刀库在数控立式车床上的应用

2012-07-06李鸣峰

科技传播 2012年7期

李鸣峰

齐二机床集团大连瓦机数控机床有限公司设计部，辽宁瓦房店 116300

0 引言

随着工业生产活动的产业化，人们越来越要求工件的互换性。为了保证工件的互换性较好，必然要求工件有好的加工精度，这样数控机床就成为保证加工精度的重要设备。数控机床具有高度自动化，可以避免手工操控所产生的误差。由于较复杂的工件可能需要相对较多的加工步骤，如果每个步骤都停车换刀，再重新对刀、找正工件，肯定会使生产节拍加长，降低生产率。数控车床的加工时间主要由上活、找正、车削、卸活几个工序组成，重复上活、找正两个工序会造成大量的时间浪费，增加加工成本，降低生产率。为了解决这个问题，就要为数控机床增加刀库，使其能在不停车的情况下，自动换不同工序的刀。

1 立式车床加刀库的作用

由于提前对每把刀的刀尖都设定有刀具补偿，所以换刀后不用再重新对刀、找正。可以实现一次装卡过程中，对多个工序的连续加工。能够大大提高生产效率，也使人工操作的不确定因素达到最小，提高工件的成品率。对于数控立式车床的刀库系统，更换预先装有车刀的刀夹是一种较简单的换刀方式。

2 刀库的工作原理

具体原理如图1所示：将车刀预先安装在刀夹11上，再将刀夹依次按放在刀夹架5的径向位置上，需要换刀的时候，数控系统发出指令，驱动伺服电机1，通过消隙齿轮3带动大齿圈4转动相应的角度，使对应的刀具旋转到换刀位置，这时垂直刀架进入换刀位置，取走刀夹，回到工件位置继续加工下一个工序。

3 刀库结构特点

这个过程中，必需要求刀夹架径向上的多个刀夹相对于垂直刀架的位置一致，否则就会发生换刀故障。所以要有一个检测刀夹位置的开关8，这样每个刀夹在进入换刀位置时的位置就可以反馈至数控系统，保证换刀的准确无误。如果刀库始终向一个方向旋转，固然能找到所需的刀具号，但有时可能造成时间的浪费，所以伺服电机必需要有反转功能。但齿轮传动具有反向间隙，为了消除反向间隙，齿轮3就要采用特殊的结构，即齿轮3为两个可以拆分的齿轮，其中一个齿轮在正转传动时保证零间隙，另一个齿轮在反转传动时保证零间隙，两个齿轮找好间隙后用销钉固定在一起作为消除反向间隙的齿轮。为了保证刀库主轴的旋转精度，在主轴上选用调心滚子轴承6，由于其外圈滚道的圆弧中心与轴承中心一致，具有调心性能，因此可自动调整因主轴或外壳的挠曲或不同心引起的轴心不正。

4 立式车床取刀部分工作原理及结构特点

垂直刀架结构如图2所示，在垂直刀架的滑枕A中安装有国际标准的自动拉刀机械手B，通过电气控制换向阀使液压缸换向，带动机械手B张开及夹紧。由于只靠机械手夹紧力来定位刀夹的刚性不好，故在刀夹的径向方向应设有四个圆柱型销C，也由油缸带动夹紧及放松，实现对刀夹的轴向定位。垂直刀架的轴向设有基准孔D，与刀夹顶端的圆柱体E配合，实现对刀夹的径向定位。

图 2

5 刀库换刀过程

换刀时，垂直刀架移至换刀位，解发电气限位开关，电气控制开始：刀库旋转至预定工位，垂直刀架向+Z方向进给至预定位置，使刀夹靠近被夹紧位置，机械手夹紧，径向圆柱销夹紧，完成刀夹的取出，垂直刀架向-Z方向进给至参考点，完成换刀整个过程。

6 刀库存在的问题及解决办法

由于数控立式车床工作环境相对较恶劣，每道工序的加工过程中，会产生很多从工件上切削下来的碎屑。如果不及时清理，在将刀夹放入刀库的时候，容易使碎屑粘附在刀夹盘上，使刀夹放入不到位，在下次到该工件取刀夹的时候，滑枕与刀夹间形成负间隙，导致刀夹不能正确定位，或将刀夹盘撞裂，使整个刀库系统失效。针对这个问题，在刀库系统上应引入气源，当垂直刀架进入换刀位置后，不马上进入换刀动作，电气控制延时3秒钟，打开气源，对刀夹盘吹压力气体，将刀夹盘上粘附的碎屑清除干净，再进行换刀工作。经过实验验证，通过引入气源吹气的方法，可有效解决上述问题。

7 刀库的故障及检修方法

刀库结构较复杂，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。如运动故障，定位误差过大等。这些故障最后都造成换刀动作卡位，整机停止工作。因此刀库的维护十分重要。

7.1 刀库的故障及检修

刀库的主要故障为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）联接电机轴的联轴器松动；2）变频器故障，应检查变频器的输入、输出电压是否正常；3）PLC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。

7.2 换刀机械手故障及检修

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。

8 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，防止在机换刀时掉刀或刀具与工件、夹具等发生碰撞；2）选刀时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，发现不正常时应及时处理。