XK713数控立式升降台铣床自动换刀装置

1、 本科毕业论文本科毕业论文( (设计设计) ) 论文题目：光机电一体化在数控机床中的应用 学生姓名： 伍文明 学 号： 专 业： 光机电一体化工程 班 级： 07-2031 指导教师： 吴新跃 余丽 完成日期： 2011 年 3 月 21 日 目目 录录 摘 要 I Abstract II 第一章 绪论.1 1.1数控机床知识.1 1.2数控铣床的分类.2 1.2.1立式数控铣床.2 1.2.2卧式数控铣床.2 1.2.3立、卧式两用数控铣床.3 1.3数控铣床的结构特征.3 1.3.1数控铣床的主轴特征.3 1.3.2控制机床运动的坐标特征.4 1.4数控铣床的主要功能及加工对象.4 1.4

2、.1数控铣床的功能.4 1.4.2自动换刀装置（ATC）及其形式.4 1.4.3自动换刀装置应当满足的基本要求.7 第二章 总体方案的确定.7 2.1XK713 立式数控床身铣床及其主要参数.7 2.1.1其主要结构特点.8 2.1.2其主要规格及技术参数.9 2.2初定其自动换刀装置的设计参数.10 2.3确定其自动换刀装置的形式.11 第三章 刀库的设计形式.12 3.1确定刀库容量.12 3.2确定刀库形式.13 3.3刀库结构设计.13 3.4初估刀库驱动转矩及选定电机.15 3.5刀库转位机构的设计.16 3.6确定刀具的选择方式.16 第四章 刀具交换装置的设计形式.18 4.1确

3、定换刀机械手形式.18 4.2换刀机械手的工作原理.21 4.3机械手的自动换刀过程的动作顺序.21 4.4机械手回转轴 4 上的齿轮齿条设计.23 4.5自动换刀装置的相关技术要求.24 4.5.1主轴准停装置.24 4.5.2换刀机械手的安装与调试.24 4.6自动换刀程序的编制.25 第五章 自动换刀装置的控制原理.27 5.1自动换刀装置的液压系统原理图.27 5.2自动换刀装置换刀动作的顺序控制过程.28 致 谢.29 参考文献.31 摘摘 要要 本论文介绍的是 XK713 立式数控床身铣床自动换刀装置（刀库式）的设计形式.刀 库式的自动换刀装置是由刀库和刀具交换装置（换刀机械手）组

4、成。它是多工序数控 机床上应用最广泛的换刀装置，其整过换刀过程比较复杂。首先把加工过程中需要使 用的全部刀具安装在标准的刀柄上，在机床外进行尺寸预调后，按一定的方式装入刀 库。换刀时，先在刀库中进行选刀，由机械手从刀库和主轴上取出刀具，然后交换位 置，把新刀插入主轴，旧刀放回刀库。存放刀具的刀库具有较大的容量，其容量为六 把刀具,采用盘形结构,安装在机床的左侧立柱上。 刀具按预定工序的先后顺序插入刀库的刀座中，使用时按顺序转到取刀位置。用 过的刀具放回原来的刀座内，也可以按加工顺序放入下一个刀座内。该法不需要刀具 识别装置，驱动控制也比较简单，工作可靠。但刀库中每一把刀具在不同工序中不能 重复

5、使用，为了满足加工需要只有增加刀具的数量和刀库的容量，这就降低了刀具和 刀库的利用率。此外，装刀时必须十分谨慎，如果刀具不按顺序装在刀库中，将会产 生严重的后果。顺序选刀是在加工之前，将加工零件所需刀具按照工艺要求依次插入 刀库的刀套中，顺序不能有差错。加工时按顺序调刀。适合加工批量较大、工件品种 数量较少的中、小型自动换刀装置。可知数控铣床用 4 把刀就可完成大多数的铣削加 工。所以这个容量为 6 把刀的刀库，几乎不存在加工过程中需要重复利用刀具的情况， 所以刀具的选择方式确定为顺序选择刀具。 两手互相垂直的回转式单臂双手机械手的优点是换刀动作可靠，换好时间短，缺 点是刀柄精度要求高，结构复

6、杂，联机调整的相关精度要求高，机械手离加工区较近。 一般来说，这种机械手用于刀库刀座轴线与机床主轴轴线垂直，刀库为径向存取刀具 形式的自动换刀装置，因此，在 XK713 立式数控床身铣床的自动换刀装置中可采用这 种机械手形式。 关键词关键词：数控铣床；自动换刀装置；刀库；换刀机械手 ABSTRACT This thesis introduction is the design that the XK713 number controls the sign type working panel bed miller to change the knife device(the knife dat

7、abase type) automatically.The knife database type automatically change the knife device is have by the knife database and the knife to exchange device(change the knife the machine hand) to constitute.It is many work ordinal numbers to control the top of the tool machine to apply to change the knife

8、device most extensively, it is whole to lead to change the knife process more complicated.First process process in need to be use of all knifes have to install on the haft of the standard, pressing certain way to pack into the knife database after the tool machine carry on size to prepare to adjust

9、outside.Be in the knife database carry on choosing knife first while change the knife, is taken out knife to have from the knife database and the principal axis by the machine hand, then exchange position, insert the new knife into the principal axis, the old knife puts back a knife database.The kni

10、fe database that deposits knife to have has bigger capacity, its capacity has for six knifes, adopting the dish form structure, the left side that installs in the tool machine signs pillar up. The knife has to press to schedule to the work preface insert the knife of the knife database order of sequ

11、ence, usage turn to take knife position in order.The knife for using puts back the original knife inside, can also press to process sequence to put into the next knife.That method doesnt need the knife to identify device, driving a control also more simple, work credibility.But the knife database in

12、 each knife have in the different work preface and cant repeat an usage, for satisfying to process to need to only increase the capacity of the quantity and the knife database that the knife have, this utilization that lowers knife to have with the knife database.Have to be very careful while packin

13、g knife in addition, if the knife doesnt in order have to pack in the knife database, will produce serious result.Sequences choosing knife is before process, will process the knife that spare parts need to have to request to be one by one in order in the knife set of insert the knife database accord

14、ing to the craft, the sequence cant have mistake.Process adjust knife in order.Suit to process a batch quantity to compare greatly,the work piece the species quantity less of medium,small scaled the auto change the knife device.Can know the number controls miller to use 4 make the knife complete mos

15、t milling and can pare to process.So this capacity is 6 knife databases of knifes, almost the nonentity process to need to make use of the circumstance that the knife have again in the process, so the knife have of the choice method assurance for in proper order choice the knife have. Two hands are

16、mutual perpendicular of the advantage of the turn-over type single arm hands machine hand change the knife action credibility, changing good time short, the weakness is the haft accuracy to have high request, structure complications, the linking machine adjust of the related accuracy have high reque

17、st, the machine hand leaves to process area nearer.Generally speaking, this kind of machine hand useds for the knife database knife the stalk line and the tool machine principal axis stalk line perpendicular, the knife database has a form to change the knife device automatically toward the access kn

18、ife for the path, therefore can adopt this kind of machine hand form in the XK713 number control the sign bed type miller the auto change the knife the device. KEYWORDS: numerical control milling machines ；Automatic tool changer ；Tool storage ；tool changing-manipulator XK713XK713 数控立式升降台铣床自动换刀装置数控立式

19、升降台铣床自动换刀装置 第一章 绪论 1.1数控机床知识 数字控制机床是用数字代码形式的信息(程序指令)，控制刀具按给定的工 作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。 数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令； 加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批 量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。 随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、 镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、 一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。 数控机床主要由数控

20、装置、伺服机构和机床主体组成。输入数控装置的程 序指令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手 动输入。 随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系 统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高； 数控系统本身将普遍实现自动编程。 未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来 越多；激光加工等技术将应用在切削加工机床上，从而扩大多工序集中的工艺 范围；数控机床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个 柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。 1.2数控铣床的分类 1.2.1立式数

21、控铣床 立式数控铣床是数控铣床中数量最多的一种，应用范围也最为广泛。小型 数控铣床一般都采用工作台移动、升降、及主轴不动方式，与普通立式升降台 铣床相似；中型立式数控铣床一般采用纵向和横向工作台移动方式，且主轴沿 垂直溜板上下运动；大型数控立式铣床，因要考虑到扩大行程，缩小占地面积 及刚性等技术问题，往往采用龙门架移动式，其主轴可以在龙门架的横向与垂 直溜板上运动，而龙门架则沿床身作纵向运动。 从机床数控系统控制的坐标数量来看，目前 3 坐标立式数控铣床仍占大多 数。一般可进行 3 坐标联动加工，但也有部分机床只能进行 3 坐标中的任意二 个坐标联动加工。此外，还有机床主轴可以绕 X、Y、Z

22、坐标轴中其中一个或两 个轴作数控摆角运动的 4 坐标和 5 坐标立式数控铣床。一般来说，机床控制的 坐标轴越多，特别是要求联动的坐标轴越多，机床的功能、加工范围及可选择 的加工对象也越多。但随之而来的是机床的结构更复杂，对数控系统的要求更 高，编程的难度更大，设备的价格也更高。 立式数控铣床可以附加数控转盘，采用自动交换台，增加靠模装置等来扩 大立式数控铣床的功能，加工范围和加工对象，进一步提高生产效率。 1.2.2卧式数控铣床 与通用卧式铣床相同，其主轴级平行于水平面。为了扩大加工范围和扩大 功能，卧式数控铣床通常采用增加数控转盘或万能数控转盘来实现 4、5 坐标 加工，这样，不但工件侧面上

23、的连续回转轮廓可以加工出来，而且可以实现在 一次安装中，通过转盘改变工位，进行“四面加工” 。可以省去许多专用夹具 或专用角度成型铣刀。对箱体类零件或需要在一次安装中改变工位的工件来说， 选择带数控转盘的卧式铣床进行加工是非常合适的。 1.2.3立、卧式两用数控铣床 这类铣床目前正在逐渐增多，它的主轴方向可以更换，能达到在一台机床 上既可以进行立式加工，又可以进行卧式加工，其使用范围更广，功能更全， 选择加工的对象和余地更大，给用户带来了很多方便，特别是当生产批量小， 品种较多，又需要立卧两种方式加工时，用户只需买一台这样的机床就行了。 立、卧两用数控铣床的主轴方向的更换有手动与自动两种，采用

24、数控万能 主轴头的立、卧两用数控铣床，其主轴头可以任意转换方向，可以加工出与水 平面呈各种不同角度的工件表面。当立、卧两用数控铣床增加数控转盘后，就 可以实现对工件的“五面加工” 。即出除了工件与转盘贴合的定位面外，其它 表面都可以在一次安装中进行加工。因此，其加工性能非常优越。 1.3数控铣床的结构特征 1.3.1数控铣床的主轴特征 数控铣床的主轴开启与停止，主轴正反转与主轴变速等都可以按输入介质 上编入的程序自动执行。不同的机床其变速功能与范围也不同。有的采用变频 机组，固定几种转速，可自选一种编入程序，但不能在运转时改变。有的采用 变频器调整，将转速分为几档，编程时可任选一档，在运转中可

25、通过控制面板 上的旋钮，在本档范围内自由调节；有的则不分档,编程时可在整个范围内无 级调速。但是在实际操作中，调速不能有大起大落的突变，只能在允许的范围 内调高或调低，只能在允许的范围内一般都设有自动拉、退刀装置，能在数秒 内完成装刀与卸刀，换刀比较方便。此外，多坐标数控铣床的主轴可以绕 X、Y 或 Z 轴作数控摆动，扩大了主轴自身的运动范围，但是主轴结构更加复杂。 1.3.2控制机床运动的坐标特征 为了要把工件上各种复杂的形状轮廓连续加工出来，必须控制刀具沿平面 上设定的直线、圆弧或空间直线、圆弧轨迹运动，因此，要求数控铣床的伺服 拖动系统能在多坐标方向同时协调动作，并保持预定的相互关系，这

26、就要求机 床应能实现多坐标联动。数控铣床要控制的坐标数最少是 3 坐标中任意两坐标 联动。要实现连续加工直线变斜角工件，应实现四坐标联动。若要加工曲线变 斜角工件，是要求实现五坐标联动。因此，数控铣床所配置的数控系统档次， 一般都比其它数控机床相应更高一些。 1.4数控铣床的主要功能及加工对象 1.4.1数控铣床的功能 数控铣床的功能分为一般功能和特殊功能。一般功能是指各类数控铣床普 遍所具有的功能。如点位控制功能、刀具半径自动补偿功能、镜象加工功能、 固定循环功能等。特殊功能是指数控铣床在增加了某些特殊装置或附件后，分 别具有或兼备的一些特殊功能。如刀具长度补偿功能、靠模加工功能、自动变 换

27、工作台功能、自适应功能、数控采集功能等。 在使用数控铣床加工工件时，只要充分利用数控铣床的各种功能，就可以 加工许多普通铣床难加工的工件。数控铣床的主要加工对象有：平面类零件； 变斜角类零件；曲面类（立体类）零件。 1.4.2自动换刀装置（ATC）及其形式 数控机床为了进一步提高生产率，进一步压缩非切削时间，现代的机床逐 步发展为在一台机床上在一次装中完成多工序或全部工序的加工。数控机床为 了能在工件一次装夹中完成多个工步，以缩减辅助时间和减少多次安装工件引 起的误差，通常带有自动换刀系统。对工件的多工序加工而设置的存储及更换 刀具的装置称为自动换刀装置(Automatic Tool Chan

28、ger，ATC);自动换刀 （Automatic Tool Change 简称 ATC）系统由控制系统和换刀装置组成。在数 控铣床的基础上，如果再配以刀具和自动换刀系统，就构成加工中心 （Machining center 简称 MC） 。在这类数控机床上，自动换刀装置（ATC）是 必不可少的。例如加工中心机床又称多工序自动换刀数控机床，它主要是指具 有自动换刀及自动改变工件加工位置工能的数控机床，具有自动换刀装置是加 工中心机床的典型特征，是多工序加工的必要条件。自动换装置的功能，对整 机的加工效率有很大的影响。由于普通的数控立式铣床加工的一般是中小零件， 其大多需要几把刀具加工（10 把刀具

29、以内， ）故增加自动换刀装置并同时自动 变换主轴转速。可减轻劳动强度，减少换刀时间，既提高了机床的自动化程度， 又提高了劳动生产率。因此，数控立式铣床作为数控铣床中数量最多、应用范 围也最广的一种，对其附加能够快速、准确地换刀的自动换刀装置是非常有必 要的。 各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的型式、工艺范围及刀具 的种类和数量等。这种装置主要可以分为以下几种形式： 1)回转刀架换刀形式 数控车床使用的回转刀架是一种简单的自动换刀装置。根据不同加工对象， 可以设计成四方和六角刀架或其他等多种形式。回转刀架上分别安装着四把、 六把或更多的刀具，并按数控装置的指令转位换刀。回转刀架在结构上

30、必须有 良好的强度和刚性，以及合理的定位结构，以保证回转刀架在每一次转位之后 具有尽可能高的重复定位精度。如：CK7815 型数控车床采用 BA200L 刀架，其 工作循环是：刀架接收数控装置的指令一松开一转到指令要求的位置一夹紧一 发出转位结束的信号。 2)更换主轴头换刀形式 在带有旋转刀具的数控机床中，更换主轴头换刀是一种简单的换刀方式。 主轴头通有卧式和立式两种，而且常用转塔的转位来更换主轴头以实现自动换 刀。各个主轴头上预先装有各工序加工所需要的旋转刀具，当收到换刀指令时,各 主轴头依次地转到加工位置，并接通主运动使相应的主轴带动刀具旋转，而其 他处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。

31、 转塔主轴头换刀方式的主要优点是省去了自动松夹、卸刀装刀、夹紧以及 刀具搬运等一系列复杂的操作，从而显著地减少了换刀时间，提高了换刀的可 靠性，但是由于结构上的原因和空间位置的限制，主轴部件的刚性差且主轴的 数目不可能很多。因此转塔主轴头换刀通常只适用于工序较少，精度要求不太 高的数控机床，如数控铣床。 3)带刀库的自动换刀形式 带刀库的自动换刀形式主要是由刀库和刀具交换装置组成。目前这种换刀 方法在数控机床上的应用最为广泛。带刀库的自动换刀装置的数控机床主轴箱 和转塔主轴头相比较，由于主轴箱内只有一个主轴，所以主轴部件具有足够刚 度，因而能够满足各种精密加工的要求。另外，刀库可以存放数量较多

32、的刀具， 可进行复杂零件的多工序加工，可明显提高数控机床的适应性和加工效率。这 种带刀库的自动换刀装置特别适用于数控铣床、数控钻床和数控镗床。 刀库的类型按刀库的结构形式可分为：圆盘式刀库、链式刀库、箱型式刀 库-箱型和线型；按设置部位的不同，刀库可以分为：顶置式、侧置式、悬 挂式和落地式等多种类型；按交换刀具还是交换主轴，刀库可分为：普通刀库 (简称刀库)和主轴箱刀库。虽然刀库有多种形式，但数控机床上常用的主要是 圆盘式和链式两种。交换装置的机械手形式也多样，目前在数控机床上用得最 多的是回转式双臂机械手。其他形式还有摆动式单臂双爪机械手、单臂单爪回 转式机械手、双机械手等等。 1.4.3自

33、动换刀装置应当满足的基本要求 1）刀具换刀时间短。 2）刀具重复定位精度高。 3）足够的刀具储存量。 4）刀库占地面积小。 5）换刀安全可靠。 第二章第二章 总体方案的确定总体方案的确定 依据设计任务书，我们的任务是给 XK713 立式数控铣床设计安装合适的自 动换刀装置。主要技术参数为： 1）刀库容量：4-6 2）选刀方式：顺序选刀 3）重复精度： 5 XK713 数控立式床身铣床主要由床身、升降台、工作台、立铣头、主传动、 主变速、拉刀机构、液压系统、自动润滑系统、冷却系统、吊挂、电柜等部分 组成。机床本身并不带自动换刀装置。自动换刀装置作为一套独立的、完整的 机床部件，设计依据是该机床的

34、型式、工艺范围及刀具的种类和数量等。 2.1XK713 数控立式升降台铣床及其主要参数 XK713 数控床身铣床是一种高效型、经济型的机床。机床刚性很高、加工 精度好，可以自动连续完成对零件的铣、钻、镗、扩、铰等多种工序加工，适 用于中等批量生产的各种平面、阶梯面、沟槽、圆弧面、螺旋槽、齿轮、齿条、 花键、孔等各种形状零件的加工。可广泛应用于机械行业及其他行业的机械加 工、机修部门，尤其对于成批零件加工、模具加工和较精密零件加工具有很强 的应用性。 主轴采用台湾森力玛 YPNC 系列主轴变频专用电机配用国外进口变 频器经过两档齿轮机械变速以实现机床主轴的无级调速。变速操纵机构采用间 歇齿轮齿条

35、机构控制，通过高低档转换手柄以实现手动挂挡变速。 主轴松拉 刀机构采用台湾打刀缸、具有响应快、力量大、稳定性好等特点。 X Y Z 坐标 均采用交流伺服电机通过高精度无齿隙联轴器与精密级滚珠丝杠副直联，丝杠 轴承采用高精度、高刚性成组角接触球轴承，稳定性好、精度高，保证了机床 的传动刚性、位置精度和高传动精度。 机床配有全封闭防护罩及刀具自动冷 却系统。 控制系统可采用成都广泰，武汉华中，广州广数，日本 FANUC，德 国 SIEMENS，三菱 MISTUEBISH 等数控系统。该机床适用于机械制造的各种类部 门，也适用于军工部门。 2.1.1其主要结构特点 1)主传动系统为 7.5Kw 的交

36、流电动机通过弹性连轴器驱动主传动箱，主传 动箱内有三组滑移齿轮,液压预选变速机构推动各滑移齿轮,组成 18 种转速,再 传到铣头上的主轴，主传动箱内有电磁制动器,主轴制动迅速平稳。 2)进给系统 X、Y、Z 三个座标的进给，都是由交流伺服电机驱动的。电机 通过同步齿形带驱动滚珠丝杠，从而使部件沿导轨移动。伺服电机及其相应的 速度控制单元和用于位置检测的脉冲编码器等均受控于数控系统；以完成各种 进给运动。 同步齿形带可张紧以减少传动间隙，噪声亦可降低。 垂向电机是带制动器的，当断电时，垂向刹紧，以防止升降台因自重而下 滑。 3)铣头上的立式主轴，有符合国际标准的(ISO)No.50 锥孔，可安装

37、标准的 铣刀或铣夹头。主轴的轴向位置可调整，连同套筒一起作轴向伸出。主轴也可 以连同铣头主体一起，在左右各 45范围内调整成倾斜位置。 4)刀柄采用标准 XT50 形式，可与万能铣床刀柄通用。 5)润滑系统 自动润滑站配以递进式分油器，对机床导轨副、滚珠丝杠副及齿轮副等进 行自动的定时定量润滑，每次加油量和两次间的时间间隔都是可调的，力求保 证每个润滑点的合理油量。 6)机床采用侧挂式电柜和吊挂式操纵站，机电一体，整体装运，安装方便， 集中操纵但能又多位置操作。 7)半自动的装卸刀机构,安装在铣头的上方，通过两个按钮分别控制装刀 和卸刀，方便而安全，即使主轴向外伸出，也不会影响刀具的装卸。 2

38、.1.2其主要规格及技术参数 表一 机床主要规格及技术参数 2.2初定其自动换刀装置的设计参数 在铣削轮廓时，为了保证一次连续地加工出全部表面，应选用半径小于工 件最小轮廓半径的刀具，而在实际的生产加工中，常尽量选用直径较大的铣刀， 因为大直径铣刀刚性好，耐用度高。由 XK713 立式数控铣床推荐使用的最大切 削范围可知，当铣切钢时，铣刀直径为100 mm。当铣灰铸铁时，铣刀直径达 250mm。因此，为了满足该机床的实际加工能力与生产情况，在设计其自动 换刀装置时，应该根据最大的刀具直径来设计，即设计的换刀装置能交换 250mm 的刀具。 2.3确定其自动换刀装置的形式 数控机床的自动换刀装置

39、的结构形式多种多样，选择何种形式，主要取决 于机床的种类、工艺范围以及刀具的种类和数量等。 由于 XK713 立式数控铣床是一种使用范围较广的机床，且其可加工零件的 精度要求也较高，比较上章介绍的几种换刀形式，决定选用带刀库的自动换刀 形式。 带刀库的自动换刀装置是由刀库和刀具交换装置（换刀机械手）组成。它 是多工序数控机床上应用最广泛的换刀装置，其整过换刀过程比较复杂。首先 把加工过程中需要使用的全部刀具安装在标准的刀柄上，在机床外进行尺寸预 调后，按一定的方式装入刀库。换刀时，先在刀库中进行选刀，由机械手从刀 库和主轴上取出刀具，然后交换位置，把新刀插入主轴，旧刀放回刀库。存放 刀具的刀库

40、可具有较大的容量，它既可以安装在主轴箱的侧面或上方，也可以 作为独立部件安装在机床以外。 XK713 立式数控铣床主轴箱上方没有好的安装位置，安装在机床外又要增 加刀具运输时间，降低效率，所以安装在机床侧面最合适，有些部件交错的地 方，作适当的调整。因为 XK713 立式数控铣床外形及其他性能参数等均与 THK6363 型自动换刀数控镗铣床相似，所以本机床的自动换刀装置的设计将仿 效 THK6363 型自动换刀数控镗铣床换刀装置，设计成由由盘式刀库和回转式双 臂机械手组成。设计增加自动换刀装置后的 XK713 数控立式床身铣床的外观图 如图 1-1 所示。 图 1-1 XK713 立式数控床身

41、铣床的外观图 第三章 刀库的设计形式 刀库是带刀库自动换刀装置的主要部件之一，其容量形式、布局及具体结 构对数控机床的性能有很大影响。 3.1确定刀库容量 决定刀库容量时，首先要考虑加工工艺的需要，同时还要调查分析同类型、 相近规格的自动换刀机床的刀库容量及其发展趋势。由于带自动换刀装置的数 控机床主要是在多品种、单件小批生产时使用，因而应根据广泛的工艺统计， 依大多数工件加工时需要的刀具数来确定刀库容量。例如，对功能较为齐全的 加工中心而言，它可承担多个工件的切削任务， 因而要配备刀具的种类和规格较多。通常，配备 的刀具越多，机床能加工工件的比率也越高，但 它们并不是成正比例关系。图 3-1

42、 为刀库容量与 机床能加工工件的比率统计曲线。 刀库储存量过大，导致刀库的结构庞大而复 杂,影响机床总体布局；储存量过小，则不能满足 复杂零件的加工要求。因此，刀库容量应在经济合理的条件下，力图将一组类 似的零件所需的全部刀具装入刀库，以缩短每次装刀所需的装调时间。对自动 换刀数控机床的刀库容量，有关资料曾对 15000 个零件进行分组统计，指出不 同工序加工时必须的刀具数不同，如图 3-1 所示。由图可知，4 把铣刀可完成 加工工件的 95左右的铣削工艺，10 把孔加工刀具可完成 70的钻削工艺， 14 把刀的容量就可完成 70以上工件的钻铣工艺，配有 1440 把刀具的刀库 就能够满足 7

43、0-95工件的加工需要。因此，对 XK713 立式数控铣床，从使 用和经济效率角度来看，容量为 6 的刀库就可满足要求了。 3.2确定刀库形式 由以上考虑 XK713 立式数控铣床的结构布局等原因，决定采用轴向放置的 鼓盘式刀库形式。这种刀库结构简单，刀具排列较为紧凑，在刀库容理定为 6 的情况下体种不大，且取刀也较为方便，但需要考虑机械手的换刀动作空间。 3.3刀库结构设计 如刀库装配图所示，当数控系统发出换刀指令后，直流伺服电动机接通， 其运动经过十字联轴器、波传动减速器、套筒式联轴器、蜗杆、蜗轮后，再经 花键联接传到刀盘上，刀盘带动刀座上的 6 个刀套转动，完成选刀动作。 3.4初估刀库

44、驱动转矩及选定电机 刀库回转运动多数采用液压马达、直流电动机驱动，并没有降速传动装置。 3.4.1初选电动机与降速传动装置 刀库的驱动系统中，由于本刀库的驱动转矩小，且所需转速小，所以决定 采用直流伺服电动机驱动。直流伺服电动机具有体积小，重量轻、伺服性好、 力能指标高等优点，且该电机可用信号电压进行无级调速。采用型号为 90SZ03 的 SZ 系列电磁式直流伺服电动机，其基本参数为：功率 0.092KW，转速 3000R/MIN（袖珍机械师设计手册P1275） ；降速传动装置型号为 XB3-50- 100A 的扁平式谐波传动减速器，其基本参数为：输入功率 0.092KW，输出转矩 18Nm（

45、袖珍机械师设计手册P1078-1079） 。 3.4.2初估刀库驱动转矩 由于刀库容量 6，下面就以 THK6363 型自动换刀数控镗铣床的刀库为设计 参考（查参考资料 14） ，采用经验法初估回转所需转矩。 THK6363 型自动换刀数控镗铣床的刀库也是采用轴向放置的鼓盘式刀库形 式，其容量为 36 把刀具，最大刀具重达 10kgf，刀库回转由最大扭矩为 25Nm 的液压马达经谐波减速器驱动。现在由于设计的刀库容量为 6 把刀具， 可初估刀库驱动转矩(主要是指直接驱动刀盘转动的转矩)为 T0=8Nm。 3.5刀库转位机构的设计 刀库转动定位机构的选择可采用槽轮机构，该机构具有冲击小，工作平稳

46、 性较高，机械效率高，可以在较高转速下工作，切结构简单，易制造等优点。 在目前生产的鼓轮式刀库的加工中心机床上，很多采用槽轮机构来驱动刀库的 分度回转速度。但此机构定位精度不够高，为提高其定位精度可采用带制动器 的交流伺服电机，从而可保证较高的定位精度。目前圆盘式刀库大多采用的是 单头双导程涡轮蜗杆传动。此传动机构在使用中可随时调整涡轮蜗杆的传动间 隙，实现准确的转为分度，保证刀库中工作的可靠性，但此传动机构较复杂， 而且单头双导程涡轮蜗杆的加工较困难。 3.6确定刀具的选择方式 按数控装置的刀具指令，从刀库中将所需要的刀具转换到取刀位置，称为 自动选刀。在刀库中选择刀具通常采用两种方式。 1

47、)顺序选择刀具 刀具按预定工序的先后顺序插入刀库的刀座中，使用时按顺序转到取刀位 置。用过的刀具放回原来的刀座内，也可以按加工顺序放入下一个刀座内。该 法不需要刀具识别装置，驱动控制也比较简单，工作可靠。但刀库中每一把刀 具在不同工序中不能重复使用，为了满足加工需要只有增加刀具的数量和刀库 的容量，这就降低了刀具和刀库的利用率。此外，装刀时必须十分谨慎，如果 刀具不按顺序装在刀库中，将会产生严重的后果。顺序选刀是在加工之前，将 加工零件所需刀具按照工艺要求依次插入刀库的刀套中，顺序不能有差错。加 工时按顺序调刀。适合加工批量较大、工件品种数量较少的中、小型自动换刀 装置。 2)任意选择刀具 任

48、意选择刀具的换刀主要有三种编码方式：刀套(刀座)编码、刀具编码、 记忆编码附件等方式。刀具编码或刀套编码都需要在刀具或刀套安装用于识别 的编码条，刀具（或刀座）编码这种方法根据程序指令的要求任意选择所需要 的刀具，刀具在刀库中不必按照工件加工顺序排列，可以任意存放。每把刀具 （或刀座）都编上代码，自动换刀时，刀库旋转，每把刀具（或刀座）都经过 “刀具识别装置”接受识别。当某把刀具（或刀座）的代码与数控指令相符合 时，该把刀具被选中，刀库将刀具送到换到位置，等待机械手来抓取。任意选 择刀具法的优点是刀库中刀具的排列顺序与工作加工顺序无关，刀具可重复使 用。因此，刀具数量比较顺序选择法少一些,刀库

49、也相应地简单些。 刀库选刀方式一般采用就近移动原则，即无论采取哪种选刀方式，在根据 程序指令把下工序要用的刀具移到换刀位置时，都要向距离换刀最近的方向移 动，以节省选刀时间。 在以上确定刀库容量时已经讨论可知数控铣床用 4 把刀就可完成大多数的 铣削加工。所以这个容量为 6 把刀的刀库，几乎不存在加工过程中需要重复利 用刀具的情况，所以刀具的选择方式确定为顺序选择刀具。该法不需要刀具识 别装置，驱动控制也比较简单，工作可靠。 第四章 刀具交换装置的设计形式 数控机床的自动换刀装置中,实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的 装置称为刀具交换装置。刀具的交换方式通常分为两种: 一种是采用机械手交

50、换刀具, 另一种是由刀库与机床主轴的相对运动来实现刀具交换即无机械手交 换刀具。无机械手交换刀具方式：结构简单，成本低，换刀的可靠性较高；刀 库因结构所限容量不多。这种换刀系统多为中、小型加工中心采用。刀具的交 换方式及它们的具体结构对机床的工作效率和工作可靠性有直接的影响。由 XK713 立式数控铣床的结构特性决定难以实现由刀库与机床主轴的相对运动来 实现刀具交换，故采用机械手交换刀具的方式。 机械手是当主轴上的刀具完成一个工步后，把这一工步的刀具送回刀库， 并把下一道工步的所需要的刀具从刀库中取出并装入主轴继续进行加工的功能 部件。对机械手的具体要求是迅速可靠，准确协调。 4.1确定换刀机

51、械手形式 在自动换刀数控机床中，换刀机械手的形式是多种多样的，常见的有以下 几种。 1)两手呈 180的回转式单臂双手机械手； 2)两手互相垂直的回转式单臂双手机械手 3)两手平行的回转式单臂双手机械手； 4)双手交叉式机械手； 由于不同的数控机床（加工中心）的刀库与主轴的相对位置不同。所以各 种数控机床所使用的换刀机械手也不尽相同。 上图是两手互相垂直的回转式单臂双手机械手的结构示意图。 这种机械手的优点是换刀动作可靠，换好时间短，缺点是刀柄精度要求高， 结构复杂，联机调整的相关精度要求高，机械手离加工区较近。 一般来说，这种机械手用于刀库刀座轴线与机床主轴轴线垂直，刀库为径 向存取刀具形式

52、的自动换刀装置，因此，在 XK713 立式数控铣床的自动换刀装 置中可采用这种机械手形式。 4.2换刀机械手的工作原理 下面是以在 XK713 立式数控铣床的自动换刀装置中采用这种上机械手换刀 的工作原理。 该机械手安装在主轴的左侧面，随同主轴箱一起运动。机械手由机械手臂 与 45的斜壳体组成。机械手臂 1 形状对称。固定在回转轴 4 上，回转轴与主 轴成 45角，安装在壳体 3 上，5 为手臂托，可由液压缸带动（图中未标出） ， 机械手有伸缩、回转、抓刀、松刀等动作。 伸缩动作：液压缸（图中未标出）带动手臂托架 5 沿主轴轴向移动。 回转动作：液压缸 2 中的齿条轮通过齿轮带动回转轴 4 转

53、动。从而实现手 臂正向和反向 180的旋转运动。 抓刀、松刀动作：机械手对刀具的夹紧和松开是通过液压缸 6。碟形弹簧 7 及拉杆 8、杠杆 9、活动爪 10 来实现。碟形弹簧实现夹紧，液压缸实现松开。 在活动爪中有两个销子 11，当夹紧刀具时，插入刀柄凸缘的孔内，确保安全、 可靠。 4.3机械手的自动换刀过程的动作顺序 （a） （b） （c） （d） 图 4-6 换刀机械手的换刀过程 自动换刀装置的换刀过程由选刀和换刀两部分组成。 选刀即刀库按照选刀命令（或信息）自动将要用的刀具移动到换刀位置， 完成选刀过程，为下面换刀做好准备，换刀即是机械手把主轴上用过的刀具取 下，将选好的刀具安装在主轴之

54、上。 换刀动作的大致过程为： 1)主轴箱回到最高处（z 坐标零点） ，同时实现“主轴准停” 。即主轴停止 回转并准确停止在一个固定不变的角度方位上，保证主轴端面的键也在一个固 定的方位，使刀柄上的键槽能恰好对正端面键。 2)机械手抓住主轴和刀库上的刀具。如图 4-6（a）所示。 3)把卡紧在主轴和发库上的刀具松开 4)活塞杆推动机械手下行，从主轴和刀库上取出刀具 5)机械手回转 180，交换刀具位置， 6)将更换后的刀具装入主轴和刀库 7)分别夹紧主轴和刀库上的刀具 8)机械手松开主轴和刀库上的刀具 9)当机械手松开具后，限位开关发出“换刀完毕”的信号，主轴自由，可 以开始加工或其他程序动作。

55、 在自动换刀的整个过程中，各项运动均由限位开关控制，只有前一个动作 完成后，才能进行下一个动作，从而保证了运动的可靠性。 4.4机械手回转轴 4 上的齿轮齿条设计 1)回转轴上齿轮采用渐开线标准直齿圆柱齿轮形式 2)取模数 M=1。5。初取齿数 z=30 3)下表为齿轮几何尺寸设计的基本参数： 名称代号计算公式 模数 m 压力角20o 分度圆直径 dD=mz=1.5 30=45 齿顶高 a h aa hh1 1.51.5m 齿根高 f h fa h(h)(1 0.25) 1.51.875c m 齿全高 haf hhh1.5 1.8753.375 齿顶圆直径 a d a d(z2)(302 1)

56、 1.548 a hm 齿根圆直径 f d fa d(2h2)41.25zc m 齿距 p 4.71pm 齿厚 s /22.35sm 顶隙 c0.25 1.50.375cc m 4)齿条的基本尺寸，按外齿轮几何尺寸的计算公式进行计算。 4.5自动换刀装置的相关技术要求 4.5.1主轴准停装置 为了传递扭矩，在主轴的前端装有端键，当刀具刀柄装入锥孔时，刀柄上 的键槽位置必须与该键对准才能装入。当机械手从刀库取刀时，为了确保刀具 其后能顺利地装入主轴锥孔中，必须使主轴准确地停在刀具交换位置上。同时， 由于工艺上的需要，也必须使主轴准停在固定位置上。这种使主轴端在定位键 停在固定位置的技术要求称为主

57、轴准停。 XK713 立式数控铣床的自动换刀装置，在每次自动装卸刀具时，都必须要 求主轴准确地停止在固定的周向位置上。因此，可在主轴上安装电气控制的主 轴准停装置以实现主轴准停功能。 4.5.2换刀机械手的安装与调试 1)换刀机械手安装在主轴箱的左侧面，加工零件时，换刀机械手随主轴箱 一起上下运动。 2)当初装上换刀机械手后，必须进行调试：用手动操纵主式调整换刀机械 手相对于主轴的位置，使用调整心棒，有误差时可调整机械手行程、刀库位置、 机械手支座、修正主轴坐标原点等。安装最大重量刀具时，要进行多次刀库到 主轴位置的自动交换，使机械手换刀时做到准确无误，无撞击。 4.6自动换刀程序的编制 1)

58、换刀动作（指令）：选刀（T） ；换刀（M06） 2)选刀和换刀通常分开进行。 3)为提高机床利用率，选刀动作与机床加工动作重合。 4)换刀指令 M06 必须在用新刀具进行切削加工的程序段之前，而下一个选 刀指令 T 常紧跟在这次换刀指令之后。 5)换刀点：多数加工中心规定在机床 Z 轴零点（Z0） ，要求在换刀前用准 备功能指令（G28）使主轴自动返回 Z0点。 6)换刀过程:接到 T指令后立即自动选刀，并使选中的刀具处于换刀位 置，接到 M06 指令后机械手动作，一方面将主轴上的刀具取下送回刀库，另一 方面又将换刀位置的刀具取出装到主轴上，实现换刀。 7)换刀程序编制方法 a)主轴返回参考点

59、和刀库选刀同时进行，选好刀具后进行换刀。 N02 G28 Z0 T02 Z 轴回零，选 T02 号刀； N03 M06 换上 T02 号刀 缺点：选刀时间大于回零时间时，需要占机选刀。 b)在 Z 轴回零换刀前就选好刀 N10 G01 X_ Y_ Z_ F_ T02 直线插补，选 T02 号刀 N11 G28 Z0 M06 Z 轴回零，换 T02 号刀 N20 G01 Z_ F_ T03 直线插补，选 T03 号刀 N30 G02 X_ Y_ I_ J_ F_ 顺圆弧插补 c)有的加工中心（TH5632）换刀程序与上略不同 N10 G01 X_ Y_ Z_ F_ T02 直线插补，选 T02 号刀 N30 G28 Z0 T03 M06 Z 轴回零，换 T02 号刀，选 T03 号刀 N40 G00 Z1 N50 G02 X_ Y_ I_ J_ F_ 圆弧插补 注：对卧式加工中心，上面程序的 G28 Z0 应为 G28 Y0 。 第五章 自动换刀装置的控制原理 5.1自动换刀装置的液压系统原理图 液压系统由液压油箱、管路、控制阀等组成。控制阀采用分散布局、就近 安装原则，分别装在刀库和立柱上。电磁阀上贴有磁号码（如 YV1、YV2、YV3） ， 便于用户进行检测与维修。 5.2自动换刀装置换刀动作的顺序控制过程 在自动换刀装置的