2 机床设计(刀架设计2-5)

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2.8.1 机床刀架、自动换刀装置功能、类型和应满足的要求 1．机床刀架和自动换刀装置的功能 安放刀具的重要部件，许多刀架还直接参与切削工作。 2．机床刀架和自动换刀装置的类型 按安装刀具的数目分——单刀架、多刀架 按结构形式分——方刀架、转塔刀架、回轮式刀架 按驱动刀架转位的动力分——手动转位刀架和自动转位刀架 自动换刀装置的刀库和换刀机械手，都是采用电气或液压自 动实现驱动。 数控车床的自动换刀装置主要采用回转刀盘。
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2.8.2 机床刀架及其转位、定位机构设计
（一）机床上的刀架
刀架是机床的重要组成部分，用于夹持切削用的刀具， 许多刀架还直接参与切削工作——因此其结构直接影响 机床的切削性能和切削效率。
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图3-69 车床四方刀架
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图3-70 转塔车床加工实例
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图3-71 转塔刀架结构
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数控车床的刀架结构形式——排刀式刀架、转塔式刀架 （1）排刀式刀架：用于小规格数控车床，以加工棒料为主 图3-73。
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图3-79 数控车床上的自动换刀装置
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加工中心上刀库类型
图3-81
鼓轮式刀库
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链式刀库
格子箱式刀库
直线式刀库
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换刀机械手分为单臂单手式、单臂双手式和双手式
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3、机床刀架自动换刀装置应满足的要求 ①满足工艺过程所提出的要求； ②在刀架、刀库上牢固地安装刀具，精确调整刀具位置； ③刀架、刀库、换刀机械手都应有足够的刚度； ④可靠性高； ⑤刀架和自动换刀装置的换刀时间尽量短，提高生产率； ⑥操作方便和安全。
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②任意（随机）选刀 根据程序指令的要求任意选择所需要的刀具。换刀时，在刀 库运行的过程中由刀具识别装置找到所需的刀具，并由刀库 送至换刀位置，等待换刀。
特点： 通用性强，刀具在刀库中可任意存放，装刀简单；同一把刀 具可在不同工序使用，使刀具数量减少。
缺点：刀库的驱动控制较复杂。
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2.刀具的识别 采用任意（随机）选刀方式时，换刀装置应具有在刀库中查 找出所需的刀具的功能。识别方法有： （1）刀具编码法 刀柄上装有若干个厚度 相等、直径不同的大小 编码环，如用大环表示 二进制数“1”，小环 表示“0”，则这些环 的不同组合就可表示不 同的刀具，每把刀具便 都有自己确定的编码。
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刀具的识别装置：接触式和非接触式 ①接触式——其上有一排与编码环一一对应的触针，每个触针与 一个继电器相联。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”。
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②非接触式——利用磁性识别或光电识别。 图3-103为磁性识别：利用磁性材料和非磁性材料磁感应强弱 不同，通过感应线圈读取代码。编码环的直径相等，分别由 导磁材料和非导磁材料制成，规定前者编码为“l”，后者编 码为“0”。
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带转塔的钻 削中心的主 传动系统
转位换刀过程： 转位前—— 转位—— 转位后——
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3.主轴与刀库分离的自动换刀装置 带独立刀库的自动换刀装置→刀库、刀具交换装置、主轴 ①独立刀库 ②只有一根主轴→要求全部刀具具有统一的标准刀柄：
③主轴部件上应有自动装卸机构→保证刀具自动更换 ④刀库位置可灵活设置：放在侧面或上方 例 某卧式镗铣加工中心的主轴结构：
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（2）刀座编码法 将刀库上的每一个刀座 进行编码，得到每一刀 座的地址。 取刀时，控制系统根据 刀座地址号按优化原则 转动刀库，当检测装置 读出的地址与指令中的 取刀地址相同，刀库停 止，等待换刀。 换下的刀送回刀库时， 仍要送回到原来的刀座。 图3-104为刀座编码及其 识别：
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（3）软件记忆法 将刀库上的每一个刀座进行编码，得到每一刀座的地址，然后 将刀库中的每一个刀具再编一个刀具号，并且在控制系统内部 建立一个刀具数据表，将原始状态刀具在刀库中的“地址”一 一填入，并不得再随意变动。刀库上装有检测装置可以读出刀 库在换刀位置的地址。 取刀时，控制系统根据刀具号在刀具数据表中找出该刀具的地 址，按优化原则转动刀库，当检测装置读出的地址与指令中的 取刀地址相同，刀库停止，等待换刀。 换下的刀具送回刀库时，只要按优化原则送到任意空位即可， 控制系统会自动更新刀具数据表，并记住刀具的新位置地址。
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蜗杆、蜗轮副须采用采用单头双导程渐厚蜗杆消除蜗杆蜗轮的 啮合间隙：
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（三）定位机构设计 刀架的定位机构：圆锥销定位、端齿盘定位。 1．端齿盘定位结构 图3－78 由两个齿形相同的端面齿盘相啮合而成 2．端齿盘定位的特点 〓定位精度高 〓重复定位精度高 〓定位刚性好，承载能力大
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图3－78 端齿盘
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2.8.3 自动换刀装置的工作原理
自动换刀装置（Automatic Tool Changer——ATC） 1.回转刀架自动换刀装置 图3-75为电动回转刀架 图3-74为液压回转刀架（转塔式）
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2.主轴与刀库合为一体的自动换刀装置 通过转塔头转位更换主轴实现换刀，转塔头就是刀库
图3-132
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刀具夹头的结构
刀具装夹装置的动作
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2.8.4 自动选刀方式与刀具的识别
1、自动选刀方式 ①顺序选刀——所需刀具严格按工序的先后依次插放在刀库中， 使用时按加工顺序指令一一取用。 特点： 刀库驱动简单，工作可靠，不需要刀具识别装置。 缺点： 刀具装入刀库时必须仔细操作，换下的刀具放回刀库时仍要保 持原有的顺序；另外，每把刀只能用于一道工序的加工→刀 具数量增多。
机械制造装备设计
Mechanical Manufacture Equipment Design
金属切削机床设计
2.8 机床刀架和自动换刀装置设计
2.8.1 机床刀架和自动换刀装置的功能、类型和应满足的要求
2.8.2 机床刀架及其转位、定位机构设计
2.8.3 自动换刀装置的工作原理 2.8.4 自动选刀方式与刀具的识别
2．圆柱凸轮步进式转位机构 图3-76 ——转位速度高、运动特性 可以自由设计选取，但制造 较困难、成本较高、结构尺 寸较大。
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3．伺服电动驱动的刀架转位 图3－77 采用直流（或交流）伺服电动机驱动蜗杆、蜗轮（消除间隙） 实现刀架转位，转位的速度和角位移均可通过半闭环反馈进行 精确控制加以实现。
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（2）转塔式刀架 数控车床用12刀位 回转刀架结构图374： 刀架的夹紧和转位 都由液压油缸驱动 松开（二）机床刀架的转位结构设计 1．液压（或气动）驱动的活塞齿条齿轮转位机构 调速范围大、缓冲制动容易、转位速度可调、运动平稳、结构尺 寸较小、制造容易→应用较广泛。图3-71