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（jù），鬥笠式刀庫在換刀時整個刀庫向主軸移動。當主軸上的刀具進入刀庫的卡槽時，主軸向上移動脫離刀具，這時刀庫（kù）轉動。當要換的（de）刀具對正主軸正下方（fāng）時主軸下移，使刀具進入主軸錐孔內，夾緊刀（dāo）具後，刀庫退回原來的位置（zhì）。

 

二、 圓盤式刀庫

圓盤式刀庫通常應用在小型立式綜合加工機上。"圓盤刀庫（kù）"一般俗稱"盤式刀（dāo）庫"，以便和（hé）"鬥笠式刀庫"、"鏈（liàn）條式刀庫"相區分。圓盤式的刀庫容量不大，頂多二、三十把刀。需搭配（pèi）自動換刀機構（gòu）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（liàng）之刀（dāo）具，一（yī）般都在20把以上，有些可儲放120把（bǎ）以上。它是藉由（yóu）鏈條將要換的刀具傳到指定位置，由機械手將刀具裝到主軸上。換刀動作均采用馬達加機加工中心使用的刀庫最常見的（de）形式是圓盤（pán）式刀庫和機（jī）械（xiè）手換刀刀（dāo）庫。

 

一、自動換刀裝置的形式

 

1．回轉刀架換刀

回轉刀（dāo）架是一種最簡單的（de）自動換刀裝置，常用於（yú）數控車床。可以設計成四方刀架、六角刀架或（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、六把或更多的刀具，並按數控裝置的指（zhǐ）令換刀。

 

回（huí）轉刀架在結構上必須具有良好的（de）強度和剛度，以承受粗加工時的切削抗力（lì）。由於（yú）車削加工精度在很大程度（dù）上取決於刀尖位置，對（duì）於數控車床來（lái）說，加（jiā）工過程中刀具（jù）位置不進行（háng）人工調（diào）整，因此更有必要選（xuǎn）擇（zé）可靠的（de）定位方案和合理的定（dìng）位結構，以保證（zhèng）回轉刀架在每次轉位之後，具有（yǒu）盡可能高的重複定位精（jīng）度（一般為0.001～0.005mm）。

 

一（yī）般情況下，回轉（zhuǎn）刀架的換刀動作（zuò）包括刀架抬起、刀架轉位及刀架壓緊等。

 

2．更換主（zhǔ）軸頭換刀（刀（dāo）具旋轉為主運動）

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

 

主軸頭有臥式和立式兩種，通常用轉塔的轉位來（lái）更換主軸頭，以實現自動換（huàn）刀。在（zài）轉塔的各（gè）個主軸上，預先安裝有各工序所需要的旋轉刀具，當發出（chū）換刀指令時，各主（zhǔ）軸頭依次地轉到加工位置，並（bìng）接通主運動（dòng），使相應的（de）主軸帶動刀具旋轉。而其它（tā）處（chù）於不加工（gōng）位置上的主軸都與主運動脫開。

 

這種更（gèng）換主軸換刀裝置，省去（qù）了自動鬆（sōng）、夾、卸刀、裝刀以及刀具搬運等一係列的複雜操作，從而縮（suō）短了換刀時（shí）間，並（bìng）提高了換刀的可靠性。但是（shì）由（yóu）於空間位置的限製，使主軸部件結構尺寸不能太（tài）大，因而（ér）影響了主軸係統的剛性。為了（le）保證主軸的剛性，必須限製主軸的數目，否則會使結構尺寸增大。因此，轉塔主軸頭通常隻適用（yòng）於工序較少、精（jīng）度要求不太高的機（jī）床，例如數控鑽、銑床等。

 

3.帶刀庫的自（zì）動換（huàn）刀係統

由（yóu）於（yú）回轉刀架、轉塔頭式換刀裝置容（róng）納的刀具數（shù）量不能太多，不（bú）能滿（mǎn）足複雜零件的加工需要，因此，自動換刀數控（kòng）機（jī）床多采用帶刀庫的自動換刀裝置。帶刀庫的自動（dòng）換刀裝置由刀（dāo）庫和換刀（dāo）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準刀柄上，在機外進行尺寸預調整後，按一（yī）定的方式放入刀庫。換刀時，先在刀庫中選刀，再由換刀裝置從刀庫或主軸上取出刀具，進行交換，將新刀裝入主軸，舊刀放回刀庫。刀庫具有較大的容量，既可安裝在主軸箱（xiāng）的側麵或上方。由於帶刀庫的自動換（huàn）刀裝（zhuāng）置的數控機床的主軸箱內隻有（yǒu）一根主軸，主軸部件的剛度要高，以（yǐ）滿（mǎn）足精密加工要求。

 

另外，刀庫（kù）內刀具數（shù）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應性和加工效率。帶刀庫的自動換刀係統適用於數控鑽削中（zhōng）心和加工中（zhōng）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刀（dāo）具，通過機械手實現與主軸上刀具的互換（huàn）。刀庫的類型有盤式（shì）刀（dāo）庫、鏈式刀庫等多種形式，刀（dāo）庫的形式和容量要根據機（jī）床的工藝範圍來確定。圖7-16所示的盤式（shì）刀庫，刀具的方向與主軸同向，換刀時主軸箱上升到一定（dìng）的位置，使主軸上的刀具正好對準刀庫（kù）最下（xià）麵的那個位置，刀具被夾住，主（zhǔ）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（xuán）轉（zhuǎn）至（zhì）與主軸對準的位置，刀庫（kù）後（hòu）退將新刀具插入主軸孔中，主軸夾緊刀柄，主軸箱（xiāng）下降到工作（zuò）位（wèi）置，完成（chéng）換刀任務，進行下道工（gōng）序的加工。此換刀（dāo）裝置的優點是結構簡單，成本較（jiào）低，換刀可靠性（xìng）較好；缺點是換刀時間長，適用於（yú）刀庫（kù）容量較小的加工中心。

 

對於刀庫容量需要較（jiào）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（de）形狀可根據機床的布局（jú）製成各種形狀，也可將（jiāng）換刀位突出以便於換刀。當需要（yào）增加刀具數量時，隻（zhī）需增加鏈條的長度即可，給刀（dāo）庫設計與製造帶來了方便。

 

2. 刀具的選擇方式

一般的（de）刀（dāo）庫內存放有多把刀具，每次（cì）換刀前要（yào）進行選刀，常用的選刀方法有順（shùn）序選刀和任意 選刀兩種，順序選刀是在加工（gōng）之前，將加（jiā）工零（líng）件所需刀具按照工藝要求依次插入刀庫的刀（dāo）套中，加工是（shì）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（yōu）點是刀庫的（de）驅動和控製都比較簡（jiǎn）單。因此，這種方式適合加工批量較大、工件品種數量較少的（de）中、小型數控機床（chuáng）的自動換刀。

 

隨著數控係統的發展，目前（qián）大多數的（de）數控係統都采用任意（yì）選刀（dāo）的方式，其分為刀套編碼、刀具編碼和記憶式等三（sān）種。

 

3. 刀具（jù）編碼方式（shì）

刀具（jù）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條，一般都是根據（jù）二（èr）進製（zhì）編碼的原理進（jìn）行編碼（mǎ）。刀具編碼選刀方（fāng）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（dài）碼，因而刀（dāo）具可在不同的工（gōng）序中多次重複（fù）使用（yòng），換下的刀具不用放回原刀座，刀庫的容量也可相（xiàng）應減（jiǎn）少。但每把刀具（jù）上都帶有專用的編碼環，刀（dāo）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（de）方式是一把刀具隻對應一個刀套，從（cóng）一個刀套中取出的刀具必須放回同一刀（dāo）套中，取送刀具十分麻煩，換刀時間長。目前在加工中（zhōng）心上（shàng）大量使用記憶式的方式。這種方式能將（jiāng）刀具號和刀庫中的刀套位置對應地記憶在數控係統的PLC中，無論刀具（jù）放在哪個刀套內，刀具信息都始終記存在PLC內。刀庫上（shàng）裝有位置檢測（cè）裝置，可獲（huò）得每個刀套的位置信息。這樣刀具就可以任意取出並送回。刀庫上還設有機械原點，使每次選（xuǎn）刀時就近選取。

 

三、刀（dāo）具交（jiāo）換裝置

 

數控機床的自動（dòng）換刀（dāo）裝置中，實現刀庫與（yǔ）機床主軸（zhóu）之間（jiān）傳遞和裝卸刀具的（de）裝置稱為（wéi）刀具交（jiāo）換裝置。刀具的交換方式有兩種：由刀庫與機床主軸的相（xiàng）對運（yùn）動實現刀具交換以及采用機械手交換刀具。利用刀庫與機床主軸（zhóu）的相對運動實現刀具交換的裝置在換刀時必須首先將用（yòng）過的刀具送回刀庫，然後再從刀庫中取出新刀具（jù），兩個動作不能同時（shí）進（jìn）行，換刀時間較長。而采用（yòng）機（jī）械手換刀裝置在換刀時能夠同時抓取和裝卸機床主軸和刀庫中的刀具，因（yīn）此（cǐ）換刀時間進一步縮短。采用（yòng）機械手進行刀（dāo）具交換的方式應用最廣泛（fàn）。這是因為機（jī）械（xiè）手換刀靈活，動作快，而且結（jié）構簡單。機械手能夠完成抓刀—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（de）活動爪都帶有自鎖機構。

下麵是世界上最現代化的（de）數控機（jī）床換刀，換刀無影手！

 

16位自動換刀刀庫

 

1、刀具交換方式

 

數（shù）控機床（chuáng）的自（zì）動換刀裝置中，實現刀庫與機床（chuáng）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）換方式和它們的具體結構對機床的生產率和工（gōng）作可靠性有著直接的影響。

 

刀具的交換（huàn）方式很多，一般可分為以下兩大類。

 

（一）無機械手換刀

 

無機械（xiè）手換刀，是由（yóu）刀庫和機床主軸的相對（duì）運動實現的刀具交換。換刀時，必須首先將用過的（de）刀具送回刀庫，然後（hòu）再從刀庫中取出新刀具，這兩個動作不可能同時（shí）進行，因此，換刀時間長。所示（shì）的數控立式鏜銑床就是采用這種換刀方式的實例。它（tā）的選刀和換刀由三個坐標軸的數控定位係統來（lái）完成，因此每交換一次刀（dāo）具（jù），工作台（tái）和主軸箱就必須沿著三個坐標軸作（zuò）兩（liǎng）次來回運動，因而增加了換刀時間。另外，由於（yú）刀庫置於工作台上，減少了工作台的（de）有效使用麵積。

 

（二）機（jī）械手換刀

 

由於刀庫及刀具交換方（fāng）式的不同，換刀機械手也有多種形式。因為機械手換刀（dāo）有很大的靈活性，而且還可以減少（shǎo）換刀時間，應用最（zuì）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（zhǎo）回轉式機械（xiè）手

 

這種機械手的手臂可以回轉不同的（de）角度來進行自（zì）動換（huàn）刀，其手臂上隻有一個卡爪，不論在刀庫上或是在主軸上（shàng），均靠這個卡爪來裝刀及卸刀，因（yīn）此換刀（dāo）時間較長，如圖2(a)所示。

 

2．單臂雙爪回（huí）轉（zhuǎn）式機械手

 

這種機械（xiè）手的（de）手臂上有兩個卡爪（zhǎo），兩（liǎng）個卡爪有所分工。一個卡爪隻執行從主軸上取（qǔ）下（xià）“舊（jiù）刀”送回刀庫的任務，另一個卡爪則執行由刀庫（kù）取出“新刀”送到主軸的任務（wù）。其換（huàn）刀時間較上述單爪回轉式機械手要（yào）少

 

3．雙臂回轉式機械手

 

這種機（jī）械手的兩臂上各（gè）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兩種單臂機械手均短，是最常用的一種形式（shì）。右邊的機械手在抓取（qǔ）或（huò）將刀具送入刀庫及主軸上，兩臂可（kě）伸縮。

 

4．雙機械手

 

這種機械手相當於兩個單（dān）臂單爪機（jī）械手，它們互相配合進行自動換刀。其中一個機械手從主軸上取下“舊刀”送回（huí）刀庫，另一個由（yóu）刀（dāo）庫中取出“新刀（dāo）”裝（zhuāng）入機床主軸，

 

5．雙臂往複交叉式機械手

 

這種機械手的兩手臂可以往複（fù）運動，並交叉成一定的角度。一個手（shǒu）臂從主軸（zhóu）上取下“舊刀（dāo）”送回（huí）刀庫，另一（yī）個（gè）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（bì）端麵夾緊式（shì）機械手

 

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

 

3、機械手（shǒu）夾（jiá）持結構

 

在換刀過程中，由於機械（xiè）手抓住刀柄要作快速（sù）回轉，要作拔、插刀具的動作（zuò），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（cǐ），機械手的夾持（chí）部分要十（shí）分可靠，並保證有（yǒu）適當的夾緊（jǐn）力（lì），其活動爪要有鎖緊（jǐn）裝置，以防止刀具在換刀過程中轉動脫落（luò）。機（jī）械手夾（jiá）持刀具的方法有以下兩種（zhǒng）。

 

（一）柄（bǐng）式夾持

 

柄式夾持，也（yě）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（mù）前我國數控機床較多采用這種夾持方式。機械手（shǒu）手掌結構示意圖，它由固（gù）定爪及活動爪組成，活動爪可繞軸回轉，其一端在（zài）彈簧柱塞的作（zuò）用下，支靠在擋（dǎng）銷（xiāo）上，調（diào）整螺釘以保持手（shǒu）掌適當的夾（jiá）緊力，鎖緊銷使活動爪（zhǎo）牢（láo）固地夾持刀柄（bǐng），防（fáng）止（zhǐ）刀具在交換過程中（zhōng）鬆（sōng）脫（tuō）。鎖緊銷還可軸向移動，使活動爪放鬆，以便杈刀從刀柄V形槽中退（tuì）出。

 

4、自（zì）動（dòng）換刀動作順序

 

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

 

（一）雙臂往複（fù）交叉式機械（xiè）手的換刀過（guò）程

 

（1）開始換刀前（qián）狀（zhuàng）態。主軸正用T05號刀具進行加（jiā）工，裝刀機械手已抓住下（xià）一（yī）工步（bù）需（xū）用的T09號刀（dāo）具，機（jī）械手架（jià）處於最（zuì）高位置，為換刀做好了（le）準備；

 

（2）上一（yī）工步結束，機床立柱後退，主軸箱上升，使主軸處於換刀位（wèi）置。接著下一工步開始，其第一個指令是（shì）換刀，機（jī）械手架回轉180o轉向主軸。

 

（3）卸刀機械手（shǒu）前伸，抓住主軸上已用過的T05號刀具。

 

（4）機（jī）械（xiè）手架由滑座帶動，沿刀具（jù）軸線前移，將T05號刀具從（cóng）主軸上拔出。

 

（5）卸刀（dāo）機械手（shǒu）縮回原位。

 

（6）裝刀機（jī）械手前（qián）伸（shēn），使T09號（hào）刀具對準主軸。

 

（7）機械手架後移，將T09號（hào）刀具插入主（zhǔ）軸。

 

（8）裝刀機械手縮回原位。

 

（9）機（jī）械手架回轉180o，使（shǐ）裝刀、卸刀機械手轉向刀庫。

 

（10）機械手架由橫梁帶動下降，找第二排刀套鏈，卸刀（dāo）機（jī）械手將T05號刀具插回P05號刀套（tào）中（zhōng）。

 

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

 

（12）刀套（tào）鏈反轉，把P09號刀套送到換刀位置，同（tóng）時機械（xiè）手架上升至最高位置，為再下一工步的換刀（dāo）做（zuò）好準備。

 

（二）鉤刀機械手的換刀過程

 

作為最常用的（de）一種換刀形式，換刀一次所需的基本動作（zuò）如（rú）下。

 

（1）抓（zhuā）刀。手臂旋轉90º，同（tóng）時抓住（zhù）刀庫和主軸上的刀具。

（2）拔刀。主軸夾（jiá）頭鬆開刀具，機（jī）械（xiè）手同時將刀庫和主軸上的刀具拔（bá）出。

 

（3）換刀。手臂旋（xuán）轉180º，新舊刀（dāo）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；

 

（5）複位。轉動手臂，回到原始位置。