第六章 數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置

1、第六章數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀裝置第一節(jié)自動(dòng)換刀裝置形式數(shù)控機(jī)床必須有自動(dòng)換刀裝置，以便一次完成多個(gè)或所有加工工藝，從而縮短輔助時(shí)間，減少多次安裝工件所產(chǎn)生的錯(cuò)誤。數(shù)控車床的旋轉(zhuǎn)刀架是一種簡單的自動(dòng)換刀裝置。區(qū)別在于，多工序數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)后，逐步開發(fā)和改進(jìn)各種旋轉(zhuǎn)刀具的自動(dòng)刀具交換裝置，擴(kuò)大刀具交換量，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的刀具交換操作。自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床中自動(dòng)換刀的基本要求包括短換刀時(shí)間、高重復(fù)位置、足夠的刀具存儲(chǔ)容量、小地板面積和安全可靠度等。各種CNC機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置的結(jié)構(gòu)取決于機(jī)床的形式、工藝范圍、刀具種類和數(shù)量。預(yù)設(shè)類型為：一、刀架交換旋轉(zhuǎn)刀架是數(shù)控車床常用的最簡單的自動(dòng)換刀裝置之一。您可以設(shè)計(jì)為各種形

2、式，例如四方刀架、六角刀架或圓盤軸向刀架。旋轉(zhuǎn)刀架中至少安裝4個(gè)刀具和6個(gè)刀具，并根據(jù)NC裝置的命令進(jìn)行刀具交換。旋轉(zhuǎn)刀架必須具有良好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，才能承受粗加工時(shí)的切削阻力。由于車削加工精度取決于刀尖位置，因此對(duì)于CNC車削，在加工過程中不會(huì)手動(dòng)調(diào)整刀具位置，因此，選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)更為必要，以便旋轉(zhuǎn)刀架在每個(gè)旋轉(zhuǎn)位置后具有盡可能高的重復(fù)定位精度(通常為0.001到0.005mm)。旋轉(zhuǎn)刀架的刀具交換運(yùn)動(dòng)通常包括刀架抬舉、刀架旋轉(zhuǎn)和刀架壓力等。旋轉(zhuǎn)刀架根據(jù)工作原理分為多種類型，如圖6-1所示。圖6-1a)示出了一種螺母提升刀架，其中電動(dòng)機(jī)通過彈簧安全離合器用蝸輪對(duì)驅(qū)動(dòng)螺母

3、，螺母抬起刀架，將上、下半板分開，然后將刀架旋轉(zhuǎn)到位，從而為信號(hào)螺母提供反轉(zhuǎn)鎖。圖6-1旋轉(zhuǎn)刀架類型和工作原理圖6-1b)顯示使用十字型車輪旋轉(zhuǎn)刀柄，鎖定卡扣(也添加了定位銷)，大頭針每星期旋轉(zhuǎn)四分之一圈(也可能設(shè)計(jì)為6個(gè)位置等)。如圖6-1c)所示，凸臺(tái)桿刀架和蝸輪相對(duì)于上凸輪臺(tái)驅(qū)動(dòng)下凸輪臺(tái)，分離上下齒輪輪，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，棘輪機(jī)構(gòu)將刀架轉(zhuǎn)動(dòng)90，然后使用接觸開關(guān)或孔元件發(fā)送電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)信號(hào)，再次鎖定刀架。圖6-1d)顯示了使用具有10kN左右拉力的線圈鎖定轉(zhuǎn)塔位置的電磁轉(zhuǎn)塔。圖6-1e)示出了使用擺動(dòng)閥芯、百分表、帶小液壓缸的擺動(dòng)液壓缸控制刀架旋轉(zhuǎn)的液壓刀架。爪驅(qū)動(dòng)刀架旋轉(zhuǎn)，小液壓缸向下擰緊，產(chǎn)生

4、10kN以上的拉力。這個(gè)刀架的特點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)可靠，能進(jìn)一步提高拉力。但是液壓元件很難制造，缺點(diǎn)是需要更多有液壓油泄漏和發(fā)熱問題的液壓系統(tǒng)。圖6-2顯示了適用于加工磁盤零件的CNC車床的六邊形旋轉(zhuǎn)刀架。這個(gè)刀架的整體運(yùn)動(dòng)是通過以下刀具交換過程，通過電磁方向閥和順序閥由液壓系統(tǒng)控制的。(1)撬起。在Cnc設(shè)備中執(zhí)行“刀具交換”命令時(shí)，壓力油由a進(jìn)入壓縮液壓缸的下部，活塞上升，刀柄抬起，位置活動(dòng)閂鎖與固定銷分離。活塞桿底部的端齒離合器與空套齒輪相結(jié)合。圖6-2數(shù)控車床六角旋轉(zhuǎn)刀架(2)刀架轉(zhuǎn)移。當(dāng)?shù)都芴饡r(shí)，壓力油從c孔旋轉(zhuǎn)到液壓缸左腔，活塞向右移動(dòng)，通過連接板驅(qū)動(dòng)機(jī)架，空套筒齒輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，通過端齒離

5、合器旋轉(zhuǎn)到60?；钊男谐瘫仨毜扔邶X輪節(jié)圓周長的六分之一，并由限位開關(guān)控制。(3)刀架繃緊。在轉(zhuǎn)塔旋轉(zhuǎn)后，壓力油從b孔進(jìn)入壓縮液壓缸的上腔，活塞使轉(zhuǎn)塔體脫落。圓柱機(jī)箱正確安裝有6個(gè)楔形的圓柱固定閂鎖，使用活動(dòng)針消除定位銷和孔之間的間隙，然后進(jìn)行重新定位。轉(zhuǎn)塔主體下落時(shí)，定位活動(dòng)銷將與其他固定銷牢固固定，圓柱與壓力板的圓錐接觸，轉(zhuǎn)塔將在新位置定位并壓縮。此時(shí)，端齒離合器與空套齒輪分離。(4)位移液壓缸復(fù)位。刀架被壓后，壓力油從d孔進(jìn)入旋轉(zhuǎn)圓柱的右腔，活塞驅(qū)動(dòng)齒條復(fù)位。此時(shí)，端齒離合器分離了，因此齒條驅(qū)動(dòng)齒輪在軸上進(jìn)行空轉(zhuǎn)。如果定位和壓縮運(yùn)動(dòng)正常，杠桿與相應(yīng)接觸頭接觸，發(fā)出刀具交換過程結(jié)束的信號(hào)，

6、則可以繼續(xù)切削。旋轉(zhuǎn)刀架除了可以使用液壓缸驅(qū)動(dòng)器和定位銷位置外，還可以使用電動(dòng)機(jī)-馬爾科夫機(jī)構(gòu)和鼠標(biāo)磁盤定位和其他定位機(jī)制。圖6-3更換主軸二、主軸交換主軸交換器有旋轉(zhuǎn)刀更簡單的數(shù)控機(jī)床用刀的方法。這個(gè)主軸頭實(shí)際上是如圖6-3所示，這是刀架庫。主軸頭水平和垂直。主軸頭通常用刀架的位替換，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)工具交換。在塔架的每個(gè)部分主軸預(yù)安裝了每個(gè)工序所需的旋轉(zhuǎn)刀具，當(dāng)運(yùn)行“改變刀具”命令時(shí)，每個(gè)主軸頭依次移動(dòng)到加工位置，并連接主運(yùn)動(dòng)，以便相應(yīng)的主軸驅(qū)動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)。其他未加工的主軸與主運(yùn)動(dòng)分離。更換主軸更換單元可節(jié)省自動(dòng)松、夾、卸、工具和工具搬運(yùn)等一系列復(fù)雜任務(wù)，縮短了刀具更換時(shí)間，提高了刀具更換的可靠性。

7、但是，由于空間位置的限制，主軸部件結(jié)構(gòu)尺寸不能太大，從而影響主軸系統(tǒng)的剛度。要保證主軸的剛度，必須限制主軸的數(shù)量。否則，結(jié)構(gòu)大小會(huì)增大。因此，刀架主軸頭通常只適用于工藝少、精度要求高的機(jī)床，例如數(shù)控鉆頭、銑床等。圖6-4更換主軸箱三、更換主軸箱某些數(shù)控機(jī)床使用多個(gè)主軸箱來實(shí)現(xiàn)刀具交換的目的，如圖6-4所示。主軸箱庫8懸掛備份主軸箱2 7。主軸箱兩端的導(dǎo)軌上裝有在主軸庫和機(jī)床動(dòng)力頭之間搬運(yùn)主軸箱的同時(shí)工作的汽車和。根據(jù)加工要求，首先選擇需要的主軸箱，當(dāng)兩輛車用相應(yīng)的主軸箱操作時(shí)，推至手推車I，手推車I同時(shí)移動(dòng)到主軸箱和手推車兩個(gè)機(jī)床動(dòng)力頭的更換位置。一個(gè)工序完成后，動(dòng)力頭帶主軸1上升到更換位置，

8、夾緊機(jī)構(gòu)松開主軸1，定位銷從定位孔拉出，推桿機(jī)構(gòu)將主軸1推至第二級(jí)上，同時(shí)將車的備用主軸推至機(jī)器動(dòng)力頭，進(jìn)行定位。同時(shí)，兩輛車回到主軸庫，停在下一個(gè)要更換的主軸箱旁邊的空白處。也可以通過機(jī)器人10在庫存9和主軸1之間進(jìn)行刀具交換。這種工具交換可以提高加工箱子等零件的生產(chǎn)率。四、自動(dòng)刀具交換系統(tǒng)此類刀具交換設(shè)備由刀具庫、刀具選取機(jī)構(gòu)、刀具交換機(jī)構(gòu)和主軸上刀具的自動(dòng)加載和卸載機(jī)制組成，使用最廣泛。圖6-5顯示了刀具庫安裝在機(jī)床工作臺(tái)上(或列)的CNC機(jī)床的樣子。圖6-5刀具庫和加工刀具是一體式CNC機(jī)床也是6-6刀具庫和加工刀具是分型CNC機(jī)床圖6-6顯示了CNC機(jī)床的外形，刀具庫安裝在機(jī)床外部，

9、成為一個(gè)單獨(dú)的零件。刀具庫的容量較大，因此刀具較重，并且附加刀具以完成刀具庫和主軸之間的刀具運(yùn)輸。具有刀具庫的自動(dòng)刀具交換系統(tǒng)的整個(gè)刀具交換過程更為復(fù)雜。首先，在標(biāo)準(zhǔn)刀柄上單獨(dú)安裝要在加工過程中使用的所有刀具，在機(jī)床外預(yù)先調(diào)整尺寸，然后將其插入到刀具庫中。交換刀具時(shí)，根據(jù)“選擇刀具”(select tool)命令，從刀具庫中選擇刀具，由刀具交換機(jī)從刀具庫和主軸中取出刀具，32此自動(dòng)刀具交換系統(tǒng)需要增加刀具的自動(dòng)夾緊、機(jī)構(gòu)松弛、刀具庫運(yùn)動(dòng)和定位機(jī)制，并且經(jīng)常需要清洗刀柄和刀具孔、刀具庫的設(shè)備，因此結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。刀具更換過程動(dòng)作多，刀具更換時(shí)間長。影響工具更換工作可靠性的因素也很多。要縮短刀具交換

10、時(shí)間，可以使用具有刀具庫的雙主軸或多主軸刀具交換系統(tǒng)，如圖6-7所示。圖中顯示了當(dāng)水平方向的主軸位于加工位置時(shí)，替換刀具的主軸位于刀具交換位置，并由刀具交換機(jī)預(yù)先替換，完成此過程后，旋轉(zhuǎn)刀頭將旋轉(zhuǎn)并交換主軸(即刀具交換)。此刀具交換方法的大部分刀具交換時(shí)間與加工時(shí)間一致，只需轉(zhuǎn)動(dòng)塔的頭旋轉(zhuǎn)時(shí)間，因此刀具交換時(shí)間短，刀架的主軸數(shù)量少，有助于提高主軸的結(jié)構(gòu)剛度，提高刀具庫的刀具圖6-7更換雙主軸頭刀具此外，還可以增加用于多工序加工的數(shù)量。利潤。但是，這種刀具交換方法很難保證添加精密鏜孔操作所需的主軸精度。所以像這樣刀具交換方法主要用于鉆床，也可以使用銑削鏜床和數(shù)控復(fù)合機(jī)床。第二節(jié)刀庫第一，雜志的功

11、能刀具庫是自動(dòng)刀具交換設(shè)備中最重要的零件之一。刀具庫是加工刀具和輔助刀具的存儲(chǔ)位置。其容量、布置、具體結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)有很大影響。第二，刀的形式根據(jù)雜志的容量和餐飲方式，可以采用多種形式設(shè)計(jì)雜志。一般形式如下：(a)線性雜志刀具在刀具庫中以直線排列，如圖6-8a所示。結(jié)構(gòu)簡單，刀柄容量小，一般可安裝8-12個(gè)刀具，使用較少。此格式主要在自動(dòng)刀具交換CNC車床上找到，也在CNC鉆床上使用。(b)磁盤工具此形狀有6-8個(gè)(刀具較少)，50-60個(gè)(刀具較多)，其中有多個(gè)形狀。(1)圖6-8b)在所示的刀具庫中，刀具以徑向布局占用了大量空間，刀具庫位置受到限制，通常放置在機(jī)床支柱的頂部，刀具交換時(shí)

12、間縮短，從而使整個(gè)刀具交換裝置更簡單。(2)在圖6-8c所示的刀具庫中，刀具軸方向布局經(jīng)常位于主軸側(cè)。磁帶倉軸心線可以垂直或水平放置，這種形式使用較多。(3)在圖6-8d所示的刀具庫中，刀具采用與刀具庫軸線成角度(小于90)的傘形結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)機(jī)床的整體布局要求定位刀具庫的位置，并以更大的角度放置在支柱頂部，刀具庫容量不應(yīng)太大。這三個(gè)磁盤刀具庫的刀具保留量為50-60個(gè)，刀具保留量太大，結(jié)構(gòu)大小太大，與加工刀具布局不匹配。為了進(jìn)一步擴(kuò)展刀具存儲(chǔ)量，還有使用多圓分布刀具的磁盤庫的機(jī)器，如圖6-8e所示。多層磁盤磁帶倉，如圖6-8f所示；多行磁盤磁帶倉，如圖6-8g所示。幸運(yùn)的是，每排磁盤雜志有4

13、把刀，整排可更換。最后三種形式的刀具庫使用較少。圖6-8各種形式的雜志(c)連鎖雜志鏈庫是更常見的形式。這種雜志魔術(shù)棒固定在環(huán)狀鏈條上。常用單行鏈庫，如圖6-8h所示。此刀具庫使用擴(kuò)展鏈向后折疊鏈(如圖6-8i所示)以提高空間利用率，并進(jìn)一步增加存儲(chǔ)量。鏈條雜志的結(jié)構(gòu)緊湊，容量大的雜志，鏈條的形狀可以根據(jù)機(jī)床的布局，做成各種形狀。為了方便刀具交換，刀具交換也可以引人注目。如果需要在一定范圍內(nèi)增加刀具數(shù)，則可以在不增加鏈輪直徑的情況下增加鏈的長度。因此，您可以不增加鏈輪的圓周速度(鏈線速度)，而不考慮刀具庫運(yùn)動(dòng)慣性的增加。它們?yōu)橐幌盗械毒邘斓脑O(shè)計(jì)和制造提供了很多方便。通常，對(duì)30到120個(gè)刀具數(shù)

14、量使用鏈庫。(d)其他雜志刀的形式還有很多，值得一提的是格子框刀。圖6-8j)是單面形式，布局不靈活，因此刀具庫通常放置在工作臺(tái)上，應(yīng)用較少。圖6-8k)顯示了多面方法，該方法通常在使用前手柄加工工件時(shí)提前取出要替換的刀具，以減少刀具更改時(shí)間(CNC系統(tǒng)必須具有此功能)。此刀具庫的安裝空間小，結(jié)構(gòu)緊湊，可容納的刀具數(shù)更多。但是，由于此處刀具和刀具的選擇很復(fù)雜，因此獨(dú)立加工中心不再使用它們，而是更多地用于柔性制造系統(tǒng)(FMS)的集中加工系統(tǒng)。圖6-9加工工件與刀具數(shù)量的關(guān)系第三，雜志的容量刀具庫中的刀具越多，越不好容量太大可能會(huì)增加雜志的大小和占用空間畫板面積，增加刀具選擇時(shí)間。刀柄的容量首先要

15、考慮加工技術(shù)的必要性。基于鉆孔、銑削的垂直加工中心所需刀具數(shù)的統(tǒng)計(jì)，繪圖6-9顯示的曲線。曲線有10個(gè)孔機(jī)床可完成70%鉆孔工藝，4個(gè)銑削刀具可完成90%銑削工藝。您可以看到，14個(gè)刀具可以完成70%以上的鉆孔和銑削。計(jì)算已完成作業(yè)中加工作業(yè)的整個(gè)作業(yè)，大部分超過80%的工件只需要40個(gè)工具即可完成整個(gè)加工程序。因此，從使用角度來看，刀的容量一般為10-40，盲目增加刀的容量會(huì)降低刀的利用率，結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，造成很多浪費(fèi)。第三節(jié)刀具系統(tǒng)和刀具選擇一、刀具系統(tǒng)機(jī)床中使用的刀具不是機(jī)床的一部分，但對(duì)于加工功能，它是機(jī)床不可缺少的一部分，提高CNC機(jī)床的利用率和工作效率的刀具是選擇適合高速切削的刀具材料

16、和使用可轉(zhuǎn)位刀片的重要因素。刀具通常使用標(biāo)準(zhǔn)刀具系統(tǒng)在刀具上快速定位夾具。機(jī)床中使用的具有自動(dòng)刀具交換設(shè)備(如Cnc車床、加工中心等)的刀具，刀具與主軸連接部分和切削刀具部分已標(biāo)準(zhǔn)化并序列化。我國在20世紀(jì)70年代開發(fā)了鏜銑床的TSG刀具系統(tǒng)和刀架標(biāo)準(zhǔn)(草案)。TSG刀具系統(tǒng)的刀柄標(biāo)準(zhǔn)分為兩類：直柄和7: 24錐度的錐形刀柄。直線手柄適用于圓柱主軸孔，錐形手柄適用于圓錐主軸孔。在TSG刀具系統(tǒng)中，還設(shè)計(jì)了各種錐形刀柄連接長桿和各種直柄長桿。二、刀具選取方法根據(jù)在Nc設(shè)備上執(zhí)行的刀具交換命令，刀具交換機(jī)會(huì)將刀具庫中所需的刀具轉(zhuǎn)換到稱為“自動(dòng)刀具選取”的拾取位置。自動(dòng)選取刀具通常有順序選取和隨機(jī)選

17、取方法。(a)按順序選擇刀具刀具按加工過程的順序按順序放置在每個(gè)刀具清單上。每次更換刀時(shí)，刀柄會(huì)按順序旋轉(zhuǎn)刀具清單位置，并移除所需的刀具。已使用的刀具可放回原始刀具清單中，或按順序放入下一刀具清單中。這種類型的刀具庫不需要刀具識(shí)別設(shè)備，驅(qū)動(dòng)控制簡單，可以通過庫的索引機(jī)制直接執(zhí)行。因此，刀具的順序選擇方法具有結(jié)構(gòu)簡單、操作可靠的優(yōu)點(diǎn)。但是，由于刀具不能在其它進(jìn)程中重復(fù)使用，因此必須相應(yīng)地增加刀具數(shù)和庫的容量，以降低刀具和庫的利用率。此外，刀具庫中刀具的順序不正確可能導(dǎo)致設(shè)備或質(zhì)量事故，因此手動(dòng)刀具安裝工作應(yīng)非常小心。(b)選取任意刀具此方法是根據(jù)使用所有選取方法的自動(dòng)刀具交換系統(tǒng)中必須具有刀具識(shí)別設(shè)備的過程命令來選取所需的刀具。刀具可以按加工順序任意保存，而不必在刀具庫中排列。當(dāng)自動(dòng)交換刀具時(shí)，每個(gè)刀具(或刀柄)都會(huì)旋轉(zhuǎn)刀具庫，并且每個(gè)刀具(或刀柄)都會(huì)被識(shí)別為刀具識(shí)別設(shè)備。如果刀具代碼與NC命令的代碼匹配，則選取刀具，將刀具發(fā)送到刀具更改位置，并等待捕捉操縱器。隨機(jī)選擇刀具方法的優(yōu)點(diǎn)在于刀具庫中刀具的排序順序可以重復(fù)使用同一刀具，而與工件加工順序無關(guān)。因