數(shù)控機(jī)床的刀具與工件交換裝置

9.1自動換刀裝置的形式9.2刀庫9.3刀具的選擇方式9.4刀具交換裝置9.5帶刀庫的自動換刀裝置實例9.6柔性制造單元的工件交換裝置第九章數(shù)控機(jī)床的刀具與工件交換裝置1學(xué)習(xí)要求:1.了解交換裝置的結(jié)構(gòu)形式；2.掌握交換裝置的特點；3.了解刀庫的形式及刀具識別裝置；4.熟悉設(shè)計刀庫時應(yīng)考慮的主要問題。第九章數(shù)控機(jī)床的刀具與工件交換裝置2功能：

儲備一定數(shù)量的刀具；自動交換刀具。要求：

換刀時間短；刀具重復(fù)定位精度高；刀具儲存量足夠；結(jié)構(gòu)緊湊；安全可靠。9.1自動換刀裝置的形式3

9.1自動換刀裝置的形式一、回轉(zhuǎn)刀架換刀

常用于數(shù)控車床：四方、六方刀架或圓盤式軸向裝刀刀架。數(shù)控車床六方刀架工作原理：

1）刀架抬起2）刀架轉(zhuǎn)位3）刀架壓緊4）轉(zhuǎn)位油缸復(fù)位4

1升降活塞2刀架3固定件4配合件5端齒離合器6轉(zhuǎn)位活塞7空套齒輪8齒條9固定插銷10活動插銷1）刀架抬起3）刀架壓緊

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1升降活塞2刀架3固定件4配合件5端齒離合器6轉(zhuǎn)位活塞7空套齒輪8齒條9固定插銷10活動插銷刀架轉(zhuǎn)位6

1升降活塞2刀架3固定件4配合件5端齒離合器6轉(zhuǎn)位活塞7空套齒輪8齒條9固定插銷10活動插銷11推桿12觸頭轉(zhuǎn)位油缸復(fù)位10與9反靠周向定位，3與4錐面軸向定位7

9.1自動換刀裝置的形式二、更換主軸換刀

機(jī)床的主軸頭就是一個轉(zhuǎn)塔刀庫。

工作原理：將所需刀具的主軸轉(zhuǎn)到工作位置（由行程開關(guān)組實現(xiàn)主軸號的選定），同時接通主傳動。轉(zhuǎn)位動作：脫開主傳動；轉(zhuǎn)塔頭抬起；轉(zhuǎn)塔頭轉(zhuǎn)位；轉(zhuǎn)塔頭定位夾緊；主軸傳動重新接通。

TK-5525型數(shù)控轉(zhuǎn)塔式鏜銑床8

9.1自動換刀裝置的形式

二、更換主軸換刀特點:縮短換刀時間；提高了換刀可靠性；主軸數(shù)目會影響主軸系統(tǒng)的剛度。

適用機(jī)床：工序較少、精度要求不高的數(shù)控鉆床、銑床等TK-5525型數(shù)控轉(zhuǎn)塔式鏜銑床9

9.1自動換刀裝置的形式

三、更換主軸箱換刀類似組合機(jī)床，采用多主軸的主軸箱。

工作原理：主軸箱庫存若干備用主軸箱，由兩小車運輸。

適用場合：加工箱體類零件，可提高生產(chǎn)率。10

9.1自動換刀裝置的形式四、帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)

組成：刀庫、選刀機(jī)構(gòu)、刀具交換機(jī)構(gòu)、刀具在主軸上的自動裝卸機(jī)構(gòu)。

工作原理：

特點：

主軸剛性增強(qiáng)，有利于精密加工和重切削加工。

應(yīng)用廣泛

圖9－511

9.1自動換刀裝置的形式四、帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)

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9.2刀庫類型及刀具的選擇與識別

一刀庫形式刀庫是自動換刀裝置中主要部件之一，其容量及具體結(jié)構(gòu)對數(shù)控機(jī)床的設(shè)計有很大影響。根據(jù)刀庫所需要的容量、選刀及取刀方式，可以將刀庫設(shè)計成多種形式。

1．盤形刀庫

2．鏈?zhǔn)降稁?．格子式刀庫13

9.2刀庫類型及刀具的選擇與識別1．盤形刀庫盤形刀庫為最常用的一種形式，每一刀座均可存放一把刀具。盤形刀庫的儲存量一般為15~40把。

14當(dāng)需要更多數(shù)量的刀具時，可采用圖（e）所示的鼓輪彈倉式（又成刺猬式）刀庫，其結(jié)構(gòu)十分緊湊，在相同的空間內(nèi)，它的刀庫容量最大。圖(g)為多層盤形刀庫。它們雖然也具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點，但選刀和取刀的動作較多，故較少應(yīng)用。152．鏈?zhǔn)降稁爝@種刀庫是在環(huán)形鏈條上裝有許多刀座，其結(jié)構(gòu)有較大的靈活性，存放刀具的數(shù)量也較多，選刀和取刀動作十分簡單。當(dāng)鏈條較長時，可以增加支撐鏈輪數(shù)目，使鏈條折疊回饒，提高空間利用率。一般刀具數(shù)量在30~120把。163．格子式刀庫這種刀庫具有縱橫排列十分整齊的很多格子，每個格子中均有一個刀座，可儲存一把刀具，這種刀庫可將其單獨安置于機(jī)床外，由機(jī)械手進(jìn)行選刀及換刀。這種刀庫選刀及取刀動作復(fù)雜，應(yīng)用最少。

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二設(shè)計刀庫時應(yīng)考慮的主要問題

合理確定刀庫的容量盡量縮短選刀時間刀庫運動速度適宜刀庫運行平穩(wěn)刀庫在刀座中的排列其它18

9.3刀具的選擇方式按數(shù)控裝置的刀具選擇指令，從刀庫中挑選各工序所需要的刀具的操作，稱為自動換刀。目前有順序選擇和任意選擇兩種方式。19

1．順序選擇方式刀具的順序選擇方式是將刀具按加工工序的順序，依次放人刀庫的每一個刀座內(nèi)。每次換刀時，刀庫按順序轉(zhuǎn)動一個刀座的位置，并取出所需要的刀具。已經(jīng)使用過的刀具可以放回原來的刀座內(nèi)，也可以按順序放入下一個刀座內(nèi)。不需要刀具識別裝置，而且驅(qū)動控制也較簡單，可以直接由刀庫的分度來實現(xiàn)。因此，刀具的順序選擇方式具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠等優(yōu)點。更換不同工件時，須重新排列刀庫中的刀具順序。刀庫中的刀具在不同的工序中不能重復(fù)使用，相應(yīng)地增加了刀具的數(shù)量和刀具的容量，降低了刀具和刀庫的利用率。此外，裝刀時必須十分謹(jǐn)慎，如果刀具不按順序裝在刀庫，將會造成嚴(yán)重事故。20

2．任意選擇方式采用任意選擇方式的自動換刀系統(tǒng)中必須有刀具識別裝置。這種方式是根據(jù)程序指令的要求來選擇所需要的刀具，刀具在刀庫中不必按照工件的加工順序排列，可任意存放。每把刀具（或刀座）都編上代碼，自動換刀時，刀庫旋轉(zhuǎn)，每把刀具（或刀座）都經(jīng)過“刀具識別裝置”接受識別。當(dāng)某把刀具的代碼與數(shù)控指令的代碼相符合時，該把刀具被選中，并將刀具送到換刀位置，等待機(jī)械手來抓取。優(yōu)點：刀庫中刀具的排列順序與工件加工順序無關(guān)，相同的刀具可重復(fù)使用。因此，刀具數(shù)量比順序選擇法的刀具可少一些，刀庫也相應(yīng)的小一些。21任意選擇法須對刀具編碼，編碼方式主要有三種：

（1）刀具編碼方式

（2）刀座編碼方式（3）編碼附件方式22（1）刀具編碼方式

這種方式是采用特殊的刀柄結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼。由于每把刀具都有自己的代碼，因此，可以存放于刀庫的任一刀座中。刀庫中的刀具在不同的工序中也就可重復(fù)使用，用過的刀具也不一定放回原刀座中，這對裝刀和選刀都十分有利，刀庫的容量也可相應(yīng)地小減小，而且還可避免由于刀具存放在刀庫中的順序差錯而造成的事故。

23（1）刀具編碼方式

刀具編碼的具體結(jié)構(gòu)如圖所示。在刀柄1后端的拉桿4上套裝著等間隔的編碼環(huán)2，由鎖緊螺母3固定。編碼環(huán)既可以是整體的，也可由圓環(huán)3組成。編碼環(huán)直徑有大小兩種，大直徑的為二進(jìn)制的“1”，小直徑為“0”。通過這兩種圓環(huán)的不同排列，可以得到一系列代碼。例如由六個大小直徑的圓環(huán)便可組成能區(qū)別63種刀具的代碼。24

（2）刀座編碼方式

這種編碼方式對刀庫中每個刀座都進(jìn)行編碼，刀具也編號，并將刀具放到與其號碼相符合的刀座中。換刀時刀庫旋轉(zhuǎn)，使各個刀座依次經(jīng)過識刀器，直至找到規(guī)定的刀座，刀庫便停止旋轉(zhuǎn)。由于這種編碼方式取消了刀柄中的編碼環(huán)，使刀柄結(jié)構(gòu)大為簡化。在自動換刀過程中必須將用過的刀具放回原來的刀座中，增加了換刀的動作。刀座編碼的突出優(yōu)點是刀具在加工過程中可以重復(fù)使用。

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（2）刀座編碼方式

圖9－16所示為圓盤刀庫的刀座編碼裝置。在圓盤的圓周上均布若干個刀座，起外側(cè)邊緣上裝有相應(yīng)的刀座編碼塊1，在刀庫的下放裝有固定不動的刀座識別裝置2。刀座編碼的識別與上述刀具編碼的識別原理完全相同。26

（3）編碼附件方式

編碼附件方式可分為編碼鑰匙、編碼卡片、編碼桿和編碼盤等。應(yīng)用最多的是編碼鑰匙。這種方式是先給刀具都縛上一把表示該刀具號的編碼鑰匙，當(dāng)把個刀具放入刀庫中時，識別裝置可以通過識別刀具上的號碼來選取該鑰匙旁邊的刀具。27

（3）編碼附件方式鑰匙的兩邊最多可帶有22個方齒，圖中除導(dǎo)向用的兩個方外，共有20個圖中可區(qū)別9999刀具。鑰匙沿著水平方向的鑰匙縫插入鑰匙孔座，然后順時針方向旋轉(zhuǎn)90度，處于鑰匙代碼突起6的第一彈簧片5被撐起，表示代碼“1”，處于代碼凹處的第二彈簧片3保持原狀，表示代碼“0”。由于鑰匙上每個凹凸部分的旁邊均有相應(yīng)的炭刷4或1，故可將鑰匙各個凸凹部分識別出來，即識別出相應(yīng)的刀具。28

（3）編碼附件方式這種編碼方式稱為臨時性編碼，因為從刀座中取出刀具時，刀座中的編碼鑰匙也取出，刀庫中原來編碼隨之消失。因此，這種方式具有更大的靈活性。采用這種編碼方式用過的刀具不必放回原來的刀座。29

三、刀具（刀座）識別裝置刀具識別裝置是可任意選擇刀具的自動換刀系統(tǒng)中重要組成部分，常用的有以下幾種。

1．接觸式刀具識別裝置2．非接觸式刀具識別裝置3.利用PC(可編程控制器)實現(xiàn)隨機(jī)換刀301．接觸式刀具識別裝置識別原理如圖9－19所示。編碼環(huán)4大直徑的環(huán)表示二進(jìn)制的“1”，小直徑的環(huán)為“0”，刀具識別裝置2，觸針3，每個觸針與應(yīng)該繼電器相聯(lián)，當(dāng)各繼電器讀出的數(shù)碼與所選刀具的編碼一致時，由控制裝置發(fā)出信號，使刀庫停轉(zhuǎn)，等待換刀。特點：結(jié)構(gòu)簡單，觸針有磨損，故壽命較短，可靠性較差，且難于快速選刀。312．非接觸式刀具識別裝置非接觸式刀具識別裝置沒有機(jī)械直接接觸，因而無磨損、無噪聲、壽命長、反應(yīng)速度快。適應(yīng)于高速、換刀頻繁的工作場合。常用的有磁性識別和光電識別法。32非接觸式磁性識別法

利用磁性材料和非磁性材料感應(yīng)強(qiáng)弱不同，通過感應(yīng)線圈讀取代碼。圖9－20所示為一種用于刀具編碼的磁性識別裝置。編碼環(huán)4，檢測線圈6。一次線圈5中輸入交流電壓時，如編碼環(huán)為導(dǎo)磁材料，則磁感應(yīng)較強(qiáng)，在二次線圈7中產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓。當(dāng)編碼的號碼與指令刀號相符時，控制電路發(fā)出信號。使刀庫停止運轉(zhuǎn)，等待換刀。33非接觸式光電識別法－－光學(xué)纖維刀具識別裝置這種裝置利用光導(dǎo)纖維良好的光傳導(dǎo)特性，采用多束光導(dǎo)纖維構(gòu)成閱讀頭。用靠近的二束光導(dǎo)纖維來閱讀二進(jìn)制碼的一位時，其中一束將光源投射到能反光或不能反光(被涂黑)的金屬表面，另一束光導(dǎo)纖維將反射光送至光電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成電信號，以判斷正對這二束光導(dǎo)纖維的金屑表面有無反射光，有反射時(表面光亮)為“1”，無反射時(表面涂黑)為“o”，如圖9—22(b)所示。光信號比電信號具有更高的抗干擾能力。光導(dǎo)纖維可任意彎曲，這結(jié)機(jī)械設(shè)計、光源及光電轉(zhuǎn)換元件的安裝都帶來很大的方便。因此，這種識別方法很有發(fā)展前途。343.利用PC(可編程控制器)實現(xiàn)隨機(jī)換刀

刀庫上的刀具能與左袖上的刀具任意地直接交換，即隨機(jī)換刀。主軸上換來的新刀