數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架分類與結(jié)構(gòu)分析實用教案

1、1.1.緒論緒論(xln)(xln)34最早是在40年代初，由美國北密支安的一個小型飛機工業(yè)承包商派爾遜斯公司（Parsons Corporation）實現(xiàn)數(shù)字技術(shù)進行機械加工的。1952年，麻省理工學院在一臺立式銑床上，裝上了一套試驗性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)了同時控制三軸的運動。這臺數(shù)控機床被大家稱為世界上第一臺數(shù)控機床。 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 第一臺具有自動換刀裝置的數(shù)控機床。198

2、0年代，在電動(din dn)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(fzhn)(fzhn)刀架，作為機床的重要組成部分，刀架的發(fā)展是伴隨著機床的發(fā)展的。第1頁/共29頁第一頁，共29頁。1.21.2我國數(shù)控刀架發(fā)展現(xiàn)狀及未來我國數(shù)控刀架發(fā)展現(xiàn)狀及未來(wili)(wili)發(fā)展要求發(fā)展要求 發(fā)展現(xiàn)狀: 起步階段，品種單一，不可靠。 與世界先進制造行業(yè)相比，存在很大的差距。 國內(nèi)配套(pi to)廠家較少 。v未來發(fā)展要求：v刀架轉(zhuǎn)位時間最短，且轉(zhuǎn)位準確。 v刀架定位精度高、動作迅速、穩(wěn)定可靠。 v可多刀夾持，雙向轉(zhuǎn)位和任意刀位就

3、近(jijn)選刀； v應(yīng)用范圍廣，維修方便等特點 。第2頁/共29頁第二頁，共29頁。2.2.數(shù)控刀架種類數(shù)控刀架種類(zhngli)(zhngli) 數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架是數(shù)控車床上的核心功能(gngnng)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(fn li)第3頁/共29頁第三頁，共29頁。2.12.1非動力非動力(dngl)(dngl)刀架刀架非動力刀架一般非動力刀架一般

4、(ybn)(ybn)根據(jù)驅(qū)動方式分根據(jù)驅(qū)動方式分為：為：普通電機驅(qū)動的電動刀架普通電機驅(qū)動的電動刀架; ;液壓馬達驅(qū)動的液壓刀架液壓馬達驅(qū)動的液壓刀架; ;伺服電機驅(qū)動的伺服刀架伺服電機驅(qū)動的伺服刀架; ;力矩電機直接驅(qū)動的直驅(qū)刀架。力矩電機直接驅(qū)動的直驅(qū)刀架。第4頁/共29頁第四頁，共29頁。v電動刀架是數(shù)控機床進行換刀的實現(xiàn)機構(gòu)(jgu)(jgu)，實現(xiàn)刀架上刀盤的轉(zhuǎn)動和刀盤的初定位、定位與夾緊的運動，以實現(xiàn)刀具的自動轉(zhuǎn)換，具有傳動機械結(jié)構(gòu)、電氣正反轉(zhuǎn)控制、PLCPLC編程控制等功能。常見的電動刀架中具有典型的結(jié)構(gòu)有TND360 TND360 刀架和LDB4LDB4刀架，這兩種刀架采用了不

5、同的傳動升降結(jié)構(gòu)，不同定位控制；但都實現(xiàn)了刀盤的正向換刀和反向鎖緊，刀盤的圓周定位功能。圖2.2 LDB4電動(din dn)刀架第5頁/共29頁第五頁，共29頁。v液壓刀架是集機、電、液于一體的主要機床附件，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)和機械定位(dngwi)(dngwi)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(dngwi)(dngwi)、精定位(dngwi)(dngwi)、夾緊五個主要動作。圖2.3 液壓刀架第6頁/共29頁第六頁，共29頁。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

6、也應(yīng)運而生，這種雙伺服的動力刀架主要(zhyo)(zhyo)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，因而結(jié)構(gòu)上有進一步整合和發(fā)展的空間。19901990年代，出現(xiàn)了單伺服動力刀架產(chǎn)品，這種動力刀架主要(zhyo)(zhyo)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(dngl)伺服刀架v伺服電動刀架主要用于高檔數(shù)控機床，其機械結(jié)構(gòu)簡單，剛性好，鎖緊迅速可靠(kko)。系統(tǒng)由刀架控制器、伺服電機、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。第7頁/共29頁第七頁，共29

7、頁。2.2.22.2.2動力(dngl)(dngl)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步，多軸向、高轉(zhuǎn)速成為工具機必備的條件，除了加工中心機走向機能復(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)合機無疑是一項新技術(shù)結(jié)合的工具機杰作，最大的優(yōu)點在于可輕易地在同一機臺上做復(fù)雜零件的加工，車銑復(fù)合機可同時進行車削( Turning )、鉆孔( Drilling )、攻牙( Thread Cutting )、端面切槽( Slot Cutting )、側(cè)面切槽( Keyw

8、ay Cutting )、側(cè)面銑削( Face Cutting )、角度鉆孔( C-axis Angle Drilling )、曲線銑削( Cam Cutting ).等等。即由一臺工具機即可完成一個零件的所有加工流程，大大降低上下料換機臺加工的時間，以及減少人為(rnwi)公差的機會，達到“Do In One”的加工概念（如圖2.5）。2.22.2動力(dngl)(dngl)刀架2.2.12.2.1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。第8頁/共29頁第八頁，共29頁。動力(dngl)刀架鉆孔、攻螺

9、紋 動力刀架角度(jiod)(jiod)鉆孔、銑削曲面 動力(dngl)刀架銑側(cè)平面 Do In One在新世代車銑復(fù)合機中，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)合機更臻完善。動力刀架銑削槽口圖2.5車銑概念復(fù)合機功能第9頁/共29頁第九頁，共29頁。（1 1）動力刀架是根據(jù)）動力刀架是根據(jù)(gnj)(gnj)動力刀和刀盤換刀是否用同一動力刀和刀盤換刀是否用同一個動力源將動力刀架分為：個動力源將動力刀架分為：圖2.6 單伺服動力(dngl)刀架圖2.7雙伺服動力(dngl)刀架單伺服刀架（圖2

10、.6）雙伺服刀架（圖2.7）2.2.3動力刀架分類第10頁/共29頁第十頁，共29頁。（2 2）動力刀架又根據(jù)動力刀與刀架軸線的角度）動力刀架又根據(jù)動力刀與刀架軸線的角度(jiod)(jiod)分為：分為：軸向伺服刀架（其刀盤如圖2.8）徑向(jn xin)伺服刀架（其刀盤如圖2.8）皇冠型伺服刀架（如圖2.8）第11頁/共29頁第十一頁，共29頁。圓型軸向刀盤多角型徑向(jn xin)刀盤皇冠(hun un)型刀架圖2.8第12頁/共29頁第十二頁，共29頁。圖2.9 Y軸動力(dngl)刀架圖2.10 B軸動力(dngl)刀架（3 3）動力刀架上動力刀的進給一般是依賴于刀架的進給）動力刀架

11、上動力刀的進給一般是依賴于刀架的進給系統(tǒng)，為提高動力刀的加工系統(tǒng)，為提高動力刀的加工(ji gng)(ji gng)范圍部分動力刀架范圍部分動力刀架增加增加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軸動力軸動力刀架（如圖刀架（如圖2.102.10）。）。第13頁/共29頁第十三頁，共29頁。（4 4）刀架鎖緊方式）刀架鎖緊方式(fngsh)(fngsh) 刀架的鎖緊方式直接影響到刀加的精度以及(yj)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） 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，

12、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 第14頁/共29頁第十四頁，共29頁。圖2.11 迪普馬刀(mdo)架第15頁/共29頁第十五頁，共29頁。3.3.動力動力(dngl)(dngl)刀架結(jié)構(gòu)刀架結(jié)構(gòu) 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(ync)在VDI規(guī)范占有較大的市占有率下，其后較小型的刀塔制造商以及工具機廠所自行研發(fā)

13、的動力刀塔也都會依循此規(guī)范。第16頁/共29頁第十六頁，共29頁。3.13.1三聯(lián)齒盤式轉(zhuǎn)塔動力三聯(lián)齒盤式轉(zhuǎn)塔動力(dngl)(dngl)刀架結(jié)構(gòu)分析刀架結(jié)構(gòu)分析 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、導向銷、主軸、傳動齒輪和伺服電機等。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，并通過導向銷與油腔端蓋相連。當需要轉(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(do wi)

14、后由伺服電機停止轉(zhuǎn)動并鎖緊，實現(xiàn)初定位；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，實現(xiàn)精定位。3.1.13.1.1三聯(lián)齒盤式轉(zhuǎn)塔三聯(lián)齒盤式轉(zhuǎn)塔(zhun t)(zhun t)動力動力刀架結(jié)構(gòu)刀架結(jié)構(gòu)第17頁/共29頁第十七頁，共29頁。圖3.1 三聯(lián)齒盤式轉(zhuǎn)塔動力(dngl)刀架結(jié)構(gòu)示意圖第18頁/共29頁第十八頁，共29頁。3.1.23.1.2三聯(lián)齒盤式轉(zhuǎn)塔三聯(lián)齒盤式轉(zhuǎn)塔(zhun t)(zhun t)動力刀架優(yōu)缺點動力刀架優(yōu)缺點 優(yōu)點：優(yōu)點： 鎖緊齒盤質(zhì)量小，滑移速度快，且沖擊小。鎖緊齒盤質(zhì)量小，滑移速度快，且沖擊小。 缺點：缺點： 齒盤間裝配間隙和誤差難調(diào)整齒盤

15、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3.23.2所示；如果鎖緊齒盤與動齒盤緊密結(jié)合則無法與定所示；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，如圖齒盤緊密結(jié)合，如圖3.33.3所示。如此造成三聯(lián)齒盤的接所示。如此造成三聯(lián)齒盤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)生觸面的剛度降低，刀架的重復(fù)定位精度減小，甚至發(fā)生(fshng

16、)“(fshng)“吃刀吃刀”現(xiàn)象?，F(xiàn)象。其中(qzhng)：111為動齒盤，112為定齒盤，113為鎖緊齒盤。 圖3.2圖3.3第19頁/共29頁第十九頁，共29頁。3.1.33.1.3技術(shù)技術(shù)(jsh)(jsh)改進改進 對于這種情況，在不改進刀架結(jié)構(gòu)的前提下，可以對加工及裝配工藝加以改進，加工過程中嚴格保證安裝面的精度要求；裝配過程中，對于誤差大的零件(ln jin)的安裝表面進行刮研處理，已達到合理的裝配誤差。第20頁/共29頁第二十頁，共29頁。3.23.2皇冠型轉(zhuǎn)塔皇冠型轉(zhuǎn)塔(zhun t)(zhun t)動力刀架結(jié)構(gòu)分析動力刀架結(jié)構(gòu)分析3.2.1德國Sauter的皇冠(hun u

17、n)型動力刀架，其結(jié)構(gòu)圖如圖3.4、3.5所示圖3.4 皇冠(hun un)型動力刀架第21頁/共29頁第二十一頁，共29頁。 此種刀架主要用于專用機床上，并且只能安裝動力刀，由于刀架的換刀過程中涉及到面齒輪，目前我國還無法加工，因此這種刀架基本都是從外國(wigu)進口，且價格昂貴。 圖3.5 皇冠型動力(dngl)刀架結(jié)構(gòu)簡圖第22頁/共29頁第二十二頁，共29頁。3.2.23.2.2為了改進刀架的傳動以及換刀方式為了改進刀架的傳動以及換刀方式(fngsh)(fngsh)，美國專利提出了自己的結(jié)構(gòu)方案，如圖美國專利提出了自己的結(jié)構(gòu)方案，如圖3.63.6圖3.6 皇冠型刀具連續(xù)旋轉(zhuǎn)動力(dn

18、gl)伺服轉(zhuǎn)塔刀架結(jié)構(gòu)圖第23頁/共29頁第二十三頁，共29頁。圖3.7 分度機構(gòu)(jgu)圖3.8 定位(dngwi)機構(gòu)v分度機構(gòu)分度機構(gòu)(jgu)及定位機構(gòu)及定位機構(gòu)(jgu)第24頁/共29頁第二十四頁，共29頁。v優(yōu)點優(yōu)點(yudin)(yudin)及不足及不足優(yōu)點：換刀迅速(xn s)摩擦小不足(bz)：功率利用率低定位方式剛度低圖3.9第25頁/共29頁第二十五頁，共29頁。v改進改進(gijn)(gijn)與優(yōu)化與優(yōu)化由于此種刀架的結(jié)構(gòu)上導致刀架剛度低，精度差，因此無法在制造機裝配上進行技術(shù)改進，但此種刀架的設(shè)計思路給了我們(w men)很大的啟發(fā)。根據(jù)這種刀架的結(jié)構(gòu)思路：在其動力傳遞方式(fngsh)上，增加過渡輪機構(gòu)