摘要：介紹了在普通數(shù)控臥式車床上安裝刀庫，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下刀的關(guān)鍵技術(shù)。闡述了普通數(shù)控車床自動(dòng)換刀技術(shù)的開發(fā)背景及設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。所研制的技術(shù)已成功用于生產(chǎn)。
1臥式車床自動(dòng)換刀技術(shù)的開發(fā)背景
自從20世紀(jì)50年代美國研制出*臺(tái)數(shù)控機(jī)床以來，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展、數(shù)控系統(tǒng)的不斷更新?lián)Q代，數(shù)控機(jī)床的品種、產(chǎn)量和性能也有了突飛猛進(jìn)的提高。特別是近20年，數(shù)控機(jī)床更是朝著高速、、智能、環(huán)保的方向發(fā)展，各種高性能數(shù)控機(jī)床和加工中心已經(jīng)將數(shù)控技術(shù)發(fā)揮到了極至，成為各國的工業(yè)技術(shù)水平和國家整體實(shí)力的象征。
我國數(shù)控機(jī)床的研制雖然也起步于20世紀(jì)50年代，但由于數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性不過關(guān)，一直處于徘徊不前的局面，直到80年代，在引進(jìn)了國外的數(shù)控系統(tǒng)和伺服技術(shù)后才進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展階段，到目前為止，我國已有幾十個(gè)廠家在從事不同層次的數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)與開發(fā)，但技術(shù)卻一直處于世界的中端水平，性能和品種也一直在跟著發(fā)達(dá)國家亦步亦趨，沒有自己的主張。尤其是數(shù)控車床的整體自動(dòng)化程度不高，很多機(jī)床產(chǎn)品仍以人工手動(dòng)操作為主，造成零件加工周期長，人為因素大，穩(wěn)定性低等不可彌補(bǔ)的缺點(diǎn)。
另一方面，隨著國內(nèi)外制造業(yè)市場(chǎng)需求的變化和現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品技術(shù)的革新,機(jī)床上被加工件形狀越來越復(fù)雜，尺寸精度、形位公差和加工工藝性要求也越來越高，這就對(duì)機(jī)床的刀架加工能力和機(jī)床的布局提出了更高的要求。對(duì)于一些復(fù)雜的零件，需要包括外圓刀，內(nèi)圓刀等至少十多把不同的刀具才能完成對(duì)其的加工，而普通的數(shù)控臥式車床常用的臥式刀架zui多只有十二工位，因加工工件的不同，刀架上刀具的布置存在干涉，這樣，一般情況下，刀架上zui多只能布置十把刀具，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足零件的加工要求?，F(xiàn)存的解決方法只能是在多臺(tái)機(jī)床上分序加工，而這樣不僅會(huì)增加用戶的制造成本，而且在不同的機(jī)床上加工，會(huì)造成尺寸精度、形位公差不準(zhǔn)，穩(wěn)定性不高等嚴(yán)重的質(zhì)量問題。
經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床技術(shù)顯然已經(jīng)非常成熟、品種也已經(jīng)非常豐富、產(chǎn)量達(dá)到每年數(shù)十萬臺(tái)，而保有量已經(jīng)達(dá)到了數(shù)百萬臺(tái)。盡管產(chǎn)量和保有量都很巨大，但能夠滿足在同一機(jī)床上實(shí)現(xiàn)十幾序加工，又能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀的數(shù)控臥式車床，不論在國內(nèi)還是在國外，都還基本上處于空白狀態(tài)。之所以這樣講，是因?yàn)閷?duì)于臥式數(shù)控車床來說，其布局緊湊，加工區(qū)域小，刀庫很難布置，而且臥式刀架的特殊結(jié)構(gòu)，決定在其上幾乎不可能安置拉刀機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下刀的功能。而對(duì)于一些加工內(nèi)孔槽的零件來說，數(shù)控立式車床又難以解決其排屑困難的問題，造成被加工工件內(nèi)部鐵屑堆積，影響零件的表面光潔度。因此，臥式車床的自動(dòng)換刀技術(shù)的研制勢(shì)在必行。
我廠研制的htc63150n大型臥式斜床身數(shù)控車床實(shí)現(xiàn)了在普通臥式斜床身數(shù)控車床上安裝刀庫，并對(duì)立式刀架自動(dòng)換刀。它一方面解決了普通臥式車床安裝刀庫難，換刀空間有限的問題，另一方面針對(duì)復(fù)雜的被加工零件多為盤類件的特點(diǎn)，將臥式刀架換為立式刀架，有效的避免了臥式刀架本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)造成的自動(dòng)換刀難的問題。這樣，對(duì)于復(fù)雜的盤類零件來說，臥式車床可以解決立式車床排屑困難，影響加工內(nèi)表面的問題；安裝刀庫和立式刀架，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)換刀，解決了加工工序繁多，布刀困難的問題。
htc63150n大型臥式斜床身數(shù)控車床不僅是針對(duì)食品機(jī)械行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)而開發(fā)的大型通用數(shù)控設(shè)備，同時(shí)也可用于其他行業(yè)，例如：軋鋼行業(yè)、發(fā)電行業(yè)、石油行業(yè)等行業(yè)中大型盤類零件的加工。
2關(guān)鍵技術(shù)的研究開發(fā)
對(duì)于臥式數(shù)控車床來說，其布局緊湊，加工區(qū)域小，床身45°斜角致使刀具與水平面亦成45°斜角。因此刀庫的布置，刀具的傳遞，刀具角度的zui終的確定都是臥式斜床身數(shù)控車床的難點(diǎn)。
2.1刀具傳遞方式和刀具角度確定的研究
經(jīng)過周密的布置和精心的演算，并通過三維仿真模擬核對(duì)，刀具的傳遞路線為機(jī)械手1從刀庫抓刀后，將刀具放置與可旋轉(zhuǎn)的過渡刀座上，油缸將此刀座和刀具送至機(jī)械手2處，機(jī)械手2再將刀具送至改裝后的刀架上的拉刀裝置內(nèi)。其間的所有動(dòng)作受數(shù)控系統(tǒng)控制，均由伺服電機(jī)和液壓油缸完成。
具體動(dòng)作過程為刀庫通過支架垂直于地面安裝在機(jī)床右側(cè)，刀具軸線與主軸軸線平行。支架上安裝有小支架和底座，其中小支架上布置有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其上的軸上裝有被拉桿式油缸控制翻轉(zhuǎn)的過渡刀座；而底座上面固定有機(jī)械手，機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)定位通過電機(jī)實(shí)現(xiàn)，伸縮靠其內(nèi)部的油缸完成。床身尾座導(dǎo)軌的底座通過底板被固定，底座上同樣固定有機(jī)械手，其工作原理同于上面所提的機(jī)械手。具體機(jī)構(gòu)見圖2，圖3。
當(dāng)加工工步結(jié)束后執(zhí)行換刀指令，主軸實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)停，此時(shí)操作指令使刀庫運(yùn)轉(zhuǎn)，將所需刀具運(yùn)轉(zhuǎn)至換刀工位，裝夾刀具的卡爪打開。機(jī)械手將所需刀具抓起，手臂旋轉(zhuǎn)，將刀具送至過渡刀座，在油缸的作用下，刀座帶動(dòng)刀具在軸上旋轉(zhuǎn)，使刀具的軸線與刀架上的拉刀裝置軸線平行。運(yùn)動(dòng)裝置將刀具送至另一機(jī)械手處，機(jī)械手將刀具抓起，手臂旋轉(zhuǎn)，此時(shí)立式刀架在z軸電機(jī)的帶動(dòng)下，停至機(jī)械手處。機(jī)械手在內(nèi)部油缸的作用下松開卡爪，將刀具送入拉刀裝置中，拉刀機(jī)構(gòu)將刀具拉緊，至此，刀具從刀庫到機(jī)械手，機(jī)械手到運(yùn)動(dòng)裝置，運(yùn)動(dòng)裝置再到機(jī)械手，機(jī)械手到刀架的過程結(jié)束，完成一次上刀。圖4為刀具換刀裝置外觀。
2.2刀具定位方式的研究
臥式刀架的特殊結(jié)構(gòu)，決定在其上幾乎不可能安置拉刀機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下刀的功能。該機(jī)床選用煙臺(tái)產(chǎn)立式刀架，通過改造，將自制配油裝置和拉刀裝置安裝在刀架上。選用瑞典sandvikcoromant公司的coromantcapto的拉刀機(jī)構(gòu)組件，配油器為拉刀機(jī)構(gòu)提供動(dòng)作的動(dòng)力。需要換刀時(shí)，機(jī)械手將刀具送至刀架拉刀機(jī)構(gòu)處，數(shù)控系統(tǒng)指令控制配油器為拉刀機(jī)構(gòu)提供油壓，拉刀機(jī)構(gòu)拉緊或松開刀具柄。圖4為刀具定位裝置示意圖。
3應(yīng)用效果
圖5是為某用戶加工復(fù)雜盤類零件而安裝的自動(dòng)上下刀具裝置。此刀庫、機(jī)械手，以及刀架上的拉刀機(jī)構(gòu)，充分運(yùn)用了臥式車床的空間，在實(shí)現(xiàn)原理、鏈接環(huán)節(jié)等方面都進(jìn)行了周密的設(shè)計(jì)和合理的計(jì)算，保證了運(yùn)轉(zhuǎn)過程的*。
4適合加工工件范圍
復(fù)雜的盤類零件，需要包括外圓刀，內(nèi)圓刀等至少十多把不同的刀具才能完成對(duì)其的加工。
此類機(jī)床采用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，可滿足大小不同的各種盤類零件的粗精加工的需求。
5結(jié)束語
普通數(shù)控臥式車床的自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)制造應(yīng)時(shí)代和市場(chǎng)需求而生。2010年4月投入用戶生產(chǎn)中，用于生產(chǎn)碟式分離機(jī)和臥螺機(jī)上的關(guān)鍵零件轉(zhuǎn)鼓體和轉(zhuǎn)鼓蓋的粗精加工。換刀裝置精度穩(wěn)定，性能可靠，剛性好，效率高，設(shè)備投入少，生產(chǎn)成本低，操作維護(hù)簡便。該裝置能替代立車滿足復(fù)雜盤類零件的加工，*市場(chǎng)空白，滿足用戶要求。
普通數(shù)控臥式車床的自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)制造的成功，是我們將臥式車床結(jié)構(gòu)、刀庫機(jī)構(gòu)、自動(dòng)拉刀機(jī)構(gòu)等一起應(yīng)用的嘗試，也是臥式車床代替立式車床加工復(fù)雜盤類零件的一次實(shí)踐。對(duì)于本文及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的錯(cuò)誤和不足請(qǐng)予以批評(píng)指正，以便我們進(jìn)一步提高服務(wù)社會(huì)的能力。
（作者：沈一車床廠 宋春麗 孟凡彪）