CNC數控機床的（de）自動換刀裝置及其刀具係統！

　　

 

一、鬥笠式刀庫

一般隻能（néng）存16~24把刀具，鬥笠式刀庫在換刀（dāo）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（zhǔ）軸向上移（yí）動脫離刀具，這時刀庫轉動。當要換的刀具對正主軸正下方時主軸下（xià）移，使刀具進入主軸錐孔（kǒng）內，夾緊刀具後，刀（dāo）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（xiǎo）型立式綜（zōng）合加工機上（shàng）。"圓盤刀庫"一般俗（sú）稱"盤式刀庫"，以便和"鬥（dòu）笠式刀庫"、"鏈條式（shì）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（pèi）自動換刀（dāo）機構ATC(AutoToolsChange)進行刀具交（jiāo）換。

 

三、鏈條式刀庫

鏈條（tiáo）式刀庫的特點是可儲（chǔ）放較多數量之（zhī）刀具，一般（bān）都在20把以上，有些可儲放120把（bǎ）以上。它是藉由鏈條將要換的刀（dāo）具傳到指定位置，由機械手將刀具裝到主（zhǔ）軸上。換刀動（dòng）作均采用馬達加機加工中心使用的刀庫最常（cháng）見的形式是圓盤式刀庫和機械手換刀刀庫。

 

一、自動換（huàn）刀裝置的形（xíng）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（yòng）於數控車床。可以設計（jì）成四方刀架、六角刀架（jià）或（huò）圓盤式軸向裝刀刀架等多種形式。回轉刀架上分別安裝（zhuāng）著四把（bǎ）、六把或更多的刀具，並按（àn）數控裝置的指令換刀。

 

回轉刀架在結構上必須具有良好的強度和剛度，以承受粗加（jiā）工時的切削抗力。由於車削加工精（jīng）度（dù）在很大程度上取決於刀尖位置，對於數控車床來（lái）說，加工（gōng）過程中刀具位置不進行人工調整，因此更有必要選擇可（kě）靠的定位（wèi）方案和合理的定（dìng）位結構，以保證回轉刀架在每次轉位之後（hòu），具有盡可能高的（de）重複定位精度（一般（bān）為0.001～0.005mm）。

 

一般情況下，回（huí）轉刀（dāo）架（jià）的換刀動作包括刀架抬（tái）起、刀架轉位及刀架（jià）壓緊等。

 

2．更換主軸頭換刀（刀（dāo）具旋轉（zhuǎn）為主運動）

更（gèng）換主軸換刀是帶（dài）有旋轉刀具的數控機床的一種比較簡單的換刀方式。這種主軸頭實際上（shàng）就是一個轉塔刀庫。

 

主軸頭有臥式和（hé）立（lì）式兩種，通常用轉塔的轉位來更換主軸頭，以實現自動換刀（dāo）。在轉塔的各（gè）個主軸上，預先安裝有各工序所需要的旋轉刀具（jù），當發出換刀指令時，各主軸頭依次（cì）地轉到加工位置，並接通主運動（dòng），使（shǐ）相應的主軸帶動刀具旋轉。而其它處（chù）於不加工位（wèi）置上的主軸都（dōu）與主運動脫開。

 

這種更（gèng）換主軸換刀裝置，省去了自動鬆、夾、卸刀、裝刀以及刀具（jù）搬運等一係列的複雜操作，從而縮短（duǎn）了換刀時間，並提高了換刀的可靠（kào）性。但是由於空間位置的限製，使主（zhǔ）軸部（bù）件結構尺寸（cùn）不能太大（dà），因而影響了主軸係統的剛性。為了（le）保證主（zhǔ）軸的剛性，必須限製主軸的數目，否則會使（shǐ）結構尺寸增大。因此，轉塔主（zhǔ）軸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.帶刀庫的自動換刀係統

由於回轉刀（dāo）架、轉塔頭式換（huàn）刀裝置容納（nà）的刀具數量不能太多，不能滿足複雜零件的加工需要，因此，自動換刀數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（kù）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的全（quán）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（rù）刀庫。換刀時，先在刀庫中選刀，再由（yóu）換刀裝置從刀庫或主（zhǔ）軸上取出刀具，進行交換，將新刀裝入主軸，舊刀放回刀（dāo）庫。刀庫具有較大的容量（liàng），既可安裝在主軸箱（xiāng）的側麵或上方。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（yī）根主軸（zhóu），主軸部件的剛度要高，以滿足精密加工要求。

 

另外，刀庫（kù）內刀具數量較大，因而（ér）能（néng）夠（gòu）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（dāo）庫的自動換（huàn）刀係（xì）統適用於數控鑽削（xuē）中心和加工中心。

 

二、刀庫（kù）和刀具的選擇方式

 

1.刀庫類（lèi）型

刀（dāo）庫的作用是儲備一定數量（liàng）的（de）刀具，通過機械手實現與主軸上刀具的互（hù）換。刀庫的類型有（yǒu）盤式刀（dāo）庫、鏈式刀庫等多（duō）種形式（shì），刀庫的形式和容量要根據機床的工藝範圍來確定。圖7-16所示的盤（pán）式刀庫，刀具的方向與主軸同向，換刀時主軸（zhóu）箱上（shàng）升到（dào）一定的位置（zhì），使（shǐ）主軸上的刀具正好對準（zhǔn）刀庫（kù）最下麵的那個位置，刀具被夾住，主軸在（zài）CNC的控製下，鬆開刀柄，盤式刀庫向前（qián）運動，拔出主軸上的刀具，然後刀庫將下（xià）一個工序所用的刀具旋轉至與主軸對準的位置，刀庫（kù）後退將新（xīn）刀具（jù）插入主軸孔中，主軸夾緊刀柄，主軸箱下降到工作位置，完（wán）成換（huàn）刀任務，進行下道工序的加工。此換刀（dāo）裝置（zhì）的（de）優點是結構簡單（dān），成本較低，換刀（dāo）可靠性較好；缺點是換刀時間（jiān）長，適用於刀庫容量較小的加工中（zhōng）心。

 

對於刀庫容量需要較大（dà）的加工（gōng）中心可采用鏈式刀庫，鏈式刀庫的結（jié）構緊湊，刀（dāo）庫容量（liàng）較大，鏈環（huán）的形狀可（kě）根（gēn）據機床的（de）布局製成各種形狀，也可將換刀位突出以便於換刀。當（dāng）需要增加刀具數量時，隻（zhī）需增加鏈條的長度即可，給刀庫設計與製造帶來了方便。

 

2. 刀具的選擇方式（shì）

一（yī）般的（de）刀庫內存放有多把刀具，每次換（huàn）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，將加工零件所需（xū）刀具按照工藝要求依次插入刀庫的刀套中，加工是（shì）按順序調刀，加工不同的工件時必須重新調整刀庫中（zhōng）的刀具順序。其優（yōu）點是刀庫的驅動和控（kòng）製都比較（jiào）簡單。因此，這種方（fāng）式適（shì）合（hé）加工批量較大、工件（jiàn）品種數（shù）量較少的中、小型數控機床（chuáng）的自動換刀。

 

隨著數控係統的（de）發展，目前大多數的數控（kòng）係統都采用任意選刀的方式，其分為刀（dāo）套編碼、刀具（jù）編（biān）碼（mǎ）和記憶式（shì）等三種。

 

3. 刀具編碼方式

刀具編碼或刀套編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（jìn）製編（biān）碼的原理進行編碼。刀具編（biān）碼選刀方式（shì）采用了一種特殊的刀柄（bǐng）結（jié）構（gòu），並對每把刀具編碼。每（měi）把刀（dāo）具都具有自己的代碼，因而刀具可在不同的（de）工序中多次重複使用，換下的刀具（jù）不用（yòng）放回原刀座（zuò），刀庫的容量也可相應減少。但每把刀（dāo）具上都（dōu）帶有專用（yòng）的編碼環，刀具（jù）長度加長，製（zhì）造困難，刀庫和機械手的結構變複雜。刀套編碼的（de）方式是一把刀具隻（zhī）對應一個（gè）刀套，從一個刀套中取出的刀（dāo）具必須放回同一刀套中，取送（sòng）刀具十分麻煩，換刀時間長。目前在加工中心上大量使用記憶式的方式。這種方式能（néng）將刀具號和刀庫中的刀套（tào）位置對應地記憶在數控係（xì）統的PLC中，無論刀具放在（zài）哪個刀套（tào）內，刀具信息都始終記（jì）存在PLC內。刀庫上（shàng）裝有位置檢測裝置，可獲得每個（gè）刀套的位置信息。這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（shǐ）每次選刀時（shí）就近選取。

 

三、刀具交換（huàn）裝置

 

數控機床的自（zì）動換刀裝（zhuāng）置中，實現刀庫（kù）與機（jī）床主軸之間傳遞和裝（zhuāng）卸刀具的裝置稱為（wéi）刀具交換裝置。刀具的交換方式有兩（liǎng）種：由刀庫與（yǔ）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（yòng）過的刀（dāo）具送回刀庫，然後再從刀庫中取出新刀具，兩個動作不能同時進行，換刀（dāo）時間較長。而采用機械手換（huàn）刀裝置在換刀時（shí）能夠同時抓（zhuā）取和（hé）裝卸機床主軸和刀庫中的（de）刀具，因此換刀時間進一步（bù）縮短（duǎn）。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（dāo）靈活，動作快，而且結（jié）構簡（jiǎn）單（dān）。機械（xiè）手能夠完成抓刀—拔刀—回轉—插（chā）刀—返回等（děng）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（kòng）機床（chuáng）換（huàn）刀，換刀無（wú）影手！

 

16位自動（dòng）換刀刀（dāo）庫

 

1、刀具交換方式

 

數控機床的自動換（huàn）刀裝置中，實（shí）現（xiàn）刀庫與機床主軸之間傳遞和裝卸刀（dāo）具的裝置稱為刀具交換裝置。刀具的交換方式和它們的具（jù）體結構對機床的生產率和工作可靠性有（yǒu）著直（zhí）接的影響。

 

刀具的交換方式（shì）很多，一般可分為以下兩大類。

 

（一）無機械手換刀

 

無機械手換（huàn）刀，是由刀（dāo）庫和（hé）機床主軸的相對運動實現的刀具（jù）交換。換刀時，必須首先將用過的刀具送回（huí）刀（dāo）庫，然後（hòu）再從刀庫中（zhōng）取出新刀具，這兩個動作（zuò）不可能同時進（jìn）行，因此，換刀時間長。所示（shì）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的數控定（dìng）位係統來完成，因此（cǐ）每交換一（yī）次（cì）刀具，工作台和主軸箱就必須沿著三個坐標軸作兩次來回運動，因而（ér）增加了換（huàn）刀時間。另外，由於刀庫置於工作台上，減（jiǎn）少了工作台的有效使用麵積。

 

（二）機（jī）械手換刀

 

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

 

2、機械手形式

 

在自動換刀數控機床中，機（jī）械手的形式也是多（duō）種多樣，常見的有以下幾（jǐ）種形式。

 

1．單臂單爪回轉（zhuǎn）式機械手

 

這種機械手的手臂可以回轉不同的角度（dù）來進行自動（dòng）換刀，其手臂（bì）上隻有一個卡爪，不論在刀庫上或是在主軸上，均靠這個卡爪來（lái）裝刀及卸刀，因此換刀時間（jiān）較長，如圖（tú）2(a)所示。

 

2．單臂雙爪回轉式機械手

 

這種機械手（shǒu）的手（shǒu）臂上有兩個卡爪，兩個卡爪有所（suǒ）分工。一個卡爪隻（zhī）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（sòng）到主軸的任務。其換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

 

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

 

4．雙機械手

 

這（zhè）種機械手相當於兩個單臂單爪機械手，它們（men）互相配合進行自動換刀。其中一個機（jī）械手從（cóng）主軸上（shàng）取下“舊刀”送回刀（dāo）庫，另一個由刀庫中取出“新刀”裝入機床主軸，

 

5．雙臂往複交叉式機械（xiè）手

 

這種機械手的兩手臂可以往複運動，並交叉成一定（dìng）的角（jiǎo）度。一個手臂從主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另一個手臂由刀（dāo）庫中取出“新刀”裝入主軸。整個機（jī）械手可沿某導軌直線移動或（huò）繞某個轉軸回轉，以實現由刀庫與主軸間的運刀工作，

 

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（zhǒng）不同。前幾（jǐ）種機（jī）械手均靠夾（jiá）緊刀柄的外圓表麵來（lái）抓取刀具，這種機械手則是靠夾緊刀（dāo）柄（bǐng）的兩個端麵來抓取的。

 

3、機械手夾持結（jié）構

 

在換（huàn）刀過程（chéng）中，由於機械手抓住刀柄要作快速回轉，要作拔、插刀具的動作，還要保證刀柄鍵槽的角度位置對準主（zhǔ）軸上的驅動鍵。因此，機械手的（de）夾持部分要（yào）十分可靠，並保（bǎo）證有（yǒu）適當的夾緊力，其活動爪要有鎖緊裝置，以防止刀（dāo）具在換刀過程中轉動脫落（luò）。機械手夾持刀具的方法有（yǒu）以下兩種。

 

（一）柄式（shì）夾持（chí）

 

柄式夾持，也稱軸向夾持或V形槽夾持。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（yòng）這種夾持方式（shì）。機械手手掌結構示意圖，它由固定爪及活動（dòng）爪組成（chéng），活動爪可繞軸回轉，其一端（duān）在彈簧柱塞的作用下，支靠在擋銷（xiāo）上，調整螺釘以保持手掌（zhǎng）適（shì）當（dāng）的夾緊力，鎖緊銷（xiāo）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（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。

 

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（duō）樣，其換（huàn）刀過程動作順序會不盡相同（tóng）。下麵分別以常見的雙臂往複交叉（chā）式機（jī）械（xiè）手和鉤刀（dāo）機械手為例用動作分圖加以說明。

 

（一）雙臂往複交（jiāo）叉式機械手的換刀過程

 

（1）開（kāi）始換刀前狀態。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，機械手架處於最高位置（zhì），為換刀做好了準備；

 

（2）上一工（gōng）步結束（shù），機床立柱後退，主（zhǔ）軸箱上升，使主軸（zhóu）處於換（huàn）刀位置。接著下一工步開始，其第一個指（zhǐ）令是（shì）換刀，機械手架回轉180o轉向主軸。

 

（3）卸刀機（jī）械手前（qián）伸，抓住主軸上已用過的T05號刀具。

 

（4）機械手（shǒu）架由（yóu）滑座帶動，沿刀具軸線前移，將T05號刀具從主軸上拔（bá）出。

 

（5）卸刀機械手縮回原位。

 

（6）裝刀機械手前伸，使T09號刀具對準主軸。

 

（7）機械手架後移，將T09號刀（dāo）具插入（rù）主軸。

 

（8）裝刀機械手（shǒu）縮（suō）回原位（wèi）。

 

（9）機械手架回轉180o，使裝刀、卸刀機械手轉向刀庫。

 

（10）機械手架由橫（héng）梁帶動下降，找第二排刀套鏈，卸刀機械手將T05號刀具插回P05號刀套（tào）中。

 

（11）刀套鏈轉動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,找第三（sān）排刀鏈,由裝刀機械手將T46號刀具（jù）取出。

 

（12）刀套鏈反（fǎn）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）鉤刀機械（xiè）手的換刀（dāo）過程

 

作為最（zuì）常用的一種換刀形式，換刀一次所需（xū）的基本動（dòng）作如下。

 

（1）抓刀。手臂旋轉（zhuǎn）90º，同時抓住刀庫和主軸上的刀具。

（2）拔刀。主軸夾頭鬆開刀（dāo）具，機械手同時將（jiāng）刀庫和主軸上（shàng）的刀具拔出。

 

（3）換刀。手臂旋（xuán）轉180º，新舊刀具更換。

 

（4）插刀（dāo）。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（jǐn）刀具；

 

（5）複位。轉動（dòng）手臂，回到原始位置。