一、斗笠式刀庫(kù)

一般只能存16~24把刀具，斗笠式刀庫(kù)在換刀時(shí)整個(gè)刀庫(kù)向主軸移動(dòng)。當(dāng)主軸上的刀具進(jìn)入刀庫(kù)的卡槽時(shí)，主軸向上移動(dòng)脫離刀具，這時(shí)刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)要換的刀具對(duì)正主軸正下方時(shí)主軸下移，使刀具進(jìn)入主軸錐孔內(nèi)，夾緊刀具后，刀庫(kù)退回原來(lái)的位置。

二、圓盤(pán)式刀庫(kù)

圓盤(pán)式刀庫(kù)通常應(yīng)用在小型立式綜合加工機(jī)上。"圓盤(pán)刀庫(kù)"一般俗稱(chēng)"盤(pán)式刀庫(kù)"，以便和"斗笠式刀庫(kù)"、"鏈條式刀庫(kù)"相區(qū)分。圓盤(pán)式的刀庫(kù)容量不大，頂多二、三十把刀。需搭配自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)ATC(AutoToolsChange)進(jìn)行刀具交換。

三、鏈條式刀庫(kù)

鏈條式刀庫(kù)的特點(diǎn)是可儲(chǔ)放較多數(shù)量之刀具，一般都在20把以上，有些可儲(chǔ)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(jī)械手將刀具裝到主軸上。換刀動(dòng)作均采用馬達(dá)加機(jī)加工中心使用的刀庫(kù)最常見(jiàn)的形式是圓盤(pán)式刀庫(kù)和機(jī)械手換刀刀庫(kù)。

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?；剞D(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)，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)。

下面是世界上最現(xiàn)代化的數(shù)控機(jī)床換刀，換刀無(wú)影手！

16位自動(dòng)換刀刀庫(kù)

1、刀具交換方式

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。刀具的交換方式和它們的具體結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)床的生產(chǎn)率和工作可靠性有著直接的影響。

刀具的交換方式很多，一般可分為以下兩大類(lèi)。

（一）無(wú)機(jī)械手換刀

無(wú)機(jī)械手換刀，是由刀庫(kù)和機(jī)床主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的刀具交換。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，這兩個(gè)動(dòng)作不可能同時(shí)進(jìn)行，因此，換刀時(shí)間長(zhǎng)。所示的數(shù)控立式鏜銑床就是采用這種換刀方式的實(shí)例。它的選刀和換刀由三個(gè)坐標(biāo)軸的數(shù)控定位系統(tǒng)來(lái)完成，因此每交換一次刀具，工作臺(tái)和主軸箱就必須沿著三個(gè)坐標(biāo)軸作兩次來(lái)回運(yùn)動(dòng)，因而增加了換刀時(shí)間。另外，由于刀庫(kù)置于工作臺(tái)上，減少了工作臺(tái)的有效使用面積。

（二）機(jī)械手換刀

由于刀庫(kù)及刀具交換方式的不同，換刀機(jī)械手也有多種形式。因?yàn)闄C(jī)械手換刀有很大的靈活性，而且還可以減少換刀時(shí)間，應(yīng)用最為廣泛。

2、機(jī)械手形式

在自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床中，機(jī)械手的形式也是多種多樣，常見(jiàn)的有以下幾種形式。

1．單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手

這種機(jī)械手的手臂可以回轉(zhuǎn)不同的角度來(lái)進(jìn)行自動(dòng)換刀，其手臂上只有一個(gè)卡爪，不論在刀庫(kù)上或是在主軸上，均靠這個(gè)卡爪來(lái)裝刀及卸刀，因此換刀時(shí)間較長(zhǎng)，如圖2(a)所示。

2．單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手

這種機(jī)械手的手臂上有兩個(gè)卡爪，兩個(gè)卡爪有所分工。一個(gè)卡爪只執(zhí)行從主軸上取下“舊刀”送回刀庫(kù)的任務(wù)，另一個(gè)卡爪則執(zhí)行由刀庫(kù)取出“新刀”送到主軸的任務(wù)。其換刀時(shí)間較上述單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手要少

3．雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手

這種機(jī)械手的兩臂上各有一個(gè)卡爪，兩個(gè)卡爪可同時(shí)抓取刀庫(kù)及主軸上的刀具，回轉(zhuǎn)180°后又同時(shí)將刀具放回刀庫(kù)及裝入主軸。這種機(jī)械手換刀時(shí)間較以上兩種單臂機(jī)械手均短，是最常用的一種形式。右邊的機(jī)械手在抓取或?qū)⒌毒咚腿氲稁?kù)及主軸上，兩臂可伸縮。

4．雙機(jī)械手

這種機(jī)械手相當(dāng)于兩個(gè)單臂單爪機(jī)械手，它們互相配合進(jìn)行自動(dòng)換刀。其中一個(gè)機(jī)械手從主軸上取下“舊刀”送回刀庫(kù)，另一個(gè)由刀庫(kù)中取出“新刀”裝入機(jī)床主軸，

5．雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手

這種機(jī)械手的兩手臂可以往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并交叉成一定的角度。一個(gè)手臂從主軸上取下“舊刀”送回刀庫(kù)，另一個(gè)手臂由刀庫(kù)中取出“新刀”裝入主軸。整個(gè)機(jī)械手可沿某導(dǎo)軌直線移動(dòng)或繞某個(gè)轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)由刀庫(kù)與主軸間的運(yùn)刀工作，

6．雙臂端面夾緊式機(jī)械手

這種機(jī)械手只是在夾緊部位上與前幾種不同。前幾種機(jī)械手均靠夾緊刀柄的外圓表面來(lái)抓取刀具，這種機(jī)械手則是靠夾緊刀柄的兩個(gè)端面來(lái)抓取的。

3、機(jī)械手夾持結(jié)構(gòu)

在換刀過(guò)程中，由于機(jī)械手抓住刀柄要作快速回轉(zhuǎn)，要作拔、插刀具的動(dòng)作，還要保證刀柄鍵槽的角度位置對(duì)準(zhǔn)主軸上的驅(qū)動(dòng)鍵。因此，機(jī)械手的夾持部分要十分可靠，并保證有適當(dāng)?shù)膴A緊力，其活動(dòng)爪要有鎖緊裝置，以防止刀具在換刀過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)脫落。機(jī)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(chēng)軸向夾持或V形槽夾持。其刀柄前端有V形槽，供機(jī)械手夾持用，目前我國(guó)數(shù)控機(jī)床較多采用這種夾持方式。機(jī)械手手掌結(jié)構(gòu)示意圖，它由固定爪及活動(dòng)爪組成，活動(dòng)爪可繞軸回轉(zhuǎn)，其一端在彈簧柱塞的作用下，支靠在擋銷(xiāo)上，調(diào)整螺釘以保持手掌適當(dāng)?shù)膴A緊力，鎖緊銷(xiāo)使活動(dòng)爪牢固地夾持刀柄，防止刀具在交換過(guò)程中松脫。鎖緊銷(xiāo)還可軸向移動(dòng)，使活動(dòng)爪放松，以便杈刀從刀柄V形槽中退出。

4、自動(dòng)換刀動(dòng)作順序

由于自動(dòng)換刀裝置的布局結(jié)構(gòu)多種多樣，其換刀過(guò)程動(dòng)作順序會(huì)不盡相同。下面分別以常見(jiàn)的雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手和鉤刀機(jī)械手為例用動(dòng)作分圖加以說(shuō)明。

（一）雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手的換刀過(guò)程

（1）開(kāi)始換刀前狀態(tài)。主軸正用T05號(hào)刀具進(jìn)行加工，裝刀機(jī)械手已抓住下一工步需用的T09號(hào)刀具，機(jī)械手架處于最高位置，為換刀做好了準(zhǔn)備；

（2）上一工步結(jié)束，機(jī)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(kāi)始，其第一個(gè)指令是換刀，機(jī)械手架回轉(zhuǎn)180o轉(zhuǎn)向主軸。

（3）卸刀機(jī)械手前伸，抓住主軸上已用過(guò)的T05號(hào)刀具。

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

（5）卸刀機(jī)械手縮回原位。

（6）裝刀機(jī)械手前伸，使T09號(hào)刀具對(duì)準(zhǔn)主軸。

（7）機(jī)械手架后移，將T09號(hào)刀具插入主軸。

（8）裝刀機(jī)械手縮回原位。

（9）機(jī)械手架回轉(zhuǎn)180o，使裝刀、卸刀機(jī)械手轉(zhuǎn)向刀庫(kù)。

（10）機(jī)械手架由橫梁帶動(dòng)下降，找第二排刀套鏈，卸刀機(jī)械手將T05號(hào)刀具插回P05號(hào)刀套中。

（11）刀套鏈轉(zhuǎn)動(dòng)把在下一個(gè)工步需用的T46號(hào)刀具送到換刀位置,機(jī)械手一降,找第三排刀鏈,由裝刀機(jī)械手將T46號(hào)刀具取出。

（12）刀套鏈反轉(zhuǎn)，把P09號(hào)刀套送到換刀位置，同時(shí)機(jī)械手架上升至最高位置，為再下一工步的換刀做好準(zhǔn)備。

（二）鉤刀機(jī)械手的換刀過(guò)程

作為最常用的一種換刀形式，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(shí)抓住刀庫(kù)和主軸上的刀具。

（2）拔刀。主軸夾頭松開(kāi)刀具，機(jī)械手同時(shí)將刀庫(kù)和主軸上的刀具拔出。

（3）換刀。手臂旋轉(zhuǎn)180o，新舊刀具更換。

（4）插刀。機(jī)械手同時(shí)將新舊刀具分別插入主軸和刀庫(kù)，然后主軸夾頭夾緊刀具；

（5）復(fù)位。轉(zhuǎn)動(dòng)手臂，回到原始位置。