带换刀装置的全自动数控雕刻机

定义

自动换刀装置是在主轴和刀库之间传送、装卸刀具的装置。自动换刀装置是数控加工中ATC的全称。

自动换刀装置驱动数控机床连续工作，即每道工序完成后，自动将下一工序使用的新刀具更换到主轴上，并由主轴拾取刀具，刀具的交换一般由机械手、刀库和主轴的协调动作完成。

与多主轴数控雕刻机相比，自动换刀数控雕刻机仅需在主轴箱内设置一个主轴，主轴部件具有足够的刚性，能够满足各种精度加工的要求。此外，刀库可存储大量刀具，用于复杂零件的多工序加工，显著提高机床的适应性和加工效率。自动换刀数控雕刻机系统由刀库和自动换刀装置两部分组成。其主要优势在于：一是仅保留一个主轴，有利于简化主轴结构，提高主轴的刚性；二是刀库中可存储大量不同类型、不同功能的雕刻刀，方便完成各种复杂、多工序的加工工序。

自动换刀装置由刀库、刀具选择系统、刀具交换机构等部分组成，结构比较复杂。它负责在刀库和主轴之间传送刀具，将要使用的刀具推到主轴上，再将更换下来的刀具送回到刀库里面。这种换刀方式虽然不如前一种换刀方式直接，但却避免了刀库和主轴移动换刀，而是由自动换刀装置来代替。这样一来，机械部件的运动范围就减小了，换刀完成得更快，设计布局也更加灵活。

工作原理

在自动换刀系统中，实现刀具在刀库与主轴之间传递和装卸的装置称为换刀装置。换刀方式有2种：刀库与主轴的相对运动和机械手。利用刀库与主轴的相对运动实现刀具交换的装置在换刀时必须先将用过的刀具放回刀库，再从刀库中取出新刀具。1个动作不能同时进行，换刀时间较长。

而机械手换刀装置在换刀时可同时抓取并装卸主轴和刀库中的钻头，因此换刀时间进一步缩短。利用机械手换刀的方法应用最为广泛。这是因为机械手换刀灵活，动作迅速，结构简单。机械手可完成抓取-拔出-翻转-插入-回退等一系列动作。为了防止钻头掉落，机械手的活动爪上装有自锁机构。

特点与优势

采用大功率自动换刀主轴，启动性能好，扭矩大，充分发挥机器高速高效的优势。采用日本产大扭矩伺服电机，噪音小，速度快，定位精度高。配备独特的刀库，可以随意更换所需的铣刀。换刀时间只需几秒钟。标准刀库自带8把刀具，可定制更大容量的刀库。

成本

一台带自动换刀装置的数控铣床的价格会因机器的规格、尺寸、功能和品牌而异，通常在 10,800 美元到 100,000 美元以上不等。入门级自动换刀数控铣床套件的平均价格为 12,000 美元，而一些具有先进功能、更大工作区域和附加功能的高端工业自动换刀数控铣床工作台的价格往往更高。总而言之，购买一台带自动换刀装置的自动换刀数控铣床的平均成本约为 16,000 美元。建议您根据具体需求咨询具体的制造商或供应商，以获得准确的定价。

大多数木工都渴望拥有一台自动换刀数控雕刻机，但有些人并不清楚为一台普通数控机床升级一套自动换刀装置需要多少钱。 2025工业数控市场报告显示，如果您想自己动手，则需要在普通机器上额外花费 3,000 美元到 8,000 美元。

规格

类型

自动换刀装置分为3种常见的类型：直线式，滚筒式，链条式，我们将一一介绍。

直线型

这是一种直列式换刀装置，用于4至12把刀的刀库，具有换刀速度快、使用方便等特点。

鼓类型

这是一种旋转换刀装置，也称为CTM型ATC或盘式ATC。它用于8至20把刀的刀库。

链类型

适用于换刀速度较低的立式数控机床，专为30把以上刀具的刀库设计，具有最佳的刀具承载能力。

数控加工中如何换刀？

旋转刀座

旋转刀架是数控车床中常用的一种最简单的换刀装置，可设计成方形、六角形或盘式轴向刀架等多种形式。旋转刀架上分别安装有4把、6把或更多把刀具，并根据数控装置的指令进行换刀。旋转刀架的结构必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削阻力。由于车削加工精度很大程度上取决于刀尖的位置，对于数控车床来说，加工过程中刀具位置不是人工调整的，因此更需要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以确保旋转刀架在每次分度后具有尽可能高的重复定位精度（通常 0.001-0.005mm).正常情况下，旋转刀架的变换动作有刀架升降、刀架分度、刀架压紧。

主轴头更换

主轴头换刀是旋转刀具数控机床较为简单的换刀方式。这种主轴头实际上是一个转塔刀库，主轴头有卧式和立式两种类型。通常采用转塔分度的方式更换主轴头，实现自动换刀。转塔的每个主轴上都预装了各工序所需的旋转刀具。当发出换刀指令时，各主轴头依次转到加工位置，并开启主运动，使相应主轴带动刀头旋转。处于非加工位置的其他主轴则与主运动断开。主轴换刀装置省去了自动松刀、夹刀、卸刀、装刀、卸刀等一系列复杂的操作，从而缩短了换刀时间，提高了换刀的可靠性。但由于空间位置的限制，主轴部件的结构尺寸不能太大，从而影响主轴系统的刚性。为了保证主轴的刚性，必须限制主轴的数量，否则会增大结构尺寸。因此，转塔主轴头通常只适用于工序少、精度要求不高的机床，如数控钻铣床等。

自动换刀系统

由于旋转刀架和转塔式刀库无法容纳过多的刀具，无法满足复杂零件的加工需求，因此自动换刀数控机床大多采用带刀库的自动换刀装置。带刀库的装置由刀库和换刀机构组成，换刀过程较为复杂。首先，加工过程中用到的所有刀具都应安装在标准刀架上，并在机床外部进行尺寸预调后，按一定方式放入刀库。换刀时，先在刀库中选择刀具，然后换刀装置从刀库或主轴中取出需要更换的刀具，将新刀具放入主轴，再将旧刀具放回刀库。刀库容量较大，可安装在主轴箱的侧面或上方。由于带自动换刀刀库的机床主轴箱内只有一个主轴，因此主轴部件的刚性要求较高，以满足精密加工的要求。此外，刀库容量大，可进行复杂零件的多工序加工，大大提高了机床的适应性和加工效率。带刀库的ATC系统适用于钻孔中心、加工中心等。

如何选择弹匣与工具？

刀库类型

刀库用于储备一定数量的铣刀，通过机械手与主轴上的铣刀进行交换。刀库有多种形式，如盘式刀库、链式刀库等。刀库的形式和容量应根据机床的工艺范围确定。盘式刀库中铣刀的方向与主轴方向一致。换刀时，主轴箱上升到一定位置，使主轴上的铣刀对准刀库底部位置，将铣刀夹紧，主轴在电脑控制下，松开手柄，盘式刀库向前移动，拔出主轴上的铣刀，然后刀库将下道工序用到的铣刀旋转到与主轴对齐的位置，刀库向后移动，将新的铣刀插入主轴孔中，主轴夹紧刀架，主轴箱下降到工作位置，换刀任务完成，下道工序开始工作。这种换刀装置的优点是结构简单、成本低、换刀可靠性好，缺点是换刀时间长，适用于刀库容量较小的加工中心。对于需要大刀库容量的加工中心，将采用链式刀库，该刀库结构紧凑，刀库容量大，链环形状可根据机床的布局制成各种形状，换刀位置也可突出，方便更换。当需要增加铣刀数量时，只需增加链条长度即可，给刀库的设计和制造带来了方便。

工具选择方法

刀库中存放着多把刀具，每次换刀前都要选择刀具。常用的选刀方式有顺序法和任意法，刀具按工艺要求依次装入刀库的刀架中，加工时就是按顺序调整刀具，加工不同工件时，必须重新调整刀库中刀具的顺序。优点是刀库的驱动和控制比较简单，因此，这种方法适用于加工批量大、工件品种少的中小型数控机床的自动换刀。随着数控系统的发展，大多数数控系统采用任意选刀方式，分为刀架编码、刀具编码和记忆式3种。

刀具编码方法

刀具代码或刀架代码需要通过在刀具或刀架上安装码条来识别，码条一般按二进制编码原理编码。选刀方式采用特殊的刀架结构，每个刀头都有自己的编码，因此刀头可以在不同的工序中重复使用，更换下来的刀头不必放回原刀架，大容量刀库可以相应减少。但每个刀头都有一个专门的编码环，长度加长，制造难度大，刀库和机械手的结构也变得复杂。刀架的编码方式是一把刀对应一个刀架，从一个刀架上取下的刀具必须放回同一个刀架上。取放刀头繁琐，更换时间长。目前加工中心普遍采用记忆方式，这样刀架在刀库中的编号和位置可以相应地存储在数控系统的PLC中。无论刀具放置在哪个夹具中，刀具信息始终存储在PLC中。刀库配备位置检测装置，可以获取每个刀架的位置信息。这样可以随时取出和返回刀具。刀库上还设有机械原点，因此每次选择刀具时，都会选择最近的刀具。

应用

自动换刀数控雕刻机应用行业广泛，如家具家装、木制工艺品、橱柜、屏风、广告、乐器或精密仪器外壳加工等行业，可加工材料主要包括木材、玻璃、石材、塑料、亚克力、绝缘材料等各种非金属材料。

木工

家门，3D波浪板加工、橱柜门、实木门、工艺木门、免漆门、屏风、工艺窗制作、擦鞋机、游戏机柜体及面板、电脑桌、板式家具制作。

模具制作

它可以制作铜、铝、铁等金属模具，以及木材、石头、塑料、PVC等非金属模具。

广告与爱好者

标牌制作、徽标制作、刻字、丙烯酸切割、吸塑成型和装饰。

工业制造

可制作各类皮影、浮雕，广泛应用于工艺品、礼品行业。

故障排除

带换刀装置的数控雕刻机是数控机床中功能最强大的分类。虽然其加工强度和速度是其他数控机床无法比拟的，但作为全自动化的机械设备，日常的检查和维护也是非常必要的。带换刀装置的数控雕刻机的检测和故障诊断方法与普通数控机床完全不同。

机器运行检查方法

操作检查法是通过观察和监视机床的实际运行来确定故障部位，从而追溯故障根源的方法。一般来说，数控机床套件采用液压和气动控制部件，如自动换刀装置、交换工作台装置、夹具和传动装置等，可以通过运动诊断来确定故障原因。

状态分析法

数控系统不仅能显示故障诊断信息，还能以诊断地址、诊断数据的形式提供各种状态的诊断信息。例如，当系统回参考点错误时，可以检查相关参数的状态值，从而判断故障原因。

数控编程检查方法

数控编程检查法又称程序功能测试法，是通过编写专门的测试程序段来确认故障原因的一种方法。可以采用手工编程的方法，针对系统功能（如直线定位、圆弧插补、螺纹切削、固定循环、用户宏程序等）编制功能测试程序，运行该测试程序来检查机床执行这些功能的准确性和可靠性，进而确定故障原因。通常编写的测试程序都是带有机床维修说明书的，当故障发生时运行该程序来确定故障是什么。

仪器检验方法

仪器检查法是指利用常规电气仪器测量各组交、直流电源的电压、相位直流及脉冲信号等，查找故障。

数控系统自诊断方法

数控系统自诊断是利用系统内部的自诊断程序或专用诊断软件，对系统内部关键硬件及系统控制软件进行自我诊断和检测的一种诊断方法。主要包括上电自诊断、在线监测和离线测试。数控机床利用系统的自诊断功能，可以方便地显示系统及各部件之间的接口信号状态，找出故障的大致位置，是故障诊断过程中最常用的方法。