数控立式升降台铣床斗笠式自动换刀装置设计
来源:    发布时间: 2020-08-24 19:02   32 次浏览   大小:  16px  14px  12px
数控立式升降台铣床斗笠式自动换刀装置设计

   

 摘要:本文介绍的是数控立式升降台铣床斗笠式自动换刀装置的设计。斗笠式刀库的自动换刀装置主要由刀库横移装置和刀库分度装置组成。其自动换刀的形式为无机械手换刀,换刀过程中刀盘需要横向移动到合适的位置使机床主轴便于与刀库交换刀具。刀库的选刀方式为任意选刀,换刀过程中,刀盘需要转动从而进行选刀,这就需要刀库分度装置对装有刀具的刀盘进行分度,并且利用接触传感器对刀具进行计数,并把所得的电信号传递给数控系统,从而实现刀具的快速准确选择。在本设计中,刀库横移装置的设计利用的是气压传动机构来实现刀库的横移运动;而刀库分度装置的设计利用的是槽轮机构对刀盘进行分度。
    1.2数控铣床分类
    1.2.1数控立式铣床
    这类铣床一般用于加工盘、套、板类零件,工件一次装夹后,可对其表面上进行铣、钻、扩、锪、攻螺纹等以及侧面的轮廓加工。因此,这类铣床是数控铣床中数量最多的一种,应用范围也最为广泛。从机床数控系统控制的坐标数量来看,目前三坐标数控立式铣床仍占大多数。一般可进行三坐标联动加工,但也有部分机床只能进行三坐标中的任意二个坐标联动加工。此外,还有机床主轴可以绕X、Y、Z坐标轴中其中一个或两个轴作数控摆角运动的四坐标和五坐标数控立式铣床。一般来说,机床控制的坐标轴越多,特别是要求联动的坐标轴越多,机床的功能、加工范围及可选择的加工对象也越多。但随之而来的是机床的结构更复杂,对数控系统的要求更高,编程的难度更大,设备的价格也更高。
    1.2.2数控卧式铣床
    这类数控铣床一般都带有回转工作台,工件一次装夹后可完成除安装面和顶面以外的其余四个面的各种工序加工,适宜于箱体类零件加工。与通用卧式铣床相同,其主轴平行于水平面。为了扩大加工范围和扩大功能,卧式数控铣床通常采用增加数控转盘或万能数控转盘来实现4、5坐标加工,这样,不但工件侧面上的连续回转轮廓可以加工出来,而且可以实现在一次安装中,通过转盘改变工位,进行“四面加工”,可以省去许多专用夹具或专用角度成型铣刀。
    1.2.3万能数控铣床
    这类铣床主轴可以旋转90º或回转工作台带着工件旋转90º,一次装夹后,可以完成对工件五个表面的加工。其使用范围更广,功能更全,选择加工的对象和余地更大,给用户带来了很多方便,特别是当生产批量小,品种较多,又需要立卧两种方式加工时,用户只需买一台这样的机床就行了。
    1.2.4龙门式数控铣床
    这类数控铣床主轴可以在龙门架的横向和竖直方向溜板上运动,而龙门架则沿床身作纵向运动。严格说来,这类数控铣床属于立式数控铣床,因要考虑到扩大行程,缩小占地面积及刚性等技术问题,所以往往采用龙门架移动式,故而这类数控铣床被称之为龙门数控铣床。主要用于大型零件的加工。
    自动换刀装置
    在零件制造过程中,大量的时间用于更换刀具,切削加工时间仅占整个工时中较小的比例。为了缩短非切削时间,提高机床的自动化程度,机床正朝着一台机床在一次装夹中完成多工序的方向发展。在这类多工序的数控机床中,必须带有自动换刀装置。自动换刀装置的功能就是储备一定数量的刀具并完成刀具的自动交换。它应当满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀具储存量足够、结构紧凑及安全可靠等要求。
    刀库类型
    根据刀库的容量和存取刀具的方式,刀库可设计成多种形式。目前常见的刀库类型如下:
    (1)盘式刀库
    图1.1盘式刀库
    此刀库结构简单,应用较多。如图1.1所示,由于刀库呈环形排列,空间利用率低,因此出现了刀具在盘中进行双环和多环排列,以增加空间的利用率的设计。但这样一来,刀库的外径较大,转动惯量也很大,选刀时间也较长。因此,盘式刀库一般适用于刀具容量较小的刀库。
    (2)链式刀库
    如图1.2所示,此钟刀库结构紧凑,刀库容量较大,链环的形状可根据机床的布局制成各种形状,也可将换刀位突出以便于换刀,能充分利用机床的占地空间,通常为轴向取刀,位置精度较低,造价也较高。
    图1.2链式刀库
    (3)格子箱式刀库
    图1.3格子箱刀库
    如图1.3所示,该种刀库结构紧凑,刀库空间利用率高,换刀时间较长。布局不灵活,通常刀库安装在工作台上,应用者较少。
    数控立式升降台铣床外观图
    数控立式升降台铣床主要由机床床身、机床数控系统、操纵面板、横向溜板、升降台、纵向进给伺服电机、横向进给伺服电机、垂直升降进给伺服电机、强电装置、变压器箱、主轴变速手柄、按钮板等零部件组成。
    关于立式升降台斗笠式自动换刀装置的设计,其主要由刀库横移装置和刀库分度装置组成。因此,本设计基本上就是对这两个装置的设计。
    刀库的横移装置,是在进行换刀的整个过程中,刀库从远离主轴的位置直线移动到主轴轴线位置,以实现换刀。斗笠式刀库横移装置,由两根圆柱导轨(滑杆)支撑,每根圆柱导轨由两个支架固定在连接板上,连接板固定在机床立柱上,实现刀库与机床立柱的连接。整个刀库可以在两根圆柱导轨上滑动,实现刀库前后运动,以完成抓刀和返回动作。
    斗笠式自动换刀装置其刀库横移装置采用气压传动,而刀库分度装置则采用槽轮机构来实现。
    最终设计最优方案如下效果图:
    图2.2三维效果图
    2.3斗笠式刀库结构组成及工作原理
    图2.3斗笠刀库总体结构示意图
    刀库横移装置的设计:
    刀库刀盘的横向移动是使用气压传动机构来实现的。如图2.2所示,机床箱体上安装有两个平行的导杆9。刀库刀盘安装在刀盘基座10上,刀盘基座10安装在这两个导杆9上并可以沿着导杆9作横向移动。同时,气缸7固定安装在机床箱体上,刀盘基座10与气缸7中的柱塞8固定连接。通过柱塞8的横向移动来实现刀盘基座10的横向移动,从而带动刀盘在初始位置和换刀位置之间的切换运动。气缸7上装有两个磁环开关,当左端磁环开关亮时,气缸处于原始状态;当右端磁环开关亮时,气缸处于推出信号状态,这时柱塞会右移,刀盘会移动到换刀位置。
    刀库分度装置的设计:
    本文设计的斗笠式刀库的分度装置,如图2.2所示,由电机6、连接轴5、法兰盘3,刀库鼓轮1、分度盘4、圆柱滚子2等零部件组成,分度装置的电机连接轴5的轴线与分度盘4、刀库鼓轮1的回转轴线平行。刀库选刀时,首先由刀库回转电机得到旋转指令,连接轴5通过轴套带动法兰盘3旋转,从而使在法兰盘3上的圆柱滚子2绕法兰中心转动;当圆柱滚子2转动一定角度,进入分度盘4的分度槽中,拨动分度盘4开始作转位运动;当分度盘4转过一定的角度后,圆柱滚子2从分度槽中脱出,刀库鼓轮1(分度盘通过螺钉与刀库鼓轮连在一起转动)即静止不动。
    法兰盘3每回转一圈,就驱动分度盘4转过一个槽。电机是连续匀速运动的,从而带动法兰盘3与圆柱滚子2连续匀速转动。但圆柱滚子2是间断性的转入分度槽的,从而使刀库轮毂得到周期性间歇运动,起到了刀库的分度作用。分度盘4与刀库鼓轮1同轴,分度盘4的分度槽数与刀库鼓轮1上的刀数一致。法兰盘3不断回转,分度盘4就不停地进行分度,刀库鼓轮1就不断重复上述的运动循环,从而将下一个工序所需刀具的刀位转到换刀位置上,以便让主轴进行换刀,实现刀库的自动换刀。
    刀夹作用
    刀夹是刀库的重要组成部分,整个换刀过程不仅仅需要刀库横移装置、刀库分度装置,更重要的是刀库与机床主轴之间刀具的交换过程。由于本刀库是斗笠式刀库,通常使用的是无机械手换刀,所以合理的刀夹在刀库更换刀具过程中显得更为重要。无机械手换刀,刀夹的设计理念要满足两个要求:一是在机床主轴靠近刀夹时,要通过合理的机构使刀夹因机床主轴的靠近而松刀;二是在机床主轴远离刀夹时,刀夹能够自动复位。正如图4.1,该锁紧机构的作用正好满足这两个要求。
    图4.1锁紧机构
    4.2.2刀夹工作原理
    在无刀状态下,两刀夹在夹紧弹簧的作用下,驱闭合状态。当接到换刀指令
    时,刀库回转体将位于其上的空刀夹单元转至刀库换刀点,这时位于机床主轴前端的刀具释放块跟随主轴快速移动到刀库换刀点,在刀具释放块的引导斜面作用下,将位于刀库回转体上刀夹单元的解锁销钉打开,所需换刀的刀具在主轴的夹持下,与主轴一同移动到换刀点。这时两刀夹在夹紧弹簧的作用下,将刀具夹紧。此时主轴松开刀柄向后移动,与此同时位于刀夹单元后端的解锁销钉在锁刀弹簧
    图4.2刀夹单元示意图
    的作用下,将解锁销钉上的斜面紧紧推靠在刀夹后端的两侧斜面上,完成锁刀动作(如图4.1所示)。刀库回转体将所需要的刀具转至刀库换刀点,主轴向前移动,主轴前端的刀具释放块将解锁销钉打开,同时主轴夹紧刀柄。主轴取到所需要的刀具后,主轴前端的刀具释放块跟随主轴一同向外移动离开刀库,当刀具释放块的引导斜面离开解锁销钉时,解锁销钉在锁刀弹簧的作用下回到原位,进行刀具锁紧,刀库回转体转回刀库原位,刀库完成一次换刀循环。

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