CNC數控機床的自動換刀裝置及其刀具（jù）係統！

　　

 

一、鬥笠式刀庫

一般隻（zhī）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。當要換的刀具對正主軸正下方時主軸下移，使刀具（jù）進入（rù）主軸錐孔內，夾（jiá）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合加工機上。"圓盤（pán）刀庫"一般俗（sú）稱"盤式刀庫"，以便（biàn）和"鬥笠（lì）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（sān）、鏈條式刀庫

鏈條式刀庫的特（tè）點是可儲放較多數量之刀（dāo）具，一般（bān）都（dōu）在20把以上，有些可儲放120把以上（shàng）。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（zhuāng）到主軸上。換刀動作均采用（yòng）馬達加（jiā）機（jī）加工中心使用的刀庫最常見的形式是圓盤式刀庫和機械手換（huàn）刀刀庫。

 

一、自動換刀裝置的形式（shì）

 

1．回轉刀架換刀

回（huí）轉刀架（jià）是一種最簡單的自動換刀裝置，常用於數控車（chē）床。可以設計成四方刀架、六角刀架或圓盤式軸向裝刀刀架（jià）等（děng）多種（zhǒng）形（xíng）式（shì）。回轉刀架上分別安裝著四把、六把（bǎ）或更多的刀具（jù），並按數控裝置（zhì）的指令換刀。

 

回轉刀架在結構上必須具有良好的強度（dù）和剛度，以承受粗加工時的切（qiē）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（shù）控（kòng）車床來說（shuō），加工過程中刀具位置不進行人工調整，因此更有必要選擇可靠的定位方（fāng）案和合理的定位結構，以（yǐ）保證（zhèng）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（yī）般為0.001～0.005mm）。

 

一般情況下，回轉（zhuǎn）刀架的換刀動作包括刀架抬起、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（huàn）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（zhǒng）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（wèi）來更換主軸頭（tóu），以實現自動換刀。在轉塔的各個主軸上（shàng），預先安裝有（yǒu）各工序所需要的旋轉刀具，當發出換刀指令時（shí），各主軸頭依次地轉到加工位置，並（bìng）接通主運動，使相應的主軸帶動刀具（jù）旋轉。而其它處於不加（jiā）工位置上的主軸（zhóu）都與主運（yùn）動（dòng）脫開。

 

這種更換主（zhǔ）軸換刀裝置，省去了自動鬆、夾、卸刀、裝（zhuāng）刀（dāo）以及刀具搬（bān）運等（děng）一係列的複雜操作，從而縮短了換刀時（shí）間，並提高了換刀的可靠性（xìng）。但是由於空間位置的限製，使主軸部件結構（gòu）尺寸不能太大，因而影響了主軸（zhóu）係統的剛性。為了保證主軸的（de）剛性，必須限製主軸的數目，否則（zé）會使結（jié）構尺寸增大。因此，轉塔主軸頭通常隻適用於工序較少、精度要求不太高的機床，例（lì）如（rú）數控鑽、銑床等。

 

3.帶刀庫的自動換刀係統

由於回轉（zhuǎn）刀架、轉塔頭式（shì）換刀裝置容納的刀（dāo）具數量不能太多，不能滿足複雜零件的加工需要（yào），因此，自動換刀（dāo）數（shù）控機床多采用帶刀庫的自動換刀裝置。帶刀庫的自動換刀裝置由刀庫和換刀機構組成，換刀過程（chéng）較為複雜。首先要把加工（gōng）過程（chéng）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（kù）。換刀時，先在刀庫中選刀，再由換刀（dāo）裝置從刀庫或主軸上取出刀具，進（jìn）行交換，將新刀裝入主軸，舊刀放回刀庫。刀庫具有（yǒu）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（dòng）換刀裝置的數控機床的主軸箱內隻有（yǒu）一根（gēn）主軸，主軸部件的剛度（dù）要高，以滿足精密加工要求。

 

另外，刀庫內刀具數量較大，因（yīn）而能夠（gòu）進行複雜零件的多工序加工，大大提高了機床的（de）適應性和加工效率。帶刀庫的自動換刀係統適用於數控鑽（zuàn）削中心和加工中心。

 

二、刀庫和刀（dāo）具的選擇方式

 

1.刀庫類型

刀庫（kù）的作用是儲備（bèi）一定（dìng）數量的刀具（jù），通過機械手實現與主軸上（shàng）刀具的互換。刀庫的類型有盤式刀庫、鏈式刀庫等多種形式，刀庫的形式和容量要（yào）根據機床的工藝範圍來確定。圖7-16所示的盤式刀庫，刀具的方向與主軸同向，換刀時主軸箱上升到一定（dìng）的（de）位置，使主軸上的（de）刀具正好對準刀庫最下麵（miàn）的那個位置，刀具被夾住，主軸（zhóu）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（jiāng）下一個工序所用的刀具旋轉至與主軸對準的位置，刀庫後退將新刀具插（chā）入主軸孔中，主軸夾緊刀柄，主軸（zhóu）箱下降到工作位（wèi）置，完成換刀任務，進行下道工（gōng）序的（de）加工。此換刀裝置的優點是結構（gòu）簡單，成本較低，換（huàn）刀可靠性較（jiào）好；缺點是換刀時間（jiān）長，適（shì）用（yòng）於刀庫容量較小（xiǎo）的加工（gōng）中心。

 

對於刀庫（kù）容量需要較大的加工（gōng）中心可采用鏈式刀庫，鏈式刀（dāo）庫的（de）結構緊湊，刀（dāo）庫容量較大，鏈環的形狀可根據機床的布局（jú）製成各種形狀，也可將換刀位突出以便於換刀（dāo）。當需要增加刀具數量（liàng）時，隻（zhī）需增加鏈條的長度（dù）即（jí）可，給刀庫設計與製（zhì）造帶來了方（fāng）便（biàn）。

 

2. 刀具的選擇方式

一般的刀庫內存放有多把刀具，每次換刀前要進行選刀，常用的選刀方（fāng）法有（yǒu）順序選刀和（hé）任意 選刀兩種，順序選（xuǎn）刀是在加工之前，將加工零件所需刀具按照工藝要求（qiú）依次插入刀庫的刀套中，加工是按順序調刀，加（jiā）工不同的工件時必須重新調整刀庫中的刀具順序。其優點是刀庫（kù）的驅動（dòng）和控製都比較簡單。因此，這種方式適合加工批量較大、工件品種數量（liàng）較少的中、小型數（shù）控機床的自動換刀（dāo）。

 

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（yì）選刀（dāo）的（de）方式，其分為刀套編碼、刀（dāo）具編碼和記憶式等三種（zhǒng）。

 

3. 刀具編碼方式

刀具編碼（mǎ）或刀套編碼需（xū）要（yào）在刀具或刀套上安裝用於識別的編碼條，一般都是根據二進（jìn）製編碼的原理進行編碼（mǎ）。刀具（jù）編碼選刀方式采用了一種（zhǒng）特殊的（de）刀柄結構（gòu），並對每把刀具編碼。每把刀（dāo）具都具有自己的代碼，因而（ér）刀具可在不同的工（gōng）序中多次重複使用，換下的刀具不用（yòng）放回原刀座，刀庫的容量（liàng）也可相應減少。但每把刀具上都帶有專用（yòng）的編碼（mǎ）環（huán），刀具長度加長，製造困難，刀（dāo）庫和機械手（shǒu）的結構（gòu）變複雜。刀（dāo）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）具必須放回同一刀套中，取（qǔ）送刀具十分麻煩，換刀時間（jiān）長。目前在加工（gōng）中心上（shàng）大量使用記憶（yì）式（shì）的方式。這種（zhǒng）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（de）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（shàng）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。刀庫上還設（shè）有機械原（yuán）點，使每次選刀（dāo）時就近選取。

 

三、刀具交換裝置

 

數控機床的自動換刀裝置中，實現刀庫與機床（chuáng）主軸之間（jiān）傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置。刀（dāo）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及采用機械手交換刀具。利用刀庫與機床主（zhǔ）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，然後再從刀庫中取出新刀具，兩（liǎng）個（gè）動作不能同時進行，換刀時間較長。而采用機械手換刀裝置在換刀時能夠同時抓取（qǔ）和裝卸機床主軸（zhóu）和刀（dāo）庫中（zhōng）的刀具，因此換刀時間進一步（bù）縮短。采用機械手進行刀具交換的方式應用最廣泛。這是因為機械手換刀靈活，動（dòng）作快，而且結構（gòu）簡單。機（jī）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（xiè）手的活動爪都帶有自（zì）鎖機構。

下麵是世界上最現（xiàn）代化的數控機床換刀，換刀無影手（shǒu）！

 

16位自動換刀刀庫

 

1、刀具交換方式

 

數控機床（chuáng）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（zhuāng）置稱（chēng）為刀具交換裝置。刀具的交換方（fāng）式和它們的（de）具體結構對機床的生（shēng）產率和工作可靠性有（yǒu）著直接的影響。

 

刀具的交換方式很多，一般可分為以下兩（liǎng）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（yùn）動（dòng）實現的刀（dāo）具交換。換刀時，必須首先將用過的刀具送回刀庫，然後再從（cóng）刀庫中取出（chū）新刀具，這兩個動作不可（kě）能同時進行，因此，換刀時間長。所示的數控立式鏜銑床就是采（cǎi）用這種換刀方式的實例。它的選刀和換刀由三個坐標軸的數控定（dìng）位係統來完成，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（liǎng）次來回運動，因（yīn）而增加了換刀時間。另外，由於刀庫置於工作台（tái）上，減少了工（gōng）作台的有效使用麵積。

 

（二）機械手換刀

 

由於刀庫及刀具（jù）交換方式的不（bú）同，換（huàn）刀機械（xiè）手也有多種形式（shì）。因為機械手換刀有很（hěn）大的靈活性，而（ér）且還可以減少換刀時間，應用最為廣泛。

 

2、機械（xiè）手形式

 

在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．單臂單爪回（huí）轉（zhuǎn）式（shì）機械手

 

這種機械（xiè）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（kǎ）爪，不論在刀庫上或是在主（zhǔ）軸上，均靠這個卡爪來裝刀及（jí）卸刀，因此換刀時間較長，如圖2(a)所示。

 

2．單（dān）臂雙爪回轉式機械手

 

這種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軸上取（qǔ）下“舊刀”送回刀庫的任務，另一個卡（kǎ）爪則執行由刀庫取出“新刀”送到（dào）主軸的任務。其換（huàn）刀時間較上述單爪回轉式機械手要少

 

3．雙臂回轉式機械手

 

這種機械手的兩（liǎng）臂上各有一個卡（kǎ）爪，兩個卡爪可同時抓取刀庫及主軸上的（de）刀（dāo）具，回轉180°後又同時將刀具放回刀（dāo）庫及裝入（rù）主軸。這種機械手（shǒu）換刀時間較以上兩種（zhǒng）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（sòng）入刀庫及（jí）主軸上，兩（liǎng）臂可伸縮。

 

4．雙機械手

 

這種機械（xiè）手相當於（yú）兩（liǎng）個單臂單爪機械手，它們互（hù）相（xiàng）配合進（jìn）行自動換刀。其中一個機械（xiè）手從主軸上取下“舊刀（dāo）”送回刀庫，另（lìng）一個由刀庫（kù）中（zhōng）取出“新刀”裝入機床主軸，

 

5．雙臂往複交叉式機械手

 

這（zhè）種（zhǒng）機械手的兩手臂可以往複運（yùn）動，並交叉成一定的角（jiǎo）度。一個手臂從主軸上（shàng）取下“舊刀”送回刀庫，另一個手臂由刀庫中取出“新刀”裝入主軸。整個機械手可沿某導軌直線移動或繞某個（gè）轉（zhuǎn）軸回轉，以實現由刀庫與主軸（zhóu）間的運刀工作，

 

6．雙臂端麵夾緊（jǐn）式機械手

 

這種機械手隻是在夾（jiá）緊部（bù）位上與前幾種不同。前幾種機械手均靠夾緊刀柄的（de）外圓表麵來抓取刀具，這種機械手則是靠夾緊刀柄的兩（liǎng）個（gè）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（yào）作快速回轉，要（yào）作拔、插刀具的（de）動作，還要保證刀柄鍵槽的（de）角度位置對準主軸上的驅動鍵。因此，機械（xiè）手的夾持部分要十分可靠，並保證有適當的夾緊（jǐn）力，其活動（dòng）爪要有鎖緊裝置（zhì），以防止刀具在換刀過程中轉（zhuǎn）動脫落。機械手夾持刀具的方法有以下兩種。

 

（一）柄式夾持

 

柄式夾持，也稱軸（zhóu）向夾持或V形槽夾（jiá）持。其刀柄前端有V形槽，供機械手夾持用，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（shì）意圖，它由固定爪及活動爪組成，活動爪可繞（rào）軸回轉，其一端在彈簧柱塞的作用下，支靠在擋（dǎng）銷（xiāo）上，調整螺釘以保持手掌適（shì）當的夾緊力，鎖緊銷使活動（dòng）爪牢固地夾持刀（dāo）柄，防止刀具在交（jiāo）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形槽中退出。

 

4、自動換刀動作順序

 

由於自動換刀裝置的（de）布局結構多種（zhǒng）多樣（yàng），其換刀（dāo）過程動（dòng）作順序會不盡相同（tóng）。下麵分別（bié）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（zuò）分圖加以說明。

 

（一）雙臂往複交叉式機械手的換刀過程

 

（1）開始換刀前狀（zhuàng）態。主軸正用T05號刀具進行（háng）加工，裝（zhuāng）刀機械手已抓住（zhù）下一工步需用的T09號刀（dāo）具，機械手架處於最高位置，為（wéi）換刀（dāo）做好了準備；

 

（2）上一工步結（jié）束，機床立（lì）柱後退，主軸箱上升，使主軸（zhóu）處於換刀位置。接著下一工步開始，其第一個指令是換刀，機械手架回轉180o轉向主軸。

 

（3）卸刀機械（xiè）手前伸，抓住主軸上已用過的（de）T05號刀具（jù）。

 

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

 

（5）卸（xiè）刀機械手（shǒu）縮回原位。

 

（6）裝刀機（jī）械手前伸，使T09號刀具對準主（zhǔ）軸。

 

（7）機械手架後（hòu）移（yí），將T09號（hào）刀具插入主軸。

 

（8）裝（zhuāng）刀機（jī）械手縮回原位。

 

（9）機械手（shǒu）架回（huí）轉（zhuǎn）180o，使（shǐ）裝（zhuāng）刀、卸刀機械手轉向刀庫。

 

（10）機械（xiè）手架由橫梁帶動下降，找第二排刀（dāo）套鏈，卸（xiè）刀機械手將T05號刀具插回P05號（hào）刀套中。

 

（11）刀套鏈轉動（dòng）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（dì）三排刀鏈,由裝刀機械手將T46號刀具取出（chū）。

 

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

 

（二）鉤（gōu）刀機械（xiè）手的換刀過程

 

作為最常用的一種換刀形式（shì），換刀一次所（suǒ）需的基本動作如下。

 

（1）抓刀。手臂旋（xuán）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（kù）和主軸上的刀具（jù）拔出。

 

（3）換刀。手（shǒu）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。轉動手臂，回到原始位置。