​CNC數控機床的自動換刀裝置及其刀具係統！

一、鬥笠式刀（dāo）庫

一般隻能存16~24把刀具（jù），鬥笠式刀庫在換刀時整個刀庫向（xiàng）主軸移動。當主軸上的刀具進入刀庫的卡槽時，主軸向上移動脫離刀具（jù），這時刀庫轉動。當要換的刀具對正（zhèng）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（dāo）庫退回原來的位置。

二、圓盤式（shì）刀（dāo）庫（kù）

圓盤式刀庫通常應用在小型立式綜合加工機上。"圓盤刀庫"一般俗稱"盤（pán）式刀庫"，以（yǐ）便和"鬥笠式刀庫"、"鏈條式刀庫"相區分。圓盤式的刀庫容量不大，頂多二、三十把刀。需搭配自動換刀機（jī）構ATC(AutoToolsChange)進行刀（dāo）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（dāo）具，一般都在20把以上，有些可儲（chǔ）放120把以上。它是藉（jiè）由鏈條將要換的刀具傳到指定位置，由機（jī）械（xiè）手將刀具裝到（dào）主軸上。換刀動作均采（cǎi）用馬達加機（jī）加工中心使用的刀（dāo）庫（kù）最常見的形式是圓盤式刀庫和機械手換（huàn）刀刀庫。

一、自動換刀裝置的形式

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置，常用於數控（kòng）車床（chuáng）。可以設計成四方刀架、六角（jiǎo）刀架或圓盤式軸（zhóu）向裝刀刀架等多（duō）種（zhǒng）形式。回轉刀架上分別（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（gōng）時的切削抗力。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（wèi）置不進行人工調整，因此更有必要選擇可靠的（de）定位（wèi）方案和合理的定位結構，以保證回（huí）轉（zhuǎn）刀（dāo）架（jià）在每次轉位之後，具有盡可（kě）能高的重複定位精度（一般為0.001～0.005mm）。

一般（bān）情況下，回轉（zhuǎn）刀架的換刀動作包括刀架抬起、刀架（jià）轉位及（jí）刀架壓緊等。

2．更換主軸頭換刀（刀具旋轉為主運動）

更換主軸換（huàn）刀是帶有旋轉刀具的數控機床的一種比較簡單（dān）的換刀方式。這種主（zhǔ）軸頭實（shí）際（jì）上就是一個轉塔刀庫。

主軸（zhóu）頭有臥式和立式兩種，通常用轉塔的轉位來更換主軸頭，以實現自（zì）動換（huàn）刀。在轉塔的各個主（zhǔ）軸上，預先安裝有各工（gōng）序所需要的旋轉刀具，當發出換刀指令時，各主軸頭依次地轉到加工位置，並接通（tōng）主運動，使相應的主軸帶動（dòng）刀具旋轉。而其它處於不加工（gōng）位置上的主軸都與主運動脫開。

這種更換主軸（zhóu）換刀裝置，省去了自動鬆（sōng）、夾（jiá）、卸刀、裝刀以及刀具搬運等（děng）一係列的複雜操作，從而縮短了換刀（dāo）時間，並提高了換刀的可靠（kào）性。但是由於空（kōng）間位置的限製，使主軸部件結構尺寸不能太大，因而影響了主軸係統的剛性。為了保（bǎo）證主軸的剛（gāng）性，必須限製主軸（zhóu）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（jiào）少、精度（dù）要求不太高（gāo）的（de）機床，例如數（shù）控鑽、銑床等。

3.帶刀庫的自動換刀（dāo）係統

由於回轉刀架、轉（zhuǎn）塔頭式換刀（dāo）裝置（zhì）容納的刀具數量不能太（tài）多，不能滿足複（fù）雜零件的加工需要，因此，自動換刀數控機（jī）床多采用帶刀庫的自動換刀裝置。帶刀庫的自動換刀裝（zhuāng）置由刀庫（kù）和換刀機構組成，換刀（dāo）過程較為複雜。首先要把加（jiā）工過程中使用的全部刀（dāo）具分別（bié）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（de）方式放入刀庫。換刀時，先在刀庫中（zhōng）選刀，再由（yóu）換刀（dāo）裝置從刀（dāo）庫或主軸上（shàng）取出刀具，進（jìn）行交換，將新刀（dāo）裝入主軸（zhóu），舊（jiù）刀放回刀庫。刀庫具（jù）有較大的容量，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（shù）控機床的主軸箱內隻有一根主軸，主軸部件的剛度要高，以滿（mǎn）足精密加工要求（qiú）。

另外，刀庫內刀具數量較大，因而能夠進行複雜（zá）零件的多工序加工，大（dà）大提高了機床的適應（yīng）性和加工（gōng）效率。帶刀庫的（de）自動換刀係統適用於（yú）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

刀庫的作用是儲備一定數量的刀具，通過機（jī）械手實現與主軸上刀具的互換。刀庫的類型有盤（pán）式刀庫、鏈式刀庫等（děng）多（duō）種（zhǒng）形式，刀庫的形式和容量要（yào）根據機（jī）床的工藝範圍來確定。圖7-16所示的（de）盤式刀庫，刀具（jù）的方向與（yǔ）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（xià）麵的那個位置，刀具被（bèi）夾住，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（shàng）的（de）刀具，然後刀庫將下一個工序所用的刀具旋轉至與主軸對（duì）準的位置（zhì），刀庫（kù）後退將新刀具插入主軸孔中，主軸（zhóu）夾緊刀柄，主軸箱下降到工作位（wèi）置，完成換刀任務，進行下道（dào）工序的加工。此（cǐ）換刀裝置的優點是結構簡單，成本較（jiào）低，換刀可靠性較好；缺點是換刀時間長，適用（yòng）於刀庫容量較小的加工中心。

對於（yú）刀庫容量需要較大的加工中心（xīn）可采用鏈式刀庫，鏈式刀庫的結構緊湊，刀庫容量（liàng）較大，鏈環的形狀可根據機床（chuáng）的布局製成各（gè）種形（xíng）狀，也可將換刀（dāo）位突出以便（biàn）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（fāng）便。

2.刀具的選擇方式

一般的刀庫內存放有多把刀（dāo）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（hé）任意選刀兩種（zhǒng），順序選刀是在加工之前，將加工零件（jiàn）所（suǒ）需刀具按照工藝要求依次插入刀庫的刀套中，加工是按順序調刀，加工不同的工件時必須重新調整刀庫中的（de）刀具順序。其優點是刀庫的驅動和控製都比較簡單（dān）。因此，這種方式（shì）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。

隨著數控係統的發展，目前大多數的數控（kòng）係統（tǒng）都采用任（rèn）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.刀具編（biān）碼方式

刀具編碼或刀套（tào）編碼（mǎ）需要在刀具或刀套上安裝用於識別的編碼條，一般（bān）都（dōu）是根據二進製編碼的原理進行編碼。刀具編碼選刀方式采用了一種特殊（shū）的刀柄結構，並對每把刀具編碼。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重複使（shǐ）用，換下的刀具不用放回原刀座，刀庫的容量也可相應減少。但每（měi）把刀具上（shàng）都（dōu）帶（dài）有專用的編碼環，刀具長度加長，製造困難，刀（dāo）庫和機械手的結構變複雜。刀套編碼的方式是一把刀具隻對應一個刀套，從一（yī）個刀套中取（qǔ）出的刀具必須（xū）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（shì）。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（dāo）套內，刀具信息都始終記存在PLC內。刀庫上裝有位（wèi）置（zhì）檢測裝（zhuāng）置，可獲得每個刀套的位置信息。這樣刀具就可以任意取出（chū）並送回。刀庫上（shàng）還設有（yǒu）機（jī）械原點，使每次（cì）選刀時就近（jìn）選取。

三、刀具交（jiāo）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：由刀庫與機床主軸的相對運動（dòng）實現刀具交換以及（jí）采用機械手交換刀具。利用刀庫（kù）與機（jī）床主軸的（de）相對運動實現刀具交換的裝置在換刀時必（bì）須首先將用過的刀（dāo）具送回刀庫，然後再從刀庫中取出新刀具，兩個動作不（bú）能（néng）同時進行（háng），換刀（dāo）時（shí）間較長。而采用機械手換（huàn）刀裝置在（zài）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（jī）械手進行（háng）刀具交換的方式應用最廣泛。這是因為機（jī）械手換刀靈活，動作快，而且結構簡單（dān）。機械手能夠完成抓刀（dāo）—拔刀—回轉—插刀—返回等一係列動作（zuò）。為了防止刀（dāo）具掉落，機械手的（de）活動爪都帶有自鎖機構（gòu）。

下麵是世界上（shàng）最（zuì）現代化（huà）的數控機（jī）床換刀，換刀無影手！

16位自（zì）動換刀刀庫

1、刀具交換方式

數控機（jī）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（dāo）具的裝（zhuāng）置稱（chēng）為刀具交換裝置。刀具（jù）的交換方式和它們的具體結構對（duì）機床的生產率和工（gōng）作可靠性有著直接（jiē）的（de）影響。

刀具的交換方式很多，一般可分為以下兩（liǎng）大類。

（一）無機械手換刀（dāo）

無機械（xiè）手換刀，是由刀庫和機床主軸的相（xiàng）對運（yùn）動實現（xiàn）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（néng）同時進行，因此，換刀時間長。所示的數控立式鏜銑床就是采用這（zhè）種換刀方式的實例。它的選（xuǎn）刀（dāo）和換刀（dāo）由三個坐標軸的數控定位係統來完成，因此每交換一次刀具，工作台和主軸箱就必須沿著三（sān）個坐標軸作兩次來回運（yùn）動，因而增加了換刀時間。另外，由於刀（dāo）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）刀庫及刀具交換方式的不同（tóng），換刀（dāo）機械手也有多（duō）種形式。因為機械手（shǒu）換刀有很大的靈活性，而且還可以（yǐ）減少換刀時間，應用最為（wéi）廣泛。

2、機（jī）械（xiè）手形式

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

1．單（dān）臂單爪（zhǎo）回轉式機械手

這種機械手的手臂可以回轉不同的角度來進（jìn）行自動換刀，其手臂上（shàng）隻有一個卡爪，不（bú）論在刀庫上或是（shì）在主軸上（shàng），均靠（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（shì）機械手

這種機械手的手（shǒu）臂上有兩個卡爪（zhǎo），兩個卡爪有所分工（gōng）。一（yī）個卡爪（zhǎo）隻執（zhí）行從主軸（zhóu）上取下“舊刀”送回（huí）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。其換刀時間較（jiào）上述單（dān）爪回（huí）轉（zhuǎn）式機械手要少

3．雙臂（bì）回轉式機（jī）械手

這種機械手的兩臂上各（gè）有一個卡爪，兩個卡爪（zhǎo）可同時抓取刀庫及主軸上的刀（dāo）具，回轉180°後又同時將刀具放回刀庫及裝入主軸。這種（zhǒng）機械手換刀時間較以上兩（liǎng）種單臂機械手均短，是最常用的一種形式。右邊的機械手在抓取或將刀具送入刀庫及（jí）主軸上，兩臂可伸縮。

4．雙（shuāng）機械手

這種機械手相當於兩個（gè）單臂單爪機械（xiè）手，它們互相配合進行自動（dòng）換刀。其中一個機械手從主軸上（shàng）取（qǔ）下“舊刀”送回刀庫，另一個由刀庫中取（qǔ）出“新刀”裝入機床主軸（zhóu），

5．雙臂往複交叉式機（jī）械手

這種（zhǒng）機械手的兩手臂可以往複運動，並交叉成一定的角度。一個手臂從主軸上取下“舊刀”送（sòng）回刀庫，另一（yī）個手（shǒu）臂由刀庫中取出（chū）“新刀”裝（zhuāng）入主軸。整個機械手可（kě）沿某導（dǎo）軌直線（xiàn）移動或繞某個轉軸（zhóu）回轉，以實（shí）現由刀庫與主軸間的運刀工作（zuò），

6．雙臂端麵夾緊式機械手

這種機械手隻是在夾緊（jǐn）部（bù）位上與前幾種不（bú）同。前幾（jǐ）種機械手（shǒu）均靠夾緊刀柄的（de）外圓表麵來抓取刀具，這種機（jī）械手則是靠（kào）夾緊刀柄的兩個（gè）端麵來抓取的。

3、機械（xiè）手夾持結（jié）構

在換刀過（guò）程中，由於機（jī）械手抓住刀柄（bǐng）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對準主軸上的驅動鍵。因此，機械手（shǒu）的夾持部分要十分可靠，並保證有適當的夾緊力，其活動爪（zhǎo）要有鎖緊裝置，以（yǐ）防止刀具在換刀過程中（zhōng）轉動脫落。機械手夾持刀具的方法有以下兩種。

（一）柄式夾持

柄（bǐng）式夾持，也稱軸向夾（jiá）持或V形槽夾持。其刀柄前端有V形槽，供機械手夾持用，目前我國數控機（jī）床較多采用這種夾持方式。機械手手掌結構示意圖，它由固定爪及活動爪（zhǎo）組成，活動爪可繞軸回轉，其一端在彈簧柱（zhù）塞的作用下，支靠在擋銷上，調整螺釘以保持手掌適當的夾（jiá）緊力，鎖緊銷使活動（dòng）爪牢固地夾（jiá）持（chí）刀柄，防止（zhǐ）刀（dāo）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（bǐng）V形槽中退出。

4、自動（dòng）換刀動作順（shùn）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（zuò）順序（xù）會不盡相（xiàng）同。下（xià）麵分別以常見的雙臂（bì）往複交（jiāo）叉式機械手（shǒu）和鉤刀機械手（shǒu）為例用動作分圖加以說（shuō）明（míng）。

（一）雙臂往複交叉（chā）式機械手（shǒu）的換刀過程

（1）開始換刀前狀態。主軸正用T05號刀具進（jìn）行加工，裝刀機械手已抓住下（xià）一工步需用的（de）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，機床立柱後退，主軸箱上升，使主軸處（chù）於換刀位置。接著下（xià）一工步（bù）開始，其第一個指令是換刀，機械手（shǒu）架（jià）回轉（zhuǎn）180o轉向（xiàng）主軸。

（3）卸刀機械手前伸，抓住（zhù）主軸（zhóu）上已用過的T05號刀具。

（4）機械手架由滑座帶動，沿刀具軸線前移，將T05號刀具從（cóng）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號刀具對準主軸。

（7）機械（xiè）手架後移，將T09號刀具插入主軸。

（8）裝刀機械手（shǒu）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（liáng）帶動（dòng）下降，找第二（èr）排刀套鏈，卸刀（dāo）機械手將T05號刀具（jù）插回P05號刀套中。

（11）刀套鏈轉動把在（zài）下一個工步需用的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（zhuāng）刀機械手將T46號刀具取出。

（12）刀套鏈（liàn）反轉，把P09號刀（dāo）套（tào）送到換刀位置，同時機械手架（jià）上升至最高位置，為再下一工步的（de）換刀做好準備。

（二）鉤刀機（jī）械手的換刀過程

作為最常用的（de）一種換刀（dāo）形式（shì），換刀一次所（suǒ）需的基（jī）本動作如（rú）下。

（1）抓刀。手臂旋轉90o，同時抓住刀庫（kù）和主軸上的刀具（jù）。

（2）拔刀。主軸夾頭鬆開刀具，機械手同時將刀庫和主軸上的刀具拔出。

（3）換刀。手臂旋（xuán）轉180o，新舊刀具更換。

（4）插刀。機械手同時將新舊刀具分別（bié）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（shǐ）位置。