第四章数控机床的自动换刀装置

第四章自动换刀装置为进一步提高数控机床的加工效率，数控机床正向着工件在一台机床一次装夹即可完成多道工序或全部工序加工的方向发展，因此出现了各种类型的加工中心机床，如车削加工中心、镗铣加工中心、钻削加工中心等。这类多工序加工的数控机床在加工过程中要使用多种刀具，因此必须有自动换刀装置，以便选用不同的刀具，完成不同工序的加工工艺。4.1ATC刀具自动换刀4.2刀库4.3机械手4.4自动换刀装置4.5刀库自动换刀过程与换刀实例4.1ATC刀具自动换刀4.1.1ATC刀具自动换刀装置的基本要求ATC（AutomaticToolChanger）自动换刀装置:为实现对工件的多工序加工而设置的能自动存储及更换刀具的装置。ATC应满足如下基本要求：1、刀具换刀时间短且换刀可靠。2、刀具重复定位精度高。3、足够的刀具储存量。4、刀库占地面积小。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，选择刀具通常采用两种方法。1.顺序选刀2.任选刀具返回上一页下一页4.1.2刀具的选择方式1.顺序选刀在加工之前，将加工零件所需刀具按照工艺要求集中插入刀库的刀套中，顺序不能有差错，加工时按顺序调刀称为顺序选刀。加工不同的工件时必须重新调整刀库中的刀具顺序，因而操作十分繁琐，而且加工同一工件中各工序的刀具不能重复使用。这样就会增加刀具的数量，而且由于刀具的尺寸误差也容易造成加工精度的不稳定。其优点是刀库的驱动和控制都比较简单。因此这种方式适合加工批量较大、工件品种数量较少的中小型自动换刀数控机床。2.任选刀具这种方法根据程序指令的要求任意选择所需要的刀具，刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列，可以任意存放。每把刀具都编上代码，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。当某把刀具的代码与数控指令的代码相符合时，该把刀具被选中，刀库将刀具送到换刀位置，等待机械手来抓取。返回上一页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。目前大多数的数控系统都采用任选刀具功能，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1）、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；缩短了刀库的运转时间；简化了自动换刀控制线路。刀具编码的具体结构如右图所示。在刀柄1后端的拉杆4上套装着等间距的编码环2，由锁紧螺母3固定。图刀具编码结构图1-刀柄；2-编码环；3-压紧螺母；4-拉杆编码环既可以是整体的，也可由圆环组装而成。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”。通过着两种圆环的不同排列，可以得到一系列代码。例如由六个大小直径的圆环便可组成能区别63（26-1=63）种刀具。通常全部为0的代码不许使用，以免与刀座中没有刀具的状况相混淆。图刀具编码结构图1-刀柄；2-编码环；3-压紧螺母；4-拉杆为了便于操作者的记忆和识别，也可采用二-八进制编码来表示。THK6370自动换刀数控镗铣床的刀具编码采用了二-八进制，六个编码环相当八进制的二位。这种编码环中，若所有的编码环都是凸的，其号码二进制是（111111）二，相当于二-八进制数（77）八，也就是十进制的（63）十。2）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。这种编码方式由于取消了刀柄中的编码环，使刀柄结构大为简化。识刀器的结构不受刀柄尺寸的限制，而且可以放在较适当的位置。在自动换刀过程中必须将使用过的刀具放回原来的刀座中，增加了换刀动作。与顺序选择刀具的方式相比，刀座编码的突出优点是刀具在加工过程中可以重复使用。上图所示为圆盘形刀库的刀座编码形式。在圆盘的圆周上均布若干个刀座，其外侧边缘上装有相应的刀座编码块1，在刀库的下方装有固定不动的刀座识别装置2。刀座编码的识别原理与上述刀具编码的识别原理完全相同。图刀座编码示意图1-编码装置；2-读码装置3）、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。编码钥匙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。编码钥匙的形状如上图所示。图中除导向突起外，共有16个凸出或凹下的位置，故有216-1=65535种凹凸组合，可区别65535把刀具。上右图为编码钥匙孔的剖面图，钥匙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的对应弹簧接触片5被撑起，表示代码“1”，处于代码凹处的对应弹簧接触片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，因为从刀座中取出刀具时，刀座中的编码钥匙也取出，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。采用这种编码方式用过的刀具必须放回原来的刀座中。刀具（刀座）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（1）接触式刀具识别装置接触式刀具识别装置应用较广，特别适应于空间位置较小的刀具编码，其识别原理如上图所示。在刀柄1上装有两种直径不同的编码环，规定大直径的环表示二进制的“1”，小直径的环为“0”，图中有5个编码环4；在刀库附近固定一刀具识别装置2，从中伸出几个触针3，触针数量与刀柄上的编码环个数相等。每个触针与一个继电器相连，当编码环是大直径时与触针接触，继电器通电，其数码为“1”。接触式刀具识别原理图1-刀柄；2-刀具识别装置；3-触针；4-编码环当各继电器读出的数码与所需刀具的编码一致时，由控制装置发出信号，使刀库停转，等待换刀。接触式刀具识别装置的结构简单，但由于触针有磨损，故寿命较短，可靠性较差，且难于快速选刀。（2）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：磁性识别光电识别法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的磁感应强弱不同，通过感应线圈读取代码。编码环的直径相等，材料分别为导磁材料（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”。右上图所示为一种用于刀具编码的磁性识别装置。图中刀柄1上装有非导磁材料编码环4和导磁材料编码环2，与编码环相对应的有一组检测线圈6组成非接触式识别装置3。在检测线圈6的一次线圈5中输入交流电压时，如编码环为导磁材料，则磁感应较强，在二次线圈7中产生较大的感应电压。如编码环为非导磁材料，则磁感应较弱，在二次线圈中感应的电压较弱。利用感应电压的强弱，就能识别刀具的号码。当编码环的号码与指令刀号相符时，控制电路便发出信号，使刀库停止运转，等待换刀。当尺寸受到限制时，不能采用由标准无触点开关组成的识刀器。为此，华中理工大学研制了一种小型的磁性识刀器，六组磁芯叠合在一起的宽度只有30mm。其选刀控制方框图如上图所示。当数控装置发出选刀指令T后，选刀控制电路使刀库快速旋转，刀柄上的编码环依次经过识刀器。在识刀器上感应出每把刀具的不同信号，经“刀号读出电路”将编码环所需要的号码读出，并经输入控制门存入“刀号寄存器”内，然后送入“符号电路”与数控装置的T代码比较。如读出的刀具号码与给定的T代码不一致时，刀库继续旋转，进行识别比较。直至识刀器读出的刀具号码与给定的T代码一致时，则发出选刀符合信号，选刀控制电路使刀库减速慢转，由刀库定位销定位，等待换刀。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来获取刀具上的二进制信号。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，以判断正对着这二束光导纤维的金属表面有无反射光。有反射时为“1”，无反射时为“0”。如图（b)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。阅读头端部结构如图（a）所示，共用的投光射出面为一矩形框，中间嵌进一排共9个圆形受光入射面。在光导纤维中传播的光信号比在导体中传播的电信号具有更高的抗干扰能力。光导纤维可任意弯曲，这给机械设计、光源及光电转换元件的安装都带来了很大的方便。因此，这种方法很有发展前途。近年来，“图象识别”技术也开始用于刀具识别，刀具不必编码，而在刀具识别位置上利用光学系统将刀具的形状投影到许多光电元件组成的屏板上，从而将刀具的形状变为光电信号，经信号处理后存入记忆装置中。选刀时，数控指令T所指的刀具在刀具识别装置出现图形时，并与记忆装置中的图形进行比较，选中时发出选刀符号信号，刀具便停在换刀位置上。这种识别方法虽然有很多的优点，但由于该系统价格昂贵，而限制了它的使用。3、利用PC实现随机换刀利用可编程控制器（PC）记忆的方式将刀具和刀库的刀座位置分别编号，列出刀号数据表存储在PC内，刀号数据表应与刀具在刀库中的实际位置相对应。换刀时，主轴上新装的刀具号及还回刀库的刀具号均在PC内部相应地存储记忆，使刀号数据表与刀库中的位置始终保持一致。这种方法由于不需要编码环和识刀装置，结构大为简化，同时也增加了可靠性，已被广泛应用于加工中心。JCS—018加工中心也采用了这种方式实现了任意选刀。4.2刀库刀库是自动换刀装置的主要部件，其容量、布局以及具体结构对数控机床的设计有很大的影响。刀库中的刀具的定位机构是用来保证要更换的每一把刀或刀套都能准确地停在换刀位置上。采用电动机或液压系统为刀库转动提供动力。根据刀库所需的容量和取刀方式，可将刀库设计成多种形式。4.2.1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换上的刀具准确地送到换刀位置，并接受从主轴换下送来的已用刀具。刀库的储存量一般在8～64把范围内，多的可达100～200把。刀库的类型分为：1、鼓（盘）式刀库2、链式刀库3、格子盒式刀库1、盘式刀库：刀具可以沿主轴轴向、径向、斜向安装。轴向安装的结构最为紧凑。为了换刀时刀具与主轴同向，有的刀库中的刀具需在换刀位置作90°翻转。在刀库容量较大时，为在存取方便的同时保持结构紧凑，可采取弹仓式结构。目前大量的刀库安装在机床立柱的顶面或侧面。在刀库容量较大时，也有安装在单独的地基上，以隔离刀库转动造成的振动。返回上一页下一页盘式刀库的刀具轴线与鼓轴线平行，刀具环行排列，分径向、轴向两种取刀方式，其刀座结构不同。这种鼓式刀库结构简单应用较多，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。但鼓直径增大，转动惯量就增加，选刀时间也较长。如图4-6（a）、（b）所示为鼓式刀库。盘式刀库GF、ISO40-24、30DV盘式刀库在数控机床上的应用2.链式刀库如图4-7所示为链式刀库，通常其刀具容量比盘式的要大，结构也比较灵活和紧凑，常为轴向换刀。链环可根据机床的布局配置成各种形状，也可将换刀位置刀座突出以利于换刀。另外还可以采用加长链带方式加大刀库的容量，也可采用链带折叠加绕的方式提高空间利用率，在要求刀具容量很大时还可以采用多条链带结构。