加工中心刀库形式

加工中心刀库形式

13数控技术一 田磊 135307127

摘要：

加工中心有立式、卧式、龙门式等多种，其自动换刀装置的形式更是多种多样，换刀的原理及结构的复杂程度也各不相同，除利用刀库进行换刀外，还有自动更换主轴箱、自动更换刀库等形式。利用机械手实现换刀，是目前加工中心大量使用的换刀方式。由于有了刀库，机床只要有一个固定的主轴夹持刀具，有利于提高主轴刚度。独立的刀库，大大增加了刀具的存储数量，有利于扩大机床的功能，并能较好地隔离各种影响加工精度的因素。刀库用于存放刀具，它是自动换刀装置中的主要部件之一。根据刀库存放刀具的数目和取刀方式，刀库可设计成不同类型。

关键词：加工中心 自动换刀 刀具 刀库

Abstract Machining center has a vertical, horizontal, gantry, etc, the automatic tool change device form is varied, the principle of tool change and the complexity of the structure are different, in addition to the use of knife library for tool change, and automatically change the spindle box, automatically change the knife library, etc. Using manipulator to realize too change, is the way of tool change is widely used in machining center. Library with the knife, as long as there is a fixed axis machine tool clamping tool, to improve the spindle stiffness. Independent of knife library, greatly increases the storage quantity of cutting tool, which helps to expand the function of machine tool, and can be well isolated various factors that affect the machining accuracy. Knife library to hold the cutting tool, it is one of the main components of automatic tool change device. According to the number of

inventory to put the knives and take knife, knife library can be designed into different types.

Keywords : processing center automatic tool change the cutting tool knife library

1、 引言

自动换刀数控机床多采用刀库式自动换刀装置。带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换机构组成，它是多工序数控机床上应用最广泛的换刀方法。刀库形式及刀库相对加工中心主轴位置的不同决定了换刀装置的不同. 加工中心刀库形式有很多, 结构也各不相同, 最常用的有鼓盘式刀库、链式刀库和各自盒式刀库。

1.1加工中心刀库的概述

刀库系统是提供自动化加工过程中所需之储刀及换刀需求的一种装置；其自动换刀机构及可以储放多把刀具的刀库；改变了传统以人为主的生产方式。藉由电脑程式的控制，可以完成各种不同的加工需求，如铣削、钻孔、镗孔、攻牙等。大幅缩短加工时程，降低生产成本；这是刀库系统的最大特点。

近年来刀库的发展已超越其为工具机配件的角色，在其特有的技术领域中发展出符合工具机高精度、高效能、高可靠度及多工复合等概念之产品。其产品品质的优劣，关系到工具机的整体效能表现。

1.1.1 刀库的主要构件

刀库主要是提供储刀位置，并能依程式的控制，正确选择刀具加以定位，以进行刀具交换；换刀机构则是执行刀具交换的动作。刀库必须与换刀机构同时存在，若无刀库则加工所需刀具无法事先储备；若无换刀机构，则加工所需刀具无法自刀库依序更换，而失去降低非切削时间的目的。此二者在功能及运用上相辅相成缺一不可。

1.1.2 刀库的特点

加工中心是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，因此在国内外企业界都受到高度重视。如今，加工中心

已成为现代机床发展的主流方向，加工广泛应用于机械制造中。与普通数控机床相比，它具有以下几个突出特点。（l ）工序集中加工中心备有刀库并能自动更换刀具，对工件进行多工序加工，使得工件在一次装夹后，数控系统能控制机床按不同工序，自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹，以及其他辅助功能，现代加工中心更大程度地使工件在一次装夹后实现多表面、多特征、多工位的连续、高效、高精度加工，即工序集中．这是加工中心最突出的特点．（2）对加工对象的适应性强加工中心生产的柔性不仅体现在对特殊要求的快速反应上．而且可以快速实现批量生产，提高市场竞争能力．（3）加工精度高加工中心同其他数控机床一样具有加工精度高的特点，而且加工中心由于加工工序集中，避免了长工艺流程，减少了人为千扰，故加工精度更高，加工质量更加稳定。

2、刀库的种类 刀库的容量、布局，针对不同的加工中心，其形式也是五花八门。但是根据刀库所需的容量和取刀方式主要有鼓盘式刀库、链式刀库、机械手刀库和各自盒式刀库。

2.1鼓盘式刀库 鼓盘式刀库结构紧凑、简单，在钻削中心应用较多，一般存放刀具不超过32把。图4-14为刀具轴线与鼓盘轴线平行布置刀库，其中图a 为径向取刀形式，图b 为径向取刀形式。

图4-15c 为刀具径向安装在刀库上的结构，图4-14d 为刀具轴线与鼓盘轴线成一定角度布置的结构。

图4-14 鼓盘式刀库（一） 图4-15 鼓盘式刀库（二）

2.1.1 鼓盘式刀库的特点

鼓盘式刀库应该称之为固定地址换刀刀库，即每个刀位上都有编号，一般从1编到12、18、20、24等，即为刀号地址。操作者把一把刀具安装进某一刀位后，不管该刀具更换多少次，总是在该刀位内。

主要部件是刀库体及分度盘，只要这两样零件加工精度得到保证即可，运动部件中刀库的分度使用的是非常经典的“马氏机构”，前后、上下运动主要选用气缸。装配调整比较方便，维护简单。一般机床制造厂家都能自制。

2.2链式刀库 在环形链条上装有许多刀座，刀座的孔中装夹各种刀具，链条由链轮驱动。链式刀库适用于刀库容量较大的场合，且多为轴向取刀。链式刀库有多环链式和单环链式等几种，如图6-14a 、b 、c 所示。担当链条较长时，可以增加支承链轮的数目，使链条折叠回绕，提高空间利用率，如图4-2所示。

图6-14 a单环链式 b、c 多环链式

2.2.1链式刀库的特点

链式刀库的可储放较多数量之刀具，一般都在20把以上有些可储放120把以上。它是藉由链条将要换的刀具传到指定位置，由机械手将刀具装到主轴上。换刀动作均采用马达加机加工中心使用的刀库最常见的形式是圆盘式刀库和机械手换刀刀库。

链式刀库刀具容量大，但刀库定位精度低。链式刀库的链条式结构，决定了刀库自身存在着明显的缺陷：机械刚性差、传动间隙大， 造成刀库定位精度差，常引起机床故障.

2.3格子盒式刀库

图4-17所示为固定型各系盒式刀库. 刀具分几排直线排列, 由纵、横向移动的取刀的机械手完成选刀动作，将选取的刀具送到固定的换刀位置刀座上，由换刀机械手交换刀具。由于刀具排列密集，因此空间利用率高，刀库容量大。

图4-17 固定格子盒式刀库

2.4机械手刀库

机械手刀库的刀套包容全部锥面，不易脏。特别对精镗刀的鏜孔精度稳定性有好处。 机械手刀库对刀具重量要求严格，一旦超重，刀具会从机械手中甩出去，易出危险。长度也必须在要求范围内，机械手旋转时所占的空间比较大，编程者须计算换刀是否会碰夹具等。

图4-18机械手刀库图片

2.4.1机械手刀库的特点

机械手刀库换刀是随机地址换刀。每个刀套上无编号，它最大的优点是换刀迅速、可靠。 1、 制造成本高。刀库有一个个刀套链式组合起来，机械手换刀的动作有凸轮机构控制，零件的加工比较复杂。装配调试也比较复杂，一般由专业厂家生产，机床制造商一般不自制。 2、 刀号的计数原理。与固定地址选刀一样，它也有基准刀号：1号刀。但我们只能理解为1号刀套，而不是零件程序中的1号刀.

除上面介绍的四种刀库形式之外，还有直线式刀库、多盘式刀库等。

3. 刀库的选择

各种种刀库形式各有优缺点。例如鼓盘式刀库与机械手刀库，选择哪一种？常规选择大家关注两点：一是价格，二是使用场合。 价格：以40#刀库20把刀为例。鼓盘式刀库价格约为3.5万，机械手刀库为6.5万。 使用场合：一般单件小批量生产用鼓盘式刀库为好，大批量生产用机械手刀库。 另外大家也知道机械手刀库可靠性比鼓盘式刀库高，但鼓盘式刀库维护保养简单方便。 其实

还有几点大家容易忽略。 1、 鼓盘式刀库的刀柄在刀库内放置时7：24的锥面是敞开的，无保护，时间久了或车间环境恶劣，锥面易脏。影响刀具的重复安装精度。而机械手刀库的刀套包容全部锥面，不易脏。特别对精镗刀的鏜孔精度稳定性有好处。 2、 机械手刀库对刀具重量要求严格，一旦超重，刀具会从机械手中甩出去，易出危险。长度也必须在要求范围内，机械手旋转时所占的空间比较大，编程者须计算换刀是否会碰夹具等。 3、 鼓盘式刀库从使用上讲，刀具应在鼓盘周围均匀放置，尽可能使质量重心在鼓盘中心。以延长刀库使用寿命。 4、 从承重的角度讲，鼓盘式刀库的刀柄以40#和30#比较好，50#的刀柄最好选机械手刀库。 5、 机械手刀库在使用大直径刀具（大于相邻刀位的最大直径）时处理比较麻烦。要么每一把刀具间隔位置都一样。要么通过PLC 专门辟出几个刀套位作为“特区”。

4. 刀库的故障

鼓盘式刀库的故障概率比机械手刀库高，易损件主要是“马式机构”(马氏机构就是" 机械原理" 中讲述的一种间歇机构, 是纯机械机构. )中拨叉上的滚针轴承损坏，如果刀库长时间满载或者偏重运行。那导轨副会磨损、鼓盘中心的轴承也会磨损。但是更换都是比较方便的。 机械手刀库主要是靠凸轮机构完成换刀动作的，简单、可靠。平时只要按时更换凸轮箱里的油即可。使用寿命长。如果凸轮槽磨损到一定程度后不更换，刀库就不能用了。凸轮的结构，此设计之结构简单、动作快速、确实、可靠，但是价格较高，通常为客制化产品。

5. 刀库的自动换刀系统

自动换刀系统是CNC 工具机的重要组成部分，主要是将加工所需刀具，从刀库中传送到主轴夹持机构上。刀具夹持元件的结构特性及其与工具机主轴的联结方式，将直接影响工具机的加工性能。刀库结构形式及刀具交换装置的工作方式，则会影响工具机的换刀效率。自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度，又会对

整机的成本产生直接影响。 数控工具机的自动换刀系统大概分为1. 油压机构2. 气压机构3. 电气式凸轮机构。在不断追求速度及可靠性提升的数控工具机市场，凸轮式换刀机构就广泛的被采用。此设计只用一个驱动马达就可完成复杂的换刀动作，快速确实，除了换油外没有其他消耗零件及保养需求，故障率最少，寿命超过百万次以上。一般具有ATC 装置者都有ATC 臂。换刀时若是需要在刀具库与主轴两处更换，则需要ATC 臂来补助。但有些工具机并不需要ATC 臂即可完成换刀动作。

6. 刀库的安装形式

调节板的接地端绝对不可以和外部+24V电源的0V 端相连，否则将会使内部的-9V 电源取消，导致调节板无法正常工作。 因调节板和比例阀距离很远，因此阀芯位置反馈信号线必须使用带屏蔽的电缆。 阀芯位置反馈信号在刀库不转时输出必须调节，调节用比例阀的调节螺钉进行，以保证同样的给定电压正反转速度一致。 阀芯位置反馈中的移动铁芯在比例阀中是借助弹簧复位的，使用年代较长的机床应更换相同规格的弹簧，以防止由于弹簧老化而带来的转速不稳。 对于零速给定单元的调整应注意，不可使幅值太大，只要保证Y1、Y2在停止时保持热态就可以了。(一般取0.5V) 。 刀库正常工作前(如维修或初始安装后) 必须用示波器实测PWM 调制器是否已正常起振，并将端波形相比较，其幅值和频率对控制系统的工作都至关重要，误差应保证在10%以内，必要时用R29调整。

8. 刀库的发展趋势

未来工具机产业的发展，均以追求高速、高精度、高效率为目标。随着切削速度的提高，切削时间的不断缩短，对换刀时间的要求也在逐步提高；换刀的速度已成为高等级工具机的一项重要指标。 快速自动换刀技术是以减少辅助加工

时间为主要目的，综合考虑工具机的各方面因素，在尽可能短的时间内完成刀具交换的技术方法。一般强调换刀速度快的卧式机台，皆有几个特点：1. 刀臂短 2.刀臂不一定成直线 3.两刀可能互相垂直 4.凸轮箱小且可移动。其主要目的是要让换刀时，可动件之转动惯量小，以达到快速换刀之目的。该技术包括刀库的设置、换刀方式、换刀执行机构和适应高速工具机的结构特点等。

结论

数控技术的发展必定是未来制造业的发展方向，刀库的发展极大的推动了加工中心 的发展，而盘式刀库的结构解决了刀库容量，机床加工范围等的众多问题。在传统的制造业中，大量的时间用于更换刀具、装卸零件、测量和搬运零件等非切削时间上，切削加工时间仅占整个工时中较小的比例。而刀库即有此“工序集中”的特点及功能，因此数控加工特别是带刀库的加工中心是未来制造业的发展方向。

参考文献

[1] 夏田 数控加工中心设计[M]．北京：化学工业出版社，2006．

[2] 高德文 数控加工中心[M]．北京：化学工业出版社，2003．

[3] 余仲裕 数控技术[M]．北京：机械工业出版社，2003．

[4] 孙汉卿 数控机床维修技术[M]．北京：机械工业出版社，2001．

[5] 熊永超，陶勇 国产数控机床现状及发展趋势[J]．煤矿机械，2006