加工中心自動換刀裝置

神龍汽車有限公司襄陽工廠 （湖北 430056） 汪雪松

加工中心是由機械設備與數控系統組成的，適用于復雜零件加工的高效自動化機床。它與一般數控機床的顯著區別是對零件進行多序加工的能力，即在一次裝夾中自動完成銑、鏜、鉆、擴、鉸、攻螺紋等加工。之所以加工中心能夠廣泛運用，是因為其能夠利用刀庫實現自動換刀。因此自動換刀裝置功能的好壞關系到整個加工中心的性能。

自動換刀裝置可分為五種基本形式，即轉塔式、180°回轉式、回轉插入式、二軸轉動式和主軸直接式。按照換刀過程有無機械手參與，分成有機械手換刀和無機械手換刀兩種情況。在有機械手換刀的過程中，使用一個機械手將加工完畢的刀具從主軸中拔出，與此同時，另一機械手將在刀庫中待命的刀具從刀庫拔出，然后兩者交換位置，完成換刀過程。無機械手換刀時，刀庫中刀具存放方向與主軸平行，刀具放在主軸可到達位置換刀時，主軸移到刀庫換刀位置，利用主軸將加工用畢刀具插人刀庫中要求的空位處，然后刀庫中待換刀具轉到待命位置。主軸將待用刀具從刀庫中取出，并將刀具插人主軸。

目前神龍公司襄陽工廠臥式加工中心換刀方法主要有兩種：①主軸直接從刀庫取刀，這種方式主要在COMAU、MAKIO等加工中心上。②通過換刀裝置機械手交換主軸和刀庫中的刀具，這種方式主要在NTC、DFMTP等加工中心上。

本文結合襄陽工廠缸體L3線應用實例，對東風設備制造廠DM500I型臥式加工中心DM40ATC自動換刀裝置（以下簡稱ATC）的動作及控制原理、現場維護維修方法進行研究與探討。

1.DM40ATC自動換刀裝置及換刀過程說明

東風設備制造廠生產的DM500Ⅰ臥式加工中心主軸為電主軸，配置DM40ATC換刀裝置。換刀裝置運動采用變頻器控制三相異步電動機，通過齒輪傳動帶動凸輪旋轉，利用凸輪機構控制ATC機械手的旋轉、進退和松夾刀具（見圖1）。位置控制通過傳感器檢查位置輸入信號及延時繼電器控制。

圖1 ATC機械手動作過程

換刀準備：刀庫待調刀具移動到換刀位置，主軸移動到換刀位置即第二原點，主軸定向。換刀條件滿足后，ATC執行換刀動作。

ATC動作步驟：①ATC機械手在原位。②ATC機械手順時針旋轉90°，主軸松開刀具，ATC夾緊刀具。③ATC機械手前進到位。④ATC機械手順時針旋轉180°。⑤ATC機械手后退到位，主軸夾緊刀具，ATC松開刀具。⑥ATC機械手逆時針旋轉90°返回原位。

2.ATC機械動作原理

（1）ATC機械手的旋轉運動 機構1：凸輪溝槽+機械手驅動軸上6個滾輪軸承。如圖2、圖3所示，凸輪旋轉時，通過外圓面上的溝槽，帶動ATC機械手驅動軸上的6個滾輪軸承旋轉，從而將凸輪的旋轉運動轉換成與之成90°的ATC機械手驅動軸的旋轉運動。

（2）ATC機械手的前進和后退運動 機構2：凸輪溝槽+推桿上1個滾輪軸承。如圖2所示，凸輪旋轉時，凸輪端面上的溝槽，帶動推桿上的軸承在溝槽中運動，從而將凸輪的旋轉運動轉換成推桿的來回擺動，帶動ATC機械手驅動軸的前后運動。

（3） ATC夾刀和松刀 機構3：凸輪外圓面凸臺+1個軸承+連桿機構。如圖2、圖3所示，凸輪旋轉時，凸輪外圓面上的凸臺推動機械手驅動軸中心的夾刀桿動作，克服彈簧力，從而將刀具松開；當凸臺轉過軸承時，由于彈簧力，夾刀桿將往回拉，夾刀桿與卡刀舌頭的錐面配合，將刀具夾緊。

3.電氣程序控制原理

在自動的ATC循環過程中，電動機的啟動由PMC輸出點Y0.0（ATC FWD）控制。Y0.0主要取決于R1.4（ATC ARM FWD）信號，R1.4信號主要取決于R3.7（ATC DRIVE CYCLE1）信號。R4.1和R4.3為調整使用，正常換刀過程中不涉及，在此文中也不詳述（見圖4）。

圖4

R3.5（ATC CYCLE COMM）為ATC循環命令，條件滿足后接通R3.7（ATC DRIVE CYCLE），ATC電動機開始旋轉。

其中R101.0（ATC ARM STOP TIM）取反點，換刀臂運行過程中當R101.0有信號時R3.7會斷開，ATC電動機停止，在整個的ATC循環過程中會有兩次停止。因此R101.0信號時長決定著換刀臂停止的時長。R3.2（ATC ARM CYCLE COMP）為ATC循環完成信號，即ATC循環完成后R3.7斷開。

ATC動作步驟②ATC機械手順時針旋轉90°過程中，第一次停止啟動條件R4.5（ATC CYCLE 1）有信號后經過T9定時器延時（默認值為24ms）后，R101.0有信號，ATC機械手停止運動，同時，R4.5接通后經過T10主軸開始松刀，并保持松刀狀態，刀具松開后，松刀信號X2.1（TOOL UNCLAMP）有信號，R101.0信號斷開，ATC機械手停止解除，ATC機械手繼續運動，直至ATC循環過程中滿足下一次停止條件（見圖5）。

圖5

ATC動作步驟⑤ATC機械手后退到位過程中，第二次停止條件X2.6（ATC ARM RECOVER POSITION）有信號且ATC機械手循環三完成信號R4.7有信號，經過定時器T9延時（默認值為24ms）后R101.0有信號，ATC機械手停止運動。同時R101.1（ATC CYCLE TOOL UNCLAMP AUX）及Y4.5（TOOL UNCLAMP）信號斷開后，Y4.6（TOOL CLAMP）接通，主軸開始夾刀。當ATC機械手上有刀時，X2.0（TOOL CLAMP HAVE TOOL）有信號后R101.0斷開，ATC機械手停止解除，ATC電動機繼續旋轉；當換刀臂上沒有刀時，為X1.4（TOOL CLAMP NO TOOL）有信號后R101.0斷開，ATC機械手停止解除，ATC電動機繼續旋轉。直至X2.5（ATC ARM STOP POS）接通使得整個ATC循環完成即R3.2（ATC ARM CYCLE COMPLET）有信號（見圖6）。

由于篇幅和主題的限制，關于主軸松刀、夾刀的其他情況，在本文中不一一列舉。

4.機械結構引起的故障解析

（1）刀庫的位置不好 現象：①ATC機械手從刀庫取刀時，拔出后刀在ATC機械手上放的不正，刀具傾斜，導致插入主軸時插不進，刀具撞到主軸端面上。②換刀時不能很好地插入到刀座內，或撞到刀座端面上。

原因：刀庫旋轉未到位即原定位置不準確。

方案：松開刀庫與轉動軸的連接脹套，稍許調整刀庫的轉角，使刀具與ATC機械手抓刀位置重合。

（2）凸輪松動 現象：換刀時ATC機械手夾刀撞到主軸端面，手搖動ATC機械手，發現其圓周方向晃動大。

原因：凸輪軸的軸承壓緊端蓋螺釘松，導致ATC機械手不能很好地定位，換刀時停止的位置就忽上忽下。

方案：將凸輪軸的軸承壓緊端蓋螺釘重新擰緊。

（3）ATC機械手位置軸向向前偏移 現象：①ATC機械手將刀具裝入主軸后，ATC機械手又將刀帶出，相當于ATC機械手軸向反彈。②刀插刀主軸內時不到位，刀具不能在主軸上正常夾緊。③ATC機械手不能正常轉動，旋轉時發澀。

原因：換刀裝置內，換刀臂進退推桿上的軸承碎，出現間隙或卡主。

（1）試驗設備 手工焊接設備采用國產的WSM系列逆變式直流弧焊電源，采用IGBT逆變技術，具有結構緊湊、重量輕、便攜式等特點，可獲得優異的起弧性能和穩定的電弧，采用手弧焊接電源如圖1所示。

方案：吊出上部電動機及電動機座，拆下推桿，更換軸承KRV30PP。

（4）換刀臂運動過程中卡住 現象：ATC機械手在旋轉過程中，運動到一定的部位就卡住。

原因：ATC機械手驅動軸改變運動方向的轉塔上的6個軸承有松動。

方案：重新將軸承裝到位后頂緊頂絲。

（5）換刀時兩把刀同時被摔掉 現象：換刀時兩把刀同時被摔掉。

原因：①換刀臂銷子直徑尺寸過大，導致卡刀舌頭有時運動不暢。②卡刀舌頭復位彈簧力不夠。

（6）在刀庫內掉刀 現象：刀具交換結束后，換刀正常，但是刀掉在刀庫內。

圖6

原因：刀座進雜質。

方案：將刀座拆下清潔，加潤滑油后恢復。提前預防：操作工在換刀裝刀時，注意刀具是否在刀座內裝到位，刀具與刀座是否還有間隙或者刀很容易就被拔出。發現可用切削液沖洗刀座內部，還不行就需要維修工將刀座解體修理。

5.電氣控制引起的故障解析

（1）凸輪轉不到位 現象：在主軸側抓刀時，換刀臂轉到90°時有回彈的動作，導致沒有卡緊刀，主軸松刀后刀直接掉到地上。

原因：凸輪沒有轉到位，使得換刀臂到位后不能自鎖，從而出現反彈。

方案：需要增加轉動時間，查看PMC，調整控制電動機轉到90°位置時的控制時間T9，微調逐步增加，直至抓刀平穩。

（2） 換刀臂換刀時同時摔掉兩把刀 現象：在自動換刀過程中直接摔掉兩把刀（檢查機械換刀位置，以及夾刀力，卡刀舌頭均未發現明顯的問題，檢查精確調整之后仍然掉刀）。

原因：在快速換刀時，鎖刀舌頭卡刀時要縮回，還來不及彈出就被拉刀桿拉緊，被拉刀桿錐端卡住，導致鎖刀舌頭不能伸出，不能正?？ňo刀具，導致抓刀后兩把刀都掉。

方案：將變頻器控制速度降低之后逐步往上加，然后調整控制時間，使得不出現第一種的故障即可。

（3）換刀臂夾刀具放不進主軸，即刀具撞主軸 現象：換刀臂帶著刀直接撞向主軸，不能完全插入。

原因：主軸定向偏移。

方案：重新標定主軸定向位置，并解決主軸定向偏移。主軸定向偏移原因及解決方案：主軸編碼器屏蔽線屏蔽功能不好，導致信號有干擾，脈沖丟失主軸定向位置偏移，需要重新將編碼器屏蔽線接地線。

6.結語

從前期故障處理過程來看，換刀過程控制是通過傳感器信號和延時控制，因此換刀裝置故障往往不是單一的，可能有電氣與機械故障的雜合，因此處理故障時思考問題需要綜合考慮。