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一種臥式加工中心輔助換刀系統(tǒng)設(shè)計

2022-10-21 來源：科德數(shù)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(yīng)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(jié)省輔助時間，提升加工效率。目前，自動換刀系統(tǒng)主要由鏈?zhǔn)降稁炫c換刀機(jī)械手，盤式刀庫與換刀機(jī)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(shè)計一種輔助換刀系統(tǒng)，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(tǒng)

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(tǒng)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(tǒng)

圖 1 臥式加工中心結(jié)構(gòu)示意圖

而自動換刀系統(tǒng)通常由刀庫與換刀機(jī)械手組成，如圖 2 為鏈?zhǔn)降稁斓淖詣訐Q刀系統(tǒng)，圖 3 所示為盤式刀庫的自動換刀系統(tǒng)。

圖 2 鏈?zhǔn)降稁熳詣訐Q刀系統(tǒng) 圖 3 盤式刀庫自動換刀系統(tǒng)

兩種自動換刀系統(tǒng)都由刀庫與凸輪機(jī)械手組成，其中鏈?zhǔn)降稁烊萘看螅ǔ?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(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)實現(xiàn)對特殊刀具的儲存，有的將特殊刀具放入加工區(qū)的（如圖 4 所示），但放在加工區(qū)切削液及鐵屑容易進(jìn)入，所裝刀具數(shù)量有限，且影響一定的加工范圍。本文針對超長刀具，設(shè)計了一種置于

加工區(qū)外側(cè)的輔助換刀系統(tǒng)，用于深孔的鏜削與鉆削。

圖 4 特殊刀具置于工作區(qū)示意圖

2. 輔助換刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于機(jī)床的主軸 Z 向不能運(yùn)動，且換刀位在工作區(qū)中，同時又不能影響已有的自動換刀系統(tǒng)的工作空間，因此設(shè)計了一種 3 自由度的輔助換刀系統(tǒng)，放置于機(jī)床工作區(qū)外，固定到床身側(cè)面，此輔助換刀系統(tǒng)可以沿著 X 向、Y 向、Z 向運(yùn)動，

如圖 5 所示。

圖 5

輔助換刀系統(tǒng)主要由送刀機(jī)構(gòu)、驅(qū)動裝置、檢測裝置、刀柄清潔裝置組成。

（1）送刀機(jī)構(gòu)送刀機(jī)構(gòu)由 X、Y、Z 向三個運(yùn)動軸組成，其中 X 向行程左右運(yùn)動為 620mm，由工作區(qū)外將刀具送到工作區(qū)內(nèi)。Y 向行程上下運(yùn)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(yùn)動為 105mm（至少應(yīng)大于對應(yīng)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(yùn)動距離較長，如采用導(dǎo)軌固定，通過滑塊運(yùn)動帶移動部件運(yùn)動，必須將滑塊固定在移動部件的末端，而使運(yùn)動部件的重心在滑塊的前端，這樣就造成移動部件運(yùn)行不穩(wěn)，

影響定位精度。因此，采用滑塊固定在滑板上，導(dǎo)軌與移動部件固定的方式實現(xiàn)運(yùn)動部件的移動，保證了運(yùn)動部件的穩(wěn)定運(yùn)行及定位精度。

（2）驅(qū)動裝置。由于移動部件重量較輕，且每個軸都有固定的準(zhǔn)停位置，因此，此輔助換刀系統(tǒng)采用了氣缸驅(qū)動實現(xiàn)各軸的運(yùn)動，氣缸內(nèi)部兩端行程增加緩沖裝置，外部兩端行程末端增加磁感應(yīng)開關(guān)，提供到位反饋信號。管路上增加節(jié)流閥，方便對氣缸運(yùn)動速度的調(diào)節(jié)。采用雙控電磁閥實現(xiàn)氣缸的伸縮切換。

（3）檢測裝置。該輔助換刀系統(tǒng)的檢測裝置主要有行程到位檢測開關(guān)、刀具有無檢測開關(guān)。行程到位檢測開關(guān)即為安裝于氣缸外部的，用于檢測內(nèi)部活塞位置的磁感應(yīng)開關(guān)。刀具有無檢測開關(guān)即為安裝于刀座上的，用于檢測刀柄的接近開關(guān)，通過螺母可調(diào)與刀柄外圓的距離。

（4）刀柄清潔裝置。為了保證從工作區(qū)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(jìn)行吹氣，將切屑及切屑液最大程度的吹掉，有利于保護(hù)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(shù)量可依據(jù)所需特殊刀具數(shù)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?qū)к?10 經(jīng) 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(yīng)開關(guān)反饋 Y 向滑板 9 到位，即刀具到達(dá) Y 向換刀位置，此時換刀門打開，主軸運(yùn)行到加長鏜刀 25 的換刀點(diǎn)位置，同樣給出反饋信號。然后，X 向氣缸 15 在對應(yīng)雙控閥的控制下，X 向?qū)к?17 帶動 X 向托板 12 伸出，經(jīng)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(cè)磁感應(yīng)開關(guān)給出反饋信號，將 X 向托板 12 送入到換刀點(diǎn)的 X 向坐標(biāo)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(qū)動控制下，隨著 Z 向?qū)к?23 伸出，經(jīng)過 Z 向阻尼器 28 的緩沖，停在 Z 向換刀點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，氣缸外部磁感應(yīng)開關(guān)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?qū)к?23 反向運(yùn)動，經(jīng) Z 向阻尼器緩沖停至末端氣缸外側(cè)磁感應(yīng)開關(guān)給出到位反饋信號，吹氣裝置清潔器30關(guān)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(qū)動下隨著 X 向?qū)к?17 反向運(yùn)動，經(jīng) X 向阻尼器 19 緩沖停止末端氣缸外側(cè)磁感應(yīng)開關(guān)給出到位反饋信號，證明換刀部分已移出工作區(qū)，此時換刀門可以關(guān)閉。

同時，Y 向氣缸 11 反向運(yùn)動 Y 向滑板 9 降落，經(jīng) 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(yuǎn)離 Y 向換刀點(diǎn)安全距離300mm 以上時候，重復(fù)上述主軸裝刀流程的步驟，輔助換刀系統(tǒng)到達(dá)換刀點(diǎn)后，主軸降落到 Y向換刀點(diǎn)將加長鏜刀 25 放入到刀座 29 中，接近開關(guān) 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?qū)к?23 反向運(yùn)動，經(jīng) Z 向阻尼器緩沖停至末端氣缸外側(cè)磁感應(yīng)開關(guān)給出到位反饋信號，主軸 X 向移動到加長鉆頭26 的換刀點(diǎn)，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(qū)動控制下，隨著 Z 向?qū)к?23 伸出，經(jīng)過 Z 向阻尼器 28 的緩沖，停在 Z 向換刀點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，氣缸外部磁感應(yīng)開關(guān)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(fù)主軸裝刀流程中的換刀系統(tǒng)退回流程，至此，完成一套卸刀及裝刀流程。

4. 結(jié)語

輔助換刀系統(tǒng)解決了常規(guī)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)方式可應(yīng)用到其他加工中心中，具有廣泛的應(yīng)用范圍，尤其對于應(yīng)用到生產(chǎn)線中的設(shè)備，將大大提高自動化生產(chǎn)線的節(jié)拍。

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