加工中心自动换刀装置的研究和加工中心换刀机构设计说明书

-加工中心自动换刀系统的研究机械电子工程1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愈来愈重要的作用，它能缩短产品的制造周期，提高产品的加工精度，适合柔性加工[1]。人们一直寻求各种方式，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中，缩短换刀时间，可大大提高生产效率。国内外加工中心生产厂家都投入大量的资金和精力，研制自动换刀装置，以缩短换刀时间，提高工作效率和竞争力。自动换刀装置是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，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]。2、自动换刀系统的组成自动换刀系统[2,3,5]一般由刀库、机械手和驱动装置组成。一般来说，刀库容量可大可小，其装刀数量在20～180把之间。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[4]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。机械手完成刀库里的刀与主轴上的刀的交换工作。由于数控加工中心的刀库容量、换刀可靠性及换刀速度直接影响到加工中心的效率，而自动换刀就是进一步压缩非切削时间，提高生产效率，改善劳动条件。所以数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道加工工序，缩短辅助时间，减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。2.1刀库目前，国内外采用的数控机床刀库主要分为：转塔式、圆盘式、链式刀库等形式。转塔式刀库，包括水平转塔头和垂直转塔头两种，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。圆盘式刀库呈盘状，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。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。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[5,7]。链式刀库，包括单环链和多环链，链环形式可有多种变化，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，也可以把多个刀库按并联或串联的方式排列起来，既可使刀库容量加大，又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。链式刀库的驱动，有伺服电机或液压分度马达，刀库做选刀运动在起始和到位时，有平稳的加减速过程，而在相隔多个刀位选刀运动途中，运动连贯不变速，这样就保证了较高的选刀速度和平稳性。对于刀库的选择应根据具体的需求和情况进行选择，比较各刀库的优缺点合理选择。例如，在空间有限，刀具需求量大的情况下，可以选择将刀库设计为链式刀库。2.2机械手加工中心自动换刀装置有两种形式：有机械手换刀和无机械手换刀[6]。加工中心的自动换刀装置大多都采用有机械手换刀方式。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，换刀时间短，但其机械结构比较复杂。目前，国内外采用的执行刀库和主轴之间换刀动作的机械手，主要分为以下几种类型：单臂机械手、双臂机械手、带送刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手。单臂机械手的换刀机械手仅一个手臂，其又分为单手式和双手式。单手式，换刀臂仅在某一端有一个抓刀手，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。双手式，换刀臂两端各有一个抓刀手，机械手同时抓取主轴和刀库上的刀具。回转180°，同时放回和装入刀具，换刀时间短，较为常用，多用于刀库与主轴轴线平行的场合[]。双臂机械手有两个机械手臂，每个手臂端部都有一个抓刀手，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。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。其结构更复杂，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。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。因无机械手，所以结构简单，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，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。无机械手换刀方式适用于小型加工中心或换刀次数少的用重型刀具的重型机床。2.3驱动装置机械手的驱动，主要有液压(包括气液)驱动和机械式凸轮联动两种。采用液压式驱动的自动换刀装置，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。液压系统工作平稳可靠、易予调节、传动介质为高压力的油性介质，因此适合大功率输出的系统[7]。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。自动换刀气动控制系统[8]的主要控制内容为：刀库刀具倒刀或回刀控制，主轴吹气控制。该系统的特点为：气源容易获得、反应速度快、动作迅速、维护方便、管路不易堵塞、不易发生过载，还可以用于降温。工作压力较低，空气压缩比大，故输出功率低。采用机械凸轮联动驱动的自动换刀装置，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。目前应用较多的是液压驱动的方式，在液压的驱动下可以实现平稳工作且输出的功率比较大，也没有凸轮的磨损问题。3、自动换刀过程这里以日本牧野MAKINO1210卧式加工中心换刀过程[9]为例，简述自动换刀过程的实现。MAKINO1210采用盘式刀库，刀库容量为60把刀具，刀库刀套采用传统的炮筒式结构，机械手采用回转式结构，换刀示意图如图1所示。P1为送刀机构取送刀的工位。假设现在主轴上正工作的刀具是T01，而要被换上的下一把刀具是T02，继T02之后要被换上的刀具是T03。图1日本牧野MAKINO1210卧式加工中心换刀示意图[9]换刀过程：1、刀库取刀：主轴正常工作，刀库旋转，将T02所在的滑板由刀库沿滑道上移，并将T02所在的刀座中心与P1重合，等待换刀。当系统发出换刀指令后，送刀机构将刀具T02及其刀座一起沿轨道移动到P2，等待换刀机械手换刀，在送刀机构工作的同时，主轴快速停转并回到主轴换刀点，主轴应离开被加工工件一段距离，为换刀留出一个足够的空间，避免换刀被工件干涉。2、主轴换刀：主轴回到换刀点，刀具T02在P2。机械手旋转抓刀，外伸拔刀。旋转180°换刀，机械手装刀，机械手复位。主轴开始工作，送刀机构要将刚换下的刀具T01放回刀库中。刀库旋转选刀刀库旋转选刀滑道、导轨送刀机械手旋转抓刀一手抓待换刀具T02一手抓主轴刀具T01机械手外伸拔刀机械手旋转180°换刀一手抓T02送到主轴位置一手将T01送到P2位置机械手回缩装刀主轴急停回到换刀点机械手复位、主轴工作导轨、滑道送刀刀回刀库准备下次换刀图2自动换刀流程图3、刀库装刀：送刀机构将刚才换下的刀具T01沿轨道送到P1处的滑板里，滑板沿轨道下移回到刀库中，刀库旋转，将T03所在的滑板由刀库沿轨道上移，并将T03所在的刀座中心与P1重合，等待下次换刀。换刀过程就是这样，由刀库取刀→送刀→机械手换刀→刀库装刀→刀库取刀循环，直到工件加工完成，其流程图如图2所示。当然换刀过程并不唯一，考虑到上述刀库容量大，加上采用盘式刀库引起刀库所占的空间较大，刀具由刀具到换刀点P2，并最终完成换刀和刀库装刀的操作台复杂。特别是刀具在换刀和退刀的过程中要经过两次移动，这样就容易带来误差。如果在换刀过程中其中一个环节出现问题，都可能无法正常工作，降低了效率，甚至发生事故。可以考虑将盘式刀库改为链式刀库，这样可以使刀库占用的空间减小。再通过刀库与主轴的合理布置，机械手类型的选择，特殊刀座的应用来简化换刀过程，使得在换刀的过程中无移动环节。将机械手设计为直抓式，利用特殊刀座，实现简化目的。改进后机械手可以安全、快速的完成换刀，动作也少，实现较容易。回转式机械手与刀库中刀具间有干涉，而直抓式机械手与刀库没有干涉，这样就保证换刀的准确性，也可以大大降低发生事故的概率。4、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，目前常用可编程逻辑控制器[10,11]（PLC）进行编程控制。利用PLC可以控制步进电机的转动来实现角位移，也可以控制电磁阀的通断[11]。步进电机的转动来驱动机械手臂的左右旋转或驱动刀库的旋转。电磁阀驱动液缸（气缸）的升降和伸缩，升降运动来控制机械手手臂的上升和下降，伸缩运动来控制机械手手臂的伸长和收缩。4.1自动选刀方式目前刀具选择一般有四种控制方式：刀套编码方式、顺序选刀方式、刀具编码方式以及随机换刀方式。刀套编码方式是对刀库各刀座预先编码，每把刀具放入相应刀座之后就具有了相应刀座的编码，即刀具在刀库中的位置是固定的。顺序选刀方式是将刀具按加工工序顺序依次放入刀库的每一个刀座中。每次换刀时，先把已经使用过的刀具放回原来的刀座中，然后刀库顺序转过一个刀座位置，并取出所需要的刀具。这种方法有利于换刀过程的控制，但是，由于刀具在不同的工序中不能重复使用，如果刀具不按顺序放在刀库中，将会产生严重的后果。这样就必须增加刀库的容量和刀具的数量，降低了刀库和刀具的利用率。刀具编码方式是指刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列，可以任意排放的。每把刀具均编上代码，自动换刀时，刀库旋转，每把刀具都要经过“刀具识别器”接受识别[5]。当刀具代码与数控机床发出的请求代码相符时，刀库旋转到换刀位置，等待机械手取刀。随机选刀方式主要由软件完成选刀,根据指令要求任意选择所需要的刀具。刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列，可任意存放，且相同的刀具可以重复使用。消除了由于识别装置的移动性和可靠性所带来的选刀误差,大大提高了选刀精度并简化了控制装置。刀具数量比较少，刀库也相应的较小。目前该种选刀方式正被越来越多的各类数控机床自动换刀装置采用。4.2基于PLC的自动换刀控制开始PLC接到请求刀号信息PLC根据目标位置和现在位置确定刀库旋转的最短路径驱动电机转动刀库旋转到位NY刀库停止旋转，主轴停止工作机械手开始工作、换刀PLC接收到计算机数控装置（CNC)发来的刀号指令,即进行选刀工作,刀库在步进电机的带动下转动,一旦选刀成功,就将该刀送至指定的刀具交换位置上,等待换刀。在这个过程中,需要应用PLC完成的自动控制主要包括接收新刀号、计算目标地址、开始PLC接到请求刀号信息PLC根据目标位置和现在位置确定刀库旋转的最短路径驱动电机转动刀库旋转到位NY刀库停止旋转，主轴停止工作机械手开始工作、换刀或装刀动作，从而实现换刀，流程图如图3所示。5、总结自动换刀装置，将根据不同的工作需要，进行多元化发展。自动换刀装置所追求的换刀时间将越来越短，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[12]。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。新的换刀方式的出现，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，立卧式两用自动换刀装置将会成为另一个发展方向。基于PLC的自动换刀系统将充分发挥现有数控设备的功能，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。6参考文献[1]黄泽正，刘冲，陈志辉.加工中心自动换刀装置的设计[J].机械工程与自动化,2007,(1):124-125.[2]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):128-129.[3]Y.H.Jeong,H.Tae,B.K.Min,D.W.Cho.Virtualautomatictoolchangerofamachiningcentrewithareal-timesimulation[J].InternationalJournalofComputerIntegratedManufacturing,2008,21(8).

[4]Beom-SahngRyuh,SangMinPark,GordonR.Pennock.Anautomatictoolchangerandintegratedsoftwareforaroboticdiepolishingstation[J].MechanismandMachineTheory,

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]张俊勇,赵小刚.刀库合理布置在加工中心的应用[J].装备制造技术，2009,(6):147-148.[10]牛军燕，顾寄南.基于PLC的自动换刀系统研究[J].制造业自动化,2010，32(6):35-36.[11]JianboLiu,DraganDjurdjanovic,JunNi.IDENTIFICATIONANDANOMALYDETECTIONFORPLCCONTROLLEDAUTOMATICTOOLCHANGERUSINGTIMEDPETRINET[Z].InternationalManufacturingScienceAndEngineeringConference,Atlanta,Georgia,USA,2007.[12]MingCong,JingLiu,QuanpuLi.ANovelDual-CamLinkageDriveAutomaticToolChangerforHorizontalMachiningCenter[Z].InternationalConferenceonIntelligentRoboticsandApplications,Wuhan,附：ABSTRACTInthispaper,anewmethodisproposedforincrementalidentificationofProgrammableLogicController(PLC)controlledtoolchangingprocessusingavailablebinaryeventlogsobtainedfromthePLC.TheidentifieddiscreteeventmodelidentifiedtakestheformofamodifiedTimedPetriNet(TPN).ArealtimeanomalydetectionsystemisthenconstructedbysynchronizingtheidentifiedTPNmodelwiththeactualtoolchangingprocessthroughtheeventsequence.Anydiscrepanciesbetweenthemodelandactualsystemarerecognizedasanomalies.Thetestresultsshowthatthediagnosticsystemautomaticallyconstructedusingthenewlyproposedprocedureisabletodetectanomalies,suchasincorrecttimingandillegaleventsequence.ThesameprocedurehasbeensuccessfullyappliedtomonitorotherPLCcontrolledautomationprocesses.摘要在此，提出了一种新方法，即利用从PLC获得的可用的二进制记录，控制识别换刀过程的PLC增量。为确定已识别的离散事件模型需要修改计时Petri网。根据事件序列，使已确定的计时Petri网模型与实际的换刀过程同步，从而建立实时异常检测系统。模型和实际系统之间的任何差异都将被认为是异常。试验结果表明，诊断系统会自动使用新构建的方法检测到异常现象，例如不正确的时序或非法的事件序列。同样的程序已成功地应用于其他监控PLC控制的自动化程序。AbstractInthispaper,anovelautomatictoolchangerforhorizontalmachiningcenterispresented.Themechanismandworkingprincipleoftheautomatictoolchangerareintroduced.Push-pullrodandtoolchangerrunsynchronouslydrivenbydual-camlinkage.Thekeystructure,dual-camlinkage,isanalyzedanddesignedindetails.Camcurvesoftwosetsofcams,oneofwhichdrivespush-pullrodandanotherdrivestoolchanger,areselectedbywayofcomprehensiveevaluation.Thetransmissionunitisdesigned.AnapplicationexampleofthisnovelautomatictoolchangerinMDH65HorizontalMachiningCenterispresentedandmotionsimulationiscarriedout.Theresultshowsthatthenoveldual-camlinkageautomatictoolchangerworksmoreefficientlyandreliablythangeneralwithrationalmatchingdesignoftwosetsofcams.摘要在本文中，描述了一种全新的自动换刀系统在卧式加工中心的应用。介绍了该自动换刀装置的机构和工作原理。推拉杆及换刀装置在双凸轮连杆的驱动下同步运行。对双凸轮连杆的关键结构进行了详细的分析和设计。通过综合评价的方法设计两个凸轮的轮廓线，使得其中一个用于驱动推拉杆而另一个用于驱动换刀装置。传输装置的设计。在MDH65卧式加工中心上，这种新型的自动换刀装置得以实际应用，并且进行了运动仿真。结果表明，这种新型双凸轮连杆自动换刀装置比一般的两凸轮配套设计工作效率高且更可靠。任务分配总体方案设计：传动系统设计：动力电机系统设计：控制电路设计：软件编程：电力供电系统：附上整体效果图【图片】目录任务分配 绪论设计背景加工中心（MachiningCenter,MC）是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床，它是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通信诊断、刀具和编程技术的高科技产品。由于加工中心能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和调整时间，减少工件周转、搬运存放时间，使机床的切削利用率高于通用机床3倍～4倍，所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床。1958年，美国卡尼，特雷克（Kearney&Trecker）公司首次把铣、钻、镗等多种工序集中于一台数控机床上，通过换刀方式实现连续加工，成为世界上第一台加工中心。该产品出现后，销路惊人，引起了日、德、美、英、法、意等先进工业国家的高度重视，竞相开发生产，不断扩大和完善机床的功能，成为数控机床中发展最快、需求量最大的商品之一。如今，世界上出现了立式、卧式、龙门式、落地式等各种加工中心，据不完全统计，大约有1000多个品种规格。未来加工中心的发展动向是高速化、进一步提高精度和愈发完善的机能。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，我国的加工中心从70年代开始，已有很大发展，但技术、品种和数量上都还远不能适应我国经济、技术发展的需要。随着我国工业的不断发展，推动了模具制造业、机械加工业的巨大发展，使得数控机床的使用越来越普遍，而加工中心更是以其高自动化程度得到广泛应用。然而，目前市场上生产和销售的都是以大、中型的加工中心为主，小型加工中心几乎是空白，而机械加工业、小型模具的制造、工科院校、技工学校等对小型加工中心存在着大量的需求。为加速我国加工中心的发展，需进一步加强对加工中心的研究、设计、制造和应用。立式数控铣床立式数控铣床的主轴轴线与工作台面垂直，是数控铣床中最常见的一种布局形式。立式数控铣床一般为三坐标（X、Y、Z）联动,其各坐标的控制方式主要有以下两种：1）工作台纵、横向移动并升降，主轴只完成主运动。目前小型数控铣床一般采用这种方式。2）工作台纵、横向移动，主轴升降。这种方式一般运用在中型数控铣床中。立式数控铣床的功能分为一般功能和特殊功能。一般功能是指各类数控铣床普遍所具有的功能。如点位控制功能、刀具半径自动补偿功能、镜象加工功能、固定循环功能等。特殊功能是指数控铣床在增加了某些特殊装置或附件后，分别具有或兼备的一些特殊功能。如刀具长度补偿功能、靠模加工功能、自动变换工作台功能、自适应功能、数控采集功能等。数控铣床的主轴开启与停止，主轴正反转与主轴变速等都可以按输入介质上编入的程序自动执行。不同的机床其变速功能与范围也不同。有的采用变频机组，固定几种转速，可自选一种编入程序，但不能在运转时改变。有的采用变频器调整，将转速分为几档，编程时可任选一档，在运转中可通过控制面板上的旋钮，在本档范围内自由调节；有的则不分档,编程时可在整个范围内无级调速。但是在实际操作中，调速不能有大起大落的突变，只能在允许的范围内调高或调低，只能在允许的范围内一般都设有自动拉、退刀装置，能在数秒内完成装刀与卸刀，换刀比较方便。此外，多坐标数控铣床的主轴可以绕X、Y或Z轴作数控摆动，扩大了主轴自身的运动范围，但是主轴结构更加复杂。方案设计2.1课题内容依据设计任务书，我们的任务是给数控立式铣床设计安装合适的自动换刀装置，以力涛-CNC1000数控立式升降台铣床为例。主要技术参数为：工作范围X轴行程1050mmY轴行程650mmZ轴行程500mm立柱最前端至主轴中心650mm工作台加工面积（长×宽）1400×320mm工作台承载重量800kg主轴最高转速8000rpm快速进给速度X轴5m/min快速进给速度Y轴5m/min快速进给速度Z轴5m/min刀库刀具数20把定位精度±0.005/300mm重复定位精度±0.003mm加工精度0.008mm主轴锥孔BT40刀具最大直径∮80mm换刀时间（刀对刀）4秒最大进给速度5000m/min2.2确定其自动换刀装置的形式由于LT-CNC1000数控立式升降台铣床是一种使用范围较广的机床，且其可加工零件的精度要求也较高，比较上章介绍的几种换刀形式，决定选用带刀库的自动换刀形式。LT-CNC1000数控立式升降台铣床主轴箱上方没有好的安装位置，安装在机床外又要增加刀具运输时间，降低效率，所以安装在机床侧面最合适，有些部件交错的地方，作适当的调整。设计成由由盘式刀库和回转式双臂机械手组成。设计增加自动换刀装置后的LT-CNC1000数控立式升降台铣床的外观图如图2-1所示。图2-1数控立式升降台铣床的外观图2.3加工中心自动换刀装置（ATC）形式、特点及各自应用范围由刀库和机械手组成的自动换刀装置(AutomaticToolChanger,ATC)是加工中心的重要组成部分。加工中心上所需更换的刀具较多，从十几把到几十把．甚至上百把，故通常采用刀库形式，其结构比较复杂，自动换刀装置种类繁多。由于加工中心上自动换刀次数比较频繁，故对自动换刀装置的技术要求十分严格．如要求定位精度高．动作平稳，工作可靠以及精度保持性等。这些要求都与加工中心的性能息息相关。在使用立式数控铣床加工工件时，只要充分利用数控铣床的各种功能，就可以加工许多普通铣床难加工的工件。数控铣床的主要加工对象有：平面类零件；变斜角类零件；曲面类（立体类）零件。表2-1加工中心上的换刀装置形式类别特点应用范围转塔式垂直转塔头根据驱动方式不同，可分为顺序选刀或任意选刀结构紧凑简单容纳刀具数目少用于钻削中心水平转塔头刀库式无机械手换刀利用刀库运动与主轴直接换刀，省去机械手结构紧凑刀库运动较多小型加工中心机械手换刀刀库只做选刀运动，机械手换刀布局灵活，换刀速度快各种加工中心机械手和刀具运送器刀库距机床主轴较远时，用刀具运送器将刀具送至机械手结构复杂大型加工中心成套更换方式更换转塔利用更换转塔头，增加换刀数目换刀时间基本不变扩大加工工艺的钻削中心更换主轴箱利用更换主轴箱，扩大组合机床加工工艺范围结构比较复杂扩大柔性的组合机床更换刀库扩大加工工艺，更换刀库，另有刀库存储器充分提高机床利用率和自动化程度扩大加工中心的加工工艺范围加工复杂零件，需刀具很多的加工中心2.4刀库及刀具交换装置刀库的功能是储存加工工序所需的各种刀具，并按程序指令，把即将要用的刀具迅速、准确地送到换刀位置，并接受从主轴送回的已用刀具。所以说它是自动换刀装置中主要部件之一。2.4.1刀库的形式根据刀库的容量和存取刀具的方式，刀库可设计成多种形式。目前常见的刀库类型如下：盘式刀库此刀库结构简单，应用较多。此换刀装置的优点是结构简单，成本较低，换刀可靠性较好，缺点是换刀时间长，适用于刀库容量较小的加工中心上采用。如图2-2所示。链式刀库此刀库结构紧凑，刀库容量较大，链环的形状可根据机床的布局制成各种形状，也可将换刀位突出以便于换刀，能充分利用机床的占地空间，通常为轴向取刀，位置精度较低，造价也较高。如图2-3所示。格子箱式刀库结构紧凑，刀库空间利用率高，换刀时间较长。布局不灵活，通常刀库安装在工作台上，应用者较少。如图2-4所示。直线式刀库刀库容量少，一般在十几把左右，多用于自动换刀数控车床，钻床上也有采用。如图2-5所示。图2-2盘式刀库图2-3链式刀库图2-4格子箱式刀库图2-5直线式刀库2.4.2刀具的选择方式在自动换刀装置换刀时，按数控装置的刀具选择指令，从刀库中将所需要的刀具准确地自动地选出，并转换到取刀位置．称为自动选刀。从刀库中选择刀具通常采用下述方式：（1）顺序选择方式顺序选择方式是按零件加工的预定工序要求依次将所用刀具存入刀库的刀座中，使用时按顺序将其转到取刀位置。用过的刀具放回原来的刀座中，亦可以按加工顺序故入下一个刀座中。这种方法不需要刀具识别装置，驱动控制也较简单，工作可靠，但刀具不能重复使用。即工艺相同的不同工序，也要重新安排刀具，故增加了刀具数量和刀库容量。一般用于刀具较少的中小型加工中心、加工批量较大但工件品种较少的加工中心、刀库与主抽之间直接换刀的加工中心、有自动换刀库的数控机床(当加工小批量零件时)。另外，在装刀时必要认真谨慎对号入座，否则将会产生严重后果。（2）任意选择刀具方式这种方法根据程序指令的要求任意选择所需要的刀具，刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列，可任意存放。每把刀具(或刀座)都编上代码．自动换刀时，刀库旋转，每把刀具(或刀座)都经过“刀具识别装置”接受识别。当某把刀具的代码与数控指令的代码相符合时，该把刀具被选中，刀库将选中的刀具送至换刀位置，等待机械手来抓取。任意选择刀具法的优点是刀库中刀具的排列顺序与工件加工顺序无关。相同的刀具可重复使用，故刀具数量比顺序选择法的刀具可少一些，刀库也相应小一些。①刀座编码式这种编码方式是对刀库中的每个刀座都预先进行编码，刀具也编号，并将与刀座编码对应的刀具一一放入指定的刀座中，根据刀座编码选刀。换刀时刀库旋转，使各个刀座依次经过刀具识别器，直至找到规定的刀座，刀库即刻停止旋转。刀座编码又分永久性编码和临时性编码，前者刀座号是固定不变的；后者又称编码钥匙，即采用一种专用的编码钥匙”这种入法是按加工顺序要求事先给各刀具都缚上一“把表示法刀具号的编码钥匙，当把各刀具存放到刀库的刀座中时，将编码钥匙插进刀座旁边的钥匙孔中。这样就把钥匙的号码转记到刀座中，给刀座编上了号码。识别器可通过识别钥匙上的号码来选取该钥匙旁边刀座中的刀具；编码钥匙中除导向凸起外，共右16个凸起和凹下的位置，故有65535凹凸组合，可区别65535把刀具。钥匙沿着水平方向的钥匙缝插人钥匙孔座，然后顺时针方向旋转90°，处于钥匙代码凸起的第一弹簧接触片被撑起，表承代码“1”，处于代码凹处的第二弹簧接触片保持原状，表示代码“0”。由于钥匙上每个凸凹部分旁边均有相应的碳刷，故可将钥匙各个凸凹部分均识别出来，即识别出相应的刀具。当取出刀具时，钥匙也随之取出，刀座码立即消失，调换钥匙可任意改变刀具编码，使用具有更大的灵活性。②刀具编码式这种万式是直接对每把刀具进行编码，由换刀装置识别刀具上的编码进行选刀，出于每把刀只都有自己的代码，故可存放于刀库的任一刀座中。这样刀库中的刀具在不同的工序中也就可重复使用，用过的刀具也不一定放回原刀座中。避免了因刀具存放在刀库中的顺序差错而造成的事故；同时也缩短了刀库的运转时间，简化了自动换刀控制线路。它还可直接在刀库与刀具主轴之间进行换刀而不致增加换刀时间。其缺点是使刀具长度增加，制造田难，刚度降低，同时使机械手和刀库的结构也复杂化。③编码附件法这种选刀方式介于刀具编码与刀座编码之间。刀库的刀座与刀具均无需编码。只利用一种带有编码附件(如钥匙、卡片、编码杆、编码盘)与刀具合在—起，这样刀具就具有与编码附件相同的编号。当带编码附件的刀具插人刀库中某一刀座时，该刀座便具有编码附件指定的编码。以上选刀方式都结换刀系统带来很多不便，所以近年来在加工中心应用得很少。④计算机记忆式高档的数控加工中心，可将刀具号和刀库上存刀地址对应地记忆在计算机存储器内或可编程控制器内。不论刀具放入哪个地址，均可跟踪记忆；利用刀库上装刀位置检测装置，可测得每一地址。这样刀具可以任意取、存，无需编码元件，这种刀具任选方式使换刀控制大为简化。故目前的加上中心绝大多数都采用这种方式。2.4.3刀具(刀座)识别装置刀具(刀座)识别装置是自动换刀系统中的重要组成部分，常用的有下列几种。(1)接触式刀具识别装置接触式刀具识别装置应用广泛，特别适应于空间位置较小的刀具编码，其原理如图2—6所示。在刀柄1上装有两种直径不同的编码环，规定大直径的环表示二进制的“1”，小直径的环为“0”，图中有5个编码环4，在刀库附近固定一刀具识别装置2，从中伸出几个触针3，触针数量与刀柄上的编码环个数相等。每个触针连一个继电器，当大直径的编码环与触针接触，继电器通电，其数码为“数码与所需刀具的编码一致时，由控制装置发出信号，使刀库停转，等待换刀。接触式刀具识别装置结构简单，但由于使用中触针有磨损，故寿命较短，可靠性较差，且难于快速换刀。(2)非接触式刀具识别装置非接触式刀具识别装置无机械接触、无磨损、无噪声、寿命长、反应速度快，适应于高速且换刀频繁的工作场合。常用的有磁性识别法和光电识别法。①非接触式磁性识别法磁性识别法是利用磁性材料和非磁性材料磁感应强弱不同，通过感应线圈读取代码。编码环的直径相等，分别由导磁材料(如软钢)和非导磁材料(如黄铜、塑料等)制成，规定前者编码为“1”，后者编码为“0”。图2-7所示为一种用于刀具编码的磁性识别装置。图中刀柄1上装有非导磁材料编码环4和导磁材料编码环2、与编码环对应的有一组检测线圈6组成非接触式识别装置3。在检测线圈6的一次线圈5中输入交流电压时，如编码环为导磁材料，则磁感应较强，在二次线圈7中产生较大的感应电压。如编码环为非导磁材料，则磁感应较弱，在二次线圈中感应的电压较弱。利用感应电压的强弱，就能识别刀具的号码。当编码环的号码与指令刀号相等时，控制电路便发出信号，使刀库停止运转，等待换刀。刀具编码的识别装置原理如图2-8所示。当数控装置接受穿孔纸带给出的选刀号T代码，由选刀控制电路使刀库快速转动，刀具依次通过识刀器，对应每个刀具的编码环感应出不同的信号，经刀号读出电路将编码环所表示的号码读出，通过输入控制门存入刀号寄存器内，然后送入比较符合电路与数控装置，对已接收的T代码进行比较。若与给定的T代码不一样，则刀库仍继续转动，直到识刀器读出的刀具或刀座编码与T代码一致时，发出选刀符合信号，说明已选中刀具；此时刀库减速、定位、停止，所选刀具停在等待换刀位置。图中延时清零电路用来等待识刀器读完一个编码号后再进行比较识别，以免因读出信号时间上的不一致造成失误。每读完一次编码，延时清零电路经一定延时发出一次消零信号，使刀号寄存器清零复位，以便寄存下一个刀号。图2-6接触式刀具识别装置图2-7磁性识别装置图2-8识刀装置原理框图②光学纤维刀具识别装置这种装置利用光导纤维很好的光传导特性，采用多束光导纤维构成阅读头。用靠近的两束光导纤维来阅读二进制码的一位时，其中一束将光源投射到能反光或不能反光(被涂黑)的金属表面，另一束光导纤维将反射光送至光电转换元件转换成电信号，以判断正对这两束光导纤维的金属表面有无反射光，有反射时(表面光亮)为“1”，无反射时(表面涂黑)为“0”．如图2-8(b)所示。在刀具的某个磨光部位按二进制规律涂黑或不涂黑，就可以给刀具编上号码。正当中的一小块反光部分用来发出同步信号。阅读头的端面如图2-9(a)所示，共用的投光射出面为一矩形框，中间嵌进一排共9个圆形受光入射面、当阅读头端面正对刀具编码部位，沿箭头方向相对运动时，在同步信号作用下，可将刀具编码读入，并与给定的刀具号进行比较而选刀。在光导纤维中传播的光信号比在导体中传播的电信号具有更高的抗干扰能力。光导纤维可任意弯曲，这给机械设计、光源及光电转换元件的安装都带来很大的方便。因此，这种识别方法很有发展前途。近年来，“图像识别”技术也开始用于刀具识别，刀具不必编码，而在刀具识别位置上利用光学系统将刀具的形状投影到许多光电元件组成的屏板上，从而将刀具的形状变为光电信号，经信息处理后存人记忆装置中。选刀时，数控指令T所指的刀具在刀具识别位置出现图形时，便与记忆装置中的图形进行比较，选中时发出选刀符合信号，刀具便停在换刀位置上。这种识别方法虽有很多优点，但由于该系统价格昂贵而限制了它的使用。图2-9光学纤维刀具识别装置(3)利用Pc实现随机换刀随着计算机技术的发展，利用软件选刀以代替传统的编码环和识刀器。在这种选刀和换刀的方式中，刀库上的刀具能与主轴上的刀具任意地直接交换，即随机换刀。主轴上换来的新刀号及还回刀库的刀具号，均在Pc内部相应地存储单元记忆。随机换刀控制方式需要在Pc内部设量一个模拟刀库的数据表，其长度和表内设置的数据与刀库的位置数和刀具号相对应。这种方法主要由软件完成选刀，从而消除了内于识刀装置的稳定性、可靠性所带来的选刀失误。①ATC(自动换刀)控制和刀号数据表如图2—9所示，刀库有8个刀座，可存放8把刀具。刀座固定位置编号为方框内1号—8号，0为主轴刀位置号，由于刀具本身不附带编码环，故刀具编号可任意没定，如图2—10中(10)—(18)的刀号。一旦给某刀编号后．该编号不应随意改变。为了使用方使．刀号也采用BCD码编写。在PC内部建立一个模拟刀库的刀号数据表，如图2-11所示。数据表的表序号与刀库刀座编号相对应，每个表序号中的内容就是对应刀座中所插入的刀具号。图中刀号表首地址TAB单元固定存放主轴上的刀具号数，TAB+1—TAR+8存放刀库上的刀具号。由于刀号数据表实际上是刀库中存放刀具位置的一种映像，所以刀号表与刀库中刀具的位置应始终保持一致。图2-10刀库中刀具位置编号图2-11刀库的刀号数据表②刀具的识别虽然刀具不附带任何编码装置，且采用任意换刀方式，但是，由于在PC内部设置的刀号数据表始终与刀具在刀库中的实际位置相对应，所以对刀具的识别实质上转变为对刀库位置的识别。当刀库旋转，每个刀座通过换刀位置(基准位置)时，产生一个脉冲信号送至PC，作为计数脉冲。同时．在PC内部设置一个刀库位置计数器，当刀库正转(cw)时，每发一个计数脉冲，使该计数器递增计数；当刀库反转(ccw)时．每发一个计数脉冲，则计数器递减计数。于是计数器的计数值始终在1—8之间循环，而通过换刀位置时的计数值(当前值)总是指示刀库的现在位置。立式数控铣床的主轴轴线与工作台面垂直，是数控铣床中最常见的一种布局形式。立式数控铣床一般为三坐标（X、Y、Z）联动,其各坐标的控制方式主要有以下两种：1）工作台纵、横向移动并升降，主轴只完成主运动。目前小型数控铣床一般采用这种方式。2）工作台纵、横向移动，主轴升降。这种方式一般运用在中型数控铣床中当PC接到新刀具的指令(TXX)后，在模拟刀库的刀号数据表中进行数据检索，检索到T代码给定的刀号，将该刀具号所在数据表中的表号数存放在一个缓冲存储单元中，这个表序号数就是新刀具在刀库中的目标位置。刀库旋转后，测得刀库的实际位置与要求的刀库目标位置一致时，即识别了所要寻找的新刀具。刀库停转并定位，等待换刀。识别刀具的PC程序流程团如图2-12所示。③刀具的交换及刀号数据表的修改当前一工序加工结束后需要更换新刀加工时，NC系统发出自动换刀指令M06控制机床主轴准停。机械手执行换刀动作，将主轴上用过的旧刀和刀库上选好的新刀进行交换。与此同时，应通过软件修改PC内部的刀号数据表，使相应的刀号表单元中的刀号与交换后的刀号相对应。图2-12识别刀具的PC程序流程框图2.4.4刀具交换装置实现刀库与机床主轴之间装卸和传递刀具的装置称为刀具交换装置。交换装置的形式和具体结构对数控机床的整体布局、生产率和工作可靠性都有直接影响。交换装置的形式很多，一般可分为两大类。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，必须将主轴上用过的刀具送回刀库，再从刀库取出新刀，但两个动作不能同时进行。它适用采用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。这种换刀方式没有机械手，因而结构简单；刀库回转是在工步与工步之间，故换刀时间长，换刀动作也较多，但却免去了刀库回转时的振动对加工精度的影响。在这种换刀方式中，刀库可以是圆盘型、直线排列式、也可以是格子箱式等。圆盘式刀库可设在立柱顶上、立柱主轴箱的侧面，也可以设在横梁一端。直线排列式刀库可设在工作台上方，也可设在工作台的一端或两端。格子箱式刀库可设在双工作台的中间。由机械手进行刀具交换由于刀库及刀具交换方式不同，换刀机械手种类繁多。机械手的类型如表2-2所示。表2-2换刀机械手的结构及特点类型形式应用特点单臂单手式机械手作往复直线运动用于刀具主轴与刀库刀座轴线平行的场合结构较简单，换刀时间较长机械手摆动，其轴线与刀具主轴平行用于刀库刀座轴线与主轴轴线平行的场合机械手摆动，其轴线与刀具主轴垂直用于刀库刀座轴线与主轴轴线垂直的场合单臂双手式固定双手式用于刀库刀座轴线与主轴轴线平行的场合，广泛用于加工中心可同时抓住主轴和刀库中的刀具，并进行拔出、插入，换刀时间短可伸缩双手式剪式双手式双手不成180°双手式双手平行式这种机械手还起运输作用换到时间较短，结构较复杂双手交叉式双手有回转运动第3章换刀机械手结构设计数控机床的自动换刀装置中,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两种:一种是采用机械手交换刀具,另一种是由刀库与机床主轴的相对运动来实现刀具交换即无机械手交换刀具。无机械手交换刀具方式：结构简单，成本低，换刀的可靠性较高；刀库因结构所限容量不多。这种换刀系统多为中、小型加工中心采用。刀具的交换方式及它们的具体结构对机床的工作效率和工作可靠性有直接的影响。由LT-CNC1000数控立式升降台铣床的结构特性决定难以实现由刀库与机床主轴的相对运动来实现刀具交换，故采用机械手交换刀具的方式。机械手是当主轴上的刀具完成一个工步后，把这一工步的刀具送回刀库，并把下一道工步的所需要的刀具从刀库中取出并装入主轴继续进行加工的功能部件。对机械手的具体要求是迅速可靠，准确协调。3.1确定换刀机械手形式在自动换刀数控机床中，换刀机械手的形式是多种多样的，常见的有以下几种。1)两手呈180°的回转式单臂双手机械手；图3-1机械手臂和手爪1.手爪2.锥销3.手臂4.5.弹簧6.活动销7.长销8.锁紧销2)两手互相垂直的回转式单臂双手机械手3)两手平行的回转式单臂双手机械手；4)双手交叉式机械手；由于不同的数控机床（加工中心）的刀库与主轴的相对位置不同。所以各种数控机床所使用的换刀机械手也不尽相同。这次设计我选用两手互相垂直的回转式单臂双手机械手。这种机械手的优点是换刀动作可靠，换好时间短，缺点是刀柄精度要求高，结构复杂，联机调整的相关精度要求高，机械手离加工区较近。一般来说，这种机械手用于刀库刀座轴线与机床主轴轴线垂直，刀库为径向存取刀具形式的自动换刀装置，因此，在LT-CNC1000数控立式升降铣床的自动换刀装置中可采用这种机械手形式。3.2换刀机械手的工作原理下面是以在LT-CNC1000数控立式升降台铣床的自动换刀装置中采用这种上机械手换刀的工作原理。该机械手安装在主轴的左侧面，随同主轴箱一起运动。机械手由机械手臂与45°的斜壳体组成。机械手臂形状对称。固定在回转轴上，回转轴与主轴成45°角，安装在壳体上，有手臂托，可由液压缸带动（图中未标出），机械手有伸缩、回转、抓刀、松刀等动作。伸缩动作：液压缸（图中未标出）带动手臂托架沿主轴轴向移动。回转动作：液压缸中的齿条轮通过齿轮带动回转轴转动。从而实现手臂正向和反向180°的旋转运动。抓刀、松刀动作：机械手对刀具的夹紧和松开是通过液压缸。碟形弹簧及拉杆、杠杆、活动爪来实现。碟形弹簧实现夹紧，液压缸实现松开。在活动爪中有两个销子，当夹紧刀具时，插入刀柄凸缘的孔内，确保安全、可靠。3.3机械手的自动换刀过程的动作顺序（a）（b）（c）（d）图3-2换刀机械手的换刀过程自动换刀装置的换刀过程由选刀和换刀两部分组成。选刀即刀库按照选刀命令（或信息）自动将要用的刀具移动到换刀位置，完成选刀过程，为下面换刀做好准备，换刀即是机械手把主轴上用过的刀具取下，将选好的刀具安装在主轴之上。换刀动作的大致过程为：1)主轴箱回到最高处（z坐标零点），同时实现“主轴准停”。即主轴停止回转并准确停止在一个固定不变的角度方位上，保证主轴端面的键也在一个固定的方位，使刀柄上的键槽能恰好对正端面键。2)机械手抓住主轴和刀库上的刀具。如3-2（a）所示。3)把卡紧在主轴和发库上的刀具松开4)活塞杆推动机械手下行，从主轴和刀库上取出刀具5)机械手回转180°，交换刀具位置，6)将更换后的刀具装入主轴和刀库7)分别夹紧主轴和刀库上的刀具8)机械手松开主轴和刀库上的刀具9)当机械手松开具后，限位开关发出“换刀完毕”的信号，主轴自由，可以开始加工或其他程序动作。在自动换刀的整个过程中，各项运动均由限位开关控制，只有前一个动作完成后，才能进行下一个动作，从而保证了运动的可靠性。3.4两手相互垂直的回转式单臂双手机械手3.5机械手回转轴4上的齿轮齿条设计1)回转轴上齿轮采用渐开线标准直齿圆柱齿轮形式2)取模数M=1.5。初取齿数z=303)下表为齿轮几何尺寸设计的基本参数：名称代号计算公式模数m压力角分度圆直径dD=mz=1.530=45齿顶高齿根高齿全高h齿顶圆直径齿根圆直径齿距p齿厚s顶隙c齿条的基本尺寸，按外齿轮几何尺寸的计算公式进行计算3.6自动换刀装置的相关技术要求3.6.1主轴准停装置为了传递扭矩，在主轴的前端装有端键，当刀具刀柄装入锥孔时，刀柄上的键槽位置必须与该键对准才能装入。当机械手从刀库取刀时，为了确保刀具其后能顺利地装入主轴锥孔中，必须使主轴准确地停在刀具交换位置上。同时，由于工艺上的需要，也必须使主轴准停在固定位置上。这种使主轴端在定位键停在固定位置的技术要求称为主轴准停。LT-CNC1000数控立式升降台铣床的自动换刀装置，在每次自动装卸刀具时，都必须要求主轴准确地停止在固定的周向位置上。因此，可在主轴上安装电气控制的主轴准停装置以实现主轴准停功能。3.6.2换刀机械手的安装与调试1)换刀机械手安装在主轴箱的左侧面，加工零件时，换刀机械手随主轴箱一起上下运动。2)当初装上换刀机械手后，必须进行调试：用手动操纵主式调整换刀机械手相对于主轴的位置，使用调整心棒，有误差时可调整机械手行程、刀库位置、机械手支座、修正主轴坐标原点等。安装最大重量刀具时，要进行多次刀库到主轴位置的自动交换，使机械手换刀时做到准确无误，无撞击。3.7确定刀库容量刀库容量设为20把。3.7.1确定刀库形式刀库容量为20,容量不大，并且用于小型立式加工中心，因此决定采用盘式刀库。盘式刀库结构简单，应用较多。此换刀装置的优点是结构简单，成本较低，换刀可靠性较好。整个换刀过程时间大约为4秒。3.7.2初步估计刀库驱动转矩及选定电机刀库驱动电动机的选择应同时满足刀库运转时的负载扭矩和启动时的加速扭矩的要求。刀库负载扭矩的计算圆盘式刀库负载扭矩估算方法：这种刀库的负载扭矩主要用来克服刀具质量的不平衡，估算按如下两种情况进行：第一，用平均重量的刀具插满圆盘的半个圆，如图4-1（a）所示，根据工艺要求所需的各种刀具，确定每个刀具的（包括刀柄）平均重量，而其重心则设定为离刀库回转中心2/3半径处。第二，把三把最重的刀具放在一起，如图3-3（b）所示。按加工中心规格规定的最大刀具质量算，而其重心则设定为离刀库回转中心半径处。刀库加速扭矩的计算式中-刀库选刀时的电动机转速（r/min）；-加速时间，通常取150~200ms；-电动机转子惯量（），可查样本；-负载惯量折算到电动机轴上的惯量（）（a）刀具插满圆盘的半个圆（b）三把最重的刀具插在一起图3-3刀库负载转矩计算方法驱动电动机输出扭矩计算驱动电动机的输出扭矩应同时满足刀库负载扭矩和加速扭矩之和，将以上计算的刀库负载扭矩和加速扭矩转换为驱动电动机轴上的输出扭矩的公式为式中i-电动机轴至刀库轴的速比；-传动效率。考虑到实际情况比计算时所设定的条件复杂，电动机额定转矩应为负载扭矩的1.2~1.5倍。设定当两个最大刀具相邻放置时，其间距为5毫米，则相邻刀套中心距为85毫米，夹角为20度。可知刀套放置半径为mm，圆整为245mm。刀库负载扭矩的计算按方法二进行估算，即将三把最重的刀放在一起，则负载扭矩==389.8245=57.624加速扭矩的计算设刀具最大运动线速度为24m/min，则可确定刀库选刀转速为=15.6r/min，加速时间暂定为=200ms，电动机的转子惯量可查相关样本=2.14，负载惯量折算到电动机轴上的惯量=30.01则可求得=0.26驱动电动机的输出扭矩应同时满足刀库负载扭矩和加速扭矩之和电动机轴到刀库轴的速比为i=48,蜗轮蜗杆的传动效率=0.7,则可求得==1.72电动机的额定转矩>(1.2~1.5)=(2.06~2.58)而所选电机转矩为10确定伺服电机型号为SM130-10N1500，其主要技术参数为：额定功率1.5Kw额定转速1500r/min额定电流6A转子惯量0.00214机械时间常数2.11ms工作电压220V3.7.3刀库转位机构的普通蜗轮蜗杆的相关设计蜗杆头数=1，初定传动比为i=48，则蜗轮齿数=i=48，模数m=3.15，蜗杆分度圆直径=48mm，蜗轮分度圆直径=m=151.2mm中心距a=(+)/2=99.6mm,圆整中心距取=100mm，蜗轮变位系数=（a-）/m=-0.127，属于1>=x>=-1的要求蜗轮齿顶高=(1-0.127)3.15=2.75mm蜗轮齿根高=(1+0.2+0.127)3.15=4.18mm蜗轮齿根圆直径=151.2-24.18=142.84mm蜗轮齿顶圆直径=151.2+22.75=156.7mm蜗杆齿顶圆直径=48+213.15=54.3mm蜗杆齿根圆直径=48-23.15(1+0.2)=40.44mm考虑到传递的功率不大，转速较低，选用ZA蜗杆传动，精度为5fGB10089-1988。蜗杆材料选用35CrMo，表面淬火硬度45~55HRC,表面粗糙度Ra≤1.6μm。蜗轮材料选用ZCuAl10Fe3，表面淬火硬度45~55HRC,表面粗糙度Ra≤1.6μm。蜗轮蜗杆其他计算参数：蜗杆导程角r=arctan蜗杆齿形角为20°蜗杆轴向齿距积累误差=0.0085mm蜗杆轴向齿距极限偏差=±0.0048mm蜗轮齿形误差=0.0071mm3.7.4确定刀具的选择方式刀具的选择方式为任意选择方式中的计算机记忆式，可将刀具号和刀库上存刀地址对应地记忆在计算机存储器内或可编程控制器内。不论刀具放入那个地址，均可跟踪记忆；利用刀库上装刀位置检测装置，可测得每一地址。这样刀具可以任意存取，无需编码元件，这种刀具任选方式使换刀控制大为简化。3.7.5刀库结构设计圆盘式刀库由专用的交流伺服电机14经挠性联轴器15、蜗杆24、蜗轮25，带动刀盘和盘上的20个刀套旋转，如图3-4所示。刀座的滚子在不旋转的刀盘的槽中受到限位，刀盘在最下端的换刀位置开了一个缺口。刀座以铰链形式与支撑板相连。平时，由弹簧将滚子销压在刀套的凹槽中，使刀座定位在水平位置。由于主轴是立式的，故应将处于刀库刀盘最下位置的刀套旋转90°，使刀头朝下。实现这个动作靠气缸28。气缸28的活塞杆带动拨叉59上升，由剖视图中可以看到，最下面的一个刀套右尾部的滚子正好进入拨叉59的缺口。拨叉上升使刀套连同刀具逆时针方向旋转90°，滚子销退出支撑板的凹槽，刀座转至垂直位置，等待机械手换刀。刀套的构造锥孔尾部有两个球头销钉，后有弹簧用以夹住刀具，故当刀套旋转90°后刀具不会下落。刀套顶部的滚子用以在刀套处于水平位置时支撑刀套。当刀具更换完毕，该刀座插入从主轴换下的刀具夹头。通过气缸作用，与上述动作相反，刀座带动刀具夹头顺时针转动，直到水平位置为止，此时滚子销重新处于支撑板的凹槽中。图3-4刀套结构图第4章PLC控制系统设计4.1机械手控制系统PLC的选择在系统控制器的选择上可以有多种方案，目前在机电一体化设计中主要有三种：单片机、工业控制计算机、可编程控制器（PLC）。随着计算机系统的不断发展，PLC控制系统得到了广泛的应用。PLC控制有以下优点：1、可靠性高PLC不需要大量的活动元件和连接电子元件，它的连线大大减少。与此同时，系统的维修简单，维修时间短，采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，如：冗余的设计、断电保护、故障诊断和信息保护及恢复等。2、易操作性PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不容易发生操作的错误。PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言，编程出错率大大降低。3、灵活性PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能图、功能模块和语句描述编程语言。编程方法的多样性使编程简单、应用而拓展。操作十分灵活方便，监视和控制变量十分容易。经过各方面分析比较，本课题采用三菱FX2N系列PLC作为控制器，并配有相应的控制模块，来实现整个机械手的控制功能。4.2机械手的PLC控制系统限位开关的布局示意图图4-1限位开关的布局示意图4.3机械手自动换刀系统的工作流程机械手移动刀具的单个工作流程由复位到初始位置、将机械手移动到刀库处、夹紧刀具、将刀具移动到目标位置、放下刀具和移动到初始位置6个过程组成。机械手移动刀具通过PLC平控制，可以实现这6个过程全自动依次运行。如下图所示单个工作流程示意图：图4-2自