數(shù)控刀架設計

1、摘要數(shù)控機床的出現(xiàn)對提高生產常理、改進產品質量以及改善勞動條件等已經(jīng)發(fā)揮了重要的作用。為了進一步壓縮非切削時間，多數(shù)數(shù)控機床往往在一次裝夾中完成多工序加工。數(shù)控機床的刀架是機床的重要組成部分，數(shù)控刀架是數(shù)控車床最普遍的一種輔助裝置，它可使數(shù)控車床在工件一次裝夾中完成多種甚至所有的加工工序，以縮短加工的輔助時間，減少加工過程中由于多次安裝工件而引起的誤差，從而提高機床的加工效率和加工精度。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，數(shù)控刀架向高智能化、高精度等方向發(fā)展。刀架已不再是單純的電動的，已是電液組合驅動和伺服驅動，能實現(xiàn)精確的控制，有效的提高勞動生產率，縮短生產時間。 數(shù)控刀架應具有良好的強度和剛度，這樣才

2、能提高加工精度，同時能承受加工的阻力，這就需要刀架有可靠的定位機構，同時刀架應具有很好的互換性，做好接口單元，這樣提高刀架的可使用性，這樣才能提高的刀架的生存能力，在這樣一個知識的時代。刀架的驅動通常是靠電機驅動，伺服在控制系統(tǒng)的的指揮下，其通過控制系統(tǒng)和驅動電路來實現(xiàn)。由于反饋系統(tǒng)在刀架中的運用，相比較以前的開環(huán)系統(tǒng)，閉環(huán)系統(tǒng)具有很高的調節(jié)功能，大大的提高了刀架的換刀精度。關鍵詞：數(shù)控刀架、強度、剛度AbstactCNC machine tools have played an important role to improve the common sense of production

3、、the product quality and the working conditions. In order to compress the non-cutting time, the majority process of CNC tools are often completed in a single setup machining processes. CNC machine tool turret is an important part of the machine, CNC turret CNC lathes are the most common kind of assi

4、stive devices, it will enable the CNC lathe in the workpiece in a single setup, multiple or even all of the processing operation to shorten the processing auxiliary time, reduce errors caused by multiple installations of the workpiece during processing, thereby improving the machining efficiency and

5、 machining accuracy. With the development of modern science and technology, CNC turret to the development of high intelligence, high-precision direction. Is no longer pure electric turret is a combination of electro-hydraulic drive and servo-driven to achieve precise control, and improve labor produ

6、ctivity, shorten the production time.CNC turret should have good strength and stiffness, so as to improve the precision, can withstand the resistance of the processing, which needs turret reliable positioning mechanism, turret should have good interchangeability, good interfaceunit, so to improve th

7、e tool holder can be used, so in order to improve the tool carrier viability in an era of knowledge. The turret drive usually rely on motor drives, servo control system of command, control systems and driver circuit to achieve. Feedback system in the turret, compared to the previous open-loop system

8、, closed-loop system has a high degree of regulatory function, greatly improve the turret tool change accuracy.Keywords:CNC turret、strength 、 stiffness第一章 緒論1.1數(shù)控刀架發(fā)展數(shù)控刀架最先起源于國外，作為數(shù)控機床的一部分，數(shù)控刀架于1959年誕生于美國卡耐特雷克公司（Keaney&TreckerCorp.）。在刀架中裝有鉸刀、銑刀、絲錐、鉆頭等刀具，根據(jù)指令自動選擇刀具，對工件進行加工。它可縮短機床上零件的裝卸時間和更換刀具的時間。

9、在國外，數(shù)控刀架主要分為日本和歐美兩大流派，日系的其體積小，轉矩大，耐磨，例如日研公司刀架的核心部件采用氮化處理，具有很高的硬度。歐美的結構緊湊，傳動方向一致，易于實現(xiàn)一體布置，采用牙嵌式的具有空行程角小，效率高，自鎖性好。在歐美其主要研發(fā)制造有：德國的肖特、意大利的杜普馬蒂克以及巴魯法迪。相比較國外，我國起步比較晚，從上世紀八十年代開始發(fā)展，沒有定型，穩(wěn)定性、可靠性、精度等都很差，沒有標準、沒有自主知識產權但是發(fā)展很快，但在國家對數(shù)控行業(yè)的支持下，出臺了一系列政策，鼓勵數(shù)控行業(yè)發(fā)展，經(jīng)歷了一個快速發(fā)展過程，但現(xiàn)還處于一個發(fā)展的過程，在品種、規(guī)格、可靠性等方面還有一段長的路要走，基本上還是采用

10、傳統(tǒng)的材料和工藝，其使用壽命往往不長。2007年國家出臺了相關標準，但是標準要求比較低，適應于中、低端，我們不能閉門造車，要充分利用自身的有力條件，要鼓勵技術人員積極思考，同時國家應積極鼓勵中小型企業(yè)積極創(chuàng)新，加快發(fā)展盡快縮小與國外發(fā)達國家的差距已變的刻不容緩。1.2數(shù)控刀架的發(fā)展方向隨之基礎科學的發(fā)展，數(shù)控刀架開始向快速換刀、電液組合驅動以及伺服驅動方向發(fā)展，數(shù)控刀架未來的發(fā)展方向可基本分為兩方面：高精度、高可靠、高效性；簡單實用、方便、造價低。由于高端制造業(yè)朝著尖端領域前進，尤其是航空業(yè)，對精度要求越來越高，作為生產設備數(shù)控機床的精度必須更高，數(shù)控刀架作為其保證精度的重要組成部分，因此其精

11、度要求也十分高，這對刀架的剛度，抗震性，系統(tǒng)響應性都要求非常高。開發(fā)式的伺服電機及驅動技術發(fā)展，使伺服驅動刀架成為現(xiàn)實，提高了換刀精度，縮短了換刀速度，同時它取代了預定位裝置、發(fā)信裝置，簡化了刀架結構，刀架的夾緊與松開都采用液壓裝置，這樣避免了沖擊，提高了刀架的使用壽命。數(shù)控刀位的位數(shù)也越來越多，以前4,、6位，現(xiàn)在已發(fā)展到八位、十位，甚至十二位，可正傳反轉。在一般生產中，其精度顯的不是那么重要，相反，其效率、成本就先的更加重要，因此數(shù)控刀架同時也最求:高速、可靠，追求的目標是換刀時間盡量的短，以換取加工中心和車削中心的高效性； 是簡單實用、造價低、使用可靠，但換刀速度不快。1.3本文研究內容

12、主要介紹數(shù)控車、銑、磨、鏜等機床的刀架。側重介紹四方八方刀架、排刀式刀架。簡單介紹平口鉗、機夾式刀庫、轉盤式等。 對刀架的材料進行選擇，刀架的傳動系統(tǒng)，對刀架的剛度、精度、動態(tài)精度進行分析。并對其進行相關力學的計算。第二章 機床刀架作為機床的一部分，數(shù)控刀架有做自己的結構、功能、種類，本章將從這幾方面對其進行分析：2.1數(shù)控刀架的功能及要求:數(shù)控刀架可使數(shù)控車機床在工件一次裝夾中完成多種甚至所有的加工工序，以縮短加工的輔助時間，減少加工過程中由于多次安裝工件而引起的誤差，從而提高機床的加工效率和加工精度。它具有: 換刀時間短，以減少非加工時間;減少換刀動作對加工范圍的干擾;刀具重復定位精度高;

13、識刀、選刀可靠，換刀動作簡單可靠;刀庫刀具存儲量合理;刀庫占地面積小，并能與主機配合，使機床外觀協(xié)調美觀;刀具裝卸、調整、維修方便，并能得到清潔的維護。2.1機床刀架的分類：由于機床分為：車床、銑床、鏜床等，因此刀架也有很多種類，按機床種類分：車床刀架、銑床刀架、磨床刀架等種類。按換刀方式分：排式刀架、回轉刀架、帶刀庫的自動換刀裝置。下面將分別介紹：排式刀架圖2-1如圖示：夾著不同用途刀具的刀夾沿著機床的X坐標軸方向排列在橫向滑板上。這種刀架在刀具布置和機床調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后，橫向滑板只要按程序沿X軸移動預先

14、設定的距離后，第二把刀就到達加工位置，這樣就完成了機床的換刀動作。這種換刀方式迅速省時，有利于提高機床的生產效率。 回轉刀架 圖2-2回轉刀架是數(shù)控機床最常用的一種典型換刀刀架，一般通過液壓系統(tǒng)或電氣來實現(xiàn)機床的自動換刀動作，設計成四方、六方刀架或圓盤式刀架，并相應地安裝4把、6把或更多的刀具?；剞D刀架的換刀動作可分為刀架抬起、刀架轉位和刀架鎖緊等幾個步驟。它的動作是由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令完成的?；剞D刀架根據(jù)刀架回轉軸與安裝底面的相對位置，分為立式刀架和臥式刀架兩種。2.3數(shù)控機床刀架的結構及工作原理：數(shù)控刀架換刀原理大致一致，先以數(shù)控車床六工位刀架為例對換刀過程就行介紹。數(shù)控刀架換刀過程如圖2-

15、3，在接到換刀命令后，檢測裝置會檢測刀具是否在工位上，如果在將結束，如果沒有，將轉動電機，驅動刀架到工位上，并檢測，如果沒有，在轉動電機，直到到工位上，再延遲一定時間，鎖緊刀架，結束換刀過程。此系統(tǒng)采用閉環(huán)系統(tǒng)，相比開環(huán)系統(tǒng)，閉環(huán)具有反饋條件功能，進行進一步調節(jié)，因此其精度更加高。圖2-3數(shù)控刀架可分為兩方面:機械系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)，下面將分別對其進行分別說明：機械系統(tǒng)數(shù)控刀架的機械系統(tǒng)總體來說分為三部分：減速傳動機構；定位機構；刀架抬起機構。減速傳動機構：由于三相異步電動機因轉速太快，不能用來直接驅動刀架進行換刀，必須經(jīng)過適當?shù)臏p速機構來得到一個合適的速度。由于刀架結構緊湊，傳動比要求大，因此

16、通常采用蝸桿副，同時蝸桿副能保證傳動精度和平穩(wěn)性，并且具有自鎖功能。定位機構：由于刀具直接安裝在上刀體上，所以上刀體要承受全部的切削力，其鎖緊與定位的 精度將直接影響工件的加工精度。本設計上刀體的鎖緊與定位機構選用端面齒盤，將上刀體和下刀體的 配合面加工成梯形端面齒。當?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，上下端面齒相互咬合，這時上刀體不能繞刀架的中心軸轉動；換刀時電動機正傳，抬起機構使上刀體抬起，等上下端面齒脫開后，上刀體才可以繞刀架中心軸轉動，完成轉位動作。刀架抬起機構：要想使上，下刀體的 兩個端面齒脫離，就必須設計合適的機構使上刀體抬起。本設計選用螺桿-螺母副，在上刀體內部加工出內螺紋，當電動機通過蝸桿-

17、蝸輪帶動蝸桿繞中心軸轉動時，作為螺母的上刀體要么轉動，要么上下移動。當?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，上刀體與下刀體的端面齒相互咬合，因為這時上刀體不能與螺桿一起轉動，所以螺桿的轉動會使上刀體向上移動。當端面齒脫離咬合時，上刀體就與螺桿一同轉動。 設計螺桿時要求選擇適當?shù)穆菥啵员惝斅輻U轉動一定角度時，使得上刀體與下刀體的端面齒能夠完全脫離咬合狀態(tài)。 控制系統(tǒng)數(shù)控刀架的控制主要是通過傳感器將各種信號收集到并反饋給機床中央單元，數(shù)控單元根據(jù)反饋信號再指揮執(zhí)行機構，因此數(shù)控刀架的控制系統(tǒng)主要組成為：傳感器、信號轉換（A/D,D/A）、信號傳輸單元。數(shù)控刀架的傳感器主要為：霍爾開關控制器，它利用了電磁原理避免了

18、機械接觸，減少了磨損，因此延長了使用壽命。信號轉換：由于傳感器采集的信號為模擬信號，而中央單元是數(shù)字信號，因此為了實現(xiàn)數(shù)控刀架與機床中央單元的溝通，因此必須采用信號轉換器，它將傳感器采集的模擬信號轉換為數(shù)字信號后，傳送給中央單元，同時也將中央單元傳來的數(shù)字信號轉換為模擬信號后，傳送給數(shù)控刀架執(zhí)行機構。第三章 數(shù)控刀架的系統(tǒng)設計本章將從傳動鏈、強度、鎖緊、電氣部分對數(shù)控刀架進行設計，以六方為例。由于驅動刀架換刀的速度很低，而驅動電機的轉速很高，因此必須經(jīng)過傳動機構，對其速度進行調整，調整到一個合理的狀態(tài)時，再驅動刀具。本章以數(shù)控車床轉盤式刀架為例，進行傳動設計，通常數(shù)控刀架的傳動系統(tǒng)有很多種，如

19、圖3-1。圖3-13.1設計參數(shù)及電機的選取刀體的設計轉速（換刀時，平均轉速）為25r/min。由于刀架的驅動功率要求很小，因此我們選用驅動電機的額定功率為：110W，電機的額定轉速：1440r/min。因此總傳動比為：3.2傳動鏈的設計刀架的結構空間比較小，且要求傳動比的很高，因此傳動鏈中采用蝸桿渦輪傳動，其傳動鏈布置圖如圖3-2。其傳動過程為：電機蝸輪蝸桿離合器刀架。3.3傳動比的分配:從傳動鏈可以看出，在整個傳動鏈中，只有一級減速，為蝸輪蝸桿傳動副，因此其傳動比為：3.4蝸輪蝸桿的設計：蝸輪蝸桿作為傳動系統(tǒng)的關鍵部件，其設計與整個系統(tǒng)的質量關系很相關，因此很有必要對其進行設計，下面將從蝸

20、輪蝸桿的參數(shù)、材料、強度校核等方面進行說明：蝸輪蝸桿參數(shù)：為了減低成本，蝸輪蝸桿采用GB/T0085-1998推薦的漸開線形，其具有結構簡單，用常規(guī)刀具能加工出來，蝸輪蝸桿的參數(shù)為：蝸桿參數(shù)為：頭數(shù)；軸向模數(shù)m=2mm；軸向齒距；軸向齒厚；分度圓直徑：；直徑系數(shù)：；分度圓導程角；齒根圓直徑：；齒根圓直徑：。蝸輪參數(shù)為：齒數(shù)；軸向模數(shù)m=2mm；分度圓直徑；分度圓導程角；齒頂圓直徑：；齒根圓直徑：。蝸輪蝸桿的材料：蝸桿由于承受交變應力，且有較高的轉速要求，同時結合成本，選用45鋼。蝸輪要耐磨，因此才有青銅作為材料。齒面接觸強度校核：齒面接觸強度校核是是否必要的在齒輪傳動中，其校核過程如下：其中：

21、 K:為載荷系數(shù)，K= 為彈性影響系數(shù)； 為接觸系數(shù)； T為蝸輪上的轉矩； A為中心距。確定中心距a：a=1/2(30+230)=130mm;確定彈性影響系數(shù)：由于蝸輪的材料選用為青銅、金屬模型鑄造從相應手冊可查得：。確定接觸系數(shù)：由于蝸桿分度圓的直徑與傳動中心距的比值為：可查的。確定蝸輪上的轉矩T：確定需用接觸應力：由于蝸輪的材料選用為青銅、金屬模型鑄造，且蝸桿的表面接觸硬度大于45HRC，則應力循環(huán)次數(shù)： 壽命系數(shù): ；許用接觸應力為：；帶入到公式可得蝸輪的接觸應力：；小于許用接觸應力，因此蝸輪的設計合理。齒根彎曲疲勞強度校核：蝸輪的每個齒輪在運動中要受到左右的應力，隨著時間的，在齒根附近

22、容易產生疲勞裂紋，引起蝸輪報廢，因此需要進行齒根彎曲疲勞強度校核，其表達式如下：其中： K:為載荷系數(shù)，K= 為螺旋角影響系數(shù)； 為齒形系數(shù)；確定螺旋角影響系數(shù)、為齒形系數(shù)：蝸輪的齒數(shù)為115，則其當量齒數(shù)為；根據(jù)變?yōu)橄禂?shù)為1和當量齒數(shù)，查手冊的到螺旋角影響系數(shù)為：1.93、齒形系數(shù)為：0.967。表3-1根據(jù)蝸輪的材料以及加工方法，參考表3-1，可確定蝸輪的基本許用彎曲應力為：蝸輪的壽命系數(shù):；許用接觸應力為：；帶入到公式可得蝸輪的接觸應力：；小于許用彎曲應力，符合使用要求。3.5鎖緊定位機構設計：刀架的定位鎖緊機構采用端齒盤，如果3-4，端齒盤具有自動定心功能的機密定位元件，廣泛用于加工中

23、心、數(shù)控機床。其實際上相當于一對齒數(shù)相同的離合器，其嚙合過程與離合器相似。根據(jù)齒形可以分為直齒和弧齒兩種，直齒結構簡單，加工方便，弧齒性能良好，允許一定的角位移，但是加工復雜，結合實際情況選取弧齒。圖3-43.6電氣控制部分：數(shù)控刀架的電氣控制部分主要包括接受電路和發(fā)送電路，如圖3-5。接受電路：轉盤上有6只霍爾開關，轉位時，磁鐵對準某一個霍爾開關引起電位變化，再經(jīng)過6只光耦合處理，經(jīng)過光電隔離信號送給I/0接口芯片8255?；魻栐且环N磁敏感元件，當具有磁性的物體接近霍爾元件時，其內部產生霍爾效應使內部電位發(fā)生變化，由此來識別磁性物體。再得到換刀信號后，霍爾開關接通，通過功放電路后，驅動刀架，刀架抬起，轉過一個工位，再檢查是否為所需要刀位，若是，換刀結束，否則繼續(xù)重復上面的動作，直至所需到位。圖3-5第四章 其他刀架前面對六方刀架進行了設計，本章主要對其他刀架：平口鉗、機夾式刀庫、轉盤式等，進行介紹。4.1平口鉗平口鉗也就是通稱的虎鉗，是一種通用夾具，其工作原理是：絲杠螺母帶動活