数控加工中心盘式刀库设计

Vol.41/No.10/Westleather 数控加工中心盘式刀库设计

李文斐

（武昌工学院，湖北武汉430065）

摘要：本文旨在为数控加工中心设计一种圆盘刀库％根据加工中心对刀库的要求（刀库的主要参数），重点讨论了加工中心

直接式刀库的设计机理和结构％具体解决了刀架结构和锁紧机构的结构分析％换刀时经常出现掉刀现象，通过实际应用验证了设

计的合理性和正确性，达到了更换进口、提高国产化率的目的％

关键词：数控系统；加工中心；刀库

中图分类号：TH122文献标志码：A文章编号：1671-1602（2019）10-0007-01

从全球角度看，加工中心刀库的总体设计是基于其功能和设计要求％高速加工中心是新时代数控机床的代表，在机床领域得到了广泛的应用％其高速、高效、高精度等特点赢得了市场的青睐％多年来，国内加工中心技术发展迅速%国内多家机床生产企业自主开发了具有国际水平或接近国际水平的加工中心机床％然而，许多高质量、高速加工中心机床的关键部件，如高速电主轴、五轴联动系统、丝杠、直线导轨、刀库、ATC换刀机等，一些机床制造商不得不依赖进口％

1运动功能程序设计

加工中心主要用于加工小板等小、短零件的小孔和平面％主要是各种钻磨加工％

1.1确定运动项目的数量

为了实现上述各种零件的钻孔，机床必须具有以下动作：一是主运动，即主轴带动刀具旋转（VC）；二是三向进给运动，包括工件在一定深度（z方向）％进行锻炼％三向进给运动（x,Y方向）%此外，必须有换刀功能，因此必须有非成形运动，如换刀和其他运动％

1.2确定运动功能方案

加工中心有两种形式的自动换刀器：有自动换刀器，没有自动换刀器％当主轴处于换刀点位置时，机器人首先将主轴上的旧刀取下，然后将刀库上的刀具送至主轴％最后，将使用的刀具返回刀具库％换刀时间短，机械结构复杂％无机械手换刀是刀库与主轴（或刀架）直接换刀，实现换刀的自动换刀模式％结构简单％由于小型加工中心的尺寸较小，无机器人换刀方法比机器人换刀方法更适合小型加工中心根据工件的质量和尺寸，有几种不同的运动选项：

（1）工件完成三个方向的进给运动％

（2）工作台带动工件向一个方向送料，其余两个方向的送料运动是由刀具在立柱和横梁上的运动完成的％该方案不仅适用于高质量工件的加工，而且可以提高主轴头，大大提高加工中心的生产率％

（3）当加工大型或大型工件时，刀架完成三个方向的进给运动％不建议通过工件进给工件，但工作台是固定的，刀具完成进给运动％立柱在床身上前后移动，Y向进给；切割机在横梁上移动，完成Z向进给％—般用于大中型移动式立柱加工中心％该方案避免了滑块两端极限位置规的翘曲，使得大型滑动过程难以执行％从而减少了滑块的数量和结构，提高了机床的精度％

2设计

2.1自动换刀系统

微微加工中心使用单独的自动换刀器执行换刀功能％它是一个与数控系统相对独立的子功能模块％本文采用51单片机作为换刀子系统的主控制器％当数控系统在G代码解释过程中遇到换刀命令时，通过串行口向自动换刀子系统发送换刀命令，处于等待状态％自动换刀器根据接收到的命令参数执行换刀任务％由于Z轴由数控系统和换刀子系统共享，因此需要根据Z轴的状态来确定Z轴电机驱动器的控制％为此，设置信号超控电路％在换刀状态下，z轴由自动换刀系统控制％

刀盘的旋转由直流电机驱动的马尔可夫结构实现％（1~5）刀的刀号按顺序标记在刀头上％如果换刀正在进行中，需要从1号刀换到2号刀，或者从1号刀换到5号刀％刀头在最短时间内旋转到目标刀位％根据目标刀号与当前刀号之间的最短路径，确定直流电机的正反转％电机驱动芯片采用ST的双极H桥驱动芯片L298N% L298N包含两个H桥高压、大电流桥驱动，接受标准TTL逻辑电平信号，可以驱动高达46V和2A的电机％

2.2刀库形式选择

在无机器人刀具替换方法的情况下，刀具库可以是盘形、线性阵列类型或格子盒类型％在无机器人换刀方法的情况下，必须注意刀位分度的精度％盘形刀库外形小，刀库结构简单紧凑，刀库索引方便，换刀方便，控制方便％线性布置和格构箱式刀库结构比较复杂，适用于刀库容量大的加工中心％

考虑到加工中心仅设计用于小零件的孔和面加工，因此无需在刀库中放置太多刀具％考虑到实用性，选用结构简单、容量小、体积小的圆盘形刀库％

总结

本文对刀库的设计进行了分析和比较，比较结果证实了刀库总体设计更为合理和一些主要技术参数％

参考文献：

[1]廉元国，张永洪.加工中心设计与应用（M].北京：机械

，1995.3.

[2]惠延波，沙杰.加工中心的数控编程与操作技术[M].北

京：机械工业出版社，2000.12.

作者简介：李文斐（1996.10-）,男，汉，安徽桐城,本科，武昌工学院

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