自动换刀装置在中小型立式加工中心的应用

白春良

(山西西山金城建筑有限公司，山西 太原 030053)

随着中小型立式加工中心设备使用年限的增加，明显出现了加工效率低，尤其是在加工形状比较复杂、精度要求较高、品种更换频繁的工件时，已经无法与现代的生产相匹配，通过增加自动换刀装置，大大减少了工件装夹时间、测量和调整等辅助工序时间，大大提高了生产率，更具有良好的经济性。

1 自动换刀装置应当满足的基本要求

1)刀具换刀时间短且换刀可靠;2)刀具重复定位精度高;3)足够的刀库储存量;4)刀库占地面积小。

2 刀库的确定

刀库是自动换刀装置的主要部件，刀库中刀具的定位机构是用来保证要更换的每一把刀具或刀套都能准确的停在换刀位置上。采用电动机或液压系统为刀库转动提供动力。根据刀库所提供的容量和取刀的方法，采用鼓轮式刀库形式。

对于一般的中小型立式加工中心来说，配14把～30把刀具的刀库就能够满足70%～95%的工件加工需要。选择鼓轮式刀库(见图1)，既能满足该加工中心工作的要求，又能满足价格低廉的原则。

图1 轴向取刀鼓轮式刀库

刀库传动定位机构主要是用来驱动刀库是分度回转运动，保证刀库的可靠性。采用交流伺服电机进行驱动的蜗轮蜗杆传动机构(见图2)，不仅结构简单，而且可以提高输出轴的传动平稳性，即提高刀盘的运动平稳性。

图2 刀库传动示意图

3 机械手的确定

通过分析中小型立式加工中心自动换刀装置的特点，应用条件，采用回转式单臂双爪机械手(见图3)，它是目前加工中心用的较多的一种形式。这种类型的机械手换刀特点是机械手同时抓取主轴和刀库上的刀具，回转180°，同时放回和装入刀具，换刀时间短，较为常用，多用于刀座与主轴轴线平行的场合。

图3 回转式单臂双爪机械手

机械手的驱动，由交流伺服电动机驱动，能频繁启动以及较高的控制精度，结构简单、工作可靠。同时机械手的手臂回转和拔刀、插刀的分解动作是联动的，部分时间常数可以重叠，从而大大缩短了换刀时间。

4 控制方案

由于刀具刀座数较少，选刀方式根据就近选刀原则，利用可编程控制器实现就近选刀换刀的控制，以追求最短的换刀时间。主轴上换来的新刀号及换回刀库上的刀具号，均在PLC内部相应地存储单元记忆。这种控制方式需要在PLC内部设置一个模拟刀库数据表，其长度和表内设置的数据与刀库的位置数和刀具号相对应，从而消除了由于识刀装置的稳定性、可靠性带来的选刀失误。首先通过程序检测当前位置的刀号，其次检测系统需要调取的刀号，将两者相比较，通过所编的PLC程序来决定电动机的正、反转，以实现就近选刀。

5 实施步骤

带刀库的自动换刀装置是由刀库和刀具交换装置组成，它是多工序数控机床上应用最广泛的换刀装置，其整个换刀过程比较复杂。首先把加工过程中需要使用的全部刀具安装在标准的刀柄上，在机床外进行尺寸预调后，按一定的方式装入刀库。换刀实施步骤如下。

5.1 刀具预选

在机床进行加工的同时，根据数控系统发出的T代码指令，由回转电动机将下一把要加工的刀具，回转到刀具交换位置，完成刀具的“预选”动作，为刀具交换做好准备。

5.2 主轴定向准停

在换刀指令发出后，首先进行主轴定向准停，使主轴上的定位键方向和刀库定位键一致。与此同时，Z轴快速向上运动到换刀点;刀座转位气缸将预选好的刀具连同刀座向下旋转90°，使刀具轴线和主轴轴线平行。

5.3 机械手回转夹刀

当主轴箱到达换刀位置，同时刀库上的刀具完成旋转90°动作后，凸轮换刀机构通过电动机驱动，使机械手进行70°转位，两边的手爪分别夹持刀库换刀位以及主轴上的刀具。

5.4 卸刀

在机械手完成夹刀动作后，刀库以及主轴内的刀具夹紧装置同时放松，刀具被松开，凸轮换刀机构在电动机驱动下，机械手向下伸出，同时取出刀库和主轴上的刀具，进行卸刀。

5.5 刀具换位

卸刀完成后，凸轮换刀机构在电动机驱动下，使机械手旋转180°，进行刀库侧刀具和主轴侧刀具的换位。

5.6 装刀

刀具完成换位后，凸轮换刀机构在电动机驱动下，机械手向上缩回，将刀库侧刀具和主轴侧刀具同时装入刀座和主轴，并且，刀库以及主轴内的刀具夹紧装置同时夹紧。

5.7 机械手返回

刀库以及主轴内的刀具夹紧装置完成夹紧后，凸轮换刀机构在电动机驱动下，机械手反向旋转70°回到起始位置(这时手臂为180°位置，两边手爪交换)，完成换刀动作。

换刀完成后，主轴箱向下运动即可进行下一把刀的加工，同时刀座转位气缸将主轴上换下的刀具连同刀座向上旋转90°，并根据下一把刀的T代码指令再进行刀具的“预选”动作。

6 相关技术要求

主轴停车时要求停在一个固定位置上，如果刀套不能准确地停在换刀位置上，将会使换刀机械手抓刀不准，以致在换刀时发生掉刀的现象。因此，刀套的准停问题将是影响换刀动作可靠性的重要因素之一。鼓轮式刀库采用单头双导程蜗杆传动，应尽可能地提高刀套在刀盘上沿圆周安装的等分精度和径向位置精度。因刀套需要反转，则还要保证每个刀套反转的角度一致。此外，应尽量减小刀套孔径和轴向尺寸的分散度，以保证刀柄槽在换刀位置上的轴向位置精度。

7 结语

选刀方式通过软件达到就近选刀的目的，消除了由于识刀装置的稳定性、可靠性所带来的选刀失误。该机械手的换刀时间可达到2 s，在实际生产中节省了时间，提高了加工效率。