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1、数控机床自动换刀装置及刀 具测量仪的原理和应用1.自动换刀装置数控机床自动换刀装置按其功能特征可分为数控车 床的自动换刀装置或刀架系统，和各类加工中心（ 主要是铣镗加工中心和车削中心）的自动换刀系统 等两大类型；在车削中心的刀具中，除了普通刀具 外，还有自驱动力刀具等。此外，数控磨床（或磨 削中心）的自动换砂轮系统，冲压机床（转塔冲或 冲压加工中心）的自动换模具系统等，也在逐渐增 多。1.1数控车床刀架系统数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削 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，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制 造技术水平。随着数控车床的不
2、断发展，刀具结构形式也在 不断翻新。刀架是直接完成切削加工的执行部件，所以，刀架在结构上 必须具有良好的强度和刚度，以承受加工时的切削抗力；由 于切削加工精度在很大程度上取决于刀具位置，故要求数控 车床的刀架要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保 证有较高的重复定位精度(一般为0.0010.005mm)。此外， 还应满足换刀时间短、结构紧凑、安全可靠等。按换刀方式，数控车床的刀架系统主要有回转刀架和回转刀 盘等。1.2 加工中心的自动换刀装置各种加工中心的自动换刀系统的类型和结构取决于 机床的型式、工艺范围以及刀具的类型和数量，主 要形式有转塔头式和刀库式，此外还有成套更换式 等。 1.2
3、.1转塔头式转塔头式实际是一种更换主轴的换刀方式， 其主轴头就是一个转塔刀库。有卧式和立式 两种。如下图所示为一种立式转塔头，共有8 根主轴，每根主轴上装一把刀。转塔头绕水平轴转动，只 有处于最下端的主轴才能 与机床主传动系统接通进 行切削加工。该工步加工 完毕后，由指令控制转塔 头转过一个或几个位置， 实现自动换刀，转入下一 工步。这种换刀装置结构 简单，换刀迅速；但每把 刀具都需一根主轴，所以 储存刀具数量较少(一般为 68把)，因此仅适用于简 单工件加工。1.2.2 刀库式带刀库的自动换刀装置应用最广泛，它由刀库和刀具交换机 构组成。刀库用于存储刀具，类型很多；实现刀具在刀库与 机床主轴
4、间传送和装卸的机构称为刀具交换机构，它分为无 机械手换刀、机械手换刀、机械手与刀具运送器换刀三种方 式。无机械手换刀是刀库与主轴直接换刀，省去机械手，其 结构简单，但刀库运动较多，主要用于小型加工中心；机械 手换刀方式是刀库只作选刀运动，由机械手更换刀具，特点 是布局灵活换刀速度快，适用于各种加工中心；机械手和 刀具运送器方式是当刀库距主轴较远时，用刀具运送器将刀 具送至机械手，结构复杂，一般用于大型加工中心。带刀库的自动换刀装置应用最广泛，它由刀库和刀具交换机 构组成。刀库用于存储刀具，类型很多；实现刀具在刀库与 机床主轴间传送和装卸的机构称为刀具交换机构，它分为无 机械手换刀、机械手换刀、
5、机械手与刀具运送器换刀三种方 式。无机械手换刀是刀库与主轴直接换刀，省去机械手，其 结构简单，但刀库运动较多，主要用于小型加工中心；机械 手换刀方式是刀库只作选刀运动，由机械手更换刀具，特点 是布局灵活换刀速度快，适用于各种加工中心；机械手和 刀具运送器方式是当刀库距主轴较远时，用刀具运送器将刀 具送至机械手，结构复杂，一般用于大型加工中心。 刀库类型 刀库的类型很多，其中典型的有鼓轮式刀库、链式刀库、 格子箱式刀库和直线式刀库等.1.2.2.1 链式刀库的结构与换刀 位置链式刀库由主动链轮、导向轮 、带有刀套的链条和回零碰块 等组成，右图为方形链式刀库 的典型结构示意图。主动链轮 由伺服电动
6、机通过蜗轮减速机 构驱动(根据结构需要亦可增加 齿轮副传动)，导向轮一般做成 光轮，圆周表面硬化处理。左 侧两个导向轮兼作张紧轮。调 整回零开关的位置，可使刀套 准确地停在机械手抓刀位置上 ，回零撞块可装在锈条上，便 于调整到任意位置上。刀库可 以逆时针回零，也可以顺时针 回零，但一种刀库只能从一个 方向回零。从刀套的定位刚性 考虑，链式刀库的换刀位置应 设在主动链轮上或者尽可能 靠近主动链轮的刀套处。1.2.2.2 链式刀库的工作原理考虑凸轮式自动换刀装置较之他方式的换刀装 置，具有换刀速度快、可靠性好、控制简便、维修方 便等优点，选用机械手的动作由联动的凸轮驱动，刀 库的选刀分度也采用弧面
7、分度凸轮机构，可提高定位 精度和可靠度，也使控制简单。根据需要的自动换刀 装置换刀顺序，初步拟定的传动方案，如图 103。此方案中，采用弧面凸轮完成机械手臂的回转 动作(回转抓刀，180回转交换刀具，回转归位)， 并和其他凸轮协同动作完成拔插刀等动作。巧妙合理 的各凸轮曲线配合使换刀中各动作协调进行，从而提 高换刀速度。刀库的传动系统选普通电动机+减速装 置+间歇运动机构+齿轮传动+链传动，间歇运动机 构选弧面分度凸轮机构，刀库的转位分度由弧面分度 凸轮机构实现，并且也可由弧面分度凸轮机构本身的 结构准停定位。因此，要求间歇蘑动机构以后的齿轮 传动必须消隙预紧。另外，选择合理的凸轮线使 得动作
8、平稳。在此方案中，是把刀套的翻转从凸轮联 动驱动中分离出来，主要考虑翻刀可以在主轴箱移向 (或离开)换刀位置的过程中进行，从而可使机械手 的动作进一步加快。 1)主轴箱向换刀位置移动，同时刀套下翻90。到位，主轴准停。 2)确认第一步完成后，起动机械手电动机。 3)机械手转动抓刀。 4)主轴松刀，同时刀套打开锁刀。 5)在确认主轴松刀和刀套打开锁刀完成后，机械手电动机继续转动使机械手向下拔刀，同时机械手锁刀。 6)机械手旋转180换刀。 7)机械手向上插刀，同时机械手打开锁刀。 8)主轴紧刀，同时刀套锁刀。 9)机械手回位。 10)主轴箱离开换刀区进行加工，同时刀套向上翻转90回位。 11)在
9、加工的同时，刀库确认刀套翻转回位后，选下一道工序刀具。1.实验目的与要求： 对照实物了解加工中心自动换刀机构的 组成及其工作原理，并建立所学机构的感 性认识。掌握刀具测量仪的使用。 2实验仪器与设备：加工中心一台、刀具测量仪一台。 3.实验内容：了解四工位转位刀架。观察一个链式刀库，了解转位机原理， 以及刀具在刀库中的安装基准或固定方法 。了解刀具测量仪的结构并掌握其使用。4.实验报告4.1绘制转位刀架的结构原理图并给出必要的 文字说明.4.2 绘制链式刀库换刀过程结构图,给出简要 的说明.4.3 转位刀架与刀库在功能上有和区别.4.4 机械手的手爪如何保证爪取的刀具不掉 下来，又能方便地取出来。4.5 现场测量一组刀具的几何尺寸并输入数 控机床。
