彈簧夾頭自動換刀系統(tǒng)研究

                             新疆工學(xué)院 梁楚華

    自動換刀系統(tǒng)采用彈簧夾頭和外驅(qū)動夾緊機構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)，并作為加工中心的標(biāo)準(zhǔn)附件組織專門化生產(chǎn)，不僅可以大大簡化了機床主軸結(jié)構(gòu)，也使數(shù)控機床的工作性能明顯提高。由于系統(tǒng)全部采用圓柱柄刀具和輔具，使加工中心的配套成本大幅下降。 

    本文介紹筆者研究的一種可供數(shù)控機床選型配套的高性能彈簧夾頭自動換刀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式。 

    一、系統(tǒng)的組成  

    彈簧夾頭自動換刀系統(tǒng)由設(shè)置在機床主軸軸端的彈簧夾頭、分布在機床主軸箱兩側(cè)的外驅(qū)動刀具夾緊機構(gòu)、刀具交換裝置、擴展型鏈?zhǔn)降稁煲约跋到y(tǒng)控制器組成。  
 
    彈簧夾頭是該自動換刀系統(tǒng)的核心部件。它的工作性能及結(jié)構(gòu)的完善程度，除直接影響刀具的夾持性能及影響數(shù)控機床的切削加工性能外，也影響機床主軸的優(yōu)化設(shè)計，是自動換刀系統(tǒng)設(shè)計的重點。 

    外驅(qū)動刀具夾緊機構(gòu)和刀具交換裝置的作用是完全模仿現(xiàn)有彈簧夾頭使用中人手換刀的動作。刀具夾緊機構(gòu)必須具備夾緊力大、夾緊力恒定、結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠的特點。 

    刀具交換裝置采用雙臂回轉(zhuǎn)機械手工作方式。這種裝置在換刀時能同時抓取固定在刀座和機床主軸彈簧夾頭中的刀具，進(jìn)行交換和裝刀、卸刀操作，它的動作簡單，換刀時間短。本系統(tǒng)采用的刀具交換裝置完全可類同于現(xiàn)有加工中心常用的刀具交換裝置。 

    刀具柄部全部采用統(tǒng)一直徑的標(biāo)準(zhǔn)圓柱刀柄，鏈?zhǔn)降稁熘械牡蹲�結(jié)構(gòu)及刀具的固定方式與錐柄結(jié)構(gòu)的固定方式和刀座結(jié)構(gòu)會有很大不同。因此，還要設(shè)計出適合于圓柱刀柄存放、固定的專用刀座，刀座還必須便于刀具的裝卸。刀柄的其他結(jié)構(gòu)，如整體式結(jié)構(gòu)或帶有接長桿的組合結(jié)構(gòu)形式，都可采用與現(xiàn)有數(shù)控機床的刀具結(jié)構(gòu)完全相同的結(jié)構(gòu)形式。至于鏈?zhǔn)降稁斓尿?qū)動，以及刀具的識別也完全可以采用現(xiàn)有數(shù)控機床的成熟結(jié)構(gòu)和控制方式。 

    本系統(tǒng)采用PLC控制器，對自動換刀系統(tǒng)的換刀動作進(jìn)行全方位控制管理，它與機床的數(shù)控單元之間可通過幾條聯(lián)絡(luò)線進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)交換。 

    二、系統(tǒng)的關(guān)鍵部件和機構(gòu)的設(shè)計 

    1. 彈簧夾頭 

    通過第一代小型彈簧夾頭自動換刀系統(tǒng)樣機的研究表明，要進(jìn)一步提高機床主軸的工作性能，并滿足數(shù)控機床自動換刀的要求，設(shè)計研制的機床主軸軸端彈簧夾頭必須能夠很好地解決以下關(guān)鍵問題：1)圓柱刀柄與彈簧夾頭接觸面之間，在夾緊狀態(tài)下應(yīng)有足夠的接觸剛度。彈簧夾頭中的彈簧套與機床主軸軸端錐孔接觸面之間，在夾緊狀態(tài)下也應(yīng)有足夠的接觸剛度。2)在加工過程中機床主軸必須給刀具傳遞足夠的切削扭矩。3)彈簧夾頭采用螺旋夾緊機構(gòu)，在夾緊刀具時除向刀具提供足夠大的徑向夾緊力外，還必須具備可靠的自鎖性能。4)刀具交換裝置和彈簧夾頭在每次更換刀具后，應(yīng)使刀具具有較高的重復(fù)定位精度。5)在換刀過程中具有自動清理刀柄和彈簧夾頭型腔內(nèi)鐵屑塵渣的功能。6)機床主軸軸端應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單和工藝性好，便于主軸自身的優(yōu)化的設(shè)計。  
 
    經(jīng)過反復(fù)研究對比，提出了如圖2所示的彈簧夾頭結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。方案中彈簧夾頭由主軸軸端結(jié)構(gòu)1、彈性夾緊元件——彈簧套2、齒圈螺母套3、V型槽擋圈4、滾動體5、孔底雙側(cè)半圓鍵6、噴氣口7組成。 

    1) 主軸軸端結(jié)構(gòu) 

    內(nèi)圓錐面的圓錐角2α一般取30°。取較大圓錐角的目的是，刀柄容易被松開，便于刀具的裝卸。 

    設(shè)置在孔底的兩個半圓鍵，其作用是通過刀柄向刀具切削刃傳遞足夠的切削扭矩。半圓鍵頂部加工出導(dǎo)向錐，便于刀柄插入。同時在兩個半圓鍵的同一側(cè)(非工作側(cè)面)沿軸向加工出長槽，在槽內(nèi)固定彈簧片，彈簧片工作面略高出半圓鍵表面，其作用是當(dāng)兩半圓鍵插入刀柄尾端半圓槽后，以消除半圓鍵與刀柄半圓槽工作表面間隙，防止刀具插入后由于間隙的存在，當(dāng)切削扭矩大于彈簧套與刀柄之間的摩擦扭矩時，產(chǎn)生相對滑動而劃傷刀具圓柱柄。主軸孔底中央設(shè)置一個噴氣口，噴氣口與主軸中心孔氣路相通。交換刀具時，壓縮空氣通過噴氣口，進(jìn)入彈簧套型腔，吹凈附著在彈簧套內(nèi)和刀具刀柄上的鐵屑污物。主軸軸端外圓表面加工出一段螺紋，供齒圈螺母套3與主軸軸端聯(lián)接。 

    這樣確定的主軸軸端結(jié)構(gòu)具有簡單、工藝性好、占據(jù)空間小等特點，有利于機床主軸按照其自身的要求進(jìn)行最優(yōu)化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。 

    2) 彈簧套 

    彈簧套為薄壁圓錐形彈性元件，是彈簧夾頭關(guān)鍵件。彈簧套錐部可以根據(jù)需要開出多條軸向槽。彈簧套大徑一端設(shè)計出擋圈止口，以便通過擋圈向彈簧套提供軸向推力。 

   3) 齒圈螺母套 

    本設(shè)計采用螺旋夾緊機構(gòu)。據(jù)資料介紹，在一對螺旋副中，當(dāng)螺旋升角" 小于螺紋的當(dāng)量摩擦角f0時，螺旋夾緊機構(gòu)就會具有很好的自鎖性能。對于普通標(biāo)準(zhǔn)螺紋，采用鋼—鋼摩擦副，其當(dāng)量摩擦角φ0=6°35’，而本螺紋螺旋升角λ=2°29’，即λ≤φ0。 

    彈簧夾頭夾緊機構(gòu)采用螺旋夾緊機構(gòu)完成夾緊、鎖緊刀柄。螺母套帶有齒圈，其目的是通過齒圈與夾緊機構(gòu)中的齒輪正確嚙合傳遞扭矩。為了減小齒圈螺母套在夾緊刀具時的摩擦損失，在齒圈螺母套的外端與彈簧套擋圈之間加工出V型槽，槽內(nèi)密排一圈鋼球，從而形成了彈簧夾頭最簡單的結(jié)構(gòu)方案。為了進(jìn)一步增強螺旋夾緊機構(gòu)在切削過程中的抗沖擊能力(即在沖擊過程中仍能保持機構(gòu)的自鎖夾緊性能)，彈簧夾頭夾緊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式完全可以采用國內(nèi)生產(chǎn)的一種強力彈簧夾頭刀柄的結(jié)構(gòu)形式。 

    在夾緊刀具的過程中為了保證刀柄與彈簧套之間無相對移動，即刀具跟隨彈簧套一起作同步軸向位移，同時還要保證刀具在每次換刀后都能保持很好的軸向重復(fù)定位精度，就必須保證刀具柄部的定位端面與彈簧套定位端面間在夾緊過程中始終保持接觸。在本設(shè)計中，這一動作是由刀具交換位置中的機械手提供的，即機械手在夾緊過程中始終給刀柄提供一個使刀柄凸緣定位端面與彈簧套端面靠緊的向上作用的彈性力。目前彈性夾頭的定心精度一般可以達(dá)到0.01mm，甚至更高。 

    2. 外驅(qū)動刀具夾緊裝置 

    要保證圓柱柄刀具在切削過程中始終能夠被可靠地夾持在彈簧內(nèi)夾頭內(nèi)，除彈簧夾頭應(yīng)有自鎖性能外，換刀過程中夾緊裝置必需給彈簧夾頭提供足夠的夾緊力。刀具夾緊機構(gòu)如圖3所示。  
 
    夾緊力是通過螺母套的增力作用產(chǎn)生對彈簧足夠大的軸向推動力，并通過兩錐面的相互作用實現(xiàn)。螺母套的旋轉(zhuǎn)是通過螺母套上的齒圈與夾緊裝置中的齒輪2的嚙合運動獲得。齒輪3空套在減速器輸出軸上，撥桿6與蝸輪軸剛性聯(lián)結(jié)。夾緊、放松刀具的動作流程如下：主軸停轉(zhuǎn)并進(jìn)入主軸換刀準(zhǔn)停位置，刀具夾緊裝置從主軸箱一側(cè)進(jìn)入刀具預(yù)定換刀位置，齒輪2隨同刀具夾緊裝置沿彈簧夾頭螺母套齒圈徑向方向?qū)Σ鍑Ш�，�?qū)動電機4帶動蝸輪軸順時針旋轉(zhuǎn)(俯視圖為逆時針旋轉(zhuǎn))，蝸輪軸帶動撥桿6撥動(通過壓力傳感器)齒輪3、齒輪3驅(qū)動齒輪2、齒輪2驅(qū)動彈簧夾頭螺母套夾緊刀具，當(dāng)壓力傳感器10達(dá)到額定壓力，電機停轉(zhuǎn)，完成夾緊刀具的工作過程。額定夾緊力可通過設(shè)定壓力傳感器臨界壓力值來確定。放松刀具的動作可通過電機反向旋轉(zhuǎn)，直接撥動擋鐵7、驅(qū)動齒輪3、齒輪2及螺母套、放松彈簧夾頭、松開刀具。當(dāng)擋鐵8接觸行程開關(guān)9，電機停止，放松動作完成�？赏ㄟ^調(diào)整行程開關(guān)9的位置，來設(shè)定彈簧夾頭放松刀具的程度。刀具的夾緊和放松是依靠螺母套和主軸的相對轉(zhuǎn)動實現(xiàn)的，因此機床主軸必須設(shè)定準(zhǔn)停、鎖定裝置（機構(gòu)）。另外，齒輪2在驅(qū)動螺母套旋轉(zhuǎn)的過程中，由于螺母套在作螺旋運動，它必然產(chǎn)生一定的軸向位移。在有載荷的情況下，如果齒輪2不產(chǎn)生同步軸向位移，將會使傳動很難完成，或者有可能拉傷齒面，因此在刀具夾緊裝置的機構(gòu)設(shè)計上還必須設(shè)置齒輪2的同步軸向移動機構(gòu)。 

    3. 圓柱柄結(jié)構(gòu) 

    系統(tǒng)采用的刀柄結(jié)構(gòu)如圖4所示。采用圓柱柄刀具(或刀柄)具有以下顯著優(yōu)點：首先，圓柱面(包括彈簧套內(nèi)圓面和刀柄圓柱面)具有很好的加工工藝性，精度很容易保證，因此本自動換刀系統(tǒng)中刀柄圓柱面與彈簧套內(nèi)圓面之間在夾緊狀態(tài)下，必須能夠很好接觸，必然會獲得比現(xiàn)有錐柄刀具夾緊時更高的接觸剛度，它有利于機床主軸工作性能的提高。其次，圓柱柄在換刀過程中具有很好的導(dǎo)入清污能力，即刀柄沿彈簧套軸線插入時，在彈簧套內(nèi)尚存的贓物殘屑必然會被刀柄推入主軸凹槽內(nèi)，起到清理作用。  
 
    圓柱刀柄尾部加工出對稱的雙半圓鍵槽，形成八字形開放結(jié)構(gòu)，這樣便于壓縮空氣清理，同時也便于換刀時主軸孔底雙半圓鍵的插入。 

    圓柱柄頂部設(shè)計出帶有V形槽環(huán)的凸緣，便于刀具交換裝置中機械手抓取刀具。凸緣內(nèi)端面用作刀具軸向定位基準(zhǔn)，即在整個換刀過程中，刀柄在換刀機械手的作用下始終使該定位基準(zhǔn)與彈簧套端面靠合，以保證刀具的軸向定位精度。 

    另外在換刀過程中為了使刀柄半圓鍵槽與主軸孔底端面鍵能夠準(zhǔn)確對中定位，除機床主軸設(shè)有準(zhǔn)停機構(gòu)外，圓柱刀柄插入刀座時也必須保證半圓鍵槽的準(zhǔn)確方位。