自动换刀装置发展现状及其关键技术

李加明，陶卫军，冯虎田

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094)

自动换刀装置 (Automatic Tool Changer，ATC)主要用于大中型数控加工中心，具有连续换刀且换刀时间短的优点。目前，已成为数控加工中心的重要组成部分和关键功能部件。通过自动换刀装置，可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[1－2]。随着数控加工中心向高性能、高精度、高速度和高可靠性方向发展，对自动换刀装置的精度、性能和可靠性也提出了更高的要求。目前，我国提出振兴装备制造业、自主发展数控机床的国家战略，同时对数控机床与加工中心的功能部件和基础元件的自主发展非常重视，很多专家学者已经开始认识到国产功能部件包括自动换刀装置、滚动功能部件和数控系统存在基础研究薄弱和性能总体落后的问题，急需在国产功能部件上进行产品性能提升。其中，自动换刀装置作为数控加工中心的重要组成部分和关键功能部件，直接影响到国产数控加工中心的自主发展和国产化水平。由此，从提高国产数控加工中心的自主化程度出发，对国内外自动换刀装置的发展现状进行了分析，并对自动换刀装置相关的主要关键技术进行了总结。

1 国内外自动换刀装置发展现状

自动换刀装置主要由刀库和机械手及驱动装置组成，刀库的功能是存贮加工中心所要用的各种刀具，并在数控系统的控制下，把即将要用的刀具准确地送到换刀位置，刀库的主要形式有转塔式、盘式以及链式;机械手的功能是完成刀具在主轴头与刀库之间的传递及装卸;驱动装置则是为刀库和机械手实现其功能提供动力的机构，主要有液压驱动、机械式凸轮联动两种方式[3－4]。其中液压驱动平稳、可靠，但是其运动速率慢，故换刀时间较长;凸轮机构有良好的动态特性，通过凸轮联动驱动的换刀机械手，可在高速条件下可靠地运转，具有较短的刀对刀换刀时间，但凸轮机构造价高，且长时间使用会出现磨损，影响换刀动作的可靠性。目前，具有更高可靠性与较高自动换刀速度的凸轮式换刀成为主流发展趋势[5]。

自1958年美国K＆T 公司研制出带有自动换刀装置的加工中心，数控机床发展迅速，20世纪70年代可实现自动换刀的多工序数控机床步入了发展的黄金时代[6]。近几年，随着数控机床行业向着多功能、高效率、高速化、高可靠性的演进趋势，发展高负荷、高容量、高速化、高可靠性的自动换刀装置成为必然趋势。

为适应数控机床的多功能化，如落地镗床、龙门车床等重型机床对大型刀库及超重负荷刀具的需求，发展出刀链系统能承载超重刀具(质量30 kg以上)的刀库，其机械手拥有强力锁刀功能，防止刀具在运转中掉落，如台湾吉辅生产的采用液压驱动的大型链式刀库HK100A-240CH，其最大刀具质量35 kg以上，刀库容量120。为了使高速加工中心具有组合机床和专用机床的高生产效率，高速切削使切削时间不断缩短，因而换刀时间的缩短对于加工中心生产效率的提高就显得更加重要。工业发达国家如德国、日本、奥地利等在高速加工中心的快速自动换刀装置上采取一些新技术，如奥地利ANGERG 公司生产的多主轴自动换刀机床，每根主轴安装1 把刀具、并排固定在主轴架上且由各自的电动机直接驱动，简化了传动系统和主轴结构，由夹具快速位移完成换刀，实现了切屑到切屑换刀时间仅为0.4 s，是目前世界上切屑到切屑换刀时间最短的机床;日本MAZAK 公司生产的FH480 卧式加工中心，采用托盘交付工作台，其刀到刀换刀时间只需1.3 s，切屑到切屑换刀时间为4.0 s;德国CHIRON 公司研发的FZ08S，采用多机械手任意选刀，每把刀具都有对应的机械手，实现了切屑到切屑换刀时间为1.5 s。同时由于数控设备市场的发展需求，催生了一批自动换刀装置生产专业厂家，台湾在这方面处于国际领先水平，例如台湾吉辅，产品型号众多，且主要指标达到国际先进水平，如其研发的40CV 立式刀库，采用伺服电机驱动，刀对刀换刀时间仅为1.41 s。

相对于欧美工业发达国家，我国自动换刀装置的研究起步较晚，直到20世纪80 代才开始。20世纪90年代以来，随着数控机床及其关键功能部件的研究工作被列为国家重点科技攻关项目，自动换刀装置作为数控加工中心的关键功能部件，其制造技术和水平直接影响到我国数控加工中心的自主发展与生产。目前国内自主研发的自动换刀装置刀对刀的换刀时间已到达10 s以内，如上海盛钰生产的采用凸轮驱动的50#立式刀库，其刀对刀换刀时间达到5.5 s;南京工艺生产的盘式直线往复运动刀库采用气压驱动，刀对刀换刀时间为8 s。

表1 自动换刀装置的相关参数表

总结国内外自动换刀装置技术特点，国产自动换刀装置与国外同类先进产品相比在技术上还有明显的差距，主要表现在:换刀速度的主要指标刀到刀、切削到切削以及切屑到切屑换刀时间和同时期的国外先进水平有明显差距;刀库及机械手的定位精度和精度保持性能相对较差，还需要进一步的提高和优化;自动换刀装置的可靠性作为衡量一个ATC 先进与否的关键指标，还需要明显的提高和优化;相对于国外产品，国内自动换刀装置相关的机械制造及加工工艺，以及数控技术的研究较为薄弱，制约了自动换刀装置的创新与发展。

总体而言，我国自动换刀装置正处于追赶国外先进水平的阶段，需要针对国产自动换刀装置的缺点和不足，联合相关专业厂家和专家学者在一些关键技术上进行攻关研究，提高我国自动换刀装置的整体技术水平。

2 自动换刀装置的关键技术

根据自动换刀装置的发展现状，国内在自动换刀装置的自主研发和整体性能水平上和工业发达国家还有明显的差距，基于数控加工中心自主发展需要，作为数控加工中心关键功能部件，自动换刀装置要解决的主要关键技术包括以下几方面:

2.1 系统方案优化与结构创新

要实现自动换刀装置的高精度和高效率，必须在自动换刀装置的系统方案上进行优化与创新设计。在系统解决方案中，可以从其总的功能要求出发，根据换刀动作特点及设计要求，运用功能—行为—结构的概念设计分析模式找出对应功能的多种机构[7]。国外在此方面已积累了大量的创新技术和应用经验，国内还处于探索和研发阶段，必须采用借鉴吸收与自主创新相结合的方式，尽快完成相关技术的突破与升级。这部分技术研究的主要内容包括:自动换刀装置的结构创新和新材料新工艺的应用研究;高精度刀库机械手设计制造与控制方法研究;新型换刀方式的研究与应用如多主轴换刀和多机械手换刀等。

2.2 刀库高精度定位控制

加工中心刀库的定位控制一直是一个关键技术问题[8]。刀库可以双向旋转，具体的旋转方向由目标刀具到取刀位的距离远近决定，为了快速实现刀具的选取，要求刀库总是向最快到达取刀位的方向旋转。高效率且定位精确的驱动及选刀系统的发展，发展出高精度系统并配置高质量、高定位精度的伺服电动机及减速机，以符合选刀迅速、换刀精确的主要性能需求[9]。由于国产高精度伺服电机在可靠性和整体性能上和日系及德系等国外高精度伺服电机有一定差距，故国产高速自动换刀装置所用伺服电机多为日系或德系，这也是阻碍国产自动换刀装置性能实现突破的一个关键因素。刀库的定位精度是能够完成刀具交换和可靠性的决定性因素。目前，国内外主要采用电气控制进行精确定位，首先要选用精确且性能稳定可靠的感应开关;其次要有合理的比较电路来确定刀库的定位位置;最后为了计算最佳找刀路径、控制链条正反转及起停、快速找到要求刀座的精定位区、控制精确定位及输出定位完成信号要配置一套精确的逻辑处理电路。

2.3 快速自动换刀技术

随着切削速度的提高，切削时间的不断缩短，对换刀时间的要求也在逐步提高，换刀速度已成为高水平加工中心的一项重要指标[10]。目前，快速自动换刀技术主要有以下几个方面:(1)采用动作速度较快的机构和驱动元件，在传统的自动换刀装置基础上提高换刀速度。如伺服电机驱动的凸轮式换刀机构，由于动作可重叠、运动规律可选择、几乎无定位误差以及没有中间环节的控制，具有更高的可靠性与较高的自动换刀速度，但是凸轮分度机构工作曲面复杂，在设计和制造上有很大难度。要实现凸轮式ATC的国产化，解决该凸轮的设计和加工是关键;(2)根据高速加工中心的结构特点设置新型的刀库和换刀机构的位置。如采用刀库布置在主轴周围的转塔方式，这样刀库自身相当于机械手，通过刀库拔插刀并采用顺序换刀，使机床切屑到切屑换刀时间较短;或刀库布置在主轴的周围，但采用每把刀有一个机械手的方式使换刀几乎没有时间的损失，并可以采用任意选刀的方式;(3)考虑到高速加工中心在结构上已和传统的加工中心不同，以刀具运动进给为主，减小运动件的设计质量可以大幅提高自动换刀装置的换刀时间。HSK 刀柄质量轻，拔插刀行程短，因此快速自动换刀装置采用HSK 空心短锥柄刀可以使其速度提高[11];(4)除了在传统的自动换刀装置上改进以提高换刀速度外，还可以通过新型的换刀机构实现快速换刀，如采用多主轴换刀是快速换刀的一个发展趋势[12]。

2.4 可靠性技术

由于刀库机械手自动化程度高、机构运动较复杂且与加工中心配套工作，换刀时，机械手和刀库执行的动作多、速度快、距离短、要求定位准确，再加上电路和机械方面的保护功能，使得这部分的机械结构和电气控制变得十分复杂。为满足加工需要，刀具须频繁交换，其可靠性对保障加工任务而言非常关键[13]。

自动换刀装置的可靠性技术主要从可靠性设计、分析、试验、评估和增长等方面进行[14]。其中自动换刀装置可靠性设计与增长技术是改进和提高其可靠性的重要手段，而且是一种贯穿于整个自动换刀装置生产制造与使用过程的技术。具体而言，自动换刀装置可靠性设计与增长技术是一个不断向前推进的过程。它是随着自动换刀装置产品设计、研制、生产、使用阶段工作的逐渐进行，产品的可靠性特征量逐步提高的过程。实现自动换刀装置可靠性增长的手段包括:产品设计与制造中缺陷的改进;产品的筛选与磨合;生产技术、生产设备及其运行情况、生产工艺的改进等。在自动换刀装置可靠性增长技术方面，主要围绕提高产品可靠性进行产品结构、加工工艺和质量管理等多方面的改善与提高，属于一个系统化的综合技术。

3 结束语

作为数控加工中心的一个关键功能部件，自动换刀装置的性能直接影响到数控加工中心的生产效能及产品精度，已成为制约国产数控加工中心自主化的一个技术瓶颈。在降低生产成本架构的发展需求下，高可靠性、高效率、高速化是自动换刀装置的发展趋势。

我国一直把以数控机床为代表的先进制造业作为优先发展的关键技术领域。作为多功能加工中心的关键部件，自动换刀装置的发展对我国数控机床行业具有重要的战略意义，符合我国先进制造业的发展规划。文中对国内外自动换刀装置的发展和研究状况进行了介绍，对其关键技术进行了归纳总结。而且，在国家重大科技专项(2010ZX04014-013)的支持下，项目组成员联合秦川机床有限公司和汉江机床有限公司进行刀库及机械手的可靠性研究，有望在自动换刀装置及其关键技术等方面取得明显进展，从而提高国产自动换刀装置的性能水平，促进我国数控机床行业的发展和提升。

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