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数控电脑锣机床自动换刀系统产品化的研究


 <<、自动换刀系统产品化的意义

<< 自动换刀系统数控电脑锣机床的重要组成部分。刀具夹持元件的结构特性及它与机床主轴的联结方式,将直接影响机床的加工性能。刀库结构形式及刀具交换装置的工作方式,则会影响机床的换刀效率。自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度,又会对整机的成本造价产生直接影响。

<< 从换刀系统发展的历史来看,1956年日本富士通研究成功数控电脑锣转塔式冲床,美国IBM公司同期也研制成功了“APT”(刀具程序控制装置)。1958年美国K&T公司研制出带ATC(自动刀具交换装置)的加工中心。1967年出现了FMS(柔性制造系统)。1978年以后,加工中心迅速发展,带有ATC装置,可实现多种工序加工的机床,步入了机床发展的黄金时代。1983年国际标准化组织制定了数控电脑锣刀具锥柄的国际标准,自动换刀系统便形成了统一的结构模式。目前国内外数控电脑锣机床自动换刀系统中,刀具、辅具多采用锥柄结构,刀柄与机床主轴的联结、刀具的夹紧放松机构及驱动方式几乎都采用同一种结构模式。在种模式中,机床主轴常采用空心的带有拉杆、碟形弹簧组的结构形式,由液压或气动装置提供动力,实现夹紧放松刀柄的动作。利用这种机构夹持刀具进行数控电脑锣加工的最大问题是,它不能同时获得高的夹持刚度和刀具振摆精度,而且主轴结构复杂,主轴轴向尺寸过大,加上它的液压驱动装置及刀具辅具锥柄的制造成本,使得自动换刀系统的造价在机床整机中占有较大的比重。据有关资料介绍,在刀具采用锥柄夹头、侧压夹头以及弹簧夹头夹紧性能的对比实验中,采用弹簧夹头夹持刀具是唯一可同时获得高的夹持刚度和振摆精度的理想元件。采用这种夹持元件,刀具或刀具辅具可作成圆柱柄,其制造成本低,精度易保证,这对大容量刀库降低刀具辅具的制造成本,意义更为显著。在现代数控电脑锣机床上亦有采用弹簧夹头作为刀具的夹持元件,但机床的主轴结构、驱动方式仍然采用与上述锥柄刀具完全相同的结构形式。采用这种结构模式,在实际数控电脑锣加工中,尤其是在需要超高速主轴、主轴的径向、轴向尺寸都很小、没有足够的换刀空间的微细加工场合中实现自动换刀将会是很困难的,如果实施自动换刀那将使机床成本大幅度提高。如在CNC控制磨削球面铣刀的数控电脑锣磨削机床上,直接由高速电机驱动主轴,使用小直径盘形砂轮和指形砂轮加工球面铣刀,换刀空间很小,在这种条件下,将难以实现自动换刀。国外最新研制的内圆磨床上采用的弹簧夹头自动换刀装置售价昂贵。

<< 二、自动换刀系统产品化的技术问题

<< 为了更好地简化数控电脑锣机床主轴结构,尽可能地减小换刀机构对机床主轴结构优化设计带来的影响,采用弹簧夹头这一理想的刀具夹持元件,在机床主轴的设计上除了轴端制作出与弹簧夹头联结的专用结构外,机床主轴结构完全可以根据其优化要求来确定,从而可最大限度地提高机床主轴的工作性能。本研究以它巧妙的构思,对换刀机械手、刀具交换装置、刀库结构形式以及驱动机构进行了新的设计,改变了传统的结构模式。在本项研究中要解决的主要问题有:

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