第四章刀具自动化

由主轴上的刀具自动装卸机构来保证刀具的自动更
换；
装夹装置
当需要某一刀具进行切削加工时，将该刀具自动从 刀库交换到主轴上，切削完毕后又将用过的刀具自 动地从主轴上取下放回刀库
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自动换刀系统的组成：
1.刀库 2.自动换刀装置 3.刀具传送装置 4.识刀装置
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二、刀库
刀库是自动换刀系统中最主要的装置之一
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➢ 数控铣床、加工中心用刀具
自动化刀具的组成：由与机床主轴孔相适应的工具 柄部、与工具柄部 相联接的工具装夹部分和各种刀 具部分组成
工具柄部 在数控铣床、加工中心类机床上一般都采用7:24
圆锥柄工具。 不自锁，换刀比较方便，并且与直柄相比有较高
的定心精度和较高的刚性。 对于有自动换刀装置的加工中心类机床，在加工
第四章 刀具自动化
刀具是金属切削加工中不可缺少的工具之一，无 论是普通机床，还是先进的数控机床、加工中心机 床以及柔性制造系统，都必须通过刀具才能完成切 削加工。 ➢ 刀具自动化：是加工设备在切削过程中自动完成 选刀、换刀、对刀、走刀等工作过程。
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2.自动化刀具的类型及选用
类型：分为标准刀具和专用刀具两大类。 在以自动生产线为代表的刚性自动化生产中，应尽
➢ 可分为立轴式（四方或六方刀架）和卧轴式（圆盘 式回转刀架）
➢ 定位可靠、重复定位精度高、分度准确、转位速度 快、夹紧刚性好，能保证数控机床的高精度和高效 率。
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（2）任意选刀 ——预先把刀库中每把刀具（或刀座）都编上 代码，按照编码选刀。加工时，根据程序指令的要
求任意选择所需要的刀具，刀具在刀库中可以不按加工 顺序而任意存放，利用控制系统来识别、记忆所有的刀 具和刀座。
➢ 通用性较强，相同的刀具在工件一次装夹中可 重复使用 。
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3.刀具运送装置
当刀库容量较大，布置得离机床主轴较远 时，就需要安排两只机械手和刀具运送装置 来完成新旧刀具的交换工作。一只机械手靠 近刀库，称后机械手，完成拔刀和插刀的动 作；另一只机械手靠近主轴，称前机械手， 也完成拔刀和插刀的动作。
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编码刀柄示意图 1-编码环 2-锁紧螺母 3-拉紧螺
每把刀具上都带有专用的编码系统， 刀具长度加 长，制造困难，刚度降低，刀库和机械手的结构变复 杂。
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（2）软件记忆法
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要在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。
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若欲将换下的刀具送回刀库，也不必寻找刀具原位 ，只要按优化原则送到任一空位即可，控制系统将 根据此时换刀位置的地址更新刀具数据库，并记住 刀具在刀库中新的位置地址。
优化原则：在刀库机构中通常设有刀库零位，执行自 动选刀时，刀库可以正反方向旋转，每次选刀式刀 库转动不会超过一圈的1/2。
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三、自动化换刀机构(刀具交换装置)
可能提高刀具的专用化程度，以取得最佳的效益。 在以数控机床、加工中心为主体构成的柔性自动化
加工系统中，为了提高加工的适应性，同时考虑到 加工设备的刀库容量有限，应尽量减少使用专用刀 具，而选用通用标准刀具、刀具标准组合件或模块 式刀具。
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常用的种类： 可转位车刀、高 速钢麻花钻、机 夹扁钻、扩孔钻、 铰刀、镗刀、立 铣刀、面铣刀、 丝锥和各种复合 刀具等
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刀具的选用要考虑的因素有：
刀具的使用条件； 被加工工件材料与尺寸； 刀具的断屑情况； 刀具和刀片的生产供应； 刀具的结构型式。
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刀具的选用原则如下：
1）为了提高刀具的耐用度和可靠性，应尽量选用 各种高性能、高效率、长寿命的刀具材料制成的刀 具。 2）应选用机夹可转位刀具的结构。 3）为了集中工序，提高生产率及保证加工精度，应 尽可能采用复合刀具。 4）应尽量采用各种高效刀具。
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1.数控车削加工的刀具装夹结构 车削加工的工具系统的组成： 由机床刀架、 刀夹基座及其 快换刀夹和 预调刀头等组成。
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2．数控镗铣加工工具系统 ➢ 刀具的夹持
柄式夹持(轴向夹持)
1-活动爪 2-轴 3-挡销 4-锁紧销 5-调整螺栓 6-弹簧柱塞 7-固定爪
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法兰盘式夹持
太多，主轴部件的结构刚度也有所下降， 用途：
只适用与工序较少，精度要求不太Biblioteka Baidu的数控机 床，如数控钻床、数控铣床等。
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2.主轴与刀库分离的自动换刀装置
———刀库式自动换刀装置
组成：刀库、刀具交换装置以及主轴等组成。
配备有独立的刀库，存放较多的刀具，以适应复杂 零件的多工序加工；
只有一根主轴，全部刀具都应具有统一的标准刀柄，
功能：
贮存各种加工工序所需的刀具；
按程序指令，快速、准确地将刀库中的空刀位和 待用刀具送到预定位置；
接受主轴换下的刀具和便于刀具交换装置进行换 刀。
刀库的容量、布局以及具体结构对数控机床的总
体布局和性能有很大影响。
主轴换刀
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1.刀库类型 常用刀库有 盘式刀库 链式刀库 格子式刀库
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盘形刀库
每道工序所使用的是通用 刀具。为实现刀具的预调和 快速装夹，应具有专用刀夹 和刀夹与主轴的连接基础。
水平转轴自动换刀装置 28
多主轴转塔头结构
8轴立式转塔头
10工位车削中心转塔头 29
特点： 主轴转塔头可看作是一个转塔刀库，它的结
构简单，换刀时间短，仅为2s左右。 但由于受到空间位置的限制，主轴数目不能
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镗铣类模块式工具系统组成
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主柄
工作头
联接杆
模块结构的工具系统
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通过将基本刀柄、 接杆和加长杆(如 需要)进行组合， 能组成很多种类 的刀柄。
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TMG21 工具系统
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第二节自动化换刀系统
为了提高数控机床的加工效率，除了要提高切削速度， 减少非切削时间也非常重要，现代数控机床正向着工 件在一台机床上一次装夹可完成多道工序或全部工序 加工的方向发展，这些多工序加工的数控机床在加工 过程中需使用多种刀具，因此必须有自动换刀装置， 以便选用不同的刀具来完成不同工序的加工。 能够自动地更换加工中所用刀具的装置称为自动换 刀装置（Automatic Tool Changer,简称ATC）。
模块式工具系统的机构特点：
把工具的柄部和工作部分分割开来，制成各种系列 化的模块，然后经过不同规格的中间模块，可组装 成一套套不同规格的工具。
既便于制造、使用与保管，又能以最少工具库存来 满足不同零件的加工要求，因而它代表了工具系统 发展的 总趋势。
各模块的联接采用短圆锥定位，中心螺钉拉紧。
属于这类工具系统的还有德国的Komet公司的 ABS工具系统，瑞典Sandvik公司的Varilock工具系 统等。
数控机床的自动换刀装置中，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自动 化换刀机构(刀具交换装置)。
自动换刀的刀具可固紧在专用刀夹内，每次 换刀时将刀夹直接装入主轴。
刀具的交换方式通常分为回转刀架、通过主轴 换刀、利用机械手换刀。
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三、自动化换刀机构
1．回转刀架
➢ 常用于数控机床，利用转塔头各刀座来安装或夹持 各种不同的刀具，通过转塔头的旋转分度来实现机 床自动换刀动作；
1.主轴与刀库合为一体的自动换刀装置 ———(转塔头式换刀装置)
若干根主轴安装在一个可以转 动的转塔头上，每根主轴对应 装有一把可以旋转的刀具。 根据加工要求可以依次将装有 所需刀具的主轴转到加工位置， 实现自动换刀， 接通主运动， 主轴带动刀具旋转。
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其工序为：
1—粗车外圆，2—钻孔， 3—精车外圆，4—镗孔， 5—外圆切槽， 6—内孔切槽， 7—车螺纹， 8—精镗孔
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二、自动化刀具装夹机构
自动化刀具装夹机构的作用：
充分发挥自动化加工设备应有的效率，实现快速 自动换刀。
方法：必须要配备一套标准的装夹机构，建立
一套标准的工具系统。
工具系统：
是针对数控机床要求与之配套的刀具必须可快 换、高效切削而发展起来的，是刀具与机床的接 口。
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工具系统的分类：
镗铣类数控机床用工具系统（简称”TSG”系统） 车床类数控机床用工具系统（简称“BTS”系统） 可同时适应数控车削和数控镗铣加工的工具系统。
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一、换刀装置的类型和组成 1.主轴与刀库合为一体的自动换刀装置 2.主轴与刀库分离的自动换刀装置 二、刀库 1.刀库类型 2.刀具的选择方式 3.刀具运送装置 4.刀具的识别 三、自动化换刀机构 1．回转刀架 2.通过主轴换刀 3.利用机械手换刀
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一、换刀装置的类型和组成
常用的自动换刀装置有如下几种形式：
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（2）软件记忆法
将刀库上的各个刀座编号，得到各个刀座的地址； 将刀库中的各个刀具再编一个刀具号； 然后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到 该刀具地址，按优化原则转动刀库，当刀库的检测 装置读出地址与取刀地址相一致时，刀具便停在换 刀位置，等待换刀；
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4.刀具的识别
刀具的识别是指自动换刀装置对刀具的识别， 通常可采用刀具编码法和软件记忆法。 （1）刀具编码法 采用了一种特殊的刀柄结构，并对每把刀具进行 编码。换刀时通过编码识别装置，根据换刀指令代 码，在刀库中寻找所需要的刀具。
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在刀柄尾部的拉紧螺杆1上套装着一组等间隔的编 码环3，并由锁紧螺母2将它们固定。 编码环的外径有大小两种不同的规格，每个编码 环的大小分别表示二进制数的“1”和“0”。 通过对两种圆环的不同排列，可以得到一系列的 代码。例如图中的7个编码环，就能够区别出127种 刀具（27-1）。
工件时主轴上的工具要频繁地更换，为了达到较高 的换刀精度, 工具柄部必须有较高的制造精度
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工具系统的组成： 主要由刀具的柄部（刀柄）、
接杆（接柄）和夹头等部分组成。 工具系统中规定了刀具与装夹工具的结构、尺寸
系列及其连接形式。
更完善的工具系统还包括自动换刀装置、刀库、
刀具识别装置和刀具自动检测装置等。
盘式刀库结构简单、 紧凑，在钻削中心上应 用较多。一般存放刀具 数目较少。 有径向取刀式和 轴向 取刀式
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链式刀库
各种链式刀库 a）单环链式 （b）多环链式 （c）折叠链式
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链式刀库
链式刀库是在环形链条上装有许多刀座，刀 座的孔中装夹各种刀具，链条由链轮驱动。 链式刀库有单环链式和多环链式等几种。 当链条较长时，可以增加支承链轮的数目，使链 条折叠回绕，提高空间利用率。
整体式结构的特点：是工具的柄部与夹持工具的工
作部分连成一体；因此不同品种和规格的工作部分
都必须加工出一个能与机床连接的柄部； 缺点：致使工具的规格、品种繁多，给生产、使用
和管理都带来不便。 用途：用于刀具装配中装夹不改变，或不宜使用模
块式刀柄的场合。
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镗铣类整体式工具系统组成
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柄杆与刀具的联接 18
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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刀座上，有换 刀机械手交换刀具。这种形式刀具排列密集，空间利用率 高，刀库容量大。
固定型格子盒式刀库 38
2.刀具的选择 方式
按数控装置的刀具选择指令，从刀库中挑 选各工序所需要的刀具的操作称为自动选刀。 常用的选刀方式：
有顺序选刀 任意选刀
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（1）顺序选刀 —将刀具按加工工序的顺序，一次放入刀库的每
一个刀座内，刀具顺序不能搞错。使用时按加工顺 序指令一一取用。
当加工工件改变时，刀具在刀库上的排列顺序 也要改变。 缺点：同一工件上的相同刀具不能重复使用，因此 刀具的数量增加，降低了刀具和刀库的利用率， 优点：它的控制以及刀库的运动等比较简单。
1-拉杆，2-刀柄 3-法兰盘 4-带洼形肩面 14
拉钉： 带螺纹的零件，连接在各种工具柄的尾
端，作为镗铣主轴拉刀固定用。
ISO 7388及
DIN 69871 的A型拉钉
ISO 7388及
DIN 69871 的B型拉钉
MAS BT 拉钉
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2．数控镗铣加工工具系统
数控镗铣加工工具系统有整体和模块两种不同的结 构型式。