加工中心自动换刀系统的研究

1、加工中心自动换刀系统的研究专业班级11机械1班学 号 0802110113摘要本文介绍了数控加工中心的结构、工作原理和控制方法，设计出加工中心的刀库 装置。根据加工中心刀库的工作原理，确定结构与技术参数并给出结构设计方案, 设计出一套符合技术要求的刀库，具有工作效率高、刚性好、使用寿命长等特点 关键词：数控中心，刀库，自动换刀1. 前言2012年，我国经济发展速度放缓，工业增长的乏力给整个加工中心行业产生 了重大影响，现代社会，加工中心行业产能过剩所带来的负面效应开始显现。下 一阶段行业将通过兼并重组吸收掉一批小厂家、淘汰一批落后企业、转移一批加 工中心到国外、提高产品质量。这样既解决了产能过

2、剩问题，又提高了加工中心 行业整体水平。2. 加工中心的组成加工中心形式多样，不同类型的加工中心在组成上虽有所差别，但却冇许多 相似之处。下面以xk5040a型数控立式升降台铳床为例介绍其组成情况°xi锯040a 型数控立式升降台铳床配冇iv四3ma数控系统，采用全数字交流伺服驱动。该机 床曲6个主要部分组成.即床身部分，铳头部分，工作台部分，横进给部分，升 降台部分，冷却、润滑部分。2.1传动系统。2. 1. 1对进给传动系统的要求进给运动是机床成形运动的一个重要部分，其传动质量直接关系到机床的加工 性能。加工中心对进给系统的要求如下：1）高的传动精度与定位精度这是加工中心进给系统

3、最重要的性能指标。 普通精度级的定位精度目询已达0. 0050. 008mm/300mm,精密级的定位精度已达 0. 00150. 003mm/全行程，重复定位精度也提高到了lm 。传动精度直接影响机 床加工轮廓面的精度，定位精度直接关系到加工的尺寸精度。2）宽的进给调速范围 为保证加工中心在不同工况下对进给速度的选择， 进给系统应该冇较大的调速范围。普通加工中心进给速度一般为几mm几万mm /min；低速定位要求速度能保证在0. lmm/min左右；快速移动速度则高达几十 m/mi n 到几百 m/mino3）快的响应速度所谓快速响应，是指进给系统能快速的跟踪指令信号的变 化，并能迅速趋于稳

4、定。为此，应减小传动中的间隙和摩擦以及系统的转动惯量, 增大传动刚度，从而可提高进给伺服系统的快速响应能力。因此加工中心的传动系统选择为直线进给传动系统，可以多方面的满足机床的硬 性指标的要求。2, 2刀库刀库是用來储存加工刀具及辅助工具的，是门动换刀装置中最主耍的部件z 一。由于多数加工屮心的取送刀具位置都是在刀库屮某一同定刀位，因此刀库还 需要有使刀具运动的机构来保证换刀的可靠性。刀库中刀具的定位机构是用来保 证要更换的每-把刀具或刀套都能准确地停在换刀位置上。加工屮心刀库的形式很多，结构也各不相同，最常用的冇鼓盘式刀库、链式 刀库和格子盒式刀库。2. 2. 1鼓盘式刀库鼓式刀库结构紧凑、

5、简单，在钻削中心上应用较多。一般存放刀具不超过 32支。图2-1为刀具轴线与鼓盘轴线平行布置的刀库，其中图(q为径向取刀形i,ii 11 1t-：h '图2-1側192式，图(b)为轴向取刀形式。(c)为刀具径向安装在刀库上的结构，(d)为刀具轴 线与鼓盘轴线成一定角度布置的结构。2鼓盘式刀库在环形链条上装冇许多刀座，刀座的孔中装夹各种刀具,2. 2. 2链式刀库使链条折叠冋绕，提高空间利用率(如图2-2(c)所示)。* a 1f zivrdkp。do甲9j、l丿严ajj( lj链条由链轮驱动。链式刀库适用于刀库容量较大的场合，且多为轴向取刀。链式 刀库冇单环链式和多环链式等几种，如图

6、2-2 (a), (b)所示。当链条较长时，可 以增加支承链轮的数目，(a)(b)(c)图2-2几种链式刀库2. 2.3格子盒式刀库 图2-3所示为固定型格子盒式刀库。刀具分几排直线 排列，由纵、横向移动的取刀机械手完成选刀运动，将选取的刀貝送到固定的换 刀位置刀座上，由换刀机械手交换刀具。由于刀具排列密集，因此空间利用率高, 刀库容量大。6图2-3固定型格了盒式刀库1 刀座；2刀具固定板架；3取刀机械手横向导轨；4取刀机械手纵向导轨；5换刀位置刀座；6换刀机械手2.3加工中心自动换刀装置加工屮心自动换刀装置的形式多种多样。除利用刀库进行换刀外，还有自动 更换主轴箱、自动更换刀库等形式。其屮利

7、用刀库实现换刀，是口前加工屮心大 量使用的换刀方式。由于有了刀库，机床只要一个固定主轴夹持刀具，冇利于提 高主轴刚度。独立的刀库，大大增加了刀貝的储存数量，有利于扩大机床的功能, 并能较好地隔离各种影响加工精度的干扰。刀库换刀按换刀过程中有无机械手参与分为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，只是换刀时间较长。加工中心上所需更换的刀具较多从几支到几十支，甚至上百支，故通常采用 刀库形式。由丁加工屮心上自动换刀次数比较频繁，故对自动换刀装置的技术要 求十分严格。2.3.1自动换刀装置的形式各种加

8、工中心的自动换刀装置的结构取决于机床的型式、工艺范围以及刀具 的种类和数量等。1）更换主轴换刀装置更换主轴换刀是一种比较简单的换刀方式。这种机床 的主轴头就是一个转塔刀库，主轴头有卧式和立式两种。八方形主轴头（转塔头） 上装有8根主轴，每根主轴上装有一把刀具。根据各加工工序的要求按顺序自动 地将所需要的刀具由其主轴转到工作位置，实现自动换刀，同时接通主传动。不 处在工作位置的主轴便与主传动脱开。转塔头的转位由槽轮机构来实现，转塔头 径向分布着8根结构完全相同的主轴，每次转位包括下列动作。这种换刀装置优点是省去了自动松、夹、卸刀、装刀以及刀具搬运等一系列 的复杂操作，从而缩短了换刀时间，并提高了

9、换刀的可靠性。但是由于空间位置 的限制，使主轴部件结构不能设计得十分坚实，因而影响了主轴系统的刚度。所 以转塔主轴头通常只适应于工序较少、精度要求不太高的机床，如数控钻铎铳床。这类换刀装置由刀库、选刀机构、刀具交换机构及刀具在主轴上的自动装卸 机构等四部分组成，应用广泛。刀库可装在机床的立柱上主轴箱上或工作台上。 当刀库容量大及刀具较重吋，也可装在机床之外，作为一个独立部件；如刀库远 离主轴，常常要附加运输装置，來完成刀库与主轴之间刀具的运输。带刀库的口动换刀系统，整个换刀过程比较复杂，首先要把加工过程中要用 的全部刀具分别安装在标准的刀柄上，在机外进行尺寸预调整后，插入刀库屮。 换刀时，根据

10、选刀指令先在刀库上选刀，由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具，进行刀具交换，然后将新刀具装入主轴，将用过的刀具放凹刀库。这种换刀 装置和转塔主轴头相比，由于机床主轴箱内只有一根主轴在结构上可以增强主轴 的刚性，有利于精密加工和重切削加工；可釆用大容量的刀库，以实现复杂零件 的多工序加工，从而提高了机床的适应性和加工效率。但换刀过程的动作较多， 同时，影响换刀工作可靠性的因素也较多。常见的加工屮心上自动换刀装置形式列于表2-1所示。表2-1加工中心上的换刀装置别 类点 特传塔式命头1头乍凑动 刀齐紧运 用对构库 利血结刀tt)w快和送手运苗 械具苕 机刀成会更换方式工b 大凹 扩削喇箱附杂 主复

11、 换司较 史住比 利£2结1.工 z心床l 库2.度3.i1& 杂多成 复很组血 工具或的 加刀心化2.4数控回转工作台数控回转工作台可以实现圆周进给运动，还可以完成分度运动。图2-8给出 了 jcs-018型口动换刀数控卧式镇铳床的数控回转工作台。该数控回转台由传动 系统、间隙消除装置及蜗轮夹紧装置等组成。图2-8数控回转工作台1电液脉冲马达；2、4-齿轮；3偏心坏；5楔形拉紧销；6 -压块；7-螺母;8-锁紧螺钉;9-蜗杆；10-蜗轮；11-调整套:12、13-夹紧瓦;14-夹紧液压缸；15-活塞；16-弹簧：17-钢球；18-光栅；19-撞块；20-感应块2. 4. 1

12、数控回转工作台工作原理当数控转台接到数控系统指令后，首先松开蜗轮10,然后启动电液脉冲马 达1，按指令脉冲來确定工作台的回转方向、速度及角度大小等参数。工作台的 运动由电液脉冲马达1驱动，经齿轮2和4带动蜗杆9,通过蜗轮10使工作台 回转。为了尽量消除传动间隙和反向间隙，齿轮2和齿轮4相啮合的侧隙是靠调 整偏心环3来消除的。齿轮4与蜗杆9是靠楔形拉紧圆柱销5（a-a剖面）来连接 的，这种连接方式能消除轴与套的配合间隙。为了消除蜗杆副的传动间隙，采用 了双螺距渐厚蜗杆，通过移动蜗杆的轴向位置來调整间隙。这种蜗杆的左右两侧 面具有不同的螺距，因此蜗杆齿厚从一端向另一端逐渐增厚。但由丁同一侧的螺 距

13、是相同的，所以仍然保持着正常的啮合。调整时先松开螺母7上的锁紧螺钉8, 使压块6与调整套11松开，同时将楔形拉紧圆柱销5松开。然后转动调整套11, 带动蜗杆9作轴向移动。根据设计要求，蜗杆10mm的轴向移动调整量，这吋 蜗杆副的侧隙可调整0. 2mm。调整后锁紧调整套11和楔形拉紧圆柱销5。蜗杆的 左右两端都由双列滚针轴承支承。左端为自由端，可以伸长以消除温度变化的影 响；右端装有双列推力轴承，能轴向定位。当工作台静止时必须处于锁紧状态。工作台面用沿其圆周方向分布的八个夹 紧液压缸进行夹紧。当工作台不回转时，夹紧液压缸14的上腔通压力油，使活 塞15向下运动，通过钢球17、夹紧瓦13及12将蜗

14、轮10夹紧；当工作台需要 冋转时，数控系统发出指令，使夹紧液压缸14上腔冋油。在弹簧16的作用下， 钢球17抬起，夹紧瓦12及13松开蜗轮10,然后电液脉冲马达1通过传动装置, 使蜗轮和回转工作台按照控制系统的指令作回转运动。数控回转工作台设有零点，当它作返回零点运动时，首先由安装在蜗轮上的 撞块19（图2-8p向）碰撞限位开关，使工作台减速；再通过感应块20和无触点 开关，使工作台准确地停在零点位置上。该数控工作台可作任意角度的回转和分度，由光栅18进行读数控制，工作 台的分度精度可达±10" o1112. 5. 1夹具概述机床夹具是一种能够使工件按一定的技术要求准确定位

15、和牢固夹紧的工艺 装备，它广泛地应用于机械加工工艺过程中。正确并合理地使用机床夹具，是保 证加工质量和提高效率，降低成木的重要技术环节之一，同吋也是扩大各种机 床使用范围必不可少的手段。从广义上來说，为了使工艺过程的任何工序保证质量，提高生产率、减轻工 人劳动强度及工作安全等的一切附加装置都称为夹具。机床夹具是将工件进行定 位、夹紧，将刀具进行导向或对刀，以保证工件和刀具间的相对位置关系的附加 装置，简称夹具。将刀具在机床上进行定位、夹紧的装置，称为辅助工具。一般的夹具是由定位元件、夹紧装置、导向元件、对刀装置、连接元件、夹 具体以及其它元件及装置等组成。机床夹具和机床、刀具、工件z间的关系如

16、图 2-37所不。图2-37机床夹具和机床、刀具、工件之间的关系2. 5. 2夹具的作用夹具的作用主要有：保证加工质量、提高生产率、减轻劳动强度以及扩大机 床的工艺范围。2 5 3夹貝的分类按照夹具的【通用程度和使用范围，可将其分为通用夹具、专用夹具、通用可 调夹具与成组夹具以及组合夹具四种。2. 5. 4.夹紧装置夹紧装置是夹具的重要组成部分。在设计夹紧装置吋，应满足以下基木要 求：1）在夹紧过程中应能保持工件定位时所获得的止确位置；2）夹紧应可靠和适当。夹紧机构一般要冇自锁作用，保证在加工过程屮不 会产生松动或振动。夹紧工件时，不允许工件产生不适当的变形和表面损伤；3）夹紧装置应操作方使、省力、安全；4）夹紧装置的复杂程度和自动化程度应与工件的生产批量和生产方式相适 应。结构设计应力求简单、紧凑，并尽可能采用标准化元件。3. 总结加工中心主轴系统主要由主轴动力、主轴传动、主轴组件等部分组成。由于 加工屮心相对一般的数控铳床来说必须具有更高的加工效率，更宽的使用范围， 更高的加工精度.刀库储存加工工序所需的各种刀具的机构，可以按程序指令, 把即将使用的刀具迅速、准确地送到换刀位置，并接受计算机指令将使用过的刀 具复位其屮利用刀库实现换刀，是目前加工屮心大量使用的换刀方式。由于冇了 刀库，机床只要一个固定主轴夹持刀具，有