一.概述
要實現(xiàn)一次裝夾多工序加工，在數(shù)控機床上必須具備自動換刀功能。實現(xiàn)刀庫與機床主軸之間刀具的裝卸與傳遞功能的裝置稱為自動換刀系統(tǒng)。
自動換刀已廣泛地用于鏜銑床、銑床、鉆床、車床、組合機床和其它機床。使用自動換刀系統(tǒng)，配合精密的數(shù)控轉臺，不僅擴大了數(shù)控機床的使用范圍，減少了生產(chǎn)面積，還可使機加工時間提高到70% ～80%，顯著提高了生產(chǎn)率。由于零件在一次安裝中完成多工序加工，大大減少了零件安裝的定位次數(shù)，從而進一步提高了加工精度。
自動換刀系統(tǒng)應該滿足換刀時間短，刀具重復定位精度高，刀具儲存數(shù)量足夠，結構緊湊，便于制造、維修、調(diào)整，應有防屑、防塵裝置，布局應合理等要求。同時也應具有較好的剛性，沖擊、振動及噪聲小，運轉安全可靠等特點。
自動換刀系統(tǒng)的形式和具體結構對數(shù)控機床的總體布局、生產(chǎn)率和工作可靠性都有直接的影響。
二.組成及其形式
自動換刀系統(tǒng)由刀庫、選刀機構、刀具交換機構(如機械手)、刀具在主軸上的自動裝卸機構等部分組成。自動換刀系統(tǒng)的形式是多種多樣的，換刀的原理及結構的復雜程度也不同，但一般可分為以下兩大類：
由刀庫和主軸的相對運動實現(xiàn)刀具交換。用這種形式交換刀具時，主軸上用過的刀具送回刀庫和從刀庫中取出新刀，這兩個動作不能同時進行，選刀和換刀由數(shù)控定位系統(tǒng)來完成，因此換刀時間長，換刀動作也較多。
由機械手進行刀具交換。由于刀庫及刀具交換方式的不同，換刀機械手也有多種形式。
圖1 換刀機械手的形式
圖1（a），（b），（c）為雙臂回轉機械手，能同時抓取和裝卸刀庫和主軸（或中間搬運裝置）上的刀具，動作簡單，換刀時間短。圖（d）雖然不是同時抓取刀庫和主軸上的刀具，但換刀準備時間及將刀具還回刀庫的時間與機加工時間重復，因而換刀時間也很短。
抓刀運動可以是旋轉運動，也可以是直線運動。圖1（a）為鉤手，抓刀運動為旋轉運動;圖（b）為抱手，抓刀運動為兩個手指旋轉；（c）和（d）為叉手，抓刀運動為直線運動。由于抓刀運動的軌跡不同，各種機械手的應用場合也不同，抓刀運動為直線時，在抓刀過程中可以避免與相鄰的刀具相碰，所以當?shù)稁熘械毒吲帕休^密時，常用叉刀手。鉤刀手和抱刀手抓刀運動的軌跡為圓弧，容易和相鄰的刀具相碰，因而要適當增加刀庫中刀具之間的距離，合理設計機械手的形狀及其安裝位置。
三.刀具的夾持
刀具必須裝在標準的刀柄內(nèi)，我國tsg刀具系統(tǒng)規(guī)定了刀柄標準，有直柄及7∶24錐度的錐柄兩類。分別用于圓柱形主軸孔及圓錐形主軸孔，其結構如下圖2所示。圖中3為刀柄定位及夾持部位，2為機械手抓取部位，1為鍵槽 ，用于傳遞切削扭矩，4為螺孔，用以安裝可調(diào)節(jié)拉桿，供拉緊刀柄用。刀具的軸向尺寸和徑向尺寸應先在調(diào)刀儀上調(diào)整好，才可裝入刀庫中。絲錐、鉸刀要先裝在浮動夾具內(nèi)，再裝入標準刀柄內(nèi)。圓柱形刀柄在使用時需在軸向和徑向夾緊，因而主軸結構復雜，柱柄安裝精度高，但磨損后不能自動補償。而錐柄稍有磨損也不會過分影響刀具的安裝精度。在換刀過程中，由于機械手抓住刀柄要作快速回轉，拔、插刀具的動作，還要保證刀柄鍵槽的角度位置對準主軸上的驅動鍵。因此，機械手的夾持部分要十分可靠，并保證有適當?shù)膴A緊力，其活動爪要有鎖緊裝置，以防止刀具在換刀過程中轉動或脫落。
圖2 圓錐刀柄和圓柱刀柄
機械手夾持刀具的方法有以下兩類：
柄式夾持（軸向夾持）
刀柄前端有v形槽，供機械手夾持用，目前我國數(shù)控機床較多采用這種夾持方式。如圖3所示為機械手手掌結構示意圖。由固定爪7及活動爪1組成，活動爪1可繞軸2回轉，其一端在彈簧柱塞6的作用下，支靠在擋銷3上，調(diào)整螺栓5以保持手掌適當?shù)膴A緊力，鎖緊銷4使活動爪1牢固夾持刀柄，防止刀具在交換過程中松脫。鎖緊銷4要軸向壓進，放松活動爪1，以便抓刀或松刀時手爪從刀柄v形槽中退出。
圖3 機械手手掌結構示意圖
法蘭盤式夾持
法蘭盤式夾持，也稱徑向夾持或碟式夾持，如圖4所示。在刀柄的前端有供機械手夾持用的法蘭盤，圖中所示為采用帶洼形肩面的法蘭盤供機械手夾持用。
圖4 法蘭盤式夾持
圖（a）上圖為松開狀態(tài)，下圖為夾持狀態(tài)。采用法蘭盤式夾持的突出優(yōu)點是：當采用中間搬運裝置時，可以很方便地從一個機械手過渡到另一個輔助機械手上去，如圖（b）所示。法蘭盤式夾持方式、換刀動作較多，不如柄式夾持方式應用廣泛。
四.工作原理
下面以jcs－018a數(shù)控立式鏜銑床為例，來說明自動換刀系統(tǒng)的工作原理。該自動換刀系統(tǒng)由盤式刀庫和刀具交換裝置組成。刀庫安裝在機床左側的立柱上，刀庫容量為16把刀具，換刀機械手安裝在刀庫和主軸之間。機械手將刀具從刀庫中取出送至機床主軸上，然后將用過的刀具送回刀庫。其自動換刀動作過程簡述如下：
刀套下轉90°：如圖5所示，刀庫位于立柱左側，刀具軸線在刀庫中的安裝方向與主軸垂直換刀前，刀庫將待換刀具5送到換刀位置，刀套4連同刀具5向下翻轉90°，使刀具軸線與主軸軸線平行。
機械手轉75°：圖5所示k向視圖所示為機械手的原始位置，換刀時機械手順時針轉75°，兩手爪分別抓住刀庫上和主軸3上的刀柄。
機械手拔刀：待主軸上自動夾緊機構松開刀具后，機械手下降，同時拔出主軸上和刀庫上的刀具。
刀具位置交換：機械手順時針轉180°，使主軸刀具與刀庫刀具交換位置。
機械手插刀：機械手上升，分別將刀具插入主軸錐孔和刀庫刀套中。
機械手逆時針轉75°：待主軸上自動夾緊機構夾緊刀具后，機械手逆時針轉75°，回到原始位置。
刀套上轉90°：刀套帶著換回的舊刀具向上翻轉90°，準備下一次選刀。
該機床使用回轉式單臂雙手機械手換刀。在自動換刀過程中，機械手要完成抓刀、拔刀、交換主軸上和刀庫上的刀具、插刀和復位等動作，這些動作由液壓系統(tǒng)來控制完成。這種自動換刀系統(tǒng)結構簡單，換刀可靠，換刀動作也少，得到了廣泛應用。
圖5 自動換刀過程示意圖