自动换刀装置设计 -刘晓峰

1、 自动换刀系统设计刘晓峰 08机械（3）班 2011年6月11日第1章 绪 论1.1 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。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。也是因为加工中心和车削中心比一般数控机床多了一套自动

2、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。1.2 加工中心的主要优点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

3、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。第2章 初步方案2.1 要求与初步方案本次设计的对象为立式加工中心XH716的自动换刀装置。自动换刀装置的主要性能指标为：1）

4、 刀库容量：20把。2） 刀柄型号：ISO50。3） 最大刀具质量：16kg。4） 最大刀具直径:mm。5） 最大刀具长度：400mm。6） 最大刀具（相邻是空位）：mm。7） 刀库选刀的时间：s。8） 换刀时间（刀对刀）：s。2.2 自动换刀装置的主要结构自动换刀装置的应用，从一开始就追求高速化。但是由于当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

5、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(如机械手)、刀具在主轴上的自动装卸机构等部分组成。5第3章 确定自动换刀装置的换刀顺序3.1 自动换刀装置的换刀顺序3.1.1 自动换刀装置概述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，

6、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(如机械手)、刀具在主轴上的自动装卸机构等部分组成。自动换刀方式分为两大类：一是由刀库和主轴的相对运动实现刀具交换。用这种形式交换刀具时，主轴上用过的刀具送回刀库和从刀库中取出新刀，这两个动作不能同时进行，选刀和换刀由数控定位系统来完成，因此换刀时间长，换刀动作也较多。二是由机械手进行刀具交换。3.1.2 刀具的夹持形式 机械手对刀具的夹持方式主要有两种：1）柄式夹持：刀柄前端有V形槽，供机械手夹持用，目前我国数控机床较多采用这种夹持方式。如图3-1所

7、示为机械手手掌结构示意图。由固定爪7及活动爪1组成，活动爪1可绕轴2回转，其一端在弹簧柱塞6的作用下，支靠在挡销3上，调整螺栓5以保持手掌适当的夹紧力，锁紧销4使活动爪1牢固夹持刀柄，防止刀具在交换过程中松脱。锁紧销4要轴向压进，放松活动爪1，以便抓刀或松刀时手爪从刀柄V形槽中退出。图3-1柄式夹持 图3-2法兰盘式夹持2）法兰盘式夹持：也称径向夹持或碟式夹持，如图3-2所示在刀柄的前端有供机械手夹持用的法兰盘，图中所示为采用带洼形肩面的法兰盘供机械手夹持用。图a）上图为松开状态，下图为夹持状态。采用法兰盘式夹持的突出优点是：当采用中间搬运装置时，可以很方便地从一个机械手过渡到另一个辅助机械手

8、上去，如图b）所示。法兰盘式夹持方式、换刀动作较多，不如柄式夹持方式应用广泛。3.1.3自动换刀的工作原理下面以EV-810A立式加工中心为例，来说明自动换刀系统的工作原理。该自动换刀系统由盘式刀库和刀具交换装置组成。刀库安装在机床立柱的左侧，刀库容量为24把刀具，换刀机械手安装在刀库和主轴之间。机械手将刀具从刀库中取出送至机床主轴上，然后将用过的刀具送回刀库。其自动换刀动作过程简述如下：1）刀套下转90：如图所示3-3，刀库位于立柱左侧，刀具轴线在刀库中的安装方向在换刀前与主轴垂直，刀库将待换刀具5送到换刀位置，刀套4连同刀具5向下翻转90，使刀具轴线与主轴轴线平行。图3-3自动换刀的工作原

9、理2）机械手转75：下图所示K向视图为机械手的原始位置，换刀时机械手顺时针转75，两手爪分别抓住刀库上和主轴3上的刀柄。3）机械手拔刀：待主轴上自动夹紧机构松开刀具后，机械手下降，同时拔出主轴上和刀库上的刀具。4）刀具位置交换：机械手顺时针转180，使主轴刀具与刀库刀具交换位置。5）机械手插刀：机械手上升，分别将刀具插入主轴锥孔和刀库刀套中。6）机械手逆时针转75：待主轴上自动夹紧机构夹紧刀具后，机械手逆时针转，回到原始位置。7）刀套上转90：刀套带着换回的旧刀具向上翻转90，准备下一次选刀。该机床使用回转式单臂双手机械手换刀。在自动换刀过程中，机械手要完成抓刀、拔刀、交换主轴上和刀库上的刀具

10、、插刀和复位等动作，这些动作由气压系统来控制完成。这种自动换刀系统结构简单，换刀可靠，换刀动作也少，得到了广泛应用。3.2 凸轮联动驱动机械手工作循环图的确定在自动换刀装置工作过程中，松、夹刀动作和刀套翻转动作由主机控制完成，其余各个动作的匹配关系，如图3-4所示。这些动作由凸轮联动机构实现。图3-4 凸轮联动驱动机械手工作循环图a)弧面分度凸轮运动线图 b)拔插刀凸轮运动线图c）松紧刀凸轮运动线图 d）停转凸轮运动线图3.3 凸轮曲线特性值及运动规律的选择评价各种运动规律，常常按照一些与运动学或动力学有关的特性值。通过这些特性值的比较，可以大体分析出凸轮机构选用这种运动规律的运动或动力特性，

11、甚至可以反映出工作行为、结构或寿命等方面的基本趋势。运与动规律常用的特性值有以下几种：1）最大速度凸轮曲线的特性值。众所周知，凸轮机构的轮廓压力角一般随速度的增大而增加。压力角过大，会导致磨损加剧，效率下降，甚至自锁咬死。为了减小压力角，应选用较小的运动规律。如果压力角选定时，较小的，可以得到较小的基圆半径，因而能减小凸轮机构的尺寸。低速机构一般按较小的原则选用运动规律。2）无因次最大加速度。在高速凸轮机构中，与加速度成正比的惯性力是载荷的主要组成部分。较大的惯性力不但使构件受力增加，构件之间磨损加剧，由于振动分量的存在，还导致从动件的振动加大，严重影响工作精度。因此，是选用运动规律时必须考虑

12、的主要特性，特别是在中、高速机构中，更要选用较小的。速度与加速度的增加还导致轮廓曲率半径的减小，使接触应力增加。3）动载转矩特性值。经证明，与动载惯性力对应的凸轮轴转矩正比与，它的最大值决定动载转矩的最大值。为了减少凸轮轴转矩，降低电动机功率，应选用较小的运动规律。4）最大跃度和最大跳度。在高速机构中，要求高阶导数连续，而且绝对值尽量小，以便减少机构的振动，提高工作机构的运动精度。作为位移三阶导数的跃度J和四阶导数的跳度Q,通常要求控制其最大值或不要超过某一数值。3.4 提高换刀速度的措施这种凸轮联动ATC，一般凸轮每转一圈完成一次换刀动作。因此，提高ATC的换刀速度就必须提高凸轮的转速。但由

13、于制造误差的存在，速度提高也会使整个系统的动态特性变差。因此，应该综合考虑，采取如下的措施： 1.提高驱动电动机的驱动转速及驱动力矩。 2.合理选择、设计凸轮曲线，提高凸轮制造精度。 3.减小凸轮曲线的压力角。例如，改变结构参数，加大凸轮与滚子盘之间的中心距：缩短或去除主轴的松拉刀时间，使主轴松刀在换刀之前动作，拉刀在换刀之后动作：加大ATC在抓刀、180换刀、回零时的凸轮转位角：减小拔、插刀行程，采用HSK刀柄等。4.改善润滑条件，减小摩擦力矩。5.改变凸轮联动的动作结构，如把180换刀改为20换刀等。总之，凸轮联动ATC的设计，要把结构设计、动力学分析计算以及ATC的动作联动关系进行综合考

14、虑、反复计算，以取得较好的设计结果，保证ATC的换刀运动连续、高速、平稳、可靠。3.5 主要计算公式1）滚子数的选定=360，一般取Z=616，在这里取=6。2）凸轮头数当n取整数值且值越小，凸轮曲线条数就越少，凸轮结构也就越简单。最理想的值是1，于是取=1。3）分度数n一般取n=424，这里取n=6。4）滚子盘分度角，大可提高承载能力，过大会使预紧困难。一般取取=。5）凸轮分度角根据实际情况确定。6）凸轮压力角 （31）7）滚子盘分度圆半径 （32）8）中心距即从动盘与凸轮回转中心的距离，我国规定中心距为(40-450)mm。，其公比为1.25。常用的中心距有(40、50、63、80、100

15、、125、150、180、200)mm等。选取的中心距不同，对应的箱体尺寸不同，可以满足不同功率需求。根据机床布局，刀库与主轴箱间空间尺寸定中心距a,在结构允许时，a值尽量选大点，这样可使凸轮曲线平缓，在本设计中取a=100mm。 9）计算滚子盘分度圆半径 （32）式中 取= 许用压力角，一般取，取 从动件运动规律的无量纲最大速度 10）凸轮压力角 （31）由此可知凸轮压力角满足条件。11第4章 确定自动换刀装置的传动方案4.1 传动方案的确定 考虑凸轮式自动换刀装置较之他方式的换刀装置，具有换刀速度快、可靠性好、控制简单、维修方便等优点，选用机械手的动作由联动的凸轮驱动，刀库的选刀分度也采用

16、弧面分度凸轮机构，可提高定位精度和可靠度，也使控制简单。4.2 驱动电机的选择驱动刀库的电动机为普通电动机。刀库的转位分度由步进运动机构实现，并且也可由步进运动机构本身的结构准停定位。因此，要求间歇运动机构以后的齿轮传动必须消隙预紧。对于刀库容量大的链式刀库，一般还需加准停装置，此时的齿轮传动就不用消隙预紧。普通电动机一般需变频器驱动，用以实现调速、制动及安全保护。这里选用普通电动机。1.主要计算公式 1）弧面分度凸轮传动箱输入轴转速（r/mm） （41）式中 刀库容量，这里取=32把； 刀库最长选刀时间（s），这里取=20s。2）减速装置的传动比 （42）式中 电动机断电后所能转过的圈数，对

17、于装于刀库的电动机来说，可取=46； 间歇运动机构弧面分度凸轮传动箱中凸轮的转位角，一般取=3）刀套的最大加速度 （43）式中 P刀具的间距(m)。 凸轮一个刀位的转位时间（s）。4)动载荷驱动刀库需要的功率 （44）式中 刀套的平均速度（m/s）13第5章 自动换刀装置的控制5.1 自动换刀装置的控制自动换刀装置由刀库、翻刀机构、机械手、刀库手动装卸刀机构四个主要部分组成。自动换刀装置的工作由数控系统通过PLC控制。加工程序和PLC程序关系示意图PLC程序是数控机床正常运转的软件核心，是连接NC和机床的桥梁，也是机床电气设计人员调试机床的关键。一个完善的PLC程序不仅能使机床正常运行，还要让

18、人看起来一目了然，既为自己调试提供方便，还能帮助维修人员查找故障和分析原因。 1.开关量的逻辑控制这是PLC最基本最广泛的应用领域。PLC取代继电器控制系统，实现逻辑控制。例如:机床刀库换刀控制、汽车配装线、电视机和收音机的生产线控制等。 2.运动控制PLC可用于对直线运动或圆周运动的控制。早期直接用开关量I/0模块连接位置传感器与执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。这类模块一般带有微处理器，用来控制运动物体的位置、速度和加速度，它可以控制直线运动或旋转运动、单轴或多轴运动。它们使运动控制与可编程控制器的顺序控制功能有机地结合在一起，被广泛地应用在机床、装配机械等场合。 3.闭环过程控制

19、在工业生产中，一般用闭环控制方法来控制温度、压力、流量、速度这一类连续变化的模拟量，无论是使用模拟调节器的模拟控制系统还是使用计算机(包括PLC)的控制系统，PID(Proportional Integral Differential，即比例-积分一微分调节)都因其良好的控制效果，得到了广泛的应用。PLC通过模拟量I/0模块实现模拟量与数字量之间的A/D，D/A转换，并对模拟量进行环PID控制，可用PID子程序来实现，也可使用专用的PID模块。PLC的模拟量控制功能已经广泛用于塑料挤压成型机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，还广泛地应用于轻工、化工、机械、冶金电力和建材等行业。 4.数据处理现代

20、的PLC具有数学运算、数据传递、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与存贮在存储器中的参考值比较，也可以用通讯功能传送到别的智能装置，或将其打印制表。数据处理一般用在大、中型控制系统，如柔性制造系统、过程控制系统等。 5.机器人控制机器人作为工业过程自动生产线中的重要设备，已成为未来工业生产自动化的三大支柱之一。现在许多机器人制造公司，选用PLC作为机器人控制器来控制各种机械动作。随着PLC体积进一步缩小，功能进一步增强，PLC在机器人控制中的应用必将更加普遍。 6.通讯联网PLC的通讯包括PLC之间的通讯、PLC与上位计算机和其它智能设备之间的通讯。P

21、LC和计算机具有接口，用双绞线、同轴电缆或光缆将其联成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统。目前PLC与PLC的通讯网络是各厂家专用的。PLC与计算机之间的通讯，一些PLC生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢。PLC是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境设计的一种工业控制计算机,采用面向用户的指令,编程方便。近年来,PLC在传统的对开关量处理的基础上,又增加了数字运算及对模拟信号处理的能力。这给PLC的应用带来了巨大的发展前景,PLC驱动步进电机实现点位控制,硬件电路设计简单、方便、快捷。编程时只要熟悉PLC的指令即可。15参 考 文 献1吴宗泽 罗圣国.机械设计课程设计手册M.北京:高等教育出版社,2006.5；2邱宣怀 吴宗泽.机械设计(第四版)M.北京:高等教育出版社,2006.5；3廉元国 张永红 加工中心设计与应用M 北京：机械工业出版社，1995.12；4张建民.机电一体化系统设计(第二版)M. 北