高春雨开题报告-单电机驱动的轴向砖塔动力刀架

1、开题报告单电机驱动的轴径向动力转塔刀架结构设计开题报告 班级：机0802班 学号：2008010038 姓名：高春雨 指导教师：王科社1、 综述 1、研究的意义 数控机床伴随着电子技术和自动化技术的发展，正朝着高精度、高效率的方向发展，出现了适应纳米级加工的数控系统，而刀塔的稳定性直接影响机床的使用。以往，由于刀塔的误转位、重复定位不好等故障给实际应用带来了很多麻烦1。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。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

2、机发展的瓶颈因素之一2。 目前，在世界机床制造和机械加工领域，复合加工技术是处于领先地位的技术。所谓复合加工技术，即是在一台设备上完成车、铣、钻、攻丝、铰孔、扩孔等多种加工要求。其主要优点是能够减少加工时间，减少辅助时间，以提高生产率，车铣复合加工就是这一技术的典型代表。实现车铣复合加工，有许多可行方案，而卧式车床床身搭载转塔动力刀架就是其多种方案中应用最广泛的一个。其中，数控转塔刀架是实现复合加工的核心功能部件，不仅可以像普通刀架装配多把普通车刀，并且能够同时提供动力驱动动力刀具，完成铣、钻、攻丝、铰孔等加工3。 图一 转塔刀架三维图车铣复合加工中心从设计概念上解决了以下几个问题: 缩减物流

3、长度; 减少基准转换; 减少工装夹具数量; 减少占地面积; 缩短新产品试验周期1。在保证加工质量的基础上，提高生产率、提高自动化程度是当今世界制造业发展的大趋势。因此，设计一种重复定位精度高，故障率低的转塔刀架具有现实意义4。2、研究的现状数控转塔刀架的工作质量直接影响到数控机床尤其是加工中心的质量。数控转塔刀架的工作质量主要表现在换刀时间和故障率。加工中心的故障率有50% 以上与自动换刀装置有关, 自动换刀装置的投资常常占整台机床的30% - - 50%。为了相应降低整机的价格, 应在满足使用条件的前提下, 尽量选择结构简单和可靠性高的自动换刀装置 5 数控车床的自动换刀装置即刀架是机床的重

4、要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，因此其机构直接影响机床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平。随着数控车床的不断发展，刀架结构形式也在不断翻新。自1958年首次研制成功数控加工中心自动换刀装置以来，自动换到装置的机械结构和控制方式的不断得到改进和完善。自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，他的形式多种多样6。国内外数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。主要用于简易数控车床：卧式刀架有八、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。另外卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。电动刀架是数控车床重要的传统结构，合理的选配电动刀架，

5、并正确实施控制，能有效的提高劳动生产率，缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与加工精度的一致性等等9。另外，加工工艺适应性和连续性稳定的工作能力也明显提高，尤其是在加工几何形状较复杂的零件时，除了控制系统能提供相应的控制指令外，很重要的一点是数控车床需要配备易于控制的电力刀架，以便一次装卡所需的各种刀具，灵活、方便地完成各种几何形状的加工7。对于一般的数控车床刀架设计的基本要求是转位准确可靠，工作平稳安全；转位时间短；转位以后重复定位精度高；防水防屑，密封性能优良；夹紧刚性高，适宜重负荷切削。现有的数控刀架有数控转塔式（立式和卧式）和直排式刀架8。3、已有成果主机技术向高速、复合方向发

6、展，从而使数控刀架技术也向高速、复合方向发展。主要表现在：高速化：开放式伺服电机及驱动技术的发展，使伺服电机驱动刀架技术发展成为现实。伺服电机代替了预定位装置、发信装置，简化了刀架结构，松开、刹紧采用液压。伺服刀架提高了转位换刀速度。复合化：车削中心的出现，使刀架技术向复合化高层次发展。带铣削功能的动力刀架，一般采用普通刀架外加伺服主轴电机驱动动力刀具，刀盘采用VDI刀盘， 钻铣主轴最高转速可达12000rmin，功率22kW。近几年出现与B轴、I，轴联动带铣削头刀架，从而使机床达到难实现商品化。从而是机床达到五轴联动。作为数控刀架国内较高技术水平的专业生产厂，烟台环球机床附件集团有限公司及时

7、跟踪国外最新技术发展动态，成功展出了AK36100x12高速换刀伺服刀架其特点是以伺服电机进行分度，液压控制松开，刹紧三联齿盘定位，可双向回转和任意任意刀位就近选刀，适应与各种数控系统连接，转位时间可调，30度转位时间0.15s中心高100mm，重复定位精度2''伺服电机功率500w。和采用模块设计带铣削功能AK3380x8L动力刀架，特点是分为换刀模块和伺服主轴电机驱动动力两个模块。动力刀最高转速为3000r/min输出扭矩6n.m，中心高80mm，重复定位精度2''，可实现双向旋转就近选刀9。总之，数控技术给机械制造业带来了革命性的变化。数控技术集成了传统的

8、机械制造技术,计算机技术,成组技术与现代控制技术,传感检测技术 ,信息处理技术,网络通讯技术,液压气动技术,光机电技术于一体,是现代先进制造技术的基础和核心10。二、研究内容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。国内数控车床转塔刀架的设计和生产都是依赖先进国家，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，

9、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。作为毕业设计对转塔刀架的设计与研究，要求同学设计紧跟世界转塔刀架的先进水平，在了解各种先进转塔刀架的基础上，设计出单电机驱动的径向动力转塔刀架结构。 图二 刀架俯视 图主视图数控车床用转塔刀架的发展方向具体表现在: (1) 刀架转位时间最短, 且转位准确。(2) 刀架定位精度高、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, 转塔刀架在结构上必须有良好的强度和刚性,以及合理的定位结构, 以保证转塔刀架在每一次转位之后,

10、 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。3、 实现方法及预期目标 1、 数控刀架基本结构：（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

11、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。（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）

12、 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。2、 方案基本要求表一 方案要求 中心高（mm）工位数（个）最大转动惯量(kg.m2 )30°转位并刹紧时间(s)转位时间(s)180°转位并刹紧时间(s)最大不平衡负重力(N.m)分度频数(n.h-1)1251210.80.272.

13、560750最大负载质量(kg)定位分度精度重复定位精度动力刀具转速伺服电机扭矩(N.m)匹配电机功率(kW)可正、反向旋转，就近选刀采用端齿盘来进行精确定位160±6”±2”4000r/min23.53.73、设计思路转塔动力刀架要求动作平稳，转位准确，回转分度误差 ± 3，刀架能根据需要自动转位，并在转位后提供动力驱动主轴转动。根据这些情况设计十二工位转塔动力刀架，安装在组合机床及普通车床上使用。(1)抬起机构抬起机构由一个非标件的油缸来完成上刀架的抬起和下降动作。油缸进油时，液压油压力使得上刀架随同油缸抬起; 接到转位结束的信号后，卸去油压，在碟形弹簧的压力

14、和自重的作用下，上刀架下降。(2) 转位机构上刀架的转位依靠一非标件的60°扇形油缸完成。油缸的一端进油推动扇形活塞摆动，带动中间轴、抬起缸活塞、上刀架完成60°旋转，回转分度误差 ±3。(3) 夹紧机构上刀架靠碟形弹簧的预紧力和自重分力作用在上刀架和下刀架的结合锥面上，形成夹紧力。(4)行程限位机构行程限位机构给动力刀架提供下一个动作信号，使其按照既定的动作流程做出反应(5)液压系统两个油缸和相应的阀组成了动力刀架的液压系统，提供抬起和转位的动力。(6)密封系统保证液压油的压力，并防止外界污染物进入。由这6 个部分和电动机及传动件组成的转塔动力刀架( 图1) ，

15、完成抬起、转位、落下、夹紧四个转位换刀动作和加工。其动作流程图如图2。结构中有两个设计难点，即刀架的定位、主轴头齿轮与传动轴齿轮的脱离及啮合，关键部位的设计说明如下： 图三 转塔刀架运动图 图四 转塔刀架动作流程图(7)定位装置设计 根据转塔刀架加工特点，采取粗定位与精确定位两个阶段来达到回转分度误差 ± 3的要求。初定位阶段在上刀架抬起开始，外置传感器控制下刀架旋转缸进油推动扇形活塞旋转，并带动上刀架旋转30°，这一阶段起到大致定位的作用。精确定位阶段是在上刀架落下后与下刀架间齿盘啮合，从而实现精确定位要求。传感器定位由于机械式的行程开关的灵敏度较差，且大部分是接触式的行

16、程开关，长时间使用，会因为摩擦损耗而使其失灵。采用传感器可避免上述问题，由于是粗定位阶段，对传感器的定位精度也不需要很高，只要保证从动齿轮脱离啮合并滑出导向齿轮即可。齿盘定位目前在动力刀架中使用的定位方式有圆销定位、齿盘定位、钢珠定位、反靠定位等等。现就应用较为普遍的圆销定位方式和齿盘定位方式作一个对比。方案一圆销定位结构简单，经济性较好，但分度、定位精度不高，取决于加工和安装精度，且对圆销和弧槽耐磨性要求较高，加工难度大。方案二端面齿盘定位结构具有分度准确、重复定位精度高、能自动定心、无角位移空程、齿面磨损对定位精度基本不影响、承载能力强、定位刚性好、使用寿命长等其他分度定位装置不具备的独特

17、优点。但这种结构的缺点是经济性不高，加工难度较大，且没有自锁功能。方案三锥面齿盘定位( 如图3) 是方案二的改进，即将平面的齿盘改成锥面形式，从而具了自锁功能，这一点对于需要45°放置的结构来说尤为重要。上述三种方案，最终选择方案三。应注意，所选方案中锥面齿盘是以齿圈形式用定位销和螺钉镶嵌在上刀架1 和下刀架3 上的。但由于上下齿盘只作定位不传递动力，因此不考虑它的齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度，只需保证分度精度和齿面的耐磨性。齿盘的分度精度靠自身参数确定。为避免齿盘啮合时碰齿，选齿盘法向齿形角 =30°的鼠牙齿形。4、主轴头与传动轴齿轮传动的设计此设计中的主轴头与传动

18、轴间的齿轮传动不同于其它装置，它有两种状态: 加工时，处于啮合状态； 换刀时，处于脱离啮合状态。这就对结构的设计要求很高。5、其它结构设计说明液压油缸的设计结构中有两处用到油缸，一是抬起缸，二是摆动缸。抬起缸的作用是利用液压力将上刀架抬起，脱离传动齿轮 和齿盘的啮合，为转动做准备。此处油缸要求活塞不作轴向移动，在充油时，油缸带动上刀架及上刀架部件沿中间轴抬起，抬起油缸合用进、出油孔，在油缸抬起时，液压油需要克服上体及上体部件的自重分力和碟形弹簧的压力。摆动缸作用为利用油缸的一端油孔进油推动扇形活塞摆动，带动中间轴、抬起缸活塞、上刀架完成30°旋转。电动机及传动链选择动力刀架主要用于加

19、工小孔，所要求的转速不宜过高及过低，为使结构紧凑，没有设置中间减速环节11。按照工作要求和工作条件，选择较低转速的Y 系列三相异步电动机。带传动通常有四种选择: 平带柔性好，但摩擦力较小，传递的功率小; V 带摩擦力大，但柔性较差，在使用多根时，难以保证长短一致，而使各根受力不均; 同步齿形带则使用在传动比要求严格，中心距及其尺寸稳定性要求较高的场合，用在此处经济性不高; 多楔带传动兼有平带柔性好和V 带摩擦力大的优点，并解决了多根V 带受力不均的问题。鉴于以上分析，结合动力刀架要求传递功率较大和结构紧凑的使用环境，最终选用多楔带传动。四、对进度的具体安排单电机驱动的径向动力转塔刀架结构设计的

20、设计工作原理图， 单电机驱动的径向动力转塔刀架结构设计的装配图，零件图和动画演示等； (以上图量不小于3A0)；保证精度要求的加工与装配工艺设计，设计说明书约两万字；外文翻译不小于5千汉字；写一篇论文，题目自定；调研报告（2000字左右）；文献综述报告（40008000字）（参考文献15篇（包括至少2篇外文资料）以上）；开题报告。表二计划任务书周次计 划 完 成 工 作51 根据做开题报告时老师提出的修改意见，对设计方案进行修改完善；2 设备的运动学设计：根据确定的结构方案，确定原动件的参数（功率、转速、线速度等），通过运动学计算，确定各运动构件的运动参数（转速，速度，加速度等）。3 机器的动力学计算：结合各部分的结构和运动参数，计算各主要零件各齿轮，带，传动轴所受的载荷的大小及特性。4 刀塔的机构设计，运动和运动关系设计，关键零件齿轮，带，传动轴的强度校核。61 齿轮，轴的工作能力设计；2 传动部件装配草图的设计。3 刀塔装置总装配草图的设计。71 刀塔机构的设计，运动和运动关系设计，关键零件的强度校核。84 齿轮，轴，轴承零件的工作能力设计；5 传动部件装配草图的设计。1 刀塔机构总装配草图的设计。91 装配图设计。101 编写设计说明书的提纲；毕业设计小论文的构思与选题，拟定初步题纲；2 整理前期的设计工作，接受学校与