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1、鼓轮式刀库及换刀装置设计 11 绪论1.1数控加工中心自动换刀装置概述机床是制造机器的机器，机床工业的技术水平决定着装备制造业乃至整个国民经济的技术水平。当今社会，数控机床几乎已经扩展到了所有加工领域，许多工厂为了适应产品的频繁更新、提高加工精度、降低生产成本、缩短产品交货周期和减轻劳动强度，在中等批量、甚至大批量生产中应用数控机床，并取得了良好的经济效益。数控加工中心带有刀库和自动换刀装置，是能对工件按预定程序进行多工序加工的高度自动化的多功能的数字控制机床。自动换刀装置（ATC）是加工中心的重要组成单元，其设计质量的好坏，直接影响加工中心的质量。ATC由刀库和机械手组成，它的机构和运动复杂
2、、性能要求高。刀库的功能是储存刀具，并且按程序指令，把即将要用的刀具迅速、准确地送到换刀位置，因此刀库的位置、体积大小能否适合加工中心的整体设计，刀库的运动机构能否使刀库平稳运转并准确地停在换刀位置，运动过程有无干涉、卡死等现象，都是设计人员非常关心的问题。机械手的功能是把刀库上的刀具送到主轴上，再把主轴上已用过的刀具送回刀库。它的动作要求迅速而准确，所以对机构的结构、定位、运动、夹持力的大小等都有很高的要求，一旦有运动故障或定位、运动误差过大，都会造成换刀动作失败，掉刀。当今时代，高速加工中心已成为加工行业未来的发展趋势。高速功能部件如电主轴、高速丝杠和直线电动机的发展应用极大地提高了切削效
3、率。为了配合机床的高效率，作为加工中心的重要部件之一的自动换刀装置的高速化也相应成为高速加工中心的重要技术内容。未来机床产业的发展，均以追求高速、高精度、高效率为目标。随着切削速度的提高，切削时间的不断缩短，对换刀时间的要求也在逐步提高；换刀的速度已成为高等级机床的一项重要指标。因此，对数控机床的刀库及其自动换刀装置的研究和发展有着重要的意义。1.2国内外自动换刀装置设计的发展情况自动换刀系统是数控机床的重要组成部分。刀具夹持元件的结构特性及它与机床主轴的联结方式，将直接影响机床的加工性能。刀库结构形式及刀具交换装置的工作方式，则会影响机床的换刀效率。自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度，又会
4、对整机的成本造价产生直接影响。从换刀系统发展的历史来看，1956年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM公司同期也研制成功了“APT”(刀具程序控制装置)。1958年美国K&T公司研制出带ATC(自动刀具交换装置)的加工中心。1967年出现了FMS(柔性制造系统)。1978年以后，加工中心迅速发展，带有ATC装置，可实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。1983年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，自动换刀系统便形成了统一的结构模式。随着机械加工业的发展，制造行业对于带有自动换刀系统的高效高性能加工中心的需求量越来越大，在现有的各种类型的加工中心中，传统结构的自动换刀
5、系统的造价在机床整机造价中总是占着很大比重，这是加工中心价格居高不下、应用不普遍的重要原因。目前国内外数控机床自动换刀系统中，刀具、辅具多采用锥柄结构，刀柄与机床主轴的联结、刀具的夹紧放松机构及驱动方式几乎都采用同一种结构模式。在现代数控机床上亦有采用弹簧夹头作为刀具的夹持元件，但机床的主轴结构、驱动方式仍然采用与上述锥柄刀具完全相同的结构形式。采用这种结构模式，在实际数控加工中，尤其是在需要超高速主轴、主轴的径向、轴向尺寸都很小、没有足够的换刀空间的微细加工场合中实现自动换刀将会是很困难的，如果实施自动换刀将使机床成本大幅度提高。金属切削机床的高速化已成为机床发展的重要方向之一，因此，快速换
6、刀技术已经成为高速加工中心技术的重要组成部分。新技术和新方法在不断地出现和改进，其目的只有一个，即在准确可靠的基础上，缩短换刀时间，全面提高高速加工中心的切削效率。我国数控机床制造业起步较晚，而如今，各机床厂家正力图寻求走具有自主知识产权的发展道路，在引进与国外机床厂商合资合作的形式中，消化吸收，逐步掌握国外的先进技术，并把它融人到自己设计开发的思维中。经过多年的努力，我国机床制造业通过与国外合作，技术引进以及国家组织攻关等方式，解决了一大批关键性技术，掌握了许多先进的设计手段与制造工艺，机床整体水平进步很大，与国外先进制造水平的差距正在缩小。数控机床是主导性的机床产品，其发展受到国内外有关政
7、府和工业企业界的高度重视，从而得以迅速发展。1.3加工中心刀库的形式及特点刀库系统是提供自动化加工过程中所需的储刀及换刀需求的一种装置，其自动换刀机构可以储放多把刀具的刀库，从而大幅缩短加工时程，降低生产成本。加工中心刀库的形式很多，结构各异，刀库的容量、布局，针对不同的机床，其形式也有所不同和结构也各不相同，最常用的有鼓轮式刀库、链式刀库。1.3.1鼓轮式刀库图1.1鼓轮式刀库鼓轮式刀库也称圆盘式刀库，其刀具环形排列，呈盘状，这种刀库结构简单，适用于刀库容量较少的中小型加工中心，一般不超过32把刀具。为了增加刀库空间利用率，可采用双环或多环排列的刀具的形式。但鼓直径越大，转动惯量就增加，选刀
8、时间也就越长。图1.2鼓轮式刀库的取刀方式径向取刀形式( a )多用于使用斗笠式刀库的立式加工中心和使用角度布置的机械手换刀装置的加工中心；形式( b )应用比较广泛，可用于立式和卧式加工中心，换刀可用机械手或直接主轴移动式换刀。由于从布局设计方面的考虑，鼓轮式刀库一般都采用侧向安装的结构形式，若用于机械手平行布置的加工中心时，刀库中的刀袋（座）通常在换刀工作位可作 90 翻转。形式( c )适用于小型加工中心，但占有面积较大，刀库安装位置及刀库容量受限制，应用较少，但应用这种刀库可以减少机械手换刀动作，简化机械手结构；形式( d )为刀具轴线与鼓盘轴线成夹角为锐角的鼓轮式刀库，一般用于专用加
9、工中心。1.3.2转塔式刀库图1.3转塔式刀库如图1.3 a、b所示。包括水平转塔头和垂直转塔头两种。所有刀具固定在同一转塔上，无换刀臂，储刀数量有限，通常为68 把。一般仅用于轻便而简单的机型。常见于车削中心和钻削中心。在钻削中心储刀位置即主轴，其外部结构紧凑但内部构造复杂，精度要求高。1.3.3 链式刀库图1.4链式刀库如图1.4所示，包括单环链和多环链，链环形式可有多种变化，适用于刀库容量较大的场合，所占的空间小。一般适用于刀具数在30120 把。仅增加链条长度即可增加刀具数，可以不增加圆周速度，其转动惯量不像盘式刀库增加的那样大。1.4 换刀装置的形式数控机床的自动换刀装置中，实现刀库
10、与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为换刀装置。刀库换刀，按照换刀过程有无机械手参与，分成有机械手换刀和无机械手换刀两种情况。有机械手的系统在刀库配置、与主轴的相对位置及刀具数量上都比较灵活，换刀时间短。无机械手方式结构简单，只是换刀时间要长。1.4.1 无机械手换刀无机械手换刀时，刀库中刀具存放方向与主轴平行，刀具放在主轴可到达位置换刀时，主轴箱移到刀库换刀位置上方，利用主轴Z向运动将加工用毕刀具插入刀库中要求的空位处，然后刀库中待换刀具转到待命位置。主轴Z向运动将待用刀具从刀库中取出，并将刀具插人主轴。由此可看出，必须首先将用过的刀具送回刀库，再从刀库中取出新刀具，这两个动作不能同时进行，
11、因此换到时间较长。1.4.2 机械手换刀有机械手换刀的过程中，使用一个机械手将加工完毕的刀具从主轴中拔出，与此同时，另一机械手将在刀库中待命的刀具从刀库拔出，然后两者交换位置完成换刀过程。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，而且可以减少换到时间。2 总体方案的确定2.1 刀库和换刀装置的功能及要求2.1.1 功能刀库用来储存加工所需的刀具，而换刀装置用来从刀库调换加工过程中不同工序所需要的不同刀具。随着自动化技术的发展，逐步发展和完善了各类刀具的自动更换装置，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换刀机
12、械手，实现了大容量储存道具和自动交换道具的功能，这种刀库存放刀具的数量从几十把到上百把，自动交换道具的时间从几十秒减少到几秒甚至零点几秒。使用这种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。2.1.2 基本要求（1）满足工艺要求。机床依靠刀具和工件间相对运动形成工作表面，而加工工件表面、形状和表面位置多种多样，要求刀库上能够布置足够多的刀具，换到时间短，能够方便而正确地加工个工件表面。为了实现在工件上一次安装中完成多工序加工，要求刀库可以方便地转位。（2）保证足够的重复定位精度。在刀库上安装刀具是还应能精确地调整刀具的位置，采用自动换刀装置时，应能保证刀具交换前后都能处于正确
13、的位置，以保证刀具和工件间准确的相对位置。而且精度保持性良好，以便长期保持刀具的正确位置。（3）具有足够的刚度。由于刀具的类型、尺寸各异，刀具在自动交换过程中方向变换较为复杂，因此刀库和换刀机械手都必须有足够的刚度，以使换刀过程平稳。（4）提高可靠性。由于自动换刀装置在机床工作过程中，使用频繁，所以必须充分重视它的可靠性。（5）缩短换到时间。刀库及其自动换刀装置是为了提高机床的自动化而设置的，因而它的换刀时间应尽可能缩短，以利于提高生产率。（6）操作方便和安全。换刀装置是工人经常操作的机床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是评价刀库设计好坏的指标。2.2 主要设计参数安装形式：侧挂式刀
14、库刀具刀座数：24把最大刀具直径：40 mm换到时间：2.8秒（刀具到刀具）平均重量：7 kg刀盘最低转速：60 r/min主轴鼻端刀具形式：BT40根据刀具形式及最大刀具直径，采用单环排列方式排放，每把刀之间间隔10 mm，初选刀库直径为618 mm。2.3 刀库和换刀装置设计方案加工中心与一般数控机床的显著区别是具有对零件进行多工序加工的能力,即能在一次装夹中自动完成铣、镗、钻、扩、铰、攻螺纹和内槽加工等。其之所以有这种加工能力,就是因为它有一套自动换刀装置。自动换刀装置是指能够自动完成主轴与刀具储存位置之间刀具交换的装置。自动换刀装置的主要组成部分是刀库、机械手和驱动装置。刀库的功能是存
15、储刀并把下一把即将要用的刀具准确地送到换刀位置,供换刀机械手完成新旧刀具的交换。当刀库容量大时,常远离主轴配置且整体移动不易,这就需要在主轴和刀库之间配置换刀机构来执行换刀动作。完成此功能的机构包括送刀臂、摆刀站和换刀臂,总称为机械手。具体来说,它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的装置,一般由步进电机或液压(或气液机构) 或凸轮机构组成。2.3.1 刀库的传动方案刀盘采用轮辐式结构，仅仅决定这个是不够的，最重要的是刀盘直径、刀爪尺寸和夹块的设计。刀库转动定位机构主要是用来驱动刀库的分度回转运动，保证刀库的可靠性。通过查阅资料及认真分析、讨论
16、，决定采用蜗轮蜗杆机构。刀库容量为24把刀，刀库的回转驱动电机的选择时,考虑由摩擦引起的负载转矩和各负载的转动惯量，蜗轮蜗杆机构的定位精度不高，而且在运行过程中不需要调速所以决定采用交流伺服电机进行驱动。图2.1 刀库传动示意图这种设计方案此种设计方案不仅结构简单，而且可以提高输出轴的传动平稳性能，即提高刀盘的运转平稳性。2.3.2 换刀装置的刀具选择方式及控制方案根据设计参数要求，采用机械手进行道具交换，并且采用单臂双爪机械手。目前在数控机床上用得较多的就是单臂双爪式机械手，也叫扁担式机械手。这种类型的机械手换刀特点是机械手同时抓取主轴和刀库上的刀具，回转180度，同时放回和装入刀具，换刀时间短，较为常用，多用于刀
