8刀位盘型电动刀塔设计毕业论文设计

e

题 目 8刀位盘型电动刀塔设计

e

毕业论文（设计）原创性声明

本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据

我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。

作者签名： 日期：

毕业论文（设计）授权使用说明

本论文（设计）作者完全了解**学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。

作者签名： 指导教师签名：

日期： 日期：

e

注 意 事 项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作） 2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词 4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论 7）参考文献 8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。 4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画 3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印 4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档 5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订 3）其它

e

8刀位盘型电动刀塔设计

[摘要]数控刀架的发展趋势是：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。根据加工对象不同，有四方刀架、六角刀架和八（或更多）工位的圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。回转刀架上分别安装四把、六把或更多刀具，并按数控装置的指令换刀。本部分主要对八工位盘型式电动刀架的机械部分的设计，并对以上部分运用PRO/e做图，并生成二维装配图，以便对刀塔有更直观的了解。本次设计为八工位盘型电动刀塔，刀盘转位、刀盘的轴向移动以及动力刀头的旋转均通过同一台三项异步电机驱动，动力通过一级齿轮减速后，分为两个传递路线，其中一条直接传递到动力刀头轴，为动力刀具旋转提供动力；而另一条则再通过一级齿轮减速后，传递到刀盘轴，为刀盘转位和轴向移动提供动力。这两条传递路线的接通与断开均由电磁离合器控制，当需要转位时电磁离合器1将第一条传递路线断开，电磁离合器2将第二条传递路线接通，此时动力刀头轴不旋转，刀盘先轴向移动，当端齿盘完全脱开后，刀盘开始转动，实现换刀过程，当刀盘转到位时，控制系统发信号，立即进行制动，电机开始反转，左右端齿盘啮合以锁紧刀盘。当需要的动力刀具旋转时，电磁离合器将第一条传递路线接通，电磁离合器2将第二条传递路线断开，此时刀盘即不转位也不移动，可进行车削加工、钻削加工、铣削加工等加工。

[关键词]：数控刀架 ;车削中心 ;电动刀塔;八位盘型

e

The Design of Eight Locations Disc Turret for CNC

Automatic Lathe Center

###

（ee）

Totur: ###

Abstract：The numerical control tool rest's trend of development is: Along with

the numerical control lathe's development, the battery solution combination actuation and the servo fast actuates the direction to develop. It is different according to the processing object, has the squaring head, the turret head and eight (or more) the

location disk axial attire knife tool rest and so on many kinds of forms. On the turret saddle installs four, six or more cutting tools separately, and trades the knife

according to the numerical control installment's instruction. This part mainly to eight location vertical electrically operated tool rest's mechanical design. Then makes the chart to above part using PRO/e, and has a more direct-viewing understanding to the automatic tool turret. The design for the electric drive eight locations disc turret, turn the cutter bit, the cutter head axial rotation movement and momentum are by the same three asynchronous motor drive, power through a gear reducer, the divided two transmission lines, one directly to the power head shaft-driven rotary powered tool; the other one after another through a gear reducer, passed to the cutter shaft, the cutter translocation and axial movement to provide power. These two transmission lines connected and disconnected by the electromagnetic clutch control, when to change position when the electromagnetic clutch 1 will disconnect the first delivery route, the electromagnetic clutch 2, the second transmission line will connect, then power head shaft not rotating cutter first axial movement, when the crown wheel completely torn off, the cutter began to turn, to achieve tool change process, as the cutter to position, the control system signal, immediately braking, the motor began to reverse , left-side gear tooth plate to lock cutter. When it comes to power tool rotation, electromagnetic clutch to connect the first transmission line,

electromagnetic clutch 2, the second transmission line will disconnect at this time that does not turn the cutter bit is not mobile, could be turning, drilling, milling and other processing.

Key word: numerical control tool rest;CNC automatic lathe center;electrically operated tool turret; eight locations disc turret

e

目 录

目 录 ...................................................... II 前 言 ....................................................... 1 1.绪论 ........................................................ 2

1.2自动换刀装置 ............................................ 3 1.3国内外数控车床的研究状况与成果 .......................... 5

2.数控车床自动换刀装置 ...................... 错误！未定义书签。

2.1概述 ................................... 错误！未定义书签。 2.2ATC(自动汽轮机控制)刀具自动换刀形式 ..... 错误！未定义书签。 2.3数控车床刀架的功能、类型和满足的要求 ... 错误！未定义书签。 2.3.1数控机床刀架功能和类型 ................ 错误！未定义书签。 2.3.2数控机床刀架应满足的要求 .............. 错误！未定义书签。

3.车削中心动力刀架总体方案设计 .............. 错误！未定义书签。

3.1总体结构设计 ........................... 错误！未定义书签。 3.2自动回转刀盘的传动系统 ................. 错误！未定义书签。 3.3电动机的选择 ........................... 错误！未定义书签。 3.3.1铣削力及铣削功率的计算 .............. 错误！未定义书签。 3.3.2钻削及钻削功率的分析与计算 .......... 错误！未定义书签。

4.典型零件的设计和选用 ..................... 错误！未定义书签。

4.1齿轮部分的设计 ........................ 错误！未定义书签。 4.1.1高速级齿轮设计 ........................ 错误！未定义书签。

II

e

4.1.2低速级齿轮设计 ........................ 错误！未定义书签。 4.2刀盘轴的设计 ........................... 错误！未定义书签。 4.2.1最小轴颈的计算 ........................ 错误！未定义书签。 4.2.2轴的结构设计 .......................... 错误！未定义书签。 4.3端齿盘选用 ............................. 错误！未定义书签。 4.4刀盘的设计 ............................. 错误！未定义书签。 4.5刀座的设计 ............................. 错误！未定义书签。 4.5.1动力刀座 .............................. 错误！未定义书签。 4.5.2车刀刀座的设计 ........................ 错误！未定义书签。

5.刀塔装配 ................................... 错误！未定义书签。 6.总结 ....................................... 错误！未定义书签。 致谢 ......................................... 错误！未定义书签。 参 考 文 献 .................................. 错误！未定义书签。

III

e

前 言

装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径径。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。

数控机床为了能在工件一次装夹中完成多种甚至所有的加工工序，缩短辅助时间，减少辅助时间，减少安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。各种数控机床的自动换刀装置的结构取决于数控机床的类型、工艺范围、使用刀具种类和数量等。在数控机床中自动换刀装置应当满足的基本要求包括：

1.刀具换刀时间短; 2.刀具重复定位精度高。 3.足够的刀具储存容量。 4.刀库占地面积小。

数控车床使用的刀架是最简单的自动换刀装置，有四方刀架，六角刀架、盘型刀架、星型刀架等。可在其上安装四把、六把、八把、十二位、或更多的刀具。数控机床的刀架必须具有良好的刚度和强度，以承受粗加工的切削力；同时要保证回转刀架的重复定位精度。刀架作为数控机床的重要部件，其结构形式多样。

车削中心刀塔的形式常见的是卧式的，也有立式的，还有倒立式的。 单主轴，单刀塔（上刀塔T），刀塔分为带Y轴和不带Y轴，目前以不带Y轴的居多。双主轴（带副主轴S）,单刀塔 双主轴 双刀塔，甚至三刀塔。

1

e

刀塔还分为盘式刀塔（Disc Turret）和星形刀塔（Star Turret）。 盘式刀塔（Disc Turret）:刀座装在刀盘的轴面上，是最早出现的，刀塔形式，在单主轴单刀塔的车削中心上常用。.局限性，刀具之间容易相互干涉，可加工的工件直径尺寸较小。不适于副主轴的上背向加工。

星形刀塔（Star Turret）刀座安装在刀盘的圆周上，呈星形分布，这是一种新型的刀塔结构，它克服了传统的盘式刀塔的限制，刀具之间相隔比较远，干涉小，同等的刀盘直径，可加工的工件直径增大20%~40%,同时它也适合完成副主轴上工件的背向加工。这种形式的刀塔在双主轴，多刀塔的车削中心上广泛采用，是今后发展的趋势。

刀塔是数控机床（车削中心）的关键配套附件，使用刀塔可以有效提高加工效率、扩大加工工艺范围，可以在机床上完成车削、钻削、攻丝、铣削、等工艺过程，既可以使工艺过程有效复合，提高加工效率，又可以一次装夹完成多个工艺过程保证了加工的精度。

本课题为8刀位盘型电动刀塔设计，该刀架能够在一次装夹中装八把刀具。可以在车削中心上完成车削、钻削、攻丝、铣削、等工艺过程，既可以使工艺过程有效复合，提高加工效率，又可以一次装夹完成多个工艺过程保证了加工的精度。

提高效率是技术革新的一个最主要的原动力。近年来数控刀塔因其可以有效高加工效率而得到迅速的发展，几乎涉及到所有的制造业。因此研究并改进现有刀塔或者设计新的刀塔具有很大的现实意义，因为通过刀塔可以有效提高机械加工的效率、扩大加工范围，进而提高经济效益。

1.绪论

1.1我国数控机床的发展

我国从1958年开始研究数控机床，一直到20世纪60年代中期还处于研制

2

e

开发时期。当时，一些高等院校，科研单位研制出试样样机，是从电子管起步的。1965年，国内开始研制晶体管数控系统。20世纪60年代末至70年代初研制成了劈锥数控铣床，数控非圆齿轮插齿机。CIL—18晶体管数控系统及Z53K—1G立式数控铣床。

从20世纪70年代开始,数控技术在车，铣，镗，磨，齿轮加工，电加工等领域全面展开，数控加工中心在上海，北京研制成功。但由于电子元器件的质量和制造工艺水平差，致使数控系统的可靠性,稳定性末行到解决，因此未能广泛推广。

20世纪80年代，我国从日本发那科公司引进了3,5,6,7等系列的数控系统和直流伺服电机，直流主轴电机等制造技术，以及引进美国GE公司的MCI系统和交流伺服系统，德国西门子VS系列可控硅调速装置，并进行了商品化生产。这些系统可靠性高，功能齐全。与此同时，还自行开发了3、4、5轴联动的数控系统以及双电机驱动的同步数控系统(用于火焰切割机)和新品种的伺服电机，推动了我国数控机床稳定发展，使我国数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。

1985年，我国数控机床的品种有了新的发展。数控机床品种不断增多，规格齐全。许多技术复杂的大型数控机床，重型数控机床都相继研制出来。为了跟踪国外现代制造技术的发展，北京机床研究所研制出了JCS-FMS-1型和2型的柔性制造单元和柔性制造系统。这个时期，我国在引进，消化国外技术的基础上，进行了大量开发工作。一些较高档次的数控系统(5轴联动)，分辨率为0.02?m的高精度数控系统，数字仿型数控系统为柔性单元配套的数控系统都开发出来了，并造出样机。

我国的数控技术经过“六五”，“七五”，“八五”，到“九五”的近20年的发展，基本上掌握了关键技术，建立了数控开发，生产基地，培养了一批数控人才，初步形成了自己的数控产业。“十五”攻关开发的成果：华中?号、中华?号、航天?号和蓝天?号4种基本系统建立了具有中国自主版机的数控技术平台。具有中国特色济型数控系统经过这些年来的发展，有了较大的提高。它们逐渐被用户认可，在市场上站住了脚。

1.2自动换刀装置

各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的形式、工艺范围及其刀具

3

e

的种类和数量。其基本类型有以下几种：一、转刀架换刀。回转刀架是一种最简单的自动换刀装置，常用于数控车二、换主轴换刀更换主轴换刀是带有旋转刀具的数控机床的一种比较简单的换刀方式。三、更换主轴箱换刀有的数控机床像组合机床一样，采用多主轴箱，利用更换主轴箱达到换刀的目的。四、带刀库的自动换刀系统。此类换刀装置由刀库、选刀机构、刀具交换机构及刀具在主轴上的自动装卸机构等四部分组成，应用最广泛。回转刀架是一种最简单的自动换刀装置，常用于数控车床。可以设计成四方刀架、六角刀架或圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。回转刀架上分别安装着四把、六把或更多的刀具，并按数控装置的指令换刀。

回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀具位置不进行人工调整，因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度（一般为0.001～0.005mm）。

一般情况下，回转刀架的换刀动作包括刀架抬起、刀架转位及刀架压紧等。回转刀架按其工作原理分为若干类型。

1.螺母升降转位刀架，电动机经弹簧安全离合器到蜗轮副带动螺母旋转，螺母举起刀架使上齿盘与下齿盘分离，随即带动刀架旋转到位，然后给系统发信号螺母反转锁紧。

2.利用十字槽轮来转位及锁紧刀架（还要加定位销），销钉每转一周，刀架便转1/4转（也可设计成六工位等）。

3.凸台棘爪式刀架，蜗轮带动下凸轮台相对于上凸轮台转动，使其上、下端齿盘分离，继续旋转，则棘轮机构推动刀架转90o，然后利用一个接触开关或霍尔元件发出电动机反转信号，重新锁紧刀架。

4.电磁式刀架，它利用了一个有10kN左右拉紧力的线圈使刀架定位锁定。 5.液压式刀架，它利用摆动液压缸来控制刀架转位，图中有摆动阀芯、拨爪、小液压缸；拨爪带动刀架转位，小液压缸向下拉紧，产生10kN以上的拉紧力。这种刀架的特点是转位可靠，拉紧力可以再加大，但其缺点是液压件难制造，还需多一套液压系统，有液压油泄漏及发热问题。

当前，在机械加工领域，数控机床电动刀塔因其速度快、加工精度高、生产

4

e

率高而得到广泛应用。。以车削中心为例，它是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床刀塔按不同工序自动选择、更换刀具，自动对刀。因而大大减少了工件装夹时间，测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。

1.3国内外数控车床的研究状况与成果

目前搭配在数控机床上的刀塔主要可分为两大主流，一是日系大型机床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刀塔。日系大型机床厂所开发的动力刀塔能确实地搭配其机床的特性，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机床厂的规范，不同的刀具座难以通用。

而目前较大的刀塔制造商皆属欧系公司，如Sauter (德国)、Duplomatic (意大利)、Baruffaldi (意大利)等，在刀塔设计开发上大多遵循所谓的德式快换刀座( VDI Toolholder System )规范，因此在VDI规范占有较大的市占率下，其后较小型的刀塔制造商以及机床厂所自行研发的动力刀塔也都会依循此规范。除此之外，动力刀塔可再依动力源、刀盘型式、轴连结器、动力刀座接口的不同，而有所分别。

目前搭配在机机床上的动力刀塔形式主要可分轴向入刀 (Axial)： 单刀塔 双主轴(Single Turret)星形刀盘 ；径向入刀 (Radial,Star Turret) ：双刀塔 双主轴(Kiss Turret)上刀塔星形刀盘；径向入刀 上下刀塔同步执行加工正副主轴；另有立式车床、倒立式车床、刀塔Y轴、刀塔C轴形式等不同应用。

目前搭配在数控机床上的刀塔主要可分为两大主流，一是日系大型机床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刀塔。日系大型机床厂所开发的动力刀塔能确实地搭配其机床的特性，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机床厂的规范，不同的刀具座难以通用。

而目前较大的刀塔制造商皆属欧系公司，如Sauter (德国)、Duplomatic (意大利)、Baruffaldi (意大利)等，在刀塔设计开发上大多遵循所谓的德式快换刀座( VDI Toolholder System )规范，因此在VDI规范占有较大的市占率下，其后较小型的刀塔制造商以及机床厂所自行研发的动力刀塔也都会依循此规范。除

5

e

此之外，动力刀塔可再依动力源、刀盘型式、轴连结器、动力刀座接口的不同，而有所分别。

搭配在机机床上的动力刀塔形式主要可分轴向入刀 (Axial)： 单刀塔 双主轴(Single Turret)星形刀盘 ；径向入刀 (Radial,Star Turret) ：双刀塔 双主轴(Kiss Turret)上刀塔星形刀盘；径向入刀 上下刀塔同步执行加工正副主轴；另有立式车床、倒立式车床、刀塔Y轴、刀塔C轴形式等不同应用

这些年来，国内业界加工中心已渐普遍，而所使用的伺服动力刀塔，90% 以上皆以Sauter与D.P.等国外著名刀塔商生产的刀塔为主，但是在成本、交期、配合性等综合因素的考虑下，国内部分机床厂以及刀塔制造商也积极拓展这块领域，以开发出更适合机床的动力刀塔。

然而，由于动力刀塔结构较为复杂化与细致化，导致目前动力刀塔的重切削性能大都较一般标准刀塔为弱，如何在兼具功能性、速度性下，提升精度与刚性，是将来动力刀塔发展的重要课题。因此数控机床电动刀塔的发展趋势视：换刀时间短，刀具重复定位精度高，有足够的刀具存储量，刀库占地面积小及安全可靠等。

目前动力刀座使用中遇到的问题

１：动力刀座刚性不够，重复定位精度低，工艺转换时，调整时间长，造成机床利用效率低下。

２：动力刀座只能用ER弹簧夹头夹持工具，由于ER夹头带来的误差叠加，造成刀座加工精度受限。另外，由于ER夹头的夹紧力有限，夹持?16以上的刀杆时，刀具容易打滑，刀尖的跳动也比较大。对于刀具寿命和加工效率而言无疑是个很重要的瓶颈。另外，ER夹头了夹持的刀具类型很有限，只能进行简单的钻，铣等操作。客户需要另外购买专用的面铣刀动力刀座等，刀座投资大。如何解决ER夹头带来的问题。扩展动力刀座的使用范围，并做到“一座多能”，是各大动力刀座生产商积极寻求解决方案的方向。

车削中心及动力刀座发展趋势是：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。

6

2.1电动机选择

2.1.1选择电动机类型 2.1.2选择电动机容量

电动机所需工作功率为：PPd?w?； 工作机所需功率Pw为： P?Fvw1000；

传动装置的总效率为：

e

2.电机选择

7

e

???1?2?3?4；

传动滚筒 ?1?0.96 滚动轴承效率 ?2?0.96 闭式齿轮传动效率 ?3?0.97 联轴器效率 ?4?0.99 代入数值得：

???1?2?3?4?0.96?0.994?0.972?0.992?0.8

所需电动机功率为： Fv10000?40Pd??kW?10.52kW

1000?0.8?1000?60P?d略大于Pd 即可。

选用同步转速1460r/min ；4级 ；型号 Y160M-4.功率为11kW

2.1.3确定电动机转速

取滚筒直径D?500mm 60?1000vnw??125.6r/min

500?1.分配传动比 （1）总传动比 n1460i?m??11.62 nw125.6(2)分配动装置各级传动比

取两级圆柱齿轮减速器高速级传动比

i01?1.4i?4.03 则低速级的传动比 i11.62i12???2.88

i014.032.1.4 电机端盖组装CAD截图

8

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/zdea.html