高速加工中心自動換刀裝置的研究

應保勝，楊威，邱新橋

(1．武漢科技大學機械自動化學院，湖北武漢430081;2．湖北汽車工業學院機械工程系，湖北十堰442002)

自動換刀裝置是高速加工中心的重要功能部件，它進行一次換刀循環的最基本動作為:抓刀、拔刀、換刀、插刀、復位，如圖1所示。

圖1 自動換刀循環的最基本動作

目前主要采用弧面分度凸輪機構來完成換刀動作，但是作為關鍵部件的弧面分度凸輪存在以下不足:(1)與國外成熟技術相比，我國在弧面分度凸輪的研究上還有一些關鍵技術問題沒有解決，如:優良運動曲線的選擇、機構運行的可靠度、復合凸輪的設計等［1］;(2)弧面分度凸輪加工困難，必須采用專用的數控機床或5軸聯動的數控加工中心進行加工［2］;(3)售價昂貴，后續的維護費用也不容忽視。因此，作者對自動換刀裝置進行研究，提出一種代替弧面分度凸輪實現換刀的新裝置及方法。

1 弧面分度凸輪自動換刀裝置

弧面分度凸輪是一種用于空間垂直交錯軸間傳遞間歇分度或步進運動的機構，也稱為滾子齒形凸輪、蝸桿凸輪、菲固森凸輪等。應用于自動換刀裝置的弧面凸輪是多頭的，其輪廓曲面是旋轉弧面，其上有多個獨立的凸輪槽，每個凸輪槽分別由3段凸輪曲線(面)及直線 (槽面)組成;凸輪槽將多段獨立的凸輪曲線 (面)、定位直線 (槽面)按照運動要求平滑地銜接，布置在一個360°的圓周上［3-4］。

弧面分度凸輪自動換刀裝置的換刀原理是:弧面分度凸輪和與其配套的分度輪組成弧面分度凸輪機構，通過相應機構固定聯接分度輪與換刀臂。在一個換刀循環里，弧面分度凸輪向一個方向轉動，其上的凸輪槽推動分度輪旋轉，帶動換刀臂轉動。先使換刀臂正轉θ(θ為不工作時換刀臂的位置角)，停歇τ(用來鎖刀和拔刀)后，再繼續正轉180°(換刀臂兩端的刀具換位)，然后再停歇τ(用來松刀和插刀)，最后反轉θ返回到初始位置。

2 新的自動換刀裝置及原理

2．1 換刀方案分析

高速加工中心自動換刀裝置應當具備換刀時間短、刀具重復定位精度高、安全可靠等特性。為了兼顧設計制造方便的要求，新的自動換刀裝置的主要零件采用凸輪、齒輪、齒條等［5］。

如圖2所示，新的自動換刀裝置的原理是:由電動機提供動力，經動力傳動機構傳遞給平面凸輪，驅動擺桿、齒條運動，齒條與齒輪嚙合;利用凸輪輪廓的升程與回程，使齒輪正反向旋轉;齒輪帶動換刀臂相應地正反向旋轉，使換刀臂兩端的刀具相互交換位置。

圖2 新的自動換刀裝置原理圖

由于平面凸輪的升程與回程必須相等，因此齒輪在一次換刀循環里正反向旋轉的角度也相等。但是自動換刀裝置要求在一次換刀循環里，換刀臂的正反轉轉動角度相差180°。這就需要在齒輪與換刀臂之間設計一套傳動離合機構，當換刀臂完成換刀返回到初始位置時，傳動離合機構斷開齒輪與換刀臂之間的動力傳遞，使凸輪繼續轉動的同時換刀臂不轉動;當凸輪返回到初始位置時，傳動離合機構接通，為下一個循環做準備。

綜上所述，新的自動換刀裝置由刀具換位機構和傳動離合機構來代替弧面分度凸輪機構。

2．2 新的自動換刀裝置

2．2．1 刀具換位機構

刀具換位機構如圖2、3所示，主要由復合凸輪1、換位擺桿16、撥叉19、齒條20、齒輪21、滾動導軌副 (由導軌24、兩個滑塊25等組成)等組成。復合凸輪1與換位擺桿16的一端通過軸承15聯接，軸承15在復合凸輪1的溝槽內滾動;換位擺桿16的中部用銷軸17固定在箱體22上;換位擺桿16的另一端通過撥叉19與齒條20聯接;齒條20由滾動導軌副支承在箱體22的內壁上;齒輪21套在刀臂主軸13上，齒輪21的一側與傳動離合機構固定聯接。

圖3 圖2所示的A-A剖視圖

復合凸輪1推動換位擺桿16擺動，換位擺桿16帶動齒條20往復運動，齒條20驅動齒輪21旋轉，齒輪21通過離合機構將動力傳遞給換刀臂23，使換刀臂23做正反向旋轉運動;換刀臂23的運動特性是由復合凸輪1的輪廓曲線1a控制的;輪廓曲線1a是雙停留式凸輪，滿足換刀臂的運動要求:先正轉θ、停歇τ后，再繼續正轉180°，然后再停歇τ，最后反轉θ返回到初始位置。

2．2．2 傳動離合機構

傳動離合機構如圖2、4所示，主要由復合凸輪1、頂桿8、搖桿10、彈簧11、刀臂主軸13、推桿14、兩個T型銷26、軸套18等組成。復合凸輪1與滾輪7接觸，滾輪7安裝在頂桿8的右端;頂桿8的左端與搖桿10的上端通過銷聯接;搖桿10的中部用支架9固定在箱體22的外側壁上;搖桿10的下端通過套筒12與推桿14左端的彈簧11接觸;彈簧11的右端由刀臂主軸13的左端擋住;刀臂主軸13是空心的，推桿14的右端插入刀臂主軸13內;換刀臂23固定安裝在刀臂主軸13的右端;推桿14的中部加工有T型槽，T型槽的底面與推桿14的徑向截面成一預定角度;T型銷26安裝在T型槽內，并插入刀臂主軸13、軸套18的孔中，用于聯接刀臂主軸13與軸套18。軸套18套在刀臂主軸13上，軸套18的一側與齒輪21固定聯接。

當復合凸輪1的輪廓1b處于升程階段時，推動頂桿8向左運動，頂桿8推動搖桿10擺動，使推桿14左端的彈簧11被壓縮，與此同時推桿14相對刀臂主軸13向右移動一預定距離，T型槽拉T型銷26，使T型銷26沿自身軸線向下運動，齒輪21與刀臂主軸13之間的聯接斷開，使復合凸輪1到換刀臂23的動力傳遞斷開。

圖4 傳動離合機構

當復合凸輪1的輪廓1b處于回程階段時，其輪廓遠離頂桿8，解除對頂桿8的擠壓，推桿14左端的彈簧11復位，使推桿14相對刀臂主軸13向左移動返回到初始位置，T型槽推T型銷26，使T型銷26沿自身軸線向上運動，齒輪21與刀臂主軸13之間的聯接接通，使復合凸輪1到換刀臂23的動力傳遞接通。

2．3 詳細工作過程

如圖2、3、4所示，電動機5提供動力，經減速器3和齒輪4、2、6傳遞給復合凸輪1;由刀具換位機構使換刀臂23完成刀具換位;換刀臂23返回到初始位置時，傳動離合機構斷開齒輪21到換刀臂23之間的動力傳遞，使齒條20繼續運動返回到初始位置，同時齒輪21空轉、刀臂主軸13及換刀臂23停止轉動;最后傳動離合機構復位，復合凸輪1返回到初始位置，換刀結束。

3 結論

新的換刀裝置位置對位置換刀時間在2 s以內，結構簡單、加工方便，能代替弧面分度凸輪機構完成換刀。

【1】謝政．加工中心換刀機械手的研究［D］．湘潭:湘潭大學，2008:7．

【2】劉昌琪，牧野洋，曹西京．凸輪機構設計［M］．北京:機械工業出版社，2005:89．

【3】杜祖鈞，賈爭現，曹巨江．滾子齒形凸輪循環圖的設計與分析［J］．西北輕工業學院學報，2002(5):30-33．

【4】馬大勇，仝崇樓，龔小平．弧面分度凸輪機構分析及其虛擬樣機技術的發展［J］．機床與液壓，2007，35(10):189-191．

【5】曹秋霞．小型立式加工中心無機械手自動換刀裝置的設計［J］．機床與液壓，2006(9):54-56，108．