数控机床的自动换刀装置

自动换刀装置具有根据工艺要求自动更换所需刀具的功能。自动换刀装置应满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具存储量、刀库占地面积小及安全可靠等基本要求。

9.4.1 自动换刀装置的形式

9.4.1.1 回转刀架换刀

回转刀架换刀是数控车床使用的自动换刀装置。回转轴线有垂直和水平两种，回转刀位有四刀位、六刀位或更多刀位。图9-29所示是在普通车床方刀架的基础上发展起来的一种自动换刀装置，它有4个刀位，能同时装夹4把刀具。刀架回转90°，刀具变换一个刀位，转位信号和刀位号的选择由加工程序指令控制。其换刀过程如下：

（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，通过平键套筒联轴器2使蜗杆轴3转动，从而带动蜗轮丝杠4转动。刀架体7的内孔加工有内螺纹，与蜗轮丝杠旋合。蜗轮丝杠内孔与刀架中心轴外圆是滑动配合，在转位换刀时，中心轴固定不动，蜗轮丝杠绕中心轴空转。当蜗轮丝杠开始转动时，由于刀架7和刀架体底座5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不能转动只能轴向移动，这时刀架体抬起。

（2）刀架转位 当刀架体抬至一定距离后，端面齿脱开，转位套用销钉与蜗轮丝杠连接，随蜗轮丝杠一起转动，当端面齿完全脱开时，转位套9正好转过160°，球头销8在弹簧力的作用下进入转位套9的槽内，转位套通过弹簧销带动刀架体转位。

（3）刀架定位 刀架体7转动时带着电刷座10转动，当转到程序指令的刀号时，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、14接触导通，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。

（4）夹紧刀架 电动机1继续反转，此时蜗轮丝杠停止转动，蜗杆轴3继续转动，端面齿间夹紧力不断增加，转矩不断增大，达到一定值时，在传感器的控制下电动机1停止转动。

图9-29 数控车床方刀架

1-电动机　 2-联轴器　 3-蜗杆轴　 4-蜗轮丝杠　 5-刀架底座　 6-粗定位盘　 7-刀架体　 8-球头销　 9-转位套　 10-电刷座　 11-发信体　 12-螺母　 13、14-电刷　 15-粗定位销

译码装置由发信体11、电刷13、14组成。电刷13负责发信，电刷14负责位置判断。当刀架定位出现过位或不到位时，可松开螺母12，调好发信体11与电刷14的相对位置。

9.4.1.2 更换主轴头换刀

更换主轴头换刀装置用于带旋转刀具的数控机床，是比较简单的换刀装置。如图9-30所示，数控钻镗铣床在转塔各个主轴头上，预先安装有各工序所需要的旋转刀具。但只有处于最下端的主轴方与主传动链接通并转动。待该工步加工完毕，转塔按照指令转过一个或几个位置，完成自动换刀，再进入下一步的加工。

图9-30 更换主轴头换刀

这种自动换刀装置存储刀具的数量较少，适用于加工较简单的工件。其优点是结构简单、可靠性好、换刀时间短。但由于空间位置的限制，主轴部件的结构刚性较低。安装于机床上，对机床的结构影响较大。它适用于工序较少，精度要求不太高的数控钻镗床等。

9.4.1.3 带有刀库的自动换刀装置

带有刀库的自动换刀装置与更换主轴头换刀不同，由于有了刀库，它只需要一个夹持刀具切削的主轴。当需要某一刀具切削加工时，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，所以要求各参与换刀的部件的动作必须准确协调。这种换刀方式由于主轴不像更换主轴头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。由于有了单独存储刀具的刀库，刀具的存储容量增多，有利于加工复杂零件。而且刀库可离开加工区，消除很多不必要的干扰。

9.4.2 刀库与刀具交换方式

9.4.2.1 刀库的形式

刀库是用来存储加工刀具及辅助工具的地方，可分为圆盘式刀库、链式刀库、箱格式刀库等。

（1）圆盘式刀库 圆盘式刀库结构简单，应用较多，但由于刀具环形排列，空间利用率低。图9-31（a）中刀具轴线与圆盘轴线平行；图9-31（b）中刀具轴线与圆盘轴线垂直。

（2）链式刀厍 链式刀厍结构紧凑，刀库容量较大，链的形状可以根据机床的布局配置成各种形状，也可将换刀位突出以利换刀，如图9-31（c）所示。

（3）箱格式刀库 箱格式刀库的刀具分几排直线密集排列，空间利用率高，结构简单，如图9-31（d）所示。

9.4.2.2 刀具的选择方式

早期的数控机床有刀套编号或刀具编码方式。现代数控机床是由数控系统根据最初输入的刀套号与刀具号，跟踪记忆刀套与刀具的对应号，并按程序指令准确地调用所需刀具。目前使用的刀具选刀方式有如下两种：

图9-31 刀库的形式

（1）刀套号与刀具号随机变换方式 这是目前用得最普遍的方式。在第一次给刀库装刀时，告诉控制系统刀座号和在该刀座上的刀具号的对应关系，控制系统就记住这个对应关系。以后该刀具在使用中，不一定送还到原来的刀座上，但是控制系统仍能记住该刀具号所在的新刀座号。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座的对应关系，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插存情况。

（2）刀具号与刀座号固定对应方式 插在刀座上的刀具使用后仍送还到原来的刀座上，即刀具号与刀座号的对应关系始终不变。其好处在于，易掌握刀具情况，一看刀套后就能知道是什么样的刀具。另一好处是可以安放大直径刀具，只要有意选择相邻刀套上无刀即可。但是，这种方式因为用完的刀具必须送还给原来的刀套上，才能移动下一个要用的刀具到换刀位置，因此会增加换刀时间。

9.4.3 刀具的交换装置

实现刀库与机床主轴之间刀具传递和刀具装卸的装置称为刀具交换装置。自动换刀的刀具可固紧在专用刀夹内，每次换刀时将刀夹直接装入主轴。刀具的交换方式通常分为有机械手换刀和无机械手换刀两大类。

9.4.3.1 机械手换刀方式

采用机械手进行刀具交换的方式应用最为广泛，因为机械手换刀具有很大的灵活性，换刀时间也较短。机械手的结构形式多种多样，换刀运动也有所不同。图9-32所示是180°回转刀具交换装置。接到换刀指令后，机床控制系统便将主轴控制到指定换刀位置，同时刀具库运动到适当位置完成选刀。机械手回转并同时与主轴、刀具库的刀具相配合。拉杆从主轴刀具上卸掉，机械手向前运动，将刀具从各自的位置上取下。机械手回转180°，交换两刀具的位置，与此同时刀库重新调整位置，以接受从主轴上取下的刀具。机械手向后运动，将新的刀具和卸下的刀具分别插入主轴和刀库。机械手转回原位置待命。这种刀具交换装置的主要优点是结构简单，涉及的运动少，换刀快。主要缺点是刀具必须存放在与主轴平行的平面内，与侧置或后置的刀库相比，切屑及切削液易进入刀夹，刀夹锥面上有切屑会造成换刀误差，甚至损坏刀夹和主轴，因此必须对刀具另加防护。

图9-32 180°回转刀具交换装置

1-刀库中的刀具　 2-刀库-动力头　 4-主轴中的刀具-180°回转换刀机械手

9.4.3.2 无机械手换刀的方式

无机械手换刀的方式是利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换，也叫主轴直接式换刀。这种换刀机构不需要机械手，结构简单、紧凑。由于换刀时机床不工作，所以不会影响加工精度。图9-33所示的XH754型卧式加工中心就是采用这类刀具交换装置。当加工工步结束后执行换刀指令，主轴实现准停，主轴箱沿y轴上升。这时机床上方的刀库的空刀位正好处在换刀位置，装夹刀具的卡爪打开，如图9-33（a）所示；主轴箱上升到极限位置，被更换刀具的刀杆进入刀库空刀位，被刀具定位卡爪钳住，与此同时主轴内刀杆自动夹紧装置放松刀具，如图9-33（b）所示；刀库伸出，从主轴锥孔内将刀具拔出，如图9-33（c）所示；刀库转位，按照程序指令要求将选好的刀具转到主轴最下面的换刀位置，同时压缩空气将主轴锥孔吹净，如图9-33（d）所示；刀库退回，同时将新刀具插入主轴锥孔，主轴内刀具夹紧装置将刀杆拉紧，如图9-33（e）所示；主轴下降到加工位置后起动，开始下一步的加工，如图9-33（f）所示。

图9-33 无机械手换刀示意图

1-卧式主轴　 2-主轴刀具　 3-刀库