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數(shù)控機(jī)床自動換刀系統(tǒng)產(chǎn)品化
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一、自動換刀系統(tǒng)產(chǎn)品化的意義
自動換刀系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。刀具夾持元件的結(jié)構(gòu)特性及它與機(jī)床主軸的聯(lián)結(jié)方式，將直接影響機(jī)床的加工性能。刀庫結(jié)構(gòu)形式及刀具交換裝置的工作方式，則會影響機(jī)床的換刀效率。自動換刀系統(tǒng)本身及相關(guān)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，又會對整機(jī)的成本造價產(chǎn)生直接影響。
從換刀系統(tǒng)發(fā)展的歷史來看，1956年日本富士通研究成功數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床，美國IBM公司同期也研制成功了“APT”(刀具程序控制裝置)。1958年美國K&T公司研制出帶ATC(自動刀具交換裝置)的加工中心。1967年出現(xiàn)了FMS(柔性制造系統(tǒng))。1978年以后，加工中心迅速發(fā)展，帶有ATC裝置，可實現(xiàn)多種工序加工的機(jī)床，步入了機(jī)床發(fā)展的黃金時代。1983年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了數(shù)控刀具錐柄的國際標(biāo)準(zhǔn)，自動換刀系統(tǒng)便形成了統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)模式。目前國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床自動換刀系統(tǒng)中，刀具、輔具多采用錐柄結(jié)構(gòu)，刀柄與機(jī)床主軸的聯(lián)結(jié)、刀具的夾緊放松機(jī)構(gòu)及驅(qū)動方式幾乎都采用同一種結(jié)構(gòu)模式。在這種模式中，機(jī)床主軸常采用空心的帶有長拉桿、碟形彈簧組的結(jié)構(gòu)形式，由液壓或氣動裝置提供動力，實現(xiàn)夾緊放松刀柄的動作。利用這種機(jī)構(gòu)夾持刀具進(jìn)行數(shù)控加工的最大問題是，它不能同時獲得高的夾持剛度和刀具振擺精度，而且主軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主軸軸向尺寸過大，加上它的液壓驅(qū)動裝置及刀具輔具錐柄的制造成本，使得自動換刀系統(tǒng)的造價在機(jī)床整機(jī)中占有較大的比重。據(jù)有關(guān)資料介紹，在刀具采用錐柄夾頭、側(cè)壓夾頭以及彈簧夾頭夾緊性能的對比實驗中，采用彈簧夾頭夾持刀具是唯一可同時獲得高的夾持剛度和振擺精度的理想元件。采用這種夾持元件，刀具或刀具輔具可作成圓柱柄，其制造成本低，精度易保證，這對大容量刀庫降低刀具輔具的制造成本，意義更為顯著。在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床上亦有采用彈簧夾頭作為刀具的夾持元件，但機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式仍然采用與上述錐柄刀具完全相同的結(jié)構(gòu)形式。采用這種結(jié)構(gòu)模式，在實際數(shù)控加工中，尤其是在需要超高速主軸、主軸的徑向、軸向尺寸都很小、沒有足夠的換刀空間的微細(xì)加工場合中實現(xiàn)自動換刀將會是很困難的，如果實施自動換刀那將使機(jī)床成本大幅度提高。如在CNC控制磨削球面銑刀的數(shù)控磨削機(jī)床上，直接由高速電機(jī)驅(qū)動主軸，使用小直徑盤形砂輪和指形砂輪加工球面銑刀，換刀空間很小，在這種條件下，將難以實現(xiàn)自動換刀。國外最新研制的內(nèi)圓磨床上采用的彈簧夾頭自動換刀裝置售價昂貴。
二、自動換刀系統(tǒng)產(chǎn)品化的技術(shù)問題
為了更好地簡化數(shù)控機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)，盡可能地減小換刀機(jī)構(gòu)對機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計帶來的影響，采用彈簧夾頭這一理想的刀具夾持元件，在機(jī)床主軸的設(shè)計上除了軸端制作出與彈簧夾頭聯(lián)結(jié)的專用結(jié)構(gòu)外，機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)完全可以根據(jù)其優(yōu)化要求來確定，從而可最大限度地提高機(jī)床主軸的工作性能。本研究以它巧妙的構(gòu)思，對換刀機(jī)械手、刀具交換裝置、刀庫結(jié)構(gòu)形式以及驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了新的設(shè)計，改變了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式。在本項研究中要解決的主要問題有：
研究適用于機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)并能滿足自動換刀要求的高性能彈簧夾頭結(jié)構(gòu)模式
彈簧夾頭的結(jié)構(gòu)及其制造工藝的優(yōu)化程度直接影響著它的使用性能。用于自動換刀的彈簧夾頭必須具備夾緊力大，能夠自鎖和工作可靠的特點(diǎn)，而且還必須具有足夠的夾持剛度，同時便于刀具的軸向精確定位。
研究確定彈簧夾頭與機(jī)床主軸頭部可靠聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)方案
彈簧夾頭與主軸采用軸頭聯(lián)結(jié)，這種聯(lián)結(jié)方式完全不影響機(jī)床主軸自身的優(yōu)化設(shè)計。彈簧夾頭對定尺寸柄刀具或定尺寸柄輔具的夾緊放松動作采用主軸軸端外驅(qū)動工作方式。因此要研究滿足以上要求的主軸軸端結(jié)構(gòu)形式。
換刀機(jī)械手與驅(qū)動裝置的研究
換刀機(jī)械手的主要任務(wù)是，完全模擬人手的換刀動作，給機(jī)床主軸與彈簧夾頭提供相對轉(zhuǎn)動實現(xiàn)夾緊、放松刀具的動作。機(jī)械手應(yīng)具備足夠的轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩還必須恒定(可調(diào))。同時還應(yīng)使機(jī)械手具備結(jié)構(gòu)緊湊、占據(jù)空間小的特點(diǎn)，以適應(yīng)不同類型機(jī)床的換刀空間。換刀機(jī)械手完全采用電磁機(jī)械傳動，以求最大限度地降低自動換刀系統(tǒng)的成本造價。
刀庫結(jié)構(gòu)及刀庫驅(qū)動方式的研究
要在總結(jié)現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床刀庫類型、刀架結(jié)構(gòu)、刀庫驅(qū)動方式的基礎(chǔ)上，研制出夾持圓柱形定尺寸柄刀具或輔具的刀庫形式、刀架結(jié)構(gòu)和刀具交換裝置。同時包括刀庫的驅(qū)動、定位機(jī)構(gòu)、刀具編碼方式的研究。
智能型控制系統(tǒng)的研究
自動換刀系統(tǒng)采用單片機(jī)或PLC控制，它通過幾條與主控機(jī)的聯(lián)絡(luò)信號線以及系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的自診斷、自適應(yīng)功能實現(xiàn)對換刀系統(tǒng)的全自動控制管理。
本研究已取得了階段性成果，并獲得了國家專利。該項研究包括：采用高性能彈簧夾頭夾持刀具，使用外驅(qū)動機(jī)械手完成刀具的夾緊、放松，系統(tǒng)配置擴(kuò)展型鏈?zhǔn)降稁旌偷毒呓粨Q裝置，整機(jī)采用電磁機(jī)械傳動、PLC控制，換刀系統(tǒng)具有夾緊力大、夾緊力恒定(可調(diào))、自動復(fù)位以及各種自檢保護(hù)功能，同時具有占據(jù)空間小的特點(diǎn)。研究的最終目標(biāo)是，期望能夠形成一種結(jié)構(gòu)緊湊、工作穩(wěn)定可靠、造價低廉、可供不同類型數(shù)控機(jī)床選型配套的智能型高性能自動換刀系統(tǒng)系列產(chǎn)品。
三、自動換刀系統(tǒng)產(chǎn)品化的前景
隨著機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對于帶有自動換刀系統(tǒng)的高效高性能加工中心的需求量越來越大。在現(xiàn)有的各種類型的加工中心中，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自動換刀系統(tǒng)的造價在機(jī)床整機(jī)造價中總是占著很大比重，這是加工中心價格居高不下、應(yīng)用不普遍的重要原因。如果把自動換刀系統(tǒng)的設(shè)計制造從現(xiàn)有加工中心的制造模式中分離出來，把它作為加工中心的標(biāo)準(zhǔn)件或附件組織專門化的生產(chǎn)，同時由于該項技術(shù)的應(yīng)用簡化了機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)、采用彈簧夾頭和外驅(qū)動機(jī)械手等關(guān)鍵技術(shù)、采用圓柱柄刀具和輔具，這不僅使數(shù)控機(jī)床工作性能有所提高，而且使得由它配套構(gòu)成的加工中心的總體造價大幅度下降。低造價高性能的加工中心將會被中小廠廣泛接收，這樣必將給自動換刀系統(tǒng)生產(chǎn)廠商和加工中心制造廠商帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 |
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