​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把刀具（jù），鬥笠式刀庫在換刀時整（zhěng）個刀庫向主軸移動。當主軸上的刀具進（jìn）入刀庫的卡槽時，主軸向上移動脫離刀具，這（zhè）時刀庫轉動。當（dāng）要換的刀（dāo）具對正主軸正下方時主軸下移，使刀具進入主軸錐孔內，夾緊刀具後，刀庫退回原來的位置。

二、圓盤式刀庫

圓盤（pán）式刀庫通常應用在（zài）小型立式綜合加工機上。"圓盤刀庫"一般俗稱"盤式刀庫"，以便（biàn）和"鬥笠式（shì）刀庫"、"鏈條（tiáo）式刀（dāo）庫"相區分。圓盤式的刀庫容量不大，頂多（duō）二、三十把刀。需搭配自動換刀機構（gòu）ATC(AutoToolsChange)進行刀具交換。

三、鏈條式（shì）刀庫

鏈條式刀（dāo）庫的特點是可儲放較多數量之刀具，一般都在（zài）20把以（yǐ）上，有些可儲放120把以上。它是藉由鏈條將要換的刀具傳到指定位置，由機械手將刀（dāo）具（jù）裝到主軸上。換刀動作（zuò）均采用馬達加機加工中心使用的刀庫最常見的形式是（shì）圓盤式刀庫和（hé）機械手換刀刀庫。

一、自動換（huàn）刀（dāo）裝置的形式

1．回轉刀架換刀

回（huí）轉刀（dāo）架是一種最簡單的自動換刀裝置，常用於數控車（chē）床（chuáng）。可以設（shè）計成四方刀架（jià）、六角刀架或圓盤式軸向裝刀刀（dāo）架等多種形（xíng）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（zhuāng）置的指（zhǐ）令換刀。

回轉刀（dāo）架在結構上必須具有良好的強度和剛度，以承受（shòu）粗加工時的切削抗力。由（yóu）於車削（xuē）加工精度（dù）在很大程度上取決於刀尖（jiān）位置，對於數（shù）控車床來說，加工過程中刀具位置不進行人工調整，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（jià）在每（měi）次轉位之後，具有盡可能高的重複定（dìng）位精度（一般為0.001～0.005mm）。

一般情況下（xià），回轉刀架的換（huàn）刀動作包括刀架抬（tái）起、刀架轉位及刀架壓緊等。

2．更換（huàn）主軸（zhóu）頭換刀（刀具（jù）旋轉（zhuǎn）為主運動）

更換主軸換刀是帶有旋轉（zhuǎn）刀具的數控機床（chuáng）的一種比較簡單的換刀方式。這種主（zhǔ）軸頭實際（jì）上就是一個轉（zhuǎn）塔刀庫。

主（zhǔ）軸頭有臥式和立式兩種，通常用轉塔的轉位來（lái）更換主軸頭（tóu），以（yǐ）實現自動換刀。在轉塔的各（gè）個主軸上（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，各主軸頭依（yī）次地轉到加工位置，並接通主運動，使相應的主軸（zhóu）帶（dài）動（dòng）刀（dāo）具旋轉。而其它處於不加工位置上的主軸都與主運動脫開。

這（zhè）種更換（huàn）主軸換刀裝置，省去了自動鬆、夾（jiá）、卸刀、裝刀以及刀具搬運等一係列的複雜操（cāo）作，從而縮短（duǎn）了換刀時間，並提高了換刀的可靠性。但是由於空間位置的限（xiàn）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（gāng）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。因此，轉塔主軸頭通常（cháng）隻適用於工序較少、精度要求不（bú）太高的機床，例如數控鑽、銑床等。

3.帶刀庫的自動換刀係統

由於回轉（zhuǎn）刀架、轉塔頭（tóu）式換刀裝置容納的刀具數量（liàng）不能太多，不能滿足（zú）複雜零件的加工需要（yào），因此，自動換刀數控機床（chuáng）多采用帶刀庫（kù）的自（zì）動（dòng）換刀裝置。帶刀（dāo）庫的自動換刀裝置由刀庫和換刀機構組成，換刀過程較為複雜。首先要把加工過（guò）程中使用的全部刀具分別安裝在標準刀柄（bǐng）上，在機外進行尺寸（cùn）預調整後，按一定的方式放入刀庫。換刀時，先在刀庫中（zhōng）選刀，再由換刀裝置從刀庫或主軸上取出刀具，進行交換（huàn），將新刀裝入主軸，舊刀放回刀庫。刀庫具有較大的容（róng）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（de）主軸箱內隻有一根主軸，主軸部（bù）件的剛度要高，以滿足精密加工要求。

另外（wài），刀庫內刀具數量較大（dà），因而（ér）能夠進行複雜零（líng）件的多工序加工，大大提高（gāo）了機床的適應（yīng）性和加工效率。帶刀庫的自動換（huàn）刀係統適用於數控鑽削中（zhōng）心和加工中（zhōng）心。

二、刀庫和刀具的選擇方式

1.刀庫類型

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。刀庫的類型有盤式刀庫、鏈式刀庫等多種形式，刀庫的形（xíng）式和容量要根據機床（chuáng）的（de）工藝範圍來確定。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（shǐ）主（zhǔ）軸上的刀具正好對準（zhǔn）刀庫最下麵的那個（gè）位置，刀具被夾（jiá）住，主軸在CNC的控製下，鬆開刀柄，盤式刀庫向前運動，拔出主軸上的刀具，然後刀庫將下一個工序所用的刀具（jù）旋轉至與主軸對（duì）準的位置，刀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（zuò）位置，完成換刀任（rèn）務，進行下道（dào）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；缺點是換刀時間長，適用於刀庫容量較小的加工中（zhōng）心。

對於刀庫容量（liàng）需要較大的（de）加工中心可（kě）采用（yòng）鏈式刀庫，鏈式刀庫的結（jié）構緊湊，刀庫（kù）容量較大，鏈環的形狀（zhuàng）可根據機床的布局製成各種形（xíng）狀，也可將（jiāng）換刀位突出以便於換刀。當需要增加刀具數量時，隻需增加鏈條的長度即可，給刀庫設計與製造帶來了方便。

2.刀具的選擇方（fāng）式

一般的刀庫內存放有多把刀具，每次換刀前要（yào）進行選刀，常用的選刀方法有順序選刀和任意選刀（dāo）兩種，順序選刀是在加工之前，將加工零（líng）件所需刀具按照（zhào）工藝（yì）要求依次插入刀庫的刀套中，加工是按順序調刀，加工不同的工（gōng）件時必須重新調整刀庫中的刀具順序。其優點（diǎn）是刀庫（kù）的驅動和控製都比較簡單。因此，這種方式（shì）適合加工批量（liàng）較大（dà）、工件（jiàn）品種（zhǒng）數量較少的（de）中、小型數控機床的自動換刀（dāo）。

隨著（zhe）數控係統的發展，目前大多數的數控係（xì）統都采用（yòng）任意選刀的方式，其分為刀套編碼、刀（dāo）具（jù）編碼和記憶式等三種。

3.刀具編碼方式（shì）

刀（dāo）具編碼或刀套編碼需要在（zài）刀具或（huò）刀套上安裝用於識別的編碼條，一般都是根據二進製編碼的原理進（jìn）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（měi）把刀具編碼。每把刀具都具有自己的代碼，因（yīn）而（ér）刀具可在不同的工序中多次重複（fù）使（shǐ）用，換下的刀具不用放回原刀座，刀庫的容量也可相應減（jiǎn）少。但每（měi）把刀具（jù）上都帶有（yǒu）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（biàn）複雜。刀套編（biān）碼的方式是（shì）一把刀具隻對（duì）應一個刀套，從一個刀套中取出的刀（dāo）具必須放回同一刀（dāo）套中，取送刀具十分麻煩，換刀時間長。目前在加工中心上大（dà）量使用記憶式的方式。這種方式能將刀具號和（hé）刀庫中的刀套位置對應（yīng）地記憶在數控係統的PLC中，無論刀具放在哪個刀套內，刀具信息都始終記存在（zài）PLC內。刀庫（kù）上裝有位置檢測裝置，可（kě）獲得每個刀套的位置信息（xī）。這樣刀具就可以任意取出（chū）並送回。刀庫上還設有機械原點，使每次選刀時就近選取。

三（sān）、刀（dāo）具交（jiāo）換裝置

數控機床的自動換刀裝置中，實現刀庫與機（jī）床（chuáng）主（zhǔ）軸之間傳（chuán）遞和裝卸刀具的裝置稱為刀（dāo）具交換裝置。刀（dāo）具的交換方（fāng）式有兩種：由刀庫與機床主（zhǔ）軸的相對運（yùn）動實現刀具交換以及采用機械（xiè）手交換刀具。利用刀庫（kù）與機床主軸（zhóu）的相對運動實現刀（dāo）具交換的裝置在換刀時必須首先將用過的刀具送回刀庫（kù），然後再從刀庫中取出新刀具，兩個（gè）動（dòng）作不能同時進行，換刀時（shí）間較長。而采用機械手換（huàn）刀裝置（zhì）在換（huàn）刀（dāo）時能夠同時抓取和裝卸機床主軸和刀庫中的刀具（jù），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（qiě）結構簡單。機械手能夠完成抓刀—拔刀—回轉—插刀—返回等（děng）一係列動作。為了防止刀具掉落，機械手的活動爪都帶有自（zì）鎖機構。

下（xià）麵是世界上最現（xiàn）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（dāo）具交換方式

數控機床的自動（dòng）換刀裝（zhuāng）置中，實現刀庫與機床主軸之間傳（chuán）遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置。刀（dāo）具的（de）交換方式和它們的具體（tǐ）結（jié）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（jiāo）換方式很多（duō），一般可分為以下兩大類（lèi）。

（一（yī））無機械手換刀

無機械手換刀，是由刀庫和機（jī）床主軸的相對（duì）運動實現（xiàn）的（de）刀具交換。換刀時，必（bì）須首先將用過的刀具送回刀庫，然（rán）後再從刀庫中取出新刀具，這（zhè）兩個動作（zuò）不可能同時進行（háng），因此，換刀（dāo）時間長。所示的數控立式鏜銑（xǐ）床就是采用這種換刀方式的（de）實例。它的選（xuǎn）刀和換刀由三個坐標軸的數控定位係統來完成，因此每交換一次刀（dāo）具，工作台和主軸箱就必（bì）須沿著（zhe）三個坐標軸作兩次（cì）來回運動，因而增加了換（huàn）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（de）不（bú）同，換刀（dāo）機械手（shǒu）也有多種形式。因為機械手換刀有很大的（de）靈活性，而且還可以減少換刀時間，應用最為廣泛。

2、機械手形式

在（zài）自動換刀數（shù）控（kòng）機床中，機（jī）械手的形式也是多種多樣，常見（jiàn）的有以下幾種形式。

1．單（dān）臂單爪回轉式（shì）機械手

這種機械手的手臂可以回轉不（bú）同的角度（dù）來進行自動換刀，其（qí）手臂上隻有一（yī）個卡爪，不論在刀庫上或（huò）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．單臂雙爪回轉式機械手

這種（zhǒng）機械手的手（shǒu）臂上有兩個卡爪，兩個卡爪有所（suǒ）分工。一個卡爪隻執行從主軸上取下“舊刀（dāo）”送（sòng）回刀庫的任（rèn）務，另（lìng）一個卡爪則執行（háng）由刀庫（kù）取出“新刀”送到主軸的任務。其換刀時間較上述單爪回（huí）轉式機械手（shǒu）要（yào）少

3．雙臂回（huí）轉式機械手

這種機械手的（de）兩臂上各有一個卡爪，兩（liǎng）個卡爪可同時抓取刀庫及主軸上的（de）刀具（jù），回（huí）轉180°後又同時（shí）將刀具放回刀庫及裝入主軸。這種機械手換刀時間較以上兩種單臂機械手均短，是最常（cháng）用的一種形式。右（yòu）邊的（de）機械手在抓取或將（jiāng）刀具送入刀庫及主（zhǔ）軸上，兩臂可伸縮。

4．雙機械手（shǒu）

這種（zhǒng）機械手相當於兩個單臂（bì）單爪機械手，它們互相配合進行自動換刀。其中一個機械手從主軸上取下（xià）“舊刀”送回刀庫，另一個由刀庫中（zhōng）取出“新刀”裝入機床主軸，

5．雙臂往複交叉式機械手

這種機械手的兩手臂可以往複（fù）運動，並交叉成一定的角度。一個手臂從主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另一個手臂由刀庫（kù）中取出“新刀”裝入（rù）主軸。整個機械手可沿某導軌直（zhí）線移動或（huò）繞某個轉軸回轉，以實（shí）現（xiàn）由刀（dāo）庫與主軸間的運刀（dāo）工作（zuò），

6．雙臂端麵夾緊式機械手

這種（zhǒng）機械手隻是在夾緊部位上（shàng）與前幾種不（bú）同。前幾種機械手均靠夾緊刀柄的外圓表麵來抓取刀具，這（zhè）種機械手則是（shì）靠夾緊刀柄的兩個（gè）端麵（miàn）來抓取的。

3、機械手夾（jiá）持（chí）結構

在換刀過（guò）程（chéng）中（zhōng），由於機械手抓住刀（dāo）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置（zhì）對準主軸上的驅動鍵。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，其活動爪要有鎖緊裝置，以（yǐ）防止刀（dāo）具在換刀過程中轉動脫落。機械手夾持刀具的方（fāng）法有以下兩種。

（一）柄式夾持

柄式（shì）夾持，也（yě）稱軸向夾持（chí）或V形槽夾持。其（qí）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多采用這種夾持方（fāng）式。機械手（shǒu）手掌結構示意圖，它由固（gù）定爪及活動（dòng）爪組成，活動爪可繞軸（zhóu）回轉，其一端在彈簧柱塞的作用下，支靠（kào）在擋銷上，調整螺釘以保（bǎo）持手掌（zhǎng）適當的夾緊力，鎖（suǒ）緊銷（xiāo）使活動爪牢固地夾（jiá）持刀柄，防止刀具在交換過程中鬆脫（tuō）。鎖緊銷還可（kě）軸向移動，使活動爪（zhǎo）放鬆，以便杈（chā）刀從刀柄V形槽中退出。

4、自動換刀動作順序

由於自動（dòng）換刀裝置的布局結構（gòu）多種多樣（yàng），其換刀過程動作順序會不盡相同。下麵分（fèn）別以常見的雙臂往（wǎng）複交叉式機（jī）械手和鉤刀機械手（shǒu）為例用動作分圖加以（yǐ）說（shuō）明。

（一）雙臂往（wǎng）複（fù）交叉（chā）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（jù）進行加工，裝（zhuāng）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（zhì），為換刀做好了準備；

（2）上一工步結束，機床立柱（zhù）後退，主軸箱上升，使主軸處於換刀位置（zhì）。接著下一（yī）工步開始，其第一個指令（lìng）是（shì）換刀，機械手（shǒu）架回轉180o轉向主軸。

（3）卸刀機械手前伸，抓住主（zhǔ）軸上已用（yòng）過的T05號刀具（jù）。

（4）機械手架由滑座帶動，沿刀具軸線前移，將T05號刀具從主軸（zhóu）上（shàng）拔出。

（5）卸（xiè）刀機械手縮回原位。

（6）裝刀機械手前伸，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（dāo）機械手縮回（huí）原位。

（9）機械手架回轉（zhuǎn）180o，使裝刀、卸刀機械手轉向刀庫。

（10）機械手（shǒu）架由橫梁帶動下（xià）降，找第（dì）二排刀套鏈，卸刀機械手將T05號刀具插回P05號刀套中。

（11）刀套鏈轉（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,找第三排（pái）刀鏈,由裝刀（dāo）機械手將T46號刀具取出。

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

（二）鉤刀機械手的換刀過程（chéng）

作為最常用的（de）一種換刀形式，換刀一次所需的基本動作（zuò）如下。

（1）抓刀。手臂（bì）旋轉90o，同時抓（zhuā）住刀（dāo）庫和主軸上的（de）刀具。

（2）拔刀。主軸夾頭鬆開刀具，機械手同時將刀庫和主軸（zhóu）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（jù）分別插入主軸（zhóu）和（hé）刀庫，然後主軸夾頭夾緊刀具；

（5）複位。轉動手（shǒu）臂，回到原始位置。