数控机床刀架设计

目录

一、绪论...................................................2

1、选题的内容与原因..........................................2

2、数控机床刀架的未来发展...................................2

二、数控机床刀架设计概论....................................3

1、数控机床刀架的类型.......................................3

2、数控机床刀架的功能.......................................5

3、数控机床刀架的开发应用.....................................5

4、数控机床刀架的结构........................................6

5、数控机床刀架工作原理.....................................7

6、蜗杆副的设计计算.......................................8

7、锁紧定位机构设计..........................................11

8、电气控制部分.............................................11

三、其他刀架..................................................12

1、数控机床加工中心自动换刀系统的主要类型.....................12

2、平口钳...................................................14

3、机夹式刀库..................................................14

4、转盘式刀库...............................................15

5、刀架的接口与控制.............................................16

6、刀架安装操作方法.............................................18

7、总结......................................................18

参考文献....................................................19

数控机床刀架设计

陈佳男

内容摘要：

数控加工过程中为了进一步提升机床的工作效益，以及缩短工作时间，已经慢慢发展成

为一次性装夹多把刀具完成多道工序的加工或者一次性完成全部工序的加工。为了完成加工

过程中刀具的变换以及存放的装置就称为自动换刀装置。数控机床上的刀架就是•种简易的

自动换刀装置。因为装夹刀具数量的以及使用方法的不同，刀架的设计可分为四边形，十二

边形等种类。

关键词：机床刀架，设计。

一、绪论

1、选题的内容与原因

数控机床为了能在零件的一次加工中完成多道工序，缩短整体的加工时间，

减少多次装夹所造成的定位误差，因此必须带有自动换刀装置。自动换刀装置在

构造上必须具有良好的强度和刚度，用以承受零件加工时的切削抗力，为了保证

换刀之后具有较高的重复定位精度，自动换刀装置还要具有完备的定位方法与合

理的定位结构。自动换刀装置的自动换刀是由控制系统以及驱动电路来实现的。

数控机床通过采用自动换刀装置，减少了零件加工的辅助时间，以及重复装

夹所引起的定位误差，提高了机床的工作效益。

2、数控机床刀架的未来发展

数控机床刀架的发展方向是：随着数控技术的发展，数控机床刀架开始向快

速换刀、电液组合驱动以及伺服驱动方向发展。

目前国内数控机床刀架以电动为主，主要分为卧式和立式两种。主要用于普

通数控机床的卧式刀架有四、十、十二等工位，可以在正、反方向旋转，就近选

刀。另外卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。电动刀架是数控机床重要的传

统组成部分，合理的选用电动刀架，并能准确控制，就能有效的提升工作效益，

缩短加工准备时间，减少人为误差，提高加工精度与加工精度的一致性等。另外,

加工工艺适应性和连续稳定的工作能力也明显提高，尤其是在加工几何形状较为

豆杂的工件时，除了控制系统能提供相应的控制指令外，很重要的一点是数控机

床需配备易于控制的电动刀架，以便于一次性装夹所需要的各种刀具，灵活、方

便的完成各种几何形状的加工。

数控机床刀架的市场分析：国内数控机床将向中高档发展，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、立式刀架等种

类。

数控机床刀架作为数控机床必须的功能部件，直接影响机床的性能和可靠性

是机床的故障的高发点，这就要求设计的刀架具有转位快，定位精度高，扭矩大

的特点。数控机床刀架的原理采用蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原

理。

二、数控机床刀架设计概论

1、数控机床刀架的类型

按换刀方式的不问，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。

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。

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。

2、数控机床刀架的功能

数控机床上的无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，机庆的

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。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。

3、数控机床刀架的开发应用

数控刀架是以叵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。

典型数控转塔无架一般由动力源（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——刀盘旋转——刀位检测——预分——精确定位一

一刀盘锁紧一一结束信号。

4、数控机床刀架的结构

结构：车床是指以工件旋转为主运动，车刀移动为进给运动加工回转表面的

机床。它可用于加工各种回转成型面，例如：内外圆柱面、内外圆锥面、内外螺

纹以及端面、沟槽、滚花等。它是金属切削机床中使用最广，生产历史最久，品

种最多的一种机床。车末的种类型号很多，按其用途，结构可分为：仪表车未、

卧式车床、单轴自动车末、多轴自动和半自动车床、转塔车床、立式车床、多刀

半自动车床、专门化车床等。近年来，计算机技术被广泛运用到机床制造业，随

之出现了数控车床、车削加工中心等机电一体化的产品。

普通车床主要组成部件有：

主轴箱、交换齿轮箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、丝杠、床身、

床脚和冷却装置。

1、主轴箱：又称床头箱，它的主要任务是将主电机传来的旋转运动经过一系

列的变速机构使主轴得到所需的正反两种转向的不同转速，同时主轴箱分出部分

动力将运动传给进给箱，主轴箱中的主轴是车床的关键零件。主轴在轴承上运转

的平稳性直接影响工件的加工质量，一旦主轴的旋转精度降低，则机床的使用价

值就会降低。

2、进给箱：又称走刀箱，进给箱中装有进给运动的变速机构，调整其变速机

构，可得到所需的进给量或螺距，通过光杠或丝杠将运动传至刀架以进行切削。丝

杠与光杠用以联接进给箱与溜板箱，并把进给箱的运动和动力传给溜板箱，使溜

板箱获得纵向直线运动，丝杠是专门用来车削各种螺纹而设置的，在进行工件的

其他表面车削时，只用光杠，不用丝杠。

3、溜板箱：是车床进给运动的操纵箱，内装有将光杠和丝杠的旋转运动变成

刀架直线运动的机构，通过光杠传动实现刀架的纵向进给运动、横向进给运动和

快速移动，通过丝杠带动刀架作纵向直线运动，以便车削螺纹。

4、刀架：有两层滑板（中、小滑板）、床鞍与刀架体共同组成。用于安装车刀

并带动车刀作纵向、横向或斜向运动。

5、尾架：安装在床身导轨上，并沿此导轨纵向移动，以调整其工作位置。尾

架主要用来安装后顶尖，以支撑较长工件，也可安装钻头、钱刀等进行孔加工。

6、床身：是车床精度要求很高的带有导轨（山形导轨和平导轨）的一个大型基

础部件。用于支撑和连接车床的各个部件，并保证各部件在工作时有准确的相对

位置。

7、冷却装置：冷却装置主要通过冷却水泵将水箱中的切削液加压后喷射到切

削区域，降低切削温度，冲走切屑，润滑加工表面，以提高刀具使用寿命和工件

的表面加工质量。

5、数控机床刀架工作原理

回转刀架的工作原理为机械螺母升降转位式。工作过程可分为刀架抬起、刀

架转位、刀架定位并压紧等几个步骤。图1.1为螺旋升降式四方刀架，其工作过程

如下：

1、刀架抬起：刀架电动机与刀架内一蜗杆相连，刀架电动机转动时与蜗杆配

套的涡轮转动，此涡轮与一条丝杠为一体的（称为“涡轮丝杠”）当丝杠转动时会上

升（与丝杠旋合的螺母与刀架是一体的，当松开时刀架不动作，所以丝杠会上升），

丝杠上升后使位于丝杠上端的压板上升即松开刀架；

2、刀架转位：刀架松开后，丝杠继续转动刀架在摩擦力的作用下与丝杠一起

转动即换刀；

3、刀架定位:在刀架的每一个刀位上有一个用永磁铁做的感应器，当转到系统

所需的刀位时，磁感应器发出信号，刀架电动机开始反转：、

4、刀架压紧：刀架是用类似于棘轮的机构装的只能沿一个方向旋转，当丝杠

反转时刀架不能动作，丝杠就带着压板向下运动将刀架锁紧，换刀完成。

图1.1螺旋升降式四方刀架

5、如果将回转刀架的夹刀数量进一步扩大，且回转轴线呈水平安装，便形成

了回转刀盘。刀盘上安装8-12把刀。

6、蜗杆副的设计计算

自动回转刀架的动力源是三相异步电动机，其中蜗杆与电动机直

联，刀架转位时蜗轮与上刀体直联。已知电动机额定功率Pl=90W,额

定转速nl=1440r/min,上刀体设计转速n2=30r/min,则蜗杆副的传

动比i=nl/n2=1440/30=48。刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，工

作载荷不均匀，起动时冲击较大，今要求蜗杆副的使用寿命Lh=10000ho

（1）蜗杆的选型GB/T10085—1988推荐采用渐开线蜗杆（ZI蜗

杆）和锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）。本设计采用结构简单、制造方便的渐开

线型圆柱蜗杆（ZI型）。

（2）蜗杆副的材料刀架中的蜗杆副传递的功率不大，但蜗杆转速

较高，因此，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为45〜

55HRC,以提高表面耐磨性；蜗轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性,

选用铸锡磷青铜ZCuSnlOPl,采用金属模铸造。

（3）按齿面接触疲劳强度进行设计刀架中的蜗杆副采用闭式传

动，多因齿面胶合或点蚀而失效。因此，在进行承载能力计算时，先

按齿面接触疲劳强度进行设计，再按齿根弯曲疲劳强度进行校核。按

蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式为：

1）确定作用在蜗轮上的转矩T2设蜗杆头数Zl=l,蜗杆副的

传动效率取4=0.8,由电动机的额定功率P「90W,可以算得蜗轮传递

的功率P2=Pin,再由蜗轮的转速n2=30r/min求得作用在蜗轮上的

转矩：

p90x08

工=9.55二=9.55——-=22.92（N.冽）=22920（瓦那）

“（30

2）确定载荷系数K载荷系数K=KAKBKV,。其中KA为使用系数，

由表6-3查得，由于工作载荷不均匀，起动时冲击较大，因此取

KA=1.15；KB为齿向载荷分布系数，因工作载荷在起动和停止时有变化，

故取KB=1.15；Kv为动载系数，由于转速不高、冲击不大，可取Kv=1.05o

则载荷系数：

K=KaKbKv=l.15X1.15X1.05-1.39

3）确定弹性影响系数ZE。铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时，从

有关手册查得弹性影响系数21160MpaZE。

4）确定接触系数Zp先假设蜗杆分度圆直径dl和传动中心距a的

比值dl/a=0.35,从而可查出Zp=2.9

5）确定许用接触应力［。H］根据蜗轮材料为铸锡磷青铜

ZCuSnlOPl,金属模铸造、蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC,查表可得蜗

轮的基本许用应力=268MPao已知蜗杆为单头，蜗轮每转一转

时每个轮齿啮合的次数j=l；蜗轮转速nl=30r/min；蜗杆副的使用寿

命Lh=10000ho

则应力循环次数：N=6Qjn2Lh=60X1X30x10000=1.8X107寿

命系数:

仆=收=0929

许用接触应力：

?

[03]=^[<7^=0.929X268Mpa«249Mpa

6)计算中心距:

a>#.39x22920x(亚：；；%x48(w)

查表得，取中心距a=50mm,已知蜗杆头数Z尸1,m=1.25mm,蜗杆

分度圆直径d尸22.4mm。这时dl/a=O.448,从而可查得接触系数

Z'p=2.72,因为Z'pVZp,因此以上计算结果可用。

蜗杆和蜗轮主要几何尺寸计算：

(1)蜗杆

分度圆直径：dl=28mm

直径系数：q=17.92

蜗杆头数：Zl=l

分度圆导程角：丫=3°ir38〃

蜗杆轴向齿距：PA=Jim=3.94mm

蜗杆齿顶圆直径：da1=d1+2ha*Xm=32.2mm

蜗杆齿根圆直径：dfl=d1-2(ha*+c*)m=24.16mm

蜗杆轴向齿厚：Sa=1/2兀m=2.512mm

蜗杆轴向齿距：pal=Jim=1.6nmm=5.04mm

⑵蜗轮

蜗轮齿数：Z2=45

变位系数X=0

验算传动比：i=Z2/Zl=45/l=45

蜗轮分度圆直径：d2=mz2=72

蜗轮喉圆直径：da2=d2+2ha2=93.5mm

蜗轮喉母圆直径：rg2=a-l/2da2=50-1/2X93.5=3.25mm

蜗轮齿顶圆直径：da2=d2+2ha*m=785.2m

蜗轮齿根圆直径：df2=d2-2(ha*-c*)m=69.16mm

蜗轮外圆直径：当在z=l时，de2Wda2+2m=78.4mm

7、锁紧定位机构设计

刀架的定位锁紧机构采用端齿盘，如图3-4,端齿盘具有自动定心功能的机密

定位元件，广泛用于加工中心、数控机床。其实际上相当于一对齿数相同的鸣合

器，其啮合过程与离合器相似。根据齿形可以分为直齿和弧齿两种，直齿结构简

单，加工方便，弧齿性能良好，允许一定的角位移，但是加工复杂，结合实际情

况选取弧齿。

一

-/W^AAA一

-////////

图3-4

8、电气控制部分

数控刀架的电气控制部分主要包括接受电路和发送电路，如图3-5。接受电路:

转盘上有6只霍尔开关，转位时，磁铁对准某一个霍尔开关引起电位变化，再经

过6只光耦合处理，经过光电隔离信号送给I/O接口芯片8255。霍尔元件是一种

磁敏感元件，当具有磁性的物体接近霍尔元件时，其内部产生霍尔效应使内部电

位发生变化，由此来识别磁性物体。再得到换刀信号后，霍尔开关接通，通过功

放电路后，驱动刀架，刀架抬起，转过一个工位，再检查是否为所需要刀位，若

是，换刀结束，否则继续重复上面的动作，直至所需到位。

电动刀架发佰ftl

三、其他刀架

1、数控机床加工中心自动换刀系统的主要类型

各种加工中心的自动换刀系统的类型和结构取决于机床的型式、工艺范制以

及刀具的类型和数量，主要形式有转塔头式和刀库式，此外还有成套更换式等。

各种加工中心的自动换刀系统的类型和结构取决于机床的型式、工艺范第以

及刀具的类型和数量，主要形式有转塔头式和刀库式，此外还有成套更换式等。

转塔头式

转塔头式实际是一种更换主轴的换刀方式，其主轴头就是一个转塔刀库，有

卧式和立式两种。立式转塔头，共有8根主轴，每根主轴上装一把刀。

转塔头绕水平轴转动，只有处于最下端的主轴才能与机床主传动系统接通进

行切削加工。该工步加工完毕后，由指令控制转塔头转过一个或几个位置，实现

自动换刀，转入下一工步。这种换刀装置结构简单，换刀迅速；但每把刀具都需

一根主轴，所以储存刀具数量较少（一般为6—8把），因此仅适用于简单工件加

工。

刀库式

带刀库的自动换刀装置应用最广泛，它由刀库和刀具交换机构组成。刀库用

于存储刀具，类型很多；实现刀具在刀库与机床主轴间传送和装卸的机构称为刀

具交换机构，它分为无机械手换刀、机械手换刀、机械手与刀具运送器换刀三种

方式。无机械手换刀是刀库与主轴直接换刀，省去机械手，其结构简单，但刀库

运动较多，主要用于小型加工中心；机械手换刀方式是刀库只作选刀运动，由机

械手更换刀具，特点是布局灵活・，换刀速度快，适用于各种加工中心；机械手和

刀具运送器方式是当刀库距主轴较远时，用刀具运送器将刀具迭至机械手，结构

复杂，一般用于大强加工中心。

刀库的类型很多，其中典型的有鼓轮式刀库、链式刀库、格子箱式刀库和直

线式刀库等。

(1)鼓轮式刀库

应用较广，它包括单鼓轮式和多鼓轮式刀库。单鼓轮式刀库有刀具袖线与鼓

轮轴线平行、垂直和成锐角等类型、刀具与鼓轮端面成环形排列等形式。刀具与

鼓轮轴线平行安装，刀具与鼓轮触线垂直安装。刀具与鼓轮轴线成锐角安装，它

们的优点是结构简单，当刀具单环形排列，空间利用率低。大容量刀库的外径较

大，转动惯量大，选刀时问长；适用于刀库容量较小的场合。刀具在鼓轮端面呈

环形排列安装，可分为单环形排列和多环形排列，其刀具空间利用率高。前者适

用于机床空间小而刀库容量较大的场合，后者适用于大容量刀库(一般为60把刀

以上的刀库)。鼓式分双鼓式和重叠双鼓式。双鼓式，两个刀库分别配置在机床

两侧，适合中小型加工中心。重叠双鼓式，上刀用为小刀库，存储钻、扩和绞刀

等，下刀库为大刀库，存储大型铳刀等。其结构复杂，适用于双主轴的大型加工

中心。

(2)链式刀库

应用最为广泛，分单环链式和多环链式刀库，多环链式刀库，特点是容量

大，占用空间小，选刀时间短，增加存储刀具数目时，可增加链条长度，而不增

加链轮的直径，因此链轮圆周速度不会增加，刀库的运动惯量不象鼓轮式刀库那

样大，适用于容量较大的刀库。

(3)格子箱刀库

格子箱刀库，结构紧凑、空间利用率高、刀库容量大，但布局不灵活，通

常用于刀库容量大的场合。

(4)直线刀库

直线刀库，其结构较简单，刀库容量小，一般在十几把刀左右，主要用于刀

库容量小的场合。

2、平口钳

平口钳也就是通称的虎钳，是一种通用夹具，其工作原理是：丝杠螺母带动

活动钳身，到达夹紧与松开的。

图4-1

3、机夹式刀库

机夹式刀架势采用机械夹持方法将刀具固定在刀架上，这样避免了焊接刀具

产生的裂纹，提供了刀架的耐用度，只需更换刀片即可，同时避免了焊接产生高

温引起的裂纹，提供了刀片的使用寿命。从固定方式上可分为：上压式、侧压式、

切屑力固定式。上压式采用螺栓压紧压板，再加刀片压紧。测压式是利用刀片本

身的斜面，固定在刀架的楔块里，切屑力式固定利用切屑力将刀片固定在斜槽中,

结构简单，使用方便，无冲击振动。

图4-2

4、转盘式刀库

转盘式刀库又称为圆盘式刀库，在每个刀为上有编号，从一开始到24或者其

他，这些便是刀片的地址，当转到指定的位置时，通过换刀机构（机械手）将其装在

主轴上。

5、刀架的接口与控制

控制部分主要采用可编程控制器进行控制，可以方便灵活的调整控制过程以

及控制速度。为力检测是否到所需要的刀位，我们采用霍尔元件进行到位检测，

是否压紧则采用行程开关进行检测。

任何一个NC系统都由硬件和软件两个部分组成，硬件是一个NC系统的基础,

其性能的好坏直接影响整个系统的工作性能，有了硬件，软件才能有效进行，机

床的数控系统的硬件电路概括起来由以下机部分组成：

1)中央处理单元部分CPU

2)总线：包括数控总线，地址总线和控制总线。

3)内存：包括只。可编程序(ROM)和随机读写内存(PAM).

4)10接口电路

CPU是数控系统的核心，其作用是进行资料运行处理和控制整个电路协调工

作，使内存用于存放系统软件，应用程序和运行中所需的各种资料。I/O接口是系

统与外界进行信息交换的桥梁，三线则是CPU与内存接口以及其他能转换电路的

纽带没事CPU与部分电力进行信息和通讯的必由之路。

5T接口框图

通过可编程序控制器(PLC)与控制系统实现接口：可提高柔性与可靠性，

用霍尔元件检测刀位，电机正反转完成转位循环的四位电动刀架应用PLC接口的

原理图。数控系统以8421码方式给出刀号。当刀架至选定刀位时，信检输出刀位

符号低电平，正转继电器断开，反转继电器接通，并延时关断。电机换向及驱动

锁紧的延时时间均可有PLC程序设定，十分方便。

可编程序控制器（PLC）控制程序设计:

输入点分配

停止SB1—10.0

启动SB2—10.1

自动SB3—11.0

刀位1到位检测SA1—10.2

刀位2到位检测SA2—T0.3

刀位3到位检测SA3—10.4

刀位4到位检测SA4—10.5

压紧SQ1—10.6

延时KT—T1

保护FR—10.75.3.2

输出点

电机正转KM1—Q0.0

电机反转KM2-Q0.1

到位信号Q0.2

短路信号Q0.3

自动换刀Q0.4

程序设计

综上分析，得输入点10个，输出点7个，所以选西门子S7-200的可编程控

制器，它有