CNC數控機床的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，鬥笠式刀庫在換刀時整個刀庫（kù）向主軸移動。當主（zhǔ）軸上的刀具（jù）進入刀庫的（de）卡槽時，主軸向上移動脫離刀具，這（zhè）時刀庫轉動。當要換的刀具對正主軸正（zhèng）下方時主軸下移，使刀具進入主軸錐孔內，夾緊刀具後，刀庫退回（huí）原來的位置。

 

二、 圓（yuán）盤式刀庫

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

 

三（sān）、鏈條式刀庫

鏈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，有些可儲放120把以（yǐ）上。它是藉由鏈條將要換的刀具傳到指定位置，由機（jī）械手將刀具裝到（dào）主（zhǔ）軸上。換刀動作均采用馬達加機加工（gōng）中心使用的刀庫最常（cháng）見（jiàn）的形式是圓盤式刀（dāo）庫和機械手換刀刀庫。

 

一、自（zì）動換刀裝置（zhì）的形（xíng）式

 

1．回轉刀架換刀

回轉刀（dāo）架是一種最簡單的自動換刀裝置，常用於數控（kòng）車（chē）床。可以設計成（chéng）四方（fāng）刀架、六角（jiǎo）刀架或圓盤式軸向裝刀（dāo）刀架等多種形式。回轉刀架上分（fèn）別安裝著（zhe）四把、六把或更多的刀具，並按數控裝置的指令換刀。

 

回轉刀架（jià）在結構上必須具有良好（hǎo）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（yú）刀尖（jiān）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（gōng）調整，因此更（gèng）有必要選擇可靠的定位方案和合（hé）理的定位結構，以（yǐ）保證回（huí）轉刀架在每次轉位之後，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（kuàng）下，回轉刀架的換刀動作包括刀架抬起、刀架（jià）轉位及刀架壓緊等。

 

2．更換主軸頭換刀（dāo）（刀具旋轉為（wéi）主運動）

更換主軸換刀是帶有旋轉刀具的數控機床的一種（zhǒng）比較簡單（dān）的換刀方式。這種主軸頭實際上就（jiù）是一個轉塔刀庫（kù）。

 

主軸（zhóu）頭有臥（wò）式和立式兩種，通常用轉塔的轉位來更（gèng）換主（zhǔ）軸頭，以實（shí）現自動（dòng）換刀（dāo）。在轉塔的（de）各個主軸上，預先安裝有各工序所需要的旋轉（zhuǎn）刀（dāo）具，當發（fā）出換刀指令時，各主軸頭依次地（dì）轉到加（jiā）工位置（zhì），並接通主運動，使相應的主軸帶動刀具旋（xuán）轉。而其它處於不加工（gōng）位置上的（de）主軸都與主運（yùn）動脫開。

 

這種更換主軸（zhóu）換刀裝置，省去了自動鬆、夾、卸刀、裝刀以及刀具搬運等一係列的複雜操作，從而縮短了換（huàn）刀時間，並提高了換刀的（de）可靠性（xìng）。但是由於空間位置（zhì）的限製，使主軸部件結構尺寸不能太大（dà），因而影響了主軸係統的剛性。為了保證主軸的剛性，必須限（xiàn）製（zhì）主軸的數目，否則會使結構尺（chǐ）寸增大。因此，轉塔主軸頭通常隻適（shì）用（yòng）於工序（xù）較少、精度要求不（bú）太高的機床，例如數控鑽（zuàn）、銑床等。

 

3.帶刀庫的自動換刀係統

由於回轉刀架、轉塔頭（tóu）式換刀裝置容納（nà）的（de）刀具數量不能太多（duō），不能滿足（zú）複雜零件的加工需要，因此，自動換刀數控機床（chuáng）多（duō）采用帶（dài）刀庫的自動（dòng）換（huàn）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。首先要把加工過程中使用的全部（bù）刀具分別（bié）安裝在標準刀柄上，在機外進行尺寸預調整後（hòu），按一定的方式（shì）放入刀（dāo）庫。換刀時，先在刀庫中選刀，再由（yóu）換刀裝置從（cóng）刀庫或主軸上（shàng）取（qǔ）出刀（dāo）具，進行交換，將新刀裝入（rù）主軸，舊刀放（fàng）回刀庫。刀庫具有較（jiào）大的容量，既可安裝在主軸箱的側（cè）麵或上方（fāng）。由於帶刀庫的自動換刀裝置（zhì）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（dāo）具（jù）數量較大，因而能夠進行複雜零件的多工序加工，大大提高了機床的適應性和加工（gōng）效（xiào）率。帶刀庫的自動換刀係統適用於數控鑽削中心和加（jiā）工中心。

 

二、刀庫和刀（dāo）具（jù）的選擇方（fāng）式

 

1.刀庫類型

刀庫（kù）的作用是儲（chǔ）備一定數量的刀具，通過機械（xiè）手實現與主軸上刀具的互換。刀庫的類型有盤式刀（dāo）庫、鏈式刀庫等（děng）多種形式，刀庫的形式和容量要根據機床的工藝範（fàn）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（huàn）刀時主軸箱上升到（dào）一定的位置（zhì），使主軸上的刀具正好對準刀庫最下麵的那個位置，刀具（jù）被夾住，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（shàng）的刀具，然後刀（dāo）庫將下一個工序所用的（de）刀具旋（xuán）轉至（zhì）與主軸對準的位置，刀庫後退將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（wèi）置，完成換（huàn）刀任務，進行下道工序的加工。此換刀裝（zhuāng）置的優點是結（jié）構簡單（dān），成本較（jiào）低（dī），換刀可靠性（xìng）較好；缺點是換刀時間（jiān）長，適用於刀庫容量較小（xiǎo）的加工中心。

 

對於刀庫容量需要較大的加工（gōng）中心（xīn）可采用鏈式（shì）刀庫，鏈式（shì）刀庫的結構緊湊，刀庫容量較大（dà），鏈環的（de）形狀可根據機床（chuáng）的布局製成各種形狀（zhuàng），也可將換刀位突出以便於換刀。當需要增加刀具數量（liàng）時，隻需增加鏈條的長度即可，給刀庫（kù）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（fàng）有多把刀具，每次換刀（dāo）前要進行選刀，常用的選（xuǎn）刀（dāo）方法（fǎ）有順序選刀和任意 選刀兩種，順序選刀是在加工（gōng）之前，將加工零（líng）件所需刀具按照（zhào）工藝要求依次插入刀（dāo）庫的刀套中，加工是按順序調刀，加（jiā）工不同的工件時必須重新調整刀庫中的刀具順序。其優點是刀庫的驅動和（hé）控製都比較簡單。因此，這種方式適合加工批量較大、工件品種數量較少的中、小型數控（kòng）機床的自動換（huàn）刀。

 

隨著數控（kòng）係統的發展，目前大多數的數控係統都采用任意選刀（dāo）的方式，其分為刀套編碼、刀具編碼和（hé）記憶式等三種。

 

3. 刀具編碼方式

刀具編碼（mǎ）或刀套編碼需要在刀具或刀套上（shàng）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。刀具編碼（mǎ）選刀方式采（cǎi）用了（le）一種特殊的刀柄結構，並對每把刀（dāo）具編碼。每把（bǎ）刀（dāo）具都具有自己的（de）代碼，因而刀具可在不同（tóng）的工序中多次（cì）重複使用，換下（xià）的刀具不用放回原刀座，刀庫的容量也可相應減少（shǎo）。但每把刀具上都帶有（yǒu）專用的（de）編碼環，刀具長度加長，製（zhì）造困難，刀庫和機械手的結（jié）構變複雜。刀套編碼的方式是一把（bǎ）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（shàng）大量使用記憶式的方式。這（zhè）種方式能將刀具號和刀庫中的刀套位置對應地記憶（yì）在數控係（xì）統（tǒng）的PLC中，無論刀（dāo）具放在哪個刀套內，刀具（jù）信息都（dōu）始終記存（cún）在PLC內。刀庫上裝有位置檢測裝置，可（kě）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（huí）。刀庫上還設有機械原點，使每次選（xuǎn）刀時就近選取。

 

三、刀具交換裝置

 

數控機床的（de）自動（dòng）換刀裝（zhuāng）置中（zhōng），實現刀庫與機床主軸之間傳遞和裝卸刀具的（de）裝置稱為刀具交換裝（zhuāng）置。刀具的交（jiāo）換方式有兩種：由刀庫與機床主軸的（de）相對運動實現刀具交換以及采用機械手交換刀具。利（lì）用刀（dāo）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過的刀具送回刀庫，然後再從刀庫中（zhōng）取出新刀具，兩個動作（zuò）不能同（tóng）時進行，換刀時間較長。而采用機械手（shǒu）換刀（dāo）裝置在換刀時能夠同時抓取和（hé）裝卸機床主（zhǔ）軸和刀庫中的刀具，因此換刀時間進一步縮短。采用機械手進行刀具交換的方式應用最廣泛。這是（shì）因為（wéi）機械手換刀靈活，動作（zuò）快，而且（qiě）結構簡單（dān）。機械手能夠完成抓刀—拔刀—回轉（zhuǎn）—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（dòng）爪都帶有自（zì）鎖機構。

下麵是世界上最現代化的數控機床（chuáng）換刀，換刀（dāo）無影手！

 

16位自動換刀刀庫

 

1、刀具交換方式

 

數控機床的自動換（huàn）刀裝（zhuāng）置中，實現刀庫與（yǔ）機床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置。刀具的交換方式和它們的具體結構對機床的生產率和工（gōng）作可靠性有著直接的（de）影響。

 

刀具的交換方式很（hěn）多，一般可分為以（yǐ）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（zhǔ）軸的相對運動實現的（de）刀（dāo）具交換。換刀時，必須首先（xiān）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（bú）可能同時進行，因此，換刀時間長。所示的數控立式鏜銑床（chuáng）就是采用（yòng）這種換刀方式的實（shí）例。它的選刀和換刀由三個坐標軸的數控（kòng）定位係統（tǒng）來完成（chéng），因此每交換一次刀具（jù），工作台和主軸（zhóu）箱就必須沿著三個坐標軸作兩次來回運動，因（yīn）而增加了換刀時間。另外，由（yóu）於刀庫置於工作台上，減少了工作台的有（yǒu）效使（shǐ）用麵積。

 

（二）機械手換刀

 

由於刀庫及刀具交換方式的不（bú）同，換刀機械手也有多（duō）種（zhǒng）形式。因為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（shǒu）形式

 

在自動換（huàn）刀數控機（jī）床中，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（huò）是在主（zhǔ）軸上，均（jun1）靠這個卡爪來裝刀及卸刀，因此換刀時間較（jiào）長（zhǎng），如圖2(a)所示。

 

2．單臂雙爪（zhǎo）回轉式機械手

 

這種（zhǒng）機械（xiè）手（shǒu）的手臂（bì）上有兩個卡爪，兩個卡爪（zhǎo）有所分工。一個（gè）卡（kǎ）爪隻執行從主軸上取（qǔ）下“舊刀”送回刀庫的任務，另（lìng）一個卡（kǎ）爪則執（zhí）行由刀庫取出“新刀”送到主軸的任務。其（qí）換刀時間較上（shàng）述單爪回轉式機械手要少

 

3．雙（shuāng）臂回轉式（shì）機械手

 

這種機械手的兩臂上各（gè）有（yǒu）一個卡爪，兩個（gè）卡爪可同時抓取刀庫及主軸上（shàng）的刀具，回轉180°後又同時將刀具放回刀庫及裝入主軸。這種（zhǒng）機械手（shǒu）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。右邊的機械手在抓取或將刀具送（sòng）入刀庫及主軸上，兩（liǎng）臂可伸縮（suō）。

 

4．雙（shuāng）機械手

 

這種機械手相當於兩個單臂單爪（zhǎo）機械手，它們互相（xiàng）配合進（jìn）行（háng）自動換（huàn）刀（dāo）。其中一個機械手從主軸上取（qǔ）下（xià）“舊刀（dāo）”送回刀庫（kù），另一（yī）個由刀庫中取出“新刀”裝入機床主軸，

 

5．雙臂往複（fù）交叉（chā）式機械手

 

這種機械手（shǒu）的兩手臂可以往複運動（dòng），並（bìng）交叉成一定（dìng）的（de）角度。一個手臂從主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另一（yī）個手臂由（yóu）刀庫中取出“新刀”裝入主軸。整個機械手可沿（yán）某導軌直線移動或繞某個轉軸回轉，以實現由刀庫與主軸（zhóu）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（bù）位上與前幾種不同。前幾種機械手均靠夾緊刀柄（bǐng）的外圓表麵來抓取刀具，這種機（jī）械（xiè）手則是靠夾緊刀（dāo）柄的兩個端麵來抓（zhuā）取的。

 

3、機械手夾持結構

 

在（zài）換刀過程中，由於（yú）機械手抓（zhuā）住刀柄要（yào）作快速回轉，要作拔、插刀具的動作，還要保證刀柄鍵（jiàn）槽（cáo）的角度位置對準主軸上的驅動鍵。因此，機械手的（de）夾持部分要十分可靠，並（bìng）保證有適當的夾緊力，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。機械（xiè）手夾（jiá）持刀具的（de）方法有以下兩種。

 

（一）柄式夾持

 

柄式夾持，也稱軸向夾持或（huò）V形槽夾持。其刀（dāo）柄前端有V形槽，供機械手夾（jiá）持用，目前我國數控機床較多（duō）采用這種夾持方式。機械手手（shǒu）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（yī）端在彈簧柱塞的作用（yòng）下，支（zhī）靠在擋銷上，調整螺釘以保持手掌（zhǎng）適當的夾緊力，鎖（suǒ）緊銷使活動爪牢固地夾持刀柄，防止刀具在（zài）交換過程中鬆脫。鎖緊（jǐn）銷還可軸（zhóu）向移動，使（shǐ）活動爪放鬆，以便（biàn）杈刀從刀柄V形槽中退出。

 

4、自動換刀（dāo）動作順序

 

由（yóu）於自動換刀裝置的布局結構多種（zhǒng）多樣（yàng），其換（huàn）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（jiāo）叉式機械手和鉤刀（dāo）機械手為例用動作分圖加以說明。

 

（一）雙臂往複交叉式機械手的（de）換刀過程

 

（1）開始（shǐ）換刀前狀態。主軸正用T05號刀具進行加工，裝刀機（jī）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（zuò）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（dāo）位置（zhì）。接著下一工步開始，其（qí）第一個（gè）指令（lìng）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（guò）的T05號刀具。

 

（4）機械手架由（yóu）滑座帶動（dòng），沿刀具（jù）軸線前移，將T05號刀（dāo）具從主軸上拔出（chū）。

 

（5）卸刀機械手（shǒu）縮回原位。

 

（6）裝刀機（jī）械手前伸，使T09號刀具對準主軸。

 

（7）機械手架後（hòu）移，將T09號刀具（jù）插入主軸。

 

（8）裝刀機械手縮回（huí）原位。

 

（9）機械手架回轉180o，使裝刀、卸刀機械（xiè）手轉（zhuǎn）向刀庫。

 

（10）機械手架由橫梁帶動下（xià）降，找（zhǎo）第二排刀套鏈，卸刀機械手將T05號刀具插回P05號刀套中。

 

（11）刀（dāo）套鏈轉動把在下一個工步需用的T46號刀具送到換刀位（wèi）置,機械手一降,找第三排刀鏈,由（yóu）裝刀（dāo）機械手將T46號刀具取出。

 

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

 

（二）鉤刀機械手的換刀過（guò）程

 

作為最常用的一種換刀形式，換刀一次所需的基本動作如下。

 

（1）抓刀。手臂旋轉90º，同時抓住刀庫（kù）和（hé）主軸（zhóu）上的刀具。

（2）拔刀。主軸夾頭鬆開（kāi）刀（dāo）具，機械手同時將刀庫（kù）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（tóng）時將新舊（jiù）刀具分別（bié）插入主軸和刀庫，然後主軸夾頭夾（jiá）緊刀（dāo）具；

 

（5）複位。轉動手臂，回到原始位置。