第19章--自動(dòng)化加工用刀具.ppt

第十九章自動(dòng)化加工用刀具 19 1自動(dòng)化加工對(duì)刀具的要求19 2自動(dòng)化加工中刀具尺寸的補(bǔ)償方法19 3自動(dòng)化加工中的快速換刀裝置與工具系統(tǒng)19 4自動(dòng)化加工中的刀具管理系統(tǒng) 19 1自動(dòng)化加工對(duì)刀具的要求 近20年來(lái) 數(shù)控機(jī)床 ComputerNumericalControl 簡(jiǎn)稱CNC 加工中心 MachiningControl 簡(jiǎn)稱MC 柔性制造單元 FlexibleManufacturingcell 簡(jiǎn)稱FMC 和柔性制造系統(tǒng) FlexibleManufacturingSystem 簡(jiǎn)稱FMS 得到日益廣泛應(yīng)用 使機(jī)械制造面貌發(fā)生了很大的變化 自動(dòng)化加工對(duì)刀具提出了下列新要求 1 高生產(chǎn)率2 高可靠性與長(zhǎng)尺寸使用壽命3 可靠的斷屑與排屑4 快速 自動(dòng) 更換與尺寸預(yù)調(diào)5 刀具要標(biāo)準(zhǔn)化 系列化和通用化6 發(fā)展刀具管理系統(tǒng)7 有刀具磨損與破損在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 19 2自動(dòng)化加工中刀具尺寸的補(bǔ)償方法 19 2 1調(diào)整切削用量法目前在數(shù)控機(jī)床和加工中心中 常配備測(cè)頭或其他尺寸的測(cè)量裝置 以定期檢測(cè)加工尺寸 如加工尺寸有變化 信息系統(tǒng)會(huì)直接發(fā)出控制指令 直接改變背吃刀量或進(jìn)給量 保證加工尺寸不變 采用該法時(shí) 刀具或刀架不必增加尺寸補(bǔ)償機(jī)構(gòu) 使用簡(jiǎn)單易行 是經(jīng)常采用的方法 19 2 2自動(dòng)尺寸微調(diào)裝置對(duì)加工內(nèi)孔刀具 如鏜孔刀等 刀具徑向磨損將使加工孔徑變化 鏜孔直徑不能由機(jī)床調(diào)整補(bǔ)償 只能用有自動(dòng)尺寸微調(diào)的鏜刀來(lái)解決 現(xiàn)在生產(chǎn)中使用的自動(dòng)微調(diào)鏜刀有機(jī)械式和壓電陶瓷式 前者用的較多 圖19 1是一種自動(dòng)微調(diào)鏜刀結(jié)構(gòu) 該鏜刀用于加工中心 為錐柄結(jié)構(gòu) 調(diào)整時(shí)推動(dòng)調(diào)整桿2 使絲杠5轉(zhuǎn)動(dòng)一小角度 絲杠上有差動(dòng)螺紋 絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)使螺母4作微小位 移 推動(dòng)件8使下彈性板9做微小位移 鏜刀夾固在刀座10上 刀座10和上彈性板6與下彈性板9相連 下彈性板9的微小位移帶動(dòng)鏜刀做微小徑向尺寸調(diào)整 19 2 3負(fù)剛度刀架法在自動(dòng)機(jī)床和自動(dòng)線中 長(zhǎng)設(shè)計(jì)負(fù)剛度的刀架 在刀具磨損導(dǎo)致切削力增加時(shí) 刀尖反而前進(jìn) 補(bǔ)償?shù)毒叩膹较蚰p使加工尺寸的變化減小 但是 這種方法不易控制補(bǔ)償量 在柔性自動(dòng)化多品種生產(chǎn)時(shí)不能使用 19 3自動(dòng)化加工中的快速換刀裝置與工具系統(tǒng) 19 3 1快速換刀裝置為減少輔助時(shí)間 提高機(jī)床使用率 在自動(dòng)化加工中需要快速換刀 更換刀具的基本方法有 換刀片 換刀具 換裝好刀的刀夾或刀柄 或換裝有刀具主軸箱 1 自動(dòng)線中自動(dòng)換刀裝置自動(dòng)線中各機(jī)床 工序使用的刀具固定 需要按預(yù)定的時(shí)間強(qiáng)制換刀 可更換刀片 也可更換刀具 圖19 2是車刀刀片自動(dòng)更換裝置 該裝置由油缸 刀片擠出機(jī)構(gòu)和車刀刀體三部分組成 在刀庫(kù)中的刀片借助于與油缸連接的推桿3將刀片向前推進(jìn) 使排列在最前面的刀片處于工作位置 與此同時(shí) 已磨損的刀片被擠出刀體 從而完成了自動(dòng)更換刀片 這種方法對(duì)刀片的要求較高 且刀片各方面均需磨制 成本較高 圖19 3是自動(dòng)線中自動(dòng)換刀裝置 刃磨好的車刀1放在刀庫(kù)2中 到一定時(shí)間氣缸將新刀推到工作位置代替已磨鈍的車刀 這種換刀方式不適于在柔性自動(dòng)化生產(chǎn)中使用 2 轉(zhuǎn)塔頭自動(dòng)換刀裝置轉(zhuǎn)塔頭自動(dòng)換刀裝置主要用在數(shù)控車床和車削加工中心 圖19 4是車削加工中心用的臥軸轉(zhuǎn)塔頭自動(dòng)換刀裝置 根據(jù)數(shù)控指令指定刀具轉(zhuǎn)到工作位置 并進(jìn)給到要求尺寸進(jìn)行切削 其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)塔上裝刀數(shù)量有限 有時(shí)不能滿足加工需要 3 刀庫(kù)與機(jī)械手自動(dòng)換刀法鏜削加工中心都配備機(jī)床刀庫(kù) 刀庫(kù)中存儲(chǔ)著需要的各種刀具 從10多把刀到100多把不等 利用機(jī)床與刀庫(kù)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀 如圖19 5所示 其過(guò)程如下 當(dāng)前一把刀2加工完畢離開工件5 工作臺(tái)快速右移 刀庫(kù)1同時(shí)移到主軸下面 主軸箱4下移 將用過(guò)的刀具2插入刀庫(kù)的空刀座中 主軸箱上升 刀庫(kù)同時(shí)轉(zhuǎn)位 將下一工步刀具對(duì)準(zhǔn)主軸 主軸箱下降 將所需刀具插入主軸 主軸箱上升 工作臺(tái)快速左移 刀庫(kù)隨著復(fù)位 主軸箱下降 刀具進(jìn)行切削加工 現(xiàn)在常用刀庫(kù)與機(jī)械手聯(lián)合動(dòng)作 有機(jī)械手將刀庫(kù)中指定刀具換到機(jī)床主軸上 以提高換刀效率 如圖19 6所示 加工中心上常用的幾種刀庫(kù)形式及換刀機(jī)械手示意圖 圓盤刀庫(kù)一般裝刀數(shù)量不大 否則 直徑將很大 影響機(jī)床的總體布局 鏈?zhǔn)降稁?kù)是在環(huán)形鏈條上裝有刀座 刀座的孔中裝夾各種刀具 其裝刀數(shù)量較多 鏈?zhǔn)降稁?kù)有單排鏈?zhǔn)?多排鏈?zhǔn)?加長(zhǎng)鏈?zhǔn)降榷喾N結(jié)構(gòu) 可根據(jù)要求的裝刀數(shù)量來(lái)選擇 機(jī)床上的換刀機(jī)械手可有多種不同結(jié)構(gòu) 現(xiàn)在用得較多的是雙頭結(jié)構(gòu) 一端從機(jī)床刀庫(kù)中取出準(zhǔn)備要用的刀具 另一端從機(jī)床主軸上取下已用過(guò)的刀具 機(jī)械手一旋 轉(zhuǎn)使兩把刀互換位置 然后將用過(guò)的刀具裝入機(jī)床刀庫(kù) 另一端將要用的刀具裝入機(jī)床主軸內(nèi) 圖19 7所示為機(jī)械手夾持刀具的情況 4 更換機(jī)床主軸頭換刀在生產(chǎn)批量很大的FMS中 為了提高生產(chǎn)效率 采用更換機(jī)床主軸頭的辦法 5 用機(jī)器人換刀機(jī)床刀庫(kù)的刀具數(shù)量是有限的 不能應(yīng)付工件多變的加工需要 因此在FMS中有時(shí)采用可移動(dòng)的機(jī)器人或自動(dòng)運(yùn)輸小車來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床刀庫(kù)和中央刀庫(kù)間的換刀 這時(shí)可采用裝刀數(shù)量較少的機(jī)床刀庫(kù) 19 3 2自動(dòng)化加工中刀具尺寸的預(yù)調(diào)刀具尺寸需要預(yù)調(diào)的有 車刀的徑向尺寸 車圓 或軸向尺寸 車端面和階梯軸 鏜孔刀的徑向尺寸 鉆頭和銑刀的軸向尺寸等 鉆頭和立銑刀過(guò)去大多是錐柄結(jié)構(gòu) 不能調(diào)整軸向尺寸 在自動(dòng)化加工中改成直柄 使軸向尺寸可調(diào)整 如圖 19 8a 也可在錐柄外加一圓柱套 使軸向尺寸可調(diào) 如圖 19 8b 鏜刀 孔加工刀具和銑刀的尺寸檢測(cè)和預(yù)調(diào)一般都使用專用的調(diào)刀儀 調(diào)刀儀有光學(xué)式和電測(cè)式 最新的調(diào)刀儀與計(jì)算機(jī)相連 可將所測(cè)數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī) 供FMS調(diào)用刀具時(shí)使用 19 3 3快速自動(dòng)換刀用刀具結(jié)構(gòu)1 自動(dòng)化加工中的刀具結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 刀具結(jié)構(gòu)允許快速自動(dòng)換刀 便于用機(jī)械手 機(jī)械人或其他換刀機(jī)構(gòu)抓取刀具 刀具的徑向尺寸或軸向尺寸允許預(yù)調(diào) 裝上機(jī)床后不需要調(diào)整即可切出精確合格的加工尺寸 刀柄或刀座有通用性 可換裝多種不同的刀具 有些刀具做成模塊化組合式 要求組裝后有很高的精度和剛度 能滿足精密加工中心的加工精度 通常為5 m 的要求 復(fù)合程度高 減少刀具品種 數(shù)量 減輕刀具管理難度 2 幾種典型快換刀具結(jié)構(gòu) 圖19 9所示為自動(dòng)線使用的能快速換刀的車刀結(jié)構(gòu) 車刀1后端有螺釘2可調(diào)尺寸 車刀底部有槽 用楔塊4向下向后壓緊車刀 這種結(jié)構(gòu)換刀方便 壓緊可靠 定位準(zhǔn)確 但是這種車刀是專用的 使用范圍受到一定限制 圖19 10所示為鏜銑加工中心用刀具錐柄 代號(hào)為JT 錐度7 24 帶有機(jī)械手加持槽和定位缺口 錐柄后端有螺孔可裝為自動(dòng)夾固用的拉桿夾緊刀具 這種結(jié)構(gòu)定位精度和剛度均很高 自動(dòng)換刀方便 通用性好 已在MC和FMS中大量使用 圖19 11所示為兩種鏜銑加工中心用刀具組合模塊的連接結(jié)構(gòu) 為減少刀具品種 規(guī)格 發(fā)展了模塊化組合刀具 圖19 11 a 所示為短圓錐定位 中心用螺釘拉緊刀具 圖19 11 b 為長(zhǎng)圓錐定位 用螺釘鋼球鎖緊刀具 這種結(jié)構(gòu)換刀方便 壓緊可靠 定位準(zhǔn)確 但是這種車刀是專用的 使用范圍受到一定限制 圖19 12為車削加工中心用模塊化快換刀具結(jié)構(gòu) 它由刀具頭部 連接部分和刀體組成 刀體內(nèi)裝有拉緊機(jī)構(gòu) 通過(guò)拉桿來(lái)拉緊刀具頭部 圖19 12 a 在拉緊過(guò)程中可使拉緊孔產(chǎn)生微小彈性變形 從而獲得很高的精度和剛度 徑向精度 2 m 軸向精度 5 m 在背吃刀量達(dá)10mm時(shí) 刀具徑向和軸向變形均小于5 m 自動(dòng)換刀時(shí)間僅為2s 這種刀體可裝車 鉆 鏜 絲錐 檢測(cè)頭等多種工具 如圖19 12 b 所示 圖19 13所示為另一種加工中心用端齒定位的快速換刀結(jié)構(gòu) 切削頭與刀體靠一對(duì)端齒塊來(lái)定位并傳遞扭矩 夾固時(shí) 拉桿后移帶動(dòng)夾頭 夾頭可牢固地夾持住裝在切削頭尾部的拉桿而使切削頭可靠地固定在刀體上 這種結(jié)構(gòu)定位精度在 2 m以內(nèi) 19 3 4自動(dòng)化加工中的工具系統(tǒng)1 工具系統(tǒng)的發(fā)展背景在柔性自動(dòng)化加工中每臺(tái)加工中心要加工多種工件 并完成工件上多道工序的加工 因此需要使用的刀具品種規(guī)格甚多 如圖19 14為車削加工中心加工某工件用刀具之情況 不僅需要很多車刀并且還需要很多銑刀 為了減少刀具的品種規(guī)格 今年發(fā)展了FMS和MC使用的工具系統(tǒng) 工具系統(tǒng)一般為模塊化組合結(jié)構(gòu) 在一個(gè)通用的刀柄上可以裝多種不同的切削頭 使自動(dòng)化加工中的刀具品種規(guī)格大大減少 2 車削加工中心用工具系統(tǒng)車削加工中心使用的工具系統(tǒng)有不同的結(jié)構(gòu) 如圖19 12所示 可看到在通用刀柄上可以快速 可靠 精確地更換不同刀頭 還可以換上測(cè)量工件加工尺寸的測(cè)量頭 圖19 13所示為另一種車削加工中心使用的工具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 3 鏜銑加工中心用工具系統(tǒng)鏜銑加工中心在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛 現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了不同結(jié)構(gòu)的鏜銑加工中心使用的工具系統(tǒng) 圖19 15所示為其中一種工具系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 工具系統(tǒng)的刀柄都能自動(dòng)快速夾固 刀柄 接桿 過(guò)渡刀柄和配套的刀具頭要求有很高的制造精度 要求刀具組裝后有很高的剛度和精度 19 4自動(dòng)化加工中的刀具管理系統(tǒng) 19 4 1自動(dòng)化加工中刀具管理的重要性柔性自動(dòng)化加工系統(tǒng)中 需要加工多種工件 因此刀具品種 規(guī)格繁多 僅靠加工中心或其他加工設(shè)備本省的刀庫(kù) 機(jī)床刀庫(kù) 刀具容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠 因此通常需要配備一個(gè)總刀庫(kù) 中央刀庫(kù) 據(jù)統(tǒng)計(jì) 一套5 8臺(tái)加工中心組成的FMS 需配備的刀具數(shù)量在1000把以上 如此巨大的刀具量 有著大量的刀具信息 每把刀有兩種信息 一是刀具描述信息 如刀具的尺寸規(guī)格 幾何參數(shù)和刀具識(shí)別編碼等 另一種是刀具狀態(tài)信息 動(dòng)態(tài)信息 如刀具所在位置 刀具累計(jì)使用時(shí)間和剩余壽命 刀具刃磨次數(shù)等 在加工過(guò)程中大量刀具頻繁在系統(tǒng)中交換和流動(dòng) 加工中刀具磨損破損的監(jiān)測(cè)和更換 刀具信息不斷變化而形成一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程 由于刀具信息量甚大 調(diào)動(dòng) 管理復(fù)雜 因此需要一個(gè)現(xiàn)代化的自動(dòng)刀具管理系統(tǒng) 在柔性制造系統(tǒng)中 刀具管理系統(tǒng)是一個(gè)很重要而且技術(shù)難度很大的部分 19 4 2刀具管理系統(tǒng)的基本功能1 刀具管理系統(tǒng)的基本任務(wù)刀具管理的目標(biāo)主要是 減少與刀具有關(guān)的調(diào)整與停機(jī)時(shí)間 系統(tǒng)能識(shí)別刀具傳輸與有關(guān)刀具的數(shù)據(jù) 刀具擁有量最小 通過(guò)刀具壽命管理 充分利用刀具 使刀具費(fèi)用最低 柔性自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中的刀具管理系統(tǒng)以FMS的自動(dòng)刀具管理系統(tǒng)較為典型 它應(yīng)完成如下任務(wù) 保證每臺(tái)機(jī)床有合適的 優(yōu)質(zhì)高效的刀具使用 保證不因缺刀而停機(jī) 監(jiān)控刀具的工作狀態(tài) 必要時(shí)進(jìn)行換刀處理 安全 可靠并及時(shí)地運(yùn)送刀具 盡量消滅因等刀而停機(jī) 追蹤系統(tǒng)內(nèi)的刀具情況 包括刀具的靜動(dòng)態(tài)信息 檢查刀具的庫(kù)存量 及時(shí)補(bǔ)充或購(gòu)買刀具 2 刀具管理系統(tǒng)的基本功能根據(jù)刀具管理系統(tǒng)應(yīng)完成的任務(wù) 刀具管理系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能 搜集生產(chǎn)計(jì)劃和刀具資源的原始資料數(shù)據(jù) 制定出刀具管理 調(diào)配計(jì)劃 配備刀具管理系統(tǒng)所需的硬件裝備 開發(fā)刀具管理系統(tǒng)的各種軟件和信息交換系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)刀具系統(tǒng)的自動(dòng)化管理 圖19 16所示為FMS刀具自動(dòng)管理系統(tǒng)的基本功能 包括下述四方面內(nèi)容 原始資料數(shù)據(jù) 包括生產(chǎn)計(jì)劃 班次作業(yè)計(jì)劃與機(jī)床刀具資源數(shù)據(jù)等 刀具管理系統(tǒng)的計(jì)劃 包括 周期刀具需求計(jì)劃 班次刀具需求計(jì)劃 中央刀庫(kù)和機(jī)床刀庫(kù)的調(diào)配計(jì)劃 刀具運(yùn)送計(jì)劃等 刀具管理系統(tǒng)的硬件配置 包括 中央刀庫(kù)和機(jī)床刀庫(kù) 刀具管理計(jì)算機(jī) 刀具預(yù)調(diào)儀 條形碼打印機(jī)和閱讀機(jī) 換刀機(jī)器人或自動(dòng)小車與刀具監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等 刀具管理的軟件系統(tǒng) 包括 加工和刀具信息 刀具運(yùn)送指令和運(yùn)送信息的反饋 刀具加工狀態(tài)的監(jiān)控信息 調(diào)度指令和信息傳輸 監(jiān)控信息的反饋等 19 4 3刀具管理系統(tǒng)的硬件構(gòu)成圖19 17所示為一個(gè)典型的FMS刀具自動(dòng)管理系統(tǒng)的硬件配置示意圖 系統(tǒng)內(nèi)的全部刀具是被管理的對(duì)象 機(jī)床刀庫(kù) 容量沖10多把到100多把 根據(jù)加工任務(wù)將用的最多的刀具放在機(jī)床刀庫(kù)內(nèi) 其余刀具和中央刀庫(kù)交換使用 中央刀庫(kù) 一組二維的刀具擱架 用于儲(chǔ)存FMS加工不同工件時(shí)所需的刀具和備用刀具 刀具進(jìn)出站 人和FMS自動(dòng)刀具輸送系統(tǒng)之間的界面 新刀由此進(jìn)入系統(tǒng) 磨損破損的刀具由此送出 刀具交換輸送裝置 機(jī)床主軸上刀具和機(jī)床刀庫(kù)間刀具的交換是由機(jī)床上的換刀機(jī)械手完成 機(jī)床刀庫(kù)和中央刀庫(kù)間刀具的交換是由換刀機(jī)器人或自動(dòng)小車來(lái)完成 刀具預(yù)調(diào)儀 在刀具預(yù)調(diào)儀上進(jìn)行刀具尺寸的檢測(cè)和預(yù)調(diào) 最新的刀具預(yù)調(diào)儀能將刀具檢測(cè)的尺寸自動(dòng)輸入計(jì)算機(jī) 并傳入刀具管理系統(tǒng) 條形碼閱讀機(jī)和打印機(jī) 現(xiàn)在刀具都采用一定的編碼系統(tǒng) 用條形碼來(lái)標(biāo)志他的品種規(guī)格和尺寸 打印出條形碼 粘貼在刀柄上 刀具管理計(jì)算機(jī) 它是自動(dòng)刀具管理系統(tǒng)的核心 可根據(jù)具體情況或在FMS中設(shè)置專用的刀具管理計(jì)算機(jī)工作站 或利用FMS的主控計(jì)算機(jī)兼管刀具管理系統(tǒng) 刀具破損的在線監(jiān)控系統(tǒng) 為避免因刀具的早期損壞而造成廢品甚至損壞機(jī)床 一部分FMS開始配備有刀具磨損破損在線監(jiān)控系統(tǒng) 19 4 4刀具管理系統(tǒng)的軟件構(gòu)成圖19 18所示為FMS刀具自動(dòng)管理系統(tǒng)的軟件構(gòu)成示意圖 刀具管理軟件由刀具數(shù)據(jù)庫(kù) 刀具離線管理模塊與刀具在線實(shí)時(shí)管理模塊構(gòu)成 1 刀具數(shù)據(jù)庫(kù)刀具數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)著系統(tǒng)內(nèi)全部刀具信息 刀具品種信息 包括 刀具名稱 生產(chǎn)廠 刀具編碼 刀具組成信息 刀具幾何參數(shù) 刀具名義尺寸 刀具尺寸公差 刀具使用壽命 刀具允許的最大切削力和切削功率等 刀具實(shí)體信息 包括 刀具編碼 刀具實(shí)際尺寸 刀具尺寸補(bǔ)償值等