自动换刀系统

加工中心自动换刀系统的设计班级：09机械一班组员：杨露，夏先锋，席朝晟，王志国，傅金阳加工中心自动换刀系统的设计杨露，夏先锋，席朝晟，王志国，傅金阳（西安文理学院，西安，710065）摘要：90年代以来，数控加工技术得到迅速的普及和发展。

加工中心作为新时代数控机床的代表，已在机床领域广泛使用。

自动换刀装置作为加工中心最重要的部分之一，它的发展也直接决定了加工中心的发展。

本论文完成的是加工中心盘式刀库的传动设计、结构设计以及传动部分的动力设计。

这种刀库在数控加工中心上应用非常广泛，其换刀过程简单，换刀时间短，定位精度高；总体结构简单、紧凑，动作准确可靠；维护方便，成本低。

本刀库满载装刀20把，采用单环排列方式放置，按就近选刀原则选刀。

本次设计中的机械手采用单臂双手式机械手，这种机械手的优点是可以同时完成插刀和拔刀动作，结构简单，换刀时间短。

关键词：加工中心；自动换刀；A TC中图分类词：TH 文献标识码：A 文章编号：引言未来加工中心的发展是高速化、进一步提高精度和愈发完善的机能，加工中心是数控车床的代表，是高新技术集成度高的典型机电一体化产品。

而刀具库和自动换到系统是其必不可少的组成部分，它也与加工中心的精度、高速化息息相关。

因此实现自动换刀系统的快速化、准确化，在高速数控加工中心里显得格外重要。

本文的设计主要解决的问题是1、加工中心自动换刀系统的基本结构；2、刀库的运作方式；3、刀库电机的选择；4、自动换刀的程序流程。

正文一、刀具库1、刀库的主要构件刀库主要是提供储刀位置，并能依程式的控制，正确选择刀具加以定位，以进行刀具交换；换刀机构则是执行刀具交换的动作。

刀库必须与换刀机构同时存在，若无刀库则加工所需刀具无法事先储备；若无换刀机构，则加工所需刀具无法自刀库依序更换，而失去降低非切削时间的目的。

此二者在功能及运用上相辅相成缺一不可。

2、刀库的特点圆盘式刀库特点圆盘式刀库应该称之为固定地址换刀刀库，即每个刀位上都有编号，一般从1遍到12、18、20、24等，即为刀号地址，操作者把一把刀具安装进某一刀位后，不管该刀具更换多少次，总是在该刀位内。

制造成本低。

主要部件是刀库体及分度盘，只要这两件零件加工精度得到保证即可，运动部件中刀库的分度使用的是非常经典的“马氏机构”，前后、上下运动主要选用气缸。

装配调整比较方便，维护简单。

一般机床制造厂家都能自制。

刀号的计数原理。

一般在换刀位置安装一个无触点开关，1号刀位上安装挡板。

每次机床开机后刀库必须“回零”，刀库在旋转时，只要挡板靠近（区里为0.3mm 左右）无出带你开关，数控系统就默认为1号刀。

并以此为计数基准，“马氏机构”转过几次。

当前就是几号刀。

只要机床不关机，当前刀号就被记忆。

刀具更换时，一般按最近区里旋转原则，刀号编号按逆时针方向。

如果刀库数量是18，当前刀号位8，要换6号刀，按最近距离换刀原则，刀库是逆时针转。

如果换10号刀，刀库是顺时针转。

机床关机后刀具记忆清零。

固定地址换刀刀库换刀时间比较长国内的机床一般要8秒以上（从一次切削刀另一次切削）。

圆盘式刀库是总刀数量受限制，不宜过多，一般40#刀柄的不超过24把，50#的不超过20把，大型龙门机床也有把圆盘转变为链式结构，刀具数量多达60把。

3、确定刀库容量刀库容量设为20把。

4、刀具库的传动刀具库的作用是储备一定数量的刀具，通过机械手实现与主轴的刀具交换。

下图，为一链式刀具库结构，根据刀库中储存刀具的数目和最大刀具直径计算出盘式刀库的最小直径，相邻刀具应留有一定间隙。

链式刀具库的5、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。

6、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F T 和启动时的加速扭矩J T 的要求。

刀库负载扭矩F T 的计算圆盘式刀库负载扭矩F T 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2-1（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CP W ，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2-1（b ）所示。

按加工中心规格规定的最大刀具质量max W 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J T 的计算m N J J t n T m J m J ∙+=)(6021π 式中 m n -刀库选刀时的电动机转速（r/min ）；J t -加速时间，通常取150~200ms ；mJ -电动机转子惯量（2m kg ∙），可查样本； 1J -负载惯量折算到电动机轴上的惯量（2m kg ∙）（a ）刀具插满圆盘的半个圆 （b ）三把最重的刀具插在一起刀库负载转矩计算方法驱动电动机输出扭矩D T 计算驱动电动机的输出扭矩D T 应同时满足刀库负载扭矩F T 和加速扭矩J T 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D T 的公式为m N i T T T J F D ∙+=η 式中i-电动机轴至刀库轴的速比；η-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S T 应为负载扭矩D T 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7.24410sin 285=⨯= R mm ，圆整为245mm 。

刀库负载扭矩F T 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F T =R g W ⨯⨯⨯max 3=3⨯8⨯9.8⨯245⨯310-=57.624m N ∙加速扭矩J T 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R v n xdm π2==15.6r/min ，加速时间暂定为J t =200ms ，电动机的转子惯量可查相关样本mJ =2.14⨯310-2m kg ∙， 负载惯量折算到电动机轴上的惯量48245.08.9624.571⨯=J =30.01310-⨯2m kg ∙ 则可求得J T =0.26m N ∙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η=0.7,则可求得D T =7.04826.0624.57⨯+=1.72m N ∙电动机的额定转矩S T >(1.2~1.5) D T =(2.06~2.58) m N ∙而所选电机转矩为10m N ∙确定电机型号为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 0.002142m kg ∙机械时间常数 2.11ms工作电压 380V二、换刀过程及方式数控加工中心的刀具库在工件加工过程中，会根据加工工艺要求进行自动换刀，其设备结构如图所示，存放了20把刀具供加工时选用。

数控加工中心的换刀一般采用两种控制方式，即固定存放换刀控制和随机存取换刀控制。

在固定存取换刀控制中，各刀具位置是固定的，刀具选择指令（CNC的T代码）是以刀套编号为存取地址来控制存取取刀动作，在使用完毕后仍归还到哪一刀套中。

而随机换刀控制中，还刀是位置是随机的，刀具选择指令（CNC的T代码）与刀套编码无关，指令仅以刀具自身的直接编号为目标。

这种换刀方式在新刀具取出之后，刀具无需转动，立即随机存入原先使用的刀具，即换刀、存刀一次完成，缩短了换刀的时间。

所示是以刀套编码的T代码功能处理示意图。

T代码功能处理示意图。

数控加工中心在加工过程中，根据加工工艺要求，在需要换刀时送出T代码指令给PLC，PLC接受代码并经译码后在数据表中搜寻，找到T代码指定的新刀号所在的数据表地址，将获取的刀号与现行使用刀号比较，如果不符，则将控制信号送刀库回转控制系统，控制系统驱动刀库旋转，直到新刀号位置定位在取刀口，刀库停止回转后由机械手换刀。

三、CNC控制程序流程图总结本次设计的题目是加工中心自动换刀装置的设计。

关于盘式刀库的自动换刀。

刚拿到题目对于刀库换刀不是很了解，通过查阅资料对于自动换刀有了初步的了解。

自动刀库作为加工中心的重要部分应用广泛。

设计主要针对自动换刀PLC的程序设计，程序由功能指令编写更加简单。

其中用到的传送指令，运算指令等功能指令是这次实习的主要内容。

要正确分析控制要求，绘制程序控制流程图，写出I\O分配表，并进行PLC电气控制的元器件选型，还要画出电气原理图。

最后分析调试程序。

课程设计是让我对于课题不断深入了解，进行自主的学习掌握知识。

自动换刀的换刀取存是整个设计过程中困扰我的问题。

在自己冥思苦想而不得法，后来去学校图书馆查找有关书籍。

给了我很大的启发，在以后的日子里循序渐进抽丝剥茧的慢慢完成程序。

只有发现问题面对问题才有可能解决问题，以后自己在这些方面一定要努力学习去克服。

参考文献[1] 陈芳，李继中.盘式刀库加工中心自动换刀系统控制.机械设计与制造，2007[2] 黄泽正，刘冲，陈志辉.加工中心自动换刀装置的设计.机械工程与自动化，2007[3] 曹秋霞，马国亮.小型立式加工中心圆盘式刀库的设计.机电产品开发与创新，2005[4] 依兰∙欧克拉，比京∙克.数控平面加工中心轮式刀库自动换刀装置的设计.成都纺织高等专科学校学报，2000。