​CNC數控機床（chuáng）的自動換刀裝置及其（qí）刀具係統！

一、鬥笠式刀庫

一般（bān）隻能存（cún）16~24把刀具，鬥笠式刀庫在換刀時整個（gè）刀庫（kù）向主（zhǔ）軸移動。當（dāng）主軸上的刀具進入刀庫的卡槽時，主軸向上移動脫離（lí）刀具，這時刀庫轉動。當要換（huàn）的刀具對正主軸正下方時主軸下移，使刀具進入主（zhǔ）軸錐孔內，夾（jiá）緊刀具後，刀庫退回原來的位置。

二、圓盤式刀庫

圓盤式刀（dāo）庫通（tōng）常應用在小（xiǎo）型立式綜合（hé）加工（gōng）機上。"圓盤刀庫"一般俗稱"盤式刀庫"，以便（biàn）和"鬥笠式刀庫"、"鏈條式刀庫"相區分。圓盤式（shì）的刀庫容量不（bú）大，頂多二（èr）、三十把刀。需搭配（pèi）自動（dòng）換刀機構ATC(AutoToolsChange)進行（háng）刀具交換。

三、鏈條式刀庫

鏈條式刀庫（kù）的特點是可儲放較多數量之刀具，一般都在20把以上，有些可儲放120把以上。它是藉（jiè）由鏈條將要換的刀（dāo）具傳到指定（dìng）位置，由機械手將刀具裝到主軸上。換刀動作均采用馬達加機加工中（zhōng）心使用（yòng）的刀庫（kù）最常見的形式是（shì）圓盤式刀庫和機械手換刀刀庫。

一、自動換刀裝置的（de）形式

1．回轉刀（dāo）架換刀

回轉刀架是一（yī）種最簡單的自動換刀裝（zhuāng）置，常用（yòng）於數控車（chē）床。可以設計成四方刀架、六角刀架（jià）或圓盤式軸向裝刀刀架（jià）等多種形式。回轉刀架上（shàng）分別（bié）安裝著四把、六把或更多的刀具，並按數控裝置的指令換刀。

回轉刀架在結構上必須具有良好的強度和剛度，以承受粗（cū）加工時的切削（xuē）抗力。由於車削加工精度在很大程度上取決於刀尖位置，對於數控車床來說，加工過程中刀具位置不（bú）進行人工調整，因（yīn）此更有必要選擇可靠的定位方案和合理的定位結構，以保證回（huí）轉刀架在（zài）每次轉位之（zhī）後，具有盡可能高的重複定位精度（一般為0.001～0.005mm）。

一般情況（kuàng）下，回轉（zhuǎn）刀架的換刀動（dòng）作包括刀架抬起、刀架（jià）轉位及刀（dāo）架壓緊等。

2．更換主軸頭換刀（刀具旋轉為主運動）

更換主軸換刀是帶有旋（xuán）轉刀具的數控（kòng）機床的一種比較（jiào）簡單的換刀（dāo）方式。這種主（zhǔ）軸頭實（shí）際上就是一個轉塔（tǎ）刀庫。

主軸頭有臥式（shì）和立式兩種，通常用轉塔的轉位來更換主軸頭，以實（shí）現自（zì）動換刀。在轉塔的各個（gè）主軸上（shàng），預先安裝有各工序所需要的旋轉刀具，當發出換刀指令時，各（gè）主軸頭依次地（dì）轉到加工位置，並接通主運（yùn）動，使相應的主軸帶動刀具旋轉。而其它處於不加工位置上的主軸都（dōu）與主運動脫開（kāi）。

這種（zhǒng）更換主（zhǔ）軸換（huàn）刀裝置，省去了自（zì）動鬆、夾、卸（xiè）刀、裝刀以及刀具搬運等一係列的複雜操作，從而縮短了（le）換刀時間，並（bìng）提高了換刀的可靠性。但是由於空間（jiān）位置的限製，使主軸部件結構尺寸不能太大，因而影響（xiǎng）了主軸係（xì）統的剛性。為了保證主軸的剛性，必須限製主軸的數目，否則會使結構尺寸增大（dà）。因（yīn）此，轉塔主軸頭通常（cháng）隻適用於工序較少、精度要求不太高的機床（chuáng），例（lì）如數（shù）控鑽、銑床等。

3.帶刀庫的自動換刀係統

由於回轉（zhuǎn）刀架、轉塔頭（tóu）式換刀裝置容納的刀具數（shù）量（liàng）不能太多，不能滿（mǎn）足複雜零件的加工需要，因此，自（zì）動換刀數控機床多采用帶刀庫的自（zì）動換刀裝置。帶刀庫的自動換刀裝置由刀庫和換刀機構組成，換刀過程（chéng）較為複雜。首（shǒu）先要把（bǎ）加工過程中使用的全部刀具分別安裝在標準刀柄上，在機外進行（háng）尺寸預調整後，按一定的方式放入刀庫（kù）。換刀時，先在刀庫中選刀，再由換刀裝置從（cóng）刀庫或主軸上取（qǔ）出刀具，進行交換，將新刀裝入主軸，舊（jiù）刀放回刀庫。刀庫具有較大的容量，既可安裝在主軸箱的（de）側麵或上方。由（yóu）於帶刀庫的（de）自動換刀（dāo）裝置的數控機床的主（zhǔ）軸箱內隻有一根主軸，主軸部件的剛度要高，以（yǐ）滿足精密加（jiā）工（gōng）要求。

另外，刀庫內（nèi）刀具數量（liàng）較大，因而能夠進行複雜零件的多工序加工，大大提高了機（jī）床的適應性和（hé）加工效率。帶刀庫的自動換（huàn）刀係統適用於數控鑽削中心和加工中心。

二、刀庫和刀（dāo）具的選（xuǎn）擇方式

1.刀庫類（lèi）型

刀庫的作用是儲備一定數量的刀具，通過機械手實現與主軸上刀具的互換。刀（dāo）庫的類型有盤式刀庫、鏈式刀庫等多種形式，刀庫的形式（shì）和（hé）容量要根據（jù）機床的工藝範圍來確（què）定。圖7-16所示的盤式刀庫，刀具的方向與主軸同向，換刀時主軸箱上升到一定的位置，使主軸上的刀具正好（hǎo）對準刀庫最下麵的那個位（wèi）置，刀具被夾住（zhù），主軸在CNC的控製下，鬆開刀柄，盤式刀庫向（xiàng）前運（yùn）動，拔出主軸上的刀具，然（rán）後刀（dāo）庫（kù）將下一個工序（xù）所（suǒ）用的刀具旋轉至與主軸對準的位置，刀庫（kù）後退將新刀具插入主軸孔中，主軸夾緊刀柄，主軸箱下降到工（gōng）作位置，完成（chéng）換刀任務，進行下道工序的加工（gōng）。此換刀裝置的優點是結構簡單，成本較低，換刀可（kě）靠性較好；缺點是換刀時間長，適用於刀庫容量較小的加工中心。

對於刀庫容（róng）量需要較（jiào）大的加工中心可（kě）采用鏈式刀庫，鏈式刀庫的結構緊湊，刀庫容量較大，鏈環的形（xíng）狀可根據機（jī）床的布局製成各種形狀，也可（kě）將換刀位突出以便於（yú）換刀（dāo）。當需（xū）要增加刀具數量時，隻需增加鏈條的長度即可，給刀庫設計與製（zhì）造帶來了方便。

2.刀具（jù）的選擇方式

一般的刀庫內存放有多（duō）把刀具，每次（cì）換刀前要進行選刀，常用的選刀方法有順序選刀和（hé）任意選刀兩種，順序選刀（dāo）是在加工之前，將加工零件所需刀具按照工藝要求依次插入刀庫（kù）的（de）刀套中，加工是按順序調刀，加工不（bú）同的工件時必須重新（xīn）調整刀庫中的刀具順序。其優點是刀庫的（de）驅動和（hé）控製都比較簡單。因此，這種方式適合加工批量較（jiào）大、工件品（pǐn）種（zhǒng）數量較少的中、小型數控機床的自動換刀。

隨著數控（kòng）係統的發展，目前大多數的數控係統都采用任意選刀的方式，其分為刀套編碼、刀具編碼和記憶式等三種。

3.刀具（jù）編碼方式

刀具編（biān）碼或刀（dāo）套編碼（mǎ）需要在（zài）刀具或刀套上安裝用於識別的編碼條，一般都是根據二進製編碼（mǎ）的原理進行編碼。刀具編碼選刀方式采用了一種特殊的刀柄結構，並對每把（bǎ）刀具編碼。每把刀具都具有自己的代碼，因而刀具可在不同的工序中多次（cì）重複使用，換下的刀具不（bú）用放回原刀座，刀（dāo）庫的容量也可相應減（jiǎn）少。但每把刀具（jù）上都帶有專用的編碼環，刀具長度加長，製造困難，刀庫和機械手的結構變複雜。刀套（tào）編碼的方（fāng）式是一把刀具隻對應一個刀套，從（cóng）一個刀套中取出的刀具必須放回同一刀套中，取送刀具十分麻煩，換刀時間長。目前在加工中心上大量使用記憶式的方式。這種（zhǒng）方式能將刀具號（hào）和刀庫中的刀套位置對應地記（jì）憶在數控係統的PLC中，無論刀具放在哪個刀套內，刀具信息都始終記存（cún）在PLC內。刀庫上裝有位置（zhì）檢測裝置，可獲得每個刀套的位置信息。這樣刀具（jù）就可以（yǐ）任意取出並送回。刀庫上還設有（yǒu）機（jī）械原點，使每次選刀時就近選取。

三、刀具交換裝置

數控機床的自動換刀裝置中，實現刀庫與（yǔ）機床主軸之間傳遞和裝卸刀具的（de）裝置稱為刀具交（jiāo）換裝置。刀具（jù）的交換（huàn）方（fāng）式有（yǒu）兩種：由刀庫與機床主軸的相對運動（dòng）實（shí）現刀具交換以及采用機械手交換刀具。利用刀（dāo）庫與機床主軸的相對（duì）運動實現刀具交（jiāo）換的（de）裝置在換刀時必須（xū）首先將用過的刀具送（sòng）回刀庫（kù），然後（hòu）再從刀庫中取出新刀具，兩個動作不能同時進行，換刀時間較長。而采用機械手換刀裝置在換刀時能夠同時抓取和裝卸機床主軸和刀庫（kù）中的刀（dāo）具，因此換刀時間進一（yī）步縮短。采用（yòng）機械手進行刀具交換的方式應用最廣泛。這是因為（wéi）機械手（shǒu）換刀靈（líng）活，動（dòng）作快（kuài），而（ér）且結構簡單。機械手能夠完成抓刀—拔刀—回轉—插刀—返回等一係列動作。為（wéi）了防止（zhǐ）刀具掉落，機械手的活動爪都帶有自（zì）鎖機（jī）構。

下麵是世界上最現代化的數控機床換刀，換刀無影手！

16位自動換刀刀庫

1、刀具交換方式（shì）

數控機床的自動換刀裝置中，實（shí）現刀庫與機床主軸之間傳（chuán）遞和裝（zhuāng）卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置。刀具的交換方式和它們（men）的（de）具體結構對機床的生（shēng）產率和工作可靠性有著直接的影響。

刀具的交換方式（shì）很（hěn）多，一般可分為以下兩大類。

（一）無機械手（shǒu）換刀（dāo）

無機械手換刀，是由刀庫和（hé）機床主軸的相對運動實（shí）現的（de）刀具交換。換刀（dāo）時，必須首先將用過的刀具送回刀庫，然後再從刀庫中取出新刀具，這兩個動作不可能同時（shí）進行，因此，換（huàn）刀時間長。所示的數控立式鏜銑床就是采用這種（zhǒng）換刀方式的實例。它的選刀和換刀由三個坐標軸的（de）數控定（dìng）位（wèi）係統來完成，因此每交換一次刀具，工作（zuò）台和主軸箱就必須（xū）沿著三個（gè）坐標軸作兩次來回運動，因而增加了換刀時間。另外，由於刀庫置於工作台上，減少了工作台的有效使用麵積。

（二）機械手換刀

由於刀庫及刀具交換方式的不同，換刀機械手也有（yǒu）多種形式。因為機（jī）械手換刀有很大的靈活性，而且還可以減少（shǎo）換刀（dāo）時間，應用最為廣泛（fàn）。

2、機械（xiè）手形式

在自動換刀數控機床中（zhōng），機械手（shǒu）的形式也是多種多樣，常（cháng）見的有以下幾種形式。

1．單臂單爪回轉式（shì）機械手

這種機械手的（de）手臂可（kě）以回轉不（bú）同的角度來進行自動換刀，其手臂上隻（zhī）有一個卡爪，不論在刀庫上或是在主軸上，均（jun1）靠（kào）這個卡爪來裝刀及卸刀，因此換刀時間較長，如圖2(a)所示。

2．單臂雙爪回轉式機（jī）械手

這種機械手的手臂上有（yǒu）兩個卡爪，兩個卡爪有所分工。一個卡爪隻執行從（cóng）主軸上取（qǔ）下“舊刀（dāo）”送回刀庫的任務，另一個卡爪則執行由刀庫取出“新刀”送到主（zhǔ）軸的任務。其換刀時間較上述單爪回轉式機械手要少

3．雙臂回轉式機械手

這（zhè）種機械手的兩臂上各有一（yī）個卡爪，兩（liǎng）個卡爪可同時抓取刀庫及主軸上的（de）刀具，回轉（zhuǎn）180°後又（yòu）同時將刀具放回刀庫及裝入主軸。這種機械（xiè）手換刀時間（jiān）較以上兩種單臂機械手均短，是（shì）最常（cháng）用的（de）一種形式。右邊的機械（xiè）手在抓取或將刀具送入刀庫及（jí）主軸上，兩臂可（kě）伸縮。

4．雙機械手

這種機械手相當於兩個單臂單爪（zhǎo）機械手，它們互相（xiàng）配合進行自動換刀。其中一（yī）個機械手從主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另（lìng）一個由刀庫中取出“新刀”裝入機床主軸，

5．雙臂（bì）往複交叉式機械手

這種機械手的兩手臂可以往（wǎng）複運（yùn）動，並交叉成一定（dìng）的角度。一個手臂從主軸上取下“舊刀”送回刀庫（kù），另（lìng）一個手臂由（yóu）刀庫中取出“新（xīn）刀”裝入主軸。整（zhěng）個機械手可沿某導軌直線移動或繞某個轉軸回轉，以實現由刀（dāo）庫與主軸間的（de）運刀工作，

6．雙臂端麵夾緊式機械手

這種機械手隻是在夾（jiá）緊部位上與前幾種不同。前幾種機械手均靠（kào）夾緊刀（dāo）柄的（de）外圓表麵來抓取刀具，這種機械手則是靠（kào）夾緊刀（dāo）柄的（de）兩（liǎng）個端麵來抓取的。

3、機械手夾持結構

在（zài）換刀（dāo）過（guò）程中，由於（yú）機械手抓住（zhù）刀柄要作快速回轉，要作拔、插刀（dāo）具的動作，還要保證刀（dāo）柄鍵槽（cáo）的角度位置對準主軸上的驅動鍵。因此，機械（xiè）手的夾（jiá）持部分要十分可靠，並保證有（yǒu）適當（dāng）的夾緊力，其活動爪要有鎖緊裝置，以防止刀具在換刀過程中轉動脫落。機械手夾持刀具（jù）的方法有以下兩種。

（一（yī））柄式夾持

柄式夾持，也稱軸向夾持或V形槽夾持。其刀柄前端有V形槽（cáo），供機械手夾持（chí）用，目前（qián）我國數控機床較多采用這種夾（jiá）持方式。機（jī）械手（shǒu）手掌結構示意（yì）圖，它由固定（dìng）爪（zhǎo）及活動（dòng）爪組成，活動爪可繞（rào）軸（zhóu）回轉（zhuǎn），其（qí）一端在彈（dàn）簧柱塞的作用下（xià），支靠（kào）在擋銷上，調整螺釘以保持手掌適當的夾（jiá）緊力，鎖緊銷使活動爪牢固地夾（jiá）持刀柄，防止刀（dāo）具在交換過程中鬆脫。鎖緊銷（xiāo）還可軸（zhóu）向移（yí）動，使活動爪放鬆，以便杈刀從刀柄V形槽中退出。

4、自動換刀動作順序

由於自動換刀裝置的布（bù）局結構多種多樣，其換刀過程動作順（shùn）序會不盡（jìn）相同。下麵分別以常見的雙臂往複交（jiāo）叉（chā）式機械手和鉤刀機械手為例用動作分圖加（jiā）以（yǐ）說明。

（一）雙臂往複交叉式機械手的換刀過程

（1）開始換刀前狀態。主軸正用T05號刀具進行加（jiā）工，裝刀機（jī）械手已抓住下一工步需用的T09號刀具（jù），機械手架（jià）處於最高位置，為換刀做好了（le）準備；

（2）上一工步結束，機床立柱後退，主軸箱上升，使主軸處（chù）於換刀位置。接著下一工步開始，其第一個指（zhǐ）令是換（huàn）刀，機械（xiè）手架回轉180o轉向主軸。

（3）卸刀機械手前伸，抓住主軸上已用過的T05號刀具。

（4）機械手架（jià）由滑（huá）座（zuò）帶（dài）動，沿刀具軸線前（qián）移，將T05號刀具從主軸上拔出。

（5）卸刀機械手縮回原位。

（6）裝刀機械手前伸，使T09號（hào）刀具對準主（zhǔ）軸。

（7）機（jī）械手（shǒu）架後移，將T09號刀具插入主軸。

（8）裝刀機械手縮回原位。

（9）機械手架（jià）回轉180o，使裝刀、卸刀機械手轉（zhuǎn）向刀庫。

（10）機（jī）械手架由橫梁帶動下降，找第二排刀套鏈，卸刀機械手將T05號刀具插回P05號刀（dāo）套中。

（11）刀套（tào）鏈（liàn）轉動把在下一個工步需用的T46號刀具送到換刀位置,機械手（shǒu）一降,找（zhǎo）第三排刀鏈,由裝刀機械手將T46號刀（dāo）具取出。

（12）刀套鏈（liàn）反轉，把P09號（hào）刀套送到換刀位置，同時機械手架上（shàng）升至最高位置，為再下一工步的換刀做（zuò）好準備。

（二）鉤刀機械手的換刀過程

作為最常用的一種（zhǒng）換刀形式，換（huàn）刀（dāo）一次所（suǒ）需的基本動作如下。

（1）抓刀。手臂旋轉90o，同時抓（zhuā）住刀庫和主軸上的刀具。

（2）拔刀。主軸夾頭鬆開刀具（jù），機械手同時將刀庫（kù）和主軸上的刀具拔出。

（3）換刀。手臂旋轉180o，新舊刀具更換。

（4）插刀。機械手同時（shí）將新舊刀具分別插入主軸和刀庫（kù），然後主軸夾頭（tóu）夾緊刀具；

（5）複位。轉動手臂，回到原始位置。