数控机床的自动换刀装置
数控加工系统的自动换刀装置
第二节数控加工系统的自动换刀装置为了进一步提高数控机床的加工效率，数控机床向着工件在一台机床上经一次装夹可完成多道工序或全部工序加工的方向发展，从而出现了各种类型的加工中心机床和车削中心机床。
这类机床为了完成不同工序的加工工艺，需使用多种刀具，因此必须有自动换刀装置。
自动换刀装置应满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀具储存量足够、结构紧凑及安全可靠等要求。
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、使用刀种类和数目。
目前数控机床使用的自动换刀装置主要有转塔式自动换刀和刀库式自动换刀二种。
一、转塔式自动换刀装置转塔式自动换刀装置又分回转刀架式和转塔头式二种，回转刀架式用于各种数控车床和车削中心机床。
转塔头式多用于数控钻、镗、铣床。
（一）回转刀架换刀回转刀架换刀是一种简单的自动换刀装置。
在回转刀架各刀座安装或夹持各种不同用途的刀具，通过回转刀架的转位实现换刀。
回转刀架可在回转轴径向和轴向安装刀具。
在数控车床上，回转刀架和其上的刀具布置大致有：（1）一个回转刀架，外圆类、内孔类刀具混合放置，如图6-10所示。
（2）两个回转刀架，分别布置外圆和内孔类刀具。
如图6-11所示，上刀架的回转轴与主轴平行，用于装外圆类刀具；下刀架的回转轴与主轴垂直，用于装内孔类刀具。
图6-11 带有两个回转刀架的数图6-12 双排回转刀架外形图控车床（3）一个回转刀架，外圆类、内孔类刀具分别布置在刀架的一侧面，如图6-12所示。
回转刀架的回转轴与主轴倾斜，每个刀位上可装两把刀具，用于加工外圆和内孔。
回转刀架的工位数最多可达20余个，但最常用的是8、10、12和16工位4种。
工位数越多，刀间夹角越小，非加工位置刀具与工件相碰而产生的干涉可能性越大；在刀架布刀时要给予考虑，避免发生干涉现象。
回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时切削抗力和减小刀架在切削力作用下的位移变形，提高加工精度。
回转刀架还要选择可靠的定位方案和定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后具有高的重复定位精度。
第4章 数控机床自动换刀装置
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4.2 刀库
统计了15000种工件，按成组技术分析，各种加工刀具所必需 的刀具数的结果是：4把刀的容量就可以完成95%左右的铣削 工艺，10把孔加工刀具可完成70%的钻削工艺，因此，14把刀 的容量就可完成70~以上的工件钻削工艺。如果从完成工件的
全部加工所需的刀具数目统计，所得结果是80%的工件完成全
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4.3 机械手
2. 刀库夹爪 刀库夹爪既起着刀套作用，又起着手爪的作用。如图4-19 所示为刀库夹爪图。
4.3.4 机械手结构原理
如图4-20所示，机械手结构及工作原理如下。 机械手有两对抓刀爪，分别由液压缸1驱动其动作。当液压 缸推动机械手抓刀爪外伸时，抓刀爪上的销轴3在支架上的 导向槽2向滑动，使抓刀绕销4摆动，抓刀爪合拢抓住刀具； 当液压缸间缩时，支架2上的导向槽迫使抓刀爪张开，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.
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4.3 机械手
4.3.5 机械手的驱动机构
如图4-21所示为机械手的驱动机构。汽缸1通过杆6带动机械 手臂升降。当机械手在上边位置时，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，汔缸7通过齿条9、齿轮8、传动盘5和杆6，带动手臂回转。 如图4-22所示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 位置从裙位置转过750时锁昆锁2被挡块压下，活动锁4就可以 活动，使得机械手可以抓住主轴和刀套中的刀具。
数控机床的自动换刀装置设计
第六章数控机床的自动换刀装置第一节自动换刀装置的形式数控机床为了能在工件一次装夹中完成多种甚至所有加工工序，以缩短辅助时间和减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。
数控车床上的回转刀架就是一种简单的自动换刀装置，所不同的是在多工序数控机床出现之后，逐步发展和完善了各类回转刀具的自动换刀装置，扩大了换刀数量，从而能实现更为复杂的换刀操作。
在自动换刀数控机床上，对自动换刀装置的基本要求是：换刀时间短，刀具重复定位精度高，有足够的刀具存储量，刀库占地面积小及安全可靠等。
各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的形式、工艺范围及其刀具的种类和数量。
其基本类型有以下几种。
一、转刀架换刀回转刀架是一种最简单的自动换刀装置，常用于数控车床。
可以设计成四方刀架、六角刀架或圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。
回转刀架上分别安装着四把、六把或更多的刀具，并按数控装置的指令换刀。
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抗力。
由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀具位置不进行人工调整，因此更有必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转位之后，具有尽可能高的重复定位精度（一般为0.001～0.005mm）。
一般情况下，回转刀架的换刀动作包括刀架抬起、刀架转位及刀架压紧141等。
回转刀架按其工作原理分为若干类型，如图6-1所示。
图6-1a)所示为螺母升降转位刀架，电动机经弹簧安全离合器到蜗轮副带动螺母旋转，螺母举起刀架使上齿盘与下齿盘分离，随即带动刀架旋转到位，然后给系统发信号螺母反转锁紧。
转位刀架刀架内装信号盘上齿盘销钉端齿盘定位开电动机合下齿盘销钉n螺母弹簧安全离合器蜗轮副(a)(b)刀架凸轮凸轮拔爪棘爪上齿盘下齿盘电动机液压缸棘轮摆动阀芯(c)(e)(d)回转刀架的类型及其工作原理图6-1图6-1b)所示为利用十字槽轮来转位及锁紧刀架（还要加定位销），销钉每转一周，刀架便转1/4转（也可设计成六工位等）。
数控机床自动换刀装置
02
数控机床自动换刀装置 的结构与设计
刀库设计
刀库容量
根据数控机床的加工需求， 合理设计刀库容量，确保 能够存放足够数量的刀具。
刀具存放方式
采用合适的刀具存放方式， 如刀具架、刀具套等，以 便于刀具的存取和管理。
刀库布局
根据数控机床的整体布局 和加工要求，合理布置刀 库的位置和方向，以提高 换刀效率和加工精度。
例如，在发动机缸体的加工中，需要使用不同种类的刀具进行粗加工、半精加工和精加工。数控机床 自动换刀装置可以在加工过程中自动识别需要更换的刀具，并快速、准确地完成换刀操作，保证了加 工过程的连续性和稳定性。
应用案例二：航空航天业
航空航天业对零部件的加工精度和效率要求极高，数控机床自动换刀装置在航空 航天业中也有着广泛的应用。例如，在飞机机身和机翼的制造中，需要使用大型 五轴数控机床进行加工，而大型五轴数控机床的换刀时间较长，影响了加工效率 。
数控机床自动换刀装置的应用，可以大大缩短换刀时间，提高加工效率。同时， 由于航空航天业对零部件的加工精度要求极高，数控机床自动换刀装置的精确性 和稳定性也得到了充分验证，为航空航天业的发展提供了有力支持。
应用案例三：模具制造业
模具制造业是数控机床自动换刀装置的重要应用领域 之一。在模具的制造过程中，需要使用不同种类的刀 具进行粗加工、半精加工和精加工。数控机床自动换 刀装置的应用，可以大大提高模具的加工效率和精度 。
分类与比较
按换刀方式分类
数控机床自动换刀装置可分为机械手换刀和机器人换刀两种 方式。机械手换刀方式具有结构简单、成本低等优点，但换 刀速度较慢；机器人换刀方式具有换刀速度快、精度高等优 点，但结构复杂、成本较高。
按刀库类型分类
数控机床自动换刀装置可分为固定刀库和旋转刀库两种类型 。固定刀库具有容量大、换刀速度快等优点，但结构复杂、 成本较高；旋转刀库具有结构简单、成本低等优点，但容量 较小、换刀速度较慢。
第2章自动换刀装置
➢ 这类换刀装置应用最广泛。
刀库装在机床的工作台上 ，这种换刀装置，直接利 用机床本身及刀库的运动 进行换刀。当某一刀具加 工完毕从工件退出后，即 开始进行自动换刀 。
现在的中小型加工中心，刀 库不是装在工作台上，而是 装在立柱上的一个托架上。 采用刀库在托架的导轨上平 行于X方向运动与主轴的上 下运动实现换刀。
2.为什么需要自动换刀装置：
• 缩短非切削时间，提高生产率，可使非切削时间减少到20
％～30％；
• “工序集中”，扩大数控机床工艺范围，减少设备占地面积； • 提高加工精度；
– 数控机床对ATC要求：
• 换刀时间尽可能短； • 刀具重复定位精度高； • 刀具储存量足够； • 结构紧凑，便于制造、维修、调整； • 布局应合理，使机床总布局美观大方； • 较好的刚性，避免冲击、振动及噪声，运转安全可靠； • 防屑、防尘装置。
第2章第三节 数控机床的自动 换刀装置
内容提要
本节将讨论数控机床的自动刀具交换装置的形 式、刀库的类型、刀具系统及选刀方式，最后将介 绍一个自动刀具交换装置的实例。
一、概述
1.什么是自动换刀装置：
• 储备一定数量的刀具并完成刀具的自动交换功能的装置 • ATC：Automatic Tool Changer
当刀库的容量大、刀具较重或机床总体布局等原因， 刀库也可作为一个独立部件，装在机床之外
刀库远离主轴，常常要 附加运输装置，来完成 刀库与主轴之间刀具的 运输。
•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
三、刀 库
• 1、刀库的形式
（1）盘式刀库
自动换刀装置
为完成对工件的多工序加工而设置的存储及更换 刀具的装置称为自动换刀装置（Automatic Tool Changer, ATC）。 自动换刀装置应当满足的基本要求为：
刀具换刀时间短且换刀可靠。 刀具重复定位精度高。 足够的刀具储存量。 结构简单，便于制造、维修、调整。 布局合理，机床总布局美观大方。
编码识别装置
接触式刀具识别装置的原理
非接触式磁性识别原理图
光导纤维刀具识别原理图
刀座编码方式
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，刀库停止旋转。
如图所示为圆盘形刀库的刀 座编码装置。在圆盘的圆周上均 匀分布若干个刀座，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刀具编码 完全相同.
(6)主轴箱及主轴带着刀具上升；
(7)机床工作台快速向左返回，将刀库 从主轴下面移开，同时将工件移至主轴 数控立式镗铣床
下面，使主轴上的刀具对准工件的加工
面。
四、刀具交换装置
1、利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换
这种自动换刀装置只有一个刀库， 不需要其他装置，结构极为简单，然而 换刀过程却较为复杂。 另外，由于刀库置于工作台上，因 而减少了工作台的有效使用面积。这种 换刀装置多用于小型低价位的加工中心。
转塔头主轴通常只适应于工序较少，精度要求 不太高的机床，如数控钻床、铣床等。
一、自动换刀装置的型式——转塔头式换刀装置
优点： 省去了自动松、夹、装刀、卸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（仅为2s左右）， 并提高了换刀的可靠性。
缺点： 由于空间位置的限制，使主轴部件结构不能设计得十 分坚实，因而影响了主轴系统的刚度。为了保证主轴的 刚度，必须限制主轴数目，否则将使结构尺寸大大增加。
自动换刀装置
5.2 刀架换刀
• 一、排刀式刀架
图5-6 排刀式刀架布置图
17
图5-7 快换台板
18
二、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，方刀架回转时，刀具交换一 个刀位，但方刀架的回转和刀位号的选择是由 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、刀架定位和夹紧刀 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，
9
三、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 • 2．非接触式刀具识别装置
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1．接触式刀具识别装置
图5-3 接触式刀具识别装置 1-刀柄 2-识别装置 3-触针 4-编码环
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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。
各种类型的自动换刀 数控机床。尤其是对 使用回转类刀具的数 控镗、铣床类立式、
卧式加工中心机床。
用机械手配 合刀库进行 换刀
刀库只有选刀运动，
机械手进行换刀运 动，刀库容量大
要根据工艺范围和机 床特点，确定刀库容 量和自动换刀装置类 型。
4
二、刀具的选择 自动选刀：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。
• (1)刀架抬起 • (2)刀架转位 • (3)刀架压紧 • (4)转位液压缸复位
「数控机床的自动换刀装置设计」
「数控机床的自动换刀装置设计」一、需求分析数控机床的自动换刀装置主要用于在加工过程中自动更换刀具，以适应不同的加工任务和实现多种加工工艺的自动化。
因此，自动换刀装置的设计要满足以下需求：1.快速准确的刀具更换：自动换刀装置需要能够在短时间内完成刀具的更换，且保证更换的准确性。
2.高效的自动化控制：自动换刀装置需要与数控系统实现自动化控制，能够根据加工任务自动选择合适的刀具。
3.安全可靠的操作：自动换刀装置需要具备安全可靠的设计，避免因操作失误导致的事故发生。
二、设计原则在自动换刀装置的设计过程中，需要遵循以下原则：1.结构简单、紧凑：自动换刀装置需要满足空间限制，尽可能小巧紧凑，以适应各种机床的安装条件。
2.操作方便、人性化：自动换刀装置的控制操作要简便易懂，方便操作人员进行操作和维护。
3.刀具固定牢固可靠：刀具在加工过程中会受到较大的切削力和振动力，因此自动换刀装置需要确保刀具固定牢固，以保证加工精度和工件质量。
三、设计方案基于上述需求和设计原则，设计了一种数控机床的自动换刀装置。
该装置的设计主要包括以下几个部分：1.刀库设计：刀库是存放刀具的地方，需要设计合理的刀具存储位置和刀具取放机构。
刀库可以采用旋转式或者移动式，既可以满足换刀的快速性，又可以满足复杂工艺下的多种刀具存储需求。
2.自动换刀机构设计：自动换刀机构用于完成刀具的取放。
可以采用伺服电机或气动执行器控制换刀机构的运动，实现快速精确的换刀动作。
3.刀具固定设计：刀具在切削过程中会受到较大的力，需要采用可靠的夹持装置将刀具固定在主轴上。
常用的刀具固定装置有机械夹紧和磁力夹持装置，可以根据具体的加工需求选择合适的装置。
4.控制系统设计：自动换刀装置需要与数控系统实现自动化控制，根据加工任务自动选择合适的刀具。
控制系统可以采用PLC或者单片机进行控制，通过传感器检测刀具状态，并发送信号控制换刀动作。
5.安全设计：自动换刀装置需要具备安全可靠的设计，可以在换刀过程中检测到异常情况，如刀具松动或擦伤等，并及时采取安全保护措施，避免事故的发生。
自动换刀装置的形式---回转刀架换刀
8.4.1 自动换刀装置的形式自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有以下几种。
1．回转刀架换刀数控机床使用的回转刀架是最简单的自动换刀装置，有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。
回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力：同时要保证回转刀架在每次转位的重复定位精度。
图8-17为数控车床六角回转刀架，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。
图8-17 数控车床六角回转刀架1－活塞2－刀架体3、7－齿轮4－齿圈5－空套齿轮6－活塞8－齿条9－固定插销10、11－推杆12－触头回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，它的动作分为4个步骤：(1)刀架抬起当数控装置发出换刀指令后，压力油由a孔进入压紧液压缸的下腔，活塞1上升，刀架体2抬起，使定位用的活动插销10与固定插销9脱开。
同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮5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，通过联接板带动齿条8移动，使空套齿轮5作逆时针方向转动。
通过端齿离合器使刀架转过60º。
活塞的行程应等于齿轮5分度圆周长的1/6，并由限位开关控制。
(3)刀架压紧刀架转位之后，压力油从b孔进入压紧液压缸上腔，活塞1带动刀架体2下降。
齿轮3的底盘上精确地安装有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。
刀架体2下降时，定位活动插销10与另一个固定插销9卡紧，同时齿轮3与齿圈4的锥面接触，刀架在新的位置定位并夹紧。
这时，端齿离合器与空套齿轮5脱开。
(4)转位液压缸复位刀架压紧之后，压力油从d孔进入转位液压缸的右腔，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3在轴上空转。
如果定位和夹紧动作正常，推杆11与相应的触头12接触，发出信号表示换刀过程已经结束，可以继续进行切削加工。
自动换刀装置
常用盘式刀库
径向插刀、 径向插刀、取刀
轴向插刀、 轴向插刀、取刀
常用盘式刀库
返回
回转刀架换刀
机械手换刀
刀库与主轴相对运动换刀
盘式刀库
链式刀库
第五节
自动换刀装置（ATC）
一、自动换刀装置作用 自动换刀装置可帮助数控机床节省辅助时间，并满足 在一次安装中完成多工序、工步加工要求。 二、对自动换刀装置的要求 换刀时间短，刀具重复定位精度高，足够的刀具容量， 体积小，稳定可靠。
三、换刀方式 回转刀架换刀 更换主轴头换刀 机械手换刀 使用刀库的换刀 刀库与主轴相对运动换刀
五、刀架换刀
换刀过程： 1、刀架抬起； 2、刀架转位； 3、刀架压紧；
六、具有刀库和机械手的自动换刀装置
自动换刀装置主要组成：刀库、刀具交换装置（机械手） 自动换刀装置主要组成：刀库、刀具交换装置（机械手）
1、刀库 、 用于存放刀具 主要形式： 主要形式： ♦盘式刀库 刀具容量较少（15~30）、结构简单、空间利用率低； ）、结构简单 刀具容量较少（15~30）、结构简单、空间利用率低； ♦链式刀库 刀具容量大（30~120），结构紧凑，但有可能造成取刀动作 刀具容量大（ ），结构紧凑， ），结构紧凑 复杂 ； ♦四方刀架 ♦六角刀架
特点：上述两动作， 特点：上述两动作，不能 同时进行，换刀时间较长。 同时进行，换刀时间较长。
１主轴箱 ２主轴 ３刀具 ４刀库 ５工作台
2）用机械手换刀 ） 换刀机械手常用形式—钩手 换刀机械手常用形式 钩手钩刀机械手换ຫໍສະໝຸດ 基本动作 抓刀 拔刀 换刀 插刀 复位
换刀机械手常用形式——抱手 抱手 换刀机械手常用形式
换刀机械手常用形式——叉手 叉手 换刀机械手常用形式
数控机床的自动换刀装置
数控机床的自动换刀装置摘要数控机床集中应用了计算机技术，电子技术，自动控制技术，传感测量，机械制造，等先进技术，是典型的机电一体化产品。
它的发展和应用开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式，产业结构，管理形式，使世界制造业的格局发生了巨大的变化，促进了其他行业的生成和飞速发展。
刀具及自动换刀装置对加工时间有着重要的影响，自动换刀的快慢又影响了加工的时间，刀库的容量决定了刀具的数量，进而影响换刀时间和加工时间。
本文主要讲述数控机床的自动换刀机构。
关键词：发展趋势机构自动换刀刀库目录1、刀库 (1)1.1刀库的类型 (1)1.2刀库的容量 (1)1.3刀库的转位 (1)2、机械手 (2)2.1机械手的形式 (2)2.2机械手手爪形式与结构原理 (2)2.2.1机械手手爪形式 (2)2.2.2机械手结构原理及驱动机构 (2)3、自动换刀装置 (2)3.1刀具选择方式 (3)3.1.1顺序选刀 (3)3.1.2任选刀具 (3)3.2数控车床刀架 (3)参考文献 (5)1、刀库刀库是自动换刀装置的主要部件，其容量、布局以及具体结构对数控机床的设计有很大影响。
刀库的刀具定位机构是用来保证要更换的每一把刀具准确的停在换到位置上。
采用电动机或液压系统为刀库提供动力。
根据刀库所需要的容量和取刀方式，可以将刀库设计成多种形式。
1.1刀库的类型刀库的功能是储存加工工序所需要的各种刀具，并按指令将要用的刀具准确的送到换刀位置，并接受从主轴送来的已用刀具。
根据需求，刀库类型有多种（1）盘式刀具在盘式刀库结构中，刀具可以沿主轴轴向、径向、斜向安放，刀具轴向安装的结构最为紧凑。
在刀库容量较大时，可采用弹仓式结构，目前大量的刀库安装在机床立柱的顶面或侧面，也可安装在单独的基地上。
盘式刀库分径向、轴向两种取刀方式，其刀座结构不同。
此种刀库结构简单，适用于刀库容量较少的情况。
（2）链式刀库刀具容量比盘式的大，结构也比较灵活和紧凑，常为轴向换刀。
数控机床的自动换刀装置
《数控机床编程与操作》
山东华宇职业技术学院实训中心
数控机床的自动换刀装置
单元三
刀具系统及刀具选择 一、刀具系统 二、刀具的选择方式 三、刀具识别装置
Exit
《数控机床编程与操作》
山东华宇职业技术学院实训中心
数控机床的自动换刀装置
单元三
刀具系统及刀具选择
刀柄 编码环 销紧螺母
二、刀具的选择方式 1、顺序选择刀具 2、任意选择刀具 a）刀具编码方式 b）刀座编码方式 c）编码附件方式
二、更换主轴换刀
三、更换主轴箱换刀 四、带刀库的自动换刀系统
Exit
《数控机床编程与操作》
山东华宇职业技术学院实训中心
数控机床的自动换刀装置
单元一
自动换刀装置的形式
内装信号盘 上齿盘 开 合 下齿盘 n 螺母 蜗轮副 (a) 刀架 弹簧安全离合器 (b) 转位 刀架 端齿盘定位 电动机 销钉 刀架 销钉
《数控机床编程与操作》
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数控机床的自动换刀装置
单元四
刀具交换装置
1、无机械手换刀 2、机械手换刀
刀库 刀库 (a) 主轴 (b)
一、刀具交换方式
主轴
主轴
主轴 刀库 (c) 刀库
(d)
图6-17 双臂机械手常见的结构形式
Exit
《数控机床编程与操作》
山东华宇职业技术学院实训中心
拉杆
刀座编码块 刀座识别装置
图6-10
刀具编码的结构
图6-11
刀座编码的结构
弹性接触片 导向突起 代码突起 炭刷
钥匙代码凹凸处 弹性接触片
炭刷 代码突起 钥匙代码凹凸处
图6-12 编码钥匙
数控机床的自动换刀装置
01
02
03
04
提升换刀速度
通过改进换刀机构和优化换刀 程序，缩短换刀时间，提高生
产效率。
提高刀具定位精度
采用高精度传感器和优化算法 ，确保刀具快速、准确地安装
到机床主轴上。
加强刀具管理
建立完善的刀具管理系统，实 现刀具的快速识别、选择和调
度，提高生产效率。
降低故障率
加强设备维护和保养，定期检 查自动换刀装置的各部件，确
数控机床自动换刀装置 的类型与结构
回转刀架式自动换刀装置
总结词
结构简单、操作方便、换刀时间短
详细描述
回转刀架式自动换刀装置通常由刀架、定位销、转位机构等组成，通过电机驱 动刀架旋转，实现刀具的快速更换。这种装置结构简单，操作方便，换刀时间 短，适用于中小型数控机床。
转塔式自动换刀装置
总结词
换刀速度快、刀具容量大、精度高
详细描述
转塔式自动换刀装置由主轴和多个刀套组成，通过旋转塔体来更换刀具。这种装 置换刀速度快，刀具容量大，精度高，适用于大型数控机床。
机械手式自动换刀装置
总结词
自动化程度高、灵活性好、适应性强
详细描述
机械手式自动换刀装置由机械手、夹爪、传动机构等组成，通过机械手的伸缩、旋转和升降等动作来更换刀具。 这种装置自动化程度高，灵活性好，适应性强，适用于各种类型的数控机床。
数控机床的自动换刀 装置
目录
• 数控机床自动换刀装置概述 • 数控机床自动换刀装置的工作原理 • 数控机床自动换刀装置的类型与结构 • 数控机床自动换刀装置的应用与优化
01
数控机床自动换刀装置 概述
定义与特点
定义
数控机床的自动换刀装置是指在 加工过程中能够自动更换刀具的 装置，是数控机床的重要组成部 分。详细描述
数控机床自动换刀装置及其控制研究
数控机床自动换刀装置及其控制研究一、本文概述随着现代制造业的飞速发展，数控机床作为重要的加工设备，其自动化、智能化水平的高低直接决定了生产效率与加工质量。
自动换刀装置（Automatic Tool Changer, ATC）作为数控机床的关键组成部分，其性能直接影响到机床的加工效率与灵活性。
本文旨在对数控机床自动换刀装置及其控制进行深入的研究，探讨其结构特点、工作原理、控制策略以及优化方法，以期为提高数控机床的整体性能提供理论支持和实践指导。
文章首先对数控机床自动换刀装置的基本概念和分类进行介绍，明确研究对象和范围。
接着，分析不同类型自动换刀装置的结构特点和工作原理，包括刀库类型、换刀方式、换刀时间等关键因素。
在此基础上，研究自动换刀装置的控制策略，包括换刀过程的控制逻辑、运动轨迹规划、故障检测与处理等。
同时，结合实际应用案例，探讨自动换刀装置在实际生产中的性能表现及优化空间。
文章对数控机床自动换刀装置的发展趋势进行展望，提出未来研究方向和建议。
通过本文的研究，旨在为数控机床自动换刀装置的设计、制造和应用提供有益的参考和借鉴，推动现代制造业的持续发展。
二、数控机床自动换刀装置概述随着制造业的快速发展，数控机床作为高精度、高效率的加工设备，其应用越来越广泛。
在数控机床中，自动换刀装置（Automatic Tool Changer，简称ATC）是一项关键技术，它能够在加工过程中自动更换刀具，从而大幅提高加工效率。
本章节将对数控机床自动换刀装置进行概述，包括其工作原理、主要类型以及发展趋势。
工作原理：自动换刀装置主要通过刀库和换刀机构两部分实现刀具的自动更换。
刀库负责存储多把刀具，而换刀机构则负责在需要时从刀库中选取合适的刀具，并将其安装到主轴上。
整个换刀过程由数控系统控制，确保换刀过程精确、快速。
主要类型：根据换刀方式和结构特点，自动换刀装置可以分为多种类型，如转塔式、盘式、链式等。
转塔式换刀装置通过旋转转塔来选取刀具，结构紧凑但刀具容量有限盘式换刀装置利用旋转刀盘进行刀具更换，刀具容量较大链式换刀装置则通过链条或传送带将刀具输送到指定位置，适用于大型数控机床。
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数控机床大作业
数
控
机
床
的
自
动
换
刀
装
置
姓名：
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班级：
数控机床的自动换刀装置
作者：刘伟杰
摘要
数控机床集中应用了计算机技术，电子技术，自动控制技术，传感测量，机械制造，等先进技术，是典型的机电一体化产品。
它的发展和应用开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式，产业结构，管理形式，使世界制造业的格局发生了巨大的变化，促进了其他行业的生成和飞速发展。
刀具及自动换刀装置对加工时间有着重要的影响，自动换刀的快慢又影响了加工的时间，刀库的容量决定了刀具的数量，进而影响换刀时间和加工时间。
本文主要讲述数控机床的自动换刀机构。
关键词：发展趋势机构自动换刀刀库
中图分类号：TH 文献标识码：B
1.刀库
刀库是自动换刀装置的主要部件，其容量、布局以及具体结构对数控机床的设计有很大影响。
刀库的刀具定位机构是用来保证要更换的每一把刀具准确的停在换到位置上。
采用电动机或液压系统为刀库提供动力。
根据刀库所需要的容量和取刀方式，可以将刀库设计成多种形式。
1.1刀库的类型
刀库的功能是储存加工工序所需要的各种刀具，并按指令将要用的刀具准确的送到换刀位置，并接受从主轴送来的已用刀具。
根据需求，刀库类型有多种（1）盘式刀具在盘式刀库结构中，刀具可以沿主轴轴向、径向、斜向安放，刀具轴向安装的结构最为紧凑。
在刀库容量较大时，可采用弹仓式结构，目前大量的刀库安装在机床立柱的顶面或侧面，也可安装在单独的基地上。
盘式刀库分径向、轴向两种取刀方式，其刀座结构不同。
此种刀库结构简单，适用于刀库容量较少的情况。
（2）链式刀库刀具容量比盘式的大，结构也比较灵活和紧凑，常为轴向换刀。
可将换刀位置刀座突出以利于换刀。
另外还可以采用加长连带方式加大刀库的容量，也可采用折叠回绕的方式提高空间利用率，在要求刀量容量很大时可以采用多条链带的结构。
（3）格子盒式刀具固定型格子盒式刀库。
刀具分几排直线排列，由纵、横向移动的取刀机械手完成选刀运动，将选取的刀具送到固定的换刀位置刀座上，由换刀机械手交换刀具，此刀具空间利用高，刀库容量大。
1.2刀库的容量
刀库的容量首先要考虑加工工艺的分析需要。
一般情况下，并不是刀库中的刀具越多越好，太的容量会增加刀库的尺寸和占地面积，使选刀过程时间增长。
如果从完成工件的全部加工所需要的刀具数目统计，所得结果是80%的工件完成加工任务所需的刀具数目在40种以下，所以一般的中小型立式加工中心配14--30把刀具的刀库就能够满足70%--95%的工件加工需要。
1.3刀库的转位
刀库转位机构由伺服电动机通过消隙齿轮带动蜗杆，通过涡轮使刀库转动。
刀库的的最大转角为180度，根据所换道具的位置决定正传或反转、由控制系统自动判别，以使找刀路径最短。
每次转角大小由位置系统控制，进行粗定位，最后由定位销精确定位。
刀库及转位机构在同一个箱体内，由液压缸实现其移动。
刀库的转位精度和速度，极大的影响数控机床的换刀时间，而转位精度又确定了数控机床的本身性能。
2、机械手
采用机械手进行刀具交换的方式应用的最为广泛，机械手换刀有很大的灵活性，而且可以减少换刀时间，换刀的形式和方式所受限制较小。
2.1机械手的形式
（1）单臂单爪回转式机械手此类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，不论在刀库上或是在主轴上，都可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此类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。
另一个夹爪执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务，其换刀时间比单爪回转式机械手要少。
（3）单臂双爪回转式机械手此类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度后，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，是常用的一种形式。
（4）双机械手此类机械手相当于两个单爪机械手，相互配合来进行自动换刀，其中一个机械手从主轴取回刀具送回到刀库；另一个机械手由刀库取出“新刀”装入机床主轴。
2.2机械手手爪形式与结构原理
2.2.1机械手手爪形式
（1）钳形手的械杆形式
（2）刀库夹手刀库夹手既起着刀套作用，又起着手爪作用。
2.2.2机械手结构原理及驱动机构
机械手有两对抓刀爪，由液压缸提供抓刀力，由于抓刀动作由机械机构实现，且可以自锁，工作安全可靠。
驱动亦是由液压缸提供动力。
3.自动换刀装置
数控机床为了能在工件一次装夹中完成多种甚至所有加工工序，缩短辅助时间，减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。
3.1刀具选择方式
按数控装置的刀具选择指令，从刀具库中将所需要的刀具转换到取刀位置，称自动选刀。
3.1.1顺序选刀
此类选刀方式是按照预定的工序先后顺序将所用的刀具插入刀库刀座中，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。
该法不需要刀具识别，但每把刀具在工序中不能重复使用，为了满足加工需要，只有增加刀具数量和刀库容量，这就降低了刀具和刀库的利用率，装刀时必须十分谨慎，必须按顺序装刀。
3.1.2任选刀具
任选刀具是根据程序指令的要求任意选取所需要的刀具，刀具在刀库中不需要按照工件的加工顺序排列，可任意放。
每把刀具都编上代码，自动换刀时刀库旋转，没把道具上都经过“刀具识别系统”接受识别。
刀具可以重复使用，刀具数量可以少一些，刀库体积也可稍微小些。
1）刀具编码方式在刀柄后端拉杆上套有等间距的编码环，由锁紧螺母固定。
2）刀座编码方式对每个刀座进行编码，刀具也编码，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。
3.2数控车床刀架
数控车床的刀具必须有良好的的强度和刚度。
要保证会装刀架每次转位的重复定位精度。
3.2.1数控车床方刀架此类有四把不同刀具，转位信号由加工程序指定
数控六角回转刀架
回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，它的动作分为4个步骤：
(1)刀架抬起当数控装置发出换刀指令后，压力油由孔进入压紧液压缸的下腔，
活塞上升，刀架体抬起，使定位用的活动插销与固定插销脱开。
同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮结合。
(2)刀架转位当刀架抬起后，压力油从孔进入转位液压缸左腔，活塞向右移动，通过联接板带动齿条移动，使空套齿轮作逆时针方向转动。
通过端齿离合器使刀架转过60º。
活塞的行程应等于齿轮分度圆周长的1/6，并由限位开关控制。
(3)刀架压紧刀架转位之后，压力油从孔进入压紧液压缸上腔，活塞带动刀架体下降。
齿轮的底盘上精确地安装有个带斜楔的圆柱固定插销，利用活动插销消除定位销与孔之间的间隙，实现反靠定位。
刀架体下降时，定位活动插销与另一个固定插销卡紧，同时齿轮与齿圈的锥面接触，刀架在新的位置定位并夹紧。
这时，端齿离合器与空套齿轮5脱开。
(4)转位液压缸复位刀架压紧之后，压力油从孔进入转位液压缸的右腔，活塞带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮在轴上空转。
如果定位和夹紧动作正常，推杆与相应的触头接触，发出信号表示换刀过程已经结束，可以继续进行切削加工。
回转刀架除了采用液压缸转位和定位销定位之外，还可以采用电动机带动离合器定位，以及其他转位和定位机构。
数控机床的换刀系统，会更加的准确、快速。
参考文献
【1】蔡厚道，杨家兴。
《数控机床构造》。
北京：北京理工大学出版社，2007. 【2】李雪梅《数控机床》。
北京：电子工业出版社，2006.
【3】叶伯生《计算机数控系统原理、编程与操作》。
武汉：华中理工大学出版社，1999.。