认识数控车床的自动换刀装置

数控机床作为加工制造部门最基础的生产设备，提高其生产效率，缩短加工时间是制造业面临的一大问题。自动换刀装置（Automatic Tool Changer，ATC）可以使数控机床在工件一次装夹中完成多种甚至所有加工工序，缩短非切削时间，提高生产效率，可使非切削时间减少到20%～30%。扩大数控机床工作范围，减少设备占地面积，能够避免在多次装夹定位中引起的误差，提高加工精度。数控车床上的回转刀架是一种简单的自动换刀装置，同时在多工序数控机床出现之后，逐步发展和完善各类回转刀具的自动换刀装置，扩大换刀数量，从而实现更为复杂的换刀操作。数控机床对自动换刀装置的基本要求是：换刀时间短，刀具重复定位精度高，有足够的刀具存储量，刀库占地面积小及安全可靠等。

在数控机床中，自动换刀装置应满足的基本要求包括：

（1）刀具换刀时间短。

（2）刀具重复定位精度高。

（3）足够的刀具储存量。

（4）刀库占地面积小。

自动换刀装置的类型如下：

1.认识数控车床液压驱动转塔刀架

自动换刀装置的种类有很多，以应用比较广泛的数控车床液压驱动刀塔为例，介绍液压刀塔采用的结构、换刀过程以及采用的一些电器开关的作用。液压刀塔主要是靠液压缸或液压马达的动作来实现换刀动作的，采用一些接近开关或限位开关来检测位置，然后由机床系统和一些继电器等电器元件控制实现换刀过程。

（1）液压刀塔的结构

液压刀塔的动作实现是靠液压马达驱动，通过油缸活塞等结构来控制刀盘的松开与锁紧，并依靠内部凸轮机构的运动来控制刀盘的选装。液压驱动的转塔刀架扭矩大、速度高，换刀时间短，价格也比电动机传动转塔刀架便宜。刀塔内部大多采用日内瓦式间歇机构（即平面共轭分度凸轮）进行分度，换刀定位精确，可承受重切削。刀架的计数装置采用接近开关，计数准确，乱刀情况少。如图2-39所示是液压刀塔的外观图。

图2-39　液压刀塔的外观图

1—吊环螺栓孔；2—加油孔；3—液压马达；4—切削液出口；5—刀盘连接盘；6—油镜；7—定位销孔；8—卸油孔；9—切削液入口；10—刀盘推出油压入口；11—夹紧油压入口；12—润滑油孔

（2）换刀过程

这里以台湾六鑫公司生产的LS-120/160/240系列刀塔为例介绍其换刀过程，图2-40是其结构简图。

图2-40　液压刀塔结构简图

1—平面共轭分度凸轮；2—液压马达；3—衬套；4、5—齿轮；6—刀架主轴；7、12—推力球轴承；8—双列滚针轴承；9—活塞；10、13—鼠牙盘；11—刀盘；PRSl～PRS5—刀盘位置检测开关；PRS6—刀盘到位接近开关

液压刀塔的换刀过程为刀盘松开→刀盘转位→刀盘定位夹紧，具体操作方法有以下几个步骤。

① 刀盘松开：数控系统发出换刀指令，活塞9的右腔进油，活塞向左运动，推动轴承12连同刀架主轴6向左移动，使鼠牙盘13与10脱开，刀盘松来。

② 刀盘旋转：液压马达2运转，带动平面分度凸轮1旋转，经凸轮从动轮，齿轮5、齿轮4带动刀架主轴6使刀盘转位、选刀。

③ 刀盘定位夹紧：选刀结束后，活塞9的左腔进油，活塞向右运动，推动轴承12和刀架主轴6向右移动，鼠牙盘13与10夹紧、定位。

（3）刀具奇偶检验开关

刀具奇偶检验开关：为保证不乱刀，刀号为奇数时有感应，偶数时无感应。换刀动作发生时，如有误动作，如刀盘应停在1号刀位置，实际却停在2号刀位置，此时奇偶检验开关应感应，但刀盘实际为2号刀因而无感应，此时PLC应处理此为乱刀现象，应停止切削动作，并显示刀架报警。(www.xing528.com)

（4）刀盘锁紧接近开关

刀盘锁紧接近开关在刀盘锁紧时有信号，当欲换刀时，按刀盘启动开关，刀盘推出，电磁阀动作，将刀盘外推5mm，接近开关无信号，PLC确定最短路径，液压马达正反转，执行分度动作。

图2-41是该系列刀塔刀盘一端的装配分解图。图2-42是刀塔箱体内部的装配分解图。

图2-41　刀盘一端的装配分解图

1、4、20、26、37、41—螺栓；2、3—销；5、28—鼠牙盘；6—鼠牙盘连接板；9—油封：10—滚针轴；11—活塞；14—套筒；15—心轴螺帽；18—刀塔座；19—螺丝；21—刀盘封盖；22—刀盘；25—刀盘连接盘；27—防尘油封；30—心轴；31—间隔环；31—油镜；34—切削水管头；36—弹簧；38—切削水座；39—垫圈；7、8、12、13、16、23、24、28、29、32、33、35、40—O形环

图2-42　刀塔箱体内部的装配分解图

1—上盖；2—刀塔座；3—齿轮；4—后盖；5—马达罩；6—马达；7—平面共辄分度凸轮；8—凸轮从动轮；9—齿轮

2.认识数控车床电机传动转塔刀架（电动刀塔）

电动刀塔采用电机作为驱动，使用编码器进行刀号检测与计算，刀塔定位精度高、换刀快、响应迅速，其制造成本也比较高。

（1）电动刀塔与液压刀塔的区别

液压凸轮刀塔工作时，首先由液压控制的活塞带动刀盘在轴向移动，使刀盘的齿盘从锁紧状态脱开，然后由液压马达驱动共轭凸轮实现刀塔的分度运动。刀盘的转位运动始终靠凸轮的轮廓强制驱动。在实现相隔多刀位换刀时，刀盘的旋转是不连续的，因此换刀速度受到限制。分度运动结束以后，再由活塞控制带动刀盘锁紧。与液压型刀塔不同，电动刀塔分度采用编码器进行计数，相隔多刀位换刀时，刀盘可连续旋转，换刀速度快。在进行换刀工作时，刀盘从锁紧状态脱开，然后伺服电动机带动刀盘实现刀塔的分度运动。换刀结束后，刀盘重新锁紧。

电动刀塔齿盘的脱开或锁紧是通过端面凸轮机构实现的，既保证了足够的锁紧力，又不加大气（液压）缸的直径尺寸。电动刀塔的齿盘通常是三片式结构，这种结构在换刀时，刀盘不需要进行轴向运动，因此密封性能好。电动刀塔分度精度高，换位快，承载能力强。

（2）电动刀塔的结构

如图2-43所示是德国肖特0.5.480.5xx系列电动刀塔结构图。该种刀塔使用电机驱动转塔刀架，使用鼠牙盘结构定位。如图2-43所示，鼠牙盘10用螺钉及定位销固定在刀架体2上。刀架连接盘8用螺钉及定位销固定在右侧的中心轴21轴套上。鼠牙盘10和刀架连接盘8的对面是一个齿长是二者齿长之和的鼠牙盘。齿轮轴4通过缓冲键带动端面凸轮旋转。端面凸轮通过和碟形弹簧14相连的定位销带动驱动盘转动，驱动盘通过缓冲键带动中心轴21旋转、选刀。

图2-43　德国肖特0.5.480.5xx系列电动刀塔结构图

1—电机；2—刀架体；3—冷却液口；4—齿轮轴；5—缓冲键；6—端面凸轮；7—滚子；8—刀架连接盘；9—T形槽；10—鼠牙盘；11—鼠牙齿；12—凸轮槽；13—冷却液阀门；14—碟形弹簧；15—轴套；16—驱动盘；17—插销；18—无触点开关；19—电磁铁；20—编码器；21—中心轴

鼠牙盘10可轴向移动，在其右端面三个等分位置上装有三个滚子7。滚子与端面凸轮盘6的凹槽接触，一个滚子相对有两个凹槽，这两个凹槽相对滚子中心左右对称，如图2-43（b）、（c）所示。电机带动凸轮向上转，滚子进入下方凹槽；向下转，进入上方凹槽。当滚子进入任何一个凹槽时，如果凸轮继续旋转，滚子将被卡在凹槽中；凸轮反转，滚子将滚出凹槽。

当滚子落入凸轮槽时，可轴向移动的鼠牙盘右移，鼠牙盘松开、脱齿，如图2-43（b）所示；当凸轮盘反转时，凸轮使滚子左移，鼠牙盘左移，齿盘合齿、啮合，如图2-43（c）所示，并通过碟形弹簧将鼠牙盘向左推进一步夹紧。

端面凸轮除控制鼠牙盘松开、啮合、夹紧外，还通过缓冲键5带动一个与中心轴套用齿形键相连的轴套15和驱动盘16，使转塔刀盘分度。

整个换刀动作，脱齿（松开）、分度、合齿定位（夹紧）用一个交流电机1驱动，经过两次减速传到套在端面凸轮盘外圆的齿圈上。此齿圈通过缓冲键5（减少传动冲击）和端面凸轮盘相连。同样，驱动盘和中心轴上的驱动盘也有类似的缓冲键。

（3）刀位识别与换刀过程

为识别刀位，该电动刀塔装有一个编码器20，其用齿形带与中心轴套中间的齿形带轮轴相连。当数控系统发出换刀指令后，自动判断将要换的刀向哪个方向回转分度的路程最短，然后电机转动、松开，转塔刀盘按最短路程分度。当编码器检测到分度刀位信号后电动机停止转动，电磁铁19通电将插销17左移，插入驱动盘中，电机反转，转塔刀盘完成合齿定位、夹紧，电机停止转动。电磁铁断电，弹簧使插销右移，无触点开关18用于检测插销退出信号。