加工中心自動換刀裝置

神龍汽車有限公司襄陽工廠 （湖北 430056） 汪雪松

加工中心是由機(jī)械設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)組成的，適用于復(fù)雜零件加工的高效自動化機(jī)床。它與一般數(shù)控機(jī)床的顯著區(qū)別是對零件進(jìn)行多序加工的能力，即在一次裝夾中自動完成銑、鏜、鉆、擴(kuò)、鉸、攻螺紋等加工。之所以加工中心能夠廣泛運(yùn)用，是因?yàn)槠淠軌蚶玫稁鞂?shí)現(xiàn)自動換刀。因此自動換刀裝置功能的好壞關(guān)系到整個加工中心的性能。

自動換刀裝置可分為五種基本形式，即轉(zhuǎn)塔式、180°回轉(zhuǎn)式、回轉(zhuǎn)插入式、二軸轉(zhuǎn)動式和主軸直接式。按照換刀過程有無機(jī)械手參與，分成有機(jī)械手換刀和無機(jī)械手換刀兩種情況。在有機(jī)械手換刀的過程中，使用一個機(jī)械手將加工完畢的刀具從主軸中拔出，與此同時，另一機(jī)械手將在刀庫中待命的刀具從刀庫拔出，然后兩者交換位置，完成換刀過程。無機(jī)械手換刀時，刀庫中刀具存放方向與主軸平行，刀具放在主軸可到達(dá)位置換刀時，主軸移到刀庫換刀位置，利用主軸將加工用畢刀具插人刀庫中要求的空位處，然后刀庫中待換刀具轉(zhuǎn)到待命位置。主軸將待用刀具從刀庫中取出，并將刀具插人主軸。

目前神龍公司襄陽工廠臥式加工中心換刀方法主要有兩種：①主軸直接從刀庫取刀，這種方式主要在COMAU、MAKIO等加工中心上。②通過換刀裝置機(jī)械手交換主軸和刀庫中的刀具，這種方式主要在NTC、DFMTP等加工中心上。

本文結(jié)合襄陽工廠缸體L3線應(yīng)用實(shí)例，對東風(fēng)設(shè)備制造廠DM500I型臥式加工中心DM40ATC自動換刀裝置（以下簡稱ATC）的動作及控制原理、現(xiàn)場維護(hù)維修方法進(jìn)行研究與探討。

1.DM40ATC自動換刀裝置及換刀過程說明

東風(fēng)設(shè)備制造廠生產(chǎn)的DM500Ⅰ臥式加工中心主軸為電主軸，配置DM40ATC換刀裝置。換刀裝置運(yùn)動采用變頻器控制三相異步電動機(jī)，通過齒輪傳動帶動凸輪旋轉(zhuǎn)，利用凸輪機(jī)構(gòu)控制ATC機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)、進(jìn)退和松夾刀具（見圖1）。位置控制通過傳感器檢查位置輸入信號及延時繼電器控制。

圖1 ATC機(jī)械手動作過程

換刀準(zhǔn)備：刀庫待調(diào)刀具移動到換刀位置，主軸移動到換刀位置即第二原點(diǎn)，主軸定向。換刀條件滿足后，ATC執(zhí)行換刀動作。

ATC動作步驟：①ATC機(jī)械手在原位。②ATC機(jī)械手順時針旋轉(zhuǎn)90°，主軸松開刀具，ATC夾緊刀具。③ATC機(jī)械手前進(jìn)到位。④ATC機(jī)械手順時針旋轉(zhuǎn)180°。⑤ATC機(jī)械手后退到位，主軸夾緊刀具，ATC松開刀具。⑥ATC機(jī)械手逆時針旋轉(zhuǎn)90°返回原位。

2.ATC機(jī)械動作原理

（1）ATC機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動 機(jī)構(gòu)1：凸輪溝槽+機(jī)械手驅(qū)動軸上6個滾輪軸承。如圖2、圖3所示，凸輪旋轉(zhuǎn)時，通過外圓面上的溝槽，帶動ATC機(jī)械手驅(qū)動軸上的6個滾輪軸承旋轉(zhuǎn)，從而將凸輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成與之成90°的ATC機(jī)械手驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

（2）ATC機(jī)械手的前進(jìn)和后退運(yùn)動 機(jī)構(gòu)2：凸輪溝槽+推桿上1個滾輪軸承。如圖2所示，凸輪旋轉(zhuǎn)時，凸輪端面上的溝槽，帶動推桿上的軸承在溝槽中運(yùn)動，從而將凸輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成推桿的來回擺動，帶動ATC機(jī)械手驅(qū)動軸的前后運(yùn)動。

（3） ATC夾刀和松刀 機(jī)構(gòu)3：凸輪外圓面凸臺+1個軸承+連桿機(jī)構(gòu)。如圖2、圖3所示，凸輪旋轉(zhuǎn)時，凸輪外圓面上的凸臺推動機(jī)械手驅(qū)動軸中心的夾刀桿動作，克服彈簧力，從而將刀具松開；當(dāng)凸臺轉(zhuǎn)過軸承時，由于彈簧力，夾刀桿將往回拉，夾刀桿與卡刀舌頭的錐面配合，將刀具夾緊。

3.電氣程序控制原理

在自動的ATC循環(huán)過程中，電動機(jī)的啟動由PMC輸出點(diǎn)Y0.0（ATC FWD）控制。Y0.0主要取決于R1.4（ATC ARM FWD）信號，R1.4信號主要取決于R3.7（ATC DRIVE CYCLE1）信號。R4.1和R4.3為調(diào)整使用，正常換刀過程中不涉及，在此文中也不詳述（見圖4）。

圖4

R3.5（ATC CYCLE COMM）為ATC循環(huán)命令，條件滿足后接通R3.7（ATC DRIVE CYCLE），ATC電動機(jī)開始旋轉(zhuǎn)。

其中R101.0（ATC ARM STOP TIM）取反點(diǎn)，換刀臂運(yùn)行過程中當(dāng)R101.0有信號時R3.7會斷開，ATC電動機(jī)停止，在整個的ATC循環(huán)過程中會有兩次停止。因此R101.0信號時長決定著換刀臂停止的時長。R3.2（ATC ARM CYCLE COMP）為ATC循環(huán)完成信號，即ATC循環(huán)完成后R3.7斷開。

ATC動作步驟②ATC機(jī)械手順時針旋轉(zhuǎn)90°過程中，第一次停止啟動條件R4.5（ATC CYCLE 1）有信號后經(jīng)過T9定時器延時（默認(rèn)值為24ms）后，R101.0有信號，ATC機(jī)械手停止運(yùn)動，同時，R4.5接通后經(jīng)過T10主軸開始松刀，并保持松刀狀態(tài)，刀具松開后，松刀信號X2.1（TOOL UNCLAMP）有信號，R101.0信號斷開，ATC機(jī)械手停止解除，ATC機(jī)械手繼續(xù)運(yùn)動，直至ATC循環(huán)過程中滿足下一次停止條件（見圖5）。

圖5

ATC動作步驟⑤ATC機(jī)械手后退到位過程中，第二次停止條件X2.6（ATC ARM RECOVER POSITION）有信號且ATC機(jī)械手循環(huán)三完成信號R4.7有信號，經(jīng)過定時器T9延時（默認(rèn)值為24ms）后R101.0有信號，ATC機(jī)械手停止運(yùn)動。同時R101.1（ATC CYCLE TOOL UNCLAMP AUX）及Y4.5（TOOL UNCLAMP）信號斷開后，Y4.6（TOOL CLAMP）接通，主軸開始夾刀。當(dāng)ATC機(jī)械手上有刀時，X2.0（TOOL CLAMP HAVE TOOL）有信號后R101.0斷開，ATC機(jī)械手停止解除，ATC電動機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)；當(dāng)換刀臂上沒有刀時，為X1.4（TOOL CLAMP NO TOOL）有信號后R101.0斷開，ATC機(jī)械手停止解除，ATC電動機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。直至X2.5（ATC ARM STOP POS）接通使得整個ATC循環(huán)完成即R3.2（ATC ARM CYCLE COMPLET）有信號（見圖6）。

由于篇幅和主題的限制，關(guān)于主軸松刀、夾刀的其他情況，在本文中不一一列舉。

4.機(jī)械結(jié)構(gòu)引起的故障解析

（1）刀庫的位置不好 現(xiàn)象：①ATC機(jī)械手從刀庫取刀時，拔出后刀在ATC機(jī)械手上放的不正，刀具傾斜，導(dǎo)致插入主軸時插不進(jìn)，刀具撞到主軸端面上。②換刀時不能很好地插入到刀座內(nèi)，或撞到刀座端面上。

原因：刀庫旋轉(zhuǎn)未到位即原定位置不準(zhǔn)確。

方案：松開刀庫與轉(zhuǎn)動軸的連接脹套，稍許調(diào)整刀庫的轉(zhuǎn)角，使刀具與ATC機(jī)械手抓刀位置重合。

（2）凸輪松動 現(xiàn)象：換刀時ATC機(jī)械手夾刀撞到主軸端面，手搖動ATC機(jī)械手，發(fā)現(xiàn)其圓周方向晃動大。

原因：凸輪軸的軸承壓緊端蓋螺釘松，導(dǎo)致ATC機(jī)械手不能很好地定位，換刀時停止的位置就忽上忽下。

方案：將凸輪軸的軸承壓緊端蓋螺釘重新擰緊。

（3）ATC機(jī)械手位置軸向向前偏移 現(xiàn)象：①ATC機(jī)械手將刀具裝入主軸后，ATC機(jī)械手又將刀帶出，相當(dāng)于ATC機(jī)械手軸向反彈。②刀插刀主軸內(nèi)時不到位，刀具不能在主軸上正常夾緊。③ATC機(jī)械手不能正常轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)時發(fā)澀。

原因：換刀裝置內(nèi)，換刀臂進(jìn)退推桿上的軸承碎，出現(xiàn)間隙或卡主。

（1）試驗(yàn)設(shè)備 手工焊接設(shè)備采用國產(chǎn)的WSM系列逆變式直流弧焊電源，采用IGBT逆變技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、便攜式等特點(diǎn)，可獲得優(yōu)異的起弧性能和穩(wěn)定的電弧，采用手弧焊接電源如圖1所示。

方案：吊出上部電動機(jī)及電動機(jī)座，拆下推桿，更換軸承KRV30PP。

（4）換刀臂運(yùn)動過程中卡住 現(xiàn)象：ATC機(jī)械手在旋轉(zhuǎn)過程中，運(yùn)動到一定的部位就卡住。

原因：ATC機(jī)械手驅(qū)動軸改變運(yùn)動方向的轉(zhuǎn)塔上的6個軸承有松動。

方案：重新將軸承裝到位后頂緊頂絲。

（5）換刀時兩把刀同時被摔掉 現(xiàn)象：換刀時兩把刀同時被摔掉。

原因：①換刀臂銷子直徑尺寸過大，導(dǎo)致卡刀舌頭有時運(yùn)動不暢。②卡刀舌頭復(fù)位彈簧力不夠。

（6）在刀庫內(nèi)掉刀 現(xiàn)象：刀具交換結(jié)束后，換刀正常，但是刀掉在刀庫內(nèi)。

圖6

原因：刀座進(jìn)雜質(zhì)。

方案：將刀座拆下清潔，加潤滑油后恢復(fù)。提前預(yù)防：操作工在換刀裝刀時，注意刀具是否在刀座內(nèi)裝到位，刀具與刀座是否還有間隙或者刀很容易就被拔出。發(fā)現(xiàn)可用切削液沖洗刀座內(nèi)部，還不行就需要維修工將刀座解體修理。

5.電氣控制引起的故障解析

（1）凸輪轉(zhuǎn)不到位 現(xiàn)象：在主軸側(cè)抓刀時，換刀臂轉(zhuǎn)到90°時有回彈的動作，導(dǎo)致沒有卡緊刀，主軸松刀后刀直接掉到地上。

原因：凸輪沒有轉(zhuǎn)到位，使得換刀臂到位后不能自鎖，從而出現(xiàn)反彈。

方案：需要增加轉(zhuǎn)動時間，查看PMC，調(diào)整控制電動機(jī)轉(zhuǎn)到90°位置時的控制時間T9，微調(diào)逐步增加，直至抓刀平穩(wěn)。

（2） 換刀臂換刀時同時摔掉兩把刀 現(xiàn)象：在自動換刀過程中直接摔掉兩把刀（檢查機(jī)械換刀位置，以及夾刀力，卡刀舌頭均未發(fā)現(xiàn)明顯的問題，檢查精確調(diào)整之后仍然掉刀）。

原因：在快速換刀時，鎖刀舌頭卡刀時要縮回，還來不及彈出就被拉刀桿拉緊，被拉刀桿錐端卡住，導(dǎo)致鎖刀舌頭不能伸出，不能正?？ňo刀具，導(dǎo)致抓刀后兩把刀都掉。

方案：將變頻器控制速度降低之后逐步往上加，然后調(diào)整控制時間，使得不出現(xiàn)第一種的故障即可。

（3）換刀臂夾刀具放不進(jìn)主軸，即刀具撞主軸 現(xiàn)象：換刀臂帶著刀直接撞向主軸，不能完全插入。

原因：主軸定向偏移。

方案：重新標(biāo)定主軸定向位置，并解決主軸定向偏移。主軸定向偏移原因及解決方案：主軸編碼器屏蔽線屏蔽功能不好，導(dǎo)致信號有干擾，脈沖丟失主軸定向位置偏移，需要重新將編碼器屏蔽線接地線。

6.結(jié)語

從前期故障處理過程來看，換刀過程控制是通過傳感器信號和延時控制，因此換刀裝置故障往往不是單一的，可能有電氣與機(jī)械故障的雜合，因此處理故障時思考問題需要綜合考慮。