数控机床自动换刀装置与数控工作台
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。
数控机床第三章自动换刀装置 PPT课件
箱下降，将主轴上用过的刀具3放回刀
库的空刀座中；
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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
数控立式镗铣床
(4)主轴箱上升，接着刀库回转，将下 一工步需用的刀具对准主轴；
(5)主轴箱下降，将下一步所需的刀具
插入机床主轴，同时主轴内的刀具夹紧
装置夹紧刀具；
(6)主轴箱及主轴带着刀具上升；
刀具编码方式
刀具编码选刀方式是在刀具或刀套上安装用于识别的 编码条，一般都是根据二进制编码的原理进行编码。刀具 长度加长，制造困难，刚度降低，刀库和机械手结构复杂。
在刀柄1后端的拉杆4上套装 着等间隔的编码环2，由锁紧螺 母3固定。编码环直径有大小两 种，大直径的为二进制的“1”， 小直径的为“0”。通过两种圆环 的不同排列，可以得到一系列的 代码。
单臂双爪回转式机械手 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； 另一个执行从刀库取“新刀”的任务。
换 刀时间较单爪回转式机械手要少。
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双臂双爪回转式机械手 手臂两端各有一个夹爪，两个夹爪
可同时抓取刀库及主轴上的刀具，回转 180°后，又同时将刀具放回刀库及装 入主轴。是最常用的一种形式（钩手）
1、顺序选刀
在加工前，将加工零件所需刀具按照工艺要求依次插 入刀库的刀套中，加工时按顺序调刀称为顺序选刀。
2、任选刀具
刀具在刀库中任意存放，每把刀具（或刀座）都编有 代码，自动换刀时，刀库旋转，每把刀具都经过“刀具识 别装置”接受识别。当某刀具代码与数控指令代码相符时19
任选刀具有三种换刀方式（刀具编码、刀座编码、编码附件）
（5）复位 转动手臂，回到原始位置。
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数控机床名词解释
数控机床名词解释数控机床是指采用数控技术控制加工过程的机床。
下面是对一些数控机床常用名词的解释：1. 数控机床：数控机床是指通过数字信号控制系统，控制机床工作台、刀架、进给系统等工作部件进行加工操作的机床。
数控机床具有高精度、高效率和灵活性的优点，广泛应用于各种加工工业中。
2. 数控系统：数控系统是数控机床的控制中心，用于接收和处理加工程序，并通过信号控制机床的运动。
数控系统通常由硬件和软件两部分组成，硬件包括中央处理器、存储器、输入输出接口等，软件包括数控编程和操作系统等。
3. 加工程序：加工程序是数控机床的控制指令集合，用于描述加工工艺、运动路径和刀具轨迹等，根据加工程序，数控机床可以自动控制加工过程。
常见的加工程序语言包括G代码和M代码。
4. 自动换刀系统：自动换刀系统是数控机床上的一种装置，用于实现刀具的自动装卸。
自动换刀系统根据加工程序的要求，自动选择合适的刀具，并将其安装到机床上，提高了生产效率和加工精度。
5. 进给系统：进给系统是数控机床上负责实现工件和刀具之间相对运动的部分。
进给系统通常由伺服电机、滚珠丝杠、导轨等构成，可以控制工件和刀具在X、Y、Z轴方向上的运动。
6. 主轴系统：主轴系统是数控机床上负责提供转速和转矩的部分。
主轴系统通常由电机、齿轮传动、主轴等组成，可以控制刀具的旋转运动，用于完成切削任务。
7. 机床床身：机床床身是数控机床的主要组成部分，用于支撑和定位其他机床部件。
机床床身通常由床身、工作台、座台等组成，具有良好的刚性和稳定性，以保证机床的加工精度。
8. 仿真模拟：仿真模拟是数控机床训练和调试的重要工具，通过在计算机上建立数控系统的虚拟模型，可以模拟机床的运动轨迹和加工过程。
仿真模拟可以提前发现和解决可能出现的问题，提高机床的使用效率和生产质量。
9. 工件坐标系：工件坐标系是用于描述工件位置和运动的参考坐标系。
在数控机床中，通常采用三轴直角坐标系，分别为X、Y、Z轴，通过确定工件坐标系的原点和方向，可以编写加工程序并实现机床的自动运行。
数控机床机械机构
床
C
超精密 精密机床、精密数控机床、仪表机床、高精度
级
加工中心
第5章 数控机床机械机构
2) 结构尺寸的选择
滚珠丝杠螺母副的结构尺寸主要有：
(1)名义直径D0 (2)螺距t (3)丝杠长度L
(4)滚珠直径d0 (5)滚珠的工作圈数、列数和工作滚珠总数等
尤其是名义直径与刚度直接相关，直径越大，承载能力 和刚度越大，但直径大转动惯量也会随之增加，使系统的 灵敏度降低。所以，一般是在兼顾二者的情况下选取最佳 直径。
•(1) 传动效率高、摩擦损失小。 •(2) 运动灵敏，低速时无爬行。 •(3) 传动精度高，刚性好。 •(4) 滚珠丝杠螺母副的磨损很小，使用寿命长。 •(5) 无自锁能力，具有传动的可逆性，故对于垂直使用的丝杠，由于重 力的作用，当传动切断时不能立即停止运动，应增加自锁装置。 •(6) 滚珠丝杠螺母副制造工艺复杂，滚珠丝杠和螺母的材料，热处理和 加工要求与滚动轴承相同，且螺旋滚道必须磨削，因而制造成本高。
本章教学要求：
本章主要让学生了解数控机床对主传动 系统、进给传动系统的要求；了解主轴的调 速方法；熟悉主轴部件、滚珠丝杠螺母副、 直线电动机、数控机床的导轨、自动换刀装 置；认识数控回转工作台、分度工作台等主 要辅助装置。为学生初步具有设计机床传动 系统的能力打下基础。
第5章 数控机床机械机构
5.1 概 述
图5-5是啮合式电磁离 合器（也称牙嵌式电磁离 合器）的结构图。
图5-5 啮合式电磁离合器
1-线圈 2-衔铁 3-螺钉 4-弹簧 5-定位环 6-隔离环 7-螺钉 8-磁轭 9-旋转环
第5章 数控机床机械机构
4．内置电动机主轴变速（电主轴）
电主轴的出现 大大简化了主运 动系统结构，实 现了所谓的“零 传动”， 它具有 结构紧凑、重量 轻、惯性小、动 态特性好等优点， 并可改善机床的 动平衡，避免振 动和噪声，在超 高速切削机床上 得到了广泛的应 用。
简述数控车床的组成部分
简述数控车床的组成部分数控车床是一种通过计算机控制工作台和刀具实现加工的机床。
它由许多不同的组成部分组成，每个部分都有特定的功能和作用。
1.床身：数控车床的床身是机床的基础结构，用于支撑和固定其他组件。
床身通常由铸铁制成，具有足够的刚度和稳定性，以保证加工的精度和质量。
2.工作台：工作台是数控车床上放置工件的平台，也称为工作台。
它可以在各个方向上进行运动，以便于切削工具对工件进行加工。
工作台通常由铸铁制成，并且具有不同的形状和尺寸，以适应不同类型的加工任务。
3.主轴：主轴是数控车床上用于旋转切削工具的部件。
它由电机驱动，可以在不同的速度和方向上旋转。
主轴通常由高强度合金钢制成，并且具有高精度的轴承和冷却系统，以确保稳定的运转和高质量的加工。
4.刀架：刀架是数控车床上用于固定切削工具的部件。
刀架通常可以在水平和垂直方向上移动，以便于切削工具对工件进行不同方向的加工。
刀架通常由铸铁制成，并且具有刀具快速换位系统，以提高工作效率。
5.数控系统：数控车床的核心部件是数控系统。
数控系统由硬件和软件组成，用于接收和解析加工程序，控制机床的运动和操作。
数控系统通常由一台或多台工控机和PLC（可编程逻辑控制器）组成。
通过数控系统，操作人员可以轻松设置和调整加工参数，以实现高精度和高效率的加工。
6.刀具：刀具是数控车床上用于切削工件的工具。
刀具可以根据加工任务的不同，选择不同类型和规格的切削工具。
常见的刀具类型包括车刀、铣刀、钻头等。
刀具通常由高速钢或硬质合金制成，并且具有耐磨和高硬度的特性。
7.冷却系统：冷却系统是数控车床上用于冷却切削区域的系统。
在加工过程中，切削区域会产生大量的热量，如果不及时冷却，会导致工件变形或刀具磨损加剧。
冷却系统通常由冷却液（如切削液或冷却油）、冷却管路和泵组成，可以将冷却液传输到切削区域，降低温度并保持加工质量。
8.辅助装置：数控车床还可以配备一些辅助装置，以提高加工效率和便利性。
数控铣床各部分的名称、作用和数控机床的工作原理
数控铣床各部分的名称、作用和数控机床的工作原理
数控铣床可以分为主要部分和辅助部分。
主要部分包括：
1. 主轴：用于安装刀具，进行铣削加工。
2. 工作台：用于夹持工件，使其固定在加工位置。
3. 滑台：用于支持和移动工作台和刀具。
4. 数控系统：控制机床的运动和加工程序，实现高精度的加工。
5. 电气装置：提供电力和信号传输，使机床正常工作。
辅助部分包括：
1. 冷却液系统：用于冷却刀具和工件，减少摩擦和热量。
2. 刀库：储存和管理各种不同类型的刀具。
3. 自动换刀装置：实现自动更换不同刀具，提高加工效率。
4. 夹具：用于固定工件，确保加工过程中工件的稳定性。
数控机床的工作原理是通过数控系统控制电动机的运转，通过传动系统将动力传递到各个运动轴上，从而实现工件的加工。
数控系统根据预先编好的加工程序，通过数字信号控制电机沿不同轴向进行运动，从而实现工件在各个方向上的加工。
数控系统还可以根据预设的加工参数，控制主轴的转速和进给速度，实现不同材料和加工要求下的精确加工。
通过数控铣床的各个部分的协同工作，实现工件的精密铣削。
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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，钻镗 类立式、卧式加工中心机 床，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，用于 加工工艺范围的立、卧式 车削中心机床
有刀库的转塔头换 刀装置
弥补转换刀数量不足的缺点，换刀时间
短
数控机床自动换刀装置与数控工作
台
扩大工艺范围的各类转塔 式数控机床
第6章 数控机床的 自动换刀装置和数控工作台
6.1 自动换刀装置
• 为了提高数控机床的加工效率，除了要提高切削速 度，减少非切削时间也非常重要，现代数控机床正向 着工件在一台机床上一次装夹可完成多道工序或全部 工序加工的方向发展，这些多工序加工的数控机床在 加工过程中需使用多种刀具，因此必须有自动换刀装 置，以便选用不同的刀具来完成不同工序的加工。
数控机床自动换刀装置与数控工作 台
• （2）转位 轴6外圆柱面上有两个对称槽，内装滑块4。当
端面齿盘2和3脱离啮合后，蜗轮5转到一定角度 时，与蜗轮5固定在一起的圆环14左侧端面的凸 块便碰到滑块4，蜗轮继续转动，通过14上的凸 块带动滑块连同轴6、刀架体1一起进行转位。
数控机床自动换刀装置与数控工作 台
• （3）刀架定位 刀架体7转动时带着电刷座10转动，当转到程序指令的刀号
时，定位销15在弹簧的作用下进入粗定位盘6的槽中进行粗定位，同时电
刷13、14接触导通，是电动机1反转。由于粗定位槽的限制，刀架体7不能
转动，使其在该位置垂直落下，刀架体7和刀架底座5上的端面齿啮合实现
精确定位。
数控机床自动换刀装置与数控工作 台
数控机床自动换刀装置与数控工作 台
数控机床自动换刀装置与数控工作 台
1—电动机 2—联轴器 3—蜗杆轴 4—蜗轮丝杠 5—刀架底座 6—粗定位盘 7—刀架体 8—球头销 9—转位套 10—电刷座 11—发迅体 12—螺母 13、14—电刷 15—粗定位销 图6-1 数控车床 方刀架结构
• 其换刀过程如下：
数控机床自动换刀装置与数控工作 台
• 2.数控车床盘形自动回转刀架
• 图6-2所示为CK7815型数控车床采用的BA200L刀架的 结构。 该刀架可配置12位（A型或B型）、8位（C型）刀盘。 A、B型回转刀盘的外切刀可使用25mm×150mm标 准刀具和刀杆截面为25mm×25mm的可调刀具，C型可 用尺寸为20mm×20mm×125mm的标准刀具。 镗刀杆最大直径为32mm。刀架转位为机械传动，端 面齿盘定位。
杠轴向固定，因此刀架体7不能转动只能轴向移动，这是刀架体抬起。
• （2）刀架转位 当刀架体抬至一定距离后，端面齿脱开，转位套用销钉与
蜗轮丝杠联接，随蜗轮丝杠一起转动，当端面齿完全脱开时，转位套9正
好转过160º（如图6-1A—A剖视图所示），球头销8在弹簧力的作用下进入
转位套9的槽内，转位套通过弹簧销带动刀架体转位。
• 刀架抬起 当数控装置发出换刀指令后，电动机1启动正转，通过平键套筒
联轴器2使蜗杆轴3转动，从而带动蜗轮丝杠4转动。刀架体7的内孔加工有
内螺纹，与蜗轮丝杠旋合。蜗轮丝杠内孔与刀架中心轴外圆是滑配合，在
转位换刀时，中心轴固定不动，蜗轮丝杠绕中心轴空转。当蜗轮丝杠开始
转动时，由于刀架体7和刀架体底座5上的端面齿处于啮合状态，且蜗轮丝
• （3）回转刀架的定位
• （4）夹紧
• 刀架电动机1继续反转，此时蜗轮丝杠停止转动， 蜗杆轴3继续转动，端面齿间夹紧力不断增加，转 距不断增大，达到一定值时，在传感器的控制下电 动机1停止转动。
• 译码装置由发信体11、电刷13、14组成。
• 电刷13负责发信，电刷14负责位置判断。当刀架 定位出现过位或不到位时，可松开螺母12，调好发 信体11与电刷14的相对位置。这种刀架在经济性数 控机床及卧式车床的数控化改造中应用广泛。
机床
顺序换刀，换刀时间短，刀具主轴都集 中在转塔头上，结构紧凑，但刚性较差， 数控钻床、镗床 刀具主轴数受限制
换刀运动集中，运动部件少。但刀库运 动多。布局不灵活，适应性差
刀库只有选刀运动，机械手进行换刀运 动，比刀库作换刀运动惯性小，速度快
换刀运动分散，有多个部件实现，运动 部件多，但布局灵活，适应性好
数控机床自动换刀装置与数控工作 台
• 自动换刀装置应具备换刀时间短，刀具重复定 位精度高，有足够的刀具储备量，占地面积小， 安全可靠等特性。
• 各类数控机床的自动换刀装置的结构和数控机 床的类型、工艺范围、使用刀具种类和数量有关。 数控机床常用的自动换刀装置的类型、特点、适 用范围见表6-1所示。
• 6.1.1数控车床的自动转位刀架
• 刀架是数控车床的重要功能部件，其结构形式很 多，下面介绍几种典型刀架结构。
• 1.数控车床方刀架
• 数控车床方刀架是在普通车床方刀架的基础上发 展的一种自动换刀装置，它有四个刀位，能同时 装夹四把刀具，刀架回转90º，刀具变换一个刀位， 转为信号和刀位号的选择由加工程序指令控制。 图6-1所示为数控车床方刀架结构。
数控机床自动换刀装置与数控工作 台
1—刀架 2、3—端面齿盘 4—滑快 5—蜗轮 6—轴 7—蜗杆 8、9、10—传动齿轮 11—电动机 12—微动开关 13—小轴 14—圆环 15—压板 16—锲铁
数控机床自动换刀装置与数控工作 台
图6-2 回转刀架
• 转位过程如下：
• （1）回转刀架的松开 转位开始时，电磁制动器断 电，电动机11通电转动，通过齿轮10、9、8带动蜗 杆7旋转，使蜗轮5转动。蜗轮内孔有螺纹，与轴6 上的螺纹配合。端面齿盘3被固定在刀架箱体上， 轴6和端面齿盘2固定连接，端面齿盘2和3处于啮合 状态，因此，蜗轮5转动时，轴6不能转动，只能和 端面齿盘2、刀架体1同时向左移动，直到端面齿盘 2和3脱离啮合。
数控机床自动换刀装置与数控工作 台
表6-1自动换刀装置的主要类型转 回转刀架 塔 刀 架 转塔头
刀库与主轴 之间直接换 刀
刀
库
用机械手配 合刀库换刀
式
用机械手、 运输装置配 合刀库换刀
回转刀架多为顺序换刀换刀时间短，结 各种数控车床，车削中心
构简单紧凑，容纳刀具较少