为了在工件一次装夹中完成多个加工工序，缩短辅助时间，减少多次工件安装带来的误差，数控机床必须配备自动换刀装置。自动换刀装置应满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀具存储充足、刀库面积小、安全可靠等基本要求。

一、自动换刀装置的形式

1.转动刀架更换刀具。

旋转刀架是最简单的自动换刀装置，常用于数控车床。可设计成方形刀架、六边形刀架或盘式轴向刀架。四把、六把或更多把刀具分别安装在旋转刀架上，根据数控装置的指令更换刀具。

回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削阻力。由于车削精度在很大程度上取决于刀尖的位置，对于数控车床来说，在加工过程中不需要手动调整刀具位置，因此更需要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次分度后具有最高的重复定位精度(一般为0.001~0.005mm)。

旋转刀架的换刀动作一般包括刀架升降、刀架分度和刀架压紧等。

2.更换主轴头并更换刀具(刀具旋转是主要运动)

换主轴换刀具是旋转刀具的数控机床比较简单的换刀方法。这种主轴头其实就是转塔刀库。有两种类型的主轴头:水平和垂直。通常用转塔的分度代替主轴头来实现自动换刀。在转塔的每个主轴上，预装了每个工序所需的旋转刀具。当发出换刀指令时，各主轴头依次转到加工位置，主运动接通，相应主轴带动刀具旋转。而处于非加工位置的其他主轴与主运动分离。

这种更换主轴的换刀装置省去了自动松开、夹紧、卸刀、装刀、搬运等一系列复杂的操作，从而缩短了换刀时间，提高了换刀的可靠性。但由于空间位置的限制，主轴部件的结构尺寸不能过大，从而影响主轴系统的刚性。为了保证主轴的刚性，必须限制主轴的数量，否则结构尺寸会增大。所以转塔主轴头通常只适用于工序少、精度要求低的机床，如数控钻、铣床等。

3.带刀库的自动换刀系统

由于旋转刀架和转塔式换刀装置所包含的刀具数量不能太多，不能满足复杂零件的加工需要，自动换刀数控机床往往采用带刀库的自动换刀装置。带刀库的自动换刀装置由刀库和换刀机构组成，换刀过程复杂。首先，加工过程中使用的所有刀具都要分别安装在标准的刀柄上，在机外预调好尺寸后，按照一定的方式放入刀库。换刀时，首先选择刀库中的刀，然后由换刀装置将刀从刀库或主轴中取出，进行更换，将新刀装入主轴，旧刀放回刀库。刀库容量大，可安装在床头箱的侧面或上方。由于在刀库中装有自动换刀装置的数控机床的主轴箱中只有一个主轴，因此主轴部件的刚度应较高，以满足精密加工的要求。

另外，刀库中有大量的刀具，可以多工序加工复杂零件，大大提高了机床的适应性和加工效率。带刀库的自动换刀系统适用于数控钻孔中心和加工中心。

二、刀具库和刀具选择

1.刀具库类型

刀库的作用是储备一定数量的刀具，可以通过机械手与主轴上的刀具进行交换。刀库有很多种，如盘式刀库和链式刀库。刀库的形式和容量应根据机床的工艺范围来确定。对于图7-16所示的盘式刀库，刀具方向与主轴方向相同。换刀时，主轴箱上升到一定位置，使主轴上的刀具刚好对准刀库底部，刀具被夹紧。在CNC的控制下，主轴松开手柄，圆盘刀库向前移动，主轴上的刀具被拔出。然后，刀库将下一道工序中使用的刀具旋转到与主轴对齐的位置。当刀库退回时，新刀具被插入主轴孔。该换刀装置具有结构简单、成本低、换刀可靠性好的优点。缺点是换刀时间长，适合刀库容量小的加工中心。

对于刀库容量大的加工中心，可以使用链式刀库(图7-17)。链式刀库结构紧凑，刀库容量大。连杆的形状可以根据机床的布局做成各种形状，换刀位置可以突出，方便换刀。当需要增加刀具数量时，只需增加链条的长度，给刀库的设计和制造带来了方便。

2.刀具的选择

一般来说，刀库里存放着很多刀具，每次换刀前都要进行刀具选择。常用的刀具选择方法有两种:顺序刀具选择和任意刀具选择。加工前，将加工零件所需的刀具按工艺要求依次插入刀库的刀套中。加工就是按顺序调整刀具，加工不同工件时必须重新调整刀库中刀具的顺序。它的优点是刀库的驱动和控制相对简单。因此，该方法适用于加工批量大、工件数量少的中小型数控机床的自动换刀。

随着数控系统的发展，目前大多数数控系统采用任意选刀方式，可分为刀套编码、刀具编码和记忆型三种。

3.工具编码方法

刀具编码或刀具套筒编码需要在刀具或刀具套筒上安装用于识别的编码条，一般按照二进制编码的原理进行编码。工具编码工具选择方法采用特殊的工具手柄结构，对每个工具进行编码。每个工具都有自己的代码，因此该工具可以在不同的流程中重用。更换下来的刀具不需要放回原来的刀架中，刀库的容量也可以相应减少。但是每个刀具都有专门的编码环，使得刀具的长度变长，制造困难，刀库和机械手的结构也变得复杂。刀套编码方式是一把刀只对应一个刀套，从一个刀套中取出的刀必须放回同一个刀套中，取送刀很麻烦，换刀时间长。目前加工中心广泛采用记忆法。这样，刀具编号和刀具套筒在刀具库中的位置就可以相应地存储在数控系统的PLC中。无论刀具放在哪个刀套中，刀具信息总是存储在PLC中。刀库配有位置检测装置，可以获取每个刀套的位置信息。这样刀具就可以随意取出和放回。刀库上还有机械原点，可以就近选择每个刀具。

三、刀具交换装置

在数控机床的自动换刀装置中，在刀库和机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为换刀装置。换刀方式有两种:通过刀库和机床主轴的相对运动实现换刀，通过机械手实现换刀。换刀时，利用刀库与机床主轴之间相对运动的装置，必须先将用过的刀具送回刀库，再从刀库中取出新刀具。这两个动作不能同时进行，所以换刀需要很长时间。而机器人换刀装置可以同时抓取和装载主轴和刀库中的刀具，因此换刀时间进一步缩短。机械手是应用最广泛的换刀方式。这是因为机械手换刀灵活，动作迅速，结构简单。机械手可以完成抓取、牵引、翻转、插入、返回等一系列动作。为了防止工具掉落，机械手的活动爪装有自锁机构。

浙江嘉时数控机床有限公司欢迎来电