CNC數控機床的自動換刀裝置及其刀具係統！

　　

 

一、鬥笠式（shì）刀庫

一般隻能存16~24把刀具，鬥笠（lì）式刀庫在換（huàn）刀時整（zhěng）個刀庫向主軸移動。當主軸上的（de）刀具進入刀（dāo）庫的卡槽時，主（zhǔ）軸向上移動脫（tuō）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移，使刀具進入主軸錐孔內，夾緊刀具（jù）後，刀庫退回原來的位置（zhì）。

 

二、 圓盤式刀庫

圓盤式刀庫通常應用在小型立（lì）式綜合加工機（jī）上。"圓盤刀庫"一般俗稱"盤式刀庫（kù）"，以（yǐ）便和"鬥笠式刀庫"、"鏈條式刀庫"相區分。圓盤式的刀庫容量不大，頂多二、三十把（bǎ）刀。需搭（dā）配自動換刀機構ATC(AutoToolsChange)進行刀具交換。

 

三、鏈條式刀庫

鏈（liàn）條式刀庫的特點是可（kě）儲放（fàng）較多數量之刀具（jù），一般都在20把以上，有些可儲放120把以上。它是藉由鏈條將要換的刀具傳到指定位置，由（yóu）機械手將刀具裝（zhuāng）到主軸上。換刀動作均采（cǎi）用馬達加機加工中心使用的刀庫最常見的形式是圓盤（pán）式刀庫和機械手換刀刀（dāo）庫。

 

一、自動換刀裝置的形式

 

1．回轉刀架換刀

回轉刀架是（shì）一種最簡單的自動換刀裝置，常用於數控車床。可以設（shè）計成四方刀架、六角刀架或圓（yuán）盤式軸向裝刀（dāo）刀架等多種形式。回轉（zhuǎn）刀（dāo）架上分別安裝著四把、六把或更多的刀具，並按（àn）數控裝置的（de）指令換刀。

 

回轉刀（dāo）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（kàng）力。由於車削加工精度在很大程度上取決於刀尖位置，對於數控車床來說，加工過程中刀具位置不（bú）進行人工調整，因此更有必要選（xuǎn）擇可靠的定位方案和合理的定位結構（gòu），以保（bǎo）證回轉刀架在每次轉位之後，具有盡（jìn）可能高的重（chóng）複定（dìng）位精度（一般（bān）為0.001～0.005mm）。

 

一般情況下（xià），回轉刀架的（de）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）

更換主軸換刀（dāo）是帶有旋（xuán）轉刀具（jù）的數控機床的一種比較簡單的換刀（dāo）方（fāng）式。這種主軸頭實際上就是（shì）一個轉塔（tǎ）刀庫。

 

主軸頭有臥式和立式兩種（zhǒng），通常用（yòng）轉塔的轉位來更換主軸（zhóu）頭，以實現自動（dòng）換刀。在轉塔的各個主軸上，預先安裝（zhuāng）有各工（gōng）序（xù）所需要的旋轉刀具，當（dāng）發出換刀指令時，各主軸頭依次（cì）地轉到加工位（wèi）置，並（bìng）接通主（zhǔ）運動，使相應的主軸帶動刀具旋轉。而其它處於不加工位置上的主軸都與主運動脫（tuō）開（kāi）。

 

這種更換主軸換（huàn）刀裝置，省去了自動鬆、夾、卸刀、裝刀（dāo）以（yǐ）及刀具搬運等一係列的（de）複雜操作，從而縮（suō）短了換刀時間，並提高（gāo）了換刀的可靠性。但是由於空間位置的限製，使主軸部件結構尺寸不能太大，因而影響了主軸係統的剛性。為了保證主軸（zhóu）的剛性，必須限製主軸的數目，否則會使結構尺寸增大。因此（cǐ），轉塔主軸頭通常隻適用於工序較（jiào）少、精度要求不太高的機床，例（lì）如數控鑽（zuàn）、銑床等。

 

3.帶刀庫的（de）自動換刀係統

由於回轉（zhuǎn）刀架、轉塔頭式換刀裝置容納的刀具數量不（bú）能太多，不能（néng）滿足複（fù）雜（zá）零件（jiàn）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（de）自動換刀裝置由刀庫和換刀機構組（zǔ）成（chéng），換刀過程較為複雜。首先要把加工（gōng）過程中使用的全部刀（dāo）具分（fèn）別安裝在標（biāo）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。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（dāo）具，進行交換，將新刀裝入主軸，舊刀放回刀庫。刀庫具有較大的容量（liàng），既可安裝在主軸箱的側麵或上方。由於帶刀庫的自動換刀裝置的數控機床的主軸箱內隻（zhī）有一根主軸，主軸部（bù）件（jiàn）的剛度要高，以滿足精密加工要求。

 

另外，刀庫內刀（dāo）具數量較大，因而（ér）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（xìng）和（hé）加工效率。帶刀庫的自動換刀係（xì）統適用於數控鑽削中（zhōng）心和加（jiā）工中心。

 

二、刀庫和刀具的（de）選擇方式

 

1.刀庫類型

刀（dāo）庫的作用是儲備一定數（shù）量的刀具，通過機械手實（shí）現（xiàn）與主（zhǔ）軸上刀具的互換（huàn）。刀庫的類型有（yǒu）盤式刀庫、鏈式刀庫等多種形式，刀庫的形（xíng）式和容量要根據機床的工藝範圍來確定。圖7-16所示的（de）盤式刀庫，刀（dāo）具的方向（xiàng）與主軸同向，換刀時主軸箱上升到一（yī）定的位置，使主軸上的刀具正好對準刀（dāo）庫最下（xià）麵的那個位置，刀具被夾住，主軸在CNC的控（kòng）製下，鬆開刀柄，盤式刀庫向前運動，拔出主軸上的刀具，然後刀庫將下一個工序所用的（de）刀具旋轉至與主軸對準的位置，刀庫後退（tuì）將新刀具插入主軸孔（kǒng）中，主軸夾緊刀（dāo）柄，主軸箱下降到（dào）工作（zuò）位置（zhì），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單，成本較低，換刀可靠性較好；缺點是換刀（dāo）時間長（zhǎng），適用於刀庫容量（liàng）較小的加工中心。

 

對於刀（dāo）庫容量需要較（jiào）大的加工中心（xīn）可采用鏈式刀庫，鏈式刀庫的結構（gòu）緊湊，刀庫容量較大，鏈環的形狀可（kě）根據機床的布局製成各種形狀（zhuàng），也可將換刀位突出以便於換（huàn）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（jù），每次換刀前要進（jìn）行選刀，常用的選刀方法有順序選刀（dāo）和任意 選刀（dāo）兩種（zhǒng），順序選（xuǎn）刀是在加工之前，將加工零（líng）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（jù）順序。其優（yōu）點是（shì）刀庫的驅動和控製都比較簡（jiǎn）單。因此，這種方式適合加工批量較大（dà）、工件品種數量較少的中、小型數控機床的自動換刀。

 

隨著數控係統的發展，目前大（dà）多數的數控係統都采用任意選刀的方式，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，一般都是根據二進製編（biān）碼的原理進行編碼。刀具編碼選刀方式采用了一種特殊的刀（dāo）柄結構，並對每把刀具編碼。每把刀具都具有自己的代（dài）碼，因而刀具可在不同的工序中（zhōng）多次重複使用，換下的刀具不用放回原刀座，刀庫（kù）的容量也可相應減少。但（dàn）每把（bǎ）刀具上都帶有專用的編碼（mǎ）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（dāo）套編（biān）碼的（de）方式是一把（bǎ）刀具（jù）隻對應一個刀套，從一個刀套中取出的刀具必須放回同一刀套中，取送（sòng）刀具十分（fèn）麻煩，換刀時間長（zhǎng）。目前在加工（gōng）中心上大量使用記憶式的方式。這種方式能將刀具號和刀庫中的刀（dāo）套位（wèi）置對應地記憶在數控係統的PLC中，無論刀具放在哪個刀套內，刀具（jù）信息都始終記存在（zài）PLC內。刀（dāo）庫上裝有位置檢測裝置（zhì），可獲得每個刀套的位置信息。這（zhè）樣刀具（jù）就可以任意取出並送回。刀庫上還設有機（jī）械原點（diǎn），使每次選（xuǎn）刀時（shí）就近選取。

 

三、刀具交換（huàn）裝置

 

數控機床的自動換刀裝置中，實現刀庫與機床主軸（zhóu）之間傳遞和裝卸刀具的（de）裝置（zhì）稱為刀具交換裝置。刀具的交換方式有兩種：由刀庫與機床主軸的相對運動實現刀具（jù）交換以及采用機械手交換刀具。利用刀庫與（yǔ）機床主軸的相對運動實現刀具（jù）交（jiāo）換的裝置在換刀時必須首先將用過的刀具（jù）送回刀（dāo）庫，然後再從刀庫中取出新刀（dāo）具，兩（liǎng）個動（dòng）作不能同時進行（háng），換刀時間較長。而采用機械手換（huàn）刀裝置在換（huàn）刀時能夠同時抓取和裝卸機床主軸和刀庫中的刀具，因此換刀（dāo）時間（jiān）進一步縮短（duǎn）。采用機械手（shǒu）進行刀具交換的方式應用最廣泛（fàn）。這是因為機械手換刀靈活，動作快，而且結（jié）構簡單。機械手能夠完成抓刀—拔刀（dāo）—回轉—插刀（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（yǒu）自鎖機構。

下麵是世界上最現代（dài）化的數控機床換刀，換刀（dāo）無影手！

 

16位自動換刀刀庫

 

1、刀具交換方式

 

數控機（jī）床的（de）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的裝置稱為刀具交換裝置。刀具的交換方式和它們的（de）具體結構對機床的生產率和工作可靠性有著直接的影響。

 

刀具的交（jiāo）換方式很多，一般可分為以下兩大類（lèi）。

 

（一）無機械手換刀

 

無機械手換刀，是（shì）由刀庫和機床主軸的相對運（yùn）動實現的刀具交換。換刀時，必須首先將用（yòng）過的刀具送回（huí）刀庫，然後再從刀庫中取出（chū）新刀具（jù），這兩個動作（zuò）不可能同時進行，因此，換刀時間長。所示的數控立式（shì）鏜（táng）銑床就是采用這種換刀方式的實例。它的選刀和換（huàn）刀由三個（gè）坐標軸（zhóu）的數控定位係統來完成，因此每交換一次刀具，工（gōng）作台和主軸箱就必須沿（yán）著三個坐標軸作兩次（cì）來回運動，因而增加了換刀時間。另外（wài），由於刀（dāo）庫（kù）置於（yú）工作台上，減少了工作台的有效使用麵積。

 

（二）機械手換刀

 

由於刀庫及刀具交（jiāo）換方式的（de）不同，換刀機械手也有多種形式。因為機械手換刀有很大（dà）的靈活（huó）性，而（ér）且還可以減少換刀時間，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（de）形式也是多種多樣，常見的有以下幾種形式。

 

1．單臂單爪回轉（zhuǎn）式機械手

 

這種機械手的（de）手（shǒu）臂可以回轉不（bú）同的角度來進行自動（dòng）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，均靠這個卡爪來裝刀及卸刀，因此（cǐ）換刀時間較長，如圖（tú）2(a)所示。

 

2．單臂雙爪回（huí）轉式機械手

 

這種機械手的手臂上有兩個卡爪，兩個卡爪有（yǒu）所（suǒ）分工。一個卡爪隻執行從主軸上取下（xià）“舊刀”送（sòng）回刀庫（kù）的任務，另一個卡爪則執行由刀庫取出“新刀”送到主（zhǔ）軸（zhóu）的任務。其（qí）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個卡爪，兩個卡爪可（kě）同時抓取刀庫及主軸上的刀（dāo）具，回轉180°後又同時將刀（dāo）具放回刀庫及裝入主（zhǔ）軸。這種（zhǒng）機（jī）械手換刀時間較以上兩種單臂機械手均（jun1）短（duǎn），是最常用的一種形式。右邊的機械手在抓（zhuā）取或將（jiāng）刀具送入刀庫及主軸上，兩臂可伸縮。

 

4．雙機械手

 

這種機械手相當（dāng）於兩（liǎng）個單臂單爪機（jī）械手，它們互相配合進行自動換刀。其中一個機械手從主軸上取下“舊（jiù）刀”送回（huí）刀庫，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手

 

這種機械手的兩手臂可以往複運動，並（bìng）交叉成一定（dìng）的角度。一（yī）個手臂從（cóng）主軸（zhóu）上取下“舊刀”送回刀庫，另一個手臂由（yóu）刀庫中取出“新刀”裝入主軸。整個機械手可沿某導（dǎo）軌直線移動或繞某個轉軸回轉，以（yǐ）實（shí）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（zài）夾（jiá）緊部位上與前幾種不同。前（qián）幾（jǐ）種機械手均靠夾緊刀（dāo）柄的外圓表麵來（lái）抓（zhuā）取刀具，這種機械（xiè）手則（zé）是靠（kào）夾緊刀柄的（de）兩（liǎng）個端麵來抓取的。

 

3、機械手夾持結構

 

在換刀過程中，由於機械手抓住刀柄要（yào）作快速回轉，要作拔、插刀具的動作（zuò），還要保證刀柄鍵槽的角度位置對準主軸上的驅動鍵。因此，機械手的夾持部分要十分可靠，並保（bǎo）證有適當的夾緊力，其活動爪要（yào）有鎖緊裝置，以防止刀具在換（huàn）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（qián）端（duān）有V形槽，供機（jī）械手夾持用，目前我國數控機床較多采用這種夾（jiá）持方式。機械（xiè）手（shǒu）手掌結（jié）構示意（yì）圖，它由固定爪及活動爪（zhǎo）組成，活動爪可繞軸回轉，其一端在彈簧柱塞的（de）作用下，支靠在擋銷上，調整螺釘以保持手掌適當的夾緊力，鎖緊（jǐn）銷使活動（dòng）爪牢固地（dì）夾持刀（dāo）柄，防止刀（dāo）具在交換過程中（zhōng）鬆脫。鎖緊銷還可軸向移動，使（shǐ）活動爪放鬆，以便杈刀從刀柄V形槽中退出。

 

4、自動換刀動作順（shùn）序

 

由於自動換刀（dāo）裝（zhuāng）置的布局結構多種多（duō）樣，其換刀（dāo）過程動作順序會不盡相同。下麵分別以常（cháng）見的雙臂往複交叉式機械手和鉤刀機械手為例用動作（zuò）分（fèn）圖加以說（shuō）明。

 

（一）雙臂往複交叉式機（jī）械（xiè）手的換刀過程（chéng）

 

（1）開始換刀前狀態。主軸正用T05號刀具進（jìn）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，為換刀做好了準備；

 

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

 

（3）卸刀機械手前伸（shēn），抓住主軸上（shàng）已用過的（de）T05號刀具。

 

（4）機械手架由滑座帶動，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（zhuāng）刀（dāo）機械手前伸，使T09號刀具對準主軸。

 

（7）機械手架後移，將T09號刀具插入主軸。

 

（8）裝（zhuāng）刀機械手（shǒu）縮回原位。

 

（9）機械手（shǒu）架回轉180o，使裝刀、卸（xiè）刀機（jī）械手轉向刀庫。

 

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

 

（11）刀（dāo）套鏈轉動把在下一個工步需用的（de）T46號刀具送到換刀位置,機械（xiè）手一降,找第三排（pái）刀鏈,由裝刀機械手將T46號（hào）刀（dāo）具取出。

 

（12）刀（dāo）套鏈反轉，把P09號刀套送（sòng）到換刀位置，同時（shí）機械手架上（shàng）升至最高位置，為再下一工步的換刀做好準備。

 

（二）鉤（gōu）刀機械手的換刀過（guò）程

 

作為最（zuì）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，同時抓住刀庫和主軸上的（de）刀具。

（2）拔刀。主軸夾頭鬆開刀具，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（jiù）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（jiá）緊刀具；

 

（5）複位。轉動手臂，回到（dào）原始位置。