CNC數（shù）控機床（chuáng）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個刀庫（kù）向主（zhǔ）軸移動。當主（zhǔ）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（zhèng）主軸（zhóu）正下方時主軸下移，使刀具進入主軸錐孔內，夾緊刀具後，刀庫退回原（yuán）來的位置。

 

二、 圓盤式刀庫

圓盤式刀庫通（tōng）常應用（yòng）在小型立式綜合加工機上。"圓盤刀庫"一般俗稱"盤式刀庫（kù）"，以便和（hé）"鬥笠式（shì）刀庫（kù）"、"鏈條式刀庫"相區分。圓盤式的刀（dāo）庫容量不大，頂多二、三十把刀。需（xū）搭配自動換刀機構ATC(AutoToolsChange)進行（háng）刀具交換。

 

三、鏈條（tiáo）式刀庫

鏈條式刀庫的特（tè）點是可儲放較多數（shù）量之刀具，一（yī）般都在20把以上，有些可儲放120把以上。它是藉由鏈條將要（yào）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（jun1）采用馬（mǎ）達加機加工中心使用的刀庫最常（cháng）見的形式是圓盤式（shì）刀庫和機械手換刀刀庫。

 

一、自動（dòng）換刀（dāo）裝置的形式

 

1．回（huí）轉刀（dāo）架換刀

回（huí）轉刀架是一種最（zuì）簡單的自動換刀裝置（zhì），常用於數控車床。可以（yǐ）設（shè）計成四（sì）方刀架、六角刀架或（huò）圓盤式軸向裝（zhuāng）刀刀架等多種（zhǒng）形式。回轉刀架上分別安裝著四把、六把或（huò）更多的刀具，並按數控裝置的指令換刀（dāo）。

 

回（huí）轉刀架在結構上必須具有良好的強（qiáng）度和剛度，以承受粗加工時的切削抗力。由於車削（xuē）加工精度在很大程度（dù）上（shàng）取（qǔ）決於刀尖位（wèi）置，對於數控車床來說，加（jiā）工過（guò）程中刀具位置不進行人工調整，因此（cǐ）更有必要選擇可靠的定位方案和合理（lǐ）的定位結構，以保證回轉刀架在每次轉位之（zhī）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，回轉刀架的（de）換刀動作包括刀架抬起、刀架轉位及刀架壓（yā）緊等。

 

2．更換主軸頭換刀（刀具旋轉為主運動）

更換主軸換（huàn）刀是帶有旋（xuán）轉刀具的數控機床的一種比較（jiào）簡單的換刀方式。這種主軸頭實際上就是一個轉（zhuǎn）塔刀庫。

 

主軸頭有臥式和立式兩種，通常用轉塔的轉位來更換主軸頭，以實（shí）現自動換刀（dāo）。在轉塔的各個主軸上，預先安裝有各工（gōng）序所需要的旋轉刀具，當發出換刀指令時，各主（zhǔ）軸頭依（yī）次地轉到加工（gōng）位置，並接通主運動，使相應的主軸帶動刀具旋轉。而其它處於不（bú）加工位置上的主軸都與主運動脫開。

 

這種更換主軸換刀裝置，省去了自動鬆、夾、卸刀、裝刀以及刀具搬運（yùn）等一係列的複雜操作，從而縮短了換刀（dāo）時間，並（bìng）提高了換刀的（de）可靠性。但是由於空間位置的限製，使主（zhǔ）軸部件結構尺寸（cùn）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，必須限製主軸（zhóu）的數目，否則會（huì）使結構尺寸增大。因（yīn）此，轉塔主軸（zhóu）頭通常隻（zhī）適用於工序較（jiào）少、精（jīng）度要求不太高的機床，例如數控鑽、銑床等。

 

3.帶刀庫的自動換刀係統

由於回轉刀架、轉（zhuǎn）塔頭式換刀裝置容納的刀具數量不能太多，不能滿足複雜零件的加工需要，因（yīn）此（cǐ），自動換刀數控機床多采用帶刀庫的（de）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。首先要把加工過程中使用的全部（bù）刀具（jù）分別安裝在標準刀（dāo）柄上，在機（jī）外進行尺（chǐ）寸預調整後，按一定的方式放入刀庫（kù）。換刀時，先在刀庫中選刀，再由換刀裝置從刀庫或主（zhǔ）軸（zhóu）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（jù）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（zì）動換刀裝置的數控機床的主軸（zhóu）箱（xiāng）內隻有一根主軸，主軸（zhóu）部件的剛度要高，以（yǐ）滿足精密加工要求。

 

另（lìng）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心和加工中心。

 

二、刀庫和刀具的選擇方式

 

1.刀庫類（lèi）型

刀庫的作用是儲（chǔ）備（bèi）一定數量的刀（dāo）具，通過機械手實現（xiàn）與主軸上刀具的互換。刀庫的類型有（yǒu）盤式刀庫、鏈式刀庫等多種形式，刀庫的形式和容量要根據機床的工藝範（fàn）圍來確定。圖7-16所（suǒ）示的盤式刀庫，刀具的方向（xiàng）與主軸同向，換刀時主軸箱上升到一（yī）定的位置，使主軸上的刀具正好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（bǐng），盤式刀庫向前運動，拔出（chū）主軸上的（de）刀具，然後刀庫將下一個工序（xù）所（suǒ）用的刀具旋轉至與（yǔ）主軸對準的位置，刀庫後退將新刀具插入（rù）主軸孔中，主軸夾緊刀柄，主軸箱下降到工作位置，完成（chéng）換刀任務，進行下道（dào）工序的（de）加工。此換（huàn）刀（dāo）裝置的優點（diǎn）是結構簡單，成本較低，換刀可靠性較好（hǎo）；缺點是換刀時間長，適（shì）用於（yú）刀庫容量較小（xiǎo）的加工中心。

 

對於刀庫容量（liàng）需要較（jiào）大的加工中心可（kě）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（kě）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（dāo）。當需要增加刀（dāo）具數（shù）量時（shí），隻需增加鏈條的長度即可，給刀庫（kù）設計與（yǔ）製造帶來了方便。

 

2. 刀具（jù）的選擇方式

一般的刀庫內存放有多把刀具，每次換（huàn）刀前要進行選刀，常用的（de）選刀方法有順序選刀和任（rèn）意（yì） 選刀兩種，順序選刀是在加工之前，將（jiāng）加工零件所需刀具（jù）按照工藝要求依次插入刀（dāo）庫的（de）刀套中，加工是按順序調刀，加工不同的工（gōng）件時必須重新調整刀庫中（zhōng）的刀具順序。其優點是（shì）刀庫的驅動（dòng）和控製都比較簡單。因此，這種方式（shì）適合加工批量較大、工件品種數量較少（shǎo）的中、小型（xíng）數控機床的自動換刀（dāo）。

 

隨著數控係統的發展，目前大多數的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（mǎ）和記憶式（shì）等三（sān）種。

 

3. 刀具編碼方式

刀具（jù）編碼或刀套編碼需要在刀具（jù）或刀套上安裝用於識別的編（biān）碼條，一般都是根據二進製編碼（mǎ）的原理進行編碼（mǎ）。刀具編碼選刀方式采用了一種特殊（shū）的刀柄結（jié）構，並對每把刀具編碼。每把（bǎ）刀具都具有自己的代碼，因而刀具可在不同的（de）工（gōng）序中多次重複使用，換下的刀具不用放回原（yuán）刀座，刀庫的容量也可相應（yīng）減少（shǎo）。但每把刀具上都帶有專（zhuān）用的（de）編碼環，刀具長度（dù）加長，製造（zào）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對應一個刀套，從一個刀套中取出的刀具必須放（fàng）回（huí）同一刀套中，取送刀具十分（fèn）麻煩，換刀時間長。目前在加工中心上大量使用記憶式的方式。這種方式能將刀（dāo）具（jù）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（xìn）息（xī）都始終記存在（zài）PLC內。刀庫上裝有位置檢測裝置，可獲（huò）得每個刀套的位置信息。這樣刀具（jù）就可以任意取出並送回。刀庫（kù）上還設有（yǒu）機械（xiè）原點，使每次選刀時就近選（xuǎn）取。

 

三、刀具交換裝（zhuāng）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刀具交換裝置。刀具的交換方式有兩種：由刀（dāo）庫與機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（yǔ）機床主軸的相對運動實現刀具交換的裝置在換刀時必須首先將用過的刀具送回刀庫（kù），然（rán）後再從刀庫中取出新刀具，兩個動作（zuò）不能同（tóng）時進行，換刀時間較長。而采用（yòng）機械（xiè）手換刀裝置在（zài）換刀時能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（jī）械手進行刀具交換的方（fāng）式（shì）應（yīng）用最廣泛。這是因為機（jī）械手換刀靈活，動作快，而且結構簡單。機械手能夠完成抓刀—拔刀—回轉—插刀—返回等一係列動作。為了防止刀具掉（diào）落，機械手的活動爪都帶有自鎖機構。

下麵是世界上最現代化的數控機床換刀，換刀無影手（shǒu）！

 

16位自動換刀刀庫

 

1、刀具（jù）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間傳遞和（hé）裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置。刀具的交換方式和它們（men）的具體結構對機床的生產率和工作可靠性有著直接的（de）影響。

 

刀具的交換方式很多（duō），一（yī）般可分為（wéi）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刀具交換。換刀時，必須首先將用過的刀具送回刀庫，然後再從刀庫中取出新刀具，這兩個動作不（bú）可能同時（shí）進行，因此，換刀時間長。所示的數控立式鏜（táng）銑床就是采用（yòng）這種換刀方式的實（shí）例。它的選刀和換刀由三個坐標（biāo）軸的（de）數控定位係統來完成，因此每交（jiāo）換一次刀（dāo）具，工作台和主軸箱就必須沿（yán）著三個坐標軸（zhóu）作兩次來回運動（dòng），因（yīn）而增加了換刀時間（jiān）。另外，由於刀庫置於工作台上，減少了工作台的有效使用麵（miàn）積（jī）。

 

（二）機械手換刀

 

由於刀庫（kù）及刀（dāo）具交換（huàn）方式的不（bú）同，換刀機械手（shǒu）也有多（duō）種形式。因為機械手換刀有很大（dà）的靈（líng）活性，而且還可（kě）以減少換刀時間，應用最為廣泛（fàn）。

 

2、機械（xiè）手形式

 

在自動換刀數控（kòng）機床（chuáng）中，機械手（shǒu）的形式也是多種（zhǒng）多樣，常見的有以下幾種形式。

 

1．單臂（bì）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進行自動換刀，其手臂上隻有一（yī）個卡爪，不論在（zài）刀庫上或是在主軸上，均靠這個卡爪來裝刀及（jí）卸刀，因此換刀時間較（jiào）長（zhǎng），如圖2(a)所示。

 

2．單（dān）臂雙爪回轉式機械手

 

這種（zhǒng）機械手的手臂上有兩個卡爪，兩個卡爪有所分工。一個卡爪隻執行從主（zhǔ）軸上取下（xià）“舊刀”送回刀庫的任務，另一個卡爪則執行由刀庫取出“新刀”送到主軸的任務。其換刀時（shí）間較上述單（dān）爪回轉（zhuǎn）式機械手要少

 

3．雙臂回轉（zhuǎn）式（shì）機械手

 

這種機械手的兩臂上各有一個卡爪（zhǎo），兩個（gè）卡爪可同時抓取刀庫及主軸上的刀具（jù），回（huí）轉180°後又同時將刀（dāo）具放回刀庫及（jí）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（de）一種形（xíng）式。右邊的機械手在抓取或將（jiāng）刀具送入刀（dāo）庫及主軸上，兩臂可伸縮。

 

4．雙機械手

 

這種機械手（shǒu）相當於兩個單臂單（dān）爪機械手，它們互相配合進行自動換刀（dāo）。其中一個機械手（shǒu）從主軸上取下“舊刀”送回刀庫（kù），另一個由刀庫中取出“新刀”裝入機床主軸，

 

5．雙臂往複（fù）交叉式機械手

 

這種機械手的兩手臂可以往複運動，並交叉成一定的角度（dù）。一個（gè）手臂從主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另一（yī）個手臂由刀庫（kù）中取出“新（xīn）刀”裝入主軸。整（zhěng）個機（jī）械手可沿某導軌直線移動或繞某（mǒu）個轉軸回轉，以實現由刀庫與主軸（zhóu）間（jiān）的運（yùn）刀工作，

 

6．雙臂端麵夾緊式機（jī）械手

 

這種機械（xiè）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刀柄的外圓表麵來抓取刀具，這種（zhǒng）機械手則是靠夾（jiá）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（yīn）此，機械手的夾持部分要十分可（kě）靠，並（bìng）保證有適當的夾緊力，其活動爪要有鎖緊裝置（zhì），以（yǐ）防止（zhǐ）刀具（jù）在換刀過程中轉動脫落（luò）。機械手夾持刀具的方法有以下兩種。

 

（一）柄式夾持

 

柄（bǐng）式夾持，也稱（chēng）軸（zhóu）向夾持或（huò）V形槽（cáo）夾持。其（qí）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（duō）采用這種夾持方式。機械手手掌結構示意圖（tú），它由固定爪及活動爪組成，活動爪可繞軸回（huí）轉，其一端在彈簧柱塞（sāi）的作用下，支靠在擋銷上，調（diào）整螺釘以保持手掌適當的夾緊力（lì），鎖緊銷使活動爪牢固（gù）地夾（jiá）持刀柄，防止刀具在交換（huàn）過程中（zhōng）鬆脫（tuō）。鎖緊銷還可軸向移動，使活動爪放鬆，以便杈刀從（cóng）刀柄V形槽中（zhōng）退出。

 

4、自動換刀動作順序

 

由（yóu）於自動換刀裝置的布局結構多種多樣，其換刀過（guò）程動作順序會不盡相同（tóng）。下麵分別以常見的雙（shuāng）臂往複（fù）交叉式機械手和鉤刀機械手為例用動作分（fèn）圖加以（yǐ）說明。

 

（一）雙臂往複交叉式（shì）機（jī）械手的換刀過程

 

（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（zhù）下一工步需用的T09號刀具，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，機床立柱後退，主軸箱上升，使主軸處於換刀位（wèi）置。接著下（xià）一工步開始，其（qí）第一（yī）個指令是換刀，機械手架回轉（zhuǎn）180o轉向主軸。

 

（3）卸刀機械手前伸，抓住主（zhǔ）軸上已用過的T05號刀具。

 

（4）機械手架由滑座帶動，沿刀具（jù）軸（zhóu）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號刀具對準主軸。

 

（7）機械手架後移，將T09號刀具插（chā）入主軸（zhóu）。

 

（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）機械手架由橫梁帶動下降（jiàng），找第二（èr）排刀（dāo）套鏈，卸（xiè）刀機械手將T05號刀具插回P05號刀套中。

 

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

 

（12）刀套鏈反轉，把P09號刀套送到換刀（dāo）位置，同時機械手架上升至最高位置，為再下一工（gōng）步的換刀做好準（zhǔn）備。

 

（二（èr））鉤刀機械（xiè）手的換刀過程

 

作為（wéi）最常用的一種（zhǒng）換刀形式，換刀一次所需的基本（běn）動（dòng）作如（rú）下。

 

（1）抓（zhuā）刀。手臂旋（xuán）轉（zhuǎn）90º，同時抓（zhuā）住刀庫和主（zhǔ）軸上的（de）刀具。

（2）拔刀。主軸夾（jiá）頭鬆開刀具（jù），機械手同時將刀庫和主軸上的（de）刀具拔出。

 

（3）換刀。手臂旋轉（zhuǎn）180º，新舊刀具更換。

 

（4）插刀。機械手（shǒu）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。