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数控加工中心自动换刀装置的结构原理与维修

时间:2012-05-25 来源:www.dqjsw.com.cn 编辑:电气自动化技术网 点击:次 字体设置:
自动换刀装置是加工中心的重要执行机构,它的形式多种多样,目前常见的有以下几种。 
1.回转刀架换刀
数控机床使用的回转刀架是最简单的自动换刀装置,有四方刀架、六角刀架,即在其上装有四把、六把或更多的刀具。 
回转刀架必须具有良好的强度和刚度,以承受粗加工的切削力:同时要保证回转刀架在每次转位的重复定位精度。 
图1为数控车床六角回转刀架,它适用于盘类零件的加工。在加工轴类零件时,可以用四方回转刀架。由于两者底部安装尺寸相同,更换刀架十分方便。

数控车床六角回转刀架
 图1  数控车床六角回转刀架

1-活塞  2-刀架体  3、7-齿轮  4-齿圈  5-空套齿轮
6-活塞  8-齿条  9-固定插销  10、11-推杆  12-触头
回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制,它的动作分为4个步骤:
(1)刀架抬起  当数控装置发出换刀指令后,压力油由a孔进入压紧液压缸的下腔,活塞1上升,刀架体2抬起,使定位用的活动插销10与固定插销9脱开。同时,活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮5结合。
(2)刀架转位  当刀架抬起后,压力油从c孔进入转位液压缸左腔,活塞6向右移动,通过联接板带动齿条8移动,使空套齿轮5作逆时针方向转动。通过端齿离合器使刀架转过60º。活塞的行程应等于齿轮5分度圆周长的1/6,并由限位开关控制。
(3)刀架压紧  刀架转位之后,压力油从b孔进入压紧液压缸上腔,活塞1带动刀架体2下降。齿轮3的底盘上精确地安装有6个带斜楔的圆柱固定插销9,利用活动插销10消除定位销与孔之间的间隙,实现反靠定位。刀架体2下降时,定位活动插销10与另一个固定插销9卡紧,同时齿轮3与齿圈4的锥面接触,刀架在新的位置定位并夹紧。这时,端齿离合器与空套齿轮5脱开。
(4)转位液压缸复位  刀架压紧之后,压力油从d孔进入转位液压缸的右腔,活塞6带动齿条复位,由于此时端齿离合器已脱开,齿条带动齿轮3在轴上空转。
如果定位和夹紧动作正常,推杆11与相应的触头12接触,发出信号表示换刀过程已经结束,可以继续进行切削加工。
回转刀架除了采用液压缸转位和定位销定位之外,还可以采用电动机带动离合器定位,以及其他转位和定位机构。
2.更换主轴头换刀
在带有旋转刀具的数控机床中,更换主轴头是一种简单换刀方式。主轴头通常有卧式和立式两种,而且常用转塔的转位来更换主轴头,以实现自动换刀。在转塔的各个主轴头上,预先安装有各工序所需的旋转刀具。当发出换刀指令时,各主轴头依次地转到加工位置,并接通主轴运动,使相应的主轴带动刀具旋转,而其他处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。
图8-18为卧式八轴转塔头。转塔头上径向分布着八根结构完全相同的主轴7,主轴的回转运动由齿轮12输入。当数控装置发出换刀指令时,先通过液压拨叉将移动齿轮3与齿轮12脱离啮合,同时在中心液压缸14的上腔通压力油。由于活塞杆和活塞15固定在底座上,因此中心液压缸14带着由两个推力轴承17和16支承的转塔刀架体18抬起,离合器2和1脱离啮合。然后压力油进入转位液压缸,推动活塞齿条,再经过中间齿轮使大齿轮4与转塔刀架体18一起回转45º,将下一工序的主轴转到工作位置。转位结束后,压力油进入中心液压缸14的下腔,使转塔头下降,离合器2和1重新啮合,实现了精确的定位。在压力油的作用下,转塔头被压紧,转位液压缸退回原位。最后,通过液压拨叉移动齿轮3,使它与新换上的主轴齿轮12相啮合。为了改善主轴结构的装配工艺性,整个主轴部件装在套筒5内,只要卸去螺钉10,就可以将整个部件抽出。主轴前轴承9采用锥孔双列圆柱滚子轴承,调整时,先卸下端盖6,然后拧紧螺母8,使内环做轴向移动,以便消除轴承的径向间隙。
为了便于卸出主轴锥孔内的刀具,每根主轴都有操纵杆13,只要按压操纵杆,就能通过斜面推动杆11,顶出刀具。
转塔主轴头的转位、定位和压紧方式与鼠齿盘式分度工作台极为相似,但因为在转塔上分布着许多回转主轴部件,使结构更为复杂。


 

1、2一离合器  3、4、12一齿轮  5一套筒  6一端盖  7一主轴  8一螺母
9、16、17一轴承  10一螺钉  1l一推动杆  13一操纵杆  14一液压缸  15一活塞  18一转塔刀架体
由于空间位置的限制,主轴部件的结构不可能设计得十分坚实,因而影响了主轴系统的刚度。为了保证主轴的刚度,主轴数目必须加以限制,否则将会使结构尺寸大为增加。
转塔主轴头换刀方式的主要优点在于省去了自动松夹、卸刀、装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作。从而提高了换刀的可靠性,并显著地缩短了换刀时间。但由于上述结构上的原因,转塔主轴头通常只是用于工序较少、精度要求不太高的机床,例如数控钻床等。
3.带刀库的自动换刀系统
带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换机构组成。首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准刀柄上,在机外进行尺寸预调整后,按一定的方式放入刀库中去。换刀时先在刀库中进行选刀,并由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具,在进行交换刀具之后,将新刀具装入主轴,把旧刀具放回刀库。存放刀具的刀库具有较大的容量,它既可以安装在主轴箱的侧面或上方,也可作为单独部件安装到机床以外,并由搬运装置运送刀具。
与转塔主轴头相比较,由于带刀库的自动换刀装置数控机床主轴箱内只有一个主轴,设计主轴部件就有可能充分增强它的刚度,因而能满足精密加工的要求。另外,刀库可以存放数量很大的刀具,因而能够进行复杂零件的多工序加工,这样就明显提高了机床的适应性和加工效率。所以带刀库的自动换刀装置特别适用于数控钻床、数控铣床和数控镗床。
刀库是自动换刀装置的主要部件,其容量、布局以及具体结构对数控机床的设计有很大的影响。

   根据刀库所需要的容量和取刀的方式,可以将刀库设计成多种形式。图8-19列出了最常用的几种。图8-19a~d是单盘式刀库,为适应机床主轴的布局,刀库的刀具轴线可以按不同的方向配置(如图8-19a~c),图8-19d是刀具可作90º翻转的圆盘刀库,采用这种结构能够简化取刀动作。单盘式刀库的结构简单,刀库的容量通常为15~30把,取刀比较方便,因此应用最为广泛。图8-19e是鼓轮弹仓式(又称刺猬式)刀库,其结构十分紧凑,在相同的空间内,它的刀库容量较大,但选刀和取刀的动作较复杂。图8-19f是链式刀库,其结构有较大的灵活性,存放刀具的数量也较多,选刀和取刀动作十分简单。当链条较长时,可以增加支承链轮的数目,使链条折叠回绕,提高了空间的利用率。图8-19g和8-19h分别为多盘式和格子式刀库,它们虽然也具有结构紧凑的特点,但选刀和取刀动作复杂,应用较少。刀库的容量一般为10~60,但随着加工工艺的发展,目前刀库的容量似乎有进一步增大的趋势。图8-20为一龙门式加工中心采用的链式刀库实例,图8-21为一立式加工中心的圆盘式刀库实例。

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8.4.3  刀具交换装置
数控机床的刀具交换方式通常分为由刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换和采用机械手交换刀具两类。刀具的交换方式和它们的具体结构对机床的生产率和工作可靠性有直接的影响。 

由刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换的装置,在换刀时必须先将用过的刀具送回刀库,然后再从刀库中取出新刀具,这两个动作不可能同时进行,因此换刀时间长。如图8-20所示的龙门加工中心,就是采用这类刀具交换方式的实例。它的选刀运动由伺服电动机驱动链式刀库旋转来完成,换刀运动由主轴箱沿Y和Z轴运动来完成。
采用机械手进行刀具交换的方式应用最为广泛,这是因为机械手换刀有很大的灵活性而且可以减少换刀时间。目前在加工中心上绝大多数都使用记忆式的任选换刀方式。这种方式能将刀具号和刀库中的刀套位置(地址)对应地记忆在数控系统的PC中,不论刀具放在哪个刀套内都始终记忆着它的踪迹。刀库上装有位置检测装置(一般与电动机装在一起),可以检测出每个刀套的位置,这样刀具就可以任意取出并送回。刀库上还设有机械原点,使每次选刀时,就近选取,如对于盘式刀库来说,每次选刀运动或正转或反转不会超过180º。

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图8-22为凸轮机械手换刀结构图,图8-23为凸轮机械手换刀动作实例。

刀库及换刀机械手结构较复杂,且在工作中又频繁运动,所以故障率较高,目前机床上有50%以上的故障都与之有关。如刀库运动故障,定位误差过大,机械手夹持刀柄不稳定,机械手动作误差过大等。这些故障最后都造成换刀动作卡位,整机停止工作。因此刀库及换刀机械手的维护十分重要。
1.刀库及换刀机械手的维护要点
1)严禁把超重、超长的刀具装入刀库,防止在机械手换刀时掉刀或刀具与工件、夹具等发生碰撞。
2)顺序选刀方式必须注意刀具放置在刀库中的顺序要正确,其他选刀方式也要注意所换刀具是否与所需刀具一致,防止换错刀具导致事故发生。
3)用手动方式往刀库上装刀时,要确保装到位,装牢靠,并检查刀座上的锁紧装置是否可靠。
4)经常检查刀库的回零位置是否正确,检查机床主轴回换刀点位置是否到位,发现问题要及时调整,否则不能完成换刀动作。
5)要注意保持刀具刀柄和刀套的清洁。  
6)开机时,应先使刀库和机械手空运行,检查各部分工作是否正常,特别是行程开关和电磁阀能否正常动作。检查机械手液压系统的压力是否正常,刀具在机械手上锁紧是否可靠,发现不正常时应及时处理。
2.刀库的故障
刀库的主要故障有:刀库不能转动或转动不到位;刀套不能夹紧刀具;刀套上下不到位等。
(1)刀库不能转动或转动不到位 刀库不能转动的原因可能有:①联接电动机轴与蜗杆轴的联轴器松动;②变频器故障,应检查变频器的输入、输出电压是否正常;③PLC无控制输出,可能是接口板中的继电器失效;④机械连接过紧;⑤电网电压过低。
刀库转不到位的原因可能有:电动机转动故障,传动机构误差。
(2)刀套不能夹紧刀具  原因可能是刀套上的调整螺钉松动,或弹簧太松,造成卡紧力不足;或刀具超重。
(3)刀套上下不到位  原因可能是装置调整不当或加工误差过大而造成拨叉位置不正确;限位开关安装不正确或调整不当而造成反馈信号错误。
3.换刀机械手故障
(1)刀具夹不紧掉刀  原因可能是卡紧爪弹簧压力过小;或弹簧后面的螺母松动;或刀具超重;或机械手卡紧锁不起作用等。
(2)刀具夹紧后松不开  原因可能是松锁的弹簧压合过紧,卡爪缩不回:应调松螺母,使最大载荷不超过额定数值。
(3) 刀具交换时掉刀  换刀时主轴箱没有回到换刀点或换刀点漂移,机械手抓刀时没有到位,就开始拔刀,都会导致换刀时掉刀。这时应重新移动主轴箱,使其回到换刀点位置,重新设定换刀点。
二、  自动换刀装置故障维修10例
1.机械手故障的维修
例1.故障现象:某加工中心采用凸轮机械手换刀,机械手结构及换刀程序如图2-22、图2-23所示。换刀过程中,动作中断,发出2035#报警,显示内容:机械手伸出故障。
分析及处理过程:根据报警内容,机床是因为无法执行下一步“从主轴和刀库中拔出刀具”,而使换刀过程中断并报警。
机械手未能伸出完成从主轴和刀库中拔刀动作,产生故障的原因可能有:
(1)“松刀”感应开关失灵  在换刀过程中,各动作的完成信号均由感应开关发出,只有上一动作完成后才能进行下一动作。第3步为“主轴松刀”,如果感应开关未发信号,则机械手“拔刀”就不会动作。检查两感应开关,信号正常。
(2)“松刀”电磁阀失灵  主轴的“松刀”,是由电磁阀接通液压缸来完成的。如电磁阀失灵,则液压缸未进油,刀具就“松”不了。检查主轴的“松刀”电磁阀动作均正常。
(3)“松刀”液压缸因液压系统压力不够或漏油而不动作,或行程不到位  检查刀库松刀液压缸,动作正常,行程到位;打开主轴箱(图8-2)后罩,检查主轴松刀液压缸,发现也已到达松刀位置,油压也正常,液压缸无漏油现象。
(4)机械手系统有问题,建立不起“拔刀”条件  其原因可能是:电动机控制电路有问题。检查电动机控制电路系统正常。
(5)主轴系统有问题  主轴结构示意图如图8-2所示。刀具是靠碟簧通过拉杆和弹簧卡头而将刀具柄尾端的拉钉拉紧的;松刀时,液压缸的活塞杆顶压顶杆,顶杆通过空心螺钉推动拉杆,一方面使弹簧卡头松开刀具的拉钉,另一方面又顶动拉钉,使刀具右移而在主轴锥孔中变“松”。
主轴系统不松刀的原因估计有以下4点:①刀具尾部拉钉的长度不够,致使液压缸虽已运动到位,而仍未将刀具顶“松”;②拉杆尾部空心螺钉位置起了变化,使液压缸行程满足不了“松刀”的要求;③顶杆出了问题,已变形或磨损;④弹簧卡头出故障,不能张开:⑤主轴装配调整时,刀具移动量调得太小,致使在使用过程中一些综合因素导致不能满足“松刀”条件。
处理方法:拆下“松刀”液压缸,检查发现:这一故障系制造装配时,空心螺钉的“伸出量”调整得太小,故“松刀”液压缸行程到位,而刀具在主轴锥孔中“压出”不够,刀具无法取出。调整空心螺钉的“伸出量”,保证在主轴“松刀”液压缸行程到位后,刀柄在主轴锥孔中的压出量为0.4~0.5mm。经以上调整后,故障排除。
例2.故障现象:JCS-018A立式加工中心(北京精密机床厂生产)机械手失灵;手臂旋转速度快慢不均,气液转换器失油频率加快,机械手旋转不到位,手臂升降不动作,或手臂复位不灵。调整SC-15节流阀配合手动调整,只能维持短时间正常运行,且排气声音逐渐浑浊,不像正常动作时清晰,最后到不能换刀。
分析及处理过程:
1)手臂旋转75º抓主轴和刀套上的刀具,必须到位抓牢,才能下降脱刀。动作到位后旋转180º,换刀位置上升分别插刀,手臂再复位、刀套上。手臂75º、180º旋转,其动力传递是压缩空气源推动气液转换器转换成液压油由电控程序指令控制,其旋转速度由SC-15节流阀调整;换向由5ED-IONl8F电磁阀控制。一般情况下,这些元器部件的寿命很长,可以排除这类元器件存在的问题。

2)因刀套上下和手臂上下是独立的气源推动,排气也是独立的消声排气口,所以不受手臂旋转力传递的影响;但旋转不到位时,手臂升降是不可能的。根据这一原理,着重检查手臂旋转系统执行元器件成为必要的工作。

3)观察75º、180º手臂旋转或不旋转时液压缸伸缩对应气液转换各油标升降、高低情况,发觉左右配对的气液转换器,左边呈上限右边就呈下极限,反之亦然,且公用的排气口有较大量油液排出。分析气液转换器、尼龙管道均属密闭安装,所以此故障原因应在执行器件液压缸上。

4)拆卸机械手液压缸,解体检查,发现活塞支承环O形圈均有直线性磨损,已不能密封。液压缸内壁粗糙,环状刀纹明显,精度太差。更换上北京精密机床厂生产的80缸筒,重装调整后故障消失,正常运行至今已7年,未再发生机械手换刀失灵故障。

例3.故障现象:某配套FANUC 11系统的BX-110P加工中心,JOG方式时,机械手在取送刀具时,不能缩爪。机床在JOG状态下加工工件时,机械手将刀具从主刀库中取出送入送刀盒中,不能缩爪,但却不报警;将方式选择到ATC状态,手动操作都正常。

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