CNC數控（kòng）機床的自（zì）動換刀裝置（zhì）及其刀具係統（tǒng）！

　　

 

一、鬥笠（lì）式（shì）刀庫

一（yī）般隻能存16~24把刀（dāo）具，鬥笠式刀庫在換刀時整個刀庫向（xiàng）主軸移（yí）動。當主軸上的刀具進（jìn）入刀庫的卡槽時，主軸（zhóu）向上移動脫離刀具，這時刀庫轉動。當要換的刀（dāo）具對正主軸正下方時主軸（zhóu）下移，使刀具進入主軸（zhóu）錐孔內，夾緊刀（dāo）具後，刀庫退回原來的位置。

 

二、 圓（yuán）盤式刀庫

圓盤式刀庫（kù）通常應用在小型立式綜合加工機上。"圓盤刀庫"一般俗稱"盤式刀庫"，以便和"鬥笠（lì）式刀庫"、"鏈條式刀庫"相區分。圓（yuán）盤式的刀庫容量不大，頂多二、三十把（bǎ）刀。需搭配自（zì）動換刀（dāo）機構ATC(AutoToolsChange)進行（háng）刀（dāo）具交換。

 

三、鏈條（tiáo）式刀庫

鏈（liàn）條式刀庫的特點是可儲放較多數量之刀具，一般都在20把以上（shàng），有些可儲放120把（bǎ）以上。它是（shì）藉由鏈條將要（yào）換的刀具傳到指定位置，由機械手將刀具裝到主軸上（shàng）。換（huàn）刀動（dòng）作均采用馬達加機加工中心使用的刀庫最常（cháng）見的形（xíng）式是圓盤式刀庫和機械手換刀刀庫。

 

一、自動換刀裝置的形式

 

1．回轉刀架換（huàn）刀

回轉刀架是一種最簡單的自（zì）動換刀裝置，常用於數控車床。可以設計成四方刀架（jià）、六角刀架（jià）或圓盤式軸向裝刀刀架等（děng）多（duō）種形式。回轉刀架上分別安裝（zhuāng）著四把（bǎ）、六把或更多（duō）的刀具，並按數控裝置的指（zhǐ）令換刀。

 

回轉刀架（jià）在（zài）結構上必（bì）須具有良好的強度和剛度，以承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（kòng）車床來說，加工過程中刀具位置不進行人（rén）工調整，因此更有必要選擇可靠的定位方案和合理的定位結構（gòu），以保證回（huí）轉刀架在每次轉位之後，具有盡可能（néng）高的重複定位精度（一般為0.001～0.005mm）。

 

一般情況下（xià），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。

 

2．更換（huàn）主軸頭換刀（dāo）（刀具旋轉（zhuǎn）為主運動）

更換主軸換刀（dāo）是帶有（yǒu）旋轉刀具的數控機（jī）床的一種比較簡（jiǎn）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（zhǒng），通常用轉塔的轉位來更換主軸頭，以實現自動換刀。在轉塔的各個（gè）主軸上，預先（xiān）安裝有各工序所需要的旋（xuán）轉刀具，當發出換刀指令時，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）帶動刀具旋轉。而（ér）其它處於不加工位置上的主軸都與主運動脫開。

 

這（zhè）種更換主軸換刀裝（zhuāng）置（zhì），省去了自動鬆、夾、卸刀、裝刀以及（jí）刀具搬運等一係（xì）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。但是由於空間位置的限製（zhì），使主（zhǔ）軸部件結構尺寸不能太大，因而影（yǐng）響了主軸係統的剛性。為了保證主軸的（de）剛性，必（bì）須限製主軸的數目，否則會使結構（gòu）尺寸增大。因此，轉塔主軸（zhóu）頭通常隻適用於工序較少、精度要求不太高的機床，例如數控鑽、銑床等。

 

3.帶刀庫的（de）自動換刀係統

由於回轉刀架、轉塔頭式換刀（dāo）裝置容納的刀具數量不能（néng）太多，不能滿足複雜零（líng）件的（de）加工（gōng）需要，因此，自動換（huàn）刀數控機床多采（cǎi）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，換刀過程較為複雜。首先要把加工過（guò）程中使用的全部刀具分別安裝在標準刀柄上，在機外進（jìn）行尺（chǐ）寸預調整後，按（àn）一定（dìng）的方式放入（rù）刀庫。換刀時，先在刀庫中（zhōng）選刀，再由換刀裝置從刀庫或主軸上取出刀具，進行交換，將新（xīn）刀裝入主軸，舊刀放回刀庫。刀庫具有較大的容（róng）量（liàng），既可安裝在主軸箱的側麵或上（shàng）方。由於帶刀庫的自動換刀裝置的數控機床的主軸箱內隻有一根主（zhǔ）軸（zhóu），主軸部件的剛度要高，以滿足精密加（jiā）工要求。

 

另外，刀庫內刀具數量較大，因而能夠進行複雜零件的多（duō）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（dòng）換刀係統適用於數控鑽削中心和加工中心。

 

二、刀庫和刀具的（de）選擇方式

 

1.刀庫（kù）類型

刀庫的作用是儲備一定數量的刀具，通過機械手實現（xiàn）與（yǔ）主軸上刀（dāo）具的互換。刀（dāo）庫的類型有盤（pán）式（shì）刀（dāo）庫、鏈式刀庫等多種形（xíng）式，刀庫的（de）形式和容量要根據機床（chuáng）的工（gōng）藝範圍（wéi）來確定。圖7-16所示（shì）的盤式刀庫，刀具的方向與主（zhǔ）軸同向，換刀時主軸箱上（shàng）升到一（yī）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（jiá）住，主軸在CNC的控製下，鬆開刀柄，盤式（shì）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（jù）旋（xuán）轉至與主軸（zhóu）對準的（de）位置，刀庫後退將新刀具插入主軸孔中，主軸夾（jiá）緊（jǐn）刀柄，主軸箱下降（jiàng）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，換刀可靠性較好（hǎo）；缺點是換刀（dāo）時間長，適用於刀庫容量較小的加工中心。

 

對（duì）於刀庫容量需要較大的加工中心可采用（yòng）鏈式刀庫，鏈式刀庫（kù）的結構緊湊，刀庫容量較大，鏈環的形狀可根據機床的布局製成各種形狀，也可將（jiāng）換刀位突出以便於換刀。當需要增加刀具數量時（shí），隻需增加鏈條的長度即可，給（gěi）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（yì） 選刀兩種，順序（xù）選刀是在加工（gōng）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（zhǒng）數量較少的中、小型數控機床的自動換刀。

 

隨著（zhe）數控係統的發展，目（mù）前大多（duō）數的數控係統都采用任（rèn）意選刀的方式，其分為刀套編碼、刀具編碼和記憶式等（děng）三種。

 

3. 刀具編碼方式

刀具編碼或（huò）刀套編碼需要在刀具或刀套上安裝用於識別的編（biān）碼條，一般都是根（gēn）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（le）一（yī）種特殊（shū）的（de）刀柄結構，並對每把刀具編碼（mǎ）。每把刀具都具有自己（jǐ）的（de）代碼，因而（ér）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（liàng）也可相（xiàng）應減少。但每把刀具（jù）上都帶有專用的編碼環，刀具（jù）長度加長，製造困難（nán），刀庫和機械手的結構變複雜。刀套編（biān）碼的方式（shì）是一把刀具隻（zhī）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，取送刀具十分麻煩，換刀時間長。目前在加工中心上大量使用（yòng）記憶式的方式。這種方式能將刀具號和刀庫中的刀套位置對應地記憶在數控（kòng）係統（tǒng）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（wèi）置信息。這（zhè）樣刀具就可以任意取出並送回。刀庫上（shàng）還設有機械原點，使每次選刀時就近選取。

 

三、刀具交換裝置

 

數控機床的自動換刀裝置中（zhōng），實現刀庫與機床主軸之間傳（chuán）遞和裝卸刀（dāo）具（jù）的（de）裝置稱為刀具交換裝置。刀具（jù）的交換方式有兩種：由刀庫與機床主軸的相對運動實現刀具交換以及（jí）采用機械手（shǒu）交換刀具。利用刀庫與（yǔ）機床主軸（zhóu）的相對運動實現刀具交換的裝置在（zài）換刀時必須（xū）首先將用過的刀具送回刀庫，然（rán）後（hòu）再從刀庫中取出新刀具，兩個動作不能同時進（jìn）行，換刀（dāo）時間較長。而采（cǎi）用機械手換刀裝置（zhì）在換刀時能夠同時抓取和裝卸機床主軸和刀庫中的刀具（jù），因此換刀時（shí）間進一（yī）步縮短（duǎn）。采用機械手進行（háng）刀具交換的方式應用最廣泛。這（zhè）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，機械手的活動爪都（dōu）帶有自鎖機構。

下麵是世界上最現代化的數控機床（chuáng）換刀，換刀無（wú）影手！

 

16位自動換刀刀（dāo）庫

 

1、刀具交換方式

 

數控機床的自動換刀（dāo）裝置中（zhōng），實現刀庫與機床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為（wéi）刀具交換裝置。刀具的交換方式和它們（men）的具體結構對（duì）機床（chuáng）的生產率和工作可靠性（xìng）有著直接的影響。

 

刀具的交換方式很多（duō），一般（bān）可分為（wéi）以下兩大類。

 

（一）無機械手換刀（dāo）

 

無機械手（shǒu）換刀，是由刀庫和（hé）機床主軸（zhóu）的相對運動實現的（de）刀具交換。換刀時（shí），必須首先將用過的刀具（jù）送回刀庫（kù），然後再從刀庫中取（qǔ）出新刀具，這兩個動作不可（kě）能（néng）同時進行，因此，換刀（dāo）時間長。所（suǒ）示的數控立式鏜銑床就是采用這種（zhǒng）換（huàn）刀方式的實例。它的選刀和換刀由三個坐標軸的（de）數控定位係統來完成，因此每交換一次刀具，工作台和主軸箱就必（bì）須沿著三個坐標（biāo）軸作兩次（cì）來回運動，因而增加了換刀（dāo）時（shí）間。另外，由於刀庫置於工作（zuò）台上，減（jiǎn）少了工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（fāng）式（shì）的不同，換刀（dāo）機械手也有（yǒu）多（duō）種形式。因為機械手換刀有很（hěn）大的靈活性，而且還（hái）可以減少換（huàn）刀時間，應（yīng）用最為廣泛。

 

2、機械手形式

 

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

 

1．單臂單爪回轉式機械手

 

這（zhè）種機械手的手臂可以回轉不（bú）同（tóng）的角度（dù）來進行（háng）自（zì）動換刀，其手臂上隻有一個卡爪，不論在刀庫上或是（shì）在主軸上，均靠這個卡（kǎ）爪來裝刀及卸刀，因此換刀時間較長，如圖2(a)所示（shì）。

 

2．單臂雙爪回轉式機械手

 

這種（zhǒng）機械手的手臂上有（yǒu）兩個卡爪，兩個（gè）卡爪有所分工。一個卡爪隻執（zhí）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”送到主軸（zhóu）的任務。其換刀時間較上述單爪回轉（zhuǎn）式機械手（shǒu）要少

 

3．雙臂（bì）回轉式機械手

 

這種（zhǒng）機械手的（de）兩臂上各有一個卡爪，兩（liǎng）個卡爪（zhǎo）可同時抓取刀庫及主軸上的刀具，回轉180°後又同時將（jiāng）刀具放回刀庫及裝入主軸。這種機械手（shǒu）換刀時間較以上兩種單臂機械手（shǒu）均短，是最（zuì）常用的一種形式。右邊的機械手在抓取（qǔ）或（huò）將（jiāng）刀具送入刀庫及主軸上，兩（liǎng）臂可伸縮（suō）。

 

4．雙機械手

 

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（háng）自動換刀。其中一（yī）個機械手從主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另（lìng）一個由刀（dāo）庫中取出“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（de）兩手臂可以往複運動，並交叉成一定的（de）角度。一個（gè）手臂從主軸上取下“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（shǒu）可沿某導軌（guǐ）直線移（yí）動或繞某個（gè）轉軸回轉，以實現由刀庫（kù）與主軸間的運刀工作，

 

6．雙臂（bì）端麵夾緊式機（jī）械手

 

這種機械手隻是在（zài）夾緊部位上與前幾種不同。前幾種（zhǒng）機械手均靠夾緊刀柄的外圓表麵來抓取刀具（jù），這種機械手則是靠夾緊刀柄的（de）兩個端麵來（lái）抓取的。

 

3、機械手夾持結（jié）構

 

在換刀過程中，由於機械手抓住刀柄要作快速回（huí）轉，要作（zuò）拔、插刀具的動作，還（hái）要（yào）保證刀柄鍵槽的角度（dù）位置對準主軸上的驅動鍵。因此，機械手的夾持部分要（yào）十分可靠，並保證（zhèng）有適當（dāng）的夾緊力（lì），其活（huó）動爪要有鎖（suǒ）緊裝置，以（yǐ）防止刀具在換刀過（guò）程中轉動脫落。機械手夾（jiá）持刀具的方法有以（yǐ）下兩種。

 

（一）柄式夾持（chí）

 

柄式夾持，也稱軸向（xiàng）夾持或V形槽（cáo）夾持。其刀（dāo）柄（bǐng）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（zhǒng）夾持方式。機械手（shǒu）手掌結構示意圖，它由固定爪及活（huó）動爪組（zǔ）成，活動爪可繞軸回轉，其一端在彈簧柱塞的作用下，支靠在擋銷上，調整螺釘以保持手掌適當的夾緊力（lì），鎖緊銷使活動（dòng）爪牢固（gù）地夾持刀柄，防（fáng）止刀具（jù）在交換（huàn）過程中（zhōng）鬆脫。鎖緊銷還可軸向移動，使活動爪放鬆，以（yǐ）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（zhì）的布局結構多種多樣，其換（huàn）刀過程動作順序會不盡相同。下麵分別（bié）以常（cháng）見的雙（shuāng）臂往複交叉式機（jī）械手和鉤刀機械手為例用動作分圖（tú）加以說明。

 

（一）雙臂往複交叉式機械手的換刀過程

 

（1）開始換刀前狀態。主軸正用T05號刀具進行加工，裝刀機（jī）械（xiè）手已抓住下一工（gōng）步需用的T09號刀具，機械手架處於最高位置，為換刀做好了準備（bèi）；

 

（2）上一工步結束，機床立柱後退，主軸箱上升，使（shǐ）主軸處於換刀位（wèi）置。接（jiē）著下一（yī）工步開始，其第一個指令是換刀，機械（xiè）手架回轉180o轉向主軸。

 

（3）卸（xiè）刀機械手前伸（shēn），抓住主軸（zhóu）上已用（yòng）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號刀具從主軸上拔出。

 

（5）卸刀機械手縮回原位。

 

（6）裝刀機械手前（qián）伸，使T09號刀具對準主軸。

 

（7）機械手架後移，將T09號刀具（jù）插入主軸。

 

（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（xiè）手轉向刀庫。

 

（10）機械手架由橫梁帶動下降，找（zhǎo）第（dì）二排刀套鏈，卸刀機械手將T05號刀具插回P05號刀套中。

 

（11）刀套鏈轉動把在下（xià）一個工（gōng）步需（xū）用的T46號刀（dāo）具送（sòng）到換刀位置,機械手一降,找（zhǎo）第三排刀（dāo）鏈,由裝刀機械（xiè）手將T46號刀具取出。

 

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

 

（二）鉤刀機械手的（de）換刀過（guò）程

 

作為（wéi）最常（cháng）用的一種換刀形式，換刀一次所需的基本動作如下。

 

（1）抓（zhuā）刀。手臂旋轉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，機械手同時將刀庫和主軸上的刀具拔出。

 

（3）換刀。手臂（bì）旋轉180º，新舊刀具更換。

 

（4）插刀。機械手同時將新舊刀（dāo）具分別插入主軸（zhóu）和刀庫，然後主軸夾頭夾緊刀（dāo）具（jù）；

 

（5）複位。轉動（dòng）手臂（bì），回到（dào）原始位置（zhì）。