一、斗笠式刀庫

 

一般只能存16~24把刀具，斗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槽時，主軸向上移動脫離刀具，這時刀庫轉動。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，夾緊刀具后，刀庫退回原來的位置。

 

 

二、圓盤式刀庫

 

圓盤式刀庫通常應用在小型立式綜合加工機上。"圓盤刀庫"一般俗稱"盤式刀庫"，以便和"斗笠式刀庫"、"鏈條式刀庫"相區分。圓盤式的刀庫容量不大，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

 

鏈條式刀庫的特點是可儲放較多數量之刀具，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。換刀動作均采用馬達加機加工中心使用的刀庫最常見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，常用于數控車床。可以設計成四方刀架、六角刀架或圓盤式軸向裝刀刀架等多種形式。回轉刀架上分別安裝著四把、六把或更多的刀具，并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，以承受粗加工時的切削抗力。由于車削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置，對于數控車床來說，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結構，以保證回轉刀架在每次轉位之后，具有盡可能高的重復定位精度（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．更換主軸頭換刀（刀具旋轉為主運動）

 

更換主軸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，通常用轉塔的轉位來更換主軸頭，以實現自動換刀。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，當發出換刀指令時，各主軸頭依次地轉到加工位置，并接通主運動，使相應的主軸帶動刀具旋轉。而其它處于不加工位置上的主軸都與主運動脫開。

 

 

這種更換主軸換刀裝置，省去了自動松、夾、卸刀、裝刀以及刀具搬運等一系列的復雜操作，從而縮短了換刀時間，并提高了換刀的可靠性。但是由于空間位置的限制，使主軸部件結構尺寸不能太大，因而影響了主軸系統的剛性。為了保證主軸的剛性，必須限制主軸的數目，否則會使結構尺寸增大。因此，轉塔主軸頭通常只適用于工序較少、精度要求不太高的機床，例如數控鉆、銑床等。

 

 

3.帶刀庫的自動換刀系統

 

由于回轉刀架、轉塔頭式換刀裝置容納的刀具數量不能太多，不能滿足復雜零件的加工需要，因此，自動換刀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庫和換刀機構組成，換刀過程較為復雜。首先要把加工過程中使用的全部刀具分別安裝在標準刀柄上，在機外進行尺寸預調整后，按一定的方式放入刀庫。換刀時，先在刀庫中選刀，再由換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，既可安裝在主軸箱的側面或上方。由于帶刀庫的自動換刀裝置的數控機床的主軸箱內只有一根主軸，主軸部件的剛度要高，以滿足精密加工要求。

 

 

另外，刀庫內刀具數量較大，因而能夠進行復雜零件的多工序加工，大大提高了機床的適應性和加工效率。帶刀庫的自動換刀系統適用于數控鉆削中心和加工中心。

 

 

二、刀庫和刀具的選擇方式

 

 

1.刀庫類型

 

刀庫的作用是儲備一定數量的刀具，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，刀庫的形式和容量要根據機床的工藝范圍來確定。圖7-16所示的盤式刀庫，刀具的方向與主軸同向，換刀時主軸箱上升到一定的位置，使主軸上的刀具正好對準刀庫最下面的那個位置，刀具被夾住，主軸在CNC的控制下，松開刀柄，盤式刀庫向前運動，拔出主軸上的刀具，然后刀庫將下一個工序所用的刀具旋轉至與主軸對準的位置，刀庫后退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，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簡單，成本較低，換刀可靠性較好；缺點是換刀時間長，適用于刀庫容量較小的加工中心。

 

 

對于刀庫容量需要較大的加工中心可采用鏈式刀庫，鏈式刀庫的結構緊湊，刀庫容量較大，鏈環的形狀可根據機床的布局制成各種形狀，也可將換刀位突出以便于換刀。當需要增加刀具數量時，只需增加鏈條的長度即可，給刀庫設計與制造帶來了方便。

 

 

2.刀具的選擇方式

 

一般的刀庫內存放有多把刀具，每次換刀前要進行選刀，常用的選刀方法有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，加工不同的工件時必須重新調整刀庫中的刀具順序。其優點是刀庫的驅動和控制都比較簡單。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。

 

 

隨著數控系統的發展，目前大多數的數控系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安裝用于識別的編碼條，一般都是根據二進制編碼的原理進行編碼。刀具編碼選刀方式采用了一種特殊的刀柄結構，并對每把刀具編碼。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復使用，換下的刀具不用放回原刀座，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，制造困難，刀庫和機械手的結構變復雜。刀套編碼的方式是一把刀具只對應一個刀套，從一個刀套中取出的刀具必須放回同一刀套中，取送刀具十分麻煩，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套位置對應地記憶在數控系統的PLC中，無論刀具放在哪個刀套內，刀具信息都始終記存在PLC內。刀庫上裝有位置檢測裝置，可獲得每個刀套的位置信息。這樣刀具就可以任意取出并送回。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。利用刀庫與機床主軸的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，然后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。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，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用最廣泛。這是因為機械手換刀靈活，動作快，而且結構簡單。機械手能夠完成抓刀—拔刀—回轉—插刀—返回等一系列動作。為了防止刀具掉落，機械手的活動爪都帶有自鎖機構。

 

下面是世界上最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的生產率和工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）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，必須首先將用過的刀具送回刀庫，然后再從刀庫中取出新刀具，這兩個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。它的選刀和換刀由三個坐標軸的數控定位系統來完成，因此每交換一次刀具，工作臺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，由于刀庫置于工作臺上，減少了工作臺的有效使用面積。

 

 

（二）機械手換刀

 

 

由于刀庫及刀具交換方式的不同，換刀機械手也有多種形式。因為機械手換刀有很大的靈活性，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進行自動換刀，其手臂上只有一個卡爪，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爪，兩個卡爪有所分工。一個卡爪只執行從主軸上取下“舊刀”送回刀庫的任務，另一個卡爪則執行由刀庫取出“新刀”送到主軸的任務。其換刀時間較上述單爪回轉式機械手要少

 

 

3．雙臂回轉式機械手

 

 

這種機械手的兩臂上各有一個卡爪，兩個卡爪可同時抓取刀庫及主軸上的刀具，回轉180°后又同時將刀具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，兩臂可伸縮。

 

 

4．雙機械手

 

 

這種機械手相當于兩個單臂單爪機械手，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．雙臂往復交叉式機械手

 

 

這種機械手的兩手臂可以往復運動，并交叉成一定的角度。一個手臂從主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另一個手臂由刀庫中取出“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運刀工作，

 

 

6．雙臂端面夾緊式機械手

 

 

這種機械手只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外圓表面來抓取刀具，這種機械手則是靠夾緊刀柄的兩個端面來抓取的。

 

 

3、機械手夾持結構

 

 

在換刀過程中，由于機械手抓住刀柄要作快速回轉，要作拔、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，機械手的夾持部分要十分可靠，并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。機械手夾持刀具的方法有以下兩種。

 

 

（一）柄式夾持

 

 

柄式夾持，也稱軸向夾持或V形槽夾持。其刀柄前端有V形槽，供機械手夾持用，目前我國數控機床較多采用這種夾持方式。機械手手掌結構示意圖，它由固定爪及活動爪組成，活動爪可繞軸回轉，其一端在彈簧柱塞的作用下，支靠在擋銷上，調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，防止刀具在交換過程中松脫。鎖緊銷還可軸向移動，使活動爪放松，以便杈刀從刀柄V形槽中退出。

 

 

4、自動換刀動作順序

 

 

由于自動換刀裝置的布局結構多種多樣，其換刀過程動作順序會不盡相同。下面分別以常見的雙臂往復交叉式機械手和鉤刀機械手為例用動作分圖加以說明。

 

 

（一）雙臂往復交叉式機械手的換刀過程

 

 

（1）開始換刀前狀態。主軸正用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，機械手架處于最高位置，為換刀做好了準備；

 

 

（2）上一工步結束，機床立柱后退，主軸箱上升，使主軸處于換刀位置。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，抓住主軸上已用過的T05號刀具。

 

 

（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）卸刀機械手縮回原位。

 

 

（6）裝刀機械手前伸，使T09號刀具對準主軸。

 

 

（7）機械手架后移，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,機械手一降,找第三排刀鏈,由裝刀機械手將T46號刀具取出。

 

 

（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位置，為再下一工步的換刀做好準備。

 

 

（二）鉤刀機械手的換刀過程

 

 

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，同時抓住刀庫和主軸上的刀具。

 

（2）拔刀。主軸夾頭松開刀具，機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，然后主軸夾頭夾緊刀具；

 

 

（5）復位。轉動手臂，回到原始位置。