毕业设计：电动转塔刀架和电动刀盘的设计

1. 绪论

1.1课题研究的目的

随着科学技术的不断发展， 现今社会生产中对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要

求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的重要措施之一。显然，普通的机床已经远远不 能满足人们的要求。 为了有效的提高产品的质量、 生产效率、降低生产成本，数控机床应运而生。

随着生产力水平的日益提高，很多企业都引进了数控设备，提高了机床的精度，改善了设备的状 况，但制造商们忽略了一个很重要的部件就是刀架，要想真正提高效率，使用自动换刀架才能从 根本上解决问题。

自动换刀装置(Automatic Tool Change

)应当具备换刀时间短、刀具重复定位精度高、足

够的刀具储备量、占地面积小、安全可靠等特性。

快速换刀技术是减少加工辅助时间的重要手段，而且正处于发展阶段，快速换刀技术和新方 法的不断出现和改进，使高速加工中心的切削速度得到进一步提高。

换刀辅助时间减至最短或为 0。这样，即使每个主轴刀对刀的换刀时间为 5?6. 5s,而切屑对切 屑的换刀时间可以是0. 4s 或甚至为0s 。这种换刀方式的刀库和换刀机械手可以是 1套或2套。

(3) 转塔方式这种方式将刀库布置在主轴周围 ，刀库本身相当于机械手，通过刀库拔插刀具 并采用顺序换刀而使切屑对切屑换刀时间较短。 若要实现任意换刀，换刀时间会随所选刀具在刀 库位置的不同而有所不同，如选最远的刀，切屑对切屑换刀时间就长。因此，这种方式作为快速 自动换刀装置，一般只能采用顺序选刀的方式。

(4) 多机械手方式同样，刀库布置在主轴周围，但采用每把刀用一个机械手的方式，使换刀 几乎没有时间的损失，并可以采用任意选刀的方式，德国CH IRON 公司生产这种结构的加工中心 , 实现了切屑对切屑换刀时间为 1.5s,成为单主轴机床切屑对切屑换刀时间最短的机床之一。

(5) 通过凸轮联动驱动的换刀机械手在实现设计需要的运动和位置时 ，凸轮机构不仅能准确 控制，且有良好的动态特性。所以通过凸轮联动驱动的的换刀机械手 ，可在高速条件下可靠地运

转，因此，刀对刀换刀时间较短的自动换刀装置 ，一般都采用通过凸轮联动驱动的换刀机械手。

（6）采用HSK 空心短锥柄刀柄快速自动换刀装置采用

HSK 空心短锥柄刀柄是发展的趋势 ,因 为HSK 刀柄质量轻，拔插刀行程短，自然可以加快自动换刀装置的换刀速度。

实现快速换刀装置主要有以下几种途径 ⑴： (1) 采用多主轴方式主轴并排固定在主轴架上

传动系统和主轴结构，每根主轴安装1把刀具,

机构。奥地利ANGEF 公司生产这种结构的加工中心

(2) 在加工时间内换刀当一个主轴进行加工时 ,每根主轴由各自的电动机直接驱动 ，简化了 由夹具快速位移完成换刀，省去了复杂的换刀 (机床)，实现了切屑对切屑换刀时间为 0.4s 。 ,在另一个主轴上进行着刀具的交换 ，使实际

目前，AT（被广泛应用于生产中，据美国一家公司的调查，使用自动换刀装置后，总的换刀

时间缩短了70%-80%而加工公差保持在5卩m以内。用于这些机床的快速换刀系统的总投资额为10万美元，其成本收回期为6个月［2］。

本次设计的自动换刀装置是十二工位的，可以同时装夹十二把刀，既减少了换刀时间，在减

少换刀次数的同时，又大大控制了由装夹刀具引起的误差，提高了加工的精度。

本次设计的重点是自动换刀装置的刀盘体和砖塔刀架的结构设计，设计思想是进一步减少换

刀装置的体积，增强换刀装置的性能，提高数控机床的生产效率。

1.2本课题国内国外研究的现状

国内现状：

目前，中国机床工业厂多人众。2000年，金切机床制造厂约358家（20.6万人），成形机床制造厂191家（约6.5万人），共计549家（27.1万人）。其中生产数控金切机床的约150家，生产数控成形机床的约30家，共计约180家，占厂家总数的1/3。2001年金切机床产量19.2万台，内数控金切机床17,521台，约占9%。

总的来说：数控机床产量不断增长，2001年为1991年的3.6倍；进口量增长较快，达29倍，出口量有所增加，但数目较小，为 4.8倍；数控机床消费量增加较快，达7.9倍。产量满足不了

社会发展的需求。

从金额上看，2001年数控机床进口17,679台，计14.1亿美元，出口2,509台，计0.44亿美元，进口额为出口额之32倍。进口大、出口小。

长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制

器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过

CAD/CAh及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC

只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材

料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境

下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC勺工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模

式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因

此，对数控技术实行变革势在必行。

国外现状：

现在欧美数控产品已经达到了一个相当高的工艺水平，例如硬件上采用模块化接口、标准计

算机零件，软件上非常简单实用，方便用户使用。

国外的先进技术主要体现以下几个方面：

高速加工技术发展迅速，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，减少运动惯性。在刀具材料和结构的支持下，从单一的刀具切削高速加工，发展到机床加工全面高速化，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；快速移动速度从每分钟十几米发展到几十米和超过百米；换刀时间从十几秒下降到10秒、3秒、1秒以下，换刀速度加快了几倍到十几倍。应

用高速加工技术达到缩短切削时间和辅助时间，从而实现加工制造的高质量和高效率。

精密加工技术有所突破

通过机床结构优化、制造和装配的精化，数控系统和伺服控制的精密化，高精度功能部件的

采用和温度、振动误差补偿技术的应用等，从而提高机床加工的几何精度、运动精度，减少形位

误差、表面粗糙度。加工精度平均每8年提高1倍，从1950年至2000年50年内提升100倍。

目前，精密数控机床的重复定位精度可以达到1??m进入亚微米超精加工时代。

技术集成和技术复合趋势明显

技术集成和技术复合是数控机床技术最活跃的发展趋势之一，如工序复合型一一车、铳、钻、

镗、磨、齿轮加工技术复合，跨加工类别技术复合一一金切与激光、冲压与激光、金属烧结与镜

面切削复合等，目前已由机加工复合发展到非机加工复合，进而发展到零件制造和管理信息及应用软件的兼容，目的在于实现复杂形状零件的全部加工及生产过程集约化管理。技术集成和复合形成了新一类机床——复合加工机床，并呈现出复合机床多样性的创新结构。

四是数字化控制技术进入了智能化的新阶段

数字化控制技术发展经历了三个阶段：数字化控制技术对机床单机控制；集合生产管理信息形成生产过程自动控制；生产过程远程控制，实现网络化和无人化工厂的智能化新阶段。智能化指工作过程智能化，利用计算机、信息、网络等智能化技术有机结合，对数控机床加工过程实行智能监控和人工智能自动编程等。加工过程智能监控可以实现工件装卡定位自动找正，刀具直径和长

度误差测量，加工过程刀具磨损和破损诊断、零件装卸物流监控，自动进行补偿、调整、自动更换刀具等，智能监控系统对机床的机械、电气、液压系统出现故障自动诊断、报警、故障显示等,

直至停机处理。随着网络技术的发展，远程故障诊断专家智能系统开始应用。数控系统具有在线技术后援和在线服务后援。人工智能自动编程系统能按机床加工要求对零件进行自动加工。在线服务可以根据用户要求随时接通INTERNET接受远程

服务。采用智能技术来实现与管理信息融合

下的重构优化的智能决策、过程适应控制、误差补偿智能控制、故障自诊断和智能维护等功能，大大提高成形和加工精度、提高制造效率。信息化技术在制造系统上的应用，发展成柔性制造单元和智能网络工厂，并进一步向制造系统可重组的方向发展。

极端制造扩张新的技术领域

极端制造技术是指极大型、极微型、极精密型等极端条件下的制造技术。极端制造技术是数

控机床技术发展的重要方向。重点研究微纳机电系统的制造技术，超精密制造、巨型系统制造等相关的数控制造技术、检测技术及相关的数控机床研制，如微型、高精度、远程控制手术机器人的制造技术和应用；应用于制造大型电站设备、大型舰船和航空航天设备的重型、超重型数控机床的研制；IT产业等高新技术的发展需要超精细加工和微纳米级加工技术，研制适应微小尺寸的

微纳米级加工新一代微型数控机床和特种加工机床；极端制造领域的复合机床的研制

1.3课题设计的主要任务

本设计是经济型数控机床改造中的一部分，即对换刀装置的重新设计。目的是节省生产中的

换刀时间，提高生产效率，获得更好的经济效益。

首先，设计了十二工位电动刀盘的结构，此刀盘可安装十二把不同的刀，能车削内孔、外圆柱面等，目的是使一个工件的各种加工如车、铳、钻等可以在一套程序指令里完成。

其次，设计了电动转塔刀架的结构，设计中对换刀装置进行了较详细的阐述，并给出了几种选刀方式，通过对比后，选择出一种较适合本次设计的转位选刀方式，对选刀动作的实现进行了详细的说明。此外，还对关键参数进行了计算和校核。另外，我还对控制系统进行了简略设计，给出了控制系统的电路图和程序的算法。

采用的设计方案（基本理论）与技术路线

总体方案的确定

采用液压驱动刀架、液压拉紧、双齿盘定位、单片机控制换刀过程采用液压拉紧、步进电机驱动刀盘、

双齿盘定位、利用数控系统自带的PMC和单片机相结合来控制换刀过程

经比较两方案，最后选用了第二种方案，一下是基于第二方案设计的电动刀架。

数控机床刀架由机床PLC来进行控制，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，实现刀架的顺序控制。另外为了保证换刀能够正确进行，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。下面是是基于PLC控制下的换刀过程设

计。首先设计控制部分，图1是刀架控制流程图。

图1换刀流程图

机械部分的设计如图2,本设计采用液压和电力作为动力驱动刀架。具体思路是利用电动机

驱动连接到刀架中心轴上的齿轮旋转，带动刀架旋转实现快速准确换刀。刀盘的拉紧过程，控制系统接收到正确的刀位信号后，向外发出命令使电动机停转，刀架处于预定位状态。于与此同时液压缸左腔进油，通过活塞拉动刀盘，端齿盘副啮合。端齿盘实现精确定位。

计算部分：计算切削力，保证刀架具有足够的刚性。为保证效率，换刀的速度要尽可能的的

快，所以采用较高的油压。合理设计传动机构，电动刀盘和电动刀台等，图3为刀架的各部分安

装尺寸。

2. 数控机床的概述

2.1数控技术

数字控制(Numberical Control )是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种控制方法。

数控技术是用数字化信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是现代化工业生产中的一

门新型的，发展十分迅速的高新技术。数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造业和新兴制造业形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备；其技术范围所覆盖的领域有：机械制造技术、微电子技术、信息处理加工传输技术、自动控制技术、伺服驱动技术、检测监控技术、传感器技术、软件技术等。数控技术及装备在提高生产率、降低成本、保证加工质量及改善工人劳动强度等方面，都有突出的优点；特别是在适应机械产品迅速更新换代、小批量、多品种生产方面，各类数控装备是实现先进制造技术的关键。

数控机床是采用了数控技术的机床。或者说是装备了数控系统的机床。国际信息处理联盟

(International Federation of Information Processing,IFIP ),对数控机床作了如下的定义：数控机床是一种装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑地处理具有使用号码或其他符号

编码指令规定的程序0

2.2 CK6763数控机床的概述

图2刀架图3刀架外尺寸

本次设计的数控机床的主运动转速共12级，在42.5-1000r/min 范围内，分低速和高速两档，

每档中的6级可自动变速，在主轴100r/min以上的转速可输出主电机全部功率。因此，即适于高速切削也适于大直径工件的高效率加工。

纵、横向进给运动是由交流伺服电机通过齿形带付和滚珠丝杠付传动，走刀运动平稳、准确、

灵敏度高。

本机床适用于精度要求高，形状复杂，循环周期长，品种多的单件和中、小批的轴类和盘类

零件的加工，能车削内、外圆柱面、圆锥面、圆弧面和公制、英制螺纹及端面、锥螺纹等。

2.3数控机床的发展

国内外数控发展概况：现代数控技术集传统的机械制造技术、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，是现代制造技术的基础［3］，它的发展和运用，开创了制造业的新时代，使世界制造业的格局发生了巨大变化。数控技术的广泛使用给机械制造业生产方式、产业结构、管理方式带来深刻的变化，

它的关联效益和辐射能力更是难以估计；数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，CAD/CAM CIMS FMS等技术都是建立在数控技术之上，离开了数控技术，先进制造技术就成了无本之木；数控技术是国防现代化的重要战略物质和商业贸易的重要构成，工业发达国家把数控机床视为具有高技术附加值、高利润的重要出口产品，世界贸易额逐年增加。日本由于数控技术高度发展使其制造业迅速崛起，美国要挽回其失去的地位，欧洲要适应市场竞争的需求，从而以数控技术为主要标志的现代制造技术成了美国、日本和欧洲等工业国家竞争的焦点。由于数控产业的企业行为，而在某种程度上体现了政府意志，其发展快慢有赖于政府的支持。中国政府也已充分意识到发展数控技术的重要性，正积极采取各种有效措施大力发展中国的数控产业，把发展数控技术作为振兴机械工业的重中之重。

我国数控机床的技术水平、性能和质量与国外还有很大差距，直到目前为止，技术含量较低的简易数控车床仍占主导地位，高档数控机床及功能部件大多数依靠进口。因此，尽管当前市场活跃、需求旺盛，如果只顾眼前利益，满足于产品有销路，不深入研究国外数控机床的发展趋势，提高自主开发能力，积极培育新产品，那么在投资高潮过去以后，我国的机床工业将更加缺乏竞