自動換刀裝置發展現狀及其關鍵技術

李加明，陶衛軍，馮虎田

(南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094)

自動換刀裝置 (Automatic Tool Changer，ATC)主要用于大中型數控加工中心，具有連續換刀且換刀時間短的優點。目前，已成為數控加工中心的重要組成部分和關鍵功能部件。通過自動換刀裝置，可減少加工過程中的非切削時間，以提高生產率、降低生產成本，進而提升機床乃至整個生產線的生產力[1－2]。隨著數控加工中心向高性能、高精度、高速度和高可靠性方向發展，對自動換刀裝置的精度、性能和可靠性也提出了更高的要求。目前，我國提出振興裝備制造業、自主發展數控機床的國家戰略，同時對數控機床與加工中心的功能部件和基礎元件的自主發展非常重視，很多專家學者已經開始認識到國產功能部件包括自動換刀裝置、滾動功能部件和數控系統存在基礎研究薄弱和性能總體落后的問題，急需在國產功能部件上進行產品性能提升。其中，自動換刀裝置作為數控加工中心的重要組成部分和關鍵功能部件，直接影響到國產數控加工中心的自主發展和國產化水平。由此，從提高國產數控加工中心的自主化程度出發，對國內外自動換刀裝置的發展現狀進行了分析，并對自動換刀裝置相關的主要關鍵技術進行了總結。

1 國內外自動換刀裝置發展現狀

自動換刀裝置主要由刀庫和機械手及驅動裝置組成，刀庫的功能是存貯加工中心所要用的各種刀具，并在數控系統的控制下，把即將要用的刀具準確地送到換刀位置，刀庫的主要形式有轉塔式、盤式以及鏈式;機械手的功能是完成刀具在主軸頭與刀庫之間的傳遞及裝卸;驅動裝置則是為刀庫和機械手實現其功能提供動力的機構，主要有液壓驅動、機械式凸輪聯動兩種方式[3－4]。其中液壓驅動平穩、可靠，但是其運動速率慢，故換刀時間較長;凸輪機構有良好的動態特性，通過凸輪聯動驅動的換刀機械手，可在高速條件下可靠地運轉，具有較短的刀對刀換刀時間，但凸輪機構造價高，且長時間使用會出現磨損，影響換刀動作的可靠性。目前，具有更高可靠性與較高自動換刀速度的凸輪式換刀成為主流發展趨勢[5]。

自1958年美國K＆T 公司研制出帶有自動換刀裝置的加工中心，數控機床發展迅速，20世紀70年代可實現自動換刀的多工序數控機床步入了發展的黃金時代[6]。近幾年，隨著數控機床行業向著多功能、高效率、高速化、高可靠性的演進趨勢，發展高負荷、高容量、高速化、高可靠性的自動換刀裝置成為必然趨勢。

為適應數控機床的多功能化，如落地鏜床、龍門車床等重型機床對大型刀庫及超重負荷刀具的需求，發展出刀鏈系統能承載超重刀具(質量30 kg以上)的刀庫，其機械手擁有強力鎖刀功能，防止刀具在運轉中掉落，如臺灣吉輔生產的采用液壓驅動的大型鏈式刀庫HK100A-240CH，其最大刀具質量35 kg以上，刀庫容量120。為了使高速加工中心具有組合機床和專用機床的高生產效率，高速切削使切削時間不斷縮短，因而換刀時間的縮短對于加工中心生產效率的提高就顯得更加重要。工業發達國家如德國、日本、奧地利等在高速加工中心的快速自動換刀裝置上采取一些新技術，如奧地利ANGERG 公司生產的多主軸自動換刀機床，每根主軸安裝1 把刀具、并排固定在主軸架上且由各自的電動機直接驅動，簡化了傳動系統和主軸結構，由夾具快速位移完成換刀，實現了切屑到切屑換刀時間僅為0.4 s，是目前世界上切屑到切屑換刀時間最短的機床;日本MAZAK 公司生產的FH480 臥式加工中心，采用托盤交付工作臺，其刀到刀換刀時間只需1.3 s，切屑到切屑換刀時間為4.0 s;德國CHIRON 公司研發的FZ08S，采用多機械手任意選刀，每把刀具都有對應的機械手，實現了切屑到切屑換刀時間為1.5 s。同時由于數控設備市場的發展需求，催生了一批自動換刀裝置生產專業廠家，臺灣在這方面處于國際領先水平，例如臺灣吉輔，產品型號眾多，且主要指標達到國際先進水平，如其研發的40CV 立式刀庫，采用伺服電機驅動，刀對刀換刀時間僅為1.41 s。

相對于歐美工業發達國家，我國自動換刀裝置的研究起步較晚，直到20世紀80 代才開始。20世紀90年代以來，隨著數控機床及其關鍵功能部件的研究工作被列為國家重點科技攻關項目，自動換刀裝置作為數控加工中心的關鍵功能部件，其制造技術和水平直接影響到我國數控加工中心的自主發展與生產。目前國內自主研發的自動換刀裝置刀對刀的換刀時間已到達10 s以內，如上海盛鈺生產的采用凸輪驅動的50#立式刀庫，其刀對刀換刀時間達到5.5 s;南京工藝生產的盤式直線往復運動刀庫采用氣壓驅動，刀對刀換刀時間為8 s。

表1 自動換刀裝置的相關參數表

總結國內外自動換刀裝置技術特點，國產自動換刀裝置與國外同類先進產品相比在技術上還有明顯的差距，主要表現在:換刀速度的主要指標刀到刀、切削到切削以及切屑到切屑換刀時間和同時期的國外先進水平有明顯差距;刀庫及機械手的定位精度和精度保持性能相對較差，還需要進一步的提高和優化;自動換刀裝置的可靠性作為衡量一個ATC 先進與否的關鍵指標，還需要明顯的提高和優化;相對于國外產品，國內自動換刀裝置相關的機械制造及加工工藝，以及數控技術的研究較為薄弱，制約了自動換刀裝置的創新與發展。

總體而言，我國自動換刀裝置正處于追趕國外先進水平的階段，需要針對國產自動換刀裝置的缺點和不足，聯合相關專業廠家和專家學者在一些關鍵技術上進行攻關研究，提高我國自動換刀裝置的整體技術水平。

2 自動換刀裝置的關鍵技術

根據自動換刀裝置的發展現狀，國內在自動換刀裝置的自主研發和整體性能水平上和工業發達國家還有明顯的差距，基于數控加工中心自主發展需要，作為數控加工中心關鍵功能部件，自動換刀裝置要解決的主要關鍵技術包括以下幾方面:

2.1 系統方案優化與結構創新

要實現自動換刀裝置的高精度和高效率，必須在自動換刀裝置的系統方案上進行優化與創新設計。在系統解決方案中，可以從其總的功能要求出發，根據換刀動作特點及設計要求，運用功能—行為—結構的概念設計分析模式找出對應功能的多種機構[7]。國外在此方面已積累了大量的創新技術和應用經驗，國內還處于探索和研發階段，必須采用借鑒吸收與自主創新相結合的方式，盡快完成相關技術的突破與升級。這部分技術研究的主要內容包括:自動換刀裝置的結構創新和新材料新工藝的應用研究;高精度刀庫機械手設計制造與控制方法研究;新型換刀方式的研究與應用如多主軸換刀和多機械手換刀等。

2.2 刀庫高精度定位控制

加工中心刀庫的定位控制一直是一個關鍵技術問題[8]。刀庫可以雙向旋轉，具體的旋轉方向由目標刀具到取刀位的距離遠近決定，為了快速實現刀具的選取，要求刀庫總是向最快到達取刀位的方向旋轉。高效率且定位精確的驅動及選刀系統的發展，發展出高精度系統并配置高質量、高定位精度的伺服電動機及減速機，以符合選刀迅速、換刀精確的主要性能需求[9]。由于國產高精度伺服電機在可靠性和整體性能上和日系及德系等國外高精度伺服電機有一定差距，故國產高速自動換刀裝置所用伺服電機多為日系或德系，這也是阻礙國產自動換刀裝置性能實現突破的一個關鍵因素。刀庫的定位精度是能夠完成刀具交換和可靠性的決定性因素。目前，國內外主要采用電氣控制進行精確定位，首先要選用精確且性能穩定可靠的感應開關;其次要有合理的比較電路來確定刀庫的定位位置;最后為了計算最佳找刀路徑、控制鏈條正反轉及起停、快速找到要求刀座的精定位區、控制精確定位及輸出定位完成信號要配置一套精確的邏輯處理電路。

2.3 快速自動換刀技術

隨著切削速度的提高，切削時間的不斷縮短，對換刀時間的要求也在逐步提高，換刀速度已成為高水平加工中心的一項重要指標[10]。目前，快速自動換刀技術主要有以下幾個方面:(1)采用動作速度較快的機構和驅動元件，在傳統的自動換刀裝置基礎上提高換刀速度。如伺服電機驅動的凸輪式換刀機構，由于動作可重疊、運動規律可選擇、幾乎無定位誤差以及沒有中間環節的控制，具有更高的可靠性與較高的自動換刀速度，但是凸輪分度機構工作曲面復雜，在設計和制造上有很大難度。要實現凸輪式ATC的國產化，解決該凸輪的設計和加工是關鍵;(2)根據高速加工中心的結構特點設置新型的刀庫和換刀機構的位置。如采用刀庫布置在主軸周圍的轉塔方式，這樣刀庫自身相當于機械手，通過刀庫拔插刀并采用順序換刀，使機床切屑到切屑換刀時間較短;或刀庫布置在主軸的周圍，但采用每把刀有一個機械手的方式使換刀幾乎沒有時間的損失，并可以采用任意選刀的方式;(3)考慮到高速加工中心在結構上已和傳統的加工中心不同，以刀具運動進給為主，減小運動件的設計質量可以大幅提高自動換刀裝置的換刀時間。HSK 刀柄質量輕，拔插刀行程短，因此快速自動換刀裝置采用HSK 空心短錐柄刀可以使其速度提高[11];(4)除了在傳統的自動換刀裝置上改進以提高換刀速度外，還可以通過新型的換刀機構實現快速換刀，如采用多主軸換刀是快速換刀的一個發展趨勢[12]。

2.4 可靠性技術

由于刀庫機械手自動化程度高、機構運動較復雜且與加工中心配套工作，換刀時，機械手和刀庫執行的動作多、速度快、距離短、要求定位準確，再加上電路和機械方面的保護功能，使得這部分的機械結構和電氣控制變得十分復雜。為滿足加工需要，刀具須頻繁交換，其可靠性對保障加工任務而言非常關鍵[13]。

自動換刀裝置的可靠性技術主要從可靠性設計、分析、試驗、評估和增長等方面進行[14]。其中自動換刀裝置可靠性設計與增長技術是改進和提高其可靠性的重要手段，而且是一種貫穿于整個自動換刀裝置生產制造與使用過程的技術。具體而言，自動換刀裝置可靠性設計與增長技術是一個不斷向前推進的過程。它是隨著自動換刀裝置產品設計、研制、生產、使用階段工作的逐漸進行，產品的可靠性特征量逐步提高的過程。實現自動換刀裝置可靠性增長的手段包括:產品設計與制造中缺陷的改進;產品的篩選與磨合;生產技術、生產設備及其運行情況、生產工藝的改進等。在自動換刀裝置可靠性增長技術方面，主要圍繞提高產品可靠性進行產品結構、加工工藝和質量管理等多方面的改善與提高，屬于一個系統化的綜合技術。

3 結束語

作為數控加工中心的一個關鍵功能部件，自動換刀裝置的性能直接影響到數控加工中心的生產效能及產品精度，已成為制約國產數控加工中心自主化的一個技術瓶頸。在降低生產成本架構的發展需求下，高可靠性、高效率、高速化是自動換刀裝置的發展趨勢。

我國一直把以數控機床為代表的先進制造業作為優先發展的關鍵技術領域。作為多功能加工中心的關鍵部件，自動換刀裝置的發展對我國數控機床行業具有重要的戰略意義，符合我國先進制造業的發展規劃。文中對國內外自動換刀裝置的發展和研究狀況進行了介紹，對其關鍵技術進行了歸納總結。而且，在國家重大科技專項(2010ZX04014-013)的支持下，項目組成員聯合秦川機床有限公司和漢江機床有限公司進行刀庫及機械手的可靠性研究，有望在自動換刀裝置及其關鍵技術等方面取得明顯進展，從而提高國產自動換刀裝置的性能水平，促進我國數控機床行業的發展和提升。

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