新型全自动落地式刀库
2025-12-29 来源： 数控机床信息物理融合与智能制造实验室 作者： 穆德敏
1. 序言
刀库是数控机床的重要核心部件之一，中小型立式加工中心通常选择斗笠式刀库和圆盘机械手刀库，龙门式数控镗铣床通常采用链式刀库，卧式加工中心因采用双交换工作台，所以通常采用落地式链式刀库。大型落地镗床通过采用侧挂式多工位链式刀库，来满足复杂零件加工的需要。由于加工中心所处行业不同，所以往往不需要配备大型链式刀库，而采用常见的 24 把刀，但是，由于主轴前端配备了其他功能部件，空间受到限制，所以在这种情况下，通用型刀库不能够满足实际使用需要。因此，本文重点围绕此类设备需求，为用户提供一种全新的解决方案。
2. 刀库总体设计
一种落地式镗床，由于加工的需要，原设计方案中的刀库受使用空间限制，无法进行正常的换刀。针对换刀空间受限的问题，可以采用如下两种方案。
方案一，采用侧挂式刀库，如图 1 所示，斗笠式刀库 1，通过刀库座 2 与立柱 3 使用螺栓固定在一起，滑座 4 在立柱 3 上能够上下运动，主轴 6 安装在方滑枕 5 上，能够在滑座 4 内实现前后运动，刀柄 7 通过斗笠式刀库 1 中的执行机构，带动刀盘整体运行至主轴 6 的中心线上。
方案二，采用固定落地式刀库，如图 2 所示，刀库座 1 落地，与地面固定，刀盘 2 固定在刀库座1 上，可以在其上进行旋转，气缸 3 推动刀柄组件，向上运动至主轴中心线上。上述两种方案，当刀柄运动至主轴中心线后，在数控系统换刀指令作用下，实现了刀库与主轴间的自动换刀。
图 1 侧挂式刀库
图 2 固定落地式刀库
对两种方案进行对比，两方案的相同点在于都是通过气缸作为执行元件，都是刀盘需要旋转，旋转到位之后再进行送刀动作。不同点在于方案一采用气缸推动整个刀盘运动，由于换刀行程的限制，传统的 250mm 距离往往不能满足工作需要 ; 而方案二采用的是气缸推动刀柄组件实现换刀，因此，方案二推动的负载更小，由于采用的是落地结构，与机床的立柱不存在组合关系，与地面固定，占地面积更小，安装
调试更加灵活，更利于选择合适的气缸来实现动作，在主轴前端有冷却组件等影响换刀的情况下，换刀所占用空间更小。综合上述对比可知，在某种程度上，采用落地式刀库解决自动换刀方案，优于侧挂式方案。
3. 刀库刀盘受力分析
刀盘作为刀库的主要部件之一，它的作用是固定刀座，后面安装有分度机构，前面安装有气缸，气缸可以推动刀座组件向上移动，在数控系统的控制下实现自动换刀。刀盘结构是否合理、强度是否够用，直接影响整个功能部件的稳定性，鉴于此，重点对刀盘的结构进行受力分析。此刀库采用立式布局，以落地形式安装在地面上，所用刀柄及刀具的最大质量为 3kg，刀库总容量24 把，刀盘所用材料为 Q235A，针对刀座的安装位置，分别从位移、压力、载荷方向三方面运用UG软件中的simulation功能进行相应的分析，如图 3~ 图 5 所示。
图 3 位移分析
图 4 压力分析
图 5 载荷方向分析
根据位移、压力及载荷分析可知，在上述条件下，在最大压强为 2.03MPa 的情况下，位移最大变化量是0.0014mm。载荷方向如图5所示，通过图形可知，载荷最大的方向存在于刀盘外侧刀套组件处，尤其是在中心线上下两侧，因此，这些位置变形量也是最大的。目前的分析条件是在满刀的情况下，同时刀具均是最大质量，变形量在允许范围之内，实际工况是所用刀具由加工工艺来决定，刀具质量会因种类不同，而存在差异，因此，通过上面的分析可知，该刀盘的结构能够满足主机的使用要求。从图 3 位移分析中可知，中间部分的变形量很小，从降低电动机驱动负载的角度分析，可以将刀盘中间增开圆孔以减轻质量。
4. 刀库电气控制
刀库刀盘的驱动采用 3 相 380V 刀库专用减速电动机进行分度，由优质的铝合金压铸形成，电动机的体积小、扭力大、效率高且散热快，表面经皮膜处理不生锈，性能稳定。送刀动作由同气缸推动刀座组件来实现，机构稳定可靠，负载小，通过专用减速电动机、气动系统以及相应的磁性传感器、零点位置传感器及计数传感器等，在数控系统的作用下可实现自动换刀，根据实际工况，确定了具体的换刀动作。本文以主轴初始状态为空刀，以换 5 号刀为例，进行动作过程描述，具体如下。
1）机床数控系统发出换刀指令 T5M6，刀库电动机带动拨杆转动，拨杆带动刀盘旋转，刀盘每旋转一个刀位，计数传感器计数一次。
2）根据系统存储数据进行对比，若不匹配，向下一个工位旋转 ; 若匹配，刀库专用减速电动机停止旋转，执行下一步程序。
3）气动系统上的前进电磁阀得电后，气源推动气缸轴带动刀座组件向上运动至主轴中心换刀点，气缸的运动行程由磁性传感器来反馈。
4）主轴部分由数控机床伺服电动机带动执行机构至换刀点，刀柄顺利进入主轴锥孔，并用相应拉紧机构锁死。
5）主轴将刀柄锁紧在主轴锥孔后，主轴机构后移，退出至安全位置。
6）气缸此时将刀套组件带回，移至原刀位后，等待下一次的换刀指令。
7）在主轴上有刀的情况下，需要事先计算出哪个刀位是空刀位，再将主轴上的刀抓取下来，送入指定刀位，再执行上述动作，完成下一次的换刀过程。时序如图 6 所示。
图 6 刀库运行时序
此刀库经过零部件三维建模后，进行了虚拟装配，并运用 UG 软件中的 simulation 对刀库刀盘进行了受力分析。根据数据分析，改进了部分结构，提高了整机的刚性和产品的可靠性。刀库三维效果如图 7 所示。
图 7 刀库三维效果
在制造完成的同时，也对该刀库的整机性能进行了 48h 以上的无故障运行测试，分别对每个刀位进行往复式换刀测试，经试验，该设备运行稳定可靠，换刀动作流畅无卡顿，换刀时间优于设计指标，实际刀具的质量大于设计指标，其余各项指标均达到了设计的预期，能够满足主机加工需要，具体测试数据见表 1。
表 1 刀库测试数据
6. 结束语
本文所述落地式刀库与圆盘机械手刀库相比，由于采用的是凸轮带动机械手臂双向就近选刀，因此换刀速度较快，但是设备成本高。与侧挂式刀库相比，落地式刀库采用的是气缸推动刀座组件实现换刀，移动负载小，系统反应更加灵敏可靠，同时成本较低，在安装空间受限制的情况下，本方案能够解决主机自动化换刀的功能，同时，本方案采用气缸实现换刀，节能绿色环保。因此，落地式刀库具有很广泛的使用价值和推广空间。
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