第六章 数控机床的自动换刀装置Word格式.docx

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（2）刀架转位。

当刀架抬起之后，压力油从C孔转入液压缸左腔，活塞向右移动，通过连接板带动齿条移动，使空套齿轮作逆时针方向转动，通过端齿离合器使刀架转过60º

。

活塞的行程应等于齿轮节圆周长的1/6，并由限位开关控制。

（3）刀架压紧。

刀架转位之后，压力油从B孔进入压紧液压缸的上腔，活塞带动刀架体下降。

缸体的底盘上精确地安装六个带斜楔的圆柱固定插销，利用活动插销消除定位销与孔之间的间隙，实现反靠定位。

刀架体下降时，定位活动插销与另一个固定插销卡紧，同时缸体与压盘的锥面接触，刀架在新的位置定位并压紧。

这时，端齿离合器与空套齿轮脱开。

（4）转位液压缸复位。

刀架压紧后，压力油从D孔进入转位油缸右腔，活塞带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮在轴上空转。

如果定位和压紧动作正常，拉杆与相应的接触头接触，发出信号表示换刀过程已结束，可以继续进行切削加工。

回转刀架除了采用液压缸驱动转位和定位销定位外，还可以采用电动机-马氏机构转位和鼠盘定位，以及其它转位和定位机构。

图6-3换主轴换刀

二、换主轴换刀

更换主轴换刀是带有旋转刀

具的数控机床的一种比较简单的

换刀方式。

这种主轴头实际上就

是一个转塔刀库，如图6-3所示。

主轴头有卧式和立式两种，

通常用转塔的转位来更换主轴头，

以实现自动换刀。

在转塔的各个

主轴上，预先安装有各工序所需要的旋转刀具，当发出换刀指令时，各主轴头依次地转到加工位置，并接通主运动，使相应的主轴带动刀具旋转。

而其它处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。

这种更换主轴换刀装置，省去了自动松、夹、卸刀、装刀以及刀具搬运等一系列的复杂操作，从而缩短了换刀时间，并提高了换刀的可靠性。

但是由于空间位置的限制，使主轴部件结构尺寸不能太大，因而影响了主轴系统的刚性。

为了保证主轴的刚性，必须限制主轴的数目，否则会使结构尺寸增大。

因此，转塔主轴头通常只适用于工序较少、精度要求不太高的机床，例如数控钻、铣床等。

图6-4更换主轴箱换刀

三、更换主轴箱换刀

有的数控机床像组合机床一样，采用多主轴箱，利用更换主轴箱达到换刀的目的，如图6-4所示。

主轴箱库8吊挂着备用主轴箱2～7。

主轴箱两端的导轨上，装有同步运行的小车Ⅰ和Ⅱ，它们在主轴箱库与机床动力头之间运送主轴箱。

根据加工要求，先选好所需的主轴箱，待两小车运行至该主轴箱处时，将它推到小车Ⅰ上，小车Ⅰ载着主轴箱与小车Ⅱ同时运动到机床动力头两侧的更换位置。

当上一道工序完成后，动力头带着主轴箱1上升到更换位置，夹紧机构将主轴箱1松开，定位销从定位孔中拨出，推杆机构将主轴箱1推到小车Ⅱ上，同时又将小车Ⅰ上的待用主轴箱推到机床动力头上，并进行定位夹紧。

与此同时，两小车返回主轴箱库，停在下次待换的主轴箱旁的空位。

也可通过机械手10在刀库9和主轴箱1之间进行刀具交换。

这种换刀形式，对于加工箱体类零件，可以提高生产率。

四、带刀库的自动换刀系统

此类换刀装置由刀库、选刀机构、刀具交换机构及刀具在主轴上的自动装卸机构等四部分组成，应用最广泛。

图6-5所示为刀库装在机床的工作台（或立柱）上的数控机床的外观图。

图6-5刀库与机床为整体式的数控机床图6-6刀库与机床为分体式的数控机床

图6-6所示为刀库装在机床之外，成为一个独立部件的数控机床的外观图。

此时，刀库容量大，刀具可以较重，常常要附加运输装置来完成刀库与主轴之间刀具的运输。

带刀库的自动换刀系统,整个换刀过程比较复杂。

首先要把加工过程中要用的全部刀具分别安装在标准的刀柄上,在机床外进行尺寸预调整后,插入刀库中。

换刀时根据选刀指令在刀库上选刀，由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具，进行刀具交换，然后将新刀具装入主轴，将用过的刀放回刀库。

采用这种自动换刀系统，需要增加刀具的自动夹紧、放松机构、刀库运动及定位机构，常常还需要有清洁刀柄及刀孔、刀座的装置，因而结构较复杂。

其换刀过程动作多、换刀时间长。

同时，影响换刀工作可靠性的因素也较多。

为了缩短换刀时间，可采用带刀库的双主轴或多主轴换刀系统，如图6-7所示。

由图可知，当水平方向的主轴在加工位置时，待更换刀具的主轴处于刀换刀位置，由刀具交换装置预先换刀，待本工序加工完毕后，转塔头回转并交换主轴（即换刀）。

这种换刀方式，换刀时间大部分和机加工时间重合，只需转塔头转位的时间，所以换刀时间短，转塔头上的主轴数目较少，有利于提高主轴的结构刚度，刀库上刀

图6-7双主轴头换刀

具数目也可增加，对多工序加工有

利。

但这种换刀方式难保证精镗加

工所需要的主轴精度。

因此，这种

换刀方式主要用于钻床，也可以用

于铣镗床和数控组合机床。

第二节刀库

一、刀库的功能

在自动换刀装置中，刀库是最主要的部件之一。

刀库是用来贮存加工刀具及辅助工具的地方。

其容量、布局以及具体结构，对数控机床的设计都有很大影响。

二、刀库的形式

根据刀库的容量和取刀的方式，可以将刀库设计成各种形式。

常见的形式有如下几种。

（一）直线刀库

刀具在刀库中是直线排列，如图6-8a）所示。

其结构简单，刀库容量小，一般可容纳8～12把刀具，故较少使用。

此形式多见于自动换刀数控车床，在数控钻床上也采用过此形式。

（二）圆盘刀具

此形式存刀具少则6～8把，多则50～60把，其中有多种形式。

（1）如图6-8b）所示的刀库中，刀具径向布局，占有较大空间，刀库位置受限制，一般置于机床立柱上端，其换刀时间较短，使整个换刀装置较简单。

（2）如图6-8c）所示的刀库中，刀具轴向布局，常置于主轴侧面。

刀库轴心线可垂直放置，也可以水平放置，此种形式使用较多。

（3）如图6-8d）所示的刀库中，刀具与刀库轴心线成一定角度（小于90º

）呈伞状布置，这可根据机床的总体布局要求安排刀库的位置，多斜放于立柱上端，刀库容量不宜过大。

上述三种圆盘刀库是较常用的形式，其存刀量最多为50～60把，存刀量过多，则结构尺寸庞大，与机床布局不协调。

为进一步扩大存刀量，有的机床使用多圈分布刀具的圆盘刀库，如图6-8e）所示；

多层圆盘刀库，如图6-8f）所示；

多排圆盘刀库，如图6-8g）所示。

多排圆盘刀库每排4把刀，可整排更换。

后三种刀库形式使用较少。

图6-8刀库的各种形式

（三）链式刀库

链式刀库是较常用的形式。

这种刀库刀座固定在环形链节上。

常用的有单排链式刀库，如图6-8h）所示。

这种刀库使用加长链条，让链条折叠回绕可提高空间利用率，进一步增加存刀量，如图6-8i）所示。

链式刀库结构紧凑，刀库容量大，链环的形状可根据机床的布局制成各种形状。

同时也可以将换刀位突出以便于换刀。

在一定范围内，需要增加刀具数量时，可增加链条的长度，而不增加链轮直径。

因此，链轮的圆周速度（链条线速度）可不增加，刀库运动惯量的增加可不予考虑。

这些为系列刀库的设计与制造提供了很多方便。

一般当刀具数量在30～120把时，多采用链式刀库。

（四）其它刀库

刀库的形式还有很多,值得一提的是格子箱式刀库。

图6-8j）所示的为单面式，由于布局不灵活，通常刀库安置在工作台上，应用较少。

图6-8k）所示的为多面式，为减少换刀时间，换刀机械手通常利用前一把刀具加工工件的时间，预先取出要更换的刀具（所配数控系统应具备该项功能）。

该刀库占地面积小，结构紧凑，在相同的空间内可以容纳的刀具数目较多。

但由于它的选刀和取刀动作复杂，现已较少用于单机加工中心，多用于FMS（柔性制造系统）的集中供刀系统。

图6-9加工工件与刀具数量的关系

三、刀库的容量

刀库中的刀具并不是越多越好，

太大的容量会增加刀库的尺寸和占

地面积，使选刀时间增长。

刀库的

容量首先要考虑加工工艺的需要。

根据以钻、铣为主的立式加工中心

所需刀具数的统计，绘制出图6-9

所示的曲线。

曲线表明，用10把孔

加工刀具可完成70%的钻削工艺，四把铣刀可完成90%的铣削工艺。

据此可以看出，用14把刀具就可以完成70%以上的钻铣加工。

若是从完成对被加工工件的全部工序进行统计，得到的结果是，大部分（超过80%）的工件完成全部加工过程只需40把刀具就够了。

因此，从使用角度出发，刀库的容量一般取为10～40把，盲目地加大刀库容量，将会使刀库的利用率降低，结构过于复杂，造成很大浪费。

第三节刀具系统及刀具选择

一、刀具系统

数控机床所用的刀具，虽不是机床体的组成部分，但它是机床实现切削功能不可分割的部分，提高数控机床的利用率和生产效率，刀具是一个十分关键的因素，应选用适应高速切削的刀具材料和使用可转位刀片。

为使刀具在机床上迅速地定位夹紧，数控机床普遍使用标准的刀具系统。

数控车床、加工中心等带有自动换刀装置的机床所用的刀具，刀具与主轴连接部分和切削刃具部分都已标准化、系列化。

我国在20世纪70年代制定了镗铣床用TSG刀具系统及刀柄标准（草案）。

TSG刀具系统的刀柄标准为直柄及7∶24锥度的锥柄两大类。

直柄适用于圆柱形主轴孔，锥柄适用于圆锥形主轴孔。

TSG刀具系统中还设计了各种锥柄接长杆和各种直柄长杆。

二、刀具的选择方式

根据数控装置发出的换刀指令，刀具交换装置从刀库中将所需的刀具转换到取刀位置，称为自动选刀。

自动选择刀具通常又有顺序选择和任意选择两种方式。

（一）顺序选择刀具

刀具的顺序选择方式是将刀具按加工工序的顺序，依次放入刀库的每一个刀座内。

每次换刀时，刀库按顺序转动一个刀座的位置，并取出所需要的刀具。

已经使用过的刀具可以放回到原来的刀座内，也可以按顺序放入下一个刀座内。

采用这种方式的刀库，不需要刀具识别装置，而且驱动控制也比较简单，可以直接由刀库的分度机构来实现。

因此刀具的顺序选择方式具有结构简单，工作可靠等优点。

但由于刀库中刀具在不同的工序中不能重复使用，因而必须相应地增加刀具的数量和刀库的容量，这样就降低了刀具和刀库的利用率。

此外，人工装刀操作必须十分谨慎，如果刀具在刀库中的顺序发生差错，将造成设备或质量事故。

（二）任意选择刀具

这种方式是根据程序指令的要求来选择所需要的刀具，采用任意选择方式的自动换刀系统中必须有刀具识别装置。

刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列，可任意存放。

每把刀具（或刀座）都编上代码，自动换刀时，刀库旋转，每把刀具（或刀座）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，该刀具就被选中，并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，相同的刀具可重复使用。

因此，刀具数量比顺序选择法的刀具可少一些，刀库也相应的小一些。

任意选择刀具法必须对刀具编码，以便识别。

编码方式主要有三种：

1．刀具编码方式

这种方式是采用特殊的刀柄结构进行编码。

由于每把刀具都有自己的代码，因此，可以存放于刀库的任一刀座中。

这样刀库中的刀具在不同的工序中也就可重复使用，用过的刀具也不一定要放回原刀座中，这对装刀和选刀都十分有利，刀库的容量也可以相应的减少，而且还可避免由于刀具存放在刀库中的顺序差错而造成的事故。

图6-10刀具编码的结构图6-11刀座编码的结构

刀具编码的具体结构如图6-10所示。

在刀柄后端的拉杆上套装着等间隔的编码环，由锁紧螺母固定。

编码环既可以是整体的，也可由圆环组装而成。

编码环直径有大小两种，大直径为二进制的“1”，小直径的为“0”。

通过这两个圆环的不同排列，可以得到一系列代码。

例如由六个大小直径的圆环便可组成能区别63（26-1=63）种刀具的编码。

通常全部为0的代码不许使用，以避免与刀座中没有刀具的状况相混淆。

为了便于操作者的记忆和识别，也可采用二-八进制编码来表示。

2．刀座编码方式

这种编码方式对刀库中的每个刀座都进行编码，刀具也编码，并将刀具放到与其号码相符的刀座中。

换刀时刀库旋转。

使各个刀座依次经过识刀器，直至找到规定的刀座，刀座便停止旋转。

由于这种编号方式取消了刀柄中的编码环，使刀柄结构大为简化。

因此，刀具识别装置的结构不受刀柄尺寸的限制，而且可以放在较适当的位置。

另外，在自动换刀过程中，必须将用过的刀具放回原来的刀座中，增加了换刀动作。

与顺序选择刀具的方式相比，刀座编码方式的突出特点是刀具在加工过程中可以重复使用。

图6-11所示为圆盘刀库的刀座编码装置。

图中在圆盘的圆周上均布若干个刀座识别装置。

刀座编码的识别原理与上述刀具编码原理完全相同。

1．编码附件方式

编码附件方式可分为编码钥匙、编码卡片、编码杆和编码盘等，其中应用最多的是编码钥匙。

这种方式是先给各刀具都缚上一把表示该刀具号的编码钥匙，当把各刀具存放到刀库中时，将编码钥匙插进刀座旁边的钥匙孔中，这样就把钥匙的号码转记到刀座中，给刀座编上了号码。

识别装置可以通过识别钥匙上的号码来选取该钥匙旁边刀座中的刀具。

编码钥匙的形状如图6-12所示，图中钥匙的两边最多可带有22个方齿，图中除导向用的两个方齿外，共有20个凸出或凹下的位置，可区别99999把刀具。

图6-13为编码钥匙孔的剖面图，图中钥匙沿着水平方向的钥匙缝插入钥匙孔座，然后顺时针方向旋转90º

，处于钥匙代码突起的第一弹簧接触片被撑起，表示代码“1”；

处于代码凹处的第二弹簧接触片保持原状，表示代码“0”。

由于钥匙上每个凸凹部分的旁边各有相应的炭刷，故可将钥匙各个凸凹部分识别出来，即识别出相应的刀具。

图6-12编码钥匙图6-13编码钥匙孔的剖面图

这种编码方式称为临时性编码，因为从刀座中取出刀具时，刀座中的编码钥匙也取出，刀座中原来的编码便随之消失。

因此，这种方式具有更大的灵活性。

采用这种编码方式用过的刀具必须放回原来的刀座中。

三、刀具识别装置

刀具（刀座）识别装置是可任意选择刀具的自动换刀系统中的重要组成部分,常用的有以下两种。

图6-14接触式刀具识别装置的原理

（一）接触式刀具识别装置

接触式刀具识别装置的原理

如图6-14所示。

在刀柄上装有两

种直径不同的编码环，规定大直径

的环表示二进制的“1”，小直径的

环表示“0”，图中编码环有5个，

在刀库附近固定一刀具识别装置，从

中伸出几个触针，触针数量与刀柄上的编码环个数相等。

每个触针与一个继电器相连，当编码环是大直径时与触针接触，继电器通电，其数码为“1”。

当编码环是小直径时与触针不接触，继电器不通电，其数码为“0”。

当各继电器都出的数码与所需刀具的编码一致时，由控制装置发出信号，使刀库停转，等待换刀。

接触式刀具识别装置的结构简单，但由于触针有磨损，故其寿命较短，可靠性较差，且难于快速选刀。

（二）非接触式刀具识别装置

非接触式刀具识别装置没有机械直接接触，因而无磨损、无噪声、寿命长、反应速度快，适应于高速、换刀频繁的工作场合。

常用的识别装置方法有磁性识别法和光电识别法。

1．非接触式磁性识别法

磁性识别法是利用磁性材料和非磁性材料的磁感应强弱的不同，通过感应线圈读取代码。

其编码环的直径相等，分别由导磁材料（如软钢）和非导磁材料（如黄铜、塑料等）制成，并规定前者编码为“1”，后者编码为“0”。

图6-16所示为一种用于刀具编码的磁性识别装置。

图中刀柄上装有非导磁材料编码环和导磁材料编码环，与编码环相对应的有一组检测线圈组成的非接触式识别装置。

在检测线圈的一次线圈中输入交流电压时，如编程环为导磁材料，则磁感应较强，能在二次线圈中产生较大的感应电压。

如编程环为非导磁材料，则磁感应较弱，在二次线圈中感应的电压就较弱。

利用感应电压的强弱，就能识别刀具的号码。

当编码的号码与指令刀号相符时，控制电路便发出信号，使刀库停止运转，等待换刀。

图6-15非接触式磁性识别原理图图6-16光导纤维刀具识别原理图

2．非接触式光电识别法

非接触式光电识别法是利用光导纤维良好的光传导特性，采用多束光导纤维构成阅读法。

用靠近的二束光导纤维来阅读二进制编码的一位时，其中一束将光源投到能反光或不能反光（被涂黑）的金属表面上，另一束光导纤维将反射光送至光电转换元件转换成电信号，以判断正对这二束光导纤维的金属表面有无反射光，有反射光时（表面光亮）为“1”，无反射时（表面涂黑）为“0”，如图6-16b）所示。

在刀具的某个磨光部位按二进制规律涂黑或不涂黑，就可给刀具编上号码。

正当中的一小块反光部分用来发出同步增长信号。

阅读头端面如图6-16a）所示，共用的投光射出面为一矩形框，中间嵌进一排共9个圆形的受光入射面。

当阅读头端面正对刀具编码部位，沿箭头方向相对运动时，在同步信号的作用下，可将刀具编码读入，并与给定的刀具号进行比较而选刀。

第四节刀具交换装置

一、刀具交换方式

数控机床的自动换刀装置中，实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具交换装置。

刀具的交换方式和它们的具体结构对机床的生产率和工作可靠性有着直接的影响。

刀具的交换方式很多，一般可分为以下两大类。

（一）无机械手换刀

无机械手换刀，是由刀库和机床主轴的相对运动实现的刀具交换。

换刀时，必须首先将用过的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出新刀具，这两个动作不可能同时进行，因此，换刀时间长。

图6-5所示的数控立式镗铣床就是采用这种换刀方式的实例。

它的选刀和换刀由三个坐标轴的数控定位系统来完成，因此每交换一次刀具，工作台和主轴箱就必须沿着三个坐标轴作两次来回运动，因而增加了换刀时间。

另外，由于刀库置于工作台上，减少了工作台的有效使用面积。

（二）机械手换刀

由于刀库及刀具交换方式的不同，换刀机械手也有多种形式。

因为机械手换刀有很大的灵活性，而且还可以减少换刀时间，应用最为广泛。

在各种类型的机械手中，双臂机械手全面地体现了以上优点，图6-17所示为双臂机械手中最常见的几种结构形式，分别是钩手，如图6-17a）所示；

抱手，如图6-17b）所示；

伸缩手，如图6-17c）所示；

杈手，如图6-17d）所示。

这几种机械手能够完成抓刀、拔刀、回转、插刀以及返回等全部动作。

为了防止刀具掉落，各机械手的活动爪都必须带有自锁结构。

双臂回转机械手（图6-17a）、b）、c））的动作比较简单，而且能够同时抓取和装卸机床主轴和刀库中的刀具，因此换刀时间可以进一步缩短。

图6-17d）所示的双臂回转机械手，虽不是同时抓取主轴和刀库中的刀具，但是换刀准备时间及将刀具送回刀库的时间（图中实线所示位置）与机械加工时间重合，因而换刀（图中双点划线所示位置）时间较短。

图6-17双臂机械手常见的结构形式

二、机械手形式

在自动换刀数控机床中，机械手的形式也是多种多样，常见的有以下几种形式。

1．单臂单爪回转式机械手

这种机械手的手臂可以回转不同的角度来进行自动换刀，其手臂上只有一个卡爪，不论在刀库上或是在主轴上，均靠这个卡爪来装刀及卸刀，因此换刀时间较长，如图6-18a）所示。

2．单臂双爪回转式机械手

这种机械手的手臂上有两个卡爪，两个卡爪有所分工。

一个卡爪只执行从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务，另一个卡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，如图6-18b）所示。

图6-18机械手的形式

3．双臂回转式机械手

这种机械手的两臂上各有一个卡爪，两个卡爪可同时抓取刀库及主轴上的刀具，回转180°

后又同时将刀具放回刀库及装入主轴。

这种机械手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6-18c）右边的机械手在抓取或将刀具送入刀库及主轴上，两臂可伸缩。

4．双机械手

这种机械手相当于两个单臂单爪机械手，它们互相配合进行自动换刀。

其中一个机械手从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个由刀库中取出“新刀”装入机床主轴，图6-18d）所示。

5．双臂往复交叉式机械手

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，另一个手臂由刀库中取出“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，以实现由刀库与主轴间的运刀工作，如图6-18e）所示。

6．双臂端面夹紧式机械手

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来抓取刀具，这种机械手则是靠夹紧刀柄的两个端面来抓取的，如图6-18f）所示。

三、机械手夹持结构

在换刀过程中，由于机械手抓住刀柄要作快速回转，要作拔、插刀具的动作，还要保证刀柄键槽的角度位置对准主轴上的驱动键。

因此，机械手的夹持部分要十分可靠，并保证有适当的夹紧力，其活动爪要有锁紧装置，以防止刀具在换刀过程中转动脱落。

机械手夹持刀具的方法有以下两种。

（一）柄式夹持

柄式夹持，也称轴向夹持或V形槽夹持。

其刀柄前端有V形槽，供机械手夹持用，目前我国数控机床较多采用这种夹持方式。

机械手手掌结构示意图，如图6-19所示。

它由固定爪及活动爪组成，活动爪可绕轴回转，其一端在弹簧柱塞的作用下，支靠在挡销上，调整螺钉以保持手掌适当的夹紧力，锁紧销使活动爪牢固地夹持刀柄，防止刀具在交换过程中松脱。

锁紧销还可轴向移动