数控技术6课件

下午8时23分,数控技术,1,第六章数控机床的刀具交换装置,内容提要本章将讨论数控机床的自动刀具交换装置的形式、刀库的类型、刀具系统及选刀方式，最后将介绍一个自动刀具交换装置的实例。,第六章数控机床的刀具交换装置,下午8时23分,数控技术,2,第一节概述,什么是自动换刀装置：储备一定数量的刀具并完成刀具自动交换功能的装置ATC：AutomaticToolChanger为什么需要自动换刀装置：实现一次装夹多工序加工（工序集中），扩大数控机床工艺范围，减少设备占地面积；减少零件安装的定位次数，提高加工精度；缩短非切削时间，提高生产率，可使非切削时间减少到2030；,第六章数控机床的刀具交换装置,下午8时23分,数控技术,3,第一节概述,数控机床对ATC要求：换刀时间尽可能短；刀具重复定位精度高；刀具储存量足够大；结构紧凑，便于制造、维修、调整；布局合理，使机床总布局美观大方；刚性好，避免冲击、振动及噪声，运转安全可靠；具有防屑、防尘装置。应用数控车床、“加工中心”、车削中心、五面加工机床,第六章数控机床的刀具交换装置,下午8时23分,数控技术,4,第二节自动换刀装置的形式,一、回转刀架换刀根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架，相应安装4把、6把或更多刀具；通过刀架的旋转分度定位实现自动换刀动作；换刀动作分刀架抬起、刀架转位和刀架锁紧等几个步骤，由数控系统发出指令完成；根据刀架回转轴与安装底面相对位置，分为立式刀架和卧式刀架。,第六章数控机床的刀具交换装置,下午8时23分,数控技术,5,一、回转刀架换刀,第二节自动换刀装置的形式,下午8时23分,数控技术,6,一、回转刀架换刀,第二节自动换刀装置的形式,下午8时23分,数控技术,7,一、回转刀架换刀,第二节自动换刀装置的形式,下午8时23分,数控技术,8,第二节自动换刀装置的形式,二、排式刀架换刀夹持刀具的刀夹沿X坐标轴方向排列在横向滑板上；根据工件车削工艺要求，组合各种不同用途的刀具；一把刀具完成车削任务后，横向滑板由程序控制沿X轴移动预先设定的距离，第二把刀到达加工位置，完成机床的换刀动作,第六章数控机床的刀具交换装置,下午8时23分,数控技术,9,第二节自动换刀装置的形式,二、排式刀架换刀换刀迅速省时，有利于提高机床的生产效率一般用于小规格数控车床,第六章数控机床的刀具交换装置,下午8时23分,数控技术,10,第二节自动换刀装置的形式,三、更换主轴换刀,第二节自动换刀装置的形式,机床主轴头是一转塔刀库，各主轴头预先装好所需刀具；根据工序，数控装置发出换刀指令，按顺序将装有所需刀具的主轴头依次转至加工位置，实现自动换刀，同时接通主运动，带动该刀具旋转，其余主轴头则与主运动脱开；省去自动松夹、装卸刀具及刀具搬运等系列复杂操作，缩短了换刀时间，提高了换刀可靠性,优点,下午8时23分,数控技术,11,三、更换主轴换刀,主轴部件难于设计得十分坚实，影响主轴系统的刚度；刀具的数目有限，目前最多为16工位；刀架上刀具排列顺序不能搞错，加工前须严格检查；适应于工序较少、精度要求不太高的数控钻床、铣床等,缺点,下午8时23分,数控技术,12,三、更换主轴换刀,脱开主轴传动转塔头抬起转塔头转位转塔头定位压紧主轴传动重新接通,第二节自动换刀装置的形式,下午8时23分,数控技术,13,第二节自动换刀装置的形式,四、更换主轴箱换刀组合机床等采用多主轴箱，可利用更换主轴箱换刀机床立柱后面主轴箱库8吊挂着备用主轴箱27，主轴箱库两侧导轨上，装有同步运行小车I和II，在主轴箱库与机床动力头间进行主轴箱运输，根据加工要求，由机床动力头完成主轴箱更换和定位夹紧,第二节自动换刀装置的形式,下午8时23分,数控技术,14,第二节自动换刀装置的形式,四、更换主轴箱换刀机床还可通过机械手10，在刀库9与主轴箱1间进行刀具交换，适于加工箱体类零件的换刀，可以大大提高生产率,第二节自动换刀装置的形式,下午8时23分,数控技术,15,第二节自动换刀装置的形式,五、更换刀库换刀当加工工艺范围广，所需刀具数很多，机床刀库容量有限时，可采用多个刀库存刀，先自动更换刀库，再从更换后的刀库中选刀；在更换刀库时，机床立柱带着刀库沿纵向导轨移至某一空储存架9前，使立柱上的刀库托板导轨2与储存架9的托板导轨3对准；松开的刀库1由推送装置从立柱推入储存架9上；,第二节自动换刀装置的形式,下午8时23分,数控技术,16,第二节自动换刀装置的形式,五、更换刀库换刀机床立柱纵向移动到预先选定的刀库储存架前（图中的4，5，6，7或8等），并使两托板导轨互相对准；刀库推送装置把选定的刀库从储存架托板上拉入机床立柱的刀库座内定位并夹紧。,第二节自动换刀装置的形式,下午8时23分,数控技术,17,第二节自动换刀装置的形式,六、带刀库的自动换刀系统构成及布局这类换刀装置由刀库、选刀机构、刀具交换机构及刀具在主轴上的自动装卸机构等四部分组成；刀库可装在机床的工作台上、立柱上或主轴箱上，也可作为一个独立部件装在机床之外,第二节自动换刀装置的形式,下午8时23分,数控技术,18,第二节自动换刀装置的形式,六、带刀库的自动换刀系统特点和转塔主轴头相比，由于机床主轴箱内只有一根主轴，在结构上可以增强主轴的刚性，有利于精密加工和重切削加工；可采用大容量的刀库，以实现复杂零件的多工序加工，从而提高了机床的适应性和加工效率；但整个换刀过程比较复杂，换刀过程的动作较多，换刀时间较长；这类换刀装置应用最广泛。,第二节自动换刀装置的形式,下午8时23分,数控技术,19,五、带刀库的自动换刀系统,刀库装在机床的工作台上这种换刀装置，直接利用机床本身及刀库的运动进行换刀。当某一刀具加工完毕从工件退出后，即开始进行自动换刀。,第二节自动换刀装置的形式,下午8时23分,数控技术,20,五、带刀库的自动换刀系统,第二节自动换刀装置的形式,换刀过程执行换刀指令，主轴箱上升，刀具从工件退出，机床工作台快速向右移动，工件从主轴下面移开，刀库移到主轴下面，使刀库的某个空刀座对准主轴；主轴箱下降，将主轴上用过的刀具放回刀库空刀座；主轴箱上升，刀库回转，将下一工步所需刀具对准主轴；,下午8时23分,数控技术,21,五、带刀库的自动换刀系统,第二节自动换刀装置的形式,换刀过程主轴箱下降，刀具插入主轴；主轴箱上升；机床工作台快速向左返回，刀库从主轴下面移开，工件移至主轴下面，使刀具对准工件加工面；主轴箱下降，刀具对工件进行加工,下午8时23分,数控技术,22,刀库装在立柱上圆盘形刀库1装在机床立柱上端，刀库圆盘下端正中间是换刀位置。换刀过程如下：某一工序加工完，主轴准停，主轴箱返回换刀点，刀库上的新刀按指令转到换刀位置上；机械手由图a）位置逆转90，到图b），两卡爪同时抓住刀库中新刀4与主轴中旧刀3；轴向同时从主轴及刀库中拔出刀具，图c）；,五、带刀库的自动换刀系统,第二节自动换刀装置的形式,下午8时23分,数控技术,23,刀库装在立柱上机械手顺时针回转180，把新刀转到主轴处，旧刀转到刀库的换刀位置，如图d）；轴向将刀具同时装入主轴及刀库中，图e）；机械手顺转90，恢复水平位置，图f）。这种换刀装置换刀时间较短，刀库可储存较多的刀具，适用于加工较复杂的工件。,五、带刀库的自动换刀系统,第二节自动换刀装置的形式,下午8时23分,数控技术,24,五、带刀库的自动换刀系统,第二节自动换刀装置的形式,刀库装在主轴箱上刀库2装在主轴箱上方，刀库中刀具轴线与主轴轴线相差90，不能用一个机械手1直接换刀；需通过刀具回转机构3先将刀具翻转90，使其轴线与主轴轴线平行，再由机械手一端卡爪抓取回转机构上的刀具，另一端卡爪抓取主轴4上的刀具5，实现刀具的相互交换；,从主轴上卸下的刀具只能由机械手送至刀具的回转机构中，然后反转90送回刀库,下午8时23分,数控技术,25,刀库装在机床之外当刀库的容量大、刀具较重或机床总体布局等原因，刀库也可作为一个独立部件，装在机床之外。图中链式刀库置于机床左侧，通过机械手实现刀具的交换。,五、带刀库的自动换刀系统,第二节自动换刀装置的形式,下午8时23分,数控技术,26,五、带刀库的自动换刀系统,第二节自动换刀装置的形式,刀库装在机床之外,下午8时23分,数控技术,27,刀库远离机床刀库远离主轴，常常需要附加运输装置完成刀库与主轴之间刀具的运输。如图，双臂交叉机械手要在四排刀链的任一排上选刀，必须能上下移动，并停在四个换刀位置上取刀；为了能在刀库及主轴上装卸刀具，机械手回转架应可回转180。,五、带刀库的自动换刀系统,第二节自动换刀装置的形式,下午8时23分,数控技术,28,为了缩短换刀时间，可采用带刀库的双主轴或多主轴换刀系统：换刀时间与加工时间重叠；转塔头主轴头数少，有利于提高结构刚性；刀库可增加刀具数目,五、带刀库的自动换刀系统,第二节自动换刀装置的形式,下午8时23分,数控技术,29,第三节刀库,一、刀库的形式盘式刀库刀具环形排列，结构简单，但空间利用率低；可将刀具在盘中采用双环或多环排列，以增加空间利用率，但同时使刀库外径过大，转动惯量增大，选刀时间长；一般用于刀具容量较少的刀库。,第三节刀库,下午8时23分,数控技术,30,一、刀库的形式,第三节刀库,下午8时23分,数控技术,31,一、刀库的形式,链式刀库,第三节刀库,下午8时23分,数控技术,32,一、刀库的形式,第三节刀库,链式刀库特点：,结构简单，刀库容量大；链环形状可根据机床布局配置成各种形式而灵活多变；可将换刀位突出以利于换刀；增加刀具容量时，只需增加链条长度，在一定范围内无需变更线速度和惯量，对系列刀库的设计和制造带来了很大方便；可满足不同的使用条件，应用较为广泛。,下午8时23分,数控技术,33,一、刀库的形式,第三节刀库,下午8时23分,数控技术,34,一、刀库的形式,第三节刀库,下午8时23分,数控技术,35,一、刀库的形式,第三节刀库,下午8时23分,数控技术,36,第三节刀库,二、设计刀库时应考虑的主要问题合理确定刀库容量对总体布局和成本影响较大；对机床工艺能力和效率有影响；,第三节刀库,下午8时23分,数控技术,37,二、设计刀库时应考虑的主要问题,尽量缩短选刀时间刀库运动速度应适宜外链式刀库的线速度可达100800mms，盘刀库的转速多为1060s。要求刀库运行平稳刀座在刀库中的排列其他应注意的问题夹持可靠，刀库防尘、防屑及安全防护等,第三节刀库,下午8时23分,数控技术,38,第四节工具系统和刀具的选择,一、工具系统定义：数控机床用刀柄及连接各种标准刀具的接长杆结构和规格的标准系统；我国制定了镗铣床用TSG工具系统及刀柄标准；TSG工具系统的刀柄标准为直柄及724锥度的锥柄两类，直柄适用于圆柱形主轴孔，锥柄适用于圆锥形主轴孔。,第四节工具系统和刀具的选择,下午8时23分,数控技术,39,一、工具系统,第四节工具系统和刀具的选择,下午8时23分,数控技术,40,二、刀具的选择方式,二、刀具的选择方式顺序选择刀具（现在已不用）刀具按预定工序顺序插入刀库刀座，使用时按顺序转到取刀位置，用过的刀具放回原刀座。该法不需刀具识别装置，驱动控制简单，工作可靠。但刀库中刀具在不同工序中不能重复使用，降低了刀具和刀库利用率。此外，装刀必须严格按顺序装入刀库，否则将产生严重后果。,第四节工具系统和刀具的选择,下午8时23分,数控技术,41,二、刀具的选择方式,二、刀具的选择方式2、任意选择刀具根据程序指令任选所需刀具，刀具在刀库中不必按加工顺序排列，可任意存放。每把刀具或刀座都编上代码，选刀时，每把刀具或刀座都将接受“识刀器”识别。当某刀具或刀座代码与数控指令代码相符时，该刀具被选中，刀库将该刀具送到换刀位置，等待机械手来抓取。任意选刀法刀库刀具排列顺序与加工顺序无关，刀具可重复使用，数量比顺序选择法可少一些，刀库也相应小一些。任意选择法主要有三种编码方式刀具编码方式刀座编码方式编码附件方式,第四节工具系统和刀具的选择,下午8时23分,数控技术,42,二、刀具的选择方式,刀具编码方式每把刀具按照二进制原理进行编码,可以存放于刀库的任一刀座中。这样刀库中的刀具在不同工序中可重复使用，用过的刀具不一定放回原刀座，避免了因刀具存放在刀库中的顺序差错而造成的事故；同时缩短了刀库运转时间；但由于要求每把刀具上带有专用的编码系统，使刀具长度增加，制造困难，刚度降低，同时机械手和刀库结构也较复杂。,第四节工具系统和刀具的选择,1刀柄2编码环3锁紧螺母4拉杆,下午8时23分,数控技术,43,二、刀具的选择方式,刀座编码方式对刀座进行编码，刀具编号，并将刀具放到号码相符的刀座中，换刀时刀库旋转，使各刀座依次经过识刀器，直到找到规定刀座，刀库停止旋转；取消了刀柄中的编码环，使刀柄结构简化，识刀器结构不受刀柄尺寸限制，可放在适当的位置；自动换刀过程中须将用过的刀具放回原刀座，增加了换刀动作；与顺序选刀相比，优点也是刀具在加工过程中可以重复使用。,第四节工具系统和刀具的选择,1刀座编码块2刀座识别装置,下午8时23分,数控技术,44,二、刀具的选择方式,编码附件方式编码附件方式应用最多的是编码钥匙：先给各刀具都缚上一把表示刀具号的编码钥匙，当刀具存放到刀库刀座时，将编码钥匙插进刀座旁的钥匙孔中，把钥匙号码转记到刀座中，给刀座编上了号码。识别装置可通过识别钥匙号码来选取该钥匙旁刀座中的刀具。编码钥匙的除导向突起外，共有16个凸出或凹下的位置，可区别65535把刀具。,第四节工具系统和刀具的选择,下午8时23分,数控技术,45,二、刀具的选择方式,编码附件方式右图为编码钥匙孔剖面图，钥匙沿水平方向钥匙缝插入钥匙孔座，顺时针旋转90，处于钥匙代码突起6的第一弹簧接触片5被撑起，表示“1”，处于代码凹处的第二弹簧接触片7保持原状，表示“0”。由于每个凸凹部分旁均有相应炭刷4或1，可识别出相应刀具。这种编码方式为临时性编码，从刀座中取出刀具时，刀座中编码钥匙也取出，刀座中原编码随之消失。因此，这种方式有更大的灵活性。,第四节工具系统和刀具的选择,下午8时23分,数控技术,46,二、刀具的选择方式,三、刀具（刀座）识别装置接触式刀具识别装置刀具识别装置2中伸出几个触针3，触针数量与刀柄编码环个数相等。每个触针与一个继电器相联，当编码环是大直径时与触针接触，继电器通电，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，数码为0。当各继电器读出的数码与所需刀具编码一致时，由控制装置发出信号，使刀库停转，等待换刀。,第四节工具系统和刀具的选择,下午8时23分,数控技术,47,二、刀具的选择方式,非接触式刀具识别装置与编码环不直接接触，无磨损、寿命长，反应速度快，适应于高速、换刀频繁的工作场合。常用的有磁性识别和光电识别法。下图为一磁性识别装置。编码环直径相等，分别由导磁和非导磁材料制成，规定前者编码1，后者编码0。一组检测线圈6组成非接触式识别装置3。在检测线圈6的一次线圈5中输入交流电压时，如编码环为导磁材料，则磁感应较强，在二次线圈7中产生较大感应电压。如编码环为非导磁材料，则磁感应较弱，在二次线圈中感应电压较弱。利用感应电压的强弱，就能识别刀具号码。,第四节工具系统和刀具的选择,下午8时23分,数控技术,48,二、刀具的选择方式,软件选刀在PLC中建立两个映射关系：刀库刀座存储器地址刀具号存储器数据,缓冲单元1,第四节工具系统和刀具的选择,下午8时23分,数控技术,49,二、刀具的选择方式,装刀后按装刀情况初始化存储器单元：换刀后实时修改对应存储器的数据,缓冲单元1,第四节工具系统和刀具的选择,下午8时23分,数控技术,50,二、刀具的选择方式,实例选