加工中心斗笠式刀库换刀装置的设计-张宇剖析

1、，2021!设计与计算!加工中心斗笠式刀库换刀装置的设计张 宇 1，夏晓平 21.常州工学院，江苏 常州 213003；2.常州工程职业技术学院，江苏 常州 213003摘要：斗笠式刀库由刀库横移装置、分度选刀装置以及主轴上的刀具自动装卸机构组成。横移装置保证刀库以正弦曲线的运动规律，从起始位置运动到换刀点换刀；分度装置保证刀库轮毂得到周期性间歇运动，起到刀库的转位分度作用；其分度槽槽数越多，刀库转位越平稳，但槽数增加会导致刀库轮盘尺寸增大，因此，合理的刀库容量尤为重要。关键词：刀库；横移装置；容刀量；分度盘；定位法兰；运动分析中图分类号：TG659文献标识码：A加工中心的换刀方式，一般可以分

2、为有机械手换刀和无机械手换刀。有机械手换刀方式的刀库，一般为链式；无机械手换刀方式的刀库，一般为盘式。无机械手换刀方式，一般适用于立式加工中心，原因是它运动集中，运动部件少。但受立式加工中心机床尺寸大小的限制，刀库鼓轮盘尺寸一般不宜太大，即刀库的容量不能太大。斗笠式刀库，顾名思义，形状像斗笠，构造上为盘式刀库，换刀方式属于无机械手换刀系统，它由刀库横移装置、刀库分度选刀装置以及主轴上的刀具自动装卸机构组成1。斗笠式刀库换刀时，第一步，是刀库横移装置移动到主轴箱可以到达的位置；第二步，是刀库分度装置进展选刀，它通过精准的分度、定位，把下个工序所需的刀具送到指定位置；第三步，是主轴上的自动装卸机构

3、准确取刀、送刀。所以横移装置和分度装置，是斗笠式刀库的重要组成部件。斗笠式刀库装置的设计刀库横移装置的设计刀库的横移装置，是在进展换刀的整个过程中，刀库从远离主轴的位置直线移动到主轴轴线位置，以实现换刀。该机构运动的动力部件是刀库电动机，电机轴实现旋转运动，使刀库实现直线移动。本文阐述了一种利用正弦机构运动原理的换刀横移机构，可让电机轴的旋转运动顺利地转化为可控的刀库直线运动。斗笠式刀库横移装置，由两根圆柱导轨滑杆支撑，每根圆柱导轨由两个支架固定在连接板上，连接板固定在机床立柱上，实现刀库与机床立柱的连接。整个刀库可以在两根圆柱导轨上滑动，实现刀库前后运动，以完成抓刀和返回动作。而刀库前后运动

4、的原动力是由电机通过拨杆和滑块实现的如图 1。当加工中心进展零件加工的时候，刀库远离主轴，停留在最左边极限位置 1，即刀库处于原位。收到换刀指令后，电机通过电机轴逆时针方向旋转，带动拨杆转动拨杆上带有滑文章编号：1672- 545X202106- 0048- 03滑槽滑块拨杆电机轴圆柱导轨支架连接板位置 2滑座位置 1连接件刀库图 1刀库的横向移动示意图块，滑块与拨杆联接，跟随拨杆缭绕电机轴旋转，滑座上开有滑槽，滑块在滑槽中上下移动，带动滑座即刀库向右移动，从而使刀库运动到右极限位置 2，到达换刀位置，等待取刀及放刀电机轴顺时针方向旋转时，使刀库返回。刀库分度装置的设计本文设计的斗笠式刀库的分

5、度装置，使用的是经典的槽轮机构即马氏机构，它具有构造简单、外形尺寸小、机械效率高，以及能较平稳地、间歇地进展转位等优点。但槽数的多少，直接影响到机构的柔性冲击和准确定位。本节阐述了槽数与机构平稳性的关系。斗笠式刀库的分度装置，由刀库鼓轮、分度盘、定位法兰、圆柱滚子等零部件组成，分度装置的电机输出轴轴线与定位法兰、分度盘、刀库鼓轮盘的回转轴线平行。刀库选刀时，首先由刀库回转电机得到旋转指令，输入轴通过联轴器带动定位法兰旋转，从而使在定位法兰上的圆柱滚子廻绕法兰中心转动；当圆柱滚子转动一定角度，进入分度盘的分度槽中，拨动分度盘开场作转位运动；当分度盘转过一定的角度后，圆柱滚子从分度槽中脱出，刀库鼓

6、轮盘分度盘通过螺钉与刀库鼓轮连在一起转动，见图 2即静止不动，并由定位法兰的锁止半轴收稿日期：2021- 3- 25作者简介：张 宇1963，女，江苏常州人，副教授，主要从事数控技术方向的研究和教学，发表论文多篇。48?装备制造技术?2021 年第 6 期定位。电机输入轴连轴器滚子定位法兰分度盘刀具刀库鼓轮图 2刀具分度装置示意图定位法兰每回转一圈，就驱动分度盘转过一个槽。电机是连续匀速运动的，从而带动定位法兰与圆柱滚子连续匀速转动。但圆柱滚子是连续性的转入分度槽的，从而使刀库轮毂得到周期性间歇运动，起到了刀库的分度作用如图 2。分度盘与刀库鼓轮同轴，分度盘的分度槽数与刀库鼓轮上的刀数一致。定

7、位法兰不断回转，分度盘就不停地进展分度，刀库鼓轮就不断重复上述的运动循环，从而将下一个工序所需刀具的刀位转到换刀位置上，以便让主轴进展换刀，实现刀库的自动换刀。刀库的运动分析横移装置运动分析刀库需要一个横向的直线运动来满足换刀要求，而驱动电机输出的是旋转运动，利用该机构，根据运动的合成与分解原理，可以将电机输出的旋转运动分解为水平、垂直两个方向的直线位移，利用滑块在滑槽中的运动，消除掉刀库垂直方向的位移，实现刀库所需的水平方向的直线运动。整个机构的运动过程为：拨杆主动件的动力，来源于中心的驱动电动机，滑块是从动件。拨杆由电动机控制从状态 A运动到状态 B，再从状态 B 返回到状态 A，作往复的

8、 1/2 圆周运动。滑块由位置 1 运动到位置 2，再运动到位置 3，再由位置3 返回到位置 1，作往复的直线运动见图 3。在这个过程中，该机构很好的将电动机提供的圆周运动，转化成了滑块的上下往复直线运动和滑座的水平往复直线运动，从而保证刀库准确可靠的换刀与复位2.3。拨杆滑块状态 A状态 B滑槽位置 1位置 2位置 3图 3横向移动装置运动简图分度装置运动分析刀库在换刀前，首先需要选刀。选刀的过程，就是使刀库鼓轮满足一个周向间歇运动，也就是分度盘在分度过程中，转位开场与转位完毕位置上的瞬时角速度 2 = 0。在图 4 中得出，为了使圆柱滚子能顺利进入和脱出分度盘上的径向槽，在槽口的瞬时位置时

9、，必须使转臂中心线 O1O3与分度槽的中心线 O3O2 相垂直，即O1O3O2 = 90。假设：O1O2= a，O1O3= R1，O2O3= R，圆柱滚子从进入至脱离径向槽这即，分度盘的转个过程，定位法兰的转角为 21O2O1O3 = 1角为 22 即010203=2，22=2/z，那么在直角三角形 O1O2O3中，根据正切函数，得2 = arctansin11- cos1式中=R1= sin= sin Z 为分度盘的槽数。a2z定位法兰分度盘O121O2221 O32圆柱滚子图 4 刀库分度装置运动简图分度机构在转位过程中，定位法兰以匀角速度 1 转动，分度盘以角速度 2 反向转动，分度盘每

10、次分度转过的角度与槽数 z 有严格的对应关系22 = 2 / z，分度盘的角速度 2为 2 对时间的导数=d2=(cos 1 - ) 422dt1(1- 2cos 1 + )分度盘的角加速度为 =d2=(2- 1)sin 12 4221dt(1- 2cos 1+ )定位法兰的角速度 1 为常数，分度盘转位起、停时，分度盘的角速度 2 和分度盘的角加速度 为槽数和定位法兰拨盘转角 1 的函数，当拨盘匀速转动时，随着分度盘槽数 Z 的增加，运动趋于平缓如图 5。当圆柱滚子开场进入和即将退2z=81z=12z=15z=18- 80- 60- 40- 200204060801图 5 槽数与角速度变化曲

11、线49，2021z=812z=12z=15z=18- 80 - 60 - 40- 20020406080 16 槽数与角加速度变化曲线出分度槽时，角加速度有突变如图 6 所示，且突变的大小是随着分度槽数 Z 的增加而减少。这说明刀库在开场选刀和选刀完毕时，会产生震动和冲击，但分度槽数越多，刀库转位过程越平稳，产生的震动和冲击越小。从角速度、角加速度变化的曲线图得出：槽数 Z 到达 12亦即刀库的刀数为 12以上时，分度装置分度过程就比拟平稳。换句话说，此时斗笠式刀库在选刀过程中，产生的震动和冲击已经很小，分度盘角速度变化不大，刀库运动趋于平稳。横向移动装置的速度分析刀库换刀时，需要的运动为水平

12、移动。在该机构中，水平方向和竖直方向的位移，都随着转角的变化而变化，而且变化不是均匀的。位移位置 3位置 2090 180- 900转角 位置 17 横向移动装置位移与拨杆转角的关系7 说明：起始点处为刀库在最左边位置 1，拨杆在水平位置，这个位置为刀具运动的起始位置，所以此时转角为 0，刀库横向移动速度也为 0。当电机接到转动指令后，转动90，拨杆摆动 90，拨杆到达竖直位置，此时刀库运动到了位移的中点处位置 2，刀库横向移动速度从 0 到最大。拨杆继续转过 90后，拨杆再次到达水平位置，刀库到达最右边位置 3，刀库横向移动速度又从最大到 0，恰好使刀库运动到换刀位置。当刀库换好刀，电机接到

13、反向转动指令后，反转动 180，拨杆反向摆动半圈，刀库运动到初始位置，整个换刀过程完毕。假定电机转动角速度为 ，拨杆长度为 L，拨杆与刀库横向移动装置水平滑轨 之间的夹角为 ，刀库横向移动的速度为 VX，那么VX = Lsin = 0时，此时拨杆在左极限位置也就是水平位置，对应刀库也在起始位置， VX= 0。 = 90时，此时拨杆在竖直位置，对应刀库在中间位置，VX = L，为最大速度。速度 Vx位置 2Vs 正向最大位置 3位置 1 090180- 90 0转角 Vx 反向最大8 刀库横向移动装置运动速度与拨杆转角的关系 =180时，此时拨杆在右极限位置也是水平位置，对应刀库也在换刀位置，V

14、X = 0。由此可见，刀库的运动不是匀速的。换刀完毕后，拨杆反向旋转，反向速度也是先增大然后减小，直至起始位置时速度为 0。由运动速度的分解可知，在整个过程中，刀库横移装置的速度变化呈现出正弦曲线的规律，符合正弦机构运动原理，因此，这种机构为正弦机构。完毕语1应用正弦机构原理设计的斗笠式刀库在换刀过程中，采用电机驱动后，刀库横向移动装置运动速度由 0 到最大，之后再减小至 0，减小了刀库运动的冲击，从而保证了刀库运动的平稳性，保证刀库准确定位，为准确快速换刀提供了保证。同理，换完刀之后，使刀库能平稳运动回到起点，有利于刀库位置的准确控制。换刀时间由电机旋转速度控制，且无论旋转速度如何，都能保证

15、在刀库移动的两端的速度为 0，即保证刀库的平稳性和换刀的可靠性。该装置机构简单，可靠性高，本钱低廉，适用于立式加工中心的刀库换刀机构。2加工中心刀库中容刀量的多少，决定了该加工中心的加工工艺范围。为保证加工中心能够适应并满足不同零件的多样性和加工工序复杂性的要求，刀库必须具有一定的容刀量。刀库容刀量越大，加工中心的适应性越好。但刀库容量越大，刀库尺寸就越大，所占空间就越大，而容量小又不平稳。综上所述，一般应用在立式加工中心上的斗笠式刀库，建议采用刀库容刀量在 1520 把刀的范围内。参考文献：夏向阳. 加工中心数控铣床主轴松刀卸荷装置J. 制造业自动化, 2006 ,(8):23- 24.张建

16、润, 卢 熹，孙庆鸿. 五坐标数控龙门加工中心动态优化设计中国机械工程，2005,16(21):1949- 1953.夏 田. 数控加工中心设计M. 北京: 化学工业出版社, 2006.沈世德. 机械原理M. 北京: 机械工业出版社,2005.下转第 59 页50?装备制造技术?2021 年第 6 期由图 8 可得出，驱动轮总体应变很小，设计是比拟合理的。由图 9 分析检查结果显示，最小平安系数为 ，可以看出驱动轮在正常工作时，是平安可靠的。通过软件分析，可以形象看出驱动轮在正常工作时的应力、位移、应变等变化情况，为设计提供一定的依据。在分析结果中，平安系数相对较小的位置，需要加强，如啮合齿的

17、齿根处需要加强，增加齿厚、改变材质以及加工后热处理都能提高驱动轮整体使用寿命。在设计中，许多参数对驱动轮性能都有影响，如驱动轮材质、外形尺寸、运行环境等等都对其使用性能有影响，通过 COSMOS 软件分析，从运行结果可以很方便的看出，各参数的改变对驱动轮性能影响的情况。完毕语本文首先介绍履带行走机构的组成和技术特点，履带行走机构是一种工程机械常用的驱动行走机构，在设计过程中，众多参数对该机构性能有一定的影响，特别是驱动轮的设计情况，影响该整机的可靠性和平安性。通过应用 COSMOS 软件对设计的履带行走机构主要受力部件即驱动轮进展分析研究，由分析结果得出，驱动轮在正常使用情况下，是非常平安可靠

18、的，同时分析结果与实际理论计算是一样的，这为理论设计计算提供验证，也为该产品设计校核提供一种新方法。参考文献：同济大学. 工程机械底盘构造与设计M. 北京：中国建筑工业出版社，1980.江孔华，李树春，孙晓东. CosmosWorks 软件在复杂构造梁分析中的应用J.机械工程师，2003，7：40- 42.沈 博. 基于 AutoCAD 标准件的参数化设计D.淮南：安徽理工大学出版社，2007.实威科技. SolidWorks2004 原厂培训手册M. 北京：中国铁道出版社，2004.郑长松，谢昱北，郭 军, 等. Solidworks2006 中文版机械设计高级应用实例M. 北京：机械工业出

19、版社，2006.Finite Element analysis of Engineering Crawlers Driving wheel Based on COSMOSJIANG Lin(Mechanical Equipment Department of Huatian Engineering & Technology Corporation, Maanshan Anhui 243000,China)Abstract：This paper introduces the features of construction machinerys crawler-tread and designs

20、 a kind of crawler-tread according to market demand. Based on it and with finite element software COSMOS, the paper gives force analysis of key component that is driving wheel when crawler-tread working. Last, the paper provides theory basis not only for designing crawler-tread, but also for securit

21、y of whole machine running.Key words: crawler-tread；COSMOS/Works；driving wheel ；force analysis!上接第 50 页Design of the Tool Changer in the Bamboo Hat ATC for Machine CentreZHANG Yu1 , XIA Xiao-ping2(1. Changzhou Institute of Technology ,Changzhou Jiangsu 213003,China;2. Changzhou Institute of Engineering Technology, Changzhou Jiangsu 213003,China)Abstr