數(shù)控機(jī)床為了能在工件一次裝夾中完成多道加工工序，縮短輔助時(shí)間，減少多次安裝工件所引起的誤差，必須帶有自動換刀裝置。自動換刀裝置應(yīng)當(dāng)滿足換刀時(shí)間短、刀具重復(fù)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。

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▓D7-17），鏈?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)。