自动换刀装置的结构原理与维修
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。
第五章自动换刀装置结构与维护
3、Z轴换刀位置调整
方法是采用标准刀柄测主轴松刀和抓刀时刀柄的位移量△K，要求 △K=O.79土O.04。主轴向下移动，抓住标准刀柄并夹紧后，用量规和塞 尺测量主轴下端面及刀环上端面的距离△G，然后来确定主轴箱换刀的 位置坐标Ztc。
四、斗笠式刀库的维护
名称
表6—4 斗笠式刀库的维护 图示
换刀缸
齿轮
作用
每半年检查加 工中心换刀缸润 滑油，不足时需 要及时添加。
每季度检查加 工中心刀臂式换 刀机构齿轮箱油 量，不足时需要 添加齿轮箱油。
名称 铁屑
传动部分
图示
作用
用气枪吹掉刀库内 的铁屑
图6—17 换刀过程
(2)斗笠式刀库换刀
图6—18 刀库移动—主轴升降式换刀过程
二、斗笠式刀库的结构
1—刀柄2—刀柄卡簧3—槽轮套4 ，5—接近开关6—转位电动机7—碟 形弹簧8—电动机支架9—刀库转轴
10—马氏槽轮11—刀盘12—杠杆 13—支架14—刀库导轨15，20—带 轮16—接近开关17—带轮轴18—刀 库架19—刀库移动电动机21—传动
名称 刀库防护罩
图示
作用
防护罩起保护 转塔和转塔内 刀具的作用， 防止加工时铁 屑直接从侧面 飞进刀库，影
响转塔转动
刀库转塔电动 机
主要是用于转 动刀库转塔
名称 刀库导轨
气缸 刀库转塔
图示
作用
由两圆管组成， 用于刀库转塔的
支承和移动
用于推动和拉动 刀库，执行换刀
用于装夹备用刀 具
三、斗笠式刀库的电气控制
第二节 刀库无机械手换刀的结构及维护
【学习目标】
➢ 掌握加工中心的自动换刀装置的种类 ➢ 掌握斗笠式刀库的结构及电气控制方式 ➢ 会对斗笠式刀库进行维护及保养
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。
第2章自动换刀装置
➢ 这类换刀装置应用最广泛。
刀库装在机床的工作台上 ，这种换刀装置，直接利 用机床本身及刀库的运动 进行换刀。当某一刀具加 工完毕从工件退出后，即 开始进行自动换刀 。
现在的中小型加工中心，刀 库不是装在工作台上，而是 装在立柱上的一个托架上。 采用刀库在托架的导轨上平 行于X方向运动与主轴的上 下运动实现换刀。
2.为什么需要自动换刀装置：
• 缩短非切削时间，提高生产率，可使非切削时间减少到20
％～30％；
• “工序集中”，扩大数控机床工艺范围，减少设备占地面积； • 提高加工精度；
– 数控机床对ATC要求：
• 换刀时间尽可能短； • 刀具重复定位精度高； • 刀具储存量足够； • 结构紧凑，便于制造、维修、调整； • 布局应合理，使机床总布局美观大方； • 较好的刚性，避免冲击、振动及噪声，运转安全可靠； • 防屑、防尘装置。
第2章第三节 数控机床的自动 换刀装置
内容提要
本节将讨论数控机床的自动刀具交换装置的形 式、刀库的类型、刀具系统及选刀方式，最后将介 绍一个自动刀具交换装置的实例。
一、概述
1.什么是自动换刀装置：
• 储备一定数量的刀具并完成刀具的自动交换功能的装置 • ATC：Automatic Tool Changer
当刀库的容量大、刀具较重或机床总体布局等原因， 刀库也可作为一个独立部件，装在机床之外
刀库远离主轴，常常要 附加运输装置，来完成 刀库与主轴之间刀具的 运输。
•为了缩短换刀时间，可采用带刀库的双
主轴或多主轴换刀系统
三、刀 库
• 1、刀库的形式
（1）盘式刀库
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。
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。
自动换刀原理
自动换刀原理
自动换刀装置是加工中心的重要组成部分，它的作用是在加工过程中自动更换刀具，以提高加工效率和加工精度。
自动换刀装置的原理如下：
1. 刀具识别：自动换刀装置通过刀具识别系统对刀具进行识别，刀具识别系统通常采用编码、RFID 等技术，对刀具进行唯一标识。
2. 刀具库：刀具库是存储刀具的地方，刀具库通常采用圆盘式、链式等结构，刀具库中的刀具按照一定的规则排列，以便于自动换刀装置进行取刀。
3. 取刀机构：取刀机构是自动换刀装置的核心部分，它的作用是将刀具从刀具库中取出，并将其送到主轴上。
取刀机构通常采用机械手、夹爪等结构，取刀机构的动作由控制系统控制。
4. 主轴：主轴是加工中心的核心部件，它的作用是安装刀具，并对工件进行加工。
主轴通常采用电动、气动等方式进行驱动，主轴的转速和转向由控制系统控制。
5. 刀具交换：当取刀机构将刀具送到主轴上后，控制系统会控制主轴停止转动，并将刀具夹紧。
然后，取刀机构会将旧刀具从主轴上取下，并将其送回刀具库中。
最后，控制系统会控制主轴转动，开始进行加工。
自动换刀装置的工作过程是一个自动化的过程，它需要控制系统、刀具识别系统、刀具库、取刀机构、主轴等多个部分协同工作，以实现刀具的自动更换。
以上是自动换刀的原理，希望对你有所帮助！。
自动换刀装置
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
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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
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自动换刀装置的结构原理与维修
自动换刀装置的结构原理与维修
2007-09-26 01:24:39 作者：山特维克来源：互联网文字大小：【大】【中】【小】
简介：8.4.1 自动换刀装置的形式自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，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
关键字：刀具夹具切削铣削车削机床测量
8.4.1 自动换刀装置的形式
自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，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
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。
图8-17为数控车床六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。
在加工轴类零件时，可以用四方回转刀架。
由于两者底部安装尺寸相同，更换刀架十分方便。
与相应的触头12接触，发岀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
图8-17 数控车床六角回转刀架
1 —活塞
2 —刀架体 3、7 —齿轮 4 —齿圈 5 —空套齿轮
6 —活塞 8 —齿条 9 —固定插销 10、11 —推杆 12 —触头
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 当数控装置发岀换刀指令后，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
位机构。
2 •更换主轴头换刀
在带有旋转刀具的数控机床中，更换主轴头是一种简单换刀方式。
主轴头通常有卧式和立式两种，而且常用转塔的转位来更换主轴头，以实现自动换刀。
在转塔的各个主轴头上，预先安装有各工序所需的旋转刀具。
当发岀换刀指令时，各主轴头依次地转到加工位置，并接通主轴运动，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。
图8-18为卧式八轴转塔头。
转塔头上径向分布着八根结构完全相同的主轴7,主轴的回转运动由齿轮1
2输入。
当数控装置发岀换刀指令时，先通过液压拨叉将移动齿轮3与齿轮12脱离啮合，同时在中心液
压缸14的上腔通压力油。
由于活塞杆和活塞15固定在底座上，因此中心液压缸14带着由两个推力轴
承17和16支承的转塔刀架体18抬起，离合器2和1脱离啮合。
然后压力油进入转位液压缸，推动活塞齿条，再经过中间齿轮使大齿轮4与转塔刀架体18 一起回转450，将下一工序的主轴转到工作位置。
转位结束后，压力油进入中心液压缸14的下腔，使转塔头下降，离合器2和1重新啮合，实现了精确的
定位。
在压力油的作用下，转塔头被压紧，转位液压缸退回原位。
最后，通过液压拨叉移动齿轮3，使它
与新换上的主轴齿轮12相啮合。
为了改善主轴结构的装配工艺性，整个主轴部件装在套筒5内，只要卸
去螺钉10，就可以将整个部件抽岀。
主轴前轴承9采用锥孔双列圆柱滚子轴承，调整时，先卸下端盖 6 然后拧紧螺母8，使内环做轴向移动，以便消除轴承的径向间隙。
为了便于卸岀主轴锥孔内的刀具，每根主轴都有操纵杆13，只要按压操纵杆，就能通过斜面推动杆11，顶出刀具。
转塔主轴头的转位、定位和压紧方式与鼠齿盘式分度工作台极为相似，但因为在转塔上分布着许多回转主
轴部件，使结构更为复杂。
1、2 一离合器 3、4、12 一齿轮 5
8 一螺母 9、16、17 —轴承 10 一螺钉 11 一推动杆 13 一操纵杆 14 一液压缸 15 一活塞 18 一转塔刀架
体
由于空间位置的限制，主轴部件的结构不可能设计得十分坚实，因而影响了主轴系统的刚度。
为了保证主
轴的刚度，主轴数目必须加以限制，否则将会使结构尺寸大为增加。
转塔主轴头换刀方式的主要优点在于省去了自动松夹、卸刀、装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操 作。
从而提高了换刀的可靠性，并显著地缩短了换刀时间。
但由于上述结构上的原因，转塔主轴头通常只 是用于工序较少、精度要求不太高的机床，例如数控钻床等。
3•带刀库的自动换刀系统
带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换机构组成。
首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标
准刀柄上，在机外进行尺寸预调整后，按一定的方式放入刀库中去。
换刀时先在刀库中进行选刀，并由刀
具交换装置从刀库和主轴上取出刀具，在进行交换刀具之后，将新刀具装入主轴，把旧刀具放回刀库。
存 放刀具的刀库具有较大的容量，它既可以安装在主轴箱的侧面或上方， 也可作为单独部件安装到机床以外, 并由搬运装置运送刀具。
与转塔主轴头相比较，由于带刀库的自动换刀装置数控机床主轴箱内只有一个主轴，设计主轴部件就有可 能充分增强它的刚度，因而能满足精密加工的要求。
另外，刀库可以存放数量很大的刀具，因而能够进行 复杂零件的多工序加工，这样就明显提高了机床的适应性和加工效率。
所以带刀库的自动换刀装置特别适 用于数控钻床、数控铳床和数控镗床。
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