关于加工中心刀库的基本知识知识.docx

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关于加工中心刀库的基本知识知识

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刀库-概述

刀库

 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。

刀库-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。

刀库-分类

刀库的容量、布局，针对不同的工具机，其形式也有所不同，根据刀库的容量、外型和取刀方式可概分为以下几种：

1、斗笠式刀库 　　

一般只能存16~24把刀具，斗笠式刀库在换刀时整个刀库向主轴移动。

当主轴上的刀具进入刀库的卡槽时，主轴向上移动脱离刀具，这时刀库转动。

当要换的刀具对正主轴正下方时主轴下移，使刀具进入主轴锥孔内，夹紧刀具后，刀库退回原来的位置。

2、圆盘式刀库 　　

圆盘式刀库通常应用在小型立式综合加工机上。

"圆盘刀库"一般俗称"盘式刀库"，以便和"斗笠式刀库"、"链条式刀库"相区分。

圆盘式的刀库容量不大，顶多二、三十把刀。

需搭配自动换刀机构ATC（Auto Tools Change）进行刀具交

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、 刀号的计数原理。

一般在换刀位安装一个无触点开关，1号刀位上安装挡板。

每次机床开机后刀库必须“回零”，刀库在旋转时，只要挡板靠近（距离为0.3mm 左右）无触点开关，数控系统就默认为1号刀。

并以此为计数基准，“马氏机构”转过几次，当前就是几号刀。

只要机床不关机，当前刀号就被记忆。

刀具更换时，一般按最近距离旋转原则，刀号编号按逆时针方向，如果刀库数量是18，当前刀号位8，要换6号刀，按最近距离换刀原则，刀库是逆时针转。

如要换10号刀，刀库是顺时针转。

机床关机后刀具记忆清零。

3、 固定地址换刀刀库换刀时间比较长国内的机床一般要8秒以上（从一次切削到另一次切削）。

4、 圆盘式刀库的总刀具数量受限制，不宜过多，一般40#刀柄的不超过24把，50#的不超过20把，大型龙门机床也有把圆盘转变为链式结构，刀具数量多达60把。

二、机械手刀库特点 

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：

T1。

系统中有一张刀具表。

它有两栏。

一栏是刀套号，一栏是对应刀套号的当前程序刀号。

假如我们编一个三把刀具的加工程序，刀具的放置起始是1号刀套装T1（1号刀），2号刀套装T2，3 号刀套装T3，我们知道当主轴上T1在加工时，T2刀即准备好，换刀后，T1换进2号刀套，同理，在T3加工时，T2就装在3号刀套里。

一个循环后，前一把刀具就安装到后一把刀具的刀套里。

数控系统对刀套号及刀具号的记忆是永久的，关机后再开机刀库不用“回零”即可恢复关机前的状态。

如果“回零”，那必须在刀具表中修改刀套号中相对应的刀具号。

3、 机械手刀库换刀时间一般为4秒（从一次切削到另一次切削）。

4、 刀具数量一般比圆盘刀库多，常规有18、20、30、40、60等 

5、 刀库的凸轮箱要定期更换起润滑、冷却作用的齿轮油。

刀库-使用选择 

两种刀库形式各有优缺点。

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。

圆盘式刀库价格约为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圆盘式刀库为好，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圆盘式刀库高，但圆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、 圆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、 圆盘式刀库从使用上讲，刀具应在圆盘周围均匀放置，尽可能使质量重心在圆盘中心。

以延长刀库使用寿命。

4、 从承重的角度讲，圆盘式刀库的刀柄以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”。

刀库-故障情况 

圆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、圆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。

刀库-速度指标

刀库

 1、衡量换刀速度的方法主要有二种：

1）刀到刀换刀时间（T to T） 

2）切屑到切屑换刀时间（C to C）。

由于切屑到切屑换刀时间基本上就是综合加工机两次切削之间的时间，反映了综合加工机换刀所需的辅助时间，因此切屑到切屑换刀时间应是衡量综合加工机效率高低的最直接指标。

而刀到刀换刀时间则主要反映自动换刀装置本身性能的好坏，适合作为工具机自动换刀装置的性能指标，这两种方法通常用来评价换刀速度。

至于换刀时间多少才算得上是高速工具机，并没有确定的指标，在技术条件可能的情况下，应尽可能提高换刀速度。

2、提高换刀速度的基本原则

工具机的换刀装置，通常由刀库和换刀机构组成，有些应用机械手臂换刀，有些换刀方式并不需要机械手臂，刀库的形式和摆放位置也不一样。

为了适合高速运动的需要，高速工具机在结构上已和传统的工具机不同。

以刀具运动进给为主，减小运动工件的质量，已成为高速工具机设计的主流。

因此，设计换刀装置时，要充分考虑到高速工具机的结构特征。

3、提高换刀速度的主要技术方法

适合于工具机的快速自动换刀技术主要有以下几个方面：

在传统自动换刀装置的基础上提高动作速度，或采用动作速度更快的机构和驱动元件。

例如，机械凸轮结构的换刀速度高于液压和气动结构。

根据高速工具机的结构特点设计刀库和换刀装置的形式和位置。

例如，传统工具机的刀库和换刀装置多装在立柱一侧，在高速工具机则多为立柱移动的进给方式，为减轻运动件质量，刀库和换刀装置不宜再装在立柱上。

采用新方法进行刀具快速交换，不用刀库和机械手方式，而改用其它方式换刀。

例如不用换刀，用换主轴的方法。

使用适合于高速工具机的刀柄。

如HSK刀柄质量轻，装卸刀具的行程短，可以使自动换刀装置的速度提高。

快速自动换刀装置采用HSK空心短锥柄刀是发展的趋势。

刀库-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。

刀库-安装调试

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uf在刀库不转时输出必须调节到uf=0，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ud的幅值太大，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uc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。

刀库-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。

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