CNC數控（kòng）機（jī）床的自動換刀裝置（zhì）及其刀具係統！

　　

 

一、鬥笠式（shì）刀庫

一般隻能存16~24把刀具，鬥（dòu）笠（lì）式刀庫在換刀時整個（gè）刀（dāo）庫向主軸移動。當（dāng）主軸上的刀具進（jìn）入刀庫的卡槽時，主（zhǔ）軸向上移動脫離（lí）刀具，這時刀庫轉動。當要換的刀具對（duì）正主軸正下方時主軸下移，使刀具進（jìn）入主軸錐（zhuī）孔內，夾緊刀具（jù）後，刀庫退回原來的位（wèi）置。

 

二（èr）、 圓盤式刀庫

圓盤式刀庫通常應用在小型立式綜（zōng）合加工機上。"圓盤刀庫"一般俗稱（chēng）"盤式刀庫"，以便和"鬥笠式刀庫"、"鏈條式刀庫"相區（qū）分。圓盤式的刀庫容量不大，頂多二、三十把刀。需（xū）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（jiào）多數量之刀具，一般都（dōu）在20把以上（shàng），有些可儲放（fàng）120把以上。它是（shì）藉由鏈（liàn）條將要換的刀具傳到指定（dìng）位置，由機械手將刀具裝到主軸上。換刀動作均采用馬達加機（jī）加（jiā）工中心使（shǐ）用的刀庫（kù）最（zuì）常見（jiàn）的形式是圓盤式刀庫和機械（xiè）手換刀刀庫。

 

一（yī）、自動（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（dòng）換刀（dāo）裝置，常用於數控車床。可以（yǐ）設計成四方刀（dāo）架、六角刀架或圓盤式軸向裝刀刀架等多種形式。回轉刀架上分別安裝著四把、六把或更多（duō）的刀（dāo）具，並按數控裝置（zhì）的指令換刀（dāo）。

 

回轉刀架在（zài）結構上必須具有良好的強度和剛度（dù），以（yǐ）承受粗加（jiā）工時的切削抗力。由於車（chē）削加（jiā）工精度在很大程（chéng）度上取決於刀尖位置，對於數控車床來（lái）說，加工過程中刀具位置不進行人工調整（zhěng），因此更有必要選擇（zé）可靠的定位方案和合理的定位結構，以保證回轉刀架在每次轉位之後，具有盡可能高的重複定（dìng）位精度（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（de）一種比較簡單的（de）換（huàn）刀方式。這（zhè）種主軸頭實際上就（jiù）是一個轉塔刀庫。

 

主軸頭有臥式（shì）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（zì）動換刀。在轉（zhuǎn）塔的各個主軸上，預先安（ān）裝有各工序所需要的旋轉刀具，當（dāng）發出換刀指令時，各（gè）主軸頭依次地轉到加工位置，並接通主（zhǔ）運動，使相應的主軸帶動刀（dāo）具旋轉。而其它處於不加（jiā）工位置（zhì）上的（de）主軸都與主運動脫開。

 

這（zhè）種更換主軸換刀裝置（zhì），省去了自動鬆、夾、卸刀、裝刀以及（jí）刀具搬運等一係列的複雜操作，從而縮（suō）短（duǎn）了換刀時間，並提高了換刀的可（kě）靠性。但是由（yóu）於空間位置的限製，使主軸（zhóu）部件結構尺（chǐ）寸不能太大，因而影響了主軸（zhóu）係統的（de）剛性。為了保證主軸的剛性，必須限製主軸的數目，否（fǒu）則會使結構尺寸增大。因此，轉塔主（zhǔ）軸頭通常（cháng）隻適用於工序較少（shǎo）、精度要求不太高的機（jī）床，例如數控鑽、銑床等。

 

3.帶刀庫的自動換刀（dāo）係統

由於回轉刀架、轉塔頭式換刀裝置容納的刀具數（shù）量不能太多，不能滿足複雜零件的加工需（xū）要，因（yīn）此，自動（dòng）換刀數控機床多采用帶刀庫的自動（dòng）換刀裝置。帶（dài）刀庫的自動換（huàn）刀裝置由刀庫和換刀機構組成，換刀過（guò）程較為複雜。首先要把加工過程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，按一定的方式放入刀庫（kù）。換刀（dāo）時，先在刀庫（kù）中選（xuǎn）刀，再（zài）由換刀裝置從（cóng）刀庫或主軸上取出刀（dāo）具，進行交換，將新刀（dāo）裝入主軸，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側麵或上方。由於帶刀庫的（de）自動換（huàn）刀裝置的數控機床的（de）主軸箱內隻有一根主軸，主軸部件的剛度要高，以滿足精密加工要求。

 

另外，刀庫內刀具數量較大（dà），因（yīn）而能夠進行複雜零（líng）件的（de）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（gōng）中（zhōng）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數量（liàng）的刀具，通過機械手實（shí）現與主（zhǔ）軸上刀具的互換。刀庫的類型有盤（pán）式刀庫、鏈（liàn）式刀庫等多（duō）種（zhǒng）形式，刀庫的形式和容量要根據機床的工藝範圍來確定。圖7-16所（suǒ）示的（de）盤式刀庫，刀具的方向與主軸同向，換刀時主軸箱上（shàng）升（shēng）到一定的位（wèi）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（bèi）夾住，主軸在CNC的（de）控（kòng）製下，鬆開（kāi）刀柄，盤式刀庫向前運動（dòng），拔出主軸上的刀具，然後刀庫（kù）將下（xià）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（zhǔ）軸夾緊刀柄，主軸箱下降到（dào）工作位置，完成換刀任務（wù），進（jìn）行下（xià）道工序的加工。此換刀裝置的優點是結構簡單，成（chéng）本較低（dī），換（huàn）刀可（kě）靠性較好；缺點是換刀時（shí）間長，適用於刀庫容量（liàng）較（jiào）小（xiǎo）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，鏈式刀庫的結構緊（jǐn）湊，刀庫容量較（jiào）大，鏈環的形狀可根據機床的布局製成各種形狀，也（yě）可（kě）將換刀位突出（chū）以便於（yú）換刀。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（zhì）造帶來了方便。

 

2. 刀具（jù）的選擇方（fāng）式

一般的刀庫（kù）內存放有（yǒu）多（duō）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，順序選刀是在加工之前，將加工（gōng）零件所需刀具按照工（gōng）藝要求依次插入刀庫的刀套中，加工是按（àn）順序調刀，加工不同的工件時必須重新（xīn）調（diào）整刀庫中的刀具順序（xù）。其優點是刀庫的驅動和控製都（dōu）比較簡單。因此，這種方式適合（hé）加工批量（liàng）較大、工件品種（zhǒng）數量較（jiào）少的中、小型數控機床的自（zì）動換刀（dāo）。

 

隨著數控係統的（de）發展，目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（biān）碼、刀具（jù）編碼和記憶式等三種。

 

3. 刀具編碼方式

刀具編碼或刀套編（biān）碼需要在刀具或刀套上安裝用於識別的編碼條，一般都是根據二進製編碼的原理進行編碼（mǎ）。刀具編碼選刀方式采用了一種特殊的刀柄結構，並（bìng）對每把刀具編碼。每把刀具都具有自己的代碼，因而刀具可在不同的工序中多次重複使用，換下的刀具不用放回原刀座，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（dù）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（tào），從一個刀套中取出的（de）刀具必須放回同一刀（dāo）套中，取送刀（dāo）具十分麻煩，換刀時間長。目前在加工中心上（shàng）大量（liàng）使用記憶式的方式。這種（zhǒng）方式能（néng）將刀具號和刀庫中的（de）刀套位置對應地記憶（yì）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（shàng）裝（zhuāng）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（yǐ）任意取出並送（sòng）回。刀庫上還設有機械原點，使每次選刀時（shí）就近選（xuǎn）取。

 

三、刀具交換裝置

 

數控（kòng）機床的自動換刀裝置中，實現（xiàn）刀庫與機床主軸之（zhī）間傳遞（dì）和裝卸刀具的（de）裝置稱為刀具交換（huàn）裝置。刀具的交換方（fāng）式有兩種：由刀庫與（yǔ）機床主軸的相對運動實現（xiàn）刀具（jù）交換以及采用機械手交換刀具。利用刀（dāo）庫與機床主軸的（de）相對運動實現刀具交換的裝置在換刀時必須首先將（jiāng）用過的刀具（jù）送回刀庫，然後再從刀庫中取出新（xīn）刀具，兩個動作不能同時進行（háng），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）和裝卸機床主軸和刀庫中的刀具，因此換刀時間進一步縮短。采用（yòng）機械手進行刀（dāo）具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。機械手能夠完成（chéng）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（gòu）。

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

 

16位自動換刀刀庫

 

1、刀具交（jiāo）換（huàn）方式

 

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（chuán）遞和裝卸刀（dāo）具的裝（zhuāng）置（zhì）稱為（wéi）刀具交換裝置。刀具的交換方（fāng）式和它們的具體結構（gòu）對機床的生產率和工（gōng）作可靠性（xìng）有著直接的影（yǐng）響。

 

刀具（jù）的交換方式很多，一般可分為以下兩大類。

 

（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（jiāo）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用這種換刀方式的實例。它的選刀和換刀由三個坐標軸（zhóu）的數控定位係統來完成，因此每交換一次刀具，工作台（tái）和主軸箱就必須沿著三個（gè）坐標軸作兩次來回運動，因而增加了換（huàn）刀時間。另外，由於刀庫置於工作台上，減少了（le）工作台的（de）有（yǒu）效使用麵（miàn）積。

 

（二（èr））機械手換刀

 

由於刀庫及刀具交（jiāo）換方式的不同（tóng），換刀機械手也有多種形式。因為（wéi）機械手換刀（dāo）有很大的靈活性，而且還可以減少換（huàn）刀時間，應用最為廣泛。

 

2、機（jī）械手形式

 

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

 

1．單臂單爪回轉式機械（xiè）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，其手臂上隻有一個卡爪，不論在刀庫上或是在主（zhǔ）軸上，均靠（kào）這個卡爪來裝刀（dāo）及卸刀（dāo），因此（cǐ）換（huàn）刀時間較長，如圖2(a)所示。

 

2．單臂雙爪回轉式機械（xiè）手

 

這種機械（xiè）手的手（shǒu）臂（bì）上有兩個卡爪，兩個卡爪有所（suǒ）分工。一個卡爪隻執行從主軸上取下“舊（jiù）刀”送回刀庫的（de）任務，另一個卡爪則執行（háng）由刀庫取出“新刀”送到主（zhǔ）軸的任務。其（qí）換刀時間較上述單爪回轉式機械手要（yào）少

 

3．雙臂回轉式機械手（shǒu）

 

這種機械手的兩臂上各有一個卡爪，兩個卡爪（zhǎo）可同（tóng）時（shí）抓取刀庫及主軸（zhóu）上的刀具，回轉180°後又同（tóng）時將刀具放回刀庫及裝入主軸。這種機械（xiè）手換刀時間較以上兩種單臂機械手均短，是最常用的一種形式。右邊的（de）機械手在抓取或將刀具送入刀庫及主（zhǔ）軸上（shàng），兩臂可（kě）伸縮。

 

4．雙（shuāng）機械手

 

這種機械手相當於兩個單臂單爪機械手，它們互相配合進行自動換（huàn）刀。其中一個機械手從主軸上取下“舊（jiù）刀”送回刀庫，另一個由刀庫中取出“新刀”裝入（rù）機床主（zhǔ）軸，

 

5．雙臂往複交叉式（shì）機械手

 

這種機（jī）械手的兩（liǎng）手臂可以往複運動，並（bìng）交叉成一定的角度。一（yī）個手臂從主軸上取下（xià）“舊刀”送回刀庫，另一個手臂由刀庫中取（qǔ）出“新刀”裝入主軸（zhóu）。整個機械手可沿某導軌（guǐ）直線移動或繞某個（gè）轉軸回轉，以實（shí）現由刀庫與主（zhǔ）軸間的運刀（dāo）工作，

 

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（yǔ）前幾種不同。前幾種機械手均靠夾緊刀柄的外圓表麵（miàn）來抓取（qǔ）刀（dāo）具（jù），這種機械（xiè）手則是靠夾緊刀柄（bǐng）的兩個端麵來（lái）抓取的。

 

3、機械手夾（jiá）持結（jié）構

 

在換刀過程中（zhōng），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，還要保證刀柄鍵槽（cáo）的（de）角度位置對準主（zhǔ）軸上的驅動鍵。因此，機械手的夾持部分（fèn）要（yào）十分可靠，並保證有適當的夾緊力，其活動爪要有鎖緊裝置，以防止刀具在換刀過程中轉動脫落。機械手夾持刀具的方法有以下兩種。

 

（一）柄式夾持

 

柄式夾持，也稱軸向夾持或V形槽夾持。其刀柄前端有（yǒu）V形槽（cáo），供（gòng）機械手（shǒu）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組成，活動爪可繞軸回轉，其一端在彈（dàn）簧柱塞的作（zuò）用下，支靠在擋銷上，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持刀柄，防止（zhǐ）刀具在交（jiāo）換（huàn）過程中鬆脫。鎖緊銷還可（kě）軸向移動，使活動爪放（fàng）鬆，以便杈刀從刀柄V形槽中退出（chū）。

 

4、自動換（huàn）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（xù）會不盡相（xiàng）同。下（xià）麵（miàn）分別以常見的雙臂（bì）往複交叉式（shì）機（jī）械手和鉤刀機械手為例用動（dòng）作分圖加以說明。

 

（一）雙臂往複交叉式機（jī）械手的（de）換（huàn）刀過程（chéng）

 

（1）開（kāi）始換刀前狀態。主軸正用T05號刀具進行加（jiā）工，裝刀機械手已抓（zhuā）住下一工步需用的T09號刀具，機械手架處（chù）於最高位置，為換刀做好了準備（bèi）；

 

（2）上一（yī）工步結束（shù），機（jī）床立柱後退，主軸箱上升，使（shǐ）主軸處於換刀位置（zhì）。接著下一工步開始，其第一（yī）個（gè）指令是換刀，機械手架回轉180o轉向（xiàng）主軸。

 

（3）卸刀機械手前伸，抓住主軸上（shàng）已用過（guò）的T05號刀（dāo）具。

 

（4）機械手架由滑座帶動，沿（yán）刀具（jù）軸線前（qián）移，將T05號刀具從主軸上拔出。

 

（5）卸（xiè）刀機械手縮回原（yuán）位。

 

（6）裝（zhuāng）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（rù）主軸。

 

（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（dāo）庫。

 

（10）機械手架由（yóu）橫梁帶動（dòng）下降，找第二排刀套鏈，卸刀機械手將T05號刀具插（chā）回P05號刀（dāo）套中。

 

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

 

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

 

（二）鉤刀機（jī）械手的換刀過程（chéng）

 

作為最常用（yòng）的一種（zhǒng）換刀形式，換刀一次所需的基本動作如下。

 

（1）抓（zhuā）刀（dāo）。手臂旋轉90º，同（tóng）時抓住刀（dāo）庫和主軸上的刀具。

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

 

（3）換刀。手臂旋轉180º，新舊刀具更換。

 

（4）插刀。機械手同時將新舊刀具分別插入（rù）主軸（zhóu）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（zhì）。