数控机床自动切换刀的原理
数控铣床自动换刀化改造(刀库式加工中心)
第一章绪论1.1 数控设备的发展历史>第一代数控系统：1952年至1959年，采川电子管元件。
>第二代数控系统：1959年开始，采刖晶体管元件。
>第三代数控系统：1965年开始，采川集成电路。
>第四代数控系统：1970年开始，采刖人规模集成电路及小型通用计算机。
>第五代数控系统：1974年开始，采用微处理机和微型计算机。
1.2 自动换刀系统的意义从换刀系统发展的历史米看，1956年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM公司同期也研制成功了“APT”（刀具程序控制装置）。
1958年美国K&T公司研制出带ATC(自动刀具交换装置)的加工中心。
1967年出现了FMS（柔性制造系统）。
1978年以后，加工中心迅速发展，带有ATC装置，可实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。
1.1.1 加工中心加工中心机床的出现，加之CAD技术、信息技术、网络控制技术以及系统工程学的发展，为单机数控自动化向计算机控制的多机制造系统自动化方向发展，创造了必要的条件．计算机群控系统即直接数控(Direct NC-DNC)系统，就是这一发展趋向的具体体观。
DNC系统使用一台较大的计算机，控制与管理多台数控机床和数控加工中心，能进行多品种、多工序的加工。
加工中心机床配备有装载多把刀具的刀具库，有自动更换刀具的功能，一次装夹中可以完成钻、镗、铣、铰等工序，特别适用于箱体类零件的多面、多工序加工。
它能完成车削加工的同时，兼有铣、镗、钻孔、攻丝等功能。
1.1.2 柔性制造单元柔性制造单元(FMC)是由中心控制计算机、加工中心与自动交换工件(AWC，APC)装置所组成。
工件一次装夹后可在柔性制造单元中的加工中心上加工，使得加工的柔性（可编程性）、加工精度和生产效率更高。
在柔性制造单元中，中心控制计算机负责作业调度、自动检测与工况自动监控等功能。
工件装在自动交换工件装置（工作台）上在中心控制计算机控制下传送到加工中心上加工；加工中心接收中心控制计算机传送来的数控程序进行加工，并将工况数据送中心控制计算机处理，如工件尺寸自动检测和补偿，刀具损坏和寿命躲控等。
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。
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
数控车床换刀的原理
数控车床换刀的原理数控车床换刀的原理是通过自动化系统控制刀库中的刀具，根据加工需要，将合适的刀具自动装卸到主轴上进行加工。
换刀的过程一般包括以下几个步骤：1. 刀具信息的输入：将刀具的参数信息输入到数控机床的控制系统中。
这些信息包括刀具的几何参数、刀具材料、刀具号码等。
2. 刀具库的管理：刀具库是存放刀具的地方。
数控车床上一般会配备一个刀具库，里面可以放置多个不同的刀具。
在数控机床的控制系统中，可以设置每个刀具的位置和状态，以便在需要时能够准确地找到并进行换刀操作。
3. 刀具的选取：根据加工要求，在刀具库中选择合适的刀具。
根据控制系统的指令，通过自动取刀器从刀具库中取出刀具。
自动取刀器一般由机械手臂构成，可以在机床内进行多个方向的自由移动。
4. 刀具的装卸：当刀具被选中后，机械手臂将刀具转移到刀具位。
然后，刀具位上的机械装置将刀具插入主轴上的刀柄中，并将其固定。
这一过程需要保证刀具的准确定位和固定，以确保刀具在加工过程中的稳定性和精度。
5. 刀具的调整和检测：在刀具装卸完成后，需要进行刀具的调整和检测。
调整刀具的主要目的是保证刀具的几何参数与加工要求的一致性，而检测刀具的目的是确认刀具的装卸是否正确。
在数控机床上，通常会设置相关的检测装置，用于检测刀具的位置、刀具的磨损情况等。
6. 刀具的存储和管理：在刀具装卸完成后，未使用的刀具一般会放回刀具库中进行存储。
同时，数控机床的控制系统会对刀具的信息进行管理，包括刀具的使用寿命、刀具的磨损情况、刀具的库存情况等。
总体来说，数控车床换刀的原理是通过自动化系统控制刀库中的刀具，实现刀具的自动装卸。
这样可以提高生产效率，减少人工操作的错误和劳动强度，进而提高加工精度和产品质量。
加工中心的换刀原理
加工中心的换刀原理加工中心的换刀原理是指在加工过程中，当需要换一把不同工具进行加工时，加工中心能够自动地将当前的刀具卸下，然后安装新的刀具，以保证加工的连续性和高效性。
加工中心通常配备了一个刀库，用于存放不同类型的刀具。
刀库内的刀具根据其特性和用途被分配了一个特定的刀位。
刀具库通常由数控系统控制，可以根据加工需求自动选择和安装相应的刀具。
加工中心的换刀流程通常包括以下几个步骤：1. 刀具识别：加工中心需要首先识别当前所使用的刀具类型和位置。
通过刀具的标识或者其他识别方式，数控系统能够准确地确定当前所使用的刀具。
2. 刀具卸下：在识别了当前刀具后，加工中心会将当前的刀具卸下。
这个过程通常是由一个自动换刀系统完成的，它可以根据机床的结构和控制系统的指令，自动操作各个动作。
例如，可以通过夹紧装置松开卡住刀具的螺栓，然后通过主轴的卸下动作将刀具从主轴中取出。
3. 刀具安装：在刀具卸下后，加工中心需要安装新的刀具。
这个过程也是由自动换刀系统完成的。
它可以将新的刀具从刀库中选取出来，然后通过夹紧装置将刀具安装到主轴上。
4. 刀具测量和校准：在刀具安装完成后，加工中心通常需要对新安装的刀具进行测量和校准。
这是为了确保刀具安装的准确性和稳定性。
测量和校准可以通过一些传感器和测量设备进行，如刀具长度测量设备，加工中心控制系统会根据这些测量结果进行补偿和调整。
5. 刀具补偿调整：当刀具安装完成并完成了测量和校准后，加工中心通常还需要进行刀具补偿调整。
这是因为不同类型的刀具，在加工过程中可能存在一些误差和偏差。
加工中心会通过数控系统对刀具的补偿参数进行调整，以保证加工结果的准确性和质量。
总的来说，加工中心的换刀原理是通过一个自动换刀系统，根据刀具的类型和位置，将当前的刀具卸下并安装新的刀具。
换刀过程通常还包括了刀具的测量和校准，以及刀具补偿调整。
这样可以确保加工中心在加工过程中能够高效、准确地使用不同类型的刀具，提高加工效率和加工质量。
数控机床第三章自动换刀装置 PPT课件
箱下降，将主轴上用过的刀具3放回刀
库的空刀座中；
27
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
数控立式镗铣床
(4)主轴箱上升，接着刀库回转，将下 一工步需用的刀具对准主轴；
(5)主轴箱下降，将下一步所需的刀具
插入机床主轴，同时主轴内的刀具夹紧
装置夹紧刀具；
(6)主轴箱及主轴带着刀具上升；
刀具编码方式
刀具编码选刀方式是在刀具或刀套上安装用于识别的 编码条，一般都是根据二进制编码的原理进行编码。刀具 长度加长，制造困难，刚度降低，刀库和机械手结构复杂。
在刀柄1后端的拉杆4上套装 着等间隔的编码环2，由锁紧螺 母3固定。编码环直径有大小两 种，大直径的为二进制的“1”， 小直径的为“0”。通过两种圆环 的不同排列，可以得到一系列的 代码。
单臂双爪回转式机械手 两个夹爪有所分工，一个夹爪只执行
从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务； 另一个执行从刀库取“新刀”的任务。
换 刀时间较单爪回转式机械手要少。
32
双臂双爪回转式机械手 手臂两端各有一个夹爪，两个夹爪
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。是最常用的一种形式（钩手）
1、顺序选刀
在加工前，将加工零件所需刀具按照工艺要求依次插 入刀库的刀套中，加工时按顺序调刀称为顺序选刀。
2、任选刀具
刀具在刀库中任意存放，每把刀具（或刀座）都编有 代码，自动换刀时，刀库旋转，每把刀具都经过“刀具识 别装置”接受识别。当某刀具代码与数控指令代码相符时19
任选刀具有三种换刀方式（刀具编码、刀座编码、编码附件）
（5）复位 转动手臂，回到原始位置。
34
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。
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。
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数控机床自动切换刀的原理
数控机床是一种利用数控系统控制机床运动的机床。
在机床加工时，为了提高生产效率和加工质量，需要将不同的刀具进行切换。
数控机床自动切换刀的原理就是利用数控系统的控制信号和机床上的自动切换刀具系统实现的。
数控机床自动切换刀的原理要涉及到机床控制系统、切换刀具系统、动力传递系统和机床功能模块等方面。
下面我们就分别来介绍一下这些方面是如何共同作用的。
首先，数控机床自动切换刀的原理离不开机床控制系统。
数控系统通过程序控制切换刀具系统的动作，从而实现自动化的刀具更换。
数控系统内部会设计不同的切换信号，通过接口设备传递到机床上的切换系统，驱动切换系统的动作。
有的数控系统还能够实现刀具组合的自动切换，即按照预定的加工工艺，自动切换到不同的组合刀具，如切割刀、钻孔刀、铣刀、插铣刀等，以满足不同零件加工的需要。
其次，机床上的切换刀具系统也是数控机床自动切换刀的原理的关键组成部分。
该系统主要由刀库、换刀机构和切换机构三个部分构成。
刀库是刀具的存放处，一般有多个库位，每个库位可以存放不同形状、不同材质、不同尺寸的刀具。
换刀机构用于抓取和移动刀具，常见的是机械手形式或机械吸盘形式。
切换机构则是将刀具固定在刀柄上，并将刀柄插入主轴锥孔，完成刀具切换。
第三，动力传递系统也是数控机床自动切换刀的原理的重要部分。
就是将刀具的旋转力和推进力传递给工件的系统。
机床上的动力传递系统主要有主轴系统、伺服系统和进给系统等。
刀具切换时，要保证新刀具与传动装置的同心度，防止工件被切割时产生偏差或异常，同时还需保证机床整体刚度和运动精度。
最后，机床的功能模块也是数控机床自动切换刀的原理的一部分。
不同于传统机床，数控机床在进行刀具切换时还需要考虑各种功能模块的配合。
例如，需要进行刀具校正或零点重置等操作，以保证工件的精度和加工质量。
综上所述，数控机床自动切换刀的原理要涉及到机床控制系统、切换刀具系统、动力传递系统和机床功能模块等方面的配合运作。
这些方面相互依存，彼此影响，共同构成了数控机床自动换刀的整体流程，最终达到高效率、高精度、高稳定性的进行工程加工的要求。