數(shù)控機(jī)床為了能在工件一次裝夾中完成多道加工工序，縮短輔助時(shí)間，減少多次安裝工件所引起的誤差，必須帶有自動(dòng)換刀裝置。自動(dòng)換刀裝置應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足換刀時(shí)間短、刀具重復(fù)定位精度高、刀具儲(chǔ)存量足夠、刀庫(kù)占地面積小以及安全可靠等基本要求。

一、自動(dòng)換刀裝置的形式

1．回轉(zhuǎn)刀架換刀

回轉(zhuǎn)刀架是一種最簡(jiǎn)單的自動(dòng)換刀裝置，常用于數(shù)控車(chē)床。可以設(shè)計(jì)成四方刀架、六角刀架或圓盤(pán)式軸向裝刀刀架等多種形式。回轉(zhuǎn)刀架上分別安裝著四把、六把或更多的刀具，并按數(shù)控裝置的指令換刀。

回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強(qiáng)度和剛度，以承受粗加工時(shí)的切削抗力。由于車(chē)削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置，對(duì)于數(shù)控車(chē)床來(lái)說(shuō)，加工過(guò)程中刀具位置不進(jìn)行人工調(diào)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(gòu)，以保證回轉(zhuǎn)刀架在每次轉(zhuǎn)位之后，具有盡可能高的重復(fù)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(dòng)作包括刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位及刀架壓緊等。

2．更換主軸頭換刀（刀具旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動(dòng)）

更換主軸換刀是帶有旋轉(zhuǎn)刀具的數(shù)控機(jī)床的一種比較簡(jiǎn)單的換刀方式。這種主軸頭實(shí)際上就

是一個(gè)轉(zhuǎn)塔刀庫(kù)。

主軸頭有臥式和立式兩種，通常用轉(zhuǎn)塔的轉(zhuǎn)位來(lái)更換主軸頭，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀。在轉(zhuǎn)塔的各個(gè)主軸上，預(yù)先安裝有各工序所需要的旋轉(zhuǎn)刀具，當(dāng)發(fā)出換刀指令時(shí)，各主軸頭依次地轉(zhuǎn)到加工位置，并接通主運(yùn)動(dòng)，使相應(yīng)的主軸帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)。而其它處于不加工位置上的主軸都與主運(yùn)動(dòng)脫開(kāi)。

這種更換主軸換刀裝置，省去了自動(dòng)松、夾、卸刀、裝刀以及刀具搬運(yùn)等一系列的復(fù)雜操作，從而縮短了換刀時(shí)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(jié)構(gòu)尺寸不能太大，因而影響了主軸系統(tǒng)的剛性。為了保證主軸的剛性，必須限制主軸的數(shù)目，否則會(huì)使結(jié)構(gòu)尺寸增大。因此，轉(zhuǎn)塔主軸頭通常只適用于工序較少、精度要求不太高的機(jī)床，例如數(shù)控鉆、銑床等。

3.帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)

由于回轉(zhuǎn)刀架、轉(zhuǎn)塔頭式換刀裝置容納的刀具數(shù)量不能太多，不能滿(mǎn)足復(fù)雜零件的加工需要，因此，自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床多采用帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置。帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置由刀庫(kù)和換刀機(jī)構(gòu)組成，換刀過(guò)程較為復(fù)雜。首先要把加工過(guò)程中使用的全部刀具分別安裝在標(biāo)準(zhǔn)刀柄上，在機(jī)外進(jìn)行尺寸預(yù)調(diào)整后，按一定的方式放入刀庫(kù)。換刀時(shí)，先在刀庫(kù)中選刀，再由換刀裝置從刀庫(kù)或主軸上取出刀具，進(jìn)行交換，將新刀裝入主軸，舊刀放回刀庫(kù)。刀庫(kù)具有較大的容量，既可安裝在主軸箱的側(cè)面或上方。由于帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床的主軸箱內(nèi)只有一根主軸，主軸部件的剛度要高，以滿(mǎn)足精密加工要求。

另外，刀庫(kù)內(nèi)刀具數(shù)量較大，因而能夠進(jìn)行復(fù)雜零件的多工序加工，大大提高了機(jī)床的適應(yīng)性和加工效率。帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)適用于數(shù)控鉆削中心和加工中心。

二、刀庫(kù)和刀具的選擇方式

1.刀庫(kù)類(lèi)型

刀庫(kù)的作用是儲(chǔ)備一定數(shù)量的刀具，通過(guò)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)與主軸上刀具的互換。刀庫(kù)的類(lèi)型有盤(pán)式刀庫(kù)、鏈?zhǔn)降稁?kù)等多種形式，刀庫(kù)的形式和容量要根據(jù)機(jī)床的工藝范圍來(lái)確定。圖7-16所示的盤(pán)式刀庫(kù)，刀具的方向與主軸同向，換刀時(shí)主軸箱上升到一定的位置，使主軸上的刀具正好對(duì)準(zhǔn)刀庫(kù)最下面的那個(gè)位置，刀具被夾住，主軸在CNC的控制下，松開(kāi)刀柄，盤(pán)式刀庫(kù)向前運(yùn)動(dòng)，拔出主軸上的刀具，然后刀庫(kù)將下一個(gè)工序所用的刀具旋轉(zhuǎn)至與主軸對(duì)準(zhǔn)的位置，刀庫(kù)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(wù)，進(jìn)行下道工序的加工。此換刀裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，換刀可靠性較好；缺點(diǎn)是換刀時(shí)間長(zhǎng)，適用于刀庫(kù)容量較小的加工中心。

對(duì)于刀庫(kù)容量需要較大的加工中心可采用鏈?zhǔn)降稁?kù)（圖7-17），鏈?zhǔn)降稁?kù)的結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫(kù)容量較大，鏈環(huán)的形狀可根據(jù)機(jī)床的布局制成各種形狀，也可將換刀位突出以便于換刀。當(dāng)需要增加刀具數(shù)量時(shí)，只需增加鏈條的長(zhǎng)度即可，給刀庫(kù)設(shè)計(jì)與制造帶來(lái)了方便。

2.刀具的選擇方式

一般的刀庫(kù)內(nèi)存放有多把刀具，每次換刀前要進(jìn)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(kù)的刀套中，加工是按順序調(diào)刀，加工不同的工件時(shí)必須重新調(diào)整刀庫(kù)中的刀具順序。其優(yōu)點(diǎn)是刀庫(kù)的驅(qū)動(dòng)和控制都比較簡(jiǎn)單。因此，這種方式適合加工批量較大、工件品種數(shù)量較少的中、小型數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀。

隨著數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，目前大多數(shù)的數(shù)控系統(tǒng)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(shí)別的編碼條，一般都是根據(jù)二進(jìn)制編碼的原理進(jìn)行編碼。刀具編碼選刀方式采用了一種特殊的刀柄結(jié)構(gòu)，并對(duì)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(fù)使用，換下的刀具不用放回原刀座，刀庫(kù)的容量也可相應(yīng)減少。但每把刀具上都帶有專(zhuān)用的編碼環(huán)，刀具長(zhǎng)度加長(zhǎng)，制造困難，刀庫(kù)和機(jī)械手的結(jié)構(gòu)變復(fù)雜。刀套編碼的方式是一把刀具只對(duì)應(yīng)一個(gè)刀套，從一個(gè)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(shí)間長(zhǎng)。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(hào)和刀庫(kù)中的刀套位置對(duì)應(yīng)地記憶在數(shù)控系統(tǒng)的PLC中，無(wú)論刀具放在哪個(gè)刀套內(nèi)，刀具信息都始終記存在PLC內(nèi)。刀庫(kù)上裝有位置檢測(cè)裝置，可獲得每個(gè)刀套的位置信息。這樣刀具就可以任意取出并送回。刀庫(kù)上還設(shè)有機(jī)械原點(diǎn)，使每次選刀時(shí)就近選取。

三、刀具交換裝置

數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置中，實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)與機(jī)床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱(chēng)為刀具交換裝置。刀具的交換方式有兩種：由刀庫(kù)與機(jī)床主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀具交換以及采用機(jī)械手交換刀具。利用刀庫(kù)與機(jī)床主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀具交換的裝置在換刀時(shí)必須首先將用過(guò)的刀具送回刀庫(kù)，然后再?gòu)牡稁?kù)中取出新刀具，兩個(gè)動(dòng)作不能同時(shí)進(jìn)行，換刀時(shí)間較長(zhǎng)。而采用機(jī)械手換刀裝置在換刀時(shí)能夠同時(shí)抓取和裝卸機(jī)床主軸和刀庫(kù)中的刀具，因此換刀時(shí)間進(jìn)一步縮短。采用機(jī)械手進(jìn)行刀具交換的方式應(yīng)用最廣泛。這是因?yàn)闄C(jī)械手換刀靈活，動(dòng)作快，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。機(jī)械手能夠完成抓刀—拔刀—回轉(zhuǎn)—插刀—返回等一系列動(dòng)作。為了防止刀具掉落，機(jī)械手的活動(dòng)爪都帶有自鎖機(jī)構(gòu)。