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數控機床自動換刀系統產品化


  壹、自動換刀系統產品化的意義
  自動換刀系統是數控機床的重要組成部分。刀具夾持元件的結構特性及它與機床主軸的聯結方式,將直接影響機床的加工性能。刀庫結構形式及刀具交換裝置的工作方式,則會影響機床的換刀效率。自動換刀系統本身及相關結構的復雜程度,又會對整機的成本造價產生直接影響。
  從換刀系統發展的歷史來看,1956年日本富士通研究成功數控轉塔式沖床,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年出現了FMS(柔性制造系統)。1978年以後,加工中心迅速發展,帶有ATC裝置,可實現多種工序加工的機床,步入了機床發展的黃金時代。1983年國際標準化組織制定了數控刀具錐柄的國際標準,自動換刀系統便形成了統壹的結構模式。目前國內外數控機床自動換刀系統中,刀具、輔具多采用錐柄結構,刀柄與機床主軸的聯結、刀具的夾緊放松機構及驅動方式幾乎都采用同壹種結構模式。在這種模式中,機床主軸常采用空心的帶有長拉桿、碟形彈簧組的結構形式,由液壓或氣動裝置提供動力,實現夾緊放松刀柄的動作。利用這種機構夾持刀具進行數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,而且主軸結構復雜,主軸軸向尺寸過大,加上它的液壓驅動裝置及刀具輔具錐柄的制造成本,使得自動換刀系統的造價在機床整機中占有較大的比重。據有關資料介紹,在刀具采用錐柄夾頭、側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壹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。在現代數控機床上亦有采用彈簧夾頭作為刀具的夾持元件,但機床的主軸結構、驅動方式仍然采用與上述錐柄刀具完全相同的結構形式。采用這種結構模式,在實際數控加工中,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加工場合中實現自動換刀將會是很困難的,如果實施自動換刀那將使機床成本大幅度提高。如在CNC控制磨削球面銑刀的數控磨削機床上,直接由高速電機驅動主軸,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,將難以實現自動換刀。國外最新研制的內圓磨床上采用的彈簧夾頭自動換刀裝置售價昂貴。
  二、自動換刀系統產品化的技術問題
  為了更好地簡化數控機床主軸結構,盡可能地減小換刀機構對機床主軸結構優化設計帶來的影響,采用彈簧夾頭這壹理想的刀具夾持元件,在機床主軸的設計上除了軸端制作出與彈簧夾頭聯結的專用結構外,機床主軸結構完全可以根據其優化要求來確定,從而可最大限度地提高機床主軸的工作性能。本研究以它巧妙的構思,對換刀機械手、刀具交換裝置、刀庫結構形式以及驅動機構進行了新的設計,改變了傳統的結構模式。在本項研究中要解決的主要問題有:
  研究適用於機床主軸結構並能滿足自動換刀要求的高性能彈簧夾頭結構模式
  彈簧夾頭的結構及其制造工藝的優化程度直接影響著它的使用性能。用於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,而且還必須具有足夠的夾持剛度,同時便於刀具的軸向精確定位。
  研究確定彈簧夾頭與機床主軸頭部可靠聯結的結構方案
  彈簧夾頭與主軸采用軸頭聯結,這種聯結方式完全不影響機床主軸自身的優化設計。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動工作方式。因此要研究滿足以上要求的主軸軸端結構形式。
  換刀機械手與驅動裝置的研究
  換刀機械手的主要任務是,完全模擬人手的換刀動作,給機床主軸與彈簧夾頭提供相對轉動實現夾緊、放松刀具的動作。機械手應具備足夠的轉矩,該轉矩還必須恒定(可調)。同時還應使機械手具備結構緊湊、占據空間小的特點,以適應不同類型機床的換刀空間。換刀機械手完全采用電磁機械傳動,以求最大限度地降低自動換刀系統的成本造價。
  刀庫結構及刀庫驅動方式的研究
  要在總結現有數控機床刀庫類型、刀架結構、刀庫驅動方式的基礎上,研制出夾持圓柱形定尺寸柄刀具或輔具的刀庫形式、刀架結構和刀具交換裝置。同時包括刀庫的驅動、定位機構、刀具編碼方式的研究。
  智能型控制系統的研究
  自動換刀系統采用單片機或PLC控制,它通過幾條與主控機的聯絡信號線以及系統內設置的自診斷、自適應功能實現對換刀系統的全自動控制管理。
  本研究已取得了階段性成果,並獲得了國家專利。該項研究包括:采用高性能彈簧夾頭夾持刀具,使用外驅動機械手完成刀具的夾緊、放松,系統配置擴展型鏈式刀庫和刀具交換裝置,整機采用電磁機械傳動、PLC控制,換刀系統具有夾緊力大、夾緊力恒定(可調)、自動復位以及各種自檢保護功能,同時具有占據空間小的特點。研究的最終目標是,期望能夠形成壹種結構緊湊、工作穩定可靠、造價低廉、可供不同類型數控機床選型配套的智能型高性能自動換刀系統系列產品。
  三、自動換刀系統產品化的前景
  隨著機械加工業的發展,制造行業對於帶有自動換刀系統的高效高性能加工中心的需求量越來越大。在現有的各種類型的加工中心中,傳統結構的自動換刀系統的造價在機床整機造價中總是占著很大比重,這是加工中心價格居高不下、應用不普遍的重要原因。如果把自動換刀系統的設計制造從現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準件或附件組織專門化的生產,同時由於該項技術的應用簡化了機床主軸結構、采用彈簧夾頭和外驅動機械手等關鍵技術、采用圓柱柄刀具和輔具,這不僅使數控機床工作性能有所提高,而且使得由它配套構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生產廠商和加工中心制造廠商帶來巨大的經濟效益。
 
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