1、16.3.9 6.3.9 刀具识别装置刀具识别装置 刀具刀具(或刀套或刀套)识别装置是自动换刀装置中的重要组识别装置是自动换刀装置中的重要组成部分，该装置可以将所需刀具从刀库中准确地调出成部分，该装置可以将所需刀具从刀库中准确地调出来，即选定刀具。来，即选定刀具。常用选刀方式：常用选刀方式：顺序选刀和任意选刀两种选刀方式顺序选刀和任意选刀两种选刀方式 顺序选刀顺序选刀 是按照工艺要求依次将所用的刀具插入刀是按照工艺要求依次将所用的刀具插入刀库的刀套中，顺序不能出错，加工时按顺序调刀。库的刀套中，顺序不能出错，加工时按顺序调刀。优点优点 是刀库的驱动及控制都比较简单。是刀库的驱动及控制都比较简单
2、。任选刀具任选刀具 是目前多数加工中心都采用的换刀方法的是目前多数加工中心都采用的换刀方法的换刀方式，分为刀套编码、刀具编码和记忆等方式。换刀方式，分为刀套编码、刀具编码和记忆等方式。.2.3.42）刀套编码方式）刀套编码方式（1）这种编码方式取消了刀柄中的编码环，使刀柄）这种编码方式取消了刀柄中的编码环，使刀柄结构大为简化；结构大为简化；（2）在自动换刀过程中必须将用过的刀具放回原来）在自动换刀过程中必须将用过的刀具放回原来的刀套中，增加了换刀动作。的刀套中，增加了换刀动作。优点优点是刀具在加工过程中可以重复使用。是刀具在加工过程中可以重复使用。图图6所示为圆盘形刀库的刀所示为圆盘形刀库的刀
3、套编码装置套编码装置.53）编码附件方式）编码附件方式 编码附件方式分为编码附件方式分为编码钥匙编码钥匙、编码卡片、编码杆和编码盘等、编码卡片、编码杆和编码盘等.62 刀具刀具(刀套刀套)识别装置识别装置常用的刀具识别装置有下列几种常用的刀具识别装置有下列几种 1）接触式刀具识别装置）接触式刀具识别装置 特点：结构简单，但由于触针有磨损，故寿命较短，特点：结构简单，但由于触针有磨损，故寿命较短，可靠性较差，且难于快速选刀。可靠性较差，且难于快速选刀。.72）非接触式刀具识别装置）非接触式刀具识别装置 特点：特点：由于没有机械直接接触，因而无磨损，无噪声，由于没有机械直接接触，因而无磨损，无噪声
4、，寿命长，反应速度快，适应于高速、换刀频繁的工作寿命长，反应速度快，适应于高速、换刀频繁的工作场合。场合。常用的识别方法有磁性识别和光电识别两种方法常用的识别方法有磁性识别和光电识别两种方法(1)磁性识别法磁性识别法 是利用磁性材料和非磁性材料磁感是利用磁性材料和非磁性材料磁感应强弱不同，通过感应线圈读取代码。应强弱不同，通过感应线圈读取代码。.8 当尺寸受到限制时，不能采用由标准无触点开关当尺寸受到限制时，不能采用由标准无触点开关组成的识刀器，可采用小型的磁性识刀器。它将六组组成的识刀器，可采用小型的磁性识刀器。它将六组磁芯叠合在一起的宽度只有磁芯叠合在一起的宽度只有30mm，其选刀控制方框
5、，其选刀控制方框图如图所示。图如图所示。.9(2)光电识别法光学纤维刀具识别装置利用光导纤维光电识别法光学纤维刀具识别装置利用光导纤维良好的光传导特性，采用多束光导纤维构成阅读头，良好的光传导特性，采用多束光导纤维构成阅读头，如图如图a)所示。所示。光导纤维来阅读二进光导纤维来阅读二进制码时，有反射光时制码时，有反射光时(表面光亮表面光亮)为为“1”，无，无反射光时反射光时(表面涂黑表面涂黑)为为“0”，如图，如图(b)所示所示 .10(3)利用利用PC(可编程控制器可编程控制器)实现随机换刀实现随机换刀 利用软件选刀，代替了传统的编码环和识刀器，利用软件选刀，代替了传统的编码环和识刀器，消除
6、了由于识刀装置的稳定性、可靠性所带来的选刀消除了由于识刀装置的稳定性、可靠性所带来的选刀失误。失误。ATC(自动换刀自动换刀)控制和刀号数据表控制和刀号数据表 刀具的识别刀具的识别 刀具的交换及刀号数据表的修改刀具的交换及刀号数据表的修改 利用利用PC实现刀具识别的步骤实现刀具识别的步骤.11 ATC(自动换刀自动换刀)控制和刀号数据表控制和刀号数据表.12 刀具的识别刀具的识别 虽然刀具不附带任何编码虽然刀具不附带任何编码装置，而且采取装置，而且采取任意换刀方任意换刀方式，式，即刀具在刀库中不是顺即刀具在刀库中不是顺序存放的，但，由于序存放的，但，由于PC内部内部设置的刀号数据表始终与刀设置
7、的刀号数据表始终与刀具在刀库中的实际位置相对具在刀库中的实际位置相对应应，所以对刀具的识别实质，所以对刀具的识别实质上转变为对刀库位置的识别。上转变为对刀库位置的识别。识别刀具的识别刀具的PC程序流程序流程图如图所示。程图如图所示。.13 刀具的交换及刀号数据表的修改刀具的交换及刀号数据表的修改 NC系统发出自动换刀系统发出自动换刀指令指令M06,机械手执行换刀机械手执行换刀动作动作,主轴上用过的旧刀和主轴上用过的旧刀和刀库上选好的新刀进行交刀库上选好的新刀进行交换换,应通过软件修改应通过软件修改PC内部内部的刀号数据表的刀号数据表,修改刀号表修改刀号表的流程如图所示的流程如图所示。.146.
8、4 6.4 典型加工中心主要结构及工作原理典型加工中心主要结构及工作原理 具有自动换刀装置的具有自动换刀装置的CNC数控立式镗铣床；数控立式镗铣床；数控系统数控系统-FANUCBESKT 6ME数控系统；数控系统；工件一次装夹后，可自动连续完成铣、钻、扩、工件一次装夹后，可自动连续完成铣、钻、扩、铰、锪和攻螺纹等多种工序的加工；铰、锪和攻螺纹等多种工序的加工；适合于小型板类、盘类、壳体类和模具等零件的适合于小型板类、盘类、壳体类和模具等零件的 多品种小批量加工。多品种小批量加工。JCS一一018A型立式加工中心型立式加工中心.15.16 X轴伺服电动机完成轴伺服电动机完成左右运动。左右运动。Z
9、轴与轴与Y轴伺服电动机轴伺服电动机分别完成上、下进给运分别完成上、下进给运动和前、后进给运动，动和前、后进给运动，X、Y、Z三轴伺服电三轴伺服电动机都由数控系统控制，动机都由数控系统控制，可单独或关联运动。可单独或关联运动。.176.4.1 主传动系统主传动系统1 主轴电动机用主轴电动机用FANNC ACl2型交流伺服电动机型交流伺服电动机 参数为：电机参数为：电机30min超载时，超载时，Pgmax=15kW;连续运转时，连续运转时，Pcmax=11kW;计算转速计算转速njd=1500r/min；电机转速范围电机转速范围nm=454500r/min;其中其中n=7504500r/min为恒
10、功率区。为恒功率区。2 由于对主轴电动机的伺服系统中加了功率限制，则由于对主轴电动机的伺服系统中加了功率限制，则 有有 电动机电动机30min超载时，超载时，Pgmax=7.5kW；连续运转时，连续运转时，Pcmax=5.5kW；3 由于电动机运动经过由于电动机运动经过i=12齿形带轮传给主轴，齿形带轮传给主轴，主轴主轴 的转速范围为的转速范围为22.52250rmin，主轴计算转速，主轴计算转速 njz=375r/min；.184 主轴恒功率区主轴恒功率区 转速范围为转速范围为3752250rmin，在该，在该 区域内，主轴传递电动机的全部功率为区域内，主轴传递电动机的全部功率为55 kW或
11、或 75 kW。5 电动机恒转矩区域转速范围电动机恒转矩区域转速范围 45750rmin，其连，其连 续运转的最大输出转矩为续运转的最大输出转矩为70Nm，电动机，电动机30min超超 载时的最大输出转矩为载时的最大输出转矩为955Nm。6 主轴恒功率区域的转速范围主轴恒功率区域的转速范围 225375rmin。最大输出转矩分别为最大输出转矩分别为140Nm和和191Nm。.196.4.2 进给运动传动系统进给运动传动系统 X、Y、Z三个坐标轴的进给运动分别由三台功率为三个坐标轴的进给运动分别由三台功率为1.4kW FANUC一一BESK DCl5型型直流伺服电动机直流伺服电动机直接直接带动滚
12、珠丝杠旋转。带动滚珠丝杠旋转。1 三进给坐标系确定三进给坐标系确定 电动机轴和滚珠丝杠之间均采用电动机轴和滚珠丝杠之间均采用锥环无键连接和高锥环无键连接和高精度十字联轴器精度十字联轴器的连接结构，以的连接结构，以Z轴进给装置为例如轴进给装置为例如图所示。图所示。2 连接确定连接确定3 进给速度进给速度 立式加工中心立式加工中心X、Y轴的快速移动速度为轴的快速移动速度为14mmin，Z轴快移速度为轴快移速度为l0 mmin。.20FANUC直流伺服电机直流伺服电机.21项项 目目型号型号FB15FB25输出功率输出功率千瓦千瓦1.42.5(马力马力)(1.9)(3.3)额定转矩额定转矩牛顿牛顿米
13、米17.634.3(公斤公斤厘米厘米)(180)(350)最大转矩最大转矩牛顿牛顿米米154309(公斤公斤厘米厘米)(1570)(3150)最高转速最高转速转转/分分15001000转子惯量转子惯量牛顿牛顿米米秒秒20.0190.032(公斤公斤厘米厘米秒秒2)(0.19)(0.33)机械时间常数机械时间常数毫秒毫秒15.28.5热时间常数热时间常数分分7080重量重量公斤公斤3047.224 Z轴制动装置设计轴制动装置设计 由于主轴箱垂直运动，为防止滚珠丝杠因不能由于主轴箱垂直运动，为防止滚珠丝杠因不能自锁而使主轴箱下滑，所以自锁而使主轴箱下滑，所以Z轴电动机带有制动器。轴电动机带有制动器
14、。有的立式机床为了防有的立式机床为了防止超越负载引起的主止超越负载引起的主轴箱下滑，可采用右轴箱下滑，可采用右图的结构。图的结构。.236.4.3 主轴箱主要结构主轴箱主要结构 主轴选择的轴承类型和配置形式，能满足主轴主轴选择的轴承类型和配置形式，能满足主轴高转速和承受较大轴向载荷的要求，主轴受热变形高转速和承受较大轴向载荷的要求，主轴受热变形向后伸长，不影响加工精度。该加工中心的主轴结向后伸长，不影响加工精度。该加工中心的主轴结构如图构如图a）、）、b）所示。）所示。1 主轴结构主轴结构.241主轴主轴 2拉钉拉钉 3钢球钢球 4前支承前支承 5螺母螺母 6后支承后支承 7拉杆拉杆8碟形弹簧
15、碟形弹簧9弹簧弹簧10活活塞塞 11液压缸液压缸2 刀具自动夹紧机构刀具自动夹紧机构.253 主轴准停装置主轴准停装置 每次机械手自动装取刀具时，必须保证刀柄上的每次机械手自动装取刀具时，必须保证刀柄上的键槽对准主轴的端面键，这就要求主轴具有准确定键槽对准主轴的端面键，这就要求主轴具有准确定位的功能。位的功能。.26 本机床采用的是电气式主轴准停装置，即用磁本机床采用的是电气式主轴准停装置，即用磁力传感器检测定向，如图所示。力传感器检测定向，如图所示。.276.4.4 刀库结构刀库结构1 自动换刀过程自动换刀过程主轴在主轴在“准停准停”位置，由自动位置，由自动换刀装置换刀，其过程如下换刀装置换
16、刀，其过程如下：(1)刀套下转刀套下转90(2)机械手转机械手转75(3)刀具松开刀具松开(4)机械手拔刀机械手拔刀(5)交换两刀具位置交换两刀具位置(6)机械手插刀机械手插刀(7)刀具夹紧刀具夹紧(8)机械手转机械手转180(9)机械手反转机械手反转75(10)刀套上转刀套上转90.28.292 刀库结构刀库结构1 电动机电动机 2 联轴器联轴器 3 蜗轮蜗轮 4 蜗杆蜗杆 5 汽缸汽缸 6 活塞杆活塞杆 7 拨叉拨叉 8 螺杆螺杆9、10 开关开关 11 滚子滚子 12 销轴销轴13 刀套刀套 14 刀盘刀盘.306.4.5 换刀机械手结构及动作过程换刀机械手结构及动作过程数控机床中数控机
17、床中，双臂回转，双臂回转式机械手在式机械手在自动换刀过自动换刀过程中，机械程中，机械手要完成动手要完成动作是作是抓刀、抓刀、拔刀、交换拔刀、交换主轴上和刀主轴上和刀库上的刀具库上的刀具位置、插刀位置、插刀、复位、复位等。等。.316.5 卧式车床数控化改装卧式车床数控化改装 经济型数控车床主要从以下两方面来保证和提经济型数控车床主要从以下两方面来保证和提高被加工零件的精度。高被加工零件的精度。1 系统的控制精度系统的控制精度 2 机床本身的机械传动精度机床本身的机械传动精度(1)尽量采用低摩擦的传动副尽量采用低摩擦的传动副，如滚动导轨和滚珠丝杠螺母副。，如滚动导轨和滚珠丝杠螺母副。(2)选用最
18、佳的降速比，选用最佳的降速比，为达到数控机床所要求的脉冲当量，使为达到数控机床所要求的脉冲当量，使运动位移尽可能地加速达到跟踪指令。运动位移尽可能地加速达到跟踪指令。(3)尽量缩短传动链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度尽量缩短传动链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度。(4)尽量消除传动间隙，以减小反向行程误差，尽量消除传动间隙，以减小反向行程误差，如采用消除间隙如采用消除间隙的联轴器和消除传动齿轮间隙的机构等。的联轴器和消除传动齿轮间隙的机构等。(5)尽量满足低振动和高可靠性方面的要求，尽量满足低振动和高可靠性方面的要求，应选择间隙小、传应选择间隙小、传动精度高、运动平稳、效率高以及传递转矩
19、大的传动元件。动精度高、运动平稳、效率高以及传递转矩大的传动元件。为提高机械传动精度需采取为提高机械传动精度需采取措施：措施：.32.336.5.1 主传动系统主传动系统 1)对卧式车床进行数控改造对卧式车床进行数控改造时，一般保留原有的主传动系时，一般保留原有的主传动系统和变速操纵机构统和变速操纵机构;2)如果加工工件的直径相差如果加工工件的直径相差较大，批量相对集中，需在加较大，批量相对集中，需在加工过程中自动变换切削速度，工过程中自动变换切削速度，可用双速或四速电动机替代原可用双速或四速电动机替代原车床的主电动机。车床的主电动机。主传动系统改造图如图所示主传动系统改造图如图所示.346.
20、5.2 主轴脉冲发生器及其安装主轴脉冲发生器及其安装1 主轴脉冲发生器主轴脉冲发生器(或光电编码器或光电编码器)作用，当数控机床作用，当数控机床加工螺纹时，用主轴脉冲发生器作为车床主轴位置信加工螺纹时，用主轴脉冲发生器作为车床主轴位置信号的号的反馈元件反馈元件，应与车床主轴同步转动，并发出主轴，应与车床主轴同步转动，并发出主轴转角位置变化信号，输送给计算机。计算机按所需加转角位置变化信号，输送给计算机。计算机按所需加工的螺距进行处理，控制机床工的螺距进行处理，控制机床纵向或横向纵向或横向步进电动机步进电动机运转，实现加工螺纹的目的。运转，实现加工螺纹的目的。2 常用的螺距常用的螺距 6、5、3
21、.5、3、2.5、2、1.75、1.5、1.25、1、0.75、0.7、0.6、0.5、0.4、0.35、0.3、0.25共共18种种。.35 若主轴采用若主轴采用1000 Hz的工作频率，加工的工作频率，加工3mm螺距的螺纹时，步进电动机频率为螺距的螺纹时，步进电动机频率为300Hz，根据，根据 300n60=1000，则有车床主轴转速，则有车床主轴转速 n100060300rmin200rmin，即车床主轴转速不得超过即车床主轴转速不得超过200rmin，如果主轴，如果主轴脉冲发生器的频率提高到脉冲发生器的频率提高到2000 Hz，转速也仅达，转速也仅达到到400rmin。3 主轴脉冲发生
22、器受到步进电机频率的限制主轴脉冲发生器受到步进电机频率的限制 当螺距越大时，允许的车床主轴转速也就越低当螺距越大时，允许的车床主轴转速也就越低 结论：结论：.364 主轴脉冲发生器的安装主轴脉冲发生器的安装 1）同轴安装）同轴安装 2）异轴安装）异轴安装1）同轴安装结构简单，连接）同轴安装结构简单，连接 方便方便;2）缺点是安装后不能加工穿）缺点是安装后不能加工穿 出车床主轴孔的零件；出车床主轴孔的零件；3）异轴安装不受限制。）异轴安装不受限制。特点：特点：.375 脉冲发生器的连接方式脉冲发生器的连接方式 刚性连接刚性连接就是指常用的轴套方式连接，这种连接对连就是指常用的轴套方式连接，这种连
23、接对连接件的制造精度和安装精度要求较高。接件的制造精度和安装精度要求较高。柔性连接柔性连接即车床主轴与主轴脉冲发生器之间用弹性即车床主轴与主轴脉冲发生器之间用弹性元件连接，常用的元件为波纹管、橡胶管以及专用元件连接，常用的元件为波纹管、橡胶管以及专用的挠性联轴器。的挠性联轴器。注意：注意：1)安装时应格外小心安装时应格外小心;2)不能超过最高许用不能超过最高许用转速转速;.386.5.3 电动刀架安装电动刀架安装1 横向进给系统横向进给系统.392 纵向进给系统纵向进给系统 保证改造后的步进电动机轴与丝杠间的同轴度要求，保证改造后的步进电动机轴与丝杠间的同轴度要求，改造后可保留车床原纵向手动功
24、能。改造后可保留车床原纵向手动功能。.40齿轮调隙结构齿轮调隙结构.41.426.5.4 脉冲当量的选择与改造中的传动结构脉冲当量的选择与改造中的传动结构 普通卧式车床进行数控改造时，脉冲当量取值为：普通卧式车床进行数控改造时，脉冲当量取值为：横向横向0005mm：纵向：纵向0010mm 而经济型数控车床的脉冲当量是一不可改变的确定值。而经济型数控车床的脉冲当量是一不可改变的确定值。对于有对于有特殊加工要求特殊加工要求的车床改造，可采用的车床改造，可采用以下结构形式的进给以下结构形式的进给系统改造，以实现多系统改造，以实现多脉冲当量的任意选择脉冲当量的任意选择，如图所示。，如图所示。.43.4
25、4以横向脉冲当量计算为例以横向脉冲当量计算为例iz1/z2=4545时，则脉冲当量为时，则脉冲当量为0005mm；iz1z2=4050时，则脉冲当量为时，则脉冲当量为0004mm；izl/z2=3060时，则脉冲当量为时，则脉冲当量为00025mm；izlz218/72时，则脉冲当量为时，则脉冲当量为000125mm；改造时的改造时的注意事项注意事项：(1)两坐标方向须同时改换齿轮，保证横、纵向脉冲当量之比两坐标方向须同时改换齿轮，保证横、纵向脉冲当量之比恒定为恒定为1：2，以方便编程。，以方便编程。(2)此改造结构由于在传动运动中增加了一级齿轮，故走刀方此改造结构由于在传动运动中增加了一级齿
26、轮，故走刀方向与原系统设定的方向相反，调整步进电动机的接线使其方向向与原系统设定的方向相反，调整步进电动机的接线使其方向相反，即可恢复系统约定的运行方向。相反，即可恢复系统约定的运行方向。(3)为消除齿侧配合间隙对加工的影响，结构见第为消除齿侧配合间隙对加工的影响，结构见第2章内容。章内容。.456.5.5 可控电动尾座可控电动尾座 可控电动尾座结构如图所示可控电动尾座结构如图所示 1)结构简单，工结构简单，工作可靠；作可靠；2）只有在顶尖）只有在顶尖顶紧工作并达到顶紧工作并达到预定力时，顶紧预定力时，顶紧过程才结束；过程才结束；3）有手动和计）有手动和计算机控制两种方算机控制两种方式。式。特点：特点：.
