（机械制造及其自动化专业论文）双凸轮联动自动换刀技术的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 高速加工中心是高速机床的典型产品，高速功能部件的发展与应用极大地提高了切 削效率。随着切削时间的缩短，对换刀时间的要求也逐步提高，换刀速度己成为高水平 加工中心的一项重要指标。自动换刀系统必须工作可靠准确，结构又相对复杂，提高换 刀速度的技术难度大。因此，自动换刀技术成为机床制造业竞争的焦点之一。 本文在充分调研国内外自动换刀技术发展及其研究现状的基础上，对各类刀库和刀 具交换机构进行了探讨和比较，研究双凸轮联动自动换刀技术，分析双凸轮联动自动换 刀机构的优点和结构特点，并结合徊h 卧式加工中心对双凸轮联动自动换刀装置进行 结构设计和工作原理分析。 设计双凸轮联动结构，双凸轮是指驱动刀具松拉杆运动的盘形凸轮和驱动机械手运 动的复合凸轮( 包括弧面分度凸轮及镶嵌在其侧面的沟槽凸轮) 。文中主要完成了对两 套( 三个) 凸轮运动循环图的匹配设计，凸轮机构运动规律的分析选择，主要采用修正 正弦曲线和修正等速曲线运动规律。 对弧面分度凸轮三维建模方法进行研究分析，基于逆向思维推导出一种对弧面分度 凸轮精确建模的方法。根据弧面分度凸轮的理论轮廓曲面方程，结合分度盘运动规律可 在凸轮毛坯模型上建立理论轮廓曲面，对其进行法向偏置、实体切除操作得到工作轮廓 曲面，修整后获得精确的凸轮模型。基于p r o e 软件，给出了用于m d h 卧式加工中心 自动换刀装置中的多头复杂弧面分度凸轮的建模实例，模型精度满足设计要求，验证了 该方法的正确性和可行性。 创建基于m d h 卧式加工中心的双凸轮联动自动换刀装置虚拟样机，进行运动仿真 分析，得到刀具松拉杆直线运动、换刀机械手直线运动和旋转运动的位移、速度和加速 度曲线图，仿真测量结果符合设计要求。 最后，总结分析了双凸轮联动自动换刀技术在实际应用过程中存在的问题和不足， 对下一步研究工作提出了展望。 关键词：自动换刀技术；双凸轮联动；弧面分度凸轮；运动仿真分析 双凸轮联动自动换刀技术的研究 t h er e s e a r c ho fd u a l c a ml i n k a g ea u t o m a t i ct o o lc h a n g et e c h n o l o g y a b s t r a c t h i 曲一s p e e dm a c h i n i n gc e n t e ri s at y p i c a lp r o d u c ti n h i g h s p e e dm a c h i n et 0 0 1 t h e d e v e l o p m e n ta p p l i c a t i o no fh i g h - s p e e df e a t u r e sh a sg r e a t l yi m p r o v e dt h ee f f i c i e n c yo fc u t t i n g w i t ht h es h o r t e n i n go fc u t t i n gt i m e ，i ti sr e q u i r e dt or e d u c et o o lc h a n g et i m e 1 1 1 es p e e do f t o o lc h a n g eh a sb e c o m ea ni m p o r t a n ti n d i c a t o ro f h i g hl e v e lm a c h i n i n gc e n t e r a u t o m a t i ct o o l c h a n g es y s t e m ，w i t l lr e l a t i v e l yc o m p l e xs t r u c t u r e ，m u s tw o r ka c c u r a t e l ya n dr e l i a b l y i t s d i f f i c u l tt oi n c r e a s et h et o o lc h a n g es p e e d s oa u t o m a t i ct 0 0 1c h a n g et e c h n o l o g yh a sb e c o m e o n eo ft h ec o m p e t i t i v ef o c a lp o i n t si nm a c h i n et o o lm a n u f a c t u r i n g b a s e do nt h es t u d yo fd o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta b o u ta u t o m a t i c t o o lc h a n g et e c h n o l o g y ，t h ev a r i o u st y p e so ft o o lm a g a z i n ea n dt o o le x c h a n g es t r u c t u r ea r e d i s c u s s e da n dc o m p a r e d d u a l c a ml i n k a g ea u t o m a t i ct o o lc h a n g et e c h o n o l yi ss t u d i e d t h e a d v a n t a g e sa n ds t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i e so fd u a l c a m1 i n k a g em e c h a n i s ma r ep r e s e n t e d w i t l l m d hh o r i z o n t a lm a c h i n i n gc e n t e r ，t h es t r u c t u r a ld e s i g na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fd u a l - c a m l i n k a g ea t ca r ea n a l y z e d d e s i g nt h ed u a l - c a n ll i n k a g es t r u c t u r e d u a l c a mi n c l u d e sap l a t ec a mc o n t r o l l i n gt o o l b a rm o v e m e ma n dac o m p o s i t ec a l t l ( as l o tc a n li n l a i do no n es i d eo fag l o b o i d a lc a m ) c o n t r o l l i n gm a n i p u l a t o rm o v e m e n t t h em o t i o nc y c l ec h a r to ft w os e t so f ( t h r e e ) e a r n si s d e s i g n e d t h em o t i o nl a wo fc a mm e c h a n i s m si sd i s c u s s e d ，a n dm o d i f i e ds i n e ( m s ) c u y v ea n d m o d i f i e dc o n s t a n tv e l o c i t y ( m e v ) c u r v ea r ec h o s e n at h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n gm e t h o do f g l o b o i d a ic a mi sp r e s e n t e d b a s e do nc o n v e r s e t h i n k i n g ，am o d e l i n gm e t h o di sp r o p o s e d t h e o r e t i c a lp r o f i l e sa r eb u i l tu po nt h eb l a n km o d e l o fg l o b o i d a lc a mc o m b i n e dw i t ht h e o r e t i c a lp r o f i l ee q u a t i o n sa n dm o v e m e n t1 a w s a n d w o r k i n gp r o f i l e sa r eo b t a i n e db yn o r m a lo f f s e to ft h et h e o r e t i c a lp r o f i l e sa n ds o l i dc u t t i n g o p e r a t i o n t h ea c c u r a t em o d e lo fg l o b o i d a lc a mi sc o m p l e t e da f t e rm o d i f i c a t i o n am o d e l i n g e x a m p l eo ft h ec o m p l e xm u l t i - h e a dg l o b o i d a lc a mu s e di na t co fm d hh o r i z o n t a l m a c h i n i n gc e n t e ri sc a r r i e do u ti np r o e ，a n dk i n e m a t i c ss i m u l a t i o ni sc a r r i e do u t t h er e s u l t m e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e m s ，s h o w i n gv a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d b a s e do nm d hh o r i z o n t a lm a c h i n i n gc e n t e r ，t h ev i r t u a lp r o t o t y p i n go fd u a l c a n ll i n k a g e a t ci sc r e a t e d ，a n ds i m u l a t i o na n a l y s i si sc a r r i e do u t t h ed i s p l a c e m e n t , v e l o c i t ya n d a c c e l e r a t i o nm e a s u r e m e n t so fl i n e a rm o t i o no ft o o lb a r 1 i n e a rm o t i o na n dr o t a t i o nm o v e m e m o fa t c m a n i p u l a t o rm a t c hw i t ht h ec a mm o t i o nc y c l ec h a r ta n dc a mm o t i o nl a wd e s i g n 一i i 大连理工大学硕士学位论文 a tl a s t ，t h ep r o b l e m so fd u a l - g a ml i n k a g ea u t o m a t i ct o o lc h a n g et e c h n o l o g yi np r a c t i c a l a p p l i c a t i o np r o c e s sa r es u m m a r i z e d ，a n dr e c o m m e n d a t i o n sa n dp r o s p e c t sa r ep r e s e n t e df o rt h e f u r t h e rw o r k k e yw o r d s ： a u t o m a t i ct o o lc h a n g et e c h n o l o g y ：d u a l c a l t ll i n k a g e ；g l o b o i d a lc a m ； s i m u l a t i o na n a l y s i s 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：塞塞凸念隧越园地数丑垫苤丝弛盗 作者签名： 童! l 鸯日期：望q 墨年垃月- l l 日 大连理工大学硕七研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 遨凸也弘地臼越拯磷瞧q 骘 作者签名： 盍! l 骛 日期： 一逝g 年j 1 月l 日 导师签名：2 尘斗 日期：且年j 上月j l 日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1论文的选题背景及来源 从数控机床自动换刀系统发展的历史来看，1 9 5 2 年美国麻省理工学院研制出世界上 第一台数控机床，1 9 5 6 年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，同期美国i b m 公司研制 成功带有刀具程序控制装置的数控机床，1 9 5 8 年美国k & t 公司又率先研制出可按穿孔 带指令更换刀具，进行多种工序自动加工的综合性数控机床，后称为第一台“加工中心 ， 1 9 6 6 年该机床在芝加哥博览会上展出，引起各国关注。1 9 7 8 年以后，带有a t c ( a u t o m a t i c t o o lc h a n g e r 自动换刀装置) 、可实现多工序加工的数控加工中心迅速发展，机床行 业步入黄金时代。1 9 8 3 年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，自动换刀系 统形成了统一的结构模式【1 圳。 2 0 0 7 年第十居中国国际机床展览会( c i m t 2 0 0 7 ) 上，高速加工中心普及化成为亮 点，展出加工中心约2 1 0 台，国内1 2 0 台，海外9 0 台，海外高速加工中心( 主轴转速 1 0 0 0 0 r m i n 以上1 约占5 0 、国内高速加工中心约占3 0 。不少机床主轴最高转速可达 3 0 0 0 0 - 4 0 0 0 0 r m i n ，快移速度可达6 0 - - 一7 0 r n m i n 3 。高速加工中心是高速机床的代表产 品，高速功能部件如电主轴、高速丝杠和直线电动机的发展应用极大地提高了切削效率。 为了配合机床的高效率，作为加工中心的重要部件之一的自动换刀装置的高速化也相应 成为高速加工中心的重要技术内容。 目前，国外先进机床企业生产的高速加工中心为了适应高速加工，大都配备了快速 自动换刀装置。加工中心自动换刀系统的动作要准确可靠，而且结构相对复杂，提高换 刀速度的技术难度大。因此，自动换刀技术已经成为机床行业竞争的焦点之一，各加工 中心制造企业争先研制高速可靠的自动换刀装置。 本课题“双凸轮联动自动换刀技术的研究”来源于大连市科技计划项目“加工中心 系列化及关键技术研发( 2 0 0 6 a 1 2 g x 0 0 3 ) ，合作单位为大连机床集团有限责任公司。 1 2自动换刀技术概述 数控加工中心( c n cm a c h i n i n gc e n t e r ) 是带有刀库和自动换刀装置的一种高度自 动化的多功能数控机床。工件在加工中心上经一次装夹后，数字控制系统能控制机床按 不同工序，自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运 动轨迹及其他辅助机能，依次完成工件几个面上多工序的加工。并且有多种换刀或选刀 功能，从而使生产效率大大提高。 双凸轮联动自动换刀技术的研究 加工中心自动换刀技术是以减少辅助加工时间为主要目的，综合考虑机床的各方面 因素，在尽可能短的时间内完成刀具交换的技术方法 4 1 。自动换刀装置是实现加工中心 快速换刀的功能部件。 1 2 1自动换刀时间的计量方法 随着加工中心切削速度的提高，切削时间不断缩短，对换刀时间的要求也逐步提高， 换刀的速度已经成为考量高水平加工中心的一项重要指标。目前，对换刀速度的计量方 法【踊】主要有以下几种： ( 1 ) 刀对刀换刀时间( t 0 0 1 t o t 0 0 1 ) 指自动换刀装置把要换的刀具开始从主轴拔下到将下一工步需要的刀具完全插入 主轴所需的时间。 ( 2 ) 位置对位置换刀时间( p o s i t i o n t o p o s i t i o n ) 指从机床的各坐标进入换刀位置那一刻起，到换刀结束后，离开换刀位置那一刻所 需要的时间。 ( 3 ) 切削对切削换刀时间( c u t t o c u t ) 指从参考位置移向换刀位置，换完刀后再回到参考位置所需的时间。对于主轴为垂 直状态的加工中心( 如立式加工中心等) ，以x 、y 、z 坐标各自行程范围的中点作为 参考位置，我们称之为x 。、k 、z 。对于主轴为水平状态的加工中心( 如卧式加工中 心) 等，参考位置：x 轴的参考位置x 。为x 行程的中点；y 轴的参考位置k 在y 行程 最低位置向上1 4 行程处；z 轴参考位置z 。在近主轴处的工作台边缘位置。 ( 4 ) 切屑对切屑换刀时间( c h i p t o c h i p ) 这种换刀时间是指x 、y 、z 坐标从参考位置移向换刀位置，换刀结束后再回到参 考位置的过程中，主轴启动并达到最高转速所需要的时间。切屑对切屑换刀时间比切削 对切削换刀时间多考虑了主轴启动性能对换刀时间的影响。若主轴启动性能比较好，在 各坐标从换刀位置换完刀后再回到参考位置的过程中，主轴就可以达到最高转速，则切 屑对切屑换刀时间就与切削对切削换刀时间相同。切屑对切屑换刀时间基本反映了加工 中心换刀所占用的辅助时间。 切屑对切屑换刀时间是衡量加工中心换刀效率高低的最直接指标；刀对刀换刀时间 则主要反映自动换刀装置本身的性能。因此，行业内用切屑对切屑换刀时间作为衡量快 速自动换刀装置的主要性能指标，同时也考虑刀对刀换刀时间这个指标。目前，一般认 为：切屑对切屑换刀时间小于4 s 的自动换刀装置或者刀柄号为i s 0 3 0 时的刀对刀换刀 大连理工大学硕士学位论文 时间小于0 6 s ，刀柄号为i s 0 4 0 时刀对刀换刀时间小于1 s ，刀柄号为i s 0 5 0 时的刀对刀 换刀时间小于1 5 s 的自动换刀装置称为快速自动换刀装置。 1 2 2 国内外自动换刀技术的研究和发展现状 自加工中心诞生以来，人们采用各种方式来进一步提高其加工效率，如：提高进给、 移动速度、提高主轴转速、加大主轴电机功率、加大切削用量、采用高质量刀具等措施 来提高加工效率。在高节拍，需多次换刀的加工过程中，换刀时间的缩短，对提高生产 效率效果明显，因此，近几年来国内外加工中心生产厂家都投入很大的资金及精力，来 缩短换刀时间，这在历届展览会上得到了充分的体现。目前，国内外主要从以下方面【4 】 展开对自动换刀技术的研究： ( 1 ) 根据高速机床新的结构特点设计刀库和换刀装置的形式和位置 例如，传统的立式加工中心的刀库和换刀装置多装在立柱一侧；而高速加工中心则 多采用立柱移动的进给方式，为减轻运动件质量，刀库和换刀装置不宜再装在立柱上。 ( 2 ) 采用新方法进行刀具快速交换 不用刀库和机械手方式，而改用其它方式换刀。例如不用换刀，用换主轴的方法， 但是此方法不适用于大容量刀库。 ( 3 ) 利用新开发的加工中心的主轴部件 新开发的加工中心的主轴部件可作6 自由度高速运动，让主轴直接参与换刀过程， 不仅可使刀库配置位置灵活，而且可减少刀库运动的自由度，显著简化刀库和换刀装置 的结构。 ( 4 ) 应用适合于高速加工中心的刀柄 h s k 刀柄质量轻，拔插刀行程短，可以使自动换刀装置的速度提高。自动换刀装置 采用h s k 空心短锥柄刀是快速换刀技术发展的趋势。 经过多年的研究和试验，在自动换刀技术领域，国内外出现或应用的新方法和新结 构【4 ，7 】主要有以下几类： ( 1 ) 多主轴换刀 采用多主轴换刀的机床没有传统的刀库和换刀装置，而是采用多个主轴并排固定在 主轴架上，一般为3 1 8 个。每个主轴由各自的电动机直接驱动，并且每个主轴上安装 不同的刀具。换刀时不是主轴上的刀具交换，而是安装在夹具上的工件快速从一个主轴 的加工位置移动到另一个装有不同刀具的主轴，实现换刀并立即加工。由夹具快速移动 完成换刀，省去了复杂的换刀机构。工件的移动时间就是换刀时间，换刀速度非常快。 双凸轮联动自动换刀技术的研究 奥地利a n g e r g 公司生产这种结构的机床，实现了切屑对切屑换刀时间仅为0 4 s 。 是目前世界上切屑对切屑换刀时间最短的机床。这种结构的机床和通常的加工中心结构 已大不相同。不仅可以用于需要快速换刀的加工，而且可以多轴同时加工，适合在高效 率生产线上使用。 ( 2 ) 双主轴换刀 加工中心有两个工作主轴，但不是同时用于切削加工。一个主轴用于加工，另一个 主轴在此期间更换刀具。需要换刀时，加工的主轴迅速退出，换好刀具的主轴立即进入 加工。由于两个过程可以同时进行，换刀时间实际就是已经装好刀具的两个主轴的换位 时间，使辅助时间减到最少，即机床切屑对切屑换刀时间达到最短。由于有两个主轴， 这种机床的刀库和换刀机械手可以是一套，也可以是两套。 德国a l f m g k e s s l e r 公司生产的加工中心采用双主轴系统，使用一套刀库和换刀机 械手。而德国h o m s b e r g l a m b 公司生产的h s c 5 0 0 、h s c 6 3 0 、h f c 6 3 0 加工中心有两 个主轴和两套换刀系统，两个主轴可以用1 0 - 一1 5 s 的时间移动到加工位置并启动加速 到加工的最大速度，具体的交换时间取决于机床的尺寸。 ( 3 ) 转塔方式 这种方式将刀库布置在主轴周围，刀库本身相当于机械手，通过刀库拔插刀具并采 用顺序换刀而使切屑对切屑换刀时间较短。若要实现任意换刀，换刀时间会随所选刀具 在刀库位置的不同而有所不同，如选最远的刀，切屑对切屑换刀时间较长。因此这种方 式作为快速自动换刀装置，一般只能采用顺序选刀的方式。 日本k i r a 公司生产的型号为k n 3 0 v e l i t e 的加工中心，有立式可换位转塔刀库，其 刀对刀换刀时间为1 5 s ，切屑对切屑换刀时间为2 2 s 。 ( 4 ) 多机械手方式 同样，刀库布置在主轴周围。但采用每把刀用1 个机械手的方式，使换刀几乎没有 时间损失，并可以采用任意选刀的方式。如德国c h i r o n 公司生产的型号为f z 0 8 s 、f z 0 8 w 的加工中心，其刀库布置在加工主轴的周围并可随主轴一起移动，并且每把刀具有l 套 机械手。其刀对刀换刀时间仅需0 5 s ，而切屑对切屑换刀时间为1 5 s ，是目前世界上单 主轴机床切屑对切屑换刀时间最短的加工中心。 ( 5 ) 新型驱动结构 对于装备大容量刀库的加工中心，一般都采用换刀机械手形式换刀，可通过改变驱 动方式和结构提高换刀速度。例如，机械凸轮结构的换刀速度要大大高于液压和气动结 构。在实现设计需要的运动和位置时，凸轮机构不仅控制准确，且有良好的动态特性， 所以通过凸轮驱动的换刀机械手，可在高速条件下可靠地运转。因此，对于大型刀库， 大连理工大学硕士学位论文 刀对刀换刀时间较短的自动换刀装置一般都采用通过凸轮驱动的换刀机械手。日本 s o d i c 公司生产的m c 4 5 0 立式加工中心的机械凸轮结构的快速换刀装置，刀对刀换刀时 间只有o 6 s 。 我国加工中心技术起步较晚，对自动换刀技术研究较少。进入2 0 世纪9 0 年代后， 北京机床研究所、大连组合机床研究所、济南第一机床厂、青海机床厂以及陕西省的秦 川机床厂都对立式自动换刀机械手进行了研究和开发。“十一五”发展规划提出数控产 品开发的大项目，重点发展关键功能部件和数控系统，为数控机床产品升级莫定基础， 主要发展项目中包括高性能刀库机械手【5 1 。 金属切削机床的高速化已成为机床发展的重要方向之一，因此，自动换刀技术已经 成为高速加工中心技术的重要组成部分。新技术和新方法在不断地出现和改进，其目的 只有一个，即在准确可靠的基础上，缩短换刀时间，全面提高高速加工中心的工作效率。 1 3自动换刀装置概述 自动换刀装置通常由刀库和刀具交换机构组成，在有些换刀形式中，刀库和刀具交 换机构是一体的，例如回转刀架换刀和更换主轴换刀等形式【6 - 7 】。在带刀库的自动换刀 系统中，首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准刀柄上，在机外进行尺 寸预调整后，按一定的方式放入刀库中去。换刀时先在刀库中进行选刀，并由刀具交换 装置分别从刀库和主轴上取出刀具，在进行交换刀具之后，将新刀具装入主轴，把旧刀 具放回刀库。存放刀具的刀库具有较大的容量，它既可以安装在主轴箱的侧面或上方， 也可作为单独部件安装到机床以外，并由搬运装置运送刀具。 装备带刀库的自动换刀装置的加工中心主轴箱内只有一个主轴，设计主轴部件就有 可能充分增强它的刚度，因而能满足精密加工的要求。另外，刀库可以存放数量很大的 刀具，因而能够进行复杂零件的多工序加工，这样就明显提高了机床的适应性和加工效 率。不同类型刀库的形式和摆放位置各有不同，刀具交换机构也有多种形式，一般分为 有机械手式和无机械手式【8 】o 1 3 1 刀库的发展现状 刀库的功能是存储加工中心所要用的各种刀具，并在数控系统的控制下，把即将要 用的刀具准确地送到换刀位置。目前，常用的刀库【9 】主要有以下几种形式。 ( 1 ) 转塔式刀库 包括水平转塔头和垂直转塔头两种，特点：所有刀具固定在同一转塔上，无换刀臂， 储刀数量有限，通常为6 - 8 把。一般仅用于轻便而简单的机型，常见于车削中心和钻 削中心。钻削中心的储刀位置即主轴，其外部结构紧凑，但内部构造复杂，精度要求高。 h 】为s a u t e r 公司生产的适合流水线及擎用机眯上人鸯加：i 。使用的鼋冠犁刀塔i c 】_ ，最 多可有8 个独c l j j 座及多头刀庳，月塔的定似和动力刀驱动只需个伺服马达，主轴 转速可达】8 0 0 0r p m 。 ! 鼻“知 幽11 s a i j e r 公司构莹越型刀塔 f i g 11c r o w nt u r r e tt o o lm a g a z i n eo f s a u t e r ( 2 ) 盘式川库 刀席呈器状，特点：刀i r 沿盘【自】垂直排列( 包括释向取刀和轴向取刀) 、沿盘面径向 排列或成锐角排列形式的刀库，结构简单、紧凄，府片j 较多，但刀具单环排列，空利 用率低。若增加川阼容量必须使刀库的外 夺增二k ，那么转动惯量也相应增大，选刀运动 时问长，川具数量一般小多于3 2 把。刀具芏多环排列的刀库的空间利用苹高，但必然 使得取川机构复杂，适j 廿于机床卒间受限制而刀库容量又较人的场合。双盘式结构是两 个较小容肇的，j 库分置十 轴两侧，布局较紧凑，储刀数量也相廊增大适用于中小型 加工中心。图l2 为台湾圣杰日际股份有阻公刮，七产的盘式刀库i ，采用两项专利技术： 滚珠式凸轮分度机构，低噪音、定位准确叫提供高速运转；新型刀兴，刀央上f 可浮 动o8lo m m ，吸收丰轴松央刀时的力量，减少对川枯的损伤，进而延长主轴寿命。容 量规格：对十s 0 3 0 、8 0 4 0 、i s 0 5 0 刀具，容量分别为1 6 t 、2 0 t 、2 4 t 、3 0 t 。 人连理j 人学硕十学位论文 幽12 台湾革杰国际一圆龠式刀库 f i g l2 d i s k t e a l m a g a z i n e o f t a i w a ns h e n gj i e o u oj i ( 3 ) 链式刀库 包括单环链和多环链，链环形式可有多种变化。特点：适川于刀库容量较大的场合， 所占的空间小。一般适片j 于刀具数在3 0 - - 12 0 把。仅增加链条k 度即可增加刀具数，小 增加圆周速度，其转动惯量也不像盘式刀库增加的那样人。 图13 ( a ) 为台湾o o u s h i n 公司生产的链式刀库，标准容量为3 2 i ，( h ) 为台湾 j 1u hy e h 公州生产的链式刀库，标准容量为6 0 t 。 h l 链式刀库 f i g 13 c h a i n t o o l m a g a z i n ee x a m p l e s 132 国内外刀具交换机构的发展现状 数控加工一p 心的刀具交换方式通常分为由刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交 换和采用机械手交换刀具两类。j 具的交换方式和它们的具体结构对机床的生产率和工 作可靠性有直接的影i 响。 坝凸轮联动自动换刀投术的研究 由刀席与机床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川其 送回刀席，然后冉从刀库中取出新刀具，这两个动作不可能同时进行因此换刀时间长。 图14 ( a ) 为h a a s 公司的t m l 数控铣床，采用无机械手换刀方式，如图14 ( b ) n n ， 平均刀对刀换刀时阳j 为57 s ，平均切削对切削换刀时间为6 5 s 。 f b 图14 无机械手刀具交换机耗j f 1 9 l4 a t c w i t h o u t m a n i p u l a t o r 目前，在加工中心中采用机械手进行刀具交换的方式应用最为广泛，冈为机械手换 川有很人的灵活性，而且可以减少换刀时间。在加工中心上绝大多数都使用记忆式的任 选换刀力式，这种方式能将刀具号和刀库中的刀套位置( 地址) 对应地记忆在数控系统的 p c 中，不论刀具放在哪个刀套内都始终记忆着它的踪迹。刀库上装有位置检测装胥，可 以检测出每个刀套的位置，这样刀具就可以任意取出并送回。而且刀库上还设有机械原 点，每次选刀时就近选取如对于盘式刀库来说，每次选川运动或正转或反转不会超过 1 8 0 0 i is 。 机械于作为执行刀库和主轴之问换刀动作的装置，应具有换刀时间短、工作平稳、 定位准确等特点。目前，主要有以下几种炎型i ”： ( 1 ) 单臂机械手 换川机械手仅一个手臂，又分为单手式和双手式两种类型。 学手式：一个换刀臂且仅一端有一个抓刀手。特点：所有动作均由单手完成，执行 动作多，换刀时阻j 长，但结构简单。刀库与丰轴轴线平行或垂直的情况均适用。 囝。 o基nh赣，一 -；：r一膏 1 p 誓_l 墼 人连理上人学硕士学他论文 双手式：一个换刀臂两端各有一个抓刀手。特点：机械手同时抓取主轴和刀库匕的 刀具，回转1 8 0 。，同时放回和装入刀具，换刀时日短，较为常用，多朋于座与主轴 轴线甲行的场合。如图l5 ( a ) 为m o r js ejk 】生产的n h 4 0 0 0d c g 卧式加工中心，可采用 链式刀库，最大容量为1 2 0 t ，也可采用柜式7 j 库，最大容量为3 6 0 t ，其采用双手式换刀 机械手( 见图15 ( h ) ) ，刀对刀换刀时q 为09 s ，切削对切削换刀时间为28 s ”】。 ( 2 ) 双臂机械手 换刀机械手有两个机械手臂组成，每个手臂端部都有一个抓刀手。特点：其抓刀和 换刀动作类似于人手动作，除执行换刀动作外有些还可以起到运输川具的作用。这种机 械手结构较复杂，但换刀时间短。 田警 图l5 联f 式刀具交换机构 f 嘻1 5a t c m a n i p u l a t o r w i t hd o u b l eh a n d ( 3 ) 带送刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手 送刀臂将刀具从刀库中取出送到摆刀站，由摆刀站将川具送到换刀位置，虽后由换 刀臂进行换刀，如图16 所示。特点：结构更复杂，各部分在空间巧妙配置和组合，更 具变化性。般换刀时问较短，适用于刀库距离主轴较远的场合。 双凸轮联动自动换刀技术的研究 a 送刀臂b 摆刀站c 换刀臂d 刀库e 主轴 图1 6 带送刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手 f i g 1 6 t h em a n i p u l a t o rw i t ht o o lc a t c ha r m ，d e l i v e r ys i t ea n dt o o lc h a n g ea r m 刀具交换机构的驱动装置是使刀库和换刀机械手实现其功能的机构，此机构一般由 电动机、液压、气液机构或凸轮机构组成，它们在数控系统控制下，驱动刀库和换刀机 械手动作，实现刀具的选择与交换【引。 换刀机械手的驱动主要有液压( 包括气液) 驱动和机械凸轮式两种形式。 液压式：采用液压式驱动的自动换刀装置，插、拔刀动作均由油缸完成，常见的方 案是换刀机械手装在套筒上，活塞杆固定，缸套同套筒一起移动，油缸左右腔进油完成 动作。机械手的回转既可以采用回转油缸，也可采用直线式运动油缸通过齿轮齿条带动 来完成【1 7 】。 凸轮式：机械凸轮驱动的自动换刀装置，插、拔刀动作通常由凸轮驱动摆杆来完成。 回转动作常通过弧面分度凸轮或平行分度凸轮带动滚子从动盘直接驱动机械手或再通 过一对齿轮驱动机械手旋转【1 8 。19 1 。典型的凸轮式a t c t 9 】如图1 7 所示，a 部分控制机械手 插、拔刀动作，b 部分控制机械手旋转动作。 大连理工大学硕士学位论文 图1 7 典型的凸轮式自动换刀装置 f i g 1 7 t h et y p i c a lc a md r i v ea t c 北京机床研究所承担的国家“九五”重点科技攻关项目“刀库机械手 ，已向市场 推出型号为a t c v b t 4 0 2 4 、a t c v b t 5 0 2 4 两种凸轮联动式、立式加工中心用刀库 机械手。为了防止大臂在快速旋转时产生的扭震，驱动凸轮采用具有极佳特性的修正正 弦曲线，这条曲线的特点是大臂快速旋转快要接近刀柄时速度很快、很平滑地降到零， 以达到无冲击、无扭震，极大地提高了可靠性。b t 4 0 2 4 的换刀时间1 5 s ，b t 5 0 2 4 的 换刀时间4 s 。已经投入市场的7 0 余套产品，无故障换刀次数已达3 万次1 20 。 从现有统计情况来看机械凸轮联动换刀比液压式驱动换刀快大约l 1 4 倍。原因有 以下几个方面：凸轮联动驱动a t c 动作可重叠，液压驱动一般在前一动作确认无误后， 才能进行下一个动作；前者驱动的运动规律可由设计者选择，液压驱动却不行；在相同 冲击、振动和噪声指标限制条件下，凸轮驱动比液压驱动可获得更大的换刀速度。另外， 液压驱动装置所使用的电磁阀及液压元件的可靠性也比凸轮低得多。凸轮的缺点是造价 高，且长时间使用后会出现磨损，影响换刀动作可靠性1 2 卜2 引。 1 4 选题意义及主要研究内容 1 4 1 选题意义 以加工中心为代表的数控机床是发展其它高新技术的手段，是国家综合实力的标 志。当前国外先进数控技术发展迅速，形势逼人。因此，我们必须高度重视国产加工中 心与国外同类先进产品的差距，研究高速高精度加工中心的关键技术，完成高性能加工 中心的国产系列化生产。 自动换刀装置( a t c ) 是快速换刀技术的执行装置，其主要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，进而提升机床乃至整个生产线的生产 双凸轮联动自动换刀技术的研究 力。因此，a t c 在加工中心中扮演着极重要的角色。a t c 包括刀库、换刀机构及其驱 动装置，其结构和布局形式多种多样，并依赖于整机布局和功能要求，是加工中心中最 复杂最难设计的部分之一。自动换刀装置换刀速度及换刀可靠性，是一个a t c 系统先 进与否的重要标志，所以如何在保证可靠性的基础上提高a t c 的换刀速度，是设计制 造a t c 乃至加工中心的一个重要课题。 迄今为止我国制造的加工中心配置的自动换刀系统大多数是进口的。其主要原因： 一是国内生产的自动换刀系统质量较差，成本也不低；二是进口自动换刀系统价格虽然 较高，但在整个加工中心中所占份额不大。国内生产的自动换刀装置的可靠性还比较低， 近年来虽有改进，但用户仍然不放心；与国外技术相比，需要缩短换刀时间，提高整机 工作效率；位置精度，特别是重复定位精度也有待于进一步提高。 传统的加工中心换刀技术中，不论哪种形式的机械手换刀都必须等待主轴的松刀与 拉刀，也就是说当机械手要实现拔刀时，必须等待主轴松刀后才能完成，同样，机械手 插刀后必须等待主轴拉刀后才能返回原位，这样不但延长了换刀时间，同时还降低了刀 具交换过程的可靠性。先进的凸轮联动刀具自动交换技术不需要任何的等待，主轴松、 拉刀动作和机械手换刀动作分别由独立的凸轮完成，两套凸轮由同一个动力驱动并联 动，通过两套凸轮曲线的完美匹配，使机床的刀具交换全过程为一个连续的流畅动作， 应用双凸轮驱动换刀技术实现加工中心的快速换刀，可缩短刀具交换时间，同时提高刀 具交换过程的可靠性。 本课题研究的双凸轮联动自动换刀技术可以实现在准确可靠的基础上，缩短换刀时 间，全面提高高速加工中心的工作效率，提高国产高速高精度加工中心的制造水平。 1 4 2 研究内容 本课题主要是研究双凸轮联动自动换刀技术；实现复杂弧面分度凸轮的三维建模， 为企业实现弧面分度凸轮c a d c a m - - 体化生产提供条件；以提高换刀速度和可靠性为 目的，基于肋h 卧式加工中心分析设计双凸轮联动自动换刀装置的关键结构；创建自动 换刀装置虚拟样机，进行运动仿真分析，并提出改进意见。具体研究内容如下： ( 1 ) 调研国内外自动换刀技术发展及其研究现状，比较分析双凸轮联动自动换刀 技术的优点；进行双凸轮联动自动换刀装置的结构设计，并分析其工作原理。 ( 2 ) 根据双凸轮联动自动换刀装置的工作原理，完成双凸轮联动结构运动循环图 的匹配设计；分析凸轮机构运动规律，重点探讨凸轮机构修正运动规律，设计出能够保 证换刀动作流畅、准确、可靠的凸轮曲线。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 分析弧面分度凸轮机构的建模原理，提出一种对复杂弧面分度凸轮进行精确 建模的方法，基于p r o e 软件，建立双凸轮联动自动换刀装置中弧面分度凸轮机构模型， 并通过运动仿真分析验证了建模方法的正确性。 ( 4 ) 建立驱动刀具松拉杆的盘形凸轮与驱动机械手的复合凸轮( 包括完成机械手 转动的弧面分度凸轮和完成机械手直线运动的平面沟槽凸轮) 等零部件的三维模型，组 建双凸轮联动自动换刀装置虚拟样机，进行运动仿真分析。探讨实际应用中存在的问题， 并提出改进意见。 1 5 本章小结 本章介绍了课题的选题背景及来源，对自动换刀技术的研究现状总结分析，介绍 加工中心中执行自动换刀任务的功能部件自动换刀装置的组成，并对各种类型的 自动换刀装置做对比分析，最后提出本文的主要研究内容。 双凸轮联动自动换刀技术的研究 2 双凸轮联动自动换刀技术 2 1 双凸轮联动自动换刀技术概述 2 1 1 双凸轮联动自动换刀技术的优点 自动换刀系统是加工中心的重要组成单元，其设计质量的好坏，直接影响加工中心 的加工效率和加工质量。自动换刀装置的机构和运动复杂，性能要求高。刀库的位置、 体积大小能否适合加工中心的整体设计，刀库的运动机构能否使刀库平稳运转并准确地 停在换刀位置，运动过程有无干涉、卡死等现象，都是设计人员非常关心的问题。换刀 机械手负责把刀库上的刀具送到主轴上，再把主轴上已用过的刀具送回刀库，它的动作 要求迅速而准确，所以对机构的结构、定位、运动和夹持力的大小等都有很高的要求， 一旦有运动故障或定位、运动误差过大，都会造成换刀动作失败。二者在驱动装置作用 下，协调合作，实现刀具的选择与交换e 2 4 - 2 5 1 。 双凸轮联动自动换刀技术采用双凸轮联动驱动方式，与传统液电驱动或者独立驱动 相比，具有控制简单；运行准确，换刀时间短，维护方便，工作环境卫生等优点。双凸 轮联动自动换刀技术中采用机械手换刀，与无机械手式换刀相比，具有可适应各类大尺 寸机床结构、大容量刀库、结构灵活等优点。 在传统的凸轮式自动换刀技术中，机械手换刀都必须等待主轴的松刀与拉刀，也就 是说当机械手要实现拔刀时，必须等待主轴松刀后才能完成，同样，机械手插刀后必须 等待主轴拉刀后才能返回原位。运行中需要两个驱动装置，动作不联动，需要多次启动 电机，而且为了协调两部分的动作要在多处设置行程、限位开关等来检测位置，这样不 但延长了换刀时间，同时还降低了刀具交换过程的可靠性。 在传统的凸轮式自动换刀技术基础上，采用一种换刀机械手换刀与加工中心主轴松 刀联动机构，实现快速换刀，并且提高换刀可靠性，这就是双凸轮联动自动换刀技术， 其实现机构是双凸轮联动自动换刀装置。 在双凸轮联动自动换刀换技术中不需要任何的时间等待，主轴松、拉刀动作和机械 手换刀动作分别由独立的凸轮完成，两套凸轮由同一个动力驱动并联动，通过两套凸轮 曲线的完美匹配，使机床的刀具交换全过程为一个连续的流畅动作。应用双凸轮驱动换 刀技术实现加工中心的快速换刀可缩短刀具交换时间约3 0 ，同时提高刀具交换过程的 可靠性。 大连理工大学硕士学位论文 2 1 2 双凸轮联动自动换刀技术的结构特点 在传统的凸轮式自动换刀技术中，其自动换刀装置可分为两部分：换刀机构和主轴 松拉刀机构，如图2 1 所示。换刀机构和主轴松拉刀机构分别由电机和液压机