数控加工系统的自动换刀装置

第二节数控加工系统的自动换刀装置为了进一步提高数控机床的加工效率，数控机床向着工件在一台机床上经一次装夹可完成多道工序或全部工序加工的方向发展，从而出现了各种类型的加工中心机床和车削中心机床。

这类机床为了完成不同工序的加工工艺，需使用多种刀具，因此必须有自动换刀装置。

自动换刀装置应满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀具储存量足够、结构紧凑及安全可靠等要求。

各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀种类和数目。

目前数控机床使用的自动换刀装置主要有转塔式自动换刀和刀库式自动换刀二种。

一、转塔式自动换刀装置转塔式自动换刀装置又分回转刀架式和转塔头式二种，回转刀架式用于各种数控车床和车削中心机床。

转塔头式多用于数控钻、镗、铣床。

（一）回转刀架换刀回转刀架换刀是一种简单的自动换刀装置。

在回转刀架各刀座安装或夹持各种不同用途的刀具，通过回转刀架的转位实现换刀。

回转刀架可在回转轴径向和轴向安装刀具。

在数控车床上，回转刀架和其上的刀具布置大致有：（1）一个回转刀架，外圆类、内孔类刀具混合放置，如图6-10所示。

（2）两个回转刀架，分别布置外圆和内孔类刀具。

如图6-11所示，上刀架的回转轴与主轴平行，用于装外圆类刀具；下刀架的回转轴与主轴垂直，用于装内孔类刀具。

图6-11 带有两个回转刀架的数图6-12 双排回转刀架外形图控车床（3）一个回转刀架，外圆类、内孔类刀具分别布置在刀架的一侧面，如图6-12所示。

回转刀架的回转轴与主轴倾斜，每个刀位上可装两把刀具，用于加工外圆和内孔。

回转刀架的工位数最多可达20余个，但最常用的是8、10、12和16工位4种。

工位数越多，刀间夹角越小，非加工位置刀具与工件相碰而产生的干涉可能性越大；在刀架布刀时要给予考虑，避免发生干涉现象。

回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时切削抗力和减小刀架在切削力作用下的位移变形，提高加工精度。

回转刀架还要选择可靠的定位方案和定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后具有高的重复定位精度。

图6-13是CK3263系列数控车床回转刀架结构简图。

刀架的升起、转位、夹紧等动作都是由液压驱动的。

其工作过程是：当数控装置发出换刀指令以后，液压油进入液压缸1的右腔，通过活塞推动中心轴2将刀盘3左移，使定位副端齿盘4和5脱离啮合状态，为转位作好准备。

齿盘处于完全脱开位置时，行程开关 ST2发出转位信号，液压马达带动转位凸轮6旋转，凸轮依次推动回转盘7上的分度往销8使回转盘通过键带动中心轴及刀盘作分度转动。

凸轮每转过一周拨过一个柱销，使刀盘旋转一个工位1/n周(n为刀架工位数，也等于柱销数)。

中心轴的尾端固定着一个有n个齿的凸轮，每当中心轴转过一个工位时，凸轮压合计数开关ST1一次，开关将此信号送入控制系统。

当刀盘旋转到预定工位时，控制系统发出信号使液压马达刹车，转位凸轮停止运动，刀架处于预定位状态。

与此同时液压缸1左腔进油，通过活塞将中心轴和刀盘拉回，端齿盘啮合，刀盘完成精定位和夹紧动作。

刀盘夹紧后中心轴尾部将ST2压下发出转位结束信号。

端齿盘的制造精度和装配精度要求较高，以保证转位的分度精度和重复定位精度。

刀盘转位驱动采用圆柱凸轮步进传动机构，其工作原理如图6-14所示。

圆柱凸轮是在圆周面上加工出一条二端有头的凸轮轮廓。

从动回转盘端面有多个柱销，柱销数量与工位数相等。

按图中所示旋转时，B销先进入凸轮轮廓的曲线段，这时凸轮开始驱动回转盘转位，与此同时A销与凸轮轮廓脱开，当凸轮转过180°时，B销接触的凸轮轮廓由曲线段过渡到直线段，同时与B销相邻的C销开始与凸轮的直线轮廓的另一侧面接触，凸轮继续转动，回转盘不动，刀架处于预定位状态。

由于凸轮是一个两端开口的非闭合曲线轮廓，所以凸轮正反转时均可带动回转盘作正反方向的旋转。

因此，这种刀架可通过控制系统中的逻辑电路来自动选择刀盘回转方向，以缩短转位时间，提高换刀速度。

(二)转塔头式换刀使用旋转刀具的数控机床采用转塔头转位更换主轴头。

这种机床的主轴头就是转塔头，在转塔的各主轴头上，根据加工的工序预先安装所用刀具，转塔依次转位，就可以实现自动换刀。

主轴头有卧式和立式两种，工作时只有位于加工位置的主轴头才与主运动接通，而其它处于不加工位置的主轴都与主运动脱开。

图6-15 TK-5525型数控转塔式镗铣床如图6-15所示是TK-5525型数控转塔式镗铣床的外观图，八方形转塔头上装有八根主轴。

转塔头的转位由槽轮机构采实现，其结构如图6-16所示。

转塔头的转位过程为：（1）脱开主轴传动油缸4卸压，弹簧推动齿轮1与主轴上的齿轮12脱开。

（2）转塔头抬起当齿轮1脱开后，固定在其上的支板接通行程开关3。

控制电磁阀，使液压油进入油缸5的左腔，油缸活塞带动转塔头向右移动，直至活塞与油缸端部相接触，固定在转塔头体上的鼠牙盘10便脱开。

（3）转塔头转位当鼠牙盘脱开后，行程开关发出信号启动转位电机，经蜗杆8和蜗轮6带动槽轮机构的主动曲拐使槽轮11转过45°。

并由槽轮机构的圆弧槽来完成主轴头的分度位置粗定位。

主轴号的选定是通过行程开关组来实现。

若处于加工位置的主轴不是所需要的，转位电机继续回转，带动转塔头间歇地再转45°，直至选中主轴为止，主轴选好后。

由行程开关7关停转位电机。

（4）转塔头定位压紧通过电磁阀使压力油进入油缸5的右腔，转塔头向左返回，由鼠牙盘10精定位。

并利用油缸5右腔的油压作用力，将转塔头可靠地压紧。

（5）主轴传动重新接通由电磁阀控制压力油进入油缸4，压缩弹簧使齿轮 1与主轴上的齿轮12啮合。

此时转塔头转位、定位动作全部完成。

这种换刀装置的优点在于省去了自动松、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。

但由于空间位置的限制，使主轴部件结构不能设计得十分坚实，因而影响了主轴系统的刚度。

为了保证主轴的刚度，必须限制主轴数目，否则将使结构尺寸大大增加。

由于这些结构上的原因，因此转塔主轴头通常只适应于工序较少，精度要求不太高的机床。

二、刀库式自动换刀装置刀库式自动换刀装置是由刀库和刀具交换机构组成，目前它是多工序数控机床上应用最广泛的换刀方法。

刀库用来储存刀具，刀库可装在主轴箱上、或工作台上、或装在机床的其它部件上。

有的自动换刀装置因刀库距主轴较远，还需要增加中间搬运装置。

选刀时，刀具交换机构根据数控指令从刀库中选出所指定的刀具，然后从刀库和主轴（或刀架）取出刀具，并进行交换；将新刀装入主轴（或刀架），把用过的旧刀放回刀库。

在具有刀库的加工中心上，其换刀方式又可按有、无机械手分为：有机械手换刀和无机械手换刀两类。

此外，刀库还因存储刀具容量不同，安置于机床的位置不同，为保证换刀动作的准确可靠、相互协调等，已出现了许多种不同类型的换刀系统。

就是说刀库——机械手形式的自动换刀系统中，组合的类型很多，这里仅对最常用又典型的几种结构类型作出介绍。

（一）无机械手的换刀系统图6-17 无机械手换刀系统的换刀过程（点击看动画）换刀系统要实现的是刀库和主轴之间的自动刀具交换，即当加工中心运行中，需要某一刀具进行切削加工时，要把该刀具自动地从刀库交换到主轴上，切削完毕又将用过的切削刀具从主轴自动归还刀库。

在有机械手换刀系统中，上一过程由机械手夹持刀具来完成，而在无机械手换刀系统中，就要求把刀库安置在主轴箱可以运动到的位置，或者是整个刀库或某一刀位移动到主轴箱可达到的位置。

刀库中刀具指向与主轴上装刀后刀具指向必须一致，在进行换刀时主轴运动到达刀库上的换刀位置，利用刀库动作对主轴进行刀具的装卸交换。

图6-17所示为一种卧式加工中心无机械手换刀系统的换刀过程。

换刀过程如下：在图6-17中当上一工序结束后，主轴准停，主轴箱．做上升运动（图a）；主轴箱到达换刀位置，上一把刀具进入刀库交换刀具的空位，刀具被刀库夹紧，主轴松刀（图b）；刀库夹住刀具推出前移，对主轴拔刀（图c）；刀库转位到指令的下一工序所要用的刀具位置，主轴孔吹气装置进行吹气清洗（图d）；刀库后退并缩回将新刀插入主轴孔，主轴的夹紧装置动作，把刀具夹紧（图e）；主轴箱离开换刀位置下行到工作位置，继续下一工序的切削（图f）。

图6-18 ZH5120型立式钻削中心外观图1-床身 2-主轴箱 3-立柱 4-数控柜 5-工作台 6-转塔式刀库 7-操纵盘图6-18为ZH5120型立式钻削中心外观图。

在立式钻削中心正前方的主轴箱上，设计了一个新颖的自动换刀装置，它是由一个不带机械手的转塔式刀库及自动换刀机构所组成。

图6-19自动换刀机构的工作原理图（点击看动画）换刀机构的工作原理如图6-19所示，可安装7把刀具的转塔式可旋转的刀库2，装在主轴箱1的小导轨上。

当在z轴零点以下进行切削加工时，刀库与主轴箱一起向下进行加工。

需要换刀时，主轴箱与刀库一起上升至Z轴零点以上的换刀区。

当主轴箱继续上升时，通过顶杆限制刀库的继续上升，而使刀库与主轴箱分离。

此时中空主轴内的刀具松紧装置已起作用，将刀柄3松开，实现拔刀动作。

当主轴箱再继续上升时，通过拉杆4及棘爪棘轮机构使刀库以一定方向回转1/7周，实现换刀动作。

此后，主轴箱自最高点开始下降，主轴与刀柄重新接合，实现插刀动作，并通过碟形弹簧拉紧刀柄。

无机械手换刀系统优点是结构简单，换刀可靠；缺点是刀库容量不大，换刀时间长。

此系统适合中小型加工中心采用。

（二）有机械手的换刀系统它是由刀库、机械手（有的加工中心还有运刀装置）结合共同完成自动刀具交换的，也是在加工中心上用得最为普遍的，比无机械手的换刀系统更灵活，其换刀时间可缩短到2s以下。

但由于有机械手的换刀系统，涉及到刀库位置和机械手的换刀动作不同时，其换刀的过程也不尽相同。

所以下面先对刀库和机械手的一些主要类型作出介绍。

1．刀库刀库是一个储存加工所需的各种刀具的仓库，加工中心的换刀位置都是设计成固定的，对应刀库上某一固定刀位，刀库要具备运送刀具，作分度运动达到换刀位置及准确定位的功能，才能使换刀可靠。

驱动刀库的动力可用电动机或液动机。

有时还要考虑变速机构。

对驱动的控制可选用简易定位装置，适用于一个轴的定位控制，并且是半闭环的伺服位置控制，也可选用普通的机电相结合的销定位方式。

（1）刀库的容量为保证加工工序范围尽量大、缩短加工的循环时间及增强加工能力，应着重考虑刀库主要特性，即储存刀具的数量、传送刀具的时间（包括分度运动时间）、储存刀具的直径和重量。

刀库大，自然存储刀具多。

庞大的刀库（如密集型的多层子母式刀库），一是结构复杂，二是对机床总体布局有影响。

至于在FMS（柔性制造系统）中所用的加工中心，由于加工工件复杂，原刀库所存放的刀具有时不能满足加工需要，采用了中央刀库的设计考虑予以解决。