臥式加工中心廣泛應用于箱體類、多面體類零件的加工，而刀庫是臥式加工中心重要的功能部件之一，能大大節省輔助時間，提升加工效率。目前，自動換刀系統主要由鏈式刀庫與換刀機械手，盤式刀庫與換刀機械手組成，而刀庫所裝刀長有一定限制，比如HSK-100A刀庫能容最大刀長為500mm，超過此長度無法裝入。因此，設計一種輔助換刀系統，專門用于裝載超長、超大刀具，用于特深特征的加工，對提升加工中心的加工效率具有重要的意義。

1.臥式加工中心常用換刀系統

臥式加工中心主要由床身部、立柱部、滑鞍部、主軸部、工作臺部、交換站部、自動換刀系統組成，如圖1所示。

1.床身部 2.立柱部 3.滑鞍部 4.主軸部 5.工作臺部 6.交換站部 7.自動換刀系統

圖1 臥式加工中心結構示意圖

而自動換刀系統通常由刀庫與換刀機械手組成，如圖2為鏈式刀庫的自動換刀系統，圖3所示為盤式刀庫的自動換刀系統。

圖2 鏈式刀庫自動換刀系統                         圖3 盤式刀庫自動換刀系統

兩種自動換刀系統都由刀庫與凸輪機械手組成，其中鏈式刀庫容量大，通常為40把、60把、120把，甚至更多。而盤式刀庫存量不大，通常不超過20把。而該兩種常用的結構型式，所裝刀具長度都有一定限制，對于加工特殊特征的超長刀具無法裝入。因此，通常需要額外的機構實現對特殊刀具的儲存，有的將特殊刀具放入加工區的（如圖4所示），但放在加工區切削液及鐵屑容易進入，所裝刀具數量有限，且影響一定的加工范圍。本文針對超長刀具，設計了一種置于加工區外側的輔助換刀系統，用于深孔的鏜削與鉆削。

圖4 特殊刀具置于工作區示意圖

2.輔助換刀系統結構設計

由于機床的主軸Z向不能運動，且換刀位在工作區中，同時又不能影響已有的自動換刀系統的工作空間，因此設計了一種3自由度的輔助換刀系統，放置于機床工作區外，固定到床身側面，此輔助換刀系統可以沿著X向、Y向、Z向運動，如圖5所示。

（a）含輔助換刀系統的臥式加工中心

1.床身部 2.立柱部 3.滑鞍部 4.主軸部 5.工作臺部 6.交換站部 7.自動換刀系統 8.輔助換刀系統

（b）輔助換刀系統

9.Y向滑板 10.Y向導軌 11.Y向氣缸 12.X向托板 13.Y向阻尼器1 14.Y向阻尼器2 15.X向氣缸 16.X向滑板 17.X向導軌 18.X向滑塊 19.X向阻尼器1 20.X向阻尼器2 21.Z向氣缸 22.Z向滑塊 23.Z向導軌 24.Z向滑板 25.加長鏜刀 26.加長鉆頭 27.接近開關 28.Z向阻尼器 29.刀座 30.清潔器 31.氣控閥 32.支撐座 33.墊鐵 34.刀座2 35.清潔器2 36.接近開關

圖5

輔助換刀系統主要由送刀機構、驅動裝置、檢測裝置、刀柄清潔裝置組成。

（1）送刀機構

送刀機構由X、Y、Z向三個運動軸組成，其中X向行程左右運動為620mm，由工作區外將刀具送到工作區內。Y向行程上下運動為300mm，將刀具升到Y向換刀位置或降到待刀位置。Z向行程前后運動為105mm（至少應大于對應刀柄長度），完成刀具的插入與拔出主軸錐孔。X向與Z向相對運動距離較長，如采用導軌固定，通過滑塊運動帶移動部件運動，必須將滑塊固定在移動部件的末端，而使運動部件的重心在滑塊的前端，這樣就造成移動部件運行不穩，影響定位精度。

因此，采用滑塊固定在滑板上，導軌與移動部件固定的方式實現運動部件的移動，保證了運動部件的穩定運行及定位精度。

（2）驅動裝置

由于移動部件重量較輕，且每個軸都有固定的準停位置，因此，此輔助換刀系統采用了氣缸驅動實現各軸的運動，氣缸內部兩端行程增加緩沖裝置，外部兩端行程末端增加磁感應開關，提供到位反饋信號。管路上增加節流閥，方便對氣缸運動速度的調節。采用雙控電磁閥實現氣缸的伸縮切換。

（3）檢測裝置

該輔助換刀系統的檢測裝置主要有行程到位檢測開關、刀具有無檢測開關。行程到位檢測開關即為安裝于氣缸外部的，用于檢測內部活塞位置的磁感應開關。刀具有無檢測開關即為安裝于刀座上的，用于檢測刀柄的接近開關，通過螺母可調與刀柄外圓的距離。

（4）刀柄清潔裝置

為了保證從工作區換下刀具刀柄清潔，在將刀具換到刀座前，用刀座附近的吹氣裝置對主軸中的刀柄周圍進行吹氣，將切屑及切屑液最大程度的吹掉，有利于保護刀具錐柄清潔。

3.換刀流程

（1）主軸裝刀流程

將超長刀具，如加長鏜刀25安放到刀座29中，加長鉆頭26安放到刀座2中，刀座數量可依據所需特殊刀具數量而增加。

首先，氣控閥31中的Y向雙控閥切換到氣缸升起的一路，Y向氣缸11升起，Y向滑板9沿著Y向導軌10經Y向阻尼器13停到Y向氣缸11的行程末端，Y向氣缸11外部的磁感應開關反饋Y向滑板9到位，即刀具到達Y向換刀位置，此時換刀門打開，主軸運行到加長鏜刀25的換刀點位置，同樣給出反饋信號。

然后，X向氣缸15在對應雙控閥的控制下，X向導軌17帶動X向托板12伸出，經過X向阻尼器20的緩沖，使X向氣缸15的活塞停在氣缸前端，氣缸外側磁感應開關給出反饋信號，即將X向托板12送入到換刀點的X向坐標位置，此時將刀座29附近的吹氣裝置清潔器30打開。

接下來，固定有刀座29的Z向滑板24在Z向氣缸21的驅動控制下，隨著Z向導軌23伸出，經過Z向阻尼器28的緩沖，停在Z向換刀點的準確位置，氣缸外部磁感應開關給出反饋信號，即將刀具成功插入主軸，待接到主軸刀具夾緊信號后，證明主軸已將加長鏜刀25夾緊，之后主軸抬起大于300mm的安全距離后，Z向滑板24在Z向氣缸21的控制下隨著Z向導軌23反向運動，經Z向阻尼器緩沖停至末端氣缸外側磁感應開關給出到位反饋信號，吹氣裝置清潔器30關閉。

接到Z向氣缸21到位反饋信號，X向托板12在X向氣缸15的驅動下隨著X向導軌17反向運動，經X向阻尼器19緩沖停止末端氣缸外側磁感應開關給出到位反饋信號，證明換刀部分已移出工作區，此時換刀門可以關閉。

同時，Y向氣缸11反向運動Y向滑板9降落，經Y向阻尼器214緩沖停止原始位置，此時完成一個裝刀過程。

（2）主軸卸刀流程

在保證主軸遠離Y向換刀點安全距離300mm以上時候，重復上述主軸裝刀流程的步驟，輔助換刀系統到達換刀點后，主軸降落到Y向換刀點將加長鏜刀25放入到刀座29中，接近開關27給出刀具放好信號，主軸松刀并給出松刀信號，接到主軸松刀信號后Z向滑板24在Z向氣缸21的控制下隨著Z向導軌23反向運動，經Z向阻尼器緩沖停至末端氣缸外側磁感應開關給出到位反饋信號，主軸X向移動到加長鉆頭26的換刀點，刀座34附近的吹氣裝置清潔器35打開。

接下來，固定有刀座34的Z向滑板24在Z向氣缸21的驅動控制下，隨著Z向導軌23伸出，經過Z向阻尼器28的緩沖，停在Z向換刀點的準確位置，氣缸外部磁感應開關給出反饋信號，即將加長鉆頭26成功插入主軸，待接到主軸刀具夾緊信號后，證明主軸已將鉆頭夾緊。之后重復主軸裝刀流程中的換刀系統退回流程，至此，完成一套卸刀及裝刀流程。

4.結語

輔助換刀系統解決了常規臥式加工中心刀庫無法裝載超長刀具、超重刀具的弊端，對于減少加工輔助時間，提升加工中心的利用率具有重要的意義，該輔助換刀系統的結構方式可應用到其他加工中心中，具有廣泛的應用范圍，尤其對于應用到生產線中的設備，將大大提高自動化生產線的節拍。