數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架分類與結(jié)構(gòu)分析

1、數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架分類與結(jié)構(gòu)分析數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架分類與結(jié)構(gòu)分析1.1.緒論緒論34最早是在40年代初，由美國北密支安的一個(gè)小型飛機(jī)工業(yè)承包商派爾遜斯公司（Parsons Corporation）實(shí)現(xiàn)數(shù)字技術(shù)進(jìn)行機(jī)械加工的。1952年，麻省理工學(xué)院在一臺立式銑床上，裝上了一套試驗(yàn)性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)了同時(shí)控制三軸的運(yùn)動(dòng)。這臺數(shù)控機(jī)床被大家稱為世界上第一臺數(shù)控機(jī)床。 1954年11月，在派爾遜斯專利的基礎(chǔ)上，第一臺工業(yè)用的數(shù)控機(jī)床由美國本迪克斯公司（Bendix Cooperation）正式生產(chǎn)出來。 1959年3月，由美國卡耐;特雷克公司（Keaney & Trecker Corp.）開發(fā)出

2、第一臺具有自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床。1980年代，在電動(dòng)刀架和液壓刀架的本體基礎(chǔ)上外加動(dòng)力刀具驅(qū)動(dòng)模塊的形式，構(gòu)成了動(dòng)力刀架。1.11.1刀架的發(fā)展刀架的發(fā)展刀架，作為機(jī)床的重要組成部分，刀架的發(fā)展是伴隨著機(jī)床的發(fā)展的。1.21.2我國數(shù)控刀架發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展要求我國數(shù)控刀架發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展要求v 發(fā)展現(xiàn)狀: 起步階段，品種單一，不可靠。 與世界先進(jìn)制造行業(yè)相比，存在很大的差距。 國內(nèi)配套廠家較少 。v未來發(fā)展要求：刀架轉(zhuǎn)位時(shí)間最短，且轉(zhuǎn)位準(zhǔn)確。 刀架定位精度高、動(dòng)作迅速、穩(wěn)定可靠。 可多刀夾持，雙向轉(zhuǎn)位和任意刀位就近選刀； 應(yīng)用范圍廣，維修方便等特點(diǎn) 。2.2.數(shù)控刀架種類數(shù)控刀架種類v

3、數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架是數(shù)控車床上的核心功能部件之一，其分類如圖2.1所示：數(shù)控刀架非動(dòng)力刀架動(dòng)力刀架電動(dòng)刀架液壓刀架伺服刀架雙動(dòng)力刀架單動(dòng)力刀架復(fù)合型刀架直驅(qū)刀架徑向雙動(dòng)力軸向雙動(dòng)力徑向單動(dòng)力軸向單動(dòng)力皇冠型單動(dòng)力Y軸單動(dòng)力刀架B軸單動(dòng)力刀架Y軸軸向單動(dòng)力Y軸徑向單動(dòng)力Y軸皇冠型刀架圖2.1 數(shù)控刀架分類2.12.1非動(dòng)力刀架非動(dòng)力刀架非動(dòng)力刀架一般根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式分為：非動(dòng)力刀架一般根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式分為：l普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)刀架普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)刀架; ;l液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的液壓刀架液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的液壓刀架; ;l伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服刀架伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服刀架; ;l力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的直驅(qū)刀架。力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的直

4、驅(qū)刀架。v電動(dòng)刀架是數(shù)控機(jī)床進(jìn)行換刀的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)刀架上刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)刀架是數(shù)控機(jī)床進(jìn)行換刀的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)刀架上刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)和刀盤的初定位、定位與夾緊的運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)刀具的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，具有和刀盤的初定位、定位與夾緊的運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)刀具的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，具有傳動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣正反轉(zhuǎn)控制、傳動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣正反轉(zhuǎn)控制、PLCPLC編程控制等功能。常見的電動(dòng)編程控制等功能。常見的電動(dòng)刀架中具有典型的結(jié)構(gòu)有刀架中具有典型的結(jié)構(gòu)有TND360 TND360 刀架和刀架和LDB4LDB4刀架，這兩種刀架采用刀架，這兩種刀架采用了不同的傳動(dòng)升降結(jié)構(gòu)，不同定位控制；但都實(shí)現(xiàn)了刀盤的正向換刀了不同的傳動(dòng)升降結(jié)構(gòu)，不同定位

5、控制；但都實(shí)現(xiàn)了刀盤的正向換刀和反向鎖緊，刀盤的圓周定位功能。和反向鎖緊，刀盤的圓周定位功能。圖2.2 LDB4電動(dòng)刀架v液壓刀架是集機(jī)、電、液于一體的主要機(jī)床附件，已廣泛應(yīng)用于各液壓刀架是集機(jī)、電、液于一體的主要機(jī)床附件，已廣泛應(yīng)用于各類中高檔數(shù)控車床。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)是由液壓旋轉(zhuǎn)馬達(dá)和液壓伸縮缸來完成，類中高檔數(shù)控車床。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)是由液壓旋轉(zhuǎn)馬達(dá)和液壓伸縮缸來完成，而位置控制是由光電編碼器系統(tǒng)和機(jī)械定位副齒牙盤來控制。液壓刀而位置控制是由光電編碼器系統(tǒng)和機(jī)械定位副齒牙盤來控制。液壓刀架換刀動(dòng)作包括松開、分度、預(yù)定位、精定位、夾緊五個(gè)主要?jiǎng)幼?。架換刀動(dòng)作包括松開、分度、預(yù)定位、精定位、夾緊五個(gè)主要?jiǎng)幼?/p>

6、。圖2.3 液壓刀架由于伺服刀架的出現(xiàn)，使伺服刀架本體上加裝動(dòng)力模塊的動(dòng)力刀架也應(yīng)運(yùn)而生，這種雙伺服的動(dòng)力刀架主要配置在中端的車削中心上，動(dòng)力刀架的轉(zhuǎn)位和動(dòng)力刀具的驅(qū)動(dòng)采用的都是伺服電機(jī)，因而結(jié)構(gòu)上有進(jìn)一步整合和發(fā)展的空間。1990年代，出現(xiàn)了單伺服動(dòng)力刀架產(chǎn)品，這種動(dòng)力刀架主要搭配在各種高端的車削中心和車銑復(fù)合加工中心上，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)含量高。圖2.4 非動(dòng)力伺服刀架v伺服電動(dòng)刀架主要用于高檔數(shù)控機(jī)床，其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，剛性好，鎖緊迅速可靠。系統(tǒng)由刀架控制器、伺服電機(jī)、減速器、液壓鎖緊系統(tǒng)等構(gòu)成，可完成刀盤的轉(zhuǎn)位、轉(zhuǎn)速、初定位、精定位動(dòng)作和鎖緊及選刀控制等動(dòng)作。2.2.22.2.2動(dòng)力刀架的

7、用途動(dòng)力刀架的用途 伴隨加工件的日益復(fù)雜化、精度等級以及加工效率的進(jìn)步，多軸向、高轉(zhuǎn)速成為工具機(jī)必備的條件，除了加工中心機(jī)走向機(jī)能復(fù)合化外，車床方面已由早期的臥式車床開發(fā)出許多新的加工型態(tài)，例如雙刀塔、立式車床、倒立車床、以及車銑概念機(jī)種，以順應(yīng)新時(shí)代加工方式的需求。 其中車銑概念復(fù)合機(jī)無疑是一項(xiàng)新技術(shù)結(jié)合的工具機(jī)杰作，最大的優(yōu)點(diǎn)在于可輕易地在同一機(jī)臺上做復(fù)雜零件的加工，車銑復(fù)合機(jī)可同時(shí)進(jìn)行車削( Turning )、鉆孔( Drilling )、攻牙( Thread Cutting )、端面切槽( Slot Cutting )、側(cè)面切槽( Keyway Cutting )、側(cè)面銑削( Fac

8、e Cutting )、角度鉆孔( C-axis Angle Drilling )、曲線銑削( Cam Cutting ).等等。即由一臺工具機(jī)即可完成一個(gè)零件的所有加工流程，大大降低上下料換機(jī)臺加工的時(shí)間，以及減少人為公差的機(jī)會(huì)，達(dá)到“Do In One”的加工概念（如圖2.5）。2.22.2動(dòng)力刀架動(dòng)力刀架2.2.12.2.1動(dòng)力刀架含義：動(dòng)力刀架含義：具有刀具傳動(dòng)裝置的刀架一般稱為動(dòng)力刀架。比如，在轉(zhuǎn)塔（回輪）刀架上裝有回轉(zhuǎn)刀具時(shí)，轉(zhuǎn)塔（回輪）刀架就兼有鉆、銑等功能。動(dòng)力刀架鉆孔、攻螺紋動(dòng)力刀架鉆孔、攻螺紋 動(dòng)力刀架角度鉆孔、銑削動(dòng)力刀架角度鉆孔、銑削曲面曲面 動(dòng)力刀架銑側(cè)平面動(dòng)力刀架銑

9、側(cè)平面 Do In One在新世代車銑復(fù)合機(jī)中，不論是具分度的C軸頭部、副主軸、Y軸等，都必須搭配動(dòng)力刀塔才能具備車銑復(fù)合的功能，因此一座功能性佳、精度高的C軸動(dòng)力刀塔，將使新世代車銑復(fù)合機(jī)更臻完善。動(dòng)力刀架銑削槽口動(dòng)力刀架銑削槽口圖2.5車銑概念復(fù)合機(jī)功能（1 1）動(dòng)力刀架是根據(jù)動(dòng)力刀和刀盤換刀是否用同一個(gè)動(dòng)力源將）動(dòng)力刀架是根據(jù)動(dòng)力刀和刀盤換刀是否用同一個(gè)動(dòng)力源將動(dòng)力刀架分為：動(dòng)力刀架分為：圖2.6 單伺服動(dòng)力刀架圖2.7雙伺服動(dòng)力刀架單伺服刀架（圖2.6）雙伺服刀架（圖2.7）2.2.3動(dòng)力刀架分類（2 2）動(dòng)力刀架又根據(jù)動(dòng)力刀與刀架軸線的角度分為：）動(dòng)力刀架又根據(jù)動(dòng)力刀與刀架軸線的角度

10、分為：軸向伺服刀架（其刀盤如圖2.8）徑向伺服刀架（其刀盤如圖2.8）皇冠型伺服刀架（如圖2.8）圓型軸向刀盤多角型徑向刀盤皇冠型刀架圖2.8圖2.9 Y軸動(dòng)力刀架圖2.10 B軸動(dòng)力刀架（3 3）動(dòng)力刀架上動(dòng)力刀的進(jìn)給一般是依賴于刀架的進(jìn)給）動(dòng)力刀架上動(dòng)力刀的進(jìn)給一般是依賴于刀架的進(jìn)給系統(tǒng)，為提高動(dòng)力刀的加工范圍部分動(dòng)力刀架增加系統(tǒng)，為提高動(dòng)力刀的加工范圍部分動(dòng)力刀架增加Y Y軸和軸和B B軸，形成軸，形成Y Y軸動(dòng)力刀架（如圖軸動(dòng)力刀架（如圖2.92.9）和）和B B軸動(dòng)力刀架（如圖軸動(dòng)力刀架（如圖2.102.10）。）。（4 4）刀架鎖緊方式）刀架鎖緊方式v 刀架的鎖緊方式直接影響到刀加

11、的精度以及切削時(shí)的剛性，主要可分為 雙聯(lián)齒盤方式 三聯(lián)齒盤方式（如圖2.11）v 目前C軸動(dòng)力刀塔皆屬三聯(lián)齒盤式的結(jié)構(gòu)，雖然三片式的剛性較兩片式略差，但是三片式構(gòu)造的防水性與防屑性均佳，且刀盤只需作旋轉(zhuǎn)而不需作推出的動(dòng)作，有利于換刀時(shí)間的縮短與伺服動(dòng)力刀塔之設(shè)計(jì) 圖2.11 迪普馬刀架3.3.動(dòng)力刀架結(jié)構(gòu)動(dòng)力刀架結(jié)構(gòu)v 目前較大的刀塔制造商皆屬歐系公司，如Sauter (德國)、Duplomatic (意大利)、Baruffaldi (意大利)等，在刀塔設(shè)計(jì)開發(fā)上大多遵循所謂的德式快換刀座( VDI Toolholder System )規(guī)范，因此在VDI規(guī)范占有較大的市占有率下，其后較小型的

12、刀塔制造商以及工具機(jī)廠所自行研發(fā)的動(dòng)力刀塔也都會(huì)依循此規(guī)范。3.13.1三聯(lián)齒盤式轉(zhuǎn)塔動(dòng)力刀架結(jié)構(gòu)分析三聯(lián)齒盤式轉(zhuǎn)塔動(dòng)力刀架結(jié)構(gòu)分析 v 三聯(lián)齒盤式轉(zhuǎn)塔動(dòng)力刀架主要采用如圖3.1所示的刀架結(jié)構(gòu)，包括定齒盤、動(dòng)齒盤、鎖緊齒盤、活塞、導(dǎo)向銷、主軸、傳動(dòng)齒輪和伺服電機(jī)等。其中，動(dòng)齒盤安裝在主軸上，定齒盤安裝在箱體上，鎖緊齒盤安裝在動(dòng)齒盤和定齒盤的對側(cè)，構(gòu)成三聯(lián)齒盤，活塞與鎖緊齒盤安裝在一起，并通過導(dǎo)向銷與油腔端蓋相連。當(dāng)需要轉(zhuǎn)位時(shí)，前油腔通入液壓油，在活塞的作用下鎖緊齒盤與動(dòng)、定齒盤分離，伺服電機(jī)通過齒輪1、2、3和大齒輪的傳動(dòng)，主軸旋轉(zhuǎn)，使刀架轉(zhuǎn)位，轉(zhuǎn)位到位后由伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)并鎖緊，實(shí)現(xiàn)初定位；

13、初定位后，后油腔通入液壓油，在活塞的作用下鎖緊齒盤與動(dòng)、定齒盤嚙合，實(shí)現(xiàn)精定位。3.1.13.1.1三聯(lián)齒盤式轉(zhuǎn)塔動(dòng)力刀架結(jié)構(gòu)三聯(lián)齒盤式轉(zhuǎn)塔動(dòng)力刀架結(jié)構(gòu)圖3.1 三聯(lián)齒盤式轉(zhuǎn)塔動(dòng)力刀架結(jié)構(gòu)示意圖3.1.23.1.2三聯(lián)齒盤式轉(zhuǎn)塔動(dòng)力刀架優(yōu)缺點(diǎn)三聯(lián)齒盤式轉(zhuǎn)塔動(dòng)力刀架優(yōu)缺點(diǎn)v 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 鎖緊齒盤質(zhì)量小，滑移速度快，且沖擊小。v 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：齒盤間裝配間隙和誤差難調(diào)整 安裝三聯(lián)齒盤時(shí)，動(dòng)齒盤與定齒盤之間難免有裝配誤差，動(dòng)齒盤和定齒盤產(chǎn)生軸向錯(cuò)位：如果鎖緊齒盤與定齒盤緊密結(jié)合則不能與動(dòng)齒盤緊密結(jié)合，如圖3.2所示；如果鎖緊齒盤與動(dòng)齒盤緊密結(jié)合則無法與定齒盤緊密結(jié)合，如圖3.3所示。如此造成三聯(lián)齒盤

14、的接觸面的剛度降低，刀架的重復(fù)定位精度減小，甚至發(fā)生“吃刀”現(xiàn)象。其中：111為動(dòng)齒盤，112為定齒盤，113為鎖緊齒盤。 圖3.2圖3.33.1.33.1.3技術(shù)改進(jìn)技術(shù)改進(jìn)v對于這種情況，在不改進(jìn)刀架結(jié)構(gòu)的前提下，可以對加工及裝配工藝加以改進(jìn)，加工過程中嚴(yán)格保證安裝面的精度要求；裝配過程中，對于誤差大的零件的安裝表面進(jìn)行刮研刮研處理，已達(dá)到合理的裝配誤差。3.23.2皇冠型轉(zhuǎn)塔動(dòng)力刀架結(jié)構(gòu)分析皇冠型轉(zhuǎn)塔動(dòng)力刀架結(jié)構(gòu)分析3.2.1德國Sauter的皇冠型動(dòng)力刀架，其結(jié)構(gòu)圖如圖3.4、3.5所示圖3.4 皇冠型動(dòng)力刀架v 此種刀架主要用于專用機(jī)床上，并且只能安裝動(dòng)力刀，由于刀架的換刀過程中涉及

15、到面齒輪，目前我國還無法加工，因此這種刀架基本都是從外國進(jìn)口，且價(jià)格昂貴。 圖3.5 皇冠型動(dòng)力刀架結(jié)構(gòu)簡圖3.2.2為了改進(jìn)刀架的傳動(dòng)以及換刀方式，美國專利提出了自己的結(jié)構(gòu)方案，如圖3.6圖3.6 皇冠型刀具連續(xù)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力伺服轉(zhuǎn)塔刀架結(jié)構(gòu)圖圖3.7 分度機(jī)構(gòu)圖3.8 定位機(jī)構(gòu)v分度機(jī)構(gòu)及定位機(jī)構(gòu)分度機(jī)構(gòu)及定位機(jī)構(gòu)v優(yōu)點(diǎn)及不足優(yōu)點(diǎn)：換刀迅速摩擦小不足：功率利用率低定位方式剛度低圖3.9v改進(jìn)與優(yōu)化由于此種刀架的結(jié)構(gòu)上導(dǎo)致刀架剛度低，精度差，因此無法在制造機(jī)裝配上進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，但此種刀架的設(shè)計(jì)思路給了我們很大的啟發(fā)。根據(jù)這種刀架的結(jié)構(gòu)思路：l在其動(dòng)力傳遞方式上，增加過渡輪機(jī)構(gòu)，使其只有在工位上的刀具才能轉(zhuǎn)動(dòng)，提高刀架的功率利用率；l在定位方式上采用雙聯(lián)齒盤的定位方式，提高刀架的定位剛度和精度。圖3.10 結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化4.4.結(jié)束語結(jié)束語 伴隨加工件的日益復(fù)雜化、精度等級以及加工效率的進(jìn)步，多軸向、高轉(zhuǎn)速成為工具機(jī)必備的條件，除了加工中心機(jī)走向機(jī)能復(fù)合化外，車床方面已由早期的臥式車床開發(fā)出許多新的加工型態(tài)，例如雙刀塔、立式車床、倒立車床、以及車銑概念機(jī)種，以順應(yīng)新時(shí)代加工方式的需求。其中車銑概念復(fù)合機(jī)無疑是一項(xiàng)新技術(shù)結(jié)合的工具機(jī)杰作，最大的