CNC數控機床的自動（dòng）換刀裝（zhuāng）置及其刀具係統！

　　

 

一、鬥笠式刀庫

一般隻能存16~24把刀具，鬥笠式刀庫在換刀時（shí）整個刀庫向主軸移動。當主（zhǔ）軸上的（de）刀具進入刀庫的卡槽時，主軸（zhóu）向上移動脫離刀具，這時刀庫轉動。當（dāng）要換的刀具對正（zhèng）主軸正下方時（shí）主軸下移，使（shǐ）刀具進入主軸錐孔內，夾緊刀具後，刀（dāo）庫退回（huí）原來（lái）的位置。

 

二、 圓盤式刀庫

圓盤式刀庫通（tōng）常應用在小型立式綜合加（jiā）工機上。"圓盤刀庫"一般俗（sú）稱"盤式（shì）刀庫"，以（yǐ）便和"鬥笠（lì）式刀庫"、"鏈條式刀庫"相區分。圓盤式的刀庫容（róng）量不大，頂多二、三十把刀。需搭配自動換刀機構ATC(AutoToolsChange)進行刀具交換。

 

三、鏈條式刀庫

鏈條式（shì）刀庫的特點是可儲放較多數量（liàng）之刀具（jù），一般都（dōu）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，由機械手將刀具裝（zhuāng）到主軸（zhóu）上（shàng）。換刀動作均采用馬達加機加（jiā）工中心使用的刀庫最常見的形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（yī）種最簡單的自動換刀裝（zhuāng）置，常用於數控車床。可以設計（jì）成四方刀架、六角刀架或圓盤式軸向（xiàng）裝刀刀架等多種形式。回轉刀架上分別安裝著四把、六把（bǎ）或更多的刀具，並按數控裝置的指令換（huàn）刀。

 

回轉刀架（jià）在結構（gòu）上必須具有良好的強度和剛（gāng）度，以承受粗加工（gōng）時的切削抗力。由於車削加工（gōng）精度在很大程度上取決於刀尖位置（zhì），對於（yú）數控車床來（lái）說，加工過程（chéng）中刀具位置不進行人工調整，因此更有必要選擇可靠的定位方案和合理的定位（wèi）結構，以保證回轉刀架在每次轉位之後，具（jù）有盡可能高的重複定（dìng）位精度（一（yī）般為0.001～0.005mm）。

 

一般情況下，回轉刀架的換刀動作包括刀架（jià）抬起、刀架轉位及刀架壓緊等。

 

2．更換主（zhǔ）軸頭換刀（刀具旋轉為主運動）

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

 

主軸頭有臥式和立（lì）式（shì）兩種，通常用轉塔的轉（zhuǎn）位來更（gèng）換主軸頭，以實現自動換刀。在轉（zhuǎn）塔的（de）各個（gè）主軸上（shàng），預先安裝有各工序（xù）所需要的旋轉刀具，當發出換刀指令時，各主（zhǔ）軸頭依次地轉到加（jiā）工位置，並接通主運動，使相應的主軸帶動刀具旋轉。而其（qí）它處於不加工（gōng）位置上的主軸都與主運動脫開。

 

這種更換主軸換刀裝置（zhì），省去了自動鬆、夾、卸刀（dāo）、裝刀以及刀（dāo）具搬運等一係列（liè）的複雜操作，從而縮短了換（huàn）刀時間（jiān），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（néng）太大，因而影（yǐng）響了主軸係統的剛性。為了保證主軸的剛性，必（bì）須限製主軸的數目，否則會使結構尺寸增大。因此，轉塔主軸（zhóu）頭通常（cháng）隻適用於工序較少、精（jīng）度要求不太高的機床，例如（rú）數控鑽、銑床等。

 

3.帶刀庫的（de）自（zì）動換刀係統

由於回轉（zhuǎn）刀（dāo）架、轉塔頭式換刀裝置容納的刀具數量不能（néng）太（tài）多，不能滿（mǎn）足複雜零件的加工需要，因此，自動換刀數控機床多采用帶（dài）刀庫的自動換（huàn）刀裝置。帶刀庫的自動換刀裝（zhuāng）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刀具分別安裝在（zài）標準刀柄（bǐng）上，在機外進行尺（chǐ）寸預調整後，按一定的方式放入刀庫。換刀時，先在刀庫中選刀，再由換刀裝（zhuāng）置從刀庫或主軸上取出（chū）刀具，進行交換，將新刀（dāo）裝（zhuāng）入主軸，舊刀放回刀庫。刀庫具有較大的容（róng）量，既可安裝在主軸箱的側麵或上方。由於（yú）帶刀庫（kù）的自動換刀裝置的數（shù）控機（jī）床的主軸箱內（nèi）隻有一根主軸，主軸部件的（de）剛度要高，以滿足精密加工要求。

 

另外，刀庫內刀具數量較大，因而能夠（gòu）進行複雜零件的多工序加工，大大（dà）提高（gāo）了機（jī）床的適應性和（hé）加工效率。帶刀庫的自動換（huàn）刀係統適用於數控鑽削中（zhōng）心和加工中心。

 

二、刀（dāo）庫（kù）和刀（dāo）具的選擇方式（shì）

 

1.刀庫類型

刀庫的作用是儲（chǔ）備一定數量的刀具，通過機械手實現與主軸上刀具的互（hù）換。刀庫（kù）的類型有盤式刀庫、鏈式刀庫等多種形式，刀庫的形式和容（róng）量要根據機床（chuáng）的工（gōng）藝（yì）範圍來確定。圖7-16所示（shì）的盤式刀庫，刀具（jù）的方向與主軸同向（xiàng），換刀時主軸箱上升到一定的位（wèi）置，使主軸上（shàng）的（de）刀具正好對準刀庫最下麵的那個位（wèi）置，刀具被夾住，主（zhǔ）軸在CNC的控製下，鬆開刀柄，盤（pán）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（xù）所用的刀具（jù）旋轉（zhuǎn）至與主軸對準的位置，刀庫後（hòu）退將新刀具插入主軸孔中，主軸夾緊刀柄，主軸箱下降到工作（zuò）位置（zhì），完成換刀任務（wù），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（diǎn）是換刀時間長，適用於刀庫容量較小的（de）加工（gōng）中心。

 

對於刀庫容量需要較大的加工（gōng）中心（xīn）可采用鏈（liàn）式（shì）刀（dāo）庫，鏈式刀庫的結構緊湊，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（yě）可將換刀位突出以便於換刀。當需要增加刀具數量時，隻需增加（jiā）鏈條的長度即（jí）可，給刀庫設計與製造帶來了方便（biàn）。

 

2. 刀具的選擇方式

一（yī）般的刀庫內存放有多把刀具，每次換刀（dāo）前要進行選刀，常用的選刀方法有順序選刀（dāo）和（hé）任意 選（xuǎn）刀兩種，順序選刀是在加工之前，將加工零件所需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（chóng）新調整刀庫中的（de）刀具順序。其優點是刀庫的驅（qū）動和控製都比（bǐ）較簡單。因此，這種方式適（shì）合加工批量（liàng）較（jiào）大、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（kòng）係統的發展，目前（qián）大多數的數控係統都（dōu）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三（sān）種。

 

3. 刀具編（biān）碼方式

刀具編碼或刀（dāo）套編碼需要在刀具（jù）或刀套上安裝用於識別的編（biān）碼條，一（yī）般都是根據二進製編碼的（de）原（yuán）理進行編碼。刀具編碼選（xuǎn）刀方式采用了一種特殊的刀柄結構，並對（duì）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（fàng）回原刀座，刀庫的容量（liàng）也可相應（yīng）減少。但每（měi）把刀具上都帶有專（zhuān）用的編（biān）碼環，刀具長度加（jiā）長，製造困難，刀庫和機械手的結構變複雜。刀套編碼（mǎ）的方式是一把刀具（jù）隻對應一個刀套，從一（yī）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（jiān）長。目前在加工中心上大量使用記（jì）憶式的（de）方式。這種方式能將（jiāng）刀具號和刀庫中的刀套位置（zhì）對（duì）應地（dì）記憶在數控係統的PLC中，無論刀具放在（zài）哪個刀套（tào）內，刀具信息都始（shǐ）終記存在PLC內。刀（dāo）庫上裝有位置檢測裝置，可獲得每個刀套的位置信息。這樣刀具就可以（yǐ）任意取出並送回。刀庫上還設有機械原點，使每次選刀時就（jiù）近選取。

 

三、刀具交換裝置

 

數控機床的自動換刀裝置中，實現刀庫與（yǔ）機床主軸之間傳遞（dì）和裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝（zhuāng）置（zhì）。刀具的交換方式有兩種（zhǒng）：由刀庫與機床主軸的相對（duì）運動實現刀具交換以（yǐ）及采（cǎi）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（huàn）的裝置在換刀時必須首先將用過的刀具送回刀庫，然後再從刀庫中取出新刀具，兩個（gè）動作（zuò）不能同時進行（háng），換刀時間較長。而采（cǎi）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（cǐ）換刀時間進一步縮短。采（cǎi）用機械手進行刀具交換的方式應用最廣泛。這是因為機械手換（huàn）刀靈活，動作快，而且結構（gòu）簡單。機械手能夠完成抓刀（dāo）—拔刀—回轉—插刀（dāo）—返回等一係列動作。為了防止刀（dāo）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化的數控機床換刀，換刀無影手！

 

16位自（zì）動換刀刀（dāo）庫

 

1、刀具交換方式

 

數控機床的自動換刀裝置中，實現刀庫與機床主（zhǔ）軸之間傳遞和裝（zhuāng）卸刀具的裝置（zhì）稱為刀具（jù）交換裝置。刀具（jù）的交換方式和它們的具體結構對機（jī）床的生產率和工作可靠性有著直接的影響。

 

刀具的交換方式很（hěn）多，一般可分為以下（xià）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（xiàng）對運（yùn）動實現的刀具交換。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（zuò）不可能同時進行，因此，換刀時間長。所示的數（shù）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（zuò）標軸的數控（kòng）定位係（xì）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著三個坐標軸（zhóu）作兩次來回運動，因而增加了換刀時間。另外，由於刀庫置於工作台上，減少了工作台的有效使用麵積。

 

（二）機械手換刀

 

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

 

2、機械（xiè）手形式

 

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

 

1．單臂單爪回轉式機械（xiè）手（shǒu）

 

這種機械手的手臂可以回轉不同的角度來進行自（zì）動換刀（dāo），其手臂上隻有（yǒu）一個卡（kǎ）爪，不論（lùn）在刀庫上或是在主軸上，均靠這個卡爪來裝刀及卸刀，因此（cǐ）換刀時間較長，如圖2(a)所示。

 

2．單臂雙爪回轉式機械手

 

這種機（jī）械手的手臂上有兩個卡爪，兩個卡爪有所分工。一（yī）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（gè）卡爪則執行由刀庫取（qǔ）出“新刀”送到主軸的任務。其換刀時間（jiān）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，兩個卡爪可同時抓取刀庫及（jí）主軸上的刀具，回轉180°後又同時將刀具（jù）放回刀（dāo）庫及裝（zhuāng）入主軸。這種機（jī）械手換刀時間（jiān）較以上兩（liǎng）種（zhǒng）單臂（bì）機械手均短，是最常（cháng）用的一種形（xíng）式。右邊的機械手在抓取或將刀具送入刀庫及主軸上，兩臂可伸縮。

 

4．雙機械手

 

這（zhè）種機械手相當於兩個（gè）單臂單爪機械手，它們互（hù）相配合進行自動換刀（dāo）。其中一個機械手從主軸上取下“舊（jiù）刀”送回刀庫（kù），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（shǒu）

 

這種機械手的（de）兩手臂（bì）可以往複運動，並交叉成一定的角度。一個手臂從主軸上取下“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（jī）械手可（kě）沿（yán）某導（dǎo）軌直線移動或繞某個轉（zhuǎn）軸回轉，以實現由（yóu）刀庫與主軸間的運刀工作，

 

6．雙臂端（duān）麵夾緊（jǐn）式機械手

 

這種（zhǒng）機械手隻是在夾緊部（bù）位（wèi）上與前幾種不同。前幾（jǐ）種機械手均靠夾緊刀柄的外圓表麵來抓取刀（dāo）具，這種機械手則是靠夾緊刀柄的兩個端（duān）麵來抓取（qǔ）的。

 

3、機械手夾持結構

 

在換刀過程中，由於機械手（shǒu）抓住刀柄要作快速（sù）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（duì）準主軸上的驅動（dòng）鍵。因此，機械手的夾持部分要十分可靠，並保證有適當的夾緊力，其活動爪要有（yǒu）鎖緊裝置，以防止（zhǐ）刀具（jù）在換刀過程中（zhōng）轉動脫落。機械手夾持刀具的方法有以下（xià）兩種。

 

（一）柄式夾持

 

柄式夾持，也稱軸向夾持（chí）或V形槽夾持。其刀柄前端有V形槽，供機械手夾持用，目前（qián）我國數控機床較多采用（yòng）這種（zhǒng）夾持方式（shì）。機械（xiè）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（zài）彈簧柱塞的作用下，支靠在擋銷上，調整螺釘以保（bǎo）持手掌適當（dāng）的夾緊力，鎖緊銷使活動（dòng）爪（zhǎo）牢固地夾持（chí）刀柄，防止刀具在交換過程中鬆脫（tuō）。鎖緊銷還可軸向移動，使活動爪放鬆，以便杈刀從（cóng）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（jié）構多種多（duō）樣，其換刀過程動作順序會不盡相同。下麵分（fèn）別以常見的雙臂往複交叉式機械（xiè）手和鉤刀（dāo）機械（xiè）手為例用動作分圖加以說明。

 

（一）雙臂往複交叉式（shì）機（jī）械手的換刀過程

 

（1）開始換刀前狀態（tài）。主軸正用T05號刀（dāo）具進行（háng）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（huàn）刀做好了準備；

 

（2）上（shàng）一工步結束，機床立柱後退，主軸箱上升，使主軸處於（yú）換刀（dāo）位（wèi）置。接著下一工步開始，其第一個指令是換刀，機械手架回轉180o轉向主軸。

 

（3）卸刀機械手前伸，抓住主軸（zhóu）上已用過的T05號刀具。

 

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

 

（5）卸刀機械手（shǒu）縮回原位。

 

（6）裝刀機械手前伸，使T09號刀具對（duì）準主軸。

 

（7）機械手架後移，將T09號（hào）刀具插入主軸。

 

（8）裝刀機械手縮（suō）回原位。

 

（9）機械手架回（huí）轉180o，使裝刀、卸刀（dāo）機械手轉向刀（dāo）庫。

 

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

 

（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（zhì）,機械手一降,找第（dì）三排刀（dāo）鏈,由裝刀機械手將T46號刀（dāo）具取出。

 

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

 

（二）鉤（gōu）刀（dāo）機械手（shǒu）的換刀過程

 

作為最常用的一（yī）種換刀形式，換刀一次所需的基本動作如下。

 

（1）抓（zhuā）刀（dāo）。手（shǒu）臂旋轉90º，同時抓住刀庫和主軸（zhóu）上的刀具。

（2）拔（bá）刀。主軸夾頭鬆開刀具，機械手同時將刀庫和主軸上的（de）刀具拔出。

 

（3）換刀。手臂旋轉180º，新舊（jiù）刀具更（gèng）換。

 

（4）插刀。機械手（shǒu）同時將新舊刀具分別（bié）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，回到原始位置。