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1、3.9 机床刀架和自动切换刀 装置设计,一、机床刀架和自动换刀装置的功能、类型和应满足的要求（一）机床刀架和自动换刀装置的功能功能：安放刀具、参与切削、承受切削 力发展：四方刀架、转塔刀架自动刀架、 刀库和换刀机械手,刀具由几把几十把上百把换刀时间：十几秒几秒零点几秒,（二）机床刀架和自动换刀装置的类型单刀架 按安装刀具数目分 多刀架,方刀架 按结构形式分 转塔刀架回转轻式刀架,手动转位刀架 按驱动刀架转位动力分自动（电动、液 动）转 位刀架,自动换刀装置的刀库和换刀机械手，采用电气或液压驱动，目前主要用在加工中心MC。数控机床的换刀装置主要采用回转刀盘，刀盘上安装812把刀，有的采用2个刀盘
2、，实现 4坐标控制。少数数控车床也具有库形式的自动换刀装置。 P160图3-122,加工中心刀库形式：鼓轮式、链式、格子箱式、直线刀库鼓轮式刀库应用广，它包括刀具轴线与鼓轮轴线平行（垂直或成锐角），这种刀库结构简单、紧凑，但因刀库单环排列，定向利用率低大容量刀库的外径将很大，转动惯量大，选刀运动时间长，故这种刀库一般不超过32把刀具。图3-123a.b.c.d,链式刀库容量较大，当采用多环链式刀库时，刀库外形较紧凑，占用空间小，适用于作大容量刀库，在增加存储刀具数目时，可增加链条长度，而不增加链轮直径，链轮的圆周速度不会增加，刀库的运动惯量不像鼓轮式刀库增加得那么多。图3-123e,格子箱式刀
3、库容量较大，结构紧凑，空间利用率高，但布局不灵活，通常将刀库安装于工作台上，有时甚至在使用一侧的刀具时，必须更换另一侧之刀座板。图3-122f直线式刀库结构简单，刀库容量较小，用于数控车床、钻床、少数加工中心采用。图3-123g,单臂单手式图3-124a 换刀机械手分 单臂双手式图3-124b.c双手式图3-124d,单臂单手式：结构简单、换刀时间长，用于刀具主轴与刀库刀套轴线平行及垂直的场合。单臂双手式：可同时抓住主轴和刀库中的刀具，并进行拔出，插入换刀，时间短，用于加工中心上的刀库刀套轴线与主轴相互平行的场合。,双手式：结构复杂，换刀时间短，这种机械手除完成拔刀，插刀外，还起运输刀具的作用
4、。,（三）机床刀架自动换刀装置应满足的要求1、满足工艺过程所提出的要求 （转位要求）机床依靠刀具和工件间相对运动形成工件表面，而工件的表面形状和表面位置的不同，要求刀架和刀库上能够布局足够的刀具，能方便而正确地加工各种工件表面。为了实现在工件的一次安装中完成多工序加工，所以要求刀架，刀库可以方便地转位。,2、在刀架、刀库上要能牢固地安装工具 (正确、牢固安装)在刀架安装刀具时还应能精确地调整工具的位置，采用自动交换刀具时应能保证刀具交换前后都能处于正确位置。以保证刀具和工件间准确的相对位置，刀架的运动精度将直接反映到被加工工件的几何形状精度和表面粗糙度上，为此，刀架的运动轨迹必须准确，运动应平
5、稳，刀架运动的终点到位应准确，且精度保持性要好，以便长期保持刀具的正确位置。,3、刀架、刀库换刀机械手应具有足够的刚度 （足够刚度）由于刀具的类型、尺寸各异，重量相差很大，刀具在自动转换过程中方向变换较复杂，且有些刀架直接承受切削力。考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量，所以刀架、刀库、换刀机械手都必须具有足够的刚度，以使切削过程和换刀过程平稳。,4、可靠性高由于刀架和自动换刀装置在机床工作过程中，使用次数很多，且使用频率高，须充分重视可靠性。5、刀架和自动换刀装置换刀时间应尽量缩短，以提高生产率。6、操作方便安全刀架是工人经常操作的机床部件之一，它的操作是否方便和安全是评价设计好坏的指标，
6、刀架上应便于装刀、调刀，且要省力，应尽量设置在便于操作的地方。,二、机床刀架及其转位、定位机构设计 （一）机床上的刀架刀架是机床的重要组成部分，用于夹持切削用量的刀具，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制造技术水平。P164图3-125 是最常见最典型最传统的卧车四方刀架,为提高机床的自动化程度，人们经常采用自动上、下料，自动装卸工件，自动交换刀具等措施。卧车刀架只能装4把刀，加上尾架最多只能装5把刀（钻头），有些零件加工表面很多，需要更多的刀具才能完成，因而出现了将尾架去掉，而在此位置上安装可移动的多工位转塔刀具，在转塔上可装6把刀具，加上
7、前刀架，后刀架，这样就可使刀具增加到10把以上，形成转塔车床。图3-126。,转塔刀架的转位换刀一般由液压来完成。图3-129a排式刀架。,（二）机床刀架的转位机构设计1、液压（气动）驱动的活塞齿条转位机构图3-127这种由液动机构驱动的转位机构调整范围大，缓冲制动容易，转位高速可调，运动平稳，结构尺寸较小，制造容易，应用较广，转位角度大小可由活塞杆上的限位档块来调整。,气动传动的优点是结构简单，速度可调，但运动不平稳，有冲击，结构尺寸大，驱动力小，用于非金属切削的自动化机械和自动线的转位机构。,2、圆柱凸轮步进式转位机构,P170图3-132这种机构依靠凸轮轮廓强制刀架作转位运动。运动规律完
8、全取决于凸轮轮廓形状，圆柱凸轮是在圆周面上加工出一条两端有头的凸起轮廓，从动回转盘（相当于刀架体）端面有多个柱销，销子数量与工位数相等，当圆柱凸轮按固定的旋转方向运动时，B销进入凸轮轮廓的曲线段。这时凸轮开始驱动转盘转位，同时A销与凸轮轮廓脱离，当凸轮转过180时，转位动作停止，B销接触的凸轮轮廓由曲线段过渡到直线段，同时与B销相邻的C销开始与凸轮的直线轮廓的另一侧面接触，此时，即使凸轮继续旋转，回转盘也不会转动，在此间歇阶为，B销和C销同时与凸轮直线轮廓两侧接触，限制了回转盘的转动。,这种转位机构转位速度高，精度较低，运动特性可以自由设计，但制造困难，成本高，结构尺寸较大。,3、伺服电动驱动
9、的刀架转位用直流（或交流）伺服电动机驱动蜗杆、蜗轮（消除间隙）实现刀架转位，转位的速度和角位移均可通过半闭环反馈进行精确控制加以实现。P170图3-133。,（三）定位机构设计1、端齿盘定位端齿盘定位由两个齿形相同的端面齿盘相啮合而成，由于啮合时，各个齿的误差相互抵偿，起着误差均化的作用，定位精度高。图3-134。,齿盘的齿形角一般有2等于90和60，齿盘的齿数Z的选择应根据所要求的分度数以及齿盘外径D的大小来确定。齿形半角和齿数Z与齿顶角的关系,=45 Z=150 =36=45 Z=120 =45一般齿盘外径均在100800mm之间，且参数Z、齿形角，外径D，定位基准孔径d，重合厚度均已标准
10、化。,2、齿盘定位的特点定位精度高端齿盘定位齿数多，且沿圆周均布，有自动定心作用，分度精度在3。高的达0.4。磨损对定心精度无影响，装置容易。,重复定位精度好由于多齿啮合相当于上下齿盘齿的反复磨合对研，越磨合精度越高，重复定位精度也越好。定位刚性好，承载能力大，两齿盘多齿啮合。齿部强度高，齿数啮合率不少于90%。齿面啮合长度不少于60%，定位刚性好，承载能力大。,三、自动换刀装置的工作原理和构成（一）工作原理1、转塔式换刀方式 图3-135,电动机、变速箱、转塔头做成一体，结构紧凑，变速箱工作时的的振动和热量都直接传到转塔上来，且每把刀都需要一个主轴，故刀具数量、尺寸、结构都受很多限制。,2、
11、无机械手式 图3-136,采用单独存储刀具的刀库，刀具数量可以增多，以满足加工复杂零件的需要，这时的加工中心只需一个夹持刀具进行切削的主轴，制造难度比转塔刀架低，小型加工中心采用无机械手换刀方式。刀库运动：旋转，左右移动（）（拔刀、插刀）主轴运动：上下移动这种刀库的驱动是由伺服电动机经齿轮、蜗轮转动刀库（图3-137）,为消除齿侧间隙，而采用双片齿轮。蜗杆，蜗轮采用单头双导程蜗杆（左齿面导程9.6133mm，右齿面导程为9.2363mm）消除蜗杆蜗轮啮合间隙，压盖5和轴套6之间用螺纹联接，转动套6就可使蜗杆轴向移动以调整间隙，螺母7用于调整后锁紧，刀库的最大转角180，在控制系统中有一个自动判
12、别机能，决定刀库正反转，以使转角最小。刀库及转位机构装在一个箱体内，用滚动导轨支承在主柱顶部用油缸驱动箱体的前移和后退。,（二）链式刀库的构成1、链式刀库的类型链式刀库是目前用得最多的一种形式，由一个主动链轮，带动装有刀套的链条（图3-142）,方形链式刀库的典型结构示意图。主动链轮由直流（交流）伺服电动机通过蜗杆、蜗轮减速装置驱动。这种传动方式不仅在链式刀库中采用，在其它形式的刀库传动中也采用，导向轮为光轮圆周表面硬化处理，兼起张紧轮作用的左侧两个导向轮，其轮座必须带导向槽，以免松开螺钉时，轮座位置歪扭，给张紧调节带来麻烦。,带导向轮的SK04型链条（见表3-19 外转型）HP型链条是一种套
13、筒式链条，其辊子本身就是刀套，(见表3-20)。,对于上述链条，应用时应确定刀柄号，拉钉种类，刀套间距，定位安装位置，刀套号标牌位置。2、刀库的准停与回零如果刀套不能准确地停在换刀位置上，将会使换刀机械手抓刀不准，以致在换刀时容易发生掉刀现象。为确保刀套准确地停在换刀位置上，需采取如下措施。, 定位盘准停由液压缸推动的定位销，插入定位盘的定位槽内，以实现刀套的准停。为保证刀套的准停精度和刀套定位的刚性，链式刀库的换刀位置一般设在主动链轮上，或者尽可能设置在靠近主动链轮的刀套处。图145a、b定位盘上的每个定位槽（或定位孔），都对应于一个相应的刀套，且定位槽的节距要一致。,优点： a、能有效地消
14、除传动链反向间隙的影响 b、保护传动链，使其免受换刀撞击力 c、驱动电动机可不用制动自锁装置,链式刀库要选用节距精度较高的套筒滚子链和链轮，且在把刀套装在链条上时，要用专用夹具定位，以保证刀套间距一致。链式刀库的链条要有导向轮，沿导向槽移动（图3-143）能防止链条在运动中的斗动现象，保证刀库工作可靠性，回零开关可靠性以及高的重复精度。,圆盘式刀库宜采用单头双导程蜗杆传动。尽量减小刀套孔径和轴向尺寸的分散度，以保证刀柄槽在换刀位置上的轴向位置精度。要消除反向间隙的影响。刀库驱动传动链，必然会有传动间隙，且随机械磨损而增大，这将影响刀套准停精度，而对有定位盘的刀库来说，过大的间隙会影响定位盘的正
15、常工作。其方法有：,a、电气系统自动补偿方式 （见P108 闭环系统） 这种方式能保证双向任意选刀和双向准停。b、在链轮轴上装编码器，对链轮传动进行补偿的方法实现准停图3-146。,c、单头双导程蜗杆传动方式，通过调节蜗杆的轴向位置，把传动间隙调到理想程度。d. 使刀套单方向运行，单方向定位方式。刀套的运行方向，必须与机械手抓刀方向相反，否则，机械手抓刀时，会使刀套“挪位”，此法能消除传动间隙的影响，但增加了选刀时间，适用于小容量，顺序选刀的刀库。,e . 使刀套双向运行，单向定位方式。这种方式可进行任意方向选刀，但当刀套选刀方向与设定的定位方向相反时，要让刀套在选刀方向上多转过一个刀套位，然
16、后再向设定的定位方向运转一个刀套位进行定位，以此来消除反向间隙的影响。这种方式中的刀套定位运行方向，必须与机械手抓刀时的运动方向相反，以免机械手抓刀时刀套“挪位”。,回零撞块为了保证刀库的第1号刀套准确地停在初始位置上，由伺服电动机驱动的刀库必须设置回零撞块。回零撞块可以装在链条上的任意位置，回零开关则安装在便于调整的地方。调整回零开关位置，使刀套准确地停在换刀机械手位置上。这时，处于机械手抓刀位置上的刀套，编号为1号，然后依次编上其它刀套号。,刀库回零时，只能以一个方向回零，回零撞块安装尺寸计算图3-147Ldw约等于电动转动半圈的移动量,3、链轮的计算及链轮间中心距确定 SK 型 P177链轮外径 D0=DP+（0.81.0）Dr符号见表3-19,
