加工中心機械手換刀與主軸凸輪松刀的聯動技術*

高永強 李全普 李 凱

（大連華根機械有限公司，遼寧大連 116620）

機床的運行速度對于客戶來說很重要，直接影響到加工工件的節拍時間。高速切削特別是有色金屬加工，機床的輔助時間占據50%以上。縮短輔助時間就能提高切削效率，雙凸輪換刀技術可縮短換刀時間40%。

1 國內加工中心的換刀機構現狀

目前國內加工中心產品的換刀機構可分為兩種:液壓機械手式和凸輪機械手式。其中應用廣泛的為凸輪機械手換刀，具體結構和動作循環如圖1和圖2。主軸松刀和刀庫換刀兩個動作獨立完成，通過電信號控制相互完成時間和順序。該機構可分為兩部分，一部分為機械手換刀機構，另一部分為主軸的松刀機構，即件1、2、3、4、5、6 為換刀機構，8、9 為松刀機構，其工作過程為:

主軸移動至換刀位（系統信號發出）——減速電動機6運轉——復合凸輪 5旋轉——六角軸 4旋轉——滑動軸2旋轉——機械手1旋轉 90°（抓刀）（檢測信號發出）——電動機6停止運轉，松刀油缸9活塞推動主軸8中拉刀桿移動（主軸松刀）（檢測信號發出）——減速電動機6旋轉，凸輪旋轉——連桿3擺動——機械手移動（機械手拔刀）——機械手旋轉180°——連桿擺動機械手向主軸方向移動（機械手插刀）（檢測信號發出）——電動機停止，油缸卸油主軸拉刀（檢測信號發出）——電動機啟動——機械手反向旋轉90°（回零位）——換刀完成。

凸輪機械手油缸或氣液增壓松刀換刀時間需要3.5～5 s（切削－切削），每個動作需要一個開關檢測，可靠性較差，易出現開關信號不穩定，換刀過程掉刀，油液滲漏等故障。

2 雙凸輪聯動快速換刀裝置

其工作原理如圖3所示。主軸內的刀具松拉桿在外端平面凸輪的驅動下可以完成松刀和拉刀動作，支撐在床身上的復合凸輪驅動機械手部分工作。其中，復合凸輪中的弧面分度凸輪完成機械手的旋轉，嵌在弧面分度凸輪側面的平面溝槽凸輪完成機械手的直線運動。電動機運轉時，刀具松拉桿外端的平面凸輪通過一套傳動鏈與復合凸輪進行聯動，運轉可靠，換刀時間短。傳動鏈由平面凸輪軸、離合器、傳動軸、齒形帶傳動結構和復合凸輪軸組成。其結構簡圖如圖4所示。

2．1 雙凸輪換刀機構運動簡介

由電動機驅動的雙凸輪換刀機構主要包含完成以下不同動作所需的機構:

（1）接通與斷開ATC機構，由離合器實現。

（2）ATC機械手進出機構。

（3）ATC機械手90°回轉機構。

（4）ATC機械手180°回轉機構。

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（5）鎖刀機構。

（6）主軸松拉刀機構。

（7）機械手開始換刀動作。在換刀前需準備下列動作:

①X軸和Y軸處于第2參考點位置;

②Z軸處于零點位置或換刀點位置;

③刀庫鎖定的刀具，從待機刀套上被取出，待機刀套到達主軸側;

④機械手裝置處于待機狀態;

⑤主軸處于刀具鎖緊狀態。

（8）換刀操作開始時ATC裝置通過圓柱凸輪（機械手回轉用）、平面凸輪（機械手插拔刀、防護門開閉）和主軸松拉刀凸輪這3種凸輪進行動作。其動作順序如下:

（9）電動機啟動的同時，圓柱凸輪轉動，通過傳動裝置使ATC機械手順時針回轉90°，此時的聯動動作使ATC防護門打開。

（10）主軸松拉刀裝置松刀的同時，ATC機械手的鎖刀裝置鎖緊刀具。

（11）由于平面凸輪的作用，擺桿揺動，ATC機械手拔刀。

（12）圓柱凸輪使ATC機械手進行逆時針180°回轉的同時，在平面凸輪的作用下ATC機械手開始插刀動作。

（13）主軸松拉刀裝置拉刀的同時，解除ATC機械手的鎖刀。

（14）通過圓柱凸輪回轉，使ATC機械手逆時針回轉90°后，返回 ATC原點（ATC機械手處于垂直狀態）。此時聯動動作是ATC防護門關閉。

ATC機械手插拔刀動作和逆時針回轉180°的動作同時進行，以此縮短ATC動作周期。主軸松拉刀動作，通過平面凸輪實現與ATC動作的聯動。其動作時序圖如圖5所示。

從刀庫中取出加工所需刀具，主軸上的刀具返回到刀庫的一系列動作，按照換刀動作圖6所示順序進行。

3 結構分析與結論

第一種機構工作過程可以看到在刀具交換全過程中需要多次啟動電動機及多次檢測位置，由此使得刀具交換時間加長，同時運動過程不可靠。本文提出的雙凸輪換刀機構是凸輪式ATC與主軸松拉刀機構相結合的、由同一臺電動機驅動的新型雙凸輪聯動快速換刀機構和換刀方法。本方法的優點是刀具松拉桿的動作由平面凸輪驅動完成，與驅動機械手動作的復合凸輪（平面溝槽凸輪與弧面分度凸輪一體）形成雙凸輪聯動，不但提高了系統的可靠性，更大幅度縮短了換刀時間。通過對驅動刀具松拉桿的平面凸輪與驅動機械手的復合凸輪（包括完成機械手轉動的弧面分度凸輪和完成機械手直線運動的平面溝槽凸輪）曲線的匹配設計，保證了換刀動作同步、高速、平穩、流暢，具有穩定的刀具更換及耐久性。通過雙凸輪機構的聯動實現了刀到刀2 s的快速換刀，處于國內領先水平及國際先進水平。該技術已經獲得國家實用新型專利。

［1］劉靜．雙凸輪聯動自動換刀技術的研究［D］．大連:大連理工大學，2008．

［2］劉冬．雙凸輪聯動自動換刀裝置多體動力學仿真研究［D］．大連:大連理工大學，2010．

［3］劉瑞已．加工中心快速自動換刀裝置［J］．機械工程師，2004（11）:84－85．

［4］陳芳．PMC在加工中心隨機自動換刀中的應用［J］．機電工程技術，2004（4）:69 －70，73．