數(shù)控刀架設(shè)計

1、摘要數(shù)控機床的出現(xiàn)對提高生產(chǎn)常理、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)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(jìn)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(xué)技術(shù)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(qū)動和伺服驅(qū)動，能實現(xiàn)精確的控制，有效的提高勞動生產(chǎn)率，縮短生產(chǎn)時間。 數(shù)控刀架應(yīng)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(gòu)，同時刀架應(yīng)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(qū)動通常是靠電機驅(qū)動，伺服在控制系統(tǒng)的的指揮下，其通過控制系統(tǒng)和驅(qū)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(diào)節(jié)功能，大大的提高了刀架的換刀精度。關(guān)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(jìn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)、沒有自主知識產(chǎn)權(quán)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但是標(biāo)準(zhǔn)要求比較低，適應(yīng)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(shù)人員積極思考，同時國家應(yīng)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(dá)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(chǔ)科學(xué)的發(fā)展，數(shù)控刀架開始向快速換刀、電液組合驅(qū)動以及伺服驅(qū)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(lǐng)域前進(jìn)，尤其是航空業(yè)，對精度要求越來越高，作為生產(chǎn)設(shè)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(yīng)性都要求非常高。開發(fā)式的伺服電機及驅(qū)動技術(shù)發(fā)展，使伺服驅(qū)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(yù)定位裝置、發(fā)信裝置，簡化了刀架結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)。在一般生產(chǎn)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(biāo)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(nèi)容

12、主要介紹數(shù)控車、銑、磨、鏜等機床的刀架。側(cè)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(zhuǎn)盤式等。 對刀架的材料進(jìn)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(jìn)行分析。并對其進(jìn)行相關(guān)力學(xué)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(jié)構(gòu)、功能、種類，本章將從這幾方面對其進(jìn)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(fù)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(diào)美觀;刀具裝卸、調(diào)整、維修方便，并能得到清潔的維護(hù)。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(zhuǎn)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(biāo)軸方向排列在橫向滑板上。這種刀架在刀具布置和機床調(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軸移動預(yù)先

14、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(chǎn)效率。 回轉(zhuǎn)刀架 圖2-2回轉(zhuǎn)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(shè)計成四方、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?；剞D(zhuǎn)刀架的換刀動作可分為刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)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。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。2.3數(shù)控機床刀架的結(jié)構(gòu)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(jié)束，如果沒有，將轉(zhuǎn)動電機，驅(qū)動刀架到工位上，并檢測，如果沒有，在轉(zhuǎn)動電機，直到到工位上，再延遲一定時間，鎖緊刀架，結(jié)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(jìn)行進(jìn)一步調(diào)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(jìn)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(gòu)；定位機構(gòu)；刀架抬起機構(gòu)。減速傳動機構(gòu)：由于三相異步電動機因轉(zhuǎn)速太快，不能用來直接驅(qū)動刀架進(jìn)行換刀，必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)臏p速機構(gòu)來得到一個合適的速度。由于刀架結(jié)構(gòu)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(gòu)：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(shè)計上刀體的鎖緊與定位機構(gòu)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(dāng)?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(zhuǎn)動；換刀時電動機正傳，抬起機構(gòu)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(zhuǎn)動，完成轉(zhuǎn)位動作。刀架抬起機構(gòu)：要想使上，下刀體的 兩個端面齒脫離，就必須設(shè)計合適的機構(gòu)使上刀體抬起。本設(shè)計選用螺桿-螺母副，在上刀體內(nèi)部加工出內(nèi)螺紋，當(dāng)電動機通過蝸桿-

17、蝸輪帶動蝸桿繞中心軸轉(zhuǎn)動時，作為螺母的上刀體要么轉(zhuǎn)動，要么上下移動。當(dāng)?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(zhuǎn)動，所以螺桿的轉(zhuǎn)動會使上刀體向上移動。當(dāng)端面齒脫離咬合時，上刀體就與螺桿一同轉(zhuǎn)動。 設(shè)計螺桿時要求選擇適當(dāng)?shù)穆菥?，以便?dāng)螺桿轉(zhuǎn)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(gòu)，因此數(shù)控刀架的控制系統(tǒng)主要組成為：傳感器、信號轉(zhuǎn)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(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，它將傳感器采集的模擬信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為模擬信號后，傳送給數(shù)控刀架執(zhí)行機構(gòu)。第三章 數(shù)控刀架的系統(tǒng)設(shè)計本章將從傳動鏈、強度、鎖緊、電氣部分對數(shù)控刀架進(jìn)行設(shè)計，以六方為例。由于驅(qū)動刀架換刀的速度很低，而驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速很高，因此必須經(jīng)過傳動機構(gòu)，對其速度進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整到一個合理的狀態(tài)時，再驅(qū)動刀具。本章以數(shù)控車床轉(zhuǎn)盤式刀架為例，進(jìn)行傳動設(shè)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(shè)計參數(shù)及電機的選取刀體的設(shè)計轉(zhuǎn)速（換刀時，平均轉(zhuǎn)速）為25r/min。由于刀架的驅(qū)動功率要求很小，因此我們選用驅(qū)動電機的額定功率為：110W，電機的額定轉(zhuǎn)速：1440r/min。因此總傳動比為：3.2傳動鏈的設(shè)計刀架的結(jié)構(gòu)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(shè)計：蝸輪蝸桿作為傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其設(shè)計與整個系統(tǒng)的質(zhì)量關(guān)系很相關(guān)，因此很有必要對其進(jìn)行設(shè)計，下面將從蝸

20、輪蝸桿的參數(shù)、材料、強度校核等方面進(jìn)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)力，且有較高的轉(zhuǎn)速要求，同時結(jié)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(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)矩T：確定需用接觸應(yīng)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(yīng)力循環(huán)次數(shù)： 壽命系數(shù): ；許用接觸應(yīng)力為：；帶入到公式可得蝸輪的接觸應(yīng)力：；小于許用接觸應(yīng)力，因此蝸輪的設(shè)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(yīng)力，隨著時間的，在齒根附近

22、容易產(chǎn)生疲勞裂紋，引起蝸輪報廢，因此需要進(jìn)行齒根彎曲疲勞強度校核，其表達(dá)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(dāng)量齒數(shù)為；根據(jù)變?yōu)橄禂?shù)為1和當(dāng)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(yīng)力為：蝸輪的壽命系數(shù):；許用接觸應(yīng)力為：；帶入到公式可得蝸輪的接觸應(yīng)力：；小于許用彎曲應(yīng)力，符合使用要求。3.5鎖緊定位機構(gòu)設(shè)計：刀架的定位鎖緊機構(gòu)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(dāng)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(jié)構(gòu)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(fù)雜，結(jié)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(zhuǎn)盤上有6只霍爾開關(guān)，轉(zhuǎn)位時，磁鐵對準(zhǔn)某一個霍爾開關(guān)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(dāng)具有磁性的物體接近霍爾元件時，其內(nèi)部產(chǎn)生霍爾效應(yīng)使內(nèi)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(guān)接通，通過功放電路后，驅(qū)動刀架，刀架抬起，轉(zhuǎn)過一個工位，再檢查是否為所需要刀位，若是，換刀結(jié)束，否則繼續(xù)重復(fù)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(jìn)行了設(shè)計，本章主要對其他刀架：平口鉗、機夾式刀庫、轉(zhuǎn)盤式等，進(jìn)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