加工中心刀库分类、特点及典型故障分析
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加工中心刀库分类、特点及典型故障分析
中航工业西航设备部 赵臣
一、刀库的分类及特点 二、刀库典型故障分析
一、刀库的分类及特点
1、按机械结构划分：
1.1、盘式刀库
• 盘式刀库其特点是：结构紧凑，但因刀具单 环排列，定向使用率较低，大容量刀库的外径 较大，转动惯量大，因此这种刀库容量较小， 一般不超过32把刀。其应用一般是在小型加工 中心上。
2.2、机械手换刀方式
带机械手的刀库，换刀速度快，在零件程序运行的同时， 刀库可以将下一把刀具提前转到换刀位置。换刀指令生效后， 机械手将主轴刀套内的刀具与刀库换刀位置刀套内的目标刀具 直接交换。在整个换刀过程中对刀库冲击小， 带机械手的刀库增加了机械手的控制，因而相关的PLC应用程 序也相对复杂，机械手的控制方法因厂家不同，通常采用以下 几种控制方式：液压控制、异步电机控制、凸轮控制机械手
机械手换刀由于其在换刀过程中动作较多，使其换刀故障 率较高，排故过程较复杂。
2.2、机械手换刀方式
91转.0程换1机3456过..换主....序刀机换机机械后78刀轴给动械刀械械..手2机机机定号出作手机手手1械械移械向卡指步1械22手手在向在出手并爪令骤11手大112气主气，大移刀缩开：大..臂机机缸轴缸1臂动具回始臂号旋械械侧//翻到正，换翻液液卡转手手移转换对执刀转压压爪122动。刀刀8行缩移。缸缸离0，由点库在回动由度驱驱开执平位空主，，平，动动主行行置刀轴执2行完下下轴号2于,套上行同于成伸执号上卡装。刀时主刀机出行卡刀爪刀库刀轴套械，主爪具离动内库方方手进轴抓。开作装旋向向1行侧刀刀/。刀转翻翻在卸2动套位动到转转刀刀作。置作需为为库（。换替。要平平刀拔刀换更行行套刀完动换于于内）成作的刀主拔动。刀套轴刀作具方。动。位向作置。。。翻 2.机械手1移向刀库侧进行1号卡爪抓刀动作。
其特点是：换刀速度快，同一把刀每次换刀对应的刀套位 置不确定，刀库管理复杂。
二、刀库典型故障分析
一、常见自动换刀装置实例
实际中加工中心刀库及换刀机械手结构较 复杂，且在工作中又频繁运动，所以故障率较 高，目前机床上有50％以上的故障都与之有关 ，如刀库运动故障，定位误差过大，机械手夹 持刀柄不稳定，机械手动作误差过大等，这些 故障最后都造成换刀动作卡位，整机停止工作 。因此刀库及换刀机械手的维护十分重要。
刀库及换刀机械手的维护要点 ⑴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。 ⑵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。
⑶用手动方式往刀库上装刀时，要确保装到位，装牢靠 ，并检查刀座上的锁紧装置是否可靠。
⑷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，发现问题要及时调整，否则不能完成 换刀动作。
⑸要注意保持刀具刀柄和刀套的清洁。 ⑹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。
按照刀具管理方 式划分
随机刀位管 理刀库
固定刀位管 理刀库
3.1、固定刀位管理方式
固定刀位管理是在加工前，将加工所需要的刀具依照工艺 次序插入刀库刀套中，顺序不能有差，每一个刀具只对应一个 刀套。加工时按照固定刀的位置进行调刀，还刀。
如：1号刀具对应安装在1号刀套内，20号刀具对应安装在 20号到套内。在换刀过程中，如果主轴是1号刀需要更换20号 刀具时，首先需要刀库转动到1号刀套位置进行1号刀具的还 刀动作，还刀后刀库转动到20号刀具再进行取刀动作。不管 一个刀具被调用多少次，其刀具、刀套对应位置都不会改变。
• 在刀库刀具容量小的情况下，其选刀运动时间 短，效率高，换刀可靠性较高。
• 1.2、链式刀库
特点：
链式刀库容量较大，当采用多 环链式刀库时，刀库的外形较紧 凑，占用空间小，适合做大容量 刀库。基于这些优点，链式刀库 在加工中心应用的非常广泛。
2、按换刀方式划分：
2.1、主轴直接取刀换刀方式
Z2 ABBiblioteka 电电机机 直线导轨气缸
直线导轨
主轴
刀库刀盘 （(aa）)
（(bb）)
（(cc）)
（(dd）)
换刀示意图
（(ee）)
（(ff)）
2.1、主轴直接取刀换刀方式
主轴直接换刀取刀方式一般应用在盘式刀库上，无机械手 的盘式刀库俗称斗笠式刀库，其结构简单，成本较低，而且容 易控制。因而在小型加工中心得到广泛的应用。这种刀库的特 点是刀库具有前后两个位置，刀库前位时刀库最外的刀具正好 与主轴套在同一条轴线上。通过气动或者液压装置使刀库在两 个位置上前后移动，通过两个行程开关确认刀库的前后位置。 这种刀库另外一个特点是采用固定刀位管理，即每个刀套只用 于安装一把固定刀具。固定刀位换刀过程需要两次完成，首先 把主轴的刀具放回刀具的原来位置，然后再从刀库中取出要选 择的刀具，这样换刀效率低，一般用于刀库容量比较少的刀库 选刀控制。 其主要缺点是：容量小，在换刀抓松刀过程中主轴会对刀库刀 盘有一定挤压力，容易造成刀库旋转体变形、断裂等现象。
按固定刀位管理的刀库一般使用在容量较少的刀库上，其 特点是刀具管理简单，换刀设计控制容易。
3.2、随机刀位管理方式
随机刀位管理刀库中刀具排列的顺序与工件的加工顺序无 关。换刀过程中主轴上刀具就近放入刀库内空刀套上，通过计 算确定刀库中刀具与实际刀套对应位置，在换取刀具时刀库直 接转动到相应刀套位置进行换刀动作。
刀库故障
1.刀库不能转动的原因可能有： ①联接电机轴与蜗杆轴的联轴器松动； ②变频器故障，应检查变频器的输入、输出电压是否正常； ③PLC无控制输出，可能是接口板中的继电器失效； ④机械连接过紧； ⑤电网电压过低。
2.刀库转不到位的原因可能有：
电动机转动故障，传动机构误差。 3.刀套不能夹紧刀具原因可能是
A.刀套上的调整螺钉松动。 B.拉刀机构弹簧太松，造成卡紧力不足。 C.松刀机构回退故障。 D.刀具超重。 4.刀套上下不到位原因可能是 A.装置调整不当或加工误差过大而造成拨叉位置不正确。 B.限位开关安装不正确或调整不当而造成反馈信号错误。
中航工业西航设备部 赵臣
一、刀库的分类及特点 二、刀库典型故障分析
一、刀库的分类及特点
1、按机械结构划分：
1.1、盘式刀库
• 盘式刀库其特点是：结构紧凑，但因刀具单 环排列，定向使用率较低，大容量刀库的外径 较大，转动惯量大，因此这种刀库容量较小， 一般不超过32把刀。其应用一般是在小型加工 中心上。
2.2、机械手换刀方式
带机械手的刀库，换刀速度快，在零件程序运行的同时， 刀库可以将下一把刀具提前转到换刀位置。换刀指令生效后， 机械手将主轴刀套内的刀具与刀库换刀位置刀套内的目标刀具 直接交换。在整个换刀过程中对刀库冲击小， 带机械手的刀库增加了机械手的控制，因而相关的PLC应用程 序也相对复杂，机械手的控制方法因厂家不同，通常采用以下 几种控制方式：液压控制、异步电机控制、凸轮控制机械手
机械手换刀由于其在换刀过程中动作较多，使其换刀故障 率较高，排故过程较复杂。
2.2、机械手换刀方式
91转.0程换1机3456过..换主....序刀机换机机械后78刀轴给动械刀械械..手2机机机定号出作手机手手1械械移械向卡指步1械22手手在向在出手并爪令骤11手大112气主气，大移刀缩开：大..臂机机缸轴缸1臂动具回始臂号旋械械侧//翻到正，换翻液液卡转手手移转换对执刀转压压爪122动。刀刀8行缩移。缸缸离0，由点库在回动由度驱驱开执平位空主，，平，动动主行行置刀轴执2行完下下轴号2于,套上行同于成伸执号上卡装。刀时主刀机出行卡刀爪刀库刀轴套械，主爪具离动内库方方手进轴抓。开作装旋向向1行侧刀刀/。刀转翻翻在卸2动套位动到转转刀刀作。置作需为为库（。换替。要平平刀拔刀换更行行套刀完动换于于内）成作的刀主拔动。刀套轴刀作具方。动。位向作置。。。翻 2.机械手1移向刀库侧进行1号卡爪抓刀动作。
其特点是：换刀速度快，同一把刀每次换刀对应的刀套位 置不确定，刀库管理复杂。
二、刀库典型故障分析
一、常见自动换刀装置实例
实际中加工中心刀库及换刀机械手结构较 复杂，且在工作中又频繁运动，所以故障率较 高，目前机床上有50％以上的故障都与之有关 ，如刀库运动故障，定位误差过大，机械手夹 持刀柄不稳定，机械手动作误差过大等，这些 故障最后都造成换刀动作卡位，整机停止工作 。因此刀库及换刀机械手的维护十分重要。
刀库及换刀机械手的维护要点 ⑴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。 ⑵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。
⑶用手动方式往刀库上装刀时，要确保装到位，装牢靠 ，并检查刀座上的锁紧装置是否可靠。
⑷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，发现问题要及时调整，否则不能完成 换刀动作。
⑸要注意保持刀具刀柄和刀套的清洁。 ⑹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。
按照刀具管理方 式划分
随机刀位管 理刀库
固定刀位管 理刀库
3.1、固定刀位管理方式
固定刀位管理是在加工前，将加工所需要的刀具依照工艺 次序插入刀库刀套中，顺序不能有差，每一个刀具只对应一个 刀套。加工时按照固定刀的位置进行调刀，还刀。
如：1号刀具对应安装在1号刀套内，20号刀具对应安装在 20号到套内。在换刀过程中，如果主轴是1号刀需要更换20号 刀具时，首先需要刀库转动到1号刀套位置进行1号刀具的还 刀动作，还刀后刀库转动到20号刀具再进行取刀动作。不管 一个刀具被调用多少次，其刀具、刀套对应位置都不会改变。
• 在刀库刀具容量小的情况下，其选刀运动时间 短，效率高，换刀可靠性较高。
• 1.2、链式刀库
特点：
链式刀库容量较大，当采用多 环链式刀库时，刀库的外形较紧 凑，占用空间小，适合做大容量 刀库。基于这些优点，链式刀库 在加工中心应用的非常广泛。
2、按换刀方式划分：
2.1、主轴直接取刀换刀方式
Z2 ABBiblioteka 电电机机 直线导轨气缸
直线导轨
主轴
刀库刀盘 （(aa）)
（(bb）)
（(cc）)
（(dd）)
换刀示意图
（(ee）)
（(ff)）
2.1、主轴直接取刀换刀方式
主轴直接换刀取刀方式一般应用在盘式刀库上，无机械手 的盘式刀库俗称斗笠式刀库，其结构简单，成本较低，而且容 易控制。因而在小型加工中心得到广泛的应用。这种刀库的特 点是刀库具有前后两个位置，刀库前位时刀库最外的刀具正好 与主轴套在同一条轴线上。通过气动或者液压装置使刀库在两 个位置上前后移动，通过两个行程开关确认刀库的前后位置。 这种刀库另外一个特点是采用固定刀位管理，即每个刀套只用 于安装一把固定刀具。固定刀位换刀过程需要两次完成，首先 把主轴的刀具放回刀具的原来位置，然后再从刀库中取出要选 择的刀具，这样换刀效率低，一般用于刀库容量比较少的刀库 选刀控制。 其主要缺点是：容量小，在换刀抓松刀过程中主轴会对刀库刀 盘有一定挤压力，容易造成刀库旋转体变形、断裂等现象。
按固定刀位管理的刀库一般使用在容量较少的刀库上，其 特点是刀具管理简单，换刀设计控制容易。
3.2、随机刀位管理方式
随机刀位管理刀库中刀具排列的顺序与工件的加工顺序无 关。换刀过程中主轴上刀具就近放入刀库内空刀套上，通过计 算确定刀库中刀具与实际刀套对应位置，在换取刀具时刀库直 接转动到相应刀套位置进行换刀动作。
刀库故障
1.刀库不能转动的原因可能有： ①联接电机轴与蜗杆轴的联轴器松动； ②变频器故障，应检查变频器的输入、输出电压是否正常； ③PLC无控制输出，可能是接口板中的继电器失效； ④机械连接过紧； ⑤电网电压过低。
2.刀库转不到位的原因可能有：
电动机转动故障，传动机构误差。 3.刀套不能夹紧刀具原因可能是
A.刀套上的调整螺钉松动。 B.拉刀机构弹簧太松，造成卡紧力不足。 C.松刀机构回退故障。 D.刀具超重。 4.刀套上下不到位原因可能是 A.装置调整不当或加工误差过大而造成拨叉位置不正确。 B.限位开关安装不正确或调整不当而造成反馈信号错误。