机电设备装调技能(第2版)项目七

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2.2 经济型数控车床方刀架
经济型数控车床方刀架是在普通车床四方刀架的基础上发展的 一种自动换刀装置，其功能和普通四方刀架一样，有四个刀位， 能装夹4把不同功能的刀具，方刀架回转90°时，刀具交换一个刀 位，但方刀架的回转和刀位号的选择是由加工程序指令控制。换 刀时方刀架的动作顺序是：刀架抬起、刀架转位、刀架定位和夹 紧刀架。为完成上述动作要求，要有相应的机构来实现，下面就 以WZD4型刀架为例说明其具体结构，如图7.8。
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7.4.2 更换主轴箱换刀
有的数控机床像组合机床一样，采用多主轴的主轴箱， 利用更换主轴箱达到换刀的目的，如图7.28所示。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7.29所示。这种换刀方式主要用于钻床，也可用于铣 镗床和数控组合机床。
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(4)经常检查刀库的回零位置是否正确，检查机床主轴回换刀点位置是 否到位，并及时调整，否则不能完成换刀动作。
(7)要注意保持刀具刀柄和刀套的清洁。 (6)开机时，应先使刀库和机械手空运行，检查各部分工作是否正常， 特别是各行程开关和电磁阀能否正常动作。检查机械手液压系统的压力是否 正常，刀具在机械手上锁紧是否可靠，发现不正常时应及时处理。
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２．常用换刀机械手 (1)单臂双爪式机械手 这种机械手采用了液压装置，既要保持不漏油，又要保证机
械手动作灵活，而且每个动作结束之前均必须设置缓冲机构，以 保证机械手的工作平衡、可靠。
(2)双臂单爪交叉型机械手 (3)单臂双爪且手臂回转轴与主轴成47°的机械手 这种机械手换刀动作可靠，换刀时间短。缺点是刀柄精度要 求高，结构复杂，联机调整的相关精度要求高，机械手离加工区 较近。
项目七装调数控机床典型部件
第七章自动换刀装置
任务1 自动换刀装置的装调与检测 任务2 四工位刀架的装调与检测 任务3 六工位刀架的拆装与调试 任务4 归纳技术难点与注意事项
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任务1 自动换刀装置的装调与检测
7.1.1概述 1.1 ATC刀具自动交换
为进一步提高数控机床的加工效率，实现一次装夹即可完成多 道工序或全部工序加工的方向的发展需求，必须有自动换刀装置， 以便选用不同刀具，完成不同工序的加工工艺。自动换刀装置应当 具备换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具储备量、占地 面积小、安全可靠等特性。数控机床常用的自动换刀装置的类型、
各种数控车床，数控车削加工 中心
数控钻、镗、铣床
各种类型的自动换刀数控机床。 尤其是对使用回转类刀具的数 控镗、铣床类立式、卧式加工 中心机床。
要根据工艺范围和机床特 点，确定刀库容量和自动换刀 装置类型。
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图7.1 刀具编码方式
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图7.2 刀座编码方式
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1.3 识别装置
刀具（刀座）识别装置是自动换刀系统中重要组成部分，常 用的有下列几种。
1．接触式刀具识别装置 接触式刀具识别装置的结构简单，但由于触针有磨损，故寿 命较短，可靠性较差，且难于快速退刀。
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2.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 用的有磁性识别和光电识别。 （1）非接触式磁性识别法 （2）光学纤维刀具识别装置
特点、适用范围见表7-1。
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1.2 刀具的选择
按数控装置的刀具选择指令，从刀库中将所需要的刀具转换 到取刀位置，称为自动选刀。
在刀库中，选择刀具通常采用： 1．顺序选择刀具 2．任意选择刀具 任意选择法主要有三种编码方式 (1)刀具编码方式 (2)刀座编码方式 (3)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。
１．机械手的形式与种类 在自动换刀数控机床中，机械手的形式也是多种多样的，常 见的有如图7.17所示的几种形式： (1)单臂单爪回转式机械手 图a (2)单臂双爪摆动式机械手 图b (3)单臂双爪回转式机械手 图c (4)双机械手 图d (7)双臂往复交叉式机械手 图e (6)双臂端面夹紧机械手 图f
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3．手爪形式 (1)钳形手的杠杆手爪 这种手爪均为直线运动抓刀。 (2)刀库夹爪 刀库夹爪既起着刀套的作用，又起着手爪的作用。
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4．机械手结构原理 如图7.21机械手结构及工作原理如下：由于抓刀动作由机械机构 实现，且能自锁，因此工作安全可靠。 7．机械手的驱动机构 图7.22为机械手的驱动机构。图7.23为机械手臂和手爪结构图。
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3.2 设计刀库时应考虑的主要问题
1、合理确定刀库储存量 2、尽量缩短选刀时间 3、刀库运动速度应适宜 4、要求刀具运行平稳 7、刀座在刀库中的排列 6、其他应注意的问题 如刀具在刀座中应夹持可靠，刀库防尘、防屑及安全防护等问 题都必须考虑。
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3.3 机械手
这种换刀机构不需要机械手，结构简单、紧凑。由于交换刀 具时机床不工作，所以不会影响加工精度，但会影响机床的生产 效率。其次因刀库尺寸限制，装刀数量不能太多。这种换刀方式 常用于小型加工中心。
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2．机械手换刀
采用机械手进行刀具交换的方式应用的最为广泛，这是因为 机械手换刀有很大的灵活性，而且可以减少换刀时间。机械手的 结构形式是多种多样的，因此换刀运动也有所不同。
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7.1 刀库及换刀机械手的维护
(1)严禁把超重、超长的刀具装入刀库，防止在机械手换刀时掉刀或刀 具与工件、夹具等发生碰撞。
(2)顺序选刀方式必须注意刀具放置在刀库中的顺序要正确。其他选刀 方式也要注意所换刀具是否与所需刀具一致，防止换错刀具导致事故发生。
(3)用手动方式往刀库上装刀时，要确保装到位、装牢靠。检查刀座上 的锁紧是否可靠。
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7.3 换刀机械手故障
(1)刀具夹不紧 (2)刀具夹紧后松不开 (3)刀具从机械手中脱落 (4)刀具交换时掉刀 (7)机械手换刀速度过快或过慢
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类别型式
表7-1 自动换刀装置类型 特点
适用范围
转 塔 式
刀 库 式
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7.7自动换刀装置的常见故障与维修
自动换刀装置的常见故障有：刀库运动故障，定位误差过大， 机械手夹持刀柄不稳定，机械动作误差过大等。这些故障最后都造 成换刀动作卡位，整机停止工作。对于机械、液压(或气动)方面的 故障，主要应重视对现场设备操作人员的调查，故障的判断由于 ATC装置是由PLC可编程序控制器通过应答信号控制的，因此大多数 故障出现在反馈环节(电路或反馈元件)上。需通过电路分析与信号 一动作—定位一限位等有关环节的综合分析来判断故障所在，故难 度较大。
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7.4 更换主轴换刀与更换主轴箱换刀
4.1更换主轴换刀
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7.26所示。
立式八轴转塔头的结构，每次转位包括下列动作: (1)脱开主传动 (2)转塔头脱开 (3)转塔头转位 (4)转塔头定位压紧 (7)主轴传动的接通
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图7.6 排刀式刀架布置图
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图7.8 数控车床方刀架结构
1-电动机 2-联轴器 3-蜗杆轴 4-蜗轮丝杠 7-刀架底座 6-粗定位盘 7-刀架体8-球头销 9-转位套 10-电刷座 11-发信体 12-螺母
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13、14-电刷 17-粗定位销
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图7.9 一般转塔回转刀架 1-活塞 2-刀架 3、4-定位杆 7-离合器 6-活塞 7-齿轮 8-齿条
回转刀架
转塔头
刀具与主轴之间 直接换刀
用机械手配合刀 库进行换刀
多为顺序换刀，换刀时间 短、结构简单紧凑、容纳 刀具较少"
顺序换刀，换刀时间短， 刀具主轴都集中在转塔头 上，结构紧凑。但刚性较 差，刀具主轴数受限制
换刀运动集中，运动部件 少，但刀库容量受限。
刀库只有选刀运动，机械 手进行换刀运动，刀库容 量大
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7.2 刀库的故障
(1)刀库不能转动或转动不到位 (2)刀套不能夹紧刀具 可能原因是刀套上的调整螺母松动，或 弹簧太松，造成卡紧力超重，刀具超重。 (3)刀套上下不到位 可能原因是装置调整不当或加工误差过大 而造成拨叉位置不正确；因限位开关安装不准或调整不当而造成反 馈信号错误。 (4)刀套不能拆卸或停留一段时间才能拆卸 应检查操纵刀套上 下的气缸、气阀是否松动，气压足不足，刀套的转动轴锈蚀等。
图7.3 接触式刀具识别装置 1-刀柄 2-识别装置 3-触针 4-编码环
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图7.4 非接触式磁性识别 1- 刀柄套 2-导磁材料编码环 3-识别装置 4-非导磁材料编码环 7-一次线圈 6-检测线圈 7-二次线圈
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图7.7 光学纤维刀具识别装置
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9、10-插销 11-推杆 12-触头13-接板
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3.4 刀具交换装置
在数控机床的自动换刀系统中，实现刀库与机床主轴之间刀 具传递和刀具装卸的装置称为刀具交换装置。刀具的交换方式通 常分为无机械手换刀和有机械手换刀两大类。
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1．无机械手换刀
无机械手换刀的方式是利用刀库与机床主轴的相对运动实现 刀具交换。XH774型卧式加工中心就是采用这类刀具交换装置的 实例。换刀过程见图7.24。
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1.1.2刀架换刀
2.1排刀式刀架
排刀式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料为主的机床 较为常见。它的结构形式为夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机 床的X坐标轴方向排列在横向滑板或一种称之为快换台板(QUICKCHANGE PLATEN)上。刀具典型布置方式如图7.6所示。
采用排刀式刀架只适合加工旋转直径比较小的工件，只适合较 小规格的机床配置。不适用于加工较大规格的工件或细长的轴类零 件。一般说来旋转直径超过100mm的机床大都不用排刀式刀架，而 采用转塔式刀架。
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7.1.3刀库与机械手换刀
刀库用于存放刀具，它是自动换刀装置中主要部件之一。其容 量、布局和具体结构对数控机床的设计有很大影响。
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3.1 刀库的形式
THK6370自动换刀数控卧式镗铣床采用链式刀库。其结 构示意图如图7.13所示。刀库由47个刀座组成，刀座就是链 传动的链节，刀座的运动由ZM-40液压马达通过减速箱传到 下链轮轴上，下链轮带动刀座运动。刀库运动的速度通过调 节ZM-40的速度来实现。刀座的定位用正靠的办法将所要的 刀具准确地定位在取刀（还刀）位置上。在刀具进入取刀位 置之前，刀座首先减速。刀座上的燕尾进入刀库立柱的燕尾 导轨，在选刀与定位区域内，刀座在燕尾导轨内移动，以保 持刀具编码环与选刀器的位置关系的一致性。
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1.4 利用可编程序控制器(PLC)实现随机换刀
由于计算机技术的发展。可以利用软件选刀。它代替了传 统的编码环和识刀器。在这种选刀与换刀的方式中，刀库上的刀 具能与主轴上的刀具任意地直接交换，即随机换刀。主轴上换来 的新刀号及还回刀库上的刀具号，均在PLC内部相应地存储单元 记忆。随机换刀控制方式需在PLC内部设置一个模拟刀库的数据 表，其长度和表内设置的数据与刀库的位置数和刀具号相对应。 这种方法主要由软件完成选刀，从而消除了由于识刀装置的稳定 性，可靠性所带来的选刀失误。
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2.3 一般转塔回转刀架
数控车床的转塔回转刀架。适用于盘类零件的加工。在加工 轴类零件时，可以换用四方回转刀架。由于两者底部安装尺寸相 同，更换刀架十分方便。回转刀架动作根据数控指令进行，由液 压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，其动作过程分为如下 四个步骤：
(1)刀架抬起 (2)刀架转位 (3)刀架压紧 (4)转位液压缸复位