自动换刀装置设计 -刘晓峰概要

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）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:126Φmm。

5）最大刀具长度：400mm。

6）最大刀具（相邻是空位）：256Φmm。

7）刀库选刀的时间：20≤s。

8）换刀时间（刀对刀）：4≤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。

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，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。

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 75，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、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。

图3-3自动换刀的工作原理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，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m υ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m υ较小的运动规律。

如果压力角选定时，较小的m υ，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m υ较小的原则选用运动规律。

2）无因次最大加速度m A 。

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，m A 是选用运动规律时必须考虑的主要特性，特别是在中、高速机构中，更要选用较小的m A 。

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()m υA 。

经证明，与动载惯性力对应的凸轮轴转矩正比与()υA ，它的最大值()m υA 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()m υA 较小的运动规律。

4）最大跃度m J 和最大跳度m Q 。

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m J 或m Q 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1z 的选定1z =3～60，一般取Z=6～16，在这里取1z =6。

2）凸轮头数2z当n 取整数值且2z 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2z 值是1，于是取2z =1。

3）分度数n一般取n=4～24，这里取n=6。

4）滚子盘分度角m ψ2360z m ︒=ψ，m ψ大可提高承载能力，过大会使预紧困难。

一般取︒=5.22m ψ～︒60取m ψ=︒60。

5）凸轮分度角m φ 根据实际情况确定。

6）凸轮压力角α[]αϕψα≤⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=m m m V R a R 22arctan （3—1）7）滚子盘分度圆半径2R[][]2sin360tan tan 2mmmV a R ψφαπαπ︒+=（3—2）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 。