數控機床自動(dòng)換刀裝置

　　數控機床自動(dòng)換刀裝置

　　摘 要：文章對數控機床自動(dòng)換刀裝置作介紹、研究，通過(guò)探究，加深對機床自動(dòng)換刀裝置的了解、認識，達到減少故障率、操作失誤等可預防的目的，幫助提高生產(chǎn)效率。

　　關(guān)鍵詞：數控機床;換刀裝置;控制系統

　　1 數控機床的發(fā)展

　　1.1 國內外數控機床發(fā)展狀況

　　當今世界，制造強國對數控機床的發(fā)展都很重視，對發(fā)展更先進(jìn)的、更高精密的、更高效的、更自動(dòng)化的機床投入很大，我國在這方面的研究還不是很深入。

　　世界上第一臺數控機床是1952年從麻省理工麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)出來(lái)的。

　　隨著(zhù)數控機床在機械制造行業(yè)廣泛使用，特別是在汽車(chē)，航空航天和軍事應用，使得數控技術(shù)在硬件和軟件上有了一個(gè)快速的發(fā)展。

　　1956年，日本的富士通研究院研究出了數控轉塔沖床，美國IBM在同一時(shí)期在開(kāi)發(fā)成功“亞太”(程序管理工具系統)加工中心。

　　1958年美國KT公司產(chǎn)品已發(fā)展出ATC(自動(dòng)刀具交換裝置)。

　　中國自1958年開(kāi)始了對數控機床的研發(fā)工作。

　　1.2 數控機床發(fā)展趨勢

　　1.2.1 高速，高精度，高可靠性

　　效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體考慮方面。

　　高速，高精密技術(shù)的運用可以顯著(zhù)提高效率，提高產(chǎn)品的檔次和質(zhì)量，能顯著(zhù)縮短生產(chǎn)周期和顯著(zhù)提高市場(chǎng)競爭力。

　　高速：①增加進(jìn)料速率：使用線(xiàn)性滾珠導軌等;②增加主軸的旋轉速度：使用線(xiàn)性電動(dòng)機的技術(shù)，直接連接電機和主軸，主軸部件裝入，就能從1.8 s內實(shí)現從0 r/min到15 000 r/min。

　　高精度：精度的提高以滿(mǎn)足高技術(shù)，高科技的發(fā)展需要。

　　產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和改善機械電氣特性才能適應質(zhì)量的高要求，根據機床用戶(hù)要求的精密加工機的增加。

　　精密度加工翻了一番，達到15 ?滋m。

　　高可靠性：整個(gè)數控系統的數控設備的可靠性比一般機床高一個(gè)數量級及以上。

　　1.2.2 綜合化

　　數控機床的發(fā)展完全得益于功能性復合材料的發(fā)展，以數控機床復雜的處理，實(shí)現每個(gè)零件剪輯后各種的復雜處理，從而減少非生產(chǎn)時(shí)間，提高了機床的效率和準確性，降低了生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)的靈活性。

　　多功能一體機床是近幾年發(fā)展比較迅速的一種，它在機器上的核心用來(lái)完成車(chē)、銑、鉆、鏜、擴孔和攻絲等程序。

　　1.2.3 智能

　　包括知識產(chǎn)權數控系統在內的各個(gè)方面：追求效率和質(zhì)量的智能，如自動(dòng)控制，自動(dòng)生成工藝參數等。

　　1.2.4 靈活的集成

　　為了滿(mǎn)足工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，FMC，FMS，CIMS等提供必要的基礎設施TNC是不僅能完成正常的處理功能外，還具有自動(dòng)測量自動(dòng)上下料，自動(dòng)換刀，自動(dòng)診斷，聯(lián)網(wǎng)交流功用，根據用戶(hù)不同的要求，數控機床可以靈活的設置和集成。

　　2 數控機床自動(dòng)換刀裝置的類(lèi)型、特點(diǎn)

　　數控機床目前工作效率比較高，因為數控機床具有自動(dòng)換刀裝置，刀庫中刀具類(lèi)型數量齊全。

　　為了提高數控機床的生產(chǎn)效率，就要提高切削速度和減少非切削時(shí)間，現在機床的切削速度已經(jīng)很難有所提高了，就需要提高切削效率即減少非切削時(shí)間。

　　一個(gè)工件在一臺機床上一次裝夾可以完成多道工序甚至全部工序，這就需要不同的刀具，不同的機床類(lèi)型，因此選擇什么樣的數控機床很重要，那么我們就需要了解不同機床的自動(dòng)換刀裝置的類(lèi)型、特點(diǎn)、適用范圍等，為選擇提供依據。

　　下面就介紹幾種常用的自動(dòng)換刀裝置。

　　2.1 轉塔刀架式自動(dòng)換刀裝置

　　轉塔刀架式在加工中心比較常見(jiàn)，適用范圍比較廣，它又分兩種，一種是回轉刀架式，另一種是轉塔頭式。

　　回轉刀架式多為順序換刀，這樣換刀時(shí)間短，結構簡(jiǎn)單緊湊，裝置系統簡(jiǎn)單易操作，但同時(shí)它的缺點(diǎn)也暴漏出來(lái)了，由于自身的裝置簡(jiǎn)單，比如它能容納的刀具較少，只能加工少量的工序，所以它比較適合加工簡(jiǎn)單的工件，運用范圍比較廣，在各種數控車(chē)床，車(chē)削中心機床的簡(jiǎn)單加工中都能使用。

　　磚塔頭式加工時(shí)也是順序換刀，換刀時(shí)間短，刀具主軸都集中在轉塔頭上，結構緊湊、簡(jiǎn)單，但它的缺點(diǎn)是剛性較差，只能加工少數的工序，它在數控鉆床、鏜床等常用到。

　　2.2 刀庫式自動(dòng)換刀裝置

　　根據自動(dòng)換刀方式的不同，刀庫式自動(dòng)換刀裝置可以分為：刀庫與主軸之間直接換刀、用機械手配合刀庫換刀、用機械手、運輸裝置配合刀庫換刀等。

　　這幾種不同方式各有各的特點(diǎn)。

　　刀庫與主軸之間直接換刀這種方式，換刀運動(dòng)集中，運動(dòng)部件少、簡(jiǎn)單，但刀庫運動(dòng)多，布局不靈活，適應性較差。

　　用機械手配合刀庫換刀，這種方式效率就較高，因為刀庫只有選刀運動(dòng)，機械手進(jìn)行換刀運動(dòng)，這樣它的慣性小，速度就較快。

　　用機械手、運輸裝置配合刀庫換刀的方式就比較復雜，需要多個(gè)部件來(lái)實(shí)現，運動(dòng)部件多，換刀運動(dòng)分散，但它的布局靈活，適應性好。

　　刀庫式的運用較廣泛，適合各種類(lèi)型的自動(dòng)換刀數控機床，尤其是對使用回轉類(lèi)刀具的數控鏜銑，鉆鏜類(lèi)立式、臥式機床等。

　　2.3 有刀庫的轉塔頭式自動(dòng)換刀裝置

　　有刀庫式的磚塔頭式這種方式是結合刀庫式和磚塔頭式這兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，即彌補轉換刀數量不足的缺點(diǎn)，又提高了適應性，又具有換刀時(shí)間短，換刀速度快的優(yōu)點(diǎn)。

　　這種方式裝置較復雜，造價(jià)較高，適合那些需要擴大工藝范圍的工件。

　　3 自動(dòng)換刀裝置的工作過(guò)程

　　上面介紹了數控機床的發(fā)展、自動(dòng)換刀裝置的類(lèi)型、特點(diǎn)等，下面簡(jiǎn)單介紹一下數控機床的工作過(guò)程，加深對數控機床進(jìn)一步的認識。

　　3.1 數控機床自動(dòng)換刀裝置的結構

　　3.1.1 刀庫

　　刀庫的功能就是放刀具的地方，機械手就是在刀庫里按照預定程序選擇不同的刀具，刀具的類(lèi)型有多種形式，比如盤(pán)式刀庫、鏈式刀庫等這些就比較常用到。

　　要選擇什么樣的刀庫形式和多大的刀庫容量就要根據加工的工藝和工件的特點(diǎn)來(lái)確定了。

　　刀庫的容量一般有10至80把刀，數量越多，加工效率就越高，同時(shí)結構就比較緊湊，選擇時(shí)刀庫容量也不是越多越好，需要從加工工藝的使用角度出發(fā)。

　　機械手選擇刀具的順序也是一個(gè)比較重要的問(wèn)題，它有順序選擇、任意選擇等方式。

　　順序選擇方式比較簡(jiǎn)單，就是在刀庫里一把一把的選擇，用完放回，利用效率底，刀庫容量大，現在只有那些簡(jiǎn)單的工件使用順序選擇這種方式。

　　目前使用較多的是任意選擇，這種方式可以重復使用刀具，刀具利用效率高。

　　3.1.2 機械手

　　機械手是機床上比較重要的組成部分，比較容易出現故障，它是執行刀庫與主軸換刀動(dòng)作的主要部件，它有送刀臂、擺刀站和換刀臂組成。

　　機械手有幾種類(lèi)型常見(jiàn)的有單手式、雙手式等;單手式只有一個(gè)換刀臂且一端僅有一個(gè)抓刀手，雙刀式也只有一個(gè)換刀臂，但兩端各有一個(gè)抓刀手。

　　3.1.3 驅動(dòng)裝置

　　驅動(dòng)裝置是使機械手和刀庫實(shí)現工作的驅動(dòng)動(dòng)力，一般依靠步進(jìn)電機或液壓機構來(lái)提供驅動(dòng)。

　　通過(guò)液壓機構來(lái)驅動(dòng)機械手，需要靠接近開(kāi)關(guān)位置檢測，傳動(dòng)結構較多，它只適合不頻繁換刀的大型臥式加工。

　　機械手由伺服電機或步進(jìn)電機驅動(dòng)，這種驅動(dòng)就不需要檢測位置，就能精準的定位，并且換刀速度快、穩定。

　　3.2 自動(dòng)換刀工作過(guò)程

　　數控機床加工目前都組建成加工中心，加工中心具有對工件多工序加工的能力，這種能力是依靠數控機床的自動(dòng)換刀裝置，它可以一次裝夾完成內槽加工、造螺紋及銑、鉆、擴、鏜一系列工序。

　　利用驅動(dòng)機械手在刀庫選擇需要的刀具對零件不同工序的加工。

　　在這里簡(jiǎn)單的描述一下過(guò)程。

　　首先抓刀爪伸出，抓住刀庫上的待換刀具，刀庫刀座上的鎖板拉開(kāi)，機械手帶著(zhù)待換刀具繞豎直軸逆時(shí)針?lè )较蜣D90，與主軸軸線(xiàn)平行，另一個(gè)抓刀爪抓住主軸上的刀具，主軸將刀具松開(kāi)。

　　其次機械手前移，將刀具從主軸錐孔內拔出，機械手繞自身水平軸轉180，將兩把刀具交換位置。

　　然后機械手后退，將新刀具裝入主軸，主軸將刀具鎖住，抓刀爪縮回，松開(kāi)主軸上的刀具，機械手繞豎直軸順時(shí)針轉90，將刀具放回到庫相應的刀座上，刀庫上的鎖板合上。

　　最后，抓刀爪縮回，松開(kāi)刀庫上的刀具，恢復到原始位置。

　　參考文獻：

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