第 4 章自动换刀装置

第4章自动换刀装置 • 4.1 ATC刀具自动换刀 • 4.2 刀库 • 4.3 机械手 • 4.4 自动换刀装置 • 4.5 刀库自动换刀过程与换刀实例

4.1 ATC刀具自动换刀装置 • 4.1 ATC刀具自动换刀装置的基本要求 • 为完成对工件的多工序加工而设置的存储及更换刀具的装置称为自动换刀装置。自动换刀装置应当满足的基本要求为：①刀具换刀时间短且换刀可靠 • ②刀具重复定位精度高 • ③足够的刀具储存量 • ④刀库占地面积小下一页返回

4.1 ATC刀具自动换刀装置 • 4.1.2刀具的选择方式 • 按数控装置的刀具选择指令，从刀库中将所需要的刀具转换到取刀位置，称为自动选刀。在刀库中，选择刀具通常采用两种方法。 • 1. 顺序选刀 • 在加工之前，将加工零件所需刀具按照工艺要求集资插入刀库的刀套中，顺序不能不差错，加工时按顺序调刀称为顺序选刀。加工不同的工件时必须重新调整刀库中的刀具顺序，因而操作十分繁琐，而且加工同一工件中各工序的刀具不能重复使用。这样就会增加刀具的数量，而且由于刀具的尺寸误差也容易造成加工精度的不稳定。其优点是刀库的驱动和控制都比较简单。因此这种方式适合加工指较大、工件品种数量较少的中小型自动换刀数按机床。上一页下一页返回

4.1 ATC刀具自动换刀装置 • 2. 任选刀具 • 这种方法根据程序指令的要求任意选择所需要的刀具，刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列，可以任意存放。每把刀具都编上代码，自动换刀时，刀库旋转，每间刀具都经过“刀具识别装置”接受识别。当某把刀具的代码与数控指令的代码相符合时，该把刀具被选中，刀库将刀具送到换刀位置，等待机械手来抓取。任意选择刀具法的优点是刀库中刀具的排列顺序与工件加工顺序无关，相同的刀甚至可重复使用。因此，刀具数量比顺序选刀的刀具可以少一些，刀库也相应的小一些。上一页返回

4.2 刀库 • 刀库是自动换刀装置的主要部件，其容量、布局以及具体结构对数控机床的设计有很大的影响。刀库中的刀具的定位机构是用来保证要倒换的每一把刀具或刀套都能准确地停在换刀位置上。采用电动机或液压系统为刀库转动提供动力。根据刀库所需要的容量和取刀的方式，可以将刀库设计成多种形式。 • 4.2.1 刀库的类型 • 刀库的功能是储存加工工序所需要的各种刀具，并按程序指令把将要用的刀具准确地送到换刀位置，并接受从主轴送来的已用刀具。刀库的储存量一般在8~64把范围内，多的可达100~200把。 • 1. 鼓（盘）式刀库 • 在盘式刀库结构中，刀具可以沿主轴轴向、径向、斜向安放，刀具轴向安装的结构最为紧凑。但为了换刀时刀具与主轴同向，有的刀库中的刀具需在换刀位置作900翻转。下一页返回

4.2 刀库 • 在恨库容量较大时，为在存取方便的同时保持结构紧凑，可采取弹仓式结构，目前大量的刀库安装在机床立柱的顶面或侧面。在刀库容量较大时，也有安装在单独的地基上，以隔离刀库转动造成的振动。 • 盘式刀库的刀具轴线与鼓轴线平等刀具环行排列，分径向、轴向两种取刀方式，其刀座结构不同。这种鼓式刀库结构简单应用较多，适用于刀库容量较小的情况。为增加刀库空间利用率，可采用双环或多环排列刀具的形式。但鼓直径增大，转动惯量就增加，选刀时间也较长。如图4-6（a）、（b）所示为鼓式刀库。上一页下一页返回

4.2 刀库 • 2. 链式刀库 • 如图4-7所示为链式刀库，通常刀具容量比盘式的要大，结构也比较灵活和紧凑，常为轴向换刀。链环可根据机床的布局配置成各种形状，也可将换刀位置刀座突出以利于换刀。另外还可以采用加长链带方式加大刀库的容量，也可采用链带折叠加绕的方式提高空间利用率，在要求刀具容量很大时还可以采用多条链带结构。 • 3. 格子盒式刀库 • （1）固定型格子盒式刀库 • 刀具分几排直线排列，由纵横向移动的取刀机械手完成选刀运动，将选取的刀具送到固定的换刀位置刀座上，由换刀机械手交换刀具。由于刀具排列密集，空间利用率高，刀库容量大。上一页下一页返回

4.2 刀库 • （2）非固定型格子盒式刀库 • 可换主轴箱的加工中心刀库由多个刀匣组成，可直线运动，刀匣可以从刀库中垂直提出。 • 4.2.2 刀库的容量 • 刀库的容量首先要考虑加工工艺的分析的需要。一般情况下，并不是刀库中的刀具越多越好，太大的容量会增加刀库的尺寸和占地面积，使选刀过程时间增长。例如，立式加工中心的主要工艺为钻、铣。上一页下一页返回

4.2 刀库 • 统计了15000种工件，按成组技术分析，各种加工刀具所必需的刀具数的结果是：4把刀的容量就可以完成95%左右的铣削工艺，10把孔加工刀具可完成70%的钻削工艺，因此，14把刀的容量就可完成70~以上的工件钻削工艺。如果从完成工件的全部加工所需的刀具数目统计，所得结果是80%的工件完成全部加工任务所需的刀具数在40种以下，所以一般的中小型立式加工中心配14~30把刀具的刀库就能够满足70%~95%的工件加工需要。上一页下一页返回

4.2 刀库 • 4.2.3 刀库结构 • 1. 圆盘式刀库的结构 • 如图4-9（a）、（b）所示为圆盘式刀库的结构图，可容纳40把刀具，如图4-9（a）为刀库的驱动装置，由液压马达驱动，通过蜗杆4蜗轮5、端齿离合器2和3带动与圆盘13相连的轴1转动。如图4-9（b）所示，圆盘13上均匀分布40个刀座9，其外侧边缘上有相应的40个刀座编码板8。在刀库的下方装有固定不动的刀座号读取装置7。当圆盘13转动时，刀座号板8依次经过刀座号读取装置，并读出各刀座的编号，与输入指令相比较，当找到所要求的刀座号时，即发出信号，液压缸6右腔进入高压油，使端齿离合器2和3脱开，使圆盘13处于浮动状态。上一页下一页返回

4.2 刀库 • 同时液压缸12前腔的高压油通路被切断，并使其与回油箱连通，在弹簧10的作用下，液压缸12的活塞杆带着定位V形块14使圆盘13定位，以便换刀装置换刀。这种方法，装置比较简单，总体布局比较紧凑，但圆盘直径较大，转动惯量大，且由于刀库离主轴较远，因此，要采用中间援装置来换刀。 • 2. 链式库的结构 • 如图4-10所示为方形链式刀库的典型结构示意图。主动链轮由伺服电动机通过蜗轮减速装置驱动。这种传动方式，不仅在链式刀库中采用，其他形式的刀库传动中，也多采用。上一页下一页返回

4.2 刀库 • 4.2.4 刀库的转位 • 刀库转位机构同伺服电动机通过消隙齿轮1、2带动蜗轮4使刀库转动，如图4-12所示。蜗杆为右旋以导程式蜗杆，可以用轴向移动的方法来调整蜗轮副的间隙。压盖5内孔螺纹与套6相配合，转动套6即可调整蜗杆的轴向位置，也就调整了蜗轮副的间隙。调整好后用螺母7锁紧。 • 刀库的最大转角为1800，根据所换刀具的位置决定正转或反转、由控制系统自动判别，以使找刀路径最短。每次转角大小由位置控制系统控制，进行粗定位，最后由定位销精确定位。上一页返回

4.3 机械手 • 4.3.1 机械手的形式与种类 • 1. 单臂单爪回转式机械手（图4-14（a）） • 这种机械手的手臂可以回转不同的角度进行自动换刀，手臂上只有一个夹爪，不论在刀库上或在主轴上，均靠这一个夹爪来装刀及卸刀，因此换刀时间较长。 • 2. 单臂双爪摆动式机械手（图4-14（b）） • 这种机械手的手臂上有两个夹爪，两上夹爪有所分工，一个夹爪只执行从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务。另一个夹爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务。其换刀时间较上述单爪回转式机械手要少。下一页返回

4.3 机械手 • 3. 单臂双爪回转式机械手（图4-14（c）） • 这种机械手的手臂两端各有一个夹爪，两个夹爪可同时抓取刀库及主轴上的刀具，回转1800后，又同时将刀具放回刀库及装入主轴。换刀时间较以上两种单臂机械手均短，是最常用的一种形式。图（c）右边的一种机械手在抓取刀具或将刀具送入刀库及主轴时，两臂可伸缩。 • 4. 双机械手（图4-14（d）） • 这种机械手相当于两个单爪机械手，相互配合起来进行自动换刀。其中一个机械手从主轴上取下“旧刀”送回刀库；另一个机械手由刀库里取出“新刀”装入机床主轴。上一页下一页返回

4.3 机械手 • 5. 双臂往复交叉机械手（图4-14（e）） • 这种机械手的两手臂可以往复运动，并交叉成一定的角度。一个手臂从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个手臂由刀库取出“新刀”装入主轴。整个机械手可沿某导轨直线移动或绕某个转轴回转，以实现刀库与主轴间的运刀运动。 • 6. 双臂端两夹紧机械手（图4-14（f）） • 这种机械手只是在夹紧部位上与前几种不同。前几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面以抓取刀具，这种机械手则夹紧刀柄的两个端面。上一页下一页返回

4.3 机械手 • 4.3.2 常用换刀机械手 • 1. 单臂双爪式机械手 • 单臂双爪式机械手，也叫扁担式机械手，它是目前加工中心上用得较多的一种。这种机械手的拔刀、插刀动作，大都由液压缸来完成。根据结构要求，可以采取液压缸动，活塞固定；或活塞动，液压缸固定的结构形式。而手臂的回转动作，则通过活塞的运动带动齿条齿轮传动来实现。机械手臂的不同回转角度，由活塞的可调行程来保证。 • 2. 双臂单爪交叉型机械手 • 由北京机床研究所开发和生产的JCS013卧式加工中心，所用换刀机械手就是双臂单爪交叉型机械手，如图4-16所示。上一页下一页返回

4.3 机械手 • 3. 单臂双爪且手臂回转轴与主轴成450的机械手 • 机械手结构如图4-17所示。 • 这种机械手换刀动作可靠，换刀时间短。缺点是刀柄精度要求高，结构复杂，联机调整的相关精度要求高，机械手离加工区较近。 • 4.3.3 手爪形式 • 1. 钳形手的杠杆手爪 • 如图4-18所示。图中的锁销2在弹簧作用下，其大直径外圆顶着止退销3，杠杆手爪6就能够摆动、放开，刀具就能装入和取出。这种手爪均为直线运动抓刀。上一页下一页返回

4.3 机械手 • 2. 刀库夹爪 • 刀库夹爪既起着刀套作用，又起着手爪的作用。如图4-19所示为刀库夹爪图。 • 4.3.4 机械手结构原理 • 如图4-20所示，机械手结构及工作原理如下。 • 机械手有两对抓刀爪，分别由液压缸1驱动其动作。当液压缸推动机械手抓刀爪外伸时，抓刀爪上的销轴3在支架上的导向槽2向滑动，使抓刀绕销4摆动，抓刀爪合拢抓住刀具；当液压缸间缩时，支架2上的导向槽迫使抓刀爪张开，放松刀具。由于抓刀动作由机械机构实现，且能自锁，因此工作安全可靠. 上一页下一页返回

4.3 机械手 • 4.3.5 机械手的驱动机构 • 如图4-21所示为机械手的驱动机构。汽缸1通过杆6带动机械手臂升降。当机械手在上边位置时，液压缸4通过齿条2、齿轮3、传动盘5、杆6带动机械手臂回转；当机械手在下边位置时，汔缸7通过齿条9、齿轮8、传动盘5和杆6，带动手臂回转。 • 如图4-22所示为机械手臂和手爪结构图。手臂的两端各有一手爪。刀具被带弹簧1的活动销4紧靠着固定爪5。锁紧销2被弹簧3弹起，使活动销4被锁位，不能后退，这就保证了在机械手运动过程中，手爪中的刀具不会被甩出。当手臂在上方位置从裙位置转过750时锁昆锁2被挡块压下，活动锁4就可以活动，使得机械手可以抓住主轴和刀套中的刀具。上一页返回

4.4 自动换刀装置 • 4.4.1 数控车床刀架 • 1. 数控车床四方刀架 • 数控车床四方刀架可以安装四把不同的刀具，转位信号由加工程序指定。如图4-23所示为LD4B型刀架的外形尺寸。 • 在数控车床刀架安装和高度完成后，刀架的工作顺序应按照如图4-24所示的步骤完成工作要求，同时需要相应的辅助机构来实现。 • 2.数控车床六角回转刀架 • 如图4-26为数控车床六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。在加工轴类零件时，可以用四方回转刀架。由于两者底部安装尺寸相同，更换刀架十分方便。 • 如图4-26所示的数控车床六角回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，它的动作分为以下四个步骤。下一页返回

4.4 自动换刀装置 • 3.盘形自动回转刀架 • 如图4-27（a）所示为CK7815型数控车床采用的BA200L刀架结构图。该刀架可配置12位、8位刀盘。A、B型回转刀盘的外切刀可使用25mm X 150mm标准、刀具和刀杆截面为25mm X 25mm 的可调刀具，C型可用尺寸为 20mm X 20mm X 125mm 的标准刀具。镗刀杆直径最大为32mm 。 • 4. 电动机传动的转塔刀架 • 如图4-28所示是一咱电动机驱动的转塔刀架的结构图。定位用的是三齿盘结构，如图4-28（a）所示。定齿盘3用螺钉及定位销固定在刀架体4上。动齿盘2用螺钉及定位销紧固在中心轴套1上，齿盘2、3对面有一个可轴向移动的齿盘5，齿长为以上二者之和。其沿轴向右移动，合齿定位、夹紧；其沿轴向右移时，松开脱齿。上一页下一页返回

4.4 自动换刀装置 • 5. 液压驱动的转塔刀架 • 如图4-29所示是数控车床的液压驱动转塔刀架结构示意图。转塔刀架用液压缸夹紧，液压马达驱动分度，端齿盘副定位。 • 6.车削中心用动力刀架 • 如图4-30所示为意大利公司生产的适用于全功能数控车床及车削中心的动力转塔刀架。刀盘上既可以安装各种非动力辅助刀夹夹持刀具进行加工，还可安装动力刀夹进行主动切削，配合主机完成车、铣、钻、镗等各种复杂工序，实现加工程序自动化、高效化。上一页下一页返回

4.4 自动换刀装置 • 4.4.2 加工中心自动换刀装置 • 加工中心自动换刀装置的形式通常分为由刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换和采用机械手交换刀具两类。自动换刀装置的形式和它们的具体结构对机床的生产率和工作可靠性有直接的影响。 • 1. 转塔式自动换刀装置 • 用转塔实现换刀是最早的自动换刀方式，如图4-32所示，转塔是由若干与铣床动力头相连接的主轴组成。在运动程序之前将刀具分别装入主轴，需要哪把刀具时，转塔就轩到相应的位置。上一页下一页返回

4.4 自动换刀装置 • 2. 1800回转式找刀装置 • 最简单的换刀装置是1800回转式找刀装置，如图4-33所示。接到换刀指令后，机床控制系统便将主轴控制到指定换刀位置；与此同时，刀具库运动到适当位置，换刀装置回转并同时与主轴、刀具库的刀具相配合；们杆从主轴刀具上卸掉，换刀装置将刀具从各自的位置上取下；换刀装置回转1800并将主轴刀具与刀具库刀具带走；换刀装置回转的同时，刀具库重新调整其位置，以接受从主轴取下的刀具；接下来，换刀装置将要换上的妯具与卸下的刀具分别装入主轴和刀办库；最后，换刀装置转回原“待命”位置。至此，换刀完成，程序继续运行。这种换刀装置的主要优点是结构简单、涉及的运动少、换刀快。主要缺点是刀具必须存入在与主轴平等的颊内，与侧置后置刀具库相比之下，切屑及切削液易进入切夹，因此必须对刀具另加防护。上一页下一页返回

4.4 自动换刀装置 • 3.回转插入或换刀装置 • 回转插入式找刀装置，是回转式换刀装置的改进形式。回转插入机构是换刀装置与传递杆的组合。如图4-34为回转插入式找刀装置的工作原理，其应用在卧式加工中心上。这种换刀装置的结构设计与1800回转式找刀装置基本相同。 • 4. 二轴转动式换刀装置 • 如图4-35所示是二轴转动式换刀装置的工作原理。这种换刀装置可用于侧置或后置式刀具库，共结构特点最适用于立式加工中心。上一页下一页返回

4.4 自动换刀装置 • 5. 无机械手交换刀具方式 • 无机械手交换刀具方式是利用刀库与机床主轴的相对运动来实现刀具交换，要么刀具库直接移到主轴位置，要么主轴直接移至刀具库。这种换刀方式结构简单，成本低，换刀的可靠性较高。这种换刀系统多为中、小型加工中心采用。XH754型卧式加工中心就是采用这种换刀方式。如图4-36所示为XH754型卧式加工中心换刀过程。 • 6.机械手换刀 • 采用机械手进行刀具交换方式在加工中心中应用最为广泛。机械手是当主轴上的民具完成一个工步后，把这一工步的刀具送回刀库，并把下一工步所需要的刀具从刀库中取出来装入主轴继续进行加工的功能部件。上一页下一页返回

4.4 自动换刀装置 • 对机械手的具体要求是迅速可靠，准确协调。由于不同的加工中心的刀库与主轴的相对位置不同，所以各种加工中心所使用的换刀机械手也不尽相同。从手臂的类型来看，有单臂、双臂机械手，最常用的有如图4-14所示的几种结构形式。 • 对于立式加工中心，小型加工中心一般是刀库移动实现换刀；一些大型的加工中心，换刀过程与上述有所不同，由于大型机床的刀具库太大，移动不方便，所以是主轴移动实现卸、装刀具，或使用机械手实现换刀。如图4-15所示为机械手臂和手爪的结构，如图4-37所示为机械手换刀的工作过程。上一页返回

4.5 刀库自动换发过程与换刀实例 • 4.5.1 刀库自动换刀过程 • 如图4-38所示为VMC-15加工中心刀库结构示意图。 • 1. 刀具自动换刀的动作过程 • 如果把主轴上的6号刀换成8号刀，其过程如下： • （1）主轴上的6号九装入刀库中的6号刀位 • ①主轴箱回零，即位于换刀位置。 • ②主轴停止转动，且轴向定位停止。 • ③数控系统发出换刀信号，电动机6转动，通过槽轮套3带动马氏槽轮10间歇转位，直至6号空刀位对准主轴方向，接近开关5发出的位信号，电动机6停止转动。下一页返回

4.5 刀库自动换发过程与换刀实例 • ④得到接近开关的5的信号同时，电动机19启动，通过带轮20，15及传动带21，带动杠杆12转动。由于杠杆12前的销子插入支架13的长槽中，而支架13又与电动机6的支架8由螺钉固定为一体，为此杠杆12的转动使刀盘11的6号刀位装刀槽中，此时接近开关16发出信号，表示装刀完毕。 • ⑤主轴中的松刀汽缸作用，放松6号刀具，主轴箱上移至特定位置。这样完成了主轴上的6号刀装入刀库的全部动作。 • （2）将刀库中的8号刀具装入主轴 • ①主轴箱上移后发出信号，电动机6转动，马氏槽轮10转位，由于数控系统设置刀号为顺时针排序，因此这时马氏槽轮10逆时针转至8号刀位，即8号刀具位于主轴下端，接近开关5发出到位信号，电动机6停止转动。上一页下一页返回

4.5 刀库自动换发过程与换刀实例 • ②主轴箱下移，使8号刀具的刀柄插入主轴孔内，放松汽缸，则刀具靠碟弹簧的恢复力夹紧于主轴中。 • ③由汽缸的放松发出信号，使电动机19反向转动，刀库移至原位，同时刀库轴向防护门关闭，接近开关16发出刀库归位信号，整个换刀过程结束。 • 2. 刀库自动换刀系统的特点 • ①刀库中刀盘的转位采用马氏槽轮机构，使其转位呈现每一刀位的间歇转位，结构简单，定位准确。 • ②换刀时刀盘可实现双向任意转位，以最短的路径双向转位选刀，缩短换刀的辅助时间。上一页下一页返回

4.5 刀库自动换发过程与换刀实例 • ③利用可编程控制器实现随机换刀。即由PLC对刀库中刀座进行编码，一旦设定好刀号，其刀库中刀位的排序存入数控系统的存储器，关机也不会丢失，只有重新设定刀号才能更改前一次设定的刀号。换刀时根据刀座的编号来选取刀座中相应的刀具。 • ④具有刀库的超重保护，为保证刀具的可靠夹持，对刀具的质量做了规定，当刀库携带带刀具一起的质量超过给定量时，则碟形弹簧7往下压缩，接近开关4发出刀库超重信号，从而使系统停止工作。上一页返回

第 4 章自动换刀装置