还要充分了解各种密封件的密封原理、性能、材料的结构、配合及安装形式，以便合理选用密封形式，只有充分的了解才能正确设计密封。力传动机构对于一些不经常拆卸的场合，大部分也采用过盈配合来实现刀架主轴的旋转。而在本次设计的刀架结构中，电机是通过平键和齿轮直接相联系的，然后直接把动力传给主轴，这种连接结构相对来说比较简单；本次设计中，由于选用的是直驱电机，所以刀架主轴与电机采用得连接采用花键连接。花键连接的主要特点有：（ 1)连接时两根轴的总的结合面积大，承载力较强，这样就能够传递较大的扭矩；（ 2）同轴度相对好，定心精度比平键连接要高；（ 3）花键的强度高，联接刚度较大，并且使用寿命比平键连接要长。花键的定心方式可分为 3 种，主要有大径定心方式、小径定心方式和齿廓定心方式 19。他的有点是：定心精度高；而齿廓定心方式主要用于渐开线花键连接，他的优点是在受载情况下能自动定心，并且可以使多数齿同时参与接触，缺点是：加工工艺相对来说较为复杂，无形中提高了制造成本。综上所述，本次的设计釆用性能较好的矩形花键，这样可以简单、高效实现的电机和刀架主轴的连接。塔刀架的整体设计本次转塔刀架的设计方案 :主要部件有液压虹、传感器和端齿盘。转塔刀架釆用端齿盘来进行精定位 ,转位由永磁电机通过矩形花键来直接驱动刀架主轴的旋转 ,刀位的识别通过永磁电机内置绝对值编码器来完成控制。釆用液压驱动装置实现转塔刀架的松开与锁紧，是否锁紧则由阀内的压力传感器来进行检测。11 3 转塔刀架的锁紧与松开技术数控转塔刀架在进行换刀时首先需要松开刀盘 ,然后永磁同步伺服电机驱动刀架转塔转到所需要加工的工位，之后再由夹紧机构对其进行锁紧 ,在切削加工的过程中刀架还要承受很大的切削力矩的作用 ,所以一定要有很大的锁紧力才能保证刀架有足够的刚度。由电机驱动刀架转位 ,由液压缸控制刀盘的松开和锁紧是目前应用广泛的并且应用较好的方案 ,液压锁紧机构操作方便、简单并且锁紧力很大。机械与液压的组合可以大大地简化刀架结构、极大地缩短每次的换刀时间、并且提高刀架的可靠性。这一章主要研究数控刀架松开与锁紧的原理 ,并且针对刀架液压松开、锁紧机构进行设计。压的锁紧与松开的基本控制原理在液压控制回路的设中时，要考虑数控转塔刀架在突然断电或者终止的情况下，其装置的可靠性，所以液压回路被设计成如图 3示的情况。当 b 端由于某种原因突然断电时，电磁换向阀停留在最右端，活塞位于最左端，转塔刀盘处于锁紧状态，刀架亦处于锁定状态。当 b 端又带电时 ,液压缸左腔进油，活塞带动锁紧齿盘向右运动并且松开刀盘，当压力传感器检测到既定压力，刀架电机便开始进入工作状态，驱动刀盘一直运动到预定工位；当 b 端再次断电，电磁阀返回原来的位置，此时，刀架便完成了一次转位。储能器的存在可以弥补液压泄露而导致得锁紧力不足的问题，从而确保锁紧的可靠性；另外为了方便、简化刀架的结构，在液压組外部采取缓冲措，以此来保证转塔刀架在进行锁紧时运行平稳，避免锁紧齿盘与动齿盘和箱体之间的剧烈碰撞。 12 图 3压控制原理图压缸的设计液压缸是转塔刀架液压系统中最主要的执行部件，但是其结构相对简单 ,设计、制造起来也比较容易 20。如果用它来实现紧锁齿盘的往复运动，那么久可不用安装减速装置，而且不会出现传动间隙，并且运动平稳，因而液压缸在各种机械的液压系统中应用最为广泛。塞缸的类型根据前文的分析，本次的结构设计需要采用活塞缸结构 21。根单杆活塞缸是在活塞的一端有活塞杆，根据缸体的固定方式又可分为缸体固定和活塞杆固定两种形式。有杆腔和无杆腔的有效相对压力面积不相等，当分别向无杆腔和有杆腔输入同样大小的压力和同样流量的液压油时，活塞会产生不同大小的推力和运动速度。而双杆活塞缸是在活塞的两端均有活塞杆，双杆活塞缸也有两种安装形式，一种是缸体体固定，活塞杆移动的安装形式 22。另一种则相反，是活塞杆固定 ,缸筒移动的安装形式。利用活塞杆固定的安装形式时 ,液压油可以通过两端空心的活塞杆进入缸的两腔。从作用原理来分，液压缸则可分为两大类：单作用缸和双作用缸。单作用缸按照字面的意思就是只有一个油腔，靠通入液压油来实现单方向的简单运动，反13 方向则需要其他的外力作用来实现运动，例如活塞的自重、外部载荷、弹簧力等。双作用缸在缸体的两端均有一个油腔 ,原理依然是利用油压推动活塞产生双方向的运动。综合以上两方面考虑，由于转塔刀架主轴不能进行轴向的移动，所以本次设计釆用双作用双杆活塞缸，釆用活塞杆固定形式，利用油压压力以此来推动主活塞带动锁紧齿盘来实现刀架的锁紧和松开。筒的计算设计液压缸最主要零件应属缸筒，它依靠与其他零部件的相互配合构成密闭性非常好的油腔，形成内压推动活塞的难移动。在设计液压缸筒时，首先要保证液压缸有十分可靠的液压作用力、活塞固定的移动速度和有效行程，其次还需满足缸筒的足够的强度和足够的刚度，以便能够充分抵抗压力和其他外力的作用。另外，缸筒与活塞之间的相对运动，既需要可以自由的滑动，又要能保持良好的密封性，因此必须具有较高的几何精度、表面粗糙度和较高配合精度。所以本次的设计把刀架箱体内壁作为缸筒来使用。假设液压缸活塞的往复速度比值为，也就是21/。本次设计刀架锁紧和松开的时间相等 ,所以活塞的运动速度也是相等的 ,即当时，一般取/ 。因此 4 2 / 0 . 3 1 4 0D m m。大部分情况下液压缸缸筒内径计算完之后需要将其圆整到标准值，然而本次设计的数控刀架的中心高为 120由于限于刀架的空间结构和空间尺寸 ,而且液压缸也不是标准形式，取缸筒内径为 140 综合其他的因素，本次设计的缸筒和内径的配合取 87 塞的计算设计由于活塞的有效工作面积将直接影响液压缸的有效作用力和相对运动速度。因此活塞与缸筒配合应当合适，如果配合过紧，那么活塞的启动压力就会大大地增大，并且机械效率也会降低，而且还特别容易磨损甚至毁坏缸筒和活塞的相互滑动配合的表面，也会大大地加速密封件的破坏 23。相反，如果间隙过大，则会引起液压缸内部液压油的泄露，使得容积效率极大地降低，设计活塞时还特别应14 该注意活塞磨损的问题，因为一旦活塞磨损，密封件特别容易在液压压力油力的作用下被挤入间隙而致使整个结构遭到破坏，因此一定要尽可能地提高活塞的耐磨性能。活塞常用材料最主要是各级灰铸铁、耐磨铸铁、 35 及 40 钢和铝合金等材料。而此次的设计依然选择耐磨铸铁，其结构如图 3示：图 3塞剖面图封装置的设计液压缸密封装置性能的好坏，将直接影响缸体的工作性能 24。一个密封不好的液压缸他的容积效率一定会大大地降低、并且一定会有很大的功率损失，严重时甚至还会影响液压缸的正常动作。因此密封部位的设计和密封件的选用一定要合理 ,既要保证密封性能的可靠、泄漏量较小、摩擦力尽量的小、寿命尽量的长、更换简单方便。密封装置按使用方法可分为往复运动密封、固定密封和旋转运动密封；按密封件材料不同可分为塑料、皮革、橡胶和金属密封。 O 形橡胶密封圈是世界上应用最广泛、最普遍的挤压密封件。在没有液压压力作用时， O 形橡胶密封圈主要靠预压缩变形以此来实现初始密封。当液压力作用时， O 形橡胶密封圈被压力挤到槽的另一侧，贴于槽壁和密封面上，即极大地增加了密封面的接触压力，又在很大程度上提高了密封效果。由于本次设计中活塞的运动速度不是很高，而且工作压力适中，所以 O 形密封就能满足要求，因此，本次设计中的密封全部选用 O 形密封。15 4 转塔刀架的二维模型的建立虽然对转塔刀架的各个部分进行了设计计算，但是在进行产品的制造加工之前，工人师傅一定要参考工程图对其进行加工，所以工程图的制作显得尤其的重要。本文主要采用数控转塔刀架进行二维建模，然后通过分析零件图验证此设计是否合理。介我们日常生活中经常使用的软件

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