李 梅 高永強 馬 騁

(大連機床集團有限責任公司，遼寧大連 116022)

刀庫是數(shù)控機床的重要組成部分，刀庫結構設計也是機床結構總體設計階段的重點。本論文研究的快速直取式刀庫是大連機床集團有限責任公司五軸加工中心研發(fā)項目組在研發(fā)新產品VDU1000墻式五軸加工中心時，為適應整機結構布局而研發(fā)的一種新的刀庫結構。

1 主機結構布局及刀庫結構

VDU1000墻式五軸加工中心的結構布局如下:

(1)機床主體結構采用“由”型結構，床體采用分體式U型結構，由床身、左墻、右墻及刀庫基座組成;

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

(3)三向進給導軌均采用超高負載型的滾柱直線導軌，三向進給傳動均采用伺服電動機通過彈性聯(lián)軸器與高速滾珠絲杠直聯(lián)的方式;

(4)工作臺結構為雙力矩電動機驅動的A/C雙軸搖籃轉臺結構;

(5)刀庫安裝在刀庫基座上，刀庫基座與床身聯(lián)接融為一體。

如圖1，由于床體由床身、左墻和右墻組成，并將雙軸搖籃轉臺兩側耳軸鑲嵌到機床兩側墻上，從機床前面看上去，主機架成“由”型結構，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三向導軌均采用高速、高剛性的高性能直線滾動導軌副，Y向采用三導軌三滑塊的三點支撐、雙驅動結構，Z向配置氮氣平衡裝置，提高了機床的動態(tài)性能，達到理想的動力平衡。滾珠絲杠經預拉伸增加了傳動剛度，消除了部分因高速運動產生的受熱變形，從而確保了機床的定位精度和重復定位精度。刀庫位于床身后側，既節(jié)省空間，又有效減少換刀時的輔助時間。

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)±130°，C軸旋轉角范圍(繞Z軸旋轉)360°，工作臺面直徑φ1 150 mm，工作臺最大載重2 000 kg。

對于墻式五軸加工中心，刀庫所在的位置以及結構型式直接影響機床的生產效率。快速直取式換刀系統(tǒng)結構是為滿足墻式五軸加工中心結構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，自主研發(fā)的一種刀庫結構形式。如圖2所示。

2 刀庫的原理、結構設計及性能指標

2.1 刀庫原理

快速直取式刀庫是一種無臂式換刀裝置，由伺服電動機驅動，通過減速機降速，再由與減速機直聯(lián)的小齒輪帶動與大齒輪剛性連接的刀盤來實現(xiàn)刀庫換刀動作。刀庫的環(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。

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

換刀順序簡圖如圖3所示。

其動作順序如下:

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

(2)刀庫防護門打開，同時刀庫轉至主軸已有刀具即將送回的刀位(32把HSK A100刀庫每回轉一個刀位，電動機回轉4.562 5 r)。

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

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

(5)刀庫就近回轉至被選取刀位，主軸沿Z軸向下移動80 mm，抓刀并拉緊。

(6)主軸沿Y軸向遠離刀庫方向移動400 mm，將刀具移出刀庫并移動至換刀點。

(7)刀庫防護門關閉，同時系統(tǒng)發(fā)出信號，換到結束。

換刀時，由伺服電動機驅動刀庫回轉至系統(tǒng)指定的刀位，由主軸來完成換刀動作。主軸沿Y、Z向移動以及刀庫回轉選刀位都是由伺服電動機驅動來完成，因此，整個系統(tǒng)響應速度快，刀具交換時間短，換刀動作高速、平穩(wěn)、流暢。

2.2 刀庫結構設計

刀庫結構剖視圖如圖4所示。小型聚氨酯軸承支撐單元結構放大視圖如圖5所示。小齒輪箱結構放大視圖如圖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，加上調整墊15安裝在刀庫基座上;小齒輪箱安裝好安裝在基座上;將齒輪刀庫的環(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32組刀套)處于同一水平面上;再通過配磨調整墊23，使小齒輪與大齒輪上齒面保持平齊。接下來調整偏心軸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，加上調整墊9安裝在支座10上，通過配磨調整墊9，使小型聚氨酯軸承5壓緊刀盤。

表1 刀庫性能指標

表2 刀庫實際的考核指標

2.3 刀庫的性能指標

(1)根據(jù)主機的設計要求，確定刀庫的性能指標如表1所示。

通過校核計算及選型，確定了刀庫傳動系統(tǒng)的動力參數(shù)和執(zhí)行元件規(guī)格。減速機減速比為20，設計齒輪的傳動比為7.3，因此，32把HSK A100刀庫，每回轉一個刀位，電動機回轉的轉數(shù)為:

(2)根據(jù)產品樣機試驗，刀庫的實際考核指標如表2所示。

總之，快速直取式刀庫是一種無臂式換刀裝置，刀庫由伺服電動機驅動，其環(huán)形刀盤通過七個小型聚氨酯軸承支撐單元支撐，支撐單元與刀庫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，每臺可降低成本萬元以上，是具有創(chuàng)新結構的低成本高性能刀庫，使整機結構更加緊湊。整個結構具有運行平穩(wěn)、流暢、噪聲低、結構簡單以及安裝方便等優(yōu)點。

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