沈陽機(jī)床股份有限公司中捷鉆鏜床廠（遼寧 110142）李永軍

高速化已成為臥式加工中心發(fā)展的方向之一，減少加工過程中的非切削時(shí)間，提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，進(jìn)而提升機(jī)床乃至整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力。隨著切削時(shí)間的縮短，對(duì)換刀時(shí)間的要求也逐步提高，換刀速度已成為高水平臥式加工中心的重要指標(biāo)之一。但是臥式加工中心刀庫結(jié)構(gòu)和布局形式多種多樣，依賴于整機(jī)布局和功能要求，是加工中心最復(fù)雜最難設(shè)計(jì)的部分之一。因此高效可靠的換刀裝置，是臥式加工中心設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，如何在準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)上，盡量縮短換刀時(shí)間，全面提高臥式加工中心的工作效率，已成為亟待解決的問題之一。

本文介紹一種適用于高速臥式加工中心的復(fù)合凸輪驅(qū)動(dòng)同動(dòng)打刀及開關(guān)門的定軸式高速臥式換刀裝置，此種新型高速換刀的連動(dòng)型換刀裝置，搭配高速主軸同步完成開關(guān)門、松夾刀及換刀等動(dòng)作，提升刀具之換刀時(shí)間(tool to tool)，若是10kg刀能在1.9s內(nèi)完成換刀動(dòng)作，25kg重刀能在2.1s內(nèi)完成換刀動(dòng)作。

1.高速臥式同動(dòng)換刀裝置結(jié)構(gòu)說明

該高速臥式同動(dòng)換刀裝置包括以下幾個(gè)組成部分：同動(dòng)開門機(jī)構(gòu)、精密復(fù)合凸輪機(jī)構(gòu)、兩端支撐定軸式臥式換刀軸等。該同動(dòng)高速臥式刀庫參數(shù)如表1所示：

（1）同動(dòng)開門機(jī)構(gòu) 基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。利用精密復(fù)合凸輪機(jī)構(gòu)中的平板凸輪10帶動(dòng)連桿11、12與搖臂9相互聯(lián)動(dòng)，配合排齒8與齒輪6，帶動(dòng)傳動(dòng)鏈輪與鏈條，利用速比的配合，達(dá)到增速的效果，在整體精密復(fù)合凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)中，利用上述的開門機(jī)構(gòu)，進(jìn)行同步開門、關(guān)門。讓每一動(dòng)作皆環(huán)環(huán)相扣、同步連貫且快速精確。有別于傳統(tǒng)換刀系統(tǒng)，動(dòng)作不聯(lián)動(dòng)，需分別經(jīng)由不同系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)及多重位置檢知，換刀時(shí)序繁復(fù)且緩慢。

表1 刀庫參數(shù)

圖1 同動(dòng)開門機(jī)構(gòu)圖

（2）精密復(fù)合凸輪機(jī)構(gòu) 如圖2所示，在整個(gè)控制的傳遞，主要是透過機(jī)械式傳動(dòng)，使得每個(gè)動(dòng)作步驟得以穩(wěn)定且確實(shí)地同步執(zhí)行，避免受到外界的干擾（如磁場(chǎng)、電磁波），靠著平板凸輪5傳遞控制機(jī)械閥4，利用氮?dú)馄窟M(jìn)行主軸快速松夾刀，由凸輪時(shí)序圖3可知凸輪的角度進(jìn)而配合主軸夾松刀的動(dòng)作。由復(fù)合凸輪12帶動(dòng)凸輪滾子11旋轉(zhuǎn)，凸輪滾子軸將運(yùn)動(dòng)傳遞至一對(duì)錐齒輪8、9，從而實(shí)現(xiàn)換刀臂3旋轉(zhuǎn)。由復(fù)合凸輪12帶動(dòng)搖臂10實(shí)現(xiàn)換刀臂的伸縮運(yùn)動(dòng)。

圖2 精密復(fù)合凸輪傳動(dòng)示意圖

圖3 凸輪時(shí)序圖

（3）兩端支撐定軸式臥式換刀軸 傳統(tǒng)換刀系統(tǒng)是懸臂式換刀軸，必須伸長(zhǎng)、縮短以進(jìn)行拔刀、插刀動(dòng)作。因伸出懸臂時(shí)存在不穩(wěn)定支撐狀態(tài)因而無法快速換刀的問題。且其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上使用了蝸輪齒輪組的運(yùn)轉(zhuǎn)，蝸桿齒輪的旋轉(zhuǎn)方向和傳送動(dòng)力的蝸輪旋轉(zhuǎn)方向成直角，其兩齒面嚙合接觸的時(shí)候幾乎完全是滑動(dòng)接觸的產(chǎn)生，高滑動(dòng)力量產(chǎn)生大量的摩擦力。

而該同動(dòng)高速換刀裝置，換刀軸采用兩端支撐的方式，換刀軸可以由軸套的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)拔刀、換刀180°、插刀動(dòng)作。換刀軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由凸輪滾子機(jī)構(gòu)帶動(dòng)選擇摩擦力小，可以進(jìn)行穩(wěn)定而快速的換刀動(dòng)作，同時(shí)具備更長(zhǎng)的使用壽命。其結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖4所示。

圖4 換刀軸對(duì)比分析圖

2.結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

傳統(tǒng)換刀動(dòng)作時(shí)序如下：開門→扣刀→松刀→拔刀→換刀→插刀→拉刀→回刀→關(guān)門。傳統(tǒng)換刀系統(tǒng)的動(dòng)作不聯(lián)動(dòng)，機(jī)械手換刀都必須等待主軸的松刀與夾刀信號(hào)到位，也就是說當(dāng)機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)拔刀時(shí)，必須等待主軸松刀后才能完成。同樣機(jī)械手插刀后必須等待主軸拉刀后才能返回原位，這樣不但延長(zhǎng)了換刀時(shí)間，同時(shí)還降低了刀具交換過程的可靠性。整個(gè)換刀過程中需多次啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，為了協(xié)調(diào)兩部分的動(dòng)作要在多處設(shè)置行程、限位開關(guān)來檢測(cè)位置，換刀時(shí)序繁復(fù)且緩慢。不但延長(zhǎng)了換刀時(shí)間，同時(shí)還降低了刀具交換過程的可靠性。

而高速臥式同動(dòng)換刀裝置同步聯(lián)動(dòng)換刀臂及開關(guān)門機(jī)構(gòu)及主軸之松夾刀機(jī)構(gòu)，進(jìn)行同步開門、扣刀、主軸松刀、拔刀、換刀、插刀、主軸夾刀及回刀、關(guān)門等換刀動(dòng)作。每一動(dòng)作皆環(huán)環(huán)相扣、同步連貫且快速精確。

先進(jìn)的凸輪聯(lián)動(dòng)刀具自動(dòng)交換技術(shù)不需要任何的等待，主軸松拉刀動(dòng)作和機(jī)械手換刀動(dòng)作分別由獨(dú)立的凸輪完成，兩套凸輪由同一個(gè)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)并聯(lián)動(dòng)，通過兩套凸輪曲線的完美匹配，使機(jī)床的刀具交換全過程為一個(gè)連續(xù)的流暢動(dòng)作，應(yīng)用同動(dòng)凸輪驅(qū)動(dòng)換刀技術(shù)實(shí)現(xiàn)加工中心的快速換刀，可縮短刀具交換時(shí)間50%以上，同時(shí)提高刀具交換過程的可靠性。

具體技術(shù)對(duì)比分析如表2所示。

從表中可以看出，無論是在換刀速度上，還是在結(jié)構(gòu)上，同動(dòng)高速臥式刀庫都有一定的優(yōu)勢(shì)。

表2