数控车床刀架设计
数控车床刀架设计 题目数控车床刀架设计 学院机械工程学院 专业机械工程及自动化 班级学生崔淋淋 指导教师宋强 二〇一一年五月三十一日 1.1选题背景与意义 最近二、三十年以来，我国在引进、消化国外技术的基础上，对数控机床进行了大量的研究。20世纪90年代，我国数控机床的种类有了新的发展，并且进行了许多技术复杂的大型数控机床的开发工作。很多高档的数控系统，分辨率为0.02μm的高精度数控系统，数字仿形数控系统等与柔性单元相配套的数控系统都已开发出来了，并制出了样机。 长期以来，我国的数控系统基本为传统的封闭式的体系结构，cnc就可以做为非智能机床的运动控制器。加工过程中的变量根据经验以紧固参数形式预先展开预设，加工程序在实际加工时用手工方式或者通过cad/cam及自动编程系统展开编程，cad/cam和cnc之间并没反馈控制环节，整个加工过程中cnc只是一个封闭式的开环执行机构。在繁杂的环境与多样的条件下，加工过程中刀具的女团、工件的材料、主轴的输出功率、刀具的轨迹、焊接的深度、加工的余量等加工参数，无法在现场根据外部阻碍和随机实际因素展开实时的动态调整，更无法通过反馈控制环节随时的修正cad/cam中的设定量，因而影响cnc的工作效率和产品加工质量。传统的cnc系统的这种紧固程序控制模式和封闭式体系结构，管制了cnc向多变量智能化掌控方向发展，已经无法适应环境日益繁杂的加工生产过程，因此对数控技术推行变革迫在眉睫。 现在欧美的数字产品已经达到了相当高的水平。高速加工技术发展非常迅速，且在高档数控机床中得到广泛应用。应用新的机床运动学理论和先进的驱动技术，优化机床结构，采用高性能功能部件，移动部件轻量化，减小了运动惯性。在刀具材料和结构支持下，从单一的刀具高速切削加工，发展到机床全面高速化加工，如数控机床主轴的转速从每分钟几千转发展到几万转、几十万转；移动速度从每分钟十几米发展到了几十米甚至超过百米；换刀时间从十几秒甚至下降到1秒一下，换刀速度加快了几倍到几十倍。应用高速加工技术达到缩短切削时间和辅助时间，从而提高了加工的质量和效率[1]。 本次设计就是数控车床调头刀架的设计，主要设计数控车床调头刀架的液压机构、分度机构、拽刀机构、包住机构[4]。 1.2设计内容 数控车床刀架就是数控车床上的关键核心部件之一，其性能、质量、可靠性等，都直接影响至整机的精度、性能及效率。数控车床刀架技术的升级换代几乎就是充斥着数控机床技术同步发展出来的，近些年来随着技术、结构的明朗及控制器驱动系统价格的 不断降低，以及对数控车床性价比越来越高的要求，在数控车床产品上配置新型刀架已成为业内非常关注的问题。 本次毕业设计对数控车床刀架的机械结构部分展开研究和技术创新设计。 1）刀盘转位及锁紧机构，运行平稳，避免瞬间过载冲击； 2）同时实现快速准确分度，重复定位误差高于2〞； 3）刀架中心高140mm； 4）刀架工位数8个。 设计预期要达到的基本要求： 1）再加刀时间必须长，从而增加辅助时间； 2）减少换刀的动作对加工范围的干扰； 3）刀具的重复定位精度必须低； 4）选刀要可靠，换刀动作简单； 5）刀具装运、调整、修理便利，并能够获得洁净的保护。 1.3设计方案 使用液压粘住、液压系统驱动刀盘、双鼠牙盘定位。 数控机床由plc来控制，车床刀架的控制原理就是指刀架的整个换刀过程，刀架的换刀过程其实就是通过plc对控制刀架的所有i/o信号进行逻辑处理及计算，实现刀架的顺序的控制。另外为了保证换刀能够正确的进行，系统一般还要设置一些相应的系统参数来对换刀过程进行调整。 图1.1转塔刀架系统传动图 1—刀盘；2—动鼠牙盘；3—静鼠牙盘；4—圆柱凸轮；5—蜗杆；6—活塞；7—主轴 机械部分的设计例如图1.2，本设计使用全液压动力驱动刀架。具体内容思路就是利用液 压马达驱动连接到刀架中心轴上的圆柱分度凸轮，带动刀架旋转实现快速准确换刀。刀架的拉紧过程，控制系统接受到正确的刀位信号后，向外发出命令使液压马达停转。刀架处于预定位状态。与此同时液压缸左腔进油，通过活塞拉动刀盘，鼠牙盘副啮合。鼠牙盘实现精确定位。 图1.2刀架外观图 计算部分：为保证效率，换刀的速度要尽可能的快，所以采用较高的油压。合理设计传动机构。图1.2是转塔刀架结构图。图1.1中，1是安装刀具的刀盘，它与刀架主轴7固定连接。刀盘旋转到准确的位置，然后用开关prs的断、通组合来检验确认。当刀盘旋转到指定的刀位后，开关prs通电，向数控系统发出信号，指令液压马达停止，这时候压力推动活塞6向右移动，使鼠牙盘2和3啮合，刀盘被定位夹紧。确认夹紧并向数控系统发出信于是刀架的转位换刀循环完成。 变为再加刀过程如下： （1）刀盘脱开接收到的数控系统的换刀指令后活塞6右腔进油，活塞推动轴承同刀架主轴7左移，动鼠牙盘2、静鼠牙盘3脱开，刀盘解除定位。 （2）刀盘移调液压马达再生制动，经过圆柱凸轮分度，助推刀架主轴7联同刀盘1移调。 （3）刀盘定位夹紧活塞6左腔进油，刀架主轴右移，动、静鼠牙盘啮合，实现定位夹紧[4]。 2数控车床自动再加刀装置 一个零件往往需要进行多工序的加工，而单功能的数控机床，只能完成单工序的加工，如车、钻、铣等。因此，在制造一个零件的过程中，大量的时间用于更换刀具、装卸零件、测量和搬运零件等非切削时间上，切削加工时间仅仅占整个工时中较小的比例。为了缩短非切削时间，往往采用工序集中的方法，60年代出现了带有自动换刀装置的数控机床，使用这种装置配合精密数控转台，不仅扩大了单功能数控机床的使用范围，减少了生产面积，还可使机加工时间提高到70%-80%。由于零件在一次安装中完成多工序加工，减少了零件安装、定位次数，从而进一步提高了加工精度和效率。 自动再加刀装置的结构形式存有很多种，存有调头刀架再加刀、更改主轴再加刀、更改主轴箱再加刀、拎刀库的自动再加刀系统，虽然再加刀过程、选刀的方式、刀库的结构、机械手类型等有所不同，但是在数控装置及其可编程控制器的掌控下，存有电动机或者液压或者启动机构驱动刀库和机械手同时实现刀具的挑选和更改。把这种为同时实现多工序的已连续加工，在加工中心或者切削中心当中，可以展开刀具的挑选更改的装置称为自动再加刀装置(atc). 自动换刀装置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要短、刀具重复定位精度要高、刀具储存量要足够、结构紧凑及安全可靠等要求。 自动再加刀装置开发技术特别注意的几个方面： 1）自动换刀装置的可靠性和优化设计的研究。通过对自动换刀装置进行可靠性分析研究，找出其薄弱环节，然后通过设计的改进，使自动换刀装置故障率减少，保证百万次以上正常换刀的品质。通过对自动换刀装置采取多目标的优化设计，使其动态性能达到最优，从而提高装置的性能，降低其制造成本，使换刀时间不超过1s,达到较高水平。 2）自动再加刀装置的系列化与cad设计。并使自动再加刀装置能够应用于国内厂家的各种产品，以便于获得推展和应用领域。 3）自动换刀装置产业化研究。自动换刀装置由专业厂生产比现有各厂家自行生产可以降低成本，也能保证质量，同时在我国有巨大的市场，因此，在技术研究的基础上，应研究使我国的自动换刀装置生产走上产业化的道路[2]。 2.2自动再加刀装置的形式 为了进一步的提高数控机床的加工效率，数控车床正在向着把工件在一台机床一 次装夹即可顺利完成多道工序或者全部工序的加工方法的方向发展，因此发生了各种类型的加工中心，例如切削中心、镗铣加工中心、钻削中心。这类多工序加工的数控机床在加工过程中要采用多种刀具，因此必须存有自动再加刀装置，以便采用相同刀具，从而顺利完成相同工序的加工工艺。自动再加刀装置必须具有再加刀时间长、刀具重复定位精度低、足够多的刀具储备量、安全可靠等特性[4]。 各类数控车床的自动换刀装置的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具种类与数量。数控机床常用的自动换刀装置的类型，特点，使用范围见表2-1。 表中2-1自动再加刀装置类型 2.3数控车床刀架的介绍 数控转塔刀架就是加工中心和数控车床必不可少的机床的附件之一，尤其适用于于全自动数控车床。当前，数控机床发展十分迅速，一方面向高速、高效率、高精度方面发展，同时，在生产行业中广为存有旧有设备的数控改建和系统的须要。做为关键的附件，高性能的数控转塔刀架对于提升机床整体运转的可靠性、稳定性和效率存有非常关键的意义，数控转塔刀架就是由数控系统去展开掌控和管理的，因此，在转塔刀架本身性能提升和改良的前提下，如何同时实现掌控和管理任务就变得非常的关键了。 2.3.1数控车床刀架的功能 数控机床上的刀架就是加装刀具的关键部件，存有许多刀架直接参与焊接工作。这些 刀架既安装刀具，而且还直接参与切削，承受极大的切削力的作用，所以它往往成为工艺系统中的较薄弱环节。随着自动化技术的发展，机床的刀架也有了许多的变化，特别是数控车床上采用电（液）换位的自动刀架，有的甚至使用两个回转的刀盘。加工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手，实现了大容量存储刀具和自动交换刀具的功能，这种刀库安装刀具的数量从几十把到上百把，自动交换刀具的时间从十几秒减少到几秒甚至零点几秒。这种刀库和换刀机械手组成的自动换刀装置，就成为了加工中心的主要特征[4]。 2.3.2数控机床刀架的类型 按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式，下面对这三种形式的刀架作简单的介绍。 （1）排式刀架 排式刀架一般主要用于小规格数控车床，以加工棒料或者盘类零件为主。它的结构形式为：夹持着各种不同刀具的刀夹沿着机床的x坐标轴方向排列在横向的滑板上。刀具的典型布置方式如图2.1所示。这种刀架在刀具布置和机床调整等方面都比较的方便，可以针对具体工件的车削工艺的要求，任意的组合各种不同用途的刀具，一把刀具完成车削的任务以后，横向滑板只要能按照程序x轴移动预先设定的位移后，第二把刀就能到达加工的位置，这样就完成了机床的换刀的全部动作。这种换刀方式迅速省时，有利于提高机床的效率。 图2.1排式刀架 （2）回转刀架 调头刀架就是数控车床最常用的一种很典型的再加刀刀架，通常通过液压系统或者电气去同时实现机床的自动再加刀动作，根据加工建议可以设计成四方、六方刀架或者圆盘式刀架，并且适当地加装4把、6把或者更多的刀具。调头刀架的再加刀动作可以分成刀盘的松开、刀盘的移调和刀盘的定位着手三个步骤。刀具的典型布置方式例如图1.2右图。它的动作就是由数控系统收到指令顺利完成的。 （3）带刀库的自动换刀装置 上述排式刀架和回转式刀架的刀具都无法太多，即使就是加装两个刀架，对刀具的数量也就是存有一定的管制。当由于某种须要数量较多的刀具，必须使用拎刀库的自动换 刀装置。带刀库的自动换刀装置由刀
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