中捷TH5680三坐标数控加工中心自动换刀装置的设计及维护

徐寒冰

摘 要 自动换刀装置是保证加工中心多工序加工的基本条件，其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间，提高生产效率，减低生产成本。文章对中捷TH5680三坐标数控加工中心自动换刀装置的改造设计进行了详细的论述，介绍了自动换刀装置的原理、PMC控制过程和装置的维护及应用。

关键词 自动换刀系统；机械手控制；故障维护

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）08-0144-01

近年来，随着机械制造业的不断发展，数控加工技术得到了迅速的普及和应用。为了满足现代化的生产需要，数控机床的加工效率在不断地提高，各种类型的数控加工中心不断出现。数控加工中心是从数控机床发展而来的，与数控机床的最大区别在于加工中心具有自动交换加工刀具的能力。自动换刀装置是加工中心的重要组成部分，它可以帮助数控机床在加工过程中自动完成换刀动作，连续完成多道工序，减少了不同工序间的换刀时间。由于老式换刀装置的控制系统经常出现换刀错乱、失败等现象，给加工零件的精度造成很严重的影响，因此需要对自动换刀装置进行改造设计。通过对中捷TH5680三坐标数控加工中心加工特性及机械结构的分析研究，决定选用带有圆盘式刀库和换刀机械手的自动换刀装置。

1 自动换刀系统的控制方式及基本要求

加工中心自动换刀系统的控制主要分为两部分：刀库选刀控制和刀具交换控制。具体控制方式采用电气和机械联合控制，控制机械手运动完成刀库刀具与主轴刀具交换动作。刀库旋转采用电动机的正反转控制，电气检测开关对换刀位置及刀具定位进行检测控制。机械手通过液压、气动控制方式完成抓刀和松刀动作。

基本要求：①刀具换刀时间短；②刀具重复定位精度高；③足够的刀具储存量；④刀库占地面积小；⑤换刀安全可靠。

刀库在运行过程中如果发生停电等故障，系统要具备中断点记忆和手动操作恢复功能，要有完善的电机保护和报警操作提示。

2 自动换刀装置设计内容

设计电气图纸、编制PMC控制程序、对机械部分进行硬件设计改造和调试。

3 自动换刀动作的控制过程

1）程序执行选刀指令，系统对所选刀具位置进行判别后，刀库电动机接收信号进行正转或反转，刀库中刀位计数开关开始计数，当所选刀具旋转到换刀位置时，电动机停止旋转，选刀定位完成。

2）倒刀信号动作，气动控制使所选刀具刀杯向下翻转90°，倒刀到位检测开关发出信号，完成倒刀控制，交换刀具指令开始动作。

3）执行交换刀具指令，交换刀具指令为M06，主轴在接到指令后自动返回换刀点，实现主轴准停，然后机械手电动机启动，带动机械手逆时针旋转60°，进行抓刀控制，当机械手抓刀定位开关发出到位信号后，机械手电动机停止，主轴刀具夹紧装置松开，电动机起动，带动机械手向下运行，拔出主轴刀具。

4）机械手拔刀后，逆时针旋转180°，使主轴刀具与所选刀具位置对调。电动机起动，机械手向上运行，把所需刀具插入主轴锥孔中，到位后主轴自动夹紧机构夹紧刀具，同时机械手将换下来的刀具插入刀库的刀杯中。机械手完成插刀动作后，电动机停止运行。

5）机械手到位检测开关发出到位信号，电动机起动，机械手顺时针转动60°，回到原点位置，电动机停止。

6）机械手旋转至原始位置后，其到位检测开关发出到位信号，气动控制推动刀杯向上翻转90°，刀库恢复正常状态，整个自动换刀动作顺利完成。

4 自动换刀装置PMC程序数据表及功能指令的编制及应用

在系统PMC中专为刀库设置一个数据表，数据表的个数为刀库最大装刀量加上一（主轴刀）。刀库数据表的首地址设定为主轴的刀座号，数据表的序号与刀库中的刀座号一一对应，每个表中的内容就是其相对应的刀座中所存刀具的刀具号。当程序执行到选刀指令时，PMC通过数据检索指令，把检索到的所需刀具在刀库中的实际位置通知给系统。PMC控制电动机带动刀库旋转，把所需刀具转到机械手换刀位置，等待换刀动作开始。

系统执行换刀指令M06时，机床主轴自动运行到设定的换刀位置等待换刀，机械手开始执行换刀动作，将主轴上的刀具和刀库中选出的刀具进行交换。换刀动作完成后，数据表中相对应的地址中的刀具号也发生了交换。

主要功能指令的应用：

COMPB指令：比较指令，用来判别新刀号是否与主轴当前刀号相同，相同则跳出换刀程序，不相同则执行换刀程序。

ROTB指令：旋转控制的功能指令，主要用于回转控制，确定刀库的旋转方向。

COIN指令：一致性检测的功能指令，用来判定刀库中选择刀具是否转到换刀位置，到位则刀库电动机立即停止转动。

XMOVB指令：数据传送指令，主要用于当刀具发生更换后，对应的刀号寄存器重新赋值。

5 刀库及机械手的常见故障及维护

5.1 刀库维护要点

1）严禁把超长超重刀具装入刀库，防止换刀时掉刀或与工件等发生碰撞。

2）刀具放置在刀库中的顺序要正确，防止换错刀具导致事故发生。

3）手动装刀要确保到位和牢靠，并检查刀座的紧锁装置是否可靠。

4）要注意保持刀具刀柄和刀套的清洁。

5.2 刀库常见故障及维护

1）刀库不能转动时检查联轴器及机械连接是否正常；刀库转动不到位则检查电动机及传动机构是否正常。

2）刀套不夹紧刀具，可能是调整螺钉松动或弹簧太松，对其进行调整。

3）刀套上下不到位，可能是装置调整不当或加工误差太大而造成换刀位置不正确。

5.3 机械手故障及维护

1）刀具夹不紧掉刀，可能是卡紧爪弹簧压力过小或刀具

超重。

2）刀具夹紧后松不开，可能是松锁的弹簧压合过紧，卡爪缩不回，需要调松螺母。

3）刀具交换时掉刀，可能是抓刀不到位或主轴准停位置漂移，需重新设定换刀点。

6 结论

通过对中捷TH5680三坐标数控加工中心自动换刀装置的改造和调试，减少了加工过程中的换刀时间，机床加工效率有很大提高，满足了生产需要。

参考文献

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