CNC數控機床（chuáng）的自動換刀裝（zhuāng）置及其刀（dāo）具係統！

　　

 

一、鬥笠式刀（dāo）庫

一般隻能存16~24把刀具，鬥笠式（shì）刀（dāo）庫在（zài）換刀時整個刀庫向主軸移動。當主軸上（shàng）的刀具進入（rù）刀庫的（de）卡槽時（shí），主軸向上移動脫（tuō）離刀（dāo）具，這（zhè）時刀（dāo）庫轉動。當要換的刀（dāo）具對正主軸正下方時主軸下移，使刀具進入主軸錐（zhuī）孔內，夾緊刀具後，刀庫退回原來的位置。

 

二（èr）、 圓（yuán）盤式刀庫

圓盤式刀（dāo）庫通常應用在（zài）小型立式綜合加工機（jī）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（de）刀庫容量不大，頂多二、三（sān）十把刀。需搭（dā）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（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（jiāng）要換（huàn）的刀具傳到指定位置，由（yóu）機（jī）械手（shǒu）將刀具裝到主軸上。換（huàn）刀動作均（jun1）采用馬達（dá）加機加工中心使用的刀庫最常見（jiàn）的形式是圓盤式（shì）刀（dāo）庫（kù）和機械手換（huàn）刀刀庫（kù）。

 

一（yī）、自（zì）動（dòng）換刀裝置的形式

 

1．回轉刀架換刀

回轉刀架是一種最簡單的自動換刀裝置，常用於數控車床。可以設計（jì）成四方刀架、六角刀架或圓盤式軸向裝刀刀架等多種形式（shì）。回轉刀架上分別安裝著四把、六把（bǎ）或更多的刀具，並按數控（kòng）裝置的指令換（huàn）刀（dāo）。

 

回轉刀架在結構上必須（xū）具有良好的強度和（hé）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（zhì），對於數控（kòng）車床（chuáng）來說，加工過程中刀具位置不進行人工調（diào）整，因此（cǐ）更有必要選擇可靠的定位方案和合理的定位結構，以保證回轉（zhuǎn）刀架在每次轉位之（zhī）後，具有盡可能高的重複定位（wèi）精度（一般為0.001～0.005mm）。

 

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

 

2．更換主軸頭換（huàn）刀（刀具旋轉為主運動）

更換主軸換刀（dāo）是（shì）帶有旋轉刀具的數控機床的一種比較簡單的換（huàn）刀方式。這種主軸頭實際（jì）上就是一個轉塔刀庫。

 

主軸頭有臥式和立式兩種，通常用轉（zhuǎn）塔的轉位來更換主軸頭，以實現自動換刀。在轉塔（tǎ）的各個（gè）主軸上，預先安裝有各工序所需要的（de）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，並接通主運動，使相應的主軸（zhóu）帶動（dòng）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（jiá）、卸刀、裝刀以及刀具搬運等（děng）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（yóu）於空間位置的限製，使主軸部件（jiàn）結構尺寸不能太大，因而影（yǐng）響（xiǎng）了主軸係統的剛（gāng）性（xìng）。為了保證主軸的剛性，必須限製主軸的數目，否則會（huì）使結（jié）構尺寸增大（dà）。因此，轉塔主軸頭通常隻適（shì）用於工序較少、精度要求不太高的機床，例如數控鑽、銑床等（děng）。

 

3.帶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（liàng）不能太多，不能滿足複雜零件的加工需要，因此，自（zì）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（zì）動換刀裝置由刀庫和換刀（dāo）機構組成，換刀過程較為複雜。首先要把加工過程中使用（yòng）的全（quán）部刀具分別（bié）安裝在標準刀柄上，在（zài）機外進行尺寸預調（diào）整後，按一定的方（fāng）式放入刀庫。換刀時，先在刀庫中選刀，再由換（huàn）刀裝置從刀庫或主軸上取出刀具，進行交（jiāo）換，將新刀裝入主軸，舊刀（dāo）放回（huí）刀庫。刀庫具有較大的容量，既可安裝在主軸箱的（de）側麵或上方。由於帶刀庫的（de）自動換刀裝置的數控機床的主（zhǔ）軸箱（xiāng）內隻有一根主軸，主軸（zhóu）部件的剛度要高，以滿足精（jīng）密加（jiā）工（gōng）要求。

 

另外，刀庫內刀具數量較大（dà），因而（ér）能夠進行複雜零件的多工序加工，大大提高了機床（chuáng）的適應（yīng）性和加工效率。帶刀（dāo）庫（kù）的自動換刀係（xì）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.刀庫類型

刀庫的作用是儲備一定（dìng）數量（liàng）的刀具，通（tōng）過機械手實現與主軸上刀具的互（hù）換。刀庫的（de）類（lèi）型有盤式刀庫（kù）、鏈式刀庫（kù）等（děng）多種形式，刀庫的形式和容量要根據機床的工藝範圍來確定。圖（tú）7-16所示的盤式（shì）刀庫，刀具（jù）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對準刀庫最下麵的那個位置，刀具被夾住（zhù），主軸在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（hòu）刀庫將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入主軸孔中，主軸夾緊刀柄，主軸箱下降到工作位置，完成換刀任務，進行下道工序的加工。此換刀裝置的優點是結構簡（jiǎn）單，成本較低，換（huàn）刀可靠性較好（hǎo）；缺點（diǎn）是換刀時間長，適用於刀庫容量較小的加工中心。

 

對（duì）於刀庫容量需要（yào）較大的加工中心可采（cǎi）用鏈式刀庫，鏈式刀庫的結構緊湊，刀庫容量較大，鏈環的形（xíng）狀可（kě）根（gēn）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。當需要增加刀具數量時，隻需增加鏈條的長度（dù）即可（kě），給刀庫設計與製造帶來了方便。

 

2. 刀具的選擇方式

一（yī）般的刀庫內存放有多把刀具，每次換刀前要進行選刀，常用的選刀方法有順序選刀和任意 選刀兩種，順序選（xuǎn）刀是在加工之前，將加工（gōng）零件所需（xū）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（tóng）的工件時必須重新調整刀庫中的刀具順序。其優點是刀庫的驅動和控製都比較簡單。因此，這種方式適（shì）合加工批量較大、工件品種數量較少的中、小型（xíng）數控機床的自動（dòng）換（huàn）刀。

 

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

 

3. 刀具編碼方式（shì）

刀具編碼（mǎ）或刀套編碼需要在刀具或刀套（tào）上安裝用於識別（bié）的編碼條，一般都是根據二進製編碼的原理進（jìn）行編（biān）碼。刀具編碼選刀方式（shì）采用了一種特殊的刀柄結構，並對每把刀具編碼。每把刀具（jù）都（dōu）具有自己的代碼，因而刀具可在（zài）不同的工序中多次重（chóng）複使用，換下的刀具（jù）不用放回原（yuán）刀座，刀庫的容量也可相應減少。但每把刀具上都帶有專用的編碼環，刀具長度加長，製造困難，刀（dāo）庫和機械手的結構變複雜。刀套（tào）編碼的方式是一把刀（dāo）具隻對應一個刀套，從一個刀套中取出的刀具必須放回同一刀套中（zhōng），取送刀具十分麻煩，換（huàn）刀時（shí）間（jiān）長。目（mù）前在加工中心上大量使用記（jì）憶式的方式。這種（zhǒng）方式能將刀具號和刀庫（kù）中的刀套位置對應地記憶在（zài）數控係統的PLC中，無論（lùn）刀具放在哪（nǎ）個刀套內，刀具信息都始終記存在PLC內。刀庫上裝（zhuāng）有位置檢測裝置（zhì），可獲得每個刀套的位置信息。這樣刀具就可（kě）以任意取出並送回。刀庫上還設有機械原點，使每次選（xuǎn）刀時就近選取。

 

三、刀具交換裝（zhuāng）置

 

數控機床的自動換刀裝置中，實（shí）現刀庫與機床主軸之間傳遞（dì）和裝卸（xiè）刀具的裝置稱為刀具交換裝置。刀具的（de）交換方式有兩種：由刀庫與機床主軸的相對運動實（shí）現刀具交換以及采用（yòng）機械手交換刀具。利用刀庫與機床主軸（zhóu）的相對運動實現刀具交換的（de）裝置在換刀（dāo）時必須首先將用過的刀具送回刀庫，然後再從刀庫中取（qǔ）出（chū）新刀具，兩個動作不能同時進行，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和裝卸機床主軸和刀庫中（zhōng）的刀具，因此換刀時間進一步縮短。采用機械手進行刀具交換的（de）方式應用最廣泛。這是因為機械手換刀靈（líng）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。為了防止刀具掉落，機械手的活（huó）動爪都帶有自鎖機構。

下（xià）麵是世界上最現（xiàn）代化的數控機床換刀，換刀無影（yǐng）手！

 

16位自動（dòng）換（huàn）刀刀庫

 

1、刀具交換方式

 

數控（kòng）機床的自動（dòng）換刀裝置中，實現（xiàn）刀庫與機（jī）床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交（jiāo）換裝（zhuāng）置。刀具的交換方式和它們的具體結構（gòu）對機床的生（shēng）產率和工作可靠性有著直接的影（yǐng）響。

 

刀具的交換方式很多，一般可分（fèn）為以下（xià）兩（liǎng）大類。

 

（一）無機械手換刀

 

無機械（xiè）手換刀，是由刀庫和機床主軸的相對運動實（shí）現的刀具交換。換（huàn）刀時，必須首先將用過（guò）的刀具送回刀庫，然後再從刀庫中（zhōng）取出新刀具，這兩個動作不可能（néng）同時進行，因（yīn）此，換刀時（shí）間長。所示的數控立式鏜銑床就是采（cǎi）用（yòng）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位係統來完成，因此每交換（huàn）一次刀具，工作台和主（zhǔ）軸箱就必須沿著三個坐標軸作兩次來回運動，因而增加了換刀時間。另外，由於刀庫置於工作台上，減少了工作台的有效使用麵積。

 

（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（xiè）手也（yě）有多種形式。因為機械手換刀有很大（dà）的靈活性（xìng），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（dāo）數控機床（chuáng）中，機械手的形式也是（shì）多種多樣，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（bú）同的角度來進行自動換刀（dāo），其手臂上隻有（yǒu）一個卡爪，不論在刀庫上或是在主軸（zhóu）上，均靠這個卡爪來裝刀及卸刀，因此（cǐ）換（huàn）刀時（shí）間較長，如圖2(a)所示。

 

2．單臂雙爪回轉式機械手

 

這種機械手的手（shǒu）臂（bì）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，另一個卡爪則執行由刀庫取出“新刀”送到（dào）主軸的任務。其換刀時間較（jiào）上述單爪回（huí）轉式機（jī）械手要少（shǎo）

 

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（kě）同時抓取刀庫及主軸（zhóu）上的（de）刀具，回轉180°後又同時將刀具放回刀庫及裝入主軸（zhóu）。這種機械手換刀（dāo）時間較以（yǐ）上兩種（zhǒng）單臂機械手均短，是最常用的一種形式（shì）。右邊的機械手在抓取（qǔ）或將刀（dāo）具送入刀庫及主軸（zhóu）上，兩（liǎng）臂可伸縮。

 

4．雙機械手

 

這種（zhǒng）機械手相當於兩個（gè）單臂單（dān）爪機械（xiè）手，它們互相配合進行自動換刀。其（qí）中一個（gè）機械手從主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另一個由刀庫中取（qǔ）出“新刀”裝入機床主軸，

 

5．雙（shuāng）臂（bì）往複交叉（chā）式機械手

 

這（zhè）種機械手的兩（liǎng）手臂可以往複運動，並交叉（chā）成一定的角度（dù）。一（yī）個手臂從主軸上（shàng）取（qǔ）下“舊刀”送回（huí）刀庫，另一個手（shǒu）臂由刀庫中取出“新刀”裝入主軸。整個機械手可沿某（mǒu）導軌直線移動或繞某個（gè）轉軸回轉，以（yǐ）實現由刀庫與主軸間的運刀工作，

 

6．雙臂（bì）端麵夾緊式機械手

 

這種（zhǒng）機械手隻是在夾緊（jǐn）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（biǎo）麵來抓取刀具，這種機械手（shǒu）則是靠（kào）夾（jiá）緊（jǐn）刀柄的兩（liǎng）個端麵來抓取的。

 

3、機械手夾持結構

 

在（zài）換刀過程中（zhōng），由於機械手抓住刀柄要作（zuò）快速回轉，要作拔、插刀具（jù）的動作，還要保證刀柄鍵槽（cáo）的角度位（wèi）置對準主軸上的驅動鍵。因此（cǐ），機械手的夾持部分要十分可靠，並保證有適當的夾緊（jǐn）力，其活動爪要有鎖緊裝置（zhì），以防（fáng）止刀具在換（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（shì）夾持，也稱軸向夾持或V形槽夾持。其（qí）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。機械手手掌結構示意圖，它由固定（dìng）爪及活動爪組成，活動爪可繞軸回（huí）轉，其一端在（zài）彈簧柱塞的作用下，支靠（kào）在擋銷上，調整螺（luó）釘以保持（chí）手（shǒu）掌適當的夾緊力，鎖緊銷使活動爪牢固地夾持刀柄，防止刀具在交換過程中鬆脫。鎖緊銷還可軸向移動（dòng），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（dòng）作順序

 

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（huì）不盡相同。下麵分別以常見的雙臂往複交叉式機械手和鉤（gōu）刀機械手為例用動作分圖加以說明。

 

（一（yī））雙臂（bì）往複交叉式機械手的換刀過程

 

（1）開始換（huàn）刀前狀態。主軸正用T05號刀具進行加工，裝刀機械手已抓住下一工步需用的T09號刀具，機械手（shǒu）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，使主軸處於換刀位置。接著下一（yī）工步開始，其第一個指令是換（huàn）刀，機械手架回（huí）轉180o轉向主軸。

 

（3）卸刀機械手前伸，抓住主軸上已用過的T05號刀具。

 

（4）機械手架由滑座帶（dài）動，沿刀具（jù）軸線前移，將T05號刀具從主軸上（shàng）拔（bá）出。

 

（5）卸刀機械手縮回（huí）原位。

 

（6）裝刀（dāo）機械手（shǒu）前伸（shēn），使T09號刀具對準主軸（zhóu）。

 

（7）機械手架後移，將T09號刀（dāo）具插入主軸。

 

（8）裝刀機械手縮回原位。

 

（9）機（jī）械手架回轉180o，使裝刀、卸刀機械手（shǒu）轉向刀庫。

 

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

 

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

 

（12）刀套鏈反（fǎn）轉（zhuǎn），把P09號刀（dāo）套（tào）送到換（huàn）刀（dāo）位置，同時機械手架上升至最高位置，為再下一（yī）工步的換刀做好準備。

 

（二（èr））鉤刀機械手的換刀過程（chéng）

 

作為（wéi）最常用的一種換刀形式，換刀一次所需的基（jī）本動作（zuò）如下。

 

（1）抓刀。手臂旋轉90º，同時抓住刀庫（kù）和主軸上（shàng）的刀具。

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

 

（3）換刀。手臂（bì）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（jù）；

 

（5）複位。轉動手臂（bì），回到原始位置。