摘要數(shù)控車床今后將向中高當發(fā)展，中檔采用普及型數(shù)控刀架配套，高檔采用動力型刀架，兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種，預計近年來對數(shù)控刀架需求量將大大增加。數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢是：隨著數(shù)控車床的發(fā)展，數(shù)控刀架開始向快速換刀、電液組合驅動和伺服驅動方向發(fā)展。根據(jù)加工對象不同，有四方刀架、六角刀架和八（或更多）工位的圓盤式軸向裝刀刀架等多種形式。回轉刀架上分別安裝四把、六把或更多刀具，并按數(shù)控裝置的指令換刀。本部分主要對四工位立式電動刀架的機械設計和應用繼電-接觸控制系統(tǒng)控制部分的設計。并對以上部分運用UGNX10做圖，對電動刀架有更直觀的了解。關鍵詞：數(shù)控刀架，電動刀架，四工位Abstractnumericalcontrollathe,willinfuturedevelopment,themiddle-gradehighwhentobysupporting,high-gradenccutterrevisedbybothcutting,dynamictypehydrauliccutter,servocutter,verticalcutteretcvarieties,expectedinrecentyearsonthenccutterdemandwillincreasegreatly.Nccutteristhedevelopmenttrendofthedevelopmentofnumericalcontrollathe,alongwith,nccutterbegantochangecuttersquicklyandelectrohydraulicservodrivercombineddrivinganddirection.Accordingtodifferenttargets,havefourprocessingcutting,hexagonalcutterandeight(ormore)candise-typeaxialoutfitknifeknife,andotherforms.Turnthetoolcarrierseparatelyinstallsfour,sixormoretools,andpressCNCequipmentinstructionschangeknife.Thispartof4Labourverticalelectricmainlythemechanicaldesignandapplicationofcuttingtherelay-contactcontrolsystemofcontrolpartofthedesign.AndtheabovepartofUGNX10dodiagram,amoreintuitiveelectricknifeunderstanding.Keywords:nccutter,electriccutter,fourlocations前言一個國家或地區(qū)的發(fā)達程度，制造業(yè)是一個重要的恒量標準和尺度，其發(fā)展水平實力著重體現(xiàn)在，科技技術水平，生活水準和國防實力。全球市場的競爭最終體現(xiàn)在一個國家或地區(qū)的機械制造水平及其機械制造的設計、研發(fā)和生產(chǎn)能力上。自上世紀60年代第一臺數(shù)控設備問世以來，同時計算機應用技術、現(xiàn)代電子控制技術、傳感電器設備的檢測技術、信息數(shù)據(jù)的處理技術、網(wǎng)絡端口通信技術以及機械設計加工制造技術在各他領域的高速發(fā)展，數(shù)控應用控制技術已成為近代先進制造行業(yè)中不可或缺的基礎性技術。同時，因為數(shù)控設備的數(shù)控系統(tǒng)技術難度高，品種規(guī)格較多。出現(xiàn)了數(shù)控設備的“使用困難、維修難度高”等問題，這些問題是直接影響數(shù)控設備高效使用的首要問題，急待解決！在西方的一些發(fā)達國家都比較重視機械設計加工制造業(yè)的發(fā)展，相比較而言，我國機械設計加工制造的整體水平還是有些落后的，具體表現(xiàn)在大多數(shù)機械加工制造工廠所運用的機械加工制造設備基本上是采用通用機械設備再加上專用工藝進行改制。數(shù)控加工設備在機械制造裝備中的占有率比較低，這就直接導致產(chǎn)口更新較慢，加工生產(chǎn)批量不能太少，生產(chǎn)品種規(guī)格不能過于繁多；自動化的集成程度從根本上來說，依舊是一個生產(chǎn)工人運用一把刀具操作一臺加工設備，這就直接導致生產(chǎn)效率不高，產(chǎn)品質量可靠性、穩(wěn)定性較差。因此，要縮小我國同工業(yè)發(fā)達國家的差距,我們必須在機械制造裝備方面大下功夫，其中最重要的一個方面就是增加數(shù)控機床在機械制造裝備中的比重[1]。本課題為CK6130車削中心動力轉塔刀架設計及三維制作，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。本次設計的課題的主要內容如下：1.CK6130數(shù)控機床刀架的總體設計和布局；2．刀架的傳動部分的機構設計；3．刀架的分度部分機構設計；4．刀架所采用的刀具部分。此次課題所設計中的重點和難點是分度機構部分和刀架動力部分的設計。經(jīng)過查閱大量的文獻資料，參觀數(shù)控設備展銷會，到工廠觀察設備實物等方式，采用了以下的研究手段：刀架換刀的回轉的步驟是，第一步先讓刀盤抬起，第二步是刀架鎖緊和第三步刀盤轉位完成換刀三個動作。其中刀盤抬起和刀架鎖緊的動力源均由液壓來實現(xiàn)，刀盤換位轉動則由伺服電動機作為動力源。要實現(xiàn)第一步讓刀盤抬起的動作有以下幾個步驟：電控軟件系統(tǒng)發(fā)出刀盤抬起指令液壓系統(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實現(xiàn)刀盤抬起動作。要實現(xiàn)刀盤轉動換的位動作需要經(jīng)過以下幾個步驟：電控軟件系統(tǒng)發(fā)出刀盤轉位的指令伺服電機啟動圓柱凸輪轉動刀架主軸轉動實現(xiàn)刀架換位動作。刀盤自動鎖緊步驟是：系統(tǒng)發(fā)出刀盤鎖緊指令：碟形彈簧復位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。第一章緒論1.1目前國內外數(shù)控加工設備的研究狀況與取得成果在80年代，我國從日本發(fā)那科公司引進了多軸數(shù)控機床如5,6,等系列的數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服電機的制造技術，同時，我國還自行研發(fā)了3、4、5軸聯(lián)動的數(shù)控系統(tǒng)以及雙電機驅動的同步數(shù)控系統(tǒng)推動了我國數(shù)控機床穩(wěn)定發(fā)展。我國在采購引進、消化國外技術的基礎上，進行了大量開發(fā)工作。一些較高難度和高精密度的數(shù)控系統(tǒng)，分辨率為0.02的高精度控制系統(tǒng)，都開發(fā)出來了，并制造出試樣樣機。我國的數(shù)控加工設備設計制造技術經(jīng)過多年發(fā)展，結合各大院校出培養(yǎng)了一批數(shù)控人才，基本形成了自己的數(shù)控產(chǎn)業(yè)。其中“十五”攻艱克難取得的研究成果：華中號、中華號、航天號和藍天號這幾種數(shù)控系統(tǒng)構成了具有中國自主的數(shù)控技術平臺。經(jīng)過多年的發(fā)展，它們運行的可靠性和穩(wěn)定性都有的質的提升。它們逐漸被用戶認可，在市場上站住了腳[2]。1.2數(shù)控刀架未來的發(fā)展趨勢目前國內數(shù)控機床上的刀架依然是以電力動為主要動力源，其中數(shù)控車床又分為數(shù)控立式車床和數(shù)控臥式車床兩種。刀架的數(shù)控技術主要向電能液壓相結合作為動力來源和更快速精準的換刀等主面發(fā)展。第二章數(shù)控車床自動換刀裝置2.1概述自動換刀裝置是數(shù)控車床最普遍的一種輔助裝置，它可使數(shù)控車床在工件一次裝夾中完成多種甚至所有的加工工序，以縮短加工的輔助時間，減少加工過程中由于多次安裝工件而引起的誤差，從而提高機床的加工效率和加工精度[3]。目前國內自動換刀裝置的發(fā)展趨勢大致是有以下幾點：一是換刀速度快、穩(wěn)定性可靠性高，以保證提高數(shù)控加工設備的高效率；二是實用型的，制造容易、造價低。自動換刀的刀架或刀庫的設計要滿足以下基本要求：1）避免換刀的動作對加工范圍的影響。2）刀架旋轉至同一位置的高精度的重復定位。3）快速識別選擇刀具，更換刀具動作簡單可靠。4）刀庫刀具存儲量合理。5）刀庫用空間不宜過大，和機床外觀協(xié)調美觀。7）刀具裝卸、調整、維護方便，并能得到清潔的維護[4]。自動換到裝置應當具備換刀時間短、刀具重復定位精度高、足夠的刀具儲備量、占地面積小、安全可靠等特性[5]。數(shù)控設備常用回轉刀架的類型、特點、適用范圍見表1-1。表1-1自動換刀裝置類型圖表類別型式特點適用范圍轉塔式回轉刀架多為順序換刀，換刀時間短、結構簡單緊湊、容納刀具較少各種數(shù)控車床，數(shù)控車削加工中心轉塔頭順序換刀，換刀時間短，刀具主軸都集中在轉塔頭上，結構緊湊。但剛性較差，刀具主軸數(shù)受限制數(shù)控鉆、鏜、銑床刀庫式刀具與主軸之間直接換刀換刀運動集中，運動不見少。但刀庫容量受限各種類型的自動換刀數(shù)控機床。尤其是對使用回轉類刀具的數(shù)控鏜、銑床類立式、臥式加工中心機床要根據(jù)工藝范圍和機床特點，確定刀庫容量和自動換刀裝置類型2.2數(shù)控機床刀架的類型根據(jù)換刀方式的不同，刀架系統(tǒng)主要有排式刀架和帶刀庫的自動換刀裝置、回轉刀架等多種形式，下面對這幾種形式的刀架作簡要的介紹：2.2.1排式刀架排式刀架主主要應用在小型數(shù)控車床，以棒料加工或盤類零件為主。其結構形式簡述如下：夾持固定著各種刀具的刀座沿著機床的X軸方向有序排列在大拖板上。刀具的布置方式如下圖2-1（b）所示。2.2.2回轉刀架

回轉刀架在數(shù)控設備上是最常用的一種刀架，動力來源一般有液壓系統(tǒng)或電氣來實現(xiàn)機床刀架的換刀動作。2.2.3帶刀庫的自動換刀裝置

當需要數(shù)量較多的刀具時，就采用帶刀庫的自動換刀裝置。帶刀庫的自動換刀裝置由刀庫和刀具交換機構組成。

(a)回轉式刀架(b)排式刀架圖2-1機床刀架類型結構圖第三章車削中心動力刀架總體方案設計3.1研究調查與收集資料3.1.1課題的設計調研目前國際上比較高端的一種數(shù)控設備是數(shù)控加工中心，一臺數(shù)控加工中心就可以進行多道工序的生產(chǎn)加工，如車、銑、鉆孔攻絲等。我們要在現(xiàn)有的基礎上，把我國數(shù)控加工設備整體上進行提升，從現(xiàn)有到精密。而且刀架是數(shù)控加工設備中尤為重要的一部分，我們有責任把這一技術進行提高。3.1.2課題所需資料的收集此次課題涉及到的知識比較多，需要大量的查閱相關資料，涉及到的知識點包括：數(shù)控設備的結構構成、數(shù)控機床的自動換刀裝置等方面；包括一些機械結構設計、機械傳動比率設計、液壓控制系統(tǒng)、分度系統(tǒng)中分度配置設計等方面的知識，為此到圖書館查閱一些相關資料：例如《機械設計手冊》；《數(shù)控車床設計技術》；《現(xiàn)代實用機床設計手冊》；《實用機床設計手冊》等等。3.2刀架設計和選擇的整體方案3.2.1刀架設計和選擇的整體方案動力刀架是數(shù)控機床不可或缺的組成部分，數(shù)控加工中心的刀架能夠安裝各種刀夾進行切削加工，其結構的選擇和設計的合理性將直接影響到數(shù)控機床的切削性能和效率。動力刀架運用端齒分度，刀架轉動換位由交流伺服電機作為動力源，刀位號的識別采用二進制絕對編碼器，刀具由變頻電動機作為動力源，用同步帶將動力傳導致刀夾。根據(jù)上述部分對動力刀架類型、性能及應用范圍等多方面的比較，同時結合現(xiàn)有數(shù)控加工設備的實例，此次課題所設計的CK6130車削中心動力刀架將采用液壓驅動的動力轉塔刀架。該動力刀架的換刀動作分為以下幾個步驟：1、刀盤抬起；2、刀盤分度轉動換位；3、刀盤鎖緊3.2.2液壓驅動的刀架工作原理擬采用的液壓驅動的轉塔刀架，采用液壓缸松開夾緊，液壓電機驅動分度，定位副端齒盤，當動力刀架接收到數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的轉動換位命令后，液壓油就會進入液壓缸的右腔，推動活塞中心軸迫使刀盤左移，動力刀架也就完成了轉動定位和夾緊動作。刀盤夾緊后，中心軸尾部壓下開關會發(fā)出轉動換位結束信號。圖3-1轉塔刀架示意圖3.2.3刀架轉動實現(xiàn)重復定位和定位精度的控制此次設計的動力刀架轉塔在到位前，采用霍爾元件在控制刀架到達預定位工位號時，發(fā)出信號命令控制電機的電磁閥斷電，此時伺服電機內部的機械自鎖裝置會使電機停在預定位置上，動力刀架也就具備了較高的重復定位精度和定位精度。3.3刀架傳動部分的設計方案此次課題所設計的數(shù)控轉塔刀架是通過液壓驅動作為動力源來實現(xiàn)刀架抬起的動作，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換位指令時刀架軸尾部檢測裝置會觸碰到微動開關，刀架開始執(zhí)行換位命令，而轉位動作是由圓柱形凸輪分度機構來實現(xiàn)的，在1s內完成轉動換位，最后一個動作為刀架瑣緊動作，采用端齒盤來進行瑣緊定位。3.4動力刀架的分度機構方案設計1)棘輪機構主要由搖桿、制動爪、棘爪、機架和棘輪這此部分組成。根據(jù)其結構又可分為不帶輪齒的摩擦式的棘輪機構和帶輪齒的棘輪機構兩類。優(yōu)點是結構較為簡單，可以很方便的改變轉角的大小，缺點是動力小，剛性差，故爾大多應用在對轉速、精度等要求不高的場合。2)凸輪間歇轉動機構主要是由轉盤、凸輪以及機架所組成的。這種轉動機構主要有兩種運動形式，一個是蝸桿凸輪間歇運動機構，另一種是圓柱凸輪間歇運動，凸輪機構能夠通過調整轉盤和凸輪中心距離來消除凸輪突脊接觸和滾子之間的間隙

凸輪間歇運動機構的優(yōu)點比較多：比如傳動時較高的可靠性、平滑穩(wěn)定性，轉盤能夠實現(xiàn)各種運動規(guī)律，高轉速的要求能夠得以適應。缺點是：凸輪制造麻煩，對材質和加工生產(chǎn)的精度要求高。常用于需間歇轉位的分度裝置和要求步進動作的機械中，如多共位立式半自動機床工作盤的轉位、輕工業(yè)包裝機等[9]。圖3-2圓柱形凸輪分度機構示意圖綜合上述幾種轉位機構優(yōu)缺點和相關特點，并結合實際情況，此次課題所設計的刀架決定采用間歇分度機構——圓柱形凸輪分度轉位機構。如圖3-2所示。3.5刀架及動力刀具設計方案此次課題運用變頻電動機作為動力來源，圓柱形齒輪傳動作為調整變速傳動的裝置。3.5.1齒輪傳動的分類和特點介紹如下：其特點如下：1）傳動功率的范圍大，可應用在低速、中速和高速場合。2）傳動效率高。3）結構體積小，占用空間少。4）生產(chǎn)制造成本高，加工工藝復雜。3.5.2傳動類型的齒輪選擇原則1）為了滿足使用需求，對傳動結構體積、質量、功率大小、速度快慢、傳動比高低、壽命長短、穩(wěn)定性、可靠性的要求等。從以上幾點根據(jù)使用環(huán)境場合作出相應選擇。2）思考加工工藝條件，如生產(chǎn)單位的生產(chǎn)工藝水平、設備狀況等。3）思考選用的齒輪的合理性和經(jīng)濟性等指標。根據(jù)此次課題所設計的CK6130數(shù)控車床動力刀架動力刀具傳遞范圍和切削功率比較大以及加工的難易程度，同時為了滿足要求，選擇以漸開線圓柱形齒輪傳動來實現(xiàn)刀架的旋轉。關鍵零件的選擇和設計4.1刀架傳動部分的選擇和設計4.1.1刀架軸的結構設計及計算[10]1.組成刀架的關鍵零件之一是刀架傳動軸，刀架傳動軸的剛性在設計當中是要主要考慮的，材質的選擇就尤其重要了。我們知道優(yōu)質的中碳鋼和合金鋼的彈性模數(shù)幾乎沒有差別，所以我們選用的刀架傳動軸的材料選是45#鋼，并對材料進行調質處理，以改善材料的性狀，提高加工精度。2.此次設計的動力刀架用到的固定方式如下：1）市場上最常用的是采用軸肩固定，這種結構簡單，定位穩(wěn)定。2）采用軸套固定也是用的比較多的一中固定方式，它定位穩(wěn)定可靠，軸也用額外的打孔、銑槽等，不會影響軸的剛性。3）采用彈簧擋圈這種方式的結構比較簡單、節(jié)約空間，應力比較容易集中，在在此次刀架軸中主要運用到軸承的固定上。3.通過查看動力刀架裝配圖可知，刀架主軸的支承方式采用的是兩端浮動支承，其中一端與刀盤相固定連接，另一端則與液壓缸的活塞相連接，也起到了對左端支承的作用。而軸的中間部分則由刀盤至液壓缸的方向分別和推力球軸承以及從動盤相固連，兩個圓柱滾子軸承和滾針軸承一同起到對左端支承的作用。已知伺服電動機的額定功率為0.3kW，電機額定轉速為n1=1400r/min，取圓柱形凸輪效率為η=0.96。如下圖4-1所示1)先計算出刀架主軸上的傳動功率、轉速和轉矩P2=Pη=0.3×0.96=0.288kWn3=60/8=7.5r/min2)初步確定軸的最小直徑由式可初步估算設計軸的最小直徑式中：為系數(shù)，軸的材料不同，則的值會不同；為軸傳遞的功率，單位為；為計算截面處軸的直徑，單位為mm；為軸的轉速，單位為；選取軸的材料為45鋼，調質處理。根據(jù)表15—3，取，于是得從而取軸的最小直徑為dmin=36mm；軸的最大直徑為dmax=119mm。圖4-1刀架軸4.1.2液壓缸的選擇和設計選擇液壓缸結構類型單活塞式液壓缸的特點：由于缸筒內只有一端有活塞桿，缸筒腔內的有效工作面積就不會相等，在缸筒兩腔內流量的輸入相等的情況下，因其缸筒內面積不同，那么單桿活塞的往復運動速度也不會相等。工作臺移動范圍都為活塞有效行程的兩倍[11]。因該款液壓缸主要作用是帶動刀架主軸的直線往復運動.故爾選用單桿活塞式液壓缸。計算液壓缸體內徑D和活塞桿直徑d活塞桿的直徑和缸體內徑的選用都必須考慮到設備的類型，此次設計的動力刀架的抬起動作是在數(shù)控車床停止車削時完成的，因此在換刀過程中不會承受切削力的作用，所以油缸不需要太大的進油壓力，本次設計的進油壓力是低壓（0~2.5MPa），查閱進油壓力表20-6-3，能夠大致確定進出速比為φ=1.33按下列公式初步選取d值：(4-1)根據(jù)活塞桿側公式(4-2)式中F2——液壓缸的理論拉力；p——輸油壓力；D——缸體內徑；d——活塞桿直徑。根據(jù)式4-1和式4-2得D=94.8mm，查閱液壓設計手冊表20-6-2，選用D=100mm，再查閱手冊表20-6-9，選用缸體外徑D1=121mm，查閱手冊20-6-16，活塞桿外徑采用d=50mm。4.1.3碟形彈簧的計算及選用[10]碟形彈簧是是直接采用鋼板冷沖壓成形的壓縮性彈簧。它具有以下特點：（1）剛性好能夠承受大載荷。（2）具有變形后回彈力較好的性狀。查閱《機械設計手冊》中的表7.2-2碟形彈簧的系列、尺寸和參數(shù)選出彈簧D=100mm，d=51mm,t=6mm,h0=2.2mm,H0=8.2mm。D外徑d內徑t彈簧厚度h0壓平后的變形數(shù)值H0自然狀態(tài)下厚度如圖4-2所示（1）計算f1的值用碟形彈簧的直徑比C=，查表7.2-5得知K1=0.686，K2=1.211，K3=1.362。彈簧沒有支承面，K4=1。計算得到FC——彈簧壓平時載荷（N）；K1、K2、K3、K4——計算系數(shù)；由此變形量f1=0.28h0=0.28×2.2=0.616mm，總變形量fz=6×0.616=3.696mm。（2）疲勞破壞的關鍵部位由和C=1.96查表7.2-3得知彈簧疲勞關鍵的破壞部位在Ⅱ點。計算應力當f1=0.616mm時圖4-2碟形彈簧4.1.4軸承的選用原則簡述：1.軸承內部結構介紹軸承內部一般由滾子保持架、轉動體、軸承內圈和軸承外圈所組成一般稱為軸承四大件。而密封性軸承，還要加上防塵蓋和涂抹油脂又稱為軸承六大件。2.軸承分類與特點根據(jù)其轉動體的不同，軸承分為滾子軸承和球軸承兩大類別。其中，球軸承分為推力角接觸球軸承、深溝球軸承、推力球軸承等多種。滾子軸承又分為滾針式軸承、圓柱形滾子軸承、圓錐滾子軸承等多中。刀架軸向所選軸承的特點深溝球軸承1.轉速高2.精度高3.噪聲、振動小4.主要承受徑向載荷5.也能承受一定軸向載荷6.制造簡單，成本低滾針軸承1.轉速較高2.能承受較高的徑向載荷（比徑向尺寸相同的其他軸承承受的徑向載荷大）3.不能承受軸向載荷4.剛性較高推力球軸承1.轉速低2.只能承受單面軸向載荷3.軸圈和座圈不能傾斜3.軸承的轉速選擇依據(jù)滾動軸承的轉速主要受容許運轉溫度的限制，摩擦阻力較低的軸承產(chǎn)生的內熱較小,最適合高速運轉，只承受徑向載荷時，深溝球軸承或圓柱滾子軸承的容許轉速最高,但若承受聯(lián)合載荷時，角接觸球軸承的容許轉速最高[12]。4.1.5端齒盤的選用端齒盤的應用端齒盤又稱鼠牙盤，端面齒盤是分度設備的關鍵部件，它能確保數(shù)控機床的轉塔刀架、等分轉臺等多工序自動數(shù)控機床和其它分度設備的運行精度。端齒盤的特點簡述如下：端齒盤的定位是用兩個齒形相同的端面齒盤相互嚙合而成，因此端齒盤在嚙合時各個齒的誤差會相互抵消。所以會有較高定位精度。端齒盤定位的特點如下：（1）較高的定位精度經(jīng)過研磨后的齒的齒盤其分度精度一般可達左右，最高可過，一對齒盤在嚙合時具備自定心的作用。因此對中心軸的旋轉精度、間隙、磨損對定心精度幾乎沒有影響，同時對中心軸的加工精度要求較低，容易加工裝配。（2）較高的定位剛性，承受載荷力較大，兩齒盤多齒相互嚙合。而且齒盤的齒部有比較高的強度，一般齒數(shù)嚙合率不會低于90%，齒面嚙合深度不會低于60%，因此定位剛性好，載荷力比較大。端齒盤的設計原理簡述端齒盤分為動齒盤與靜齒盤，它們是動力刀架上的兩個關鍵零件。其精度高低直接決定了刀架性能的高低。為了保證端齒盤的定位精度和剛性要求，對端齒盤做出以下技術要求：端齒盤材料采用40Cr優(yōu)質材料，齒部滲氮后對齒部進行磨削加工；齒寬之間接觸率不能低于75%；齒深接觸不能低于嚙合深度的90%，動靜兩齒盤嚙合時的接觸齒數(shù)應該在95%以上，安裝基準軸線對分度中心的位置誤差值，一般取值0.02~0.04mm，對精密齒盤其安裝誤差值應在0.01mm以內；安裝基準端面對分度的平行度誤差值，一般取0.01~0.04mm，對精密齒盤安裝平行度的誤差值應不得超過0.01mm。此次設計的刀架采用標準直齒端齒盤，查閱相關標準可得出以下參數(shù)：根據(jù)刀架的總體結構和外徑系列選取d=180mm。齒數(shù)z根據(jù)JB/T4316.1-1999查得當外徑d=180mm時，齒數(shù)可以為60和72兩種，它們的最小分度角分別為和，此次課題所設計的動力刀架為8工位，每變換一個工位從動盤就要轉動，應該是最小分度角的倍數(shù)關系，所以選取最小分度角為，從而選取z=72。齒長F：F=10mm齒盤厚度：H/2+m=21.24mm齒距t:t=7.85mm齒厚S：S=3.93mm全齒高h:h=5mm齒頂高m:m=1.24mm圖4-3端齒盤示圖4.2刀架的分度機構部分刀架的轉動換位采用凸輪分度機構來實現(xiàn)，驅動凸輪軸的旋轉又是由伺服電動機來實現(xiàn)的，電動機的選擇要滿足所需載荷和轉動力矩。因此需要對電動機作出進一步的選擇。4.2.1伺服電機的選用伺服電動機的分類直流伺服電動機分為：有刷電動機和無刷電動機。有刷電動機結構簡單，啟動轉矩大,制造成本低，變速范圍寬,容易控制,需要維護（換碳刷)，容易產(chǎn)生電磁干擾,對使用環(huán)境有一定要求。無刷電機轉速高，運轉可靠，體積小，重量輕，力矩大，反應快，力矩平穩(wěn)。終身免維護，運行時溫度低，電磁輻射比較小，使用壽命較長，可在各種環(huán)境下采用。交流伺服電機：也是無刷電機的一中，又分為同步電動機和異步電動機，市場上起到運動控制作用的設備當中大多采用同步電動機，由于其功率范圍大，能夠到比較大的功率。最高轉動速度又相對較低，而且會隨著功率的加大。選擇伺服電動機的一般原則首先要先行確定電動機系列和額定轉速，然后根據(jù)下面3個要素來確定伺服電動機的性能參數(shù)：1）負載慣量比。負載慣量比太大，控制將變得不可靠，那么調整伺服參數(shù)的難度也會大大增加。2）短時間性能（瞬時加速轉動、減速轉動）。測算驅動電動機的短時間內的加減轉速的時間參數(shù)。3）連續(xù)特性。在工作中會頻繁啟動、制動的數(shù)控機床設備，為避免電動機發(fā)熱，就要檢查它在一個制動、啟動周期內電動機轉矩的平均值。伺服電動機的選用依據(jù)：作為刀架動力來源的電動機的選擇應該同時滿足刀架旋轉的載荷扭矩和起動時的加速扭矩的要求。1)刀架負載扭矩的計算動力刀架負載扭矩計算方法：采用平均重力的方法，把刀具插滿刀盤的半個圓，根據(jù)工藝要求選擇所需要的各種刀具，確定每個刀具的平均重力值，因此布滿刀盤的半個圓則需要4把刀具。假設按工藝要求需要的每把刀具的平均重力為=4.9N；那么刀盤的回轉中心直徑為D=312.5mm。則有2)刀架加速扭矩的估算（4-3）式中刀架換刀時的電動機轉速(r/min); 加速時間,通常取150~200ms;電動機轉子慣量(),可查樣本;負載慣量折算到電動機軸上的慣量().3)負載慣量折算到電動機軸上的慣量的估算（4-4）式中各旋轉件的轉動慣量(); 各旋轉件的角速度();各直線運動件的質量();各直線運動件的速度();伺服電機的角速度().4)各旋轉件的轉動慣量的估計：(1)刀盤轉動慣量的計算如下：刀盤的主要尺寸為：刀盤大外徑為D1=382mm；刀盤與刀架主軸相連的過孔直徑為d1=80mm；刀盤厚度為P=69mm。可得出刀盤的轉動慣量計算公式為=1.13(2)刀架主軸的轉動慣量按下面的辦法估算可得出：刀架旋轉主軸的最小外徑為dmin=36mm；最大外徑為dmax=119mm；刀架旋轉主軸長度取值為l=503.3mm可得出刀架主軸的轉動慣量計算公式為=0.2237（3）從動盤的轉動慣量的計算如下：主要尺寸計算如下：從動盤分度圓盤直徑為D2=117mm，厚度為P=20mm可得出動盤的轉動慣量的計算公式=0.0028據(jù)上公式可得出圓柱形凸輪的分度圓盤直徑為Dh32=50mm圓柱形凸輪的轉動慣量計算公式為=0.0002(4)選用的聯(lián)軸器轉動慣量的計算依據(jù)如下：采有標準化的聯(lián)軸器，查詢表單，可知聯(lián)軸器的轉動慣量為(5)對各旋轉件的角速度作如下設定：伺服電機的角速度；凸輪的角速度；從動盤的角速度刀架主軸的角速；刀盤轉位時的角速度。把上面計算公式所得的數(shù)據(jù)代入到下列公式中：得到的載荷慣量換算到電機軸上的慣量，代入公式如下：=0.000373取；刀架換刀時伺服電機的轉速；伺服電動機轉子轉動慣量Jm=0.00003。則刀架加速扭矩=6)驅動電動機輸出扭矩的估算驅動電動機的輸出扭矩應同時滿足刀架負載扭矩和加速扭矩之和，將上面所計算的刀架載荷扭矩和加速扭矩變換為電動機軸上的輸出扭矩的公式為：（4-5）式中傳動效率取0.75。則有考慮到實際情況比計算時所設定條件復雜，電動機額定轉矩應為的1.2~1.5倍。所以取通過查閱西門子電機手冊，選擇采用西門子1FT6交流伺服電動機。該電機主要參數(shù)為額定轉速1500r/min，額定的輸出轉矩為5N·m，額定功率為0.4kW。體積小，重量輕，動力足。4.2.2凸輪式間歇運動機構的特點及應用簡述如下：常見的棘輪機構、槽輪機構，由于結構組成、運動特性和動力來源等條件的限制，大多數(shù)情況下應用于轉速低的場合。相比較而言，凸輪式間歇運動機構只要經(jīng)過合理的選擇轉盤的運動規(guī)律及運動特性，完全可達到傳動過程可靠平穩(wěn)，負載振動小，同時轉盤換位精確高，不必特別附加定位裝置，因此，此機構大多應用于高速換位、起到分度作用的機構當中。凸輪加工工序工藝比較復雜，加工精度比較高，裝配后的調整麻煩。在銑削加工中分度頭、加工中心的刀庫，都采用了凸輪間歇運動機構達到了高速分度運動的目的。一般情況下可以依據(jù)凸輪棱來進行定位，不必再附加其它定位裝置。這就需要提高凸輪的加工精度，以保證其定位精度。圓柱形凸輪分度機構所采用的參數(shù)確定依據(jù)如下圖表4-1所示：圖表4-1圓柱凸輪分度機構參數(shù)選擇參數(shù)名稱計算公式及選定原則參數(shù)確定滾子數(shù)z2z2=4~100，z<6時凸輪加工困難，一般取z2=6~48z2=8滾子盤分度角ψmψm=360o/z245o凸輪分度角Φm60o~180o，凸輪連續(xù)轉動，常用120oΦm={180o~270o，凸輪間歇回轉，常用240oΦm=240o最大壓力角從動盤分度圓半徑R2根據(jù)容許的結構尺寸和凸輪所承受的載荷等確定，R2大有利于提高分度精度以及機構的強度和剛度R2=117/2=58.5凸輪升程pp=44.75凸輪分度圓半徑R1滾子半徑r初選r=(0.2~0.3)p，如用軸承，r需選用標準尺寸r=8滾子寬度b初選b=(0.2~0.4)p，如用軸承，則需用軸承的標準尺寸滾子端面至凸輪槽底的間隙ΔΔ=(0.04~0.08)pΔ=24.3刀架動力部分的組成簡述如下：此次課題所設計的刀架運用變頻電機作為轉動動力源，圓柱形齒輪作為變速傳動的裝置。4.3.1交流伺服電動機的選擇依據(jù)概述伺服電動機的構成主要由同步電動機，轉子運轉位置傳感器，轉速傳感器等部分組成。1.結構簡述如下：伺服電動機主要由以下三部分組成：定子繞組、轉子和傳感器檢測元件。定子主體上有齒槽，用于安裝繞組，繞組是U、V、W，且相位互差120度的三相。定子外殼大多都呈現(xiàn)多邊形。便于散發(fā)熱量，避免伺服電動機熱量過大，影響到工作臺的精度。2.轉子的速度計算公式為nr=ns=60f/p，也就是由電源頻率f和磁極對數(shù)p相除所得的數(shù)值而決定。伺服電動機的性能及優(yōu)點簡述：1）直流伺服電動機和交流伺服電動機相比較而言，交流伺服電動機的機械性能要硬一些，同時交流伺服電動機的運動直線更為接近水平線。連續(xù)工作區(qū)范圍更寬，尤其是在高速區(qū)的體現(xiàn)，更加顯著，同時對于提高電動機的加、減速性能也更加有利。2）穩(wěn)定性和可靠性較高。采用電子逆變器替代了直流電動機換向器和電刷，工作壽命由所采用的軸承的性能參數(shù)來決定。沒有了換向器或電子碳刷，節(jié)約了相關的保養(yǎng)和維護的工作及費用。3）伺服電機在旋轉或工作時的主要損耗是在定子繞組與轉子鐵心軸上。這種結構使得其在工作中產(chǎn)生的熱量容易散走，也方便安裝散熱保護裝置；相對而言直流電動機在工作中的損耗主要在轉子上，使得定子繞組產(chǎn)生的熱量不易散走。4）轉子慣量比較小，這種結構可以允許高速工作。5）占用空間小，重量輕。4.3.2齒輪模數(shù)的設計計算及選擇應用此次設計的動力刀架旋轉部分主軸最高旋轉速度為n3=3000r/min，多級變速傳動，可以提高刀架的載荷能力。切削刀具能夠承受較高的切削作用力。此次設計的刀架傳動結構初步選定數(shù)據(jù)如下圖4.5所示，齒輪z4與齒輪z5的中心距離為a45=85mm，齒輪z1與齒輪z2的中心距離a12=156mm，齒輪z2與齒輪z3的中心距離a23=165mm，帶動動力刀具作用的主動齒輪z1最高轉速初步設置為n1=4500r/min，n4=2825r/min，計算z1齒輪、z2齒輪、z3齒輪、z4齒輪、z5齒輪直徑和模數(shù)。如下圖4-4所示。圖4-4示意圖1)初步選擇模數(shù)m的方法及過程：依據(jù)硬齒面外嚙合的閉式傳動情況，可按m=(0.016~0.0315)a=(0.016~0.0315)×85=1.36~2.67mm，查詢相關數(shù)據(jù)表單13.1-2可得出m=2.5mm。2）求傳動比i45=μ=n3/n4=3000/2825=1.063)求z4和z5根據(jù)式d4=mz4=2.5×33=82.5mmda=(z4+2)m=(33+2)×2.5=87.5mmdf=(z4-2.5)m=(33-2.5)×2.5=76.25mmz5=i45z4=1.06×33=35d5=mz5=2.5×35=87.5mmda=(z5+2)m=(35+2)×2.5=92.5mmdf=(z5-2.5)m=(35-2.5)×2.5=81.25mm4)大齒輪z2的選擇理論依據(jù)按照整體尺寸配合的緊密程度，首先確定分度圓d2=250mm，m=2.5mm。z2=d2/m=250/2.5=100da=(z2+2)m=(100+2)×2.5=255mmdf=(z2-2.5)m=(100-2.5)×2.5=243.75mm5)求出z1和z3根據(jù)得:z1=24.8取整得:z1=25d1=mz1=2.5×25=62.5mmda=(z1+2)m=(25+2)×2.5=67.5mmdf=(z1-2.5)m=(25-2.5)×2.5=56.25mm中心距:同理：得:z3=32d3=mz3=2.5×32=80mmda=(z3+2)m=(32+2)×2.5=85mmdf=(z3-2.5)m=(32-2.5)×2.5=73.75mm6)驗證傳動比經(jīng)驗算，傳動比符合使用要求。4.3.3軸承的選擇和運用選擇合適的軸承并應用在機械裝置中的相關部位，依據(jù)使用條件和工作環(huán)境條件是選擇適合采用軸承的前提。深溝球軸承的特點簡述如下：1）有較高的運轉速度2）高精密度3）低噪聲、振動輕4）能夠承受徑向力的負荷，5）可以承受一定的軸向力的負荷。6）制造容易方便，價格低廉。依據(jù)上面敘述的深溝球軸承的特點，此次設計的自驅動力刀具系統(tǒng)中，運用深溝球軸承來承載徑向力和軸向力。第五章CK6130車削中心旋轉塔刀架三維圖制作5.1刀架主要關鍵的零部件實體制作制圖軟件：UGNX105.1.1刀架旋轉軸的實體制圖簡述：使用UGNX10中草圖命令，先畫出刀架旋轉軸的輪廓半徑，約束其相關尺寸后，再切換到建模界面，并對刀架旋轉軸進行旋轉操作。螺紋處的繪制運用工具欄當中的插入，激活設計特征中的螺紋命令來創(chuàng)建并繪制出螺紋圖樣。如下圖5-1所示：圖5-1刀架軸示意圖5.1.2刀盤的制圖過程簡述：同樣運用UG10草圖命令，先在草圖界面畫出刀盤的半徑，再調出建模命令并在里面進行旋轉操作，刀盤當中的8個通孔可以運用工具欄里面的特征進行環(huán)行陣列。如下圖5-2所示：圖5-2刀盤平面示意圖5.1.3齒輪制圖過程簡述：此次設計課題運用了齒輪制作當中的齒輪模塊小插件，在UG10當中可能直接調用gear.dll文件，按快捷鍵Ctrl+U調出并運用齒輪模塊，在對話框中輸入以下參數(shù)，如下圖5-3所示：圖5-3畫出齒輪如圖5-4：圖5-4齒輪示意圖5.1.4圓柱形凸輪制圖過程簡述：根據(jù)需要，先畫出圓柱形實體，再在圓柱形實體上根據(jù)需要畫出螺旋線，運用以下命令，如下圖5-5所示：圖5-5其次再使用已掃掠命令如圖5-6:圖5-6使用差集得出如圖5-7：圖5-7圓柱形凸輪圖5.2裝配圖1.裝配圖是表示機構或設備部件的運動方式、工作原理、零件間的連接方式及其裝配關系的圖紙，是主要的生產(chǎn)技術文件之一。機械設備或機構在設計的過程中，裝配圖要在零件圖之前進行繪制，而且裝配圖與零件圖所表述的內容也不一樣，裝配圖主要應用于機械設備、部件或機構的裝配、調試、維修等場景，是主要也是重要的技術文件，非常具有邏輯性。2.UG10是在裝配過程建立各零部件之間的