自动换刀系统采用弹簧夹头和外驱动夹紧机构等关键技术，并作为加工中心的标准附件组织专门化生产，不仅可以大大简化了机床主轴结构，也使数控机床的工作性能明显提高。由于系统全部采用圆柱柄刀具和辅具，使加工中心的配套成本大幅下降。

本文介绍笔者研究的一种可供数控机床选型配套的高性能弹簧夹头自动换刀系统的结构模式。

一、系统的组成

如图1所示，弹簧夹头自动换刀系统由设置在机床主轴轴端的弹簧夹头、分布在机床主轴箱两侧的外驱动刀具夹紧机构、刀具交换装置、扩展型链式刀库以及系统控制器组成。

图1 配套弹簧夹头自动换刀系统的机床外观

弹簧夹头是该自动换刀系统的核心部件。它的工作性能及结构的完善程度，除直接影响刀具的夹持性能及影响数控机床的切削加工性能外，也影响机床主轴的优化设计，是自动换刀系统设计的重点。

外驱动刀具夹紧机构和刀具交换装置的作用是完全模仿现有弹簧夹头使用中人手换刀的动作。刀具夹紧机构必须具备夹紧力大、夹紧力恒定、结构简单、工作稳定可靠的特点。

刀具交换装置采用双臂回转机械手工作方式。这种装置在换刀时能同时抓取固定在刀座和机床主轴弹簧夹头中的刀具，进行交换和装刀、卸刀操作，它的动作简单，换刀时间短。本系统采用的刀具交换装置完全可类同于现有加工中心常用的刀具交换装置。

刀具柄部全部采用统一直径的标准圆柱刀柄，链式刀库中的刀座结构及刀具的固定方式与锥柄结构的固定方式和刀座结构会有很大不同。因此，还要设计出适合于圆柱刀柄存放、固定的专用刀座，刀座还必须便于刀具的装卸。刀柄的其他结构，如整体式结构或带有接长杆的组合结构形式，都可采用与现有数控机床的刀具结构完全相同的结构形式。至于链式刀库的驱动，以及刀具的识别也完全可以采用现有数控机床的成熟结构和控制方式。

本系统采用PLC控制器，对自动换刀系统的换刀动作进行全方位控制管理，它与机床的数控单元之间可通过几条联络线进行通讯和数据交换。

二、系统的关键部件和机构的设计

1. 弹簧夹头

通过第一代小型弹簧夹头自动换刀系统样机的研究表明，要进一步提高机床主轴的工作性能，并满足数控机床自动换刀的要求，设计研制的机床主轴轴端弹簧夹头必须能够很好地解决以下关键问题：1)圆柱刀柄与弹簧夹头接触面之间，在夹紧状态下应有足够的接触刚度。弹簧夹头中的弹簧套与机床主轴轴端锥孔接触面之间，在夹紧状态下也应有足够的接触刚度。2)在加工过程中机床主轴必须给刀具传递足够的切削扭矩。3)弹簧夹头采用螺旋夹紧机构，在夹紧刀具时除向刀具提供足够大的径向夹紧力外，还必须具备可靠的自锁性能。4)刀具交换装置和弹簧夹头在每次更换刀具后，应使刀具具有较高的重复定位精度。5)在换刀过程中具有自动清理刀柄和弹簧夹头型腔内铁屑尘渣的功能。6)机床主轴轴端应结构简单和工艺性好，便于主轴自身的优化的设计。