数控机床及编程：自动换刀
第四章自动换刀装置
4.1概述
一、ATC刀具自动交换
为进一步提高数控机床的加工效率，数控机床正向着工件在一台机床一次装夹即可完成多道工序或全部工序加工的方向发展，因此出现了各种类型的加工中心机床，如车削中心、镗铣加工中心、钻削中心等等。这类多工序加工的数控机床在加工过程中要使用多种刀具，因此必须有自动换刀装置，以便选用不同刀具，完成不同工序的加工工艺。自动换刀装置应当具备换刀时间短、刀具重复定位精度高、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取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具的种类和数量。数控机床常用的自动换刀装置的类型、特点、适用范围见表4-1。
表4-1 自动换刀装置类型
一、自动换刀装置的作用
自动换刀装置可帮助数控机床节省辅助时间，并满足在一次安装中完成多工序、工步加工要求。
二、对自动换刀装置的要求
数控机床对自动换刀装置的要求是：换刀迅速、时间短，重复定位精度高，刀具储存量足够，所占空间位置小，工作稳定可靠。
三、换刀形式
1、回转刀架换刀
其结构类似普通车床上回转刀架，根据加工对象不同可设计成四方或六角形式，由数控系统发出指令进行回转换刀。
2、更换主轴头换刀
各主轴头预先装好所需刀具，依次转至加工位置，接通主运动，带动刀具旋转。该方式的优点是省去了自动松夹、装卸刀具、夹紧及刀具搬动等一系列复杂操作，缩短了换刀时间，提高了换刀可靠性。
3、使用刀库换刀
将加工中所需刀具分别装于标准刀柄，在机外进行尺寸调整之后按一定方式放入刀库，由交换装置从刀库和主轴上取刀交换。
四、刀具交换装置
自动换刀装置中，实现刀库与主轴间传递和装卸刀具的装置为刀具交换装置。刀具交换方式常有两种：采用机械手交换刀具和由刀库与机床主轴的相对运动交换刀具（刀库移至主轴处换刀或主轴运动到刀库换刀位置换刀）,其中以机械手换刀最为常见。
五、刀库
刀库是自动换刀装置中最主要的部件之一，其容量、布局及具体结构对数控机床的总体设计有很大影响。
1、刀库容量
指刀库存放刀具的数量，一般根据加工工艺要求而定。刀库容量小，不能满足加工需要；容量过大，又会使刀库尺寸大，占地面积大，选刀过程时间长，且刀库利用率低，结构过于复杂，造成很大浪费。
2、刀库类型
一般有盘式、链式及鼓轮式刀库几种。
盘式刀库刀具呈环行排列，空间利用率低，容量不大但结构简单。
链式刀库结构紧凑，容量大，链环的形状也可随机床布局制成各种形式而灵活多变，还可将换刀位突出以便于换刀，应用较为广泛。
鼓轮式或格子式刀库占地小，结构紧凑，容量大，但选刀、取刀动作复杂，多用于FMS 的集中供刀系统。
3、选刀方式
常有顺序选刀和任意选刀两种。
顺序选刀是在加工前，将加工所需刀具依工艺次序插入刀库刀套中，顺序不能有差错，加工时按顺序调刀。工件变更时，需重调刀具顺序，操作烦琐，且加工同一工件中刀具不能重复使用。
任意选刀是刀具均有自己的代码，加工中任选且可重复使用，也不用放于固定刀座，装刀、选刀都较方便。
二、刀具的选择
按数控装置的刀具选择指令，从刀库中将所需要的刀具转换到取刀位置，称为自动选刀。在刀库中，选择刀具通常采用:
1．顺序选择刀具
刀具按预定工序的先后顺序插入刀库的刀座中，使用时按顺序转到取刀位置。用过的刀具放回原来的刀座内，也可以按加工顺序放入下一个刀座内。该法不需要刀具识别装置，驱动控制也较简单，工作可靠。但刀库中每一把刀具在不同的工序中不能垂复使用，为了满足加工需要，只有增加刀具的数量和刀库的容量，这就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中，将会产生严重的后果。
2．任意选择刀具
这种方法根据程序指令的要求任意选择所需要的刀具，刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列，可以任意存放。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，刀库将刀具送到换刀位置，等待机械手来抓取。任意选择刀具法的
优点是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。
任意选择法主要有三种编码方式：
(1)刀具编码方式：这种方式是对每把刀具进行编码，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。这样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，避免了因刀具存放在刀库中的顺序差错而造成的事故，
同时也缩短了刀库的运转时间；简化了自动换刀控制线路。
刀具编码的具体结构如图4-1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，也可由圆环组装而
成。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。通常全部为0的代
码不许使用，以免与刀座中没有刀具的状况相混淆。
为了便于操作者的记忆和识别．也可采用二-八进制
编码来表示。
(2)刀座编码方式 这种编码方式对每个刀座都进行编
码，刀具也编号，井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。因此，识刀器的
结构不受刀柄尺寸的限制，而且可以放在较适当的位置。
另外，在自动换刀过程中必须将用过的刀具放回原来的刀
座中，增加了换刀动作。与顺序选择刀具的方式相比，刀座
编码的突出优点是刀具在加工过程中可重复使用。如图
4-2所示为圆盘形刀库的刀座编码装置。在圆盘的
圆周上均布若干个刀座，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上述刀
具编码的识别原理完全相同。
(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，其中应用最多
的是编码钥匙。这种方式是先给各刀具都缚上一把
表示该刀具号的编码钥匙，当把各刀具存放到刀库
的刀座中时，将编码钥匙插进刀座旁边的钥匙孔中，这样就把钥匙的号码转记到刀座中，绐
刀座编上了号码。识别装置可以通过识别钥匙上的
号码来选取该钥匙旁边刀座中的刀具。
三、识别装置
刀具（刀座）识别装置是自动换刀系统中重要组成部分，常用的有下列几种。
1．接触式刀具识别装置
接触式刀具识别装置应用较广，特别适应于空间位置较小的刀具编码，其识别原理
图4-1 刀具编码方式 1－刀柄 2－编码环 3－锁紧螺母 4－拉杆
图4-2刀座编码方式 图4-3 接触式刀具识别装置 1-刀柄 2-识别装置 3-触针 4-编码环
如图4-3所示。在刀柄1上装有两种直径不同的编码环，规定大直径的环表示二进制的
“1”，小直径的环为“0”，图中有5个编码环4，在刀库附近固定一刀具识别装置2，
从中伸出几个触针3，触针数量与刀柄上编码环的个数相等。每个触针与一个继电器相
联，当编码环是大直径时与触针接通，继电器通电，其数码为“1”。当编码环是小直
径时与触针接通，继电器不通电，其数码为“0”。各继电器读出的数码与所需刀具的
编码一致时，由控制装置发出信号，使刀库停转，等待换刀。
接触式刀具识别装置的结构简单，但由于触针有磨损，故寿命较短，可靠性较差，
且难于快速退刀。
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。
（1）非接触式磁性识别法 磁性识
别法是利用磁性材料和非磁性材料磁感
应强弱不同，通过感应线圈读取代码。
编码环的直径相等，分别由导磁材料(如
软钢)和非导磁材料(如黄铜、塑料等)制
成，规定前者编码为“1”，后者编码为
“0”。如图4-4所示为一种用于刀具编
码的磁性识别装置。图中刀柄1上装有非导磁材料编码环4
和导磁材料编码坏2，与编码环相对应的有一组检测线圈6
组成非接触式识别装置3。在检测线圈6的一次线圈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。如编码环为非导磁材料，
则磁感应较弱，在二次线圈中感应的的电压较弱。利用感应
电压的强弱，就能识别刀具的号码。当编码环的号码与指令
刀号相符合时，控制电路便发出信号，使刀库停止运转，等
待换刀。
（2）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属表面有无反射光，有反射时(表面光亮)为“1”，
无反射时(表面涂黑)为“0”，如图4-5b 所示。在刀具的某个磨光部位按二进制规律涂
黑或不涂黑，就可给刀具编上号码。正当中的一小块反光部分用来发出同步信号。阅
读头端面如图4-5a 所示，共用的投光射出面为一矩形框，中间嵌进一排共9个圆形受
光入射面。当阅读头端面正对刀具编码部位。沿箭头方向相对运动时，在同步信号的
作用下，可将刀具编码读入，并与给定的刀具号进行比较而选刀。
四、利用PC(可编程序控制器)实现随机换刀
由于计算机技术的发展．可以利用软件选刀．它代替了传统的编码环和识刀器。在这种
选刀与换刀的方式中，刀库上的刀具能与主轴上的刀具任意地直接交换，即随机抉刀。主轴
上换来的新刀号及还回刀库上的刀具号，均在PLC 内部相应地存储单元记忆。随机换刀控
图4-4 非接触式磁性识别 1- 刀柄套 2-导磁材料编码环 3-识别装置 4-非导磁材料编码环 5-一次线圈 6-检测线圈 7-二次线圈
图4-5光纤维刀具识别装置
图4-6 排刀式刀架布置图 制方式需要在PLC 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。这种方法主要由软什完成选刀，从而消除了由于识刀装置的稳定性，
可靠性所带来的选刀失误。
4.2 刀架换刀
一、排刀式刀架
排刀式刀架一般用于小
规格数控车床，以加工棒料
为主的机床较为常见。结构
形式为夹持着各种不同用
途刀具的刀夹沿着机床的X
坐标轴方向排列在横向滑
板或一种称之为快换台板
(QUICK —CHANGE PLATEN)
上。刀具典型布置方式如图
4-6所示。这种刀架的特点
之一是在使用上刀具布置
和机床调整都较方便，可以
根据具体工件的车削工艺
要求，任意组合各种不同
用途的刀具，一把刀完成
车削仟务后，横向滑板只要按程序沿X 轴
向移动预先设定的距离后，笫二把刀就到
达加工位置，这样就完成了机床的换刀动
作。这种换刀方式迅速省时，有利于提高
机床的生产效率。特点之二是使用如图4-7
所示的快换台板，可以实现成组刀具的机
外预调，即当机床在加工某—工件的同时，
可以利用快换台板在机外组成加工同一种
零什或不同零件的排刀组，利用对刀装置
进行预调。当刀具磨损或需要更换加加工
零件品种时，可以通过更换台板来成组地
更换刀具，从而使换刀的辅助时间大为缩
短。特点三是还可以安装各种不同用途的动力刀具(如图4-6所示中刀架两端的动力刀
具)来完成一些简单的钻、铣、攻螺纹等二次加工工序，以使机床可在一次装夹中完成
工件的全部或大部分加工工序。特点之四是排刀式刀架结构简单，可在一定程度上降
低机床的制造成本。然时，采用排刀式刀架只适合加工旋转直径比较小的工件，只适
合较小规格的机床配置。不适用于加工较大规格的工件或细长的轴类零。 一般说来旋
转直径超过100mm 的机床大都不用排刀刀架，而采用转塔式刀架。
二、经济型数控车床方刀架
经济型数控车床方刀架是在普通车床四方刀架的基础上发展的一种自动换刀装置，其功
能和普通四方刀架一样，有四个刀位，能装夹4把不同功能的刀具，方刀架回转900时，刀
具交换一个刀位，但方刀架的回转和刀位号的选择是由加工程序指令控制。换刀时方刀架的
图4-7 快换台板
动作顺序是：刀架抬起、刀架转位、刀架定位和夹紧刀架。为完成上述动作要求，要有相应的机构来实现，下面就以WZD4型刀架为例说明其具体结构，如图4-8所示。
该刀架可以安装四把不同的刀具，转位信号由加工程序指定。当换刀指令发出后，小型电动机1起动正转，通过平键套简联轴器2使蜗杆轴3转动，从而带动蜗轮丝杆4转动。蜗轮的上部外圆柱加工有外螺纹，所以该零件称蜗轮丝杠。刀架体7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，蜗轮丝杠环绕中心轴旋转。当蜗轮开始转动时，由于在刀架底座5和刀架体7上的端面齿处在啮合状态，且蜗轮丝杠轴向固定，这时刀架体7抬起。当刀架体抬至一定距离后，端面齿脱开。转位套9用销钉与蜗轮丝杠4联接，随蜗轮丝杠一同转动，当端面齿完全脱开，转位套正好转过160°(如图A--A剖示所示)，球头销8在弹簧力的作用下进入转位套9的槽中，带动刀架体转位。刀架体7转动时带着电刷座10转动，当转到程序指定的刀号时，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，使电动机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。电动机继续反转，此时蜗轮停止转动，蜗杆轴3继续转动，译码装置由发信体11与电刷13、14组成，电刷13负责发信，电刷14负责位置判断。刀架不定期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。随夹紧力增加，转矩不断增大时，达到一定值时，在传感器的控制下，电动机1停止转动。
图4-8 数控车床方刀架结构
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
图4-10 盘形刀库
译码装置由发信体11与电刷13、14组成，电刷13负责发信，电刷14负责位置判断。
刀架不定期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。
这种刀架在经济型数控车床及普通车床的数控化改造中得到广泛的应用。
三、一般转塔回转刀架
图4-9为数控车床的转塔回转刀架．它适用于盘类零件的加工。在加工轴类零件时，可
以换用四方回转刀架。由于两者底部安装尺寸相同，更换刀架十分方便。回转刀架动作根据
数控指令进行，由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，其动作过程分为如下四个步
骤：
(1)刀架抬起 当数控装置发出换刀指令后，压力油从A 孔进入压紧液压缸的下腔，使
活塞1上升，刀架2抬起使定位用活动插销10与固定插销9脱开。同时，活塞杆下端的端
齿离合器5与空套齿轮7结合。
(2)刀架转位 当刀架抬起后，压力油从c 孔进入转位液压缸左腔，活塞6向右移动，
通过接板13带动齿条8移动，使空套齿轮7连同端齿离合器5反时针旋转60°，实现刀架
转位。活塞行程应当等于齿轮7的节圆周长出1／6，并由限位开关控制。
(3)刀架压紧 刀架转位后，压力油从B 孔进入压紧液压缸的上腔，活塞1带动刀架2
下降。件3的底盘上精确地安装着6个带斜楔的圆柱固定插销9，利用活动销10消除定位
销与孔之间的间隙，实现反靠定位。当刀架体2下降时，定位活动插销与另一个固定插销9
卡紧，同时，件3与件4以锥面接触，刀架在新的位置上定位并压紧。此时，端面离合器与
空套齿轮脱开。
(4)转位液压缸复位 刀架压紧后，压力抽从D 孔进转位液压缸右腔，活塞6带动齿条
复位。由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮在轴上空转。如果定位，压紧动作正常，
推杆11与相应的触头12接触，发出信号表示已完成换刀过程，可进行切削加工。
4.3刀库与机械手换刀
刀库用于存放刀具，它是自动换刀装置中主要部件之一。其容量、布局和具体结构对数
控机床的设计有很大影响。
一、刀库的形式
根据刀库存放刀具的数目和取刀方式，刀库可设计成多种形式。图6-13所示为常
见的几种刀库形式。单盘式刀库图4-10(a)-(d)存放的刀具数目—般为15—40把，为适
应机床主轴的布局，刀库上刀具轴线可以按不同方向配置，如轴向、径向或斜向。图
4-10(d)是刀具可作90度翻转的圆盘
刀库，采用这种结构可以简化取刀动
作。单盘式的结构简单，取刀也很方
便，因此应用广泛。当刀库存放刀具
的数目要求较多时，若仍采用单圆盘
刀库．则刀库直径增加太大而使结构
庞大。为了既能增大刀库容量而结构
又较紧凑，研制了各种形式的刀库。
如4-10(e)为鼓轮弹仑式(又称刺猬式)
刀库，其结构十分紧凑，在相同的空
间内，它的刀库容量最大，但选刀和
取刀的动作较复杂。
图4-11 链式刀库
图4-13 链式刀库结构示意图
图4-11为链式刀库，其结构有较大的
灵活性，图4-11 (a)是某一自动换刀数控
镗铣床所采用的单排链式刀库简图，刀库
置于机床立柱侧面，可容纳45把刀具，
如刀具储存量过大，将使刀库过高。为了
增加链式刀库的储存量，可采用图4-11 (b)
所示的多排链式刀库，我国JCS —013型
自动换刀数控镗铣床采用了四排刀链，每
排储存15把刀具；整个刀库储存60把刀
具。这种刀库常独立安装于机床之外，因此占地面积大；由于刀库远离主轴，必须有刀具中间搬运装置，使整个换刀系统结构复杂。
图4-11 (c)为加长链条的链式刀库，采用增加支承链轮数目的方法，使链条折叠回绕，提高
其空间利用率，从而增加了刀库的储存量。此外，还有多盘式和格子式刀库，如图4-10 (s)、
图4-10 (h)所示，这种刀库虽然储存量大，但结构复杂．选刀和取刀动作多。故较少采用.
刀库除了存储刀具之外，还要能根据要求将各工序所用的刀具运送到取刀位置。刀库常
采用单独驱动装置。如图4-12（a ）,图4-12（b ）所示为圆盘式刀库的结构图，可容纳40把
刀具，图4-12(a)为刀库的驱动装置，由液压马达驱动，通过蜗杆4和蜗轮5，端齿离合器2
和3带动与圆盘13相连的轴1转动。如图4-12 (b)所示，圆盘13上均布40个刀座9，其外
侧边缘上有固定不动的刀座号读取装置7。当圆盘13转动时，刀座号码板8依次经过刀座
号读取装置，并读出各刀座的编号，与输入指令相比较，当找到所要求的刀座号时，即发出
信号，高压油进入油缸6右腔使端齿离合器2和3脱开，使圆盘13处于浮动状态。同时油
缸12前腔的高压油通路被切断，并使其与回油箱连通，在弹簧10的作用下，油缸12的活
塞杆带着定位V 形块14使圆盘13定位，以便换刀装置换刀。这种装置比较简单．总体市
局比较紧凑．但圆盘直径较大．转动惯量大，一般这种刀库多安装在离主轴较远的位置，因
此，要采用中间搬运装置来将刀具传送到换刀位置。
THK6370自动换刀数控卧式镗铣床采用链式刀库。
其结构示意图如图4-13所示。刀库由45个刀座组成，
刀座就是链传动的链节，刀座的运动由ZM-40液压马达
通过减速箱传到下链轮轴上，下链轮带动刀座运动。刀
库运动的速度通过调节ZM-40的速度来实现。刀座的定
位用正靠的办法将所要的刀具准确地定位在取刀（还
刀）位置上。在刀具进入取刀位置之前，刀座首先减速。
刀座上的燕尾进入刀库立柱的燕尾导轨，在选刀与定位
区域内，刀座在燕尾导轨内移动，以保持刀具编码环与
选刀器的位置关系的一致性。
图4-14 刀具数量统计图
二、设计刀库时应考虑的主要问题
（一）合理确定刀库储存量
刀库储存量过大，导致刀库的结构庞大而复杂，影
响机床总体市局；储存量过小，则不能满足复杂零件的
加工要求。因此，刀库容量应在经济合理的条件下，力图将一组类似的零件所需的全部刀具装入刀库，以缩短
每次装刀所需的装调时间。对自动换刀数控机床的刀库
图4-12 圆盘式刀库结构图
图4-15 机械手形式
容量，有关资料曾对15000个零件进行分组统计，指出不同工序加工时必须的刀具数不同，
如图4-14所示。图中表示经常使用的刀具种类并不多，如铣削90％的加工量由4把刀
具即可完成。钻削用14把钻头可完成80％的加工量，用20把钻头即可完成90％的加
工量。因此不从加工实际需要出发，片面增大刀库容量是不必要的。对国内外300多种
刀库储存容量统计的结果表明，一般刀库的储存量以10-40把较为适合，41-60把刀具
基本上能满足绝大多数零件的加工要求。少于10把超过60把的很少。
(二)尽量缩短选刀时间
例如将选刀时间与加工时间重叠，根据所选刀具在刀库中的位置来决定刀库正转或反
转，以缩短选刀时间。
(三)刀库运动速度应适宜
作回转运动的刀库，其运动是间歇的，而且方向经常改变，故要求启停平稳，无冲击，
能准停在预定位置，为此要求转动惯量不能过大，因而对刀库的直径、储存刀具的重量和数
量以及刀库的回转速度都应有适当限制。目前，国内外链式刀库的线速度可达100-8mm/s ，
圆盘刀库的转速多为10°-60°/S 。刀库中能自动换刀的最大刀具直径限制为315mm ，最大刀
具长度为500mm ，最大刀具重量为100kg 。
(四)要求刀具运行平稳
为此，往往需设置辅助支承和导向装置。如对链式刀库设置刀座运动导轨，对圆盘刀库
可在靠近刀盘外缘处用滚动轴承支承。
(五)刀座在刀库中的排列
一般刀座的间距相等，在必要的情况下，也可采用不等距排列，视刀具直径大小而定，
多数刀座装小直径刀具，按小间距排列。少数刀座按大间距排列，装大直径刀具。
(六)其他应注意的问题
如刀具在刀座中应夹持可靠，刀库防尘、防层及安全防护等问题都必须考虑。
三、机械手
采用机械手进行刀具交换的方式应用的最为广泛，这是因为机械手换刀有很大的灵活
性，而且可以减少换刀时间。
１、机械手的形式与种类
在自动换刀数控机床中，机械手的形式也是多种多样的，常见的有如图5-35所示的几
种形式：
(1)单臂单爪回转式机械手(图4-15a) 这种机械手的手臂可以回转不同的角度进行自动
换刀，手臂上只有一个夹爪，不论在刀库上或
在主轴上，均靠这一个夹爪来装刀及卸刀，因
此换刀时间较长。
(2)单臂双爪摆动式机械手(图4-15b) 这
种机械手的手臂上有两个夹爪，两上夹瓜有所
分工，一个夹爪只执行从主轴上取下“旧刀”
送回刀库的任务。另一个爪则执行由刀库取出
新刀送到主轴的任务。其换刀时间较上述单爪
回转式机械手要少。
(3)单臂双爪回转式机械手(图4-15c) 这
种机械手的手臂两端各有一个夹爪，两个夹爪
可同时爪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。换刀
时间较以上两种单臂机械手均短，是最常用的—种形式。图c 右边的一种机械手在抓取刀具
或将刀具送入刀库及主轴时，两臂可伸缩。
(４)双机械手(图4-15d) 这种机械手相当两个单爪机械手，相互配合起来进行自动换
刀。其中一个机械手从主轴上取下“旧刀”送回刀库；另一个机械手由刀库里取出“新刀”
装入机床王轴。
(5)双臂往复交叉式机械手(图4-15e) 这种机械手的两手臂可以往复运动，并交叉成一
定的角度。一个手臂从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个手臂由刀库取出“新刀”装入
主轴。整个机械手可沿某导轨直线移动或绕某个转轴回转，以实现刀库与主轴间的运刀运动。
(6)双臂端面夹紧机械手(图4-15f) 这种机械手只是在夹紧部位上与前几种不同。前几种
机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面以抓取刀具，这种机械手则夹紧刀柄的两个端面。
２．常用换刀机械手
（１）单臂双爪式机械手 也叫扁担式机械手，它是目前加工中心上用的较多的一种。
这种机械手的拔刀、插刀动作，大都由液压缸来完成。根据结构要求，可以采取液压缸动，
活塞固定；或活塞动，液压缸固定的结构形式。而手臂的回转动作，则通过活塞的运动带动
齿条齿轮传动来实现。机械手臂的不同回转角度，由活塞的可调行程来保证。
这种机械手采用了液压装置，既要可持不漏油，又要保证机械手动作灵活，而且每个动
作结束之前均必须设置缓冲机构，以保证机械手的工作平衡、可靠。由于液压驱动的机械手
需要严格的密封，还需较复杂的缓冲机构；控制机械手动作的电磁阀都有一定的时间常数，
因而换刀速度慢。近年来国内外先后研制凸轮联动式单臂双爪机械手。其工作原理如图4-16
所示。
这种机械声的优点是：由电动机驱动，不需较复杂的液压系统及其密封、缓冲机构，没
有漏油现象，结构简单，工作可靠。同时，机械手手臂的回转和插刀、拔刀的分解动作是联
动的，部分时间可重叠，从而大大缩短了换刀时间。
(2)双臂单爪交叉型机械手 由北京机床研究所开发和生产的JCSl3卧式加工中
心，所用换刀机械手就是双臂单爪交叉型机械手，如图4-17所示。
图4-16 凸轮式换刀机械手 1-刀套 2-十字轴 3-电动机 4-圆柱槽凸轮
（手臂上下） 5-杠杆 6-锥齿轮 7- 凸轮滚子
（平臂旋转） 8-主轴箱 9-换刀手臂 图4-17 双臂单爪交叉机械手
图4-18 斜45机械手
刀库2-刀库轴线3-齿条4-齿轮5-抓刀活塞
6-机械手托架7-主轴8-抓刀定块9-抓刀动块
①－抓刀②－拔刀③－换位（旋转180°）
④－插刀⑤－松刀⑥－返回原位（旋转90°）
图4-19钳形机械手手爪
1－手臂2-锁销3－止退销4－弹
簧5-支点轴6-手爪7-键8-螺钉
图4-20刀库夹爪
锁销2-顶销3-弹簧
4-支点轴 5 -手爪6-挡销
图4-21机械手结构原理图
1-液压缸2-支架导向槽3-销轴4-销
(3)单臂双爪且手臂回转轴与主轴成45°的
机械手机械手结构如图4-18所示，这种机械
手换刀动作叮靠，换刀时间短。缺点是刀柄精
度要求高，结构复杂，联机调整的相关精度要
求高，机械手离加工区较近。
3．手爪形式
(1)钳形手的杠杆手爪如图4-19所示。图
中的锁销2在弹簧(图中未画出此弹簧)作用下，
其大直径外圆顶着止退销3，杠杆手爪6就不能
摆动张开，手中的刀具就不会被甩出。当抓刀
和换刀时，锁销2被装在刀库主轴端部的撞块
压回，止退销3和杠杆手爪6就能够摆动、放
开，刀具就能装入和取出。这种手爪均为直线
运动抓刀。
(2)刀库夹爪刀库夹爪既起着刀套用，又
起着手爪的作用。如图4-20所示为刀库夹爪
图。
4．机械手结构原理
如图4-21机械手结构及工作原理如下：
机械手有两对抓刀爪，分别由液压缸1驱
动其动作。当液压缸推动机械手爪外伸时(图
4-21中上面一对抓刀爪)，抓刀爪上的销轴3
在支架上的导向槽2内滑动，使抓刀爪绕销4
摆动，抓刀爪合拢抓住刀具；当液压缸回缩时
(图4-21中下面的抓刀爪)，支架2上的导向槽
迫使抓刀爪张开，放松刀具。由于抓刀动作
由机械机构实现，且能自锁，因此工作安全
图4-24 换刀过程 可靠。
5．机械手的驱动机构
图4-22为机械手的驱动机构。气缸1通过杆6带动机械手臂升降，当机械手在上
边位置时(图示位置)，液压缸4通过齿条2、齿轮3、传动盘5、杆６带动机械手臂回
转；当机械手在下边位置时，气缸7通过齿条9、齿轮8、传动盘5和杆6，带动手臂
回转。
图4-23为机械手臂和手爪结构图。手臂的两端各有一手爪。刀具被带弹簧1的活
动销4紧靠着固定爪5。锁紧销2被弹簧3弹起，使活动销4被锁位，不能后退，这就
保证了在机械手运动过程中．手爪中的刀具不会被甩出。当手臂在上方位置从初始位
置转过75°时锁紧锁2被挡块压下，活动锁4就可以活动，使得机械手可以抓住(或放
开)主轴和刀套中的刀具。
四、刀具交换装置
在数控机床的自动换刀系统中，实现刀库与机床主轴之间刀具传递和刀具装卸的装置称
为刀具交换装置。刀具的交换方式通常分为无机械手换刀和有机械手换刀两大类。
无机械手换刀
无机械手换刀的方式是利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换。XH754型卧
式加工中心就是采用这类刀具交换装置的实例。
该机床主轴在立柱上可以沿Y 方向上下移动，工作
台横向运动为z 轴，纵向移动为x 轴。鼓轮式刀库位
于机床顶部，有30个装刀位置，可装29把刀具。换
刀过程见图4-24。
图4-24a ：当加工工步结束后执行换刀指令，主轴
实现准停，主轴箱沿Y 轴上升。这时机床上方刀库的
空档刀位正好处在交换位置，装夹刀具的卡爪打开.
图4-24b ：主轴箱上升到极限位置，被更换刀具的
刀杆进入刀库空刀位，即被刀具定位卡爪钳住，与此
同时，主轴内刀杆自动夹紧装置放松刀具。
图4-24c ：刀库伸出，从主轴锥孔中将刀具拔出。
图4-24d ：刀库转出，按照程序指令要求将选好的刀
具转到最下面的位置，同时，压缩空气将主轴锥孔吹净。
图4-24e ：刀库退回，同时将新刀具插入主轴锥孔。
主轴内刀具夹紧装置将刀杆拉紧。
图4-24f ：主轴下降到加工位置后起动，开始下一工步的加工。
这种换刀机构不需要机械手，结构简单、紧凑。由
于交换刀具时机床不工作，所以不会影响加工精度，但
会影响机床的生产率。其次因刀库尺寸限制，装刀数量不能太多。这种换刀方式常用
于小型加工中心。
无机械手换刀的方式是利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换。XH754型卧式
加工中心就是采用这类刀具交换装置的实例。
图4-22机械手的驱动机构
1-升降气缸2-齿条3-齿轮4-液压缸5-传动盘6-杆
7-传动气缸8-齿轮9-齿条
图4-23 机械手臂和手爪结构图
图4-25 换刀分解动作示意图
图4-24a ：当加工工步结束后执行换刀指令，主轴实现准停，主轴箱沿Y 轴上升。这时
机床上方刀库的空档刀位正好处在交换位置，装夹刀具的卡爪打开.
图4-24b ：主轴箱上升到极限位置，被更换刀具的刀杆进入刀库空刀位，即被刀具定位
卡爪钳住，与此同时，主轴内刀杆自动夹紧装置放松刀具。
图4-24c ：刀库伸出，从主轴锥孔中将刀具拔出。
图4-24d ：刀库转出，按照程序指令要求将选好的刀具转到最下面的位置，同时，压缩
空气将主轴锥孔吹净。
图4-24e ：刀库退回，同时将新刀具插入主轴锥孔。主轴内刀具夹紧装置将刀杆拉紧。
图4-24f ：主轴下降到加工位置后起动，开始下一工步的加工。
这种换刀机构不需要机械手，结构简单、紧凑。
由于交换刀具时机床不工作，所以不会影响加工精
度，但会影响机床的生产率。其次因刀库尺寸限制，
装刀数量不能太多。这种换刀方式常用于小型加工
中心。
2．机械手换刀
采用机械手进行刀具交换的方式应用的最为广
泛，这是因为机械手换刀有很大的灵活性，而且可
以减少换刀时间。机械手的结构形式是多种多样的，
因此换刀运动也有所不同。下面以卧式镗铣加工中
心为例说明采用机械手换刀的工作原理。
该机床采用的是链式刀库，位于机床立柱左侧。
由于刀库中存放刀具的轴线与主轴的轴线垂直，故
而机械手需要三个自由度。机械手沿主轴轴线的插
拔刀具动作，由液压缸来实现；绕竖直轴90°的摆动
进行刀库与主轴间刀具的传送，由液压马达实现；
及绕水平轴旋转180°完成刀库与主轴上的刀具交换
的动作，也由液压马达实现。其换刀分解动作如图
4-25a ～f 所示。
图4-25a ：抓刀爪伸出，抓住刀库上的待换刀具，
刀库刀座上的锁板拉开。 图4-25b ：机械手带着待换刀具绕竖直轴逆时针方向转90°，与主轴轴线平行，另一个
抓刀爪抓住主轴上的刀具，主轴将刀杆松开。
图4-25c：机械手前移，将刀具从主轴锥孔内拔出。
图4-25d：机械手绕自身水平轴转180°，将两把刀具交换位置。
图4-25e：机械手后退，将新刀具装入主轴，主轴将刀具锁住。
图4-25f：抓到爪缩回，松开主轴上的刀具。机械手竖直轴顺时针转90°。将刀具放回刀库的相应刀座上，刀库上的锁板合上。
最后，抓到爪缩回，松开刀库上的刀具，恢复到原始位置。
4.3 更换主轴换刀与更换主轴箱换刀
一、更换主轴换刀
更换主轴换刀是带有旋转刀具的数控机床的一种比较简单的换刀方式。这种主轴头实际上就是一个转塔刀库如图4-26所示。
主轴头有卧式和立式两种，常用转塔的转位来更换主轴头，以实现自动换刀。在转塔的各个主轴头上，预先安装有各工序所需要的旋转刀具。当发出换刀指令时，各主轴头依次地转到加工位置，并接通主运动，使相应的主轴带动刀具旋转。而其他处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。图4-27为立式八轴转塔头的结构，每次转位包括下列动作。
(1)脱开主传动接到数控装置发出的换刀指令后，液压缸4卸压，弹簧推动齿轮1与主轴上的齿轮12脱开。
(2)转塔头脱开固定在支架上的行程开关3接通，表示主传动已脱开，控制电磁阀，使液压油进人液压缸5的左腔，液压缸活塞带动转塔头向右移动，直至活塞与油缸端部接触。固定在转塔头上齿盘10便脱开
(3)转塔头转位当齿盘脱开，行程开关发出信号启动转位电动机，经蜗杆8和蜗轮6带动槽轮机构的主动曲拐使槽轮11转过45°，并由槽轮机构的圆弧槽来完成主轴头的分度位置粗定位。主轴号的选择是通过行程开关组来实现。若处于加工位置的主轴不是所需要的，转位电动机继续回转，带动转塔头间歇地再转45°，直至选中主轴为止。主轴选好后，行程开关7使转位电动机停转。
(4)转塔头定位压紧行程开关7使转位电动机停转的同时接通电磁阀，使压力油进入液压缸5的右腔，转塔头向左返回．由齿盘10
精确定位。液压缸5右腔的油压作用力将转塔头可
靠地压紧。
(5)主轴传动的接通转塔头定位夹紧时，由
行程开关发出信号接通电磁阀控制压力油进入液
压缸4，压缩弹簧，使齿轮1与主轴上的齿轮12
啮合，此时换刀动作全部完成。
（6）更换主轴换刀，省去了自动松夹、卸刀、
装刀、以及刀具搬运等—系列的复杂操作，从而缩
短了换刀时间，并且提高了换刀的可靠性。为了保
证主轴的刚性，必须限制主轴数目。因此，转塔主
轴头通常只适用于工序较少、精度要求不太高的机
图4-27立式八轴转塔头的结构
床，例如数控钻床、铣床等。
图4-26 更换主轴换刀 1-齿轮 2、3、7-行程开关 4、5-液压缸 6-蜗轮 8-蜗杆 9、10-齿盘 11-槽轮 12-齿
图4-28 自动更换主轴箱 1-工作主轴箱 2、3、4、5、6、7-备用主轴箱 8-机械手 9-刀库 10-主轴箱库 11、12-小车
二、更换主轴箱换刀 有的数控机床象组合机床一样，采用多主轴的主轴箱，利用更换主轴箱达到换刀
的目的，如图4-28所示。
主轴箱库10吊挂着备
用主轴箱2～7。主轴箱库两
侧的导轨上，装有同步运动
的小车11和12，它们在主
轴箱库与机床动力头之间
运送主轴箱。
根据加工要求，先选好
所需的主轴箱，待两小车运
行至该主轴箱处，将它推到
小车11上，小车11与小车
12同时运动到机床动力头
两侧的更换位置。当上一道
工序完成后，动力头带着主
轴箱上升到更换位置，夹紧
机构将主轴箱1松开，定位
销从定位孔中拔出，推杆机
图4-29 带刀库的双主轴结构 1-刀库 2-机械手 3-转塔头 4-工件
构将主轴箱l 椎到小车12上，同时又将小车
11上的待用主轴箱推到机床动力头上，井进
行定位夹紧。与此同时，两小车返回主轴箱
库，停在下次待换的主轴箱旁。推杆机构将
下次待换主轴箱推到小车11上，并把用过的
主轴箱从小车12上推入主轴箱库的空位，也
可通过机械手8在刀库9和主轴箱1之间进
行刀具交换。这种换刀形式，对加工箱体类
零件，可以提高生产率。
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，如图4-29所示。当
水平方向的主轴在加工位置时，待更换刀具的主轴处于换刀位置，由刀具交换装置预先换刀，待本工序加工完毕后，转塔头回转
并交换主轴(即换刀)。这种换刀方式，换刀时间大部分和机加工时间重合，只需转塔
头转位的时间，所以换刀时间短。转塔头上的主轴数目较少，有利于提高主轴的结构
刚性；刀库上刀具数目也可增加，对多工序加工有利。但这种换刀方式难保精镗加工
所需要的主轴刚度。因此，这种换刀方式主要用于钻床，也可用于铣镗床和数控组合
机床。
4.4自动换刀装置的常见故障与维修
自动换刀装置的常见故障有：刀库运动故障，定位误差过大，机械手夹持刀柄不稳定，
机械动作误差过大等。这些故障最后都造成换刀动作卡位，整机停止工作。对于机械、液压
(或气动)方面的故障，主要应重视对现场设备操作人员的调查，故障的判断由于ATC 装置
是由PLC 可编程序控制器通过应答信号控制的，因此大多数故障出现在反馈环节(电路或反
馈元件)上。需通过电路分析与信号一动作—定位一限位等有关环节的综合分析来判断故障
所在，故难度就较大。下面主要就刀库和换刀机械手的故障做简要介绍。
一、刀库及换刀机械手的维护
刀库与换刀机械手的维护要点。
(1)严禁把超重、超长的刀具装入刀库，防止在机械手换刀时掉刀或刀具与工件、夹具
等发生碰撞。
(2)顺序选刀方式必须注意刀具放置在刀库中的顺序要正确。其他选刀方式也要注意所
换刀具是否与所需刀具一致，防止换错刀具导致事故发生。
(3)用手动方式往刀库上装刀时，要确保装到位、装牢靠。检查刀座上的锁紧是否可靠。
(4)经常检查刀库的回零位置是否正确，检查机床主轴回换刀点位置是否到位，并及时
调整，否则不能完成换刀动作。
(5)要注意保持刀具刀柄和刀套的清洁。
(6)开机时，应先使刀库和机械手空运行，检查各部分工作是否正常，特别是各行程开
关和电磁阀能否正常动作。检查机械手液压系统的压力是否正常，刀具在机械手上锁紧是否
可靠，发现不正常时应及时处理。
二、刀库的故障
刀库的主要故障有：刀库不能转动或转动不到位；刀库的刀套不能夹紧，刀具、刀库上
不到位等。
(1)刀库不能转动或转动不到位,刀库不能转动的可能原因有：①联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粘涩；⑤电网电压过低(不应低于370V)。
刀库转动不到位的可能原因有：电机转动故障，传动机构误差沪。
(2)刀套不能夹紧刀具可能原因是刀套上的调整螺母松动，或弹簧太松，造成卡紧力超重，刀具超重。
(3)刀套上下不到位可能原因是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应检查操纵刀套90度拆卸的气阀是否松动，气压足不足，刀套的转动轴锈蚀等。
三、换刀机械手故障
（1）刀具夹不紧可能原因有风泵气压不足，增压漏气，刀具卡紧气压漏气，刀具松开弹簧上的螺帽松动。例某VMC—65A型加工中心使用半年出现主轴拉刀松动，无任何报警信息。分析主轴拉不紧刀的原因是：①主轴拉刀碟簧变形或损坏；②拉力液压缸动作不到位；③拉钉与刀柄夹头间的螺纹联接松动。经检查，发现拉钉与刀柄夹头的螺纹联接松动，刀柄夹头随着刀具的插拨发生旋转，后退了约1.5mm。该台机床的拉钉与刀柄夹头间无任何联接防松的锁紧措施。在插拔刀具时，若刀具中心与主轴锥孔中心稍有偏差，刃柄夹头与刀柄间就会存在一个偏心摩擦。刀柄夹头在这种摩擦和冲击的共同作用下，时间一长，螺纹松动退丝，出现主轴拉不住刀的现象。若将主轴拉钉和刀柄夹头的螺纹联接用螺纹锁固密封胶锁固及锁紧螺母锁紧后，故障消除。
(2)刀具夹紧后松不开可能原因有松锁刀的弹簧压合过紧，应逆时针旋松卡刀簧上的螺帽，使最大载荷不超过额定数值。
(3)刀具从机械手中脱落应检查刀具是否超重，机械手卡紧锁是否损坏，或没有弹出来。
(4)刀具交换时掉刀换刀时主轴箱没有回到换刀点或换刀点漂移，机械手抓刀时没有到位，就开始拔刀，都会导致换刀时掉刀。这时应重新操作主轴箱运动，使其回到换刀点位置，重新设定换刀点。
(5)机械手换刀速度过快或过慢可能是因气压太高或太低和换刀气阀节流开口太大或太小。应调整气压大小和节流阀开口的大小。下面通过一个典型例子说明如何从换刀装置的结构、换刀过程来分析和判断换刀过程中出现的故障。
例1：某数控机床的换刀系统在执行换刀指令时不动作，机械臂停在行程中间位置上，CRT显示报警号，查阅手册得知该报警号表示：换刀系统机械臂位置检测开关信号为“0”及“刀库换刀位置错误”。
根据报警内容，可诊断故障发生在换刀装置和刀库两部分，由于相应的位置检测开关无信号送至PLC的输入接口，从而导致机床中断换刀。造成开关无信号输出的原因有两个：一是由于液压或机械上的原因造成动作不到位而使开关得不到感应；二是电感式开关失灵。
首先检查刀库中的接近开关，用一薄铁片去感应开关，以排除刀库部分接近开关失灵的可能性；接着检查换刀装置机械臂中的两个接近开关，一是“臂移出”开关SQ21，一是“臂缩回”开关SQ22。由于机械臂停在行程中间位置上，这两个开关输出信号均为“0”，经测试，两个开关均正常。
机械装置检查：“臂缩回”动作是由电磁阀YV21控制的，手动电磁阀YV21，把机械臂退回至“臂缩回”位置，机床恢复正常，这说明手控电磁阀能换刀装置定位，从而排除了