凸轮机械手换刀装置的优化方案

凸轮机械手换刀装置是目前加工中心中常用的机构之一，与传统的启动、液压换刀机构相比，它具有换刀速度快、换刀可靠、运动平稳等特点，近年来在加工中心得到了广泛的应用。凸轮机械手换刀装置通常由两个凸轮以及相应的机构组成，其中，一个平面凸轮通过连杆机构用来完成“装刀”与“拔刀”动作；一个弧面凸轮带动凸轮分度机构，用来实现机械手的转位，完成“抓刀”和“换刀”动作。

图3-49 凸轮机械手换刀机构原理图

1—驱动电动机 2—减速器 3—锥齿轮 4—平面凸轮 5—弧面凸轮 6—连杆机构 7—机械手 8—滚珠盘

典型的凸轮换刀装置的机构原理如图3-49所示，它主要由驱动电动机1、减速器2、平面凸轮4、弧面凸轮5、连杆6、机械手7等部件组成。换刀时，驱动电动机1连续回转，通过减速器2与凸轮换刀装置相连，提供装置的动力；并通过平面凸轮、弧面凸轮以及相应的机构，将驱动电动机的连续运动转化为机械手的间隙运动。

图3-49中，平面凸轮4通过锥齿轮3和减速器2连接，在驱动电动机转动时，通过连杆机构6，带动机械手7在垂直方向作上、下运动，以实现机械手在主轴上的“拔刀”、“装刀”动作。弧面凸轮5和平面凸轮4相连，在驱动电动机回转时，通过滚珠盘8（共6个滚珠）带动花键轴转动，花键轴带动机械手7在水平方向做旋转运动，以实现机械手转位，来完成“抓刀”和“换刀”动作。

平面凸轮与弧面凸轮的动作配合曲线如图3-50所示。

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图3-50 平面凸轮与弧面凸轮的运动过程

在驱动电动机的带动下，弧面凸轮在10°～60°的范围内，完成机械手70°转位动作。在60°～90°范围弧面凸轮、平面凸轮均不产生机械手运动，用于松开刀具。

当凸轮继续转动到90°～144°的范围内，平面凸轮通过连杆机构带动机械手向下运动；其中，在90°～125°范围，只有平面凸轮带动机械手进行向下运动，机械手同时拔出主轴、刀库中的刀具；在125°～144°范围，因刀具已经脱离主轴与刀库的刀座，两凸轮同时动作，即在机械手继续向下的过程中，已经开始进行180°转位，以提高换刀速度。

在凸轮转动到125°～240°的范围，弧面凸轮带动机械手进行180°转位，完成主轴与刀库的刀具交换；当进入216°～240°范围时，两凸轮同时动作，平面凸轮已经开始通过连杆机构带动机械手进行向上运动，以提高换刀速度。

从216°起，平面凸轮带动机械手进行向上运动，机械手同时将主轴、刀库中的刀具装入刀座；这一动作在216°～270°范围，完成“装刀”动作。接着的270°～300°范围内，弧面凸轮、平面凸轮均不产生机械手动作，机床进行刀具的“夹紧”动作，这一动作由机床的气动或液压机构完成。

在300°～360°的范围内，弧面凸轮完成机械手70°反向转位动作，机械手回到原位，换刀结束。

以上动作通常可以在较短的时间（1～2s）内完成，因此，采用了凸轮换刀机构的加工中心，其换刀速度较快。凸轮机械手换刀装置目前已经有专业厂家生产，在设计时通常只需要直接选用即可。