加工中心機械手換刀與主軸松刀的凸輪液壓聯動技術*

馬 騁 李全普 王 坤

（大連華根機械有限公司，遼寧大連 116620）

臥式加工中心目前在國內各行業應用日益廣泛，機床結構變化也十分快速，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，主軸換刀時間的長短直接影響到機床的輔助加工時間，因此改進換刀的結構，實現高速換刀是十分必要的。現介紹兩種主軸換刀機構，通過對兩種機構的比較和分析，說明主軸換刀裝置對機床的重要性。

1 油缸驅動松刀，電機控制換刀

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，結構及工作原理如圖1。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）——電動機6運轉——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）——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。

從上面的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。

2 凸輪液壓聯動換刀裝置

凸輪液壓聯動快速換刀裝置的結構簡圖如圖3所示，動作時序圖如圖4所示。其工作過程為電動機運轉帶動刀具松拉裝置凸輪與機械手運動凸輪一起旋轉，機械手運動凸輪驅動機械手部分工作，完成機械手的旋轉及直線運動。刀具松拉凸輪轉動帶動刀庫油缸運動將油缸內的液壓油通過封閉管路擠入主軸松刀油缸中，利用杠桿推動主軸內的松刀拉桿完成松刀動作。由電動機驅動的凸輪液壓聯動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，由聯軸器實現;②ATC機械手進出機構;③ATC機械手90°回轉機構;④ATC機械手180°回轉機構;⑤鎖刀機構;⑥主軸松拉刀機構。

機械手開始換刀動作前需準備下列動作:①X軸和Y軸處于第二參考點位置;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。

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）和主軸松拉刀凸輪這3種凸輪進行動作。其動作順序如下:①電動機啟動時，圓柱凸輪轉動，通過傳動裝置使ATC機械手順時針回轉90°，此時的聯動動作是ATC防護罩打開;②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;③由于平面凸輪的作用，擺桿揺動，ATC機械手拔刀;④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;⑤主軸松拉刀裝置拉刀的同時，解除ATC機械手的鎖刀;⑥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，通過聯通油缸實現與ATC動作的聯動。

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圖5所示順序進行。

凸輪液壓聯動換刀機構是凸輪式ATC與液壓杠桿主軸松拉刀機構相結合的、由一臺電動機驅動的新型液壓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ATC松拉裝置凸輪驅動的刀庫油缸和主軸松刀油缸所組成的封閉油路聯動完成，利用聯通器的原理不但使動力傳動方便靈活，提高了系統的可靠性，更大幅度縮短了換刀時間。通過對驅動刀庫油缸的松拉裝置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，保證了換刀動作的同步、高速、平穩、流暢，具有穩定的刀具更換及耐久性。通過液壓凸輪機構的聯動實現了刀到刀1.2 s的快速換刀，處于國內領先水平及國際先進水平。

3 結語

凸輪液壓聯動換刀裝置相比油缸驅動松刀、電動機控制換刀裝置，具有以下優點:（1）較大幅度縮短了換刀時間;（2）提高了運轉的可靠性;（3）減少了開關檢測，降低了成本;（4）松刀動力傳動靈活自由。該技術已獲得國家實用新型專利。

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