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斗笠式刀库的容刀量与分度装置的运动分析


专题报道
金属加工 / 工具 / 工艺 / 工装
SPECIAL REPORT

斗笠式刀库的容刀量与分度装置的运动分析
张宇 1, 夏晓平 2 (1.常州工学院 机电工程学院, 江苏 常州 213002; 2.常州工程职业技术学院 机电工程学院, 江苏 常州 213000 )



加工

中心斗笠式刀库分度装置由刀库鼓轮 、 分度盘、 定位法兰、 滚子等零部件组成, 采用分度电机驱动, 定位法 要:

兰每回转一圈, 分度盘反向转过一个刀位,从而使刀库轮毂得到周期性间歇运动, 起到刀库的转位分度作用。 其分度槽槽 数 (容刀量 ) 越多, 刀库转位越平稳, 另一方面, 槽数的增加会导致刀库尺寸的增加。因此, 正确合理地选择刀库容量就显 得尤为重要。 容刀量; 分度盘; 定位法兰; 运动分析 关键词: 中图分类号: TG659 文献标识码: A

文章编号: 1002-2333 (2009 ) 01-0035-02
XIA Xiao-ping2

Analysis of Tool Capacity and Dividing Device’ s Action in the Bamboo Hat ATC
ZHANG Yu1,
(1.School of Mechatronic Engineering , Changzhou Institute of Technolog, Changzhou 213002, China; 2 .School of Mechanical Engineering, Institute of Engineering Technology, Changzhou 213000, China)

Abstract: The bamboo hat ATC of machine centre is made up of tool wheel, dividing disk, position flange and roller. It is divided by dividing motor. Dividing disk rotates one tool room while position flange rotates one circle. It makes tool wheel gain a periodical intermittent rotating action, and the ATC gains a dividing action. The more dividing slot, the more stably ATC rotates. Otherwise the increment of slots leads to increment of size of ATC. So it is very important to exactly select the tools capacity of ATC. Key words : tools capacity; dividing disk; position flange; action analyze

刀库换刀的形式有机械手换刀和无机械手换刀两 种。在无机械手换刀方式中, 刀库可以是圆盘式、 直线排 列式, 也可以是格子箱式等。 无机械手换刀方式中特别需 要注意的是刀库转位定位的准确度。圆盘式刀库容量较 小, 刀库结构简单紧凑, 刀库转位、 换刀方便, 易控制。斗 笠式刀库, 顾名思义, 形状像斗笠, 结构上属于圆盘式刀 库一类, 换刀方式属于无机械手换刀系统, 它由刀库横移 装置、刀库分度选刀装置以及主轴上的刀具自动装卸机 构组成 [1]。有容量较小、 刀库结构简单紧凑、 刀库转位、 换 易控制等特点, 在小中型加工中心中应用较多 。 刀方便、 刀库转动定位分度机构的性能好坏,直接影响刀库 的转动、 定位精度。 因此必须选择合理的转动定位分度机 构, 并进行正确地设计刀库尺寸的大小和计算其容刀量。 刀库分度装置的作用是将刀库中的刀具进行分度, 以达到选刀的目的。所以刀库的分度装置是加工中心刀 库的重要部件之一, 它通过精准的分度 、 定位, 使下个工 序所需的刀具定位在指定位置,保证自动换刀装置能准 确地取到刀。 目前圆盘式刀库分度装置大多采用的是单头双导程 蜗轮蜗杆传动,此传动机构在使用中可随时调整蜗轮蜗 杆的传动间隙, 实现准确的转位分度, 保证刀库工作的可 靠性, 但此传动机构较复杂, 而且单头双导程蜗轮和蜗杆 的加工较困难。 斗笠式刀库一般使用在立式加工中心上,受立式加工

中心机床尺寸大小的限制,刀库鼓轮盘尺寸一般不宜太大, 即刀库的容量不能太大。所以分度装置多数使用的是经典 的槽轮机构 (即马氏机构 ) , 该机构具有结构简单、 外形尺寸 小、 抗冲击、 在较高转速下工作平稳性较好、 机械传动效率 高、 间歇地进行分度转位并且易制造等优点, 在目前生产的 斗笠式刀库的加工中心机床上得到广泛的应用[3]。但分度 槽数多少直接影响到刀库在换刀时的柔性冲击和准确定 位。本文主要论证了分度槽数与机构运动平稳性的关系。 1 斗笠式刀库刀盘与分度装置 斗笠式刀库的分度装置是利用了外啮合槽轮机构能 把主动轴的匀速连续运动转换为从动轴的周期性间歇运 动原理设计的一种分度转位机构。该机构具体由刀库鼓轮、 分度盘、 定位法兰、 圆柱滚子等零部件组成, 分度装置的电 机输出轴轴线与定位法兰、 分度盘、 刀库鼓轮盘的回转轴 首先由刀库回转电机得到旋转 线平行。斗笠式刀库选刀时, 指令, 输入轴通过联轴器带动定位法兰旋转, 从而使在定 位法兰上的圆柱滚子回绕法兰中心转动; 当圆柱滚子转动 一定角度, 进入分度盘的分度槽中, 拨动分度盘开始作转 位运动; 当分度盘转过一定的角度后, 圆柱滚子从分度槽 中脱出, 刀库鼓轮盘 (分度盘通过螺钉与刀库鼓轮连在一 起转动见图 1 ) 即静止不动, 并由定位法兰的锁止半轴定位。 定位法兰每回转一圈驱动分度盘转过一个槽 。连续 匀速运动的电机,带动定位法兰与圆柱滚子连续匀速转 动。 但圆柱滚子是间断性地转入分度槽的, 从而使刀库轮

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2009 年第 1 期

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槽数 Z 的增加, 运动趋
电机

) 。 于平缓 (如图 3 所示 当圆柱滚子开始进入 和即将退出分度槽时, 角加速度有突变 (如图 4 所示) ,且突变的大 小 是 随 着 分度 槽 数 Z 的增加而减少。 这说明 刀库在开始选刀和选
z=8

ω2 ω1

0.7 z=8 0.6 0.5 0.4 z=12 0.3 z=15 z=18 0.2 0.1

输入轴

联轴器

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

滚子

φ1( / ° )

定位法兰 分度盘

图3

槽数与角速度变化曲线
ε 0.8 ω2 1 0.6

刀结束时, 会产生震动
刀具 刀库鼓轮

和冲击, 但分度槽数越 多, 刀库转位过程越平 稳, 产生的震动和冲击 角加 越小。从角速度、 速度变化的曲线图得 出: 槽数 Z 达到 12 (亦
图4
-80 -60

z=12 z=15 z=18 -40 -20 0

0.4 0.2
20

图1

刀库分度装置示意图

-0.2

40

60

80

φ 1( / °)

-0.4 -0.6 -0.8

毂周期性间歇运动, 起到了刀库的分度作用 (如图 1 ) 。 分度盘与刀库鼓轮同轴,分度盘的分度槽数与刀库 鼓轮上的刀数一致。 定位法兰不断回转, 分度盘就不停地 进行分度, 刀库鼓轮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。 2 刀库分度装置运动分析 刀库在换刀前首先需要选刀,选刀的过程就是使刀 库鼓轮满足一个周向间歇运动,也就是分度盘在分度的 过程中, 转位开始与转位结束位置上的瞬时角速度 ω2=0。 如图 2, 为了使圆 柱滚子能顺利进入和
定位法兰

槽数与角加速度变化曲线

即刀库的刀数为 12 ) 以上时, 分度装置分度过程就比较平 稳了, 换句话说, 此时斗笠式刀库在选刀过程中, 产生的 震动和冲击已经很小, 分度盘角速度变化不大, 刀库运动 趋于平稳 3 结 语 刀库的设计是加工中心设计的关键。采用以上方法 设计的槽轮机构驱动的斗笠式刀库可实现刀库准确的分 度回转运动, 设计中既利用了槽轮机构的优点, 又克服了 其结构本身固有的缺点, 同时采用交流伺服电机驱动, 从 而可保证较高的定位精度,同时加工中心的刀库中容刀 为保证 量的多少, 也决定了该加工中心的加工工艺范围。 加工中心能够适应并满足不同零件的多样性和复杂性的 加工工序的要求, 刀库必须具有一定的容刀量, 刀库容刀 量越大, 加工中心的适应性越好, 但是, 刀库容量越大, 刀 库尺寸就越大, 所占空间就越大, 而容量小又不平稳也达 不到使用要求。 综上所述, 在满足加工要求 、 经济实用的条件下, 应 尽量使加工中心的结构紧凑,减小加工中心的外形轮廓 尺寸, 尽量使其结构简单, 易制造, 从而降低生产加工中 心的成本。 一般应用在立式加工中心上的斗笠式刀库, 建 议采用刀库容刀量在 15~20 把刀的范围内。
[参考文献] [1] 夏向阳 .加工中心数控铣床主轴松刀卸荷装置 [J] . 制造业自动 化, 2006 (8 ) : 35-37. [2] 张建润, 卢熹, 孙庆鸿.五坐标数控龙门加工中心动态优化设计 [J] .中国机械工程, 2005, 16 (21 ) : 1949-1953. [3] 彭文.槽轮机构在加工中心鼓轮式刀库上的应用[J ] .机械工程 师, 1999 (1 ) : 43-45. [4] 夏田.数控加工中心设计[M] .北京: 化学工业出版社, 2006. [5] 沈世德.机械原理 [M] .北京: 机械工业出版社, 2005. (编辑 昊 天 )

分度盘 2φ 1 2φ 2 O2 ω2

脱出分度盘上的径向 槽,在槽口的瞬时位 置时,必须使转臂中 心线 O1O3 与分度槽的 中心 线 O3O2 垂 直 , 即 ∠O1O3O2=90°。假设:

O1 ω1 O3

圆柱滚子

图2

刀库分度装置运动简图

O1O2=a, O1O3=R1, O2O3=R,圆柱滚子从进入至脱离径向槽 这个过程, 定位法兰的转角为 2φ(即 ∠O2O1O3=φ1 ) , 分度 1 盘的转角为 2φ(即 ∠O1O2O3=φ2, 2φ2=2π/z ) , 则在直角三 2 角形 O1O2O3 中, 根据正切函数, 得: φ2=arctan λsinφ1 1-λcosφ1 式中 λ= R1 =sinφ2=sin π (z 为分度盘的槽数 ) 。 a z 分度机构在转位过程中, 定位法兰以匀角速度 ω1 转 动, 分度盘以角速度 ω2 反向转动, 分度盘每次分度转过 的角度与槽数 z 有严格的对应关系 (2φ2=2π/z ) , 分度盘的 角速度 ω2 为 φ2 对时间的导数: (cosφ1-λ ) ω ω2= dφ2 = λ 1 dt (1-2λcosφ1+λ2 ) 分度盘的角加速度为 [5]: (λ2-1 ) sinφ1 ω2 ε= d ω 2 = λ 1 2 dt (1-2λcosφ1+λ2 ) 定位法兰的角速度 ω1 为常数, 分度盘转位起 、 停时, 分度 盘的角速度 ω2 和分度盘的角加速度 ε 为槽数和定位法 兰拨盘转角 φ1 的函数, 当拨盘匀速转动时, 随着分度盘

作者简介: 张宇 (1963) , 女, 副教授, 主要从事数控技术方向的研究 和教学工作。 收稿日期: 2008-09-22

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