機(jī)械外文文獻(xiàn)翻譯--機(jī)床刀具設(shè)計【中文5540字】【中英文WORD】
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機(jī)床刀具設(shè)計
課題研究意義
機(jī)床原來的刀庫控制程序是單獨(dú)設(shè)計的，沒有采用刀具管理系統(tǒng)，功能也比較單一，只實(shí)現(xiàn)了刀庫刀具的找刀、刀庫最短路徑定位、主軸換刀，而且不支持大型刀具。
在刀庫自動選刀方面，在計算機(jī)記憶式選刀的基礎(chǔ)上采用了西門子840D特色功能，使選刀程序更簡潔，并完成空刀套的查找。刀庫快速換刀利用STEP-7完成編程，并在實(shí)際中得到驗證。在刀庫定位問題上，PLC程序控制采用模塊化設(shè)計方法，這對今后生產(chǎn)類似機(jī)床將十分有利，很容易將其利用到其他機(jī)床上。自動換刀系統(tǒng)將以較快的速度增長，縮短換刀時間，提高刀具的定位精度是重要的手段，有利于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展。
刀具及其元件庫存是現(xiàn)代生產(chǎn)管理中的重要環(huán)節(jié), 特別是大型車間管理。傳統(tǒng)的人工記帳管理方式, 效率低下, 錯誤率高, 且信息數(shù)據(jù)不能共享, 刀具的使用狀態(tài)和壽命周期無法跟蹤, 不能適應(yīng)當(dāng)前信息化管理需要。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際, 我們在車間刀具準(zhǔn)備間建立刀具貯存立體庫系統(tǒng), 以滿足車間刀輔具儲存與管理的需要。
該系統(tǒng)采用最優(yōu)化技術(shù), 利用計算機(jī)存儲的大量庫存信息, 能及時、準(zhǔn)確、全面地反映刀具庫的庫存情況。整個系統(tǒng)采用圖形界面, 人機(jī)對話由中文菜單提示, 可實(shí)現(xiàn)各種功能選擇和各種信息的輸入。管理系統(tǒng)采用在線幫助功能?？赏ㄟ^車間管理層、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息管理和共享。具有自動庫存管理、刀具入庫管理、刀具出庫管理和統(tǒng)計查詢功能。
1.系統(tǒng)組成及其控制結(jié)構(gòu)
整個系統(tǒng)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)及電氣控制系統(tǒng)。
1.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作原理
刀具庫由支架、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、傳動系統(tǒng)、刀架、護(hù)罩、電氣控制系統(tǒng)等部分組成。支架由立柱、橫梁、上下導(dǎo)向環(huán)軌、支撐地軌組成。
1)驅(qū)動機(jī)構(gòu) 該系統(tǒng)選用了變頻調(diào)速的方法。采用錐形制動電機(jī), 帶變頻調(diào)速, 經(jīng)擺線針輪減速器, 通過鏈輪傳動。
2)拖動與傳動系統(tǒng) 采用變頻控制技術(shù)。通過變頻調(diào)速, 可使傳動軸轉(zhuǎn)速在正常范圍內(nèi)調(diào)節(jié)使刀架回轉(zhuǎn)速度控制到 5～ 30mm in, 2 個傳動軸各帶上、下2 個鏈輪通過上、下2 條異形滾子鏈帶動貨架轉(zhuǎn)動。鏈條脹緊機(jī)構(gòu)采用螺紋調(diào)節(jié)脹緊, 為定期脹緊方式。調(diào)節(jié)時上、下鏈條松度調(diào)節(jié)一致, 使鏈條受力均勻。
3)刀架與防護(hù)罩 整庫共有14 列獨(dú)立刀架。其中 13 列為插座式刀架, 1 列為抽屜式刀架, 每個刀架背部通過銷軸與上、下輸送鏈鏈板聯(lián)接, 底部安裝滾輪, 鏈條轉(zhuǎn)動帶動刀架沿地軌轉(zhuǎn)動。插座式刀架分BT40 刀架和BT50 刀架 2 種形式。為加強(qiáng)管理, 保證安全, 美化造型, 貨架外圍加防護(hù)罩。抽屜式刀架分 6 個抽屜放置其他刀輔具, 可分類裝存一些刀輔具, 如鉆頭、車刀等。
1.1.2. 電氣控制系統(tǒng)
本刀具儲存系統(tǒng)的電氣控制主要是對其貨架進(jìn)行運(yùn)行控制和位置控制。運(yùn)行控制包括運(yùn)行設(shè)備的啟動、制動控制。位置控制主要是對貨架位置和地址進(jìn)行檢測?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖 1 所示。
圖 1 刀具庫控制系統(tǒng)圖
1)電氣傳動 水平旋轉(zhuǎn)刀具儲存系統(tǒng)各機(jī)械的動作都屬于反復(fù)短時工作制。而且系統(tǒng)在運(yùn)行時需要幾種速度, 因此傳動系統(tǒng)需要調(diào)速, 所以該系統(tǒng)選用了變頻調(diào)速的方法, 可以采用結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠的變頻器和變頻電動機(jī)。
2)控制方式 該系統(tǒng)分為手動和自動控制2 種控制方式, 手動控制一般作為調(diào)試用和備用的工作方式; 自動控制方式為本系統(tǒng)計算機(jī)(IPC)和控制單元(變頻器、接觸器等)組成的一個自動控制系統(tǒng)。
3)位置及定位精度檢測 本系統(tǒng)中自動認(rèn)址和位置檢測采用了接近開關(guān)作為檢測元器件, 通過光點(diǎn)隔離繼電器板和記數(shù)板對接近開關(guān)采集的信號進(jìn)行記數(shù)和運(yùn)算處理, 采用最優(yōu)路徑尋址方式確定貨架的當(dāng)前位置和貨架的目的位置。為了使系統(tǒng)定位更準(zhǔn)確, 采用了 2 只光電開關(guān), 分別檢測2 個貨架的2 只檢測片。
1.2.刀庫的功能
刀庫的作用是儲備一定數(shù)量的刀具，機(jī)械手實(shí)現(xiàn)主軸上刀具的互換}zs}a刀具的類型有盤式刀庫、鏈?zhǔn)降稁斓榷喾N形式，刀庫的形式和容量要根據(jù)機(jī)床的工藝范圍來確定。
1.3.常見類型
刀庫是存儲刀具的裝置，常見的刀庫主要有以下幾種形式:
(1)轉(zhuǎn)塔式刀庫
包括水平轉(zhuǎn)塔頭和垂直轉(zhuǎn)塔頭兩種，見圖2.6a)與b):
(2)盤式刀庫
盤式刀庫中刀庫呈盤狀,刀具沿盤面垂直排列(包括徑向取刀和軸向取刀),沿盤面徑向排列或成銳角排列的形式的刀庫。結(jié)構(gòu)簡單、緊湊,應(yīng)用較多,但刀具單環(huán)排列,空間利用率低。見圖2.7a)~c)。若增加刀庫容量必須使刀庫的外徑增大,那么轉(zhuǎn)動慣量也相應(yīng)增大,選刀運(yùn)動時間長。刀具數(shù)量一般不多于32把。刀具呈多環(huán)排列的刀庫的空間利用率高,但必然使得取刀機(jī)構(gòu)復(fù)雜,適用于機(jī)床空間受限制而刀庫容量又較大的場合。雙盤式結(jié)構(gòu)是兩個較小容量的刀庫分置于主軸兩側(cè),布局較緊湊,儲刀數(shù)量也相應(yīng)增大,適用于中小型加工中心。
(3)鏈?zhǔn)降稁?
包括單環(huán)鏈和多環(huán)鏈，鏈環(huán)形式可有多種變化，見圖2.8a)~c)，基本結(jié)構(gòu)見圖2. 8do
特點(diǎn):適用于刀庫容量較大的場合，所占的空間小，一般適用于刀具數(shù)在30-120把。僅增加鏈條長度即可增加刀具數(shù)，可以不增加圓周速度其轉(zhuǎn)動慣量不像盤式刀庫增加的那樣大。
(4)直線式刀庫和組合刀庫
直線式刀庫結(jié)構(gòu)簡單如圖2. 9，刀具單行排列，刀庫容量小，多用于數(shù)控車床和鉆床上。由于刀庫位置固定，換刀動作由主軸完成，無需機(jī)械手。組合刀庫一般是轉(zhuǎn)塔式刀庫的組合、轉(zhuǎn)塔式與盤式刀庫的組合及鏈?zhǔn)降稁斓慕M合。每單個刀庫的儲刀量較小，換刀速度快。另外還有一些密集型的鼓輪式、彈匣式和格子式刀庫，這些密集型刀庫雖.占地面積小，但由于結(jié)構(gòu)限制，基本上不用于單機(jī)加工中心，多用于FMS的集中供刀系統(tǒng)。
1.4.刀庫的容量
刀庫的容量首先要考慮加工工藝的需要，從使用角度出發(fā)，一般為10~40把刀，刀庫的利用率會高，而結(jié)構(gòu)比較緊湊。
1.5.刀具的選擇方式
(1)順序選擇將刀具按加工工序的順序，依次放入刀庫的每一個刀座內(nèi)。每次換刀時，刀庫順序轉(zhuǎn)動一個刀座位置，并取出所需要的刀具，己經(jīng)使用過的刀具可以放回原來的刀座內(nèi)，也可以順序放入下一個刀座內(nèi)。但由于刀庫中刀具在不同的工序中不能重復(fù)使用，必須增加刀庫的容量，降低了利用率。
(2)任意選擇目前大多數(shù)的數(shù)控系統(tǒng)都采用任意選刀的方式，其分為刀套編碼、刀具編碼和記憶式等三種。刀具編碼或刀套編碼需要在刀具或刀套上安裝用于識別的編碼條，一般都是根據(jù)二進(jìn)制編碼的原理進(jìn)行編碼。刀具編碼選刀方式采用了一種特殊的刀柄結(jié)構(gòu)，并對每把刀具編碼。每把刀具都具有自己的代碼，因而刀具可在不同的工序中多次重復(fù)使用，換下的刀具不用放回原刀座，刀庫的容量也可相應(yīng)減少。本文采用記憶式選刀，這種方式能將刀具號和刀庫中的刀套位置對應(yīng)地記憶在數(shù)控系統(tǒng)的PLC中，無論刀具放在哪個刀套內(nèi)，刀具信息都始終記存在PLC內(nèi)。刀庫上裝有位置檢測裝置，可獲得每個刀套的位置。這樣刀具就可以任意取出并送回。刀庫上還設(shè)有機(jī)械原點(diǎn)，使每次選刀時就近選取。
1.6.刀庫的控制方式
(1)刀庫作為系統(tǒng)的定位軸來控制。在梯形圖中根據(jù)指令的T碼進(jìn)行運(yùn)算比較后輸出角度和速度指令到刀庫伺服驅(qū)動刀庫伺服電機(jī)。刀庫的容量、旋轉(zhuǎn)速度、加/減速時間等均可在系統(tǒng)參數(shù)中設(shè)定，此種方式不受外界因素影響定位準(zhǔn)確、可靠但成本較高。
(2)刀庫由液壓馬達(dá)驅(qū)動，有快/慢速之分，用接近開關(guān)計數(shù)并定位。在梯形圖中比較系統(tǒng)存儲的當(dāng)前刀號(主軸上的刀)和目標(biāo)刀號(預(yù)選刀)并運(yùn)算，再輸出旋轉(zhuǎn)指令，同時判斷按最短路徑旋轉(zhuǎn)到位。這種方式需要足夠的液壓動力和電磁閥刀庫旋轉(zhuǎn)速度可通過節(jié)流閥調(diào)整。但使用一段時間后可能會因為油質(zhì)、油壓、油溫及環(huán)境因素的變化而影響運(yùn)動速度和準(zhǔn)確性。一般用于不需頻繁換刀的大中型機(jī)床。
(3)刀庫由交流異步電動機(jī)驅(qū)動凸輪機(jī)構(gòu)(馬氏機(jī)構(gòu))，用接近開關(guān)計數(shù)，這種方式運(yùn)行穩(wěn)定，定位準(zhǔn)確可靠一般與凸輪機(jī)械手配合使用，換刀速度快，定位準(zhǔn)。
2.換刀裝置的主要類型,特點(diǎn)和適用范圍
2.1.自動回轉(zhuǎn)刀架
自動回轉(zhuǎn)刀架是數(shù)控機(jī)床上使用的一種簡單的自動換刀裝置，有四方刀架和六角刀架等多種形式，回轉(zhuǎn)刀架上分別安裝有四把、六把或更多的刀具，并按數(shù)控指令進(jìn)行換刀?；剞D(zhuǎn)刀架又有立式和臥式兩種，結(jié)構(gòu)比較簡單，適用于經(jīng)濟(jì)數(shù)控車床。
回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強(qiáng)度和剛度，以承受粗加工時切削抗力和減少刀架在切削力作用下的變形，提高加工精度?；剞D(zhuǎn)刀架還要選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)，以保證回轉(zhuǎn)刀架在每次轉(zhuǎn)位之后具有較高的重復(fù)定位精度(一般為0.001 ~0.005mm )。圖2.1所示為螺旋升降式四方刀架。
在自動回轉(zhuǎn)刀架中最簡單的換刀裝置是180o回轉(zhuǎn)式換刀裝置，如圖2.2所示。接到換刀指令后，機(jī)床控制系統(tǒng)便將主軸控制到指定換刀位置;與此同時，刀具庫運(yùn)動到適當(dāng)位置，換刀裝置回轉(zhuǎn)并同時與主軸、刀具庫的刀具相配合;拉桿從主軸刀具上卸掉，換刀裝置將刀具從各自的位置上取下;換刀裝置回轉(zhuǎn)180o并將主軸刀具與刀具庫刀具帶走;換刀裝置回轉(zhuǎn)的同時，刀具庫重新調(diào)整其位置，以接受從主軸取下的刀具;接下來，換刀裝置將要換上的刀具與卸下的刀具分別裝入主軸和刀具庫:最后，換刀裝置轉(zhuǎn)回原“待命”位置。至此，換刀完成，程序繼續(xù)運(yùn)行。這種換刀裝置的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、涉及的運(yùn)動少、換刀快。主要缺點(diǎn)是刀具必須存放在與主軸平行的平面內(nèi)，與側(cè)置后置刀具庫相比，切屑及切削液易進(jìn)入刀夾，因此必須對刀具另加防護(hù)。刀夾錐面上有切屑會造成換刀誤差，甚至有損壞刀夾與主軸的可能。有些加工中心使用了傳遞桿，并將刀具庫側(cè)置。當(dāng)換刀指令被調(diào)用時，傳遞桿將刀具庫的刀具取下，轉(zhuǎn)到機(jī)床前方，并定位于與換刀裝置配合的位置。180o“回轉(zhuǎn)式換刀裝置既可用于臥式機(jī)床，也可用于立式機(jī)床。
2. 2.轉(zhuǎn)塔頭式換刀裝
帶有旋轉(zhuǎn)刀具的數(shù)控機(jī)床常采用此種換刀裝置，轉(zhuǎn)塔頭上裝有幾個主軸，每個主軸上均裝一把刀具，加工過程中轉(zhuǎn)塔頭可自動轉(zhuǎn)位實(shí)現(xiàn)換刀。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，換刀時間短，僅為2s左右。但由于受空間位置的限制，主軸數(shù)目不能太多，通常只適用于工序較少、精度要就不高的機(jī)床，如數(shù)控鉆床、數(shù)控銑床等。近年來出現(xiàn)了一種用機(jī)械手和轉(zhuǎn)塔頭配合刀庫進(jìn)行換刀的自動換刀裝置，如圖2.3所示。它實(shí)際上是轉(zhuǎn)塔頭換刀裝置和刀庫式換刀裝置的結(jié)合。其原理如下:
轉(zhuǎn)塔頭5上有兩個刀具主軸3和4，當(dāng)用刀具主軸4上的刀具進(jìn)行加工時，可由機(jī)械手2將下一步需要的刀具換至不工作的刀具主軸3上，待本工序完成后，轉(zhuǎn)塔頭回轉(zhuǎn)180o，完成換刀。因其換刀時間大部分和加工時間重合，真正換刀時間只需轉(zhuǎn)塔頭轉(zhuǎn)位的時間，這種換刀方式主要用于數(shù)控鉆床和數(shù)控銼床等。
2. 3.帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)
圖2.4所示為刀庫與機(jī)床為整體式數(shù)控機(jī)床的外觀圖。
圖2.5所示為刀庫與機(jī)床為分體式數(shù)控機(jī)床的外觀圖。
此時，刀庫容量大，刀具可以較重，常常附加運(yùn)輸裝置來完成刀庫與主軸之間刀具的運(yùn)輸。
帶刀庫的換刀裝置由刀庫、選刀機(jī)構(gòu)、刀具自動裝卸機(jī)械及刀具交換機(jī)構(gòu)(機(jī)械手)等四部分組成，應(yīng)用廣泛。
刀庫機(jī)械手自動換刀系統(tǒng)，整個換刀過程比較復(fù)雜。首先要把加工過程中使用的全部刀具安裝在標(biāo)準(zhǔn)刀柄上，在機(jī)外進(jìn)行尺寸預(yù)調(diào)后，按一定的方式放入刀庫。換刀時，先在刀庫中選刀，再由換刀裝置從刀庫或主軸上取刀，進(jìn)行交換，將新刀裝入主軸，舊刀放回刀庫。
由于前兩種換刀裝置容納的刀具數(shù)量有限不能太多，不能滿足復(fù)雜零件的加工需要，所以自動換刀數(shù)控機(jī)床多采用帶刀庫的自動換刀裝置。刀庫具有較大容量，既可安裝在主軸箱的側(cè)面或上方。由于帶刀庫的自動換刀裝置的數(shù)控機(jī)床的主軸箱內(nèi)只有一根主軸，主軸部件的剛度要高，以滿足精密加工要求。刀庫內(nèi)數(shù)量較大，因而能滿足復(fù)雜零件的多工序加工，大大提高生產(chǎn)率。帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)適用于數(shù)控鉆削中心和加工中心。進(jìn)行比較得出帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)是最有發(fā)展前景的。
3.PLC控制的隨機(jī)選刀方式的研究
3. 1常見的自動選刀方式
刀庫的自動控制指CNC執(zhí)行用戶指令后系統(tǒng)對刀庫的自動控制過程，包括程序找刀和自動換刀[(63,71]。加工中心的計算機(jī)數(shù)控裝置(CNC)發(fā)出的選刀指令，將刀庫轉(zhuǎn)到所需刀具號的取刀位置，稱自動選刀。自動選刀有兩種方法:順序選刀和隨機(jī)選刀方法。
3.1.1順序選刀
順序選刀方法是刀具按預(yù)定工序的先后順序插入刀庫中，使用時按順序轉(zhuǎn)到取刀位置，用過的刀具放回原來的刀座內(nèi)，也可以順序放入下一個刀座內(nèi)。采用這種方式，不需要刀具識別裝置，而且驅(qū)動裝置控制也比較簡單，工作可靠，可以直接由刀庫的分度機(jī)械來實(shí)現(xiàn)。但刀庫中每把刀具在不同的工序中不能重復(fù)使用，如果刀具不按順序裝在刀庫中，將會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。必須增加刀具的數(shù)量和刀庫的容量，降低了刀具和刀庫的利用率。
3.1.2隨機(jī)選刀
隨機(jī)選刀方法是根據(jù)指令要求任意選擇所需要的刀具，這時必須有刀具識別裝置。刀具在刀庫中不必按照工件的加工順序排列，可任意存放的。每把刀具(或刀座)均編上代碼，自動換刀時，刀庫旋轉(zhuǎn)，每把刀具都經(jīng)過“刀具識別器”接受識別。當(dāng)?shù)毒叽a與CNC指令代碼相符時該刀具被選中刀庫旋轉(zhuǎn)將刀具送到換刀位置，等待機(jī)械手來抓取。隨機(jī)選刀的優(yōu)點(diǎn)是刀庫中刀具的排列順序與加工順序無關(guān)，相同的刀具可以重復(fù)使用。因此，刀具數(shù)量比較少，刀庫也相應(yīng)的較小。隨機(jī)選刀必須對刀具編碼，以便識別。編碼主要有以下三種。
1.刀具編碼方式。采用特殊的刀柄結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼，刀柄后端的拉桿上套裝著等間距的編碼環(huán)，由鎖進(jìn)螺母固定。編碼環(huán)直徑有大小直徑兩種，分別表示二進(jìn)制的“1”和“0"，通過這兩個圓環(huán)的不同排列，可以得到一系列代碼。例如有六個大小直徑的圓環(huán)便可組成能區(qū)別63 ( 26-1=63)種刀具的編碼。通常全為0的代碼不許使用，以避免與刀座中沒有刀具的狀況混淆。
2.刀座編碼方式。對刀座編碼，刀具編碼，并將刀具放到與其號碼相符的刀座中。換刀時刀庫旋轉(zhuǎn)，使每個刀座位依次經(jīng)過識刀器，找到刀座，刀庫便停止旋轉(zhuǎn)。這時刀柄上沒有了編碼環(huán)，使刀柄簡化。
3.編碼附件方式。這種方式有編碼鑰匙、編碼卡片、編碼桿和編碼盤等，其中應(yīng)用最多的是編碼鑰匙。先給刀具都附上一把裹示該刀具號的編碼鑰匙，當(dāng)把各刀具存放到刀庫的刀座中時，這樣就把鑰匙的號碼轉(zhuǎn)記道刀座中，將編碼鑰匙插進(jìn)到座旁邊的鑰匙孔中給刀座編上了號碼。
結(jié) 語
重點(diǎn)討論了在當(dāng)今制造環(huán)境下刀具存儲與管理新的模式和方法, 實(shí)際應(yīng)用效果良好, 在系統(tǒng)集成和優(yōu)化運(yùn)行等方面將進(jìn)一步探討, 使之具有更高理論和實(shí)際水平。
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