数控机床的自动换刀装置和数控工作台讲解

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1、第6章 数控机床的 自动换刀装置和数控工作台 6.1 自动换刀装置 为了提高数控机床的加工效率，除了要提高切削速 度，减少非切削时间也非常重要，现代数控机床正向 着工件在一台机床上一次装夹可完成多道工序或全部 工序加工的方向发展，这些多工序加工的数控机床在 加工过程中需使用多种刀具，因此必须有自动换刀装 置，以便选用不同的刀具来完成不同工序的加工。 自动换刀装置应具备换刀时间短，刀具重复定 位精度高，有足够的刀具储备量，占地面积小，安 全可靠等特性。 各类数控机床的自动换刀装置的结构和数控机 床的类型、工艺范围、使用刀具种类和数量有关。 数控机床常用的自动换刀装置的类型、特点、适用 范围见表6

2、-1所示。 类型特点适用范围 转 塔 刀 架 回转刀架 回转刀架多为顺 序换刀换刀时间 短， 结构简单紧 凑，容纳刀具较少 各种数控车床，车削中心 机床 转塔头 顺序换刀，换刀时间 短，刀具主轴都 集中在转塔头上，结构紧凑，但刚性 较差，刀具主轴数受限制 数控钻床、镗床 刀 库 式 刀库与主轴 之间直接换 刀 换刀运动集中，运动部件少。但刀库运 动多。布局不灵活，适应性差 各种类型的自动换 刀数控 机床，尤其是对使用回转 类刀具的数控镗铣 ，钻镗 类立式、卧式加工中心机 床，要根据工艺范围和机 床特点，确定刀库容量和 自动换 刀装置类型，用于 加工工艺范围的立、卧式 车削中心机床 用机械手配

3、合刀库换 刀 刀库只有选刀运动，机械手进行换刀运 动，比刀库作换刀运动惯 性小，速度快 用机械手、 运输装置配 合刀库换 刀 换刀运动分散，有多个部件实现 ，运动 部件多，但布局灵活，适应性好 有刀库的转塔头换 刀装置 弥补转换 刀数量不足的缺点，换刀时 间短 扩大工艺范围的各类转 塔 式数控机床 表6-1自动换刀装置的主要类型、特点及适用范围 6.1.1数控车床的自动转位刀架 刀架是数控车床的重要功能部件，其结构形式 很多，下面介绍几种典型刀架结构。 1.数控车床方刀架 数控车床方刀架是在普通车床方刀架的基础上 发展的一种自动换刀装置，它有四个刀位，能同时 装夹四把刀具，刀架回转90，刀具变

4、换一个刀位， 转为信号和刀位号的选择由加工程序指令控制。图6 -1所示为数控车床方刀架结构。 1电动机 2联轴器 3蜗杆轴 4蜗轮丝杠 5刀架底座 6粗定位盘 7刀架体 8球头销 9转位套 10电刷座 11发迅体 12螺母 13、14电刷 15粗定位销 图6-1 数控车床 方刀架结构 其换刀过程如下： 刀架抬起 当数控装置发出换刀指令后，电动机1启动正转，通过平键套筒 联轴器2使蜗杆轴3转动，从而带动蜗轮丝杠4转动。刀架体7的内孔加工有内 螺纹，与蜗轮丝杠旋合。蜗轮丝杠内孔与刀架中心轴外圆是滑配合，在转位 换刀时，中心轴固定不动，蜗轮丝杠绕中心轴空转。当蜗轮丝杠开始转动时 ，由于刀架体7和刀架

5、体底座5上的端面齿处于啮合状态，且蜗轮丝杠轴向固 定，因此刀架体7不能转动只能轴向移动，这是刀架体抬起。 （2）刀架转位 当刀架体抬至一定距离后，端面齿脱开，转位套用销钉与 蜗轮丝杠联接，随蜗轮丝杠一起转动，当端面齿完全脱开时，转位套9正好转 过160（如图6-1AA剖视图所示），球头销8在弹簧力的作用下进入转位套 9的槽内，转位套通过弹簧销带动刀架体转位。 （3）刀架定位 刀架体7转动时带着电刷座10转动，当转到程序指令的刀 号时，定位销15在弹簧的作用下进入粗定位盘6的槽中进行粗定位，同时电刷 13、14接触导通，是电动机1反转。由于粗定位槽的限制，刀架体7不能转动 ，使其在该位置垂直落下

6、，刀架体7和刀架底座5上的端面齿啮合实现精确定 位。 （4）夹紧 刀架电动机1继续反转，此时蜗轮丝杠停止转动 ，蜗杆轴3继续转动，端面齿间夹紧力不断增加，转 距不断增大，达到一定值时，在传感器的控制下电动 机1停止转动。 译码装置由发信体11、电刷13、14组成。 电刷13负责发信，电刷14负责位置判断。当刀架 定位出现过位或不到位时，可松开螺母12，调好发信 体11与电刷14的相对位置。这种刀架在经济性数控 机床及卧式车床的数控化改造中应用广泛。 2.数控车床盘形自动回转刀架 图6-2所示为CK7815型数控车床采用的BA200L刀架的 结构。 该刀架可配置12位（A型或B型）、8位（C型）

7、刀盘 。 A、B型回转刀盘的外切刀可使用25mm150mm 标准刀具和刀杆截面为25mm25mm的可调刀具，C型可 用尺寸为20mm20mm125mm的标准刀具。 镗刀杆最大直径为32mm。刀架转位为机械传动 ，端面齿盘定位。 1刀架 2、3端面齿盘 4滑快 5蜗轮 6轴 7蜗杆 8、9、10传动齿轮 11电动机 12微动开关 13小轴 14圆环 15压板 16锲铁 图6-2 回转刀架 转位过程如下： （1）回转刀架的松开 转位开始时，电磁制动器断 电，电动机11通电转动，通过齿轮10、9、8带动蜗杆 7旋转，使蜗轮5转动。蜗轮内孔有螺纹，与轴6上的 螺纹配合。端面齿盘3被固定在刀架箱体上，轴

8、6和端 面齿盘2固定连接，端面齿盘2和3处于啮合状态，因 此，蜗轮5转动时，轴6不能转动，只能和端面齿盘2 、刀架体1同时向左移动，直到端面齿盘2和3脱离啮 合。 （2）转位 轴6外圆柱面上有两个对称槽，内装滑块4。 当端面齿盘2和3脱离啮合后，蜗轮5转到一定角度 时，与蜗轮5固定在一起的圆环14左侧端面的凸块 便碰到滑块4，蜗轮继续转动，通过14上的凸块带 动滑块连同轴6、刀架体1一起进行转位。 （3）回转刀架的定位 到达要求位置后，电刷选择器发出信号，使 电机11反转，这时蜗轮5与圆换14反向旋转，凸块与 滑块4脱离，不再带动轴6转动。 同时，蜗轮5与轴6上的旋和螺纹使轴6右移 ，端面齿盘

9、2和3啮合并定位。当齿盘压紧时，轴6右端 的小轴13压下微动开关，发出转位结束信号，电动机 断电，电磁制动器通电，维持电动机轴上的反转力矩 ，以保持端面齿盘之间有一定的压紧力。 刀具在刀盘上由压板15及调节楔铁16来夹紧， 更换和对刀十分方便。 刀位选择由刷型选择器进行，松开、夹紧位置 检测由微动开关12控制。整个刀架控制是一个纯电 气系统，结构简单。 3.车削中心动力转塔刀架 图6-3（a）为意大利Baruffaldi公司生产的适用于 全功能型数控车床及车削中心的动力转塔刀架。刀盘 上既可以安装各种非动力辅助刀夹（车刀夹、镗刀夹 、弹簧夹头、莫氏刀柄），夹持刀具进行加工，还可 以安装动力刀夹

10、进行主动切削，配合主机完成车、铣 、钻、镗等各种复杂工序，实现加工程序自动化、高 效化。 图6-3（b）为该转塔刀夹的传动示意图。刀架采 用端面齿盘作为分度定位元件，刀架转位由三相异 步电动机驱动，电动机内部带有制动机构，刀为由 二进制绝对编码器识别，并可正反双向转位和任意 刀位就近选刀。动力刀具由交流饲服电动机驱动， 通过同步齿型带、传动轴、传动齿轮、端面齿离合 器将动力传至动力刀夹，在通过刀夹内部的齿轮传 动，刀具回转，实现主动切削。 图6-3 动力转塔刀架 7.1.2转塔头式换刀装置 带有旋转刀具的数控机床常采用转塔头式自动换 刀装置，如数控钻镗床的多轴转塔头等。在转塔头上 装有几个主轴

11、，每个主轴上均装一把刀具，加工过程 中转塔头可自动转位，从而实现自动换刀。主轴转塔 头可看作是一个转塔刀库，它的结构简单，换刀时间 短，仅为2s左右。但由于受到空间位置的限制，主轴 数目不能太多，主轴部件的结构刚度也有所下降，通 常只适用与工序较少，精度要求不太高的机床，如数 控钻床、数控铣床等。 为了弥补转塔换刀数量少的缺点，近年来出现了 一种机械手和转塔头配合刀库进行换刀的自动换刀装 置，如图6-4所示。它实际上是转塔头换刀装置和刀 库式换刀装置的结合。它的工作原理如下：转塔头5 上安装两个刀具主轴3和4，当用一个刀具主轴上的刀 具进行加工时，机械手2将下一个工序需要的刀具换 至不工作的主

12、轴上，待本工序完成后，转塔头回转 180，完成换刀。 因为它的换刀时间大部分和机械加工时间重合 ，只需要转塔头转位的时间，所以换刀时间很短， 而且转塔头上只有两个主轴，有利于提高主轴的结 构刚性，但还未能达到精镗加工所需要的主轴刚度 ，这种换刀方式主要用于数控钻床，也可用于数控 铣镗床和数控组合机床。 图6-4 机械手和转塔头配合刀库换刀的自动换刀装置 1-刀库 2-机械手 3.4-刀具主轴 5-转塔头 6-工件 7-工作台 6.1.3 刀库式自动换刀装置 刀库式自动换刀装置主要应用于加工中心上。 加工中心是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件 进行多工序加工的数控机床。工件经一次装夹后， 数控

13、系统能控制机床连续完成多工步的加工，工序 高度集中。自动换刀装置是加工中心的重要组成部 分，主要包括刀库、刀具交换装置等部分。 1.刀库 刀库是存放加工过程中所使用的全部刀具的装 置，它的容量从几把刀到上百把刀。加工中心刀苦 的形式很多，结构也各不相同，常用的有鼓盘式刀 库、链式刀库和格子库式刀库。 1）鼓盘式刀库 鼓盘式刀库结构简单、紧 凑，在钻削中心上应用较多。一 般存放刀具数目不超过32把。目 前，大部分的刀库安装在机床立 柱的顶面和侧面，当刀库容量较 大时，为了防止刀库转动造成的 振动对加工精度的影响，也有的 安装在单独的地基上。 图7-5为刀具轴线与鼓盘轴线 平行布置的刀库，其中：

14、图（a）为径向取刀式； 图（b）为轴向取刀式。 图6-5 鼓盘式刀库 图6-6（a）为刀具径向安装在刀库上的结构，图6-6（b ）为刀具轴线与鼓盘轴线成一定角度布置的结构。这两种结 构占地面积较大。 图6-6 鼓盘式刀库 （2）链式刀库 链式刀库是在环形链条上装有许多刀座，刀座的孔中装夹各种刀具，链条由链轮驱动。 链式刀库有单环链式和多环链式等几种，如图6-7（a）,(b)所示。当链条较长时，可以 增加支承链轮的数目，使链条折叠回绕，提高空间利用率，如图6-7（c）所示。 图6-7 各种链式刀库 a）单环链式 （b）多环链式 （c）折叠链式 （3）格子盒式刀库 图6-8所示为固定型格子盒式刀库

15、。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，有换刀机械手交换刀具。这种形式刀具排列密集，空间利用率 高，刀库容量大。 图6-8 固定型格子盒式刀库 2.刀具的选择 按数控装置的刀具选择指令，从刀库中挑选 各工序所需要的刀具的操作称为自动选刀。 常用的选刀方式有顺序选刀和任意选刀： （1）顺序选刀 刀具的顺序选择方式是将刀具按加工工序的 顺序，一次放入刀库的每一个刀座内，刀具顺序不 能搞错。 当加工工件改变时，刀具在刀库上的排列顺序也 要改变。这种选刀方式的缺点是同一工件上的相同刀 具不能重复使用，因此刀具的数量增加，降低了刀具 和刀库

16、的利用率，优点是它的控制以及刀库的运动等 比较简单。 （2）任意选刀 任意选刀方式是预先把刀库中每把刀具（或刀座 ）都编上代码，按照编码选刀，刀具在刀库中不必按 照工件的加工顺序排列。 任意选刀有刀具编码式、刀座编码式、附件编码 式、计算机记忆式四种方式： 刀具编码式 这种选择方式采用了一种特殊的刀柄结构，并对 每把刀具进行编码。换刀时通过编码识别装置，根 据换刀指令代码，在刀库中寻找所需要的道具。 由于每一把刀都有自己的代码，因而刀具可以放 入刀库的任何一个刀座内，这样不仅刀库中的刀具 可以在不同的工序中多次重复使用，而且换下来的 刀具也不必放回原来的刀座，这对装刀和选刀都十 分有利，刀库的容量相应减少，而且可避免由于刀 具顺序的差错所发生的事故。但每把刀具上都带有 专用的编码系统，刀具长度加长，制造困难，刚度 降低，