一種臥式加工中心輔助換刀系統設計
2022-10-21 來源： 科德數控股份有限公司沈陽分公司 作者： 張傳思
摘要：臥式加工中心廣泛應用于箱體類、多面體類零件的加工，而刀庫是臥式加工中心重要的功能部件之一，能大大節省輔助時間，提升加工效率。目前，自動換刀系統主要由鏈式刀庫與換刀機械手，盤式刀庫與換刀機械手組成，而刀庫所裝刀長有一定限制，比如 HSK-100A 刀庫能容最大刀長為 500mm，超過此長度無法裝入。因此，設計一種輔助換刀系統，專門用于裝載超長、超大刀具，用于特深特征的加工，對提升加工中心的加工效率具有重要的意義。
1. 臥式加工中心常用換刀系統
臥式加工中心主要由床身部、立柱部、滑鞍部、主軸部、工作臺部、交換站部、自動換刀系統組成，如圖 1 所示。
1. 床身部 2.立柱部 3. 滑鞍部 4.主軸部 5. 工作臺部 6.交換站部 7.自動換刀系統
圖 1 臥式加工中心結構示意圖
而自動換刀系統通常由刀庫與換刀機械手組成，如圖 2 為鏈式刀庫的自動換刀系統，圖 3 所示為盤式刀庫的自動換刀系統。
圖 2 鏈式刀庫自動換刀系統 圖 3 盤式刀庫自動換刀系統
兩種自動換刀系統都由刀庫與凸輪機械手組成，其中鏈式刀庫容量大，通常為 40 把、60 把、120 把，甚至更多。而盤式刀庫存量不大，通常不超過 20 把。而該兩種常用的結構型式，所裝刀具長度都有一定限制，對于加工特殊特征的超長刀具無法裝入。因此，通常需要額外的機構實現對特殊刀具的儲存，有的將特殊刀具放入加工區的（如圖 4 所示），但放在加工區切削液及鐵屑容易進入，所裝刀具數量有限，且影響一定的加工范圍。本文針對超長刀具，設計了一種置于
加工區外側的輔助換刀系統，用于深孔的鏜削與鉆削。
圖 4 特殊刀具置于工作區示意圖
2. 輔助換刀系統結構設計
由于機床的主軸 Z 向不能運動，且換刀位在工作區中，同時又不能影響已有的自動換刀系統的工作空間，因此設計了一種 3 自由度的輔助換刀系統，放置于機床工作區外，固定到床身側面，此輔助換刀系統可以沿著 X 向、Y 向、Z 向運動，
如圖 5 所示。
圖 5
輔助換刀系統主要由送刀機構、驅動裝置、檢測裝置、刀柄清潔裝置組成。
（1）送刀機構送刀機構由 X、Y、Z 向三個運動軸組成，其中 X 向行程左右運動為 620mm，由工作區外將刀具送到工作區內。Y 向行程上下運動為300mm，將刀具升到 Y 向換刀位置或降到待刀位置。Z 向行程前后運動為 105mm（至少應大于對應刀柄長度），完成刀具的插入與拔出主軸錐孔。X 向與 Z 向相對運動距離較長，如采用導軌固定，通過滑塊運動帶移動部件運動，必須將滑塊固定在移動部件的末端，而使運動部件的重心在滑塊的前端，這樣就造成移動部件運行不穩，
影響定位精度。因此，采用滑塊固定在滑板上，導軌與移動部件固定的方式實現運動部件的移動，保證了運動部件的穩定運行及定位精度。
（2）驅動裝置。由于移動部件重量較輕，且每個軸都有固定的準停位置，因此，此輔助換刀系統采用了氣缸驅動實現各軸的運動，氣缸內部兩端行程增加緩沖裝置，外部兩端行程末端增加磁感應開關，提供到位反饋信號。管路上增加節流閥，方便對氣缸運動速度的調節。采用雙控電磁閥實現氣缸的伸縮切換。
（3）檢測裝置。該輔助換刀系統的檢測裝置主要有行程到位檢測開關、刀具有無檢測開關。行程到位檢測開關即為安裝于氣缸外部的，用于檢測內部活塞位置的磁感應開關。刀具有無檢測開關即為安裝于刀座上的，用于檢測刀柄的接近開關，通過螺母可調與刀柄外圓的距離。
（4）刀柄清潔裝置。為了保證從工作區換下刀具刀柄清潔，在將刀具換到刀座前，用刀座附近的吹氣裝置對主軸中的刀柄周圍進行吹氣，將切屑及切屑液最大程度的吹掉，有利于保護刀具錐柄清潔。
3. 換刀流程
（1）主軸裝刀流程
將超長刀具，如加長鏜刀 25 安放到刀座 29中，加長鉆頭 26 安放到刀座 2 中，刀座數量可依據所需特殊刀具數量而增加。首先，氣控閥 31 中的 Y 向雙控閥切換到氣缸升起的一路，Y 向氣缸 11 升起，Y 向滑板 9 沿著 Y 向導軌 10 經 Y 向阻尼器 13 停到 Y 向氣缸11 的行程末端，Y 向氣缸 11 外部的磁感應開關反饋 Y 向滑板 9 到位，即刀具到達 Y 向換刀位置，此時換刀門打開，主軸運行到加長鏜刀 25 的換刀點位置，同樣給出反饋信號。然后，X 向氣缸 15 在對應雙控閥的控制下，X 向導軌 17 帶動 X 向托板 12 伸出，經過 X 向阻尼器 20 的緩沖，使 X 向氣缸 15 的活塞停在氣缸前端，氣缸外側磁感應開關給出反饋信號，將 X 向托板 12 送入到換刀點的 X 向坐標位
置，此時將刀座 29 附近的吹氣裝置清潔器 30打開。
接下來，固定有刀座 29 的 Z 向滑板 24 在 Z向氣缸 21 的驅動控制下，隨著 Z 向導軌 23 伸出，經過 Z 向阻尼器 28 的緩沖，停在 Z 向換刀點的準確位置，氣缸外部磁感應開關給出反饋信號，即將刀具成功插入主軸，待接到主軸刀具夾緊信號后，證明主軸已將加長鏜刀 25 夾緊，之后主軸抬起大于 300mm 的安全距離后，Z 向滑板 24在 Z 向氣缸 21 的控制下隨著 Z 向導軌 23 反向運動，經 Z 向阻尼器緩沖停至末端氣缸外側磁感應開關給出到位反饋信號，吹氣裝置清潔器30關閉。接到 Z 向氣缸 21 到位反饋信號，X 向托板12 在 X 向氣缸 15 的驅動下隨著 X 向導軌 17 反向運動，經 X 向阻尼器 19 緩沖停止末端氣缸外側磁感應開關給出到位反饋信號，證明換刀部分已移出工作區，此時換刀門可以關閉。
同時，Y 向氣缸 11 反向運動 Y 向滑板 9 降落，經 Y 向阻尼器 214 緩沖停止原始位置，此時完成一個裝刀過程。
（2）主軸卸刀流程
在保證主軸遠離 Y 向換刀點安全距離300mm 以上時候，重復上述主軸裝刀流程的步驟，輔助換刀系統到達換刀點后，主軸降落到 Y向換刀點將加長鏜刀 25 放入到刀座 29 中，接近開關 27 給出刀具放好信號，主軸松刀并給出松刀信號，接到主軸松刀信號后 Z 向滑板 24 在 Z向氣缸 21 的控制下隨著 Z 向導軌 23 反向運動，經 Z 向阻尼器緩沖停至末端氣缸外側磁感應開關給出到位反饋信號，主軸 X 向移動到加長鉆頭26 的換刀點，刀座 34 附近的吹氣裝置清潔器 35打開。
接下來，固定有刀座 34 的 Z 向滑板 24 在 Z向氣缸 21 的驅動控制下，隨著 Z 向導軌 23 伸出，經過 Z 向阻尼器 28 的緩沖，停在 Z 向換刀點的準確位置，氣缸外部磁感應開關給出反饋信號，即將加長鉆頭 26 成功插入主軸，待接到主軸刀具夾緊信號后，證明主軸已將鉆頭夾緊。之后重復主軸裝刀流程中的換刀系統退回流程，至此，完成一套卸刀及裝刀流程。
4. 結語
輔助換刀系統解決了常規臥式加工中心刀庫無法裝載超長刀具、超重刀具的弊端，對于減少加工輔助時間，提升加工中心的利用率具有重要的意義，該輔助換刀系統的結構方式可應用到其他加工中心中，具有廣泛的應用范圍，尤其對于應用到生產線中的設備，將大大提高自動化生產線的節拍。
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