CK6140車(chē)床刀架系統(tǒng)設(shè)計(jì)【說(shuō)明書(shū)+CAD】

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湖 南 科 技 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（ 論 文 ） 題 目 CK6140車(chē)床刀架系統(tǒng)設(shè)計(jì) 作者 王金思 學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)號(hào) 1103010324 指導(dǎo)教師 萬(wàn)林林 二〇〇五年五月二十六日 湖 南 科 技 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 機(jī)電工程學(xué) 院 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 系（教研室） 系（教研室）主任: （簽名） 2015 年 1 月 30 日 學(xué)生姓名: 王金思 學(xué)號(hào): 1103010324專(zhuān)業(yè): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 1 設(shè)計(jì)（論文）題目及專(zhuān)題：CK6140車(chē)床刀架系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 學(xué)生設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間：自 2015年 1月30 日開(kāi)始至 2015 年5月 25 日止 3 設(shè)計(jì)（論文）所用資源和參考資料： ①上一學(xué)期所搜集的相關(guān)文獻(xiàn)資料； ②相關(guān)教材及機(jī)械設(shè)計(jì)、工藝手冊(cè)； ③要求熟練使用AutoCAD、PRO/E繪圖軟件。 4 設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容： ① 分析確定CK6140車(chē)床刀架系統(tǒng)的整體傳動(dòng)方案；②刀架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體方案設(shè)計(jì)；③零部件的校核與設(shè)計(jì)相關(guān)的計(jì)算 ；④裝配圖的設(shè)計(jì)、零件工作圖的設(shè)計(jì)；⑤本設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)分析 ；⑥典型零件加工工藝及圖形交互式（CAD/CAM）或手工數(shù)控程序編制 ；⑦編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)； 5 提交設(shè)計(jì)（論文）形式（設(shè)計(jì)說(shuō)明與圖紙或論文等）及要求： ①零件圖、裝配圖（Pro/E或AutoCAD完成），折合0號(hào)圖2.5張； ②編寫(xiě)的設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)不少于40頁(yè) ； ③課題相關(guān)論文的翻譯（英譯中，不少于2000字）一篇 ； 典型零件的數(shù)控加工程序； 6 發(fā)題時(shí)間： 2014 年 1 月 30 日 指導(dǎo)教師： （簽名） 學(xué) 生： （簽名） 湖 南 科 技 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)人評(píng)語(yǔ) [主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的工作態(tài)度，研究?jī)?nèi)容與方法，工作量，文獻(xiàn)應(yīng)用，創(chuàng)新性，實(shí)用性，科學(xué)性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)] 指導(dǎo)人： （簽名） 年 月 日 指導(dǎo)人評(píng)定成績(jī)： 湖 南 科 技 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱人評(píng)語(yǔ) [主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究?jī)?nèi)容與方法，實(shí)用性與科學(xué)性，結(jié)論和存在的不足等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)] 評(píng)閱人： （簽名） 年 月 日 評(píng)閱人評(píng)定成績(jī)： 湖 南 科 技 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯記錄 日期： 學(xué)生： 學(xué)號(hào)： 班級(jí)： 題目： 提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)下列材料： 1 設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 共 頁(yè) 2 設(shè)計(jì)（論文）圖 紙 共 頁(yè) 3 指導(dǎo)人、評(píng)閱人評(píng)語(yǔ) 共 頁(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)評(píng)語(yǔ)： [主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的研究思路，設(shè)計(jì)（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）的介紹，回答問(wèn)題情況等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)] 答辯委員會(huì)主任： （簽名） 委員： （簽名） （簽名） （簽名） （簽名） 答辯成績(jī)： 總評(píng)成績(jī)： 摘 要 數(shù)控車(chē)床的刀架是機(jī)床的重要組成部分，刀架用于夾持切削用的刀具，其結(jié)構(gòu)直接影響機(jī)床的切削性能和切削效率。因此數(shù)控車(chē)床的刀架設(shè)計(jì)的好與壞、效率的高與低將直接影響到產(chǎn)品的加工時(shí)間和質(zhì)量，進(jìn)而影響到制造業(yè)的飛速發(fā)展。CK6140型數(shù)控車(chē)床是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床，進(jìn)給系統(tǒng)為交流伺服驅(qū)動(dòng)，適用于軸類(lèi)及盤(pán)類(lèi)零件的加工，能自動(dòng)完成對(duì)零件的內(nèi)外圓柱面、端面。任意錐面及螺紋切削等工序的連續(xù)加工，尤其對(duì)臺(tái)階軸或帶有錐面、圓弧面等表面復(fù)雜的零件的加工更能顯示其優(yōu)越性，對(duì)多品種批量零件的輪番加工具有較高的生產(chǎn)效率。 本課題為CK6140六工位回轉(zhuǎn)刀架系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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。 關(guān)鍵詞：數(shù)控車(chē)床；零件加工；刀架設(shè)計(jì) ABSTRACT CNC lathe’s tool carrier is an important part of machine.Knife used for cutting tool clamping,its structure directly affect the efficiency of machine tools,cutting and cutting.therefore ,CNC lathe turret design is good or bad,high efficiency or low will have a direct impact on processing time and quantity of the product,thereby affecting the rapid development of manufacturering sector.CNC lathe CK6140is a type of economical lathe.It’s feed system is intercourse servo-system.It’s suit to machine some parts like axis and plate and it can machines inside and outside surfaces of cylinder side surface、arbitrarily of cone anf whorl cutting consistently ,especially it’s more suit to machine step axis 、roundness、cambered surface and more parts with complicate surface .Like this can show it’s superiority .It has a high efficiency to machine various batch of parts repetitively. The subject is CK6140 tool turret six heads system design.It can complete several processes in a single clamping to expand the range of processing anf greatly improve the machining accuracy and pruductive efficiency. Keywords:CNC lathe ;parts machining ;turret design 目 錄 第一章 前言………………………………………………………………………………1 1.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)的背景及目的…………………………………………………………1 1.1.1 設(shè)計(jì)背景……………………………………………………………………1 1.1.2 設(shè)計(jì)目的……………………………………………………………………1 1.2 國(guó)內(nèi)外數(shù)控車(chē)床的研究狀況和成果……………………………………………1 1.3 研究?jī)?nèi)容和設(shè)計(jì)構(gòu)成……………………………………………………………3 1.3.1 研究?jī)?nèi)容……………………………………………………………………3 1.3.2 技術(shù)參數(shù)……………………………………………………………………4 1.3.3 設(shè)計(jì)過(guò)程……………………………………………………………………4 第二章 車(chē)床總體布局設(shè)計(jì)……………………………………………………………6 2.1 床身的結(jié)構(gòu)布局…………………………………………………………………6 2.2 床身結(jié)構(gòu)的選擇…………………………………………………………………7 2.3 導(dǎo)軌的選擇………………………………………………………………………7 2.4 刀架的選擇………………………………………………………………………8 2.5 主軸變速系統(tǒng)……………………………………………………………………9 2.6 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)……………………………………………………………………9 第三章 車(chē)床刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算…………………………………………………11 3.1 車(chē)床刀架的功能類(lèi)型和應(yīng)滿足的要求…………………………………………11 3.1.1 車(chē)床刀架的功能…………………………………………………………11 3.1.2 機(jī)床刀架和自動(dòng)換刀裝置的類(lèi)型………………………………………11 3.1.3 機(jī)床刀架應(yīng)滿足的要求…………………………………………………12 3.2 車(chē)床刀架總體方案設(shè)計(jì)與選擇…………………………………………………13 3.2.1 刀架的整體方案設(shè)計(jì)……………………………………………………13 3.2.2 刀架的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)………………………………………………13 3.2.3 刀架定位機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)…………………………………………………14 3.3 車(chē)床刀架的工作原理……………………………………………………………15 3.4 刀架的設(shè)計(jì)計(jì)算…………………………………………………………………16 3.4.1 驅(qū)動(dòng)刀架的伺服電機(jī)的選擇計(jì)算………………………………………16 3.4.2 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算……………………………………………………19 I 3.4.3 刀架主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算………………………………………………23 第四章 車(chē)床液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算……………………………………………25 4.1 刀架液壓控制系統(tǒng)液壓泵及油泵電動(dòng)機(jī)的選擇計(jì)算…………………………25 4.1.1 液壓油泵的選擇…………………………………………………………25 4.1.2 油泵電動(dòng)機(jī)功率的選擇計(jì)算………………………………………………25 4.2 液壓缸的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………27 4.2.1 選擇液壓缸類(lèi)型…………………………………………………………27 4.2.2 液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d的計(jì)算…………………………………27 4.3 車(chē)床液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)……………………………………………………………28 4.3.1 液壓回路的選擇…………………………………………………………28 4.3.2 擬定液壓系統(tǒng)圖…………………………………………………………28 4.3.3 液壓系統(tǒng)的控制原理……………………………………………………29 第五章 微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)………………………………………………………31 5.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求…………………………………………………………………31 5.2 硬件電路方案的確定……………………………………………………………31 5.2.1 中央處理器CPU的簡(jiǎn)介及選擇…………………………………………32 5.2.2 存儲(chǔ)器的擴(kuò)展與CPU的連接……………………………………………33 5.2.3 譯碼電路…………………………………………………………………34 5.2.4 I/O擴(kuò)展電路 ……………………………………………………………34 5.2.5 鍵盤(pán)、顯示器接口電路……………………………………………………35 5.2.6 時(shí)鐘、復(fù)位電路……………………………………………………………35 5.2.7 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路………………………………………………………35 第五章 結(jié)論………………………………………………………………………………39 參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………………40致謝…………………………………………………………………………………………41 I 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第一章 前言 1.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)的背景及目的 1.1.1 設(shè)計(jì)背景 制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，也是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的載體及使其轉(zhuǎn)化為規(guī)模生產(chǎn)力的工具與橋梁。裝備制造業(yè)是一個(gè)國(guó)家綜合制造力的集中體現(xiàn)，重大裝備研制能力是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)化水平和綜合國(guó)力的重要標(biāo)準(zhǔn)。 我國(guó)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀(jì)五十年代，通過(guò)“六五”期間引進(jìn)數(shù)控技術(shù)，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關(guān)”，我國(guó)數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相當(dāng)大的成績(jī)。特別是最近幾年，我國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，1998～2004年國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量和消費(fèi)量的年平均增長(zhǎng)率分別為39.3%和34.9%。盡管如此，進(jìn)口機(jī)床的發(fā)展勢(shì)頭依然強(qiáng)勁，從2002年開(kāi)始，中國(guó)連續(xù)三年成為世界機(jī)床消費(fèi)第一大國(guó)、機(jī)床進(jìn)口第一大國(guó)，2004年中國(guó)機(jī)床主機(jī)消費(fèi)高達(dá)94.6億美元，國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機(jī)床的研究開(kāi)發(fā)方面與國(guó)外的差距更加明顯，70%以上的此類(lèi)設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴(lài)進(jìn)口。由此可以看出國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床特別是中高檔數(shù)控機(jī)床仍然缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，究其原因主要在于國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的研究開(kāi)發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務(wù)意識(shí)與能力欠缺、數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。我們應(yīng)看清形勢(shì)，充分認(rèn)識(shí)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的不足，努力發(fā)展先進(jìn)技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓(xùn)服務(wù)力度，以縮短與發(fā)達(dá)國(guó)家之問(wèn)的差距。 1.1.2 設(shè)計(jì)目的 通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，可以達(dá)到以下目的: 1、培養(yǎng)綜合運(yùn)用專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)技能來(lái)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力； 2、強(qiáng)化工程實(shí)踐能力和意識(shí)，提高本人綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力； 3、使本人受到從事本專(zhuān)業(yè)工程技術(shù)和科學(xué)研究工作的基本訓(xùn)練，提高工程繪圖、計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、外文資料文獻(xiàn)閱讀、使用計(jì)算機(jī)、使用文獻(xiàn)資和手冊(cè)、文字表達(dá)等各方面的能力； 4、培養(yǎng)正確的設(shè)計(jì)思想和工程經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)、理論聯(lián)系實(shí)際的工作作風(fēng)、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度以及積極向上的團(tuán)隊(duì)合作精神。 1.2 國(guó)內(nèi)外數(shù)控車(chē)床的研究狀況和成果 1949年帕森公司正式接受美國(guó)空軍委托，在麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)試驗(yàn)室的協(xié)助下，開(kāi)始從事數(shù)控機(jī)床的研制工作。經(jīng)過(guò)三年時(shí)間的研究，于1952年試制成功世界第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床試驗(yàn)性樣機(jī)，這是一臺(tái)采用脈沖乘法器原理的直線插補(bǔ)三坐標(biāo)連續(xù)控制銑 - 1 - 床，這便是數(shù)控機(jī)床的第一代。 1953年，美國(guó)空軍與麻省理工學(xué)院協(xié)作，開(kāi)始從事計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程的研究，這就是創(chuàng)制APT(Automatically Programmed Tools )自動(dòng)編程系統(tǒng)的開(kāi)始。 1955年，美國(guó)空軍花費(fèi)巨額經(jīng)費(fèi)訂購(gòu)了大約100臺(tái)數(shù)控機(jī)床，此后兩年，數(shù)控機(jī)床在美國(guó)進(jìn)入迅速發(fā)展階段,市場(chǎng)上出現(xiàn)了商品化數(shù)控機(jī)床。1958年，美國(guó)克耐杜列克公司(Keaney & Trecker Co.)在世界上首先研制成功帶自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，稱(chēng)為“加工中心”。 1959年，計(jì)算機(jī)行業(yè)研制出晶體管元器件，因而數(shù)控裝置中廣泛采用晶體管和印制電路板，從而跨入第二代數(shù)控時(shí)代。同時(shí)美國(guó)航空工業(yè)協(xié)會(huì)(AIA)和麻省理工學(xué)院發(fā)展了APT程序語(yǔ)言。 1960年以后，點(diǎn)位控制機(jī)床在美國(guó)得到迅速發(fā)展,數(shù)控技術(shù)不僅在機(jī)床上得到實(shí)際應(yīng)用，而且逐步推廣到?jīng)_壓機(jī)、繞線機(jī)、焊接機(jī)、火焰切割機(jī)、包裝機(jī)和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等，在程序編制方面，已由手工編程逐步發(fā)展到采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程。除了APT數(shù)控語(yǔ)言外，又發(fā)展了許多自動(dòng)騙程語(yǔ)言。 從1960年開(kāi)始，德國(guó)、日本等先進(jìn)工業(yè)國(guó)家都陸續(xù)開(kāi)發(fā)，生產(chǎn)及使用了數(shù)控機(jī)床。至1965年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路。由于它體積小、功耗低、使用數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得以進(jìn)一步提高，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。 1967年，英國(guó)首先把幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床聯(lián)接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是最初的FMS(Flexible Manufacturing System，柔性制造系統(tǒng))。之后，美、歐、日也相繼進(jìn)行開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。 1970年前后，美國(guó)英特爾公司開(kāi)發(fā)和使用了微處理器。1974年美、日等國(guó)首先研制出以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)。近20年來(lái)，微處理機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的摟控機(jī)床得到飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，這就是第五代數(shù)控系統(tǒng)(MNC)。 20世紀(jì)80年代初，國(guó)際上又出現(xiàn)了柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 。 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、科研單位研制出試驗(yàn)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年代初研制成了劈錐數(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立式數(shù)控銑床。 從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，數(shù)控技術(shù)在車(chē)、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，因此末能廣泛推廣。 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(mén)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)定發(fā)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)床的品種有了新的發(fā)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)的發(fā)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)的基礎(chǔ)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0.02um的高精度數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)字仿型數(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年的發(fā)展，基本上掌握了關(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)?！笆濉惫リP(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)，這4種基本系統(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)特色濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過(guò)這些年來(lái)的發(fā)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(lèi)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)床發(fā)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)品大部分達(dá)到期際上20世紀(jì)80年代中期水平，部分達(dá)到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。 1.3 研究?jī)?nèi)容和設(shè)計(jì)構(gòu)成 1.3.1 研究?jī)?nèi)容 本課題設(shè)計(jì)數(shù)控車(chē)床CK6140車(chē)床回轉(zhuǎn)式刀架系統(tǒng)，用于對(duì)回轉(zhuǎn)零件的圓柱面、圓弧面、圓錐面、端面、切槽、及各種公、英制螺紋等進(jìn)行批量、高效、高精度的自動(dòng)加工。該數(shù)控車(chē)床可以用于機(jī)械、汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)加工自動(dòng)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。 本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為： 1、分析確定CK6140車(chē)床刀架系統(tǒng)的整體傳動(dòng)方案； 2、刀架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體方案設(shè)計(jì)； 3、零部件的校核與設(shè)計(jì)相關(guān)的計(jì)算； 4、裝配圖的設(shè)計(jì)、零件工作圖的設(shè)計(jì)； 5、本設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)分析； 6、典型零件加工工藝及圖形交互式（CAD/CAM）或手工數(shù)控程序編制； 7、外文資料的翻譯。 1.3.2 技術(shù)參數(shù) CK6140數(shù)控車(chē)床回轉(zhuǎn)刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為本次畢業(yè)設(shè)計(jì)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(chē)床實(shí)物樣機(jī)以及組內(nèi)學(xué)習(xí)相互討論等途徑，確定其主要技術(shù)參數(shù)如表1.1所示： 表1.1 CK6140數(shù)控車(chē)床主要技術(shù)參數(shù) 主要參數(shù) CK6140 中心高（mm) 205 最大回轉(zhuǎn)直徑（mm） 400 刀架最大回轉(zhuǎn)直徑 210 刀架最大回轉(zhuǎn)行程 280 轉(zhuǎn)速50HZ 25-1600 12級(jí) 刀桿截面尺寸（mm） 縱向進(jìn)給量（mm） 0.04-2.16mm 頂尖套內(nèi)孔錐度 Mt4 頂尖套最大移動(dòng)量 130mm 橫向最大移動(dòng)量 電機(jī)kw 4.5 中心距 750 主機(jī)外形 重量 1600 1.3.3 設(shè)計(jì)過(guò)程 本次設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)部分是CK6140數(shù)控車(chē)床的刀架系統(tǒng)，通過(guò)查閱資料和親臨現(xiàn)場(chǎng)的觀察和總結(jié)，再加上幾個(gè)月的努力，終于可以擬定并最終做好設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)途徑：1、參數(shù)修正，查閱資料和觀察實(shí)物，然后最終確定參數(shù)； 2、設(shè)計(jì)刀架結(jié)構(gòu)，擬用液壓控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)抬起和刀盤(pán)鎖緊定位， 而刀盤(pán)的分度轉(zhuǎn)位由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)； 3、熟悉液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，加深對(duì)數(shù)控編程的學(xué)習(xí)。 研究?jī)?nèi)容：使用液壓缸驅(qū)動(dòng)刀架的抬起和鎖緊，重點(diǎn)是對(duì)結(jié)構(gòu)的理解和多齒盤(pán)進(jìn)行定位的把握，還有對(duì)控制的掌握，進(jìn)行必要的計(jì)算，通過(guò)大量的查閱資料，進(jìn)行對(duì)比挑選，爭(zhēng)取選出比較理想的方案，還要加重對(duì)刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 第二章 車(chē)床總體布局設(shè)計(jì) 2.1 床身的結(jié)構(gòu)布局 床身的結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)床的布局有很大影響。床身是機(jī)床的主要承載部件，是機(jī)床的主體，若采用不同布局，就會(huì)導(dǎo)致車(chē)床床身構(gòu)造和形狀不同。本次研究的數(shù)控車(chē)床床身采用臥式斜床身結(jié)構(gòu)。因?yàn)檐?chē)床的床身是整個(gè)車(chē)床的基礎(chǔ)支承件，是車(chē)床的主體，一般用來(lái)放置導(dǎo)軌、主軸箱等重要部件。床身的結(jié)構(gòu)對(duì)車(chē)床的布局有很大的影響。按照床身導(dǎo)軌面與水平面的相對(duì)位置，床身的結(jié)構(gòu)有后斜床身-斜滑板、直立床身-直立滑板、平床身—、-平滑板、前斜床身-平滑板和平床身-斜滑板等五種，它們各自有自己的優(yōu)點(diǎn)和局限性，采用什么樣的床身要根據(jù)實(shí)際情況定。一般來(lái)說(shuō)，中、小規(guī)格的數(shù)控車(chē)床采用斜床身和平床身斜滑板的居多。只有大型數(shù)控車(chē)床或小型精密數(shù)控車(chē)床才采用平床身平滑板結(jié)構(gòu)，而立床身結(jié)構(gòu)采用得較少。平床身工藝性好，易于加工制造，由于車(chē)床刀架水平放置，對(duì)提高刀架的運(yùn)動(dòng)精度有好處,，但床身下部空間小，排屑回難。平床身斜滑板結(jié)構(gòu)，再配置向上傾斜導(dǎo)軌防護(hù)罩，這樣既保持了平床身工藝性好的優(yōu)點(diǎn)，而且床身寬度也不會(huì)太大。斜床身和平床身斜滑板結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代數(shù)控車(chē)床中被廣泛采用，是因?yàn)檫@種布局有以下的優(yōu)點(diǎn)： 1） 易實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化； 2） 機(jī)床外觀整齊,美觀,占地面積??； 3） 容易設(shè)置封閉式防護(hù)裝置； 4） 容易排屑和安裝自支排屑器； 5） 從工件上切下的熾熱切屑不至于堆積在導(dǎo)軌上影響導(dǎo)軌精度； 6） 宜人性好,便于操作； 7） 便于安裝機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化。 機(jī)床床身的五種結(jié)構(gòu)形式圖2.1所示： ????????? ? (a) 斜床身—斜滑板 (b) 直立床身—直立滑板 (c) 平床身—平滑板 (d) 前斜床身—平滑板 (e)平床身—斜滑板 圖2.1 床身結(jié)構(gòu)示意圖 2.2 床身結(jié)構(gòu)的選擇 鑒于斜床身有前述優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)擬選用此種床身形式。而目前的斜床身按與地面相交角度，一般分為30°、45°、60°、75°等，其中30°、45°形式多為小型數(shù)控車(chē)床采用，75°形式經(jīng)常為大型數(shù)控車(chē)床采用，而60°形式則為大多數(shù)中等規(guī)格數(shù)控車(chē)床所采用。CK6140，從規(guī)格上講，應(yīng)屬于中等常用規(guī)格，故初步選擇60°斜床身形式。采用60°斜床身與35°、45°相比，占地面積小，便于排屑；與75°斜床身相比，當(dāng)采用同樣的材料、相同的筋板布置形式時(shí)，60°斜床身比75°斜床身剛度可提高25%～30%，另外，機(jī)床整體布局合理，長(zhǎng)寬高比例適宜，因此選擇60°床身結(jié)構(gòu)是合適的。 按設(shè)計(jì)要求選擇導(dǎo)軌跨距后，因下導(dǎo)軌靠近主軸軸線，故選用下導(dǎo)軌作為導(dǎo)向和主要支承導(dǎo)軌。為降低扭轉(zhuǎn)力矩，保證加工精度，使縱向滾珠絲杠位置在上下導(dǎo)軌之間。由于本設(shè)計(jì)要求加工工件較長(zhǎng)，故采用鑲鋼導(dǎo)軌，材料40Cr，淬火后用螺栓固定在床身上進(jìn)行精密磨削加工。 總之，床身向后傾斜與地面成60°角，集合了斜床身和平床身的優(yōu)點(diǎn)，為機(jī)床實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的合理布局創(chuàng)造了條件，形成外形美觀、結(jié)構(gòu)合理，別具一格的形式。 所謂機(jī)床布局是根據(jù)工件的工藝分類(lèi)所需運(yùn)動(dòng)和主要技術(shù)參數(shù)而確定各部件的相對(duì)位置，并完成工件和刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，保證加工精度，方便操作、調(diào)整和維修。無(wú)論采用哪種布局形式，都要求外型美觀，并滿足上述要求，由于現(xiàn)代數(shù)控車(chē)床一般均采用全封閉式防護(hù)裝置。因此，機(jī)床外型的美觀性，顯得特別重要。而機(jī)床的結(jié)構(gòu)，各部件的布局形式，將直接影響外型的美觀性，可以說(shuō)，機(jī)床的布局確定了，外觀造型也就基本確定了，布局必須使整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，以節(jié)省占地面積和空間。 2.3 導(dǎo)軌的選擇 車(chē)床的導(dǎo)軌可分為滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌兩種。 滑動(dòng)導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦阻力大、磨損快、動(dòng)靜摩擦系數(shù)差別大、低速時(shí)易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。目前，數(shù)控車(chē)床已不采用傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動(dòng)導(dǎo)軌和新型塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。 導(dǎo)軌剛度的大小、制造是否簡(jiǎn)單、能否調(diào)整、摩擦損耗是否最小以及能否保持導(dǎo)軌的初始精度，在很大程度上取決于導(dǎo)軌的橫截面形狀。車(chē)床滑動(dòng)導(dǎo)軌的橫截面形狀常采用山形截面和矩形截面。山形截面，如圖2.3(a)所示。這種截面導(dǎo)軌導(dǎo)向精度高，導(dǎo)軌磨損后靠自重下沉自動(dòng)補(bǔ)償。下導(dǎo)軌用凸形有利于排污物，但不易保存油液。矩形截面，如圖2.3(b)所示。這種截面導(dǎo)軌制造維修方便，承載能力大，新導(dǎo)軌導(dǎo)向精度高，但磨損后不能自動(dòng)補(bǔ)償，需用鑲條調(diào)節(jié)，影響導(dǎo)向精度。 ????????? a) 山形截面 b) 矩形截面 圖2.3 導(dǎo)軌截面 滾動(dòng)導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是摩擦系數(shù)小，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)很接近，不會(huì)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，可以使用油脂潤(rùn)滑。數(shù)控車(chē)床導(dǎo)軌的行程一般較長(zhǎng)，因此滾動(dòng)體必須循環(huán)。根據(jù)滾動(dòng)體的不同，滾動(dòng)導(dǎo)軌可分為滾珠直線導(dǎo)軌和滾柱直線導(dǎo)軌，如圖2.4所示。后者的承載能力和剛度都比前者高，但摩擦系數(shù)略大。 ??????????? a) 滾珠直線導(dǎo)軌 b) 滾柱直線導(dǎo)軌 圖2.4 滾動(dòng)導(dǎo)軌 2.4 刀架的選擇 數(shù)控車(chē)床的刀架采用回轉(zhuǎn)刀架，如圖2.5所示?；剞D(zhuǎn)刀架的換刀分為刀盤(pán)抬起、刀架鎖緊和刀盤(pán)轉(zhuǎn)位三個(gè)動(dòng)作。其中刀盤(pán)抬起和刀架鎖緊由液壓控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，而刀盤(pán)轉(zhuǎn)位則由伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。刀盤(pán)抬起動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)須經(jīng)以下步驟：數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀盤(pán)抬起命令液壓系統(tǒng)啟動(dòng)壓力油進(jìn)入液壓缸右腔活塞向左運(yùn)動(dòng)刀架主軸向左移動(dòng)端齒盤(pán)脫離嚙合刀盤(pán)抬起。刀盤(pán)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(pán)轉(zhuǎn)位的命令伺服電機(jī)啟動(dòng)蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)刀架主軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)轉(zhuǎn)位。刀盤(pán)鎖緊動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)順經(jīng)以下的步驟： 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀盤(pán)鎖緊命令液壓系統(tǒng)啟動(dòng)壓力油進(jìn)入液壓缸左腔活塞向右運(yùn)動(dòng)刀架主軸向右移動(dòng)端齒盤(pán)嚙合實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)鎖緊。 圖2.5 回轉(zhuǎn)刀架示意圖 2.5 主軸變速系統(tǒng) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床大多數(shù)是不能自動(dòng)變速的，需要變速時(shí)，只能把機(jī)床停止，然后手動(dòng)變速。而全功能數(shù)控車(chē)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)大多采用無(wú)級(jí)變速。目前，無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)主要有變頻主軸系統(tǒng)和伺服主軸系統(tǒng)兩種，一般采用直流或交流主軸電機(jī)，通過(guò)帶傳動(dòng)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，或通過(guò)帶傳動(dòng)和主軸箱內(nèi)的減速齒輪(以獲得更大的轉(zhuǎn)矩)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。由于主軸電機(jī)調(diào)速范圍廣，又可無(wú)級(jí)調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。主軸電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)可輸出全部功率和最大轉(zhuǎn)矩。 2.6 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng) 數(shù)控車(chē)床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)一般均采用進(jìn)給伺服系統(tǒng)。這也是數(shù)控車(chē)床區(qū)別于普通車(chē)床的一個(gè)特殊部分。 數(shù)控車(chē)床的伺服系統(tǒng)一般由驅(qū)動(dòng)控制單元、驅(qū)動(dòng)元件、機(jī)械傳動(dòng)部件、執(zhí)行件和檢測(cè)反饋環(huán)節(jié)等組成。驅(qū)動(dòng)控制單元和驅(qū)動(dòng)元件組成伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。機(jī)械傳動(dòng)部件和執(zhí)行元件組成機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。檢測(cè)元件與反饋電路組成檢測(cè)系統(tǒng)。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)按其控制方式不同可分為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)控制方式通常是具有位置反饋的伺服系統(tǒng)。根據(jù)位置檢測(cè)裝置所在位置的不同，閉環(huán)系統(tǒng)又分為半閉環(huán)系統(tǒng)和全閉環(huán)系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)具有將位置檢測(cè)裝置裝在絲杠端頭和裝在電機(jī)軸端兩種類(lèi)型。前者把絲杠包括在位置環(huán)內(nèi)，后者則完全置機(jī)械傳動(dòng)部件于位置環(huán)之外。全閉環(huán)系統(tǒng)的位置檢測(cè)裝置安裝在工作臺(tái)上，機(jī)械傳動(dòng)部件整個(gè)被包括在位置環(huán)之內(nèi)。 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的定位精度比閉環(huán)系統(tǒng)低，但它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、造價(jià)低廉。由于影響定位精度的機(jī)械傳動(dòng)裝置的磨損、慣性及間隙的存在，故開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的精度和快速性較差。 全閉環(huán)系統(tǒng)控制精度高、快速性能好，但由于機(jī)械傳動(dòng)部件在控制環(huán)內(nèi)，所以系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不僅取決于驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而且還與機(jī)械傳動(dòng)部件的剛度、阻尼特性、慣性、間隙和磨損等因素有很大關(guān)系，故必須對(duì)機(jī)電部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行綜合考慮才能滿足系統(tǒng)的要求。因此全閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的要求比較高，且造價(jià)也較昂貴。閉環(huán)系統(tǒng)中采用的位置檢測(cè)裝置有：脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。數(shù)控車(chē)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)中常用的驅(qū)動(dòng)裝置是伺服電機(jī)。伺服電機(jī)有直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)之分。交流伺服電機(jī)由于具有可靠性高、基本上不需要維護(hù)和造價(jià)低等特點(diǎn)而被廣泛采用。 第三章 車(chē)床刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 3.1 車(chē)床刀架的功能、類(lèi)型和應(yīng)滿足的要求 3.1.1 車(chē)床刀架的功能 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(chē)床上的四方刀架，轉(zhuǎn)塔車(chē)床的轉(zhuǎn)塔刀架，回輪式轉(zhuǎn)塔車(chē)床的回輪刀架，自動(dòng)車(chē)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)的發(fā)展，機(jī)床的刀架也有了許多變化，特別是數(shù)控車(chē)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(pán)。加工中心則進(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。 3.1.2 機(jī)床刀架和自動(dòng)換刀裝置的類(lèi)型 機(jī)床刀架的類(lèi)型，按照安裝刀具的數(shù)目，可分為單刀架和多刀架，例如自動(dòng)車(chē)床上的前、后刀架和天平刀架；按結(jié)構(gòu)形式可分為方刀架、轉(zhuǎn)塔刀架、回輪式刀架等；按驅(qū)動(dòng)刀架轉(zhuǎn)位的動(dòng)力可分為手動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架和自動(dòng)（電動(dòng)和液動(dòng)）轉(zhuǎn)位刀架。 自動(dòng)換刀裝置的刀庫(kù)和換刀機(jī)械手，驅(qū)動(dòng)都是采用電氣或液壓自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。目前自動(dòng)換刀裝置主要用在加工中心和車(chē)削中心上，但在數(shù)控磨床上自動(dòng)更換砂輪，電加工機(jī)床上自動(dòng)更換電極，以及數(shù)控沖床上自動(dòng)更換模具等的應(yīng)用也日漸增多。 數(shù)控車(chē)床的自動(dòng)換刀裝置主要采用回轉(zhuǎn)刀盤(pán)，刀盤(pán)上安裝8～12把刀。有的數(shù)控車(chē)床采用兩個(gè)刀盤(pán)，實(shí)行四坐標(biāo)控制，少數(shù)數(shù)控車(chē)床也具有刀庫(kù)形式的自動(dòng)換刀裝置。圖3.1a是一個(gè)刀架上的回轉(zhuǎn)盤(pán)，刀具與主軸中心平行安裝，回轉(zhuǎn)刀盤(pán)既有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又有縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（S縱）和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（S橫）。圖3.1b為刀盤(pán)中心線相對(duì)于主軸中心線傾斜的回轉(zhuǎn)刀盤(pán)，刀盤(pán)上有6～8個(gè)刀位可安裝兩把刀具，分別加工外圓和內(nèi)孔。圖3.1c所示為裝有兩個(gè)刀盤(pán)的數(shù)控車(chē)床，刀盤(pán)1的回轉(zhuǎn)中心與主軸中心線平行，用于加工外圓；刀盤(pán)2的回轉(zhuǎn)中心線與主軸中心線垂直，用以加工內(nèi)表面。圖3.1d是帶刀庫(kù)的數(shù)控車(chē)床，刀庫(kù)可以式回轉(zhuǎn)式或鏈?zhǔn)?，通過(guò)機(jī)械手交換刀具。圖3.1e是帶鼓輪式刀庫(kù)的車(chē)削中心，圖中3為回轉(zhuǎn)刀盤(pán)，上面裝有多把刀具，4是鼓輪式刀庫(kù)，其上可裝6～8把刀，5是機(jī)械手交換刀具，可將刀庫(kù)中的刀具換刀刀具轉(zhuǎn)軸6上去，6可由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)進(jìn)行銑削加工，7為回轉(zhuǎn)頭，可交換采用回轉(zhuǎn)刀盤(pán)3和刀具轉(zhuǎn)軸6，輪翻進(jìn)行加工。 圖3.1 數(shù)控車(chē)床上的自動(dòng)換刀裝置 3.1.3 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)形成工件表面，而工件的表面形狀和表面位置的不同，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表面， 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表面粗糙度上，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(lèi)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。考慮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) 刀架是為了提高機(jī)床自動(dòng)化而出現(xiàn)的，因而它的換刀時(shí)間應(yīng)盡可能縮短，以利于提高生產(chǎn)率。目前自動(dòng)換刀裝置的換刀時(shí)間在0.8—6秒之間不等。而且還在進(jìn)一步縮短。 (6) 操作方便和安全。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安全，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。 3.2 車(chē)床刀架總體方案設(shè)計(jì)與選擇 3.2.1 刀架的整體方案設(shè)計(jì) 刀架是車(chē)床的重要組成部分，用于夾持切削用的刀具，因此其結(jié)構(gòu)直接影響到車(chē)床的切削性能和切削效率。根據(jù)前部分對(duì)機(jī)床刀架類(lèi)型、性能及其使用場(chǎng)合的綜合比較，并結(jié)合現(xiàn)有數(shù)控車(chē)床的實(shí)例，本次設(shè)計(jì)的數(shù)控車(chē)床CK6140擬采用回轉(zhuǎn)刀架中的六工位六方刀架。該刀架的換刀動(dòng)作分為刀盤(pán)抬起、刀盤(pán)分度轉(zhuǎn)位和刀盤(pán)鎖緊三個(gè)步驟，其中刀盤(pán)抬起和刀盤(pán)鎖緊定位由液壓控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，而刀盤(pán)的分度轉(zhuǎn)位由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 3.2.2 刀架的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 一般來(lái)說(shuō)，機(jī)床刀架的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)主要有以下幾種： (1) 液壓（或氣動(dòng)）驅(qū)動(dòng)的活塞齒條齒輪轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu) 這種由液動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)調(diào)速范圍大、緩沖制動(dòng)容易，轉(zhuǎn)位速度可調(diào)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)尺寸較小，制造容易，因而應(yīng)用較廣泛。而轉(zhuǎn)位角度大小可由活塞桿上的限位檔塊來(lái)調(diào)整。也有采用氣動(dòng)的，氣動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，速度可調(diào)，但運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，有沖擊，結(jié)構(gòu)尺寸大，驅(qū)動(dòng)力小。故一般多用于非金屬切削的自動(dòng)化機(jī)械和自動(dòng)線的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)中。 (2) 圓柱凸輪步進(jìn)式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu) 這種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)依靠凸輪輪廓強(qiáng)制刀架作轉(zhuǎn)位運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)規(guī)律完全取決于凸輪輪廓形狀。圓柱凸輪是在圓周面上加工出一條兩端有頭的凸起輪廓，從動(dòng)回轉(zhuǎn)盤(pán)（相當(dāng)于刀架體）端面有多個(gè)柱銷(xiāo)，銷(xiāo)子數(shù)量與工位數(shù)相等。當(dāng)圓柱凸輪按固定的旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，有的柱銷(xiāo)會(huì)進(jìn)入凸輪輪廓的曲線段，使凸輪開(kāi)始驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)位，與此同時(shí)有的圓柱銷(xiāo)會(huì)與凸輪輪廓脫離，當(dāng)柱銷(xiāo)接觸的凸輪輪廓由曲線段過(guò)渡到直線段時(shí)，即使凸輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)盤(pán)也不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，即完成了一次刀盤(pán)分度轉(zhuǎn)位動(dòng)作。如此反復(fù)下去，就能實(shí)現(xiàn)多次的刀架換刀操作。由于凸輪是一個(gè)兩端開(kāi)口的非閉合曲線輪廓，所以當(dāng)凸輪正反轉(zhuǎn)進(jìn)均可帶動(dòng)刀盤(pán)正反兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)。這種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)位速度高、精度較低，運(yùn)動(dòng)特性可以自由設(shè)計(jì)選取但制造較困難、成本較高、結(jié)構(gòu)尺寸較大。這種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)可以通過(guò)控制系統(tǒng)中的邏輯電路或PC程序來(lái)自動(dòng)選擇回轉(zhuǎn)方向，以縮短轉(zhuǎn)位輔助時(shí)間。 (3) 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的刀架轉(zhuǎn)位 隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，可以采用直流（或交流）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿、蝸輪（消除間隙）實(shí)現(xiàn)刀架轉(zhuǎn)位，轉(zhuǎn)位的速度和角位移均可通過(guò)半閉環(huán)反饋進(jìn)行精確控制加以實(shí)現(xiàn)。因而這種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)位速度可以進(jìn)行精確控制、精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易。所以在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中被廣泛采用。 結(jié)合上述三種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)位機(jī)理和特點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)的數(shù)控車(chē)床CK6140決定采用第三種轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)---伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的刀架轉(zhuǎn)位。 3.2.3 刀架定位機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 目前在刀架的定位機(jī)構(gòu)中多采用錐銷(xiāo)定位和端面齒盤(pán)定位。因?yàn)閳A柱銷(xiāo)和斜面銷(xiāo)定位時(shí)容易出現(xiàn)間隙，而圓錐銷(xiāo)定位精度較高，它進(jìn)入定位孔時(shí)一般靠彈簧力或液壓、氣動(dòng)，即使磨損后仍可以消除間隙，以獲得較高的定位精度。端齒盤(pán)定位由兩個(gè)齒形相同的端面齒盤(pán)相嚙合而成，由于嚙合時(shí)各個(gè)齒的誤差相互抵消，起著誤差均化的作用，定位精度高。 端齒盤(pán)定位的特點(diǎn)： （1）定位精度高。由于端齒盤(pán)定位齒數(shù)多，且沿圓周均布，向心多齒結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)研齒的齒盤(pán)其分度精度一般可達(dá)左右，最高可達(dá)以內(nèi)。一對(duì)齒盤(pán)嚙合時(shí)具有自動(dòng)定心作用，所以中心軸的回轉(zhuǎn)精度、間隙及磨損對(duì)定心精度幾乎沒(méi)有影響，對(duì)中心軸的精度要求低，裝配容易。 （2）重復(fù)定位精度好。由于多齒嚙合相當(dāng)于上下齒盤(pán)齒的反復(fù)磨合對(duì)研，越磨合精度越高，重復(fù)定位精度也越好。 （3）定位剛性好，承載能力大。兩齒盤(pán)多齒嚙合。由于齒盤(pán)齒部強(qiáng)度高，并且一般齒數(shù)嚙合率不少于90%，齒面嚙合長(zhǎng)度不少于60%，故定位剛性好，承載能力大。 考慮到端面齒盤(pán)具有以上的各種優(yōu)點(diǎn)，因而本次設(shè)計(jì)的刀架采用端面齒盤(pán)定位。 3.3 車(chē)床刀架的工作原理 下圖所示為回轉(zhuǎn)刀架的結(jié)構(gòu)圖，刀架的松開(kāi)和夾緊以及刀盤(pán)的分度轉(zhuǎn)位分別由液壓系統(tǒng)和直流伺服電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。7為安裝刀具的刀盤(pán)，它與主軸3固定連接，當(dāng)?shù)都苤鬏S3帶動(dòng)刀盤(pán)7旋轉(zhuǎn)時(shí)，其上的端齒盤(pán)5和固定在刀盤(pán)上的端齒盤(pán)6脫開(kāi)，旋轉(zhuǎn)指定刀位后，刀盤(pán)的定位由端齒盤(pán)的嚙合來(lái)完成。活塞1支承在一對(duì)推力球軸承上，它們可以通過(guò)推力球軸承帶動(dòng)刀架主軸來(lái)移動(dòng)。當(dāng)車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，刀架上的液壓缸右腔通入壓力油，活塞1及軸3在壓力油推動(dòng)下向左移動(dòng)，通過(guò)刀架主軸使端齒盤(pán)5和6脫開(kāi)嚙合，實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)抬起動(dòng)作。隨后伺服電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)蝸桿4和蝸輪2轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)刀架主軸3帶動(dòng)刀架的刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)刀架換刀動(dòng)作，轉(zhuǎn)位的速度和角位移均通過(guò)半閉環(huán)反饋系統(tǒng)進(jìn)行精確控制。當(dāng)?shù)侗P(pán)旋轉(zhuǎn)到指定的刀位后，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，指令伺服電機(jī)停轉(zhuǎn)，這時(shí)，壓力油進(jìn)入液壓缸的左腔，推動(dòng)活塞1和刀架主軸3向右移動(dòng)，使端齒盤(pán)5和6重新嚙合，實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)鎖動(dòng)作。刀盤(pán)被定位夾緊并向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，于是刀架的轉(zhuǎn)位、換刀循環(huán)完成。在車(chē)床自動(dòng)工作狀態(tài)下，當(dāng)指定換刀的刀號(hào)后，數(shù)控系統(tǒng)可以通過(guò)內(nèi)部的運(yùn)算判斷，實(shí)行刀盤(pán)就近轉(zhuǎn)位換刀，即刀盤(pán)既可正轉(zhuǎn)也可以反轉(zhuǎn)。但當(dāng)手動(dòng)操作車(chē)床時(shí)，從刀盤(pán)方向觀察，只允許刀盤(pán)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)換刀。 1-活塞 2-蝸輪 3-主軸 4-蝸桿 5-右端齒盤(pán) 6-左端齒盤(pán) 7-刀盤(pán) 圖3.2 數(shù)控車(chē)床回轉(zhuǎn)刀架結(jié)構(gòu)圖 3.4 刀架的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.4.1 驅(qū)動(dòng)刀架的伺服電機(jī)的選擇計(jì)算 刀架驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇應(yīng)同時(shí)滿足刀架運(yùn)轉(zhuǎn)的負(fù)載扭矩和起動(dòng)時(shí)的加速扭矩 的要求。 (1) 刀架負(fù)載扭矩的計(jì)算 回轉(zhuǎn)刀架負(fù)載扭矩估算方法如下：由于這種刀架的負(fù)載扭矩主要用來(lái)克服刀具質(zhì)量的不平衡，估算按如下的情況進(jìn)行：用平均重力的刀具插滿刀盤(pán)的半個(gè)圓，根據(jù)工藝要求所需的各種刀具，確定每個(gè)刀具的（包括刀柄）平均重力，而其重心則設(shè)定為離刀架回轉(zhuǎn)中心2/3半徑處。由以上的方法可知，由于該數(shù)控車(chē)床采用的是伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)為的六工位回轉(zhuǎn)刀架，因而插滿刀盤(pán)的半個(gè)圓需要3把刀具。設(shè)工藝要求所需的每個(gè)刀具的平均重力；刀盤(pán)的回轉(zhuǎn)中心直徑。 則有 （3.1） (2) 刀架加速扭矩的計(jì)算 （3.2） 式中 ——刀架換刀時(shí)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)； ——加速時(shí)間，通常取150； ——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量()，可查樣本； ——負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量()。 則有 (3) 負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 （3.3） 式中 ---各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量()； ---各旋轉(zhuǎn)件的角速度()； ---各直線運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量()； ---各直線運(yùn)動(dòng)件的速度()； ---伺服電機(jī)的角速度()。 (4) 各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的估算 由刀架的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖可知，刀架在完成換刀動(dòng)作時(shí)，伺服電機(jī)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)的部件共3個(gè),它們分別是蝸輪蝸桿副、刀架主軸和刀盤(pán)。因而只需估算這三者的傳動(dòng)慣量即可。 1) 刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 刀盤(pán)采用煙臺(tái)環(huán)球公司生產(chǎn)的AK31系列數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的配套產(chǎn)品，其主要尺寸如下：刀盤(pán)外徑；刀盤(pán)刀架主軸相連的孔徑；刀盤(pán)寬。 則刀盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (3.4) = 2) 刀架主軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 刀架主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量按如下的方法估算： 刀架主軸的最大直徑；最小直徑；刀架主軸長(zhǎng)度取。 則刀架主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (3.5) = 3) 蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 蝸輪蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的估算方法如下： 設(shè)蝸輪的分度圓直徑；其與刀架主軸相連的孔徑；蝸輪齒寬。 則蝸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (3.6) = 設(shè)蝸桿的分度圓直徑；蝸桿長(zhǎng)。 則蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (3.7) = 4) 連軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 由于連軸器已標(biāo)準(zhǔn)化，查表取連軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 5) 對(duì)各旋轉(zhuǎn)件的角速度作如下設(shè)定： 伺服電機(jī)的角速度 ； 蝸桿的角速度 ； 蝸輪的角速度 ； 刀架主軸的角速 ； 刀盤(pán)轉(zhuǎn)位時(shí)的角速度 。 則將以上計(jì)算所得的數(shù)據(jù)代入下式： 得負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量 (3.8) = 取；刀架換刀時(shí)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速；伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 則刀架加速扭矩 (3.9) =0.32 6) 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩應(yīng)同時(shí)滿足刀架負(fù)載扭矩和加速扭矩之和，將以上計(jì)算的刀架負(fù)載扭矩和加速扭矩?fù)Q為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸上的輸出扭矩的公式為： （3.10） 式中 ----傳動(dòng)效率 取0.75。 則有 （3.11） 考慮到實(shí)際情況比計(jì)算時(shí)所設(shè)定條件復(fù)雜，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)為的倍。 所以取 （3.12） 經(jīng)查閱西門(mén)子電機(jī)手冊(cè)，擬選用西門(mén)子1FT6交流伺服電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，額定輸出轉(zhuǎn)矩為5N.m，額定功率為0.4kW。 3.4.2 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 1、各參數(shù)的取定 本刀架的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)是采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿、蝸輪（消除間隙）實(shí)現(xiàn)刀架的轉(zhuǎn)位，其中蝸輪蝸桿副的傳動(dòng)比取60，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速取1400；刀架的轉(zhuǎn)位速度設(shè)計(jì)為，由于刀盤(pán)為六工位刀盤(pán)，則該刀架換一次刀的最大耗時(shí)不到。 2、 蝸輪蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)的普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的功率為，蝸桿的轉(zhuǎn)速為，傳