第5章 自动换刀装置
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自动换刀装置控制原理及故障分析
第27 卷第1期2 0 0 9 年1 月西安航空技术高等专科学校学报Journal of Xi an Aerotechnical CollegeVol 2 7 No 1Jan . 2 0 0 9 自动换刀装置控制原理及故障分析罗庚合1, 黄万长2( 1. 西安航空技术高等专科学校机械工程系, 陕西西安710077; 2. 陕西法士特齿轮有限公司, 陕西西安710077)摘要: 加工中心自动换刀装置提高了数控机床的加工效率, 但由于加工中心换刀装置的动作控制比较复杂, 包含机械、电气与PM C、液压和检测等技术, 所以自动换刀装置的故障率比较高, 主要介绍自动换刀装置的类别和控制,自动换刀装置的故障诊断方法, 列举了自动换刀装置的一些常见故障及维修示例。
关键词: 加工中心; 选刀; 刀具交换; 乱刀与掉刀; PM C 诊断; I/ O 状态诊断中图分类号: T H161+ . 21 文献标识码: A 文章编号: 1008- 9233( 2009) 01- 0014- 051 引言4、6、8、12 工位, 有用电动机驱动的正传和反转, 也有用液压系统通过电磁换相阀和顺序阀进行控制加工中心可分为车削中心、镗铣中心和钻削中心等, 加工中心在加工过程中, 要使用多种刀具, 因此必须有自动换刀装置, 以便选择不同刀具, 完成不同工序的加工工艺。
常用的刀库形式有圆盘式刀库, 链式刀库, 格子盒式刀库。
按有无机械手又可分为不带机械手的自动换刀装置和带机械手的自动换刀装置。
按刀库的旋转和机械手的动作驱动方式可分为有液压、气动控制系统和电气与机械联合控制的驱动系统。
随着加工中心数控机床的普及和应用, 自动换刀装置控制过程中的故障率也比较高。
由于自动换刀装置结构比较复杂、控制为机、电、液联合控制, 复杂系数高等原因。
所以加工中心自动换刀装置的故障维修比较困难。
简要叙述换刀装置的分类和特点, 以立式镗铣中心普遍使用的圆盘式加工中心自动换刀装置为例, 分析自动换刀装置的控制原理及常见故障的维修方法。
数控机床自动换刀装置
02
数控机床自动换刀装置 的结构与设计
刀库设计
刀库容量
根据数控机床的加工需求， 合理设计刀库容量，确保 能够存放足够数量的刀具。
刀具存放方式
采用合适的刀具存放方式， 如刀具架、刀具套等，以 便于刀具的存取和管理。
刀库布局
根据数控机床的整体布局 和加工要求，合理布置刀 库的位置和方向，以提高 换刀效率和加工精度。
例如，在发动机缸体的加工中，需要使用不同种类的刀具进行粗加工、半精加工和精加工。数控机床 自动换刀装置可以在加工过程中自动识别需要更换的刀具，并快速、准确地完成换刀操作，保证了加 工过程的连续性和稳定性。
应用案例二：航空航天业
航空航天业对零部件的加工精度和效率要求极高，数控机床自动换刀装置在航空 航天业中也有着广泛的应用。例如，在飞机机身和机翼的制造中，需要使用大型 五轴数控机床进行加工，而大型五轴数控机床的换刀时间较长，影响了加工效率 。
数控机床自动换刀装置的应用，可以大大缩短换刀时间，提高加工效率。同时， 由于航空航天业对零部件的加工精度要求极高，数控机床自动换刀装置的精确性 和稳定性也得到了充分验证，为航空航天业的发展提供了有力支持。
应用案例三：模具制造业
模具制造业是数控机床自动换刀装置的重要应用领域 之一。在模具的制造过程中，需要使用不同种类的刀 具进行粗加工、半精加工和精加工。数控机床自动换 刀装置的应用，可以大大提高模具的加工效率和精度 。
分类与比较
按换刀方式分类
数控机床自动换刀装置可分为机械手换刀和机器人换刀两种 方式。机械手换刀方式具有结构简单、成本低等优点，但换 刀速度较慢；机器人换刀方式具有换刀速度快、精度高等优 点，但结构复杂、成本较高。
按刀库类型分类
数控机床自动换刀装置可分为固定刀库和旋转刀库两种类型 。固定刀库具有容量大、换刀速度快等优点，但结构复杂、 成本较高；旋转刀库具有结构简单、成本低等优点，但容量 较小、换刀速度较慢。
自动换刀装置
数控机床的自动换刀装置
为完成对工件的多工序加工而设置的存储及更换 刀具的装置称为自动换刀装置（Automatic Tool Changer, ATC）。 自动换刀装置应当满足的基本要求为：
刀具换刀时间短且换刀可靠。 刀具重复定位精度高。 足够的刀具储存量。 结构简单，便于制造、维修、调整。 布局合理，机床总布局美观大方。
编码识别装置
接触式刀具识别装置的原理
非接触式磁性识别原理图
光导纤维刀具识别原理图
刀座编码方式
对每个刀座都进行编码，刀具也编号，并将刀具放到与 其号码相符的刀座中，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，刀库停止旋转。
如图所示为圆盘形刀库的刀 座编码装置。在圆盘的圆周上均 匀分布若干个刀座，其外侧边缘 上装有相应的刀座识别装置2。 刀座编码的识别原理与刀具编码 完全相同.
(6)主轴箱及主轴带着刀具上升；
(7)机床工作台快速向左返回，将刀库 从主轴下面移开，同时将工件移至主轴 数控立式镗铣床
下面，使主轴上的刀具对准工件的加工
面。
四、刀具交换装置
1、利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换
这种自动换刀装置只有一个刀库， 不需要其他装置，结构极为简单，然而 换刀过程却较为复杂。 另外，由于刀库置于工作台上，因 而减少了工作台的有效使用面积。这种 换刀装置多用于小型低价位的加工中心。
转塔头主轴通常只适应于工序较少，精度要求 不太高的机床，如数控钻床、铣床等。
一、自动换刀装置的型式——转塔头式换刀装置
优点： 省去了自动松、夹、装刀、卸刀以及刀具搬运等一系 列的复杂操作，从而缩短了换刀时间（仅为2s左右）， 并提高了换刀的可靠性。
缺点： 由于空间位置的限制，使主轴部件结构不能设计得十 分坚实，因而影响了主轴系统的刚度。为了保证主轴的 刚度，必须限制主轴数目，否则将使结构尺寸大大增加。
为完成对工件的多工序加工而设置的存储及更换 刀具的装置称为自动换刀装置（Automatic Tool Changer, ATC）。 自动换刀装置应当满足的基本要求为：
刀具换刀时间短且换刀可靠。 刀具重复定位精度高。 足够的刀具储存量。 结构简单，便于制造、维修、调整。 布局合理，机床总布局美观大方。
编码识别装置
接触式刀具识别装置的原理
非接触式磁性识别原理图
光导纤维刀具识别原理图
刀座编码方式
对每个刀座都进行编码，刀具也编号，并将刀具放到与 其号码相符的刀座中，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，刀库停止旋转。
如图所示为圆盘形刀库的刀 座编码装置。在圆盘的圆周上均 匀分布若干个刀座，其外侧边缘 上装有相应的刀座识别装置2。 刀座编码的识别原理与刀具编码 完全相同.
(6)主轴箱及主轴带着刀具上升；
(7)机床工作台快速向左返回，将刀库 从主轴下面移开，同时将工件移至主轴 数控立式镗铣床
下面，使主轴上的刀具对准工件的加工
面。
四、刀具交换装置
1、利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换
这种自动换刀装置只有一个刀库， 不需要其他装置，结构极为简单，然而 换刀过程却较为复杂。 另外，由于刀库置于工作台上，因 而减少了工作台的有效使用面积。这种 换刀装置多用于小型低价位的加工中心。
转塔头主轴通常只适应于工序较少，精度要求 不太高的机床，如数控钻床、铣床等。
一、自动换刀装置的型式——转塔头式换刀装置
优点： 省去了自动松、夹、装刀、卸刀以及刀具搬运等一系 列的复杂操作，从而缩短了换刀时间（仅为2s左右）， 并提高了换刀的可靠性。
缺点： 由于空间位置的限制，使主轴部件结构不能设计得十 分坚实，因而影响了主轴系统的刚度。为了保证主轴的 刚度，必须限制主轴数目，否则将使结构尺寸大大增加。
自动换刀主轴工作原理
自动换刀主轴工作原理
自动换刀主轴工作原理是指在机床中，主轴上配备了自动换刀装置，可以根据加工需要自主完成刀具的更换。
下面是自动换刀主轴的工作原理：
1. 刀具旋转：主轴驱动着刀具进行旋转，用于加工工件表面。
2. 刀库：机床上设置有刀库，刀库中存放着不同种类的刀具。
每种刀具都有一个唯一的识别编码。
3. 换刀装置：自动换刀装置包含刀库、刀具夹持器和换刀机构等部分。
换刀机构控制着刀夹位置的移动。
4. 刀具传感器：换刀装置上配备有刀具传感器，用于识别刀库中的刀具。
5. 选刀：根据加工任务，通过操作主轴控制系统进行刀具选择。
系统会指定需要哪种刀具进行加工，同时会记录已使用刀具的刀具编码。
6. 刀具识别：换刀装置开始动作，将选择的刀具位置移动到主轴旁边。
刀具传感器会识别刀夹位置是否有刀具。
如果没有刀具，则进入下一步。
7. 刀具更换：选取刀库中的合适刀具，并将其夹持在刀夹器上。
然后，换刀机构将刀夹器移动到主轴，完成刀具更换。
8. 刀具装夹校准：刀具更换后，主轴控制系统会对刀具进行校准，以保证刀具与工件的加工位置精确对应。
9. 加工：完成刀具更换后，主轴继续驱动新的刀具进行加工任务。
通过自动换刀主轴，可以实现高效的刀具更换，提高机床的加工效率和自动化程度。
参考答案-《数控机床编程与操作(第四版 数控铣床 加工中心分册)习题册》-A02-3585
数控机床编程与操作（第四版数控铣床加工中心分册）习题册参考答案第一章数控铣床/加工中心及其编程基础第一节数控铣床/加工中心概述一、填空题1. 数控技术2. 车削加工3. 铣削镗削4. 刀库刀具自动交换装置5. 采用点位控制系统刀具移动轨迹6. 数控装置刀库和换刀装置7. 分盘式刀库链式刀库8. 法那科西门子华中数控广州数控二、选择题1.C2.D3.B4.D5.C6.D三、判断题1.×2.×3.×4.√5.√6.×第二节数控加工与数控编程概述一、填空题1. 加工程序数字控制2. 加工程序加工精度3. 手工编程自动编程4. 确定加工工艺数值计算制作控制介质5. 软磁盘移动存储器硬盘6. 语言式交互式CAD/CAM7. 程序程序数控编程8.UG PRO/E MASTERCAM POWERMILL二、选择题1.A2.C3.B4.C5.A6.B三、判断题1.×2.×3.×4.√5.√第三节数控铣床/加工中心编程基础知识一、填空题1. 标准坐标系2. X Y Z3. 主轴X远离4. 右右5. 程序号程序内容程序结束6.O 四位数字7.M02 M30 M17 M02 RET8. 字—地址使用分隔符固定9. ( ) ; 10. 基准参考正二、选择题1.C2.A3.D4.C5.A6.D7.B8.B9.D三、判断题1.×2.×3.√4.√5.×6.×7.×8.√9.√10.×第四节数控机床的有关功能及规则一、填空题1. 准备功能辅助功能其他功能2. 1号刀具2号刀沿3. 每分钟每转mm / min mm / r4.G96 G97 v =πDn / 10005.M03 M04 M056. 模态代码续效非模态非续效7. XY ZX YZ8. 绝对坐标相对坐标9. 合成速度圆弧的切线方向的速度10. 50%~120%二、选择题1.D2.A3.A4.C5.D6.A7.A8.C9.C 10.D 11.C 12.B三、判断题1.×2.×3.×4.√5.×6.√7.√8.×9.√10.√第五节数控铣床/加工中心编程的常用功能指令一、填空题1.G00 G01 顺时针圆弧插补逆时针圆弧插补2. 圆弧半径起点到圆心矢量3.M98 M99 M08 M094. 正值负值5.G006. 镗平面锪孔7. 工件坐标系8. 暂停10s9. 至绝对坐标X-30.0 处10. G75二、选择题1.D2.C3.D4.C5.B6.A7.B8.B9.B 10.A 11.A 12.A三、判断题1.×2.×3.√4.√5.√6.×7.√8.×9.√10.√11.√12.√13.√14.×15.√四、编程题略。
自动换刀装置
16
5.2 刀架换刀
• 一、排刀式刀架
图5-6 排刀式刀架布置图
17
图5-7 快换台板
18
二、经济型数控车床方刀架
• 经济型数控车床方刀架是在普通车床四方刀架 的基础上发展的一种自动换刀装置，其功能和 普通四方刀架一样，有四个刀位，能装夹4把 不同功能的刀具，方刀架回转时，刀具交换一 个刀位，但方刀架的回转和刀位号的选择是由 加工程序指令控制。换刀时方刀架的动作顺序 是：刀架抬起、刀架转位、刀架定位和夹紧刀 架。为完成上述动作要求，要有相应的机构来 实现，下面就以WZD4型刀架为例说明其具体结 构，
9
三、识别装置
• 刀具（刀座）识别装置是自动换刀系统 中重要组成部分，常用的有下列几种。
• 1．接触式刀具识别装置 • 2．非接触式刀具识别装置
10
1．接触式刀具识别装置
图5-3 接触式刀具识别装置 1-刀柄 2-识别装置 3-触针 4-编码环
11
2．非接触式刀具识别装置
• 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，适应于高速、换刀频繁的工 作场合。常用的有磁性识别和光电识别。
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、铣床类立式、
卧式加工中心机床。
用机械手配 合刀库进行 换刀
刀库只有选刀运动，
机械手进行换刀运 动，刀库容量大
要根据工艺范围和机 床特点，确定刀库容 量和自动换刀装置类 型。
4
二、刀具的选择 自动选刀：按数控装置的刀具选择指令， 从刀库中将所需要的刀具转换到取刀位置， 称为自动选刀。
• (1)刀架抬起 • (2)刀架转位 • (3)刀架压紧 • (4)转位液压缸复位
5.2 刀架换刀
• 一、排刀式刀架
图5-6 排刀式刀架布置图
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图5-7 快换台板
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二、经济型数控车床方刀架
• 经济型数控车床方刀架是在普通车床四方刀架 的基础上发展的一种自动换刀装置，其功能和 普通四方刀架一样，有四个刀位，能装夹4把 不同功能的刀具，方刀架回转时，刀具交换一 个刀位，但方刀架的回转和刀位号的选择是由 加工程序指令控制。换刀时方刀架的动作顺序 是：刀架抬起、刀架转位、刀架定位和夹紧刀 架。为完成上述动作要求，要有相应的机构来 实现，下面就以WZD4型刀架为例说明其具体结 构，
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三、识别装置
• 刀具（刀座）识别装置是自动换刀系统 中重要组成部分，常用的有下列几种。
• 1．接触式刀具识别装置 • 2．非接触式刀具识别装置
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1．接触式刀具识别装置
图5-3 接触式刀具识别装置 1-刀柄 2-识别装置 3-触针 4-编码环
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2．非接触式刀具识别装置
• 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，适应于高速、换刀频繁的工 作场合。常用的有磁性识别和光电识别。
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、铣床类立式、
卧式加工中心机床。
用机械手配 合刀库进行 换刀
刀库只有选刀运动，
机械手进行换刀运 动，刀库容量大
要根据工艺范围和机 床特点，确定刀库容 量和自动换刀装置类 型。
4
二、刀具的选择 自动选刀：按数控装置的刀具选择指令， 从刀库中将所需要的刀具转换到取刀位置， 称为自动选刀。
• (1)刀架抬起 • (2)刀架转位 • (3)刀架压紧 • (4)转位液压缸复位
自动换刀系统
多齿盘分度工作台的结构及调整 加工中心回转工作台的结构及调整
2004。09。
自动换刀装置的调整
数控机床自动换刀装置的形式
▪ 多转塔头自动换刀装置 ▪ 具有刀库和机械手的自动换刀装置
▪ 刀库类型 1) 转塔式刀库 2) 圆盘式刀库 3) 链式刀库 4) 格子式刀库
▪ 机械手 1) 单臂单手式机械手 2) 回转式单臂双手机械手
▪ 排屑器 ▪ 经常清理铁屑 ▪ 检查有无卡住
▪ 清理废油池 ▪ 及时取油池中废油，以免 外溢
▪ 调整主轴驱动带松紧 ▪ 按机床说明书调整
2004。09。
数控机床的维护
数控机床使用中应注意的问题
▪ 使用环境: ▪ 避免阳光的直射和其他辐射 ▪ 避免太潮湿或粉尘过多的场所 ▪ 避免有腐蚀气体的场所 ▪ 要远离振动大的设备
2004。09。
第二章 数控机床的调整
主轴部件的结构与调整
▪ CK7815型数控车床主轴部件的结构与调整 ▪ NT-J320A型数控铣床主轴部件的结构与调整 ▪ THK6380加工中心主轴部件的结构与调整
进给传动系统部件的调整 回转运动部件的调整 自动换刀装置的调整 位置检测装置的调整 床身导轨的调整
数控机床维修
第一章 数控机床的安装、调试及验收
数控机床的选用 数控机床的安装 数控机床的调试 数控机床的验收
2004。09。
数控机床的验收
开箱检验和外观检查 机床性能及数控功能的检验 机床精度的验收
2004。09。
机床性能的检验
主轴系统性能 进给系统性能 自动换刀系统 机床噪声 电气装置 数控装置 安全装置 润滑装置 气、液装置 附属装置
2004。09。
2004。09。
自动换刀装置的调整
数控机床自动换刀装置的形式
▪ 多转塔头自动换刀装置 ▪ 具有刀库和机械手的自动换刀装置
▪ 刀库类型 1) 转塔式刀库 2) 圆盘式刀库 3) 链式刀库 4) 格子式刀库
▪ 机械手 1) 单臂单手式机械手 2) 回转式单臂双手机械手
▪ 排屑器 ▪ 经常清理铁屑 ▪ 检查有无卡住
▪ 清理废油池 ▪ 及时取油池中废油，以免 外溢
▪ 调整主轴驱动带松紧 ▪ 按机床说明书调整
2004。09。
数控机床的维护
数控机床使用中应注意的问题
▪ 使用环境: ▪ 避免阳光的直射和其他辐射 ▪ 避免太潮湿或粉尘过多的场所 ▪ 避免有腐蚀气体的场所 ▪ 要远离振动大的设备
2004。09。
第二章 数控机床的调整
主轴部件的结构与调整
▪ CK7815型数控车床主轴部件的结构与调整 ▪ NT-J320A型数控铣床主轴部件的结构与调整 ▪ THK6380加工中心主轴部件的结构与调整
进给传动系统部件的调整 回转运动部件的调整 自动换刀装置的调整 位置检测装置的调整 床身导轨的调整
数控机床维修
第一章 数控机床的安装、调试及验收
数控机床的选用 数控机床的安装 数控机床的调试 数控机床的验收
2004。09。
数控机床的验收
开箱检验和外观检查 机床性能及数控功能的检验 机床精度的验收
2004。09。
机床性能的检验
主轴系统性能 进给系统性能 自动换刀系统 机床噪声 电气装置 数控装置 安全装置 润滑装置 气、液装置 附属装置
2004。09。
《数控机床装置调试与维修》课程教案
《数控机床安装调试与维修》教案目录教案1--------概述教案2--------数控机床的安装调试教案3--------数控机床的验收教案4--------数控机床的调整、主轴部件教案5--------进给传动部件的调整教案6--------回转部件、自动换刀装置的调整教案7--------位置检测装置、床身导轨的调整教案8--------数控系统发展简介、FANUC-0ib功能介绍教案9--------FANUC-0ib系统构成、硬件连接教案10------系统参数与设定教案11------I/O接口及PMC编程教案12------ SINU MERIC 840C特点介绍主要功能教案13----- SINUMERIC 840C系统的结构及各部分的功能教案14------ fanuc-0ib系统报警分类及常见故障分析教案15-----FANUC-0ib常见报警及处理方法教案16----数控机床的故障诊断及维修技术概述教案17----利用PLC进行数控机床的故障检测教案18-----数控系统系统故障的诊断教案19-----伺服系统的故障及维修技术教案20-----检测装置的故障及诊断教师教案教案专用纸第一章概述1.数控机床的优点：数控机床集机械制造、计算机、气动、传感检测、液压、光机电技术等一体，其优点：⑴能够进行复杂型面零件的加工，解决工艺难题。
⑵提高生产率⑶具有柔性⑷减轻工人的劳动强度2．我国数控机床的发展现状起步年代：1958开始研制目前生产能力：2001年国内数控机床产量已达1.8万台国产数控系统：⑴华中理工大学华中一型、华中二型⑵北京航天机床数控集团航天一型⑶中科院沈阳计算机所蓝天一型⑷中国珠峰数控公司中华一型3．加强数控维修的意义⑴技术需要⑵市场需要⑶企业的效益需要4．对数控维修人员的要求⑴知识面广⑵良好的系统的培训⑶良好的英语阅读能力⑷敢于实践，通过实践不断总结经验⑸敬业精神⑹持续的学习精神5．本课程的学习任务、要求⑴掌握数控机床安装调试验收的的知识、验收机床精度的方法。
数控机床习题有答案
数控机床习题(第一章)1填空题（1）数控机床一般由控制介质、数控系统、伺服系统、机床本体、反馈装置和各种辅助装置组成。
（2）数控机床采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。
（3）突破传统机床结构的最新一代的数控机床是并联机床。
（4）自适应控制技术的目的是要求在随机变化的加工过程中，通过自动调节加工过程中所测得的工作状态、特性，按照给定的评价指标自动校正自身的工作参数，以达到或接近最佳工作状态。
2选择题（1）一般数控钻、镗床属于（ C ）（A）直线控制数控机床（B）轮廓控制数控机床（C）点位控制数控机床（D）曲面控制数控机床（2）（ D ）是数控系统和机床本体之间的电传动联系环节（A）控制介质（B）数控装置（C）输出装置（D）伺服系统（3）适合于加工形状特别复杂（曲面叶轮）、精度要求较高的零件的数控机床是（ A ）（A）加工中心（B）数控铣床（C）数控车床（D）数控线切割机床（4）闭环控制系统的位置检测装置装在（ D ）（A）传动丝杠上（B）伺服电动机轴上（C）数控装置上（D）机床移动部件上（5）根据控制运动方式的不同，数控机床可分为（B ）（A）开环控制数控机床、闭环控制数控机床和半闭环控制数控机床（B）点位控制数控机床、直线控制数控机床和轮廓控制数控机床（C）经济型数控机床、普及型数控机床和高档型数控机床（D）NC机床和CNC机床3 判断题（1）通常一台数控机床的联动轴数一般会大于或等于可控轴数。
（×）（2）数控机床是通过程序来控制的。
（√）（3）数控机床只用于金属切削类加工。
（×）（4）数控系统是机床实现自动加工的核心，是整个数控机床的灵魂所在。
（√）（5）机床本体是数控机床的机械结构实体，是用于完成各种切割加工的机械部分。
（√）4 简答题（1）简述数控机床的发展趋势。
P91、高速度与高精度化2、多功能化3、智能化4、高的可靠性（2）简述数控机床各基本组成部分的作用。
机床数控技术第二(2)版课后答案
第一章绪论简答题答案，没有工艺题的1 什么是数控机床答：简单地说，就是采用了数控技术（指用数字信号形成的控制程序对一台或多台机床机械设备进行控制的一门技术）的机床；即将机床的各种动作、工件的形状、尺寸以及机床的其他功能用一些数字代码表示，把这些数字代码通过信息载体输入给数控系统，数控系统经过译码、运算以及处理，发出相应的动作指令，自动地控制机床的道具与工件的相对运动，从而加工出所需要的工件。
2 数控机床由哪几部分组成？各组成部分的主要作用是什么？答：（1）程序介质：用于记载机床加工零件的全部信息。
（2）数控装置：控制机床运动的中枢系统，它的基本任务是接受程序介质带来的信息，按照规定的控制算法进行插补运算，把它们转换为伺服系统能够接受的指令信号，然后将结果由输出装置送到各坐标的伺服系统。
（3）伺服系统：是数控系统的执行元件，它的基本功能是接受数控装置发来的指令脉冲信号，控制机床执行元件的进给速度、方向和位移量，以完成零件的自动加工。
（4）机床主体（主机）：包括机床的主运动、进给运动部件。
执行部件和基础部件。
3 数控机床按运动轨迹的特点可分为几类？它们特点是什么？答：（1）点位控制数控机床：要求保证点与点之间的准确定位（它只能控制行程的终点坐标，对于两点之间的运动轨迹不作严格要求；对于此类控制的钻孔加工机床，在刀具运动过程中，不进行切削加工）。
（2）直线控制数控机床：不仅要求控制行程的终点坐标，还要保证在两点之间机床的刀具走的是一条直线，而且在走直线的过程中往往要进行切削。
（3）轮廓控制数控机床：不仅要求控制行程的终点坐标值，还要保证两点之间的轨迹要按一定的曲线进行；即这种系统必须能够对两个或两个以上坐标方向的同时运动进行严格的连续控制。
4 什么是开环、闭环、半闭环伺服系统数控机床？它们之间有什么区别？答：(1)开环：这类机床没有来自位置传感器的反馈信号。
数控系统将零件程序处理后，输出数字指令后给伺服系统，驱动机床运动；其结构简单、较为经济、维护方便，但是速度及精度低，适于精度要求不高的中小型机床，多用于对旧机床的数控化改造。
第5章加工中心
第5章加工中心加工中心（Machining Center，简称MC）是数控机床中功能较全、加工精度较高的工艺装备。
它把铣削、镗削、钻削、螺纹加工等功能集中在一台设备上，通常一次装夹可以完成多个加工要素的加工。
加工中心配置有容量几十甚至上百把刀具的刀库，刀库中放置有加工过程中使用的刀具和测量工具，通过PLC程序控制，在加工中实现刀具的自动更换和加工要素的自动测量。
加工中心的控制器具有控制二轴、三轴或多轴联动的能力，可以完成复杂型面的三维加工，其辅助机能可以保证加工中心在加工过程中实现刀具长度补偿、半径自动补偿，螺距误差补偿、丝杠间隙自动补偿，并具有过载保护、故障检测等功能。
加工中心是一种高性能加工设备，其生产效率比普通机床高5～10倍，特别适宜加工形状复杂、精度要求高的单件或中小批量多品种生产。
5.1 加工中心的结构与特点5.1.1 加工中心的结构加工中心有各种类型，虽然外形结构各异，但总体来看大体上由以下几部分组成。
1．基础部件由床身、立柱和工作台等大件组成，它们是加工中心结构中的基础部件。
这些大件有铸铁件，也有焊接的钢结构件，它们要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削负载，因此必须具备更高的静动刚度，也是加工中心中质量和体积最大的部件。
2．主轴部件由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零件组成。
主轴的启动、停止等动作和转速均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具进行切削。
主轴部件是切削加工的功率输出部件，是加工中心的关键部件，其结构的好坏，对加工中心的性能有很大的影响。
3．数控系统由CNC装置、可编程序控制器、伺服驱动装置等组成，是加工中心执行顺序控制动作和控制加工过程的中心。
4．伺服系统伺服系统的作用是把来自数控装置的信号转换为机床移动部件的运动，其性能是决定机床的加工精度、表面质量和生产效率的主要因素之一。
加工中心普遍采用半闭环、闭环和混合环三种控制方式。
5．自动换刀装置（ATC）加工中心与一般数控机床的显著区别是具有对零件进行多工序加工的能力，有一套自动换刀装置。
数控机床原理、结构与维修 第5章 回转工作台与自动换刀系统
5.1 分度工作台
图5-3 齿盘定位分度工作台 1—螺旋弹簧 2、10、11—轴承 3—蜗杆 4—蜗轮 5、6—减速齿轮 7—管道 8—活塞 9—分度工作台 12—液压缸 13、 14—分度齿盘
5.1 分度工作台
5.1.3 鼠牙盘分度工作台 鼠牙盘式分度工作台主要由工作台面、底座、分度液压缸及鼠牙 盘等零件组成，如图5⁃4所示。鼠牙盘是保证分度精度的关键零件，
图5-8 双蜗杆传动结构 1—轴向固定蜗杆 2—轴向调整蜗杆 3、5—调整垫 4—锁紧螺母
5.2 数控回转工作台
图5-9 数控回转工作台 1—电液脉冲马达 2、4—齿轮 3—偏心环 5—楔形拉紧销 6—压块 7—螺母 8—锁紧螺钉 9—蜗杆 10—蜗轮 11—调整套 12、13—夹紧瓦 14—夹紧液压缸 15—活塞 16—弹簧 17—钢球 18—光栅 19—撞块 20—感应块
5.3 刀架换刀装置
表5-1 自动换刀装置
类
型
回转刀架
特
点
适用范围
各种数控车床，车 削加工中心
转塔式
多为顺序换刀，换 刀时间短，结构简单 紧凑，可容纳的刀具 较少 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。但刚性较差， 刀具主轴数受限制
转塔头
数控钻、镗、铣床
5.3 刀架换刀装置
表5-1 自动换刀装置
刀库式
刀具与主轴之间直 接换刀
换刀运动集中，运 动部件少。但刀库容 量受限
用于各种类型的自 动换刀数控机床上， 尤其是对使用回转类 刀具的数控镗铣床类 的立式、卧式加工心。 要根据工艺范围和机 床特点，确定刀库容 量和自动换刀装置形 式
用机械手配合刀库 进行换刀
刀库只有选刀运动， 机械手进行换刀运动， 刀库容量大
江苏自考02211自动化制造系统教材课后习题答案
2-3 自动控制的主要方式有哪些？ a) 开环控制方式； b) 闭环控制方式； c) 分散控制方式； d) 集中控制方式； e) 程序控制方式； f) 数字控制方式； g) 计算机控制方式；
2-4 机械传动控制的特点是什么？ a) 传递的动力和信号一般都是机械连接的，所以在高速时可以实现准确的传递与信号处理，并且可以重复这两个动
1-4 机械制造自动化的作用是什么？ a) 提高生产率； b) 缩短生产周期； c) 提高产品质量； d) 提高经济效益； e) 降低劳动强度； f) 有利于产品更新； g) 提高劳动者素质； h) 带动相关技术的发展；
1-5 机械制造自动化系统由哪几个部分组成？ a) 加工系统； b) 工件支撑系统； c) 刀具支撑系统 d) 控制与管理系统；
3-3 加工设备自动化包含的主要内容与实现的途径有哪些？ 主要内容： 机床加工自动化循环、工件自动转位、自动测量及控制； 刀具的自动补偿、自动更换刀具； 自动排屑、自动装卸工件； 途径： 对于半自动加工设备，通过配置自动上下料装置来实现加工设备的完全自动化； 对于通用加工设备，运用电气控制技术、数控技术等进行自动化改造； 根据加工工件的特点和工艺要求设计制造专用的自动化加工设备； 采用数控加工设备，包括数控机床、加工中心等；
作； b) 控制元件同时又是驱动元件；
2-5 试比较分散控制与集中控制的优缺点？ 分散控制： 优点： 实现自动循环的方法简单，电气元件的通用性强，成本低，系统本身具有一定的互锁性； 缺点： 顺序动作较多时，自动循环时间会增加，对提高生产率不利； 当执行机构较多时，会使电气控制线路变得复杂，对控制系统的调整和维修不利； 在使用大量有触点式电器时，由于触点频发动作，容易引起故障； 集中控制： 优点： 所有指令存储和控制装置都集中在一起，控制链路短且简单，控制系统比较简单，调整比较方便； 可以避免某一部件发生故障而其他部件继续运动与之发生碰撞或干涉问题，工作精度和可靠性比较高；
2-4 机械传动控制的特点是什么？ a) 传递的动力和信号一般都是机械连接的，所以在高速时可以实现准确的传递与信号处理，并且可以重复这两个动
1-4 机械制造自动化的作用是什么？ a) 提高生产率； b) 缩短生产周期； c) 提高产品质量； d) 提高经济效益； e) 降低劳动强度； f) 有利于产品更新； g) 提高劳动者素质； h) 带动相关技术的发展；
1-5 机械制造自动化系统由哪几个部分组成？ a) 加工系统； b) 工件支撑系统； c) 刀具支撑系统 d) 控制与管理系统；
3-3 加工设备自动化包含的主要内容与实现的途径有哪些？ 主要内容： 机床加工自动化循环、工件自动转位、自动测量及控制； 刀具的自动补偿、自动更换刀具； 自动排屑、自动装卸工件； 途径： 对于半自动加工设备，通过配置自动上下料装置来实现加工设备的完全自动化； 对于通用加工设备，运用电气控制技术、数控技术等进行自动化改造； 根据加工工件的特点和工艺要求设计制造专用的自动化加工设备； 采用数控加工设备，包括数控机床、加工中心等；
作； b) 控制元件同时又是驱动元件；
2-5 试比较分散控制与集中控制的优缺点？ 分散控制： 优点： 实现自动循环的方法简单，电气元件的通用性强，成本低，系统本身具有一定的互锁性； 缺点： 顺序动作较多时，自动循环时间会增加，对提高生产率不利； 当执行机构较多时，会使电气控制线路变得复杂，对控制系统的调整和维修不利； 在使用大量有触点式电器时，由于触点频发动作，容易引起故障； 集中控制： 优点： 所有指令存储和控制装置都集中在一起，控制链路短且简单，控制系统比较简单，调整比较方便； 可以避免某一部件发生故障而其他部件继续运动与之发生碰撞或干涉问题，工作精度和可靠性比较高；
课后习题
第一章课后习题1.简述数控机床经历的两个阶段和六代的发展过程。
答：数控技术是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物。
2.简述数控机床的发展趋势。
答：当前，世界数控技术及其装各正朝着下述几个方向发展:1. 高速、高效、高精度和高可靠性2.模块化、智能化、柔性化和集成化4.数控机床通常由哪些部分组成？各部分的作用是什么？答：数控机床通常是由程序载体：用于存取零件加工程序的装置计算机数控装置（CNC装置）：接收从输入装置送来的脉冲信号；并将信号通过数控装置的系统软件或逻辑电路的编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和控制指令。
伺服系统：把来自CNC装置的微弱指令信号调解、转换、放大后驱动伺服电动机，通过执行部件驱动机床移动部件的运动，使工作台精确定位或使刀具和工件及主轴按规定的轨迹运动，最后加工出符合图样要求的零件。
检测与反馈装置：将机床导轨和主轴移动的位移量、移动速度等参数检测出来，通过模数转换变成数字信号，并反馈到数控装置中，数控装置根据反馈回来的信息进行判断，并发出相应的指令，纠正所产生的误差。
辅助装置：把计算机送来的辅助控制指令经机床接口转换成强电信号，用来控制主轴电动机启停和变速、冷却液的开关及分度工作台的转位和自动换刀等动作。
机床主体：它是实现加工零件的执行部件。
5.简述数控机床的工作原理。
答：用数控机床加工零件时，首先将加工零件的几何信息和工艺信息编制成加工程序，由输入装置送入数控系统中，经过数控系统的处理、运算，按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大进行伺服电动机的驱动，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具与工件及其辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出零件的全部轮廓。
6.数控机床的分类通常是如何划分的？答：1.按工艺用途分类：1）切削加工类数控机床。
2）成型加工类数控机床。
3）特种加工类数控机床。
4）其他加工类数控机床2.按机床运动轨迹分类：1）点位控制数控机床。
《数控技术及应用》复习资料
第一章概论1、数控技术、数控机床、数控系统的概念数控技术是机械、电子、自动控制理论、计算机和检测技术密切结合的机电一体化高新技术；数控技术是现代制造技术的一种；数控技术是现代制造业的基础、集中体现；数控技术是现代制造业信息化的重要组成部分。
数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。
●数控技术，也叫计算机数控技术（Computerized Numerical Control 简称：CNC），它是采用计算机实现数字程序控制的技术。
这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。
由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可以通过计算机软件来完成。
●数控机床是数字控制机床（Numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。
数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是数控技术应用的典型产品。
1）简单说来所谓数控机床就是运用计算机对机床的机械加工过程进行数字化的自动控制。
2）具体来说：数控机床是通过将机床的各种动作的操作步骤、工件的形状尺寸以及机床的其他功能编制程序，精确控制机床运动部件的位移量，并且按加工的动作顺序要求自动控制机床各个部件的动作来完成机械加工工作的。
控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。
经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。
●数控系统（Numerical Control System）是数字控制系统的简称，根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。
是数控机床的核心部分。
(完整版)机床数控技术第二(2)版课后答案
第一章绪论简答题答案，没有工艺题的1 什么是数控机床答：简单地说，就是采用了数控技术（指用数字信号形成的控制程序对一台或多台机床机械设备进行控制的一门技术）的机床；即将机床的各种动作、工件的形状、尺寸以及机床的其他功能用一些数字代码表示，把这些数字代码通过信息载体输入给数控系统，数控系统经过译码、运算以及处理，发出相应的动作指令，自动地控制机床的道具与工件的相对运动，从而加工出所需要的工件。
2 数控机床由哪几部分组成？各组成部分的主要作用是什么？答：（1）程序介质：用于记载机床加工零件的全部信息。
（2）数控装置：控制机床运动的中枢系统，它的基本任务是接受程序介质带来的信息，按照规定的控制算法进行插补运算，把它们转换为伺服系统能够接受的指令信号，然后将结果由输出装置送到各坐标的伺服系统。
（3）伺服系统：是数控系统的执行元件，它的基本功能是接受数控装置发来的指令脉冲信号，控制机床执行元件的进给速度、方向和位移量，以完成零件的自动加工。
（4）机床主体（主机）：包括机床的主运动、进给运动部件。
执行部件和基础部件。
3 数控机床按运动轨迹的特点可分为几类？它们特点是什么？答：（1）点位控制数控机床：要求保证点与点之间的准确定位（它只能控制行程的终点坐标，对于两点之间的运动轨迹不作严格要求；对于此类控制的钻孔加工机床，在刀具运动过程中，不进行切削加工）。
（2）直线控制数控机床：不仅要求控制行程的终点坐标，还要保证在两点之间机床的刀具走的是一条直线，而且在走直线的过程中往往要进行切削。
（3）轮廓控制数控机床：不仅要求控制行程的终点坐标值，还要保证两点之间的轨迹要按一定的曲线进行；即这种系统必须能够对两个或两个以上坐标方向的同时运动进行严格的连续控制。
4 什么是开环、闭环、半闭环伺服系统数控机床？它们之间有什么区别？答：(1)开环：这类机床没有来自位置传感器的反馈信号。
数控系统将零件程序处理后，输出数字指令后给伺服系统，驱动机床运动；其结构简单、较为经济、维护方便，但是速度及精度低，适于精度要求不高的中小型机床，多用于对旧机床的数控化改造。
自动换刀装置换刀时间计量方法
置的刀具 ,在绝大部分的换刀中 ,刀库在加工的时间里 已为下一道工序选好了刀 。
刀 库 固 顺定 序 选 刀刀 库 移 动
半任 意选刀
任意 选刀
表 1 换刀方式及刀具位置对换刀时间计量的影响情况
刀对刀
位置对位置
换刀时间 是否包括选刀时间
T T Tmax 包括
T T Tmin 包括
P TPmax 包括
P TPmin 包括
具从主轴开始拔下到将下一工步需要的刀具完全插入 数控机床提供了需要的数据 。同时也可以说 ,位置对
主轴所要经历的时间 。至于这中间自动换刀装置需要 位置换刀时间不仅是自动换刀装置的一个主要性能参
经过什么样的换刀过程 ,因每种自动换刀装置的不同 数 ,同时也是数控机床的一个主要技术参数 。
而不同 。另外 ,换刀过程 (刀对刀换刀时间) 的前后自
可见 ,上述三种自动换刀装置换刀时间计量方法 体现了不同的重点 ,并且刀对刀换刀时间最短 ,切削对 切削换刀时间最长 。刀对刀换刀时间主要作为自动换
能仅有一个值 。在表 1 中 ,任意选刀方式条件下的换 刀时间 T T T 和 P TP 仅有一个值 ,是人为规定的 ,即在 任意选刀方式条件下测定刀对刀和位置对位置换刀时
位置对位置切削对换刀时间tttmaxtttminptpmaxptpminctcmaxctcmin是否包括选刀时间包括包括包括包括包括包括刀具在刀库位置最远位置最近位置最远位置最近位置最远位置最近位置换刀时间ttt仅一个ptp仅一个ctc仅一个是否包括选刀时间包括包括包括刀具在刀库位置最近位置最近位置最近位置换刀时间tttmaxtttminptpmaxptpminctcmaxctcmin是否包括选刀时间包括包括包括包括包括包括刀具在刀库位置最远位置最近位置最远位置最近位置最远位置最近位置换刀时间ttt仅一个ptp仅一个ctcmaxctcmin是否包括选刀时间不包括不包括部分包括不包括刀具在刀库位置任意位置任意位置最远位置任意位置生产加工中心的厂家最好能按表1给出比较完整的各种换刀时间或按表中情况给出所给换刀时间的必要说明
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数控机床结构及维修
第五章 自动换刀装置
2010-12-15
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数控机床结构及维修
第五章自动换刀装置
• • • • • 5.1 概述 5.2 刀架换刀 5.3刀库与机械手换刀 5.4 更换主轴换刀与更换主轴箱换刀 5.5自动换刀装置的常见故障与维修
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第五章 自动换刀装置
5.1 概述 一、ATC刀具自动交换 刀具自动交换 为进一步提高数控机床的加工效率， 为进一步提高数控机床的加工效率 ， 实现一次装 夹即可完成多道工序或全部工序加工的方向发展,需求， 夹即可完成多道工序或全部工序加工的方向发展,需求， 必须有因此出现了各种类型的加工中心机床。 必须有因此出现了各种类型的加工中心机床。 这类多工序的数控机床在加工过程中要使用多种 刀具， 因此必须有自动换刀装置，以便选用不同刀具， 刀具 ， 因此必须有自动换刀装置 ， 以便选用不同刀具 ， 完成不同工序的加工工艺。 完成不同工序的加工工艺。 自动换刀装置应当具备换刀时间短且换刀可靠、 自动换刀装置应当具备换刀时间短且换刀可靠 、 刀具重复定位精度高、 足够的刀具储备量、 刀具重复定位精度高 、 足够的刀具储备量 、 占地面积 安全可靠等特性。 小、安全可靠等特性。
图5-4 非接触式磁性识别 1- 刀柄套 2-导磁材料编码环 3-识别装置 4-非导磁材料编码环 5-一次线圈 6-检测线圈 7-二次线圈
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（2）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 这种装置利用光导纤维良好的光传导特性， 光导纤维构成阅读头。 光导纤维构成阅读头。 • 用靠近的二束光导纤维来阅读二进制码的一位时，其 用靠近的二束光导纤维来阅读二进制码的一位时， 中一束将光源投射到能反光或不能反光(被涂黑 被涂黑)的金 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， 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， 转换成电信号，以判断正对这二束光导纤维的金属表 面有无反射光，有反射时(表面光亮 表面光亮)为 面有无反射光，有反射时 表面光亮 为“1”，无反射 ， 表面涂黑)为 所示。 时(表面涂黑 为“0”，如图 表面涂黑 ，如图4-5b所示。 所示 • 在刀具的某个磨光部位按二进制规律涂黑或不涂黑， 在刀具的某个磨光部位按二进制规律涂黑或不涂黑， 就可给刀具编上号码。 就可给刀具编上号码。正当中的一小块反光部分用来 发出同步信号
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1、合理确定刀库储存量
• 刀库储存量过大，导致刀库的结构庞大而复杂，影响 刀库储存量过大，导致刀库的结构庞大而复杂， 机床总体布局；储存量过小， 机床总体布局；储存量过小，则不能满足复杂零件的 加工要求。因此，刀库容量应在经济合理的条件下， 加工要求。因此，刀库容量应在经济合理的条件下， 力图将一组类似的零件所需的全部刀具装入刀库， 力图将一组类似的零件所需的全部刀具装入刀库，以 缩短每次装刀所需的装调时间。对国内外300 300多种刀库 缩短每次装刀所需的装调时间。对国内外300多种刀库 储存容量统计的结果表明，一般刀库的储存量以10 10储存容量统计的结果表明，一般刀库的储存量以10-40 把较为适合，41-60把刀具基本上能满足绝大多数零件 把较为适合，41-60把刀具基本上能满足绝大多数零件 的加工要求。少于10把超过60把的很少。 10把超过60把的很少 的加工要求。少于10把超过60把的很少
• 非接触式刀具识别装置没有机械直接接触，因而无磨 非接触式刀具识别装置没有机械直接接触， 无噪声、寿命长、反应速度快，适应于高速、 损、无噪声、寿命长、反应速度快，适应于高速、换 刀频繁的工作场合。常用的有磁性识别和光电识别。 刀频繁的工作场合。常用的有磁性识别和光电识别。 • （1）非接触式磁性识别法 ） • （2）光学纤维刀具识别装置 ）
图5-1 刀具编码方式
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2 刀座编码方式
• 这种编码方式对每个刀 座都进行编码， 座都进行编码，刀具也 编号， 编号，并将刀具放到与 其号码相符的刀座中， 其号码相符的刀座中， 换刀时刀库旋转， 换刀时刀库旋转，使各 个刀座依次经过识刀器， 个刀座依次经过识刀器， 直至找到规定的刀座， 直至找到规定的刀座， 刀库便停止旋转。 刀库便停止旋转。 图5-2 刀座编码方式
表5-1 自动换刀装置类型
类别型式 回转刀架 转 塔 式 特 点 多为顺序换刀， 多为顺序换刀，换刀 时间短、 时间短、结构简单紧 凑、容纳刀具较少
顺序换刀，换刀时间短， 顺序换刀，换刀时间短， 刀具主轴都集中在转塔头 结构紧凑。 上，结构紧凑。但刚性较 差，刀具主轴数受限制
各种数控车床， 各种数控车床，数控车削 加工中心 数控钻、 数控钻、镗、铣床
转塔头
刀 库 式
刀具与主轴之 间直接换刀
换刀运动集中， 换刀运动集中，运动 部件少， 部件少，但刀库容量 受限。 受限。
用机械手配合 刀库进行换刀
刀库只有选刀动， 刀库只有选刀动，机 械手进行换刀运动， 械手进行换刀运动， 刀库容量大
各种类型的自动换刀 数控机床。 数控机床。尤其是对使用 回转类刀具的数控镗、 回转类刀具的数控镗、铣 床类立式、 床类立式、卧式加工中心 机床； 机床； 要根据工艺范围和机 床特点， 床特点，确定刀库容量和 自动换刀装置类型。 自动换刀装置类型。
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图5-5 光学纤维刀具识别装置
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四、利用PC(可编程序控制器)实现随机换刀 利用PC(可编程序控制器) PC(可编程序控制器
• 由于计算机技术的发展．可以利用软件选刀。它代替 由于计算机技术的发展．可以利用软件选刀。 了传统的编码环和识刀器。 了传统的编码环和识刀器。 • 在这种选刀与换刀的方式中，刀库上的刀具能与主轴 在这种选刀与换刀的方式中， 上的刀具任意地直接交换，即随机换刀。 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 主轴上换来的新刀号及还回刀库上的刀具号， PLC内部相应地存储单元记忆。随机换刀控制方式需 内部相应地存储单元记忆。 内部相应地存储单元记忆 要在PLC内部设置一个模拟刀库的数据表，其长度和 内部设置一个模拟刀库的数据表， 要在 内部设置一个模拟刀库的数据表 表内设置的数据与刀库的位置数和刀具号相对应。 表内设置的数据与刀库的位置数和刀具号相对应。 • 这种方法主要由软件完成选刀，从而消除了由于识刀 这种方法主要由软件完成选刀， 装置的稳定性，可靠性所带来的选刀失误。 装置的稳定性，可靠性所带来的选刀失误。
4
二、刀具的选择 自动选刀：按数控装置的刀具选择指令， 自动选刀：按数控装置的刀具选择指令，从刀库中 将所需要的刀具转换到取刀位置，称为自动选刀。 将所需要的刀具转换到取刀位置，称为自动选刀。 在刀库中， 在刀库中，选择刀具通常采用 ： 1．顺序选择刀具 2．任意选择刀具
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任意选择法主要有三种编码方式
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3 编码附件方式
• 编码附件方式可分为编码钥匙、编码卡片、编码杆和 编码附件方式可分为编码钥匙、编码卡片、 编码钥匙 编码盘等 其中应用最多的是编码钥匙。 编码盘等，其中应用最多的是编码钥匙。 • 这种方式是先给各刀具都缚上一把表示该刀具号的编 码钥匙，当把各刀具存放到刀库的刀座中时， 码钥匙，当把各刀具存放到刀库的刀座中时，将编码 钥匙插进刀座旁边的钥匙孔中， 钥匙插进刀座旁边的钥匙孔中，这样就把钥匙的号码 转记到刀座中，给刀座编上了号码。 转记到刀座中，给刀座编上了号码。 • 识别装置可以通过识别钥匙上的号码来选取该钥匙旁 边刀座中的刀具。 边刀座中的刀具。
• (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
6
1 刀具编码方式
这种方式是对每把刀具进行编码， 这种方式是对每把刀具进行编码，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。 有自己的代码，因此，可以存放于刀库的任一刀座中。 这样刀库中的刀具在不同的工序中也就可重复使用， 这样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， 用过的刀具也不一定放回原刀座中，避免了因刀具存放 在刀库中的顺序差错而造成的事故， 在刀库中的顺序差错而造成的事故，同时也缩短了刀库 的运转时间简化了自动换刀控制线路。 的运转时间简化了自动换刀控制线路。
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一、刀库的形式
图5-10 盘形刀库
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图5-11 链式刀库
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圆 盘 式 刀 库 结 构 图
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圆盘式刀库结构图
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• THK6370 自动换刀 数控卧式 镗铣床采 用链式刀 库。
图5-13 链式刀库结构示意图
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二、设计刀库时应考虑的主要问题
• 1、合理确定刀库储存量 • 2、尽量缩短选刀时间 • 3、刀库运动速度应适宜 • 4、要求刀具运行平稳 • 5、刀座在刀库中的排列 • 6、其他应注意的问题
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图5-9 一般转塔回转刀架 1-活塞 2-刀架 3、4-定位杆 5-离合器 6-活塞 7-齿轮 101112138-齿条 9、10-插销 11-推杆 12-触头 13-接板
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5.3刀库与机械手换刀 5.3刀库与机械手换刀
• 刀库用于存放刀具，它是自动换刀装置中主要部件之 刀库用于存放刀具， 其容量、 一。其容量、布局和具体结构对数控机床的设计有很 大影响。 大影响。
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5.2 刀架换刀
一、排刀式刀架
图5-6 排刀式刀架布置图
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图5-7
快换台板
18Biblioteka 二、经济型数控车床方刀架• 经济型数控车床方刀架是在普通车床四方刀架的基础 上发展的一种自动换刀装置， 上发展的一种自动换刀装置，其功能和普通四方刀架 一样，有四个刀位， 能装夹4把不同功能的刀具， 一样 ， 有四个刀位 ， 能装夹 4 把不同功能的刀具 ， 方 刀架回转90 90° 刀具交换一个刀位， 刀架回转90°时，刀具交换一个刀位，但方刀架的回 转和刀位号的选择是由加工程序指令控制。 转和刀位号的选择是由加工程序指令控制。 • 换刀时方刀架的动作顺序是：刀架抬起、刀架转位、 换刀时方刀架的动作顺序是：刀架抬起、刀架转位、 刀架定位和夹紧刀架。为完成上述动作要求， 刀架定位和夹紧刀架。为完成上述动作要求，要有相 应的机构来实现，下面就以WZD WZD4 应的机构来实现，下面就以WZD4型刀架为例说明其具 体结构,如图5 所示。 体结构,如图5-8所示。
第五章 自动换刀装置
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数控机床结构及维修
第五章自动换刀装置
• • • • • 5.1 概述 5.2 刀架换刀 5.3刀库与机械手换刀 5.4 更换主轴换刀与更换主轴箱换刀 5.5自动换刀装置的常见故障与维修
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第五章 自动换刀装置
5.1 概述 一、ATC刀具自动交换 刀具自动交换 为进一步提高数控机床的加工效率， 为进一步提高数控机床的加工效率 ， 实现一次装 夹即可完成多道工序或全部工序加工的方向发展,需求， 夹即可完成多道工序或全部工序加工的方向发展,需求， 必须有因此出现了各种类型的加工中心机床。 必须有因此出现了各种类型的加工中心机床。 这类多工序的数控机床在加工过程中要使用多种 刀具， 因此必须有自动换刀装置，以便选用不同刀具， 刀具 ， 因此必须有自动换刀装置 ， 以便选用不同刀具 ， 完成不同工序的加工工艺。 完成不同工序的加工工艺。 自动换刀装置应当具备换刀时间短且换刀可靠、 自动换刀装置应当具备换刀时间短且换刀可靠 、 刀具重复定位精度高、 足够的刀具储备量、 刀具重复定位精度高 、 足够的刀具储备量 、 占地面积 安全可靠等特性。 小、安全可靠等特性。
图5-4 非接触式磁性识别 1- 刀柄套 2-导磁材料编码环 3-识别装置 4-非导磁材料编码环 5-一次线圈 6-检测线圈 7-二次线圈
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（2）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 这种装置利用光导纤维良好的光传导特性， 光导纤维构成阅读头。 光导纤维构成阅读头。 • 用靠近的二束光导纤维来阅读二进制码的一位时，其 用靠近的二束光导纤维来阅读二进制码的一位时， 中一束将光源投射到能反光或不能反光(被涂黑 被涂黑)的金 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， 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， 转换成电信号，以判断正对这二束光导纤维的金属表 面有无反射光，有反射时(表面光亮 表面光亮)为 面有无反射光，有反射时 表面光亮 为“1”，无反射 ， 表面涂黑)为 所示。 时(表面涂黑 为“0”，如图 表面涂黑 ，如图4-5b所示。 所示 • 在刀具的某个磨光部位按二进制规律涂黑或不涂黑， 在刀具的某个磨光部位按二进制规律涂黑或不涂黑， 就可给刀具编上号码。 就可给刀具编上号码。正当中的一小块反光部分用来 发出同步信号
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1、合理确定刀库储存量
• 刀库储存量过大，导致刀库的结构庞大而复杂，影响 刀库储存量过大，导致刀库的结构庞大而复杂， 机床总体布局；储存量过小， 机床总体布局；储存量过小，则不能满足复杂零件的 加工要求。因此，刀库容量应在经济合理的条件下， 加工要求。因此，刀库容量应在经济合理的条件下， 力图将一组类似的零件所需的全部刀具装入刀库， 力图将一组类似的零件所需的全部刀具装入刀库，以 缩短每次装刀所需的装调时间。对国内外300 300多种刀库 缩短每次装刀所需的装调时间。对国内外300多种刀库 储存容量统计的结果表明，一般刀库的储存量以10 10储存容量统计的结果表明，一般刀库的储存量以10-40 把较为适合，41-60把刀具基本上能满足绝大多数零件 把较为适合，41-60把刀具基本上能满足绝大多数零件 的加工要求。少于10把超过60把的很少。 10把超过60把的很少 的加工要求。少于10把超过60把的很少
• 非接触式刀具识别装置没有机械直接接触，因而无磨 非接触式刀具识别装置没有机械直接接触， 无噪声、寿命长、反应速度快，适应于高速、 损、无噪声、寿命长、反应速度快，适应于高速、换 刀频繁的工作场合。常用的有磁性识别和光电识别。 刀频繁的工作场合。常用的有磁性识别和光电识别。 • （1）非接触式磁性识别法 ） • （2）光学纤维刀具识别装置 ）
图5-1 刀具编码方式
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2 刀座编码方式
• 这种编码方式对每个刀 座都进行编码， 座都进行编码，刀具也 编号， 编号，并将刀具放到与 其号码相符的刀座中， 其号码相符的刀座中， 换刀时刀库旋转， 换刀时刀库旋转，使各 个刀座依次经过识刀器， 个刀座依次经过识刀器， 直至找到规定的刀座， 直至找到规定的刀座， 刀库便停止旋转。 刀库便停止旋转。 图5-2 刀座编码方式
表5-1 自动换刀装置类型
类别型式 回转刀架 转 塔 式 特 点 多为顺序换刀， 多为顺序换刀，换刀 时间短、 时间短、结构简单紧 凑、容纳刀具较少
顺序换刀，换刀时间短， 顺序换刀，换刀时间短， 刀具主轴都集中在转塔头 结构紧凑。 上，结构紧凑。但刚性较 差，刀具主轴数受限制
各种数控车床， 各种数控车床，数控车削 加工中心 数控钻、 数控钻、镗、铣床
转塔头
刀 库 式
刀具与主轴之 间直接换刀
换刀运动集中， 换刀运动集中，运动 部件少， 部件少，但刀库容量 受限。 受限。
用机械手配合 刀库进行换刀
刀库只有选刀动， 刀库只有选刀动，机 械手进行换刀运动， 械手进行换刀运动， 刀库容量大
各种类型的自动换刀 数控机床。 数控机床。尤其是对使用 回转类刀具的数控镗、 回转类刀具的数控镗、铣 床类立式、 床类立式、卧式加工中心 机床； 机床； 要根据工艺范围和机 床特点， 床特点，确定刀库容量和 自动换刀装置类型。 自动换刀装置类型。
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图5-5 光学纤维刀具识别装置
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四、利用PC(可编程序控制器)实现随机换刀 利用PC(可编程序控制器) PC(可编程序控制器
• 由于计算机技术的发展．可以利用软件选刀。它代替 由于计算机技术的发展．可以利用软件选刀。 了传统的编码环和识刀器。 了传统的编码环和识刀器。 • 在这种选刀与换刀的方式中，刀库上的刀具能与主轴 在这种选刀与换刀的方式中， 上的刀具任意地直接交换，即随机换刀。 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 主轴上换来的新刀号及还回刀库上的刀具号， PLC内部相应地存储单元记忆。随机换刀控制方式需 内部相应地存储单元记忆。 内部相应地存储单元记忆 要在PLC内部设置一个模拟刀库的数据表，其长度和 内部设置一个模拟刀库的数据表， 要在 内部设置一个模拟刀库的数据表 表内设置的数据与刀库的位置数和刀具号相对应。 表内设置的数据与刀库的位置数和刀具号相对应。 • 这种方法主要由软件完成选刀，从而消除了由于识刀 这种方法主要由软件完成选刀， 装置的稳定性，可靠性所带来的选刀失误。 装置的稳定性，可靠性所带来的选刀失误。
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二、刀具的选择 自动选刀：按数控装置的刀具选择指令， 自动选刀：按数控装置的刀具选择指令，从刀库中 将所需要的刀具转换到取刀位置，称为自动选刀。 将所需要的刀具转换到取刀位置，称为自动选刀。 在刀库中， 在刀库中，选择刀具通常采用 ： 1．顺序选择刀具 2．任意选择刀具
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任意选择法主要有三种编码方式
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3 编码附件方式
• 编码附件方式可分为编码钥匙、编码卡片、编码杆和 编码附件方式可分为编码钥匙、编码卡片、 编码钥匙 编码盘等 其中应用最多的是编码钥匙。 编码盘等，其中应用最多的是编码钥匙。 • 这种方式是先给各刀具都缚上一把表示该刀具号的编 码钥匙，当把各刀具存放到刀库的刀座中时， 码钥匙，当把各刀具存放到刀库的刀座中时，将编码 钥匙插进刀座旁边的钥匙孔中， 钥匙插进刀座旁边的钥匙孔中，这样就把钥匙的号码 转记到刀座中，给刀座编上了号码。 转记到刀座中，给刀座编上了号码。 • 识别装置可以通过识别钥匙上的号码来选取该钥匙旁 边刀座中的刀具。 边刀座中的刀具。
• (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
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1 刀具编码方式
这种方式是对每把刀具进行编码， 这种方式是对每把刀具进行编码，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。 有自己的代码，因此，可以存放于刀库的任一刀座中。 这样刀库中的刀具在不同的工序中也就可重复使用， 这样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， 用过的刀具也不一定放回原刀座中，避免了因刀具存放 在刀库中的顺序差错而造成的事故， 在刀库中的顺序差错而造成的事故，同时也缩短了刀库 的运转时间简化了自动换刀控制线路。 的运转时间简化了自动换刀控制线路。
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一、刀库的形式
图5-10 盘形刀库
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图5-11 链式刀库
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圆 盘 式 刀 库 结 构 图
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圆盘式刀库结构图
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• THK6370 自动换刀 数控卧式 镗铣床采 用链式刀 库。
图5-13 链式刀库结构示意图
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二、设计刀库时应考虑的主要问题
• 1、合理确定刀库储存量 • 2、尽量缩短选刀时间 • 3、刀库运动速度应适宜 • 4、要求刀具运行平稳 • 5、刀座在刀库中的排列 • 6、其他应注意的问题
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图5-9 一般转塔回转刀架 1-活塞 2-刀架 3、4-定位杆 5-离合器 6-活塞 7-齿轮 101112138-齿条 9、10-插销 11-推杆 12-触头 13-接板
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5.3刀库与机械手换刀 5.3刀库与机械手换刀
• 刀库用于存放刀具，它是自动换刀装置中主要部件之 刀库用于存放刀具， 其容量、 一。其容量、布局和具体结构对数控机床的设计有很 大影响。 大影响。
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5.2 刀架换刀
一、排刀式刀架
图5-6 排刀式刀架布置图
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图5-7
快换台板
18Biblioteka 二、经济型数控车床方刀架• 经济型数控车床方刀架是在普通车床四方刀架的基础 上发展的一种自动换刀装置， 上发展的一种自动换刀装置，其功能和普通四方刀架 一样，有四个刀位， 能装夹4把不同功能的刀具， 一样 ， 有四个刀位 ， 能装夹 4 把不同功能的刀具 ， 方 刀架回转90 90° 刀具交换一个刀位， 刀架回转90°时，刀具交换一个刀位，但方刀架的回 转和刀位号的选择是由加工程序指令控制。 转和刀位号的选择是由加工程序指令控制。 • 换刀时方刀架的动作顺序是：刀架抬起、刀架转位、 换刀时方刀架的动作顺序是：刀架抬起、刀架转位、 刀架定位和夹紧刀架。为完成上述动作要求， 刀架定位和夹紧刀架。为完成上述动作要求，要有相 应的机构来实现，下面就以WZD WZD4 应的机构来实现，下面就以WZD4型刀架为例说明其具 体结构,如图5 所示。 体结构,如图5-8所示。