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為臥式加工中心設(shè)計一種盤式自動換刀刀庫
為臥式加工中心設(shè)計一種盤式自動換刀刀庫
MUSTAFA ILHAN GOKLERt~ and MURAT BJLGJN KO~t
(Received 12 April 1996)
摘要：自動換刀－是被用在數(shù)控加工機(jī)床的刀具更換中，就是用刀庫的刀具更換主軸上的刀具。在這篇文章中介紹這種立式加工中心自動換刀的設(shè)計曾被認(rèn)為是一種機(jī)床道具的制造者。在幾經(jīng)檢驗選擇之后就決定實施這種磁盤式自動換刀裝置的設(shè)計，這種刀庫擁有24把刀，其中刀具最大直徑可達(dá)150mm，刀具最大重量可達(dá)8 kg , 這種自動換刀的設(shè)計更換最近的刀具時間放在4s之內(nèi)，在最遠(yuǎn)處的刀具的更換在6 s之內(nèi)。
1.概述
每一個機(jī)床刀具生產(chǎn)者或者都必須專門的任何特殊的數(shù)控機(jī)床，刀具或者設(shè)計自己的刀具特殊加工制造數(shù)控機(jī)床刀具，選擇新的技術(shù)是昂貴的，并且它并不總是適合修理和購買精密的系統(tǒng)。機(jī)床刀具制造者為避免由他們自己賣出新的計數(shù)進(jìn)步，他們通常會去賣那些已經(jīng)滯后的系統(tǒng)。
因此，一種特殊的數(shù)控機(jī)床刀具更新被尋找并且繼續(xù)研究并設(shè)計和生產(chǎn)新的立式數(shù)控加工中心，就要求為這種新的自動換刀系統(tǒng)。
這種自動換刀裝置可以設(shè)計成依據(jù)由機(jī)床控制單元的命令自動從刀庫中選擇并更換刀具，由不同的刀具加工者生產(chǎn)中，已經(jīng)應(yīng)用【1－17】。通常認(rèn)為刀庫或串連的或磁盤式的。盡管如此，今天有些別的刀庫類型如球型，磁盤式等等?！?7】
磁盤式的刀庫可以分成以下幾類。
（1） 在一種磁盤帶更換手臂的刀庫中，刀具通過手臂的方式更換，就是從刀庫中抓起刀具更換主軸上的刀具。然后，磁盤有檢索存儲道具的功能。【1－5】。一些這些功能的例子，如途中所示。
（2） 一個沒有更換道具手臂額磁盤刀庫，這種類型的刀庫實際上象一個刀具更換手臂。刀具由磁盤自己更換。【2，6－8】，這種例子如圖中所示。
Fig.1. 幾個有機(jī)械手自動換刀的例子
Fig.2.無機(jī)械手自動換刀的例子
在串連型自動換刀刀庫中【9－16】，刀具機(jī)械手更換，依據(jù)刀具在刀庫中定位的狀態(tài)和位置，選擇分類串連型刀庫。
(1) 刀庫中刀具坐標(biāo)軸垂直于主軸的坐標(biāo)軸，刀庫在支柱左邊或右邊；
為了改變刀具的方向，一個機(jī)械手抓起刀具然后繞坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，并抓起新刀到正確的平行于坐標(biāo)軸，如圖所示，這種換手臂刀庫中刀具與主軸上的刀具。
(2) 在串連刀庫中刀具的坐標(biāo)式平行的主軸坐標(biāo)的平面內(nèi)，如圖所示，在刀具切削中刀具僅僅只有一個位置，為立式加工中心設(shè)計帶磁盤式自動換刀裝置，因為刀具坐標(biāo)平行于主軸坐標(biāo)，機(jī)械手臂在刀庫與主軸之間換刀，并且，刀具在這個位置換刀。
(3) 刀庫中刀具的坐標(biāo)平行于主軸坐標(biāo)，機(jī)械手臂在刀庫與主軸之間換刀，并且，靠近主軸作線性移動，然后換刀如表【16】所示。
在表1中，不同的自動換刀裝置和最短時間換刀時間（T/T）這是在交換基礎(chǔ)上給出的最短換刀時間，在表1中，D+A,D,C+A指派磁盤式帶機(jī)械手換刀裝置的刀庫，沒有機(jī)械手換刀裝置的磁盤式刀庫，帶機(jī)械手換刀裝置的串連型刀庫。
在磁盤式刀庫中，隨著數(shù)量的增加，磁盤式的半徑增大，這樣不符合節(jié)省空間的觀點(diǎn)，盡管如此，在串連類型中，刀具的數(shù)目大約式同樣空間盤式刀具的1.5倍，在串連自動換刀裝置中能夠存儲更多的刀具，但是串連型刀庫是比較貴的行對于盤式刀具倆說。
2 自動換刀裝置的設(shè)計
在這一節(jié)中闡明數(shù)控加工中心刀具的具體設(shè)計，供應(yīng)市場的要求此中意向的特殊的競爭產(chǎn)品，那樣可以從相關(guān)的試驗中，獲得數(shù)控機(jī)床刀具的價格應(yīng)該在考慮之內(nèi)，根據(jù)cnc數(shù)控機(jī)床刀具的前景，設(shè)計特殊的數(shù)控機(jī)床的自動換刀裝置。
把設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)降低看作為單元，相當(dāng)?shù)蛢r位的，易于生產(chǎn)加工的一個沒有機(jī)械手臂的盤式刀庫型的自動換刀裝置特殊的立式加工中心設(shè)計品。
表1
步驟1 去掉的刀具，刀庫從用 A-A 方向看
2 轉(zhuǎn)動刀具到正確的換刀位置，刀庫沿著坐標(biāo)順時針旋轉(zhuǎn)或者逆時針旋轉(zhuǎn)。
3 刀庫退回，而新刀安裝到主軸上。
4．當(dāng)控制單元收到主軸轉(zhuǎn)刀具安裝后，主軸開始轉(zhuǎn)的加工周期，在自動換刀裝置討論會后，主要的工作是應(yīng)用這種裝置。
如下所示
1， 刀庫中刀具數(shù)為24把
2， 刀具最大直徑為100mm
3， 當(dāng)?shù)稁熘袥]有刀時，可以容納刀具的最大直徑為150mm
4， 可以舉起刀柄的重量最大為8kg
5， 刀庫的類型為BT40
6， 刀具更換時間在4秒－6秒之間。
在如下的分支中，列舉處特殊自動換刀裝置的基本系數(shù)，
盤式刀庫最小直徑是由考慮存儲具體刀具數(shù)量和最大直徑，在刀庫中存儲的應(yīng)與換下的距離，盤式刀庫的直徑是812mm每個刀具之間為6 mm。確定刀庫直徑后，刀庫的盤式形狀也確定了，因為刀庫經(jīng)常加速或減速，所以刀庫的慣性為重要問題，這個問題可以用一種輕型材料解決，鋁就是這種材料。薄壁的盤庫適當(dāng)?shù)木硗不驇缀涡螤畹模@種形狀能夠保證必要的彎曲，而這些是應(yīng)該考慮的，應(yīng)盡可能降低這種結(jié)構(gòu)的降低成本，如簡圖所示
導(dǎo)軌。
在自動換刀裝置系統(tǒng)中，都必須有抽去主軸上的刀的轉(zhuǎn)動，在無機(jī)械手換刀裝置中，盤式刀庫有前后運(yùn)動，這就有必要的導(dǎo)軌，這種運(yùn)動由輸送形式氣壓活塞完成，實際上，有幾種別的線性運(yùn)動方法，如用球滾動代替旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，然后，當(dāng)有圓周運(yùn)動時。這是非常昂貴的方式，如表6所示，導(dǎo)軌設(shè)計成空心形式以減輕重量，導(dǎo)軌由氣壓活塞推動，活塞或裝在導(dǎo)軌的最后面，導(dǎo)軌邊上設(shè)計了方形的邊緣，并不是u型的，用方形的邊是因為容易制造，價格極限空間都有優(yōu)勢。
2.3減震器
每一個刀具更換周期，刀庫都由導(dǎo)軌上前后移動，這占用的周期的大部時間，為了減少運(yùn)整時間，優(yōu)先用了移動速度，但是坐標(biāo)問題隨之產(chǎn)生，當(dāng)動量較大時必須有相適應(yīng)的短距離停下來的系統(tǒng)，而這種系統(tǒng)又不會起過渡的振動，減震器就可解決此問題。
在設(shè)計中，用一個氣缸，和用壓縮空氣活塞缸開減增大壓力減震，減震器是必要的，在特殊在減震器前后壓力通過整個容器，隨著速度的降低為0，這樣持續(xù)的壓力仍舊比較大，因此線性就達(dá)到了。
2.4 刀具夾緊裝置
刀庫中的刀具用夾具夾在刀庫中，刀具可以夾持在鉗口之間。以這種方式設(shè)計的夾具，最大重量的刀具可以安全舉起。盤式刀庫繞其軸線旋轉(zhuǎn)，離心力增加刀具的重量。這些因素在夾具的設(shè)計中考慮到。刀庫和鉗口依據(jù)特定的刀柄類型而定。鉗口應(yīng)適合特殊的刀柄。
刀庫中的刀具由一個螺旋狀的彈簧和鐵片組合而夾在刀庫中的這種裝置設(shè)計的可以抓舉最大重量為8公斤的刀具。鉗口的形狀符合BT40刀柄的外形。
2.5 防屑保護(hù)刀柄的防護(hù)罩
設(shè)計ATC時，一些保護(hù)措施是有必要的。如果任何鐵屑進(jìn)入主軸前打擊到刀柄的外表面，那么將不會準(zhǔn)確停下主軸并且引起錯位，不精確等相應(yīng)的問題。鐵屑可能損傷主軸，為了防止這樣，應(yīng)該防止鐵屑進(jìn)入主軸，而用一個防護(hù)罩。防護(hù)罩應(yīng)與主軸一起移動。
2.6 電機(jī)的速度控制
用一電機(jī)和速度結(jié)合體控制刀盤的旋轉(zhuǎn)。選用電機(jī)類型根據(jù)動力和價格的要求選擇合適的電機(jī)。
考慮位置的精確性和重復(fù)性 ，選一種AC無刷式電機(jī)帶動盤式刀庫旋轉(zhuǎn)，選用一種可以提供4.5N/n的力矩和0.94KW動力，性價比好的
2.7 降速
在刀庫和電機(jī)之間降速，這樣可以通過蝸輪蝸桿實現(xiàn)的。一種無級變速對于刀具相對主軸中心軸精確位置更換刀具來說是必要的。
然而，在很小的面積內(nèi)獲得及時的降速是非常困難的，但用蝸輪就可以容易實現(xiàn)。但蝸輪也有問題。而對于降速來說，系統(tǒng)的效率明顯下降。如果用效率低的蝸輪實現(xiàn)降速，則電機(jī)的尺寸就相應(yīng)增加，進(jìn)而增加成本和控制系統(tǒng)。
低價格的行星輪系統(tǒng)，通過減小齒輪中心輪到最小間隙，控制可以消除反沖力，這樣沒有太大的沖擊和噪音。這些自然引起的啟動力矩，因為相互干涉，較低的運(yùn)動效率比那些同樣有反沖的情況。在世界上只有少數(shù)公司生產(chǎn)反沖的行星輪傳動。
諧波驅(qū)動是另一種無反沖的方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)如下述：
（1） 位置精確度非常好。諧波驅(qū)動的設(shè)計能夠保證大約10%的齒在任何時刻相嚙合，這樣最小地降低齒輪齒的誤差。
（2） 因為諧波驅(qū)動的結(jié)構(gòu)簡單，且非常容易連在一個車間內(nèi)加工？？？？？
（3） 諧波驅(qū)動有一個非常緊湊的結(jié)構(gòu)和非常輕質(zhì)量，這樣拆和組裝較方便。
（4） 比別的無反沖齒輪都便宜。
總上優(yōu)點(diǎn)和必要的結(jié)論，選諧波驅(qū)動并應(yīng)用于ATC中，假如盤式刀庫旋轉(zhuǎn)一半，包括加速減速所需的時間，總共有2秒，旋轉(zhuǎn)速度16.67 rpm，這就要求有120：1的降速比。是從電機(jī)的2000rpm到輸出的16.67rpm.
2.8 解碼控制開關(guān)
對于刀具正確地插入到主軸來說，刀庫的控制開關(guān)非常重要。
用完全的或增值碼可以提供正確的操作。每一個碼代表用一個刀具位置，那樣可以檢索到刀具的位置。
編碼器是一個非常敏感的裝置，能夠給出正確的輸出。如果編碼器的電纜受到外界的干擾（如：干涉），送到控制單元的信號將會不同于實際的信號。因此，要求另一種計刀具數(shù)目的方法提供精確的安全防備?？梢杂靡环N計刀具數(shù)目的開關(guān)去解決。當(dāng)檢索刀具時，由開關(guān)送去的信號和編碼器相互防備彼此的錯誤。
相對與增量編碼器來說完全編碼器是比較貴的。如Fig6中所示。用一個增量編碼器就可以使刀庫到達(dá)正確的位置。安裝一個直接與刀庫相連的增量編碼盤可以解決角位置反沖的問題。
有幾個控制目的就有幾個開關(guān)。安裝一個靠近刀庫的道軌上的近開關(guān)作安全防備。這個開關(guān)有24個關(guān)于刀庫刀具位置的裝置。因此，對每把刀有且僅有一個開關(guān)，這樣可以保證刀具位置與提供給控制單元的信號一致。
3．結(jié)論
在這篇文章中，已經(jīng)展現(xiàn)了沒有機(jī)械手的盤式自動換刀刀庫的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和主要工作，當(dāng)考慮到設(shè)計時期時，這種類型的自動換刀是適合一些特殊的數(shù)控機(jī)床刀具生產(chǎn)的，進(jìn)而進(jìn)入市場是非常有可能的。設(shè)計這種自動換刀的最短換刀時間是4秒，如表1所示。可以看到這種自動換刀裝置在市場上能夠有很好的競爭力。
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