加工中心机械手换刀与主轴松刀的凸轮液压联动技术*

马 骋 李全普 王 坤

（大连华根机械有限公司，辽宁大连 116620）

卧式加工中心目前在国内各行业应用日益广泛，机床结构变化也十分快速，机床的运行速度对于客户来说很重要，直接影响到加工工件的节拍时间，主轴换刀时间的长短直接影响到机床的辅助加工时间，因此改进换刀的结构，实现高速换刀是十分必要的。现介绍两种主轴换刀机构，通过对两种机构的比较和分析，说明主轴换刀装置对机床的重要性。

1 油缸驱动松刀，电机控制换刀

主轴松刀和刀库换刀两个动作独立完成，通过电信号控制相互完成时间和顺序，结构及工作原理如图1。该机构可分为两部分，一部分为机械手换刀机构，另一部分为主轴的松刀机构，即件 1、2、3、4、5、6 为换刀机构，8、9为松刀机构。其工作过程为:主轴移动至换刀位（系统信号发出）——电动机6运转——凸轮5旋转——六角轴4旋转——滑动轴2旋转——机械手1旋转90°（抓刀）（检测信号发出）——电动机6停止运转，松刀油缸9活塞推动主轴8中拉刀杆移动（主轴松刀）（检测信号发出）——电动机6旋转凸轮旋转——连杆 3 摆动——机械手移动 （机械手拔刀）——机械手旋转180°——连杆摆动机械手向主轴方向移动（机械手插刀）（检测信号发出）——电动机停止，油缸卸油主轴拉刀（检测信号发出）——电动机启动——机械手反向旋转 90°（回零位）——换刀完成。

从上面的工作过程可以看到在刀具交换全过程中需要多次启动电动机及多次检测位置，由此使得刀具交换时间加长，同时运动过程不可靠。

2 凸轮液压联动换刀装置

凸轮液压联动快速换刀装置的结构简图如图3所示，动作时序图如图4所示。其工作过程为电动机运转带动刀具松拉装置凸轮与机械手运动凸轮一起旋转，机械手运动凸轮驱动机械手部分工作，完成机械手的旋转及直线运动。刀具松拉凸轮转动带动刀库油缸运动将油缸内的液压油通过封闭管路挤入主轴松刀油缸中，利用杠杆推动主轴内的松刀拉杆完成松刀动作。由电动机驱动的凸轮液压联动换刀机构主要包含完成以下不同动作所需的机构:①接通与断开ATC机构，由联轴器实现;②ATC机械手进出机构;③ATC机械手90°回转机构;④ATC机械手180°回转机构;⑤锁刀机构;⑥主轴松拉刀机构。

机械手开始换刀动作前需准备下列动作:①X轴和Y轴处于第二参考点位置;②Z轴处于零点位置或换刀点位置;③刀库锁定的刀具，从待机刀套上被取出，待机刀套到达主轴侧;④机械手装置处于待机状态;⑤主轴处于刀具锁紧状态。

换刀操作开始时ATC装置通过圆柱凸轮（机械手回转用）、平面凸轮（机械手插拔刀）和主轴松拉刀凸轮这3种凸轮进行动作。其动作顺序如下:①电动机启动时，圆柱凸轮转动，通过传动装置使ATC机械手顺时针回转90°，此时的联动动作是ATC防护罩打开;②主轴松拉刀装置松刀的同时，ATC机械手的锁刀装置锁紧刀具;③由于平面凸轮的作用，摆杆揺动，ATC机械手拔刀;④圆柱凸轮使ATC机械手进行逆时针180°回转的同时，在平面凸轮的作用下ATC机械手开始插刀动作;⑤主轴松拉刀装置拉刀的同时，解除ATC机械手的锁刀;⑥通过圆柱凸轮回转，使ATC机械手逆时针回转90°后，返回ATC原点（ATC机械手处于垂直状态），此时联动动作是ATC防护门关闭。

ATC机械手插拔刀动作和逆时针回转180°的动作同时进行，以此缩短ATC动作周期。主轴松拉刀动作，通过联通油缸实现与ATC动作的联动。

从刀库中取出加工所需刀具，主轴上的刀具返回到刀库的一系列动作按照图5所示顺序进行。

凸轮液压联动换刀机构是凸轮式ATC与液压杠杆主轴松拉刀机构相结合的、由一台电动机驱动的新型液压凸轮联动快速换刀机构和换刀方法。本方法的优点是刀具松拉杆的动作由ATC松拉装置凸轮驱动的刀库油缸和主轴松刀油缸所组成的封闭油路联动完成，利用联通器的原理不但使动力传动方便灵活，提高了系统的可靠性，更大幅度缩短了换刀时间。通过对驱动刀库油缸的松拉装置凸轮与驱动机械手的复合凸轮（包括完成机械手转动的弧面分度凸轮和完成机械手直线运动的平面沟槽凸轮）曲线的匹配设计，保证了换刀动作的同步、高速、平稳、流畅，具有稳定的刀具更换及耐久性。通过液压凸轮机构的联动实现了刀到刀1.2 s的快速换刀，处于国内领先水平及国际先进水平。

3 结语

凸轮液压联动换刀装置相比油缸驱动松刀、电动机控制换刀装置，具有以下优点:（1）较大幅度缩短了换刀时间;（2）提高了运转的可靠性;（3）减少了开关检测，降低了成本;（4）松刀动力传动灵活自由。该技术已获得国家实用新型专利。

［1］谭春晖．加工中心换刀方式的选择［J］．组合机床与自动化加工技术，2004（3）:114．

［2］刘瑞已．加工中心快速自动换刀装置［J］．机械工程师，2004（11）:84－85．

［3］刘炜．数控加工中心自动换刀系统［J］．机床与液压，2005（5）:58．

［4］张家驷．立式加工中心直接换刀送进铰链四杆机构研究［J］．制造技术与机床，2006（6）:16 －19．