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演講人：XXX,加工中心24刀盤(pán)式刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),2,,2020/8/3,3,刀套翻轉(zhuǎn)過(guò)程： 待換刀具轉(zhuǎn)到換刀位置時(shí)，刀套尾部的滾子10轉(zhuǎn)入撥叉8的槽內(nèi)。這時(shí)，液壓缸5的下腔通入液壓油，活塞帶動(dòng)撥叉上升，同時(shí)松開(kāi)行程開(kāi)關(guān)7，用以斷開(kāi)相應(yīng)電路，防止主軸、刀庫(kù)等出現(xiàn)錯(cuò)誤動(dòng)作。撥叉上升帶動(dòng)刀套下翻90度，使刀具軸線(xiàn)與主軸軸線(xiàn)平行，同時(shí)壓下行程開(kāi)關(guān)6，發(fā)出信號(hào)使機(jī)械手抓刀。反之，撥叉下降帶動(dòng)刀套上翻90度。,,4,5,機(jī)械手： 機(jī)械手是自動(dòng)換刀裝置中交換刀具的主要工具，它擔(dān)負(fù)著把刀庫(kù)上的刀具送到主軸上，再把主軸上已用過(guò)的刀具返回刀庫(kù)上的任務(wù)。 機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)有回轉(zhuǎn)液壓缸運(yùn)來(lái)實(shí)現(xiàn) 這次設(shè)計(jì)采用單臂雙爪式機(jī)械手 機(jī)械鎖刀手爪彈簧銷(xiāo)式手爪，使用這種形式的抓持機(jī)構(gòu)，手爪不需要設(shè)置專(zhuān)門(mén)的傳遞裝置，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用廣泛。,6,7,,為了使機(jī)械手的活動(dòng)手爪18在這時(shí)能從自鎖狀態(tài)下松開(kāi)，在機(jī)床床身立柱上設(shè)有固定桿35，在機(jī)械臂的一側(cè)有擋塊裝置。擋塊13、錐孔盤(pán)4（在端面上周向均勻分布有4個(gè)錐孔）和軸9固定相連，軸9裝于支架12內(nèi)，其右端又與一端蓋10用螺紋固定。當(dāng)擋塊13未與固定桿35相碰時(shí)，錐孔盤(pán)4處于與鋼球5相對(duì)位置，彈簧銷(xiāo)11頂著端蓋10，使錐孔盤(pán)4緊靠于支架12的端面上，此時(shí)機(jī)械臂的彈簧頂桿3自由伸出，活動(dòng)手爪1處8于鎖死狀態(tài)。當(dāng)機(jī)械手軸向向右移動(dòng)后，固定桿35迫使擋塊13轉(zhuǎn)動(dòng)，由于此時(shí)錐孔盤(pán)4端面上的錐孔與鋼球5錯(cuò)開(kāi)，這樣錐孔盤(pán)4即連同擋塊13向右移動(dòng)。擋塊13即將機(jī)械臂上的彈簧頂桿3壓入，將活動(dòng)手爪18自鎖緊狀態(tài)下松開(kāi)。,8,,當(dāng)機(jī)械爪伸出抓住刀柄后，機(jī)械手軸向向左伸出，此時(shí)擋塊13亦同時(shí)離開(kāi)固定桿35，借彈簧1的作用，將擋塊13拉回原來(lái)的錐孔盤(pán)4上錐孔與鋼球5相對(duì)的原始位置，由彈簧銷(xiāo)11的作用，使擋塊13又向左移動(dòng)至錐孔盤(pán)4與支架12端面壓緊的位置。這時(shí)機(jī)械臂上的彈簧頂桿3又自由伸出，將活動(dòng)手爪18鎖死，保證機(jī)械手將刀具拔出后，機(jī)械手能將刀具可靠地夾緊。,謝謝！,為臥式加工中心設(shè)計(jì)一種盤(pán)式自動(dòng)換刀刀庫(kù)
為臥式加工中心設(shè)計(jì)一種盤(pán)式自動(dòng)換刀刀庫(kù)
MUSTAFA ILHAN GOKLERt~ and MURAT BJLGJN KO~t
(Received 12 April 1996)
摘要：自動(dòng)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(kù)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(dòng)換刀的設(shè)計(jì)曾被認(rèn)為是一種機(jī)床道具的制造者。在幾經(jīng)檢驗(yàn)選擇之后就決定實(shí)施這種磁盤(pán)式自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)，這種刀庫(kù)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(dòng)換刀的設(shè)計(jì)更換最近的刀具時(shí)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(gè)機(jī)床刀具生產(chǎn)者或者都必須專(zhuān)門(mén)的任何特殊的數(shù)控機(jī)床，刀具或者設(shè)計(jì)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(gòu)買(mǎi)精密的系統(tǒng)。機(jī)床刀具制造者為避免由他們自己賣(mài)出新的計(jì)數(shù)進(jìn)步，他們通常會(huì)去賣(mài)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(jì)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(dòng)換刀系統(tǒng)。
這種自動(dòng)換刀裝置可以設(shè)計(jì)成依據(jù)由機(jī)床控制單元的命令自動(dòng)從刀庫(kù)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(kù)或串連的或磁盤(pán)式的。盡管如此，今天有些別的刀庫(kù)類(lèi)型如球型，磁盤(pán)式等等。【17】
磁盤(pán)式的刀庫(kù)可以分成以下幾類(lèi)。
（1） 在一種磁盤(pán)帶更換手臂的刀庫(kù)中，刀具通過(guò)手臂的方式更換，就是從刀庫(kù)中抓起刀具更換主軸上的刀具。然后，磁盤(pán)有檢索存儲(chǔ)道具的功能?！?－5】。一些這些功能的例子，如途中所示。
（2） 一個(gè)沒(méi)有更換道具手臂額磁盤(pán)刀庫(kù)，這種類(lèi)型的刀庫(kù)實(shí)際上象一個(gè)刀具更換手臂。刀具由磁盤(pán)自己更換?！?，6－8】，這種例子如圖中所示。
Fig.1. 幾個(gè)有機(jī)械手自動(dòng)換刀的例子
Fig.2.無(wú)機(jī)械手自動(dòng)換刀的例子
在串連型自動(dòng)換刀刀庫(kù)中【9－16】，刀具機(jī)械手更換，依據(jù)刀具在刀庫(kù)中定位的狀態(tài)和位置，選擇分類(lèi)串連型刀庫(kù)。
(1) 刀庫(kù)中刀具坐標(biāo)軸垂直于主軸的坐標(biāo)軸，刀庫(kù)在支柱左邊或右邊；
為了改變刀具的方向，一個(gè)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(kù)中刀具與主軸上的刀具。
(2) 在串連刀庫(kù)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(gè)位置，為立式加工中心設(shè)計(jì)帶磁盤(pán)式自動(dòng)換刀裝置，因?yàn)榈毒咦鴺?biāo)平行于主軸坐標(biāo)，機(jī)械手臂在刀庫(kù)與主軸之間換刀，并且，刀具在這個(gè)位置換刀。
(3) 刀庫(kù)中刀具的坐標(biāo)平行于主軸坐標(biāo)，機(jī)械手臂在刀庫(kù)與主軸之間換刀，并且，靠近主軸作線(xiàn)性移動(dòng)，然后換刀如表【16】所示。
在表1中，不同的自動(dòng)換刀裝置和最短時(shí)間換刀時(shí)間（T/T）這是在交換基礎(chǔ)上給出的最短換刀時(shí)間，在表1中，D+A,D,C+A指派磁盤(pán)式帶機(jī)械手換刀裝置的刀庫(kù)，沒(méi)有機(jī)械手換刀裝置的磁盤(pán)式刀庫(kù)，帶機(jī)械手換刀裝置的串連型刀庫(kù)。
在磁盤(pán)式刀庫(kù)中，隨著數(shù)量的增加，磁盤(pán)式的半徑增大，這樣不符合節(jié)省空間的觀(guān)點(diǎn)，盡管如此，在串連類(lèi)型中，刀具的數(shù)目大約式同樣空間盤(pán)式刀具的1.5倍，在串連自動(dòng)換刀裝置中能夠存儲(chǔ)更多的刀具，但是串連型刀庫(kù)是比較貴的行對(duì)于盤(pán)式刀具倆說(shuō)。
2 自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)
在這一節(jié)中闡明數(shù)控加工中心刀具的具體設(shè)計(jì)，供應(yīng)市場(chǎng)的要求此中意向的特殊的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品，那樣可以從相關(guān)的試驗(yàn)中，獲得數(shù)控機(jī)床刀具的價(jià)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(jì)特殊的數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置。
把設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)降低看作為單元，相當(dāng)?shù)蛢r(jià)位的，易于生產(chǎn)加工的一個(gè)沒(méi)有機(jī)械手臂的盤(pán)式刀庫(kù)型的自動(dòng)換刀裝置特殊的立式加工中心設(shè)計(jì)品。
表1
步驟1 去掉的刀具，刀庫(kù)從用 A-A 方向看
2 轉(zhuǎn)動(dòng)刀具到正確的換刀位置，刀庫(kù)沿著坐標(biāo)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)或者逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
3 刀庫(kù)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(kāi)始轉(zhuǎn)的加工周期，在自動(dòng)換刀裝置討論會(huì)后，主要的工作是應(yīng)用這種裝置。
如下所示
1， 刀庫(kù)中刀具數(shù)為24把
2， 刀具最大直徑為100mm
3， 當(dāng)?shù)稁?kù)中沒(méi)有刀時(shí)，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(kù)的類(lèi)型為BT40
6， 刀具更換時(shí)間在4秒－6秒之間。
在如下的分支中，列舉處特殊自動(dòng)換刀裝置的基本系數(shù)，
盤(pán)式刀庫(kù)最小直徑是由考慮存儲(chǔ)具體刀具數(shù)量和最大直徑，在刀庫(kù)中存儲(chǔ)的應(yīng)與換下的距離，盤(pán)式刀庫(kù)的直徑是812mm每個(gè)刀具之間為6 mm。確定刀庫(kù)直徑后，刀庫(kù)的盤(pán)式形狀也確定了，因?yàn)榈稁?kù)經(jīng)常加速或減速，所以刀庫(kù)的慣性為重要問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題可以用一種輕型材料解決，鋁就是這種材料。薄壁的盤(pán)庫(kù)適當(dāng)?shù)木硗不驇缀涡螤畹?，這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(jiǎn)圖所示
導(dǎo)軌。
在自動(dòng)換刀裝置系統(tǒng)中，都必須有抽去主軸上的刀的轉(zhuǎn)動(dòng)，在無(wú)機(jī)械手換刀裝置中，盤(pán)式刀庫(kù)有前后運(yùn)動(dòng)，這就有必要的導(dǎo)軌，這種運(yùn)動(dòng)由輸送形式氣壓活塞完成，實(shí)際上，有幾種別的線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)方法，如用球滾動(dòng)代替旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，然后，當(dāng)有圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)。這是非常昂貴的方式，如表6所示，導(dǎo)軌設(shè)計(jì)成空心形式以減輕重量，導(dǎo)軌由氣壓活塞推動(dòng)，活塞或裝在導(dǎo)軌的最后面，導(dǎo)軌邊上設(shè)計(jì)了方形的邊緣，并不是u型的，用方形的邊是因?yàn)槿菀字圃?，價(jià)格極限空間都有優(yōu)勢(shì)。
2.3減震器
每一個(gè)刀具更換周期，刀庫(kù)都由導(dǎo)軌上前后移動(dòng)，這占用的周期的大部時(shí)間，為了減少運(yùn)整時(shí)間，優(yōu)先用了移動(dòng)速度，但是坐標(biāo)問(wèn)題隨之產(chǎn)生，當(dāng)動(dòng)量較大時(shí)必須有相適應(yīng)的短距離停下來(lái)的系統(tǒng)，而這種系統(tǒng)又不會(huì)起過(guò)渡的振動(dòng)，減震器就可解決此問(wèn)題。
在設(shè)計(jì)中，用一個(gè)氣缸，和用壓縮空氣活塞缸開(kāi)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(guò)整個(gè)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(xiàn)性就達(dá)到了。
2.4 刀具夾緊裝置
刀庫(kù)中的刀具用夾具夾在刀庫(kù)中，刀具可以?shī)A持在鉗口之間。以這種方式設(shè)計(jì)的夾具，最大重量的刀具可以安全舉起。盤(pán)式刀庫(kù)繞其軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，離心力增加刀具的重量。這些因素在夾具的設(shè)計(jì)中考慮到。刀庫(kù)和鉗口依據(jù)特定的刀柄類(lèi)型而定。鉗口應(yīng)適合特殊的刀柄。
刀庫(kù)中的刀具由一個(gè)螺旋狀的彈簧和鐵片組合而夾在刀庫(kù)中的這種裝置設(shè)計(jì)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(jì)ATC時(shí)，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(huì)準(zhǔn)確停下主軸并且引起錯(cuò)位，不精確等相應(yīng)的問(wèn)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(gè)防護(hù)罩。防護(hù)罩應(yīng)與主軸一起移動(dòng)。
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(pán)的旋轉(zhuǎn)。選用電機(jī)類(lèi)型根據(jù)動(dòng)力和價(jià)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(wú)刷式電機(jī)帶動(dòng)盤(pán)式刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)，選用一種可以提供4.5N/n的力矩和0.94KW動(dòng)力，性?xún)r(jià)比好的
2.7 降速
在刀庫(kù)和電機(jī)之間降速，這樣可以通過(guò)蝸輪蝸桿實(shí)現(xiàn)的。一種無(wú)級(jí)變速對(duì)于刀具相對(duì)主軸中心軸精確位置更換刀具來(lái)說(shuō)是必要的。
然而，在很小的面積內(nèi)獲得及時(shí)的降速是非常困難的，但用蝸輪就可以容易實(shí)現(xiàn)。但蝸輪也有問(wèn)題。而對(duì)于降速來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的效率明顯下降。如果用效率低的蝸輪實(shí)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(jià)格的行星輪系統(tǒng)，通過(guò)減小齒輪中心輪到最小間隙，控制可以消除反沖力，這樣沒(méi)有太大的沖擊和噪音。這些自然引起的啟動(dòng)力矩，因?yàn)橄嗷ジ缮?，較低的運(yùn)動(dòng)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(dòng)。
諧波驅(qū)動(dòng)是另一種無(wú)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(dòng)的設(shè)計(jì)能夠保證大約10%的齒在任何時(shí)刻相嚙合，這樣最小地降低齒輪齒的誤差。
（2） 因?yàn)橹C波驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且非常容易連在一個(gè)車(chē)間內(nèi)加工？？？？？
（3） 諧波驅(qū)動(dòng)有一個(gè)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(wú)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(dòng)并應(yīng)用于A(yíng)TC中，假如盤(pán)式刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)一半，包括加速減速所需的時(shí)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(kāi)關(guān)
對(duì)于刀具正確地插入到主軸來(lái)說(shuō)，刀庫(kù)的控制開(kāi)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(gè)碼代表用一個(gè)刀具位置，那樣可以檢索到刀具的位置。
編碼器是一個(gè)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(hào)將會(huì)不同于實(shí)際的信號(hào)。因此，要求另一種計(jì)刀具數(shù)目的方法提供精確的安全防備?？梢杂靡环N計(jì)刀具數(shù)目的開(kāi)關(guān)去解決。當(dāng)檢索刀具時(shí)，由開(kāi)關(guān)送去的信號(hào)和編碼器相互防備彼此的錯(cuò)誤。
相對(duì)與增量編碼器來(lái)說(shuō)完全編碼器是比較貴的。如Fig6中所示。用一個(gè)增量編碼器就可以使刀庫(kù)到達(dá)正確的位置。安裝一個(gè)直接與刀庫(kù)相連的增量編碼盤(pán)可以解決角位置反沖的問(wèn)題。
有幾個(gè)控制目的就有幾個(gè)開(kāi)關(guān)。安裝一個(gè)靠近刀庫(kù)的道軌上的近開(kāi)關(guān)作安全防備。這個(gè)開(kāi)關(guān)有24個(gè)關(guān)于刀庫(kù)刀具位置的裝置。因此，對(duì)每把刀有且僅有一個(gè)開(kāi)關(guān)，這樣可以保證刀具位置與提供給控制單元的信號(hào)一致。
3．結(jié)論
在這篇文章中，已經(jīng)展現(xiàn)了沒(méi)有機(jī)械手的盤(pán)式自動(dòng)換刀刀庫(kù)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和主要工作，當(dāng)考慮到設(shè)計(jì)時(shí)期時(shí)，這種類(lèi)型的自動(dòng)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(chǎng)是非常有可能的。設(shè)計(jì)這種自動(dòng)換刀的最短換刀時(shí)間是4秒，如表1所示?？梢钥吹竭@種自動(dòng)換刀裝置在市場(chǎng)上能夠有很好的競(jìng)爭(zhēng)力。
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