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（néng）存16~24把刀具，鬥笠式刀庫在（zài）換刀時整（zhěng）個刀庫向主軸移動。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（dāng）要換的刀具對正主軸（zhóu）正下方時主（zhǔ）軸下移，使刀具進入主軸錐孔內，夾緊刀具後，刀庫退回原來（lái）的位置。

 

二（èr）、 圓盤（pán）式刀庫

圓盤式刀庫通常應用在（zài）小型立（lì）式綜合加工機上。"圓盤刀庫"一般俗（sú）稱"盤式（shì）刀庫"，以便和"鬥笠式刀庫"、"鏈條式刀庫"相區分。圓盤式的刀庫容量不大，頂多二、三十（shí）把刀（dāo）。需搭配自動換刀機（jī）構ATC(AutoToolsChange)進行刀具交（jiāo）換。

 

三、鏈條式刀庫

鏈條式刀庫的特點（diǎn）是可儲放較多數量之刀（dāo）具，一（yī）般都在20把以上，有些可儲放（fàng）120把（bǎ）以上。它（tā）是藉由鏈條將要換的刀（dāo）具傳到指定位置，由機械手將刀（dāo）具裝到主軸（zhóu）上。換（huàn）刀動作均采用（yòng）馬達加機（jī）加工中心使用的刀庫最常見的形式是圓盤式刀庫（kù）和（hé）機械手換刀刀庫。

 

一、自動換刀裝置的形式（shì）

 

1．回轉刀架換刀

回轉刀架是一種最簡單的自動（dòng）換刀裝置，常用於數控車床。可以（yǐ）設計成四方刀（dāo）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著（zhe）四把、六把（bǎ）或更（gèng）多的（de）刀（dāo）具，並按數控裝置的指令（lìng）換刀。

 

回轉刀架在結構上必須具有良好的強度和剛度（dù），以承受粗加工時的切削抗力。由於車削加（jiā）工精度在很（hěn）大（dà）程度上取決於（yú）刀尖位置，對於數控車床（chuáng）來說，加工過程（chéng）中刀（dāo）具位置不進行人工（gōng）調整，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位之後，具有盡可能高的重複定位（wèi）精度（一般為0.001～0.005mm）。

 

一般（bān）情況下，回轉刀架的換刀動作包括刀架抬起、刀架轉位及刀架壓緊等。

 

2．更換主軸頭換刀（刀具旋轉為主（zhǔ）運（yùn）動）

更換主軸換刀是（shì）帶有旋轉刀具的數控機床的一種比較簡單的（de）換刀方式。這種主軸頭（tóu）實際上就是一個轉塔刀庫。

 

主軸頭（tóu）有臥式和立（lì）式兩種，通常用轉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（yù）先安裝有各工序所需要的旋轉刀具，當發出換刀指令時，各主軸頭依次地轉到加工位置（zhì），並接通主運動，使相應的主軸帶動刀具旋轉。而（ér）其它處於不加工位（wèi）置上的主軸（zhóu）都（dōu）與主運動脫開。

 

這種更換主軸換刀裝置，省去了自動鬆、夾、卸刀（dāo）、裝刀以及刀具搬運等一係列的複雜操作，從而縮短了換刀時間，並（bìng）提高了換刀的可靠（kào）性。但是由於空間（jiān）位置的（de）限製，使主（zhǔ）軸部件結構尺寸不能太大，因而影響了主軸係（xì）統的剛（gāng）性（xìng）。為了保證主軸的剛（gāng）性，必須限製主軸的數目，否則（zé）會使結（jié）構尺寸增大。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（chuáng），例如（rú）數控鑽、銑床等（děng）。

 

3.帶刀庫的自（zì）動換刀（dāo）係統

由於回轉刀架、轉塔頭式（shì）換刀裝置（zhì）容（róng）納的刀具數量不能太多，不能滿（mǎn）足複雜零件的加工需要，因此，自動換刀數控（kòng）機床多采（cǎi）用帶刀庫（kù）的自動換刀裝置。帶刀庫（kù）的自動換刀裝置（zhì）由刀庫和換刀機構組成，換刀過程較為複雜。首先要把加工過程中使用的全部刀具分別安裝在標（biāo）準刀（dāo）柄上，在機外進行尺寸預調整後，按一定的方式放入刀庫。換刀時，先在刀庫中選刀（dāo），再由換刀裝置從刀庫或主軸上取出刀（dāo）具，進行交換，將新刀裝入主軸，舊（jiù）刀放回（huí）刀庫。刀庫具有較大的容量，既可安裝在主軸箱（xiāng）的側麵或上方（fāng）。由於帶刀庫的自動換刀裝置的數控機床的主軸箱內隻有一根主軸，主軸部件的剛度要高，以滿足精（jīng）密加工要求。

 

另外（wài），刀（dāo）庫內（nèi）刀具（jù）數量較大，因而能夠（gòu）進行複雜零件的多工序加工，大大提高了機（jī）床（chuáng）的適應（yīng）性和（hé）加工效率。帶刀庫的自動換刀係統適用於數控鑽削中心和加工中心。

 

二（èr）、刀庫和刀具的選擇（zé）方式（shì）

 

1.刀庫類型

刀庫的（de）作用是儲備一定數量的刀具（jù），通過機械（xiè）手實（shí）現與主軸（zhóu）上刀具的互換。刀庫的類型有盤式刀庫、鏈式刀庫等多種形式，刀庫的形式和容（róng）量要根據機床的工（gōng）藝範圍來確定。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一定的位置，使主軸上的刀具正好對準（zhǔn）刀庫最下麵的那個位置，刀具被夾住，主軸（zhóu）在CNC的控製下，鬆開刀柄，盤式刀庫向前（qián）運動（dòng），拔出主軸上的刀具，然後刀庫將下一（yī）個工序所用的刀具旋轉至（zhì）與主軸（zhóu）對準的位置，刀庫後退將新刀具插入主軸（zhóu）孔中，主軸夾緊（jǐn）刀柄，主軸（zhóu）箱下降到工作位置（zhì），完成換刀任務，進（jìn）行下道工（gōng）序的加工。此換刀裝（zhuāng）置（zhì）的優點是（shì）結構簡單（dān），成本較低（dī），換刀可（kě）靠性較好；缺點是換刀時間（jiān）長，適用於刀庫容量較小的加工中心（xīn）。

 

對於刀庫容量需要較大的（de）加工中心可采用鏈式刀庫，鏈（liàn）式刀庫的結構緊湊，刀庫容量較大，鏈（liàn）環的形狀可根據機床的布局製成各種形狀，也可將換刀位突出以（yǐ）便於換刀（dāo）。當需要增加刀具數量時，隻需（xū）增加鏈條的長度即可，給刀庫設計與製（zhì）造（zào）帶來了方便。

 

2. 刀具的（de）選擇方式

一般的刀庫內存放有多把刀具，每次換刀前要進行選刀，常用的選刀方法（fǎ）有順序選（xuǎn）刀和任意（yì） 選（xuǎn）刀兩種，順序（xù）選刀是在（zài）加工（gōng）之前，將加工零件所需刀具按照工藝要求依（yī）次插入刀庫的刀套中，加工是按順序調刀，加（jiā）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和控製都比較簡單。因（yīn）此（cǐ），這種方式（shì）適合加工批量較大、工件（jiàn）品種數量較少的中、小型（xíng）數控機床的自動換刀（dāo）。

 

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

 

3. 刀具編碼方式

刀具編（biān）碼或刀套編碼需要（yào）在刀具或刀套上安裝（zhuāng）用於識別的編碼條，一般（bān）都是根據二進（jìn）製（zhì）編碼（mǎ）的原理進行編（biān）碼。刀具編碼選刀方式采用了一種特殊的刀柄結構，並對每把刀具編碼。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（shǐ）用，換下的刀（dāo）具不（bú）用放回（huí）原刀座，刀庫（kù）的容量也可相應減（jiǎn）少。但每把刀具（jù）上都帶有專（zhuān）用的編碼環，刀具長度加長，製造（zào）困難，刀庫和機械手的（de）結構變複雜。刀套編碼的方式是一把刀具隻對應一個刀套，從一個刀套中取出的刀具必須放回同一刀套中，取送刀具十分麻煩，換刀時間長。目前在加工（gōng）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（dāo）庫中的刀套位置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（zhuāng）有（yǒu）位置檢測裝置，可獲得每個刀（dāo）套的位置信息。這樣刀具就可以任意取出（chū）並送回。刀庫上還設有機械原（yuán）點，使每次選刀時就近選取。

 

三、刀具（jù）交換裝置

 

數控機床的自動換刀裝置中，實現刀庫與機（jī）床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置。刀具的交（jiāo）換方式有兩種：由刀庫與機（jī）床主軸的相對運動實現刀具交換以（yǐ）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（jù）交換的裝置在換（huàn）刀時必（bì）須首先將（jiāng）用過的刀具送回刀庫，然後再從刀庫中取出新刀具，兩（liǎng）個動作不能同時（shí）進行，換刀時間較長。而采用機械手換（huàn）刀裝置在換刀時能（néng）夠同時抓取和裝卸機床主軸和（hé）刀庫（kù）中的刀具（jù），因此（cǐ）換刀時間進一步縮短（duǎn）。采用機械手進行刀（dāo）具交換的方式應用最廣（guǎng）泛。這是因為機械手（shǒu）換刀（dāo）靈活，動（dòng）作快，而且結構簡單。機械（xiè）手能夠完成抓刀—拔刀—回轉（zhuǎn）—插刀—返回（huí）等一係列動作。為了防止（zhǐ）刀具掉落，機械手的活動爪都帶有自鎖（suǒ）機構。

下麵是世界上最現代化（huà）的數（shù）控機床換刀，換刀無影手！

 

16位自動換刀刀（dāo）庫

 

1、刀具交換方式

 

數控機床的自動換刀裝置中，實現刀庫與機床主軸之（zhī）間傳遞和裝（zhuāng）卸刀具的裝置稱為刀具交（jiāo）換裝置。刀具的交（jiāo）換方式和它們的具體結構對機床的（de）生產率和工作可靠性有（yǒu）著直接的（de）影響。

 

刀具的交換方式很多，一般可分為以（yǐ）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刀（dāo）具交換。換刀時，必（bì）須首先將用（yòng）過的刀具送（sòng）回刀庫，然後再從刀庫中取出新刀具，這兩（liǎng）個動作不可能同時進行，因此，換刀（dāo）時間長。所示的數控立式鏜銑床就是采用這種換刀方（fāng）式的實例。它的選刀和換刀由（yóu）三個（gè）坐標（biāo）軸的數控定位係統來完成，因此每交換一次刀具，工作（zuò）台和主（zhǔ）軸箱（xiāng）就必須沿著三個坐標軸作兩次來回運動，因而增加了換刀時（shí）間。另外，由於刀庫置於工作台上，減少（shǎo）了工作台的有效使用麵積。

 

（二）機械手換刀

 

由於（yú）刀庫及（jí）刀具交換（huàn）方式（shì）的不同，換刀機械手也有多種（zhǒng）形式。因為機械手換刀有很大的靈活性，而且還可以減少換刀時間（jiān），應用最為廣（guǎng）泛。

 

2、機械手（shǒu）形式

 

在自（zì）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

 

這種機械手的手臂可以回轉不同的角度來（lái）進行自動換刀，其手臂上隻有一個（gè）卡爪，不論在刀庫上或是在主軸上，均靠（kào）這個卡爪來裝刀及卸刀，因此換刀時（shí）間較長，如（rú）圖2(a)所示。

 

2．單臂雙爪回轉式機械手

 

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

 

3．雙臂回轉式機械手

 

這種機械手的（de）兩臂上各有一個卡爪，兩個卡爪可同時（shí）抓取刀庫及主軸上的刀（dāo）具，回轉（zhuǎn）180°後又同時將刀具放回刀庫及裝入主軸。這種機械手換刀時間較以上（shàng）兩種單臂機械（xiè）手均短，是最常用（yòng）的一種形式。右邊的機械手在抓取或將刀具送入刀庫及主軸上，兩臂可伸縮。

 

4．雙機械手

 

這（zhè）種機械手相當於兩個單臂單爪機械手，它們互相配（pèi）合進行自動換刀。其中一個機械手從主軸上取下“舊（jiù）刀”送回刀庫，另一（yī）個由刀庫中取出“新刀”裝入（rù）機床主軸（zhóu），

 

5．雙臂往複交叉式機械手

 

這種機械手的兩手臂可以（yǐ）往複運動，並交叉成一（yī）定的角度。一個（gè）手臂從主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另一個手臂由刀（dāo）庫中取（qǔ）出“新（xīn）刀”裝（zhuāng）入主軸。整個機械手可沿某（mǒu）導軌直線移動或（huò）繞某個轉軸回轉，以實現由刀庫與主軸間的運刀工作，

 

6．雙臂端麵夾緊式機械手

 

這（zhè）種機械手隻（zhī）是在夾緊部位上與前幾種不同。前幾種機械手均靠夾緊（jǐn）刀柄的外圓表（biǎo）麵來抓取刀具，這（zhè）種機（jī）械手（shǒu）則是（shì）靠夾緊刀柄的兩個（gè）端麵來抓（zhuā）取的。

 

3、機械手夾持結構

 

在換刀過程中，由於機械手抓住（zhù）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度位置（zhì）對準主軸上的驅（qū）動鍵。因此，機械（xiè）手的夾（jiá）持（chí）部分要十分可靠，並保證有適當的夾（jiá）緊力，其活（huó）動爪要有鎖緊裝置，以防止（zhǐ）刀具在換刀過（guò）程中轉動（dòng）脫（tuō）落。機械手夾持刀具的方法有以下兩種。

 

（一（yī））柄（bǐng）式夾持

 

柄式夾持，也稱軸向夾持或V形槽夾持。其刀柄前端有V形槽，供機械手夾持用，目前我國數控機（jī）床較多（duō）采用（yòng）這種夾持方（fāng）式（shì）。機械手手掌結構示意圖，它（tā）由固定爪及（jí）活動爪（zhǎo）組成，活動爪可繞軸回（huí）轉，其一端在彈簧柱塞的作用下，支靠在擋銷上，調整（zhěng）螺釘以保持手掌適當的夾緊力（lì），鎖緊銷使活動爪牢固地夾持刀柄，防止刀具在交換過程中鬆脫。鎖緊銷還可軸向（xiàng）移動，使活動爪放鬆，以便杈刀從刀柄（bǐng）V形槽中退出。

 

4、自動換刀動（dòng）作順序

 

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

 

（一）雙臂往複交叉式機（jī）械（xiè）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，裝刀機械手已抓住下一工步需用的T09號（hào）刀具，機械手架處於最高位置，為換刀做好了準備；

 

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

 

（3）卸刀機械手前伸，抓（zhuā）住主軸上已用過（guò）的T05號（hào）刀具。

 

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

 

（5）卸刀機械手縮回原位（wèi）。

 

（6）裝刀機械手前伸，使T09號刀具對準主軸。

 

（7）機械手架後移，將T09號刀具插入（rù）主軸。

 

（8）裝刀機（jī）械手縮回原位。

 

（9）機械手架回轉180o，使（shǐ）裝刀、卸刀機（jī）械手轉向刀庫。

 

（10）機械手架由橫梁帶（dài）動下降，找（zhǎo）第二（èr）排刀套鏈，卸刀機械手將T05號刀（dāo）具插回P05號刀套中。

 

（11）刀套鏈轉動把在下一個工步需用的T46號刀具送到換刀位（wèi）置,機械手一降,找第三排刀鏈,由裝刀機械手將T46號刀具取出。

 

（12）刀套鏈反轉，把P09號刀套送（sòng）到換刀位置，同時機械手架上升至（zhì）最高位置，為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（de）一種換刀形（xíng）式，換刀一次所需的基本動作如下。

 

（1）抓刀。手臂旋轉90º，同時（shí）抓住刀（dāo）庫（kù）和主軸上的刀具。

（2）拔刀。主軸（zhóu）夾頭（tóu）鬆開（kāi）刀具，機械手同（tóng）時將刀庫和主軸上的刀具拔出。

 

（3）換刀（dāo）。手臂（bì）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主軸和刀庫，然後主軸夾頭夾緊刀具（jù）；

 

（5）複位。轉動手臂，回到原始位置。