毕业设计（论文）12刀位盘型伺服刀塔的设计

陕西理工学院毕业论文（设计）目 录引言 1第1章 绪论31.1国内外数控车床的研究状况与成果31.2数控刀架的发展趋势41.3 数控转塔刀架的开发应用4第2章 数控车床自动换刀装置62.1概述62.2 刀具自动换刀形式82.3 数控车床刀架的功能、类型和满足的要求92.3.1数控车床刀架的功能92.3.2数控机床刀架的类型92.3.3数控机床刀架应满足的要求10第3章 12刀位盘型伺服刀塔的总体方案设计123.1调查研究与资料收集123.1.1 课题的调查研究123.1.2资料收集1232盘型伺服刀塔的整体方案设计与选择123.2.1 盘型伺服刀塔的整体方案设计133.2.2液压驱动的刀架工作原理133.2.3 刀架定位精度及重复定位精度143.3盘型伺服刀塔传动部分方案设计143.4 盘型伺服刀塔的分度机构方案设计153.5盘型伺服刀塔动力刀具方案设计173.5.1 齿轮传动的分类和特点173.5.2 齿轮传动类型选择的原则18第4章 典型零件的设计和选用194.1盘型伺服刀塔传动部分194.1.1 刀架轴的结构设计及计算10194.1.2液压缸的设计214.1.3 碟形弹簧的计算及选用10224.1.4轴承的选用244.1.5端齿盘的选用254.2 动力刀塔的分度机构部分274.2.1伺服电机的选用284.2.2凸轮机构的选用及计算324.3盘型伺服刀塔动力刀具部分334.3.1交流伺服电动机的选择344.3.2齿轮设计计算及选用354.3.3轴承的选用37第5章12位盘型伺服刀塔三维制作385.1 典型零部件实体制作385.1.1刀架轴的实体制作385.1.2刀盘的制作385.1.3齿轮制作395.1.4圆柱凸轮制作405.2 装配图41第6章 总结42致谢43参考文献44引言 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。随着科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的性能、质量、生产率和成本提出了越来越高的要求，并随着汽车、飞机和导弹制造业的迅速发展，原来的加工设备已无法承担加工航空工业需要的复杂型面零件。数控技术是为了解决复杂型面零件加工的自动化而生产的。为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求，当前的数控技术及其装备正朝着高速、高效和高精度、高可靠性、模块化、智能化、柔性化和集成化、开放性、出现新一代数控加工工艺与装备这几个方向发展1。有关人士指出，数控机床附件及其配套功能部件是我国机床工具制造业“十五”计划重点发展的产品。虽然我国数控机床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，加大对数控机床附件行业科研和技改投入，使国产数控机床附件行业有一个大发展。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 本课题为12刀位盘型伺服刀塔的设计，该刀塔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。本文主要论述12刀位盘型伺服刀塔的设计原理，机械结构，刀塔和动力刀盘的传动形式以及驱动方式。与普通机械刀塔相比，该刀塔具有结构简单，零部件小，定位及重复定位精度高，寿命长等优点。本次设计的主要内容为：1CK6130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：刀塔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1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。CIL18晶体管数控系统及Z53K1G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10001500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。对于一般的数控车床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。现有的数控刀架有数控转塔式（立式和卧式）和直排式刀架。刀架换刀可分为排刀式刀架，经济型数控车床方刀架，一般转塔回转刀架，电动机传动的转塔刀架，液压驱动的转塔刀架，车削中心的动力刀具。立式数控转塔刀架是回转轴线与安装基面垂直，可装夹多把刀具或工具，采用数字信息指令控制转位的刀架，它常采用4和6两种工位，按性能可分为驱动，通过减速机构，行星机构，马氏机构或凸轮机构来完成刀架的松开、抬起、转位和夹紧等动作；它可按主机的编程要求完成刀架的自动换刀动作，以实现数控机床加工程序的自动化和高效化。而卧式数控转塔刀架为一种回转轴线与安装基面平行的，可装夹多把刀具或工具，采用数字信息指令控制的刀架。它利用装夹于刀盘上的非动力刀夹和动力刀夹来夹持各种不同用途的刀具或工具，刀盘根据机床编程的指令转过若干个工位，来实现主机的自动换刀动作。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，刀架采用端齿分度，转位由三相异步电动机驱动，刀位由二进制绝对编码器识别，动力刀具由交流伺服电动机驱动，通过同步齿形带等将动力传递到刀夹当前，国产数控机床发展迅猛，并向高速、高效、高精度、柔性化、环保方面发展。我国数控机床的快速发展，急需数控机床附件的大力跟进，也就是说好马还须配好鞍。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。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。第2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 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，实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。2.3.2数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架沿着机床的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2.1所示。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CK7620P全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2.1 机床刀架类型结构图2.3.3数控机床刀架应满足的要求数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，在一定程度上，加工中心刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平，所以有如下要求： 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0.86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.7)转位准确可靠，工作平稳安全,按最短线路就近选择，转位时间短。应当满足换刀时间短、数控机床刀具重复定位精度高、刀具储存量足够、结构紧凑及安全可靠等要求。 8)防水、防屑，密封性能优良。夹紧刚性高，适宜重负荷切削，回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受机床在切削加工时的切削抗力。 第3章 12刀位盘型伺服刀塔的总体方案设计3.1调查研究与资料收集3.1.1 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。3.1.2资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。32盘型伺服刀塔的整体方案设计与选择3.2.1 盘型伺服刀塔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具和动力刀具进行切削，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，本次设计的刀塔拟采用伺服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。3.2.2盘型伺服刀塔工作原理刀塔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。盘型伺服刀塔是用液压缸夹紧，伺服电机驱动分度，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3.2 12刀位盘型伺服刀塔装配原理图3.2.3 刀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。3.3盘型伺服刀塔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。3.4 盘型伺服刀塔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PC程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3.3 圆柱凸轮分度机构 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3.3。3.5盘型伺服刀塔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/min，传递的功率P=105kW，模数m=(0.004100)mm，直径d=1mm152.3mm。3.5.1 齿轮传动的分类和特点 其特点： 1） 瞬时传动比恒定。非圆齿轮传动的瞬时传动比又能按需要的变化 规律来设计。 2）传动比范围大，可用于减速或增速。 3）速度（指节圆圆周速度）和传动功率的范围大，可用于高速(v40m/s)、 中速和低速(v25m/s)的传动功率可从小于1W到105W。 4）传动效率高，一对高精度的渐开线圆柱齿轮，效率可达99%以上。 5）结构紧凑，适用于近距离传动。 6）制造成本较高，某些具有特殊齿形或精度很高的齿轮，因需要专用 或高精度的机床、刀具和量仪等，故制造工艺复杂，成本高。 7）精度不高的齿轮，传动时噪声、振动和冲击大，污染环境。 8）无过载保护作用。3.5.2 齿轮传动类型选择的原则 1）满足使用要求，如对传动结构尺寸、重量、功率、速度、传动比、寿命、可靠性的要求等。对以上要求应作全面的、深入分析，满足主要的要求，兼顾其他。如对大功率长期运转的固定式设备，则着重于齿轮的寿命长和提高齿轮的传动效率；对短期间歇运动的移动式设备，应要求结构紧凑为主；对重要的齿轮传动，则要求可靠性高。 2）考虑工艺条件，如制造厂的工艺水平、设备条件、生产批量等。 3）考虑合理性、先进性和经济性等。 由于本次设计的12位盘型伺服刀塔动力刀具传递范围和切削功率比较大以及加工的难易程度，为了满足要求，所以选择以渐开线圆柱齿轮传动来实现动力刀具的旋转。 第4章 典型零件的设计和选用4.1盘型伺服刀塔传动部分4.1.1 刀架轴的结构设计及计算101. 轴是组成刀架的重要零部件之一，在设计当中主要考虑的是轴的刚度，而碳钢与合金钢的弹性模数相差很小，所以通常选用轴的材料35和45钢，这里选用的是45钢，进行调质处理，以改善装配工艺和保证装配的精度。 2. 这次刀架中用到了以下几种固定方式： 1）常用的是运用轴肩，其结构简单，定位可靠。2）螺母的轴向定位，其定位可靠、装拆方便，但是会增加零件的数量，常用双螺母或圆螺母与止动垫圈固定，运用在轴承的固定上。3）轴套也是用到比较多的，它的结构简单、定位可靠，轴不开槽、钻孔等，可以提高轴的强度。4）弹性挡圈其结构简单、紧凑、工艺性好，但是应力集中较大，适合轴向力小的场合，在这里主要用于轴承的固定。5）轴端挡圈装拆方便可以承受大的轴向力、振动，用于轴端固定零件。6）花键的纵向固定，其承载能力高，定心性、导向性好，装拆方便，不过制造困难，在这次设计中运动的是矩形花键，主要用在分度机构转盘与刀架轴、凸轮的纵向定位中。7）其次平键，其承受载荷不大。8）紧定螺钉结构简单，不仅可以纵向定位，还能轴向定位，承受不大的轴向力。 3. 由刀架装配图可知，刀架主轴的支承方式为两端游动支承，其一端与刀盘固连，另一端与液压缸的活塞间隙配合，同时起到左端支承作用。而轴的中间部位由刀盘至液压缸的方向分别与推力球轴承和从动盘相连，双列圆柱滚子轴承与滚针轴承起左端支承作用。已知伺服电机的功率为0.3kW，电机转速n1=1400r/min，取圆柱凸轮效率为=0.96。如图4.1 1) 先求出刀架主轴上的传递功率、转速和转矩 P2=P=0.30.96=0.288kW n3=60/8=7.5r/min 2) 初步确定轴的最小直径由式 可初步估算设计轴的最小直径式中：为系数，轴的材料不同，则的值会不同； 为轴传递的功率，单位为； 为计算截面处轴的直径，单位为mm； 为轴的转速，单位为；选取轴的材料为45钢，调质处理。根据表153，取，于是得从而取轴的最小直径为dmin=36mm；轴的最大直径为dmax=119mm。 图4.1 刀架轴示意图4.1.2液压缸的设计4.1.2.1 选择液压缸类型 液压缸按其结构的形式，可以分为活塞缸、柱塞缸和伸缩缸等。 （1）活塞式液压缸 双杆活塞缸 缸筒固定的双杆活塞缸，活塞两侧的活塞直径相等，它的进、出油位于缸筒两端。当工作压力和输入流量相同时，两个方向上输出的推力F和速度v是相等的。 这种安装形式，工作台移动范围约为活塞有效行程的三倍，占地面积大，使用于小型机械。 单杆活塞缸 由于只在活塞的一端有活塞杆，使两腔的有效工作面积不相等，因此在两腔分别输入相同流量的情况下，活塞的往复运动速度不相等。他的安装也有缸筒固定和活塞杆固定两种，进、出口的布置根据安装方式而定；但工作台移动范围都为活塞有效行程的两倍11。由于该液压缸主要用于驱动刀架主轴的直线往反运动.故选用双作用单杆活塞缸。4.1.2.2 液压缸内径D和活塞直径d的计算计算液压缸的内径和活塞杆直径都必须考虑到设备的类型，例如在金属切削机床中，对于动力较大的机床(刨床、拉床和组合机床)一定要满足牵引力的要求，计算时要以力为主;对于轻载高速的机床(磨床、珩磨机和研磨机等)一定要满足速度的要求，计算时要以速度为主。由于本刀架的抬起动作是在数控车床脱离切削时完成的，因而在换刀过程中并没有承受切削力的作用，所以进油压力不需要很大，此次设计进油压力确定为低压02.5MPa，然后根据进油压力查表20-6-3可初步选定速比=1.33(计算速比主要是为了确定活塞杆的直径和要否设置缓冲装置。速度不宜过大或过小，以免产生过大的背压或造成因活塞杆太细导致稳定性不好。) 可按下式初步选取d值： (4-1) 根据活塞杆侧公式 (4-2) 式中 F2 液压缸的理论拉力； p 供油压力； D 缸筒内径； d 活塞杆直径。 根据式4-1和式4-2得D=94.8mm，查液压设计手册表20-6-2选D=100mm，再根据表20-6-9中选得缸筒外径D1=121mm，根据表20-6-16选出d=50mm。 4.1.3 碟形弹簧的计算及选用10 碟形弹簧是用钢板冲压成形的截锥形压缩弹簧。 它有四个特点：（1）刚度大 能以小变形承受大载荷，适合于轴向空间要求小的场合。（2）具有变刚度的性质 碟形弹簧压平变形量h0和厚度t的比值不同，其特性曲线 也不同。 根据液压缸内径100mm，查机械设计手册表7.2-2碟形弹簧的系列、尺寸和参数选出弹簧D=100mm，d=51mm,t=6mm,h0=2.2mm,H0=8.2mm。 D-弹簧外径 d-弹簧内径 t-厚度 h0-压平时变形量 H0-自由高度 已知上述选用的碟形弹簧参数，采用对合组合形式弹簧组合，抬起时需要承受载荷F1=20009.8=19600N。如图4.3。（1）求f1 由弹簧的直径比C=，从表7.2-5查得K1=0.686，K2=1.211，K3=1.362。碟簧是无支承面的，K4=1。 计算得到 FC 弹簧压平时载荷（N）； K1、K2、K3、K4 计算系数； 由此变形量f1=0.28h0=0.282.2=0.616mm，总变形量fz=60.616=3.696mm。（2）疲劳破坏的关键部位 由和C=1.96从图7.2-3查得疲劳破坏的关键部位在点。（3） 计算应力 当f1=0.616mm时 图4.3 碟形弹簧示意图4.1.4轴承的选用 1. 轴承内部结构 轴承内部一般由内圈、外圈、滚动体和保持架组成-通常称为四大件。对于密封轴承，再加上润滑剂和密封圈（或防尘盖）-又称六大件。 2. 轴承分类与特点总的可以分为球轴承和滚子轴承两大类。球轴承分为深沟球轴承、角接触球轴承、调心球轴承、推力球轴承、推力角接触球轴承。滚子轴承分为圆柱滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承、调心滚子轴承、推力圆柱滚子轴承、推力滚子轴承、推力圆锥滚子轴承、推力调心滚子轴承。根据深沟球的特点，本次自驱动力刀具系统中，采用深沟球轴承来承载径向力和一定的轴向力。深沟球轴承结构简单，使用方便，是生产批量最大、应用范围最广的一类轴承。它主要用以承受径向载荷，也可承受一定的轴向载荷。当轴承的径向游隙加大时，具有角接触球轴承的功能，可承受教大的轴向载荷。 与尺寸相同的其他类轴承比较，此类轴承摩擦因数小，极限转速高。在转速较高不宜采用推力球轴承的情况下可用该类轴承承受轴向载荷。刀架轴向所选轴承的特点 深沟球轴承1.转速高2.精度高3.噪声、振动小4.主要承受径向载荷5.也能承受一定轴向载荷6.制造简单，成本低 滚针轴承1.转速较高2.能承受较高的径向载荷（比径向尺寸相同的其他轴承承受的径向载荷大）3.不能承受轴向载荷4.刚性较高 推力球轴承1.转速低2.只能承受单面轴向载荷3.轴圈和座圈不能倾斜3. 轴承的转速滚动轴承的转速主要受容许运转温度的限制，摩擦阻力较低的轴承产生的内热较小,最适合高速运转，只承受径向载荷时，深沟球轴承或圆柱滚子轴承的容许转速最高,但若承受联合载荷时，角接触球轴承的容许转速最高12。 本次刀架轴从动盘以左使用深沟球轴承和滚针轴承来承受径向载荷，右端使用推力球轴承来承受轴向载荷。4.1.5端齿盘的选用4.1.5.1端齿盘的应用端齿盘又称多齿盘、细齿盘、鼠牙盘，是具有自动定心功能的精密分度定位元件，广泛应用与加工中心、柔性单元、数控机床、组合机床、测量仪器、各种高精度间歇式圆周分度装置、多工位定位机构、以及其他需要精密分度的各种设备上。如数控车床中的多工位自动回转刀架，铣床及加工中心用的回转工作台及其它分度装置中都采用端齿盘作为精确定位元件。端齿盘的齿形有直齿和弧齿两种，直齿端齿盘由于加工方便、定位精度及其重复定位精度高而最受欢迎。端齿盘实际上相当于一对齿数相同的离合器，其啮合过程与离合器的啮合类似。4.1.5.2端齿盘的特点目前在刀架的定位机构中多采用锥销定位和端面齿盘定位。由于圆柱销和斜面销定位时容易出现间隙，圆锥销定位精度较高，它进入定位孔时一般靠弹簧力或液压力、气动力，圆锥销磨损后仍可以消除间隙，以获得较高的定位精度。端齿盘定位由两个齿形相同的端面齿盘相啮合而成，由于齿合时各个齿的误差相互抵偿，起着误差均化的作用，定位精度高。端齿盘定位的特点：（1）定位精度高 由于端齿盘定位齿数多，且沿圆周均布，向心多齿结构，经过研齿的齿盘其分度精度一般可达左右，最高可过以上，一对齿盘啮合时具有自动定心作用。所以中心轴的回转精度、间隙及磨损对定心精度几乎没有影响，对中心轴的精度要求低，装置容易。（2）重复定位精度好 由于多齿啮合相当于上下齿盘的反复磨合对研，越磨合精度越高，重复定位精度也越好。（3）定位刚性好，承载能力大，两齿盘多齿啮合。由于齿盘齿部强度高，并且一般齿数啮合率不少于90%，齿面啮合长度不少于60%，故定位刚性好，承载能力大。4.1.5.3 端齿盘的设计动齿盘与静齿盘是数控刀架的两个主要零件。其精度决定刀架性能的好坏。为了保证端齿盘的定位精度和刚度，对端齿盘做以下技术要求：端齿盘材料采用40Cr，齿部渗氮后磨齿加工；齿宽接触率为70%以上；齿高接触为啮合高度85%以上，两齿盘啮合时的接触齿数应在90%以上，接触不良的齿不啮合；安装基准孔轴线对分度中心的位置度，一般取0.020.04mm，对精密齿盘应在0.01mm以内；安装基准端面对分度的平行度，一般取0.010.04mm，对精密齿盘应在0.01mm以内。本刀架采用标准直齿端齿盘，齿的啮合深度通常设计为45mm，由于本刀架的液压系统采用变量泵，可获得所需的琐紧力满足刀架刚度要求，所以本次设计将齿的啮合深度设计为4mm。这一设计也可减少活塞的行程，节省功率。 查得有关标准得出以下参数：端齿盘外径d：端齿盘的外径主要由设计结构所允许的空间范围来确定。在结构允许 的情况下，外径越大越好，这样可以增强分度或定位机构的稳定性。 根据车削中心动力刀架的总体结构和外径系列选取d=180mm。齿数z： 根据JB/T 4316.1-1999查得当外径d=180mm时，齿数可以为60和 72两种，它们的最小分度角分别为和，因为本次设计的动力刀架 工位数为8工位，转一个工位从动盘需要转过角度，应该是最小 分度角的倍数关系，所以选取最小分度角为，从而选取z=72。 齿长F： F=10mm齿盘厚度： H/2+m=21.24mm齿距t: t=7.85mm齿厚S： S=3.93mm全齿高h: h=5mm齿顶高m: m=1.24mm 图4.4 端齿盘示意图4.2 动力刀塔的分度机构部分 动力刀架的转位需要凸轮分度机构来实现，而驱动凸轮轴旋转是由伺服电机来实现的，电机的选择要满足所需负载和转矩。从而需要我们对电机进一步的选择。4.2.1伺服电机的选用4.2.1.1伺服电机的分类 直流伺服电机分为：有刷和无刷电机。 有刷电机-成本低，结构简单，启动转矩大,调速范围宽,控制容易,需要维护,但维护方便(换碳刷),产生电磁干扰,对环境有要求。因此它可经用于对成本敏感的普能工业和以用场合。 无刷电机-体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于名种环境。交流伺服电机：也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。4.2.1.2 伺服