| 数控车床自动换刀技术研究 |
| 发布时间 : 2011/10/1 20:22:36 查看次数: |
摘要：介绍了在普通数控卧式车床上安装刀库，并实现自动上下刀的关键技术。阐述了普通数控车床自动换刀技术的开发背景及设计中的关键技术。所研制的技术已成功用于生产。
1卧式车床自动换刀技术的开发背景
自从20世纪50年代美国研制出第一台数控机床以来，随着微电子技术的发展、数控系统的不断更新换代，数控机床的品种、产量和性能也有了突飞猛进的提高。特别是近20年，数控机床更是朝着高速、高效、智能、环保的方向发展，各种高性能数控机床和加工中心已经将数控技术发挥到了极至，成为各国的工业技术水平和国家整体实力的象征。
我国数控机床的研制虽然也起步于20世纪50年代，但由于数控系统的稳定性和可靠性不过关，一直处于徘徊不前的局面，直到80年代，在引进了国外的数控系统和伺服技术后才进入稳步发展阶段，到目前为止，我国已有几十个厂家在从事不同层次的数控机床的生产与开发，但技术却一直处于世界的中端水平，性能和品种也一直在跟着发达国家亦步亦趋，没有自己的主张。尤其是数控车床的整体自动化程度不高，很多机床产品仍以人工手动操作为主，造成零件加工周期长，人为因素大，稳定性低等不可弥补的缺点。
另一方面，随着国内外制造业市场需求的变化和现代机械产品技术的革新,机床上被加工件形状越来越复杂，尺寸精度、形位公差和加工工艺性要求也越来越高，这就对机床的刀架加工能力和机床的布局提出了更高的要求。对于一些复杂的零件，需要包括外圆刀，内圆刀等至少十多把不同的刀具才能完成对其的加工，而普通的数控卧式车床常用的卧式刀架最多只有十二工位，因加工工件的不同，刀架上刀具的布置存在干涉，这样，一般情况下，刀架上最多只能布置十把刀具，这远远不能满足零件的加工要求。现存的解决方法只能是在多台机床上分序加工，而这样不仅会增加用户的制造成本，而且在不同的机床上加工，会造成尺寸精度、形位公差不准，稳定性不高等严重的质量问题。
经过数十年的发展，铜棒自动切割机数控机床技术显然已经非常成熟、品种也已经非常丰富、产量达到每年数十万台，而保有量已经达到了数百万台。尽管产量和保有量都很巨大，但能够满足在同一机床上实现十几序加工，又能实现自动换刀的数控卧式车床，不论在国内还是在国外，都还基本上处于空白状态。之所以这样讲，是因为对于卧式数控车床来说，其布局紧凑，加工区域小，刀库很难布置，而且卧式刀架的特殊结构，决定在其上几乎不可能安置拉刀机构，以实现自动上下刀的功能。而对于一些加工内孔槽的零件来说，数控立式车床又难以解决其排屑困难的问题，造成被加工工件内部铁屑堆积，影响零件的表面光洁度。因此，卧式车床的自动换刀技术的研制势在必行。
我厂最新研制的HTC63150n大型卧式斜床身数控车床实现了在普通卧式斜床身数控车床上安装刀库，并对立式刀架自动换刀。它一方面解决了普通卧式车床安装刀库难，换刀空间有限的问题，另一方面针对复杂的被加工零件多为盘类件的特点，将卧式刀架换为立式刀架，有效的避免了卧式刀架本身结构特点造成的自动换刀难的问题。这样，对于复杂的盘类零件来说，卧式车床可以解决立式车床排屑困难，影响加工内表面的问题；安装刀库和立式刀架，实现了自动换刀，解决了加工工序繁多，布刀困难的问题。
HTC63150n大型卧式斜床身数控车床不仅是针对食品机械行业的产业升级而开发的大型通用数控设备，同时也可用于其他行业，例如：轧钢行业、发电行业、石油行业等行业中大型盘类零件的加工。
2关键技术的研究开发
对于卧式数控车床来说，其布局紧凑，加工区域小，床身45°斜角致使刀具与水平面亦成45°斜角。因此刀库的布置，刀具的传递，刀具角度的最终的确定都是卧式斜床身数控车床的难点。
2.1刀具传递方式和刀具角度确定的研究
经过周密的布置和精心的演算，并通过三维仿真模拟核对，刀具的传递路线为机械手1从刀库抓刀后，将刀具放置与可旋转的过渡刀座上，油缸将此刀座和刀具送至机械手2处，机械手2再将刀具送至改装后的刀架上的拉刀装置内。其间的所有动作受数控系统控制，均由伺服电机和液压油缸完成。
具体动作过程为刀库通过支架垂直于地面安装在机床右侧，刀具轴线与主轴轴线平行。支架上安装有小支架和底座，其中小支架上布置有运动机构，其上的轴上装有被拉杆式油缸控制翻转的过渡刀座；而底座上面固定有机械手，机械手的旋转定位通过电机实现，伸缩靠其内部的油缸完成。床身尾座导轨的底座通过底板被固定，底座上同样固定有机械手，其工作原理同于上面所提的机械手。具体机构见图2，图3。
当加工工步结束后执行换刀指令，主轴实现准停，此时操作指令使刀库运转，将所需刀具运转至换刀工位，装夹刀具的卡爪打开。机械手将所需刀具抓起，手臂旋转，将刀具送至过渡刀座，在油缸的作用下，刀座带动刀具在轴上旋转，使刀具的轴线与刀架上的拉刀装置轴线平行。运动装置将刀具送至另一机械手处，机械手将刀具抓起，手臂旋转，此时立式刀架在Z轴电机的带动下，停至机械手处。机械手在内部油缸的作用下松开卡爪，将刀具送入拉刀装置中，拉刀机构将刀具拉紧，至此，刀具从刀库到机械手，机械手到运动装置，运动装置再到机械手，机械手到刀架的过程结束，完成一次上刀。图4为刀具换刀装置外观。
2.2刀具定位方式的研究
卧式刀架的特殊结构，决定在其上几乎不可能安置拉刀机构，以实现自动上下刀的功能。该机床选用烟台产立式刀架，通过改造，将自制配油装置和拉刀装置安装在刀架上。选用瑞典SandvikCoromant公司的CoromantCapto专用的拉刀机构组件，配油器为拉刀机构提供动作的动力。需要换刀时，机械手将刀具送至刀架拉刀机构处，数控系统指令控制配油器为拉刀机构提供油压，拉刀机构拉紧或松开刀具柄。图4为刀具定位装置示意图。
3应用效果
图5是为某用户加工复杂盘类零件而安装的自动上下刀具装置。此刀库、机械手，以及刀架上的拉刀机构，充分运用了卧式车床的空间，在实现原理、链接环节等方面都进行了周密的设计和合理的计算，保证了运转过程的万无一失。
4适合加工工件范围
复杂的盘类零件，需要包括外圆刀，内圆刀等至少十多把不同的刀具才能完成对其的加工。
此类机床采用模块化设计技术，可满足大小不同的各种盘类零件的粗精加工的需求。
5结束语
普通数控卧式车床的自动换刀装置的设计制造应时代和市场需求而生。2010年4月投入用户生产中，用于生产碟式分离机和卧螺机上的关键零件转鼓体和转鼓盖的粗精加工。换刀装置精度稳定，性能可靠，刚性好，效率高，设备投入少，生产成本低，操作维护简便。该装置能替代立车满足复杂盘类零件的加工，填补市场空白，满足用户要求。
普通数控卧式车床的自动换刀装置设计制造的成功，是我们将卧式车床结构、刀库机构、自动拉刀机构等一起应用的尝试，也是卧式车床代替立式车床加工复杂盘类零件的一次实践。对于本文及结构设计中存在的错误和不足请予以批评指正，以便我们进一步提高服务社会的能力。
(作者：沈一车床厂 宋春丽 孟凡彪) |
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