数控加工中心自动换刀装置的设计

1、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

2、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。 关键词关键词：自动换刀装置；弧面分度凸轮；滚齿凸轮；机械手。 abstract the 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

3、 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

4、 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 bed trades the knife equipment to have automatically to trade the knife time satisfiedly short, the cut

5、ting 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

6、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 trade

7、s 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.2 1.1 国内外数控机床的的发展情况.2 1.1.1 加工中心发展简史.2 1.1.2 加工中心的主要优点.3 1.1.3 加工中心的发展趋势.3 1.2 编程控制器的特点.4 第 2 章 方案设计.6 2.1 atc 设计特点及设计要求 .6 2.2 自

8、动换刀装置主要结构的论证及分析 .7 2.3 方案确定 .7 2.3.1 刀库选刀.9 2.3.2 机械手取刀和换刀.9 2.3.3 方案确定.9 第 3 章 机械手结构设计和设计计算.10 3.1 机械手的装配 .10 3.1.1 机械手爪的装配.10 3.1.2 手臂装配图.11 3.2 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.13 4.1 刀库的功能和形式 .13 4.2 刀库的结构设计 .15 4.2.1 刀库的结构及其工作原理.15 4.2.2 刀库各零部件结构.15 4.2.3 刀库的装配.17 4.3 刀库的设计计算 .18 4.3.1 刀库驱动电动机的

9、选定.18 4.3.2 刀库传动方式及计算.20 4.4 刀库的选刀方式 .20 4.5 刀套准停措施 .21 第 5 章 机械手驱动与松刀装置设计.23 5.1 机械手驱动装置设计 .23 5.2 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.26 6.1 换刀动作分析 .26 6.2 换刀装置的液压机构分析 .27 6.2.1 液压分析.27 6.2.2 换刀动作顺序表.28 6.2.3 液压泵的选择.30 6.3 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

10、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

11、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

12、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。 第第 1 1 章章 绪绪 论论 1.11.1 国内外数控机床的的发展情况国内外数控机床的的

13、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

14、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

15、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。 1.1.11.1.1 加工中心发展简史加工中心发展简史 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

16、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

17、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） 。 1.1.21.1.2 加工中心的主要优点加工中心的主

18、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

19、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。 1.1.31.1.3 加工中心的发展趋势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

20、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

21、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

22、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

23、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

24、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。 1.21.2 编程控制器的特点编程控制器的特点 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

25、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

26、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

27、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.

28、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 第第 2 2 章章 方案设计方案设计 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

29、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

30、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。 2.12.1 atcatc 设计特点及设计要求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

31、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：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：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

32、，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

33、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。 2.22.2 自动换刀装置主要结构的论证及分析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

34、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

35、(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

36、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） 刀具到刀具 平均换刀时间刀具刀柄型号 立式加工中心卧式加工中心 换刀时间 最短时间 300.60.5 4022.5450.6 502.54461.5 2.32.3 方案确定方案确定 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

37、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

38、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

39、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。 2.3.12.3.1 刀库选刀刀库选刀 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，

40、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

41、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。 2.3.22.3.2 机械手取刀和换刀机械手取刀和换刀 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

42、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 90 2.3.32.3.3 方案确定方案确定 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。 第第 3 3 章章 机械手结构设计和设计计算机械手结构设计和设计计算 3.13.1 机械手的装配机械手的装配 图 3.1 机械手的结构示意图 1-手爪 2-手臂 3-接手臂 4-圆

43、锥销 5-螺钉 3.1.13.1.1 机械手爪的装配机械手爪的装配 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

44、制。 3.1.23.1.2 手臂装配图手臂装配图 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 3.23.2 机械手手爪加紧力的计算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0.15 g=98n，摩擦力，故机械手手爪抓紧力0.15 9814.7 n fnn14.7 n ffn 第第 4 4 章章 刀库的结构设计和计算刀库的结构设计和计算 4.14.1 刀库的功能和形式刀库的功能和形式 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 n

45、c 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

46、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

47、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 4.24.2 刀库的结构设计刀库的结构设计 4.2.14.2.1 刀库的结构及其工作原理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