数控机床大作业
数
控
机
床
的
自
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换
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数控机床的自动换刀装置
作者：刘伟杰
摘要
数控机床集中应用了计算机技术，电子技术，自动控制技术，传感测量，机械制造，等先进技术，是典型的机电一体化产品。

它的发展和应用开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式，产业结构，管理形式，使世界制造业的格局发生了巨大的变化，促进了其他行业的生成和飞速发展。

刀具及自动换刀装置对加工时间有着重要的影响，自动换刀的快慢又影响了加工的时间，刀库的容量决定了刀具的数量，进而影响换刀时间和加工时间。

本文主要讲述数控机床的自动换刀机构。

关键词：发展趋势机构自动换刀刀库
中图分类号：TH 文献标识码：B
1.刀库
刀库是自动换刀装置的主要部件，其容量、布局以及具体结构对数控机床的设计有很大影响。

刀库的刀具定位机构是用来保证要更换的每一把刀具准确的停在换到位置上。

采用电动机或液压系统为刀库提供动力。

根据刀库所需要的容量和取刀方式，可以将刀库设计成多种形式。

1.1刀库的类型
刀库的功能是储存加工工序所需要的各种刀具，并按指令将要用的刀具准确的送到换刀位置，并接受从主轴送来的已用刀具。

根据需求，刀库类型有多种（1）盘式刀具在盘式刀库结构中，刀具可以沿主轴轴向、径向、斜向安放，刀具轴向安装的结构最为紧凑。

在刀库容量较大时，可采用弹仓式结构，目前大量的刀库安装在机床立柱的顶面或侧面，也可安装在单独的基地上。

盘式刀库分径向、轴向两种取刀方式，其刀座结构不同。

此种刀库结构简单，适用于刀库容量较少的情况。

（2）链式刀库刀具容量比盘式的大，结构也比较灵活和紧凑，常为轴向换刀。

可将换刀位置刀座突出以利于换刀。

另外还可以采用加长连带方式加大刀库的容量，也可采用折叠回绕的方式提高空间利用率，在要求刀量容量很大时可以采用多条链带的结构。

（3）格子盒式刀具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，由换刀机械手交换刀具，此刀具空间利用高，刀库容量大。

1.2刀库的容量
刀库的容量首先要考虑加工工艺的分析需要。

一般情况下，并不是刀库中的刀具越多越好，太的容量会增加刀库的尺寸和占地面积，使选刀过程时间增长。

如果从完成工件的全部加工所需要的刀具数目统计，所得结果是80%的工件完成加工任务所需的刀具数目在40种以下，所以一般的中小型立式加工中心配14--30把刀具的刀库就能够满足70%--95%的工件加工需要。

1.3刀库的转位
刀库转位机构由伺服电动机通过消隙齿轮带动蜗杆，通过涡轮使刀库转动。

刀库的的最大转角为180度，根据所换道具的位置决定正传或反转、由控制系统自动判别，以使找刀路径最短。

每次转角大小由位置系统控制，进行粗定位，最后由定位销精确定位。

刀库及转位机构在同一个箱体内，由液压缸实现其移动。

刀库的转位精度和速度，极大的影响数控机床的换刀时间，而转位精度又确定了数控机床的本身性能。

2、机械手
采用机械手进行刀具交换的方式应用的最为广泛，机械手换刀有很大的灵活性，而且可以减少换刀时间，换刀的形式和方式所受限制较小。

2.1机械手的形式
（1）单臂单爪回转式机械手此类机械手的手臂可以回转不同的角度进行自动换刀，手臂上只有一个夹爪，不论在刀库上或是在主轴上，都可靠这一个夹爪来装刀及卸刀，因此换刀时间较长。

（2）单臂双爪摆动式机械手此类机械手的手臂上有两个夹爪，两个夹爪有所分工，一个夹爪只执行从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务。

另一个夹爪执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务，其换刀时间比单爪回转式机械手要少。

（3）单臂双爪回转式机械手此类机械手的手臂两端各有一个夹爪，两个夹爪可同时爪取刀库及主轴上的刀具，回转180度后，又同时将刀具放回刀库及装入主轴。

换刀时间较以上两种单臂机械手均短，是常用的一种形式。

（4）双机械手此类机械手相当于两个单爪机械手，相互配合来进行自动换刀，其中一个机械手从主轴取回刀具送回到刀库；另一个机械手由刀库取出“新刀”装入机床主轴。

2.2机械手手爪形式与结构原理
2.2.1机械手手爪形式
（1）钳形手的械杆形式
（2）刀库夹手刀库夹手既起着刀套作用，又起着手爪作用。

2.2.2机械手结构原理及驱动机构
机械手有两对抓刀爪，由液压缸提供抓刀力，由于抓刀动作由机械机构实现，且可以自锁，工作安全可靠。

驱动亦是由液压缸提供动力。

3.自动换刀装置
数控机床为了能在工件一次装夹中完成多种甚至所有加工工序，缩短辅助时间，减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。

3.1刀具选择方式
按数控装置的刀具选择指令，从刀具库中将所需要的刀具转换到取刀位置，称自动选刀。

3.1.1顺序选刀
此类选刀方式是按照预定的工序先后顺序将所用的刀具插入刀库刀座中，使用时按顺序转到取刀位置。

用过的刀具放回原来的刀座内。

该法不需要刀具识别，但每把刀具在工序中不能重复使用，为了满足加工需要，只有增加刀具数量和刀库容量，这就降低了刀具和刀库的利用率，装刀时必须十分谨慎，必须按顺序装刀。

3.1.2任选刀具
任选刀具是根据程序指令的要求任意选取所需要的刀具，刀具在刀库中不需要按照工件的加工顺序排列，可任意放。

每把刀具都编上代码，自动换刀时刀库旋转，没把道具上都经过“刀具识别系统”接受识别。

刀具可以重复使用，刀具数量可以少一些，刀库体积也可稍微小些。

1）刀具编码方式在刀柄后端拉杆上套有等间距的编码环，由锁紧螺母固定。

2）刀座编码方式对每个刀座进行编码，刀具也编码，并将刀具放到与其号码相符的刀座中，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。

3.2数控车床刀架
数控车床的刀具必须有良好的的强度和刚度。

要保证会装刀架每次转位的重复定位精度。

3.2.1数控车床方刀架此类有四把不同刀具，转位信号由加工程序指定
数控六角回转刀架
回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，它的动作分为4个步骤：
(1)刀架抬起当数控装置发出换刀指令后，压力油由孔进入压紧液压缸的下腔，
活塞上升，刀架体抬起，使定位用的活动插销与固定插销脱开。

同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮结合。

(2)刀架转位当刀架抬起后，压力油从孔进入转位液压缸左腔，活塞向右移动，通过联接板带动齿条移动，使空套齿轮作逆时针方向转动。

通过端齿离合器使刀架转过60º。

活塞的行程应等于齿轮分度圆周长的1/6，并由限位开关控制。

(3)刀架压紧刀架转位之后，压力油从孔进入压紧液压缸上腔，活塞带动刀架体下降。

齿轮的底盘上精确地安装有个带斜楔的圆柱固定插销，利用活动插销消除定位销与孔之间的间隙，实现反靠定位。

刀架体下降时，定位活动插销与另一个固定插销卡紧，同时齿轮与齿圈的锥面接触，刀架在新的位置定位并夹紧。

这时，端齿离合器与空套齿轮5脱开。

(4)转位液压缸复位刀架压紧之后，压力油从孔进入转位液压缸的右腔，活塞带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮在轴上空转。

如果定位和夹紧动作正常，推杆与相应的触头接触，发出信号表示换刀过程已经结束，可以继续进行切削加工。

回转刀架除了采用液压缸转位和定位销定位之外，还可以采用电动机带动离合器定位，以及其他转位和定位机构。

数控机床的换刀系统，会更加的准确、快速。

参考文献
【1】蔡厚道，杨家兴。

《数控机床构造》。

北京：北京理工大学出版社，2007. 【2】李雪梅《数控机床》。

北京：电子工业出版社，2006.
【3】叶伯生《计算机数控系统原理、编程与操作》。

武汉：华中理工大学出版社，1999.。