数控机床自动换刀装置
数控机床自动换刀装置
摘 要：文章对数控机床自动换刀装置作介绍、研究，通过探究，加深对机床自动换刀装置的了解、认识，达到减少故障率、操作失误等可预防的目的，帮助提高生产效率。
关键词：数控机床;换刀装置;控制系统
1 数控机床的发展
1.1 国内外数控机床发展状况
当今世界，制造强国对数控机床的发展都很重视，对发展更先进的、更高精密的、更高效的、更自动化的机床投入很大，我国在这方面的研究还不是很深入。
世界上第一台数控机床是1952年从麻省理工麻省理工学院开发出来的。
随着数控机床在机械制造行业广泛使用，特别是在汽车，航空航天和军事应用，使得数控技术在硬件和软件上有了一个快速的发展。
1956年，日本的富士通研究院研究出了数控转塔冲床，美国IBM在同一时期在开发成功“亚太”(程序管理工具系统)加工中心。
1958年美国KT公司产品已发展出ATC(自动刀具交换装置)。
中国自1958年开始了对数控机床的研发工作。
1.2 数控机床发展趋势
1.2.1 高速，高精度，高可靠性
效率、质量是先进制造技术的主体考虑方面。
高速，高精密技术的运用可以显著提高效率，提高产品的档次和质量，能显著缩短生产周期和显著提高市场竞争力。
高速：①增加进料速率：使用线性滚珠导轨等;②增加主轴的旋转速度：使用线性电动机的技术，直接连接电机和主轴，主轴部件装入，就能从1.8 s内实现从0 r/min到15 000 r/min。
高精度：精度的提高以满足高技术，高科技的发展需要。
产品开发和改善机械电气特性才能适应质量的高要求，根据机床用户要求的精密加工机的增加。
精密度加工翻了一番，达到15 ?滋m。
高可靠性：整个数控系统的数控设备的可靠性比一般机床高一个数量级及以上。
1.2.2 综合化
数控机床的发展完全得益于功能性复合材料的发展，以数控机床复杂的处理，实现每个零件剪辑后各种的复杂处理，从而减少非生产时间，提高了机床的效率和准确性，降低了生产成本，提高生产的灵活性。
多功能一体机床是近几年发展比较迅速的一种，它在机器上的核心用来完成车、铣、钻、镗、扩孔和攻丝等程序。
1.2.3 智能
包括知识产权数控系统在内的各个方面：追求效率和质量的智能，如自动控制，自动生成工艺参数等。
1.2.4 灵活的集成
为了满足工业自动化的发展，FMC，FMS，CIMS等提供必要的基础设施TNC是不仅能完成正常的处理功能外，还具有自动测量自动上下料，自动换刀，自动诊断，联网交流功用，根据用户不同的要求，数控机床可以灵活的设置和集成。
2 数控机床自动换刀装置的类型、特点
数控机床目前工作效率比较高，因为数控机床具有自动换刀装置，刀库中刀具类型数量齐全。
为了提高数控机床的生产效率，就要提高切削速度和减少非切削时间，现在机床的切削速度已经很难有所提高了，就需要提高切削效率即减少非切削时间。
一个工件在一台机床上一次装夹可以完成多道工序甚至全部工序，这就需要不同的刀具，不同的机床类型，因此选择什么样的数控机床很重要，那么我们就需要了解不同机床的自动换刀装置的类型、特点、适用范围等，为选择提供依据。
下面就介绍几种常用的自动换刀装置。
2.1 转塔刀架式自动换刀装置
转塔刀架式在加工中心比较常见，适用范围比较广，它又分两种，一种是回转刀架式，另一种是转塔头式。
回转刀架式多为顺序换刀，这样换刀时间短，结构简单紧凑，装置系统简单易操作，但同时它的缺点也暴漏出来了，由于自身的装置简单，比如它能容纳的刀具较少，只能加工少量的工序，所以它比较适合加工简单的工件，运用范围比较广，在各种数控车床，车削中心机床的简单加工中都能使用。
砖塔头式加工时也是顺序换刀，换刀时间短，刀具主轴都集中在转塔头上，结构紧凑、简单，但它的缺点是刚性较差，只能加工少数的工序，它在数控钻床、镗床等常用到。
2.2 刀库式自动换刀装置
根据自动换刀方式的不同，刀库式自动换刀装置可以分为：刀库与主轴之间直接换刀、用机械手配合刀库换刀、用机械手、运输装置配合刀库换刀等。
这几种不同方式各有各的特点。
刀库与主轴之间直接换刀这种方式，换刀运动集中，运动部件少、简单，但刀库运动多，布局不灵活，适应性较差。
用机械手配合刀库换刀，这种方式效率就较高，因为刀库只有选刀运动，机械手进行换刀运动，这样它的惯性小，速度就较快。
用机械手、运输装置配合刀库换刀的方式就比较复杂，需要多个部件来实现，运动部件多，换刀运动分散，但它的布局灵活，适应性好。
刀库式的'运用较广泛，适合各种类型的自动换刀数控机床，尤其是对使用回转类刀具的数控镗铣，钻镗类立式、卧式机床等。
2.3 有刀库的转塔头式自动换刀装置
有刀库式的砖塔头式这种方式是结合刀库式和砖塔头式这两种方式的优点，即弥补转换刀数量不足的缺点，又提高了适应性，又具有换刀时间短，换刀速度快的优点。
这种方式装置较复杂，造价较高，适合那些需要扩大工艺范围的工件。
3 自动换刀装置的工作过程
上面介绍了数控机床的发展、自动换刀装置的类型、特点等，下面简单介绍一下数控机床的工作过程，加深对数控机床进一步的认识。
3.1 数控机床自动换刀装置的结构
3.1.1 刀库
刀库的功能就是放刀具的地方，机械手就是在刀库里按照预定程序选择不同的刀具，刀具的类型有多种形式，比如盘式刀库、链式刀库等这些就比较常用到。
要选择什么样的刀库形式和多大的刀库容量就要根据加工的工艺和工件的特点来确定了。
刀库的容量一般有10至80把刀，数量越多，加工效率就越高，同时结构就比较紧凑，选择时刀库容量也不是越多越好，需要从加工工艺的使用角度出发。
机械手选择刀具的顺序也是一个比较重要的问题，它有顺序选择、任意选择等方式。
顺序选择方式比较简单，就是在刀库里一把一把的选择，用完放回，利用效率底，刀库容量大，现在只有那些简单的工件使用顺序选择这种方式。
目前使用较多的是任意选择，这种方式可以重复使用刀具，刀具利用效率高。
3.1.2 机械手
机械手是机床上比较重要的组成部分，比较容易出现故障，它是执行刀库与主轴换刀动作的主要部件，它有送刀臂、摆刀站和换刀臂组成。
机械手有几种类型常见的有单手式、双手式等;单手式只有一个换刀臂且一端仅有一个抓刀手，双刀式也只有一个换刀臂，但两端各有一个抓刀手。
3.1.3 驱动装置
驱动装置是使机械手和刀库实现工作的驱动动力，一般依靠步进电机或液压机构来提供驱动。
通过液压机构来驱动机械手，需要靠接近开关位置检测，传动结构较多，它只适合不频繁换刀的大型卧式加工。
机械手由伺服电机或步进电机驱动，这种驱动就不需要检测位置，就能精准的定位，并且换刀速度快、稳定。
3.2 自动换刀工作过程
数控机床加工目前都组建成加工中心，加工中心具有对工件多工序加工的能力，这种能力是依靠数控机床的自动换刀装置，它可以一次装夹完成内槽加工、造螺纹及铣、钻、扩、镗一系列工序。
利用驱动机械手在刀库选择需要的刀具对零件不同工序的加工。
在这里简单的描述一下过程。
首先抓刀爪伸出，抓住刀库上的待换刀具，刀库刀座上的锁板拉开，机械手带着待换刀具绕竖直轴逆时针方向转90，与主轴轴线平行，另一个抓刀爪抓住主轴上的刀具，主轴将刀具松开。
其次机械手前移，将刀具从主轴锥孔内拔出，机械手绕自身水平轴转180，将两把刀具交换位置。
然后机械手后退，将新刀具装入主轴，主轴将刀具锁住，抓刀爪缩回，松开主轴上的刀具，机械手绕竖直轴顺时针转90，将刀具放回到库相应的刀座上，刀库上的锁板合上。
最后，抓刀爪缩回，松开刀库上的刀具，恢复到原始位置。
参考文献：
[1] 王仁德.机床数控技术[M].沈阳：东北大学出版社，2004，(5).
[2] 李曦.机床电气控制[M].北京：中国劳动保障社会出版社，2004，(4).
[3] 林宋，田建君.现代数控机床[M].北京：化学工业出版社，2003，((9).
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