数控机床自动换刀装置原理

㈠ 自动回转刀架的工作原理是什么

数控车床上使用的回转刀架是一种最简单的自动换刀装置，根据不同加工对象，专可以设计成四属方刀架和六角刀架等多种形式。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。

㈡ 数控机床的自动换刀装置都有哪些方式

1、刀具交换方式
数控机床的自动换刀装置中，实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具交换装置。刀具的交换方式和它们的具体结构对机床的生产率和工作可靠性有着直接的影响。
刀具的交换方式很多，一般可分为以下两大类。
（一）无机械手换刀
无机械手换刀，是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，然后再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。所示的数控立式镗铣床就是采用这种换刀方式的实例。它的选刀和换刀由三个坐标轴的数控定位系统来完成，因此每交换一次刀具，工作台和主轴箱就必须沿着三个坐标轴作两次来回运动，因而增加了换刀时间。另外，由于刀库置于工作台上，减少了工作台的有效使用面积。
（二）机械手换刀
由于刀库及刀具交换方式的不同，换刀机械手也有多种形式。因为机械手换刀有很大的灵活性，而且还可以减少换刀时间，应用最为广泛。
在各种类型的机械手中，双臂机械手全面地体现了以上优点，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。双臂回转机械手的动作比较简单，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。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（图中双点划线所示位置）时间较短。
2、机械手形式
在自动换刀数控机床中，机械手的形式也是多种多样，常见的有以下几种形式。
1、单臂单爪回转式机械手
这种机械手的手臂可以回转不同的角度来进行自动换刀，其手臂上只有一个卡爪，不论在刀库上或是在主轴上，均靠这个卡爪来装刀及卸刀，因此换刀时间较长。
2、单臂双爪回转式机械手
这种机械手的手臂上有两个卡爪，两个卡爪有所分工。一个卡爪只执行从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务，另一个卡爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务。其换刀时间较上述单爪回转式机械手要少。
3、双臂回转式机械手
这种机械手的两臂上各有一个卡爪，两个卡爪可同时抓取刀库及主轴上的刀具，回转180°后又同时将刀具放回刀库及装入主轴。这种机械手换刀时间较以上两种单臂机械手均短，是最常用的一种形式。
4、双机械手
这种机械手相当于两个单臂单爪机械手，它们互相配合进行自动换刀。其中一个机械手从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个由刀库中取出“新刀”装入机床主轴。
5、双臂往复交叉式机械手
这种机械手的两手臂可以往复运动，并交叉成一定的角度。一个手臂从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个手臂由刀库中取出“新刀”装入主轴。整个机械手可沿某导轨直线移动或绕某个转轴回转，以实现由刀库与主轴间的运刀工作。
6、双臂端面夹紧式机械手
这种机械手只是在夹紧部位上与前几种不同。前几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面来抓取刀具，这种机械手则是靠夹紧刀柄的两个端面来抓取的。
3、机械手夹持结构
在换刀过程中，由于机械手抓住刀柄要作快速回转，要作拔、插刀具的动作，还要保证刀柄键槽的角度位置对准主轴上的驱动键。因此，机械手的夹持部分要十分可靠，并保证有适当的夹紧力，其活动爪要有锁紧装置，以防止刀具在换刀过程中转动脱落。机械手夹持刀具的方法有以下两种。
（一）柄式夹持
柄式夹持，也称轴向夹持或V形槽夹持。其刀柄前端有V形槽，供机械手夹持用，目前我国数控机床较多采用这种夹持方式。机械手手掌结构示意图。它由固定爪及活动爪组成，活动爪可绕轴回转，其一端在弹簧柱塞的作用下，支靠在挡销上，调整螺钉以保持手掌适当的夹紧力，锁紧销使活动爪牢固地夹持刀柄，防止刀具在交换过程中松脱。锁紧销还可轴向移动，使活动爪放松，以便杈刀从刀柄V形槽中退出。
（二）法兰盘式夹持
法兰盘式夹持，也称径向夹持或碟式夹持。刀柄的前端有供机械手夹持的法兰盘。采用法兰盘式夹持的优点是：当采用中间搬运装置时，可以很方便从一个机械手过渡到另一个辅助机械手上去。对于法兰盘式夹持方式，其换刀动作较多，不如柄式夹持方式应用广泛。
4、自动换刀动作顺序
由于自动换刀装置的布局结构多种多样，其换刀过程动作顺序会不尽相同。下面分别以常见的双臂往复交叉式机械手和钩刀机械手为例用动作分图加以说明。
（一）双臂往复交叉式机械手的换刀过程
（1）开始换刀前状态。主轴正用T05号刀具进行加工，装刀机械手已抓住下一工步需用的T09号刀具，机械手架处于最高位置，为换刀做好了准备；
（2）上一工步结束，机床立柱后退，主轴箱上升，使主轴处于换刀位置。接着下一工步开始，其第一个指令是换刀，机械手架回转180o转向主轴。
（3）卸刀机械手前伸，抓住主轴上已用过的T05号刀具。
（4）机械手架由滑座带动，沿刀具轴线前移，将T05号刀具从主轴上拔出。
（5）卸刀机械手缩回原位。
（6）装刀机械手前伸，使T09号刀具对准主轴。
（7）机械手架后移，将T09号刀具插入主轴。
（8）装刀机械手缩回原位。
（9）机械手架回转180o，使装刀、卸刀机械手转向刀库。
（10）机械手架由横梁带动下降，找第二排刀套链，卸刀机械手将T05号刀具插回P05号刀套中。
（11）刀套链转动把在下一个工步需用的T46号刀具送到换刀位置,机械手一降,找第三排刀链,由装刀机械手将T46号刀具取出。
（12）刀套链反转，把P09号刀套送到换刀位置，同时机械手架上升至最高位置，为再下一工步的换刀做好准备。
（二）钩刀机械手的换刀过程
作为最常用的一种换刀形式，换刀一次所需的基本动作如下。
1）抓刀。手臂旋转90?，同时抓住刀库和主轴上的刀具。
（2）拔刀。主轴夹头松开刀具，机械手同时将刀库和主轴上的刀具拔出。
（3）换刀。手臂旋转180?，新旧刀具更换。
（4）插刀。机械手同时将新旧刀具分别插入主轴和刀库，然后主轴夹头夹紧刀具；
（5）复位。转动手臂，回到原始位置。

㈢ 加工中心机械手换刀的工作原理

下面是以在螺栓数控铣床的自动换刀装置中采用这种上机械手换刀的工作原理。

该机械手安装在主轴的左侧面，随同主轴箱一起运动。机械手由机械手臂与45°的斜壳体组成。机械手臂1形状对称。固定在回转轴4上，回转轴与主轴成45°角，安装在壳体3上，5为手臂托，可由气压缸带动（图中未标出），机械手有伸缩、回转、抓刀、松刀等动作。

伸缩动作：气压缸（图中未标出）带动手臂托架5沿主轴轴向移动。

回转动作：气压缸2中的齿条轮通过齿轮带动回转轴4转动。从而实现手臂正向和反向180°的旋转运动。

抓刀、松刀动作：机械手对刀具的夹紧和松开是通过气压缸6。碟形弹簧7及拉杆8、杠杆9、活动爪10来实现。碟形弹簧实现夹紧，气压缸实现松开。在活动爪中有两个销子11，当夹紧刀具时，插入刀柄凸缘的孔内，确保安全、可靠。

2)

机械手的自动换刀过程的动作顺序

（a） （b） （c） （d）

图4-6 换刀机械手的换刀过程

自动换刀装置的换刀过程由选刀和换刀两部分组成。

选刀即刀库按照选刀命令（或信息）自动将要用的刀具移动到换刀位置，完成选刀过程，为下面换刀做好准备，换刀即是机械手把主轴上用过的刀具取下，将选好的刀具安装在主轴之上。

换刀动作的大致过程为：

1)主轴箱回到最高处（z坐标零点），同时实现“主轴准停”。即主轴停止回转并准确停止在一个固定不变的角度方位上，保证主轴端面的键也在一个固定的方位，使刀柄上的键槽能恰好对正端面键。

2)机械手抓住主轴和刀库上的刀具。

3)把卡紧在主轴和发库上的刀具松开

4)活塞杆推动机械手下行，从主轴和刀库上取出刀具

5)机械手回转180°，交换刀具位置，

6)将更换后的刀具装入主轴和刀库

7)分别夹紧主轴和刀库上的刀具

8)机械手松开主轴和刀库上的刀具

9)当机械手松开具后，限位开关发出“换刀完毕”的信号，主轴自由，可以开始加工或其他程序动作。

㈣ 加工中心主轴是如何实现刀具的自动装卸和夹紧的

在带有刀库的自动换刀数控机床中，为实现刀具在主轴上的自动装卸，其主轴必须设计有刀具的自动夹紧机构。自动换刀立式铣镗床主轴的刀具夹紧机构如图1所示。刀夹1以锥度为7:24的锥柄在主轴3前端的锥孔中定位，并通过拧紧在锥柄尾部的拉钉2拉紧在锥孔中。夹紧刀夹时，液压缸上腔接通回油，弹簧11推活塞6上移，处于图示位置，拉杆4在碟形弹簧5作用下向上移动；由于此时装在拉杆前端径向孔中的钢球12，进入主轴孔中直径较小的d1处，见图1b，被迫径向收拢而卡进拉钉2的环形凹槽内，因而刀杆被拉杆拉紧，依靠摩擦力紧固在主轴上。切削扭矩则由端面键13传递。换刀前需将刀夹松开时，压力油进入液压缸上腔，活塞6推动拉杆4向下移动，碟形弹簧被压缩；当钢球12随拉杆一起下移至进入主轴孔直径较大的d2处时，它就不再能约束拉钉的头部，紧接着拉杆前端内孔的台肩端面a碰到拉钉，把刀夹顶松。此时行程开关10发出信号，换刀机械手随即将刀夹取下。与此同时，压缩空气由管接头9经活塞和拉杆的中心通孔吹入主轴装刀孔内，把切屑或脏物清除干净，以保证刀具的安装精度。机械手把新刀装上主轴后，液压缸7接通回油，碟形弹簧又拉紧刀夹。刀夹拉紧后，行程开关8发出信号。

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㈥ 数控车床四工位刀架的机械结构及其换刀控制原理

4工位电动刀架 正常情况下可以装4把刀 它是以脉冲电波的形式接受指令的 刀架内部有一端带涡轮的蜗杆 刀架和底座接触面上各有一个端面齿轮 和两个限位块 正常情况下两个端面齿轮时咬合的 底座上面装有马达并有连轴蜗杆 当接收到换刀指令时 马达正传 蜗杆带动涡轮同时刀架蜗杆转动使刀架上升 端面齿轮分离 当刀架升高到一定程度时 刀架连同刀架蜗杆一起旋转 旋转90度后遇到限位块阻挡 由于马达受阻力量达到一定时开始反转 自然刀架下降于底座端面齿轮咬合 限位块锁死 完成换刀

㈦ 车床上的回转刀架是如何实现换刀的

数控机床使用的回转刀架是最简单的自动换刀装置，有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。
回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力：同时要保证回转刀架在每次转位的重复定位精度。

回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，它的动作分为4个步骤：
(1)刀架抬起 当数控装置发出换刀指令后，压力油由a孔进入压紧液压缸的下腔，活塞1上升，刀架体2抬起，使定位用的活动插销10与固定插销9脱开。同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮5结合。
(2)刀架转位 当刀架抬起后，压力油从c孔进入转位液压缸左腔，活塞6向右移动，通过联接板带动齿条8移动，使空套齿轮5作逆时针方向转动。通过端齿离合器使刀架转过60º。活塞的行程应等于齿轮5分度圆周长的1/6，并由限位开关控制。
(3)刀架压紧 刀架转位之后，压力油从b孔进入压紧液压缸上腔，活塞1带动刀架体2下降。齿轮3的底盘上精确地安装有6个带斜楔的圆柱固定插销9，利用活动插销10消除定位销与孔之间的间隙，实现反靠定位。刀架体2下降时，定位活动插销10与另一个固定插销9卡紧，同时齿轮3与齿圈4的锥面接触，刀架在新的位置定位并夹紧。这时，端齿离合器与空套齿轮5脱开。
(4)转位液压缸复位 刀架压紧之后，压力油从d孔进入转位液压缸的右腔，活塞6带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮3在轴上空转。
如果定位和夹紧动作正常，推杆11与相应的触头12接触，发出信号表示换刀过程已经结束，可以继续进行切削加工。
回转刀架除了采用液压缸转位和定位销定位之外，还可以采用电动机带动离合器定位，以及其他转位和定位机构。

更详细的页面(附图)：
http://info.mt.hc360.com/2006/05/12161120315.shtml

㈧ 自动换刀系统的换刀方式是什么

自动换刀系统换刀方式：
根据实现原理的不同，自动换刀有回转刀架换刀、更换主轴头换刀、带刀库自动换刀等方式。
回转刀架换刀工作原理类似分度工作台，通过刀架定角度回转实现新旧刀具的交换。
更换主轴头换刀方式时首先将刀具放置于各个主轴头上。通过转塔的转动更换主轴头从而达到更换刀具的目的。这两种方式设计简单，换刀时间短，可靠性高。其缺点是储备刀具数量有限，尤其是更换主轴头换刀方式的主轴系统的刚度较差，所以仅仅适应于工序较少、精度要求不太高的机床。
带刀库自动换刀方式由刀库，选刀系统，刀具交换机构等部分构成，结构较复杂。该方法虽然有着换刀过程动作多，设计制造复杂等缺点，但由于其自动化程度高，因此在加工工序比较多的复杂零件时，被广泛采用。
自动换刀系统简称ATC，是加工中心的重要部件，由它实现零件工序之间连续加工的换刀要求，即在每一工序完成后自动将下一工序所用的新刀具更到主轴上，从而保证了加工中心工艺集中的工艺特点，刀具的交换一般通过机械手、刀库及机床主轴的协调动作共同完成。
带刀库和自动换刀装置的数控机床，其主轴箱和转塔主轴头相比较，由于主轴箱内只有一个主轴，主轴部件具有足够刚度，因而能够满足各种精密加工的要求。另外，刀库可以存放数量很多的刀具，以进行复杂零件的多工步加工，可明显提高数控机床的适应性和加工效率。自动换刀系统特别适用于加工中心。
自动换刀系统应当满足的基本要求包括：
(1)换刀时间短；
(2)刀具重复定位精度高；
(3)足够的刀具储存量；
(4)刀库占用空间少。

㈨ 什么是自动换刀装置

一、自动换刀装置的形式

自动换刀装置是数控机床的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有以下几种：

1．回转刀架换刀；
2．排式刀架换刀；
3．更换主轴头换刀；
4．带刀库的自动换刀系统

在这里我对数控机床常见的这几种换刀系统逐一介绍，首先介绍一下回转刀架换刀系统。

二、回转刀架

数控机床使用的回转刀架是比较简单的自动换刀装置，常用的类型有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。

回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力：同时要保证回转刀架在每次转位的重复定位精度。下面我们结合一台四工位的四方刀架了解一下其换刀过程及原理。并结合换刀原理分析一下四方刀架的常见故障现象及原因。常见机床四方刀架如图一（左）。
图一数控机床刀架或刀库是由机床PLC来进行控制，对于普通的四工位刀架来说，控制比较简单，一般用于普通的车床。我们分析车床刀架的控制原理其实就是指刀架的整个换刀过程，刀架的换刀过程其实是通过PLC对控制刀架的所有I/O信号进行逻辑处理及计算。实现刀架的顺序控制。另外为了保证换刀能够正确进行，系统一般还要设置一些相应的系统参数来对换刀过程进行调整。下面我们分析PLC控制下的换刀过程。在分析之前，我们首先了解刀架控制的电气部分。刀架电气控制部分如图二所示。图二中的a是刀架控制的强电部分，主要是控制刀架电机的正转和反转，来控制刀架的正转和反转；图b是刀架控制的交流控制回路，主要是控制两个交流接触器的导通和关闭来实现a中的强电控制；图c部分是刀架控制的继电器控制回路及PLC的输入及输出回路，整个过程的控制最终是由这个模块来完成的。 图中各器件的作用如下：

序号 名称 含义
1 M2 刀架电动机
2 QF3 刀架电动机带过载保护的电源空开
3 KM5、KM6 刀架电动机正、反转控制交流接触器
4 KA1 由急停控制的中间继电器
5 KA6、KA7 刀架电动机正、反转控制中间继电器
6 S1~S4 刀位检测霍尔开关
7 SB11 手动刀位选择按钮
8 SB12 手动换刀启动按钮
9 RC3 三相灭弧器
10 RC9、RC10 单相灭弧器

自动刀架控制涉及到的I/O信号如下：

PLC输入信号：

X2.7：刀架电动机过热报警输入；
X3.0~X3.3：1~4号刀到位信号输入；
X30.6：手动刀位选择按钮信号输入；
X30.7：手动换刀启动按钮信号输入；

PLC输出信号：

Y0.6：刀架正转继电器控制输出；
Y0.7：刀架反转继电器控制输出。

我们现在已经清楚了刀架控制的I/O信号，下面我们结合这些信号来分析一下换刀过程，刀架换刀有两种模式，一种是手动换刀，一种是通过T指令进行自动换刀。我们以手动状态为例，介绍一下换刀过程及常见故障。

1、首先我们将机床调至手动状态，通过刀位选择按键进行目的刀位选择，有的系统是利用波段开关的形式进行实现，有的系统是利用记数的形式来实现，比如说通过检测刀位选择信号（X30.6）的状态，如果按下刀位选择按键，X30.6的状态应该会改变一次，计数器的数值会发生改变，系统选择的目的刀具也会发生相应的改变。

2、选择目的刀具完成以后，下面就是将机床刀架的当前刀位转换到目的刀位。我们按下刀位转换按键X30.7以后。这时系统PLC输出一个刀架正转信号Y0.6，KA6吸合；KM5吸合，这时刀架电机开始正向旋转，刀架开始正转。

3、刀架在正向旋转的过程中不停的对刀位输入信号进行检测，如图3所示，每把刀具各有一个霍尔位置检测开关。各刀具按顺序依次经过发磁体位置产生相应的刀位信号。当产生的刀位信号和目的刀位寄存器中的刀位相一致的时候，PLC认为所选刀具已经到位。
图34、刀具到位以后，刀架仍继续正向旋转一段时间，然后停止正向旋转（Y0.6停止输出），延时一段时间以后，刀架反转控制信号Y0.7有效，此时刀架开始反转，反转过程其实就是刀架锁紧的过程，此过程延续一段时间，直到刀架锁紧到位，但反转时间不宜过长或过短。过长就有可能烧坏电机或造成电机过热空开跳闸，时间过短有可能造成刀架不能够锁紧。刀架锁紧以后，整个换刀过程结束。

安全互锁

1、架电动机长时间旋转，而检测不到刀位信号，则认为刀架出现故障，立即停止刀架电动机，以防止将其损坏并报警提示；

2、刀架电动机过热报警时，停止换刀过程，并禁止自动加工；

我们现在已经对此种刀架的换刀原理有所了解，那么对于此种刀架在工作过程中常见的一些故障我们应该很容易分析出他的原因。常见的故障现象如下：

故障现象一：选择了目标刀位，按下刀位转换按钮以后，电动刀架不转；

故障现象二：选择了目标刀位，按下刀位转换按钮以后，电动刀架转个不停；

我们现在就以这两种比较典型的故障现象来分析一下故障原因，希望大家有所收获，比如故障现象一；这是比较常见的一种故障现象，出现此现象后我们应该利用怎样的方法才能够比较容易去解决。

从上面的叙述中我们已经了解了换刀的整个过程， 如图四，如果刀架不动，我们应该怎么样去检修呢？

1、首先我们可以利用现象比较明显，比较容易观察到的地方来进行判断，在这里我们可以把接触器作为一个特殊点，以接触器为分界点，作出一个初步判断，可以观察一下接触器是否动作，如果接触器动作我们可以听到接触器吸合的声音，相反则听不到。

2、接触器吸合的情况下，我们可以判断出换刀过程中的① ④没有问题。那么问题应该在⑤ 或 ⑥上，具体原因如下：

1）电机电源缺相或电压过低；

2）接触器主触点被烧坏或接触不良；

3）刀架电机电源相序错，造成电机旋转方向发生改变，刀架选刀的过程变成刀架锁紧的过程；

4）电机被烧坏；

5）刀架锁得太紧或被机械卡死等。

3、接触器在没有吸合的情况下，我们可以判断出故障原因有可能出在①⑤这几步上，具体分析过程如下：

1）KM5没有吸合的情况下，观察KA6是否吸合，如果KA6已经动作，那么可以测量一下KM5线圈有没有烧坏，控制电缆有没有断线，KA6的触点接触是否良好。

2）如果KA6没有动作，可以通过观察PLC的输入输出寄存器的状态来确定刀架正转信号Y0.6是否有输出，如果有输出，可以检测一下继电器KA6线圈是否被烧坏，PLC输出板是否有问题，系统PLC到KA6的连线是否有问题。如果没有输出，则检查一下是否PLC编写有误，是否有些换刀条件没有满足。