加工中心自动换刀装置的设计
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加工中心自动换刀系统 1前言
随着数控技术的发展，带有自动换刀系统的加工中心在现代制造业中起着愈来愈重要的作用，它能缩短产品的制造周期，提高产品的加工精度，适合柔性加[1]工。
人们一直寻求各种方式，提高加工中心的加工效率。如提高进给与移动速度、提高主轴转速、加大主轴电机功率、加大切削用量、采用高质量刀具等。在高节拍多次换刀的加工过程中，缩短换刀时间，可大大提高生产效率。国内外加工中心生产厂家都投入大量的资金和精力，研制自动换刀装置，以缩短换刀时间，提高工作效率和竞争力。自动换刀装置是专门为大中型加工中心配套，实现其刀具储备及自动交换功能的重要功能部件，是高档加工中心和重型加工中心的重要组成部分。其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间，以提高生产率，降低生产成本，进而提升机床乃至整个生产线的生产力。自动换刀装置的换刀速度和可
[2]靠性，是数控机床系统先进与否的一个重要标志。
2、自动换刀系统的组成
[2,3,5]自动换刀系统一般由刀库、机械手和驱动装置组成。
一般来说，刀库容量可大可小，其装刀数量在20,180把之间。刀库的功能是存储刀具并把下一把即将要用的刀具准确地送到换刀位置，供换刀机械手完成新旧刀具的交换。
当刀库容量大时，常远离主轴配置且整体移动不易，这就需要在主轴和刀库之间配置换刀机构来执行换刀动作。完成此功能的机构包括送刀臂、摆刀站和换刀臂，总称为机械手。具体来说，它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。
[4]驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的装置，一般由步进电机或液压(或气液机构)或凸轮机构组成。机械手完成刀库里的刀与主轴上的刀的交换工作。由于数控加工中心的刀库容量、换刀可靠性及换刀速度直接影响到加工中心的效率，而自动换刀就是进一步压缩非切削时间，提高生产效率，改善劳动条件。所以数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道加工工序，缩短辅助时间，减少课件之家精心整理资料--欢迎你的欣赏
第二节 数控加工系统的自动换刀装置
为了进一步提高数控机床的加工效率，数控机床向着工件在一台机床上经一次装夹可完成多道工序或全部工序加工的方向发展，从而出现了各种类型的加工中心机床和车削中心机床。这类机床为了完成不同工序的加工工艺，需使用多种刀具，因此必须有自动换刀装置。自动换刀装置应满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀具储存量足够、结构紧凑及安全可靠等要求。
各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀种类和数目。目前数控机床使用的自动换刀装置主要有转塔式自动换刀和刀库式自动换刀二种。
一、转塔式自动换刀装置
转塔式自动换刀装置又分回转刀架式和转塔头式二种，回转刀架式用于各种数控车床和车削中心机床。转塔头式多用于数控钻、镗、铣床。
（一）回转刀架换刀
回转刀架换刀是一种简单的自动换刀装置。在回转刀架各刀座安装或夹持各种不同用途的刀具，通过回转刀架的转位实现换刀。回转刀架可在回转轴径向和轴向安装刀具。在数控车床上，回转刀架和其上的刀具布置大致有：
（1）一个回转刀架，外圆类、内孔类刀具混合放置，如图6-10所示。
（2）两个回转刀架，分别布置外圆和内孔类刀具。
如图6-11所示，上刀架的回转轴与主轴平行，用于装外圆类刀具；下刀架的回转轴与主轴垂直，用于装内孔类刀具。
图6-11 带有两个回转刀架的数控车床 图6-12 双排回转刀架外形图
（3）一个回转刀架，外圆类、内孔类刀具分别布置在刀架的一侧面，如图6-12所示 。回转刀架的回转轴与主轴倾斜，每个刀位上可装两把刀具，用于加工外圆和内孔。
回转刀架的工位数最多可达20余个，但最常用的是8、10、12和16工位4种。工位数越多，刀间夹角越小，非加工位置刀具与工件相碰而产生的干涉可能性越大；在刀架布 刀时要给予考虑，避免发生干涉现象。
回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时切削抗力和减小刀架 在切削力作用下的位移变形，提高加工精度。回转刀架还要选择可靠的定位方案和定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后具有高的重复定位精度。
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 College
Vol 2 7 No 1
Jan . 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- 05
1
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
自动换刀装置认知
1．数控车床刀架
刀架是数控机床的重要功能部件，其结构型式很多，主要取决于机床的形式、工艺范围以及刀具的种类和数量等。下面介绍几种典型刀架结构。
〔1〕数控车床方刀架
数控车床方刀架的动作要求是：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，见图4-14所示。
图4-14 数控车床方刀架结构
1—电机 2—联轴器 3—蜗杆轴 4—蜗轮丝杠 5—刀架底座
6—粗定位盘 7—刀架体 8—球头销
9 —转位套 10—电刷座 11—发迅体 12—螺母 13 、14—电刷 15—粗定位销
该刀架可以安装四把不同的刀具，转位信号由加工程序指定。当换刀指令发出后，小型电机1起动正转，通过平键套筒联轴器2使蜗杆轴3转动，从而带动蜗轮4转动。蜗轮的上部外圆柱加工有外螺纹，所以该零件称蜗轮丝杠。刀架体7内孔加工有内螺纹，与蜗轮丝杠旋合。蜗轮丝杠内孔与刀架中心轴外圆是滑动配合，在转位换刀时，中心轴固定不动，蜗轮丝杠环绕中心轴旋转。当蜗轮开始转动时，由于在刀架底座5和刀架体7上的端面齿处在啮合状态，且蜗轮丝杠轴向固定，这时刀架体7抬起。当刀架体抬至一定距离后，端面齿脱开。转位套9用销钉与蜗轮丝杠4联接，随蜗轮丝杠一同转动，当端面齿完全脱开，转位套正好转过160°〔如图Ａ－Ａ剖示所示〕，球头销8在弹簧力的作用下进入转位套9的槽中，带动刀架体转位。刀架体7转动时带着电刷座10转动，当转到程序指定的刀号时，定位销15在弹簧的作用下进入粗定位盘6的槽中进行粗定位，同时电刷13、14接触导通，使电机1反转，由于粗定位槽的限制，刀架体7不能转动，使其在该位置垂直落下，刀架体7和刀架底座5上的端面齿啮合，实现精确定位。电机继续反转，此时蜗轮停止转动，蜗杆轴3继续转动，随着夹紧力增加，转矩不断增大时，到达一定值时，在传感器的控制下，电机1停止转动。
