大容量落地盤式升降刀庫設計

李立強 馬 蕾 王 梅

(齊重數控裝備股份有限公司，黑龍江 齊齊哈爾161005)

目前，國內的雙柱立式銑車復合加工中心缺少可以同時存放銑刀、車削刀夾和附件頭三合一功能的大容量刀庫，其主要原因是目前的加工中心只有鏈式銑刀庫、懸掛式車刀庫和附件頭庫等結構。其可以存放多把刀具，但存放刀具的類型僅為鉆頭、銑削刀具和CAPTO 車刀具，鏈式刀庫一般位于立柱的側面，并且帶有刀具立臥轉換結構，通過該結構，可將鏈式刀庫中的鉆頭、銑刀、CAPTO 車刀放置方向轉換為需要的水平和垂直放置兩種形式，供車銑刀架滑枕下部的直銑頭、直角銑頭和CAPTO 車削刀夾相應抓取和使用。其一般只用于存放車削刀夾、CAPTO 刀夾、鏜刀桿和工件測量裝置等，懸掛式車刀庫一般懸掛在橫梁下端面的兩側，由于橫梁寬度和承重量的限制，懸掛式刀庫的工位數一般不超過12 個。附件頭庫一般用于存放重量和體積大的直角銑頭、萬能銑頭、電主軸磨頭等，其一般放置在附件頭車中，而附件頭車則置于機床的地面的滑軌上，在機床需要更換附件頭時，需要工人手動操作將附件頭車推至換刀位置進行更換。為了滿足加工中心加工工件過程中車、銑、鉆、鏜、磨和工件測量等多種復合功能的需要，雙柱立式加工中心需要配備上述三種刀庫、附件頭庫才能滿足要求，由于加工中心的刀庫種類多、結構復雜，占用機床的位置多、空間大、制造成本高，使加工中心的性價比降低，且不便于工人的操作、管理和維護刀庫。隨著加工中心的飛速發展，加工中心的上述刀庫結構越來越難以滿足機床市場的實際使用需求。

為了解決上述問題，筆者公司研制了一種主要用于立式銑車復合加工中心的大容量落地盤式升降刀庫，如圖1 所示。該刀庫集鏈式銑刀庫、懸掛式車刀庫和附件頭庫的功能于一身，可以滿足車、銑、鉆、鏜、磨和工件測量等工序所需使用的刀具和附件頭的存放需要。新型刀庫最大限度地減少了加工中心上的刀庫數量，集成和簡化了傳統刀庫的結構，減少了刀庫占用機床的位置和空間，降低了刀庫的制造成本，大大方便了工人對刀具、車刀夾和附件頭的操作、管理和維護。

1 刀庫的結構特點

(1)該刀庫使用大規格的角接觸球軸承定心并承受刀庫的徑向力，將主軸設計成為大直徑的空心主軸結構，在提高了刀庫的徑向剛度和承載能力的同時，降低了主軸的重量，同時使用大規格推力球軸承對刀庫盤垂向定位，并承受刀庫盤、刀具和附件頭的重量和顛覆力矩，通過上述兩種軸承的組合使用，大大提高了刀庫的承載能力和抗顛覆能力，簡化了傳統刀庫的主軸結構，在提高了刀庫盤徑向、端面跳動精度的同時，最大限度地降低了刀庫的成本。

圖1 大容量落地盤式升降刀庫結構

(2)該刀庫使用了液壓油缸驅動刀庫移動支撐座升降的結構，液壓油缸兩端帶緩沖結構，在刀庫升降至上下極限位置時，可以減緩刀庫盤的沖擊。該刀庫使用了兩套滾動直線導軌副對刀庫移動支撐座進行導向，兩套滾動直線導軌副的導向導軌對稱地固定在固定支撐座兩側的外壁上，每套滾動直線導軌副上均使用兩組滑塊，兩組滑塊固定在移動支撐座上并保持一定的間距，刀庫的滾動直線導軌主要起導向和承受刀庫盤旋轉時產生的扭轉力矩的作用，而不承受刀庫盤的翻轉力矩，上述結構提高了刀庫升降導軌的導向精度和使用壽命，提高了刀庫升降運動的平穩性。

(3)在刀庫移動支撐座落至下極限位置時，使用4個定位桿支撐在固定支撐座的上端面上，4 個定位桿布置在推力球軸承的外側，4 個定位桿相互之間拉開一定的距離，刀庫盤和刀具的總重量由4 個定位桿共同承受，使刀庫盤上附件頭的偏載力矩通過4 個定位桿直接作用到固定支撐座的上端面上，并通過固定支撐座大件體、地腳墊鐵直接作用到地基上。在刀庫移動支撐座升起至上極限位置時，使用兩套支撐油缸的活塞桿限位并承受刀庫盤、刀具和附件頭的重量。因此刀庫盤在上、下極限位置時，升降油缸均不承受刀庫的重力，使刀庫固定支撐座處于被支撐的最佳受力狀態，通過上述結構的使用，大大延長了升降油缸的使用壽命，大大提高了刀庫的支撐剛度和定位精度。

(4)刀庫的移動支撐座和固定支撐座均使用大截面的八方套筒結構，在滿足裝有砂輪的電主軸磨頭和裝有銑刀的直角銑頭回轉直徑的前提下，通過使用該結構，大大提高了移動支撐座和固定支撐座的截面積和剛度，減小了刀庫的整體重量。

(5)在刀庫的上部安裝有刀庫防護罩，在刀庫兩側安裝有自動門，自動門的開關與滑枕的換刀動作通過電氣開關控制，實現互鎖，保證刀庫換刀過程的安全。刀庫非換刀側的自動門，主要用于工人正常的更換、維護刀具和附件頭，自動門使用滾動直線導軌副導向，使用兩端帶緩沖的氣缸驅動，氣缸帶有換向閥，因此，機床的數控系統通過程序可以自動控制刀庫防護罩上門的開和關。

2 刀庫結構的優點

(1)為了在一定體積內最大限度地增大刀庫的刀具容量，該刀庫采用大直徑盤式內外雙圈裝載刀具的結構，將刀庫盤的內外雙圈同時存放刀具，并結合用戶使用刀具的實際需要情況，將多把水平放置的鉆頭、銑刀、CAPTO 刀具布置在刀庫盤的內圈，將使用率高的多把垂直放置的鉆頭、銑刀、CAPTO 刀具布置在刀庫盤的外圈，并將水平銑刀與垂直銑刀的存放位置之間拉開一定的換刀距離，使得用戶使用直角銑頭抓取水平刀具過程中，避免產生與垂直銑刀發生干涉，內外雙圈裝載刀具的結構決定了刀庫盤直徑必需非常大，刀庫盤直徑一般在2 m 以上。在刀庫盤的內圈還同時存置了多個車削刀夾、CAPTO 刀夾、鏜刀桿和各種附件頭等，附件頭包括:直角銑頭、擺動式萬能銑頭、電主軸磨頭、工件測量裝置等。使用刀庫盤內圈裝載重量大的附件頭的結構優點，主要是可以大大減小刀庫盤整體的轉動慣量和懸臂力矩，因而可以減小刀庫驅動伺服電動機和減速器的規格，減小大齒圈的模數，提高刀庫伺服驅動系統的精度和效率。在刀庫盤外圈放置多把垂直銑刀的優點，主要是可以在刀庫盤直徑一定的情況下，最大限度地增大刀庫使用頻率高的刀具的容量，盡可能地提高刀庫的使用效率，使刀庫的刀具整體布局更加實用、合理。

(2)刀庫在加工中心的安裝位置對加工中心和刀庫自身的精度影響都很大，其主要原因是，為了滿足存放大量刀具、車刀夾和附件頭的需要，刀庫盤的直徑需要制作得很大，使得刀庫占用機床的空間相對較大，刀庫自身和各種刀具、車刀夾、附件頭的整體質量非常重，如果使用懸掛式刀庫的結構，即刀庫懸掛在橫梁下端面兩側偏前的位置，由于橫梁下端面的尺寸小，使得刀庫與橫梁的聯接剛度弱，而刀庫盤直徑大、懸臂長，附件頭的重量大，會造成刀庫盤的扭曲變形非常大，使刀庫盤的水平精度難以調整，因而會大大降低了刀庫盤的分度精度，使刀庫難以正常工作。另一方面，由于加工中心加工工件和換刀的需要，刀庫的中心必需和滑枕的中心、工作臺的中心在一條直線上，使得刀庫的整體重心偏于橫梁導軌外側較遠的位置，由于刀庫重心的前置，使橫梁與立柱之間的靜壓導軌需承受刀庫巨大的翻轉力矩，沉重、前傾的刀庫將嚴重影響橫梁升降W 軸的數控精度。為了解決這個難題，筆者公司研制了落地式的刀庫結構，刀庫整體座落在地基上，刀庫與加工中心的主機保持相對獨立，刀庫的全部重量由地基承受，刀庫的重量對加工中心主機的精度沒有任何影響。因此，落地式刀庫結構最大限度地減輕橫梁升降裝置的載荷，避免了懸掛式刀庫的偏載重量對橫梁升降W軸數控精度的干擾。

(3)為了提高刀庫盤的承載能力，筆者公司研制了刀庫的高剛度主軸結構，該落地式刀庫使用了大規格的角接觸軸承對刀庫盤進行定心，使用了大規格推力球軸承對刀庫盤進行軸向定位，使用了大直徑的空心主軸和大截面的移動支撐座共同承受刀庫盤和各種刀具重量的結構，大大提高了落地式刀庫的剛度和承載能力。由于大截面的刀庫固定支撐座與地基直接聯接，刀庫的整體固定剛度非常高。將刀庫盤的安裝高度設計為高出地面1300 mm 左右，工人通過刀庫罩上的觀察窗即可觀察刀庫內刀具的情況，在刀庫罩上的非換刀側設置有自動門，打開刀庫門，即可以進行刀具的更換操作。因此刀庫中刀具的安裝、更換、和日常維護等都非常方便，落地式刀庫的工作效率非常高。

(4)為了滿足雙柱立式加工中心加工較高工件的需要，筆者公司研制了刀庫的垂向升降結構，以滿足橫梁位于立柱導軌任意位置時加工中心換刀的需要。在橫梁位于立柱導軌的較低位置時，由于加工中心的滑枕行程大于工件高度，通過滑枕的伸出即可以正常換刀，刀庫不需要升降。在橫梁位于立柱導軌的較高位置時，由于機床的滑枕行程小于工件高度，刀庫必需升至上極限位置，在此位置換刀時，使滑枕的伸出距離在滑枕的行程范圍內，保證加工中心可以進行正常的換刀操作。

(5)為了提高刀庫分度時的定位精度和重復定位精度，筆者公司研制了雙伺服電動機驅動、雙減速器傳動、雙齒輪電氣消隙的刀庫分度傳動結構，該結構使用了兩套伺服電動機分別直聯兩套減速器，減速器的輸出軸分別直聯兩個小齒輪，兩個小齒輪同時與一個大齒圈嚙合傳動，通過電氣消除兩個小齒輪和大齒圈之間的嚙合間隙，與傳統的單伺服電動機驅動，錯齒片機械消隙的結構相比，雙伺服電動機驅動刀庫的分度定位精度和重復定位精度更高，并且避免了錯齒片機械消隙結構中，由于兩個小齒輪的機械預緊力引起大齒圈的磨損，因此，大大提高了刀庫分度的定位精度、重復定位精度和精度保持性。

3 刀庫的工作過程

3.1 刀庫的上升運動工作過程

當加工中心需要刀庫升至上極限位置進行換刀時，首先按下按鈕站上的刀庫上升按鈕，兩套油缸體11 的外側油腔來油，推動兩套活塞12 縮回至兩套油缸體11 內極限位置后停止運動，此時油缸體11 內側的彈簧被壓縮，位于油缸體11 缸蓋上的限位開關27被壓合并發出信號后，升降油缸16 下腔來油、上腔回油，推動活塞桿13 上升，活塞桿13 推動活節10、移動支撐座17、刀庫盤4 等沿直線導軌15 向上移動至升降油缸16 的上極限位置，在刀庫的上極限位置開關被壓合并發出信號后，兩套油缸體11 的外側油腔回油，油缸體11 內側的彈簧推動兩套活塞12 向外側伸出，至移動支撐座17 上的定位孔中停止運動，位于油缸體11 缸蓋上的限位開關27 被松開并發出信號后，升降油缸16 的上腔來油、下腔回油，移動支撐座17 下降2 mm，使移動支撐座17 的定位方孔上面與活塞12 的上面接觸并壓緊，使移動支撐座17 和刀庫盤4 的整體重量落在了活塞12 的上面上，刀庫的上升運動結束。兩套活塞12 將移動支撐座17 穩穩支撐住，在刀庫處于上極限時，刀庫盤和刀具的總重量由兩個活塞12 共同承受，并通過油缸體11、固定支撐座18 將刀庫盤4 的重量傳至地基，升降油缸16 不受力。

3.2 刀庫的下降運動工作過程

當加工中心需要刀庫由上極限位置降至下極限位置進行換刀時，首先按下按鈕站上的刀庫下降按鈕，升降油缸16 下腔來油、上腔回油，推動活塞桿13 上升，活塞桿13 推動活節10、移動支撐座17、刀庫盤4 等沿直線導軌15 向上移動2 mm，至升降油缸16 的上極限位置，在刀庫的上限位開關被壓合并發出信號后，兩套油缸體11 的外側油腔來油，推動兩套活塞12 向內側縮回至兩套油缸體11 內極限位置后停止運動。此時油缸體11 內側的彈簧被壓縮，位于油缸體11 缸蓋上的限位開關27 被壓合并發出信號后，升降油缸16 上腔來油、下腔回油，推動活塞桿13 下降，活塞桿13 帶動活節10、移動支撐座17、刀庫盤4 等沿直線導軌15向下移動至刀庫的下極限位置。此時，四個定位桿25的下端面壓在刀庫固定支撐座的上端面上，刀庫下限位開關被壓合并發出信號后，兩套油缸體11 的外側油腔回油，油缸體11 內側的彈簧推動兩套活塞12 向外側伸出，至移動支撐座17 上相對應的圓孔中，由于圓孔直徑大于活塞12 的外徑，活塞12 與圓孔不接觸，在活塞12 伸至極限位置后停止運動，位于油缸體11 缸蓋上的限位開關27 松開并發出信號后，刀庫的下降運動結束。在刀庫處于下極限時，刀庫盤和刀具的總重量由四個定位桿共同承受，升降油缸16 和活塞12 均不受力。

3.3 附件頭更換的工作過程

刀庫僅在上、下極限位置時進行換刀操作，并且換刀的工作過程相同，只是在上極限位置換刀時，先進行刀庫的上升運動后，再進行換刀操作，而在下極限位置時，刀庫不升降，直接進行換刀操作。在刀庫的升降過程中，加工中心通過電氣控制刀庫不能進行換刀操作。

在加工中心需換附件頭時，機床的數控系統通過程序控制，將帶有附件頭的滑枕28 水平運動至刀庫盤4 上方的附件頭換刀原點位置，在該位置，滑枕28 的中心線與所需要更換的直角銑頭19 和電主軸磨頭23等附件頭的中心線重合，滑枕28 垂向下降至刀庫盤4的空刀位置后，機床數控系統通過程序控制，滑枕28放松附件頭，附件頭被放回刀庫盤4 對應的空刀位后，滑枕28 回退至刀庫盤4 上方的原位置后停止。機床數控系統通過程序控制伺服電動機26 旋轉，驅動減速器24、小齒輪22 旋轉，小齒輪22 與大齒圈8 嚙合，并帶動大齒圈8 旋轉至所需更換的附件頭位置后停止。刀庫盤4 旋轉的位置信息，由安裝在大齒圈8 上的感應塊7 通過感應開關20 計數，機床數控系統存儲刀具計數信息，并將刀具位置信息顯示在按鈕站的操作面板上，使操作者始終能準確了解各刀具所處的位置。在刀庫盤4 轉至所需換刀的刀位后，滑枕28 垂向下降至刀庫盤4 的附件頭位置后，機床數控系統通過程序控制，滑枕28 卡緊附件頭后，帶有附件頭的滑枕28 退回刀庫盤4 上方，整個附件頭的更換過程結束。

4 結語

該大容量落地盤式升降刀庫現已形成系列化，根據加工中心滑枕截面的大小，由小到大設計成不同規格的刀庫，根據被加工工件高度的不同，設計了不同行程的刀庫升降座，通過刀庫升降座和刀庫的組合，就可以滿足用戶的不同需要。對于加工高度不高的加工中心，該新型刀庫可設計成落地固定盤式結構，即刀庫不升降，既簡化了結構，又降低了機床的成本。