数控机床自动换刀系统产品化研究

一、自动换刀系统产品化的意义

    自动换刀系统是数控机床的重要组成部分。刀具夹持元件的结构特性及它与机床主轴的联结方式，将直接影响机床的加工性能。刀库结构形式及刀具交换装置的工作方式，则会影响机床的换刀效率。自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度，又会对整机的成本造价产生直接影响。 

    从换刀系统发展的历史来看，1956年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM公司同期也研制成功了“APT”(刀具程序控制装置)。1958年美国K&T公司研制出带ATC(自动刀具交换装置)的加工中心。1967年出现了FMS(柔性制造系统)。1978年以后，加工中心迅速发展，带有ATC装置，可实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。1983年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，自动换刀系统便形成了统一的结构模式。目前国内外数控机床自动换刀系统中，刀具、辅具多采用锥柄结构，刀柄与机床主轴的联结、刀具的夹紧放松机构及驱动方式几乎都采用同一种结构模式。在这种模式中，机床主轴常采用空心的带有长拉杆、碟形弹簧组的结构形式，由液压或气动装置提供动力，实现夹紧放松刀柄的动作。利用这种机构夹持刀具进行数控加工的最大问题是，它不能同时获得高的夹持刚度和刀具振摆精度，而且主轴结构复杂，主轴轴向尺寸过大，加上它的液压驱动装置及刀具辅具锥柄的制造成本，使得自动换刀系统的造价在机床整机中占有较大的比重。据有关资料介绍，在刀具采用锥柄夹头、侧压夹头以及弹簧夹头夹紧性能的对比实验中，采用弹簧夹头夹持刀具是唯一可同时获得高的夹持刚度和振摆精度的理想元件。采用这种夹持元件，刀具或刀具辅具可作成圆柱柄，其制造成本低，精度易保证，这对大容量刀库降低刀具辅具的制造成本，意义更为显著。在现代数控机床上亦有采用弹簧夹头作为刀具的夹持元件，但机床的主轴结构、驱动方式仍然采用与上述锥柄刀具完全相同的结构形式。采用这种结构模式，在实际数控加工中，尤其是在需要超高速主轴、主轴的径向、轴向尺寸都很小、没有足够的换刀空间的微细加工场合中实现自动换刀将会是很困难的，如果实施自动换刀那将使机床成本大幅度提高。如在CNC控制磨削球面铣刀的数控磨削机床上，直接由高速电机驱动主轴，使用小直径盘形砂轮和指形砂轮加工球面铣刀，换刀空间很小，在这种条件下，将难以实现自动换刀。国外最新研制的内圆磨床上采用的弹簧夹头自动换刀装置售价昂贵。 

    二、自动换刀系统产品化的技术问题

    为了更好地简化数控机床主轴结构，尽可能地减小换刀机构对机床主轴结构优化设计带来的影响，采用弹簧夹头这一理想的刀具夹持元件，在机床主轴的设计上除了轴端制作出与弹簧夹头联结的专用结构外，机床主轴结构完全可以根据其优化要求来确定，从而可最大限度地提高机床主轴的工作性能。本研究以它巧妙的构思，对换刀机械手、刀具交换装置、刀库结构形式以及驱动机构进行了新的设计，改变了传统的结构模式。在本项研究中要解决的主要问题有： 

    1. 研究适用于机床主轴结构并能满足自动换刀要求的高性能弹簧夹头结构模式 

    弹簧夹头的结构及其制造工艺的优化程度直接影响着它的使用性能。用于自动换刀的弹簧夹头必须具备夹紧力大，能够自锁和工作可靠的特点，而且还必须具有足够的夹持刚度，同时便于刀具的轴向精确定位。 

    2. 研究确定弹簧夹头与机床主轴头部可靠联结的结构方案 

    弹簧夹头与主轴采用轴头联结，这种联结方式完全不影响机床主轴自身的优化设计。弹簧夹头对定尺寸柄刀具或定尺寸柄辅具的夹紧放松动作采用主轴轴端外驱动工作方式。因此要研究满足以上要求的主轴轴端结构形式。 

    3. 换刀机械手与驱动装置的研究 

    换刀机械手的主要任务是，完全模拟人手的换刀动作，给机床主轴与弹簧夹头提供相对转动实现夹紧、放松刀具的动作。机械手应具备足够的转矩，该转矩还必须恒定(可调)。同时还应使机械手具备结构紧凑、占据空间小的特点，以适应不同类型机床的换刀空间。换刀机械手完全采用电磁机械传动，以求最大限度地降低自动换刀系统的成本造价。 

    4.  刀库结构及刀库驱动方式的研究 

    要在总结现有数控机床刀库类型、刀架结构、刀库驱动方式的基础上，研制出夹持圆柱形定尺寸柄刀具或辅具的刀库形式、刀架结构和刀具交换装置。同时包括刀库的驱动、定位机构、刀具编码方式的研究。 

    5. 智能型控制系统的研究 

    自动换刀系统采用单片机或PLC控制，它通过几条与主控机的联络信号线以及系统内设置的自诊断、自适应功能实现对换刀系统的全自动控制管理。

    本研究已取得了阶段性成果，并获得了国家专利。该项研究包括：采用高性能弹簧夹头夹持刀具，使用外驱动机械手完成刀具的夹紧、放松，系统配置扩展型链式刀库和刀具交换装置，整机采用电磁机械传动、PLC控制，换刀系统具有夹紧力大、夹紧力恒定(可调)、自动复位以及各种自检保护功能，同时具有占据空间小的特点。研究的最终目标是，期望能够形成一种结构紧凑、工作稳定可靠、造价低廉、可供不同类型数控机床选型配套的智能型高性能自动换刀系统系列产品。 

    三、自动换刀系统产品化的前景

    随着机械加工业的发展，制造行业对于带有自动换刀系统的高效高性能加工中心的需求量越来越大。在现有的各种类型的加工中心中，传统结构的自动换刀系统的造价在机床整机造价中总是占着很大比重，这是加工中心价格居高不下、应用不普遍的重要原因。如果把自动换刀系统的设计制造从现有加工中心的制造模式中分离出来，把它作为加工中心的标准件或附件组织专门化的生产，同时由于该项技术的应用简化了机床主轴结构、采用弹簧夹头和外驱动机械手等关键技术、采用圆柱柄刀具和辅具，这不仅使数控机床工作性能有所提高，而且使得由它配套构成的加工中心的总体造价大幅度下降。低造价高性能的加工中心将会被中小厂广泛接收，这样必将给自动换刀系统生产厂商和加工中心制造厂商带来巨大的经济效益。