CNC數控機（jī）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，鬥笠式刀庫在換刀時整個刀庫向（xiàng）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，這時刀庫轉（zhuǎn）動。當要換的刀具對正主軸正下方時主軸下移，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。

 

二、 圓盤式刀庫

圓盤式（shì）刀庫通常應用在小型立式綜合加工機上。"圓盤刀（dāo）庫"一般俗稱"盤式（shì）刀庫（kù）"，以便和"鬥笠式刀（dāo）庫"、"鏈條式刀庫"相區分。圓盤式的刀庫（kù）容量（liàng）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、鏈條式刀庫

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

 

一、自動換刀裝置（zhì）的形式

 

1．回（huí）轉刀（dāo）架（jià）換刀

回轉刀架是一種最簡單的自動（dòng）換刀裝置，常用於數（shù）控車床。可以設計成四（sì）方（fāng）刀架、六角刀架或圓盤式軸向裝刀刀架等多種（zhǒng）形式。回轉刀架上分別安裝著四把、六把或更多的刀（dāo）具，並按數控裝（zhuāng）置的（de）指令換刀。

 

回轉刀架在結構（gòu）上必須具有良好（hǎo）的（de）強度和剛度，以承（chéng）受粗加工時的切削抗力。由於車削加工精度在很大程度上取決於刀尖位置，對於數控車床來說，加工過程中刀具（jù）位置不進行人工調（diào）整，因此更有必要選擇可靠的定位方案和合理的（de）定位結構，以保證回轉刀架（jià）在每次轉（zhuǎn）位之後，具有盡可能高（gāo）的重複定位精（jīng）度（一般為0.001～0.005mm）。

 

一（yī）般（bān）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．更換主軸頭換刀（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（de）一種比較簡單的換刀方式。這種（zhǒng）主軸頭實際上就（jiù）是一個轉塔刀（dāo）庫。

 

主（zhǔ）軸頭有臥（wò）式和立式兩種，通常用轉塔的轉位來更換主軸頭（tóu），以實現自動換刀（dāo）。在轉塔的（de）各個主軸上（shàng），預先安裝（zhuāng）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。而其它處於不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（dāo）以及刀具搬運等一係列的複雜操作，從（cóng）而（ér）縮短了換刀時間，並（bìng）提高了換刀的可靠性。但是由於空間位置的限製，使主軸部件結構尺寸不能太大，因而影響了主軸係統的（de）剛性。為了保（bǎo）證主軸的剛性，必須限製主軸的數目，否則會使結構尺寸（cùn）增大。因此，轉塔主軸頭通常隻適用於工序（xù）較（jiào）少、精度要求不太高的機床，例如（rú）數（shù）控鑽、銑（xǐ）床等。

 

3.帶刀庫的自動換刀係統

由於回轉刀架、轉塔頭式換（huàn）刀裝置（zhì）容納的刀具數量不能太多，不能滿足（zú）複雜零件的加工需要，因此，自動換刀數控機床多采用帶刀庫的自動換（huàn）刀（dāo）裝（zhuāng）置。帶刀庫的自（zì）動（dòng）換刀（dāo）裝置由（yóu）刀庫和換刀機構組成（chéng），換刀過程較為複雜。首先要（yào）把加工過程中使用的全部刀具分別安裝在（zài）標準刀柄上，在機（jī）外進行尺寸預調整後，按一定的方式放入刀庫。換刀（dāo）時，先在刀庫中選刀，再由換刀裝置從刀庫或（huò）主軸上取出刀具，進行交換，將新刀裝（zhuāng）入主軸，舊刀放回刀庫（kù）。刀庫具有較大的容量，既可安裝在主軸箱的（de）側麵或（huò）上方。由於帶刀（dāo）庫的自動換刀裝置的數控機床的主軸（zhóu）箱內隻有一根主軸（zhóu），主軸（zhóu）部件的剛度要（yào）高，以滿足精密加工要求。

 

另（lìng）外，刀庫內刀具數量（liàng）較大，因而能夠進行複雜零件的多（duō）工序（xù）加工，大大提高了（le）機床的適應性和加工效率。帶刀庫（kù）的自動（dòng）換刀係（xì）統適（shì）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.刀庫類型

刀庫的作用是儲備（bèi）一（yī）定數量的刀具，通（tōng）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、鏈式刀庫等多種形式，刀庫的形式和容量（liàng）要根據機床的工藝（yì）範圍來確定。圖7-16所示的盤式刀庫，刀具（jù）的方向與主軸同（tóng）向，換刀時主軸箱上升到一定的位置，使主（zhǔ）軸（zhóu）上的刀具正好對準刀庫（kù）最（zuì）下麵的那個位置，刀具被（bèi）夾住，主軸（zhóu）在CNC的（de）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轉（zhuǎn）至與主軸對（duì）準的位（wèi）置，刀庫後退將（jiāng）新刀具插入主軸孔中，主軸夾緊刀柄（bǐng），主軸箱下降到工作位（wèi）置，完成換刀任務，進行下道工序的加工。此（cǐ）換刀裝置的優點是（shì）結構簡單，成本較（jiào）低，換刀可靠性較好；缺（quē）點是換刀時間長，適用於刀（dāo）庫容量較小的加工中心。

 

對於刀庫容量需要較大的加工中心可采用鏈式刀庫，鏈式（shì）刀庫的結構緊湊，刀庫容量較大，鏈環的（de）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（huàn）刀。當需要增加刀具數量時，隻需增加鏈條的（de）長度即可，給刀庫設計與製造帶（dài）來了方便。

 

2. 刀具的選擇方式

一般的刀庫內（nèi）存放（fàng）有多把刀（dāo）具，每次換刀前要進行（háng）選（xuǎn）刀，常用的選刀方法有順序選刀和任意 選（xuǎn）刀兩種，順序選刀是（shì）在加工之前，將加工零件（jiàn）所需刀（dāo）具（jù）按照工藝要求依次插入刀庫的刀套（tào）中，加工是按順序調刀（dāo），加工不同的工（gōng）件時必須重新調整刀庫中的刀具順序。其優點（diǎn）是刀庫的驅動和控製都（dōu）比較簡單。因此，這（zhè）種方式適合加工批量較大（dà）、工件品種（zhǒng）數量較少的中、小型數（shù）控機床的自動換刀。

 

隨著數（shù）控係統的發展，目前大多數（shù）的數控係統（tǒng）都采用任意選刀的方（fāng）式，其分為刀套編碼、刀具編碼和記憶式等三種。

 

3. 刀具編碼方式

刀具編碼或刀套編碼（mǎ）需（xū）要在刀具或刀套（tào）上安裝（zhuāng）用於識（shí）別的編碼條，一般都是（shì）根據（jù）二（èr）進製編碼的原理進行編（biān）碼（mǎ）。刀具編碼選刀（dāo）方式采用了一（yī）種（zhǒng）特殊的刀柄（bǐng）結（jié）構，並對（duì）每把刀具編碼。每把（bǎ）刀具都具（jù）有自己的代碼，因而刀具可在（zài）不同的工（gōng）序中多次重複使用，換下的刀具不（bú）用放回原刀座，刀庫的容（róng）量也可相應（yīng）減（jiǎn）少。但每把刀具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。刀套編碼的方式是一把刀具隻對應一個刀套，從一個刀套中取出的刀（dāo）具必須放回同一刀（dāo）套中，取送刀具十分麻煩（fán），換刀時間長。目（mù）前在（zài）加工中心上大量使用記憶式的（de）方式（shì）。這種方式能（néng）將刀具號和刀庫中的刀（dāo）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。刀庫上裝有位置檢測裝置，可獲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（kù）上還設有機（jī）械原點，使（shǐ）每次選刀時就近選取。

 

三（sān）、刀具交換裝置

 

數（shù）控機床（chuáng）的自動換刀裝置（zhì）中，實現刀庫（kù）與機床主軸之間傳遞和裝卸刀（dāo）具的裝置稱為刀具交換裝（zhuāng）置。刀具的交換方式有兩種：由（yóu）刀（dāo）庫與機床主軸的相對（duì）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的相對運（yùn）動實現刀具交換（huàn）的裝置在換刀時（shí）必須首先將用過的刀（dāo）具送回（huí）刀庫，然後再（zài）從刀庫中取出新刀具，兩個動作不能同時進行，換刀時間較（jiào）長。而采用機械手（shǒu）換刀裝置在換刀（dāo）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（suō）短。采用機械手進行刀具（jù）交換的方式應用最廣泛。這是因為機械手換刀靈活，動作快，而且結構簡單（dān）。機械（xiè）手能夠完成抓刀—拔刀—回轉—插刀（dāo）—返回等一係列動作。為了防（fáng）止刀具掉落，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（huàn）刀，換刀無影手！

 

16位自動換（huàn）刀刀庫

 

1、刀具交換方式

 

數控機（jī）床的自動換刀（dāo）裝置中，實現刀庫（kù）與機床主軸之間傳遞和（hé）裝（zhuāng）卸（xiè）刀具的裝（zhuāng）置稱（chēng）為刀具交換裝置。刀具的交換（huàn）方式（shì）和它們的具體結構對機（jī）床的（de）生產率和工作可靠性有著直（zhí）接的影響。

 

刀具（jù）的交換方式（shì）很多，一般可分為以下兩大類。

 

（一）無（wú）機械手換刀

 

無機械（xiè）手換刀，是由刀庫和機床主（zhǔ）軸的相對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，然後再從刀庫中取出新刀具，這兩個動作不可能同時進行，因此，換刀時間（jiān）長。所示的數控立式鏜銑床就是采用這種換刀方式的實例。它的選（xuǎn）刀和換刀由三個坐標軸的數（shù）控定位係統來完成，因此每交換一次（cì）刀具，工作台（tái）和主軸箱就必須沿著三個坐（zuò）標軸作兩次來回運動，因而（ér）增加了換（huàn）刀（dāo）時間。另外，由於（yú）刀庫置於工作台上，減少了工作台的有效使用（yòng）麵積。

 

（二）機械手換刀

 

由於刀庫及刀（dāo）具交換方式的不同，換刀機械手（shǒu）也（yě）有多種形式。因為機械手換刀有很（hěn）大的（de）靈活性，而且還可（kě）以減少（shǎo）換刀時間，應（yīng）用最為廣泛（fàn）。

 

2、機械（xiè）手形式

 

在自動換（huàn）刀數控機床（chuáng）中，機械手的形式也是多種多樣，常見的有以下幾種（zhǒng）形式。

 

1．單臂單爪回轉式機（jī）械手

 

這（zhè）種機械手的手臂可以（yǐ）回轉不同的角度（dù）來進行自動換刀，其手臂上隻有一（yī）個卡爪，不論在刀庫上或是在主軸（zhóu）上，均靠這個卡爪（zhǎo）來裝刀及（jí）卸刀，因此換刀時間較長，如（rú）圖2(a)所示。

 

2．單臂雙爪回轉式機械手（shǒu）

 

這（zhè）種機械手的手臂上有兩個卡爪（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，另一個卡爪則執行由刀（dāo）庫取出“新刀”送到主軸的任務。其換刀（dāo）時間較上述（shù）單爪回轉式機械手要少

 

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（jī）械手均短，是最常用的一（yī）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（shēn）縮。

 

4．雙機械手

 

這種機械手相（xiàng）當於兩個單臂單爪機械手，它們互相配合進行自動換刀。其中一個機械手從（cóng）主軸上取下“舊刀（dāo）”送回刀庫，另一（yī）個由刀庫中取出“新（xīn）刀”裝入機床主軸，

 

5．雙臂（bì）往複交叉式機械手

 

這種機械手的兩（liǎng）手臂可（kě）以往複運（yùn）動，並交叉成一定的角度。一個手臂從主軸上取下（xià）“舊刀（dāo）”送回刀庫，另一個手臂由刀庫中取出“新刀”裝入主軸。整個機械手可沿（yán）某導（dǎo）軌（guǐ）直線（xiàn）移動或繞某個轉軸回轉，以實現由（yóu）刀庫與主軸（zhóu）間的運刀工作（zuò），

 

6．雙臂端麵夾緊式機械手

 

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（shǒu）均靠夾（jiá）緊刀柄的外圓表麵來抓取刀具，這種機械手則（zé）是（shì）靠夾緊（jǐn）刀柄的兩個（gè）端麵來抓取的。

 

3、機（jī）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（dòng）作，還要保證刀柄鍵槽的角度位置對準主軸上的驅動鍵。因此，機械手的夾持部分要十分可靠，並保證有適當的夾緊力（lì），其活動爪要有鎖緊裝置，以防止刀具在換（huàn）刀過程中轉動脫落。機械手（shǒu）夾持刀（dāo）具的（de）方法有以（yǐ）下兩（liǎng）種。

 

（一）柄式（shì）夾持

 

柄式（shì）夾持，也稱軸向夾持（chí）或V形槽夾（jiá）持（chí）。其刀柄前（qián）端有V形槽，供（gòng）機械手夾持用，目前我國數控機床較多采用這種夾持方式。機械手手掌結構示意圖，它由固定爪及活動爪（zhǎo）組成，活動爪可繞軸回轉，其一端在彈簧柱塞的作用下，支（zhī）靠在擋銷上，調整螺釘以保持手掌適當的夾緊力，鎖緊銷使活動爪牢固地夾（jiá）持刀柄，防（fáng）止刀具在交換過程中（zhōng）鬆脫。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（tuì）出。

 

4、自動換刀動作（zuò）順序

 

由於自動換刀裝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（shuāng）臂往複交叉式機械手和鉤刀（dāo）機械手為例用動作（zuò）分圖加以（yǐ）說明。

 

（一）雙臂往複（fù）交叉式機（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（jìn）行加工，裝刀機械手已抓住下一工步需用的T09號刀（dāo）具，機械手架處（chù）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（xiāng）上升，使主（zhǔ）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轉向主軸。

 

（3）卸刀機械手前伸（shēn），抓住主軸上已用過的T05號刀具。

 

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

 

（5）卸刀機械手縮回原（yuán）位。

 

（6）裝刀機械手（shǒu）前伸，使T09號刀具（jù）對準主軸。

 

（7）機械（xiè）手架後移，將T09號刀具插入主軸。

 

（8）裝刀機械手（shǒu）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，找（zhǎo）第二排刀套（tào）鏈，卸刀機械手將T05號刀具插回P05號刀套（tào）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（yóu）裝刀機械（xiè）手將T46號刀具取出。

 

（12）刀套鏈反轉，把P09號刀套送到換刀位置，同時機械（xiè）手（shǒu）架上升至最高位置，為（wéi）再下一工步的換刀做好準備。

 

（二）鉤（gōu）刀機械手（shǒu）的換刀過程

 

作為最常用的一種換（huàn）刀形式，換刀一次所需的（de）基本動（dòng）作如下。

 

（1）抓刀。手臂旋轉90º，同時抓（zhuā）住刀庫和主軸上的刀具（jù）。

（2）拔（bá）刀。主軸夾頭鬆開刀（dāo）具，機械手同時將刀（dāo）庫和主軸上的刀具拔出。

 

（3）換刀。手臂旋轉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（dòng）手臂，回到原始位置。