刀庫在數控立式車床上的應用

李鳴峰

齊二機床集團大連瓦機數控機床有限公司設計部，遼寧瓦房店 116300

0 引言

隨著工業生產活動的產業化，人們越來越要求工件的互換性。為了保證工件的互換性較好，必然要求工件有好的加工精度，這樣數控機床就成為保證加工精度的重要設備。數控機床具有高度自動化，可以避免手工操控所產生的誤差。由于較復雜的工件可能需要相對較多的加工步驟，如果每個步驟都停車換刀，再重新對刀、找正工件，肯定會使生產節拍加長，降低生產率。數控車床的加工時間主要由上活、找正、車削、卸活幾個工序組成，重復上活、找正兩個工序會造成大量的時間浪費，增加加工成本，降低生產率。為了解決這個問題，就要為數控機床增加刀庫，使其能在不停車的情況下，自動換不同工序的刀。

1 立式車床加刀庫的作用

由于提前對每把刀的刀尖都設定有刀具補償，所以換刀后不用再重新對刀、找正。可以實現一次裝卡過程中，對多個工序的連續加工。能夠大大提高生產效率，也使人工操作的不確定因素達到最小，提高工件的成品率。對于數控立式車床的刀庫系統，更換預先裝有車刀的刀夾是一種較簡單的換刀方式。

2 刀庫的工作原理

具體原理如圖1所示：將車刀預先安裝在刀夾11上，再將刀夾依次按放在刀夾架5的徑向位置上，需要換刀的時候，數控系統發出指令，驅動伺服電機1，通過消隙齒輪3帶動大齒圈4轉動相應的角度，使對應的刀具旋轉到換刀位置，這時垂直刀架進入換刀位置，取走刀夾，回到工件位置繼續加工下一個工序。

3 刀庫結構特點

這個過程中，必需要求刀夾架徑向上的多個刀夾相對于垂直刀架的位置一致，否則就會發生換刀故障。所以要有一個檢測刀夾位置的開關8，這樣每個刀夾在進入換刀位置時的位置就可以反饋至數控系統，保證換刀的準確無誤。如果刀庫始終向一個方向旋轉，固然能找到所需的刀具號，但有時可能造成時間的浪費，所以伺服電機必需要有反轉功能。但齒輪傳動具有反向間隙，為了消除反向間隙，齒輪3就要采用特殊的結構，即齒輪3為兩個可以拆分的齒輪，其中一個齒輪在正轉傳動時保證零間隙，另一個齒輪在反轉傳動時保證零間隙，兩個齒輪找好間隙后用銷釘固定在一起作為消除反向間隙的齒輪。為了保證刀庫主軸的旋轉精度，在主軸上選用調心滾子軸承6，由于其外圈滾道的圓弧中心與軸承中心一致，具有調心性能，因此可自動調整因主軸或外殼的撓曲或不同心引起的軸心不正。

4 立式車床取刀部分工作原理及結構特點

垂直刀架結構如圖2所示，在垂直刀架的滑枕A中安裝有國際標準的自動拉刀機械手B，通過電氣控制換向閥使液壓缸換向，帶動機械手B張開及夾緊。由于只靠機械手夾緊力來定位刀夾的剛性不好，故在刀夾的徑向方向應設有四個圓柱型銷C，也由油缸帶動夾緊及放松，實現對刀夾的軸向定位。垂直刀架的軸向設有基準孔D，與刀夾頂端的圓柱體E配合，實現對刀夾的徑向定位。

圖 2

5 刀庫換刀過程

換刀時，垂直刀架移至換刀位，解發電氣限位開關，電氣控制開始：刀庫旋轉至預定工位，垂直刀架向+Z方向進給至預定位置，使刀夾靠近被夾緊位置，機械手夾緊，徑向圓柱銷夾緊，完成刀夾的取出，垂直刀架向-Z方向進給至參考點，完成換刀整個過程。

6 刀庫存在的問題及解決辦法

由于數控立式車床工作環境相對較惡劣，每道工序的加工過程中，會產生很多從工件上切削下來的碎屑。如果不及時清理，在將刀夾放入刀庫的時候，容易使碎屑粘附在刀夾盤上，使刀夾放入不到位，在下次到該工件取刀夾的時候，滑枕與刀夾間形成負間隙，導致刀夾不能正確定位，或將刀夾盤撞裂，使整個刀庫系統失效。針對這個問題，在刀庫系統上應引入氣源，當垂直刀架進入換刀位置后，不馬上進入換刀動作，電氣控制延時3秒鐘，打開氣源，對刀夾盤吹壓力氣體，將刀夾盤上粘附的碎屑清除干凈，再進行換刀工作。經過實驗驗證，通過引入氣源吹氣的方法，可有效解決上述問題。

7 刀庫的故障及檢修方法

刀庫結構較復雜，且在工作中又頻繁運動，所以故障率較高，目前機床上有50%以上的故障都與之有關。如運動故障，定位誤差過大等。這些故障最后都造成換刀動作卡位，整機停止工作。因此刀庫的維護十分重要。

7.1 刀庫的故障及檢修

刀庫的主要故障為刀庫不能轉動或轉動不到位。刀庫不能轉動的原因可能有：1）聯接電機軸的聯軸器松動；2）變頻器故障，應檢查變頻器的輸入、輸出電壓是否正常；3）PLC無控制輸出，可能是接口板中的繼電器失效；4）機械連接過緊；5）電網電壓過低。

刀庫轉不到位的原因可能有：電動機轉動故障，傳動機構誤差。

7.2 換刀機械手故障及檢修

1）刀具夾不緊掉刀 原因可能是卡緊爪彈簧壓力過小；或彈簧后面的螺母松動；或刀具超重；或機械手卡緊鎖不起作用等；2）刀具夾緊后松不開 原因可能是松鎖的彈簧壓合過緊，卡爪縮不回：應調松螺母，使最大載荷不超過額定數值；3）刀具交換時掉刀 換刀時主軸箱沒有回到換刀點或換刀點漂移，機械手抓刀時沒有到位，就開始拔刀，都會導致換刀時掉刀。這時應重新移動主軸箱，使其回到換刀點位置，重新設定換刀點。

8 刀庫及換刀機械手的維護要點

1）嚴禁把超重、超長的刀具裝入刀庫，防止在機換刀時掉刀或刀具與工件、夾具等發生碰撞；2）選刀時要注意所換刀具是否與所需刀具一致，防止換錯刀具導致事故發生；3）用手動方式往刀庫上裝刀時，要確保裝到位，裝牢靠，并檢查刀座上的鎖緊裝置是否可靠；4）經常檢查刀庫的回零位置是否正確，檢查機床主軸回換刀點位置是否到位，發現問題要及時調整，否則不能完成換刀動作；5）要注意保持刀具刀柄和刀套的清潔；6）開機時，應先使刀庫空運行，檢查各部分工作是否正常，特別是行程開關和電磁閥能否正常動作，發現不正常時應及時處理。

9 結論

經過實踐證明，立車增加刀庫可大幅度縮短加工時間，提高勞動生產率。對實現工業自動化意義重大，有必要在立車上普及應用。

[1]加工中心應用與維修編委會.加工中心應用與維修.北京：工業出版社，1992.

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