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BT40 圓盤式刀庫的研發與應用（yòng）

2024-11-18 來源：江蘇德速智能機械股份有限公司作者：-

一、產品簡介

刀庫及自動換刀裝置是加工中心的關鍵功能部件之一，隨著加工中心向高速、高精度、高可靠性方向的（de）發（fā）展（zhǎn），對刀庫及自動換刀裝置也提（tí）出了高準確性、高可靠性、高效率、長壽命的要求（qiú）。但（dàn）國產刀庫及自動（dòng）換刀裝置在精度（dù）、換刀時間（jiān）、可靠性（xìng）等方麵與中國台灣地區以及（jí）發達國家的產品存在差距。境外企業憑借強大的關鍵核（hé）心技術，占領市場競爭（zhēng）製高點，價格居高不下。如何整體解決刀庫（kù）及自動換刀裝置設計、製造、試驗、應用等全鏈條的關鍵技術（shù）問題（tí），建立覆蓋刀庫產品生（shēng）命周（zhōu）期全過程、全（quán）要素的標準和規範體（tǐ）係，是（shì）行（háng）業麵臨的共性技術問題。在國內數控機（jī）床刀（dāo）庫及自動換（huàn）刀裝置部件配套上，目前還存在很多不（bú）足，例如 :

（1）刀庫及自動換刀裝置缺乏核心技術自主創新設計，刀庫容刀（dāo）數量少，換（huàn）刀時間長、效率低，換刀裝置定位精度差。

（2）批量生產水平能力較弱，ATC 凸（tū）輪（lún）工藝（yì）水（shuǐ）平（píng）低，CAD/CAM 軟件缺失，專用裝備自主化（huà）弱。

（3）刀庫產品性能與可（kě）靠性不足，試驗耗時久，數據采集與係統管理缺失，缺乏成套標準規範。

本（běn）產（chǎn）品（pǐn） BT40 圓盤式刀庫，它是數控機床關鍵功能部件（見圖 1）。產品主要（yào）功能是在數控機床機械加工過程（chéng）中儲存（cún）刀具（jù），並在數控係統控製下，把即將（jiāng）要使用的刀具準確的送到換刀裝置並完成換刀動作。通過刀庫及自動換刀裝置，加工中（zhōng）心可以僅一次裝夾就可以完成多道工序，不（bú）僅大大減少工裝時間、測（cè）量（liàng）和機床（chuáng）調整的輔助時間，而且減少多次安裝造成的定位誤差，從而提高加工精度（dù）。圓盤式刀庫配合（hé）自動換刀裝置，可通（tōng）過機械手臂同時拔出刀庫中（zhōng）及主軸上的刀具，旋轉180°後實現新刀具的更換（huàn）和前序刀具再刀庫中的儲存，換刀速（sù）度、定位精度等指標遠大於鬥笠式刀庫、鏈式刀庫等其他類型刀庫，廣泛應用於機械、電子、輕工、紡織、冶金、化工等製造行業。

圖 1 BT40 圓盤式刀庫

BT40 圓盤（pán）式刀庫優點在於 :

（1）作為一種高效、穩定、可靠的加工中心配件，具有顯（xiǎn）著的（de）技術優勢。其高效的存儲（chǔ）容量和快速的轉換速度極（jí）大地提高（gāo）了生產效率，降（jiàng）低了生產成本。同時（shí），圓盤式刀庫在刀具夾持穩定性和（hé）加工精度方麵表現出色，滿足了高檔數控機床對關鍵部件的日益增長需求。技術參（cān）數為 : 最大刀具重量 :8kg, 最（zuì）大刀具直徑 :φ80mm（相（xiàng）鄰刀套裝刀）、φ160mm（相鄰（lín）刀（dāo）套空刀）; 最大刀具重力矩 :10.29N · m; 最大刀庫容量 :24 把 ; 最大刀庫容重 192kg。

（2）BT40 圓盤式（shì）刀庫的市場需求巨大。隨著製造業的發展，對加工中心的需（xū）求不斷增加，圓盤式刀庫作（zuò）為加（jiā）工中心的（de）重要（yào）配件，其市場需求也將持續增長。此外，隨著（zhe）科技的進步和製造業的轉型升級，圓盤式刀庫（kù）的性能（néng）和應用領域將得到進一步提升和拓展。

（3）BT40 圓盤式刀（dāo）庫及其核（hé）心部件的自主研發與產業化（huà），對（duì）於提升國內企業的市場競爭力具有重要意義。通過自（zì）主研發圓盤式刀（dāo）庫及（jí）其核心部件，不僅有望打（dǎ）破國際市場的壟斷，還能提升國內企業的技術水平和創（chuàng）新能力。

綜上所述，BT40 圓盤式刀（dāo）庫產品具備良好的技術條件和優勢，其自主研發與產業化將對我國製造業的發展產生積極的影響。

二、產品特點

1.產品取得的關鍵技術原理

整體（tǐ）設計方麵 : 圓盤式刀（dāo）庫（kù）主（zhǔ）要由 ATC 自動換刀裝置和（hé）刀倉組成（產品結構示意圖見圖 2）。其中，ATC 自動換刀裝置由 ATC 凸（tū）輪、平麵凸輪、四方轉塔以及出力軸等其它零（líng）部件組（zǔ）成 ; 刀倉包括本體、刀盤（含日內瓦槽輪、刀盤位置傳感器）、刀套、減速（sù）機、驅動芯軸、電機組（含伺服電（diàn）機）、氣缸（gāng）組（含止回閥）、刀臂（bì）等核心（xīn）部件。不同型號產品參數如圖 3 所示（shì）。

圖 2 產品結構示意（yì）圖

（a）30 標準（zhǔn） ATC 行程 :85mm ；載重 :6kg

（b）40 標（biāo）準 ATC 行程 :115mm ；載重 :8kg

（c）50 標準 ATC 行程 :165mm; 載重 :15kg

圖（tú） 3 不同型號產（chǎn）品參數

電機驅動一對準雙曲麵（miàn）齒輪，實現凸輪組繞軸心旋轉，ATC 凸輪曲（qǔ）線凸輪驅（qū）動四（sì）方轉塔（tǎ）實現輸出軸旋轉 ; 與此同時（shí）平麵凸輪旋轉驅動擺臂（bì）實現出力軸伸縮動作。

凸輪曲線設計（jì）方麵 : 基於（yú）接觸廓麵最小相對法曲率的凸輪曲線設計方法（見圖 4）。根據凸輪分度曲線類（lèi）型和齧合運動規（guī）律，完成了弧麵凸輪機（jī）構包絡運動（dòng）數學（xué）表征，提出了基於（yú）接觸闊麵最（zuì）小（xiǎo）相對法曲率的分度期凸（tū）輪廓形（Profile）設計方法，實現了凸輪曲線接觸率大於 90%，顯著降低了產品摩擦磨損率，保證了弧麵凸輪運轉精度和使用（yòng）壽命。

圖 4 基於接觸廓麵最小相對法曲率的凸輪曲線設計方法

（2）基於雲服務的可靠性數（shù）字化管理和分析技術。如圖 5 所示，製定了可靠性數（shù）據（jù）收集和統計分析方法，搭建了基於雲服務的刀庫產品可靠性信息管理和分析係統（tǒng），實現了高效的可（kě）靠性數據（jù）在線管（guǎn）理和準確分（fèn）析，為產品優化和可靠性提升提供了數據支撐（chēng），促進數據在企業各部門的交互與應用，從而切實改善（shàn）產品質量。

圖 5 可靠性信息數字化（huà）管理平台

（3）建立麵向全生命周期的關鍵技術標準體（tǐ）係（見（jiàn）圖（tú） 6）。麵向全（quán）生命周期的關鍵技術標準體係。本成果針對刀庫產品的全（quán）生命周期，建立了集產品工藝控製、性能試驗（yàn）、可靠性試驗（yàn）、使用維（wéi）護、數據管（guǎn）理（lǐ）為一體的（de）可靠性管控標準體係。

圖 6 麵向全生命周期的關鍵技術（shù）標準體係（xì）

三、技術創新點

1.掌握了ATC自動換刀裝置及其核心部件凸輪（lún）的設計技術

公司突（tū）破（pò）了 ATC 自動換刀裝置及其核心（xīn）部件凸輪的曲線設計技術，其產品組裝如圖 7 所示。

圖 7 產品組裝示意圖

針對核心部件凸輪，采用數學建模、動態特性仿真等技術，完成凸輪曲線的設計，研製了平麵凸輪和（hé） ATC 凸輪，取得軟件（jiàn）著作權 ; 實（shí）現凸輪機構傳動結構和（hé）伸縮導向機（jī）構的創新（xīn）設計，采（cǎi）用一對（duì）準雙曲麵齒輪齧合傳動結構，將兩（liǎng）級變速改為一級（jí）變速，使齒輪齧（niè）合（hé）時重疊齒數較多，使（shǐ）其具有工作強度高（gāo）、傳動平穩、噪聲小、磨（mó）損小等特點，並將原有伸縮導向機構優化成軸（zhóu）孔配合，降低接觸麵摩擦，提高換刀精度，降低生產成本，延長使（shǐ）用壽命 ; 實現（xiàn）了 ATC 自動換刀裝（zhuāng）置中 ATC 凸輪機構（平麵（miàn）凸輪、ATC 凸輪、四（sì）方轉塔等（děng））的結構配合和傳動設計（見圖 8、圖 9），凸輪動作時序圖如圖 10、圖 11 所示，滿足自動換刀時序規定的動（dòng）作（原點、扣刀、下拉、旋轉、上插、回原點等動作），研製出具有自主（zhǔ）知識產權的ATC 自動換（huàn）刀裝置。

圖 8 凸輪（lún）組合（ATC 凸輪和（hé）平麵凸輪）圖 9 ATC 凸輪機構結構圖

圖（tú） 10 ATC 凸輪動作時序圖

圖 11 平麵凸輪動作時（shí）序圖

2.研（yán）製出數控轉台式ATC凸輪加工數控機床樣機

首次（cì）研製出 ATC 凸輪加工數控機床（見圖12、圖 13），其關鍵零部件高剛性主軸、零背隙凸輪滾子數（shù）控轉台等（見圖14、圖15）均自主研發。

圖 12 ATC 凸輪加工數控機床圖 13 ATC 加工機床結構示意圖圖 14 高剛性主軸圖 15 凸輪滾子數控轉台

通過伺服電機驅動加（jiā）工深度進給，AB 軸（zhóu）疊加聯動控製零部件旋轉，同時配合銑削主（zhǔ）軸刀具形成（chéng）特定的凸輪曲線，結合凸輪精密製造工藝和配套（tào）專用夾具，實現了一次裝夾即可完成整個凸輪產品的加工（gōng） ; 掌握（wò）凸輪機機床裝配過程中鑄件接（jiē）合麵鏟刮技術，任意平方英寸接觸點不少於 16 個（gè），達到精（jīng）密級要求，提高裝配麵的有效接觸進而提高裝配精度 ; 配套專用夾具，實現快速裝夾（jiá）和定位，滿足批量化生（shēng）產，取得授權 ATC 凸輪仿形加工專（zhuān）利，解（jiě）決 ATC 裝置中核心部件凸（tū）輪（lún）的自主研發（fā）問題。

3.實現了刀庫的智能（néng）化管理，換刀時間

（刀（dāo）對刀）降（jiàng）低至1.3s刀倉采用智能尋（xún）刀和預選刀技術，通過自主研發取得的刀庫刀倉絕對值（zhí）電機控製軟件，讀取編碼器進（jìn）行循環分度定位控製，實現刀具更換時，按最近距離旋轉原則（zé），實現就近尋刀 ; 接收到機床指令時，機械臂抓取要選取（qǔ）的刀具，實現預選刀，從而減少刀庫運行時間，節省機床換刀時間（jiān），實（shí）現換刀（dāo）時間僅為（wéi）刀對刀（dāo）換刀時間 ; 掌握伺服刀庫的換刀控製方法，刀倉及 ATC 換刀裝置（zhì）均采用伺服電機控製，檢測伺服電機的驅動電流值或扭力值來調節伺服電機的轉速（sù），並在（zài）刀臂接近機床主軸時降低（dī）速度，減少扣刀瞬間刀具對機（jī）床主軸的衝擊，從而提高使用壽命 ; 進行（háng）驅動器（qì）二次開發，設置不同速度區間（低轉速 1.3~4.0s/ 轉，高轉（zhuǎn）速 1.3~0.5s/ 轉），在刀臂帶刀具旋（xuán）轉時檢測伺服電機電流值或扭力值，判斷與標準電流值或（huò）扭力（lì）值（zhí）的大小關係，從而智能識別不同刀具重（chóng）量，然後通過智能調節（jiē）驅動（dòng）電機轉速來實現大刀重刀低速交（jiāo）換、小刀輕刀（dāo）高速交換，實現智（zhì）能識別大小刀、智能加減速等功能。產品整體（tǐ）換刀時（shí）間（刀對刀）由傳統的 1.4~1.8s 降低到 1.3s，取得發明伺（sì）服刀庫換刀控製方（fāng）法專利授（shòu）權和刀（dāo）庫刀倉絕對值電機控製軟件著作權。

4.初步（bù）建立（lì）了刀庫的性能檢測平台，開展了壽命測試和（hé）可靠性試驗（yàn）

開（kāi）展產品的全生命周期評（píng）價，初步建立刀庫的性能檢測平（píng）台，進行老化（huà）試驗、使用壽命等（děng）綜合性能檢測，刀庫使用壽命（換刀次數）達 100萬次以上 ; 完成高速圓盤式刀庫及（jí）自動換刀（dāo）裝置的可靠性加速試驗，進行最大刀具重量交換試驗、最大直徑（相鄰刀套裝刀）刀具交換試驗（yàn）、最大刀具重（chóng）力矩交換試驗、最長刀（dāo）具交換試驗、最大刀庫容重交換試驗、連續刀具自動交換試驗等可靠性試驗，從（cóng）而對（duì）刀庫及自動換刀裝置進行可靠性分析與評價，為新（xīn）產品的改進設（shè）計（jì）提供基礎。

5.已熟練掌握了刀庫（kù）準停控（kòng）製方法、裝置、設備等方法

圖 16 刀庫準（zhǔn）停控製方法

在檢測到刀（dāo）庫運行信（xìn）號的下降沿信號時，控製刀庫驅動電機停機 ; 在刀庫驅動電機完成停機時，獲（huò）取刀庫（kù）驅動電機反饋的停機（jī）脈衝數 ; 根據停機脈衝數和鎖存（cún）脈（mò）衝數確定反饋脈衝（chōng）數（shù），並根據反饋脈衝數和預設脈衝偏（piān）移數確定脈衝偏差數 ; 根據脈衝偏差數控製所述刀庫驅動（dòng）電機驅動刀（dāo）庫停（tíng）止在設定（dìng）位置。由於（yú）發明是根據驅動電機的停機脈衝數與（yǔ）鎖存（cún）脈衝數確定反饋脈衝數（shù）據，根據反饋（kuì）脈衝數和預設脈衝偏移（yí）數確定脈衝偏差數（shù），根據脈衝偏差數控製（zhì）刀庫驅動（dòng）電機將刀庫驅動至設定位置，解決了現（xiàn）有技術中由於控（kòng）製信號出現異常（cháng），導（dǎo）致刀（dāo）庫損（sǔn）壞的技術問題（tí），提高了（le）刀庫停止位置控製的準確度。該技術已獲得刀庫運行控製方法（fǎ）、裝置、設備及存儲介質（zhì）發明，並技術成果已開始應用在新型圓盤式刀庫產品中。

四、產品應用及（jí）產業化前景

目前，智能化高速圓盤刀庫（kù）的國際市場主要由瑞士米克朗、德國哈默等第一梯隊企業控製，而國內市場（chǎng）則由一些中國台灣地區企業控製著絕大部分份（fèn）額。其中，ATC 自動換刀裝置是圓（yuán）盤式刀庫的關鍵核心部件，目前主要由國外及中國（guó）台灣地（dì）區先進（jìn）企（qǐ）業（yè）開發，國內大陸市場主要依靠進口，其成本約占整個圓盤式刀庫的 40% 以上。

而作為 ATC 自動換刀裝（zhuāng）置中最核心的凸輪部（bù）件，國內企業尚（shàng）未在該領域進行過係統性研發，相關產品完全依賴從海外進口，並且目前市場上有限的凸（tū）輪產（chǎn）品規格無法滿足日益提升的國內高（gāo）檔數控機床需求，且產品價格昂貴，2022 年我國數控機床市場金屬切（qiē）削機床銷售量 45 萬套，刀庫市場（chǎng）需求量約 100 萬套（tào），市場規模約 200 億元，項目目標產品市場前景廣闊。

《“十四五” 國家戰略（luè）性新型產業（yè）發展規（guī）劃》中提到 : 推動智（zhì）能製造（zào）關鍵技（jì）術裝備邁上新台階，加快高檔數（shù）控機（jī）床與（yǔ）智能加工中心研發與產業化，突破多軸、多通道、高精度高檔數控係統、伺服電（diàn）機等主要功能部件及關鍵應用軟件。《國務院 “十四五” 科技創（chuàng）新（xīn）規劃》中也提到 : 深入實施國家科技重大（dà）專項，高（gāo）檔數控機床與基礎製造裝備。因此，重點攻克高檔數控係統、功能部件及刀（dāo）具等關鍵（jiàn）共（gòng）性技術（shù）和高檔（dàng）數控機（jī）床可（kě）靠性（xìng）、精度保持性等關鍵技（jì）術，開展智能化高速圓盤（pán）式刀（dāo）庫的研究，符合國家相關（guān）產（chǎn）業（yè）政策。

五、產品研發及產業（yè）化情況

BT40 圓盤式刀庫在多個領域都有（yǒu）廣泛的應用（yòng），並展現（xiàn）出良好的產業化前（qián）景。首先，從產品應用角度來看，BT40 圓盤式刀庫在數控機床中發揮著關鍵作用。它能夠（gòu）快速實現（xiàn）刀具的自動換位，根據加工需要及時更換刀具，從而提（tí）高加工效率（lǜ）。此（cǐ）外，圓盤式刀庫還廣泛應用於（yú）電子半導體製造業，能夠自動存儲和（hé）更換刀具，提高生產效率並降低製造成本。在車間工業（yè）中，無論是模具（jù）、模具配套、汽車零（líng）部（bù）件（jiàn）還（hái）是鑄（zhù）造（zào）件的生產，圓盤式刀庫都能夠根據不同的機械加（jiā）工（gōng）需（xū）求自動更換不同的刀具。該類刀庫產品的生產工藝、生產能力、可靠（kào）性和產品質量得到大幅度提升，顯著（zhe）地降低了刀庫產品（pǐn）的故障率，產品的可靠性 MTBF 達到了 100 萬次（cì）。

其次，從產業（yè）化前景來看（kàn），隨著製造業的快速發展，對加（jiā）工中心（xīn）的需求（qiú）也在不斷增加。圓盤式刀庫作為加工中心的重要配件，其市場需求也將持續增長（zhǎng）。同時，隨著科技的進步，圓盤式刀庫的性能也將得到進（jìn）一步的提（tí）升，應用（yòng）領域也將更加廣泛。圓盤式刀庫以其換刀速度快（kuài）、存儲（chǔ）容量大、穩定性和（hé）可靠性高（gāo）等優點，正（zhèng）在（zài）逐步取代傳統的刀庫，成為加工（gōng）中心的主流配置。

總（zǒng）的來（lái）說，圓盤（pán）式（shì）刀庫在當（dāng）前（qián）的製造業環境中（zhōng）具有廣泛的應用（yòng）和良好的（de）產業化前景（jǐng），但也需要不斷適應和滿足（zú）市場的變化和技術的發展，方能立於不敗之地。

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