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1、数控机床原理及应用,第六讲,本讲内容提要,刀库的形式 刀具系统及选刀 刀具（刀座）识别装置 刀具交换装置,刀库的形式,在自动换刀装置中，刀库是最主要的部件之一,它是用来储存加工刀具及辅助工具的地方。 根据刀库容量和取刀方式，刀库有如下形式： 鼓轮（盘）式刀库 链式刀库 格子盒式刀库 在加工中心上用得较普遍的为链式刀库；密集型的鼓轮式刀库和格子式刀库虽然占地面积小，可是由于结构的限制，很少用于单机加工中心；密集型的固定刀库目前多用于柔性制造系统（FMS）中的集中供刀系统，刀具在刀库中是直线排列，其结构简单，刀库容量小，一般可容纳812把刀具，故较少使用，多见于自动换刀数控车床，在数控钻床上也采用
2、过此形式。,鼓轮（盘）式刀库,应用及特点 加工中心上较常用的一种刀库形式, 结构紧凑、简单，在钻削中心上应用较多，一般存放刀具不超过32把。 分类及特点,径向取刀形式,特点 刀具轴向布局，常放在主轴侧面。刀库轴心线可垂直放置，也可水平放置。使用较多,轴向取刀形式,特点 沿着刀库的直径方向,鼓轮（盘）式刀库,优缺点 结构简单，应用较多； 由于刀具环形排列，空间利用率低，因此出现了采用在盘中双环或多环排列，以增加空间利用率。但使刀库的外径过大，转动惯量也很大，选刀时间也较长。因此鼓轮（盘）式刀库一般用于刀具容量较少的刀库。,刀具径向布置形式,刀具角度布置形式,特点 刀具径向布局，占有较大空间，刀库
3、位置受限制，一般放在机床立柱上端，换刀时间较短，整个换刀装置较简单,特点 刀具与刀库轴心线成一定角度（小于90）呈伞状布置，这可根据机床的总体布局要求安排刀库的位置，多斜放于立柱上端，刀库容量不宜过大。,链式刀库,应用及特点 加工中心上较常用的一种刀库形式，适用于刀库容量较大的场合。 多为轴向取刀，链式刀库在传动链条上有许多刀座，在刀座上装夹各种刀具，链条由链轮驱动，链条的长度取决于刀具的数量。,链式刀库,分类及特点 单环链式、多环链式,单环链式刀库,多环链式刀库,特点 我国JCS-013自动换刀数控镗铣床采用了四环刀链，每环可储存15把刀具，整个刀库可储存60把刀具。 常独立安装在机床外部，
4、因此占地面积大；由于刀库远离主轴，必须有刀具中间搬运装置，使整个环刀系统,特点 刀库放在机床立柱侧面，可容纳45把刀具,结构复杂。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，进一步增加存刀量，如下图：,链式刀库,优缺点 结构紧凑，刀库容量大； 链环形状可根据机床布局制成各种形状； 可将换刀位突出以便于换刀； 在一定范围内，当需增加刀具数量时，可增加链条的长度，而不增加链轮直径。因此，链轮的圆周速度（链条线速度）可不增加，刀库运动惯量的增加可不予考虑。这些为系列刀库的设计与制造提供了很多方便，使其可满足不同使用条件。 链式刀库不能设计得太大，否则会使数控设备结构显得庞大
5、，一般当刀具数量在30120把时，多采用链式刀库。,。,格子盒式刀库,分类及特点 单面式、多面式 单面式结构的刀库，布局不灵活，通常刀库安置在工作台上，应用较少； 多面式结构的刀库，为减少,换刀时间，换刀机械手通常利用前一把刀具加工工件的时间，预先取出要更换的刀具（所配数控系统应具备该项功能）。刀库占地面积小，结构紧凑，在相同的空间内可以容纳的刀具数目较多。但由于它的选刀和取刀动作复杂，现已较少用于单机加工中心，多用于FMS（柔性制造系统）的集中供刀系统。,1-刀座 2-刀具固定板架 3-取刀机械手横向导轨 4-取刀机械手纵向导轨 5-换刀位置刀座 6-换刀机械手,刀具系统及选刀,刀库的容量
6、概念 刀库容量即刀库所能储存的刀具数量。 刀库容量的选择 以满足一个复杂加工零件对刀具的需要为原则，应先根据典型工件的工艺分析算出加工零件所需的全部刀具数，以此来选择刀库容量 。 刀库中的刀具并不是越多越好，太大的容量会增加刀库的尺寸和占地面积，使选刀时间过长，当要求的数量太大时，可适当分解工序，将一个工件分解为两个、三个工序加工，以减小刀库容量。同时要关注最大刀具尺寸、最大刀具重量。,刀具系统及选刀,根据以钻、铣为主的立式加工中心所需刀具数的统计，绘制出右图所示的曲线。 曲线表明，用10把孔加工刀具可完成70%的钻削工艺，四把铣刀可完成90%的铣削工艺。据此可以看出，用14把刀具就可以完成7
7、0%以上的钻铣加工。,若是从完成对被加工工件的全部工序进行统计，得到的结果是大部分（超过80%）的工件完成全部加工过程只需40把刀具就够了。因此从使用角度出发，刀库的容量一般取为1040把，盲目地加大刀库容量，将会使刀库的利用率降低，结构过于复杂，造成很大浪费。,刀具系统及选刀,选刀方式 概念 根据数控系统发出的换刀指令，刀具交换装置从刀库中将所需要的刀具转换到取刀位置，称为自动选刀。 分类 顺序选刀方式 任意选刀方式,刀具系统及选刀,顺序选刀方式 选刀过程 首先根据零件的加工工艺选好所需要的刀具，然后按照加工顺序将刀具依次插入刀库的刀座中，换刀时，刀库按顺序旋转到要选的刀具位置，取出刀具即可
8、。使用过的刀具可以放回到原来的刀座内，也可按顺序放入下一个刀座内。 优缺点 不需要刀具识别装置，而且驱动控制也比较简单，可以直接由刀库的分度机构来实现，具有结构简单，工作可靠的优点。 但工件变更时，需要重新调整刀具顺序，操作烦琐，且加工同一工件的不同工序中刀具不能重复使用，因而为了满足加工需要，必须相应地增加刀具的数量和刀库的容量，这样就降低了刀具和刀库的利用率。此外，要注意装刀顺序不能出现差错，否则将会引起设备或质量事故。,刀具系统及选刀,任意选刀方式 选刀过程 对每把刀具（或刀座）进行编码，根据程序发出的指令来识别编码，从而选中所需要的刀具，刀具在刀库中可不必按照工件的加工顺序排列，因此采
9、用任意选刀方式的自动换刀系统中必须有刀具识别装置。 自动换刀时，刀库旋转，每把刀具（或刀座）都经过“刀具识别装置”进行识别，当某把刀具的代码与数控指令的代码相符合时，该刀具将被送到换刀位置，等待机械手来抓取。 优缺点 刀具的排列顺序与工件加工顺序无关，每把刀具均有自己的代码，加工中可以任意选择且同一把刀具可重复使用，也不必放入固定刀座，装刀、选刀都较方便。因此，刀具数量比顺序选刀方式的刀具可少一些，刀库也相应的小一些。,刀具系统及选刀,编码方式 任意选刀方式必须对刀具（或刀座）编码，以便识别，其编码方式主要有以下四种： 刀具编码方式 刀座编码方式 编码附件方式 计算机记忆式选刀,刀具系统及选刀
10、,刀具编码方式 利用安装在刀柄上的编码元件（如编码环、编码螺钉等）预先对刀具编码，后将刀具放在刀座中，换刀时，通过编码识别装置根据刀具编码选刀。 识别原理 在刀柄1后端的控杆4上套装着等间隔的编码环2，由锁紧螺母3固定。编码环既可以是整体的，也可由圆环组装而成。编码环直径有大小两种，大直径的为二进制的“1”，小直径的为“0”。通过这两个圆环的不同排列，可以得到一系列代码。例如由六个大小直径的圆环便可组成能区别63（26-1=63）种刀具的编码。通常全部为0的代码不许使用，以避免与刀座中没有刀具的状况相混淆。为了便于操作者的记忆和识别，也可采用二-八进制编码来表示。六个编码环相当于八进制的二位。
11、 刀具编码的编码环中，若所有的编码环都是凸的，其号码二进制是111111，相当于二-八进制数77，即十进制的63。,1-刀柄 2-编码环 3-缩紧螺母 4-控杆,刀具系统及选刀,优缺点 刀具可存放于刀库的任意刀座中，刀具可在不同的工序中被多次重复使用，且换下来的刀具也不必放回原来的刀座中。这对装刀和选刀都十分有利，缩短了刀库的运转时间，简化了自动换刀控制线路，刀库的容量也可以相应的减少，而且还可避免顺序选刀方式中由于刀具存放顺序出现差错而造成的事故。 刀座编码方式 预先对刀库中的每个刀座进行编码，刀具也编码，并将刀具放到与其号码相符的刀座中。换刀时，根据刀座编码选刀：刀库旋转，使刀座依次经过识
12、刀器，找到规定的刀座，旋转停止，该刀座中的刀具即为所需刀具。,刀具系统及选刀,识别原理 右图为圆盘刀库的刀座编码装置。 在圆盘圆周上均布若干个刀座编码块2（装在相应的刀座外侧边缘上），刀库下方装着固定不动的刀座识别装置1。 与上述刀具编码原理完全相同。 优缺点 由于刀座编码方式取消了刀柄中的编码环，,1-刀座识别装置 2-刀座编码块,使刀柄结构大为简化。因此，刀具识别装置的结构不受刀柄尺寸的限制，而且可以放在较适当的位置。但在自动换刀过程中，必须将用过的刀具放回原来的刀座中，增加了换刀动作。与顺序选择刀具的方式相比，刀座编码方式的突出特点是刀具在加工过程中可以重复使用。,刀具系统及选刀,编码附
13、件方式 编码附件方式可分为编码钥匙、编码卡片、编码杆和编码盘等，其中应用最多的是编码钥匙。 编码钥匙是先给各刀具都附上一把表示该刀具号的编码钥匙，当把刀具存放到刀库中时，将编码钥匙插进刀座旁边的钥匙孔中，这样就把钥匙的号码转记到刀座中，给刀座编上了号码。识别装置可以通过识别钥匙上的号码来选取该钥匙旁边刀座中的刀具。 当从刀座中取出刀具的同时，相应的编码钥匙也被取出，刀座中记忆的编码随之消失，所以编码钥匙方式称为临时性编码。临时性编码具有更大灵活性，但用过的刀具必须放回原来的刀座。,刀具系统及选刀,编码钥匙的结构 结构如上图所示，钥匙的两边最多可带有22个方齿，除导向用的两个方齿（导向突起1）外
14、，共有20个凸出或凹下的位置（代码突起2），可区别220-1=1048575把刀具。 下图为编码钥匙孔的剖面图，钥匙沿着水平方向的钥匙缝插入钥匙孔座，然后顺时针方向旋转90，处于钥匙代码突起3的弹簧接触片2被撑起，表示代码“1”；处于代码凹处的弹簧接触片4保持原状，表示代码“0”。由于钥匙上每个凸凹部分的旁边各有相应的炭刷1，可将钥匙各个凸凹部分识别出来，即识别出相应的刀具。,1-异向突起 2-代码突起,1-炭刷 2、4-弹簧接触片 3、5-钥匙代码突起,刀具系统及选刀,左侧的链式刀库由四排刀链组成，双臂式交叉机械手上下移动，在四排刀链上选择所需要的刀具，并取刀。 为了在刀库及主轴上装卸刀具，
15、机械手回转架可回转180，装刀手与卸刀手还必须沿本身导轨作直线往复运动，以装卸刀具。 刀库容量大，刀具可较重，常要附加运输装置来完成刀库与主轴之间刀具的运输。,1-刀库 2-机械手 3-主轴箱 4-立柱,刀具系统及选刀,计算机记忆式选刀 目前使用最多的是计算机记忆式选刀（或刀具刀座跟踪记忆法） 特点 刀具号和存刀位置或刀座号对应地记忆在计算机的存储器或可编程控制器中，由于在刀库上装有位置检测装置，不论刀具存放在哪个位置，计算机都始终记忆着它的踪迹，这样刀具可以任意取出，任意送回，刀具本身不必设置编码元件，结构大为简化，控制也十分简单，计算机控制的机床几乎全都使用这样选刀方式，在刀库上设有机械原
16、点，每次选刀运动正反方向都不会超过180的范围。,刀具（刀座）识别装置,刀具(刀座)识别装置是可任意选刀的自动换刀系统中的重要组成部分，常用的有以下两种： 接触式刀具识别装置 非接触式刀具识别装置 非接触式磁性识别法 非接触式光电识别法,刀具（刀座）识别装置,接触式刀具识别装置 原理 如图2-33所示。在刀柄1上装有两种直径不同的编码环4，规定大直径的环表示二进制的“1”，小直径的环表示“0”，图中编码环有5个，在刀库附近固定刀具识别装置2，从中伸出几个触针3，触针数量与刀柄上的编码环个数相等。每个触针与一个继电器相连，当编码环是大直径时与触针接触，继电器通电，其数码为“1”。当编码环是小直径时与触针不接触，继电器不通电，其数码为“0”。当各继电器读出的数码与所需刀具的编码一致时，由控制装置发出信号，使刀库停转，等待换刀。 优缺点 结构简单； 由于触针有磨损，故其寿命较短，可靠性较差，且难于快速选刀。,1-刀柄 2-刀具识别装置 3-触针 4-编码环,刀具（刀座）识别装置,非接触式刀具识别装置 不与编码环直接接触，因而无磨损、无噪声、寿命长、反应速度快，适应于高
