说明书-直驱电机集成的转塔刀架结构设计

直驱电机集成的转塔刀架结构设计

第一章 绪论

现代工业发展其实就是制造工艺的发展，而这其中一个非常重要的因素就是制造工具——机床的发展。现代机床的发展都趋向于自动化、复合化以及高速化。而作为制造业主力军的数控机床来说，它的发展更是日新月异。

自从20世纪60年代世界上第一台数控机床问世以来，随着计算机技术、微电子技术、现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通信技术和机械制造技术等各相关领域的发展，数控技术已成为现代先进制造系统(FMS，CIMS等)中不可缺少的基础技术。由于机床数控系统技术复杂，种类繁多。现在数控机床的“使用难、维修难”问题，已经是影响数控机床有效利用的首要问题。

当前，数控机床发展迅猛，一方面向高速、高效、高精度方面发展，同时，在制造行业中广泛存在原有设备的数控改造和系统升级问题。作为关键附件，高性能的刀塔对于提高机床整体运行的可靠性、稳定性和效率有着重要意义，数控刀塔是由数控系统来控制的，因此，在刀塔本身性能提高的情况下，如何实现控制任务就显得十分重要了。国内数控车床转塔刀架的设计和生产都是依赖先进国家的，而且产品的性能方面跟国外还有一定的差距，期待开发设计一种性能最优，最有实用价值的转塔刀架，来适应市场，替代进口产品低价位的数控车床用转塔刀架，占领国内市场，并达到国际领先水平，为国产机床工业的发展作出贡献。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，随着数控车床的发展，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，因此对刀塔的设计以及它本身性能的研究就显得十分重要。

自从20世纪60年代世界上第一台数控机床问世以来，随着计算机技术、微电子技术、现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通信技术和机械制造技术等各相关领域的发展，数控技术已成为现代先进制造系统(FMS，CIMS等)中不可缺少的基础技术。由于机床数控系统技术复杂，种类繁多。现在数控机床的“使用难、维修难”问题，已经是影响数控机床有效利用的首要问题。

工业发达国家都非常注重机械制造业的发展，为了用先进技术和工艺装备制造业，机械制造装备工业得到先发展。对比之下，我国目前机械制造业的装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专用工艺装备，数控机床在机械制造装备中的比重还非常低，导致“刚性”强,更新产品速度慢，生产批量不宜太小，生产品种不宜过多；自动化程度基本上还是“一个工人，一把刀，一台机床”，导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。 因此，要缩小我国同工业发达国家的差距,我们必须在机械制造装备方面大下功夫，其中最重要的一个方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重。

本次的课题是12位盘型直驱转塔刀架结构设计，该机构可以一次装夹12把动力刀，可以在加工过程中一次性的进行多道工序的加工，大大提高了加工精度和生产效率。本次设计的主要内容是：1.对刀塔的结构，刀塔的传动形式的设计；2.刀塔与刀座的连接形式、刀座的选择；3.刀具的交换动作设计、交换时间以及定位锁紧计算；4.刀塔其他辅助部件的设计

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其结构尺寸进行选择设计，根据课题所要求的刀塔的驱动方式，对其进行设计进而加以优化。总之，本课题的意义在于:

1.根据设计要求，在最短的时间内设计出最优的12位盘型刀塔结构；

2.减少物质的浪费，用最少的材料设计出满足其设计要求及加工精度的刀塔结构； 3.培养综合运用专业基础知识和专业技能来解决工程实际问题的能力； 4.强化工程实践能力和意识,提高本人综合素质和创新能力；

5.，使本人受到从事本专业工程技术和科学研究工作的基本训练,提高工程绘图、计算、数据处理、外文资料文献阅读、使用计算机、使用文献资和手册、文字表达等各方面的能力；

6.培养正确的设计思想和工程经济观点，理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度以及积极向上的团队合作精神。

刀塔的换刀过程可以分解成为三个动作：上下端齿盘松开、刀盘转位、上下端齿盘啮合锁紧。其中上下端齿盘的松开以及锁紧都是通过液压驱动来实现的。而刀盘的转位由直驱电动机驱动。

1.1国内转塔刀架发展现状

国际上数控机床的发展日新月异，我国数控转塔刀架行业亦发生了根本性的改变，目前规模生产企业有四家：常州市宏达机床数控设备有限公司、常州市新墅数控设备有限公司、烟台环球机床附件集团有限公司、沈阳精诚数控机床附件厂。产能由原来的年产几百上千台到现在的大约7万台，基本满足国内中低档次数控车床的需求。但是，产能只是满足量的一面，低档次产品价格低廉、功能不齐、适应性差，其生命力亦不会太强。只有满足质的方面、满足数控机床性能要求方面的产品才是最重要的。

我国的数控机床行业与世界先进制造行业相比，存在很大的差距，而重要的原因是功能部件行业赶不上数控机床的发展。特别是数控转塔刀架行业，在2007年制定了国家标准，但是标准要求比较低。虽然每个企业都有了自主知识产权，但生产的产品以中、低档次为主。中、高档次产品都是从中国台湾地区和国外引进，特别是欧洲国家，像意大利的迪普马、巴拉法蒂，德国的肖特等都是有几十年的数控转塔刀架设计、研发、生产的专业企业，有丰富的经验积累，拥有自主知识产权，拥有自己的标准，有先进的加工检测手段，其精度等级、技术参数都远高于我国国家标准和任何一家企业标准。

但是，进口刀架的价格昂贵，交货周期长，因此，目前配置在国内数控机床上的进口高档次功能部件还是比较少的。而中国台湾地区的液压刀架其稳定性、可靠性、适应性基本达到国际同类产品水平，而且有自己的特点，与欧洲产品相比，价格适中，具有很高的性价比。因此，台湾的数控转塔刀架在大陆有一定的占有量，而且在中档次机床的配置尤为突出。如何提升自己产品的技术含量，既适合我国数控机床发展的实际需要，又能在国际市场竞争中有一席之地，是我们值得思考的问题和今后各个企业所要走的路。

1.2如何改变我国数控转塔刀架行业与国外的差距

（1）解放思想、立足自我，走科技创新发展之路

目前，我国数控转塔刀架行业已经闯出了一条自己的路，特别是民营企业，思想开放，有属于自己的灵活政策，敢于创新、敢于冒险，有自己的科技发展计划，有自己独特的产品

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开发理念。像常州市宏达机床数控设备有限公司，在短短的四五年间，自行设计、自己制造，开发了多款中、高档次数控转塔刀架：数控转塔动力刀架、数控转塔伺服刀架、数控转塔重型刀架、数控立卧两用转塔刀架等。这些产品都具有自主知识产权，获得多项专利和科技项目立项。其中，数控转塔动力刀架（见附图）获得常州市知识产权产业化项目，现已通过验收，同时获得国家科技部“科技型中小企业创新基金无偿资助项目”的立项，上述产品都已获得“江苏省高新技术产品”.公司每年投入大量产品研发的资金，一方面进行新产品的研发，另一方面不断改善加工手段，提升产品质量。但是，与国际先进制造企业相比，无论是技术水平、技术参数等方面还有很大的差距。

（2）苦练内功、调整产品结构，加强抵御市场风险的能力

一个企业，应该有自己的综合实力，从产品品种、产品质量、企业文化、资金积累、企业管理、企业规划等方面都是不可或缺的，企业必须围绕市场的需要去适应。市场是“魔鬼”,你只有去与“魔鬼”打交道，才能生存。不同的产品、不同的品种适应不同的市场。就目前国内数控车床行业，低档次的占到总量的75%以上，大约有近6万多台套，而中档次大约占10%,高档次更少，只占5%都不到，其余为专机。因此，产品必须有高、中、低，档次齐全，而且生产方面以中、低档次为主，产品开发以高档次为重点。

但是，随着数控机床的发展，低档次产品将越来越少，产品必须逐步转向中档次，然后向高档次产品倾斜。在此生产转换过程中，提升产品档次，完成产品升级换代，使企业始终处于适应市场的状态。常州市宏达机床数控设备有限公司就是依靠多年苦练的内功，在2008年金融风暴寒潮的袭击中，尽管受到了一定的影响，但是很快就抵御寒潮，起暖回升。2009年的销售3万多台套，达到历史最高水平，经济效益好于往年。而且，中高档次产品的比例有明显的提高。这得益于产品结构的及时调整、产品档次不断提升的结果。

（3）紧紧依靠国家政策，充分发挥行业协会的作用

装备制造业是体现国家整体水平的一个重要方面，因此，国家对装备制造业十分重视，始终把装备制造业放在重要的位置，长期出台各种鼓励、支持政策，并提出具体要求。在“十二五”时期，装备制造业的主要目标，要求自主创新能力显着提高，掌握重点领域核心技术；产业结构优化升级；发展的协调性显着增强；信息技术发展优势大幅度提高；发展的质量和效益稳步提高。目前国内功能部件产业成为数控机床产业发展的瓶颈已成事实，我们必须正视现实。数控转塔刀架企业一般比较小，技术落后，根本不能与先进企业相比，要做大、做强才能走向世界。

当前，行业协会特别是专业协会根据我国的实际现状，组织有关部门、有关人员进行调查研究，提出合理化建议，然后提供可行的方案，为决策提供基础，在短期内确立目标、规划，让每个企业都有自己可以走的路，不走重复之路，无辜浪费时间、财力、精力，为企业产品结构调整提供帮助。我们可以借鉴其他成功的经验与做法，像中国台湾地区，由政府和行业协会牵头，设立研究机构，所有的成果让参与和支持者共享。同时，对企业结构调整，同行业各个企业合资合作牵线搭桥，为企业及时提供有效信息，国家政策和资源共享，让所有企业站在同一起点，谁起跑快，处于领先，就是暂时的胜利者，这种赛跑没有终点。因此要给所有参赛者加油、鼓劲。

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1.3数控刀架的最新发展趋势

1.3.1基本结构

数控刀架作为数控车床的动作执行部件，其基本结构包括： （1）驱动装置 主要有电机、液压电动机、齿轮、齿条

近年来，我国数控车床行业发展态势迅猛，主机技术向高速、复合、智能、环保方向发展，对数控刀架也提出相应的多样化、个性化要求。烟台环球机床附件集团有限公司作为刀架专业化生产厂，作为国内机床附件行业的领头兵之一，在数控刀架生产开发方面有了较大突破，特别是在及时跟踪国外先进技术，不断开发推出新品，满足主机配套发展的需要等方面有了长足发展。作为数控车床的核心功能部件之一，数控刀架虽然取得了较大进步，但与国外的水平相比，仍有一定的差距，成为制约主机发展的瓶颈因素之一。

台环球机床附件集团有限公司从数控刀架技术引进到自主开发生产的历程中，近两年开发出了伺服电机驱动刀架和采用模块化设计带铣削功能的动力刀架，标志着国内数控刀架向高速化、复合化方向发展迈出坚实的一步，填补了国内空白。

（2）分度装置 通过机械液压传动结构到所需工位间的转动。结构主要分为间歇分度结构和连续分度机构。快速换刀一般选用双向旋转的连续分度机构。

（3）预定位装置 到达所需的工位后，停止分度运动，以便于齿盘正确啮合。伺服电机驱动刀架，利用伺服电机编码器作为预定位。

（4）松开、刹紧装置 齿盘副的松开刹紧。为了完成快速刹紧和得到大的刹紧力，松开和刹紧一般选用液压和机械等来实现松开和刹紧。

（5）精定位装置 刀具在切削时需要很高的刚性和定位精度，因此刀架都选用齿盘副做的精定位元件。

（6）发信装置 包括工位信号（编码器）和动作控制信号。

（7）装刀装置 包括刀盘、刀夹及夹刀装置。目前刀盘有2种模式：欧式VDI、日式槽刀盘。德国标准VDI刀盘刀夹DIN69880和DIN69881标准。

（8）数控刀架换刀动作 系统发出指令→齿盘松开→刀架旋转分度→到达目标工位并发信给系统→预定位→齿盘锁紧精定位→系统确认后工件切削。

为满足不同工件的加工要求，数控刀架分为4、6、8、10、12工位，形式为立式和卧式。1.3.2数控刀架技术发展演变

近30年的发展，数控刀架逐渐演变为电动和液动两大类别。电动刀架以欧洲为代表。 由力矩电机驱动，凸轮控制齿盘的松开和刹紧，预定位动作由电磁铁完成，位置信号由编码器发出，采用齿轮减速完成分度、松开、刹紧动作。

液动刀架以日本技术为基础，日本、韩国和我国台湾省为代表。采用液压马达驱动，采用间歇分度机构平行共轭凸轮分度和预定位，液压松开刹紧，位置信号用组合传感器发信。早期的液压刀架用液压伺服分度马达驱动，因该马达价格较高，现专业厂已很少用此种结构。

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第二章 数控车床自动换刀装置

2.1概述

自动换刀装置的形式是多种多样的，有刀库式和转塔式，虽然换刀过程、选刀方式、

刀库结构、机械手类型等各不相同，但都是在数控装置及可编程序控制器控制下，有电动机或液压或气动机构驱动刀库和机械手实现刀具的选择与交换。我们把这种为实现多工序的连续加工，在加工中心或车削中心中，可进行刀具的选择与交换的装置叫自动换刀装置（automatic tool change 简称ATC）。

自动换刀装置是数控车床最普遍的一种辅助装置，它可使数控车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[3]。

我国对加工中心的需求一直是有增无减，同时，加工中心自动换刀装置的开发也有长足的发展。对于卧式加工中心来说，有从用于JCS-013的独立式自动换刀装置到用于TH6350、TH6363、TH6380和TH63100的TB51.02双层缸式通用机械手加链式刀库（北京机床研究所设计并制造）的自动换刀装置；对于立式加工中心来说，有从用于JCS-018的气液型鼓轮式自动换刀装置到用于XH715B和XH715C的多凸轮联动型鼓轮式自动换刀装置。特别是用于TH715B和TH715C的多凸轮联动型鼓轮式自动换刀装置，他的研制成功，为我国自动换刀装置设计与制造翻开了崭新的一页，自1991年鉴定后批量生产，已累计生产了50多台，由于其结构简单，迅速可靠（刀对刀2.5s），受到广大国内外用户的一致好评。

加工中心和车削中心自动换刀装置的发展趋势是四个方向：一是高速、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；二是简单实用、造价低、使用可靠，但换刀速度不快。

自动换刀装置开发技术要全面注意下列五个方面：

1）自动换刀装置的可靠性与优化设计研究。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，通过改进设计，使自动换刀装置故障率大大减少，保证百万次以上正常换刀的品质。通过对自动换刀装置进行多目标的优化设计，使其动态性能达到最优，进而提高自动换刀装置的性能，降低其制造成本，使刀对刀换刀时间对40刀柄不大于1s，达到世界先进水平。

2）自动换刀装置的系列化与CAD设计。使自动换刀装置适用国内厂家的各种产品，以便得到推广和使用。即达到厂家一旦提出的参数：不同刀柄型号，刀库容量等的自动换刀装置，使厂家立即投入生产，并且是处于国内先进水平的。

3）自动换刀装置制造技术研究。针对自动换刀装置中关键零件的制造技术进行研究，以提高其制造质量和降低制造成本。

4）自动换刀装置新技术的研究。跟踪国际加工中心和车削中心自动换刀装置的发展主流，研究自动换刀装置的新工作原理及新技术。

5）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

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国的自动换刀装置生产走上产业化的道路，建立生产自动换刀装置的基地。 自动换刀装置的设计应满足以下基本要求： 1）换刀时间短，以减少非加工时间。 2）减少换刀动作对加工范围的干扰。 3）刀具重复定位精度高。

4）识刀、选刀可靠，换刀动作简单可靠。 5）刀库刀具存储量合理。

6）刀库占地面积小，并能与主机配合，使机床外观协调美观。 7）刀具装卸、调整、维修方便，并能得到清洁的维护。

2.2 ATC刀具自动换刀形式

为进一步提高数控机床的加工效率，数控机床正向着工件在一台机床一次装夹即可完成

多道工序或全部工序加工的方向发展，因此出现了各种类型的加工中心机床，如车削中心、镗铣加工中心、钻削中心等等。这类多工序加工的数控机床在加工过程中要使用多种刀具，因此必须有自动换到装置，以便选用不同刀具，完成不同工序的加工工艺。自动换到装置应当具备换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具储备量、占地面积小、安全可靠等特性[5]。

各类数控机床的自动换到装置的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具种类和数量。数控机床常用的自动换刀装置的类型、特点、适用范围见表2-1。

表2-1 自动换刀装置类型

类别型式 塔式 转塔头 转 回转刀架 特点 多为顺序换刀，换刀时间短、结构简单紧凑、容纳刀具较少 顺序换刀，换刀时间短，刀具主轴都集中在转塔头上，结构紧凑。但刚性较差，刀具主轴数受限制 库式 刀具与主轴之 换刀运动集中，运动不见少。但刀库容量受限 刀库只有选刀运动，机械手进行换刀运动，刀库容量大 各种类型的自动换刀数控机床。尤其是对使用回转类刀具的数控镗、铣床类立式、卧式加工中心机床 要根据工艺范围和机床特点，确定刀库容量和自动换刀装置类型 数控钻、镗、铣床 适用范围 各种数控车床，数控车削加工中心 刀间直接换刀 用机械手配合刀库进行换刀 2.3 数控车床刀架的功能、类型和满足的要求

数控转塔刀架是加工中心、数控车床必备的机床附件，尤其适用全功能数控车

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床。当前，数控机床发展迅猛，一方面向高速、高效、高精度方面发展，同时，在制造行业中广泛存在原有设备的数控改造和系统升级问题。作为关键附件，高性能的数控转塔刀架对于提高机床整体运行的可靠性、稳定性和效率有着重要意义，数控转塔刀架是由数控系统来控制的，因此，在转塔刀架本身性能提高的情况下，如何实现控制任务就显得十分重要了。 2.3.1数控车床刀架的功能

数控机床上的刀架是安放刀具的重要部件，许多刀架还直接参与切削工作，如卧式车床上的四方刀架，转塔车床的转塔刀架，回轮式转塔车床的回轮刀架，自动车床的转塔刀架和天平刀架等。这些刀架既安放刀具，而且还直接参与切削，承受极大的切削力作用，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变化，特别是数控车床上采用电(液)换位的自动刀架，有的还使用两个回转刀盘。加工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手，定现了大容量存储刀具和自动交换刀具的功能，这种刀库安放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，就成为加工中心的主要特征。

因此，刀架的性能和结构往往直接影响到机床的切削性能、切削效率和体现了机床的设计和制造技术水平。 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

排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。其结构形式为：

夹持着各种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。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。宝鸡机床厂生产的CK7620P全功能数控车床配置的就是排式刀架。 2. 回转刀架

回转刀架是数控车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，根据加工要求可设计成四方、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。 3. 带刀库的自动换刀装置

上述排刀式刀架和回转刀架所安装的刀具都不可能太多，即使是装备两个刀架，对刀具的数目也有一定限制。当由于某种原因需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。带刀库的自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成。

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排式刀架

图2-1 机床刀架类型结构图

2.3.3数控机床刀架应满足的要求

（1） 满足工艺过程所提出的要求。机床依靠刀具和工件间相对运动形成工件表面，而工件的表面形状和表面位置的不同，要求刀架能够布置足够多的刀具，而且能够方便而正确地加工各工件表面， 为了实现在工件的一次安装中完成多工序加工，所以要求刀架可以方便地转位。

（2） 在刀架以要能牢固地安装刀具，在刀架上安装刀具进还应能精确地调整刀具的位置，采用自动交换刀具时，应能保证刀具交换前后都能处于正确位置。以保证刀具和工件间准确的相对位置。刀架的运动精度将直接反映到加工工件的几何形状精度和表面粗糙度上，为此，刀架的运动轨迹必须准确，运动应平稳，刀架运转的终点到位应准确。面且这种精度保持性要好，以便长期保持刀具的正确位置。

（3） 刀架应具有足够的刚度。由于刀具的类型、尺寸各异，重量相差很大，刀具在自动转换过程中方向变换较复杂，而且有些刀架还直接承受切削力。考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量，所以刀架必须具有足够的刚度，以使切削过程和换刀过程平稳。 4） 可靠性高。由于刀架在机床工作过程中，使用次数很多，而且使用频率也高，所以必须充分重视它的可靠性。

（5） 刀架是为了提高机床自动化而出现的，因而它的换刀时间应尽可能缩短，以利于提高生产率。目前自动换刀装置的换刀时间在0.8—6秒之间不等。而且还在进一步缩短。

（6）操作方便和安全。刀架是工人经常操作的机床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是评价刀架设计好坏的指标。刀架上应便于工人装刀和调刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作调整刀架的手柄（或手轮）要省力，应尽量设置在便于操作的地方。

(a)回转刀架 (b)

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第三章 直驱电机集成的转塔刀架结构方案设计

3.1调查研究与资料收集

3.1.1 课题的调查研究

从国内外市场调研结果看，国内对数控车床转塔刀架的设计和生产都是依赖于先进国家的，而且产品的性能方面跟国外还有一定的差距，期待开发设计一种性能最优，最有实用价值的转塔刀架，适应市场，替代进口产品低价位的数控车床用转塔刀架，占领国内市场，并达到国际领先水平，为国产机床工业的发展作出贡献。车削加工中心是目前国际上比较前端的一种数控机床，可以进行多工序加工，如车削、钻削、铣削等。有关人士指出，数控机床附件及其配套功能附件是我国机床工具制造业“十五”计划重点发展产品。虽然我国数控机床产品附件的研制由无到有，取得了显著成绩，但与国外先进水平相比还是有一定差距的。为确保国产数控机床的大发展，就必须把数控机床附件尽快搞上去。为此他们建议国家有关部门，尽快制定有关鼓励、扶持国产数控机床附件发展的相关政策，加大数控机床附件行业科研和技术改进投入，使国产数控机床附件行业有一个大发展。而且动力刀架是数控机床附件中尤为重要的一个部件，把这一技术提高是我们义不容辞的事情。 3.1.2资料收集

课题涉及到的有关知识包括：数控机床结构、车削加工中心、自动换刀装置等等方面；其次还包括一些机械设计、机械传动、液压、间歇分度机构等方面的知识，在校图书馆借阅了一些关于本次设计有关的资料，而且还在网上搜索了一些相关资料：1）现代实用机床设计手册；2）实用机床设计手册；3）机械设计手册；4）数控车床设计；5）数控机床结构与维修等等。

3.2动力刀架的整体方案设计与选择

方案一：

（1）刀盘: 安装动力刀具和普通的部件。为了实现提高产品的互换性及标准化，并且有效的降低开发成本。国际上主流的刀塔生产企业都倾向于采用德国标准的动力刀具，因此该刀盘的设计接口按照德国标准进行设计。采用德国标准DIN6499－16增速动力刀座(传动比1: 4，连接齿形标准w1630.8330318) ，动力刀具的转速可以成倍提高。

（2）动力传动部分: 这部分由一组齿轮组构成，由伺服电机Ⅱ直接驱动，提供动力给动力刀具。伺服电机的转速为3000/min，通过齿轮组传递到动力刀座，再经过1: 4 的增速，动力刀具部分可以达到12000/min 的高转速。

（3）精确分度机构: 精确分度机构主要是靠三片式精密端齿盘( 鼠牙盘) 来保证。根据端齿盘的齿数z，因此可以确定的最小分度是360 / z。高精度加工的端齿盘，可以达到分度精度± 2.5″，重复定位精度±1″，完全符合设计要求。

（4）液压控制系统: 控制分度盘和动力刀具接头的分离与锁紧。整个转塔刀架的塔身实际上被设计成一个液压缸，依靠搭载在机床上的油泵和二位四通阀控制机构运动。 （5）粗分度机构: 控制刀盘的粗分度，由一个伺服电机Ⅰ、行星减速机和传动轴组成。

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当机床发出换位指令后，伺服电机Ⅰ通过传动轴带动刀盘换位，完成粗分度。

（6）动力刀具离合结构: 由一个齿轮组和矩形花键轴组成的离合装置，用来控制动力刀具与动力传动部分的结合与分离。刀盘需要转动时，离合器分离;当刀盘转动到确定位置时，离合器接口与动力刀具刀柄末端处相啮合，驱动动力刀具转动。转塔刀架的刀位转换大致分为三个阶段［3，4］。第一阶段:数控系统( NC) 发出换刀T 指令后，控制系统判断旋转方向和需要旋转的角度，并发出相应的指令; 第二阶段: 液压系统工作使鼠牙盘分离，取消粗分度机构电机制动，动力刀具离合机构分离，粗分度机构的执行旋转及并达到相应的旋转度数，完成粗分度; 第三阶段: 鼠牙盘闭合并锁紧，动力刀具离合机构也锁紧，完成精确分度，动力传动部分伺服电机旋转给动力刀具提供动力。

图3-1 转塔刀架方案一装配图

优点：转位驱动采用伺服电机，这样结构设计灵活，控制方便。动力离合装置采用液压现有液压缸，方便选取，

缺点：转位驱动采用伺服电机，传动链长，精度差。现有液压缸结构大、占用空间。适用范围狭窄，是针对动力刀架设计的一体刀架。 转塔刀架设计方案二：

（1）转塔刀架刀位的转换驱动依靠力矩电机，目的是为了提高转位精度和结构的简化。 （2）精确分度机构的实现仍然采用三片式鼠牙盘进行精确定位，但是鼠牙盘没有再次采用标准件，而是根据产品的设计要求，自行设计鼠牙盘。

（3）离合机构不再采用标准液压缸，而是采用自行设计的液压缸机构，是得离合器更为紧凑，所占的空间更小，结构设计也更灵活。

（4）冷却盘设计，可以根据加工的位置，在正负20°的位置调整角度，方便冷却液的输出。安装冷却盘装备时，不搭载动力部分可以是无动力转塔刀架，只能完成车削、铣削等功能。

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图3-2 转塔刀架方案二装配图

优点：动力刀具离合装置是由自己设计的液压缸来完成，结构紧凑，效果好。整个动力刀具部分是可以拆装的，需要使用动力刀具时可以临时安装，不需要动力道具则可以直接安装刀盘加上冷却盘，就是多工位非动力车刀架。

缺点：转位驱动采用采用直取力矩电机进行转位控制，设计上有局限，主轴延伸臂过长，抵抗径向力的能力弱，对轴承精度要求更高。同时设计时必须考虑直驱电机的安装空间，以保证其散热问题。动力刀具离合装置是由自己设计的液压缸来完成，制造困难，零部件精度必要提高。

转塔刀架设计方案三：

（1）依据转塔刀架设计二的基本转塔部分，搭载动力驱动部分，动力驱动部分液压离合装置和电主轴代替齿轮箱传动，避免了齿轮传动的精度误差与制造困难，减小了动力刀具工作时的声音。

（2）由于电主轴的使用，增加了动力刀的转速，扩大了动力刀架的加工范围。转塔刀架的转速有了显著的提高，可以加工的范围也相应增多。

（3）采用了专门设计的离合装置，利用拨叉、弹簧、气压缸和行程开关，设计了离合系统，完成动力刀架的离合动作。

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直驱电机集成的转塔刀架结构设计

图3-3 电主轴装配图

优点：驱动方式采用电主轴，缩短了驱动动力刀具的传动链，使其传动效率更高。动力刀具离合装置使用了内置的弹簧离合装置，结构更为紧凑和简单。 缺点：电主轴造价昂贵，成本高，易发热需要冷却装置。 转塔刀架设计方案四：

转塔刀架刀位的转换驱动依靠力矩电机，力矩电机放在刀盘前面。

图3-4 转塔刀架设计方案四装配图

优点：结构紧凑，电动机直接驱动刀盘，缩短了传动链，使传动效率提高。

缺点：动力刀具离合装置是由自己设计的液压缸来完成，制造困难，零部件精度必要提高。电动机装在刀盘前面，易发热，必须考虑散热问题。

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直驱电机集成的转塔刀架结构设计

转塔刀架设计方案五：

转塔刀架刀位的转换驱动依靠力矩电机，力矩电机放在刀盘后面。

图3-5 转塔刀架设计方案五装配图

优点：结构紧凑，传动效率高。

缺点：零部件少，必须保证有足够的强度。

由于任务书要求采用端齿盘进行精确定位，直驱电机与转塔集成，结构尽量紧凑，故选择方案五。

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直驱电机集成的转塔刀架结构设计

第四章 典型零件的设计和选用

4.1刀架轴的结构设计及计算

4.1.1轴的分类

常见的轴有曲轴、直轴和软轴三种。直轴又可分为：①转轴，工作时既承受弯矩又承受扭矩，是机械中最常见的轴，如各种减速器中的轴等。②心轴，用来支承转动零件只承受弯矩而不传递扭矩，有些心轴转动，如铁路车辆的轴等，有些心轴则不转动，如支承滑轮的轴等。③传动轴，主要用来传递扭矩而不承受弯矩，如起重机移动机构中的长光轴、汽车的驱动轴等。轴的材料主要采用碳素钢或合金钢，也可采用球墨铸铁或合金铸铁等。轴的工作能力一般取决于强度和刚度，转速高时还取决于振动稳定性。

轴的结构设计是确定轴的合理外形和全部结构尺寸，为轴设计的重要步骤。它由轴上安装零件类型、尺寸及其位置、零件的固定方式，载荷的性质、方向、大小及分布情况，轴承的类型与尺寸，轴的毛坯、制造和装配工艺、安装及运输，对轴的变形等因素有关。设计者可根据轴的具体要求进行设计，必要时可做几个方案进行比较，以便选出最佳设计方案。 4.1.2轴结构设计原则：

1.材料，减轻重量，尽量采用等强度外形尺寸或大的截面系数的截面形状； 2.于轴上零件精确定位、稳固、装配、拆卸和调整； 3.采用各种减少应力集中和提高强度的结构措施； 4.便于加工制造和保证精度。

5.各轴段长度与各轴段上相配合零件宽度相对应；

6.考虑零件间的适当间距——（特别）是转动零件与静止零件之间必须有一定的间隙。 4.1.3材料的使用原则：

1.碳素钢：35、45、50等优质碳素结构钢因具有较高的综合力学性能，应用较多，其中以45钢用得最为广泛。为了改善其力学性能，应进行正火或调质处理。不重要或受力较小的轴，则可采用Q235、Q275等碳素结构钢。

2.合金钢：合金钢具有较高的力学性能，但价格较贵，多用于有特殊要求的轴。 3.尺寸较大或结构复杂者可考虑铸钢或球墨铸铁。 4.1.4具体设计

1.轴是组成刀架的重要零部件之一，在设计当中主要考虑的是轴的刚度，而碳钢与合金钢的弹性模数相差很小，所以通常选用轴的材料35和45钢，这里选用的是45钢，进行调质处理，以改善装配工艺和保证装配的精度。

2.这次刀架中用到了以下几种固定方式： 1）常用的是运用轴肩，其结构简单，定位可靠。

2）螺母的轴向定位，其定位可靠、装拆方便，但是会增加零件的数量，常用双螺母或圆螺母与止动垫圈固定，运用在轴承的固定上。

3）轴套也是用到比较多的，它的结构简单、定位可靠，轴不开槽、钻孔等，可以提高轴的强度。

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直驱电机集成的转塔刀架结构设计

4）弹性挡圈其结构简单、紧凑、工艺性好，但是应力集中较大，适合轴向力小的场合，在这里主要用于轴承的固定。

5）轴端挡圈装拆方便可以承受大的轴向力、振动，用于轴端固定零件。

6）花键的纵向固定，其承载能力高，定心性、导向性好，装拆方便，不过制造困难，在这次设计中运动的是矩形花键，主要用在分度机构转盘与刀架轴、凸轮的纵向定位中。

7）其次平键，其承受载荷不大。

8）紧定螺钉结构简单，不仅可以纵向定位，还能轴向定位，承受不大的轴向力。 力矩电机的构造原理：当负载增加时，电动机的转速能自动的随之降低，而输出力矩增加，保持与负载平衡。力矩电机的堵转转矩高，堵转电流小，能承受一定时间的堵转运行。 由于轴固定不动，所以用材料力学中弯曲变形的挠度公式求轴的最小直径。若轴的变形过大，将影响端齿盘的啮合和轴承的配合，造成磨损不均，产生噪音，降低寿命，还会影响加工精度。故若变形超过允许数值，即使仍然是弹性的，也被认为是一种失效现象。 讨论弯曲变形时，以变形前的梁轴线为x轴，垂直向上的轴为y轴，xy平面为梁的纵向对称面。在对称弯曲的情况下，变形后梁的轴线将成为xy平面内的一条曲线，成为挠曲线。挠曲线上横坐标为x的任意点的纵坐标，用w表示，它代表坐标为x的截面的形心沿y方向的位移，成为挠度。w=f(x)

弯曲变形中，梁的横截面对其原来位置转过的角度θ，称为斜面转角。根据平面假设，弯曲变形前垂直于轴线（x轴）的横截面积，变形后人垂直于挠曲线。所以转角θ就是y轴与挠曲线法线的夹角。它应等于挠曲线的倾角，即等于x轴与挠曲线切线的夹角。固有

Tanθ=dw/dx θ=arctan(dw/dx) （4-1） 挠度与转角是度量弯曲变形的两个基本量。 纯弯曲情况下，弯曲与曲率间的关系为 1/ρ=M/EI EI：抗弯刚度 |ds|=ρ|dθ| 1/ρ=|dθ/ds|

|dθ/ds|=M/EI （4-2） 由上式得挠曲线微分方程：

[d^2w/d^2x^2]/[1+(dw/dx)^2]^3/2=M/EI （4-3） 为了方便求解，在小变形的情况下，可将此方程线性化

d^2w/d^2x^2=M/EI （4-4） 查材料力学表6.1 梁在简单载荷作用下的变形知轴的最大挠度

Wmax = -Fl^3/(48EI). （4-5） 式中: Wmax 为梁跨中的最大挠度(mm). F 为各个集中荷载标准值之和(kn). E 为钢的弹性模量,对于工程用结构钢 I 为钢的截面惯矩

2π2ρdA??0在圆轴的情况下，

Ip??A?R03πR4πD4ρdρρd??232 （4-6）

由于轴选择45钢作材料，故查材料力学中几种常用材料的E，

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直驱电机集成的转塔刀架结构设计

表4-1 几种常用材料的E 材料名称 碳钢 合金钢 灰铸铁 E/(GPa) 196~216 186~206 78.5~157 u 0.24~0.28 0.25~0.30 0.23~0.27 0.31~0.42 0.33 铜及其合金刚 72.6~128 铝合金 选E为200GPa即200*10^9Pa。

170 由题知：最大负载质量(kg):160，所以F=mg=160*9.8=1568N，取最大挠度Wmax=0.08mm。L=307mm。

Wmax = -Fl^3/(48EI). （4-7） -0.08≥-1568*307^3/48*200*(πD^4/32) D≥63mm

所以轴的最小直径为68mm。 经校核公式

σca?[(M2αT2)?4()]?W2W?M2?(ααT2/W??σ?1?? （4-8）

校核，此轴符合要求。

图4-1 轴示意图

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4.2力矩电机的设计与选择

4.2.1力矩电机的分类

力矩电机是一种具有软机械特性和宽调速范围的特种电机。力矩电机包括：直流力矩电机、交流力矩电机、和无刷直流力矩电机。 4.2.2力矩电机的构造原理

当负载增加时，电动机的转速能自动的随之降低，而输出力矩增加，保持与负载平衡。力矩电机的堵转转矩高，堵转电流小，能承受一定时间的堵转运行。由于转子电阴高，损耗大，所产生的热量也大，特别在低速运行和堵转时更为严重，因此，电机在后端盖上装有独立的轴流或离心式风机（输出力矩较小100机座号及以下除外），作强迫通风冷却，力矩电机配以可控硅控制装置，可进行调压调速，调速范围可达1：4，转速变化率≤10%。本系列电机的特性使其适用于卷绕，开卷、堵转和调速等场合及其他用途，被广泛应用于纺织、电线电缆、金属加工、造纸、橡胶、塑料以及印刷机械等工业领域。 4.2.3力矩电机的特点

力矩电机主要特点：力矩电机的特点是具有软的机械特性,可以堵转.当负载转矩增大时能自动降低转速,同时加大输出转矩.当负载转矩为一定值时改变电机端电压便可调速.但转速的调整率不好。因而在电机轴上加一测速装置,配上控制器.利用测速装置输出的电压和控制器给定的电压相比,来自动调节电机的端电压.使电机稳定。具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动小等特点，可直接驱动负载省去减速传动齿轮，从而提高了系统的运行精度。为取得不同性能指标，该电机有小气隙、中气隙、大气隙三种不同结构形式，小气隙结构，可以满足一般使用精度要求，优点是成本较低；大气隙结构，由于气隙增大，消除了齿槽效应，减小了力矩波动，基本消除了磁阻的非线性变化，电机线性度更好，电磁气隙加大，电枢电感小，电气时间常数小，但是制造成本偏高；中气隙结构，其性能指标略低于大气隙结构电机，但远高于小气隙结构电机，而体积小于大气隙结构电机，制造成本低于大气隙结构电机。 4.2.4力矩电机的选择计算

刀盘转位驱动力矩电动机的选择应同时满足刀架运转的负载扭矩TF和起动时的加速扭 矩TJ的要求。

（1）刀架负载扭矩TF的计算

回转刀架负载扭矩TF估算方法如下：由于这种刀架的负载扭矩主要用来克服刀具质量1)

的不平衡，估算按如下的情况进行：用平均重力的刀具插满刀盘的半个圆，根据工艺要求所需的各种刀具，确定每个刀具的（包括刀柄）平均重力Wcp，而其重心则设定为离刀架回转中心2/3半径处。由以上的方法可知，由于该设计采用的是电和液换位的12工位盘型刀塔，因而插满刀盘的半个圆需要6把刀具。设工艺要求所需的每个刀具的平均重力Wcp=3.5N；刀盘的回转中心直径D=405mm。

12 则有 TF?6WP?D??23

63.5*0.5*0.405*2/3=2.835N.mm （2）刀架加速扭矩Tj的估算

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Tj? （4-9）

2?nm?Jm?JL?60tj

N?m

式中 nm----刀架换刀时的电动机转速(r/min);

tj

---加速时间,通常取150

2200ms;

Jm---电动机转子惯量(kgm),可查样本;

JL---负载惯量折算到电动机轴上的惯量(kg?m). （3） 负载惯量折算到电动机轴上的惯量JL的估算

22??i?2?h? JL??J????mi??? kgm （4-10）???Ki?h??2 式中 Jh---各旋转件的转动惯量(kgm);

?h ---各旋转件的角速度(rad/s); mi---各直线运动件的质量(kg); ?i---各直线运动件的速度(m/s); ?---力矩电机的角速度(rad/s). （4）刀盘转动惯量的计算

刀盘以烟台环球数控公司独立设计开发的的AK33125X12A型动力型转塔刀架。可多刀夹持，双向转位和任意刀位就近选刀，实现了加工程序的自动化、高效化。它采用端齿盘作为分度定位元件，分度工位由二进制绝对值编码器识别。结构简单性能可靠，配合主机可完成车、铣、钻、镗等工序，特别适宜车削中心、全功能数控车床，是数控机床的必备附件。其主要尺寸如下：刀盘外径D1=500mm；刀盘与刀架主轴相连的孔径d1=200mm；刀盘宽P=86mm。

221??D1??d1?? 则刀盘的转动惯量Jh1?m????????2?2????2??[6]

2

（4-11）

??D1?2?d1?2???D1?2?d1?2?1????P??????? ???????2???2??2??????2??2??5/2)^2+(0.2/2)^2)

=4.03kg.m2

（5）刀塔主轴转动惯量的计算

=1/2?7.85?10^3?3.14?((0.5/2)^2-(0.2/2)^2)?0.086?((0.

刀塔主轴的转动惯量Jh2按如下的方法估算：

刀架主轴的最大直径dmax=35mm；最小直径dmin=25mm；刀架主轴长度取l=150mm 则刀架主轴的转动惯量

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1?dmax?dmin?1?dmax?dmin?Jh2?m???????2222????

22?dmax?dmin?l??2?? （4-12）

2 =1/237.8510^333.143((0.035+0.025)/2)^230.153((0.035+0.025)/2)^2 =0.0015kgm

2则估算刀架主轴的转动惯量Jh2?0.0015kg?m

2 （6）下端齿盘转动惯量的计算：假设下端齿盘的大径D=165mm；小径d=25mm,端齿盘厚度为B=30mm，则其转动惯量约为：

21??Dh4??dh4???52Jh== （4-13） 4.09?10kg?mM??? ??????2??2??2?? （7）对各旋转件的角速度作如下设定：

伺服电机的角速度 w=15032π/60=15.7rad/s；

刀架主轴的角速 Wh1=(150/7.532π)/60=2.093rad/s； 下端齿盘转位时的角速度 Wh2=(150/7.532π)/60=2.093rad/s； 刀盘转位时的角速度 Wh3=(150/7.532π)/60=2.093rad/s；。

则将以上计算所得的数据代入下式： 得负载惯量折算到电动机轴上的惯量

Ki

由于30°转位时间(s)：0.27，所以取tj?160ms?0.16s；刀架换刀时伺服电机的转

??i?22?h?JL??Jh?????mi?? kgm=0.005 kgm （4-14） ??????22速nm=18.5r/min；则刀架加速扭矩：Tj=Tm-Tf=Jdw/dt=Tj?nm---------刀架换刀时的刀盘转速（r/min） Tj--------加速时间，通常取150~200ms； Jm-------电动机转子惯量（kg.m2）；

2?nm?Jm?JL?Nm （4-15） 60tjJl---------负载惯量折算到电动机轴上的惯量（kg.m2）。

Tm≈ Tj?2?nm?Jm?JL? Nm 60tj =23.14318.53(4.03+0.0015)/(6030.16)=49N?m

（8）驱动电动机输出扭矩TD的估算

驱动电动机的输出扭矩TD应同时满足刀架负载扭矩TF和加速扭矩TJ之和，将以上计算的刀架负载扭矩和加速扭矩换为驱动电动机轴上的输出扭矩TD的公式为： TD=Tm/ηNm

式中 ?----传动效率 取0.95。

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则有 TD=Tm/ηNm =49/0.95=51.6 N?m （4-16） 考虑到实际情况比计算时所设定条件复杂，电动机额定转矩Ts应为TD的1.2所以取 Ts=1.4TD=1.2351.6=62N?m

表4-2 电机参数表

TM180-S TM180-M TM230-S TM230-M TM295-S

基本尺寸 电机型号

) 50 80 100 200 150

(N.M) r/min r/min 150 240 300 600 500

200 200 150 150 100

300 300 240 240 200

T0(N.M

Tm

nN

nM

1.5倍。

表4-3 外形尺寸表

选择TM180-M型为宜，其额定转矩T=80Nm 额定转速n=200r/min 由外形尺寸知D1=?180 D2= ?105 L=135

图4-2 力矩电机

由于长度过长，占用空间，根据任务书要求直驱电机与转塔集成设计，结构尽量紧凑。故自己设计电动机。如图

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直驱电机集成的转塔刀架结构设计

图4-3 力矩电机示意图

其额定转矩T=80Nm ，额定转速n=200r/min。

4.3端齿盘设计与选用

4.3.1 端齿盘的应用

端齿盘又称多齿盘、细齿盘、鼠牙盘，是具有自动定心功能的精密分度定位元件，广泛应用与加工中心、柔性单元、数控机床、组合机床、测量仪器、各种高精度间歇式圆周分度装置、多工位定位机构、以及其他需要精密分度的各种设备上。如数控车床中的多工位自动回转刀架，铣床及加工中心用的回转工作台及其它分度装置中都采用端齿盘作为精确定位元件。端齿盘的齿形有直齿和弧齿两种，直齿端齿盘由于加工方便、定位精度及其重复定位精度高而最受欢迎。端齿盘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的啮合类似。

4.3.2 端齿盘的特点

目前在刀架的定位机构中多采用锥销定位和端面齿盘定位。由于圆柱销和斜面销定位时容易出现间隙，圆锥销定位精度较高，它进入定位孔时一般靠弹簧力或液压力、气动力，圆

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直驱电机集成的转塔刀架结构设计

锥销磨损后仍可以消除间隙，以获得较高的定位精度。端齿盘定位由两个齿形相同的端面齿盘相啮合而成，由于齿合时各个齿的误差相互抵偿，起着误差均化的作用，定位精度高。 端齿盘定位的特点：

（1）定位精度高 由于端齿盘定位齿数多，且沿圆周均布，向心多齿结构，经过研齿的齿盘其分度精度一般可达3\左右，最高可过0.4\以上，一对齿盘啮合时具有自动定心作用。所以中心轴的回转精度、间隙及磨损对定心精度几乎没有影响，对中心轴的精度要求低，装置容易。

（2）重复定位精度好 由于多齿啮合相当于上下齿盘的反复磨合对研，越磨合精度越高，重复定位精度也越好。

（3）定位刚性好，承载能力大，两齿盘多齿啮合 由于齿盘齿部强度高，并且一般齿数啮合率不少于90%，齿面啮合长度不少于60%，故定位刚性好，承载能力大。 4.3.3 端齿盘的设计

动齿盘与静齿盘是数控刀架的两个主要零件。其精度决定刀架性能的好坏。为了保证端齿盘的定位精度和刚度，对端齿盘做以下技术要求：端齿盘材料采用40Cr，齿部渗氮后磨齿加工；齿宽接触率为70%以上；齿高接触为啮合高度85%以上，两齿盘啮合时的接触齿数应在90%以上，接触不良的齿不啮合；安装基准孔轴线对分度中心的位置度，一般取0.02~0.04mm，对精密齿盘应在0.01mm以内；安装基准端面对分度的平行度，一般取0.01~0.04mm，对精密齿盘应在0.01mm以内。本次刀架设计选用端齿盘选用三联端齿盘。

图4-4 三片式鼠牙盘安装示例

端齿盘外径D2：端齿盘的外径主要由设计结构所允许的空间范围来确定。在结构允许的情况下，外径越大越好，这样可以增强分度或定位机构的稳定性。根据车削中心动力刀架的总体结构和外径系列选取D2=330mm。

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齿数z：根据产品手册查得当外径D2=330mm时，齿数可以为24和30两种，它们的最小分度角分别为15°和12°，因为本次设计的刀架工位数为12工位，转一个工位从动盘需要转30°角度，应该是最小分度角的倍数关系，所以选取最小分度角为15°，从而选取z=24。 故选择端齿盘转动盘：

外径： D1=330mm 内径: d1=247mm 齿幅F： F=24mm 齿顶厚度： H1=21.75mm 内部厚度： H2=16.5mm 啮合厚度: H3=40mm 齿顶高m: m=1.75mm

选择端齿盘平动盘：

外径： D1=270mm 内径: d1=160mm 齿幅F： F=24mm 齿顶厚度： H1=21.75mm 内部厚度： H2=16.5mm 啮合厚度: H3=40mm 齿顶高m: m=1.75mm

图4-5 端齿盘平动盘示意图

选择端齿盘固定盘：

外径： D1=245mm 内径: d1=160mm

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齿幅F： F=24mm 齿顶厚度： H1=21.75mm 内部厚度： H2=16.5mm 啮合厚度: H3=40mm 齿顶高m: m=1.75mm

4.4液压缸的设计

4.4.1选择液压缸类型

液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件。它结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。液压缸输出力和活塞有效面积及其两边的压差成正比；液压缸基本上由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成。缓冲装置与排气装置视具体应用场合而定，其他装置则必不可少。按其结构的形式，可以分为活塞缸、柱塞缸和伸缩缸等。 （1）活塞式液压缸

<1> 双杆活塞缸 缸筒固定的双杆活塞缸，活塞两侧的活塞直径相等，它的进、出油位于缸筒两端。当工作压力和输入流量相同时，两个方向上输出的推力F和速度v是相等的。

<2>单杆活塞缸 由于只在活塞的一端有活塞杆，使两腔的有效工作面积不相等，因此在两腔分别输入相同流量的情况下，活塞的往复运动速度不相等。他的安装也有缸筒固定和活塞杆固定两种，进、出口的布置根据安装方式而定；但工作台移动范围都为活塞有效行程的两倍。 （2）柱塞缸

<1>柱塞式液压缸是一种单作用式液压缸，靠液压力只能实现一个方向的运动，柱 塞回程要靠其它外力或柱塞的自重；

<2>柱塞只靠缸套支承而不与缸套 接触，这样缸套极易加工，故适于做长行程液压缸； <3>工作时柱塞总受压，因而它必须 有足够的刚度；

<4>柱塞重量往往较大，水平放置时容易因自重而下垂，造成密封件和导向单边磨损，故其垂直使用更有利。

(3)伸缩缸

伸缩式液压缸具有二级或多级活塞，伸缩式液压缸中活塞伸出的顺序式从大到小，而空载缩回的顺序则一般是从小到大。伸缩缸可实现较长的行程，而缩回时长度较短，结构较为紧凑。此种液压缸常用于工程机械和农业机械上。

由于本设计的液压缸主要用于驱动端齿盘的直线往反运动.故选用双作用单杆活塞缸。 4.4.2液压缸内径D和活塞直径d的计算

计算液压缸的内径和活塞杆直径都必须考虑到设备的类型，例如在金属切削机床中，对于动力较大的机床(刨床、拉床和组合机床)一定要满足牵引力的要求，计算时要以力为主;

这种安装形式，工作台移动范围约为活塞有效行程的三倍，占地面积大，使用于小型机械。

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直驱电机集成的转塔刀架结构设计

对于轻载高速的机床(磨床、珩磨机和研磨机等)一定要满足速度的要求，计算时要以速度为主。由于本刀架的抬起动作是在数控车床脱离切削时完成的，因而在换刀过程中并没有承受切削力的作用，所以进油压力不需要很大，此次设计进油压力确定为低压0~2.5MPa，然后根据进油压力查表可初步选定速比φ=1.33(计算速比主要是为了确定活塞杆的直径和要否设置缓冲装置。速度不宜过大或过小，以免产生过大的背压或造成因活塞杆太细导致稳定性不好。)

可按下式初步选取d值：

11d?(~)D35 (4-17)

根据活塞杆侧公式

D?

4F24?2000?9.82?d??d266?p?103.14?2.5?10 (4-18) 式中 F2 ——液压缸的理论拉力； p ——供油压力； D ——缸筒内径； d ——活塞杆直径。

根据式4-17和式4-18得D=69mm，查液压设计手册表20-6-2选D=80mm，再根据表20-6-9中选得缸筒外径D1=160mm。

4.5弹簧的计算及选用

弹簧是机器中广泛应用的一种弹性零件。其种类很多，而圆柱螺旋弹簧制造简便、成本低，在机械制造中使用的最为普遍。

弹簧的种类很多，若按照其所承受的载荷性质，弹簧主要分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种。若按照弹簧形状又可分为螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、板弹簧、盘簧等。表中列出的是各种弹簧的基本型式

螺旋弹簧是用弹簧丝卷绕制成，由于制造简便，价格较低，易于检测和安装，所以应用最广。这种弹簧既可以制成受压缩载荷作用的压缩弹簧，又可以制成受拉伸载荷作用的拉伸弹簧，还可以制成承受扭矩作用或完成扭转运动的扭转弹簧。

碟形弹簧可以承受很大的冲击载荷，具有良好的吸振能力，常用作缓冲减振弹簧。在载荷相当大和弹簧轴向尺寸受限制的地方，可以采用碟形弹簧。

环形弹簧是目前减振缓冲能力最强的弹簧，常用作近代重型机车、锻压设备和飞机起落装置中的缓冲零件。

螺旋扭转弹簧是扭转弹簧中最常用的一种。盘簧具有较多的圈数、变形较大、储存能量也较大的特点，多用于压紧及仪表、钟表的动力装置。板弹簧能承受较大的弯曲作用，常用于受载方向尺寸有限制而变形量又较大的场合。由于板弹簧有较好的消振能力，所以在汽车、拖拉机和铁路车辆的悬挂装置中均普遍使用这种弹簧。

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为了保障弹簧能够可靠地工作，其材料除应满足具有较高的强度极限和屈服极限外，还必须具有较高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性、塑性和良好的热处理工艺性等。表20-2列出了几种主要弹簧材料及其使用性能。实践中应用最广泛的就是弹簧钢，其品种又有碳素弹簧钢、低锰弹簧钢、硅锰弹簧钢和铬钒钢等。弹簧材料选择必须充分考虑到弹簧的用途、重要程度与所受的载荷性质、大小、循环特性、工作温度、周围介质等使用条件，以及加工、热处理和经济性等因素，以便使选择结果与实际要求相吻合。钢是最常用的弹簧材料。当受力较小而又要求防腐蚀、防磁等特性时，可以采用有色金属。此外，还有用非金属材料制做的弹簧，如橡胶、塑料、软木及空气等。

弹簧特性曲线：表征弹簧载荷F、T与其变形l之间关系的曲线，称为弹簧特性线。载荷与变形：对于受压或受拉的弹簧，载荷指压力或拉力，变形是指弹簧压缩量或伸长量；对于受扭转的弹簧，载荷是指扭矩，变形是指扭角。常见类型：按照结构型式不同，常见的弹簧特性曲线有如图所示的四种：

图a）所示的直线型弹簧，其刚度为一常数。这种弹簧的特性曲线越陡，弹簧刚度相应愈大，即弹簧愈硬；反之则愈软。

图b）所示的弹簧特性曲线为刚度渐增型，即弹簧随变形量的增大其刚度越大，且在最大或冲击载荷作用时，仍具有较好的缓冲减振性能，故多使用弹簧特性曲线具有该型曲线的走向。

图c）所示弹簧特性曲线为刚度渐减型，即弹簧刚度随变形的增大而越小。动能一定时，获得较小冲击力，则应使用具有刚度渐减型特性曲线的弹簧为宜。

表4-4弹簧直径选择

弹簧丝直径d（mm） C

0.2～0.4 7～14 0.5～1 5～12 1.1～2.2 2.5～6 7～16 5～10 4～10 4～8 18～40 4～6 26

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1、弹簧的主要尺寸

如图所示，圆柱弹簧的主要尺寸有：弹簧丝直径d、弹簧圈外径D、弹簧圈内径D1，弹簧圈中径D2，节距t、螺旋升角a、自由长度H0等。 2、弹簧参数的计算

弹簧设计中，旋绕比（或称弹簧指数）C是最重要的参数之一。

C=D2/d，弹簧指数愈小，其刚度愈大，弹簧愈硬，弹簧内外侧的应力相差愈大，材料利用率低；反之弹簧愈软。常用弹簧指数的选取参见表。

弹簧总圈数与其工作圈数间的关系为：

； （4-19）

设工作圈数n=4；故n0=6 弹簧节距t一般按下式取：

对压缩弹簧：对拉伸弹簧：t=d 式中：λ

max

（4-20）

--- 弹簧的最大变形量；

Δ --- 最大变形时相邻两弹簧丝间的最小距离，一般不小于0.1d。

弹簧钢丝间距：δ = t-d ； （4-21） 弹簧的自由长度： H = n2δ+(n0-0.5)d （两端并紧磨平）； （4-22） 取d=3mm，得H=30mm 弹簧螺旋升角：

得α=8°

节距P=（0.28--0.5）D=0.5*12=6mm

， 通常α取5～9 。 （4-23）

0

图4-6 弹簧零件图

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4.6轴承的选用

4.6.1轴承的分类

轴承是支承轴颈或轴上的回转件。根据轴承的工作原理可分：滚动摩擦轴承（滚动轴承）和滑动摩擦轴承（滑动轴承）。滑动轴承表面能形成润滑膜将运动副表面分开，则滑动摩擦力可大大降低，由于运动副表面不直接接触，因此也避免了磨损。滑动轴承的承载能力大，回转精度高，润滑膜具有抗冲击作用，因此，在工程上获得广泛的应用。 4.6.2轴承材料选择

轴瓦或轴承是滑动轴承的重要零件，轴瓦和轴承衬的材料统称为轴承材料。由于轴瓦或轴承衬与轴颈直接接触，一般轴颈部分比较耐磨，因此主要失效形式是轴瓦的过度磨损。轴瓦的磨损与轴颈的材料、轴瓦自身材料、润滑剂和润滑状态直接相关，选择轴瓦材料应综合考虑这些因素，以提高滑动轴承的使用寿命和工作性能。 轴承的材料有：

1） 金属材料，如轴承合金、青铜、铝基合金、锌基合金等； 2） 多孔质金属材料（粉末冶金材料）； 3） 非金属材料。

其中轴承合金: 轴承合金又称白合金，主要是锡、铅、锑或其它金属的合金，由于其耐磨性好、塑性高、跑合性能好、导热性好和抗胶合性好及与油的吸附性好，故适用于重载、高速情况下，轴承合金的强度较小，价格较贵，使用时必须浇注在青铜、钢带或铸铁的轴瓦上，形成较薄的涂层。

故滑动轴承外圈选择锡青铜，内圈选择锰黄铜。 4.6.3轴承润滑方式选择

润滑剂的作用是减小摩擦阻力、降低磨损、冷却和吸振等，润滑剂有液态的、固态的和气体及半固态的，液体的润滑剂称为润滑油，半固体的、在常温下呈油膏状为润滑脂。 一般原则：

1. 在高速轻载的工作条件下，为了减小摩擦功耗可选择粘度小的润滑油；

2. 在重载或冲击载荷工作条件下，应采用油性大、粘度大的润滑油，以形成稳定的润滑膜；

3. 静压或动静压滑动轴承可选用粘度小的润滑油； 4. 表面粗糙或未经跑合的表面应选择粘度高的润滑油。

根据任务书所给要求，属于低速重载环境，故选择油脂润滑。润滑脂是用矿物油、各种稠化剂（如钙、钠、锂、铝等金属皂）和水调和而成，润滑脂的稠度（针入度）大，承载能力大。

4.6.3轴承尺寸计算

采用润滑脂、滴油润滑的轴承，由于得不到足够的油量，在相对运动表面间难于产生完整的承载油膜，轴承只能在混合摩擦状态下工作，属于非液体滑动轴承。这类轴承的的主要失效形式是磨损和胶合，其次是表面压溃和点蚀。因此，该轴承的计算准则是，维护轴承材

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料和边界油膜不被破坏为最底要求，即控制轴承的平均压强p、滑动速度v和乘积pv分别不超过许用值，即: p≤[p]；v≤[v]；pv≤[pv]式中:[p]、[v]和[pv]为许用值，见机械设计表4-5常用金属材料性能知

表4-5常用金属材料性能

对于径向轴承:p=F/(Bd)；v=πdn （4-24） 式中:F-轴承载荷；B-轴承宽度；d-轴径直径；n-刀盘的转速。 代入数据得 B=4mm ；d=100mm

锡青铜 黄铜 轴承材料 最大许用值 [p](MPa) [V](m/s) [pV](MPam/s) 15 10 15 12 2 10 第五章 直驱电机集成的转塔刀架三维制作

5.1 典型零部件实体制作

制作软件：Pro\\E

各主要零部件三维图如图所示：

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图5-1 轴

图5-2 刀盘 图5-3 端齿盘转动盘

图5-4 端齿盘固定盘 图5-5 端齿盘移动盘

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图5-6 液压缸体 图5-7 液压缸盖

5.2 装配图制作

1. 装配功能是将产品的各个部件进行组织和定位操作的一个过程，通过装配操作，系统可以形成产品的总体结构、绘制装配图和检查部件之间是否发生干涉等。装配模块不仅能快速组合零部件成为产品，而且在装配中可以参照其他部件进行部件关联设计，并可对装配模型进行间隙分析和质量管理等操作。

2. Pre\\E装配过程是在装配中建立部件之间的链接关系。它是通过关联条件在部件间建立约束来确定部件在产品中的位置。在装配中，部件的几何体是被装配引用，而不是复制到装配中。不管如何编辑部件和在何处编辑部件，整个装配部件保持关联性，如果某部件修改，则引用它的装配部件自动更新，反应部件的最新变化。 隐藏刀盘及主轴，如图所示

图5-8 端齿盘装配以及液压缸驱动端齿盘平移盘示意图

整体装配图，如图所示

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图5-9 整体装配图

5.3运动效果

加入电机以及定义液压缸的移动量，选择应用程序中的机构，点击机构分析中的运行，刀盘便可转动以及停止，以此实现刀盘运动及换刀过程。

结束语

历经了几个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。从最初的茫然，到

慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个设计过程难以用语言来表达。回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，在这次毕业设计的过程中，我拥有了无数难忘的回忆和收获。

为了搜集资料，我经常出入图书馆，还在网上查找各类相关信息和刀塔的英文专利，然后我将收集到的资料仔细整理分类，及时拿给导师进行沟通。资料查找完毕之后，我开始着手对课题的设计，在设计过程中遇到困难我就及时和导师联系，并和同学互相交流，请教专业课老师。在大家的帮助下，困难一个一个解决掉。

毕业设计给了我难忘的回忆，在我徜徉书海查找资料的日子里，面对无数书本的罗列，最难忘的是每次找到资料时的激动和兴奋；亲手设计装配图的时间里，记忆最深的是每一步思路实现时那喜悦的心情；为了定期接受检查，我曾设计绘图到深夜，看着自己的成果，心里满满的只有喜悦而忘却了疲惫。这段旅程看似荆棘密布，实则蕴藏着无尽的宝藏。我从资料的收集中，掌握了刀塔、端齿盘、液压缸的知识，让我对我所学过的知识有所巩固和提高，并且让我对转塔刀架的最新发展技术有了更深的了解。在整个过程中，我学到了新知识，增

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长了见识。在今后的日子里，我仍然要不断地充实自己，争取在所学领域有所作为。 在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法有助于我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。

在此更要感谢我的指导教师王科社老师，是他的细心指导和帮助才使得我能够顺利的完成毕业设计。老师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。

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