大容量落地盘式升降刀库设计

李立强 马 蕾 王 梅

(齐重数控装备股份有限公司，黑龙江 齐齐哈尔161005)

目前，国内的双柱立式铣车复合加工中心缺少可以同时存放铣刀、车削刀夹和附件头三合一功能的大容量刀库，其主要原因是目前的加工中心只有链式铣刀库、悬挂式车刀库和附件头库等结构。其可以存放多把刀具，但存放刀具的类型仅为钻头、铣削刀具和CAPTO 车刀具，链式刀库一般位于立柱的侧面，并且带有刀具立卧转换结构，通过该结构，可将链式刀库中的钻头、铣刀、CAPTO 车刀放置方向转换为需要的水平和垂直放置两种形式，供车铣刀架滑枕下部的直铣头、直角铣头和CAPTO 车削刀夹相应抓取和使用。其一般只用于存放车削刀夹、CAPTO 刀夹、镗刀杆和工件测量装置等，悬挂式车刀库一般悬挂在横梁下端面的两侧，由于横梁宽度和承重量的限制，悬挂式刀库的工位数一般不超过12 个。附件头库一般用于存放重量和体积大的直角铣头、万能铣头、电主轴磨头等，其一般放置在附件头车中，而附件头车则置于机床的地面的滑轨上，在机床需要更换附件头时，需要工人手动操作将附件头车推至换刀位置进行更换。为了满足加工中心加工工件过程中车、铣、钻、镗、磨和工件测量等多种复合功能的需要，双柱立式加工中心需要配备上述三种刀库、附件头库才能满足要求，由于加工中心的刀库种类多、结构复杂，占用机床的位置多、空间大、制造成本高，使加工中心的性价比降低，且不便于工人的操作、管理和维护刀库。随着加工中心的飞速发展，加工中心的上述刀库结构越来越难以满足机床市场的实际使用需求。

为了解决上述问题，笔者公司研制了一种主要用于立式铣车复合加工中心的大容量落地盘式升降刀库，如图1 所示。该刀库集链式铣刀库、悬挂式车刀库和附件头库的功能于一身，可以满足车、铣、钻、镗、磨和工件测量等工序所需使用的刀具和附件头的存放需要。新型刀库最大限度地减少了加工中心上的刀库数量，集成和简化了传统刀库的结构，减少了刀库占用机床的位置和空间，降低了刀库的制造成本，大大方便了工人对刀具、车刀夹和附件头的操作、管理和维护。

1 刀库的结构特点

(1)该刀库使用大规格的角接触球轴承定心并承受刀库的径向力，将主轴设计成为大直径的空心主轴结构，在提高了刀库的径向刚度和承载能力的同时，降低了主轴的重量，同时使用大规格推力球轴承对刀库盘垂向定位，并承受刀库盘、刀具和附件头的重量和颠覆力矩，通过上述两种轴承的组合使用，大大提高了刀库的承载能力和抗颠覆能力，简化了传统刀库的主轴结构，在提高了刀库盘径向、端面跳动精度的同时，最大限度地降低了刀库的成本。

图1 大容量落地盘式升降刀库结构

(2)该刀库使用了液压油缸驱动刀库移动支撑座升降的结构，液压油缸两端带缓冲结构，在刀库升降至上下极限位置时，可以减缓刀库盘的冲击。该刀库使用了两套滚动直线导轨副对刀库移动支撑座进行导向，两套滚动直线导轨副的导向导轨对称地固定在固定支撑座两侧的外壁上，每套滚动直线导轨副上均使用两组滑块，两组滑块固定在移动支撑座上并保持一定的间距，刀库的滚动直线导轨主要起导向和承受刀库盘旋转时产生的扭转力矩的作用，而不承受刀库盘的翻转力矩，上述结构提高了刀库升降导轨的导向精度和使用寿命，提高了刀库升降运动的平稳性。

(3)在刀库移动支撑座落至下极限位置时，使用4个定位杆支撑在固定支撑座的上端面上，4 个定位杆布置在推力球轴承的外侧，4 个定位杆相互之间拉开一定的距离，刀库盘和刀具的总重量由4 个定位杆共同承受，使刀库盘上附件头的偏载力矩通过4 个定位杆直接作用到固定支撑座的上端面上，并通过固定支撑座大件体、地脚垫铁直接作用到地基上。在刀库移动支撑座升起至上极限位置时，使用两套支撑油缸的活塞杆限位并承受刀库盘、刀具和附件头的重量。因此刀库盘在上、下极限位置时，升降油缸均不承受刀库的重力，使刀库固定支撑座处于被支撑的最佳受力状态，通过上述结构的使用，大大延长了升降油缸的使用寿命，大大提高了刀库的支撑刚度和定位精度。

(4)刀库的移动支撑座和固定支撑座均使用大截面的八方套筒结构，在满足装有砂轮的电主轴磨头和装有铣刀的直角铣头回转直径的前提下，通过使用该结构，大大提高了移动支撑座和固定支撑座的截面积和刚度，减小了刀库的整体重量。

(5)在刀库的上部安装有刀库防护罩，在刀库两侧安装有自动门，自动门的开关与滑枕的换刀动作通过电气开关控制，实现互锁，保证刀库换刀过程的安全。刀库非换刀侧的自动门，主要用于工人正常的更换、维护刀具和附件头，自动门使用滚动直线导轨副导向，使用两端带缓冲的气缸驱动，气缸带有换向阀，因此，机床的数控系统通过程序可以自动控制刀库防护罩上门的开和关。

2 刀库结构的优点

(1)为了在一定体积内最大限度地增大刀库的刀具容量，该刀库采用大直径盘式内外双圈装载刀具的结构，将刀库盘的内外双圈同时存放刀具，并结合用户使用刀具的实际需要情况，将多把水平放置的钻头、铣刀、CAPTO 刀具布置在刀库盘的内圈，将使用率高的多把垂直放置的钻头、铣刀、CAPTO 刀具布置在刀库盘的外圈，并将水平铣刀与垂直铣刀的存放位置之间拉开一定的换刀距离，使得用户使用直角铣头抓取水平刀具过程中，避免产生与垂直铣刀发生干涉，内外双圈装载刀具的结构决定了刀库盘直径必需非常大，刀库盘直径一般在2 m 以上。在刀库盘的内圈还同时存置了多个车削刀夹、CAPTO 刀夹、镗刀杆和各种附件头等，附件头包括:直角铣头、摆动式万能铣头、电主轴磨头、工件测量装置等。使用刀库盘内圈装载重量大的附件头的结构优点，主要是可以大大减小刀库盘整体的转动惯量和悬臂力矩，因而可以减小刀库驱动伺服电动机和减速器的规格，减小大齿圈的模数，提高刀库伺服驱动系统的精度和效率。在刀库盘外圈放置多把垂直铣刀的优点，主要是可以在刀库盘直径一定的情况下，最大限度地增大刀库使用频率高的刀具的容量，尽可能地提高刀库的使用效率，使刀库的刀具整体布局更加实用、合理。

(2)刀库在加工中心的安装位置对加工中心和刀库自身的精度影响都很大，其主要原因是，为了满足存放大量刀具、车刀夹和附件头的需要，刀库盘的直径需要制作得很大，使得刀库占用机床的空间相对较大，刀库自身和各种刀具、车刀夹、附件头的整体质量非常重，如果使用悬挂式刀库的结构，即刀库悬挂在横梁下端面两侧偏前的位置，由于横梁下端面的尺寸小，使得刀库与横梁的联接刚度弱，而刀库盘直径大、悬臂长，附件头的重量大，会造成刀库盘的扭曲变形非常大，使刀库盘的水平精度难以调整，因而会大大降低了刀库盘的分度精度，使刀库难以正常工作。另一方面，由于加工中心加工工件和换刀的需要，刀库的中心必需和滑枕的中心、工作台的中心在一条直线上，使得刀库的整体重心偏于横梁导轨外侧较远的位置，由于刀库重心的前置，使横梁与立柱之间的静压导轨需承受刀库巨大的翻转力矩，沉重、前倾的刀库将严重影响横梁升降W 轴的数控精度。为了解决这个难题，笔者公司研制了落地式的刀库结构，刀库整体座落在地基上，刀库与加工中心的主机保持相对独立，刀库的全部重量由地基承受，刀库的重量对加工中心主机的精度没有任何影响。因此，落地式刀库结构最大限度地减轻横梁升降装置的载荷，避免了悬挂式刀库的偏载重量对横梁升降W轴数控精度的干扰。

(3)为了提高刀库盘的承载能力，笔者公司研制了刀库的高刚度主轴结构，该落地式刀库使用了大规格的角接触轴承对刀库盘进行定心，使用了大规格推力球轴承对刀库盘进行轴向定位，使用了大直径的空心主轴和大截面的移动支撑座共同承受刀库盘和各种刀具重量的结构，大大提高了落地式刀库的刚度和承载能力。由于大截面的刀库固定支撑座与地基直接联接，刀库的整体固定刚度非常高。将刀库盘的安装高度设计为高出地面1300 mm 左右，工人通过刀库罩上的观察窗即可观察刀库内刀具的情况，在刀库罩上的非换刀侧设置有自动门，打开刀库门，即可以进行刀具的更换操作。因此刀库中刀具的安装、更换、和日常维护等都非常方便，落地式刀库的工作效率非常高。

(4)为了满足双柱立式加工中心加工较高工件的需要，笔者公司研制了刀库的垂向升降结构，以满足横梁位于立柱导轨任意位置时加工中心换刀的需要。在横梁位于立柱导轨的较低位置时，由于加工中心的滑枕行程大于工件高度，通过滑枕的伸出即可以正常换刀，刀库不需要升降。在横梁位于立柱导轨的较高位置时，由于机床的滑枕行程小于工件高度，刀库必需升至上极限位置，在此位置换刀时，使滑枕的伸出距离在滑枕的行程范围内，保证加工中心可以进行正常的换刀操作。

(5)为了提高刀库分度时的定位精度和重复定位精度，笔者公司研制了双伺服电动机驱动、双减速器传动、双齿轮电气消隙的刀库分度传动结构，该结构使用了两套伺服电动机分别直联两套减速器，减速器的输出轴分别直联两个小齿轮，两个小齿轮同时与一个大齿圈啮合传动，通过电气消除两个小齿轮和大齿圈之间的啮合间隙，与传统的单伺服电动机驱动，错齿片机械消隙的结构相比，双伺服电动机驱动刀库的分度定位精度和重复定位精度更高，并且避免了错齿片机械消隙结构中，由于两个小齿轮的机械预紧力引起大齿圈的磨损，因此，大大提高了刀库分度的定位精度、重复定位精度和精度保持性。

3 刀库的工作过程

3.1 刀库的上升运动工作过程

当加工中心需要刀库升至上极限位置进行换刀时，首先按下按钮站上的刀库上升按钮，两套油缸体11 的外侧油腔来油，推动两套活塞12 缩回至两套油缸体11 内极限位置后停止运动，此时油缸体11 内侧的弹簧被压缩，位于油缸体11 缸盖上的限位开关27被压合并发出信号后，升降油缸16 下腔来油、上腔回油，推动活塞杆13 上升，活塞杆13 推动活节10、移动支撑座17、刀库盘4 等沿直线导轨15 向上移动至升降油缸16 的上极限位置，在刀库的上极限位置开关被压合并发出信号后，两套油缸体11 的外侧油腔回油，油缸体11 内侧的弹簧推动两套活塞12 向外侧伸出，至移动支撑座17 上的定位孔中停止运动，位于油缸体11 缸盖上的限位开关27 被松开并发出信号后，升降油缸16 的上腔来油、下腔回油，移动支撑座17 下降2 mm，使移动支撑座17 的定位方孔上面与活塞12 的上面接触并压紧，使移动支撑座17 和刀库盘4 的整体重量落在了活塞12 的上面上，刀库的上升运动结束。两套活塞12 将移动支撑座17 稳稳支撑住，在刀库处于上极限时，刀库盘和刀具的总重量由两个活塞12 共同承受，并通过油缸体11、固定支撑座18 将刀库盘4 的重量传至地基，升降油缸16 不受力。

3.2 刀库的下降运动工作过程

当加工中心需要刀库由上极限位置降至下极限位置进行换刀时，首先按下按钮站上的刀库下降按钮，升降油缸16 下腔来油、上腔回油，推动活塞杆13 上升，活塞杆13 推动活节10、移动支撑座17、刀库盘4 等沿直线导轨15 向上移动2 mm，至升降油缸16 的上极限位置，在刀库的上限位开关被压合并发出信号后，两套油缸体11 的外侧油腔来油，推动两套活塞12 向内侧缩回至两套油缸体11 内极限位置后停止运动。此时油缸体11 内侧的弹簧被压缩，位于油缸体11 缸盖上的限位开关27 被压合并发出信号后，升降油缸16 上腔来油、下腔回油，推动活塞杆13 下降，活塞杆13 带动活节10、移动支撑座17、刀库盘4 等沿直线导轨15向下移动至刀库的下极限位置。此时，四个定位杆25的下端面压在刀库固定支撑座的上端面上，刀库下限位开关被压合并发出信号后，两套油缸体11 的外侧油腔回油，油缸体11 内侧的弹簧推动两套活塞12 向外侧伸出，至移动支撑座17 上相对应的圆孔中，由于圆孔直径大于活塞12 的外径，活塞12 与圆孔不接触，在活塞12 伸至极限位置后停止运动，位于油缸体11 缸盖上的限位开关27 松开并发出信号后，刀库的下降运动结束。在刀库处于下极限时，刀库盘和刀具的总重量由四个定位杆共同承受，升降油缸16 和活塞12 均不受力。

3.3 附件头更换的工作过程

刀库仅在上、下极限位置时进行换刀操作，并且换刀的工作过程相同，只是在上极限位置换刀时，先进行刀库的上升运动后，再进行换刀操作，而在下极限位置时，刀库不升降，直接进行换刀操作。在刀库的升降过程中，加工中心通过电气控制刀库不能进行换刀操作。

在加工中心需换附件头时，机床的数控系统通过程序控制，将带有附件头的滑枕28 水平运动至刀库盘4 上方的附件头换刀原点位置，在该位置，滑枕28 的中心线与所需要更换的直角铣头19 和电主轴磨头23等附件头的中心线重合，滑枕28 垂向下降至刀库盘4的空刀位置后，机床数控系统通过程序控制，滑枕28放松附件头，附件头被放回刀库盘4 对应的空刀位后，滑枕28 回退至刀库盘4 上方的原位置后停止。机床数控系统通过程序控制伺服电动机26 旋转，驱动减速器24、小齿轮22 旋转，小齿轮22 与大齿圈8 啮合，并带动大齿圈8 旋转至所需更换的附件头位置后停止。刀库盘4 旋转的位置信息，由安装在大齿圈8 上的感应块7 通过感应开关20 计数，机床数控系统存储刀具计数信息，并将刀具位置信息显示在按钮站的操作面板上，使操作者始终能准确了解各刀具所处的位置。在刀库盘4 转至所需换刀的刀位后，滑枕28 垂向下降至刀库盘4 的附件头位置后，机床数控系统通过程序控制，滑枕28 卡紧附件头后，带有附件头的滑枕28 退回刀库盘4 上方，整个附件头的更换过程结束。

4 结语

该大容量落地盘式升降刀库现已形成系列化，根据加工中心滑枕截面的大小，由小到大设计成不同规格的刀库，根据被加工工件高度的不同，设计了不同行程的刀库升降座，通过刀库升降座和刀库的组合，就可以满足用户的不同需要。对于加工高度不高的加工中心，该新型刀库可设计成落地固定盘式结构，即刀库不升降，既简化了结构，又降低了机床的成本。