关于自动换刀控制的要求基本说明

1.基本说明

采用机械联动凸轮驱动的自动换刀装置具有结构紧凑、换刀快捷、控制容易等优点，但它对刀库和主轴的相对位置有规定，机械安装、调整要求较高；长期使用时，凸轮机构的间隙、磨损等也将直接影响到换刀动作的准确性和可靠性，故多用于中小型工作台移动的通用型加工中心。

液压（或气动）系统控制的机械手换刀是加工中心自动换刀装置的传统形式，它具有适用面广、结构设计灵活、动作可靠、安装调整方便等诸多优点，几乎可满足任何形式的加工中心换刀控制要求，因此，至今仍有较广泛的使用。

液压（或气动）机械手换刀装置的形式众多、结构各异。虽然用于中小型加工中心的液压（或气动）机械手换刀装置，也有专业生产厂家将其作为通用部件生产，但此类产品的结构及换刀动作大多类似于机械凸轮联动换刀装置，它只是以液压油缸（或气缸）代替凸轮联动机构，进行机械手回转和刀臂伸缩运动控制而已；在部分产品上，有时还采用机械凸轮和液压（或气动）复合驱动的方式，控制机械手换刀动作。因此，其自动换刀的基本动作及控制要求与机械凸轮联动换刀装置类似，本书不再对此进行专门说明。

液压机械手换刀装置的结构复杂、生产制造成本较高，在大、中型卧式或龙门式加工中心上应用较为广泛。一般而言，卧式或龙门式加工中心是用于大、中型零件加工的设备，机床的适用面广、切削能力强，要求刀库具有较大的容量，并能够进行大型刀具的自动交换，因此需要采用布置灵活、动作可靠、安装调整方便的液压机械手换刀装置。

卧式或龙门式加工中心的结构差异较大，机床的自动换刀系统通常由机床生产厂家自行设计制造，因此，不同机床的自动换刀的实现形式、自动换刀装置的机械结构及刀库的安装方式等均有较大的不同。

图6-27为中型卧式加工中心使用较为广泛的常见结构。为了简化自动换刀装置结构，机床一般采用图6-27a所示的刀库与主轴平行布置的方式；刀库上的刀具手动装卸可在图6-27b所示的侧面进行；刀具交换时机械手只需要进行图6-27c所示的90°回转抓刀、刀臂伸出卸刀、机械手180°回转刀具交换、刀臂缩回装刀及主轴上的刀具夹紧/松开等基本动作。

图6-27 中型卧式加工中心的换刀示例

大型卧式加工中心使用的刀具众多，机床一般采用立柱移动或箱体移动式结构，故刀库安装位置通常远离主轴，自动换刀时，机械手不仅需要有抓刀、升缩、180°回转交换等基本动作，而且还需要进行图6-28a所示的机械手的翻转，或图6-28b所示的机械手移位等动作，才能进行刀库侧和主轴侧的刀具装卸，其换刀动作更为复杂。

图6-28 大型卧式加工中心的换刀示例

2.刀库回转系统

大中型加工中心的刀库体积大，安装的刀具数量多、重量重，刀库一般需要采用链轮传动系统，驱动电动机通过蜗轮/蜗杆等大比例减速器减速后，驱动链轮、带动刀库回转。图6-29为链传动刀库示例。

图6-29 链轮传动系统

1—电动机 2—联轴器 3—前轴承 4—蜗杆 5—蜗轮 6—后轴承 7—链轮 8—齿轮 9—链条 10—刀座 11—连接板 12—张紧装置(www.xing528.com)

图中的刀库回转电动机1通过联轴器2和蜗杆4连接，蜗轮5和链轮7上安装有同轴齿轮，蜗轮通过齿轮带动链轮旋转。刀座10安装在导向轨上，它可通过连接板11和链条9带动回转，刀座的尾部带有弹簧夹紧装置（图中未画出），可夹紧刀柄上的拉钉，防止刀具脱落。张紧机构12用于链条张紧。

链传动的刀库不能实现刚性定位，为保证换刀的可靠，刀库一般都需要有机械插销定位装置，对换刀位的刀座进行刚性定位，确保定位可靠；此外，由于刀库安装的刀具数量多、规格大，刀库回转运动部件的质量和惯性很大，为保证运动平稳、定位准确，刀库回转电动机一般需要通过变频器等调速装置，输出高速回转和减速定速两种转速。

3.机械手换刀动作

虽然液压机械手换刀装置的结构形式众多，换刀动作有所区别，但PMC程序设计的基本思路相同。以图6-27所示的中型卧式加工中心常见的液压机械手换刀装置为例，自动换刀时的机械手基本动作一般如图6-30所示。

图6-30 液压机械手换刀的基本动作

图6-30a所示为换刀准备。在换刀前，机械手处于90°、缩回的初始位置，刀库需要完成刀具预选，将需更换的刀具回转到刀库的换刀位上；同时，主轴应完成定向准停、Y/Z轴需要移动到换刀位置。

图6-30b所示为打开防护门。卧式加工中心的刀库和加工区域间通常有隔离防护门，以防止冷却液、铁屑进入刀库，自动换刀开始时，一般需要先打开防护门。

图6-30c所示为抓刀。防护门打开后，机械手在液压系统的驱动下，顺时针回转90°、到达0°位置，使得两侧手爪分别夹住主轴和刀库上的刀具；完成后，松开主轴上的刀具。

图6-30d所示为卸刀。主轴上刀具松开后，机械手前伸，使主轴和刀库上的刀具分别从主轴锥孔和刀库刀套中取出。

图6-30e所示为交换。机械手伸出到位后，逆时针回转180°，到达180°位置，进行主轴侧和刀库侧的刀具互换。

图6-30f所示为装刀。回转到位后，机械手缩回，将交换后的刀具分别装入主轴锥孔和刀库刀套中；完成后，夹紧主轴上的刀具。

图6-30g所示为机械手返回。主轴刀具夹紧后，机械手逆时针回转90°，到达270°位置，完成机械手换刀动作。由于机械手两侧的结构完全对称，因此，270°位置和90°初始位置相同，可直接进行下一刀具的更换。

图6-30h所示为结束换刀。机械手换刀完成后，关闭刀库防护门、180°回转油缸复位。

图6-30i所示为重新加工。防护门关闭后，Y、Z轴离开换刀位置、主轴旋转进行零件加工；同时，刀库可进行下一把刀具的预选，为下次换刀做好准备。