​CNC數控機床的自動換刀裝（zhuāng）置及其刀具係統！

一、鬥笠式刀庫

一般（bān）隻能存16~24把刀具，鬥笠式刀庫在換刀時（shí）整（zhěng）個刀庫向主軸移動。當主軸上的刀具進入刀庫的卡槽時，主軸向上移動脫（tuō）離刀具，這時刀庫轉動。當（dāng）要換的刀具對（duì）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（lái）的位置。

二、圓盤式刀庫

圓盤（pán）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（sú）稱"盤式刀庫（kù）"，以便和"鬥笠式刀庫"、"鏈條（tiáo）式刀庫"相區分。圓盤式的刀庫容量不大，頂多（duō）二、三（sān）十把刀。需搭配自動換（huàn）刀機構ATC(AutoToolsChange)進行刀具交換。

三、鏈條式刀庫

鏈條式刀庫的特點是可儲放（fàng）較多（duō）數量之（zhī）刀具，一般都在20把以上，有些可儲放120把以上。它是（shì）藉由鏈條將要（yào）換的刀具傳到指定位置，由機械（xiè）手將刀具裝（zhuāng）到主軸上（shàng）。換刀動作均采用（yòng）馬達加機加（jiā）工中心使用（yòng）的刀庫最常見的形式是圓盤（pán）式（shì）刀庫和機械手換刀刀（dāo）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換刀裝置，常用於數（shù）控車床。可以設（shè）計成四方刀（dāo）架、六角刀架或圓盤式軸向裝刀刀架等（děng）多種形式。回轉刀架上分別安（ān）裝著四把、六把或更多的刀具（jù），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，以承受粗加工（gōng）時的切削抗力。由於車削加工精度（dù）在很大程度上取決於刀尖位置，對於數控車床來說，加工過（guò）程中刀具位置不進行人工調整，因此更有必要選擇可靠（kào）的定位方案和合理的定位結構，以保證回轉刀架在每次轉位之後，具有盡可能高的重複定位精（jīng）度（一般為0.001～0.005mm）。

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

2．更換主軸頭換刀（刀具（jù）旋轉為主運動）

更換主軸換刀是帶有旋轉刀具的數控（kòng）機床的（de）一種（zhǒng）比較（jiào）簡單（dān）的換刀方式。這種主（zhǔ）軸（zhóu）頭實際上就（jiù）是一個轉塔（tǎ）刀庫。

主軸頭有臥式和立式兩種，通常用轉塔的轉位來更換主軸頭，以實現自動（dòng）換刀。在轉塔的各（gè）個主軸上，預先（xiān）安裝有各工序所需（xū）要的旋轉（zhuǎn）刀具，當發出換刀指令時（shí），各主軸頭依次地轉到加工位（wèi）置，並接通主運動（dòng），使相應的主軸（zhóu）帶動刀具旋轉。而其它處於不加工位置上的主軸都與主運（yùn）動（dòng）脫開。

這種更換主軸換刀裝置，省去了自動鬆、夾（jiá）、卸刀、裝刀以（yǐ）及刀具搬運等一（yī）係列的複雜（zá）操作，從而縮短了換刀時間，並提高了換刀的可靠性。但是由於空間位置的（de）限製，使主軸部件結構尺寸不能太大，因而影響了主軸係統的剛性。為了保證主（zhǔ）軸的剛性，必須限製主軸的數（shù）目，否則會使結構尺寸增（zēng）大。因（yīn）此，轉塔主（zhǔ）軸頭通常隻適用（yòng）於工序較少、精（jīng）度要求不太高的機床（chuáng），例如數控鑽、銑床等。

3.帶刀庫的自動換（huàn）刀（dāo）係統

由於回轉刀架、轉塔頭式換刀裝置容納的刀具數量不（bú）能太（tài）多，不能滿足複雜零件的加工需要，因此，自動換（huàn）刀（dāo）數控機床多采用帶刀庫的自動換刀裝置。帶刀庫的自動換刀裝置由刀（dāo）庫和換刀機構組成，換刀過程較為複雜。首先要把加工過程中使用的全部刀具分別（bié）安裝在標準刀柄上，在機外進行尺寸預調整後（hòu），按一定（dìng）的方式放入刀庫。換刀時，先（xiān）在刀（dāo）庫中選刀，再由換刀裝置從刀庫（kù）或（huò）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（kù）。刀（dāo）庫具有較（jiào）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控（kòng）機床的主軸（zhóu）箱內隻有（yǒu）一根主軸，主軸部件的剛度要高，以滿足（zú）精（jīng）密加工要求。

另外，刀庫內刀具數（shù）量較大，因而能夠進行複雜零件的多工序加（jiā）工，大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（yòng）是儲備一（yī）定數量的刀具，通（tōng）過機（jī）械手實現（xiàn）與（yǔ）主軸上刀具的互換。刀庫（kù）的類型有（yǒu）盤（pán）式刀庫、鏈式刀（dāo）庫等多種形式，刀庫的形式和（hé）容量要根據機床的（de）工藝範圍來確定。圖7-16所示的盤式刀（dāo）庫，刀具的方（fāng）向與主軸同（tóng）向，換刀時主軸箱上升到一定的位置，使主軸上的刀具正（zhèng）好對準刀庫最下麵的那個位置，刀具被夾住（zhù），主軸在（zài）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（dāo）庫將下一（yī）個工序（xù）所用的刀具旋轉至與（yǔ）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（xiāng）下（xià）降到工作位置，完成換刀（dāo）任（rèn）務，進行下道工序（xù）的（de）加工。此換刀（dāo）裝置（zhì）的優點是（shì）結（jié）構簡單，成（chéng）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（liàng）需要較（jiào）大的加工中心可采用鏈（liàn）式（shì）刀庫，鏈式刀庫的結構緊湊，刀庫容量較大，鏈環的形狀可根據機床的布（bù）局製成各種形狀，也可將換刀位突出以（yǐ）便於換（huàn）刀。當需要增（zēng）加（jiā）刀具數量時，隻需增加鏈條的長度即可，給刀庫（kù）設計與（yǔ）製造帶來了方便。

2.刀具的選擇方式

一般的刀（dāo）庫內存放有多把刀具，每次換刀前要進行選刀（dāo），常用的選刀方（fāng）法有順序選刀和任意選刀兩（liǎng）種，順序選刀是在加工之前，將加工零件所需刀具（jù）按照工藝要求依次插（chā）入刀庫（kù）的刀套中，加工（gōng）是按順（shùn）序調刀，加工不同的工件時必須（xū）重新調整刀庫中（zhōng）的刀具順序。其優點是刀（dāo）庫的（de）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（shù）控係統都采用任意選刀的方式，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（mǎ）條，一般都是根據（jù）二進製編碼的原理進行編（biān）碼。刀具編（biān）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（biān）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用，換下的刀具（jù）不（bú）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，刀庫和機械手的結構變複（fù）雜。刀套編碼的方式是一把刀具隻對應一個刀套，從（cóng）一個刀（dāo）套中取出的刀具必須放回同一（yī）刀套中，取送刀具十分麻煩，換（huàn）刀時間長。目前在加工中心上大量使用記憶（yì）式的方式。這種方式（shì）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（fàng）在哪個刀套內，刀具信息都始終記（jì）存在PLC內。刀庫上裝有位置檢測裝（zhuāng）置，可獲得每個刀套（tào）的位置信息。這（zhè）樣刀具（jù）就可以（yǐ）任意取出並送回。刀庫上還設有機械（xiè）原點，使每次選刀時就近選取。

三、刀具交換裝置

數控機床的自動換刀裝置中，實現刀庫與機床主軸之間（jiān）傳遞和裝卸刀具的裝置稱為（wéi）刀具（jù）交換裝置。刀（dāo）具的交換方式有（yǒu）兩種：由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（lì）用刀庫與機（jī）床主軸的相對運動實現刀（dāo）具交（jiāo）換的裝置在換刀時必須首先將（jiāng）用過的刀具送回刀庫，然後（hòu）再從刀（dāo）庫中取出新刀具，兩（liǎng）個動作不能同時進行，換刀時間（jiān）較長。而采用機械手換刀裝置在換刀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（yīng）用最廣泛。這是因為機械手換刀（dāo）靈活，動作快，而且結構簡單。機械手能夠完成抓刀—拔刀—回轉—插刀—返回（huí）等一係列動作。為了防止刀具掉落（luò），機械（xiè）手的活動爪都帶有自鎖機構。

下（xià）麵是世界上最現代化的（de）數控機床換刀，換刀無影手（shǒu）！

16位自動換刀刀庫

1、刀具交（jiāo）換方式

數控機床的（de）自動換刀裝置中（zhōng），實現刀庫與機床主軸（zhóu）之間傳遞和裝卸刀具的裝（zhuāng）置稱為刀具交換裝置。刀（dāo）具的交（jiāo）換方（fāng）式（shì）和它們的具體結（jié）構對機床的生產率和工作可靠性有著直（zhí）接的影響。

刀具的交換方式很多，一般可分為以下兩大類。

（一）無機械手換刀

無機械手換刀，是（shì）由刀（dāo）庫和機床主軸的相對（duì）運動實現的刀具交換。換（huàn）刀時（shí），必須首先將用過的刀具送回刀庫，然後再（zài）從刀庫中取出新（xīn）刀具，這兩個動作不可能同時進行（háng），因此，換刀時間長。所示的數控立式鏜銑床（chuáng）就是采用這種換刀方（fāng）式的實例。它的選刀和換刀由（yóu）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（zhǔ）軸箱就必須沿著（zhe）三個坐（zuò）標軸作兩次來回運動，因而增加了換刀時間。另（lìng）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（jù）交換方式的不同，換刀機械手也有多種形式。因為機械手換刀（dāo）有很大的（de）靈活性，而且還可以減少換刀時間，應用（yòng）最為（wéi）廣泛。

2、機械手形式

在自動換刀數控機床中，機械手的形式也是多種多樣，常見的有以下幾種形式。

1．單臂單爪（zhǎo）回轉式機械手

這（zhè）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（qí）手臂（bì）上隻有一個卡爪，不論在刀庫上或（huò）是在主軸上，均靠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

這種機械手的手臂上有兩（liǎng）個卡爪，兩個卡（kǎ）爪有（yǒu）所分（fèn）工。一個卡（kǎ）爪隻執行從主軸（zhóu）上取下“舊刀”送回刀庫的任務，另一個卡爪則執行由刀庫（kù）取出“新刀”送到主軸的任（rèn）務。其換刀時間（jiān）較上述單（dān）爪回轉式機械手要少

3．雙臂回轉式機械手

這種機械（xiè）手的兩臂上各有一個卡爪，兩個卡爪可同時抓取刀（dāo）庫及主軸（zhóu）上的（de）刀具，回轉180°後又同時將刀具放回（huí）刀庫及裝入主軸（zhóu）。這種機（jī）械（xiè）手換刀（dāo）時間較以上（shàng）兩種單（dān）臂（bì）機械手均（jun1）短，是最常用的一種（zhǒng）形式。右邊的機械手在抓取或將（jiāng）刀具送入刀庫及主軸上，兩臂可伸縮。

4．雙機械手

這種機（jī）械手相當於兩個單臂單爪機械手，它們互（hù）相（xiàng）配合進行自動換刀。其中一個機械手從主軸上取下“舊刀（dāo）”送回（huí）刀庫，另（lìng）一個由刀庫中取出“新刀”裝入機床（chuáng）主軸，

5．雙臂往複（fù）交叉式機械手

這種機械手的兩手臂可（kě）以往複運動，並交叉成一（yī）定的角（jiǎo）度。一個手臂從主軸上取下“舊（jiù）刀”送回刀（dāo）庫，另一個手臂由刀庫中取出“新刀（dāo）”裝入主軸。整（zhěng）個機（jī）械手可沿某（mǒu）導軌直線移（yí）動或繞某個轉軸回轉，以實現由（yóu）刀庫與主軸間的運刀工作，

6．雙臂端（duān）麵夾緊式機械手

這種機械手隻是在夾緊部位（wèi）上與前幾種不同。前幾種機械（xiè）手均靠夾緊（jǐn）刀柄的外（wài）圓表麵來抓取刀具，這種機（jī）械手則是靠夾緊（jǐn）刀柄的兩個端麵來抓取的。

3、機械手夾持結構

在（zài）換刀過程中，由於機械（xiè）手抓住刀柄（bǐng）要作快速（sù）回轉，要作拔、插刀具（jù）的動作（zuò），還（hái）要保證刀柄鍵（jiàn）槽的角度位置對（duì）準主（zhǔ）軸上（shàng）的驅（qū）動鍵。因此，機（jī）械（xiè）手的夾持部分要十分可靠，並保證有適（shì）當的夾緊力，其活動爪要有鎖緊裝置，以防止刀具（jù）在換刀過程中（zhōng）轉動脫落。機械手夾持刀具的（de）方法有以下兩（liǎng）種。

（一）柄式夾持

柄式夾（jiá）持，也稱軸（zhóu）向夾持或V形槽夾持（chí）。其刀柄前端有V形槽，供機械手（shǒu）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（zhǎo）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下，支靠在擋銷上，調（diào）整螺釘以保（bǎo）持（chí）手掌適當（dāng）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（zhóu）向（xiàng）移動，使活動爪放鬆，以便杈刀（dāo）從刀柄V形槽中退（tuì）出。

4、自動換刀動作（zuò）順序

由於自動換刀裝置的布局結構多（duō）種多（duō）樣，其換刀過程動（dòng）作順序會不盡相（xiàng）同。下麵分（fèn）別以常見的雙臂往複交叉式機械手（shǒu）和鉤（gōu）刀機械手為例用動作分圖加以說明。

（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（yòng）T05號刀具進行加工，裝刀機械手已抓住下一工步需用的T09號刀具，機械（xiè）手架處於最高位置，為換刀（dāo）做好了準備（bèi）；

（2）上一工步結束，機床立柱（zhù）後退（tuì），主軸箱（xiāng）上升（shēng），使主軸處於換刀位置。接（jiē）著下一工步開始，其第一個指令是換刀，機械手架回轉180o轉（zhuǎn）向主軸。

（3）卸刀機械手前伸，抓住主軸上已用過的T05號刀具。

（4）機械手架由滑（huá）座帶動，沿刀具軸線前移，將T05號（hào）刀（dāo）具從主（zhǔ）軸上拔出。

（5）卸刀機械手縮回原位。

（6）裝刀機械手前伸，使（shǐ）T09號刀具對準主軸。

（7）機械手架後（hòu）移，將T09號刀具插入（rù）主軸。

（8）裝刀（dāo）機械手縮回原（yuán）位。

（9）機械（xiè）手架回（huí）轉（zhuǎn）180o，使裝刀、卸刀機械手轉向刀庫。

（10）機械手架（jià）由橫（héng）梁帶動下降（jiàng），找（zhǎo）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的T46號刀具送到換刀位置,機械手一（yī）降,找第（dì）三排刀鏈,由（yóu）裝刀機械手將T46號（hào）刀具取出。

（12）刀套（tào）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（xià）一工步的換刀做好準備（bèi）。

（二）鉤刀機械手的換刀過程

作為最常用的一（yī）種換刀形式，換刀一次所需的基本動作如下。

（1）抓刀。手臂旋轉90o，同時抓住刀庫和主軸上的刀具。

（2）拔刀。主軸（zhóu）夾頭鬆（sōng）開刀具，機械手同時將刀庫和主軸上的刀具拔出。

（3）換刀。手（shǒu）臂旋轉180o，新舊刀具更換。

（4）插（chā）刀。機械手同時將新舊刀具分別插入主軸和（hé）刀庫，然後主軸夾頭夾緊刀具；

（5）複位。轉動手臂，回到原始位置。