生产线数控机床的辅助装置和刀具

3.4 生产线数控机床的辅助装置和刀具
3.4.1数控机床的回转工作台
工作台是数控机床伺服进给系统中的执行部件。

立式数控铣床和卧式数控机床工作台的结构形式各不相同。

立式机床工作台不作分度运动，其形状一般为长方形。

卧式机床工作台的台面形状通常为正方形。

由于这种工作台经常要作分度运动或回转运动，而且它的回转、分度运动驱动机构一般装在工作台里，所以也称为分度工作台或回转工作台。

不论是卧式还是立式数控机床，根据工件加工工艺的需要，在工作台上还可增设独立的分度工作台（也称为分度头）。

分度工作台多数采用多齿盘分度方式，也可采用蜗轮副分度方式，以实现任意角度的分度和切削过程中的连续回转运动。

3.4.1数控机床的回转工作台
1.分度工作台
如图所示为卧式加工中心多齿盘分度工作台的结构。

当需要分度时，液压缸8的下腔进压力油，活塞5抬起工作台，上多齿盘4离开下多齿盘9。

当上多齿盘上升到顶时，压下行程开关，发出开始分度信号。

此时伺服电动机启动，经过蜗轮副1和小轴端的小齿轮3，带动上多齿盘4的大齿轮按规定分度角度回转。

转到规定位置以后，发出下降信号，油缸8的上腔进压力油，工作台下降，上、下多齿盘再度啮合，达到准确分度。

此时另一行程开关被压下，发出分度完毕信号，机床即可开始加工。

多齿盘分度工作台
3.4.1数控机床的回转工作台
机床分度工作台之所以常用多齿盘分度方式，是因为多齿盘分度有以下优点：
1）分度精度高，精度保持性好；
2）重复性好；
3）刚性好，承载能力强；
4）能自动定心；
5）分度机构和驱动机构可以分离；
多齿盘分度工作台通常采用PLC简易定位，驱动机构采用蜗轮副及齿轮副。

它的电器定位与多齿盘定位会产生定位干涉，即所谓的过定位。

当上多齿盘下落时，为了与下多齿盘正确啮合，工作台会产生附加扭转，一旦出现不正常的过大扭矩，由于蜗杆的自锁作用会导致驱动元件的损坏。

为此许多制造厂家在设计上采用了浮动蜗杆结构。

3.4.1数控机床的回转工作台
2.数控回转工作台
多齿盘分度工作台只能按最小角度的整数倍分度，故即使采用360齿的齿盘，也只能按1°的整数倍分度，而且只能在不切削时进行分度。

这就使多齿盘分度工作台方式受到一定局限。

为了实现任意角度分度，并在切削过程中转台能够回转，采用了数控回转工作台（简称数控转台），其结构如下图所示。

3.4.1数控机床的回转工作台
数控回转工作台
3.4.1数控机床的回转工作台
需要分度时泄去锁紧油缸1上腔压力油，即可处于松开状态。

此时由伺服电动机驱动蜗轮副，带动工作台回转，而分度角度位置则由角度位置反馈元件2反馈给数控装置。

反馈元件通常为圆感应同步器和圆光栅。

数控转台的蜗杆传动常采用单头双导轨蜗杆传动，或者采用平面齿圆柱齿轮包络蜗杆传动，也可采用双蜗杆传动。

双导程蜗杆左、右齿面的导程不等，因而蜗杆的轴向移动即可改变啮合间隙，实现无间隙传动。

平面齿圆柱齿轮包络蜗杆传动的接触齿数多，重叠系数大，因而它的承载能力比普通圆柱蜗杆传动副高1～2倍，且传动效率高，磨损小，传动平稳，是比较理想的传动形式。

但它的制造工艺复杂，成本较高。

3.4.2数控机床的自动换刀装置
自动换刀装置的作用：无自动换刀功能的数控机床只能完成单工序的加工，如车、钻、铣等。

因此，其加工效率的提高受到一定的限制，特别是对于占辅助时间较长的刀具交换和刀具尺寸调整、对刀等还需要手动完成。

目前，自动换刀装置已广泛用于镗铣床、铣床、钻床、车床、组合机床及其他机床上。

使用自动换刀装置再配合精密数控转台、不仅扩大了数控机床的使用范围，还可使加工效率得到了大大提高，同时，由于零件一次安装可以完成多工序加工，减少了零件安装定位次数和装夹误差，从而进一步提高了加工精度。

3.4.2数控机床的自动换刀装置
自动换刀装置：在数控机床上，实现刀具自动交换的装置称为自动换刀装置。

自动换刀装置所必须具备的功能：必须能够存放一定数量的刀具；换刀时间短；刀具重复定位精度高；结构简单、制造成本低、可靠性高是对数控机床自动换刀装置的基本要求。

其中，特别是自动换刀装置的可靠性，对于自动换刀机床来说显得尤其重要。

自动换刀装置根据其组成结构可分为回转刀架式、转塔式、更换主轴箱式和带刀库自动换刀式。

3.4.2数控机床的自动换刀装置
1.回转刀架换刀
在数控车床上，由于工件安装于主轴上，刀具只需在刀架上进行交换即可，它不涉及到主轴和刀架间的刀具交换问题，因此，换刀装置结构简单，形式比较单一，通常都使用回转刀架进行换刀。

回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。

由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀具位置不进行人工调整，因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度。

一般情况下，回转刀架的换刀动作包括刀架抬起、刀架转位及刀架压紧等。

3.4.2数控机床的自动换刀装置


3.4.2数控机床的自动换刀装置
1）刀架抬起：当数控装置发 出换刀指令后，电动机 1起 动正转，并经联轴器 2使蜗 杆 3转动，从而带动蜗轮丝 杠4转动。

刀架体 7的内孔加 工有螺纹与丝杠联结，蜗轮4 与丝杠为整体结构。

当蜗轮 开始转动时，由于刀架底座5 和刀架体 7上的端面齿处于 啮合状态，且蜗轮丝杠轴向 固定，因此刀架体 7抬起。

3.4.2数控机床的自动换刀装置
2）刀架转位：当刀架抬 起至一定的距离后，端面 齿脱，转位套9用销钉与 蜗轮丝杠4联结，随蜗轮 丝杠一同转动。

当端面齿 完全脱开时，转位套正好 转过 160，球头销 8在弹 簧力的作用下进入转位套 9的槽中，带动刀架体转 位。

3.4.2数控机床的自动换刀装置
3）刀架定位：刀架体7转动时 带动电刷座 10转动，当转到 程序指定的位置时，粗定位销 15在弹簧力的作用下进入粗定 位盘6的槽中进行粗定位，同 时 电 刷 13 接 触 导 体 使 电 动 机 1 反转。

由于粗定位槽的限制， 刀架体 7不能转动，使其在该 位置垂直落下，刀架体7和刀 架底座5上的端面齿啮合实现 精确定位。

3.4.2数控机床的自动换刀装置
4）刀架压紧：刀架精确定位 后，电动机1继续反转，夹紧刀 架，当两端面齿增加到一定夹 紧力时，电动机停止转动，从 而完成一次换刀过程。

3.4.2数控机床的自动换刀装置
2.换主轴换刀 在带有旋转刀具的数控机床中，更
换主轴头换刀是一种简单的换刀方式， 主轴头通常有卧式和立式两种，而且常 用转塔的转位来更换主轴头以实现自动 换刀，各个主轴头上预先装有各工序加 工所需要的旋转刀具，当收到换刀指令 时，各主轴头依次转到加工位置，并接 通主运动使相应的主轴带动刀具旋转， 而其他处于不加工位置上的主轴都与主 运动脱开。

3.4.2数控机床的自动换刀装置
换主轴换刀方式的主要优点是：省去 了自动松夹、卸刀装刀、夹紧以及刀 具搬运等一系列复杂的操作，明显地 减少了换刀时间，提高了换刀的可靠 性； 换主轴换刀方式的缺点是：但是由于 结构上的原因和空间位置的限制，主 轴的数目不可能很多。

因此，转塔主 轴头换刀通常只适用于工序较少、精 度要求不太高的数控机床，例如数控 铣床。

3.4.2数控机床的自动换刀装置
3.更换主轴箱换刀 有的数控机床像组合机床一
样，采用多主轴箱，利用更换主 轴箱达到换刀的目的，如图所 示。

主轴箱库8吊挂着备用主轴 箱2～7。

主轴箱两端的导轨上， 装有同步运行的小车Ⅰ和Ⅱ，它 们在主轴箱库与机床动力头之间 运送主轴箱。

这种换刀形式，对 于加工箱体类零件，可以提高生 产率。

3.4.2数控机床的自动换刀装置
4.带刀库的自动换刀装置 此类换刀装置由刀库、选刀机构、刀具交换机构及刀具在主轴
上的自动装卸机构等四部分组成 。

由于有刀库，加工中心只需要 一个夹持刀具进行切削的主轴。

当需要某一刀具进行切削加工时， 将该刀具自动地从刀库交换到主轴上，切削完毕后又将用过的刀具 自动地从主轴上放回刀库。

由于换刀过程是在各个部件之间进行的，所以要求参与换刀的 各部件的动作必须准确协调。

这种换刀方式的主轴不像转塔式换刀 机构那样受限制，因此主轴刚度可以提高，还有利于提高加工精度 和加工效率。

而且刀具的存储容量增多，有利于加工复杂零件。

刀 库还可离开加工区，消除了很多不必要的干扰。

图a所示为刀库装 在机床的工作台（或立柱）上的数控机床的外观图。

图b所示为刀 库装在机床之外，成为一个独立部件的数控机床的外观图。

3.4.2数控机床的自动换刀装置
a）
b）


3.4.3刀库系统
刀库用来存储加工刀具及辅助工具。

由于多数加工中心的取送 刀位置都是在刀库中得某一固定刀位，因此刀库还需要有使刀具运 动及定位的机构，以保证换刀的可靠进行。

使刀具运动的动力可采 用伺服电动机。

刀具的定位机构用来保证要更换的每一把刀具和刀套都能准确 地停在换刀位置上，其控制部分可以采用简易位置控制器，或类似 半闭环进给系统的伺服位置控制，也可以采用电气和机械相结合的 销定位方式，一般要求其综合定位精度达到0.1～0.5mm即可。

3.4.3刀库系统
1.刀库类型 右图所示为几种典型的刀库。

刀
库可分为圆盘式刀库、链式刀库、箱 格式刀库。

圆库式刀库结构简单，应 用也较多。

但由于刀具采用环形排 列，空间利用率低。

因此出现了将刀 具在盘中采用双环或 多环排列的形 式，以增加空间利用率。

但这样使刀 库的外径扩大，转动惯量也增大，选 刀时间较长。

因此，圆盘式刀库一般 用于刀具容量较小的刀库。

3.4.3刀库系统
链式刀库的结构紧凑，刀库容量较大，链的形状可以根据机床的 布局配置，也可将换刀位突出以利于换刀。

当必须增加链式刀库的刀 具容量时，只需增加链条的长度，在一定范围内，无需变更刀库的线 速度及惯量。

一般刀具数量为30 ～120把时都采用链式刀库。

箱体格刀库的结构也简单，有线型和箱型两种。

线型刀库一般用 于无机械手换刀装置，箱型刀库一般容量比较大，往往用于加工单元 式加工中心。

另外，按设置部位的不同刀库可以分为顶知识、侧置式、悬挂式 和落地式等多种类型。

按交换刀具还是交换主轴，刀库可分为普通刀 库（简称为刀库）和主轴箱刀库。

3.4.3刀库系统
2.刀库的容量 确定刀库的容量首先要考虑加
工工艺的需要。

对15000种工件按成 组技术进行的分析表明，各种加工 所必须的刀具数是：4把铣刀可完成 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。

如果从完成工件的全部 加工所需的刀具数目统计，则80%的 工件完成全部加工任务所需的刀具 数 为 40 种 以 下 。

所 以 对 于 一 般 的 中、小型立式加工中心，配有14 ～ 30把刀具库就能够满足70% ～95%工 件的加工需要。

3.4.3刀具系统及刀具选择
1.刀具系统 数控机床所用的刀具，虽不是机床体的组成部分，但它是机床实
现切削功能不可分割的部分，提高数控机床的利用率和生产效率，刀 具是一个十分关键的因素，应选用适应高速切削的刀具材料和使用可 转位刀片。

为使刀具在机床上迅速地定位夹紧，数控机床普遍使用标 准的刀具系统。

数控车床、加工中心等带有自动换刀装置的机床所用 的刀具，刀具与主轴连接部分和切削刃具部分都已标准化、系列化。

我国在20世纪70年代制定了镗铣床用TSG刀具系统及刀柄标准（草 案）。

TSG刀具系统的刀柄标准为直柄及7∶24锥度的锥柄两大类。

直柄 适用于圆柱形主轴孔，锥柄适用于圆锥形主轴孔。

TSG刀具系统中还 设计了各种锥柄接长杆和各种直柄长杆。

3.4.3刀具系统及刀具选择
2.刀具的选择方式 根据数控装置发出的换刀指令，刀具交换装置从刀库中将所需的
刀具转换到取刀位置，称为自动选刀。

自动选择刀具通常又有顺序选 择和任意选择两种方式。

1）顺序选择刀具 刀具的顺序选择方式是将刀具按加工工序的顺序，依次放入刀库的每 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到原来的刀座内，也可以 按顺序放入下一个刀座内。

采用这种方式的刀库，不需要刀具识别装 置，而且驱动控制也比较简单，可以直接由刀库的分度机构来实现。

因此刀具的顺序选择方式具有结构简单，工作可靠等优点。

但由于刀 库中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 数量和刀库的容量，这样就降低了刀具和刀库的利用率。

此外，人工 装刀操作必须十分谨慎，如果刀具在刀库中的顺序发生差错，将造成 设备或质量事故。

3.4.3刀具系统及刀具选择
2）任意选择刀具 这种方式是根据程序指令的要求来选择所需要的刀具，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。

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， 该刀具就被选中，并将刀具送到换刀位置，等待机械手来抓取。

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。

任意选择刀具法必须对刀具编码，以便识别。

编码方式主要有三 种。

3.4.5刀具交换装置
1.刀具交换方式 数控机床的自动换刀装置中，实现刀库与机床主轴之间传递和装
卸刀具的装置称为刀具交换装置。

刀具的交换方式和它们的具体结构 对机床的生产率和工作可靠性有着直接的影响。

刀具的交换方式很多，一般可分为以下两大类。

1）无机械手换刀
无机械手换刀，是由刀库和机床主轴的相对运动实现的刀具交 换。

换刀时，必须首先将用过的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出 新刀具，这两个动作不可能同时进行，因此，换刀时间长。

图3-23所 示的数控立式镗铣床就是采用这种换刀方式的实例。

它的选刀和换刀 由三个坐标轴的数控定位系统来完成，因此每交换一次刀具，工作台 和主轴箱就必须沿着三个坐标轴作两次来回运动，因而增加了换刀时 间。

另外，由于刀库置于工作台上，减少了工作台的有效使用面积。

3.4.5刀具交换装置
2）机械手换刀 由于刀库及刀具交换方式的不同，换刀机械手也有多种形式。

因
为机械手换刀有很大的灵活性，而且还可以减少换刀时间，应用最为 广泛。

在各种类型的机械手中，双臂机械手全面地体现了以上优点， 如图所示为双臂机械手中最常见的几种结构形式。

刀库 (a)
主轴 主轴
刀库 (c)
刀库 (b)
主轴
主轴 刀库
(d)


3.4.5刀具交换装置
2.机械手的形式 1）单臂单爪回转式机械手，如图a。

这种机械手的手臂可以回转不 同的角度来进行自动换刀，手臂上只有一个夹爪，不论在刀库上或 主轴上，均靠这个夹爪装刀及卸刀，因此换刀时间较长。

2）单臂双爪摆动式机械手，如图b。

这种机械手的手臂上有两个夹 爪，这两个夹爪有所分工，一个夹爪只执行从主轴上取下“旧刀” 送回刀库的任务，而另一个夹爪则执行由刀库取出“新刀”送到主 轴的任务，其换刀时间较单爪回转式机械手要少。

3）双臂回转式机械手，如图c。

这种机械手的手臂两端各有一个夹 爪，这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。

换刀时间较以上两种单臂机械手均 短，是最常用的一种形式。

图右边的机械手在抓取刀具或将刀具送 入刀库及主轴时，其两臂可伸缩。

3.4.5刀具交换装置
3.4.5刀具交换装置
4）双机械手，如图d。

这种机械手相当于两个单臂单爪机械手，它们相互配合进行自动换刀。

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取出“新刀”装入机床主轴。

5）双臂往复式机械手，如图e。

这种机械手的两臂可以往复运动，并交叉成一定的角度，一个手臂从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个手臂由刀库中取出“新刀”装入主轴。

整个机械手可沿某导轨直线移动或绕某个转轴回转，以实现刀库与主轴间的运刀运动。

6）双臂端面夹紧式机械手，如图f。

这种机械手只是在夹紧部位与上述几种不同。

前几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面抓取刀具，而这种机械手则夹紧刀柄的两个端面。

3.4.5刀具交换装置
3.机械手夹持结构
单臂双爪式机械手的手爪一般采
用机械锁刀方式手爪——弹簧销式手
爪。

右图所示为钳形手的杠杆手爪。

图中的锁销2在弹簧作用下，其大直径
外圆顶住退销3，杠杆手爪6就不能摆
动张开，其中的刀具就不会被甩出。

当抓刀和换刀时，锁销2被装在刀库和
主轴端部的撞块压回，止退销3和杠杆
手爪6能够摆动而放开，刀具能装入和
取出。

这种手爪的抓刀运动均为直线
运动。