1、辽宁工程技术大学- 1 -目 录前言 .11 国内外数控发展历史 .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 .62 数控刀架整体方案设计 .82.1 数控机床刀架应满足的要求 .82.2 动力刀架的整体方案设计 .92.3 数控机床刀架的类型 .102.4 数控转塔刀架的开发应用 .122.5 刀架的工作原理 .132.6 刀架定位精度及重复定位精度 .153 数控机床自动回转刀架机构设计 .163.1 步进电机的选用 .163.2.1 齿轮传动的分类和特点 .173.2.2 齿轮传动类型选择的原则 .183.3 蜗杆及蜗轮的选用与校核 .18辽宁工程技术大学
2、- 2 -3.3.1 选择传动的类型 .183.3.2 选择材料和确定许用应力 .183.3.3 按接触 强 度确定主要参数 193.4 蜗杆轴的设计 .213.4.1 蜗 杆 轴 的材料 选择 ，确定 许 用 应 力 .213.4.2 按扭 转强 度初步估算 轴 的最小直径 .213.4.3 确定各 轴 段的直径和 长 度 .213.4.4 蜗 杆 轴 的校核 223.4.5 键 的 选 取与校核 .263.5 蜗轮轴的设计 .273.5.1 蜗轮轴 材料的 选择 ，确定需用 应 力 .273.5.2 按扭 转强 度，初步估 计轴 的最小直径 .273.5.3 确定各 轴 段的直径和 长 度
3、 273.6 中心轴的设计 .283.6.1 刀架 轴 的 结 构 设计 及 计 算 .283.6.2 确定各 轴 段的直径和 长 度 .283.6.3 轴的校核 .303.7 齿盘的设计 .303.7.1 齿盘的材料选择和精度等级 .313.7.2 确定齿盘参数 .31辽宁工程技术大学- 3 -3.7.3 按接触疲劳强度进行计算 .313.8 轴承的选择 .333.8.1. 轴承内部结构 .333.8.2. 轴承分类与特点 .333.8.3 滚动轴承的配合 .343.8.4 滚动轴承的润滑 .353.8.5 滚动轴承的密封装置 .354电气控制部分设计 .374.1 硬件电路设计 374.2
4、. 控制软件设计 .395 总结 .45致谢 .46参考文献 .47附录 A 49附录 .60辽宁工程技术大学- 1 -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
5、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
6、 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
7、 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 。本 课 题 数 控 机 床 刀 架 设 计 及 运 动 控 制 ， 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
8、效 率 。本 次 设 计 的 主 要 内 容 为 ： 1） 数 控 机 床 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 力辽宁工程技术大学- 2 -刀 架 运 动 控 制 ； 刀 架 整 体 设 计 和 刀 架 运 动 控 制 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
9、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 ， 刀架 转 位 则 由 伺 服 电 机 来 驱 动 。 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 涡 轮 蜗 杆 转 动刀 架 主 轴 转 动 实 现 刀 盘 转 位 。辽宁工程技术大学- 3 -1 国内外数控发展历史1.1 国内外数控车床的研究状况与成果本 章 重 点 介 绍 数 控 机 床 在 国 内 外 的 发 展 情 况 ， 以 及 国 内 数 控 机床 的 发 展
10、 趋 势美 、 德 、 日 三 国 是 当 今 世 上 在 数 控 机 床 科 研 、 设 计 、 制 造 和 使用 上 ， 技 术 最 先 进 、 经 验 最 多 的 国 家 。 因 其 社 会 条 件 不 同 ， 各 有特 点 。 美 国 政 府 重 视 机 床 工 业 ， 美 国 国 防 部 等 部 门 因 其 军 事 方 面 的需 求 而 不 断 提 出 机 床 的 发 展 方 向 、 科 研 任 务 ,并 且 提 供 充 足 的 经 费 ，且 网 罗 世 界 人 才 ， 特 别 讲 究 “效 率 ”和 “创 新 ”， 注 重 基 础 科 研 。因 而 在 机 床 技 术 上 不 断
11、创 新 ， 如 1952 年 研 制 出 世 界 第 一 台 数 控 机床 、 1958 年 创 制 出 加 工 中 心 、 70 年 代 初 研 制 成 FMS、 1987 年 首 创开 放 式 数 控 系 统 等 。 由 於 美 国 首 先 结 合 汽 车 、 轴 承 生 产 需 求 ， 充 分发 展 了 大 量 大 批 生 产 自 动 化 所 需 的 自 动 线 ， 而 且 电 子 、 计 算 机 技术 在 世 界 上 领 先 ， 因 此 其 数 控 机 床 的 主 机 设 计 、 制 造 及 数 控 系 统 基础 扎 实 ， 且 一 贯 重 视 科 研 和 创 新 ， 故 其 高 性
12、能 数 控 机 床 技 术 在 世 界也 一 直 领 先 。 当 今 美 国 生 产 宇 航 等 使 用 的 高 性 能 数 控 机 床 ， 其 存 在的 教 训 是 ， 偏 重 於 基 础 科 研 ， 忽 视 应 用 技 术 ， 且 在 上 世 纪 80 代 政府 一 度 放 松 了 引 导 ， 致 使 数 控 机 床 产 量 增 加 缓 慢 ， 于 1982 年 被 后进 的 日 本 超 过 ， 并 大 量 进 口 。 从 90 年 代 起 ， 纠 正 过 去 偏 向 ， 数 控机 床 技 术 上 转 向 实 用 ， 产 量 又 逐 渐 上 升 。 德 国 政 府 一 贯 重 视 机 床
13、工业 的 重 要 战 略 地 位 ， 在 多 方 面 大 力 扶 植 。 ， 於 1956 年 研 制 出 第 一台 数 控 机 床 后 ， 德 国 特 别 注 重 科 学 试 验 ， 理 论 与 实 际 相 结 合 ， 基 础科 研 与 应 用 技 术 科 研 并 重 。 企 业 与 大 学 科 研 部 门 紧 密 合 作 ， 对 数 控机 床 的 共 性 和 特 性 问 题 进 行 深 入 的 研 究 ， 在 质 量 上 精 益 求 精 。 德 国辽宁工程技术大学- 4 -的 数 控 机 床 质 量 及 性 能 良 好 、 先 进 实 用 、 货 真 价 实 ， 出 口 遍 及 世 界 。
14、尤 其 是 大 型 、 重 型 、 精 密 数 控 机 床 。 德 国 特 别 重 视 数 控 机 床 主 机 及配 套 件 之 先 进 实 用 ， 其 机 、 电 、 液 、 气 、 光 、 刀 具 、 测 量 、 数 控 系统 、 各 种 功 能 部 件 ， 在 质 量 、 性 能 上 居 世 界 前 列 。 如 西 门 子 公 司 之数 控 系 统 ， 均 为 世 界 闻 名 ， 竞 相 采 用 。 日 本 政 府 对 机 床 工 业 之 发 展异 常 重 视 ， 通 过 规 划 、 法 规 (如 “机 振 法 ”、 “机 电 法 ”、 “机 信 法 ”等 )引 导 发 展 。 在 重
15、视 人 才 及 机 床 元 部 件 配 套 上 学 习 德 国 ， 在 质 量管 理 及 数 控 机 床 技 术 上 学 习 美 国 ， 甚 至 青 出 于 蓝 而 胜 于 蓝 。 自1958 年 研 制 出 第 一 台 数 控 机 床 后 ， 1978 年 产 量 (7,342 台 )超 过 美国 (5,688 台 )， 至 今 产 量 、 出 口 量 一 直 居 世 界 首 位 (2001 年 产 量46,604 台 ， 出 口 27,409 台 ， 占 59%)。 战 略 上 先 仿 后 创 ， 先 生 产 量大 而 广 的 中 档 数 控 机 床 ， 大 量 出 口 ， 占 去 世 界
16、 广 大 市 场 。 在 上 世纪 80 年 代 开 始 进 一 步 加 强 科 研 ， 向 高 性 能 数 控 机 床 发 展 。 日 本FANUC 公 司 战 略 正 确 ， 仿 创 结 合 ， 针 对 性 地 发 展 市 场 所 需 各 种 低 中高 档 数 控 系 统 ， 在 技 术 上 领 先 ， 在 产 量 上 居 世 界 第 一 。 该 公 司 现 有职 工 3,674 人 ， 科 研 人 员 超 过 600 人 ， 月 产 能 力 7,000 套 ， 销 售额 在 世 界 市 场 上 占 50%， 在 国 内 约 占 70%， 对 加 速 日 本 和 世 界 数 控机 床 的
17、发 展 起 了 重 大 促 进 作 用 。 日 本 机 械 工 业 协 会 已 制 定 2010至 2025 年 机 床 技 术 革 新 战 略 ， 重 点 在 强 调 网 络 连 接 加 工 型 态 、 信息 化 /智 能 化 对 应 技 术 、 远 距 离 诊 断 /控 制 、 三 维 电 脑 辅 助 设 计 /电脑 辅 助 制 造 （ 3DCAD/CAM） 、 环 境 调 和 、 省 能 源 、 微 小 化 、 高 精 度 、高 速 化 对 应 技 术 等 。 日 本 虽 经 历 十 年 不 景 气 ， 但 机 床 厂 对 未 来 十 年市 场 仍 乐 观 。 各 厂 纷 纷 加 强 信
18、 息 科 技 技 术 及 网 络 应 用 、 环 境 保 护 、人 材 培 养 、 经 营 弹 性 、 顾 客 满 意 度 、 收 益 能 力 等我 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 试辽宁工程技术大学- 5 -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年代初研制成了圆锥数控铣床，数控非圆齿轮插齿机。CIL18 晶体管数控系统及 Z53
19、K1G 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，因此未能广泛推广。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
20、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 m的高精度数控系统，数字模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” ， “
21、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”攻关开发辽宁工程技术大学- 6 -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。具有中国特色经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。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
22、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
23、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 。为 进 一 步 提 高 数 控 机 床 的 加 工 效 率 ， 数 控 机 床 正 在 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
24、。 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 刀 装 置 ， 以 便 选 用 不 同 刀 具 ， 完 成 不 同工 序 的 加 工 工 艺 。 自 动 换 刀 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 。辽宁工程技术大学- 7 -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
25、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。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辽宁工程技术大学- 8 -2 数
26、控刀架整体方案设计2.1 数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。
27、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，
28、因此辽宁工程技术大学- 9 -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。2.2 动力刀架的整体方案设计刀架是车床的重要组成部分，加工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加工，用于夹持加工用的刀具,因此其结构直接影响到车床的加工性能和加工效率。刀架采用端齿分度，转位由步进电动机驱动，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。各 类 数 控 机 床 的 自 动 换 到 装 置 的 结 构 取 决 于 机 床
29、 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。 辽宁工程技术大学- 10 -表 1-1 自动换刀装置类型Table 1-1 trade the knife installment type automatically类别型式 特点 适用范围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式转塔头顺序换刀，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、铣床刀具与主轴之间直
30、接换刀换刀运动集中，运动不见少。但刀库容量受限刀库式 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2.3 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。 辽宁工程技术大学- 11 -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
31、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
32、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辽宁工程技术大学- 12 -Figure 2.1 types of machine tool structure本次设计的刀架是四工位刀架，刀
33、位较少，且要求精度较高，所以可以选择回转刀架和排式刀架，且一次装夹中完成多工序加工，缩短辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差保证转位具有高的重复定位精度具有转位快，定位精度高，切向扭矩大的特点。而电动机最低转速为 35r/min，最高转速为 4000r/min，额定转速为 ne=2000 r/min 刀具顺利换刀，因此需要很高的稳定性。对于以上三种刀架，排式刀架加工棒料或盘类零件为主，局限性较大，同时定位精度不高，况且排式刀架往复运动幅度较大，占用空间多。综上，本次设计选用回转刀架作为设计对象，其具有换刀时间短、结构简单紧凑、容纳刀具较少的特点，所以较为合适，对于回转刀架根据安装方式的 不同
34、可分为立式和 卧式两种根据机械定位方式的 不同，自动回转刀架又可分为端齿盘定位型和三齿盘定位型等。其中断齿盘定位型换刀时刀架需抬起，换刀速度较慢且密封性较差，但其结构较简单。三齿盘定位型又叫免抬型，其特点是换刀时刀架不抬起，因此换刀时速度快且密封性好，但其结构较复杂。由于本人初次设计数控刀架，所以选择较为简单的端齿盘定位，结构简单。同时，自动回转刀架在结构上必须具有良好的 强度和刚性，以承受粗加工时的 切削抗力。为了保证转位具有高的重复定位精度，自动回转刀架还 要选择可靠的定位方案和合理的定位结构。自动回转刀架的自动换刀时由控制系统和驱动电路来实现的 。发信转位采用霍尔元件，使用寿命长。根据以
35、上对机床刀架类型、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，本次设计的动力刀架为伺服电机驱动的转塔式自动回转刀架。辽宁工程技术大学- 13 -2.4 数控转塔刀架的开发应用数 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
36、 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 。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
37、 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 。 2.5 刀架的工作原理回转刀架的工作原理为机械螺
38、纹升降转位式。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2.1为自动回转刀架，其工作过程如下：1) 刀架抬起 当数控系统发出换刀指令后, 通过接口电路使电机正转, 经传动装置驱动蜗杆蜗轮机构3、蜗轮螺纹即螺母机构延逆时针旋转 ,此时由于上下齿盘40 、6处于啮合状态，在丝杆螺母机构转动时，使上刀架体产生向上的轴向力将上齿盘40松开并抬起,直至两定位齿盘辽宁工程技术大学- 14 -40、6脱离啮合状态,从而带动上刀架和齿盘产生“上台”动作。2) 刀架转位 当圆套13逆时针转过150时，齿盘40、6完全脱开，此时销钉准确进入圆套13中的凹槽中，带动刀架体转位。3) 刀架定位 当
39、上刀架转到需要到位后（旋转90、180或270） ，数控装置发出的换刀指令使霍尔开关19中的某一个选通,当磁性板18 与被选通的霍尔开关对齐后,霍尔开关反馈信号使电机反转,插销39在弹簧力作用下进入反靠盘7地槽中进行粗定位，上刀架体停止转动，电机继续反转，使其在该位置落下，通过螺母丝杆机构使上刀架移到齿盘40、6 重新啮合, 实现精确定位。4) 刀架压紧 刀架精确定位后，电机及许反转，夹紧刀架，当两齿盘增加到一定夹紧力时， 电机由数控装置停止反转，防止电机不停反转而过载毁坏，从而完成一次换刀过程。辽宁工程技术大学- 15 -图 2.2 自动回转刀架Figure 2.2 Automatic Ro
40、tary Tool辽宁工程技术大学- 16 -2.6 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
41、刀 架 具 有 较 高 的 定 位 精 度 和 重 复 定 位 精 度 。辽宁工程技术大学- 17 -3 数控机床自动回转刀架机构设计数 控 机 床 加 工 中 心 自 驱 动 回 转 刀 架 主 要 由 三 部 分 组 成 ： 动 力 源 ， 变 速传 动 装 置 和 刀 架 体 。 采 用 变 频 电 机 作 为 其 动 力 源 ， 涡 轮 蜗 杆 传 动 作 为 其 变速 传 动 装 置3.1 步进电机的选用动力刀架的转位需要涡轮蜗杆机构来实现，而驱动蜗轮轴旋转是由电机来实现的，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。许多机械加工需要微量进给。要实现微量进给，步进
42、电机、直流伺服交流伺服电机都可作为驱动元件。对于后两者，必须使用精密的传感器并构成闭环系统，才能实现微量进给。在开环系统中，广泛采用步进电机作为执行单元。这是因为步进电机具有以下优点：1）直接采用数字量进行控制;2）转动惯量小，启动、停止方便；3）成本低；4）无误差积累；5）定位准确；6）低频率特性比较好；7）调速范围较宽；采用步进电机作为驱动单元，其机构也比较简单，主要是变速齿轮副、滚珠丝杠副，以克服爬行和间隙等不足。通常步进电机每加一个脉冲转过一个脉冲当量；但由于其脉冲当量一般较大，如0.01mm，在数控系统中为了保证加工精度，广泛采用步进电机的细分驱动技术。由于课题要求电动机最低转速为3
43、5r/min，最高转速为4000r/min ，额定转速为ne=2000 r/min。要求4把刀更换。因为刀架上升、下降各转150，刀架转位至少需90，所以蜗轮转的角度=390考虑刀架只需小功率驱动，为减少生产成本，选用JD60电动机，其转速为辽宁工程技术大学- 18 -1400r/min,额定功率为60W。3.2 变 速 传 动 装 置 的 选 择3.2.1 齿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
44、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 传 动圆 弧 圆 柱 蜗 杆 传 动蜗 杆 传 动 环 面 蜗 杆 传 动锥 蜗 杆 传 动其特点：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。辽宁工程技术大学- 19 -5）结构
45、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。3.2.2 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
46、批量等。3）考虑合理性、先进性和经济性等。蜗杆副传动可以改变运动的 方向，获得较大的 传动比，保证传动精度和平稳性，并且具有自锁功能，还可以实现整个装置的 小型化。由于本次设计的数控动力刀架的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，所以选择以蜗轮蜗杆来完成刀架的旋转。3.3 蜗杆及蜗轮的选用与校核3.3.1 选择传动的类型考虑到传递的功率不大，转速较低，选用 2A 蜗杆，精度 8 级，GB10089-883.3.2 选择材料和确定许用应力由机械设计表6-7查得蜗杆选用45钢，表面淬火，硬度为4555HRC，蜗轮齿圈用ZCuSn10P1 砂模铸造，为了节约贵重的有色金属
47、，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT150制造。H=200MPa，辽宁工程技术大学- 20 -查表 6-9 得到 f=500MPa3.3.3 按接触强度确定主要参数根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，在校核齿根弯曲疲劳强度。传动中心距： 232()EHZakT(4-1)1）确定作用在蜗轮上的转距T 2按Z 1=2，取效率=0.8， 则T2=T*i=3.5382N.M (4-2)2）确定载荷系数K因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数K =1；由使用系数K A表从而选取K A=1.15； 由于转速不高，冲击不大，可取动载系数K V=1.1；则K=KA*K *KV=1*1.
48、15*1.1=1.2651.27 (4-3)3）确定弹性影响系数Z E因选用的铸锡磷青铜蜗轮和蜗杆相配，故1260EZMPa4）确定接触系数Z先假设蜗杆分度圆直径d 1和传动中心距a的比值d1/a=0.30，从而可查出Z =3.12。5）确定许用应力 H根据蜗轮材料为铸锡磷青铜zcusn10p1，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度45HRC，从而可查机械设计6-7得蜗轮的基本许用应力 H=268MPA。因为电动刀架中蜗轮蜗杆的传动为间隙性的，故初步定位、其寿命系数为K HN=0.92，则 H= KHN H=0.92268=246.56247MPA (4-4)辽宁工程技术大学- 21 -6）计算中心距
49、23160.71.2758.()4am(4-5)取中心距a=50mm，m=1.6mm，蜗杆分度圆直径d 1=29mm，这时d 1/a =0.448，从而可查得接触系数Z=2.72，因为ZZ ，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：d 1=29mm直径系数：q= d 1 /m =18.125，蜗杆头数：Z 1=1分度圆导程角：=31138蜗杆轴向齿距：P A= m=5.024mm； (4-6)蜗杆齿顶圆直径：*123.2aadhm(4-7)蜗杆齿根圆直径： （4-8）cf 5蜗杆轴向齿厚： /aS=2.512mm (4-9)蜗杆轴向齿距： （4-10）1.6.04pmm2）蜗轮蜗轮齿数：Z 2 =45变位系数=0验算传动比：i= 2z/ 1=45/1=45 (4-11)蜗轮分度圆直径：d 2=mz2= 72mm
