CK3263B型數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)含NX三維及5張CAD圖
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一、選題依據(jù)
1.論文（設(shè)計(jì)）題目
CK3263B 型數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)
2.研究領(lǐng)域
機(jī)械設(shè)計(jì)與裝備制造
3.論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值
制造業(yè)是一個(gè)國(guó)家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，其發(fā)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)。
工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都非常注重機(jī)械制造業(yè)的發(fā)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)得到先發(fā)展，機(jī)床產(chǎn)業(yè)是機(jī)械制造裝備的主體與基礎(chǔ)。為了追求更好的制造效率與加工精度，機(jī)床向數(shù)控自動(dòng)化方向蓬勃發(fā)展，進(jìn)展顯著。
數(shù)控機(jī)床是多品種小批量生產(chǎn)的高效自動(dòng)化的技術(shù)群，它是把多工序加工、切削處理、刀具磨損和測(cè)量等各種功能集為一體的自動(dòng)化機(jī)床。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展， 數(shù)控機(jī)床已是衡量一個(gè)國(guó)家機(jī)械制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志。各種數(shù)控機(jī)床已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段，成為生產(chǎn)市場(chǎng)的主力軍。在各種數(shù)控機(jī)床中，對(duì)數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，無(wú)論是它的開(kāi)發(fā)應(yīng)用到應(yīng)用，還是其在使用上的優(yōu)良性能上，實(shí)現(xiàn)了高可靠性、高速度和高效率。
目前數(shù)控車床向數(shù)控車削中心發(fā)展，而其中數(shù)控車床與數(shù)控車削中心的一個(gè)重要組成部分是數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架：
（1）數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的工作質(zhì)量直接影響到數(shù)控機(jī)床尤其是加工中心的工作質(zhì)量。數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的工作質(zhì)量主要表現(xiàn)在換刀時(shí)間和故障率。加工中心的故障率有 50% 以上與自動(dòng)換刀裝置有關(guān)，自動(dòng)換刀裝置的投資常常占到整臺(tái)機(jī)床的 30%—50%[1]。所以，設(shè)計(jì)制造一個(gè)優(yōu)良的轉(zhuǎn)塔刀架對(duì)于制造裝備產(chǎn)業(yè)有著重要意義。
（2）目前，在世界機(jī)床制造和機(jī)械加工領(lǐng)域，復(fù)合加工技術(shù)是處于領(lǐng)先地位的技術(shù)。所謂的復(fù)合加工技術(shù)，即是在一臺(tái)設(shè)備上完成車、銑、鉆、攻絲、擴(kuò)孔等多種加工要求，其主要的優(yōu)點(diǎn)就是減少加工時(shí)間，減少輔助時(shí)間，以提高生產(chǎn)率。實(shí)現(xiàn)車銑復(fù)合加工，有許多可行方案，機(jī)床搭載轉(zhuǎn)塔動(dòng)力刀架是其許多方案中應(yīng)用最廣泛的一個(gè)。其中，數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架是實(shí)現(xiàn)復(fù)合加工的核心功能部件，不僅可以像普通刀架一樣裝配多把普通刀具，并且能夠同時(shí)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)動(dòng)力刀具，完成銑、鉆、攻絲、絞孔等加工[2]。
4.目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)
刀架，作為機(jī)床的重要組成部分，刀架的發(fā)展是伴隨著機(jī)床的發(fā)展的。
最早是在40 年代初，由美國(guó)北密支安的小型飛機(jī)工業(yè)承包商派爾遜公司（Parsons
Corporation）實(shí)現(xiàn)數(shù)控技術(shù)進(jìn)行機(jī)械加工的。
1952 年，麻省理工學(xué)院在一臺(tái)立銑床上，裝上了一套實(shí)驗(yàn)性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)了同時(shí)控制三軸的運(yùn)動(dòng)，這臺(tái)數(shù)控機(jī)床被大家稱為世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。
1954 年 1 月，在派爾遜斯專利的基礎(chǔ)上，第一臺(tái)工業(yè)用的數(shù)控機(jī)床由美國(guó)本迪克斯（Bendix cooperation）正式生產(chǎn)出來(lái)。
1959 年 3 月，由美國(guó)卡耐特雷克公司（Keaney &Trecker corp.）開(kāi)發(fā)出第一臺(tái)具有自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床。
1980 年，在電動(dòng)刀架和液壓刀架的本體基礎(chǔ)上外加動(dòng)力刀具驅(qū)動(dòng)模式的形式，構(gòu)成了動(dòng)力刀架。
近 30 年的發(fā)展，數(shù)控刀架逐漸演變?yōu)殡妱?dòng)和液動(dòng)兩大派。
電動(dòng)刀架：以歐洲為代表。由力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，凸輪控制齒盤的松開(kāi)和剎緊，預(yù)定位動(dòng)作由電磁鐵完成，位置信號(hào)由編碼器發(fā)出，采用齒輪減速完成分度、松開(kāi)、剎緊動(dòng)作。
液動(dòng)刀架：以日本技術(shù)為基礎(chǔ)，日本、韓國(guó)為代表。采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，用間歇分度機(jī)構(gòu)平行共軛凸輪分度和預(yù)定位，液壓松開(kāi)剎緊，位置信號(hào)用組合傳感器發(fā)信。早期的液壓刀架用液壓伺服分度馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，因該馬達(dá)價(jià)格較高，現(xiàn)專業(yè)廠已很少用此種結(jié)構(gòu)。
數(shù)控刀架技術(shù)向高速、復(fù)合方向發(fā)展。主要表現(xiàn)在：
高速化：開(kāi)放式伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，使伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀架技術(shù)發(fā)展成為現(xiàn)實(shí)。伺服電機(jī)代替了預(yù)定位裝置、發(fā)信裝置，簡(jiǎn)化了刀架結(jié)構(gòu)，松開(kāi)、剎緊采用液壓，伺服刀架提高了轉(zhuǎn)位換刀速度。
復(fù)合化：車削中心的出現(xiàn)，使刀架技術(shù)向復(fù)合化高層次發(fā)展。帶銑削功能的動(dòng)力刀架，一般采用普通刀架外加伺服主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀具，刀盤采用 VDI 刀盤，鉆銑主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá) 12000r/min，功率 22kW。近幾年出現(xiàn)與 B 軸、Y 軸聯(lián)動(dòng)的帶銑削頭刀架， 從而使機(jī)床達(dá)到五軸聯(lián)動(dòng)[3]。
目前我國(guó)在數(shù)控機(jī)床刀架技術(shù)方面的現(xiàn)狀是：
（1）起步階段，品種單一，不可靠；
（2）與世界先進(jìn)制造行業(yè)相比，仍有很大差距；
（3）國(guó)內(nèi)配套廠家比較少。未來(lái)的發(fā)展要求有：
（1）刀架轉(zhuǎn)位時(shí)間要短且轉(zhuǎn)位準(zhǔn)確；
（2）刀架定位精度高、動(dòng)作迅速、穩(wěn)定可靠；
（3）可多刀夾持，雙向轉(zhuǎn)位和任意刀位就近選刀；
（4）應(yīng)用范圍廣，維修方便等。
二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容
1.重點(diǎn)解決的問(wèn)題
（1） CK3263B 型數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
（2） CK3263B 型數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)；
（3） CK3263B 型數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架的三維建模（UG）。
2.擬開(kāi)展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路）
（1）查閱文獻(xiàn)，了解數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)刀架的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)，主要的設(shè)計(jì)思路；
（2）確定 CK3263B 型數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架總方案；
（3） CK3263B 型數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架各組成部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算（傳動(dòng)部分、分度機(jī)構(gòu)部分、動(dòng)力刀具部分）；
（4） CK3263B 型數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架的三維實(shí)體建模；
（5） CK3263B 型數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架的工作動(dòng)態(tài)演示；
（6）翻譯外文文獻(xiàn)；
（7）撰寫論文。
3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果
（1） CK3263B 型數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架的總體設(shè)計(jì)方案；
（2） CK3263B 型數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架各個(gè)部分的具體設(shè)計(jì)及計(jì)算；
（3） CK3263B 型數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架的零件圖、裝配圖、三維立體模型；
（4） CK3263B 型數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架的動(dòng)態(tài)演示。
三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排
1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)線路或設(shè)計(jì)參數(shù)） 設(shè)計(jì)參數(shù)：卡盤直徑：400mm
床身最大回轉(zhuǎn)直徑：730mm 最大車削直徑：630mm
最大車削長(zhǎng)度：250mm
轉(zhuǎn)塔刀架端面距主軸法蘭端面最大距離：1050mm 滑鞍的最大縱向行程：800mm
主軸孔徑：125mm
主軸轉(zhuǎn)速范圍：20-1500r/min 轉(zhuǎn)塔刀架工位數(shù)；8
主軸每轉(zhuǎn)刀架縱向進(jìn)給量范圍：0.01-400mm/r 主軸每轉(zhuǎn)刀架橫向進(jìn)給量范圍：0.01-300mm/r 主電機(jī)功率；37kw
液壓油箱電機(jī)：2.2kw
機(jī)床外形尺寸：4436×3025×2413
本次設(shè)計(jì)任務(wù)是數(shù)控車床自動(dòng)刀架，通過(guò)查閱與自動(dòng)刀架設(shè)計(jì)有關(guān)的各個(gè)方面的資料，并采用類比分析的方法，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)初步制定總體設(shè)計(jì)方案，之后再進(jìn)行對(duì)各個(gè)部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算分析。
2.論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃
1-2 周：根據(jù)題目查閱資料，準(zhǔn)備材料；
3-4 周：完成開(kāi)題報(bào)告；
5-6 周：查閱文獻(xiàn)，進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)；
7-8 周：完善設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
9-10 周：零件三維建模；
11-12 周：完成零件圖與裝配圖；
13-14 周：完成動(dòng)態(tài)演示部分；
15-16 周：完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書。
四、需要閱讀的參考文獻(xiàn)
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附：文獻(xiàn)綜述
文獻(xiàn)綜述
此次設(shè)計(jì)圍繞轉(zhuǎn)塔刀架，查閱大量資料之后，挑選出了一些對(duì)設(shè)計(jì)有很大幫助的文獻(xiàn)，在此進(jìn)行簡(jiǎn)單的綜述。
郭永環(huán)在其《數(shù)控車床用轉(zhuǎn)塔動(dòng)力刀架的發(fā)展方向》[1]一文中對(duì)國(guó)內(nèi)外數(shù)控車床用轉(zhuǎn)塔動(dòng)力刀架產(chǎn)品進(jìn)行了分析與比較, 并對(duì)其發(fā)展方向作以論述。他指出數(shù)控機(jī)床是多品種小批量生產(chǎn)的高效自動(dòng)化的技術(shù)群體,它是把多工序加工、切削處理、刀具磨損和測(cè)量等各種功能集為一體的自動(dòng)化機(jī)床。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展, 數(shù)控機(jī)床已是衡量一個(gè)國(guó)家機(jī)械制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志。各種數(shù)控機(jī)床已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段, 成為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的主力軍。在各種數(shù)控機(jī)床中,對(duì)數(shù)控車床來(lái)說(shuō),無(wú)論是它的開(kāi)發(fā)到利用, 無(wú)論是它的使用上的優(yōu)良性能和價(jià)格均很可觀。在進(jìn)入實(shí)用階段后,實(shí)現(xiàn)了高可靠性、高速度和高效率。目前數(shù)控車床向數(shù)控車削中心發(fā)展,而其中數(shù)控車床與數(shù)控車削中心的一個(gè)重要組成部分是數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架。數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)按換刀形式的不同可分為帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置和轉(zhuǎn)塔式刀架。前者主要用于加工中心(主要由刀庫(kù)、機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成),后者可以稱為是一種簡(jiǎn)單的自動(dòng)換刀裝置,根據(jù)不同的加工對(duì)象它可以設(shè)計(jì)成四工位、六工位、八工位等多種形式刀架,經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床配置的基本上是四工位臥式自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架,在全功能數(shù)控車床上,大都裝有多工位轉(zhuǎn)塔刀架。這種轉(zhuǎn)塔式刀架定位精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、維修方便,是數(shù)控車床和數(shù)控車削中心的必備附件。
鄭申,張瑞乾在《多工位數(shù)控轉(zhuǎn)塔動(dòng)力刀架設(shè)計(jì)》[2]中指出多工位數(shù)控轉(zhuǎn)塔動(dòng)力刀架是精密數(shù)控車削中心的核心功能部件。根據(jù)精密數(shù)控車削中心的研發(fā)要求，設(shè)計(jì)了一種電液結(jié)合控制的多工位轉(zhuǎn)塔動(dòng)力刀架。該刀架依靠伺服電機(jī)和液壓系統(tǒng)完成離合和轉(zhuǎn)位控制，利用高精度鼠牙盤進(jìn)行精確定位。它能有效搭載 12 把動(dòng)力刀具，搭載的刀具由伺服電機(jī)提供動(dòng)力，根據(jù)刀具類型的不同，可以實(shí)現(xiàn)車、銑等多種加工。其特點(diǎn)是刀具轉(zhuǎn)位速度快，分位精度高，重復(fù)精度高，可靠性強(qiáng)。目前，在世界機(jī)床制造和機(jī)械加工領(lǐng)域，復(fù)合加工技術(shù)是處于領(lǐng)先地位的技術(shù)。所謂的復(fù)合加工技術(shù)，即是在一臺(tái)設(shè)備上完成車、銑、鉆、攻絲、擴(kuò)孔等多種加工要求，其主要的優(yōu)點(diǎn)就是減少加工時(shí)間，減少輔助時(shí)間，以提高生產(chǎn)率。實(shí)現(xiàn)車銑復(fù)合加工，有許多可行方案， 機(jī)床搭載轉(zhuǎn)塔動(dòng)力刀架是其許多方案中應(yīng)用最廣泛的一個(gè)。其中，數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架是實(shí)現(xiàn)復(fù)合加工的核心功能部件，不僅可以像普通刀架一樣裝配多把普通刀具，并且能夠同時(shí)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)動(dòng)力刀具，完成銑、鉆、攻絲、絞孔等加工。
柳玉民在其《數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)》[3]中介紹數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架基本組成結(jié)構(gòu)，換刀動(dòng)作及控制原理，數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架技術(shù)的發(fā)展、演變以及目前國(guó)外最新技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合本公司從數(shù)控刀架技術(shù)引進(jìn)到自主開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的歷程， 特別是近兩年開(kāi)發(fā)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀架和采用模塊化設(shè)計(jì)帶銑削功能的動(dòng)力刀架，標(biāo)志著國(guó)內(nèi)數(shù)控刀架向高速化、復(fù)合化方向發(fā)展，邁出堅(jiān)實(shí)的一步，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。
重點(diǎn)介紹臥式數(shù)控車床、立式數(shù)控車床所用刀架的結(jié)構(gòu)、性能、特點(diǎn)、控制原理；刀盤及刀夾的選擇。根據(jù)多年銷售服務(wù)積累的經(jīng)驗(yàn)，主機(jī)電氣控制應(yīng)注意的事項(xiàng)，為提高刀架的可靠性提供保障；以及為提高刀架精度和可靠性而采取的技術(shù)措施。
許峰和陳春滿在《有關(guān)數(shù)控車床中六轉(zhuǎn)位的轉(zhuǎn)塔動(dòng)力刀架的優(yōu)化分析》[4]一文中寫到數(shù)控機(jī)床由于加工精度高、成品率高及投入的加工綜合成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工和生產(chǎn)過(guò)程中。目前，數(shù)控車床和數(shù)控車削中心主要采用的加工工具是轉(zhuǎn)塔動(dòng)力刀架系統(tǒng)。普通車床一般采用的普通刀架系統(tǒng)，由操作人員人工換刀，操作效率低下，過(guò)程復(fù)雜。數(shù)控機(jī)床采用自動(dòng)換刀系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)四工位、六工位、八工位和多工位加工。由于采用自動(dòng)轉(zhuǎn)塔動(dòng)力刀架系統(tǒng)，因此，可大幅度提高加工效率和精度。如何在設(shè)計(jì)和應(yīng)用中進(jìn)一步提高加工精度，更大發(fā)揮轉(zhuǎn)塔動(dòng)力刀架的優(yōu)勢(shì)，本文將從多個(gè)角度，詳細(xì)分析數(shù)控機(jī)床六工位動(dòng)力刀架系統(tǒng)的優(yōu)化方法。
陳水生在《數(shù)控車床轉(zhuǎn)塔刀架電動(dòng)刀架控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》[6]中給出轉(zhuǎn)塔刀架換刀工作原理：電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)→驅(qū)動(dòng)蝸桿正轉(zhuǎn)→蝸輪正轉(zhuǎn)→蝸輪帶動(dòng)連體的螺桿旋轉(zhuǎn)→螺桿上的螺母即上刀體向上移動(dòng)→上刀體與下刀體的定位齒分離→上刀體正轉(zhuǎn)→所選擇的刀到達(dá)工作位置→開(kāi)關(guān)接通→電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)→蝸輪反轉(zhuǎn)→蝸輪帶動(dòng)連體的螺桿旋轉(zhuǎn)
→上刀體慣性作用沖過(guò)工作位置→上刀體和蝸輪帶動(dòng)連體的螺桿相對(duì)旋轉(zhuǎn)→上刀體向下并反轉(zhuǎn)→上刀體和下刀體的定位齒接觸→上刀體停止轉(zhuǎn)動(dòng)并向下壓緊下刀體→ 電動(dòng)機(jī)電流增大→電動(dòng)機(jī)停電→上刀體完成換刀。
吉濤和劉乘在《多工位轉(zhuǎn)塔刀架的數(shù)控實(shí)現(xiàn)》[11]中介紹了采用獨(dú)立式 PLC 方式實(shí)現(xiàn)多工位轉(zhuǎn)塔刀架進(jìn)行控制的方法,針對(duì)就近選刀等控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié),介紹了控制算法及與 NC 協(xié)同工作的方案,并給出了主要的 PLC 程序,為開(kāi)發(fā)、升級(jí)數(shù)控車床系統(tǒng)提供了有益的參考。就數(shù)控系統(tǒng)而言,例如轉(zhuǎn)塔刀架的順序動(dòng)作控制是由 PLC 完成的。數(shù)控系統(tǒng)中的 PLC 控制分為內(nèi)嵌式和獨(dú)立式兩種類型,內(nèi)嵌 PLC 是指 PLC 內(nèi)置在 CNC 中,與 CN 共用 CPU,這是當(dāng)今數(shù)控機(jī)床的主流控制形式;獨(dú)立式 PLC 是指 PLC 軟硬件完全獨(dú)立于 CNC,是數(shù)控改造和系統(tǒng)升級(jí)常選用的方式。該文主要介紹了筆者在數(shù)控改造過(guò)程中,采用獨(dú)立式 PLC 實(shí)現(xiàn)對(duì)市場(chǎng)使用較廣泛的 AK31 系列 8～12 工位臥式轉(zhuǎn)塔刀架的控制的方法。
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