數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架分類與結(jié)構(gòu)分析

1、數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架分類與結(jié)構(gòu)分析數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架分類與結(jié)構(gòu)分析1.1.緒論緒論34最早是在40年代初，由美國北密支安的一個小型飛機(jī)工業(yè)承包商派爾遜斯公司（Parsons Corporation）實(shí)現(xiàn)數(shù)字技術(shù)進(jìn)行機(jī)械加工的。1952年，麻省理工學(xué)院在一臺立式銑床上，裝上了一套試驗(yàn)性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)了同時控制三軸的運(yùn)動。這臺數(shù)控機(jī)床被大家稱為世界上第一臺數(shù)控機(jī)床。 1954年11月，在派爾遜斯專利的基礎(chǔ)上，第一臺工業(yè)用的數(shù)控機(jī)床由美國本迪克斯公司（Bendix Cooperation）正式生產(chǎn)出來。 1959年3月，由美國卡耐;特雷克公司（Keaney & Trecker Corp.）開發(fā)出

2、第一臺具有自動換刀裝置的數(shù)控機(jī)床。1980年代，在電動刀架和液壓刀架的本體基礎(chǔ)上外加動力刀具驅(qū)動模塊的形式，構(gòu)成了動力刀架。1.11.1刀架的發(fā)展刀架的發(fā)展刀架，作為機(jī)床的重要組成部分，刀架的發(fā)展是伴隨著機(jī)床的發(fā)展的。1.21.2我國數(shù)控刀架發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展要求我國數(shù)控刀架發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展要求v 發(fā)展現(xiàn)狀: 起步階段，品種單一，不可靠。 與世界先進(jìn)制造行業(yè)相比，存在很大的差距。 國內(nèi)配套廠家較少 。v未來發(fā)展要求：刀架轉(zhuǎn)位時間最短，且轉(zhuǎn)位準(zhǔn)確。 刀架定位精度高、動作迅速、穩(wěn)定可靠。 可多刀夾持，雙向轉(zhuǎn)位和任意刀位就近選刀； 應(yīng)用范圍廣，維修方便等特點(diǎn) 。2.2.數(shù)控刀架種類數(shù)控刀架種類v

3、數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架是數(shù)控車床上的核心功能部件之一，其分類如圖2.1所示：數(shù)控刀架非動力刀架動力刀架電動刀架液壓刀架伺服刀架雙動力刀架單動力刀架復(fù)合型刀架直驅(qū)刀架徑向雙動力軸向雙動力徑向單動力軸向單動力皇冠型單動力Y軸單動力刀架B軸單動力刀架Y軸軸向單動力Y軸徑向單動力Y軸皇冠型刀架圖2.1 數(shù)控刀架分類2.12.1非動力刀架非動力刀架非動力刀架一般根據(jù)驅(qū)動方式分為：非動力刀架一般根據(jù)驅(qū)動方式分為：l普通電機(jī)驅(qū)動的電動刀架普通電機(jī)驅(qū)動的電動刀架; ;l液壓馬達(dá)驅(qū)動的液壓刀架液壓馬達(dá)驅(qū)動的液壓刀架; ;l伺服電機(jī)驅(qū)動的伺服刀架伺服電機(jī)驅(qū)動的伺服刀架; ;l力矩電機(jī)直接驅(qū)動的直驅(qū)刀架。力矩電機(jī)直接驅(qū)動的直

4、驅(qū)刀架。v電動刀架是數(shù)控機(jī)床進(jìn)行換刀的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)刀架上刀盤的轉(zhuǎn)動電動刀架是數(shù)控機(jī)床進(jìn)行換刀的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)刀架上刀盤的轉(zhuǎn)動和刀盤的初定位、定位與夾緊的運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)刀具的自動轉(zhuǎn)換，具有和刀盤的初定位、定位與夾緊的運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)刀具的自動轉(zhuǎn)換，具有傳動機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣正反轉(zhuǎn)控制、傳動機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣正反轉(zhuǎn)控制、PLCPLC編程控制等功能。常見的電動編程控制等功能。常見的電動刀架中具有典型的結(jié)構(gòu)有刀架中具有典型的結(jié)構(gòu)有TND360 TND360 刀架和刀架和LDB4LDB4刀架，這兩種刀架采用刀架，這兩種刀架采用了不同的傳動升降結(jié)構(gòu)，不同定位控制；但都實(shí)現(xiàn)了刀盤的正向換刀了不同的傳動升降結(jié)構(gòu)，不同定位

5、控制；但都實(shí)現(xiàn)了刀盤的正向換刀和反向鎖緊，刀盤的圓周定位功能。和反向鎖緊，刀盤的圓周定位功能。圖2.2 LDB4電動刀架v液壓刀架是集機(jī)、電、液于一體的主要機(jī)床附件，已廣泛應(yīng)用于各液壓刀架是集機(jī)、電、液于一體的主要機(jī)床附件，已廣泛應(yīng)用于各類中高檔數(shù)控車床。動力驅(qū)動是由液壓旋轉(zhuǎn)馬達(dá)和液壓伸縮缸來完成，類中高檔數(shù)控車床。動力驅(qū)動是由液壓旋轉(zhuǎn)馬達(dá)和液壓伸縮缸來完成，而位置控制是由光電編碼器系統(tǒng)和機(jī)械定位副齒牙盤來控制。液壓刀而位置控制是由光電編碼器系統(tǒng)和機(jī)械定位副齒牙盤來控制。液壓刀架換刀動作包括松開、分度、預(yù)定位、精定位、夾緊五個主要動作。架換刀動作包括松開、分度、預(yù)定位、精定位、夾緊五個主要動作

6、。圖2.3 液壓刀架由于伺服刀架的出現(xiàn)，使伺服刀架本體上加裝動力模塊的動力刀架也應(yīng)運(yùn)而生，這種雙伺服的動力刀架主要配置在中端的車削中心上，動力刀架的轉(zhuǎn)位和動力刀具的驅(qū)動采用的都是伺服電機(jī)，因而結(jié)構(gòu)上有進(jìn)一步整合和發(fā)展的空間。1990年代，出現(xiàn)了單伺服動力刀架產(chǎn)品，這種動力刀架主要搭配在各種高端的車削中心和車銑復(fù)合加工中心上，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)含量高。圖2.4 非動力伺服刀架v伺服電動刀架主要用于高檔數(shù)控機(jī)床，其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，剛性好，鎖緊迅速可靠。系統(tǒng)由刀架控制器、伺服電機(jī)、減速器、液壓鎖緊系統(tǒng)等構(gòu)成，可完成刀盤的轉(zhuǎn)位、轉(zhuǎn)速、初定位、精定位動作和鎖緊及選刀控制等動作。2.2.22.2.2動力刀架的

7、用途動力刀架的用途 伴隨加工件的日益復(fù)雜化、精度等級以及加工效率的進(jìn)步，多軸向、高轉(zhuǎn)速成為工具機(jī)必備的條件，除了加工中心機(jī)走向機(jī)能復(fù)合化外，車床方面已由早期的臥式車床開發(fā)出許多新的加工型態(tài)，例如雙刀塔、立式車床、倒立車床、以及車銑概念機(jī)種，以順應(yīng)新時代加工方式的需求。 其中車銑概念復(fù)合機(jī)無疑是一項(xiàng)新技術(shù)結(jié)合的工具機(jī)杰作，最大的優(yōu)點(diǎn)在于可輕易地在同一機(jī)臺上做復(fù)雜零件的加工，車銑復(fù)合機(jī)可同時進(jìn)行車削( Turning )、鉆孔( Drilling )、攻牙( Thread Cutting )、端面切槽( Slot Cutting )、側(cè)面切槽( Keyway Cutting )、側(cè)面銑削( Fac

8、e Cutting )、角度鉆孔( C-axis Angle Drilling )、曲線銑削( Cam Cutting ).等等。即由一臺工具機(jī)即可完成一個零件的所有加工流程，大大降低上下料換機(jī)臺加工的時間，以及減少人為公差的機(jī)會，達(dá)到“Do In One”的加工概念（如圖2.5）。2.22.2動力刀架動力刀架2.2.12.2.1動力刀架含義：動力刀架含義：具有刀具傳動裝置的刀架一般稱為動力刀架。比如，在轉(zhuǎn)塔（回輪）刀架上裝有回轉(zhuǎn)刀具時，轉(zhuǎn)塔（回輪）刀架就兼有鉆、銑等功能。動力刀架鉆孔、攻螺紋動力刀架鉆孔、攻螺紋 動力刀架角度鉆孔、銑削動力刀架角度鉆孔、銑削曲面曲面 動力刀架銑側(cè)平面動力刀架銑

9、側(cè)平面 Do In One在新世代車銑復(fù)合機(jī)中，不論是具分度的C軸頭部、副主軸、Y軸等，都必須搭配動力刀塔才能具備車銑復(fù)合的功能，因此一座功能性佳、精度高的C軸動力刀塔，將使新世代車銑復(fù)合機(jī)更臻完善。動力刀架銑削槽口動力刀架銑削槽口圖2.5車銑概念復(fù)合機(jī)功能（1 1）動力刀架是根據(jù)動力刀和刀盤換刀是否用同一個動力源將）動力刀架是根據(jù)動力刀和刀盤換刀是否用同一個動力源將動力刀架分為：動力刀架分為：圖2.6 單伺服動力刀架圖2.7雙伺服動力刀架單伺服刀架（圖2.6）雙伺服刀架（圖2.7）2.2.3動力刀架分類（2 2）動力刀架又根據(jù)動力刀與刀架軸線的角度分為：）動力刀架又根據(jù)動力刀與刀架軸線的角度

10、分為：軸向伺服刀架（其刀盤如圖2.8）徑向伺服刀架（其刀盤如圖2.8）皇冠型伺服刀架（如圖2.8）圓型軸向刀盤多角型徑向刀盤皇冠型刀架圖2.8圖2.9 Y軸動力刀架圖2.10 B軸動力刀架（3 3）動力刀架上動力刀的進(jìn)給一般是依賴于刀架的進(jìn)給）動力刀架上動力刀的進(jìn)給一般是依賴于刀架的進(jìn)給系統(tǒng)，為提高動力刀的加工范圍部分動力刀架增加系統(tǒng)，為提高動力刀的加工范圍部分動力刀架增加Y Y軸和軸和B B軸，形成軸，形成Y Y軸動力刀架（如圖軸動力刀架（如圖2.92.9）和）和B B軸動力刀架（如圖軸動力刀架（如圖2.102.10）。）。（4 4）刀架鎖緊方式）刀架鎖緊方式v 刀架的鎖緊方式直接影響到刀加

11、的精度以及切削時的剛性，主要可分為 雙聯(lián)齒盤方式 三聯(lián)齒盤方式（如圖2.11）v 目前C軸動力刀塔皆屬三聯(lián)齒盤式的結(jié)構(gòu)，雖然三片式的剛性較兩片式略差，但是三片式構(gòu)造的防水性與防屑性均佳，且刀盤只需作旋轉(zhuǎn)而不需作推出的動作，有利于換刀時間的縮短與伺服動力刀塔之設(shè)計(jì) 圖2.11 迪普馬刀架3.3.動力刀架結(jié)構(gòu)動力刀架結(jié)構(gòu)v 目前較大的刀塔制造商皆屬歐系公司，如Sauter (德國)、Duplomatic (意大利)、Baruffaldi (意大利)等，在刀塔設(shè)計(jì)開發(fā)上大多遵循所謂的德式快換刀座( VDI Toolholder System )規(guī)范，因此在VDI規(guī)范占有較大的市占有率下，其后較小型的

12、刀塔制造商以及工具機(jī)廠所自行研發(fā)的動力刀塔也都會依循此規(guī)范。3.13.1三聯(lián)齒盤式轉(zhuǎn)塔動力刀架結(jié)構(gòu)分析三聯(lián)齒盤式轉(zhuǎn)塔動力刀架結(jié)構(gòu)分析 v 三聯(lián)齒盤式轉(zhuǎn)塔動力刀架主要采用如圖3.1所示的刀架結(jié)構(gòu)，包括定齒盤、動齒盤、鎖緊齒盤、活塞、導(dǎo)向銷、主軸、傳動齒輪和伺服電機(jī)等。其中，動齒盤安裝在主軸上，定齒盤安裝在箱體上，鎖緊齒盤安裝在動齒盤和定齒盤的對側(cè)，構(gòu)成三聯(lián)齒盤，活塞與鎖緊齒盤安裝在一起，并通過導(dǎo)向銷與油腔端蓋相連。當(dāng)需要轉(zhuǎn)位時，前油腔通入液壓油，在活塞的作用下鎖緊齒盤與動、定齒盤分離，伺服電機(jī)通過齒輪1、2、3和大齒輪的傳動，主軸旋轉(zhuǎn)，使刀架轉(zhuǎn)位，轉(zhuǎn)位到位后由伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動并鎖緊，實(shí)現(xiàn)初定位；

13、初定位后，后油腔通入液壓油，在活塞的作用下鎖緊齒盤與動、定齒盤嚙合，實(shí)現(xiàn)精定位。3.1.13.1.1三聯(lián)齒盤式轉(zhuǎn)塔動力刀架結(jié)構(gòu)三聯(lián)齒盤式轉(zhuǎn)塔動力刀架結(jié)構(gòu)圖3.1 三聯(lián)齒盤式轉(zhuǎn)塔動力刀架結(jié)構(gòu)示意圖3.1.23.1.2三聯(lián)齒盤式轉(zhuǎn)塔動力刀架優(yōu)缺點(diǎn)三聯(lián)齒盤式轉(zhuǎn)塔動力刀架優(yōu)缺點(diǎn)v 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 鎖緊齒盤質(zhì)量小，滑移速度快，且沖擊小。v 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：齒盤間裝配間隙和誤差難調(diào)整 安裝三聯(lián)齒盤時，動齒盤與定齒盤之間難免有裝配誤差，動齒盤和定齒盤產(chǎn)生軸向錯位：如果鎖緊齒盤與定齒盤緊密結(jié)合則不能與動齒盤緊密結(jié)合，如圖3.2所示；如果鎖緊齒盤與動齒盤緊密結(jié)合則無法與定齒盤緊密結(jié)合，如圖3.3所示。如此造成三聯(lián)齒盤

14、的接觸面的剛度降低，刀架的重復(fù)定位精度減小，甚至發(fā)生“吃刀”現(xiàn)象。其中：111為動齒盤，112為定齒盤，113為鎖緊齒盤。 圖3.2圖3.33.1.33.1.3技術(shù)改進(jìn)技術(shù)改進(jìn)v對于這種情況，在不改進(jìn)刀架結(jié)構(gòu)的前提下，可以對加工及裝配工藝加以改進(jìn)，加工過程中嚴(yán)格保證安裝面的精度要求；裝配過程中，對于誤差大的零件的安裝表面進(jìn)行刮研刮研處理，已達(dá)到合理的裝配誤差。3.23.2皇冠型轉(zhuǎn)塔動力刀架結(jié)構(gòu)分析皇冠型轉(zhuǎn)塔動力刀架結(jié)構(gòu)分析3.2.1德國Sauter的皇冠型動力刀架，其結(jié)構(gòu)圖如圖3.4、3.5所示圖3.4 皇冠型動力刀架v 此種刀架主要用于專用機(jī)床上，并且只能安裝動力刀，由于刀架的換刀過程中涉及

15、到面齒輪，目前我國還無法加工，因此這種刀架基本都是從外國進(jìn)口，且價格昂貴。 圖3.5 皇冠型動力刀架結(jié)構(gòu)簡圖3.2.2為了改進(jìn)刀架的傳動以及換刀方式，美國專利提出了自己的結(jié)構(gòu)方案，如圖3.6圖3.6 皇冠型刀具連續(xù)旋轉(zhuǎn)動力伺服轉(zhuǎn)塔刀架結(jié)構(gòu)圖圖3.7 分度機(jī)構(gòu)圖3.8 定位機(jī)構(gòu)v分度機(jī)構(gòu)及定位機(jī)構(gòu)分度機(jī)構(gòu)及定位機(jī)構(gòu)v優(yōu)點(diǎn)及不足優(yōu)點(diǎn)：換刀迅速摩擦小不足：功率利用率低定位方式剛度低圖3.9v改進(jìn)與優(yōu)化由于此種刀架的結(jié)構(gòu)上導(dǎo)致刀架剛度低，精度差，因此無法在制造機(jī)裝配上進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，但此種刀架的設(shè)計(jì)思路給了我們很大的啟發(fā)。根據(jù)這種刀架的結(jié)構(gòu)思路：l在其動力傳遞方式上，增加過渡輪機(jī)構(gòu)，使其只有在工位上的刀具才能轉(zhuǎn)動，提高刀架的功率利用率；l在定位方式上采用雙聯(lián)齒盤的定位方式，提高刀架的定位剛度和精度。圖3.10 結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化4.4.結(jié)束語結(jié)束語 伴隨加工件的日益復(fù)雜化、精度等級以及加工效率的進(jìn)步，多軸向、高轉(zhuǎn)速成為工具機(jī)必備的條件，除了加工中心機(jī)走向機(jī)能復(fù)合化外，車床方面已由早期的臥式車床開發(fā)出許多新的加工型態(tài)，例如雙刀塔、立式車床、倒立車床、以及車銑概念機(jī)種，以順應(yīng)新時代加工方式的需求。其中車銑概念復(fù)合機(jī)無疑是一項(xiàng)新技術(shù)結(jié)合的工具機(jī)杰作，最大的