自動(dòng)換刀裝置在中小型立式加工中心的應(yīng)用

白春良

(山西西山金城建筑有限公司，山西 太原 030053)

隨著中小型立式加工中心設(shè)備使用年限的增加，明顯出現(xiàn)了加工效率低，尤其是在加工形狀比較復(fù)雜、精度要求較高、品種更換頻繁的工件時(shí)，已經(jīng)無(wú)法與現(xiàn)代的生產(chǎn)相匹配，通過(guò)增加自動(dòng)換刀裝置，大大減少了工件裝夾時(shí)間、測(cè)量和調(diào)整等輔助工序時(shí)間，大大提高了生產(chǎn)率，更具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

1 自動(dòng)換刀裝置應(yīng)當(dāng)滿足的基本要求

1)刀具換刀時(shí)間短且換刀可靠;2)刀具重復(fù)定位精度高;3)足夠的刀庫(kù)儲(chǔ)存量;4)刀庫(kù)占地面積小。

2 刀庫(kù)的確定

刀庫(kù)是自動(dòng)換刀裝置的主要部件，刀庫(kù)中刀具的定位機(jī)構(gòu)是用來(lái)保證要更換的每一把刀具或刀套都能準(zhǔn)確的停在換刀位置上。采用電動(dòng)機(jī)或液壓系統(tǒng)為刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力。根據(jù)刀庫(kù)所提供的容量和取刀的方法，采用鼓輪式刀庫(kù)形式。

對(duì)于一般的中小型立式加工中心來(lái)說(shuō)，配14把～30把刀具的刀庫(kù)就能夠滿足70%～95%的工件加工需要。選擇鼓輪式刀庫(kù)(見圖1)，既能滿足該加工中心工作的要求，又能滿足價(jià)格低廉的原則。

圖1 軸向取刀鼓輪式刀庫(kù)

刀庫(kù)傳動(dòng)定位機(jī)構(gòu)主要是用來(lái)驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)是分度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，保證刀庫(kù)的可靠性。采用交流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(見圖2)，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且可以提高輸出軸的傳動(dòng)平穩(wěn)性，即提高刀盤的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。

圖2 刀庫(kù)傳動(dòng)示意圖

3 機(jī)械手的確定

通過(guò)分析中小型立式加工中心自動(dòng)換刀裝置的特點(diǎn)，應(yīng)用條件，采用回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機(jī)械手(見圖3)，它是目前加工中心用的較多的一種形式。這種類型的機(jī)械手換刀特點(diǎn)是機(jī)械手同時(shí)抓取主軸和刀庫(kù)上的刀具，回轉(zhuǎn)180°，同時(shí)放回和裝入刀具，換刀時(shí)間短，較為常用，多用于刀座與主軸軸線平行的場(chǎng)合。

圖3 回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機(jī)械手

機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)，由交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，能頻繁啟動(dòng)以及較高的控制精度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠。同時(shí)機(jī)械手的手臂回轉(zhuǎn)和拔刀、插刀的分解動(dòng)作是聯(lián)動(dòng)的，部分時(shí)間常數(shù)可以重疊，從而大大縮短了換刀時(shí)間。

4 控制方案

由于刀具刀座數(shù)較少，選刀方式根據(jù)就近選刀原則，利用可編程控制器實(shí)現(xiàn)就近選刀換刀的控制，以追求最短的換刀時(shí)間。主軸上換來(lái)的新刀號(hào)及換回刀庫(kù)上的刀具號(hào)，均在PLC內(nèi)部相應(yīng)地存儲(chǔ)單元記憶。這種控制方式需要在PLC內(nèi)部設(shè)置一個(gè)模擬刀庫(kù)數(shù)據(jù)表，其長(zhǎng)度和表內(nèi)設(shè)置的數(shù)據(jù)與刀庫(kù)的位置數(shù)和刀具號(hào)相對(duì)應(yīng)，從而消除了由于識(shí)刀裝置的穩(wěn)定性、可靠性帶來(lái)的選刀失誤。首先通過(guò)程序檢測(cè)當(dāng)前位置的刀號(hào)，其次檢測(cè)系統(tǒng)需要調(diào)取的刀號(hào)，將兩者相比較，通過(guò)所編的PLC程序來(lái)決定電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)就近選刀。

5 實(shí)施步驟

帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置是由刀庫(kù)和刀具交換裝置組成，它是多工序數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用最廣泛的換刀裝置，其整個(gè)換刀過(guò)程比較復(fù)雜。首先把加工過(guò)程中需要使用的全部刀具安裝在標(biāo)準(zhǔn)的刀柄上，在機(jī)床外進(jìn)行尺寸預(yù)調(diào)后，按一定的方式裝入刀庫(kù)。換刀實(shí)施步驟如下。

5.1 刀具預(yù)選

在機(jī)床進(jìn)行加工的同時(shí)，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的T代碼指令，由回轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)將下一把要加工的刀具，回轉(zhuǎn)到刀具交換位置，完成刀具的“預(yù)選”動(dòng)作，為刀具交換做好準(zhǔn)備。

5.2 主軸定向準(zhǔn)停

在換刀指令發(fā)出后，首先進(jìn)行主軸定向準(zhǔn)停，使主軸上的定位鍵方向和刀庫(kù)定位鍵一致。與此同時(shí)，Z軸快速向上運(yùn)動(dòng)到換刀點(diǎn);刀座轉(zhuǎn)位氣缸將預(yù)選好的刀具連同刀座向下旋轉(zhuǎn)90°，使刀具軸線和主軸軸線平行。

5.3 機(jī)械手回轉(zhuǎn)夾刀

當(dāng)主軸箱到達(dá)換刀位置，同時(shí)刀庫(kù)上的刀具完成旋轉(zhuǎn)90°動(dòng)作后，凸輪換刀機(jī)構(gòu)通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，使機(jī)械手進(jìn)行70°轉(zhuǎn)位，兩邊的手爪分別夾持刀庫(kù)換刀位以及主軸上的刀具。

5.4 卸刀

在機(jī)械手完成夾刀動(dòng)作后，刀庫(kù)以及主軸內(nèi)的刀具夾緊裝置同時(shí)放松，刀具被松開，凸輪換刀機(jī)構(gòu)在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下，機(jī)械手向下伸出，同時(shí)取出刀庫(kù)和主軸上的刀具，進(jìn)行卸刀。

5.5 刀具換位

卸刀完成后，凸輪換刀機(jī)構(gòu)在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下，使機(jī)械手旋轉(zhuǎn)180°，進(jìn)行刀庫(kù)側(cè)刀具和主軸側(cè)刀具的換位。

5.6 裝刀

刀具完成換位后，凸輪換刀機(jī)構(gòu)在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下，機(jī)械手向上縮回，將刀庫(kù)側(cè)刀具和主軸側(cè)刀具同時(shí)裝入刀座和主軸，并且，刀庫(kù)以及主軸內(nèi)的刀具夾緊裝置同時(shí)夾緊。

5.7 機(jī)械手返回

刀庫(kù)以及主軸內(nèi)的刀具夾緊裝置完成夾緊后，凸輪換刀機(jī)構(gòu)在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下，機(jī)械手反向旋轉(zhuǎn)70°回到起始位置(這時(shí)手臂為180°位置，兩邊手爪交換)，完成換刀動(dòng)作。

換刀完成后，主軸箱向下運(yùn)動(dòng)即可進(jìn)行下一把刀的加工，同時(shí)刀座轉(zhuǎn)位氣缸將主軸上換下的刀具連同刀座向上旋轉(zhuǎn)90°，并根據(jù)下一把刀的T代碼指令再進(jìn)行刀具的“預(yù)選”動(dòng)作。

6 相關(guān)技術(shù)要求

主軸停車時(shí)要求停在一個(gè)固定位置上，如果刀套不能準(zhǔn)確地停在換刀位置上，將會(huì)使換刀機(jī)械手抓刀不準(zhǔn)，以致在換刀時(shí)發(fā)生掉刀的現(xiàn)象。因此，刀套的準(zhǔn)停問題將是影響換刀動(dòng)作可靠性的重要因素之一。鼓輪式刀庫(kù)采用單頭雙導(dǎo)程蝸桿傳動(dòng)，應(yīng)盡可能地提高刀套在刀盤上沿圓周安裝的等分精度和徑向位置精度。因刀套需要反轉(zhuǎn)，則還要保證每個(gè)刀套反轉(zhuǎn)的角度一致。此外，應(yīng)盡量減小刀套孔徑和軸向尺寸的分散度，以保證刀柄槽在換刀位置上的軸向位置精度。

7 結(jié)語(yǔ)

選刀方式通過(guò)軟件達(dá)到就近選刀的目的，消除了由于識(shí)刀裝置的穩(wěn)定性、可靠性所帶來(lái)的選刀失誤。該機(jī)械手的換刀時(shí)間可達(dá)到2 s，在實(shí)際生產(chǎn)中節(jié)省了時(shí)間，提高了加工效率。