一种卧式加工中心辅助换刀系统设计

1.卧式加工中心常用的换刀系统

卧式加工中心主要由床身、立柱、鞍座、主轴、工作台、交换站和自动换刀系统组成。

自动换刀系统通常由刀库和换刀机械手、链式刀库自动换刀系统和盘式刀库自动换刀系统组成。

刀库和凸轮机械手组成两个自动换刀系统，其中链式刀库容量较大，通常为40、60、120甚至更多。不过，盘刀的库存量并不大，通常不超过20把。但这两种常用结构安装的工具长度有限，无法安装特长的工具。因此，通常需要额外的机构来存储特殊的工具，其中一些工具被放入加工区域。但加工区放置的切削液和铁屑容易进入，安装的刀具数量有限，影响了一定的加工范围。本文针对超长刀具，设计了一种刀具。

加工区外的辅助换刀系统用于镗孔和钻深孔。

2.辅助换刀系统的结构设计

由于机床主轴不能在Z方向移动，且换刀位置在工作区内，又不能影响现有自动换刀系统的工作空间，所以设计了一个3自由度的辅助换刀系统，放在机床工作区外，固定在床身侧面。该辅助换刀系统可以沿X方向、Y方向和Z方向移动。

辅助换刀系统主要由进刀机构、驱动装置、检测装置和刀柄清洁装置组成。

(1)进给机构进给机构由X、Y、Z三个运动轴组成，其中X方向左右运动为620mm，刀具从工作区外送入工作区。上下移动到Y行程300mm，将刀具上升到Y方向换刀位置或下降到等待位置。来回移动到Z行程105mm(至少比对应手柄的长度长)，完成刀具插入和拔出主轴锥孔。X方向和Z方向之间的相对移动距离较长。比如用导轨固定，运动部件通过滑块运动带运动，滑块就必须固定在运动部件的末端，运动部件的重心在滑块的前端，这样就造成运动部件运行不稳定。

影响定位精度。因此，滑块固定在滑板上，导轨与运动部件固定在一起，实现运动部件的运动，保证了运动部件的稳定运行和定位精度。

(2)驱动装置。由于运动部件重量轻，每根轴都有固定的准停止位置，所以这种辅助换刀系统采用气缸驱动来实现每根轴的运动。气缸内行程两端加缓冲装置，外行程两端加磁感应开关，提供到位反馈信号。管道上增加了节流阀，便于调节气缸的运动速度。双控电磁阀用于实现气缸的伸缩切换。

(3)检测装置。辅助换刀系统的检测装置主要包括行程到位检测开关和刀具存在检测开关。行程到位检测开关是安装在气缸外部的磁感应开关，用于检测内部活塞的位置。刀具存在检测开关是安装在刀架上用于检测刀具手柄的接近开关，距离刀具手柄外圆的距离可以通过螺母调节。

(4)工具手柄清洁装置。为了保证从工作区换刀时刀夹的清洁，在换刀到刀夹之前，靠近刀夹的吹气装置在主轴内的刀夹周围吹气，最大程度的吹走切屑和切屑液，有利于保护刀具锥柄的清洁。

3.换刀过程

(1)主轴刀具装载过程

将一个超长工具，如加长镗刀25，放入刀架29，将加长钻头26放入刀架2。根据所需专用工具的数量，可以增加刀架的数量。首先，气动控制阀31中的Y向双控阀切换到气缸升降方式，Y向滑板9通过Y向阻尼器13沿Y向导轨10上升到气缸11，气缸11外的Y向磁感应开关反馈Y向滑板9到位，即刀具换到Y向换刀位置。此时换刀门打开，主轴运行到加长镗刀25的换刀点，也给出反馈信号。然后，在相应的双控制阀的控制下，X方向导轨17带动X方向托盘12伸出，经过X方向阻尼器20的缓冲后，X方向气缸15的活塞停在气缸前端，气缸外侧的磁感应开关给出反馈信号，将X方向托盘12送至换刀点的X方向坐标位置。此时，工具架29附近的鼓风清洁器30被打开。

接下来，在Z方向气缸21的驱动控制下，利用Z方向导轨23的延伸和Z方向阻尼器28的缓冲，固定有工具保持器29的Z方向滑动板24停止在Z方向工具更换点的准确位置。气缸外的磁感应开关给出反馈信号，即刀具成功插入主轴。在接收到主轴的刀具夹紧信号之后，证明主轴已经夹紧了延伸的镗刀25。然后，当主轴被提升到大于300毫米的安全距离后，Z向滑板24在Z向气缸21的控制下与Z向导轨23一起反向移动，Z向阻尼器缓冲并停止，直到端部气缸外的磁感应开关给出反馈信号，吹风清洁器30关闭。接收到Z向气缸21的反馈信号后，X向气缸15驱动X向托盘12沿X向导轨17反向移动，X向阻尼器19缓冲停止端气缸外的磁感应开关给出反馈信号，证明换刀部件已经移出工作区，此时换刀门可以关闭。

同时，Y向气缸11反向移动，Y向滑板9落地，并通过Y向阻尼器214的缓冲停止在原始位置，从而完成工具装载过程。

(2)主轴刀具卸载过程

当主轴与Y方向换刀点之间安全距离大于300毫米时，重复主轴装刀过程的步骤。在辅助换刀系统到达换刀点后，主轴将落在Y方向换刀点，并将延伸的镗刀25放入刀架29中，接近开关27将发出信号将刀具放置到位，主轴将松开刀具并发出松开信号。收到主轴的松刀信号后，Z滑板24在Z气缸21的控制下沿Z导轨23反向移动，并被Z阻尼器缓冲停止，直到端气缸外的磁感应开关给出反馈信号。主轴沿X方向移动到加长钻头26的换刀点，靠近刀架34的空气滤清器35被打开。

接下来，在Z方向气缸21的驱动控制下，利用Z方向导轨23的延伸和Z方向阻尼器28的缓冲，固定有工具保持器34的Z方向滑动板24停止在Z方向工具更换点的准确位置。筒外的磁感应开关给出反馈信号，即加长钻头26成功插入主轴。收到主轴刀具夹紧信号后，证明主轴已经夹紧钻头。之后，重复主轴装刀过程中返回换刀系统的过程，至此，一套卸刀和装刀过程完成。

4.结论

该辅助换刀系统解决了常规卧式加工中心刀库无法装载超长超重刀具的问题，对减少辅助加工时间、提高加工中心利用率具有重要意义。辅助换刀系统的结构可以应用于其他加工中心，应用范围广，特别是应用于生产线的设备，将大大提高自动化生产线的节拍。