數(shù)控機床自動換刀裝置的研究

摘 要：文章對數(shù)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(rèn)識，達(dá)到減少故障率、操作失誤等可預(yù)防的目的，幫助提高生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床；換刀裝置；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）3-0084-01

1 數(shù)控機床的發(fā)展

1.1 國內(nèi)外數(shù)控機床發(fā)展?fàn)顩r

當(dāng)今世界，制造強國對數(shù)控機床的發(fā)展都很重視，對發(fā)展更先進(jìn)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(shù)控機床是1952年從麻省理工麻省理工學(xué)院開發(fā)出來的。隨著數(shù)控機床在機械制造行業(yè)廣泛使用，特別是在汽車，航空航天和軍事應(yīng)用，使得數(shù)控技術(shù)在硬件和軟件上有了一個快速的發(fā)展。1956年，日本的富士通研究院研究出了數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床，美國IBM在同一時期在開發(fā)成功“亞太”（程序管理工具系統(tǒng)）加工中心。1958年美國KT公司產(chǎn)品已發(fā)展出ATC（自動刀具交換裝置）。中國自1958年開始了對數(shù)控機床的研發(fā)工作。

1.2 數(shù)控機床發(fā)展趨勢

1.2.1 高速，高精度，高可靠性

效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體考慮方面。高速，高精密技術(shù)的運用可以顯著提高效率，提高產(chǎn)品的檔次和質(zhì)量，能顯著縮短生產(chǎn)周期和顯著提高市場競爭力。高速：①增加進(jìn)料速率：使用線性滾珠導(dǎo)軌等；②增加主軸的旋轉(zhuǎn)速度：使用線性電動機的技術(shù)，直接連接電機和主軸，主軸部件裝入，就能從1.8 s內(nèi)實現(xiàn)從0 r/min到15 000 r/min。

高精度：精度的提高以滿足高技術(shù)，高科技的發(fā)展需要。產(chǎn)品開發(fā)和改善機械電氣特性才能適應(yīng)質(zhì)量的高要求，根據(jù)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(dá)到15 ？滋m。

高可靠性：整個數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控設(shè)備的可靠性比一般機床高一個數(shù)量級及以上。

1.2.2 綜合化

數(shù)控機床的發(fā)展完全得益于功能性復(fù)合材料的發(fā)展，以數(shù)控機床復(fù)雜的處理，實現(xiàn)每個零件剪輯后各種的復(fù)雜處理，從而減少非生產(chǎn)時間，提高了機床的效率和準(zhǔn)確性，降低了生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)的靈活性。多功能一體機床是近幾年發(fā)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(chǎn)權(quán)數(shù)控系統(tǒng)在內(nèi)的各個方面：追求效率和質(zhì)量的智能，如自動控制，自動生成工藝參數(shù)等。

1.2.4 靈活的集成

為了滿足工業(yè)自動化的發(fā)展，F(xiàn)MC，F(xiàn)MS，CIMS等提供必要的基礎(chǔ)設(shè)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(lián)網(wǎng)交流功用，根據(jù)用戶不同的要求，數(shù)控機床可以靈活的設(shè)置和集成。

2 數(shù)控機床自動換刀裝置的類型、特點

數(shù)控機床目前工作效率比較高，因為數(shù)控機床具有自動換刀裝置，刀庫中刀具類型數(shù)量齊全。為了提高數(shù)控機床的生產(chǎn)效率，就要提高切削速度和減少非切削時間，現(xiàn)在機床的切削速度已經(jīng)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(shù)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(jù)。下面就介紹幾種常用的自動換刀裝置。

2.1 轉(zhuǎn)塔刀架式自動換刀裝置

轉(zhuǎn)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(zhuǎn)刀架式，另一種是轉(zhuǎn)塔頭式?；剞D(zhuǎn)刀架式多為順序換刀，這樣換刀時間短，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，裝置系統(tǒng)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(shù)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(zhuǎn)塔頭上，結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，但它的缺點是剛性較差，只能加工少數(shù)的工序，它在數(shù)控鉆床、鏜床等常用到。

2.2 刀庫式自動換刀裝置

根據(jù)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(yīng)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(jìn)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(fù)雜，需要多個部件來實現(xiàn)，運動部件多，換刀運動分散，但它的布局靈活，適應(yīng)性好。刀庫式的運用較廣泛，適合各種類型的自動換刀數(shù)控機床，尤其是對使用回轉(zhuǎn)類刀具的數(shù)控鏜銑，鉆鏜類立式、臥式機床等。

2.3 有刀庫的轉(zhuǎn)塔頭式自動換刀裝置

有刀庫式的磚塔頭式這種方式是結(jié)合刀庫式和磚塔頭式這兩種方式的優(yōu)點，即彌補轉(zhuǎn)換刀數(shù)量不足的缺點，又提高了適應(yīng)性，又具有換刀時間短，換刀速度快的優(yōu)點。這種方式裝置較復(fù)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(shù)控機床的發(fā)展、自動換刀裝置的類型、特點等，下面簡單介紹一下數(shù)控機床的工作過程，加深對數(shù)控機床進(jìn)一步的認(rèn)識。

3.1 數(shù)控機床自動換刀裝置的結(jié)構(gòu)

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(yù)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?zhǔn)降稁斓冗@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(jù)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(shù)量越多，加工效率就越高，同時結(jié)構(gòu)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(fā)。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(xiàn)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(fù)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(xiàn)故障，它是執(zhí)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(qū)動裝置

驅(qū)動裝置是使機械手和刀庫實現(xiàn)工作的驅(qū)動動力，一般依靠步進(jìn)電機或液壓機構(gòu)來提供驅(qū)動。通過液壓機構(gòu)來驅(qū)動機械手，需要靠接近開關(guān)位置檢測，傳動結(jié)構(gòu)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(jìn)電機驅(qū)動，這種驅(qū)動就不需要檢測位置，就能精準(zhǔn)的定位，并且換刀速度快、穩(wěn)定。

3.2 自動換刀工作過程

數(shù)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(shù)控機床的自動換刀裝置，它可以一次裝夾完成內(nèi)槽加工、造螺紋及銑、鉆、擴、鏜一系列工序。利用驅(qū)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(zhuǎn)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(nèi)拔出，機械手繞自身水平軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)90，將刀具放回到庫相應(yīng)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(fù)到原始位置。

參考文獻(xiàn)：

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