快速自动换刀技术
快速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。该技术包括刀库的设置、换刀方式、换刀执行机构和适应高速机床的结构特点等。
快速自动换刀技术的产生背景
高速加工中心是高速机床的典型产品，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（A TC）的高速化也相应成为高速加工中心的重要技术内容。
随着切削速度的提高，切削时间的不断缩短，对换刀时间的要求也在逐步提高，换刀的速度已成为高水平加工中心的一项重要指标。
由于加工中心的自动换刀要求可靠准确，而且结构相对比较复杂，提高换刀速度技术难度大。目前国外机床先进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，很多采用了新技术、新方法。本文将介绍一些提高换刀速度的技术方法和国外先进高速加工中心的快速自动换刀技术，希望对我国高速加工中心的发展有些帮助。
快速自动换刀技术的基本内容
（1）换刀速度指标
衡量换刀速度的方法主要有三种：①刀到刀换刀时间：②切削到切削换刀时间：③切屑到切屑换刀时间。由于切屑到切屑换刀时间基本上就是加工中心两次切削之间的时间，反映了加工中心换刀所占用的辅助时间，因此切屑到切屑换刀时间应是衡量加工中心效率高低的最直接指标。而刀到刀换刀时间则主要反映自动换刀装置本身性能的好坏，更适合作为机床自动换刀装置的性能指标。这两种方法通常用来评价换刀速度。至于换刀时间多少才是高速机床的快速自动换刀装置并没有确定的指标，在技术条件可能的情况下，应尽可能提高换刀速度。
（2）提高换刀速度的基本原则
加工中心自动刀具交换的基本出发点是在多种刀具参与的加工过程中，通过自动换刀，减少辅助加工时间。在高速加工中心上，由于切削速度的大幅度提高，自动换刀装置和刀库的配置要考虑尽可能缩短换刀时间，从而和高速切削的机床相配合。
加工中心的换刀装置通常由刀库和刀具交换机构组成，常用的有机械手式和无机械手式等方式。刀库的形式和摆放位置也不一样。为了适合高速运动的需要，高速加工中心在结构上已和传统的加工中心不同，以刀具运动进给为主，减小运动件的质量已成为高速加工中心设计的主流。因此，设计换刀装置时，要充分考虑到高速机床的新结构特征。
在设置高速加工中心上的换刀装置时，时间并不是唯一的考虑因素。首先，应在换刀动作准确、可靠的基础上提高换刀速度。特别是ATC是加工中心功能部件中故障率相对比较高的部分，这一点尤其重要：其次，要根据应用对象和性能价格比选配ATC。在换刀时间对生产过程影响大的应用场合，要尽可能提高换刀速度。例如，在汽车等生产线上，换刀时间和换刀次数要计入零件生产节拍。而在另外一些地方，如模具型腔加工，换刀速度的选择
就可以放宽一些。
提高换刀速度的主要技术方法
适合于高速加工中心的快速自动换刀技术主要有以下几个方面：
在传统的自动换刀装置的基础上提高动作速度，或采用动作速度更快的机构和驱动元件。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。日本SODIC公司生产的MC450立式加工中心的机械凸轮结构的快速换刀装置，刀到刀换刀时间只有0.6s。
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为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。
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。
利用新开发的加工中心的主轴部件可作6自由度高速运动这一特点，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。
适合于高速加工中心的刀柄。HSK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。快速自动换刀装置采用HSK空心短锥柄刀是发展的趋势。
快速换刀的一些结构方法
除了在传统换刀装置的基础上提高动作速度外，还出现了一些新方法和新结构换刀装置。
（1）多主轴换刀
这种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3～18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了不同的刀具。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。这个移动时间就是换刀时间，而且非常短。由夹具快速移动完成换刀，省去了复杂的换刀机构。奥地利ANGERG公司生产的这种结构的机床，实现了切屑到切屑换刀时间仅为0.4s。是目前世界上切屑到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。但需要换刀时，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，即机床切屑到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。如德国Alfing-Kessler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Hornsberg-Lamb公司生产的HSC-500、HSC-630、HFC-630加工中心有两个主轴和两套换刀系统。两个主轴可以用1.0～1.5s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）刀库布置在主轴周围的转塔方式
这种方式，刀库本身就相当于机械手，即通过刀库拔插刀并采用顺序换刀，使机床切屑到切屑换刀时间较短。这种方式如果要实现任意换刀，则就随所选刀在刀库的位置不同而存在时间长短不等，最远的刀可能切屑到切屑换刀时间较长。因此，这种方式作为高速自动换刀装置只能采用顺序选刀的方式。
（4）多机械手方式
同样，刀库布置在主轴的周围，但采用每把刀有一个机械手的方式使换刀几乎没有时间
的损失，并可以采用任意选刀的方式。德国CHIRON公司生产的这种结构的机床，实现了切屑到切屑换刀时间仅为1.5s，是目前世界上单主轴机床切屑到切屑换刀时间最短的加工中心。
行业动态
国内外一些技术先进的机床制造公司开发出了多种采用不同技术的具有快速换刀装置的高速加工中心，一个很重要的特点是换刀技术的多样化，其目的都是努力缩短刀具交换时间。下表所列是切屑到切屑换刀时间小于4s的高速加工中心。
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，快速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切削效率。我国的高速机床制造业应该及时学习和尽快掌握先进的技术方法，不断提高国产高速加工中心的制造水平。
自动换刀装置的结构原理与维修 自动换刀装置的结构原理与维修 2007-09-26 01:24:39 作者：山特维克来源：互联网文字大小：【大】【中】【小】 简介：8.4.1 自动换刀装置的形式自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目 前常见的有以下几种。 1 .回转刀架换刀数控机床使用的回转刀架是最简单的自动换刀装置，有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承 受粗加工的切削力：同时要保证回转刀架在每次转 关键字：刀具夹具切削铣削车削机床测量 8.4.1 自动换刀装置的形式 自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有以下几种。 1 .回转刀架换刀 数控机床使用的回转刀架是最简单的自动换刀装置，有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或 更多的刀具。 回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力：同时要保证回转刀架在每次转位的重复定 位精度。
图8-17为数控车床六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。在加工轴类零件时，可以用四方回转刀架。 由于两者底部安装尺寸相同，更换刀架十分方便。
与相应的触头12接触，发岀信号表示换刀过程已经结束，可以继续 进行切削加工。 回转刀架除了采用液压缸转位和定位销定位之外，还可以采用电动机带动离合 器定位，以及其他转位和定 图8-17 数控车床六角回转刀架 1 —活塞 2 —刀架体 3、7 —齿轮 4 —齿圈 5 —空套齿轮 6 —活塞 8 —齿条 9 —固定插销 10、11 —推杆 12 —触头 回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，它的动作分为 4个步骤: (1)刀架抬起 当数控装置发岀换刀指令后，压力油由 a 孔进入压紧液压缸的下腔，活塞 1上升，刀架体 2抬起，使定位用的活动插销10与固定插销9脱开。同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮 5结合。 (2)刀架转位 当刀架抬起后，压力油从 c 孔进入转位液压缸左腔，活塞 6向右移动，通过联接板带动齿 条8移动，使空套齿轮5作逆时针方向转动。通过端齿离合器使刀架转过 60o 。活塞的行程应等于齿轮 5分度圆周长的1/6 ，并由限位开关控制。 (3)刀架压紧 刀架转位之后，压力油从 b 孔进入压紧液压缸上腔，活塞 1带动刀架体2下降。齿轮3 的底盘上精确地安装有 6个带斜楔的圆柱固定插销 9，利用活动插销10 消除定位销与孔之间的间隙，实 现反靠定位。刀架体 2下降时，定位活动插销 10与另一个固定插销9卡紧，同时齿轮3与齿圈4的锥 面接触，刀架在新的位置定位并夹紧。这时，端齿离合器与空套齿轮 5脱开。 (4)转位液压缸复位 刀架压紧之后, 压力油从 d 孔进入转位液压缸的右腔，活塞 6带动齿条复位，由于 此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮 3在轴上空转。 如果定位和夹紧动作正常，推杆 11
加工中心自动换刀系统changer system control of machine center with carouselstorage 摘要：针对刀套编码的盘式刀库加工中心，阐述其换刀过程，提出一种结合加工程序、换刀程序和PMC 程序以及参数设置来实现自动换刀控制的思路。同时结合实例给出换刀程序代码和关键PMC 程序。 关键词：加工中心; 自动换刀; 数控; 换刀系统。 Abstract：It analyses the ATC process of machine center with carousel storage.A control method to realize ATC using Gcodes,macor program ,PMC program and parmeter setting is proposed. Examples given in connection with tool changing code and key PMC procedures. Keywords：ATC；NC ；PLC； 设计背景：自动换刀系统是数控机床的重要组成部分。刀具夹持元件的结构特性及它与机床主轴的联结方式，将直接影响机床的加工性能。刀库结构形式及刀具交换装置的工作方式，则会影响机床的换刀效率。自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度，又会对整机的成本造价产生直接影响。从换刀系统发展的历史来看，1956 年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM 公司同期也研制成功了“APT”(刀具程序控制装置)。1958 年美国K&T 公司研制出带ATC(自动刀具交换装置)的加工中心。1967 年出现了FMS(柔性制造系统)。1978 年以后，加工中心迅速发展，带有ATC 装置，可实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。1983 年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，自动换刀系统便形成了统一的结构模式。目前国内外数控机床自动换刀系统中，刀具、辅具多采用锥柄结构，刀柄与机床主轴的联结、刀具的夹紧放松机构及驱动方式几乎都采用同一种结构模式。在这种模式中，机床主轴常采用空心的带有长拉杆、碟形弹簧组的结构形式，由液压或气动装置提供动力，实现夹紧放松刀柄的动作。利用这种机构夹持刀具进行数控加工的最大问题是，它不能同时获得高的夹持刚度和刀具振摆精度，而且主轴结构复杂，主轴轴向尺寸过大，加上它的液压驱动装置及刀具辅具锥柄的制造成本，使得自动换刀系统的造价在机床整机中占有较大的比重。据有关资料介绍，在刀具采用锥柄夹头、侧压夹头以及弹簧夹头夹紧性能的对比实验中，采用弹簧夹头夹持刀具是唯一可同时获得高的夹持刚度和振摆精度的理想元件。采用这种夹持元件，刀具或刀具辅具可作成圆柱柄，其制造成本低，精度易保证，这对大容量刀库降低刀具辅具的制造成本，意义更为显著。在现代数控机床上亦有采用弹簧夹头作为刀具的夹持元件，但机床的主轴结构、驱动方式仍然采用与上述锥柄刀具完全相同的结构形式。采用这种结构模式，在实际数控加工中，尤其是在需要超高速主轴、主轴的径向、轴向尺寸都很小、没有足够的换刀空间的微细加工场合中实现自动换刀将会是很困难的，如果实施自动换刀那将使机床成本大幅度提高。如在CNC 控制磨削球面铣刀的数控磨削机床上，直接由高速电机驱动主轴，使用小直径盘形砂轮和指形砂轮加工球面铣刀，换刀空间很小，在这种条件下，将难以实现自动换刀。国外最新研制的内圆磨床上采用的弹簧夹头自动换刀装置售价昂贵。设计内容：设计内容数控加工中心由于配有刀库和自动换到系统，能实现一次庄家完成多道工序，减少专用夹具数量，缩短了生产准备时间，同时减少了多次安装多造成的定位误差，提高了加工进度，能实现高效率的加工。所以自动换刀系统的性能的好坏直接影响到数控机床的加工效率和效果。 一、刀库选刀的控制方式自动换刀装置可以定义为：一种能数控机床单元发出的命令从到库中选择和更换刀具的装置。加工中心自动换刀程序有两部分：刀具选择和道具更换。目前刀具选择一般有四种控制方式：顺序选刀方式，刀具编码方式，刀套编码方式，计算机记忆随机换刀方式。其中刀套编码方式是对刀库个个刀座预先编码，每把刀具放入刀座之后就有了相应刀具的编码，即刀具在刀库中的位置是固定的。刀库一般采用链式或者轮式，当然，目前还有一些别的形式的刀库，例如球形刀库、盒式刀库等。
数控机床自动换刀装置的主要类型、特点及适用范围
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数控机床自动换刀装置的主要类型、特点及适用范围 数控机床自动换刀装置的主要类型、特点及适用范围见表1。 表1 自动换刀装置的主要类型、特点及适用范围 1．自动回转刀架 自动回转刀架是数控车床上使用的一种简单的自动换刀装置，有四方刀架和六角刀架等多种形式，回转刀架上分别安装有四把、六把或更多的刀具，并按数控指令进行换刀。回转刀架又有立式和卧式两种，立式回转刀架的回转轴与机床主轴成垂直布置，结构比较简单，经济型数控车床多采用这种刀架。 回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时切削抗力和减少刀架在切削力作用下的变形，提高加工精度。回转刀架还要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转
位之后具有较高的重复定位精度（一般为0.001～0.005mm）。图1所示为螺旋升降式四方刀架，它的换刀过程如下： （1）刀架抬起当数控装置发出换刀指令后，电机22正转，并经联轴套16、轴17，由滑键（或花键）带动蜗杆18、蜗轮2、轴1、轴套10转动。轴套10的外圆上有两处凸起，可在套筒9内孔中的螺旋槽内滑动，从而举起与套筒9相连的刀架8及上端齿盘6，使6与下端齿盘5分开，完成刀架抬起动作。 图1 立式四方刀架结构 1，17—轴；2—蜗轮；3—刀座；4—密封圈；5，6—齿盘；7—压盖；8—刀架；9，20—套简；10—轴套；11—垫圈；12—螺母；13—销；14—底盘；15—轴承；16—联轴套；18—蜗杆；19—微动开关；21—压缩弹簧；22—电机
小型立式加工中心无机械手自动换刀装置的设计 曹秋霞 "河南机电高等专科学校!新乡45300Z# 摘要!主要介绍了M C V Z5Z0小型立式加工中心无机械手自动换刀装置设计过程O重点阐述了无机械手自动换刀装置主要组成部分刀库的设计计算方法O 关键词!加工中心;无机械手自动换刀;刀库 中图分类号!T G659 文献标识码!B文章编号!1001-3881"Z006#9-054-3 D e s i gnonn o-f i n ge r a u t om at i c t ool c h an ge r of mi n i at u r e v e r t i c al mac h i n i n g c e n t e r C A Oo i ux i a (H e na n M e c ha ni c a nd E l e c t r i c E ng i ne e r i ng C o l l e g e X i nx i a ng H e na n45300Z C hi na a b s t r ac t1T he de s i g ni ng pr o c e s s o n no-f i ng e r a ut o m a t i c t o o l c ha ng e r o f M C V Z5Z0m i ni a t ur e v e r t i c a l m a c hi ni ng c e nt e r w a s i nt r o-duc e d.T he de s i g ni ng a nd c a l c ul a t i ng m e t ho ds o f m a j o r c o m po ne nt pa r t t o o l m a g a z i ne o f no-f i ng e r a ut o m a t i c t o o l c ha ng e r w e r e e x po unde d. K e yw or d s1M a c hi ni ng c e nt e r;N o-f i ng e r a ut o m a t i c t o o l c ha ng e r;T o o l m a g a z i ne 0引言 M C V Z5Z0小型立式加工中心体积小\结构紧凑\生产效率高\精度较高能完成铣\钻\扩\铰\锪\攻丝等多种加工工序能进行小型板类\盘类\壳类\模具类等复杂零件的多品种中小批量加工O主轴采用高速电主轴;工作台采用的是X-Y双向精密数控工作台;可以实现X\Y\Z三个方向的进给;有自动换刀装置可以安装各类钻\铣类刀具并自动换刀O M C V Z5Z0小型立式加工中心总体结构布局如图1所示O 1.床身 Z.X-Y精密数控工作台 3.刀库移动部件 4.刀库 5.Z向进给部件 6.立柱 7.电主轴 图1 M C V Z5Z0小型立式加工中心总体结构示意图 为使加工中心的结构紧凑减小加工中心的外形尺寸降低成本在设计自动换刀装置时应在满足使用要求的前提下尽量使其结构简单紧凑价格低廉易制造拆卸\装配维修方便备件容易得到O 加工中心自动换刀装置有两种形式[1]1有机械手换刀和无机械手换刀O 加工中心的自动换刀装置大都采用有机械手换刀方式O它是由机械手把刀库上的刀具送到主轴上再把主轴上已用过的刀具返送到刀库上O换刀时间短但其机械结构比较复杂[1]O 无机械手换刀方式是直接在刀库与主轴(或刀架之间换刀的自动换刀方式O因无机械手所以结构简单O换刀时必须首先将用过的刀具送回刀库然后再从刀库中取出新刀具这两个动作不能同时进行所以换刀过程较为复杂换刀时间较长O但是刀库回转是在工步与工步之间即非切削时进行的因此可免去刀库回转时的振动对加工精度的影响O无机械手换刀方式适用于40号以下刀柄的小型加工中心或换刀次数少的用重型刀具的重型机床[1]O 考虑到所设计的小型加工中心主要用于中小批量生产且主要用来加工小型零件上的孔和平面等刀库容量较小无须过多考虑换刀时间的长短且采用的是30号刀柄综合考虑刀库宜选择无机械手换刀方式O 1无机械手换刀装置刀库的设计 1.1 刀库形式的选取 无机械手换刀方式中刀库可以是圆盘形\直线排列式也可以是格子箱式等O直线排列式和格子箱式刀库结构相比较复杂适用于刀库容量较大的加工中心;圆盘形刀库容量较小刀库结构简单紧凑刀库转位\换刀方便易控制[1]O且所设计的加工中心主要用来加工小型零件上孔和平面等不必在刀库里放太多刀具因此选用圆盘式刀库O 1.Z 刀库的放置 立式加工中心无机械手换刀方式的圆盘形刀库的放置有两种形式1刀库置于立柱侧面的横梁上和置于工作台上O由于采用的是标准的精密数控工作台所以选用刀库置于立柱侧面的横梁上O此结构简单且
自动换刀机械手设计(三维Proe)☆ 摘要 加工中心是指在一次装卡中〖资料来源:毕业设计(论文)网https://www.doczj.com/doc/ae2163423.html,〗能够实现自动铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等多工序的数控机床。更为明确的说法是：加工中心就是自动换刀数控镗铣床。这就把加工中心和自动换刀数控车床和车削中心区别开来。 加工中心区别于别的数控镗铣床的主要特点就在于它具有根据工艺要求自动更换所需刀具的功能，机自动换刀(ATC)机能。 加工中心的自动换刀系统,通常是由刀库和机械手组成,它是加工中心的象征,又是加工中心成败的关键环节。因此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。正因为自动换刀装置是加工中心的核心内容,各厂家都在保密,极少公开有关资料,尤其机械手部分更始如此。 加重中心的自动换刀形式,可分为有机械手换刀方式和无机械手换刀方式。加工中心的ATC,大都采用有机械手的换刀方式，因为更节省时间。 由于液压驱动的机械手需要采用严格的密封，还需较复杂的缓冲机构，控制机械手动作的电磁阀都有一定的时间常数，因为换刀速度较慢。近年来国内、外先后研制出凸轮联动式单臂双抓机械手。这种机械手的优点是由电机驱动，不需要较复杂的液压系统及其密封、缓冲机构，没有漏油现象，结构简单，工作可靠。同时，机械手手臂的回转和插刀、拔刀的分解动作是联动的，部分时间可重叠，从而大大缩短了换刀时间。 〖资料来源：毕业设计(论文)网 5 6 D O C.C O M〗 关键词：机械手；加工中心；自动换刀 设计任务 本次设计的主要任务是：自动换刀机械手，实现数控镗铣床的自动换刀，需要换的刀具主要是BT40型刀柄，需要实现的工作是抓刀—换刀—松刀的动作。 〖资料来源：毕业设计(论文)网 5 6 D O C.C O M〗 主要技术参数：刀具最大重量6kg，双臂回转式换刀，刀臂数量和长度以及直径主要依据配套刀库的设计要求。换刀时间2.5S。 机械手的平稳性 工业生产要求机械手工作速度快，运动平稳，定位精度高。应注意其影响因素，设计合理结构，以满足要求。 这篇论文主要介绍了机械手的相关资料，包括加工中心和自动换刀机械手（ATC）两部分。设计的主要部分是机械手的传动方式和手爪抓到的方式。传动方式的选择是通过比较3种不同类型的传动方案后确定的，这3中方案分别是气动式、液压式和凸轮联动式，通过分析，发现不论是气动式还是液压式都要求较高的加工精度，缓冲系统复杂，而且成本很高，相比而言，凸轮联动式传动不仅结构简单，工艺精度要求低，而且成本非常低廉，综上所述，选择了凸轮联动式作为我的传动方式。 凸轮联动式驱动的最大特点就是它的2个凸轮，一个是弧面凸轮，另一个是平面凸轮，其中，平面凸轮是平面凸轮和锥齿轮的合体，当电动机通过锥齿轮传动，带动平面凸轮转动时，弧面凸轮也通过键和螺栓的连接一起运动。这时，平面凸轮通过连杆，利用杠杆原理带动刀臂轴的上下移动，而弧面凸轮通过六沟珠管和刀臂轴上的花键，从而带动刀臂轴做旋转运动。〖资料来源：毕业设计(论文)网https://www.doczj.com/doc/ae2163423.html,〗 手臂的抓刀方式，是通过2个顶柱来完成的。换刀的过程是这样的，机械手先旋转80°，
换刀系统 自动换刀系统主要是将加工所需刀具，从刀库中传送到主轴夹持机构上。换刀系统由刀库，机械手，驱动系统等构成。 基本要求：1. 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(结构紧凑)5. 安全可靠。 刀库 刀库系统是提供自动化加工过程中所需之储刀及换刀需求的一种装置；其自动换刀机构及可以储放多把刀具的刀库。由电脑程式的控制，可以完成各种不同的加工需求，如铣削、钻孔、搪孔、攻牙等。大幅缩短加工时程，降低生产成本。 刀库主要是提供储刀位置，并能依程式的控制，正确选择刀具加以定位，以进行刀具交换；换刀机构则是执行刀具交换的动作。刀库必须与换刀机构同时存在，若无刀库则加工所需刀具无法事先储备；若无换刀机构，则加工所需刀具无法自刀库依序更换，而失去降低非切削时间的目的。 刀库的回转运动由带 抱闸的三相异步电动机作 动力源，三相电源通过交流 接触器提供给电动机时抱 闸打开，然后刀库进行运 转，切断三相电源则抱闸闭 锁，刀库立刻停止运转。通 过分度盘的运动及相关检 测元件组的逻辑组合，可使 每个刀套准确停在换刀位 置。刀套停在换刀位置后，由气缸控制刀套处于水平或垂直状态，以方便机械手换刀，刀套分度台可以顺时针或逆时针方向旋转，从而可以在最短的时间内搜索到所要更换的刀具。 驱动系统 数控工具机的自动换刀系统有油压机构、气压机构、电气式凸轮机构。现如今凸轮式换刀机构就广泛的被采用。快速确实，除了换油外没有其他消耗零件及保养需求，故障率最少，寿命超过百万次以上。 换刀系统的速度要求 快速自动换刀技术是以减少辅助加工时间为主要目的，综合考虑工具机的各方面因素，在尽可能短的时间内完成刀具交换的技术方法。机台有几个特点：1.刀臂短2.刀臂不一定成直线 3.两刀可能互相垂直 4.凸轮箱小且可移动。其主要目的是要让换刀时，可动件之转动惯量小，以达到快速换刀之目的。 提高换刀速度的方法 1．在传统自动换刀装置的基础上提高动作速度，或采用动作速度更快的机构和驱动元件。例如，机械凸轮结构的换刀速度高于液压和气动结构。 2．根据高速工具机的结构特点设计刀库和换刀装置的形式和位置。例如，传统工具机的刀库和换刀装置多装在立柱一侧，在高速工具机则多为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。
卧式加工中心自动换刀机械手设计 机械手是自动换刀装置中交换刀具的主要工具，它担负着把刀库上的刀 具送到主轴上，再把主轴上已用过的刀具返回刀库上的任务。 设计思路是用机械手的动作来实现对加工中心的换刀，机械手的转动有回 转液压缸运来实现，其动力则由驱动系统实现。 加工中心的自动换刀装置，通常是由刀库和机械手组成，它是加工中心的 象征，又是加工中心成败的关键环节。因此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效益，自动换刀装置是加工中心的核心内容，各厂家都在保密，极少公开有关资料，尤其机械手部分更是如此。 这种机械手的拔刀、插刀动作，大都由油缸动作来完成。根据结构要求，可以采用油缸动，活塞固定；或活塞动，油缸固定的结构形式。 整个机械手由机械臂伸缩机构，机械爪开合机构，回转机构及装卸刀具直线 运动机构组成。 本次设计的题目是加工中心的自动换刀装置中的核心部件---机械手的 设计。机械手是自动换刀装置中交换刀具的主要工具，它担负着把刀库上的 刀具送到主轴上，再把主轴上已用过的刀具返回刀库上的任务。 设计此机械手的目的是为了使加工中心能够更快的的工作，使加工中心 能够得到更加充分的利用，以实现其的价值所在；再者，由于使用了机械手，减少由于人工换刀带来的生产效率低，并且容易出事故的弊端。 本次设计的内容主要有回转液压缸装置和机械运动的驱动系统，对于其 中动作的实现则由电气控制来实现。 由于本人能力及学识有限，在设计中存在有很多缺陷，望老师们能多加 指导。
加工中心的总体布局 盘式刀库的卧式加工中心 卧式加工中心的主轴是水平设置的，卧式加工中心刀库容量一般较大，有的刀库可存放几百把刀具，卧式加工中心的结构较立式加工中心复杂，占地面积大，价格也较高，卧式加工中心较适用于加工箱体之类的零件，特别对箱体零件上的一些孔和孔系，以及孔和型腔与基准面有严格要求的箱体，容易得到保证，适合于批量加工。 卧式加工中心的功能较立式加工中心多，在立式加工中心上加工不了的工件，在卧式加工中心上一般都能加工。 2.1 技术条件 我们所设计的加工中心的主要的技术参数有： ⑴刀库容量：24把刀 ⑵刀柄型号：40号刀柄 ⑶刀具最大直径：120㎜ ⑷刀具重量：11㎏ ⑸换刀时间：5s ⑹选刀方式：任选 2.2 总体布局 我们设计的加工中心的总体布局如图1.1所示： 图1.1 卧式加工中心的总体布局 2.3 卧式加工中心的机械结构：
第一章、刀架和自动换刀装置设计 一、机床刀架和自动换刀装置的功能、类型和应满足的要求 (一) 机床刀架和自动换刀装置的功能 机床上的刀架是安放刀具的重要部件，许多刀架还直接参与切削工作，如卧式车床上的四方刀架、转塔车床的转塔刀架、回轮式转塔车床的回轮刀架、自动车床的转塔刀架和天平刀架等。这些刀架既安放刀具，而且还直接参与切削，承受极大的切削力，所以它往往成为工艺系统中的较薄弱环节。随着自动化技术的发展，机床的刀架也有了许多变化，特别是数控车床上采用电(液)换位的自动刀架，有的还使用两个回转刀盘。加工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手，实现了大容量存储刀具静自动交换刀具的功能，这种刀库安放刀具的数量从几十把到上百把，自动交换刀具的时间从十几秒减少到几秒甚至零点几秒。这种刀库和换刀机械手组成的自动换刀装置，就成为加工中心的主要特征。 (二) 机床刀架和自动换刀装置的类型 按照安装刀具的数目可分为单刀架和多刀架。例如自动车床上的前、后刀架和天平刀架。按结构形式可分为方刀架、转塔刀架、回轮式刀架等；按驱动刀架转位的动力可分为手动转位刀架和自动(电动和液动)转位刀架。 自动换刀装置的刀库和换刀机械手，驱动都是采用电气或液压自动实现。目前自动换刀装置主要用在加工中心和车削中心上，但在数控磨床上自动更换砂轮，电加工机床上自动更换电极，以及数控冲床上自动更换模
具等，也日渐增多。 数控车床的自动 换刀装置主要采用回转 刀盘，刀盘上安装8～ 12把刀。有的数控车床 采用两个刀盘，实行四 坐标控制，少数数控车 床也具有刀库形式的自 动换刀装置。图3—122a 是一个刀架上的回转 盘，刀具与主轴中心平 行安装，回转刀盘既有 回转运动又有纵向进给 运动(S纵)和横向进给 运动(S横)。固3—122b 为刀盘中心线相对于主 轴中心线倾斜的回转刀 盘，刀盘上有6～8个刀 位，每个刀位上可装两把刀具，分别加工外圆和内孔。图3—122c装有两个刀盘的数控车床，刀盘1的回转中心与主轴中心线平线，用于加工外圆l刀盘2的回转中心线与主轴中心线垂直，用以加工内表面。图3—122d 安装有刀库的数控车床，刀库可以是回转式或链式，通过机械手交换刀具。
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。
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 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 bed Trades 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.
数控机床大作业 数 控 机 床 的 自 动 换 刀 装 置 姓名： 学号： 班级：
数控机床的自动换刀装置 作者：刘伟杰 摘要 数控机床集中应用了计算机技术，电子技术，自动控制技术，传感测量，机械制造，等先进技术，是典型的机电一体化产品。它的发展和应用开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式，产业结构，管理形式，使世界制造业的格局发生了巨大的变化，促进了其他行业的生成和飞速发展。刀具及自动换刀装置对加工时间有着重要的影响，自动换刀的快慢又影响了加工的时间，刀库的容量决定了刀具的数量，进而影响换刀时间和加工时间。本文主要讲述数控机床的自动换刀机构。 关键词：发展趋势机构自动换刀刀库 中图分类号：TH 文献标识码：B
1.刀库 刀库是自动换刀装置的主要部件，其容量、布局以及具体结构对数控机床的设计有很大影响。刀库的刀具定位机构是用来保证要更换的每一把刀具准确的停在换到位置上。采用电动机或液压系统为刀库提供动力。根据刀库所需要的容量和取刀方式，可以将刀库设计成多种形式。 1.1刀库的类型 刀库的功能是储存加工工序所需要的各种刀具，并按指令将要用的刀具准确的送到换刀位置，并接受从主轴送来的已用刀具。根据需求，刀库类型有多种（1）盘式刀具在盘式刀库结构中，刀具可以沿主轴轴向、径向、斜向安放，刀具轴向安装的结构最为紧凑。在刀库容量较大时，可采用弹仓式结构，目前大量的刀库安装在机床立柱的顶面或侧面，也可安装在单独的基地上。盘式刀库分径向、轴向两种取刀方式，其刀座结构不同。此种刀库结构简单，适用于刀库容量较少的情况。 （2）链式刀库刀具容量比盘式的大，结构也比较灵活和紧凑，常为轴向换刀。可将换刀位置刀座突出以利于换刀。另外还可以采用加长连带方式加大刀库的容量，也可采用折叠回绕的方式提高空间利用率，在要求刀量容量很大时可以采用多条链带的结构。 （3）格子盒式刀具固定型格子盒式刀库。刀具分几排直线排列，由纵、横向移动的取刀机械手完成选刀运动，将选取的刀具送到固定的换刀位置刀座上，由换刀机械手交换刀具，此刀具空间利用高，刀库容量大。 1.2刀库的容量 刀库的容量首先要考虑加工工艺的分析需要。一般情况下，并不是刀库中的刀具越多越好，太的容量会增加刀库的尺寸和占地面积，使选刀过程时间增长。如果从完成工件的全部加工所需要的刀具数目统计，所得结果是80%的工件完成加工任务所需的刀具数目在40种以下，所以一般的中小型立式加工中心配14--30把刀具的刀库就能够满足70%--95%的工件加工需要。 1.3刀库的转位 刀库转位机构由伺服电动机通过消隙齿轮带动蜗杆，通过涡轮使刀库转动。
绪论 随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已越来越引起人们的重视。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的应用。 在现代工业生产自动化领域中，机械加工的快速上下刀、精确的加工都使数控机床以及数控加工中心的应用显得十分重要。据详实的资料统计，这些费用占全部加工费用的五分之一以上。而大规模的机械加工中，时间的节省越来越成为生产者和工程设计者（或者技术人员）的追求方向，这也是未来工业发展的趋势。 机械手已被广泛用于航空、航天以及工业生产领域中，并取得较好的效果。现今的工业机械手可分为专用机械手和通用机械手两类。我国目前研制的工业机械手大多还是专用机械手。该机械手的结构形式比较简单，专用性强，仅附属于某台机床。虽然其有着通用机械手无法比拟的批量大，对某些设备（或者机加零件）的加工精确性高的优点，但就目前来看，专用机械手存在着适应性不强的弊端。这就要对其进行必要的改造，使其适应未来的工业发展的需要。由于通用机械手改变工作程序较方便，特别适用于多品种、小批量的生产。通用机械手在工业生产中的应用只有三十年的历史，但这些装置在国外得到相当重视。所以设计生产使用数控机床、数控加工中心一类的较为高级的机加设备是迫在眉睫的。虽然目前我国的数控加工中心等大型设备还是依赖进口，但相信不久的将来我国必然会设计研制出自己的设备，这需要我们所有人的不懈努力。 这次设计的换刀机械手的主要任务是，完全模拟人手的换刀动作，给机床主轴提供相对转动实现夹紧、放松刀具的动作。
自动换刀装置的结构原 理与维修 集团档案编码：[YTTR-YTPT28-YTNTL98-UYTYNN08]
自动换刀装置的结构原理与维修2007-09-26 01:24:39?作者：来源：文字大小：【】【】【】 简介：8.4.1 自动换刀装置的形式自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有以下几种。 1．回转刀架换刀数控机床使用的回转刀架是最简单的自动换刀装置，有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受 粗加工的切削力：同时要保证回转刀架在每次转 关键字： 8.4.1 自动换刀装置的形式 自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有以下几种。 1．回转刀架换刀 数控机床使用的回转刀架是最简单的自动换刀装置，有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或 更多的刀具。 回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力：同时要保证回转刀架在每次转位的重复定 位精度。 图8-17为数控车床六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。在加工轴类零件时，可以用四方回转刀 架。由于两者底部安装尺寸相同，更换刀架十分方便。 图8-17?数控车床六角回转刀架 1－活塞 2－刀架体 3、7－齿轮 4－齿圈 5－空套齿轮 6－活塞 8－齿条 9－固定插销 10、11－推杆 12－触头 回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，它的动作分为4个步骤： (1)刀架抬起当数控装置发出换刀指令后，压力油由a孔进入压紧液压缸的下腔，活塞1上升，刀架体2抬起，使定位用的活动插销10与固定插销9脱开。同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮5结合。 (2)刀架转位当刀架抬起后，压力油从c孔进入转位液压缸左腔，活塞6向右移动，通过联接板带动齿条8移动，使空套齿轮5作逆时针方向转动。通过端齿离合器使刀架转过60o。活塞的行程应等于齿轮5分度圆周长的1/6，并由限位开关控制。
1绪论 1.1数控加工中心概述 1.1.1数控加工中心的优点 数控加工中心的优点很多，主要有一下几种： （1）工件一次装夹可完成多种加工任务，避免了因多次装夹带来的误差和时间成本，而且，由于不需要依靠操作者的技术水平，可得到相当高的稳定精度。 （2）减少了加工的准备时间，提高了加工效率，减少了劳动力的使用，从而大大的降低了生产成本，提高了产品的竞争力。 （3）提高了设备的利用率，数控加工中心的设备利用率为通用机床的几倍，并且，由于工序较为几种，更加适合多种、中小批量的加工生产。 1.1.2数控加工中心的结构特点 数控加工中心的结构特点如下： （1）刚度高、抗振性好。 （2）传动系统结构简单，传递速度快，精度高。 （3）设计有刀库和换刀机构，这是数控加工中心与其他机床的主要区别。 （4）相较其他机床更为人性化，功能齐全，省去了绝大部分的人力劳动。 1.1.3数控加工中心的发展趋势 （1）高速化 随着数控系统核心处理器性能的进步，数控加工中心的主轴转速和进给速度的进一步提升以及自动交换平台和自动换刀用时的进一步缩短，进而使数控机床的效率向更高的目标迈进。 （2）高精度化 先进的数控系统一般带有高精度的位置检测装置，并通过自我反馈系统时时的调整主轴的运动，进而保证了较高的加工精度和准确性。随着现代科学技术的发展，以及人们不断去对超精密加工技术提出更高的要求，并且伴随新材料，新零件的出现对它们的加工需要更高的超精密加工工艺，因此不断发展新型的超精密加工机床和不断完善现代超精密加工技术，是数控机床发展的毕由之路。 （3）复合化 随着产品外观曲线的复杂化致使模具加工技术必须不断升级，对数控系统提出了新的需求。机床五轴加工、六轴加工已日益普及，机床加工的复合化已是不可避免的
加工中心的主要技术参数包括工作台面积、各坐标轴行程、摆角范围、主轴转速范围、切削进给速度范围、刀库容量、换刀时间、定位精度、重复定位精度等 自动换刀装置 加工中心上的自动换刀装置由刀库和刀具交换装置组成，用于交换主轴与刀库中的刀具或工具。 一、对自动换刀装置的要求 加工中心对自动换刀装置有如下具体要求： 1、刀库容量适当 2、换刀时间短 3、换刀空间小 4、动作可靠、使用稳定 5、刀具重复定位精度高 6、刀具识别准确 二、刀库 在加工中心上使用的刀库主要有两种，一种是盘式刀库，一种是链式刀库。盘式刀库装刀容量相对较小，一般在 1～24 把刀具，主要适用于小型加工中心；链式刀库装刀容量大，一般在 1～100 把刀具，主要适用于大中型加工中心。 换刀方式 三、加工中心的换刀方式一般有两种：机械手换刀和主轴换刀。
1、机械手换刀 由刀库选刀，再由机械手完成换刀动作，这是加工中心普遍采用的形式。机床结构不同，机械手的形式及动作均不一样。 2、主轴换刀 通过刀库和主轴箱的配合动作来完成换刀，适用于刀库中刀具位置与主轴上刀具位置一致的情况。一般是采用把盘式刀库设置在主轴箱可以运动到的位置，或整个刀库能移动到主轴箱可以到达的位置。换刀时，主轴运动到刀库上的换刀位置，由主轴直接取走或放回刀具。多用于采用 40 号以下刀柄的中小型加工中心。 四、刀具识别方法 加工中心刀库中有多把刀具，如何从刀库中调出所需刀具，就必须对刀具进行识别，刀具识别的方法有两种。 1、刀座编码 在刀库的刀座上编有号码，在装刀之前，首先对刀库进行重整设定，设定完后，就变成了刀具号和刀座号一致的情况，此时一号刀座对应的就是一号刀具，经过换刀之后，一号刀具并不一定放到一号刀座中（刀库采用就近放刀原则），此时数控系统自动记忆一号刀具放到了几号刀座中，数控系统采用循环记忆方式。 2、刀柄编码 识别传感器在刀柄上编有号码，将刀具号首先与刀柄号对应起来，把刀具装在刀柄上，再装入刀库，在刀库上有刀柄感应器，当需要的刀具从刀库中转到装有感应器的位置时，被感应到后，从刀库中调出交换到主轴上。
摘要 在本论文中，首先扼要的介绍了自动换刀装置，以及将自动换刀装置发展成机械手的原因和机械手在生产中的作用；在第二部分中，介绍了工业机械手的组成和分类以及机械手的缓冲器与定位元件，并对机械手的手机身作了简单的介绍。在第三部分中我们分别就驱动系统、控制系统、执行系统论证了一些方案，并从中选出了一些合理的功能单元，最后进行最佳方案的组合。经详细的技术评价与综合方案评价后确定本论文中的方案一为最优；由于整体设计的需要，我们选择了液压系统作为驱动系统。一方面，液压传动的速度快，反应灵敏，传动平稳；另一方面是其运行精确，可以达到较高的定位精度。第四部分进行了有关机械手的计算。第五部分介绍了我所设计的滑座伸缩和回转机构。第六部分我们对工业机械手的工作顺序进行了分析。第七部分我们叙述了未来机械手的发展趋势。由此我们可以看到目前工业机械手的应用在逐渐的扩大，技术性能在不断的提高。最后，我们记录了心得体会。在设计中，我们参考了一些文摘并翻译了一篇名为“Estimation of heat fluxes during high-speed drilling”的外文。 关键词：机械手;液压传动;刀具
ABSTRACT In this dissertation, the part one introduced concisely the set that can up or down cutter automatically and it gave the reason why we developed it into the manipulator and manipulator’s function in the production. In the second part, it introduced the integrant and assortment about the manipulator, then it told us what is the free degree and coordinate of the manipulator. In this section, we respectively demonstrated some plan carefully about drive-system, control system, actuator system, and then selected some reasonable plans of function unit from these. At last, we decided the best way. After evaluating the brief technology and general plans, we conducted that the plan A is the best. Because of the whole design’s request, we selected liquid-actuated system as actuator system. Because in one hand, the liquid-acetated is fast, reacts swift and drives steadily. On the other hand, for it has accurately movement and orientates precisely. The part three do some calculates about manipulator. The part four do some analysis on the manipulator’s operative order. The part five, we narrate the development tendency of the future manipulator. From the above, we can see that the application of the current industrial manipulator is expanded gradulately and the technologic capability is improved on and on. In addition,according to the information collected and the content of design, we made the animated on the basis of the cutter clear. Finally, we recorded our personal insight. We referred some literatures and translated an article named “Estimation of heat fluxes during high-speed drilling” from English into Chinese. Key words: manipulator, liquid-actuated system, and cutter