適用于校平刀等大型刀具的機床刀庫設計

□ 王 銳

通用技術沈陽機床股份有限公司 沈陽 110141

1 設計背景

刀庫是加工中心的重要組成部分,是提供儲刀的位置,也是依程序的控制,正確選擇刀具加以定位,配合主軸共同完成刀具交換包括有刀和無刀切換動作的機構。

常規刀庫主要有圓盤式、鏈式、斗笠式等,且相關研究成果較多,但這些刀庫對刀具的直徑、長度和質量都有相應的限制。這些限制對于常規使用的刀具是可以滿足的,但有些時候,機床會用到一些特殊的刀具,比如校平刀,如圖1所示。

▲圖1 校平刀

校平刀是一種用來快速找正工件的工具,其末端為刀柄結構,可像常規刀具一樣連接于主軸鼻端,前端為一字型,兩端各有一個用來接觸工件的壓塊,兩壓塊其端面連線與刀柄軸線垂直。中部有彈簧和導向機構,使用時通過壓縮彈簧可增大對工件的壓力,使工件與校平刀緊密貼合,其接觸面即與主軸軸線垂直,進而快速完成對工件位置的找正,如圖2所示。校平刀通常直徑和質量較大,常規的刀庫難以滿足存儲校平刀的需求。

▲圖2 校平刀在橋殼找正過程中的應用

為解決校平刀這類大型刀具或工具的存儲和使用問題,很多目前常規的解決方案是在機床工作臺上合適位置制作一個固定支架,將校平刀通過特定裝置,如刀爪,存儲在固定支架上,需要時主軸移動到該支架位置將校平刀取走,用完后歸還原位。有研究人員通過在工作臺上安裝固定刀架的方式,解決了某型加工中心大型鏜刀的存放及使用問題。該方案雖結構簡單,成本低廉,但存在兩個主要問題。首先,工作臺面往往空間有限,很難找到合適的空間用來安裝校平刀的支架。其次,工作臺面位于加工區內,機床加工工件時該區域會有大量的冷卻液和鐵屑,鐵屑容易掛在校平刀的刀柄上,影響主軸抓刀。

為解決上訴問題,需要一種遠離加工區、配備防護機構、并可實現自動刀具取送的刀庫來滿足校平刀等大型刀具或工具的使用,為此,筆者開發了一種獨立于主刀庫之外的刀庫機構,來滿足使用要求。

2 機構介紹

筆者研發了一種用于校平刀等大型刀具或工具的獨立刀庫,以下簡稱校平刀刀庫,并在龍門機床上的應用進行具體描述,如圖3所示,校平刀刀庫結構如圖4所示,刀爪伸出狀態如圖5所示。刀庫包括刀庫底板,換刀臂通過直線導軌及滑塊與刀庫底板連接,直線導軌安裝在換刀臂上,滑塊安裝在刀庫底板上。換刀臂前端裝有調整墊及刀爪,用來夾持校平刀。換刀臂由氣缸推動,沿導軌方向帶著校平刀前后移動,換刀臂的伸出和退回均有位置檢測機構,包含伸出到位開關及支架、退回到位開關及支架、伸出到位開關簧片、退回到位開關簧片,以及有刀檢測開關及支架。

換刀臂伸出到位限位機構主要用來完成換刀臂伸出位置的準確控制,如圖6所示。限位塊經熱處理提高硬度,當換刀臂伸出到位時,限位塊與刀庫底板相接觸,阻止換刀臂繼續前進,進而完成限位。限位塊與調整支架連接,調整螺釘可將調整支架向前頂或向后拉,進而調整限位塊的準確位置,調整之后通過鎖緊螺釘將調整支架鎖緊,完成調整。要說明的是,換刀臂的退回到位可通過氣缸自身的行程極限控制,無嚴格的位置要求,所以無需額外加裝換刀臂退回到位機構。

▲圖3 校平刀刀庫在龍門機床上的應用實例

刀庫俯仰調整機構如圖7所示,主要用來調整刀庫的俯仰姿態,刀庫底板的下方前后各有一處調整機構,調整螺釘可將刀庫底板向上頂或向下拉,前后兩個調整機構共同完成對刀庫俯仰姿態的控制。

3 主軸取刀過程

主軸取刀過程如圖8所示。

第一步,主軸轉到指定角度,并移動到指定位置,即換刀點上方,換刀門打開。進行有刀開關檢測、換刀門打開到位檢測,均有信號則進行下一步,否則機床報警。

第二步,換刀臂伸出,進行換刀臂伸出開關檢測,有信號則進行下一步,否則機床報警。

第三步,主軸下移到指定位置,即換刀點,抓住刀具。主軸抓刀相關開關檢測,信號正常則進行下一步,否則機床報警。

第四步,換刀臂退回,退回到位隨后換刀門關閉。進行換刀臂退回開關檢測、刀庫門關閉到位檢測、有刀開關檢測,信號均正常則表示主軸取刀動作完成,否則機床報警。

4 主軸還刀過程

主軸還刀過程如圖9所示。

第一步,主軸轉到指定角度,并移動到指定位置,即換刀點,換刀門打開。換刀門打開到位檢測,有信號則進行下一步,否則機床報警。

▲圖4 校平刀刀庫結構▲圖5 刀爪伸出狀態▲圖6 換刀臂伸出到位限位機構

第二步,換刀臂伸出,換刀臂伸出開關檢測,有信號則進行下一步,否則機床報警。

第三步,主軸松刀。主軸松刀動作及檢測,信號正常則進行下一步,否則機床報警。

▲圖7 刀庫俯仰調整機構▲圖8 主軸取刀過程

第四步,主軸上移。

第五步,換刀臂退回,退回到位隨后換刀門關閉。進行換刀臂退回開關檢測、換刀門關閉到位檢測、有刀開關檢測,信號均正常,則表示主軸還刀完成,否則機床報警。

主軸取刀及還刀流程分別如圖10、圖11所示。

▲圖9 主軸還刀過程

▲圖10 主軸取刀流程

▲圖11 主軸還刀流程

5 其它應用實例

筆者所研發的刀庫除了可在龍門機床上應用之外,還可以廣泛應用于其它主軸在Z向移動的機床,如倒T型臥式加工中心,如圖12所示。

▲圖12 校平刀刀庫在倒T型臥式加工中心上的應用

6 結束語

筆者研發了一種適用于較大型刀具存儲和換刀的刀庫,刀庫前端安裝有刀爪,由氣缸驅動,沿直線導軌前后移動,配備完善的信號檢測功能,刀庫安裝位置遠離加工區,可配合換刀門,避免了鐵屑和冷卻液對刀具的影響,彌補了普通刀庫對某些大型刀具或工具的適應能力不足的缺點。該刀庫可廣泛應用于主軸可以在Z向移動的機床,并且已在SUC3000VM10加工中心上得到應用和驗證,效果良好。