基于卧加链式刀库结构分析的零部件模块化设计

范春宏 王庆利 吴 丽

（沈阳机床股份有限公司中捷钻镗床厂，辽宁沈阳 100141）

1 链式刀库精密结构设计与分析

链式刀库主要由刀库本体、刀库座、刀库驱动装置、刀套链及刀套链定向装置、手动卸刀装置和自动换刀装置等构成。针对卧式加工中心需求链式刀库的主要参数及技术要求进行结构设计与分析，并利用建模软件对刀库进行参数化建模。

1.1 刀库本体结构设计

链式刀库的刀库本体是刀库座、链条结构以及相应的驱动装置的安装基体。也是刀库和机床装配的主要调试部件。刀库本体上的链条结构是保证刀具正常运行的刚体结构，不仅能保证高刚性、低噪声和小振动，且能承受快速换刀的冲击力和较大刀具重量;刀库座用于和机床连接，是刀库几何精度保证的关键部件，保证机床灌胶后刀库和机床同步;驱动装置是由液压马达带动齿轮驱动刀具循环运动。刀库本体的具体设计结构如图1所示。

1.2 刀库驱动装置设计

刀库驱动装置工作过程是刀套链沿导向轮的转动，是由液压马达驱动的，该装置由液压马达和齿轮减速箱构成，如图2所示。压力油接入液压马达带动齿轮1转动，经二级齿轮降速到达牙轮驱动刀套链旋转，其转速由液压装置来控制。

1.3 刀套链及刀套链定位装置设计

刀套链是封闭结构，其围绕在3个导向轮和1个驱动牙轮上，在各轮子之间装有支承和导向板，用来防止刀套链转动时振动。刀套链轴也就是刀座，可以夹持ISO50刀具，如图3所示。

机械手抓刀时，刀套必须准确停在换刀点位置上。当机械加工需要更换某把刀具时，通过记数轮并由感应开关输出信号，使其停止在换刀点处，然后，定向油缸活塞杆移动，带动定位销插入定位轮的凹槽内，使得刀套准确停在换刀点处，同时也将刀套链锁住。定位轮安装在减速箱中的一根齿轮轴上，如图4所示。

1.4 手动卸刀装置及刀座监控装置设计

手动卸刀装置即在刀库的侧面设有刀具装入、取出位置。当需要装、卸刀具时，将相应的刀座移到该位置处，然后利用脚踏开关通过液压油缸将刀具从刀座中顶出;装入时，可将刀具直接插入刀座中，通过刀座中的钢球将刀具尾部的拉钉锁住，如图5所示。

更换刀具时，刀套链是按最短的路径方向（顺时针或逆时针）快速运行，距换刀点还有一个刀套距离处，刀套链运行速度减慢至换刀点位置停止，并由电气开关监控。为消除刀座的定位误差，刀套链运行定位是单向定位的，当刀套链反向运行换刀时，刀套链需越过换刀点处一个刀座位再反向运行到换刀点处停止。换刀处的刀座是否被占用由电气开关监控的。此开关通过刀座尾部的中心孔对刀座进行监控。刀套的定位控制及刀具监控由图6所示的刀座监控装置完成。

1.5 自动换刀装置设计

刀具交换主要包括5个部分:双臂转动180°，手臂转动90°（包括待机位置），双臂前后移动（插拔刀），双臂平移（机械手抓刀），刀套链转动与刀座定位。整个换刀过程如图7所示。

自动换刀装置的主要任务为:完全模拟手的换刀动作，给加工中心主轴与弹簧夹头提供相对转动实现夹紧、放松刀具的动作。机械手应具备足够的恒定转矩，同时还应使机械手具备结构紧凑、占据空间小的特点，以适应加工中心的换刀空间。自动换刀装置结构如图8所示。

建筑装饰装修设计人员要运用绿色环保设计理念，结合装饰装修设计中遇到的问题，合理融入与绿色环保有关的装修装饰理念，制定出更为科学的解决措施，不断减少建筑室内装饰装修施工所带来的环境污染。在进行建筑室内装饰装修设计时，设计人员需要加强设计管理，并妥善布局，结合建筑室内装饰装修材料的使用现状，展开科学讨论。例如，在该建筑装饰装修设计过程之中，选择采用地板砖还是木地板，才能够保证建筑室内地面装修装饰效果达到最好。在建筑室内墙面装饰装修过程当中，采用壁纸还是墙面漆，能够获取最佳的装饰效果。

总之，通过各部结构模型的设计分析，建立链式刀库的参数化模型（如图9所示），并在此基础上对主要零部件进行模块化设计。

2 链式刀库本体的模块化设计

由于具体工件的加工工艺不同，需要的刀具数量也不相同，因此客户对刀库的刀具数量就有了相应的要求。针对目前市场的主要需求，设计了40把刀库体、60把刀库体以及90把刀库体形成系列产品。为了减小占地面积，保证整机结构的紧凑性，经过多次整改设计，成功将90把刀库体设计成蛇形结构，60把刀库体只在空间高度上增加得略大，在实际生产中得到了应用，效果非常好，模块化刀库的设计结构图如图10所示。

3 链式刀库自动换刀装置的模块化设计

（1）自动换刀装置的运动分析

从机械原理的设计角度看，简化后的刀库自动换刀装置是由主动件，从动件以及机架3部分组成的偏心曲柄滑块机构（如图11所示）。

通过设置原点，将各杆的长度和角度用方程式表示，在增加驱动后，完成各构件的位移、速度和加速度的运动分析，建立参数表，根据需要进行各项参数的调整。

（2）自动换刀装置的模块化设计

将自动换刀装置进行参数化建模（如图12所示），液压油缸和换刀支架的连接只要在避免死点的角度范围内取值，就可以根据机床的需要进行换刀点的重新取值。

当机床主轴无法保证换刀行程时，可以通过有限元分析，机械手臂不受刀具重量影响情况下重设换刀手臂旋转直径，满足换刀行程。

4 结语

随着科技进步，客制化产品将成为主流，目前链式刀库以及链式刀库的模块化设计需要在以下方面做进一步的改进设计，使其适应市场需求。并且在高速、高稳定性、高精度的发展趋势下，链式刀库仍然需要进行如下技术难点攻关:

（1）换刀速度及换刀稳定性:链式刀库必须在保证高刚性、低噪声、小振动，且能承受快速换刀的冲击力和较大刀具重量的前提下，提高换刀速度。

（2）刀链精确定位系统:链式刀库的链条式结构，决定了刀库自身存在着机械刚性差、传动间隙大的明显缺陷，从而造成刀库定位精度差，因此作为刀库整机性能的一个重要指标刀链的精确定位系统，需要由机械设计与电气设计配合改进设计。

（3）自动换刀装置的改进设计:液压自动换刀装置可以承重大，但相对于凸轮机构的自动换刀装置，由液压控制的机械手换刀需要对液压油缸进行高精度加工，难度非常大，且换刀速度提高的难度系数也非常大，需要对液压油缸进行性能分析及改进设计。

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