机电装备设计(14)

1 6 3 9刀具识别装置 刀具 或刀套 识别装置是自动换刀装置中的重要组成部分 该装置可以将所需刀具从刀库中准确地调出来 即选定刀具 常用选刀方式 顺序选刀和任意选刀两种选刀方式 顺序选刀是按照工艺要求依次将所用的刀具插入刀库的刀套中 顺序不能出错 加工时按顺序调刀 优点是刀库的驱动及控制都比较简单 任选刀具是目前多数加工中心都采用的换刀方法的换刀方式 分为刀套编码 刀具编码和记忆等方式 2 3 4 2 刀套编码方式 1 这种编码方式取消了刀柄中的编码环 使刀柄结构大为简化 2 在自动换刀过程中必须将用过的刀具放回原来的刀套中 增加了换刀动作 优点是刀具在加工过程中可以重复使用 图6所示为圆盘形刀库的刀套编码装置 5 3 编码附件方式 编码附件方式分为编码钥匙 编码卡片 编码杆和编码盘等 6 2刀具 刀套 识别装置 常用的刀具识别装置有下列几种 1 接触式刀具识别装置 特点 结构简单 但由于触针有磨损 故寿命较短 可靠性较差 且难于快速选刀 7 2 非接触式刀具识别装置 特点 由于没有机械直接接触 因而无磨损 无噪声 寿命长 反应速度快 适应于高速 换刀频繁的工作场合 常用的识别方法有磁性识别和光电识别两种方法 1 磁性识别法是利用磁性材料和非磁性材料磁感应强弱不同 通过感应线圈读取代码 8 当尺寸受到限制时 不能采用由标准无触点开关组成的识刀器 可采用小型的磁性识刀器 它将六组磁芯叠合在一起的宽度只有30mm 其选刀控制方框图如图所示 9 2 光电识别法光学纤维刀具识别装置利用光导纤维良好的光传导特性 采用多束光导纤维构成阅读头 如图a 所示 光导纤维来阅读二进制码时 有反射光时 表面光亮 为 1 无反射光时 表面涂黑 为 0 如图 b 所示 10 3 利用PC 可编程控制器 实现随机换刀 利用软件选刀 代替了传统的编码环和识刀器 消除了由于识刀装置的稳定性 可靠性所带来的选刀失误 ATC 自动换刀 控制和刀号数据表 刀具的识别 刀具的交换及刀号数据表的修改 利用PC实现刀具识别的步骤 11 ATC 自动换刀 控制和刀号数据表 12 刀具的识别 虽然刀具不附带任何编码装置 而且采取任意换刀方式 即刀具在刀库中不是顺序存放的 但 由于PC内部设置的刀号数据表始终与刀具在刀库中的实际位置相对应 所以对刀具的识别实质上转变为对刀库位置的识别 识别刀具的PC程序流程图如图所示 13 刀具的交换及刀号数据表的修改 NC系统发出自动换刀指令M06 机械手执行换刀动作 主轴上用过的旧刀和刀库上选好的新刀进行交换 应通过软件修改PC内部的刀号数据表 修改刀号表的流程如图所示 14 6 4典型加工中心主要结构及工作原理 具有自动换刀装置的CNC数控立式镗铣床 数控系统 FANUC BESKT6ME数控系统 工件一次装夹后 可自动连续完成铣 钻 扩 铰 锪和攻螺纹等多种工序的加工 适合于小型板类 盘类 壳体类和模具等零件的多品种小批量加工 JCS一018A型立式加工中心 15 16 X轴伺服电动机完成左右运动 Z轴与Y轴伺服电动机分别完成上 下进给运动和前 后进给运动 X Y Z三轴伺服电动机都由数控系统控制 可单独或关联运动 17 6 4 1主传动系统 1主轴电动机用FANNCACl2型交流伺服电动机参数为 电机30min超载时 Pgmax 15kW 连续运转时 Pcmax 11kW 计算转速njd 1500r min 电机转速范围nm 45 4500r min 其中n 750 4500r min为恒功率区 2由于对主轴电动机的伺服系统中加了功率限制 则有电动机30min超载时 Pgmax 7 5kW 连续运转时 Pcmax 5 5kW 3由于电动机运动经过i 1 2齿形带轮传给主轴 主轴的转速范围为22 5 2250r min 主轴计算转速njz 375r min 18 4主轴恒功率区转速范围为375 2250r min 在该区域内 主轴传递电动机的全部功率为5 5kW或7 5kW 5电动机恒转矩区域转速范围45 750r min 其连续运转的最大输出转矩为70N m 电动机30min超载时的最大输出转矩为95 5N m 6主轴恒功率区域的转速范围22 5 375r min 最大输出转矩分别为140N m和191N m 19 6 4 2进给运动传动系统 X Y Z三个坐标轴的进给运动分别由三台功率为1 4kWFANUC一BESKDCl5型直流伺服电动机直接带动滚珠丝杠旋转 1三进给坐标系确定 电动机轴和滚珠丝杠之间均采用锥环无键连接和高精度十字联轴器的连接结构 以Z轴进给装置为例如图所示 2连接确定 3进给速度 立式加工中心X Y轴的快速移动速度为14m min Z轴快移速度为l0m min 20 FANUC直流伺服电机 21 22 4Z轴制动装置设计由于主轴箱垂直运动 为防止滚珠丝杠因不能自锁而使主轴箱下滑 所以Z轴电动机带有制动器 有的立式机床为了防止超越负载引起的主轴箱下滑 可采用右图的结构 23 6 4 3主轴箱主要结构 主轴选择的轴承类型和配置形式 能满足主轴高转速和承受较大轴向载荷的要求 主轴受热变形向后伸长 不影响加工精度 该加工中心的主轴结构如图a b 所示 1主轴结构 24 1 主轴2 拉钉3 钢球4 前支承5 螺母6 后支承7 拉杆8 碟形弹簧9 弹簧10 活塞11 液压缸 2刀具自动夹紧机构 25 3主轴准停装置 每次机械手自动装取刀具时 必须保证刀柄上的键槽对准主轴的端面键 这就要求主轴具有准确定位的功能 26 本机床采用的是电气式主轴准停装置 即用磁力传感器检测定向 如图所示 27 6 4 4刀库结构 1自动换刀过程 主轴在 准停 位置 由自动换刀装置换刀 其过程如下 1 刀套下转90 2 机械手转75 3 刀具松开 4 机械手拔刀 5 交换两刀具位置 6 机械手插刀 7 刀具夹紧 8 机械手转180 9 机械手反转75 10 刀套上转90 28 29 2刀库结构 1电动机2联轴器3蜗轮4蜗杆5汽缸6活塞杆7拨叉8螺杆9 10开关11滚子12销轴13刀套14刀盘 30 6 4 5换刀机械手结构及动作过程 数控机床中 双臂回转式机械手在自动换刀过程中 机械手要完成动作是抓刀 拔刀 交换主轴上和刀库上的刀具位置 插刀 复位等 31 6 5卧式车床数控化改装 经济型数控车床主要从以下两方面来保证和提高被加工零件的精度 1系统的控制精度 2机床本身的机械传动精度 1 尽量采用低摩擦的传动副 如滚动导轨和滚珠丝杠螺母副 2 选用最佳的降速比 为达到数控机床所要求的脉冲当量 使运动位移尽可能地加速达到跟踪指令 3 尽量缩短传动链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度 4 尽量消除传动间隙 以减小反向行程误差 如采用消除间隙的联轴器和消除传动齿轮间隙的机构等 5 尽量满足低振动和高可靠性方面的要求 应选择间隙小 传动精度高 运动平稳 效率高以及传递转矩大的传动元件 为提高机械传动精度需采取措施 32 33 6 5 1主传动系统 1 对卧式车床进行数控改造时 一般保留原有的主传动系统和变速操纵机构 2 如果加工工件的直径相差较大 批量相对集中 需在加工过程中自动变换切削速度 可用双速或四速电动机替代原车床的主电动机 主传动系统改造图如图所示 34 6 5 2主轴脉冲发生器及其安装 1主轴脉冲发生器 或光电编码器 作用 当数控机床加工螺纹时 用主轴脉冲发生器作为车床主轴位置信号的反馈元件 应与车床主轴同步转动 并发出主轴转角位置变化信号 输送给计算机 计算机按所需加工的螺距进行处理 控制机床纵向或横向步进电动机运转 实现加工螺纹的目的 2常用的螺距6 5 3 5 3 2 5 2 1 75 1 5 1 25 1 0 75 0 7 0 6 0 5 0 4 0 35 0 3 0 25共18种 35 若主轴采用1000Hz的工作频率 加工3mm螺距的螺纹时 步进电动机频率为300Hz 根据300n 60 1000 则有车床主轴转速n 1000 60 300r min 200r min 即车床主轴转速不得超过200r min 如果主轴脉冲发生器的频率提高到2000Hz 转速也仅达到400r min 3主轴脉冲发生器受到步进电机频率的限制 当螺距越大时 允许的车床主轴转速也就越低 结论 36 4主轴脉冲发生器的安装1 同轴安装2 异轴安装 1 同轴安装结构简单 连接方便 2 缺点是安装后不能加工穿出车床主轴孔的零件 3 异轴安装不受限制 特点 37 5脉冲发生器的连接方式 刚性连接就是指常用的轴套方式连接 这种连接对连接件的制造精度和安装精度要求较高 柔性连接即车床主轴与主轴脉冲发生器之间用弹性元件连接 常用的元件为波纹管 橡胶管以及专用的挠性联轴器 注意 1 安装时应格外小心 2 不能超过最高许用转速 38 6 5 3电动刀架安装 1横向进给系统 39 2纵向进给系统 保证改造后的步进电动机轴与丝杠间的同轴度要求 改造后可保留车床原纵向手动功能 40 齿轮调隙结构 41 42 6 5 4脉冲当量的选择与改造中的传动结构 普通卧式车床进行数控改造时 脉冲当量取值为 横向0 005mm 纵向0 010mm 而经济型数控车床的脉冲当量是一不可改变的确定值 对于有特殊加工要求的车床改造 可采用以下结构形式的进给系统改造 以实现多脉冲当量的任意选择 如图所示 43 44 以横向脉冲当量计算为例 i z1 z2 45 45时 则脉冲当量为0 005mm i z1 z2 40 50时 则脉冲当量为0 004mm i zl z2 30 60时 则脉冲当量为0 0025mm i zl z2 18 72时 则脉冲当量为0 00125mm 改造时的注意事项 1 两坐标方向须同时改