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湖 南 科 技 大 學(xué)
畢 業(yè) 設(shè) 計（ 論 文 ）
題 目
CK6140車床刀架系統(tǒng)設(shè)計
作者
王金思
學(xué)院
機電工程學(xué)院
專業(yè)
機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué)號
1103010324
指導(dǎo)教師
萬林林
二〇〇五年五月二十六日
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
機電工程學(xué) 院 機械設(shè)計制造及其自動化 系（教研室）
系（教研室）主任: （簽名） 2015 年 1 月 30 日
學(xué)生姓名: 王金思 學(xué)號: 1103010324專業(yè): 機械設(shè)計制造及其自動化
1 設(shè)計（論文）題目及專題：CK6140車床刀架系統(tǒng)設(shè)計
2 學(xué)生設(shè)計（論文）時間：自 2015年 1月30 日開始至 2015 年5月 25 日止
3 設(shè)計（論文）所用資源和參考資料：
①上一學(xué)期所搜集的相關(guān)文獻資料；
②相關(guān)教材及機械設(shè)計、工藝手冊；
③要求熟練使用AutoCAD、PRO/E繪圖軟件。
4 設(shè)計（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：
① 分析確定CK6140車床刀架系統(tǒng)的整體傳動方案；②刀架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體方案設(shè)計；③零部件的校核與設(shè)計相關(guān)的計算 ；④裝配圖的設(shè)計、零件工作圖的設(shè)計；⑤本設(shè)計的優(yōu)缺點分析 ；⑥典型零件加工工藝及圖形交互式（CAD/CAM）或手工數(shù)控程序編制 ；⑦編寫設(shè)計說明書；
5 提交設(shè)計（論文）形式（設(shè)計說明與圖紙或論文等）及要求：
①零件圖、裝配圖（Pro/E或AutoCAD完成），折合0號圖2.5張；
②編寫的設(shè)計說明書不少于40頁 ；
③課題相關(guān)論文的翻譯（英譯中，不少于2000字）一篇 ；
典型零件的數(shù)控加工程序；
6 發(fā)題時間： 2014 年 1 月 30 日
指導(dǎo)教師： （簽名）
學(xué) 生： （簽名）
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)人評語
[主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的工作態(tài)度，研究內(nèi)容與方法，工作量，文獻應(yīng)用，創(chuàng)新性，實用性，科學(xué)性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進行綜合評價]
指導(dǎo)人： （簽名）
年 月 日
指導(dǎo)人評定成績：
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱人評語
[主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究內(nèi)容與方法，實用性與科學(xué)性，結(jié)論和存在的不足等進行綜合評價]
評閱人： （簽名）
年 月 日
評閱人評定成績：
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯記錄
日期：
學(xué)生： 學(xué)號： 班級：
題目：
提交畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會下列材料：
1 設(shè)計（論文）說明書 共 頁
2 設(shè)計（論文）圖 紙 共 頁
3 指導(dǎo)人、評閱人評語 共 頁
畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會評語：
[主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的研究思路，設(shè)計（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對設(shè)計（論文）的介紹，回答問題情況等進行綜合評價]
答辯委員會主任： （簽名）
委員： （簽名）
（簽名）
（簽名）
（簽名）
答辯成績：
總評成績：
摘 要
數(shù)控車床的刀架是機床的重要組成部分，刀架用于夾持切削用的刀具，其結(jié)構(gòu)直接影響機床的切削性能和切削效率。因此數(shù)控車床的刀架設(shè)計的好與壞、效率的高與低將直接影響到產(chǎn)品的加工時間和質(zhì)量，進而影響到制造業(yè)的飛速發(fā)展。CK6140型數(shù)控車床是經(jīng)濟型數(shù)控車床，進給系統(tǒng)為交流伺服驅(qū)動，適用于軸類及盤類零件的加工，能自動完成對零件的內(nèi)外圓柱面、端面。任意錐面及螺紋切削等工序的連續(xù)加工，尤其對臺階軸或帶有錐面、圓弧面等表面復(fù)雜的零件的加工更能顯示其優(yōu)越性，對多品種批量零件的輪番加工具有較高的生產(chǎn)效率。
本課題為CK6140六工位回轉(zhuǎn)刀架系統(tǒng)設(shè)計，該刀架能夠在一次裝夾中完成多道工序，使加工范圍擴大，大大提高了加工精度和生產(chǎn)效率。
關(guān)鍵詞：數(shù)控車床；零件加工；刀架設(shè)計
ABSTRACT
CNC lathe’s tool carrier is an important part of machine.Knife used for cutting tool clamping,its structure directly affect the efficiency of machine tools,cutting and cutting.therefore ,CNC lathe turret design is good or bad,high efficiency or low will have a direct impact on processing time and quantity of the product,thereby affecting the rapid development of manufacturering sector.CNC lathe CK6140is a type of economical lathe.It’s feed system is intercourse servo-system.It’s suit to machine some parts like axis and plate and it can machines inside and outside surfaces of cylinder side surface、arbitrarily of cone anf whorl cutting consistently ,especially it’s more suit to machine step axis 、roundness、cambered surface and more parts with complicate surface .Like this can show it’s superiority .It has a high efficiency to machine various batch of parts repetitively.
The subject is CK6140 tool turret six heads system design.It can complete several processes in a single clamping to expand the range of processing anf greatly improve the machining accuracy and pruductive efficiency.
Keywords:CNC lathe ;parts machining ;turret design
目 錄
第一章 前言………………………………………………………………………………1
1.1 畢業(yè)設(shè)計的背景及目的…………………………………………………………1
1.1.1 設(shè)計背景……………………………………………………………………1
1.1.2 設(shè)計目的……………………………………………………………………1
1.2 國內(nèi)外數(shù)控車床的研究狀況和成果……………………………………………1
1.3 研究內(nèi)容和設(shè)計構(gòu)成……………………………………………………………3
1.3.1 研究內(nèi)容……………………………………………………………………3
1.3.2 技術(shù)參數(shù)……………………………………………………………………4
1.3.3 設(shè)計過程……………………………………………………………………4
第二章 車床總體布局設(shè)計……………………………………………………………6
2.1 床身的結(jié)構(gòu)布局…………………………………………………………………6
2.2 床身結(jié)構(gòu)的選擇…………………………………………………………………7
2.3 導(dǎo)軌的選擇………………………………………………………………………7
2.4 刀架的選擇………………………………………………………………………8
2.5 主軸變速系統(tǒng)……………………………………………………………………9
2.6 進給傳動系統(tǒng)……………………………………………………………………9
第三章 車床刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算…………………………………………………11
3.1 車床刀架的功能類型和應(yīng)滿足的要求…………………………………………11
3.1.1 車床刀架的功能…………………………………………………………11
3.1.2 機床刀架和自動換刀裝置的類型………………………………………11
3.1.3 機床刀架應(yīng)滿足的要求…………………………………………………12
3.2 車床刀架總體方案設(shè)計與選擇…………………………………………………13
3.2.1 刀架的整體方案設(shè)計……………………………………………………13
3.2.2 刀架的轉(zhuǎn)位機構(gòu)方案設(shè)計………………………………………………13
3.2.3 刀架定位機構(gòu)方案設(shè)計…………………………………………………14
3.3 車床刀架的工作原理……………………………………………………………15
3.4 刀架的設(shè)計計算…………………………………………………………………16
3.4.1 驅(qū)動刀架的伺服電機的選擇計算………………………………………16
3.4.2 蝸輪蝸桿的設(shè)計計算……………………………………………………19
I
3.4.3 刀架主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算………………………………………………23
第四章 車床液壓系統(tǒng)的設(shè)計與計算……………………………………………25
4.1 刀架液壓控制系統(tǒng)液壓泵及油泵電動機的選擇計算…………………………25
4.1.1 液壓油泵的選擇…………………………………………………………25
4.1.2 油泵電動機功率的選擇計算………………………………………………25
4.2 液壓缸的設(shè)計……………………………………………………………………27
4.2.1 選擇液壓缸類型…………………………………………………………27
4.2.2 液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d的計算…………………………………27
4.3 車床液壓系統(tǒng)的設(shè)計……………………………………………………………28
4.3.1 液壓回路的選擇…………………………………………………………28
4.3.2 擬定液壓系統(tǒng)圖…………………………………………………………28
4.3.3 液壓系統(tǒng)的控制原理……………………………………………………29
第五章 微機控制系統(tǒng)的設(shè)計………………………………………………………31
5.1 系統(tǒng)的設(shè)計要求…………………………………………………………………31
5.2 硬件電路方案的確定……………………………………………………………31
5.2.1 中央處理器CPU的簡介及選擇…………………………………………32
5.2.2 存儲器的擴展與CPU的連接……………………………………………33
5.2.3 譯碼電路…………………………………………………………………34
5.2.4 I/O擴展電路 ……………………………………………………………34
5.2.5 鍵盤、顯示器接口電路……………………………………………………35
5.2.6 時鐘、復(fù)位電路……………………………………………………………35
5.2.7 步進電機驅(qū)動電路………………………………………………………35
第五章 結(jié)論………………………………………………………………………………39
參考文獻…………………………………………………………………………………40致謝…………………………………………………………………………………………41
I
湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
第一章 前言
1.1 畢業(yè)設(shè)計的背景及目的
1.1.1 設(shè)計背景
制造業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，也是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的載體及使其轉(zhuǎn)化為規(guī)模生產(chǎn)力的工具與橋梁。裝備制造業(yè)是一個國家綜合制造力的集中體現(xiàn)，重大裝備研制能力是衡量一個國家工業(yè)化水平和綜合國力的重要標(biāo)準(zhǔn)。
我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀(jì)五十年代，通過“六五”期間引進數(shù)控技術(shù)，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關(guān)”，我國數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相當(dāng)大的成績。特別是最近幾年，我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，1998～2004年國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)量和消費量的年平均增長率分別為39.3%和34.9%。盡管如此，進口機床的發(fā)展勢頭依然強勁，從2002年開始，中國連續(xù)三年成為世界機床消費第一大國、機床進口第一大國，2004年中國機床主機消費高達94.6億美元，國內(nèi)數(shù)控機床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機床的研究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進口。由此可以看出國產(chǎn)數(shù)控機床特別是中高檔數(shù)控機床仍然缺乏市場競爭力，究其原因主要在于國產(chǎn)數(shù)控機床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務(wù)意識與能力欠缺、數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。我們應(yīng)看清形勢，充分認(rèn)識國產(chǎn)數(shù)控機床的不足，努力發(fā)展先進技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓(xùn)服務(wù)力度，以縮短與發(fā)達國家之問的差距。
1.1.2 設(shè)計目的
通過這次畢業(yè)設(shè)計，可以達到以下目的:
1、培養(yǎng)綜合運用專業(yè)基礎(chǔ)知識和專業(yè)技能來解決工程實際問題的能力；
2、強化工程實踐能力和意識，提高本人綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力；
3、使本人受到從事本專業(yè)工程技術(shù)和科學(xué)研究工作的基本訓(xùn)練，提高工程繪圖、計算、數(shù)據(jù)處理、外文資料文獻閱讀、使用計算機、使用文獻資和手冊、文字表達等各方面的能力；
4、培養(yǎng)正確的設(shè)計思想和工程經(jīng)濟觀點、理論聯(lián)系實際的工作作風(fēng)、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度以及積極向上的團隊合作精神。
1.2 國內(nèi)外數(shù)控車床的研究狀況和成果
1949年帕森公司正式接受美國空軍委托，在麻省理工學(xué)院伺服機構(gòu)試驗室的協(xié)助下，開始從事數(shù)控機床的研制工作。經(jīng)過三年時間的研究，于1952年試制成功世界第一臺數(shù)控機床試驗性樣機，這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補三坐標(biāo)連續(xù)控制銑
- 1 -
床，這便是數(shù)控機床的第一代。
1953年，美國空軍與麻省理工學(xué)院協(xié)作，開始從事計算機自動編程的研究，這就是創(chuàng)制APT(Automatically Programmed Tools )自動編程系統(tǒng)的開始。
1955年，美國空軍花費巨額經(jīng)費訂購了大約100臺數(shù)控機床，此后兩年，數(shù)控機床在美國進入迅速發(fā)展階段,市場上出現(xiàn)了商品化數(shù)控機床。1958年，美國克耐杜列克公司(Keaney & Trecker Co.)在世界上首先研制成功帶自動換刀裝置的數(shù)控機床，稱為“加工中心”。
1959年，計算機行業(yè)研制出晶體管元器件，因而數(shù)控裝置中廣泛采用晶體管和印制電路板，從而跨入第二代數(shù)控時代。同時美國航空工業(yè)協(xié)會(AIA)和麻省理工學(xué)院發(fā)展了APT程序語言。
1960年以后，點位控制機床在美國得到迅速發(fā)展,數(shù)控技術(shù)不僅在機床上得到實際應(yīng)用，而且逐步推廣到?jīng)_壓機、繞線機、焊接機、火焰切割機、包裝機和坐標(biāo)測量機等，在程序編制方面，已由手工編程逐步發(fā)展到采用計算機自動編程。除了APT數(shù)控語言外，又發(fā)展了許多自動騙程語言。
從1960年開始，德國、日本等先進工業(yè)國家都陸續(xù)開發(fā)，生產(chǎn)及使用了數(shù)控機床。至1965年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路。由于它體積小、功耗低、使用數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得以進一步提高，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。
1967年，英國首先把幾臺數(shù)控機床聯(lián)接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是最初的FMS(Flexible Manufacturing System，柔性制造系統(tǒng))。之后，美、歐、日也相繼進行開發(fā)與應(yīng)用。
1970年前后，美國英特爾公司開發(fā)和使用了微處理器。1974年美、日等國首先研制出以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)。近20年來，微處理機數(shù)控系統(tǒng)的摟控機床得到飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，這就是第五代數(shù)控系統(tǒng)(MNC)。
20世紀(jì)80年代初，國際上又出現(xiàn)了柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 。
我國從1958年開始研究數(shù)控機床，一直到20世紀(jì)60年代中期還處于研制，開發(fā)時期。當(dāng)時，一些高等院校、科研單位研制出試驗樣機，是從電子管起步的。
1965年，國內(nèi)開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代末至70年代初研制成了劈錐數(shù)控銑床，數(shù)控非圓齒輪插齒機。CIL—18晶體管數(shù)控系統(tǒng)及Z53K—1G立式數(shù)控銑床。
從20世紀(jì)70年代開始，數(shù)控技術(shù)在車、銑、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域全面展開，數(shù)控加工中心在上海、北京研制成功。但由于電子元器件的質(zhì)量和制造工藝水平差，致使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性,穩(wěn)定性末行到解決，因此末能廣泛推廣。
20世紀(jì)80年代，我國從昌本發(fā)那科公司引進了3、5、6、7等系列的數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服電機、直流主軸電機等制造技術(shù)、以及引進美國GE公司的MCI系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)、德國西門子VS系列可控硅調(diào)速裝置，并進行了商品化生產(chǎn)。這些系統(tǒng)可靠性高，功能齊全。與此同時，還自行開發(fā)了3、4、5軸聯(lián)動的數(shù)控系統(tǒng)以及雙電機驅(qū)動的同步數(shù)控系統(tǒng)(用于火焰切割機)和新品種的伺服電機，推動了我國數(shù)控機床穩(wěn)定發(fā)展，使我國數(shù)控機床在性能和質(zhì)量上產(chǎn)生了一個質(zhì)的飛躍。
1985年，我國數(shù)控機床的品種有了新的發(fā)展。數(shù)控機床品種不斷增多，規(guī)格齊全。許多技術(shù)復(fù)雜的大型數(shù)控機床，重型數(shù)控機床都相繼研制出來。為了跟蹤國外現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，北京機床研究所研制出了JCS-FMS-1型和2型的柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng)。這個時期，我國在引進，消化國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，進行了大量開發(fā)工作。一些較高檔次的數(shù)控系統(tǒng)(5軸聯(lián)動)，分辨率為0.02um的高精度數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)字仿型數(shù)控系統(tǒng)為柔性單元配套的數(shù)控系統(tǒng)都開發(fā)出來了，并造出樣機。
我國的數(shù)控技術(shù)經(jīng)過“六五”、“七五”、“八五”、到“九五”的近20年的發(fā)展，基本上掌握了關(guān)鍵技術(shù)，建立了數(shù)控開發(fā)，生產(chǎn)基地，培養(yǎng)了一批數(shù)控人才，初步形成了自己的數(shù)控產(chǎn)業(yè)?！笆濉惫リP(guān)開發(fā)的成果：華中號、中華號、航天號和藍天號，這4種基本系統(tǒng)建立了具有中國自主版機的數(shù)控技術(shù)平臺。具有中國特色濟型數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過這些年來的發(fā)展，有了較大的提高。它們逐漸被用戶認(rèn)可，在市場上站住了腳。
目前我國數(shù)控機床生產(chǎn)廠有100多家，生產(chǎn)數(shù)控機床配套產(chǎn)品的企業(yè)有300余家，產(chǎn)品品種包括八大類2000種以上。目前已新開發(fā)出數(shù)控系統(tǒng)80余種，分為3種型級，即經(jīng)濟型、普及型和高級型。“九五”期間數(shù)控機床發(fā)展已進入實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化階段，數(shù)控機床新開發(fā)品種300余種，已有一定的覆蓋面。新開發(fā)的國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)品大部分達到期際上20世紀(jì)80年代中期水平，部分達到90年代水平，為國家重點建設(shè)提供了一批高水平數(shù)控機床。
1.3 研究內(nèi)容和設(shè)計構(gòu)成
1.3.1 研究內(nèi)容
本課題設(shè)計數(shù)控車床CK6140車床回轉(zhuǎn)式刀架系統(tǒng)，用于對回轉(zhuǎn)零件的圓柱面、圓弧面、圓錐面、端面、切槽、及各種公、英制螺紋等進行批量、高效、高精度的自動加工。該數(shù)控車床可以用于機械、汽車、航空航天等領(lǐng)域，實現(xiàn)加工自動化，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。
本次設(shè)計的主要內(nèi)容為：
1、分析確定CK6140車床刀架系統(tǒng)的整體傳動方案；
2、刀架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體方案設(shè)計；
3、零部件的校核與設(shè)計相關(guān)的計算；
4、裝配圖的設(shè)計、零件工作圖的設(shè)計；
5、本設(shè)計的優(yōu)缺點分析；
6、典型零件加工工藝及圖形交互式（CAD/CAM）或手工數(shù)控程序編制；
7、外文資料的翻譯。
1.3.2 技術(shù)參數(shù)
CK6140數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計為本次畢業(yè)設(shè)計的重點內(nèi)容，同時也是難點。通過廣泛查閱文獻資料，參觀數(shù)控車床實物樣機以及組內(nèi)學(xué)習(xí)相互討論等途徑，確定其主要技術(shù)參數(shù)如表1.1所示：
表1.1 CK6140數(shù)控車床主要技術(shù)參數(shù)
主要參數(shù)
CK6140
中心高（mm)
205
最大回轉(zhuǎn)直徑（mm）
400
刀架最大回轉(zhuǎn)直徑
210
刀架最大回轉(zhuǎn)行程
280
轉(zhuǎn)速50HZ
25-1600 12級
刀桿截面尺寸（mm）
縱向進給量（mm）
0.04-2.16mm
頂尖套內(nèi)孔錐度
Mt4
頂尖套最大移動量
130mm
橫向最大移動量
電機kw
4.5
中心距
750
主機外形
重量
1600
1.3.3 設(shè)計過程
本次設(shè)計中，設(shè)計的重點部分是CK6140數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)，通過查閱資料和親臨現(xiàn)場的觀察和總結(jié)，再加上幾個月的努力，終于可以擬定并最終做好設(shè)計。
設(shè)計途徑：1、參數(shù)修正，查閱資料和觀察實物，然后最終確定參數(shù)；
2、設(shè)計刀架結(jié)構(gòu)，擬用液壓控制系統(tǒng)來實現(xiàn)刀盤抬起和刀盤鎖緊定位， 而刀盤的分度轉(zhuǎn)位由伺服電機驅(qū)動；
3、熟悉液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，加深對數(shù)控編程的學(xué)習(xí)。
研究內(nèi)容：使用液壓缸驅(qū)動刀架的抬起和鎖緊，重點是對結(jié)構(gòu)的理解和多齒盤進行定位的把握，還有對控制的掌握，進行必要的計算，通過大量的查閱資料，進行對比挑選，爭取選出比較理想的方案，還要加重對刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
第二章 車床總體布局設(shè)計
2.1 床身的結(jié)構(gòu)布局
床身的結(jié)構(gòu)對機床的布局有很大影響。床身是機床的主要承載部件，是機床的主體，若采用不同布局，就會導(dǎo)致車床床身構(gòu)造和形狀不同。本次研究的數(shù)控車床床身采用臥式斜床身結(jié)構(gòu)。因為車床的床身是整個車床的基礎(chǔ)支承件，是車床的主體，一般用來放置導(dǎo)軌、主軸箱等重要部件。床身的結(jié)構(gòu)對車床的布局有很大的影響。按照床身導(dǎo)軌面與水平面的相對位置，床身的結(jié)構(gòu)有后斜床身-斜滑板、直立床身-直立滑板、平床身—、-平滑板、前斜床身-平滑板和平床身-斜滑板等五種，它們各自有自己的優(yōu)點和局限性，采用什么樣的床身要根據(jù)實際情況定。一般來說，中、小規(guī)格的數(shù)控車床采用斜床身和平床身斜滑板的居多。只有大型數(shù)控車床或小型精密數(shù)控車床才采用平床身平滑板結(jié)構(gòu)，而立床身結(jié)構(gòu)采用得較少。平床身工藝性好，易于加工制造，由于車床刀架水平放置，對提高刀架的運動精度有好處,，但床身下部空間小，排屑回難。平床身斜滑板結(jié)構(gòu)，再配置向上傾斜導(dǎo)軌防護罩，這樣既保持了平床身工藝性好的優(yōu)點，而且床身寬度也不會太大。斜床身和平床身斜滑板結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代數(shù)控車床中被廣泛采用，是因為這種布局有以下的優(yōu)點：
1） 易實現(xiàn)機電一體化；
2） 機床外觀整齊,美觀,占地面積??；
3） 容易設(shè)置封閉式防護裝置；
4） 容易排屑和安裝自支排屑器；
5） 從工件上切下的熾熱切屑不至于堆積在導(dǎo)軌上影響導(dǎo)軌精度；
6） 宜人性好,便于操作；
7） 便于安裝機械手，實現(xiàn)單機自動化。
機床床身的五種結(jié)構(gòu)形式圖2.1所示：
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(a) 斜床身—斜滑板 (b) 直立床身—直立滑板 (c) 平床身—平滑板
(d) 前斜床身—平滑板 (e)平床身—斜滑板
圖2.1 床身結(jié)構(gòu)示意圖
2.2 床身結(jié)構(gòu)的選擇
鑒于斜床身有前述優(yōu)點，本設(shè)計擬選用此種床身形式。而目前的斜床身按與地面相交角度，一般分為30°、45°、60°、75°等，其中30°、45°形式多為小型數(shù)控車床采用，75°形式經(jīng)常為大型數(shù)控車床采用，而60°形式則為大多數(shù)中等規(guī)格數(shù)控車床所采用。CK6140，從規(guī)格上講，應(yīng)屬于中等常用規(guī)格，故初步選擇60°斜床身形式。采用60°斜床身與35°、45°相比，占地面積小，便于排屑；與75°斜床身相比，當(dāng)采用同樣的材料、相同的筋板布置形式時，60°斜床身比75°斜床身剛度可提高25%～30%，另外，機床整體布局合理，長寬高比例適宜，因此選擇60°床身結(jié)構(gòu)是合適的。
按設(shè)計要求選擇導(dǎo)軌跨距后，因下導(dǎo)軌靠近主軸軸線，故選用下導(dǎo)軌作為導(dǎo)向和主要支承導(dǎo)軌。為降低扭轉(zhuǎn)力矩，保證加工精度，使縱向滾珠絲杠位置在上下導(dǎo)軌之間。由于本設(shè)計要求加工工件較長，故采用鑲鋼導(dǎo)軌，材料40Cr，淬火后用螺栓固定在床身上進行精密磨削加工。
總之，床身向后傾斜與地面成60°角，集合了斜床身和平床身的優(yōu)點，為機床實現(xiàn)機電一體化的合理布局創(chuàng)造了條件，形成外形美觀、結(jié)構(gòu)合理，別具一格的形式。
所謂機床布局是根據(jù)工件的工藝分類所需運動和主要技術(shù)參數(shù)而確定各部件的相對位置，并完成工件和刀具的相對運動，保證加工精度，方便操作、調(diào)整和維修。無論采用哪種布局形式，都要求外型美觀，并滿足上述要求，由于現(xiàn)代數(shù)控車床一般均采用全封閉式防護裝置。因此，機床外型的美觀性，顯得特別重要。而機床的結(jié)構(gòu)，各部件的布局形式，將直接影響外型的美觀性，可以說，機床的布局確定了，外觀造型也就基本確定了，布局必須使整機結(jié)構(gòu)緊湊，以節(jié)省占地面積和空間。
2.3 導(dǎo)軌的選擇
車床的導(dǎo)軌可分為滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌兩種。
滑動導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點。但傳統(tǒng)滑動導(dǎo)軌摩擦阻力大、磨損快、動靜摩擦系數(shù)差別大、低速時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。目前，數(shù)控車床已不采用傳統(tǒng)滑動導(dǎo)軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動導(dǎo)軌和新型塑料滑動導(dǎo)軌。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長等特點。
導(dǎo)軌剛度的大小、制造是否簡單、能否調(diào)整、摩擦損耗是否最小以及能否保持導(dǎo)軌的初始精度，在很大程度上取決于導(dǎo)軌的橫截面形狀。車床滑動導(dǎo)軌的橫截面形狀常采用山形截面和矩形截面。山形截面，如圖2.3(a)所示。這種截面導(dǎo)軌導(dǎo)向精度高，導(dǎo)軌磨損后靠自重下沉自動補償。下導(dǎo)軌用凸形有利于排污物，但不易保存油液。矩形截面，如圖2.3(b)所示。這種截面導(dǎo)軌制造維修方便，承載能力大，新導(dǎo)軌導(dǎo)向精度高，但磨損后不能自動補償，需用鑲條調(diào)節(jié)，影響導(dǎo)向精度。
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a) 山形截面 b) 矩形截面
圖2.3 導(dǎo)軌截面
滾動導(dǎo)軌的優(yōu)點是摩擦系數(shù)小，動、靜摩擦系數(shù)很接近，不會產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，可以使用油脂潤滑。數(shù)控車床導(dǎo)軌的行程一般較長，因此滾動體必須循環(huán)。根據(jù)滾動體的不同，滾動導(dǎo)軌可分為滾珠直線導(dǎo)軌和滾柱直線導(dǎo)軌，如圖2.4所示。后者的承載能力和剛度都比前者高，但摩擦系數(shù)略大。
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a) 滾珠直線導(dǎo)軌 b) 滾柱直線導(dǎo)軌
圖2.4 滾動導(dǎo)軌
2.4 刀架的選擇
數(shù)控車床的刀架采用回轉(zhuǎn)刀架，如圖2.5所示?；剞D(zhuǎn)刀架的換刀分為刀盤抬起、刀架鎖緊和刀盤轉(zhuǎn)位三個動作。其中刀盤抬起和刀架鎖緊由液壓控制來實現(xiàn)，而刀盤轉(zhuǎn)位則由伺服電機來驅(qū)動。刀盤抬起動作的實現(xiàn)須經(jīng)以下步驟：數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀盤抬起命令液壓系統(tǒng)啟動壓力油進入液壓缸右腔活塞向左運動刀架主軸向左移動端齒盤脫離嚙合刀盤抬起。刀盤轉(zhuǎn)位動作的實現(xiàn)順經(jīng)以下步驟：數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀盤轉(zhuǎn)位的命令伺服電機啟動蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動刀架主軸轉(zhuǎn)動實現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)位。刀盤鎖緊動作的實現(xiàn)順經(jīng)以下的步驟： 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出刀盤鎖緊命令液壓系統(tǒng)啟動壓力油進入液壓缸左腔活塞向右運動刀架主軸向右移動端齒盤嚙合實現(xiàn)刀盤鎖緊。
圖2.5 回轉(zhuǎn)刀架示意圖
2.5 主軸變速系統(tǒng)
經(jīng)濟型數(shù)控車床大多數(shù)是不能自動變速的，需要變速時，只能把機床停止，然后手動變速。而全功能數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)大多采用無級變速。目前，無級變速系統(tǒng)主要有變頻主軸系統(tǒng)和伺服主軸系統(tǒng)兩種，一般采用直流或交流主軸電機，通過帶傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)，或通過帶傳動和主軸箱內(nèi)的減速齒輪(以獲得更大的轉(zhuǎn)矩)帶動主軸旋轉(zhuǎn)。由于主軸電機調(diào)速范圍廣，又可無級調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡化。主軸電機在額定轉(zhuǎn)速時可輸出全部功率和最大轉(zhuǎn)矩。
2.6 進給傳動系統(tǒng)
數(shù)控車床的進給傳動系統(tǒng)一般均采用進給伺服系統(tǒng)。這也是數(shù)控車床區(qū)別于普通車床的一個特殊部分。
數(shù)控車床的伺服系統(tǒng)一般由驅(qū)動控制單元、驅(qū)動元件、機械傳動部件、執(zhí)行件和檢測反饋環(huán)節(jié)等組成。驅(qū)動控制單元和驅(qū)動元件組成伺服驅(qū)動系統(tǒng)。機械傳動部件和執(zhí)行元件組成機械傳動系統(tǒng)。檢測元件與反饋電路組成檢測系統(tǒng)。
進給伺服系統(tǒng)按其控制方式不同可分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)控制方式通常是具有位置反饋的伺服系統(tǒng)。根據(jù)位置檢測裝置所在位置的不同，閉環(huán)系統(tǒng)又分為半閉環(huán)系統(tǒng)和全閉環(huán)系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)具有將位置檢測裝置裝在絲杠端頭和裝在電機軸端兩種類型。前者把絲杠包括在位置環(huán)內(nèi)，后者則完全置機械傳動部件于位置環(huán)之外。全閉環(huán)系統(tǒng)的位置檢測裝置安裝在工作臺上，機械傳動部件整個被包括在位置環(huán)之內(nèi)。
開環(huán)系統(tǒng)的定位精度比閉環(huán)系統(tǒng)低，但它結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、造價低廉。由于影響定位精度的機械傳動裝置的磨損、慣性及間隙的存在，故開環(huán)系統(tǒng)的精度和快速性較差。
全閉環(huán)系統(tǒng)控制精度高、快速性能好，但由于機械傳動部件在控制環(huán)內(nèi)，所以系統(tǒng)的動態(tài)性能不僅取決于驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而且還與機械傳動部件的剛度、阻尼特性、慣性、間隙和磨損等因素有很大關(guān)系，故必須對機電部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行綜合考慮才能滿足系統(tǒng)的要求。因此全閉環(huán)系統(tǒng)對機床的要求比較高，且造價也較昂貴。閉環(huán)系統(tǒng)中采用的位置檢測裝置有：脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。數(shù)控車床的進給伺服系統(tǒng)中常用的驅(qū)動裝置是伺服電機。伺服電機有直流伺服電機和交流伺服電機之分。交流伺服電機由于具有可靠性高、基本上不需要維護和造價低等特點而被廣泛采用。
第三章 車床刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算
3.1 車床刀架的功能、類型和應(yīng)滿足的要求
3.1.1 車床刀架的功能
機床上的刀架是安放刀具的重要部件，許多刀架還直接參與切削工作，如臥式車床上的四方刀架，轉(zhuǎn)塔車床的轉(zhuǎn)塔刀架，回輪式轉(zhuǎn)塔車床的回輪刀架，自動車床的轉(zhuǎn)塔刀架和天平刀架等。這些刀架既安放刀具，而且還直接參與切削，承受極大的切削力作用，所以它往往成為工藝系統(tǒng)中的較薄弱環(huán)節(jié)。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，機床的刀架也有了許多變化，特別是數(shù)控車床上采用電(液)換位的自動刀架，有的還使用兩個回轉(zhuǎn)刀盤。加工中心則進一步采用了刀庫和換刀機械手，定現(xiàn)了大容量存儲刀具和自動交換刀具的功能，這種刀庫安放刀具的數(shù)量從幾十把到上百把，自動交換刀具的時間從十幾秒減少到幾秒甚至零點幾秒。這種刀庫和換刀機械手組成的自動換刀裝置，就成為加工中心的主要特征。
3.1.2 機床刀架和自動換刀裝置的類型
機床刀架的類型，按照安裝刀具的數(shù)目，可分為單刀架和多刀架，例如自動車床上的前、后刀架和天平刀架；按結(jié)構(gòu)形式可分為方刀架、轉(zhuǎn)塔刀架、回輪式刀架等；按驅(qū)動刀架轉(zhuǎn)位的動力可分為手動轉(zhuǎn)位刀架和自動（電動和液動）轉(zhuǎn)位刀架。
自動換刀裝置的刀庫和換刀機械手，驅(qū)動都是采用電氣或液壓自動實現(xiàn)的。目前自動換刀裝置主要用在加工中心和車削中心上，但在數(shù)控磨床上自動更換砂輪，電加工機床上自動更換電極，以及數(shù)控沖床上自動更換模具等的應(yīng)用也日漸增多。
數(shù)控車床的自動換刀裝置主要采用回轉(zhuǎn)刀盤，刀盤上安裝8～12把刀。有的數(shù)控車床采用兩個刀盤，實行四坐標(biāo)控制，少數(shù)數(shù)控車床也具有刀庫形式的自動換刀裝置。圖3.1a是一個刀架上的回轉(zhuǎn)盤，刀具與主軸中心平行安裝，回轉(zhuǎn)刀盤既有回轉(zhuǎn)運動又有縱向進給運動（S縱）和橫向進給運動（S橫）。圖3.1b為刀盤中心線相對于主軸中心線傾斜的回轉(zhuǎn)刀盤，刀盤上有6～8個刀位可安裝兩把刀具，分別加工外圓和內(nèi)孔。圖3.1c所示為裝有兩個刀盤的數(shù)控車床，刀盤1的回轉(zhuǎn)中心與主軸中心線平行，用于加工外圓；刀盤2的回轉(zhuǎn)中心線與主軸中心線垂直，用以加工內(nèi)表面。圖3.1d是帶刀庫的數(shù)控車床，刀庫可以式回轉(zhuǎn)式或鏈?zhǔn)?，通過機械手交換刀具。圖3.1e是帶鼓輪式刀庫的車削中心，圖中3為回轉(zhuǎn)刀盤，上面裝有多把刀具，4是鼓輪式刀庫，其上可裝6～8把刀，5是機械手交換刀具，可將刀庫中的刀具換刀刀具轉(zhuǎn)軸6上去，6可由電動機驅(qū)動回轉(zhuǎn)進行銑削加工，7為回轉(zhuǎn)頭，可交換采用回轉(zhuǎn)刀盤3和刀具轉(zhuǎn)軸6，輪翻進行加工。
圖3.1 數(shù)控車床上的自動換刀裝置
3.1.3 機床刀架應(yīng)滿足的要求
(1) 滿足工藝過程所提出的要求。機床依靠刀具和工件間相對運動形成工件表面，而工件的表面形狀和表面位置的不同，要求刀架能夠布置足夠多的刀具，而且能夠方便而正確地加工各工件表面， 為了實現(xiàn)在工件的一次安裝中完成多工序加工，所以要求刀架可以方便地轉(zhuǎn)位。
(2) 在刀架以要能牢固地安裝刀具，在刀架上安裝刀具進還應(yīng)能精確地調(diào)整刀具的位置，采用自動交換刀具時，應(yīng)能保證刀具交換前后都能處于正確位置。以保證刀具和工件間準(zhǔn)確的相對位置。刀架的運動精度將直接反映到加工工件的幾何形狀精度和表面粗糙度上，為此，刀架的運動軌跡必須準(zhǔn)確，運動應(yīng)平穩(wěn)，刀架運轉(zhuǎn)的終點到位應(yīng)準(zhǔn)確。面且這種精度保持性要好，以便長期保持刀具的正確位置。
(3) 刀架應(yīng)具有足夠的剛度。由于刀具的類型、尺寸各異，重量相差很大，刀具在自動轉(zhuǎn)換過程中方向變換較復(fù)雜，而且有些刀架還直接承受切削力?？紤]到采用新型刀具材料和先進的切削用量，所以刀架必須具有足夠的剛度，以使切削過程和換刀過程平穩(wěn)。
(4) 可靠性高。由于刀架在機床工作過程中，使用次數(shù)很多，而且使用頻率也高，所以必須充分重視它的可靠性。
(5) 刀架是為了提高機床自動化而出現(xiàn)的，因而它的換刀時間應(yīng)盡可能縮短，以利于提高生產(chǎn)率。目前自動換刀裝置的換刀時間在0.8—6秒之間不等。而且還在進一步縮短。
(6) 操作方便和安全。刀架是工人經(jīng)常操作的機床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是評價刀架設(shè)計好壞的指標(biāo)。刀架上應(yīng)便于工人裝刀和調(diào)刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作調(diào)整刀架的手柄（或手輪）要省力，應(yīng)盡量設(shè)置在便于操作的地方。
3.2 車床刀架總體方案設(shè)計與選擇
3.2.1 刀架的整體方案設(shè)計
刀架是車床的重要組成部分，用于夾持切削用的刀具，因此其結(jié)構(gòu)直接影響到車床的切削性能和切削效率。根據(jù)前部分對機床刀架類型、性能及其使用場合的綜合比較，并結(jié)合現(xiàn)有數(shù)控車床的實例，本次設(shè)計的數(shù)控車床CK6140擬采用回轉(zhuǎn)刀架中的六工位六方刀架。該刀架的換刀動作分為刀盤抬起、刀盤分度轉(zhuǎn)位和刀盤鎖緊三個步驟，其中刀盤抬起和刀盤鎖緊定位由液壓控制來實現(xiàn)，而刀盤的分度轉(zhuǎn)位由伺服電機驅(qū)動。
3.2.2 刀架的轉(zhuǎn)位機構(gòu)方案設(shè)計
一般來說，機床刀架的轉(zhuǎn)位機構(gòu)主要有以下幾種：
(1) 液壓（或氣動）驅(qū)動的活塞齒條齒輪轉(zhuǎn)位機構(gòu)
這種由液動機驅(qū)動的轉(zhuǎn)位機構(gòu)調(diào)速范圍大、緩沖制動容易，轉(zhuǎn)位速度可調(diào)，運動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)尺寸較小，制造容易，因而應(yīng)用較廣泛。而轉(zhuǎn)位角度大小可由活塞桿上的限位檔塊來調(diào)整。也有采用氣動的，氣動的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，速度可調(diào)，但運動不平穩(wěn)，有沖擊，結(jié)構(gòu)尺寸大，驅(qū)動力小。故一般多用于非金屬切削的自動化機械和自動線的轉(zhuǎn)位機構(gòu)中。
(2) 圓柱凸輪步進式轉(zhuǎn)位機構(gòu)
這種轉(zhuǎn)位機構(gòu)依靠凸輪輪廓強制刀架作轉(zhuǎn)位運動，運動規(guī)律完全取決于凸輪輪廓形狀。圓柱凸輪是在圓周面上加工出一條兩端有頭的凸起輪廓，從動回轉(zhuǎn)盤（相當(dāng)于刀架體）端面有多個柱銷，銷子數(shù)量與工位數(shù)相等。當(dāng)圓柱凸輪按固定的旋轉(zhuǎn)方向運動時，有的柱銷會進入凸輪輪廓的曲線段，使凸輪開始驅(qū)動回轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)位，與此同時有的圓柱銷會與凸輪輪廓脫離，當(dāng)柱銷接觸的凸輪輪廓由曲線段過渡到直線段時，即使凸輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)盤也不會轉(zhuǎn)動，即完成了一次刀盤分度轉(zhuǎn)位動作。如此反復(fù)下去，就能實現(xiàn)多次的刀架換刀操作。由于凸輪是一個兩端開口的非閉合曲線輪廓，所以當(dāng)凸輪正反轉(zhuǎn)進均可帶動刀盤正反兩個方向的旋轉(zhuǎn)。這種轉(zhuǎn)位機構(gòu)轉(zhuǎn)位速度高、精度較低，運動特性可以自由設(shè)計選取但制造較困難、成本較高、結(jié)構(gòu)尺寸較大。這種轉(zhuǎn)位機構(gòu)可以通過控制系統(tǒng)中的邏輯電路或PC程序來自動選擇回轉(zhuǎn)方向，以縮短轉(zhuǎn)位輔助時間。
(3) 伺服電機驅(qū)動的刀架轉(zhuǎn)位
隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，可以采用直流（或交流）伺服電機驅(qū)動蝸桿、蝸輪（消除間隙）實現(xiàn)刀架轉(zhuǎn)位，轉(zhuǎn)位的速度和角位移均可通過半閉環(huán)反饋進行精確控制加以實現(xiàn)。因而這種轉(zhuǎn)位機構(gòu)轉(zhuǎn)位速度可以進行精確控制、精度高，結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)容易。所以在現(xiàn)代數(shù)控機床中被廣泛采用。
結(jié)合上述三種轉(zhuǎn)位機構(gòu)的轉(zhuǎn)位機理和特點，并結(jié)合實際情況，本次設(shè)計的數(shù)控車床CK6140決定采用第三種轉(zhuǎn)位機構(gòu)---伺服電機驅(qū)動的刀架轉(zhuǎn)位。
3.2.3 刀架定位機構(gòu)方案設(shè)計
目前在刀架的定位機構(gòu)中多采用錐銷定位和端面齒盤定位。因為圓柱銷和斜面銷定位時容易出現(xiàn)間隙，而圓錐銷定位精度較高，它進入定位孔時一般靠彈簧力或液壓、氣動，即使磨損后仍可以消除間隙，以獲得較高的定位精度。端齒盤定位由兩個齒形相同的端面齒盤相嚙合而成，由于嚙合時各個齒的誤差相互抵消，起著誤差均化的作用，定位精度高。
端齒盤定位的特點：
（1）定位精度高。由于端齒盤定位齒數(shù)多，且沿圓周均布，向心多齒結(jié)構(gòu)，經(jīng)過研齒的齒盤其分度精度一般可達左右，最高可達以內(nèi)。一對齒盤嚙合時具有自動定心作用，所以中心軸的回轉(zhuǎn)精度、間隙及磨損對定心精度幾乎沒有影響，對中心軸的精度要求低，裝配容易。
（2）重復(fù)定位精度好。由于多齒嚙合相當(dāng)于上下齒盤齒的反復(fù)磨合對研，越磨合精度越高，重復(fù)定位精度也越好。
（3）定位剛性好，承載能力大。兩齒盤多齒嚙合。由于齒盤齒部強度高，并且一般齒數(shù)嚙合率不少于90%，齒面嚙合長度不少于60%，故定位剛性好，承載能力大。
考慮到端面齒盤具有以上的各種優(yōu)點，因而本次設(shè)計的刀架采用端面齒盤定位。
3.3 車床刀架的工作原理
下圖所示為回轉(zhuǎn)刀架的結(jié)構(gòu)圖，刀架的松開和夾緊以及刀盤的分度轉(zhuǎn)位分別由液壓系統(tǒng)和直流伺服電機來實現(xiàn)。7為安裝刀具的刀盤，它與主軸3固定連接，當(dāng)?shù)都苤鬏S3帶動刀盤7旋轉(zhuǎn)時，其上的端齒盤5和固定在刀盤上的端齒盤6脫開，旋轉(zhuǎn)指定刀位后，刀盤的定位由端齒盤的嚙合來完成?；钊?支承在一對推力球軸承上，它們可以通過推力球軸承帶動刀架主軸來移動。當(dāng)車床數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，刀架上的液壓缸右腔通入壓力油，活塞1及軸3在壓力油推動下向左移動，通過刀架主軸使端齒盤5和6脫開嚙合，實現(xiàn)刀盤抬起動作。隨后伺服電機啟動，帶動蝸桿4和蝸輪2轉(zhuǎn)動，經(jīng)刀架主軸3帶動刀架的刀盤旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)刀架換刀動作，轉(zhuǎn)位的速度和角位移均通過半閉環(huán)反饋系統(tǒng)進行精確控制。當(dāng)?shù)侗P旋轉(zhuǎn)到指定的刀位后，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出信號，指令伺服電機停轉(zhuǎn)，這時，壓力油進入液壓缸的左腔，推動活塞1和刀架主軸3向右移動，使端齒盤5和6重新嚙合，實現(xiàn)刀盤鎖動作。刀盤被定位夾緊并向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出信號，于是刀架的轉(zhuǎn)位、換刀循環(huán)完成。在車床自動工作狀態(tài)下，當(dāng)指定換刀的刀號后，數(shù)控系統(tǒng)可以通過內(nèi)部的運算判斷，實行刀盤就近轉(zhuǎn)位換刀，即刀盤既可正轉(zhuǎn)也可以反轉(zhuǎn)。但當(dāng)手動操作車床時，從刀盤方向觀察，只允許刀盤順時針轉(zhuǎn)動換刀。
1-活塞 2-蝸輪 3-主軸 4-蝸桿 5-右端齒盤 6-左端齒盤 7-刀盤
圖3.2 數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架結(jié)構(gòu)圖
3.4 刀架的設(shè)計計算
3.4.1 驅(qū)動刀架的伺服電機的選擇計算
刀架驅(qū)動電動機的選擇應(yīng)同時滿足刀架運轉(zhuǎn)的負(fù)載扭矩和起動時的加速扭矩
的要求。
(1) 刀架負(fù)載扭矩的計算
回轉(zhuǎn)刀架負(fù)載扭矩估算方法如下：由于這種刀架的負(fù)載扭矩主要用來克服刀具質(zhì)量的不平衡，估算按如下的情況進行：用平均重力的刀具插滿刀盤的半個圓，根據(jù)工藝要求所需的各種刀具，確定每個刀具的（包括刀柄）平均重力，而其重心則設(shè)定為離刀架回轉(zhuǎn)中心2/3半徑處。由以上的方法可知，由于該數(shù)控車床采用的是伺服電機驅(qū)動轉(zhuǎn)為的六工位回轉(zhuǎn)刀架，因而插滿刀盤的半個圓需要3把刀具。設(shè)工藝要求所需的每個刀具的平均重力；刀盤的回轉(zhuǎn)中心直徑。
則有 （3.1）
(2) 刀架加速扭矩的計算
（3.2）
式中 ——刀架換刀時的電動機轉(zhuǎn)速(r/min)；
——加速時間，通常取150；
——電動機轉(zhuǎn)子慣量()，可查樣本；
——負(fù)載慣量折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量()。
則有
(3) 負(fù)載慣量折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量的計算
（3.3）
式中 ---各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量()；
---各旋轉(zhuǎn)件的角速度()；
---各直線運動件的質(zhì)量()；
---各直線運動件的速度()；
---伺服電機的角速度()。
(4) 各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量的估算
由刀架的結(jié)構(gòu)簡圖可知，刀架在完成換刀動作時，伺服電機帶動其旋轉(zhuǎn)的部件共3個,它們分別是蝸輪蝸桿副、刀架主軸和刀盤。因而只需估算這三者的傳動慣量即可。
1) 刀盤轉(zhuǎn)動慣量的計算
刀盤采用煙臺環(huán)球公司生產(chǎn)的AK31系列數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架的配套產(chǎn)品，其主要尺寸如下：刀盤外徑；刀盤刀架主軸相連的孔徑；刀盤寬。
則刀盤的轉(zhuǎn)動慣量 (3.4)
=
2) 刀架主軸轉(zhuǎn)動慣量的計算
刀架主軸的轉(zhuǎn)動慣量按如下的方法估算：
刀架主軸的最大直徑；最小直徑；刀架主軸長度取。
則刀架主軸的轉(zhuǎn)動慣量 (3.5)
=
3) 蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動慣量的計算
蝸輪蝸桿的轉(zhuǎn)動慣量的估算方法如下：
設(shè)蝸輪的分度圓直徑；其與刀架主軸相連的孔徑；蝸輪齒寬。
則蝸輪的轉(zhuǎn)動慣量 (3.6)
=
設(shè)蝸桿的分度圓直徑；蝸桿長。
則蝸桿的轉(zhuǎn)動慣量 (3.7)
=
4) 連軸器轉(zhuǎn)動慣量的計算
由于連軸器已標(biāo)準(zhǔn)化，查表取連軸器的轉(zhuǎn)動慣量。
5) 對各旋轉(zhuǎn)件的角速度作如下設(shè)定：
伺服電機的角速度 ；
蝸桿的角速度 ；
蝸輪的角速度 ；
刀架主軸的角速 ；
刀盤轉(zhuǎn)位時的角速度 。
則將以上計算所得的數(shù)據(jù)代入下式： 得負(fù)載慣量折算到電動機軸上的慣量
(3.8)
=
取；刀架換刀時伺服電機的轉(zhuǎn)速；伺服電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量。
則刀架加速扭矩 (3.9)
=0.32
6) 驅(qū)動電動機輸出轉(zhuǎn)矩的計算
驅(qū)動電動機的輸出扭矩應(yīng)同時滿足刀架負(fù)載扭矩和加速扭矩之和，將以上計算的刀架負(fù)載扭矩和加速扭矩?fù)Q為驅(qū)動電動機軸上的輸出扭矩的公式為：
（3.10）
式中 ----傳動效率 取0.75。
則有 （3.11）
考慮到實際情況比計算時所設(shè)定條件復(fù)雜，電動機額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)為的倍。
所以取 （3.12）
經(jīng)查閱西門子電機手冊，擬選用西門子1FT6交流伺服電動機。該電機的額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，額定輸出轉(zhuǎn)矩為5N.m，額定功率為0.4kW。
3.4.2 蝸輪蝸桿的設(shè)計計算
1、各參數(shù)的取定
本刀架的轉(zhuǎn)位機構(gòu)是采用直流伺服電機驅(qū)動蝸桿、蝸輪（消除間隙）實現(xiàn)刀架的轉(zhuǎn)位，其中蝸輪蝸桿副的傳動比取60，伺服電機的轉(zhuǎn)速取1400；刀架的轉(zhuǎn)位速度設(shè)計為，由于刀盤為六工位刀盤，則該刀架換一次刀的最大耗時不到。
2、 蝸輪蝸桿副的設(shè)計計算
設(shè)計的普通圓柱蝸桿傳動的功率為，蝸桿的轉(zhuǎn)速為，傳