中小型立式加工中心廣泛采用直接換刀裝置, 倒如VMC 系列立式加工中心。
        刀庫圓盤按換刀程序要求回轉(zhuǎn)選刀, 氣缸活塞桿驅(qū)動鉸鏈四桿機構(gòu)(參見圖2)使固連在連桿上的刀庫圓盤上所選刀位送到主軸箱換刀位置F 處實現(xiàn)換刀。它具有刀庫圓盤可正、反向旋轉(zhuǎn), 快速換刀, 結(jié)構(gòu)簡單, 易于調(diào)整, 故障率低等優(yōu)點。本文鉸鏈首先對直接換刀裝置送進鉸鏈四桿機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)和運動分析。
        1 直接換刀送進鉸鏈四桿機構(gòu)分析1. 1 鉸鏈四桿機構(gòu)尺寸與位置分析由圖2 得知, 主動連架桿為AB, 從動連架桿為CD, AD 為機架。且桿長AB = CD = 350mm。按圖2所示位置與尺寸, 作出機構(gòu)簡圖?？芍B桿BC = 247. 492 + 247. 492 =3501003 7U 350mm。由此可見, AB = BC = CD = AD =350mm。該機構(gòu)是一個四等邊平行四邊形鉸鏈四桿如圖2 所示, 裝有緩沖器2 的主動件AB 與連桿BC 上定位調(diào)整螺釘3接觸時, 正是鉸鏈換刀位置。由圖3尺寸可算出NABC = 45b, 即在換刀位置時, 原動件1與連桿2之夾角為45b。退刀終止位置可在圖2上作圖求之。將機架上定位調(diào)整螺釘6的軸線延長, 過A 點作上述螺釘軸線延長線的垂線AN, 即為主動桿在圖3中處于鉸鏈退刀終止位置的AB 1。因為緩沖器彈簧中心線與主動件AB 連線垂直, 為了避免空間干涉, 可知NBAB 1 =NCDC1 = 60b。
        1.2 四等邊平行四邊形鉸鏈四桿機構(gòu)運動分析由上述, 主動桿是由氣缸活塞桿推動, 換刀位置與AB 桿上的鉸鏈緩沖器位置和BC 桿上的定位調(diào)整螺釘位置有關(guān)。因是等邊長平行四邊形, 所以中心線AB MCD, 鉸鏈點B 的線速度vB 垂直于中心線AB, 鉸鏈那么垂直于DC 中心線的鉸鏈點C 的線速度vC MvB。因此連桿BC 的瞬時轉(zhuǎn)動中心在無窮遠, 或者說連桿BC 作平動移動。所以, 固連在連桿上的換刀點F 速度vF 和連桿質(zhì)心E 速度vE 也與vB 平行, 且vB = vC = vF = vE。
        設(shè)運動時活塞桿與主動連架桿AB 之角為A, 活塞桿軸線與連架桿AB 軸線匯交于K 點, 活塞桿運動速度為v氣, 活塞桿與鉸鏈主動連架桿鉸結(jié)于G 點, 且G 點距主動件中心線距離為h, G 至A 點在AB 連線上的投影距離為LG 。那么, 鉸鏈點B 的速度vB 可由下式計算:鉸鏈點A 到活塞桿中心線之距離H 為H = (LG + h / tanA) sinA= LG sinA+ h co sA ( 1)氣缸活塞桿速度為vi = Q /S ( 2)式中, Q 為壓縮空氣流量, S 為活塞面積。
        換刀點速度為vF = vB =v氣H@ 350 =350QS (LG sinA+ h cosA)( 3)鉸鏈由式( 3)可知, 換鉸鏈刀點速度vF 為變量, 它與夾角A和尺寸LG 、h 有關(guān)。設(shè)計時應(yīng)盡量使其接近換刀點處時的速度變小, 從而減小換刀時的沖擊。當然氣體流量Q 越大, 換刀速度vF 愈快, 換刀時間就越短。113 刀庫運動所占空間設(shè)刀庫回轉(zhuǎn)中心為O 點, 它固連在連桿BC 上。令O 點到B 點鉸鏈距離ob, O 點到C 點的距離為oc, 由上述分析得知連桿BC 作平動。此時連桿上每一點的軌跡都是相同的, 即像B 點和C 點一樣作圓周運動, 而半徑應(yīng)該也是AB 桿長。求連桿上任意點軌跡可參考四連桿機構(gòu)圖譜和實驗法 。
        本文也介紹一種作圖法:(1)在圖4所示的連桿BC 和B1C1 位置上, 分別作以B 點為圓心、OB 為半徑的鉸鏈圓弧, 交以C 為圓心、OC 為半徑的圓弧于O, O 即是刀庫回轉(zhuǎn)中心的第1點; 同理, 在退刀位置AB 1C1D 可求出退刀極限位置時刀庫中心O1 的位置。圓心, 以刀庫最大回轉(zhuǎn)半徑為半徑, 就得到刀庫換刀過程中機構(gòu)所需空間。由此可得鉸鏈機床加工工件運動區(qū)域, 以此為據(jù)設(shè)計機床并為用戶使用提供依據(jù)。從作圖過程很容易建立解析計算方法。以機構(gòu)A點為xoy 坐標系的原點, 以AD 為水平坐標ox, 過A 點的垂線為縱坐標oy。
        假定任意i位置各鉸鏈的坐標: A點為xA, i= 0, yA, i = 0; D 點為xD, i = AD, yD, i = 0; B 點鉸鏈為xB, i, yB, i; C 點為xC, i, yC, i。刀庫中心的坐標xO, i,yO, i, 且有下述關(guān)系(xO, i - xB, i )2+ ( yO, i - yB, i )2= ob2( 4)( xO, i - xC, i )2+ (yO, i - yC, i )2= oc2( 5)且( xB, i- xC, i )2 + ( yB, i - yC, i )2 = BC2 = AB2 = AD2 = AC2( 6)( xC, i- xD, i )2 + ( yC, i - yD, i )2 = AC2 = AB2 = AD2 = BC2( 7)假定i從0到n有n 個位置, 主運動桿AB 的B 點坐標為已知, 且x2B, 1~ n + y2B, 1 ~ n = AB。將它代入上4個非線性方程, 利用牛頓拉夫遜法上機解方程組計算出(x 0, y0 ) n 個點之值, 得到刀庫回轉(zhuǎn)中心軌跡的圓S。以O(shè) 點為圓心, 以刀庫最大回轉(zhuǎn)半徑為半徑作圓得到D刀的圓弧曲線族的包絡(luò)曲線就是機構(gòu)運動所占的空間。如果采用計算機繪圖, 先繪出四桿機構(gòu)ABCD 及刀庫以中心O 為圓心的刀庫鉸鏈最大直徑圓D刀, 從換刀位置依次轉(zhuǎn)動AB 桿到退刀極限位置AB1C 1D, D刀圓曲線族所占據(jù)空間即是刀庫運動的范圍。
        2 直接換刀送進鉸鏈四等邊四桿機構(gòu)的換刀平穩(wěn)性由于沒有機械手, 而是整個刀庫運動換刀, 故而本機構(gòu)運動慣量特別大。這就導(dǎo)致刀具數(shù)量不能過多(常用16~ 21把)和換刀時間較長的缺點。除了上述式( 3 )分析指出的合理設(shè)計選取LG 、h和A角以減小換刀點的換刀速度外, 還可用下述方法減小沖擊和提高換刀平穩(wěn)性。
        (1)采用緩沖氣缸。調(diào)節(jié)節(jié)流閥4的開度, 可控制回氣量, 從而控制活塞桿驅(qū)動主動件終點的鉸鏈速度v氣終。并且, 調(diào)整圖2中活塞桿調(diào)節(jié)螺母4,可改變活塞桿長度, 可得到刀庫與主軸同軸所需的活塞終點的換刀位置。
        (2)在與主軸同軸的鉸鏈換刀位置應(yīng)是活塞頂?shù)礁咨w端面, 機構(gòu)運動終止的位置。此時, 主動連架桿上的緩沖器應(yīng)調(diào)整至使其中的彈簧不要并緊壓實, 否則會影響緩沖效果。
        最后指出, 根據(jù)用戶需要, 改變主軸箱右邊的配置, 將操作站安置在防護罩上, 取消懸臂操縱桿。在立柱右邊設(shè)計安裝零件通用的右刀庫, 這樣左右兩刀庫就共有32~ 42把刀供用戶使用。