數(shù)控機(jī)床刀架設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)控制畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書

目錄前言 11國(guó)內(nèi)外數(shù)控開(kāi)展歷史 31.1國(guó)內(nèi)外數(shù)控車床的研究狀況與成果 31.2數(shù)控刀架的開(kāi)展趨勢(shì) 62數(shù)控刀架整體方案設(shè)計(jì) 82.1數(shù)控機(jī)床刀架應(yīng)滿足的要求 82.2動(dòng)力刀架的整體方案設(shè)計(jì) 92.3數(shù)控機(jī)床刀架的類型 102.4數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的開(kāi)發(fā)應(yīng)用 12刀架的工作原理 132.6刀架定位精度及重復(fù)定位精度 153數(shù)控機(jī)床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 163.1步進(jìn)電機(jī)的選用 163.2.1齒輪傳動(dòng)的分類和特點(diǎn) 173.2.2齒輪傳動(dòng)類型選擇的原那么 183.3蝸桿及蝸輪的選用與校核 18選擇傳動(dòng)的類型 183選擇材料和確定許用應(yīng)力 18按接觸強(qiáng)度確定主要參數(shù) 193.4蝸桿軸的設(shè)計(jì) 213.4.1蝸桿軸的材料選擇，確定許用應(yīng)力 213.4.2按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度初步估算軸的最小直徑 213.4.3確定各軸段的直徑和長(zhǎng)度 21蝸桿軸的校核 223.4.5鍵的選取與校核 263.5蝸輪軸的設(shè)計(jì) 273.5.1蝸輪軸材料的選擇，確定需用應(yīng)力 273.5.2按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，初步估計(jì)軸的最小直徑 27確定各軸段的直徑和長(zhǎng)度 27中心軸的設(shè)計(jì) 283.6.1刀架軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 283.6.2確定各軸段的直徑和長(zhǎng)度 28軸的校核 303.7齒盤的設(shè)計(jì) 30齒盤的材料選擇和精度等級(jí) 313.7.2確定齒盤參數(shù) 313.7.3按接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算 313.8軸承的選擇 333.8.1.軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu) 333.8.2.軸承分類與特點(diǎn) 333.8.3滾動(dòng)軸承的配合 343.8.4滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑 353.8.5滾動(dòng)軸承的密封裝置 354．電氣控制局部設(shè)計(jì) 374.1硬件電路設(shè)計(jì) 374.2.控制軟件設(shè)計(jì) 395總結(jié) 45致謝 46參考文獻(xiàn) 47附錄A 49附錄Ｂ 60前言制造業(yè)是一個(gè)國(guó)家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)開(kāi)展的重要支柱，其開(kāi)展水平標(biāo)志著該國(guó)或地區(qū)經(jīng)濟(jì)的實(shí)力，科技水平，生活水準(zhǔn)和國(guó)防實(shí)力。國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)歸根到底是各國(guó)制造生產(chǎn)能力及機(jī)械制造裝備的競(jìng)爭(zhēng)。自從20世紀(jì)60年代世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床問(wèn)世以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和機(jī)械制造技術(shù)等各相關(guān)領(lǐng)域的開(kāi)展，數(shù)控技術(shù)已成為現(xiàn)代先進(jìn)制造系統(tǒng)(FMS，CIMS等)中不可缺少的根底技術(shù)。由于機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜，種類繁多?，F(xiàn)在數(shù)控機(jī)床的“使用難、維修難”問(wèn)題，已經(jīng)是影響數(shù)控機(jī)床有效利用的首要問(wèn)題。工業(yè)興旺國(guó)家都非常注重機(jī)械制造業(yè)的開(kāi)展，為了用先進(jìn)技術(shù)和工藝裝備制造業(yè)，機(jī)械制造裝備工業(yè)得到先開(kāi)展。比照之下，我國(guó)目前機(jī)械制造業(yè)的裝備水平還比擬落后，表現(xiàn)在大局部工廠的機(jī)械制造裝備根本上是通用機(jī)床加專用工藝裝備，數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重還非常低，導(dǎo)致“剛性”強(qiáng),更新產(chǎn)品速度慢，生產(chǎn)批量不宜太小，生產(chǎn)品種不宜過(guò)多；自動(dòng)化程度根本上還是“一個(gè)工人，一把刀，一臺(tái)機(jī)床”，導(dǎo)致勞動(dòng)生產(chǎn)率低下，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。因此，要縮小我國(guó)同工業(yè)興旺國(guó)家的差距,我們必須在機(jī)械制造裝備方面大下功夫，其中最重要的一個(gè)方面就是增加數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重。本課題數(shù)控機(jī)床刀架設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)控制，該刀架能夠在一次裝夾中完成多道工序，使加工范圍擴(kuò)大，大大提高了加工精度和生產(chǎn)效率。本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為：1〕數(shù)控機(jī)床動(dòng)力轉(zhuǎn)塔刀架總體布局設(shè)計(jì)；2〕動(dòng)力刀架傳動(dòng)局部設(shè)計(jì)；3〕動(dòng)力刀架分度機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；4〕動(dòng)力刀架運(yùn)動(dòng)控制；刀架整體設(shè)計(jì)和刀架運(yùn)動(dòng)控制局部設(shè)計(jì)是這次設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)內(nèi)容，同時(shí)也是難點(diǎn)。通過(guò)廣泛查閱文獻(xiàn)資料，參觀數(shù)控車床實(shí)物樣機(jī)以及與指導(dǎo)老師相互討論等途徑，擬定了如下的研究手段：回轉(zhuǎn)刀架的換刀分為刀盤抬起、刀架鎖緊和刀盤轉(zhuǎn)位三個(gè)動(dòng)作，刀架轉(zhuǎn)位那么由伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。刀盤轉(zhuǎn)位動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)順經(jīng)以下步驟：數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀盤轉(zhuǎn)位的命令伺服電機(jī)啟動(dòng)渦輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)刀架主軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)位。1國(guó)內(nèi)外數(shù)控開(kāi)展歷史國(guó)內(nèi)外數(shù)控車床的研究狀況與成果本章重點(diǎn)介紹數(shù)控機(jī)床在國(guó)內(nèi)外的開(kāi)展情況，以及國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床的開(kāi)展趨勢(shì)美、德、日三國(guó)是當(dāng)今世上在數(shù)控機(jī)床科研、設(shè)計(jì)、制造和使用上，技術(shù)最先進(jìn)、經(jīng)驗(yàn)最多的國(guó)家。因其社會(huì)條件不同，各有特點(diǎn)。美國(guó)政府重視機(jī)床工業(yè)，美國(guó)國(guó)防部等部門因其軍事方面的需求而不斷提出機(jī)床的開(kāi)展方向、科研任務(wù),并且提供充足的經(jīng)費(fèi)，且網(wǎng)羅世界人才，特別講究“效率”和“創(chuàng)新”，注重根底科研。因而在機(jī)床技術(shù)上不斷創(chuàng)新，如1952年研制出世界第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床、1958年創(chuàng)制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首創(chuàng)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)等。由於美國(guó)首先結(jié)合汽車、軸承生產(chǎn)需求，充分開(kāi)展了大量大批生產(chǎn)自動(dòng)化所需的自動(dòng)線，而且電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)在世界上領(lǐng)先，因此其數(shù)控機(jī)床的主機(jī)設(shè)計(jì)、制造及數(shù)控系統(tǒng)根底扎實(shí)，且一貫重視科研和創(chuàng)新，故其高性能數(shù)控機(jī)床技術(shù)在世界也一直領(lǐng)先。當(dāng)今美國(guó)生產(chǎn)宇航等使用的高性能數(shù)控機(jī)床，其存在的教訓(xùn)是，偏重於根底科研，無(wú)視應(yīng)用技術(shù)，且在上世紀(jì)80代政府一度放松了引導(dǎo)，致使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量增加緩慢，于1982年被后進(jìn)的日本超過(guò)，并大量進(jìn)口。從90年代起，糾正過(guò)去偏向，數(shù)控機(jī)床技術(shù)上轉(zhuǎn)向?qū)嵱?，產(chǎn)量又逐漸上升。德國(guó)政府一貫重視機(jī)床工業(yè)的重要戰(zhàn)略地位，在多方面大力扶植。，於1956年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床后，德國(guó)特別注重科學(xué)試驗(yàn)，理論與實(shí)際相結(jié)合，根底科研與應(yīng)用技術(shù)科研并重。企業(yè)與大學(xué)科研部門緊密合作，對(duì)數(shù)控機(jī)床的共性和特性問(wèn)題進(jìn)行深入的研究，在質(zhì)量上精益求精。德國(guó)的數(shù)控機(jī)床質(zhì)量及性能良好、先進(jìn)實(shí)用、貨真價(jià)實(shí)，出口普及世界。尤其是大型、重型、精密數(shù)控機(jī)床。德國(guó)特別重視數(shù)控機(jī)床主機(jī)及配套件之先進(jìn)實(shí)用，其機(jī)、電、液、氣、光、刀具、測(cè)量、數(shù)控系統(tǒng)、各種功能部件，在質(zhì)量、性能上居世界前列。如西門子公司之?dāng)?shù)控系統(tǒng)，均為世界聞名，競(jìng)相采用。日本政府對(duì)機(jī)床工業(yè)之開(kāi)展異常重視，通過(guò)規(guī)劃、法規(guī)(如“機(jī)振法”、“機(jī)電法”、“機(jī)信法”等)引導(dǎo)開(kāi)展。在重視人才及機(jī)床元部件配套上學(xué)習(xí)德國(guó)，在質(zhì)量管理及數(shù)控機(jī)床技術(shù)上學(xué)習(xí)美國(guó)，甚至青出于藍(lán)而勝于藍(lán)。自1958年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床后，1978年產(chǎn)量(7,342臺(tái))超過(guò)美國(guó)(5,688臺(tái))，至今產(chǎn)量、出口量一直居世界首位(2001年產(chǎn)量46,604臺(tái)，出口27,409臺(tái)，占59%)。戰(zhàn)略上先仿后創(chuàng)，先生產(chǎn)量大而廣的中檔數(shù)控機(jī)床，大量出口，占去世界廣闊市場(chǎng)。在上世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)一步加強(qiáng)科研，向高性能數(shù)控機(jī)床開(kāi)展。日本FANUC公司戰(zhàn)略正確，仿創(chuàng)結(jié)合，針對(duì)性地開(kāi)展市場(chǎng)所需各種低中高檔數(shù)控系統(tǒng)，在技術(shù)上領(lǐng)先，在產(chǎn)量上居世界第一。該公司現(xiàn)有職工3,674人，科研人員超過(guò)600人，月產(chǎn)能力7,000套，銷售額在世界市場(chǎng)上占50%，在國(guó)內(nèi)約占70%，對(duì)加速日本和世界數(shù)控機(jī)床的開(kāi)展起了重大促進(jìn)作用。日本機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)已制定2010至2025年機(jī)床技術(shù)革新戰(zhàn)略，重點(diǎn)在強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)連接加工型態(tài)、信息化/智能化對(duì)應(yīng)技術(shù)、遠(yuǎn)距離診斷/控制、三維電腦輔助設(shè)計(jì)/電腦輔助制造〔3DCAD/CAM〕、環(huán)境調(diào)和、省能源、微小化、高精度、高速化對(duì)應(yīng)技術(shù)等。日本雖經(jīng)歷十年不景氣，但機(jī)床廠對(duì)未來(lái)十年市場(chǎng)仍樂(lè)觀。各廠紛紛加強(qiáng)信息科技技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、環(huán)境保護(hù)、人材培養(yǎng)、經(jīng)營(yíng)彈性、顧客滿意度、收益能力等我國(guó)從1958年開(kāi)始研究數(shù)控機(jī)床，一直到20世紀(jì)60年代中期還處于研制開(kāi)發(fā)時(shí)期。當(dāng)時(shí)，一些高等院校，科研單位研制出試樣樣機(jī)，是從電子管起步的。1965年，國(guó)內(nèi)開(kāi)始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代末至70年代初研制成了圓錐數(shù)控銑床，數(shù)控非圓齒輪插齒機(jī)。CIL—18晶體管數(shù)控系統(tǒng)及Z53K—1G從20世紀(jì)70年代開(kāi)始,數(shù)控技術(shù)在車、銑、鏜、磨，齒輪加工，電加工等領(lǐng)域全面展開(kāi)，數(shù)控加工中心在上海，北京研制成功。但由于電子元器件的質(zhì)量和制造工藝水平差，致使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性,穩(wěn)定性末行到解決，因此未能廣泛推廣。20世紀(jì)80年代，我國(guó)從昌本發(fā)那科公司引進(jìn)了3,5,6,7等系列的數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服電機(jī)，直流主軸電機(jī)等制造技術(shù)，以及引進(jìn)美國(guó)GE公司的MCI系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)，德國(guó)西門子VS系列可控硅調(diào)速裝置，并進(jìn)行了商品化生產(chǎn).這些系統(tǒng)可靠性高，功能齊全。與此同時(shí)，還自行開(kāi)發(fā)了3、4、5軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)以及雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的同步數(shù)控系統(tǒng)(用于火焰切割機(jī))和新品種的伺服電機(jī)，推動(dòng)了我國(guó)數(shù)控機(jī)床穩(wěn)定開(kāi)展，使我國(guó)數(shù)控機(jī)床在性能和質(zhì)量上產(chǎn)生了一個(gè)質(zhì)的飛躍。1985年，我國(guó)數(shù)控機(jī)床的品種有了新的開(kāi)展。數(shù)控機(jī)床品種不斷增多，規(guī)格齊全。許多技術(shù)復(fù)雜的大型數(shù)控機(jī)床，重型數(shù)控機(jī)床都相繼研制出來(lái)。為了跟蹤國(guó)外現(xiàn)代制造技術(shù)的開(kāi)展，北京機(jī)床研究所研制出了JCS-FMS-1型和2型的柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng)。這個(gè)時(shí)期，我國(guó)在引進(jìn)，消化國(guó)外技術(shù)的根底上，進(jìn)行了大量開(kāi)發(fā)工作。一些較高檔次的數(shù)控系統(tǒng)(5軸聯(lián)動(dòng))，分辨率為的高精度數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)字模仿型數(shù)控系統(tǒng)為柔性單元配套的數(shù)控系統(tǒng)都開(kāi)發(fā)出來(lái)了，并造出樣機(jī)。我國(guó)的數(shù)控技術(shù)經(jīng)過(guò)“六五”，“七五”，“八五”，到“九五”的近20年的開(kāi)展，根本上掌握了關(guān)鍵技術(shù)，建立了數(shù)控開(kāi)發(fā)，生產(chǎn)基地，培養(yǎng)了一批數(shù)控人才，初步形成了自己的數(shù)控產(chǎn)業(yè)。“十五”攻關(guān)開(kāi)發(fā)的成果：華中號(hào)、中華號(hào)、航天號(hào)和藍(lán)天號(hào)4種根本系統(tǒng)建立了具有中國(guó)自主版機(jī)的數(shù)控技術(shù)平臺(tái)。具有中國(guó)特色經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過(guò)這些年來(lái)的開(kāi)展，有了較大的提高。它們逐漸被用戶認(rèn)可，在市場(chǎng)上站住了腳。目前我國(guó)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠有100多家，生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床配套產(chǎn)品的企業(yè)有300余家，產(chǎn)品品種包括八大類2000種以上。目前已新開(kāi)發(fā)出數(shù)控系統(tǒng)80余種，分為3種型級(jí)，即經(jīng)濟(jì)型，普及型和高級(jí)型。“九五”期間數(shù)控機(jī)床開(kāi)展已進(jìn)入實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化階段，數(shù)控機(jī)床新開(kāi)發(fā)品種300余種，已有一定的覆蓋面。新開(kāi)發(fā)的國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品大局部到達(dá)期際上20世紀(jì)80年代中期水平，局部到達(dá)90年代水平，為國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)提供了一批高水平數(shù)控機(jī)床。數(shù)控刀架的開(kāi)展趨勢(shì)隨著數(shù)控車床的開(kāi)展，數(shù)控刀架開(kāi)始向快速換刀、電、液組合驅(qū)動(dòng)和伺服驅(qū)動(dòng)方向開(kāi)展。目前國(guó)內(nèi)數(shù)控刀架以電動(dòng)為主，分為立式和臥式兩種。立式刀架有四、六工位兩種形式，主要用于簡(jiǎn)易數(shù)控車床；臥式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋轉(zhuǎn)，就近選刀，用于全功能數(shù)控車床。另外臥式刀架還有液動(dòng)刀架和伺服驅(qū)動(dòng)刀架。為進(jìn)一步提高數(shù)控機(jī)床的加工效率，數(shù)控機(jī)床正在向著工件在一臺(tái)機(jī)床一次裝夾即可完成多道工序或全部工序加工的方向開(kāi)展，因此出現(xiàn)了各種類型的加工中心機(jī)床，如車削中心、鏜銑加工中心、鉆削中心等等。這類多工序加工的數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中要使用多種刀具，因此必須有自動(dòng)換刀裝置，以便選用不同刀具，完成不同工序的加工工藝。自動(dòng)換刀裝置應(yīng)當(dāng)具備換刀時(shí)間短、刀具重復(fù)定位精度高、足夠的刀具儲(chǔ)藏量、占地面積小、平安可靠等特性。數(shù)控機(jī)床上的刀架是安放刀具的重要部件，許多刀架還直接參與切削工作，如臥式車床上的四方刀架，轉(zhuǎn)塔車床的轉(zhuǎn)塔刀架，回輪式轉(zhuǎn)塔車床的回輪刀架，自動(dòng)車床的轉(zhuǎn)塔刀架和天平刀架等。這些刀架既安放刀具，而且還直接參與切削，承受極大的切削力作用，所以它往往成為工藝系統(tǒng)中的較薄弱環(huán)節(jié)。隨著自動(dòng)化技術(shù)的開(kāi)展，機(jī)床的刀架也有了許多變化，特別是數(shù)控車床上采用電(液)換位的自動(dòng)刀架，有的還使用兩個(gè)回轉(zhuǎn)刀盤。加工中心那么進(jìn)一步采用了刀庫(kù)和換刀機(jī)械手，定現(xiàn)了大容量存儲(chǔ)刀具和自動(dòng)交換刀具的功能，這種刀庫(kù)安放刀具的數(shù)量從幾十把到上百把，自動(dòng)交換刀具的時(shí)間從十幾秒減少到幾秒甚至零點(diǎn)幾秒。這種刀庫(kù)和換刀機(jī)械手組成的自動(dòng)換刀裝置，就成為加工中心的主要特征。因此，刀架的性能和結(jié)構(gòu)往往直接影響到機(jī)床的切削性能、切削效率和表達(dá)了機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)水平2數(shù)控刀架整體方案設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床刀架應(yīng)滿足的要求1〕滿足工藝過(guò)程所提出的要求。機(jī)床依靠刀具和工件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成工件外表，而工件的外表形狀和外表位置的不同，要求刀架能夠布置足夠多的刀具，而且能夠方便而正確地加工各工件外表，為了實(shí)現(xiàn)在工件的一次安裝中完成多工序加工，所以要求刀架可以方便地轉(zhuǎn)位。

2〕在刀架以要能牢固地安裝刀具，在刀架上安裝刀具進(jìn)還應(yīng)能精確地調(diào)整刀具的位置，采用自動(dòng)交換刀具時(shí)，應(yīng)能保證刀具交換前后都能處于正確位置。以保證刀具和工件間準(zhǔn)確的相對(duì)位置。刀架的運(yùn)動(dòng)精度將直接反映到加工工件的幾何形狀精度和外表粗糙度上，為此，刀架的運(yùn)動(dòng)軌跡必須準(zhǔn)確，運(yùn)動(dòng)應(yīng)平穩(wěn)，刀架運(yùn)轉(zhuǎn)的終點(diǎn)到位應(yīng)準(zhǔn)確。面且這種精度保持性要好，以便長(zhǎng)期保持刀具的正確位置。

3〕刀架應(yīng)具有足夠的剛度。由于刀具的類型、尺寸各異，重量相差很大，刀具在自動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程中方向變換較復(fù)雜，而且有些刀架還直接承受切削力?？紤]到采用新型刀具材料和先進(jìn)的切削用量，所以刀架必須具有足夠的剛度，以使切削過(guò)程和換刀過(guò)程平穩(wěn)。

4〕可靠性高。由于刀架在機(jī)床工作過(guò)程中，使用次數(shù)很多，而且使用頻率也高，所以必須充分重視它的可靠性。

5〕—6秒之間不等。而且還在進(jìn)一步縮短。

6〕操作方便和平安。刀架是工人經(jīng)常操作的機(jī)床部件之一，因此它的操作是否方便和平安，往往是評(píng)價(jià)刀架設(shè)計(jì)好壞的指標(biāo)。刀架上應(yīng)便于工人裝刀和調(diào)刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作調(diào)整刀架的手柄〔或手輪〕要省力，應(yīng)盡量設(shè)置在便于操作的地方。2.2動(dòng)力刀架的整體方案設(shè)計(jì)刀架是車床的重要組成局部，加工中心的動(dòng)力刀架可安裝各種非動(dòng)力輔助刀夾和動(dòng)力刀夾進(jìn)行加工，用于夾持加工用的刀具,因此其結(jié)構(gòu)直接影響到車床的加工性能和加工效率。刀架采用端齒分度，轉(zhuǎn)位由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，刀位由二進(jìn)制絕對(duì)編碼器識(shí)別，動(dòng)力刀具由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)同步齒形帶等將動(dòng)力傳遞到刀夾。各類數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換到裝置的結(jié)構(gòu)取決于機(jī)床的類型、工藝范圍、使用刀具種類和數(shù)量。數(shù)控機(jī)床常用的自動(dòng)換刀裝置的類型、特點(diǎn)、適用范圍見(jiàn)表1-1。表1-1自動(dòng)換刀裝置類型Table1-1tradetheknifeinstallmenttypeautomatically類別型式特點(diǎn)適用范圍轉(zhuǎn)塔式回轉(zhuǎn)刀架多為順序換刀，換刀時(shí)間短、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、容納刀具較少各種數(shù)控車床，數(shù)控車削加工中心轉(zhuǎn)塔頭順序換刀，換刀時(shí)間短，刀具主軸都集中在轉(zhuǎn)塔頭上，結(jié)構(gòu)緊湊。但剛性較差，刀具主軸數(shù)受限制數(shù)控鉆、鏜、銑床刀庫(kù)式刀具與主軸之間直接換刀換刀運(yùn)動(dòng)集中，運(yùn)動(dòng)不見(jiàn)少。但刀庫(kù)容量受限各種類型的自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床。尤其是對(duì)使用回轉(zhuǎn)類刀具的數(shù)控鏜、銑床類立式、臥式加工中心機(jī)床要根據(jù)工藝范圍和機(jī)床特點(diǎn)，確定刀庫(kù)容量和自動(dòng)換刀裝置類型用機(jī)械手配合刀庫(kù)進(jìn)行換刀刀庫(kù)只有選刀運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手進(jìn)行換刀運(yùn)動(dòng)，刀庫(kù)容量大數(shù)控機(jī)床刀架的類型按換刀方式的不同，數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉(zhuǎn)刀架、排式刀架和帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置等多種形式，下面對(duì)這三種形式的刀架作簡(jiǎn)單的介紹。1〕排式刀架：排式刀架一般用于小規(guī)格數(shù)控車床，以加工棒料或盤類零件為主。其結(jié)構(gòu)形式為：夾持著各種不同用途刀具的刀夾沿著機(jī)床的X坐標(biāo)軸方向排列在橫向滑板上。刀具的典型布置方式如下圖。這種刀架在刀具布置和機(jī)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(dòng)預(yù)先設(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(jī)床的換刀動(dòng)作。這種換刀方式迅速省時(shí)，有利于提高機(jī)床的生產(chǎn)效率。寶雞機(jī)床廠生產(chǎn)的CK7620P全功能數(shù)控車床配置的就是排式刀架。

2〕回轉(zhuǎn)刀架：回轉(zhuǎn)刀架是數(shù)控車床最常用的一種典型換刀刀架，一般通過(guò)液壓系統(tǒng)或電氣來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)換刀動(dòng)作，根據(jù)加工要求可設(shè)計(jì)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(dòng)作可分為刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位和刀架鎖緊等幾個(gè)步驟。它的動(dòng)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(duì)位置，分為立式刀架和臥式刀架兩種。

3〕帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置：上述排式刀架和回轉(zhuǎn)刀架所安裝的刀具都不可能太多，即使是裝備兩個(gè)刀架，對(duì)刀具的數(shù)目也有一定限制。當(dāng)由于某種原因需要數(shù)量較多的刀具時(shí)，應(yīng)采用帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置。帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置由刀庫(kù)和刀具交換機(jī)構(gòu)組成。

(a)回轉(zhuǎn)刀架(b)排式刀架圖機(jī)床刀架類型結(jié)構(gòu)圖Figure2.1typesofmachinetoolstructure本次設(shè)計(jì)的刀架是四工位刀架，刀位較少，且要求精度較高，所以可以選擇回轉(zhuǎn)刀架和排式刀架，且一次裝夾中完成多工序加工，縮短輔助時(shí)間，減少屢次安裝所引起的加工誤差保證轉(zhuǎn)位具有高的重復(fù)定位精度具有轉(zhuǎn)位快，定位精度高，切向扭矩大的特點(diǎn)。而電動(dòng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速為35r/min，最高轉(zhuǎn)速為4000r/min，額定轉(zhuǎn)速為ne=2000r/min刀具順利換刀，因此需要很高的穩(wěn)定性。對(duì)于以上三種刀架，排式刀架加工棒料或盤類零件為主，局限性較大，同時(shí)定位精度不高，況且排式刀架往復(fù)運(yùn)動(dòng)幅度較大，占用空間多。綜上，本次設(shè)計(jì)選用回轉(zhuǎn)刀架作為設(shè)計(jì)對(duì)象，其具有換刀時(shí)間短、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、容納刀具較少的特點(diǎn)，所以較為適宜，對(duì)于回轉(zhuǎn)刀架根據(jù)安裝方式的不同可分為立式和臥式兩種根據(jù)機(jī)械定位方式的不同，自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架又可分為端齒盤定位型和三齒盤定位型等。其中斷齒盤定位型換刀時(shí)刀架需抬起，換刀速度較慢且密封性較差，但其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。三齒盤定位型又叫免抬型，其特點(diǎn)是換刀時(shí)刀架不抬起，因此換刀時(shí)速度快且密封性好，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。由于本人初次設(shè)計(jì)數(shù)控刀架，所以選擇較為簡(jiǎn)單的端齒盤定位，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。同時(shí)，自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強(qiáng)度和剛性，以承受粗加工時(shí)的切削抗力。為了保證轉(zhuǎn)位具有高的重復(fù)定位精度，自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架還要選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的自動(dòng)換刀時(shí)由控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。發(fā)信轉(zhuǎn)位采用霍爾元件，使用壽命長(zhǎng)。根據(jù)以上對(duì)機(jī)床刀架類型、性能及其使用場(chǎng)合的綜合比擬，并結(jié)合現(xiàn)有數(shù)控車床的實(shí)例，本次設(shè)計(jì)的動(dòng)力刀架為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)塔式自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架。數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的開(kāi)發(fā)應(yīng)用數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架是加工中心、數(shù)控車床必備的機(jī)床附件，尤其適用全功能數(shù)控車床。當(dāng)前，數(shù)控機(jī)床開(kāi)展迅猛，一方面向高速、高效、高精度方面開(kāi)展，同時(shí)，在制造行業(yè)中廣泛存在原有設(shè)備的數(shù)控改造和系統(tǒng)升級(jí)問(wèn)題。作為關(guān)鍵附件，高性能的數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架對(duì)于提高機(jī)床整體運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性和效率有著重要意義，數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架是由數(shù)控系統(tǒng)來(lái)控制的，因此，在轉(zhuǎn)塔刀架本身性能提高的情況下，如何實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)就顯得十分重要了。數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架是以回轉(zhuǎn)分度實(shí)現(xiàn)刀具自動(dòng)交換及回轉(zhuǎn)動(dòng)力刀具的傳動(dòng)。因此技術(shù)含量高，已趨向?qū)I(yè)化開(kāi)發(fā)生產(chǎn)。所以對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的研究開(kāi)發(fā)及應(yīng)用已引起數(shù)控機(jī)床行業(yè)重視。典型數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架一般由動(dòng)力源〔電機(jī)或油缸、液壓馬達(dá)〕、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、預(yù)分度機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、檢測(cè)裝置、接口電路、刀具安裝臺(tái)〔刀盤〕、動(dòng)力刀座等組成。數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的動(dòng)作循環(huán)為：T指令〔換刀指令〕刀盤放松轉(zhuǎn)位刀位檢測(cè)預(yù)分度精確定位刀盤鎖緊結(jié)束信號(hào)。2.5刀架的工作原理 回轉(zhuǎn)刀架的工作原理為機(jī)械螺紋自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，其工作過(guò)程如下：1)刀架抬起當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后,通過(guò)接口電路使電機(jī)正轉(zhuǎn),經(jīng)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)3、蝸輪螺紋即螺母機(jī)構(gòu)延逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),此時(shí)由于上下齒盤40、6處于嚙合狀態(tài)，在絲桿螺母機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使上刀架體產(chǎn)生向上的軸向力將上齒盤40松開(kāi)并抬起,直至兩定位齒盤40、6脫離嚙合狀態(tài),從而帶動(dòng)上刀架和齒盤產(chǎn)生“上臺(tái)”動(dòng)作。2)刀架轉(zhuǎn)位當(dāng)圓套13逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)150°時(shí)，齒盤40、6完全脫開(kāi)，此時(shí)銷釘準(zhǔn)確進(jìn)入圓套13中的凹槽中，帶動(dòng)刀架體轉(zhuǎn)位。3)刀架定位當(dāng)上刀架轉(zhuǎn)到需要到位后〔旋轉(zhuǎn)90°、180°或270°〕，數(shù)控裝置發(fā)出的換刀指令使霍爾開(kāi)關(guān)19中的某一個(gè)選通,當(dāng)磁性板18與被選通的霍爾開(kāi)關(guān)對(duì)齊后,霍爾開(kāi)關(guān)反應(yīng)信號(hào)使電機(jī)反轉(zhuǎn),插銷39在彈簧力作用下進(jìn)入反靠盤7地槽中進(jìn)行粗定位，上刀架體停止轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)繼續(xù)反轉(zhuǎn)，使其在該位置落下，通過(guò)螺母絲桿機(jī)構(gòu)使上刀架移到齒盤40、6重新嚙合,實(shí)現(xiàn)精確定位。4)刀架壓緊刀架精確定位后，電機(jī)及許反轉(zhuǎn)，夾緊刀架，當(dāng)兩齒盤增加到一定夾緊力時(shí)，電機(jī)由數(shù)控裝置停止反轉(zhuǎn)，防止電機(jī)不停反轉(zhuǎn)而過(guò)載毀壞，從而完成一次換刀過(guò)程。圖2.2自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架Figure2.2AutomaticRotaryTool2.6刀架定位精度及重復(fù)定位精度定位精度是指轉(zhuǎn)塔到位后，刀架指定工位把刀孔中心線與設(shè)計(jì)中心線在豎直平面內(nèi)的偏差。重復(fù)定位精度是指刀架各工位反復(fù)鎖緊屢次后的偏差平均值。由于該刀架轉(zhuǎn)塔到位前，控制刀架初定位的霍爾元件發(fā)出信號(hào)使控制電機(jī)的電磁閥斷電，此時(shí)電機(jī)內(nèi)部的機(jī)械自鎖部件使電機(jī)停在預(yù)定位置上，所以刀架具有較高的定位精度和重復(fù)定位精度。3數(shù)控機(jī)床自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床加工中心自驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架主要由三局部組成：動(dòng)力源，變速傳動(dòng)裝置和刀架體。采用變頻電機(jī)作為其動(dòng)力源，渦輪蝸桿傳動(dòng)作為其變速傳動(dòng)裝置3.1步進(jìn)電機(jī)的選用動(dòng)力刀架的轉(zhuǎn)位需要渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而驅(qū)動(dòng)蝸輪軸旋轉(zhuǎn)是由電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，電機(jī)的選擇要滿足所需負(fù)載和轉(zhuǎn)矩。從而需要我們對(duì)電機(jī)進(jìn)一步的選擇。許多機(jī)械加工需要微量進(jìn)給。要實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給，步進(jìn)電機(jī)、直流伺服交流伺服電機(jī)都可作為驅(qū)動(dòng)元件。對(duì)于后兩者，必須使用精密的傳感器并構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給。在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，廣泛采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行單元。這是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1〕直接采用數(shù)字量進(jìn)行控制;2〕轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，啟動(dòng)、停止方便；3〕本錢低；4〕無(wú)誤差積累；5〕定位準(zhǔn)確；6〕低頻率特性比擬好；7〕調(diào)速范圍較寬；采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)單元，其機(jī)構(gòu)也比擬簡(jiǎn)單，主要是變速齒輪副、滾珠絲杠副，以克服爬行和間隙等缺乏。通常步進(jìn)電機(jī)每加一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)脈沖當(dāng)量；但由于其脈沖當(dāng)量一般較大，如，在數(shù)控系統(tǒng)中為了保證加工精度，廣泛采用步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)。由于課題要求電動(dòng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速為35r/min，最高轉(zhuǎn)速為4000r/min，額定轉(zhuǎn)速為ne=2000r/min。要求4把刀更換。因?yàn)榈都苌仙⑾陆蹈鬓D(zhuǎn)150°，刀架轉(zhuǎn)位至少需90°，所以蝸輪轉(zhuǎn)的角度ａ=390°考慮刀架只需小功率驅(qū)動(dòng)，為減少生產(chǎn)本錢，選用JD60電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速為1400r/min,額定功率為60W。3.2變速傳動(dòng)裝置的選擇3齒輪傳動(dòng)的分類和特點(diǎn)其特點(diǎn)：1〕瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定。非圓齒輪傳動(dòng)的瞬時(shí)傳動(dòng)比又能按需要的變化規(guī)律來(lái)設(shè)計(jì)。2〕傳動(dòng)比范圍大，可用于減速或增速。3〕速度〔指節(jié)圓圓周速度〕和傳動(dòng)功率的范圍大，可用于高速(v>40m/s)、中速和低速(v>25m/s)的傳動(dòng)功率可從小于1W到105W。4〕傳動(dòng)效率高，一對(duì)高精度的漸開(kāi)線圓柱齒輪，效率可達(dá)99%以上。5〕結(jié)構(gòu)緊湊，適用于近距離傳動(dòng)。6〕制造本錢較高，某些具有特殊齒形或精度很高的齒輪，因需要專用或高精度的機(jī)床、刀具和量?jī)x等，故制造工藝復(fù)雜，本錢高。7〕精度不高的齒輪，傳動(dòng)時(shí)噪聲、振動(dòng)和沖擊大，污染環(huán)境。8〕無(wú)過(guò)載保護(hù)作用。3.2.2齒輪傳動(dòng)類型選擇的原那么1〕滿足使用要求，如對(duì)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)尺寸、重量、功率、速度、傳動(dòng)比、壽命、可靠性的要求等。對(duì)以上要求應(yīng)作全面的、深入分析，滿足主要的要求，兼顧其他。如對(duì)大功率長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的固定式設(shè)備，那么著重于齒輪的壽命長(zhǎng)和提高齒輪的傳動(dòng)效率；對(duì)短期間歇運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)式設(shè)備，應(yīng)要求結(jié)構(gòu)緊湊為主；對(duì)重要的齒輪傳動(dòng)，那么要求可靠性高。2〕考慮工藝條件，如制造廠的工藝水平、設(shè)備條件、生產(chǎn)批量等。3〕考慮合理性、先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性等。蝸桿副傳動(dòng)可以改變運(yùn)動(dòng)的方向，獲得較大的傳動(dòng)比，保證傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，并且具有自鎖功能，還可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的小型化。由于本次設(shè)計(jì)的數(shù)控動(dòng)力刀架的動(dòng)力刀具傳遞范圍和切削功率比擬大以及加工的難易程度，為了滿足要求，所以選擇以蝸輪蝸桿來(lái)完成刀架的旋轉(zhuǎn)。3.3蝸桿及蝸輪的選用與校核3.3.1選擇傳動(dòng)的類型考慮到傳遞的功率不大，轉(zhuǎn)速較低，選用2A蝸桿，精度8級(jí)，GB10089-883選擇材料和確定許用應(yīng)力由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表6-7查得蝸桿選用45鋼，外表淬火，硬度為45～55HRC，蝸輪齒圈用ZCuSn10P1砂模鑄造，為了節(jié)約貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵HT150制造。［e］H=200MPa，查表6-9得到［e］f=500MPa3按接觸強(qiáng)度確定主要參數(shù)根據(jù)閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)那么，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，在校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。傳動(dòng)中心距：(4-1)1〕確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)距T2按Z1=2，取效率η，那么T2=T*η*i=3.5382N.M(4-2)2〕確定載荷系數(shù)K因工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù)Kβ=1；由使用系數(shù)KA表從而選取K；由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動(dòng)載系數(shù)KV；那么K=KA*Kβ*KV≈(4-3)3〕確定彈性影響系數(shù)ZE因選用的鑄錫磷青銅蝸輪和蝸桿相配，故4〕確定接觸系數(shù)Zρ先假設(shè)蝸桿分度圓直徑d1和傳動(dòng)中心距a的比值d1/a，從而可查出Zρ。5〕確定許用應(yīng)力[σH]根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅zcusn10p1，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度＞45HRC，從而可查《機(jī)械設(shè)計(jì)》6-7得蝸輪的根本許用應(yīng)力[σH]‘=268MPA。因?yàn)殡妱?dòng)刀架中蝸輪蝸桿的傳動(dòng)為間隙性的，故初步定位、其壽命系數(shù)為KHN，那么[σH]=KHN[σH]‘×≈247MPA(4-4)6〕計(jì)算中心距(4-5)取中心距a=50mm，m=1.6mm，蝸桿分度圓直徑d1=29mm，這時(shí)d1/a，從而可查得接觸系數(shù)，因?yàn)椋糧ρ蝸桿和蝸輪主要幾何尺寸計(jì)算1〕蝸桿分度圓直徑：d1=29mm直徑系數(shù)：q=d1/m=18.125，蝸桿頭數(shù)：Z1=1分度圓導(dǎo)程角：γ=3°11′38″蝸桿軸向齒距：PA==mm；(4-6)蝸桿齒頂圓直徑：(4-7)蝸桿齒根圓直徑：〔4-8〕蝸桿軸向齒厚：=mm(4-9)蝸桿軸向齒距：〔4-10〕2〕蝸輪蝸輪齒數(shù)：Z2=45變位系數(shù)Χ=0驗(yàn)算傳動(dòng)比：i=/=45/1=45(4-11)蝸輪分度圓直徑：d2=mz2=72mm(4-12)蝸輪喉圓直徑：da2=d2+2ha2=(4-13)蝸輪喉母圓直徑：=50-1/2=(4-14)蝸輪齒頂圓直徑：〔4-15〕蝸輪齒根圓直徑：〔4-16〕蝸輪外圓直徑：當(dāng)在z=1時(shí)，〔4-17〕3.4蝸桿軸的設(shè)計(jì)3.4.1蝸桿軸的材料選擇，確定許用應(yīng)力考慮蝸桿軸主要傳遞蝸輪的轉(zhuǎn)矩，為普通用途中小功率減速傳動(dòng)裝置。選用45號(hào)鋼，正火處理，3按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度初步估算軸的最小直徑〔4-18〕扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取α，抗彎截面系數(shù)取=15.5mm3確定各軸段的直徑和長(zhǎng)度根據(jù)各個(gè)零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀及直徑和長(zhǎng)度。圖3.1蝸桿軸結(jié)構(gòu)Figure3.1Structureofthewormshaftd1=d5同一軸上的軸承選用同一型號(hào)，以便于軸承座孔鏜制和減少軸承類型。d5軸上有一個(gè)鍵槽，故槽徑增大5%d1=d5=d1′×(1+5%)=,圓整d1=d5=17mm所選軸承類型為深溝球軸承，型號(hào)為6203，B=12mm，D=40mm，d2起固定作用，定位載荷高度可在〔0.07～0.1〕d1范圍內(nèi)，d2=d1+2a～20.04mm，故d2取d3為蝸桿與蝸輪嚙合局部，故d3=24mmd4=d2=20mm,便于加工和安裝L1為與軸承配合的軸段，查軸承寬度為12mm，端蓋寬度為10mm，那么L1=22mmL2尺寸長(zhǎng)度與刀架體的設(shè)計(jì)有關(guān)，蝸桿端面到刀架端面距離為65mm，故L2=43mmL3為蝸桿局部長(zhǎng)度L3≥〔11+0.06z2〕m=圓整L3取30mmL4取55mm，L5在刀架體局部長(zhǎng)度為〔12+8〕mm，伸出刀架局部通過(guò)聯(lián)軸器與電動(dòng)機(jī)相連長(zhǎng)度為50mm，故L5=70mm兩軸承的中心跨度為128mm，軸的總長(zhǎng)為220mm3作用在蝸桿軸上的圓周力(4-19)其中d1=28mm那么徑向力(4-20)切向力(4-21)圖軸向受力分析Figure3.2AxialForceAnalysis(4-22)(4-23)求水平方向上的支承反力圖水平方向支承力Figure3.3supportshorizontalforce(4-24)(4-25)求水平彎矩,并繪制彎矩圖圖水平彎矩圖Figure3.4thelevelofbendingmomentdiagram求垂直方向的支承反力(4-26)—4，，，，其中，，(4-27)圖垂直方向支承反力Figure3.5supportstheverticalreactionforce求垂直方向彎矩，繪制彎矩圖圖垂直彎矩圖Figure3.6theverticalbendingmomentdiagram求合成彎矩圖，按最不利的情況考慮(4-28)圖合成彎矩圖Figure3.7Synthesisofbendingmomentdiagram計(jì)算危險(xiǎn)軸的直徑(4-29)查文獻(xiàn)[9]表15—1，材料為調(diào)質(zhì)的許用彎曲應(yīng)力，那么所以該軸符合要求。3.4.5鍵的選取與校核考慮到d5=105%×15.14=,實(shí)際直徑為17mm，所以強(qiáng)度足夠由GB1095-79查得，尺寸b×h=5×5，l=20mm的A型普通平鍵。按公式進(jìn)行校核，，，。查文獻(xiàn)[9]表6—2，取那么(4-30)該鍵符合要求。由普通平鍵標(biāo)準(zhǔn)查得軸槽深t=30mm,轂槽深t1=3.5蝸輪軸的設(shè)計(jì)3蝸輪軸材料的選擇，確定需用應(yīng)力考慮到軸主要傳遞蝸輪轉(zhuǎn)矩，為普通中小功率減速傳動(dòng)裝置選用45號(hào)鋼，正火處理，，［eь］-1=55MPa3按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，初步估計(jì)軸的最小直徑由公式查文獻(xiàn)[9]表15—1，取45號(hào)調(diào)質(zhì)剛的許用彎曲應(yīng)力，那么由于軸的平均直徑為34mm，因此該軸平安。確定各軸段的直徑和長(zhǎng)度根據(jù)各個(gè)零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀及直徑和長(zhǎng)度，d1即蝸輪輪芯為68mmd2為蝸輪軸軸徑最小局部取34mmd3軸段與上刀架體有螺紋聯(lián)接，牙形選梯形螺紋，根據(jù)文獻(xiàn)表8-45取公稱直徑為d3=44mm，螺距P=12mm，H=查表8-46得，外螺紋小徑為31mm內(nèi)、外螺紋中徑為38mm內(nèi)螺紋大徑為45mm內(nèi)螺紋小徑為32mm旋合長(zhǎng)度取55mmL2尺寸長(zhǎng)度為34mm，蝸輪齒寬b2當(dāng)z1≤3時(shí)，b2≤0.75da1=取b2=15mm3.6中心軸的設(shè)計(jì)通過(guò)計(jì)算來(lái)確定刀架軸各段的尺寸與受力情況。3.6.1刀架軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算軸是組成刀架的重要零部件之一，在設(shè)計(jì)當(dāng)中主要考慮的是軸的剛度，而碳鋼與合金鋼的彈性模數(shù)相差很小，所以通常選用軸的材料35和45鋼，這里選用的是45鋼，正火處理，，［eь］-1=55MPa，以改善裝配工藝和保證裝配的精度。3.6.2確定各軸段的直徑和長(zhǎng)度根據(jù)各個(gè)零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀及直徑和長(zhǎng)度d1=15mm,d2與軸承配合，軸承類型為推力球軸承，型號(hào)為51203，d=17mm,d1=19,T=12mm,D=35mm所以d2=17mmd3與軸承配合，軸承類型為推力球軸承，型號(hào)為51204，d=25mm,d1=27mm,T=15mm,D=47mm圖中心軸受力圖Centralaxisbytryingto圖刀架軸示意圖Figure3.9toolrestaxis分配各軸段的長(zhǎng)度L1=80mm,L2=93mm,L3=20mm3軸的校核軸橫截面的慣性矩 車床切削力F=2KN,E=210GPa(4-31) (4-32)因此＜［］y＜［y］中心軸滿足剛度條件3.7齒盤的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)上刀體的鎖緊與定位機(jī)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(shí)，上下端面齒相互咬合，這時(shí)上刀體不能繞刀架的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)；換刀時(shí)電動(dòng)機(jī)正傳，抬起機(jī)構(gòu)使上刀體抬起，等上下端面齒脫開(kāi)后，上刀體才可以繞刀架中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，完成轉(zhuǎn)位動(dòng)作。目前在刀架的定位機(jī)構(gòu)中多采用錐銷定位和端面齒盤定位。由于圓柱銷和斜面銷定位時(shí)容易出現(xiàn)間隙，圓錐銷定位精度較高，它進(jìn)入定位孔時(shí)一般靠彈簧力或液壓力、氣動(dòng)力，圓錐銷磨損后仍可以消除間隙，以獲得較高的定位精度。端齒盤定位由兩個(gè)齒形相同的端面齒盤相嚙合而成，由于嚙合時(shí)各個(gè)齒的誤差相互抵償，起著誤差均化的作用，定位精度高。3齒盤的材料選擇和精度等級(jí)上、下齒盤均選用45號(hào)鋼，淬火，180HBS初選7級(jí)精度等級(jí)3.7.2確定齒盤參數(shù)考慮齒盤主要用于精確定位和夾緊，齒形選用三角齒形，上下齒盤由于需相互嚙合，參數(shù)可相同當(dāng)蝸輪軸旋轉(zhuǎn)150°時(shí)，上刀架上升5mm，齒盤的齒高取4mm由(4-33)得算式4=〔2×1+0.25〕m求出m=,取標(biāo)準(zhǔn)值m=2mm故齒盤齒全高h(yuǎn)=〔2ha*+c*〕m=(2×1+0.25)×2=取齒盤內(nèi)圓直徑d為120mm，外圓直徑為140mm齒頂高h(yuǎn)a=ha*m=1×2=2mm齒根高h(yuǎn)f=(ha*+c*)m=齒數(shù)z=38齒寬b=10mm齒厚(4-34)齒盤高為5mm3.7.3按接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算⑴確定有關(guān)計(jì)算參數(shù)和許用應(yīng)力(4-35)⑵⑶由文獻(xiàn)表9-12取齒寬系數(shù)Ф⑷，?。?20°⑸查圖9-34取бHlim1=380取бHlim2=380⑹Lh=60×24×1×(8×300×15)×107⑺⑻計(jì)算接觸疲勞需用應(yīng)力取平安系數(shù)SH=1，由式〔9-44〕得(4-36)按齒根抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)由式〔9-46〕得抗彎強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為(4-37)確定公式內(nèi)的各參數(shù)數(shù)值1〕由文獻(xiàn)圖9-37查得，抗彎疲勞強(qiáng)度極限 2〕3〕查圖取 4〕計(jì)算抗彎疲勞許用應(yīng)力，取抗彎疲勞平安系數(shù)SF由式〔9-47〕得(4-38)5〕彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算(4-39)故滿足彎曲疲勞強(qiáng)度要求圖齒盤示意圖Figure3.10toothplateschematicdrawing3.8軸承的選擇軸承一般都為標(biāo)準(zhǔn)件，要根據(jù)所設(shè)計(jì)軸的特點(diǎn)合理選擇軸承。3.軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)軸承內(nèi)部一般由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架組成通常稱為四大件。對(duì)于密封軸承，再加上潤(rùn)滑劑和密封圈〔或防塵蓋〕又稱六大件。3.軸承分類與特點(diǎn)總的可以分為球軸承和滾子軸承兩大類。球軸承分為深溝球軸承、角接觸球軸承、調(diào)心球軸承、推力球軸承、推力角接觸球軸承。滾子軸承分為圓柱滾子軸承、滾針軸承、圓錐滾子軸承、調(diào)心滾子軸承、推力圓柱滾子軸承、推力滾子軸承、推力圓錐滾子軸承、推力調(diào)心滾子軸承。表3-1刀架軸向所選軸承的特點(diǎn)TheTable3-1toolrestsaxialchoosebearing'scharacteristic深溝球軸承1.轉(zhuǎn)速高2.精度高3.噪聲、振動(dòng)小6.制造簡(jiǎn)單，本錢低滾針軸承2.能承受較高的徑向載荷〔比徑向尺寸相同的其他軸承承受的徑向載荷大〕推力球軸承考慮到軸各個(gè)方面的誤差會(huì)直接傳遞給加工工件時(shí)的加工誤差，因此選用調(diào)心性能比擬好的深溝球軸承。此類軸承可以同時(shí)承受徑向載荷及軸向載荷，安裝時(shí)可調(diào)整軸承的游隙。然后根據(jù)安裝尺寸和使用壽命選出軸承的型號(hào)為：62033.8.3滾動(dòng)軸承的配合滾動(dòng)軸承是標(biāo)準(zhǔn)件，為使軸承便于互換和大量生產(chǎn)，軸承內(nèi)孔于軸的配合采用基孔制，即以軸承內(nèi)孔的尺寸為基準(zhǔn)；軸承外徑與外殼的配合采用基軸制，即以軸承的外徑尺寸為基準(zhǔn)。3.8.4滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑考慮到電動(dòng)刀架工作時(shí)轉(zhuǎn)速很高，并且是不間斷工作，溫度也很高。故采用油潤(rùn)滑，轉(zhuǎn)速越高，應(yīng)采用粘度越低的潤(rùn)滑油；載荷越大，應(yīng)選用粘度越高的。3.8.5滾動(dòng)軸承的密封裝置軸承的密封裝置是為了阻止灰塵，水，酸氣和其他雜物進(jìn)入軸承，并阻止?jié)櫥瑒┝魇ФO(shè)置的。密封裝置可分為接觸式及非接觸式兩大類。唇形密封圈靠彎折了的橡膠的彈性力和附加的環(huán)行螺旋彈簧的緊扣作用而套緊在軸上，以便起密封作用。唇形密封圈封唇的方向要緊密封的部位。即如果是為了油封，密封唇應(yīng)朝內(nèi)；如果主要是為了防止外物浸入，密封唇應(yīng)朝外。刀架體設(shè)計(jì)刀架體設(shè)計(jì)首先要考慮刀架體內(nèi)零件的布置及與刀架體外部零件的關(guān)系，應(yīng)考慮以下問(wèn)題：1)滿足強(qiáng)度和剛度要求。因?yàn)榈都荏w的剛度不僅影響傳動(dòng)零件的正常工作，而且還影響部件的工作精度。2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。如支點(diǎn)的安排、開(kāi)孔位置和連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等均要有利于提高刀架體的強(qiáng)度和剛度。3)工藝性好。包括毛坯制造、機(jī)械加工及熱處理、裝配調(diào)整、安裝固定、吊裝運(yùn)輸、維護(hù)修理等各方面的工藝性。4)造型好、質(zhì)量小。刀架體的常用材料有：鑄鐵，多數(shù)刀架體的材料為鑄鐵，鑄鐵流動(dòng)性好，收縮較小，容易獲得形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的箱體。鑄鐵的阻尼作用強(qiáng)，動(dòng)態(tài)剛性和機(jī)加工性能好，價(jià)格適度。參加合金元素還可以提高耐磨性。鑄造鋁合金，用于要求減小質(zhì)量且載荷不太大的箱體。多數(shù)可通過(guò)熱處理進(jìn)行強(qiáng)化，有足夠的強(qiáng)度和較好的塑性。我所設(shè)計(jì)的下刀架體采用HT150鑄造，其具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)零件圖。圖下刀架體結(jié)構(gòu)圖Figure3.11lowerslidebodystructuredrawing4．電氣控制局部設(shè)計(jì)4.1硬件電路設(shè)計(jì)

自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的電氣控制局部主要包括收信電路和發(fā)信電路兩達(dá)塊。1〕收信電路：發(fā)信盤上的4只霍爾開(kāi)關(guān)〔圖4.1〕，都有3個(gè)引腳，第1+12V電源，第2角接+12V地，第3角輸出，如圖a所示。轉(zhuǎn)位時(shí)刀臺(tái)帶動(dòng)磁鐵旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁鐵對(duì)準(zhǔn)某一個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)時(shí)，其輸出端第3角輸出低電平；當(dāng)磁鐵離開(kāi)時(shí)，第3角輸出高電平。

圖4.1霍爾開(kāi)關(guān)Figure4.1Hallswitch1、電源2、地3、輸出4只霍爾開(kāi)關(guān)輸出的4個(gè)刀位信號(hào)T1-T4分別送到4只光耦合〔圖4.2〕進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)光電隔離的信號(hào)再送給I/O接口芯片8255的PC4-PC7圖4.2光耦合器Figure4.2opticalcoupler2)發(fā)信電路：圖為刀架電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路，I/O接口芯片8255A的PA6與PA7分別控制刀架電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。其中KA1為正轉(zhuǎn)繼電器的線圈，KA2的反轉(zhuǎn)繼電器的線圈。因刀架電動(dòng)機(jī)的功率只有90W，所以圖中刀架電動(dòng)機(jī)與380V市電的接通可以選用大功率直流繼電器，而不必采用繼電器-接觸器電路，以節(jié)省本錢，降低故障率。圖中，正轉(zhuǎn)繼電器的線圈KA1與反轉(zhuǎn)繼電器的一組常閉觸點(diǎn)串聯(lián)，而反轉(zhuǎn)繼電器的線圈KA2又與正轉(zhuǎn)繼電器的一組常閉觸點(diǎn)串聯(lián)，這樣就構(gòu)成了正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的互鎖電路，以防止系統(tǒng)失控時(shí)導(dǎo)致短路現(xiàn)象。當(dāng)KA1或KA2的觸點(diǎn)接通3圖4.3發(fā)信電路圖Figure4.2opticalcoupler4.2.控制軟件設(shè)計(jì)在清楚了自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制電路后，就可以著手編制刀架自動(dòng)轉(zhuǎn)位的控制軟件了。對(duì)于四工位自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架來(lái)說(shuō)，它最多裝有4把刀具，設(shè)計(jì)控制軟件的任務(wù)，就是選中任意一把刀具，讓其回轉(zhuǎn)到工作位置。由于1#刀工作方式與其他三把刀的方式相同，顧本次設(shè)計(jì)只對(duì)1#刀具進(jìn)行說(shuō)明。本次運(yùn)動(dòng)控制是選用8255A單片機(jī)，其引腳如圖4.4，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4.5。

圖4.48255A引腳圖Figure4.48255Apinchart圖4.58255A內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Figure4.58255Ainteriorstructuredrawing本次設(shè)計(jì)的刀架可以旋轉(zhuǎn),上面裝有4把刀和一個(gè)磁鋼。靜止,上面裝有霍爾接近開(kāi)關(guān)。由霍爾接行刀具位置檢測(cè),每一把刀對(duì)應(yīng)一個(gè)霍爾滿足刀架能夠以捷徑方向旋轉(zhuǎn),按所需刀號(hào)正確換刀，其流程圖如圖4.6。流程圖Figure4.6flowchart設(shè)控制系統(tǒng)的CPU為AT89C51單片機(jī)。擴(kuò)展8255A芯片作為回轉(zhuǎn)刀架的收信與發(fā)信控制，8255T01

MOV

DPTR,

#2FFEH

；指向8255的PC口MOVX

A,

@DPTR

；讀取PC口的內(nèi)容JNB

ACC.4,

TEND

；測(cè)試PC4=0?假設(shè)是，那么說(shuō)明1#已在工作位置，程序轉(zhuǎn)到TENDMOV

DPTR,

#2FFCH

；指向8255的PA口地址MOVX

A,

@DPTR

；讀取PA口鎖存器的內(nèi)容CLR

ACC.6

；令PA6=0,刀架電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)有效SETB

ACC.7

；令PA7=1,刀架電動(dòng)機(jī)無(wú)效MOVX

@DPTR,

A

；刀架電動(dòng)機(jī)開(kāi)始正轉(zhuǎn)CALL

DE20MS

；延時(shí)20msYT01:

MOVX

DPTR,#2FFEH

；指向8255的PC口MOVX

A,

@DPTR

；第二次讀取PC口內(nèi)容JB

ACC.4.

YT11

；PC4=0?CALL

DE20MS

；延時(shí)20msYT21

MOV

DPTR,

#2FFEH

；指向8255的PC口MOVX

A,

@DPTR

；第三次讀取PC口內(nèi)容JB

ACC.4,

YT21

；PC4=0？MOV

DPTR,#2FFCH

；指向PC口MOVX

A,@DPTR

；讀取PA口鎖存器內(nèi)容SETB

ACC.6

；令PA6=1，刀架電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)無(wú)效SETB

ACC.7

；令PA7=1，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)無(wú)效MOVX

@DPTR,A

；刀架電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)CALL

DE150MS

；延時(shí)150ms

；令PA7=0,刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)無(wú)效SETB

ACC.6

；令PA6=1,刀架電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)無(wú)效MOVX

@DPTR,A

；刀架電動(dòng)機(jī)開(kāi)始反轉(zhuǎn)CALL

DELAY

；延時(shí)設(shè)定的反轉(zhuǎn)鎖緊時(shí)間SETB

ACC.6

；令PA6=1,刀架電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)無(wú)效SETB

ACC.7

；令PA7=1，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)無(wú)效MOVX

@DPTR,

A

；刀架電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)TEND:RET

；換13刀結(jié)束

5總結(jié)本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容：1)刀架抬起和夾緊采用了步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣穩(wěn)定性好，使動(dòng)力刀架的可靠性有了很大程度的提高。2)刀架轉(zhuǎn)位通過(guò)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，傳動(dòng)可靠，平穩(wěn)，適應(yīng)高轉(zhuǎn)速要求。3)通過(guò)霍爾開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)刀位信號(hào)，這樣可使刀架轉(zhuǎn)位更加的精確。4〕使用單片機(jī)來(lái)控制刀架運(yùn)動(dòng)，方便快捷。5〕利用反靠盤來(lái)進(jìn)行初定位，簡(jiǎn)單方便，使設(shè)計(jì)更容易到達(dá)理想要求。畢業(yè)設(shè)計(jì)的缺乏：1)本次設(shè)計(jì)的動(dòng)力刀架工作使每把動(dòng)力刀具都一起旋轉(zhuǎn)，這樣造成了平安問(wèn)題，里面缺少一種裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)各把刀具的自瑣功能。2〕本次設(shè)計(jì)，由于本人知識(shí)的局限，對(duì)單片機(jī)的駕馭還有待提高，數(shù)控運(yùn)用還有很多需要提高。3〕本次刀架設(shè)計(jì)未能考慮到以后維修問(wèn)題，以后需要進(jìn)一步改致謝在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中得到了很多老師和同學(xué)的熱心幫助，在這里我要一一向他們表示感謝。首先我要感謝我們的指導(dǎo)老師焦麗。從畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)始到期末辯論，焦老師一直嚴(yán)格要求我們，為我們安排了理合的作息時(shí)間，防止了由于作息時(shí)間無(wú)序而出現(xiàn)的懶散現(xiàn)象的發(fā)生。為了能使我們按時(shí)順利的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)，焦老師屢次帶著我們實(shí)地進(jìn)行集體討論，爭(zhēng)取最正確方案，加深了我們對(duì)課題的理性認(rèn)識(shí)。正是在焦老師有效的指導(dǎo)下，使得我們每個(gè)同學(xué)的進(jìn)度都到達(dá)了學(xué)院的要求。我很欣賞焦老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，敬佩她的為人；感謝她對(duì)我們的耐心指導(dǎo)。我相信這三個(gè)月來(lái)她對(duì)我的教誨一定會(huì)使我終身受益。其次我要感謝我們小組的所有同學(xué)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中他們給了我無(wú)私的幫助。我們互相交流，互相幫助，爭(zhēng)取最正確方案。再次我要感謝我們系部的所有老師以及曾在畢業(yè)設(shè)計(jì)中給予我們幫助的學(xué)長(zhǎng)們。盡管他們不是我們的指導(dǎo)老師，但是還是很樂(lè)于幫助我們解決問(wèn)題，感謝他們?yōu)槲覀兲峁┝水厴I(yè)設(shè)計(jì)的場(chǎng)所以及無(wú)私的幫助。最后，衷心感謝在百忙之中抽出時(shí)間審閱本論文的專家教授。參考文獻(xiàn)[1]蔡厚道[4]江力.單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社,[8]孫恒.陳作模．葛文杰.機(jī)械原理．北京：高等教育出版社，2006.12[9]陳立德．機(jī)械設(shè)計(jì)根底．北京：高等教育出版社，(2005重印〕[14][18][19][20]李立強(qiáng).馬蕾.王梅.數(shù)控車床自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀臺(tái)設(shè)計(jì)[J].《制造技術(shù)與機(jī)床》[21]機(jī)械工程手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械工程手冊(cè)〔第二版〕[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005[22]范欽珊主編.材料力學(xué)〔上、下〕[M].北京：高等教育出版社，2003[23]汪信遠(yuǎn)主編.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，1999[24]劉朝儒等主編.機(jī)械制圖[M].北京：高等教育出版社，2002[25]王三民，諸文俊.機(jī)械原理與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001[26]盛曉敏，鄧朝暉．先進(jìn)制造技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002、附錄Ｂ數(shù)字控制加工技術(shù)1．?dāng)?shù)控編程及其開(kāi)展數(shù)控編程是目前CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)中最能明顯發(fā)揮效益的環(huán)節(jié)之一，其在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)加工自動(dòng)化、提高加工精度和加工質(zhì)量、縮短產(chǎn)品研制周期等方面發(fā)揮著重要作用。在諸如航空工業(yè)、汽車工業(yè)等領(lǐng)域有著大量的應(yīng)用。由于生產(chǎn)實(shí)際的強(qiáng)烈需求，國(guó)內(nèi)外都對(duì)數(shù)控編程技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，并取得了豐碩成果。下面就對(duì)數(shù)控編程及其開(kāi)展作一些介紹。數(shù)控編程是從零件圖紙到獲得數(shù)控加工程序的全過(guò)程。它的主要任務(wù)是計(jì)算加工走刀中的刀位點(diǎn)〔cutterlocationpoint簡(jiǎn)稱CL點(diǎn)〕。刀位點(diǎn)一般取為刀具軸線與刀具外表的交點(diǎn)，多軸加工中還要給出刀軸矢量。為了解決數(shù)控加工中的程序編制問(wèn)題，50年代，MIT設(shè)計(jì)了一種專門用于機(jī)械零件數(shù)控加工程序編制的語(yǔ)言，稱為APT〔AutomaticallyProgrammedTool〕。其后，APT幾經(jīng)開(kāi)展，形成了諸如APTII、APTIII〔立體切削用〕、APT〔算法改良，增加多坐標(biāo)曲面加工編程功能〕、APTAC〔Advancedcontouring〕(增加切削數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng))和APT/SS〔SculpturedSurface〕(增加雕塑曲面加工編程功能)等先進(jìn)版。采用APT語(yǔ)言編制數(shù)控程序具有程序簡(jiǎn)練，走刀控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，使數(shù)控加工編程從面向機(jī)床指令的“匯編語(yǔ)言”級(jí)，上升到面向幾何元素.APT仍有許多不便之處：采用語(yǔ)言定義零件幾何形狀，難以描述復(fù)雜的幾何形狀，缺乏幾何直觀性；缺少對(duì)零件形狀、刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的直觀圖形顯示和刀具軌跡的驗(yàn)證手段；難以和CAD數(shù)據(jù)庫(kù)和CAPP系統(tǒng)有效連接；不容易作到高度的自動(dòng)化，集成化。針對(duì)APT語(yǔ)言的缺點(diǎn)。1978年，法國(guó)達(dá)索飛機(jī)公司開(kāi)始開(kāi)發(fā)集三維設(shè)計(jì)、分析NC加工一體化的系統(tǒng)，稱為為CATIA。隨后很快出現(xiàn)了象EUCLID，UGII，INTERGRAPH，Pro/Engineering，MasterCAM及NPU/GNCP等系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都有效的解決了幾何造型、零件幾何形狀的顯示，交互設(shè)計(jì)、修改及刀具軌跡生成，走刀過(guò)程的仿真顯示、驗(yàn)證等問(wèn)題，推動(dòng)了CAD和CAM向一體化方向發(fā)展。到了80年代，在CAD/CAM一體化概念的根底上，逐步形成了計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)〔CIMS〕及并行工程〔CE〕的概念。目前，為了適應(yīng)CIMS及CE發(fā)展的需要，數(shù)控編程系統(tǒng)正向集成化和智能化方向開(kāi)展。在集成化方面，以開(kāi)發(fā)符合STEP〔StandardfortheExchangeofProductModelData〕標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)化特征造型系統(tǒng)為主，目前已進(jìn)行了大量卓有成效的工作，是國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)；在智能方面，工作剛剛開(kāi)始，還有待我們?nèi)ヅΑ?/p>

數(shù)控編程的核心工作是生成刀具軌跡，然后將其離散成刀位點(diǎn)，經(jīng)后置處理產(chǎn)生數(shù)控加工程序。下面就刀具軌跡產(chǎn)生方法作一些介紹。

2.1基于點(diǎn)、線、面和體的NC刀軌生成方法

CAD技術(shù)從二維繪圖起步，經(jīng)歷了三維線框、曲面和實(shí)體造型開(kāi)展階段，一直到現(xiàn)在的參數(shù)化特征造型。在二維繪圖與三維線框階段，數(shù)控加工主要以點(diǎn)、線為驅(qū)動(dòng)對(duì)象，如孔加工，輪廓加工，平面區(qū)域加工等。這種加工要求操作人員的水平較高，交互復(fù)雜。在曲面和實(shí)體造型開(kāi)展階段，出現(xiàn)了基于實(shí)體的加工。實(shí)體加工的加工對(duì)象是一個(gè)實(shí)體〔一般為CSG和BREP混合表示的〕，它由一些根本體元素經(jīng)集合運(yùn)算〔并、交、差運(yùn)算〕而得。實(shí)體加工不僅可用于零件的粗加工和半精加工，大面積切削掉余量，提高加工效率，而且可用于基于特征的數(shù)控編程系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)，是特征加工的根底。實(shí)體加工一般有實(shí)體輪廓加工和實(shí)體區(qū)域加工兩種。實(shí)體加工的實(shí)現(xiàn)方法為層切法〔SLICE〕，即用一組水平面去切被加工實(shí)體，然后對(duì)得到的交線產(chǎn)生等距線作為走刀軌。本文從系統(tǒng)需要角度出發(fā)，在ACIS幾何造型平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了這種基于點(diǎn)、線、面和實(shí)體的數(shù)控加工。

參數(shù)化特征造型已有了一定的開(kāi)展時(shí)期，但基于特征的刀具軌跡生成方法的研究才剛剛開(kāi)始。特征加工使數(shù)控編程人員不在對(duì)那些低層次的幾何信息〔如：點(diǎn)、線、面、實(shí)體〕進(jìn)行操作，而轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訉?duì)符合工程技術(shù)人員習(xí)慣的特征進(jìn)行數(shù)控編程，大大提高了編程效率。W.R.Mail和A.J.Mcleod在他們的研究中給出了一個(gè)基于特征的NC代碼生成子系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)的工作原理是：零件的每個(gè)加工過(guò)程都可以看成對(duì)組成該零件的形狀特征組進(jìn)行加工的總和。那么對(duì)整個(gè)形狀特征或形狀特征組分別加工后即完成了零件的加工。而每一形狀特征或形狀特征組的NC代碼可自動(dòng)生成。目前開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)只適用于零件的加工。

LeeandChang開(kāi)發(fā)了一種用虛擬邊界的方法自動(dòng)產(chǎn)生凸自由曲面特征刀具軌跡的系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)的工作原理是：在凸自由曲面內(nèi)嵌入一個(gè)最小的長(zhǎng)方塊，這樣凸自由曲面特征就被轉(zhuǎn)換成一個(gè)凹特征。最小的長(zhǎng)方塊與最終產(chǎn)品模型的合并就構(gòu)成了被稱為虛擬模型的一種間接產(chǎn)品模型。刀具軌跡的生成方法分成三步完成：〔1〕、切削多面體特征；〔2〕、切削自由曲面特征；〔3〕、切削相交特征。JongYunJong研究了基于特征的非切削刀具軌跡生成問(wèn)題。文章把基于特征的加工軌跡分成輪廓加工和內(nèi)區(qū)域加工兩類，并定義了這兩類加工的切削方向，通過(guò)減少切削刀具軌跡到達(dá)整體優(yōu)化刀具軌跡的目的。文章主要針對(duì)幾種根本特征〔孔、內(nèi)凹、臺(tái)階、槽〕，討論了這些根本特征的典型走刀路徑、刀具選擇和加工順序等，并通過(guò)IP〔InterProgramming〕技術(shù)防止重復(fù)走刀，以優(yōu)化非切削刀具軌跡。另外，JongYunJong還在他1991年的博士論文中研究了制造特征提取和基于特征的刀具及刀具路徑。特征加工的根底是實(shí)體加工，當(dāng)然也可認(rèn)為是更高級(jí)的實(shí)體加工。但特征加工不同于實(shí)體加工，實(shí)體加工有它自身的局限性。特征加工與實(shí)體加工主要有以下幾點(diǎn)不同：

從概念上講，特征是組成零件的功能要素，符合工程技術(shù)人員的操作習(xí)慣，為工程技術(shù)人員所熟知；實(shí)體是低層的幾何對(duì)象，是經(jīng)過(guò)一系列布爾運(yùn)算而得到的一個(gè)幾何體，不帶有任何功能語(yǔ)義信息；實(shí)體加工往往是對(duì)整個(gè)零件〔實(shí)體〕的一次性加工。但實(shí)際上一個(gè)零件不太可能僅用一把刀一次加工完，往往要經(jīng)過(guò)粗加工、半精加工、精加工等一系列工步，零件不同的部位一般要用不同的刀具進(jìn)行加工；有時(shí)一個(gè)零件既要用到車削，也要用到銑削。因此實(shí)體加工主要用于零件的粗加工及半精加工。而特征加工那么從本質(zhì)上解決了上述問(wèn)題；特征加工具有更多的智能。對(duì)于特定的特征可規(guī)定某幾種固定的加工方法，特別是那些已在STEP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的特征更是如此。如果我們對(duì)所有的標(biāo)準(zhǔn)特征都制定了特定的加工方法，那么對(duì)那些由標(biāo)準(zhǔn)特征夠成的零件的加工其方便性就可想而知了。倘假設(shè)CAPP系統(tǒng)能提供相應(yīng)的工藝特征，