​CNC數控機床（chuáng）的自動換刀裝置（zhì）及其（qí）刀具係統！

一、鬥笠式刀庫

一般隻能存（cún）16~24把（bǎ）刀具，鬥笠式刀（dāo）庫在換刀時整個刀庫向主軸移動。當主軸上的刀具進入刀庫的（de）卡槽時，主（zhǔ）軸向上移動脫離刀具，這時刀庫轉動。當要換的刀具對（duì）正主軸正下方時主軸（zhóu）下（xià）移，使刀具進入主軸錐孔內，夾緊刀具後，刀庫退回原來的位（wèi）置。

二、圓盤式刀庫

圓盤式（shì）刀庫通（tōng）常應用在小型立（lì）式綜合（hé）加工機（jī）上。"圓盤刀庫"一般俗稱"盤式刀（dāo）庫"，以便和"鬥笠式（shì）刀庫"、"鏈條式刀庫"相區分。圓（yuán）盤式（shì）的刀（dāo）庫容量不大，頂多二、三十把刀。需搭配自動換刀機構ATC(AutoToolsChange)進行刀具交換。

三、鏈條式刀庫（kù）

鏈條式刀庫的特點是可儲放較多（duō）數量（liàng）之刀具，一（yī）般都在20把以上，有些可儲放120把以上。它是藉由鏈條（tiáo）將要換的刀具傳到指定位置，由機械手將刀（dāo）具裝到主軸（zhóu）上。換刀動作均采用馬達加機加工中心使用的刀庫最常見的（de）形（xíng）式是圓盤式刀庫和機械手（shǒu）換刀刀庫（kù）。

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（yú）數控車床。可以設計成四（sì）方刀架、六角刀架或圓盤式軸向裝刀刀架等多種（zhǒng）形式。回轉刀架上分別安裝著四把、六把或更（gèng）多的刀具，並按數控裝置的指令換刀。

回轉刀架在結（jié）構上必須具有良好的（de）強度和剛度，以承受粗加工時的切削抗（kàng）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（shù）控（kòng）車（chē）床來說，加工（gōng）過程中刀具位置不（bú）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（jié）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度（一般為0.001～0.005mm）。

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

2．更換主軸頭換刀（刀具旋（xuán）轉（zhuǎn）為主運動）

更換主軸（zhóu）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（zhuǎn）位來更換主軸頭，以實（shí）現自動換（huàn）刀。在轉塔的各個主軸上，預先安裝有各工序所需要的旋轉刀具，當發（fā）出換刀指（zhǐ）令時，各主軸頭依次地（dì）轉到加工（gōng）位置，並接通主運動，使相應的主軸帶動刀具旋轉。而其它處（chù）於不加工位置上的（de）主（zhǔ）軸都與主運動脫開。

這種更換主（zhǔ）軸換刀裝置，省去了自動鬆、夾（jiá）、卸（xiè）刀、裝刀以及刀具搬運等一係列的複雜操作，從而縮短了換刀時間（jiān），並提高了換刀（dāo）的（de）可靠性。但是由於空間位置的限製，使主軸部件結構尺寸不能太大，因而（ér）影響了（le）主軸係統的剛性。為了保證主軸的（de）剛（gāng）性（xìng），必須限製主軸（zhóu）的數目，否（fǒu）則會使結（jié）構尺寸增大。因此，轉（zhuǎn）塔主軸頭通常隻適用於工序較少、精度要求不（bú）太（tài）高的機床，例如數控鑽、銑床等（děng）。

3.帶刀庫（kù）的自動換刀係統

由於回轉刀（dāo）架、轉塔頭式換刀裝（zhuāng）置容納的刀具數量（liàng）不能（néng）太多（duō），不（bú）能滿足複雜零件的加工需要，因此，自動（dòng）換刀數控機床多（duō）采用帶刀庫（kù）的自（zì）動（dòng）換刀裝置。帶刀庫的自動換刀裝置由刀庫和換（huàn）刀（dāo）機（jī）構組成，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（bié）安裝在標準刀柄上，在機外進行尺寸預調整後，按一定（dìng）的方式放入（rù）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（chū）刀具，進行交換，將新刀裝入主軸，舊刀（dāo）放回刀（dāo）庫。刀庫具有較大的容量，既可安裝在主軸箱（xiāng）的側麵或（huò）上方。由於（yú）帶刀庫的自動換刀裝置的數控（kòng）機床（chuáng）的主軸箱內隻有一根主軸，主（zhǔ）軸部件的剛度要高，以滿足精密加工要求。

另（lìng）外，刀庫內刀具數量較大，因（yīn）而（ér）能夠進行（háng）複（fù）雜零件的多工序加（jiā）工，大大提高了機床的適應性和（hé）加工效（xiào）率。帶刀庫的（de）自動換刀係（xì）統適用於（yú）數控鑽削中心和加工中心。

二、刀庫（kù）和刀具的（de）選擇方式

1.刀庫類型

刀（dāo）庫的作用是（shì）儲備一（yī）定數量的（de）刀具，通過機械手實現與主軸上刀（dāo）具的互換。刀（dāo）庫的類型有盤式刀庫、鏈式刀（dāo）庫等多種形式，刀庫的形式和容量要根據機床的工藝範圍來（lái）確定。圖7-16所示的盤式刀庫，刀具的方向與主軸（zhóu）同向，換刀時主軸箱上升到一定（dìng）的位置，使主軸上的刀具正好對準刀庫最下麵的那個位置，刀具被夾（jiá）住，主軸在（zài）CNC的控製下，鬆開刀柄，盤式刀（dāo）庫向前運動，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（duì）準的位置，刀庫（kù）後退將新刀具插入（rù）主軸孔中，主軸夾緊刀柄，主軸箱下降到工作位（wèi）置（zhì），完成換刀任務，進行（háng）下道工序的加工。此換刀（dāo）裝置的優點是結構簡單，成本較低，換刀可靠性較好（hǎo）；缺點（diǎn）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（kě）采用鏈式刀庫，鏈式刀庫的結構緊湊，刀庫容量（liàng）較（jiào）大，鏈環的（de）形狀可根據機床的布局製成各種形狀，也可將換刀位突出以便於換刀。當需要增加刀（dāo）具數量時，隻需增加鏈條的長（zhǎng）度即可，給刀庫設計與製造帶來了方便。

2.刀具的選擇（zé）方式

一般的刀庫內存放有多把（bǎ）刀具，每次換刀前（qián）要（yào）進行選刀，常用的選刀方（fāng）法有順序選刀和任意（yì）選刀兩種，順序選刀是在加（jiā）工（gōng）之前，將（jiāng）加工零件所需（xū）刀具按照工藝要求依次插入刀庫的（de）刀套中，加工（gōng）是按順序調刀（dāo），加工不（bú）同的工件時必須（xū）重新調（diào）整刀庫中（zhōng）的刀具順序（xù）。其優點是刀庫的驅動（dòng）和控（kòng）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（dòng）換刀。

隨著數控係統的發展，目前大多（duō）數的數控係統都采用任意選刀（dāo）的方（fāng）式，其分為刀套編碼、刀（dāo）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安裝用於識別的編碼條（tiáo），一（yī）般都是（shì）根據二進製（zhì）編碼的原（yuán）理進行編碼。刀具編碼選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（dāo）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（xià）的刀具不用放回原刀座，刀（dāo）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（dù）加長，製造困難，刀庫（kù）和機械手的結構變複雜。刀（dāo）套編碼的方式是一把刀具隻對應一個刀套，從一個刀套中取出的刀（dāo）具必須放回（huí）同一刀套中，取（qǔ）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。這種方式能將刀具號和刀庫中的刀（dāo）套位置對應（yīng）地記憶在數控係統的PLC中，無論刀具放在哪個刀套內，刀具信息都始（shǐ）終記存在PLC內。刀庫上裝有位（wèi）置檢測裝置，可（kě）獲得每個刀套的位（wèi）置信息。這樣刀具就可以任意取出並送回。刀庫上還設有（yǒu）機械原（yuán）點，使每次選刀（dāo）時就近選取。

三、刀具交換裝置

數控機床的自動換刀裝置中（zhōng），實現刀庫與（yǔ）機床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為（wéi）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（shí）現刀具（jù）交換以及采用機械（xiè）手交換刀具。利用刀庫與機床主軸（zhóu）的相對運動實（shí）現刀具交（jiāo）換的裝置在（zài）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，兩個動作不能同時進行，換刀時間（jiān）較長。而采用（yòng）機械手（shǒu）換刀裝置在換刀時能夠同時抓取（qǔ）和裝卸機床主軸和刀庫中的刀具，因此換（huàn）刀時（shí）間進一步縮短。采用機械（xiè）手進行刀具交換的方（fāng）式（shì）應用最廣泛。這（zhè）是因為機械手換刀靈活，動作快，而且結構簡單。機（jī）械手能夠完成抓刀—拔刀—回轉—插刀—返回等一係列動作（zuò）。為了（le）防止刀具掉（diào）落，機械手的活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（xiè）刀具的裝（zhuāng）置稱（chēng）為刀具交換裝置。刀具的交換方式和它們的具體結構對機（jī）床的生產（chǎn）率和工作可靠性有著（zhe）直接的影響。

刀具的交換方式很多，一般可分為以下兩大類。

（一）無（wú）機械手換（huàn）刀

無機械手（shǒu）換刀，是由刀庫和機床主軸的相對運動實現的刀具交換。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（jù），這兩個（gè）動作不可能同時進行，因此，換刀時間長。所示的數控立式鏜銑床就是采用這種換刀方式的實例（lì）。它的（de）選刀（dāo）和換刀由三個坐標（biāo）軸的數控定位係統來完（wán）成（chéng），因此（cǐ）每交換（huàn）一次刀具，工作台和主軸箱就必須沿著三個坐標軸作兩次來回運動，因而增加了換刀時間。另外，由於刀庫置於工（gōng）作（zuò）台上，減少了工（gōng）作台的有效使用（yòng）麵積。

（二）機械手換刀

由於刀（dāo）庫及刀具交（jiāo）換方式的不同（tóng），換刀機械手也有多種（zhǒng）形式。因（yīn）為機械手換刀有很大的靈活性，而且（qiě）還可以減少換刀時間，應（yīng）用最（zuì）為廣泛。

2、機械手形式

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

1．單臂單爪回轉式機械手（shǒu）

這種機械手的手臂可以回轉不同（tóng）的角度來進行自動換刀，其（qí）手臂上隻有一個卡爪，不論在刀庫上或是在主（zhǔ）軸上，均靠這個卡爪來裝刀及卸刀（dāo），因此換刀時間較長，如圖2(a)所示（shì）。

2．單（dān）臂雙爪回轉式機（jī）械手

這種機械手的手臂上有兩個卡爪，兩（liǎng）個（gè）卡爪有所分工。一個卡爪隻執行從主軸上（shàng）取下“舊刀”送回刀庫的任務，另一（yī）個卡（kǎ）爪則執行由刀（dāo）庫取出“新刀”送到主軸（zhóu）的（de）任務。其換刀時間較上述單爪回（huí）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卡（kǎ）爪，兩個卡（kǎ）爪可同時抓取（qǔ）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。這種機械手換刀時間較以上兩種單臂機械手（shǒu）均（jun1）短，是最常用的一種形式。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

這種機械手（shǒu）相當於兩個單臂單爪機械（xiè）手，它們互相配合進（jìn）行自動換刀（dāo）。其中一（yī）個機械手從主（zhǔ）軸上取（qǔ）下“舊刀（dāo）”送回刀庫，另一（yī）個由刀庫中取（qǔ）出（chū）“新刀”裝入機床主軸，

5．雙臂往複（fù）交叉式機（jī）械手

這種機械手的兩手臂可以往複（fù）運動，並交叉成一定的角度。一個手臂從主軸上（shàng）取（qǔ）下“舊刀”送回刀庫，另一個手臂由（yóu）刀庫（kù）中取出“新刀”裝入主軸。整個機械手可沿（yán）某導（dǎo）軌直線移動或繞（rào）某個轉軸回轉，以實現由刀庫與主軸間的運刀工作，

6．雙臂端（duān）麵夾緊式機械（xiè）手

這種機械手（shǒu）隻是在夾緊部位上（shàng）與前（qián）幾種不同。前（qián）幾種機械手均靠夾緊刀柄的外圓表麵來抓（zhuā）取（qǔ）刀具，這種機械手（shǒu）則是靠夾緊刀柄的兩個端麵來抓取的。

3、機械手夾持（chí）結構

在換刀過程中，由於機械手抓住（zhù）刀柄要作快速回轉，要作拔、插刀（dāo）具的動作，還要保證刀柄鍵槽的角度位置（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（kào），並保證有（yǒu）適當的夾緊力，其活動爪要有鎖緊裝置，以防止刀具在換（huàn）刀過程中轉（zhuǎn）動脫落。機械手夾持刀具的方法有（yǒu）以下兩種。

（一）柄式（shì）夾持

柄式夾持，也稱軸（zhóu）向（xiàng）夾持或V形槽夾持（chí）。其刀柄（bǐng）前端有V形槽，供機械手（shǒu）夾持用，目前我國數控（kòng）機床較多采用（yòng）這種（zhǒng）夾持方（fāng）式。機械手手掌（zhǎng）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（zhù）塞的作用下，支靠在擋銷上，調（diào）整螺釘以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（zhǐ）刀具在（zài）交換過程中鬆脫。鎖緊（jǐn）銷還可軸（zhóu）向移動，使活動（dòng）爪放鬆，以便杈（chā）刀從刀柄V形槽中退出。

4、自動換刀動（dòng）作順序

由（yóu）於自動換刀裝置的（de）布局結構（gòu）多種多樣，其換刀過程動作順序會不盡相同。下麵分別（bié）以常（cháng）見的雙臂往複交叉式機械手（shǒu）和鉤（gōu）刀（dāo）機械手為例用動作分（fèn）圖加以說明。

（一）雙臂往複交叉（chā）式機械手的換刀過（guò）程

（1）開始（shǐ）換刀前狀態。主軸正（zhèng）用T05號刀（dāo）具進行加工，裝刀機械手已抓住下一工步需用的T09號刀具，機械手架處於（yú）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。接著下一工步（bù）開始，其第一（yī）個指令是換刀，機械（xiè）手架回轉180o轉向（xiàng）主軸。

（3）卸刀機械手前伸，抓住主軸上已用過的T05號刀具。

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

（5）卸刀機械（xiè）手縮回（huí）原位。

（6）裝刀（dāo）機械手前伸，使T09號刀具對準主軸。

（7）機（jī）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（dāo）具插回P05號刀套中。

（11）刀套鏈轉動把在下一（yī）個工步需用的T46號刀具送到換（huàn）刀位置,機械手一降,找第三（sān）排刀鏈,由裝刀機械手將T46號刀具（jù）取（qǔ）出。

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

（二）鉤（gōu）刀機械（xiè）手的換刀過程（chéng）

作為最常用的一種換刀形式，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（dāo）庫和主軸上的刀具。

（2）拔刀。主軸夾頭鬆開刀具，機（jī）械手同時將刀庫和（hé）主軸上的刀具拔出。

（3）換刀。手臂旋轉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刀庫，然後主（zhǔ）軸夾頭夾緊刀具；

（5）複位。轉動（dòng）手臂，回到原始位置。