CNC數控機床的自動換刀裝置及其（qí）刀具係（xì）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。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，這時刀庫轉動。當要換的刀具對正主軸正下方時（shí）主軸下移，使刀具（jù）進入主軸錐孔內（nèi），夾緊刀（dāo）具後，刀庫退回原來的位置。

 

二、 圓盤式刀庫

圓盤式刀庫通常應用（yòng）在小（xiǎo）型立式綜合加工機上。"圓盤刀庫"一般俗稱"盤式刀庫"，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、三十把刀。需搭配自動換刀機構ATC(AutoToolsChange)進行刀具交換。

 

三、鏈（liàn）條式刀庫

鏈條式刀庫的特點是可（kě）儲放較多數量之刀具，一般都（dōu）在（zài）20把以上，有些可儲（chǔ）放120把以上。它是藉由鏈條將要（yào）換（huàn）的（de）刀（dāo）具傳（chuán）到指（zhǐ）定位置，由（yóu）機械手將刀具裝到主軸上。換刀動作均采用（yòng）馬達加（jiā）機加工（gōng）中心使用的刀庫最常見的形式是圓盤式刀庫和機械手換刀刀庫。

 

一、自（zì）動換（huàn）刀裝置的形式

 

1．回轉刀架換刀

回轉刀架是一種最（zuì）簡單的自動換刀裝（zhuāng）置，常用於數控車床。可以設計成（chéng）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（fèn）別安裝（zhuāng）著四（sì）把、六把（bǎ）或更多的刀具（jù），並（bìng）按數控裝置的指令換刀。

 

回轉（zhuǎn）刀（dāo）架在結構上必須具有良好（hǎo）的強度和剛度，以承受粗加工時的切削抗力（lì）。由於車削加工精度（dù）在很大程度上取決於刀尖位置，對於數控車床來說（shuō），加（jiā）工過程中刀具位置不進行人工調整（zhěng），因此更有必要選擇（zé）可（kě）靠（kào）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精度（一般為0.001～0.005mm）。

 

一般情況下，回（huí）轉刀架的換（huàn）刀動作包括刀架抬起、刀架轉位及刀架（jià）壓（yā）緊等。

 

2．更換主軸頭（tóu）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種（zhǒng）比較簡單的換刀方式（shì）。這種主軸頭實際上就是一個轉塔刀庫。

 

主軸頭有臥式（shì）和立式兩種，通常用（yòng）轉塔（tǎ）的（de）轉位來更換主軸頭（tóu），以實（shí）現自動換刀。在（zài）轉塔的（de）各個主軸上，預先安裝有各工序所需要（yào）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，並接通主運動，使相應的主軸（zhóu）帶動刀具旋轉。而其它處於不加工位（wèi）置上的主軸（zhóu）都與主運動脫開。

 

這種更換主軸換刀裝置，省（shěng）去了自動鬆、夾、卸刀、裝（zhuāng）刀以及刀具搬運（yùn）等一係列的複雜操作，從而縮短了換刀時間，並提高了換刀的可靠性。但是由於（yú）空間（jiān）位（wèi）置的限（xiàn）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。為了保證主軸的剛性，必（bì）須限製主軸的數目，否則會使結構（gòu）尺寸增（zēng）大。因此，轉塔主軸頭通常隻適用於（yú）工序（xù）較少、精度要求不太高的機床，例如數控鑽、銑床（chuáng）等。

 

3.帶刀庫的自動（dòng）換刀係（xì）統

由於回轉刀架、轉塔頭（tóu）式換刀裝置容納的刀具數（shù）量不能太多，不能滿足複雜（zá）零件（jiàn）的加（jiā）工需要，因此，自動換刀數控機床多采用帶刀庫的自（zì）動換刀裝置。帶刀庫的自動換刀裝置由刀庫和換刀機構（gòu）組成，換刀過程較為複雜。首先要把加（jiā）工過程（chéng）中使用的全部刀具分別安裝在標準刀柄上，在機外（wài）進行（háng）尺寸預調整後（hòu），按一定的方式放入刀庫。換刀時，先在刀庫中（zhōng）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（dāo）裝入主軸，舊刀（dāo）放回刀庫。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刀裝置的數控機床的主軸箱內隻（zhī）有（yǒu）一根主軸，主軸部件的剛度要高，以滿足精密（mì）加工要求（qiú）。

 

另（lìng）外，刀庫內刀具數量較大，因而能夠進行複雜零件（jiàn）的多工序加工，大大提（tí）高（gāo）了機（jī）床的適應（yīng）性和加工效（xiào）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、刀庫和刀具的（de）選擇方式

 

1.刀庫類型（xíng）

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。刀庫的類型有盤式刀庫、鏈式（shì）刀庫等多種形式，刀庫的形式和容量要根據機（jī）床的工藝範圍來確（què）定（dìng）。圖7-16所示的盤式刀庫，刀（dāo）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（hǎo）對準刀庫最下麵的那個位置，刀具被夾住，主軸在CNC的控製下，鬆開刀柄，盤式刀庫（kù）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（zhǔ）軸對準的位置，刀庫後退將新（xīn）刀具插入主軸孔中，主軸（zhóu）夾緊刀柄，主軸箱下降到（dào）工作位置，完成換刀任務，進行下道工序的加工。此換刀（dāo）裝置的優點是結構簡單，成本較（jiào）低，換刀可靠性較（jiào）好；缺點是換刀（dāo）時間長，適用於刀庫容量較小的加工中心。

 

對於刀庫容量需要較（jiào）大的加工（gōng）中心可采用鏈式刀庫，鏈式刀庫的結構緊湊，刀庫容量較大，鏈環的形狀可根據機床的布局製成各種形狀，也可將換刀位突出以便於換刀。當（dāng）需要增（zēng）加刀具數量時，隻需增加（jiā）鏈條的長（zhǎng）度即可，給（gěi）刀庫設計與製造帶（dài）來了（le）方便。

 

2. 刀（dāo）具的選擇方式

一般的刀庫內存放有多（duō）把刀（dāo）具，每次換刀前要進行選刀，常（cháng）用的選刀方（fāng）法有順序選刀和任意 選（xuǎn）刀兩種，順序選刀是在（zài）加工之前，將加工零件所需刀具按照工藝要求依次插入刀庫的刀套中，加工是按順序調刀，加工不同（tóng）的工件時必須（xū）重新調整（zhěng）刀庫中的（de）刀（dāo）具順序。其優點是刀庫（kù）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（pǐn）種數（shù）量較少的中、小（xiǎo）型數控機床的自動換刀。

 

隨著（zhe）數控係統的發展，目前大多數（shù）的數控係統都采用任意選（xuǎn）刀（dāo）的方式，其分（fèn）為刀（dāo）套編碼、刀具編碼和記憶式等三種。

 

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（de）編碼條，一般都是（shì）根據二進製編碼的（de）原理進行編碼。刀具編碼選（xuǎn）刀方式采用了一種特殊的刀柄結構，並對每把刀具編（biān）碼。每把刀具都具有自（zì）己的代碼，因而刀具可在不同的（de）工（gōng）序中多次重複（fù）使用，換下的刀具不用放（fàng）回原刀座，刀庫的容量也可（kě）相應減少。但每把刀具（jù）上都帶有專用的編碼環，刀具（jù）長度加長，製造困難，刀庫和機械手的結構變複雜。刀套編碼的方式是一把刀具隻（zhī）對應一個刀套，從一個刀套中取（qǔ）出的（de）刀具必須放回同一刀套中，取送刀具十分麻煩，換刀時（shí）間長。目（mù）前在加工中心（xīn）上大量使用記憶式的方（fāng）式。這種方（fāng）式能將刀（dāo）具號和刀庫中的刀套位置對應地記憶在數控係統的PLC中，無論刀具放在哪個刀套內（nèi），刀具信息都始終記存在PLC內。刀庫上裝有位置檢測裝置，可獲得每（měi）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（shàng）還設有機械原點，使（shǐ）每次選刀時就近選取。

 

三、刀具（jù）交換裝置

 

數控機床的自動（dòng）換刀裝置中，實現刀庫與機床主軸之間傳（chuán）遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置（zhì）。刀具的交換方式有兩種：由刀庫與機（jī）床（chuáng）主軸的相對運動實現刀具交換（huàn）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（dòng）實現刀具交換的裝置在換刀時必須首先將用（yòng）過的刀具（jù）送回刀庫，然後再從刀庫中取出新刀具，兩（liǎng）個動作不能（néng）同時進行，換刀時間較長。而采用（yòng）機械手換刀裝置在換刀時能夠同時抓取和裝卸（xiè）機床主軸和刀庫中的刀具，因此換刀時間進一步縮短（duǎn）。采用機（jī）械手進行刀（dāo）具交換的方式（shì）應用最（zuì）廣泛。這是因為機械手（shǒu）換刀靈活，動作快，而且結（jié）構簡單。機械手能（néng）夠完成抓刀—拔刀—回轉—插刀—返回等一係列動作。為（wéi）了防止刀具掉落，機械手的活動爪都帶有（yǒu）自鎖機構。

下麵是（shì）世界上最現代化的數控（kòng）機床換刀（dāo），換刀無影手！

 

16位自動（dòng）換刀刀（dāo）庫（kù）

 

1、刀具交換方式

 

數控機床的（de）自動（dòng）換刀（dāo）裝置中，實現刀庫與機床主（zhǔ）軸之間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的具體結構對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，一般可分為以下兩大類。

 

（一）無機械（xiè）手（shǒu）換刀

 

無機械手換刀，是由刀庫（kù）和機床主軸的相對運動實現的刀具交換（huàn）。換刀時，必須首先將用過的（de）刀具送回刀庫，然後再從（cóng）刀庫中取出新刀具，這兩個動作不可能同（tóng）時進行，因此，換刀時間長。所示的數控立式鏜銑床就是采用這種（zhǒng）換刀方式（shì）的實例（lì）。它的選刀和（hé）換刀由三個坐標軸（zhóu）的數控定（dìng）位係統來完成，因此每交換一次刀具（jù），工作台和主軸箱就必須沿著三個坐標（biāo）軸作兩次來回運動（dòng），因而增加（jiā）了（le）換刀時間。另外，由於刀庫置於工作台上（shàng），減少了工作台的有（yǒu）效使用麵積。

 

（二）機（jī）械手換刀

 

由於刀庫及刀具交換方式的不同，換刀機（jī）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（kě）以減少換刀（dāo）時間，應用最為（wéi）廣泛。

 

2、機械手形式

 

在（zài）自動換刀數控機床中，機械手的（de）形式也是多種多樣，常見的有以下幾種形式。

 

1．單（dān）臂單爪回轉式機（jī）械手

 

這種機械手的手臂（bì）可以（yǐ）回（huí）轉不同的角度（dù）來進行自動換刀，其手臂上隻有一個卡爪，不論在刀庫上或是在主軸上（shàng），均靠這個卡爪來裝刀及卸刀，因此換刀時間較長，如（rú）圖2(a)所示。

 

2．單臂雙爪（zhǎo）回轉式機械手

 

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，另一個卡爪（zhǎo）則執行由刀庫取出“新刀”送到主軸的任務。其換刀時間較上（shàng）述單爪回轉式機械手要少

 

3．雙臂回轉式機械手

 

這種機械手（shǒu）的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°後又同時將刀具放回刀庫（kù）及裝入主軸。這種機械手換刀時間較以上兩種單臂機（jī）械手均短（duǎn），是最常用的一種形式。右（yòu）邊的機械手在抓取或將刀（dāo）具送入刀庫及主軸上，兩臂可伸縮（suō）。

 

4．雙機械手

 

這種機械手相當於兩（liǎng）個單臂單爪機械手，它們互相配合進行自動換（huàn）刀。其（qí）中一個機械手從主軸上取（qǔ）下“舊刀”送回刀庫，另一個（gè）由刀庫中取出“新刀”裝入機床主（zhǔ）軸，

 

5．雙臂往（wǎng）複交（jiāo）叉式機械手

 

這種機械手的兩（liǎng）手臂可以往複運（yùn）動，並交叉（chā）成一定的角度。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出“新刀”裝（zhuāng）入主軸（zhóu）。整個機械手可沿某導軌直線移動或（huò）繞某個（gè）轉軸回轉，以實現由刀庫與主軸間的運刀工作（zuò），

 

6．雙臂端（duān）麵夾緊式機械手

 

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

 

3、機械手（shǒu）夾持結構

 

在換刀過程中（zhōng），由（yóu）於機械手抓住刀柄要作快速（sù）回（huí）轉，要作拔、插刀具的動作，還要保證刀柄鍵槽的角度位（wèi）置對準主軸上的（de）驅動鍵。因此，機械手的夾持部分要十分可（kě）靠，並保證有適當的夾緊力，其活動爪要有鎖緊裝置（zhì），以（yǐ）防止刀具在換刀過程中轉動脫落。機械手夾（jiá）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V形（xíng）槽夾持。其刀柄前端有V形槽，供機械手夾持用，目前我（wǒ）國數控機床較多（duō）采（cǎi）用這種夾（jiá）持方（fāng）式。機械手手掌結構示意圖，它由固定爪及活動爪組成，活動爪可繞軸（zhóu）回轉（zhuǎn），其一端在彈簧柱塞的作用下，支靠在擋銷（xiāo）上，調整螺釘以保持手掌適當的（de）夾緊力，鎖緊銷使活動爪牢固地夾持刀（dāo）柄，防止刀具在交（jiāo）換（huàn）過程中鬆脫。鎖緊銷還可軸向移動，使活（huó）動爪放鬆，以便杈刀（dāo）從刀柄V形槽中退出（chū）。

 

4、自（zì）動換刀動作順序

 

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

 

（一（yī））雙臂往複交叉式機械手的換（huàn）刀過程

 

（1）開始換刀（dāo）前狀態。主軸正用T05號刀具進行加工（gōng），裝刀機（jī）械手已抓住下一工步需用的T09號刀具，機械手架處於（yú）最高位（wèi）置（zhì），為換刀做好了準備；

 

（2）上一工步（bù）結束，機床立柱（zhù）後退，主軸（zhóu）箱上升，使主軸處於換刀位（wèi）置。接著下一工步開始，其第（dì）一個指令是換刀，機械手架回轉180o轉（zhuǎn）向主軸。

 

（3）卸刀機械手前伸，抓住主軸上已用過的T05號刀（dāo）具。

 

（4）機械手架由滑座（zuò）帶動，沿刀具軸線前（qián）移，將T05號刀具（jù）從主軸（zhóu）上拔出。

 

（5）卸刀機械手縮回原位。

 

（6）裝刀機（jī）械手前伸，使T09號（hào）刀具對準主軸。

 

（7）機（jī）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180o，使裝刀、卸刀機械手轉向刀庫。

 

（10）機（jī）械手架由橫梁帶（dài）動下降，找第二排刀套鏈，卸刀機（jī）械手（shǒu）將T05號刀具插回P05號（hào）刀（dāo）套中。

 

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

 

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

 

（二）鉤刀機械（xiè）手的換刀過程

 

作為最常用的（de）一（yī）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，同時抓住刀庫和主軸上的刀具。

（2）拔（bá）刀。主軸夾頭鬆開刀具，機械手同時（shí）將刀庫和主軸（zhóu）上的刀具拔出。

 

（3）換刀。手臂旋轉180º，新舊刀具更換。

 

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

 

（5）複位。轉動手臂，回到原（yuán）始位置。