链式刀库自动换刀装置及其液压控制系统的设计与分析

李永军 吴 丽 范春宏 王庆利

(沈阳机床股份有限公司中捷钻镗床厂，辽宁沈阳 100142)

自动换刀装置是链式刀库的重要组成部分，主要是将加工所需刀具从刀库传送到主轴。刀库的结构及自动换刀装置的工作方式，直接影响机床的换刀效率;自动换刀装置结构的复杂程度，直接影响整机的成本。

自动换刀装置大概分为油压机构、气压机构和电气式凸轮机构。其中油压机构最适用于刀具重量大、交换频繁的工况。在不断追求速度及可靠性的机床市场，液压结构的自动换刀装置依然占有重要地位。

1 自动换刀装置工作原理

链式刀库自动换刀装置(如图1所示)的功能是将刀具从刀库中取出插入主轴锥孔中或把刀具从主轴上取下送回刀库中。当主轴处于换刀位置时，油缸4将自动换刀装置从待机位置转到与主轴平行位置，由抓刀油缸5将机械手臂移动到主轴位置进行抓刀，待拔刀油缸将刀具拔出后，由换刀油缸控制机械手臂旋转180°，进行换刀动作;机械手臂原路返回，将旧刀放回刀库。整个操作动作是由电液系统控制完成，由电气开关监控。液压及电气控制的自动换刀装置换刀时间短，换刀动作稳定，但其机械结构比较复杂，加工工艺要求高。

机械手双臂完成的工作过程如下:

(1)机械手转向主轴——转臂油缸移动;

(2)机械手抓刀——抓刀油缸平移;

(3)机械手拔刀——插、拔刀油缸移动;

(4)机械手交换刀具——180°油缸回转;

(5)机械手插刀——插、拔刀油缸移动;

(6)机械手松刀、离开主轴——抓刀油缸平移;

(7)机械手转至待机位——转臂油缸移动。

2 自动换刀装置结构设计与分析

自动换刀装置必须满足换刀时间短、安置空间小以及安全可靠等基本要求。加工中心的关键在于对刀库的自动选刀和刀库、机械手与主轴间的自动换刀。并且加工中心故障较大部分都出现在自动换刀装置。因此，自动换刀装置结构设计就显得尤其重要，核心结构包括机械手臂装置(如图2所示)和旋转换刀机械装置(如图3所示)。

(1)机械手(如图2所示)抓刀与松刀是由相互位置180°的两个夹紧装置来实现的，两个夹紧装置可各自独立夹紧和松开。刀具在夹装置内夹紧后不能移动，每个夹紧装置是由一组碟形弹簧夹紧，并由锥销锁死。当机械手抓刀时，抓刀油缸平移，带动机械手双臂沿直线导轨移动使抓爪移进刀具凹槽内，并经碟形弹簧夹紧。当机械手拔刀时，锥销靠弹簧张力移进抓爪根部的斜面处，将机械手抓爪销死。机械手抓刀位置正确与否由限位开关监控。

(2)机械手完成抓刀后下一步是拔刀动作(如图3所示)，它是通过机械手内部的油缸驱动双臂作直线运动，机械手双臂沿转轴经导向键前后移动完成插、拔刀动作。其极限位置由电气开关监控。

(3)双臂回转(如图3所示)实现机械手自动换刀，也就是双臂有0°和180°两个位置。双臂的转动是由回转油缸来实现的。0°和180°这两个位置是靠精度较高的定位块精确定位，并由电气开关监控。

(4)机械手双臂转向待机位置(如图1所示)，是由二联油缸中的油缸3移动81.3 mm，推动机械手双臂沿转轴转动36.98°(如图3所示)。此位置是机械手从刀库中取出刀具后，等待与主轴上刀具工作完成后进行交换。当刀具交换时，二联油缸中的油缸4移动118.67 mm，使得机械手双臂转向主轴位置。此位置由定位块限位，并由电气开关检查。

3 液压控制系统设计与分析

自动换刀装置的整个操作动作是由电液系统控制完成的，液压控制系统(如图4所示)需要做到5个部分:双臂转动180°、手臂转动90°(包括待机位置)、双臂前后移动(插拔刀)、双臂平移(机械手抓刀)、刀套链转动与刀座定位。以下对各项液压控制原理进行分析。

(1)双臂转动180°:机械手自动换刀，双臂必须转动180°。双臂转动180°由三位四通电磁换向阀控制，旋转速度由节流阀调速，最终位置由定位块限位，并由电气开关监控。

(2)手臂转动90°(包括待机位置):机械手换刀循环过程中，为节省换刀时间，换刀动作是从待机位置开始。机械手从刀库中取出刀具旋转36.98°后停止在待机位置，此动作是由电磁换向阀控制双联油缸中的一个油缸移动，由节流阀调速，并由电气开关监控。

需要换刀时，机械手直接从待机位置转向主轴抓取刀具。此动作是由另一电磁换向阀控制双联油缸中的另外一个油缸移动完成，旋转速度由节流阀调整。极限位置由电气开关监控。机械手臂从刀库转到主轴整体运行90°。

(3)双臂前后移动(插拔刀):机械手无论是从刀库中抓取刀具还是从主轴上抓取刀具，都要有一个插、拔刀过程。插、拔刀具就是机械手沿着刀具轴线方向移动156 mm，使刀具脱离刀库刀座或主轴锥孔。此动作是由二位四通电磁阀控制完成，极限位置由电气开关监控。

(4)双臂平移(机械手抓刀):机械手臂沿直线导轨移动抓取刀具，这一过程是由电磁换向阀控制，并由电气开关监控。

(5)手动卸刀:是通过液压油缸活塞杆移动将刀座中的刀具顶出，它是由电磁换向阀控制，并由电气开关监控。

4 结语

未来机床的发展，均以追求高速、高精度、高效率为目标。随着切削速度的提高，切削时间的不断缩短，对换刀时间的要求也在逐步提高，目前换刀的速度已成为机床的一项重要指标，在技术条件可能的情况下应尽可能提高换刀速度。因此在以后的研究中，液压控制、电气设计及机械手臂的长度、惯量等各个方面上进行改进，并保证刀库的稳定性和高刚性。

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