何加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng).資料

1、加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)【摘要】在全面了解數(shù)控加工中心的結(jié)構(gòu)、工作原理和控制方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出加工中心的自動(dòng)換刀裝置。根據(jù)加工中心換刀機(jī)械手的工作原理，確定結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)并給出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。文中設(shè)計(jì)的換刀機(jī)械手具有工作效率高、剛性好、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。關(guān)鍵字：加工中心 刀庫 換刀機(jī)械手前言：隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的加工中心在現(xiàn)代制造業(yè)中起著越來越重要的作用，它不僅能縮短產(chǎn)品的制造周期，而且能提高產(chǎn)品的加工精度，適合柔性加工1。人們一直尋找各種方式，提高加工中心的加工效率，如提高進(jìn)給與移動(dòng)速度，提高主軸轉(zhuǎn)速，加大主軸電機(jī)功率、加大切削用量、采用高質(zhì)量刀具等。在高節(jié)拍多次換刀的加工過程

2、中，縮短換刀時(shí)間，可大大提高生產(chǎn)率。國(guó)內(nèi)外加工中心生產(chǎn)廠家都投入大量的時(shí)間和精力，研制自動(dòng)換刀裝置，一縮短自動(dòng)換刀時(shí)間，提高工作效率和競(jìng)爭(zhēng)力。自動(dòng)換刀裝置專門為大中型加工中心配套，實(shí)現(xiàn)其刀具儲(chǔ)備及自動(dòng)交換功能的重要功能部件，是高檔加工中心和重型加工中心的重要組成部分。其主要作用在于減少加工過程中的非切削時(shí)間，以提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本，進(jìn)而提升機(jī)床乃至整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)力。自動(dòng)換刀裝置的換刀速度和可靠性，是數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)先進(jìn)與否的一個(gè)重要標(biāo)志2。1、 自動(dòng)換刀系統(tǒng)的組成自動(dòng)換刀系統(tǒng)2,3,5由刀庫和刀具交換裝置組成。帶刀庫和自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，其主軸箱和轉(zhuǎn)塔主軸頭相比較，由于主軸箱內(nèi)只有一個(gè)主

3、軸，主軸部件具有足夠的剛度，因而能夠滿足各種精密加工的要求。此外，刀庫可以存放數(shù)量很多的刀具，以進(jìn)行復(fù)雜零件的多工步加工，可明顯提高數(shù)控機(jī)床的適應(yīng)性和加工效率。自動(dòng)換刀系統(tǒng)特別適用于加工中心。自動(dòng)換刀系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足的基本要求包括：(1)換刀時(shí)間短。(2)刀具重復(fù)定位精度高。(3)足夠的刀具儲(chǔ)存量。(4)刀庫占用空間少。1、1刀庫在自動(dòng)換刀系統(tǒng)中刀庫是最主要的部件之一。由于多數(shù)加工中心取、送刀具都是在刀庫中某一固定刀位實(shí)現(xiàn)的，因此刀庫還需要有使刀具運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)來保證每一把刀具能夠到達(dá)換刀位置，采用電動(dòng)機(jī)或液壓系統(tǒng)為刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力。刀庫中的到具定位機(jī)構(gòu)是用來保證使需要更換的每一把刀具或刀套都能準(zhǔn)確地

4、停在換刀位置上的。根據(jù)刀庫存放刀具的數(shù)量和取刀方式的不同，可以將刀庫設(shè)計(jì)成不同類型。常用的刀庫形式有直線刀庫、圓盤刀庫、鏈?zhǔn)降稁?、其他刀庫等。?）直線刀庫（如圖1.1的圖a所示）特點(diǎn)：刀具在刀庫中直線排列，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，存放刀具數(shù)量有限（一般8把12把），較少使用。（2）.盤式刀庫（如圖1.1的b-g所示）特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用較多，但其刀具環(huán)形排列，空間利用率低，受刀盤尺寸限制，刀庫容量較小，通常容量15-32把刀。也有將刀具在刀盤中采用雙環(huán)或多環(huán)排列，以增加空間利用率，存放更多刀具。但這樣做會(huì)使刀庫的外徑過大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也很大，選刀的時(shí)間也很長(zhǎng)，因此，盤式刀庫一般用于刀具容量較小的數(shù)控機(jī)床5,7

5、。(3).鏈?zhǔn)降稁欤ㄈ鐖D1.1的h、i所示）特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，靈活性好，刀庫容量較大，選刀和取刀東座簡(jiǎn)單，適用于刀庫容量較大的場(chǎng)合，且多為軸向取刀。一般當(dāng)?shù)稁鞌?shù)量為30-120把時(shí)，多采用鏈?zhǔn)降稁臁?4)其他刀庫刀庫的形式其實(shí)還有很多，值得一提的是格子箱式刀庫（如圖1.1的j、k所示），其特點(diǎn)是刀庫容量較大，可使整箱刀庫與機(jī)外交換。為減少換刀時(shí)間，換到機(jī)械手通常利用前一把刀具加工工件的時(shí)間，預(yù)先取出要更換的刀具。 圖1.11.2刀具交換裝置在數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀系統(tǒng)中，用來實(shí)現(xiàn)刀庫與機(jī)床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為，刀具交換裝置，刀具的交換方式通常分為采用機(jī)械手進(jìn)行刀具交換和由刀庫與機(jī)床主軸的

6、相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)無機(jī)械手刀具交換6。采用機(jī)械手進(jìn)行刀具交換的方式在加工中心中應(yīng)用最為普遍。它具有很大的靈活性，可以減少換刀時(shí)間。在刀具交換裝置中，對(duì)機(jī)械手的具體要求是動(dòng)作迅速可靠、準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。由于不同的加工中心的刀庫與主軸的相對(duì)位置不同，所以各種加工中心所使用的換刀機(jī)械手也不盡相同，但是從機(jī)械手手臂的類型來看，有單臂機(jī)械手和雙臂機(jī)械手等如圖1圖2圖3所示。雙臂機(jī)械手它們能夠完成抓刀拔刀回轉(zhuǎn)插刀返回等一系列動(dòng)作。為了防止刀具滑落，各機(jī)械手的手抓都帶有自鎖機(jī)構(gòu)，雙臂回轉(zhuǎn)機(jī)械手的動(dòng)作比較簡(jiǎn)單，而且能夠同時(shí)抓取和卸裝機(jī)床主軸和刀庫中的刀具，可進(jìn)一步縮短可換刀時(shí)間。特點(diǎn)是兩個(gè)刀庫和兩個(gè)單臂機(jī)械手配合進(jìn)行工作，因

7、此單個(gè)機(jī)械手的工作行程大為縮短，可有效地節(jié)省換刀時(shí)間。此外，因刀庫分兩處設(shè)立而使得機(jī)床整體布局更趨合理。圖1 單臂單手式 圖2 單臂雙手式 圖3 雙臂式機(jī)械手2、自動(dòng)換刀過程 圖步驟1：平移縮回，抓刀庫中預(yù)選的刀具：步驟2：拔刀伸出，拔出刀套中的刀具：步驟3：平移伸出，離開刀庫側(cè)抓刀位置：步驟4：拔刀縮回，機(jī)械手縮回：步驟5：搖臂伸出，搖臂轉(zhuǎn)向主軸側(cè)：步驟6：平移伸出，抓主軸刀具：步驟7：拔刀伸出，拔出主軸中的刀具：步驟8：換刀正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，刀具交換：步驟9：拔刀縮回，將預(yù)選刀具插入主軸：步驟10：平移縮回，機(jī)械手離開主軸：步驟11：搖臂縮回，搖臂轉(zhuǎn)向刀庫側(cè)：步驟12：拔刀伸出，準(zhǔn)備將主軸刀具送

8、回刀庫：步驟13：平移縮回，機(jī)械手移向刀庫：步驟14：拔刀縮回，將主軸刀具插入刀庫：步驟15：平移伸出，離開刀庫側(cè)抓刀位置9。3、 自動(dòng)換刀過程的控制機(jī)器畢竟是機(jī)器，要使它聽命于人就必須對(duì)其進(jìn)行控制，目前常用自動(dòng)換刀液壓控制系統(tǒng)、自動(dòng)換刀電氣控制系統(tǒng)、自動(dòng)換刀電器控制系統(tǒng)等8。2.1自動(dòng)選刀方式 目前刀具選擇一般有四種方式：順序選擇、刀具編碼選擇、刀座編碼選擇、任意選刀（1）順序選擇 刀具的順序選擇方式是將刀具按加工工序的順序，依次放入刀庫的每一個(gè)刀座內(nèi)。每次換刀時(shí)，刀庫按順序轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)一個(gè)刀座的位置，并取出所需要的刀具。已經(jīng)使用過的刀具可以放回到原來的刀座內(nèi)，也可以按順序放入下一刀座內(nèi)。采用

9、這種方式的刀庫不需要刀具識(shí)別裝置，而且驅(qū)動(dòng)控制也比較簡(jiǎn)單，可以直接由刀庫的分度機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。因此刀具的順序選擇方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，但由于刀庫中的同一規(guī)格的刀具在不同的工序中不能重復(fù)使用，因而必須相應(yīng)的增加刀具的數(shù)量和刀庫的容量，這樣就降低了刀具和刀庫的利用率。此外，人工裝刀操作必須十分謹(jǐn)慎，如果刀具在刀庫中的順序發(fā)生差錯(cuò)，將會(huì)造成設(shè)備或質(zhì)量事故。（2）刀具編碼選擇 刀具編碼選擇方式采用一種特殊的刀 柄結(jié)構(gòu)，對(duì)每把刀具進(jìn)行編碼。換刀時(shí)通過編碼識(shí)別裝置，按換刀指令代碼，在刀庫中尋找出所需要的刀具，因?yàn)槊恳话训毒叨加凶约旱拇a，因而刀具可以放入刀庫中的任何一個(gè)刀座內(nèi)。這樣不僅刀庫中的刀具

10、可以在不同的工序中重復(fù)使用，而且換下來的刀具也不必放回原來的刀座，這對(duì)裝刀和選刀都十分有利，刀庫的容量也可相應(yīng)地減少，而且還可以避免由于刀具順序的差錯(cuò)所造成的事故。（3）刀座編碼選擇 刀座編碼方式是對(duì)刀庫中的刀座進(jìn)行編碼和對(duì)刀具進(jìn)行編號(hào)。裝刀時(shí)，將與刀座編碼相對(duì)應(yīng)的刀具放入刀座中，然后根據(jù)刀座的編碼選取刀具。刀座編碼的識(shí)別原理與上述刀具編碼的識(shí)別原理完全相同。刀具編碼方式取消了刀柄中的編碼環(huán)，使刀柄得結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。因此，刀具識(shí)別裝置的結(jié)構(gòu)不受刀柄尺寸的限制，而且可以放置在較為合理的位置上。采用這種編碼方式時(shí)，當(dāng)操作者把刀具誤放入編碼不符的刀座內(nèi)，增加了刀庫動(dòng)作和復(fù)雜性。與順序選擇相比，刀座編碼

11、選擇方式最突出的優(yōu)點(diǎn)是刀具可以在加工過成中重復(fù)多次選用。刀座編碼方式分為永久性編碼和臨時(shí)性編碼。永久性編碼是將一種與刀座編號(hào)相對(duì)應(yīng)的刀座編碼板安裝在每個(gè)刀座的側(cè)面，它的編碼是固定不變的。 臨時(shí)性編碼也成為鑰匙編碼，它采用了一種專用的代碼鑰匙，并在刀座旁設(shè)專用的代碼鑰匙孔。編碼時(shí)先按加工程序的規(guī)定給每一把刀具系上表示該刀具號(hào)碼的代碼鑰匙，在刀具任意放入刀庫的同時(shí)，將對(duì)應(yīng)的代碼的代碼鑰匙插入該刀座旁的代碼鑰匙孔內(nèi)，通過鑰匙把刀具的代碼記到該刀座上，從而給刀座編上了代碼。 （4）任意選刀由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可以利用軟件選刀，它代替了傳統(tǒng)的編碼環(huán)和識(shí)別器，在這種選刀與換刀方式中，刀庫上的刀具與主軸上

12、的刀具直接交換，即隨機(jī)任意選刀換刀。主軸上換上的新刀號(hào)及還回刀庫中的刀具好，均在計(jì)算機(jī)內(nèi)部相應(yīng)的存儲(chǔ)單元記憶，不論刀具放在哪個(gè)地址，都始終能跟蹤記憶。這種刀具選擇方式需在計(jì)算機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)模擬刀庫的數(shù)據(jù)表，其長(zhǎng)度和表內(nèi)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)與刀庫的刀座位置數(shù)和刀具號(hào)相對(duì)應(yīng)。這種方法主要用軟件完成選刀，從而消除了由于識(shí)刀裝置的穩(wěn)定性、可靠性帶來的選刀失誤。2.2自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)（1）自動(dòng)換刀液壓控制系統(tǒng)液壓系統(tǒng)工作平穩(wěn)可靠，易于調(diào)節(jié)、傳動(dòng)介質(zhì)為高壓的油性介質(zhì)，因此適合大功率系統(tǒng)。加工中心換刀控制液壓系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)主軸退刀控制，亦可也用于機(jī)械手的換刀控制，由于該加工中心采用的是三相交流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，所

13、以液壓系統(tǒng)僅用于主軸退刀的控制9。系統(tǒng)原理如圖4所示。（2）自動(dòng)換刀電器控制系統(tǒng) 自動(dòng)換刀電器控制系統(tǒng)與上 述各個(gè)系統(tǒng)配合，主要實(shí)現(xiàn)的控制內(nèi)容有：換刀機(jī)械手電動(dòng)機(jī)控制；刀庫電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制；主軸退刀控制；刀具倒刀控制；刀具回刀控制；主軸吹氣控制；主軸準(zhǔn)?？刂?。 相關(guān)控制信號(hào)：主要輸入信號(hào)；主軸刀具加緊確認(rèn)信號(hào)；主軸刀具松開確認(rèn)信號(hào)；刀庫倒刀確認(rèn)信號(hào)；刀具回刀確認(rèn)信號(hào)；刀具計(jì)數(shù)及定位信號(hào)；刀具原點(diǎn)確認(rèn)信號(hào)；換刀機(jī)械手扣刀確認(rèn)信號(hào)；換刀機(jī)械手原點(diǎn)確認(rèn)信號(hào)；換刀機(jī)械手電機(jī)停止控制信號(hào)；換刀機(jī)械手電機(jī)和刀庫電機(jī)保護(hù)開關(guān)信號(hào)。除了上述輸入信號(hào)之外，在機(jī)床上各種用于手動(dòng)控制刀庫轉(zhuǎn)位、回參考點(diǎn)、倒刀與回刀、

14、主軸松刀等開關(guān)信號(hào)在此沒有列出來10。系統(tǒng)原理如5所示。 3、 總結(jié)自動(dòng)換刀裝置，將根據(jù)不同工作的需要，進(jìn)行多元化發(fā)展，自動(dòng)換刀裝置所追求的換刀時(shí)間越來越短通用性和可靠性越來越強(qiáng)。傳統(tǒng)裝置將會(huì)采用動(dòng)作速度更快的機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)元件，凸輪結(jié)構(gòu)近年來已被大量采用1,2。同時(shí)新的材料和加工工藝，彌補(bǔ)凸輪機(jī)構(gòu)磨損后可靠性降低的缺點(diǎn)。新的換刀方式的實(shí)現(xiàn)，也為自動(dòng)換刀裝置的進(jìn)一步發(fā)展提出了新的思路。雙主軸和多主軸換刀技術(shù)，把機(jī)床的換刀速度提高到了新的水平。多主軸換刀方式，可以使安裝在夾具上的工件快速在各主軸之間移動(dòng)。在通用性方面，立臥兩用自動(dòng)換刀裝置將會(huì)成為另一個(gè)發(fā)展方向?；赑LC自動(dòng)換刀系統(tǒng)將充分發(fā)揮現(xiàn)有數(shù)

15、控設(shè)備的功能，節(jié)省人工換刀時(shí)所需要的時(shí)間，提高車間的生產(chǎn)效率，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)一次裝夾完成多道工序，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。參考文獻(xiàn)1黃澤正，劉沖，陳志輝.加工中心自動(dòng)換刀的設(shè)計(jì)J.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2007，（1）：124-1252韓越梅.加工中心自動(dòng)換刀裝置的研究進(jìn)展J裝備制造技術(shù)，2010，（5）：128-1293H.Y.Jeong,H.Tae,B.K.Min,D.W.Cho.Virtual automatic.tool changer of a machining centre with a real-time simulaitionJInternational Journal of comp

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