自動換刀裝置

第五章自動換刀裝置6/5/202315.1概述5.2刀架換刀5.3刀庫與機械手換刀5.4更換主軸換刀與更換主軸箱換刀5.5自動換刀裝置的常見故障與維修第五章自動換刀裝置6/5/202325.1概述

5.1.1ATC刀具自動交換為進一步提高數(shù)控機床的加工效率，實現(xiàn)一次裝夾即可完成多道工序或全部工序加工的方向的發(fā)展需求，必須有自動換刀裝置，以便選用不同刀具，完成不同工序的加工工藝。自動換刀裝置應(yīng)當具備換刀時間短、刀具重復(fù)定位精度高、足夠的刀具儲備量、占地面積小、安全可靠等特性。數(shù)控機床常用的自動換刀裝置的類型、特點、適用范圍見表5-1。

6/5/202335.1.2刀具的選擇

按數(shù)控裝置的刀具選擇指令，從刀庫中將所需要的刀具轉(zhuǎn)換到取刀位置，稱為自動選刀。在刀庫中，選擇刀具通常采用：1．順序選擇刀具2．任意選擇刀具任意選擇法主要有三種編碼方式

(1)刀具編碼方式

(2)刀座編碼方式(3)編碼附件方式編碼附件方式可分為編碼鑰匙、編碼卡片、編碼桿和編碼盤等，其中應(yīng)用最多的是編碼鑰匙。6/5/20234刀具（刀座）識別裝置是自動換刀系統(tǒng)中重要組成部分，常用的有下列幾種。1．接觸式刀具識別裝置接觸式刀具識別裝置的結(jié)構(gòu)簡單，但由于觸針有磨損，故壽命較短，可靠性較差，且難于快速退刀。5.1.3識別裝置6/5/202352.非接觸式刀具識別裝置非接觸式刀具識別裝置沒有機械直接接觸，因而無磨損、無噪聲、壽命長、反應(yīng)速度快，適應(yīng)于高速、換刀頻繁的工作場合。常用的有磁性識別和光電識別。（1）非接觸式磁性識別法

（2）光學(xué)纖維刀具識別裝置

6/5/20236由于計算機技術(shù)的發(fā)展?？梢岳密浖x刀。它代替了傳統(tǒng)的編碼環(huán)和識刀器。在這種選刀與換刀的方式中，刀庫上的刀具能與主軸上的刀具任意地直接交換，即隨機換刀。主軸上換來的新刀號及還回刀庫上的刀具號，均在PLC內(nèi)部相應(yīng)地存儲單元記憶。隨機換刀控制方式需在PLC內(nèi)部設(shè)置一個模擬刀庫的數(shù)據(jù)表，其長度和表內(nèi)設(shè)置的數(shù)據(jù)與刀庫的位置數(shù)和刀具號相對應(yīng)。這種方法主要由軟件完成選刀，從而消除了由于識刀裝置的穩(wěn)定性，可靠性所帶來的選刀失誤。

5.1.4利用可編程序控制器(PLC)實現(xiàn)隨機換刀6/5/202375.2.1排刀式刀架

排刀式刀架一般用于小規(guī)格數(shù)控車床，以加工棒料為主的機床較為常見。它的結(jié)構(gòu)形式為夾持著各種不同用途刀具的刀夾沿著機床的X坐標軸方向排列在橫向滑板或一種稱之為快換臺板(QUICK-CHANGEPLATEN)上。刀具典型布置方式如圖5.6所示。采用排刀式刀架只適合加工旋轉(zhuǎn)直徑比較小的工件，只適合較小規(guī)格的機床配置。不適用于加工較大規(guī)格的工件或細長的軸類零件。一般說來旋轉(zhuǎn)直徑超過100mm的機床大都不用排刀式刀架，而采用轉(zhuǎn)塔式刀架。

5.2刀架換刀6/5/20238經(jīng)濟型數(shù)控車床方刀架是在普通車床四方刀架的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種自動換刀裝置，其功能和普通四方刀架一樣，有四個刀位，能裝夾4把不同功能的刀具，方刀架回轉(zhuǎn)90°時，刀具交換一個刀位，但方刀架的回轉(zhuǎn)和刀位號的選擇是由加工程序指令控制。換刀時方刀架的動作順序是：刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位、刀架定位和夾緊刀架。為完成上述動作要求，要有相應(yīng)的機構(gòu)來實現(xiàn)，下面就以WZD4型刀架為例說明其具體結(jié)構(gòu)，如圖5.8。

5.2.2經(jīng)濟型數(shù)控車床方刀架6/5/20239數(shù)控車床的轉(zhuǎn)塔回轉(zhuǎn)刀架。適用于盤類零件的加工。在加工軸類零件時，可以換用四方回轉(zhuǎn)刀架。由于兩者底部安裝尺寸相同，更換刀架十分方便?；剞D(zhuǎn)刀架動作根據(jù)數(shù)控指令進行，由液壓系統(tǒng)通過電磁換向閥和順序閥進行控制，其動作過程分為如下四個步驟：(1)刀架抬起(2)刀架轉(zhuǎn)位(3)刀架壓緊(4)轉(zhuǎn)位液壓缸復(fù)位

5.2.3一般轉(zhuǎn)塔回轉(zhuǎn)刀架6/5/2023105.3刀庫與機械手換刀刀庫用于存放刀具，它是自動換刀裝置中主要部件之一。其容量、布局和具體結(jié)構(gòu)對數(shù)控機床的設(shè)計有很大影響。6/5/2023115.3.1刀庫的形式THK6370自動換刀數(shù)控臥式鏜銑床采用鏈式刀庫。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5.13所示。刀庫由45個刀座組成，刀座就是鏈傳動的鏈節(jié)，刀座的運動由ZM-40液壓馬達通過減速箱傳到下鏈輪軸上，下鏈輪帶動刀座運動。刀庫運動的速度通過調(diào)節(jié)ZM-40的速度來實現(xiàn)。刀座的定位用正靠的辦法將所要的刀具準確地定位在取刀（還刀）位置上。在刀具進入取刀位置之前，刀座首先減速。刀座上的燕尾進入刀庫立柱的燕尾導(dǎo)軌，在選刀與定位區(qū)域內(nèi)，刀座在燕尾導(dǎo)軌內(nèi)移動，以保持刀具編碼環(huán)與選刀器的位置關(guān)系的一致性。6/5/2023121、合理確定刀庫儲存量2、盡量縮短選刀時間3、刀庫運動速度應(yīng)適宜4、要求刀具運行平穩(wěn)5、刀座在刀庫中的排列6、其他應(yīng)注意的問題如刀具在刀座中應(yīng)夾持可靠，刀庫防塵、防屑及安全防護等問題都必須考慮。5.3.2設(shè)計刀庫時應(yīng)考慮的主要問題6/5/202313１．機械手的形式與種類在自動換刀數(shù)控機床中，機械手的形式也是多種多樣的，常見的有如圖5.15所示的幾種形式：(1)單臂單爪回轉(zhuǎn)式機械手圖a(2)單臂雙爪擺動式機械手圖b(3)單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機械手圖c(4)雙機械手圖d(5)雙臂往復(fù)交叉式機械手圖e(6)雙臂端面夾緊機械手圖f

5.3.3機械手6/5/202314

２．常用換刀機械手(1)單臂雙爪式機械手這種機械手采用了液壓裝置，既要保持不漏油，又要保證機械手動作靈活，而且每個動作結(jié)束之前均必須設(shè)置緩沖機構(gòu)，以保證機械手的工作平衡、可靠。(2)雙臂單爪交叉型機械手(3)單臂雙爪且手臂回轉(zhuǎn)軸與主軸成45°的機械手這種機械手換刀動作可靠，換刀時間短。缺點是刀柄精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，聯(lián)機調(diào)整的相關(guān)精度要求高，機械手離加工區(qū)較近。

6/5/2023153．手爪形式(1)鉗形手的杠桿手爪

這種手爪均為直線運動抓刀。(2)刀庫夾爪刀庫夾爪既起著刀套的作用，又起著手爪的作用。6/5/2023164．機械手結(jié)構(gòu)原理如圖5.21機械手結(jié)構(gòu)及工作原理如下：由于抓刀動作由機械機構(gòu)實現(xiàn)，且能自鎖，因此工作安全可靠。5．機械手的驅(qū)動機構(gòu)

圖5.22為機械手的驅(qū)動機構(gòu)。圖5.23為機械手臂和手爪結(jié)構(gòu)圖。6/5/202317在數(shù)控機床的自動換刀系統(tǒng)中，實現(xiàn)刀庫與機床主軸之間刀具傳遞和刀具裝卸的裝置稱為刀具交換裝置。刀具的交換方式通常分為無機械手換刀和有機械手換刀兩大類。5.3.4刀具交換裝置6/5/2023181．無機械手換刀無機械手換刀的方式是利用刀庫與機床主軸的相對運動實現(xiàn)刀具交換。XH754型臥式加工中心就是采用這類刀具交換裝置的實例。換刀過程見圖5.24。這種換刀機構(gòu)不需要機械手，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。由于交換刀具時機床不工作，所以不會影響加工精度，但會影響機床的生產(chǎn)效率。其次因刀庫尺寸限制，裝刀數(shù)量不能太多。這種換刀方式常用于小型加工中心。

6/5/2023192．機械手換刀采用機械手進行刀具交換的方式應(yīng)用的最為廣泛，這是因為機械手換刀有很大的靈活性，而且可以減少換刀時間。機械手的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，因此換刀運動也有所不同。

6/5/2023205.4.1更換主軸換刀

更換主軸換刀是帶有旋轉(zhuǎn)刀具的數(shù)控機床的一種比較簡單的換刀方式。這種主軸頭實際上就是一個轉(zhuǎn)塔刀庫如圖5.26所示。立式八軸轉(zhuǎn)塔頭的結(jié)構(gòu)，每次轉(zhuǎn)位包括下列動作:

(1)脫開主傳動(2)轉(zhuǎn)塔頭脫開(3)轉(zhuǎn)塔頭轉(zhuǎn)位(4)轉(zhuǎn)塔頭定位壓緊(5)主軸傳動的接通

5.4更換主軸換刀與更換主軸箱換刀6/5/202321有的數(shù)控機床像組合機床一樣，采用多主軸的主軸箱，利用更換主軸箱達到換刀的目的，如圖5.28所示。為了縮短換刀時間，可采用帶刀庫的雙主軸或多主軸換刀系統(tǒng)，如圖5.29所示。這種換刀方式主要用于鉆床，也可用于銑鏜床和數(shù)控組合機床。

5.4.2更換主軸箱換刀6/5/202322自動換刀裝置的常見故障有：刀庫運動故障，定位誤差過大，機械手夾持刀柄不穩(wěn)定，機械動作誤差過大等。這些故障最后都造成換刀動作卡位，整機停止工作。對于機械、液壓(或氣動)方面的故障，主要應(yīng)重視對現(xiàn)場設(shè)備操作人員的調(diào)查，故障的判斷由于ATC裝置是由PLC可編程序控制器通過應(yīng)答信號控制的，因此大多數(shù)故障出現(xiàn)在反饋環(huán)節(jié)(電路或反饋元件)上。需通過電路分析與信號一動作—定位一限位等有關(guān)環(huán)節(jié)的綜合分析來判斷故障所在，故難度較大。

5.5自動換刀裝置的常見故障與維修6/5/202323(1)嚴禁把超重、超長的刀具裝入刀庫，防止在機械手換刀時掉刀或刀具與工件、夾具等發(fā)生碰撞。(2)順序選刀方式必須注意刀具放置在刀庫中的順序要正確。其他選刀方式也要注意所換刀具是否與所需刀具一致，防止換錯刀具導(dǎo)致事故發(fā)生。(3)用手動方式往刀庫上裝刀時，要確保裝到位、裝牢靠。檢查刀座上的鎖緊是否可靠。(4)經(jīng)常檢查刀庫的回零位置是否正確，檢查機床主軸回換刀點位置是否到位，并及時調(diào)整，否則不能完成換刀動作。(5)要注意保持刀具刀柄和刀套的清潔。(6)開機時，應(yīng)先使刀庫和機械手空運行，檢查各部分工作是否正常，特別是各行程開關(guān)和電磁閥能否正常動作。檢查機械手液壓系統(tǒng)的壓力是否正常，刀具在機械手上鎖緊是否可靠，發(fā)現(xiàn)不正常時應(yīng)及時處理。5.5.1刀庫及換刀機械手的維護6/5/202324(1)刀庫不能轉(zhuǎn)動或轉(zhuǎn)動不到位(2)刀套不能夾緊刀具可能原因是刀套上的調(diào)整螺母松動，或彈簧太松，造成卡緊力超重，刀具超重。(3)刀套上下不到位可能原因是裝置調(diào)整不當或加工誤差過大而造成撥叉位置不正確；因限位開關(guān)安裝不準或調(diào)整不當而造成反饋信號錯誤。(4)刀套不能拆卸或停留一段時間才能拆卸應(yīng)檢查操縱刀套上下的氣缸、氣閥是否松動，氣壓足不足，刀套的轉(zhuǎn)動軸銹蝕等。5.5.2刀庫的故障6/5/202325(1)刀具夾不緊(2)刀具夾緊后松不開(3)刀具從機械手中脫落(4)刀具交換時掉刀(5)機械手換刀速度過快或過慢5.5.3換刀機械手故障6/5/2023266/5/202327類別型式特點

適用范圍

轉(zhuǎn)塔式回轉(zhuǎn)刀架多為順序換刀，換刀時間短、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、容納刀具較少"各種數(shù)控車床，數(shù)控車削加工中心轉(zhuǎn)塔頭

順序換刀，換刀時間短，刀具主軸都集中在轉(zhuǎn)塔頭上，結(jié)構(gòu)緊湊。但剛性較差，刀具主軸數(shù)受限制數(shù)控鉆、鏜、銑床

刀庫式刀具與主軸之間直接換刀換刀運動集中，運動部件少，但刀庫容量受限。各種類型的自動換刀數(shù)控機床。尤其是對使用回轉(zhuǎn)類刀具的數(shù)控鏜、銑床類立式、臥式加工中心機床。要根據(jù)工藝范圍和機床特點，確定刀庫容量和自動換刀裝置類型。用機械手配合刀庫進行換刀刀庫只有選刀運動，機械手進行換刀運動，刀庫容量大

表5-1自動換刀裝置類型

6/5/202328圖5.1刀具編碼方式

6/5/202329圖5.2刀座編碼方式6/5/202330

圖5.3接觸式刀具識別裝置1-刀柄2-識別裝置3-觸針4-編碼環(huán)6/5/202331圖5.4非接觸式磁性識別1-刀柄套2-導(dǎo)磁材料編碼環(huán)3-識別裝置4-非導(dǎo)磁材料編碼環(huán)5-一次線圈6-檢測線圈7-二次線圈6/5/202332圖5.5光學(xué)纖維刀具識別裝置6/5/202333圖5.6排刀式刀架布置圖6/5/202334圖5.8數(shù)控車床方刀架結(jié)構(gòu)1-電動機2-聯(lián)軸器3-蝸桿軸4-蝸輪絲杠5-刀架底座6-粗定位盤7-刀架體8-球頭銷9-轉(zhuǎn)位套10-電刷座11-發(fā)信體12-螺母13、14-電刷15-粗定位銷

6/5/202335圖5.9一般轉(zhuǎn)塔回轉(zhuǎn)刀架1-活塞2-刀架3、4-定位桿5-離合器6-活塞7-齒輪8-齒條9、10-插銷11-推桿12-觸頭13-接板6/5/202336圖5.13鏈式刀庫結(jié)構(gòu)示意圖6/5/202337圖5.15機械手形式6/5/202338圖5.16凸輪式換刀機械手1-刀套2-十字軸