CNC數控機床的自動換刀裝置及其（qí）刀具係統！

　　

 

一、鬥笠式刀庫

一般隻能存16~24把刀具，鬥笠式刀庫在換刀時整個刀庫向主軸移（yí）動（dòng）。當主軸上的刀具進入（rù）刀庫的卡槽時，主軸向上移動脫離刀具，這時刀庫轉動。當要換的刀（dāo）具對正主軸正下方時（shí）主軸下（xià）移，使刀具進入主軸錐孔內，夾緊刀具後，刀庫退回原來（lái）的位（wèi）置。

 

二、 圓盤式刀庫

圓盤式刀庫通（tōng）常應用在小型立式綜合加工（gōng）機上。"圓盤刀庫"一般俗稱"盤式刀庫"，以便和"鬥笠式（shì）刀庫"、"鏈條式刀庫"相（xiàng）區分。圓盤式的刀庫（kù）容量不大，頂多二、三十把刀。需搭（dā）配自動換刀機構ATC(AutoToolsChange)進行刀具交換。

 

三、鏈條式刀庫

鏈條式刀庫的特點是可儲放較多數量之刀具，一般都在（zài）20把以上，有些可儲（chǔ）放120把（bǎ）以上（shàng）。它是藉由鏈條將要換的刀具傳到指定位置，由機械手將刀具（jù）裝到主軸上。換刀動作均（jun1）采用馬達加（jiā）機加工中心使用（yòng）的刀庫最常見的形式（shì）是圓盤式刀庫和機械（xiè）手換刀刀庫。

 

一、自動換刀裝置（zhì）的（de）形式

 

1．回轉刀架（jià）換刀

回轉刀架是一種最簡單的（de）自（zì）動換刀裝置，常（cháng）用於數控（kòng）車床（chuáng）。可以設（shè）計成四方刀架、六角刀架（jià）或（huò）圓盤式軸向裝刀刀架（jià）等多種形式。回轉刀架上分別安裝著四把、六把或更多的刀（dāo）具，並按數控（kòng）裝置的指令換刀。

 

回（huí）轉（zhuǎn）刀架在（zài）結構上必須具有（yǒu）良（liáng）好的強度和剛度，以（yǐ）承受粗加工時的（de）切削抗力（lì）。由於車削加工精度在很（hěn）大程度上取決於刀尖位置，對於數控車床來說，加工過程中刀（dāo）具位置不進行（háng）人工調（diào）整，因此更有必要選擇可靠的定位方案和（hé）合理的定位結構（gòu），以保證（zhèng）回（huí）轉刀架在每次轉位之後，具有盡可能高的重複定位精度（一般為0.001～0.005mm）。

 

一般情況（kuàng）下，回轉刀架（jià）的換刀動（dòng）作包括刀架抬起、刀架轉位及刀架壓緊等。

 

2．更換主軸頭換刀（刀具旋轉為主運動）

更換主軸換刀是帶有旋轉刀具的數控機床的一（yī）種比較簡單的換刀方式。這種主（zhǔ）軸頭實際上就是一個轉（zhuǎn）塔刀庫。

 

主軸頭有臥式和立式兩種，通常用轉塔的轉位來更換主軸頭，以實現自動換（huàn）刀（dāo）。在轉塔的各個主軸上，預先安裝有各工序所需要的（de）旋轉刀具，當發出換刀指（zhǐ）令時，各主軸頭依（yī）次地（dì）轉到加工位置（zhì），並接（jiē）通主運動，使相（xiàng）應的主軸帶動刀具旋轉。而其它處於不加工位置上的主軸都與主（zhǔ）運動脫開。

 

這種（zhǒng）更換主軸（zhóu）換刀裝置，省去了自動鬆、夾、卸刀、裝刀以及刀具搬運等一係列的複雜操作，從而縮短了換刀（dāo）時間，並提高了換刀的可靠性。但是由於空間（jiān）位（wèi）置的限製，使主軸部件結構尺寸不能太大，因而影響了主軸係統的剛性。為了保證主軸的剛（gāng）性，必須（xū）限製主軸的數目，否則會使結構（gòu）尺寸增大。因此，轉塔（tǎ）主軸頭（tóu）通常隻適用於（yú）工序（xù）較少、精度要求不太高的機床，例如數控鑽、銑床等。

 

3.帶刀庫的自動換刀係統

由於回（huí）轉刀架、轉塔頭式換刀裝置容（róng）納的刀具數（shù）量不能太多，不能滿足複雜零件的加工需要，因此，自動換刀數控機床多采用帶刀庫的（de）自動換刀裝置。帶刀庫的自動換刀裝置由刀（dāo）庫和換刀機構組（zǔ）成，換（huàn）刀過程較為複雜。首先要把加工過程中使用的全部刀具分別安裝在（zài）標準刀柄上，在機外進行尺寸預調整後，按一定的方式放入刀庫。換（huàn）刀時，先在刀庫中選刀，再（zài）由換（huàn）刀裝置從刀庫或（huò）主軸上取出刀具，進行交換，將新刀（dāo）裝入主軸，舊刀放回刀（dāo）庫。刀庫具有較大的容量，既可安裝在主軸箱的側麵或上方。由於帶刀庫的自動換（huàn）刀（dāo）裝置的數控機床的主軸箱內（nèi）隻有（yǒu）一（yī）根主軸，主軸部件的剛度要高，以滿足精密加工要求。

 

另外，刀庫內刀具數量較大，因而能夠進行複雜（zá）零件的多工序加工，大大提高了機（jī）床的（de）適（shì）應性和加工效率。帶刀庫的自動換刀係（xì）統適用於數控（kòng）鑽削中心（xīn）和加工中心。

 

二、刀庫和刀具的選擇方式

 

1.刀庫類型

刀庫的作用是儲備一定數量的（de）刀具，通過機械手實現與主軸上刀具的互換。刀（dāo）庫的類型有盤（pán）式刀庫、鏈式刀庫等多種形式，刀庫（kù）的形式和容量要（yào）根據機床的工藝範圍（wéi）來（lái）確定。圖7-16所示（shì）的（de）盤式刀庫，刀具的方向與主軸同向，換刀時主軸箱上升到（dào）一定的位置，使主軸上的刀具（jù）正好對準刀庫最下（xià）麵的那個位置，刀具被（bèi）夾住，主（zhǔ）軸（zhóu）在CNC的控製下，鬆開刀柄，盤式刀庫向前運動，拔出主軸（zhóu）上的刀具，然後刀庫將下一個工序所用的刀具旋轉（zhuǎn）至與主（zhǔ）軸對準的位置，刀庫後退將新刀具插入主軸（zhóu）孔中（zhōng），主軸夾緊刀柄，主軸箱下降到工作位置，完成換刀任務，進（jìn）行下道工序的（de）加工。此換刀裝置的（de）優點是結構簡單，成本較低，換刀（dāo）可靠性較好；缺點是換刀時間長，適（shì）用於刀庫容量較小的加工中心。

 

對（duì）於刀庫容量需要較大的加工中心可采用鏈式刀庫，鏈式刀庫的結構緊湊，刀庫（kù）容量較大，鏈環的形狀可根據機床的布局製成各種形狀，也可（kě）將換刀位突出以便於（yú）換刀。當需要增加刀具數量時，隻需（xū）增加（jiā）鏈條的長（zhǎng）度即可，給刀庫設計與（yǔ）製造帶來了方便。

 

2. 刀具的選擇方式

一般的刀（dāo）庫內存放有多把（bǎ）刀（dāo）具，每次換刀前要進行選刀，常用的選刀方法有順（shùn）序選刀和任（rèn）意 選刀兩種，順序選刀是在（zài）加工（gōng）之前，將（jiāng）加工零件所需刀具按照工（gōng）藝要求依次插入刀庫的刀套中，加工（gōng）是按順序調刀，加工不同的工件時必須重新調整刀庫中的刀具順序。其優點是刀庫的驅動（dòng）和控製都比較簡單。因（yīn）此，這種方式適合加（jiā）工批量（liàng）較大、工件品種數（shù）量較少的中（zhōng）、小型數控機床的自動換刀。

 

隨著數控係統的發展，目前大多數的數控係統都采用任意選刀的方式，其分為刀套編碼、刀具編碼和記憶式等三種。

 

3. 刀具（jù）編碼（mǎ）方式

刀具編碼或刀套（tào）編碼需要在刀具或刀套上安裝用於識別的編碼條，一般都是根據二進製（zhì）編碼（mǎ）的原理進行編碼。刀具（jù）編碼選刀方式采用了一種特殊的刀柄結構，並對每（měi）把刀具編碼。每把刀具都具有自己的代碼，因而刀具可在不同的工序中多次重複使用，換（huàn）下的刀具不用放（fàng）回原刀座，刀庫的容量也可相應減少。但每（měi）把刀具上都帶有專用的（de）編（biān）碼環，刀具長度加長，製造困難，刀庫和機械手的結構變複雜。刀套編碼的方（fāng）式是一把刀具（jù）隻對（duì）應（yīng）一個刀套，從一（yī）個刀套中取出（chū）的刀具必須放回同一刀套中，取送刀具十（shí）分麻煩，換刀時間長。目前在（zài）加工中心上大（dà）量使用記憶式的方式。這種方式能將刀具號和刀庫中的刀套位置（zhì）對應地記憶在數控係統的PLC中，無論刀具放在哪個刀套內，刀具信息都始終記存在PLC內。刀庫上裝有（yǒu）位置檢測（cè）裝置，可獲（huò）得每個刀套的位置信息。這樣刀具就可以任（rèn）意取出並送回。刀庫上還設有機械原（yuán）點（diǎn），使每次選刀時就近選取。

 

三、刀具交換裝置

 

數控機床的自動換刀裝置中（zhōng），實現刀庫與機床主軸（zhóu）之間（jiān）傳遞和裝卸刀具的裝置稱（chēng）為刀具交換裝（zhuāng）置。刀具的交換方式有兩種：由刀庫與機床主軸的（de）相對運動（dòng）實（shí）現刀具交換以及采用機械手交換刀具。利用（yòng）刀庫與機床主軸的相對運動實現刀具（jù）交換的裝置在換刀時必須首先將用過（guò）的刀具送回刀庫，然後再從（cóng）刀（dāo）庫中取出（chū）新刀具，兩個動作不能同時進行，換刀時間較長。而采用機（jī）械手換刀裝置在換（huàn）刀時能夠同時抓取和裝卸機（jī）床主軸（zhóu）和刀（dāo）庫中的刀具，因此換刀時（shí）間（jiān）進一步縮短（duǎn）。采用機械手進行刀具交（jiāo）換的方式應用最廣泛（fàn）。這是因為機械（xiè）手換刀靈活，動作快，而且結構（gòu）簡單。機械手能（néng）夠完成抓（zhuā）刀—拔刀—回轉—插刀—返回等一係列動作。為了防止刀具掉落，機械手的活動爪（zhǎo）都帶有自鎖機（jī）構。

下麵是（shì）世界上最現代（dài）化的數控機床換刀，換刀無影手！

 

16位自動換刀刀庫

 

1、刀（dāo）具交換方式

 

數控機床的自動換刀裝置中，實現刀庫與機床（chuáng）主軸之間（jiān）傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置（zhì）。刀具的交換方式和它們（men）的具體結構對機床的生產率和工作可靠（kào）性有著直接的（de）影響。

 

刀（dāo）具的交換方式很多，一般可分為以下兩大類。

 

（一）無機械手換刀

 

無機械手（shǒu）換刀，是由刀庫和機床主軸的相對運（yùn）動實現的刀具交換。換刀時，必須首先將用過（guò）的刀具送（sòng）回刀庫，然後再從刀庫（kù）中取（qǔ）出新刀具（jù），這兩個動作不可能同時進行，因此，換刀時間長。所示的數（shù）控立式鏜銑床就是采用這種換刀方式的實例（lì）。它的選刀和換刀由三（sān）個坐（zuò）標軸的數控定位係統來完成，因此每交換一次刀具，工作台和主（zhǔ）軸（zhóu）箱就必須沿著（zhe）三個坐標軸作兩次來（lái）回運動，因而增加了換刀時間。另外（wài），由於刀庫置於工作（zuò）台上，減（jiǎn）少了工作（zuò）台的有效使用麵積。

 

（二）機（jī）械手換（huàn）刀

 

由於（yú）刀庫及刀具交換方式的不同，換（huàn）刀機械手也有多種形式。因為機械手換刀有很大（dà）的靈活性，而且還可以減少換刀時間，應用最為廣泛。

 

2、機械手形式

 

在自動換刀數控機床中，機械手的形式也是多種多樣，常見的有以下幾種形式。

 

1．單臂單爪回轉式（shì）機械手

 

這種機（jī）械手的手臂可以回（huí）轉不同的角度來進行（háng）自動換刀，其手臂上隻有一個卡爪，不論在刀庫上或是在主軸上，均靠（kào）這個卡爪來裝刀（dāo）及卸刀，因此換刀時間較長，如圖2(a)所示。

 

2．單臂雙爪回轉式（shì）機械手

 

這種機械手的手臂上有兩個卡爪（zhǎo），兩（liǎng）個卡（kǎ）爪有所分工（gōng）。一個卡爪（zhǎo）隻執行從主軸上取下“舊刀”送回刀庫的任務，另一個卡爪則執行由刀庫取出“新刀”送到主軸的任務。其換刀時間較上述單爪回轉式機械手要（yào）少（shǎo）

 

3．雙臂回轉式機械手

 

這種機械手的兩臂上各有一個卡爪，兩個卡爪可同（tóng）時（shí）抓取刀庫及（jí）主軸上的刀具，回轉180°後又同時將（jiāng）刀（dāo）具（jù）放（fàng）回刀庫及裝入主軸。這種機械手換刀時間（jiān）較以上兩種單臂機械手均短，是最（zuì）常用的一種形式（shì）。右邊的機械（xiè）手在抓取或將刀具送入刀庫及主軸上，兩臂可（kě）伸縮。

 

4．雙（shuāng）機械手

 

這種機械手相當於兩個單（dān）臂單爪機械手，它們互相配合進行自動換刀。其中一個機械（xiè）手（shǒu）從主軸上取下“舊（jiù）刀”送回刀庫，另一個由刀庫中取出“新刀”裝入機（jī）床主軸，

 

5．雙（shuāng）臂往複交叉（chā）式機械手

 

這種機械手的兩手臂可以往複（fù）運動，並交叉成（chéng）一定的角（jiǎo）度。一個手臂從主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另（lìng）一個手臂由刀庫中取（qǔ）出“新刀”裝入主軸。整個機械手可沿某導軌（guǐ）直線移動或繞某（mǒu）個轉軸回轉，以實現由刀庫與主軸間的運刀工（gōng）作，

 

6．雙臂端麵夾緊（jǐn）式機械手

 

這種機械手隻是在（zài）夾緊部位上與（yǔ）前幾種（zhǒng）不同。前幾種（zhǒng）機械手均（jun1）靠（kào）夾緊刀柄的外圓表麵來抓取刀具，這種機械手則是靠夾緊刀柄的（de）兩個端麵來抓取的。

 

3、機械手夾持結構

 

在換刀過程中，由於機械手抓住刀柄要作快速回轉，要作拔、插刀具的動作，還要保證刀柄鍵槽的角（jiǎo）度位置對準主軸（zhóu）上的驅動鍵。因此，機械手的夾持部分要十分可靠，並保證（zhèng）有適當（dāng）的夾緊（jǐn）力，其活動爪要有鎖緊裝置，以防止刀具在（zài）換刀過程中轉動脫落。機械手夾持刀具的方法有以下兩種。

 

（一）柄式夾持

 

柄式夾（jiá）持，也稱軸向夾持或V形槽夾持。其刀柄前端（duān）有V形槽（cáo），供機械手夾（jiá）持用，目前我國數（shù）控（kòng）機床較多采用這種夾持方式。機械手手掌結構示意圖，它由固（gù）定（dìng）爪及活（huó）動爪組成，活動（dòng）爪可繞軸回轉，其一端在彈簧柱塞的作用下，支靠在擋銷上，調整螺釘以保持手掌適當（dāng）的夾緊力，鎖緊（jǐn）銷使活動爪牢固地夾持刀柄，防止刀具在交換過程中鬆脫。鎖緊銷還可軸（zhóu）向移動，使活動爪放鬆，以便杈刀從刀柄V形槽中退出。

 

4、自動換刀動作順序

 

由於自動換刀裝置的布局（jú）結構（gòu）多種多樣，其換刀過程動作順序會不盡相同。下（xià）麵分別以常見的雙臂往複交叉式機械手和鉤刀機械手為例用動作分圖加以說明。

 

（一）雙臂（bì）往複交叉式機械手的換刀過程

 

（1）開始換刀前狀態。主軸正用T05號刀具進行加工，裝刀機械手（shǒu）已抓住下一工（gōng）步需用的T09號刀具（jù），機械手架處於最高位置，為換刀做好了準備；

 

（2）上（shàng）一工步結束（shù），機床立柱後退，主軸箱上升（shēng），使主軸處於換刀位置。接著下一工步開始，其（qí）第一個指（zhǐ）令是換刀，機械手架回轉180o轉向主軸。

 

（3）卸刀機械手前伸，抓住主軸上已用過的T05號刀具。

 

（4）機械手架由滑座帶動，沿刀具軸（zhóu）線前移，將T05號刀具從主（zhǔ）軸上拔出。

 

（5）卸刀機械手縮（suō）回原位。

 

（6）裝刀機械手前伸，使T09號（hào）刀具對準主軸。

 

（7）機械手架後移，將T09號刀具（jù）插入主軸（zhóu）。

 

（8）裝刀機械手縮回原位。

 

（9）機械（xiè）手（shǒu）架回轉180o，使（shǐ）裝（zhuāng）刀、卸（xiè）刀機械手（shǒu）轉向刀庫。

 

（10）機械手架由橫梁帶動（dòng）下降，找第二排刀套鏈，卸刀機械手將T05號刀具插回P05號刀套中。

 

（11）刀套鏈轉動把在下一個工步（bù）需用的T46號刀具送到換刀位置,機械手（shǒu）一降,找第三排刀鏈,由裝刀機械手將T46號刀具（jù）取出。

 

（12）刀套鏈反轉，把P09號刀套送到換刀位置，同時機械手架上升至最高位置，為再下一工步的（de）換刀做好準備（bèi）。

 

（二）鉤刀機械手的換刀過程

 

作為最常（cháng）用的一種換刀形式，換刀一次所需的基本（běn）動作如下。

 

（1）抓刀。手臂旋轉90º，同時抓住刀庫和主軸上（shàng）的刀具。

（2）拔刀。主軸夾頭鬆開刀具，機械手同時將刀庫和主軸上的（de）刀具拔（bá）出。

 

（3）換刀。手臂旋轉（zhuǎn）180º，新舊刀具更換。

 

（4）插刀。機械手同時將（jiāng）新舊刀（dāo）具分別插入主軸和刀庫，然後主軸夾頭夾緊刀具；

 

（5）複位。轉動手臂，回到原始位置。