数控机床 第三章 自动换刀装置

§3.4 数控机床的自动换刀装置
四、刀具交换装置
刀具交换装置是用来实现刀库与机床主轴（或刀架）之 间传递和装卸刀具的装置。刀具交换装置的形式和具体结 构多种多样，它们对数控机床的总布局、生产率和工作可 靠性都有直接的影响。
利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换 采用机械手进行刀具交换
四、刀具交换装置
§3.4 数控机床的自动换刀装置
四、刀具交换装置——机械手的形式与种类
双机械手 这种机械手相当于两个单爪机械 手，相互配合起来进行自动换刀。其 中一个机械手从主轴上取下“旧刀” 送 回刀库；另一个机械手由刀库里取出 “新刀”装入机床主轴。
§3.4 数控机床的自动换刀装置
格子盒式刀库
固定型格子盒式刀库 刀具分几排直线排列，由纵横向移动的取刀机械手 完成选刀运动，将选取的刀具送到固定的换刀位置上，由 换刀机械手交换刀具。 由于刀具排列紧密，空间利用率高，刀库容量大。
非固定型格子盒式刀库 可换主轴箱的加工中心刀库由多个刀匣组成，可直 线运动，刀匣可以从刀库中垂直提出。
数控转塔式镗铣床的外观图
转塔头主轴通常只适应于工序较少，精度要求 不太高的机床，如数控钻床、铣床等。
一、自动换刀装置的型式——转塔头式换刀装置
优点： 省去了自动松、夹、装刀、卸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（仅为2s左右）， 并提高了换刀的可靠性。
缺点： 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。
一、自动换刀装置的型式——自动回转刀架
(a)螺母升降转位刀架 (c)凸台棘爪式刀架
(b)利用十字槽轮来转位及锁紧刀架 (d)电磁式刀架 (e)液压式刀架
一、自动换刀装置的型式——自动回转刀架
例子：数控车 床六角回转刀 架的换刀动作
一、自动换刀装置的型式——自动回转刀架
转位液压缸复位：刀架压紧之后，压力油从 刀架转位：刀架抬起后，压力油从C孔进入转位液压缸左腔 , D 孔进入转位液 刀架抬起：数控装置发出指令后，压力油从 刀架压紧：刀架转位后，压力油从B孔进入压紧液压缸的上 A孔进入压紧液 活塞通过联接板带动齿条移动，使空套齿轮做逆时针转动。通 压缸的右腔，活塞带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开 , 压缸的下腔 腔,活塞带动刀架体下降 ,刀架体抬起,, 使定位用的活动插销和固定插销脱开 活动插销与固定插销卡紧，刀架在新 , 过端齿离合器使刀架转过60°. 齿条带动空套齿轮在轴上空转。如果定位和夹紧动作正常，拉 同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮结合。 的位置定位并夹紧。此时，端齿离合器与空套齿轮脱开。 杆与触头接触，发出信号表示换刀过程结束。
四、刀具交换装置——机械手
采用机械手进行刀具的交换，一方面在刀库的布置和刀 具数量的增加上，不像无机械手那样受结构的限制，具有很 大的灵活性；而且还可以通过刀具预选，减少换刀时间，提 高换刀速度，因此，在加上中心上应用最为广泛。
四、刀具交换装置
2、采用机械手进行刀具交换——机械手的形式与种类
双臂回转机械手，能同时抓取 和装卸刀库及主轴上的刀具。 (a)钩手，抓刀运动为旋转运动 (b)抱手，抓刀运动为两手指旋转 (c)杈手，抓刀运动为直线运动
§3.4 数控机床的自动换刀装置
一、自动换刀装置的型式
1、自动回转刀架 2、转塔头式换刀装置 3、带刀库的自动换刀装置
一、自动换刀装置的型式——自动回转刀架
是一种最简单的自动换刀装置，常用于数控车床。根 据不同的机床要求，可设计成四方刀架、六角刀架、盘形 回转刀架等，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。
二、刀库——刀库的类型
刀库的功能是储存加工工序所需要的各种刀具，并按程序 指令把将要用的刀具准确地送到换刀位置上，并接受从主轴 送来的已用刀具。储存量一般在8-64把范围内，多的可达 100-200把。
鼓（盘）式刀库 链式刀库
格子盒式刀库
鼓（盘）式刀库
盘式刀库的刀具轴线与鼓(圆盘)轴线平行，刀具环形排 列，分径向、轴向两种取刀方式，其刀座（刀套）结构不 同。（结构简单，应用较多，适用于刀库容量较小的情况） 为增加刀库空间利用率，可采用双环或多环排列刀具的 形式，但会增大圆盘直径，转动惯量也增大，选刀时间变长。
§3.4 数控机床的自动换刀装置
为完成对工件的多工序加工而设置的存储及更换 刀具的装置称为自动换刀装置（Automatic Tool Changer, ATC）。 自动换刀装置应当满足的基本要求为：
刀具换刀时间短且换刀可靠。 刀具重复定位精度高。 足够的刀具储存量。 结构简单，便于制造、维修、调整。 布局合理，机床总布局美观大方。
数控立式镗铣床
四、刀具交换装置
1、利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换
这种自动换刀装置只有一个刀库， 不需要其他装置，结构极为简单，然而 换刀过程却较为复杂。 另外，由于刀库置于工作台上，因 而减少了工作台的有效使用面积。这种 换刀装置多用于小型低价位的加工中心。
数控立式镗铣床
§3.4 数控机床的自动换刀装置
数控立式镗铣床
库的空刀座中；
四、刀具交换装置
1、利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换
(4)主轴箱上升，接着刀库回转，将下 一工步需用的刀具对准主轴；
(5)主轴箱下降，将下一步所需的刀具 插入机床主轴，同时主轴内的刀具夹紧 装置夹紧刀具； (6)主轴箱及主轴带着刀具上升； (7)机床工作台快速向左返回，将刀库 从主轴下面移开，同时将工件移至主轴 下面，使主轴上的刀具对准工件的
三、刀具的选择装置
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。
1、顺序选刀
在加工前，将加工零件所需刀具按照工艺要求依次插 入刀库的刀套中，加工时按顺序调刀称为顺序选刀。
2、任选刀具
刀具在刀库中任意存放，每把刀具（或刀座）都编有 代码，自动换刀时，刀库旋转，每把刀具都经过“刀具识 别装置”接受识别。当某刀具代码与数控指令代码相符时
任选刀具有三种换刀方式（刀具编码、刀座编码、编码附件）
刀具编码方式
刀具编码选刀方式是在刀具或刀套上安装用于识别的 编码条，一般都是根据二进制编码的原理进行编码。刀具 长度加长，制造困难，刚度降低，刀库和机械手结构复杂。 在刀柄1后端的拉杆4上套装 着等间隔的编码环2，由锁紧螺 母3固定。编码环直径有大小两 种，大直径的为二进制的“1”， 小直径的为“0”。通过两种圆环 的不同排列，可以得到一系列的 代码。
钥匙的两边最多可带有 22个方齿，图中除导向用 的两个方齿外，共有20个 方齿可区别9999刀具。
这种编码方式称为临时性编码，因为从刀座中取出刀 具时，刀座中的编码钥匙也取出，刀库中原来编码随之消 失。因此，这种方式具有更大的灵活性。采用这种编码方式 用过的刀具不必放回原来的刀座。
3、软件选刀
将刀具号及其所在的刀座号(存刀位置，即刀具地址) 一一对应地记忆在数控系统的PLC中。无论刀具存放在哪 个刀座中，计算机都能跟踪记忆。因此，刀具可任意取 出，任意送回。 刀柄采用国际通用结构，没有编码环，结构简单，通 用性能好。刀座上也不编码，但刀库上必须设有刀座位置 检测装置，以便检测出每个刀座的位置信息。 目前多数加工中心都采用跟踪记忆方式来实现任选刀 具。
§3.4 数控机床的自动换刀装置
二、刀库——刀库的安装位置
刀库可装在机床的工作台上、立柱上或主轴箱上；当刀 库容量大、刀具较重时，也可作为一个独立部件，装在机床 之外。
装在机床工作台上
装在机床外
§3.4 数控机床的自动换刀装置
二、刀库——刀库的容量
刀库的容量首先要考虑加工工艺的分析的需要。一般情 况下，并不是刀库中的刀具越多越好，太大的容量会增加刀 库的尺寸和占地面积，使选刀过程时间增长。 工程实践：立式加工中心的主要工艺为钻、铣。用成组技术 对15000种工件进行分析后发现，4把铣刀就可以完成95%左右 的铣削工艺，10把孔加工刀具可完成70%的钻削工艺，因此， 14把刀的容量就可完成70%以上的工件钻、铣工艺加工。 如果从完成工件全部加工所需的刀具数目统计，一般的 中小型立式加工中心配14-30把刀具的刀库就能满足70%-95% 的工件加工需要。
§3.4 数控机床的自动换刀装置
一、自动换刀装置的型式——带刀库的自动换刀装置 回转刀架、转塔头式换刀装置容纳的刀具 数量不能太多，不能满足复杂零件的加工需 要，因此，目前多工序数控机床（加工中心） 多采用带刀库的自动换刀装置。 这种自动换刀装置由刀库、选刀机构、刀 具交换装置及刀具在主轴上的自动松夹机构等 四部分组成。
双臂双爪回转式机械手 手臂两端各有一个夹爪，两个夹爪 可同时抓取刀库及主轴上的刀具，回转 180°后，又同时将刀具放回刀库及装 入主轴。是最常用的一种形式（钩手） 右边的杈手形机械手在抓取刀具或 将刀具送入刀库及主轴时，两臂可伸 缩。
（1）抓刀 （2）拔刀
（3）换刀 （4）插刀 （5）复位
手臂旋转90“，同时抓住刀库和主轴上的刀具； 主轴夹头松开刀具，机械手同时将刀库和主轴上的 刀具拔出； 手臂旋转180“，新旧刀具交换； 机械手同时将新旧刀具分别插入主轴和刀库，然后 主轴夹头夹紧刀具； 转动手臂，回到原始位置。
刀具轴线与鼓（盘） 轴线不平行的鼓（盘） 式刀库，占用空间较 大，使刀库安装位置和 刀库容量受到限制，故 应用较少。 特点： 鼓（盘）式刀库 结构简单，应用较多， 适用于刀库容量较小的 情况。
链式刀库
优点是结构紧凑、布局灵活、刀库容量大。通常情况下，刀 具轴线和主轴轴线垂直，因此，换刀必须通过机械手进行，机 械结构比鼓式刀库复杂。在刀库容量较大时，可采用加长链条 式布置或多环链式布置，使其外形更紧凑、占用空间更小。
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。 这种方式是先给各刀具都缚上一把表示该刀具号的编码钥 匙，当把各刀具存放到刀库的刀座中时，将编码钥匙插进刀 座旁边的钥匙孔中，从而钥匙的号码转记到刀座中，给刀座 编上了号码。 识别装置可以通过识别钥匙上的号码来选取该钥匙旁边 刀座中的刀具。