快速直取式刀庫(kù)結(jié)構(gòu)研究

李 梅 高永強(qiáng) 馬 騁

(大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧大連 116022)

刀庫(kù)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，刀庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是機(jī)床結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)階段的重點(diǎn)。本論文研究的快速直取式刀庫(kù)是大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司五軸加工中心研發(fā)項(xiàng)目組在研發(fā)新產(chǎn)品VDU1000墻式五軸加工中心時(shí)，為適應(yīng)整機(jī)結(jié)構(gòu)布局而研發(fā)的一種新的刀庫(kù)結(jié)構(gòu)。

1 主機(jī)結(jié)構(gòu)布局及刀庫(kù)結(jié)構(gòu)

VDU1000墻式五軸加工中心的結(jié)構(gòu)布局如下:

(1)機(jī)床主體結(jié)構(gòu)采用“由”型結(jié)構(gòu)，床體采用分體式U型結(jié)構(gòu)，由床身、左墻、右墻及刀庫(kù)基座組成;

(2)通過三導(dǎo)軌三滑塊支撐的橫梁在床體上前后運(yùn)動(dòng)(Y向)，起交通樞紐作用的滑板在橫梁上左右移動(dòng)(X向)，主軸箱在滑板上上下運(yùn)動(dòng)(Z向);

(3)三向進(jìn)給導(dǎo)軌均采用超高負(fù)載型的滾柱直線導(dǎo)軌，三向進(jìn)給傳動(dòng)均采用伺服電動(dòng)機(jī)通過彈性聯(lián)軸器與高速滾珠絲杠直聯(lián)的方式;

(4)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)為雙力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的A/C雙軸搖籃轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu);

(5)刀庫(kù)安裝在刀庫(kù)基座上，刀庫(kù)基座與床身聯(lián)接融為一體。

如圖1，由于床體由床身、左墻和右墻組成，并將雙軸搖籃轉(zhuǎn)臺(tái)兩側(cè)耳軸鑲嵌到機(jī)床兩側(cè)墻上，從機(jī)床前面看上去，主機(jī)架成“由”型結(jié)構(gòu)，因此，稱之為墻式五軸加工中心。VDU1000墻式五軸加工中心X/Y/Z三向?qū)к壘捎酶咚?、高剛性的高性能直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，Y向采用三導(dǎo)軌三滑塊的三點(diǎn)支撐、雙驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，Z向配置氮?dú)馄胶庋b置，提高了機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能，達(dá)到理想的動(dòng)力平衡。滾珠絲杠經(jīng)預(yù)拉伸增加了傳動(dòng)剛度，消除了部分因高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的受熱變形，從而確保了機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度。刀庫(kù)位于床身后側(cè)，既節(jié)省空間，又有效減少換刀時(shí)的輔助時(shí)間。

VDU1000墻式五軸加工中心主要參數(shù):X/Y向行程1 100 mm，Z向行程750 mm，A軸擺角范圍(繞X軸擺動(dòng))±130°，C軸旋轉(zhuǎn)角范圍(繞Z軸旋轉(zhuǎn))360°，工作臺(tái)面直徑φ1 150 mm，工作臺(tái)最大載重2 000 kg。

對(duì)于墻式五軸加工中心，刀庫(kù)所在的位置以及結(jié)構(gòu)型式直接影響機(jī)床的生產(chǎn)效率?？焖僦比∈綋Q刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是為滿足墻式五軸加工中心結(jié)構(gòu)布局的要求以及高速切削、快速換刀、低噪聲的要求，根據(jù)墻式五軸加工中心的自身特點(diǎn)，自主研發(fā)的一種刀庫(kù)結(jié)構(gòu)形式。如圖2所示。

2 刀庫(kù)的原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能指標(biāo)

2.1 刀庫(kù)原理

快速直取式刀庫(kù)是一種無臂式換刀裝置，由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過減速機(jī)降速，再由與減速機(jī)直聯(lián)的小齒輪帶動(dòng)與大齒輪剛性連接的刀盤來實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)換刀動(dòng)作。刀庫(kù)的環(huán)形刀盤通過七組小型聚氨酯軸承支撐單元支撐，支撐單元與刀庫(kù)基座剛性連接安裝在床身上，七組小型聚氨酯軸承支撐單元替代了大型的支撐軸承，既縮小了空間，也降低了成本。

刀庫(kù)換刀時(shí)間是體現(xiàn)加工中心高速度的一個(gè)重要參數(shù)，它是機(jī)床輔助時(shí)間的主要組成部分，直接關(guān)系到機(jī)床的加工效率。VDU1000墻式五軸加工中心主軸松拉刀和刀具交換兩個(gè)動(dòng)作相互獨(dú)立，它們有各自的動(dòng)力源，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)通過電信號(hào)控制兩者相互動(dòng)作的時(shí)間和順序(即電子互鎖)。

換刀順序簡(jiǎn)圖如圖3所示。

其動(dòng)作順序如下:

(1)主軸移動(dòng)到換刀點(diǎn)，即X=550 mm、Y=1 100 mm、Z=552.5 mm位置處，此時(shí)系統(tǒng)發(fā)出換刀動(dòng)作開始信號(hào)。

(2)刀庫(kù)防護(hù)門打開，同時(shí)刀庫(kù)轉(zhuǎn)至主軸已有刀具即將送回的刀位(32把HSK A100刀庫(kù)每回轉(zhuǎn)一個(gè)刀位，電動(dòng)機(jī)回轉(zhuǎn)4.562 5 r)。

(3)主軸沿Y軸向刀庫(kù)方向移動(dòng)400 mm，將主軸上現(xiàn)有刀具送回刀庫(kù)刀位。

(4)主軸松刀并沿Z軸向上移動(dòng)至刀具完全拔出，主軸沿Z軸向上移動(dòng)80 mm(HSK A100刀柄頂端至主軸結(jié)合面長(zhǎng)度為50 mm)。

(5)刀庫(kù)就近回轉(zhuǎn)至被選取刀位，主軸沿Z軸向下移動(dòng)80 mm，抓刀并拉緊。

(6)主軸沿Y軸向遠(yuǎn)離刀庫(kù)方向移動(dòng)400 mm，將刀具移出刀庫(kù)并移動(dòng)至換刀點(diǎn)。

(7)刀庫(kù)防護(hù)門關(guān)閉，同時(shí)系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，換到結(jié)束。

換刀時(shí)，由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)回轉(zhuǎn)至系統(tǒng)指定的刀位，由主軸來完成換刀動(dòng)作。主軸沿Y、Z向移動(dòng)以及刀庫(kù)回轉(zhuǎn)選刀位都是由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)來完成，因此，整個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)速度快，刀具交換時(shí)間短，換刀動(dòng)作高速、平穩(wěn)、流暢。

2.2 刀庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

刀庫(kù)結(jié)構(gòu)剖視圖如圖4所示。小型聚氨酯軸承支撐單元結(jié)構(gòu)放大視圖如圖5所示。小齒輪箱結(jié)構(gòu)放大視圖如圖6所示。

將七組小型聚氨酯軸承3和銷軸14以及小型聚氨酯軸承8和偏心軸7與支座10組裝好后，加上調(diào)整墊15安裝在刀庫(kù)基座上;小齒輪箱安裝好安裝在基座上;將齒輪刀庫(kù)的環(huán)形刀盤1和大齒輪2剛性連接體放置在七組小型聚氨酯軸承支撐單元上，通過配磨調(diào)整墊15，使安裝在刀盤1上的由卡爪11、定位塊12和刀套架13組裝成的刀套組件(HSK A100刀庫(kù)32組刀套)處于同一水平面上;再通過配磨調(diào)整墊23，使小齒輪與大齒輪上齒面保持平齊。接下來調(diào)整偏心軸7，使大、小齒輪良好嚙合，七組小型聚氨酯軸承8與刀盤1完全抵緊;最后將銷軸4、小型聚氨酯軸承5與支架6組裝好，加上調(diào)整墊9安裝在支座10上，通過配磨調(diào)整墊9，使小型聚氨酯軸承5壓緊刀盤。

表1 刀庫(kù)性能指標(biāo)

表2 刀庫(kù)實(shí)際的考核指標(biāo)

2.3 刀庫(kù)的性能指標(biāo)

(1)根據(jù)主機(jī)的設(shè)計(jì)要求，確定刀庫(kù)的性能指標(biāo)如表1所示。

通過校核計(jì)算及選型，確定了刀庫(kù)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力參數(shù)和執(zhí)行元件規(guī)格。減速機(jī)減速比為20，設(shè)計(jì)齒輪的傳動(dòng)比為7.3，因此，32把HSK A100刀庫(kù)，每回轉(zhuǎn)一個(gè)刀位，電動(dòng)機(jī)回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)為:

(2)根據(jù)產(chǎn)品樣機(jī)試驗(yàn)，刀庫(kù)的實(shí)際考核指標(biāo)如表2所示。

總之，快速直取式刀庫(kù)是一種無臂式換刀裝置，刀庫(kù)由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其環(huán)形刀盤通過七個(gè)小型聚氨酯軸承支撐單元支撐，支撐單元與刀庫(kù)基座剛性連接安裝在床身上，七組小型聚氨酯軸承支撐單元替代了大型的支撐軸承，既縮小了空間，也降低了成本，每臺(tái)可降低成本萬元以上，是具有創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的低成本高性能刀庫(kù)，使整機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊。整個(gè)結(jié)構(gòu)具有運(yùn)行平穩(wěn)、流暢、噪聲低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

［1］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［2］馮辛安.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［3］蘇金明，阮沈勇，王永利.MATLAB工程數(shù)學(xué)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.