一种卧式加工中心辅助换刀系统设计
2022-10-21 来源： 科德数控股份有限公司沈阳分公司 作者： 张传思
摘要：卧式加工中心广泛应用于箱体类、多面体类零件的加工，而刀库是卧式加工中心重要的功能部件之一，能大大节省辅助时间，提升加工效率。目前，自动换刀系统主要由链式刀库与换刀机械手，盘式刀库与换刀机械手组成，而刀库所装刀长有一定限制，比如 HSK-100A 刀库能容最大刀长为 500mm，超过此长度无法装入。因此，设计一种辅助换刀系统，专门用于装载超长、超大刀具，用于特深特征的加工，对提升加工中心的加工效率具有重要的意义。
1. 卧式加工中心常用换刀系统
卧式加工中心主要由床身部、立柱部、滑鞍部、主轴部、工作台部、交换站部、自动换刀系统组成，如图 1 所示。
1. 床身部 2.立柱部 3. 滑鞍部 4.主轴部 5. 工作台部 6.交换站部 7.自动换刀系统
图 1 卧式加工中心结构示意图
而自动换刀系统通常由刀库与换刀机械手组成，如图 2 为链式刀库的自动换刀系统，图 3 所示为盘式刀库的自动换刀系统。
图 2 链式刀库自动换刀系统 图 3 盘式刀库自动换刀系统
两种自动换刀系统都由刀库与凸轮机械手组成，其中链式刀库容量大，通常为 40 把、60 把、120 把，甚至更多。而盘式刀库存量不大，通常不超过 20 把。而该两种常用的结构型式，所装刀具长度都有一定限制，对于加工特殊特征的超长刀具无法装入。因此，通常需要额外的机构实现对特殊刀具的储存，有的将特殊刀具放入加工区的（如图 4 所示），但放在加工区切削液及铁屑容易进入，所装刀具数量有限，且影响一定的加工范围。本文针对超长刀具，设计了一种置于
加工区外侧的辅助换刀系统，用于深孔的镗削与钻削。
图 4 特殊刀具置于工作区示意图
2. 辅助换刀系统结构设计
由于机床的主轴 Z 向不能运动，且换刀位在工作区中，同时又不能影响已有的自动换刀系统的工作空间，因此设计了一种 3 自由度的辅助换刀系统，放置于机床工作区外，固定到床身侧面，此辅助换刀系统可以沿着 X 向、Y 向、Z 向运动，
如图 5 所示。
图 5
辅助换刀系统主要由送刀机构、驱动装置、检测装置、刀柄清洁装置组成。
（1）送刀机构送刀机构由 X、Y、Z 向三个运动轴组成，其中 X 向行程左右运动为 620mm，由工作区外将刀具送到工作区内。Y 向行程上下运动为300mm，将刀具升到 Y 向换刀位置或降到待刀位置。Z 向行程前后运动为 105mm（至少应大于对应刀柄长度），完成刀具的插入与拔出主轴锥孔。X 向与 Z 向相对运动距离较长，如采用导轨固定，通过滑块运动带移动部件运动，必须将滑块固定在移动部件的末端，而使运动部件的重心在滑块的前端，这样就造成移动部件运行不稳，
影响定位精度。因此，采用滑块固定在滑板上，导轨与移动部件固定的方式实现运动部件的移动，保证了运动部件的稳定运行及定位精度。
（2）驱动装置。由于移动部件重量较轻，且每个轴都有固定的准停位置，因此，此辅助换刀系统采用了气缸驱动实现各轴的运动，气缸内部两端行程增加缓冲装置，外部两端行程末端增加磁感应开关，提供到位反馈信号。管路上增加节流阀，方便对气缸运动速度的调节。采用双控电磁阀实现气缸的伸缩切换。
（3）检测装置。该辅助换刀系统的检测装置主要有行程到位检测开关、刀具有无检测开关。行程到位检测开关即为安装于气缸外部的，用于检测内部活塞位置的磁感应开关。刀具有无检测开关即为安装于刀座上的，用于检测刀柄的接近开关，通过螺母可调与刀柄外圆的距离。
（4）刀柄清洁装置。为了保证从工作区换下刀具刀柄清洁，在将刀具换到刀座前，用刀座附近的吹气装置对主轴中的刀柄周围进行吹气，将切屑及切屑液最大程度的吹掉，有利于保护刀具锥柄清洁。
3. 换刀流程
（1）主轴装刀流程
将超长刀具，如加长镗刀 25 安放到刀座 29中，加长钻头 26 安放到刀座 2 中，刀座数量可依据所需特殊刀具数量而增加。首先，气控阀 31 中的 Y 向双控阀切换到气缸升起的一路，Y 向气缸 11 升起，Y 向滑板 9 沿着 Y 向导轨 10 经 Y 向阻尼器 13 停到 Y 向气缸11 的行程末端，Y 向气缸 11 外部的磁感应开关反馈 Y 向滑板 9 到位，即刀具到达 Y 向换刀位置，此时换刀门打开，主轴运行到加长镗刀 25 的换刀点位置，同样给出反馈信号。然后，X 向气缸 15 在对应双控阀的控制下，X 向导轨 17 带动 X 向托板 12 伸出，经过 X 向阻尼器 20 的缓冲，使 X 向气缸 15 的活塞停在气缸前端，气缸外侧磁感应开关给出反馈信号，将 X 向托板 12 送入到换刀点的 X 向坐标位
置，此时将刀座 29 附近的吹气装置清洁器 30打开。
接下来，固定有刀座 29 的 Z 向滑板 24 在 Z向气缸 21 的驱动控制下，随着 Z 向导轨 23 伸出，经过 Z 向阻尼器 28 的缓冲，停在 Z 向换刀点的准确位置，气缸外部磁感应开关给出反馈信号，即将刀具成功插入主轴，待接到主轴刀具夹紧信号后，证明主轴已将加长镗刀 25 夹紧，之后主轴抬起大于 300mm 的安全距离后，Z 向滑板 24在 Z 向气缸 21 的控制下随着 Z 向导轨 23 反向运动，经 Z 向阻尼器缓冲停至末端气缸外侧磁感应开关给出到位反馈信号，吹气装置清洁器30关闭。接到 Z 向气缸 21 到位反馈信号，X 向托板12 在 X 向气缸 15 的驱动下随着 X 向导轨 17 反向运动，经 X 向阻尼器 19 缓冲停止末端气缸外侧磁感应开关给出到位反馈信号，证明换刀部分已移出工作区，此时换刀门可以关闭。
同时，Y 向气缸 11 反向运动 Y 向滑板 9 降落，经 Y 向阻尼器 214 缓冲停止原始位置，此时完成一个装刀过程。
（2）主轴卸刀流程
在保证主轴远离 Y 向换刀点安全距离300mm 以上时候，重复上述主轴装刀流程的步骤，辅助换刀系统到达换刀点后，主轴降落到 Y向换刀点将加长镗刀 25 放入到刀座 29 中，接近开关 27 给出刀具放好信号，主轴松刀并给出松刀信号，接到主轴松刀信号后 Z 向滑板 24 在 Z向气缸 21 的控制下随着 Z 向导轨 23 反向运动，经 Z 向阻尼器缓冲停至末端气缸外侧磁感应开关给出到位反馈信号，主轴 X 向移动到加长钻头26 的换刀点，刀座 34 附近的吹气装置清洁器 35打开。
接下来，固定有刀座 34 的 Z 向滑板 24 在 Z向气缸 21 的驱动控制下，随着 Z 向导轨 23 伸出，经过 Z 向阻尼器 28 的缓冲，停在 Z 向换刀点的准确位置，气缸外部磁感应开关给出反馈信号，即将加长钻头 26 成功插入主轴，待接到主轴刀具夹紧信号后，证明主轴已将钻头夹紧。之后重复主轴装刀流程中的换刀系统退回流程，至此，完成一套卸刀及装刀流程。
4. 结语
辅助换刀系统解决了常规卧式加工中心刀库无法装载超长刀具、超重刀具的弊端，对于减少加工辅助时间，提升加工中心的利用率具有重要的意义，该辅助换刀系统的结构方式可应用到其他加工中心中，具有广泛的应用范围，尤其对于应用到生产线中的设备，将大大提高自动化生产线的节拍。
投稿箱：
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相关信息
