SolidWorks四工位数控内部结构和工作原理
SolidWorks四工位数控内部结构和工作原理
1 引言
如果说国民经济和国防建设的基础性产业是现代装备制造业的话，那么，数控技术便是现代装备制造业的核心与基础技术。在传统的机械加工设备已经不能满足现代工业制造需求的情况下，数控机床成为了目前机械加工的主体，它在提高生产效率和产品质量，减轻工作人员的体力劳动方面起到了及其重要的作用。数控机床的发展，伴随着数控刀架的革新，数控刀架越先进，加工效率、产品质量必会有质的飞跃。数控刀架的创新也因此成为当下国内技术行业的热潮。
1.1 概述
数控刀架是数控车床最普遍的一种辅助装置，它可以使数控车床在工件的一次
装夹中完成多种甚至所有的的加工工序，以缩短加工的时间，并且减少加工过程中由
于多次安装工件而引起的误差，从而由此来提高数控机床的加工效率和加工精度。
数控车床的发展方向是朝着高速、高可靠性、高效率并且要简单实用，造价低。
这就催促着数控车床自动回转刀架的研究与发展。数控车床的刀架是安放刀具的重要
部件，所以数控刀架往往成为工艺系统中的薄弱环节。
回转刀架是数控车床中最常用的一种典型换刀刀架。回转刀架的换刀工作可以
分为刀架抬起、刀架转位、刀架锁紧等几个步骤。它的动作是由数控系统发出的指令
来完成的。数控车床一般由主轴箱、尾架、床鞍、刀架、对刀仪、润滑系统、液压系
统、数控系统和气动装置等部分组成。数控车床的出现大大的改善了工作环境和工作
效率。传统的数控车床根本不能满足产品加工的需要，因此要采用“工序集中”的原
则，采用自动回转刀架。自动回转刀架在一定的空间范围内，能自动执行松开、转位
、精密定位等一系列动作的一种机构。
在我国，先后引进了从美国和日本的CNC装置及主轴以及伺服传动技术并开始
陆续投入大批量生产，这样一来结束了我国数控车床发展徘徊不前的现状，推动了数
控机床的发展。但是，数控自动回转刀架是直接参与切削加工工作的重要部位，自动
回转刀架的先进程度决定着数控车床加工工艺水平的高低，对自动回转刀架的创新就
显得格外重要。
1.2 国内外形势
在我国，数控刀架的生产还处在可靠性，规格，品种发展阶段，还需要一个逐
步完善的过程，远远没有达到成熟的阶段。国内与国外的数控产业差距甚大，必然会
造成回转刀架的差距，那么我们不能把数控产业完全依靠于国外进口，我们也要自己
研发属于自己特色的数控车床，从制造大国转变为制造强国，需要不断的创新，数控
车的创新必然导致数控车回转刀架的变更，只有开发出更先进的技术，才能满足生产
的要求，才能更好地走在世界的前列。随着“数字制造”这一理念被引入中国制造业，
对数控机床的发展更是需求甚大，对数控机床的要求也越来越苛刻。
近年来，依靠我国科技人员的努力，已经先后研制成功并在北京、长春等地安
装使用了FMS。这一切说明，我国的机床数控技术已经进入了一个新的发展时期，预
计在不远的将来，我国将会赶上和超过世界先进国家的水平。
1.3 研究意义与发展前景
自20世纪90年代以来，随着数控系统相关技术的突发猛进的发展，。以计算
机集成制造系统（CIMS)、柔性制造系统（FMS)、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM)
等技术为代表的先进制造技术正在对各行各业的生产方式产生巨大而深远的影响。
我国中长期科技计划16个重大专项中的关键技术便是数控技术，在我国6个5
年计划的持续支持下，我国数控装备制造及数控系统取得了显著的成就。但是，我国
的数控技术及相关产业还存在一些发展瓶颈，如高档数控车的国产率较低，另一方面，
与国外相关技术水平的差距较大。未来的机械制造装备业的竞争，其本质就是数控技
术，尤其是高档数控系统及装备的竞争。而数控刀架是数控车床与工件最直接的接触
部位，数控刀架的先进程度决定着数控车床先进水平。
我国数控产业相对于发达国家还有相当的差距，因此，数控刀架的发展在未来
将是巨大和未知的，需要我们不断的去探索、创新。
2 数控刀架
2.1 数控刀架的分类
根据不同的使用对象，刀架可以设计成四方形、六方形等形式。回转刀架可以
四把、六把等，并按照数控装置发出的脉冲指令进行旋转、换刀。根据装刀的数量不
同，自动回转刀架可以分为四工位、六工位、八工位等；根据安装的方式不一样，自
动回转刀架分为立式和卧式。本设计研究的是四工位立式回转刀架,如图2.1所示:
图2.1车床刀架图
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。目前，我国的数控车床主要以电动为主，分为立式和卧式两种。立式刀架有
四工位刀架和六工位刀架，它们主要用于简单的数控车床。卧式刀架相比而言，就显
的种类比较多。 回转刀架是数控车床中最常用的一种典型换刀刀架。
数控车床上的自动回转刀架是数控车床的重要组成部分。自动回转刀架是用来
夹持切削的刀具，因此自动回转刀架的结构直接影响了机床的切削性能和切削效率。
2.2 四工位数控刀架的介绍
四工位回转刀架的基本要求：
（1）四工位立式；
（2）转位准确可靠，各种平稳安全；
（3）按最短路线就最近选位，转位时间短；
（4）重复定位精度高；
（5）防水、防屑、密封性优良；
（6）夹紧刚度高，适宜重负荷切削；
由于经济型数控车床是我国当前车床的的主流产品，所以对其自动回转刀架的
研究是很有必要的。
经济型数控车床在现有机床应用中是相对于比较广泛的。它的回转刀架可以辅助
主机完成轴类、盘类等零件的车外圆、端面、圆弧、刀槽、车螺纹、镗孔的加工工序。
按照数控车床自动回转刀架的基本要求和CK6140车床的实际情况，本设计初选为简
易的四工位电动机回转刀架。
2.3 四工位数控刀架的基本结构特点
立式数控回转刀架的结构特点：
（1）设置短齿盘作精定位元件；
（2）采用霍尔开关作信号传输控制，避免了机械接触，延长了使用寿命；
（3）可以借助双重粗定位机构，使刀架回转平稳；
（4）具有防水防滑作用；
霍尔元件的介绍：
霍尔元件是根据霍尔效应进行磁电转换的磁敏元件，霍尔元件是一个N型
半导体薄片，若在其相对两侧通以控制电流I，而在薄片垂直方向加以磁场氏 则在半
导体另外两侧便会产生一个大小与电流，和磁场B的乘积成工比的电压。这个现象就
是霍尔效应，所产生的电压叫霍尔电压UR。霍尔电压正比于电流强度和磁场强度，且
与霍尔元件的形状有关。在电流强度恒定以及霍尔元件形状确定的条件下，霍尔电压
正比于磁场强度。当所加磁场方向改变时，霍尔电压的符号也随之改变因此，霍尔元
件可以用来测量磁场的大小及方向。
2.4 四工位数控回转刀架的工作原理
当数控加工程序要求加工换刀时，数控系统首先检查当前在位刀号，如果要求使
用刀号与实际在位刀号不一致，就发出控制信号令电动机正转。电动机通过螺杆推动
螺母使刀台上升到精密端齿盘脱开时的位置，当刀台岁螺杆体转动至与刀号要求相等
的位置时，数控系统发出反转信号，使电动机反转，此时刀台被定位卡死而不能转动，
便缓慢下降至精密端齿盘啮合位置，实现精密定位并锁紧。当夹紧力增大到可推动弹
簧，蜗杆发生轴向窜动压缩触点时，电动机立即停转，并向控制计算机发出换刀完成
的应答信号，程序接着运行。如图2.2为回转刀架零件图：
1 引言
如果说国民经济和国防建设的基础性产业是现代装备制造业的话，那么，数控技术便是现代装备制造业的核心与基础技术。在传统的机械加工设备已经不能满足现代工业制造需求的情况下，数控机床成为了目前机械加工的主体，它在提高生产效率和产品质量，减轻工作人员的体力劳动方面起到了及其重要的作用。数控机床的发展，伴随着数控刀架的革新，数控刀架越先进，加工效率、产品质量必会有质的飞跃。数控刀架的创新也因此成为当下国内技术行业的热潮。
1.1 概述
数控刀架是数控车床最普遍的一种辅助装置，它可以使数控车床在工件的一次
装夹中完成多种甚至所有的的加工工序，以缩短加工的时间，并且减少加工过程中由
于多次安装工件而引起的误差，从而由此来提高数控机床的加工效率和加工精度。
数控车床的发展方向是朝着高速、高可靠性、高效率并且要简单实用，造价低。
这就催促着数控车床自动回转刀架的研究与发展。数控车床的刀架是安放刀具的重要
部件，所以数控刀架往往成为工艺系统中的薄弱环节。
回转刀架是数控车床中最常用的一种典型换刀刀架。回转刀架的换刀工作可以
分为刀架抬起、刀架转位、刀架锁紧等几个步骤。它的动作是由数控系统发出的指令
来完成的。数控车床一般由主轴箱、尾架、床鞍、刀架、对刀仪、润滑系统、液压系
统、数控系统和气动装置等部分组成。数控车床的出现大大的改善了工作环境和工作
效率。传统的数控车床根本不能满足产品加工的需要，因此要采用“工序集中”的原
则，采用自动回转刀架。自动回转刀架在一定的空间范围内，能自动执行松开、转位
、精密定位等一系列动作的一种机构。
在我国，先后引进了从美国和日本的CNC装置及主轴以及伺服传动技术并开始
陆续投入大批量生产，这样一来结束了我国数控车床发展徘徊不前的现状，推动了数
控机床的发展。但是，数控自动回转刀架是直接参与切削加工工作的重要部位，自动
回转刀架的先进程度决定着数控车床加工工艺水平的高低，对自动回转刀架的创新就
显得格外重要。
1.2 国内外形势
在我国，数控刀架的生产还处在可靠性，规格，品种发展阶段，还需要一个逐
步完善的过程，远远没有达到成熟的阶段。国内与国外的数控产业差距甚大，必然会
造成回转刀架的差距，那么我们不能把数控产业完全依靠于国外进口，我们也要自己
研发属于自己特色的数控车床，从制造大国转变为制造强国，需要不断的创新，数控
车的创新必然导致数控车回转刀架的变更，只有开发出更先进的技术，才能满足生产
的要求，才能更好地走在世界的前列。随着“数字制造”这一理念被引入中国制造业，
对数控机床的发展更是需求甚大，对数控机床的要求也越来越苛刻。
近年来，依靠我国科技人员的努力，已经先后研制成功并在北京、长春等地安
装使用了FMS。这一切说明，我国的机床数控技术已经进入了一个新的发展时期，预
计在不远的将来，我国将会赶上和超过世界先进国家的水平。
1.3 研究意义与发展前景
自20世纪90年代以来，随着数控系统相关技术的突发猛进的发展，。以计算
机集成制造系统（CIMS)、柔性制造系统（FMS)、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM)
等技术为代表的先进制造技术正在对各行各业的生产方式产生巨大而深远的影响。
我国中长期科技计划16个重大专项中的关键技术便是数控技术，在我国6个5
年计划的持续支持下，我国数控装备制造及数控系统取得了显著的成就。但是，我国
的数控技术及相关产业还存在一些发展瓶颈，如高档数控车的国产率较低，另一方面，
与国外相关技术水平的差距较大。未来的机械制造装备业的竞争，其本质就是数控技
术，尤其是高档数控系统及装备的竞争。而数控刀架是数控车床与工件最直接的接触
部位，数控刀架的先进程度决定着数控车床先进水平。
我国数控产业相对于发达国家还有相当的差距，因此，数控刀架的发展在未来
将是巨大和未知的，需要我们不断的去探索、创新。
2 数控刀架
2.1 数控刀架的分类
根据不同的使用对象，刀架可以设计成四方形、六方形等形式。回转刀架可以
四把、六把等，并按照数控装置发出的脉冲指令进行旋转、换刀。根据装刀的数量不
同，自动回转刀架可以分为四工位、六工位、八工位等；根据安装的方式不一样，自
动回转刀架分为立式和卧式。本设计研究的是四工位立式回转刀架,如图2.1所示:
图2.1车床刀架图
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。目前，我国的数控车床主要以电动为主，分为立式和卧式两种。立式刀架有
四工位刀架和六工位刀架，它们主要用于简单的数控车床。卧式刀架相比而言，就显
的种类比较多。 回转刀架是数控车床中最常用的一种典型换刀刀架。
数控车床上的自动回转刀架是数控车床的重要组成部分。自动回转刀架是用来
夹持切削的刀具，因此自动回转刀架的结构直接影响了机床的切削性能和切削效率。
2.2 四工位数控刀架的介绍
四工位回转刀架的基本要求：
（1）四工位立式；
（2）转位准确可靠，各种平稳安全；
（3）按最短路线就最近选位，转位时间短；
（4）重复定位精度高；
（5）防水、防屑、密封性优良；
（6）夹紧刚度高，适宜重负荷切削；
由于经济型数控车床是我国当前车床的的主流产品，所以对其自动回转刀架的
研究是很有必要的。
经济型数控车床在现有机床应用中是相对于比较广泛的。它的回转刀架可以辅助
主机完成轴类、盘类等零件的车外圆、端面、圆弧、刀槽、车螺纹、镗孔的加工工序。
按照数控车床自动回转刀架的基本要求和CK6140车床的实际情况，本设计初选为简
易的四工位电动机回转刀架。
2.3 四工位数控刀架的基本结构特点
立式数控回转刀架的结构特点：
（1）设置短齿盘作精定位元件；
（2）采用霍尔开关作信号传输控制，避免了机械接触，延长了使用寿命；
（3）可以借助双重粗定位机构，使刀架回转平稳；
（4）具有防水防滑作用；
霍尔元件的介绍：
霍尔元件是根据霍尔效应进行磁电转换的磁敏元件，霍尔元件是一个N型
半导体薄片，若在其相对两侧通以控制电流I，而在薄片垂直方向加以磁场氏 则在半
导体另外两侧便会产生一个大小与电流，和磁场B的乘积成工比的电压。这个现象就
是霍尔效应，所产生的电压叫霍尔电压UR。霍尔电压正比于电流强度和磁场强度，且
与霍尔元件的形状有关。在电流强度恒定以及霍尔元件形状确定的条件下，霍尔电压
正比于磁场强度。当所加磁场方向改变时，霍尔电压的符号也随之改变因此，霍尔元
件可以用来测量磁场的大小及方向。
2.4 四工位数控回转刀架的工作原理
当数控加工程序要求加工换刀时，数控系统首先检查当前在位刀号，如果要求使
用刀号与实际在位刀号不一致，就发出控制信号令电动机正转。电动机通过螺杆推动
螺母使刀台上升到精密端齿盘脱开时的位置，当刀台岁螺杆体转动至与刀号要求相等
的位置时，数控系统发出反转信号，使电动机反转，此时刀台被定位卡死而不能转动，
便缓慢下降至精密端齿盘啮合位置，实现精密定位并锁紧。当夹紧力增大到可推动弹
簧，蜗杆发生轴向窜动压缩触点时，电动机立即停转，并向控制计算机发出换刀完成
的应答信号，程序接着运行。如图2.2为回转刀架零件图：
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