CNC數控機床的自動換刀裝置及其刀具係（xì）統！

　　

 

一、鬥笠式（shì）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（zhǔ）軸移動。當主軸上的刀（dāo）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主軸下移，使（shǐ）刀具進入主軸錐孔內，夾緊刀具後，刀庫退回原來的位置。

 

二、 圓盤式刀庫

圓盤式刀庫通常應用在小型立式綜（zōng）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（xiàng）區分（fèn）。圓盤（pán）式的刀庫容量不大，頂多二、三十把刀。需搭配自動（dòng）換刀機構ATC(AutoToolsChange)進（jìn）行刀具交換。

 

三、鏈條式刀庫

鏈條式刀庫的（de）特點是可儲放較多數量之刀具，一般都在20把以上，有些可儲放120把以上。它是藉由鏈條將要換的（de）刀具傳到指定位（wèi）置，由機械手將刀（dāo）具裝到主軸上。換（huàn）刀（dāo）動作均采用馬達加機加（jiā）工中心使（shǐ）用的刀庫最常見的形式是圓盤式（shì）刀庫和機械手（shǒu）換刀刀庫。

 

一、自動換刀裝置的形式

 

1．回轉刀架換刀（dāo）

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

 

回（huí）轉（zhuǎn）刀架在結構上必須具有良好的強度和剛度，以承受粗加工時的切削抗力。由於車（chē）削加工精（jīng）度在很大（dà）程度上取決於刀尖位（wèi）置，對於數控車床來說，加工過程中（zhōng）刀具位置不進行人工調整，因此更有必要（yào）選擇可靠的定位方案和合（hé）理的定位結構，以保證回轉刀架在（zài）每次轉（zhuǎn）位之後，具有（yǒu）盡可能高的重（chóng）複（fù）定位精度（一般為（wéi）0.001～0.005mm）。

 

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

 

2．更換（huàn）主軸頭換刀（刀具旋轉為主（zhǔ）運動（dòng））

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。這種主軸（zhóu）頭實際上就（jiù）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，以實現自動換刀。在轉塔的各個主軸上，預先安（ān）裝（zhuāng）有各工（gōng）序所需要的旋轉刀（dāo）具，當發出換刀指令時（shí），各（gè）主軸頭依次（cì）地轉到加工位置，並接通主運動，使相應的（de）主軸帶動刀具旋轉。而（ér）其它處於不加工位置上的主軸都與主運動脫開。

 

這種更換（huàn）主軸換刀裝置，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（cāo）作（zuò），從而縮短（duǎn）了換刀時間，並提高（gāo）了換刀的可靠性。但是由於空間位置的限製（zhì），使主軸部件結（jié）構尺寸（cùn）不能太（tài）大，因而影響（xiǎng）了主軸係（xì）統的（de）剛性。為了保證主軸的（de）剛（gāng）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（zhǔ）軸頭通常隻適（shì）用於工序（xù）較（jiào）少、精度要求不太高的機床，例（lì）如數控鑽、銑床（chuáng）等。

 

3.帶（dài）刀庫的自動換刀係統

由於回轉刀架、轉塔頭式換刀裝置容納的刀具數量不能太多，不（bú）能滿足複雜零件的加工需要，因此，自動換（huàn）刀數控機（jī）床多采用帶刀庫的（de）自動換刀裝置。帶刀庫的（de）自動換刀裝置由刀庫和換刀（dāo）機構組成，換刀過程（chéng）較為複雜。首先要把加工過程中使用的全部刀具分別安（ān）裝在標（biāo）準刀柄上，在機外（wài）進行尺寸預調整後，按一定的方式放入刀（dāo）庫。換刀時，先在刀庫中選（xuǎn）刀，再（zài）由換刀裝置從刀（dāo）庫或主軸（zhóu）上取出刀具，進行交換（huàn），將新刀（dāo）裝入主軸，舊（jiù）刀放回刀庫。刀（dāo）庫具有較大的容量，既可安裝（zhuāng）在主軸（zhóu）箱的側（cè）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有一根主軸，主軸部件（jiàn）的剛度要高，以滿足（zú）精（jīng）密（mì）加工要求。

 

另外，刀庫內刀具數量較（jiào）大，因而能夠進行複雜零件（jiàn）的多工序加工（gōng），大大提（tí）高了機床的適應性（xìng）和加工效率。帶刀庫的自（zì）動換刀係統適用於（yú）數控鑽削中心和加工中心。

 

二、刀庫和（hé）刀具的選擇方式

 

1.刀庫類（lèi）型

刀庫的作用是儲備一定（dìng）數量（liàng）的刀具，通過機械（xiè）手實現與主軸上刀具的互換。刀庫（kù）的類型有盤式（shì）刀庫、鏈式刀庫等多種形式，刀庫的形式和容量要根據機床的（de）工藝範圍來確定。圖7-16所示的盤（pán）式刀庫，刀具的（de）方向與主軸（zhóu）同（tóng）向（xiàng），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刀庫最下麵的那（nà）個位置，刀具被夾住，主軸在CNC的控製下，鬆開刀柄，盤式刀庫向前運（yùn）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）轉至與主軸對準的位置，刀庫後（hòu）退將新刀具插入主（zhǔ）軸孔中，主軸夾緊刀柄，主軸箱下降到（dào）工作位置，完成換（huàn）刀任務，進行下道工序（xù）的加工（gōng）。此換刀裝置（zhì）的優（yōu）點是結構簡單，成本較低，換刀可靠性較（jiào）好；缺點是換刀時間（jiān）長，適用於刀庫容量較小的加工中（zhōng）心。

 

對於刀庫容量需要較大的加工（gōng）中心可采用鏈式刀（dāo）庫，鏈式刀庫的結構緊湊，刀庫容量（liàng）較（jiào）大，鏈環的形狀（zhuàng）可根據機床的布局製成各（gè）種形狀，也可將換刀位突出以便於（yú）換刀。當需要增加刀（dāo）具數量時（shí），隻需增加鏈條的長度即可，給刀庫（kù）設計與製造帶來了方便。

 

2. 刀具的選擇方式

一般的刀庫（kù）內存放有多把刀具，每次換刀前要進行選刀，常用的選刀方法有順序選刀和任意 選刀（dāo）兩種，順序選刀是在加工之前，將加工零件所（suǒ）需刀具按照工藝（yì）要求依次插入（rù）刀庫的刀套中，加工是按順序調刀，加工不同的工件（jiàn）時必須重新調整（zhěng）刀庫中的刀具順序。其優點是刀庫的驅動和控製都比（bǐ）較（jiào）簡單。因此（cǐ），這種方（fāng）式適合加工批（pī）量較（jiào）大（dà）、工件品種數量較少的中、小型數控機床的自動換刀。

 

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

 

3. 刀具編碼方式

刀具（jù）編碼或刀套編碼需要在（zài）刀（dāo）具或刀（dāo）套上安裝用於識別的（de）編碼條（tiáo），一般都是根（gēn）據二進製編碼的原理進行編碼。刀具編碼選刀方式采用了一種（zhǒng）特殊的刀柄結構，並對每把刀具編碼。每把刀具都具（jù）有自己的代碼，因而刀具可在不同的工序中多次重複使用，換下的刀具不用放回原刀座，刀庫的（de）容量（liàng）也可相應減少。但每把刀具上都帶有專用的編碼環，刀具長度加（jiā）長，製造困難，刀（dāo）庫和機械手的結構變複雜。刀套編碼的方式是一把刀具隻對應（yīng）一個刀套，從（cóng）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（zài）加工中心上大量使用記憶式的方（fāng）式。這種（zhǒng）方式能將刀具（jù）號和刀庫中的刀套位置對應地記（jì）憶在數控係統的PLC中，無論刀具放在哪個（gè）刀（dāo）套內，刀具信息都始（shǐ）終記存在PLC內。刀庫上裝有位置（zhì）檢（jiǎn）測裝置（zhì），可獲得每個刀套的位置信（xìn）息。這樣（yàng）刀具就可以任意取出並送回。刀庫上（shàng）還設有（yǒu）機械原點，使每次選刀時就（jiù）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之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置。刀具的交換（huàn）方式有兩種：由刀庫與機床主軸的相對運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的相對運動實現刀具交換的裝置在（zài）換刀時（shí）必須（xū）首先（xiān）將用過的刀具送回刀庫，然後再從刀（dāo）庫中取出新刀具，兩個動作不能同時進行，換（huàn）刀時間較長。而采用機械手換刀裝置在換刀時能夠同時抓取和裝卸機床主軸和（hé）刀庫中的刀（dāo）具，因此換刀時間進一步縮短。采用機械手進行刀具交換的方式應用最廣泛。這是因（yīn）為機械（xiè）手換刀靈活，動作快，而且結構簡單。機械手能夠完（wán）成抓刀—拔刀—回轉—插刀—返回等一係列動作。為（wéi）了防止刀具（jù）掉落，機械手的活動爪都帶有自鎖機構。

下麵是世界上（shàng）最現代化的（de）數控機床換刀，換（huàn）刀無影（yǐng）手！

 

16位自動換刀刀庫

 

1、刀具交換方式

 

數控機床的自動換刀裝置中，實（shí）現（xiàn）刀庫（kù）與機床主軸之間傳遞（dì）和裝（zhuāng）卸刀（dāo）具的裝置稱為刀具交換裝（zhuāng）置。刀具的交換方式和它們的具體結構對機（jī）床（chuáng）的生產率和工作可靠性有著直接的影響。

 

刀具的交換方式（shì）很多，一般可分（fèn）為以下兩大類。

 

（一）無機械手換刀

 

無機（jī）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。換刀（dāo）時，必須（xū）首先將用（yòng）過的刀具送回刀庫，然後再（zài）從刀庫中取出新刀（dāo）具，這兩個動作不可能同時進行，因此，換刀時間長。所示的數控立式鏜銑床（chuáng）就是（shì）采用這種換刀（dāo）方（fāng）式的實例。它的選刀和換刀由三個坐標軸的（de）數控定位（wèi）係統來完成，因此每交換一次刀具，工作台和主軸箱就必須沿著三個（gè）坐標軸作兩次來回運動，因而（ér）增加了換（huàn）刀時間（jiān）。另外，由於刀庫置於工作台上，減少了工作（zuò）台的有效使用麵積。

 

（二）機械手換刀

 

由於刀庫及（jí）刀具交換方式的不同，換刀機械手也（yě）有多（duō）種形式。因為機（jī）械手換刀有很大的靈活性，而且還可以減少換（huàn）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（zhǒng）多樣，常見的有以下幾種形式。

 

1．單臂單爪回轉式機械手

 

這種機械手（shǒu）的手臂可以回轉（zhuǎn）不同的角度來進行自動換刀，其手臂上隻有一個卡爪，不論在刀庫上或是（shì）在（zài）主軸上，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（shuāng）爪回轉式機械（xiè）手

 

這種機械手的手（shǒu）臂（bì）上有兩個卡爪，兩個卡（kǎ）爪有所分（fèn）工。一個卡爪隻執行從主軸上取下“舊（jiù）刀”送回刀庫的任務，另一個卡（kǎ）爪則執（zhí）行由刀庫取出“新刀”送到主軸的（de）任務。其換刀時間較上述單（dān）爪回轉式機（jī）械手要少

 

3．雙臂回轉式機械手

 

這種機械手的兩臂上各有一個卡爪，兩個卡爪可同時抓取刀庫及主軸上的刀具，回（huí）轉180°後又同時將刀具放回刀庫（kù）及裝入主軸。這種（zhǒng）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。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

 

這種機械手相當於（yú）兩個單臂單爪機械手，它（tā）們互相（xiàng）配合進行自動換刀。其中一個機械手從主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另一（yī）個由刀庫中取出“新刀”裝入機床主軸，

 

5．雙臂往複交叉（chā）式機械（xiè）手

 

這種機械手的兩手臂可以往複運動，並交叉成一定的角度。一個手臂（bì）從主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另一個手臂由刀庫中（zhōng）取出“新刀”裝入主軸（zhóu）。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．雙臂端麵夾緊式機械手

 

這種機械手隻是在夾緊部位上（shàng）與前幾種不同。前幾種（zhǒng）機械手均靠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兩個端（duān）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）對準主軸上的驅動鍵。因此，機械手的夾持部分要十分（fèn）可靠，並保證有適當的夾緊力，其活動爪要有鎖緊裝置（zhì），以防止刀具在（zài）換（huàn）刀過程中轉動脫落。機械手夾持刀具的方法有以下兩種。

 

（一（yī））柄式夾持

 

柄式夾持，也稱軸向夾持或V形槽夾持。其刀柄前端有V形（xíng）槽（cáo），供機械手夾持用，目前（qián）我國數控機床較多采用（yòng）這種夾持方式。機械手手（shǒu）掌結構示意圖，它由固定爪及活動爪組成（chéng），活（huó）動（dòng）爪可繞軸回轉，其（qí）一端在彈簧柱塞的作用下，支靠在擋（dǎng）銷上，調整螺釘（dìng）以保持手掌適當的夾（jiá）緊力，鎖（suǒ）緊銷使活動（dòng）爪牢（láo）固地夾持刀柄，防止刀具在（zài）交換過程中鬆脫。鎖緊銷還可軸向移動，使活動爪放鬆，以便杈刀從刀柄V形（xíng）槽中退出。

 

4、自動換（huàn）刀動作順序

 

由於自（zì）動換刀裝置的布局結（jié）構多種多樣，其換刀過程動作順序會不盡相同（tóng）。下麵（miàn）分別以常見的雙臂往複交叉式（shì）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（chā）式機械手的換刀過程

 

（1）開始換刀前（qián）狀態。主軸正用T05號刀具進行加工，裝刀機械手已抓住（zhù）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（le）準備；

 

（2）上一工步結束（shù），機床立柱後退（tuì），主軸（zhóu）箱（xiāng）上（shàng）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（xiè）手架回轉（zhuǎn）180o轉向（xiàng）主軸。

 

（3）卸刀機械手前（qián）伸，抓住主（zhǔ）軸上已用（yòng）過的T05號刀具。

 

（4）機械手架由滑座帶動，沿刀（dāo）具軸線前移，將T05號刀具從主軸上（shàng）拔出。

 

（5）卸刀機（jī）械手縮回原位。

 

（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（jiāng）T09號刀（dāo）具插入主軸。

 

（8）裝刀機械手（shǒu）縮回原位（wèi）。

 

（9）機械（xiè）手架回轉180o，使裝刀、卸刀機械手轉向（xiàng）刀庫。

 

（10）機械手架由橫梁（liáng）帶動下降，找第（dì）二排刀套鏈，卸刀機械手將T05號刀（dāo）具（jù）插回P05號刀套中。

 

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

 

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

 

（二）鉤刀機（jī）械手的換（huàn）刀過程

 

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

 

（1）抓刀。手臂旋轉90º，同時抓住刀（dāo）庫和主軸上的刀具。

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

 

（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主（zhǔ）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。