数控加工中心自动换刀装置的设计

数控加工中心自动换刀装置的设计摘要数控机床的发展与运用，大大降低了零件加工的辅助时间，极大的提高了生产率。随着数控机床的普及运用，加工机械的自动化程度大大提高，数控机床发展成了当今普遍应用的一种更新、更先进的制造设备即加工中心。加工中心带有刀库和自动换刀装置，能对工件按预定程序进行多工序加工的高度自动化的多功能的数字控制机床。自动换刀装置应当满足换刀时间短、刀具存储量足够、刀具的安置空间小以及安全可靠等基本要求。加工中心的关键在于CNC对刀库的自动选刀和刀库、机械手与主轴间自动换刀，加工中心出现故障80%都在上述方面。本课题就是对自动换刀装置进行设计，利用PLC对刀库的选刀控制和刀库、机械手与主轴间的自动换刀控制。关键词：自动换刀装置；弧面分度凸轮；滚齿凸轮；机械手。 ABSTRACTThe numerical control engine bed development and the utilization, greatly reduced the components processing non-cutting time, enormous enhancement productivity.Along with the numerical control engine bed popularization utilization, processes the machinery the automaticity to enhance greatly, the numerical control engine bed develops now has been common the application one kind of renewal, the more advanced manufacture equipment is the processing center.The processing center has the knife storehouse and trades the knife installment automatically, can carry on the multi-working procedure processing to the work piece according to the pre-set sequence the high automation multi-purpose numerical control engine bedTrades the knife equipment to have automatically to trade the knife time satisfiedly short, the cutting tool reserves enough, the cutting tool placement space small as well as safe reliable and so on the basic request.The processing center key lies in CNC to choose the knife and between automatically the knife storehouse, the manipulator and the main axle to the knife storehouse trades the knife automatically, the processing center appears breakdown 80% all in the above aspect.This topic is to trades the knife installment to carry on the design automatically, chooses the knife control and between the knife storehouse, the manipulator and the main axle using PLC to the knife storehouse trades the knife control automatically.Keywords:Trades the knife installment automatically; Cambered surface indexing cam; Rolls the tooth cam; Manipulator.目录前言1第1章 绪 论21.1 国内外数控机床的的发展情况21.1.1 加工中心发展简史21.1.2 加工中心的主要优点31.1.3 加工中心的发展趋势31.2 编程控制器的特点4第2章 方案设计62.1 ATC设计特点及设计要求62.2 自动换刀装置主要结构的论证及分析72.3 方案确定72.3.1 刀库选刀92.3.2 机械手取刀和换刀92.3.3 方案确定9第3章 机械手结构设计和设计计算103.1 机械手的装配103.1.1 机械手爪的装配103.1.2 手臂装配图113.2 机械手手爪加紧力的计算12第4章 刀库的结构设计和计算134.1 刀库的功能和形式134.2 刀库的结构设计154.2.1 刀库的结构及其工作原理154.2.2 刀库各零部件结构154.2.3 刀库的装配174.3 刀库的设计计算184.3.1 刀库驱动电动机的选定184.3.2 刀库传动方式及计算204.4 刀库的选刀方式204.5 刀套准停措施21第5章 机械手驱动与松刀装置设计235.1 机械手驱动装置设计235.2 机械手松刀装置设计23第6章 换刀装置的换刀动作及程序设计266.1 换刀动作分析266.2 换刀装置的液压机构分析276.2.1 液压分析276.2.2 换刀动作顺序表286.2.3液压泵的选择306.3 自动换刀的程序设计31小结35参考文献36致谢37附 录38前言大学四年学习即将毕业，在各位老师的辛勤指导和培育下，我完成了基础课和机械设计与制造专业课程的学习。在这过程当中，我本着乐群、求实、自强、进取的态度严格按照教学要求，认真学习课本，专心听取老师的讲解，对专业理论知识有了较为深刻的认识和理解。我也通过参加学校组织的各种金工实习、生产实习和毕业实训，主动思考、分析、比较，把所学的专业知识和生产实践相结合，有效地巩固了所学的基础理论知识，真正做到了学有所用，使我学会了分析问题和解决问题的能力，而且强化了我的知识结构；同时，也使自己的综合素质有了较好的提高，为今后走上社会打下一定的基础。毕业设计作为大学学习进程中的最后一步，也是最为关键的一步，它不仅是对我们四年学到的知识的全面总结，也是考核我们独立分析和解决问题的能力。它可以比较系统、综合地考察一名学生是否真正学到了知识，是否能够把所学的知识应用到实际问题中去。本次设计的目的是培养学生初步掌握独立从事专业技术工作的能力，通过毕业设计不但可以培养我们运用各种工具书的方法和技巧，而且把自己实习所经历过的结合理论使之有效的应用在自己的设计上。在本次毕业设计中，我的设计题目是加工中心自动换刀装置的设计。数控机床加工中心集机械设计、电子、液压传动、控制技术、检测装置等技术于一身的产品，已广泛应用于机械生产和机械加工中。加工中心适用于零件形状比较复杂、精度要求较高、产品更换频繁的中小批量生产，具有明显的经济效果。因此具有很大的发展空间和潜力，市场空间也是相当庞大的。本设计包括：1.绪论；2.方案设计；3.机械手和刀库的结构设计及其计算；4.机械手驱动和松刀装置的设计；5. 机械手的换刀动作分析及设计要求；6.自动换刀的程序设计六个主要章节。设计过程参考一些已有的换刀装置图，通过独立思考，在原有基础上，符合机械设计和加工原理下，发扬创新精神，单独完成该设计。在设计过程中得到了各位老师的指导和帮助，在此向他们表示感谢。由于我理论水平有限，而且缺乏实践经验，所以在设计过程中，难免有错误和不足之处，恳请各位老师批评指正。第1章 绪 论1.1 国内外数控机床的的发展情况20 世纪90 年代以来, 数控加工技术得到迅速的普及和发展, 数控机床在制造业得到了越来越广泛的应用。带有自动换刀系统的数控加工中心在现代先进制造业中起着愈来愈重要的作用, 它能缩短产品的制造周期, 提高产品的加工精度, 适合柔性加工。加工中心是数控机床中较为复杂的加工设备, 由于其具有多种加工能力而得到广泛的应用, 其强大的加工能力和效率得益于其配置的自动换刀装置。换刀装置作为加工中心的重要组成部分, 其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间, 提高生产率, 降低生产成本, 进而提升机床乃至整个生产线的生产力。加工中心自动换刀装置是实现多工序连续加工的重要装置, 其结构设计及其控制是实现加工中心设计制造的关键。加工中心的换刀过程较为复杂, 动作多, 动作间的相互协调关系多, 因而自动换刀系统性能的好坏直接影响加工效率的高低。自动换刀系统一般由刀库、机械手和驱动装置组成。刀库容量可大可小，其装刀数在20180把之间。刀库的功能是存储刀具并把下一把即将要用的刀具准确地送到换刀位置，供换刀机械手完成新旧刀具的交换。当刀库容量大时，常远离主轴配置且整体移动不易，这就需要在主轴和刀库之间配置换刀机构来执行换刀动作。完成此功能的机构包括送刀臂，摆刀站和换刀臂，总称为机械手。具体来说，它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的装置，一般由步进电机或液压（或液机构）或凸轮机构组成。机械手完成刀库里的刀（新刀）与主轴上的刀（旧刀）的交换工作。由于数控加工中心的刀库容量、换刀可靠性及换刀速度直接影响到加工中心的效率，而自动换刀就是进一步压缩非切削时间，提高生产效率，改善劳动条件。所以数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道加工工序，缩短辅助时间，减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。1.1.1 加工中心发展简史1952年世界上出现第一台数控机床，使多种产品、中小批量的机械加工设备在柔性，自动化和效率上产生了巨大变革。它用易于修改的数控加工程序进行控制，因而比大批量生产中使用组合机床生产线和凸轮、开关控制的专用机床有更大的柔性，容易适应加工件品种的变化，进行多品种加工。它用数控系统对机床的工艺功能、几何图形运动功能和辅助功能实行全自动的数字控制，因而大大提高加工加工效率，大大改变了中小批量生产中普通机床战整个机械加工70%80%的状况。数控机床能实现两坐标以上的联动的功能，其效率和精度比用手工和样板控制加工复杂零件要高的多。加工中心和车削中心是有机械设备与数控系统组成，适用复杂零件加工的高效、高精度的自动化机床。这种机床可装若干把刀具，能自动更换刀具，一次装卡中，完成铣镗、车、钻、扩、铰、攻螺纹等的加工。也是因为加工中心和车削中心比一般数控机床多了一套自动换刀装置，可实现多工序的连续加工，因而加工效率大大提高，使其成为数控机床中发展最快、需求最大的机床。自动换刀装置的形式是多种多样的，主要的组成部分是刀库、机械手和驱动机构等，虽然换刀过程、选刀方式、刀库结构、机械手类型等个不相同，但是在数控装置及可编程控制器控制下，由电动机或液压或气动机构驱动刀库和机械手实现刀具的选择与交换。我们把这种为实现多工序的连续加工，在加工中心或车削中心，可进行刀具的选择与交换的装置叫自动换刀装置（automatic tool change 简称ATC）。1.1.2 加工中心的主要优点(1）提高加工质量工件一次装夹，即可实现多工序集中加工，大大减少多次装夹所带来的误差。另外，由于是数控加工，较少依赖操作者的技术水平，可得到相当高的饿稳定精度。(2）缩短加工准备时间加工中心可以顶替多台通用机床，那么加工一个零件所需准备时间，是每台加工单元所损耗的准备时间之和。才这个意义上说，加工中心的准备时间显然短得多。(3）减少在制品以往的加工方式是工件流动于多台通用机床之间，这就要有相当数量的在制品，而在加工中心上加工，即可发挥其“多工序集中”的优势，在一台机床上完成多个工序，就能大大减少在制品数量。(4）减少刀具费不分散设置在个通用机床上的刀具，集中在加工中心刀库上，有可能有最少量的刀具，实现公共有效利用。这样既提高刀具利用率，有减少了刀具数量。(5）最少的直接劳务费由NC装置多工序加工的信息集约化和一人多台管理，以及用工作台自动托盘交换装置等辅助装置，实现夜间无人运转。这些都可缩减直接劳务费。(6）最少的间接劳务费由于工序集中，工件搬运和质量检查工作量都大为减少，这就使间接劳务费最少。(7）设备利用率高加工中心设备利用率为通用机床的几倍。1.1.3 加工中心的发展趋势加工中心亦同其他机床一样，他的技术水平的提高，表现在其固有技术（如高速、高精度化等）的进一步发展和新技能（如智能化技能等）的运用上。1.高速化加工中心的高速化，是只主轴转速、进给速度、自动换刀和自动交换工作台的高速化。（1）主轴转速的高速化；（2）进给速度的高速化：是指快速移动速度的高速化和切削进给速度的高速化。（3）自动换刀（ATC）的高速化从加工中心诞生初期起，就追求ATC的高速化。但是由于当时尚未充分掌握ATC的内在规律，故障效率较高，所以在后来的相当一段时间里，采用了首先保证动作可靠性，然后才考虑速度方针，结果在这段时期，ATC速度未提高多少。但是随着对ATC内在规律的深入了解和用户对ATC速度的要求迫切，有开始注意ATC速度了。（4）自动托盘交换装置（APC）的高速化；2.进一步提高精度加工中心的主要精度指标是它的运动精度指标。而这一精度指标，近年来有了不小的提高，其中精密加工中心精度指标的提高尤为明显。所谓加工中心的运动精度，主要以定位精度、重复定位精度以及铣圆精度来表示。3.机能更加完善（1）愈来愈完美的自诊断机能为了尽可能减少加工中心的故障，现代加工中心大都配备完善的自诊断机能。例如，位置检测传感器、刀具破损检测装置、切削异常检测装置、适应控制机能、备用刀具选择机能、温度传感器、声传感器、电流传感器等。这些机能和传感器，使机床具有一定的人工智能。（2）新式刀具破损检测装置（3）加工中心复合化趋势自动换刀装置开发技术要全面注意以下五个方面：(1）自动换刀装置的可靠性与优化设计研究。通过对自动换刀装置进行可靠性分析研究，找出其薄弱环节，通过改进设计，是自动换刀装置故障率大大减少，保证百万次以上正常换刀的品质。通过对自动换刀装置进行多目标的优化设计，使其动态性能达到最优，进而提高自动换刀装置的性能，降低其制造成本，使刀对刀换刀时间对40刀柄不大于1s，达到世界先进水平。(2）自动换刀装置的系列化与CAD设计。使自动换刀装置使用国内厂家的各种产品，以便得到推广和使用。即达到厂家一旦提出要求，可快速、合理的设计出针对厂家机床及其提出的参数：不同刀柄型号，刀库容量等的自动换刀装置，使厂家立即投入生产，并且处于国内先进水平的。(3）自动换刀装置制造技术研究。针对自动换刀装置中关键零件的制造技术研究，以提高其制造质量和降低制造成本。(4）自动换刀系统新技术的研究。跟踪国际加工中心和车削中心自动换刀装置的发展主流，研究自动换刀装置的新工作原理及新技术。(5）自动换刀装置产业化研究。自动换刀装置由专业厂生产比现有个厂家自行生产可降低成本，也能保证质量，同时在我国有巨大的市场，因此，在技术研究的基础上，应研究使我国的自动换刀装置生产走上产业化的道路，建立生产自动换刀装置的基地。自动换刀装置的设计应满足以下基本要求：(1）换刀时间短，以减少非加工时间。(2）减少换刀动作对加工范围的干扰(3）刀具重复定位精度高。(4）识刀、选刀可靠，换刀动作简单可靠。(5）刀库刀具存储量合理。(6）刀库占地面积小，并能与主机配合，使机床外观协调美观。(7）刀具装卸、调整、维修方便，并能的到清洁的维护。1.2 编程控制器的特点可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会(International Electrical Committee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置”。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。PLC之所以高速发展，除了工业自动化的客观需求外，还有许多独特的优点。它较好的解决了工业控制领域中的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。其特点如下：1.可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达3万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息2.配备齐全，功能完善，适应性强PLC发展到今天，己经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3.易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。5.体积小，重量轻，耗能低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于l00mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备第2章 方案设计一个机构系统在概念设计阶段，传统的方法总是根据需求获得需要的功能，随后进行方案设计，产品往往缺乏创新性。对于加工中心自动换刀装置，根据其特定的功能及结构特点，我们提出抽象一分析一综合的设计思想。第一步：抽象。首先对现有换刀系统进行广泛研究和深刻了解，抽象出对象的共性特征，这是一个收敛并结合实际的过程，既可吸取和总结已有的设计经验又为创新设计做准备。第二步：分析，即功能分解，从根本上说，机械系统总的功能要求是完成一定的工艺动作过程。因此对于 ATC 来说，可以从它的总的功能要求出发，根据其换刀动作特点及设计要求，运用功能一行为一结构的概念设计分析模式找出对应功能元的多种机构。这时序关系，进是一个思维发散的过程。第三步：综合。结合机构系统的特点及设计要求和约束并考虑其空间和行机构组合，最后进行评价选优，从而达到创新设计的目的。自动换刀装置由刀库、机械手及相应的控制系统组成，作为加工中心的重要组成部分，其作用在于减少加工过程中的非切削时间，以提高生产率、降低生产成本，进而提升机床乃止整个生产线的生产力。所以自动换刀装置（简称ATC）在加工中心扮演着及重要的角色。针对本次毕业设计的任务，主要完成自动选刀、换刀动作的两道工序，与此相联系的还有机械手驱动装置设计、松刀装置的设计。2.1 ATC设计特点及设计要求在零件的制造过程中，大量的时间用于更换刀具、装卸零件、测量和搬运零件等非切削时间上，切削加工时间仅占整个工时中较小的比例。为了缩短非切削时间，充分发挥机床的效率，往往采用“工序集中”的原则。常见的带有自动换刀装置的机床，如车削中心、镗铣中心、钻削中心等比较典型。这类多工序的加工中心，还有些采用自动上下料和自动装卸工件系统，以便提高机床的数控化程度，完成零件的零件的多工序加工。根据各加工中心参考资料介绍，可以得出ATC 的设计特点和设计要求如下：特点：( l )属于典型的开链机构；( 2 ) ATC各个组成部分的功能具有相对的独立性；( 3 )组成结构与刀库、主轴之间的相对位置关系密切相关；( 4 ) ATC 的设计必须考虑机床三轴运动的参与。要求：( l )满足工艺要求 机床依靠刀具和工件间相对运动形成工作表面，而加工工件的表面形状和表面位置多种多样，要求刀库能够布置足够的刀具，换刀时间短能够方便而正确地加工个工件的表面。为了实现在工件的一次安装中完成多工序加工，要求刀库可以方便转位。( 2 )保证足够的重复定位精度 在刀架上安装刀具时，应能精确地调整刀具的位置，采用自动交换刀具时，应能保证刀具交换前后都能处于正确位置。而且精度保持较好，以便长期保持刀具处于正确位置。( 3 )具有足够的刚度 由于刀具的类型、尺寸各异，重量相差很大，刀具在自动转换过程中方向变换较为复杂，而且有些刀架直接承受切削力。考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量，刀库和机械手都必须有足够的刚度，以便换刀过程和切削过程平稳。( 4 )提高可靠性 由于刀库和自动换刀装置在机床工作过程中，使用频率很高，所以必须充分重视他的可靠性。( 5 )缩短换刀时间 刀库和换刀装置是为了提高机床的自动化而设置的，因而它的换刀时间应尽可能缩短，以便提高生产率。目前，自动换刀装置换刀时间统计结果见表2-1，而且随着科学技术水平的提高，换到时间还在进一步缩短。2.2 自动换刀装置主要结构的论证及分析自从1958年第一台加工中心在美国KearneyTrecker公司问世以来，作为加工中心象征的自动换刀装置的设计就出现了“百花齐放”的状态，各加工中心制造厂家都在下大力研制动作迅速、可靠性高的自动换刀装置，以求在激烈的竞争中取得好的效益。自动换刀装置的独特设计，使各式各样的自动换刀装置不仅可满足功能上的要求，也成为各厂家加工中心的 主要特色。自动换刀装置的应用，从一开始就追求高速化。但是由于当时尚未充分掌握自动换刀装置的内在规律，故障效率较高，所以，在后来的相当一段时间里，采用了首先保证动作可靠，然后才考虑速度的方针，在这段时间里，自动换刀装置的速度未提高多少。但是随着对自动换刀装置内在规律的深入了解和用户对自动换刀装置速度的迫切要求，又开始注意自动换刀装置的速度了。在加工中心加工零件的过程中换刀动作是由自动换刀装置完成的。自动换刀装置应该满足换刀时间短，刀具重复定位精度高，刀具储存数量足够，结构紧凑，便于制造、维修、调整，应有防屑、防尘装置，布局应合理等要求。同时也应具有较好的刚性，冲击、振动及噪声小，运转安全可靠等特点。自动换刀系统由刀库、选刀机构、刀具交换机构(如机械手)、刀具在主轴上的自动装卸机构等部分组成。传统的加工中心大多采用液压式ATC，国内厂家目前基本上还采用和生产这种ATC。根据加工中心应用与维修列出的技术参数显示，其换刀时间大多为520s，换刀时间较长，大大降低了生产效益。凸轮式ATC的刀具交换时间已达到2s以内。如日本滨井产业的DZ-16型立式加工中心的换刀时间为1s，日本丰和工业的MMN-400CJ型超小型高速加工中心的换刀时间为0.8s。与液压式ATC相比，凸轮式ATC由于动作可重叠、运动规律可选择、几乎无定位误差以及没有中间环节的控制，具有更高的可靠性与较高的自动换刀速度，因而成为目前最为理想的ATC。表2-2-1给出目前加工中心的自动换刀装置的平均换刀时间和换刀时间的最短记录。表2-2-1 换 刀 时 间（单位：s）刀具刀柄型号刀具到刀具平均换刀时间换刀时间最短时间立式加工中心卧式加工中心300.60.54022.5450.6502.54461.52.3 方案确定在认识了刀库和机械手的工作原理基础下, 结合设计任务和要求，拟订该装置的加工工序为：刀库选刀机械手取刀机械手换刀重新加工。图2-1 JCS-018刀库1驱动电动机；2浮动联轴器；3蜗杆；4气缸；5拨叉；6刀套；7刀库体；8蜗轮其工作原理:当系统发出换刀指令后，直流伺服电动机1接通，经过浮动联轴器2，传到蜗杆3、蜗轮8，再传到刀盘上。刀盘带动其上面的24个刀套6转动，完成选刀过程。每个刀套尾部有一个滚子，当待换刀具转到换刀位置时，滚子进入拨叉5的糟内。同时气缸4的下腔通压缩空气，活塞杆带动拨叉5上升，放开位置开关来断开相关的电路，防止刀库、主轴等有误动作。拨叉5在上升的过程中，带动刀套绕着销轴逆时针向下翻转90，从而使刀具轴线与主轴轴线平行。刀套下转90后，拨叉上升到终点，压住定位开关，发出信号使机械手抓刀。通过螺杆可以调整拨叉的行程。而且拨叉的行程又决定刀具轴线相对主轴轴线的位置。机械手手臂和手爪结构如图2.2图2.2机械手手臂和手爪结构图1手臂 2、4弹簧 3锁紧销 5活动销 6推销 7手爪 8长销其工作原理：图为机械手抓刀部分结构。它主要由手臂1和固定于其两端的结构完全相同的两个手爪7组成。手爪7，握刀的圆弧部分有一锥销6，机械手抓刀时，该锥销插入刀柄的键槽中。当机械手由原位转75抓住刀具时，两手爪上的长销8分别被主轴前端面和刀库上的挡块压下，使轴向开有长槽的活动销5在弹簧2的作用下右移顶住刀具。机械手拔刀具时，长销8与挡决脱离接触，锁紧销3被弹簧4弹起，使活动销顶住刀具不能后退，这样机械手在回转180时，刀具不会被甩出。当机械于上升插刀时，两长销8又分别被两挡块压下，锁紧销从活动销孔径退出，松开刀具，机械于是可反转75复位。2.3.1 刀库选刀现代加工中心刀库，已不用刀套编码或刀具编码方式，而是由控制系统，根据最初输入的刀套号与刀具号，跟踪记忆刀套与刀具的对应号，并按程序指令准确地调用所需刀具。目前使用的刀库的选刀方式，有如下二种：（1）刀套号与刀具号随机变换方式 这是目前用的最普遍的方式。在第一次给刀库装刀时，告诉控制系统刀套号和在在该刀套上的刀具号（T）的对应关系，那么控制系统就记住这个对应关系，而以后该刀具在使用中，不一定送还到原刀套上，但是控制系统仍能记住该刀具号所在的新刀套号，这种方式有利于缩短换刀时间、选刀时间。由于这种方式经常改变刀具号和刀套号的对应关系，所以在重新启动机床时，必须使刀库回零，校验一下CRT（阴极射线管）上显示的内容于实际刀具插存情况。 （2）刀具号与刀套号固定对应方式 在这种选刀方式中，插在刀套上的刀具，使用后仍送还刀原来刀套上，亦即刀具号和刀套号的对应关系始终不变。这种方式的好处在于，易于掌握刀具情况，一看刀套就知道是什么样的刀具。另一个好处是可以安放大直径刀具，只要有意选择相邻刀套上无刀即可。正是这一方便性，根据有些用户的要求，至今仍有选择这种选刀方式。但是，这种方式因为用完的刀具必须送还给原来的刀套上后，才能移动下一个要用的刀具刀换刀位置，因此势必会增加换刀时间。根据“近路”移动原则。即无论上述哪种选刀方式，根据程序指令，把下序要用的刀具移到换刀位置时，都向小于刀库半圆的方向移动，以节省选刀时间。随机变换方式的优点是刀库中刀具的排列顺序与加工顺序无关，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。因此，选择刀套号与刀具号随机变换方式。2.3.2 机械手取刀和换刀上一工序加工完毕，主轴在“准停”位置。自动换刀装置开始进行换刀，（1）刀套下转90（2）机械手转75（3）刀具松开（4）机械手拔刀（5）交换两把刀具位置 （6）机械手插刀 （7）刀具夹紧 （8）机械手转180（9）机械手反转75（10）刀套上转902.3.3 方案确定现确定方案如下：机械手和刀库基本采用JCS-018机械手和刀库结构及原理，在它基础上对手爪部分的结构和活动销进行改造创新。刀库体的结构会改成轮辐式，以减轻刀库重量，提高灵活性。最后把机械手、刀库、主轴等零部件连在一起，组成一整套换刀装置。第3章 机械手结构设计和设计计算3.1 机械手的装配图3.1机械手的结构示意图1-手爪 2-手臂 3-接手臂 4-圆锥销 5-螺钉3.1.1 机械手爪的装配机械手的手爪、手臂、和接手臂通过同一型号的内六角圆柱头螺钉和圆锥销连接，以提高互换性和装配。其整体装配图的尺寸和技术要求详见工程图。图3.2机械手爪装配图1-长销 2-手爪 3 -活动销 4-弹簧 5-底盖装配体另外，底盖与手爪的装配有螺钉固定，图上未表示。螺钉的位置接触到底盖装配体的低顶的部分，以此可以同时固定低顶的位置，使其周向位置固定。弹簧4和手爪2及活动销3两端连接固定。图3.3底盖装配体示意图1-底顶 2-弹簧 3-底盖体其中弹簧2和上下零件连接固定，底顶1的位置有周向螺钉限制。3.1.2 手臂装配图其中手臂的结构图3.4手臂装配图示意图1-接手臂 2-手臂 3-螺钉 4-圆锥销3.2 机械手手爪加紧力的计算根据机械手抓刀时的受力分析，无润滑时钢-钢摩擦系数 ，刀具的最大重量G=98N，摩擦力，故机械手手爪抓紧力第4章 刀库的结构设计和计算4.1 刀库的功能和形式一、刀库的功能 在加工中心中，刀库和机械手组成自动换刀装置（ATC），而这个自动换刀装置，正式加工中心的区别于NC镗床和NC铣床的本质所在，而且自动换刀装置的好坏，将直接影响加工中心的好坏。从目前情况看，加工中心的主机部分基本定型，变化不大，但自定换刀装置的种类繁多，五花八门，是最难稿好的部分。刀库的功能是储存加工工序所需的各种刀具，并且按照程序指令，把即将要用的刀具迅速、准确地送刀换刀装置，并接受从主轴送来的以用刀具。 设计刀库时应考虑以下因素： （1）存刀数。（2）刀具最大直径。（3）刀具最大长度。（4）刀具最大重量。（5）刀库安置空间。（6）刀具最大运动线速度。（7）刀库工作的可靠性（即不能掉刀，各刀具能准确停在换刀位置上）。确定这些因素，没有现成的模式。一般根据用户调查和国内外同类型号加工中心的刀具规格和刀库容量的统计结果，确定刀库容量和刀具规格。其中刀库容量和刀具最大直径是影响加工中心使用效率的主要因素，又是影响刀库尺寸的主要因素。二、刀库的形式刀库的种类很多，图41所示仅仅是其中典型的几种。(1)按结构形式分类 1)转塔式刀库 如图41a所示用于小型立式加工中心。转塔转位方式有二：其一为借助机械方式转位，此种方式的选刀，均为顺序选刀；其二为由伺服电机驱动转位，此种刀库可以实现任选刀具方式。 2）圆盘式刀库 如图4-1b、c、d所示卧式、立式加工中心均可采用。圆盘式（侧挂型）一般是挂在立式加工中心的立柱的侧面或挂在无机械手换刀的卧式加工中心的立柱的正面；圆盘式（顶端型）一、二则把刀库设在立柱顶上。圆盘式（顶端型）二亦由刀库倾斜朝上，通过转换机构放平后，由机械手换刀。 3）链式刀库 如图4-1e所示，这种刀库是目前用的最多的一种形式。由一个主动链轮，带动装有刀套的链条。 4）格子式刀库 如图4-1f所示，装有刀套的格子架固定不动，在它的前面由抓刀器在上下、左右移动（实则为2轴控制），根据指令把需要的刀具抓到与主轴换刀的位置上。换刀后再把已用刀具送回原位，然后把下道工序将要用的刀具送到换刀位置。这种刀库的容量大，适合于作为加工单元使用的加工中心上。图4-1 刀库种类a)转塔式 b)圆盘式（侧挂式） c)圆盘式（顶端式）一d) 圆盘式（顶端式）二 e)链式 f)格子式4.2 刀库的结构设计4.2.1 刀库的结构及其工作原理图4.2 刀库结构1伺服电机 2十字联轴节 3蜗杆 4蜗轮 5气缸6 、7行程开关8拨叉 9挡块 10滚子 11刀套 12圆盘其工作原理： 这里采用20个刀位的圆盘式刀库，（刀库结构图参看图6）系统发出的选刀指令后，直流伺服电动机1接通，经过十字联轴器2，传到蜗杆3、蜗轮4，再传到刀盘上12和安装在圆盘上的20个刀套旋转（这里只画出一个刀套）。每个刀套尾部有一个滚子10，待换刀具到达换刀位置时，使刀具向下转到与主轴线平行的动作由气缸5来完成。待换刀具所在刀套的尾部有一个滚子10，在拨叉8的槽内，当活塞杆带动拨叉上升时，放开行程开关7，断开有关电路防止误动作，并使得刀套11逆时针转90度，刀头朝下，刀具轴线与主轴平行。其位置有由挡块9来调整。刀套下转90后，拨叉上升到终点，压住定位开关，发出信号使机械手抓刀。通过螺杆可以调整拨叉的行程。而且拨叉的行程又决定刀具轴线相对主轴轴线的位置。4.2.2 刀库各零部件结构（1）刀库体如图4.3所示图4.3刀库体结构示意图（2）刀架如图4.4所示图4.4刀架结构示意图（3）刀套如图4.5所示图4.5刀套结构示意图4.2.3 刀库的装配刀库装配体主要有刀库体，刀套装配体（包括刀夹，刀套，刀具），刀库手臂和一些联接件组成。由于整个设备的精度要求高，需要耐磨和抗疲劳强度高的材料，所以各零部件的选材都是不锈钢。以下所示图形都为结构简图。图4.6刀库的装配结构图1-刀库手臂 2-刀库体 3、4-螺钉 5-销 6-刀套装配体图4.7刀套和刀架装配示意图1-刀夹 2-插销 3-刀套 4.3 刀库的设计计算刀库存刀24把，刀具最大重量10kg,即重98 N。4.3.1 刀库驱动电动机的选定驱动刀库，目前常见的方式有伺服电动机驱动和液动机驱动两种。我国的加工中心多选用伺服电动机驱动方式，故这里选定刀库驱动用伺服电动机驱动。刀库驱动电动机的选择应同时满足刀库运转时的负载扭矩TF和启动时的加速扭矩TJ的要求。（1）按刀库负载扭矩TF 计算圆盘式刀库负载扭矩主要用来克服刀具重量的不平衡。估算是将三把最重的刀具挨在一起，如图4.8所示。按加工中心规格规定的最大刀具重量Wmax计算，而其重心则设定为离刀库回转中心半径处。蜗杆传动受力分析图如4.9所示。其中d1、d2分别为蜗杆与蜗轮的分度圆直径。由于篇幅与时间所限，蜗杆与蜗轮的设计计算省略，参考资料数据，取d1=75mm,d2=185mm刀具的重量刀库所受的负载扭矩图 4.8 圆盘式刀库力的分布 图4.9 蜗杆传动受力分析（2）刀库加速扭矩Ta（N.m）计算 （4-1）式中 刀库选刀时的电动机转速（r/min）； 加速时间，通常取150200ms； 电动机转子惯性kg.m2,可查样本； 负载惯量折算到电动机轴上的惯量。取 =750r/min,取加速时间150ms，=，因为负载惯量要小于电动机本身惯量的3倍（Mitsubishi推荐为2.5倍）即=所以，（3）驱动电动机输出扭矩TD 计算驱动电动机输出扭矩TD应同时满足负载扭矩TF和加速扭矩TJ之和。将以上计算的刀库负载扭矩和加速扭矩转换为驱动电动机轴上的输出扭矩TD的公式为 （4-2）式中 i电动机轴至刀库轴的速比； 传动效率。在圆盘式刀库上，为了提高刀库的转位分度精度，采用单头双导程。即选定蜗杆头数：=1根据蜗杆头数，取蜗杆的传动效率4： 查机械手册,取十字联轴器的传动效率3: 传动装置总的传动比为 所以, 考虑到实际情况比计算时所设定条件复杂，电动机额定扭矩TS应为负载扭矩TD的1.2-1.5倍,即 （4-3）而且加速时的最大转矩T应小于电机的最大转矩Tmax,即 （4-4）最后再校验结果是否满足下列关系式 （4-5）选用能满足以上三项条件的伺服电动机即可。4.3.2 刀库传动方式及计算（1）刀套线速度 刀套线速度影响选刀效率，但是过快的线速度又影响刀库工作可靠性。因此，选刀套线速度 v=2230 m/min，计算是选v=25m/min.（2）刀套传动方式 为使伺服电机在最佳状态下工作，不采用伺服电机的低速段。在圆盘式刀库上，为了提高刀库的转位分度精度，采用单头双导程蜗杆。这样可以在使用中随时调整蜗轮副的传动间隙，实现准确的转位分度，保证刀库工作的可靠性。4.4 刀库的选刀方式现代加工中心刀库，已不用刀套编码或刀具编码方式，而是由控制系统，根据最初输入的刀套号与刀具号，跟踪记忆刀套与刀具的对应号，并按程序指令准确地调用所需刀具。目前使用的刀库的选刀方式，有如下二种：（1）刀套号与刀具号随机变换方式 这是目前用得最普遍的方式。在第一次给刀库装刀时，告诉控制系统刀套号和在该刀套上的刀具号（T）的对应关系，那么控制系统就记住这个对应关系，而以后该刀具在使用 ，不一定送还到原来的刀套上，但是控制系统仍能记住该刀具号所在的新刀套号。这种方式有利于缩短换刀、选刀时间。由于这种方式经常改变刀具号与刀套浩的对应关系，所以在重新起机床时，必须使刀库回零，校验一下CRT上显示的内容与实际刀具插寸刀具插存情况。（2）刀具号与刀套号固定对应方式 在这种选刀方式中，插在刀套上的刀具，使用后仍送还到原来的刀套上，亦即刀具号与刀套号的对应关系始终不变。这种方式的好处在于，易于掌握刀具情况，一看刀套号就能知道是什么样的刀具。另一好处是可以安放的直径刀具，只要有意选择相邻刀套上无刀即可。但是，这种方式因为用完的刀具必须送还给原来的刀套上后，才能移动下一个要用的刀具到换刀位置，因此势必会增加换刀时间。根据“近路”移动原则。即无论上述哪种选刀方式，根据程序指令，把下序要用的刀具移到换刀位置时，都向小于刀库半圆的方向移动，以节省选刀时间。随机变换方式的优点是刀库中刀具的排列顺序与加工顺序无关，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。因此，选择刀套号与刀具号随机变换方式。4.5 刀套准停措施如果刀套不能准确地停在换刀位置上。将会使刀机械手抓刀不准，以致在换刀时容易发生掉刀现象。因此，刀套的准停问题，将是影响换刀动作可靠性的重要因素之一。为了确保刀套准确地停在换刀位置上，需要采取如下措施：1）定位盘准停方式由液压油缸推动的定位销，插入定位盘的定位糟内，以实现刀套的准停。定位盘上的每个定位糟（或定位孔），都对应于一个相应的刀套，而且定位糟（或定位孔）的节距要一致。这种准停方式的优点是： 能有效地消除传动链反向间隙的影响。 保护传动链，使其免受换刀撞击力。 驱动电机可不用制动自锁装置。3）圆盘式刀库宜采用单头双导程蜗杆传动。此外还应尽可能提高刀套在圆盘上沿圆周安装的等分精度和径向位置精度。刀套需要翻转的刀库，还要保证每个刀套翻转的角度一致。4）尽量减小刀套孔径和轴向尺寸的分散度，以保证刀柄糟在换刀位置上的粥向位置精度。5）要消除反向间隙的影响。刀库驱动传动链，必然会有传动间隙，且这种间隙还随机械磨损而增大，这将影响刀套准停精度。而对有定位盘的刀库来说，过大的间隙会影响定位盘的正常工作，因此都必须设法消除反向间隙，其方法有以下几种：电气系统自动补偿方式。其原理同伺服进给驱动系统的“反向间隙补偿”一样，这种方式能保证双向任意选刀和双向准停。在链轮轴上装编码器，对链轮传动进行补偿的方法实现准停。单头双导程蜗杆传动方式。这种传动方式，通过调节蜗杆的轴向位置，把传动间隙调到理想程度。在这种传动方式中，如果和加用定位销准停方式，就容易出现“过定位”现象。使刀套单方向运行、单方向定位方式。这是消除反向间隙影响的一个“苯方法”。这是，刀库单向运行方向，必须与机械手抓刀方法相反，否则机械手抓刀时，会使刀套“挪位”。这种运行方式虽然能够消除传动间隙的影响，但却增加了选刀时间。因次这种方式已很少用，一般只用于小容量刀库或顺序选刀的刀库上。使刀套双向运行，单向定位方式。这种方式可进行任意方向选刀，但当刀套选刀方向与设定的定位方向相反时，要让刀套在选刀方向上多转过一个刀套位，然后再向设定定位方向运转一个刀套位进行定位，以次来消除反向间隙的影响，这种方式中的刀套定位运行方向，必须与机械手抓刀时的运动方向相反，以避免机械手抓刀时刀套“挪位”。这种运行方式，目前仍有使用实例第5章 机械手驱动与松刀装置设计5.1 机械手驱动装置设计机械手的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。而驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的机构。此结构一般有电机或液压或气压机构或凸轮机构组成。他们在 数控系统控制下，驱动刀库和机械手，实现刀具的选择和交换。就立式加工中心来说，目前主要用于机械手驱动装置的机构有液压（包括气液）和机械式凸轮联动两种。通过这些驱动装置实现机械手的抓刀、拔刀、插刀、复位动作。鉴于液压驱动的机械手需要采用严格的密封和复杂的缓冲机构，且控制机械手动作的电磁阀多有一定的时间常数，应而换刀速度较慢。故近年来出现了凸轮联动式单臂双爪机械手。其工作原理如图所示。这种机械手的特点是电动机驱动，不需要复杂的液压系统及其密封、缓冲机构，没有漏油印象，结构简单、工作可靠。同时机械手的手臂回转和插刀、的分解动作是联动的，部分时间常数可重叠，从而大大缩短了换刀时间，一般约为2.5s. 图 5-1 JCS-018换刀机械手驱动机构。换刀时主轴箱上升至换刀位置，机械手由油缸活塞齿条2、齿轮3、传动盘4、杆5带动回转75.两手分别抓住主轴和刀套中的刀具拔出。在气缸活塞齿条7、齿轮6、传动盘4、杆5的带动下手臂回转180。气缸1使刀臂上升，将新刀具插入主轴，旧刀具插入刀套中。主轴内的夹紧机构自动夹紧刀具，在油缸活塞齿条2的作用下，手臂反方向回转75回原位。在第2章中图2.1中气缸4作用下，刀套向上转90，与刀库同向。整个换刀过程约为610s。5.2 机械手松刀装置设计自动换刀系统是加工中心极其重要的一个部分，其主要性能要求就是快速、可靠。现代加工中心对换刀 时间这一主要技术指标要求越来越高，松刀装置作为自动换刀系统的一个组成部分，有必要对其进行深一步研究 TH45 卧式加土中心刀柄夹紧采用典型的碟簧拉杆拉紧方案，其拉紧力约达8000N ，以保证刀柄在上轴孔中有足够的装夹刚性。这样，考虑到松刀行程等因素，要推动拉杆实现松刀，必须提供l 000N以上的推力。首台样机试制中，由于受主轴箱安装部位空问的限制，采用了传统的单作用油缸作为松刀执行元件，同时考虑到经济性，省去了专用液压站，而利用压缩空气作为动力源进行气液增压以获得所需的压力油源，如图5.1 所示，结果出现了以下问题：图5.1 首台样机液压系统示意图首先，气液增压系统自身响应性能跟不上松刀要求，动作反应很慢，因而影响了松刀速度。其次，松刀后油缸依靠弹簧力克服各种阻力返回 ，动作慢，复位迟缓，影响总的换刀时间。针对上述存在问题，采取如下改进设计方案：其一：取消气液增压系统，简化传动环节以消除不利因素。其二：执行元件改用专用串联双作用增球气缸，以补偿取消增压系统后带来的推力不足问题二气缸直径取125mm ，当气压为0.5Mpa时，约可输出推力11500N,足以满足松刀要求，其控制气路系统见图5.2图5.2控制气路系统结构图 这样，由于不存在气液转换过程，而目，松刀时不必克服弹簧力，原来气液转换装置的响应滞后问题就不复存在，性能上得到提高，满足了换刀要求，而且不需要专门的液压站或气液增压系统，仅以气源作动力。而加工中心本需提供气源作为吹气净刀用，只需分出一路来给松刀即可，因而其成木极低，约为改进前的六分之一，而且由于没有油介质，也就不存漏油引起的环境等问题，从而实现整机性能价格比的进一步提高。第6章 换刀装置的换刀动作及程序设计6.1 换刀动作分析上一工序加工完毕，主轴在“准停”位置。自动换刀装置开始进行换刀，其过程如下图图 6.1自动换刀过程示意图首先整个换刀过程是一个顺序控制的过程。其主要的控制动作就是对机械手驱动装置的控制，而刀库和主轴的动作只是配合它而已。这里先来讲一下整个换刀机构在得到换刀命令时的动作过程：当换刀指令发出后，主轴立即停止旋转并开始自动定向，主轴箱同时回零；刀库中处在换刀位置的刀