刀具交换方式优化方案

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：刀具交换机构的具体形式和交换方式对数控机床的生产率和工作可靠性有着直接的影响。通常，刀具交换方式可分为无机械手换刀和机械手换刀两大类。其典型代表为斗笠式刀库的自动换刀。

在数控机床的自动换刀装置中，为实现刀库中刀套上的刀具和机床主轴上的刀具进行互换和装卸的结构称为刀具交换机构。刀具交换机构的具体形式和交换方式对数控机床的生产率和工作可靠性有着直接的影响。通常，刀具交换方式可分为无机械手换刀和机械手换刀两大类。

1.无机械手换刀

无机械手换刀是利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具的交换。换刀时，先将用过的刀具送回刀库中（还刀），再从刀库中取出待更换的目标刀具（取刀），这两个动作不能同时进行。其典型代表为斗笠式刀库的自动换刀。无机械手换刀时，刀具号和刀套号固定不变，也就是从一个刀套取出的刀具用完后再放回该刀套中（简称固定换刀）。下面以TK910立式数控镗铣床和H100卧式加工中心为例，介绍无机械手换刀的过程。

（1）TK910立式数控镗铣床的无机械手换刀过程（见图6-31）斗笠式刀库装在工作台上，通过X/Y/Z坐标轴的定位完成选刀和换刀工作。

1）主轴准停和刀盘分度（图6-31a）：加工工步结束后，执行换刀指令（如T02M06）和M19主轴定向准停控制，然后斗笠式刀库的电动机起动，刀盘分度使空刀位处于刀具交换位置（一般为系统参数设定的机床第2参考点）。

2）刀库右移、抓刀（图6-31b）：横移机构的气缸活塞杆推出，将刀盘的空刀座送至主轴正下方并卡住主轴刀具刀柄的定位槽。

3）主轴松刀、卸刀（图6-31c）：主轴刀具夹紧机构松开刀具并执行主轴内孔吹气动作，然后主轴沿Z轴上升至机床第1参考点（系统参数设定），将用完的刀具从主轴7∶24的锥孔中拔下。

4）刀库旋转（图6-31d）：刀库电动机起动使刀盘旋转，按T代码的要求将待更换的目标刀具转至主轴正下方。

5）插刀、拉刀（图6-31e）：主轴沿Z轴慢速下降至换刀点（即机床第2参考点），使刀盘上待更换的目标刀具插入主轴7∶24的锥孔中，主轴刀具夹紧机构夹紧该刀具。

6）刀库回位（图6-31f）：横移机构的气缸活塞杆缩回，使刀库快速远离主轴并回归初始位置，继续下一步的加工。

图6-31 TK910立式数控镗铣床的无机械手换刀过程

（2）H100卧式加工中心的无机械手换刀过程（见图6-32）该机床的主轴在立柱上可以沿Y向上下移动，工作台可沿X轴横向运动和Z轴纵向移动。斗笠式刀库位于机床的顶部，有30个装刀位置，可装29把刀具。

图6-32 H100卧式加工中心的无机械手换刀过程

1）主轴准停、主轴箱上升（图6-32a）：加工工步结束后，执行换刀指令（如T05 M06）和M19主轴准停控制，主轴箱沿Y轴上升至安全位置；同时刀库电动机起动，刀盘旋转使空刀位处于刀具交换点（一般为系统参数设定的机床第2参考点）。

2）抓刀与松刀（图6-32b）：主轴箱上升至换刀点/机床第2参考点，主轴上已用过的刀具刀柄进入刀盘的空刀位；当刀盘的定位卡爪钳住刀具后，主轴刀具夹紧机构松开刀具并进行内孔吹气控制。

3）拔刀（图6-32c）：斗笠式刀库液压缸的活塞伸出，推动刀盘右移，使已用过的刀具从主轴7∶24的锥孔中拔出。

4）刀库旋转（图6-32d）：刀库电动机起动使刀盘旋转，按T代码的要求将待更换的目标刀具转至主轴正下方。

5）插刀与拉刀（图6-32e）：刀库液压缸的活塞缩回，将刀盘上的待换刀具插入主轴的锥孔中，到位后主轴刀具夹紧机构拉紧该刀具。

6）主轴箱下降（图6-32f）：主轴箱下降至安全位置后，继续执行下一步的加工。

2.机械手换刀

机械手换刀是利用数控机床上配置的换刀机械手来完成刀库内待更换刀具和主轴上已用完刀具交换的一种换刀方式，主要包括将主轴上已用完的刀具送回刀库和从刀库中提取新刀具装至主轴锥孔内两个动作。这两个动作由手爪的形式确定是否同时进行。由于机械手换刀采用随机换刀方式，其刀具号和刀套号不是一一对应的关系，使得机械手换刀具有非常大的灵活性和有效节省换刀时间的优点，因此被广泛应用于现代数控机床中。机械手有多种结构形式，所以其换刀运动也有所不同。下面以NB-800A立式加工中心和M-H60EN卧式加工中心为例，介绍机械手换刀的过程。

（1）NB-800A立式加工中心的机械手换刀过程（见图6-33）该机床配置圆盘式刀库，刀库容量为24把刀，刀具型式为BT50型，刀具的最大长度不超过350mm，刀具满刀和邻空刀/大径刀的最大直径分别为ϕ100mm和ϕ150mm，刀套中心距为100mm，刀套的翻上、翻下采用0.5～0.6MPa的气压控制。

图6-33 NB-800A立式加工中心的机械手换刀过程

1）待机位置：M71代码控制刀套提前翻下90°（倒刀），机械手臂平行于Y轴呈图6-33a中①的初始状态。

2）机械手臂逆时针旋转60°：Z轴下降至换刀点（一般为机床的第2参考点，FANUC 18/18i/0i/30i系统时由参数No.1241设定该点），主轴执行M19准停控制后，M72代码控制机械手臂逆时针旋转60°到达图6-33a中②的位置，同时扣住刀套上的待换刀具和主轴上已用完的工具；60°到位后由检测开关通知PMC机械手臂扣刀完毕。机械手的旋转角度由机床的整体布局结构决定。

3）主轴松刀机械手臂下降：M73代码控制主轴刀具夹紧机构松开刀具并进行内孔吹气，检测开关检知松刀完毕状态；机械手电动机第二次旋转带动待换刀具和已用完刀具下降一定的距离（避免旋转时发生干涉）至图6-33a中③的位置。

4）M74代码控制机械手臂逆时针旋转180°至图6-33b中④的状态，交换待换刀具和已用完刀具的位置，并由检测开关检知旋转到位。

5）机械手上升插刀：机械手电动机通过凸轮机构控制机械手臂上升至换刀点（图6-33c中⑤的位置），将待换刀具插入主轴锥孔中，同时将已用完刀具插入刀库刀套中；然后M75代码控制主轴刀具夹紧机构拉紧刀具，检测开关检知拉刀到位状态。

6）机械手臂回位：M76代码控制机械手臂顺时针旋转60°返回初始位置（图6-33d中⑥的位置），检测开关检知回位结束；同时M77代码控制刀套翻上90°（回刀），检测开关检知刀套翻上到位的状态。

7）换刀结束。

（2）M-H60EN卧式加工中心的机械手换刀过程（见图6-34）该机床配置链式刀库，刀库位于机床立柱的左侧。因为刀库中存放刀具的刀套轴线与主轴的轴线垂直，所以换刀机械手需要有3个自由度。其中，机械手沿主轴轴线插刀和拔刀的动作由液压缸驱动实现，绕竖直轴摆动90°进行刀库与主轴间刀具的传送，以及绕水平轴旋转180°完成刀库与主轴上刀具的交换均由液压马达实现。