第6章 数控机床的自动换刀装置和数控工作台

第6章数控机床的自动换刀装置和数控工作台6.1自动换刀装置•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。•自动换刀装置应具备换刀时间短，刀具重复定位精度高，有足够的刀具储备量，占地面积小，安全可靠等特性。•各类数控机床的自动换刀装置的结构和数控机床的类型、工艺范围、使用刀具种类和数量有关。数控机床常用的自动换刀装置的类型、特点、适用范围见表6-1所示。类型特点适用范围转塔刀架回转刀架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，车削中心机床转塔头顺序换刀，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床、镗床刀库式刀库与主轴之间直接换刀换刀运动集中，运动部件少。但刀库运动多。布局不灵活，适应性差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，钻镗类立式、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，用于加工工艺范围的立、卧式车削中心机床用机械手配合刀库换刀刀库只有选刀运动，机械手进行换刀运动，比刀库作换刀运动惯性小，速度快用机械手、运输装置配合刀库换刀换刀运动分散，有多个部件实现，运动部件多，但布局灵活，适应性好有刀库的转塔头换刀装置弥补转换刀数量不足的缺点，换刀时间短扩大工艺范围的各类转塔式数控机床表6-1自动换刀装置的主要类型、特点及适用范围•6.1.1数控车床的自动转位刀架•刀架是数控车床的重要功能部件，其结构形式很多，下面介绍几种典型刀架结构。•1.数控车床方刀架•数控车床方刀架是在普通车床方刀架的基础上发展的一种自动换刀装置，它有四个刀位，能同时装夹四把刀具，刀架回转90º，刀具变换一个刀位，转为信号和刀位号的选择由加工程序指令控制。图6-1所示为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—发迅体12—螺母13、14—电刷15—粗定位销图6-1数控车床方刀架结构•其换刀过程如下：•刀架抬起当数控装置发出换刀指令后，电动机1启动正转，通过平键套筒联轴器2使蜗杆轴3转动，从而带动蜗轮丝杠4转动。刀架体7的内孔加工有内螺纹，与蜗轮丝杠旋合。蜗轮丝杠内孔与刀架中心轴外圆是滑配合，在转位换刀时，中心轴固定不动，蜗轮丝杠绕中心轴空转。当蜗轮丝杠开始转动时，由于刀架体7和刀架体底座5上的端面齿处于啮合状态，且蜗轮丝杠轴向固定，因此刀架体7不能转动只能轴向移动，这是刀架体抬起。•（2）刀架转位当刀架体抬至一定距离后，端面齿脱开，转位套用销钉与蜗轮丝杠联接，随蜗轮丝杠一起转动，当端面齿完全脱开时，转位套9正好转过160º（如图6-1A—A剖视图所示），球头销8在弹簧力的作用下进入转位套9的槽内，转位套通过弹簧销带动刀架体转位。•（3）刀架定位刀架体7转动时带着电刷座10转动，当转到程序指令的刀号时，定位销15在弹簧的作用下进入粗定位盘6的槽中进行粗定位，同时电刷13、14接触导通，是电动机1反转。由于粗定位槽的限制，刀架体7不能转动，使其在该位置垂直落下，刀架体7和刀架底座5上的端面齿啮合实现精确定位。•（4）夹紧•刀架电动机1继续反转，此时蜗轮丝杠停止转动，蜗杆轴3继续转动，端面齿间夹紧力不断增加，转距不断增大，达到一定值时，在传感器的控制下电动机1停止转动。•译码装置由发信体11、电刷13、14组成。•电刷13负责发信，电刷14负责位置判断。当刀架定位出现过位或不到位时，可松开螺母12，调好发信体11与电刷14的相对位置。这种刀架在经济性数控机床及卧式车床的数控化改造中应用广泛。•2.数控车床盘形自动回转刀架•图6-2所示为CK7815型数控车床采用的BA200L刀架的结构。该刀架可配置12位（A型或B型）、8位（C型）刀盘。A、B型回转刀盘的外切刀可使用25mm×150mm标准刀具和刀杆截面为25mm×25mm的可调刀具，C型可用尺寸为20mm×20mm×125mm的标准刀具。镗刀杆最大直径为32mm。刀架转位为机械传动，端面齿盘定位。1—刀架2、3—端面齿盘4—滑快5—蜗轮6—轴7—蜗杆8、9、10—传动齿轮11—电动机12—微动开关13—小轴14—圆环15—压板16—锲铁图6-2回转刀架•转位过程如下：•（1）回转刀架的松开转位开始时，电磁制动器断电，电动机11通电转动，通过齿轮10、9、8带动蜗杆7旋转，使蜗轮5转动。蜗轮内孔有螺纹，与轴6上的螺纹配合。端面齿盘3被固定在刀架箱体上，轴6和端面齿盘2固定连接，端面齿盘2和3处于啮合状态，因此，蜗轮5转动时，轴6不能转动，只能和端面齿盘2、刀架体1同时向左移动，直到端面齿盘2和3脱离啮合。•（2）转位轴6外圆柱面上有两个对称槽，内装滑块4。当端面齿盘2和3脱离啮合后，蜗轮5转到一定角度时，与蜗轮5固定在一起的圆环14左侧端面的凸块便碰到滑块4，蜗轮继续转动，通过14上的凸块带动滑块连同轴6、刀架体1一起进行转位。•（3）回转刀架的定位到达要求位置后，电刷选择器发出信号，使电机11反转，这时蜗轮5与圆换14反向旋转，凸块与滑块4脱离，不再带动轴6转动。同时，蜗轮5与轴6上的旋和螺纹使轴6右移，端面齿盘2和3啮合并定位。当齿盘压紧时，轴6右端的小轴13压下微动开关，发出转位结束信号，电动机断电，电磁制动器通电，维持电动机轴上的反转力矩，以保持端面齿盘之间有一定的压紧力。•刀具在刀盘上由压板15及调节楔铁16来夹紧，更换和对刀十分方便。•刀位选择由刷型选择器进行，松开、夹紧位置检测由微动开关12控制。整个刀架控制是一个纯电气系统，结构简单。•3.车削中心动力转塔刀架•图6-3(a)为意大利Baruffaldi公司生产的适用于全功能型数控车床及车削中心的动力转塔刀架。刀盘上既可以安装各种非动力辅助刀夹(车刀夹、镗刀夹、弹簧夹头、莫氏刀柄)，夹持刀具进行加工，还可以安装动力刀夹进行主动切削，配合主机完成车、铣、钻、镗等各种复杂工序，实现加工程序自动化、高效化。•图6-3(b)为该转塔刀夹的传动示意图。刀架采用端面齿盘作为分度定位元件，刀架转位由三相异步电动机驱动，电动机内部带有制动机构，刀为由二进制绝对编码器识别，并可正反双向转位和任意刀位就近选刀。动力刀具由交流饲服电动机驱动，通过同步齿型带、传动轴、传动齿轮、端面齿离合器将动力传至动力刀夹，在通过刀夹内部的齿轮传动，刀具回转，实现主动切削。图6-3动力转塔刀架•7.1.2转塔头式换刀装置•带有旋转刀具的数控机床常采用转塔头式自动换刀装置，如数控钻镗床的多轴转塔头等。在转塔头上装有几个主轴，每个主轴上均装一把刀具，加工过程中转塔头可自动转位，从而实现自动换刀。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，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，通常只适用与工序较少，精度要求不太高的机床，如数控钻床、数控铣床等。•为了弥补转塔换刀数量少的缺点，近年来出现了一种机械手和转塔头配合刀库进行换刀的自动换刀装置，如图6-4所示。它实际上是转塔头换刀装置和刀库式换刀装置的结合。它的工作原理如下：转塔头5上安装两个刀具主轴3和4，当用一个刀具主轴上的刀具进行加工时，机械手2将下一个工序需要的刀具换至不工作的主轴上，待本工序完成后，转塔头回转180º，完成换刀。•因为它的换刀时间大部分和机械加工时间重合，只需要转塔头转位的时间，所以换刀时间很短，而且转塔头上只有两个主轴，有利于提高主轴的结构刚性，但还未能达到精镗加工所需要的主轴刚度，这种换刀方式主要用于数控钻床，也可用于数控铣镗床和数控组合机床。图6-4机械手和转塔头配合刀库换刀的自动换刀装置1-刀库2-机械手3.4-刀具主轴5-转塔头6-工件7-工作台•6.1.3刀库式自动换刀装置•刀库式自动换刀装置主要应用于加工中心上。加工中心是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床。工件经一次装夹后，数控系统能控制机床连续完成多工步的加工，工序高度集中。自动换刀装置是加工中心的重要组成部分，主要包括刀库、刀具交换装置等部分。•1.刀库刀库是存放加工过程中所使用的全部刀具的装置，它的容量从几把刀到上百把刀。加工中心刀苦的形式很多，结构也各不相同，常用的有鼓盘式刀库、链式刀库和格子库式刀库。•1）鼓盘式刀库鼓盘式刀库结构简单、紧凑，在钻削中心上应用较多。一般存放刀具数目不超过32把。目前，大部分的刀库安装在机床立柱的顶面和侧面，当刀库容量较大时，为了防止刀库转动造成的振动对加工精度的影响，也有的安装在单独的地基上。•图7-5为刀具轴线与鼓盘轴线平行布置的刀库，其中：•图(a)为径向取刀式；•图(b)为轴向取刀式。图6-5鼓盘式刀库•图6-6(a)为刀具径向安装在刀库上的结构，图6-6(b)为刀具轴线与鼓盘轴线成一定角度布置的结构。这两种结构占地面积较大。图6-6鼓盘式刀库•（2）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，如图6-7（a）,(b)所示。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，如图6-7（c）所示。图6-7各种链式刀库a）单环链式（b）多环链式（c）折叠链式•（3）格子盒式刀库•图6-8所示为固定型格子盒式刀库。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。图6-8固定型格子盒式刀库•2.刀具的选择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和任意选刀：•（1）顺序选刀刀具的顺序选择方式是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。当加工工件改变时，刀具在刀库上的排列顺序也要改变。这种选刀方式的缺点是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，优点是它的控制以及刀库的运动等比较简单。•（2）任意选刀任意选刀方式是预先把刀库中每把刀具（或刀座）都编上代码，按照编码选刀，刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列。•任意选刀有刀具编码式、刀座编码式、附件编码式、计算机记忆式四种方式：•①刀具编码式•这种选择方式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道具。由于每一把刀都有自己的代码，因而刀具可以放入刀库的任何一个刀座内，这样不仅刀库中的刀具可以在不同的工序中多次重复使用，而且换下来的刀具也不必放回原来的刀座，这对装刀和选刀都十分有利，刀库的容量相应减少，而且可避免由于刀具顺序的差错所发生的事故。但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。刀具编码识别有两种方式：接触式识别和非接触式识别。接触式识别编码的刀柄结构如图6-9所示：图6-9编码刀柄示意图1-编码环2-锁紧螺母3-拉紧螺•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）。•通常全部为零的代码不允许使用，以免和刀座中没有刀具的状况相混淆。•当刀具依次通过编码识别装置时，编码环的大小就能使相应的触针读出每一把刀具的代码，从而选择合适的刀具。•接触式编码识别装置结构简单，但可靠性较差，寿命较短，而且不能快速选刀。•非接触式刀具识别采用磁性或光电识别法。•磁性识别