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數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀系統(tǒng)產(chǎn)品化

　一、自動(dòng)換刀系統(tǒng)產(chǎn)品化的意義
　　自動(dòng)換刀系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。刀具夾持元件的結(jié)構(gòu)特性及它與機(jī)床主軸的聯(lián)結(jié)方式，將直接影響機(jī)床的加工性能。刀庫(kù)結(jié)構(gòu)形式及刀具交換裝置的工作方式，則會(huì)影響機(jī)床的換刀效率。自動(dòng)換刀系統(tǒng)本身及相關(guān)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，又會(huì)對(duì)整機(jī)的成本造價(jià)產(chǎn)生直接影響。
　　從換刀系統(tǒng)發(fā)展的歷史來(lái)看，1956年日本富士通研究成功數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床，美國(guó)IBM公司同期也研制成功了“APT”(刀具程序控制裝置)。1958年美國(guó)K&T公司研制出帶ATC(自動(dòng)刀具交換裝置)的加工中心。1967年出現(xiàn)了FMS(柔性制造系統(tǒng))。1978年以后，加工中心迅速發(fā)展，帶有ATC裝置，可實(shí)現(xiàn)多種工序加工的機(jī)床，步入了機(jī)床發(fā)展的黃金時(shí)代。1983年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了數(shù)控刀具錐柄的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)換刀系統(tǒng)便形成了統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)模式。目前國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀系統(tǒng)中，刀具、輔具多采用錐柄結(jié)構(gòu)，刀柄與機(jī)床主軸的聯(lián)結(jié)、刀具的夾緊放松機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)方式幾乎都采用同一種結(jié)構(gòu)模式。在這種模式中，機(jī)床主軸常采用空心的帶有長(zhǎng)拉桿、碟形彈簧組的結(jié)構(gòu)形式，由液壓或氣動(dòng)裝置提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)夾緊放松刀柄的動(dòng)作。利用這種機(jī)構(gòu)夾持刀具進(jìn)行數(shù)控加工的最大問(wèn)題是，它不能同時(shí)獲得高的夾持剛度和刀具振擺精度，而且主軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主軸軸向尺寸過(guò)大，加上它的液壓驅(qū)動(dòng)裝置及刀具輔具錐柄的制造成本，使得自動(dòng)換刀系統(tǒng)的造價(jià)在機(jī)床整機(jī)中占有較大的比重。據(jù)有關(guān)資料介紹，在刀具采用錐柄夾頭、側(cè)壓夾頭以及彈簧夾頭夾緊性能的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，采用彈簧夾頭夾持刀具是唯一可同時(shí)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(duì)大容量刀庫(kù)降低刀具輔具的制造成本，意義更為顯著。在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床上亦有采用彈簧夾頭作為刀具的夾持元件，但機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式仍然采用與上述錐柄刀具完全相同的結(jié)構(gòu)形式。采用這種結(jié)構(gòu)模式，在實(shí)際數(shù)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(méi)有足夠的換刀空間的微細(xì)加工場(chǎng)合中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀將會(huì)是很困難的，如果實(shí)施自動(dòng)換刀那將使機(jī)床成本大幅度提高。如在CNC控制磨削球面銑刀的數(shù)控磨削機(jī)床上，直接由高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸，使用小直徑盤(pán)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀。國(guó)外最新研制的內(nèi)圓磨床上采用的彈簧夾頭自動(dòng)換刀裝置售價(jià)昂貴。
　　二、自動(dòng)換刀系統(tǒng)產(chǎn)品化的技術(shù)問(wèn)題
　　為了更好地簡(jiǎn)化數(shù)控機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)，盡可能地減小換刀機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來(lái)的影響，采用彈簧夾頭這一理想的刀具夾持元件，在機(jī)床主軸的設(shè)計(jì)上除了軸端制作出與彈簧夾頭聯(lián)結(jié)的專用結(jié)構(gòu)外，機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)完全可以根據(jù)其優(yōu)化要求來(lái)確定，從而可最大限度地提高機(jī)床主軸的工作性能。本研究以它巧妙的構(gòu)思，對(duì)換刀機(jī)械手、刀具交換裝置、刀庫(kù)結(jié)構(gòu)形式以及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了新的設(shè)計(jì)，改變了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式。在本項(xiàng)研究中要解決的主要問(wèn)題有：
　　研究適用于機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)并能滿足自動(dòng)換刀要求的高性能彈簧夾頭結(jié)構(gòu)模式
　　彈簧夾頭的結(jié)構(gòu)及其制造工藝的優(yōu)化程度直接影響著它的使用性能。用于自動(dòng)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(diǎn)，而且還必須具有足夠的夾持剛度，同時(shí)便于刀具的軸向精確定位。
　　研究確定彈簧夾頭與機(jī)床主軸頭部可靠聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)方案
　　彈簧夾頭與主軸采用軸頭聯(lián)結(jié)，這種聯(lián)結(jié)方式完全不影響機(jī)床主軸自身的優(yōu)化設(shè)計(jì)。彈簧夾頭對(duì)定尺寸柄刀具或定尺寸柄輔具的夾緊放松動(dòng)作采用主軸軸端外驅(qū)動(dòng)工作方式。因此要研究滿足以上要求的主軸軸端結(jié)構(gòu)形式。
　　換刀機(jī)械手與驅(qū)動(dòng)裝置的研究
　　換刀機(jī)械手的主要任務(wù)是，完全模擬人手的換刀動(dòng)作，給機(jī)床主軸與彈簧夾頭提供相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾緊、放松刀具的動(dòng)作。機(jī)械手應(yīng)具備足夠的轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩還必須恒定(可調(diào))。同時(shí)還應(yīng)使機(jī)械手具備結(jié)構(gòu)緊湊、占據(jù)空間小的特點(diǎn)，以適應(yīng)不同類型機(jī)床的換刀空間。換刀機(jī)械手完全采用電磁機(jī)械傳動(dòng)，以求最大限度地降低自動(dòng)換刀系統(tǒng)的成本造價(jià)。
　　刀庫(kù)結(jié)構(gòu)及刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)方式的研究
　　要在總結(jié)現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床刀庫(kù)類型、刀架結(jié)構(gòu)、刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)方式的基礎(chǔ)上，研制出夾持圓柱形定尺寸柄刀具或輔具的刀庫(kù)形式、刀架結(jié)構(gòu)和刀具交換裝置。同時(shí)包括刀庫(kù)的驅(qū)動(dòng)、定位機(jī)構(gòu)、刀具編碼方式的研究。
　　智能型控制系統(tǒng)的研究
　　自動(dòng)換刀系統(tǒng)采用單片機(jī)或PLC控制，它通過(guò)幾條與主控機(jī)的聯(lián)絡(luò)信號(hào)線以及系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的自診斷、自適應(yīng)功能實(shí)現(xiàn)對(duì)換刀系統(tǒng)的全自動(dòng)控制管理。
　　本研究已取得了階段性成果，并獲得了國(guó)家專利。該項(xiàng)研究包括：采用高性能彈簧夾頭夾持刀具，使用外驅(qū)動(dòng)機(jī)械手完成刀具的夾緊、放松，系統(tǒng)配置擴(kuò)展型鏈?zhǔn)降稁?kù)和刀具交換裝置，整機(jī)采用電磁機(jī)械傳動(dòng)、PLC控制，換刀系統(tǒng)具有夾緊力大、夾緊力恒定(可調(diào))、自動(dòng)復(fù)位以及各種自檢保護(hù)功能，同時(shí)具有占據(jù)空間小的特點(diǎn)。研究的最終目標(biāo)是，期望能夠形成一種結(jié)構(gòu)緊湊、工作穩(wěn)定可靠、造價(jià)低廉、可供不同類型數(shù)控機(jī)床選型配套的智能型高性能自動(dòng)換刀系統(tǒng)系列產(chǎn)品。
　　三、自動(dòng)換刀系統(tǒng)產(chǎn)品化的前景
　　隨著機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對(duì)于帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的高效高性能加工中心的需求量越來(lái)越大。在現(xiàn)有的各種類型的加工中心中，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)的造價(jià)在機(jī)床整機(jī)造價(jià)中總是占著很大比重，這是加工中心價(jià)格居高不下、應(yīng)用不普遍的重要原因。如果把自動(dòng)換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造從現(xiàn)有加工中心的制造模式中分離出來(lái)，把它作為加工中心的標(biāo)準(zhǔn)件或附件組織專門化的生產(chǎn)，同時(shí)由于該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用簡(jiǎn)化了機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)、采用彈簧夾頭和外驅(qū)動(dòng)機(jī)械手等關(guān)鍵技術(shù)、采用圓柱柄刀具和輔具，這不僅使數(shù)控機(jī)床工作性能有所提高，而且使得由它配套構(gòu)成的加工中心的總體造價(jià)大幅度下降。低造價(jià)高性能的加工中心將會(huì)被中小廠廣泛接收，這樣必將給自動(dòng)換刀系統(tǒng)生產(chǎn)廠商和加工中心制造廠商帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
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