数控机床及编程：5.5 数控机床的换刀装置

5.5 数控机床的换刀装置

一、自动换刀装置的作用

自动换刀装置可帮助数控机床节省辅助时间，并满足在一次安装中完成多工序、工步加工要求。

二、对自动换刀装置的要求

数控机床对自动换刀装置的要求是：换刀迅速、时间短，重复定位精度高，刀具储存量足够，所占空间位置小，工作稳定可靠。

三、换刀形式

1、回转刀架换刀

其结构类似普通车床上回转刀架，根据加工对象不同可设计成四方或六角形式，由数控系统发出指令进行回转换刀。

2、更换主轴头换刀

各主轴头预先装好所需刀具，依次转至加工位置，接通主运动，带动刀具旋转。该方式的优点是省去了自动松夹、装卸刀具、夹紧及刀具搬动等一系列复杂操作，缩短了换刀时间，提高了换刀可靠性。

3、使用刀库-机械手换刀

将加工中所需刀具分别装于标准刀柄，在机外进行尺寸调整之后按一定方式放入刀库，由交换装置从刀库和主轴上取刀交换。

四、刀具交换装置

自动换刀装置中，实现刀库与主轴间传递和装卸刀具的装置为刀具交换装置。刀具交换方式常有两种：采用机械手交换刀具和由刀库与机床主轴的相对运动交换刀具（刀库移至主轴处换刀或主轴运动到刀库换刀位置换刀）,其中以机械手换刀最为常见。五、刀库

刀库是自动换刀装置中最主要的部件之一，其容量、布局及具体结构对数控机床的总体设计有很大影响。

1、刀库容量

指刀库存放刀具的数量，一般根据加工工艺要求而定。刀库容量小，不能满足加工需要；容量过大，又会使刀库尺寸大，占地面积大，选刀过程时间长，且刀库利用率低，结构过于复杂，造成很大浪费。

2、刀库类型

一般有盘式、链式及鼓轮式刀库几种。

盘式刀库刀具呈环行排列，空间利用率低，容量不大但结构简单。

链式刀库结构紧凑，容量大，链环的形状也可随机床布局制成各种形式而灵活多变，还可将换刀位突出以便于换刀，应用较为广泛。

鼓轮式或格子式刀库占地小，结构紧凑，容量大，但选刀、取刀动作复杂，多用于FMS 的集中供刀系统。

3、选刀方式

常有顺序选刀和任意选刀两种。

顺序选刀是在加工前，将加工所需刀具依工艺次序插入刀库刀套中，顺序不能有差错，加工时按顺序调刀。工件变更时，需重调刀具顺序，操作烦琐，且加工同一工件中刀具不能重复使用。

任意选刀是刀具均有自己的代码，加工中任选且可重复使用，也不用放于固定刀座，装刀、选刀都较方便。

图5-1 工作台部分结构示意图

图5-2 主轴箱结构示意图

回转工作台是数控铣床、数控镗床、加工中心等数控机床不可缺少的重要附件( 或部件 ) 。它的作用是按照控制装置的信号或指令作回转分度或连续回转进给运动，以使数控机床能完

成指定的加工工序。常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。

一、分度工作台

分度工作台的功能是完成回转分度运动，即在需要分度时，将工作台及其工件回转一定角度。其作用是在加工中自动完成工件的转位换面，实现工件一次安装完成几个面的加工。由于结构上的原因，通常分度工作台的分度运动只限

于某些规定的角度；不能实现范围内任意角度的分度。

为了保证加工精度，分度工作台的定位精度 ( 定心和分度 ) 要求很高。实现工作台转位的机构很难达到分度精度的要求，所以要有专门定位元件来保证。按照采用的定位元件不同，有定位销式分度工作台和鼠齿盘式分度工作台。

1 ．定位销式分度工作台

定位销式分度工作台采用定位销和定位孔作为定位元件，定位精度取决于定位销和定位孔的精度 ( 位置精度、配合间隙等 ) ，最高可达±5´´ 。因此，定位销和定位孔衬套的制造和装配精度要求都很高，硬度的要求也很高，而且耐磨性要好。图 5-31 是自动换刀数控卧式镗铣床的定位销式分度工作台。该分度工作台置于长方形工作台中间，在不单独使用分度工作台时，两者可以作为一个整体使用。

图 5-31 定位销式分度工作台结构

1 —挡块；

2 —工作台；

3 —锥套；

4 —螺钉；

5 —支座；

6 —油缸；

7 —定位衬套；

8 —定位销； 9 —锁紧油缸； 10 —大齿轮； 11 —长方形工作台； 12 —上底座；

13 —止推轴承； 14 —滚针轴承； 15 —进油管道； 16 —中央油缸； 17 —活塞；

18 —螺栓； 19 —双列圆柱滚子轴承； 20 —下底座； 21 —弹簧； 22 —活塞拉杆

工作台 2 的底部均匀分布着八个 ( 削边圆柱 ) 定位销 8 ，在工作台下底座 12 上有一个定位衬套 7 以及环形槽。定位时只有一个定位销插入定位衬套的孔中，其余七个则进人环形槽中，因为定位销之间的分布角度为

45 ° ，故只能实现45 ° 等分的分度运动。

定位销式分度工作台作分度运动时，其工作过程分为三个步骤：

(1) 松开锁紧机构并拔出定位销

当数控装置发出指令时，下底座 20 上的六个均布锁紧油缸 9( 图中只示出一个 ) 卸荷。活塞拉杆 22 在弹簧 21 的作用下上升 15mm ，使工作台 2 处于松开状态。同时，间隙消除油缸 6 也卸荷，中央油缸 16 从管道 15 进压力油，使活塞 17 上升，并通过螺栓 18 、支座 5 把止推轴承 13 向上抬起，顶在上底座 12 上，再通过螺钉 4 、锥套 3 使工作台 2 抬起 15mm ，圆柱销从定位衬套 7 中拔出。

(2) 工作台回转分度

当工作台抬起之后发出信号使油马达驱动减速齿轮 ( 图中未示出 ) ，带动与工作台 2 底部联接的大齿轮 10 回转，进行分度运动。在大齿轮 10 上以45 ° 的间隔均布八个挡块 1 ，分度时，工作台先快速回转。当定位销即将进入规定位置时，挡块碰撞第一个限位开关，发出信号使工作台降速，当挡块碰撞第二个限位开关时，工作台 2 停止回转，此时，相应的定位销 8 正好对准定位衬套 7 。

(3) 工作台下降并锁紧

分度完毕后，发出信号使中央油缸 16 卸荷，工作台 2 靠自重下降，定位销 8 插入定位衬套 7 中，在锁紧工作台之前，消除间隙的油缸 6 通压力油，活塞顶向工作台 2 ，消除径向间隙。然后使锁紧油缸 9 的上腔通压力油，活塞拉杆 22 下降，通过拉杆将工作台锁紧。

工作台的回转轴支承在加长型双列圆柱滚子轴承 19 和滚针轴承 14 中，轴承 19 的内孔带有 1 ： 12 的锥度，用来调整径向间隙。另外，它的内环可以带着滚柱在加长的外环内作 15mm 的轴向移动。当工作台抬起时，支座 5 的一部分推力由止推轴承 13 承受，这将有效地减小分度工作台的回转摩擦阻力矩，使工作台 2 转动灵活。

2 ．鼠齿盘式分度工作台

鼠齿盘式分度工作台采用鼠齿盘作为定位元件。这种工作台有以下特点：