​CNC數控機床的自動換刀裝置及其刀具係統！

一、鬥笠式刀庫

一般隻（zhī）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（zhóu）上的刀（dāo）具進入刀（dāo）庫的卡槽時，主軸向上移動脫離刀具，這時刀（dāo）庫轉動。當要（yào）換的刀具對正主軸正下方時主軸（zhóu）下移，使（shǐ）刀具進入主軸錐孔內，夾緊刀具後，刀庫退（tuì）回原來的（de）位置。

二、圓盤式刀庫（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（yī）般俗稱"盤式刀（dāo）庫"，以便和"鬥笠式刀庫"、"鏈條式刀庫"相區分。圓（yuán）盤式的刀庫容量不大，頂多二、三十把（bǎ）刀。需搭配（pèi）自動換刀機構ATC(AutoToolsChange)進行刀具交換。

三、鏈條式刀庫（kù）

鏈條（tiáo）式刀庫的特點是可儲放較多數量之刀具，一般都在20把以上，有些可（kě）儲放120把以上（shàng）。它是（shì）藉由鏈條將要換的刀具傳到指定位置，由機械手將刀具裝到（dào）主軸上。換刀動作均采用馬達（dá）加機加工中心使用的刀庫最常見的形式是圓盤式（shì）刀庫和機械（xiè）手換刀刀庫。

一、自動換刀裝置的形式

1．回轉刀架換刀（dāo）

回轉刀（dāo）架是（shì）一種最簡（jiǎn）單的自動換刀裝置，常用於數控車床。可以（yǐ）設計成四（sì）方刀架、六角刀架或圓盤式軸向裝刀刀架等多種形式。回轉刀架上分別安裝（zhuāng）著（zhe）四把、六把或更（gèng）多的刀具，並按（àn）數控裝（zhuāng）置的指令換刀。

回轉（zhuǎn）刀架在結構上必須具有良好的強度和剛度，以承受粗加工（gōng）時的切削抗力。由於車削加工精度在很大程度上取決（jué）於刀尖位置，對於數控車床來說，加工過程中刀（dāo）具位置不進行（háng）人工調（diào）整，因此更（gèng）有必要選擇可靠的定位（wèi）方案和合理的定位結構，以保證回轉刀架在每次轉位之後，具有盡可能（néng）高（gāo）的重（chóng）複定（dìng）位精度（一般為（wéi）0.001～0.005mm）。

一般情況下，回轉刀架的換刀動作包括刀架抬起、刀架轉位及刀架（jià）壓緊等（děng）。

2．更換主軸頭換刀（刀具旋轉為主運動）

更換主軸換刀是帶有旋轉（zhuǎn）刀具的數控機（jī）床的一種比較簡單的換刀方式。這種主軸頭實際上就是一個轉塔（tǎ）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。在轉塔的各個主（zhǔ）軸上，預先安裝有各工序所需要的旋轉刀具，當發出換刀指令時，各主軸頭依次地轉到加（jiā）工位置，並接通主運動，使相應的主軸帶動刀具旋（xuán）轉（zhuǎn）。而其它處於不加工位置上的主軸都與主（zhǔ）運動脫開。

這種（zhǒng）更換主軸換刀（dāo）裝置，省去了（le）自動鬆、夾（jiá）、卸刀、裝刀（dāo）以及（jí）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（dāo）的可靠性（xìng）。但是由於空間位置的限製，使主軸部件結構尺（chǐ）寸不能太大，因而影響了主軸係統（tǒng）的剛性。為了保證主軸的剛（gāng）性，必須限製主軸的數目，否則會使結（jié）構尺寸增大。因此，轉塔（tǎ）主軸頭通常隻適用於工序較少、精度要求不太高的機床（chuáng），例如數控鑽、銑床（chuáng）等。

3.帶刀庫的自動換刀係統

由於（yú）回轉刀架、轉塔頭（tóu）式換刀裝置容納的刀具（jù）數量不能太（tài）多，不能滿足複（fù）雜零件的加工需要，因此，自動換刀數控機床多采用帶刀庫的自動換刀（dāo）裝置。帶刀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（fù）雜。首先要把加工（gōng）過程中使用的全部刀具分（fèn）別安裝在標準刀柄上，在機（jī）外進行尺寸預調整後，按一定的方式放入刀庫。換刀時，先在刀庫中選（xuǎn）刀，再由換刀（dāo）裝置從刀庫或主軸上取出刀具，進行交換，將新刀裝入主軸，舊刀放回刀庫。刀庫具有較大的容量，既可（kě）安裝在主軸箱的側麵或上方。由於帶刀庫的自動換刀裝（zhuāng）置（zhì）的數控機床的主軸箱內隻有一根主（zhǔ）軸，主（zhǔ）軸部件的剛度要高，以滿足精密加工要求。

另外，刀（dāo）庫（kù）內刀具數量較大，因而能（néng）夠進行複雜零件的多工序加工，大大提高了機床的適應性和加工效率。帶刀庫的自動換（huàn）刀（dāo）係統適用於數控鑽（zuàn）削中心（xīn）和加工中心。

二、刀庫（kù）和刀具的選擇方（fāng）式

1.刀庫類型

刀庫的作用是儲備一定（dìng）數量（liàng）的刀具，通過（guò）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（zhǒng）形式（shì），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，刀具的方向與主軸同向，換（huàn）刀時（shí）主軸箱上升到一定的位置，使主（zhǔ）軸上的刀具正好對準（zhǔn）刀庫最（zuì）下（xià）麵的那個位置，刀具被夾住，主軸在CNC的控製下，鬆開刀柄，盤式刀庫（kù）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旋轉至與主軸對準的位置，刀庫（kù）後退將新刀具插入主軸孔中（zhōng），主軸夾緊刀柄，主軸箱下降到工作（zuò）位置，完成換刀任務，進行下道工序的加工。此換刀裝（zhuāng）置的（de）優點是結構簡單，成本（běn）較（jiào）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（xiǎo）的加工中心。

對於刀（dāo）庫容量需要較大的加工中（zhōng）心可采用鏈式刀庫（kù），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（jī）床的（de）布局製成各種（zhǒng）形狀，也可（kě）將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（dù）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，每次換刀前要進行選（xuǎn）刀，常用的選刀方法有順序選刀和任意選刀兩種，順序選刀是在加（jiā）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，加工是按順序（xù）調刀，加工不同的工件時必須重新調整刀庫（kù）中的刀具順序。其優點是刀庫（kù）的驅動和控製都（dōu）比較簡單。因此，這種方（fāng）式適合加工批量較大（dà）、工件品種數量（liàng）較少（shǎo）的中（zhōng）、小型數控機床（chuáng）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意選刀的方式，其分為刀（dāo）套編碼、刀具編碼和記憶式等三種。

3.刀（dāo）具編碼方式（shì）

刀具（jù）編碼或刀套編碼需要在刀具（jù）或刀套上安（ān）裝用於識別的編碼條，一般都是根據二進（jìn）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的刀柄（bǐng）結構，並對每把（bǎ）刀具編碼。每把刀具都具有自己（jǐ）的（de）代碼，因而刀具可在不同的工序中多次（cì）重複使用，換下的刀具不用放回原刀座，刀庫的（de）容量也可相應減少。但每把刀具上都（dōu）帶有專用（yòng）的（de）編碼環，刀具長度加長，製造困難，刀庫和機械（xiè）手的結構變複雜。刀套編碼的方式是一把（bǎ）刀具隻對應（yīng）一個刀套，從一個刀套（tào）中取（qǔ）出的刀具（jù）必須放回同一刀套中，取送（sòng）刀具十分麻煩，換刀時（shí）間長。目前在加工（gōng）中心上大量使用記憶式的（de）方式。這（zhè）種方式（shì）能將刀具號和刀庫中的刀（dāo）套位置對應地記憶在數控係統（tǒng）的PLC中，無論刀具放在哪個刀套內，刀具（jù）信息都始終記存在PLC內。刀（dāo）庫上裝有位置檢測裝置，可（kě）獲得每個刀套的位置信息。這（zhè）樣（yàng）刀具就可以任意取出並送回。刀庫上還設有機械原點，使每次選刀時就近（jìn）選取。

三、刀具交換裝置

數控機床的自動換（huàn）刀裝置（zhì）中，實現刀庫與機床主（zhǔ）軸之間傳遞和裝卸刀具的（de）裝（zhuāng）置稱為刀具交換裝置。刀具的交換方式（shì）有兩種（zhǒng）：由刀庫與機床主軸的相對（duì）運動實現刀具交換以（yǐ）及采用機械（xiè）手交換刀（dāo）具。利用刀庫與機床主軸的相對運動實現刀具交（jiāo）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，兩個動作（zuò）不能同時進行，換刀時間較長。而采用機械手換（huàn）刀裝置（zhì）在（zài）換刀時（shí）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（shì）應用最廣泛。這是因為機械手換（huàn）刀靈活，動作快，而且結構簡單（dān）。機械（xiè）手能夠完成抓刀—拔刀—回轉—插刀—返回等一係列動作。為了防止刀具（jù）掉落，機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，換刀無影手！

16位自（zì）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（shí）現刀庫與機床主軸之間（jiān）傳遞和裝（zhuāng）卸（xiè）刀具的裝置稱為刀具交換裝置。刀具的交換方式和它們的具體結構對機床（chuáng）的生產率和工作可（kě）靠性有著直接的影響。

刀具（jù）的交換方（fāng）式很多，一般可分為以下兩大類。

（一）無機械（xiè）手（shǒu）換（huàn）刀

無機械手換刀，是由刀（dāo）庫和機床主軸的相對運動實現的刀具（jù）交換。換刀時，必須首先將用過的刀具送回刀庫，然後再（zài）從刀庫中取出（chū）新刀具，這兩個（gè）動作不（bú）可能同時進行，因此（cǐ），換刀時間長。所示的數控立式鏜銑床就是采用這種換刀方式的實例（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（yīn）此每交（jiāo）換一次刀具，工作台和主軸箱就必須沿著三（sān）個坐標軸（zhóu）作兩次來回運動，因而增加了換刀時（shí）間。另外，由於（yú）刀庫置於工作台上，減少了工（gōng）作台（tái）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不同，換刀機械手也有多種形式（shì）。因為機械手換（huàn）刀有很（hěn）大的靈活性，而且還（hái）可以減少（shǎo）換刀時間，應用最為廣泛。

2、機械手形（xíng）式

在自（zì）動換刀數控機床中，機械手的形式也是多種多樣（yàng），常（cháng）見的有以下幾種形式。

1．單臂單爪回轉（zhuǎn）式機械手

這種機械手的手臂（bì）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，不論在刀庫上或（huò）是（shì）在主軸上（shàng），均靠這個（gè）卡爪來（lái）裝刀及卸刀（dāo），因此換刀時間較長，如圖2(a)所（suǒ）示。

2．單臂雙（shuāng）爪回轉式機械手

這種機械手（shǒu）的手臂上有兩個卡爪，兩個卡爪有所分工（gōng）。一個（gè）卡爪隻（zhī）執行從（cóng）主軸上取下“舊刀”送回刀庫的任務，另一個卡爪則執行（háng）由（yóu）刀庫取出“新刀”送到主（zhǔ）軸的任務。其換刀（dāo）時間較上述單爪回轉式機械手要少

3．雙臂回轉式機（jī）械（xiè）手

這種機械手的（de）兩臂上（shàng）各有一個卡爪，兩個卡爪（zhǎo）可同時抓取（qǔ）刀庫及（jí）主軸上的刀具，回轉180°後又同時（shí）將刀具放回刀庫（kù）及裝入主軸。這種機械手換刀時間較以（yǐ）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具送入刀庫及主軸（zhóu）上，兩臂可伸縮。

4．雙機械手（shǒu）

這種機械手相當於兩個單（dān）臂單爪機械手，它們互相配合（hé）進行自動換刀。其中一（yī）個（gè）機械手從主軸（zhóu）上取下“舊刀”送回刀庫，另一個由刀（dāo）庫（kù）中取出“新刀”裝入機床主軸（zhóu），

5．雙臂（bì）往複交叉式機械手

這種機械手的兩手臂可以往（wǎng）複（fù）運動，並交叉成一定的角（jiǎo）度。一個手臂從主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另一（yī）個手臂由刀庫中取（qǔ）出“新刀”裝入主軸。整個機械手可沿某導軌直線移動或繞某（mǒu）個轉（zhuǎn）軸回（huí）轉，以實現由刀庫與主軸間的運刀工作，

6．雙臂端麵夾緊式機械手

這種機械手隻是在（zài）夾緊部位上與前幾種（zhǒng）不同。前（qián）幾種機械手均靠（kào）夾緊刀（dāo）柄的外圓表麵來抓取刀具，這種機械手則是靠夾（jiá）緊刀柄的兩個端麵來抓取（qǔ）的。

3、機械手夾持結構

在換刀過程中，由於（yú）機械手抓（zhuā）住刀柄要作快（kuài）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（shàng）的驅動鍵。因此，機械（xiè）手的（de）夾持（chí）部分要（yào）十分可靠，並保證有適當的夾緊力，其活（huó）動爪（zhǎo）要有鎖緊裝置，以（yǐ）防止刀具（jù）在換刀過程（chéng）中轉動脫落。機（jī）械手夾持刀具的方法有以下（xià）兩（liǎng）種。

（一）柄式夾持（chí）

柄式夾（jiá）持，也稱軸向夾持或V形槽夾（jiá）持。其刀柄前端有V形（xíng）槽，供（gòng）機械手夾持用，目前我國數（shù）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組成，活動爪可繞軸回轉，其一端在彈簧柱塞的作用（yòng）下，支靠在擋（dǎng）銷上，調整螺釘以（yǐ）保持手掌（zhǎng）適當（dāng）的夾（jiá）緊力，鎖緊銷使活動爪牢固地夾持刀柄，防止刀具在交換過程（chéng）中鬆（sōng）脫。鎖緊銷還（hái）可軸向移動，使活動爪放鬆（sōng），以便杈刀從刀柄V形槽中退出。

4、自動換刀動作順序

由於自（zì）動換刀裝置的布局結構多種多樣，其換刀過程動作（zuò）順序會不盡相（xiàng）同。下麵分別（bié）以常見的雙臂往複交叉（chā）式（shì）機械手和鉤刀機（jī）械手（shǒu）為例用動作分圖加以說明。

（一）雙臂往（wǎng）複交叉式機械手的換刀過程

（1）開始換刀前狀態。主軸正用T05號（hào）刀具進行加工，裝刀機（jī）械手已抓（zhuā）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（zuò）好了準備；

（2）上一工步結束（shù），機床（chuáng）立柱後退，主軸箱上升，使主軸處於換刀（dāo）位（wèi）置。接著下一（yī）工步開始，其第一個指令是換刀，機械手架回轉180o轉向主軸。

（3）卸刀機械手前伸，抓（zhuā）住主軸上已用過的T05號刀具。

（4）機械手架由滑座帶動，沿刀具軸線前移，將T05號刀具從主軸上拔出。

（5）卸刀機械手縮回原（yuán）位。

（6）裝刀機械（xiè）手前伸（shēn），使T09號刀具對準（zhǔn）主軸。

（7）機械手（shǒu）架後移，將T09號刀具插（chā）入主軸。

（8）裝刀機械手縮回（huí）原位（wèi）。

（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，找第二排刀套鏈，卸（xiè）刀機械（xiè）手將（jiāng）T05號刀具插回P05號（hào）刀（dāo）套中。

（11）刀套鏈轉動把在下一個工步需用的T46號刀具送到（dào）換刀位置,機械手一降,找（zhǎo）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（wèi）置，同時機械手架上升至最高位置，為（wéi）再下一工步的換刀做好準備。

（二）鉤刀機械手的換（huàn）刀過程（chéng）

作為最常用的一種換刀形（xíng）式，換刀一次所需的基本動作（zuò）如下。

（1）抓刀。手臂旋轉90o，同時抓住刀庫和主軸（zhóu）上（shàng）的（de）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（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（xiè）手同時將新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（dòng）手臂，回到原始位（wèi）置。