机床自动换刀装置.docx

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机床自动换刀装置

第一章、刀架和自动换刀装置设计

一、机床刀架和自动换刀装置的功能、类型和应满足的要求

（一）机床刀架和自动换刀装置的功能

机床上的刀架是安放刀具的重要部件，许多刀架还直接参与切削工作，如卧式车床上的四方刀架、转塔车床的转塔刀架、回轮式转塔车床的回轮刀架、自动车床的转塔刀架和天平刀架等。

这些刀架既安放刀具，而且还直接参与切削，承受极大的切削力，所以它往往成为工艺系统中的较薄弱环节。

随着自动化技术的发展，机床的刀架也有了许多变化，特别是数控车床上采用电（液）换位的自动刀架，有的还使用两个回转刀盘。

加工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手，实现了大容量存储刀具静自动交换刀具的功能，这种刀库安放刀具的数量从几十把到上百把，自动交换刀具的时间从十几秒减少到几秒甚至零点几秒。

这种刀库和换刀机械手组成的自动换刀装置，就成为加工中心的主要特征。

（二）　机床刀架和自动换刀装置的类型

按照安装刀具的数目可分为单刀架和多刀架。

例如自动车床上的前、后刀架和天平刀架。

按结构形式可分为方刀架、转塔刀架、回轮式刀架等；按驱动刀架转位的动力可分为手动转位刀架和自动（电动和液动）转位刀架。

自动换刀装置的刀库和换刀机械手，驱动都是采用电气或液压自动实现。

目前自动换刀装置主要用在加工中心和车削中心上，但在数控磨床上自动更换砂轮，电加工机床上自动更换电极，以及数控冲床上自动更换模具等，也日渐增多。

数控车床的自动换刀装置主要采用回转刀盘，刀盘上安装8～12把刀。

有的数控车床采用两个刀盘，实行四坐标控制，少数数控车床也具有刀库形式的自动换刀装置。

图3—122a是一个刀架上的回转盘，刀具与主轴中心平行安装，回转刀盘既有回转运动又有纵向进给运动（S纵）和横向进给运动（S横）。

固3—122b为刀盘中心线相对于主轴中心线倾斜的回转刀盘，刀盘上有6～8个刀位，每个刀位上可装两把刀具，分别加工外圆和内孔。

图3—122c装有两个刀盘的数控车床，刀盘1的回转中心与主轴中心线平线，用于加工外圆l刀盘2的回转中心线与主轴中心线垂直，用以加工内表面。

图3—122d安装有刀库的数控车床，刀库可以是回转式或链式，通过机械手交换刀具。

图3—122e是带鼓轮式刀库的车削中心，图中3为回转刀盘，上面装有多把刀具，4是鼓轮式刀库，其上可装6～8把刀，5是机械手，可将刀库中的刀具换到刀具转轴6上去，6可由电动机驱动回转进行铣削加工，7为回转头，可交换采用回转刀盘3和刀具转轴6，轮翻进行加工。

（三）　机床刀架自动换万装置应满足的要求

1）满足工艺过程所提出的要求。

机床依靠刀具和工件间相对运动形成工件表面，而工件的表面形状和表面位置的不同，要求刀架和刀库上能够布置足够多的刀具，而且能够方便而正确地加工各工件表面，为了实现在工件的一次安装中完成多工序加工，所以要求刀架、刀库可以方便地转位。

2）在刀架、刀库上要能牢固地安装刀具，在刀架上安装刀具时还应能精确地调整刀具的位置，采用自动交换刀具时，应能保证刀具变换前后都能处于正确位置。

以保证刀具和工件问准确的相对位置。

刀架的运动精度将直接反映到被加工工件的几何形状精度和表面粗糙度上，为此，刀架的运动轨迹必须准确，运动应平稳，刀架运转的终点到位应准确。

而且这种精度保持性要好，以便长期保持刀具的正确位置。

3）刀架、刀库、换刀机械手都应具有足够的刚度。

由于刀具的类型、尺寸各异，重量相差很大，刀具在自动转换过程中方向变换较复杂，而且有些刀架还直接承受切削力。

考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量，所以刀架刀库和换刀机械手都必须具有足够的刚度，以使切削过程和换刀过程平稳。

4）可靠性高。

由于刀架和自动换刀装置在机床工作过程中，使用次数很多，而且使用频率也高，所以必须充分重视它的可靠性。

5）刀架和自动换刀装置是为了提高机床自动化而出现的，因而它的换刀时间应尽可能缩短，以利于提高生产率。

目前自动换刀装置的换刀时间统计见表3－18，而且还在进一步缩短。

6）操作方便和安全。

刀架是工人经常操作的机床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是评价刀架设计好坏的指标。

刀架上应便于工人装刀和调刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作调整刀架的手柄（或手轱）要省力，应尽量设置在便于操作的地方。

二、机床刀架及其转位、定位机构设计

（一）机床上的刀架

刀架是机床的重要组成部分，用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。

在一定程度上，刀架的结构与性能体现了机床的设计制造技术水平。

图3－125是卧式车床的四方刀架，当逆时针转动手柄1通过销子2带动轴套3、4和端面凸轮5回转，抬起定位销7继续逆时针转动手柄1，由销子8带动四方刀架转位。

转位后靠弹簧10将钢球9压在刀架坐的圆锥孔内，实现方刀架粗定位，然后，顺时针方向转动手柄1，端面凸轮被复位，定位销7在弹簧6的作用下，重新插入另一定位孔内完成精定位，继续转动手柄1，则依靠螺纹夹紧刀架。

为了提高机床的自动化程度，人们经常采用自动上、下料，自动装卸工件，自动交换刀具等措施。

卧式车床刀架只能装四把刀，加上尾架也最多装五把刀。

而有些零件加工表面很多，需要更多的刀具才能完成。

因而出现了将尾架去掉，在此位置上安装能纵向移动的多工位转塔刀具，这样在转塔上可装六把刀具，加上前刀架、后刀架，这样就可使刀具增加到10把以上，形成转塔车床，这样工件在一次安装中，就可以加工完更多的表面（图3—126）只不过这种转塔刀架的转位换刀一般由液压来完成的。

图3—127是半自动转塔车床的转塔刀架装配图，转塔刀架鞍座1在进给油缸活塞2的驱动下沿床身三角形导轨和平导轨作纵向进给运动。

转位时鞍座退回床身尾部，松夹油缸的下腔进高压油，活塞12带动刀架体5抬起，端面齿盘7、8脱离啮合，同时端面齿形离合器10结合。

转位时由油缸活塞14上的齿条，带动转位齿轮9，离合器10、轴I、刀架体5转位。

调整活塞杆14上的档块位置（图中未显示）可以控制刀架体正确地转过60°或120°。

转位后由弹簧销6粗定位，最后松夹油缸上腔通压力油、刀架体随即被压下，端面齿盘在新的位置啮合，完成精定位，重复定位精度较高。

这时当上腔通以20kg／cm

。

压力油时，将产生6.5t夹紧力，足够满足切削工作的需要。

刀架上可以安装六组刀具、顺序转位，依次参加切削，也可间隔安装三组刀具进行切削实现三工步或六工步两种半自动循环。

刀架转位的同时，通过轴1下端的齿艳传动轴V上的齿轮，再经一对锥齿轮传动六角花轴11（总传动比为1：

1），六角花轴11六个面上的挡块，可分别控制相应的六组刀具纵向进给韵极限位置。

数控机床是一种高度自动化的机床，它的刀架一般都采用自动（电气或液压）转位方式。

图3—128所示为一般经济型数控车床采用的自动转位刀架，转位时，微电机通过齿轮，蜗杆蜗轮带动丝杠转动，使丝杠螺母连同方刀架一起上升，使端面齿脱离啮合。

当螺母上升到一定高度时，粗定位销插人斜面槽，粗定位开关发信号，停转、控制系统将该位置的编码与所需刀具编码加以比较，如相同，则选定此位，控制系统指令电动机反转，由于斜面销的棘轮作用，方刀架只能下降而不能转动。

使端面齿轮啮合（即精定位）。

当方刀架下降到底后，电动机仍继续回转，使方刀架被压紧。

当压紧力（弹簧力）到达预定值（一般为切削力的两倍）时，压力开关发出停机信号，整个过程结束。

（二）　机床刀架的转位机构设计

从前面介绍的几种刀架结构看，卧式车床采用手柄进行双向自动分度旋转转轴、端面凸轮、销子带动方刀架转位；转塔车床转塔刀架则采用油缸活塞齿条、齿轮、转动刀架体转位；电动机驱动转位机构。

．

1．液压（或气动）驱动的活塞齿条齿轮转位机构

这种由液动机驱动的转位机构调速范围大、缓冲制动容易，转位速度可调，运动平稳，结构尺寸较小，制造容易，因而应用较广泛，而转位角度大小可由活塞杆上的限位档块（图3—127）来调整。

也有采用气动的，气动的优点是结构简单，速度可调，但运动不平稳，有冲击，结构尺寸大，驱动力小。

故一般多用在非金属切削的自动化机械和自动线的转位机构中。

2．圆柱凸轮步进式转位机构

这种转位机构依靠凸轮轮廓强制刀架作转位运动，运动规律完全取决于凸轮轮廓形状，如图3一132所示。

圆桂凸轮是在圆周面上加工出一条两端有头的凸起轮廓，从动回转盘（相当于刀架体）端面有多个柱销，销子数量与工位数相等。

当圆柱凸轮按固定的旋转方向运动时，B销先进人凸轮轮廓的曲线段，速时凸轮开始驱动回转盘转位，与此同时A销与凸轮轮廓脱离，当凸轮转过180。

时转位动作终止。

B销接触的凸轮轮廓由曲线段过渡到直线段，同时与B销相邻的C销开始与凸轮的直线轮廓的另一侧面接触。

此时即使凸轮继续旋转，回转盘也不会转动，在此间歇阶段B销和C销同时与凸轮直线轮廓两侧接触，限制了回转盘的转动，此时刀架即处于预定位状态，至此全部分度（转位）动作完成。

由于凸轮是一个两端开口的非闭合曲线轮廓，所以当凸轮正反转时均可带动刀盘作正反两个方向的旋转。

这种转位机构转位速度高、精度较低，运动特性可以自由设计选取但制造较困难、成本较高，结构尺寸较大。

这种转位机构可以通过控制系统中的逻辑电路或PC程序来自动选择回转方向。

以缩短转位辅助时间。

3．伺服电动驱动的刀架转位

现代技术的发展，可以采用直线（或交流）伺服电动机驱动蜗杆、蜗轮（消除间隙）实现刀架转位，转位的速度和角位移均可通过半闭环反馈进行精确控制加以实现，如图3－133所示。

（三）定位机构设计

目前在刀架的定位机构中多采用锥销定位和端面齿盘定位。

由于圆柱销和斜面销定位时容易出现间隙，圆锥销定位精度较高，它进人定位孔时一般靠弹簧力或液压力、气动力，圆锥销磨损后仍可以消除间隙，以获得较高的定位精度。

1．端齿盘定位

端齿盘定位由两个齿形相同的端面齿盘相啮合而成（图3－134），由于啮合时各个齿的误差相互抵偿，起着误差均化的作用，定位精度高。

齿盘的齿形角一般有2

等于90°和60°两种。

齿盘的齿数z的选择应根据所要求的分度数以及齿盘外径D的大小来确定。

齿形半角a和齿数z与齿顶半角

的关系

一般齿盘外径均在100～800mm之间。

且参数z、齿形角

，外径D，定位基准孔径d，重合厚度均已标准化。

2．端齿盘定位的特点

（1）定位精度高由于端齿盘定位齿数多，且沿圆周均布，向心多齿结构，经过研齿的齿盘其分度精度一般可达士3”左右，最高可达0.4”以上，一对齿盘啮合时具有自动定心作用。

所以中心轴的回转精度、间隙及磨损对定心精度几乎没有影响，对中心轴的精度要求低，装置容易。

（2）重复定位精度好由于多齿啮合相当于上下齿盘齿的反复磨合对研，越磨合精度越高，重复定位精度也越好。

（3）　定位刚性好，承载能力大两齿盘多齿啮合。

由于齿盘齿部强度高，并且一般齿数啮合率不少于90％，齿面啮合长度不少于60％，故定位刚性好，承载能力大。

三、自动换刀装置的工作原理和构成

（一）　自动换刀装置的工作原理

具有钻、镗、铣功能的数控镗铣床，为了使工件能在一次安装中实现工序高度集中、加工完最多的工件表面，且尽量节省辅助时间，一般在其上配置刀库，并由机械手进行自动换刀，形成带自动交换刀具装置的数控镗铣床，通称加工中心。

初期曾采用转塔头式的换刀方式，如图3－135，它的电动机、变速箱、转塔头做成一体，结构紧凑：

变速箱工作时的振动和热量都直接传到转塔上来，而且每把刀都需要一个主轴，所以它的刀具数量、尺寸、结构都受到很多限制。

采用单独存储刀具的刀库，刀具数量可以增多，以满足加工复杂零件的需要，这时的加工中心只需一个夹持刀具进行切削的主轴，所以制造难度也比转塔刀架低。

小型加工中心有采用无机械手换刀的方式，如XH754（图3－136）。

它的刀库在立柱的正前方上部，刀库中刀具的存放方向与主轴方向一致。

换刀时主轴箱带着主轴沿立柱导轨上升至换刀位置，主轴上的刀具正好进入刀库的某一个刀具存放位置（刀具被夹持住）。

随后主轴内夹刀机构松开，刀库顺着主轴方向向前移动，从主轴中拔出刀具，然后刀库回转，将下一步所需的刀具，转到与主轴对齐的位置；刀库退回，将新刀具插人主轴中．刀具随即被夹紧，主轴箱下移，开始新的加工。

这种自动换刀系统，刀库整体前后移动不仅刀具数量少（30把），而且刀具尺寸也较小，这种刀库旋转是在工步与工步之间进行的，即旋转所需的辅助时间与加工时间不重合。

这种刀库的驱动是由伺服电动机经齿轮、蜗杆、蜗轮转动刀库（图3—137）。

为了消除齿侧间隙而采用双片齿轮。

蜗杆、蜗轮采用单头双导程蜗杆（左齿面导程9.6133mm，右齿面导程为9.2363mm）消除蜗杆蜗轮啮合间隙，压盖5和轴承套6之问用螺纹联接。

转动套6就可使蜗杆轴向移动以调整间瞎，螺母7用于在调整后锁紧，刀库的最大转角180。

在控制系统中有一个自动判别机能，决定刀库正反转，以使转角最小。

刀库及转位机构装在一个箱体内，用滚动导轨支承在立柱顶部，用油缸驱动箱体的前移和后退。

图3—138为刀库中刀具存储方向与主轴方向在空间相差90°的自动换刀系统。

20把刀的圆盘刀库的伺服电动机经十字滑块联轴节、蜗杆、蝠轮带动旋转。

机床加工时，刀库子先按程序中的“T”指令将准备换的刀具转到刀库最下端的位置；加工完毕，气缸4的话塞杆带动拨叉5上升，拨动刀套6的右部滚子，使刀套、刀具旋转90°、刀头向下。

图3-139为换刀机械手的驱动机构。

换刀时主轴箱上升至换刀位置，机械手由油缸活塞齿条2、齿轮3、传动盘4、杆5带动回转75。

。

两手分别抓住主轴和刀套中的刀具拨出。

在气缸活塞齿条7、齿轮6，传动盘4、杆5带动手臂回转180°。

气缸1使刀臂上升，将新刀具插人主轴，旧刀具插入刀套中。

主轴内的央紧机构自动夹紧刀具，在油缸活塞齿条2的作用下，手臂反方向回转75。

回原位。

在图3—138中气缸4的作用下，刀套向上转90°，与刀库同向。

整个换刀过程约为6～10s。

图3-140中机械手手臂的两端各有一个手爪。

刀具被弹簧的活动销4顶靠在固定爪5中。

锁紧销2被弹簧3弹起，使活动销4被锁住，不能后退，这就保证了在机械手运动过程中，手爪中的刀具不会被甩出。

当手臂处于上换刀位置的75°时，锁紧销2被档块压下，活动销4就可以活动，使得机械手可以抓住（或放开）主轴或刀套中的刀具。

图3-141所示为卧式加工中心的自动换刀装置，它的刀库中的刀具与主轴同方向，刀库有60把刀，其自动换刀过程如图所示。

从以上几种自动换刀装置可以看出，刀库的驱动方式一般采用液压和电气两种方式。

小型刀库可直接由蜗杆蜗轮传动，大型刀库还需采用链条传动。

采用蜗杆蜗轮传动时，可以使伺服电动机工作在最佳状态下（不采用伺服电动机的低速段工作）。

有时为了结构上的原因，还在蜗杆蜗轮后再加一对齿轮。

在圆盘式刀库上，为了提高刀库的转位分度精度，一般采用单头双导程蜗杆，以便在使用中随时调整蜗杆蜗轮的传动间隙，实现准确的转位分度，保证刀库工作的可靠性。

刀库的刀套运动线速度影响选刀效率，但是过快的线速度又影响刀库工作的可靠性，一般推荐采用V=22－30m／min。

（二）　链式刀库的构成

1．链式刀库的类型

链式刀库是目前用得最多的一种形式。

由一个主动链轮，带动装有刀套的链条。

图3－142为方形链式刀库的典型结构示意图。

主动链轮由直流（交流）伺服电动机通过蜗杆、蜗轮减速装置驱动（根据结构需要有时还可加一对齿轮副）。

这种传动方式，不仅在链式刀库中采用，在其它形式的刀库传动中，也多有采用。

导向轮一般都作成光轮，圆周表面硬化处理。

兼起张紧轮作用的左侧两个导向轮。

其轮座必须带导向槽（或导向键），以免松开螺钉时，轮座位置歪扭，给张紧调节带来麻烦，

目前我国一些厂家采用日本椿本链条公司生产的装有刀套的刀库专用链条来装备刀库，效果很好。

考虑到刀具重量和刀库工作的平稳性，推荐采用：

1）　带导向轮的SK04型链条。

2）　HP型链条，它是一种套筒式链条，其辊子本身就是刀套，。

对于上述链条，采用时应确定刀柄号和拉钉种类、刀套间距、定位安装位置、刀套号标牌位置。

链式力库的结构形式很多；图3—143所示为采用SK型悬挂式链条组成的链式刀库，这种刀库只能是刀套“外转型”，故当刀库为方形时，就不能充分利用中间空间。

图3—144是采用HP型套筒式链条组成的条种形式刀库，这种刀库形式在刀套“内转”时，不发生刀套之间的干涉，故刀库空间利用率比悬挂式高。

2．刀库的准停与回零

如果刀套不能准确地停在换刀位置上，将会使换刀机械手抓刀不准，以致在换刀时容易发生掉刀现象。

因此，刀套的准停问题，将是影响换刀操作可靠性的重要因素之一。

第二章、自动托盘交换装置

有的加工中心为进一步缩短非切削时间，配有两个自动交换工作台托盘，一个安装在工作台上进行加工，另一个则位于工作台外进行装卸工件。

当完成一个托盘上的工件加工后，便自动交换托盘，进行新零件的加工，这样可减少辅助时间，提高加工效率。

所谓工件交换，即在加工第一个工件时，工人开始安装调整第二个工件，第一个工件加工完后，第二个工件进入加工区，从而使工件的安装调整时间与加工时间重合，达到进一步提高加工效率的目的。

1、交换工作台 

再加工中心上最早使用的是交换工作台，即双工作台，当一个工件在工作台上还在被加工时，另一个工作台则处于装卸工件的位置，即装卸时间与加工时间重合，达到提高加工效率的目的。

如图1-1所示：

2、托盘交换装置 

进一步发展是在加工中心的基础上配置更多（5个以上）的托盘，组成环形回转式托盘库（简称APC），构成了第一种柔性制造单元概念----CNC机床加自动托盘交换系统。

如图1-2所示：

加工中心的工件交换系统

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