自动换刀系统

自动换刀系统一般由刀库和机械手组成。不同机床的自动换刀系统可能不同，这正是体现机床独具特色的部分。

1．刀库

顾名思义是存放刀具的仓库，就是把加工零件所用的刀具都存放在这里，在加工过程中由机械手抓取。刀库形式主要有盘式刀库和链式刀库两种。

(1)盘式刀库 刀库容量为30把左右。如果刀库容量太大，就会造成刀库的转动惯量过大。一般中小型加工中心使用盘式刀库的较多。

(2)链式刀库刀库容量较大，可以装载100把刀具，甚至更多。链式刀库容量较大，主要是因为箱体类零件加工内容多，使用刀具的数量也就相应增加。

2．机械手

形式有单臂、双臂等多种，有的加工中心甚至没有机械手，而通过刀库和主轴的相对运动实现换刀。

1．刀库常见故障

(1)刀库不能转动或转动不到位

原因有：①连接电动机轴与蜗杆轴的联轴器松动；②变频器故障，应查变频器的输入、输出电压正常与否；③PLC无控制输出，可能是接口板中的继电器失效；④机械连接过紧，或黄油黏涩；⑤电网电压过低（不应低于370 V）；⑥电机转动故障；⑦传动机构误差。

(2)刀套不能夹紧刀具

原因有：刀套上的调整螺母松动或弹簧太松，造成卡紧力不足；刀具超重。

(3)刀套上下不到位

原因有：装置调整不当或加工误差过大而造成拨叉位置不正确；因限位开关安装不准或调整不当而造成反馈信号错误。

(4)刀套不能拆卸或停留一段时间才能拆卸

原因有：刀套90°拆卸气阀松动，气压不足；刀套转动轴锈蚀。

2．换刀机械手常见故障

(1)刀具夹不紧

原因有：①空气泵气压不足，增压漏气，刀具卡紧气压漏气，刀具松开弹簧上的螺帽松动；②拉刀碟簧变形或损坏；③拉力液压缸动作不到位；④拉钉与刀柄夹头间的螺纹连接松动；⑤刀柄夹头与刀柄间的偏心摩擦。

(2)刀具夹紧后松不开

原因有：①碟形弹簧压合过紧；②松紧刀液压缸松刀行程不足；③刀柄夹头不能打开；④刀柄夹头内松刀压柱偏移或压柱偏短。

(3)刀具从机械手中脱落

原因有：①刀具是否超重；②机械手卡紧锁损坏或没有弹出来。

(4)刀具交换时掉刀

原因有：①主轴箱没到换刀点或换刀点漂移；②机械手没到位就开始拔刀，都会导致换刀时掉刀。

(5)机械手换刀速度过快或过慢

原因有：①换刀气阀节流开口太大或太小；②气压不稳定。

自动换刀系统简称ATC，是加工中心的重要部件，由它实现零件工序之间连续加工的换刀要求，即在每一工序完成后自动将下一工序所用的新刀具更到主轴上，从而保证了加工中心工艺集中的工艺特点，刀具的交换一般通过机械手、刀库及机床主轴的协调动作共同完成。

带刀库和自动换刀装置的数控机床，其主轴箱和转塔主轴头相比较，由于主轴箱内只有一个主轴，主轴部件具有足够刚度，因而能够满足各种精密加工的要求。另外，刀库可以存放数量很多的刀具，以进行复杂零件的多工步加工，可明显提高数控机床的适应性和加工效率。自动换刀系统特别适用于加工中心。

自动换刀系统应当满足的基本要求包括：

(1)换刀时间短；

(2)刀具重复定位精度高；

(3)足够的刀具储存量；

(4)刀库占用空间少。

根据实现原理的不同，自动换刀有回转刀架换刀、更换主轴头换刀、带刀库自动换刀等方式。

回转刀架换刀工作原理类似分度工作台，通过刀架定角度回转实现新旧刀具的交换。

更换主轴头换刀方式时首先将刀具放置于各个主轴头上。通过转塔的转动更换主轴头从而达到更换刀具的目的。这两种方式设计简单，换刀时间短，可靠性高。其缺点是储备刀具数量有限，尤其是更换主轴头换刀方式的主轴系统的刚度较差，所以仅仅适应于工序较少、精度要求不太高的机床。

带刀库自动换刀方式由刀库，选刀系统，刀具交换机构等部分构成，结构较复杂。该方法虽然有着换刀过程动作多，设计制造复杂等缺点，但由于其自动化程度高，因此在加工工序比较多的复杂零件时，被广泛采用。

自动换刀数控机床，即“加工中心”。

一种数控机床自动换刀装置及方法专利目的

《一种数控机床自动换刀装置及方法》的目的是为了提供一种数控机床自动换刀装置及方法，解决2016年1月以前的数控机床自动换刀过程中，容易发生主轴和机械手相撞，进而损坏主轴或机械手的问题。

一种数控机床自动换刀装置及方法技术方案

《一种数控机床自动换刀装置及方法》包括机架，设置在机架上的圆盘式刀库，和圆盘式刀库适配的刀库驱动马达，圆盘式刀库内设置有若干刀具，机架上设置和刀具相适配的倒刀气缸，机架上设置有机械手驱动马达，机械手驱动马达上设置有涡轮，涡轮上连接有可旋转和轴向运动的机械手旋转轴，机械手旋转轴上设置有用于换刀的机械手，涡轮上设置有一组原位定位凹槽、扣刀定位凹槽；机架上设置有和原位定位凹槽相适配的原位近接开关，和扣刀定位凹槽相适配的扣刀定位近接开关；机架上还设置有加工主轴，主轴上连接设置有主轴马达，主轴上设置有与刀具相适配的装配腔，还包括和刀库驱动马达、倒刀气缸、机械手驱动马达、原位近接开关、扣刀定位近接开关、主轴马达相接的数控系统。涡轮上还设置有停止定位凹槽，机架上设置有和停止定位凹槽相适配的停止近接开关；停止近接开关和数控系统相连。

优选的，原位定位凹槽设置有一个；扣刀定位凹槽设置有两个，分别为第一扣刀定位凹槽和第二扣刀定位凹槽；停止定位凹槽设置有三个,分别为第一停止定位凹槽、第二停止定位凹槽和第三停止定位凹槽，它们设置的顺序按照360°划分依次为原位定位凹槽、第一停止定位凹槽、第一扣刀定位凹槽、第二停止定位凹槽、第二扣刀定位凹槽、第三停止定位凹槽；两个扣刀定位凹槽位于凸轮的同一圆周上，三个停止定位凹槽位于同一圆周上。 优选的，主轴马达包括控制主轴Z向上下运动的主轴Z向动作马达和控制主轴旋转的主轴旋转马达。优选的，机架上设置有和刀具相适配用于松刀和紧刀的主轴刀具气缸，主轴刀具气缸和数控系统相适配。优选的，机架上设置和刀具预选刀具位相适配的刀具定位近接开关，和刀具倒刀刀具位相适配的刀具倒刀近接开关。

《一种数控机床自动换刀装置及方法》包括如下步骤：

（1）数控系统根据指定的刀具号，控制刀盘转动，通过数控系统计数，指定的刀具转动到预选刀具位，此时，和预选刀具位相适配的刀具定位近接开关感应到指定刀具到达预选刀具位后给数控系统发送一个刀具到位信号；

（2）上一工序完成后，数控系统通过读取原位近接开关的信号判断机械手是否处在初始位置，机械手在初始位置时，数控系统控制位于预选刀具位的刀具执行倒刀动作，同时控制主轴Z向动作驱动马达工作，主轴Z向动作驱动马达带动主轴上升至换刀点后给数控系统一个主轴到位信号；主轴旋转马达带动主轴执行角度定位后给数控系统一个主轴定位到位信号；当刀具倒刀近接开关感应到刀具到位后，给数控系统一个刀具到位信号；如果机械手不在初始位置，数控系统给主轴Z向动作驱动马达一个锁死信号，使主轴无法进行Z向的操作；

（3）数控系统收到步骤（2）所述的刀具到位信号和主轴到位信号后，给机械手驱动马达一个工作信号，机械手离开初始位置，原位近接开关给数控系统一个机械手离开初始位置的信号，数控系统给主轴Z向动作驱动马达一个锁死信号；当机械手旋转至第一停止定位凹槽时，停止近接开关给数控机床发送一个停止信号，数控机床给机械手驱动马达一个停止工作信号，如果机械手停止后运动到扣刀位置，扣刀定位凹槽和扣刀定位近接开关相对，扣刀定位近接开关给数控系统发送一个确定定位信号，此时数控系统给主轴发送松刀指令，否则，数控机床自动换刀装置停止工作；主轴松刀完成后，给数控系统发送松刀完成信号；

（4）数控系统接受到步骤（3）所述的松刀完成信号后，给机械手驱动马达下达工作指令，机械手驱动马达带动机械手下拉一定距离后，旋转180°上升到原位，第二停止定位凹槽和停止近接开关相对，停止近接开关给数控机床发送停止信号，数控机床给机械手驱动马达下达停止指令，机械手驱动马达停止运行，此时如果第二扣刀定位凹槽和扣刀定位近接开关相对，则给数控机床发送一个确定定位信号，此时给主轴发送紧刀指令；否则，数控机床自动换刀装置停止工作；紧刀到位后给数控系统发送紧刀到位信号；

（5）数控系统收到步骤（4）所述的紧刀到位信号后，给机械手驱动马达下达工作指令，机械手驱动马达带动机械手回到初始位置，当第三停止定位凹槽和停止近接开关相对后，停止近接开关给数控机床发送一个停止信号，数控机床给机械手马达发送一个停止信号，机械手停止后，如果原位定位凹槽和原位近接开关相对，则给数控系统发送一个机械手回到初始位置的信号，此时数控机床给刀座一个回刀指令，使换下的刀具回到刀座中，同时给主轴Z方向驱动马达一个解锁指令，主轴可以进行Z方向的操作。

为了进一步保证不会发生机械手撞击主轴的现象，只要机械手不在初始位置，主轴Z向4动作驱动马达就会被锁死，主轴无法进行上下运动，数控系统接收到扣刀定位近接开关或停止近接开关的信号时，数控系统给主轴Z向动作驱动马达一个锁死信号，使主轴无法进行Z向的操作。为了进一步保证不会发生机械手撞击主轴的现象，如果机械手在初始位置，原位近接开关会给数控系统发送一个原位信号，如果机械手不在原位或者原位近接开关损坏，则不发送任何信号，数控系统判定机械手不在初始位置，同时给主轴Z向动作驱动马达一个锁死信号，使主轴无法进行Z向的操作。为了使得刀具进预选刀位更加迅速，节约能量，数控系统根据指定的刀具号，给刀库驱动马达发送工作指令，控制圆盘式刀库转动，圆盘式刀库带动指定的刀具转动到预选刀具位时，数控系统通过读取刀具号所在位置，进而判断刀盘通过正转还是反转离预选刀具位更近，从而给刀盘正转或反转信号。

一种数控机床自动换刀装置及方法改善效果

《一种数控机床自动换刀装置及方法》的有益效果：和刀库驱动马达、倒刀气缸、机械手驱动马达、原位近接开关、扣刀定位近接开关、停止近接开关、主轴刀具气缸、主轴马达、数控系统相互配合，实现高精度换刀，同时原位近接开关、扣刀定位近接开关、停止近接开关，能够实现机械手离开初始位置，或者无法判定机械手位置时，或者停电后，通过主轴Z方向驱动的锁止，使得在换刀过程中，不会出现机械手和主轴相互撞击，而造成机械手或主轴损坏的问题，同时该发明结构合理能够有效节省工作过程中的能量损耗。