12刀位星型电动刀塔的设计有完整图纸.docx

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12刀位星型电动刀塔的设计有完整图纸

目录

1.绪论1

1.1毕业设计的背景及目的1

1.2刀塔概况及发展趋势2

1.2.1刀塔概况2

1.2.2刀塔发展趋势3

1.3现代数控机床的特点及发展趋势4

1.3.1现代数控机床的特点4

1.3.2现代数控机床的发展趋势6

1.3.3现代技术给机床业带来的新动向8

2.刀塔的设计及计9

2.1刀塔的功能,类型和应满足的要求9

2.1.1机床刀塔的功能9

2.1.2机床刀塔的类型10

2.1.3机床刀塔应满足的要求11

2.2数控车床刀塔总体方案设计与选择12

2.2.1刀塔的整体方案设计12

2.2.2车床刀塔的转位机构方案设计12

2.2.3刀塔定位机构方案设计13

2.2.4车床刀塔的工作原理13

2.2.5刀塔的设计计算14

3.液压系统设计与计算36

3.1刀塔液压控制系统液压泵及油泵电动机的选择计算36

3.1.1液压油泵的选择37

3.1.2油泵电动机功率的选择计算37

3.2液压缸的设计40

3.2.1选择液压缸类型40

3.3数控车床液压系统的设计41

3.3.1液压回路的选择41

3.3.2拟定液压系统图41

3.3.3液压系统的控制原理42

致谢42

参考文献43

1.绪论

1.1毕业设计的背景及目的

制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国或地区经济的实力，科技水平，生活水准和国防实力。

国际市场的竞争归根到底是各国制造生产能力及机械制造装备的竞争[1]。

机床拥有量在一定程度上标志着国家的制造能力的大小。

因此,我国对机床工业的发展十分重视,经过40多年的努力,目前我国已是机床生产的大国之一,机床的年产量超过16万台,各类机床品种已达2500多个,年产值达220亿元,机床产业已是我国国民经济的重要组成部分。

我国的机床拥有量也是惊人的,在八十年代初已达到328万台以上,居世界第二位。

目前初略估计,我国机床拥有量已接近400万台。

但是也应看到,我国所拥有的机床,大约有一半以上是质量较差的,还有相当数量的机床的役龄已超过20～30年,且数控机床、精密加工机床在整个机床拥有量中的所占的比例很小。

另一方面,我国所制造的机床中,现代数控、精密的机床所占比例也很小,整个机床产值与机床产量之比很不相称,机床的质量和可靠性也不能适应现代制造业的需要。

因此,在我国目前所拥有的数控和精密加工机床中,多数是从国外进口的[2]。

数控机床的大量推广使用,充分发挥数控机床的作用,合理管理,提高开动率是十分重要的,国外统计资料表明,普通机床的最好开动率不超过15%,而数控机床的开动率可高达85%。

而从调查我国引进数控机床使用情况来看,管理和使用情况参差不齐,开动率一般不超过50%,且也有只达到30%以下开动率的。

管理不够完善的原因很多,大致有:

（1）引进的设备种类繁多,增加了管理的复杂性;

（2）数控系统的种类很多,增加了管理的工作量;

（3）引进的软件由于装备不同而不能充分运用;

（4）同一地区引进同一设备数量过多,超过所需很多而使设备闲置。

1.2刀塔概况及发展趋势

1.2.1刀塔概况

刀塔是数控车床非常重要的部件,数控车床根据其功能刀塔上可安装的刀具数量一般为8把、10把、12把或者16把有些数控车床可以安装更多的刀具。

刀塔的结构形式一般为回转式，刀具沿圆周方向安装在刀塔上,可以安装径向车刀、轴向车刀、钻头、镗刀。

车削加工中心还可安装轴向铣刀、径向铣刀。

少数数控车床的刀塔为直排式,刀具沿一条直线安装。

数控车床可以配备两种刀塔：

（1）专用刀塔由车床生产厂商自己开发，所使用的刀柄也是专用的。

这中刀塔的优点是制造成本低,但缺乏通用性。

（2）通用刀塔根据一定的通用标准,而生产的刀塔,数控车床什产厂家可以根据数控车床的功能要求进行选择配置。

目前动力刀塔主要可分为两大主流，一是日系工具机大厂自行开发的动力刀塔,另一个则是刀塔制造厂商所开发的动力刀塔。

日系工具机大厂所开发的动力刀塔能确实地搭配其工具机的特性,发挥其最大的功用,更能依客户的特殊加工需求，开发出特殊的刀具座，但缺点是其刀具座是依各自工具机厂的规范，不同的刀具座难以通用。

目前国内数控刀塔以电动为主，分为立式和卧式两种。

立式刀塔有四、六工位两种形式，主要用于简易数控车床；卧式刀塔有八、十、十二等工位，可正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能数控车床。

另外卧式刀塔还有液动刀塔和伺服驱动刀塔。

1.2.2刀塔发展趋势

当前，国产数控机床发展迅猛，并向高速、高效、高精度、柔性化、环保方面发展。

我国数控机床的快速发展，急需数控机床附件的大力跟进，也就是说好马还须配好鞍。

国产数控车床今后将向中高档发展，中档采用普及型数控刀塔配套，高档采用动力型刀塔，兼有液压刀塔、伺服刀塔、立式刀塔等品种，预计近几年对数控刀塔需求量将大大增加。

数控刀塔今后的发展趋势是：

随着数控车床的发展，数控刀塔开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展，具体来说有一下几个方面：

（1）刀塔转位时间最短，且转位准确。

刀塔的质量主要取决于换刀时间和故障率。

（2）刀塔定位精度高、动作迅速、稳定可靠。

因为数控机床的切削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置。

由于在加工过程中刀尖位置不进行人工调整，因此，转塔刀塔在结构上必须有良好的强度和刚性，以及合理的定位结构，以保证转塔刀塔在每一次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度。

（3）可多刀夹持，双向转位和任意刀位就近选刀。

（4）应用范围广，维修方便等特点。

1.3现代数控机床的特点及发展趋势

1.3.1现代数控机床的特点

纵观二十世纪以来，特别是近十多年来,机床借助于微电子、计算机技术的飞速进步,正向着高精度、多功能、高速化、高效率、复合加工功能、智能化等方向迈进,明显地反映出时代的特征,其主要表现为:

（1）高精度化

当代工业产品对精度提出了越来越高的要求,仪器、钟表、家用电器等等都有相当高精度的零件,典型的高精度零件如陀螺框架、伺服阀体、涡轮叶片、非球面透镜、光盘、磁头、反射鼓等,这些零件的尺寸精度要求均在微米、亚微米级。

因此,加工这些零件的机床也必须受到需求的牵引而向高精度发展。

如中等规格的普通机加中心的定位精度,八十年代初为±0.012mm～0.300mm,到了九十年代初,已提高为±0.002～0.005mm全程（如瑞士DIXI公司的座标镗铣中心）。

航天工业是当今数控加工机床发展的典型的受益工业部门之一。

第一代惯性器件、伺服机构等高精度仪表零件的高精度关键部位的尺寸精度均在1Lm以下。

而当前第二代惯性器件,以动马达为例,关键部位的尺寸精度已提高到0.1～0.2Lm,为适应这种要求,机床主轴回转精度已达到0.1Lm以下。

当前一些透镜、磁盘等的精度也已要求0.1Lm以下的精度,为适应这种需要,数控机床和机械加工中心也必须提高精度,才能与之相适应。

为此,在计算机技术发展的推动下,各种加工精度补偿技术得到应用和发展。

机床的结构材料,在高精度机床上也已开始普遍使用各种性能稳定、温度影响小新型材料:

如花岗岩、人造花岗岩、精密陶瓷、Invar、Superinvar、Zerodur等。

典型的实例有瑞士Studer的精密磨床（S系列）,其床身采用人造花岗岩;日本东京精密公司的三坐标测量机结构件大多是花岗岩,而关键部位采用的是精密陶瓷。

（2）高速度化

提高生产率是机床技术发展的的永恒主题,这也表现在提高机床主轴的转速上。

在八十年代中期,中等规格的机加中心的最高转速为4000～6000r/min;而传统机床的转速均在3000r/min以下;而到了九十年代,则达到8000～12000r/min,甚至达到50000r/min。

为了适应主轴的高速化,滚珠轴承采用油气润滑、喷雾润滑、环下润滑,使用陶瓷滚珠轴承等,各种新型轴承如静压轴承、动压轴承、磁力悬浮轴承等也开始得到应用。

另一方面,为提高生产率,缩短工具交换和托板交换等非切削时间也有很大的进步。

如数控车床的刀塔转位时间已从1～30s,减少到0.4～0.6s;机加中心的换刀机构的改进,换刀时间也从5～10s减少到1～3s;托板交换时间则由12～20s减少到6～10s,有的少到2.5s;坐标轴的快速移动目前已提高到18～24m/min,甚至达到30～40m/min。

所有这些对缩短非切削时间都起了很大的作用。

上述各项措施突出表明了高速化对提高生产率的作用。

（3）高柔性化

当代产品的多样化和个性化,对机床提出了更高的柔性加工要求。

如:

车削加工中心可以进行铣削、钻孔;铣削加工中心可以车削、钻孔、攻丝;切削与磨削可在一台机床上完成;最近还有一家日本公司为满足用户需要,将电加工与切削加工集成于一台机床上完成。

这种将各种加工功能在一台机床上进行集成,均是为了能在一台机床上实现一次装夹就能完成不同工件的不同的加工要求,以充分展示机床加工的柔性。

而机械加工中心的出现,正是适合了这种发展趋势,并与当代产品的多样化和个性化发展默契配合。

单件、小批量产品的传统加工,许多精密零件的生产准备时间很长,如惯性平台的四大件,以往的小批量的生产准备周期要长达一年半以上,而使用机械加工中心,则可在同一机械加工中心上逐个完成台体、外环、内环和基座这四大件的加工,成套提供装配,大大缩短了生产准备周期和加工时间。

（4）高度自动化

自动化是指在全部加工过程中,减少人的“介入”,而能自动地完成规定的任务。

传统的自动化往往与大批量生产加工联系在一起,使用大量专用机床和组合机床。

而目前可以通过数控机床和机械加工中心,不仅能在大批量生产中实现自动化加工,也可在小批量、多品种产品的加工中实现自动化生产。

另外还应注意的是自动化的“面”也在不断扩展,如自动编程、自动换刀、自动上下料（工件）、自动加工、自动检测、自动监控、自动诊断、自动对刀、自动传输、自动调度、自动管理等等。

自动化程度的提高,进一步推动了标准化和进线的生产能力。

机械加工的自动化大大提高了生产率,但检测计量往往是一个薄弱环节。

如复杂箱体的加工,在机械加工中心上的加工周期已缩短到几个小时,而传统检测,则需要几倍于加工时间。

而今生产型三坐标测量机进入生产线,缓解了这种矛盾,使自动化更加全面。

另外,数控机床也有了自动检测的系统（如英国Renishaw公司的测量系统）,使在线检测成为现实,检测自动化更加完善。

（5）造型宜人化

当一台机床展示时,是其外观给人们留下第一形象。

近年来,机床造型的宜人化已成为一门学科,宜人化的内容,除了外观、颜色之外,考虑操作使用时方便、省力等人体学知识也是一个重要的方面。

好的数控机床不仅要功能齐全、操作可靠安全、性能良好,而且要成为外观宜人和符合操作人体学的一件艺术品。

（6）高的可靠性

这是一项硬指标,好的数控机床的无故障工作时间（MTBF）目前已达到30000h以上,甚至更高。

航天工业总公司在仪表可靠性方面积累有相当丰富的经验,这可以移植到机床数控系统上来。

如在技术管理上通常使用的元件筛选、在线装配、整机调试及环境试验、全面质量管理等等都可有借鉴之处[3]。

1.3.2现代数控机床的发展趋势

为了满足市场和科学技术发展的需要,为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求,数控未来仍然继续向开放式、基于PC的第六代方向、高速化和高精度化、智能化等方向发展。

（1）开放式

为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性,设计生产开放式的数控系统，例如美国、欧共体及日本发展开放式数控的计划等。

（2）基于PC的第六代方向

基于PC所具有的开放性、低成本、软硬件资源丰富等特点,更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。

至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。

PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。

（3）高速化、高效化

机床向高速化方向发展,可充分发挥现代刀具材料的性能,不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。

超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。

90年代以来，随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统（含监控系统）和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。

高速主轴单元（电主轴，转速15000－100000r/min）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度60~120m/min，切削进给速度高达60m/min）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。

根据高效率、大批量生产需求和电子驱动技术的飞速发展，高速直线电机的推广应用，开发出一批高速、高效的高速响应的数控机床以满足汽车、农机等行业的需求。

还由于新产品更新换代周期加快，模具、航空、等工业的加工零件不但复杂而且品种增多。

（4）高精度化

精密化是为了适应高新技术发展的需要,也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。

从精密加工发展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工业强国致力发展的方向。

其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（<10nm），其应用范围日趋广泛。

超精密加工主要包括超精密切削（车、铣）、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工（三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等）。

随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。

新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。

随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。

为了满足用户的需要，近10多年来，普通级数控机床的加工精度已由±10μm提高到±5μm，精密级加工中心的加工精度则从±3~5μm，提高到±1~1.5μm。

（5）高可靠性

数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，受性能价格比的约束。

对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率P（t）＝99%以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。

MTBF大于3000小时，对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别就大多了，我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10：

1的话（数控的可靠比主机高一个数量级）。

此时数控系统的MTBF就要大于33333.3小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。

综上所述,由于数控机床不断采纳科学技术发展中的各种新技术，使得其功能日趋完善，数控技术在机械加工中的地位也显得越来越重要，数控机床的广泛应用是现代制造业发展的必然趋势[4]。

1.3.3现代技术给机床业带来的新动向

飞快的科技进步,给机床发展提出了更高的期望和要求,在这种需求的带动下,机床的设计朝着性能价格比更高、构造更合理新颖、更为用户服务方面着想发展,出现了一些新的动向。

摘其要点简介如下:

（1）廉价数控机床的涌现

近年来,全球机床业界掀起了一阵廉价加工中心的高潮,其发展速度极快,成为近几年国际机床展览会中的“宠儿”。

与过去的数控机床相比,其特点是售价极低。

这一方面应归功于计算机技术的高速进步,数控系统广泛采用个人计算机（PC）,更具开发能力,更能实现高精度加工,提高分辨率,改善伺服跟踪系统,使控制功能更可靠,而价格随PC机的下降而大幅度下降。

另一方面,追数控机床“全功能”的心态被实际生产需要所替代,数控机床只保留实用的功能,删除多余功,从机构上大幅度减少零件数量。

廉价数控机床的设计要点是紧密结合工艺,从生产实际需要出发,提高质量,降低成本。

廉价数控机床的出现和发展,展示了机床发展的基本趋势。

（2）全新结构的数控机床

最早在美国IMTS’94机床博览会上,出现了被称为“六条腿”的机床。

这种新型结构机床的六条腿能自由伸缩,没有导轨和拖板,也称为虚轴机床（VirtualAxisMachine）。

其精度相当于测量机,比传统机械加工中心高2～10倍;刚度为传统机械加工中心的5倍;对零件轮廓的加工效率是传统加工中心的5～10倍。

这种机床结构设想是德国STEWART1962年提出的,称之为数学造型机床,今天借助计算机技术的进步得以实现。

目前展示的这种机床有:

美国Ingersoll公司的DCTAEDRALHEXAPOD,Gidding&Lewis公司的VARIAX（变量型）,瑞士Geodetics公司的HEXA2POD（六足动物）,俄罗斯的LARIK公司TM系列加工中心。

（3）数控机床维修业中的机床翻新公司的出现

对于机电一体化的数控机床,传统的维修机制已经无法适应;加上现代科学使数控系统不断进步和极快的更新换代,给旧机床的维修和配件更换带来了太多的困难。

为适应这种快速的变化,世界上一些著名的机床制造公司开始专门承接机床的改造翻新（Retrofit）业务,如美国著名的得宝（DeVlingBullard）、辛辛那提（CincinnatiMilacron）等公司就开展了这种业务,不仅进行旧机床的维修,还能根据用户要求对旧机床进行改造,赋于旧机床“二次革命”,而价格不到相同功能和质量的新机床的2/3～1/2。

这种行业已在世界三大机床博览会的展示台上占据了重要位置,引起了参观者很大兴趣。

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