加工中心斗笠式刀库

槽轮机构（马尔它机构）
一、槽轮机构的组成及其工作特点 组成：带圆销的拨盘、带有径向槽的槽轮。 拨盘和槽轮上都有锁止弧：槽轮上的凹圆弧、拨盘 上的凸圆弧，起锁定作用。
拨盘 圆销
ω1
锁止弧
o1
工作过程：拨盘连续回转，当两锁止弧接触时， 槽轮静止；反之槽轮运动。
作用：将连续回转变换为间歇转动。
o2
槽轮
ω2
• •
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1.4 刀库平行向主轴位置移动。刀库刀具中心和主轴中心线在一条直线上时为换 刀位置，位置到达通过信号传感器（B）反馈信号到数控系统PLC进行确认。 1.5 主轴向下移动到刀具交换位置。一般刀具交换位置定义为Ｚ轴的第二参考点， 在此位置将当前主轴上的刀具还回到刀库中。 1.6 刀库抓刀确认后，主轴吹气松刀。机床在主轴部分安装松刀确认传感器 （C），数控机床PLC接收到传感器Ｃ发送的反馈信号后，确认本步动作执行 完成，允许下一步动作 开始。 1.7 主轴抬起到Ｚ轴第一参考点位置。此操作目的是防止刀库转动时，刀库和主 轴发生干涉。 1.8 刀库旋转使能。数控系统发出刀库电机正/反转启动信号，启动刀库电机的转 动，找到指令要求更换的目标刀具，并使此刀具位置的中心与主轴中心在一 条直线上。
∴ 槽轮的槽数 z≥3
可知：当只有一个圆销时，k=1/2-1/z < 0.5 即槽轮的运动时间总是小于其静止时间。 如果想得到k≥0.5的槽轮机构，则可在拨盘上多装几个圆销，设装有n个均匀 分布的圆销，则拨盘转一圈，槽轮被拨动n次。故运动系数是单圆柱销的n倍， 即:
k=n(1/2-1/z) ∵ k≤1 得：n≤2z/ (z -2)
• •
（3） 刀架定位刀架体7转动时带动着电刷座10转动，当转到程序指定的刀号时，粗 定位销15在弹簧力的作用下进入粗位盘6的槽中进行粗定位，同时电刷13接 触导体使电动机1翻转。由于粗定位槽的限制，刀架体7不能转动，使其在该 位置垂直落下，刀架体7和刀架底座5上的端面齿啮合实现精确定位。
（4） 夹紧刀架电动机继续反转，此时涡轮停止转动，蜗杆轴3自身转动，当两端面 齿增加到一定夹紧力时，电动机1停止转动。译码装置由发信体13﹑14组成， 电刷13负责发信号，电刷14负责位置判断当刀架定位出现过位或不到位时， 可松开螺母12，调好发信体11与电刷14的相对位置。刀架在正向旋转的过程 中不停的对刀位输入信号进行检测， 每把刀具各有一个霍尔位置检测开关。各刀具按顺序依次经过发磁体位置产 生相应的刀位信号。当产生的刀位信号和目的刀位寄存器中的刀位相一致的 时候，PLC认为所选刀具已到位。
z=4 z=6
z=6
槽轮运动的前半段，槽轮的角速度ω 2是增加的，角加速度α2>0 后半段正好相反。
分析：槽轮运动的ω max、amax随z的增多而减小。圆销进入或退出径向槽时，角 速度有突变，故存在柔性冲击。Z愈少，冲击愈大。
(2)内啮合槽轮机构 用同样方法可求得内啮合槽轮机构 的运动曲线如图所示。 分析：圆销进入或退出径向 槽时，与外槽轮一样，角速 度有突变，且值相等。但随 着转角增大，角加速度值迅 速下降并趋于零；然后负角 加速度又逐渐增大到开始时 的数值，而不象外槽轮那样 有两个峰值。可见，内槽轮 机构的动力性能比外槽轮机 构要好得多。 四槽内槽轮的角速度 和角加速度变化曲线
槽数z
3 1~6
4
5 、6
≥7 1~2 0.36~1
圆销数n
运动系数k
1~4
0.25~1
1~3
0.3~1
1/6~1
当z=4及n=2时
2、运动特性
k=n(1/2－1/z) = 0.5
说明此时槽轮的运动时间和静止时间相等。
(1)外啮合槽轮机构 图示槽轮在运动的任一瞬时，设拨盘位置角用α来表示，槽轮位置角 用φ表示。并规定和在圆销进入区为正，在圆销离开区为负，变化区间为：
z=4
四、槽轮机构的几何尺寸计算
d1 R r 1 r0 L
参数
槽数z 圆销数n 中心距L 回转半径R 圆销半径r 槽顶半径s 槽深h 拨盘轴径d1 槽轮轴径d2 槽顶侧壁厚b 锁止弧半径r0
计算公式或依据
由工作要求确定 由安装空间确定 R=Lsinφ=Lsin(π /z) 由受力大小确定 r≈R/6 s=Lcosφ=Lcos(π /z) h≥s-(L-R-r) d1≤2(L-s) d2≤2(L-R-r) b=3~5 mm 经验确定 r0=R-r-b
• 斗笠式刀库具有结构简单、成本低、易于控制和维护方便等特点，因此在中 小型加工中心上得到了广泛的应用。但是，在我们使用中发现，往往会出现 乱刀现象，从而又引起撞刀。这对数控车床安全和精度构成极大的危险。
• 斗笠式刀库的工作原理：
• 斗笠式刀库的换刀时间为5～7秒 • 1.1 • 刀库处于正常状态，此时刀库停留在远离主轴中心的位置。此位置一 般安装有信号传感器（为了方便理解，定义为A），传感器Ａ发送信 号输送到数控机床的PLC中，对刀库状态进行确认。 • 1.2 • 数控系统对指令的目标刀具号和当前主轴的刀具号进行分析。如果目
－α1≤α≤α1
－φ2≤φ≤φ2
R
ω1
o1
在△Aபைடு நூலகம்O1和△ABO2中有如下关系：
α
α 1 -α 1
L
AB R sin tg O2 B L R cos
令λ＝ R / L，并代入上式得：
A
φ B
φ2 O2 - φ 2
sin ＝tg 1 cos
1
ω2
分别对时间求一阶导数、和二阶导数，得：
斗笠式刀库刀库的组成及工作原理
• 笠式刀库的组成：
• 单盘式刀库俗称斗笠式刀库（像个大斗笠），由刀库鼓轮、分度盘、
定位法兰、圆柱滚子等零部件组成。
• 一般只能存16～24 把刀具。1 斗笠式刀库的动作过程，斗笠式刀库 在换刀时整个刀库向主轴平行移动，首先，取下主轴上原有刀具，当 主轴上的刀具进入刀库的卡槽时，主轴向上移动脱离刀具其次主轴安 装新刀具这时刀库转动当目标刀具对正主轴正下方时，主轴下移，使 刀具进入主轴锥孔内，刀具夹紧后，刀库退回原来的位置，换刀结束。 刀库具体动作过程如下：
• • •
•
• • • • •
电动刀架工作原理系统发出换刀信号， 刀架电机正转继电器动作，电机正转， 通过减速机构和升降机构将上刀体上升至 一定位置，离合盘起作用，带动上刀体旋 转到所选择刀位，发讯盘发出刀位信号， 刀架电机反转继电器动作，电机反转，完 成初定位后上刀体下降， • 齿牙盘啮合，完成精确定位，并通过升降 机构锁紧刀架。
特点：结构简单、制造容易、工作可靠、机械效率高，能平稳地、间歇地
进行转位。因槽轮运动过程中角速度有变化 ，不适合高速运动场合。
二、槽轮机构的类型与应用 外啮合槽轮机构 槽轮机构 类型 内啮合槽轮机构 球面槽轮机构 轴线平行 轴线相交
应用实例： 电影放映机、 自动摄影机、六角车床转塔。
ω 1 2φ
ω2
dα/dt =ω1
d
, dω1 /dt =0
(cos ) 1 2 2 dt 1 1 2 cos
2 ( 1) sin 2 2 2 dt 1 (1 2 cos1 2 ) 2 1
d 2
2
令i21=ω 2/ω 1 (传动比) ,kα =α2/ω 21 得：
s h d2
b
数控车床中四方回转刀架的组成及 工作原理
• 四方回转刀架的工作过程为： • 刀架抬起 • 刀架转位 • 刀架定位 • 夹紧刀架
• 1-直流伺服电机；2-联轴器；3-蜗杆轴；4-涡轮丝杠；5-刀架底座；6粗定位盘；7-刀架体；8-球头销；9-转位套；10-电刷座；11-发信体； 12-螺母；13﹑14-电刷；15-粗定位销
(cos ) i21 1 2 cos 2
(2 1) sin k (1 2 cos1 2 ) 2
将上述i21、kα随α的变化绘制成曲线，称为槽轮机构的运动特 性曲线。
i21 z=3
运动特性曲线
kα =α2/ z=3
ω 21
z=4
α
标刀具号和当前主轴刀具号一致，直接发出换刀完成信号。如果目标 刀具号和当前主轴刀具号不一致， • 启动换刀程序，进入下一步。
• 1.3 • 主轴沿Z方向移动到安全位置。一般安全位置定义为Z轴第一参考点位
置，同时主轴完成定位动作，并保持定位状态；主轴定位常常通过检 测主轴所带的位置编码器一转信号来完成。
td＝ 2 α 1 / ω 1
定义： k=td / t 为运动系数，即：
ω2
k=td / t =2α1/2π
为减少冲击，进入或退出啮合时，槽中心线与 拨销中心连线成90°角。故有：
2α1=π －2φ2 =π －(2π /z) = 2π (z-2)/2z
代入上式
将2α1代入得： ∵ k>0
k =1/2-1/z
•
斗笠式刀库的分度装置是利用了外啮合槽轮机构能把主动轴的匀速连续运动 转换为从动轴的周期性间歇运动原理设计的一种分度转位机构。斗笠式刀库 选刀时，首先由刀库回转电机得到旋转指令，输入轴通过联轴器带动定位法 兰旋转，从而使在定位法兰上的圆柱滚子回绕法兰中心转动；当圆柱滚子转 动一定角度，进入分度盘的分度槽中，拨动分度盘开始作转位运动；当分度 盘转过一定的角度后，圆柱滚子从分度槽中脱出，刀库鼓轮盘（分度盘通过 螺钉与刀库鼓轮连在一起转动见图1）即静止不动，并由定位法兰的锁止半轴 定位。
• （1）当数控装置发出换刀指令后，电动机1启动正常，通 过套筒联轴器2使蜗杆轴3转动，从而带动涡轮丝杠4转动。 刀架体7的内孔加工有螺纹，与螺纹丝杠旋合，涡轮与丝 杠为整体结构。涡轮丝杠内孔与刀架中心轴式间隙配合， 在转位换刀时，中心轴固定不动，涡轮丝杠绕中心轴旋转。 • 当涡轮开始转动时，由于刀架底座5和刀架体7上的端面齿 处在啮合状态，且涡轮丝杠轴向固定，因此刀架体7抬。 • • （2） • 刀架转位当刀架体抬至一定距离后，刀架底座5和刀架体7 • 的端面体脱开，转位套9用销钉与涡轮丝杠4联接，随涡轮 丝杠一同转动，当端面齿完全脱开时转位套正好转过160 • °，球头销8在弹簧力的作用下进入转位套9的槽中，带动 刀架体转位。