何加工中心自动换刀系统.资料

1、加工中心自动换刀系统【摘要】在全面了解数控加工中心的结构、工作原理和控制方法的基础上，设计出加工中心的自动换刀装置。根据加工中心换刀机械手的工作原理，确定结构与技术参数并给出结构设计方案。文中设计的换刀机械手具有工作效率高、刚性好、使用寿命长等特点。关键字：加工中心 刀库 换刀机械手前言：随着数控技术的发展，带有自动换刀系统的加工中心在现代制造业中起着越来越重要的作用，它不仅能缩短产品的制造周期，而且能提高产品的加工精度，适合柔性加工1。人们一直寻找各种方式，提高加工中心的加工效率，如提高进给与移动速度，提高主轴转速，加大主轴电机功率、加大切削用量、采用高质量刀具等。在高节拍多次换刀的加工过程

2、中，缩短换刀时间，可大大提高生产率。国内外加工中心生产厂家都投入大量的时间和精力，研制自动换刀装置，一缩短自动换刀时间，提高工作效率和竞争力。自动换刀装置专门为大中型加工中心配套，实现其刀具储备及自动交换功能的重要功能部件，是高档加工中心和重型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，以提高生产率和降低生产成本，进而提升机床乃至整个生产线的生产力。自动换刀装置的换刀速度和可靠性，是数控机床系统先进与否的一个重要标志2。1、 自动换刀系统的组成自动换刀系统2,3,5由刀库和刀具交换装置组成。带刀库和自动换刀装置的数控机床，其主轴箱和转塔主轴头相比较，由于主轴箱内只有一个主

3、轴，主轴部件具有足够的刚度，因而能够满足各种精密加工的要求。此外，刀库可以存放数量很多的刀具，以进行复杂零件的多工步加工，可明显提高数控机床的适应性和加工效率。自动换刀系统特别适用于加工中心。自动换刀系统应当满足的基本要求包括：(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)刀库占用空间少。1、1刀库在自动换刀系统中刀库是最主要的部件之一。由于多数加工中心取、送刀具都是在刀库中某一固定刀位实现的，因此刀库还需要有使刀具运动的机构来保证每一把刀具能够到达换刀位置，采用电动机或液压系统为刀库转动提供动力。刀库中的到具定位机构是用来保证使需要更换的每一把刀具或刀套都能准确地

4、停在换刀位置上的。根据刀库存放刀具的数量和取刀方式的不同，可以将刀库设计成不同类型。常用的刀库形式有直线刀库、圆盘刀库、链式刀库、其他刀库等。（1）直线刀库（如图1.1的图a所示）特点：刀具在刀库中直线排列，结构简单，存放刀具数量有限（一般8把12把），较少使用。（2）.盘式刀库（如图1.1的b-g所示）特点：结构简单，应用较多，但其刀具环形排列，空间利用率低，受刀盘尺寸限制，刀库容量较小，通常容量15-32把刀。也有将刀具在刀盘中采用双环或多环排列，以增加空间利用率，存放更多刀具。但这样做会使刀库的外径过大，转动惯量也很大，选刀的时间也很长，因此，盘式刀库一般用于刀具容量较小的数控机床5,7

5、。(3).链式刀库（如图1.1的h、i所示）特点：结构紧凑，灵活性好，刀库容量较大，选刀和取刀东座简单，适用于刀库容量较大的场合，且多为轴向取刀。一般当刀库数量为30-120把时，多采用链式刀库。(4)其他刀库刀库的形式其实还有很多，值得一提的是格子箱式刀库（如图1.1的j、k所示），其特点是刀库容量较大，可使整箱刀库与机外交换。为减少换刀时间，换到机械手通常利用前一把刀具加工工件的时间，预先取出要更换的刀具。 图1.11.2刀具交换装置在数控机床的自动换刀系统中，用来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采用机械手进行刀具交换和由刀库与机床主轴的

6、相对运动实无机械手刀具交换6。采用机械手进行刀具交换的方式在加工中心中应用最为普遍。它具有很大的灵活性，可以减少换刀时间。在刀具交换装置中，对机械手的具体要求是动作迅速可靠、准确协调。由于不同的加工中心的刀库与主轴的相对位置不同，所以各种加工中心所使用的换刀机械手也不尽相同，但是从机械手手臂的类型来看，有单臂机械手和双臂机械手等如图1图2图3所示。双臂机械手它们能够完成抓刀拔刀回转插刀返回等一系列动作。为了防止刀具滑落，各机械手的手抓都带有自锁机构，双臂回转机械手的动作比较简单，而且能够同时抓取和卸装机床主轴和刀库中的刀具，可进一步缩短可换刀时间。特点是两个刀库和两个单臂机械手配合进行工作，因

7、此单个机械手的工作行程大为缩短，可有效地节省换刀时间。此外，因刀库分两处设立而使得机床整体布局更趋合理。图1 单臂单手式 图2 单臂双手式 图3 双臂式机械手2、自动换刀过程 图步骤1：平移缩回，抓刀库中预选的刀具：步骤2：拔刀伸出，拔出刀套中的刀具：步骤3：平移伸出，离开刀库侧抓刀位置：步骤4：拔刀缩回，机械手缩回：步骤5：摇臂伸出，摇臂转向主轴侧：步骤6：平移伸出，抓主轴刀具：步骤7：拔刀伸出，拔出主轴中的刀具：步骤8：换刀正转或反转，刀具交换：步骤9：拔刀缩回，将预选刀具插入主轴：步骤10：平移缩回，机械手离开主轴：步骤11：摇臂缩回，摇臂转向刀库侧：步骤12：拔刀伸出，准备将主轴刀具送

8、回刀库：步骤13：平移缩回，机械手移向刀库：步骤14：拔刀缩回，将主轴刀具插入刀库：步骤15：平移伸出，离开刀库侧抓刀位置9。3、 自动换刀过程的控制机器毕竟是机器，要使它听命于人就必须对其进行控制，目前常用自动换刀液压控制系统、自动换刀电气控制系统、自动换刀电器控制系统等8。2.1自动选刀方式 目前刀具选择一般有四种方式：顺序选择、刀具编码选择、刀座编码选择、任意选刀（1）顺序选择 刀具的顺序选择方式是将刀具按加工工序的顺序，依次放入刀库的每一个刀座内。每次换刀时，刀库按顺序转动或移动一个刀座的位置，并取出所需要的刀具。已经使用过的刀具可以放回到原来的刀座内，也可以按顺序放入下一刀座内。采用

9、这种方式的刀库不需要刀具识别装置，而且驱动控制也比较简单，可以直接由刀库的分度机构来实现。因此刀具的顺序选择方式具有结构简单，工作可靠等优点，但由于刀库中的同一规格的刀具在不同的工序中不能重复使用，因而必须相应的增加刀具的数量和刀库的容量，这样就降低了刀具和刀库的利用率。此外，人工装刀操作必须十分谨慎，如果刀具在刀库中的顺序发生差错，将会造成设备或质量事故。（2）刀具编码选择 刀具编码选择方式采用一种特殊的刀 柄结构，对每把刀具进行编码。换刀时通过编码识别装置，按换刀指令代码，在刀库中寻找出所需要的刀具，因为每一把刀具都有自己的代码，因而刀具可以放入刀库中的任何一个刀座内。这样不仅刀库中的刀具

10、可以在不同的工序中重复使用，而且换下来的刀具也不必放回原来的刀座，这对装刀和选刀都十分有利，刀库的容量也可相应地减少，而且还可以避免由于刀具顺序的差错所造成的事故。（3）刀座编码选择 刀座编码方式是对刀库中的刀座进行编码和对刀具进行编号。装刀时，将与刀座编码相对应的刀具放入刀座中，然后根据刀座的编码选取刀具。刀座编码的识别原理与上述刀具编码的识别原理完全相同。刀具编码方式取消了刀柄中的编码环，使刀柄得结构大为简化。因此，刀具识别装置的结构不受刀柄尺寸的限制，而且可以放置在较为合理的位置上。采用这种编码方式时，当操作者把刀具误放入编码不符的刀座内，增加了刀库动作和复杂性。与顺序选择相比，刀座编码

11、选择方式最突出的优点是刀具可以在加工过成中重复多次选用。刀座编码方式分为永久性编码和临时性编码。永久性编码是将一种与刀座编号相对应的刀座编码板安装在每个刀座的侧面，它的编码是固定不变的。 临时性编码也成为钥匙编码，它采用了一种专用的代码钥匙，并在刀座旁设专用的代码钥匙孔。编码时先按加工程序的规定给每一把刀具系上表示该刀具号码的代码钥匙，在刀具任意放入刀库的同时，将对应的代码的代码钥匙插入该刀座旁的代码钥匙孔内，通过钥匙把刀具的代码记到该刀座上，从而给刀座编上了代码。 （4）任意选刀由于计算机技术的发展，可以利用软件选刀，它代替了传统的编码环和识别器，在这种选刀与换刀方式中，刀库上的刀具与主轴上

12、的刀具直接交换，即随机任意选刀换刀。主轴上换上的新刀号及还回刀库中的刀具好，均在计算机内部相应的存储单元记忆，不论刀具放在哪个地址，都始终能跟踪记忆。这种刀具选择方式需在计算机内部设计一个模拟刀库的数据表，其长度和表内设计的数据与刀库的刀座位置数和刀具号相对应。这种方法主要用软件完成选刀，从而消除了由于识刀装置的稳定性、可靠性带来的选刀失误。2.2自动换刀控制系统（1）自动换刀液压控制系统液压系统工作平稳可靠，易于调节、传动介质为高压的油性介质，因此适合大功率系统。加工中心换刀控制液压系统主要用于实现主轴退刀控制，亦可也用于机械手的换刀控制，由于该加工中心采用的是三相交流电机直接驱动机械手，所

13、以液压系统仅用于主轴退刀的控制9。系统原理如图4所示。（2）自动换刀电器控制系统 自动换刀电器控制系统与上 述各个系统配合，主要实现的控制内容有：换刀机械手电动机控制；刀库电动机正反转控制；主轴退刀控制；刀具倒刀控制；刀具回刀控制；主轴吹气控制；主轴准停控制。 相关控制信号：主要输入信号；主轴刀具加紧确认信号；主轴刀具松开确认信号；刀库倒刀确认信号；刀具回刀确认信号；刀具计数及定位信号；刀具原点确认信号；换刀机械手扣刀确认信号；换刀机械手原点确认信号；换刀机械手电机停止控制信号；换刀机械手电机和刀库电机保护开关信号。除了上述输入信号之外，在机床上各种用于手动控制刀库转位、回参考点、倒刀与回刀、

14、主轴松刀等开关信号在此没有列出来10。系统原理如5所示。 3、 总结自动换刀装置，将根据不同工作的需要，进行多元化发展，自动换刀装置所追求的换刀时间越来越短通用性和可靠性越来越强。传统装置将会采用动作速度更快的机构和驱动元件，凸轮结构近年来已被大量采用1,2。同时新的材料和加工工艺，弥补凸轮机构磨损后可靠性降低的缺点。新的换刀方式的实现，也为自动换刀装置的进一步发展提出了新的思路。双主轴和多主轴换刀技术，把机床的换刀速度提高到了新的水平。多主轴换刀方式，可以使安装在夹具上的工件快速在各主轴之间移动。在通用性方面，立卧两用自动换刀装置将会成为另一个发展方向。基于PLC自动换刀系统将充分发挥现有数

15、控设备的功能，节省人工换刀时所需要的时间，提高车间的生产效率，同时能够实现一次装夹完成多道工序，缩短了生产准备时间。参考文献1黄泽正，刘冲，陈志辉.加工中心自动换刀的设计J.机械工程与自动化，2007，（1）：124-1252韩越梅.加工中心自动换刀装置的研究进展J装备制造技术，2010，（5）：128-1293H.Y.Jeong,H.Tae,B.K.Min,D.W.Cho.Virtual automatic.tool changer of a machining centre with a real-time simulaitionJInternational Journal of comp

16、uter Intergrated Manufctering,2008,21(8)4 Beom-sahng Ryuh,Sang Min Park ,Gordon R.Pennock.An automatic tool changer ang integraed software for a robitic die polishing stationJ Mechanism and Machine Theory,2006,41(4).5戚洪利.自动换刀装置及其控制的研究D,兰州理工大学，2007.6曹秋霞，小型立式加工中心无机械手自动换刀装置的设计J.机床与液压，2006，（9）：54-56.7谭光

17、恒.大型刀库及自动换刀装置的研制J.机械工程师，2010，（7）：40-41.8朱文艺，张庆乐.数控加工中心自动换刀机构动作过程及控制原理研究.J武汉工程职业技术学院学报，2009,21（1）：5-9 9 Jianbo Liu,Dragan Djurdjanovic,Jun Ni. IDENTIFICATION AND ANOMALY DETECTION FOR PLC CONTROLLED AUTOMATIC TOOL CHANGER USIN

18、G TIMED PETRI NETZ. International Manufacturing Science And Engineering Conference, Atlanta, Georgia, USA, 2007. 10 Ming Cong, Jing Liu, Quanpu Li. A Novel Dual-Cam Linkage Drive Automatic To