直驱电机集成的转塔刀架结构设计
第一章 绪论
现代工业发展其实就是制造工艺的发展，而这其中一个非常重要的因素就是制造工具——机床的发展。现代机床的发展都趋向于自动化、复合化以及高速化。而作为制造业主力军的数控机床来说，它的发展更是日新月异。
自从20世纪60年代世界上第一台数控机床问世以来，随着计算机技术、微电子技术、现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通信技术和机械制造技术等各相关领域的发展，数控技术已成为现代先进制造系统(FMS，CIMS等)中不可缺少的基础技术。由于机床数控系统技术复杂，种类繁多。现在数控机床的“使用难、维修难”问题，已经是影响数控机床有效利用的首要问题。
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，高性能的刀塔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，数控刀塔是由数控系统来控制的，因此，在刀塔本身性能提高的情况下，如何实现控制任务就显得十分重要了。国内数控车床转塔刀架的设计和生产都是依赖先进国家的，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，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。数控车床今后将向中高当发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种，预计近年来对数控刀架需求量将大大增加，随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展，因此对刀塔的设计以及它本身性能的研究就显得十分重要。
自从20世纪60年代世界上第一台数控机床问世以来，随着计算机技术、微电子技术、现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通信技术和机械制造技术等各相关领域的发展，数控技术已成为现代先进制造系统(FMS，CIMS等)中不可缺少的基础技术。由于机床数控系统技术复杂，种类繁多。现在数控机床的“使用难、维修难”问题，已经是影响数控机床有效利用的首要问题。
工业发达国家都非常注重机械制造业的发展，为了用先进技术和工艺装备制造业，机械制造装备工业得到先发展。对比之下，我国目前机械制造业的装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专用工艺装备，数控机床在机械制造装备中的比重还非常低，导致“刚性”强,更新产品速度慢，生产批量不宜太小，生产品种不宜过多；自动化程度基本上还是“一个工人，一把刀，一台机床”，导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。 因此，要缩小我国同工业发达国家的差距,我们必须在机械制造装备方面大下功夫，其中最重要的一个方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重。
本次的课题是12位盘型直驱转塔刀架结构设计，该机构可以一次装夹12把动力刀，可以在加工过程中一次性的进行多道工序的加工，大大提高了加工精度和生产效率。本次设计的主要内容是：1.对刀塔的结构，刀塔的传动形式的设计；2.刀塔与刀座的连接形式、刀座的选择；3.刀具的交换动作设计、交换时间以及定位锁紧计算；4.刀塔其他辅助部件的设计
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其结构尺寸进行选择设计，根据课题所要求的刀塔的驱动方式，对其进行设计进而加以优化。总之，本课题的意义在于:
1.根据设计要求，在最短的时间内设计出最优的12位盘型刀塔结构；
2.减少物质的浪费，用最少的材料设计出满足其设计要求及加工精度的刀塔结构； 3.培养综合运用专业基础知识和专业技能来解决工程实际问题的能力； 4.强化工程实践能力和意识,提高本人综合素质和创新能力；
5.，使本人受到从事本专业工程技术和科学研究工作的基本训练,提高工程绘图、计算、数据处理、外文资料文献阅读、使用计算机、使用文献资和手册、文字表达等各方面的能力；
6.培养正确的设计思想和工程经济观点，理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度以及积极向上的团队合作精神。
刀塔的换刀过程可以分解成为三个动作：上下端齿盘松开、刀盘转位、上下端齿盘啮合锁紧。其中上下端齿盘的松开以及锁紧都是通过液压驱动来实现的。而刀盘的转位由直驱电动机驱动。
1.1国内转塔刀架发展现状
国际上数控机床的发展日新月异，我国数控转塔刀架行业亦发生了根本性的改变，目前规模生产企业有四家：常州市宏达机床数控设备有限公司、常州市新墅数控设备有限公司、烟台环球机床附件集团有限公司、沈阳精诚数控机床附件厂。产能由原来的年产几百上千台到现在的大约7万台，基本满足国内中低档次数控车床的需求。但是，产能只是满足量的一面，低档次产品价格低廉、功能不齐、适应性差，其生命力亦不会太强。只有满足质的方面、满足数控机床性能要求方面的产品才是最重要的。
我国的数控机床行业与世界先进制造行业相比，存在很大的差距，而重要的原因是功能部件行业赶不上数控机床的发展。特别是数控转塔刀架行业，在2007年制定了国家标准，但是标准要求比较低。虽然每个企业都有了自主知识产权，但生产的产品以中、低档次为主。中、高档次产品都是从中国台湾地区和国外引进，特别是欧洲国家，像意大利的迪普马、巴拉法蒂，德国的肖特等都是有几十年的数控转塔刀架设计、研发、生产的专业企业，有丰富的经验积累，拥有自主知识产权，拥有自己的标准，有先进的加工检测手段，其精度等级、技术参数都远高于我国国家标准和任何一家企业标准。
但是，进口刀架的价格昂贵，交货周期长，因此，目前配置在国内数控机床上的进口高档次功能部件还是比较少的。而中国台湾地区的液压刀架其稳定性、可靠性、适应性基本达到国际同类产品水平，而且有自己的特点，与欧洲产品相比，价格适中，具有很高的性价比。因此，台湾的数控转塔刀架在大陆有一定的占有量，而且在中档次机床的配置尤为突出。如何提升自己产品的技术含量，既适合我国数控机床发展的实际需要，又能在国际市场竞争中有一席之地，是我们值得思考的问题和今后各个企业所要走的路。
1.2如何改变我国数控转塔刀架行业与国外的差距
（1）解放思想、立足自我，走科技创新发展之路
目前，我国数控转塔刀架行业已经闯出了一条自己的路，特别是民营企业，思想开放，有属于自己的灵活政策，敢于创新、敢于冒险，有自己的科技发展计划，有自己独特的产品
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开发理念。像常州市宏达机床数控设备有限公司，在短短的四五年间，自行设计、自己制造，开发了多款中、高档次数控转塔刀架：数控转塔动力刀架、数控转塔伺服刀架、数控转塔重型刀架、数控立卧两用转塔刀架等。这些产品都具有自主知识产权，获得多项专利和科技项目立项。其中，数控转塔动力刀架（见附图）获得常州市知识产权产业化项目，现已通过验收，同时获得国家科技部“科技型中小企业创新基金无偿资助项目”的立项，上述产品都已获得“江苏省高新技术产品”.公司每年投入大量产品研发的资金，一方面进行新产品的研发，另一方面不断改善加工手段，提升产品质量。但是，与国际先进制造企业相比，无论是技术水平、技术参数等方面还有很大的差距。
（2）苦练内功、调整产品结构，加强抵御市场风险的能力
一个企业，应该有自己的综合实力，从产品品种、产品质量、企业文化、资金积累、企业管理、企业规划等方面都是不可或缺的，企业必须围绕市场的需要去适应。市场是“魔鬼”,你只有去与“魔鬼”打交道，才能生存。不同的产品、不同的品种适应不同的市场。就目前国内数控车床行业，低档次的占到总量的75%以上，大约有近6万多台套，而中档次大约占10%,高档次更少，只占5%都不到，其余为专机。因此，产品必须有高、中、低，档次齐全，而且生产方面以中、低档次为主，产品开发以高档次为重点。
但是，随着数控机床的发展，低档次产品将越来越少，产品必须逐步转向中档次，然后向高档次产品倾斜。在此生产转换过程中，提升产品档次，完成产品升级换代，使企业始终处于适应市场的状态。常州市宏达机床数控设备有限公司就是依靠多年苦练的内功，在2008年金融风暴寒潮的袭击中，尽管受到了一定的影响，但是很快就抵御寒潮，起暖回升。2009年的销售3万多台套，达到历史最高水平，经济效益好于往年。而且，中高档次产品的比例有明显的提高。这得益于产品结构的及时调整、产品档次不断提升的结果。
（3）紧紧依靠国家政策，充分发挥行业协会的作用
装备制造业是体现国家整体水平的一个重要方面，因此，国家对装备制造业十分重视，始终把装备制造业放在重要的位置，长期出台各种鼓励、支持政策，并提出具体要求。在“十二五”时期，装备制造业的主要目标，要求自主创新能力显着提高，掌握重点领域核心技术；产业结构优化升级；发展的协调性显着增强；信息技术发展优势大幅度提高；发展的质量和效益稳步提高。目前国内功能部件产业成为数控机床产业发展的瓶颈已成事实，我们必须正视现实。数控转塔刀架企业一般比较小，技术落后，根本不能与先进企业相比，要做大、做强才能走向世界。
当前，行业协会特别是专业协会根据我国的实际现状，组织有关部门、有关人员进行调查研究，提出合理化建议，然后提供可行的方案，为决策提供基础，在短期内确立目标、规划，让每个企业都有自己可以走的路，不走重复之路，无辜浪费时间、财力、精力，为企业产品结构调整提供帮助。我们可以借鉴其他成功的经验与做法，像中国台湾地区，由政府和行业协会牵头，设立研究机构，所有的成果让参与和支持者共享。同时，对企业结构调整，同行业各个企业合资合作牵线搭桥，为企业及时提供有效信息，国家政策和资源共享，让所有企业站在同一起点，谁起跑快，处于领先，就是暂时的胜利者，这种赛跑没有终点。因此要给所有参赛者加油、鼓劲。
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1.3数控刀架的最新发展趋势
1.3.1基本结构
数控刀架作为数控车床的动作执行部件，其基本结构包括： （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。
台环球机床附件集团有限公司从数控刀架技术引进到自主开发生产的历程中，近两年开发出了伺服电机驱动刀架和采用模块化设计带铣削功能的动力刀架，标志着国内数控刀架向高速化、复合化方向发展迈出坚实的一步，填补了国内空白。
（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）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。1.3.2数控刀架技术发展演变
近30年的发展，数控刀架逐渐演变为电动和液动两大类别。电动刀架以欧洲为代表。 由力矩电机驱动，凸轮控制齿盘的松开和刹紧，预定位动作由电磁铁完成，位置信号由编码器发出，采用齿轮减速完成分度、松开、刹紧动作。
液动刀架以日本技术为基础，日本、韩国和我国台湾省为代表。采用液压马达驱动，采用间歇分度机构平行共轭凸轮分度和预定位，液压松开刹紧，位置信号用组合传感器发信。早期的液压刀架用液压伺服分度马达驱动，因该马达价格较高，现专业厂已很少用此种结构。
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第二章 数控车床自动换刀装置
2.1概述
自动换刀装置的形式是多种多样的，有刀库式和转塔式，虽然换刀过程、选刀方式、
刀库结构、机械手类型等各不相同，但都是在数控装置及可编程序控制器控制下，有电动机或液压或气动机构驱动刀库和机械手实现刀具的选择与交换。我们把这种为实现多工序的连续加工，在加工中心或车削中心中，可进行刀具的选择与交换的装置叫自动换刀装置（automatic tool change 简称ATC）。
自动换刀装置是数控车床最普遍的一种辅助装置，它可使数控车床在工件一次装夹中完成多种甚至所有的加工工序，以缩短加工的辅助时间，减少加工过程中由于多次安装工件而引起的误差，从而提高机床的加工效率和加工精度[3]。
我国对加工中心的需求一直是有增无减，同时，加工中心自动换刀装置的开发也有长足的发展。对于卧式加工中心来说，有从用于JCS-013的独立式自动换刀装置到用于TH6350、TH6363、TH6380和TH63100的TB51.02双层缸式通用机械手加链式刀库（北京机床研究所设计并制造）的自动换刀装置；对于立式加工中心来说，有从用于JCS-018的气液型鼓轮式自动换刀装置到用于XH715B和XH715C的多凸轮联动型鼓轮式自动换刀装置。特别是用于TH715B和TH715C的多凸轮联动型鼓轮式自动换刀装置，他的研制成功，为我国自动换刀装置设计与制造翻开了崭新的一页，自1991年鉴定后批量生产，已累计生产了50多台，由于其结构简单，迅速可靠（刀对刀2.5s），受到广大国内外用户的一致好评。
加工中心和车削中心自动换刀装置的发展趋势是四个方向：一是高速、可靠，追求的目标是换刀时间尽量的短，以换取加工中心和车削中心的高效性；二是简单实用、造价低、使用可靠，但换刀速度不快。
自动换刀装置开发技术要全面注意下列五个方面：
1）自动换刀装置的可靠性与优化设计研究。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，通过改进设计，使自动换刀装置故障率大大减少，保证百万次以上正常换刀的品质。通过对自动换刀装置进行多目标的优化设计，使其动态性能达到最优，进而提高自动换刀装置的性能，降低其制造成本，使刀对刀换刀时间对40刀柄不大于1s，达到世界先进水平。
2）自动换刀装置的系列化与CAD设计。使自动换刀装置适用国内厂家的各种产品，以便得到推广和使用。即达到厂家一旦提出的参数：不同刀柄型号，刀库容量等的自动换刀装置，使厂家立即投入生产，并且是处于国内先进水平的。
3）自动换刀装置制造技术研究。针对自动换刀装置中关键零件的制造技术进行研究，以提高其制造质量和降低制造成本。
4）自动换刀装置新技术的研究。跟踪国际加工中心和车削中心自动换刀装置的发展主流，研究自动换刀装置的新工作原理及新技术。
5）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降低成本，也能保证质量，同时在我国有巨大的市场，因此，在技术研究的基础上，应研究使我
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