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9.1 自动换刀装置的形式9.2 刀库9.3 刀具的选择方式9.4 刀具交换装置9.5 带刀库的自动换刀装置实例9.6 柔性制造单元的工件交换装置

第九章 数控机床的刀具与工件交换装置

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学习要求 :1. 了解交换装置的结构形式；2. 掌握交换装置的特点；3. 了解刀库的形式及刀具识别装置；4. 熟悉设计刀库时应考虑的主要问题。

第九章 数控机床的刀具与工件交换装置

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功能： 储备一定数量的刀具； 自动交换刀具。要求： 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； 安全可靠。

9.1 自动换刀装置的形式

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9.1 自动换刀装置的形式 一、回转刀架换刀 常用于数控车床： 四方、六方刀架或圆盘式轴向装刀刀架。 数控车床六方刀架工作原理： 1 ）刀架抬起 2 ）刀架转位 3 ）刀架压紧 4 ）转位油缸复位

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1 升降活塞 2 刀架 3 固定件 4 配合件 5 端齿离合器 6 转位活塞 7 空套齿轮 8 齿条 9 固定插销 10 活动插销

1 ）刀架抬起 3 ）刀架压紧

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1 升降活塞 2 刀架 3 固定件 4 配合件 5 端齿离合器 6 转位活塞 7 空套齿轮 8 齿条 9 固定插销 10 活动插销

刀架转位

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1 升降活塞 2 刀架 3 固定件 4 配合件 5 端齿离合器 6 转位活塞 7 空套齿轮 8 齿条 9 固定插销 10 活动插销 11 推杆 12 触头

转位油缸复位

10 与 9 反靠周向定位，3 与 4 锥面轴向定位

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9.1 自动换刀装置的形式 二、更换主轴换刀 机床的主轴头就是一个转塔刀库。 工作原理：将所需刀具的主轴转到工作位置（由行程开关组实现主轴号的选定），同时接通主传动。转位动作：脱开主传动；转塔头抬起；转塔头转位；转塔头定位夹紧；主轴传动重新接通。

TK-5525 型数控转塔式镗铣床

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9.1 自动换刀装置的形式 二、更换主轴换刀 特点 : 缩短换刀时间；提高了换刀可靠性； 主轴数目会影响主轴系统的刚度。 适用机床： 工序较少、精度要求不高的数控钻床、铣床等

TK-5525 型数控转塔式镗铣床

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9.1 自动换刀装置的形式 三、更换主轴箱换刀 类似组合机床，采用多主轴的主轴箱 。 工作原理： 主轴箱库存若干备用主轴箱，由两小车运输。 适用场合： 加工箱体类零件，可提高生产率。

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9.1 自动换刀装置的形式 四、带刀库的自动换刀系统 组成 ：刀库、选刀机构、刀具交换机构、刀具在主轴上的自动装卸机构。 工作原理： 特点： 主轴刚性增强，有利于精密加工和重切削加工。 应用广泛 图 9 － 5

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9.1 自动换刀装置的形式 四、带刀库的自动换刀系统

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9.2 刀库类型及刀具的选择与识别 一 刀库形式 刀库是自动换刀装置中主要部件之一，其容量及具

体结构对数控机床的设计有很大影响。 根据刀库所需要的容量、选刀及取刀方式，可以将

刀库设计成多种形式。 1 ．盘形刀库 2 ．链式刀库 3 ．格子式刀库

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9.2 刀库类型及刀具的选择与识别1 ．盘形刀库 盘形刀库为最常用的一种形式，每一刀座均可存放

一把刀具。盘形刀库的储存量一般为 15~40 把。

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当需要更多数量的刀具时，可采用图（ e ）所示的鼓轮弹仓式（又成刺猬式）刀库，其结构十分紧凑，在相同的空间内，它的刀库容量最大。

图 (g) 为多层盘形刀库。它们虽然也具有结构紧凑的特点，但选刀和取刀的动作较多，故较少应用。

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2 ．链式刀库 这种刀库是在环形链条上装有许多刀座，其结构有较大的灵活性，存放刀具的数量也较多，选刀和取刀动作十分简单。当链条较长时，可以增加支撑链轮数目，使链条折叠回饶，提高空间利用率。一般刀具数量在 30~120 把。

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3 ．格子式刀库 这种刀库具有纵横排列十分整齐的很多格子，每个

格子中均有一个刀座，可储存一把刀具，这种刀库可将其单独安置于机床外，由机械手进行选刀及换刀。这种刀库选刀及取刀动作复杂，应用最少。

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二 设计刀库时应考虑的主要问题 合理确定刀库的容量 尽量缩短选刀时间 刀库运动速度适宜 刀库运行平稳 刀库在刀座中的排列 其它

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9.3 刀具的选择方式 按数控装置的刀具选择指令，从刀库中挑选各工序

所需要的刀具的操作，称为自动换刀。目前 有顺序选择和任意选择两种方式。

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1．顺序选择方式 刀具的顺序选择方式是将刀具按加工工序的顺序，依次放人刀库的每一个刀座内。每次换刀时，刀库按顺序转动一个刀座的位置，并取出所需要的刀具。已经使用过的刀具可以放回原来的刀座内，也可以按顺序放入下一个刀座内。不需要刀具识别装置，而且驱动控制也较简单，可以直接由刀库的分度来实现。因此，刀具的顺序选择方式具有结构简单，工作可靠等优点。 更换不同工件时，须重新排列刀库中的刀具顺序。刀库中的刀具在不同的工序中不能重复使用，相应地增加了刀具的数量和刀具的容量，降低了刀具和刀库的利用率。此外，装刀时必须十分谨慎，如果刀具不按顺序装在刀库，将会造成严重事故。

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2 ．任意选择方式 采用任意选择方式的自动换刀系统中必须有刀具识别装置。这种方式是根据程序指令的要求来选择所需要的刀具，刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列，可任意存放。每把刀具（或刀座）都编上代码，自动换刀时，刀库旋转，每把刀具（或刀座）都经过“刀具识别装置”接受识别。当某把刀具的代码与数控指令的代码相符合时，该把刀具被选中，并将刀具送到换刀位置，等待机械手来抓取。优点： 刀库中刀具的排列顺序与工件加工顺序无关，相同的刀具可重复使用。因此，刀具数量比顺序选择法的刀具可少一些，刀库也相应的小一些。

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任意选择法须对刀具编码，编码方式主要有三种： （ 1 ）刀具编码方式 （ 2 ）刀座编码方式 （ 3 ）编码附件方式

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（ 1 ）刀具编码方式 这种方式是采用特殊的刀柄结构进行编码。 由于每把刀具都有自己的代码，因此，可以存放于刀库的任一刀座中。 刀库中的刀具在不同的工序中也就可重复使用，用过的刀具也不一定放回原刀座中，这对装刀和选刀都十分有利，刀库的容量也可相应地小减小，而且还可避免由于刀具存放在刀库中的顺序差错而造成的事故。

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（ 1）刀具编码方式 刀具编码的具体结构如图所示。

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。编码环既可以是整体的，也可由圆环 3 组成。编码环直径有大小两种，大直径的为二进制的“ 1” ，小直径为“ 0” 。通过这两种圆环的不同排列，可以得到一系列代码。例如由六个大小直径的圆环便可组成能区别 63 种刀具的代码。

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（ 2 ）刀座编码方式 这种编码方式对刀库中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合的刀座中。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，刀库便停止旋转。

由于这种编码方式取消了刀柄中的编码环，使刀柄结构大为简化。 在自动换刀过程中必须将用过的刀具放回原来的刀座中，增加了换刀的动作。 刀座编码的突出优点是刀具在加工过程中可以重复使用。

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（ 2 ）刀座编码方式 图 9－ 16 所示为圆盘

刀库的刀座编码装置。 在圆盘的圆周上均布若

干个刀座，起外侧边缘上装有相应的刀座编码块 1 ，在刀库的下放装有固定不动的刀座识别装置 2 。刀座编码的识别与上述刀具编码的识别原理完全相同。

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（ 3 ）编码附件方式 编码附件方式可分为编码钥匙、编码卡片、编码杆和编码盘等。

应用最多的是编码钥匙。这种方式是先给刀具都缚上一把表示该刀具号的编码钥匙，当把个刀具放入刀库中时，识别装置可以通过识别刀具上的号码来选取该钥匙旁边的刀具。

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（ 3 ）编码附件方式

钥匙的两边最多可带有 22 个方齿，图中除导向用的两个方外，共有 20 个 图中可区别 9999 刀具。

钥匙沿着水平方向的钥匙缝插入钥匙孔座，然后顺时针方向旋转 90 度，处于钥匙代码突起 6 的第一弹簧片5 被撑起，表示代码“ 1” ，处于代码凹处的第二弹簧片 3 保持原状，表示代码“ 0” 。由于钥匙上每个凹凸部分的旁边均有相应的炭刷 4 或1 ，故可将钥匙各个凸凹部分识别出来，即识别出相应的刀具。

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（ 3 ）编码附件方式 这种编码方式称为临时性编码，因为从刀座中取出刀具时，刀座中的编码钥匙也取出，刀库中原来编码随之消失。因此，这种方式具有更大的灵活性。采用这种编码方式用过的刀具不必放回原来的刀座。

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三、 刀具（刀座）识别装置 刀具识别装置是可任意选择刀具的自动换刀系统中

重要组成部分，常用的有以下几种。 1 ．接触式刀具识别装置 2 ．非接触式刀具识别装置 3. 利用 PC( 可编程控制器 ) 实现随机换刀

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1．接触式刀具识别装置 识别原理如图 9 － 19 所示。 编码环 4 大直径的环表示二进制的“ 1” ， 小直径的环为“ 0” ， 刀具识别装置 2 ， 触针 3 ，每个触针与应该继电器相联，当各继电器读出的数码与所选刀具的编码一致时，由控制装置发出信号，使刀库停转，等待换刀。 特点： 结构简单， 触针有磨损，故寿命较短，可靠性较差，且难于快速选刀。

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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法。

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非接触式磁性识别法 利用磁性材料和非磁性材料感应强弱不同，通过感应线圈读取代码。图 9 － 20 所示为一种用于刀具编码的磁性识别装置。 编码环 4 ， 检测线圈 6 。 一次线圈 5 中输入交流电压时，如编码环为导磁材料，则磁感应较强，在二次线圈 7 中产生较大的感应电压。 当编码的号码与指令刀号相符时，控制电路发出信号。使刀库停止运转，等待换刀。

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非接触式光电识别法－－光学纤维刀具识别装置 这种装置利用光导纤维良好的光传导特性，采用多束光导纤维构成阅读头。用靠近的二束光导纤维来阅读二进制码的一位时，其中一束将光源投射到能反光或不能反光 ( 被涂黑 ) 的金属表面，另一束光导纤维将反射光送至光电转换元件转换成电信号，以判断正对这二束光导纤维的金屑表面有无反射光，有反射时 ( 表面光亮 ) 为“ 1” ，无反射时 ( 表面涂黑 ) 为“ o” ，如图 9—22(b) 所示。

光信号比电信号具有更高的抗干扰能力。光导纤维可任意弯曲，这结机械设计、光源及光电转换元件的安装都带来很大的方便。因此，这种识别方法很有发展前途。

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3. 利用 PC(可编程控制器 )实现随机换刀 刀库上的刀具能与左袖上的刀具任意地直接交换，

即随机换刀。主轴上换来的新刀号及还回刀库上的刀具号，均在 PC内部相应地存储单元记忆。随机换刀控制方式需要在 PC内部设置一个模拟刀库的数据表，其长度和表内设置的数据与刀库的位置数和刀具号相对应。

这种方法主要由软件完成选刀，从而消除了由于识刀装置的稳定性、可靠世所带来的选刀失误。

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3. 利用 PC(可编程控制器 )实现随机换刀 ATC( 自动换刀 ) 控制和刀号数据表

刀具识别 刀具的交换及刀号数据表的修改

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3. 利用 PC(可编程控制器 )实现随机换刀 刀具识别

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3. 利用 PC(可编程控制器 )实现随机换刀 刀具的交换及刀号数据表的修改

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9.4 刀具交换装置 一 交换装置的形式 由刀库和主轴的相对运动实现刀具交换

必须将主轴上用过的刀具送回刀库，再从刀库取出新刀．但两个动作不能同时进行。 换刀时间较长，换刀动作也较多。

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9.4 刀具交换装置 一 交换装置的形式 由机械手进行刀具交换

换刀时间短。

钩手旋转运动抓刀

抱手两个手指旋转抓刀

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9.4 刀具交换装置 一 交换装置的形式由机械手进行刀具交换

换刀时间短。

叉手直线运动抓刀抓刀过程中，可避免与其它刀具相碰

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钩刀机械手换刀的基本动作

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钩刀机械手换刀的基本动作

（ 1 ）抓刀 手臂旋转 90“ ，同时抓住刀库和主轴上的刀具；（ 2 ）拔刀 主轴夹头松开刀具，机械手同时将刀库和主轴上的刀具拔出；（ 3 ）换刀 手臂旋转 180“ ，新旧刀具交换；（ 4 ）插刀 机械手同时将新旧刀具分别插入主轴和刀库，然后主轴夹头夹紧刀具；（ 5 ）复位 转动手臂，回到原始位置。

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9.4 刀具交换装置二 刀具的夹持 我国提出了 TSG 工具系统，并制定了刀柄标准：直柄及 7 ： 24锥度的锥柄两类。分别用于圆柱形主轴孔及圆锥形主轴孔。

1 键槽 传递切削扭矩2 机械手抓取部位 3 刀柄定位及夹持部位4 螺孔 安装可调拉杆，供拉紧刀柄用

需轴向、径向夹紧主轴复杂

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二 刀具的夹持（一）柄式夹持（轴向夹持）

1 活动爪 2 轴 3 挡销 4 锁紧销 5 调整螺栓 6 弹簧柱塞 7 固定爪

刀柄前端有 V形槽，供机械手夹持用。 应用较多

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二 刀具的夹持（二）法兰盘式夹持（径向夹持或碟式夹持）

1 拉杆2 刀柄3 法兰盘4 洼形肩面

刀柄结构

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二 刀具的夹持（二）法兰盘式夹持（径向夹持或碟式夹持） 夹持原理

特点：采用中间搬运装置时，可以很方便地从一个机械手过渡到另一个辅助机械手上 ；换刀动作较多，不如柄式夹持方式应用广泛。

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9.5 带刀库的自动换刀装置