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1、1,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。,2,2.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。,3,常用的种类：可转
2、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,4,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。,5,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。,6,二、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，
3、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。,7,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。,8,数控铣床、加工中心用刀具,工具柄部,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,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，在加工工件时主轴上
4、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,9,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。,10,1.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。,11,12,13,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,2数控镗铣加工工具系统,刀具的夹持,14,1-拉杆，2-刀柄 3-法兰盘 4
5、-带洼形肩面,法兰盘式夹持,15,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。,16,2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。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。,17,镗铣类整体式工具系统组成,18,柄杆与刀具的联接,19,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
6、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。,20,镗铣类模块式工具系统组成,21,模块结构的工具系统,主柄,联接杆,工作头,22,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。,23,24,TMG21工具系统,25,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
7、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）。,26,一、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,27,一、换刀装置的类型和组成,常用的自动换刀装置有
8、如下几种形式：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。,28,水平转轴自动换刀装置,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,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。,29,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,30,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，
9、仅为2s左右。但由于受到空间位置的限制，主轴数目不能太多，主轴部件的结构刚度也有所下降，用途：只适用与工序较少，精度要求不太高的数控机床，如数控钻床、数控铣床等。,31,2.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，由主轴上的刀具自动装卸机构来保证刀具的自动更换；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,装夹装置,32,刀库 自动换刀装置 刀具传送装置识刀装置,自动换刀系
10、统的组成：,33,刀库是自动换刀系统中最主要的装置之一 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。,二、刀库,主轴换刀,34,1.刀库类型 常用刀库有 盘式刀库 链式刀库 格子式刀库,35,盘形刀库,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,36,各种链式刀库a）单环链式（b）多环链式（c）折叠链式,链式刀库,37,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
11、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。,38,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,39,2.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,40,（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
12、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。,41,（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。,42,3.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
13、，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。,43,4.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。,44,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）。,45,
14、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。,46,47,（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。,48,（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
15、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；,49,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。,50,三
16、、自动化换刀机构(刀具交换装置),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。,51,1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；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。,三、自动化换刀机构,52,回转刀架动作：根据数控指令进行，由
17、液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，其动作过程分为如下四个步骤：(1)刀架抬起(2)刀架转位(3)刀架压紧(4)转位液压缸复位,53,在如今的小型FMS中，通常利用机床主轴作为过渡装置，将容纳少量刀具（5-10把）的装载刀架设计得便于主轴的抓取，先由刀具运载工具将该装载刀架送到机床工作台上，然后利用主轴和工作台的相对移动，将刀具装入机床主轴，再通过机床自身的自动换刀装置，将刀具一个个地装入机床刀库。这种方法简单易行，但换刀时间较长，且要占用机床工时。,2.通过主轴换刀,主轴装刀,54,特点：换刀机械手因具有灵活性大、换刀时间短的，所以应用最为广泛。换刀机械手按刀具夹持器的数量，又可分：为单
18、臂式机械手和双臂式机械手。这些机械手能够完成抓刀、拔刀、回转、换刀以及返回等全部动作过程。,机械手换刀,3.利用机械手换刀,55,56,表6-1自动换刀装置的主要类型、特点及适用范围,57,复习思考题,P28：1-1、1-2、1-7、1-9、1-10、1-11、1-12、1-15P65：2-3、2-8、2-9、2-11、2-12、2-19、2-20P104：3-3、3-4、3-6、3-8、3-10、3-12、3-14、3-15、3-17、3-18、3-19、3-20P118：4-3、4-5、4-6、4-7、4-8、4-9,58,为什么数控机床的主轴有时需要装备准停装置，试举例说明准停装置的工作原理。数控机床的自动换刀装置有哪些主要类型？常见的刀库类型有哪些？,
