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。
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；
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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。
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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。
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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！。
3.8自动换刀装置的工作原理
数控机床控制技术精品在线开放课程河南工业职业技术学院加工中心3.8自动换刀装置的工作原理自动换刀装置已广泛应用于加工中心机床，其功能就是储备一定数量的刀具并完成刀具的自动交换。
它应满足换刀时间短、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。
自动换刀装置 自动换刀装置的工作原理带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换机构组成，目前这种换刀方法在数控机床上的应用最为广泛。
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。
这种带刀库的自动换刀装置特别适用加工中心。
链式刀库 盘式刀库加工中心刀库系统盘式刀库盘式刀库的特点是，结构简单，应用较多。
但由于刀具环形排列，空间利用率低，受刀盘尺寸的限制，刀库容量较小，通常容量为15～32把刀。
一般用于小型加工中心。
链式刀库在环形链条上装有许多刀座，刀座孔中装有各种刀具，链条由链轮驱动，链条的形状可以根据机床的布局配置成各种形状，也可以将换刀位置突出以便于换刀。
刀具的选择方式按照数控装置的选择刀具指令，刀具交换装置从刀库中挑选相应工序所需要的刀具的操作称为自动选刀。
常用的刀具选择方法有顺序选刀方式和任意选刀方式两种。
1.顺序选刀方式顺序选刀是在加工之前，将加工零件所需使用的刀具按照工艺要求依次插入刀库的刀套中，顺序不能有差错。
2.任意换刀方式任选刀具的换刀方式可以有刀座编码、刀具编码和刀具记忆等方式。
刀具编码或刀座编码都需要在刀具或刀座上安装用于识别的编码。
1)刀具编码选刀方式2)刀座编码选刀方式3)刀具记忆选刀方式刀具交换装置数控机床的自动换刀系统中，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。
刀具的交换方式通常分为有机械手换刀和无机械手的换刀。
1.机械手换刀采用机械手进行刀具交换的方式在加工中心中应用较普遍。
刀具交换装置2.无机械手的换刀换刀系统一般是采用把刀库放在主轴箱可以运动到的位置，同时，刀库中刀具的存放方向一般与主轴上的装刀方向一致。
加工中心自动换刀装置
图１ Ａ Ｔ Ｃ 机械手动作过程
换刀准备 ：刀库待调刀具移动到换刀位置 ，主 轴移动到换 刀位置即第二原点 ，主轴定 向。换 刀条 件满足后 ，Ａ Ｔ Ｃ 执行换刀动作 。 Ａ Ｔ Ｃ 动作步骤 ：①Ａ Ｔ Ｃ 机械手在原位 。②Ａ Ｔ Ｃ
机械手 顺时针旋转 ９ ０ 。 ，主 轴 松 开 刀 具 ，Ａ ＴＣ 夹 紧 刀具 。 ③Ａ Ｔ Ｃ 机 械 手 前 进 到位 。④Ａ Ｔ Ｃ 机 械 手 顺
前 ＾ 进
｝ 臂
后 退 丫
械手 换 刀的过程 中 ，使用一个机械 手将加工完毕
的 刀具 从主轴 中拔 出 ，与此 同时 ，另一机械手将 在 刀库 中待命 的刀具 从 刀库拔 出 ，然后两者交换 位置 ，完成换 刀过程 。无机械手换 刀时 ，刀库 中 刀具存 放方 向与主 轴平行 ，刀具放在 主轴可到达 位置换 刀时 ，主轴移 到刀库换 刀位 置 ，利 用主轴 将加 工用 毕 刀具插 人刀库 中要求的空位处 ，然后
加工中心 自动换刀装置
神 龙汽 车有 限公 司襄 阳工厂 （ 湖北 ４ ３ ０ ０ ５ ６ ） 汪 雪松
加 工 中心是 由机械设 备与数控 系统组成 的 ， 适 用于复杂零 件加工 的高效 自动化机床 。它 与一
１ ． ＤＭ４ ０ Ａ Ｔ Ｃ自动换 刀装 置及换刀过程说 明
东风设备制造厂生产的ＤＭ５ ０ ０ Ｉ 卧式加工中心 主轴为 电主轴 ，配置Ｄ Ｍ４ ０ Ａ Ｔ Ｃ 换 刀装置。换刀装 置运动采用变频器控制三相异步电动机 ，通过齿轮 传动带动凸轮旋转 ，利用 凸轮机构控￣ Ｉ ］ Ａ Ｔ Ｃ 机械手 的旋转 、进退和松夹 刀具 （ 见图１ ）。位置控制通 过传感器检查位置输入信号及延时继 电器控制。
心 的性 能 。
自动换刀装置
普通高等教育“十一五”国家级规划教 材数控机床结构及维修 邓三鹏
5.3.1 刀库的形式
THK6370自动换刀数控卧式镗铣床采用链式刀库。其结 构示意图如图5.13所示。刀库由45个刀座组成，刀座就是链 传动的链节，刀座的运动由ZM-40液压马达通过减速箱传到 下链轮轴上，下链轮带动刀座运动。刀库运动的速度通过调 节ZM-40的速度来实现。刀座的定位用正靠的办法将所要的 刀具准确地定位在取刀（还刀）位置上。在刀具进入取刀位 置之前，刀座首先减速。刀座上的燕尾进入刀库立柱的燕尾 导轨，在选刀与定位区域内，刀座在燕尾导轨内移动，以保 持刀具编码环与选刀器的位置关系的一致性。
5.4 更换主轴换刀与更换主轴箱换刀
5.4.1更换主轴换刀
更换主轴换刀是带有旋转刀具的数控机床的一种比较简单的换 刀方式。这种主轴头实际上就是一个转塔刀库如图5.26所示。
立式八轴转塔头的结构，每次转位包括下列动作: (1)脱开主传动 (2)转塔头脱开 (3)转塔头转位 (4)转塔头定位压紧 (5)主轴传动的接通
(3)用手动方式往刀库上装刀时，要确保装到位、装牢靠。检查刀座上 的锁紧是否可靠。
(4)经常检查刀库的回零位置是否正确，检查机床主轴回换刀点位置是 否到位，并及时调整，否则不能完成换刀动作。
(5)要注意保持刀具刀柄和刀套的清洁。 (6)开机时，应先使刀库和机械手空运行，检查各部分工作是否正常， 特别是各行程开关和电磁阀能否正常动作。检查机械手液压系统的压力是否 正常，刀具在机械手上锁紧是否可靠，发现不正常时应及时处理。
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普通高等教育“十一五”国家级规划教 材数控机床结构及维修 邓三鹏
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。 （1）非接触式磁性识别法 （2）光学纤维刀具识别装置
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自动换刀装置的结构原理与维修
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1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1 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。
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。
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。
当发出换刀指令时，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2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12输入。
当数控装置发出换刀指令时，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45º，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出。
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。
图2 卧式八轴转塔头
1、2一离合器3、4、12一齿轮5一套筒6一端盖7一主轴8一螺母
9、16、17一轴承10一螺钉1l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
为了便于卸出主轴锥孔内的刀具，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。
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、数控铣床和数控镗床。
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