數(shù)控機(jī)床的刀具與工件交換裝置

9.1自動(dòng)換刀裝置的形式9.2刀庫(kù)9.3刀具的選擇方式9.4刀具交換裝置9.5帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置實(shí)例9.6柔性制造單元的工件交換裝置第九章數(shù)控機(jī)床的刀具與工件交換裝置1學(xué)習(xí)要求:1.了解交換裝置的結(jié)構(gòu)形式；2.掌握交換裝置的特點(diǎn)；3.了解刀庫(kù)的形式及刀具識(shí)別裝置；4.熟悉設(shè)計(jì)刀庫(kù)時(shí)應(yīng)考慮的主要問(wèn)題。第九章數(shù)控機(jī)床的刀具與工件交換裝置2功能：

儲(chǔ)備一定數(shù)量的刀具；自動(dòng)交換刀具。要求：

換刀時(shí)間短；刀具重復(fù)定位精度高；刀具儲(chǔ)存量足夠；結(jié)構(gòu)緊湊；安全可靠。9.1自動(dòng)換刀裝置的形式3

9.1自動(dòng)換刀裝置的形式一、回轉(zhuǎn)刀架換刀

常用于數(shù)控車床：四方、六方刀架或圓盤式軸向裝刀刀架。數(shù)控車床六方刀架工作原理：

1）刀架抬起2）刀架轉(zhuǎn)位3）刀架壓緊4）轉(zhuǎn)位油缸復(fù)位4

1升降活塞2刀架3固定件4配合件5端齒離合器6轉(zhuǎn)位活塞7空套齒輪8齒條9固定插銷10活動(dòng)插銷1）刀架抬起3）刀架壓緊

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1升降活塞2刀架3固定件4配合件5端齒離合器6轉(zhuǎn)位活塞7空套齒輪8齒條9固定插銷10活動(dòng)插銷刀架轉(zhuǎn)位6

1升降活塞2刀架3固定件4配合件5端齒離合器6轉(zhuǎn)位活塞7空套齒輪8齒條9固定插銷10活動(dòng)插銷11推桿12觸頭轉(zhuǎn)位油缸復(fù)位10與9反靠周向定位，3與4錐面軸向定位7

9.1自動(dòng)換刀裝置的形式二、更換主軸換刀

機(jī)床的主軸頭就是一個(gè)轉(zhuǎn)塔刀庫(kù)。

工作原理：將所需刀具的主軸轉(zhuǎn)到工作位置（由行程開(kāi)關(guān)組實(shí)現(xiàn)主軸號(hào)的選定），同時(shí)接通主傳動(dòng)。轉(zhuǎn)位動(dòng)作：脫開(kāi)主傳動(dòng)；轉(zhuǎn)塔頭抬起；轉(zhuǎn)塔頭轉(zhuǎn)位；轉(zhuǎn)塔頭定位夾緊；主軸傳動(dòng)重新接通。

TK-5525型數(shù)控轉(zhuǎn)塔式鏜銑床8

9.1自動(dòng)換刀裝置的形式

二、更換主軸換刀特點(diǎn):縮短換刀時(shí)間；提高了換刀可靠性；主軸數(shù)目會(huì)影響主軸系統(tǒng)的剛度。

適用機(jī)床：工序較少、精度要求不高的數(shù)控鉆床、銑床等TK-5525型數(shù)控轉(zhuǎn)塔式鏜銑床9

9.1自動(dòng)換刀裝置的形式

三、更換主軸箱換刀類似組合機(jī)床，采用多主軸的主軸箱。

工作原理：主軸箱庫(kù)存若干備用主軸箱，由兩小車運(yùn)輸。

適用場(chǎng)合：加工箱體類零件，可提高生產(chǎn)率。10

9.1自動(dòng)換刀裝置的形式四、帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)

組成：刀庫(kù)、選刀機(jī)構(gòu)、刀具交換機(jī)構(gòu)、刀具在主軸上的自動(dòng)裝卸機(jī)構(gòu)。

工作原理：

特點(diǎn)：

主軸剛性增強(qiáng)，有利于精密加工和重切削加工。

應(yīng)用廣泛

圖9－511

9.1自動(dòng)換刀裝置的形式四、帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)

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9.2刀庫(kù)類型及刀具的選擇與識(shí)別

一刀庫(kù)形式刀庫(kù)是自動(dòng)換刀裝置中主要部件之一，其容量及具體結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)有很大影響。根據(jù)刀庫(kù)所需要的容量、選刀及取刀方式，可以將刀庫(kù)設(shè)計(jì)成多種形式。

1．盤形刀庫(kù)

2．鏈?zhǔn)降稁?kù)3．格子式刀庫(kù)13

9.2刀庫(kù)類型及刀具的選擇與識(shí)別1．盤形刀庫(kù)盤形刀庫(kù)為最常用的一種形式，每一刀座均可存放一把刀具。盤形刀庫(kù)的儲(chǔ)存量一般為15~40把。

14當(dāng)需要更多數(shù)量的刀具時(shí)，可采用圖（e）所示的鼓輪彈倉(cāng)式（又成刺猬式）刀庫(kù)，其結(jié)構(gòu)十分緊湊，在相同的空間內(nèi)，它的刀庫(kù)容量最大。圖(g)為多層盤形刀庫(kù)。它們雖然也具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，但選刀和取刀的動(dòng)作較多，故較少應(yīng)用。152．鏈?zhǔn)降稁?kù)這種刀庫(kù)是在環(huán)形鏈條上裝有許多刀座，其結(jié)構(gòu)有較大的靈活性，存放刀具的數(shù)量也較多，選刀和取刀動(dòng)作十分簡(jiǎn)單。當(dāng)鏈條較長(zhǎng)時(shí)，可以增加支撐鏈輪數(shù)目，使鏈條折疊回饒，提高空間利用率。一般刀具數(shù)量在30~120把。163．格子式刀庫(kù)這種刀庫(kù)具有縱橫排列十分整齊的很多格子，每個(gè)格子中均有一個(gè)刀座，可儲(chǔ)存一把刀具，這種刀庫(kù)可將其單獨(dú)安置于機(jī)床外，由機(jī)械手進(jìn)行選刀及換刀。這種刀庫(kù)選刀及取刀動(dòng)作復(fù)雜，應(yīng)用最少。

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二設(shè)計(jì)刀庫(kù)時(shí)應(yīng)考慮的主要問(wèn)題

合理確定刀庫(kù)的容量盡量縮短選刀時(shí)間刀庫(kù)運(yùn)動(dòng)速度適宜刀庫(kù)運(yùn)行平穩(wěn)刀庫(kù)在刀座中的排列其它18

9.3刀具的選擇方式按數(shù)控裝置的刀具選擇指令，從刀庫(kù)中挑選各工序所需要的刀具的操作，稱為自動(dòng)換刀。目前有順序選擇和任意選擇兩種方式。19

1．順序選擇方式刀具的順序選擇方式是將刀具按加工工序的順序，依次放人刀庫(kù)的每一個(gè)刀座內(nèi)。每次換刀時(shí)，刀庫(kù)按順序轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)刀座的位置，并取出所需要的刀具。已經(jīng)使用過(guò)的刀具可以放回原來(lái)的刀座內(nèi)，也可以按順序放入下一個(gè)刀座內(nèi)。不需要刀具識(shí)別裝置，而且驅(qū)動(dòng)控制也較簡(jiǎn)單，可以直接由刀庫(kù)的分度來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，刀具的順序選擇方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。更換不同工件時(shí)，須重新排列刀庫(kù)中的刀具順序。刀庫(kù)中的刀具在不同的工序中不能重復(fù)使用，相應(yīng)地增加了刀具的數(shù)量和刀具的容量，降低了刀具和刀庫(kù)的利用率。此外，裝刀時(shí)必須十分謹(jǐn)慎，如果刀具不按順序裝在刀庫(kù)，將會(huì)造成嚴(yán)重事故。20

2．任意選擇方式采用任意選擇方式的自動(dòng)換刀系統(tǒng)中必須有刀具識(shí)別裝置。這種方式是根據(jù)程序指令的要求來(lái)選擇所需要的刀具，刀具在刀庫(kù)中不必按照工件的加工順序排列，可任意存放。每把刀具（或刀座）都編上代碼，自動(dòng)換刀時(shí)，刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)，每把刀具（或刀座）都經(jīng)過(guò)“刀具識(shí)別裝置”接受識(shí)別。當(dāng)某把刀具的代碼與數(shù)控指令的代碼相符合時(shí)，該把刀具被選中，并將刀具送到換刀位置，等待機(jī)械手來(lái)抓取。優(yōu)點(diǎn)：刀庫(kù)中刀具的排列順序與工件加工順序無(wú)關(guān)，相同的刀具可重復(fù)使用。因此，刀具數(shù)量比順序選擇法的刀具可少一些，刀庫(kù)也相應(yīng)的小一些。21任意選擇法須對(duì)刀具編碼，編碼方式主要有三種：

（1）刀具編碼方式

（2）刀座編碼方式（3）編碼附件方式22（1）刀具編碼方式

這種方式是采用特殊的刀柄結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼。由于每把刀具都有自己的代碼，因此，可以存放于刀庫(kù)的任一刀座中。刀庫(kù)中的刀具在不同的工序中也就可重復(fù)使用，用過(guò)的刀具也不一定放回原刀座中，這對(duì)裝刀和選刀都十分有利，刀庫(kù)的容量也可相應(yīng)地小減小，而且還可避免由于刀具存放在刀庫(kù)中的順序差錯(cuò)而造成的事故。

23（1）刀具編碼方式

刀具編碼的具體結(jié)構(gòu)如圖所示。在刀柄1后端的拉桿4上套裝著等間隔的編碼環(huán)2，由鎖緊螺母3固定。編碼環(huán)既可以是整體的，也可由圓環(huán)3組成。編碼環(huán)直徑有大小兩種，大直徑的為二進(jìn)制的“1”，小直徑為“0”。通過(guò)這兩種圓環(huán)的不同排列，可以得到一系列代碼。例如由六個(gè)大小直徑的圓環(huán)便可組成能區(qū)別63種刀具的代碼。24

（2）刀座編碼方式

這種編碼方式對(duì)刀庫(kù)中每個(gè)刀座都進(jìn)行編碼，刀具也編號(hào)，并將刀具放到與其號(hào)碼相符合的刀座中。換刀時(shí)刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)，使各個(gè)刀座依次經(jīng)過(guò)識(shí)刀器，直至找到規(guī)定的刀座，刀庫(kù)便停止旋轉(zhuǎn)。由于這種編碼方式取消了刀柄中的編碼環(huán)，使刀柄結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。在自動(dòng)換刀過(guò)程中必須將用過(guò)的刀具放回原來(lái)的刀座中，增加了換刀的動(dòng)作。刀座編碼的突出優(yōu)點(diǎn)是刀具在加工過(guò)程中可以重復(fù)使用。

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（2）刀座編碼方式

圖9－16所示為圓盤刀庫(kù)的刀座編碼裝置。在圓盤的圓周上均布若干個(gè)刀座，起外側(cè)邊緣上裝有相應(yīng)的刀座編碼塊1，在刀庫(kù)的下放裝有固定不動(dòng)的刀座識(shí)別裝置2。刀座編碼的識(shí)別與上述刀具編碼的識(shí)別原理完全相同。26

（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。應(yīng)用最多的是編碼鑰匙。這種方式是先給刀具都縛上一把表示該刀具號(hào)的編碼鑰匙，當(dāng)把個(gè)刀具放入刀庫(kù)中時(shí)，識(shí)別裝置可以通過(guò)識(shí)別刀具上的號(hào)碼來(lái)選取該鑰匙旁邊的刀具。27

（3）編碼附件方式鑰匙的兩邊最多可帶有22個(gè)方齒，圖中除導(dǎo)向用的兩個(gè)方外，共有20個(gè)圖中可區(qū)別9999刀具。鑰匙沿著水平方向的鑰匙縫插入鑰匙孔座，然后順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)90度，處于鑰匙代碼突起6的第一彈簧片5被撐起，表示代碼“1”，處于代碼凹處的第二彈簧片3保持原狀，表示代碼“0”。由于鑰匙上每個(gè)凹凸部分的旁邊均有相應(yīng)的炭刷4或1，故可將鑰匙各個(gè)凸凹部分識(shí)別出來(lái)，即識(shí)別出相應(yīng)的刀具。28

（3）編碼附件方式這種編碼方式稱為臨時(shí)性編碼，因?yàn)閺牡蹲腥〕龅毒邥r(shí)，刀座中的編碼鑰匙也取出，刀庫(kù)中原來(lái)編碼隨之消失。因此，這種方式具有更大的靈活性。采用這種編碼方式用過(guò)的刀具不必放回原來(lái)的刀座。29

三、刀具（刀座）識(shí)別裝置刀具識(shí)別裝置是可任意選擇刀具的自動(dòng)換刀系統(tǒng)中重要組成部分，常用的有以下幾種。

1．接觸式刀具識(shí)別裝置2．非接觸式刀具識(shí)別裝置3.利用PC(可編程控制器)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)換刀301．接觸式刀具識(shí)別裝置識(shí)別原理如圖9－19所示。編碼環(huán)4大直徑的環(huán)表示二進(jìn)制的“1”，小直徑的環(huán)為“0”，刀具識(shí)別裝置2，觸針3，每個(gè)觸針與應(yīng)該繼電器相聯(lián)，當(dāng)各繼電器讀出的數(shù)碼與所選刀具的編碼一致時(shí)，由控制裝置發(fā)出信號(hào)，使刀庫(kù)停轉(zhuǎn)，等待換刀。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，觸針有磨損，故壽命較短，可靠性較差，且難于快速選刀。312．非接觸式刀具識(shí)別裝置非接觸式刀具識(shí)別裝置沒(méi)有機(jī)械直接接觸，因而無(wú)磨損、無(wú)噪聲、壽命長(zhǎng)、反應(yīng)速度快。適應(yīng)于高速、換刀頻繁的工作場(chǎng)合。常用的有磁性識(shí)別和光電識(shí)別法。32非接觸式磁性識(shí)別法

利用磁性材料和非磁性材料感應(yīng)強(qiáng)弱不同，通過(guò)感應(yīng)線圈讀取代碼。圖9－20所示為一種用于刀具編碼的磁性識(shí)別裝置。編碼環(huán)4，檢測(cè)線圈6。一次線圈5中輸入交流電壓時(shí)，如編碼環(huán)為導(dǎo)磁材料，則磁感應(yīng)較強(qiáng)，在二次線圈7中產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓。當(dāng)編碼的號(hào)碼與指令刀號(hào)相符時(shí)，控制電路發(fā)出信號(hào)。使刀庫(kù)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，等待換刀。33非接觸式光電識(shí)別法－－光學(xué)纖維刀具識(shí)別裝置這種裝置利用光導(dǎo)纖維良好的光傳導(dǎo)特性，采用多束光導(dǎo)纖維構(gòu)成閱讀頭。用靠近的二束光導(dǎo)纖維來(lái)閱讀二進(jìn)制碼的一位時(shí)，其中一束將光源投射到能反光或不能反光(被涂黑)的金屬表面，另一束光導(dǎo)纖維將反射光送至光電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以判斷正對(duì)這二束光導(dǎo)纖維的金屑表面有無(wú)反射光，有反射時(shí)(表面光亮)為“1”，無(wú)反射時(shí)(表面涂黑)為“o”，如圖9—22(b)所示。光信號(hào)比電信號(hào)具有更高的抗干擾能力。光導(dǎo)纖維可任意彎曲，這結(jié)機(jī)械設(shè)計(jì)、光源及光電轉(zhuǎn)換元件的安裝都帶來(lái)很大的方便。因此，這種識(shí)別方法很有發(fā)展前途。343.利用PC(可編程控制器)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)換刀

刀庫(kù)上的刀具能與左袖上的刀具任意地直接交換，即隨機(jī)換刀。主軸上換來(lái)的新刀