轉塔刀架設計及相關技術研究說明書

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1、轉塔刀架設計及相關技術研究摘要：數控轉塔刀架作為衡量一臺車床好壞的核心功能部件之一,其性能的優劣,直接影響著車床的加工精度和加工效率。但是,由于現有普遍使用的伺服電機低速扭矩特性不好,所以在使用時必須使用減速齒輪機構來滿足轉塔刀架在低速旋轉時所產生的大扭矩。而直接傳動裝置是由電機不通過中間齒輪而直接驅動負載,減少了中間的動力傳動環節。直驅電機相對于傳統的伺服電機的優點是：能在低速旋轉時輸出很大扭矩,從而可以不通過減速齒輪而直接驅動低速生產設備,有很高的社會實際應用價值。為了簡化數控轉塔刀架結構、大幅度地提高其綜合性能,本論文將這種技術應用于數控轉塔刀架上。本論文的主要研究內容如下:第一、了解數

2、控轉塔刀架的國內外研究現狀,研究國內外各種刀架的機械結構,分析直驅伺服電機和其他伺服電機相比的優點以及其驅動刀架的可行性。第二、根據直驅伺服電機自身的結構和功能特點,設計一種直驅數控臥式轉塔刀架。并對其進行設計,包括轉位機構、定位機構、密封裝置、控制裝置等。第三、對轉塔刀架的松開與鎖緊機構進行設計,主要是對轉塔刀架的液壓缸缸體進行設計,計算液壓缸的相關參數。第四、對數控轉塔刀架進行二維建模,首先用二維軟件Autocad對其進行各個關鍵件的繪制，然后按照裝配關系把轉塔刀架裝配起來，經過驗證合格后，可用作零件圖交付工廠實施加工。關鍵詞：數控；轉塔刀架；伺服電機；永磁同步交流伺服電機IIIdesig

3、n of Turret tool post and study of related technologiesAbstract：CNC turret pagoda as one of the core features of a lathe to measure the quality of its performance directly affects the machining precision and efficiency of the lathe. With the development of technology and servo motors, servo motors g

4、radually replaced the traditional coarse positioning CNC turret on signal transmission and other devices, greatly simplifies the turret structure, greatly improving the reliability of the knife holder, and significantly reducing tool change time and improve the overall performance of the tool holder

5、. However, since the conventional servo motors commonly used in low-speed torque characteristics well, so when using the reduction gear mechanism must be used to meet the high torque at low speed turret rotation generated. Drive the motor unit directly is not directly driven by the intermediate gear

6、 and load, reducing the intermediate power transmission link. Direct drive motor with respect to the advantages of traditional servo motor is: can output a large torque at low speed, there by directly driving low-speed production equipment without going through reduction gear, has a high social valu

7、e of practical application. In order to simplify the structure of CNC turret, greatly improve their overall performance, this paper will apply the technology on CNC turret. The main contents of this paper are as follows:Firstly, study the situation of the CNC turret tool post, study the structure of

8、 some CNC turret tool post at home and abroad, analyze the characteristics、applications、advantages and disadvantages of various structure, analyze the characteristics of direct-drive servomotor and the feasibility to drive the turret.Secondly, learn from the structure of CNC turret tool post at home

9、 and abroad, according to the direct-drive servomotors own structure and characteristics, design a horizontal CNC turret tool post, including detent mechanism, control devices, sealing device etc.Thirdly, the turret and release the locking mechanism designed mainly for turret cylinder block design,

10、calculation of cylinder parameters.Fourth, CNC turret two-dimensional modeling, the first two-dimensional drawing software Autocad its various key member, and then follow the relationship between the turret assembly is assembled, after verification of qualified, can be used Spare delivery factory im

11、plementation process.Keywords: brick turret；servo motor；permanent magnet synchronous AC servo motor目 錄摘要IAbstractII目錄IV1緒論11.1課題研究背景11.2轉塔刀架的國內外研究現狀11.2.1國內研究現狀11.2.2國外研究現狀21.3主要研究內容和意義31.3.1主要的研究內容31.3.2研究意義32轉塔刀架的研究方案42.1刀架的基本分類42.2刀架設計基本要求42.3轉塔刀架的方案研究52.3.1動力裝置的選擇42.3.2主軸部件62.3.3裝刀機構62.3.4分度、定位機

12、構72.3.5精定位機構82.3.6轉塔刀架的密封92.3.7動力傳動機構102.4轉塔刀架的整體設計103轉塔刀架的鎖緊與松開技術123.1液壓的鎖緊與松開的基本控制原理123.2液壓缸的設計133.2.1活塞缸的類型133.2.2缸筒的計算設計143.3活塞的計算設計143.4密封裝置的設計154轉塔刀架的二維模型的建立174.1AUTOCAD簡介174.2轉塔刀架二維模型的建立17總結20參考文獻19致謝21V1 緒論1.1 課題研究背景數控轉塔刀架是加工中心、數控車床必備的機床附件，是數控車床上的核心功能部件之一，尤其適用全功能數控車床。作為關鍵附件，高性能的數控轉塔刀架對于提高機床整

13、體運行的可靠性、穩定性和效率有著重要意義，數控轉塔刀架是由數控系統來控制的，因此，在轉塔刀架本身性能提高的情況下，如何實現控制任務就顯得十分重要了1。1.2 轉塔刀架的國內外研究現狀1.2.1 國內研究現狀目前國內主要刀架產品生產廠家有:煙臺環球、常州宏達、常州亞興、臺灣六鑫、臺灣德士、臺灣亙陽、沈陽精誠等。經過近幾年的發展,國內及時跟蹤國外先進技術,不斷開發推出新產品,刀架技術得到了很大提高。煙臺環球公司研制的AK系列刀架采用伺服電機進行分度,液壓控制松開,以端齒輪(三聯齒輪)進行精密定位,可實現雙向轉位和任意刀位就近選刀,最快轉位時間,中心高有、和,刀孔的定位精度達,重復定位精度達,轉位的

14、分度時間達到,最多同時能裝12把刀,動力刀具轉速達2。其開發的AK31刀架如圖1-1所示：圖1-1 AK31刀架實物圖臺灣德士公司研制的中心高不同的軸向動力刀架和徑向動力刀架在精度、換刀時間方面等都有了提高3。相鄰兩刀的換刀時間為,轉位的時間為,重復定位精度達，動力刀具轉速達。1.2.2 國外研究現狀國外數控機床的發展己有七十多年的歷史,伺服刀架的發展約有二十年的歷史,伺服動力刀架有十余年的歷史,己進入成熟期。國外刀架發展的趨勢是:液壓凸輪刀架、電動刀架、伺服刀架、分度馬達刀架、動力刀架、帶Y軸刀架、帶B軸刀架及直聯式力矩電機刀架等4。目前，日本、德國、英國等發達國家均有成熟的刀架產品生產，如

15、德國Index公司開發的車削中心V300Vertical Line上固定安裝一個立式刀具臺和12個轉塔動力刀架,可配置26把單獨驅動的動力刀具。 國外數控機床刀架的專業生產廠家主要有：德國肖特(SAUTER)、意大利巴拉法第(BARUFFALDI)、杜普馬帝克(DUPLOMATIC)等，這些專業廠家刀架生產歷史悠久，產品系列全。德國肖特(SAUTER)是國外生產刀架產品質量較好的公司，其研制的刀架多種多樣，主要有電動刀架、雙馬達伺服刀架、單馬達伺服刀架、四方刀架、B軸刀架和皇冠刀架等5。電動刀架控制簡單,能夠實現軸向和徑向出刀，具有Y軸功能；雙馬達伺服刀架具有極佳的溫度穩定性,也具有軸向和徑向

16、出刀能力，適用于背面加工；單馬達伺服刀架定位和動力刀共享單一馬達,能夠實現超高速定位，的分度時間達到，同時具有Y軸功能；B軸刀架兼具Y軸及刀庫功能，適用于復雜工件的切削及輪廓銑削,重復定位精度高達；皇冠刀架尺寸小，換刀快，可達,主軸轉速高達，定位準確，其定位精度，重復定位精度，最多可以8個獨立刀座及多頭刀座，刀架內部具有超載保護裝置可減少撞車時對刀架的損壞，換刀時刀盤不需有抬起動作，適宜在生產線上大量使用。1.3 主要研究內容和意義1.3.1 主要的研究內容本文主要是借鑒國內外研究刀架的資料，自己設計完成一種數控機床的轉塔刀架。對此刀架進行結構的設計，包括定位機構、控制裝置、轉位機構和密封裝置

17、等等；對刀架的液壓缸進行設計，液壓系統通過控制活塞的運動決定刀架是換刀還是進行鉆削；對轉塔刀架的松開與鎖緊機構進行設計，主要是對刀架的液壓缸進行設計,計算與刀架液壓系統有關的參數,選擇合適的電機型號；對轉塔刀架的轉位控制技術進行研究,分析數控刀架刀具的識別方式；對轉塔刀架進行二維圖的繪制,用二維軟件Autocad建立轉塔刀架的二維草圖。1.3.2 研究意義本設計主要通過大量閱讀文獻掌握機床轉塔刀架的基本知識；研究數控機床轉塔刀架及刀庫的關鍵技術，了解其選型、應用及設計方法等；完成某種數控銑床用轉塔刀塔的設計，并且轉塔刀架的裝刀數量不少于8把，對于數控車床轉塔刀架設計的基本要求是轉位準確可靠，工

18、作平穩安全；轉位時間短；轉位 以后重復定位精度高；防水防屑，密封性能優良；夾緊剛性高，適宜重負荷切削。222 轉塔刀架的研究方案2.1 刀架的基本分類數控刀架大致可分為伺服刀架、全液動刀架、電動刀架和動力轉塔刀架。伺服刀架:隨著伺服技術的廣泛使用,伺服電機的應用得到了普及。伺服電機簡化了刀架結構6。這種刀架的幾乎所有指標,比如剛性、轉位速度、可靠性、轉位的平穩性、易維修性、和精度等幾乎都有大幅度的提高。但是伺服刀架必須使用多級減速齒輪機構來保證低速軸上能夠輸出充足的扭矩。而減速齒輪的使用會大大地增加制造成本。全液動刀架:刀架技術的核心是采用了“集成式液壓分度馬達”裝置，這種裝置可以自動加減速、

19、可實現內部的粗定位。此類刀架刀盤釆用液壓來實現松開和鎖緊,其對液壓油的質量要求較高,調整維護非常復雜。刀架體積大,通用范圍小,通常情況下只適用于大型機床。動力轉塔刀架:在伺服刀架的基礎上加裝動力裝置就是動力轉塔刀架,實現刀架的多功能用途,如車、磨、鉆等,這種刀架可以實現在一次裝夾的情況下完成多道工序的加工,多用于加工中心。通常情況下,動力轉塔到家結構簡單,易于控制。2.2 刀架設計基本要求本次設計的刀架需要滿足以下基本要求：(1)裝刀不小于8把，并且不會與周圍其他裝置發生干涉、碰撞。(2)刀架具有足夠的剛度。刀架在加工過程中要承受很大的鉆削力和切削力,并且切削過程和換刀過程平穩。(3)換刀時間

20、一定要少。轉塔刀架換刀時間應該盡可能縮短,按最短路徑實現邏輯換刀,以利于提高生產率。(4)刀架定位精度高,且具有較高重復定位精度能承受機床在強力切削時產的振動力和扭矩。2.3 轉塔刀架的方案研究轉塔刀架是以回轉分度來實現刀具的自動更換,而數控轉塔刀架一般是由驅動裝置、中間傳動裝置、粗定位裝置、精定位裝置、鎖緊裝置和刀盤等組成7。本文主要在說明刀架各組成部分組成以及優缺點,并且研究新型轉塔刀架結構的設計方案。2.3.1 動力裝置的選擇電機伺服技術在機械產品中廣泛應用,主要是因為伺服電機控制方便、簡單,沒有污染,也比較容易維護8。在電機伺服系統中,按電機類型來分通常有交流和直流伺服系統兩類。由于交

21、流伺服系統占有很明顯的優越性,它將會慢慢取代直流伺服系統。交流伺服系統又可分為同步型和異步型交流伺服系統兩種。直流伺服電機存在機械換向器,因此需要的維護更多,轉子容易發熱,長期以來這一直是人們改良的難題和需要解決的問題。但是交流伺服電機自身結夠簡單、沒有機械換向、沒有太多的維護。這使得交流伺服電機克服了直流伺服電機的很多缺點,發揮了他的優勢。交流伺服電機又分為永磁同步伺服電機和異步伺服電機。異步型伺服電機控制比較復雜且電機低速特性很不好,特別容易發熱。在轉速較低的伺服系統中基本上都采用同步型伺服電機。而永磁同步交流伺服電機作為數控轉塔刀架的驅動,可以極大地減少刀架的換刀時間,大大地簡化刀架結構

22、9。隨著主機向著髙速、精密、環保方向的發展，永磁同步交流伺服電機的應用給數控刀架提供了美好的前景。綜上,永磁同步交流伺服電機具有快速響應、質量小、不易產生震動等優點,而且扭矩特性好,能夠很大程度的簡化刀架結構,是本次設計的驅動裝置的最佳選擇，其實物圖如2-1所示。圖2-1 永磁同步交流伺服電機2.3.2 主軸部件主軸是轉塔中心非常重要的部件，它與轉塔刀具直接相連。而且主軸的精度非常重要，因為其精度對零件的后期加工和機器自身的壽命均有重要影響10。因此，主軸必須滿足以下幾方面的要求：(1)回轉精度高；(2)支承剛性高；(3)主軸組件的靜平衡和動平衡好；(4)內錐孔和端面的耐磨性好；(5)能夠良好

23、地輸出動力和扭矩。因為主軸要安裝刀具，并且外伸部分較長，所欲主軸整體長度相對較長，為了保證主軸具有良好的回轉精度和剛性，主軸上布置了角接觸球軸承，以增大主軸的剛度和精度，能夠承受較大的軸向力和徑向力的沖擊。軸承也是主軸的關鍵部件，其性能的好壞會直接對對主軸的旋轉轉速、剛性、精度、溫升等參數產生很大的影響，從而間接影響機床的加工精度、尺寸精度和表面粗糙度等指標。所以，為了讓機床長期擁有較高的加工能力，必須為主軸配置高性能的軸承。軸承外圈的一端用軸肩定位，另一端用軸用彈性擋圈定位。2.3.3 裝刀機構轉塔刀架的裝刀裝置包括刀盤、刀夾和夾刀裝置。目前廣泛應用的刀盤有2種模式:日式槽刀盤和歐式VDI刀

24、盤如圖2-2所示。圖2-2 槽式和VDI刀盤VDI刀盤,采用德國標準,刀具孔分為徑向形式和軸向兩種形式11。齒形剎緊柱緊固刀夾,刀夾用DIN69880標準,分為軸向、徑向、圓柱孔、莫氏孔和組合等多種形式刀夾。根據不同的加工工藝,可選擇不同的刀夾形式。這種刀夾已有專業生產廠。由于刀盤的結構并不是本次結構設計的研究重點,所以在選用刀盤時我選用結構比較簡單的VDI式刀盤,另外由于刀盤的現有資料搜集的比較少,所以也沒有更加深入的考慮其他的性能。2.3.4 分度、定位機構大部分情況下,分度、定位機構指的是同一種機構,只有當分度、定位精度達不到所需的要求是時,才需要增加專門的精定位裝置12。分度機構的主要

25、功能是實現圓周分度轉動和直線分度移動,按定位機構的結構可分為連續運動和間歇運動結構?？焖贀Q刀大部分選用雙向均可旋轉的連續運動機構?，F在對分度、定位機構做一個簡單的介紹：（1） 槽輪分度定位機構槽輪機構主要由撥盤、槽輪和機架三部分組成。它的主要作用就是將主動軸的連續勻速轉動變成從動軸的不連續的間歇轉動13。其結構相對簡單,工作可靠,并且可以雙向旋轉,最高可達的分度精度,且加工制造成本很低。但這種機構轉位速度相對較慢,只適用于中低速旋轉；再者,槽輪分度機構屬于間歇分度機構,轉位分度太慢,換刀時間相對較長,而且轉位時存在很大的沖擊,在電機無加減速的條件下只能由刀架來被動地承受所產生的巨大沖擊力。（2

26、） 凸輪分度定位機構凸輪分度定位機構結構簡單方便、并且應用廣泛，因為其不僅可以實現任意的間歇運動并且分度精度高。凸輪分度機構又分為直移凸輪分度機構、圓柱凸輪分度機構、弧面分度凸輪機構、平行凸輪分度機構、等四種結構。在刀架的分度方面應用最廣泛的應屬圓柱凸輪分度機構,這種結構的從動件和凸輪軸互相垂直,凸輪軸轉一圈,從動盤便完成一次分度,由于其依靠凸輪輪廓的強制刀架轉位運動,所以他的運動規律基本上完全取決于凸輪輪廓形狀。凸輪分度機構結構簡單,但是預緊非常難,高速性能恨普通。平行共輒凸輪自身也可以實現分度轉位并實現鎖緊功能,但是結構特別龐大,基本上不適合普通數控機床刀架選用。（3） 棘輪分度定位機構棘

27、輪分度結構主要由棘爪、棘輪、搖桿、制動抓和機架等組成,按照其結構特點,又可分為摩擦式棘輪機構和具有輪齒的棘輪機構兩大類,棘輪分度機構的優點是:結構相對簡單,轉角大小的改變比較方便；缺點是它只能單向旋轉、動力不大且換刀時間長。因此棘輪分度機構基本上只適用于轉速不高的場合,比如各種機床和自動機床進給機構中。（4） 直線傳動分度定位機構本次的課程設計由于驅動裝置采用的是永磁同步交流伺服電機,里面裝有絕對值編碼器,因此可以實現在任意位置的精確定位準停14。永磁同步交流伺服電機通過花鍵直接與刀架主軸相聯接,帶動刀盤轉動。2.3.5 精定位機構一般情況下不需要精定位機構，如果粗定位不能滿足的時候，在設計精

28、定位機構。定位精度是指刀架在旋轉至目標位置后，目標工位的刀孔的中心線與結構設計中心線在豎直平面內的偏差距離。而重復定位精度是指刀架各工位反復鎖緊多次后的偏差平均值。為了保證刀架具有較高的重復定位精度，因此轉塔刀架必須選擇可行的定位方案和比較合理的定位結構。大體上來看，轉塔刀架的精定位主要有端齒盤定位、鋼珠定位和插銷定位等等，而端齒盤和插銷定位應用較為廣泛。齒盤有的地方稱為端齒分度盤或著鼠齒盤,齒盤是具有分度裝置的一種精密分度元件,并且具有自動定心功能15。端齒盤按其齒形可以分為直齒和弧齒齒盤；弧齒端齒盤的優點是：具有很好的自動定心功能、耐磨損并且使用壽命長,缺點是：加工時間太長；相比來說,直齒

29、端齒盤應用更加廣泛，因為其加工簡單、定位精度及重復定位精度相對較高。端齒盤工作原理:端齒盤對是由齒形和齒數相同的端面齒盤對合而成16。動齒盤與主軸通過螺栓聯接在一起,鎖緊齒盤在液壓元件的作用下實現與動齒盤的松開與鎖緊。分度定位轉動時,鎖緊齒盤與動齒盤分開,然后動齒盤轉到相應的位置,當轉至指定位置時,鎖緊齒盤在液壓缸給他的軸向力的作用下擠壓動齒盤實現刀盤的鎖緊。齒盤的形狀如圖2-3所示：圖2-3 端齒盤在精密分度裝置中,通常使用端齒盤作為其精定位元件,它具有至少3個優點：（1）定位剛度好；（2）分度精度高，其最高的精度可以達到以上，并且具有自動定心的功能；（3）重復定位精度高。這次的設計采用電機

30、自帶的編碼器實施其粗定位，再使用端盤齒盤實現其精確定位17。在旋轉分度定位時，通過電機采用其編碼器進行粗定位，從而使刀架轉到一個及其小的誤差范圍之內的位置；然后，在機械上采用端齒盤對其進行精確定位。這樣，即極大地縮短分度轉為時間，又克服了刀盤在分度定位時產生的沖擊和撞擊現象。2.3.6 轉塔刀架的密封因為轉塔刀架內部有精定位端齒盤,所以要有較好的密封來確保其正常運行,這樣才可以保證刀架的正常使用功能和延長其使用壽命18。防塵、防水設計的不好,那么在轉塔刀架工作的過程中切削、灰塵等雜質就會進入刀架對端齒盤造成損傷,甚至降低使用精度和使用壽命。對于密封裝置有一下基本要求：(1)一定要保證良好的密封

31、效果,確保較小的泄露量；(2)確保密封時的摩擦系數小,摩擦力保持均勻,不要引起不必要的運動件的摩擦甚至卡死；(3)一定要有較強的耐磨性,較長的使用壽命,最好能夠自動修復被密封件的損傷和幾何精度的誤差；(4)對被密封件的表面沒有副作用；(5)確保良好的耐油性和較高的抗腐燭性,不容易老化,不與油液等其他物質發生化學反應。密封效果得好壞直接決定了液壓缸的容積效率,也間接影響液壓缸的工作速度,因為如果速度過的話，就有可能對高密封元件造成燒傷、粘結甚至是過度磨損。選擇密封件時，首先一定要分析液壓紅的各種重要參數、工作環境,并且還要充分了解各種密封件的密封原理、性能、材料的結構、配合及安裝形式，以便合理選

32、用密封形式，只有充分的了解才能正確設計密封。2.3.7 動力傳動機構對于一些不經常拆卸的場合，大部分也采用過盈配合來實現刀架主軸的旋轉。而在本次設計的刀架結構中，電機是通過平鍵和齒輪直接相聯系的，然后直接把動力傳給主軸，這種連接結構相對來說比較簡單；本次設計中，由于選用的是直驅電機，所以刀架主軸與電機采用得連接采用花鍵連接?；ㄦI連接的主要特點有：（1)連接時兩根軸的總的結合面積大，承載力較強，這樣就能夠傳遞較大的扭矩；（2）同軸度相對好，定心精度比平鍵連接要高；（3）花鍵的強度高，聯接剛度較大，并且使用壽命比平鍵連接要長?；ㄦI的定心方式可分為3種，主要有大徑定心方式、小徑定心方式和齒廓定心方式

33、19。他的有點是：定心精度高；而齒廓定心方式主要用于漸開線花鍵連接，他的優點是在受載情況下能自動定心，并且可以使多數齒同時參與接觸，缺點是：加工工藝相對來說較為復雜，無形中提高了制造成本。綜上所述，本次的設計釆用性能較好的矩形花鍵，這樣可以簡單、高效實現的電機和刀架主軸的連接。2.4 轉塔刀架的整體設計本次轉塔刀架的設計方案:主要部件有液壓虹、傳感器和端齒盤。轉塔刀架釆用端齒盤來進行精定位,轉位由永磁電機通過矩形花鍵來直接驅動刀架主軸的旋轉,刀位的識別通過永磁電機內置絕對值編碼器來完成控制。釆用液壓驅動裝置實現轉塔刀架的松開與鎖緊，是否鎖緊則由閥內的壓力傳感器來進行檢測。3 轉塔刀架的鎖緊與松

34、開技術數控轉塔刀架在進行換刀時首先需要松開刀盤,然后永磁同步伺服電機驅動刀架轉塔轉到所需要加工的工位，之后再由夾緊機構對其進行鎖緊,在切削加工的過程中刀架還要承受很大的切削力矩的作用,所以一定要有很大的鎖緊力才能保證刀架有足夠的剛度。由電機驅動刀架轉位,由液壓缸控制刀盤的松開和鎖緊是目前應用廣泛的并且應用較好的方案,液壓鎖緊機構操作方便、簡單并且鎖緊力很大。機械與液壓的組合可以大大地簡化刀架結構、極大地縮短每次的換刀時間、并且提高刀架的可靠性。這一章主要研究數控刀架松開與鎖緊的原理,并且針對刀架液壓松開、鎖緊機構進行設計。3.1 液壓的鎖緊與松開的基本控制原理在液壓控制回路的設中時，要考慮數控

35、轉塔刀架在突然斷電或者終止的情況下，其裝置的可靠性，所以液壓回路被設計成如圖3-1所示的情況。當b端由于某種原因突然斷電時，電磁換向閥停留在最右端，活塞位于最左端，轉塔刀盤處于鎖緊狀態，刀架亦處于鎖定狀態。當b端又帶電時,液壓缸左腔進油，活塞帶動鎖緊齒盤向右運動并且松開刀盤，當壓力傳感器檢測到既定壓力，刀架電機便開始進入工作狀態，驅動刀盤一直運動到預定工位；當b端再次斷電，電磁閥返回原來的位置，此時，刀架便完成了一次轉位。儲能器的存在可以彌補液壓泄露而導致得鎖緊力不足的問題，從而確保鎖緊的可靠性；另外為了方便、簡化刀架的結構，在液壓組外部采取緩沖措，以此來保證轉塔刀架在進行鎖緊時運行平穩，避免

36、鎖緊齒盤與動齒盤和箱體之間的劇烈碰撞。1.油箱 2.濾油器 3.液壓泵 4.泄壓閥 5.儲能器 6.壓力表 7.可調單向節流閥 8.液壓缸 9.電磁閥 10.調速器 11.單向閥 12.溢流閥圖3-1 液壓控制原理圖3.2 液壓缸的設計液壓缸是轉塔刀架液壓系統中最主要的執行部件，但是其結構相對簡單,設計、制造起來也比較容易20。如果用它來實現緊鎖齒盤的往復運動，那么久可不用安裝減速裝置，而且不會出現傳動間隙，并且運動平穩，因而液壓缸在各種機械的液壓系統中應用最為廣泛。3.2.1 活塞缸的類型根據前文的分析，本次的結構設計需要采用活塞缸結構21。根單桿活塞缸是在活塞的一端有活塞桿，根據缸體的固定

37、方式又可分為缸體固定和活塞桿固定兩種形式。有桿腔和無桿腔的有效相對壓力面積不相等，當分別向無桿腔和有桿腔輸入同樣大小的壓力和同樣流量的液壓油時，活塞會產生不同大小的推力和運動速度。而雙桿活塞缸是在活塞的兩端均有活塞桿，雙桿活塞缸也有兩種安裝形式，一種是缸體體固定，活塞桿移動的安裝形式22。另一種則相反，是活塞桿固定,缸筒移動的安裝形式。利用活塞桿固定的安裝形式時,液壓油可以通過兩端空心的活塞桿進入缸的兩腔。從作用原理來分，液壓缸則可分為兩大類：單作用缸和雙作用缸。單作用缸按照字面的意思就是只有一個油腔，靠通入液壓油來實現單方向的簡單運動，反方向則需要其他的外力作用來實現運動，例如活塞的自重、外

38、部載荷、彈簧力等。雙作用缸在缸體的兩端均有一個油腔,原理依然是利用油壓推動活塞產生雙方向的運動。綜合以上兩方面考慮，由于轉塔刀架主軸不能進行軸向的移動，所以本次設計釆用雙作用雙桿活塞缸，釆用活塞桿固定形式，利用油壓壓力以此來推動主活塞帶動鎖緊齒盤來實現刀架的鎖緊和松開。3.2.2 缸筒的計算設計液壓缸最主要零件應屬缸筒，它依靠與其他零部件的相互配合構成密閉性非常好的油腔，形成內壓推動活塞的難移動。在設計液壓缸筒時，首先要保證液壓缸有十分可靠的液壓作用力、活塞固定的移動速度和有效行程，其次還需滿足缸筒的足夠的強度和足夠的剛度，以便能夠充分抵抗壓力和其他外力的作用。另外，缸筒與活塞之間的相對運動，

39、既需要可以自由的滑動，又要能保持良好的密封性，因此必須具有較高的幾何精度、表面粗糙度和較高配合精度。所以本次的設計把刀架箱體內壁作為缸筒來使用。假設液壓缸活塞的往復速度比值為，也就是。本次設計刀架鎖緊和松開的時間相等,所以活塞的運動速度也是相等的,即當，一般取。因此。大部分情況下液壓缸缸筒內徑計算完之后需要將其圓整到標準值，然而本次設計的數控刀架的中心高為，由于限于刀架的空間結構和空間尺寸,而且液壓缸也不是標準形式，取缸筒內徑為。綜合其他的因素，本次設計的缸筒和內徑的配合取。3.3 活塞的計算設計由于活塞的有效工作面積將直接影響液壓缸的有效作用力和相對運動速度。因此活塞與缸筒配合應當合適，如果

40、配合過緊，那么活塞的啟動壓力就會大大地增大，并且機械效率也會降低，而且還特別容易磨損甚至毀壞缸筒和活塞的相互滑動配合的表面，也會大大地加速密封件的破壞23。相反，如果間隙過大，則會引起液壓缸內部液壓油的泄露，使得容積效率極大地降低，設計活塞時還特別應該注意活塞磨損的問題，因為一旦活塞磨損，密封件特別容易在液壓壓力油力的作用下被擠入間隙而致使整個結構遭到破壞，因此一定要盡可能地提高活塞的耐磨性能?；钊Ｓ貌牧献钪饕歉骷壔诣T鐵、耐磨鑄鐵、35及40鋼和鋁合金等材料。而此次的設計依然選擇耐磨鑄鐵，其結構如圖3-2所示：圖3-2 活塞剖面圖3.4 密封裝置的設計液壓缸密封裝置性能的好壞，將直接影響缸

41、體的工作性能24。一個密封不好的液壓缸他的容積效率一定會大大地降低、并且一定會有很大的功率損失，嚴重時甚至還會影響液壓缸的正常動作。因此密封部位的設計和密封件的選用一定要合理,既要保證密封性能的可靠、泄漏量較小、摩擦力盡量的小、壽命盡量的長、更換簡單方便。密封裝置按使用方法可分為往復運動密封、固定密封和旋轉運動密封；按密封件材料不同可分為塑料、皮革、橡膠和金屬密封。O形橡膠密封圈是世界上應用最廣泛、最普遍的擠壓密封件。在沒有液壓壓力作用時，O形橡膠密封圈主要靠預壓縮變形以此來實現初始密封。當液壓力作用時，O形橡膠密封圈被壓力擠到槽的另一側，貼于槽壁和密封面上，即極大地增加了密封面的接觸壓力，又

42、在很大程度上提高了密封效果。由于本次設計中活塞的運動速度不是很高，而且工作壓力適中，所以O形密封就能滿足要求，因此，本次設計中的密封全部選用O形密封。4 轉塔刀架的二維模型的建立雖然對轉塔刀架的各個部分進行了設計計算，但是在進行產品的制造加工之前，工人師傅一定要參考工程圖對其進行加工，所以工程圖的制作顯得尤其的重要。本文主要采用Autocad2010對數控轉塔刀架進行二維建模，然后通過分析零件圖驗證此設計是否合理。4.1 AUTOCAD簡介AutoCAD是我們日常生活中經常使用的軟件，在我國的市場上擁有重要地位。AutoCAD軟件具有如下幾個特點：(1) 具有比較完善的二維和三維圖形繪制功能。

43、(2) 具有其他軟件沒有的強大的圖形編輯功能。(3) 可以采用多種方式進行二次開發。(4) 可以在多種圖形格式之間進行轉換，具有非常強的數據交換能力。(5) 支持很多種硬件設備，幾乎不受限制。(6) 支持多種操作平臺。(7) 具有很好的通用性、易用性，幾乎適用于各類用戶。4.2 轉塔刀架二維模型的建立本次使用的箱體用鑄造一體澆筑而成，在設計上采用整體的一體結構，這樣可以很大程度上提高箱體的整體強度。目前就已有的刀架箱體大部分采用的都是由兩部分組裝的機構，兩部分分別為主箱體和中間過度體。如果是兩部分的話，那么就給箱體的制造加工帶來很大的難度，主要是為了保證刀架組裝前后的同軸度的要求，對裝配工藝的

44、要求就會大大增加。而如果采用整體結構就可以實現其一次澆筑而成，這樣就可以大大地提高箱體內部的同軸度，箱體的結構如圖4-1所示：圖4-1 箱體的結構圖刀架主軸的支撐方式采用兩端支撐，主軸的前端和動齒盤通過螺栓緊固件連接在一起，動齒盤通過與箱體的配合，可以繞箱體轉動，主軸的中間部分與液壓缸的活塞有間隙配合，在配合的同事也對主軸自身起支撐作用，主軸的后端主要通過軸瓦支撐在箱體上，主軸的末端通過花鍵與電機線連接以此來傳遞動力。主軸的模型如圖4-2所示：圖4-2 主軸的結構通過各個關鍵零部件的建立，在Autocad上進行組裝，得到數控轉塔刀架的總裝圖如圖4-3所示：1.DVI刀盤 2.動齒盤 3.緊鎖齒

45、盤 4.吊環 5.主活塞 6.副活塞 7.軸蓋 8.軸瓦 9.定子 10.轉子 11.連接架 12.電機外殼 13.螺母 14.彈性元件 15.推力軸承 16.主軸 17.箱體 18.麻花鉆 19.車刀圖4-3 轉塔刀架總裝圖總 結本論文是關于“數控轉塔刀架的結構設計”,對于一個相對完整可靠的數控刀架產品來說,其需要解決的關鍵技術特別的多,比如密封技術、降噪技術、傳動鏈優化、伺服控制參數的優化技術、可靠性技術、工藝優化及試驗檢測技術、而完成上述所有的關鍵技術的研究需要巨大的精力和巨大的財力。本論文主要對轉塔刀架的進行了簡答的研究。本次論文的創新主要有以下幾個方面:1.采用永磁直驅伺服電機作為刀

46、架的動力裝置。永磁直驅伺服電機應用于臥式端齒分度的數控回轉刀架,其優點在于取消了齒輪減速的部分,基本消除了齒輪的反向間隙造成的巨大的噪聲問題,成功解決了齒輪減速潤滑漏油問題,極大地縮小了刀架的整體結構,實現了從驅動軸到負載的零傳動,使電機的控制快速準確。由于傳動鏈得到極大地了優化,大大的提高了傳動效率,降低了能量的損耗。2.使用雙齒盤實現刀架內托起功能的同時,減少一個端齒盤,降低了刀架的成本,提髙了可靠性。3.使用加工中心上普遍采用的壓力傳感器取代了傳統的霍爾感應開關來檢測刀盤的松開與鎖緊狀態,進一步簡化了刀架的結構。需要說明的是,雖然永磁直驅伺服電機作為數控刀架的驅動裝置大大提高了刀架可靠性

47、、極大地降低了噪聲、極大地減少了油污,給數控刀架帶來了極大的好處,但其并沒有從根本上提高分度精度,因為這種刀架的精密分度裝置仍是采用相互嚙合的端齒盤決定，所以此次數控轉塔刀架還需進一步研究其性能，以確參 考 文 獻1 李憲凱.車銑復合加工中心結構分析J.設備管理與維修，2006(1)：36.2 郭永環.數控車床用轉塔動力刀架的發展方向J.機床與液壓,2002(6): 24-263 吉濤,劉乘.多工位轉塔刀架的數控實現J.機床與液壓，2006(9)：894 蘇曉暉.機床六工位轉塔動力刀架的設計J.制造技術與機床，2010(3)：465 陳代隆,于天標.多工位液壓數控轉塔刀架J.沈陽工業大學學報，

48、1999，21(4)：3126 陳日曜.金屬切削原理M.北京；機械工業出版社，20027 俞文海，朝榮.八工位回轉刀架的設計研究J.制造技術與機床，1998(6)：8 盧建偉.數控車床轉塔刀架可靠性試驗臺的研制D.吉林大學，2011.9 鄭申,張瑞乾.多工位數控轉塔動力刀架設計J.機械研究與應用, 2010, 05:84-86 +88.10 董紅召.車削中心轉塔刀架布刀的GA優化方法J.農業機械報，2007，02：172-175+200.11 樓俏.數控車床動力轉塔刀架可靠性試驗臺的研制D.吉林大學，2012.12 姜玉龍.數控車床轉塔刀架可靠性試驗臺的電液伺服加載系統研制D.吉林大學，201

49、2.13 吉濤,劉乘.多工位轉塔刀架的數控實現J.機床與液，2006，09：89-90+116.14 Reiner Sauter. Turret P. United States Patent US6772005B2， 2004,，Apr.15 Sugimoto，Kenji.Turret tool post P, European Patent EP0890401A1，1999，Jan.16 盧金鼎,劉滿銀.數控轉塔刀架的開發應用J.機械制造，1998，02:32-34.17 李德貴.數控加工切削用量的選擇J.中國高新技術企，2013，(11):94-95.18 丁義軍.關于數控加工中的刀具和

50、切削用量的探討J.科技致富向導，2011，(33).19 徐溥滋,張舒勃等.專用機床設計與制造M.黑龍江；黑龍江人民出版，1979.20 李剛.鉆銑床主傳動設計與校核J.機床與液壓，2011，39(20)；121-123.21 彭磊.同步帶傳動在全墊升氣墊船上的應用J.船舶，2012，23(03):45-49.22 Yusuke Matsumoto. Turret type tool post P， United States Patent US6704983B2，2004,Mar.23 Norbert Hessbruggen. Tool-changing device P，United States Patent US6276035B1，2001,Aug.24 康小波,吉保國.一種新型液壓刀架J，制造技術與機床，2004，(12)：99-101.致 謝們對我無私的奉獻和義無反顧的支持，使得我的學業順利地完成。