加工中心自动换刀装置

神龙汽车有限公司襄阳工厂 （湖北 430056） 汪雪松

加工中心自动换刀装置

加工中心是由机械设备与数控系统组成的，适用于复杂零件加工的高效自动化机床。它与一般数控机床的显著区别是对零件进行多序加工的能力，即在一次装夹中自动完成铣、镗、钻、扩、铰、攻螺纹等加工。之所以加工中心能够广泛运用，是因为其能够利用刀库实现自动换刀。因此自动换刀装置功能的好坏关系到整个加工中心的性能。

自动换刀装置可分为五种基本形式，即转塔式、180°回转式、回转插入式、二轴转动式和主轴直接式。按照换刀过程有无机械手参与，分成有机械手换刀和无机械手换刀两种情况。在有机械手换刀的过程中，使用一个机械手将加工完毕的刀具从主轴中拔出，与此同时，另一机械手将在刀库中待命的刀具从刀库拔出，然后两者交换位置，完成换刀过程。无机械手换刀时，刀库中刀具存放方向与主轴平行，刀具放在主轴可到达位置换刀时，主轴移到刀库换刀位置，利用主轴将加工用毕刀具插人刀库中要求的空位处，然后刀库中待换刀具转到待命位置。主轴将待用刀具从刀库中取出，并将刀具插人主轴。

目前神龙公司襄阳工厂卧式加工中心换刀方法主要有两种：①主轴直接从刀库取刀，这种方式主要在COMAU 、MAKIO 等加工中心上。②通过换刀装置机械手交换主轴和刀库中的刀具，这种方式主要在NTC 、DFMTP 等加工中心上。

本文结合襄阳工厂缸体L3线应用实例，对东风设备制造厂DM500I 型卧式加工中心DM40ATC 自动换刀装置（以下简称ATC ）的动作及控制原理、现场维护维修方法进行研究与探讨。

1. DM40ATC自动换刀装置及换刀过程说明

东风设备制造厂生产的DM500Ⅰ卧式加工中心主轴为电主轴，配置DM40ATC 换刀装置。换刀装置运动采用变频器控制三相异步电动机，通过齿轮传动带动凸轮旋转，利用凸轮机构控制ATC 机械手的旋转、进退和松夹刀具（见图1）。位置控制通过传感器检查位置输入信号及延时继电器控制。

图1 ATC 机械手动作过程

换刀准备：刀库待调刀具移动到换刀位置，主轴移动到换刀位置即第二原点，主轴定向。换刀条件满足后，ATC 执行换刀动作。

ATC 动作步骤：①ATC 机械手在原位。②ATC 机械手顺时针旋转90°，主轴松开刀具，A T C 夹紧刀具。③ATC 机械手前进到位。④ATC 机械手顺时针旋转180°。⑤ATC 机械手后退到位，主轴夹紧刀具，ATC 松开刀具。⑥ATC 机械手逆时针旋转90°返回原位。

2. ATC机械动作原理

（1）ATC 机械手的旋转运动 机构1：凸轮沟槽+机械手驱动轴上6个滚轮轴承。如图2、图3所示，凸轮旋转时，通过外圆面上的沟槽，带动ATC 机械手驱动轴上的6个滚轮轴承旋转，从而将凸轮的旋转运动转换成与之成90°的ATC 机械手驱动轴的旋转运动。

（2）ATC 机械手的前进和后退运动 机构2：

凸轮沟槽+推杆上1个滚轮轴承。如图2所示，凸轮旋转时，凸轮端面上的沟槽，带动推杆上的轴承在沟槽中运动，从而将凸轮的旋转运动转换成推杆的来回摆动，带动ATC 机械手驱动轴的前后运动。

（3） ATC 夹刀和松刀 机构3：凸轮外圆面凸台+1个轴承+连杆机构。如图2、图3所示，凸轮旋转时，凸轮外圆面上的凸台推动机械手驱动轴中心的夹刀杆动作，克服弹簧力，从而将刀具松开；当凸台转过轴承时，由于弹簧力，夹刀杆将往回拉，夹刀杆与卡刀舌头的锥面配合，将刀具夹紧。

图2 ATC 装置机械装配图

1.机构3

2.推杆

3.机构2

4.刀杆

5.卡舌头

6.机械手驱动轴

7.机构1

图3 凸轮外圆面沟槽图

3. 电气程序控制原理

在自动的A T C 循环过程中，电动机的启动由PMC 输出点Y0.0（ATC FWD ）控制。Y0.0主要取

旋转用凸轮槽

松刀用凸轮

1

2

3

4

5

6

7

决于R1.4（ATC ARM FWD ）信号，R1.4信号主要取决于R3.7（ATC DRIVE CYCLE1）信号。R4.1和R4.3为调整使用，正常换刀过程中不涉及，在此文中也不详述（见图4）。

图 4

R3.5（A T C C Y C L E C O M M ）为A T C 循

环命令，条件满足后接通R3.7（A T C D R I V E CYCLE ），ATC 电动机开始旋转。

其中R101.0（ATC ARM STOP TIM ）取反点，换刀臂运行过程中当R101.0有信号时R3.7会断开，ATC 电动机停止，在整个的ATC 循环过程中会有两次停止。因此R101.0信号时长决定着换刀臂停止的

时长。R3.2（ATC ARM CYCLE COMP ）为ATC 循环完成信号，即ATC 循环完成后R3.7断开。

A T C 动作步骤②A T C 机械手顺时针旋转90°

过程中，第一次停止启动条件R4.5（ATC CYCLE 1）有信号后经过T9定时器延时（默认值为24ms ）后，R101.0有信号，A T C 机械手停止运动，同时，R4.5接通后经过T10主轴开始松刀，并保持松刀状态，刀具松开后，松刀信号X2.1（T O O L

UNCLAMP ）有信号，R101.0信号断开，ATC 机械手停止解除，ATC 机械手继续运动，直至ATC 循环过程中满足下一次停止条件（见图5）。

A T C 动作步骤⑤A T C 机械手后退到位过程中，第二次停止条件X2.6（ATC ARM RECOVER POSITION ）有信号且ATC 机械手循环三完成信号R4.7有信号，经过定时器T9延时（默认值为24ms ）后R101.0有信号，ATC 机械手停止运动。同时R101.1（ATC CYCLE TOOL UNCLAMP AUX ）及Y4.5（TOOL UNCLAMP ）信号断开后，Y4.6