自动换刀装置

2019/10/61第五章自动换刀装置2019/10/62第五章自动换刀装置•5.1概述•5.2刀架换刀•5.3刀库与机械手换刀•5.4更换主轴换刀与更换主轴箱换刀•5.5自动换刀装置的常见故障与维修5.1概述一、ATC刀具自动交换为进一步提高数控机床的加工效率，实现一次装夹即可完成多道工序或全部工序加工的方向的发展需求，必须有自动换刀装置，以便选用不同刀具，完成不同工序的加工工艺。自动换刀装置应当具备换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具储备量、占地面积小、安全可靠等特性。第五章自动换刀装置4类别型式特点转塔式回转刀架多为顺序换刀，换刀时间短、结构简单紧凑、容纳刀具较少各种数控车床，数控车削加工中心转塔头顺序换刀，换刀时间短，刀具主轴都集中在转塔头上，结构紧凑。但刚性较差，刀具主轴数受限制数控钻、镗、铣床刀库式刀具与主轴之间直接换刀换刀运动集中，运动部件少，但刀库容量受限。各种类型的自动换刀数控机床。尤其是对使用回转类刀具的数控镗、铣床类立式、卧式加工中心机床。要根据工艺范围和机床特点，确定刀库容量和自动换刀装置类型。用机械手配合刀库进行换刀刀库只有选刀运动，机械手进行换刀运动，刀库容量大表5-1自动换刀装置类型5二、刀具的选择自动选刀：按数控装置的刀具选择指令，从刀库中将所需要的刀具转换到取刀位置，称为自动选刀。在刀库中，选择刀具通常采用：1．顺序选择刀具2．任意选择刀具6任意选择法主要有三种编码方式•(1)刀具编码方式•(2)刀座编码方式•(3)编码附件方式71刀具编码方式这种方式是对每把刀具进行编码，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，避免了因刀具存放在刀库中的顺序差错而造成的事故，同时也缩短了刀库的运转时间简化了自动换刀控制线路图5-1刀具编码方式82刀座编码方式•这种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，刀库便停止旋转。图5-2刀座编码方式93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，这样就把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。10三、识别装置•刀具（刀座）识别装置是自动换刀系统中重要组成部分，常用的有下列几种。•1．接触式刀具识别装置•2．非接触式刀具识别装置111．接触式刀具识别装置图5-3接触式刀具识别装置1-刀柄2-识别装置3-触针4-编码环122．非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。•（1）非接触式磁性识别法•（2）光学纤维刀具识别装置13（1）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磁感应强弱不同，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5-4非接触式磁性识别1-刀柄套2-导磁材料编码环3-识别装置4-非导磁材料编码环5-一次线圈6-检测线圈7-二次线圈14（2）光学纤维刀具识别装置•这种装置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，其中一束将光源投射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，以判断正对这二束光导纤维的金属表面有无反射光，有反射时(表面光亮)为“1”，无反射时(表面涂黑)为“0”，如图4-5b所示。在刀具的某个磨光部位按二进制规律涂黑或不涂黑，就可给刀具编上号码。正当中的一小块反光部分用来发出同步信号15图5-5光学纤维刀具识别装置16四、利用PC(可编程序控制器)实现随机换刀•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。这种方法主要由软件完成选刀，从而消除了由于识刀装置的稳定性，可靠性所带来的选刀失误。175.2刀架换刀•一、排刀式刀架图5-6排刀式刀架布置图18图5-7快换台板19二、经济型数控车床方刀架•经济型数控车床方刀架是在普通车床四方刀架的基础上发展的一种自动换刀装置，其功能和普通四方刀架一样，有四个刀位，能装夹4把不同功能的刀具，方刀架回转时，刀具交换一个刀位，但方刀架的回转和刀位号的选择是由加工程序指令控制。换刀时方刀架的动作顺序是：刀架抬起、刀架转位、刀架定位和夹紧刀架。为完成上述动作要求，要有相应的机构来实现，下面就以WZD4型刀架为例说明其具体结构，图5-8数控车床方刀架结构1-电动机2-联轴器3-蜗杆轴4-蜗轮丝杠5-刀架底座6-粗定位盘7-刀架体8-球头销9-转位套10-电刷座11-发信体12-螺母13、14-电刷15-粗定位销21三、一般转塔回转刀架•数控车床的转塔回转刀架．它适用于盘类零件的加工。在加工轴类零件时，可以换用四方回转刀架。由于两者底部安装尺寸相同，更换刀架十分方便。回转刀架动作根据数控指令进行，由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22图5-9一般转塔回转刀架1-活塞2-刀架3、4-定位杆5-离合器6-活塞7-齿轮8-齿条9、10-插销11-推杆12-触头13-接板235.3刀库与机械手换刀•刀库用于存放刀具，它是自动换刀装置中主要部件之一。其容量、布局和具体结构对数控机床的设计有很大影响。24一、刀库的形式图5-10盘形刀库25图5-11链式刀库26圆盘式刀库结构图27圆盘式刀库结构图28•THK6370自动换刀数控卧式镗铣床采用链式刀库。图5-13链式刀库结构示意图29二、设计刀库时应考虑的主要问题•1、合理确定刀库储存量•2、尽量缩短选刀时间•3、刀库运动速度应适宜•4、要求刀具运行平稳•5、刀座在刀库中的排列•6、其他应注意的问题301、合理确定刀库储存量•刀库储存量过大，导致刀库的结构庞大而复杂，影响机床总体布局；储存量过小，则不能满足复杂零件的加工要求。因此，刀库容量应在经济合理的条件下，力图将一组类似的零件所需的全部刀具装入刀库，以缩短每次装刀所需的装调时间。对国内外300多种刀库储存容量统计的结果表明，一般刀库的储存量以10-40把较为适合，41-60把刀具基本上能满足绝大多数零件的加工要求。少于10把超过60把的很少。图5-14刀具数量统计图312、尽量缩短选刀时间•例如将选刀时间与加工时间重叠，根据所选刀具在刀库中的位置来决定刀库正转或反转，以缩短选刀时间。323、刀库运动速度应适宜•作回转运动的刀库，其运动是间歇的，而且方向经常改变，故要求启停平稳，无冲击，能准停在预定位置，为此要求转动惯量不能过大，因而对刀库的直径、储存刀具的重量和数量以及刀库的回转速度都应有适当限制。目前，国内外链式刀库的线速度可达100-8mm/s，圆盘刀库的转速多为-/S。刀库中能自动换刀的最大刀具直径限制为315mm，最大刀具长度为500mm，最大刀具重量为100kg。334、要求刀具运行平稳•为此，往往需设置辅助支承和导向装置。如对链式刀库设置刀座运动导轨，对圆盘刀库可在靠近刀盘外缘处用滚动轴承支承。345、刀座在刀库中的排列•一般刀座的间距相等，在必要的情况下，也可采用不等距排列，视刀具直径大小而定，多数刀座装小直径刀具，按小间距排列。少数刀座按大间距排列，装大直径刀具。356、其他应注意的问题•如刀具在刀座中应夹持可靠，刀库防尘、防屑及安全防护等问题都必须考虑。36三、机械手１．机械手的形式与种类•在自动换刀数控机床中，机械手的形式也是多种多样的，常见的有如图5-15所示的几种形式：•(1)单臂单爪回转式机械手•(2)单臂双爪摆动式机械手•(3)单臂双爪回转式机械手•(4)双机械手•(5)双臂往复交叉式机械手•(6)双臂端面夹紧机械手37图5-15机械手形式38２．常用换刀机械手（１）单臂双爪式机械手也叫扁担式机械手，它是目前加工中心上用的较多的一种。根据结构要求，可以采取液压缸动，活塞固定；或活塞动，液压缸固定的结构形式。而手臂的回转动作，则通过活塞的运动带动齿条齿轮传动来实现。机械手臂的不同回转角度，由活塞的可调行程来保证。39图5-16凸轮式换刀机械手1-刀套2-十字轴3-电动机4-圆柱槽凸轮（手臂上下）5-杠杆6-锥齿轮7-凸轮滚子（平臂旋转）8-主轴箱9-换刀手臂40•(2)双臂单爪交叉型机械手•由北京机床研究所开发和生产的JCSl3卧式加工中心，所用换刀机械手就是双臂单爪交叉型机械手，如图5-17所示。41图4-17双臂单爪交叉机械手图5-17双臂单爪交叉机械手42•(3)单臂双爪且手臂回转轴与主轴成45的机械手••机械手结构如图5-18所示，这种机械手换刀动作可靠，换刀时间短。缺点是刀柄精度要求高，结构复杂，联机调整的相关精度要求高，机械手离加工区较近。43443．手爪形式•(1)钳形手的杠杆手爪•(2)刀库夹爪45图5-19钳形机械手手爪1-手臂2-锁销3-止退销4-弹簧5-支点轴6-手爪7-键8-螺钉图5-20刀库夹爪锁销2-顶销3-弹簧4-支点轴5-手爪6-挡销464．机械手结构原理•如图5-21机械手结构及工作原理如下：机械手有两对抓刀爪，分别由液压缸1驱动其动作。当液压缸推动机械手爪外伸时(图5-21中上面一对抓刀爪)，抓刀爪上的销轴3在支架上的导向槽2内滑动，使抓刀爪绕销4摆动，抓刀爪合拢抓住刀具；当液压缸回缩时(图5-21中下面的抓刀爪)，支架2上的导向槽迫使抓刀爪张开，放松刀具。由于抓刀动作由机械机构实现，且能自锁，因此工作安全可靠。47图5-21机械手结构原理图1-液压缸2-支架导向槽3-销轴4-销48•5．机械手的驱动机构图5-23机械手臂和手爪结构图4950四、刀具交换装置•在数控机床的自动换刀系统中，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刀具交换装置。刀具的交换方式通常分为无机械手换刀和有机械手换刀两大类。511．无机械手换刀•无机械手换刀的方式是利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换。XH754型卧式加工中心就是采用这类刀具交换装置的实例。•该机床主轴在立柱上可以沿Y方向上下移动，工作台横向运动为z轴，纵向移动为x轴。鼓轮式刀库位于机床顶部，有30个装刀位置，可装29把刀具图5-24换刀过程522．机械手换刀•采用机械手进行刀具交换的方式应用的最为广泛，这是因为机械手换刀有很大的灵活性，而且可以减少换刀时间。机械手的结构形式是多种多样的，因此换刀运动也有所不同。535.4更换主轴换刀与更换主轴箱换刀•一、更换主轴换刀•更换主轴换刀是带有旋转刀具的数控机床的一种比较简单的换刀方式。这种主轴头实际上就是一个转塔刀库如图5-26所示。54图5-26更换主轴换刀1-齿轮2、3、7-行程开关4、5-液压缸6-蜗轮8-蜗杆9、10-齿盘11-槽轮12-齿轮55•立式八轴转塔头的结构，每次转位包括下列动作:•(1)脱开主传动•(2)转塔头脱开•(3)转塔头转位•(4)转塔头定位压紧•(5)主轴传动的接通图5-27立式八轴转塔头的结构56二、更换主轴箱换刀•有的数控机床像组合机床一样，采用多主轴的主轴箱，利用更换主轴箱达到换刀的目的，如图5-28所示。57图5-28自动更换主轴箱1-工作主轴箱2、3、4、5、6、7-