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我們都知道，自動換刀裝置應當滿足換刀時間短、刀具重復定位精度高、刀具儲存量足夠、刀庫占地面積小以及安全可靠等基本要求。各類數控機床的自動換刀裝置的結構取決于機床的形式、工藝范圍以及刀具的種類和數量等原因。
 
  一、自動換刀裝置的形式
 
  1.回轉刀架換刀
 
  回轉刀架是一種比較簡單的自動換刀裝置，通常使用在數控車床上。它可以設計成四方刀架、六角刀架或圓盤式軸向裝刀刀架等多種形式。回轉刀架上分別安裝著四把、六把或更多的刀具，并按數控裝置的指令來換刀。
 
  回轉刀架在結構上必須具有良好的強度和剛度，來承受粗加工時的切削抗力。由于車削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置，所以對于數控車床來說，加工過程中刀具位置不進行人工調整，因此更有必要選擇可靠的定位方案和合理的定位結構，以保證回轉刀架在每次轉位之后，具有盡可能高的重復定位精度(一般為0.001～0.005mm)。通常情況下，回轉刀架的換刀動作包括刀架抬起、刀架轉位及刀架壓緊等。
 
  2.更換主軸頭換刀(刀具旋轉為主運動)
 
  更換主軸換刀是帶有旋轉刀具的數控機床的一種比較簡單的換刀方式。這種主軸頭實際上就是一個轉塔刀庫。
 
  主軸頭有臥式和立式兩種，通常用轉塔的轉位來更換主軸頭，以實現自動換刀。在轉塔的各個主軸上，預先安裝有各工序所需要的旋轉刀具，當發出換刀指令的時候，各主軸頭依次地轉到加工位置，并接通主運動，使相應的主軸帶動刀具旋轉。而其它處于不加工位置上的主軸都會與主運動脫開。
 
  這種更換主軸換刀的裝置，很大程度上省去了自動松、夾、卸刀、裝刀以及刀具搬運等一系列的復雜操作，從而縮短了換刀時間，并提高了換刀的可靠性。但是由于空間位置的限制，使主軸部件結構尺寸不能太大，因而影響了主軸系統的剛性。為了保證主軸的剛性，必須限制主軸的數目，否則會使結構尺寸增大。因此，轉塔主軸頭通常只適用于工序較少、精度要求不太高的機床。
 
  3.帶刀庫的自動換刀系統
 
  由于回轉刀架、轉塔頭式換刀裝置容納的刀具數量不能太多，不能滿足復雜零件的加工需要，因此，自動換刀數控機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構組成，換刀過程較為復雜。首先要把加工過程中使用的全部刀具分別安裝在標準刀柄上，在機外進行尺寸預調整后，按一定的方式放入刀庫。換刀時，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面或上方。由于帶刀庫的自動換刀裝置的數控機床的主軸箱內只有一根主軸，主軸部件的剛度要高，以滿足精密加工要求。
 
  另外，刀庫內的刀具數量非常多，因而能夠進行復雜零件的多工序加工，大大提高了機床的適應性和加工效率。帶刀庫的自動換刀系統適用于數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量的刀具，通過機械手實現與主軸上刀具的互換。刀庫的類型有盤式刀庫、鏈式刀庫等多種形式，刀庫的形式和容量要根據機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，換刀時主軸箱上升到一定的位置，使主軸上的刀具正好對準刀庫最下面的那個位置，刀具被夾住，主軸在CNC的控制下，松開刀柄，盤式刀庫向前運動，拔出主軸上的刀具，然后刀庫將下一個工序所用的刀具旋轉至與主軸對準的位置，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，進行下道工序的加工。此換刀裝置的優點是結構簡單，成本較低，換刀可靠性較好；缺點是換刀時間長，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式刀庫，鏈式刀庫的結構緊湊，刀庫容量較大，鏈環的形狀可根據機床的布局制成各種形狀，也可將換刀位突出以便于換刀。當需要增加刀具數量時，只需增加鏈條的長度即可，給刀庫設計與制造帶來了方便。
 
  2. 刀具的選擇方式
 
  一般的刀庫內存放有多把刀具，每次換刀前要進行選刀，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，加工是按順序調刀，加工不同的工件時必須重新調整刀庫中的刀具順序。其優點是刀庫的驅動和控制都比較簡單。因此，這種方式適合加工批量較大、工件品種數量較少的中、小型數控機床的自動換刀。
 
  隨著數控系統的更新迭代，目前大多數的數控系統都是采用任意選刀的方式，大致分為刀套編碼、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，一般都是根據二進制編碼的原理進行編碼。刀具編碼選刀方式采用了一種特殊的刀柄結構，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使用，換下的刀具不用放回原刀座，刀庫的容量也可相應減少。
 
  但每把刀具上都帶有專用的編碼環，刀具長度加長，制造困難，刀庫和機械手的結構變復雜。刀套編碼的方式是一把刀具只對應一個刀套，從一個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地記憶在數控系統的PLC中，無論刀具放在哪個刀套內，刀具信息都始終記存在PLC內。刀庫上裝有位置檢測裝置，可獲得每個刀套的位置信息。這樣刀具就可以任意取出并送回。刀庫上還設有機械原點，使每次選刀時都是就近選取。
 
  三、刀具交換裝置
 
  數控機床的自動換刀裝置中，實現刀庫與機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：由刀庫與機床主軸的相對運動實現刀具交換以及采用機械手交換刀具。利用刀庫與機床主軸的相對運動實現刀具交換的裝置在換刀時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，兩個動作不能同時進行，換刀時間較長。
 
  而采用機械手換刀裝置在換刀時能夠同時抓取和裝卸機床主軸和刀庫中的刀具，這樣一來，換刀的時間進一步縮短。在我們日常生產過程中，采用機械手進行刀具交換的方式應用比較多。這是因為機械手換刀靈活，動作快，而且結構簡單。機械手能夠完成抓刀—拔刀—回轉—插刀—返回等一系列動作。為了防止刀具掉落，機械手的活動爪都帶有自鎖機構。