数控车床自动转位刀架设计.doc

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1、成都电子机械高等专科学校毕业设计论文摘要：自动转位刀架的换刀过程大致可分为刀架抬起、刀架转位、刀架压紧三个过程。它的主要工作原理是电动机的主轴带动同步带转动，同步带在带传动的作用下带动另一个同步带转动，进而带动蜗杆的转动，蜗杆的转动又引起蜗轮的运动，由于蜗轮和心轴是通过螺纹连接的，所以在螺纹副的作用下，心轴轴向移动，使刀架抬起；当主轴转过90度时，。位于轴右端的定位块进入固定套中并卡紧，此时心轴不再前进，此时心轴就和蜗轮一起转动，使得刀架转位；转位后，霍尔元件随即发出反转信号，电机即反转，带动蜗杆蜗轮反转，螺纹副带动心轴反转，使得轴右端的定位块滑出，形成空滑动，轴左端的固定块进入固定套分度盘中

2、并卡紧，形成粗定位，在螺纹副的作用下，主轴回退，在固定弹簧的作用下，形成精定位，即实现了刀架压紧过程。在这整个过程中即实现了刀架的自动转位功能。关键词：自动转位刀架的功能就是储备一定数量的刀具并完成刀具的自动交换，它应当满足换刀时间短、刀具的重复定位精度高、刀具存储量足够，结构紧凑及安全可靠等要求。运用自动转位刀架可以缩短非切削时间，提高机床的自动化程度，提高生产率。Abstract:Holders of the automatic tool change process can be broadly classified into Turret lifted, Turret transfer

3、, Turret pinched three process.Its main principle is the main motor driven rotational belt, the belt transmission belt in the lead role in another belt rotation, then led the worm rotation, rotation of the worm and worm caused the movement, the worm gear and spindle is Threaded through the link, in

4、the role of thread, spindle axial movement of the turret lifted when the spindle passed 90 degrees,.At the right end of the shaft positioning block access to fixed sets of cards and tight, spindle no longer forward at this time, and now mandrel worm on a rotating, making tool carrier to the largest

5、transfer, the Hall element reversal signal was issued , That is, motor reversal, driven worm worm inversion, driven spindle thread of reversal, making the right end of the shaft positioning skidded off the block, the formation of air slide, the extreme left-axis block access to a fixed set of fixed

6、points of the session and cards bear form Rough positioning, in the role of thread, spindle Back in the spring under a fixed, a fine location, the process of achieving a Turret pinched.In this whole process of achieving the turret of the automatic transfer functionKey words: automatic transfer featu

7、re is the Turret reserve a certain number of knives and cutting tools to complete the automatic exchange, it should meet the ATC short time, the cutter repeat positioning accuracy, tool storage sufficient, safe, reliable and compact requirements . Use of the automatic-Turret can reduce non-cutting t

8、ime and increase the degree of automation machines and improve productivity.目录自动转位刀架1第1章 数控机床的概述11.1数控机床的发展史11.2数控机床的工作原理41.2.1控制介质41.2.2 数控装置51.2.3 伺服机构和进给传动元件61.2.4 测量装置61.2.5机床6第2章 数控机床的主传动72.1 机床的主传动和变速方式72.1.1 主传动的要求72.1.2主传动的变速方式72.2 数控机床主轴的传动形式82.2.1、带有变速齿轮的主传动82.2.2、通过带传动的主传动82.2.3、用两个电机分别驱动

9、主轴82.2.4、内装电动机主轴传动结构92.3 现代数控机床的主传动系统92.3.1 高速主传动设计92.3.2 柔性化、复合化设计9第3章 刀架系统103.1 刀架系统在数控机床中的作用103.2 传统刀架系统类型113.2.1 转塔式刀架换刀113.2.2转塔式换刀装置换刀123.2.3 带刀库的自动换刀系统143.3 数控刀架系统控制目前存在的问题153.4 解决的办法163.5 传统刀架的优缺点163.6 现代刀架系统的发展趋势18第4章 设计转位刀架的方案的提出及分析194.1 方案的提出194.2方案的分析194.3方案的确定20第5章 自动转位刀架的设计215.1 执行机构的组

10、成及原理215.2 电动机的选择225.3 支承板的铸造及尺寸225.4 齿轮1的制造及尺寸235.5电机齿轮（齿轮1）与蜗杆连接245.6 齿轮2245.7 蜗杆的设计255.8 蜗杆传动265.8.1 圆柱蜗杆传动原理265.8.2 主要参数及几何尺寸275.8.3 蜗杆、蜗轮常用材料285.8.4蜗轮传动过程295.9 心轴的设计295.10 心轴305.10.1 心轴305.10.2 计算315.11 零件的选择345.11.1 轴承的选择345.12 主轴其余零件的加工选择365.13 电气部分的组成及原理365.13.1 弱电控制部分的组成及原理365.13.2强电控制部分组成及原

11、理375.14 双定时器NE556的结构及功能385.14.1 NE556定时器385.14.2 COMS定时器电路具有的特点385.14.3 线路结构和电参数385.14.4工作原理415.15 控制程序流程框图425.15.1流程图425.15.2程序清单42参考文献：45致谢46自动转位刀架第1章 数控机床的概述1.1数控机床的发展史本课题是基于数控机床的发展而设计的，数控机床发展的历史是机床自动化的历史、计算机技术与传统机床结合的历史。数控机床是新型的自动化机床，它是具有广泛的通用性和很高自动化程序控制的全新型机床，用数字代码形式的信息来控制机床按给定的动作顺序进行加工。数控的机床的运

12、行过程是：用代码化的数字信息将刀具移动轨迹信息记录在程序介质上，然后送入数控系统，经过译码和运算，数控机床刀具和工件相对运动，加工出所需工件。数控机床最早产生于美国。现代数控机床的发展趋势总体上是朝着高速化、高精度化、多功能化、智能化、模块化、系统化和高可靠性等方向发展。数控机床是自动化高校设备，粗、精加工在一太机床上进行。为了保证精加工的精度、发挥数控机床的特长，同时，为节约资金，提高机床的稳定可靠性和生产效率，我们在机床的机械结构方面对都作了一系列的改进。机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技

13、术进行柔性自动化控制的新一代机床数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。 数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点：1. 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件； 在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。2. 加工精度高；3. 生产效率高； 4. 减轻劳动强度，改善劳动条件；5. 良好的经济效

14、益； 6. 有利于生产管理的现代化。 数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。 我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。 旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。 随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效

15、益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。 1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。它是对

16、数控机床的一个部件进行的改进设计。数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床主体组成。机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有诸多相似之处。然而，现代的数控机床不是简单地将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成（那些受资金等条件限制，而将传统机床改装成建议数控机床的另当别论）。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使用寿命等要求。

17、现代的数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成了数控机床的独特机械结构。因此，我们在对普通机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能地与数控机床相接近。大家都知道采用通用机床加工零件时，机床运动的开始、结束、先后次序以及工作部件的移动量等的控制都是由操作工人来完成的。其实，这些控制不一定要操作工人来完成，可以用自动控制系统和电子技术来代替。数字控制机床就是把加工零件的全部过程记载在控制介质上，再由控制系统代替工人操作对机床进行控制。它是最近二十多年

18、来综合地应用了计算机技术、自动控制、精密测量及机床结构设计等各种技术的最新成就而发展起来的一种新型机床，它具有通用性、灵活性及高度自动化的特点。在这种机床上如果加工的零件改变时，除了重新装卡零件和更换刀具外，只需要更换一个新的控制介质，就可以自动加工出所需要的新零件，而不需要对机床本身作任何调整。数控机床在它的自动加工循环中，不仅能对加工过程的先后顺序，以及其它辅助功能（如主轴转速和进给速度的改变及冷却润滑液的开闭等）进行控制外，还能对机床运动部件（如工作台或刀架等）的位移量及速度进行控制。数控机床已经有几十年的历史。在最初阶段，主要是采用对通用机床进行改装的办法，例如把普通车床、铣床、钻床及

19、镗床改装成数控车床、数控铣床、数控钻床及数控镗床等。但随着技术的发展，用通用机床改装为数控机床存在桌一些严重的弱点，例如机床刚度不足、滑动面的摩擦阻力太大，传动元件中存在的间隙等问题越来越突出地暴露出来。由于在数控机床上加工不能象在通用机床上加工时那样，可以用工人的手动操作来补偿上述因素对加工零件的影响，故对于数控机床几乎在任何方面都要求比通用机床设计得更完善，制造的更精密。因此，数控机床已由改装通用机床发展到专门为满足数控要求而设计的新的数控机床。在这过程中，对机床的结构设计起了很大的推动作用，从通用机床的基型上逐渐发展了不少完全新颖的结构和元件。这些变动，大致表现在下列几个方面：1、采用了

20、刚度和和抗振性较好的机床新结构；2、采用了无间隙的齿轮传动付，以消除传动装置中反向时的空程死区；3、采用了传动效率很高的精密滚珠丝杠螺母付等传动元件；4、采用了摩擦系数很低的滚动导轨或静压导轨，以提高机床运动的灵敏性；5、采用了增大功率的电机和先进刀具，以提高切削用量；6、采用了多主轴、多刀架的结构，以提高单位时间内的切削效率；7、采用了自动换刀和自动更换工件的装置、以减少停机时间；8、采用了自动排屑、自动润滑装置等。1.2数控机床的工作原理数控机床一般包括控制介质、数控装置、伺服机构及机床四个部分。象这样一类的控制系统，通常称为开环控制系统。如果为了进一步提高机床的的加工精度和生产率，再加一

21、个测量机床的运动部件位移量的的测量装置，就变为闭环控制系统了。系统方框图如下：1.2.1控制介质自动化的基本功能就是自动控制。控制任何一个过程，必须要在人和机器之间通过某种媒介物的联系，才能建立起来。同样，在数控机床的的工作过程中，为了得到加工图纸上所规定的零件形状和加工精度，在加工过程中，机床所需要的全部操作程序和刀具相对于工件的运动，都是由我们预先按要求来决定，然后把这些所需要的全部控制指令存放在某一种存储介质上。这种存储介质称为“控制介质”。它把人和机器联系起来。这种介质可以是穿孔带，也可以是穿孔卡、磁带或其它合适的形式。采用哪一直中控制介质，取决于数控装置的类型。1.2.2 数控装置数

22、控装置是数控机床的运算和控制系统。它的作用是接受读带机送来的数据和指令后，再进行大量的运算和控制，然后将运算的结构送到相应的伺服驱动装置上去，用以操纵机床的运动。最简单的数控装置的逻辑方框图如下：数控装置的逻辑方框图当按下数控装置的启动按钮后，输入控制电路发出命令使读带机工作，穿孔带从读带机上自动走过，读带机将穿孔上的代码信号送到译码器，译码器将译出的数码送到运算器，将译出的控制数码送到指令码寄存器、辅助功能寄存器几主控制器。主控制器是数控装置的心脏部分，它控制运算器的运算过程，控制输出装置的方向及坐标的转换，控制脉冲的输出，同时通过输入控制电路控制读带机的启动和停止。机床主轴转速的更换、冷却

23、润滑液的开闭、刀具更换等辅助指令都是由辅助功能寄存器，通过主控制器来操纵的。机床各坐标运动的数值，可通过测量机构送到数码显示器中表示出来。1.2.3 伺服机构和进给传动元件在数控机床中，伺服机构的作用是接受来自数控装置的进给信号，经功率放大后，通过机床的进给传动元件（如传动齿轮减速箱和滚珠丝杠螺母付等），再驱动机床工作台进行精确定位或按照规定轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合图纸要求的零件。1.2.4 测量装置闭环控制系统按照指令和反馈比较方式的不同分为两类：一为脉冲记数的闭环系统，另一为相位控制的闭环系统。脉冲记数的闭环系统，一般适用于高精度的点位控制的数控机床，例如坐标镗床、刻线机及坐标

24、测量机等。在这类控制系统中，采用得比较普遍的一种测量装置就是光栅。而在相位控制的闭环系统中，感应同步器是采用得比较普遍的一种测量装置。1.2.5机床数控装置通过伺服机构和机床进给传动元件，最终控制机床运动部件（工作台或刀架）作准确的位移。数控机床的坐标数是由加工零件的复杂程度来确定的。对于复杂零件的加工，往往采用多坐标数控机床。第2章 数控机床的主传动2.1 机床的主传动和变速方式2.1.1 主传动的要求数控机床和普通机床一样，主传动系统也必须通过变速才能使主轴获得不同的转速，以适应不同的加工要求。在变速的同时，还要求传递一定的功率和足够的扭矩，以满足切削的需要。数控机床作为高度自动化设备，它

25、对主传动有一定的要求，要求如下：1）主轴转速高、调速范围宽并实现无级调速；2）主轴部件具有较大的刚度和较高的精度；3）要有良好的抗振性和热稳定性；4）数控机床主轴具有特有的刀具安装结构；总之，与普通机床相比，数控机床的主传动需要具有驱动功率大、调速范围宽、运行平稳、机械传动链短，主轴要具有自动夹紧控制和准停控制功能，之书空机床能够满足快速、高效、自动、合理的切削加工的要求。2.1.2主传动的变速方式主传动的无级变速通常有以下三种：1）采用交流主轴驱动系统实现无级变速传动。2）在经济型、普及型数控机床上，为了降低成本，可以采用变频器带变频电动机或普通交流电动机实现无级变速的方式。3）在高速加工机

26、床上，广泛使用主轴和电动机一体化的新颖功能部件电主轴。电动机转子和主轴一体，无需任何传动件，可以使主轴达到每分钟数万转、甚至十几万转的高速。2.2 数控机床主轴的传动形式2.2.1、带有变速齿轮的主传动 大、中型数控机床采用这种变速方式。通过少数几对齿轮降速，扩大输出转矩，以满足主轴低速时对输出转矩特性的要求 2.2.2、通过带传动的主传动 主要应用于转速较高、变速范围不大的机床。电动机本身的调速就能满足要求，可以避免齿轮传动引起的振动与噪音 ，实现了主、从动带轮无相对滑动的同步传动。同步带传动与一般带传动相比，同步齿形带传动具有如下特点：1）无滑动，传动比准确。2）传动效率高，可达98%以上

27、。3）传动平稳，噪声小。4）使用范围较广，速度可达50m/s，传动比可达10左右，传递功率由几瓦至数千瓦。5）维修保养方便，不需要润滑。6）安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高。2.2.3、用两个电机分别驱动主轴 上述两种方式的混合传动，高速时带轮直接驱动主轴，低速时另一个电机通过齿轮减速后驱动主轴 2.2.4、内装电动机主轴传动结构 大大简化主轴箱体与主轴的结构，有效提高主轴部件的刚度，但主轴输出转矩小，电动机发热对主轴影响较大2.3 现代数控机床的主传动系统2.3.1 高速主传动设计提高主传动系统中主轴转速是提高切削速度最直接、最有效的方法。数控车床的主轴转速目前已达到50

28、007000r/min。数控高速磨削的砂轮线速度从5060m/s提高到100200m/s。为达到如此高的主轴转速，要求主轴系统的结构必须简化，减小惯性，主轴旋转精度要高，动态响应要好，振动和噪声要小。对于高速和超高速数控机床主传动，一般采用两种设计方式：一种是采用联轴器将机床主轴和电动机轴串接成一体，减少中间传动环节；另一种是将电动机与主轴合为一体，制成内装式电主轴，实现无任何中间环节的直接驱动，并通过循环水冷却方式减少发热。2.3.2 柔性化、复合化设计数控机床对加工对象的变化有很强的适应能力。目前，在提高单机柔性化的同时，正努力向单元柔性化和系统柔性化方向发展。近年来，随着机械制造工业的发

29、展，机床面临进一步高速化、高效化和高精度化的严峻挑战，在机床的设计中开始应用运动并联的原理。在机床的设计中，为了提高生产率，缩短加工时间，我们在设计数控机床时，着重对它的主轴部件进行改造、设计。而对主轴的设计中，我们主要是对刀架系统进行改造、设计。下一章将主要介绍刀架系统。第3章 刀架系统3.1 刀架系统在数控机床中的作用数控机床是先进制造业的基础机械，是最典型的多品种、小批量、高技术含量的机电一体化产品。目前世界数控机床年产量超过25万台，品种超过1500中。由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升的趋势。目前我国的数控技术发展中存在的主要问题是：（1） 产品成熟度差

30、，可靠性不高（2） 产品品种少，不能满足市场需求（3） 创造能力低，市场竞争力不强（4） 数控机床行业的专业零配件及部件的协作生产的配套体系不健全，大多数企业都是“大而全，小而全”的结构模式。近期我国在数控机床的发展方面，主要采取跟踪高级型、发展普及型、扩大经济型，以普及型为主的策略，重点发展。最近几年，我国数控机床呈高速发展、产销两旺的态势，在今后相当长的一段时间内，受我国国民经济增长平稳，固定资产投资增长的强劲拉动，机床工具行业仍将持续，稳定增长，经济效益逐步提高。数控刀架作为数控机床必须的功能部件，直接影响机床的性能和可靠性，是机床的故障高发点。刀架作为数控车床中的一个必备的配套产品向快

31、速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展，因此，对刀架的性能有了更高的要求。但是目前在我国的市场上，对刀架的控制都采用离散元件制作，控制性能差，自动化程度低，故障率高，而且针对不同的型号采用不同的控制系统，使用复杂。特别是针对一些高档系统已不能完全满足需要，这就需要一种智能化的控制驱动器。即我们说所的刀架系统。3.2 传统刀架系统类型3.2.1 转塔式刀架换刀回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀具位置不进入人工调整，因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后

32、，具有尽可能高的重复定位精度。 因此，回转刀架自动换刀装置的刀架可设计为四方形、六角形或其他形式。回转刀架的工作循环是：刀架接收数控装置的指令松开转到指令要求的位置夹紧发出转位结束的信号。我们在下一章将着重对四方形进行设计改造。自动转位刀架的结构如图1所示。当自动转位刀架转位时，微电机通过齿轮、蜗轮蜗杆带动丝杠转动，使丝杠螺母连同方刀架一起上升，使端面齿盘脱离啮合，当螺母上升到一定高度时，与丝杠一起旋转的拨块，便通过碰销拨动方刀架转位，方刀架转过一定角度后，粗定位销插入斜面槽，粗定位开关发信号，停转，控制系统将该位置的编码与所需刀具编码加以比较，如相同，则选定此位，控制系统控制电机反转，由于斜

33、面销的棘轮作用，方刀架只能下降而不能转动，使端面齿盘啮合。当方刀架下降到底后，电机仍继续回转，使方刀架被压紧。当压紧力到达预定值时，压力开关发出停机信号，整个过程结束。图13.2.2转塔式换刀装置换刀转塔式自动换刀装置利用转塔的转位来更换主轴头以实现自动换刀。在带有刀具是数控钻镗铣床上，用轴转塔头来换刀就更加简单了。机床的主轴转塔头就是一个转塔刀库，转塔头可设计为立式和卧式两种。如图2所示，图为数控转塔式镗铣床的外观图，八方形转塔头装有八根主轴，每根主轴上装有一把刀具。根据工序的要求，按顺序自动地将装有所需要的刀具主轴转到工作位置，实现自动换刀，同时接通主传动。不处在工作位置的主轴便与主传动脱

34、开。转塔头的转位（即换刀）由槽轮机构来实现，每次换刀包括转塔头脱开主轴传动、转塔头抬起、转塔头转位和转塔头定位压紧等步骤。最后主轴传动重新接通，这样完成了转塔头转位、定位动作的全过程。图2这种自动换刀装置储存的刀具数量较少，适用于加工较简单的工件。其优点是结构简单，省去了自动松夹、卸刀、装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作，从而提高了换刀的可靠性，并显著的缩短了换刀时间。但由于空间位置的限制，主轴部件的结构不可能设计得十分坚实，因而影响了主轴系统的刚度。他适用于工序较少，精度要求不太高的数控钻床铣床等。 图3为卧式八轴转塔头。转塔头上径向分布着八根结构完全相同的主轴 7，主轴的回转运动由齿

35、轮12输入。当数控装置发出换刀指令时，先通过液压拨叉将移动齿轮3与齿轮12脱离啮合，同时在中心液压缸14的上腔通压力油。由于活塞杆和活塞15固定在底座上，因此中心液压缸14带着由两个推力轴承17和16支承的转塔刀架体18抬起，离合器2和1脱离啮合。然后压力油进入转位 液压缸，推动活塞齿条，再经过中间齿轮使大齿轮4与转塔刀架体18一起回转45，将下一工序的主轴转到工作位置。转位结束后，压力油进入中心液压缸14 的下腔，使转塔头下降，离合器2和1重新啮合，实现了精确的定位。在压力油的作用下，转塔头被压紧，转位液压缸退回原位。最后，通过液压拨叉移动齿轮3， 使它与新换上的主轴齿轮12相啮合。为了改善

36、主轴结构的装配工艺性，整个主轴部件装在套筒5内，只要卸去螺钉10，就可以将整个部件抽出。主轴前轴承9采 用锥孔双列圆柱滚子轴承，调整时，先卸下端盖6，然后拧紧螺母8，使内环做轴向移动，以便消除轴承的径向间隙。为了便于卸出主轴锥孔内的刀具，每根主轴都有操纵杆13，只要按压操纵杆，就能通过斜面推动杆11，顶出刀具。转塔主轴头的转位、定位和压紧方式与鼠齿盘式分度工作台极为相似，但因为在转塔上分布着许多回转主轴部件，使结构更为复杂。如图3所示：1、2一离合器 3、4、12一齿轮 5一套筒 6一端盖 7一主轴 8一螺母9、16、17一轴承 10一螺钉 1l一推动杆 13一操纵杆 14一液压缸 15一活塞

37、 18一转塔头系统图33.2.3 带刀库的自动换刀系统由于回转刀架、转塔式换刀装置容纳的刀具数量不能太多，无法满足复杂零件的加工需要，因此自动换刀数控机床多采用带刀库的自动换刀装置。 带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换机构组成。首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准刀柄上，在机外进行尺寸预调整后，按一定的方式放入刀库中去。换刀时先在刀库中进行选刀，并由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具，在进行交换刀具之后，将新刀具装入主轴，把旧刀具放回刀库。存放刀具的刀库具有较大的容量，它既可以安装在主轴箱的侧面或上方，也可作为单独部件安装到机床以外，并由搬运装置运送刀具。 与转塔主轴头相比较，由

38、于带刀库的自动换刀装置数控机床主轴箱内只有一个主轴，设计主轴部件就有可能充分增强它的刚度，因而能满足精密加工的要求。另外，刀库可以存放数量很大的刀具，因而能够进行复杂零件的多工序加工，这样就明显提高了机床的适应性和加工效率。所以带刀库的自动换刀装置特别适用于数控钻床、数控铣床和数控镗床。在刀库式自动换刀装置中，为了传递刀库与机床主轴之间的刀具并实现刀具装卸的装置称为刀具的交换装置。刀具的交换形式通常分为两种：机械手交换刀具和由刀库与机床主轴的相对运动实现刀具的交换。刀库的作用是用来存放刀具，它是自动换刀装置中最主要的部件之一。刀库的容量、布局以及具体结构随机机床结构的不同而差别很大，种类繁多。

39、加工中心上目前最常见的刀库形式有盘式刀库、链式刀库和箱型式刀库。箱型式刀库又包括箱型和线型两种。在这里，我们主要多回转刀架及自动转位刀架进行结构设计。3.3 数控刀架系统控制目前存在的问题（1）控制粗，自诊断功能弱，故障率高，排除故障时间长目前刀架的控制都是由CNC的内置PLC或固化I/O控制来完成，这种控制的优点是实现方便，但对刀架的控制不够精确，由于刀架的品种繁多，结构各异，使得机床厂家的技术人员或CNC的程序开发人员对刀架的控制很难把握的很准确，由于刀架的控制粗陋，CNC的接口资源的限制，致使刀架的故障率高，故障提示简单，使技术人员对刀架的故障不能进一步细分，无形中增加了故障率和故障的排

40、除时间。（2）无锁紧状态、智能识别功能目前，市场占有率最高的电动单向转刀架其锁紧控制采用延时方式，这种控制的特点是简单、可靠，使对刀架的使用寿命有害。由于使用统一的延时时间进行刀架的锁紧控制，这就使得许多刀架锁不紧或锁得太紧，进而造成零件加工精度丧失、下次换刀失败，甚至出现刀架电机烧毁等故障。（3）控制通用性差。由于刀架的控制时序不同，刀架所安装的发讯装置各异，因此不同的刀架要使用不同的控制程序和控制接口电路，给刀架的使用带来不便。（4）影响中、高档刀架的推广使用数控刀架是数控车床上做复杂的机电一体化功能部件之一，其控制程序复杂。数控机床厂的技术开发人员需花费相当多的时间和精力，在有足够经验积

41、累的基础上，才能编制出功能完善的刀架控制程序。这极大的影响了机床厂家的新产品开发进度，特别对于现在发展迅猛、数量众多的民营、私营机床企业，其技术力量薄弱，许多企业不具备刀架控制程序的开发能力，这就限制了中高档刀架的推广和使用。另一方面，目前国内企业使用最普及经济型CNC只能控制电动单向转刀架，这就限制了双向转刀架的推广和使用。3.4 解决的办法首先按刀架的不同控制方式进行分类，将各种刀架的控制程序都集成在单片机上，通过刀架选择开关确定对不同刀架的控制，其次根据刀架发讯装置的不同，设计专用的接口电路。经过这样设计的刀架控制系统可以控制电动单向转、电动双向转、液压等各类型刀架且可兼容4工位、6工位

42、、8工位、12工位等多种规格刀架，实现刀架控制的通用性。其次独立的刀架控制系统可与CNC连接，一方面可以大大简化CNC侧刀架控制程序的编制工作，另一方面可以实现经济型数控系统对双向转刀架的控制。该刀架控制系统也可以脱离CNC单独使用，其内装的刀架自检测程序可控制刀架运行，在刀架发生故障时用以判断故障在刀架侧或在CNC侧。根据各种刀架的控制过程，将刀架运行过程中可能出现的各种故障，制作出自诊断表，分配故障代码，给出故障报警，方便用以维修。对于电动单向转刀架的锁紧控制，采用电流检测，做到控制精确，以延长刀架的使用寿命、减少故障率。3.5 传统刀架的优缺点(1)优点 1）传动平稳 在液压传动装置中，

43、由于油液的压缩量非常小，在通常压力下可以认为不可压缩，依靠油液的连续流动进行传动。油液有吸振能力，在油路中还可以设置液压缓冲装置，故不像机械机构因加工和装配误差会引起振动扣撞击，使传动十分平稳，便于实现频繁的换向；因此它广泛地应用在要求传动平稳的机械上，例如磨床几乎全都采用了液压传动。 2）质量轻体积小 液压传动与机械、电力等传动方式相比，在输出同样功率的条件下，体积和质量可以减少很多，因此惯性小、动作灵敏；这对液压仿形、液压自动控制和要求减轻质量的机器来说，是特别重要的。例如我国生产的1m3挖掘机在采用液压传动后，比采用机械传动时的质量减轻了1t。 3）承载能力大 液压传动易于获得很大的力和

44、转矩，因此广泛用于压制机、隧道掘进机、万吨轮船操舵机和万吨水压机等。 4）容易实现无级调速 在液压传动中，调节液体的流量就可实现无级凋速，并且凋速范围很大，可达2000：1，很容易获得极低的速度。 5）易于实现过载保护 液压系统中采取了很多安全保护措施，能够自动防止过载，避免发生事故。 6）液压元件能够自动润滑 由于采用液压油作为工作介质，使液压传动装置能自动润滑，因此元件的使用寿命较长。 7）容易实现复杂的动作 采用液压传动能获得各种复杂的机械动作，如仿形车床的液压仿形刀架、数控铣床的液压工作台，可加工出不规则形状的零件。 8）简化机构 采用液压传动可大大地简化机械结构，从而减少了机械零部件

45、数目。 9）便于实现自动化 液压系统中，液体的压力、流量和方向是非常容易控制的，再加上电气装置的配合，很容易实现复杂的自动工作循环。目前，液压传动在组合机床和自动线上应用得很普遍。 10）便于实现“三化” 液压元件易于实现系列比、标准化和通用化也易于设计和组织专业性大批量生产，从而可提高生产率、提高产品质量、降低成本。 (2) 缺点 1）液压元件制造精度要求高 由于元件的技术要求高和装配比较困难，使用维护比较严格。 2）实现定比传动困难 液压传动是以液压油为工作介质，在相对运动表面间不可避免的要有泄漏，同时油液也不是绝对不可压缩的。因此不宜应用在在传动比要求严格的场合，例如螺纹和齿轮加工机床的

46、传动系统。 3）油液受温度的影响 由于油的粘度随温度的改变而改变，故不宜在高温或低温的环境下工作。 4)不适宜远距离输送动力 由于采用油管传输压力油，压力损失较大，故不宜远距离输送动力。 5）油液中混入空气易影响工作性能 油液中混入空气后，容易引起爬行、振动和噪声，使系统的工作性能受到影响。 6）油液容易污染 油液污染后，会影响系统工作的可靠性。 7）发生故障不易检查和排除。 3.6 现代刀架系统的发展趋势国产数控车床今后将向中高当发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种，预计近年来对数控刀架需求量将大大增加。数控刀架的发展趋势是：随着数控车

47、床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。在这里，我们将着重立式刀架进行设计研究。第4章 设计转位刀架的方案的提出及分析4.1 方案的提出方案一：采用多电机直接带动方案二：用带或链齿轮传递动力方案三：用同步带传递动力4.2方案的分析方案一：优点：用PLC控制较好缺点：成本较高方案二：1、带传动是通过中间挠性件（带），靠摩擦来传动的。优点：1）实现了两轴中心距较大的传动 2）有良好的弹性，能缓冲和吸振，传动平稳且噪声小 3）过载时，带和带轮间发生打滑。可防止其他零件损坏 4）带传动结构简单，制造、安装和维护均较方便缺点：1）带传动不能保证准确的传动比 2）带传动对轴的压力较大，带的寿命