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一種臥式加工中心輔助換刀係（xì）統設計（jì）

2022-10-21 來源：科德數控股份有限公司沈陽分公司作者：張傳思

摘要：臥式加工中心廣泛應用於箱體類、多麵體類零件的加工，而刀庫是臥式（shì）加工中心重要的（de）功能部件之一，能大大節省輔助時間，提升加（jiā）工效率。目前，自動換刀係統主要由鏈式刀庫與換刀機械手（shǒu），盤式刀庫與換刀（dāo）機械手組成，而刀（dāo）庫所裝刀長有（yǒu）一定限製，比如 HSK-100A 刀庫能容最大刀長為 500mm，超過此長度（dù）無法裝入。因此，設計一（yī）種輔（fǔ）助換刀係統，專門用於裝載超長、超大刀具，用於特深特征的加工，對提升加工中心的（de）加（jiā）工效率具有重要的意義。

1. 臥式加（jiā）工中（zhōng）心常用換刀係統

臥式加工中心主要由（yóu）床（chuáng）身部、立柱部、滑鞍（ān）部、主軸部、工作台（tái）部、交換站部、自動（dòng）換（huàn）刀係（xì）統組成，如圖 1 所示（shì）。

1. 床身部（bù） 2.立柱部 3. 滑鞍部 4.主軸部 5. 工作台部 6.交換（huàn）站部 7.自動換刀係統

圖 1 臥式加工中心結構示（shì）意圖

而自動換刀係統通常（cháng）由刀庫與換刀機械手組成，如（rú）圖 2 為鏈式刀庫的自動換刀係統，圖 3 所示為盤式（shì）刀庫的自動（dòng）換刀（dāo）係統（tǒng）。

圖 2 鏈式刀（dāo）庫自動換刀係統圖 3 盤（pán）式刀庫自動（dòng）換刀係統

兩種自動換刀係統都由刀庫與凸輪機械（xiè）手組成，其中鏈（liàn）式刀庫容量大，通常為 40 把、60 把、120 把，甚至更多。而盤式刀庫存量不大，通常不超過 20 把。而該兩種常用的結構型式，所裝刀（dāo）具長度（dù）都有一定限製（zhì），對（duì）於加工特殊特征的超長刀具無法裝（zhuāng）入。因此，通常需要額外的機構（gòu）實現對特（tè）殊（shū）刀具的儲存，有（yǒu）的將特殊刀（dāo）具放入加（jiā）工區的（如圖（tú） 4 所（suǒ）示），但放在加工區切削液及鐵屑容易（yì）進入，所裝刀具數量有限，且影響一定的加工範圍。本文針對超長（zhǎng）刀具（jù），設計了一種置於

加工區外（wài）側的（de）輔助換刀係統，用於深（shēn）孔的（de）鏜削與鑽削。

圖 4 特殊刀具置於工作區（qū）示意圖

2. 輔助換刀係統結構設計

由（yóu）於機床的（de）主軸 Z 向不能運動，且換刀位在工作區（qū）中，同時又不（bú）能影響已（yǐ）有的自動換（huàn）刀係統的工作空間，因此設計了一種 3 自由度的輔助換刀係統，放置於機（jī）床工作（zuò）區外，固定到床身側麵，此輔助換刀係統可以沿著 X 向（xiàng）、Y 向（xiàng）、Z 向運動，

如圖 5 所示。

圖 5

輔助換刀係統主（zhǔ）要由送刀（dāo）機構、驅動裝置、檢測裝置、刀柄清潔裝置組成。

（1）送刀機構送刀機構由 X、Y、Z 向三個運動軸組成，其中 X 向行程左右運動為 620mm，由工作區外將刀具送（sòng）到工（gōng）作（zuò）區內。Y 向（xiàng）行程上下運動為300mm，將刀具升到 Y 向換刀位置或降到待刀位置。Z 向行程前（qián）後運動為 105mm（至少應大（dà）於對應刀柄長度（dù）），完成刀具的插入與拔出主軸錐孔。X 向與（yǔ） Z 向（xiàng）相對運動距離（lí）較長，如采用導軌固（gù）定，通過滑塊運動帶移動部件運動，必須將滑塊固定在移動部件的末端，而使運動（dòng）部件的重心在滑塊的前端，這樣就（jiù）造（zào）成（chéng）移動部（bù）件運行不穩，

影響定（dìng）位精度（dù）。因此，采用滑塊固定（dìng）在滑板上，導（dǎo）軌與移動部件固定的方式（shì）實現運動部件的移動，保證（zhèng）了（le）運動部件的穩定運行及定位精度。

（2）驅動裝（zhuāng）置。由於移動部件重量較輕，且每個軸都有固定的（de）準停（tíng）位置，因此，此輔助換刀係統采用了氣缸（gāng）驅動實現各軸的運動，氣缸內部兩端行程增加緩衝裝置，外部兩端行程末端增加磁感應開關，提供到位反饋信號。管路上增加（jiā）節（jiē）流閥，方便對氣缸運動速度的調節。采用雙控電（diàn）磁閥實現氣缸的伸縮切換。

（3）檢測裝置。該輔助換刀（dāo）係（xì）統的（de）檢測裝置（zhì）主要有行（háng）程到位檢測開關、刀具有無檢測開關。行程到位檢測開（kāi）關即（jí）為安裝於氣缸（gāng）外部（bù）的，用於（yú）檢測內部活塞位置的（de）磁感應開關。刀具有無檢（jiǎn）測開關即為安裝於刀座上的，用於檢測刀柄的接近開關，通過螺母可（kě）調與刀柄外圓的距離。

（4）刀柄（bǐng）清潔裝（zhuāng）置。為了保證從工作區（qū）換下刀具刀柄清潔，在將刀（dāo）具換到刀座前，用刀座附（fù）近的吹氣裝置對主軸中的（de）刀柄周（zhōu）圍（wéi）進行吹氣，將切屑（xiè）及切屑液最大程度的吹掉，有利於保護刀具錐柄清潔。

3. 換刀流（liú）程

（1）主軸裝刀流程（chéng）

將超長刀具，如加長鏜刀 25 安放到刀座 29中，加長鑽頭 26 安放到刀座 2 中，刀座數量可依據所需特殊刀具數量而增加。首先，氣控閥 31 中的 Y 向雙控閥切換到氣缸升起的（de）一路，Y 向氣缸 11 升起，Y 向滑板（bǎn） 9 沿著 Y 向導軌（guǐ） 10 經 Y 向（xiàng）阻尼器（qì） 13 停到 Y 向氣缸11 的行程（chéng）末端，Y 向氣缸 11 外部的磁感應開關反饋 Y 向滑板 9 到位，即刀具到達 Y 向換刀位（wèi）置，此時換刀門打開，主軸運行到加長鏜刀 25 的換（huàn）刀點位置，同樣給出反饋信號（hào）。然（rán）後，X 向氣缸 15 在（zài）對應雙控閥的控製下，X 向導軌 17 帶動 X 向托板 12 伸出，經過 X 向阻尼器 20 的緩衝，使 X 向氣（qì）缸（gāng） 15 的活塞（sāi）停在氣缸前端，氣（qì）缸外側磁感應開關給（gěi）出反饋信號，將（jiāng） X 向托板 12 送（sòng）入到換刀點的 X 向（xiàng）坐標位（wèi）

置，此時將（jiāng）刀座（zuò） 29 附近的吹氣裝置清（qīng）潔器 30打開。

接下來，固定（dìng）有刀座 29 的（de） Z 向滑板 24 在 Z向氣（qì）缸 21 的驅動（dòng）控製下，隨著 Z 向導軌 23 伸出，經過 Z 向阻尼器 28 的緩衝，停在 Z 向換刀點的準確位置，氣缸外（wài）部磁感應開（kāi）關給出（chū）反饋（kuì）信號，即將刀具成功插入主軸，待接到主軸刀具夾緊信號後，證明（míng）主軸（zhóu）已將（jiāng）加長鏜（táng）刀 25 夾緊（jǐn），之後主軸抬起大於 300mm 的安全距離後，Z 向滑板 24在 Z 向氣缸（gāng） 21 的控製下隨（suí）著 Z 向導軌 23 反向運動，經 Z 向阻尼器緩衝停至末端氣（qì）缸（gāng）外側磁感應開關給出到位反饋信號，吹氣裝置清潔器30關閉。接到 Z 向氣缸 21 到位反饋信號，X 向（xiàng）托板12 在 X 向氣缸 15 的驅動下隨著 X 向導軌 17 反（fǎn）向運動，經 X 向阻尼器 19 緩衝停止末端氣缸外（wài）側磁感應（yīng）開（kāi）關給出到位（wèi）反饋信號，證明換刀部分已移出工（gōng）作區，此時換刀（dāo）門可（kě）以關閉。

同時，Y 向氣缸 11 反向運動 Y 向（xiàng）滑板 9 降落，經（jīng） Y 向阻尼器 214 緩衝停（tíng）止原始（shǐ）位（wèi）置，此時完成一個裝刀過程。

（2）主（zhǔ）軸（zhóu）卸刀流程

在保證主軸遠離 Y 向（xiàng）換（huàn）刀點安全距離300mm 以上時候，重複上述主軸裝刀流程的步驟，輔助換刀係統（tǒng）到達換刀點後，主（zhǔ）軸降落到 Y向換刀點（diǎn）將加長鏜刀 25 放入到刀座（zuò） 29 中（zhōng），接近開關 27 給（gěi）出刀具放好信號，主軸鬆刀並給出鬆刀信號，接到（dào）主軸鬆刀信號後 Z 向滑板 24 在 Z向氣缸 21 的控製下隨著 Z 向導軌 23 反向運動，經 Z 向阻尼器（qì）緩（huǎn）衝停至末端氣缸（gāng）外側磁感應開關給出到位（wèi）反饋（kuì）信號，主軸 X 向移動到加長鑽頭26 的換（huàn）刀點（diǎn），刀座 34 附近（jìn）的吹氣裝置清潔器 35打開（kāi）。

接下來，固定有刀（dāo）座 34 的 Z 向滑板 24 在 Z向氣缸 21 的驅動控製下，隨著 Z 向導軌 23 伸出，經過（guò） Z 向阻尼器（qì） 28 的緩衝，停在 Z 向換刀點的準確位置，氣缸外部磁感應開關給（gěi）出反饋信（xìn）號，即將加長鑽（zuàn）頭 26 成功插入主軸，待接到主軸刀具夾緊信號後（hòu），證明主軸已將鑽頭夾緊。之後重複主軸裝刀流程中的（de）換刀係統退回流程，至此，完（wán）成一套卸刀及裝刀流程。

4. 結語

輔助換刀（dāo）係統解決了常規臥式加工中心刀庫無法裝載超長刀具、超重刀具的弊端，對於（yú）減少加工輔助時間，提升加工（gōng）中心的利用率具有重要的（de）意義，該輔助換刀係統的結構方式可應用到其他加（jiā）工中（zhōng）心中，具有（yǒu）廣泛的應用範圍，尤其對於應用（yòng）到生產線（xiàn）中的設備，將大大（dà）提高自（zì）動化生產（chǎn）線的節拍。

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