​CNC數控機床的自動（dòng）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（dāo）庫（kù）在換（huàn）刀時整個刀（dāo）庫向主軸移動。當主軸上的刀具（jù）進入刀庫的卡槽時，主軸向上移動（dòng）脫離（lí）刀具，這時刀庫轉動。當要換的刀具（jù）對正主軸正（zhèng）下方時（shí）主軸（zhóu）下移（yí），使刀具進入主軸錐孔（kǒng）內（nèi），夾緊刀具後，刀庫退回原來的位置。

二、圓盤（pán）式刀庫

圓盤式刀庫通常應用在小型立式（shì）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（tiáo）式刀（dāo）庫"相區分（fèn）。圓盤式的刀庫容量不大，頂多二、三十把刀。需（xū）搭配自動換刀機（jī）構ATC(AutoToolsChange)進行刀具交換。

三、鏈條式刀庫

鏈條式（shì）刀庫的特點是可儲（chǔ）放較多數量之刀具，一般都在20把以上，有（yǒu）些可儲放120把以上。它是藉由鏈條將要換的刀具傳到（dào）指定（dìng）位置，由機械手將（jiāng）刀具裝到主軸上。換刀動作均采用（yòng）馬達加機加工中心使用的（de）刀庫最常見（jiàn）的形式是圓盤式刀庫和機械手換刀刀庫。

一、自動換刀裝置的形（xíng）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。可以設計成四方刀架、六角刀架或圓盤式軸向裝刀刀架（jià）等多種形式。回轉刀架上分別（bié）安裝著四把、六把或（huò）更多（duō）的刀具，並按數控裝置（zhì）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（shòu）粗加工時的切削抗力。由（yóu）於車削加（jiā）工精度（dù）在很大程度上取（qǔ）決於刀尖位置，對於數（shù）控車床來說，加工過程中刀具位（wèi）置不進行人工調整（zhěng），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（dāo）架在每次轉位之後，具有（yǒu）盡可能高的重複（fù）定位精度（一般為0.001～0.005mm）。

一般情況下，回轉刀架的換刀動作包括刀架抬起、刀架轉位及刀架壓緊等。

2．更換（huàn）主軸頭換刀（刀具旋轉為主運（yùn）動）

更（gèng）換主軸換刀是帶有旋轉刀具的數控（kòng）機床的一種比較簡單的換刀方式。這種主軸（zhóu）頭實際上就是（shì）一個轉塔刀庫。

主軸頭有臥式和立式兩種，通（tōng）常用轉塔的轉位來更換主軸頭，以實現自動換刀。在轉塔的各個（gè）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，各主軸頭依次地轉到加工位置，並接通主運動，使相應的（de）主軸帶動刀具旋轉。而其它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（dāo）裝（zhuāng）置，省去了自動鬆、夾、卸（xiè）刀、裝刀以及刀具搬運等一係列的複雜（zá）操作，從而縮短了換刀時（shí）間，並提高了換刀的可靠性。但是由於空間位置的限製，使主軸部件結（jié）構尺寸不能太（tài）大，因而影響了主軸係統的剛（gāng）性。為了保證主軸的剛性，必須限製主軸的數目，否則會使結構尺寸（cùn）增大。因此，轉塔（tǎ）主軸（zhóu）頭通常隻適用於工序較少、精度（dù）要求不（bú）太高的機床，例如數控鑽、銑床等（děng）。

3.帶刀庫的自動換刀係（xì）統

由於回轉刀架、轉塔頭式換刀裝置容納的刀具數量（liàng）不能太多，不能滿足複雜零（líng）件的加工需（xū）要，因此，自動換刀數控機床多采用帶刀庫的自（zì）動換刀裝（zhuāng）置。帶刀（dāo）庫的自動換刀裝置由刀庫和換刀機（jī）構組成，換刀過程較為複（fù）雜。首先要把（bǎ）加（jiā）工過（guò）程中使用的（de）全部刀具分別安裝在標準刀柄上，在機（jī）外進行尺寸預調整後（hòu），按一定的方式放入刀庫。換刀時（shí），先在刀庫中選刀（dāo），再由換刀裝（zhuāng）置從刀庫或主軸上取（qǔ）出刀具，進（jìn）行交換，將新刀裝（zhuāng）入主軸，舊刀放回刀庫。刀庫具有較大的容量，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機床的主軸箱內隻有（yǒu）一根主軸，主軸部件的剛（gāng）度要高（gāo），以滿（mǎn）足精密加工要求。

另外，刀庫內刀（dāo）具數（shù）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（jiā）工效率。帶刀庫的自動（dòng）換刀係統適用於數控（kòng）鑽削中心和加工（gōng）中心。

二、刀庫和刀具的選擇方式

1.刀庫類型（xíng）

刀庫的作用是儲（chǔ）備一（yī）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（shì），刀庫的形式（shì）和（hé）容量要根據（jù）機床的（de）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（dāo）庫最下（xià）麵的那（nà）個位置，刀具被夾住，主軸在CNC的控製下，鬆開刀柄，盤式刀庫向（xiàng）前運（yùn）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（zhuǎn）至與主軸對準的位置，刀庫後退將新刀具插入主軸孔中（zhōng），主軸（zhóu）夾緊（jǐn）刀柄，主軸箱下（xià）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（gòu）簡單，成本較低，換刀可（kě）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（duì）於（yú）刀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（gòu）緊湊，刀庫容（róng）量較（jiào）大（dà），鏈環的（de）形狀可根據（jù）機床的布局製成各種形狀，也可將換（huàn）刀位突出以便於換刀。當需要（yào）增加（jiā）刀具數量時，隻需增加鏈條的長度即可，給刀庫設（shè）計與製（zhì）造帶來了方便。

2.刀具的（de）選擇方式

一般（bān）的刀庫內存放有多把刀具，每（měi）次換（huàn）刀前要進行選刀，常（cháng）用的選刀方法有順序選刀和任意選刀兩種，順（shùn）序選刀是在（zài）加工之前，將加工零件所需刀（dāo）具按照工藝要求依次插入刀（dāo）庫的刀套中，加工是按順序調刀，加工不同的工件時必（bì）須重新調整刀（dāo）庫中的刀具順序。其優點是刀庫的驅動和（hé）控製（zhì）都比較簡單。因此，這種方式適合加工批量較大（dà）、工件品種數量較少的中（zhōng）、小型數控機（jī）床的自動換刀。

隨著數（shù）控係統的發展，目前大多數的數控係統都采用任意（yì）選刀（dāo）的方式，其分為刀套編（biān）碼、刀具編碼和記憶式等三種。

3.刀具編碼方式

刀具（jù）編（biān）碼或刀套編碼需要在刀具（jù）或刀套上安裝用（yòng）於識別的編碼條（tiáo），一（yī）般都是根據二進（jìn）製編碼的原理進行編碼（mǎ）。刀具編碼選刀方式采用了（le）一種特殊的刀柄結構，並對每把刀具編碼。每把刀具（jù）都具（jù）有自己（jǐ）的代碼，因而（ér）刀具可在（zài）不同的工序中多次重複（fù）使用，換（huàn）下的刀（dāo）具不用放回原刀座，刀庫（kù）的容量也可相應減少。但每把刀（dāo）具上都帶有專用（yòng）的編碼環，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（fāng）式是一把刀具隻對應一個刀套（tào），從一個刀套中取出的刀具必須放回同一刀套中（zhōng），取送刀具（jù）十分麻（má）煩，換刀時間長。目前在加（jiā）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（zhōng）的刀套位置對應地記憶在（zài）數控係統的PLC中，無論（lùn）刀具放在哪個刀套內，刀具信息都始終記存在PLC內。刀庫（kù）上裝有位置（zhì）檢測（cè）裝置，可獲得每個刀套的位置信息。這樣刀具就可以任意取出（chū）並送回。刀庫上還設有機械原點，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（kù）與機床主軸（zhóu）之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交（jiāo）換裝置。刀具的交換方式有兩種：由刀庫與機床主軸的（de）相對（duì）運動實現刀（dāo）具交換以及采用機械手交（jiāo）換刀具。利用刀庫（kù）與機床主軸（zhóu）的（de）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刀庫，然後再從刀庫中取（qǔ）出新刀具，兩個動作不（bú）能同時進行，換刀時間較長。而采用機械手換刀（dāo）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，因此換（huàn）刀時間進一步縮短。采用機械手進行刀具交換的方式（shì）應（yīng）用最廣泛。這是因為機械手換刀靈活，動作（zuò）快，而且結（jié）構簡單。機械手（shǒu）能夠完成抓刀—拔刀（dāo）—回轉—插（chā）刀—返回等一係列（liè）動作。為了防止（zhǐ）刀具掉落，機（jī）械手的活動爪都帶有自鎖機構。

下麵是世界上（shàng）最現代化的數控機床換刀，換刀無（wú）影手！

16位自動換刀刀庫

1、刀具交換方式

數控機床的自（zì）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（xiǎng）。

刀具的交換方式很多，一般可分為以（yǐ）下兩大類。

（一）無（wú）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現的刀具交換。換刀時，必須首先將用過的刀（dāo）具送回刀庫，然後再從刀庫中取出新刀具，這兩個動作（zuò）不可能同時進行，因此，換（huàn）刀時間長（zhǎng）。所（suǒ）示的數控立式鏜（táng）銑床就是采用這種換刀方式的實（shí）例。它的選（xuǎn）刀和換刀由（yóu）三個（gè）坐標軸（zhóu）的數控（kòng）定位係統（tǒng）來完成，因此每交換一次（cì）刀具，工（gōng）作台和主軸箱就必須沿著三個坐標（biāo）軸作兩次來回運（yùn）動，因而增加了換刀（dāo）時間（jiān）。另外，由於刀（dāo）庫置於工（gōng）作台上（shàng），減少了工（gōng）作台的有效使用麵積。

（二）機（jī）械手換刀

由於刀庫及刀具交換（huàn）方式的不同，換刀機（jī）械（xiè）手也有多種形（xíng）式。因為機械手換刀有很大的靈活性（xìng），而且（qiě）還可以減少換刀時間（jiān），應用最為廣泛。

2、機械手形式

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

1．單（dān）臂單爪（zhǎo）回轉（zhuǎn）式機械（xiè）手

這（zhè）種機械手的手臂可以回（huí）轉不同的角度（dù）來進行自動換刀，其手臂上隻有一個卡爪，不論在刀庫上或是在主軸上，均靠這個卡爪（zhǎo）來裝刀及（jí）卸刀，因此（cǐ）換（huàn）刀時間較長（zhǎng），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個（gè）卡爪，兩個卡爪有所（suǒ）分工。一個卡爪隻執行（háng）從主軸上取下“舊刀”送回刀庫的任務，另一個卡爪則執行（háng）由刀庫（kù）取出“新刀”送到主軸的任務。其換刀（dāo）時間較上（shàng）述單爪回轉式機械手要少

3．雙臂回轉式機械手

這（zhè）種機械手的兩臂上各有一個卡爪，兩（liǎng）個卡爪（zhǎo）可（kě）同（tóng）時抓取刀庫及主軸上的刀具，回轉180°後又同時將刀具放回刀庫及裝入主軸。這種機（jī）械手換刀時間（jiān）較以上兩種單臂機（jī）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上，兩（liǎng）臂可伸縮。

4．雙機械（xiè）手

這種機械（xiè）手相當於兩個（gè）單臂單爪機械手，它們互相（xiàng）配合進行自（zì）動換刀。其中一個機械手從主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另一個由刀庫中取出“新刀”裝入機床主軸，

5．雙臂（bì）往複交叉式機械手

這種（zhǒng）機械手的兩（liǎng）手臂可以往複運動，並交叉成一定的角（jiǎo）度。一（yī）個手臂從主軸（zhóu）上取下“舊刀”送回（huí）刀庫，另一個手臂由刀（dāo）庫中取出“新刀”裝（zhuāng）入主軸（zhóu）。整（zhěng）個機械手可沿某導軌直線移動或繞（rào）某個（gè）轉軸回轉，以（yǐ）實現由刀庫與主軸間的運刀（dāo）工作，

6．雙臂端麵夾緊式機械手

這種機械（xiè）手（shǒu）隻是在夾緊部位上與前幾種（zhǒng）不同。前幾種（zhǒng）機械手均靠夾緊刀柄的（de）外圓表麵來抓（zhuā）取刀具，這種機械手則是靠夾緊刀柄的兩個端麵（miàn）來抓取的。

3、機械手（shǒu）夾持（chí）結構（gòu）

在換刀過程（chéng）中（zhōng），由於機械手抓住刀柄要作（zuò）快速回轉，要作拔、插刀具（jù）的動作，還要（yào）保證刀柄鍵槽的角（jiǎo）度位置對準（zhǔn）主軸上的驅動鍵。因此（cǐ），機械手的夾持部分要十分可靠，並保證有適當的夾緊力，其（qí）活動爪（zhǎo）要有鎖緊裝置，以防止刀（dāo）具在換刀過（guò）程中轉動脫落。機械手夾持（chí）刀具的方法有以下兩（liǎng）種。

（一）柄式夾持

柄式夾持，也稱軸向夾持或V形槽（cáo）夾持。其刀柄前端有V形槽（cáo），供機械手夾持用，目前我國數控機（jī）床較多采用這（zhè）種夾持方式（shì）。機械手手掌（zhǎng）結構示意圖，它由固定爪及活動爪組成，活（huó）動爪可繞軸回轉，其一端在彈簧柱塞的（de）作用（yòng）下，支靠在擋銷上，調整螺（luó）釘以保持手掌適當的夾緊力，鎖緊銷使活動（dòng）爪（zhǎo）牢固地夾持刀柄，防止刀具在交換過程（chéng）中（zhōng）鬆脫。鎖緊銷還可軸向移動，使活（huó）動爪放鬆，以便杈（chā）刀從刀柄V形槽中退出。

4、自動換刀動作（zuò）順序（xù）

由於自（zì）動換刀（dāo）裝（zhuāng）置的布局結構多種多樣（yàng），其換（huàn）刀過程（chéng）動作順序會（huì）不盡相同。下麵分別以（yǐ）常見的雙臂（bì）往（wǎng）複交叉式機械手和鉤刀（dāo）機械手為（wéi）例（lì）用動作分（fèn）圖加以說明。

（一）雙臂（bì）往複交叉式機械手的換刀過程

（1）開始換刀前狀（zhuàng）態。主軸正用T05號刀具進行加（jiā）工，裝刀（dāo）機械手已抓住下一工步需用的T09號刀具，機械手架處於最高位置，為換刀做好了準備；

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

（3）卸刀機械手前伸，抓住主軸上已用（yòng）過的T05號刀具。

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

（5）卸刀機械手縮回原位。

（6）裝刀機械（xiè）手（shǒu）前伸，使T09號刀具對準主軸（zhóu）。

（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（yuán）位。

（9）機械手架回轉180o，使裝刀、卸（xiè）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（jù）插回P05號刀（dāo）套中。

（11）刀套鏈轉動把在下一個工步需用的T46號刀具送到換（huàn）刀位置,機械（xiè）手一降,找第三排刀鏈,由裝刀機械手將T46號刀具取出。

（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（gāo）位置，為（wéi）再下一（yī）工步的換刀做好（hǎo）準備。

（二）鉤刀機械手的換刀過程（chéng）

作（zuò）為最常用的（de）一種換刀形式，換刀一次所（suǒ）需的基本動作如下。

（1）抓刀。手臂旋（xuán）轉90o，同時抓住刀（dāo）庫和主軸上的刀具。

（2）拔刀。主軸夾（jiá）頭鬆開刀具，機械手同時將刀庫（kù）和主軸上的刀具拔出。

（3）換刀。手臂旋轉180o，新舊刀具更換（huàn）。

（4）插刀。機械手同時將新舊刀（dāo）具分別插（chā）入（rù）主軸和（hé）刀庫，然後主軸夾頭夾緊刀具（jù）；

（5）複位。轉動手臂，回到原始位置。