自动化制造系统—刀具自动化

1、刀具自动化,刀具是金属切削加工中不可缺少的工具之一，无论是 普通机床，还是先进的数控机床、加工中心机床以及柔性 制造系统，都必须通过刀具才能完成切削加工。 所谓刀具自动化，就是加工设备在切削过程中自动完 成选刀、换刀、对刀、走刀等工作过程。,第一节 自动化刀具的内容,自动化刀具由刀具组装预调站、刀具进出站、刀具输 送装置和刀具库组成。,一、自动化刀具的组成,1、刀具室,刀具室工作包括刀具组装和刀具预调，这些工作主要 由人来完成，负责对用过的刀具进行重磨，对废弃的刀具 进行处理，对新刀具进行刀具与刀柄组装、编码和登记 （向计算机输入信息）。 此外，刀具进入系统前要进行预调。实际上，刀具室 的工作

2、是按刀具清单准备刀具，并将准备好的刀具放在刀 具进出站。,刀具组装包括机夹刀片与刀杆的装配，以及刀具与 标准刀柄的组装。,1)、刀具的组装,加工中心和数控机床大量使用的是可转位机夹刀具，在刀具室，工作人员要根据刀具清单的要求，选定所需要的刀杆和刀片类型，刀片装配到相应的刀杆上。 有些刀具还需要与中间接杆相连接，用来转换刀柄与刀具相连接的部分结构，（例如莫氏锥孔、弹簧夹头等），根据需要正确选用和安装。 对于用过的刀具，则需要进行刀片转位或更换刀片。,(1)机夹刀片与刀杆的装配和组装,(2) 切削刀具与标准刀柄的组装,加工中心要实现自动换刀，需使用统一的标准刀 柄，标准刀柄与主轴的连接部分为标准结

3、构，因此需要 将装配好的刀具与标准刀柄进行组装。,组装好的刀具还需要进行调整工作，将刀具放在刀具预调仪上，按刀具清单列出的参数进行调整。需要调整的参数有：刀具几何参数，刀具角度，刀具尺寸和直径等等。另外，还需要测量出刀具的补偿值。,3)、刀具的编码和识别,2)、刀具的预调,刀具与工件一样，在自动运行的系统中也需要识别，但刀具所需要识别的内容比工件要多，其编码系统比工件编码更为复杂。 (1)刀具识别的条形码技术： 加工中心的自动选刀方式有顺序选刀、刀具编码方式和刀座编码方式。 对于带有中央刀具库的刀具流系统，由于刀具不仅是在机床的刀库上进行换刀加工，而且有机床刀库与中央刀库之间的交换，刀具是靠输

4、送设备自动装入刀座。因此，使用刀具编码方式更容易对刀具进行识别和管理，刀具有了自己的编码，不论在哪里都能找到，不易出错。,过去的刀具编码采用在刀柄上安装编码环，使刀柄结构复杂，而且编码数据不能太多。随着条形码技术的应用，使复杂的刀具编码得以实现。,接触式编码刀柄,刀具识别的条形码技术，是将刀具编码转换成条形码，条码可在组装刀具时现场打印，然后粘贴在刀柄上，再由条码阅读机扫描，直接将信息输入计算机。当刀柄再用于组装新刀时，将原条码撕下，换上新条码即可。,刀具的编码系统采用分类编码的方式反映出刀具的特 征信息，分类编码的结构为： 代码（表述刀具的标准结构类型） + 特性表（列出 刀具的特殊参数)

5、例如，切削刀具的代码为8位，数字前6位反应刀具的 特性，后2位为指针数，指向特性表中的某一行，这一行 里规定了该刀具的其余参数。,第二节 刀具的进出站,刀具经过装配、预调和编码后，首先放到刀具进出站的刀具托架上，托架上装有刀具识别装置，可对刀具进行“有无刀具”和“刀具进出”的识别。,一、有无刀具识别,工作人员将准备好的刀具放在进出站的托架上，刀具流系统的输送装置会自动将刀具取走送入指定的刀具库，还会自动将系统中需要处理的刀具放到进出站的托架上。 因此，在刀具进出站里的托架有无刀具，要能够由系统自动识别。,刀具进出站的托架上设有接近开关或光电开关，采用开关信号发令或光电信号输出，对刀座上有无刀具

6、进行识别。,二、刀具进出识别,使用红绿灯指示来进行刀具进出的识别，需要进入 系统的刀具用绿灯显示，需要拿出系统的刀具用红灯显 示。,在刀具准备好时，首先用条形码阅读器向控制系统输入刀具信息，然后将刀具放在进出站托架上，当系统判断这把刀具合格，可以进入系统，托架指示灯显示绿灯；如果系统认为此刀具有问题，则显示红灯。,从系统中送出的刀具放在托架上时，指示灯也会显 示红灯，要求操作人员将刀具拿到刀具室进行处理。 刀具进出站的信号控制： 刀具进出站的信号由刀具计算机控制，内容包括刀 具识别、红绿灯控制和刀具条形码信息管理。,刀具进出站信号控制图,第三节 刀具自动输送装置,刀具从刀具进出站进入自动运行的

7、系统后，由刀具 输送装置将刀具送到各机床的刀具库中，或者送入中央刀 库。 刀具的自动输送装置主要有： 刀具输送小车、高架机械手、刀具搬运机器人,一、刀具输送小车,输送小车上带有刀具托架，可以同时输送多把刀具， 它在刀具进出站靠托架交换来装卸刀具，在进出站将车上 的托架卸下，再装上带有系统所需刀具的托架。 小车到达机床后，利用机床上的换刀机械手，将小车上的 刀具与机床刀库的刀具进行交换。小车到达中央 刀库，利用刀库的换刀机床械手，将小车上的刀具与刀库 的刀具进行交换。 送刀小车可以装载一组刀具，进行成批换刀，但它 向机床上送刀时，刀具的交换需要占用机床的加工时间， 这种送刀方式适用于加工准备时机

8、床停机状态的成组换刀。,二、高架机械手,在制造系统上方的空中设置高架轨道，一个换刀机械 手挂在上面，可沿轨道运送刀具。 机械手从刀具进出站抓住一把刀具，在高架轨道上行 走，将刀具送到指定的机床刀库或中央刀库，并且自动将 刀具装入刀库，然后从刀库拿下一把需要送出系统的刀 具，再送到进出站。 这种方式每次只能运送一把刀具，但它不仅有输送功 能，同时有装卸功能，可以自动装卸刀具，因此不占用机 床的运行时间，中央刀库也可以不设换刀装置。,三、刀具搬运机器人,用机器人运输刀具与高架机械手类似，不仅能运送 刀具，还能自动装卸刀具。并且运刀机器人的运行更为灵 活，不需要高架轨道。 在刀具运输车上安装机械手，

9、可将多把刀具依次装 到车上的刀具托架上，送到刀库后，再将刀具依次从车上 装到刀库中。,第四节 刀具的存储及刀具库,在刀具流系统中，能够存储刀具的地方有三处：刀 具进出站，机床刀库，中央刀具库。 刀具进出站：是暂 时存放刀具的地方，但存放的时间比较短暂。 机床刀具库：机床的刀库主要是存放机床加工正在使 用的刀具，当工件变化需要新刀具时，从刀具进出站或中 央刀库送来所需刀具，与机床刀库中暂时不用的刀具进行 交换。 中央刀具库： 中央刀库是整个系统刀具的存储区，一般刀具容量比 较大，采用链式刀库、鼓式刀库、排架式刀库等等，这些 刀库的容量都很大。,中央刀库一般自带换刀机械手，可使运输装置上 的刀具与

10、刀库刀具进行自动交换。,链式中央刀库由链条连接各个刀位上的刀座夹， 由链轮带动链条转动，实现刀座换位来选刀换刀。,排架式中央刀库采用换刀机器人进行换刀及运送 刀具，每个刀座都有位置号，机器人可在刀库中任意 位置查找刀具。,刀具在刀库上的放置形式,对刀具室的管理：由人来完成对刀具编码并将信息输 入计算机。刀具室根据计算机所反馈的刀具库存量，生产 计划的安排等，按冗（rong）余最小的原则准备刀具,使 刀具的利用率高。将很少用到的刀具调出来，对易磨损和 破损的刀具要多准备一些。 刀具的分配：根据系统的生产计划和工艺过程，合理 地对各个加工设备进行刀具分配。例如，某种刀具在A设 备上用到的频率很小，

11、只偶尔使用，而在B设备上常用， 就应将该刀具分配到B设备的刀库上，A设备要用时可临时 调用。 刀具寿命管理：对刀具的磨损和破损情况进行监测， 及时更换刀具，对刀具进行重磨，或换新刀具。 刀具信息处理：对刀具编码、刀具补偿值、刀具位置 和状态、切削参数等信息进行处理，并及时反馈给刀具室 和机床控制系统。,第五节 刀具系统的控制管理,根据数控系统的选择指令，从刀库中将各工序所需 的刀具转换到取刀位置，称为自动选刀。自动选刀方 式有两种： (1) 顺序选刀方式 将所需刀具严格按工序先后依次插放在刀库中， 使用时按加工顺序指令一一取用。 (2) 任意选择方式 这种方式根据程序指令的要求任意选择所需要的

12、 刀具，刀具在刀库中可以不按加工顺序而任意存放，利 用控制系统来识别、记忆所有的刀具和刀座。,第六节 辅助设备,在零件的加工制造过程中，除了切削加工外， (1) 切削后工件上的切屑和冷却润滑油脂等污物、以 及工件上的加工毛刺等都必须进行清理； (2) 切削下来的切屑也需要排除送走并回收利用； (3) 冷却液需要进行处理和过滤后再利用。 为使这些工作自动化，发展了相应的辅助设备。,一、辅助设备的种类,系统中如果缺少这些辅助设备，这些辅助工作要到 系统外由人工完成，然后工件再回到系统继续进行精加工、 测量、装配等，这样将使整个制造系统的自动化程度降 低，生产效率无法提高，而且产品的制造质量也不容易

13、保 证。 将这些设备纳入到加工系统中，用物流系统将它们 与加工设备一起连接起来，形成全自动的高生产率和高质 量的制造系统。 因此，在FMS的加工系统中，不仅有加工中心、车削 中心等切削加工设备，还有清洗设备、光整设备、排屑设 备和冷却液处理设备等辅助设备。,二、清洗设备,工件一般在进入检测装置之前，或在装配工序之前 需要进行清洗，有时切削加工中有攻丝工艺（用油润滑的 工艺）之后也需要清洗，有些是在制造工序都完成的最后 进行清洗。 自动化制造系统的工件在自动运行中需要清洗时，由控制系统安排输送装置将工件送到相应的清洗机。 清洗机主要有两种类型：间歇式清洗机和连续通过式清洗机。,1.间歇式清洗机,

14、这类清洗机每次只清洗一个工件，将工件连同夹具 和托盘一起送入清洗机清洗，一般是将托盘和工件架起或 吊起，四周各方向喷出高压清洗液，然后再通入热风吹干。 间歇式清洗机适用于清洗质量和体积较大的零件， 属于中小批量的清洗。,零件依次从清洗机的一端进入通过式清洗机，然后要 经过下列几个工位： 1）清洗（浸入配置的清洗液，翻转或摇动）； 2）喷淋（用喷嘴向工件喷出高压清洗液，特别是重要 的孔和拐角等）； 3）漂洗（用清水将清洗冲出）； 4）干燥（热风吹干和烘干）；最后从另一端出来。 连续通过式清洗机的工作效率高，连续清洗的速度 快，因此它适用于大批量的生产系统。,2.连续通过式清洗机,清洗的主要工序：

15、喷淋和吹干。 清洗机洗净工件后，将大量的油污、切屑等污 物留在机内，清洗机本身也需要定期清理，因此 清洗机要有对自身的清洗和排污功能，购买设备 时参考。 一般间歇式清洗机清洗后的切屑和液体直接排 入系统的切屑和冷却液处理系统，而连续通过式 有自己的清洗液和切屑回收处理装置。,三、光整设备,光整设备包括去毛刺、倒园角、表面光整等等，这里 主要是介绍一下去毛刺机。 去毛刺机是用来将切削加工 后工件上尖角处的毛刺去掉。 去毛刺的方法有多种，目前常用的有： 1. 机械法： 机械法是用工业机械手夹持着砂轮，对工件上有毛刺 的地方进行打磨。由于机械手的动作灵活性有限，这种方 法只适用于对体积较大和形状平整

16、的工件去毛刺。 2. 振动法： 振动法是将工件与粒状的陶瓷介质一起放入一个大容 器内，让容器快速往复振动，使工件的各个部位与陶瓷颗 粒产生相对运动和摩擦，将工件的尖角磨平，毛刺去掉， 并能去掉氧化皮。陶瓷介质的大小因零件类型、尺寸和材 料而异。,这种方法适合对形状不规则的小型零件进行处理，不仅能去掉工件尖角处的毛刺，同时还对工件表面有抛光的作用（称为振动式光整机）,3. 热能法,热能法是将工件放入一个充满高压可燃气体的容器 中，同时通入氧气并将其密封，然后用火花塞点燃容器内 的可燃气，它会产生瞬时高温，使毛刺燃烧氧化成粉末， 然后再将这此粉末清理去掉（称为热能式去毛刺机）。 这种方法能够均匀的

17、去除工件的外表面毛刺，而且还 能去掉内部结构的毛刺。 这种方法的原理是：对工件来说，毛刺是体积相对很 小、而表面积相对很大的东西，它很容易被高温氧化，而 且可燃气体能够到达工件内外的各个角落，因此用热能法 能够去除工件上各处（包括小孔内）的毛刺。 适用范围广，可适用于黑色金属和有色金属。,4、电化学法,电化学法是通过电化学反应，将工件作为电化学去毛刺机的一个电极（正极）放入电解液中，通上直流电。这时阳极金属（即工件）就会发生电化学反应而逐渐被溶解，那么最先被溶解的就是工件上的毛刺尖角，因此在适当的时候将工件取出，就达到了去毛刺的目的。 这种方法去毛刺的质量较高，而且生产率高，适用于自动化加工系

18、统。在去毛刺的过程中，不象振动法和热能法那样会使工件产生机械应力和工件变形，但其去毛刺过程慢，成本较高。 适合于高硬度材料的去毛刺。,四 切屑和冷却液处理设备,由于加工设备中的切屑和冷却液是混合在一起的，而且一般都是利用冷却液的大流量冲刷将切屑带出加工区域，所以切屑和冷却液的处理往往一起考虑。 许多AMS有切屑排除、集中运输和切削液集中供给及处理系统。 切屑的处理包括三个方面的内容： 把切屑从加工区域清除出去； 把切屑输送到系统以外； 把切屑从冷却液中分离出去。,1、切屑的排除,首先要将切屑从加工区域清除掉，一般是清到机床下 面，常用有几种方法： 采用斜面结构，使切屑容易落下；用大流量冷却液 冲刷；用压缩空气吹风；或用刮板（刷子）将切屑推下去。 其次要将切屑运到机床和生产区外的集中处理站， 一般是在机床下面有排屑沟，切屑排出加工区就直接 落入排屑沟，沟内有切屑输送设备将切屑送到集中处理 站；有些是机床自己带有排屑装置，可将机床内的切屑排 出机床，然后再由切屑输送带将切屑运走。 切屑输送设备：机械式、流体式、空压式,1）机械式排屑设备,机械式排屑设备是最常用的一种，适合于各类切屑。 切屑落到运送带上，靠机械结构将切屑带走。 常见的有带式、平板链式、刮板链式和螺旋式切屑 输送机。,平板链式切屑输送机,2、 切屑及冷却液处理装置,切屑及冷却液的处理主要是将切屑从冷却