自動換頭頭庫機構在五面體龍門加工中心的應用

高力

（常州昌隆機床制造有限公司，江蘇 常州　213125）

自動換頭頭庫機構在五面體龍門加工中心的應用

高力

（常州昌隆機床制造有限公司，江蘇 常州213125）

隨著制造業(yè)發(fā)展，風電船舶葉片、大型柴油機體等復雜零件的加工需要用到自動分度附件頭，因此對頭庫的要求也越來越高。龍門五面體加工中心的頭庫必需具有合理的布局、較高的自動化程度、高精度以及良好地可靠性。該結構的合理與否，直接影響整個機床的加工范圍、加工效率和加工精度。

自動換頭；伺服頭庫；5軸聯動；自動分度

1　頭庫的種類

自動換頭頭庫機構為龍門五面體加工中心的關鍵部件，由獨立的床身和傳動及定位機構組成，頭庫主要有3種布局。

（1）安裝固定在工作臺局部。這種是最常見的頭庫形式之一，優(yōu)點是結構相對簡單，安裝和修理方便；頭庫容量符合一般使用要求，通過驅動X軸工作臺和Y軸拖板以及Z軸方滑枕驅動主軸定位到附件頭庫的位置進行附件頭交換。受臺面及兩立柱之間龍門檔寬度的影響，頭庫容量有限，而且影響機床的X軸方向的加工范圍。頭庫與工作臺一同移動，需定期調整。此外在加工時切削液飛濺，對頭庫的密封要求較高。

（2）安裝在機床立柱正面或側面。自動頭庫安裝在立柱面上，一般分上下兩層，上層為頭罩，下層為附件頭。通過驅動Y軸拖板和Z軸方滑枕定位到頭庫位置進行自動換頭。頭庫通過氣缸驅動頭罩支架移動來實現頭罩和附件頭的交替轉換。受立柱面大小的影響，頭庫只能容納頭罩和一個附件頭，對機床Y軸加工范圍也有影響。

（3）伺服頭庫。脫離機床主體獨立安裝的伺服頭庫，頭庫的容量大，能自如應對復雜的加工工件。文章主要針對這種頭庫做詳細闡述。

2　五面體頭庫的原理與動作介紹

（1）頭庫的工作原理。由圖1所示，伺服自動頭庫主要由床身1、頭支架2、附件頭3、小車平臺7四部分組成，分別設有安全裝置和頭定位裝置10。

圖1　伺服自動頭庫示意圖

頭庫床身1安裝在機床旁的地基上。各種五面體頭安裝在各自的頭支架2上，支架上“一面兩銷”定位，各附件頭都有等高墊定位，保證換頭程序一致性。頭支架2底部裝有導軌滑塊，頭庫放置區(qū)和小車送頭區(qū)都安裝交換導軌，導軌間交換間隙控制小于0.05mm，保證滑塊從頭庫放置區(qū)順利交換到小車平臺7上而滑塊內鋼球不會脫落。送頭區(qū)域是由與機床X軸平行的送頭導軌5、伺服電機6以及滾珠絲杠9組成，換頭時，全防護移門16由氣缸控制打開，電機6驅動絲桿7轉動，小車平臺空車沿機床X軸方向移動至指定頭庫位置，并由信號開關8發(fā)信，送頭氣缸執(zhí)行導軌交換，將所選頭支架2一并送到小車平臺上；平臺上信號開關發(fā)信，電機反轉回到方滑枕15自動取頭位置（位置精度由伺服電機內置編碼器定位控制），防護移門16關閉，完成小車取頭送頭動作。而頭庫操縱箱12是在緊急情況下可以對頭庫系統單獨控制。

（2）頭庫自動換頭拉緊設計。五面體機床能自動識別附件頭，實現對頭的拉緊、松開動作，頭的轉向從而形成第5軸聯動動作，具體如圖2所示。

圖2　機床對附件頭動作原理圖

滑枕取頭時主軸拉釘6、拉頭拉釘3全都松開，滑枕接近附件頭，鼠牙盤2精確定位（齒數可選），信號開關識別附件頭種類和位置，通過液壓回油復位，拉頭拉釘（一頭上均布4只）由碟簧5拉緊，完成拉頭動作。

當第五軸（附件頭自動回轉）回轉時，液壓閥進油動作，壓縮碟簧5，拉頭卡爪4松開而主軸拉釘6仍拉緊，拉環(huán)體7連同附件頭體由重力一起落下約3mm，此時鼠牙盤2脫開，主軸傳動鍵仍與頭鍵槽嚙合，可驅動整個頭體1旋轉（根據鼠牙盤齒數等分，一般有144齒或72齒等）角度后，液壓閥回油動作，碟簧拉緊拉釘，完成第五軸動作，位置精度完全保證。

（3）頭庫的保險裝置。從頭庫動作的安全考慮，設計如圖3所示的保險裝置。工作時，壓板4固定在小車平臺7上隨動，當經過取頭區(qū)時，壓下帶柄軸承3，從而使固定銷5縮進定位座1內，此時送頭氣缸工作推動頭庫支架交換至小車平臺7上。而當小車平臺7離開或未到取頭工位區(qū)時，壓縮彈簧2推動固定銷5復位，保護頭庫支架由于氣缸誤動作而不被推出。同時在定位座1上設定接近開關，當壓板4接近后才有反饋信號響應動作，從而實現機械與電氣雙保護。

圖3　頭庫安全裝置示意圖

（4）頭庫的電氣控制主要代碼。由于本機床配置有直角頭、延伸頭、扁直角頭，以及一個立式頭罩。附件頭庫放置在左立柱側，通過手動推送當前附件頭和目標附件頭，進行附件頭位置定位，實現半自動附件頭的卸載和裝載。為了方便操作，機床數控系統分別定義立式頭罩設置為“1號頭”；直角頭設置為“2號頭”；扁直角頭設置為“3號頭”；延伸頭設置為“4號頭”。當需要更換附件頭時，執(zhí)行這樣的程序：

R90=*

M106

（注：其中*代表1/2/3/4/5附件頭號碼，M106為調用換頭子程序CHG.SPF M功能代碼）。

當出現“綠色”報警信息后，程序進入讀入禁止狀態(tài)，必須RESET復位后才能解除讀入禁止狀態(tài)。處理報警后才能重新執(zhí)行子程序。假如在主程序中調用子程序的話必須重新定位主程序。

下面對換頭子程序作詳細說明：CHG.SPF

附件頭安裝在滑枕上后，對于直角頭、扁直角頭需要實現第五軸的旋轉時，可以進行最小單位

2.5°分度（假設鼠牙盤為144齒）旋轉操作，在AUTO/MAD方式下執(zhí)行以下程序：

R102=***

M101

其中***是0～360內的整數，而且必須是2.5的整數倍。

ROT子程序說明如下：

3　結語

自動換頭頭庫結構獨立于機床安裝，互換性好，定位精度高，加工中心一次裝夾工件后，通過自動換頭可以實現五面體加工，提高加工效率，經用戶長期使用后，反饋良好。

Application of Automatic swap Servo head library in Five face body Longmen processing center

GAO Li
（Changlong Machine tool Manufacturing CO.LTD.，Changzhou，Jiangsu 213125，China）

With the development of manufacturing industry，the processing of wind power ship leaves and large diesel engine and other complex parts need to use automatic indexing attachment head，so the requirements for head library are also getting higher and higher.The pentahedral machining center head library must have reasonable layout，high degree of automation，high precision and reliability.Whether the structure is reasonable or not directly affects the machining range of the machine tool，machining efficiency and machining precision.

Automatic swap；Servo head library；five axis linkage；automatic indexing

TG659

A

2095-980X（2016）04-0056-02

2016-03-25

高力（1980-），男，機械工程師，主要研究方向：數控龍門機床及附件裝備的設計與研究。