大学毕业论文-—数控车床结构的模块化设计毕业.doc

上海水产大学2007届毕业设计论文 数控车床结构的模块化设计

数控车床结构的模块化设计
摘要：随着数控车床在生产实际中的广泛采用，企业要求车床生产厂家能够快速、高速、大量提供功能各异的数控车床。而目前国内企业要做到这一点尚有许多困难，形成批量生产的厂家年生产能力也不过二百台左右。分析其原因，主要是现行设计方法不够完美，继而为生产、管理、营销带来诸多不便，也因此各车床生产厂家效益低下，难以抗拒国外产品的大量涌入。据统计，产品成本的70%是由设计阶段决定的，并影响到其它方面。本文从数控车床结构设计着手，引入了模块化设计的思想，在对数控车床进行结构认识和整体布局分析的基础上，提出了一种能够进行模块化设计的较为理想的布局形式，应用模块化设计理论及模块的划分、设计原则，对数控车床进行模块划分并设计。
关键词: 模块化；数控车床；设计；结构
The Modular Design Of CNC Lathe Structure
Abstract:Computer numerically controlled (CNC) lathes are used widely in industry because of their high productivity. Lathe users require that different kinds of machine tools be provided quickly, with high quality, and in great quantities. But there are still some difficulties that lathe producers still cannot overcome. A manufacturer can produce about 200 lathes every year.Current design methods are not perfect and hinder productivity, management,and sales of lathes. As a result machine tool manufactures have low profits and cannot compete with foreign manufacturers. Approximately 70 percent of the cost of a CNC lathe is dependent on its design. This thesis examines a modular design approach to CNC lathe. By the analysis of the structure of different kinds of CNC lathes, an ideal structure that can be used for modular design is proposed.The CNC lathe is divided and designed based on modular design theory and principles.
Keywords: modular；CNC lathe；design；structure

前言
随着科学技术的发展、社会的进步和经济的繁荣，市场对数控车床在品种和数量方面的需求急剧增加；同时也要求数控车床产品具有性能齐全、优质可靠和高效率等特点。这些市场对数控车床的客观要求，使得基于传统设计方法来设计与制造数控车床的生产厂家已无法满足市场在这方面越来越高的要求。国外的机床大量地涌入国内市场，更是使中国车床业雪上加霜，问题非常严重。这也是我国机械工业普遍面临的问题。要想克服目前所面临的实际问题，必须在借鉴传统设计理论的基础上，重新建立和完善一套新的设计理论方法，使之能够在短期内有效地设计出用户所需车床或用户指定功能的车床来。同时新的设计方法应能够从设计、管理、生产、报废产品的回收再利用等各个方面产生一定的影响。为此，论文在总结过去几年中在设计及生产服务过程中的体会、经验，并参考欧、美、日在机床设计上的先进经验及方法，解决其中一些问题。
“模块化设计”是一种设计思想，目的是为了提高设计效率，为了使设计经验能够被继承和传递，以有利于进一步发展提高设计和生产水平。模块化设计在各国发展的背景不同，理解也不完全相同，由此产生了若干种关于模块化设计的定义，其中一种定义如下:“在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场的不同需求，这种设计方法就称之为模块化设计。”由这种设计思想产生了确定的设计过程和设计方法。论文给出以下定义:在对一定范围内的各种不同规格、不同性能或功能的产品进行功能分析的基础上，精心划分并设计出一系列功能模块，通过功能模块的选择和组合构成不同产品，以解决产品品种、规格与设计制造周期、成本之间的矛盾。进一步的发展方向是：灵活反应，快速设计，尽快满足市场的不同需求。
本论文是基于学习了“数控技术”课程后，对数控车床结构设计的新思路、新方法的深入分析与研究。数控机床是综合了微电子、计算机、自动控制、自动检测以及精密机械等技术的新成果而发展起来的新型机床，数控车床在各类数控机床中所占的比重很大。本论文以数控车床为对象，从其模块化结构设计为突破，阐述数控车床结构设计的基本方法与发展趋势；分析数控车床模块的划分依据与设计理念；以数控车床主轴部件为重点进行模块化设计。
1 模块化设计概述
1.1 模块化设计的起源及在机床设计中的应用
产品模块化设计始于二十世纪初。1900年德国一家家具公司用模块化设计原理设计书架，利用几种基本模块，可以方便地组装成顾客需求的书架。大约在1920年，模块化设计开始应用于机床设计中。到二十世纪五十年代初，欧美一些国家正式提出“模块化设计”的概念，才真正把模块化设计提到理论的高度来研究。
模块化系列机械产品设计，是工业发达国家近二十年来一直采用的一种先进的机械产品设计方法。其宗旨是通过少量的功能模块组合以获得多种产品来最大限度地满足不同用户的需求。目前，模块化设计思想已广为人们接受，在机床行业中应用很广泛，例如模块化机床和组合夹具。模块化设计也广泛应用于减速机、家电、家具、计算机等行业。
从当前资料来看，在数控机床的设计中，德国做得比较好，产品的模块化设计水平很高。在国内，1982年国家机械工业部在北京曾就模块化设计专门组织了一批长期从事机床设计的专家、教授进行讨论，并努力推广。但只是在普通车、铣、刨、磨等机床上应用过，而在数控机床上的应用尚未完全展开。原因有二:
1）目前国内车床厂家生产的数控车床基本上都是两轴数控车床，斜床身布局，尚未对模块化设计进行系统研究并形成产品。同时，斜床身布局也不利于进行模块化设计多轴数控车床。
2）迫于国外大量高质量数控车床的涌入，各车床厂家忙于开发新产品，对原两轴数控车床进行改进设计，提高质量，以应付这种不利局面，也无暇顾及对数控车床进行系统分析，进行模块化设计，尤其是对多轴数控车床进行模块化设计的研究。
1.2 模块的划分原则
对功能模块的划分引用参考资料[11]中所提出的以下原则，论文给出该原则在数控车床模块化设计过程中应用时应注意的问题。
（1）尽量减少产品包含的功能模块总数。因为功能模块总数越多，在管理上越容易造成混乱，不实用或不可行的组合方案也越多。在各功能模块的功能独立性及结构完整性方面也越不易保证。在各功能模块的组合时，相应接口较多，这会给数控车床的精度、刚度、振动及热稳定性等方面带来一定的负面影响。
（2）简化每个功能模块自身的复杂程度。功能、效率和质量是产品的根本，应该以最简单可行的方法去实现特定的功能，以降低生产成本。
（3）各功能模块应具有功能独立性和结构完整性。如果功能独立性和结构完整性好，一方面有利于同一结合面上的不同功能模块互换，降低接口设计的复杂性;另一方面可以有效提高整体的设计速度，尤其是在利用计算机参数化设计中效果更明显。
（4）要考虑各功能模块的划分对数控车床的精度、振动、热稳定性及刚度所带来的负面影响.
（5）功能模块单元的划分不应在人机关系方面带来负面影响。因为是功能模块单元的自由组合，个别功能模块变化大时，有可能为操作者带来不便，或对生产安全带来隐患，而且也为其它相关设备的配备带来麻烦。这要求这些功能模块在设计时，尽量做到外形尺寸一致。
(6)功能模块单元的划分必须考虑经济因素。如果划分功能模块后设计的数控车床生产成本高或没有改善，那么不如不做这样的设计，这与模块化设计要能为企业带来较好的经济效益这一最根本的目标相违背。
为了达到我们最终的目的一一低成本、高质量、高效益，我们必须在实际设计当中注意功能模块的一些设计原则，论文引用参考资料[11]中所提出的一些原则并给出该原则在数控车床模块化设计过程中应注意的一些问题，在这些原则基础上考虑问题，将使我们的设计工作开展的更容易、更实用、更高效，也将为设计工作结束后的其它工作的开展带来许多方便之处，在数控车床的组合过程中也将更灵活、多变、经济。
1.3 模块的划分种类
模块的划分是模块化设计的重要问题之一，如何合理地划分模块，是产品设计的关键问题，模块种类少，通用化程度就高．加工批量就大，对降低成本有利。
在此次数控车床模块化设计中，将重要分析工作台模块、刀架模块、支承模块，以及主轴模块。又由于主轴部件是整个机床的重要部件之一，通常由主轴、主轴轴承和安装在主轴上的传动件等组成。机床工作时，由主轴带动工件直接参与表面的成形运动。主轴部件的性能对加工质量和生产效率有着重要的影响。因此我将主要进行主轴模块设计。
2 数控车床概要
2．1 数控车床的发展
数控车床的发展在我国正处于初级阶段。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。当前数控车床呈现以下发展趋势。
2.1.1高速、高精密化
高速、精密是车床发展永恒的目标。随着科学技术突飞猛进的发展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。为满足这个复杂多变市场的需求，当前车床正向高速切削、准确切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等车床功能部件的上市，也为车床向高速、精密发展创造了条件。
2.1.2高可靠性
数控车床的可靠性是数控车床产品质量的一项关键性指标。数控车床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好的效益，关键取决于其可靠性的高低。
2.1.3数控车床设计CAD化、结构设计模块化
随着计算机应用的普及及软件技术的发展，CAD技术得到了广泛发展。CAD不仅可以替代人工完成繁琐的绘图工作，更重要的是可以进行设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，可以对整机各工作部件进行动态模拟仿真。在模块化的基础上,在设计阶段就可以看出产品的三维几何模型和逼真的色彩。采用CAD，还可以大大提高工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。通过对车床部件进行模块化设计，不仅能减少重复性劳动，而且可以快速响应市场，缩短产品开发设计周期。
2.1.4智能化、网络化、柔性化和集成化
智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方面的智能化，如电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控等方面的内容，以方便系统的诊断及维修等。
网络化数控装备是近年来车床发展的一个热点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式，如敏捷制造、虚拟制造，全球制造的基础单元。 
数控车床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点、线向面、体的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓和完善。CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展。
数控车床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP及MTS等联结，向信息集成方向发展。网络系统向开放、集成和智能化方向发展。
2.2 数控车床的结构特点
与传统车床相比，数控车床的结构有以下特点：
（1）由于数控车床刀架的两个方向运动分别由两台伺服电动机驱动，所以它的传动链短。不必使用挂轮、光杠等传动部件，用伺服电动机直接与丝杠联结带动刀架运动。伺服电动机与丝杠间也可以用同步齿型带或齿轮副联结。
（2）多功能数控车床是采用直流或交流主轴控制单元来驱动主轴，按控制指令作无级变速，主轴之间不必用多级齿轮副来进行变速。为扩大变速范围，现在一般还要通过一级齿轮副，以实现分段无级调速，即使这样，床头箱内的结构已比传统车床简单得多。数控车床的另一个结构特点是刚度大，这是为了与控制系统的高精度控制相匹配，以便适应高精度的加工。
（3）数控车床的第三个结构特点是轻拖动。刀架移动一般采用滚珠丝杠副。滚珠丝杠副是数控车床的关键机械部件之一，滚珠丝杠两端安装的滚动轴承是专用铀承，它的压力角比常用的向心推力球辆承要大得多。这种专用轴承配对安装，是选配的，最好在轴承出厂时就是成对的。
图1-1 一种全功能型数控车床
（4）为了拖动轻便，数控车床的润滑都比较充分，大部分采用油雾自动润
滑。
（5）由于数控车床的价格较高、控制系统的寿命较长，所以数控车床的滑动导轨也要求耐磨性好。数控车床一般采用镶钢导轨，这样机床精度保持的时间就比较长，其使用寿命也可延长许多。
（6）数控车床还具有加工冷却充分、防护较严密等特点，自动运转时一般都处于全封闭或半封闭状态。
（7）数控车床一般还配有自动排屑装置。
3 数控车床工作台模块化设计
按不同用途，工作台模块的横系列模块可分为一般工作台、回转工作台、分度工作台和交换工作台。而其纵系列模块则按加工直径的不同，从1250-3150 mm分为五个区段。因此每一种横系列工作台均有五个纵系列模块。为了能够方便地加工工件的端面、侧面以及与毛坯回转轴线不同轴的孔，可在一般工作台的基础上增设工作台分度装置，从而得到分度工作台结构模块。分度装置包括花盘补充拖动装置、回转读数传感器以及花盘定位夹持器。为使刀具能作三维移动，就要设计可移动工作台。在制造柔性加工单元和柔性加工系统时，为了自动交换工件，应增加拖换台、存贮台和找正台，形成可交换工作台。工作台横系列的结构模块主要是增加机床功能，满足对不同形状大小，不同类型零件的加工，以提高工作台多用途的需要。
在此，主要分析会回转工作台和分度工作台。

3.1 回转工作台

图3-1.1 数控回转工作台
1-蜗杆；2-大蜗轮；3、4-夹紧瓦；5-小油缸；6-活塞；7-弹簧；8-钢球；9-底座；10-光栅；
11-双列向心援助滚子轴承；12-圆锥滚子轴承

数控回转工作台其外形和通用车床的分度工作台十分相似，但其内部结构却具有数控进给驱动机构的许多特点。图3-1.1为自动换刀数控车床的回转工作台。这是一种补偿型的数控回转工作台，它的进给、分度转位和定位锁紧都由给定的指令进行控制。

工作台的运动由伺服电动机通过减速齿轮（图中未标出）和蜗杆1传给蜗轮2。为了消除蜗轮副的传动间隙，采用了双螺距渐厚蜗杆，通过移动蜗杆的轴向位置来调整间隙。这种蜗杆的左右两侧面具有不同的螺距，因此蜗杆齿厚从头到尾逐渐增厚。但由于同一侧的螺距是相同的，所以仍然保持着正常的啮合。
当工作台静止时，必须处于索紧状态。为此，在蜗轮底部的辐射方向装有八对夹紧瓦4和3，并在底座9上均布着同样数量的小油缸5。当小油缸的上腔接通压力油时，活塞6便压向钢球8，撑开夹紧蜗轮2。当工作台需要回转时，先使小油缸的上腔接通回油路，在弹簧的作用下，钢球8抬起，加紧瓦将蜗轮放松。
回转工作台的导轨面由大圆柱滚子轴承13支承，并由圆锥滚柱轴承12及双列向心圆柱滚子轴承11保持准确的回转中心。
数控回转工作台的定位精度主要取决于蜗轮副的传动精度，因而必须采用高精度的蜗轮副。除此之外，还可在实际测量工作台静态定位误差之后，确定需要补偿的角度和补偿脉冲的符号（正向或反向），并记忆在补偿回路中，由数控装置进行误差补偿。
数控回转工作台设有零点，当它作回零运动时，先用挡块碰撞限位开关（图中未标出），使工作台降速，然后在无触点开关的作用下，使工作台准确的停在零位。数控回转工作台在作任意角度的转位和分度时，由光栅10进行读数，因此能够达到较高的分度精度。
数控回转工作台除了能够完成进给驱动外，还可以作任意角度的分度和定位，其分度与角度定位的原理与直角坐标点位控制颇为相似。
3.2 分度工作台
数控车床的分度工作台与数控回转工作台不同，它只能够完成分度运动，而不能实现圆周进给。
3.2.1定位销式分度工作台
这种工作台的定位分度主要靠定位销和定位孔来实现。图3-2.1是自动换刀数控车床的分度工作台。分度工作台2置于长方形工作台11中间，在不单独使用分度工作台2时，两个工作台可以作为一个整体使用。
工作台2的底部均匀分布着八个削边圆柱定位销8，在工作台底座12上有一个定位孔衬套7以及供定位销移动的环形槽。因为定位销之间的分布角度为45度，因此工作台只能做二、四、八等分度运动。
定位销式分度工作台作分度运动时，其工作过程分为三个步骤：

图3-2.1定位销式分度工作台

1-挡块；2-分度工作台；3-锥套；4-螺钉；5-支座；6-油缸；7-定为孔衬套；8-定位销；9-锁紧油缸；
10-大齿轮；11-长方工作台；12-工作台底座；13-止推轴承；14-滚针轴承；15-管道；16-中央油缸；
17-活塞；18-螺柱；19-双列圆柱滚子轴承；20-下底座；21-弹簧；22-活塞拉杆

1）松开锁紧机构并拔出定位销 当数控装置发出指令时，下底座20上的六个均布锁紧油缸9（图中只示出一个）卸荷。活塞拉杆22在弹簧21的作用下上升15毫米，是工作台2上升，并通过螺柱18、支座5把止推轴承13向上抬起，顶在底座12上。再通过螺钉4、锥套3使工作台2抬起15毫米，圆柱销从定位衬套7中拔出。
2）工作台回转分度 当工作台抬起之后发出信号是伺服电动机驱动减速齿轮（图中未示出），带动与工作台2底部连接的大齿轮10回转，进行分度运动。在大齿轮10上面一45度的间隔均布八个挡块1。分度时，工作台先快速回转。当定位销即将进入规定位置时，挡块碰撞第一个限位开关，发出信号使工作台降速。当挡块碰撞第二个限位开关时，工作台2停止回转。此时，相应的定位销8正好对准定位孔衬套7。
3）工作台下降并锁紧 分度完毕后，发出信号使中央油缸16缷荷，工作台2靠自重下降，定位销8插入定位衬套7中。在锁紧工作台之前，消除间隙的油缸6通压力油，活塞顶向工作台2，消除了径向间隙，然后使锁紧油缸9的上腔通压力油，活塞拉杆22下降，通过拉杆将工作台锁紧。
工作台的回转轴支承在加长型双列圆柱滚针轴承14中。轴承19的内孔带有1：12的锥度，用来调整径向间隙。另外，它的内环可以带着滚柱在加长的外环内作15毫米的轴向移动。轴承14装在支座5内，可以随支座一起轴向移动。当工作台抬起时，支座5的一部分推力由止推轴承13承受，这将有效地减小分度工作台的回转摩擦阻力矩，使转动灵活。
3.2.2鼠齿盘式分度工作台
鼠齿盘式分度工作台是数控车床和其他加工设备中应用很广的一种分度装置。它既可以作为车床的附件用螺钉紧固在车床工作台上，也可以和数控车床的工作台设计成一个整体。鼠齿盘分度机构的向心多齿啮合，应用了误差平均原理，因而能够获得较高的分度和定心精度（分度精度为±0.5分～±3分）。图3-2.2是鼠齿盘式分度工作台。整个装置的结构简单，零件数较少。
鼠齿盘式分度工作台主要由工作台面、底座、压紧油缸、分度油缸和鼠齿盘等零件组成。鼠齿盘是保证分度精度的关键零件，每个齿盘的端面带有数目相同的三角形，当两个齿盘啮合时，能够自动确定周围和径向的相对位置。
图3-2.2 鼠齿盘式分度工作台
1-工作台；2、19、21-油孔；3-活塞；4-油孔；5、14-止推轴承；6、7-鼠齿盘；8、9、17、18-推杆；10-压紧油缸上腔；11-油缸下腔；12-齿轮；13-内齿轮；15、16-挡块；20-分度油缸右腔；22-活塞齿条；23-分度油缸左腔

鼠齿盘式分度工作台分度运动时，其工作过程分为四个步骤：
1)分度工作台上升、鼠齿盘脱离啮合 当需要分度时，由数控装置发出分度指令，工作台1中央的压紧油缸下腔11通过油孔4进压力油，活塞3向下移动，通过止推轴承5和14将分度工作台抬起，鼠齿盘6与7脱离啮合。同时，与工作台心轴连接成一体的内齿轮13向上套入齿轮12。
2)工作台回转分度 当工作台1上升时，推杆8和9在弹簧的作用下分别向上和向右移动，使微动开关复位，控制电磁阀使压力油经油孔19进入分度油缸左腔23。推动活塞齿条22向右移动，并带动齿轮12作逆时针方向回转。由于齿轮12已经与内齿轮13连接，分度工作台也随着一起回转相应的角度。开始回转时，挡块16就离开推杆17，使微动开关复位，通过互锁电路，始终保持工作台处于上升位置。按设计要求，当活塞移动113毫米时，工作台回转90度，回转角度的近似值将由微动开关和挡块15控制。
3)分度工作台下降，并定位压紧 当工作台转到90度位置附近，挡块15通过推杆18使微动开关动作，控制电磁阀使压紧油缸上腔10通过油孔2进压力油。活塞3带动工作台1下降，鼠齿盘6及7在新的位置重新啮合，并定位压紧。油缸下腔11的回油经过节流阀，以限制工作台的下降速度，保护齿面部分受冲击。
4)分度活塞退回 当分度工作台1下降时，通过推杆8和9的作用，使微动开关动作。分度油缸右腔20通过油孔21进压力油，活塞齿条22退回原处。因为内齿轮13已与齿轮12脱开，工作台保持静止状态。齿轮12顺时针方向回转时，带着挡块15集16回到原处，准备下一次分度。当挡块15离开推杆18，而使微动开关复位时，必须通过维持电路保证工作台始终处于压紧状态。
3.2.3定位销式与鼠齿盘式分度工作台的比较
定位销式分度工作台的分度精度主要由定位销和定位孔的尺寸精度决定，最高可达±5分。为适应大多数的加工要求，应当尽可能提高最常使用的180度分度销孔的坐标精度，而其他角度（如45度、90度和135度）可以适当降低。
鼠齿盘式分度工作台和其他分度工作台相比，具有重复定位精度高、定位刚度好和结构简单等优点。鼠齿盘不仅磨损小，而且微量的磨损反而会自动的将分度误差均匀化。齿盘定位的分度工作台能达到很高的精度 ,一般为 ±3″,而最高可达 ±0.4″,能承受很大的外载荷 ,定位刚度高 ,精度保持性好 ,具有自动定心作用 ,转轴配合间隙并不影响其定心精度。实际上 ,由于齿盘啮合脱开相当于两齿盘对研过程。因此 ,随着使用时间的延续，定位精度还有进一步提高的趋势，目前除广泛应用于数控车床以外，还用在各种加工和测量装置中。但它的缺点是鼠齿盘的制造精度要求很高，需要某些专用加工设备，尤其是最后一道的齿面研磨工序（一般采用两齿盘对碰研磨），通常要花费几小时。此外，它不能进行任意的分度运动。
4 数控车床刀架模块化设计
数控车床的诞生对提高生产率、改进产品的质量以及改善劳动条件等方面已经发挥了重要的作用。为了进一步减少费用和切削时间，数控车床正朝着在一台数控车床的一次装夹中完成多工序的方向发展。这类机床必须带有自动回转换刀系统，通常称为数控加工中心车床，简称加工中心。实际上，数控车床上的自动回转刀架就是一种最简单的自动换刀装置。所不同的是在加工中心出现后，进一步发展和完善了各类回转性刀具的自动换刀操作，以满足复杂零件加工需要。除了自动更换单把刀具外，目前按照工艺和生产率的需要已经发展到可以在大型加工中心上自动更换整个多轴箱和主轴头。
自动换刀系统应当满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具存储量、刀库占地面积小以及安全可靠等基本要求。
4.1 自动换刀装置
各类数控车床的自动换刀装置的结构取决于车床的形式、工艺范围及刀具的种类和数量等。这种装置主要可以分为以下几种形式：
4.1.1回转刀架换刀系统
数控车床上使用的回转刀架是一种最简单的自动换刀装置。根据不同加工对象，可以设计成四方刀架和六角刀架等多种形式。回转刀架上分别装着四把、六把或更多的刀具，并按数控装置的指令转位换刀。
回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。由于车削加工精度在很大程度上取决于它的刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程是自动完成的，因此，更有必要选择可靠的刀具定位传感和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度（一般为0.001～0.005毫米）。
图4-1.1数控车床的六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。在加工轴类零件时，可以换用四方回转刀架。由于两者底部的安装尺寸相同，更换刀架十分方便。

图4-1.1 数控车床六角回转刀架
1、6-活塞；2-刀架体；3-缸体；4-中间套；5-空套齿轮；7-齿轮；
8-齿条；9-圆柱固定插销；10-定位活动插销；11-推杆；12-触头

回转刀架的全部动作有液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制。它的动作分为四个步骤：
1）刀架抬起 当数控车床装置发出换刀指令后，压力油由A孔进入压紧油缸的下腔，活塞1上升，刀架2抬起使定位活动销10与固定插销9脱开。同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮5结合。
2）刀架转位 当刀架抬起之后，压力油从C孔进入转位油缸左腔，活塞6向右移动，通过连接板带动齿条8移动，使空套齿轮5作逆时针方向转动，通过端齿离合器使刀架转过60度。活塞的行程应等于齿轮5节圆周长的1/6，并由限位开关控制。
3）刀架压紧 刀架转位之后，压力油从b孔进入压紧油缸得上腔，活塞1带动刀架体2下降。件3的底盘上精度地安装着六个带斜锲的圆柱固定插销9，利用活动插销10消除定位销与孔之间的间隙，实现翻靠定位。刀架体2下降时，定位活动插销10与另一个固定插销9卡紧，同时件3和件4的锥面接触，刀架在新的位置定位并压紧。这时，端齿离合器与空套齿轮5脱开。
4）转位油缸复位 刀架压紧之后，压力油从D孔进入转位油缸右腔，活塞6带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮7在轴上空转。
回转刀架除了采用液压缸驱动转位和定位销定位以外，还可以采用电机——马氏机构转位和鼠齿盘定位，以及其他转位和定位机构。
4.1.2带刀库的自动换刀系统
带刀库的自动换刀系统有刀库和刀具交换机构组成，目前它是加工中心车床上应用最广泛的换刀方法。换刀时先在刀库中进行选刀，并由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具，在进行刀具交换之后，将新刀具装入主轴，把旧刀具放回刀库。存放刀具的刀库具有较大的容量，它既可安装在主轴箱的侧面或上方，也可作为单独部件安装到机床以外，并由搬运装置运送刀具。
刀库可以存放数量很大的刀具，因而能够进行复杂零件的多工序加工，这样就明显地提高了加工中心的适应性和加工效率。但这种换刀方式的整个工作过程动作较多，即延长了换刀时间，又使系统变得更为复杂，降低了工作可靠性。
图4-1.2 带刀库的多主轴换刀系统
为了缩短换刀时间，另一种带刀库的多主轴换刀系统（如图4-1.2），在转塔头的一根主轴进行加工时（图4-1.2a、图4-1.2b),
另一根主轴处于换刀位置，由刀具交换装置换刀，待本工序加工完毕之后，转塔头回转并交换主轴。这种换刀方式最大限度地缩短了由换刀引起的机床停顿时间，提高了生产率。图4-1.2c是带刀库的六角转塔头换刀装置，除了装有可换的小尺寸刀具外，在其他轴上还装有为数不多的几种较大尺寸的刀具，这些刀具不经过刀库，而是直接固定在主轴上，通过转位进行交换。这将有助于简化刀库和刀具交换装置。
4.2 刀库及换刀方式
4.2.1刀库的设计
刀库是自动换刀装置中最主要的部件之一，其容量、布局及具体结构对数控机床的设计有很大影响。

图4-2.1 常用的刀库形式
根据刀库所需要的容量和取刀方式，可以将刀库设计成多种形式。图5-3里除了常用的几种。图4-2.1a～d是单盘式刀库，为适应车床主轴的布局，刀库的刀具轴线可以按不同的方向配置。单盘式刀库的结构简单，取刀也较为方便，因此应用最为广泛。将之模块化设计一定有利于提高生产效率。
图5-4 刀库刀具数与能加工工件比率关系
在设计多工序自动换刀数控车床，因当合理的确定刀库的容量。根据对车削、铣削和钻削所需刀具数的统计，绘成了图5-4的曲线。曲线表明，在加工过程中经常使用的刀具数目并不很多，对于钻削加工，用14把刀具就能完成约80%的工件加工，即使要求完成90%的工件，用20把刀具也已足够。对于铣削加工，需要的刀具数量更少，用4把铣刀就能完成约90%的工件加工。如果不从实际加工需要出发，盲目的加大刀库容量，将会使刀库的利用率很低，结构过于复杂，造成很大的浪费。从使用的角度来看，刀库的容量一般取10～60，但随着加工工艺的发展，目前刀库的容量似乎又进一步增大的趋势。
4.2.2刀具的交换方式
数控车床的自动换刀装置中，实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具交换装置。刀具的交换方式和它们的具体结构对机床的生产效率和工作可靠性有着直接的影响。
采用机械手进行刀具交换的方式应用的最为广泛，这是因为机械手换刀有很大的灵活性，而且可以减少换刀时间。在各种类型的机械手中，双臂机械手集中的体现了以上的优点。在刀库远离机床主轴的换刀装置中。除了机械手以外，还必须带有中间搬运装置。
双臂机械手中最常用的几种结构如图4-2.2所示，它们分别是钩手（图4-2.2a）、抱手（图4-2.2b）、伸缩手（图4-2.2c）、和叉手（图4-2.2d)。这几种机械手能够完成抓刀，拔刀、回转、插刀以及返回等全部动作。为了防止刀具掉落，各机械手的活动抓都必须带有自锁机构。由于双臂回转机械手(图4-2.2a～c）的动作比较简单，而且能够同时抓取和装卸机床主轴和刀库中的刀具，因此换刀时间可以进一步缩短。

图4-2.2 双臂机械手换刀结构
根据各类机床的需要，自动换刀数控车床所用的刀具的刀柄基本上都是圆锥形的。为了使机械手能可靠的抓取刀具，刀柄必须有合理的夹持部分，而且刀柄必须标准化。V形槽夹持结构适用于图4-2.2的各种机械手，这是由于机械手爪的形状和V形槽能很好的吻合。使刀具能保持准确的轴向和径向位置，从而提高了装刀的重复定位精度。
5 数控车床主轴组件模块化设计
主轴部件是整个车床的重要部件之一，通常由主轴、主轴轴承和安装在主轴上的传动件等组成。机床工作时，由主轴带动工件直接参与表面的成形运动。主轴部件的性能对加工质量和生产效率有着重要的影响。通过对车床精度、工艺性、经济性等多方面的综合考虑，所确定的数控车床的主轴部件。
5.1 主轴的主要参数和结构分析
5.1.1主轴的主要参数确定
设计要求；主轴最高转速为3000r/min，主电机功率为2.2kw，最大主切削力为3503 N。
(1)主轴前轴承轴径D1：依据图5-1.1的D1-N统计曲线，图中曲线I适合刚度强而最高转速低的车床，曲线Ⅱ适合高转速车床。按曲线I，取D。=65 mm。
图5-1.1 D1-N统计曲线
(2)主轴后轴承轴径D2 ：根据经验公式D2 =(0．7～0．8)D1，取D2=50 mm。
(3)主轴的平均直径D：根据经验公式D2=(1．1～1．5)D或Dl=(0．85～0．9)D，取D=60 mm。
(4)主轴的内孔直径d：根据经验公式dmax<0.7D，取d=26 mm。
(5)主轴的跨距 ：一般情况下，主轴跨距L =(0．75—1．5)Lo，其中Lo为最佳跨距。因受旋转精度的影响，Lomin=2.5ɑ；因受主轴部件刚度的影响，Lomax=5ɑ或Lomax=4D1。根据结构需要和所述公式的匹配，取L=300mm。（主轴的悬伸量ɑ：主轴头部已标准化，在满足结构要求的情况下，尽可能地使悬伸量小，以确保主轴的刚性 ，故取ɑ=65mm。）
5.1.2主轴的结构分析
1）主轴部件的端部结构
对于数控车床主轴，因为在它的两端安装着结构笨重的动力卡盘盒夹紧油缸，主轴刚度必须进一步提高，并应设计合理的联接端以改善动力卡盘与主轴端部的联接刚度。
数控车床主轴端部的结构对工件或刀具的定位、安装、拆卸以及夹紧得准确、牢固、方便和可靠有很大影响。常见的几种用于不同类型数控车床主轴的端部结构如图5-1.2所示，目前这些结构已标准化。

图5-1.2 数控车床主轴部件的端部结构
2）主轴部件的特殊结构
由于数控车床的主轴要求实现自动更换刀具或自动更换工件，因此其主轴部件必须设计出相应的特殊结构以满足这些要求。
数控加工中心车床为实现刀具在主轴上的自动装卸，其主轴必须涉及刀具的自动夹紧机构。
（1） 自动清除主轴空中的切削和灰尘是换刀操作中的一个不容忽视的问题。如果在主轴锥孔中掉进了切屑或其他污物，再拉进刀杆时，主轴锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤，并且是刀杆发生偏斜，破坏了刀具正确的定位，影响及工零件的精度，甚至是零件报废。为了保持主轴锥孔的清洁，常用压缩空气吹屑。
（2） 在加工精密的坐标孔时，由于每次都能在主轴固定的圆周位置上装刀，就能保证刀尖与主轴相对位置的一致性，从而减少被加工孔的尺寸分散度，这就要求主轴具有准确定位的功能。
5.2 主轴轴承的设计
5.2.1数控车床主轴轴承一般配置形式
目前数控车床的主轴轴承配置形式主要有三种（图5-2.1）

图5-2.1 数控车床主轴轴承配置形式
（1）前支承采用双列圆柱滚子轴承和60度角接触双列向心推力求轴承组合，后支承采用成对向心推力球轴承（图5-2.1a）
此配置型式使主轴的综合刚度大幅提高，可以满足强力切削的要求，因此普遍应用于各类数控车床的主轴。
（2）前轴承采用高精度双列向心推力球轴承（图5-2.1b）
向心推力球轴承具有良好的高速性，主轴最高转速可达1000r/min，但是它的轴载能力小，因而适用于高速、轻载和精密的数控车床主轴。
（3）双列和单列圆锥滚子轴承（图5-2.1c）
这组轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装于调整性能好。但是这组轴承配置方式限制了主轴的最高转速和可以达到的精度，因此适用于中等精度、低速与重载的数控车床主轴。
在此次数控车床模块化设计中我采用第三种轴承配置方式。
5.2.2 主轴轴承的选择
主轴的前后轴承均采用圆锥滚子轴承，其刚度强、结构简单、调整方便。由于主轴前轴承轴径为D1=65mm，因此前轴承采用双列圆锥滚子轴承，型号为352213，极限转速为4 800 r