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换刀装置与刀具主轴实时随动控制的双通道换刀
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数控机床刀具设计论文中英文资料外文翻译文献综述
导读：本刀具储存系统的电气控制主要是对其货架进行运行控制和位置控制，图1刀具库控制系统图，1)电气传动水平旋转刀具储存系统各机械的动作都属于反复短时工作制，刀库的作用是储备一定数量的刀具，机械手实现主轴上刀具的互换}zs}a刀具的类型有盘式刀库、链式刀库等多种形式，刀库的形式和容量要根据机床的工艺范围来确定，刀库是存储刀具的装置，盘式刀库中刀库呈盘状,刀具沿盘面垂直排列(包括径向取刀和轴向取刀),沿
1.1.2. 电气控制系统
本刀具储存系统的电气控制主要是对其货架进行运行控制和位置控制。运行控制包括运行设备的启动、制动控制。位置控制主要是对货架位置和地址进行检测。控制系统框图如图 1 所示。
图 1 刀具库控制系统图
1)电气传动 水平旋转刀具储存系统各机械的动作都属于反复短时工作制。而且系统在运行时需要几种速度, 因此传动系统需要调速, 所以该系统选用了变频调速的方法, 可以采用结构简单、运行可靠的变频器和变频电动机。
2)控制方式 该系统分为手动和自动控制2 种控制方式, 手动控制一般作为调试用和备用的工作方式; 自动控制方式为本系统计算机(IPC)和控制单元(变频器、接触器等)组成的一个自动控制系统。
3)位置及定位精度检测 本系统中自动认址和位置检测采用了接近开关作为检测元器件, 通过光点隔离继电器板和记数板对接近开关采集的信号进行记数和运算处理, 采用最优路径寻址方式确定货架的当前位置和货架的目的位置。为了使系统定位更准确, 采用了 2 只光电开关, 分别检测2 个货架的2 只检测片。
1.2.刀库的功能
刀库的作用是储备一定数量的刀具，机械手实现主轴上刀具的互换}zs}a刀具的类型有盘式刀库、链式刀库等多种形式，刀库的形式和容量要根据机床的工艺范围来确定。
1.3.常见类型
刀库是存储刀具的装置，常见的刀库主要有以下几种形式:
(1)转塔式刀库
包括水平转塔头和垂直转塔头两种，见图2.6a)与b):
(2)盘式刀库
盘式刀库中刀库呈盘状,刀具沿盘面垂直排列(包括径向取刀和轴向取刀),沿盘面径向排列或成锐角排列的形式的刀库。结构简单、紧凑,应用较多,但刀具单环排列,空间利用率低。见图2.7a)~c)。若增加刀库容量必须使刀库的外径增大,那么转动惯量也相应增大,选刀运动时间长。刀具数量一般不多于32把。刀具呈多环排列的刀库的空间利用率高,但必然使得取刀机构复杂,适用于机床空间受限制而刀库容量又较大的场合。双盘式结构是两个较小容量的刀库分置于主轴两侧,布局较紧凑,储刀数量也相应增大,适用于中小型加工中心。
(3)链式刀库
包括单环链和多环链，链环形式可有多种变化，见图2.8a)~c)，基本结构见图2. 8do
特点:适用于刀库容量较大的场合，所占的空间小，一般适用于刀具数在30-120把。仅增加链条长度即可增加刀具数，可以不增加圆周速度其转动惯量不像盘式刀库增加的那样大。
(4)直线式刀库和组合刀库
直线式刀库结构简单如图2. 9，刀具单行排列，刀库容量小，多用于数控车床和钻床上。由于刀库位置固定，换刀动作由主轴完成，无需机械手。组合刀库一般是转塔式刀库的组合、转塔式与盘式刀库的组合及链式刀库的组合。每单个刀库的储刀量较小，换刀速度快。另外还有一些密集型的鼓轮式、弹匣式和格子式刀库，这些密集型刀库虽.占地面积小，但由于结构限制，基本上不用于单机加工中心，多用于FMS的集中供刀系统。
1.4.刀库的容量
刀库的容量首先要考虑加工工艺的需要，从使用角度出发，一般为10~40把刀，刀库的利用率会高，而结构比较紧凑。
1.5.刀具的选择方式
(1)顺序选择将刀具按加工工序的顺序，依次放入刀库的每一个刀座内。每次换刀时，刀库顺序转动一个刀座位置，并取出所需要的刀具，己经使用过的刀具可以放回原来的刀座内，也可以顺序放入下一个刀座内。但由于刀库中刀具在不同的工序中不能重复使用，必须增加刀库的容量，降低了利用率。
(2)任意选择目前大多数的数控系统都采用任意选刀的方式，其分为刀套编码、刀具编码和记忆式等三种。刀具编码或刀套编码需要在刀具或刀套上安装用于识别的编码条，一般都是根据二进制编码的原理进行编码。刀具编码选刀方式采用了一种特殊的刀柄结构，并对每把刀具编码。每把刀具都具有自己的代码，因而刀具可在不同的工序中多次重复使用，换下的刀具不用放回原刀座，刀库的容量也可相应减少。本文采用记忆式选刀，这种方式能将刀具号和刀库中的刀套位置对应地记忆在数控系统的PLC
中，无论刀具放在哪个刀套内，刀具信息都始终记存在PLC内。刀库上装有位置检测装置，可获得每个刀套的位置。这样刀具就可以任意取出并送回。刀库上还设有机械原点，使每次选刀时就近选取。
1.6.刀库的控制方式
(1)刀库作为系统的定位轴来控制。在梯形图中根据指令的T码进行运算比较后输出角度和速度指令到刀库伺服驱动刀库伺服电机。刀库的容量、旋转速度、加/减速时间等均可在系统参数中设定，此种方式不受外界因素影响定位准确、可靠但成本较高。
(2)刀库由液压马达驱动，有快/慢速之分，用接近开关计数并定位。在梯形图中比较系统存储的当前刀号(主轴上的刀)和目标刀号(预选刀)并运算，再输出旋转指令，同时判断按最短路径旋转到位。这种方式需要足够的液压动力和电磁阀刀库旋转速度可通过节流阀调整。但使用一段时间后可能会因为油质、油压、油温及环境因素的变化而影响运动速度和准确性。一般用于不需频繁换刀的大中型机床。
(3)刀库由交流异步电动机驱动凸轮机构(马氏机构)，用接近开关计数，这种方式运行稳定，定位准确可靠一般与凸轮机械手配合使用，换刀速度快，定位准。
2.换刀装置的主要类型,特点和适用范围
2.1.自动回转刀架
自动回转刀架是数控机床上使用的一种简单的自动换刀装置，有四方刀架和六角刀架等多种形式，回转刀架上分别安装有四把、六把或更多的刀具，并按数控指令进行换刀。回转刀架又有立式和卧式两种，结构比较简单，适用于经济数控车床。
回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时切削抗力和减少刀架在切削力作用下的变形，提高加工精度。回转刀架还要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后具有较高的重复定位精度(一般为0.001 ~0.005mm )。图2.1所示为螺旋升降式四方刀架。
在自动回转刀架中最简单的换刀装置是180o回转式换刀装置，如图2.2所示。接到换刀指令后，机床控制系统便将主轴控制到指定换刀位置;与此同时，刀具库运动到适当位置，换刀装置回转并同时与主轴、刀具库的刀具相配合;拉杆从主轴刀具上卸掉，换刀装置将刀具从各自的位置上取下;换刀装置回转180o并将主轴刀具与刀具库刀具带走;换刀装置回转的同时，刀具库重新调整其位置，以接受从主轴取下的刀具;接下来，换刀装置将要换上的刀具与卸下的刀具分别装入主轴和刀具库:最后，换刀装置转回原“待命”位置。至此，换刀完成，程序继续运行。这种换刀装置的主要优点是结构简单、涉及的运动少、换刀快。主要缺点是刀具必须存放在与主轴平行的平面内，与侧置后置刀具库相比，切屑及切削液易进入刀夹，因此必须对刀具另加防护。刀夹锥面上有切屑会造成换刀误差，甚至有损坏刀夹与主轴的可能。有些加工中心使用了传递杆，并将刀具库侧置。当换刀指令被调用时，传递杆将刀具库的刀具取下，转到机床前方，并定位于与换刀装置配合的位置。180o“回转式换刀装置既可用于卧式机床，也
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摘要: 组成：刀库和刀具交换机构组成，多工序数控机床上的换刀方法。有刀库的加工中心上，换刀方式按：有机械手换刀和无机械手换刀一、无机械手的换刀系统换刀系统要实现的是刀库和主轴之间的自动刀具交换，即当加工中心云 ...
组成：刀库和刀具交换机构组成，多工序上的换刀方法。有刀库的上，换刀方式按：有机械手换刀和无机械手换刀一、无机械手的换刀系统换刀系统要实现的是刀库和主轴之间的自动刀具交换，即当加工中心云行中，需要某一刀具进行切削加工时，该刀具自动地从刀库交换到主轴上，切削完后又自动到刀库。无机械手换刀系统主轴可到达刀库位置。
二、有机械手的换刀系统由刀库、机械手（有的还有运刀装置）结合完成自动交换，换刀时间2S以下。1、刀库储存刀具的仓库。换刀位置固定，刀库具备运送功能。（1）刀库容量用 刀库存储刀具量在20～60把范围的居多。少于12 把刀或超过60把刀的不常用。刀库主要特性：数量、传送时间、直径和重量。
链式2、刀库选刀方式（1）顺序选刀方式： 加工时依次选刀。优点：控制与驱动简单；无需刀具识别装置；维护简单。缺点：加工零件改变，刀具位置重新排列（2）任意选刀方式： 记忆选刀，安装位置检测装置，刀具号和刀库地址对应记忆在数控系统的存储器中，刀库分度、刀具交换的同时每次改变存储器的内容来控制换刀装置。优点：刀具排列与加工零件的加工顺序无关：同一刀具可供不同工件、不同工步共同使用，减少了刀具数量：刀具交换时，不必寻找送回地址，节省换刀时间。缺点：设置检测装置：维护复杂3、换刀机械手 刀具自动更换，要求；迅速可靠、准确协条类型：单臂单爪回转式机械手；单臂双爪回转式机械手；双臂回转式；双机械手；双臂往复交叉式机械手；双臂端面夹紧式机械手。
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加工中心自动换刀功能及编程基础
    加工中心自动换刀功能是通过机械手（自动换刀机构）和数控系统的有关控制指令来完成的。
换刀过程：装刀，选刀，换刀
1.换刀过程
(1)装刀：装入刀库
任选刀座装刀方式。刀具安置在任意的刀座内，需将该刀具所在刀座号记下来。
固定刀座装刀方式。刀具安置在设定的刀座内。
从刀库中选出指定刀具的操作。
1)顺序选刀：选刀方式要求按工艺过程的顺序（即刀具使用顺序）将刀具安置在刀座中，使用时按刀具的安置顺序逐一取用，用后放回原刀座中。
2)随意选刀：
①刀座编码选刀： 对刀库各刀座编码，把与刀座编码对应的刀具一一放入指定的刀座中，编程时用地址T指出刀具所在刀座编码。
②计算机记忆选刀
刀具号和存刀位置或刀座号对应地记忆在计算机的存储器或可编程的存储器内，刀具存放地址改变，计算机记忆也随之改变。在刀库装有位置检测装置，刀具可以任意取出，任意送回。
1)主轴上的刀具和刀库中的待换刀具都是任选刀座。
刀库&选刀&到换刀位&机械手取出刀具&装入主轴，同时将主轴取下的刀具装入待换刀具的刀座。
2)主轴上的刀具放在固定的刀座中，待换刀 具是任选刀座或固定刀座。
选刀过程同上，换刀时从主轴取下刀具送回刀库时，刀库应事先转动到接收主轴刀具的位置。
3)主轴上的刀具是任选刀座，待换刀具是固定刀座。
选刀同上，从主轴取下的刀具送到最近的一个空刀位。
2.自动换刀程序的编制
(1)换刀动作（指令）：选刀（T&&）；换刀（M06）
(2)选刀和换刀通常分开进行。
(3)为提高机床利用率，选刀动作与机床加工动作重合。
(4)换刀指令M06必须在用新刀具进行切削加工的程序段之前，而下一个选刀指令T常紧跟在这次换刀指令之后。
(5)换刀点：多数加工中心规定在机床Z轴零点（Z0），要求在换刀前用准备功能指令（G28）使主轴自动返回Z0点。
(6)换刀过程:接到T&&指令后立即自动选刀，并使选中的刀具处于换刀位置，接到M06指令后机械手动作，一方面将主轴上的刀具取下送回刀库，另一方面又将换刀位置的刀具取出装到主轴上，实现换刀。
(7)换刀程序编制方法
1)主轴返回参考点和刀库选刀同时进行，选好刀具后进行换刀。
N02 G28 Z0 T02 Z轴回零，选T02号刀；
N03 M06 换上T02号刀
缺点：选刀时间大于回零时间时，需要占机选刀。
2)在Z轴回零换刀前就选好刀
N10 G01 X_ Y_ Z_ F_ T02 直线插补，选T02号刀
N11 G28 Z0 M06 Z轴回零，换T02号刀
N20 G01 Z_ F_ T03 直线插补，选T03号刀
N30 G02 X_ Y_ I_ J_ F_ 顺圆弧插补
3)有的加工中心（TH5632）换刀程序与上略不同
N10 G01 X_ Y_ Z_ F_ T02 直线插补，选T02号刀
N30 G28 Z0 T03 M06 Z轴回零，换T02号刀，选T03号刀
N40 G00 Z1
N50 G02 X_ Y_ I_ J_ F_ 圆弧插补
注：对卧式加工中心，上面程序的G28 Z0应为G28 Y0 。
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