认知数控机床刀架的基本形式，掌握其分类及结构特点，并掌握其工作原理。

数控车床的回转刀架、加工中心的自动换刀装置和高速主轴单元，以及数控机床常用的回转工作台、自动排屑等部件是数控机床的重要组成部分，统称为功能部件。随着社会分工的日益精细化，这些部件已经越来越多地由专业厂家进行批量生产和制造，除非特殊需要，数控机床生产厂家一般都选择专业厂家生产的产品。

自动换刀装置是数控机床实现自动换刀动作最重要的标准功能部件，其性能在很大程度上决定了数控机床功能、效率和自动化程度，下面简单了解一下数控车床采用的刀架形式。

一、刀架的基本形式

数控车床所使用的回转刀架是较为简单的自动换刀装置，根据车床结构和功能的不同，其形式多样，但基本结构与原理类似。具有足够的强度和刚性、定位准确、换刀便捷、动作可靠是数控车床对刀架的共同要求，刀架的性能一般与车床的精度、价格匹配，其常用的刀架如下。

1.电动回转刀架

电动回转刀架一般用于国产普及型数控车床。普及型数控车床一般采用平车身、卧式布局，其外形如图4－1－1所示，车床的进给系统多采用通用伺服或步进电动机驱动，主轴以采用通用变频器调速的居多。

图4－1－1 普及型数控车床

普及型数控车床的刀架外形如图4－1－2所示。刀架的外形与普通车床的手动刀架类似，刀架为水平布置，其抬起、回转、夹紧可以通过刀架电动机的正反转配合实现。电动机正转时，可以实现刀架的抬起和回转运动；电动机反转时，可实现刀架的定位和锁紧。

图4－1－2 普及型数控车床的刀架外形

电动刀架具有结构简单、控制容易、制造成本低等优点，但缺点是不能实现就近选刀，换刀时间长，刀位数少（一般为4～6刀位），且其定位精度也较低。因此，其适用于结构简单、精度和效率都不高的低价位、普及型国产数控车床。

2.液压回转刀架

液压回转刀架多用于全功能型数控车床，全功能型数控车床一般采用斜车身布局，其外形如图4－1－3所示，机床的进给系统多采用专用伺服驱动，主轴可以采用通用变频器调速或交流主轴驱动。

图4－1－3 全功能型数控车床

全功能型数控车床一般采用液压回转刀架，其外形如图4－1－4所示。液压回转一般为垂直布置，刀架的抬起和定位锁紧为液压控制，刀架的回转通过回转油缸或电动机（一般为伺服电动机）的正反转实现。

图4－1－4 液压回转刀架

液压回转刀架可以安装的刀位数多（8刀位以上），可以实现快速选刀、定位准确，但其结构较为复杂，制造成本较高。因此，一般用于功能齐全、精度和效率要求高的进口或国产全功能数控车床。

3.车削中心刀架

车削中心是在数控车床基础上发展起来的一种可以实现轴类零件车、铣加工的多用途机床，其外形如图4－1－5所示。车削中心的主轴（工件）不但可以控制速度，而且还具有位置控制功能，能参与X、Y、Z等基本坐标轴的“插补”运算，实现Cs轴控制功能。车削中心除了像数控车床那样具有X轴（径向）、Z轴（长度）运动轴外，还带有垂直方向的运动轴（Y轴）。车削中心的刀架上除了可以像数控车床那样安装固定的端面、内外圆、中心孔加工的车削刀具外，还可以安装类似于数控铣床钻、镗、铣加工用的旋转刀具（称动力刀具），以实现工件侧面、端面的孔加工或轮廓铣削加工，故常称为动力刀架，其外形如图4－1－6所示。

图4－1－5 车削中心

图4－1－6 动力刀架

动力刀架不但刀位数多、换刀快捷、定位准确，而且还需要在内部布置动力刀具主轴和Y轴运动部件，其结构更复杂，制造成本更高。动力刀架为斜置，刀架的抬起和定位锁紧为液压控制，刀架的回转一般通过伺服电动机的正反转实现。由于车削中心的刀架结构与机床结构、布局、性能密切相关，因此，动力刀架一般需要机床生产厂家自行设计与制造。

二、电动刀架的结构与原理

电动刀架是国产普及型数控车床使用最为广泛、最简单的车床自动换刀装置，以四工位电动刀架最为常用。

电动刀架的结构，以四工位刀架为例，如图4－1－7所示。刀架由电动机、蜗轮蜗杆副、底座、刀架体、端面齿牙盘、转位套、刀位检测装置等部件组成，换刀过程如下。

图4－1－7 四工位刀架结构

1—刀架电动机；2—联轴器；3—蜗杆；4—蜗轮轴；5—底座；6—粗定位盘；7—刀架体；8—球头销；9—转位套；10—检测盘安装座；11—发信磁体；12—固定螺母；13—刀位检测盘；14—粗定位销

1.刀架抬起(www.daowen.com)

当CNC执行换刀指令T时，如果现行刀位与T指令要求的位置不符，CNC将输出刀架正转信号TL＋，刀架电动机1将启动正转，并通过联轴器2、蜗杆3带动上部加工有外螺纹的蜗轮轴4转动。由于蜗轮轴4的中心轴与底座5固定、内孔与中心轴的外圆是动配合，故电动机正转时蜗轮轴4将绕中心轴旋转。由于刀架体7的内孔螺纹与蜗轮轴4的外螺纹配合，其端面齿牙盘处在啮合状态，使得刀架体不能转动，因此，当蜗轮轴转动时，刀架体7将通过螺纹运动向上抬起，实现刀架的自动松开。

2.刀架转位

当刀架体7抬到一定位置后，端面齿牙盘将被脱开。而当齿牙盘完全脱开时，与蜗轮轴4连接的转位套9将转过160°左右，使得转位套9上的定位槽正好移动至与球头销8对准的位置，因此球头销8将在弹簧力的作用下插入转位套9的定位槽中，从而使得转位套带动刀架体7进行转位，实现刀架的刀具交换（转位）。刀架正转时，由于粗定位盘6上端面的定位槽沿正转方向为斜面退出，因此，正转时刀架体7上的定位销将被逐步向上推出，不影响刀架的正转运动。

3.刀架定位

刀架体7转动时将带动用于刀位检测发信的磁体转动，当发信磁体转到T代码指定刀位的检测霍尔元件上时，CNC将撤销刀架正转信号TL＋，输出刀架反转信号TL－，使得刀架电动机1反转。电动机反转时，粗定位销14在弹簧的作用下将沿粗定位盘6上端面的定位槽斜面反向进入定位槽中，这时刀架体的反转运动将被粗定位销14阻止，刀架体被粗定位而停止转动。此时，蜗轮轴4的回转将使刀架体7通过螺纹的移动垂直落下。

4.刀架锁紧

随着电动机反转的继续，刀架体7的端面齿牙盘将与底座5啮合，并锁紧。当锁紧结束后，刀架电动机1堵转并强迫停止。CNC在经过参数设定的反转时间后，自动撤销刀架反转信号TL－，结束换刀动作。

参观各类机床，简述各种刀架分别在哪些机床上使用

1.手动旋转刀架

安装在普通车床上，通过转柄进行刀架的手动旋转、锁紧等一系列动作。

2.电动回转刀架

电动回转刀架一般用于国产普及型数控车床上，电动刀架结构简单、制造成本低廉，但是换刀时间长、定位精度也较低，因此，适用于结构简单、精度和效率都不高的低价位、普及型国产数控车床。

3.液压回转刀架

液压回转刀架多用于全功能型数控车床。液压刀架可以安装的刀位数多（8刀位以上），可以实现快速选刀、定位准确，但其结构较为复杂，制造成本较高。因此，一般用于功能齐全、精度和效率要求高的进口或国产全功能数控车床。

4.车削中心动力刀架

车削中心动力刀架不但刀位数多、换刀便捷、定位准确，而且还需要在内部布置动力刀具主轴和Y轴运动部件。由于车削中心的刀架结构与机床结构、布局、性能密切相关，因此，动力刀架一般由车削中心厂家自行设计制造。

根据任务完成过程中的表现，填写表4－1－1。

表4－1－1 任务评价

刀库移动式换刀（斗笠式刀库）

采用刀库移动式换刀的加工中心不需要机械手，但换刀时需要进行刀库的平移、上下等运行，所需要的刀具也能够直接移动到机床主轴的轴线上，其刀具的装卸可直接利用Z轴的上下运动完成。

图4－1－8所示为一种典型的刀库移动式换刀立式加工中心。该机床的刀具装卸通过刀库平移和Z轴的上下运动实现，换刀时刀库只需要进行平移和回转运动，而不需要做上下运动。立式加工中心的刀库移动式换刀的刀库外形类似于斗笠，故在某些场合又被称为斗笠式刀库。

图4－1－8 刀库移动式换刀立式加工中心

采用刀库移动式换刀的加工中心结构简单、控制容易、换刀可靠，刀具交换前后的安装位置固定不变。但是，由于换刀时需要进行刀库左右平移、回转及Z轴的上下运动等多个动作，故换刀时间较长；此外，这种结构同样存在刀库可安装的刀具数量较少、刀具尺寸过大时会影响工件安装和Z轴加工行程，加工时也不能进行刀具装卸等问题。因此，这是一种适用于普通小型加工中心的自动换刀形式。

刀库移动式换刀需要通过刀库与机床Z轴的相对运动，实现刀具的装卸与交换，其换刀动作过程如下：

（1）主轴定向准停，使主轴上的定位键和刀库定位键方向一致；同时，Z轴快速上升到换刀位置，做好换刀准备。

（2）刀库前移至主轴下方，使得刀库上的刀爪插入主轴刀具刀柄上的V形槽中，打刀缸动作，松开主轴上的刀具。

（3）Z轴快速上升至卸刀位置，使主轴上的刀具从主轴锥孔中脱离，原刀具被留在刀库的刀爪上。

（4）刀库回转，将目标刀具旋转到主轴下方。

（5）Z轴下降，重新回到换刀位置，新刀具被插入主轴的锥孔内，到位后，刀具夹紧，新刀具装入主轴。

（6）刀库后移（后退），将刀库从主轴下方移出，回到原位，Z轴便可以正常移动，进行下一步工序的加工。

以上换刀方式不需要机械手，其结构非常简单、动作可靠，但不能实现刀具的预选动作，即在换刀时必须先将原来主轴上的刀具放回到刀库，然后再通过刀库的旋转选择新刀具，因此选刀需要一定的时间，而且每次换刀，刀库和Z轴还必须进行一次往复运动，故而其换刀时间往往较长。此外，刀库上刀具的安装也不是很方便。