数控车床刀架设计

1、毕业设计题目_ 数控车床刀架设计_学院_ 机械工程学院_专业_ 机械工程及自动化_班级_机升0901_学生_ 崔淋淋_学号 _20090404005_指导教师 _ 宋强_年五月三十一日济南大学毕业设计-1-丄、八1 前言11 选题背景与意义最近二、三十年以来，我国在引进、消化国外技术的基础上，对数控机床进行了 大量的研究。20世纪90年代，我国数控机床的种类有了新的发展，并且进行了许多 技术复杂的大型数控机床的开发工作。很多高档的数控系统，分辨率为0.02ym的高精度数控系统，数字仿形数控系统等与柔性单元相配套的数控系统都已开发出来了， 并制出了样机。长期以来，我国的数控系统基本为传统的封闭式

2、的体系结构，CNC只能作为非智能机床的运动控制器。加工过程中的变量根据经验以固定参数形式预先进行设定， 加工程序在实际加工前用手工方式或者通过CAD/CAM及自动编程系统进行编程，CAD/CAM和CNC之间并没有反馈控制环节，整个加工过程中CNC只是一个封闭式 的开环执行机构。在复杂的环境与多变的条件下，加工过程中刀具的组合、工件的材 料、主轴的转速、刀具的轨迹、切削的深度、加工的余量等加工参数，无法在现场根 据外部干扰和随机实际因素进行实时的动态调整， 更无法通过反馈控制环节随时的修 正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。传统的CNC系统的这种固定程序控制模式和

3、封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制方向发展，已经不能适应日益复杂的加工制造过程， 因此对数控技术实行变革迫在眉 睫。现在欧美的数字产品已经达到了相当高的水平。高速加工技术发展非常迅速，且在高档数控机床中得到广泛应用。 应用新的机床运动学理论和先进的驱动技术，优化机床结构，采用高性能功能部件，移动部件轻量化，减小了运动惯性。在刀具材料和 结构支持下，从单一的刀具高速切削加工，发展到机床全面高速化加工，如数控机床 主轴的转速从每分钟几千转发展到几万转、 几十万转；移动速度从每分钟十几米发展 到了几十米甚至超过百米；换刀时间从十几秒甚至下降到1秒一下，换刀速度加快了 几倍到几十倍。应用高

4、速加工技术达到缩短切削时间和辅助时间， 从而提高了加工的 质量和效率。本次设计是数控车床回转刀架的设计，主要设计数控车床回转刀架的液压机构、 分度机构、抬刀机构、夹紧机构4O12 设计内容数控车床刀架是数控车床上的重要核心部件之一，其性能、质量、可靠性等，都 直接影响到整机的精度、性能及效率。数控车床刀架技术的升级换代几乎是伴随着数 控机床技术同步发展起来的，近些年来随着技术、结构的成熟及伺服驱动系统价格的 不断降低，以及对数控车床性价比越来越高的要求， 在数控车床产品上配置新型刀架 已成为业内非常关注的问题。本次毕业设计对数控车床刀架的机械结构部分进行研究和创新设计。济南大学毕业设计-2-相

5、关数据：1）刀盘转位及锁紧机构，运行平稳，避免瞬间过载冲击；2）实现快速精确分度，重复定位误差低于2；3） 刀架中心高140mm；4） 刀架工位数8个。设计预期要达到的基本要求：1）换刀时间要短，从而减少辅助时间；2）减少换刀的动作对加工范围的干扰；3）刀具的重复定位精度要高；4）选刀要可靠，换刀动作简单；5）刀具装卸、调整、维修方便，并能得到清洁的维护。1.3 设计方案采用液压拉紧、液压系统驱动刀盘、双鼠牙盘定位。数控机床由PLC来控制，车床刀架的控制原理就是指刀架的整个换刀过程，刀 架的换刀过程其实就是通过PLC对控制刀架的所有I/O信号进行逻辑处理及计算， 实现刀架的顺序的控制。另外为了

6、保证换刀能够正确的进行， 系统一般还要设置一些 相应的系统参数来对换刀过程进行调整。图 1.1 转塔刀架系统传动图1刀盘；2动鼠牙盘；3静鼠牙盘；4圆柱凸轮；5 蜗杆；6活塞；7主轴机械部分的设计如图1.2,本设计采用全液压动力驱动刀架。具体思路是利用液 压马达驱动连接到刀架中心轴上的圆柱分度凸轮，带动刀架旋转实现快速准确换刀。 刀架的拉紧过程，控制系统接受到正确的刀位信号后，向外发出命令使液压马达停转。 刀架处于预定位状态。与此同时液压缸左腔进油，通过活塞拉动刀盘，鼠牙盘副啮合 鼠牙盘实现精确定位。济南大学毕业设计-3-图 1.2刀架外观图计算部分：为保证效率，换刀的速度要尽可能的快，所以采

7、用较高的油压。合理 设计传动机构。图1.2是转塔刀架结构图。图1.1中，1是安装刀具的刀盘，它与刀 架主轴7固定连接。刀盘旋转到准确的位置，然后用开关PRS的断、通组合来检验 确认。当刀盘旋转到指定的刀位后，开关PRS通电，向数控系统发出信号，指令液 压马达停止，这时候压力推动活塞6向右移动，使鼠牙盘2和3啮合，刀盘被定位夹 紧。确认夹紧并向数控系统发出信于是刀架的转位换刀循环完成。转为换刀过程如下：（1）刀盘脱开 接收到的数控系统的换刀指令后活塞6右腔进油，活塞推动轴承 同刀架主轴7左移，动鼠牙盘2、静鼠牙盘3脱开，刀盘解除定位。（2）刀盘转位液压马达起动，经过圆柱凸轮分度，带动刀架主轴7连

8、同刀盘1转位。（3）刀盘定位夹紧活塞6左腔进油，刀架主轴右移，动、静鼠牙盘啮合，实现 定位夹紧。2 数控车床自动换刀装置2.1 概述一个零件往往需要进行多工序的加工， 而单功能的数控机床，只能完成单工序的 加工，如车、钻、铣等。因此，在制造一个零件的过程中，大量的时间用于更换刀具、 装卸零件、测量和搬运零件等非切削时间上，切削加工时间仅仅占整个工时中较小的 比例。为了缩短非切削时间，往往采用工序集中的方法，60年代出现了带有自动换刀装置的数控机床，使用这种装置配合精密数控转台，不仅扩大了单功能数控机床的 使用范围，减少了生产面积，还可使机加工时间提高到70%-80%。由于零件在一次安装中完成多

9、工序加工，减少了零件安装、定位次数，从而进一步提高了加工精度和 效率。自动换刀装置的结构形式有很多种，有回转刀架换刀、更换主轴换刀、更换主轴 箱换刀、带刀库的自动换刀系统，虽然换刀过程、选刀的方式、刀库的结构、机械手 类型等有所不同，但是在数控装置及其可编程控制器的控制下， 有电动机或者液压或 者启动机构驱动刀库和机械手实现济南大学毕业设计-4-刀具的选择和更换。把这种为实现多工序的连续加 工，在加工中心或者车削中心当中，可进行刀具的选择更换的装置称作自动换刀装置（ATC）.自动换刀装置的功能就是储备一定数量的刀具并完成刀具的自动交换。它应当 满足换刀时间要短、刀具重复定位精度要高、刀具储存量

10、要足够、结构紧凑及安全可 靠等要求。自动换刀装置开发技术注意的几个方面：1）自动换刀装置的可靠性和优化设计的研究。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，然后通过设计的改进，使自动换刀装置故障率减少，保 证百万次以上正常换刀的品质。通过对自动换刀装置采取多目标的优化设计， 使其动 态性能达到最优，从而提高装置的性能，降低其制造成本，使换刀时间不超过1s,达到较高水平。2）自动换刀装置的系列化与CAD设计。使自动换刀装置能应用于国内厂家的各 种产品，以便于得到推广和应用。3）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 产可以降低成本，也能保证质量，同时在我国

11、有巨大的市场，因此，在技术研究的基 础上，应研究使我国的自动换刀装置生产走上产业化的道路2。2.2 自动换刀装置的形式为了进一步的提高数控机床的加工效率，数控车床正在向着把工件在一台机床次装夹即可完成多道工序或者全部工序的加工方法的方向发展，因此出现了各种类型的加工中心，如车削中心、镗铣加工中心、钻削中心。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，因此必须有自动换刀装置，以便选用不同刀具，从而完 成不同工序的加工工艺。自动换刀装置应该具备换刀时间短、刀具重复定位精度高、 足够的刀具储备量、安全可靠等特性0各类数控车床的自动换刀装置的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具种类与数量

12、。数控机床常用的自动换刀装置的类型，特点，使用范围见表2-10表 2-1 自动换刀装置类型类别型号特点适用范围转 塔式回转刀架一种简单的自动换刀装置，多为顺序换刀，换刀时间短、结构紧凑、容纳刀具较少各种数控车床，数控车削加工中 心等济南大学毕业设计-5-转塔头一种计较简单的换刀方式，这种机 床的主轴头就是一个转塔刀库，主 轴头有立式和卧式两种。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， 刀具主轴数受限制数控钻、镗、铳床等刀库式刀具与主轴之间直 接换刀换刀运动集中，运动不见少。但刀 库容易受限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、铳床类立式

13、、卧式加 工中心机床等要根据工艺范围和机床特 点，确定刀库容量和自动换刀装 置类型用机械手配合刀库 进行换刀这类换刀装置由刀库、选刀装置、 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，应用广 泛。刀库只有选刀运动，机械手进 行换刀运动，刀库的容量大2.3 数控车床刀架的介绍数控转塔刀架是加工中心和数控车床必备的机床的附件之一，尤其适用于全自动数控车床。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的需要。作为关键的附件，高性能的数控转塔刀架对于提高机床整体运行的可靠性、稳定性和效率有非常重要的意义， 数控转塔刀架是由

14、数控系统来进行控制和管理的，因此，在转塔刀架本身性能提高和改进的前提下，如何实现控制和管理任务就显得非常的重要了。2.3.1数控车床刀架的功能数控机床上的刀架是安装刀具的重要部件，有许多刀架直接参与切削工作。这些 刀架既安装刀具，而且还直接参与切削，承受极大的切削力的作用，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的变化， 特别是数控车床上采用电（液）换位的自动刀架，有的甚至使用两个回转的刀盘。加 工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手， 实现了大容量存储刀具和自动交换刀具的 功能，这种刀库安装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

15、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，就成为了加工 中心的主要特征。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主要用于小规格数控车床，以加工棒料或者盘类零件为主。它的结 构形式为：夹持着各种不同刀具的刀夹沿着机床的X坐标轴方向排列在横向的滑板济南大学毕业设计-6-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比 较的方便，可以针对具体工件的车削工艺的要求，任意的组合各种不同用途的刀具， 一把刀具完成车削的

16、任务以后，横向滑板只要能按照程序X轴移动预先设定的位移后，第二把刀就能到达加工的位置， 这样就完成了机床的换刀的全部动作。 这种换刀 方式迅速省时，有利于提高机床的效率。图 2.1 排式刀架（2）回转刀架回转刀架是数控车床最常用的一种很典型的换刀刀架，一般通过液压系统或者电气来实现机床的自动换刀动作，根据加工要求可以设计成四方、六方刀架或者圆盘式 刀架，并且相应地安装4把、6把或者更多的刀具。回转刀架的换刀动作可以分为刀 盘的抬起、刀盘的转位和刀盘的定位加紧三个步骤。刀具的典型布置方式如图1.2所示。它的动作是由数控系统发出指令完成的。（3）带刀库的自动换刀装置上述排式刀架和回转式刀架的刀具都

17、不能太多，即使是装配两个刀架，对刀具的数量也是有一定的限制。当由于某种需要数量较多的刀具，应该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机械手组成的。2.3.3数控机床刀架应该满足的要求（1）满足工艺过程所提出的要求。（2）在刀架上要能牢固地安装刀具。（3）刀架应具有足够的刚度。（4）可靠性高。（5）操作方便和安全。（6） 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的缩短， 以利于提高生产率。目前自动换刀装置的换刀时间在0.8-6S之间。而且还在进一步的 缩短。济南大学毕业设计-7-3 数控车床刀架总体方案设计刀架是车床的非常重要的组成部分，车削中心的动力刀架可以安

18、装各种非动力辅 助刀夹和动力刀夹进行切削，用于夹持刀具，因此其结构直接影响到车床的切削性能 和切削效率。根据前部分对机床刀架类型、性能及其使用场合的综合比较，并结合现 有数控车床的实例，本次设计的数控车床采用回转刀架中的八工位回转刀架。该刀架的换刀动作分为刀盘抬起、刀盘分度转位和刀盘锁紧三个步骤， 并且三个步骤全部由 液压控制和驱动来实现。3.1 刀架的分度转位机构的设计（1）液压（或气压或伺服电机）驱动齿轮传动机构进行分度转位这种由液压（或气压或伺服电机）驱动的齿轮转位机构调速的范围比较大、缓冲 制动容易，可以通过改变传动比来进行转位速度的调整， 运动比较的平稳，结构也比 较的简单，设计和制

19、造比较容易，因此应用较为广泛。（2）液压（或气压或伺服电机）驱动圆柱分度凸轮机构进行分度转位这种转位机构依靠凸轮轮廓来控制刀架作转位运动，运动规律完全由凸轮轮廓形状决定。圆柱凸轮上面开有根据要求所设计出的槽，从动回转盘端面上有多个柱销， 柱销的数目和工位数相同。当圆柱分度凸轮按照固定的旋转方向进行运动时，有的柱 销进入凸轮的轮廓的曲线槽中，使从动盘随着凸轮的运动进行回转，同时有柱销与槽 脱离，当柱销接触的凸轮轮廓有曲线段过度到直线段是，回转盘不会旋转，即完成一个工位的分度动作。如此反复，从而实现多次刀架的换刀操作。这种装置设计和制造 会比较复杂，但是精度很高，且速度也较快。由上述几种转位机构的

20、比较，考虑到本次设计的要求，精度和速度要达到要求， 选择液压驱动圆柱分度凸轮机构来实现刀架转位的分度。图3.1是液压系统的简单原 理图。图 3.1 液压系统原理图3.2 刀架的定位机构的设计刀架的定位机构中多采用锥销定位和鼠牙盘定位。由于圆柱销和斜面销定位时容 易出现间济南大学毕业设计-8-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， 圆锥销磨损后仍可以消除间隙，以获得较高的定位精度。鼠牙盘定位由两个齿形相同 的鼠牙盘相啮合而成，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 位精度咼。鼠牙盘定位的特点：(1)定位精度高由于鼠牙盘定位齿数多，且沿圆周均布，向

21、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，承载能大12。图 3.2 鼠牙盘考虑到鼠牙盘具有以上的各种优点，因而本次设计的刀架采用鼠牙盘定位。3.3 刀架的工作原理图3.3所示为回转刀架的结构图，刀架的松开

22、和夹紧以及刀盘的分度转位均由液 压系统来实现。1为安装刀具的刀盘，它与轴2固定连接，当刀架主轴2带动刀盘旋 转时，其上的动鼠牙盘3和固定在刀盘上的静鼠牙盘4脱开，旋转指定刀位后，刀盘 的定位由鼠牙盘的啮合来完成。活塞9支承在一对推力球轴承上，它们可以通过推力 球轴承带动刀架主轴来移动。当车床数控系统发出换刀指令后，刀架上的液压缸8右腔通入压力油，活塞9及轴2在压力油推动下向左移动，通过刀架主轴使动鼠牙盘3和静鼠牙盘4脱开啮合，实现刀盘抬起动作。随后液压马达启动，带动圆柱分度凸 轮的蜗杆7和从动济南大学毕业设计-9-盘5转动，经刀架主轴2带动刀架的刀盘旋转，实现刀架换刀动作， 转位的速度和角位移

23、均通过半闭环反馈系统进行精确控制。当刀盘旋转到指定的刀位 后，数控系统发出信号，指令液压马达停转，这时，压力油进入液压缸8的左腔，推 动活塞9和刀架主轴2向右移动，使动鼠牙盘3和静鼠牙盘4重新啮合，实现刀盘锁 动作。刀盘被定位夹紧并向数控系统发出信号，于是刀架的转位、换刀循环完成。在 车床自动工作状态下，当指定换刀的刀号后，数控系统可以通过内部的运算判断， 实 行刀盘就近转位换刀，即刀盘既可正转也可以反转。但当手动操作车床时，从刀盘方 向观察，只充许刀盘顺时针转动换刀。1245(?$9丨0图 3.3 回转刀架的结构图1刀盘;2主轴;3 动鼠牙盘;4 静鼠压盘;5 从动盘;6 柱销;7 圆柱分度

24、凸轮;8 液压缸；9活塞;10 行程开关济南大学毕业设计-10-4 零件的设计与选择4.1 驱动刀架的液压马达的选择(1)刀架负载扭矩TF的计算回转刀架负载扭矩TF估算如下：由于这种刀架负载扭矩主要用来克服刀具的质量不平衡，用平均重力的刀具装满刀盘的半个圆， 根据要求所需的各种刀具，确定每 个刀具的平均重力W，而其重心则设定为离刀架回转中心2/3半径处。由于该数控车 床采用的是液压换位的8工位自动回转刀架，因而装满刀盘的半个圆需要4把刀具。设要求所需的每个刀具的平均重力W =4.9N;刀盘的回转中心直径D = 300mmtj-加速时间(s)；JL-负载惯量折算到马达主轴上的惯量(kg m2)(

25、3)负载惯量折算到马达主轴上的惯量 JL的计算式中Jh-各旋转部件的转动惯量(kgm2)；-h-各旋转部件的角速度(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)； -马达的转动角速度(rad/s)。(4)各旋转部件转动惯量Jh的计算(4-3)1212TFD4 4.9 0.31.9 9 5(6! m)2323(2)刀架的加速扭矩T；的计算2 nmTJ-JL60tj(4-1)(4-2)式中nm-换刀时马达的转速(r/min)；济南大学毕业设计-11-1）刀盘转动惯量的计算刀盘的主 要尺寸：刀盘的外径 D 300mm，刀盘与 刀架主轴相连 的孔径di=65mm，刀

26、盘宽P =56mm.则刀盘的转动惯量2 2但2p但卜卜卄 丄2丿12丿丿卩2丿12丿丿= 0.021(kg m2)3）圆柱分度凸轮转动惯量的计算从动盘的分度圆直径 D2= 117mm，孔径 d2=45mm，宽度 B =15mm。从动盘的转动惯量Jhi(4-4)=丄 7.85 1033.1420.065-I 2丿X 0.056 X*0.065 V= 0.345(kg m2)2）刀架主轴转动惯量的计算刀架主轴的最大直径 dmax=65mm，最小直径 dmin=25mm，刀架主轴长度取h =410mmo主轴的转动惯量dmax+dmin(4-5)rddmax、2+d ifmi丨、2d dmax min

27、27.85 1033.142*0.065+0.025丫0.41S.065+0.025Y济南大学毕业设计-12-(4-6)济南大学毕业设计-13-= 0.002(kg m2)圆柱分度凸轮的分度圆直径 d 50mm , dmin= 30mm , I2= 310mm凸轮的转动惯量z、2d3+dmin 2= 0.0109(kg m )4）对各旋转的角速度作如下设定:液压马达的角速度=200 2 二/60 =20.9rad/s ；圆柱凸轮的角速度 匕=200 2 二/60 =20.9rad/s ；分度凸轮从动盘的角速度 匕=20.9/8 =2.79rad/s ；刀架主轴的角速度4=2.79rad/s ；

28、刀盘转位是的角速度2.79rad /s0负载惯量折算到马达主轴上的惯量:mi卜i=.沖鷲1+0.02VBI+.0(需2+.1妙(M2-0.017(kg m2)取 tj=150ms =0.15s，刀架换刀时马达的转速 nm= 200r/mi n0：2D2d2A2d2二丄 7.85 1033.1420.117Y-Ik 2 丿0.0451-Ik 2 丿2、x 0.015/ 、2、(0.045、-I 2 丿Jh4冷m2匸、2d3+dmin j(4-7)7.85 1033.142沁殴厂0.3仆0.05 +0.03 Y(4-9)济南大学毕业设计-14-/314 2000.01760 0.15= 2.37(

29、 N m)(5)驱动马达电动机输出扭矩 TD的估算马达的输出扭矩 TD应同时满足刀架负载扭矩 TF和加速扭矩 Tj之和考虑到实际情况的复杂性，马达的最大输出T扭矩要为 TD的1.2倍T =1.2 5.82 二 6.984( N -)经查机械设计手册，选BM2-36马达9。4.2 刀架主轴的结构设计起初经验选取主轴的最小直径 dmax=25m m，由Pd 一厲3n可验证最小直径是否符合要求刀架的加速扭矩2兀nmTJ-JL60tj(4-10)TDTFTJ(4-11)式中则有TD=0.7519956 Z35.82(N m)0.75(4-12)济南大学毕业设计-15-式中A。-系数，轴的材料不同，则值

30、不同；P-轴传递的功率(kw)；d -计算截面处轴的直径(mm)；n-轴的转速(r/min)。选取主轴的材料为45钢，调质处理。经查机械设计，取 A0=105济南大学毕业设计-16-图 4.1 刀架主轴结构图4.3 圆柱分度凸轮的设计凸轮分度机构在自动机械中应用极为广泛，分圆柱凸轮、弧面凸轮、平行凸轮（1）圆柱分度凸轮机构的特点：1）机构结构简单、紧凑、刚性好、承载能力大，可用于大转矩的间歇运动场合；2）分度范围大，适应范围广，尤其是分度数较多时，该机构的优点明显，因此， 分度数多的场合，其使用较其他间歇运动机构多；3）设计上限制较少，可以方便地实现各种运动规律；4）分度精度高，可达1530；

31、5）制造成本较低，在空间凸轮机构中，它的制造费用是最低的。圆柱分度凸轮机构由于一般情况下不加预紧，即使采用圆锥滚子可加预紧，预紧力也不均匀。因此，圆柱分度凸轮机构适用于中低速场合。（2）圆柱分度凸轮机构的参数1）分度数 n 和分度角h2 :hn2-.45所以所取的最小直径满足要求。3=200P 二n0.025)门-I 5kw105i0.02 Ci0.02 B08-98(4-13)济南大学毕业设计-17-2)动静比 Kd和凸轮动程角*圆柱凸轮在从动转盘分度转位过程中的转角称为分度凸轮转动程角，在满足动静比 Kd的情况下，增大补对机构运转有利，常用的动程角为 二2二3二。所以动静12比取Kd=,动

32、程角dA=二。233)从动盘节圆半径 rf根据结构需要可经验取得 rf=117mm，根据H rfJI2si n m滚子轴线间距离H = 44.8mm4)滚子尺寸从动滚子可选标准件，也可根据实际情况自行制造。对于圆柱滚子半径 ro可根据下式估算：r0二(0.2 0.3)H(4-15)取 r0二 8(mm)从动滚子宽度 Bo可取为Bo=(0.8 1.5)r(4-16)B0=10(mm)5)凸轮尺寸在保证接触应力和压力角小于许用值的前提下，凸轮尺寸不宜偏大，以使机构尽(4-14)B-图 4.2 圆柱凸轮主轴结构图济南大学毕业设计-18-可能紧凑些。圆柱分度凸轮基圆直径 Dco可用下式估算:(4-18

33、)6)中心距 c凸轮轴线与从动盘轴线之间的距离可用下式计算：e 二 rfcos a(4-19)m式中，a 为凸轮中心线偏离滚子起始与终止位置中心连线的距离，一般情况下(冗、0 兰 a 兰 rf1 - cos 一 i(4-20)mJ冗c = rfcos - a = rf二 58.5(mm)Dc0HVmvA tan ；1(4-17)式中，Vm 为机构运动规律的最大无量纲速度；：1 为许用最大压力角Dc044.8 0.723.14 tan203=40(mm)圆柱分度凸轮外径 Dew为:=4010 = 500(mm)图 4.3 圆柱凸轮主轴结构图济南大学毕业设计-19-m7)凸轮头数 Gm圆柱分度凸轮

34、机构的凸轮头数 Gm是指在一次间歇转位运动循环中转过滚子的数目。绝大多数情况下，都使用Gm =1的机构。在个别情况下，要求分度数n：6时，Gm1 的机构也有使用。本次设计选取 Gm =1，n=8。4.4 鼠牙盘的设计动鼠牙盘与静鼠牙盘是数控刀架的两个主要的零件。其精度决定了刀架的性能的 好坏。为了保证鼠牙盘的定位精度和刚度，对鼠牙盘做以下技术要求：鼠牙盘材料采用40Cr，齿部渗氮后磨齿加工；齿宽接触率在70%以上：齿高接触为啮合高度的85%以上，两齿盘啮合时的接触齿数在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0.01 0.04mm，对精密齿盘应取在0.01mm以

35、内。 本刀架采用标准的直齿鼠牙盘，齿的啮合深度通常设计为45mm。根据JB/T 4316.1-1999查得有关数据如下：鼠牙盘外径d:鼠牙盘的外径主要由设计结构所允许的空间范围来确定的。在结 构允许的情况下，外径越大越好，这样可以增强分度或者定位机构的稳定性。根据结构需要选取外径d = 250mm。齿数 z :查得d = 250mm时，齿数可以选72和120两种，最小分度角分别为5和3，因为本次设计的刀架工位数为8,转一个工位动鼠牙盘需要转过45是最小分度 角的倍数，所以可以选z=72；齿长F:F =12mm；齿盘厚度H/2 m:H/2m = 27.13mm；齿距t:t = 10.91mm；齿

36、厚S:S二5.45mm；齿内径 d0: d0= 226mm ；全齿高h:h =7.1mm；齿顶高 m :m = 2.12mm。4.5 液压缸的设计计算液压缸的内径和活塞杆直径都要考虑到设备的类型， 由于本次设计的刀架的 抬起是数控车床脱离切削是完成的，因此在换刀的过程中并没有切削力， 所以进油压 力不需要很大（1）油泵工作压力的计算济南大学毕业设计-20-油泵工作压力Ps等于液压缸工作压力 P0和油液在管道中流动时产生的压力损失济南大学毕业设计-21-p 之和。即Ps= Po *(4_21)1)液压缸工作压力的估算对于中小型的数控车床，通常推荐液压缸的拉紧力为1o2OKN。液压缸活塞的有效工作

37、面积设定为 S、0.0059m2；则该刀架液压缸的最大工作压力po=3.3Mpa。2)油液压力损失：p的估算先对整个系统的压力损失进行估算p =7.84 10 AQ4Kd(4-22)式中 -油的运动粘度(厘斯)；Q-流量(m3/min)；d-管子的内径(mm)；丨-管道总长(mm)；K-修正系数。当 Re兰2000时，K = 1K =6.84：3当Re=2000时，丿。流量Q的计算如下：液压系统所需油泵流量是由工作油缸的尺寸和运动速度的快慢要求决定的 工作油缸需油量用下式计算：Q，二A -活塞的运动速度(m/s)；A -活塞的有效工作面积(m2)。(4-23)式中济南大学毕业设计-22-取=0

38、.05m/s；取 S2:0.0059m济南大学毕业设计-23-式中K为修正系数一般在1.11.3之间Q =1.2 0.000295 =0.000354(L/s)选用管径油管内径应该足够大，以减少油的压力损失。管径过大则会使结构笨重，增加制 造成本。正确选用管径一般先选取管中的流速， 然后计算管径，再按与标准规格相近 的选用。由于Ttd4式中d-管子的内径(mm)；Q-通过管子的流量(m3/min)；一管中流速，取0.25m/s。二 42mm设液压系统管道总长度I MOOOmmQI：0.000354 汇 4：p =7.84 104K=7.84 100.0541.2 = 0.214(MPa)d0.

39、042得油泵的工作压力Ps二 P0=3.3 0.214 =3.514(MPa)(2)液压缸内径D和活塞杆d的计算根据执行机构的速度和选定液压泵的流量来确定液压缸内径D和活塞杆直径d，再从GB -2348-80标准中选取相近尺寸加以圆整。D 购 d2(4-26)V urvq-输入液压缸的流量(m3/r)；Q =；A =0.05 0.0059 =0.000295(L/s)考虑到泄漏的影响油缸实际油量为：(4-24)所以(4-25)式中4 0.0003543.14 0.25济南大学毕业设计-24-液压缸活塞的运动速度（m/s）;设液压缸活塞的往复速度比值为,即：二2。由于活塞往复运动的速度相等，所以

40、二1。由相关资料可知，当: 1.2 1.3 时，一般取d/D=0.20.3。则得0.0055 d2二 D2D = 0.0778m = 77.8mm；d = 0.0233m = 23.3mmo从GB-2348-80标准中选取的液压缸内径为80mm活塞杆直径取40mm图 4.4 液压缸结构图4.6 箱体的设计箱体是刀架的重要组成部分之一，其结构是否合理性影响数控车床刀架的制造质 量；影响刀架各部件之间的相对位置精度和刀架在工作中刀盘相对于工件的转动精 度，进而影响着工件的加工精度；同时影响刀架的性能和寿命。因此，在设计箱体时 要确保其有足够的静态刚度和4000215d3.14 0.05济南大学毕业

41、设计-25-很好的刚度/质量比；小的热变形和残余应力；还要考 虑到容易加工制造，装配等，才能满足刀架的使用要求。铸铁具有较好的减震性和耐济南大学毕业设计-26-磨性，并且易于铸造和加工。箱体材料采用机械性能较好的HT200，其硬度、强度,耐磨性都能够满足要求，是比较理想的材料。箱体轮廓的设计主要是根据箱体内各部件的大小和布置来确定的，在本次设计中，根据设计手册说明，确定箱体最小壁厚h=10m m，在此数据的基础上合理设计箱体外形，使其满足工作要求。由于箱体的一部分结构要与轴承配合,一定要注意其加工工艺，确保质量合格。箱体的总体结构做成一体，在箱体的右端直 接加一个端盖， 这样不仅能够满足减震性

42、要求， 还能显得结构紧凑， 使其综合性能大 大提高9030 |144图 4.5 箱体4.7 标准的选取在整个毕业设计中，用到很多的标准件，简单的介绍如下： 轴承的选取由于主轴的前端主要承受径向力， 不承受轴向力，所以此处选取两个圆锥滚子轴 承可以满足要求。主轴中间需要用到三个推力球轴承来承受轴向力。2个N212E,1个51212，2个51208(GB/T 283-1994)。.键的选取本次设计中用到了两个平键，在液压马达与圆柱分度凸轮的的连接处用到的联轴 器处，选择了两个平键，8 7 32(GB/T 1095-2003)。根据要求设计中用到了两段花键轴，螺栓的选取所以在这些地方2500济南大学

43、毕业设计-27-根据需要选用了48个M8，8个M6(GB/T 70.1-2000)垫圈的选取在圆柱分度凸轮的轴向定位中用到了1个孔用弹性垫圈(GB/T 893.1-1986)。螺母的选取选用了8个M10 1，1个M30 1.5圆螺母(GB/T 812-1988)。.济南大学毕业设计-28-5 结 论本次毕业设计毕业设计的任务基本完成， 达到了要求，当然也存在尚需改进的地 方，设计主要是关于数控车床液压刀架的整体结构的设计， 包括分度机构、液压系统 和定位机构几大部分。数控车床刀架的精度直接影响到数控车床的加工精度，所以刀架的重复定位精度 的要求是比较高的，所以本次设计主要是利用鼠牙盘来进行定位

44、的， 然后配合电气检 测机构达到所要求的精度。分度机构的精度也非常的重要的，分度的精度直接影响刀 具加工时的位置，从而影响加工精度，本次设计采用了圆柱分度凸轮来实现分度， 虽 然分度凸轮的制造比较的复杂但是在数控车床刀架这样需要高精度的场合，应用还是比较合适的。本次设计的难点在控制刀架抬起 （轴向运动）和刀架的旋转运动，用液压缸来实 现刀架的抬起，使用花键来把凸轮的转动传递给主轴， 从而实现刀盘的旋转运动。本 次设计了解到了鼠牙盘，液压马达，液压缸，圆柱分度凸轮，PLC控制单元等构的工作原理。比较详细的了解了数控车床液压刀架的工作原理和其组成结构。这次设计不仅使我充分的了解了大学几年所学的知识

45、的重要性， 而且使我对课上所学的理论有了 更深的了解，也从指导老师那学到了，做学问的严谨态度和细心、耐心的品质。济南大学毕业设计-29-参考文献1廖效果，朱启逑数字控制机床M.北京：华中科技大学出版社，2007.72冯显英.机械制造M.济南：山东科学技术出版社,2007.4:29-313傅成昌，傅晓燕.形位公差应用技术问答M.北京:机械工业出版社，2009.5:21-1424杜君文.机械制造技术装配及设计M.天津:天津大学出版社,2007.10(1)濮良贵，纪明刚.机械设计M.8 版.北京：高等教育出版社,2006明仁雄，万会雄.液压与气压传动M.北京：国防工业出版社，2003,10:44-7

46、7,88-887陈婵娟.数控车床设计M.北京：化学工业出版社 2006,2:138-1468卢秉恒.机械制造技术基础M.第二版.北京：机械工业出版社，2005.59闫邦椿.机械设计手册M.第五版.北京:机械工业出版社,2010.110 李佳.数控机床及应用M.第一版.北京:清华大学出版社，2001.711 刘鸿文.材料力学.第四版.北京:高等教育出版社,2004.112 文唱祺.凸轮机构设计M.北京：机械工业出版社,2005.8:170-18113 郭永环.数控车床用转塔动力刀架的发展方向.机床与液压J.2002.16 (1)14 郭振伟.普通车床球刀架的设计及应用.机械工程师J.200515

47、 胡亚平.微电机转子车床无小拖板的刀架设计.机械工艺师J.2000.( 4)16 康小波，吉保国一种新型液压刀架.制造技术与车床J.2004. (12)17 李书环.车削用微进给刀架设计.工程设计学报J.2006. (6)18 Ching Hui Kuo,Miaoli. TURRET_LATHE. Unite States Patengt Application Publication 2009.1119 Michiharu HIROSE. TURRET TOOL REST AND MACHINE TOO. Unite States PatengtApplication Publication

48、. 2008.81.基于 C8051F 单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究2.基于单片机的嵌入式 Web 服务器的研究济南大学毕业设计-30-3.MOTOROLA 单片机 MC68HC ( 8) 05PV8/A 内嵌 EEPROM 的工艺和制程方法及对良率的影响研究4.基于模糊控制的电阻钎焊 单片机温度控制系统的研制5.基于 MCS-51 系列单片机的通用控制模块的研究6.基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR ）调节器7.单片机控制的二级倒立摆系统的研究8.基于增强型 51 系列单片机的 TCP/IP 协议栈的实现9.基于单片机的蓄电池自动监测系统10.基于 32 位嵌入式单片

49、机系统的图像采集与处理技术的研究11.基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究12.基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发13.基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制14.基于单片机的自动找平控制系统研究15.基于 C8051F040 单片机的嵌入式系统开发16.基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发17.模糊 Smith 智能控制方法的研究及其单片机实现18.一种基于单片机的轴快流 CO,2激光器的手持控制面板的研制19.基于双单片机冲床数控系统的研究20.基于 CYGNAL 单片机的在线间歇式浊度仪的研制21.基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制22.基于单片机的软起动器的研究和设计2

50、3.基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究24.基于单片机的机电产品控制系统开发25.基于 PIC 单片机的智能手机充电器26.基于单片机的实时内核设计及其应用研究27.基于单片机的远程抄表系统的设计与研究28.基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制29.基于微型光谱仪的单片机系统30.单片机系统软件构件开发的技术研究31.基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制32.基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制33.基于 PIC 单片机的电能采集终端的设计和应用34.基于单片机的光纤光栅解调仪的研制35.气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制36.基于单片机的数字磁通门传感

51、器37.基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究38.基于单片机的光纤 Bragg 光栅解调系统的研究39.单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制40.基于 C8051F020 单片机的多生理信号检测仪41.基于单片机的电机运动控制系统设计42.Pico 专用单片机核的可测性设计研究43.基于 MCS-51 单片机的热量计44.基于双单片机的智能遥测微型气象站45.MCS-51 单片机构建机器人的实践研究46.基于单片机的轮轨力检测47.基于单片机的 GPS 定位仪的研究与实现48.基于单片机的电液伺服控制系统49.用于单片机系统的 MMC 卡文件系统研制济南大学毕业设计-31-50.基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究51.基于单片机和 CPLD 的粗光栅位移测量系统研究52.