一、斗笠式刀庫

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

二、圓盤式刀庫

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

三、鏈條式刀庫

鏈條式刀庫的特點(diǎn)是可儲放較多數(shù)量之刀具，一般都在20把以上，有些可儲放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。換刀動作均采用馬達(dá)加機(jī)加工中心使用的刀庫最常見的形式是圓盤式刀庫和機(jī)械手換刀刀庫。

一、自動換刀裝置的形式

1．回轉(zhuǎn)刀架換刀

回轉(zhuǎn)刀架是一種最簡單的自動換刀裝置，常用于數(shù)控車床。可以設(shè)計(jì)成四方刀架、六角刀架或圓盤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。由于車削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置，對于數(shù)控車床來說，加工過程中刀具位置不進(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）

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。

主軸頭有臥式和立式兩種，通常用轉(zhuǎn)塔的轉(zhuǎn)位來更換主軸頭，以實(shí)現(xiàn)自動換刀。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，使相應(yīng)的主軸帶動刀具旋轉(zhuǎn)。而其它處于不加工位置上的主軸都與主運(yùn)動脫開。

這種更換主軸換刀裝置，省去了自動松、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.帶刀庫的自動換刀系統(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，不能滿足復(fù)雜零件的加工需要，因此，自動換刀數(shù)控機(jī)床多采用帶刀庫的自動換刀裝置。帶刀庫的自動換刀裝置由刀庫和換刀機(jī)構(gòu)組成，換刀過程較為復(fù)雜。首先要把加工過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。換刀時(shí)，先在刀庫中選刀，再由換刀裝置從刀庫或主軸上取出刀具，進(jìn)行交換，將新刀裝入主軸，舊刀放回刀庫。刀庫具有較大的容量，既可安裝在主軸箱的側(cè)面或上方。由于帶刀庫的自動換刀裝置的數(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，以滿足精密加工要求。

另外，刀庫內(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。帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)適用于數(shù)控鉆削中心和加工中心。

二、刀庫和刀具的選擇方式

1.刀庫類型

刀庫的作用是儲備一定數(shù)量的刀具，通過機(jī)械手實(shí)現(xiàn)與主軸上刀具的互換。刀庫的類型有盤式刀庫、鏈?zhǔn)降稁斓榷喾N形式，刀庫的形式和容量要根據(jù)機(jī)床的工藝范圍來確定。圖7-16所示的盤式刀庫，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準(zhǔn)刀庫最下面的那個(gè)位置，刀具被夾住，主軸在CNC的控制下，松開刀柄，盤式刀庫向前運(yùn)動，拔出主軸上的刀具，然后刀庫將下一個(gè)工序所用的刀具旋轉(zhuǎn)至與主軸對準(zhǔn)的位置，刀庫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)簡單，成本較低，換刀可靠性較好；缺點(diǎn)是換刀時(shí)間長，適用于刀庫容量較小的加工中心。

對于刀庫容量需要較大的加工中心可采用鏈?zhǔn)降稁欤準(zhǔn)降稁斓慕Y(jié)構(gòu)緊湊，刀庫容量較大，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)，只需增加鏈條的長度即可，給刀庫設(shè)計(jì)與制造帶來了方便。

2.刀具的選擇方式

一般的刀庫內(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)整刀庫中的刀具順序。其優(yōu)點(diǎn)是刀庫的驅(qū)動和控制都比較簡單。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，刀庫的容量也可相應(yīng)減少。但每把刀具上都帶有專用的編碼環(huán)，刀具長度加長，制造困難，刀庫和機(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。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和刀庫中的刀套位置對應(yīng)地記憶在數(shù)控系統(tǒng)的PLC中，無論刀具放在哪個(gè)刀套內(nèi)，刀具信息都始終記存在PLC內(nèi)。刀庫上裝有位置檢測裝置，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)床的自動換刀裝置中，實(shí)現(xiàn)刀庫與機(jī)床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置。刀具的交換方式有兩種：由刀庫與機(jī)床主軸的相對運(yùn)動實(shí)現(xiàn)刀具交換以及采用機(jī)械手交換刀具。利用刀庫與機(jī)床主軸的相對運(yùn)動實(shí)現(xiàn)刀具交換的裝置在換刀時(shí)必須首先將用過的刀具送回刀庫，然后再從刀庫中取出新刀具，兩個(gè)動作不能同時(shí)進(jìn)行，換刀時(shí)間較長。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，動作快，而且結(jié)構(gòu)簡單。機(jī)械手能夠完成抓刀—拔刀—回轉(zhuǎn)—插刀—返回等一系列動作。為了防止刀具掉落，機(jī)械手的活動爪都帶有自鎖機(jī)構(gòu)。

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

16位自動換刀刀庫

1、刀具交換方式

數(shù)控機(jī)床的自動換刀裝置中，實(shí)現(xiàn)刀庫與機(jī)床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置。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。

（一）無機(jī)械手換刀

無機(jī)械手換刀，是由刀庫和機(jī)床主軸的相對運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的刀具交換。換刀時(shí)，必須首先將用過的刀具送回刀庫，然后再從刀庫中取出新刀具，這兩個(gè)動作不可能同時(shí)進(jìn)行，因此，換刀時(shí)間長。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)來完成，因此每交換一次刀具，工作臺和主軸箱就必須沿著三個(gè)坐標(biāo)軸作兩次來回運(yùn)動，因而增加了換刀時(shí)間。另外，由于刀庫置于工作臺上，減少了工作臺的有效使用面積。

（二）機(jī)械手換刀

由于刀庫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

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

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)不同的角度來進(jìn)行自動換刀，其手臂上只有一個(gè)卡爪，不論在刀庫上或是在主軸上，均靠這個(gè)卡爪來裝刀及卸刀，因此換刀時(shí)間較長，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”送回刀庫的任務(wù)，另一個(gè)卡爪則執(zhí)行由刀庫取出“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)抓取刀庫及主軸上的刀具，回轉(zhuǎn)180°后又同時(shí)將刀具放回刀庫及裝入主軸。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毒咚腿氲稁旒爸鬏S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)行自動換刀。其中一個(gè)機(jī)械手從主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另一個(gè)由刀庫中取出“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，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，另一個(gè)手臂由刀庫中取出“新刀”裝入主軸。整個(gè)機(jī)械手可沿某導(dǎo)軌直線移動或繞某個(gè)轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)由刀庫與主軸間的運(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抓取刀具，這種機(jī)械手則是靠夾緊刀柄的兩個(gè)端面來抓取的。

3、機(jī)械手夾持結(jié)構(gòu)

在換刀過程中，由于機(jī)械手抓住刀柄要作快速回轉(zhuǎn)，要作拔、插刀具的動作，還要保證刀柄鍵槽的角度位置對準(zhǔn)主軸上的驅(qū)動鍵。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，其活動爪要有鎖緊裝置，以防止刀具在換刀過程中轉(zhuǎn)動脫落。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，它由固定爪及活動爪組成，活動爪可繞軸回轉(zhuǎn)，其一端在彈簧柱塞的作用下，支靠在擋銷上，調(diào)整螺釘以保持手掌適當(dāng)?shù)膴A緊力，鎖緊銷使活動爪牢固地夾持刀柄，防止刀具在交換過程中松脫。鎖緊銷還可軸向移動，使活動爪放松，以便杈刀從刀柄V形槽中退出。

4、自動換刀動作順序

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

（一）雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手的換刀過程

（1）開始換刀前狀態(tài)。主軸正用T05號刀具進(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，抓住主軸上已用過的T05號刀具。

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

（5）卸刀機(jī)械手縮回原位。

（6）裝刀機(jī)械手前伸，使T09號刀具對準(zhǔn)主軸。

（7）機(jī)械手架后移，將T09號刀具插入主軸。

（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。

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

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

（12）刀套鏈反轉(zhuǎn)，把P09號刀套送到換刀位置，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)械手的換刀過程

作為最常用的一種換刀形式，換刀一次所需的基本動作如下。

（1）抓刀。手臂旋轉(zhuǎn)90o，同時(shí)抓住刀庫和主軸上的刀具。

（2）拔刀。主軸夾頭松開刀具，機(jī)械手同時(shí)將刀庫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，然后主軸夾頭夾緊刀具；

（5）復(fù)位。轉(zhuǎn)動手臂，回到原始位置。