CNC数控机床的自动换刀装置及其刀（dāo）具系统！

　　

 

一、斗笠式刀（dāo）库

一般只（zhī）能存16~24把刀具（jù），斗笠式刀库在换刀时整（zhěng）个刀库向主轴移动。当主轴上的刀（dāo）具进入刀（dāo）库的卡槽时，主轴向上移动脱离刀具，这时刀库转动。当要换的刀（dāo）具对正主轴正下方时主轴下（xià）移，使刀具进入主轴锥孔内，夹紧刀具后，刀库（kù）退回原来（lái）的位置。

 

二、 圆盘式（shì）刀（dāo）库

圆盘式刀库通常应（yīng）用在小型（xíng）立（lì）式综合加工机上。"圆盘刀（dāo）库"一般俗称"盘式刀库"，以便和"斗笠式（shì）刀库"、"链条式刀库"相区分。圆盘式的刀库容量不大，顶多二、三十把刀。需搭（dā）配自动换刀机构ATC(AutoToolsChange)进行刀具交换。

 

三、链条式刀库

链条式刀库的特点是可储放较多数量之刀具，一般都在20把以上，有些可储放120把以上。它是藉由链条将要换的刀具传到（dào）指定位置，由机械手将刀具装到主（zhǔ）轴上。换刀动作均采用马达加机（jī）加工中心（xīn）使用的刀库（kù）最常见的形式是圆盘式刀库和机械手换刀刀库。

 

一、自动换刀（dāo）装置的形式

 

1．回（huí）转刀架换刀

回转刀架（jià）是一种最（zuì）简单的自动换刀装置，常用（yòng）于数控（kòng）车床。可以设计成（chéng）四方刀架、六角刀架或圆盘式轴向装刀刀架等多种（zhǒng）形式。回转刀架上分（fèn）别安装着四把、六把或更多的（de）刀具（jù），并按数控装置的指令换刀。

 

回转（zhuǎn）刀架在结构上必（bì）须具有良好的（de）强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。由于车削加工（gōng）精度在很大（dà）程度上取决于（yú）刀尖位置，对于数控车床来说，加工（gōng）过（guò）程中刀具位置不进行人工调整，因此更有必要选择可靠的（de）定位方（fāng）案和合理的（de）定位结构，以保证回转刀（dāo）架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度（dù）（一般（bān）为0.001～0.005mm）。

 

一般情况下，回转刀架的换刀动作包括刀架抬起、刀架转位及刀架压紧等。

 

2．更换主轴头换刀（刀具旋转为主运动）

更换主轴（zhóu）换刀是带有（yǒu）旋转（zhuǎn）刀具的数控机床的（de）一种比较简单的换刀方（fāng）式。这种（zhǒng）主轴头实际上就（jiù）是一（yī）个（gè）转塔刀库。

 

主轴头有卧式和立式两种，通常用转塔的转位来更换主（zhǔ）轴头，以实现自动换刀。在转塔的各个主轴上，预先安装有各工序所需要的旋转刀具，当发出换刀指令时，各主轴头依（yī）次地转到加工位（wèi）置，并接通主运动，使相应的主轴带动刀（dāo）具旋转。而其它处于不（bú）加工位置上的主轴都与主运动脱开。

 

这（zhè）种更换主轴（zhóu）换刀装置，省去了自动松（sōng）、夹、卸刀、装刀以及刀具搬运等一系列的复杂操作（zuò），从而（ér）缩短了换（huàn）刀时间，并提高了换刀（dāo）的可靠性。但是由于空间位置（zhì）的限制，使主轴部件结（jié）构（gòu）尺寸不（bú）能太大，因而影响了主轴系统的（de）刚性。为（wéi）了保证主轴的刚性，必须限制主轴的数目，否（fǒu）则会使结构尺寸增大。因此，转塔主轴头通常（cháng）只适用于工（gōng）序较少、精度要求不太高的机床，例如数控钻、铣床等。

 

3.带刀库的自动换刀系统

由于回转刀架、转塔头式换刀装置容纳的刀具数量（liàng）不能太多，不能满足复杂零件的加工需要（yào），因此，自动换刀数控机床多采用带刀库的自动换刀装置（zhì）。带（dài）刀库的自（zì）动（dòng）换刀装（zhuāng）置由（yóu）刀库和换（huàn）刀机构组成，换刀过程较为复杂。首先要把加工过程中使用的全部刀具分别（bié）安装在标准刀柄上，在机外进行尺寸预调整后，按一定的方式放入刀库。换刀时，先在（zài）刀（dāo）库中选刀，再由换刀装置从刀库（kù）或主轴上取出刀具，进行交换，将新刀（dāo）装入主轴，旧刀放回刀库。刀库具有较大的容量，既可安装在主轴箱的侧（cè）面或上方。由于（yú）带刀库的自动换刀装置的数控机床的主轴箱内只有一根主轴（zhóu），主轴部件的刚度要高，以满足精密（mì）加工要求。

 

另外，刀库内刀（dāo）具数量较大，因而（ér）能够进行复杂零件的多工序加工（gōng），大大提高了机床的适应性和（hé）加工效率。带刀库的自（zì）动换刀系统适用于数控钻削中心和（hé）加工中心。

 

二、刀库和刀具的（de）选择方式

 

1.刀（dāo）库（kù）类型

刀库（kù）的作（zuò）用是储备一定数量的刀具，通（tōng）过机械手实现与主轴上刀具的互换。刀库的类型有盘式（shì）刀库、链（liàn）式刀（dāo）库等多种形式，刀库（kù）的形式和容量要根据机床的工艺范围来确定。图7-16所示的盘式（shì）刀库，刀具的方（fāng）向与主轴同向（xiàng），换刀（dāo）时主轴箱（xiāng）上（shàng）升到一定的（de）位置，使主轴上的刀具正好（hǎo）对准刀库最下面的（de）那个位置，刀具被（bèi）夹住，主轴在CNC的控制（zhì）下，松开刀柄，盘（pán）式（shì）刀库向前运动（dòng），拔出主轴上的刀具，然后（hòu）刀库将下一个工序所用的刀具旋（xuán）转至与主轴（zhóu）对准（zhǔn）的位置，刀库后退将新刀具插入主轴孔中，主轴夹紧（jǐn）刀柄，主轴箱下降（jiàng）到工作位置（zhì），完成换刀任务（wù），进行下道工序的加工（gōng）。此换刀装置的优点是结构简单，成（chéng）本较低，换刀可靠性较好（hǎo）；缺点是换刀时（shí）间长（zhǎng），适用于（yú）刀库容量较（jiào）小的加工中心。

 

对于刀（dāo）库容量需要较大的（de）加工中心可采用链式刀库，链式刀库的结（jié）构紧凑，刀（dāo）库容量（liàng）较大，链环的形状可根据机床的布局制成（chéng）各种形状，也可将换刀位突出以便于换刀。当需要增加（jiā）刀具数量时，只需增加链条的长度（dù）即可，给刀库设计与（yǔ）制造（zào）带来了方便。

 

2. 刀具的选择方式

一般（bān）的（de）刀库内（nèi）存放有多把刀具，每次换刀前要进行选刀，常用的选刀方法有顺序选刀和任意 选刀两种，顺序选刀是在加工之前，将加工零件所需刀具按照工艺（yì）要求依次插入刀库的刀套中（zhōng），加（jiā）工是按顺序调刀，加工不同的工件时必须重新调整刀库（kù）中的刀（dāo）具顺序。其（qí）优（yōu）点是刀库的驱动和控制都比较简（jiǎn）单。因此，这种方式适合加工批量较大、工件品种数量较少的中、小型数控机床的自动换刀（dāo）。

 

随着数控系统（tǒng）的发展，目前大多数的数控系统都（dōu）采用任意选刀的方式，其分为刀套编码、刀具编码和记忆式（shì）等三种。

 

3. 刀具编码方式

刀具编码或刀套（tào）编码需要在刀（dāo）具或刀套上安装用于识别的编码条，一般都是（shì）根据二进制编码的原理进行编码。刀具编码选刀（dāo）方式采用了一种特殊的刀柄结构（gòu），并对每把刀具编码。每把刀具都具有（yǒu）自己的（de）代（dài）码，因而刀具可在不同的工序中多次重复使用，换下的（de）刀具不用放回原刀座，刀库的容（róng）量也可相应减少。但每把刀（dāo）具上都带有专用的编码环，刀具长度加长（zhǎng），制造困难，刀库和机械（xiè）手（shǒu）的结构变复（fù）杂。刀套编码的（de）方式是一把（bǎ）刀具只对应一个刀套，从（cóng）一个刀套中取出的刀具必须放回同（tóng）一刀套中，取送刀具十（shí）分麻烦，换刀（dāo）时间长。目前在加工（gōng）中心上大量使用记忆式的（de）方式。这种方式能将（jiāng）刀具（jù）号（hào）和刀库中的刀套位置对应地记忆在数控系统的PLC中，无论刀具放在哪（nǎ）个刀套内，刀具信息都始终记存在PLC内（nèi）。刀库上装有位置检测装置，可（kě）获得每（měi）个刀套的（de）位置信息。这样刀具就可以任意取出并送回。刀库上还（hái）设有机械原点（diǎn），使每次选刀（dāo）时就近选取。

 

三、刀具交换装置

 

数控机床的自动换刀装置中，实现（xiàn）刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的（de）装置称为刀（dāo）具交（jiāo）换装置。刀具的交换方式有两种：由刀库与（yǔ）机（jī）床主轴的（de）相对运动（dòng）实现刀具交换以及（jí）采用机（jī）械手交换刀具。利用刀库与机床主轴（zhóu）的相对运动实现刀具交换的装置在换刀（dāo）时必须首先将用过的刀具送（sòng）回刀库，然后再从刀库中（zhōng）取出新刀（dāo）具，两个动作不能同时（shí）进行，换刀时间较长。而采用机械手换刀（dāo）装置在换刀时能够同时抓取和装卸机床（chuáng）主轴和刀库（kù）中的（de）刀具，因此换刀时间进一步（bù）缩短。采用机械手进行刀具交换的方式应用最广泛。这是因为（wéi）机械手换刀灵活，动作快（kuài），而且结构简单。机械手（shǒu）能够完成抓刀（dāo）—拔（bá）刀—回转—插刀—返回等一系列动作。为了防止刀具掉落，机械手的活动（dòng）爪都带（dài）有（yǒu）自锁机构。

下面是（shì）世界上最现代化（huà）的数（shù）控机床换刀，换刀无影手！

 

16位自动换刀刀库

 

1、刀具交换方式

 

数控机床的自动换刀装置中（zhōng），实现（xiàn）刀库与机床主（zhǔ）轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具交换装置。刀具的交换方式和它（tā）们的具体结构（gòu）对机床的生产率和工作可靠性有着直接的影响。

 

刀具的（de）交换（huàn）方式很（hěn）多，一般（bān）可分为以下两大类。

 

（一）无机械（xiè）手换刀

 

无（wú）机械手（shǒu）换（huàn）刀，是由刀库和机床主轴的相对运动实现的刀具交换。换刀时，必须首先将用过的刀（dāo）具送回刀库，然后（hòu）再从刀库（kù）中取出新刀具，这两个动作不（bú）可能同时进行，因此，换刀时间长。所示的数控立式镗铣床（chuáng）就是采用这种换刀方式的实例。它的（de）选刀和换刀由三个坐标轴的数控定位系统来完成，因此每交换一次刀具，工作台和主轴箱就必须沿着三个坐标（biāo）轴作两次来回运动，因而增加了换（huàn）刀时间。另外（wài），由于（yú）刀库置于工作台上，减少了工作台的有（yǒu）效使用面积。

 

（二）机械手换（huàn）刀

 

由（yóu）于刀库及刀具交换方式的不同，换刀机械手也有多种（zhǒng）形式（shì）。因为机械手（shǒu）换刀有很大的灵活性，而且（qiě）还可以减少换刀时间，应用最为广泛。

 

2、机械手（shǒu）形（xíng）式

 

在自动换刀数控机床中，机械手的形式也是（shì）多（duō）种多样，常见的（de）有（yǒu）以下几种形式。

 

1．单臂单爪回转式机械手

 

这种机械手的手臂可以回转不同的角度来进行（háng）自动换刀，其手臂上只（zhī）有一个卡（kǎ）爪，不论在刀库上（shàng）或是在主（zhǔ）轴上，均靠这个卡爪来（lái）装刀及卸刀，因此换刀时间较长，如图2(a)所示。

 

2．单臂双爪回转式机械手

 

这种机械手的手（shǒu）臂上有两个卡爪，两个卡爪有所分（fèn）工。一个卡（kǎ）爪只执行从主轴上取下“旧刀”送回（huí）刀（dāo）库（kù）的任务，另一个卡爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务。其换刀时间较（jiào）上述单爪回（huí）转式（shì）机械手要少

 

3．双臂回转式机械手（shǒu）

 

这种机械手的两臂（bì）上各有（yǒu）一个卡爪，两个卡爪可同时抓取刀库及主轴上的刀具，回转（zhuǎn）180°后（hòu）又同时将刀具放回刀库及装入主轴。这种机械手换刀时间较以上两种单（dān）臂机械手（shǒu）均短，是最常用的一种形式。右边（biān）的机械手（shǒu）在抓取或将刀具送入刀库及主轴上，两臂可伸缩。

 

4．双机械手

 

这种机械手相（xiàng）当于两个单臂单爪机械手，它们（men）互（hù）相配合（hé）进行自动换（huàn）刀。其中一个机械手从主轴上取下“旧（jiù）刀”送回刀库，另（lìng）一个由刀库中（zhōng）取出“新刀”装入机（jī）床主轴，

 

5．双臂往（wǎng）复交（jiāo）叉式机械手（shǒu）

 

这种机械手（shǒu）的两手臂可以往复运动，并交叉成一定的角度。一个手臂从（cóng）主轴上取下“旧刀”送回刀库（kù），另一个手（shǒu）臂（bì）由刀库中取出“新刀”装入主轴。整个（gè）机械（xiè）手可沿某导轨直线移动或绕某个转轴回转，以实现由刀库与主轴间的运（yùn）刀工作，

 

6．双臂端面夹紧式机械手

 

这种机械手只是（shì）在夹紧（jǐn）部位上与前几种不同。前几种机械手（shǒu）均靠夹紧刀（dāo）柄的外圆表面来抓取刀（dāo）具，这种（zhǒng）机械手则是（shì）靠（kào）夹紧刀柄的两个端面来抓取的（de）。

 

3、机械手夹持结（jié）构

 

在换刀过程中，由于机械手（shǒu）抓住刀柄要作（zuò）快速回（huí）转，要（yào）作拔、插刀具的动作，还要保证刀柄键槽的角度位置对（duì）准主（zhǔ）轴（zhóu）上的驱动（dòng）键。因此，机械手的夹持部分要十（shí）分可靠（kào），并保证有适当的夹紧力（lì），其活动爪要（yào）有锁紧装置，以防止刀具在（zài）换刀过程中转动脱落。机械手夹持刀具的方法有以下（xià）两种。

 

（一）柄式夹持（chí）

 

柄式（shì）夹持，也称（chēng）轴向夹持或V形槽夹持。其刀柄前端有V形槽，供机械手夹持用，目前我国数（shù）控机床较多（duō）采用这种夹持（chí）方式。机械（xiè）手手掌结构示意（yì）图，它由固定爪及活动爪组（zǔ）成，活动爪可绕轴回转，其一端在弹簧柱塞的作（zuò）用下，支靠在挡销上，调（diào）整螺钉以保持手掌适当的（de）夹（jiá）紧力，锁紧销使（shǐ）活动爪牢固地夹持刀柄，防（fáng）止（zhǐ）刀具在交换过程中松脱。锁紧销还可轴向移动，使活动爪放松（sōng），以便杈（chā）刀从刀柄V形槽中退出。

 

4、自动换（huàn）刀动作顺序

 

由于自动换刀装置的布（bù）局结构多种（zhǒng）多样，其换刀过程动作（zuò）顺序会不尽（jìn）相同。下面分别（bié）以常见的双臂往复交叉式机械手（shǒu）和钩刀机械手为例用（yòng）动（dòng）作分图加以说明。

 

（一）双臂（bì）往复交叉式机械手的（de）换（huàn）刀过程

 

（1）开始换刀前状态。主轴正（zhèng）用T05号刀具进行加工，装刀机械手已抓住下一工（gōng）步需用的T09号刀具，机械手架处于最高位置（zhì），为换刀做好了准备；

 

（2）上（shàng）一工步结束，机（jī）床立柱后退，主轴箱上升，使主轴处于换刀位置。接着下一工步开始，其第（dì）一个指令是换刀，机（jī）械（xiè）手架（jià）回转180o转向主轴。

 

（3）卸（xiè）刀（dāo）机械手前伸，抓住主轴上已用过的T05号刀具。

 

（4）机械手架（jià）由滑座带动，沿刀具轴线前（qián）移，将（jiāng）T05号刀具从主轴上（shàng）拔（bá）出。

 

（5）卸刀机械手缩回（huí）原位。

 

（6）装刀（dāo）机械手前伸，使T09号刀具对准主轴。

 

（7）机械手架后移，将T09号刀具（jù）插入主轴（zhóu）。

 

（8）装刀机（jī）械手缩（suō）回（huí）原位。

 

（9）机械手架回转180o，使（shǐ）装刀、卸刀机械手转向刀库（kù）。

 

（10）机械手（shǒu）架由横梁带动下降，找第二排刀套链，卸（xiè）刀机械手将T05号（hào）刀具插回P05号刀套中。

 

（11）刀套链转动把（bǎ）在下一个工步需（xū）用的T46号刀具（jù）送（sòng）到换刀位置,机械手一降,找第三排刀链（liàn）,由（yóu）装刀机械（xiè）手将T46号刀具取出（chū）。

 

（12）刀套链反转，把P09号（hào）刀套送到换刀位置，同时（shí）机械手架上升至最高位置，为再下（xià）一（yī）工步的换（huàn）刀做好准备。

 

（二）钩刀机械手的换刀过程

 

作为最常用的一种换刀形式，换刀一次所需的基（jī）本（běn）动作如下。

 

（1）抓刀。手臂旋转（zhuǎn）90º，同时抓住刀库（kù）和主轴上的刀具。

（2）拔刀。主（zhǔ）轴（zhóu）夹头松开刀具，机械手同时将刀库和主轴上的刀具（jù）拔出。

 

（3）换刀（dāo）。手（shǒu）臂旋转180º，新旧刀具更换。

 

（4）插刀。机械手同时将新旧刀具（jù）分别插入主轴和刀（dāo）库，然后主轴夹头夹紧刀具；

 

（5）复位（wèi）。转（zhuǎn）动手臂，回到原始（shǐ）位置。