CNC數控機床的自動換刀裝置及其刀具係統（tǒng）！

　　

 

一、鬥（dòu）笠式（shì）刀庫

一般隻能存16~24把（bǎ）刀具，鬥笠式刀庫（kù）在換刀時整（zhěng）個刀庫（kù）向主軸移（yí）動。當主（zhǔ）軸上的（de）刀具（jù）進入刀庫的卡槽時（shí），主軸向上移動脫離刀具，這時刀庫轉動。當要換的（de）刀具對正主軸正下方時主軸下移，使刀具進入主（zhǔ）軸錐孔內，夾緊刀具後，刀庫退回原（yuán）來的位置。

 

二、 圓盤式刀庫

圓盤式刀庫通常應用（yòng）在小型立式綜合加工機上。"圓（yuán）盤刀庫"一般俗稱"盤式刀庫"，以便和"鬥笠式刀庫"、"鏈條（tiáo）式刀庫"相區分（fèn）。圓盤式的刀庫容量（liàng）不大，頂多二、三十把刀。需搭配自（zì）動換刀機構ATC(AutoToolsChange)進行刀具交換。

 

三、鏈條式（shì）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（chǔ）放（fàng）120把以上。它是藉由鏈條將（jiāng）要換的（de）刀具傳到指定位置，由（yóu）機械手將刀具（jù）裝到主軸上。換刀（dāo）動作均采用馬達加機加工（gōng）中心使用的（de）刀庫最常見的形式是圓盤式刀庫（kù）和機械手換刀刀庫。

 

一、自動換刀裝置的形式

 

1．回（huí）轉刀架換刀

回轉刀（dāo）架（jià）是一種最簡單的自動換刀裝置，常用於數控車床（chuáng）。可（kě）以設計成四方刀架、六角刀架或（huò）圓盤式軸向裝刀刀架等多種形式。回轉刀架上分別安裝著四把、六把或更多的刀具，並按數控裝置的（de）指令換刀。

 

回轉刀架在結構上必須具有（yǒu）良好的（de）強度和剛度，以承受粗加工時的切削抗力。由於車削加工（gōng）精度在很大程（chéng）度上取決於刀尖位置，對於數控車床（chuáng）來說，加工過程中刀具位置不進行人工調整，因此更有必要選（xuǎn）擇可靠（kào）的定位方案和合理的定位結構，以保證回轉刀架在每次轉位之後，具有盡（jìn）可能高的重複定位精（jīng）度（一（yī）般為0.001～0.005mm）。

 

一般情況下，回（huí）轉刀架的換刀動作包括刀架抬起（qǐ）、刀架（jià）轉位及刀架壓緊（jǐn）等。

 

2．更換主軸頭換刀（刀（dāo）具旋轉（zhuǎn）為主運動）

更換主軸換刀是（shì）帶有旋轉（zhuǎn）刀具的數（shù）控（kòng）機床的一種（zhǒng）比較簡單的換刀方式。這種主軸頭實（shí）際上就是一個轉塔刀庫。

 

主軸頭有臥式和立式兩種，通常用轉塔的轉（zhuǎn）位來更換主軸頭，以實現自動換刀。在轉塔（tǎ）的各個主軸（zhóu）上，預先安裝有（yǒu）各工（gōng）序所需要的旋轉刀具，當發出（chū）換刀指令時，各主軸（zhóu）頭依次地（dì）轉到加工位置（zhì），並接通主（zhǔ）運動，使相應的主軸帶動刀（dāo）具旋轉。而其它處於不加工（gōng）位置上的主軸都與主運動脫（tuō）開（kāi）。

 

這種更換主（zhǔ）軸換刀裝置，省去了自動（dòng）鬆、夾、卸刀、裝刀以及刀具搬運（yùn）等（děng）一係（xì）列的（de）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，使主軸部件結構尺寸不能太大，因而影響了主軸（zhóu）係統的剛性。為了保證主軸的剛性，必須限製主軸（zhóu）的數目，否（fǒu）則會使（shǐ）結構尺（chǐ）寸增大。因此，轉塔主軸頭通常隻適用於工序較少（shǎo）、精度要求不太高的機床，例如數控鑽（zuàn）、銑床等。

 

3.帶刀庫（kù）的自動（dòng）換刀係統

由於回轉刀架、轉塔頭式換刀裝置容納的刀具數量不（bú）能太（tài）多，不能滿足複雜零件的（de）加工需要，因此，自動換刀數控機（jī）床多采用帶刀庫的自動換刀裝置。帶（dài）刀庫的（de）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（yòng）的全部刀具分別安裝在標準刀柄上，在機外進（jìn）行尺寸預調整後，按一定的方式放入刀（dāo）庫。換刀時，先在刀庫（kù）中選刀，再由換刀裝置從刀庫或主軸上取出刀具，進行交換，將新刀裝入主軸，舊刀放回（huí）刀（dāo）庫。刀庫具（jù）有較大的容量，既可安裝（zhuāng）在（zài）主軸箱的側麵或上（shàng）方。由（yóu）於帶刀庫的自（zì）動換刀裝置（zhì）的數控機床的主軸箱內隻有一根主軸，主軸部件的剛度要（yào）高，以滿足精（jīng）密加工要求（qiú）。

 

另外，刀庫內刀具數量（liàng）較大，因而能（néng）夠進行複雜零件的多工序加工，大大提高（gāo）了機床的適應性和加工效率。帶刀庫的自動換刀係統適（shì）用於數（shù）控鑽削中（zhōng）心和加工中心。

 

二、刀（dāo）庫和刀具的（de）選擇方式

 

1.刀庫類型

刀庫的作用是儲備一定數（shù）量的刀具（jù），通過機械手實現與（yǔ）主軸上刀具的互換（huàn）。刀庫（kù）的類型有盤式刀庫、鏈式刀庫等多種形式，刀庫的形式和容量要根據機床的工藝範圍來確定（dìng）。圖7-16所示的盤式刀庫，刀具的方（fāng）向與主軸同向，換刀時主軸箱上升到一定的位置，使主軸上的刀具正好對準刀庫最下麵的那個（gè）位（wèi）置，刀（dāo）具被夾（jiá）住，主軸在CNC的（de）控製下，鬆開刀柄，盤式刀庫向（xiàng）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旋轉至與主軸對（duì）準的位置，刀庫後退將（jiāng）新刀具插入主軸（zhóu）孔中，主軸（zhóu）夾緊刀柄，主軸箱下降到工作（zuò）位（wèi）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單，成本較低（dī），換刀（dāo）可靠性（xìng）較好；缺點是（shì）換刀時間長，適用於刀庫容量較小的加工中心。

 

對於刀庫容量需要較大的加工中心可采用鏈式刀庫，鏈式刀庫的結構緊湊，刀庫容量較（jiào）大，鏈環的形狀可根據（jù）機床的（de）布局製成各種形狀（zhuàng），也可（kě）將換刀位突出以便於換刀。當需要增加刀具（jù）數量時，隻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（zé）方式

一般的刀庫（kù）內存（cún）放有多把刀具，每（měi）次換刀前要進行選刀，常用的（de）選（xuǎn）刀方法有順序選（xuǎn）刀（dāo）和任意 選刀兩種，順（shùn）序選刀是在加工之前，將加工（gōng）零件所需刀具按照工藝（yì）要（yào）求依次插入刀庫的刀套中，加工是按順（shùn）序調刀，加工不同的工件時必須重（chóng）新調整刀庫中的刀具順序。其優點是刀庫（kù）的驅（qū）動和控製都比較簡單。因此，這種方式適合加工（gōng）批量（liàng）較大、工件品種數量（liàng）較少的（de）中、小型數控（kòng）機床的自動換刀。

 

隨著數（shù）控係統的發展，目前（qián）大多數的數控係統都采用任意選（xuǎn）刀的（de）方（fāng）式，其分（fèn）為刀套編碼、刀具編（biān）碼和記憶（yì）式等三種。

 

3. 刀具（jù）編碼（mǎ）方式

刀具編碼或刀套編碼需要在刀（dāo）具或刀套上安裝（zhuāng）用於識別的編（biān）碼條，一般都是根據二進製編碼的原理進行編碼（mǎ）。刀具編（biān）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碼，因而刀具可在不同的工序中多次（cì）重複使用，換下的刀具不用放回原刀座，刀（dāo）庫的容量也可相應減少。但（dàn）每把刀具上都帶有（yǒu）專（zhuān）用的編（biān）碼環，刀具（jù）長度加長，製造困難，刀庫和機械手（shǒu）的結構變（biàn）複雜。刀套編（biān）碼的方式是一把刀具隻對（duì）應一個（gè）刀（dāo）套，從一個刀套中取出的刀具必須放回（huí）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記憶式的方式。這（zhè）種方式（shì）能將刀具號和刀庫中的刀套位置對應地記憶在數控（kòng）係（xì）統的PLC中（zhōng），無論刀具放（fàng）在哪個刀（dāo）套內，刀具（jù）信息都始終記存在PLC內（nèi）。刀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（jiù）可以任意取（qǔ）出並送回。刀庫上還設有機（jī）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（dòng）換刀（dāo）裝置中，實現刀庫與機床主（zhǔ）軸之間傳遞和裝卸刀（dāo）具的裝置稱為刀具交換裝置。刀具的交換方式有兩種：由刀庫與機（jī）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（dāo）庫與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（de）刀具送回刀庫，然後再從刀庫（kù）中取出（chū）新刀具，兩個動作不能同時進行，換刀時間較長。而（ér）采用機械手換（huàn）刀裝置在換刀時能夠同時抓取和裝卸機床主（zhǔ）軸和刀（dāo）庫中的刀具，因此（cǐ）換刀時間進一步縮短。采用機械手進行（háng）刀具交換的方式應用最廣泛。這是因為機械手換刀靈活（huó），動作快，而且結構（gòu）簡（jiǎn）單。機械手能夠完成抓刀—拔刀—回轉—插刀—返回等一係列（liè）動作。為了防（fáng）止刀具掉落，機械手的活動爪都帶有自鎖（suǒ）機構。

下（xià）麵是世界上最現代化的數控機床換刀，換刀無影手！

 

16位自動換刀刀庫（kù）

 

1、刀（dāo）具交換方式

 

數控（kòng）機（jī）床的自動（dòng）換刀裝置中，實（shí）現刀庫與機（jī）床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置。刀（dāo）具的交換方式和它們的（de）具體結構對（duì）機床的生產率和工作可靠性（xìng）有著直接的影響。

 

刀（dāo）具的交換方式很（hěn）多，一般可分為以下兩大類。

 

（一）無機械手換（huàn）刀

 

無機械手換刀，是由刀庫和機床主軸的相對運動實現的刀（dāo）具交換。換刀時，必須首先（xiān）將用過的刀具送回刀庫（kù），然後再從刀庫中取出新刀具，這（zhè）兩個動作不可能同時進行，因此，換刀時間長。所示的數控（kòng）立（lì）式鏜銑床就是采用這種換刀方式的實例。它（tā）的選刀和換刀由三個坐標軸的數控定位係統來完（wán）成，因此每交換一次刀具，工作台和主（zhǔ）軸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（huàn）刀（dāo）時間（jiān）。另（lìng）外（wài），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方式的（de）不同，換（huàn）刀機械手也有多種（zhǒng）形式。因為機械手換刀有很大的靈（líng）活性，而且還可以減少換刀時（shí）間，應用最為廣泛。

 

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（duō）樣，常見的有以下幾種形（xíng）式。

 

1．單（dān）臂單爪回轉式（shì）機械手

 

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

 

2．單臂雙爪回轉式機（jī）械手（shǒu）

 

這種機械（xiè）手的手臂上有兩個卡爪，兩個卡爪（zhǎo）有所分工。一個卡爪隻執行從主軸上取下“舊刀”送回刀庫的（de）任務，另一個卡爪則（zé）執行由刀庫取出“新刀”送到主軸的任務。其換刀時間較上述單爪回轉式（shì）機械手要少

 

3．雙臂回轉式機械手

 

這（zhè）種機械（xiè）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（shàng）的刀具，回轉180°後（hòu）又同時將刀具放回（huí）刀庫及裝入主軸。這種機械手換刀時間較以上兩種單臂機械手均短，是最常用的一（yī）種（zhǒng）形式。右邊的機械手在抓取或將刀（dāo）具送入刀庫及主軸上，兩臂可伸縮。

 

4．雙機械手

 

這種機械手相當於兩個單臂（bì）單爪機械手，它們互相配合進行自（zì）動換（huàn）刀。其中一個機械手從（cóng）主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另一個由刀（dāo）庫中取出“新刀”裝入機床主軸，

 

5．雙臂往複交叉式機械手

 

這種機械手的兩手臂可以往複運（yùn）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（yóu）刀庫中取出“新（xīn）刀”裝入主軸。整個機械手可沿某導軌直線移動或繞某個（gè）轉軸回轉（zhuǎn），以實現由（yóu）刀（dāo）庫與主軸間的運（yùn）刀工作，

 

6．雙（shuāng）臂端麵夾緊式機械手

 

這種機械手隻是在夾緊部位上與（yǔ）前幾種不同。前幾種機械手均靠夾緊刀柄的外圓表麵來抓取刀具，這種機械（xiè）手則是靠夾（jiá）緊刀柄的兩個端麵（miàn）來抓取的。

 

3、機械手夾持結構

 

在換刀過程中，由於機（jī）械手抓（zhuā）住（zhù）刀柄要作快速回轉，要作拔、插刀具的動（dòng）作（zuò），還要保證刀柄鍵槽的角度位置（zhì）對準主軸上的驅動鍵。因此，機（jī）械手的夾持部分要十分可靠，並保證（zhèng）有適（shì）當（dāng）的夾緊（jǐn）力，其活動（dòng）爪要有鎖緊裝置，以（yǐ）防止刀具（jù）在換（huàn）刀（dāo）過程中轉動脫落。機械手夾持刀具（jù）的方法有以下兩種。

 

（一）柄式夾持（chí）

 

柄式夾持，也稱軸（zhóu）向夾持或V形槽夾持。其刀柄前端有V形槽，供（gòng）機械手夾持用，目前我國數控機床較多采用這（zhè）種夾持方式。機（jī）械手手掌結（jié）構（gòu）示意圖，它由固定爪及（jí）活動爪組成（chéng），活動爪可繞（rào）軸回轉，其一端在（zài）彈簧柱塞的作用下（xià），支靠在擋銷上，調（diào）整螺釘（dìng）以保（bǎo）持手掌適當的夾緊力，鎖緊銷使活動爪牢固地夾持刀柄（bǐng），防止刀具在交換過程中鬆脫。鎖緊銷還可軸向移動，使活（huó）動爪放鬆，以便杈刀從刀柄（bǐng）V形槽中退出。

 

4、自動換刀動作順序

 

由於自（zì）動換刀裝置的布局結構多種多樣，其（qí）換刀（dāo）過程動作順序會（huì）不盡相同。下麵分別以常（cháng）見的（de）雙臂往複交叉式機械手和鉤刀機械手為例用動作（zuò）分圖加（jiā）以說明。

 

（一）雙臂（bì）往複交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（zhù）下一工步需用的T09號刀具，機械手架處（chù）於最高位置，為換刀做（zuò）好了（le）準備；

 

（2）上一工步結束，機床立柱後退，主軸箱上升，使（shǐ）主（zhǔ）軸處於換刀（dāo）位置。接著下一工（gōng）步開始，其第一個（gè）指令是換刀，機械手架回轉180o轉向主軸。

 

（3）卸（xiè）刀機（jī）械手前伸，抓住主軸上已用過（guò）的T05號刀具。

 

（4）機械手架由滑座帶動，沿刀具軸線前移，將T05號（hào）刀（dāo）具從主軸（zhóu）上（shàng）拔出。

 

（5）卸刀機械手縮回原位。

 

（6）裝刀機械（xiè）手（shǒu）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）裝刀機械手縮回原位。

 

（9）機械手架回轉180o，使裝刀、卸刀機械手轉向刀庫（kù）。

 

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

 

（11）刀套鏈轉動把在下一個（gè）工步需用的T46號刀具送到換刀位置,機械手一降,找第三排刀鏈,由裝刀機（jī）械手將T46號刀具取出。

 

（12）刀套鏈反（fǎn）轉（zhuǎn），把P09號刀套送到（dào）換刀位置，同時機（jī）械手架（jià）上（shàng）升至最高位（wèi）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程

 

作為最常用（yòng）的（de）一（yī）種換刀形式，換刀一次（cì）所需的基本動作如下。

 

（1）抓（zhuā）刀（dāo）。手臂旋轉90º，同（tóng）時抓住刀庫和主軸上的刀具。

（2）拔刀。主（zhǔ）軸夾頭（tóu）鬆開刀具，機（jī）械手同時將刀庫和主軸上（shàng）的刀具拔出。

 

（3）換刀（dāo）。手臂旋轉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（jiá）頭夾（jiá）緊刀（dāo）具；

 

（5）複位。轉動手臂（bì），回到原始位置。