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加工中心自動換刀裝置解析

2022-3-9 來（lái）源：神龍汽車有限（xiàn）公（gōng）司襄陽工廠作者：胡煉剛（gāng）

【摘要】 : 本（běn）文（wén）分析並闡述了東風設備製造廠DM500I 型臥式（shì）加工中心 DM40ATC 自動換刀（dāo）裝置結構特點，介紹了其機械動作原理（lǐ），電氣程（chéng）序控製結構，同時結合神龍汽車有限公（gōng）司襄陽工廠實際應用（yòng）情況，對東風設備製造廠 DM40ATC 自動（dòng）換刀裝置現場維護方法進行了探討與總結。

【關鍵詞】: 換刀裝置（zhì）、動作原理、電氣控製、故障解析（xī）

引言

加工中心（xīn）是由機械設備與數控係統組成的適用於複雜（zá）零件加工的（de）高效自動化（huà）機床。它與一般數控機床（chuáng）的顯著區別是對（duì）零件經行多序加工的（de）能力，即在一次裝夾（jiá）中自（zì）動完成銑、鏜（táng）、鑽、擴、鉸、攻（gōng）絲等加工。之（zhī）所以加工中心能夠廣泛運用，是因為其能夠利用刀（dāo）庫實現自動換刀。因此自動（dòng）換（huàn）刀裝置功能的（de）好壞關係到整個加工中（zhōng）心的性能。

自動（dòng）換刀裝置可分為五種基本形（xíng）式，即轉塔式、180°回（huí）轉式、回轉插入式、二軸（zhóu）轉動式和主軸直接式。按照換刀過程有無（wú）機械手參與，分成有機械手換刀（dāo）和無機械手換刀兩種情況。在有機（jī）械手（shǒu）換（huàn）刀的過程中，使用（yòng）一個（gè）機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（dāo）庫拔出，然後兩者交換位置，完成（chéng）換刀過程。無機械手換刀時，刀庫中刀具存放方（fāng）向與主軸平行，刀（dāo）具放（fàng）在主軸可到達位置換刀（dāo）時，主軸（zhóu）移到刀庫換刀位置（zhì），利用主軸將加工用畢刀具（jù）插（chā）人刀（dāo）庫中（zhōng）要求的空位處，然後刀庫中待換刀具轉到待命位置。主軸將待用刀具（jù）從刀庫中取出，並將刀（dāo）具插（chā）人主軸。

目（mù）前神龍公司襄陽工廠臥式加（jiā）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（fāng）式主（zhǔ）要在 COMAU、MAKIO 等加工中心（xīn）上。2. 通過換刀裝置機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（wén）結合襄陽工廠缸體 L7 線應（yīng）用（yòng）實（shí）例，對東風設備製造廠 DM500I 型臥式加工中（zhōng）心 DM40ATC自動換刀裝置（以下（xià）簡（jiǎn）稱 ATC）的動作及控製原理、現場維護維修方法進行研究與探討。

1.DM40ATC 自動換刀（dāo）裝置簡介及（jí）換（huàn）刀過程說（shuō）明

東（dōng）風設備製造廠生產的 DM500 Ⅰ臥式（shì）加工中心主軸為電主（zhǔ）軸，配置 DM40ATC 換刀裝（zhuāng）置。換（huàn）刀裝置運動采用 FANUC 伺服驅動器（qì）控製伺服（fú）電動機，通過齒輪傳（chuán）動帶動凸輪旋轉（zhuǎn），利用（yòng）凸輪機構控（kòng）製 ATC 機械手的旋轉、進退（tuì）和鬆夾刀（dāo）具。位置檢測通過伺服電（diàn）機內置編碼器（qì） + 外置原點開關來反饋，從而實現 ATC 運（yùn）行位置的準確控製。

圖 1 ATC 機（jī）械手動（dòng）作過程

換刀準備 : 刀庫待調刀具移（yí）動（dòng）到換刀位置，主軸移動到換刀位置即第二原點，主軸定向（xiàng）。換刀條件滿足後，ATC 執行換刀動作。

ATC 動作（zuò）步驟如下 :

① ATC 機械手在原位 ;

② ATC 機械手順時針（zhēn）旋轉 90°，主軸鬆開刀具，ATC 夾緊刀具 ;

③ ATC 機（jī）械手前（qián）進到位 ;

④ ATC 機械手順時針旋轉 180° ;

⑤ ATC 機械手（shǒu）後退到位，主軸夾緊刀具，ATC 鬆開刀具 ;

⑥ ATC 機械手逆時（shí）針旋轉 90°返回原位。

2.ATC 機（jī）械動作原理

2.1 ATC 機械手的旋轉運動（dòng）

機構 1: 凸輪溝槽 + 機（jī）械手驅動軸上 6 個滾輪軸（zhóu）承。

如圖 2 圖 3 所（suǒ）示，凸輪旋轉時，通過外圓麵上的（de）溝槽，帶動 ATC 機械手驅動軸上的 6 個滾輪軸承旋轉，從而將凸輪的旋轉運（yùn）動（dòng）轉換成與之成 90°的 ATC 機（jī）械手驅動軸的旋轉運動。

圖 2 ATC 裝置機械裝（zhuāng）配圖

圖 3 凸輪外圓麵溝槽圖

2.2 ATC 機械手的前進和後退（tuì）運動

機構（gòu） 2: 凸輪溝槽 + 推杆上 1 個滾輪軸承。

如圖 2 所示，凸輪旋轉時，凸輪端麵上的（de）溝槽，帶動推杆上的（de）軸承在溝槽中運動，從而將凸輪的旋轉運動轉換成推杆的來回擺動，帶動 ATC機械（xiè）手驅動軸的前後運動。

2.3 ATC 夾刀和鬆刀

機構3:凸輪外圓麵凸台+1個軸承+連杆機構。如圖 2 圖 3 所示，凸輪旋轉時，凸輪外圓麵上的凸台推動機械手驅（qū）動軸（zhóu）中心（xīn）的夾刀杆動作，克服彈簧力，從而將（jiāng）刀（dāo）具（jù）鬆開 ; 當凸台轉過軸承時，由於彈簧力，夾刀杆（gǎn）將往回拉，夾刀杆與（yǔ）卡（kǎ）刀舌頭的錐麵配合，將刀具夾緊。

3．電氣程序控製原理

在自動的 ATC 循環過程（chéng）中，電機的啟動由PMC 輸出點 Y0.0（ATC FWD）控（kòng）製。Y0.0 主（zhǔ）要取決於（yú） R1.4（ATC ARM FWD）信（xìn）號（hào），R1.4信號主要取決於 R3.7（ATC DRIVE CYCLE1）信號。

R3.5（ATC CYCLE COMM）為 ATC 循環命令，條件滿足後接通 R3.7(ATC DRIVE CYCLE)，ATC 電機開始旋轉。

其中R101.0（ATC ARM STOP TIM）取反點，換刀臂運行過程中當 R101.0 有信號時 R3.7 會斷開，ATC 電機停止，在整（zhěng）個的 ATC 循環過程中（zhōng）會有兩（liǎng）次停止。因此（cǐ） R101.0 信號時長決定著（zhe）換刀臂停止的時長。R3.2（ATC ARM CYCLECOMP）為 ATC 循環完成信號，即 ATC 循環完成後 R3.7 斷開。

ATC 動作（zuò）步驟② ATC 機械手順（shùn）時針旋轉（zhuǎn）90°過程中，第一次停止啟（qǐ）動條件 R4.5（ATCCYCLE 1）有信號後經（jīng）過 T9 定時器延時（默認值為 24ms）後，R101.0 有信（xìn）號，ATC 機械手停止運動，同時，R4.5 接通後經過 T10 主（zhǔ）軸開始（shǐ）鬆刀，並保持鬆刀狀態，刀具鬆開後（hòu），鬆刀信號 X2.1（TOOL UNCLAMP）有信號，R101.0信號斷開，ATC 機械手停止解除，ATC 機械手繼續運動，直至 ATC 循環過（guò）程中滿足下一次停止條件。

ATC 動作步驟⑤ ATC 機械（xiè）手後退到位過程中，第二次停止（zhǐ）條件 X2.6（ATC ARM

RECOVERPOSITION）有（yǒu）信號且 ATC 機（jī）械（xiè）手循環三完成信號 R4.7 有信號，經過（guò）定時器 T9 延時（默認值為24ms）後 R101.0 有信號，ATC 機械手停止運動。同時 R101.1(ATC CYCLE TOOL UNCLAMPAUX) 及 Y4.5(TOOL UNCLAMP) 信號斷開後，Y4.6（TOOL CLAMP）接（jiē）通，主軸（zhóu）開始夾刀。

當 ATC 機械手（shǒu）上有刀時（shí），X2.0（TOOL CLAMPHAVE TOOL）有信號後（hòu） R101.0 斷開，ATC 機械手停（tíng）止（zhǐ）解除，ATC 電機繼續旋轉 ; 當換刀臂上沒有刀時，為 X1.4（TOOL CLAMP NO TOOL）有信號後 R101.0 斷開，ATC 機（jī）械手停止解除，ATC 電機繼續旋轉。直（zhí）至 X2.5(ATC ARM STOPPOS) 接通使得整個 ATC 循環完成即 R3.2（ATCARM CYCLE COMPLET）有信號（hào）。

4．機械結構引起的故障（zhàng）解析

4.1 刀庫的位置不好（hǎo）

現象 : ① ATC 機械手從刀庫取刀時，拔出後刀在 ATC 機械手上放的不正，刀具傾斜，導致插入主軸時插不進，刀具撞到主軸端（duān）麵上 ; ②換刀時不能很好的插入到（dào）刀座內，或撞到刀座端麵上。

原（yuán）因 : 刀庫（kù）旋轉未到位即原定位置不準確。

方案 : 鬆開刀庫與轉動軸的連接漲套，稍許調整刀庫的轉角，使刀具與 ATC 機械手抓刀（dāo）位置重合。

4.2 凸輪鬆動（dòng）

現象 : 換刀（dāo）時 ATC 機（jī）械手夾刀撞到主軸端麵，手搖動 ATC 機（jī）械（xiè）手，發現其圓周（zhōu）方向晃（huǎng）動大。

原因 : 凸輪軸的軸承壓緊端蓋螺釘鬆，導致ATC 機械（xiè）手不（bú）能很好的定位，換刀（dāo）時停（tíng）止的位置就忽上忽下。

方（fāng）案:將凸輪軸的軸承壓緊端蓋螺（luó）釘重新擰緊。

4.3 ATC 機（jī）械手位置軸向向前偏移

現（xiàn）象 : ① ATC 機械手將刀具裝入主軸（zhóu）後，ATC 機械手又將（jiāng）刀帶出，相當於 ATC 機械手軸向反彈 ; ②刀插刀主軸（zhóu）內時不到位，刀具不能在主軸（zhóu）上正常夾緊 ; ③ ATC 機械手不能正常轉動，旋轉時發澀。

原因 : 換刀裝置內，換刀臂進（jìn）退推杆上的軸（zhóu）承碎，出現間隙或卡主。

方案 : 吊出上部電機及電機（jī）座，拆下推杆，更（gèng）換軸承 KRV30PP。

4.4 換刀臂運動過程中卡主

現（xiàn）象 :ATC 機械手在旋轉過程中，運動到一定的（de）部位就卡住。

原因 :ATC 機（jī）械手驅動軸改變運動方向的轉塔上的 6 個軸承有鬆動。

方案 : 重新將軸承裝到（dào）位後頂緊頂絲（sī）。

4.5 換刀時兩把（bǎ）刀同時被摔掉

現象 : 換刀時兩把刀同時被（bèi）摔掉。

原因 : ①換刀臂銷子直徑尺寸過大，導致卡（kǎ）刀舌頭有時運動（dòng）不暢（chàng） ; ②卡刀舌頭複位彈（dàn）簧力不夠。

方案 : ①重新更換尺寸合適的（de）換刀臂銷 ; ②更換彈力適當的彈簧。

4.6 在刀庫內掉刀

現象 : 刀具交換結（jié）束後（hòu），換刀正常，但（dàn）是刀掉在刀庫內。

原（yuán）因 : 刀座（zuò）進雜質。

解決 : 將刀座拆下清潔，加潤滑油後恢複。提前預防 : 操（cāo）作工在（zài）換刀裝刀時，注意刀具是否在刀座（zuò）內裝到位（wèi），刀具與刀座是否還有間隙或者刀很容易（yì）就被拔出（chū）。發現可用切削液衝洗刀座內部，還不（bú）行（háng）就需要維修工將刀座解體修理。

5．電氣控製引起（qǐ）的故（gù）障解析

5.1 凸輪轉不到位

現象 : 在主軸（zhóu）側抓刀時，換刀臂轉到 90°時有回彈的動作，導致沒有卡緊刀，主（zhǔ）軸鬆（sōng）刀後刀直接掉到地上 ;

原因 : 凸輪沒有轉到位 , 使得換刀臂到位後不能自鎖，從而出現反（fǎn）彈，

方法 : 需要增在轉（zhuǎn）動時間，查看 PMC, 調整控製電機轉到 90°位置時的控製時間 T9, 微調逐（zhú）步（bù）增加，直至抓刀（dāo）平穩。

5.2 換刀臂（bì）換刀（dāo）時同（tóng）時摔掉兩把刀（dāo）

現象 : 在（zài）自動換刀過程（chéng）中直接摔掉兩把刀（檢查機械換刀位（wèi）置，以及夾刀力，卡刀舌頭（tóu）均未發現明顯的（de）問題，檢（jiǎn）查精確調整之後仍然掉刀）。

原（yuán）因 : 在快速換刀時，鎖刀舌頭卡刀時要縮回（huí），還來不及彈出就被拉刀杆拉緊，被拉刀杆錐端卡（kǎ）住，導致鎖（suǒ）刀舌頭不能伸出，不能（néng）正常卡緊刀具，導致抓刀後兩把刀都（dōu）掉。

方案 : 將變頻器控製速度降（jiàng）低之後逐步往上加，然後調整控製時間，使得不出現 5.1 的故障即可。

5.3 換刀臂夾刀具放不進主軸，即刀（dāo）具撞主軸

現象 : 換刀臂帶著刀直接（jiē）撞向主軸，不能完（wán）全插入。

原因 : 主軸定向偏移。

方案 : 重新標定（dìng）主軸定向位置，並解（jiě）決主軸定向偏（piān）移。主軸定向偏移原（yuán）因及解決方案 : 主軸編碼器屏蔽線屏蔽功能不好，導（dǎo）致（zhì）信號有幹擾，脈衝丟失主軸定向位置偏移，需要重新（xīn）將（jiāng）編（biān）碼器（qì）屏蔽線接地線。

6. 結束語

從前（qián）期故障處理過程來看，換刀過程控製是通過傳感器信號和延時控製（zhì），因此換刀裝置故障往往不是單一的，可能有（yǒu）電氣（qì）與機械故障的雜合，因此處理故障時思考問題需要綜（zōng）合考（kǎo）慮。

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