摘要：本文介紹的是數(shù)控立式升降臺銑床斗笠式自動換刀裝置的設(shè)計。斗笠式刀庫的自動換刀裝置主要由刀庫橫移裝置和刀庫分度裝置組成。其自動換刀的形式為無機械手換刀，換刀過程中刀盤需要橫向移動到合適的位置使機床主軸便于與刀庫交換刀具。刀庫的選刀方式為任意選刀，換刀過程中，刀盤需要轉(zhuǎn)動從而進行選刀，這就需要刀庫分度裝置對裝有刀具的刀盤進行分度，并且利用接觸傳感器對刀具進行計數(shù)，并把所得的電信號傳遞給數(shù)控系統(tǒng)，從而實現(xiàn)刀具的快速準(zhǔn)確選擇。在本設(shè)計中，刀庫橫移裝置的設(shè)計利用的是氣壓傳動機構(gòu)來實現(xiàn)刀庫的橫移運動；而刀庫分度裝置的設(shè)計利用的是槽輪機構(gòu)對刀盤進行分度。

1.2 數(shù)控銑床分類

1.2.1 數(shù)控立式銑床

這類銑床一般用于加工盤、套、板類零件，工件一次裝夾后，可對其表面上進行銑、鉆、擴、锪、攻螺紋等以及側(cè)面的輪廓加工。因此，這類銑床是數(shù)控銑床中數(shù)量最多的一種，應(yīng)用范圍也最為廣泛。從機床數(shù)控系統(tǒng)控制的坐標(biāo)數(shù)量來看，目前三坐標(biāo)數(shù)控立式銑床仍占大多數(shù)。一般可進行三坐標(biāo)聯(lián)動加工，但也有部分機床只能進行三坐標(biāo)中的任意二個坐標(biāo)聯(lián)動加工。此外，還有機床主軸可以繞X、Y、Z坐標(biāo)軸中其中一個或兩個軸作數(shù)控擺角運動的四坐標(biāo)和五坐標(biāo)數(shù)控立式銑床。一般來說，機床控制的坐標(biāo)軸越多，特別是要求聯(lián)動的坐標(biāo)軸越多，機床的功能、加工范圍及可選擇的加工對象也越多。但隨之而來的是機床的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，對數(shù)控系統(tǒng)的要求更高，編程的難度更大，設(shè)備的價格也更高。

1.2.2 數(shù)控臥式銑床

這類數(shù)控銑床一般都帶有回轉(zhuǎn)工作臺，工件一次裝夾后可完成除安裝面和頂面以外的其余四個面的各種工序加工，適宜于箱體類零件加工。與通用臥式銑床相同，其主軸平行于水平面。為了擴大加工范圍和擴大功能，臥式數(shù)控銑床通常采用增加數(shù)控轉(zhuǎn)盤或萬能數(shù)控轉(zhuǎn)盤來實現(xiàn)4、5坐標(biāo)加工，這樣，不但工件側(cè)面上的連續(xù)回轉(zhuǎn)輪廓可以加工出來，而且可以實現(xiàn)在一次安裝中，通過轉(zhuǎn)盤改變工位，進行“四面加工”，可以省去許多專用夾具或?qū)Ｓ媒嵌瘸尚豌姷丁?/p>

1.2.3 萬能數(shù)控銑床

這類銑床主軸可以旋轉(zhuǎn)90o或回轉(zhuǎn)工作臺帶著工件旋轉(zhuǎn)90o，一次裝夾后，可以完成對工件五個表面的加工。其使用范圍更廣，功能更全，選擇加工的對象和余地更大，給用戶帶來了很多方便，特別是當(dāng)生產(chǎn)批量小，品種較多，又需要立臥兩種方式加工時，用戶只需買一臺這樣的機床就行了。

1.2.4 龍門式數(shù)控銑床

這類數(shù)控銑床主軸可以在龍門架的橫向和豎直方向溜板上運動，而龍門架則沿床身作縱向運動。嚴(yán)格說來，這類數(shù)控銑床屬于立式數(shù)控銑床，因要考慮到擴大行程，縮小占地面積及剛性等技術(shù)問題，所以往往采用龍門架移動式，故而這類數(shù)控銑床被稱之為龍門數(shù)控銑床。主要用于大型零件的加工。

自動換刀裝置

在零件制造過程中，大量的時間用于更換刀具，切削加工時間僅占整個工時中較小的比例。為了縮短非切削時間，提高機床的自動化程度，機床正朝著一臺機床在一次裝夾中完成多工序的方向發(fā)展。在這類多工序的數(shù)控機床中，必須帶有自動換刀裝置。自動換刀裝置的功能就是儲備一定數(shù)量的刀具并完成刀具的自動交換。它應(yīng)當(dāng)滿足換刀時間短、刀具重復(fù)定位精度高、刀具儲存量足夠、結(jié)構(gòu)緊湊及安全可靠等要求。

刀庫類型

根據(jù)刀庫的容量和存取刀具的方式，刀庫可設(shè)計成多種形式。目前常見的刀庫類型如下：

（1）盤式刀庫

圖1.1 盤式刀庫

此刀庫結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用較多。如圖1.1所示，由于刀庫呈環(huán)形排列，空間利用率低，因此出現(xiàn)了刀具在盤中進行雙環(huán)和多環(huán)排列，以增加空間的利用率的設(shè)計。但這樣一來，刀庫的外徑較大，轉(zhuǎn)動慣量也很大，選刀時間也較長。因此，盤式刀庫一般適用于刀具容量較小的刀庫。

（2）鏈?zhǔn)降稁?/p>

如圖1.2所示，此鐘刀庫結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫容量較大，鏈環(huán)的形狀可根據(jù)機床的布局制成各種形狀，也可將換刀位突出以便于換刀，能充分利用機床的占地空間，通常為軸向取刀，位置精度較低，造價也較高。

圖1.2 鏈?zhǔn)降稁?/p>

（3）格子箱式刀庫

圖1.3 格子箱刀庫

如圖1.3所示，該種刀庫結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫空間利用率高，換刀時間較長。布局不靈活，通常刀庫安裝在工作臺上，應(yīng)用者較少。

數(shù)控立式升降臺銑床外觀圖

數(shù)控立式升降臺銑床主要由機床床身、機床數(shù)控系統(tǒng)、操縱面板、橫向溜板、升降臺、縱向進給伺服電機、橫向進給伺服電機、垂直升降進給伺服電機、強電裝置、變壓器箱、主軸變速手柄、按鈕板等零部件組成。

關(guān)于立式升降臺斗笠式自動換刀裝置的設(shè)計，其主要由刀庫橫移裝置和刀庫分度裝置組成。因此，本設(shè)計基本上就是對這兩個裝置的設(shè)計。

刀庫的橫移裝置，是在進行換刀的整個過程中，刀庫從遠離主軸的位置直線移動到主軸軸線位置，以實現(xiàn)換刀。斗笠式刀庫橫移裝置，由兩根圓柱導(dǎo)軌（滑桿）支撐，每根圓柱導(dǎo)軌由兩個支架固定在連接板上，連接板固定在機床立柱上，實現(xiàn)刀庫與機床立柱的連接。整個刀庫可以在兩根圓柱導(dǎo)軌上滑動，實現(xiàn)刀庫前后運動，以完成抓刀和返回動作。

斗笠式自動換刀裝置其刀庫橫移裝置采用氣壓傳動，而刀庫分度裝置則采用槽輪機構(gòu)來實現(xiàn)。

最終設(shè)計最優(yōu)方案如下效果圖：

圖2.2 三維效果圖

2.3 斗笠式刀庫結(jié)構(gòu)組成及工作原理

圖2.3 斗笠刀庫總體結(jié)構(gòu)示意圖

刀庫橫移裝置的設(shè)計：

刀庫刀盤的橫向移動是使用氣壓傳動機構(gòu)來實現(xiàn)的。如圖2.2所示，機床箱體上安裝有兩個平行的導(dǎo)桿9。刀庫刀盤安裝在刀盤基座10上，刀盤基座10安裝在這兩個導(dǎo)桿9上并可以沿著導(dǎo)桿9作橫向移動。同時，氣缸7固定安裝在機床箱體上，刀盤基座10與氣缸7中的柱塞8固定連接。通過柱塞8的橫向移動來實現(xiàn)刀盤基座10的橫向移動，從而帶動刀盤在初始位置和換刀位置之間的切換運動。氣缸7上裝有兩個磁環(huán)開關(guān)，當(dāng)左端磁環(huán)開關(guān)亮?xí)r，氣缸處于原始狀態(tài)；當(dāng)右端磁環(huán)開關(guān)亮?xí)r，氣缸處于推出信號狀態(tài)，這時柱塞會右移，刀盤會移動到換刀位置。

刀庫分度裝置的設(shè)計：

本文設(shè)計的斗笠式刀庫的分度裝置，如圖2.2所示，由電機6、連接軸5、法蘭盤3，刀庫鼓輪1、分度盤4、圓柱滾子2等零部件組成，分度裝置的電機連接軸5的軸線與分度盤4、刀庫鼓輪1的回轉(zhuǎn)軸線平行。刀庫選刀時，首先由刀庫回轉(zhuǎn)電機得到旋轉(zhuǎn)指令，連接軸5通過軸套帶動法蘭盤3旋轉(zhuǎn)，從而使在法蘭盤3上的圓柱滾子2繞法蘭中心轉(zhuǎn)動；當(dāng)圓柱滾子2轉(zhuǎn)動一定角度，進入分度盤4的分度槽中，撥動分度盤4開始作轉(zhuǎn)位運動；當(dāng)分度盤4轉(zhuǎn)過一定的角度后，圓柱滾子2從分度槽中脫出，刀庫鼓輪1（分度盤通過螺釘與刀庫鼓輪連在一起轉(zhuǎn)動）即靜止不動。

法蘭盤3每回轉(zhuǎn)一圈，就驅(qū)動分度盤4轉(zhuǎn)過一個槽。電機是連續(xù)勻速運動的，從而帶動法蘭盤3與圓柱滾子2連續(xù)勻速轉(zhuǎn)動。但圓柱滾子2是間斷性的轉(zhuǎn)入分度槽的，從而使刀庫輪轂得到周期性間歇運動，起到了刀庫的分度作用。分度盤4與刀庫鼓輪1同軸，分度盤4的分度槽數(shù)與刀庫鼓輪1上的刀數(shù)一致。法蘭盤3不斷回轉(zhuǎn)，分度盤4就不停地進行分度，刀庫鼓輪1就不斷重復(fù)上述的運動循環(huán)，從而將下一個工序所需刀具的刀位轉(zhuǎn)到換刀位置上，以便讓主軸進行換刀，實現(xiàn)刀庫的自動換刀。

刀夾作用

刀夾是刀庫的重要組成部分，整個換刀過程不僅僅需要刀庫橫移裝置、刀庫分度裝置，更重要的是刀庫與機床主軸之間刀具的交換過程。由于本刀庫是斗笠式刀庫，通常使用的是無機械手換刀，所以合理的刀夾在刀庫更換刀具過程中顯得更為重要。無機械手換刀，刀夾的設(shè)計理念要滿足兩個要求：一是在機床主軸靠近刀夾時，要通過合理的機構(gòu)使刀夾因機床主軸的靠近而松刀；二是在機床主軸遠離刀夾時，刀夾能夠自動復(fù)位。正如圖4.1，該鎖緊機構(gòu)的作用正好滿足這兩個要求。

圖4.1 鎖緊機構(gòu)

4.2.2 刀夾工作原理

在無刀狀態(tài)下，兩刀夾在夾緊彈簧的作用下，驅(qū)閉合狀態(tài)。當(dāng)接到換刀指令

時，刀庫回轉(zhuǎn)體將位于其上的空刀夾單元轉(zhuǎn)至刀庫換刀點，這時位于機床主軸前端的刀具釋放塊跟隨主軸快速移動到刀庫換刀點，在刀具釋放塊的引導(dǎo)斜面作用下，將位于刀庫回轉(zhuǎn)體上刀夾單元的解鎖銷釘打開，所需換刀的刀具在主軸的夾持下，與主軸一同移動到換刀點。這時兩刀夾在夾緊彈簧的作用下，將刀具夾緊。此時主軸松開刀柄向后移動，與此同時位于刀夾單元后端的解鎖銷釘在鎖刀彈簧

圖4.2 刀夾單元示意圖

的作用下，將解鎖銷釘上的斜面緊緊推靠在刀夾后端的兩側(cè)斜面上，完成鎖刀動作(如圖4.1所示)。刀庫回轉(zhuǎn)體將所需要的刀具轉(zhuǎn)至刀庫換刀點，主軸向前移動，主軸前端的刀具釋放塊將解鎖銷釘打開，同時主軸夾緊刀柄。主軸取到所需要的刀具后，主軸前端的刀具釋放塊跟隨主軸一同向外移動離開刀庫，當(dāng)?shù)毒哚尫艍K的引導(dǎo)斜面離開解鎖銷釘時，解鎖銷釘在鎖刀彈簧的作用下回到原位，進行刀具鎖緊，刀庫回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)回刀庫原位，刀庫完成一次換刀循環(huán)。