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双臂往复交叉式机械手的换刀过程依赖多个一系列传感器实现精准定位、状态检测和安全互锁，确保 “取刀、换刀、装刀、还刀” 各环节可靠执行。以下是换刀过程中涉及的主要传感器及其具体作用：

一、定位传感器（确保各部件位置精准对齐）

1. 机械手待机位 / 换刀位接近开关（通常为电感式接近开关）

• 安装位置：机械手运动导轨的待机位置（初始位）和换刀工作位置（主轴与刀库之间的中间位）。

• 作用：

• 检测机械手是否回到待机位（换刀前确认起点正确）；

• 换刀过程中，确认机械手到达 “取旧刀”“装新刀” 的精确位置（如距离主轴 / 刀库 5mm 处），触发下一步动作（如卡爪夹紧）。

• 信号逻辑：机械手到位时，传感器输出 ON 信号，PLC 收到后允许执行夹紧、旋转等动作。

2. 主轴换刀位检测传感器（光电传感器或磁栅尺）

• 安装位置：主轴箱侧面或立柱上，对应主轴的固定换刀高度（Z 轴坐标）。

• 作用：确认主轴已移动到预设的换刀位置（非加工位置，避免换刀时刀具与工作台碰撞）。

• 细节：高精度场景采用磁栅尺 + 编码器，输出主轴实时位置给 PLC，确保 Z 轴定位误差≤0.01mm；普通场景用光电开关检测主轴上的定位块，输出到位信号。

3. 刀库刀具定位传感器（编码器 + 接近开关）

• 安装位置：刀库旋转轴（如圆盘刀库的中心轴）安装编码器，刀库边缘对应每个刀位安装金属感应块，配合固定接近开关。

• 作用：

• 编码器实时反馈刀库旋转角度，确保待换 “新刀” 精准旋转至取刀位；

• 接近开关检测刀位感应块，输出 “刀库到位” 信号（硬限位确认），与编码器信号双重验证，避免刀库旋转过位或错位。

• 关键：新刀刀位与机械手取刀位的对齐误差需≤0.5mm，否则会导致卡爪夹偏刀具。

二、刀具状态传感器（检测刀具夹紧 / 松开状态）

1. 机械手卡爪夹紧检测传感器（压力传感器或微型接近开关）

• 安装位置：机械手卡爪内侧（接触刀具刀柄的位置）。

• 作用：

• 检测卡爪是否可靠夹紧刀具（旧刀 / 新刀）：夹紧时，传感器受压（压力传感器）或检测到刀柄金属（接近开关），输出 ON 信号，确认可执行拔刀 / 装刀动作；

• 防止因卡爪磨损、气压不足导致刀具脱落（如未夹紧则触发报警，暂停换刀）。

• 类型：

• 气动卡爪常用压力传感器（检测气路压力，夹紧时压力≥0.4MPa）；

• 机械卡爪常用微型电感式接近开关（检测刀柄是否在卡爪中心）。

2. 主轴拉刀机构状态传感器（行程开关或磁性开关）

• 安装位置：主轴内部拉刀爪的运动路径上（如液压缸 / 气缸的末端）。

• 作用：检测主轴是否已 “松开旧刀” 或 “拉紧新刀”：

• 换刀时，拉刀机构松开（旧刀脱离主轴），传感器输出 “松开到位” 信号，允许机械手拔刀；

• 新刀装入后，拉刀机构拉紧（刀柄锥面与主轴贴合），传感器输出 “拉紧到位” 信号，确认新刀安装牢固，可执行后续动作。

• 安全逻辑：若 “拉紧到位” 信号缺失，主轴禁止旋转，避免新刀飞出。

3. 刀库刀具夹紧传感器（磁性开关）

• 安装位置：刀库每个刀位的夹紧机构（如弹簧卡爪、气动夹）上。

• 作用：

• 还旧刀时，检测刀库卡爪是否夹紧旧刀（输出 ON 信号，确认旧刀已安全放回）；

• 取新刀时，检测刀库卡爪是否松开（输出 OFF 信号，允许机械手取走新刀）。

三、运动状态传感器（监控机械手动作是否正常）

1. 机械手旋转角度编码器（增量式编码器）

• 安装位置：机械手双臂旋转轴的驱动电机上（如伺服电机自带编码器）。

• 作用：实时检测双臂旋转角度（如 180° 交叉换位时），确保旋转到位（误差≤1°），避免因旋转不足 / 过位导致新旧刀碰撞。

• 配合逻辑：编码器反馈角度与预设值（如 180°）对比，偏差超限时触发急停。

2. 机械手平移行程传感器（线性光栅尺或磁栅）

• 安装位置：机械手沿导轨平移的运动轴上。

• 作用：精确检测机械手前后移动的距离（如靠近主轴 / 刀库的行程），确保卡爪与刀柄、刀库的对位精度（±0.1mm 内）。

• 应用场景：大型加工中心的长行程机械手，避免因机械间隙导致定位不准。

四、安全防护传感器（避免人机干涉或部件碰撞）

1. 换刀区域安全光幕（红外光电传感器）

• 安装位置：加工中心换刀区域的防护罩边缘（如主轴与刀库之间的开口处）。

• 作用：换刀过程中，若有人体或异物进入换刀区域，光幕被遮挡，立即输出停机信号，机械手和主轴停止动作，防止碰撞伤害。

2. 刀具长度 / 破损检测传感器（激光传感器）

• 安装位置：换刀路径旁或主轴侧。

• 作用：

• 取新刀后，激光束检测刀具长度是否符合预设值（避免装错刀具，如本该装 100mm 铣刀却装了 50mm 钻头）；

• 检测刀具是否破损（如刀刃断裂），若异常则跳过该刀具，调用备用刀位。

五、传感器信号的互锁逻辑（核心控制）

PLC 通过采集上述传感器信号，构建严格的动作互锁关系，例如：

1. 只有 “主轴换刀位到位”+“刀库新刀到位”+“机械手待机位到位” 同时满足，才允许机械手开始移动；

2. “卡爪夹紧旧刀”+“主轴松开到位” 信号有效后，机械手才能执行拔刀动作；

3. “新刀拉紧到位”+“旧刀刀库夹紧到位” 信号有效后，机械手才能松开卡爪并复位。

总结

双臂往复交叉式机械手的换刀过程是 **“定位传感器确保位置对齐→状态传感器确认夹紧 / 松开→运动传感器监控动作精度→安全传感器防护异常”** 的协同过程。传感器的核心作用是将机械动作转化为电信号，通过 PLC 逻辑控制实现换刀的自动化、高精度和高安全性，任一传感器故障都会导致换刀中断（报警提示），需排查修复后才能继续。