​CNC數（shù）控機床的自（zì）動換（huàn）刀裝置（zhì）及其刀具係統！

一、鬥笠式刀庫

一般隻能存16~24把刀具，鬥笠式刀庫在換刀時整個刀庫向主（zhǔ）軸移動。當主軸上的刀具（jù）進入刀庫的卡槽時，主軸向上移動脫離刀具，這（zhè）時刀庫轉動。當要換的刀具對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，刀庫退回原來的位（wèi）置。

二、圓盤式（shì）刀庫

圓盤式刀庫通常應（yīng）用在小型立式綜（zōng）合（hé）加工機上。"圓盤刀庫"一般俗稱"盤式刀庫"，以（yǐ）便（biàn）和"鬥笠（lì）式刀庫"、"鏈條（tiáo）式刀庫"相區分。圓盤式的刀庫容量不大，頂多二、三十（shí）把刀。需搭配自動換刀（dāo）機構ATC(AutoToolsChange)進行刀具交換。

三、鏈條式刀庫

鏈條式刀庫（kù）的特點是可儲放較多數量之刀（dāo）具，一般都在20把以上，有些可（kě）儲放120把以上。它是藉由鏈條將要換的刀具傳到指（zhǐ）定位置，由機械手將刀具裝（zhuāng）到主軸（zhóu）上。換刀（dāo）動作（zuò）均采用馬達加機（jī）加工中心使用的刀庫最常見的形式是圓盤式刀庫（kù）和機械手換刀刀庫。

一、自動換（huàn）刀裝置的形式（shì）

1．回轉（zhuǎn）刀（dāo）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（chuáng）。可（kě）以設計成四（sì）方刀架、六角刀架或（huò）圓盤式軸向裝刀刀（dāo）架（jià）等多（duō）種形式。回轉刀架上（shàng）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（jià）在結（jié）構上必（bì）須具有良好的強度和剛度，以承受粗加工時（shí）的切削（xuē）抗力。由（yóu）於車削加工精度在很大程（chéng）度上取決於刀尖位置，對於數控車床來說，加工過程中刀具（jù）位（wèi）置不進（jìn）行人工調整，因此（cǐ）更有必要（yào）選擇可靠的定位方案和合理的（de）定位結構，以保證回（huí）轉（zhuǎn）刀架在每次轉位之後，具有盡可能高的重複定位精度（一般（bān）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．更換主軸頭換刀（dāo）（刀具旋轉為主運動（dòng））

更換（huàn）主軸換刀是帶有旋轉刀（dāo）具的（de）數控機床的一（yī）種比較簡單的換刀方式（shì）。這種主軸頭實際上就是一個（gè）轉塔刀庫。

主（zhǔ）軸頭有臥式和立式兩種（zhǒng），通常用轉塔的轉位來更換主軸頭，以實（shí）現自動換刀。在轉塔的各個主軸上，預先安裝（zhuāng）有各工序（xù）所需要（yào）的（de）旋轉刀具，當發出換刀指令時，各主軸頭依次地（dì）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（chù）於不加工位置上的主軸都與主運動脫開。

這種更換主軸（zhóu）換（huàn）刀裝置，省去了自動鬆、夾、卸刀、裝刀以及刀具搬運等一係列的複雜操作，從而縮短了換（huàn）刀時間，並提高了換刀的可靠性。但是由於空（kōng）間位置的限製，使主軸部件結構尺寸不（bú）能太大，因而影響了主軸係統的剛性。為了保證（zhèng）主軸的剛（gāng）性（xìng），必須限製主軸的數目，否則會使（shǐ）結構尺寸增（zēng）大。因此，轉塔主軸頭通常隻適用於工序較少、精（jīng）度要求不太高的機（jī）床，例如數控鑽、銑床等。

3.帶刀庫的自動換刀（dāo）係統

由於回（huí）轉刀架、轉塔頭式換刀裝置容納的刀具數量不能太多，不能滿足複雜零件的（de）加工需要，因此，自動換刀數（shù）控機床（chuáng）多采用帶刀庫的（de）自動換刀裝置。帶刀庫的自動換刀裝置由（yóu）刀庫和換刀機（jī）構組成，換刀過程較為複雜。首（shǒu）先要把（bǎ）加工過程中使用（yòng）的全部刀具分別安裝在標準刀柄上，在機外進（jìn）行尺寸預調整後，按一定的方式放（fàng）入刀庫。換刀時，先（xiān）在刀庫中選刀，再由換（huàn）刀裝置從刀庫或主軸上取出刀具，進行交換，將新刀裝入主軸，舊刀放回刀庫。刀庫具有較大的容量，既可（kě）安裝在主軸箱的側（cè）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（zhī）有一根主（zhǔ）軸，主軸部件的（de）剛度要高，以滿足（zú）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多工序加工，大大提高了（le）機床的適應性和加工效率（lǜ）。帶刀庫的（de）自動換刀係統適用於數控鑽削中心和加工中心。

二、刀（dāo）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（jù），通過機械手實現（xiàn）與主軸上刀具的（de）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（xíng）式和容量要根據機床（chuáng）的工藝範圍來確定。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（zhóu）箱上升到一定（dìng）的位置，使主軸上的刀（dāo）具（jù）正好對準刀庫最下麵的那（nà）個位置，刀具被（bèi）夾住，主軸在CNC的控製下，鬆開刀柄，盤式刀庫向前運動（dòng），拔出主軸上的刀具，然後刀庫將下（xià）一個工序所用的（de）刀具旋轉至與主軸對準的位置，刀庫後退（tuì）將新刀具插入主軸孔中，主軸夾緊刀柄，主軸箱下降到（dào）工作位置（zhì），完成換刀任務，進行下道工序的加工。此（cǐ）換刀裝置的優點是結構簡（jiǎn）單（dān），成本較低，換刀可靠性較好；缺點是換刀時間長，適用於刀（dāo）庫容量較小的加工中心。

對於刀庫容量需要較（jiào）大的（de）加工（gōng）中心可采用鏈式刀庫，鏈式刀（dāo）庫（kù）的結（jié）構緊湊（còu），刀庫容量較（jiào）大，鏈環的形狀可根據機床的布局（jú）製成各種（zhǒng）形狀，也（yě）可將換刀位突（tū）出以（yǐ）便於換刀。當需要增加刀具數量時，隻需（xū）增加鏈條的長度即可，給刀庫設計與製造帶來了方便。

2.刀具的選擇方（fāng）式

一般的刀庫內存放（fàng）有多把刀具（jù），每次換刀前要進行選刀，常用的選刀方法有（yǒu）順序選刀和任意選刀兩種，順序選刀是在加工之前，將加工零（líng）件所需（xū）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，加工不同的工件時必須重新調整刀庫中的刀具順序。其優點是刀庫的驅（qū）動和控製都比較簡單。因此，這種方式適合加工（gōng）批（pī）量較大、工件品種數量較少（shǎo）的中（zhōng）、小型數控機（jī）床（chuáng）的自（zì）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（yòng）任意選（xuǎn）刀的（de）方（fāng）式（shì），其分為刀套編碼、刀具編碼和（hé）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（dāo）具或刀套上安裝用（yòng）於識（shí）別的編碼條，一般都是根據二進製編碼（mǎ）的原理進行編碼。刀具編碼選刀方（fāng）式采（cǎi）用了一種特殊的刀柄結構，並對每把刀具編碼。每把刀具都具有自己的代碼，因（yīn）而刀具可在不（bú）同的（de）工序中多次重複使用，換下的刀具不用放回（huí）原刀座，刀（dāo）庫的容量也（yě）可（kě）相應（yīng）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（kùn）難，刀庫和機械手的結構變複雜。刀套編碼的方式（shì）是一（yī）把刀具隻對應一個刀（dāo）套，從一個刀套中取出的刀具必須放（fàng）回同一刀套中（zhōng），取送刀具十分麻煩，換（huàn）刀（dāo）時間長。目前在加工中心上大量使用記憶式的方式。這種（zhǒng）方式能將刀具號和刀庫中的刀套位（wèi）置對應地記憶在數（shù）控係（xì）統的PLC中，無論刀具放在哪個刀套內，刀具信（xìn）息（xī）都始（shǐ）終記存在PLC內。刀庫上裝有位置檢測裝置，可（kě）獲得每個刀套的位置信息。這樣刀具（jù）就可以任意取出並送回。刀庫上還設有（yǒu）機械（xiè）原點，使每次選刀時就近選取。

三（sān）、刀具交換裝置（zhì）

數控機（jī）床的自動換刀裝置中，實現刀庫與機床（chuáng）主軸之間傳（chuán）遞和裝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（dāo）庫與機床主軸的相（xiàng）對運動實現刀具交換以（yǐ）及采用機械手交換刀具。利用刀（dāo）庫與機床主軸的相對運動實現刀（dāo）具交換的裝置在換刀時必須首先將用過的刀具送回刀庫，然後再從刀庫中取出新刀具，兩個動作不能同時進行，換刀時間較長（zhǎng）。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（zhōng）的（de）刀具，因此（cǐ）換刀時間進一步縮短。采用機械手進行刀具交（jiāo）換的（de）方式應用最廣泛（fàn）。這是因為機（jī）械手換（huàn）刀靈活，動作快，而且結構簡單。機械手（shǒu）能夠完（wán）成抓刀—拔刀—回轉—插刀—返回等一係列動作。為了防止刀具掉落，機械手的活動爪都帶（dài）有自鎖機構（gòu）。

下麵是世界上最現代化的數控機（jī）床換刀，換刀無影手（shǒu）！

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（zhōng），實現（xiàn）刀庫與機床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具（jù）交換裝置。刀（dāo）具的交換方式和它們的具體結構對機床的生（shēng）產（chǎn）率和工作可靠性有著直接的影響。

刀具的交換方式很多（duō），一般可分為以下兩大類。

（一）無（wú）機械手換刀

無機械手（shǒu）換刀，是由（yóu）刀庫和機床主軸的相對運動實現的刀具（jù）交換。換（huàn）刀（dāo）時，必須首先將用過的（de）刀具送回刀庫，然後再從刀庫（kù）中取出新刀具，這兩個動作不可能同時（shí）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（shí）例。它的選刀和換刀由（yóu）三個坐標（biāo）軸的數控定位係統（tǒng）來完（wán）成，因此每交換一次刀具，工作台和（hé）主（zhǔ）軸箱就必須沿著三個坐標軸作（zuò）兩次來回運（yùn）動，因而增加了換刀時間（jiān）。另外，由於刀庫置於工作台上，減少了工（gōng）作台的有效使（shǐ）用麵（miàn）積。

（二）機械手換刀

由於刀庫及刀具交換方式的不同（tóng），換刀機械手也有多種形式（shì）。因為機械手換刀（dāo）有很大的靈活性，而且還可以減少換刀時間，應用最為廣泛（fàn）。

2、機械手（shǒu）形式

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

1．單臂單爪回轉（zhuǎn）式機械手

這（zhè）種機械手（shǒu）的手臂可以回轉不同的角度來進行自動換刀，其手臂（bì）上隻有一個卡爪，不論在刀庫上或是在主軸上，均靠這個卡爪來裝刀及卸刀，因（yīn）此（cǐ）換刀時間較長，如圖（tú）2(a)所示。

2．單臂雙爪回轉式機械手

這種機械手的手臂上有兩（liǎng）個卡爪，兩個卡爪有所（suǒ）分（fèn）工。一個卡爪（zhǎo）隻執行從主軸上取下“舊刀”送回刀庫的任務，另一個卡爪（zhǎo）則執行由刀庫取出“新刀”送到主軸的任務（wù）。其換（huàn）刀時間較上述單爪回轉式機械（xiè）手要（yào）少

3．雙臂回轉式機械手

這種機械手的兩臂上各有（yǒu）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°後又同時將刀具放回刀庫及（jí）裝入主軸。這種機械手（shǒu）換（huàn）刀（dāo）時間較以上兩種單臂機械手均短，是最常用（yòng）的一種形（xíng）式（shì）。右邊的機械手在抓取或將刀具送入刀庫及主軸（zhóu）上，兩臂可伸縮。

4．雙機械手

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

5．雙臂往複交叉式機械手

這種機械手的兩手臂可（kě）以往複運動，並交叉成一定的角度。一個手臂從主軸上取（qǔ）下“舊刀（dāo）”送回刀庫（kù），另一（yī）個手臂由刀（dāo）庫中取出“新刀”裝入主軸。整個機械手可沿某導軌直線移動或繞某個轉軸回轉，以實現由刀庫與主軸間的（de）運刀工作，

6．雙臂端麵夾緊式機械（xiè）手

這種（zhǒng）機械手隻是在夾緊部位上與前幾種不同。前幾種機械手均靠夾緊刀柄的（de）外圓表麵來抓取刀具，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（jiá）持結構

在換刀（dāo）過程中，由於機械手抓住刀（dāo）柄要作快速回轉，要（yào）作拔、插刀具的動作，還要保證刀柄鍵槽的角度位置對準主軸上的驅動鍵。因此，機（jī）械手的夾持（chí）部分要十分可靠，並保證有適當的夾緊力，其活動爪要有鎖緊裝置，以防止刀具在換刀過程中轉動脫落。機械手夾持刀具的（de）方法（fǎ）有以（yǐ）下（xià）兩種。

（一）柄式夾持

柄式夾持（chí），也稱軸向夾持或V形（xíng）槽夾持。其刀（dāo）柄前端有V形槽，供機械手夾持用，目前我國數控機床較多采用（yòng）這種夾持方式。機械（xiè）手手掌結構示意圖，它由固定爪及活動爪組成，活動（dòng）爪可繞軸回轉，其一端在彈簧柱塞的（de）作用下，支靠在擋銷上，調整螺釘以保持手掌（zhǎng）適當的夾緊力，鎖（suǒ）緊銷使活動爪（zhǎo）牢固地夾持刀柄，防止刀具在交換（huàn）過程中鬆脫。鎖緊銷還可軸向移動，使活動爪放（fàng）鬆，以便杈（chā）刀從刀（dāo）柄V形（xíng）槽中（zhōng）退出。

4、自動換刀動作順序

由（yóu）於自動換刀（dāo）裝置的布局結構（gòu）多種多樣，其換刀過程動作順序會不盡相同（tóng）。下（xià）麵分別以（yǐ）常見的雙臂往複交叉式機械手和鉤刀機械手為例用動作分圖加以說明。

（一（yī））雙臂往複（fù）交叉式機（jī）械手的換刀過程

（1）開始換刀前狀態（tài）。主軸正用T05號刀具（jù）進行加工，裝刀機（jī）械手（shǒu）已抓住下一工步需用的T09號刀具，機械手架（jià）處於最高位（wèi）置，為換刀做好（hǎo）了準備；

（2）上一工步結束，機床立柱後（hòu）退，主（zhǔ）軸箱上升，使主軸處於換刀位置。接著下一工步開始，其第一個指（zhǐ）令是換刀，機械手架回（huí）轉180o轉向主軸。

（3）卸刀機（jī）械手前伸，抓住主軸上已用過的T05號刀具。

（4）機械（xiè）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）卸刀（dāo）機械手縮回原位。

（6）裝（zhuāng）刀機械手前（qián）伸（shēn），使T09號刀具對準主軸。

（7）機械手架後移，將T09號刀具插入主軸（zhóu）。

（8）裝刀機械手縮回原位（wèi）。

（9）機械手架回轉180o，使裝（zhuāng）刀、卸刀機械（xiè）手轉向刀庫（kù）。

（10）機械手架由橫梁帶動下降（jiàng），找第二排刀套（tào）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（dòng）把在下一個工步需用的T46號刀具（jù）送到換刀位置,機械手一降,找第三排刀鏈（liàn）,由裝刀機械手將T46號刀具取出（chū）。

（12）刀套（tào）鏈反轉，把P09號刀套送（sòng）到換刀位置，同時機械手（shǒu）架上升至最高（gāo）位置，為再下一工（gōng）步的換刀做好準備。

（二）鉤刀機（jī）械手的換刀過程

作為最常用的（de）一（yī）種換刀形式，換刀一次所需的基本動（dòng）作如下。

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

（2）拔刀（dāo）。主軸夾頭鬆（sōng）開（kāi）刀具，機械手同時（shí）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（jù）更換。

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

（5）複（fù）位。轉動手臂，回到原始位置。