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1.序言

刀庫是數控機床的重要核心部件之一，中小型立式加工中心通常選擇斗笠式刀庫和圓盤機械手刀庫，龍門式數控鏜銑床通常采用鏈式刀庫，臥式加工中心因采用雙交換工作臺，所以通常采用落地式鏈式刀庫。大型落地鏜床通過采用側掛式多工位鏈式刀庫，來滿足復雜零件加工的需要。由于加工中心所處行業不同，所以往往不需要配備大型鏈式刀庫，而采用常見的24把刀，但是，由于主軸前端配備了其他功能部件，空間受到限制，所以在這種情況下，通用型刀庫不能夠滿足實際使用需要。因此，本文重點圍繞此類設備需求，為用戶提供一種全新的解決方案。

2.刀庫總體設計

一種落地式鏜床，由于加工的需要，原設計方案中的刀庫受使用空間限制，無法進行正常的換刀。針對換刀空間受限的問題，可以采用如下兩種方案。方案一，采用側掛式刀庫，如圖1所示，斗笠式刀庫1，通過刀庫座2與立柱3使用螺栓固定在一起，滑座4在立柱3上能夠上下運動，主軸6安裝在方滑枕5上，能夠在滑座4內實現前后運動，刀柄7通過斗笠式刀庫1中的執行機構，帶動刀盤整體運行至主軸6的中心線上。方案二，采用固定落地式刀庫，如圖2所示，刀庫座1落地，與地面固定，刀盤2固定在刀庫座1上，可以在其上進行旋轉，氣缸3推動刀柄組件，向上運動至主軸中心線上。上述兩種方案，當刀柄運動至主軸中心線后，在數控系統換刀指令作用下，實現了刀庫與主軸間的自動換刀。

圖1 側掛式刀庫

圖2 固定落地式刀庫

對兩種方案進行對比，兩方案的相同點在于都是通過氣缸作為執行元件，都是刀盤需要旋轉，旋轉到位之后再進行送刀動作。不同點在于方案一采用氣缸推動整個刀盤運動，由于換刀行程的限制，傳統的250mm距離往往不能滿足工作需要;而方案二采用的是氣缸推動刀柄組件實現換刀，因此，方案二推動的負載更小，由于采用的是落地結構，與機床的立柱不存在組合關系，與地面固定，占地面積更小，安裝調試更加靈活，更利于選擇合適的氣缸來實現動作，在主軸前端有冷卻組件等影響換刀的情況下，換刀所占用空間更小。綜合上述對比可知，在某種程度上，采用落地式刀庫解決自動換刀方案，優于側掛式方案。

3.刀庫刀盤受力分析

刀盤作為刀庫的主要部件之一，它的作用是固定刀座，后面安裝有分度機構，前面安裝有氣缸，氣缸可以推動刀座組件向上移動，在數控系統的控制下實現自動換刀。刀盤結構是否合理、強度是否夠用，直接影響整個功能部件的穩定性，鑒于此，重點對刀盤的結構進行受力分析。此刀庫采用立式布局，以落地形式安裝在地面上，所用刀柄及刀具的最大質量為3kg，刀庫總容量24把，刀盤所用材料為Q235A，針對刀座的安裝位置，分別從位移、壓力、載荷方向三方面運用UG軟件中的simulation功能進行相應的分析，如圖3~圖5所示。

圖3 位移分析

圖4 壓力分析

圖5 載荷方向分析

根據位移、壓力及載荷分析可知，在上述條件下，在最大壓強為2.03MPa的情況下，位移最大變化量是0.0014mm。載荷方向如圖5所示，通過圖形可知，載荷最大的方向存在于刀盤外側刀套組件處，尤其是在中心線上下兩側，因此，這些位置變形量也是最大的。目前的分析條件是在滿刀的情況下，同時刀具均是最大質量，變形量在允許范圍之內，實際工況是所用刀具由加工工藝來決定，刀具質量會因種類不同，而存在差異，因此，通過上面的分析可知，該刀盤的結構能夠滿足主機的使用要求。從圖3位移分析中可知，中間部分的變形量很小，從降低電動機驅動負載的角度分析，可以將刀盤中間增開圓孔以減輕質量。

4.刀庫電氣控制

刀庫刀盤的驅動采用3相380V刀庫專用減速電動機進行分度，由優質的鋁合金壓鑄形成，電動機的體積小、扭力大、效率高且散熱快，表面經皮膜處理不生銹，性能穩定。送刀動作由同氣缸推動刀座組件來實現，機構穩定可靠，負載小，通過專用減速電動機、氣動系統以及相應的磁性傳感器、零點位置傳感器及計數傳感器等，在數控系統的作用下可實現自動換刀，根據實際工況，確定了具體的換刀動作。本文以主軸初始狀態為空刀，以換5號刀為例，進行動作過程描述，具體如下。

1）機床數控系統發出換刀指令T5M6，刀庫電動機帶動撥桿轉動，撥桿帶動刀盤旋轉，刀盤每旋轉一個刀位，計數傳感器計數一次。

2）根據系統存儲數據進行對比，若不匹配，向下一個工位旋轉;若匹配，刀庫專用減速電動機停止旋轉，執行下一步程序。

3）氣動系統上的前進電磁閥得電后，氣源推動氣缸軸帶動刀座組件向上運動至主軸中心換刀點，氣缸的運動行程由磁性傳感器來反饋。

4）主軸部分由數控機床伺服電動機帶動執行機構至換刀點，刀柄順利進入主軸錐孔，并用相應拉緊機構鎖死。

5）主軸將刀柄鎖緊在主軸錐孔后，主軸機構后移，退出至安全位置。

6）氣缸此時將刀套組件帶回，移至原刀位后，等待下一次的換刀指令。

7）在主軸上有刀的情況下，需要事先計算出哪個刀位是空刀位，再將主軸上的刀抓取下來，送入指定刀位，再執行上述動作，完成下一次的換刀過程。時序如圖6所示。

圖6 刀庫運行時序

5.效果驗證

此刀庫經過零部件三維建模后，進行了虛擬裝配，并運用UG軟件中的simulation對刀庫刀盤進行了受力分析。根據數據分析，改進了部分結構，提高了整機的剛性和產品的可靠性。刀庫三維效果如圖7所示。

圖7 刀庫三維效果

在制造完成的同時，也對該刀庫的整機性能進行了48h以上的無故障運行測試，分別對每個刀位進行往復式換刀測試，經試驗，該設備運行穩定可靠，換刀動作流暢無卡頓，換刀時間優于設計指標，實際刀具的質量大于設計指標，其余各項指標均達到了設計的預期，能夠滿足主機加工需要，具體測試數據見表1。

表1 刀庫測試數據

6.結束語

本文所述落地式刀庫與圓盤機械手刀庫相比，由于采用的是凸輪帶動機械手臂雙向就近選刀，因此換刀速度較快，但是設備成本高。

與側掛式刀庫相比，落地式刀庫采用的是氣缸推動刀座組件實現換刀，移動負載小，系統反應更加靈敏可靠，同時成本較低，在安裝空間受限制的情況下，本方案能夠解決主機自動化換刀的功能，同時，本方案采用氣缸實現換刀，節能綠色環保。因此，落地式刀庫具有很廣泛的使用價值和推廣空間。