刀库类型及刀具的选择与识别

3. 刀库wenku.baidu.com—机械手自动换刀系统 ❖ 这类换刀装置由刀库、选刀机构、刀具的自动装卸
❖ 根据刀库所需要的容量、选刀及取刀方式，可以将刀库设计 成多种形式。图7-42所示为常见的几种刀库形式。
1．盘形刀库
❖ 盘形刀库为最常用的一种形式，每一刀座均可存放一把刀具。 盘形刀库的储存量一般为15~40把。盘形刀库的种类葚多， 图7-42A~D是单盘式刀库，为适应机床主轴的布局，刀库的 刀具轴线可以按不同的方向配置，图7-42D是刀可以作90度 翻转的圆盘刀库，采用这种结构能简化取刀动作。单盘式刀 库的结构简单，取刀也较方便，因此应用最为广泛。
❖ 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。
（三）刀具识别装置
❖ 刀具识别装置是可任意选择刀具的自动换刀系统中 重要组成部分，常用的有以下几种。 1．接触式刀具识别装置
3．格子式刀库
❖ 这种刀库具有纵横排列十分整齐的很多格子，每个 格子中均有一个刀座，可储存一把刀具，如图742B所示。这种刀库可将其单独安置于机床外，由 机械手进行选刀及换刀。这种刀库选刀及取刀动作 复杂，应用最少。
（二）选刀方式
❖ 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，称为自动换刀。目前，在刀 库中选择刀具通常有顺序选择和任意选择两种方式。
❖ 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，且难于快速换刀。 2．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法。
❖ 非接触式磁性识别法磁性识别法是利用磁性材料和非磁性材 料感应强弱不同，通过感应线圈读取代码。编码环的直径相 等、分别由导磁材料（如软钢）和非导磁材料（如黄铜、塑 料）等制成，规定前者编码为“1”，后者编码为“0”。图748所示为一种用于刀具编码的磁性识别装置。图中刀柄1上 装有非导磁材料编码环4和导磁材料编码环相对应的有一组 检测线圈6组成的非接触式识别装置3。在检测线圈6的一次 线圈6的一次线圈5中输入交流电压时，如编码环为导磁材料， 则磁感应较强，在二次线圈7中产生较大的感应电压。如编 码环为非导磁材料，则磁感应较弱，在二次线圈中线圈感应 的电压较弱。利用感应电压的强弱，就能识别刀具的号码。 当编码的号码与指令刀号相符时，控制电路发出信号。使刀 库停止运转，等待换刀。
❖ 接触式刀具识别装置的识别原理如图7-47所示。在 刀柄上装有两种直径不同的编码环，规定大直径的 环表示二进制的“1”，小直径的环为“0”，图中有5 个编码环4，在刀库附近固定一刀具识别装置2，从 中伸出触针3，触针数量与刀柄上的编码环个数相 等。每个探针与应该继电器相联，当蓖麻换是大直 径时与触针接触，继电器通电，其数码为“1”。当 编码环是小直径时与触针白接触，继电器不通电其 数码为“0”。当各继电器读出的数码与所小刀具的 编码一致时，由控制装置发出信号，使刀库停转， 等待换刀。
（2）刀座编码方式 这种编码方式对刀库中每个刀座都进 行编码，刀具也编号，并将刀具放到与其号码相符合的刀座 中。换刀时刀库旋转，使各个刀座依次经过识刀器，直至找 到规定的刀座，刀库便停止旋转。由于这种编码方式取消了 刀柄中的编码环，使刀柄结构大为简化。因此，刀具识别装 置的位置不受刀柄尺寸的限制，而且可以放在较适当的位置。 另外，在自动换刀过程中必须将用过的刀具放回原来的刀座 中，增加了换刀的动作。与顺序选刀的方式相比，刀座编码 的突出移动是刀具在加工过程中可以重复使用。 ❖ 图7-44所示为圆盘刀库的刀座编码装置。在圆盘的圆周上均 布若干个刀座，起外侧边缘上装有相应的刀座编码块1，在 刀库的下放装有固定不动的刀座识别装置2。刀座编码的识 别与上述刀具编码的识别原理完全相同（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。这种方式是先给刀具都缚 上一把表示该刀具号的编码钥匙，当把个刀具尊放倒戈刀库 中时。识别装置可以通过识别刀具上的号码来选取该钥匙旁 边的刀具。
❖ 采用这种自动换刀系统，需要增加刀具的自动夹 紧、放松机构、刀具运动及定位机构，常常还需要 有清洁刀柄及刀孔、刀座的装置，因而结构复杂。 换刀过程动作多、换刀时间长。同时，影响换刀工 作可靠性因素是也较多。
二．刀库类型及刀具的选择与识别
（一）刀库类型
❖ 刀库是自动换刀装置中主要部件之一，其容量及具体结构对 数控机床的设计有很大影响。
（3）转塔头转位 当鼠牙盘脱开后，行程开关发出 信号启动转位电动机，经蜗杆8和蜗轮6带动槽轮机 构的主轴曲拐使槽轮11转过45 。并由槽轮机构的圆 弧来完成主轴头的分度位置粗定位。主轴号的选定 是通过行程开关组来实现。若处于加工位的主轴不 是所需要的，转位电动机句续回转，带动转塔头间 歇地再转45 ，直至选中主轴为止。主轴选好后，由 行程开关7关停转位电动机。 （4）转塔头定位压紧 通过电磁阀使压力油进入 压缸5的右腔，转塔头向左返回，由鼠牙盘10精定 位。并利用 压缸5右腔的油压作用力，将转塔头可 靠地压紧。 （5）主轴转动重新接通 由电磁阀控制压力油进入 压缸4，压缩弹簧使齿轮1与主轴上的齿轮12啮合。 此时转塔头转位、定位动作全部完成。
❖ 刀具编码的具体结构如图7-43所示。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。编码环既可以 是整体的，也可由圆环3组成。编码环直径有大小两种，大 直径的为二进制的“1”，小直径为“0”。通过这两种圆环的 不同排列，可以得到一系列代码。例如由六个大小直径的圆 环便可组成能区别63种刀具。通常全部为0的代码不用，以 避免与刀座中没有刀具的状况相混淆。为了便于操作者的记 忆和识别，也可采用二一八进制编码来表示，
❖ 为了改善主轴结构的工艺性，整个主轴部件装在套 筒内，只要卸去螺钉，就可将整个主轴部件抽出。
❖ 这种换刀装置存储刀具的数量少，适用于加工较 简单的工件，其优点在于省去了自动松、夹，卸刀、 装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，并提高了换刀的可靠性。但是由于空 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。因此，转塔主轴头通常只适应于工序较少， 精度要求不太高的机床，例如数控钻床、铣床等。
刀库类型及刀具的选择与识别
首先要把加工过程中要用的全部刀具分 别安装在标准的刀柄上，在机床外进行 尺寸预调整后，插入刀库中。换刀时根 据选刀指令在刀库谁选刀，由刀具交换 装置从刀库和主轴上取出刀具，进行刀 具交换，然后将新刀具装入主轴，将用
过的刀放回刀库。
❖ 这种换刀装置和转塔主轴头相比，由于机床主轴箱 内只有一根主轴，在结构上可以增加主轴的刚性， 有利于精密加工和重切削加工。刀库中刀具的数目 可根据工艺要求和机床的结构布局而定，数量可较 多以实现复杂零件的多工序加工，从而提高了机床 的适应性和加工效率。此外，刀库可布置在远离加 工区的地方，从而消除了它与工件相干扰的可能性。
1．顺序选择方式
❖ 刀具的顺序选择方式是将刀具按加工工序的顺序， 依次放人刀库的每一个刀座内。每次换刀时，刀库 按顺序转动一个刀座的位置，并取出所需要的刀具。 已经使用过的刀具可以放回原来的刀座内，也可以 按顺序放入下一个刀座内。采用这种方式不需要刀 具识别装置，而且驱动控制也较简单，可以直接由 刀库的分度来实现。因此，刀具的顺序选择方式具 有结构简单，工作可靠等优点。但由于更换不同工 件时，必须重新排列刀库中的刀具顺序。刀库中的 刀具在不同的工序中不能重复使用，因而必须相应 地增加刀具的数量和刀具的容量，这样就降低了刀 具和刀库的利用率。此外，装刀时必须十分谨慎， 如果刀具不按顺序装在刀库，将会造成严重事故。
2．任意选择方式
❖ 采用任意选择方式的自动换刀系统中必须有刀具识 别装置。这种方式是根据程序指令的要求来选择所 需要的刀具，刀具在刀库中不必按照工件的加工顺 序排列，可任意存放。每把刀具（或刀座）都编上 代码，自动换刀时，刀库旋转，每把刀具（或刀座） 都经过“刀具识别装置”接受识别。当某把刀具的 代码与数控指令的代码相符合时，该把刀具被选中， 并将刀具送到换刀位置，等待机械手来抓取。
❖ 编码钥匙的形状如图7-45所示，钥匙的两边最多可 带有22个方齿，图中除导向用的两个方外，共有20 个图中可区别9999刀具。
❖ 图7-46 为编码钥匙孔的剖面图，钥匙沿着水平方向 的钥匙缝插入钥匙孔座，然后顺时针方向旋转90度， 处于钥匙代码突起6 的第一弹簧片5被撑起，表示代 码“1”，处于代码凹出的第二弹簧片3保持原状，表 示代码“0”。由于钥匙上每个凹凸部分的旁边均有 相应的炭刷4或1，故可将钥匙各个凸凹部分识别出 来，即识别书相应的刀具。
❖ 当需要更多数量的刀具时，可采用图7-42E所示的 鼓轮弹仓式（又成刺猬式）刀库，其结构十分紧凑， 在相同的空间内，它的刀库容量最大，图7-42G为 多层盘形刀库。它们虽然也具有结构紧凑的特点， 但选刀和取刀的动作较多，故较少应用。
2．链式刀库
❖ 这种刀库是在环形链条上装有许多刀座，如图742F所示，其结构有较大的灵活性，存放刀具的数 量也较多，选刀和取刀动作十分简单。当链条较长 时，可以增加支撑链轮数目，使链条折叠回饶，提 高空间利用率。一般刀具数量在30~120把。
2．多主轴转塔头换刀装置 ❖ 在带有旋转刀具的数控镗铣床中，常用多主轴转塔头换刀装
置。 ❖ 通个 多主轴转塔头的转位来换刀是一种比较简单的换刀方式。
这种机床的主轴转塔头就是一个转塔刀库，转塔头有卧式和 立式两种。图7—38所示是数控转塔式镗铣床的外观图，八 方形转塔头上装有八根主轴，每根主轴上装有一把刀具。根 据工序的要求按顺序自动换刀，同时接通主传动。不处在工 作位置的主轴便与主传动脱开。转塔头的转位（即换刀）由 槽轮机构来实现，其结构如图7—39所示，每次换刀包括下 类动作： （1）脱开主轴传动 压缸4卸压，弹簧推动齿轮1向上与主 轴上的齿轮12脱开。 （2）转塔头抬起 当齿轮1脱开后，固定在其上的支板接通 行程开关3，控制电磁阀，使 压油进入 压缸5的左腔， 压缸 活塞带动转塔头向右移动，直至活塞与 压缸端部相接触。固 定在转塔头体上的鼠牙盘10便脱开。
2）非接触式光电识别法 非接触式光电识别法 是利用光导纤维良好的光传导特性，采用多束光导 纤维构成阅读头。用靠近的二束光导纤维来阅读二 进制码的一位时，其中一束将电源投到能反光或不 能反光（被涂黑）的金属表面另一束光导纤维将反 射光送至光电转换元件转换成电信号，以判断 ❖ 销9卡紧，同时缸体3与压盘4的锥面接触刀架在新 的位置定位并夹紧，这时端齿离合器与空套齿轮脱 开。 （4）转位液压缸复位 刀架压紧之后，压力油从D 孔进入转位液压缸右腔，活塞6带动齿条复位。由 于此时端齿离合已脱开，所以齿条带动齿轮7在轴 上空转。 ❖ 如果定位和压紧动作正常，推开11与相应的铢头12 接触出信号表示换刀过程已经结束 ，可以 进行切 削加工。
❖ 任意选择刀具法的优点是刀库中刀具的排列顺序与 工件加工顺序无关，相同的刀具可重复使用。因此， 刀具数量比顺序选择法的刀具可少一些，刀库也相 应的小一些。
❖ 任意选择法必须对刀具编码，以便识别。编码方式主要有三 种：
（1）刀具编码方式 这种方式是采用特殊的刀柄结构进行 编码。由于每把刀具都有自己的代码，因此，可以存放于刀 库的任一刀座中。这样刀库中的刀具在不同的工序中也就可 重复使用，用过的刀具也不一定放回原刀座中，这对装刀和 选刀都十分有利，刀库的容量也可相应地小减小，而且还可 避免由于刀具存放在刀库中的顺序差错而造成的事故。