数控机床的自动换刀装置设计

第六章数控机床自动换刀装置第一节自动换刀装置形式数控机床必须有自动换刀装置，以便一次完成多个或所有加工工艺，从而缩短辅助时间，减少多次安装工件所产生的错误。数控车床的旋转刀架是一种简单的自动换刀装置。区别在于，多工序数控机床出现后，逐步开发和改进各种旋转刀具的自动刀具交换装置，扩大刀具交换量，实现更复杂的刀具交换操作。自动换刀数控机床中自动换刀的基本要求包括短换刀时间、高重复位置、足够的刀具存储容量、小地板面积和安全可靠度等。各种CNC机床的自动换刀装置的结构取决于机床的形式、工艺范围、刀具种类和数量。预设类型为：一、刀架交换旋转刀架是数控车床常用的最简单的自动换刀装置之一。您可以设计为各种形式，例如四方刀架、六角刀架或圆盘轴向刀架。旋转刀架中至少安装4个刀具和6个刀具，并根据NC装置的命令进行刀具交换。旋转刀架必须具有良好的结构强度和刚度，才能承受粗加工时的切削阻力。由于车削加工精度取决于刀尖位置，因此对于CNC车削，在加工过程中不会手动调整刀具位置，因此，选择可靠的定位方案和合理的定位结构更为必要，以便旋转刀架在每个旋转位置后具有尽可能高的重复定位精度(通常为0.001到0.005mm)。旋转刀架的刀具交换运动通常包括刀架抬举、刀架旋转和刀架压力等。旋转刀架根据工作原理分为多种类型，如图6-1所示。图6-1a)示出了一种螺母提升刀架，其中电动机通过弹簧安全离合器用蜗轮对驱动螺母，螺母抬起刀架，将上、下半板分开，然后将刀架旋转到位，从而为信号螺母提供反转锁。图6-1旋转刀架类型和工作原理图6-1b)显示了使用十字型车轮旋转刀柄和锁定卡扣(也包括定位销)，大头针每星期旋转四分之一圈(也可能设计为6个位置等)。如图6-1c)所示，凸台杆刀架和蜗轮相对于上凸轮台驱动下凸轮台，分离上下齿轮轮，继续旋转，棘轮机构将刀架转动90，然后使用接触开关或孔元件发送电动机反转信号，再次锁定刀架。图6-1d)显示了使用具有10kN左右拉力的线圈锁定转塔位置的电磁转塔。图6-1e)示出了使用摆动阀芯、百分表、带小液压缸的摆动液压缸控制刀架旋转的液压刀架。爪驱动刀架旋转，小液压缸向下拧紧，产生10kN以上的拉力。这个刀架的特点是旋转可靠，能进一步提高拉力。但是液压元件很难制造，缺点是需要更多有液压油泄漏和发热问题的液压系统。图6-2显示了适用于加工磁盘零件的CNC车床的六边形旋转刀架。这个刀架的整体运动是通过以下刀具交换过程，通过电磁方向阀和顺序阀由液压系统控制的。(1)撬起。在Cnc设备中执行“刀具交换”命令时，压力油由a进入压缩液压缸的下部，活塞上升，刀柄抬起，位置活动闩锁与固定销分离。活塞杆底部的端齿离合器与空套齿轮相结合。图6-2数控车床六角旋转刀架(2)刀架转移。当刀架抬起时，压力油从c孔旋转到液压缸左腔，活塞向右移动，通过连接板驱动机架，空套筒齿轮逆时针旋转，通过端齿离合器旋转到60。活塞的行程必须等于齿轮节圆周长的六分之一，并由限位开关控制。(3)刀架绷紧。在转塔旋转后，压力油从b孔进入压缩液压缸的上腔，活塞使转塔体脱落。圆柱机箱正确安装有6个楔形的圆柱固定闩锁，使用活动针消除定位销和孔之间的间隙，然后进行重新定位。转塔主体下落时，定位活动销将与其他固定销牢固固定，圆柱与压力板的圆锥接触，转塔将在新位置定位并压缩。此时，端齿离合器与空套齿轮分离。(4)位移液压缸复位。刀架被压后，压力油从d孔进入旋转圆柱的右腔，活塞驱动齿条复位。此时，端齿离合器分离了，因此齿条驱动齿轮在轴上进行空转。如果定位和压缩运动正常，杠杆与相应接触头接触，发出刀具交换过程结束的信号，则可以继续切削。旋转刀架除了可以使用液压缸驱动器和定位销位置外，还可以使用电动机-马尔科夫机构和鼠标磁盘定位和其他定位机制。图6-3更换主轴二、主轴交换主轴交换机有旋转刀更简单的数控机床用刀的方法。这个主轴头实际上是如图6-3所示，这是刀架库。主轴头水平和垂直。主轴头通常用刀架的位替换，实现自动工具交换。在塔架的每个部分主轴预安装了每个工序所需的旋转刀具，当运行“改变刀具”命令时，每个主轴头将依次移动到加工位置，主运动连接起来，以便相应的主轴驱动刀具旋转。其他未加工的主轴与主运动分离。更换主轴更换单元可节省自动松、夹、卸、工具和工具搬运等一系列复杂任务，缩短了刀具更换时间，提高了刀具更换的可靠性。但是，由于空间位置的限制，主轴部件结构尺寸不能太大，从而影响主轴系统的刚度。要保证主轴的刚度，必须限制主轴的数量。否则，结构大小会增大。因此，刀架主轴头通常只适用于工艺少、精度要求高的机床，例如数控钻头、铣床等。图6-4更换主轴箱三、更换主轴箱某些数控机床使用多个主轴箱来实现刀具交换的目的，如图6-4所示。主轴箱库8悬挂备份主轴箱2 7。主轴箱两端的导轨上装有在主轴库和机床动力头之间搬运主轴箱的同时工作的汽车和。根据加工要求，首先选择需要的主轴箱，当两辆车用相应的主轴箱操作时，推至手推车I，手推车I同时移动到主轴箱和手推车两个机床动力头的更换位置。一个工序完成后，动力头带主轴1上升到更换位置，夹紧机构松开主轴1，定位销从定位孔拉出，推杆机构将主轴1推至第二级上，同时将车的备用主轴推至机器动力头，进行定位。同时，两辆车回到主轴库，停在下一个要更换的主轴箱旁边的空白处。也可以通过机器人10在库存9和主轴1之间进行刀具交换。这种工具交换可以提高加工箱子等零件的生产率。四、自动刀具交换系统此类刀具交换设备由刀具库、刀具选取机构、刀具交换机构和主轴上刀具的自动加载和卸载机制组成，使用最广泛。图6-5显示了刀具库安装在机床工作台上(或列)的CNC机床的样子。图6-5刀具库和加工刀具是一体式CNC机床也是6-6刀具库和加工刀具是分型CNC机床图6-6显示了CNC机床的外观，刀具库安装在机床外部，成为一个单独的零件。刀具库的容量较大，因此刀具较重，并且附加刀具以完成刀具库和主轴之间的刀具运输。具有刀具库的自动刀具交换系统的整个刀具交换过程更为复杂。首先，在标准刀柄上单独安装要在加工过程中使用的所有刀具，在机床外预先调整尺寸，然后将其插入到刀具库中。交换刀具时，根据“选择刀具”(select tool)命令，从刀具库中选择刀具，由刀具交换机从刀具库和主轴中取出刀具，32此自动刀具交换系统需要增加刀具的自动夹紧、机构松弛、刀具库运动和定位机制，并且经常需要清洗刀柄和刀具孔、刀具库的设备，因此结构更加复杂。刀具更换过程动作多，刀具更换时间长。影响工具更换工作可靠性的因素也很多。要缩短刀具交换时间，可以使用具有刀具库的双主轴或多主轴刀具交换系统，如图6-7所示。图中显示了当水平方向的主轴位于加工位置时，替换刀具的主轴位于刀具交换位置，并由刀具交换机预先替换，完成此过程后，旋转刀头将旋转并交换主轴(即刀具交换)。此刀具交换方法的大部分刀具交换时间与加工时间一致，只需转动塔的头旋转时间，因此刀具交换时间短，刀架的主轴数量少，有助于提高主轴的结构刚度，提高刀具库的刀具图6-7更换双主轴头刀具此外，还可以增加用于多工序加工的数量。利润。但是，这种刀具交换方法很难保证添加精密镗孔操作所需的主轴精度。所以像这样刀具交换方法主要用于钻床，也可以使用铣削镗床和数控复合机床。第二节刀库第一，杂志的功能刀具库是自动刀具交换设备中最重要的零件之一。刀具库是加工刀具和辅助刀具的存储位置。其容量、布置、具体结构对数控机床设计有很大影响。第二，刀的形式根据杂志的容量和餐饮方式，可以采用多种形式设计杂志。一般形式如下：(a)线性杂志刀具在刀具库中以直线排列，如图6-8a所示。结构简单，刀柄容量小，一般可安装8-12个刀具，使用较少。此格式主要在自动刀具交换CNC车床上找到，也在CNC钻床上使用。(b)磁盘工具此形状有6-8个(刀具较少)，50-60个(刀具较多)，其中有多个形状。(1)图6-8b)在所示的刀具库中，刀具以径向布局占用了大量空间，刀具库位置受到限制，通常放置在机床支柱的顶部，刀具交换时间缩短，从而使整个刀具交换装置更简单。(2)在图6-8c所示的刀具库中，刀具轴方向布局经常位于主轴侧。磁带仓轴心线可以垂直或水平放置，这种形式使用较多。(3)在图6-8d所示的刀具库中，刀具采用与刀具库轴线成角度(小于90)的伞形结构，可以根据机床的整体布局要求定位刀具库的位置，并以更大的角度放置在支柱顶部，刀具库容量不应太大。这三个磁盘刀具库的刀具保留量为50-60个，刀具保留量太大，结构大小太大，与加工刀具布局不匹配。为了进一步扩展刀具存储量，还有使用多圆分布刀具的磁盘库的机器，如图6-8e所示。多层磁盘磁带仓，如图6-8f所示；多行磁盘磁带仓，如图6-8g所示。幸运的是，每排磁盘杂志有4把刀，整排可更换。最后三种形式的刀具库使用较少。图6-8各种形式的杂志(c)连锁杂志链库是更常见的形式。这种杂志魔术棒固定在环状链条上。常用单行链库，如图6-8h所示。此刀具库使用扩展链向后折叠链(如图6-8i所示)以提高空间利用率，并进一步增加存储量。链条杂志的结构紧凑，容量大的杂志，链条的形状可以根据机床的布局，做成各种形状。为了方便刀具交换，刀具交换也可以引人注目。如果需要在一定范围内增加刀具数，则可以在不增加链轮直径的情况下增加链的长度。因此，您可以不增加链轮的圆周速度(链线速度)，而不考虑刀具库运动惯性的增加。它们为一系列刀具库的设计和制造提供了很多方便。通常，对30到120个刀具数量使用链库。(d)其他杂志刀的形式还有很多，值得一提的是格子框刀。图6-8j)是单面形式，布局不灵活，因此刀具库通常放置在工作台上，应用较少。图6-8k)显示了多面方法，该方法通常在使用前手柄加工工件时提前取出要替换的刀具，以减少刀具更改时间(CNC系统必须具有此功能)。此刀具库的安装空间小，结构紧凑，可容纳的刀具数更多。但是，由于此处刀具和刀具的选择很复杂，因此独立加工中心不再使用它们，而是更多地用于柔性制造系统(FMS)的集中加工系统。图6-9加工工件与刀具数量的关系第三，杂志的容量刀具库中的刀具越多，越不好容量太大可能会增加杂志的大小和占用空间画板面积，增加刀具选择时间。刀柄的容量首先要考虑加工技术的必要性。基于钻孔、铣削的垂直加工中心所需刀具数的统计，绘图6-9显示的曲线。曲线有10个孔机床可完成70%钻孔工艺，4个铣削刀具可完成90%铣削工艺。您可以看到，14个刀具可以完成70%以上的钻孔和铣削。计算已完成作业中加工作业的整个作业，大部分超过80%的工件只需要40个工具即可完成整个加工程序。因此，从使用角度来看，刀的容量一般为10-40，盲目增加刀的容量会降低刀的利用率，结构太复杂，造成很多浪费。第三节刀具系统和刀具选择一、刀具系统机床中使用的刀具不是机床的一部分，但对于加工功能，它是机床不可缺少的一部分，提高CNC机床的利用率和工作效率的刀具是选择适合高速切削的刀具材料和使用可转位刀片的重要因素。刀具通常使用标准刀具系统在刀具上快速定位夹具。机床中使用的具有自动刀具交换设备(如Cnc车床、加工中心等)的刀具，刀具与主轴连接部分和切削刀具部分已标准化并序列化。我国在20世纪70年代开发了镗铣床的TSG刀具系统和刀架标准(草案)。TSG刀具系统的刀柄标准分为两类：直柄和7: 24锥度的锥形刀柄。直线手柄适用于圆柱主轴孔，锥形手柄适用于圆锥主轴孔。在TSG刀具系统中，还设计了各种锥形刀柄连接长杆和各种直柄长杆。二、刀具选取方法根据在Nc设备上执行的刀具交换命令，刀具交换机会将刀具库中所需的刀具转换到称为“自动刀具选取”的拾取位置。自动选取刀具通常有顺序选取和随机选取方法。(a)按顺序选择刀具刀具按加工过程的顺序按顺序放置在每个刀具清单上。每次更换刀时，刀柄会按顺序旋转刀具清单位置，并移除所需的刀具。已使用的刀具可放回原始刀具清单中，或按顺序放入下一刀具清单中。这种类型的刀具库不需要刀具识别设备，驱动控制简单，可以通过库的索引机制直接执行。因此，刀具的顺序选择方法具有结构简单、操作可靠的优点。但是，由于刀具不能在其它进程中重复使用，因此必须相应地增加刀具数和库的容量，以降低刀具和库的利用率。此外，刀具库中刀具的顺序不正确可能导致设备或质量事故，因此手动刀具安装工作应非常小心。(b)选取任意刀具此方法是根据使用所有选取方法的自动刀具交换系统中必须具有刀具识别设备的过程命令来选取所需的刀具。刀具可以按加工顺序任意保存，而不必在刀具库中排列。当自动交换刀具时，每个刀具(或刀柄)都会旋转刀具库，并且每个刀具(或刀柄)都会被识别为刀具识别设备。如果刀具代码与NC命令的代码匹配，则选取刀具，将刀具发送到刀具更改位置，并等待捕捉操纵器。随机选择刀具方法的优点在于刀具库中刀具的排序顺序可以重复使用同一刀具，而与工件加工顺序无关。因