高永強 李全普 李 凱

（大連華根機械有限公司，遼寧大連 116620）

機床的運行速度對于客戶來說很重要，直接影響到加工工件的節(jié)拍時間。高速切削特別是有色金屬加工，機床的輔助時間占據(jù)50%以上?？s短輔助時間就能提高切削效率，雙凸輪換刀技術(shù)可縮短換刀時間40%。

1 國內(nèi)加工中心的換刀機構(gòu)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)加工中心產(chǎn)品的換刀機構(gòu)可分為兩種:液壓機械手式和凸輪機械手式。其中應(yīng)用廣泛的為凸輪機械手換刀，具體結(jié)構(gòu)和動作循環(huán)如圖1和圖2。主軸松刀和刀庫換刀兩個動作獨立完成，通過電信號控制相互完成時間和順序。該機構(gòu)可分為兩部分，一部分為機械手換刀機構(gòu)，另一部分為主軸的松刀機構(gòu)，即件1、2、3、4、5、6 為換刀機構(gòu)，8、9 為松刀機構(gòu)，其工作過程為:

主軸移動至換刀位（系統(tǒng)信號發(fā)出）——減速電動機6運轉(zhuǎn)——復(fù)合凸輪 5旋轉(zhuǎn)——六角軸 4旋轉(zhuǎn)——滑動軸2旋轉(zhuǎn)——機械手1旋轉(zhuǎn) 90°（抓刀）（檢測信號發(fā)出）——電動機6停止運轉(zhuǎn)，松刀油缸9活塞推動主軸8中拉刀桿移動（主軸松刀）（檢測信號發(fā)出）——減速電動機6旋轉(zhuǎn)，凸輪旋轉(zhuǎn)——連桿3擺動——機械手移動（機械手拔刀）——機械手旋轉(zhuǎn)180°——連桿擺動機械手向主軸方向移動（機械手插刀）（檢測信號發(fā)出）——電動機停止，油缸卸油主軸拉刀（檢測信號發(fā)出）——電動機啟動——機械手反向旋轉(zhuǎn)90°（回零位）——換刀完成。

凸輪機械手油缸或氣液增壓松刀換刀時間需要3.5～5 s（切削－切削），每個動作需要一個開關(guān)檢測，可靠性較差，易出現(xiàn)開關(guān)信號不穩(wěn)定，換刀過程掉刀，油液滲漏等故障。

2 雙凸輪聯(lián)動快速換刀裝置

其工作原理如圖3所示。主軸內(nèi)的刀具松拉桿在外端平面凸輪的驅(qū)動下可以完成松刀和拉刀動作，支撐在床身上的復(fù)合凸輪驅(qū)動機械手部分工作。其中，復(fù)合凸輪中的弧面分度凸輪完成機械手的旋轉(zhuǎn)，嵌在弧面分度凸輪側(cè)面的平面溝槽凸輪完成機械手的直線運動。電動機運轉(zhuǎn)時，刀具松拉桿外端的平面凸輪通過一套傳動鏈與復(fù)合凸輪進行聯(lián)動，運轉(zhuǎn)可靠，換刀時間短。傳動鏈由平面凸輪軸、離合器、傳動軸、齒形帶傳動結(jié)構(gòu)和復(fù)合凸輪軸組成。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。

2．1 雙凸輪換刀機構(gòu)運動簡介

由電動機驅(qū)動的雙凸輪換刀機構(gòu)主要包含完成以下不同動作所需的機構(gòu):

（1）接通與斷開ATC機構(gòu)，由離合器實現(xiàn)。

（2）ATC機械手進出機構(gòu)。

（3）ATC機械手90°回轉(zhuǎn)機構(gòu)。

（4）ATC機械手180°回轉(zhuǎn)機構(gòu)。

沒想到班長會送來梔子花，更沒想到我生氣時的話語對孩子們造成了傷害。我心里又是感動又是自責(zé)。接下花之后，我回給班長一個微笑：“謝謝你，你怎么知道老師喜歡梔子花呢？”

（5）鎖刀機構(gòu)。

（6）主軸松拉刀機構(gòu)。

（7）機械手開始換刀動作。在換刀前需準(zhǔn)備下列動作:

①X軸和Y軸處于第2參考點位置;

②Z軸處于零點位置或換刀點位置;

③刀庫鎖定的刀具，從待機刀套上被取出，待機刀套到達(dá)主軸側(cè);

④機械手裝置處于待機狀態(tài);

⑤主軸處于刀具鎖緊狀態(tài)。

（8）換刀操作開始時ATC裝置通過圓柱凸輪（機械手回轉(zhuǎn)用）、平面凸輪（機械手插拔刀、防護門開閉）和主軸松拉刀凸輪這3種凸輪進行動作。其動作順序如下:

（9）電動機啟動的同時，圓柱凸輪轉(zhuǎn)動，通過傳動裝置使ATC機械手順時針回轉(zhuǎn)90°，此時的聯(lián)動動作使ATC防護門打開。

（10）主軸松拉刀裝置松刀的同時，ATC機械手的鎖刀裝置鎖緊刀具。

（11）由于平面凸輪的作用，擺桿揺動，ATC機械手拔刀。

（12）圓柱凸輪使ATC機械手進行逆時針180°回轉(zhuǎn)的同時，在平面凸輪的作用下ATC機械手開始插刀動作。

（13）主軸松拉刀裝置拉刀的同時，解除ATC機械手的鎖刀。

（14）通過圓柱凸輪回轉(zhuǎn)，使ATC機械手逆時針回轉(zhuǎn)90°后，返回 ATC原點（ATC機械手處于垂直狀態(tài)）。此時聯(lián)動動作是ATC防護門關(guān)閉。

ATC機械手插拔刀動作和逆時針回轉(zhuǎn)180°的動作同時進行，以此縮短ATC動作周期。主軸松拉刀動作，通過平面凸輪實現(xiàn)與ATC動作的聯(lián)動。其動作時序圖如圖5所示。

從刀庫中取出加工所需刀具，主軸上的刀具返回到刀庫的一系列動作，按照換刀動作圖6所示順序進行。

3 結(jié)構(gòu)分析與結(jié)論

第一種機構(gòu)工作過程可以看到在刀具交換全過程中需要多次啟動電動機及多次檢測位置，由此使得刀具交換時間加長，同時運動過程不可靠。本文提出的雙凸輪換刀機構(gòu)是凸輪式ATC與主軸松拉刀機構(gòu)相結(jié)合的、由同一臺電動機驅(qū)動的新型雙凸輪聯(lián)動快速換刀機構(gòu)和換刀方法。本方法的優(yōu)點是刀具松拉桿的動作由平面凸輪驅(qū)動完成，與驅(qū)動機械手動作的復(fù)合凸輪（平面溝槽凸輪與弧面分度凸輪一體）形成雙凸輪聯(lián)動，不但提高了系統(tǒng)的可靠性，更大幅度縮短了換刀時間。通過對驅(qū)動刀具松拉桿的平面凸輪與驅(qū)動機械手的復(fù)合凸輪（包括完成機械手轉(zhuǎn)動的弧面分度凸輪和完成機械手直線運動的平面溝槽凸輪）曲線的匹配設(shè)計，保證了換刀動作同步、高速、平穩(wěn)、流暢，具有穩(wěn)定的刀具更換及耐久性。通過雙凸輪機構(gòu)的聯(lián)動實現(xiàn)了刀到刀2 s的快速換刀，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平及國際先進水平。該技術(shù)已經(jīng)獲得國家實用新型專利。

［1］劉靜．雙凸輪聯(lián)動自動換刀技術(shù)的研究［D］．大連:大連理工大學(xué)，2008．

［2］劉冬．雙凸輪聯(lián)動自動換刀裝置多體動力學(xué)仿真研究［D］．大連:大連理工大學(xué)，2010．

［3］劉瑞已．加工中心快速自動換刀裝置［J］．機械工程師，2004（11）:84－85．

［4］陳芳．PMC在加工中心隨機自動換刀中的應(yīng)用［J］．機電工程技術(shù)，2004（4）:69 －70，73．