數控機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(dòng)換刀裝置。自動(dòng)換刀裝置應當滿(mǎn)足換刀時(shí)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。

　　一、自動(dòng)換刀裝置的形式

　　1.回轉刀架換刀

　　回轉刀架是一種最簡(jiǎn)單的自動(dòng)換刀裝置，常用于數控車(chē)床?？梢栽O計成四方刀架、六角刀架或圓盤(pán)式軸向裝刀刀架等多種形式?；剞D刀架上分別安裝著(zhù)四把、六把或更多的刀具，并按數控裝置的指令換刀。

　　回轉刀架在結構上必須具有良好的強度和剛度，以承受粗加工時(shí)的切削抗力。由于車(chē)削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置，對于數控車(chē)床來(lái)說(shuō)，加工過(guò)程中刀具位置不進(jìn)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)。

　　一般情況下，回轉刀架的換刀動(dòng)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(dòng))

　　更換主軸換刀是帶有旋轉刀具的數控機床的一種比較簡(jiǎn)單的換刀方式。這種主軸頭實(shí)際上就是一個(gè)轉塔刀庫，如圖所示。

　　主軸頭有臥式和立式兩種，通常用轉塔的轉位來(lái)更換主軸頭，以實(shí)現自動(dòng)換刀。在轉塔的各個(gè)主軸上，預先安裝有各工序所需要的旋轉刀具，當發(fā)出換刀指令時(shí)，各主軸頭依次地轉到加工位置，并接通主運動(dòng)，使相應的主軸帶動(dòng)刀具旋轉。而其它處于不加工位置上的主軸都與主運動(dòng)脫開(kāi)。

　　這種更換主軸換刀裝置，省去了自動(dòng)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(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(huì )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，例如數控鉆、銑床等。

　　3.帶刀庫的自動(dòng)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(mǎn)足復雜零件的加工需要，因此，自動(dòng)換刀數控機床多采用帶刀庫的自動(dòng)換刀裝置。帶刀庫的自動(dòng)換刀裝置由刀庫和換刀機構組成，換刀過(guò)程較為復雜。首先要把加工過(guò)程中使用的全部刀具分別安裝在標準刀柄上，在機外進(jìn)行尺寸預調整后，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面或上方。由于帶刀庫的自動(dòng)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(mǎn)足精密加工要求。

　　另外，刀庫內刀具數量較大，因而能夠進(jìn)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(dòng)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(lèi)型

　　刀庫的作用是儲備一定數量的刀具，通過(guò)機械手實(shí)現與主軸上刀具的互換。刀庫的類(lèi)型有盤(pán)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(lái)確定。圖7-16所示的盤(pán)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(kāi)刀柄，盤(pán)式刀庫向前運動(dòng)，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(wù)，進(jìn)行下道工序的加工。此換刀裝置的優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單，成本較低，換刀可靠性較好;缺點(diǎn)是換刀時(shí)間長(cháng)，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(圖7-17)，鏈式刀庫的結構緊湊，刀庫容量較大，鏈環(huán)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(shí)，只需增加鏈條的長(cháng)度即可，給刀庫設計與制造帶來(lái)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(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，加工是按順序調刀，加工不同的工件時(shí)必須重新調整刀庫中的刀具順序。其優(yōu)點(diǎn)是刀庫的驅動(dòng)和控制都比較簡(jiǎn)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(dòng)換刀。

　　隨著(zhù)數控系統的發(fā)展，目前大多數的數控系統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(zhuān)用的編碼環(huán)，刀具長(cháng)度加長(cháng)，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(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(cháng)。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(wú)論刀具放在哪個(gè)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(gè)刀套的位置信息。這樣刀具就可以任意取出并送回。刀庫上還設有機械原點(diǎn)，使每次選刀時(shí)就近選取。

　　三、刀具交換裝置

　　數控機床的自動(dòng)換刀裝置中，實(shí)現刀庫與機床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱(chēng)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(dòng)實(shí)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(dòng)實(shí)現刀具交換的裝置在換刀時(shí)必須首先將用過(guò)的刀具送回刀庫，然后再從刀庫中取出新刀具，兩個(gè)動(dòng)作不能同時(shí)進(jìn)行，換刀時(shí)間較長(cháng)。

　　而采用機械手換刀裝置在換刀時(shí)能夠同時(shí)抓取和裝卸機床主軸和刀庫中的刀具，因此換刀時(shí)間進(jìn)一步縮短。采用機械手進(jìn)行刀具交換的方式應用最廣泛。這是因為機械手換刀靈活，動(dòng)作快，而且結構簡(jiǎn)單。機械手能夠完成抓刀—拔刀—回轉—插刀—返回等一系列動(dòng)作。為了防止刀具掉落，機械手的活動(dòng)爪都帶有自鎖機構。