自動換刀裝置教具設計＊

張曉光，李瑩瑩，李香飛，李 華

（1.天津職業技術師范大學工程實訓中心，天津 300222；2.天津市第一輕工業學校，天津 300000）

0 前言

自動換刀裝置的形式是多種多樣的，主要的組成部分是刀庫、機械手和驅動機構等。雖然刀柄的更換過程、抓刀的選擇方法、刀庫的結構、機械手的類型等都是不同的，但在數控裝置以及可編程控制器的控制下，可以由電機、液壓或氣動機構驅動刀庫和機械手來實現刀具的選擇和交換。用這種工藝加工，在加工中心或車削加工中心，可以選擇一臺切割機實現連續加工且能進行刀具交換的裝置，稱為自動換刀裝置（簡稱ATC）。

設計自動換刀裝置教具主要是為了形象地展示加工中心的整個換刀過程。因此，該設計過程分為以下三步：1）抽象。在對現有體系進行深入的梳理和廣泛的研究之后，再結合第一個抽象對象的特點，吸收并總結之前的設計思想和經驗，為后續的設計創新做好充分的準備。2）分析。該機構的功能基本上是通過一定的運動工藝實現的，所以可以根據操作的需要來設計ATC來改變刀的整體功能。3）綜合。創新設計應結合機械設計的特點和要求，通過對最后一次選優的評價來實現[1-4]。

1 運動方案的設計

自動換刀裝置必須要有以下的運動功能：一個為主軸帶動刀具旋轉的主運動；另外一個就是三個方向的直線進給運動，這個包括在水平面內的左右兩個方向的直線進給運動和一個在上下方向的直線進給運動，這樣可以實現工件切入一定深度，也就是大家通常說的三軸聯動。

我們在認識了刀庫和機械手的工作原理之后，結合本課題的設計任務與要求，制定的運動順序為：定刀—機械手取刀—機械手換刀—復位。

其工作原理如圖1所示，機械手手爪部分結構，它主要由手臂（伸縮氣缸）與連接其上方的手爪組成，而且兩端的結構完全相同。當機械手抓住刀具時，位于手爪前端的部分海綿由于氣缸受到氣壓壓力的影響會緊緊地夾住刀具，且左右兩手手臂會伸至頂端令氣爪前端頂住刀具，使得氣爪爪子部分有三個面夾緊刀具使其固定。這個固定效果可以讓機械手在回轉180度的時候，刀具不會被甩出。機械手上升插刀時，因為其上方有電磁鐵的吸引，可以迅速地完成松刀復位的動作，進而加快換刀過程。

圖1 機械手手臂和手爪結構圖

2 換刀過程

首先，機械手的換刀是由PLC 程序來進行控制。實現刀具置換的控制順序為抓刀、拔刀、裝刀。當程序準備完畢后，按下按鈕，位于中間的伸縮氣缸向上伸出，當伸到頂端后左右兩邊氣爪同時張開，然后左右兩邊氣缸同時進行伸出，達到刀把位置后氣爪關閉，這個過程就是抓刀。在抓刀完畢后，中間氣缸向下縮回，將刀把從電磁鐵上方拔出，這個動作叫拔刀。拔刀完畢后，左右兩邊氣缸收縮至起點位置，然后底部旋轉氣缸進行180度的旋轉。旋轉至指定位置后中間氣缸向上伸出，伸至頂部后左右氣爪分別向左右伸出，達到指定位置被抓刀柄剛剛好到達電磁鐵位置，被電磁鐵吸住，此時氣爪松開。這個過程就是松刀。最后中間氣缸下降，接著底部旋轉氣缸MSQB-20A 逆時針旋轉180 度，回到初始狀態。具體步驟如下：

1）氣缸上升，機械手整體位于框架的中心位置，其中這個氣缸位于該機械手的中間，當按下啟動按鈕后PLC 收到啟動信號，然后該氣缸向上伸出。

2）左右氣爪張開，在中間氣缸向上伸出達到頂點后，此時有一個延時信號T37，通過該延時信號來控制左右氣爪的張開，時間到后氣爪張開。

3）左右氣缸延伸，當左右氣爪張開后，又有一個延時信號T38，通過該信號來控制頂部左右氣缸的伸出，時間到后氣缸伸出。

4）刀具夾緊，當氣缸左右延伸出氣爪后，有一個延時信號T39，通過該信號來控制氣爪的閉合，時間到后氣爪閉合，氣爪閉合后該機械手分別抓住被電磁鐵吸附的兩把刀柄。

5）氣缸下降(拔刀），氣爪閉合后又有一個延時信號T40，該信號用來控制氣缸下降，時間到后中間的氣缸下降。

6）機械手旋轉180度與左右氣缸縮回，拔刀完成后，有一個延時信號T41，該延時信號分別控制氣缸的180度旋轉和左右氣缸的復位信號，該延時信號還控制后邊的一個繼電器開關。

7）氣缸上升，當機械手旋轉180度達到指定位置后，有一個延時信號T42，該信號控制中間氣缸向上伸出，時間到后氣缸向上伸出。

8）左右氣缸延伸，當中間氣缸伸出達到頂部后，有一個延時信號T43，該信號控制頂部兩個伸縮氣缸向外伸出，時間到后頂部兩氣缸分別向外伸出。

9）換刀完成，當左右氣爪達到指定位置后，又有一個延時信號T44，通過該信號來控制左右兩氣爪的松開。左右氣缸分別帶動左右兩個氣爪達到指定位置后，兩把刀柄分別被電磁鐵吸附住，然后延時信號一到，氣爪松開，換刀完成。

10）左右氣缸收縮，當換刀完成后，有一個延時信號T45，通過該信號來控制左右兩邊的氣缸分別收回。

11）氣缸下降，當左右兩邊氣缸收回后，有一個延時信號T46，通過該信號來控制中間的氣缸的下降，時間到后氣缸下降。

12）機械手反旋轉180 度，當氣缸下降到底部后，有一個延時信號T47，通過該信號來控制底部旋轉氣缸來帶動機械手反向旋轉180度，回到初始狀態。

2.1 控制流程

換刀過程如圖2 所示，整個換刀過程需要完成氣缸上升，氣爪張開，氣缸延伸，刀具夾緊，拔刀，旋轉，氣缸上升，氣缸延伸，完成換刀，氣缸退回，氣缸下降，氣缸回位。

圖2 自動換刀裝置氣動圖

2.2 PLC連接

根據控制要求，設計的PLC 控制電路圖如圖3 所示。PLC 采用的是西門子S7-200 可編程控制器，其中24V 為PLC供電，輸入信號是系統啟動按鈕I0.1，輸出信號Q0.0控制氣爪上升，Q0.1 控制左氣爪張開閉合，Q0.2 控制右氣爪張開閉合，Q0.3 控制左氣缸伸出退回，Q0.4 控制右氣缸伸出退回，Q0.5控制旋轉缸0～180度旋轉。

圖3 PLC 控制電路圖

2.3 氣動回路設計

如圖4 所示，氣缸1 是實現整體升降運動的直線氣缸，氣缸2 與氣缸3 是實現氣爪抓刀、拔刀運動的氣缸，氣缸4與氣缸5是實現頂部控制氣爪伸縮運動的兩個直線氣缸，氣缸6的作用是讓機械手實現180度旋轉。

圖4 自動換刀裝置氣動圖

1）當按下啟動按鈕后，PLC 發出信號，機械手要整體向上伸出，此時，電磁閥YA1 接通，信號燈發亮，其余電磁閥未接通燈不亮。氣源從氣泵出發，流經匯流板，經匯流板分流后，在經過三位五通電磁閥B口傳到氣缸1的下方進氣口，推動活塞桿向上移動，完成了氣缸1的上升運動。

2）當機械手整體向上伸至頂部時，定時器T37 發出信號，位于頂部的兩個氣爪準備張開，這時，當延時信號到達時間后，電磁鐵YA2與SLD-3通電，此時只有燈1、2、3亮，其余燈滅，電磁鐵YA1 仍處于接通狀態，其余的斷開。氣源從氣泵出發，經過匯流板分流，再經過三位五通電磁閥B口傳到氣爪，氣爪受到推力，實現了氣爪的張開動作。

3）當氣爪張開后，定時器T38 發出信號，位于頂部的兩個伸縮氣缸準備伸出，時間到后電磁閥YA4與YA5接通，燈亮，且之前接通的電池閥仍處于接通狀態。氣源從氣泵出發，經過匯流板分流，再經過三位五通電磁閥B口傳到氣缸4與氣缸5的下方進氣口，分別推動活塞桿向左邊和右邊伸出，實現了機械手左右氣爪的伸出動作。

4）當左右兩端的氣爪伸出后，定時器T39 發信號，位于頂部的兩個氣爪準備閉合，時間到后電磁閥YA2與YA3斷開，燈滅。此時，只有燈1、4、5處于發亮狀態，其余仍然處于斷開狀態。氣源從氣泵出發，經過匯流板分流，由于電磁閥斷開，氣源經過三位五通電磁閥的A口再傳到氣爪，氣爪受到反向的推力閉合，這個氣爪閉合的動作也就是抓刀動作。

5）當機械手實現抓刀動作后，定時器T40發信號，這時電磁閥YA1 準備斷開，氣缸準備向下縮回，時間到后YA1斷開，燈滅。此時只有燈4、5處于發亮狀態，其余仍處于斷開狀態。氣源由于電磁閥的斷開，反過來由三位五通電磁閥的A口流入氣缸的上方進氣口，推動活塞桿向下收縮，這個動作因氣缸1向下縮回，達到了拔刀的效果。

6）當機械手拔出刀柄后，定時器T41 發出信號，氣缸6要帶動整體旋轉180 度，與此同時，氣缸4 與氣缸5 要往回收縮。時間到后，電磁閥YA6接通，YA4與YA5斷開，此時只有燈6 處于發亮狀態，其余燈滅。氣源從氣泵出發流經匯流板經過三位五通電磁閥的B口，使得底部旋轉氣缸6帶動機械手整體實現了正轉180度的動作，同時因電磁閥YA4與YA5的斷開，氣源由三位五通電磁閥的A口傳到氣缸4、5的上腔使其收縮。

7）當機械手完成180 度旋轉后，定時器T42 發出信號，機械手準備上升動作。時間到后，電磁閥YA1 接通，此時燈1與燈6處于發亮狀態，其余的處于燈滅狀態。氣源從氣泵出發，經過匯流板，因電磁閥YA1再次接通的原因，其氣流從三位五通電磁閥的A口傳到了B口，流經氣缸1的下方進氣口，推動活塞上升，實現了機械手再次上升的動作。

8）當再次完成上升的動作后，定時器T43發出信號，機械手準備伸出，時間到后，電磁閥YA4與YA5接通，此時有燈1、4、5、6處于發亮狀態，其余的處于斷開狀態。氣源從氣泵出發，經過匯流板，通過三位五通電磁閥的B口傳到氣缸4與氣缸5的下腔，分別推動氣缸的左右伸出，該動作叫做插刀。

9）當完成插刀后，定時器T44 發出信號，氣爪準備松開，時間到后，電磁閥YA2與YA3接通，此時燈全部處于發亮狀態。氣源從氣泵出發，經過匯流板分流，再經過三位五通電磁閥B口傳到氣爪，氣爪受到推力，實現了氣爪的張開動作。該動作叫做松刀。

10）當完成松刀后，定時器T45發出信號，氣缸4與氣缸5準備收縮，時間到后，電磁閥YA4與YA5斷開，此時除了燈4與燈5以外，其余燈處于發亮狀態。氣源從氣泵出發，經過匯流板分流，再經過三位五通電磁閥的A口傳到氣缸4與氣缸5的上腔，推動活塞桿的下腔，實現了氣缸4、5的收縮動作。

11）當氣缸4、5 收縮后，定時器T46 發出信號，氣缸1準備收縮，時間到后，電磁閥YA1斷開，此時燈2、3、6處于發亮狀態，其余的處于斷開狀態。其氣流從三位五通電磁閥的B 口傳到A 口，傳到了氣缸1 的上方進氣口，使活塞桿下降，實現了機械手的下降動作。

12）當完成機械手的下降后，定時器T47發出信號，機械手要逆向旋轉180度，時間一到，電磁閥YA6斷電。此時燈2、3處于發亮狀態，其余的處于斷開狀態。其氣流從氣泵出發，經過匯流板分流，因電池閥YA6斷電的原因，其氣流從三位五通電磁閥的A口傳到氣缸6，這促使機械手180度逆向旋轉。

13）當機械手逆向旋轉180 度后，摁下按鈕SB2，氣爪收縮，這樣就完成了整個換刀裝置換刀的過程。

3 整體設計

三個方向的進給運動由直線氣缸JTD32*30-S 來完成，分別由三個氣缸實現水平方向和升降方向的換刀動作：

氣缸帶動工件做不同方向的進給運動，因為本次設計是以教具作用為主的，還可以添加多個氣缸，進行不同方向的換刀，提高效率。換刀的方向由底部的旋轉氣缸MSQB-20A來旋轉完成。

三個方向的進給運動由直線氣缸來完成，換刀動作由底部的旋轉氣缸來完成，質量較小的工件才能適用于這樣的方案，當加工尺寸較高、工件較重時，則不能進行換刀動作。刀具是安裝在外部支架上，利用電磁鐵來進行吸附的。這樣做的好處是有利于氣爪的定位，而且便于調整，有很大的便攜性。

經過對以上運動方案和各個零部件的設計方案的定性分析，可得到該自動換刀裝置教具的總體設計方案為：自動換刀系統采用氣缸與氣爪聯合設計的機械手臂，利用旋轉氣缸來實現換刀動作的設計理念，且刀把與機械手的位置是相互垂直的，機械手由氣缸驅動來實現抓刀、拔刀、換刀等運動。整體示意圖如圖5所示。

圖5 自動換刀裝置教具示意圖

4 結束語

本設計主要是用于在教學過程中展示加工中心整體的換刀過程，利用了3 個直線氣缸、1 個旋轉氣缸、2 個爪子為主體搭建自動換刀裝置模型，能夠形象地展現完成其控制要求的過程。