刀库类型及刀具的选择与识别

刀库类型及刀具的选择与识别首先要把加工过程中要用的全部刀具分别安装在标准的刀柄上，在机床外进行尺寸预调整后，插入刀库中。换刀时根据选刀指令在刀库谁选刀，由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具，进行刀具交换，然后将新刀具装入主轴，将用过的刀放回刀库。这种换刀装置和转塔主轴头相比，由于机床主轴箱内只有一根主轴，在结构上可以增加主轴的刚性，有利于精密加工和重切削加工。刀库中刀具的数目可根据工艺要求和机床的结构布局而定，数量可较多以实现复杂零件的多工序加工，从而提高了机床的适应性和加工效率。此外，刀库可布置在远离加工区的地方，从而消除了它与工件相干扰的可能性。采用这种自动换刀系统，需要增加刀具的自动夹紧、放松机构、刀具运动及定位机构，常常还需要有清洁刀柄及刀孔、刀座的装置，因而结构复杂。换刀过程动作多、换刀时间长。同时，影响换刀工作可靠性因素是也较多。二．刀库类型及刀具的选择与识别（一）刀库类型刀库是自动换刀装置中主要部件之一，其容量及具体结构对数控机床的设计有很大影响。根据刀库所需要的容量、选刀及取刀方式，可以将刀库设计成多种形式。图7-42所示为常见的几种刀库形式。1．盘形刀库盘形刀库为最常用的一种形式，每一刀座均可存放一把刀具。盘形刀库的储存量一般为15~40把。盘形刀库的种类葚多，图7-42A~D是单盘式刀库，为适应机床主轴的布局，刀库的刀具轴线可以按不同的方向配置，图7-42D是刀可以作90度翻转的圆盘刀库，采用这种结构能简化取刀动作。单盘式刀库的结构简单，取刀也较方便，因此应用最为广泛。当需要更多数量的刀具时，可采用图7-42E所示的鼓轮弹仓式（又成刺猬式）刀库，其结构十分紧凑，在相同的空间内，它的刀库容量最大，图7-42G为多层盘形刀库。它们虽然也具有结构紧凑的特点，但选刀和取刀的动作较多，故较少应用。2．链式刀库这种刀库是在环形链条上装有许多刀座，如图7-42F所示，其结构有较大的灵活性，存放刀具的数量也较多，选刀和取刀动作十分简单。当链条较长时，可以增加支撑链轮数目，使链条折叠回饶，提高空间利用率。一般刀具数量在30~120把。3．格子式刀库这种刀库具有纵横排列十分整齐的很多格子，每个格子中均有一个刀座，可储存一把刀具，如图7-42B所示。这种刀库可将其单独安置于机床外，由机械手进行选刀及换刀。这种刀库选刀及取刀动作复杂，应用最少。（二）选刀方式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，称为自动换刀。目前，在刀库中选择刀具通常有顺序选择和任意选择两种方式。1．顺序选择方式刀具的顺序选择方式是将刀具按加工工序的顺序，依次放人刀库的每一个刀座内。每次换刀时，刀库按顺序转动一个刀座的位置，并取出所需要的刀具。已经使用过的刀具可以放回原来的刀座内，也可以按顺序放入下一个刀座内。采用这种方式不需要刀具识别装置，而且驱动控制也较简单，可以直接由刀库的分度来实现。因此，刀具的顺序选择方式具有结构简单，工作可靠等优点。但由于更换不同工件时，必须重新排列刀库中的刀具顺序。刀库中的刀具在不同的工序中不能重复使用，因而必须相应地增加刀具的数量和刀具的容量，这样就降低了刀具和刀库的利用率。此外，装刀时必须十分谨慎，如果刀具不按顺序装在刀库，将会造成严重事故。2．任意选择方式采用任意选择方式的自动换刀系统中必须有刀具识别装置。这种方式是根据程序指令的要求来选择所需要的刀具，刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列，可任意存放。每把刀具（或刀座）都编上代码，自动换刀时，刀库旋转，每把刀具（或刀座）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，并将刀具送到换刀位置，等待机械手来抓取。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。任意选择法必须对刀具编码，以便识别。编码方式主要有三种：（1）刀具编码方式这种方式是采用特殊的刀柄结构进行编码。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，这对装刀和选刀都十分有利，刀库的容量也可相应地小减小，而且还可避免由于刀具存放在刀库中的顺序差错而造成的事故。刀具编码的具体结构如图7-43所示。在刀柄1后端的拉杆4上套装着等间隔的编码环2，由锁紧螺母3固定。编码环既可以是整体的，也可由圆环3组成。编码环直径有大小两种，大直径的为二进制的“1”，小直径为“0”。通过这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种刀具。通常全部为0的代码不用，以避免与刀座中没有刀具的状况相混淆。为了便于操作者的记忆和识别，也可采用二一八进制编码来表示，（2）刀座编码方式这种编码方式对刀库中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合的刀座中。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。由于这种编码方式取消了刀柄中的编码环，使刀柄结构大为简化。因此，刀具识别装置的位置不受刀柄尺寸的限制，而且可以放在较适当的位置。另外，在自动换刀过程中必须将用过的刀具放回原来的刀座中，增加了换刀的动作。与顺序选刀的方式相比，刀座编码的突出移动是刀具在加工过程中可以重复使用。图7-44所示为圆盘刀库的刀座编码装置。在圆盘的圆周上均布若干个刀座，起外侧边缘上装有相应的刀座编码块1，在刀库的下放装有固定不动的刀座识别装置2。刀座编码的识别与上述刀具编码的识别原理完全相同（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。这种方式是先给刀具都缚上一把表示该刀具号的编码钥匙，当把个刀具尊放倒戈刀库中时。识别装置可以通过识别刀具上的号码来选取该钥匙旁边的刀具。编码钥匙的形状如图7-45所示，钥匙的两边最多可带有22个方齿，图中除导向用的两个方外，共有20个图中可区别9999刀具。图7-46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度，处于钥匙代码突起6的第一弹簧片5被撑起，表示代码“1”，处于代码凹出的第二弹簧片3保持原状，表示代码“0”。由于钥匙上每个凹凸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识别出来，即识别书相应的刀具。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。（三）刀具识别装置刀具识别装置是可任意选择刀具的自动换刀系统中重要组成部分，常用的有以下几种。1．接触式刀具识别装置接触式刀具识别装置的识别原理如图7-47所示。在刀柄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，从中伸出触针3，触针数量与刀柄上的编码环个数相等。每个探针与应该继电器相联，当蓖麻换是大直径时与触针接触，继电器通电，其数码为“1”。当编码环是小直径时与触针白接触，继电器不通电其数码为“0”。当各继电器读出的数码与所小刀具的编码一致时，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，且难于快速换刀。2．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法。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7-48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和导磁材料编码环相对应的有一组检测线圈6组成的非接触式识别装置3。在检测线圈6的一次线圈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，在二次线圈中线圈感应的电压较弱。利用感应电压的强弱，就能识别刀具的号码。当编码的号码与指令刀号相符时，控制电路发出信号。使刀库停止运转，等待换刀。2）非接触式光电识别法非接触式光电识别法是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，其中一束将电源投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销9卡紧，同时缸体3与压盘4的锥面接触刀架在新的位置定位并夹紧，这时端齿离合器与空套齿轮脱开。（4）转位液压缸复位刀架压紧之后，压力油从D孔进入转位液压缸右腔，活塞6带动齿条复位。由于此时端齿离合已脱开，所以齿条带动齿轮7在轴上空转。如果定位和压紧动作正常，推开11与相应的铢头12接触出信号表示换刀过程已经结束，可以进行切削加工。2．多主轴转塔头换刀装置在带有旋转刀具的数控镗铣床中，常用多主轴转塔头换刀装置。通个多主轴转塔头的转位来换刀是一种比较简单的换刀方式。这种机床的主轴转塔头就是一个转塔刀库，转塔头有卧式和立式两种。图7—38所示是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，每根主轴上装有一把刀具。根据工序的要求按顺序自动换刀，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，其结构如图7—39所示，每次换刀包括下类动作：（1）脱开主轴传动压缸4卸压，弹簧推动齿轮1向上与主轴上的齿轮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，使压油进入压缸5的左腔，压缸活塞带动转塔头向右移动，直至活塞与压缸端部相接触。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动机，经蜗杆8和蜗轮6带动槽轮机构的主轴曲拐使槽轮11转过45。并由槽轮机构的圆弧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。若处于加工位的主轴不是所需要的，转位电动机句续回转，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关停转位电动机。（4）转塔头定位压紧通过电磁阀使压力油进入压缸5的右腔，转塔头向左返回，由鼠牙盘10精定位。并利用压缸5右腔的油压作用力，将转塔头可靠地压紧。（5）主轴转动重新接通由电磁阀控制压力油进入压缸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。为了改善主轴结构的工艺性，整个主轴部件装在套筒内，只要卸去螺钉，就可将整个主轴部件抽出。这种换刀装置存储刀具的数量少，适用于加工较简单的工件，其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，从而缩短了换刀时间，并提高了换刀的可靠性。但是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。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，例如数控钻床、铣床等。3.刀库——机械手自动换刀系统这类换刀装置由刀库、选刀机构、刀具的自动装卸机构及刀具交换机构（机械手）等四部分组成，应用最广泛。图7—40所示为刀库装在机床的工作台（或立柱）上的数控机床的外观图。图7—41所示为刀库装在机床之外，作为一个独立部件的数控机床的外观图，此时，刀库容量大，刀具可以较重，常常要附加运输装置，来完成刀具与主轴之间的刀具运输。刀具——机械手自动换刀系统，整个换刀过程比较复杂，首先要把加工过程中要用的全部刀具分别安装在标准的到宾刀柄上，在机床外进行尺寸调整后，插入刀库中。