加工中心刀库自动换刀装置结构设计
绪论
1.1背景及研究意义
随着机械加工工业的发展，制造行业对于具有高效高性能的加工中心的需求量越来越大。自动换刀装置作为加工中心的重要组成部分其主要的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，进而提升机床及至整个生产线的生产率，所以自动换刀装置在交工中心中扮演着重要角色。
1.2自动换刀装置国内外发展与现状
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。
切削加工正在进入以高速切削（HSC）为特征的发展阶段，因高速切削而切削效率飞速提高，因此，进一步减少机床加工辅助时间的技术也伴随高速切削的发展而不断发展。快速换刀技术是减少加工辅助时间重要手段，而且正在处于发展阶段。许多研究人员利用各种方法来缩短换刀时间来提高切削速度。
下面介绍几种常用加工中心的换刀方法:
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。每根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 公司生产这种结构的机床，实现了切屑对切屑换刀时间仅为0.4s，是目前世界上切屑对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。两个主轴交替将刀送到工作位置，一个主轴用于加工，另一个主轴在此期间更换刀具。在需要换刀时，加工的主轴迅速退出，换好刀具的主轴立即开始加工。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，使辅助时间减少到最少，也即机床切屑对切屑换刀时间达到最短，这样每个主轴换刀时间的长短对加工几乎没有影响。每个主轴的换刀装置和普通加工中心一样。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 Hornsbeng —Lamb 公司生产的 HSC—500 、 HSC—630 和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
刀库布置在主轴的周围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，使机床切屑对切屑换刀时间较短。这种方式如果要实现任意换刀，则换刀时间将随所选刀在刀库的位置不同而长短不等，最远的刀可能换刀时间较长，因此，这种方式作为高速自动换刀装置最好采用顺序选刀的方式。
4、多机械手方式
刀库同样布置在主轴的周围，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 公司生产这种结构的机床。其刀库布置在加工主轴的周围可随主轴一起移动，每一个刀具有一套换刀机械手，这样换刀时就几乎没有时间的损失，实现了切屑对切屑换刀时间仅为 1.5s，是目前世界上单主轴机床切屑对切屑换刀时间最短的加工中心。
本文主要是对双主轴换刀进行研究。
1.3工作内容
1、主轴箱先抬起30mm，然后旋转180°；
2、主轴交换时间2.5s；
3、刀柄锥度为40度，机械手拔刀行程为84mm；
4、机械手能够实现抓刀、180°换刀和回零，换刀时间为3.5s。
1.4设计构想
1、主轴交换装置
由于交流电动机一般为鼠笼式感应电机结构，其体积小，转动惯性小，动态响应快。无电刷，最高转速不受火花限制。采用全封闭结构，具有空气强冷，可保证高转速和超载能力，有很宽的调速范围。所以选择交流电动机驱动。用液压缸来实现转塔体的抬起动作，利用活塞的行程来实现抬起的高度，同时用定位销来保证转塔体的定位，用活塞杆齿条和齿轮的啮合使转塔体实现转位。
2、刀库
刀库由伺服电机带动蜗轮蜗杆驱动。刀具有一套识别装置来控制电机的停止和转动。
3、换刀装置
由于凸轮联动式单臂双手爪机械手由电动机驱动，不需要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。同时机械手的手臂回转和插刀、拔刀的动作式联动的，部分时间常数可重叠，从而大大缩短了换刀时间。所以本设计也采用了这种装置。
研究内容：
总体方案设计、主轴转动的设计计算，圆柱齿轮的结构设计，输出轴齿轮的设计，主轴的设计，花键轴的设计，转位装置的设计计算，刀库的设计计算，机械手驱动装置的设计。
第2章设计总体方案论证
通过的市场的调研和常见的换刀装置的比较，多主轴换刀的方式刀具数量有限，不能进行多工序加工；刀库布置在主轴周围的转塔方式，换刀的时间随所选刀在刀库的位置不同而长短不等。选择了如图1-1所示的布局方案。加工中心有两个工作主轴，
1-转塔体 2-压缩空气管接头 3-行程开关 4-活塞 5-液压缸 6-弹簧 7-大齿轮8-碟形弹簧9-拉杆 10-主轴 11-拉钉 12-刀夹 13-端面键 14-钢球 15-滑移齿轮
图2-1 双主轴换刀
但不是同时用于切削加工。两个主轴交替将刀送到工作位置，一个主
