加工中心自动换刀装置

神龙汽车有限公司襄阳工厂 （湖北 430056） 汪雪松

加工中心是由机械设备与数控系统组成的，适用于复杂零件加工的高效自动化机床。它与一般数控机床的显著区别是对零件进行多序加工的能力，即在一次装夹中自动完成铣、镗、钻、扩、铰、攻螺纹等加工。之所以加工中心能够广泛运用，是因为其能够利用刀库实现自动换刀。因此自动换刀装置功能的好坏关系到整个加工中心的性能。

自动换刀装置可分为五种基本形式，即转塔式、180°回转式、回转插入式、二轴转动式和主轴直接式。按照换刀过程有无机械手参与，分成有机械手换刀和无机械手换刀两种情况。在有机械手换刀的过程中，使用一个机械手将加工完毕的刀具从主轴中拔出，与此同时，另一机械手将在刀库中待命的刀具从刀库拔出，然后两者交换位置，完成换刀过程。无机械手换刀时，刀库中刀具存放方向与主轴平行，刀具放在主轴可到达位置换刀时，主轴移到刀库换刀位置，利用主轴将加工用毕刀具插人刀库中要求的空位处，然后刀库中待换刀具转到待命位置。主轴将待用刀具从刀库中取出，并将刀具插人主轴。

目前神龙公司襄阳工厂卧式加工中心换刀方法主要有两种：①主轴直接从刀库取刀，这种方式主要在COMAU、MAKIO等加工中心上。②通过换刀装置机械手交换主轴和刀库中的刀具，这种方式主要在NTC、DFMTP等加工中心上。

本文结合襄阳工厂缸体L3线应用实例，对东风设备制造厂DM500I型卧式加工中心DM40ATC自动换刀装置（以下简称ATC）的动作及控制原理、现场维护维修方法进行研究与探讨。

1.DM40ATC自动换刀装置及换刀过程说明

东风设备制造厂生产的DM500Ⅰ卧式加工中心主轴为电主轴，配置DM40ATC换刀装置。换刀装置运动采用变频器控制三相异步电动机，通过齿轮传动带动凸轮旋转，利用凸轮机构控制ATC机械手的旋转、进退和松夹刀具（见图1）。位置控制通过传感器检查位置输入信号及延时继电器控制。

图1 ATC机械手动作过程

换刀准备：刀库待调刀具移动到换刀位置，主轴移动到换刀位置即第二原点，主轴定向。换刀条件满足后，ATC执行换刀动作。

ATC动作步骤：①ATC机械手在原位。②ATC机械手顺时针旋转90°，主轴松开刀具，ATC夹紧刀具。③ATC机械手前进到位。④ATC机械手顺时针旋转180°。⑤ATC机械手后退到位，主轴夹紧刀具，ATC松开刀具。⑥ATC机械手逆时针旋转90°返回原位。

2.ATC机械动作原理

（1）ATC机械手的旋转运动 机构1：凸轮沟槽+机械手驱动轴上6个滚轮轴承。如图2、图3所示，凸轮旋转时，通过外圆面上的沟槽，带动ATC机械手驱动轴上的6个滚轮轴承旋转，从而将凸轮的旋转运动转换成与之成90°的ATC机械手驱动轴的旋转运动。

（2）ATC机械手的前进和后退运动 机构2：凸轮沟槽+推杆上1个滚轮轴承。如图2所示，凸轮旋转时，凸轮端面上的沟槽，带动推杆上的轴承在沟槽中运动，从而将凸轮的旋转运动转换成推杆的来回摆动，带动ATC机械手驱动轴的前后运动。

（3） ATC夹刀和松刀 机构3：凸轮外圆面凸台+1个轴承+连杆机构。如图2、图3所示，凸轮旋转时，凸轮外圆面上的凸台推动机械手驱动轴中心的夹刀杆动作，克服弹簧力，从而将刀具松开；当凸台转过轴承时，由于弹簧力，夹刀杆将往回拉，夹刀杆与卡刀舌头的锥面配合，将刀具夹紧。

3.电气程序控制原理

在自动的ATC循环过程中，电动机的启动由PMC输出点Y0.0（ATC FWD）控制。Y0.0主要取决于R1.4（ATC ARM FWD）信号，R1.4信号主要取决于R3.7（ATC DRIVE CYCLE1）信号。R4.1和R4.3为调整使用，正常换刀过程中不涉及，在此文中也不详述（见图4）。

图4

R3.5（ATC CYCLE COMM）为ATC循环命令，条件满足后接通R3.7（ATC DRIVE CYCLE），ATC电动机开始旋转。

其中R101.0（ATC ARM STOP TIM）取反点，换刀臂运行过程中当R101.0有信号时R3.7会断开，ATC电动机停止，在整个的ATC循环过程中会有两次停止。因此R101.0信号时长决定着换刀臂停止的时长。R3.2（ATC ARM CYCLE COMP）为ATC循环完成信号，即ATC循环完成后R3.7断开。

ATC动作步骤②ATC机械手顺时针旋转90°过程中，第一次停止启动条件R4.5（ATC CYCLE 1）有信号后经过T9定时器延时（默认值为24ms）后，R101.0有信号，ATC机械手停止运动，同时，R4.5接通后经过T10主轴开始松刀，并保持松刀状态，刀具松开后，松刀信号X2.1（TOOL UNCLAMP）有信号，R101.0信号断开，ATC机械手停止解除，ATC机械手继续运动，直至ATC循环过程中满足下一次停止条件（见图5）。

图5

ATC动作步骤⑤ATC机械手后退到位过程中，第二次停止条件X2.6（ATC ARM RECOVER POSITION）有信号且ATC机械手循环三完成信号R4.7有信号，经过定时器T9延时（默认值为24ms）后R101.0有信号，ATC机械手停止运动。同时R101.1（ATC CYCLE TOOL UNCLAMP AUX）及Y4.5（TOOL UNCLAMP）信号断开后，Y4.6（TOOL CLAMP）接通，主轴开始夹刀。当ATC机械手上有刀时，X2.0（TOOL CLAMP HAVE TOOL）有信号后R101.0断开，ATC机械手停止解除，ATC电动机继续旋转；当换刀臂上没有刀时，为X1.4（TOOL CLAMP NO TOOL）有信号后R101.0断开，ATC机械手停止解除，ATC电动机继续旋转。直至X2.5（ATC ARM STOP POS）接通使得整个ATC循环完成即R3.2（ATC ARM CYCLE COMPLET）有信号（见图6）。

由于篇幅和主题的限制，关于主轴松刀、夹刀的其他情况，在本文中不一一列举。

4.机械结构引起的故障解析

（1）刀库的位置不好 现象：①ATC机械手从刀库取刀时，拔出后刀在ATC机械手上放的不正，刀具倾斜，导致插入主轴时插不进，刀具撞到主轴端面上。②换刀时不能很好地插入到刀座内，或撞到刀座端面上。

原因：刀库旋转未到位即原定位置不准确。

方案：松开刀库与转动轴的连接胀套，稍许调整刀库的转角，使刀具与ATC机械手抓刀位置重合。

（2）凸轮松动 现象：换刀时ATC机械手夹刀撞到主轴端面，手摇动ATC机械手，发现其圆周方向晃动大。

原因：凸轮轴的轴承压紧端盖螺钉松，导致ATC机械手不能很好地定位，换刀时停止的位置就忽上忽下。

方案：将凸轮轴的轴承压紧端盖螺钉重新拧紧。

（3）ATC机械手位置轴向向前偏移 现象：①ATC机械手将刀具装入主轴后，ATC机械手又将刀带出，相当于ATC机械手轴向反弹。②刀插刀主轴内时不到位，刀具不能在主轴上正常夹紧。③ATC机械手不能正常转动，旋转时发涩。

原因：换刀装置内，换刀臂进退推杆上的轴承碎，出现间隙或卡主。

（1）试验设备 手工焊接设备采用国产的WSM系列逆变式直流弧焊电源，采用IGBT逆变技术，具有结构紧凑、重量轻、便携式等特点，可获得优异的起弧性能和稳定的电弧，采用手弧焊接电源如图1所示。

方案：吊出上部电动机及电动机座，拆下推杆，更换轴承KRV30PP。

（4）换刀臂运动过程中卡住 现象：ATC机械手在旋转过程中，运动到一定的部位就卡住。

原因：ATC机械手驱动轴改变运动方向的转塔上的6个轴承有松动。

方案：重新将轴承装到位后顶紧顶丝。

（5）换刀时两把刀同时被摔掉 现象：换刀时两把刀同时被摔掉。

原因：①换刀臂销子直径尺寸过大，导致卡刀舌头有时运动不畅。②卡刀舌头复位弹簧力不够。

（6）在刀库内掉刀 现象：刀具交换结束后，换刀正常，但是刀掉在刀库内。

图6

原因：刀座进杂质。

方案：将刀座拆下清洁，加润滑油后恢复。提前预防：操作工在换刀装刀时，注意刀具是否在刀座内装到位，刀具与刀座是否还有间隙或者刀很容易就被拔出。发现可用切削液冲洗刀座内部，还不行就需要维修工将刀座解体修理。

5.电气控制引起的故障解析

（1）凸轮转不到位 现象：在主轴侧抓刀时，换刀臂转到90°时有回弹的动作，导致没有卡紧刀，主轴松刀后刀直接掉到地上。

原因：凸轮没有转到位，使得换刀臂到位后不能自锁，从而出现反弹。

方案：需要增加转动时间，查看PMC，调整控制电动机转到90°位置时的控制时间T9，微调逐步增加，直至抓刀平稳。

（2） 换刀臂换刀时同时摔掉两把刀 现象：在自动换刀过程中直接摔掉两把刀（检查机械换刀位置，以及夹刀力，卡刀舌头均未发现明显的问题，检查精确调整之后仍然掉刀）。

原因：在快速换刀时，锁刀舌头卡刀时要缩回，还来不及弹出就被拉刀杆拉紧，被拉刀杆锥端卡住，导致锁刀舌头不能伸出，不能正常卡紧刀具，导致抓刀后两把刀都掉。

方案：将变频器控制速度降低之后逐步往上加，然后调整控制时间，使得不出现第一种的故障即可。

（3）换刀臂夹刀具放不进主轴，即刀具撞主轴 现象：换刀臂带着刀直接撞向主轴，不能完全插入。

原因：主轴定向偏移。

方案：重新标定主轴定向位置，并解决主轴定向偏移。主轴定向偏移原因及解决方案：主轴编码器屏蔽线屏蔽功能不好，导致信号有干扰，脉冲丢失主轴定向位置偏移，需要重新将编码器屏蔽线接地线。

6.结语

从前期故障处理过程来看，换刀过程控制是通过传感器信号和延时控制，因此换刀装置故障往往不是单一的，可能有电气与机械故障的杂合，因此处理故障时思考问题需要综合考虑。