数控机床为了能在工件一次装夹中完成多种甚至所有加工工序,以缩短辅助时间和减少多次安装工件所引起的误差,必须带有自动换刀装置。对自动换刀装置的基本要求是:换刀时间短,刀具重复定位精度高,有足够的刀具存储量,刀库占地面积小且安全可靠。

数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的形式、工艺范围及其刀具的种类和数量。其基本类型有以下几种。

1.回转刀架换刀装置

回转刀架是一种最简单的自动换刀装置,常用于数控车床。根据加工对象的不同,回转刀架可以设计成四方刀架、六角刀架或圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。回转刀架上分别安装着四把、六把或更多的刀具,并按数控装置的指令换刀。回转刀架须有合理的定位方案和可靠的夹紧结构,以保证有尽可能高的重复定位精度。图2-27所示为数控车床上广泛采用的卧式回转刀架。

2.多主轴转塔头换刀装置

图2-27　卧式回转刀架

主轴转塔头换刀是一种比较简单的换刀方式,主轴转塔头实际就是一个转塔刀库,有卧式和立式两种。如图2-28所示,数控转塔式镗、铣床通过转塔的转位来更换主轴,以实现自动换刀。在转塔的各个主轴上,预先安装有各工序所需要的旋转刀具,当发出换刀指令时,各主轴头依次转到加工位置,并接通主运动,使相应的主轴带动刀具旋转,而其他处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。这种换刀装置,操作简单,换刀时间短,并提高了换刀的可靠性。为了保证主轴的刚性,必须限制主轴的数目,否则会使结构尺寸增大。因此,主轴转塔头适用于工序较少、精度要求不太高的机床,例如数控钻床、铣床等。

图2-28　数控转塔式镗、铣床

3.刀库－机械手自动换刀系统

(1)刀库的形式

在自动换刀装置中,刀库是最主要的部件之一。刀库是用来储存加工刀具及辅助工具的地方,其容量、布局以及具体结构对数控机床的设计都有很大影响。根据刀库的容量和取刀的方式,刀库可以设计成各种形式。常见的形式有如下几种。

1)线形刀库刀具在刀库中呈直线排列,如图2-29所示。其结构简单,刀库容量小,一般可容纳8～12把刀具。此形式多见于自动换刀数控车床。

图2-29　线形刀库的形式(www.daowen.com)

2)链式刀库　这种刀库刀座固定在环形链节上。图2-30(a)所示为常用的单环链式刀库。图2-30(b)所示为多环链式刀库,链条折叠回绕,增加存刀量。链式刀库结构紧凑,刀库容量大,链环可根据机床的布局制成各种形状,同时可以将换刀位突出以便于换刀。在一定范围内,需要增加刀具数量时,可增加链条的长度,而不增加链轮直径。当刀具数量为30～120把时,多采用链式刀库。

图2-30　链式刀库

3)圆盘刀库　圆盘刀库最常用的一种刀库形式,种类很多。如图2-31所示,其存刀量最多为50～60把,存刀量过多,则结构尺寸庞大,与机床布局不协调。为进一步扩大存刀量,有的机床使用多圈分布刀具的圆盘刀库、多层圆盘刀库、多排圆盘刀库。

4)箱形刀库　如图2-32所示,为减少换刀时间,换刀机械手通常利用前一把刀具加工工件的时间,预先取出要更换的刀具。箱形刀库占地面积小,结构紧凑,在相同的空间内可以容纳的刀具数目较多,但由于它的选刀和取刀动作复杂,较少用于单机加工中心,多用于柔性制造系统中的集中供刀系统。

图2-31　圆盘刀库

图2-32　箱形刀库

(2)刀具交换方式

数控机床的自动换刀装置中,由刀具交换装置实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具。刀具交换方式和结构对机床的生产率、工作可靠性都有着直接的影响。刀具的交换方式可分为以下两大类。

1)无机械手换刀　由刀库和机床主轴的相对运动实现的刀具交换。换刀时,必须首先将用过的刀具送回刀库,然后从刀库中取出新刀具,这两个动作不可能同时进行,因此换刀时间长,但省去了结构复杂的换刀机械手,提高了换刀的可靠性。

2)机械手换刀　由机械手实现换刀,具有很大的灵活性,选刀和换刀两个动作可同时进行。在各种类型的机械手中,双臂机械手应用最为广泛。

图2-33所示为双臂机械手中最常见的几种结构形式,分别是:钩手,如图2-33(a)所示;抱手,如图2-33(b)所示;伸缩手如图2-33(c)所示;叉手,如图2-33(d)所示。这几种机械手能够完成抓刀、拔刀、换刀、插刀以及复位等全部动作。为了防止刀具掉落,各机械手的活动爪都必须带有自锁结构。图2-33(a)～(c)的双臂回转机械手动作比较简单,而且能够同时抓取和装卸机床主轴和刀库中的刀具,因此换刀时间可以进一步缩短。图2-33(d)所示的双臂回转机械手,虽不是同时抓取主轴和刀库中的刀具,但是换刀准备时间及将刀具送回刀库的时间(图中实线所示位置)与机械加工时间重合,因而换刀(图中双点画线所示位置)时间较短。

图2-33　双臂机械手换刀结构