數(shù)控車(chē)床結(jié)構(gòu)的模塊化畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、數(shù)控車(chē)床結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)摘要：隨著數(shù)控車(chē)床在生產(chǎn)實(shí)際中的廣泛采用，企業(yè)要求車(chē)床生產(chǎn)廠家能夠快速、高速、大量提供功能各異的數(shù)控車(chē)床。而目前國(guó)企業(yè)要做到這一點(diǎn)尚有許多困難，形成批量生產(chǎn)的廠家年生產(chǎn)能力也不過(guò)二百臺(tái)左右。分析其原因，主要是現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法不夠完美，繼而為生產(chǎn)、管理、營(yíng)銷(xiāo)帶來(lái)諸多不便，也因此各車(chē)床生產(chǎn)廠家效益低下，難以抗拒?chē)?guó)外產(chǎn)品的大量涌入。據(jù)統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)品成本的70%是由設(shè)計(jì)階段決定的，并影響到其它方面。本文從數(shù)控車(chē)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)著手，引入了模塊化設(shè)計(jì)的思想，在對(duì)數(shù)控車(chē)床進(jìn)行結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)和整體布局分析的基礎(chǔ)上，提出了一種能夠進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)的較為理想的布局形式，應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)理論與模塊的劃分、設(shè)計(jì)原則

2、，對(duì)數(shù)控車(chē)床進(jìn)行模塊劃分并設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞:模塊化；數(shù)控車(chē)床；設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)The Modular Design Of CNC Lathe StructureAbstract:Computer numerically controlled (CNC) lathes are used widely in industry because of their high productivity. Lathe users require that different kinds of machine tools be provided quickly, with high quality, and in gr

3、eat quantities. But there are still some difficulties that lathe producers still cannot overcome. A manufacturer can produce about 200 lathes every year.Current design methods are not perfect and hinder productivity, management,and sales of lathes. As a result machine tool manufactures have low prof

4、its and cannot compete with foreign manufacturers. Approximately 70 percent of the cost of a CNC lathe is dependent on its design. This thesis examines a modular design approach to CNC lathe. By the analysis of the structure of different kinds of CNC lathes, an ideal structure that can be used for m

5、odular design is proposed.The CNC lathe is divided and designed based on modular design theory and principles. Keywords: modular；CNC lathe；design；structure前言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的繁榮，市場(chǎng)對(duì)數(shù)控車(chē)床在品種和數(shù)量方面的需求急劇增加；同時(shí)也要求數(shù)控車(chē)床產(chǎn)品具有性能齊全、優(yōu)質(zhì)可靠和高效率等特點(diǎn)。這些市場(chǎng)對(duì)數(shù)控車(chē)床的客觀要求，使得基于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)與制造數(shù)控車(chē)床的生產(chǎn)廠家已無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)在這方面越來(lái)越高的要求。國(guó)外的機(jī)床大量地涌

6、入國(guó)市場(chǎng)，更是使中國(guó)車(chē)床業(yè)雪上加霜，問(wèn)題非常嚴(yán)重。這也是我國(guó)機(jī)械工業(yè)普遍面臨的問(wèn)題。要想克服目前所面臨的實(shí)際問(wèn)題，必須在借鑒傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上，重新建立和完善一套新的設(shè)計(jì)理論方法，使之能夠在短期有效地設(shè)計(jì)出用戶(hù)所需車(chē)床或用戶(hù)指定功能的車(chē)床來(lái)。同時(shí)新的設(shè)計(jì)方法應(yīng)能夠從設(shè)計(jì)、管理、生產(chǎn)、報(bào)廢產(chǎn)品的回收再利用等各個(gè)方面產(chǎn)生一定的影響。為此，論文在總結(jié)過(guò)去幾年中在設(shè)計(jì)與生產(chǎn)服務(wù)過(guò)程中的體會(huì)、經(jīng)驗(yàn)，并參考?xì)W、美、日在機(jī)床設(shè)計(jì)上的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)與方法，解決其中一些問(wèn)題?！澳K化設(shè)計(jì)”是一種設(shè)計(jì)思想，目的是為了提高設(shè)計(jì)效率，為了使設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌虮焕^承和傳遞，以有利于進(jìn)一步發(fā)展提高設(shè)計(jì)和生產(chǎn)水平。模塊化設(shè)計(jì)在各國(guó)發(fā)

7、展的背景不同，理解也不完全一樣，由此產(chǎn)生了若干種關(guān)于模塊化設(shè)計(jì)的定義，其中一種定義如下:“在對(duì)一定圍的不同功能或一樣功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊通過(guò)模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同的產(chǎn)品，以滿(mǎn)足市場(chǎng)的不同需求，這種設(shè)計(jì)方法就稱(chēng)之為模塊化設(shè)計(jì)?！庇蛇@種設(shè)計(jì)思想產(chǎn)生了確定的設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)方法。論文給出以下定義:在對(duì)一定圍的各種不同規(guī)格、不同性能或功能的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，精心劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，通過(guò)功能模塊的選擇和組合構(gòu)成不同產(chǎn)品，以解決產(chǎn)品品種、規(guī)格與設(shè)計(jì)制造周期、成本之間的矛盾。進(jìn)一步的發(fā)展方向是：靈活反應(yīng)，快速設(shè)計(jì)，盡快滿(mǎn)足市場(chǎng)的不同

8、需求。本論文是基于學(xué)習(xí)了“數(shù)控技術(shù)”課程后，對(duì)數(shù)控車(chē)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新思路、新方法的深入分析與研究。數(shù)控機(jī)床是綜合了微電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)以與精密機(jī)械等技術(shù)的新成果而發(fā)展起來(lái)的新型機(jī)床，數(shù)控車(chē)床在各類(lèi)數(shù)控機(jī)床中所占的比重很大。本論文以數(shù)控車(chē)床為對(duì)象，從其模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為突破，闡述數(shù)控車(chē)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本方法與發(fā)展趨勢(shì)；分析數(shù)控車(chē)床模塊的劃分依據(jù)與設(shè)計(jì)理念；以數(shù)控車(chē)床主軸部件為重點(diǎn)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。1 模塊化設(shè)計(jì)概述1.1 模塊化設(shè)計(jì)的起源與在機(jī)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)始于二十世紀(jì)初。1900年德國(guó)一家家具公司用模塊化設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)書(shū)架，利用幾種基本模塊，可以方便地組裝成顧客需求的書(shū)架。

9、大約在1920年，模塊化設(shè)計(jì)開(kāi)始應(yīng)用于機(jī)床設(shè)計(jì)中。到二十世紀(jì)五十年代初，歐美一些國(guó)家正式提出“模塊化設(shè)計(jì)”的概念，才真正把模塊化設(shè)計(jì)提到理論的高度來(lái)研究。模塊化系列機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)，是工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家近二十年來(lái)一直采用的一種先進(jìn)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。其宗旨是通過(guò)少量的功能模塊組合以獲得多種產(chǎn)品來(lái)最大限度地滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求。目前，模塊化設(shè)計(jì)思想已廣為人們接受，在機(jī)床行業(yè)中應(yīng)用很廣泛，例如模塊化機(jī)床和組合夾具。模塊化設(shè)計(jì)也廣泛應(yīng)用于減速機(jī)、家電、家具、計(jì)算機(jī)等行業(yè)。從當(dāng)前資料來(lái)看，在數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)中，德國(guó)做得比較好，產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)水平很高。在國(guó)，1982年國(guó)家機(jī)械工業(yè)部在曾就模塊化設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)組織了一批長(zhǎng)期

10、從事機(jī)床設(shè)計(jì)的專(zhuān)家、教授進(jìn)行討論，并努力推廣。但只是在普通車(chē)、銑、刨、磨等機(jī)床上應(yīng)用過(guò)，而在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用尚未完全展開(kāi)。原因有二:1）目前國(guó)車(chē)床廠家生產(chǎn)的數(shù)控車(chē)床基本上都是兩軸數(shù)控車(chē)床，斜床身布局，尚未對(duì)模塊化設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)研究并形成產(chǎn)品。同時(shí)，斜床身布局也不利于進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)多軸數(shù)控車(chē)床。 2）迫于國(guó)外大量高質(zhì)量數(shù)控車(chē)床的涌入，各車(chē)床廠家忙于開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，對(duì)原兩軸數(shù)控車(chē)床進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高質(zhì)量，以應(yīng)付這種不利局面，也無(wú)暇顧與對(duì)數(shù)控車(chē)床進(jìn)行系統(tǒng)分析，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，尤其是對(duì)多軸數(shù)控車(chē)床進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)的研究。1.2 模塊的劃分原則對(duì)功能模塊的劃分引用參考資料11中所提出的以下原則，論文給出該原則在

11、數(shù)控車(chē)床模塊化設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題。（1）盡量減少產(chǎn)品包含的功能模塊總數(shù)。因?yàn)楣δ苣K總數(shù)越多，在管理上越容易造成混亂，不實(shí)用或不可行的組合方案也越多。在各功能模塊的功能獨(dú)立性與結(jié)構(gòu)完整性方面也越不易保證。在各功能模塊的組合時(shí)，相應(yīng)接口較多，這會(huì)給數(shù)控車(chē)床的精度、剛度、振動(dòng)與熱穩(wěn)定性等方面帶來(lái)一定的負(fù)面影響。（2）簡(jiǎn)化每個(gè)功能模塊自身的復(fù)雜程度。功能、效率和質(zhì)量是產(chǎn)品的根本，應(yīng)該以最簡(jiǎn)單可行的方法去實(shí)現(xiàn)特定的功能，以降低生產(chǎn)成本。 （3）各功能模塊應(yīng)具有功能獨(dú)立性和結(jié)構(gòu)完整性。如果功能獨(dú)立性和結(jié)構(gòu)完整性好，一方面有利于同一結(jié)合面上的不同功能模塊互換，降低接口設(shè)計(jì)的復(fù)雜性;另一方面可以有

12、效提高整體的設(shè)計(jì)速度，尤其是在利用計(jì)算機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)中效果更明顯。（4）要考慮各功能模塊的劃分對(duì)數(shù)控車(chē)床的精度、振動(dòng)、熱穩(wěn)定性與剛度所帶來(lái)的負(fù)面影響.（5）功能模塊單元的劃分不應(yīng)在人機(jī)關(guān)系方面帶來(lái)負(fù)面影響。因?yàn)槭枪δ苣K單元的自由組合，個(gè)別功能模塊變化大時(shí)，有可能為操作者帶來(lái)不便，或?qū)ιa(chǎn)安全帶來(lái)隱患，而且也為其它相關(guān)設(shè)備的配備帶來(lái)麻煩。這要求這些功能模塊在設(shè)計(jì)時(shí)，盡量做到外形尺寸一致。(6)功能模塊單元的劃分必須考慮經(jīng)濟(jì)因素。如果劃分功能模塊后設(shè)計(jì)的數(shù)控車(chē)床生產(chǎn)成本高或沒(méi)有改善，那么不如不做這樣的設(shè)計(jì)，這與模塊化設(shè)計(jì)要能為企業(yè)帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益這一最根本的目標(biāo)相違背。為了達(dá)到我們最終的目的一一

13、低成本、高質(zhì)量、高效益，我們必須在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中注意功能模塊的一些設(shè)計(jì)原則，論文引用參考資料11中所提出的一些原則并給出該原則在數(shù)控車(chē)床模塊化設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意的一些問(wèn)題，在這些原則基礎(chǔ)上考慮問(wèn)題，將使我們的設(shè)計(jì)工作開(kāi)展的更容易、更實(shí)用、更高效，也將為設(shè)計(jì)工作結(jié)束后的其它工作的開(kāi)展帶來(lái)許多方便之處，在數(shù)控車(chē)床的組合過(guò)程中也將更靈活、多變、經(jīng)濟(jì)。1.3 模塊的劃分種類(lèi)模塊的劃分是模塊化設(shè)計(jì)的重要問(wèn)題之一，如何合理地劃分模塊，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題，模塊種類(lèi)少，通用化程度就高加工批量就大，對(duì)降低成本有利。 在此次數(shù)控車(chē)床模塊化設(shè)計(jì)中，將重要分析工作臺(tái)模塊、刀架模塊、支承模塊，以與主軸模塊。又由于主軸部件

14、是整個(gè)機(jī)床的重要部件之一，通常由主軸、主軸軸承和安裝在主軸上的傳動(dòng)件等組成。機(jī)床工作時(shí)，由主軸帶動(dòng)工件直接參與表面的成形運(yùn)動(dòng)。主軸部件的性能對(duì)加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率有著重要的影響。因此我將主要進(jìn)行主軸模塊設(shè)計(jì)。2 數(shù)控車(chē)床概要21 數(shù)控車(chē)床的發(fā)展數(shù)控車(chē)床的發(fā)展在我國(guó)正處于初級(jí)階段。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，它對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè)(IT、汽車(chē)、輕工、醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用，因?yàn)檫@些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢(shì)。當(dāng)前數(shù)控車(chē)床呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)。2.1.1高速、高精密化高速、精密是車(chē)床

15、發(fā)展永恒的目標(biāo)。隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，機(jī)電產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快，對(duì)零件加工的精度和表面質(zhì)量的要求也愈來(lái)愈高。為滿(mǎn)足這個(gè)復(fù)雜多變市場(chǎng)的需求，當(dāng)前車(chē)床正向高速切削、準(zhǔn)確切削方向發(fā)展，加工精度也在不斷地提高。另一方面，電主軸和直線(xiàn)電機(jī)的成功應(yīng)用，瓷滾珠軸承、高精度大導(dǎo)程空心冷和滾珠螺母強(qiáng)冷的低溫高速滾珠絲杠副與帶滾珠保持器的直線(xiàn)導(dǎo)軌副等車(chē)床功能部件的上市，也為車(chē)床向高速、精密發(fā)展創(chuàng)造了條件。2.1.2高可靠性數(shù)控車(chē)床的可靠性是數(shù)控車(chē)床產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo)。數(shù)控車(chē)床能否發(fā)揮其高性能、高精度和高效率，并獲得良好的效益，關(guān)鍵取決于其可靠性的高低。2.1.3數(shù)控車(chē)床設(shè)計(jì)CAD化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊化隨著

16、計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普與與軟件技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)得到了廣泛發(fā)展。CAD不僅可以替代人工完成繁瑣的繪圖工作，更重要的是可以進(jìn)行設(shè)計(jì)方案選擇和大件整機(jī)的靜、動(dòng)態(tài)特性分析、計(jì)算、預(yù)測(cè)與優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以對(duì)整機(jī)各工作部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真。在模塊化的基礎(chǔ)上,在設(shè)計(jì)階段就可以看出產(chǎn)品的三維幾何模型和逼真的色彩。采用CAD，還可以大大提高工作效率，提高設(shè)計(jì)的一次成功率，從而縮短試制周期，降低設(shè)計(jì)成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。通過(guò)對(duì)車(chē)床部件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，不僅能減少重復(fù)性勞動(dòng)，而且可以快速響應(yīng)市場(chǎng)，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)周期。2.1.4智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化和集成化智能化的容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方

17、面的智能化，如加工過(guò)程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成；為提高驅(qū)動(dòng)性能與使用連接方面的智能化，如電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等；簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作方面的智能化，如智能化的自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控等方面的容，以方便系統(tǒng)的診斷與維修等。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近年來(lái)車(chē)床發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極滿(mǎn)足生產(chǎn)線(xiàn)、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對(duì)信息集成的需求，也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式，如敏捷制造、虛擬制造，全球制造的基礎(chǔ)單元。 數(shù)控車(chē)床向柔性自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)是：從點(diǎn)、線(xiàn)向面、體的方向發(fā)展，另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟(jì)性方向發(fā)展。其重點(diǎn)是以提高系統(tǒng)的可靠性

18、、實(shí)用化為前提，以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標(biāo)，注重加強(qiáng)單元技術(shù)的開(kāi)拓和完善。CNC單機(jī)向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展。數(shù)控車(chē)床與其構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)能方便地與CAD、CAM、CAPP與MTS等聯(lián)結(jié)，向信息集成方向發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向開(kāi)放、集成和智能化方向發(fā)展。2.2 數(shù)控車(chē)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與傳統(tǒng)車(chē)床相比，數(shù)控車(chē)床的結(jié)構(gòu)有以下特點(diǎn)：（1）由于數(shù)控車(chē)床刀架的兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)分別由兩臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，所以它的傳動(dòng)鏈短。不必使用掛輪、光杠等傳動(dòng)部件，用伺服電動(dòng)機(jī)直接與絲杠聯(lián)結(jié)帶動(dòng)刀架運(yùn)動(dòng)。伺服電動(dòng)機(jī)與絲杠間也可以用同步齒型帶或齒輪副聯(lián)結(jié)。（2）多功能數(shù)控車(chē)床是采用直流或交流主軸控制單元來(lái)驅(qū)動(dòng)主軸，按控制指令作無(wú)級(jí)變速，

19、主軸之間不必用多級(jí)齒輪副來(lái)進(jìn)行變速。為擴(kuò)大變速?lài)F(xiàn)在一般還要通過(guò)一級(jí)齒輪副，以實(shí)現(xiàn)分段無(wú)級(jí)調(diào)速，即使這樣，床頭箱的結(jié)構(gòu)已比傳統(tǒng)車(chē)床簡(jiǎn)單得多。數(shù)控車(chē)床的另一個(gè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是剛度大，這是為了與控制系統(tǒng)的高精度控制相匹配，以便適應(yīng)高精度的加工。（3）數(shù)控車(chē)床的第三個(gè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是輕拖動(dòng)。刀架移動(dòng)一般采用滾珠絲杠副。滾珠絲杠副是數(shù)控車(chē)床的關(guān)鍵機(jī)械部件之一，滾珠絲杠兩端安裝的滾動(dòng)軸承是專(zhuān)用鈾承，它的壓力角比常用的向心推力球輛承要大得多。這種專(zhuān)用軸承配對(duì)安裝，是選配的，最好在軸承出廠時(shí)就是成對(duì)的。圖1-1 一種全功能型數(shù)控車(chē)床（4）為了拖動(dòng)輕便，數(shù)控車(chē)床的潤(rùn)滑都比較充分，大部分采用油霧自動(dòng)潤(rùn)滑。（5）由于數(shù)控車(chē)

20、床的價(jià)格較高、控制系統(tǒng)的壽命較長(zhǎng)，所以數(shù)控車(chē)床的滑動(dòng)導(dǎo)軌也要求耐磨性好。數(shù)控車(chē)床一般采用鑲鋼導(dǎo)軌，這樣機(jī)床精度保持的時(shí)間就比較長(zhǎng)，其使用壽命也可延長(zhǎng)許多。（6）數(shù)控車(chē)床還具有加工冷卻充分、防護(hù)較嚴(yán)密等特點(diǎn)，自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一般都處于全封閉或半封閉狀態(tài)。（7）數(shù)控車(chē)床一般還配有自動(dòng)排屑裝置。3 數(shù)控車(chē)床工作臺(tái)模塊化設(shè)計(jì)按不同用途，工作臺(tái)模塊的橫系列模塊可分為一般工作臺(tái)、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、分度工作臺(tái)和交換工作臺(tái)。而其縱系列模塊則按加工直徑的不同，從1250-3150 mm分為五個(gè)區(qū)段。因此每一種橫系列工作臺(tái)均有五個(gè)縱系列模塊。為了能夠方便地加工工件的端面、側(cè)面以與與毛坯回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)不同軸的孔，可在一般工作臺(tái)的基礎(chǔ)

21、上增設(shè)工作臺(tái)分度裝置，從而得到分度工作臺(tái)結(jié)構(gòu)模塊。分度裝置包括花盤(pán)補(bǔ)充拖動(dòng)裝置、回轉(zhuǎn)讀數(shù)傳感器以與花盤(pán)定位夾持器。為使刀具能作三維移動(dòng)，就要設(shè)計(jì)可移動(dòng)工作臺(tái)。在制造柔性加工單元和柔性加工系統(tǒng)時(shí)，為了自動(dòng)交換工件，應(yīng)增加拖換臺(tái)、存貯臺(tái)和找正臺(tái)，形成可交換工作臺(tái)。工作臺(tái)橫系列的結(jié)構(gòu)模塊主要是增加機(jī)床功能，滿(mǎn)足對(duì)不同形狀大小，不同類(lèi)型零件的加工，以提高工作臺(tái)多用途的需要。在此，主要分析會(huì)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和分度工作臺(tái)。3.1 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)圖3-1.1 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)1-蝸桿；2-大蝸輪；3、4-夾緊瓦；5-小油缸；6-活塞；7-彈簧；8-鋼球；9-底座；10-光柵；11-雙列向心援助滾子軸承；12-圓錐滾子軸

22、承數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)其外形和通用車(chē)床的分度工作臺(tái)十分相似，但其部結(jié)構(gòu)卻具有數(shù)控進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的許多特點(diǎn)。圖3-1.1為自動(dòng)換刀數(shù)控車(chē)床的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。這是一種補(bǔ)償型的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，它的進(jìn)給、分度轉(zhuǎn)位和定位鎖緊都由給定的指令進(jìn)行控制。工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)由伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速齒輪（圖中未標(biāo)出）和蝸桿1傳給蝸輪2。為了消除蝸輪副的傳動(dòng)間隙，采用了雙螺距漸厚蝸桿，通過(guò)移動(dòng)蝸桿的軸向位置來(lái)調(diào)整間隙。這種蝸桿的左右兩側(cè)面具有不同的螺距，因此蝸桿齒厚從頭到尾逐漸增厚。但由于同一側(cè)的螺距是一樣的，所以仍然保持著正常的嚙合。 當(dāng)工作臺(tái)靜止時(shí)，必須處于索緊狀態(tài)。為此，在蝸輪底部的輻射方向裝有八對(duì)夾緊瓦4和3，并在底座9上均布著

23、同樣數(shù)量的小油缸5。當(dāng)小油缸的上腔接通壓力油時(shí)，活塞6便壓向鋼球8，撐開(kāi)夾緊蝸輪2。當(dāng)工作臺(tái)需要回轉(zhuǎn)時(shí)，先使小油缸的上腔接通回油路，在彈簧的作用下，鋼球8抬起，加緊瓦將蝸輪放松。 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的導(dǎo)軌面由大圓柱滾子軸承13支承，并由圓錐滾柱軸承12與雙列向心圓柱滾子軸承11保持準(zhǔn)確的回轉(zhuǎn)中心。 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的定位精度主要取決于蝸輪副的傳動(dòng)精度，因而必須采用高精度的蝸輪副。除此之外，還可在實(shí)際測(cè)量工作臺(tái)靜態(tài)定位誤差之后，確定需要補(bǔ)償?shù)慕嵌群脱a(bǔ)償脈沖的符號(hào)（正向或反向），并記憶在補(bǔ)償回路中，由數(shù)控裝置進(jìn)行誤差補(bǔ)償。 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)有零點(diǎn)，當(dāng)它作回零運(yùn)動(dòng)時(shí)，先用擋塊碰撞限位開(kāi)關(guān)（圖中未標(biāo)出），使工作

24、臺(tái)降速，然后在無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的作用下，使工作臺(tái)準(zhǔn)確的停在零位。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)在作任意角度的轉(zhuǎn)位和分度時(shí)，由光柵10進(jìn)行讀數(shù)，因此能夠達(dá)到較高的分度精度。 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)除了能夠完成進(jìn)給驅(qū)動(dòng)外，還可以作任意角度的分度和定位，其分度與角度定位的原理與直角坐標(biāo)點(diǎn)位控制頗為相似。3.2 分度工作臺(tái) 數(shù)控車(chē)床的分度工作臺(tái)與數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)不同，它只能夠完成分度運(yùn)動(dòng)，而不能實(shí)現(xiàn)圓周進(jìn)給。3.2.1定位銷(xiāo)式分度工作臺(tái)這種工作臺(tái)的定位分度主要靠定位銷(xiāo)和定位孔來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖3-2.1是自動(dòng)換刀數(shù)控車(chē)床的分度工作臺(tái)。分度工作臺(tái)2置于長(zhǎng)方形工作臺(tái)11中間，在不單獨(dú)使用分度工作臺(tái)2時(shí)，兩個(gè)工作臺(tái)可以作為一個(gè)整體使用。 工作臺(tái)2

25、的底部均勻分布著八個(gè)削邊圓柱定位銷(xiāo)8，在工作臺(tái)底座12上有一個(gè)定位孔襯套7以與供定位銷(xiāo)移動(dòng)的環(huán)形槽。因?yàn)槎ㄎ讳N(xiāo)之間的分布角度為45度，因此工作臺(tái)只能做二、四、八等分度運(yùn)動(dòng)。 定位銷(xiāo)式分度工作臺(tái)作分度運(yùn)動(dòng)時(shí)，其工作過(guò)程分為三個(gè)步驟：圖3-2.1定位銷(xiāo)式分度工作臺(tái)1-擋塊；2-分度工作臺(tái)；3-錐套；4-螺釘；5-支座；6-油缸；7-定為孔襯套；8-定位銷(xiāo)；9-鎖緊油缸；10-大齒輪；11-長(zhǎng)方工作臺(tái)；12-工作臺(tái)底座；13-止推軸承；14-滾針軸承；15-管道；16-中央油缸；17-活塞；18-螺柱；19-雙列圓柱滾子軸承；20-下底座；21-彈簧；22-活塞拉桿1）松開(kāi)鎖緊機(jī)構(gòu)并拔出定位銷(xiāo) 當(dāng)數(shù)

26、控裝置發(fā)出指令時(shí)，下底座20上的六個(gè)均布鎖緊油缸9（圖中只示出一個(gè)）卸荷?；钊瓧U22在彈簧21的作用下上升15毫米，是工作臺(tái)2上升，并通過(guò)螺柱18、支座5把止推軸承13向上抬起，頂在底座12上。再通過(guò)螺釘4、錐套3使工作臺(tái)2抬起15毫米，圓柱銷(xiāo)從定位襯套7中拔出。2）工作臺(tái)回轉(zhuǎn)分度 當(dāng)工作臺(tái)抬起之后發(fā)出信號(hào)是伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)減速齒輪（圖中未示出），帶動(dòng)與工作臺(tái)2底部連接的大齒輪10回轉(zhuǎn)，進(jìn)行分度運(yùn)動(dòng)。在大齒輪10上面一45度的間隔均布八個(gè)擋塊1。分度時(shí)，工作臺(tái)先快速回轉(zhuǎn)。當(dāng)定位銷(xiāo)即將進(jìn)入規(guī)定位置時(shí)，擋塊碰撞第一個(gè)限位開(kāi)關(guān)，發(fā)出信號(hào)使工作臺(tái)降速。當(dāng)擋塊碰撞第二個(gè)限位開(kāi)關(guān)時(shí)，工作臺(tái)2停止回轉(zhuǎn)。此時(shí)

27、，相應(yīng)的定位銷(xiāo)8正好對(duì)準(zhǔn)定位孔襯套7。3）工作臺(tái)下降并鎖緊 分度完畢后，發(fā)出信號(hào)使中央油缸16缷荷，工作臺(tái)2靠自重下降，定位銷(xiāo)8插入定位襯套7中。在鎖緊工作臺(tái)之前，消除間隙的油缸6通壓力油，活塞頂向工作臺(tái)2，消除了徑向間隙，然后使鎖緊油缸9的上腔通壓力油，活塞拉桿22下降，通過(guò)拉桿將工作臺(tái)鎖緊。 工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)軸支承在加長(zhǎng)型雙列圓柱滾針軸承14中。軸承19的孔帶有1：12的錐度，用來(lái)調(diào)整徑向間隙。另外，它的環(huán)可以帶著滾柱在加長(zhǎng)的外環(huán)作15毫米的軸向移動(dòng)。軸承14裝在支座5，可以隨支座一起軸向移動(dòng)。當(dāng)工作臺(tái)抬起時(shí)，支座5的一部分推力由止推軸承13承受，這將有效地減小分度工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)摩擦阻力矩，使轉(zhuǎn)

28、動(dòng)靈活。3.2.2鼠齒盤(pán)式分度工作臺(tái)鼠齒盤(pán)式分度工作臺(tái)是數(shù)控車(chē)床和其他加工設(shè)備中應(yīng)用很廣的一種分度裝置。它既可以作為車(chē)床的附件用螺釘緊固在車(chē)床工作臺(tái)上，也可以和數(shù)控車(chē)床的工作臺(tái)設(shè)計(jì)成一個(gè)整體。鼠齒盤(pán)分度機(jī)構(gòu)的向心多齒嚙合，應(yīng)用了誤差平均原理，因而能夠獲得較高的分度和定心精度（分度精度為±0.5分±3分）。圖3-2.2是鼠齒盤(pán)式分度工作臺(tái)。整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件數(shù)較少。鼠齒盤(pán)式分度工作臺(tái)主要由工作臺(tái)面、底座、壓緊油缸、分度油缸和鼠齒盤(pán)等零件組成。鼠齒盤(pán)是保證分度精度的關(guān)鍵零件，每個(gè)齒盤(pán)的端面帶有數(shù)目一樣的三角形，當(dāng)兩個(gè)齒盤(pán)嚙合時(shí)，能夠自動(dòng)確定周?chē)蛷较虻南鄬?duì)位置。圖3-2.

29、2 鼠齒盤(pán)式分度工作臺(tái)1-工作臺(tái)；2、19、21-油孔；3-活塞；4-油孔；5、14-止推軸承；6、7-鼠齒盤(pán)；8、9、17、18-推桿；10-壓緊油缸上腔；11-油缸下腔；12-齒輪；13-內(nèi)齒輪；15、16-擋塊；20-分度油缸右腔；22-活塞齒條；23-分度油缸左腔鼠齒盤(pán)式分度工作臺(tái)分度運(yùn)動(dòng)時(shí)，其工作過(guò)程分為四個(gè)步驟：1)分度工作臺(tái)上升、鼠齒盤(pán)脫離嚙合 當(dāng)需要分度時(shí)，由數(shù)控裝置發(fā)出分度指令，工作臺(tái)1中央的壓緊油缸下腔11通過(guò)油孔4進(jìn)壓力油，活塞3向下移動(dòng)，通過(guò)止推軸承5和14將分度工作臺(tái)抬起，鼠齒盤(pán)6與7脫離嚙合。同時(shí)，與工作臺(tái)心軸連接成一體的齒輪13向上套入齒輪12。2)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)分度

30、 當(dāng)工作臺(tái)1上升時(shí)，推桿8和9在彈簧的作用下分別向上和向右移動(dòng)，使微動(dòng)開(kāi)關(guān)復(fù)位，控制電磁閥使壓力油經(jīng)油孔19進(jìn)入分度油缸左腔23。推動(dòng)活塞齒條22向右移動(dòng)，并帶動(dòng)齒輪12作逆時(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)。由于齒輪12已經(jīng)與齒輪13連接，分度工作臺(tái)也隨著一起回轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度。開(kāi)始回轉(zhuǎn)時(shí)，擋塊16就離開(kāi)推桿17，使微動(dòng)開(kāi)關(guān)復(fù)位，通過(guò)互鎖電路，始終保持工作臺(tái)處于上升位置。按設(shè)計(jì)要求，當(dāng)活塞移動(dòng)113毫米時(shí)，工作臺(tái)回轉(zhuǎn)90度，回轉(zhuǎn)角度的近似值將由微動(dòng)開(kāi)關(guān)和擋塊15控制。3)分度工作臺(tái)下降，并定位壓緊 當(dāng)工作臺(tái)轉(zhuǎn)到90度位置附近，擋塊15通過(guò)推桿18使微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，控制電磁閥使壓緊油缸上腔10通過(guò)油孔2進(jìn)壓力油?；钊?帶

31、動(dòng)工作臺(tái)1下降，鼠齒盤(pán)6與7在新的位置重新嚙合，并定位壓緊。油缸下腔11的回油經(jīng)過(guò)節(jié)流閥，以限制工作臺(tái)的下降速度，保護(hù)齒面部分受沖擊。4)分度活塞退回 當(dāng)分度工作臺(tái)1下降時(shí)，通過(guò)推桿8和9的作用，使微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作。分度油缸右腔20通過(guò)油孔21進(jìn)壓力油，活塞齒條22退回原處。因?yàn)辇X輪13已與齒輪12脫開(kāi)，工作臺(tái)保持靜止?fàn)顟B(tài)。齒輪12順時(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)時(shí)，帶著擋塊15集16回到原處，準(zhǔn)備下一次分度。當(dāng)擋塊15離開(kāi)推桿18，而使微動(dòng)開(kāi)關(guān)復(fù)位時(shí)，必須通過(guò)維持電路保證工作臺(tái)始終處于壓緊狀態(tài)。3.2.3定位銷(xiāo)式與鼠齒盤(pán)式分度工作臺(tái)的比較定位銷(xiāo)式分度工作臺(tái)的分度精度主要由定位銷(xiāo)和定位孔的尺寸精度決定，最高可達(dá)&#

32、177;5分。為適應(yīng)大多數(shù)的加工要求，應(yīng)當(dāng)盡可能提高最常使用的180度分度銷(xiāo)孔的坐標(biāo)精度，而其他角度（如45度、90度和135度）可以適當(dāng)降低。 鼠齒盤(pán)式分度工作臺(tái)和其他分度工作臺(tái)相比，具有重復(fù)定位精度高、定位剛度好和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。鼠齒盤(pán)不僅磨損小，而且微量的磨損反而會(huì)自動(dòng)的將分度誤差均勻化。齒盤(pán)定位的分度工作臺(tái)能達(dá)到很高的精度 ,一般為 ±3,而最高可達(dá) ±0.4,能承受很大的外載荷 ,定位剛度高 ,精度保持性好 ,具有自動(dòng)定心作用 ,轉(zhuǎn)軸配合間隙并不影響其定心精度。實(shí)際上 ,由于齒盤(pán)嚙合脫開(kāi)相當(dāng)于兩齒盤(pán)對(duì)研過(guò)程。因此 ,隨著使用時(shí)間的延續(xù)，定位精度還有進(jìn)一步提高的趨勢(shì)

33、，目前除廣泛應(yīng)用于數(shù)控車(chē)床以外，還用在各種加工和測(cè)量裝置中。但它的缺點(diǎn)是鼠齒盤(pán)的制造精度要求很高，需要某些專(zhuān)用加工設(shè)備，尤其是最后一道的齒面研磨工序（一般采用兩齒盤(pán)對(duì)碰研磨），通常要花費(fèi)幾小時(shí)。此外，它不能進(jìn)行任意的分度運(yùn)動(dòng)。4 數(shù)控車(chē)床刀架模塊化設(shè)計(jì)數(shù)控車(chē)床的誕生對(duì)提高生產(chǎn)率、改進(jìn)產(chǎn)品的質(zhì)量以與改善勞動(dòng)條件等方面已經(jīng)發(fā)揮了重要的作用。為了進(jìn)一步減少費(fèi)用和切削時(shí)間，數(shù)控車(chē)床正朝著在一臺(tái)數(shù)控車(chē)床的一次裝夾中完成多工序的方向發(fā)展。這類(lèi)機(jī)床必須帶有自動(dòng)回轉(zhuǎn)換刀系統(tǒng)，通常稱(chēng)為數(shù)控加工中心車(chē)床，簡(jiǎn)稱(chēng)加工中心。實(shí)際上，數(shù)控車(chē)床上的自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架就是一種最簡(jiǎn)單的自動(dòng)換刀裝置。所不同的是在加工中心出現(xiàn)后，進(jìn)一步

34、發(fā)展和完善了各類(lèi)回轉(zhuǎn)性刀具的自動(dòng)換刀操作，以滿(mǎn)足復(fù)雜零件加工需要。除了自動(dòng)更換單把刀具外，目前按照工藝和生產(chǎn)率的需要已經(jīng)發(fā)展到可以在大型加工中心上自動(dòng)更換整個(gè)多軸箱和主軸頭。自動(dòng)換刀系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足換刀時(shí)間短、刀具重復(fù)定位精度高、足夠的刀具存儲(chǔ)量、刀庫(kù)占地面積小以與安全可靠等基本要求。4.1 自動(dòng)換刀裝置 各類(lèi)數(shù)控車(chē)床的自動(dòng)換刀裝置的結(jié)構(gòu)取決于車(chē)床的形式、工藝圍與刀具的種類(lèi)和數(shù)量等。這種裝置主要可以分為以下幾種形式：4.1.1回轉(zhuǎn)刀架換刀系統(tǒng)數(shù)控車(chē)床上使用的回轉(zhuǎn)刀架是一種最簡(jiǎn)單的自動(dòng)換刀裝置。根據(jù)不同加工對(duì)象，可以設(shè)計(jì)成四方刀架和六角刀架等多種形式?；剞D(zhuǎn)刀架上分別裝著四把、六把或更多的刀具，并按數(shù)

35、控裝置的指令轉(zhuǎn)位換刀?；剞D(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強(qiáng)度和剛度，以承受粗加工時(shí)的切削抗力。由于車(chē)削加工精度在很大程度上取決于它的刀尖位置，對(duì)于數(shù)控車(chē)床來(lái)說(shuō)，加工過(guò)程是自動(dòng)完成的，因此，更有必要選擇可靠的刀具定位傳感和合理的定位結(jié)構(gòu)，以保證回轉(zhuǎn)刀架在每次轉(zhuǎn)位之后，具有盡可能高的重復(fù)定位精度（一般為0.0010.005毫米）。圖4-1.1數(shù)控車(chē)床的六角回轉(zhuǎn)刀架，它適用于盤(pán)類(lèi)零件的加工。在加工軸類(lèi)零件時(shí)，可以換用四方回轉(zhuǎn)刀架。由于兩者底部的安裝尺寸一樣，更換刀架十分方便。 圖4-1.1 數(shù)控車(chē)床六角回轉(zhuǎn)刀架1、6-活塞；2-刀架體；3-缸體；4-中間套；5-空套齒輪；7-齒輪；8-齒條；9-圓柱固定

36、插銷(xiāo)；10-定位活動(dòng)插銷(xiāo)；11-推桿；12-觸頭回轉(zhuǎn)刀架的全部動(dòng)作有液壓系統(tǒng)通過(guò)電磁換向閥和順序閥進(jìn)行控制。它的動(dòng)作分為四個(gè)步驟：1）刀架抬起 當(dāng)數(shù)控車(chē)床裝置發(fā)出換刀指令后，壓力油由A孔進(jìn)入壓緊油缸的下腔，活塞1上升，刀架2抬起使定位活動(dòng)銷(xiāo)10與固定插銷(xiāo)9脫開(kāi)。同時(shí)，活塞桿下端的端齒離合器與空套齒輪5結(jié)合。2）刀架轉(zhuǎn)位 當(dāng)?shù)都芴鹬螅瑝毫τ蛷腃孔進(jìn)入轉(zhuǎn)位油缸左腔，活塞6向右移動(dòng)，通過(guò)連接板帶動(dòng)齒條8移動(dòng)，使空套齒輪5作逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)端齒離合器使刀架轉(zhuǎn)過(guò)60度?；钊男谐虘?yīng)等于齒輪5節(jié)圓周長(zhǎng)的1/6，并由限位開(kāi)關(guān)控制。3）刀架壓緊 刀架轉(zhuǎn)位之后，壓力油從b孔進(jìn)入壓緊油缸得上腔，活塞1帶動(dòng)

37、刀架體2下降。件3的底盤(pán)上精度地安裝著六個(gè)帶斜鍥的圓柱固定插銷(xiāo)9，利用活動(dòng)插銷(xiāo)10消除定位銷(xiāo)與孔之間的間隙，實(shí)現(xiàn)翻靠定位。刀架體2下降時(shí)，定位活動(dòng)插銷(xiāo)10與另一個(gè)固定插銷(xiāo)9卡緊，同時(shí)件3和件4的錐面接觸，刀架在新的位置定位并壓緊。這時(shí)，端齒離合器與空套齒輪5脫開(kāi)。4）轉(zhuǎn)位油缸復(fù)位 刀架壓緊之后，壓力油從D孔進(jìn)入轉(zhuǎn)位油缸右腔，活塞6帶動(dòng)齒條復(fù)位，由于此時(shí)端齒離合器已脫開(kāi)，齒條帶動(dòng)齒輪7在軸上空轉(zhuǎn)。 回轉(zhuǎn)刀架除了采用液壓缸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)位和定位銷(xiāo)定位以外，還可以采用電機(jī)馬氏機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)位和鼠齒盤(pán)定位，以與其他轉(zhuǎn)位和定位機(jī)構(gòu)。4.1.2帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀系統(tǒng) 帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)有刀庫(kù)和刀具交換機(jī)構(gòu)組成，目前它是加

38、工中心車(chē)床上應(yīng)用最廣泛的換刀方法。換刀時(shí)先在刀庫(kù)中進(jìn)行選刀，并由刀具交換裝置從刀庫(kù)和主軸上取出刀具，在進(jìn)行刀具交換之后，將新刀具裝入主軸，把舊刀具放回刀庫(kù)。存放刀具的刀庫(kù)具有較大的容量，它既可安裝在主軸箱的側(cè)面或上方，也可作為單獨(dú)部件安裝到機(jī)床以外，并由搬運(yùn)裝置運(yùn)送刀具。 刀庫(kù)可以存放數(shù)量很大的刀具，因而能夠進(jìn)行復(fù)雜零件的多工序加工，這樣就明顯地提高了加工中心的適應(yīng)性和加工效率。但這種換刀方式的整個(gè)工作過(guò)程動(dòng)作較多，即延長(zhǎng)了換刀時(shí)間，又使系統(tǒng)變得更為復(fù)雜，降低了工作可靠性。圖4-1.2 帶刀庫(kù)的多主軸換刀系統(tǒng) 為了縮短換刀時(shí)間，另一種帶刀庫(kù)的多主軸換刀系統(tǒng)（如圖4-1.2），在轉(zhuǎn)塔頭的一根主軸

39、進(jìn)行加工時(shí)（圖4-1.2a、圖4-1.2b),另一根主軸處于換刀位置，由刀具交換裝置換刀，待本工序加工完畢之后，轉(zhuǎn)塔頭回轉(zhuǎn)并交換主軸。這種換刀方式最大限度地縮短了由換刀引起的機(jī)床停頓時(shí)間，提高了生產(chǎn)率。圖4-1.2c是帶刀庫(kù)的六角轉(zhuǎn)塔頭換刀裝置，除了裝有可換的小尺寸刀具外，在其他軸上還裝有為數(shù)不多的幾種較大尺寸的刀具，這些刀具不經(jīng)過(guò)刀庫(kù)，而是直接固定在主軸上，通過(guò)轉(zhuǎn)位進(jìn)行交換。這將有助于簡(jiǎn)化刀庫(kù)和刀具交換裝置。4.2 刀庫(kù)與換刀方式4.2.1刀庫(kù)的設(shè)計(jì)刀庫(kù)是自動(dòng)換刀裝置中最主要的部件之一，其容量、布局與具體結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)有很大影響。 圖4-2.1 常用的刀庫(kù)形式根據(jù)刀庫(kù)所需要的容量和取刀

40、方式，可以將刀庫(kù)設(shè)計(jì)成多種形式。圖5-3里除了常用的幾種。圖4-2.1ad是單盤(pán)式刀庫(kù)，為適應(yīng)車(chē)床主軸的布局，刀庫(kù)的刀具軸線(xiàn)可以按不同的方向配置。單盤(pán)式刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，取刀也較為方便，因此應(yīng)用最為廣泛。將之模塊化設(shè)計(jì)一定有利于提高生產(chǎn)效率。圖5-4 刀庫(kù)刀具數(shù)與能加工工件比率關(guān)系 在設(shè)計(jì)多工序自動(dòng)換刀數(shù)控車(chē)床，因當(dāng)合理的確定刀庫(kù)的容量。根據(jù)對(duì)車(chē)削、銑削和鉆削所需刀具數(shù)的統(tǒng)計(jì)，繪成了圖5-4的曲線(xiàn)。曲線(xiàn)表明，在加工過(guò)程中經(jīng)常使用的刀具數(shù)目并不很多，對(duì)于鉆削加工，用14把刀具就能完成約80%的工件加工，即使要求完成90%的工件，用20把刀具也已足夠。對(duì)于銑削加工，需要的刀具數(shù)量更少，用4把銑刀就能

41、完成約90%的工件加工。如果不從實(shí)際加工需要出發(fā)，盲目的加大刀庫(kù)容量，將會(huì)使刀庫(kù)的利用率很低，結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，造成很大的浪費(fèi)。從使用的角度來(lái)看，刀庫(kù)的容量一般取1060，但隨著加工工藝的發(fā)展，目前刀庫(kù)的容量似乎又進(jìn)一步增大的趨勢(shì)。4.2.2刀具的交換方式數(shù)控車(chē)床的自動(dòng)換刀裝置中，實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)與機(jī)床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱(chēng)為刀具交換裝置。刀具的交換方式和它們的具體結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)床的生產(chǎn)效率和工作可靠性有著直接的影響。采用機(jī)械手進(jìn)行刀具交換的方式應(yīng)用的最為廣泛，這是因?yàn)闄C(jī)械手換刀有很大的靈活性，而且可以減少換刀時(shí)間。在各種類(lèi)型的機(jī)械手中，雙臂機(jī)械手集中的體現(xiàn)了以上的優(yōu)點(diǎn)。在刀庫(kù)遠(yuǎn)離機(jī)床主軸的換刀裝置中。

42、除了機(jī)械手以外，還必須帶有中間搬運(yùn)裝置。 雙臂機(jī)械手中最常用的幾種結(jié)構(gòu)如圖4-2.2所示，它們分別是鉤手（圖4-2.2a）、抱手（圖4-2.2b）、伸縮手（圖4-2.2c）、和叉手（圖4-2.2d)。這幾種機(jī)械手能夠完成抓刀，拔刀、回轉(zhuǎn)、插刀以與返回等全部動(dòng)作。為了防止刀具掉落，各機(jī)械手的活動(dòng)抓都必須帶有自鎖機(jī)構(gòu)。由于雙臂回轉(zhuǎn)機(jī)械手(圖4-2.2ac）的動(dòng)作比較簡(jiǎn)單，而且能夠同時(shí)抓取和裝卸機(jī)床主軸和刀庫(kù)中的刀具，因此換刀時(shí)間可以進(jìn)一步縮短。 圖4-2.2 雙臂機(jī)械手換刀結(jié)構(gòu)根據(jù)各類(lèi)機(jī)床的需要，自動(dòng)換刀數(shù)控車(chē)床所用的刀具的刀柄基本上都是圓錐形的。為了使機(jī)械手能可靠的抓取刀具，刀柄必須有合理的夾持

43、部分，而且刀柄必須標(biāo)準(zhǔn)化。V形槽夾持結(jié)構(gòu)適用于圖4-2.2的各種機(jī)械手，這是由于機(jī)械手爪的形狀和V形槽能很好的吻合。使刀具能保持準(zhǔn)確的軸向和徑向位置，從而提高了裝刀的重復(fù)定位精度。5 數(shù)控車(chē)床主軸組件模塊化設(shè)計(jì)主軸部件是整個(gè)車(chē)床的重要部件之一，通常由主軸、主軸軸承和安裝在主軸上的傳動(dòng)件等組成。機(jī)床工作時(shí)，由主軸帶動(dòng)工件直接參與表面的成形運(yùn)動(dòng)。主軸部件的性能對(duì)加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率有著重要的影響。通過(guò)對(duì)車(chē)床精度、工藝性、經(jīng)濟(jì)性等多方面的綜合考慮，所確定的數(shù)控車(chē)床的主軸部件。5.1 主軸的主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)分析5.1.1主軸的主要參數(shù)確定設(shè)計(jì)要求；主軸最高轉(zhuǎn)速為3000r/min，主電機(jī)功率為2.2kw，

44、最大主切削力為3503 N。(1)主軸前軸承軸徑D1：依據(jù)圖5-1.1的D1-N統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)，圖中曲線(xiàn)I適合剛度強(qiáng)而最高轉(zhuǎn)速低的車(chē)床，曲線(xiàn)適合高轉(zhuǎn)速車(chē)床。按曲線(xiàn)I，取D。=65 mm。圖5-1.1 D1-N統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)(2)主軸后軸承軸徑D2：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式D2 =(0708)D1，取D2=50 mm。(3)主軸的平均直徑D：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式D2=(1115)D或Dl=(08509)D，取D=60 mm。(4)主軸的孔直徑d：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式dmax<0.7D，取d=26 mm。(5)主軸的跨距：一般情況下，主軸跨距L =(07515)Lo，其中Lo為最佳跨距。因受旋轉(zhuǎn)精度的影響，Lomin=2.5；因受

45、主軸部件剛度的影響，Lomax=5或Lomax=4D1。根據(jù)結(jié)構(gòu)需要和所述公式的匹配，取L=300mm。（主軸的懸伸量：主軸頭部已標(biāo)準(zhǔn)化，在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)要求的情況下，盡可能地使懸伸量小，以確保主軸的剛性 ，故取=65mm。）5.1.2主軸的結(jié)構(gòu)分析 1）主軸部件的端部結(jié)構(gòu)對(duì)于數(shù)控車(chē)床主軸，因?yàn)樵谒膬啥税惭b著結(jié)構(gòu)笨重的動(dòng)力卡盤(pán)盒夾緊油缸，主軸剛度必須進(jìn)一步提高，并應(yīng)設(shè)計(jì)合理的聯(lián)接端以改善動(dòng)力卡盤(pán)與主軸端部的聯(lián)接剛度。數(shù)控車(chē)床主軸端部的結(jié)構(gòu)對(duì)工件或刀具的定位、安裝、拆卸以與夾緊得準(zhǔn)確、牢固、方便和可靠有很大影響。常見(jiàn)的幾種用于不同類(lèi)型數(shù)控車(chē)床主軸的端部結(jié)構(gòu)如圖5-1.2所示，目前這些結(jié)構(gòu)已標(biāo)準(zhǔn)化。

46、圖5-1.2 數(shù)控車(chē)床主軸部件的端部結(jié)構(gòu)2）主軸部件的特殊結(jié)構(gòu)由于數(shù)控車(chē)床的主軸要現(xiàn)自動(dòng)更換刀具或自動(dòng)更換工件，因此其主軸部件必須設(shè)計(jì)出相應(yīng)的特殊結(jié)構(gòu)以滿(mǎn)足這些要求。數(shù)控加工中心車(chē)床為實(shí)現(xiàn)刀具在主軸上的自動(dòng)裝卸，其主軸必須涉與刀具的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)。（1） 自動(dòng)清除主軸空中的切削和灰塵是換刀操作中的一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。如果在主軸錐孔中掉進(jìn)了切屑或其他污物，再拉進(jìn)刀桿時(shí)，主軸錐孔表面和刀桿的錐柄就會(huì)被劃傷，并且是刀桿發(fā)生偏斜，破壞了刀具正確的定位，影響與工零件的精度，甚至是零件報(bào)廢。為了保持主軸錐孔的清潔，常用壓縮空氣吹屑。（2） 在加工精密的坐標(biāo)孔時(shí)，由于每次都能在主軸固定的圓周位置上裝刀，就能保

47、證刀尖與主軸相對(duì)位置的一致性，從而減少被加工孔的尺寸分散度，這就要求主軸具有準(zhǔn)確定位的功能。5.2 主軸軸承的設(shè)計(jì)5.2.1數(shù)控車(chē)床主軸軸承一般配置形式 目前數(shù)控車(chē)床的主軸軸承配置形式主要有三種（圖5-2.1）圖5-2.1 數(shù)控車(chē)床主軸軸承配置形式（1）前支承采用雙列圓柱滾子軸承和60度角接觸雙列向心推力求軸承組合，后支承采用成對(duì)向心推力球軸承（圖5-2.1a） 此配置型式使主軸的綜合剛度大幅提高，可以滿(mǎn)足強(qiáng)力切削的要求，因此普遍應(yīng)用于各類(lèi)數(shù)控車(chē)床的主軸。（2）前軸承采用高精度雙列向心推力球軸承（圖5-2.1b）向心推力球軸承具有良好的高速性，主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)1000r/min，但是它的軸載能

48、力小，因而適用于高速、輕載和精密的數(shù)控車(chē)床主軸。（3）雙列和單列圓錐滾子軸承（圖5-2.1c） 這組軸承徑向和軸向剛度高，能承受重載荷，尤其能承受較強(qiáng)的動(dòng)載荷，安裝于調(diào)整性能好。但是這組軸承配置方式限制了主軸的最高轉(zhuǎn)速和可以達(dá)到的精度，因此適用于中等精度、低速與重載的數(shù)控車(chē)床主軸。在此次數(shù)控車(chē)床模塊化設(shè)計(jì)中我采用第三種軸承配置方式。5.2.2 主軸軸承的選擇主軸的前后軸承均采用圓錐滾子軸承，其剛度強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便。由于主軸前軸承軸徑為D1=65mm，因此前軸承采用雙列圓錐滾子軸承，型號(hào)為352213，極限轉(zhuǎn)速為4 800 rmin；由于后軸承軸徑D2=50mm，因此后軸承采用單列圓錐滾子

49、軸承，型號(hào)為30310，極限轉(zhuǎn)速為5 600 rmin。（軸承標(biāo)準(zhǔn)尺寸表5-2.2）因車(chē)床主軸要求的最高轉(zhuǎn)速為3000 rmin，能滿(mǎn)足機(jī)床運(yùn)動(dòng)的要求。機(jī)床主電機(jī)為22 kW，最大主切削力為3503 N，軸承的基本額定載荷遠(yuǎn)大于主切削力，所選軸承能滿(mǎn)足機(jī)床的性能要求。型號(hào)徑（mm）外徑D（mm）寬度T（mm）寬度B（mm）352213651207311303105011029.2527表5-2.2 軸承標(biāo)準(zhǔn)尺寸5.2.3主軸軸承的材料數(shù)控車(chē)床為了獲得盡可能高的生產(chǎn)效率，主軸的高速化正在成為主要的發(fā)展趨勢(shì)，而滾動(dòng)軸承的高速化又是這一發(fā)展的關(guān)鍵。近十多年來(lái)出現(xiàn)了以碳化硅瓷材料作為滾動(dòng)體的高速軸承，

50、而且已被普遍采用。由于瓷材料的質(zhì)量密度只有鋼的40%，因而是限制滾動(dòng)軸承轉(zhuǎn)速提高的關(guān)鍵因素高速旋轉(zhuǎn)時(shí)滾動(dòng)體產(chǎn)生的離心力大幅度下降，它對(duì)于減小軸承的溫升和磨損有明顯效果。另外，瓷材料滾動(dòng)體和鋼質(zhì)外環(huán)滾道的分子親和力極小，不容易產(chǎn)生微粘連現(xiàn)象；還由于瓷材料熱脹系數(shù)較小，有助于減小在不同溫度下預(yù)加載荷的變化。這將都將明顯地提高軸承的精度和精度保持性。 在保持滾動(dòng)軸承外形尺寸不變的條件下，減小滾動(dòng)體的直徑，同時(shí)增加滾動(dòng)體的數(shù)量也是降低高速旋轉(zhuǎn)時(shí)滾動(dòng)體離心的另一重要措施。它同樣能達(dá)到降低溫升、增加耐磨性和提高軸承dn值的目的。5.3 主軸軸承蓋與軸承套的設(shè)計(jì)5.3.1 主軸軸承蓋的尺寸可通過(guò)軸承的尺寸來(lái)

51、確定其有關(guān)計(jì)算公式如下： 前軸承蓋：D=120mm d。=d3+1=10+1=11mm D。=D+2.5d3=120+2.5*10=145mm D2 =D。+2.5d3=145+2.5*10=170mm e=1.2d3=1.2*10=12mm 因?yàn)椋篹1e 即 e=15mm m由結(jié)構(gòu)確定，預(yù)定m=20mm D4=D-(1015)=120-15=105mm D6=D-(24)=120-2=118mm b2=7.1mm b1=5mm d1=66mm 后軸承蓋：D=110mm d。=d3+1=10+1=11mm D。=D+2.5d3=110+2.5*10=135mm D2 =D。+2.5d3=135

52、+2.5*10=160mm e=1.2d3=1.2*10=12mm 因?yàn)椋篹1e 即 e=15mm m由結(jié)構(gòu)確定，預(yù)定m=20mm D4=D-(1015)=110-15=95mm D6=D-(24)=110-2=108mm b2=7.1mm b1=5mm d1=51mm5.3.2主軸軸承套尺寸的確定其相關(guān)計(jì)算公式如下： 前軸承套： S3=7mm S4=8mm e4=12mm D=120mm D。=145mm D1由軸承安裝尺寸確定 取D1=114mm D2=D。+2.5d3=159+2.5*10=184mmM由結(jié)構(gòu)確定 取m=73+8=81mm 后軸承套： S3=7mm S4=8mm e4=1

53、2mm D=110mm D。=135mm D1由軸承安裝尺寸確定 取D1=104mm D2=D。+2.5d3=159+2.5*10=174mmM由結(jié)構(gòu)確定 取m=35mm 主軸軸承蓋與軸承套的緊固件取標(biāo)準(zhǔn)件M10*1。5.4 主軸傳動(dòng)件的設(shè)計(jì)5.4.1傳動(dòng)件的合理布置 圖5-4.1各軸相對(duì)位置圖傳動(dòng)扭矩的齒輪布置在靠近主軸前軸承的位置，主軸傳遞扭矩的力臂比較短，因而主軸的扭轉(zhuǎn)變形也小。圖5-4.1為各軸相對(duì)位置圖。從影響加工精度的誤差敏感方向Y方向定性分析，傳動(dòng)力在Y方向的分力Qy與切削力在Y方向的分力Py的受力方向相反，主軸軸承受力因相互抵削而大大降低，因此延長(zhǎng)了軸承壽命。但是主軸的彎曲變形

54、大，因此要求主軸的剛性要好。5.4.2齒輪的設(shè)計(jì) 用來(lái)傳遞主軸扭矩的傳動(dòng)件齒輪，在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證它具有一定的剛度。這里我選用直齒圓柱齒輪。 外嚙合標(biāo)準(zhǔn)直齒參數(shù)如下：齒數(shù) Z=30、模數(shù) M=4、壓力角 a=20度、分度圓直徑d=Z*M=30*4=120mm齒頂高 ha=4*1=4mm 齒根高 hf=(ha*+c*)*m=1.25*4=5mm全齒高 h=ha+hf=9mm、齒頂圓直徑 da=d+2ha=(z+2)*m=120+8=128mm齒根圓直徑 df=d-2hf=120-10=110mm直齒圓柱齒輪尺寸如下： dh=55mm D1=1.4*dh=1.4*55=77mmL=(1.21.5)*

55、Mn=(1.21.5)*55=77mm 取b=70mm 因 &=(2.54)Mn 但不小于810mm 故 &=(2.54)*4=10mm 取齒輪法向模數(shù)為Mn=4 n=0.5Mn=0.5*4=2mm D。=0.5（D1+D2）=0.5*（77+102）=89.5mm d。=6mm C=(0.20.3)b=0.3*70=21mm r=0.5c0.5*21=10.5mm5.5 數(shù)控車(chē)床主軸組件裝配新工藝 數(shù)控車(chē)床主軸組件采用過(guò)盈連接的新結(jié)構(gòu)，取代了鍵連接、鎖緊螺母固定的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 過(guò)盈連接是利用兩個(gè)被連接件本身的過(guò)盈配合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這樣裝配后會(huì)使配合面問(wèn)產(chǎn)生很大的壓力，常常會(huì)使零件配合表面損壞，有時(shí)整個(gè)零件被破壞，因此這種連接常用于不可拆連接，即使可裝拆的也僅限于圓錐面的過(guò)盈連接；這就使過(guò)盈連接的使用大大受到限制，經(jīng)常用于重型機(jī)械、礦山、冶金、機(jī)車(chē)制造與化工等機(jī)械中，它們多數(shù)是大、中型零件，且屬于一次性裝配。但過(guò)盈連接具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定心性好、承載能力高、在振動(dòng)下能可靠工作等優(yōu)點(diǎn)目前，在H2063數(shù)控車(chē)床的主軸組件中，設(shè)計(jì)人員大膽地吸收了進(jìn)口機(jī)床主軸組件的先進(jìn)結(jié)構(gòu)，成功地應(yīng)用了圓柱面的過(guò)盈連接，充分發(fā)揮出此連接方式的優(yōu)點(diǎn)，并為過(guò)盈連接的應(yīng)用開(kāi)拓了新領(lǐng)域。5.5.1 數(shù)控車(chē)床主軸組件裝配結(jié)構(gòu)主軸組件新結(jié)構(gòu)有以下特點(diǎn):(1)主軸組件新結(jié)構(gòu)中，套