CNC數控（kòng）機床的自動換（huàn）刀裝置及其刀具係統！

　　

 

一、鬥笠式刀庫

一（yī）般隻（zhī）能存（cún）16~24把刀具（jù），鬥笠式刀庫在換刀時整個刀庫向主軸移動。當主軸上的刀具進（jìn）入刀庫的卡槽時，主軸向上移動脫離刀具，這時刀庫轉動。當（dāng）要換的刀具對正主軸正下方時主軸（zhóu）下（xià）移，使刀具進入主軸錐孔內，夾緊（jǐn）刀具後，刀庫退回原來的位置。

 

二（èr）、 圓盤式刀庫

圓盤式刀庫通常應用在小型立（lì）式（shì）綜合加工機上。"圓盤刀庫"一般俗稱"盤式刀庫"，以便（biàn）和"鬥笠式刀庫"、"鏈條式刀庫（kù）"相（xiàng）區分。圓盤（pán）式的刀庫容量不（bú）大，頂（dǐng）多二、三十把刀。需搭配（pèi）自動換刀機構ATC(AutoToolsChange)進（jìn）行（háng）刀具（jù）交換。

 

三、鏈條式刀庫

鏈條式刀庫（kù）的特點是可儲放較多數量之刀具，一般（bān）都在20把（bǎ）以（yǐ）上，有些可（kě）儲放120把（bǎ）以上（shàng）。它是藉由（yóu）鏈條將要換的刀具傳到指定（dìng）位置，由機械手將刀具裝到主軸上。換刀動作均采用馬達加機（jī）加工（gōng）中心使用的刀庫最常見的形式是圓盤式刀（dāo）庫和（hé）機（jī）械手換刀刀（dāo）庫。

 

一、自動換刀裝置的形式

 

1．回轉刀（dāo）架換刀

回（huí）轉刀架是一種（zhǒng）最簡單（dān）的自動換刀（dāo）裝置，常用於數控車床。可以設計（jì）成四方（fāng）刀架、六角刀（dāo）架或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（kòng）裝置的指令換刀。

 

回轉刀架在結構上必須具（jù）有良好的強度和剛度，以承受粗加工時的切削抗（kàng）力。由於車削加工精度在很大程度上（shàng）取決於刀尖位置，對於數控車床來說（shuō），加工過（guò）程中刀具位置不進行人工調整，因此更有必（bì）要（yào）選擇可靠的定位方案和合理的定（dìng）位（wèi）結構，以保證（zhèng）回轉（zhuǎn）刀架在每次轉（zhuǎn）位之後，具有盡可能高的重複定位精度（一般為0.001～0.005mm）。

 

一般情況下，回轉刀架的換（huàn）刀動（dòng）作包括刀架抬起、刀（dāo）架轉位及刀架壓緊等（děng）。

 

2．更換主軸頭換刀（刀具旋轉為主運動）

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

 

主軸頭有臥式和立式兩種，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，當發出換刀指令時，各主軸頭依次地轉到加工位置，並接通主運動，使相應的主軸帶動刀具旋轉。而其它處於不加（jiā）工位置上的主軸都與主運動脫開（kāi）。

 

這種（zhǒng）更換主（zhǔ）軸換刀裝置，省去了自動鬆、夾、卸刀、裝刀（dāo）以及刀具搬運等一係列的複（fù）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（zhǔ）軸部件（jiàn）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（zhèng）主軸（zhóu）的剛性，必須（xū）限製主（zhǔ）軸（zhóu）的數（shù）目，否則（zé）會使結構尺寸增大。因（yīn）此（cǐ），轉塔主軸（zhóu）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（xǐ）床等。

 

3.帶刀庫的自動換刀係統

由於回轉刀架、轉塔（tǎ）頭（tóu）式換刀裝置容納的刀具數量不能太多，不能滿足複（fù）雜零件的加工（gōng）需（xū）要，因（yīn）此，自動換刀數控機床多采用（yòng）帶刀庫的自動換刀裝置。帶刀（dāo）庫的自動換刀裝置由刀（dāo）庫和換刀機構組成，換刀（dāo）過程較為（wéi）複雜。首先要把加工過程（chéng）中使用的全（quán）部刀具分別安裝在標準刀柄（bǐng）上，在機外進行尺寸預調整後，按一（yī）定的方式放入刀庫。換刀（dāo）時，先在刀庫（kù）中選刀，再（zài）由換刀裝置從刀庫或主軸上取出刀具，進行交換，將新（xīn）刀裝入主軸，舊刀放回（huí）刀庫。刀庫具有較大的容量，既可安（ān）裝在主軸（zhóu）箱的（de）側麵或（huò）上方。由於帶刀庫的自（zì）動換刀裝置的數控機（jī）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，刀庫內刀具數量較大，因（yīn）而能夠進行複（fù）雜零件的多工序加工，大大提高了機床的適應性和（hé）加工效率。帶刀庫的（de）自動換刀係統適用於數控鑽削中心和加工中心。

 

二、刀庫和刀具的（de）選擇方式（shì）

 

1.刀庫類型

刀庫的作（zuò）用是儲備一定數量的刀具，通過機械手實現與（yǔ）主軸上刀具的互換。刀庫的類型有盤式刀庫、鏈式刀庫等多種形式，刀庫的形式和容量（liàng）要根據機床的工藝範圍來確定。圖（tú）7-16所示的盤式刀庫，刀具的方向與（yǔ）主軸同向，換刀時主軸箱上升到（dào）一定的位置，使主（zhǔ）軸上的刀具（jù）正好對準刀（dāo）庫最（zuì）下麵的那個位置，刀具被夾住，主軸在CNC的（de）控製下，鬆開刀柄，盤式刀庫（kù）向（xiàng）前運動，拔（bá）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準的位置，刀庫後退將新刀具插入主軸孔中，主軸夾緊刀柄（bǐng），主軸箱（xiāng）下降到工（gōng）作位置，完成換刀任務，進行下道工序的加工。此換刀裝置的優點是（shì）結構簡單，成（chéng）本較低，換刀可靠性較好；缺點是換刀時間長，適用於刀庫容量較小的加工中（zhōng）心。

 

對於刀庫容量需（xū）要較大的加工中心可采用鏈（liàn）式刀（dāo）庫，鏈式刀庫的（de）結構緊湊，刀庫容量較大，鏈環的形狀可（kě）根據機床的（de）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（xū）增加鏈條的長度即可，給（gěi）刀庫設計與製造帶來了方便。

 

2. 刀具的（de）選擇方（fāng）式

一般的刀庫內存放有多把刀具，每次換刀前要進行選刀，常用的選刀方法有順序選刀和任意 選刀兩種（zhǒng），順（shùn）序選刀是在加工之前，將加工零件所需刀具按照工藝要求（qiú）依次插入刀（dāo）庫的刀套中，加工是按順（shùn）序（xù）調刀，加工不同的工件時（shí）必須重新調整刀庫中（zhōng）的刀具順序。其優點是刀庫的驅（qū）動和控製（zhì）都（dōu）比較簡單。因此，這種方式適合加工批量（liàng）較大、工件品種數量較少的中、小型（xíng）數（shù）控機床的（de）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（rèn）意選刀的方式，其分為刀套編碼、刀具（jù）編碼和記憶式等三種。

 

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，一般都是根據二進製編（biān）碼的原理進（jìn）行編碼。刀具編碼選刀方式采用了一種特殊的刀柄結構，並對每把刀具編碼。每（měi）把（bǎ）刀具（jù）都具有自己的代碼，因而刀具可在不同的工序（xù）中多次重複使用，換下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專用的編碼環，刀具（jù）長度加長，製造困難，刀庫和（hé）機械（xiè）手的結構變（biàn）複雜。刀（dāo）套編碼的方式是一把刀具（jù）隻對應（yīng）一個刀套，從一個刀套中取（qǔ）出的刀具（jù）必須（xū）放回（huí）同一刀套中，取送刀具十分麻煩，換刀時間（jiān）長。目（mù）前在加工中心上大量使（shǐ）用記憶式的方式。這種方式能將刀具號和刀庫中的刀套位置（zhì）對應地記憶在數控（kòng）係統的PLC中，無論刀具放在哪個刀套內，刀具信息都始終記存在PLC內。刀庫上裝有位置檢測裝置，可獲得每個刀套的位置信息。這樣刀具就可以（yǐ）任意取出並（bìng）送回。刀庫上（shàng）還設有（yǒu）機械原點，使每次選刀時就近選取。

 

三、刀具交換裝置

 

數控機床的自動換刀裝置中（zhōng），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（zhì）。刀具的交換方式（shì）有兩種：由刀庫（kù）與機床主軸的相對運動實現刀具交換以（yǐ）及采用機械手交換刀具。利用刀庫與機（jī）床主（zhǔ）軸的相對運動實現刀具（jù）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（zài）從（cóng）刀庫中取出新刀具（jù），兩個動作不能同時進行，換刀時間較長。而采用機械手換刀裝置在換刀時（shí）能夠同時抓取和裝卸（xiè）機床主軸和刀庫中的刀具，因此換刀時間進一步縮短。采用機械手進行（háng）刀具交換的（de）方式應用最（zuì）廣泛。這是因為機械手換刀靈（líng）活，動作快，而（ér）且結構簡單。機械（xiè）手能夠完成抓（zhuā）刀—拔刀—回（huí）轉—插刀—返回（huí）等（děng）一（yī）係（xì）列（liè）動作。為了防止刀具（jù）掉落（luò），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位自動換刀刀（dāo）庫（kù）

 

1、刀（dāo）具交（jiāo）換方式（shì）

 

數控機床的自動換刀裝置中，實現刀庫（kù）與機床主軸之間傳遞和裝（zhuāng）卸刀具的裝置稱為刀具交換裝（zhuāng）置（zhì）。刀具的交（jiāo）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著直接的影響。

 

刀具的交換方式（shì）很多，一般可（kě）分為以下兩大類。

 

（一）無機械手換刀

 

無機械手換刀，是由刀庫和機床主軸（zhóu）的相對運動實（shí）現的刀具交換。換刀時，必須首先將用過的刀具送回（huí）刀庫，然後再從刀（dāo）庫中取出新刀（dāo）具，這兩個動作不可能同（tóng）時進行，因此，換刀時間長。所示的數控立式鏜銑床就是采用這種換刀（dāo）方式（shì）的實例。它的選刀和換刀由三個坐標軸（zhóu）的數控定位係統來完成，因此每交換一次刀具，工作台和主軸箱就必須沿著（zhe）三（sān）個坐標（biāo）軸作兩次來回運動，因而增加了（le）換刀時間。另外，由於刀庫（kù）置於工作台上，減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同，換刀機械手（shǒu）也有多種形（xíng）式。因為機械手換刀有很（hěn）大的靈活（huó）性，而且還（hái）可以減（jiǎn）少換刀時間，應用最為廣泛。

 

2、機械手形式

 

在自動換刀數控（kòng）機床（chuáng）中，機械手的形式（shì）也是多種多樣，常見的有以下幾種形式。

 

1．單臂單爪回轉式機械手

 

這種機（jī）械手的手臂可以回轉不同的角度來進行自動換刀（dāo），其手臂上隻有一（yī）個卡（kǎ）爪，不論在刀庫上（shàng）或是在主軸上（shàng），均靠這個卡（kǎ）爪來裝刀及卸刀，因此（cǐ）換刀時間較長，如圖2(a)所示（shì）。

 

2．單臂雙爪回轉式機械手

 

這種機械手的手臂上有兩個卡爪，兩個（gè）卡爪有（yǒu）所分工（gōng）。一（yī）個卡（kǎ）爪隻執行從主軸上取下“舊刀（dāo）”送回刀庫的任務，另一個卡爪則執行由刀庫取出“新刀”送到主軸的任務。其換刀時間較上述單爪回轉式機械手要少

 

3．雙臂回（huí）轉式機械（xiè）手

 

這（zhè）種機（jī）械手的兩臂上各有一個卡爪，兩個卡爪可同時抓取（qǔ）刀庫及主軸上的刀具，回轉180°後又同時將刀具放回刀庫（kù）及裝入（rù）主（zhǔ）軸。這種機械手換刀時間（jiān）較以上（shàng）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（huò）將刀具送入刀庫及主軸上，兩臂可伸縮。

 

4．雙機械手

 

這種機械手相當於兩個單臂單爪機械手，它們互相（xiàng）配合進行自動換刀。其中（zhōng）一個機械手從（cóng）主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另一個（gè）由刀庫中取（qǔ）出“新（xīn）刀”裝入機床主軸，

 

5．雙（shuāng）臂往複交叉式機械手（shǒu）

 

這種（zhǒng）機械手的兩手臂可以往複運動，並交叉成一定的角度（dù）。一個手（shǒu）臂從主軸上取下“舊刀”送回刀庫（kù），另一個手臂由刀庫中取出“新刀”裝入主軸。整個機械手可沿某導軌直線移動或繞某個轉軸回轉，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前幾種不（bú）同。前幾種機械手均靠夾緊刀柄的外圓表麵來抓取刀具，這種機械手（shǒu）則（zé）是靠夾（jiá）緊刀柄的兩個端麵來抓取的。

 

3、機械手夾持結構

 

在換刀過程中，由於機械手抓（zhuā）住刀柄（bǐng）要作快速回轉，要作拔、插刀具的動（dòng）作，還要保證刀柄（bǐng）鍵槽的（de）角度位置對準主軸上的驅動鍵。因此，機械手的夾持部分要（yào）十分可靠，並保證（zhèng）有適當的夾緊力，其活動爪要有（yǒu）鎖緊裝置，以防止刀具（jù）在換刀（dāo）過程（chéng）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（jiá）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（mù）前我國數控機床較多采用這種（zhǒng）夾持方式。機械手手掌結（jié）構示意（yì）圖，它由固定爪及（jí）活動爪組成，活動爪（zhǎo）可繞軸回轉，其一端在彈簧（huáng）柱塞的作用下，支靠在擋銷上，調整螺釘以保持手掌適當的夾（jiá）緊力，鎖緊銷使（shǐ）活動爪牢固地（dì）夾持（chí）刀（dāo）柄，防止刀具在交換過程中（zhōng）鬆脫。鎖緊銷還可軸向移動，使活動爪（zhǎo）放鬆，以便杈刀從刀柄V形槽中退出（chū）。

 

4、自動換（huàn）刀（dāo）動作順（shùn）序

 

由於自動換刀裝置的布局結構多種（zhǒng）多樣，其換刀過程動作順序會不盡相同。下麵（miàn）分（fèn）別以常見的雙臂往複交叉式機械手和鉤刀機械手為例用動作分圖加以說明。

 

（一）雙臂往複交叉式機（jī）械手（shǒu）的換刀（dāo）過程

 

（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（zhù）下一工步需用的T09號刀具，機械手（shǒu）架處於（yú）最高位置，為換刀做好了準備（bèi）；

 

（2）上一工步（bù）結束，機床立柱後退，主軸箱上升，使主軸處於換刀位置。接著下一工步（bù）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，抓住主軸上已用過的T05號刀具。

 

（4）機（jī）械手架由滑座帶（dài）動，沿刀具軸線前移，將T05號刀具（jù）從主軸上拔出。

 

（5）卸刀機械手縮回原位。

 

（6）裝刀機械手前伸（shēn），使（shǐ）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（zhuāng）刀、卸刀機械手轉向刀（dāo）庫。

 

（10）機械手架由橫梁帶動下降，找第（dì）二排刀套鏈，卸（xiè）刀機（jī）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工步需用的T46號刀具送（sòng）到換刀位（wèi）置,機械手（shǒu）一（yī）降,找（zhǎo）第三排刀鏈,由裝刀機械（xiè）手將T46號刀具取出。

 

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

 

（二）鉤刀機械手的換刀過程

 

作為（wéi）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，同時抓住刀庫和主軸上的刀具。

（2）拔刀。主軸夾頭鬆開刀具，機械手同時將刀庫和主軸（zhóu）上的刀具拔出。

 

（3）換刀。手臂旋（xuán）轉180º，新舊（jiù）刀具更換。

 

（4）插刀（dāo）。機械（xiè）手同時將新舊刀具分別（bié）插入主軸和刀庫，然（rán）後主軸夾頭夾緊刀具；

 

（5）複位。轉動手臂，回到原始位置。