机电装备第七章

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1、第七章 金属切削机床设计与数控化 7-1 概述 7-2 总体设计 7-3 主要技术参数设计 7-4 刀架和和自动换刀装置设计 7-5 典型加工中心主要结构及工作原理第七章 7-6 卧式车床数控化改造 习 题7.4 机床刀架和自动换刀装置设计 7.4 机床刀架和自动换刀装置设计 一、功能和基本要求 1. 功能机床上的刀架是安放刀具的重要部件，直接承受极大的切削力，往往成为工艺系统中的较薄弱环节。如普通车床上的四方刀架、转塔车床的转塔刀架、 回轮式转塔车床的回轮刀架、自动车床的转塔刀架和天平刀架等。数控车床 上采用电（液）换位自动刀架，有的还使用两个回转刀盘。加工中心则进一 步采用了刀库和放刀机械

2、手，实现了大容量存储刀具和自动交换刀具的功能 ，这种刀库存放刀具的数量从几十把到上百把，自动交换刀具的时间从几十 秒减少到几秒甚至零点几秒。刀库和换刀机械手组成的自动换刀装置，就成 为加工中心的主要特征。 2. 基本要求 （1） 满足工艺要求。要求刀架和刀库上能够布置足够的刀具，换刀时间短， 能够方便而正确地加工各工件表面。实现在工件的一次安装中完成多工序加工 ，所以要求刀架、刀库可以方便转位。 （2）保证足够的重复定位精度。在刀架上安装刀具时还应能精确地调整刀具的 位置，采用自动交换刀具时，应能保证刀具交换于正确位置。以保证刀具和工 件间准确的相对位置。而且精度保持性要好，以便长期保持刀具的

3、正确位置。刀架功能和基本要求（3）具有足够的刚度。刀架刀库和换刀机械手都必须有足够的刚度，以使切削过程和换刀过程平稳。（4）可靠性高。由于刀架和自动换刀装置在机床工作过程中，使用次数很多，而且使用频率也高，所以必须充分重视它的可靠性。（5） 缩短换刀时间。换刀时间应尽可能缩短，以利于提高生产率。目前自动 换刀装置换刀时间统计见表7-3，而且还在进一步缩短。（6）操作方便和安全。 表7-3 自动换刀装置的换刀时间（s）刀具尾柄 平均换刀时间 目前能达到的 最短换刀时 间立式加工中心 卧式加工中心 30号 1.5 0.8 40号 22.5 45 1.8 50号 2.53 46 2.5 二、机床刀架

4、和自动换刀装置的类型 按照安装刀具的数目可分为单刀架和多刀架。例如自动的前、后刀架和 天平刀架。按结构形式可分为方刀架、转塔刀架、回轮式刀架等；按驱动刀 架转位的动力可分为手动转位刀架和自动（电动和液动）转位刀架。刀架和自动换刀装置的类型自动换刀装置的刀库和换刀机械手，驱动都是采用电气或液压自动实现 。目前带有自动换刀装置主要用在加工中心和车削中心上，但在数控磨床上 自动更换砂轮，电加工机床上自动更换电极，以及数控冲床上自动更换模具 等，也日渐增多。数控车床的自动换刀装置主要采用回转刀盘，刀盘上安装812把刀。有 的数控用两个刀盘，实行四坐标控制，少数数控车床也具有刀库形式的自动换 刀装置。图

5、图7-11a7-11a （动画）动画）是一个刀架上的回转盘，刀具与主轴中心平行安装，回 转刀盘具有回转运动、纵向进给运动（S纵）和横向进给运动（S横）。图7.11b为刀盘中心线相对于主轴中心线线倾斜的回转刀盘，刀盘上有6 8个刀位，每个刀位上可装两把刀具，分别加工外圆和内孔。图7.11c装有两个刀盘的数控车床，刀盘1的回转中心与主轴中心线平线， 用于加工外圆；刀盘2的回转中心线与主轴中心线垂直，用以加工内表面。图7.11d安装有刀库的数控车床，刀库可以是回转式或链式，通过机械手 交换刀具。如图如图7.127.12所示为为应用在加工中心上的各种刀库，其类型有盘形刀库、链 式刀库、格子箱式刀库和直

6、线刀库等。刀架和自动换刀装置的类型 盘形刀库应用较广，它包括刀具轴线与盘轴线平行(或垂直或成锐角)。这种 形式的刀库容量较小，一般不超过32把刀具。链式刀库容量较大，当采用多环链式刀库时，刀库外形较紧凑，占用空间 较小，适用于作大容量的刀库。 刀架和自动换刀装置的类型盘形刀库应用较广，它包括刀具轴线与盘轴线 平行(或垂直或成锐角)。这种形式的刀库容量较小，一般不超过32把刀具。直线式刀库结构简单，刀库容量较小，一般应用于数控车床、数控钻床， 个别加工中心也有采用。三、刀具交换装置 数控机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。刀具的交换方式通常分为由刀

7、库与机床主轴的相 对运动实现刀具交换和采用机械手交换刀具两类。1利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换的装置 图图7.137.13 （动画）（动画）所示的数控立式镗铣床就是采用这类刀具交换方式的实例 。它的选刀和换刀由三个坐标轴的数控定位系统来完成，因而每交换一次刀具 ，工作台和主轴箱就必须沿着三个坐标轴作两次来回的运动，因而增加了换刀 时间。刀架和自动换刀装置的类型采用机械手进行刀具交换的方式应用得最为广泛，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 中地体现了以上的优点。在刀库远离机床主轴的换刀装置中，除了机械手以外 ，还带有中间搬运装置

8、。双臂机械手中最常用的几种结构如图7.14所示，它们分别是钩手(图7.14a) 、抱手(图7.14b)、伸缩手(图7.14c)和叉手(图7.14d)。这几种机械手能够完成抓 刀、拨刀、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 活动爪都必须带有自锁机构。由于双臂回转机械手(图7.14a、b、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。图图7.157.15是双刀库机械手换刀装置，其特点是用两个刀库和两个单臂机械手进 行工作，因而机械手的工作行程大为缩短、有效地节省了换刀时间。四、换刀机械手 在自动换刀数控机床中，机械手的形式也

9、是多种多样的，常见的有 图图7.177.17中的几种形式。 双臂回转式机械手，其手臂手爪结构如 图图7.197.19 所示 由于液压驱动的机械手需要采用严格的密封和复杂的缓冲机构，且控制 机械手动作的电磁阀都有一定的时间常数，因而换刀速度较慢。图图7.207.20 所示为凸轮联动式单臂双爪机械手。机械手的手臂回转和插刀、 拔刀的分解动作是联动的，部分时间常数可重叠，从而大大缩短了换刀时间 ，一般约为2.5s。五、手爪 机械手的手爪在抓住刀具后，还必须具有锁刀功能，以防止在换刀过程中 掉刀或刀具被甩出。图图7.217.21为无机械手换刀方式的刀库夹爪图。 图图7.227.22 为钳形杠杆机械手

10、。 六、刀架和自动换刀装置 1手动和半自动转位刀架 图图7.237.23是卧式车床的四方刀架图图7.247.24为转塔刀架 转塔上可装六把刀具，加上前刀架、后刀架，这样就 可使刀具增加到10把以上，形成转塔车床，这样工件在一次安装中，就可以 加工完更多的表面。这种转塔刀架的转位换刀一般由液压来完成的。图图7.257.25是半自动转塔车床的转塔刀架装配图，转塔刀架鞍座l在进给油缸 活塞2的驱动下沿床身三角形导轨和平导轨作纵向进给运动。2. 自动转位换刀装置数控车床上使用的转位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。转位刀架上分别安装 着四把、六

11、把或更多的刀具，并按数控装置的指令换刀。 (1)四方转位刀架 图图7.267.26 为一般经济型数控车床采用的螺旋升降式四方自 动刀架，适用于轴类零件的加工，它的换刀过程如下：1)刀架抬起。当数控装 置发生换刀指令后，电动机 蜗杆、蜗轮、轴套10转动 件9、刀架8上升 。2)刀架转位。3)刀架压紧。(2)六角转位刀架 图图7.277.27 为数控车床的六角转位刀架 。 图图7.287.28是数控车床12个刀位的回转刀架结构图。刀架的夹紧和转位都由液 压油缸驱动。图图7.297.29是电动回转刀架。当转塔刀架接到转位指令后，电动机10通过齿轮 带系杆9旋转，再通过轴8带动套5转动，套5沿圆周方向

12、均布3个夹紧轮4，此时 夹紧轮沿着下定位齿盘3上的凸轮槽移动，当夹紧轮进入槽中的凹部时，将使 下齿盘向右移动，从而使上、下定位齿盘脱离啮合，完成转塔打开动作。接着 套5带着夹紧轮继续旋转，推动与转塔头连在一起的套7同步转动，进行分度转 位工作。3带刀库的自动换刀系统由于回转刀架、转塔头式换刀装置容纳的刀具数量不能太多，满足不了复杂 零件的加工需要。为了使工件能在一次安装中实现工序高度集中，加工完尽可 能多的工件表面，一般多采用刀库式自动换刀装置。（1）直接在刀库与主轴(或刀架)之间换刀的自动换刀装置图图7.307.30为自动换刀数控立式车床的示意图，这种换刀装置只具备一个刀库 ，刀库中储存着加

13、工过程中需使用的各种刀具，利用机床本身与刀库的运动 实现换刀过程。 （2）用机械手在刀库与主轴之间换刀的自动换力装置这是目前用得最普遍的一种自动换刀装置，其布局结构多种多样，图图 7.327.32 （动画）（动画）为JCS013型自动换刀数控卧式镗铣床所用换刀装置。(3) 用机械手和转塔头配合刀库进行换刀的自动换刀装置 这种自动换刀装置实际是转塔头式换刀装置和刀库式换刀装置的结合 ，其工作原理如图图7.337.33 （动画）（动画）所示。 7.6 普通车床的数控化改装 7.6 普通车床的数控化改装 经济型数控车床，主要依靠两方面来保证和提高被加工零件的精度：一是系 统的控制精度；二是机床本身的

14、机械传动精度。数控进给传动系统，由于必须 对进给的位置和速度同时实现自动控制，所以与普通卧式车床相比，应具有更 好的精度，以确保机械传动系统的传动精度和工作平稳性。数控改造对机械传 动系统的要求为：(1) 尽量采用低摩擦的传动副，如滚动导轨和滚珠丝杠螺母副，以减小摩 擦力。(2) 选用最佳的降速比，为达到数控机床所要求的脉冲当量，使运动位移 尽可能地加速达到跟综指令。 (3) 提高传动系统的刚度，尽量缩短传动链以及用预紧的办法。(4) 尽量消除传动间隙，以减小反向行程误差。如采用消除间隙的联轴节 和消除传动齿轮间隙的机构等。(5) 尽量满足低振动和高可靠性方面的要求。为此应选择间隙小，传动精

15、度高，运动平稳，效率高以及传递扭矩大的传动元件。 普通卧式车床改造的传动系统如 图图7.647.64 所示。 普通车床的数控化改装1.主传动系统对普通车床进行数控改造时，一般可保留原有的主传动系统和变速操纵机 构。这样既保留了车床的原有功能，又减化了改造量。如果需在加工过程中自 动变换切削速度，可用双速或四速电动机替代原车床的主电动机。由于多速电 动机的功率是随转数的变化而变化的，所以应选择功率较大一些的电动机。主 传动系统改造图如图 7.657.65 所示。2. 主轴脉冲发生器及其安装 主轴脉冲发生器也叫光电编码器。其作用是当数控机床加工螺纹时，用 主轴脉冲发生器作为车床主轴位置信号的反馈元件，它应与车床主轴同步转 动，并发出主轴转角位置变化信号，输送给计算机 。主轴脉冲发生器的安装，通常采用二种方式：一是同轴安装，二是采用异 轴安装。参见图图7.667.66。 主轴脉冲发生器从传动联接方面分为刚性联接和柔性联接。刚性联接可能会因同轴度的误差，会引起主轴脉冲发生器轴的偏扭，造成 信号不准，甚至损坏内部光栅盘。柔性联接，即车床主轴与主轴脉冲发生器之间用弹性元件联接，常用的元 件为波纹管和橡胶管。进给传动系统 3电动刀架的安装 电动刀架的安装较方便。但安装时应注意以下两点 ： 1) 电动刀台的两侧面应与车床纵向与车床横向的进给方向平行； 2) 电动刀