數(shù)控車床刀架的設(shè)計(jì)

1、西北工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)論文摘 要數(shù)控加工的加工精度高，生產(chǎn)率高，能減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟(jì)效益的提高。它的發(fā)展和運(yùn)用，影響著制造業(yè)水平高低，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)控化，已經(jīng)成為當(dāng)今制造業(yè)的發(fā)展方向，所以非常值得我們?nèi)パ芯?。本設(shè)計(jì)通過對數(shù)控車床六工位自動(dòng)控制刀架工作原理的分析，綜合考慮刀架工作過程的優(yōu)缺點(diǎn)，確定了設(shè)計(jì)方案，得到了最終設(shè)計(jì)的結(jié)果,也達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的目的。本設(shè)計(jì)主要包括了數(shù)控車床刀架機(jī)構(gòu)的主要部件，其中包括轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)，刀架的定位機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的選擇，蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)，刀架主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。最終得到常用的數(shù)控車床六工位刀架應(yīng)滿足的要求。關(guān)鍵詞:六

2、工位；電動(dòng)刀架 ABSTRACTWith its high working accuracy and productivity, the numerical control processing can reduce the operators labor intensity, improve labor condition, and is thus advantageous in the modernization of manufacturing management as well as improvement of economic benefit. Hence, the develo

3、pment and the utilization the numerical control processing play a role and become the development direction in the advancement of manufacturing industry.Based on the analysis of operating principle and process of six-station automatic control knife rest of numerically controlled lathe, this paper de

4、termines its solution approach and conclusion. The paper first discusses how to choose such critical pieces of the knife rest of numerically controlled lathe as indexing mechanism, positioning mechanism, drive servo motors, and then discusses the design of worm gear, worm drive, and the structure of

5、 principle axis of the knife rest, etc. The paper then concludes the requirements of common six-station automatic control cutter of numerically controlled lathe.Key words: six-location; electronic knife rest 第一章 引言1.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)的背景及目的。機(jī)械制造業(yè)是一個(gè)國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，其發(fā)展水平標(biāo)志著該國或地區(qū)經(jīng)濟(jì)的實(shí)力、科技水平、生活水準(zhǔn)和國防實(shí)力。國際市場的競爭歸根到底是各國

6、制造生產(chǎn)能力及機(jī)械制造裝備的競爭。隨著機(jī)械制造生產(chǎn)模式的演變,對機(jī)械制造裝備提出了不同的要求，在50年代“剛性”生產(chǎn)模式下，通過提高效率，自動(dòng)化程度，進(jìn)行單一或少品種的大批量生產(chǎn)，以“規(guī)模經(jīng)濟(jì)”實(shí)現(xiàn)降低成本和提高質(zhì)量的目的。在70年代主要通過改善生產(chǎn)過程管理來進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本。在80年代，我國逐漸開始采用數(shù)控機(jī)床，機(jī)器人，柔性制造單元等高技術(shù)的集成來滿足產(chǎn)品個(gè)性化和多樣化的要求，以滿足社會(huì)各消費(fèi)群體的不同要求。從90年代開始，為了對世界生產(chǎn)進(jìn)行快速響應(yīng)，逐步實(shí)現(xiàn)社會(huì)制造資源的快速集成，要求機(jī)械制造裝備的柔性化程度更高,采用快速成形制造技術(shù)。工業(yè)發(fā)達(dá)國家都非常注重機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，用

7、大量先進(jìn)技術(shù)和工藝裝備制造業(yè)，機(jī)械制造裝備工業(yè)得到優(yōu)先發(fā)展。對比之下，我國目前機(jī)械制造業(yè)的裝備水平還比較落后，表現(xiàn)在大部分工廠的機(jī)械制造裝備基本上是通用機(jī)床加專用工藝裝備，數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重還非常低，導(dǎo)致“剛性”強(qiáng),更新產(chǎn)品速度慢，生產(chǎn)批量不宜太小，生產(chǎn)品種不宜過多；自動(dòng)化程度基本上還是“一個(gè)工人，一臺(tái)機(jī)床，一把刀”，導(dǎo)致勞動(dòng)生產(chǎn)率低下，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。 因此，要縮小我國同發(fā)達(dá)工業(yè)國家的差距,我們必須在機(jī)械制造裝備方面大下功夫，其中最重要的一個(gè)方面就是增加數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，可以達(dá)到以下目的：1、培養(yǎng)綜合運(yùn)用專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)技能來解決工程實(shí)際問題的能

8、力；2、強(qiáng)化工程實(shí)踐能力和意識(shí)，提高本人綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力；3、使本人受到從事本專業(yè)工程技術(shù)和科學(xué)研究工作的基本訓(xùn)練,提高工程繪圖、計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、外文資料文獻(xiàn)閱讀、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、使用文獻(xiàn)資料和技術(shù)手冊、文字表達(dá)等各方面的能力；4、培養(yǎng)正確的設(shè)計(jì)思想和工程經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)，理論聯(lián)系實(shí)際的工作作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度以及積極向上的團(tuán)隊(duì)合作精神。1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容和研究方法本課題設(shè)計(jì)一臺(tái)數(shù)控車床CAK6140數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，同時(shí)也是難點(diǎn)。通過廣泛查閱文獻(xiàn)資料，參觀數(shù)控車床實(shí)物樣機(jī)以及和生產(chǎn)一線的工人相互討論等途徑，擬定了如下的研究手段：(1)本次研究的數(shù)控車床床身采用臥式斜

9、床身結(jié)構(gòu)。因?yàn)檐嚧驳拇采硎钦麄€(gè)車床的基礎(chǔ)支承件，是車床的主體，一般用來放置導(dǎo)軌、主軸箱等重要部件。床身的結(jié)構(gòu)對車床的布局有很大的影響。按照床身導(dǎo)軌面與水平面的相對位置，床身的結(jié)構(gòu)有后斜床身斜滑板，直立床身直立滑板，平床身平滑板，前斜床身平滑板和平床身斜滑板等五種，它們各自有自己的優(yōu)點(diǎn)和局限性，采用什么樣的床身要根據(jù)實(shí)際情況定。一般來說，中、小規(guī)格的數(shù)控車床采用斜床身和平床身斜滑板的居多。只有大型數(shù)控車床或小型精密數(shù)控車床才采用平床身平滑板結(jié)構(gòu)，而立床身結(jié)構(gòu)采用得較少。平床身工藝性好，易于加工制造，由于車床刀架水平放置，對提高刀架的運(yùn)動(dòng)精度有好處,，但床身下部空間小，排屑困難。平床身斜滑板結(jié)構(gòu)，

10、再配置向上傾斜導(dǎo)軌防護(hù)罩，這樣既保持了平床身工藝性好的優(yōu)點(diǎn)，而且床身寬度也不會(huì)太大。斜床身和平床身斜滑板結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代數(shù)控車床中被廣泛采用，是因?yàn)檫@種布局有以下的優(yōu)點(diǎn)：1）易實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化；2）機(jī)床外觀整齊，美觀，占地面積?。?）容易設(shè)置封閉式防護(hù)裝置；4）容易排屑和安裝自支排屑器；機(jī)床床身的五種結(jié)構(gòu)形式圖示如下：             (a) 斜床身斜滑板 (b) 直立床身直立滑板 (c) 平床身平滑板 (d) 前斜床身平滑板 (e) 平床身斜滑板 圖1.1 床身結(jié)構(gòu)示意圖5）從工件上切下的熾熱

11、切屑不至于堆積在導(dǎo)軌上影響導(dǎo)軌精度；6）宜人性好，便于操作；7）便于安裝機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化。(2)數(shù)控車床的刀架采用回轉(zhuǎn)刀架?；剞D(zhuǎn)刀架的換刀分為刀盤抬起、刀架轉(zhuǎn)位和刀盤鎖緊三個(gè)動(dòng)作。其中刀盤抬起和刀架鎖緊由液壓來實(shí)現(xiàn)，而刀盤轉(zhuǎn)位則由伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)。刀盤抬起動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)須經(jīng)以下步驟：數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀盤抬起命令液壓系統(tǒng)啟動(dòng)壓力油進(jìn)入液壓缸右腔活塞向左運(yùn)動(dòng)刀架主軸向左移動(dòng)端齒盤脫離嚙合刀盤抬起。刀盤轉(zhuǎn)位動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)順經(jīng)以下步驟：數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀盤轉(zhuǎn)位的命令伺服電機(jī)啟動(dòng)蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)刀架主軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)位。刀盤鎖緊動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)順經(jīng)以下的步驟：數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀盤鎖緊命令液壓系統(tǒng)啟動(dòng)壓力油進(jìn)入液壓缸左腔活塞向右運(yùn)

12、動(dòng)刀架主軸向右移動(dòng)端齒盤嚙合實(shí)現(xiàn)刀盤鎖緊。圖1.2 回轉(zhuǎn)刀架示意圖(3)本車床數(shù)控系統(tǒng)選用日本FANUC公司的FANUC系統(tǒng)。因?yàn)榫湍壳皝碚f，國內(nèi)各數(shù)控機(jī)床用得最多的也是FANUC系統(tǒng)，因?yàn)樗哂幸韵碌膬?yōu)點(diǎn)：1）高可靠性及完整的質(zhì)量控制體系。2）采用大規(guī)模及超大規(guī)模的專用集成電路芯片。3）全自動(dòng)化工廠生制造。4）良好的控制軟件設(shè)計(jì)。5）數(shù)字式進(jìn)給伺服和數(shù)字式主軸驅(qū)動(dòng)。第二章 數(shù)控車床刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算21數(shù)控車床刀架的功能，類型和應(yīng)滿足的要求211車床刀架的功能機(jī)床上的刀架是安放刀具的重要部件，許多刀架還直接參與切削工作，如臥式車床上的四方刀架，轉(zhuǎn)塔車床的轉(zhuǎn)塔刀架，回輪式轉(zhuǎn)塔車床的回輪刀架，自

13、動(dòng)車床的轉(zhuǎn)塔刀架和天平刀架等。這些刀架既安放刀具，而且還直接參與切削，承受極大的切削力作用，所以它往往成為工藝系統(tǒng)中的較薄弱環(huán)節(jié)。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床的刀架也有了許多變化，特別是數(shù)控車床上采用電(液)換位的自動(dòng)刀架，有的還使用兩個(gè)回轉(zhuǎn)刀盤。加工中心則進(jìn)一步采用了刀庫和換刀機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)了大容量存儲(chǔ)刀具和自動(dòng)交換刀具的功能，這種刀庫安放刀具的數(shù)量從幾十把到上百把，自動(dòng)交換刀具的時(shí)間從十幾秒減少到幾秒甚至零點(diǎn)幾秒。這種刀庫和換刀機(jī)械手組成的自動(dòng)換刀裝置，就成為加工中心的主要特征。 2.1.2機(jī)床刀架的類型按換刀方式的不同，數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉(zhuǎn)刀架、排式刀架和帶刀庫的自動(dòng)換刀裝置等多種形

14、式,下面對這三種形式的刀架作簡單的介紹。 1、排式刀架排式刀架一般用于小規(guī)格數(shù)控車床，以加工棒料或盤類零件為主。它的結(jié)構(gòu)形式為：夾持著各種不同用途刀具的刀夾沿著機(jī)床的X坐標(biāo)軸方向排列在橫向滑板上。刀具的典型布置方式如圖4所示。這種刀架在刀具布置和機(jī)床調(diào)整等方面都較為方便，可以根據(jù)具體工件的車削工藝要求，任意組合各種不同用途的刀具，一把刀具完成車削任務(wù)后，橫向滑板只要按程序沿X軸移動(dòng)預(yù)先設(shè)定的距離后，第二把刀就到達(dá)加工位置，這樣就完成了機(jī)床的換刀動(dòng)作。這種換刀方式迅速省時(shí)，有利于提高機(jī)床的生產(chǎn)效率。寶雞機(jī)床廠生產(chǎn)的CK7620P全功能數(shù)控車床配置的就是排式刀架。2、回轉(zhuǎn)刀架 回轉(zhuǎn)刀架是數(shù)控車床最

15、常用的一種典型換刀刀架，一般通過液壓系統(tǒng)或電氣來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)換刀動(dòng)作，根據(jù)加工要求可設(shè)計(jì)成四方、六方刀架或圓盤式刀架，并相應(yīng)地安裝4把、6把或更多的刀具。回轉(zhuǎn)刀架的換刀動(dòng)作可分為刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位和刀架鎖緊等幾個(gè)步驟。它的動(dòng)作是由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令完成的。回轉(zhuǎn)刀架根據(jù)刀架回轉(zhuǎn)軸與安裝底面的相對位置，分為立式刀架和臥式刀架兩種。 3、帶刀庫的自動(dòng)換刀裝置 上述排刀式刀架和回轉(zhuǎn)刀架所安裝的刀具都不可能太多，即使是裝備兩個(gè)刀架，對刀具的數(shù)目也有一定限制。當(dāng)由于某種原因需要數(shù)量較多的刀具時(shí)，應(yīng)采用帶刀庫的自動(dòng)換刀裝置。帶刀庫的自動(dòng)換刀裝置由刀庫和刀具交換機(jī)構(gòu)組成。 (a)回轉(zhuǎn)刀架 (b) 排式刀架 圖

16、2.1 機(jī)床刀架類型結(jié)構(gòu)圖2.1.3機(jī)床刀架應(yīng)滿足的要求1、滿足工藝過程所提出的要求。機(jī)床依靠刀具和工件間相對運(yùn)動(dòng)形成工件表面，而工件的表面形狀和表面位置的不同，要求刀架能夠布置足夠多的刀具，而且能夠方便而正確地加工各工件表面， 為了實(shí)現(xiàn)在工件的一次安裝中完成多工序加工，所以要求刀架可以方便地轉(zhuǎn)位。2、在刀架以要能牢固地安裝刀具，在刀架上安裝刀具進(jìn)還應(yīng)能精確地調(diào)整刀具的位置，采用自動(dòng)交換刀具時(shí)，應(yīng)能保證刀具交換前后都能處于正確位置。以保證刀具和工件間準(zhǔn)確的相對位置。刀架的運(yùn)動(dòng)精度將直接反映到加工工件的幾何形狀精度和表面粗糙度上，為此，刀架的運(yùn)動(dòng)軌跡必須準(zhǔn)確，運(yùn)動(dòng)應(yīng)平穩(wěn)，刀架運(yùn)轉(zhuǎn)的終點(diǎn)到位應(yīng)準(zhǔn)確

17、。面且這種精度保持性要好，以便長期保持刀具的正確位置。3、刀架應(yīng)具有足夠的剛度。由于刀具的類型、尺寸各異，重量相差很大，刀具在自動(dòng)轉(zhuǎn)換過程中方向變換較復(fù)雜，而且有些刀架還直接承受切削力?？紤]到采用新型刀具材料和較大的切削用量，所以刀架必須具有足夠的剛度，以使切削過程和換刀過程平穩(wěn)。4、可靠性高。由于刀架在機(jī)床工作過程中，使用次數(shù)很多，而且使用頻率也高，所以必須充分重視它的可靠性。5、刀架是為了提高機(jī)床自動(dòng)化而出現(xiàn)的，因而它的換刀時(shí)間應(yīng)盡可能縮短，以利于提高生產(chǎn)率。目前自動(dòng)換刀裝置的換刀時(shí)間在0.86秒之間不等。而且還在進(jìn)一步縮短。6、操作方便和安全。刀架是工人經(jīng)常操作的機(jī)床部件之一，因此它的操

18、作是否方便和安全，往往是評價(jià)刀架設(shè)計(jì)好壞的指標(biāo)。刀架上應(yīng)便于工人裝刀和調(diào)刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作調(diào)整刀架的手柄（或手輪）要省力，應(yīng)盡量設(shè)置在便于操作的地方。2.2 數(shù)控車床刀架總體方案設(shè)計(jì)與選擇2.2.1刀架的整體方案設(shè)計(jì)刀架是車床的重要組成部分，用于夾持切削用的刀具，因此其結(jié)構(gòu)直接影響到車床的切削性能和切削效率。根據(jù)前面對機(jī)床刀架類型、性能及其使用場合的綜合比較，并結(jié)合現(xiàn)有數(shù)控車床的實(shí)例，本次設(shè)計(jì)的數(shù)控車床CAK6140擬采用回轉(zhuǎn)刀架中的六工位六方刀架。該刀架的換刀動(dòng)作分為刀盤抬起、刀盤分度轉(zhuǎn)位和刀盤鎖緊三個(gè)步驟，其中刀盤抬起和刀盤鎖緊定位由液壓來實(shí)現(xiàn)，而刀盤的分度轉(zhuǎn)位由伺服電

19、機(jī)驅(qū)動(dòng)。2.2.2車床刀架的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)一般來說，機(jī)床刀架的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)主要有以下幾種：1、液壓（或氣動(dòng)）驅(qū)動(dòng)的活塞齒條齒輪轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu) 這種由液動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)調(diào)速范圍大、緩沖制動(dòng)容易，轉(zhuǎn)位速度可調(diào)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)尺寸較小，制造容易，因而應(yīng)用較廣泛。而轉(zhuǎn)位角度大小可由活塞桿上的限位檔塊來調(diào)整。也有采用氣動(dòng)的，氣動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，速度可調(diào)，但運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，有沖擊，結(jié)構(gòu)尺寸大，驅(qū)動(dòng)力小。故一般多用于非金屬切削的自動(dòng)化機(jī)械和自動(dòng)線的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)中。2、圓柱凸輪步進(jìn)式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu) 這種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)依靠凸輪輪廓強(qiáng)制刀架作轉(zhuǎn)位運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)規(guī)律完全取決于凸輪輪廓形狀。圓柱凸輪是在圓周面上加工出一條兩端有頭的凸起=輪廓，從

20、動(dòng)回轉(zhuǎn)盤（相當(dāng)于刀架體）端面有多個(gè)柱銷，銷子數(shù)量與工位數(shù)相等。當(dāng)圓柱凸輪按固定的旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，有的柱銷會(huì)進(jìn)入凸輪輪廓的曲線段，使凸輪開始驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)位，與此同時(shí)有的圓柱銷會(huì)與凸輪輪廓脫離，當(dāng)柱銷接觸的凸輪輪廓由曲線段過渡到直線段時(shí)，即使凸輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)盤也不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，即完成了一次刀盤分度轉(zhuǎn)位動(dòng)作。如此反復(fù)下去，就能實(shí)現(xiàn)多次的刀架換刀操作。由于凸輪是一個(gè)兩端開口的非閉合曲線輪廓，所以當(dāng)凸輪正反轉(zhuǎn)進(jìn)均可帶動(dòng)刀盤正反兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)。這種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)位速度高、精度較低，運(yùn)動(dòng)特性可以自由設(shè)計(jì)選取但制造較困難、成本較高、結(jié)構(gòu)尺寸較大。這種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)可以通過控制系統(tǒng)中的邏輯電路或PC程序來自動(dòng)選擇回轉(zhuǎn)方向，以

21、縮短轉(zhuǎn)位輔助時(shí)間。3、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的刀架轉(zhuǎn)位隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，可以采用直流（或交流）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿、蝸輪（消除間隙）實(shí)現(xiàn)刀架轉(zhuǎn)位，轉(zhuǎn)位的速度和角位移均可通過半閉環(huán)反饋進(jìn)行精確控制加以實(shí)現(xiàn)，因而這種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)位速度可以進(jìn)行精確控制、精度高，結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)容易。所以在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中被廣泛采用。結(jié)合上述三種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)位機(jī)理和特點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)的數(shù)控車床CKA6140決定采用第三種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)-伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的刀架轉(zhuǎn)位。2.2.3刀架定位機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 目前在刀架的定位機(jī)構(gòu)中多采用錐銷定位和端面齒盤定位。由于圓錐銷定位精度較高，它進(jìn)入定位孔時(shí)一般靠彈簧力或液壓力、氣動(dòng)力，圓錐銷磨損后仍可以消

22、除間隙，以獲得較高的定位精度。端齒盤定位由兩個(gè)齒形相同的端面齒盤相嚙合而成，由于嚙齒合時(shí)各個(gè)齒的誤差相互抵償，起著誤差均化的作用，定位精度高。端齒盤定位的特點(diǎn)：（1）定位精度高。由于端齒盤定位齒數(shù)多，且沿圓周均布，向心多齒結(jié)構(gòu)，經(jīng)過研齒的齒盤其分度精度一般可達(dá)左右，最高可過以上，一對齒盤嚙合時(shí)具有自動(dòng)定心作用。所以中心軸的回轉(zhuǎn)精度、間隙及磨損對定心精度幾乎沒有影響，對中心軸的精度要求低，裝置容易。（2）重復(fù)定位精度好。由于多齒嚙合相當(dāng)于上下齒盤的反復(fù)磨合對研，越磨合精度越高，重復(fù)定位精度也越好。（3）定位剛性好，承載能力大，兩齒盤多齒嚙合。由于齒盤齒部強(qiáng)度高，并且一般齒數(shù)嚙合率不少于90%，齒

23、面嚙合長度不少于60%，故定位剛性好，承載能力大。考慮到端面齒盤具有以上的各種優(yōu)點(diǎn)，因而本次設(shè)計(jì)的刀架采用端面齒盤定位。2.3 數(shù)控車床刀架的工作原理2.3.1.回轉(zhuǎn)刀架自動(dòng)換刀裝置圖2.3所示（見附圖1）為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床六刀架結(jié)構(gòu)，該刀架可以安裝四把不同的刀具，轉(zhuǎn)位信號(hào)由加工程序指定。其工作過程為：刀架抬起刀架轉(zhuǎn)位刀架定位夾緊刀架。（1）刀架抬起當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令后，電動(dòng)機(jī)1啟動(dòng)正轉(zhuǎn)，通過套筒聯(lián)軸器2使蝸桿軸3轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)渦輪絲桿4轉(zhuǎn)動(dòng)。刀架體7的內(nèi)控加工有螺紋，與渦輪絲桿旋合，渦輪與絲桿為整體結(jié)構(gòu)。渦輪絲桿內(nèi)孔與刀架中心軸是間隙配合，在轉(zhuǎn)位換刀時(shí)，中心軸固定不動(dòng)，渦輪絲桿繞中心軸旋轉(zhuǎn)

24、。當(dāng)渦輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于刀架底座5和刀架體7上的端面齒處在齒合狀態(tài)，且渦輪絲桿軸向固定，因此刀架體7抬起。（2）刀架轉(zhuǎn)位當(dāng)?shù)都荏w抬至一定距離后，刀架底座5和刀架底座7上的端面齒脫開，轉(zhuǎn)位套9用銷釘與渦輪絲桿4聯(lián)接，隨渦輪絲桿一同轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)端面齒完全脫開時(shí)，轉(zhuǎn)位套正好轉(zhuǎn)過160°（如圖2.3c所示），球頭銷8在彈簧力的作用下進(jìn)入轉(zhuǎn)位套9的槽中，帶動(dòng)刀架體轉(zhuǎn)位。（3）刀架定位刀架體7轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)電刷座10轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)到程序指定的刀號(hào)時(shí)，粗定位銷15在彈簧立的作用下進(jìn)入粗定位盤6的槽中進(jìn)行粗定位，同時(shí)電刷13接觸導(dǎo)體使電動(dòng)機(jī)1反轉(zhuǎn)。由于粗定位槽的限制，刀架體7不能轉(zhuǎn)動(dòng)，使其在該位置垂直落下，刀架

25、體7和刀架底座5上的端面齒嚙合實(shí)現(xiàn)精確定位。（4）夾緊刀架電動(dòng)機(jī)繼續(xù)反轉(zhuǎn)，此時(shí)渦輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸桿軸3自身轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)兩端面齒增加到一定夾緊力時(shí)，電動(dòng)機(jī)1停止轉(zhuǎn)動(dòng)。譯碼裝置由發(fā)信體11、電刷13、14組成，電刷13負(fù)責(zé)發(fā)信號(hào)，點(diǎn)數(shù)14負(fù)責(zé)位置判斷。當(dāng)?shù)都芏ㄎ怀霈F(xiàn)過位或不到位時(shí)，可松開螺母12，調(diào)好發(fā)信體11與電刷14的相對位置。2.4刀架的設(shè)計(jì)計(jì)算2.4.1 驅(qū)動(dòng)刀架的伺服電機(jī)的選擇計(jì)算刀架驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇應(yīng)同時(shí)滿足刀架運(yùn)轉(zhuǎn)的負(fù)載扭矩和起動(dòng)時(shí)的加速扭矩的要求。1、刀架負(fù)載扭矩的計(jì)算回轉(zhuǎn)刀架負(fù)載扭矩估算方法如下：由于這種刀架的負(fù)載扭矩主要用來克服刀具質(zhì)量的不平衡，估算按如下的情況進(jìn)行：用平均重力的刀具

26、插滿刀盤的半個(gè)圓，根據(jù)工藝要求所需的各種刀具，確定每個(gè)刀具的（包括刀柄）平均重力，而其重心則設(shè)定為離刀架回轉(zhuǎn)中心2/3半徑處。由以上的方法可知，由于該數(shù)控車床采用的是電和液換位的6工位六方自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，因而插滿刀盤的半個(gè)圓需要3把刀具。設(shè)工藝要求所需的每個(gè)刀具的平均重力=4.9N；刀盤的回轉(zhuǎn)中心直徑。則有 2、刀架加速扭矩的估算 式中 -刀架換刀時(shí)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)； -加速時(shí)間,通常取200ms； -電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量(),可查樣本； -負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量()。3、負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量的估算 式中 -各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量()； -各旋轉(zhuǎn)件的角速度()； -各直線運(yùn)動(dòng)件

27、的質(zhì)量()； -各直線運(yùn)動(dòng)件的速度()； -伺服電機(jī)的角速度()。4、各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的估算由刀架的結(jié)構(gòu)簡圖可知,刀架在完成換刀動(dòng)作時(shí),伺服電機(jī)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)的部件共3個(gè),它們分別是蝸輪蝸桿副,刀架主軸和刀盤。因而只需估算這三者的傳動(dòng)慣量即可。(1)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算刀盤采用煙臺(tái)環(huán)球公司生產(chǎn)的AK31系列數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的配套產(chǎn)品，其主要尺寸如下：刀盤外徑；盤也刀架主軸相連的孔徑；刀盤寬。則刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 = 0.45(2)刀架主軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算刀架主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量按如下的方法估算：刀架主軸的最大直徑；最小直徑；刀架主軸長度取。則刀架主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 = 0.0048 (3)蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算蝸輪蝸

28、桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的估算方法如下：設(shè)蝸輪的分度圓直徑；其與刀架主軸相連的孔徑；蝸輪齒寬。則蝸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 = 0.002設(shè)蝸桿的分度圓直徑；蝸桿長。則蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 = 0.00024(4)連軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 由于連軸器已標(biāo)準(zhǔn)化，查表取連軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 對各旋轉(zhuǎn)件的角速度作如下設(shè)定：伺服電機(jī)的角速度 蝸桿的角速度 蝸輪的角速度 刀架主軸的角速 刀盤轉(zhuǎn)位時(shí)的角速度為 ，將以上計(jì)算所得的數(shù)據(jù)代入公式。則負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量為： = 0.00067式中：取；刀架換刀時(shí)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速；伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=0.00003。則刀架加速扭矩： = 0.32(5)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出扭矩的估算 驅(qū)動(dòng)電

29、動(dòng)機(jī)的輸出扭矩應(yīng)同時(shí)滿足刀架負(fù)載扭矩和加速扭矩之和，將以上計(jì)算的刀架負(fù)載扭矩和加速扭矩?fù)Q為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸上的輸出扭矩的公式為： 式中 -傳動(dòng)效率,取0.75。則有 考慮到實(shí)際情況比計(jì)算時(shí)所設(shè)定條件復(fù)雜，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)為的1.21.5倍。所以取 TS=1.3·TD=1.3×2.78=3.6經(jīng)查閱西門子電機(jī)手冊，選項(xiàng)用西門子1FT6交流伺服電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，額定輸出轉(zhuǎn)矩為5N·m，額定功率為0.4kW。2.4.2 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算2.4.2.1各參數(shù)的取定本刀架的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)是采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿、蝸輪（消除間隙）實(shí)現(xiàn)刀架的轉(zhuǎn)位，其中蝸輪

30、蝸桿副的傳動(dòng)比取60，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速取1400；刀架的轉(zhuǎn)位速度設(shè)計(jì)為，由于刀盤為6工位刀盤，則該刀架換一次刀的最大耗時(shí)不到。2.4.2.2 蝸輪蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)的普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的功率為，蝸桿的轉(zhuǎn)速為，傳動(dòng)比為，傳動(dòng)反向，工作載荷穩(wěn)定，但有不大的沖擊，要求設(shè)計(jì)壽命為。對蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算如下；(1)選擇蝸桿傳動(dòng)類型根據(jù)的推薦，采用漸開線蝸桿（）。(2)選擇材料根據(jù)庫存材料的情況，并考慮到蝸桿傳遞的功率不大，速度只是中等，故蝸桿用45鋼；因希望效率高些，耐磨性好些，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為40-45 HRC。蝸輪用鑄錫磷青銅，金屬模鑄造。為了節(jié)約貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯

31、用灰鑄鐵HT100制造。(3)按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)根據(jù)閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。 1）確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩，則 =式中：，估取效率。2）確定載荷系數(shù) 因?yàn)楣ぷ鬏d荷穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù)為；由西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室編著的機(jī)械設(shè)計(jì)教材表11-5選取使用系數(shù)；由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動(dòng)載系數(shù)；則 =a.確定彈性影響系數(shù)因選用的是鑄錫青銅輪和鋼蝸桿相配，故。確定接觸系數(shù)先假設(shè)蝸桿分度圓直徑和傳動(dòng)中心距a的比值，從圖11-18中可查得=。b.確定許用接觸應(yīng)力根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度45HRC，

32、可從表11-7中查得蝸輪的基本許用應(yīng)力為。應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 壽命系數(shù) 則 c.計(jì)算中心距 取中心距a=80mm，因i=60，故從表11-2中取模數(shù)為m=2mm，蝸桿分度圓直徑。這時(shí)，從圖11-18中可查得接觸系數(shù)，因?yàn)椋虼艘陨嫌?jì)算的結(jié)果可用。(4) 蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸1）蝸桿 軸向齒距 直徑系數(shù) 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 分度圓導(dǎo)程角 蝸桿軸向齒厚 2）蝸輪 蝸輪齒數(shù) ；變位系數(shù) 驗(yàn)算傳動(dòng)比，傳動(dòng)比誤差為，是允許的。蝸輪分度圓直徑 蝸輪喉圓直徑 蝸輪齒根圓直 蝸輪咽喉母圓半徑 圖2.4 蝸輪的結(jié)構(gòu)圖(5)校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 當(dāng)量齒數(shù) 根據(jù)，從圖11-19中可查得齒形系數(shù)。螺旋角系數(shù)

33、許用彎曲應(yīng)力 F=F·KFN從表11-8中查得由制造的蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力壽命系數(shù) 彎曲強(qiáng)度滿足要求。(6) 精度等級公差和表面粗糙度的確定考慮到所設(shè)計(jì)的蝸桿傳動(dòng)是動(dòng)力傳動(dòng)，屬于通用機(jī)械減速器，從GB/T100891988圓柱蝸桿、蝸輪精度中選擇8級精度，側(cè)隙種類為f，標(biāo)注為8f GB/T100891988。然后由有關(guān)手冊查得要求的公差項(xiàng)目及表面粗糙度，此處從略。2.4.3 刀架主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 由刀架裝配圖可知，刀架主軸的支承方式為兩端游動(dòng)支承，其一端與刀盤固連，另一端與液壓缸的活塞間隙配合，同時(shí)起到左端支承作用。而軸的中間部位由刀盤至液壓缸的方向分別與圓柱滾子軸承和蝸輪相連，

34、圓柱滾子軸承起右支承作用。已知伺服電機(jī)的功率為0.3kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速，取經(jīng)蝸輪蝸桿副傳動(dòng)的效率，蝸輪蝸桿副的傳動(dòng)比。1) 先求出刀架主軸上的傳遞功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩 于是 T3=9550000=9550000×=118042.92) 初步確定軸的最小直徑 由式，可初步估算設(shè)計(jì)軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)表153，取，于是得 式中：為系數(shù)，軸的材料不同，則的值會(huì)不同； 為軸傳遞的功率，單位為； 為計(jì)算截面處軸的直徑，單位為mm； n為軸的轉(zhuǎn)速，單位為。最終取軸的最小直徑為；軸的最大直徑為。圖2.5 刀架主軸結(jié)構(gòu)圖結(jié) 論 本次論文設(shè)計(jì)是針對經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的刀架部分進(jìn)行主要設(shè)計(jì)，刀架是數(shù)控機(jī)床的主要部件之一。刀架的精度，剛度以及可靠性都直接影響機(jī)床的使用性能，在機(jī)床的可靠性分析中轉(zhuǎn)塔刀架的可靠性是最高的，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令后刀架不轉(zhuǎn)位、刀架轉(zhuǎn)位錯(cuò)誤、刀架錯(cuò)位、刀架報(bào)警、刀架不能正常換刀等等一系列的故障都會(huì)導(dǎo)致機(jī)床不能正常工作。本次設(shè)計(jì)針對這些可能出現(xiàn)的故障及錯(cuò)誤進(jìn)行了仔細(xì)，嚴(yán)謹(jǐn)，認(rèn)真的分析，使車床回轉(zhuǎn)刀架的可靠性有了很大程度的提高。在設(shè)計(jì)