数控机床的刀具与工件交换装置

1、19.1 自动换刀装置的形式自动换刀装置的形式9.2 刀库刀库9.3 刀具的选择方式刀具的选择方式9.4 刀具交换装置刀具交换装置9.5 带刀库的自动换刀装置实例带刀库的自动换刀装置实例9.6 柔性制造单元的工件交换装置柔性制造单元的工件交换装置第九章第九章 数控机床的刀具与工件交换装置数控机床的刀具与工件交换装置2学习要求学习要求:1. 了解交换装置的结构形式；了解交换装置的结构形式；2. 掌握交换装置的特点；掌握交换装置的特点；3. 了解刀库的形式及刀具识别装置；了解刀库的形式及刀具识别装置；4. 熟悉设计刀库时应考虑的主要问题。熟悉设计刀库时应考虑的主要问题。第九章第九章 数控机床的刀具

2、与工件交换装置数控机床的刀具与工件交换装置3功能功能： 储备一定数量的刀具；储备一定数量的刀具； 自动交换刀具。自动交换刀具。要求要求： 换刀时间短；换刀时间短； 刀具重复定位精度高；刀具重复定位精度高； 刀具储存量足够；刀具储存量足够； 结构紧凑；结构紧凑； 安全可靠。安全可靠。9.1 自动换刀装置的形式自动换刀装置的形式 4 9.1 自动换刀装置的形式自动换刀装置的形式 一、回转刀架换刀一、回转刀架换刀 常用于数控车床：常用于数控车床： 四方、六方刀架或圆盘式轴向装刀刀架。四方、六方刀架或圆盘式轴向装刀刀架。 数控车床六方刀架数控车床六方刀架工作原理工作原理： 1）刀架抬起）刀架抬起 2）

3、刀架转位）刀架转位 3）刀架压紧）刀架压紧 4）转位油缸复位）转位油缸复位5 1升降活塞 2刀架 3固定件 4配合件 5端齿离合器 6转位活塞 7空套齿轮 8齿条 9固定插销 10活动插销1）刀架抬起）刀架抬起 3）刀架压紧）刀架压紧 6 1升降活塞 2刀架 3固定件 4配合件 5端齿离合器 6转位活塞 7空套齿轮 8齿条 9固定插销 10活动插销刀架转位刀架转位7 1升降活塞 2刀架 3固定件 4配合件 5端齿离合器 6转位活塞 7空套齿轮 8齿条 9固定插销 10活动插销 11推杆 12触头转位油缸复位转位油缸复位10与9 反靠周向定位，3与4锥面轴向定位8 9.1 自动换刀装置的形式 二

4、、更换主轴换刀二、更换主轴换刀 机床的主轴头就是一个转塔刀库。 工作原理工作原理：将所需刀具的主轴转到工作位置（由行程开关组实现主轴号的选定），同时接通主传动。转位动作：脱开主传动；转塔头抬起；转塔头转位；转塔头定位夹紧；主轴传动重新接通。 TK-5525型数控转塔式镗铣床9 9.1 自动换刀装置的形式自动换刀装置的形式 二、更换主轴换刀二、更换主轴换刀 特点特点: 缩短换刀时间；提高了换刀可靠性； 主轴数目会影响主轴系统的刚度。 适用机床适用机床： 工序较少、精度要求不高的数控钻床、铣床等TK-5525型数控转塔式镗铣床10 9.1 自动换刀装置的形式自动换刀装置的形式 三、更换主轴箱换刀三

5、、更换主轴箱换刀 类似组合机床，采类似组合机床，采用多主轴的主轴箱用多主轴的主轴箱 。 工作原理工作原理： 主轴箱库存若干主轴箱库存若干备用主轴箱，由两小备用主轴箱，由两小车运输车运输。 适用场合适用场合： 加工箱体类零件，加工箱体类零件，可提高生产率。可提高生产率。11 9.1 自动换刀装置的形式自动换刀装置的形式 四、带刀库的自动换刀系统四、带刀库的自动换刀系统 组成组成 ：刀库、选刀机构、刀具交换机构、刀具在主轴上的自动装卸机构。 工作原理工作原理： 特点：特点： 主轴刚性增强，有利于精密加工和重切削加工。 应用广泛应用广泛 图 9512 9.1 自动换刀装置的形式自动换刀装置的形式 四

6、、带刀库的自动换刀系统 13 9.2 刀库类型及刀具的选择与识别刀库类型及刀具的选择与识别 一一 刀库形式刀库形式v刀库是自动换刀装置中主要部件之一，其容量及具刀库是自动换刀装置中主要部件之一，其容量及具体结构对数控机床的设计有很大影响。体结构对数控机床的设计有很大影响。v根据刀库所需要的容量、选刀及取刀方式，可以将根据刀库所需要的容量、选刀及取刀方式，可以将刀库设计成多种形式。刀库设计成多种形式。 1盘形刀库盘形刀库 2链式刀库链式刀库 3格子式刀库格子式刀库14 9.2 刀库类型及刀具的选择与识别刀库类型及刀具的选择与识别1盘形刀库盘形刀库v盘形刀库为最常用的一种形式，每一刀座均可存放盘形

7、刀库为最常用的一种形式，每一刀座均可存放一把刀具。盘形刀库的储存量一般为一把刀具。盘形刀库的储存量一般为1540把。把。 15v 当需要更多数量的刀具时，可采用图（当需要更多数量的刀具时，可采用图（e）所示的）所示的鼓轮弹仓式（又成刺猬式）刀库，其结构十分紧凑，鼓轮弹仓式（又成刺猬式）刀库，其结构十分紧凑，在相同的空间内，它的刀库容量最大。在相同的空间内，它的刀库容量最大。v 图图(g)为多层盘形刀库。它们虽然也具有结构紧凑为多层盘形刀库。它们虽然也具有结构紧凑的特点，但选刀和取刀的动作较多，故较少应用。的特点，但选刀和取刀的动作较多，故较少应用。162 2链式刀库链式刀库v这种刀库是在环形链

8、条上装有许多刀座，其结构有这种刀库是在环形链条上装有许多刀座，其结构有较大的灵活性，存放刀具的数量也较多，选刀和取较大的灵活性，存放刀具的数量也较多，选刀和取刀动作十分简单。当链条较长时，可以增加支撑链刀动作十分简单。当链条较长时，可以增加支撑链轮数目，使链条折叠回饶，提高空间利用率。一般轮数目，使链条折叠回饶，提高空间利用率。一般刀具数量在刀具数量在30120把。把。173 3格子式刀库格子式刀库v这种刀库具有纵横排列十分整齐的很多格子，每个这种刀库具有纵横排列十分整齐的很多格子，每个格子中均有一个刀座，可储存一把刀具，这种刀库格子中均有一个刀座，可储存一把刀具，这种刀库可将其单独安置于机床

9、外，由机械手进行选刀及换可将其单独安置于机床外，由机械手进行选刀及换刀。这种刀库选刀及取刀动作复杂，应用最少。刀。这种刀库选刀及取刀动作复杂，应用最少。 18 二二 设计刀库时应考虑的主要问题设计刀库时应考虑的主要问题 合理确定刀库的容量合理确定刀库的容量 尽量缩短选刀时间尽量缩短选刀时间 刀库运动速度适宜刀库运动速度适宜 刀库运行平稳刀库运行平稳 刀库在刀座中的排列刀库在刀座中的排列 其它其它19 9.3 9.3 刀具的选择方式刀具的选择方式v按数控装置的刀具选择指令，从刀库中挑选各工序按数控装置的刀具选择指令，从刀库中挑选各工序所需要的刀具的操作，称为所需要的刀具的操作，称为自动换刀自动换

10、刀。目前。目前 有有顺顺序选择序选择和和任意选择任意选择两种方式。两种方式。20 1 1顺序选择方式顺序选择方式v 刀具的顺序选择方式是将刀具按加工工序的顺序，刀具的顺序选择方式是将刀具按加工工序的顺序，依次放人刀库的每一个刀座内。每次换刀时，刀库依次放人刀库的每一个刀座内。每次换刀时，刀库按顺序转动一个刀座的位置，并取出所需要的刀具。按顺序转动一个刀座的位置，并取出所需要的刀具。已经使用过的刀具可以放回原来的刀座内，也可以已经使用过的刀具可以放回原来的刀座内，也可以按顺序放入下一个刀座内。按顺序放入下一个刀座内。l不需要刀具识别装置，而且驱动控制也较简单，可不需要刀具识别装置，而且驱动控制也

11、较简单，可以直接由刀库的分度来实现。因此，刀具的顺序选以直接由刀库的分度来实现。因此，刀具的顺序选择方式具有结构简单，工作可靠等优点。择方式具有结构简单，工作可靠等优点。l更换不同工件时，须重新排列刀库中的刀具顺序。更换不同工件时，须重新排列刀库中的刀具顺序。刀库中的刀具在不同的工序中不能重复使用，相应刀库中的刀具在不同的工序中不能重复使用，相应地增加了刀具的数量和刀具的容量，降低了刀具和地增加了刀具的数量和刀具的容量，降低了刀具和刀库的利用率。此外，装刀时必须十分谨慎，如果刀库的利用率。此外，装刀时必须十分谨慎，如果刀具不按顺序装在刀库，将会造成严重事故。刀具不按顺序装在刀库，将会造成严重事

12、故。21 2 2任意选择方式任意选择方式v采用任意选择方式的自动换刀系统中必须有刀具识采用任意选择方式的自动换刀系统中必须有刀具识别装置。这种方式是根据程序指令的要求来选择所别装置。这种方式是根据程序指令的要求来选择所需要的刀具，刀具在刀库中不必按照工件的加工顺需要的刀具，刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列，可任意存放。每把刀具（或刀座）都编上序排列，可任意存放。每把刀具（或刀座）都编上代码，自动换刀时，刀库旋转，每把刀具（或刀座）代码，自动换刀时，刀库旋转，每把刀具（或刀座）都经过都经过“刀具识别装置刀具识别装置”接受识别。当某把刀具的接受识别。当某把刀具的代码与数控指令的代码相符合时，

13、该把刀具被选中，代码与数控指令的代码相符合时，该把刀具被选中，并将刀具送到换刀位置，等待机械手来抓取。并将刀具送到换刀位置，等待机械手来抓取。v优点：优点： 刀库中刀具的排列顺序与工件加工顺序无关，刀库中刀具的排列顺序与工件加工顺序无关，相同的刀具可重复使用。因此，刀具数量比顺序选相同的刀具可重复使用。因此，刀具数量比顺序选择法的刀具可少一些，刀库也相应的小一些。择法的刀具可少一些，刀库也相应的小一些。22v任意选择法须对刀具编码，编码方式主要有三种任意选择法须对刀具编码，编码方式主要有三种： （1）刀具编码方式）刀具编码方式 （2）刀座编码方式）刀座编码方式 （3）编码附件方式）编码附件方式

14、 23（1）刀具编码方式）刀具编码方式 这种方式是采用特殊的刀柄结构进行编码。这种方式是采用特殊的刀柄结构进行编码。 由于每把刀具都有自己的代码，因此，可以存由于每把刀具都有自己的代码，因此，可以存放于刀库的任一刀座中。放于刀库的任一刀座中。 刀库中的刀具在不同的工序中也就可重复使用，刀库中的刀具在不同的工序中也就可重复使用，用过的刀具也不一定放回原刀座中，这对装刀和选用过的刀具也不一定放回原刀座中，这对装刀和选刀都十分有利，刀库的容量也可相应地小减小，而刀都十分有利，刀库的容量也可相应地小减小，而且还可避免由于刀具存放在刀库中的顺序差错而造且还可避免由于刀具存放在刀库中的顺序差错而造成的事故

15、。成的事故。 24（1 1）刀具编码方式）刀具编码方式 刀具编码的具体结构如图所示。刀具编码的具体结构如图所示。 在刀柄在刀柄1后端的拉杆后端的拉杆4上套装着等间隔的编码环上套装着等间隔的编码环2，由锁紧螺母，由锁紧螺母3固定。编码环既可以是整体的，也固定。编码环既可以是整体的，也可由圆环可由圆环3组成。编码环直径有大小两种，大直径组成。编码环直径有大小两种，大直径的为二进制的的为二进制的“1”，小直径为，小直径为“0”。通过这两种圆。通过这两种圆环的不同排列，可以得到一系列代码。例如由六个环的不同排列，可以得到一系列代码。例如由六个大小直径的圆环便可组成能区别大小直径的圆环便可组成能区别63

16、种刀具的代码。种刀具的代码。 25 （2 2）刀座编码方式）刀座编码方式 这种编码方式对刀库中每个刀座都进行编码，这种编码方式对刀库中每个刀座都进行编码，刀具也编号，并将刀具放到与其号码相符合的刀座刀具也编号，并将刀具放到与其号码相符合的刀座中。换刀时刀库旋转，使各个刀座依次经过识刀器，中。换刀时刀库旋转，使各个刀座依次经过识刀器，直至找到规定的刀座，刀库便停止旋转。直至找到规定的刀座，刀库便停止旋转。 由于这种编码方式取消了刀柄中的编码环，使由于这种编码方式取消了刀柄中的编码环，使刀柄结构大为简化。刀柄结构大为简化。 在自动换刀过程中必须将用过在自动换刀过程中必须将用过的刀具放回原来的刀座中

17、，增加了换刀的动作。的刀具放回原来的刀座中，增加了换刀的动作。 刀刀座编码的突出优点是刀具在加工过程中可以重复使座编码的突出优点是刀具在加工过程中可以重复使用。用。 26 （2 2）刀座编码方式）刀座编码方式 图图916所示为圆盘刀所示为圆盘刀库的刀座编码装置。库的刀座编码装置。 在圆盘的圆周上均布若在圆盘的圆周上均布若干个刀座，起外侧边缘上干个刀座，起外侧边缘上装有相应的刀座编码块装有相应的刀座编码块1，在刀库的下放装有固定不在刀库的下放装有固定不动的刀座识别装置动的刀座识别装置2。刀座。刀座编码的识别与上述刀具编编码的识别与上述刀具编码的识别原理完全相同。码的识别原理完全相同。 27 （3

18、 3）编码附件方式）编码附件方式 编码附件方式可分为编码钥匙、编码卡片、编码编码附件方式可分为编码钥匙、编码卡片、编码杆和编码盘等。杆和编码盘等。 应用最多的是编码钥匙。这种方式是先给刀具应用最多的是编码钥匙。这种方式是先给刀具都缚上一把表示该刀具号的编码钥匙，当把个刀具都缚上一把表示该刀具号的编码钥匙，当把个刀具放入刀库中时，识别装置可以通过识别刀具上的号放入刀库中时，识别装置可以通过识别刀具上的号码来选取该钥匙旁边的刀具。码来选取该钥匙旁边的刀具。28 （3）编码附件方式）编码附件方式v钥匙的两边最多可钥匙的两边最多可带有带有22个方齿，图中个方齿，图中除导向用的两个方外，除导向用的两个方

19、外，共有共有20个个 图中可区图中可区别别9999刀具。刀具。v钥匙沿着水平方向的钥匙缝插入钥匙孔座，然后顺时针方向旋转90度，处于钥匙代码突起6 的第一弹簧片5被撑起，表示代码“1”，处于代码凹处的第二弹簧片3保持原状，表示代码“0”。由于钥匙上每个凹凸部分的旁边均有相应的炭刷4或1，故可将钥匙各个凸凹部分识别出来，即识别出相应的刀具。29 （3 3）编码附件方式）编码附件方式v这种编码方式称为临时性编码，因为从刀座中取这种编码方式称为临时性编码，因为从刀座中取出刀具时，刀座中的编码钥匙也取出，刀库中原出刀具时，刀座中的编码钥匙也取出，刀库中原来编码随之消失。因此，这种方式具有更大的灵来编码

20、随之消失。因此，这种方式具有更大的灵活性。采用这种编码方式用过的刀具不必放回原活性。采用这种编码方式用过的刀具不必放回原来的刀座。来的刀座。30 三、三、 刀具（刀座）识别装置刀具（刀座）识别装置v刀具识别装置是可任意选择刀具的自动换刀系统中刀具识别装置是可任意选择刀具的自动换刀系统中重要组成部分，常用的有以下几种。重要组成部分，常用的有以下几种。 1接触式刀具识别装置接触式刀具识别装置 2非接触式刀具识别装置非接触式刀具识别装置 3. 利用利用PC(可编程控制器可编程控制器)实现随机换刀实现随机换刀311 1接触式刀具识别装置接触式刀具识别装置v识别原理如图919所示。 编码环4 大直径的环

21、表示二进制的“1”， 小直径的环为“0”， 刀具识别装置2， 触针3，每个触针与应该继电器相联，当各继电器读出的数码与所选刀具的编码一致时，由控制装置发出信号，使刀库停转，等待换刀。 特点：特点： 结构简单，结构简单， 触针有磨损，故寿命较短，可触针有磨损，故寿命较短，可靠性较差，且难于快速选刀。靠性较差，且难于快速选刀。322 2非接触式刀具识别装置非接触式刀具识别装置v非接触式刀具识别装置没有机械直接接触，因而无非接触式刀具识别装置没有机械直接接触，因而无磨损、无噪声、寿命长、反应速度快。磨损、无噪声、寿命长、反应速度快。v适应于高速、换刀频繁的工作场合。适应于高速、换刀频繁的工作场合。v

22、常用的有磁性识别和光电识别法。常用的有磁性识别和光电识别法。33v非接触式磁性识别法非接触式磁性识别法 利用磁性材料和非磁性材料感应强弱不同，通过感应线圈读取代码。图920所示为一种用于刀具编码的磁性识别装置。 编码环4， 检测线圈6 。 一次一次线圈线圈5中输入交流电压时，如编码环为导磁材料，则磁感应较强，在二次线圈二次线圈7中产生较大的感应电压。 当编码的号码与指令刀号相符时，控制电路发出信号。使刀库停止运转，等待换刀。34v非接触式光电识别法非接触式光电识别法光学纤维刀具识别装置光学纤维刀具识别装置 这种装置利用光导纤维良好的光传导特性，采用多束光导纤维构成阅读头。用靠近的二束光导纤维来

23、阅读二进制码的一位时，其中一束将光源投射到能反光或不能反光(被涂黑)的金属表面，另一束光导纤维将反射光送至光电转换元件转换成电信号，以判断正对这二束光导纤维的金屑表面有无反射光，有反射时(表面光亮)为“1”，无反射时(表面涂黑)为“o”，如图922(b)所示。 光信号比电信号具有更高的抗干扰能力。光导纤维可任意弯曲，这结机械设计、光源及光电转换元件的安装都带来很大的方便。因此，这种识别方法很有发展前途。353. 3. 利用利用PC(PC(可编程控制器可编程控制器) )实现随机换刀实现随机换刀 v刀库上的刀具能与左袖上的刀具任意地直接交换，即随机换刀。主轴上换来的新刀号及还回刀库上的刀具号，均在

24、PC内部相应地存储单元记忆。随机换刀控制方式需要在PC内部设置一个模拟刀库的数据模拟刀库的数据表表，其长度和表内设置的数据与刀库的位置数和刀具号相对应。v这种方法主要由软件完成选刀，从而消除了由于识刀装置的稳定性、可靠世所带来的选刀失误。363. 3. 利用利用PC(PC(可编程控制器可编程控制器) )实现随机换刀实现随机换刀 vATC(自动换刀自动换刀)控制和刀号数据表控制和刀号数据表v刀具识别刀具识别v刀具的交换及刀号数据表的修改刀具的交换及刀号数据表的修改373.3.利用利用PC(PC(可编程控制器可编程控制器) )实现随机换刀实现随机换刀 v刀具识别刀具识别383. 3. 利用利用PC

25、(PC(可编程控制器可编程控制器) )实现随机换刀实现随机换刀v刀具的交换及刀号数据表的修改刀具的交换及刀号数据表的修改39 9.4 刀具交换装置刀具交换装置 一一 交换装置的形式交换装置的形式v由刀库和主轴的相对运动实现刀具交换由刀库和主轴的相对运动实现刀具交换 必须将主轴上用过的必须将主轴上用过的刀具送回刀库，再从刀刀具送回刀库，再从刀库取出新刀但两个动库取出新刀但两个动作不能同时进行。作不能同时进行。 换刀时间较长，换刀换刀时间较长，换刀动作也较多。动作也较多。40 9.4 9.4 刀具交换装置刀具交换装置 一一 交换装置的形式交换装置的形式v由机械手进行刀具交换由机械手进行刀具交换换刀时间短。换刀时间短。钩手钩手旋转运动抓刀旋转运动抓刀抱手抱手两个手指旋转抓刀两个手指旋转抓刀41 9.4 9.4 刀具交换装置刀具交换装置 一一 交换装置的形式交换装置的形式由机械手进行刀具交换由机械手进行刀具交换换刀时间短换刀时间短。叉手叉手直线运动抓刀直线运动抓刀抓刀过程中，可避抓刀过程中，可避免与其它刀具相碰免与其它刀具相碰42 v钩刀机械手换刀的基本动作钩刀机械手换刀的基本动作43 v钩刀机械手换刀的基本动作钩刀机械手换刀的基本动作（