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多工位数控转塔动力刀架设计_郑申

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设计与制造
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*
多工位数控转塔动力刀架设计

郑 申,张瑞乾
( 北京信息科技大学,北京 100192 )

摘 要: 多工位数控转塔动力刀架是精密 数 控 车 削 中 心 的 核 心 功 能 部 件 。 根 据 精 密 数 控 车 削 中 心 的 研 发 要 求,设 计

了一种电液结合控制的多工位转塔 动 力 刀 架。 该 刀 架 依 靠 伺 服 电 机 和 液 压 系 统 完 成 离 合 和 转 位 控 制 ,利 用

高精度鼠牙盘进行精确定位。它能有效搭载 12 把动力刀具,搭载的刀具由伺服电机提供动力,根据刀具类型

的 不 同 ,可 以 实 现 车 、铣 等 多 种 加 工 。 其 特 点 是 刀 具 转 位 速 度 快 ,分 位 精 度 高 ,重 复 精 度 高 ,可 靠 性 强 。

关键词: 转塔刀架; 鼠牙盘; 液压系统

中图分类号: TG51

文献标识码: A

文章编号: 1006 - 4414( 2010) 05 - 0084 - 03

The design of multi - position NC tool - holder turret

Zheng Shen,Zhang Rui - qian

( Beijing information science and technology university,Beijing 100192,China)

Abstract: Multi - station turret is a key department of precision CNC turning and milling machining center. According to the

requirements of designing an CNC turning center,a combination of electro - hydraulic control of dynamic multi - position turret

is designed. The turret uses servo motors and hydraulic system to go on clutching and shifting the tool position,and uses high

- precision tooth couplings for accurate positioning. It effectively carries 12 power tools and drives them by a servo motor. Be-

cause of the different types of tools,it can achieve milling,turning and other processing. It features fast tool change position,

sub - bit high precision,high repeatability and reliability.

Key words: turret; tooth coupling; hydraulic system

1 转塔动力刀架设计要求及方案
目前,在 世 界 机 床 制 造 和 机 械 加 工 领 域,复 合 加 工技术是处于领先地位的技术。所谓复合加工技术, 即 是 在 一 台 设 备 上 完 成 车 、铣 、钻 、攻 丝 、铰 孔 、扩 孔 等 多种加工 要 求。其 主 要 优 点 是 能 够 减 少 加 工 时 间, 减 少 辅 助 时 间 ,以 提 高 生 产 率 ,车 铣 复 合 加 工 就 是 这 一 技 术 的 典 型 代 表 。 实 现 车 铣 复 合 加 工 ,有 许 多 可 行 方 案 ,而 卧 式 车 床 床 身 搭 载 转 塔 动 力 刀 架 就 是 其 多 种 方 案 中 应 用 最 广 泛 的 一 个 。 其 中 ,数 控 转 塔 刀 架 是 实 现 复 合 加 工 的 核 心 功 能 部 件 ,不 仅 可 以 像 普 通 刀 架 装 配 多 把 普 通 车 刀 ,并 且 能 够 同 时 提 供 动 力 驱 动 动 力 刀 具 ,完 成 铣 、钻 、攻 丝 、铰 孔 等 加 工 。
车铣复合加工中心从设计概念上解决了以下几 个问题: ①缩减物流长度; ②减少基准转换; ③减少工 装夹具数量; ④减少占地面积; ⑤缩短新产品试验周 期[1]。在保证加工质量 的 基 础 上,提 高 生 产 率、提 高 自动化程度是当今世界制造业发展的大趋势。因此, 设 计 一 种 重 复 定 位 精 度 高 ,故 障 率 低 的 转 塔 刀 架 具 有 现实意义。 1. 1 转塔动力刀架设计要求
刀 架 能 根 据 需 要 自 动 转 位 ,转 塔 动 力 刀 架 要 求 动 作 * 稳 、转 位 准 确 、转 位 时 间 短 ,相 邻 刀 具 转 位 时 间 不

多于 0. 5s; 转 位 后,可 以 提 供 动 力 驱 动 动 力 刀 具 转 动,动 力 刀 具 转 速 不 低 于 3000r / min; Y 轴 行 程 ± 50mm; 分度精度 ± 4″,重 复 定 位 精 度 ± 2″。 根 据 以 上 要求设计 12 工位 转 塔 动 力 刀 架,安 装 在 组 合 机 床 及 普通车床上使用。 1. 2 转塔动力刀架设计方案
国际上的数控回转动力刀架的分为两个设计趋 势。按结构分为两种: ①带刀库的自动换刀装置; ② 转塔 式 刀 架[2]。 两 种 方 案 针 对 的 加 工 对 象 有 所 不 同: ①结构尺寸较大,适合搭载在立铣床上,对大尺寸 工件进行加工; ②结 构 尺 寸 比 较 小,适 合 搭 载 于 数 控 车 床 上 ,完 成 小 尺 寸 零 件 的 加 工 。 针 对 于 数 控 车 床 的 升级改造,采用方案二进行设计,如图 1 所示。
该结构由六大部分组 成,如 图 2 所 示。 刀 盘,动 力 传 动 部 分,精 确 分 度 机 构,液 压 控 制 系 统,粗 分 度 结构,动 力 刀 具 离 合 结 构。 整 个 刀 塔 整 体 长 度 为 图 1 转塔刀架总装图 552mm( 不包括电机) ,宽 度 为 474mm,整 体 高 度 为 372mm,中 心 高 度 为 80mm。 整个回转刀架安装在可以在 Y 方向和 X 方向的溜板

* 收稿日期: 2010 - 08 - 27 作者简介: 郑 申( 1980 - ) 男,山东济宁人,硕士,研究方向: 先进制造技术。
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设计与制造
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上 ,实 现 攻 丝 、扩 孔 等 功 能 。
图 2 转塔刀架的机械结构简图
2 转塔动力刀架功能部件及工作原理分析
2. 1 转塔动力刀架功能部件介绍 ( 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 w16 × 0. 8 × 30 × 18) ,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 。 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 。 2. 2 转塔动力刀架控制方式分析
动力刀 架 采 用 PLC 控 制,分 为 两 种: ① 嵌 入 式 PLC 控制方式,即把 PLC 内 置 在 CNC 中,与 CNC 共 用 CPU; ②分离式 PLC 控制方式,即把 PLC 软硬件独

立于 CNC,是 数 控 改 造 和 系 统 升 级 常 选 用 的 方 式。

因为本次设计需要单独的分析和测试转塔刀架性能,

所以采用了分离式 PLC 系统方案。

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

图 3 转塔刀架传动过程

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 是详细的转塔刀

架传动过程。

3 转塔动力刀架的液压系统

转 塔 动 力 刀 架 的 整 个 液 压 系 统 由 油 泵 、两 个 二 位

四 通 阀 及 液 压 缸 组 成 ,分 别 控 制 鼠 牙 端 齿 盘 和 第 六 部

分动力刀具离合结构。塔身离合控制机构与动力刀

具 离 合 结 构 的 端 部 分 别 装 有 位 置 传 感 器 ,程 序 根 据 传

感器的信号来判断两个液压缸是否运动到位。二位

四 通 阀 是 通 过 电 磁 铁 完 成 换 位 动 作 ,根 据 二 位 四 通 阀

的换位来控制液压缸是伸出还是收缩。程序根据第

四部分液压控制系统和第六部分的传感器信号进行

布 尔 运 算 ,根 据 布 尔 运 算 的 结 果 控 制 伺 服 电 机 。 当 塔

身离合控制系统和动力刀具离合结构分别完全脱离

时,伺服电机Ⅰ才能 旋 转 换 位; 当 塔 身 离 合 控 制 系 统

和 动 力 刀 具 离 合 结 构 分 别 完 全 结 合 时 ,伺 服 电 机 Ⅱ 才

能提供动力。第四部分塔身离合控制系统本身就是

一 个 液 压 缸 ,内 部 有 活 塞 ,活 塞 与 三 片 式 鼠 牙 盘 的 中

的 一 片 连 接,鼠 牙 盘 的

开合是通过控制活塞的

移动 才 实 现 的。 第 六 部

分的控制是通过在外部

连 接 液 压 缸,对 液 压 缸

的控制来实现机构的离

合功能。如图 4 所示为 液 压 系 统 原 理 图[5] 。

图 4 液压系统原理图

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4 转塔动力刀架关键零部件的设计
4. 1 液压加紧力计算 鼠 牙 端 齿 盘 不 仅 仅 有 分 度 的 作 用 ,其 另 外 的 作 用
是周向锁紧转塔刀架。对刀塔进行车削的时候进行 力分析,以车刀刀尖为接触点,合力可以分解为 x,y,z 三个方向的分力,如图 5 所 示。b 为 刀 尖 与 转 动 中 心 的距离,生产实践中 计 算 切 削 力 有 很 多 方 式,计 算 公 式也不尽相同。根据在金属切削中广泛应用的指数 公 式[6] 可 以 计 算 切 削 力 。

图 5 转塔动力刀架受力简图 1. 鼠牙盘固定片 2. 鼠牙盘转动片 3. 鼠牙盘*移片

Fx

= C α f υ K X Fx yFx nFx

Fx p

Fx

( 1)

Fz

=

C α f υ K X Fz yFz nFz

Fz p

Fz

( 2)

Fy

= C α f υ K X Fy yFy nFy

Fy p

Fy

( 3)

其中,C 决定于 被 加 工 金 属 和 切 削 条 件 的 系 数,

X,y,n 分别为三个 分 力 公 式 中,背 吃 刀 量 αp ,进 给 量 f 和切削速度 v 的 指 数,K 分 别 为 当 实 际 加 工 条 件 与

所 求 的 经 验 公 式 的 条 件 不 符 合 时 ,各 种 因 素 对 切 削 力 修正系数的积。这些相关参数都可以通过查技术手 册 获 得 。 切 削 力 的 计 算 是 比 较 复 杂 的 一 个 过 程 ,因 为 影响切削力的因素 有 很 多,包 括 被 加 工 材 料 的 性 质, 加 工 工 艺 的 选 择 ,刀 具 种 类 的 不 同 ,切 削 液 有 无 等 等 。

因此针对此转塔刀架选择一个适当的受力值进行验 算更具有实际意义。
加紧力 W 的计算公式[7]:

W = [Mn ·tg( β /2 - ρ) + Mr]/ r + Fr·tg( β /2 - ρ)
其中: 颠覆反转力矩:

M r = 槡( Fx ·R - Fy ·H) 2 + ( Fz ·H) 2

槡 径向力: Fr =

Fz2

+

F

2 y

刀盘到鼠牙盘的轴向距离: H = 160

切削力: Fz = 20( kN) ; Fx = 40( kN) Fy = 40( kN)
刀盘半径 R = 190mm; 鼠牙盘半径 r = 60mm 齿形角 β = 60° ,摩擦角 ρ = 5°

代入数值求得:

径向力

Fr

=

槡F

2 z

+

F

2 y

= 44. 72(

kN)

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扭矩 Mn = Fz × R = 20 × 0. 19 = 3. 8( kN·m)
颠覆力矩 M r = 槡( Fx ·R - Fy ·H) 2 + ( Fz ·H) 2
= 槡( 50·0. 190 - 50·0. 160) 2 + ( 20·0. 16) 2
= 3. 53( kN·m) W = ( 3. 8tg2. 5° + 3. 53) /0. 06 + 44. 72tg25°
= 109. 21kN 液压 缸 末 端 搭 配 三 组 弹 簧,提 同 50kN 的 辅 助 压力。 压强: p = F / A = ( 109. 21 - 50) × 1000 /3. 14 ×
0. 06 × 0. 06 = 5. 24MPa 复合设计要求,可以保证鼠牙端齿盘的可靠加紧。 4. 2 动力刀具离合结构的设计 整个刀具离合结构是实现转位和提供动力的核 心 机 构 。 当 转 塔 动 力 刀 架 需 要 转 位 时 ,刀 盘 处 的 刀 具 和 提 供 动 力 的 离 合 结 构 必 须 分 离 。 相 反 ,当 动 力 刀 具 转 动 到 相 应 的 位 置 进 而 要 加 工 工 件 的 时 候 ,刀 盘 处 的 刀具和提供动力的离合结构必须紧密结合。最为复 杂的情况是,在紧密 结 合 的 同 时,动 力 刀 具 离 合 结 构 也是随着刀具进行高速转动。如图 6 所示为刀具离 合结构的分离状态。当转塔动力刀架接到转位指令 时,液压缸 9 向后收缩 16mm,牵动花键轴 2 一起向后 运 动 ,此 时 动 力 刀 具 与 离 合 机 构 是 分 离 的 。 转 位 完 成 后,转塔动力刀架接到闭合指令,液压缸 9 伸出,推动 花键轴向前移动使动力刀具接口 1 跟动力刀具刀柄 结 合 。 伺 服 电 机 Ⅱ 开 始 转 动 ,通 过 齿 轮 组 带 动 大 齿 盘 4 转动,大齿盘 4 传动动力到小齿轮 3,小齿轮 3 带动 花键轴通 过 动 力 刀 具 接 口 将 动 力 传 递 到 动 力 刀 具。 支持套筒 6、直线轴承 7 和滑动 套 筒 8 的 组 合 是 为 了 保证花键轴 2 的直线运动,确保伸缩过程的同轴度。
5总结
相 比 传 统 的 刀 架 ,该 例 设 计 有 以 下 几 点 创 新 。 ( 1) 设计中采用伺服电机做粗定位,利用鼠牙形 端 齿 盘 锁 紧 做 精 定 位 ,使 得 刀 架 的 回 转 分 度 误 差 达 到 ≤ ± 2. 5″的精度。
图 6 动力刀具离合结构
( 2) 动力刀具离合装置完全是创新设计采用液 压 缸 控 制 开 合 ,通 过 花 键 轴 传 递 动 力 ,并 且 依 靠 直 线
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设计与制造
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设计,主轴 在 低 速 旋 转 的 情 况 下,零 件 2 与 零 件 1、3 能够顺利地啮合。当主轴在转速大于 50r / min 时,零 件 2 与零件 1、3 啮合就很困难。
图 3 滑移啮合子
3 设计改进[1,2]
为了 解 决 主 轴 高 速 旋 转 情 况 下,零 件 2 与 零 件 1、3 能够顺利地啮合,重新设 计 了 端 面 啮 合 齿。 见 图 4、5 所示。

从图 4 中看出,设 计 端 面 啮 合 齿 时,先 将 件 1 端 面设计为高度 H 的 1 /2 半圆,再将凸起的 1 /4 设计为 螺旋面,螺旋面高 度 为 H 的 1 /2。将 件 2 ( 图 5 ) 两 端 的端面啮合齿同样先设计为高度 H 的 1 /2 的半圆, 再将凸起的 1 /4 设计为高度是 H 的 1 /2 的半圆。
4 工作原理
当件 1 高 速 旋 转,件 2 在 油 缸 的 推 动 下 向 左 移 动,如图 6 所示。如果件 1 的最高凸起部位与件 2 的 最高凸起部位相对应 接 触,随 着 件 1 旋 转,当 件 1 旋 转过 90°后继续旋转,件 2 就 会 在 油 缸 的 推 动 下 沿 着 件 1 端面的螺旋面向左移动。随着件 1 的不断旋转, 当件 1 旋转过 270°后,件 2 端面齿的 1 /2 高度在油缸 的推动下已经与件 1 端面齿相啮合。当件 1 旋转至 360°时,件 2 高 度 为 H 的 齿 面 与 件 1 高 度 为 H 的 齿 面完全啮合,这时,件 2 将 会 随 着 件 1 一 起 运 动。 件 2 与件 1 在 1 周 的 啮 合 过 程 中,相 当 有 90° 的 啮 合 范 围 ,与 最 原 来 的 设 计 相 比 ,啮 合 几 率 大 大 提 高 。

图 4 齿轮啮合子

图 6 结合子啮合示意图

5结论
通过现场 实 验 证 明,该 设 计 改 进 完 全 达 到 目 的。 机床主轴 在 200 ~ 300r / min 的 高 速 旋 转 时,换 向 机 构 能够正常实现。通过螺纹切削实验,加工出的螺纹,无 乱扣现象,表面粗糙度低,加工效率提高了 2 ~ 3 倍。

参考文献:

[1] 戴 曙. 金属切削机床设计[M]. 北京: 机械工业出版社,1985 .

图 5 滑移啮合子

[2] 机床设计手册编写组. 机 床 设 计 手 册[M]. 北 京: 机 械 工 业 出 版 社,1986 .

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[2] 郭永环. 数 控 车 床 用 转 塔 动 力 刀 架 的 发 展 方 向[J]. 机 床 与 液

轴 承 保 证 直 线 运 动 的 精 度 ,达 到 了 良 好 的 效 果 。 ( 3) 采用了液压缸来控制鼠牙盘和动力刀具离
合 装 置 的 动 作 ,减 小 了 冲 击 和 噪 声 。 ( 4) 全程采用液压,PLC 结合传感器进行整个刀
塔 转 位 及 加 工 过 程 的 控 制 ,完 全 实 现 了 自 动 化 。

压,2002 ( 6) : 24 - 26. [3] 吉 涛,刘 乘. 多 工 位 转 塔 刀 架 的 数 控 实 现[J]. 机 床 与 液 压,
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