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6.4自动换刀装置自动换刀装置的作用无自动换刀功能的数控机床只能完成单工序的加工，如车、钻、铣等。因此，其加工效率的提高受到一定的限制，特别是对于占辅助时间较长的刀具交换和刀具尺寸调整、对刀等还需要手动完成。目前，自动换刀装置已广泛用于镗铣床、铣床、钻床、车床、组合机床及其他机床上。使用自动换刀装置再配合精密数控转台、不仅扩大了数控机床的使用范围，还可使加工效率得到了大大提高，同时，由于零件一次安装可以完成多工序加工，减少了零件安装定位次数和装夹误差，从而进一步提高了加工精度。6.4自动换刀装置自动换刀装置在数控机床上，实现刀具自动交换的装置称为自动换刀装置。自动换刀装置所必须具备的功能必须能够存放一定数量的刀具；换刀时间短；刀具重复定位精度高；结构简单、制造成本低、可靠性高是对数控机床自动换刀装置的基本要求。其中，特别是自动换刀装置的可靠性，对于自动换刀机床来说显得尤其重要。6.4.1自动换刀装置的分类自动换刀装置根据其组成结构可分为回转刀架式、转塔式、无机械手式和有机械手式自动换刀装置。回转刀架式：在数控车床上，由于工件安装于主轴上，刀具只需在刀架上进行交换即可，它不涉及到主轴和刀架间的刀具交换问题，因此，换刀装置结构简单，形式比较单一，通常都使用回转刀架进行换刀。6.4.1自动换刀装置的分类在加工中心上，由于刀具被安装于主轴上，换刀必须在主轴和刀库之间进行，为此，必须设计专门的自动换刀装置和刀库，其刀具的交换方式通常可以分为无机械手换刀和带机械手换刀两大类。无机械手换刀方式是通过刀库与机床主轴的相对运动，结合刀库的回转运动，实现刀具自动交换的方法。这种换刀方式的特点是结构简单，动作可靠，不需要专门的换刀机械手。但其缺点是刀具交换的时间较长，刀具数量不宜过多，刀库的布局也受到局限，通常在小型加工中心上使用较多。机械手换刀是利用机械手实现主轴和刀库间刀具交换的方式。它可以克服无机械手换刀的缺点，刀具交换速度快，刀具数量多，刀库布局灵活，使用范围广。但其结构通常较复杂，制造成本高。6.4.1自动换刀装置的分类6.4.1自动换刀装置的分类（1）刀架抬起当数控装置发出换刀指令后，电动机1起动正转，并经联轴器2使蜗杆3转动，从而带动蜗轮丝杠4转动。刀架体7的内孔加工有螺纹与丝杠联结，蜗轮4与丝杠为整体结构。当蜗轮开始转动时，由于刀架底座5和刀架体7上的端面齿处于啮合状态，且蜗轮丝杠轴向固定，因此刀架体7抬起。6.4.1自动换刀装置的分类（2）刀架转位当刀架抬起至一定的距离后，端面齿脱，转位套9用销钉与蜗轮丝杠4联结，随蜗轮丝杠一同转动。当端面齿完全脱开时，转位套正好转过160，球头销8在弹簧力的作用下进入转位套9的槽中，带动刀架体转位；6.4.1自动换刀装置的分类（3）刀架定位刀架体7转动时带动电刷座10转动，当转到程序指定的位置时，粗定位销15在弹簧力的作用下进入粗定位盘6的槽中进行粗定位，同时电刷13接触导体使电动机1反转。由于粗定位槽的限制，刀架体7不能转动，使其在该位置垂直落下，刀架体7和刀架底座5上的端面齿啮合实现精确定位；6.4.1自动换刀装置的分类（4）刀架压紧刀架精确定位后，电动机1继续反转，夹紧刀架，当两端面齿增加到一定夹紧力时，电动机停止转动，从而完成一次换刀过程。6.4.1自动换刀装置的分类2.转塔式自动换刀装置在带有旋转刀具的数控机床中，更换主轴头换刀是一种简单的换刀方式，主轴头通常有卧式和立式两种，而且常用转塔的转位来更换主轴头以实现自动换刀，各个主轴头上预先装有各工序加工所需要的旋转刀具，当收到换刀指令时，各主轴头依次转到加工位置，并接通主运动使相应的主轴带动刀具旋转，而其他处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。6.4.1自动换刀装置的分类转塔主轴头换刀方式的主要优点是：省去了自动松夹、卸刀装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作，明显地减少了换刀时间，提高了换刀的可靠性；转塔主轴头换刀方式的缺点是：但是由于结构上的原因和空间位置的限制，主轴的数目不可能很多。因此，转塔主轴头换刀通常只适用于工序较少、精度要求不太高的数控机床，例如数控铣床。6.4.1自动换刀装置的分类3.带刀库的自动换刀装置目前大量使用的是带有刀库的自动换刀装置。由于有刀库，加工中心只需要一个夹持刀具进行切削的主轴。当需要某一刀具进行切削加工时，将该刀具自动地从刀库交换到主轴上，切削完毕后又将用过的刀具自动地从主轴上放回刀库。由于换刀过程是在各个部件之间进行的，所以要求参与换刀的各部件的动作必须准确协调。这种换刀方式的主轴不像转塔式换刀机构那样受限制，因此主轴刚度可以提高，还有利于提高加工精度和加工效率。而且刀具的存储容量增多，有利于加工复杂零件。刀库还可离开加工区，消除了很多不必要的干扰。带有刀库的自动换刀装置可分为无机械手换刀装置和有机械手换刀装置两类。6.4.1自动换刀装置的分类无机械手的换刀装置一般把刀库放在主轴箱可以运动到的位置，即整个刀库或刀库的某一刀位能移动到主轴箱可以到达的位置。刀库中刀具的存放方向一般与主轴箱的装刀方向一致。换刀时通过主轴和刀库的相对运动执行换刀动作，利用主轴取走或放回刀具。无机械手换刀装置的优点是结构简单，成本低，换刀的可靠性也较高。其缺点是由于结构所限刀库的容量不大，且换刀时间较长（一般需要10～20s）。因此，多为中、小型加工中心采用。6.4.1自动换刀装置的分类有机械手的换刀装置一般由机械手和刀库组成。其刀库的配置、位置及数量的选用要比无机械手的换刀系统灵活得多。它可以根据不同得要求配置不同形式得机械手，可以采用单臂、双臂机械手，或采用配置主机械手和辅助机械手得形式。它能够配备多至数百把刀具得刀库，换刀时间可缩短到几秒甚至零点几秒。因此目前大多数加工中心都配有带机械手的换刀装置。由于刀库位置和机械手换刀动作的不同，其自动换刀装置的结构形式也多种多样。6.4.2刀库刀库用来存储加工刀具及辅助工具。由于多数加工中心的取送刀位置都是在刀库中得某一固定刀位，因此刀库还需要有使刀具运动及定位的机构，以保证换刀的可靠进行。使刀具运动的动力可采用伺服电动机。刀具的定位机构用来保证要更换的每一把刀具和刀套都能准确地停在换刀位置上，其控制部分可以采用简易位置控制器，或类似半闭环进给系统的伺服位置控制，也可以采用电气和机械相结合的销定位方式，一般要求其综合定位精度达到0.1～0.5mm即可。6.4.2刀库1.刀库类型右图所示为几种典型的刀库刀库可分为圆盘式刀库、链式刀库、箱格式刀库。圆库式刀库结构简单，应用也较多。但由于刀具采用环形排列，空间利用率低。因此出现了将刀具在盘中采用双环或多环排列的形式，以增加空间利用率。但这样使刀库的外径扩大，转动惯量也增大，选刀时间较长。因此，圆盘式刀库一般用于刀具容量较小的刀库。6.4.2刀库链式刀库的结构紧凑，刀库容量较大，链的形状可以根据机床的布局配置，也可将换刀位突出以利于换刀。当必须增加链式刀库的刀具容量时，只需增加链条的长度，在一定范围内，无需变更刀库的线速度及惯量。一般刀具数量为30～120把时都采用链式刀库。箱体格刀库的结构也简单，有线型和箱型两种。线型刀库一般用于无机械手换刀装置，箱型刀库一般容量比较大，往往用于加工单元式加工中心。另外，按设置部位的不同刀库可以分为顶知识、侧置式、悬挂式和落地式等多种类型。按交换刀具还是交换主轴，刀库可分为普通刀库（简称为刀库）和主轴箱刀库。6.4.2刀库2.刀库的容量确定刀库的容量首先要考虑加工工艺的需要。对15000种工件按成组技术进行的分析表明，各种加工所必须的刀具数是：4把铣刀可完成95%左右的铣削工艺，10把孔加工刀具可完成70%的钻削工艺，因此，14把刀的容量就可完成70%以上的工件钻铣工艺。如果从完成工件的全部加工所需的刀具数目统计，则80%的工件（中等尺寸，复杂程度一般）完成全部加工任务所需的刀具数为40种以下。所以对于一般的中、小型立式加工中心，配有14～30把刀具库就能够满足70%～95%工件的加工需要。6.4.2刀库3.链式刀库链式刀库是目前使用最多的一种刀库形式，由一个主动链轮带动装有刀套的链条移动而构成刀库。这种刀库的一般结构为标准套筒滚子链式结构，如右图。6.4.2刀库主动链轮由伺服电动机通过蜗轮减速装置驱动。导向轮一般做成光轮，圆周表面进行硬化处理。兼起张紧轮作用的左侧两个导轮的轮座必须带有导向槽（或导向键），以免松开螺钉时轮座位置歪扭，从而给张紧调节带来麻烦。回零撞块可以装在链条的任意位置，而回零开关则安装在便于调整的地方。调整回零开关位置，可使刀套准确地停在换刀机械手的抓刀位置上。这时处于机械手抓刀位置的刀套的编号为1号，然后依次编上其他刀号。如果刀套不能准确地停在换刀位置上，将会使换刀机械手抓刀不准，以致换刀时发生掉刀现象。因此，刀套的准停问题是影响换刀动作可靠性的重要因素之一。为了确保刀套准确地停在换刀位置上，可采用定位盘准停方式，由液压油缸推动的定位插销插入定位盘的定位槽内，实现刀套的准停，如右图。6.4.2刀库4.刀库的选刀方式现代加工中心的刀库目前使用的选刀方式有刀套号与刀具号随机变换方式和刀具号与刀座号固定对应方式两种。刀套号与刀具号随机变换方式是目前最普遍采用的方式。第一次给刀库装刀时，高速控制系统刀库中的每个刀库号和该刀套上的刀具号，刀具在使用中不一定被送到原来的刀套上，但是控制系统仍能记住该刀具号所在的新刀套号。这种方式有利于缩短换刀、选刀时间。由于这种方式经常改变刀具号与刀套的对应关系，所以在重新启动机床时必须使刀库回零，校验一下显示器上显示的内容与实际刀具的插存情况。6.4.2刀库在刀具号与刀座号固定对应方式中，插在刀套上的刀具使用后仍还到原来的刀套上，即刀具号与刀套号的对应关系始终不变。这种方式的好处在于易于掌握刀具情况，可以安放较大直径的刀具。但是在这种方式中，用完的刀具必须送还给原来的刀套后才能将下一个要用的刀具移动到换刀位置，这势必会增加换刀时间。刀库选刀方式一般采用“近路”移动原则，即无论采取哪种选刀方式，在根据程序指令把下一工序要用的刀具移到换刀位置时，都要向小于刀库半圈的方向移动，以节省选刀时间。6.4.3机械手1.机械手的形式与种类（1）单臂单爪回转式机械手，如图a。这种机械手的手臂可以回转不同的角度来进行自动换刀，手臂上只有一个夹爪，不论在刀库上或主轴上，均靠这个夹爪装刀及卸刀，因此换刀时间较长。（2）单臂双爪摆动式机械手，如图b。这种机械手的手臂上有两个夹爪，这两个夹爪有所分工，一个夹爪只执行从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务，而另一个夹爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务，其换刀时间较单爪回转式机械手要少。6.4.3机械手（3）双臂回转式机械手，如图c。这种机械手的手臂两端各有一个夹爪，这两个夹爪可同时抓取刀库及主轴上的刀具，回转180°后又同时将刀具放回刀库及装入主轴。换刀时间较以上两种单臂机械手均短，是最常用的一种形式。图右边的机械手在抓取刀具或将刀具送入刀库及主轴时，其两臂可伸缩。（4）双机械手，如图d。这种机械手相当于两个单臂单爪机械手，它们相互配合进行自动换刀。其中一个机械手从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个机械手由刀库取出“新刀”装入机床主轴。6.4.3机械手（5）双臂往复式机械手，如图e。这种机械手的两臂可以往复运动，并交叉成一定的角度，一个手臂从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个手臂由刀库中取出“新刀”装入主轴。整个机械手可沿某导轨直线移动或绕某个转轴回转，以实现刀库与主轴间的运刀运动。（6）双臂端面夹紧式机械手，如图f。这种机械手只是在夹紧部位与上述几种不同。前几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面抓取刀具，而这种机械手则夹紧刀柄的两个端面。6.4.3机械手2.双臂回转式机械手这种机械手的拔刀、插刀动作大都由油缸完成。根据结构要求可以采取“油缸动、活塞固定”或“活塞动、油缸固定”的结构形式。它的手臂的回转动作通过活塞带动齿条齿轮传动来实现。其机械手臂的不同回转