（机械制造及其自动化专业论文）大型龙门机庆自动换刀技术研究.pdf

硕士论文大型龙门机床自动换7 1 枯木研究 摘要 自动换刀装置是加工中心的重要辅助加工装置，其内部高速功能部件的发展与应用 极大地提高生产效率。在实际加工中，生产商要求更高的切削速度和逐步缩短换刀时间， 换刀速度也相应地成为当代加工中心水平高低的重要指标。为了适应机床业高速发展和 客户不断要求更高生产效率的需求，自动换刀技术成为机床制造商相继研发的关键课题 之一。对龙门机床的自动换刀装置进行总结，配置带机械手的自动换刀装置，对机械手、 刀库的情况进行讨论，为研究提供一个硬件基础。 本文在充分调研国内外加工中心自动换刀技术研究现状的基础上研究高速加工使 用的联接刀柄，现有刀柄和实际需求等多因素综合分析选定h s k 刀柄的型号和规格：根 据国际标准建立h s k 刀柄和h s k 工具系统的实体模型，并对h s k 工具系统的工作原理进 行分析；进行锥面联接分析前需建立有限元模型。 进行h s k 刀柄主轴联接性能分析，通过研究各个参数对联接锥面的接触应力和锥 面间隙的影响情况，建立不同参数变化下锥面接触应力图和间隙图，进而分析各个参数 对锥面联接的影响情况。基于锥面联接可靠定位的条件，得出标准刀柄不能满足锥面定 位可靠的需求。 为了满足锥面联接可靠定位，提出两种改进结构的可行方案，对其结构进行联接性 能分析，综合考虑这两个方案确定刀柄结构，进行动平衡计算和验证，理论计算得出该 结构存在动不平衡量，采用离线测试，确定动不平衡量得位置和相位，借助平衡孔达到 动平衡要求。 分析联接锥面的可靠性，进行可靠度判断，分析换刀速度与可靠性关系，换刀速度 通过换刀时间衡量，可靠性由可靠度衡量，建立换刀速度一可靠性曲线，分析换刀速度 与成本关系，建立换刀速度一成本曲线。 关键词：高速加工；自动换刀技术；刀柄主轴；性能分析；接触应力 a b s l r a m 硕士论文 a b s t r a c t a u l o m a t i ct o o lc h a n g e ri sa ni r n p o n a i l ta l i l i 加yp r o c e s s i n gd 【c v i c eo nm a c h j i l et o o l ， w h o s ei n t e m 2 l l l l i 班一s p e e dd e v e l o p m e n t a i l d a p p h c a t i o n o f缸c t i o n 2 l l c o m p o n e n t s d i 铷n a t i c a l l yi n l p r 0 v e 吐l ep r o d u c t i o ne 伍c i e n c y i nt h ec u 如g ，m es h o r tc u _ t t i i 培t i r n ea n dt l i g h 戗l t l 血gs p e e da r er e q u e s t e d a n d 铲a d l l a l i l ym er e q u i r e m e n to ft h ee x c h a n g et o o lt i 】m ei sr i s e d ， t l es p e e do fe x c h a n g et o o la r eb e c o m i n gh i 曲l e v e l so fr 印r e s e n t a t i v ei n d i c a t o ri n 也e c o m e i 印。阳r ) 7m a c l l i i l i n g c e n t e l e a c 溉p r o c e s s i i 培c e n t e r a r em a k i n g 也e i rf o c l l so nt h e a u t o m a t i ct o o lc l 删1 9 et e c h l l o l o g ) ，f o rc o m p e t i t i o n a u t o m a t i ct 0 0 1c h a n g e ro fg a m 口m a c m n e a r cs u 删z e d ，a n dm ec o n f i g u r 撕0 n 淅mt o o lc h 锄g e rm a i l i p l l l a t o ra n dt o o lc o n t a i l l e ra r e i n 觚 ( 1 u c e d np r o v i d e sah a r d 眦睇f o u i l d a 廿o nf o rt h e 鲰l ( 1 y t h ea n i c l eo nt 1 1 eb a s i sq fi 1 1 v e s t i g a t i o no n 也ed e v e l o p m e n t 锄dr e s e a r c hs 诅t 璐o f d o m e s t i ca n df o r e i 弘a u 幻m 撕ct o o lc h a i l g et e c h n o l o g y ，r e s e 鲫c hl i i 】k a g es h a i l l ( o fu s i l l g0 n 吐i ek 曲- s p e c dm a c 址出g ，c o m p r e h e l l s i v ea 1 1 a l y z i n gt l ：l ea p p l i c a t i o ns c o p eo fs e l e c t i e dh s k s h a n k sv 撕o u ss i z e sa n dm a u c l l i n et o o le q u i p m e n t 谢血p 黜n e t e r st 0s e l e c t1 1 i 曲s h a n k a c c o r d i n gt 0 a t i o n ms t ；a 1 1 d a r 也h s ks h a l n km o d e la i l dh s kt o o ls y s t e mm o d e la r e e 比出l i s h e d ，a 1 1 dw o r kp 曲c i p l eo fh s k t o o ls y s t e mi sa i l a l y z e d n r o u 曲觚a 1 ) 也gs h a l l “s p 砌l el 刨c o u p l i i 培p e r f o n n a n c ea n ds t l l d y i i l gm ev a r i o u s p a r a m e t e r so n 如ep e r f o r n 曲n c eq fm ec o u p l i n gt a p e r 驯d 配e ，i tc a no b t a i n 也a 士e a c hp a r 锄e t e r h a sh o we 能c to nc o u p l i n g b a s e d0 n 吐l ec o n ec o u p l i l l g sr e l i 曲l ec o n d i t i o n s ，i ti sc o n c l u d e d t h a t l es t a l l d a r ds h a r 出c 强ts a t i s 黟m ec o u p l i i 培p e r f o m a n c e 聆q u i r c m e n t s i r i l p r 0 v e d s t m c _ t l l r ei s a n a l y 2 越a b o u tc o n ec o u p l i n gp e r f - o r m a n c e i f o p t i m i z e d s t r u c t u r em e e t s p e r f 0 r m a n c e ，d y n 锄i cb a l 粕c e 、i l lb es e n s e d i fd y n a i i l i cu 1 1 b a j a n c eo ft h es t r u c t u r ee x i s t s ，i t r e q 血r e st 1 1 eb a l a n c eh 0 1 et 0c o m p e n s a ，t ee q u i l i b r i 吼r e q u i 工e m e n t s b ya 1 1 a l y z i l l g 血ej o i n i n gr e l i a b i l 毋o f 吐忙s h a i l k 锄ds p i n d l er e l 撕o i l s h i pb e t w e e ns p e e d 锄dr e l i a b i l i 吼s 曲l i l t a n e o u s l yt h em a r 尊no fs 蜘y j u d 鲫e n ti sc 鲫r i e d t h er e l i a b i l i 够o ft o o l c h a n 百n gs p e e d - c u r v ei se s t a b l i s h e d o n ec u t t e rr 印l a c e m e n tf a ：t ew e i g h s 也r o u 曲c u t t e r r e p l 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的工艺要求而产生的多功能整套技术方向发展，同时也带动和性能需求相关的功能部件 的发展【2 纠。 通过展览会展示的产品得出，目前的加工中心已经进入一个以高速加工为代表的发 展阶段，为促进机床的高生产效率，自动换刀装置的相关部件的高速化技术也成为加工 中心研发的重要内容之一”j 。 国内外机床厂商为适应现代化的高速加工，提高生产效率就得减少生产加工中不必 使用的时间，厂家大都在机床上配带自动换刀装置。自动换刀要求每个动作的完成更加 可靠准确，由于自动换刀装置的结构相对比较复杂，改进装置来达到提高换刀速度的难 度较大，较多的加工中心依靠新技术和新方法来提高换刀速度。因此，自动换刀技术的 研究已经成为现代机床行业相继开发的焦点，大部分制造商都投资大量入力、物力来研 发自动换刀装置的高速化技术。 课题“大型龙门机床自动换刀技术研究”来源于惠山区企业技术需求项目 “q l m 2 3 6 5 6 0 0 超大型动梁式五面体龙门加工中心 。 1 2 自动换刀技术的概述 自动换刀技术主要是以减少辅助加工时间为目的，综合考虑机床的各方面因素，在 尽可能短的时间内完成刀具更换的技术方法，该技术包括换刀方式、刀库的设置、换刀 执行机构驱动方式和适应高速机床加工的结构等【羽。自动换刀装置是实现快速换刀功能 的主要部件。 l 绪论硕士论文 1 2 1 换刀速度的衡量方法 随着机床加工速度的高速化，加工厂要求辅助加工时间不断减少，即缩短更换刀具 所用时间，所以，现代生产中心的换刀速度和换刀可靠性的好坏成为评价加工水平高低 的重要指标。换刀速度高低对生产效率有直接影响，而换刀可靠性的准确与否对加工生 产和产品质量有至关重要的影响。衡量换刀速度的指标是换刀时间，换刀时间有以下四 种的计量方法i 州： ( 1 ) 刀对刀换刀时间( t 0 0 1 t 0 0 1 ) ，是指“旧刀 从主轴上卸下到“新刀 插入主轴 这一过程所需要的时间。 ( 2 ) 位置对位置换刀时间( p o s i t i o n - p o s i t i o n ) ，是指机床各坐标进入刀具更换的位 置到换完刀后离开换刀位置所使用的时间。 ( 3 切削对切削换刀时间( c u t c u t ) ，是指从某一设定的参考位置将主轴移动到需 要换刀的位置直到换刀结束后再将主轴退回到原设定的参考位置这一过程所使用的时 间。 ( 4 ) 切屑对切屑换刀时间( c k p - c b i p ) ，是指鼠只z 坐标从参考位置移动到换刀位 置直到换刀结束后再回到原设定的参考位置，同时启动主轴和要求转速达到最高这一过 程所使用的时间。 刀对刀换刀时间反映自动换刀装置本身性能的好坏；切屑对切屑换刀时间考虑主轴 启动对换刀时间的影响，反映加工中心辅助加工的时间，是衡量生产效率高低的直接指 标，换刀装置优化时既要考虑切屑对切屑换刀时间也要考虑刀对刀换刀时间。目前，一 般认为：切屑对切屑换刀时间小于4 s 的自动换刀装置或者刀柄号为i s 0 3 0 的刀对刀换刀 时间小于0 6 s ，刀柄号为i s 0 4 0 的刀对刀换刀时间小于1 s ，刀柄号为i s 0 5 0 的刀对刀换刀 时间小于1 5 s 的自动换刀装置称快速自动换刀装置。 1 2 2 国内外自动换刀技术的研究现状 高速发展的今日，人们采用各种新方法和新技术来提高加工效率，需要在多次换刀 的加工过程中，保证换刀动作可靠准确的同时再进一步减少机床加工的辅助时间，进而 达到提高生产率的目的。因此，国内外生产商在寻求新方法和新技术来减少换刀时间的 举动，这可以从近几年机床展览会上展出的产品得到证明。目前，国内外主要从以下方 面展开对自动换刀技术的研究 8 1 0 】： ( 1 ) 根据高速机床新的结构特点设计刀库和换刀装置的形式和位置 传统的立式加工中心的刀库和换刀装置多装在立柱一侧，而高速加工中心多采用立 柱移动的进给方式，为减轻运动件质量，刀库和换刀装置不再安装在立柱上。 ( 2 ) 采用新方法进行刀具快速交换 不用刀库和机械手方式，使用其他换刀方式。在刀库容量不大的情况，可采用不换 2 硕士论文大型龙门机床自动换刀技术研究 刀换主轴的方式进行刀具的快速更换。 ( 3 ) 采用新开发的加工中心的主轴部件 新开发的加工中心的主轴部件可作六自由度的高速运动，主轴直接参与换刀过程， 不仅可使刀库配置位置灵活，而且可减少刀库运动的自由度，显著简化刀库和换刀装置 的结构。 ( 4 ) 使用适合高速加工中心的刀柄 h s k 刀柄质量轻，拔插刀行程短，可使自动换刀装置的速度提高。自动换刀装置采 用h s k 空心短锥柄刀是快速换刀技术发展的趋势。 经过多年的研究和试验，国内外对用于高速加工中心的自动换刀技术展开的研究主 要有以下6 种方式【l o 1 4 】： 1 ) 多主轴换刀方式 机床上没有安装刀库或换刀装置，只是把多个主轴一字排并固定安装在主轴架上， 主轴数约为3 1 8 个，在l 根主轴由1 台电动机直接驱动和l 根主轴上只安装l 把刀具且每个 主轴上安装不同的刀具。换刀时不进行刀具的更换，而是安装在夹具上的工件快速从一 个主轴的加工位置移动到另一个装有不同刀具的主轴，实现换刀并进行加工操作。通过 夹具的快速移动完成换刀，省去了复杂的换刀机构。工件从一个主轴的加工位置移动到 另一个主轴的加工位置所需时间就是换刀时间，多主轴换刀方式的优点是快速换刀、多 轴加工和高效率。 奥地利a n g e r g 企业生产采用多主轴换刀方式的机床，实现切屑对切屑换刀时间仅需 o 4 s ，此类机床既可以进行快速换刀加工，还可多轴同时加工，适合高效率生产线加工， 该机床的结构与常规的加工中心结构有较大不同。 2 ) 双主轴换刀 机床上安装着两个主轴，但不同时用于生产加工，即当一个主轴正在进行加工时， 另一个主轴进行刀具的更换，由于两个过程同时进行，换刀时间出现在已经安装好刀具 的两个主轴的换位时间，使辅助加工时间能减到最少，存在两个主轴，刀库和机械手可 配置l 套或2 套。 德国蛳k e s s l e r 企业采用双主轴系统、一套刀库和换刀机械手进行生产的加工中 心，而h o n l s b e 唱- l a m b 企业研制的h s c 一6 3 0 、h s c 5 0 0 、h f c 6 3 0 配置2 个主轴和2 套换刀 系统，换刀时间约为1 o s 1 5 s ，具体的换刀时间取决于机床尺寸。美国i a m bt e c l 面c o n 生产的m a c h l 双主轴加工中心，可一次同时加工两个工件，也可交替使用降低换刀时间。 3 1 转塔方式 刀库置于主轴附近，利用刀库的移动和转动来进行刀具的更换。如果按顺序换刀， 所需刀具在离换刀位置最近处，使得切屑对切屑的换刀时间最短；如果采用任意选刀， 可能出现刀具所在位置离换刀位置的距离最远，此时的换刀时间最长，所以转塔方式常 3 1 绪论硕士论文 采用按顺序来选择刀具。 日本壬渤企业研制的k n 3 0 v e l i t e 机床，配置可换位转塔刀库，刀对刀换刀时间需 1 5 s ，切屑对切屑换刀时间需2 2 s 。b 1 l r k a r d t 和w e b ec 皿b h 两个企业合研m c 2 0 1 4 ，只配1 个可更换位置的转塔刀库，换刀时间相当于换位时间和进给时间的总和。s a u _ t e r 企业研 制的皇冠型刀塔，配带8 个独立或多头刀座，换刀时间为换位时间。意大利m c m c l o c k 6 0 0 a u _ t 0 采用回转工作台和换刀手臂同步减少换刀后到开始加工的时间，切屑到切屑换刀时 间为2 o s 。 4 ) 多机械手方式 刀库同样置于主轴附近，每把刀具配置一个机械手，可使换刀动作几乎重合，刀具 选择方式随意。 德国c 蛐n 企业研发的f z 0 8 w 和f z 0 8 s 机床，刀库安置加工主轴附近并能随主轴移 动，且一个刀具配有一个机械手，其刀对刀换刀时间为o 5 s ，切屑对切屑换刀时间需1 5 s ， 是采用单主轴进行加工且换刀时间( 切屑对切屑换刀时间) 最短的机床。 5 ) 凸轮联动驱动机构 由于凸轮机构的准确控制和良好的动态特性，采用凸轮驱动的换刀机械手，高速加 工下能可靠运转，对于要求刀对刀换刀时间较短的装置往往采用凸轮驱动机构。刀库中 刀具含量很大时常采用机械手换刀，通过改变驱动方式和结构能够提高换刀速度。 机械凸轮结构的换刀速度要高于液压或气动结构的换刀速度。要求实现机构的运动 和位置的设计时，凸轮机构控制准确，且拥有良好的动态特性，利用凸轮驱动的换刀机 械手，能在高速可靠的运转。对于大型刀库，刀对刀换刀时间较短的自动换刀装置一般 都使用凸轮驱动的换刀机械手。 日本s o d i c 企业研制的m c 4 5 立式加工中心，配带机械凸轮结构的换刀装置，刀对刀 换刀时间是o 6 s 。北京机床研究所推出a t c b t 4 0 2 4 、a t c v b t 5 0 2 4 的凸轮联动式和 刀库机械手，驱动凸轮利用具有良好特性的修正正弦f h l 线，b t 4 0 2 4 换刀时间为1 5 s ， b t 5 0 2 4 换刀时间为4 o s 。 6 ) 使用h s k 刀柄类新型高速刀柄 h s k 刀柄作为联接机构，与主轴联接的部分短于b t 刀柄，由于是空心结构，存在质 量较轻和插刀、拔刀所走的行程短，采用h s k 刀柄自然可以加快自动换刀装置的换刀速 度，该结构的使用可以和上面其他几种换刀方式共存。除h s k 刀柄外，还有美德合研的 酬刀柄、日本的n c 5 刀柄等适合于高速加工下使用的机构。 国内外某些技术先进的机床企业相继研发出具有几种不同技术换刀装置的龙门加 工中心，带有多样化换刀技术的鲜明特点，企业改进技术的最终目的是减少刀具更换的 时间，缩短非加工时间。国内加工中心成形较晚，研究自动换刀技术的成果相对地较少。 在金属切削要求机床的高速化下，自动换刀技术成为龙门加工中心的重要组成部分。自 4 硕士论文大型龙门机床自动换刀技术研究 动换刀技术研发中心不断采用新技术、新结构和新方法的基础上改进，目的是在保证准 确可靠换刀基础上不断缩短换刀时间，提高加工中心的生产效率。 1 3 自动换刀装置概述 数控技术在龙门加工中心占的地位越来越高，带动自动换刀系统在龙门机床上的应 用也越来越多。由于加工中心是较为复杂的加工设备，其强大的加工能力和高效益都与 配置适合加工的自动换刀装置有较大关联，而数控中自动换刀系统是为自动完成刀具的 更换服务。自动换刀装置先进与否的主要标志是换刀速度高低和能否保证换刀可靠性。 目前自动换刀装置的主要形式【l 纠有6 种，分别为转塔式换刀方式、1 8 0 0 回转换刀方 式、1 8 0 0 回转插入式换刀方式、二轴转动式换刀装置、利用主轴和刀库相对位置的移动 来完成换刀的无机械手方式、使用机械手完成刀具更换的装置，无论采用何种换刀方式， 所有要更换的刀具都需紧紧地固定在刀夹里，接到更换刀具的指令后直接将刀夹装入到 主轴里，这样可以减少换刀时安装刀具刀夹的过程。 1 ) 转塔式自动换刀装置：转塔是由若干主轴和铣床动力头组成，程序运行前先将 刀具分别装入各个主轴中，加工中需要哪把刀具转塔就转到刀具所在位置。不足是主轴 数量有限，如果加工要使用的刀具数多于主轴数，必须要卸下部分已用过的刀具( 刀具 和刀夹一块卸下，换刀快) 和装上后一工序加工所需刀具。 图1 1 转塔式自动换刀装置 2 ) 1 8 0 d 回转式换刀装置：接到换刀指令后主轴移动到换刀位置和刀库运动到恰当 位置，换刀装置回转时可同时与主轴、刀库配合，卸下拉杆后刀具从主轴刀库中取下， 转动1 8 0 0 ，刀库调整位置来接收从主轴上取下的刀具和将从刀库中取出的刀库装入主轴 内，最后换刀位置转回原“待命 位置，换刀完成和程序开始运行。 优势在于结构简单、运动少和换刀快：不足点是切屑易进入刀夹，须对刀具进行防 护，因为刀夹上有切屑会引起换刀误差，严重时可能破坏刀夹和主轴。 1 绪论硕士论文 图1 218 0 0 回转式换刀装置 3 ) 回转插入式换刀装置：回转插入机构是换刀装置与传递杆的组合，接到换刀指 令后主轴移动到换刀位置和刀库转到适当位置，换刀装置能从槽内取出要更换的刀具， 从刀库中取出刀具，回转到机床前方将主轴上刀具取下，回转1 8 0 0 将加工所需刀具装入 主轴，刀库移到适当位置来接收从主轴上卸下的刀具，换刀完成后自动换刀装置转回机 床一侧。优点是刀具放在机床一侧，避免切屑引发主轴或刀夹损坏的可能；缺点是换刀 动作较多，需换 瓷二舅 i b 二。# 二碍 图1 3 回转插入式自动换刀装置 4 ) 二轴转动式换刀装置：接到换刀指令后换刀机构开始运动，将主轴上的刀具取 下，转向刀库位置并将刀具送回刀库，然后从刀库中取出加工所需刀具，转向主轴位置 并将刀具装入主轴，返回“等待位置，换刀过程完成。优点是刀库位于机床一侧或后 方，能保护刀具：缺点是换刀运动较多。 6 一一一一一 硕士论文 大型龙门机床自动换刀技术研究 图1 4 二轴转动式自动换刀装置 5 ) 无机械手换刀方式：借助刀库与主轴的相对运动来实现刀具的更换，优点是结 构比较简单、高换刀可靠性和低成本。 6 ) 机械手换刀：当主轴上的刀具完成一个工序后主轴停靠换刀位置，机械手是将 刀具取下并送回刀库和从刀库中取出下一工序加工所需刀具并安装在主轴上进行加工 的功能部件。为了保证动作的准确性，要求机械手迅速可靠和准确协调。由于在不同加 工中心的刀库和主轴所处位置的不同，所以不同加工中心采用机械手类型也不同。加工 中心采用机械手进行刀具的更换最为广泛。 小型加工中心往往是利用无机械手更换刀具方式，而对于较大型加工中心，它的换 刀过程和较小型加工中心采用的换刀方式有所不同，大型加工中心由于内部含有的刀具 库太大和每个刀库内装有的刀具数量较大，依靠移动刀库位置来完成刀具的更换过程是 很不方便操作，所以一般是靠主轴移动位置来完成主轴上刀具的更换，或者直接采用机 械手的移动来完成刀具的更换，采用机械手换刀可以减少许多加工零部件大幅度移动位 置，只需将主轴移到所需换刀位置。对比各个换刀方式的优缺点以及龙门加工中心现有 条件，该大型龙门机床的自动装置采用带机械手的换刀装置，刀具的更换采用机械手换 刀。 1 3 1 刀库的发展现状 刀库是自动换刀装置的主要部件，其作用是储存加工中能用到的所有刀具，并按照 接到的程序指令把下一工序即将使用的刀具送到换刀位置，同时接收由机械手送回上一 工序加工已用的刀具。加工之前将所需刀具放入刀库，先将所用的刀具体插入刀柄内装 夹好，并调整到准确尺寸，其中刀库内刀具需与程序中的刀具号一一对应，不得乱编码， 否则，取错刀具将会对机床造成损失，如果将某道工序中加工所需的刀具错用，将改变 零件的加工过程造成加工件的形状变化和影响质量【1 6 - 1 8 】。 l 绪论硕士论文 刀库的容量、布局、具体结构对机床的设计有重要影响，其中刀库中刀具的定位机 构则是用来保证要更换的每一把刀具、刀套都能够准确停靠在所需换刀位置，转动过程 中所需动力由电动机或液压系统提供【l6 1 。根据加工中所需刀具总数和刀库数目决定刀库 容量和刀具提取方式。刀库可以设计成多种形式，存储刀具的数目一般8 6 4 把，有的刀 库可多达1 0 0 2 0 0 把，刀库类型【1 9 2 1 】一般有以下几类。 ( 1 ) 盘式刀库 结构简单紧凑且呈盘状，刀具沿垂直盘面方向或者径向斜向排列，刀具数量一般少 于3 2 把，当圆盘直径增大时转动惯量也相应增大，导致换刀时间长。如果需要刀具数量 较多，为了防止刀库转动带来振动，需要将刀库安装在单独的地基上。可以设计成双环 或多环刀具形式来增加刀库空间的利用率，盘式刀库应用较为广泛。 图1 5 盘式刀库示意图 图1 6 圆盘式刀库近实体图 ( 2 ) 链式刀库 链式刀库的刀具容量较大，结构紧凑且灵活，常采用轴向换刀，链环可以根据机床 的布置设计成各种形状，也可将换刀位置处的刀座突起以便换刀。设计成加长链条和多 条链条的方式来增加刀库容量以及链带折叠方式以方便放置刀库。 8 一 硕士论文大型龙门机床自动换刀技术研究 图1 8 链式刀厍立体近图 ( 3 ) 精密化、复杂化刀库 该类刀库是应现代加工产业发展需求生，如：应客户需求，为客户( t a p p i i l gc e n t e r ) 量身订作的专业诉求的客制化轻量化与低成本架构刀库；高效能、高精度式刀库，架构 保证换刀效率和储刀功能，形状可变的刀库可容纳不同数量( 1 2 0 1 8 0 2 0 0 以上) 的刀具 和多种精密的换刀系统；复合类刀库，为了满足多任务复合化的多形式刀具容载刀库和 配机床高加工效率，可减少工件加工流程和提高工件的加工精度。 1 3 2 机械手的发展现状 大型加工中心往往使用机械手作为更换刀具的主要机构，连接刀库和主轴内刀具的 提取和更换，机械手动作具有相当大的灵活性，可以不受旋转角度、位置限制，只需按 照机械手设定的移动路径进行换刀。目前国内外加工中心的机械手种类【2 2 】主要有以下介 绍的6 种： 1 ) 单臂单爪回转式机械手，该机械手的手臂可以回转成不同角度进行自动换刀， 且手臂上只有一个夹爪；不论是刀库上换刀还是主轴上换刀，都是由单夹爪来抓刀、拔 刀和插刀，使用该机械手来换刀需费时间较长。 q l 绪论 硕士论文 2 ) 单臂双爪摆动式机械手，该机械手的手臂上有两个夹爪，两夹爪有所分工，一 个夹爪执行从主轴上取下“旧刀 送回到刀库，另一夹爪执行从刀库取出“新刀 送到 主轴，其完成换刀过程需要的时间要比单爪机械手费时间要少很多。 3 ) 单臂双爪回转式机械手，该机械手的特点是一个手臂的两端各装有夹爪，一端 的夹爪用来抓取主轴上的“旧刀 ，另一端的夹爪用来抓取刀库中下一加工需要的“新 刀”，两个抓取刀具的过程同时进行，抓取完成后回转1 8 0 0 ，将一爪抓紧的“旧刀 送 还刀库，另一爪抓紧的“新刀”插进主轴中进行下一加工。换刀时间较单爪回转和双爪 摆动类的单臂机械手来说均要短，是加工中心常使用的一种，不过由于是靠回转1 8 0 0 来 完成更换刀具，要求旋转动作的停靠非常准确。 4 ) 双机械手，该机械手相当于两个单爪的机械手，相互配合起来进行自动换刀。 其中一个机械手是从主轴上取下已使用完的刀具，并将“旧刀”送回到刀库中放置：另 一个机械手由刀库里取出“新刀”装入机床主轴，两动作重叠，减少换刀时间。 5 ) 双臂往复交叉式机械手，该机械手的两手臂可以往复运动，且交叉成一定角度。 一个手臂从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个手臂由刀库取出“新刀 装入主轴。 整个机械手可沿某导轨直线移动或绕某个转轴回转，以实现刀库与主轴间的运刀运动。 6 ) 双臂端面夹紧机械手，该机械手在夹紧部位上与前面的不同，是夹紧刀柄的两 个端面，而前面5 种机械手需靠夹紧刀柄的外圆表面来抓取刀具。 机械手有多种形式，分别用于不同机床和不同性能需求，换刀机械手是主轴与刀库 之间更换“旧刀”和“新刀 的辅助加工的功能部件，当主轴上的刀具完成加工后需依 靠机械手把已使用过的刀具送回刀库，同时把下一工序加工需使用的刀具从刀库中取 出，然后将“新刀 装到主轴端部，换刀过程中刀具需要在各部件之间转换，需要各部 件的动作必须准确协调，由于需尽量减少换刀时间，因此，对机械手的要求准确、 迅速、可靠、协调州。 1 4 课题的选择意义和论文的主要内容 1 4 1 选择本课题的意义 龙门加工中心是研究其他高新技术的基础，机床行业的发展水平是一个国家综合实 力强弱的标志。从最近几届数控机床展览会上展出的产品看出，龙门加工中心的应用越 来越多，不少高新技术都是为了促进龙门机床的高速发展应用而生，这些技术的高低代 表着一个国家在机床事业上发展的实力。国外的龙门加工中心内功能部件相关技术的发 展快速，我国也应该高度重视龙门加工中心的生产水平，既要看到与国外技术的差距， 也要加倍研究高速度、高精度龙门机床上的关键技术，完善带高性能的龙门机床系列产 品。 1 0 硕士论文大型龙门机床自动换刀技术研究 自动换刀装置是自动换刀技术研究的基础部件，在加工中心装置中占据着极为重要 的地位，换刀速度高低和换刀可靠与否可以代表该系统的先进与否，所以在保证换刀可 靠性的基础上提高装置的换刀速度，这两个条件无论是研究自动换刀装置还是加工中心 研究装置的关键技术，都起着非常至关重要的作用。 迄今为止我国加工中心配置的自动换刀系统大多需从国外购买，有时购买的装置和 我国现有技术和设备不完全相符，需要我们自己进行修改设计使之适应原有设备条件， 如传统加工中联接主轴和刀具的机构往往采用b t 锥柄，但在目前高加工需求下，传统刀 柄的联接性能不能满足加工需求和高加工下出现动静刚度低、动平衡差以及重复定位精 度低等问题。我们需要选用适合高旋转加工条件的刀柄联接机构，刀柄的更换需要保证 锥面联接的可靠性。高速加工保证换刀可靠和提高换刀速度，从国内外存在的高速刀柄 中选出适合我国设备需求的刀柄，选定刀柄类型后进行性能分析和检验设备上能否准确 可靠的联接【2 勉7 】。国外在联接刀柄方面的研究已经很成熟，相对地，我国在这方面研究 刚刚起步，希望通过对高速刀柄结构和其他零部件联接性能的研究，对龙门加工中心应 用高速刀柄可以提供一定的帮助。 本课题研究大型龙门机床的自动换刀技术是在寻求提高换刀速度方法中以更换高 速刀柄来提高高速旋转加工下要求具备较高的定位精度、高换刀速度和少换刀时间，同 时再利用其他装置进行一些辅助措施或者在换刀过程中某些换刀动作可采用优化排列 方式来综合减少换刀时间，达到提高加工中心生产效率的效果。 1 4 2 课题研究的主要内容 1 ) 在查阅大量国内外资料的基础上，分析b t 锥柄和h s k 刀柄的性能，确定本论文 研究的h s k 刀柄所需要的型号和规格，然后根据国际标准并借助建模软件s o l i d w o r k s 建 立h s k 刀柄和h s k 工具系统实体模型和经汹s y s 处理生成的有限元模型。 2 ) 使用a n s y s 分析刀柄主轴联接性能，变量参数夹紧力、过盈量和转速作用下研 究参数单个变化和多个变化对h s k 刀柄主轴联接锥面的接触应力和间隙的影响情况， 分析得出接触应力图和间隙图，根据锥面可靠定位条件，确定标准刀柄是否能达到性能 要求。 3 ) 通过对锥面联接性能分析的结果得出，标准刀柄不能满足锥面可靠定位的性能 要求，提出通过改进结构设计来满足性能要求的两个可操作方案，对该结构进行性能分 析和确定两个方案是否满足要求，综合考虑这两个方案和结合其他因素，确定可能满足 锥面可靠定位要求的刀柄结构，对该结构进行锥面联接性能分析，建立h s k 刀柄的结构 并进行动平衡检测，借助多次去重方法达到动平衡要求，最后绘出结构设计图。 4 ) 对联接锥面配合的可靠性进行分析，判断刀柄主轴配合可靠度是否高于系统的 最小可靠度，如果是，则符合实际加工中强度要求。换刀速度的衡量指标是换刀时间， l 绪论 硕士论文 换刀可靠性由可靠度或故障率体现，分析换刀速度和换刀可靠性关系以及换刀速度和成 本关系，建立换刀速度一可靠性曲线和换刀速度一成本曲线。 5 ) 结论中总结本课题已做工作、提出研究中存在的不足和展望。 1 5 本章小结 本章主要说明课题背景和选择这个课题的意义，总结并分析研究自动换刀技术的现 状，对国内外现存的减少换刀时间的新方法做了一些说明，分析自动换刀装置的种类， 最后提出本论文进行研究的主要内容。 硕士论文大型龙门机床自动换刀技术研究 2 大型龙门机床的联接刀柄研究 2 1 大型龙门机床的结构 在现有的q n 记2 动梁式龙门数控镗铣床( 见图2 1 ) 系列的基础下研究高速龙门加 工中心系列q l m 2 3 。 图2 1 动梁式龙门数控镗铣床图 2 1 1 大型龙门机床的技术参数 参考机床的主轴锥孔刀柄：b t 5 0 ； 主轴的转速：1 0 1 0 0 0 0 烛； 主轴输出的扭矩：6 0 0 0 n m ； 主电动机功率：7 1 1 0 1 k w ； 主轴最大的轴向力：2 0 0 0 0 n ； 主轴刀具拉紧力：5 0 k n ； 定位精度：o 0 2 5 1 0 0 0 m m ，x 轴o 0 6 m m 、y 厂w 轴0 0 4 m m 、z 轴o 0 2 5 m m ； 重复定位精度：x 轴0 0 3 咖、y w 轴o 0 2 5 m m 、z 轴o 0 2 i n m ； 机床电源：3 木3 8 0 v ； 数控系统：s 正删s 8 4 0 d 等。 2 大型龙门机床的联结刀柄研究 硕士论文 2 1 2 大型龙门机床的换刀配置 2 1 2 1 刀库的选择及定位 对各个刀库类型的优缺点进行对比分析和龙门机床占地面积大等结构特点，要求包 含刀库配有高灵活度和容纳刀具多的特点，选用链式刀库，它可以借助加长链条来扩大 刀库可容纳的刀具数；也可以借助链条的结构特性( 折叠链条或者回绕链条) 来达到空 间使用率的增加；如果要求更大容量时，可采用多条链带结构。总之，链式刀库的结构、 刀具容量都要比盘式刀库放置在该加工中心合适。 选刀方式郾0 9 】是数控机床在加工过程中根据数控指令将所需刀具从刀库中准确调 出的方法，往往有按照刀具放置的顺序来选刀和任意方式选刀两种，按照刀具的顺序来 选刀是指按照工序加工过程中要求所需刀具的顺序，按照次序提前放置到刀库的刀座 中；任意选刀，需要配置的数控系统具有刀具任选功能。 刀具选刀方式采用任意换刀，任意换刀是随着刀具的更换而改变程序里所对应的刀 具编号，利用计算机和刀库的连接，根据刀具还刀时对刀具存放的位置重新进行编码， 计算机全程在更改程序和检查调用所有有关联的信息。 接到换刀指令，刀库立刻转到下一加工所需刀具位置，位置的确定需要位置控制来 准确找到换刀位置。刀库转动的最大角度为1 8 0 0 ，根据所换刀具位置由控制系统自动判 别采取正转还是反转，以便找出刀具更换的最短路径，每次刀库转动的角度大小需由位 置控制系统控制，先进行粗定位再进行精定位控制。所需刀具转到预定位置的准确定位 是更换刀具动作的前提。其位置控制f 3 0 】是处于伺服系统的位置环上，( 如图2 2 所示) ： 图2 2 位置环 位置控制工作可以使用软件或硬件来完成，其中位置控制软件的主要任务是在每个 采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置控制比较，通常还需进行位置回 路中对增益进行调整、补偿反向间隙和补偿各坐标方向的螺距误差的方式来提高整台机 床的定位精度，位置控制计算过程如图2 3 所示： 1 4 硕士论文 大型龙门机床自动换刀技术研究 ，k 图”位置控制图 位置控制主要进行以下几步计算： 拦：暮2 泣t ， l 艺新= 艺旧+ y 2 ”v 害羞：筹1 协2 ， i 誓新= x 旧+ y l ”。7 毪! 筹3 协3 ， 【艺新一i 新= y 3 ”叫 其中各个符号的含义：五新、艺新、k 新是插补指令，是由本次插补周期的插补输 出蝇、姚与上一次指令位置置旧、艺旧进行相加得到；五新、巧新为反馈的实际位置， 是由第一个插补周期指令执行后的反馈位置增量缸、胡和指令位置五”誓旧进行相 加得到；如、姚是本次插补输出转换来的位置控制输出，它是由本次插补周期指令 五新、蔓新和上次的实际位置五新、誓新进行相减得到的。 利用位置控制找到换刀位置和使用可靠定位控制好刀套的准停，因为如果不能准确 停在换刀位置将会导致换刀机械手不能牢靠抓住刀具，容易在换刀时发生掉刀现象，所 以，刀套准停问题将是影响换刀动作可靠性的重要因素之。链式刀库中要选用节距精 度较高的套筒滚子链和链轮，而且刀套装入链条时要借助专用夹具来定位，以保证刀套 与刀套之间发热距离一致。链条有导轮且沿导向槽移动，可防止链条在运转中出现抖动 现象，保证刀库工作的可靠性、回零开关工作的可靠性以及高重复精度。 2 1 2 2 机械手的选用及驱动 机械手换刀中选取双机械手，即相当于两个单机械手，通过两个单机械手相互配合 2 大型龙门机床的联结刀柄研究硕士论文 进行自动换刀，其中一个机械手的任务是从主轴上取下“旧刀”，然后将其送回刀库； 另一个机械手由刀库取出“新刀并装进机床主轴，这两个换刀动作互不干扰，动作相 互叠加，不浪费取刀和换刀时间。 目前常用的机械手驱动【3 1 】主要有四种驱动，分别为气压式驱动、电动式驱动、机械 式驱动、液压式驱动，这四种驱动在操纵力、可控性、反应速度、定位精度、尺寸、重 量、安全性、寿命、效率、成本和使用性方面有各自的优势和不足( 见表2 1 ) 。 表2 1 四种驱动在1 1 个性能方面的对比 内容气压式驱动电动机驱动机械式驱动液压式驱动 操纵力 可大可小中等 较大大回转力直线驱动 可控性差 简单、较好简单、较好好 与机构有关，可很 反应速度慢较快快 高 定位精度 精度，定位困难 较差 精度高，同步性好较高 尺寸占空间大宽宽占空间大 重量重一般一般较重 注意安全压力，过过载安全性差，有时 易发热，过载安全 安全性安全 载安全性最好需采取防爆措施性好 寿命 较短与元件有关 长长 效率 差 高较高较高 成本较低一般低高 用于中小型机械用于程序复杂、自由大多用于专业机械 大中小型专用、重 使用性型机械手，维修方 手，维修简单度多的机械手 手，维修方便 便 机械手换刀的完成需靠机械手的转动和移动共同作用，需要有提供直线和回转的驱 动；机械手为了满足准确的停靠需具有较高的定位精度；如果采用机械手换刀且要求机 械手换刀速度快，需要提供转动或移动的驱动装置的反应速度也快；龙门加工中心应用 时能够为不同型号的机械手提供驱动，应选用适合任何机械手的驱动。对比分析四种驱 动在各个方面的情况和实际需求中的性能需求，选用液压式驱动。 2 2 国内外刀柄类型的研究 随着机械产业和当代经济的快速发展，不少工业经济基础较好的国家相继开发能适 用高速加工应用的新型结构刀柄，其中有b t 、h s k 、k m 、n c 5 、b l g p l u s 、h f c 、 c a p t o 等刀柄，以下对几种刀柄【3 2 】做些说明： 1 6 硕士论文 大型龙门机床自动换刀技术研究 1 ) b t 刀柄 b t 刀柄有7 ：2 4 锥柄和短锥柄刀柄，b t 刀柄的应用非常广泛，尤其是在要求低速旋 转加工，一般应用价格相对较低的b t 刀柄，7 ：2 4 锥柄联接时可实现快速装刀、卸刀，不 存在自锁现象，使用拉杆产生轴向力来拉紧刀柄锥体，锥体前端会紧密的和主轴锥孔的 内锥面联接在一起成为定位控制，由于刀柄锥