​CNC數控機床的自動換刀裝置及其刀具（jù）係統！

一、鬥笠式刀庫

一般隻能存16~24把（bǎ）刀具，鬥笠式刀庫在換刀時整個（gè）刀庫向主軸移動。當主（zhǔ）軸上的刀具進入刀（dāo）庫的卡槽時，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（zhèng）下方時主軸下移，使（shǐ）刀具進入主軸（zhóu）錐孔內，夾緊刀具後，刀庫退回原來的位置。

二、圓（yuán）盤式刀庫

圓盤式刀庫通常（cháng）應用在小型立式綜合加工機上。"圓盤刀庫"一（yī）般俗稱"盤（pán）式刀庫"，以便和（hé）"鬥笠式刀庫（kù）"、"鏈（liàn）條式刀庫（kù）"相區分。圓盤式（shì）的刀庫容量不大，頂多二、三十把刀。需（xū）搭配自動換刀機構ATC(AutoToolsChange)進行刀具交（jiāo）換。

三（sān）、鏈條式刀庫

鏈條（tiáo）式刀庫的特點是可儲（chǔ）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（shì）藉由鏈條將（jiāng）要換的刀具傳到指定位置，由機械手（shǒu）將刀具裝到主（zhǔ）軸上。換刀動作均采用（yòng）馬達加機加工中心使用的（de）刀庫最常（cháng）見的形式是圓盤式刀庫和（hé）機械手換刀刀庫。

一、自動換刀裝置的形式

1．回（huí）轉刀（dāo）架換刀

回轉刀架（jià）是一種最簡單的自動換刀裝置（zhì），常用於數（shù）控車床。可以設計成四方刀（dāo）架、六角刀架或圓盤式（shì）軸向裝（zhuāng）刀刀架等（děng）多種形式。回轉刀架上分別安裝著四把、六把或更多的刀具，並按數控裝置的（de）指令換（huàn）刀。

回轉刀架在結構上必須具有（yǒu）良好的強度和剛度，以承受粗加工時的切削抗（kàng）力。由於車削加工精度在很大程度上取決（jué）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，因此更有必要選（xuǎn）擇可靠的定位方案和（hé）合理（lǐ）的定（dìng）位結構，以保（bǎo）證回轉刀（dāo）架在每次轉位之後，具有盡可能高的重複定位精度（一般為0.001～0.005mm）。

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

2．更（gèng）換主軸頭換刀（刀具旋轉為主運動）

更換主軸（zhóu）換（huàn）刀是帶有旋轉刀具的數控機床的一（yī）種比較（jiào）簡單的換刀方（fāng）式。這種主軸頭實際上就是（shì）一個轉塔刀庫。

主軸頭有臥式和立式兩種，通常用轉塔的（de）轉位來更換主軸頭，以實現自動換刀。在轉塔（tǎ）的各個主軸上，預先安裝有各工序所需要的旋轉刀（dāo）具，當發出換刀指令時，各主軸頭依次地轉到加工位置（zhì），並接（jiē）通主運動，使相應的主（zhǔ）軸（zhóu）帶動（dòng）刀具旋轉。而其（qí）它處於不加工位置上的主軸都與主運動脫（tuō）開。

這種（zhǒng）更換主軸換刀裝置，省（shěng）去了自動鬆、夾、卸刀、裝（zhuāng）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，並提高了換刀的可靠性。但是（shì）由於空間位置（zhì）的限製，使主軸部件結構尺寸不能太大，因而（ér）影響了主軸係統的剛性。為（wéi）了保證主軸的剛性，必（bì）須限製主軸的數目，否則會使結構尺寸增大。因此，轉塔主軸頭通常隻適用於工序較少、精度要求不太高的機床，例如數控鑽、銑（xǐ）床等。

3.帶刀庫的自動換刀係（xì）統

由於（yú）回轉刀（dāo）架、轉塔頭式換刀裝（zhuāng）置容納的刀（dāo）具數量不能太多，不能滿足複雜零件的加工需要，因此，自動（dòng）換刀數控機床多采用帶刀庫的（de）自動換刀裝置。帶刀庫的自動換刀裝置由（yóu）刀庫和（hé）換刀機（jī）構組成，換刀過程較為複雜。首先要把加工過程中使用的全部刀具（jù）分（fèn）別（bié）安裝在（zài）標準刀柄上，在機外進（jìn）行尺寸預調整後（hòu），按一（yī）定（dìng）的方式放入刀庫。換刀（dāo）時，先在（zài）刀庫中選刀，再由換刀裝置從刀庫或主軸上取出（chū）刀具，進行交換，將新刀裝入主軸，舊刀（dāo）放（fàng）回（huí）刀（dāo）庫（kù）。刀庫具（jù）有（yǒu）較（jiào）大的容量，既可安裝在主軸箱的（de）側麵或上方。由於帶刀庫的自動換刀裝置的數控機床的主軸箱（xiāng）內隻有一根主軸，主軸部（bù）件的（de）剛度要高，以滿足（zú）精密加工要求。

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

二、刀庫和刀具的選擇方式

1.刀庫類型

刀庫的作用是（shì）儲備一定數量（liàng）的（de）刀具，通過機（jī）械手實現與主軸上刀具的互換。刀庫的類型有（yǒu）盤式刀庫、鏈式刀庫等多種形式，刀庫的形式和容量要根據機床的工藝範（fàn）圍（wéi）來確定。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對準刀庫最下麵（miàn）的那個位置，刀具被夾住，主軸在CNC的控製下，鬆開刀柄，盤（pán）式刀庫向前運（yùn）動，拔出主軸（zhóu）上的刀具（jù），然後刀庫將下一（yī）個工序所用的刀具（jù）旋轉至與主（zhǔ）軸對準（zhǔn）的位置，刀庫後（hòu）退將新（xīn）刀具插入主軸孔中，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。此換刀（dāo）裝（zhuāng）置的優點是結構簡單，成本較低，換刀可靠性較好（hǎo）；缺（quē）點是換刀時間長，適（shì）用於刀庫（kù）容量較小的加工（gōng）中心。

對於刀庫容量需要較大的加工中心可采（cǎi）用（yòng）鏈式刀庫，鏈式刀庫的結構（gòu）緊（jǐn）湊，刀庫容量（liàng）較大，鏈環的形狀可根據機床的布局（jú）製成各種形狀，也可將換刀位突出以便於換刀（dāo）。當需要增加（jiā）刀具數量時，隻需增加鏈條的（de）長度即可，給刀庫設計與製造帶來了方便。

2.刀具的選擇方式

一般的刀庫內存放有多把刀具，每（měi）次換刀前要進行選刀，常用的選刀方法（fǎ）有順序選刀和任（rèn）意選（xuǎn）刀兩種，順序選刀是在（zài）加工之前，將加工零件所需刀具按照工藝要求依次插入（rù）刀庫的（de）刀套中，加工是按順序調刀（dāo），加工不同的工件時必須重新（xīn）調整刀庫中的刀具順（shùn）序。其優點是刀庫的驅動和控製都比較簡單（dān）。因此，這種方式適合加工批量較大、工件品種數量較少的中、小型數控機床的自動換刀（dāo）。

隨著數控係統的發（fā）展，目前大多數的數控係（xì）統都采用任意選刀（dāo）的方式（shì），其分為刀套（tào）編碼、刀具編（biān）碼和記憶式等三（sān）種。

3.刀具編碼方式（shì）

刀具編碼（mǎ）或刀套編碼需要在刀具或刀套上安裝用於識別的編碼（mǎ）條，一般都是根據二進（jìn）製編碼的（de）原理進行編碼（mǎ）。刀具編（biān）碼選刀方式采用了一種特殊的刀柄（bǐng）結構，並（bìng）對每把刀（dāo）具編碼。每把（bǎ）刀具都具有自己的代碼，因而（ér）刀具可在不同的工序中多次重（chóng）複使用，換下（xià）的刀具不用放回原刀（dāo）座，刀庫的容量也可相（xiàng）應減少。但每（měi）把刀具上都帶有專用的編碼環，刀具長度（dù）加長，製造（zào）困難，刀庫和機械手的結構變複雜。刀（dāo）套編碼的方式是一把刀具隻對應一個刀套，從一個刀套中取（qǔ）出的刀具必須放回同（tóng）一（yī）刀（dāo）套中，取送刀具十分麻煩，換刀時間（jiān）長。目前在加工中心上大量使用記憶式的方式。這（zhè）種方式能將刀具（jù）號和刀庫中的刀套位置（zhì）對應地記憶在數控（kòng）係統的PLC中，無（wú）論刀具放在哪（nǎ）個刀套內，刀具信息都始終記（jì）存在PLC內。刀庫上裝有（yǒu）位置檢測裝置，可獲（huò）得每個刀套的位置信息。這樣刀具就可（kě）以任意取出並送回。刀庫上還設有（yǒu）機械（xiè）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，實現刀庫與機床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置。刀具的交換方式有兩種：由（yóu）刀（dāo）庫與機（jī）床主軸的相對運動實現刀具交換以及采用機械手交換刀具。利用刀庫與機床主軸的相對（duì）運動實（shí）現刀具交換（huàn）的裝置在換刀時必須首先將用過的刀（dāo）具送（sòng）回刀庫，然後再從刀庫（kù）中取（qǔ）出（chū）新（xīn）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（dāo）裝置在換刀時能（néng）夠同時抓取（qǔ）和裝（zhuāng）卸機床主軸和刀庫中的刀具，因此換刀時間進一（yī）步縮短（duǎn）。采（cǎi）用機械手進行刀具交換的方式（shì）應用最廣泛。這是因為機械手換刀靈活，動作快（kuài），而且結構（gòu）簡單。機械手能夠完（wán）成抓刀—拔刀—回轉—插刀—返回等一係列（liè）動作。為了防止（zhǐ）刀（dāo）具掉落，機（jī）械手的活動爪都帶有自鎖機構。

下麵是世界上最現代化的數控機床換刀，換（huàn）刀無影手！

16位自（zì）動換刀刀（dāo）庫

1、刀具交（jiāo）換方式

數控機床的自動換（huàn）刀裝置中，實現刀庫（kù）與機床主軸之間傳（chuán）遞和裝卸刀具的（de）裝置稱為刀（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（de）生產率（lǜ）和工作可靠（kào）性有著直（zhí）接的影響。

刀具的（de）交換方式很多，一般可分為以下兩大類。

（一（yī））無機械手換刀

無機械手換刀，是由刀庫和機床主軸的相對運動實現的刀具交換。換刀（dāo）時，必須首先將用過（guò）的刀具送（sòng）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進行，因此，換刀時間長。所示的數控立式鏜（táng）銑（xǐ）床就是采用這種換刀方式（shì）的實例（lì）。它的選刀和換刀由三個坐標軸的數控定位係統來完成，因此每（měi）交換一次刀具，工作台和主軸箱就必須沿著三個坐標軸（zhóu）作兩次（cì）來回運動，因而增（zēng）加了換刀時間（jiān）。另外，由於刀庫置於工作台上，減少了工（gōng）作台的有效使（shǐ）用麵積。

（二）機械手換刀（dāo）

由於刀庫及（jí）刀具交換方式的不同，換刀機械手（shǒu）也有多種形式。因為機械手換刀有很大的靈活性，而且（qiě）還（hái）可（kě）以（yǐ）減（jiǎn）少換刀時（shí）間，應用最為（wéi）廣泛。

2、機械手形式

在自動換（huàn）刀數控機床中，機械手的形式也是多種多樣，常見的（de）有以下幾種形式。

1．單臂單爪回轉式機械手

這種機械手的手臂可以回轉不同的（de）角度來進（jìn）行（háng）自動換刀，其手臂上隻有一個卡爪，不論在刀庫上或是在主軸上，均靠（kào）這個卡爪來（lái）裝刀及卸刀（dāo），因此換刀時間較長，如圖2(a)所示。

2．單臂雙爪回轉式（shì）機械手

這種機械手的手臂上有兩（liǎng）個卡爪，兩個卡爪有（yǒu）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，另一個卡爪則執行由刀（dāo）庫取出“新（xīn）刀”送到主軸的（de）任務。其（qí）換刀時間較上述單爪回轉式機械手要少

3．雙臂回（huí）轉式機械手

這種機械手的兩臂（bì）上各有一個卡爪，兩個卡爪可同時抓取刀庫及主軸上的（de）刀具，回轉180°後又同時將刀具放回刀庫（kù）及（jí）裝入主軸。這種機械手換刀時間較以上兩種（zhǒng）單臂機械手均短，是最常用的（de）一種形式。右邊的機械手在抓取或將刀具送入刀庫及主軸上，兩（liǎng）臂（bì）可伸縮（suō）。

4．雙機械手

這種機械手相當於兩個單臂單爪機械手，它們互相配合進行自動換刀。其中（zhōng）一個機械（xiè）手從主軸上（shàng）取下“舊刀（dāo）”送（sòng）回刀庫，另一個由刀庫中（zhōng）取出（chū）“新（xīn）刀”裝入（rù）機床主軸，

5．雙臂往複交叉式機械手

這種機械手的兩手臂可以（yǐ）往複（fù）運動，並交（jiāo）叉成一定的角度。一個手臂從主軸上（shàng）取下“舊刀”送回刀庫，另一個手臂由刀庫中取出“新刀”裝入主軸。整個機（jī）械手可沿某（mǒu）導軌直線移動或繞某個（gè）轉軸回轉，以實現由刀庫與主軸間（jiān）的運刀工作，

6．雙臂端麵夾緊式（shì）機械手

這種機械手隻是在夾緊部（bù）位上（shàng）與前幾種（zhǒng）不同。前幾種機械手均靠夾緊刀柄的外圓表麵來抓取刀具，這種機械手則是靠夾緊刀柄的兩個（gè）端麵來抓取的。

3、機械手夾持結構

在換刀過程中，由於機械手抓住刀柄要作快速回轉，要（yào）作（zuò）拔、插刀具的（de）動作，還要保證刀柄鍵（jiàn）槽的角（jiǎo）度位置對準主軸上的驅動鍵。因此，機械手（shǒu）的夾持部（bù）分（fèn）要十分可靠，並保（bǎo）證有（yǒu）適當的夾緊力，其活動爪（zhǎo）要有鎖緊裝置，以防止刀具在（zài）換刀（dāo）過（guò）程中（zhōng）轉動脫落。機（jī）械手夾持刀具的方（fāng）法有以下兩種（zhǒng）。

（一）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），供機械手夾持用，目前我國數控機床較（jiào）多采用這種夾持方式。機械手手掌結構示意圖，它由固定爪（zhǎo）及活動爪組（zǔ）成，活動爪可繞軸回轉，其一（yī）端在（zài）彈簧柱塞的作用下，支靠在擋銷上，調整螺釘以保持手掌適當的夾緊力，鎖（suǒ）緊銷使活動爪牢固地夾持刀柄，防止刀具（jù）在交換過程（chéng）中鬆（sōng）脫。鎖緊銷還可（kě）軸向移動，使活動爪放（fàng）鬆，以便杈（chā）刀從刀柄V形槽中退出。

4、自動換刀動作順序（xù）

由（yóu）於自動換（huàn）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同。下麵分別以常見的雙臂往複交叉式機械手和鉤刀機械手為例用動作分圖加以說明。

（一（yī））雙臂（bì）往複交叉式機械（xiè）手的換刀過程

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

（2）上一工步結束（shù），機床立柱後退，主軸箱（xiāng）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）令是換刀（dāo），機械手架回轉180o轉向主（zhǔ）軸。

（3）卸刀機械（xiè）手前伸，抓住主軸上已用過的T05號刀具。

（4）機械手架由滑座帶動（dòng），沿刀具軸線前移，將T05號刀具從主（zhǔ）軸上拔出。

（5）卸刀機械手縮回原（yuán）位。

（6）裝（zhuāng）刀機械手前伸，使T09號刀（dāo）具對準主軸。

（7）機械手架後移，將T09號刀具插入（rù）主軸。

（8）裝刀機械手縮回原位。

（9）機械手架回轉180o，使裝刀、卸刀機械手轉向刀庫。

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

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

（12）刀套鏈反轉，把P09號刀套送到換刀位（wèi）置，同時機械手架上升至最高位置，為再下一工步的（de）換刀做好準（zhǔn）備。

（二）鉤刀機械手的換刀過程

作為最常用的一種換刀形式，換刀（dāo）一次所需的基本動（dòng）作如下。

（1）抓刀。手臂旋轉90o，同時抓住刀庫和主軸上的刀具（jù）。

（2）拔刀（dāo）。主軸夾（jiá）頭鬆開（kāi）刀具，機械手同時將刀庫和主軸上的刀（dāo）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（xīn）舊刀具分別插入主軸和刀庫，然後主軸夾頭夾緊刀具；

（5）複位。轉動手臂，回到原始位置（zhì）。