CNC數控機床的自動換刀裝置及其刀具係統（tǒng）！

　　

 

一（yī）、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（shí）刀庫（kù）轉動。當要換（huàn）的（de）刀具對（duì）正主軸正下方時主軸下移，使刀（dāo）具（jù）進入主軸錐孔內，夾緊刀具後，刀庫退回原來的位置。

 

二、 圓（yuán）盤（pán）式刀庫

圓盤式刀庫通常應用在小型立式綜合加工機上。"圓盤刀庫"一般俗（sú）稱"盤式（shì）刀庫"，以便和"鬥笠式刀（dāo）庫"、"鏈條式刀庫"相（xiàng）區分。圓盤式的刀庫容量不大（dà），頂多二、三十把刀。需搭配自動換刀機（jī）構ATC(AutoToolsChange)進行刀具交換。

 

三、鏈條式刀庫

鏈條（tiáo）式刀（dāo）庫（kù）的特點是可儲放較（jiào）多數量之刀具，一般（bān）都在20把以上，有些可儲放120把以上。它是藉由（yóu）鏈條將要換的刀具傳到（dào）指定位（wèi）置，由機械手將刀具裝到主軸上。換刀動作均采用馬達加機加工中心（xīn）使用的刀庫最常見（jiàn）的形式是圓盤式刀庫和（hé）機械手換刀刀庫。

 

一、自動換刀裝置的形式

 

1．回轉刀架換刀

回轉刀架是一種最簡（jiǎn）單的自動換刀裝置，常用於數控車床。可以設計成（chéng）四方刀架、六（liù）角刀架或圓盤式軸向裝刀刀架等多種形（xíng）式。回轉刀架（jià）上分別安裝著（zhe）四把（bǎ）、六把或更多的刀具，並按數控裝置的指令換刀。

 

回轉（zhuǎn）刀架在結構上必須具（jù）有良（liáng）好的強度和剛（gāng）度，以承（chéng）受粗加（jiā）工時的切削（xuē）抗力。由於車削加工精度在很大程度上取決於刀尖位置（zhì），對於數控車床來說，加工過程中刀具位置不進行人工調整，因（yīn）此更有必要選擇可靠的定位方案和合理的（de）定位結構（gòu），以（yǐ）保（bǎo）證回轉刀架在每次轉位之後，具有盡可（kě）能高的重複定位精度（一般為0.001～0.005mm）。

 

一般情況下，回轉刀（dāo）架的換刀動作包（bāo）括刀架抬（tái）起（qǐ）、刀架（jià）轉位及刀架壓緊等。

 

2．更換（huàn）主軸頭換刀（dāo）（刀具旋轉為主運動）

更換主軸換（huàn）刀是帶有旋（xuán）轉刀具的（de）數控機床的一種比較簡單的換（huàn）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，通常用轉塔的轉位來更換主軸頭，以（yǐ）實現（xiàn）自動換刀。在轉塔的各個主（zhǔ）軸上，預先安裝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（dào）加工位置，並接（jiē）通主運動，使（shǐ）相應的主軸帶動刀具（jù）旋轉。而其它處於不加工位置上的（de）主軸都與主運動脫開。

 

這種更換主軸（zhóu）換刀裝（zhuāng）置，省（shěng）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（ér）縮短了換刀時間，並提高了換刀的可靠性。但是由於空間位置的限（xiàn）製（zhì），使主軸部件（jiàn）結構（gòu）尺寸不（bú）能太大，因而影（yǐng）響了（le）主軸係統的剛性。為了（le）保證主軸的剛性，必須限製主軸的數目，否則會使結（jié）構尺寸（cùn）增大。因此，轉塔主軸頭通常隻適用於工（gōng）序較少、精度要求不太高的機床，例如（rú）數控鑽、銑床等。

 

3.帶刀庫的自動換刀係統

由於回轉刀架（jià）、轉（zhuǎn）塔頭式換刀裝置容納的刀具數（shù）量不能太多，不能滿足複雜（zá）零件的加工需要，因此，自動換刀（dāo）數控機（jī）床多采用（yòng）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，換刀過程較為複雜。首先要（yào）把加工過程（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（chǐ）寸預調整後，按一定的方式放入（rù）刀庫。換刀時，先在刀庫中選刀，再由換刀裝置從刀（dāo）庫或主軸上取出刀（dāo）具，進行交換（huàn），將新刀裝入主軸，舊刀放回刀庫。刀庫具有較大的容量，既可安裝（zhuāng）在主軸箱（xiāng）的（de）側麵或上方。由於帶刀庫的自動換（huàn）刀（dāo）裝置的數控機（jī）床的主軸（zhóu）箱內隻有一根主軸，主軸部件的剛（gāng）度要高，以滿足精密加工要求。

 

另外，刀庫內刀具數量較（jiào）大，因而能夠進（jìn）行複雜零件的多（duō）工序加工，大大（dà）提（tí）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（gōng）中心。

 

二、刀庫和刀具的選擇方式

 

1.刀庫類型

刀（dāo）庫的作用是（shì）儲備一定數量的刀具，通過機械手實現（xiàn）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（de）形式和容量要（yào）根據機（jī）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的位置，使主（zhǔ）軸上的刀具正好對準刀庫最下麵（miàn）的那個位（wèi）置，刀具被（bèi）夾住，主（zhǔ）軸在CNC的控製下，鬆（sōng）開刀（dāo）柄，盤式刀庫向前運動，拔出主軸上的刀（dāo）具，然後刀庫將下（xià）一個工序所用的刀具旋（xuán）轉至與主軸對準的位置，刀（dāo）庫後退將（jiāng）新刀具插入主軸孔中，主軸（zhóu）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（gōng）序的加工。此（cǐ）換刀裝置的優點是結構簡單，成本較低（dī），換刀可靠（kào）性（xìng）較好；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（yú）刀庫容量需要較大的加（jiā）工中心可采用鏈式刀庫，鏈式刀庫的結構緊湊，刀庫容量較大，鏈環（huán）的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便於換刀。當需要（yào）增加刀具數量時，隻需增加鏈條（tiáo）的長（zhǎng）度即可，給刀庫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（jù），每次換刀前要進行選刀，常用的選刀（dāo）方法有（yǒu）順序選刀和任意 選刀兩種，順序選刀是在加工之前，將加工零件（jiàn）所需刀具按照工藝要求依次插入刀庫的刀套中，加工是按順序調刀，加工不同的工件時必須（xū）重新調整刀庫中的刀（dāo）具（jù）順序。其優點是刀庫的（de）驅（qū）動和控製都比較簡單。因此，這種方式適合加工批（pī）量較大、工（gōng）件品種數量（liàng）較少的中、小型數控機床的自動（dòng）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選（xuǎn）刀的方式，其分為（wéi）刀套編碼、刀具編碼和記憶式等（děng）三種。

 

3. 刀具編碼方（fāng）式

刀具編碼或刀套編碼需要（yào）在（zài）刀具或刀套上安裝（zhuāng）用於（yú）識（shí）別的編（biān）碼條（tiáo），一般都是根據二進製編（biān）碼的原理進行編碼。刀具編碼選刀（dāo）方式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）都具有自己的代碼（mǎ），因而（ér）刀具可在不同的工序中多次（cì）重複使用，換下的刀（dāo）具不用放回原刀座，刀庫的（de）容量也可（kě）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，刀庫和機械手的結構變複雜。刀套編碼的方式是（shì）一把刀具（jù）隻對（duì）應一（yī）個（gè）刀套，從一個刀套中取出的刀具必須放回同一刀（dāo）套中，取送刀具（jù）十（shí）分麻煩，換刀時間長。目前（qián）在加（jiā）工中心上大量使用（yòng）記憶式（shì）的方式。這種方式能將刀具號和刀庫中（zhōng）的刀套位置對應（yīng）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。刀庫上還設有（yǒu）機械原點，使每次選刀時就近選取。

 

三、刀具交（jiāo）換（huàn）裝置

 

數控機（jī）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（jù）的裝置稱為刀（dāo）具交換裝置。刀具的交換方式有兩（liǎng）種：由刀庫與機（jī）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（yùn）動實現刀（dāo）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（hòu）再從刀庫中取出新刀具（jù），兩個動作不（bú）能同時進行，換刀時間較長。而采用（yòng）機械手換刀裝置在換刀（dāo）時能夠同時（shí）抓取和裝（zhuāng）卸機床主軸和刀（dāo）庫中的刀具，因此換刀時間進一步縮短。采用機械手進行刀具（jù）交換的方式應用最廣（guǎng）泛。這是（shì）因為機（jī）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（bá）刀—回轉—插（chā）刀（dāo）—返回等一係列動作。為了防止刀具掉落，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刀，換刀無影手！

 

16位（wèi）自動換刀（dāo）刀庫

 

1、刀具交換方式（shì）

 

數控機床的（de）自動換刀裝置中，實（shí）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（zhì）。刀具的交換方式和它（tā）們的具體結（jié）構對機床的生產率和（hé）工作可靠（kào）性有（yǒu）著直接的影響。

 

刀具的（de）交換方式很多，一般可分為以下兩大類。

 

（一）無機械手換（huàn）刀

 

無機械手換刀，是由刀庫和機床主（zhǔ）軸（zhóu）的相對運（yùn）動實現的刀具交換。換刀時，必（bì）須首先將用過的刀具送回刀庫，然（rán）後再從刀（dāo）庫中取出新刀具，這兩個動（dòng）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就（jiù）是采用這種換刀（dāo）方（fāng）式的實例。它的選刀和換刀由三個（gè）坐標軸的數控定位（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（yán）著三個坐標軸作兩次來回運動，因而增加了換刀時間。另外（wài），由（yóu）於刀（dāo）庫置於工作台（tái）上，減少了工作（zuò）台的有效使用麵積。

 

（二（èr））機械手換刀

 

由於刀庫及刀具交換（huàn）方（fāng）式的不同，換刀機械手也有多種形式。因為機械手換刀有很大的（de）靈活性，而且還可以減少換刀時（shí）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（xíng）式也是多種（zhǒng）多樣，常見的有以下幾（jǐ）種形式。

 

1．單臂單爪回（huí）轉式機械手

 

這種機械手的手臂可以回轉不同的角度來進行自（zì）動換刀，其手臂上隻（zhī）有一個卡爪，不論在刀庫上或是在主軸上，均靠（kào）這個（gè）卡爪來裝（zhuāng）刀及卸刀，因此換刀時間較長，如圖2(a)所示。

 

2．單臂雙爪回轉式機械（xiè）手

 

這種機（jī）械手的手臂上（shàng）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（rèn）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

 

這種機械手的兩臂上各有一（yī）個卡爪，兩個卡（kǎ）爪可同時抓取刀庫及主軸（zhóu）上的刀具，回轉180°後又同時將刀具放回刀庫及裝入（rù）主軸（zhóu）。這種機械手換（huàn）刀時間較以上兩種單（dān）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（shǒu）相當於兩個單臂單爪機械（xiè）手，它們互（hù）相配合進行自動換刀。其中一個機械手從主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另一個由刀庫中（zhōng）取出“新刀”裝入機床主軸，

 

5．雙臂往複交叉式機械手

 

這種機械手的兩手臂可以往複運動，並交叉成一定的角度。一個手臂（bì）從主軸上（shàng）取下“舊刀”送（sòng）回刀庫，另一個手臂由刀庫中取出“新刀”裝入主軸。整（zhěng）個機械手可沿某導軌直（zhí）線移動（dòng）或繞某個轉軸回轉，以實現由刀庫與主軸間的運（yùn）刀工作，

 

6．雙臂端麵夾緊式機械手

 

這種機械手隻（zhī）是在夾緊部位上與前幾種不同。前幾種機（jī）械手均靠夾緊刀（dāo）柄的外（wài）圓表麵來抓取刀具，這種機械手則是（shì）靠夾緊（jǐn）刀柄的兩（liǎng）個端麵來抓取的。

 

3、機械手夾持結構

 

在換（huàn）刀過程中，由於機械（xiè）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（dāo）柄鍵槽的角度位置（zhì）對準主軸（zhóu）上（shàng）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（de）夾緊力，其活動爪要有鎖（suǒ）緊（jǐn）裝置（zhì），以（yǐ）防止刀具在換刀過程中轉（zhuǎn）動脫落。機械手夾持刀具（jù）的方法有以下兩種。

 

（一）柄式夾持

 

柄式夾持，也稱軸向夾持或V形槽夾（jiá）持。其刀柄前端有V形槽，供機（jī）械手夾持用，目前我國數控機床較多采用（yòng）這種夾持（chí）方式。機械手手掌結構示意圖，它由固定爪及活動爪組成，活（huó）動爪可繞軸回轉，其一端在彈簧柱塞的作用下，支靠在擋銷上，調（diào）整（zhěng）螺（luó）釘以保持手掌適當的夾緊（jǐn）力，鎖緊銷使活動爪牢（láo）固地夾持刀（dāo）柄，防止刀具在交換過程中鬆脫。鎖緊銷還可（kě）軸向（xiàng）移動，使活動爪放鬆（sōng），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布局結構多種多樣（yàng），其換刀過程動作順序會不盡（jìn）相同。下麵分別以常見的雙臂往複交叉式（shì）機械手和（hé）鉤刀（dāo）機械手為例用動作分（fèn）圖加以說（shuō）明（míng）。

 

（一）雙臂往複（fù）交叉式機械手的換刀過程

 

（1）開始換刀前狀態。主軸正用T05號刀具進（jìn）行加（jiā）工，裝刀機械手已抓住下一工步需用的T09號刀具，機械（xiè）手（shǒu）架（jià）處於最高位置，為換（huàn）刀做好了準備；

 

（2）上一工步結束，機（jī）床立柱後退，主軸箱（xiāng）上升，使主軸處於換刀位置。接著下一工步開始，其（qí）第一個指令是換刀，機械手架回轉180o轉向主軸。

 

（3）卸刀機械手前伸，抓住主軸上已用過的T05號刀具（jù）。

 

（4）機械（xiè）手架由滑座帶動，沿刀具軸線前移（yí），將T05號刀具從主（zhǔ）軸上拔出。

 

（5）卸刀機械手縮回（huí）原位。

 

（6）裝刀機械手前伸，使T09號刀具對準主軸。

 

（7）機械手（shǒu）架後移，將T09號刀具插入主軸。

 

（8）裝刀機（jī）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（jī）械手架由橫梁帶（dài）動下降，找第二排刀套鏈，卸刀（dāo）機械手將T05號刀具插回P05號刀套中。

 

（11）刀套鏈（liàn）轉動把在下一個工步需用的T46號刀具送到（dào）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（tào）鏈反轉，把P09號刀套送到換刀位置，同時機械手架上升至最高位置，為再下一工步的換刀做好準備。

 

（二）鉤（gōu）刀（dāo）機械（xiè）手的換刀過程

 

作（zuò）為最常用的一種換刀形式，換刀一次所需的（de）基本動作如下。

 

（1）抓（zhuā）刀。手臂旋轉（zhuǎn）90º，同時抓住刀庫和主軸上的刀具。

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

 

（3）換刀。手臂旋轉（zhuǎn）180º，新舊刀具更換。

 

（4）插刀（dāo）。機械手（shǒu）同時將新舊刀具分別插入主軸和刀庫，然後主軸夾頭夾緊（jǐn）刀具；

 

（5）複位。轉動手臂，回（huí）到原始（shǐ）位置。