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1、前言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
2、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
3、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。本次的课题是12位盘型伺服刀塔设计，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，刀塔的传动形式以及驱动方式的设计；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
4、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，并对其进行伺服驱动；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.为解决同类问题即关于刀塔的结构形式、刀塔的驱动方式，提供一种研究方法；4.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；5.强化工程实践能力和意识,提高本人综合素质和创新能力；6.，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；7.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
5、认真的科学态度以及积极向上的团队合作精神。在本次设计过程中，分度锁紧和动力刀座部分是重中之重。通过广泛查阅文献资料，毕业设计小组之间以及与指导老师相互讨论等途径，拟定了如下的研究手段：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。而刀盘的转位以及动力刀座的运转皆由伺服电动机驱动，刀盘转位可以是交流伺服电机，也可以是直流伺服电机，而动力刀座的驱动则是由交流伺服电动机驱动。刀盘动作的大概步骤如下：系统发出换刀指令动力刀座驱动电机停转液压系统启动下端齿盘向右运动，与上端齿盘脱开动力刀座驱动轴向右运动，与动力刀座
6、脱开信号反馈，系统指令转位电机启动刀盘转位信号反馈转位电机停转液压系统动作上下端齿盘锁合动力刀座驱动轴与动力刀座锁合信号反馈，系统指令动力刀座驱动电机动作。第一章 绪论刀塔目前主要应用于数控车床、数控铣床以及车铣复合加工中心，所以与刀塔发展最相关的领域就是数控车床、数控铣床以及车铣复合加工中心的发展。1.1数控机床发展历程以及国内外发展现状的思考1949年帕森公司正式接受美国空军委托，在麻省理工学院伺服机构试验室的协助下，开 始从事数控机床的研制工作。经过三年时间的研究，于1952年试制成功世界第一台数控机床试验性样机，这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床，这便是数控机床的第
7、一代2。 1953年，美国空军与麻省理工学院协作，开始从事计算机自动编程的研究，这就是创制APT(Automatically Programmed Tools )自动编程系统的开始。 1955年，美国空军花费巨额经费订购了大约100台数控机床,此后两年，数控机床在美国进入迅速发展阶段,市场上出现了商品化数控机床。1958年，美国克耐杜列克公司(Keaney &Trecker Co.)在世界上首先研制成功带自动换刀装置的数控机床，称为”加工中心”。 1959年，计算机行业研制出晶体管元器件，因而数控装置中广泛采用晶体管和印制电路板，从而跨入第二代数控时代。同时美国航空工业协会(AIA)和麻省理工
8、学院发展了APT程序语言。 1960年以后，点位控制机床在美国得到迅速发展,数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到冲压机、绕线机、焊接机、火焰切割机、包装机和坐标测量机等，在程序编制方面，已由手工编程逐步发展到采用计算机自动编程。除了APT数控语言外，又发展了许多自动骗程语言。 从1960年开始，德国，日本等先进工业国家都陆续开发，生产及使用了数控机床， 1965年，出现了小规模集成电路。由于它体积小，功耗低，使用数控系统的可靠性得以进一步提高，数控系统发展到第三代【2】。 1967年，英国首先把几台数控机床联接成具有柔性的加工系统，这就是最初的FMS(Flexible Manufa
9、cturing System，柔性制造系统)。之后，美，欧，日也相继进行开发与应用。 1970年前后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器。1974年美，日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统。近20年来，微处理机数控系统的搂控机床得到飞速发展和广泛应用，这就是第五代数控系统(MNC)。20世纪80年代初，国际上又出现了柔性制造单元FMC(FleibieManufacturing Cell) 3。通过以上介绍，我们了解了数控机床的发展历程，而目前我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成
10、绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，19982004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，但进出口逆差严重，国产机床市场占有率连年下降，1999年是33.6%，2003年仅占27.7%。1999年机床进口额为8.78亿美元（7624台），2003年达27.1亿美元（23320台），相当于同年国内数控机床产值的2.7倍。国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以
11、上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。总的来说“我国的数控系统在中、高档领域还基本上是靠进口。现阶段我国的机床行业在高精尖数控技术方面还处于模仿阶段, 基础研究远跟不上世界先进水平的发展”文献2，因此我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之间的差距。1.2数控机床的发展趋势目前，数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能
12、化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化已成为数控机床发展的趋势和方向。中国作为一个制造大国，主要还是依靠劳动力、价格、资源等方面的比较优势，而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很大。中国的数控产业不能安于现状，应该抓住机会不断发展，努力发展自己的先进技术，加大技术创新与人才培训力度，提高企业综合服务能力，努力缩短与发达国家之间的差距。力争早日实现数控机床产品从低端到高端、从初级产品加工到高精尖产品制造的转变，实现从中国制造到中国创造、从制造大国到制造强国的转变。3.研究方法一般在机加工过程中，一个零件的加工往往需要多道工序才能完成，因此数控机床研究的一个重要领域就是如何在
13、这一方面提高效率，压缩非切削时间以提高生产效率，同时也为了尽量减少由于多次安装工件所引起的加工误差，一次数控加工过程中一般对工件只进行一次装夹，然后在加工过程中通过自动换刀完成多道工序或全部工序的加工，所以对数控木工机床的自动换刀方式的研究就成为了目前研究的一个重要领域。“自动换刀方式主要有更换主轴头换刀方式和带刀库的自动换刀方式两种形式， 更换主轴头换刀方式应用于数控镂铣机，而带刀库的自动换刀方式应用于数控加工中心”“在具有多根主轴的数控镂铣铣床上， 通过更换主轴头进行换刀是一种简单的换刀方式，由于在换刀过程中并不拆卸刀具，而是将刀具和主轴一起更换，所以省去了自动松夹卸刀装刀夹紧以及刀具搬运
14、等一系列复杂的操作， 从而显著减少了换刀时间。所以这种换刀方式的换刀速度很快，同时也提高了换刀的可靠性。根据主轴头布置方式不同， 通常有平行刀轴式换刀和回转刀架式换刀两种方式”“ 数控加工中心的一个显著结构特征是配置有带刀库的自动换刀系统， 刀库可以存放较多的刀具，能满足复杂零件的多工序加工需要，可明显提高机床的适应性和加工效率，应用广泛。换刀系统的整个换刀过程较为复杂：首先&应把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准刀柄上，在机外进行尺寸调整之后&按一定的方式放入刀库，换刀的时候，按一定的选择方法进行选刀，并由刀具交换装置实现刀具在刀库和主轴之间的传递和装卸。刀具的交换方式通常分为无机械
15、手换刀和有机械手换刀两大类”文献3总的来说为了提高机加工的效率以及机加工的精度，换刀装置无可厚非的成了其研究的一个重要领域。1.3 设计内容和研究方法本次设计所选择的题目是：12位盘型伺服刀塔设计。本课题主要研究数控车床（车削中心、车铣复合中心）的刀具交换系统（ATC）的主要部件刀塔。刀塔的使用可以有效扩大机床的工艺范围，提高机床的加工效率。本次选题的目的是对刀塔的结构，刀塔的传动形式以及驱动方式的设计；刀塔与刀座的连接形式、刀座的选择；刀具的交换动作设计、交换时间以及定位锁紧计算；刀塔其他辅助部件的设计。通过对本课题的设计，达到对数控机床中换刀机构的充分了解，以便于以后应用。本次课题为12位盘型伺服刀塔设计，简单的来说就是对刀塔进行伺服驱动设计。机械系统的伺服驱动设计大的来说分为两部分：机械系统的设计和电子部分的设计。机械系统是对刀塔的外形尺寸进行设计及选择；而电子部分的设计首先要选择伺服类型：液压伺服驱动或电机伺服驱动。对于电机伺服驱动来说，在选定这种类型以后，还要考虑是用交流伺服驱动还是直流伺服驱动，之后在进行伺服驱动系统以及伺服电机进行选择。最后对两大部分进行综合的考虑，将其合理的组装在一起以达到做佳的效果。所以本次设计的大概思路如下：12位盘型伺服刀塔 电气部分机械部分伺
