​CNC數控機床的自動換刀裝置及其刀具係統！

一、鬥（dòu）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（xiàng）主軸移動。當主軸上的刀具進入刀（dāo）庫的卡槽時，主軸向上（shàng）移動脫離刀具（jù），這時刀庫轉動。當要（yào）換的刀具（jù）對正主（zhǔ）軸正（zhèng）下方時（shí）主軸（zhóu）下移，使刀具進入主軸錐孔內，夾緊刀具後，刀庫（kù）退回原來的位（wèi）置。

二、圓盤式刀庫

圓盤式刀庫通常（cháng）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"，以便和"鬥笠式刀庫"、"鏈條式刀庫"相區分。圓盤式的刀（dāo）庫容量不大，頂多二（èr）、三十把刀。需（xū）搭配自動換刀機構ATC(AutoToolsChange)進（jìn）行刀具交換。

三、鏈（liàn）條式刀庫

鏈條式刀庫（kù）的特點是可儲放較（jiào）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（shì）藉由鏈條將要換的刀（dāo）具傳到指定位置（zhì），由（yóu）機械手將刀具裝到主（zhǔ）軸上。換（huàn）刀（dāo）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（shì）是圓（yuán）盤式刀庫和機械手換刀刀庫。

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（dòng）換（huàn）刀（dāo）裝置，常用於（yú）數控車床。可以設計成（chéng）四方刀架、六角刀架或圓（yuán）盤式軸向裝刀（dāo）刀架等多種（zhǒng）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（shù）控裝置的（de）指令換刀。

回（huí）轉刀架（jià）在結構上必（bì）須具有良（liáng）好的（de）強度和（hé）剛度（dù），以承受粗加工時的（de）切削抗力。由於車削加工精度在很大（dà）程度（dù）上取決（jué）於刀（dāo）尖位置，對於數控車床來說（shuō），加工過程中刀具位置不進行（háng）人工調整，因此更有必要選擇可靠的定位（wèi）方案和合理的定（dìng）位結構，以保（bǎo）證回轉刀架在每次轉位之後，具有盡可能高的重（chóng）複定位精度（一般為0.001～0.005mm）。

一般情（qíng）況下，回轉刀架的換刀動作（zuò）包括刀（dāo）架抬起、刀架轉位及刀架壓緊等。

2．更換主軸頭換刀（刀具旋（xuán）轉為主運動）

更換主軸（zhóu）換刀是帶有旋轉刀具（jù）的數控機（jī）床的一種比（bǐ）較簡（jiǎn）單的換（huàn）刀（dāo）方式。這種主軸頭實際上就是一個轉塔刀庫。

主軸頭有臥式和（hé）立式兩種，通常用轉塔（tǎ）的轉位來更換主軸頭（tóu），以實現自動換刀。在（zài）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（dāng）發出換刀指令時，各主軸頭依次地轉到加工位置，並接通主運動，使相應的主（zhǔ）軸帶動刀具旋（xuán）轉（zhuǎn）。而其它（tā）處於不加工位置上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（dāo）具搬運等一係列的複（fù）雜操作，從而縮短了換刀（dāo）時間，並提高（gāo）了換刀的可靠性。但是由於空間位（wèi）置的限製（zhì），使主軸部件結構尺寸不能太（tài）大，因而影響（xiǎng）了主軸係統的剛（gāng）性。為了保證主軸的剛性，必（bì）須限製主（zhǔ）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（dù）要求（qiú）不太高的機床，例如數控鑽、銑床等（děng）。

3.帶刀庫的自動換刀係統

由於回轉刀架、轉塔頭式換刀裝（zhuāng）置容納的刀具數量不能太多（duō），不能滿足複雜零件的加工（gōng）需要，因此，自動換刀數控機床多采用帶刀庫的自動換刀裝置。帶刀庫的自動（dòng）換刀裝置由刀庫和換刀機構組成（chéng），換刀過程較為複雜。首（shǒu）先要把加工過程中使用的全部刀具分別安裝在標（biāo）準（zhǔn）刀柄上，在（zài）機（jī）外進行尺（chǐ）寸預（yù）調整後，按一（yī）定的方式放入刀庫。換刀時，先在刀庫中選刀，再由（yóu）換刀裝置從刀庫或主軸上取出刀具，進行交換，將新刀裝入主軸，舊刀放（fàng）回（huí）刀庫。刀庫具有較大（dà）的容量，既可安裝在主軸箱的（de）側麵或上方。由於帶刀庫的（de）自動換刀裝置的數控機床的主軸箱內隻有一根主軸，主軸部件的剛度要高，以滿足（zú）精密加工要求。

另外，刀庫內刀具數量較大，因而能夠（gòu）進行複雜零件的多工序（xù）加工，大大提高了機床的適（shì）應性和加工效率（lǜ）。帶刀庫的自動換刀係統（tǒng）適用於數控鑽削中（zhōng）心（xīn）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（dìng）數量的刀具，通過機械手（shǒu）實現與主軸上刀具的互換。刀庫（kù）的類（lèi）型有盤式刀庫、鏈式刀庫等多種形式，刀庫的形式和容（róng）量要根（gēn）據機床的（de）工藝範圍（wéi）來確定。圖7-16所示的盤式刀庫，刀具的（de）方向與主軸（zhóu）同向，換刀時主軸箱上升到一定的位置，使主軸（zhóu）上的刀具正好（hǎo）對準刀庫最下麵（miàn）的（de）那個位置，刀具（jù）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（bá）出主軸上的刀具，然（rán）後（hòu）刀庫將下（xià）一個（gè）工序所用的刀具旋（xuán）轉至與主（zhǔ）軸對準的位置，刀庫後退將新刀具插入主軸孔中，主軸夾緊刀柄，主軸箱下降到工作位置，完成換刀任務，進行下道工序的加工。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；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（dāo）庫容量需要較大的加工中心可采用鏈式刀庫，鏈式刀庫的結構緊湊，刀庫容量較大（dà），鏈環的形狀可根據機床的布局製成（chéng）各（gè）種形狀，也可將換刀位（wèi）突出以便於（yú）換刀。當需要增（zēng）加刀具數量時，隻需增加鏈條的長度即（jí）可，給刀庫設計與製造帶來了方便（biàn）。

2.刀具的選擇方式

一般的刀庫內存放有多把刀具，每次換刀（dāo）前要（yào）進行（háng）選刀，常用的選刀方法有順序選刀和任意選刀兩種，順序選（xuǎn）刀（dāo）是在加工之前，將加工零件所需刀具按照工藝要求依次插入刀庫的刀套中，加工是按（àn）順序（xù）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製都比較簡單。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（xíng）數控機床的自動換刀。

隨（suí）著數控係統的發展，目前（qián）大多數的（de）數控係統（tǒng）都采（cǎi）用任意選刀（dāo）的方式，其（qí）分為刀套編碼、刀（dāo）具編碼和記憶式（shì）等三種。

3.刀（dāo）具編碼方式

刀具編碼或刀套編（biān）碼需要在刀具或刀套上安裝用於識別（bié）的編碼條，一般都是根（gēn）據二進製編碼的原理進行（háng）編（biān）碼。刀具編（biān）碼選（xuǎn）刀方式采用了一種特殊的刀柄結構，並對每把刀具編碼。每把刀具都具有自（zì）己的代碼，因而刀具可在不同的工（gōng）序中多次重複使用，換下的刀具不用放回原刀座，刀庫的容量也可相應減少。但每把刀具上都帶有（yǒu）專用的編碼環，刀具長度加長，製造困難，刀庫和機械手的結（jié）構變複雜。刀套編碼的方式是一把刀（dāo）具隻對應一個刀套，從一個刀套中取出的刀具必須（xū）放回同一刀套中，取送（sòng）刀具十分麻煩，換刀時間長。目前在加工中（zhōng）心上大量使用記憶（yì）式的方式。這種方式能（néng）將刀具（jù）號和刀庫（kù）中的刀（dāo）套位置對應地記憶（yì）在數（shù）控係統（tǒng）的PLC中，無論刀具放在哪（nǎ）個刀套（tào）內，刀（dāo）具信息都始終記存在PLC內。刀庫上裝有位置檢測裝置，可獲（huò）得每個刀套的位置信息。這樣刀具就可以任意取出並送回。刀庫上還設有機械原點，使每（měi）次選刀時就近選（xuǎn）取。

三、刀具交換裝置（zhì）

數控（kòng）機床的自（zì）動換（huàn）刀裝置中，實現刀庫與機床（chuáng）主軸之間傳遞和裝卸刀（dāo）具的（de）裝置稱為刀具交換裝置。刀（dāo）具的交換方式有兩種（zhǒng）：由（yóu）刀庫與機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（zhóu）的相（xiàng）對運動（dòng）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（liǎng）個動作不能同時進行，換刀時間較長（zhǎng）。而采用機械手換刀裝置在換刀時能（néng）夠（gòu）同時抓取和裝卸機床主軸和刀庫中（zhōng）的刀具，因此換刀時間進一步縮短（duǎn）。采用機械手進（jìn）行刀具（jù）交換的方式應用最廣泛。這是因為（wéi）機械手換刀靈活，動（dòng）作快，而且結構簡單。機械（xiè）手能夠完成抓刀（dāo）—拔刀—回轉—插（chā）刀—返回等一係列動作。為（wéi）了防止刀具掉落，機械手的（de）活（huó）動爪都帶有自鎖機構。

下麵是世界上最（zuì）現代化的數控機床換刀，換刀無影手！

16位自動換刀刀庫

1、刀具交換方式

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刀具的裝置稱（chēng）為刀具交換裝置。刀具的交換方式（shì）和它們的具體結構對（duì）機床的生產率和（hé）工作可靠性有著直接的影響。

刀具的交換方式很多，一般可分為以下兩大（dà）類。

（一）無機械手換刀

無機（jī）械手換（huàn）刀，是（shì）由刀庫和機床主軸（zhóu）的相對運動實現的刀具交換。換（huàn）刀（dāo）時，必須首先將用過的刀具（jù）送回刀庫，然後再從刀庫中取（qǔ）出新刀具，這兩個動作不可能同時進行，因此，換刀時（shí）間長。所示的數控立式鏜銑床就是采（cǎi）用（yòng）這種換（huàn）刀方式的實例。它的選刀和換刀由三個坐標軸的數控定位係統來完成，因此每交換一次（cì）刀具，工作台（tái）和主軸箱就（jiù）必須沿著三個坐標（biāo）軸作兩次來回運動，因而增加了換刀時間（jiān）。另外，由於（yú）刀庫置於工作台上，減少了工（gōng）作台的有效使（shǐ）用（yòng）麵（miàn）積。

（二）機械手換刀

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

2、機（jī）械手形式

在自動（dòng）換刀數控機床中（zhōng），機（jī）械手的形式也是多種（zhǒng）多樣（yàng），常見的有以下（xià）幾（jǐ）種（zhǒng）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角度來進行自動換刀，其手臂上隻有一個卡爪，不（bú）論在刀庫上或是在主（zhǔ）軸（zhóu）上（shàng），均靠這個卡爪來裝刀及卸刀，因此換刀（dāo）時間較長，如圖2(a)所示。

2．單臂雙（shuāng）爪回轉式機械手

這種機（jī）械手的手臂上有兩個卡爪（zhǎo），兩個卡爪（zhǎo）有所分工。一個卡爪隻執行從（cóng）主軸（zhóu）上取下“舊（jiù）刀”送回刀庫的（de）任務，另（lìng）一個卡爪則執行由刀庫（kù）取出“新刀”送到主軸的任務。其換刀時間較上（shàng）述單爪回轉（zhuǎn）式機械手要少

3．雙臂回轉式機械（xiè）手

這種（zhǒng）機械手（shǒu）的兩臂上各有一個卡爪，兩（liǎng）個卡爪可同時抓取（qǔ）刀庫及主軸上的刀具，回（huí）轉180°後又同時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，是最常用的一種形式。右邊的機械手在抓取或將刀（dāo）具送入刀庫及主軸（zhóu）上，兩臂可伸（shēn）縮。

4．雙機械（xiè）手

這種機械（xiè）手（shǒu）相當（dāng）於兩個單臂單爪機械手，它們互相配合進行（háng）自動換刀。其中一個機械手從主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另一個由刀（dāo）庫中取出“新刀”裝入（rù）機床主（zhǔ）軸，

5．雙臂往複交叉式機械手

這種機械手的兩（liǎng）手臂（bì）可以往複（fù）運動，並交叉成一定的角度。一個手臂（bì）從主（zhǔ）軸上取下（xià）“舊刀”送回刀庫，另一個手臂由刀庫中取出“新刀”裝入主軸。整個機械手可沿（yán）某導軌直線移動或繞某個轉軸（zhóu）回轉（zhuǎn），以實現由（yóu）刀庫與主軸間的（de）運刀工作，

6．雙（shuāng）臂端麵夾緊式機械手

這種機械手隻是在（zài）夾緊部位上（shàng）與前幾種不同。前幾種機械手均靠夾（jiá）緊刀柄的外圓表麵來抓取刀具，這種機械手則是靠夾緊（jǐn）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（zhù）刀柄要（yào）作快速回轉，要作拔、插刀具的動作（zuò），還要保證刀柄鍵槽的角度（dù）位置（zhì）對準主軸上的驅動鍵。因（yīn）此，機械手的夾持部分要十分（fèn）可靠，並保證有適當的夾（jiá）緊力，其活動爪要有鎖緊裝置，以防止刀具在（zài）換刀（dāo）過程中（zhōng）轉動脫落。機械（xiè）手夾持刀具的方法有以下兩種。

（一）柄（bǐng）式夾持

柄式夾持，也稱軸向夾持或V形槽夾持。其刀柄前端（duān）有V形槽，供（gòng）機械手夾持用，目前我國數控機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（dìng）爪及（jí）活動爪組成，活動爪可繞軸回轉，其（qí）一端（duān）在彈簧柱塞（sāi）的作（zuò）用下，支靠（kào）在擋銷上，調整螺釘以保持手掌適當的夾緊力，鎖緊銷使活動爪（zhǎo）牢固（gù）地夾持刀柄，防止刀具在交換過程（chéng）中鬆脫。鎖緊銷還可軸（zhóu）向移動（dòng），使活動爪放鬆，以便杈刀從刀柄V形槽中退出。

4、自動換刀動（dòng）作順序

由於自（zì）動換刀裝置的布局結構多種（zhǒng）多樣，其（qí）換刀過程動作順序會不盡相同。下麵分別以常見的雙臂往（wǎng）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）雙臂往複交叉式（shì）機械手的換刀過程

（1）開（kāi）始換刀（dāo）前狀態。主軸正用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（dāo）具（jù），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，機床立柱後退，主軸箱上升，使主軸處於換刀位置。接著下一工（gōng）步（bù）開始，其（qí）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（shǒu）前（qián）伸，抓住主軸上已用過的T05號刀具。

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

（5）卸刀（dāo）機械手縮回（huí）原位（wèi）。

（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）裝刀機械手縮回原位。

（9）機械手架回轉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（xiè）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（gè）工（gōng）步需用的T46號刀具送到換刀位置,機械手一降（jiàng）,找第三（sān）排刀鏈,由裝（zhuāng）刀機械手將T46號刀具取出。

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

（二）鉤刀機械手的換刀過程

作為最常用（yòng）的一種換刀形式，換刀一次所需（xū）的基本動作如下。

（1）抓刀。手臂旋轉90o，同時抓住刀庫和主（zhǔ）軸上的（de）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（xīn）舊刀具更換。

（4）插刀。機械手同時將新舊刀具分別插入主軸（zhóu）和刀庫，然後主軸夾頭夾緊刀具；

（5）複位（wèi）。轉動手臂，回到原始位置（zhì）。