自動(dòng)換刀系統(tǒng)簡(jiǎn)述

自動(dòng)換刀系統(tǒng)簡(jiǎn)稱ATC，是加工中心的重要部件，由它實(shí)現(xiàn)零件工序之間連續(xù)加工的換刀要求，即在每一工序完成后自動(dòng)將下一工序所用的新刀具更到主軸上，從而保證了加工中心工藝集中的工藝特點(diǎn)，刀具的交換一般通過機(jī)械手、刀庫(kù)及機(jī)床主軸的協(xié)調(diào)動(dòng)作共同完成。

帶刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，其主軸箱和轉(zhuǎn)塔主軸頭相比較，由于主軸箱內(nèi)只有一個(gè)主軸，主軸部件具有足夠剛度，因而能夠滿足各種精密加工的要求。另外，刀庫(kù)可以存放數(shù)量很多的刀具，以進(jìn)行復(fù)雜零件的多工步加工，可明顯提高數(shù)控機(jī)床的適應(yīng)性和加工效率。自動(dòng)換刀系統(tǒng)特別適用于加工中心。

自動(dòng)換刀系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足的基本要求包括：

(1)換刀時(shí)間短；

(2)刀具重復(fù)定位精度高；

(3)足夠的刀具儲(chǔ)存量；

(4)刀庫(kù)占用空間少。

自動(dòng)換刀系統(tǒng)一般由刀庫(kù)和機(jī)械手組成。不同機(jī)床的自動(dòng)換刀系統(tǒng)可能不同，這正是體現(xiàn)機(jī)床獨(dú)具特色的部分。

1．刀庫(kù)

顧名思義是存放刀具的倉(cāng)庫(kù)，就是把加工零件所用的刀具都存放在這里，在加工過程中由機(jī)械手抓取。刀庫(kù)形式主要有盤式刀庫(kù)和鏈?zhǔn)降稁?kù)兩種。

(1)盤式刀庫(kù) 刀庫(kù)容量為30把左右。如果刀庫(kù)容量太大，就會(huì)造成刀庫(kù)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過大。一般中小型加工中心使用盤式刀庫(kù)的較多。

(2)鏈?zhǔn)降稁?kù)刀庫(kù)容量較大，可以裝載100把刀具，甚至更多。鏈?zhǔn)降稁?kù)容量較大，主要是因?yàn)橄潴w類零件加工內(nèi)容多，使用刀具的數(shù)量也就相應(yīng)增加。

2．機(jī)械手

形式有單臂、雙臂等多種，有的加工中心甚至沒有機(jī)械手，而通過刀庫(kù)和主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)換刀。

根據(jù)實(shí)現(xiàn)原理的不同，自動(dòng)換刀有回轉(zhuǎn)刀架換刀、更換主軸頭換刀、帶刀庫(kù)自動(dòng)換刀等方式。

回轉(zhuǎn)刀架換刀工作原理類似分度工作臺(tái)，通過刀架定角度回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)新舊刀具的交換。

更換主軸頭換刀方式時(shí)首先將刀具放置于各個(gè)主軸頭上。通過轉(zhuǎn)塔的轉(zhuǎn)動(dòng)更換主軸頭從而達(dá)到更換刀具的目的。這兩種方式設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，換刀時(shí)間短，可靠性高。其缺點(diǎn)是儲(chǔ)備刀具數(shù)量有限，尤其是更換主軸頭換刀方式的主軸系統(tǒng)的剛度較差，所以僅僅適應(yīng)于工序較少、精度要求不太高的機(jī)床。

帶刀庫(kù)自動(dòng)換刀方式由刀庫(kù)，選刀系統(tǒng)，刀具交換機(jī)構(gòu)等部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。該方法雖然有著換刀過程動(dòng)作多，設(shè)計(jì)制造復(fù)雜等缺點(diǎn)，但由于其自動(dòng)化程度高，因此在加工工序比較多的復(fù)雜零件時(shí)，被廣泛采用。

1．刀庫(kù)常見故障

(1)刀庫(kù)不能轉(zhuǎn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)不到位

原因有：①連接電動(dòng)機(jī)軸與蝸桿軸的聯(lián)軸器松動(dòng)；②變頻器故障，應(yīng)查變頻器的輸入、輸出電壓正常與否；③PLC無(wú)控制輸出，可能是接口板中的繼電器失效；④機(jī)械連接過緊，或黃油黏澀；⑤電網(wǎng)電壓過低（不應(yīng)低于370 V）；⑥電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)故障；⑦傳動(dòng)機(jī)構(gòu)誤差。

(2)刀套不能夾緊刀具

原因有：刀套上的調(diào)整螺母松動(dòng)或彈簧太松，造成卡緊力不足；刀具超重。

(3)刀套上下不到位

原因有：裝置調(diào)整不當(dāng)或加工誤差過大而造成撥叉位置不正確；因限位開關(guān)安裝不準(zhǔn)或調(diào)整不當(dāng)而造成反饋信號(hào)錯(cuò)誤。

(4)刀套不能拆卸或停留一段時(shí)間才能拆卸

原因有：刀套90°拆卸氣閥松動(dòng)，氣壓不足；刀套轉(zhuǎn)動(dòng)軸銹蝕。

2．換刀機(jī)械手常見故障

(1)刀具夾不緊

原因有：①空氣泵氣壓不足，增壓漏氣，刀具卡緊氣壓漏氣，刀具松開彈簧上的螺帽松動(dòng)；②拉刀碟簧變形或損壞；③拉力液壓缸動(dòng)作不到位；④拉釘與刀柄夾頭間的螺紋連接松動(dòng)；⑤刀柄夾頭與刀柄間的偏心摩擦。

(2)刀具夾緊后松不開

原因有：①碟形彈簧壓合過緊；②松緊刀液壓缸松刀行程不足；③刀柄夾頭不能打開；④刀柄夾頭內(nèi)松刀壓柱偏移或壓柱偏短。

(3)刀具從機(jī)械手中脫落

原因有：①刀具是否超重；②機(jī)械手卡緊鎖損壞或沒有彈出來。

(4)刀具交換時(shí)掉刀

原因有：①主軸箱沒到換刀點(diǎn)或換刀點(diǎn)漂移；②機(jī)械手沒到位就開始拔刀，都會(huì)導(dǎo)致?lián)Q刀時(shí)掉刀。

(5)機(jī)械手換刀速度過快或過慢

原因有：①換刀氣閥節(jié)流開口太大或太?。虎跉鈮翰环€(wěn)定。

自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床，即“加工中心”。

一種數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀裝置及方法專利目的

《一種數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀裝置及方法》的目的是為了提供一種數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀裝置及方法，解決2016年1月以前的數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀過程中，容易發(fā)生主軸和機(jī)械手相撞，進(jìn)而損壞主軸或機(jī)械手的問題。

一種數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀裝置及方法技術(shù)方案

《一種數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀裝置及方法》包括機(jī)架，設(shè)置在機(jī)架上的圓盤式刀庫(kù)，和圓盤式刀庫(kù)適配的刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，圓盤式刀庫(kù)內(nèi)設(shè)置有若干刀具，機(jī)架上設(shè)置和刀具相適配的倒刀氣缸，機(jī)架上設(shè)置有機(jī)械手驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，機(jī)械手驅(qū)動(dòng)馬達(dá)上設(shè)置有渦輪，渦輪上連接有可旋轉(zhuǎn)和軸向運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手旋轉(zhuǎn)軸，機(jī)械手旋轉(zhuǎn)軸上設(shè)置有用于換刀的機(jī)械手，渦輪上設(shè)置有一組原位定位凹槽、扣刀定位凹槽；機(jī)架上設(shè)置有和原位定位凹槽相適配的原位近接開關(guān)，和扣刀定位凹槽相適配的扣刀定位近接開關(guān)；機(jī)架上還設(shè)置有加工主軸，主軸上連接設(shè)置有主軸馬達(dá)，主軸上設(shè)置有與刀具相適配的裝配腔，還包括和刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、倒刀氣缸、機(jī)械手驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、原位近接開關(guān)、扣刀定位近接開關(guān)、主軸馬達(dá)相接的數(shù)控系統(tǒng)。渦輪上還設(shè)置有停止定位凹槽，機(jī)架上設(shè)置有和停止定位凹槽相適配的停止近接開關(guān)；停止近接開關(guān)和數(shù)控系統(tǒng)相連。

優(yōu)選的，原位定位凹槽設(shè)置有一個(gè)；扣刀定位凹槽設(shè)置有兩個(gè)，分別為第一扣刀定位凹槽和第二扣刀定位凹槽；停止定位凹槽設(shè)置有三個(gè),分別為第一停止定位凹槽、第二停止定位凹槽和第三停止定位凹槽，它們?cè)O(shè)置的順序按照360°劃分依次為原位定位凹槽、第一停止定位凹槽、第一扣刀定位凹槽、第二停止定位凹槽、第二扣刀定位凹槽、第三停止定位凹槽；兩個(gè)扣刀定位凹槽位于凸輪的同一圓周上，三個(gè)停止定位凹槽位于同一圓周上。 優(yōu)選的，主軸馬達(dá)包括控制主軸Z向上下運(yùn)動(dòng)的主軸Z向動(dòng)作馬達(dá)和控制主軸旋轉(zhuǎn)的主軸旋轉(zhuǎn)馬達(dá)。優(yōu)選的，機(jī)架上設(shè)置有和刀具相適配用于松刀和緊刀的主軸刀具氣缸，主軸刀具氣缸和數(shù)控系統(tǒng)相適配。優(yōu)選的，機(jī)架上設(shè)置和刀具預(yù)選刀具位相適配的刀具定位近接開關(guān)，和刀具倒刀刀具位相適配的刀具倒刀近接開關(guān)。

《一種數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀裝置及方法》包括如下步驟：

（1）數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)指定的刀具號(hào)，控制刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，通過數(shù)控系統(tǒng)計(jì)數(shù)，指定的刀具轉(zhuǎn)動(dòng)到預(yù)選刀具位，此時(shí)，和預(yù)選刀具位相適配的刀具定位近接開關(guān)感應(yīng)到指定刀具到達(dá)預(yù)選刀具位后給數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)刀具到位信號(hào)；

（2）上一工序完成后，數(shù)控系統(tǒng)通過讀取原位近接開關(guān)的信號(hào)判斷機(jī)械手是否處在初始位置，機(jī)械手在初始位置時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)控制位于預(yù)選刀具位的刀具執(zhí)行倒刀動(dòng)作，同時(shí)控制主軸Z向動(dòng)作驅(qū)動(dòng)馬達(dá)工作，主軸Z向動(dòng)作驅(qū)動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)主軸上升至換刀點(diǎn)后給數(shù)控系統(tǒng)一個(gè)主軸到位信號(hào)；主軸旋轉(zhuǎn)馬達(dá)帶動(dòng)主軸執(zhí)行角度定位后給數(shù)控系統(tǒng)一個(gè)主軸定位到位信號(hào)；當(dāng)?shù)毒叩沟督娱_關(guān)感應(yīng)到刀具到位后，給數(shù)控系統(tǒng)一個(gè)刀具到位信號(hào)；如果機(jī)械手不在初始位置，數(shù)控系統(tǒng)給主軸Z向動(dòng)作驅(qū)動(dòng)馬達(dá)一個(gè)鎖死信號(hào)，使主軸無(wú)法進(jìn)行Z向的操作；

（3）數(shù)控系統(tǒng)收到步驟（2）所述的刀具到位信號(hào)和主軸到位信號(hào)后，給機(jī)械手驅(qū)動(dòng)馬達(dá)一個(gè)工作信號(hào)，機(jī)械手離開初始位置，原位近接開關(guān)給數(shù)控系統(tǒng)一個(gè)機(jī)械手離開初始位置的信號(hào)，數(shù)控系統(tǒng)給主軸Z向動(dòng)作驅(qū)動(dòng)馬達(dá)一個(gè)鎖死信號(hào)；當(dāng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)至第一停止定位凹槽時(shí)，停止近接開關(guān)給數(shù)控機(jī)床發(fā)送一個(gè)停止信號(hào)，數(shù)控機(jī)床給機(jī)械手驅(qū)動(dòng)馬達(dá)一個(gè)停止工作信號(hào)，如果機(jī)械手停止后運(yùn)動(dòng)到扣刀位置，扣刀定位凹槽和扣刀定位近接開關(guān)相對(duì)，扣刀定位近接開關(guān)給數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)確定定位信號(hào)，此時(shí)數(shù)控系統(tǒng)給主軸發(fā)送松刀指令，否則，數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀裝置停止工作；主軸松刀完成后，給數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送松刀完成信號(hào)；

（4）數(shù)控系統(tǒng)接受到步驟（3）所述的松刀完成信號(hào)后，給機(jī)械手驅(qū)動(dòng)馬達(dá)下達(dá)工作指令，機(jī)械手驅(qū)動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)機(jī)械手下拉一定距離后，旋轉(zhuǎn)180°上升到原位，第二停止定位凹槽和停止近接開關(guān)相對(duì)，停止近接開關(guān)給數(shù)控機(jī)床發(fā)送停止信號(hào)，數(shù)控機(jī)床給機(jī)械手驅(qū)動(dòng)馬達(dá)下達(dá)停止指令，機(jī)械手驅(qū)動(dòng)馬達(dá)停止運(yùn)行，此時(shí)如果第二扣刀定位凹槽和扣刀定位近接開關(guān)相對(duì)，則給數(shù)控機(jī)床發(fā)送一個(gè)確定定位信號(hào)，此時(shí)給主軸發(fā)送緊刀指令；否則，數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀裝置停止工作；緊刀到位后給數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送緊刀到位信號(hào)；

（5）數(shù)控系統(tǒng)收到步驟（4）所述的緊刀到位信號(hào)后，給機(jī)械手驅(qū)動(dòng)馬達(dá)下達(dá)工作指令，機(jī)械手驅(qū)動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)機(jī)械手回到初始位置，當(dāng)?shù)谌Ｖ苟ㄎ话疾酆屯Ｖ菇娱_關(guān)相對(duì)后，停止近接開關(guān)給數(shù)控機(jī)床發(fā)送一個(gè)停止信號(hào)，數(shù)控機(jī)床給機(jī)械手馬達(dá)發(fā)送一個(gè)停止信號(hào)，機(jī)械手停止后，如果原位定位凹槽和原位近接開關(guān)相對(duì)，則給數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)機(jī)械手回到初始位置的信號(hào)，此時(shí)數(shù)控機(jī)床給刀座一個(gè)回刀指令，使換下的刀具回到刀座中，同時(shí)給主軸Z方向驅(qū)動(dòng)馬達(dá)一個(gè)解鎖指令，主軸可以進(jìn)行Z方向的操作。

為了進(jìn)一步保證不會(huì)發(fā)生機(jī)械手撞擊主軸的現(xiàn)象，只要機(jī)械手不在初始位置，主軸Z向4動(dòng)作驅(qū)動(dòng)馬達(dá)就會(huì)被鎖死，主軸無(wú)法進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，數(shù)控系統(tǒng)接收到扣刀定位近接開關(guān)或停止近接開關(guān)的信號(hào)時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)給主軸Z向動(dòng)作驅(qū)動(dòng)馬達(dá)一個(gè)鎖死信號(hào)，使主軸無(wú)法進(jìn)行Z向的操作。為了進(jìn)一步保證不會(huì)發(fā)生機(jī)械手撞擊主軸的現(xiàn)象，如果機(jī)械手在初始位置，原位近接開關(guān)會(huì)給數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)原位信號(hào)，如果機(jī)械手不在原位或者原位近接開關(guān)損壞，則不發(fā)送任何信號(hào)，數(shù)控系統(tǒng)判定機(jī)械手不在初始位置，同時(shí)給主軸Z向動(dòng)作驅(qū)動(dòng)馬達(dá)一個(gè)鎖死信號(hào)，使主軸無(wú)法進(jìn)行Z向的操作。為了使得刀具進(jìn)預(yù)選刀位更加迅速，節(jié)約能量，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)指定的刀具號(hào)，給刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)發(fā)送工作指令，控制圓盤式刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)，圓盤式刀庫(kù)帶動(dòng)指定的刀具轉(zhuǎn)動(dòng)到預(yù)選刀具位時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)通過讀取刀具號(hào)所在位置，進(jìn)而判斷刀盤通過正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)離預(yù)選刀具位更近，從而給刀盤正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)信號(hào)。

一種數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀裝置及方法改善效果

《一種數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀裝置及方法》的有益效果：和刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、倒刀氣缸、機(jī)械手驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、原位近接開關(guān)、扣刀定位近接開關(guān)、停止近接開關(guān)、主軸刀具氣缸、主軸馬達(dá)、數(shù)控系統(tǒng)相互配合，實(shí)現(xiàn)高精度換刀，同時(shí)原位近接開關(guān)、扣刀定位近接開關(guān)、停止近接開關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手離開初始位置，或者無(wú)法判定機(jī)械手位置時(shí)，或者停電后，通過主軸Z方向驅(qū)動(dòng)的鎖止，使得在換刀過程中，不會(huì)出現(xiàn)機(jī)械手和主軸相互撞擊，而造成機(jī)械手或主軸損壞的問題，同時(shí)該發(fā)明結(jié)構(gòu)合理能夠有效節(jié)省工作過程中的能量損耗。