直驱电机集成的转塔刀架结构设计
国的自动换刀装置生产走上产业化的道路，建立生产自动换刀装置的基地。 自动换刀装置的设计应满足以下基本要求： 1）换刀时间短，以减少非加工时间。 2）减少换刀动作对加工范围的干扰。 3）刀具重复定位精度高。
4）识刀、选刀可靠，换刀动作简单可靠。 5）刀库刀具存储量合理。
6）刀库占地面积小，并能与主机配合，使机床外观协调美观。 7）刀具装卸、调整、维修方便，并能得到清洁的维护。
2.2 ATC刀具自动换刀形式
为进一步提高数控机床的加工效率，数控机床正向着工件在一台机床一次装夹即可完成
多道工序或全部工序加工的方向发展，因此出现了各种类型的加工中心机床，如车削中心、镗铣加工中心、钻削中心等等。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，因此必须有自动换到装置，以便选用不同刀具，完成不同工序的加工工艺。自动换到装置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[5]。
各类数控机床的自动换到装置的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具种类和数量。数控机床常用的自动换刀装置的类型、特点、适用范围见表2-1。
表2-1 自动换刀装置类型
类别型式 塔式 转塔头 转 回转刀架 特点 多为顺序换刀，换刀时间短、结构简单紧凑、容纳刀具较少 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 库式 刀具与主轴之 换刀运动集中，运动不见少。但刀库容量受限 刀库只有选刀运动，机械手进行换刀运动，刀库容量大 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、铣床类立式、卧式加工中心机床 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 数控钻、镗、铣床 适用范围 各种数控车床，数控车削加工中心 刀间直接换刀 用机械手配合刀库进行换刀 2.3 数控车床刀架的功能、类型和满足的要求
数控转塔刀架是加工中心、数控车床必备的机床附件，尤其适用全功能数控车
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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升级问题。作为关键附件，高性能的数控转塔刀架对于提高机床整体运行的可靠性、稳定性和效率有着重要意义，数控转塔刀架是由数控系统来控制的，因此，在转塔刀架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。 2.3.1数控车床刀架的功能
数控机床上的刀架是安放刀具的重要部件，许多刀架还直接参与切削工作，如卧式车床上的四方刀架，转塔车床的转塔刀架，回轮式转塔车床的回轮刀架，自动车床的转塔刀架和天平刀架等。这些刀架既安放刀具，而且还直接参与切削，承受极大的切削力作用，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变化，特别是数控车床上采用电(液)换位的自动刀架，有的还使用两个回转刀盘。加工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手，定现了大容量存储刀具和自动交换刀具的功能，这种刀库安放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，就成为加工中心的主要特征。
因此，刀架的性能和结构往往直接影响到机床的切削性能、切削效率和体现了机床的设计和制造技术水平。 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
排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。其结构形式为：
夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床的X坐标轴方向排列在横向滑板上。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较为方便，可以根据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具，一把刀具完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿X轴移动预先设定的距离后，第二把刀就到达加工位置，这样就完成了机床的换刀动作。这种换刀方式迅速省时，有利于提高机床的生产效率。宝鸡机床厂生产的CK7620P全功能数控车床配置的就是排式刀架。 2. 回转刀架
回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，一般通过液压系统或电气来实现机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架，并相应地安装4把、6把或更多的刀具。回转刀架的换刀动作可分为刀架抬起、刀架转位和刀架锁紧等几个步骤。它的动作是由数控系统发出指令完成的。回转刀架根据刀架回转轴与安装底面的相对位置，分为立式刀架和卧式刀架两种。 3. 带刀库的自动换刀装置
上述排刀式刀架和回转刀架所安装的刀具都不可能太多，即使是装备两个刀架，对刀具的数目也有一定限制。当由于某种原因需要数量较多的刀具时，应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刀具交换机构组成。
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排式刀架
图2-1 机床刀架类型结构图
2.3.3数控机床刀架应满足的要求
（1） 满足工艺过程所提出的要求。机床依靠刀具和工件间相对运动形成工件表面，而工件的表面形状和表面位置的不同，要求刀架能够布置足够多的刀具，而且能够方便而正确地加工各工件表面， 为了实现在工件的一次安装中完成多工序加工，所以要求刀架可以方便地转位。
（2） 在刀架以要能牢固地安装刀具，在刀架上安装刀具进还应能精确地调整刀具的位置，采用自动交换刀具时，应能保证刀具交换前后都能处于正确位置。以保证刀具和工件间准确的相对位置。刀架的运动精度将直接反映到加工工件的几何形状精度和表面粗糙度上，为此，刀架的运动轨迹必须准确，运动应平稳，刀架运转的终点到位应准确。面且这种精度保持性要好，以便长期保持刀具的正确位置。
（3） 刀架应具有足够的刚度。由于刀具的类型、尺寸各异，重量相差很大，刀具在自动转换过程中方向变换较复杂，而且有些刀架还直接承受切削力。考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量，所以刀架必须具有足够的刚度，以使切削过程和换刀过程平稳。 4） 可靠性高。由于刀架在机床工作过程中，使用次数很多，而且使用频率也高，所以必须充分重视它的可靠性。
（5） 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—6秒之间不等。而且还在进一步缩短。
（6）操作方便和安全。刀架是工人经常操作的机床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是评价刀架设计好坏的指标。刀架上应便于工人装刀和调刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作调整刀架的手柄（或手轮）要省力，应尽量设置在便于操作的地方。
(a)回转刀架 (b)
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第三章 直驱电机集成的转塔刀架结构方案设计
3.1调查研究与资料收集
3.1.1 课题的调查研究
从国内外市场调研结果看，国内对数控车床转塔刀架的设计和生产都是依赖于先进国家的，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，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。车削加工中心是目前国际上比较前端的一种数控机床，可以进行多工序加工，如车削、钻削、铣削等。有关人士指出，数控机床附件及其配套功能附件是我国机床工具制造业“十五”计划重点发展产品。虽然我国数控机床产品附件的研制由无到有，取得了显著成绩，但与国外先进水平相比还是有一定差距的。为确保国产数控机床的大发展，就必须把数控机床附件尽快搞上去。为此他们建议国家有关部门，尽快制定有关鼓励、扶持国产数控机床附件发展的相关政策，加大数控机床附件行业科研和技术改进投入，使国产数控机床附件行业有一个大发展。而且动力刀架是数控机床附件中尤为重要的一个部件，把这一技术提高是我们义不容辞的事情。 3.1.2资料收集
课题涉及到的有关知识包括：数控机床结构、车削加工中心、自动换刀装置等等方面；其次还包括一些机械设计、机械传动、液压、间歇分度机构等方面的知识，在校图书馆借阅了一些关于本次设计有关的资料，而且还在网上搜索了一些相关资料：1）现代实用机床设计手册；2）实用机床设计手册；3）机械设计手册；4）数控车床设计；5）数控机床结构与维修等等。
3.2动力刀架的整体方案设计与选择
方案一：
（1）刀盘: 安装动力刀具和普通的部件。为了实现提高产品的互换性及标准化，并且有效的降低开发成本。国际上主流的刀塔生产企业都倾向于采用德国标准的动力刀具，因此该刀盘的设计接口按照德国标准进行设计。采用德国标准DIN6499－16增速动力刀座(传动比1: 4，连接齿形标准w1630.8330318) ，动力刀具的转速可以成倍提高。
（2）动力传动部分: 这部分由一组齿轮组构成，由伺服电机Ⅱ直接驱动，提供动力给动力刀具。伺服电机的转速为3000/min，通过齿轮组传递到动力刀座，再经过1: 4 的增速，动力刀具部分可以达到12000/min 的高转速。
（3）精确分度机构: 精确分度机构主要是靠三片式精密端齿盘( 鼠牙盘) 来保证。根据端齿盘的齿数z，因此可以确定的最小分度是360 / z。高精度加工的端齿盘，可以达到分度精度± 2.5″，重复定位精度±1″，完全符合设计要求。
（4）液压控制系统: 控制分度盘和动力刀具接头的分离与锁紧。整个转塔刀架的塔身实际上被设计成一个液压缸，依靠搭载在机床上的油泵和二位四通阀控制机构运动。 （5）粗分度机构: 控制刀盘的粗分度，由一个伺服电机Ⅰ、行星减速机和传动轴组成。
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当机床发出换位指令后，伺服电机Ⅰ通过传动轴带动刀盘换位，完成粗分度。
（6）动力刀具离合结构: 由一个齿轮组和矩形花键轴组成的离合装置，用来控制动力刀具与动力传动部分的结合与分离。刀盘需要转动时，离合器分离;当刀盘转动到确定位置时，离合器接口与动力刀具刀柄末端处相啮合，驱动动力刀具转动。转塔刀架的刀位转换大致分为三个阶段［3，4］。第一阶段:数控系统( NC) 发出换刀T 指令后，控制系统判断旋转方向和需要旋转的角度，并发出相应的指令; 第二阶段: 液压系统工作使鼠牙盘分离，取消粗分度机构电机制动，动力刀具离合机构分离，粗分度机构的执行旋转及并达到相应的旋转度数，完成粗分度; 第三阶段: 鼠牙盘闭合并锁紧，动力刀具离合机构也锁紧，完成精确分度，动力传动部分伺服电机旋转给动力刀具提供动力。
图3-1 转塔刀架方案一装配图
优点：转位驱动采用伺服电机，这样结构设计灵活，控制方便。动力离合装置采用液压现有液压缸，方便选取，
缺点：转位驱动采用伺服电机，传动链长，精度差。现有液压缸结构大、占用空间。适用范围狭窄，是针对动力刀架设计的一体刀架。 转塔刀架设计方案二：
（1）转塔刀架刀位的转换驱动依靠力矩电机，目的是为了提高转位精度和结构的简化。 （2）精确分度机构的实现仍然采用三片式鼠牙盘进行精确定位，但是鼠牙盘没有再次采用标准件，而是根据产品的设计要求，自行设计鼠牙盘。
（3）离合机构不再采用标准液压缸，而是采用自行设计的液压缸机构，是得离合器更为紧凑，所占的空间更小，结构设计也更灵活。
（4）冷却盘设计，可以根据加工的位置，在正负20°的位置调整角度，方便冷却液的输出。安装冷却盘装备时，不搭载动力部分可以是无动力转塔刀架，只能完成车削、铣削等功能。
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