数控机床自动换刀装置的分类和特点及具体应用 数控机床的自动换刀装置有哪些形式

各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的形式、工艺范围以及刀具的种类和数量等，主要可以分为以下几种形式
①回转刀架换刀
数控机床上使用的回转刀架是一种最简单的自动换刀装置，根据加工对象的不同，可以设计成四方刀架和六角刀架等多种形式，分别安装着四把、六把或更多的刀具，并按数控装置的指令换刀。回转刀架的结构上必须具有良好的强度和刚性，以承受粗加工时的切削抗力，由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，而加工工程中对刀尖位置一般不进行人工调整，因此更有必要选择可靠地定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度
回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，他的动作分为四个步骤：刀架抬起。刀架转位。刀架压紧。转位油缸复位
回转刀架除了采用液压缸驱动转位和定位销定位以外，还可以采用电机/马氏机构转位和鼠齿定位，以及其他转位和定位机构。
②更换主轴头换刀
在带有旋转刀具的数控机床中，更换主轴头是一种比较简单的换刀方式，主轴头通常有卧式和立式两种，而且常用砖塔的转位来更换主轴头，以实现自动换刀，在砖塔的各个主轴头上，预先安装有各工序所需要的旋转刀具，当发出换刀指令时，各主轴头依次的转到加工位置，并接通主运动，使相应的主轴带动刀具旋转，而其他处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。
由于空间位置的限制，主轴部件的结构不可能设计的十分坚实，因为影响了主轴系统的刚度，为了保证主轴的刚度，主轴的数目必须加以限制，否则将会使结构尺寸大为增加。砖塔主轴头换刀方式的主要优点在于省去了自动松夹、卸刀、装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作，从而提高了换刀的可能性，并显著的缩短了换刀时间，但由于结构上的原因，砖塔主轴头通常只适用于工序较少，精度要求不太敢的数控机床，如数控钻床等。
③带刀库的自动换刀系统
带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换装置如机械手等组成，目前他是多工序数控机床上应用最为广泛的换刀方法
整个换刀过程较为复杂，首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准的刀柄上，在机外进行尺寸育调整之后，按一定的方式放入刀库，换刀时先在到库中进行选刀，并由刀具交换装置分别动刀库和主轴上取出刀具，在进行刀具交换之后，将新道具装入主轴，把就刀具放回刀库。存放刀具的刀库具有较大的容量，它既可安装在主轴箱的侧面或上方，也可作为单独部件安装的机床以外，并有搬运装置运动刀具。
带刀库的自动换到数控机床主轴箱与砖塔主轴头相比较，由于主轴箱内只有一个主轴，设计主轴部件时就有可能充分增强它的刚度，因而能够满足精密加工的要求，另外刀库可以存放数量很大的刀具，因为能够进行复杂零件的多工序加工，这样就明显的提高了机床的适应性和加工效率。所以带刀库的自动换刀装置特别适用于数控钻、铣、镗床。但这种换刀方式的整个过程动作较多，换刀时间长，系统较为复杂，降低了工作可靠性。

1、刀具交换方式数控机床的自动换刀装置中，实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具交换装置。刀具的交换方式和它们的具体结构对机床的生产率和工作可靠性有着直接的影响。刀具的交换方式很多，一般可分为以下两大类。（一）无机械手换刀无机械手换刀，是由刀库和机床主轴的相对运动实现的刀具交换。换刀时，必须首先将用过的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出新刀具，这两个动作不可能同时进行，因此，换刀时间长。所示的数控立式镗铣床就是采用这种换刀方式的实例。它的选刀和换刀由三个坐标轴的数控定位系统来完成，因此每交换一次刀具，工作台和主轴箱就必须沿着三个坐标轴作两次来回运动，因而增加了换刀时间。另外，由于刀库置于工作台上，减少了工作台的有效使用面积。（二）机械手换刀由于刀库及刀具交换方式的不同，换刀机械手也有多种形式。因为机械手换刀有很大的灵活性，而且还可以减少换刀时间，应用最为广泛。在各种类型的机械手中，双臂机械手全面地体现了以上优点，为了防止刀具掉落，各机械手的活动爪都必须带有自锁结构。双臂回转机械手的动作比较简单，而且能够同时抓取和装卸机床主轴和刀库中的刀具，因此换刀时间可以进一步缩短。双臂回转机械手，虽不是同时抓取主轴和刀库中的刀具，但是换刀准备时间及将刀具送回刀库的时间（图中实线所示位置）与机械加工时间重合，因而换刀（图中双点划线所示位置）时间较短。2、机械手形式在自动换刀数控机床中，机械手的形式也是多种多样，常见的有以下几种形式。1、单臂单爪回转式机械手这种机械手的手臂可以回转不同的角度来进行自动换刀，其手臂上只有一个卡爪，不论在刀库上或是在主轴上，均靠这个卡爪来装刀及卸刀，因此换刀时间较长。2、单臂双爪回转式机械手这种机械手的手臂上有两个卡爪，两个卡爪有所分工。一个卡爪只执行从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务，另一个卡爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务。其换刀时间较上述单爪回转式机械手要少。3、双臂回转式机械手这种机械手的两臂上各有一个卡爪，两个卡爪可同时抓取刀库及主轴上的刀具，回转180°后又同时将刀具放回刀库及装入主轴。这种机械手换刀时间较以上两种单臂机械手均短，是最常用的一种形式。4、双机械手这种机械手相当于两个单臂单爪机械手，它们互相配合进行自动换刀。其中一个机械手从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个由刀库中取出“新刀”装入机床主轴。5、双臂往复交叉式机械手这种机械手的两手臂可以往复运动，并交叉成一定的角度。一个手臂从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个手臂由刀库中取出“新刀”装入主轴。整个机械手可沿某导轨直线移动或绕某个转轴回转，以实现由刀库与主轴间的运刀工作。6、双臂端面夹紧式机械手这种机械手只是在夹紧部位上与前几种不同。前几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面来抓取刀具，这种机械手则是靠夹紧刀柄的两个端面来抓取的。3、机械手夹持结构在换刀过程中，由于机械手抓住刀柄要作快速回转，要作拔、插刀具的动作，还要保证刀柄键槽的角度位置对准主轴上的驱动键。因此，机械手的夹持部分要十分可靠，并保证有适当的夹紧力，其活动爪要有锁紧装置，以防止刀具在换刀过程中转动脱落。机械手夹持刀具的方法有以下两种。（一）柄式夹持柄式夹持，也称轴向夹持或V形槽夹持。其刀柄前端有V形槽，供机械手夹持用，目前我国数控机床较多采用这种夹持方式。机械手手掌结构示意图。它由固定爪及活动爪组成，活动爪可绕轴回转，其一端在弹簧柱塞的作用下，支靠在挡销上，调整螺钉以保持手掌适当的夹紧力，锁紧销使活动爪牢固地夹持刀柄，防止刀具在交换过程中松脱。锁紧销还可轴向移动，使活动爪放松，以便杈刀从刀柄V形槽中退出。（二）法兰盘式夹持法兰盘式夹持，也称径向夹持或碟式夹持。刀柄的前端有供机械手夹持的法兰盘。采用法兰盘式夹持的优点是：当采用中间搬运装置时，可以很方便从一个机械手过渡到另一个辅助机械手上去。对于法兰盘式夹持方式，其换刀动作较多，不如柄式夹持方式应用广泛。4、自动换刀动作顺序由于自动换刀装置的布局结构多种多样，其换刀过程动作顺序会不尽相同。下面分别以常见的双臂往复交叉式机械手和钩刀机械手为例用动作分图加以说明。（一）双臂往复交叉式机械手的换刀过程（1）开始换刀前状态。主轴正用T05号刀具进行加工，装刀机械手已抓住下一工步需用的T09号刀具，机械手架处于最高位置，为换刀做好了准备；（2）上一工步结束，机床立柱后退，主轴箱上升，使主轴处于换刀位置。接着下一工步开始，其第一个指令是换刀，机械手架回转180o转向主轴。（3）卸刀机械手前伸，抓住主轴上已用过的T05号刀具。（4）机械手架由滑座带动，沿刀具轴线前移，将T05号刀具从主轴上拔出。（5）卸刀机械手缩回原位。（6）装刀机械手前伸，使T09号刀具对准主轴。（7）机械手架后移，将T09号刀具插入主轴。（8）装刀机械手缩回原位。（9）机械手架回转180o，使装刀、卸刀机械手转向刀库。（10）机械手架由横梁带动下降，找第二排刀套链，卸刀机械手将T05号刀具插回P05号刀套中。（11）刀套链转动把在下一个工步需用的T46号刀具送到换刀位置,机械手一降,找第三排刀链,由装刀机械手将T46号刀具取出。（12）刀套链反转，把P09号刀套送到换刀位置，同时机械手架上升至最高位置，为再下一工步的换刀做好准备。（二）钩刀机械手的换刀过程作为最常用的一种换刀形式，换刀一次所需的基本动作如下。1）抓刀。手臂旋转90?，同时抓住刀库和主轴上的刀具。（2）拔刀。主轴夹头松开刀具，机械手同时将刀库和主轴上的刀具拔出。（3）换刀。手臂旋转180?，新旧刀具更换。（4）插刀。机械手同时将新旧刀具分别插入主轴和刀库，然后主轴夹头夹紧刀具；（5）复位。转动手臂，回到原始位置。

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