​CNC數（shù）控機床的自動換刀裝置及其刀具係統！

一、鬥（dòu）笠（lì）式刀庫（kù）

一般（bān）隻（zhī）能存16~24把刀（dāo）具，鬥笠式（shì）刀庫在換刀（dāo）時整個刀庫向主（zhǔ）軸移動。當主軸上的刀具進入刀庫的（de）卡槽時（shí），主軸向上移動脫離刀具，這時刀庫轉動。當要換的刀具對正主軸正下方時主軸下移，使刀具進（jìn）入主軸錐孔內，夾緊刀具後，刀庫退回原來的位置。

二（èr）、圓盤式刀庫

圓盤式刀庫通常應用在（zài）小型（xíng）立式綜合加（jiā）工機上。"圓盤刀庫"一般俗稱"盤式刀庫"，以便和"鬥笠式（shì）刀庫"、"鏈（liàn）條式刀庫"相區分。圓盤式的刀庫容量不大，頂多二（èr）、三十把刀。需搭配自動換刀機（jī）構ATC(AutoToolsChange)進行刀具交換。

三、鏈條式刀庫

鏈條式刀庫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（bǎ）以上。它是藉（jiè）由鏈條將（jiāng）要換的刀具傳到指定位置，由機械手將刀具裝到（dào）主軸上。換刀動作均采用馬達加（jiā）機加工中心使用的刀庫最（zuì）常（cháng）見（jiàn）的形式是圓盤式刀庫和機械手換刀刀庫。

一、自動換刀（dāo）裝置的形式

1．回轉刀架換刀（dāo）

回轉刀架是一種最簡單的自動換刀裝（zhuāng）置，常用（yòng）於數控（kòng）車床。可以（yǐ）設計成（chéng）四方刀架、六角刀架或圓盤式軸向裝刀刀架等多種（zhǒng）形（xíng）式。回轉刀架上分別安裝著四把（bǎ）、六把或更多的刀具，並按數控裝置的（de）指令換刀。

回轉刀架在結構（gòu）上必須具有（yǒu）良好的強度和（hé）剛度，以承受（shòu）粗加工時的切削（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（gōng）過程中刀具位（wèi）置不進行人工調（diào）整，因此更有必要選擇可靠的定位方案和合理的定位結構，以保證回轉刀架在每次轉位之後，具有盡可（kě）能高的重複定位精度（一（yī）般為0.001～0.005mm）。

一（yī）般情況下，回轉刀架的換刀動作包括（kuò）刀（dāo）架抬起、刀架轉位（wèi）及刀架壓緊等。

2．更（gèng）換主（zhǔ）軸頭換（huàn）刀（刀具旋轉為主運動）

更換主軸換刀是帶（dài）有旋轉刀（dāo）具的數控機床的一種比較簡單的換刀方式。這種主軸頭實際上就是（shì）一（yī）個轉塔（tǎ）刀庫。

主軸頭（tóu）有臥（wò）式和立式（shì）兩種（zhǒng），通常用轉塔（tǎ）的轉位來更換主軸頭，以實現自動換刀。在轉塔的各個主軸（zhóu）上，預先安裝有各工序所需要的旋轉刀具，當發出換刀指令時，各主軸頭依（yī）次地轉到加工位（wèi）置，並接通主運動（dòng），使相應的主軸帶動刀具旋（xuán）轉（zhuǎn）。而其它處於不加工位（wèi）置上的主軸都與（yǔ）主運動脫開。

這種更換主軸換刀（dāo）裝置，省（shěng）去（qù）了自動鬆、夾、卸刀（dāo）、裝刀以及刀具搬運等一係列的複雜操作，從而縮短了換刀時間，並提（tí）高了換刀的可靠性。但是由於空間位置的限製，使主軸部（bù）件結構尺寸不能太大（dà），因而影響了主軸係統的剛性。為了保證主軸的（de）剛性，必須限製主軸的數目，否則會使結構（gòu）尺寸增大。因此，轉塔主軸頭通常隻適用於工序較少、精度要求不太高（gāo）的機床，例如數控鑽、銑床等。

3.帶刀庫的自動換刀係統

由於回轉刀架、轉塔頭式換刀裝置容納的刀具（jù）數量不能太多（duō），不能滿足複雜零件的加工需要，因（yīn）此，自動換刀數控機（jī）床多采用帶刀庫的自（zì）動換刀裝置。帶刀庫的（de）自動換刀裝（zhuāng）置由刀（dāo）庫和換刀機構組（zǔ）成，換刀過程較為複雜（zá）。首先要把加工過程中使用的全部刀具分別（bié）安裝在標準刀柄上，在機外進（jìn）行尺寸預調整後，按（àn）一（yī）定（dìng）的方式放入刀庫。換（huàn）刀時，先在（zài）刀庫（kù）中選刀，再由換刀裝置從（cóng）刀庫或主（zhǔ）軸（zhóu）上取出刀具，進行交換，將新（xīn）刀裝入主軸，舊（jiù）刀放回刀庫。刀庫具有較大（dà）的容量，既可安裝在主軸箱的側麵或上方。由於帶刀庫的自動換刀裝置的數控機床的主（zhǔ）軸箱內隻有一根主軸，主軸（zhóu）部件的剛度要高，以滿足精密加工要求。

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

二、刀庫和刀具的選擇方式

1.刀庫類型

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

對於刀庫容量需要較大的加（jiā）工中心可采用鏈式刀庫，鏈式刀庫（kù）的（de）結構緊湊，刀庫容（róng）量較大，鏈環（huán）的形狀可根據機床的布局製成各種形狀，也可將換刀（dāo）位突出以便於換刀。當需要增（zēng）加刀具數量時，隻（zhī）需增（zēng）加鏈（liàn）條的長度即可，給刀庫設計與製（zhì）造帶來了方便。

2.刀具的選擇方式

一般的刀庫內存放有多把刀具，每（měi）次換刀前（qián）要進行選刀，常（cháng）用的選（xuǎn）刀方法有順序選刀和任意選（xuǎn）刀兩種，順序選刀是在加工之前，將（jiāng）加工零件所需刀具按照工藝要求依（yī）次插入（rù）刀庫的刀套中，加工是按順序調刀，加工不（bú）同的工件時必須重新調整刀庫中的刀具順序。其優點是刀庫的驅動和控（kòng）製都比較簡單。因此（cǐ），這種方式適合加工（gōng）批量較大（dà）、工件品種數量較少的中、小型數控機床的自（zì）動換刀。

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

3.刀具編（biān）碼方式

刀具編碼或刀套編碼（mǎ）需要在刀（dāo）具或刀（dāo）套上安裝用（yòng）於識別的編碼條（tiáo），一般都是根據二進製（zhì）編碼的原理進行編碼。刀具編（biān）碼（mǎ）選刀方式采用了一種特殊的刀柄結構，並對每（měi）把刀具編碼。每把刀具都具有自己的代碼，因而刀具可（kě）在不同的工序中多次重複使用，換下的刀（dāo）具不用放回原刀座，刀庫的容量也可相（xiàng）應減少。但每把刀具上都帶有專（zhuān）用的編碼環，刀具長（zhǎng）度（dù）加長，製造困難，刀庫和（hé）機（jī）械手的結構變複雜。刀套（tào）編碼的方式是一把刀具隻對應一個刀套，從一個刀套中取出的刀具必須放回同一刀套中，取送刀具（jù）十（shí）分麻煩，換刀時間長。目（mù）前在加工中（zhōng）心上大量使用記憶式的方式。這種方式能將刀具號和刀庫中的刀套位置對應地記憶在數控係統的PLC中，無論刀具放在哪個刀套內，刀具信息都始終（zhōng）記存在PLC內。刀庫上裝有位置檢測裝置，可獲得每個刀套的位置信息。這樣刀具就可以任意取出並送（sòng）回。刀庫（kù）上還設有（yǒu）機械（xiè）原點，使每次選刀時就近（jìn）選取。

三、刀具交換裝置

數控機床的自動換刀裝置中，實現刀庫與機床主（zhǔ）軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置。刀具的交換方式有（yǒu）兩（liǎng）種：由刀庫與機（jī）床主軸的（de）相對運動實現（xiàn）刀具交換以及采用機械手交（jiāo）換刀具。利用刀庫與機床主軸的相對運動實現刀具交換的裝置在換刀時必須首先將用（yòng）過（guò）的（de）刀具送回刀（dāo）庫，然後再從（cóng）刀（dāo）庫中取出新刀（dāo）具，兩（liǎng）個動（dòng）作不能同時進行，換刀時間較長。而采用機械手換刀（dāo）裝置在換刀時能夠同時（shí）抓取和裝卸機床主軸和刀（dāo）庫中（zhōng）的（de）刀具，因此換刀時間進一（yī）步縮短。采用機械手（shǒu）進行刀具交換（huàn）的方式應用最（zuì）廣泛。這（zhè）是因為機械手換刀靈活，動作快，而且結構簡單。機械手能夠完成抓（zhuā）刀（dāo）—拔刀—回轉—插刀—返（fǎn）回（huí）等一係列動作（zuò）。為了（le）防（fáng）止刀具掉落，機械（xiè）手的活動（dòng）爪都帶有自鎖機構（gòu）。

下麵（miàn）是（shì）世界上最（zuì）現代化的數控機床換刀，換刀無影手！

16位自動換刀（dāo）刀庫

1、刀具交換方式

數控機（jī）床（chuáng）的自動換刀裝置中，實現刀庫與機床（chuáng）主軸之間傳遞和裝卸刀具的（de）裝置稱（chēng）為刀（dāo）具交換裝置。刀具的交換方式和它們的具體結構對機床的生產率和工作可靠性有著直接的影響。

刀具的交換方式很多，一般可分（fèn）為（wéi）以下兩大類。

（一）無機械手換刀

無機械手換刀，是由刀庫和機床主軸（zhóu）的（de）相對運動實現的刀具交換。換刀時，必須首先將用（yòng）過的刀具送回刀庫，然後再從刀庫中取出（chū）新刀具，這兩個動作（zuò）不可能同時進行，因此，換刀時間長。所示的數控立式鏜銑（xǐ）床就是采用這（zhè）種換刀方式（shì）的實例（lì）。它的選刀和換刀由（yóu）三個坐標軸（zhóu）的數控定位係（xì）統來完成，因此每交換一次刀具，工作台和主軸箱就必須沿（yán）著三個坐（zuò）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（yǒu）效使用麵積。

（二）機械手換刀

由於（yú）刀庫及刀具交（jiāo）換方式的不（bú）同，換刀（dāo）機械（xiè）手（shǒu）也有多種形（xíng）式。因為機械手（shǒu）換刀有很大的靈活性，而且還可以減少換刀時間，應用最為（wéi）廣泛。

2、機械（xiè）手形式（shì）

在自動換刀數控機床中，機械手的形式也是多種（zhǒng）多樣，常見的有（yǒu）以下幾種（zhǒng）形式。

1．單臂單爪回轉式機械手

這種機械手的手臂（bì）可以回轉不（bú）同的角度來進行自動換（huàn）刀，其手臂上隻有一個卡（kǎ）爪，不論在刀（dāo）庫上或是在主軸上，均靠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（shuāng）爪回轉式機械（xiè）手

這（zhè）種機械手的（de）手臂上有兩個卡爪，兩個卡爪有所分工。一個卡爪隻執行從主軸上取下“舊刀”送回刀庫的任務，另一個卡爪（zhǎo）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（shàng）述單爪回轉式機（jī）械手要少（shǎo）

3．雙臂回轉式機械手

這種（zhǒng）機械手的（de）兩臂上各有（yǒu）一個卡爪，兩個卡爪（zhǎo）可同時抓取刀庫及主軸上的刀具，回轉180°後（hòu）又（yòu）同時將刀具放回刀庫及裝入主軸（zhóu）。這種（zhǒng）機械手換刀時間較以（yǐ）上兩種單臂機械手均短，是最常用的一種形式。右邊的機（jī）械手在抓取或將刀具送入刀庫及主軸上，兩臂可伸縮。

4．雙機械手

這種機械（xiè）手相當於兩個單臂單爪機械手，它們互相（xiàng）配合進行自（zì）動換刀。其中一（yī）個機械手從主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另一個（gè）由刀庫中取出“新刀（dāo）”裝入機床主（zhǔ）軸，

5．雙臂往複交叉式機械手（shǒu）

這種機械手的兩手臂可以往複運動，並交叉成一定（dìng）的角度。一個手臂從主軸上取下（xià）“舊刀（dāo）”送回刀庫，另一個手臂由刀庫中取出“新刀”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（yǐ）實現由（yóu）刀庫與主軸間的運刀工作，

6．雙臂端麵夾緊式機械手

這種機械手隻（zhī）是在（zài）夾緊部位上與前幾種不同。前幾種機械手均靠（kào）夾緊刀柄的外圓表麵來抓取刀具，這種機械手則是靠（kào）夾緊刀柄的兩個端麵（miàn）來抓（zhuā）取的。

3、機械手夾持結構（gòu）

在換刀過程中，由（yóu）於機械手（shǒu）抓住刀柄要作快速回轉，要作拔、插刀具的動作，還要保證刀柄鍵槽的角度位（wèi）置對準（zhǔn）主軸上（shàng）的驅動鍵。因此，機械手的夾持部分要十分可靠，並保證有適當的夾緊力，其活動爪要有鎖緊（jǐn）裝置，以防止刀具在換刀過程中轉動脫落。機械手夾（jiá）持刀具的方法有以下兩種。

（一）柄式（shì）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，供機械手夾持用，目前我國數控（kòng）機床較多采用這種夾（jiá）持方式。機械手手（shǒu）掌結構示意圖，它由固定爪及（jí）活動爪組成，活動爪可繞軸回轉，其一（yī）端（duān）在彈簧柱塞（sāi）的作用下（xià），支靠在擋銷上，調整螺釘以保持（chí）手掌適當的夾緊力，鎖緊銷使活動爪牢固地夾持刀柄，防止刀具在交換過程（chéng）中鬆脫。鎖緊銷還（hái）可軸向（xiàng）移動，使活動爪（zhǎo）放鬆，以便杈刀從刀柄V形槽中退出。

4、自動換刀（dāo）動作順序

由於自動換刀裝置的布局結構多種多樣，其換刀過程動作順序會不盡相（xiàng）同。下麵分別以（yǐ）常見的雙（shuāng）臂往複交（jiāo）叉式（shì）機械手和鉤（gōu）刀機械手為例用動作分圖加以說明。

（一）雙臂往複交叉式機械手的換刀過程

（1）開始換刀前狀態（tài）。主軸正用T05號刀具（jù）進行（háng）加工，裝刀機械手已抓住下一工步需用的（de）T09號刀具，機械手架處於最高位置，為換（huàn）刀做（zuò）好了準備；

（2）上一工步結束，機床立柱後（hòu）退，主軸箱上升，使（shǐ）主（zhǔ）軸處於換刀位置。接著下一工步開始，其第一個指令是換刀，機械手架回轉180o轉向主軸。

（3）卸刀機械手前伸，抓（zhuā）住主軸上已用過的T05號刀具。

（4）機（jī）械手架由滑座帶動，沿刀具軸線前移，將T05號刀具從（cóng）主軸（zhóu）上拔（bá）出。

（5）卸刀機械手縮回原（yuán）位（wèi）。

（6）裝（zhuāng）刀機（jī）械手前伸，使T09號刀具對準主軸。

（7）機械手架後移，將T09號刀具插入主軸。

（8）裝刀機械手縮回原位。

（9）機械手架回轉180o，使裝刀、卸刀機械手轉向（xiàng）刀庫。

（10）機械手架由（yóu）橫梁帶動下降，找第（dì）二排（pái）刀套鏈，卸刀機械（xiè）手將T05號刀具插回P05號刀（dāo）套中（zhōng）。

（11）刀套（tào）鏈轉（zhuǎn）動把在下一個工步需用的T46號刀具送到換刀位置,機械手一降（jiàng）,找第三排刀鏈,由裝刀機械手將T46號刀（dāo）具取出。

（12）刀套鏈反轉（zhuǎn），把P09號刀套送到換刀位置，同時機械手（shǒu）架上升至最高位置，為再下一工步的換刀做好準備。

（二）鉤刀機械手的換刀（dāo）過程

作（zuò）為最（zuì）常用（yòng）的一種換刀形式，換刀一次所需的基本動作如下。

（1）抓（zhuā）刀（dāo）。手臂旋轉90o，同時抓住刀庫和主軸（zhóu）上（shàng）的刀具。

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

（3）換刀。手臂旋轉180o，新舊（jiù）刀具更換。

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

（5）複位。轉（zhuǎn）動（dòng）手臂，回到原始位置。