自动换刀装置的装调与检测

1.1　概述

1.ATC刀具自动交换

为进一步提高数控机床的加工效率，数控机床正向着工件在一台机床一次装夹即可完成多道工序或全部工序的加工的方向发展，因此出现了各种类型的加工中心机床，如车削中心、镗铣加工中心、钻削中心等。这类多工序加工的数控机床在加工过程中要使用多种刀具，因此必须有自动换刀装置，以便选用不同刀具，完成不同工序的加工。自动换刀装置应当具备换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具储备量、占地面积小、安全可靠等特性。

各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具的种类和数量。数控机床常用的自动换刀装置的类型、特点、适用范围见表7-1-1。

表7-1-1　自动换刀装置类型

2.刀具的选择

按数控装置的刀具选择指令，从刀库中将所需要的刀具转换到取刀位置，称为自动选刀。在刀库中，选择刀具通常采用以下两种方式。

1)顺序选择刀具

刀具按预定工序的先后顺序插入刀库的刀座中，使用时按顺序转到取刀位置。用过的刀具放回原来的刀座内，也可以按加工顺序放入下一个刀座内。该法不需要刀具识别装置，驱动控制也较简单，工作可靠。但刀库中每一把刀具在不同的工序中不能重复使用，为了满足加工需要，只有增加刀具的数量和刀库的容量，这就降低了刀具和刀库的利用率。此外，装刀时必须十分谨慎，如果刀具不按顺序装在刀库中，将会产生严重的后果。

2)任意选择刀具

这种方法根据程序指令的要求任意选择所需要的刀具，刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列，可以任意存放。每把刀具(或刀座)都编上代码，自动换刀时，刀库旋转，每把刀具(或刀座)都经过“刀具识别装置”接受识别。当某把刀具的代码与数控指令的代码相符合时，该把刀具被选中，刀库将刀具送到换刀位置，等待机械手来抓取。任意选择刀具法的优点是刀库中刀具的排列顺序与工件加工顺序无关，相同的刀具可重复使用。因此，刀具数量比顺序选择法的刀具可少一些，刀库也相应的小一些。

任意选择法主要有三种编码方式:

图7-1-1　刀具编码方式
1—刀柄；2—编码环；3—锁紧螺母；4—拉杆

(1)刀具编码方式　这种方式是对每把刀具进行编码，由于每把刀具都有自己的代码，因此，可以存放于刀库的任一刀座中。这样刀库中的刀具在不同的工序中也就可重复使用，用过的刀具也不一定放回原刀座中，避免了因刀具存放在刀库中的顺序差错而造成的事故，同时也缩短了刀库的运转时间，简化了自动换刀控制线路。

刀具编码的具体结构如图7-1-1所示。在刀柄1后端的拉杆4上套装着等间隔的编码环2，由锁紧螺母3固定。编码环既可以是整体的，也可由圆环组装而成。编码环直径有大小两种，大直径的为二进制的“1”，小直径的为“0”。通过这两种圆环的不同排列，可以得到一系列代码。例如由六个大小直径的圆环便可组成能区别63种刀具。通常全部为0的代码不许使用，以免与刀座中没有刀具的状况相混淆。为了便于操作者的记忆和识别，也可采用二-八进制编码来表示。

(2)刀座编码方式　这种编码方式对每个刀座都进行编码，刀具也编号，并将刀具放到与其号码相符的刀座中，换刀时刀库旋转，使各个刀座依次经过识刀器，直至找到规定的刀座，刀库便停止旋转。由于这种编码方式取消了刀柄中的编码环，使刀柄结构大为简化。因此，识刀器的结构不受刀柄尺寸的限制，而且可以放在较适当的位置。另外，在自动换刀过程中必须将用过的刀具放回原来的刀座中，增加了换刀动作。与顺序选择刀具的方式相比，刀座编码的突出优点是刀具在加工过程中可重复使用。

图7-1-2　刀座编码方式

如图7-1-2所示为圆盘形刀库的刀座编码装置。在圆盘的圆周上均布若干个刀座，其外侧边缘上装有相应的刀座识别装置2。刀座编码的识别原理与上述刀具编码的识别原理完全相同。

(3)编码附件方式　编码附件方式可分为编码钥匙、编码卡片、编码杆和编码盘等，其中应用最多的是编码钥匙。这种方式是先给各刀具都缚上一把表示该刀具号的编码钥匙，当把各刀具存放到刀库的刀座中时，将编码钥匙插进刀座旁边的钥匙孔中，这样就把钥匙的号码转记到刀座中，给刀座编上了号码。识别装置可以通过识别钥匙上的号码来选取该钥匙旁边刀座中的刀具。

3.识别装置

刀具(刀座)识别装置是自动换刀系统中重要组成部分，常用的有下列几种。

1)接触式刀具识别装置

图7-1-3　接触式刀具识别装置
1—刀柄；2—识别装置；3—触针；4—编码环

接触式刀具识别装置应用较广，特别适用于空间位置较小的刀具编码，其识别原理如图7-1-3所示。在刀柄1上装有两种直径不同的编码环，规定大直径的环为二进制的“1”，小直径的环为“0”，图中有5个编码环4，在刀库附近固定一刀具识别装置2，从中伸出几个触针3，触针数量与刀柄上编码环的个数相等。每个触针与一个继电器相连，当编码环是大直径时与触针接通，继电器通电，其数码为“1”；当编码环是小直径时与触针不接通，继电器不通电，其数码为“0”。各继电器读出的数码与所需刀具的编码一致时，由控制装置发出信号，使刀库停转，等待换刀。

接触式刀具识别装置的结构简单，但由于触针有磨损，故寿命较短，可靠性较差，且难于快速退刀。

2)非接触式刀具识别装置

非接触式刀具识别装置没有机械直接接触，因而无磨损、无噪声、寿命长、反应速度快，适应于高速、换刀频繁的工作场合。常用的有磁性识别和光电识别。

(1)非接触式磁性识别法　磁性识别法是利用磁性材料和非磁性材料磁感应强度不同，通过感应线圈读取代码。编码环的直径相等，分别由导磁材料(如软钢)和非导磁材料(如黄铜、塑料等)制成，规定前者编码为“1”，后者编码为“0”。如图7-1-4所示为一种用于刀具编码的磁性识别装置。图中刀柄1上装有非导磁材料编码环4和导磁材料编码环2，与编码环相对应的有一组检测线圈6组成非接触式识别装置3。在检测线圈6的一次线圈5中输入交流电压时；如编码环为导磁材料，则磁感应较强，在二次线圈7中产生较大的感应电压；如编码环为非导磁材料，则磁感应较弱，在二次线圈中感应的电压较弱。利用感应电压的强弱，就能识别刀具的号码。当编码环的号码与指令刀号相符合时，控制电路便发出信号，使刀库停止运转，等待换刀。

(2)光学纤维刀具识别装置　这种装置利用光导纤维良好的光传导特性，采用多束光导纤维构成阅读头。用靠近的二束光导纤维来阅读二进制码的一位时，其中一束将光源投射到能反光或不能反光(被涂黑)的金属表面，另一束光导纤维将反射光送至光电转换元件转换成电信号，以判断正对这二束光导纤维的金属表面有无反射光，有反射时(表面光亮)为“1”，无反射时(表面涂黑)为“0”，如图7-1-5(b)所示。在刀具的某个磨光部位按二进制规律涂黑或不涂黑，就可给刀具编上号码。正当中的一小块反光部分用来发出同步信号。阅读头端面如图7-1-5(a)所示，共用的投光射出面为一矩形框，中间嵌进一排共9个圆形受光入射面。当阅读头端面正对刀具编码部位，沿箭头方向相对运动时，在同步信号的作用下，可将刀具编码读入，并与给定的刀具号进行比较而选刀。

图7-1-4　非接触式磁性刀具识别装置
1—刀柄；2—导磁材料编码环；3—识别装置；4—非导磁材料编码环；5—一次线圈；6—检测线圈；7—二次线圈

图7-1-5　光纤维刀具识别装置

4.利用PLC(可编程序控制器)实现随机换刀

由于计算机技术的发展，可以利用软件选刀，它代替了传统的编码环和识刀器。在这种选刀与换刀的方式中，刀库上的刀具能与主轴上的刀具任意地直接交换，即随机换刀。主轴上换来的新刀号及还回刀库上的刀具号，均在PLC内部相应地存储单元记忆。随机换刀控制方式需要在PLC内部设置一个模拟刀库的数据表，其长度和表内设置的数据与刀库的位置数和刀具号相对应。这种方法主要由软件完成选刀，从而消除了由于识刀装置的稳定性、可靠性差所带来的选刀失误。

1.2　刀架换刀

1.排刀式刀架

排刀式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料为主的机床较为常见。结构形式为夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床的X坐标轴方向排列在横向滑板或一种称之为快换台板(Quick-Change Platen)上。刀具典型布置方式如图7-1-6所示。这种刀架的特点之一是在使用上刀具布置和机床调整都较方便，可以根据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具，一把刀完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿X轴向移动预先设定的距离，第二把刀就到达加工位置，这样就完成了机床的换刀动作。这种换刀方式迅速省时，有利于提高机床的生产效率。特点之二是使用如图7-1-7所示的快换台板，可以实现成组刀具的机外预调，即当机床在加工某一工件的同时，可以利用快换台板在机外组成加工同一种零件或不同零件的排刀组，利用对刀装置进行预调。当刀具磨损或需要更换加工零件品种时，可以通过更换台板来成组地更换刀具，从而使换刀的辅助时间大为缩短。特点之三是还可以安装各种不同用途的动力刀具(如图7-1-6所示中刀架两端的动力刀具)来完成一些简单的钻、铣、攻螺纹等二次加工工序，以使机床可在一次装夹中完成工件的全部或大部分加工工序。特点之四是排刀式刀架结构简单，可在一定程度上降低机床的制造成本。然而，采用排刀式刀架只适合加工旋转直径比较小的工件，只适合较小规格的机床配置；不适用于加工较大规格的工件或细长的轴类零件。一般来说旋转直径超过100mm的机床大都不用排刀式刀架，而采用转塔式刀架。

图7-1-6　排刀式刀架布置图

2.经济型数控车床方刀架

经济型数控车床方刀架是在普通车床四方刀架的基础上发展的一种自动换刀装置，其功能和普通四方刀架一样，有四个刀位，能装夹4把不同功能的刀具，方刀架回转90°时，刀具交换一个刀位，但方刀架的回转和刀位号的选择由加工程序指令控制。换刀时方刀架的动作顺序是:刀架抬起→刀架转位→刀架定位→夹紧刀架。为完成上述动作要求，要有相应的机构来实现，下面就以WZD4型刀架为例说明其具体结构，如图7-1-8所示。

图7-1-7　快换台板

图7-1-8　数控车床方刀架结构
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

该刀架可以安装四把不同的刀具，转位信号由加工程序指定。当换刀指令发出后，小型电动机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。蜗轮的上部外圆柱加工有外螺纹，所以该零件称蜗轮丝杠。刀架体7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配合，在转位换刀时，中心轴固定不动，蜗轮丝杠环绕中心轴旋转。当蜗轮开始转动时，由于在刀架底座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，这时刀架体7抬起。当刀架体抬至一定距离后，端面齿脱开。转位套9用销钉与蜗轮丝杠4连接，随蜗轮丝杠一同转动，当端面齿完全脱开，转位套正好转过160°(如图7-1-8(a)剖示所示)，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。刀架体7转动时带着电刷座10转动，当转到程序指定的刀号时，定位销15在弹簧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。电动机继续反转，此时蜗轮停止转动，蜗杆轴3继续转动，译码装置由发信体11与电刷13、14组成，电刷13负责发信，电刷14负责位置判断。刀架不定期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。随夹紧力增加，转矩不断增大时，达到一定值时，在传感器的控制下，电动机1停止转动。

译码装置由发信体11与电刷13、14组成，电刷13负责发信，电刷14负责位置判断。刀架不定期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。

这种刀架在经济型数控车床及普通车床的数控化改造中得到广泛的应用。

3.一般转塔回转刀架

图7-1-9为数控车床的转塔回转刀架，它适用于盘类零件的加工。在加工轴类零件时，可以换用四方回转刀架。由于两者底部安装尺寸相同，更换刀架十分方便。回转刀架动作根据数控指令进行，由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，其动作过程分为如下四个步骤:

(1)刀架抬起　当数控装置发出换刀指令后，压力油从A孔进入压紧液压缸的下腔，使活塞1上升，刀架2抬起使定位用活动插销10与固定插销9脱开。同时，活塞杆下端的端齿离合器5与空套齿轮7结合。

(2)刀架转位　当刀架抬起后，压力油从C孔进入转位液压缸左腔，活塞6向右移动，通过接板13带动齿条8移动，使空套齿轮7连同端齿离合器5反时针旋转60°，实现刀架转位。活塞行程应当等于齿轮7的节圆周长的1/6，并由限位开关控制。

(3)刀架压紧　刀架转位后，压力油从B孔进入压紧液压缸的上腔，活塞1带动刀架2下降。件3的底盘上精确地安装着6个带斜楔的圆柱固定插销9，利用活动插销10消除定位销与孔之间的间隙，实现反靠定位。当刀架2下降时，定位活动插销与另一个固定插销9卡紧，同时，件3与件4以锥面接触，刀架在新的位置上定位并压紧。此时，端面离合器与空套齿轮脱开。

(4)转位液压缸复位　刀架压紧后，压力油从D孔进转位液压缸右腔，活塞6带动齿条复位。由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮在轴上空转。如果定位，压紧动作正常，推杆11与相应的触头12接触，发出信号表示已完成换刀过程，可进行切削加工。

1.3　刀库与机械手换刀

刀库用于存放刀具，它是自动换刀装置中的主要部件之一。其容量、布局和具体结构对数控机床的设计有很大影响。

1.刀库的形式

根据刀库存放刀具的数目和取刀方式，刀库可设计成多种形式。单盘式刀库(如图7-1-10(a)～(d)所示)存放的刀具数目一般为15～40把，为适应机床主轴的布局，刀库上刀具轴线可以按不同方向配置，如轴向、径向或斜向。图7-1-10(d)是刀具可作90°翻转的圆盘刀库，采用这种结构可以简化取刀动作。单盘式的结构简单，取刀也很方便，因此应用广泛。当刀库存放刀具的数目较多时，若仍采用单圆盘刀库，则刀库直径增加太大而使结构庞大。为了既能增大刀库容量而结构又较紧凑，研制了各种形式的刀库。如7-1-10(e)为鼓轮弹仓式(又称刺猬式)刀库，其结构十分紧凑，在相同的空间内，它的刀库容量最大，但选刀和取刀的动作较复杂。如图7-1-10(f)为链式刀库。

图7-1-10　盘形刀库
(a)(b)(c)(d)单盘式刀库；(e)鼓轮弹仓式；(f)链式刀库；(g)多盘式；(h)格子式

图7-1-11　链式刀库
(a)单排链式；(b)多排链式；(c)加长链条的链式

图7-1-11为链式刀库，其结构有较大的灵活性，图7-1-11(a)是某一自动换刀数控镗铣床所采用的单排链式刀库简图，刀库置于机床立柱侧面，可容纳45把刀具。如刀具储存量过大，将使刀库过高，为了增加链式刀库的储存量，可采用图7-1-11(b)所示的多排链式刀库。这种刀库常独立安装于机床之外，因此占地面积大；由于刀库远离主轴，必须有刀具中间搬运装置，使整个换刀系统结构复杂。图7-1-11(c)为加长链条的链式刀库，采用增加支承链轮数目的方法，使链条折叠回绕，提高其空间利用率，从而增加了刀库的储存量。此外，还有多盘式和格子式刀库，如图7-1-10(g)、(h)所示，这种刀库虽然储存量大，但结构复杂，选刀和取刀动作多，故较少采用。

刀库除了存储刀具之外，还要能根据要求将各工序所用的刀具运送到取刀位置。刀库常采用单独驱动装置。如图7-1-12所示为圆盘式刀库的结构图，可容纳40把刀具，图7-1-12(a)为刀库的驱动装置，由液压马达驱动，通过蜗杆4和蜗轮5，端齿离合器2和3带动与圆盘13相连的轴1转动。如图7-1-12(b)所示，圆盘13上均布40个刀座9，其外侧边缘上有固定不动的刀座号读取装置7。当圆盘13转动时，刀座号码板8依次经过刀座号读取装置，并读出各刀座的编号，与输入指令相比较，当找到所要求的刀座号时，即发出信号，高压油进入油缸6右腔使端齿离合器2和3脱开，使圆盘13处于浮动状态。同时油缸12前腔的高压油通路被切断，并使其与回油箱连通，在弹簧10的作用下，油缸12的活塞杆带着定位V形块14使圆盘13定位，以便换刀装置换刀。这种装置比较简单，总体市局比较紧凑，但圆盘直径较大，转动惯量大，一般这种刀库多安装在离主轴较远的位置，因此，要采用中间搬运装置来将刀具传送到换刀位置。

图7-1-12　圆盘式刀库结构图
(a)刀库的驱动装置
1—轴；2，3—端齿离合器；4—蜗杆；5—蜗轮；6—液压缸

图7-1-12　圆盘式刀库结构图(续)
(b)圆盘
7—刀座号读取装置；8—刀座号板；9—刀座；10—弹簧；11—套；12—液压缸；13—圆盘；14—V形块

图7-1-13　链式刀库结构示意图

THK6370自动换刀数控卧式镗铣床采用链式刀库。其结构示意图如图7-1-13所示。刀库由45个刀座组成，刀座就是链传动的链节，刀座的运动由ZM-40液压马达通过减速箱传到下链轮轴上，下链轮带动刀座运动。刀库运动的速度通过调节ZM-40的速度来实现。刀座的定位用正靠的办法将所要的刀具准确地定位在取刀(还刀)位置上。在刀具进入取刀位置之前，刀座首先减速。刀座上的燕尾进入刀库立柱的燕尾导轨，在选刀与定位区域内，刀座在燕尾导轨内移动，以保持刀具编码环与选刀器的位置关系的一致性。

2.设计刀库时应考虑的主要问题

1)合理确定刀库储存量

若刀库储存量过大，导致刀库的结构庞大而复杂，影响机床总体布局；若储存量过小，则不能满足复杂零件的加工要求。因此，刀库容量应在经济合理的条件下，力图将一组类似的零件所需的全部刀具装入刀库，以缩短每次装刀所需的装调时间。有关资料曾对15000个零件进行分组统计，指出不同工序加工时必需的刀具数不同，如图7-1-14所示。图中表示经常使用的刀具种类并不多，如铣削90%的加工量由4把刀具即可完成；钻削用14把钻头可完成80%的加工量，用20把钻头即可完成90%的加工量。因此不从加工实际需要出发，片面增大刀库容量是不必要的。对国内外300多种刀库储存容量统计的结果表明，一般刀库的储存量以10～40把较为适合，41～60把刀具基本上能满足绝大多数零件的加工要求。少于10把或超过60把的很少。

图7-1-14　刀具数量统计图

2)尽量缩短选刀时间

例如将选刀时间与加工时间重叠，根据所选刀具在刀库中的位置来决定刀库正转或反转，以缩短选刀时间。

3)刀库运动速度应适宜

作回转运动的刀库，其运动是间歇的，而且方向经常改变，故要求启停平稳、无冲击、能准停在预定位置，为此要求转动惯量不能过大，因而对刀库的直径、储存刀具的重量和数量以及刀库的回转速度都应有适当限制。目前，国内外链式刀库的线速度可达100～8mm/s，圆盘刀库的转速多为10～60°/s。刀库中能自动换刀的最大刀具直径限制为315mm，最大刀具长度为500mm，最大刀具重量为100kg。

4)要求刀具运行平稳

为此，往往需设置辅助支承和导向装置。如对链式刀库设置刀座运动导轨，对圆盘刀库可在靠近刀盘外缘处用滚动轴承支承。

5)刀座在刀库中的排列

一般刀座的间距相等，在必要的情况下，也可采用不等距排列，视刀具直径大小而定，多数刀座装小直径刀具，按小间距排列；少数刀座按大间距排列，装大直径刀具。

6)其他应注意的问题

如刀具在刀座中应夹持可靠，刀库防尘、防压及安全防护等问题都必须考虑。

3.机械手

采用机械手进行刀具交换的方式应用的最为广泛，这是因为机械手换刀有很大的灵活性，而且可以减少换刀时间。

1)机械手的形式与种类

在自动换刀数控机床中，机械手的形式也是多种多样的，常见的有如图7-1-15所示的几种形式:

(1)单臂单爪回转式机械手(图7-1-15(a))　这种机械手的手臂可以回转不同的角度进行自动换刀，手臂上只有一个夹爪，不论在刀库上或在主轴上，均靠这一个夹爪来装刀及卸刀，因此换刀时间较长。

(2)单臂双爪摆动式机械手(图7-1-15(b))　这种机械手的手臂上有两个夹爪，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。另一个爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务。其换刀时间较上述单爪回转式机械手要少。

图7-1-15　机械手形式
(a)单臂单爪回转式；(b)单臂双爪摆动式；(c)单臂双爪回转式；(d)双机械手；(e)双臂往复交叉式；(f)双臂端面夹紧式

(3)单臂双爪回转式机械手(图7-1-15(c))　这种机械手的手臂两端各有一个夹爪，两个夹爪可同时爪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(c)右边的一种机械手在抓取刀具或将刀具送入刀库及主轴时，两臂可伸缩。

(4)双机械手(图7-1-15(d))　这种机械手相当于两个单爪机械手，相互配合起来进行自动换刀。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里取出“新刀”装入机床主轴。

(5)双臂往复交叉式机械手(图7-1-15(e))　这种机械手的两手臂可以往复运动，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换刀运动。

(6)双臂端面夹紧机械手(图7-1-15(f))　这种机械手只是在夹紧部位上与前几种不同。前几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面以抓取刀具，这种机械手则夹紧刀柄的两个端面。

2)常用换刀机械手

(1)单臂双爪式机械手　也叫扁担式机械手，它是目前加工中心上用得较多的一种。这种机械手的拔刀、插刀动作，大都由液压缸来完成。根据结构要求，可以采取液压缸动，活塞固定；或活塞动，液压缸固定的结构形式。而手臂的回转动作，则通过活塞的运动带动齿条齿轮传动来实现。机械手臂的不同回转角度，由活塞的可调行程来保证。

这种机械手采用了液压装置，既要保证不漏油，又要保证机械手动作灵活，而且每个动作结束之前均必须设置缓冲机构，以保证机械手的工作平衡、可靠。由于液压驱动的机械手需要严格的密封，还需较复杂的缓冲机构；控制机械手动作的电磁阀都有一定的时间常数，因而换刀速度慢。近年来国内外先后研制了凸轮联动式单臂双爪机械手，其工作原理如图7-1-16所示。

这种机械手的优点是:由电动机驱动，不需较复杂的液压系统及其密封、缓冲机构，没有漏油现象，结构简单，工作可靠。同时，机械手手臂的回转和插刀、拔刀的分解动作是联动的，部分时间可重叠，从而大大缩短了换刀时间。

(2)双臂单爪交叉型机械手　由北京机床研究所开发和生产的JCS13卧式加工中心，所用换刀机械手就是双臂单爪交叉型机械手，如图7-1-17所示。

图7-1-16　凸轮式换刀机械手
1—刀套；2—十字轴；3—电动机；4—圆柱槽凸轮(手臂上下)；5—杠杆；6—锥齿轮；7—凸轮滚子(平臂旋转)；8—主轴箱；9—换刀手臂

图7-1-17　双臂单爪交叉型机械手

(3)单臂双爪且手臂回转轴与主轴成45°的机械手　结构如图7-1-18所示，这种机械手换刀动作可靠，换刀时间短。缺点是对刀柄精度要求高，结构复杂，对联机调整的相关精度要求高，机械手离加工区较近。

3)手爪形式

(1)钳形机械手手爪　如图7-1-19所示，图中的锁销2在弹簧(图中未画出此弹簧)作用下，其大直径外圆顶着止退销3，杠杆手爪6就不能摆动张开，手中的刀具就不会被甩出。当抓刀和换刀时，锁销2被装在刀库主轴端部的撞块压回，止退销3和杠杆手爪6就能够摆动、放开，刀具就能装入和取出。这种手爪均为直线运动抓刀。

(2)刀库夹爪　刀库夹爪既起着刀套用，又起着手爪的作用。如图7-1-20所示为刀库夹爪图。

图7-1-18　斜45°机械手
1—刀库；2—刀库轴线；3—齿条；4—齿轮；5—抓刀活塞；6—机械手托架；7—主轴；8—抓刀定块；9—抓刀动块①—抓刀；②—拔刀；③—换位(旋转180°)④—插刀；⑤—松刀；⑥—返回原位(旋转90°)

图7-1-19　钳形机械手手爪
1—手臂；2—锁销；3—止退销；4—弹簧；5—支点轴；6—杠杆手爪；7—键；8—螺钉

图7-1-20　刀库夹爪
1—锁销；2—顶销；3—弹簧；4—支点轴；5—手爪；6—挡销

4)机械手结构原理

如图7-1-21所示机械手结构及工作原理如下:

机械手有两对抓刀爪，由液压缸1驱动其动作。当液压缸推动机械手爪外伸时(图7-1-21中上面一对抓刀爪)，抓刀爪上的销轴3在支架上的导向槽2内滑动，使抓刀爪绕销4摆动，抓刀爪合拢，抓住刀具；当液压缸回缩时(图7-1-21中下面一对抓刀爪)，支架上的导向槽2迫使抓刀爪张开，放松刀具。由于抓刀动作由机械机构实现，且能自锁，因此工作安全可靠。

图7-1-21　机械手结构原理图
1—液压缸；2—支架导向槽；3—销轴；4—销

5)机械手的驱动机构

图7-1-22为机械手的驱动机构。气缸1通过杆6带动机械手臂升降，当机械手在上边位置时(图示位置)，液压缸4通过齿条2、齿轮3、传动盘5、杆6带动机械手臂回转；当机械手在下边位置时，气缸7通过齿条9、齿轮8、传动盘5和杆6，带动手臂回转。

图7-1-22　机械手的驱动机构
1—升降气缸；2，9—齿条；3，8—齿轮；4—液压缸；5—传动盘；6—杆；7—传动气缸

图7-1-22　机械手的驱动机构(续)

图7-1-23为机械手臂和手爪结构图。手臂的两端各有一手爪。刀具被带弹簧1的活动销4紧靠着固定爪5。锁紧销2被弹簧3弹起，使活动销4被锁位，不能后退，这就保证了在机械手运动过程中，手爪中的刀具不会被甩出。当手臂在上方位置从初始位置转过75°时锁紧销2被挡块压下，活动销4就可以活动，使得机械手可以抓住(或放开)主轴和刀套中的刀具。

图7-1-23　机械手臂和手爪结构图
1，3—弹簧；2—锁紧销；4—活动销；5—固定爪

4.刀具交换装置

在数控机床的自动换刀系统中，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。刀具的交换方式通常分为无机械手换刀和有机械手换刀两大类。

1)无机械手换刀

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。XH754型卧式加工中心就是采用这类刀具交换装置的实例。

该机床主轴在立柱上可以沿Y方向上下移动，工作台横向运动为Z轴，纵向移动为X轴。鼓轮式刀库位于机床顶部，有30个装刀位置，可装29把刀具。换刀过程见图7-1-24(a)～(f)。

图7-1-24(a):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。这时机床上方刀库的空挡刀位正好处在交换位置，装夹刀具的卡爪打开。

图7-1-24(b):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，即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。

图7-1-24(c):刀库伸出，从主轴锥孔中将刀具拔出。

图7-1-24(d):刀库转出，按照程序指令要求将选好的刀具转到最下面的位置，同时，压缩空气将主轴锥孔吹净。

图7-1-24(e):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。

图7-1-24(f):主轴下降到加工位置后起动，开始下一工步的加工。

这种换刀机构不需要机械手，结构简单、紧凑。由于交换刀具时机床不工作，所以不会影响加工精度，但会影响机床的生产效率。因刀库尺寸限制，装刀数量不能太多。这种换刀方式常用于小型加工中心。

2)机械手换刀

采用机械手进行刀具交换的方式应用的最为广泛，这是因为机械手换刀有很大的灵活性，而且可以减少换刀时间。机械手的结构形式是多种多样的，因此换刀运动也有所不同。下面以卧式镗铣加工中心为例说明采用机械手换刀的工作原理。

该机床采用的是链式刀库，位于机床立柱左侧。由于刀库中存放刀具的轴线与主轴的轴线垂直，故而机械手需要三个自由度。机械手沿主轴轴线的插拔刀具动作，由液压缸来实现；绕竖直轴90°摆动进行刀库与主轴间刀具的传送，及绕水平轴旋转180°完成刀库与主轴上的刀具交换的动作，由液压马达实现。其换刀分解动作如图7-1-25(a)～(f)所示。

图7-1-25(a):抓刀爪伸出，抓住刀库上的待换刀具，刀库刀座上的锁板拉开。

图7-1-25(b):机械手带着待换刀具绕竖直轴逆时针方向转90°，与主轴轴线平行，另一个抓刀爪抓住主轴上的刀具，主轴将刀杆松开。

图7-1-25(c):机械手前移，将刀具从主轴锥孔内拔出。

图7-1-25(d):机械手绕自身水平轴转180°，将两把刀具交换位置。

图7-1-25(e):机械手后退，将新刀具装入主轴，主轴将刀具锁住。

图7-1-25(f):抓刀爪缩回，松开主轴上的刀具。机械手绕竖直轴顺时针转90°，将刀具放回刀库的相应刀座上，刀库的锁板合上。

最后，抓刀爪缩回，松开刀库上的刀具，恢复到原始位置。

图7-1-24　换刀过程

图7-1-25　换刀分解动作示意图

1.4　更换主轴换刀与更换主轴箱换刀

1.更换主轴换刀

更换主轴换刀是带有旋转刀具的数控机床的一种比较简单的换刀方式。这种主轴头实际上就是一个转塔刀库，在转塔的各个主轴头上，预先安装有各工序所需要的旋转刀具。当发出换刀指令时，各主轴头依次地转到加工位置，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头都与主运动脱开。每次转位包括下列动作。如图7-1-26所示。

主轴头有卧式和立式两种，常用转塔的转位来更换主轴头，以实现自动换刀。图7-1-27为立式八轴转塔头的结构。

(1)脱开主传动　接到数控装置发出的换刀指令后，液压缸4卸压，弹簧推动齿轮1与主轴上的齿轮12脱开。

(2)转塔头脱开　固定在支架上的行程开关3接通，表示主传动已脱开，控制电磁阀，使液压油进入液压缸5的左腔，液压缸活塞带动转塔头向右移动，直至活塞与油缸端部接触。固定在转塔头上的齿盘10脱开。

图7-1-26　更换主轴换刀
1，12—齿轮；2，3，7—行程开关；4，5—液压缸；6—蜗轮；8—蜗杆；9，10—齿盘；11—槽轮

图7-1-27　立式八轴转塔头的结构

(3)转塔头转位　当齿盘脱开，行程开关发出信号，启动转位电动机，经蜗杆8和蜗轮6带动槽轮机构的主动曲拐使槽轮11转过45°，并由槽轮机构的圆弧槽来完成主轴头的分度位置粗定位。主轴号的选择是通过行程开关组来实现的。若处于加工位置的主轴不是所需要的，转位电动机继续回转，带动转塔头间歇地再转45°，直至选中主轴为止。主轴选好后，行程开关7使转位电动机停转。

(4)转塔头定位压紧　行程开关7使转位电动机停转的同时接通电磁阀，使压力油进入液压缸5的右腔，转塔头向左返回，由齿盘10精确定位。液压缸5右腔的油压作用力将转塔头可靠地压紧。

(5)主轴传动的接通　转塔头定位夹紧时，由行程开关发出信号接通电磁阀控制压力油进入液压缸4，压缩弹簧，使齿轮1与主轴上的齿轮12啮合，此时换刀动作全部完成。

更换主轴换刀，省去了自动松夹、卸刀、装刀以及刀具搬运等一系列的复杂操作，从而缩短了换刀时间，并且提高了换刀的可靠性。为了保证主轴的刚性，必须限制主轴数目。因此，转塔主轴头通常只适用于工序较少、精度要求不太高的机床，例如数控钻床、铣床等。

2.更换主轴箱换刀

有的数控机床像组合机床一样，采用多主轴的主轴箱，利用更换主轴箱达到换刀的目的，如图7-1-28所示。

图7-1-28　自动更换主轴箱
1—工作主轴箱；2，3，4，5，6，7—备用主轴箱；8—机械手；9—刀库；10—主轴箱库；11，12—小车

主轴箱库10吊挂着备用主轴箱2～7。主轴箱库两侧的导轨上，装有同步运动的小车11和12，它们在主轴箱库与机床动力头之间运送主轴箱。

根据加工要求，先选好所需的主轴箱，待两小车运行至该主轴箱处，将它推到小车11上，小车11与小车12同时运动到机床动力头两侧的更换位置。当上一道工序完成后，动力头带着主轴箱上升到更换位置，夹紧机构将主轴箱1松开，定位销从定位孔中拔出，推杆机构将主轴箱1推到小车12上，同时又将小车11上的待用主轴箱推到机床动力头上，并进行定位夹紧。与此同时，两小车返回主轴箱库，停在下次待换的主轴箱旁。推杆机构将下次待换主轴箱推到小车11上，并把用过的主轴箱从小车12上推入主轴箱库的空位，也可通过机械手8在刀库9和主轴箱1之间进行刀具交换。这种换刀形式，对加工箱体类零件，可以提高生产率。

为了缩短换刀时间，可采用带刀库的双主轴或多主轴换刀系统，如图7-1-29所示。当水平方向的主轴在加工位置时，待更换刀具的主轴处于换刀位置，由刀具交换装置预先换刀，待本工序加工完毕后，转塔头回转并交换主轴(即换刀)。这种换刀方式，换刀时间大部分和机加工时间重合，只需转塔头转位的时间，所以换刀时间短。转塔头上的主轴数目较少，有利于提高主轴的结构刚性；刀库上刀具数目也可增加，对多工序加工有利。但这种换刀方式难保精镗加工所需要的主轴刚度。因此，这种换刀方式主要用于钻床，也可用于铣镗床和数控组合机床。

图7-1-29　带刀库的双主轴结构
1—刀库；2—机械手；3—转塔头；4—工件