​CNC數控機床的自動換刀（dāo）裝置及其刀具係統！

一、鬥笠式刀庫

一般隻能存16~24把刀具，鬥笠式刀庫在換刀時整個刀庫向主軸移動。當主軸上（shàng）的刀具進入刀（dāo）庫的卡槽時，主軸（zhóu）向上移動脫離刀具，這時刀庫轉動。當要換的刀具對正（zhèng）主（zhǔ）軸（zhóu）正下方時主軸下移，使刀（dāo）具（jù）進入主軸錐孔內，夾緊刀具後，刀庫退回原（yuán）來的位置。

二、圓盤式刀庫

圓盤（pán）式刀庫通常（cháng）應用在小型立式綜合加（jiā）工機上。"圓盤刀庫"一般俗稱"盤式刀庫"，以便和"鬥笠式刀庫"、"鏈條式刀庫"相區分。圓盤式的刀庫容量（liàng）不大，頂多二、三十把刀。需搭（dā）配自（zì）動換刀機構ATC(AutoToolsChange)進行（háng）刀具交換。

三（sān）、鏈條式刀庫

鏈條（tiáo）式刀庫的特點是（shì）可（kě）儲放較多（duō）數量之刀具，一（yī）般都在20把以上，有些可儲放120把以上（shàng）。它是藉由鏈條將要（yào）換的刀具傳（chuán）到指定位置，由機械手將刀具裝到主軸上。換刀動作均采用（yòng）馬（mǎ）達加機加工中心使用的刀庫最常見的形式是圓盤式刀庫和（hé）機械手換刀刀庫（kù）。

一、自動換刀裝置的形式

1．回轉刀架換刀

回轉刀架是一種最簡單的自動換刀裝置，常用於數控車（chē）床。可以設計成四方刀架、六角刀架或圓盤式軸（zhóu）向裝刀刀架等多種形式。回轉刀架上分別安裝著四把、六把或更多的刀具，並按（àn）數控裝置的指令換刀（dāo）。

回轉刀架在結構上必須具（jù）有良好的強度和剛度，以承受（shòu）粗（cū）加工時的（de）切削抗力。由於車削加工精度在很大程度上取決於刀（dāo）尖位（wèi）置，對於數控車（chē）床來說，加工過程中刀具位置（zhì）不進行人（rén）工調（diào）整，因此更有必要選擇（zé）可靠的定位方案和合理的定位結構，以保證（zhèng）回轉刀架在每次轉（zhuǎn）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（huí）轉刀架的換刀動作包（bāo）括刀架抬（tái）起、刀（dāo）架轉位及刀（dāo）架壓緊等。

2．更換主軸頭換刀（刀具旋轉為（wéi）主運動）

更換主軸換（huàn）刀是帶有旋轉（zhuǎn）刀（dāo）具的數控機床的一種比較簡（jiǎn）單的換刀方式。這種主軸（zhóu）頭實際上就是一個（gè）轉塔（tǎ）刀庫。

主軸頭有臥式和立式兩種，通常用轉塔（tǎ）的轉位來更換主軸頭，以實現自動換刀（dāo）。在轉塔的各個主軸上，預先安裝有各工序所需要的旋轉刀具，當發（fā）出換刀（dāo）指令時，各（gè）主軸頭依次（cì）地轉（zhuǎn）到加工位置，並接通主運動，使相應（yīng）的主軸帶動刀具旋轉。而其它處於不（bú）加工位置上（shàng）的主軸都與主運動脫開。

這種更換主軸換刀裝置，省去了自動鬆、夾、卸刀、裝刀以及刀具搬運（yùn）等一係列的複雜操作，從（cóng）而縮短了換刀時間，並提高了（le）換刀的可靠性。但是由於空間位置的（de）限製，使主軸部件結構尺（chǐ）寸（cùn）不能太大，因而影響（xiǎng）了主軸係統的剛性（xìng）。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（zēng）大。因此，轉（zhuǎn）塔主軸頭通常隻適用於工序（xù）較少、精度要求（qiú）不太高的機（jī）床，例如數（shù）控鑽、銑床等。

3.帶（dài）刀庫的自動換（huàn）刀係統

由於回轉刀架、轉塔頭式換刀裝置容納的刀具數（shù）量不能太多，不能滿（mǎn）足複雜零件的加工需要，因此，自動換刀數控機床多采用帶刀庫的自動換刀（dāo）裝置。帶（dài）刀庫的自動換刀裝置由刀庫和換（huàn）刀機構組成，換刀過程較為（wéi）複雜。首先要把加工過（guò）程中（zhōng）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（yù）調整後，按一定的方式（shì）放入刀庫。換（huàn）刀時，先在刀庫中選刀，再由（yóu）換刀（dāo）裝（zhuāng）置從刀庫或主軸上取出（chū）刀具，進行交換（huàn），將新刀裝入主軸，舊刀放（fàng）回刀庫。刀庫具有（yǒu）較大的容量（liàng），既可安裝在主軸箱的側麵或上（shàng）方。由於帶刀庫的自動換刀（dāo）裝置的數控機床的主軸箱內隻（zhī）有一根主軸，主軸部件的剛度要（yào）高，以滿（mǎn）足精密加工要求。

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

二、刀庫和刀具的選擇方式

1.刀（dāo）庫類型

刀庫的作用是（shì）儲備一定數量的刀具，通過機械（xiè）手（shǒu）實現與主軸上刀具的互換。刀庫的類型有盤式刀庫（kù）、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圍來確定。圖7-16所示的盤式刀庫，刀（dāo）具的方向與主軸同向，換刀（dāo）時主軸箱上升到一定的位置，使（shǐ）主軸上（shàng）的刀具正好對準刀庫最下麵的那個位置，刀具被夾住（zhù），主軸在CNC的控製下，鬆開刀柄，盤式刀（dāo）庫向前運（yùn）動（dòng），拔出主軸上的刀具，然後刀庫（kù）將下一個工序所用的刀具旋轉至與主軸對準的位置，刀（dāo）庫後退將新刀具插入主軸孔中，主軸夾緊刀柄，主軸箱下降到工作位置，完成換刀任務，進行下道工序的加（jiā）工。此換刀裝置的優點是結構簡單，成本較低，換刀可靠性較（jiào）好（hǎo）；缺點是（shì）換刀時間長，適用於刀庫容量較小的加工中心。

對於刀庫容量需要較大的加工中心可采用鏈式刀庫，鏈式刀庫的結（jié）構緊湊，刀庫容量較大，鏈環的形狀可根據機床的（de）布局製成各種形狀，也可（kě）將換刀位突出以便於換刀。當需要增加刀具數（shù）量時，隻需增加鏈條的長度即可，給刀庫設計與（yǔ）製造帶來了（le）方便。

2.刀具的選（xuǎn）擇方式

一般的（de）刀庫內存放有多把刀具，每次換（huàn）刀（dāo）前要進行選刀，常用的選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，將加工（gōng）零件所需刀具按照工藝要求依次插（chā）入刀庫的刀套中，加工是按順序調刀，加工不同的工件時必須重（chóng）新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。因此，這種方（fāng）式適合加工批量較大、工件品種數量較少的中（zhōng）、小型數控機床的自動換刀。

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

3.刀具編碼方式

刀具編碼或刀套編碼需要在刀具或刀套上安裝（zhuāng）用於識別的編碼條，一般都是（shì）根據二進製（zhì）編碼的原理進行編碼。刀具編碼選刀方式（shì）采用了一種（zhǒng）特殊的刀柄結構（gòu），並對每把刀具編碼。每把刀具（jù）都具有自（zì）己（jǐ）的代碼，因而刀具可在不同的工序（xù）中多次重複使用，換下的（de）刀具不用放回原刀（dāo）座，刀庫的容量也可相應減少（shǎo）。但每把刀具上都帶有專用的編碼環，刀具長度加長，製造困難，刀庫（kù）和機械手的結構變（biàn）複雜。刀套編（biān）碼（mǎ）的方式是一（yī）把刀具隻對應（yīng）一個刀套，從一個刀套中取出的刀具（jù）必須放回同一刀套中，取送刀（dāo）具十分麻煩，換刀（dāo）時間長。目前在加工中心上大量使用記憶（yì）式的（de）方式。這種方式能將刀具號（hào）和刀庫中的刀套位置對（duì）應地記（jì）憶在數控係統的PLC中，無論刀（dāo）具放在哪（nǎ）個刀套內，刀具（jù）信息都（dōu）始終記存在PLC內。刀庫上裝有位置檢測裝（zhuāng）置（zhì），可獲得每個刀套的（de）位（wèi）置（zhì）信息（xī）。這樣刀具就可以任意取出（chū）並送（sòng）回。刀庫（kù）上還設有機械原點，使每次選（xuǎn）刀時就（jiù）近選取。

三、刀具交換（huàn）裝置

數控機床的自動換刀（dāo）裝置中，實現刀庫與機（jī）床主軸之間傳遞（dì）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：由刀庫與機床主軸的相對運動實現刀（dāo）具交換以及采用機械手交換刀（dāo）具。利用刀庫與機（jī）床主軸的相對運動實現刀具交換的裝置在（zài）換刀時必（bì）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，兩個（gè）動作不能同時進（jìn）行，換刀時間較（jiào）長。而采用機械手換刀（dāo）裝置在換刀時能夠同時抓取和裝卸機床主軸和刀庫中的刀（dāo）具，因此換刀時間進一步縮短。采用機械手進行刀具交換的方式應用最廣泛。這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（chéng）抓刀—拔刀—回轉—插刀—返回等一係列動（dòng）作。為了防止刀具掉落，機械手的活動爪都帶有自鎖機構。

下（xià）麵是世界上最現代化的（de）數（shù）控機床換刀，換刀無影手！

16位自動換刀刀庫

1、刀具交換方（fāng）式

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（xiè）刀具的裝置稱為（wéi）刀具交換裝置。刀（dāo）具的交換方式和它們的具（jù）體結構對機床的生產率和工作可靠性有著直接的（de）影響。

刀具的（de）交換（huàn）方式很多，一般可分為以下兩大類。

（一）無機械手（shǒu）換刀

無機械手換刀，是（shì）由刀庫和機床主軸的相對運動（dòng）實現的刀具交換。換刀時，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進行，因此（cǐ），換刀時間長。所示的數（shù）控立式鏜銑（xǐ）床就是采（cǎi）用這（zhè）種換刀方式的實（shí）例（lì）。它的選（xuǎn）刀和（hé）換刀由三個坐標軸的數控定位係統來完成，因此每交換一（yī）次刀具，工作台和主軸箱就必須（xū）沿著（zhe）三（sān）個坐標軸作兩次來（lái）回運（yùn）動，因而增加了換刀時間。另外，由（yóu）於刀庫置於工作台上，減少了工作台的有效使用麵（miàn）積。

（二）機械手換刀（dāo）

由於刀庫及刀（dāo）具交換方式的不同，換刀機械手也有多種形（xíng）式。因為機械手換刀有很大（dà）的靈活性，而且還可以減（jiǎn）少換刀時間，應用最為廣泛。

2、機械手形式

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

1．單臂單爪回（huí）轉式機械手

這（zhè）種機械手的手臂可（kě）以回轉不同的角度（dù）來進行自（zì）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，均靠這（zhè）個卡爪來裝刀及（jí）卸刀（dāo），因此換刀時（shí）間較長，如圖2(a)所示。

2．單臂雙爪回轉式機械手

這種機械手的手（shǒu）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（xià）“舊刀”送回刀庫的任務，另一個（gè）卡爪則執行由刀庫取出“新刀”送到主軸的任務。其換（huàn）刀時間較（jiào）上述單爪回轉式機械手要（yào）少

3．雙臂回轉式機械手

這種機械手的兩（liǎng）臂上（shàng）各有一個卡爪，兩個卡爪可同時（shí）抓取刀庫及主軸上的刀具（jù），回轉180°後（hòu）又同時將刀具放回刀（dāo）庫及裝入主軸。這種機械手換刀時間較以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（jí）主軸上（shàng），兩臂可伸縮。

4．雙機（jī）械手

這種機械手相當於（yú）兩個單臂單爪機械手，它們互（hù）相配合進行自（zì）動換刀。其中一個（gè）機械手從主軸（zhóu）上取下“舊刀”送回刀庫，另一個由刀庫中取出（chū）“新刀”裝入機床主軸，

5．雙臂往複交（jiāo）叉式機械手（shǒu）

這種機械手的兩手臂可以往複（fù）運動，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，另一個手臂由刀庫中取出“新刀”裝入主軸（zhóu）。整個機械（xiè）手可（kě）沿某導軌直線（xiàn）移（yí）動或繞某個轉軸回轉，以實現由刀庫與主軸間的運刀工作，

6．雙（shuāng）臂端麵夾緊式機械手

這種機（jī）械手隻是在夾（jiá）緊部位（wèi）上與前幾種不同。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（shǒu）則是（shì）靠夾緊刀柄的兩（liǎng）個端麵來抓取的。

3、機械手夾持結構

在換刀過程中，由於機（jī）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（jiǎo）度位置對準主軸上的驅動鍵。因此，機械手的夾持部分要十分（fèn）可靠，並保證有適當的夾緊力，其活動爪要有鎖緊裝置，以防止刀具（jù）在換刀過程中轉動脫落。機械手（shǒu）夾持刀具的方法有（yǒu）以下兩種。

（一）柄式夾持

柄式夾持，也稱軸向夾持或V形槽夾持。其刀（dāo）柄前端有V形槽，供機械手夾持用，目前我國數控機床較多采用這種夾（jiá）持方式。機械手手掌結構示意圖，它（tā）由固定爪（zhǎo）及（jí）活動爪組（zǔ）成（chéng），活（huó）動（dòng）爪可繞軸回轉，其（qí）一端在彈簧柱塞的（de）作用下，支靠在擋銷（xiāo）上，調整（zhěng）螺釘以保持手掌適當的夾緊力，鎖緊銷使活動爪牢固地（dì）夾持刀柄，防止刀具在交換過程中鬆脫。鎖緊銷還可軸向移動，使活動爪放鬆，以便杈刀從刀柄V形槽中退出。

4、自動換刀（dāo）動作順序

由（yóu）於自動換刀裝置的布局結（jié）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（shì）機械手和鉤（gōu）刀（dāo）機械手為例用動作分圖加以說明。

（一）雙（shuāng）臂往複交叉式（shì）機械手（shǒu）的（de）換刀過程

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

（2）上一工步結（jié）束，機（jī）床立柱後退，主軸箱上升，使主軸處於換刀位置。接著下一工步（bù）開始，其第一個指令是換刀，機械手（shǒu）架回轉180o轉（zhuǎn）向主軸。

（3）卸刀機（jī）械手前伸，抓（zhuā）住主軸上已用過的T05號刀具。

（4）機械手架（jià）由滑座帶動，沿刀具軸線前移，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號刀具對（duì）準主軸。

（7）機（jī）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（shǒu）架回轉180o，使（shǐ）裝刀、卸刀機械手轉向刀庫。

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

（11）刀（dāo）套鏈轉（zhuǎn）動把在下一個（gè）工步需用的T46號刀具送（sòng）到換刀位置,機械手一降,找第三排刀鏈,由裝刀機械手（shǒu）將T46號刀具取出。

（12）刀套鏈反轉，把P09號（hào）刀套送到換刀位置，同時機（jī）械手架上升至最高位置，為（wéi）再下（xià）一工步的換刀做好準備。

（二）鉤刀機械手的換刀過程

作為最常用（yòng）的一種（zhǒng）換刀形式，換刀一次所需的基本動作如下。

（1）抓刀（dāo）。手臂旋轉90o，同時抓（zhuā）住刀庫和主軸（zhóu）上的刀具。

（2）拔刀。主軸夾頭鬆開刀具，機械手同時將刀庫（kù）和主軸上的刀具拔出。

（3）換刀。手臂（bì）旋轉（zhuǎn）180o，新舊刀（dāo）具更換。

（4）插刀。機械手同時（shí）將新舊（jiù）刀具分別插入（rù）主軸和刀庫，然後主軸夾頭夾緊刀（dāo）具；

（5）複位。轉（zhuǎn）動手臂，回到原始位置。