加工中心自动换刀装置的研究

加工中心自动换刀系统的研究机械电子工程1前言随着数控技术的发展，带有自动换刀系统的加工中心在现代制造业中起着愈来愈重要的作用，它能缩短产品的制造周期，提高产品的加工精度，适合柔性加工[1]。人们一直寻求各种方式，提高加工中心的加工效率。如提高进给与移动速度、提高主轴转速、加大主轴电机功率、加大切削用量、采用高质量刀具等。在高节拍多次换刀的加工过程中，缩短换刀时间，可大大提高生产效率。国内外加工中心生产厂家都投入大量的资金和精力，研制自动换刀装置，以缩短换刀时间，提高工作效率和竞争力。自动换刀装置是专门为大中型加工中心配套，实现其刀具储备及自动交换功能的重要功能部件，是高档加工中心和重型加工中心的重要组成部分。其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间，以提高生产率，降低生产成本，进而提升机床乃至整个生产线的生产力。自动换刀装置的换刀速度和可靠性，是数控机床系统先进与否的一个重要标志[2]。2、自动换刀系统的组成自动换刀系统[2,3,5]一般由刀库、机械手和驱动装置组成。一般来说，刀库容量可大可小，其装刀数量在20～180把之间。刀库的功能是存储刀具并把下一把即将要用的刀具准确地送到换刀位置，供换刀机械手完成新旧刀具的交换。当刀库容量大时，常远离主轴配置且整体移动不易，这就需要在主轴和刀库之间配置换刀机构来执行换刀动作。完成此功能的机构包括送刀臂、摆刀站和换刀臂，总称为机械手。具体来说，它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。驱动装置[4]则是使刀库和机械手实现其功能的装置，一般由步进电机或液压(或气液机构)或凸轮机构组成。机械手完成刀库里的刀与主轴上的刀的交换工作。由于数控加工中心的刀库容量、换刀可靠性及换刀速度直接影响到加工中心的效率，而自动换刀就是进一步压缩非切削时间，提高生产效率，改善劳动条件。所以数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道加工工序，缩短辅助时间，减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。2.1刀库目前，国内外采用的数控机床刀库主要分为：转塔式、圆盘式、链式刀库等形式。转塔式刀库，包括水平转塔头和垂直转塔头两种，所有刀具固定在同一转塔上，无换刀臂，储刀数量有限，通常为6—8把。一般仅用于轻便而简单的机型，常见于车削中心和钻削中心。圆盘式刀库呈盘状，刀具沿盘面垂直排列(包括径向取刀和轴向取刀)、沿盘面径向排列或成锐角形式的刀库，结构简单、紧凑，应用较多，但刀具单环排列，空间利用率低。若增加刀库容量，必须使刀库的外径增大，那么转动惯量也相应增大，选刀运动时间长。双盘式结构，是两个较小容量的刀库分置于主轴两侧，布局较紧凑，储刀数量也相应增大，适用于中小型加工中心[5,7]。链式刀库，包括单环链和多环链，链环形式可有多种变化，适用于刀库容量较大的场合，所占的空间小。一般适用于刀具数在30—120把。仅增加链条长度即可增加刀具数，也可以把多个刀库按并联或串联的方式排列起来，既可使刀库容量加大，又可以不增加圆周速度，其转动惯量不像盘式刀库增加的那样大。链式刀库的驱动，有伺服电机或液压分度马达，刀库做选刀运动在起始和到位时，有平稳的加减速过程，而在相隔多个刀位选刀运动途中，运动连贯不变速，这样就保证了较高的选刀速度和平稳性。对于刀库的选择应根据具体的需求和情况进行选择，比较各刀库的优缺点合理选择。例如，在空间有限，刀具需求量大的情况下，可以选择将刀库设计为链式刀库。2.2机械手加工中心自动换刀装置有两种形式：有机械手换刀和无机械手换刀[6]。加工中心的自动换刀装置大多都采用有机械手换刀方式。它是由机械手把刀库上的刀具送到主轴上，再把主轴上已用过的刀具返送到刀库上，换刀时间短，但其机械结构比较复杂。目前，国内外采用的执行刀库和主轴之间换刀动作的机械手，主要分为以下几种类型：单臂机械手、双臂机械手、带送刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手。单臂机械手的换刀机械手仅一个手臂，其又分为单手式和双手式。单手式，换刀臂仅在某一端有一个抓刀手，所有动作均由单手完成，执行动作多，换刀时间长，但结构简单，刀库与主轴轴线平行或垂直的情况均适用。双手式，换刀臂两端各有一个抓刀手，机械手同时抓取主轴和刀库上的刀具。回转180°，同时放回和装入刀具，换刀时间短，较为常用，多用于刀库与主轴轴线平行的场合[]。双臂机械手有两个机械手臂，每个手臂端部都有一个抓刀手，其抓刀和换刀动作类似于人手动作，除执行换刀动作外，有些还可以起运输刀具的作用。这种机械手结构较复杂，但换刀时间短。带送刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手。送刀臂将刀具从刀库中取出送到摆刀站，由摆刀站将刀具送到换刀位置，最后由换刀臂进行换刀。其结构更复杂，各部分在空间巧妙配置和组合，更具变化性，一般换刀时间较短，适用于刀库距离主轴较远的场合。无机械手换刀方式是直接在刀库与主轴（或刀架）之间换刀的自动换刀方式。因无机械手，所以结构简单，换刀时必须首先将用过的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出新刀具。这两个动作不能同时进行，所以换刀过程较为复杂，换刀时间较长，但是刀库回转是在工步与工步之间，即非切削时进行的，因此可免去刀库回转时的振动对加工精度的影响。无机械手换刀方式适用于小型加工中心或换刀次数少的用重型刀具的重型机床。2.3驱动装置机械手的驱动，主要有液压(包括气液)驱动和机械式凸轮联动两种。采用液压式驱动的自动换刀装置，插、拔刀动作均由油缸完成。常见的方案是机械手装在套筒上，活塞杆固定，缸套同套筒一起移动，油缸左右腔进油完成动作。机械手的回转既可以采用回转油缸，也可以采用直线运动油缸通过齿轮齿条带动来完成。液压系统工作平稳可靠、易予调节、传动介质为高压力的油性介质，因此适合大功率输出的系统[7]。加工中心换刀控制液压系统主要用于实现主轴退刀控制，亦可也用于机械手的换刀控制。自动换刀气动控制系统[8]的主要控制内容为：刀库刀具倒刀或回刀控制，主轴吹气控制。该系统的特点为：气源容易获得、反应速度快、动作迅速、维护方便、管路不易堵塞、不易发生过载，还可以用于降温。工作压力较低，空气压缩比大，故输出功率低。采用机械凸轮联动驱动的自动换刀装置，插、拔刀动作通常由凸轮驱动摆杆来完成。回转动作常通过弧面分度凸轮或平行分度凸轮，带动滚子盘直接驱动机械手，或再通过一对齿轮驱动机械手旋转。目前应用较多的是液压驱动的方式，在液压的驱动下可以实现平稳工作且输出的功率比较大，也没有凸轮的磨损问题。3、自动换刀过程这里以日本牧野MAKINO1210卧式加工中心换刀过程[9]为例，简述自动换刀过程的实现。MAKINO1210采用盘式刀库，刀库容量为60把刀具，刀库刀套采用传统的炮筒式结构，机械手采用回转式结构，换刀示意图如图1所示。P1为送刀机构取送刀的工位。假设现在主轴上正工作的刀具是T01，而要被换上的下一把刀具是T02，继T02之后要被换上的刀具是T03。图1日本牧野MAKINO1210卧式加工中心换刀示意图[9]换刀过程：1、刀库取刀：主轴正常工作，刀库旋转，将T02所在的滑板由刀库沿滑道上移，并将T02所在的刀座中心与P1重合，等待换刀。当系统发出换刀指令后，送刀机构将刀具T02及其刀座一起沿轨道移动到P2，等待换刀机械手换刀，在送刀机构工作的同时，主轴快速停转并回到主轴换刀点，主轴应离开被加工工件一段距离，为换刀留出一个足够的空间，避免换刀被工件干涉。2、主轴换刀：主轴回到换刀点，刀具T02在P2。机械手旋转抓刀，外伸拔刀。旋转180°换刀，机械手装刀，机械手复位。主轴开始工作，送刀机构要将刚换下的刀具T01放回刀库中。刀库旋转选刀刀库旋转选刀滑道、导轨送刀机械手旋转抓刀一手抓待换刀具T02一手抓主轴刀具T01机械手外伸拔刀机械手旋转180°换刀一手抓T02送到主轴位置一手将T01送到P2位置机械手回缩装刀主轴急停回到换刀点机械手复位、主轴工作导轨、滑道送刀刀回刀库准备下次换刀图2自动换刀流程图3、刀库装刀：送刀机构将刚才换下的刀具T01沿轨道送到P1处的滑板里，滑板沿轨道下移回到刀库中，刀库旋转，将T03所在的滑板由刀库沿轨道上移，并将T03所在的刀座中心与P1重合，等待下次换刀。换刀过程就是这样，由刀库取刀→送刀→机械手换刀→刀库装刀→刀库取刀循环，直到工件加工完成，其流程图如图2所示。当然换刀过程并不唯一，考虑到上述刀库容量大，加上采用盘式刀库引起刀库所占的空间较大，刀具由刀具到换刀点P2，并最终完成换刀和刀库装刀的操作台复杂。特别是刀具在换刀和退刀的过程中要经过两次移动，这样就容易带来误差。如果在换刀过程中其中一个环节出现问题，都可能无法正常工作，降低了效率，甚至发生事故。可以考虑将盘式刀库改为链式刀库，这样可以使刀库占用的空间减小。再通过刀库与主轴的合理布置，机械手类型的选择，特殊刀座的应用来简化换刀过程，使得在换刀的过程中无移动环节。将机械手设计为直抓式，利用特殊刀座，实现简化目的。改进后机械手可以安全、快速的完成换刀，动作也少，实现较容易。回转式机械手与刀库中刀具间有干涉，而直抓式机械手与刀库没有干涉，这样就保证换刀的准确性，也可以大大降低发生事故的概率。4、自动换刀过程的控制机器毕竟是机器，要使它听命于人就必须对其进行控制，目前常用可编程逻辑控制器[10,11]（PLC）进行编程控制。利用PLC可以控制步进电机的转动来实现角位移，也可以控制电磁阀的通断[11]。步进电机的转动来驱动机械手臂的左右旋转或驱动刀库的旋转。电磁阀驱动液缸（气缸）的升降和伸缩，升降运动来控制机械手手臂的上升和下降，伸缩运动来控制机械手手臂的伸长和收缩。4.1自动选刀方式目前刀具选择一般有四种控制方式：刀套编码方式、顺序选刀方式、刀具编码方式以及随机换刀方式。刀套编码方式是对刀库各刀座预先编码，每把刀具放入相应刀座之后就具有了相应刀座的编码，即刀具在刀库中的位置是固定的。顺序选刀方式是将刀具按加工工序顺序依次放入刀库的每一个刀座中。每次换刀时，先把已经使用过的刀具放回原来的刀座中，然后刀库顺序转过一个刀座位置，并取出所需要的刀具。这种方法有利于换刀过程的控制，但是，由于刀具在不同的工序中不能重复使用，如果刀具不按顺序放在刀库中，将会产生严重的后果。这样就必须增加刀库的容量和刀具的数量，降低了刀库和刀具的利用率。刀具编码方式是指刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列，可以任意排放的。每把刀具均编上代码，自动换刀时，刀库旋转，每把刀具都要经过“刀具识别器”接受识别[5]。当刀具代码与数控机床发出的请求代码相符时，刀库旋转到换刀位置，等待机械手取刀。随机选刀方式主要由软件完成选刀,根据指令要求任意选择所需要的刀具。刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列，可任意存放，且相同的刀具可以重复使用。消除了由于识别装置的移动性和可靠性所带来的选刀误差,大大提高了选刀精度并简化了控制装置。刀具数量比较少，刀库也相应的较小。目前该种选刀方式正被越来越多的各类数控机床自动换刀装置采用。4.2基于PLC的自动换刀控制开始PLC接到请求刀号信息PLC根据目标位置和现在位置确定刀库旋转的最短路径驱动电机转动刀库旋转到位NY刀库停止旋转，主轴停止工作机械手开始工作、换刀PLC接收到计算机数控装置（CNC)发来的刀号指令,即进行选刀工作,刀库在步进电机的带动下转动,一旦选刀成功,就将该刀送至指定的刀具交换位置上,等待换刀。在这个过程中,需要应用PLC完成的自动控制主要包括接收新刀号、计算目标地址、确定刀库回转方向及回转角度等。在刀库刀具的安装位置上装有到位信号灯,开始PLC接到请求刀号信息PLC根据目标位置和现在位置确定刀库旋转的最短路径驱动电机转动刀库旋转到位NY刀库停止旋转，主轴停止工作机械手开始工作、换刀或装刀动作，从而实现换刀，流程图如图3所示。5、总结自动换刀装置，将根据不同的工作需要，进行多元化发展。自动换刀装置所追求的换刀时间将越来越短，通用性和可靠性越来越强。传统装置将会采用动作速度更快的机构和驱动元件，凸轮结构近年来已被大量采用[12]。同时新的材料和加工工艺，弥补凸轮机构磨损后可靠性降低的缺点。新的换刀方式的出现，也为自动换刀装置的进一步发展提出了新的思路。双主轴和多主轴换刀技术，把机床的换刀速度提高到了新的水平。多主轴换刀方式，可以使安装在夹具上的工件快速在各主轴之间移动。在通用性方面，立卧式两用自动换刀装置将会成为另一个发展方向。基于PLC的自动换刀系统将充分发挥现有数控设备的功能，节省人工换刀时所需要的时间，提高车间的生产效率，同时能够实现一次装夹完成多道工序，缩短了生产准备时间。6参考文献[1]黄泽正，刘冲，陈志辉.加工中心自动换刀装置的设计[J].机械工程与自动化,2007,(1):124-125.[2]韩越梅.加工中心自动换刀装置的研究进展[J].装备制造技术，2010,(5):128-129.[3]Y.H.Jeong,H.Tae,B.K.Min,D.W.Cho.Virtualautomatictoolchangerofamachiningcentrewithareal-timesimulation[J].InternationalJournalofComputerIntegratedManufacturing,2008,21(8).

[4]Beom-SahngRyuh,SangMinPark,GordonR.Pennock.Anautomatictoolchangerandintegratedsoftwareforaroboticdiepolishingstation[J].MechanismandMachineTheory,

2006,41(4).

[5]戚洪利.自动换刀装置及其控制的研究[D].兰州理工大学,2007.[6]曹秋霞.小型立式加工中心无机械手自动换刀装置的设计[J].机床与液压，2006，(9):54-56.[7]谭光恒.大型刀库及自动换刀装置的研制[J].机械工程师,2010,(7)：40-41.[8]朱文艺,张庆乐.数控加工中心自动换刀机构动作过程及控制原理研究[J].武汉工程职业技术学院学报,2009，21(1):5-9.[9]张俊勇,赵小刚.刀库合理布置在加工中心的应用[J].装备制造技术，2009,(6):147-148.[10]牛军燕，顾寄南.基于PLC的自动换刀系统研究[J].制造业自动化,2010，32(6):35-36.[11]JianboLiu,DraganDjurdjanovic,JunNi.IDENTIFICATIONANDANOMALYDETECTIONFORPLCCONTROLLEDAUTOMATICTOOLCHANGERUSINGTIMEDPETRINET[Z].InternationalManufacturingScienceAndEngineeringConference,Atlanta,Georgia,USA,2007.[12]MingCong,JingLiu,QuanpuLi.ANovelDual-CamLinkageDriveAutomaticToolChangerforHorizontalMachiningCenter[Z].InternationalConferenceonIntelligentRoboticsandApplications,Wuhan,附：ABSTRACTInthispaper,anewmethodisproposedforincrementalidentificationofProgrammableLogicController(PLC)controlledtoolchangingprocessusingavailablebinaryeventlogsobtainedfromthePLC.TheidentifieddiscreteeventmodelidentifiedtakestheformofamodifiedTimedPetriNet(TPN).ArealtimeanomalydetectionsystemisthenconstructedbysynchronizingtheidentifiedTPNmodelwiththeactualtoolchangingprocessthroughtheeventsequence.Anydiscrepanciesbetweenthemodelandactualsystemarerecognizedasanomalies.Thetestresultsshowthatthediagnosticsystemautomaticallyconstructedusingthenewlyproposedprocedureisabletodetectanomalies,suchasincorrecttimingandillegaleventsequence.ThesameprocedurehasbeensuccessfullyappliedtomonitorotherPLCcontrolledautomationprocesses.摘要在此，提出了一种新方法，即利用从PLC获得的可用的二进制记录，控制识别换刀过程的PLC增量。为确定已识别的离散事件模型需要修改计时Petri网。根据事件序列，使已确定的计时Petri网模型与实际的换刀过程同步，从而建立实时异常检测系统。模型和实际系统之间的任何差异都将被认为是异常。试验结果表明，诊断系统会自动使用新构建的方法检测到异常现象，例如不正确的时序或非法的事件序列。同样的程序已成功地应用于其他监控PLC控制的自动化程序。AbstractInthispaper,anovelautomatictoolchangerforhorizontalmachiningcenterispresented.Themechanismandworkingprincipleofthe