数控刀架设计文档格式.docx

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在国外，数控刀架主要分为日本和欧美两大流派，日系的其体积小，转矩大，耐磨，例如日研公司刀架的核心部件采用氮化处理，具有很高的硬度。

欧美的结构紧凑，传动方向一致，易于实现一体布置，采用牙嵌式的具有空行程角小，效率高，自锁性好。

在欧美其主要研发制造有：

德国的肖特、意大利的杜普马蒂克以及巴鲁法迪。

相比较国外，我国起步比较晚，从上世纪八十年代开始发展，没有定型，稳定性、可靠性、精度等都很差，没有标准、没有自主知识产权但是发展很快，但在国家对数控行业的支持下，出台了一系列政策，鼓励数控行业发展，经历了一个快速发展过程，但现还处于一个发展的过程，在品种、规格、可靠性等方面还有一段长的路要走，基本上还是采用传统的材料和工艺，其使用寿命往往不长。

2007年国家出台了相关标准，但是标准要求比较低，适应于中、低端，我们不能闭门造车，要充分利用自身的有力条件，要鼓励技术人员积极思考，同时国家应积极鼓励中小型企业积极创新，加快发展尽快缩小与国外发达国家的差距已变的刻不容缓。

1.2数控刀架的发展方向

随之基础科学的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动以及伺服驱动方向发展，数控刀架未来的发展方向可基本分为两方面：

高精度、高可靠、高效性；

简单实用、方便、造价低。

由于高端制造业朝着尖端领域前进，尤其是航空业，对精度要求越来越高，作为生产设备—数控机床的精度必须更高，数控刀架作为其保证精度的重要组成部分，因此其精度要求也十分高，这对刀架的刚度，抗震性，系统响应性都要求非常高。

开发式的伺服电机及驱动技术发展，使伺服驱动刀架成为现实，提高了换刀精度，缩短了换刀速度，同时它取代了预定位装置、发信装置，简化了刀架结构，刀架的夹紧与松开都采用液压装置，这样避免了冲击，提高了刀架的使用寿命。

数控刀位的位数也越来越多，以前4,、6位，现在已发展到八位、十位，甚至十二位，可正传反转。

在一般生产中，其精度显的不是那么重要，相反，其效率、成本就先的更加重要，因此数控刀架同时也最求:

高速、可靠，追求的目标是换刀时间尽量的短，以换取加工中心和车削中心的高效性；

是简单实用、造价低、使用可靠，但换刀速度不快。

1.3本文研究内容

主要介绍数控车、铣、磨、镗等机床的刀架。

侧重介绍四方八方刀架、排刀式刀架。

简单介绍平口钳、机夹式刀库、转盘式等。

对刀架的材料进行选择，刀架的传动系统，对刀架的刚度、精度、动态精度进行分析。

并对其进行相关力学的计算。

第二章机床刀架

作为机床的一部分，数控刀架有做自己的结构、功能、种类，本章将从这几方面对其进行分析：

2.1数控刀架的功能及要求:

数控刀架可使数控车机床在工件一次装夹中完成多种甚至所有的加工工序，以缩短加工的辅助时间，减少加工过程中由于多次安装工件而引起的误差，从而提高机床的加工效率和加工精度。

它具有:

换刀时间短，以减少非加工时间;

减少换刀动作对加工范围的干扰;

刀具重复定位精度高;

识刀、选刀可靠，换刀动作简单可靠;

刀库刀具存储量合理;

刀库占地面积小，并能与主机配合，使机床外观协调美观;

刀具装卸、调整、维修方便，并能得到清洁的维护。

2.1机床刀架的分类：

由于机床分为：

车床、铣床、镗床等，因此刀架也有很多种类，按机床种类分：

车床刀架、铣床刀架、磨床刀架等种类。

按换刀方式分：

排式刀架、回转刀架、带刀库的自动换刀装置。

下面将分别介绍：

2.1.1排式刀架

图2-1

如图示：

夹着不同用途刀具的刀夹沿着机床的X坐标轴方向排列在横向滑板上。

这种刀架在刀具布置和机床调整等方面都较为方便，可以根据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具，一把刀具完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿X轴移动预先设定的距离后，第二把刀就到达加工位置，这样就完成了机床的换刀动作。

这种换刀方式迅速省时，有利于提高机床的生产效率。

2.1.2回转刀架

图2-2

回转刀架是数控机床最常用的一种典型换刀刀架，一般通过液压系统或电气来实现机床的自动换刀动作，设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架，并相应地安装4把、6把或更多的刀具。

回转刀架的换刀动作可分为刀架抬起、刀架转位和刀架锁紧等几个步骤。

它的动作是由数控系统发出指令完成的。

回转刀架根据刀架回转轴与安装底面的相对位置，分为立式刀架和卧式刀架两种。

2.3数控机床刀架的结构及工作原理：

数控刀架换刀原理大致一致，先以数控车床六工位刀架为例对换刀过程就行介绍。

数控刀架换刀过程如图2-3，在接到换刀命令后，检测装置会检测刀具是否在工位上，如果在将结束，如果没有，将转动电机，驱动刀架到工位上，并检测，如果没有，在转动电机，直到到工位上，再延迟一定时间，锁紧刀架，结束换刀过程。

此系统采用闭环系统，相比开环系统，闭环具有反馈条件功能，进行进一步调节，因此其精度更加高。

图2-3

数控刀架可分为两方面:

机械系统以及控制系统，下面将分别对其进行分别说明：

2.3.1机械系统

数控刀架的机械系统总体来说分为三部分：

减速传动机构；

定位机构；

刀架抬起机构。

减速传动机构：

由于三相异步电动机因转速太快，不能用来直接驱动刀架进行换刀，必须经过适当的减速机构来得到一个合适的速度。

由于刀架结构紧凑，传动比要求大，因此通常采用蜗杆副，同时蜗杆副能保证传动精度和平稳性，并且具有自锁功能。

定位机构：

由于刀具直接安装在上刀体上，所以上刀体要承受全部的切削力，其锁紧与定位的精度将直接影响工件的加工精度。

本设计上刀体的锁紧与定位机构选用端面齿盘，将上刀体和下刀体的配合面加工成梯形端面齿。

当刀架处于锁紧状态时，上下端面齿相互咬合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴转动；

换刀时电动机正传，抬起机构使上刀体抬起，等上下端面齿脱开后，上刀体才可以绕刀架中心轴转动，完成转位动作。

刀架抬起机构：

要想使上，下刀体的两个端面齿脱离，就必须设计合适的机构使上刀体抬起。

本设计选用螺杆-螺母副，在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆-蜗轮带动蜗杆绕中心轴转动时，作为螺母的上刀体要么转动，要么上下移动。

当刀架处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的端面齿相互咬合，因为这时上刀体不能与螺杆一起转动，所以螺杆的转动会使上刀体向上移动。

当端面齿脱离咬合时，上刀体就与螺杆一同转动。

设计螺杆时要求选择适当的螺距，以便当螺杆转动一定角度时，使得上刀体与下刀体的端面齿能够完全脱离咬合状态。

2.3.2控制系统

数控刀架的控制主要是通过传感器将各种信号收集到并反馈给机床中央单元，数控单元根据反馈信号再指挥执行机构，因此数控刀架的控制系统主要组成为：

传感器、信号转换（A/D,D/A）、信号传输单元。

数控刀架的传感器主要为：

霍尔开关控制器，它利用了电磁原理避免了机械接触，减少了磨损，因此延长了使用寿命。

信号转换：

由于传感器采集的信号为模拟信号，而中央单元是数字信号，因此为了实现数控刀架与机床中央单元的沟通，因此必须采用信号转换器，它将传感器采集的模拟信号转换为数字信号后，传送给中央单元，同时也将中央单元传来的数字信号转换为模拟信号后，传送给数控刀架执行机构。

第三章数控刀架的系统设计

本章将从传动链、强度、锁紧、电气部分对数控刀架进行设计，以六方为例。

由于驱动刀架换刀的速度很低，而驱动电机的转速很高，因此必须经过传动机构，对其速度进行调整，调整到一个合理的状态时，再驱动刀具。

本章以数控车床转盘式刀架为例，进行传动设计，通常数控刀架的传动系统有很多种，如图3-1。

图3-1

3.1设计参数及电机的选取

刀体的设计转速（换刀时，平均转速）为25r/min。

由于刀架的驱动功率要求很小，因此我们选用驱动电机的额定功率为：

110W，电机的额定转速：

1440r/min。

因此总传动比为：

3.2传动链的设计

刀架的结构空间比较小，且要求传动比的很高，因此传动链中采用蜗杆涡轮传动，其传动链布置图如图3-2。

其传动过程为：

电机—蜗轮蜗杆—离合器—刀架。

3.3传动比的分配:

从传动链可以看出，在整个传动链中，只有一级减速，为蜗轮蜗杆传动副，因此其传动比为：

3.4蜗轮蜗杆的设计：

蜗轮蜗杆作为传动系统的关键部件，其设计与整个系统的质量关系很相关，因此很有必要对其进行设计，下面将从蜗轮蜗杆的参数、材料、强度校核等方面进行说明：

3.4.1蜗轮蜗杆参数：

为了减低成本，蜗轮蜗杆采用GB/T0085-1998推荐的渐开线形，其具有结构简单，用常规刀具能加工出来，蜗轮蜗杆的参数为：

蜗杆参数为：

头数

；

轴向模数m=2mm；

轴向齿距

轴向齿厚

分度圆直径：

直径系数：

分度圆导程角

齿根圆直径：

。

蜗轮参数为：

齿数

分度圆直径

齿顶圆直径：

3.4.2蜗轮蜗杆的材料：

蜗杆由于承受交变应力，且有较高的转速要求，同时结合成本，选用45钢。

蜗轮要耐磨，因此才有青铜作为材料。

3.4.3齿面接触强度校核：

齿面接触强度校核是是否必要的在齿轮传动中，其校核过程如下：

其中：

K:

为载荷系数，K=

为弹性影响系数；

为接触系数；

T为蜗轮上的转矩；

A为中心距。

确定中心距a：

a=1/2（30+230）=130mm;

确定弹性影响系数

：

由于蜗轮的材料选用为青铜、金属模型铸造从相应手册可查得：

确定接触系数

由于蜗杆分度圆的直径与传动中心距的比值为：

可查的

确定蜗轮上的转矩T：

确定需用接触应力

由于蜗轮的材料选用为青铜、金属模型铸造，且蜗杆的表面接触硬度大于45HRC，则应力循环次数：

寿命系数:

许用接触应力为：

带入到公式可得蜗轮的接触应力：

小于许用接触应力，因此蜗轮的设计合理。

3.4.4齿根弯曲疲劳强度校核：

蜗轮的每个齿轮在运动中要受到左右的应力，随着时间的，在齿根附近容易产生疲劳裂纹，引起蜗轮报废，因此需要进行齿根弯曲疲劳强度校核，其表达式如下：

为螺旋角影响系数；

为齿形系数；

确定螺旋角影响系数

、

为齿形系数：

蜗轮的齿数为115，则其当量齿数为

根据变为系数为1和当量齿数，查手册的到螺旋角影响系数为：

1.93、齿形系数为：

0.967。

表3-1

根据蜗轮的材料以及加工方法，参考表3-1，可确定蜗轮的基本许用弯曲应力为：

蜗轮的寿命系数:

小于许用弯曲应力，符合使用要求。

3.5锁紧定位机构设计：

刀架的定位锁紧机构采用端齿盘，如果3-4，端齿盘具有自动定心功能的机密定位元件，广泛用于加工中心、数控机床。

其实际上相当于一对齿数相同的离合器，其啮合过程与离合器相似。

根据齿形可以分为直齿和弧齿两种，直齿结构简单，加工方便，弧齿性能良好，允许一定的角位移，但是加工复杂，结合实际情况选取弧齿。

图3-4

3.6电气控制部分：

数控刀架的电气控制部分主要包括接受电路和发送电路，如图3-5。

接受电路：

转盘上有6只霍尔开关，转位时，磁铁对准某一个霍尔开关引起电位变化，再经过6只光耦合处理，经过光电隔离信号送给I/0接口芯片8255。

霍尔元件是一种磁敏感元件，当具有磁性的物体接近霍尔元件时，其内部产生霍尔效应使内部电位发生变化，由此来识别磁性物体。

再得到换刀信号后，霍尔开关接通，通过功放电路后，驱动刀架，刀架抬起，转过一个工位，再检查是否为所需要刀位，若是，换刀结束，否则继续重复上面的动作，直至所需到位。

图3-5

第四章其他刀架

前面对六方刀架进行了设计，本章主要对其他刀架：

平口钳、机夹式刀库、转盘式等，进行介绍。

4.1平口钳

平口钳也就是通称的虎钳，是一种通用夹具，其工作原理是：

丝杠螺母带动活动钳身，到达夹紧与松开的。

图4-1

4.2机夹式刀库

机夹式刀架势采用机械夹持方法将刀具固定在刀架上，这样避免了焊接刀具产生的裂纹，提供了刀架的耐用度，只需更换刀片即可，同时避免了焊接产生高温引起的裂纹，提供了刀片的使用寿命。

从固定方式上可分为：

上压式、侧压式、切屑力固定式。

上压式采用螺栓压紧压板，再加刀片压紧。

测压式是利用刀片本身的斜面，固定在刀架的楔块里，切屑力式固定利用切屑力将刀片固定在斜槽中，结构简单，使用方便，无冲击振动。

图4-2

4.3转盘式刀库

转盘式刀库又称为圆盘式刀库，在每个刀为上有编号，从一开始到24或者其他，这些便是刀片的地址，当转到指定的位置时，通过换刀机构（机械手）将其装在主轴上。

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