​CNC數控機床的自動（dòng）換刀裝置及其刀具（jù）係統！

一、鬥笠式（shì）刀庫

一般隻能存16~24把刀（dāo）具，鬥（dòu）笠式刀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卡（kǎ）槽時（shí），主軸向上移動脫（tuō）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下移，使刀具進入主軸錐孔（kǒng）內，夾緊刀具後，刀庫退回原來的位置。

二、圓盤式刀庫

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

三、鏈條式刀（dāo）庫

鏈條式刀庫的特點是可（kě）儲放較多（duō）數（shù）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（liàn）條將要換的刀具傳到指定位置，由機械手將刀具裝到主軸上。換刀動（dòng）作均采用馬達加機加工中心使用的刀庫最常見的形式是（shì）圓盤式刀庫和機械手換（huàn）刀刀庫。

一、自動換刀裝置的（de）形式

1．回轉刀架換刀

回轉刀架是一種最簡（jiǎn）單的自動（dòng）換刀裝置，常用於數控車床。可以設計（jì）成四方刀架、六角刀架或圓盤式軸向裝刀刀架（jià）等多種形（xíng）式（shì）。回轉刀架上分別安裝著四把、六把或更多的刀具，並按數控裝置的指令換刀。

回轉刀架在結構（gòu）上必（bì）須（xū）具有良好的強度和剛度，以承（chéng）受粗加工時的切削抗力。由於（yú）車削加工精（jīng）度在很大程度上取決於刀尖位置，對（duì）於（yú）數控（kòng）車床來說，加工過程中刀具位置不進行人工調整，因此更有必要選擇可靠的定位方案和合理的定位（wèi）結構，以保證（zhèng）回轉刀架在每次轉位之後，具有盡可能（néng）高的重（chóng）複定位精度（一般為0.001～0.005mm）。

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

2．更換主軸頭換（huàn）刀（刀具旋轉為主運動）

更換主軸換刀是（shì）帶有旋轉刀具的（de）數控機床的一種比較簡單的換刀方式。這種（zhǒng）主軸頭（tóu）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（dòng）換刀（dāo）。在轉塔的各個主軸上（shàng），預先安裝有各工序所需要的旋（xuán）轉刀具，當發出換（huàn）刀指（zhǐ）令（lìng）時，各主（zhǔ）軸頭依（yī）次地轉到加工位置，並接通主運動，使相應的主軸帶動刀具旋轉。而其它處於不加工位置上的主軸都與主運動（dòng）脫開。

這種更換主軸換刀裝置（zhì），省去了自動鬆、夾、卸刀、裝（zhuāng）刀（dāo）以及刀具搬運等一（yī）係列的複雜操作，從而縮短了（le）換刀時間（jiān），並提高了換（huàn）刀的可靠性。但是由於空間位置的限製，使（shǐ）主軸部件結構尺寸（cùn）不能太大（dà），因而影響（xiǎng）了主軸係統的剛性。為了保證主軸的剛性，必須限製主軸的數（shù）目，否則（zé）會使結構尺（chǐ）寸增大。因此（cǐ），轉塔主軸頭通常隻適用於工序較少、精度要求不太高的機床，例如數（shù）控鑽（zuàn）、銑床等。

3.帶刀（dāo）庫的自（zì）動換（huàn）刀係統

由於回（huí）轉刀架、轉塔頭式換（huàn）刀（dāo）裝置容納（nà）的刀具數量不能太多，不能滿（mǎn）足複雜零件的加工需要，因此，自動（dòng）換刀數控機床（chuáng）多采用帶刀庫的自動（dòng）換刀裝置。帶刀庫的自動換刀（dāo）裝置由刀（dāo）庫（kù）和換刀機構組成，換刀過程（chéng）較為複雜。首先要把加工過程中使用的全部刀具（jù）分別安裝在標準刀（dāo）柄（bǐng）上，在機外進行尺寸預調整後（hòu），按（àn）一定的方式放入刀庫。換刀時，先在（zài）刀庫中選刀，再由換刀裝置從刀庫或主軸上取出刀具，進（jìn）行（háng）交換，將新刀裝入主軸（zhóu），舊（jiù）刀放回（huí）刀庫。刀庫具有較大的容量，既可安裝在主軸箱的（de）側麵（miàn）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（nèi）隻有一根主軸，主軸部（bù）件的剛度要高，以滿（mǎn）足精密加工要求。

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

二、刀庫和刀具的選（xuǎn）擇（zé）方式

1.刀庫類型

刀庫的（de）作用是儲備一定數量的刀具，通過機械手實（shí）現（xiàn）與主軸上刀具的互換。刀庫的類型有盤式刀庫（kù）、鏈式刀庫等多種形式，刀庫的形（xíng）式和容量要根據機床的工藝範圍來確定。圖7-16所示（shì）的盤式刀庫（kù），刀具的方向與主軸同向，換刀時主軸箱上升到一定的位置，使主軸上的刀（dāo）具正好對準（zhǔn）刀庫最下麵的（de）那個位置，刀具被夾住，主軸在CNC的控製下，鬆開刀（dāo）柄，盤式刀庫向前運動，拔出主軸上的刀具，然（rán）後刀庫將下一個工序所用的刀具旋（xuán）轉至與主軸對準的位置，刀（dāo）庫（kù）後退（tuì）將新刀具插入主軸孔中，主軸夾緊刀柄，主軸箱下降到工作位置（zhì），完成換刀任務，進行下道工序的加工。此換刀（dāo）裝置（zhì）的優（yōu）點是結（jié）構簡單，成本較低，換刀可（kě）靠性較（jiào）好；缺點是（shì）換刀時間長，適用（yòng）於刀庫（kù）容量較小的加工中心。

對於刀庫容量需要較大的（de）加工中心可采用鏈式刀庫，鏈式刀庫的（de）結構（gòu）緊湊，刀庫容量較大，鏈環的形狀可根（gēn）據機床的布局製成各種形狀（zhuàng），也可將換刀位突出（chū）以便於換刀。當需要增加刀具數量時，隻需增加鏈條的長度即可，給（gěi）刀庫設（shè）計與（yǔ）製造帶來了方（fāng）便（biàn）。

2.刀具（jù）的選擇方式

一般的刀庫內存放有多把刀具（jù），每次（cì）換刀前要進行選刀，常用的選（xuǎn）刀方法有（yǒu）順序選（xuǎn）刀和任意選刀兩種（zhǒng），順序選（xuǎn）刀（dāo）是在加工之前，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，加工是按順序調刀，加工不同的工（gōng）件時必須重新調整刀庫中的刀具順（shùn）序（xù）。其優點是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、工件品種數量較（jiào）少的中、小型數控機（jī）床的自動換刀。

隨著數控係統的發展，目前大多數（shù）的數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（shì）等三種。

3.刀（dāo）具編（biān）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（mǎ）條，一般都是根據二進製編（biān）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（dāo）具（jù）編碼。每把刀具都具有自己的代碼，因而刀具（jù）可在不同的工序中多次（cì）重複使用，換下的刀（dāo）具不用放回原刀座，刀庫的（de）容量也可相應減少。但每把刀具上都帶有專用的編碼環，刀具長（zhǎng）度加長，製造困難，刀庫和機（jī）械手的結（jié）構變（biàn）複雜。刀套編碼的方式是（shì）一（yī）把刀具（jù）隻對應一個刀套，從一個刀套中（zhōng）取出的刀具必須放回（huí）同一刀套中，取送刀具十分麻煩，換刀時間長。目前在加工中（zhōng）心上（shàng）大量使用記憶式的方式。這種方式（shì）能將刀具號和（hé）刀庫中的刀套位置對（duì）應地記憶在數控係統的PLC中，無（wú）論刀具放在哪個刀套內，刀具信息都（dōu）始終記存在PLC內。刀庫上裝有位置檢（jiǎn）測裝置，可獲得每個刀套的位置信息。這樣刀具就可以任意取出並送回（huí）。刀庫上還設有機（jī）械原點，使每次選（xuǎn）刀時就近選取（qǔ）。

三、刀具交換裝置

數控（kòng）機床的自動換刀（dāo）裝（zhuāng）置中，實現刀庫與機床主（zhǔ）軸之間（jiān）傳遞和（hé）裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置（zhì）。刀（dāo）具（jù）的交換方式有兩種：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）用刀庫與機床主軸的（de）相對運動（dòng）實現刀具交換的裝置在換刀時必（bì）須首先將用過的刀具送回刀庫，然後再從刀庫中取出新刀（dāo）具，兩個動作不能同（tóng）時進行，換刀時間較長。而采用（yòng）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，因此換刀時間進（jìn）一步縮短。采用機械手進行刀具交換的方式應用最廣泛。這是（shì）因為機械手換刀靈活（huó），動（dòng）作快，而且結構簡單。機械手能夠完成抓刀—拔（bá）刀—回轉—插刀—返回（huí）等一（yī）係列動作。為了防止刀具掉落（luò），機械手的活動爪（zhǎo）都帶有自鎖機構。

下麵是世（shì）界上最現代化的數控機床換刀，換刀無影手（shǒu）！

16位自動換（huàn）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（kù）與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。刀具的交換方式和它們的具體（tǐ）結構對機床的（de）生產率（lǜ）和工（gōng）作可靠性有著直接的影響。

刀具的交換方式很多，一般可分為以下兩大類。

（一（yī））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現的刀具交換。換刀時，必須首先將（jiāng）用過的刀具送回刀庫，然後再從刀庫（kù）中取（qǔ）出新刀具（jù），這兩個動作（zuò）不可能同時進行，因此，換刀時間長。所示的數控立（lì）式鏜（táng）銑床就是采用（yòng）這種換刀方式的實例。它的選刀和換刀由三個坐標軸的數（shù）控定位係統來完成，因此每交換一（yī）次刀具，工（gōng）作台和主軸箱就必須沿著三個坐標軸作（zuò）兩次來（lái）回運動，因而增加了換刀時（shí）間（jiān）。另外，由（yóu）於（yú）刀庫置於工作台上，減少（shǎo）了（le）工（gōng）作台（tái）的有效使用麵積（jī）。

（二）機械手換刀

由於刀庫及（jí）刀（dāo）具交換方式的不同，換刀機械手也有多（duō）種形式。因為機（jī）械手換刀有很大（dà）的（de）靈活性（xìng），而且還可以減少換刀時間，應用最為廣泛。

2、機械手形式

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

1．單臂單爪回轉式機械手

這種機械手的手臂可以回轉不同的角度來（lái）進行自動換刀，其手（shǒu）臂上隻有一個卡爪（zhǎo），不（bú）論在刀庫上或是（shì）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個卡（kǎ）爪，兩個卡爪有所分工（gōng）。一個卡爪隻執行從主軸上取下“舊刀”送回（huí）刀庫的任務，另一個卡爪則（zé）執行由刀庫取出“新刀”送到主軸（zhóu）的任務。其換刀時間較上述單爪（zhǎo）回轉式機械手要少

3．雙臂回轉（zhuǎn）式機械手

這種機械手的兩臂上各有一（yī）個卡爪（zhǎo），兩（liǎng）個卡爪可同時抓取（qǔ）刀庫及主軸上的刀具，回轉180°後又同時（shí）將刀具放回刀庫及裝入主軸（zhóu）。這種機械手換刀時間較以上兩種單臂機械手均短，是最（zuì）常用的一種形式。右邊的機械手在（zài）抓取或將刀具送入刀庫及主軸上，兩臂可伸縮。

4．雙機械手

這種機械手相當於兩個單（dān）臂單爪機械手，它們互相配合進行自動換刀。其中一個機械手從（cóng）主軸上取下“舊刀”送（sòng）回刀庫，另一個由刀庫中取出“新刀”裝入（rù）機床主軸，

5．雙臂（bì）往（wǎng）複交叉式（shì）機械手

這種機械手的兩手（shǒu）臂可以往複運（yùn）動，並交叉成（chéng）一定的角度。一個手臂從主軸（zhóu）上取下“舊刀”送回刀庫，另（lìng）一個手臂由刀庫中取出“新刀”裝入主軸。整個機械手（shǒu）可沿某導軌直線移動或繞某個轉軸回轉，以實現由刀庫與（yǔ）主軸間的運刀工作，

6．雙臂端麵夾緊式機械手

這（zhè）種機械手隻是在夾緊部（bù）位上與前幾種不同。前幾（jǐ）種機械手均靠夾緊刀柄的外圓表麵來（lái）抓取刀具（jù），這（zhè）種機械手則是靠夾緊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（zhōng），由於機（jī）械手抓住刀柄要作（zuò）快速（sù）回轉（zhuǎn），要作拔、插刀具（jù）的動作，還要保證刀柄鍵槽的角度位置對（duì）準主軸上的驅動鍵。因（yīn）此，機（jī）械手的夾持部分要十分可（kě）靠，並保證有適當的夾緊力，其活動爪要有（yǒu）鎖緊裝置，以防止刀具在換刀過程中轉動脫落。機械手夾持刀具的方法有以下兩種（zhǒng）。

（一）柄式夾持

柄（bǐng）式夾持，也稱軸向夾持（chí）或V形槽夾（jiá）持。其刀柄前端有V形槽，供機械手夾持用，目（mù）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（tú），它（tā）由固定爪及活動爪組成（chéng），活動爪可繞（rào）軸回（huí）轉，其一端在彈簧（huáng）柱塞的作用下，支靠在（zài）擋（dǎng）銷上，調整螺釘以保持手掌適（shì）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（biàn）杈刀從刀柄V形槽中（zhōng）退出。

4、自動（dòng）換刀（dāo）動作順序

由於自動換刀裝置的布局結（jié）構多種多樣，其換（huàn）刀過程動作順序會不（bú）盡相同。下麵分別（bié）以常見的雙臂往（wǎng）複交叉式機械手（shǒu）和鉤刀機（jī）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（huàn）刀前狀態。主軸正用T05號刀具進行加工，裝（zhuāng）刀機械手（shǒu）已抓住下一工（gōng）步需用的T09號刀具，機械手（shǒu）架處於最高位置，為換刀做好了準備；

（2）上一工步結（jié）束，機床立柱後退，主軸箱上升，使主軸處於換刀位置。接著（zhe）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（xiàng）主（zhǔ）軸。

（3）卸刀機械手前伸（shēn），抓住主軸（zhóu）上已用過（guò）的（de）T05號（hào）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（xiè）刀機械手縮回原位。

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

（7）機械手架後移，將T09號刀具（jù）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（zhuǎn）向刀（dāo）庫。

（10）機械手架由橫梁帶動下降，找第二排（pái）刀套鏈，卸刀機械手將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（xū）用的T46號刀具送到換刀位置,機械手一降,找第三排刀鏈,由裝刀（dāo）機械手將（jiāng）T46號刀（dāo）具取出。

（12）刀套鏈反轉，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（zhì），為再下一工步的換刀（dāo）做好準備。

（二）鉤刀機械手的換刀過程

作為最常用的一種（zhǒng）換刀（dāo）形式，換刀一次所需的基本動（dòng）作如下。

（1）抓刀。手臂旋轉（zhuǎn）90o，同時抓住刀庫和主軸上的刀具。

（2）拔刀。主軸夾頭鬆開刀具，機（jī）械手同時將刀庫和主軸上的刀具拔出。

（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（dāo）具；

（5）複位（wèi）。轉動手臂，回到原始位置。