CNC數控機床的自動換刀裝置及其刀具係統！

　　

 

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（zhěng）個刀庫（kù）向主軸移動。當（dāng）主軸上的刀具進入（rù）刀庫的卡槽時，主軸向上移動脫離（lí）刀具（jù），這時刀庫轉動。當要換的刀具對正主軸正下方時主軸下移，使刀具（jù）進入主軸錐孔內，夾緊刀具後，刀庫退回原來的位置。

 

二、 圓盤式刀庫

圓盤式刀庫通（tōng）常應用在小型（xíng）立式綜合加（jiā）工機上。"圓盤刀庫（kù）"一般俗稱"盤式刀庫"，以便和（hé）"鬥笠式（shì）刀庫"、"鏈條式（shì）刀庫"相區分。圓盤式的刀庫容量（liàng）不大，頂多（duō）二、三十把刀。需搭（dā）配自動換刀機構ATC(AutoToolsChange)進行刀具（jù）交換。

 

三、鏈條式刀庫

鏈條式刀庫的特（tè）點是可儲放較多數（shù）量之刀具（jù），一般都在20把以（yǐ）上，有些可儲放120把以上。它是藉由鏈條將要換的（de）刀（dāo）具傳到指定位置，由機械（xiè）手將刀具裝到主軸上。換刀動作（zuò）均采用馬達加（jiā）機加工（gōng）中（zhōng）心使用的（de）刀庫最常見的（de）形式是圓盤式刀庫和機械手換（huàn）刀刀庫。

 

一、自動換刀裝置的形式

 

1．回轉刀架換刀

回轉刀架是一種最簡單的自動換刀裝置，常用於數控車床。可以設計成四方刀架、六角刀架或圓盤式軸向裝刀刀架等多種形式。回轉刀架上分別安裝（zhuāng）著四把、六（liù）把或更多的刀具，並按數控裝（zhuāng）置的指令換刀。

 

回（huí）轉刀架在結構上必須具有良好的強度和剛度，以承受粗加（jiā）工時的切削抗力。由於車削加工精度在很大程度上取決於刀尖位置，對於（yú）數控車床來（lái）說，加（jiā）工過程中刀具位置不（bú）進行（háng）人工調整（zhěng），因此更有必要選擇可靠的定位方案和合理的定位結構，以保證回轉刀架在每次轉（zhuǎn）位之後，具有（yǒu）盡可能高的重複定位精度（一般為0.001～0.005mm）。

 

一般情況下（xià），回轉刀架的換刀動作包括刀架抬起、刀架（jià）轉位及刀架壓緊（jǐn）等。

 

2．更（gèng）換主（zhǔ）軸頭換刀（刀具（jù）旋（xuán）轉為主運動）

更（gèng）換主軸換刀是（shì）帶（dài）有旋轉刀具的數控機床的一種比（bǐ）較簡單的換刀方式。這種主軸頭實際上就是一個轉塔刀庫。

 

主（zhǔ）軸頭有（yǒu）臥式和立式兩種，通常用轉（zhuǎn）塔的轉位來更換主軸頭，以實現自動換刀。在轉塔的各個主軸上，預先安裝有各工序所需要的旋轉刀具，當發出換刀指（zhǐ）令時，各主軸頭依次地轉到加工位（wèi）置，並接通主運（yùn）動（dòng），使相應的主（zhǔ）軸帶動刀具旋轉（zhuǎn）。而其（qí）它處於不加工位置上的主軸都與主運（yùn）動脫開。

 

這種更換主軸換刀裝置，省去（qù）了自動鬆、夾、卸刀、裝刀以及刀具搬（bān）運等一係列的（de）複雜操作（zuò），從而縮短了換刀時間，並提高了換刀的（de）可靠性。但是（shì）由於空間位置（zhì）的限（xiàn）製，使主軸部件結構尺寸不能太大（dà），因而影響了主軸係統的剛性。為（wéi）了保證主軸的剛性，必須限（xiàn）製主軸的數（shù）目，否則會使結構尺寸（cùn）增大。因此，轉塔主軸頭通常隻適用於工序較少、精度要求不太高的機床，例如（rú）數（shù）控鑽、銑床等。

 

3.帶刀庫的自動換（huàn）刀係統

由於回轉刀架（jià）、轉塔頭式換刀裝置容納（nà）的刀（dāo）具數量不能太多，不能滿足（zú）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自動換刀裝置。帶刀庫的自動換刀裝置由刀庫和換刀機構組成，換刀過程較為複雜。首先要把加（jiā）工過程中使用的全部刀（dāo）具分別安裝在標準刀柄上，在機外進行尺寸預調整後，按（àn）一定的方式放入刀庫。換刀時，先在刀庫（kù）中選刀，再由換刀裝（zhuāng）置從刀庫或主軸上取出刀具，進行交換，將新刀裝入主（zhǔ）軸，舊刀放回刀庫。刀庫具有較大（dà）的（de）容量，既可安裝（zhuāng）在主軸箱的側麵或上方。由於（yú）帶刀庫的（de）自（zì）動換（huàn）刀裝置的數控機床的主軸箱內隻（zhī）有一（yī）根主（zhǔ）軸，主軸部件（jiàn）的剛度要高，以滿（mǎn）足精密（mì）加工要求。

 

另外，刀庫內（nèi）刀具數量較大，因而能夠進行複雜零件的多工序加工，大大提高了機床的適（shì）應性和加工效率。帶（dài）刀庫的自動換刀係統（tǒng）適用於數控（kòng）鑽削中心和加（jiā）工中心。

 

二、刀庫和刀具的選擇方式

 

1.刀庫（kù）類型

刀（dāo）庫的作用是儲備一定數量的刀具，通過機械手實現與（yǔ）主軸上刀具的互換。刀庫的類型有（yǒu）盤式刀庫、鏈式刀庫等多種（zhǒng）形式，刀庫的形式和容量要根據機床的工藝範圍來確定。圖7-16所（suǒ）示的盤式刀庫，刀具（jù）的方向與主軸同向，換刀時主軸箱上升到一定的位置，使主軸上的刀具正好（hǎo）對準刀庫最下麵的那（nà）個位（wèi）置，刀具被夾住（zhù），主軸在CNC的控製下，鬆開刀柄，盤式刀庫向前運動，拔出主軸上的刀具，然後刀庫將下一個工序所用的刀具旋轉至與主軸對準的（de）位置，刀庫後退將新刀具插入主軸孔中，主軸（zhóu）夾（jiá）緊刀柄，主軸箱下降到工作位置，完成換刀任（rèn）務，進（jìn）行下道工序的加工。此（cǐ）換刀裝置的優點是結構簡單，成本較低，換刀可靠性較好；缺點是換刀時間長，適用於刀庫（kù）容（róng）量較小的加工中心。

 

對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（gòu）緊湊，刀庫容量較大，鏈環的形狀（zhuàng）可根（gēn）據機（jī）床的（de）布局製成各種形狀，也可將（jiāng）換刀位突（tū）出以便於換刀。當需要（yào）增加刀具數量時，隻（zhī）需增（zēng）加鏈條的（de）長度即可，給刀庫設計與製（zhì）造帶來了方便。

 

2. 刀具的選擇方式

一般（bān）的刀庫內（nèi）存放有多把刀具，每次換刀前要進行選刀，常用的選刀方法有順序選刀和任意 選刀兩種，順序選（xuǎn）刀是在加工之前，將加工零件所需（xū）刀（dāo）具按照工藝要求依次插入刀庫的刀套中，加工是按順序（xù）調刀（dāo），加工不同的（de）工件時必須重新調整刀庫（kù）中的刀具順序。其優（yōu）點是刀庫的驅動和控製都比較簡單。因此，這種方式適合加工批量較大、工件品種數量較少的中、小型數控機床的自動換刀。

 

隨著數控（kòng）係統的發展，目前大多數的數（shù）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（děng）三種。

 

3. 刀具編碼方式

刀具編碼或刀套編碼需要在刀具或刀套上安裝用於識別的編碼（mǎ）條，一般都（dōu）是根據（jù）二進製編碼的（de）原理進行編碼。刀具（jù）編碼選刀方式采用了一種特殊的刀（dāo）柄結構，並對每把刀具編碼。每把刀具都（dōu）具有自己的代碼，因而刀具可在（zài）不同的工（gōng）序（xù）中多（duō）次重複使用（yòng），換下的刀具不用放（fàng）回原刀座，刀庫（kù）的容量也（yě）可相應減少。但每把刀具上都帶有專用的編碼環（huán），刀具長度加長，製造（zào）困難，刀庫和機械手的結構變複（fù）雜。刀套編碼的方式是一把刀具隻對應一個刀套，從一個刀套（tào）中取出的刀具必須（xū）放回同一刀套中，取送刀具十（shí）分麻煩，換刀時（shí）間長。目前在加工中心上大量使用記憶式的方式。這種方式（shì）能將刀具號和刀庫中的刀套位置對應地記憶在（zài）數控係統的PLC中，無論刀具放在哪個刀套內，刀具信息都始（shǐ）終（zhōng）記存在PLC內。刀庫上裝有位置檢測裝置，可（kě）獲得每個刀套的（de）位置信息。這（zhè）樣刀具就可（kě）以任（rèn）意取出（chū）並送回。刀庫上還設有機械原（yuán）點，使每次選刀時就近（jìn）選取。

 

三、刀具交換裝置

 

數控機床的自動換刀裝置中，實現刀庫與機床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為（wéi）刀具交換裝（zhuāng）置。刀具的交（jiāo）換（huàn）方式有兩種（zhǒng）：由刀庫與機床主軸的相對運動實現（xiàn）刀具交換以及采用機械手交換刀具。利用刀庫與機床主軸的相對運動實現刀具交換的（de）裝置在換刀（dāo）時必須首先將用過的（de）刀具送回（huí）刀庫，然後再從刀庫中取出新刀具，兩個動作不能同時進行，換刀時（shí）間較長。而采用機械手換刀裝置在換刀（dāo）時能（néng）夠同時抓取和裝卸機床主軸和刀庫中的刀具，因此換刀時間進一步縮短。采用機械（xiè）手進（jìn）行刀具交換的方式應用最廣泛（fàn）。這是因為（wéi）機械手換刀靈（líng）活，動作快，而且結構簡單。機械手能夠完成抓刀—拔刀—回轉—插刀—返回等一係（xì）列動作。為了防止刀具掉落，機（jī）械手的活動爪都帶有自鎖（suǒ）機構。

下麵是世界上最現代化的數控機床換刀，換刀無影手！

 

16位（wèi）自動換刀刀庫

 

1、刀具交（jiāo）換方式

 

數控機床的自動換（huàn）刀裝置中，實現刀庫與機床主（zhǔ）軸之間傳（chuán）遞和裝卸刀具的裝置（zhì）稱為刀具交（jiāo）換裝置。刀具的交換方式和它們的具（jù）體結構對（duì）機床的生產率和工作可靠性有著直接的影響。

 

刀具的交換方式很多，一般可分（fèn）為以下兩大類。

 

（一）無機械手換刀

 

無機械手換刀，是由刀庫和機床主軸的相對運動實現的（de）刀具交（jiāo）換。換刀（dāo）時，必須首先將用過的刀（dāo）具送回刀庫，然後再從刀庫中取出新刀具，這兩個動作不可能同時進行，因此，換刀時（shí）間長（zhǎng）。所示的數控立式鏜銑床就是采（cǎi）用這種（zhǒng）換刀方（fāng）式的實例。它的選刀和換（huàn）刀由三個坐標軸的數控定位係統來完成，因（yīn）此每交換一次刀具，工作台和（hé）主軸箱就必（bì）須沿著三個坐標軸作兩次來回運動，因而增加了換刀時間。另外，由於刀（dāo）庫置於工（gōng）作台上，減少了（le）工作台的（de）有效使（shǐ）用麵積。

 

（二（èr））機（jī）械手換刀

 

由於刀庫及刀具交（jiāo）換方式（shì）的不同，換刀機械手也有多種形式。因為（wéi）機（jī）械手換刀（dāo）有很大的靈活性，而且還（hái）可以減少換刀時間，應用最（zuì）為廣泛。

 

2、機械手（shǒu）形式

 

在自動（dòng）換刀數控機床中，機械手的（de）形式也是多（duō）種多樣，常見的有以下幾種（zhǒng）形式。

 

1．單臂單爪回轉（zhuǎn）式機械手（shǒu）

 

這種機械（xiè）手的手臂可以回轉不同的角度來進行自動換（huàn）刀，其手臂上隻有（yǒu）一個卡（kǎ）爪，不論在刀庫上或是在主軸上，均靠這個卡爪來裝刀及（jí）卸刀（dāo），因此換刀時間較長，如圖（tú）2(a)所示。

 

2．單臂雙爪回轉式（shì）機械手

 

這種機械手的（de）手臂上有兩個卡爪，兩個卡爪有所分（fèn）工。一個卡爪隻執行從主軸上取下“舊刀”送回刀（dāo）庫的任務，另一個卡爪則執行由（yóu）刀庫取（qǔ）出“新刀”送到（dào）主軸的任務。其換刀時間較上述單爪回轉式機械手要少

 

3．雙臂回轉式（shì）機械手

 

這種機（jī）械手的（de）兩臂上各有一個卡爪，兩個卡爪可同時抓取刀庫及主軸上的刀具，回轉180°後（hòu）又（yòu）同時將刀具（jù）放回刀庫及裝入（rù）主軸。這種機械手換刀時（shí）間較以上兩種單臂機（jī）械手均短，是最常用的一種形式。右邊的（de）機械手（shǒu）在（zài）抓取或將刀具送入（rù）刀庫及主軸上，兩臂可伸縮。

 

4．雙機械手

 

這種機械（xiè）手相當於兩個單臂單爪機械手，它們互相配合進行自動換刀。其中一個（gè）機械手從主軸上取下“舊刀（dāo）”送（sòng）回刀（dāo）庫，另一個由刀（dāo）庫中取出“新刀”裝入（rù）機床主（zhǔ）軸，

 

5．雙臂往複交叉式機械手

 

這種機械手（shǒu）的兩手臂可以往複運動，並（bìng）交叉成一定的（de）角度。一個手臂從主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另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（mǒu）導（dǎo）軌直線移動或繞某個轉軸回轉，以實現由刀庫與主軸間的運刀工作，

 

6．雙臂端（duān）麵夾緊式機械手

 

這種機械手隻是在夾（jiá）緊部位上與前幾種不同。前幾種機械手（shǒu）均靠（kào）夾緊（jǐn）刀柄的外圓表麵來抓（zhuā）取刀具，這種機械手則是靠夾緊刀柄的兩個端麵來抓取的。

 

3、機械手夾持結構

 

在換刀過程中，由於機（jī）械手抓住刀柄要（yào）作（zuò）快速回（huí）轉，要作拔、插刀具（jù）的動作（zuò），還要保證（zhèng）刀柄鍵槽的角度位置對準主軸上的驅動鍵。因此（cǐ），機械手的夾持部分要十分可靠，並保證有適當的夾緊力（lì），其活動爪要（yào）有（yǒu）鎖緊裝置，以防止刀具在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

 

柄式夾持，也稱軸向夾持或（huò）V形（xíng）槽（cáo）夾持（chí）。其刀（dāo）柄前端有（yǒu）V形槽，供機械手夾持用（yòng），目前我國數控機床較多采用這種夾（jiá）持方式。機械手手掌結構示意圖，它由固（gù）定爪及活（huó）動爪組成，活動爪可繞軸回轉，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（shǒu）掌適當的夾緊力（lì），鎖緊銷使活動爪牢固地夾持刀柄，防止刀具在交換過程（chéng）中鬆脫（tuō）。鎖緊銷（xiāo）還可軸向移動，使活動（dòng）爪放鬆，以（yǐ）便杈（chā）刀從刀柄V形槽中（zhōng）退出。

 

4、自動換刀動作（zuò）順序

 

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

 

（一）雙臂往複交叉式機械手的換刀過程（chéng）

 

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

 

（2）上一工步結束，機床立柱後退，主軸箱上升，使主軸處於換刀（dāo）位置。接著下一工步開始，其第一個指令是換刀，機械手架回轉180o轉向主軸。

 

（3）卸刀機械手前伸（shēn），抓住主軸上已用過的T05號刀具。

 

（4）機械手架由滑（huá）座帶動（dòng），沿刀具軸線前（qián）移，將T05號刀具從主軸上拔出。

 

（5）卸刀機械手縮回原位。

 

（6）裝刀機械手前伸，使T09號刀具（jù）對準主軸。

 

（7）機械手架後移，將T09號刀具插入主軸。

 

（8）裝刀機械手縮回原位。

 

（9）機械手架回轉（zhuǎn）180o，使（shǐ）裝刀、卸刀機械手轉向刀庫（kù）。

 

（10）機械手架由橫（héng）梁帶動下降，找第二排刀套鏈，卸刀機械手將T05號（hào）刀（dāo）具插回P05號刀套中。

 

（11）刀（dāo）套鏈轉動把在下一個工步需（xū）用（yòng）的T46號刀具送到換刀位置,機械手（shǒu）一降,找第三（sān）排刀鏈,由裝刀機械手將T46號刀具取出。

 

（12）刀套鏈（liàn）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（wéi）再下一工步的換刀做好準備。

 

（二）鉤刀機械手的換刀過程

 

作為最常用的一種換刀形式（shì），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（dāo）庫和主軸（zhóu）上的刀具。

（2）拔刀。主軸夾頭鬆開（kāi）刀具（jù），機械手（shǒu）同時將刀庫和主軸上的刀具（jù）拔出。

 

（3）換刀。手臂旋轉180º，新舊刀具更換。

 

（4）插刀。機械手同時將新舊刀具分別插入（rù）主軸和刀庫（kù），然後（hòu）主軸夾頭夾緊刀具；

 

（5）複位。轉動手臂，回到原始位置（zhì）。