（机械设计及理论专业论文）加工中心换刀机械手及刀具管理系统的设计.pdf

丫6 a a a i 口 加工中心换刀机械手及刀具管理系统的设计 摘 要 本文首先从对国外进口的立、卧加工中心换刀机械手的研究入 手， 分析了他们的换刀过程， 并对他们的特点进行了比较和总结， 对 加工中心换刀机械手的发展方向提出了自己的见解， 在此基础上对自 己的方案作了比较，并进行了详细的设计。 加工中心换刀机械手的设计主要针对数控加工中心的换刀装置， 目的为了减少换刀动作数量， 使得机构简化， 提高了换刀机械手的工 作可靠性和可维护性。为此，我们在传统的炮筒式刀座上做了改进， 使 得 换 刀 机 械 手 到 刀 库 取 尽 装 刀 的 动 作 减 少。 换刀机械手机构由水平油缸、 旋转油缸、 竖直油缸等几个油缸及 花键轴、 一体式活塞组成， 可以配合实现机械手的水平移动、 竖直往 复， 机械手的旋转运动等动作。 所有的动作过程和动作顺序都是由液 压 抽 路 控 制 ，” 依 靠 几 令 进 出 油 口 的 位 置 和 时 间 差 配 合 来 实 现 动 作 。 目 前， 加工中 必普遍采用模块式刀具系统， 该系统具有通用性强、 库存数量少、 加一 哪百 围广的特点， 但他的不足是选刀比较困难， 是企 业普遍存在的一个难题 我们开发的智 此系统能及时地使 针对此种情况，我们开发了刀具管理系统。 管理系统，针对数控加工中心刀具模块化。 户的信息得到处理， 将符合条件的刀具信息显示 在用户面前以供选择。 主要解决了以往手工选刀、 配刀所带来得费时， 费力等， 并且所选刀具不一定是最佳搭配。 实现了智能化数控加工中 心刀具模块化查询口 该系统主要有以下几部分组成， 分别是刀具查询、 账号管理、 仓 库管理、系统维护。 该系统的核心是刀具查询， 查询采用结构化的查询语言。 查询中可以 根据加工长度、 加工直径、 加上类型进行分类查询 一定的智能化。 在刀具 ， 具有 关键词: 加工中心，自 动换刀系统，刀具管理系统，模块化刀具 ds i gn of mc t ool - e xc hang e mani p ul a t or and t ool manage me nt s ys t e m abs tract b a s e d o n f o r e i g n h o r i z o n t a l , v e rt i c a l m a c h i n i n g c e n t e r m a n i p u l a t o r s r e s e a r c h a t f i r s t , a n a l y s i s t h e p r o c e d u r e o f t h e t o o l s e x c h a n g e . c o m p a r i n g t h e i r c h a r a c t e r s a n d s u m m a r i z e , p u t f o r w a r d m y o w n i d e a s o n t h e p r o c e s s d ir e c t i o n o f m a c h i n i n g c e n t e r m a n ip u la t o r . b a s e d o n t h i s , c o m p a r e d t o m y o w n p l a n , m a k e d e t a i l e d d e s i g n . t h e m a i n p u r p o s e o f d e s i g n i n g m a c h i n in g c e n t e r m a n i p u l a t o r i s f o r m a c h i n i n g c e n t e r s t o o l - e x c h a n g e d e p a rt m e n t . t h e a i m i s t o r e d u c e t h e q u a n t i t y o f e x c h a n g i n g t o o l , t o s i m p l i f y t h e m e c h a n i s m , l i f t t h e m a c h i n i n g c e n t e r m a n i p u l a t o r s r e l i a b l e a n d m o d i f i a b l e . f o r t h i s , w e i m p r o v e t h e t r a d it i o n a l c a n n o n t o o l - h o l d e r , t h is m a k e t h e q u a n t it y o f m a c h i n i n g c e n t e r m a n ip u l a t o r s m o v e m e n t o f t a k e a n d g o t o o l fr o m m a g a z i n e r e d u c e . t h e m a c h i n i n g c e n t e r m a n ip u la t o r is m a d e b y a h o r i z o n t a l o i l p u m p , a s p i n o i l p u m p , a v e rt ic a l o i l p u m p , a p i s t o n a n d a a x i a l t r o u g h . i t c o u l d a c c o m p l i s h t h e m o v e m e n t h o r i z o n t a l m o v e m e n t , p e r p e n d i c u l a r m o v e m e n t , r e v o l v i n g . a l l t h e m o v e m e n t c o u r s e a n d s e q u e n c e a r e c o n t r o l l e d b y t h e w a y o f o i l . r e l y o n t h e p o s it i o n o f s o m e i n , o u t o i l w a y a n d t h e d i ff e r e n c e o f t i me t o r e a l i z e t h e mo v e me n t . a t p r e s e n t , g e n e r a l l y t h e m a c h i n i n g c e n t e r w i d e l y u s e a s s e m b l e t o o l s y s t e m . t h i s s y s t e m h a s a c h a r a c t e r o f g e n e r a l u s a g e , s h o rt a g e o f w a r e h o u s e q u a n t i t y , w i d e m a c h in i n g r a n g e . b u t i t s s h o rt a g e i s c h o o s i n g t o o l d iff i c u lt l y . t h i s i s a g e n e r a l p r o b l e m f o r m o s t e n t e r p r is e . f o r t h is c o n d i t i o n , w e d e s i g n a s o f t w a r e o f t o o l m a n a g e m e n t s y s t e m . we e x p lo d e r t h e i n t e l l i g e n t m a n a g e m e n t s y s t e m o f m a c h i n i n g c e n t e r t o o l a i m e d a t m a c h i n i n g c e n t e r m o d u la r i z a t i o n t o o l . t h i s s y s t e m c a n d e a l w i t h t h e u s e r s i n f o r m a t i o n i n t i m e , s u it a b l e c o n d i t i o n t o o l c a n b e d i s p l a y e d b e f o r e t h e u s e r f o r u s e r t o s e l e c t fr o m . i t m a i n ly r e s o lv e t h e s h o rt c o m i n g o f m a n u a l c h o o s in g a n d m a t c h i n g t o o ls , f o r e x a m p l e ; t i m e t a k i n g , h a r d s l e d d i n g a n d i r r e l e v a n t c h o o s i n g . i n t h i s w a y i t r e a l i z e in t e l l i g e n t q u e ry o f t h e m a c h in i n g c e n t e r t o o l . t h i s s y s t e m t h e r e a r e t o o l q u e ry , i sma i m y a c c o u n t m a d e u p o f t h e s e p o r t i o n a s a c c o r d i n g , m a n a g e m e n t , w a r e h o u s e m a n a g e m e n t , s y s t e m m a i n t a i n . t h e m a i n a i m o f t h i s s y s t e m i s t o o l q u e ry. t h e q u e r y u s e t h e s t r u c t u r e q u e r y l a n g u a g e . i n t h e t o o l q u e r y , y o u c a n d o d i f f e r e n t q u e r y a c c o r d i n g t o m a c h i n i n g l e n g t h , m a c h i n i n g d i a m e t e r a n d m a c h i n i n g t y p e . t h i s s y s t e m h a s s o m e k i n d o f i n t e l l i g e n t . k e y wo r d s : mc , a t c， t o o l m a n a g e m e n t s y s t e m , a s s e m b l e t o o l 皿 第一章绪论 1 . 1引言 机械工业是向国民经济各部门 提供装备的部门， 是现代经济的支柱产业。 世 界上工业发达国家都是机械工业强国， 而且都是机电设备出口大国， 这绝不是偶 然的。 计算机数控化己 成为当今机床行业技术进步的大趋势， 是现代先进制造技 术的基础和核心。 数控机床是国防尖端工业不可缺少的战略物资， 国防工业中复 杂、 高精度零件加工 ( 如飞机发动机叶片、导弹尾喷管、 导航系统反射镜等)比 例大， 一些曲面按照特定理论函数设计， 必须用多轴联动、 高速高精度的数控机 床加工， 故高性能数控机床属于战略物资。 因此发展我们自己的高级数控机床具 有超越一般市场价值的战略意义。 1 . 2课砚的提出 刀库和机械手， 是加工中心稳定可靠运行的关键功能部件。 它的快速、 准确 的换刀程序是影响加工中心发挥高效、 可靠的加工性能的重要因素。 有资料显示， 刀库和机械手的故障率约占整机故障率的2 5 % 0 刀库中的刀具与主轴上的刀具交换的动作的多少及机构的复杂程度直接影 响a n的工作效率， 可靠性和可维护性。 许多加工中心的a t c 部分结构复杂， 换 刀动作多， 机械手换刀的准备时间长。 当主轴上的刀具工作时间很短时，由于机 械手的换刀准备时间长， 主轴在换刀点需要等待一段时间， 影响加工中心的效率。 又由于换刀的动作多， 机构复杂， 可靠性降低。当出现故障时， 维护困 难。 我希 望通过对十几种加工中心换刀过程的分析和研究， 在导师的指导下， 针对几种加 工中心的a t c 作一些改进设计， 使得换刀动作减少， 机构简化。 提高它的可靠性、 稳定性和可维护性， 2 1 世纪是知识经济时代，管理者必须运用科学的管理手段进行企业经营. 运用信息化管理手段进行科学管理， 方能在激烈的竞争中取胜。 如何采用先进的 管理模式， 很大程度卜 都必须借助于计算机来完成。目 前， 机械企业的 计算机管 理水平还很低， 相比其他许多行业仅是处在刚开始使用的阶段。随着技术发展， 计算机的普及， 计算机操作及管理的日 趋简化， 市场竞争加剧变化。 因此企业采 用计算机管理变成了 必然趋势。 这里我们开发其中的一小部分 刀具管理系 统。 第二章 加工中心换刀机械手的设计 2 . 1加工中心的概述 加工中心是备有刀库，并能自 动更换刀具，对工件进行多工序加工的c n c 机床。如图2 - 1 所示 换刀 机械手( a t c ) 刀 库( m a g a z i n e ) 主轴 ( s p i n d le 交 换工 作台 ( a p c ) 台 ( t a b l e ) 图2 - 1 日 本 软 野 公司m a k i n g - 1 2 1 0 卧 式 加工 中 心 ( m c ) f i g 2 - 1 j a p a n e s e m a k i n g - 1 2 1 0 h o r i z o n t a l mc 工件经一次装夹后， 计算机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。 加工中心由 于工序的集中 和自 动换刀， 减少了 工件的 装、 夹、 测量和机床调 整等时间， 使机床的切削时间达到机床开动时间的8 0 % 左右( 普通机床仅为1 5 - 2 0 %) ;同时也减少了工序之间的工件周转、 搬运和存放时间， 缩短了生产周期， 具有明显的经济效果。 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。 第一台 加工中 心是1 9 5 8 年由 美国卡尼一 特雷克公司首先研制成功的。 它在数 控卧式锉铣床的基础上增加了自 动换刀装置， 从而实现了 工件一次装夹后即可进 行铣削、 钻削、铿削、 铰削和攻丝等多种工序的 集中加工。 二十世纪7 0 年代以 来，加工中心得到迅速发展，出 现了 可换主轴箱加工中 心， 它备有多个可以自 动更换的装有刀具的多轴主轴箱， 能对工件同时进行多孔 加工。 这种多工序集中 加工的形式也扩展到了 其他类型数控机床， 例如车削中 心， 它是在数控车床上配置多个自 动换刀装置，能控制三个以上的坐标，除车削外， 主轴可以停转或分度， 而由 刀具旋转进行铣削、 钻削、 铰孔和攻丝等工序， 适于 加工复杂的旋转体零件。 加工中心按主轴的布置方式分为立式和卧式两类。 卧式加工中心一般具有分 度转台或数控转台， 可加工工件的各个侧面; 也可作多个坐标的联合运动， 以 便 加工复杂的空间曲面。 立式加工中心一般不带转台， 仅作顶面加工。 此外， 还有 带立、 卧两个主轴的复合式加工中心， 和主轴能调整成卧轴或立轴的立卧可调式 加工中心，它们能对工件进行五个面的加工。 加工中心的自 动换刀装置 ( a t c )由存放刀具的刀库和换刀机构组成。 刀库种类很多，如图2 - 2 所示，常见的有盘式和链式两类。链式刀库存放刀 具的容量较大。 加工中心的刀库容量对同，一 种规格的机床，通常都设2 - 3 种不同容量刀库， 例如卧式加工中心刀库容量有3 0 , 6 0 , 9 0 , 1 2 0 等，立式加工中心有 1 6 , 2 4 , 3 2 把容量的刀库。 刀库的容量可以根据被加工工件的工艺分 图2 - 2 加工中 心刀库的基本类型 a )转塔式b ) 链式。 ) 盘式 f i g 2 - 2 mc ma g a z i n e b a s i c t y p e 析结果来确定所需数量，通常以需要一个零件 在一次装夹中所需刀具数来确定刀库的容量， 因为换另一零件加工时，需要重新安排刀具， 否则刀具管理复杂并容易出错。 从统计数据来看立式加工中心选用2 0 把刀 左右的刀库， 卧式加工中心则选用4 0 把刀左右 的刀库为宜。 用于柔性制造单元( f m c ) 或柔性制 造系统( f m s ) 的加工中心机床， 其刀库容量应选 大容量刀库，甚至配置可交换刀库。 换刀机构在机床主轴与刀库之间交换刀 具，常见的为机械手;也有不带机械手而由 主 轴直接与刀库交换刀具的， 称无臂式换刀装置。 机械手主要分成直抓式、旋转式两类。 为了进一步缩短非切削时间，有的加工中心配有两个自 动交换工件的托盘 ( a p c ) 。一个装着工件在工作台上加工.另一个则在工作台外装卸工件。机床完 成加工循环后自 动交换托盘，使装卸工件与切削加工的时间相重合。 2 . 2加工中心的刀具 这种多工序集中加工的形式也扩展到了其他类型数控机床，例如车削中心， 它是在数控车床上配置多个自动换刀装置，能控制三个以上的坐标，除车削外， 主轴可以停转或分度，而由刀具旋转进行铣削、钻削、铰孔和攻丝等工序，适于 加工复杂的旋转体零件。 加工中心按主轴的布置方式分为立式和卧式两类。卧式加工中心一般具有分 度转台或数控转台，可加工工件的各个侧面；也可作多个坐标的联合运动，以便 加工复杂的空间曲面。立式加工中心一般不带转台，仅作顶面加工。此外，还有 带立、卧两个主轴的复合式加工中心，和主轴能调整成卧轴或立轴的立卧可调式 加工中心，它们能对工件进行五个面的加工。 加工中心的自动换刀装置( a t c ) 由存放刀具的刀库和换刀机构组成。 刀库种类很多，如图2 - 2 所示，常见的有盘式和链式两类。链式刀库存放刀 具的容量较大。 加工中心的刀库容量对同一种规格的机床，通常都设2 - 3 种不同容量刀库， 例如卧式加工中心刀库容量有3 0 、6 0 、9 0 、1 2 0 等，立式加工中心有1 6 、2 4 、 3 2 把容量的刀库。 3 i 。，擎 0 口 乎学申 口1 图2 2 加工中。刀库的基本类型 a ) 转塔式b ) 链式c ) 盘式 f i g2 - 2m cm a g a z i n eb a s i ct y p e 刀库的容量可以根据被加工工件的工艺分 析结果来确定所需数量，通常以需要一个零件 在一次装夹中所需刀具数来确定刀库的容量， 因为换另一零件加工时，需要重新安排刀具， 否则刀具管理复杂并容易出错。 从统计数据来看立式加工中心选用2 0 把刀 左右的刀库，卧式加工中心则选用4 0 把刀左右 的刀库为宜。用于柔性制造单元( f m c ) 或柔性制 造系统( f m s ) 的加工中心机床，其刀库容量应选 大容量刀库，甚至配置可交换刀库。 换刀机构在机床主轴与刀库之间交换刀 具，常见的为机械手；也有不带机械手而由主 轴直接与刀库交换刀具的，称无臂式换刀装置。 机械手主要分成直抓式、旋转式两类。 为了进一步缩短非切削时间，有的加工中心配有两个自动交换工件的托盘 ( a p c ) 。一个装着工件在工作台上加工。另一个则在工作台外装卸工件。机床完 成加工循环后自动交换托盘，使装卸工件与切削加工的时间相重合。 2 2 加工中心的刀具 加工中心所用的刀具是由通用刀具( 又称工作头或刀头) 和与加工中心主轴 前端锥孔配套的刀柄等组成。 在加工中心机床上，各种刀具分别装在刀库中，按程序的规定进行自动换刀。 因此必须采用标准刀柄，以便使钻、镗、扩、铣削等工序用的刀具能迅速、准确 地装到机床主轴上。 加工中心机床所用的刀具必须适应加工中心高速、高效和自动化程度高的特 点，其刀柄部分要联接通用刀具并装在机床主轴上，由于加工中心类型不同，其 刀柄柄部的型式及尺寸不尽相同。 j t ( i s 0 7 3 8 8 ) 表示加工中心机床用的锥柄柄部( 带有机械手夹持槽) ，其 后面的数字为相应的i s 0 锥度号，如5 0 、4 5 、和4 0 分别代表大端直径为6 9 8 5 、 5 7 1 5 和4 4 4 5 毫米的7 ：2 4 锥度。 s t ( 1 s 0 2 9 7 ) 表示一般数控机床用的锥柄柄部( 没有机械手夹持槽) ，数字 意义与j t 类相同。 b t ( m a s 4 0 3 ) 表示用于日本标准m a s 4 0 3 的带有机械手夹持槽联接。 加工中心刀具的刀柄分为整体式工具系统和模块式工具系统两大类。 模块式工具系统由于其定位精度高，装卸方便，连接刚性好，具有良好的抗 振性，是目前用得较多的一种型式，它由刀柄、中间接杆以及工作头组成。它具 有单圆柱定心，轴向销钉锁紧的联接特点，它的一部分为孔，而另一部分为轴， 两者之间进行插入连接，构成一个刚性刀柄，一端和机床主轴连接，另一端安装 上各种可转位刀具便构成一个工具系统。如图2 3 所示 图2 - 3模块式工具系统的装配 f i g2 - 3a s s e m b l ep a r t so f t o o ls y s t e m 根据加工中一t l , 类型，可以选择莫氏及公制锥柄。中间接杆有等径和变径两类， 根据不同的内外径及长度将刀柄和工作头模块相联接。工作头有可转位刀片、粗 镗刀、精镗刀、扩孔钻、立铣刀、面铣刀、弹簧夹头、丝锥夹头、莫氏锥孔按杆、 圆柱柄刀具接杆等多种类型。 刀库和机械手，是加工中心稳定可靠运行的关键功能部件。它的快速、准确 的换刀程序是影响加工中心发挥高效、可靠的加工性能的重要因素。有资料显示， 刀库和机械手的故障率约占整机故障率的2 5 。 2 3 换刀过程的动作分析 2 3 1 无臂式换刀装置 加工中心按主轴的布置方式分为立式和卧式两类。立式加工中心常见的主 要为立柱式和横梁式( 龙门式) 。在立柱式加工中心上，受机床结构的限制，主 轴、刀库一般都固定在立柱上。刀库在机床的侧面。龙门式加工中心的横梁由两 个立柱支撑，机床的刚性较立柱式加工中心好，主轴在横梁上固定，刀库固定在 机床的侧面。下面我们讨论无臂式换刀装置 2 3 1 1 台湾d a h l l h _ c v 一6 1 0 数控加工中心 下面以台湾的d a i t l i i tm c v 一6 l o 来说明无臂式换刀装置的换刀过程。该机 刁 p o s l 刚卡 主轴 图2 4d a h l i hm c v - - 6 1 0 数控加工中心刀库示意图 f i g2 - 4d a h l i h m c v 一6 1 0m cm a s a z i n ed i a g r a m m a t i cs b t c h 刀库和机械手， 是加工中心稳定可靠运行的关键功能部件。 它的快速、 准确 的换刀程序是影响加工中心发挥高效、 可靠的加工性能的重要因素。 有资料显示， 刀库和机械手的故障率约占整机故障率的2 5 9 6 0 2 . 3换刀过程的动作分析 2 . 3 . 1 无臂式换刀装置 加工中心按主轴的布置方式分为立式和卧式两类。立式加工中心常见的主 要为立柱式和横梁式 龙门式) 。在立柱式加工中心上，受机床结构的限制，主 轴、 刀库一般都固定在立柱上。 刀库在机床的侧面。 龙门式加工中心的横梁由 两 个立柱支撑， 机床的刚性较立柱式加工中心好， 主轴在横梁上固定， 刀库固定在 机床的侧面。下面我们讨论无臂式换刀装置 2 . 3 . 1 . 1 台湾d a h l i h m c v -6 1 0 数控加工中心 下面以台湾的 d a h l i h m c v -6 1 0来说明 无臂式换刀装置的换刀过程。该机 p o s t p o s l 主轴 弹性刚卡 图2 - 4 d a h uh mc v -6 1 0 数控加工中心刀 库示惫图 f i g 2 4 d a h l .ii 3 mc v一 6 1 0 m c m a g a z i ne d i a g r a m m a t i c s k e t c h 床为 立式( 立柱) 加工中 心， 无 换刀机 械手， 它的 换刀过 程主 要由 刀 库的 运动来 完成。刀柄为b t 4 0 ，刀库容量为1 2 把。 它的刀具一般比较小，主要适合于小型 零件的加工，工作效率低。图2 - 4 ，为d a h l i h m c v -6 1 0数控加工中心刀库示 意图， 刀柄在刀库的定位， 主要由刀柄的v 型槽、 键槽， 刀柄在刀库的固定由弹 1胜刚卡来完成。此结构简单。 图2 - 5 为d a h l i h m c v - 6 1 0数控加工中心换刀流程图， 图中的p o s t 为 机床 的换刀点，p o s t 为刀库的基点。当主轴在g 0 0 指令快速移动到p o s t 时，机床执 p o s 2点 刀库向右， 抓刀 1 刀 序 向 左 复 位 至 p o s 2 、 、 ， ，. ， 、， 、， 、 、， 刀库向上 装刀 刀库向下 拔 刀 、 主抽快速移 至p o s l 并 圆周定位 偏卜一3 - 一 一 一 刀库旋转 换刀 图2 - 5 d a h l i h mc v -6 1 0数控加工中心换刀流程图 f i g 2 - 5 d a i i l i h mc v -6 1 0 mc t o o l e x c h a n g e fl o w c k e t c h 行 m 0 6指令，主轴圆周定位，刀库移动将主轴上的刀具装进刀库，刀库旋转， 准备下一把加工刀具，然后将刀具装到主轴上。进行下一段程序的加工。 d a h l i h m c v -6 1 0数控加工中心的特点: ( 1 )换刀时间长 机床为小型加工中心，刀库为盘式刀库，刀柄为b t 4 0 ，受机床尺寸的限制， 刀库的刀具容量比较小。 换刀过程中， 刀库需要进行移动和旋转， 因此重量不能 过重。运动速度不能很高，换刀时间长。 ( 2 )主轴换刀的时间与刀库的辅助工艺时间不相重合 刀库结构简单，换刀的动作数量小。换刀过程中，主轴换刀的时间与刀库准 备下一把刀换刀的辅助工艺时间不相重合，主轴等待时间长，工作效率低。 ( 3 ) 缺少安全保护装置 刀库没有防碰撞保护装置。换刀时由于误操作，使得刀库的换刀位上存在刀 具， 刀库将与主轴相撞。 导致严重事故发生。 为了保护主轴， 刀库的强度相对主 轴要比较低。 2 . 3 . 1 . 2日本m a z a k v q c - 2 0 / 5 0 b 加2中心 下面以日本m a z a k v q c - 2 0 / 5 0 b 加工中心来说明 无臂式换刀装置的换刀过程。 该机床为龙门式加下中心， 无换刀机械手， 它的换刀过程主要由主轴的 运动来完 成。刀柄为b t 5 0 ，刀库容量为 1 6 把。 图2 - 6 ，为m a z a k v q c - 2 0 / 5 0 8 型加工中心刀座示意图， 刀柄在刀库的定位， 主要由刀柄的v 型槽、 键槽， 刀柄在刀库的固定由 两个钢珠来完成。 此结构很容 易实现主轴到刀库换刀也方便手动刀库取刀。 尸 a 图2 - 6 m a z a k v q c - 2 0 / 5 0 b型加工中心刀座示意图 f i g 2 - 6 m a z a k v q c - 2 0 / 5 0 b mc t o o l - h o l d e r d i a g r a m m a t i c s k e t c h 图2 - 7 为m a z a k v q c - 2 0 / 5 0 型加工中心换刀原理示意图， 图中的p o s l 为机床 的换刀点，p o s t 为机床的第二换刀点。 m a z a k v q c - 2 0 / 5 0型加工中心的换刀过程比 较简单，当主轴在g 0 0 指令快速 主轴刀库换刀流程图 刀库旋转 p o s t 复位 向下 御刀 5 抓刀 图2 - 7 m a z a k v q c -2 0 / 5 0 型 加 工 中 心 换 刀 原 理 图 内 f i g 2 - 7 m a z a k v q c - 2 0 / 5 0 m c t o o l e x c h a n g e p ri c i n p l e s k e c h ( a ) 移动到第一换刀点p o s l 时，机床执行m 0 6指令，主轴圆周定位，主轴首先将主 轴上的刀具装进刀库， 刀库旋转， 准备下一把加工刀具， 然后主轴将刀具由刀库 取出，回到p o s l 点。进行下一段程序的加工。 m a z a k v q c - 2 0 / 5 0 型加工中心特点: ( 1 )主轴换刀的时间与刀库的辅助工艺时间不相重合 p o s t 一. 主轴 图2 - 7 m a z a k v q c - 2 0 /5 0 型 加工中 心 换刀 原理图 ( b ) f i g 2 - 7 m a z a k v q c - 2 0 / 5 0 m c t o o l e x c h a n g e p r i c i n p l e s k e c h ( b ) 刀库结构简单，换刀的动作主要由主轴的移动来完成。换刀的动作数量小。 换刀过程中， 刀库旋转， 主轴等待， 辅助工艺时间长。 主轴换刀的时间与刀库准 备下一把刀换刀的辅助工艺时间不相重合， 主轴等待时间长， 换刀效率低效率低。 ( 2 )安全保护装置严格 换刀时存在不安全隐患。如装换刀时，刀座内不为空，则主轴与刀库相撞， 发生严重事故。因此，需要有安全保护装置。 2 . 3 . 2直抓式机械手 无臂式换刀装置无法 解决主轴换刀的时间与刀 库的辅助工艺时间不相重 合的问题，此类机床的换 刀时间比较长，机床的效 率低，因此，目前的许多 加工中心普遍己采用机械 手来实现换刀。以解决主 轴换刀的时间与刀库的辅 助工艺时间不相重合的问 题。机械手根据主轴抓刀 的动作不同，一般可分为 直抓式和旋转式。直抓式 令令 v型槽 嫂月一 图2 - 8 刀 座简图 f i g 2 - 8 t o o l h o l d e r s k e t c h ( a ) 图 2 - 8 刀座简图( b ) f i g 2 - 8 t o o l h o l d e r s k e t c h ( b ) 机械手在主轴抓刀时采用直线进给，旋转式机械手在主轴抓刀时采用旋转抓刀。 机械手的主要作用是完成刀具由刀库到主轴的交换，它一般是在主轴工作 时， 由 机械手将主轴上卸下的刀具装回到刀库的刀座中， 又将程序中将要使用的 刀具由刀库中取出以备与主轴上的刀具交换使用。 刀具在刀库中的定位、固定， 传统是使用炮筒式结构。 如图2 - 8 ( b ) 所示， 刀具的刀柄定位在刀座的锥孔内，由刀座内的 2个弹簧将钢珠与刀柄的拉钉压 紧，来实现对刀具的固定和锁紧 。 也有其他的结构。如图2 - 8 ( a )所示。 它是 由刀座的外凸v 型槽定位在刀具的机械手夹持槽中，刀座内钢珠将刀具锁紧。 一般来说，刀座的结构不同机械手的形式不同，机械手在刀库的取刀、装 刀的动作也不同。下面我们主要介绍刀座为传统炮简式结构的机械手的换刀过 程。 2 . 3 . 2 . 1台湾高明精机 k 11 - 3 0 0 0 s d 龙门式加工中心 台湾高明精机k m - 3 0 0 0 s d 龙门式加工中心是比较大的立式加工中心，它的刀 具的刀柄为b t 5 0 ， 刀库的刀具容量为3 0 把， 刀库采用链式结构， 刀库的刀座采用 传统的炮筒式结构。 这种结构对应的换刀过程可以归纳为如图 2 - 9所示的过程。 从中我们可以 看到它的换刀过程可分为机械手刀库取刀( a ) 、 机械手换刀( b ) 、 机械手刀库装刀 ( c )三个部分。 机械手刀库取刀 a )机械手换刀 h ) ( 换刀 机桩手旋转 ( 换刀 向右 机械手刀库装刀 ( c ) 图2 - 9 台湾高明 精机k m - 3 0 0 0 s d 龙门 式加工中心换刀过程示意图 f i g 2 - 9 t a i w a n g a o m i n g k m - 3 0 0 0 s d m c t o o l e x c h a n g e p r o c e s s s k e t c h 机械手刀库取刀 ( a ):主轴工作时，机械手将程序中所使用的下一把刀从 刀库中去出，作好换刀准备。它共需要4 个动作 ( 1 - 2 - 3 - 4 )。 机械手换刀 ( b ):当需要换刀时，主轴回到换刀点，圆周定位。 机械手抓 刀、拔刀。在拔刀时，被拉紧的刀具拉钉松开，主轴孔内吹气。机械手旋转1 8 0 ”( 换刀)， 机械手装刀， 刀具的拉钉被拉紧。 机械手复位。防止机械手与主轴 干涉。 它共需要5 个动作 ( 5 - 6 - 7 - 8 - 9 ) 机械手刀库装刀 ( c ):在主轴工作时， 机械手将刀具装到刀库中。刀库旋 转准备下 一把加工j j 具。它共需要4 个动作 ( 1 0 - 1 1 - 1 2 - 1 3 )。 台湾高明精机k m - 3 0 d o s d 龙门式加工中心特点: ( 1 )主轴换刀的时间与刀库的辅助工艺时间相重合 刀库结构简单，换刀的动作主要由直抓式机械手移动、旋转来完成。机械手 的换刀动作数量多。 机械手在刀库取刀、 装刀时， 主轴不需要等待， 无辅助工艺 时间。 主轴换刀的时间与刀库准备下一把刀换刀的辅助工艺时间相重合换刀效率 高。 ( 2 )机械手的动作冗余度大 机械手换刀 ( b )的5 个动作 ( 5 - 6 - 7 - 8 - 9 )是不可少的，而其余的8 个动作 仅仅是为了完成机械手到刀库的装刀、 取刀。 机械手从刀库取刀、 装刀的动作太 多，机构复杂，时间长。 ( 3 )机械手的可靠性、稳定性、可维护性低 由于机械手从刀库取刀、 装刀的动作太多， 机构复杂。 在机加工过程中， 换 刀频繁。如加工一个零件需要1 0 把刀，机械手的刀库取刀、装刀的动作多达8 0 次。一旦出现故障排除困难。维护的周期长。影响机床的效率。 2 . 3 . 2 . 2日 本牧野公司m a k i n o 1 2 1 0 a 卧式加工中心 日 本牧野公司的m a k i n o l 2 l o a 是比 较大的卧式加工中心，它的刀具的刀柄 为b t 5 0 ， 刀库的刀具容量为6 0 把， 刀库采用盘式结构， 刀库的刀座采用传统的 炮筒式结构。机械手采用直抓式结构。 盘式刀库处于机床主轴的侧面，刀库的刀具与主轴上的刀具交换，完全由直 抓式机械手来完成。 机械手运动的路线比 较长。 换刀的示意图如图2 - 1 0 所示。 导轨机械手 1行下卜又一轴 叨丫十夫主 滑板 / 川几 图2 - 1 0日 本教野公司ma k i n o 1 2 1 0 a外式加工中心换刀示意图 f i g 2 - 1 0 j a n p a n e s e m a k i n o 1 2 1 0 a h o r i z o n t a l mc t o o l e x c h a n g e s k e t c h 在图2 - 1 0 中，p 1 点为机械手刀库取刀点， p 2 为机械手主轴换刀点。假设， 主轴上的刀具为t o 1 , 程序中的下一把刀具为t 0 2 , t 0 2 加工完成后，由t 0 3 进 行加工。 刀库取刀:当主轴加工时， 刀库旋转， t 0 2 所在的 滑板由 刀库上移。 机械手 完成取刀， 它共需要5 个动作。当 机械手完成由刀 座上取t 0 2 刀具后， t 0 2 所在 的滑板回到刀库， 刀库旋转， t o i 所在的滑板上移。 以备t o i 重新装回。 如图2 - 1 1 ( a ) o 主轴换刀:当主轴完成加工时，主轴快速移动到换刀点，并圆周定位。机械 手完成主轴取t o i 刀及t 0 1 与t 0 2 的换刀过程。它共需要5 个动作。如图2 - 1 1 c a ) o 刀库取刀: 左移抓刀左移至 p 3 点 主轴换刀: 左移至p 3 点 等待 右移至 p 2 ，抓 刀 外伸拔 刀 t o i 右移返回 p 3点 刀库装刀: 当主轴加工时， 所在的滑板下移，回到刀库中 旋转 1 8 0 0 , t o i 与 t 0 2交换 图 2 - 1 1 ( a) f i g 2 - 1 1 ( a ) 机械手将t 0 1 装 回t 0 1 所在的刀座中。 然后t 0 1 ，刀库旋转，t 0 3 所在的滑板上移，机械手完成刀 库抓刀过程。如图2 - 1 1 ( b ) . 刀库装刀: 以上两个机床的换刀过程有一个共同的 特 点:所有的换刀过程由机械手完成。而其中与 主轴换刀有关的，仅仅只有5 个动作。为了完 成换刀过程， 机械手其他的动作多达1 3 个之多。 机械手的动作过多，带来的后果是机构复杂， 维护困 难。日 本牧野公司在新生产m a k i n g 1 2 1 0 b 卧式加工中心对刀库进行了重大改进。 将 刀座改为活动式， 机械手在一个位置固定不动。 其换刀示意图 如图2 - 1 2 所示。 刀座可以离开滑板，在导杆的推动作用下， 右移返回p 3 点 左移t o i 至p i 点 图 2 - 1 1 ( b) f i g 2 - 1 1 ( b ) 可 在p 1 点到p 2 点 之间 移动。 机械手由直抓式改为旋转式。 刀具从刀库移动到换刀点的轨道， 也从机床的中部 上移到机床的顶部。 图2 - 1 3 为日本牧野公司m a k i n o 1 2 1 0 b 卧式加工中心换刀过 程示意图。 2 . 3 . 2 . 3日本较野公司 m a k i n o 1 2 1 0 b卧式加1中心 下面我将m a k i n g 1 2 1 0 b 卧式加工中心换刀过 程的流程图 介绍一下。一般来 图2 - 1 2日 本牡歼公司m a k ing 1 2 1 0 b卧式 加工中心 换刀示愈图 f i g 2 - 1 2 j a n p a n e s e ma k ing 1 2 1 0 b h o r i z o n t a l mc t o o l e x c h a n g e s k e t c h 旋转抓刀 返回刀库: 刀库取刀: 右移至p 22 主轴换刀: 复位 . 卜一一 5 手臂 下压 装刀 外伸 拔 刀 旋转 1 8 0 , ，换刀 图2 - 1 3日 本收野公司m a k i n g 1 2 1 0 b卧式加工中心换刀过程示意图 f i g 2 - 1 3 j a n p a n e s e m a k i n g 1 2 1 0 b h o r iz o n t a l m c t o o l e x c h a n g e p r o c e s s s k e t c h 说， 一个完整的 换刀的 过程需要3 把刀具。 我假设， 主轴上的刀具为t 0 1 ， 加工 的下两把刀具分别为t 0 2 , t 0 3 a 图2 - 1 4 为m a k i n g - 1 2 1 0 b 卧式 加工中心中采用的导杆机构， 它相 当于另一个机械手将活动刀座由刀 库移至换刀点。大大简化了老式加 工中心中机械手的工作量， 保证了 机构的稳定性， 更简化了换刀步骤， 提高了生产效率。 图2 - 1 5 所示为m a k i n o - 1 2 1 0 b 卧式加工中 心采用的可移动刀座， 这又是对 一 毋 一 万 a- a 导轨 轨 卜 恤尸繁 m国 中 巨二 刁 才州 1 牛义石 艳 纽 些 全口二 i r 一l门 尸件 一 厂 一、 一 、 ! 干、 ) 。 一一 不 图2 - 1 5 m a k i n o - 1 2 1 0 b 臣 卜 式加工中心可移动刀座结构示意图 f i g 2 - 1 5 m a k i n o - 1 2 1 0 b h o r i z o n t a l m c m o v a b l e t o o l h o l d e r s t r u c t u r e s k e t c h 老式加工中心做出的另一个突破， 可移动刀座的出现使得机械手的工作量大大减 少， 给旋转机械手的出现提供了可能性， 而且活动刀座和导杆机构的搭配使得换 刀动作很大的削减， 从而使加工中心的效率大大提高了， 而且整个机构的安全可 靠性也提高了， 可以说， 此种换刀机构代表着 目 前较高的水平， 也是以后盘式刀 库换刀发展的方向和重点。 日 本牧野公司m a k i n o 1 2 1 0 b 卧式加工中心流程图如图2 - 1 6 所示。 2 . 3 . 2 . 4两种牧野加工中心对比讨论 与 “ 老牧野”相比， “ 新牧野”对刀座进行了较大的改进。新机床将刀座