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1、数控机床全套,3.4 数控机床的自动换刀装置,为完成对工件的多工序加工而设置的存储及更换刀具的装置称为自动换刀装置（Automatic Tool Changer,ATC）。,自动换刀装置应当满足的基本要求为：,刀具换刀时间短且换刀可靠。刀具重复定位精度高。足够的刀具储存量。结构简单，便于制造、维修、调整。布局合理，机床总布局美观大方。,3.4 数控机床的自动换刀装置,一、自动换刀装置的型式,1、自动回转刀架2、转塔头式换刀装置3、带刀库的自动换刀装置,一、自动换刀装置的型式自动回转刀架,是一种最简单的自动换刀装置，常用于数控车床。根据不同的机床要求，可设计成四方刀架、六角刀架、盘形回转刀架等，
2、即在其上装有四把、六把或更多的刀具。,一、自动换刀装置的型式自动回转刀架,(a)螺母升降转位刀架(b)利用十字槽轮来转位及锁紧刀架(c)凸台棘爪式刀架(d)电磁式刀架(e)液压式刀架,一、自动换刀装置的型式自动回转刀架,例子：数控车床六角回转刀架的换刀动作,一、自动换刀装置的型式自动回转刀架,刀架抬起：数控装置发出指令后，压力油从A孔进入压紧液压缸的下腔,刀架体抬起,使定位用的活动插销和固定插销脱开,同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮结合。,刀架转位：刀架抬起后，压力油从C孔进入转位液压缸左腔,活塞通过联接板带动齿条移动，使空套齿轮做逆时针转动。通过端齿离合器使刀架转过60.,刀架压紧：刀
3、架转位后，压力油从B孔进入压紧液压缸的上腔,活塞带动刀架体下降,活动插销与固定插销卡紧，刀架在新的位置定位并夹紧。此时，端齿离合器与空套齿轮脱开。,转位液压缸复位：刀架压紧之后，压力油从D孔进入转位液压缸的右腔，活塞带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开,齿条带动空套齿轮在轴上空转。如果定位和夹紧动作正常，拉杆与触头接触，发出信号表示换刀过程结束。,3.4 数控机床的自动换刀装置,一、自动换刀装置的型式转塔头式换刀装置,转塔头式换刀装置是带有旋转刀具的数控机床上常用的一种换刀装置，这种换刀装置的转塔头上装有多个主轴，每个主轴上装一把刀具，加工中，通过转塔头自动转位实现自动换刀。,一、自动换刀装
4、置的型式转塔头式换刀装置,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地将装有所需刀具的主轴转到工作位置，以此实现自动换刀，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。,数控转塔式镗铣床的外观图,一、自动换刀装置的型式转塔头式换刀装置,优点：省去了自动松、夹、装刀、卸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（仅为2s左右），并提高了换刀的可靠性。,缺点：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。,转塔头
5、主轴通常只适应于工序较少，精度要求不太高的机床，如数控钻床、铣床等。,3.4 数控机床的自动换刀装置,一、自动换刀装置的型式带刀库的自动换刀装置,回转刀架、转塔头式换刀装置容纳的刀具数量不能太多，不能满足复杂零件的加工需要，因此，目前多工序数控机床（加工中心）多采用带刀库的自动换刀装置。这种自动换刀装置由刀库、选刀机构、刀具交换装置及刀具在主轴上的自动松夹机构等四部分组成。,二、刀库刀库的类型,刀库的功能是储存加工工序所需要的各种刀具，并按程序指令把将要用的刀具准确地送到换刀位置上，并接受从主轴送来的已用刀具。储存量一般在8-64把范围内，多的可达100-200把。,鼓（盘）式刀库,链式刀库,
6、格子盒式刀库,鼓（盘）式刀库,盘式刀库的刀具轴线与鼓(圆盘)轴线平行，刀具环形排列，分径向、轴向两种取刀方式，其刀座（刀套）结构不同。（结构简单，应用较多，适用于刀库容量较小的情况）为增加刀库空间利用率，可采用双环或多环排列刀具的形式，但会增大圆盘直径，转动惯量也增大，选刀时间变长。,刀具轴线与鼓（盘）轴线不平行的鼓（盘）式刀库，占用空间较大，使刀库安装位置和刀库容量受到限制，故应用较少。特点：鼓（盘）式刀库结构简单，应用较多，适用于刀库容量较小的情况。,链式刀库,优点是结构紧凑、布局灵活、刀库容量大。通常情况下，刀具轴线和主轴轴线垂直，因此，换刀必须通过机械手进行，机械结构比鼓式刀库复杂。在
7、刀库容量较大时，可采用加长链条式布置或多环链式布置，使其外形更紧凑、占用空间更小。,格子盒式刀库,固定型格子盒式刀库 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上，由换刀机械手交换刀具。由于刀具排列紧密，空间利用率高，刀库容量大。,非固定型格子盒式刀库 可换主轴箱的加工中心刀库由多个刀匣组成，可直线运动，刀匣可以从刀库中垂直提出。,3.4 数控机床的自动换刀装置,二、刀库刀库的安装位置,刀库可装在机床的工作台上、立柱上或主轴箱上；当刀库容量大、刀具较重时，也可作为一个独立部件，装在机床之外。,装在机床工作台上,装在机床外,3.4 数控机床的自动换刀
8、装置,二、刀库刀库的容量,工程实践：立式加工中心的主要工艺为钻、铣。用成组技术对15000种工件进行分析后发现，4把铣刀就可以完成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、铣工艺加工。如果从完成工件全部加工所需的刀具数目统计，一般的中小型立式加工中心配14-30把刀具的刀库就能满足70%-95%的工件加工需要。,刀库的容量首先要考虑加工工艺的分析的需要。一般情况下，并不是刀库中的刀具越多越好，太大的容量会增加刀库的尺寸和占地面积，使选刀过程时间增长。,3.4 数控机床的自动换刀装置,三、刀具的选择装置,按数控装置的刀具选择指令
9、，从刀库中将所需要的刀具转换到取刀位置，称为自动选刀。,1、顺序选刀,在加工前，将加工零件所需刀具按照工艺要求依次插入刀库的刀套中，加工时按顺序调刀称为顺序选刀。,2、任选刀具,刀具在刀库中任意存放，每把刀具（或刀座）都编有代码，自动换刀时，刀库旋转，每把刀具都经过“刀具识别装置”接受识别。当某刀具代码与数控指令代码相符时,任选刀具有三种换刀方式（刀具编码、刀座编码、编码附件）,刀具编码方式,刀具编码选刀方式是在刀具或刀套上安装用于识别的编码条，一般都是根据二进制编码的原理进行编码。刀具长度加长，制造困难，刚度降低，刀库和机械手结构复杂。,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
10、母3固定。编码环直径有大小两种，大直径的为二进制的“1”，小直径的为“0”。通过两种圆环的不同排列，可以得到一系列的代码。,接触式刀具识别装置的原理,非接触式磁性识别原理图,光导纤维刀具识别原理图,编码识别装置,刀座编码方式,对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，刀库停止旋转。,如图所示为圆盘形刀库的刀座编码装置。在圆盘的圆周上均匀分布若干个刀座，其外侧边缘上装有相应的刀座识别装置2。刀座编码的识别原理与刀具编码完全相同.,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
11、多的是编码钥匙。这种方式是先给各刀具都缚上一把表示该刀具号的编码钥匙，当把各刀具存放到刀库的刀座中时，将编码钥匙插进刀座旁边的钥匙孔中，从而钥匙的号码转记到刀座中，给刀座编上了号码。识别装置可以通过识别钥匙上的号码来选取该钥匙旁边刀座中的刀具。,钥匙的两边最多可带有22个方齿，图中除导向用的两个方齿外，共有20个方齿可区别9999刀具。,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。,3、软件选刀,将刀具号及其所在的刀座号(存刀位置，即刀具地址)一一对应地记忆在数
12、控系统的PLC中。无论刀具存放在哪个刀座中，计算机都能跟踪记忆。因此，刀具可任意取出，任意送回。刀柄采用国际通用结构，没有编码环，结构简单，通用性能好。刀座上也不编码，但刀库上必须设有刀座位置检测装置，以便检测出每个刀座的位置信息。目前多数加工中心都采用跟踪记忆方式来实现任选刀具。,3.4 数控机床的自动换刀装置,四、刀具交换装置,刀具交换装置是用来实现刀库与机床主轴（或刀架）之间传递和装卸刀具的装置。刀具交换装置的形式和具体结构多种多样，它们对数控机床的总布局、生产率和工作可靠性都有直接的影响。,利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换 采用机械手进行刀具交换,四、刀具交换装置,1、利用刀库
13、与机床主轴的相对运动实现刀具交换,(1)主轴定向准停，使主轴上的端面键与刀柄键槽方向一致；(2)根据指令，控制机床工作台快速向右移动，将工件5从主轴2下面移开，同时将刀库4移到主轴下面，并使刀库的某个空刀座恰好对准主轴；(3)主轴内的刀具夹紧装置放松，主轴箱下降，将主轴上用过的刀具3放回刀库的空刀座中；,数控立式镗铣床,四、刀具交换装置,1、利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换,(4)主轴箱上升，接着刀库回转，将下一工步需用的刀具对准主轴；(5)主轴箱下降，将下一步所需的刀具插入机床主轴，同时主轴内的刀具夹紧装置夹紧刀具；(6)主轴箱及主轴带着刀具上升；(7)机床工作台快速向左返回，将刀库
14、从主轴下面移开，同时将工件移至主轴下面，使主轴上的刀具对准工件的加工面。,数控立式镗铣床,四、刀具交换装置,1、利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换,数控立式镗铣床,这种自动换刀装置只有一个刀库，不需要其他装置，结构极为简单，然而换刀过程却较为复杂。另外，由于刀库置于工作台上，因而减少了工作台的有效使用面积。这种换刀装置多用于小型低价位的加工中心。,3.4 数控机床的自动换刀装置,采用机械手进行刀具的交换，一方面在刀库的布置和刀具数量的增加上，不像无机械手那样受结构的限制，具有很大的灵活性；而且还可以通过刀具预选，减少换刀时间，提高换刀速度，因此，在加上中心上应用最为广泛。,四、刀具交换装
15、置机械手,四、刀具交换装置,2、采用机械手进行刀具交换机械手的形式与种类,双臂回转机械手，能同时抓取和装卸刀库及主轴上的刀具。(a)钩手，抓刀运动为旋转运动(b)抱手，抓刀运动为两手指旋转(c)杈手，抓刀运动为直线运动,单臂单爪回转式机械手 可以回转不同的角度进行自动换刀，不论在刀库或在主轴上，均靠这一个夹爪来装刀及卸刀，因此换刀时间较长。,单臂双爪回转式机械手 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；另一个执行从刀库取“新刀”的任务。换刀时间较单爪回转式机械手要少。,双臂双爪回转式机械手 手臂两端各有一个夹爪，两个夹爪可同时抓取刀库及主轴上的刀具，回转180后，又
16、同时将刀具放回刀库及装入主轴。是最常用的一种形式（钩手）右边的杈手形机械手在抓取刀具或将刀具送入刀库及主轴时，两臂可伸缩。,（1）抓刀 手臂旋转90“，同时抓住刀库和主轴上的刀具；（2）拔刀 主轴夹头松开刀具，机械手同时将刀库和主轴上的 刀具拔出；（3）换刀 手臂旋转180“，新旧刀具交换；（4）插刀 机械手同时将新旧刀具分别插入主轴和刀库，然后 主轴夹头夹紧刀具；（5）复位 转动手臂，回到原始位置。,3.4 数控机床的自动换刀装置,四、刀具交换装置机械手的形式与种类,双机械手 这种机械手相当于两个单爪机械手，相互配合起来进行自动换刀。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
17、刀库里取出“新刀”装入机床主轴。,3.4 数控机床的自动换刀装置,四、刀具交换装置机械手的形式与种类,双臂往复交叉式机械手 这种机械手的两手臂可以往复运动，并交叉成一定角度。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。,3.4 数控机床的自动换刀装置,四、刀具交换装置机械手手爪结构,在弹簧柱销的作用下，将刀具夹持在固定爪和活动爪之间。调整螺栓以保持手爪适当的夹紧力，挡销限制活动爪的回转角度。锁紧销使活动爪牢固地夹持刀柄，防止刀具在交换过程中松脱。要将锁紧销轴向压进，才能放松活动爪，以便抓刀或松刀时手爪从刀柄V型槽中退出。,3.4 数控机床的自动换刀装置,五、刀具的夹持,各种类型的刀具必须装在统一的标准刀柄上，以便能安装于主轴、刀库内或由机械手抓取。我国制定了相应的刀柄标准，标准中有直柄及7：24锥度的锥柄两类，分别用于圆柱形主轴孔及圆锥形主轴孔。,1为键槽用于传递切削扭矩；2为机械手抓取部位；3为刀柄定位部位；4为螺孔用以安装可调节拉钉，供主轴内刀具自动夹紧装置拉紧刀柄用。,
