1、沈阳理工大学学士学位论文I摘要数 控 机 床 集 计 算 机 技 术 ， 电 子 技 术 ， 自 动 控 制 技 术 ， 传 感 测 量 ， 机 械 制 造 ，是 典 型 的 机 电 一 体 化 产 品 。 它 的 发 展 和 应 用 开 创 了 制 造 业 的 新 时 代 ， 改 变 了 制 造 业的 生 产 方 式 ， 产 业 结 构 ， 管 理 方 式 ， 使 世 界 制 造 业 的 格 局 发 生 了 巨 大 的 变 化 。传统的普通车床换刀的速度慢、精度不高，导致生产效率低，不能适宜现代化生产的需要。因此对数控车床的刀架系统相关内容进行研究，探索数控车床转塔刀架的组成和工作原理。本
2、课 题 为 CK3225 转 塔 刀 架 结 构 设 计 ， 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 。 液 压 系 统 以 及 凸 轮 设 计 部 分 是这 次 设 计 中 的 重 点 内 容 ， 同 时 也 是 难 点 。关键字：转塔刀架；液压系统；凸轮沈阳理工大学学士学位论文IIAbstractThe numerical control engine bed collection computer technology, the electronic technology
3、, the automatic control technology, the sensing survey, the machine manufacture, is the typical integration of machinery product. Its development and the application founded the manufacturing industry new times, changed the manufacturing industry production method, the industrial structure, manages
4、the way, caused the world manufacturing industry the pattern to have changed .Conventional lathe tool change is too slow,the accuracy is not high,low productivity,can not meet the need of modern production. Therefore,make a research on the tool system of CNC.Explore the composition and working princ
5、iple of the turret system.This subject is the structural design of turret on CK3225,turret can complete the process in one time chucking,Make the range of processing expand,improve machining accuracy substantially and the production efficiency. Hydraulic system and cam mechanism is the emphasis and
6、difficulty of this design. Keywords: turret；Hydraulic system；cam 沈阳理工大学学士学位论文III目录摘要 .IABSTRACT .II前言 .1第一章 绪论 .31.1 数控机床发展过程 .31.2 机床发展趋势 .41.3 研究实际社会意义 .51.4 CK3225 系列数控机 床 .51.4.1 机床组成与主要功能 .51.4.2 本机床结构分析 .61.4.3 机床参数 .7第二章 转塔刀架的工作原理 .82.1 设计本转塔刀架的指导思想 .82.2 刀架应该满足的要求 .82.3 液压驱动转塔刀架的工作原理 .92.4 步
7、进式凸轮的工作原理 .10第三章 液压驱动转塔刀架的零件选用与计算 .123.1 鼠牙盘的选用 .123.2 转塔夹紧力的计算 .133.3 油缸尺寸的计算 .153.4 油杠盖螺栓的计算 .163.5 凸轮尺寸计算 .173.6 柱销强度的校核 .193.7 刀架的液压控制部分 .283.8 滚动轴承的选用 .29沈阳理工大学学士学位论文IV总结 .30致谢 .31参考文献 .32附录 A.33附录 B.39沈阳理工大学学士学位论文1数控机床液压驱动转塔刀架设计前言制 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
8、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 中 不
9、 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 。从 20 世 纪 中 叶 数 控 技 术 出 现 以 来 ， 数 控 机 床 给 机 械 制 造 业 带 来 了 革 命 性 的 变化 。 数 控 加 工 具 有 如 下 特 点 ： 加 工 柔 性 好 ， 加 工 精 度 高 ， 生 产 率 高 ， 减 轻 操 作 者 劳动 强 度 、 改 善 劳 动 条 件 ， 有 利 于 生 产 管 理 的
10、 现 代 化 以 及 经 济 效 益 的 提 高 。 数 控 机 床是 一 种 高 度 机 电 一 体 化 的 产 品 ， 适 用 于 加 工 多 品 种 小 批 量 零 件 、 结 构 较 复 杂 、 精 度要 求 较 高 的 零 件 、 需 要 频 繁 改 型 的 零 件 、 价 格 昂 贵 不 允 许 报 废 的 关 键 零 件 、 要 求 精密 复 制 的 零 件 、 需 要 缩 短 生 产 周 期 的 急 需 零 件 以 及 要 求 100%检 验 的 零 件 。 数 控机 床 的 特 点 及 其 应 用 范 围 使 其 成 为 国 民 经 济 和 国 防 建 设 发 展 的 重 要
11、 装 备 。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 ，
12、 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 。数 控 技 术 是 用 数 字 信 息 对 机 械 运 动 和 工 作 过 程 进 行 控 制 的 技 术 ， 数 控 装 备 是
13、以数 控 技 术 为 代 表 的 新 技 术 对 传 统 制 造 产 业 和 新 兴 制 造 业 的 渗 透 形 成 的 机 电 一 体 化 产品 ， 即 所 谓 的 数 字 化 装 备 ， 其 技 术 范 围 覆 盖 很 多 领 域 ： (1)机 械 制 造 技 术 ； (2)信沈阳理工大学学士学位论文2息 处 理 、 加 工 、 传 输 技 术 ； (3)自 动 控 制 技 术 ； (4)伺 服 驱 动 技 术 ； (5)传 感 器 技 术 ；(6)软 件 技 术 等 。沈阳理工大学学士学位论文3第一章 绪论数字控制机床是用数字代码形式的信息（程序指令），控制刀具按给定的工作程序、运动速度
14、和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。1.1 数控机床发展过程1948 年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出计
15、算机控制机床的设想。1949 年，该公司在美国麻省理工学院（MIT）伺服机构研究室的协助下，开始数控机床研究，并于 1952 年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床，不久即开始正式生产，于 1957 年正式投入使用。这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的开始。数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展 1。当时的数控装置采用电子管元件，体积庞大，价格昂贵，只在航空工业等少数有特殊需要的部门用来加工复杂型面零件；1959 年，制成了晶体管元件和印刷
16、电路板，使数控装置进入了第二代，体积缩小，成本有所下降；1960 年以后，较为简单和经济的点位控制数控钻床，和直线控制数控铣床得到较快发展，使数控机床在机械制造业各部门逐步获得推广。我国于 1958 年开始研制数控机床，成功试制出配有电子管数控系统的数控机床，1965 年开始批量生产配有晶体管数控系统的三坐标数控铣床。1965 年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。60 年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统（简称 DNC），又称群控系统；采沈阳理工大学学士学位论文4用小型计算机控制的计算
17、机数控系统（简称 CNC）,使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。1974 年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置（简称MNC），这是第五代数控系统。第五代与第三代相比，数控装置的功能扩大了一倍，而体积则缩小为原来的 1/20，价格降低了 3/4，可靠性也得到极大的提高。 80 年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，开始具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能 2。1.2 机床发展趋势（一） 智能、高速、高精度化新一代数控机床为提高生产效率，向超高
18、速方向发展，采用新型功能部件(如电主轴、直线电机等)主轴转速达 15,000r/min 以上。计算机技术及其软件控制技术在机床产品技术中占的比重越来越大，计算机系统及其应用软件的复杂化，带来了机床系统及其硬件结构的简化，数控机床的智能化程度日趋提高。一台机床的重复定位精度如果能达到 0.005 mm，就是一台高精度机床，在 0.005mm 以下，就是超高精度机床。高精度的机床，要有最好的轴承、丝杠。随着电脑辅助制造(CAM)系统的发展，精密度已达到微米级。（二） 设计、制造绿色化绿色设计是一种综合考虑了产品设计、制造、使用和回收等整个生命周期的环境特性和资源效率的先进设计理论和方法。它在不牺牲
19、产品功能、质量和成本的前提下，系统考虑产品开发、制造及其活动对环境的影响，从而使得产品在整个生命周期中对环境的负面影响最小，资源利用率最高。数控机床在设计时要考虑：绿色材料设计；可拆卸性设计；节能性设计；可回收性设计；模块化设计；绿色包装设计等。绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，通过绿色生产过程生产出绿色产品。数控机床在制造时要考虑：节约资源的工艺设计；节约能源的工艺设计；环保型工艺设计等。随着世界经济的迅速发展，尤其是国内改革开放以来工业化程度的加快，所带来的环境污染问题越来越严重，环境保护的呼声越来越高，环保问题已经沈阳理工大学学士学位论文5成为各国经济可持续发展的制
20、约因素之一。数控机床作为装备制造业的核心，能否顺应环保趋势，加大绿色设计与制造的研制，将是影响经济发展的重要要素之一。（三） 复合化与系统化工件一次装夹，能进行多种工序复合加工，可大大地提高生产效率和加工精度，是机床一贯追求的。由于产品开发周期愈来愈短，对制造速度的要求也相应提高，机床也朝高效能发展。机床已逐渐发展成为系统化产品，用一台电脑控制一条生产线的作业。产品对外观曲线要求的提高，机床五轴加工、六轴加工已日益普及，机床加工的复合化已是不可避免的发展趋势 3。1.3 研究实际社会意义传统的车床的刀架上只能装配一把刀，换刀的速度慢，换刀后还需重新对刀，并且精度不高，生产效率低，不能适宜现代化
21、生产的需要，因此有必要对机床的换刀装置重新进行改造，数控车床上使用的刀架是一种简单的换刀装置。其在一定的空间范围内能松开、转位以及定位等一系列动作的机构。功能强大，可靠性稳定、功率大、结构简单、维修方便。在工件的一次装夹中完成多个工序的加工，缩短加工的辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差，充分发挥数控机床的效率，采用转塔刀架。1.4 CK3225 系列数控机床 41.4.1 机床组成与主要功能CK3225 系列数控车床由床身、主轴箱、刀架、进给系统、液压系统、冷却、润滑等部件和数控系统组成。CK3225 系列数控车床分为三个品种，CK3225、CK3225X1000 和 CKA3225。前面
22、两种是以轴类件加工为主，最大加工长度分别为 400mm 和 1000mm。而后一种则是以盘类件加工为主。该系列三种车床配备先进的数控系统和直流无极调速主电机，由直流伺服电机通过滚珠丝杠带动刀架纵横方向进给而组成两坐标连续控制的数控机床。依靠数控系统的基本功能，可车削内、外圆柱和圆锥及各种圆弧曲面，适用于形状复杂、精度高的轴类和盘类零件的加工。由于该类机床精度高，刚性好，进给系统准确沈阳理工大学学士学位论文6可靠，使之能适应高速强力切削，同时也能进行精加工。加工精度在纵向，横向均能保证在 0.01mm 以内。该系列数控车床还能加工各类螺纹（米制、英制、锥螺纹、端面螺纹、多线螺纹和变螺距螺纹），因
23、为在主轴箱上安装有主轴同步运转的脉冲编码器，由脉冲编码器发出的脉冲信号控制伺服电机进给，可使刀架实现每转进给量，这是螺纹切削应满足的必要条件。同时在切削过程中，为了防止乱扣，脉冲编码器在发出进给脉冲时，还要发出同步脉冲，以保证刀具每次走刀都在工件的同一点切入。总之，与普通车床相比，数控车床有很大一部分功能是由电气系统实现的，简化了复杂的机械系统。随着机电一体化技术的飞速发展，将使数控车床更加完善。1.4.2 本机床结构分析根据工件的工艺分类所需运动及主要技术参数而确定各部分的相对位置，并完成工件和刀具的相对运动，保证加工精度，方便操作、调整和维修。一般来说，中小规格的数控车床采用斜床身居多，只有大型数控车床或小型精密数控车床才采用平床身。CK3225 系列机床均采用 60斜床，占地面积小，便于排屑。斜床身具有以下特点：1） 容易实现机、电、液一体化。2） 机床外形整齐、美观，占地面积小。3） 容易排屑和安装排屑装置。4） 从工件上切下的过热铁屑不容易堆在导轨上，不至影响导轨精度。5） 便于安装机械手实现单机自动化。图 1.1(a)平床身 （b）（c）斜床身 （d ）直立床身
