数控车床刀架装置的设计1

数控车床刀架装置的设计 1 绪论

1.1. 国内发展情况

我国的刀架生产还处在发展阶段，品种、 规格、可靠性等方面还需要有一个完善的 过程，远远没有达到成熟。 基本上采用传统材料和传统，加上部分外购配套件的可靠性 较差造成产品整体的可靠性与外国的差距。

国内部分刀架回转原理为电机经弹簧理合器带动蜗杆， 再由蜗轮带动蜗杆旋转， 当 刀架转体时，由霍尔元件不断检测刀架转体是否到位， 到位后霍尔元件发出信号，然后 反转锁紧。主要采用有销盘、内齿盘，外齿盘组成的三端齿定位机构实现准确定位。其 控制部分主要选用MCS-5係列单片机以及ATME公司的AT89等同类产品进行控制。

烟台机床附件厂是目前我国生产刀架水平最高的厂家， 特别是可以生产带刀头的刀 架。该厂家全套引进意大利的生产线，产品属于高档型。

1.2. 国外发展情况

国外数控机床附件产品的开发应用比较早，经验丰富，再由于技术进步，新材料， 新结构的不断出现与应用，使得其产品的可靠性比较高。

国外主要分为日本和欧美两大流派。其产品的特点是夹紧力大，采用专用电机， 体 积小，转矩大，可靠性高，耐磨，可靠性较高。比如，日本日研公司部分回转刀架的核 心部件蜗杆副，蜗轮采用氮化钢，齿部表面采用氮化处理，硬度高；蜗杆为硬质合金蜗 杆；整个蜗杆副为硬齿面接触，耐磨。既实现了高速又保证了高可靠性。还有德国的肖 特（SAUTER 意大利的杜普洛马蒂克（DUPLOMATIC和巴鲁法迪（BARUFFALDI等， 他们都有自己的系列、规格和专利。像肖特（SAUTER的刀架，采用行星传动机构，其 结构紧凑， 传动方向均为同一方向， 没有像蜗杆副的降速机构的交叉轴设计，易于一体 化布置。采用牙嵌式齿行离合器的升起和加紧，空行程转角、小效率高，且自锁功能可 靠。其控制部分大都与机床一起采用 CNC控制，目前国际比较好的系统有西门子，法拉 克，三菱等。

1.3. 结构组成与动作循环数控车床刀架装置的设计

典型的数控转塔刀架一般有动力源（电极或油缸，液压马达）、机械传动机构、预 分度机构、定位机构、锁紧机构、检测装置、接口电路、刀具安装台（刀盘）、动力刀 座等组成。

数控转塔刀架的动作循环为：

T指令（换刀指令）刀盘放松（抬起）转位刀位检测预分度精确定位 刀具锁紧 结束，答复信号。

14技术性能与发展趋势

数控转塔刀架的技术发展很快，现正逐步形成标准定型产品。我国数控转塔刀架标 准草案中所规定的主要技术性能如下： 陕西科技大学毕业设计说明书 2

1.4.1. 精度

定位精度要求高，一般要求工位目标位置重复定位精度在 4" —10"，刀槽的工作位 置定位精度在0.03-0.05 mm。各种形位公差为0.02 0.03mm。因此定位机构均采用精 密多齿盘。先进工艺用浮硬齿面对研，重复定位精度可高达1"另外,刀盘加工趋向用淬火 硬磨削，以获得刀槽精度的长期保持性及高的刚度。

1.4.2. 运转性能

主要是转位时间和转位频率。先进水平一次转位周期 0.3 —Is,最快己达0.IS。分度

频率为 600—1000次/h。

双向转位就近换刀（最短路程换刀）的结构正在开发应用，如双向滚子端面凸轮机 构，可显著缩短换到周期。为了克服刀盘高速转位引起的惯性冲击，使用恰当的缓冲元 件是其发展趋势。

1.4.3. 润滑与密封

目前趋向于开发能终生润滑的产品，即在使用全过程中，不需要用户再采取任何润 滑措施。

因工作环境恶劣，对密封性能要求很高，通常规定在刀架体内棋道压力105pa气路， 浸入装有防锈液的试验箱内，在规定时间内，不得有漏气现象。

1.4.4. 负载能力与刚度

数控转塔刀架的负载能力与刚度，除了与有关零件的尺寸、形状、结构等有关外 ， 受刀盘锁紧力影响也很大。一般小型产品锁紧力为103N左右,高性能产品可达6 104N 以上。

对数控转塔刀架的静刚度目前尚无规范要求，有的企业标准已经提出测详见定，但 缺乏数据指示。对动刚度，动态性能,在生产实践中反映出其影响明显，但也无可靠数据 指示提出，这些方面是今后研究开发中的重要方向。

1.4.5可靠性方面

可靠性是产品性能的综合反映。对转塔刀架目前一般要求平均无故障时间（MTBF）为 5 104N次，高级的已经达到2 104N次以上，国内产品在设方面亟待提高。

1.5 现代典型数控转塔刀架的结构分析

1.5.1. 液压式 1.4. 技术性能与发展趋势

数控转塔刀架的技术发展很快，现正逐步形成标准定型产品。我国数控转塔刀架标 准草案中所规定的主要技术性能如下：

1.4.1. 精度

定位精度要求高，一般要求工位目标位置重复定位精度在 4" —10" ，刀槽的工作位

置定位精度在0.03-0.05 mm。各种形位公差为0.02 0.03mm。因此定位机构均采用精 密多齿盘。先进工艺用浮硬齿面对研 , 重复定位精度可高达 1"另外, 刀盘加工趋向用淬火 硬磨削, 以获得刀槽精度的长期保持性及高的刚度。

1.4.2. 运转性能

这类刀架用液压缸实现刀盘锁紧 , 低速大扭矩液压马达驱动刀盘转位。 液压缸可获 得很大的锁紧力 , 故刀架刚性很好。该机构适用于重负荷切削 , 且易双向转位就近换刀 , 大型数控车床应用较多。

近年已开发出将液压马达和滚珠式预分度机构合为一体的液压分度马达 (Index

Motor) 。可使刀架简化 , 重复定位精度可达 0.1" 。刀盘加速时间仅为 0.1S, 有较好的应 用前景。

1.5.2. 液压机械式 1.4. 技术性能与发展趋势

数控转塔刀架的技术发展很快，现正逐步形成标准定型产品。我国数控转塔刀架标 准草案中所规定的主要技术性能如下：

1.4.1. 精度

定位精度要求高，一般要求工位目标位置重复定位精度在 4" —10"，刀槽的工作位 置定位精度在0.03-0.05 mm。各种形位公差为0.02 0.03mm。因此定位机构均采用精 密多齿盘。先进工艺用浮硬齿面对研 , 重复定位精度可高达 1"另外, 刀盘加工趋向用淬火 硬磨削, 以获得刀槽精度的长期保持性及高的刚度。

1.4.2. 运转性能 1.4. 技术性能与发展趋势

数控转塔刀架的技术发展很快，现正逐步形成标准定型产品。我国数控转塔刀架标 准草案中所规定的主要技术性能如下：

1.4.1. 精度

定位精度要求高，一般要求工位目标位置重复定位精度在 4" —10"，刀槽的工作位

置定位精度在0.03-0.05 mm。各种形位公差为0.02 0.03mm。因此定位机构均采用精 密多齿盘。先进工艺用浮硬齿面对研，重复定位精度可高达1"另外,刀盘加工趋向用淬火 硬磨削，以获得刀槽精度的长期保持性及高的刚度。

1.4.2. 运转性能 陕西科技大学毕业设计说明书 4

这类刀架用液压缸锁紧刀盘，转位和预分度则用点电机通过机械传动装置实现，如 槽轮机构。目前趋向采用动态性能较好的间歇凸轮转位机构。

1.5.3.电动势1.4.技术性能与发展趋势

数控转塔刀架的技术发展很快，现正逐步形成标准定型产品。我国数控转塔刀架标 准草案中所规定的主要技术性能如下：

1.4.1. 精度

定位精度要求高，一般要求工位目标位置重复定位精度在 4" —10"，刀槽的工作位 置定位精度在0.03-0.05 mm。各种形位公差为0.02 0.03mm。因此定位机构均采用精 密多齿盘。先进工艺用浮硬齿面对研，重复定位精度可高达1"另外,刀盘加工趋向用淬火 硬磨削，以获得刀槽精度的长期保持性及高的刚度。

1.4.2. 运转性能

这类刀架以电机为动力源，使用方便,应用最多。主要形式有以下几种：

（1） 单面凸爪锁紧式

是我国自行开发的小型产品刀盘主轴上固联有单向凸爪离合器的右半。电机经 蜗轮传动使主动凸爪（离合器左半）正向旋转,两个半离合器结合，两定位多齿盘觉分开 啮合,刀盘转位。到位后反向旋转，刀盘转动被预分度机构的定位销阻止，由于凸爪斜面 作用使离合器左右两半分离，使刀盘右移实现定位锁紧。

此形式结构紧凑，但锁紧力靠机构的弹性变形产生，调整较难,主轴刚度不宜大，适用于 低速低载,如仪表及床上使用。

（2） 双插销反靠式

这类刀架以 T 形丝杠螺母机构产生锁紧力。 电机正转时丝杠移动使两多齿盘分 离，再由反靠盘及插销带动刀盘转动到位 , 检测装置发讯时电机反转 , 插销向预分度糟 反靠实现预分度。由于另一端插销斜面作用 , 反靠盘与之分离 ,电机继续反转则使丝杠 连同刀盘反向位移至多齿盘啮合锁紧。

该刀架转位周期为 1 2S, 不能双向转位。因只用一个传动链实现动作循环 , 各动 作协调由一特殊双插销机构实现 ,故结构紧凑 ,锁紧可靠,成为国内中、低档数控车床采 用的主要机型。

（3）双向滚子端面凸轮锁紧式

这类刀架采用正反方向均可实现转位锁紧的滚子端面凸轮机构 , 能就近换刀。 1.6 控制与接口

刀位检测元件多用无触点的霍尔元件或接近开关以及光电编码器。锁紧电机一般采 用三相交流电机 ,

但开发应用体积小扭矩大 , 能频繁换向的专用电机对提高电动式刀架 性能十分重要。动力刀具驱动用可无级调速的伺服电机。数控转塔刀架与系统接口方式 常有如下两种 :

1.6.1 直接与数控系统接口

视不同系统给出的换刀控制信号 , 应设计相应的接口电路。通常由如下功能 ：方式 选择、刀位检测发讯、驱动功能 （驱动执行器件完成转位锁紧等动作 ） 、保护功能 （以脆 如机械电气故障 ） 其逻辑电路一般可用继电器实现。

1.6.2通过可编程序控制器（PLC）与数控系统接口

用 PLC 实现接口可提高柔性和可靠性。

1.7 各种刀架简介

1.7.1 简易经济型数控刀架

目前主要为立式四工位 , 通常采用双插销机构实现转位和预定位 , 电机采用右置式或 转塔式。一般只能单向转位 , 采用齿轮 , 蜗杆传动 , 螺旋副加紧 , 多齿盘精定位。此种刀架 价格便宜,适用于要求不高的数控机床 ,在我国应用最为广泛。 但是,该刀架工位少 ,回转 空间大,易发生干涉,所以正向工序长 ,回转空间小的卧式刀架过渡。

1.7.2 高精度型数控刀架

目前一般多为卧式八工位到十二工位。分为抬起式和不抬起式。抬起式仿意大利巴 罗法蒂公司的 TA

刀架, 其缺点是转阻塞度不能过高 ,只能单向回转； 不抬起式仿意大利

IOE型刀架,采用行星齿轮机构。或仿美国的三联分齿盘精定位，转位采用平行分度凸轮 （又叫共辄凸轮）或槽轮机构此种刀架目前正逐渐推广。

1.7.3带动力刀具的数控刀架

此种刀架只有烟台机床附件厂生产，全套引进意大利的生产线和专利，一般用于车削 加工中心。