1、数控加工系统的自动换刀装置第二节 数控加工系统的自动换刀装置为了进一步提高数控机床的加工效率，数控机床向着工件在一台机床上经一次装夹可完成多道工序或全部工序加工的方向发展，从而出现了各种类型的加工中心机床和车削中心机床。这类机床为了完成不同工序的加工工艺，需使用多种刀具，因此必须有自动换刀装置。自动换刀装置应满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀具储存量足够、结构紧凑及安全可靠等要求。 各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀种类和数目。目前数控机床使用的自动换刀装置主要有转塔式自动换刀和刀库式自动换刀二种。一、转塔式自动换刀装置 转塔式自动换刀装置又分回转刀架式和转
2、塔头式二种，回转刀架式用于各种数控车床和车削中心机床。转塔头式多用于数控钻、镗、铣床。 （一）回转刀架换刀 回转刀架换刀是一种简单的自动换刀装置。在回转刀架各刀座安装或夹持各种不同用途的刀具，通过回转刀架的转位实现换刀。回转刀架可在回转轴径向和轴向安装刀具。在数控车床上，回转刀架和其上的刀具布置大致有： （1）一个回转刀架，外圆类、内孔类刀具混合放置，如图6-10所示。 （2）两个回转刀架，分别布置外圆和内孔类刀具。 如图6-11所示，上刀架的回转轴与主轴平行，用于装外圆类刀具；下刀架的回转轴与主轴垂直，用于装内孔类刀具。图6-11 带有两个回转刀架的数控车床图6-12 双排回转刀架外形图（3
3、）一个回转刀架，外圆类、内孔类刀具分别布置在刀架的一侧面，如图6-12所示 。回转刀架的回转轴与主轴倾斜，每个刀位上可装两把刀具，用于加工外圆和内孔。 回转刀架的工位数最多可达20余个，但最常用的是8、10、12和16工位4种。工位数越多，刀间夹角越小，非加工位置刀具与工件相碰而产生的干涉可能性越大；在刀架布 刀时要给予考虑，避免发生干涉现象。 回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时切削抗力和减小刀架 在切削力作用下的位移变形，提高加工精度。回转刀架还要选择可靠的定位方案和定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后具有高的重复定位精度。 图6-13是CK3263系列数控车床回转刀
4、架结构简图。 刀架的升起、转位、夹紧等动作都是由液压驱动的。其工作过程是：当数控装置发出换刀指令以后，液压油进入液压缸1的右腔，通过活塞推动中心轴2将刀盘3左移，使定位副端齿盘4和5脱离啮合状态，为转位作好准备。齿盘处于完全脱开位置时，行程开关 ST2发出转位信号，液压马达带动转位凸轮6旋转，凸轮依次推动回转盘7上的分度往销8使回转盘通过键带动中心轴及刀盘作分度转动。凸轮每转过一周拨过一个柱销，使刀盘旋转一个工位1/n周(n为刀架工位数，也等于柱销数)。中心轴的尾端固定着一个有n个齿的凸轮，每当中心轴转过一个工位时，凸轮压合计数开关ST1一次，开关将此信号送入控制系统。当刀盘旋转到预定工位时，
5、控制系统发出信号使液压马达刹车，转位凸轮停止运动，刀架处于预定位状态。与此同时液压缸1左腔进油，通过活塞将中心轴和刀盘拉回，端齿盘啮合，刀盘完成精定位和 夹紧动作。刀盘夹紧后中心轴尾部将ST2压下发出转位结束信号。端齿盘的制造精度和 装配精度要求较高，以保证转位的分度精度和重复定位精度。 刀盘转位驱动采用圆柱凸轮步进传动机构，其工作原理如图6-14所示。圆柱凸轮是在圆周面上加工出一条二端有头的凸轮轮廓。从动回转盘端面有多个 柱销，柱销数量与工位数相等。按图中所示旋转时，B销先进入凸轮轮廓的曲线段，这时凸轮开始驱动回 转盘转位，与此同时A销与凸轮轮廓脱开，当凸轮转过180时，B销接触的凸轮轮廓由
6、曲线段过渡到直线段，同时与B销相邻的C销开始与凸轮的直线轮 廓的另一侧面接触，凸轮继续转动，回转盘不动，刀架处于预定位状态。由于凸轮是一个两端开口的非闭 合曲线轮廓，所以凸轮正反转时均可带动回转盘作正反方向的旋转。因此，这种刀架可通过控制系统中的逻辑电路来自动选择刀盘回转方向，以缩短转位时间，提高换刀速度。 (二)转塔头式换刀 使用旋转刀具的数控机床采用转塔头转位更换主轴头。这种机床的主轴头就是转塔头，在转塔的各主轴头上，根据加工的工序预先安装所用刀具，转塔依次转位，就可以实现自动换刀。主轴头有卧式和立式两种，工作时只有位于加工位置的主轴头才与主运动接通，而其它处于不加工位置的主轴都与主运动脱
7、开。图6-15TK-5525型数控 转塔式镗铣床 如图6-15所示是TK-5525型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。转塔头的转位由槽轮机构采实现，其结构如图6-16所示。 转塔头的转位过程为： （1）脱开主轴传动 油缸4卸压，弹簧推动齿轮1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，使液压油进入油缸5的左腔，油缸活塞带动转塔头向右移动，直至活塞与油缸端部相接触，固定在转塔头体上的鼠牙盘10便脱开。 （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机，经蜗杆8和蜗轮6带动槽轮机构的主动曲拐使槽轮11转
8、过45。并由槽轮机构的圆弧槽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。若处于加工位置的主轴不是所需要的，转位电机继续回转，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关停转位电机。 （4）转塔头定位压紧 通过电磁阀使压力油进入油缸5的右腔，转塔头向左返回，由 鼠牙盘10精定位。并利用油缸5右腔的油压作用力，将转塔头可靠地压紧。 （5）主轴传动重新接通 由电磁阀控制压力油进入油缸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。 这种换刀装置的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
9、缩短了换刀时间，并提高了换刀的可靠性。但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。由于这些结构上的原因，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。二、刀库式自动换刀装置 刀库式自动换刀装置是由刀库和刀具交换机构组成，目前它是多工序数控机床上应用 最广泛的换刀方法。刀库用来储存刀具，刀库可装在主轴箱上、或工作台上、或装在机床的其它部件上。有的自动换刀装置因刀库距主轴较远，还需要增加中间搬运装置。选刀时，刀具交换机构根据数控指令从刀库中选出所指定的刀具，然后从刀库和主轴（或刀 架）
10、取出刀具，并进行交换；将新刀装入主轴（或刀架），把用过的旧刀放回刀库。 在具有刀库的加工中心上，其换刀方式又可按有、无机械手分为：有机械手换刀和无 机械手换刀两类。此外，刀库还因存储刀具容量不同，安置于机床的位置不同，为保证换刀动作的准确可靠、相互协调等，已出现了许多种不同类型的换刀系统。就是说刀库机械手形式的自动换刀系统中，组合的类型很多，这里仅对最常用又典型的几种结构类型作出介绍。 （一）无机械手的换刀系统图6-17 无机械手换刀系统 的换刀过程 （点击看动画） 换刀系统要实现的是刀库和主轴之间的自动刀具交换，即当加工中心运行中，需要某一刀具进行切削加工时，要把该刀具自动地从刀库交换到主轴
11、上，切削完毕又将用过的切削刀具从主轴自动归还刀库。 在有机械手换刀系统中，上一过程由机械手夹持刀具来完成，而在无机械手换刀系统中，就要求把刀库安置在主轴箱可以运动到的位置，或者是整个刀库或某一刀位移动到主 轴箱可达到的位置。 刀库中刀具指向与主轴上装刀后刀具指向必须一致，在进行换刀时主轴运动到达刀库上的换刀位置，利用刀库动作对主轴进行刀具的装卸交换。 图6-17所示为一种卧式加工中心无机械手换刀系统的换刀过程。 换刀过程如下：在图6-17中当上一工序结束后，主轴准停，主轴箱做上升运动（图a）； 主轴箱到达换刀位置，上一把刀具进入刀库交换刀具的空位，刀具被刀库夹紧，主轴松刀（图b）；刀库夹住刀具
12、推出前移，对主轴拔刀（图c）；刀库转位到指令的下一工序所要用的刀具位置，主轴孔吹气装置进行吹气清洗（图d）； 刀库后退并缩回将新刀插入主轴孔，主轴的夹紧装置动作，把刀具夹紧（图e）；主轴箱离开换刀位置下行到工作位置，继续下一工序的切削（图f）。图6-18 ZH5120型立式钻削中心外观图1-床身 2-主轴箱 3-立柱 4-数控柜 5-工作台 6-转塔式刀库 7-操纵盘 图6-18为ZH5120型立式钻削中心外观图。在立式钻削中心正前方的主轴箱上，设计了一个新颖的自动换刀装置，它是由一个不带机械手的转塔式刀库及 自动换刀机构所组成。图6-19自动换刀机构的工作原理图 （点击看动画） 换刀机构的工
13、作原理如图6-19所示，可安装7把刀具的转塔式可旋转的刀库2，装在主轴箱1的小导轨上。当在z轴零点以下进行切削加工时，刀库与主轴箱一起向下进行加工。需要换刀时，主轴箱与刀库一起上升至Z轴零点以上的换刀区。当主轴箱继续上升时，通过顶杆限制刀库的继续上升，而使刀库与主轴箱分离。此时中空主轴内的刀具松紧装置已起作用，将刀柄3松开，实现拔刀动作。当主轴箱再继续上升时，通过拉杆4及棘爪棘轮机构使刀库以一定方向回转1/7周，实现换刀动作。此后，主轴箱自最高点开始下降，主轴与刀柄重新接合，实现插刀动作，并通过碟形弹簧拉紧刀柄。 无机械手换刀系统优点是结构简单，换刀可靠；缺点是刀库容量不大，换刀时间长。 此系
14、统适合中小型加工中心采用。 （二）有机械手的换刀系统 它是由刀库、机械手（有的加工中心还有运刀装置）结合共同完成自动刀具交换的，也是在加工中心上用得最为普遍的，比无机械手的换刀系统更灵活，其换刀时间可缩短到2s以下。 但由于有机械手的换刀系统，涉及到刀库位置和机械手的换刀动作不同时，其换刀的过程也不尽相同。所以下面先对刀库和机械手的一些主要类型作出介绍。 1刀库 刀库是一个储存加工所需的各种刀具的仓库，加工中心的换刀位置都是设计成固定的，对应刀库上某一固定刀位，刀库要具备运送刀具，作分度运动达到换刀位置及准确定位的功能，才能使换刀可靠。驱动刀库的动力可用电动机或液动机。有时还要考虑变速机构。对
15、驱动的控制可选用简易定位装置，适用于一个轴的定位控制，并且是半闭环的伺服位置控制，也可选用普通的机电相结合的销定位方式。 （1）刀库的容量 为保证加工工序范围尽量大、缩短加工的循环时间及增强加工能力，应着重考虑刀库主要特性，即储存刀具的数量、传送刀具的时间（包括分度运动时间）、储存刀具的直径和重量。 刀库大，自然存储刀具多。庞大的刀库（如密集型的多层子母式刀库），一是结构复杂，二是对机床总体布局有影响。至于在FMS（柔性制造系统）中所用的加工中心，由于加工工件复杂，原刀库所存放的刀具有时不能满足加工需要，采用了中央刀库的设计考 虑予以解决。 刀库小，存储刀具少时，则又不能满足复杂工件的切削要求
16、。对大量工件切削加工所需用刀具数的统计分析，及对国外343种刀库容量的统计资料表明，刀库存储刀具量在2040把范围的居多（如图6-20所示 ）。少于10把刀或超过60把刀的不常采用。图6-20 刀库存储刀具的适宜数量 （2）刀库的类型 刀库按其形式可分为鼓轮式刀库、链式刀库和格子箱式刀库。在诸多形式刀库中，鼓轮式刀库用得最为普遍，其次为链式刀库。 鼓轮式刀库 鼓轮式刀库是最常见的一种刀库形式，其刀具的存储量少则68把， 多则5060把，有的甚至更多。根据刀库存放刀具的数目和取刀的方式，鼓轮式刀库可设计成多种形式， 图6-21所示为常见的几种鼓轮式刀库。其中图（a）至图（d）存放的 刀具数一般为
17、1540把，为适应机床主轴的布局，刀库上刀具轴线相对于刀库轴线可以按不同方向配置，如轴向、径向或斜向。刀库（d）上的刀具可作90翻转，一采用这种 结构可以简化取刀动作。这几种鼓轮式刀库，结构简单紧凑，应用较多，但因刀具单环排列，空间利用率低，因此多用于刀库容量小的场合。图（e）为鼓轮弹仓式刀库，其结构十分紧凑，在相同的空间内，它的刀库容量最大，但选刀和取刀的动作极复杂。图(f)为刀具呈轴向布置的多层鼓轮式刀库，刀库容量大，需径向装、取刀。 链式刀库 这种刀库是在环形链条上 装有许多刀座，刀座的孔中装各种刀具，链条由链轮驱动。图6-22所示为三种形式的链式刀库。 该种形式刀库结构紧凑，刀库容量较
18、大，链环可根据机床的总体布局要求配置成 适当形式，以利于换刀机构的工作占刀库取 刀多为轴向取刀。在刀库容勘艮大时，可采用多环链式。 格子箱式刀库 这种刀库具有纵横排列十分整齐的很多格子；每个格子可存储一把 刀具。如图6-23所示其中图(a)为单面格子箱式刀库，图(b)为多面格子箱式刀库。该种形式的刀库结构紧凑，刀库空间利用率高。但换刀时间较长，布局不灵活。通常刀库安置在工作台上，小直径刀具为轴向取刀，大直径刀具为径向取刀。该形式的刀库应用较少。 2刀库选刀方式 刀库选刀方式有顺序选择和任意选择二种。 （1）顺序选刀式 刀库中的刀具位置 严格按所需加工零件的加工顺序排列。加工时，按加工顺序依次选
19、刀。 其优点有： 刀库的控制与驱动简单； 无需刀具识别装置； 维护简单。 缺点是： 当加工零件改变后，刀库中的刀具顺序需按照新零件的工艺顺序重新排列，降低了系统的柔性； 当工艺过程中有些工步所用的刀具相同时，也不允许重复使用同一把刀具，必须按加工顺序排列几把相同的刀具，增加了刀具数量和刀库储存量； 操作人员必须在加工前仔细地检查刀具的排列顺序，否则会造成严重事故。 为此，此选刀方式不适宜多品种小批量的随机生产。 （2）任意选刀方式 这种方式需预先将刀库中的每把刀具（或每个刀座）进行编码 ，使之具有可识别的代码。因此刀具在刀库中的位置不必按照零件的加工顺序排列。换刀时，通过刀具或刀座识别装置来识
20、别和选择所需的刀具。 与顺序选择相比，其优点是： 刀库中刀具的排列顺序与加工零件的加工顺序无关，无论加工任何零件，都不必改变刀具在刀库中原有的排列顺序，这就增加了系统的柔性； 同一刀具可供不同工件、不同工步共同使用，减少了刀具数量，刀库相应也可小些。 缺点有： 需设置刀具识别装置，使刀库的控制与驱动复杂； 需对刀具或刀座编码，增加了辅助工作量； 维护比顺序选择的要复杂。 这种选刀方式适宜于多品种小批量的随机生产，并可加工较复杂的零件。 3刀具的编码 任意选择的选刀方式必须为刀具系统配备刀具的编码和识别装置。编码有三种方式： （1）对刀具编码 此方式对每把经组装刀具都进行二进制编码，并设法把此编
21、码信息 的载体以某种方式固定在刀具上，由于各种刀具几何形状和尺寸不同，而刀具的夹头则相同，为便于识别，一般都把代码信息载体固定在组装刀具的夹头上。此方式的刀具可随机 存放在任一刀座内，但刀具夹头必须专门设计和制造。 刀具编码的具体结构如图6-24所示。在刀柄尾部的拉紧螺杆3上套着一组等间隔的编码环1，由锁紧螺母2将它们固定压紧。编码环的外径有大小两种规格，编码环高和低表示二进制数的“1”和“0”。通过两种规格编码圆环的不同排列，可得到不同的编码。 图中有7位编码环，能表示127个编码（，全部为0的代码不使用，避免与刀座中没有刀具的状态相混淆），为便于记忆和识别，也可采用二八进制编码来表示。 （
22、2）对刀座编码 此方式对刀库的每个刀座进行编码，并将此编码信息的载体以某种方式固定在各相应的刀座上便于识别的地方，例如图6-25的盘形刀库，可在各刀座相对应的圆周上安装一组编码块，而在刀库圆周外固定一个刀座识别装置，识别刀座的编码。此方式只识别刀座不识别刀具。因此各刀具必须“对号入座”，已使用过的刀具也需放回刀库原来的刀座中，否则将发生错误与混乱。 （3）编码附件 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。这种方式是先给各刀具都缚上一把表示该刀具号的编码钥匙，当把各刀具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。这样就把钥匙的号码转记到刀座中
23、，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。 编码钥匙的形状如图6-26（a）所示。图中除导向突起外，共有16个凸出或凹下的位置，故有65535种凸凹组合，可区别65535把刀具。 图6-26（b）为编码钥匙孔的剖面图，钥匙2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，处于钥匙代码突起6的第一弹簧片5被撑起，表示代码“1”， 处于代码处的第二弹簧接触片7保持原状，表示代码“0”。由于钥匙上每个凸凹部分的旁 边均有相应的炭刷4或1。故可将钥匙各个凸凹部分均识别出来，即识别出相应的刀具。 这种编码方式称为临时性编码，因此从刀座中取出刀具时，刀座中
24、的编码钥匙也取出，刀座中原来编码随之消失。因此，这种方式具有更大的灵活性。 （4）计算机记忆方式 把刀具号和刀库上存刀位置（地址）对应地记忆在计算机存储 器或可编程序控制器的存储器内。刀库上安装位置检测装置，刀库上每个存刀位置（地 址）都可以通过位置检测装置测出。每次换刀的同时改变存储器内容，始终跟踪记忆哪号 刀具放于哪把存刀位置（地址）。这种方式选刀，刀具可任意取出，任意送回，而且刀具本身不必设编码元件，省去编码识别装置，使控制大为简化。非常适用于计算机控制的自 动换刀数控机床。是刀库选刀的发展方向，正被越来越多的各类数控机床自动换刀装置采 用。 4刀具的识别 刀具编码的识别方式有接触式和非
25、接触式两类。前者的编码信息载体和识别装置有磨损问题，因而当前主要采用非接触式。通常应用电磁感应或光电原理实现代码的识别。主要的识别方法有： （1）条形码识别 此方法的刀具编码与刀具预调工作相结合。预调时，即对刀具进行编码，并通过与预调装置相连的打印机打印出条型码表，一由操作者贴到刀具上，然后将刀具投入系统。选刀时，用条型码阅读器进行精确的刀具识别。此方式的编码作业简单，但由于目前大部分机床安装刀具的操作仍然由人工完成，装错的可能性仍然存在。另外，在较脏的环境下，条型码容易从工具上脱落。 （2）存储器识别 此法在刀具上埋入一种以硅片为基本元件的刀具数据载体，用以存 储刀具编码及其他特征数据（一般
26、每个载体能够储64个刀具特征）。这种装置的优点是一旦刀具准备好，就可以用于系统中任意一台机床的任何刀位上，而不需要“对号入座”。 缺点是存储次数太多会降低刀具数据载体的寿命。一般在刀具数据载体的寿命期限内，可以进行一万多次存储循环。此方法可存储信息量多，使用也较方便可靠，因而颇受欢迎。 此外，图像识别技术也开始用于刀具识别中。 5. 换刀机械手 在加工中心的自动换刀系统中，是机械手具体执行刀具的自动更换，对其要求是迅速可靠、准确协调。由于加工中心机床的刀库和主轴，其相对位置距离不同，相应的换刀机械手的运动过程也不尽相同，它们由各种形式的机械手来完成。常见的机械手有： （1）单臂单爪回转式机械手
27、。机械手的手臂可回转不同角度来进行自动换刀，手臂上 一个卡爪要执行刀库或主轴上的装卸刀。对更换刀具所花时间较长。 （2）单臂双爪回转式机械手。在它的手臂上躺个卡爪，其中一个卡爪执行从主轴取 下“旧刀”送回刀库，另一卡爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴。换刀时间比单爪机 械手短。 （3）双臂回转式机械手（俗称扁担式）。这种机械手的两臂各有一个卡爪，可同时抓取刀库及主轴上的刀具，在回转180之后又同时将刀具归四刀库及装入主轴，是目前加 工中心机床上最为常用的一种形式，换刀时间要比前两种都短。这种机械手在有的设计中还采用了可伸缩的臂。图6-27所示为上面三种机械手的示意图。 （4）双机械手相当于两个
28、单臂单爪机械手经配合一起执行自动换刀。其中一个机械手 执行拔“旧刀”归回刀库，另一个机械手执行从刀库取“新刀”插入机床主轴上。 （5）双臂往复交叉式机械手。这种机械手两臂可往复运动并交加一定角度，两个手臂分别称作装刀手和卸刀手。卸刀手完成往主轴上取下“旧刀”归回刀库，装刀手执行从刀库取出“新刀”装入主轴。整个机械手可沿导轨或丝杠作直线移动或绕某个转轴回转，以实现刀库与主轴之间的运送刀具工作。 （6）双臂端面夹紧式机械手。它仅在夹紧部位上和前述几种不同，上述几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面来抓住刀具，而此种机械手则是夹紧刀柄的两个端面。图6-28所示为后三种机械手示意图。 6有机械手的换刀系统换
29、刀过程示例 图6-29所示为一卧式加工中心，它的自动换刀装置由一个链式刀库和双手交叉式机 械手构成。四排链式刀库独立安装在机床左侧，在刀库与主轴之间装有机械手，机械手的滑座沿导柱上、下移动，能在四排刀链的任意一排刀链上选择所需刀具。 自动刀具交换过程由图6-30所示的步骤给出： 第一阶段：完成主轴的刀具交换。主轴停止切削工件，主轴箱上升，立柱后退，把主轴箱带到换刀位置，同时主轴定位准停。待换刀指令发出后，即进行换刀，如图6-30所示。主轴换刀后。即由主轴箱带着它快速接近工件，以进行下一工序的加工。 第二阶段：把用过的刀具送还刀库。如图6-30所示。 第三阶段：选取新刀，为下一换刀过程作准备，如图6-30（14）（19）所示。 图6-30的过程完成了把已选取的下工序使用的刀具09安装到主轴上；同时把已用过的刀具05放回对应的刀座中；并预选好再下一工序使用的刀具46，并把它从刀库中取出放在装刀机械手中，等待下一次换刀指令的到来。 至此，加工中心机床完成了一次自动刀具交换（ATC）动作。
