加工中心機(jī)械手換刀與主軸凸輪松刀的聯(lián)動(dòng)技術(shù)*

高永強(qiáng) 李全普 李 凱

（大連華根機(jī)械有限公司，遼寧大連 116620）

機(jī)床的運(yùn)行速度對(duì)于客戶來說很重要，直接影響到加工工件的節(jié)拍時(shí)間。高速切削特別是有色金屬加工，機(jī)床的輔助時(shí)間占據(jù)50%以上?？s短輔助時(shí)間就能提高切削效率，雙凸輪換刀技術(shù)可縮短換刀時(shí)間40%。

1 國內(nèi)加工中心的換刀機(jī)構(gòu)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)加工中心產(chǎn)品的換刀機(jī)構(gòu)可分為兩種:液壓機(jī)械手式和凸輪機(jī)械手式。其中應(yīng)用廣泛的為凸輪機(jī)械手換刀，具體結(jié)構(gòu)和動(dòng)作循環(huán)如圖1和圖2。主軸松刀和刀庫換刀兩個(gè)動(dòng)作獨(dú)立完成，通過電信號(hào)控制相互完成時(shí)間和順序。該機(jī)構(gòu)可分為兩部分，一部分為機(jī)械手換刀機(jī)構(gòu)，另一部分為主軸的松刀機(jī)構(gòu)，即件1、2、3、4、5、6 為換刀機(jī)構(gòu)，8、9 為松刀機(jī)構(gòu)，其工作過程為:

主軸移動(dòng)至換刀位（系統(tǒng)信號(hào)發(fā)出）——減速電動(dòng)機(jī)6運(yùn)轉(zhuǎn)——復(fù)合凸輪 5旋轉(zhuǎn)——六角軸 4旋轉(zhuǎn)——滑動(dòng)軸2旋轉(zhuǎn)——機(jī)械手1旋轉(zhuǎn) 90°（抓刀）（檢測(cè)信號(hào)發(fā)出）——電動(dòng)機(jī)6停止運(yùn)轉(zhuǎn)，松刀油缸9活塞推動(dòng)主軸8中拉刀桿移動(dòng)（主軸松刀）（檢測(cè)信號(hào)發(fā)出）——減速電動(dòng)機(jī)6旋轉(zhuǎn)，凸輪旋轉(zhuǎn)——連桿3擺動(dòng)——機(jī)械手移動(dòng)（機(jī)械手拔刀）——機(jī)械手旋轉(zhuǎn)180°——連桿擺動(dòng)機(jī)械手向主軸方向移動(dòng)（機(jī)械手插刀）（檢測(cè)信號(hào)發(fā)出）——電動(dòng)機(jī)停止，油缸卸油主軸拉刀（檢測(cè)信號(hào)發(fā)出）——電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)——機(jī)械手反向旋轉(zhuǎn)90°（回零位）——換刀完成。

凸輪機(jī)械手油缸或氣液增壓松刀換刀時(shí)間需要3.5～5 s（切削－切削），每個(gè)動(dòng)作需要一個(gè)開關(guān)檢測(cè)，可靠性較差，易出現(xiàn)開關(guān)信號(hào)不穩(wěn)定，換刀過程掉刀，油液滲漏等故障。

2 雙凸輪聯(lián)動(dòng)快速換刀裝置

其工作原理如圖3所示。主軸內(nèi)的刀具松拉桿在外端平面凸輪的驅(qū)動(dòng)下可以完成松刀和拉刀動(dòng)作，支撐在床身上的復(fù)合凸輪驅(qū)動(dòng)機(jī)械手部分工作。其中，復(fù)合凸輪中的弧面分度凸輪完成機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)，嵌在弧面分度凸輪側(cè)面的平面溝槽凸輪完成機(jī)械手的直線運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，刀具松拉桿外端的平面凸輪通過一套傳動(dòng)鏈與復(fù)合凸輪進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，換刀時(shí)間短。傳動(dòng)鏈由平面凸輪軸、離合器、傳動(dòng)軸、齒形帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和復(fù)合凸輪軸組成。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

2．1 雙凸輪換刀機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)介

由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙凸輪換刀機(jī)構(gòu)主要包含完成以下不同動(dòng)作所需的機(jī)構(gòu):

（1）接通與斷開ATC機(jī)構(gòu)，由離合器實(shí)現(xiàn)。

（2）ATC機(jī)械手進(jìn)出機(jī)構(gòu)。

（3）ATC機(jī)械手90°回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

（4）ATC機(jī)械手180°回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

沒想到班長會(huì)送來?xiàng)d子花，更沒想到我生氣時(shí)的話語對(duì)孩子們?cè)斐闪藗ΑＮ倚睦镉质歉袆?dòng)又是自責(zé)。接下花之后，我回給班長一個(gè)微笑：“謝謝你，你怎么知道老師喜歡梔子花呢？”

（5）鎖刀機(jī)構(gòu)。

（6）主軸松拉刀機(jī)構(gòu)。

（7）機(jī)械手開始換刀動(dòng)作。在換刀前需準(zhǔn)備下列動(dòng)作:

①X軸和Y軸處于第2參考點(diǎn)位置;

②Z軸處于零點(diǎn)位置或換刀點(diǎn)位置;

③刀庫鎖定的刀具，從待機(jī)刀套上被取出，待機(jī)刀套到達(dá)主軸側(cè);

④機(jī)械手裝置處于待機(jī)狀態(tài);

⑤主軸處于刀具鎖緊狀態(tài)。

（8）換刀操作開始時(shí)ATC裝置通過圓柱凸輪（機(jī)械手回轉(zhuǎn)用）、平面凸輪（機(jī)械手插拔刀、防護(hù)門開閉）和主軸松拉刀凸輪這3種凸輪進(jìn)行動(dòng)作。其動(dòng)作順序如下:

（9）電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的同時(shí)，圓柱凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過傳動(dòng)裝置使ATC機(jī)械手順時(shí)針回轉(zhuǎn)90°，此時(shí)的聯(lián)動(dòng)動(dòng)作使ATC防護(hù)門打開。

（10）主軸松拉刀裝置松刀的同時(shí)，ATC機(jī)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(dòng)，ATC機(jī)械手拔刀。

（12）圓柱凸輪使ATC機(jī)械手進(jìn)行逆時(shí)針180°回轉(zhuǎn)的同時(shí)，在平面凸輪的作用下ATC機(jī)械手開始插刀動(dòng)作。

（13）主軸松拉刀裝置拉刀的同時(shí)，解除ATC機(jī)械手的鎖刀。

（14）通過圓柱凸輪回轉(zhuǎn)，使ATC機(jī)械手逆時(shí)針回轉(zhuǎn)90°后，返回 ATC原點(diǎn)（ATC機(jī)械手處于垂直狀態(tài)）。此時(shí)聯(lián)動(dòng)動(dòng)作是ATC防護(hù)門關(guān)閉。

ATC機(jī)械手插拔刀動(dòng)作和逆時(shí)針回轉(zhuǎn)180°的動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行，以此縮短ATC動(dòng)作周期。主軸松拉刀動(dòng)作，通過平面凸輪實(shí)現(xiàn)與ATC動(dòng)作的聯(lián)動(dòng)。其動(dòng)作時(shí)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(dòng)作，按照換刀動(dòng)作圖6所示順序進(jìn)行。

3 結(jié)構(gòu)分析與結(jié)論

第一種機(jī)構(gòu)工作過程可以看到在刀具交換全過程中需要多次啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)及多次檢測(cè)位置，由此使得刀具交換時(shí)間加長，同時(shí)運(yùn)動(dòng)過程不可靠。本文提出的雙凸輪換刀機(jī)構(gòu)是凸輪式ATC與主軸松拉刀機(jī)構(gòu)相結(jié)合的、由同一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的新型雙凸輪聯(lián)動(dòng)快速換刀機(jī)構(gòu)和換刀方法。本方法的優(yōu)點(diǎn)是刀具松拉桿的動(dòng)作由平面凸輪驅(qū)動(dòng)完成，與驅(qū)動(dòng)機(jī)械手動(dòng)作的復(fù)合凸輪（平面溝槽凸輪與弧面分度凸輪一體）形成雙凸輪聯(lián)動(dòng)，不但提高了系統(tǒng)的可靠性，更大幅度縮短了換刀時(shí)間。通過對(duì)驅(qū)動(dòng)刀具松拉桿的平面凸輪與驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的復(fù)合凸輪（包括完成機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)的弧面分度凸輪和完成機(jī)械手直線運(yùn)動(dòng)的平面溝槽凸輪）曲線的匹配設(shè)計(jì)，保證了換刀動(dòng)作同步、高速、平穩(wěn)、流暢，具有穩(wěn)定的刀具更換及耐久性。通過雙凸輪機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了刀到刀2 s的快速換刀，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平及國際先進(jìn)水平。該技術(shù)已經(jīng)獲得國家實(shí)用新型專利。

［1］劉靜．雙凸輪聯(lián)動(dòng)自動(dòng)換刀技術(shù)的研究［D］．大連:大連理工大學(xué)，2008．

［2］劉冬．雙凸輪聯(lián)動(dòng)自動(dòng)換刀裝置多體動(dòng)力學(xué)仿真研究［D］．大連:大連理工大學(xué)，2010．

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

［4］陳芳．PMC在加工中心隨機(jī)自動(dòng)換刀中的應(yīng)用［J］．機(jī)電工程技術(shù)，2004（4）:69 －70，73．