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本科毕业设计（论文）题目加工中心自动换刀系统设计（盘式）——刀库系统学院名称机械与动力工程学院专业名称机械设计制造及其自动化年级班级学生姓名指导教师2017年5月目录前言1.加工中心概述 (1)1.1加工中心发展现状和发展趋势 (1)1.2加工中心的特点 (2)1.3加工中心的分类 (3)1.4加工中心的结构 (5)1.5加工中心刀库及自动换刀装置 (6)1.5.1加工中心刀库形式 (6)1.5.2加工中心的自动换刀装置 (8)1.5.3刀库结构及换刀过程 (9)2.刀库传动设计…………………………………………………………………2.1电动机的选择…………………………………………………………2.1.1初选电动机………………………………………………………2.1.2校核电动机………………………………………………………2.2运动和动力参数计算……………………………………………2.3蜗杆传动设计…………………………………………………………2.3.1蜗杆传动的选择…………………………………………………2.3.2蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算…………………………2.3.3校核齿根弯曲疲劳强度…………………………………………2.3.4验算蜗杆传动的效率、润滑及热平衡……………………………2.3.5蜗杆和蜗轮的结构设计…………………………………………2.4传动轴设计…………………………………………………………2.4.1轴的材料…………………………………………………………2.4.2蜗杆轴的结构设计………………………………………………2.4.3蜗轮轴的结构设计………………………………………………2.4.4轴系零、部件的校核………………………………………………3.刀库结构设计………………………………………………………………3.1刀盘设计………………………………………………………………3.2刀库设计………………………………………………………………4.液压系统的设计……………………………………………………………4.1液压缸的载荷计算…………………………………………………4.2液压缸的主要参数计算……………………………………………结论…………………………………………………………………………………致谢…………………………………………………………………………………参考文献…………………………………………………………………………前言目前机床发展的主要趋势是加工中心，其在机械制造业中得到了大规模的应用，而且加工中心还在不断地向高速化、高效率、高精度的目标发展着，在机床结构方面，多轴化、复合加工等方面的创新也日趋活跃。
加工中心自动换刀系统设计（盘式）—刀库设计刀库是自动换刀装置中最主要的部件之一，其容量、布局以及具体结构对加工中心的设计有很大影响。
16刀刀库是在小型加工中心应用最为广泛，根据使用的场合和实际运用的要求，设计了相应的16刀的圆盘式刀库，并且对它的控制进行了一定的研究。
论文首先对16刀刀库总体设计方案进行阐述，阐述其各部件的工作原理，然后就刀库的结构设计与控制分章节对各个部分进行计算与设计。
刀库的结构设计是本文研究的重点，传动部分为蜗杆蜗轮的一种减速装置，对于该装置中的蜗杆、蜗轮以及相关的轴都进行了详细的计算;控制部分为刀库送刀部分，由液压控制和PLC控制完成。
绪论本章首先从数控机床的发展历程引出加工中心的发展趋势，再具体到本次设计针对的刀库的任务要求，明确了本设计任务的主要内容。
1引言1952年世界上出现了第一台数控机床，使多品种、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。
1958年第一台加工中心问世，它将多工序（铣、钻、镗、铰、攻丝等）加工集于一身；适应加工多品种和大批量的工件；增加机床功能（自动换刀、自动换工件、自动检测等），使自动化程度和加工效率上了一个新台阶；使无人化（或长时间无人操作）加工成为现实。
加工中心已成为柔性制造系统、计算机集成制造系统和自动化工厂的基本单元。
加工中心是数控机床的代表，是高新技术集成度高的典型机电一体化机械加工设备，受到世界各工业发达国家的高度重视，技术迅速发展，品种和数量大幅度增加，成为当今世界机械加工设备中最引人注目的一类产品。
1.1加工中心简介1.1.1加工中心的发展简史1952年世界上出现第一台数控机床，使多品种、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进行控制，因而比大批量生产重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，因为有更高的自动化程度和加工效率，大大改变了中小批量生产中普通机床占整个机械加工的状况。
加工中心刀库种类及特点加工中心的自动换刀装置由存放刀具的刀库和换刀机构组成。
刀库种类很多，常见的有盘式和链式两类。
链式刀库存放刀具的容量较大。
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。
加工中心刀库分为圆盘式刀库及机械手刀库两种一、圆盘式刀库圆盘式刀库应该称之为固定地址换刀刀库，即每个刀位上都有编号，一般从1编到12、18、20、24等，即为刀号地址。
操作者把一把刀具安装进某一刀位后，不管该刀具更换多少次，总是在该刀位内。
1. 制造成本低。
主要部件是刀库体及分度盘，只要这两样零件加工精度得到保证即可，运动部件中刀库的分度使用的是非常经典的“马氏机构”，前后、上下运动主要选用气缸。
装配调整比较方便，维护简单。
一般机床制造厂家都能自制。
2. 每次机床开机后刀库必须“回零”，刀库在旋转时，只要挡板靠近（距离为0.3mm左右）无触点开关，数控系统就默认为1号刀。
并以此为计数基准，“马氏机构”转过几次，当前就是几号刀。
只要机床不关机，当前刀号就被记忆。
刀具更换时，一般按最近距离旋转原则，刀号编号按逆时针方向，如果刀库数量是18，当前刀号位8，要换6号刀，按最近距离换刀原则，刀库是逆时针转。
如要换10号刀，刀库是顺时针转。
机床关机后刀具记忆清零。
3. 固定地址换刀刀库换刀时间比较长国内的机床一般要8秒以上（从一次切削到另一次切削）。
4. 圆盘式刀库的总刀具数量受限制，不宜过多，一般40#刀柄的不超过24把，50#的不超过20把，大型龙门机床也有把圆盘转变为链式结构，刀具数量多达60把。
二、机械手刀库机械手刀库换刀是随机地址换刀。
每个刀套上无编号，它最大的优点是换刀迅速、可靠。
1. 制造成本高。
刀库有一个个刀套链式组合起来，机械手换刀的动作有凸轮机构控制，零件的加工比较复杂。
装配调试也比较复杂，一般由专业厂家生产，机床制造商一般不自制。
2. 刀号的计数原理。
加工中心刀库的种类及特点研究了这么久加工中心刀库的种类及特点，总算发现了一些门道。
加工中心的刀库啊，首先有斗笠式刀库，这名字听起来就很有趣。
这种刀库就像一个倒扣的斗笠一样。
它的特点呢，感觉比较简单直接，装刀数量不是很多，通常也就十几把到二十多把刀的样子。
我之前见过的一个小型加工中心就是用的斗笠式刀库，它换刀的时候就像是翻开斗笠挑刀一样，动作有点慢呢，每次看到我就在想，这要是加工一个很复杂需要频繁换刀的零件，得等好久啊。
还有圆盘式刀库，这个就比较常见啦。
它就像个大盘子，上面有好多刀位。
这种刀库装刀数量相对斗笠式能多一些，我看过有的能装几十把刀呢。
换刀速度比斗笠式的好多了，就像你在转盘上找东西，一下就转到要的那把刀跟前了。
例如在一些中型的机械加工车间，这种圆盘式刀库很受欢迎，加工那些不大也不小的零件，效率还挺高的。
另外，还有链式刀库。
这就像一条条链子把刀位串起来，它的特点是装刀数量特别多，可以装几十把甚至上百把呢。
我特别疑惑的是，这种刀库虽然装刀多，但是感觉结构会复杂些，会不会容易出问题啊不过我想，既然存在就有它的道理。
比如说在大型加工中心上加工大型复杂的零件，可能需要用到各种各样的刀具，这时候链式刀库的优势就体现出来了，不用老是停下来换刀，可以一直连续加工。
这里面我有个搞不太明白的地方，不同类型的刀库在换刀精度上到底是怎么保证的呢比如说圆盘式刀库转起来的时候，怎么就能精确地停在要取的那把刀的位置上呢这可能涉及到一些很精密的机械和电控系统吧。
再回来说说斗笠式刀库，虽然它装刀少换刀慢，但是对于一些加工精度要求不高，而且加工工序比较简单的小型加工项目来说，它的成本低这个优势就很明显了因为小企业或者小作坊加工一些简单的零件，能省一点是一点嘛。
还有啊，圆盘式刀库转起来的时候，是不是磨损会比较大呢我比较过两个用了不同年份的圆盘式刀库，感觉旧的那个转的时候有点卡卡的，不知道是不是因为磨损导致的同心度问题。
要是同心度不好，是不是换刀位置就不准了呢这得好好研究研究。
加工中心自动换刀装置的结构及控制设计摘要加工中心正向着工件在一台机床一次装夹即可完成多道工序或全部工序加工的方向发展，这类多工序加工的加工中心在加工过程中要使用多种刀具，因此必须有自动换刀装置，也就是所说的刀库，以便选用不同刀具，完成不同工序的加工工艺。
本设计是开发设计出一种体积小、结构紧凑、价格较低、生产周期短的小型立式加工中心刀库。
首先介绍了国内外加工中心研究现状及发展趋势，阐明了本课题研究的目的、意义。
然后进一步介绍本加工中心刀库总体结构和各部件方案的选择，并在此基础上进行了加工中心刀库的机械结构和控制部分的设计计算，主要包括刀库转动定位机构设计、刀库总体机构设计、机械手部分设计以及液压、PLC的控制设计。
关键词：刀库；机械手；液压控制；PLC控制AbstractWith the direction of One machining center can manufacture several process only by one fixing .These manufacture needs different toolings , so it have to have automatic switching system. It means the machine have to own a tooling storeroom. Then it can select different tooling to finish different process during manufacture.This design is to develop design a small volume, compact structure, low price, short production cycle of small vertical machining center tool library. First introduced the processing center research status and development trend at home and abroad, illustrates the this topic research purpose and meaning. Then further introduces theoverall structure and parts machining center tool storage scheme choice, on the basis of the machining center tool library of mechanical structure and control part of the design and calculation, mainly including library rotational positioning design, knife library overall organization design, mechanical parts and hydraulic design, PLC control design.Keywords: Knife library, Mechanical, Hydraulic control, PLC control.目录摘要 (1)Abstract (1)目录 (2)第1章绪论 (5)1.1国内外的研究现状和发展趋势 (6)1.1.1当前世界NC机床的研究现状 (6)1.1.2我国数控机床产业的发展状况 (7)1.1.3我国数控机床研究存在的问题 (13)1.2加工中心简介 (9)1.2.1加工中心的发展简史 (9)1.2.2加工中心的结构组成 (10)1.2.3加工中心的分类 (11)1.2.4加工中心的功能及特点 (17)1.2.5加工中心的发展动向 (19)1.3自动换刀系统产品化的意义和前景 (22)1.4本设计研究的目的和意义 (25)1.5本设计完成的主要工作 (25)第2章总体方案的设计 (26)2.1运动方案的设计 (26)2.1.1运动数目的确定 (26)2.1.2运动方案的确定 (26)2.2功能部件的设计方案 (23)2.2.1主传动系统 (23)2.2.2进给伺服系统 (30)2.2.3自动换刀系统 (28)2.2.4基础部件 (30)2.2.5数控系统 (30)2.2.6辅助装置 (31)2.3方案的分析论证及确定 (31)2.3.1 机械结构方案的提出 (31)2.3.2传动方案的提出 (31)2.3.3机械结构方案的可行性分析 (32)2.3.4传动方案的可行性分析 (32)2.3.5机械结构方案的确定 (33)2.3.6传动方案的确定 (33)2.4总体布局 (34)2.5主要技术参数 (34)第3章刀库的设计 (40)3.1刀库简介 (40)3.1.1 刀库的类型 (40)3.2刀库的结构设计 (42)3.2.1刀库主要参数的确定 (42)3.2.2刀库转动定位机构的设计 (39)3.2.3刀库主轴的设计 (41)3.2.4刀库转动电机的选择计算 (45)3.2.5滚动轴承的选择计算 (51)3.2.6键的选用与计算 (53)3.2.7刀库的支承部分的设计 (53)第4章机械手的设计 (51)4.1确定换刀机械手形式 (51)4.1.1单臂双爪机械手的结构及工作原理 (52)4.2机械手的结构设计 (54)4.2.1齿轮的设计计算 (54)4.2.2机械手轴的设计计算 (57)4.2.3滑动轴承的选型计算 (61)第5章自动换刀装置的液压控制设计 (62)5.1液压传动系统简介 (63)5.1.1液压传动系统的组成 (63)5.1.2液压传动系统的结构 (63)5.1.3液压传动系统的控制原理 (64)5.2自动换刀装置的液压系统原理图 (64)5.2.1自动换刀装置换刀动作的顺序控制过程 (65)5.3 执行元件的选型计算 (65)5.3.1液压缸的计算 (65)5.4动力元件的选型 (72)5.4.1液压泵的选型 (72)5.5 控制元件的选型 (72)5.5.1方向控制阀的选型 (73)5.5.2流量控制阀的选型 (73)5.5.3控制元件的计算结果 (73)5.6 辅助元件的选型 (73)5.6.1管道的选型计算 (73)5.6.2管接头的选型 (70)5.6.3 过滤器的选型 (70)5.6.4 油箱的选型 (70)5.7 工作介质的选择 (71)5.7.1 液压油的选择 (71)第6章自动换刀装置的PLC控制设计 (72)6.1 PLC概述 (72)6.1.1 PLC简介 (72)6.1.2 PLC的主要特点 (72)6.2 PLC控制设计 (72)6.2.1 机械手控制系统PLC的选择 (72)6.2.2 机械手的工作流程 (73)6.2.3 机械手自动换刀系统的原理 (73)6.2.4 工步时间分配 (74)6.2.5 PLC的硬件I/O单元 (74)6.2.6 PLC的硬件I/O接口原理图 (75)6.2.7 PLC的控制流程图 (76)6.2.7 PLC的梯形图 (81)6.2.8 指令表 (82)结论............................................. 错误！未定义书签。
摘要本次毕业设计的题目是加工中心自动换刀系统设计，加工中心作为新时代数控机床的代表，已在机床领域广泛使用，自动换刀系统作为加工和中心最重要的部分之一，它的发展也直接决定了加工中心的发展。
自动换刀系统解决了工件一次装夹后多工序连续加工中，工序与工序间的刀具自动更换任务，实现了一次装夹完成多种加工。
本论文主要介绍的是加工中心自动换刀系统的整体设计过程，设计过程共分为以下几大部分：一、机械结构部分。
自动换刀系统机械结构的设计与计算，主要分为两大部分，刀库部分和机械手部分。
这一部分分别介绍了传动机构的工作原理、选型计算、校核等，如轴类零件、蜗轮蜗杆副、齿轮、花键、电机等。
二、气压部分。
气压部分主要包括气压系统的整体设计与气压元件的选用和计算。
整体设计包括气压系统原理图的绘制，气压回路的构成；气压原件的选择主要为气压缸、气压泵和各种阀类元件。
三、控制部分。
其中包括了控制器的选用、控制流程图的绘制、硬件电路图的绘制、控制程序的编写。
通过分析加工中心的整体结构和自动换刀系统的特点、应用条件，设计要求等，并结合在数控机床上对刀库和换刀机械手的需要，实现了自动换刀系统灵活换刀、快速换刀的目的。
关键词：加工，中心刀库，机械手AbstractThe graduation design topic is processing center for ATC system the new times representative of numerical control machines, automatic processing center had been widely used in the fields all over the world. As the most important parts of processing center, the development of ATC system had point out the development direction of the ATC system had solved the program of milling cutter change between procedure. The system realize many kinds of machining one thesis mainly introduces the design process of processing center for ATC systemThe design process is divided into the following sectionPart 1 Mechanism systemThe mechanical design and structure of ATC system had been is divided into two point: magazine tool and manipulator. This part had introduced the principle, model selection ,checking and so on .For instance ,the component of axle, turbine, spline and the dynamo.Part 2 Pressure systemThis part contain the overall design, and pneumatic components of the selection and calculation,the overall design contain how to drawn up the diagram of Pressure system ,the compose of Pressure system and choice of air lift pump , and many kinds of elementPart 3 Control systemThis part account for the choice of , how to drawn up the flow chart , how to drawn up diagram and write scriptBy analyzing the overall of processing center of ATC system structure, automatic system features and conditions, the design demands magazine tool , numerical control and manipulator And make it change magazine tool one to another system automatically quickly and flexible.Keywords: processing center, magazine tool , manipulator.目录第1章绪论 01.1 加工中心用途和特点 01.2 加工中心自动换刀系统概述 (1)1.3 题目的来源及意义 (2)1.4 设计内容 (3)1.5 加工中心自动换刀系统方案设计 (3)1.5.1 刀具的选择方式 (3)1.5.2 刀库的选择 (4)1.5.3 换刀形式的选择 (4)1.5.4 机械手结构形式的选择 (5)1.5.5 自动换刀系统的工作过程 (5)1.5.6 加工中心自动换刀系统外形图 (6)第2章机械结构的设计 (8)2.1 刀库结构的设计 (8)2.1.1 刀库总体传动方案的设计 (8)2.1.2 刀库中刀座处结构的设计 (9)2.1.3 刀具系统 (10)2.1.4 刀库主要设计参数 (11)2.1.5 电动机的初选 (12)2.1.6 确定传动装置的传动比 (13)2.1.7 确定各轴转速、转矩和功率 (13)2.1.8 电动机的校核 (15)2.1.9 刀库转位机构的设计 (16)2.1.10 蜗轮轴的校核 (21)2.1.11 键的选择及校核 (27)2.1.12 联轴器的选择 (28)2.1.13 轴承的选择 (28)2.2 机械手结构的设计 (28)2.2.1 机械手总体传动方案的设计 (28)2.2.2 齿轮齿条的设计计算 (31)2.2.3 机械手上的花键选择及校核 (33)第3章气压系统的设计 (35)3.1 气压系统原理图 (35)3.2 气压原件的选择 (36)3.2.1 气缸的选择 (36)3.2.2 气压阀类元件的选用 (39)3.2.3 气源装置及气动辅助元件的选用 (40)第4章控制系统的设计 (43)4.1 控制器的选择 (43)4.2 控制流程图 (44)4.3 利用PLC实现随机换刀 (44)4.4 硬件电路的设计 (48)4.5 电器元件介绍 (49)第5章总结 (50)参考文献 (51)致谢 (52)附录 (53)选择电动机的类型 (80)伺服电机参数 (80)电动机的校核 (80)联轴器的选择 (82)标准件的选择 (82)平键的选择及校核 (82)丝杠轴承的选择 (82)丝杠的选择 (82)小结 (83)第1章绪论1.1加工中心用途和特点数控机床的发展与应用，大大降低了零件加工的辅助时间，极大的提高了生产率。
文章编号:1006-2343(2001)03-049-03加工中心自动换刀装置类型综述及设计特点
刘建慧, 邹慧君(上海交通大学 机械工程学院,上海 200030)
摘 要:在对国内外加工中心(MachineCenter,简称MC)自动换刀装置(AutotomaticToolChanger,简称ATC)广泛调查研究的基础上,对加工中心ATC的组成结构、类型、特点以及各部分的相互关系做了系统全面的分析和归纳,进一步分析了自动换刀装置各部分的功能、基本换刀动作及其设计要求。提出ATC的创新设计问题以及抽象)分析)综合三步走的创新设计思想,为加工中心自动换刀装置系统化的创新设计做了有意义的探索。关键词:加工中心;ATC;创新设计中图分类号:TH2/605 文献标识码:A
收稿日期:2000-01-17 自动换刀装置(AutomaticToolChanger)简称ATC,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,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力。所以ATC在加工中心中扮演着极重要的角色。1 ATC的组成及分类 加工中心与一般数控机床的显著区别是具有对零件进行多工序加工的能力,即能在一次装夹中自动完成铣、镗、钻、扩、铰、攻螺纹和内槽加工等。其之所以有这种加工能力,就是因为它有一套自动换刀装置。自动换刀装置是指能够自动完成主轴与刀具储存位置之间刀具交换的装置。ATC的主要组成部分是刀库、机械手和驱动装置。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(或气液机构)或凸轮机构组成。w图1 转塔式刀库1.1 刀库刀库是存储刀具的装置,常见的刀库主要有以下几种形式:1.1.1 转塔式刀库包括水平转塔头和垂直转塔头两种。见图1a、b。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。在钻削中心储刀位置即主轴,其外部结构紧凑但内部构造复杂,精度要求高。1.1.2 盘式刀库刀库呈盘状。特点:刀具沿盘面垂直排列(包括径向取刀和轴向取刀)、沿盘面径向排列或成锐角排列的形式的刀库结构简单紧凑,应用较多,但刀具单环排列,空间利用率低,见图2a~2c。若增加刀库容量必须使刀库的外径增大,那么转动惯量也相应增大,选刀运动时间长。刀具数量一般不多于32把;刀具呈多环排列的刀库的空间利用率高,但必然使得取刀机构复杂,适用于机床空间受限制而刀库容量又较大的场合;双盘式结构是两个较小容量的刀库分置于主轴两侧,布局较紧凑,储刀数量也相应增大,适用于中小型加工中心。1.1.3 链式刀库包括单环链和多环链,链环形式可有多种变化,见图3a~3c。
w图2 盘式刀库
第17卷第3期2001年9月机械设计与研究MachineDesignandResearchVol.17No.3Sep.,2001w图3 链式刀库 特点:适用于刀库容量较大的场合,所占的空间小。一
般适用于刀具数在30~120把。仅增加链条长度即可增加刀具数,可以不增加圆周速度,其转动惯量不像盘式刀库增加的那样大。1.1.4 直线式刀库和组合刀库直线式刀库结构简单,刀具单行排列,刀库容量小。多用于数控车床和钻床上。组合刀库一般是转塔式刀库的组合、转塔式与盘式刀库的组合及链式刀库的组合,每单个刀库的储刀量较小,换刀速度快。另外,还有一些密集型的鼓轮式、弹匣式和格子式刀库。这些密集型刀库虽占地面积小,但由于结构限制,基本上不用于单机加工中心,多用于FMS的集中供刀系统。1.2 机械手机械手是执行刀库和主轴之间换刀动作的装置,分为以下几种类型,见图4a~4c:1.2.1 单臂机械手换刀机械手仅一个手臂(1) 单手式:一个换刀臂且仅一端有一个抓刀手
w图4 机械手 特点:所有动作均由单手完成,执行动作多,换刀时间
长,但结构简单。刀库与主轴轴线平行或垂直的情况均适用。(2) 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上的刀具,回转180度,同时放回和装入刀具,换刀时间短,较为常用,多用于刀座与主轴轴线平行的场合。1.2.2 双臂机械手两个机械手臂,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运输刀具的作用。这种机械手结构较复杂,但换刀时间短。
w图5 带送刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手
w图6 凸轮式ATC1.2.3 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,由摆刀站将刀具送到换刀位置,最后由换刀臂进行换刀。如图5所示,A为送刀臂,B为摆刀站,C为换刀臂,D为刀库,E为主轴。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。一般换刀时间较短。适用于刀库距离主轴较远的场合。
1.3 夹爪类型根据刀柄在换刀机构刀臂上的夹持方式可分为固定爪、活动爪、单夹爪、双夹爪、弹簧爪、动力爪等类。固定爪是指刀臂夹持部能吻合刀柄V形槽的半圆形部分,半圆形夹持部的一端或两端有弹簧扣,即所谓单夹爪、双夹爪;由两个可张开的夹指所组成即活动爪,其夹紧力由弹簧产生的即弹簧爪,通常以直进方式抓刀松刀;由液压缸等动力源控制其张合的为动力爪。1.4 典型换刀机构驱动原理及其性能比较机械手的驱动主要有液压(包括气液)驱动和机械式凸轮联动两种。液压式:采用液压式驱动的ATC,插、拔刀动作均由油缸完成。常见的方案是机械手装在套筒上,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,也可以采用直线运动油缸通过齿轮齿条带动来完成。 凸轮联动式:机械凸轮联动驱动的ATC,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盘直接驱动机械手或再通过一对齿轮驱动机械手旋转。典型的凸轮换刀装置如图6所示。性能比较:从已有的统计情况来看机械式凸轮联动换刀比液压式驱动换刀快大约1~1.4倍。原因有以下几个方面:(1) 凸轮联动驱动ATC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;(2) 前者驱动的运动规律可由设计者选择,液压驱动却不行;(3) 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。但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。
2 ATC换刀动作分析及设计要求 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。而对于某一类机械系统的创新设计,有必要首先深刻了解对象本身的特点,然后得出加工中心ATC
50 机械设计与研究 第17卷的换刀动作与设计要求。2.1 换刀动作从以上的分析介绍来看,换刀臂完成摆刀站或刀库与主轴头上新旧刀具的交换。其动作主要有抓刀,插、拔刀,换刀和复位几个动作。换刀动作和换刀臂的型式有密切关系,可归结为下列七种类型:(1) 旋转抓刀型:换刀臂旋转抓刀和松刀,直进插拔刀,以及旋转换刀。(2) 直进抓刀型:换刀臂直进抓刀和松刀,直进插拔刀,以及旋转换刀。(3) 夹爪旋转抓刀:换刀臂夹爪旋转抓刀和松刀,直进插拔刀,以及旋转换刀。(4) 夹爪直进抓刀:换刀臂夹爪直进抓刀和松刀,直进插拔刀,以及旋转换刀。(5) 双平行爪抓刀型:换刀臂夹爪直进抓刀和松刀,主轴头直进插拔刀,以及主轴头直进换刀。(6) 剪式(双刀臂闭合)抓刀型:换刀臂旋转闭合抓刀和松刀、直进拔刀和插刀、以及旋转换刀。(7) 双臂摆动抓刀型:双臂摆动抓刀、直进拔刀和插刀、以及摆动换刀。摆刀站完成刀库中取出刀具的位置与换刀臂进行换刀前刀具位置之间的中转动作,根据两个位置方位的不同,多为直线运动和转动或两者的结合。送刀臂完成刀库中刀具与摆刀站中刀具的交换动作,因此它的动作类型与换刀臂的动作类型相似。2.2 ATC设计特点及设计要求从以上的分析介绍,可以得出ATC的设计特点和设计要求如下:特点:(1) 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:(1) 换刀时间越短越好;(2) 换刀机构所占的空间小;(3) 机械构造简单;(4) 加工或换刀时,不可与工件或工作台发生干涉。(5) 能够在切削时间内完成换刀前的准备动作;(6) 刀库离开主轴一段距离,以减少切屑和切削液的污染;(7) 刀库与换刀机构最好同机床主体分开,防止振动对精度的影响;(8) 设计标准化或模块化;(9) 良好的可靠性和定位精度;(10) 足够的刀具夹紧力和夹持力。2.3 ATC创新设计思想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)分析)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)行为)结构的概念设计分析模式找出对应功能元的多种机构。这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时序关系,进行机构组合,最后进行评价选优,从而达到创新设计的目的。
3 结束语 ATC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。目前,ATC的设计仅是各厂商针对各自的特点及不同机型来进行独特设计。随着加工中心的发展,需要使ATC的设计走向系统化。本文对各类ATC做了较全面的分析介绍并分析总结了其换刀动作与设计特点和要求,提出了抽象)分析)综合的创新设计思想框架,有利于结合自动换刀装置自身特点,吸取已有的设计经验进行ATC的系统化创新设计。参考文献:[1] 邹慧君.机构系统设计[M].上海:上海科技出版社,1996.[2] 邹慧君.机械运动方案设计手册[M].北京:高等教育出版社,1995.[3] 毕承恩,等.现代数控机床(上册)[M].北京:机械工业出版社,1993.[4] 王继正.CNC铣床与切削中心[M].台湾:全华科技图书公司发行,1991.[5] 机床设计手册(3)[M].北京:机械工业出版社,1986.[6] 廉元国,张永洪.加工中心设计与应用[M].北京:机械工业出版社,1995.[7] 王科社.张怀存.加工中心ATC凸轮式与液压式的比较[J].组合机床与自动化加工技术,1995,(9).[8] 孙凡国,邹慧君.基于实例的机构创新理论与方法的研究,[J].机械与电子,1996,(2).[9] FCChen,HSYan.Configurationsynthsisofmachiningcenterswithtoolchangemechanisms[J].InternationalJounralofMa-chineTool&Manufacture1999,(39):273~295.[10] NKTEWARI,KPWADHWANI.Apneumatic-mechanicallinkagemechanismfortoolhandlingforanN.C.machine[A].ProceedingsoftheSixthWorldCongressonTheoryofMachinesandMechenisms[C].1983.[11] 邹慧君,汪利,等.机械产品概念设计及其方法的研究[J].机械设计与研究,1998,(2).[12] 贺炜,蔚泽峰,等.加工中心弧面凸轮式自动换刀装置[J].制造技术与机床,2000,(8).
