鏈式刀庫自動換刀裝置及其液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計與分析

李永軍 吳 麗 范春宏 王慶利

(沈陽機床股份有限公司中捷鉆鏜床廠，遼寧沈陽 100142)

自動換刀裝置是鏈式刀庫的重要組成部分，主要是將加工所需刀具從刀庫傳送到主軸。刀庫的結(jié)構(gòu)及自動換刀裝置的工作方式，直接影響機床的換刀效率;自動換刀裝置結(jié)構(gòu)的復雜程度，直接影響整機的成本。

自動換刀裝置大概分為油壓機構(gòu)、氣壓機構(gòu)和電氣式凸輪機構(gòu)。其中油壓機構(gòu)最適用于刀具重量大、交換頻繁的工況。在不斷追求速度及可靠性的機床市場，液壓結(jié)構(gòu)的自動換刀裝置依然占有重要地位。

1 自動換刀裝置工作原理

鏈式刀庫自動換刀裝置(如圖1所示)的功能是將刀具從刀庫中取出插入主軸錐孔中或把刀具從主軸上取下送回刀庫中。當主軸處于換刀位置時，油缸4將自動換刀裝置從待機位置轉(zhuǎn)到與主軸平行位置，由抓刀油缸5將機械手臂移動到主軸位置進行抓刀，待拔刀油缸將刀具拔出后，由換刀油缸控制機械手臂旋轉(zhuǎn)180°，進行換刀動作;機械手臂原路返回，將舊刀放回刀庫。整個操作動作是由電液系統(tǒng)控制完成，由電氣開關(guān)監(jiān)控。液壓及電氣控制的自動換刀裝置換刀時間短，換刀動作穩(wěn)定，但其機械結(jié)構(gòu)比較復雜，加工工藝要求高。

機械手雙臂完成的工作過程如下:

(1)機械手轉(zhuǎn)向主軸——轉(zhuǎn)臂油缸移動;

(2)機械手抓刀——抓刀油缸平移;

(3)機械手拔刀——插、拔刀油缸移動;

(4)機械手交換刀具——180°油缸回轉(zhuǎn);

(5)機械手插刀——插、拔刀油缸移動;

(6)機械手松刀、離開主軸——抓刀油缸平移;

(7)機械手轉(zhuǎn)至待機位——轉(zhuǎn)臂油缸移動。

2 自動換刀裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

自動換刀裝置必須滿足換刀時間短、安置空間小以及安全可靠等基本要求。加工中心的關(guān)鍵在于對刀庫的自動選刀和刀庫、機械手與主軸間的自動換刀。并且加工中心故障較大部分都出現(xiàn)在自動換刀裝置。因此，自動換刀裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計就顯得尤其重要，核心結(jié)構(gòu)包括機械手臂裝置(如圖2所示)和旋轉(zhuǎn)換刀機械裝置(如圖3所示)。

(1)機械手(如圖2所示)抓刀與松刀是由相互位置180°的兩個夾緊裝置來實現(xiàn)的，兩個夾緊裝置可各自獨立夾緊和松開。刀具在夾裝置內(nèi)夾緊后不能移動，每個夾緊裝置是由一組碟形彈簧夾緊，并由錐銷鎖死。當機械手抓刀時，抓刀油缸平移，帶動機械手雙臂沿直線導軌移動使抓爪移進刀具凹槽內(nèi)，并經(jīng)碟形彈簧夾緊。當機械手拔刀時，錐銷靠彈簧張力移進抓爪根部的斜面處，將機械手抓爪銷死。機械手抓刀位置正確與否由限位開關(guān)監(jiān)控。

(2)機械手完成抓刀后下一步是拔刀動作(如圖3所示)，它是通過機械手內(nèi)部的油缸驅(qū)動雙臂作直線運動，機械手雙臂沿轉(zhuǎn)軸經(jīng)導向鍵前后移動完成插、拔刀動作。其極限位置由電氣開關(guān)監(jiān)控。

(3)雙臂回轉(zhuǎn)(如圖3所示)實現(xiàn)機械手自動換刀，也就是雙臂有0°和180°兩個位置。雙臂的轉(zhuǎn)動是由回轉(zhuǎn)油缸來實現(xiàn)的。0°和180°這兩個位置是靠精度較高的定位塊精確定位，并由電氣開關(guān)監(jiān)控。

(4)機械手雙臂轉(zhuǎn)向待機位置(如圖1所示)，是由二聯(lián)油缸中的油缸3移動81.3 mm，推動機械手雙臂沿轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動36.98°(如圖3所示)。此位置是機械手從刀庫中取出刀具后，等待與主軸上刀具工作完成后進行交換。當?shù)毒呓粨Q時，二聯(lián)油缸中的油缸4移動118.67 mm，使得機械手雙臂轉(zhuǎn)向主軸位置。此位置由定位塊限位，并由電氣開關(guān)檢查。

3 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計與分析

自動換刀裝置的整個操作動作是由電液系統(tǒng)控制完成的，液壓控制系統(tǒng)(如圖4所示)需要做到5個部分:雙臂轉(zhuǎn)動180°、手臂轉(zhuǎn)動90°(包括待機位置)、雙臂前后移動(插拔刀)、雙臂平移(機械手抓刀)、刀套鏈轉(zhuǎn)動與刀座定位。以下對各項液壓控制原理進行分析。

(1)雙臂轉(zhuǎn)動180°:機械手自動換刀，雙臂必須轉(zhuǎn)動180°。雙臂轉(zhuǎn)動180°由三位四通電磁換向閥控制，旋轉(zhuǎn)速度由節(jié)流閥調(diào)速，最終位置由定位塊限位，并由電氣開關(guān)監(jiān)控。

(2)手臂轉(zhuǎn)動90°(包括待機位置):機械手換刀循環(huán)過程中，為節(jié)省換刀時間，換刀動作是從待機位置開始。機械手從刀庫中取出刀具旋轉(zhuǎn)36.98°后停止在待機位置，此動作是由電磁換向閥控制雙聯(lián)油缸中的一個油缸移動，由節(jié)流閥調(diào)速，并由電氣開關(guān)監(jiān)控。

需要換刀時，機械手直接從待機位置轉(zhuǎn)向主軸抓取刀具。此動作是由另一電磁換向閥控制雙聯(lián)油缸中的另外一個油缸移動完成，旋轉(zhuǎn)速度由節(jié)流閥調(diào)整。極限位置由電氣開關(guān)監(jiān)控。機械手臂從刀庫轉(zhuǎn)到主軸整體運行90°。

(3)雙臂前后移動(插拔刀):機械手無論是從刀庫中抓取刀具還是從主軸上抓取刀具，都要有一個插、拔刀過程。插、拔刀具就是機械手沿著刀具軸線方向移動156 mm，使刀具脫離刀庫刀座或主軸錐孔。此動作是由二位四通電磁閥控制完成，極限位置由電氣開關(guān)監(jiān)控。

(4)雙臂平移(機械手抓刀):機械手臂沿直線導軌移動抓取刀具，這一過程是由電磁換向閥控制，并由電氣開關(guān)監(jiān)控。

(5)手動卸刀:是通過液壓油缸活塞桿移動將刀座中的刀具頂出，它是由電磁換向閥控制，并由電氣開關(guān)監(jiān)控。

4 結(jié)語

未來機床的發(fā)展，均以追求高速、高精度、高效率為目標。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，目前換刀的速度已成為機床的一項重要指標，在技術(shù)條件可能的情況下應(yīng)盡可能提高換刀速度。因此在以后的研究中，液壓控制、電氣設(shè)計及機械手臂的長度、慣量等各個方面上進行改進，并保證刀庫的穩(wěn)定性和高剛性。

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