​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（gè）刀庫向主軸移動。當主軸上的刀具進入刀庫的卡槽時（shí），主軸向上移動脫離刀具，這時刀庫轉動。當要（yào）換的刀具對正主軸正下方時（shí）主軸下移，使刀具進入主軸錐孔（kǒng）內，夾緊刀具後（hòu），刀庫退回原來的（de）位置。

二、圓盤式刀庫

圓盤式刀（dāo）庫（kù）通常應用在小型立式綜合加工（gōng）機上。"圓盤刀庫"一般（bān）俗稱"盤（pán）式刀（dāo）庫"，以便和"鬥笠式刀庫"、"鏈條式刀庫"相區分。圓盤式的刀庫容量不大，頂（dǐng）多二、三十把刀。需搭配自動換刀機構（gòu）ATC(AutoToolsChange)進行刀具交換。

三、鏈條式刀庫

鏈條式刀庫的特點是（shì）可儲放較多數量之刀具，一般都在20把以上，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（wèi）置，由機械手將刀具裝到主軸上。換刀（dāo）動作均采用馬達加機加工中心使用的刀庫最常見的形（xíng）式是圓（yuán）盤式刀庫和機（jī）械手換刀刀庫（kù）。

一、自動換刀裝置的形式

1．回轉刀架（jià）換刀

回轉刀架是（shì）一種（zhǒng）最（zuì）簡單的自動（dòng）換刀（dāo）裝置，常用於數控車床（chuáng）。可以設計成四方刀架、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著四把、六把或（huò）更多的刀具，並按數控（kòng）裝置的指令換刀。

回轉刀架在結構上必須（xū）具有良好的強度和（hé）剛（gāng）度，以承受粗加工時的切削抗力。由於車削加工精度在（zài）很大程度上取決於刀尖位置，對於數（shù）控車床（chuáng）來說，加工過程中刀具位置（zhì）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，以保證回轉刀架在每次轉（zhuǎn）位之後，具有盡可能（néng）高的重複定位精度（一般為0.001～0.005mm）。

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

2．更換主（zhǔ）軸頭換刀（刀具旋轉為（wéi）主運（yùn）動）

更換主軸換刀是帶有旋轉刀具的數控機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刀庫。

主軸頭有臥式和立式兩種，通常用轉塔的轉位來更換主軸頭，以實現自動換刀。在轉塔的（de）各個主軸上，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（dì）轉到（dào）加工位置，並接通主運動，使相應的主軸帶動刀具旋轉。而其它（tā）處於不（bú）加工位置上的主軸都與主運動脫開。

這種更（gèng）換主軸（zhóu）換刀裝置，省去了自動鬆、夾、卸刀、裝刀以及刀具搬運等一係（xì）列的複雜操（cāo）作，從而縮短了換刀時間（jiān），並提高了換刀的可靠性。但是由於空間位置的（de）限製，使主軸部件結構尺（chǐ）寸不能太大，因而影響了主軸係統的剛性。為了保證（zhèng）主（zhǔ）軸的剛性，必須限製主軸的（de）數目，否則會使結構尺寸增大。因此，轉（zhuǎn）塔主軸頭通常隻適用（yòng）於工序較（jiào）少、精度要求（qiú）不太高的機床，例如數控鑽（zuàn）、銑床等。

3.帶刀庫的自動換刀係（xì）統

由於（yú）回轉刀架、轉塔（tǎ）頭式換刀裝置容納的刀具數量不能（néng）太多，不能滿（mǎn）足複雜零件的（de）加工需要（yào），因此，自動換刀數控機床多采用帶刀庫的自動換刀裝（zhuāng）置。帶刀庫的自（zì）動換刀裝置由刀庫和換刀（dāo）機構組成，換刀過程較為複雜。首先（xiān）要把加工（gōng）過程中使（shǐ）用的全（quán）部刀具分別安裝在標準刀柄上，在機（jī）外（wài）進行（háng）尺寸（cùn）預調整後，按一定的方（fāng）式放入刀庫。換（huàn）刀時，先（xiān）在刀庫中選刀，再由換刀裝置從（cóng）刀庫或（huò）主軸上取出刀具，進行交換，將新（xīn）刀裝入主軸，舊刀（dāo）放回刀庫。刀庫具有較大的（de）容量，既可安裝在主軸（zhóu）箱的側麵或上方。由於（yú）帶刀庫的自動換刀裝（zhuāng）置的數控機床的主（zhǔ）軸箱內隻有一根主軸，主軸部件的（de）剛（gāng）度要高，以滿（mǎn）足（zú）精密加工要求。

另外，刀庫內刀（dāo）具數（shù）量較（jiào）大，因而能夠進行複雜零件的多工序加工，大（dà）大提高了機床的適應性和加工效率。帶刀庫的自動換刀係統適用於數控（kòng）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，刀庫的形式和（hé）容量要根據機床的工藝（yì）範圍來確定。圖7-16所示的盤式刀庫，刀具的方向與（yǔ）主軸（zhóu）同向（xiàng），換刀時主軸箱上升到（dào）一定（dìng）的位置，使（shǐ）主軸上的刀具正好對準刀庫最下麵的那（nà）個位置，刀具被夾住，主軸在CNC的（de）控（kòng）製下（xià），鬆開刀（dāo）柄，盤（pán）式刀庫（kù）向（xiàng）前運動，拔出主軸上的刀具，然後刀庫將下一個工序所用的（de）刀具旋轉（zhuǎn）至與主軸對準的位置，刀庫後退將（jiāng）新刀具插入主軸孔中，主軸夾緊（jǐn）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（zhì）的（de）優點是結構（gòu）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心。

對於刀庫容量需要較大的加工中心可采用鏈式刀庫（kù），鏈式刀庫的結構緊湊，刀（dāo）庫容量較大，鏈環的形（xíng）狀可根據（jù）機床的布局製成各種形狀，也可將換刀位突出以（yǐ）便於換刀。當（dāng）需要增（zēng）加刀（dāo）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（le）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刀，常用的選刀方法有順序選刀和任意選刀兩種，順（shùn）序（xù）選刀是在（zài）加工之前，將加工（gōng）零件所需刀具按照工藝要求依次插入刀庫（kù）的刀套中（zhōng），加工是按順序調刀，加工不同的工件時（shí）必須重新（xīn）調整（zhěng）刀庫中的（de）刀（dāo）具順序。其優點是（shì）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（shù）量較少的中、小型數控（kòng）機床的自動換刀。

隨著數控係統的發（fā）展，目前大多數的數控係統都采用任意選刀的方式，其分為（wéi）刀套編碼、刀具編（biān）碼和記憶式等（děng）三種。

3.刀（dāo）具編碼方式

刀具編碼或刀套編碼需要在刀具或刀套上（shàng）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行編碼（mǎ）。刀具編碼選刀（dāo）方式采用（yòng）了一種特殊的刀柄結構，並（bìng）對（duì）每把（bǎ）刀具編（biān）碼。每把刀具都具有自己的（de）代碼，因（yīn）而刀具可在不同的工序（xù）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專用的編碼環，刀具長度加長，製（zhì）造困難，刀庫和（hé）機械手的結構變複雜。刀套編碼的方式是一把刀具隻（zhī）對應一個刀（dāo）套，從一個刀套中取出的刀具必須放回同一刀套中，取送（sòng）刀具十分麻煩，換刀（dāo）時間（jiān）長。目（mù）前在加工中心上大量使用（yòng）記憶（yì）式的方式。這種方式能（néng）將刀具號（hào）和（hé）刀庫（kù）中的刀套位（wèi）置對應地（dì）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PLC內。刀（dāo）庫上裝（zhuāng）有位置檢測裝置，可獲得每個刀套的位置信息。這樣刀具就可以（yǐ）任意取出並送回（huí）。刀庫上還（hái）設（shè）有機械原點，使每次選刀時就近選取。

三（sān）、刀具交換裝置

數控機床的自動換刀裝置中，實現刀庫與機（jī）床主軸之間傳遞和裝（zhuāng）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（zhǔ）軸的相對運動實（shí）現刀具交換以及采用機（jī）械手交換刀具。利用刀（dāo）庫與機床主軸的相對運動實現刀具交換的裝置在換刀時必須首先將用過的刀具送回（huí）刀庫，然後再從刀庫中取出新刀具，兩個動作不能同時進行，換刀時間較長。而采用機（jī）械手換（huàn）刀裝置在換刀（dāo）時能夠同時抓取和裝卸機床主軸和刀庫中的（de）刀（dāo）具，因此換刀時間進一步（bù）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（xiè）手換刀靈（líng）活，動（dòng）作快，而且結構簡（jiǎn）單。機械手能夠完成抓刀—拔刀—回轉—插刀—返回（huí）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（suǒ）機（jī）構。

下麵是世界上（shàng）最（zuì）現代化的數控機床換刀，換刀無影手！

16位自動（dòng）換（huàn）刀刀庫

1、刀具（jù）交換（huàn）方式

數控機床的自動換刀裝置中，實現刀庫與（yǔ）機床主軸之間傳遞和裝卸刀具（jù）的裝置稱為刀具交換裝置。刀（dāo）具的交換（huàn）方式和它們的具體結構對機床的生產率和工作可靠性有著直接（jiē）的影響。

刀具的交換（huàn）方式很多，一般可分為以下兩大類。

（一）無機械手換刀

無機械手換刀，是由刀庫和機床主軸的相對運動實（shí）現的刀（dāo）具交換。換刀時，必（bì）須首先將用過的刀具送回刀（dāo）庫，然後再從（cóng）刀（dāo）庫中取出新刀具，這兩個動（dòng）作不可能同時進行，因此，換刀時間（jiān）長。所示的數控立式（shì）鏜銑床就是采（cǎi）用這種換（huàn）刀方式的實例。它的選刀（dāo）和換刀由三個坐標軸的數控定位係統來完成，因此每交（jiāo）換一（yī）次（cì）刀（dāo）具，工作台和（hé）主軸（zhóu）箱就必須沿（yán）著三個坐標軸（zhóu）作（zuò）兩次來回運動（dòng），因而增（zēng）加了換刀時（shí）間。另外，由於刀庫置於工（gōng）作台上（shàng），減少了工作台的有效使（shǐ）用麵積。

（二）機械手換（huàn）刀

由於刀庫及刀具交換方式（shì）的不同，換刀機械手也有（yǒu）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（jī）械手形式

在自動換刀數（shù）控機（jī）床中，機械（xiè）手的形式也是多（duō）種多樣，常見的有以下幾種形式。

1．單臂（bì）單爪回轉式機（jī）械手

這種機械（xiè）手的手臂可以回轉不同的角度來進行自動（dòng）換刀，其手臂上隻有一個卡爪，不論在（zài）刀庫上或是在主軸上，均靠這個卡爪來（lái）裝刀（dāo）及卸刀，因此換刀時間較長，如圖（tú）2(a)所示。

2．單臂雙爪回轉式機械手

這種機械手（shǒu）的手臂上有兩個卡爪，兩個卡爪有所分工。一個卡爪隻執行從主軸上取下“舊刀”送（sòng）回刀庫的任務，另一個卡爪則執行由刀庫取出“新刀”送到主軸的任務。其換刀時間較上述單爪回轉式機械手要少

3．雙臂回轉式機械手（shǒu）

這（zhè）種機械手的兩臂上各有一個（gè）卡爪，兩個卡爪可（kě）同時抓取刀庫及主軸上的刀具，回轉180°後又同時將刀具（jù）放回刀庫及裝入主軸。這種機械手換刀（dāo）時（shí）間較以上兩種單臂機械手均短，是最常（cháng）用的一種形式。右邊（biān）的（de）機械手在抓取或將刀具送入刀庫及主軸上（shàng），兩臂可伸縮。

4．雙機械手

這（zhè）種機械手相當於兩（liǎng）個單臂單爪機械手，它們互相（xiàng）配合進行自動換刀。其中一個機械手從主（zhǔ）軸上取（qǔ）下“舊刀”送回刀庫，另一個由刀庫中取出“新刀”裝入機床主軸，

5．雙臂往（wǎng）複交叉式機械手

這種機（jī）械手的（de）兩手臂可（kě）以往複運動，並交叉成（chéng）一定（dìng）的（de）角度。一個手臂從主軸上取下“舊刀”送回（huí）刀庫，另（lìng）一個手臂由（yóu）刀庫中取出“新（xīn）刀”裝入主軸。整個（gè）機械手可沿（yán）某導軌（guǐ）直線移動（dòng）或（huò）繞某個轉（zhuǎn）軸回轉，以實現（xiàn）由刀庫與主軸間的運刀工作，

6．雙臂端麵夾緊式（shì）機械手

這種機械手（shǒu）隻是在夾緊部位（wèi）上與前幾種不同。前（qián）幾種機械手均靠夾緊刀柄的（de）外圓（yuán）表麵來抓取刀具，這種機械手則是靠夾緊刀柄的兩個端麵來（lái）抓取的（de）。

3、機械手夾持結構（gòu）

在換刀過程中，由於機械手抓住刀柄要作快速回轉，要作（zuò）拔、插刀具的動作，還要保證（zhèng）刀柄鍵槽的角度位置對準主（zhǔ）軸上的驅（qū）動鍵。因此，機械（xiè）手的夾持部分要十分可靠，並保證有適當（dāng）的（de）夾緊力，其活動爪要有鎖緊裝置，以防止刀具在換刀過程中轉動（dòng）脫落。機械手夾持刀具的方法（fǎ）有以下兩種。

（一）柄式夾持

柄式夾持，也稱軸向夾持或V形槽夾持。其刀柄前端有V形槽（cáo），供機械手夾持用，目（mù）前（qián）我國數控機床較多采用這種夾持方式。機械手手掌（zhǎng）結構示（shì）意（yì）圖，它由固定爪及活動（dòng）爪組成，活動爪可繞軸回轉，其一端在彈簧柱塞的作用下，支靠（kào）在擋銷上，調（diào）整螺（luó）釘以（yǐ）保持手掌適當的夾緊力，鎖緊銷使活動爪牢固地夾持刀柄，防止刀具在交換過程中鬆脫。鎖緊銷還可軸向移動，使活動爪放鬆，以（yǐ）便杈刀從刀柄V形槽（cáo）中退出。

4、自動換刀動作順序

由於自動換刀裝置的布局結構多種多樣，其（qí）換刀（dāo）過程動作順序會（huì）不盡相同。下麵分別以常見的雙臂往複交（jiāo）叉式機械手和鉤刀機械手為（wéi）例用動作分圖加（jiā）以說明。

（一）雙臂往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號刀具進行加工，裝刀機械手已抓住下一工步需（xū）用的（de）T09號（hào）刀具（jù），機械手架（jià）處於最高位置，為（wéi）換刀做好了準（zhǔn）備；

（2）上一工步結束，機（jī）床立柱後退（tuì），主軸箱上升（shēng），使主軸處於換（huàn）刀位置。接著下一工步開始，其第一個指令是（shì）換刀，機械手架回轉180o轉向主軸。

（3）卸（xiè）刀機械手前伸，抓住主軸上已用過的T05號刀具。

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

（5）卸刀機（jī）械（xiè）手縮（suō）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（jiāng）T09號刀（dāo）具插入主軸。

（8）裝刀機械手縮回原位。

（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號刀套中。

（11）刀套鏈轉動把在下一個工步需用（yòng）的T46號刀（dāo）具送到換刀位置,機械手一降,找第三排刀鏈,由裝刀機械手（shǒu）將T46號刀具（jù）取出。

（12）刀套鏈反轉，把P09號刀套送到換刀位置，同時（shí）機械（xiè）手架上升至最高位（wèi）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

作為最常用的一種換刀形式，換刀一次所需的基本（běn）動作如下。

（1）抓刀。手臂旋轉90o，同時抓住刀庫和主軸上（shàng）的刀具。

（2）拔刀。主軸夾（jiá）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。手臂旋轉180o，新舊刀具更（gèng）換。

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

（5）複位。轉動手臂，回到原始位置。