數控機床自動換刀裝置
數控機床自動換刀裝置
摘 要：文章對數控機床自動換刀裝置作介紹、研究，通過探究，加深對機床自動換刀裝置的了解、認識，達到減少故障率、操作失誤等可預防的目的，幫助提高生產效率。
關鍵詞：數控機床;換刀裝置;控制系統
1 數控機床的發展
1.1 國內外數控機床發展狀況
當今世界，制造強國對數控機床的發展都很重視，對發展更先進的、更高精密的、更高效的、更自動化的機床投入很大，我國在這方面的研究還不是很深入。
世界上第一臺數控機床是1952年從麻省理工麻省理工學院開發出來的。
隨著數控機床在機械制造行業廣泛使用，特別是在汽車，航空航天和軍事應用，使得數控技術在硬件和軟件上有了一個快速的發展。
1956年，日本的富士通研究院研究出了數控轉塔沖床，美國IBM在同一時期在開發成功“亞太”(程序管理工具系統)加工中心。
1958年美國KT公司產品已發展出ATC(自動刀具交換裝置)。
中國自1958年開始了對數控機床的研發工作。
1.2 數控機床發展趨勢
1.2.1 高速，高精度，高可靠性
效率、質量是先進制造技術的主體考慮方面。
高速，高精密技術的運用可以顯著提高效率，提高產品的檔次和質量，能顯著縮短生產周期和顯著提高市場競爭力。
高速：①增加進料速率：使用線性滾珠導軌等;②增加主軸的旋轉速度：使用線性電動機的技術，直接連接電機和主軸，主軸部件裝入，就能從1.8 s內實現從0 r/min到15 000 r/min。
高精度：精度的提高以滿足高技術，高科技的發展需要。
產品開發和改善機械電氣特性才能適應質量的高要求，根據機床用戶要求的精密加工機的增加。
精密度加工翻了一番，達到15 ?滋m。
高可靠性：整個數控系統的數控設備的可靠性比一般機床高一個數量級及以上。
1.2.2 綜合化
數控機床的發展完全得益于功能性復合材料的發展，以數控機床復雜的處理，實現每個零件剪輯后各種的復雜處理，從而減少非生產時間，提高了機床的效率和準確性，降低了生產成本，提高生產的靈活性。
多功能一體機床是近幾年發展比較迅速的一種，它在機器上的核心用來完成車、銑、鉆、鏜、擴孔和攻絲等程序。
1.2.3 智能
包括知識產權數控系統在內的各個方面：追求效率和質量的智能，如自動控制，自動生成工藝參數等。
1.2.4 靈活的集成
為了滿足工業自動化的發展，FMC，FMS，CIMS等提供必要的基礎設施TNC是不僅能完成正常的處理功能外，還具有自動測量自動上下料，自動換刀，自動診斷，聯網交流功用，根據用戶不同的要求，數控機床可以靈活的設置和集成。
2 數控機床自動換刀裝置的類型、特點
數控機床目前工作效率比較高，因為數控機床具有自動換刀裝置，刀庫中刀具類型數量齊全。
為了提高數控機床的生產效率，就要提高切削速度和減少非切削時間，現在機床的切削速度已經很難有所提高了，就需要提高切削效率即減少非切削時間。
一個工件在一臺機床上一次裝夾可以完成多道工序甚至全部工序，這就需要不同的刀具，不同的機床類型，因此選擇什么樣的數控機床很重要，那么我們就需要了解不同機床的自動換刀裝置的類型、特點、適用范圍等，為選擇提供依據。
下面就介紹幾種常用的自動換刀裝置。
2.1 轉塔刀架式自動換刀裝置
轉塔刀架式在加工中心比較常見，適用范圍比較廣，它又分兩種，一種是回轉刀架式，另一種是轉塔頭式。
回轉刀架式多為順序換刀，這樣換刀時間短，結構簡單緊湊，裝置系統簡單易操作，但同時它的缺點也暴漏出來了，由于自身的裝置簡單，比如它能容納的刀具較少，只能加工少量的工序，所以它比較適合加工簡單的工件，運用范圍比較廣，在各種數控車床，車削中心機床的簡單加工中都能使用。
磚塔頭式加工時也是順序換刀，換刀時間短，刀具主軸都集中在轉塔頭上，結構緊湊、簡單，但它的缺點是剛性較差，只能加工少數的工序，它在數控鉆床、鏜床等常用到。
2.2 刀庫式自動換刀裝置
根據自動換刀方式的不同，刀庫式自動換刀裝置可以分為：刀庫與主軸之間直接換刀、用機械手配合刀庫換刀、用機械手、運輸裝置配合刀庫換刀等。
這幾種不同方式各有各的特點。
刀庫與主軸之間直接換刀這種方式，換刀運動集中，運動部件少、簡單，但刀庫運動多，布局不靈活，適應性較差。
用機械手配合刀庫換刀，這種方式效率就較高，因為刀庫只有選刀運動，機械手進行換刀運動，這樣它的慣性小，速度就較快。
用機械手、運輸裝置配合刀庫換刀的方式就比較復雜，需要多個部件來實現，運動部件多，換刀運動分散，但它的布局靈活，適應性好。
刀庫式的運用較廣泛，適合各種類型的自動換刀數控機床，尤其是對使用回轉類刀具的數控鏜銑，鉆鏜類立式、臥式機床等。
2.3 有刀庫的轉塔頭式自動換刀裝置
有刀庫式的磚塔頭式這種方式是結合刀庫式和磚塔頭式這兩種方式的優點，即彌補轉換刀數量不足的缺點，又提高了適應性，又具有換刀時間短，換刀速度快的優點。
這種方式裝置較復雜，造價較高，適合那些需要擴大工藝范圍的工件。
3 自動換刀裝置的工作過程
上面介紹了數控機床的發展、自動換刀裝置的類型、特點等，下面簡單介紹一下數控機床的工作過程，加深對數控機床進一步的認識。
3.1 數控機床自動換刀裝置的結構
3.1.1 刀庫
刀庫的功能就是放刀具的地方，機械手就是在刀庫里按照預定程序選擇不同的刀具，刀具的類型有多種形式，比如盤式刀庫、鏈式刀庫等這些就比較常用到。
要選擇什么樣的刀庫形式和多大的刀庫容量就要根據加工的工藝和工件的特點來確定了。
刀庫的容量一般有10至80把刀，數量越多，加工效率就越高，同時結構就比較緊湊，選擇時刀庫容量也不是越多越好，需要從加工工藝的使用角度出發。
機械手選擇刀具的順序也是一個比較重要的問題，它有順序選擇、任意選擇等方式。
順序選擇方式比較簡單，就是在刀庫里一把一把的選擇，用完放回，利用效率底，刀庫容量大，現在只有那些簡單的工件使用順序選擇這種方式。
目前使用較多的是任意選擇，這種方式可以重復使用刀具，刀具利用效率高。
3.1.2 機械手
機械手是機床上比較重要的組成部分，比較容易出現故障，它是執行刀庫與主軸換刀動作的主要部件，它有送刀臂、擺刀站和換刀臂組成。
機械手有幾種類型常見的有單手式、雙手式等;單手式只有一個換刀臂且一端僅有一個抓刀手，雙刀式也只有一個換刀臂，但兩端各有一個抓刀手。
3.1.3 驅動裝置
驅動裝置是使機械手和刀庫實現工作的驅動動力，一般依靠步進電機或液壓機構來提供驅動。
通過液壓機構來驅動機械手，需要靠接近開關位置檢測，傳動結構較多，它只適合不頻繁換刀的大型臥式加工。
機械手由伺服電機或步進電機驅動，這種驅動就不需要檢測位置，就能精準的定位，并且換刀速度快、穩定。
3.2 自動換刀工作過程
數控機床加工目前都組建成加工中心，加工中心具有對工件多工序加工的能力，這種能力是依靠數控機床的自動換刀裝置，它可以一次裝夾完成內槽加工、造螺紋及銑、鉆、擴、鏜一系列工序。
利用驅動機械手在刀庫選擇需要的刀具對零件不同工序的加工。
在這里簡單的描述一下過程。
首先抓刀爪伸出，抓住刀庫上的待換刀具，刀庫刀座上的鎖板拉開，機械手帶著待換刀具繞豎直軸逆時針方向轉90，與主軸軸線平行，另一個抓刀爪抓住主軸上的刀具，主軸將刀具松開。
其次機械手前移，將刀具從主軸錐孔內拔出，機械手繞自身水平軸轉180，將兩把刀具交換位置。
然后機械手后退，將新刀具裝入主軸，主軸將刀具鎖住，抓刀爪縮回，松開主軸上的刀具，機械手繞豎直軸順時針轉90，將刀具放回到庫相應的刀座上，刀庫上的鎖板合上。
最后，抓刀爪縮回，松開刀庫上的刀具，恢復到原始位置。
參考文獻：
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