毕业设计——立式加工中心自动换刀装置说明书[管理资料]

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TH5640D型立式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。本刀库减速传动部分采用蜗轮蜗杆减速装置，此种设计方案可提高输出轴的传动平稳性能，即提高刀盘的运转平稳性。刀库传动装置中采用一调整套杯来消除蜗轮蜗杆的传动间隙。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 立式加工中心；盘式刀库；机械手；自动换刀装置

Abstract

Since the 1990s, NC machining technology has got rapid popularization and development. As a new era of machining center, NC machine tools are widely used in the fields of machine tools. As one of the most important part of machining center, the development of Automatic Tool Changer also directly determines the development of machining center. what finished in this paper is drive design, structural design and the power transmission parts design of disc tool magazine in TH5640D vertical machining center. This tool magazine is widely applied in NC machining center. And the process of changing tools is simple, short change time , high precision, simple and compact of structure, reliable, easy maintenanced and low cost. The transmission part of this tool magazine adopts gear reducer. The design of worm gearbox device can improve the stationarity of output shaft, namely, increasing the operation stability and smooth transmission properties of tool device of tool magazine adopts a adjusting sleeve to eliminate the transmission clearance of tool magazine can load 20 cutting tools which are arranged with monocylic and according to the principle of nearby to choose the right tool. The manipulator of this design is the manipulator with one arm and pair of advantage of this manipulator is that it can complete the action of inserting tool and pulling out the tool at the same time,simple structure and short change time.

Keywords Vertical machining center; Disc tool magazine; Manipulator;

Automatic Tool Changer

目 录

摘要 ....................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................ II 第1章 绪论 ........................................................................................................ 1

...................................................................................................................... 1 ...................................................................................................................... 1 ...................................................................................................................... 2 ...................................................................................................................... 4 ...................................................................................................................... 5 ...................................................................................................................... 6 第2章 加工中心自动换刀装置概述 ................................................................ 7

（ATC）形式、特点及各自应用范围 ...................................................... 7 ...................................................................................................................... 8 .................................................................................................................. 8 .................................................................................................................. 9 (刀座)识别装置 ..................................................................................... 11 ................................................................................................................ 17 .................................................................................................................... 19 第3章 总体方案设计 ...................................................................................... 20

TH5640D型立式加工中心及其主要参数 ............................................. 20 TH5640D型立式加工中心自动换刀装置的设计参数 ......................... 21 .................................................................................................................... 21 .................................................................................................................... 22 第4章 刀库的设计及计算 .............................................................................. 23

确定刀库容量 .......................................................................................... 23 .................................................................................................................... 23 初步估计刀库驱动转矩及选定电机 ...................................................... 23 .................................................................................................................... 25 .................................................................................................................... 26 .................................................................................................................... 26

..................................................................................................................... 29 第5章 刀具交换装置的设计 ........................................................................... 30

..................................................................................................................... 30 机械手传动结构 ....................................................................................... 30 自动换刀装置的动作顺序 ....................................................................... 34 主轴准停装置 ........................................................................................... 35 ..................................................................................................................... 36 第6章 联轴器的选用及计算 ........................................................................... 37 ..................................................................................................................... 37

................................................................................................................. 37 ................................................................................................................. 37 联轴器的选用计算 ................................................................................... 38 ..................................................................................................................... 41 结论 ..................................................................................................................... 42 参考文献 ............................................................................................................. 43 致谢 ..................................................................................................................... 45 附录1 .................................................................................................................. 46 附录2 .................................................................................................................. 53 附录3 .................................................................................................................. 58

第1章 绪论

加工中心（Machining Center,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。

由于加工中心在机械加工中的重要作用，各个工业发达国家都极为重视，在技术和产量上都发展很快。目前全球加工中心年生产量为50,000～55,000台左右，并且以日本、欧盟、美国及中国台湾、韩国等为最具代表性的生产基地。日本市场消费能力强，年生产量超过10,000台。主要机种为立式加工中心，年产量约5,000～6,000台，而且不断研发高速、高精密、五面加工、五轴联动加工等技术，满足特殊与复杂曲面加工工件的要求，日本生产加工中心的厂家有MAZAK、大隈、庄田、三菱等公司。德国生产最佳品质与高加工效益的加工中心，近年来生产量每年约在4,000～5,000台左右。代表性机种为卧式加工中心，年生产量约1,500～2,000台。其他加工中心年生产量约2,000～3,000台左右，德国生产加工中心的厂家有西门子、MAKA、GEISS、科恩等公司。美国是全球机床生产代表性国家之一，但近年来由于其国内消费能力不足，再加上出口也面临市场竞争，导致其生产有逐渐下滑的趋势，年生产加工中心仅约为5,000～6,000台左右，生产厂家有哈挺、MAG、Hurco等公司。台湾是全球加工中心生产量最大的供货基地，年生产量可达到16,000～18,000台，其中有部分是空机台，未加装微机控制器等，平均单价有偏低的情形。韩国是全球加工中心主要生产国家之一。其加工中心主要用于韩国汽车工业、模具工业及机械工业，年生产加工中心在4,000～5,000台左右。未来加工中心的生产基地则有可能是大陆，特别是日本、美国、德国、中国台湾、韩国已竞相到大陆设厂生产加工中心，再加上大陆本身的企业研发与制造，未来技术成熟、品质稳定、成本降低后，必将会成为全球重要供应基地之一。

20世纪70年代我国研制的加工中心，多数因配套件和设计、制造的缺陷而不能正常使用。进入80 年代后，由于引进了日本FANUC、德国SIEMENS 等公司的数控系统、直流进给伺服电机和主轴电机及其伺服单元之后，数控系统的可靠性有了很大提高。但就整机而言，可靠性还不够高。20世纪90年代中期以来，随着加工中心技术的进步和配套的完善，国内生产企业注意到了采用标准功能部件来取代产品的某些部件，同时优先选择世界知名公司的名牌产品(如：数控系统、滚动直线导轨、滚珠丝杠、轴承、

ATC 装置、液压气动元件、电气元件和检测元件等)作为配套，提高了国产加工中心的档次和可靠性，在一定程度上缩短了与国外同类产品的差距。当前，国产加工中心的可靠性与国外同类产品相比依然不高。除此以外，还有整机防护与密封、外观粗糙、整体造型不尽如意等缺陷，在一定程度上影响了国产加工中心的市场竞争力。目前国内生产加工中心的有沈阳机床厂、大连机床厂、上海祥裕等厂家。研究主要成果如下：

90年代以来，国外一些机床厂家先后开发出一批高速加工中心，其主要技术参数为： 主轴最高转速：一般为12000～15000r/min，有的高达40000～60000r/min。坐标轴的加工进给最高速度：30～60m/min，快速移动速度高达70～80m/min。换刀时间(刀-刀)～，～；托板交换时间普遍在6～8s。

综上所述，高速加工中心的出现使得单轴加工中心的效率赶上了多轴的组合机床或专用机床。因此，高效高柔性的加工中心已开始在汽车工业中应用，并成为重要的工艺装备。目前世界上比较有名的加工中心有：德国EX-CELL-O GMBH公司XHC240卧式加工中心、德国Chiron Werke公司FZ12W立式加工中心、日本Mazak公司产品、日本新泻铁工所SPN50、SPN40加工中心、美国Giddings & Lewis公司RAM500型、RAM630型卧式加工中心和美国Ingersoll铣床公司HVM600型卧式加工中心等等。

目前，国产加工中心的主要品种是立式加工中心和卧式加工中心。为市场提供的产品主要是立式加工中心。其规格(是指工作台宽度，单位：mm) 一般为300、400、500、630 和800。其中，前三种属于较小规格产量较大；后两种属于中大型产量较小。目前，国产立式加工中心拥有的规格基本上覆盖了中小型立式加工中心的规格范围。在我国，人们习惯上把数控机床按其技术水平的高低分为高、中、低三个档次。所谓高档数控机床是指高速度、高精度、五轴联动和工艺高度复合化的数控机床，包括部分重型机床；而所谓低档数控机床主要是指以步进电机驱动为主要特征的开环控制的经济型数控车床、钻床和铣床，其精度和速度都不高；其他数控机床则属于中档数控机床，也就是人们常说的通用普及型数控机床。国产加工中心大多数产品的档次属于此范畴。

国产加工中心目前存在的问题有：

(1) 技术水平上，与国外同类产品的先进水平相比大约落后10～15 年，在高精尖技术方面则更大。

(2) 产品开发能力上，国内生产企业缺乏对产品竞争前的数控技术的深入研究与开发，特别是对加工中心应用领域的拓展力度不强。

(3) 产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，虽然近年来国产加工中心的产量增加较快，但从总体上看，还没有形成规模生产；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。

(4) 国产数控系统MTBF( 平均无故障时间)大都超过1 万小时，但国际上知名品牌如：FANUC、SIEMENS 等先进企业的数控系统MTBF 已达8 万小时。国产加工中心MTBF 虽有少数厂达500 小时，但国外加工中心的先进水平已达800 小时。

(5) 刀库和机械手的可靠性还比较低，近年来虽有改进，但用户仍然不放心。

(6) 位置精度，特别是重复定位精度还有待于进一步提高。

(7) 至于外观粗糙，漏油、漏水、漏气等老问题仍然不同程度的存在。 加工中心未来发展趋势有： （1）高速度、高效率

众所周知，机床向高速化方向发展，不但可以大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。是进入新世纪以来国内外机床技术发展的重要趋势。

20世纪90年代以来，欧、美、日等工业发达国家争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元(电主轴，转速15000～100000r/min)、高速且高加/减速度的进给运动部件(快移速度60～120m/min，切削进给速度高达60m/min)、高效率的自动换刀装置、高性能数控装置和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。 （2）高精度

追求加工中心的高精度，一直是世界各工业发达国家努力的方向。当前，在机械加工高精度的要求下，普通级数控机床的加工精度已由±10μm 提高到±5μm ；精密级加工中心的加工精度则从±3～5μm 提高到±1～ ，甚至更高。 （3）高可靠性

随着数控机床应用领域的日益普及，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造厂家和数控机床制造厂家十分注重和追求的目标。数控机床也只有首先具有较高的可靠性，才能谈得上高速度、高效率和高精度。这已经是众多的数控系统制造厂家和数控机床制造厂家达成的共识。当前，国外先进数控系统的MTBF 值已达8万小时以上。

按主轴加工时的空间位置分类有：卧式和立式加工中心。

卧式加工中心 是指主轴轴线水平设置的加工中心。卧式加工中心有多种形式，如固定立柱式或固定工作台式。固定立柱式的卧式加工中心的立柱不动，其主轴箱在立柱上做上下移动，而工作台可在两个水平方向移动；固定工作台式的卧式加工中心的三个坐标方向的运动由立柱和主轴箱的移动来定位，安装工件的工作台是固定不动的(指直线运动)。卧式加工中心一般具有3个—5个运动坐标轴，常见的是三个直线运动坐标轴和一个回转运动坐标轴(回转工作台)．它能在工件一次装夹后完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工，最适合加工箱体类工件。它与立式加工中心相比，结构复杂、占地面积大、质量大、价格亦高。

立式加工中心 立式加工中心主轴的轴线为垂直设置，其结构多为固定立柱式，工作台为十字滑台，适合加工盘类零件，一般具有三个直线运动坐标轴，并可在工作台上安置一个水平轴的数控转台(第四轴)来加工螺旋线类零件。立式加工中心结构简单，占地面积小，价格低，配备各种附件后，可进行大部分工件的加工。

大型龙门式加工中心 主轴多为垂直设置，尤其适用于大型或形状复杂的工件，像航空、航天工业及大型汽轮机上的某些零件的加工都需要用这类

多坐标龙门式加工中心。

五面加工中心 这种加工中心具有立式和卧式加工中心的功能，在工件一次装夹后，能完成除安装面外的所有五个面的加工，这种加工方式可以使工件的形状误差降到最低；省去二次装夹工件，从而提高生产效率，降低加工成本。

本章主要介绍了加工中心的定义，发展历程以及加工中心的国内外现状，并介绍了当今加工中心存在的一些问题及其未来的发展趋势。

第2章 加工中心自动换刀装置概述

（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(Automatic Tool Changer,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。

表2-1 加工中心上的换刀装置

形式 转塔式 类别 垂直转塔头 水平转塔头 特点 1. 根据驱动方式不同，可分为顺序选刀或任意选刀 2. 结构紧凑简单 3. 容纳刀具数目少 刀库式 无机械手换刀 1. 利用刀库运动与主轴直接换刀，省去机械手 2. 结构紧凑 3. 刀库运动较多 机械手换刀 1. 刀库只做选刀运动，机械手换刀 2. 布局灵活，换刀速度快 机械手和刀具运送器 1. 刀库距机床主轴较远时，用刀具运送器将刀具送至机械手 2. 结构复杂 成套更换方式 更换主轴箱

应用范围 用于钻削中心 小型加工中心 各种加工中心 大型加工中心 更换转塔 1. 利用更换转塔头，增加换刀数目 2. 换刀时间基本不变 扩大加工工艺的钻削中心 1. 利用更换主轴箱，扩大组合机床加工工艺扩大柔性 范围 2. 结构比较复杂 更换刀库 1. 扩大加工工艺，更换刀库，另有刀库存储器 2. 充分提高机床利用率和自动化程度 3. 扩大加工中心的加工工艺范围 的组合机床 加工复杂零件，需刀具很多的加工中心或组成高度自动化的生产系统

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。

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：

（1） 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2-1所示。

（2） 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2-2所示。

（3） 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2-3所示。 （4） 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2-4所示。

图2-1 盘式刀库 图2-2 链式刀库

图2-3 格子箱式刀库 图2-4 直线式刀库

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。

(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—5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“1”。当各继电器读出的 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2-6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2-7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2-5接触式刀具识别装置 图2-6 磁性识别装置

图2-7 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2-8(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2-8 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—94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2-10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2-9刀库中刀具位置编号 图2-10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。

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2-11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2-11 识别刀具的PC程序流程框图

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。

① 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。

② 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 单臂单手式 形式 机械手作往复直线运动 应用 用于刀具主轴与刀库刀座轴线平行的场合 机械手摆动，其轴线与刀具主轴平行 机械手摆动，其轴线与刀具主轴垂直 单臂双手式 固定双手式 可伸缩双手式 剪式双手式 双手不成180° 用于刀库刀座轴线与主轴轴线平行的场合 用于刀库刀座轴线与主轴轴线垂直的场合 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 双手式 双手平行式 双手交叉式 双手有回转运动 这种机械手还起运输作用 换到时间较短，结构较复杂 特点 结构较简单，换刀时间较长

本章主要介绍了加工中心自动换刀装置（ATC）形式、特点及各自应用范围，另外介绍了加工中心中刀具识别与选择的各种方式，最后介绍了换刀机械手的结构及其特点。

第3章 总体方案设计

TH5640D型立式加工中心及其主要参数

TH5640D是一台小型立式加工中心，工件在一次装夹后可自动连续地完成铣、钻、镗、铰、锪、攻丝等多种工序的加工，该机床适用于小型板件、盘件、壳体等复杂零件的多品种中小批量加工。

其基本规格为：

工作台工作面尺寸（外形尺寸） （毫米）1000×400（1200×520） 工作台T型槽宽×槽数 （毫米）18×3 工作台左右行程（X轴） （毫米）1000 工作台前后行程（Y轴） （毫米）500 工作台上下行程（Z轴） （毫米）470 主轴端面至工作台面 （毫米）150～620 主轴锥孔 BT40

主轴转速（标准型/高速型） （转/分）～2250/45～4500 主轴驱动电机 （千瓦）（额定/30分钟） 快速移动速度（X、Y轴） （米/分）15 （Z轴） （米/分）10 进给速度 （X、Y、Z轴） （毫米/分）1~4000 进给驱动电机 （千瓦） 刀库容量 20 选刀方式 任选

最大刀具尺寸 （毫米）φ80×300 最大刀具重量 （公斤）8 刀库电机 （千瓦）

工作台容许负载 （公斤）500

滚珠丝杠尺寸（X、Y、Z轴） （毫米）φ40×10 钻孔能力 （毫米）φ32 攻丝能力 M24

镗孔能力 （自动换刀时）（毫米）φ80 铣削能力 （厘米/分）100 气源 （巴）5～7（250升/分） 机床重量 （公斤）6500 占地面积 （毫米）2756×2695

TH5640D型立式加工中心自动换刀装置的设计参数

刀库容量 20 选刀方式 任选

刀套尺寸 （毫米）φ60×120 最大刀具重量 （公斤）8 相邻刀套中心距离为85毫米 刀柄为BT40刀柄

蜗杆头数Z1=1，初定传动比为i=48，模数m=

初步确定该立式加工中心刀库的工作原理为：交流伺服电动机通过挠性联轴器带动蜗轮蜗杆转动，刀库形式采用盘型刀库，该刀库装在蜗轮上通过蜗轮的旋转带动刀库的旋转，如图2-1所示。另外，盘型刀库装在立柱左侧，因此刀套应该能向下转动90°，便于换刀。

图3-1 刀库驱动原理图

机械手的形式暂时采用单臂双手式机械手。

本章主要介绍了TH5640D型立式加工中心及其主要参数。另外介绍了本次毕业设计所给的参数，确定了该加工中心刀库基本的传动原理以及所选机械手的形式。

第4章 刀库的设计及计算

确定刀库容量

刀库容量设为20把。

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。

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TF和启动时的加速扭矩TJ的要求。 （1） 刀库负载扭矩TF的计算

圆盘式刀库负载扭矩TF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WCP，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4-1（b）所示。按加工中心规格规定的最大刀具质量Wmax算，而其重心则设定为离刀库回转中心半径处。

（2） 刀库加速扭矩TJ的计算

2nmTJ(JmJ1)N•m

60tJ式中 nm-刀库选刀时的电动机转速（r/min）；

tJ-加速时间，通常取150~200ms； Jm-电动机转子惯量（kg•m2），可查样本；

J1-负载惯量折算到电动机轴上的惯量（kg•m2）

（a）刀具插满圆盘的半个圆 （b）三把最重的刀具插在一起

图4-1 刀库负载转矩计算方法

（3） 驱动电动机输出扭矩TD计算

驱动电动机的输出扭矩TD应同时满足刀库负载扭矩TF和加速扭矩TJ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

TTJN•m 扭矩TD的公式为TDFi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，TSTD~。 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

85为85毫米，夹角为20度。可知刀套放置半径为R244.7mm，

2sin10圆整为245mm。

1） 刀库负载扭矩TF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TF=3WmaxgR=103=N•m 2） 加速扭矩TJ的计算

vxd=，2R加速时间暂定为tJ=200ms，电动机的转子惯量可查相关样本

设刀具最大运动线速度为24m/min，则可确定刀库选刀转速为nmJm=103kg•m2，

负载惯量折算到电动机轴上的惯量J1则可求得TJ=N•m

57.6240.245=103kg•m2 9.8483） 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=,

57.6240.26则可求得TD==N•m

480.7电动机的额定转矩TS>(~) TD=(~) N•m 而所选电机转矩为10N•m

确定伺服电机型号为SM130-10N1500，其主要技术参数为： 额定功率

额定转速 1500r/min 额定电流 6A

转子惯量 kg•m2 机械时间常数 工作电压 220V

蜗杆头数z1=1，初定传动比为i=48，则蜗轮齿数z2=iz1=48，模数m=，蜗杆分度圆直径d1=48mm，蜗轮分度圆直径d2=mz2=

中心距a=(d1+d2)/2=,圆整中心距取aw=100mm，蜗轮变位系数x2=（a-aw）/m=，属于1>=x>=-1的要求

*蜗轮齿顶高ha2(hax)m=() = *蜗轮齿根高hf2(hac*x)m=(1++) =

蜗轮齿根圆直径df2d22hf2== 蜗轮齿顶圆直径da2d22ha2=+=

*蜗杆齿顶圆直径da1d12ham=48+= *蜗杆齿根圆直径df1d12m(hac*)=(1+)=

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≤。蜗轮材料选用ZCuAl10Fe3，表面淬火硬度45~55HRC,表面粗

糙度Ra≤。

蜗轮蜗杆其他计算参数：

zm13.153.75 蜗杆导程角r=arctan1arctand148蜗杆齿形角为20°

蜗杆轴向齿距积累误差fpxL= 蜗杆轴向齿距极限偏差fpx=± 蜗轮齿形误差ff1=

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。

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4-2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。

图4-2

图4-3

刀套的构造如图4-4所示，由图中可以看到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4-4 刀套结构图

本章主要是根据所给参数进行刀库电机的计算与选择，以及刀库传动时所用蜗轮蜗杆相关参数的计算，确定了刀具的选择方式。另外对刀库工作原理进行了总体设计。

第5章 刀具交换装置的设计

图5-1 机械手结构图

本机床上使用的换刀机械手为回转式单臂双手机械手。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位置、插刀、复位等动作。

单臂单手式机械手主要由手臂9和固定于其两端的结构完全相同的两个手爪6组成。手爪6上握刀的圆弧部分有一个锥销4，机械手抓刀时，该锥销插入刀柄的键槽中。当机械手由原位转75°抓住刀具时，两手爪上的长销12分别被主轴前端面和刀库上的挡块压下，使轴向开有长槽的活动销14在弹簧的作用下右移顶住刀具。机械手拔刀时，长销与挡块脱离接触，锁紧销被弹簧弹起，使活动销顶住刀具不能后退，这样机械手在回转180°时，刀具不会被甩出。当机械手上升插刀时，两长销又分别被两挡块压下，锁紧销从活动销孔中退出，松开刀具，机械手便可反转75°复位。

机械手传动结构

如前述刀库结构，刀套向下转90°后，压下行程开关，发出机械手抓刀信号。此时，机械手21正处在图中所示的上面位置，液压缸18右腔通压力油，活塞杆推动齿条17向左移动带动齿轮11转动。图中5-2所示，8为

升降液压缸的活塞杆，齿轮1、齿条7和轴2为图4-3中的齿轮11、齿条17和机械手臂轴16。连接盘3与齿轮1用螺栓连接，它们空套在机械手臂轴2上，传动盘5与机械手臂轴2用花键连接，它上端的销子4插入连接盘3的销孔中，故齿轮转动时便带动机械手臂轴转动，使机械手回转75°抓刀。抓刀动作结束时，齿条17上的挡环12压下行程开关14，发出拔刀信号，于是升降液压缸15的上腔通压力油，活塞杆推动机械手臂轴16下降拔刀。在轴16下降时，传动盘10随之下降，其下端的销子8插入连接盘5的销孔中，连接盘5和其下面的齿轮4也是用螺栓连接的，它们空套在轴16上。当拔刀动作完成后，轴16上的挡环2压下行程开关1，发出换刀信号。这时转位液压缸20的右腔通压力油，活塞杆推动齿条19向左移动，带动齿轮和连接盘5转动，通过销子8，由传动盘带动机械手转180°，交换位于位于主轴和刀库上的刀具位置。换刀动作完成后，齿条19上的挡环6压下行程开关9，发出插刀信号，使升降液压缸下腔通压力油，活塞杆带着机械手臂轴上升插刀，同时传动下面的销子8从连接盘5的销孔中移出。插刀动作完成后，轴16上的挡环压下行程开关3，使转位油缸20的左腔通压力油，活塞杆带着齿条19向右移动复位，齿轮4空转，机械手无动作。齿条19复位后，其上挡环压下行程开关7，使液压缸18的左腔通压力油，活塞杆带着齿条17向右移动，通过齿轮11使机械手反转75°复位。机械手复位后，齿条17上的挡环压下行程开关13，发出换刀完成信号，使刀套向上翻转90°，为下次选刀做好准备。

注：图5-2中的气缸15、机械手臂轴16、齿轮11、齿条17、销子、挡环2分别相当于图5-3中的气缸38、机械手臂轴2、齿轮43、齿条37、销子48、挡环51。

图5-2 机械手传动结构示意图

图5-3 机械手传动结构

自动换刀装置的动作顺序

自动换刀的大致顺序如图5-4所示：

第一，见图5-4（b），工件上某一表面加工完毕后，主轴停转，主轴箱返回

原点准备换刀，此时刀库早已根据指令将“新刀”转到换刀位置上(即向下旋转90°),等待机械手抓取。

第二，见图5-4（c），机械手由原始水平位置逆时针旋转75°，机械手的两

夹爪同时抓住刀库中的“新刀”与主轴中的“旧刀”。

第三，见图5-4（d），机械手沿轴向将刀具同时从主轴及刀库中拔出。 第四，见图5-4（e），机械手顺时针旋转180°，把“新刀”转至主轴处，“旧

刀”转至刀库换刀位置处。

第五，见图5-4（f），机械手沿轴向将刀具同时装入主轴及刀库。 第六，见图5-4（h），机械手顺时针回转75°，恢复原始水平位置。 第七，见图5-4（g），刀库刀套向上旋转90°，等待下一次换刀。

图5-4自动换刀的顺序

主轴准停装置

在加工中心上，当自动换刀装置把刀具装到主轴上时，刀柄上的键槽必须对准主轴上的驱动键(亦称定向键)。为此，主轴每次停转必须准确地停在某一固定位置上。这种使主轴准确地停在某一固定位置上的装置叫主轴准停装置。

主轴准停装置分机械控制和电气控制两种形式。本加工中心用到的是电气控制方式。

为使主轴上的端面键能准确而顺利进人刀柄上的键槽。主轴必须停止在一定的位置上使之对准，即主轴应有旋转定位机构。主轴与刀柄靠7：24锥面定心，由两个端面键传递转矩。端面键用螺钉固定在主轴前端面上，嵌入刀柄周向的两个缺口内。自动换刀时，必须保证端面键对准缺口。为此，就要求主轴准确地停在一定的周向位置上。主轴周向定位机构的原理见图5-5。塔轮1上安装一个厚垫片4，上装一个体积很小的永磁块3。在主轴箱

体的准停位置上，装一个磁传感器2。数控系统发出主轴准停信号后，主轴降速，以很低的转速运转，至永磁块对准传感器，传感器2发出准停信号，经放大器、定向电路使电动机制动。主轴停止的角度位置精度为±1°。这种装置的机械结构简单，定位迅速而准确。

图5-5主轴定位机构工作原理

1- 塔轮；2-磁传感器；3-永磁块；4-垫片

本章主要介绍了自动换刀装置中机械手的设计，机械手内部的传动原理，自动换刀的过程以及主轴的准停装置。

第6章 联轴器的选用及计算

联轴器是连接两轴或轴的回转件，在传递运动和动力过程中一同回转而不脱开的一种装置。此外，联轴器还可能具有补偿两轴相对位移、缓冲和减震以及安全防护等功能。

按照联轴器的性能可分为刚性联轴器和挠性联轴器。刚性联轴器或称固定式联轴器，这种联轴器虽然不具有补偿功能，但有结构简单、制造容易、不易维护、成本低等特点而仍有其应用范围；挠性联轴器中又分为无弹性元件挠性联轴器(也称可移式刚性联轴器)和带弹性元件挠性联轴器，前一类只具有补偿两轴相对位移的能力，后一类能产生较大环性交形的元件，除有补偿性能外还具有缓冲和减振作用，但在传递转矩的能力上，因受弹性元件的强度限制，一般不及无弹性元件联轴器。带弹性元件联轴器中按弹性元件的材质不同；又可分为金属弹性元件和非金属弹性元件，金属弹性元件的主要特点是强度高、传递转距能力大、使用寿命长、不易变质且性能稳定。非金属弹性元件的优点是制造方便，易获得各种结构形状，又具有较高的阻尼性能。

联轴器的类型应根据使用要求和工作条件，如承载能力、转速、两轴相对位移、缓冲吸震以及装拆、维修更换易损元件等综合分析来确定。具体选择时可顺序考虑以下几点：

(1)原动机和工作机的机械性能。原动机的类型不同，其输出功率和转速，有的是平稳恒定的，有的是波动不均匀的。而各种工作机的载荷性质差异更大，有的平稳，有的冲击甚至强烈冲击或震动。这将直接影响联轴器类型的选择，是选择的首要依据之一。对于载荷为平稳的，则可选用刚性联轴器，否则宜选用弹性联轴器。

(2)联轴器联接的轴系及其运转情况。对于连接轴系的质量大、转动惯

量大，而又经常起动、变速或反转的，则应考虑选用能承受较大瞬时过载，并能缓冲吸震的弹性联轴器。

(3)工作机的转速高低，对于需高速运转的两轴联接，应考虑选择联轴器的结构具有高平衡精度特性，以消除离心力而产生的振动和噪声，增加相关元件的磨损和发热而降低传动质量和使用寿命。其中膜片联轴器对高速运转适应性较好。

(4)联轴器的对中和对中保持程度，保持良好的对中是使运转正常的前提，防止产生过大附加载荷及其他不良工况。联轴器的对中调整难易，除与本身结构有关外，还应与机械类型在对中时采用措施相适应。同时还需计及机械工作时有关零件因受载和温升产生变形及零件相对滑动而产生磨损，从而使两轴产生附加的相对位移。所以，选择的联轴器不但要补偿安装时难免存在的一定相对偏差，还应预计到能补偿两轴在运转中出现的相对位移的能力。

(5)联轴器的可靠性，使用寿命和工作环境。对于要求运转可靠，不允许运转工作临时中断的传动，最好选用不需润滑、无非金属弹性元件的联轴器。高温和有油类、酸碱及其他腐蚀性介质的场所、或有光辐射存在应尽量不用含有橡胶弹性元件的联轴器。有灰尘、潮湿的环境，应用有罩壳的联轴器。对环境有清洁要求时就应尽量不用油润滑的联轴器。

(6)联轴器的结构及工作特性，联轴器的外形尺寸，安装、拆卸所需的空间大小和难易程度以及对维护的要求等都有与联接机组的具体配置位置和要求相适应，例如联接两轴垂直时，有些齿式联轴器就不适用。此外还应考虑机组对联轴器主、从动轴转速的同步性（包括转速波动和弹性回差）是否有要求。如单十字轴式万向联轴器的从动轴转速有周期性波动，一般弹性联轴器在启动和载荷或转速改变时，从动轴有弹性回差现象。

(7)联轴器的制造、安装和维护的成本，在满足使用要求的条件下，应使选择的联轴器成本低，不需维护以降低经常费用。

联轴器的选用计算

在选用标准联轴器或已有推荐的系列尺寸的联轴器型号时，一般都是以

联轴器所需传递的计算转矩Tc小于所选联轴器的许用转矩[T]或标准联轴器的公称转矩Tn为原则。由于传动轴系载荷变化性质不同以及联轴器本身的结构特点和性能不同，联轴器实际传递的转矩不等于传动轴系理论上需传递的转矩T，通常

TcTKKwKzKt9550PwKKwKzKtTn n式中T——理论转矩（N•m），在有制动器的传动系统，当制动器的理Pw、n——分别为驱动功率（kw）和转速（r/min）；

论转矩大于动力机的理论转矩时，应按前者计算联轴器；

K——工作情况系数；

Kw——动力机系数； KZ——启动系数； Kt——温度系数。

查相关资料K=, Kw=, KZ=, Kt=,电动机最大转矩T=10N•m，因此可计算得: TcTKwKzKt=10××1×1×1=N•m。

该机床暂选定联轴器为挠性联轴器，而所选挠性联轴器Tn=25N•m，

Tc外形如图6-1所示：

图6-1 挠性联轴器

该挠性联轴器使用的胀紧联接套（锥环）是一种现代先进联接的机械基础件，是一种新型联接方式，它是靠拧紧高强度螺栓使胀套与轴间包容面间产生压力、继而产生摩擦力实现负载传递的一种无键联接装置。它与一般过盈的无键联接、有键连接相比，具有许多独特优点：

（1）

制造和安装简单。安装胀套轴和孔的加工不像过盈配合那样要求高精度的制造公差。安装无需加热、冷却或使用加压设备，只需将螺钉按规定扭矩拧紧即可。并且调整方便，可以将传动件很方便地调整到所需位置。

（2）

有良好的互换性，且拆卸方便。这是因为胀套能把较大配合间隙的轴和传动件联接起来，拆卸时，将螺钉拧松，即可使被连接件很容易拆开。

（3） （4）

胀套联接可以承受重载荷。胀套结构可做成多种样式，为适应安装负荷要求。一个胀套不够，可以多个串联使用。 胀套是靠摩擦力传动，对被连接件没有键槽削弱。没有相对运动，工作中不会磨损。胀套在胀紧后，接触面紧密贴合，

不易产生锈蚀。

（5）

胀套在超载时失去联接作用，可以保护设备不受损坏。

本章主要介绍了联轴器的分类，各联轴器的适用范围，从而对本次毕业设计刀库设计中的典型零件——联轴器进行选用计算。

结论

本次毕业设计的题目是立式加工中心自动换刀装置的设计。所针对的机床是TH5640D型立式加工中心。本文章阐述的是该立式加工中心中盘式刀库结构和参数的设计计算，刀库驱动电机的选择计算，蜗轮蜗杆相关参数的计算，总体来说，刀库的传动结构比较紧凑。由于该盘型刀库正反都可以转，因此有必要考虑如何消除蜗轮蜗杆之间的传动间隙。本设计中采用了一个调整套杯，通过将套杯旋入或旋出来调整蜗轮蜗杆间的传动间隙。另外刀库装在加工中心的立柱的侧面，因此机械手在进行换刀时，刀套必须向下旋转90°，如此机械手才可以将位于主轴和刀库上的所选刀具进行交换。本文中采用的是在刀套上设计一个滚子，通过气缸与拨叉带动刀套滚子上下作用使得刀套旋转。至于机械手的拔刀、换刀和插刀动作，则是通过气缸、液压缸和齿轮齿条的联合作用来实现的。

虽然本次毕业设计已基本完成，但自己觉得还是存在一些不足。比如在铣削机械手传动的箱体壁时可能比较困难。自己所绘制的图纸上一些部位表示还不是太清楚。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。

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[1] （第三册）.北京：机械工业出版社，1986 [2] ：国防工业出版社，2003 [3] 林宋，：化学工业出版社，2003 [4] 、：机械工业出版社，2003 [5] 廉元国，：机械工业出版社，1995 [6] ，2006 [7] 陈芳，，2007 [8] 黄泽正，刘冲，，2007 [9] 曹秋霞，，2005

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[16] of automatic tool changer for CNC . thesis,Mechanical EngineeringDepartmet, METU, Ankara, Turkey 1995

[17] . A methodology for creative mechanism design. mechansism and machine,1992

[18] Beom-Sahng Ryuh, Sang Min Park, Gordon R. automatic tool changer and integrated software for a robotic die polishing station. Mechanism and Machine Theory,2005

[19] Mustsfa Ilhan Goklert and Murat Bjlgjn Kot. Design of an automatic tool changer with disc magazine for a CNC horizontal machining center. Elsevier Science Lid,1996

[20] Fu-Chen Chen,Hong-Sen synthesis of machining centres with tool change

mechanisms. International Journal of Machine Tools &

Manufacture,1997

致谢

感谢**大学四年来对我的辛苦培育，让我在大学这四年来学到很东西，特别感谢**学院为我提供了良好的学习环境、感谢领导、老师们四年来对我无微不至的关怀和指导，让我得以在这四年中学到很多有用的知识。在此，我还要感谢在班级同学和朋友，感谢你们在我遇到困难的时候帮助我，给我支持和鼓励，感谢你们。

特别感谢我的指导老师**老师，在本毕业设计中给予我悉心指导，从系统开发到结束中过程遇到很多困难都是她给我鼓励与指引，使我能够克服重重困难，将毕业设计完成，在此谨向**老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。谢谢！

附录1

开题报告

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义

加工中心（Machining Center,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。

在加工中心中，刀库和机械手组成自动换刀装置（Automatic Tool

Changer,简称ATC），而自动换刀装置的好坏，将直接影响加工中心的好坏，从目前情况看，加工中心的主机部分基本定型，变化不大，但自动换刀装置种类繁多，五花八门，是最难搞好的部分。它是加工中心的象征，又是加工中心成败的关键环节。因此各加工中心制造厂家都在下大力研制动作迅速、可靠性高的自动换刀装置，以求在激烈的竞争中取得好效益，正因为自动换刀装置是加工中心的核心内容，各厂家都在保密，极少公开有关资料，尤其机械手这部分更是如此。

刀库的形式和容量主要是为满足机床的工艺范围，目前常见的刀库类型如下：

（5） 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。

（6） 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。 （7） 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。

（8） 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。

目前常见的换刀机械手类型有：①单臂单手式机械手 结构较简单，换刀各动作均需顺序进行，时间不能重合，故换刀时间较长。

②双手式机械手 向刀库还回用完的刀具和选取新刀，均可在主轴正在加工时进行，故换刀时间可较短。

③回转式单臂双手机械手 这类机械手可以同时抓住和拔、插位于主轴和刀库里的刀具。与单臂单手式机械手相比，可以缩短换刀时间。应用最广泛，形式也较多。

④多手式机械手 使用者较少。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题

在确立数控机床的设计技术规范时，应该考虑专业市场上的供求情况、

顾客潜在的选择，从有关商业文献中获得竞争产品所能达到的技术要求、价格等因素，最后再根据所要求的数控机床性能来确定自动换刀装置的设计技术要求。所研究的主要内容有：

1、掌握加工中心的基本结构、工作原理； 2、刀库、换刀机械手结构设计； 3、刀库电机的选择及计算； 4、绘制装配图、零件图。

研究所考虑的设计基本原则是：结构简单、价格低廉、容易制造，拆卸、装配、维修方便，配件容易得到等。 三、研究步骤、方法及措施

1、查阅有关的立式加工中心自动换刀装置文献或资料，掌握立式加工中心的基本结构。 2、刀库的结构设计

刀库的作用是储备一定数量的刀具，通过机械手实现与主轴刀具的交换。 本课题中刀库采用盘型刀库结构，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，相邻刀具间应留有一定间隙。 3、换刀机械手结构设计

本课题研究采用的是单臂双手式机械手，亦叫扁担式机械手。这种机械手的拔刀、插刀动作，大都由油缸动作来完成。根据结构要求，可以采取油缸动，活塞固定；或活塞动，油缸固定的结构形式。而手臂的回转动作，则通过活塞的运动带动齿轮齿条来实现。机械手臂的不同回转角度，是由活塞的可调行程来保证。

图1单臂双手式机械手

4、传动部分设计

（1）利用单头蜗轮蜗杆实现刀库的旋转，此传动机构在使用中可随时调整蜗轮蜗杆的传动间隙，实现准确的转位分度，保证刀库工作的可靠性。相比之下，槽轮机构具有冲击小，工作平稳性高，机械效率高，可在较高转速下工作，结构简单等优点，但定位精度不够高。

图2 刀库传动结构简图

（2）利用伺服电机实现蜗轮蜗杆的传动。 5、刀库电机的选择

1）按负载转矩选 加在伺服电动机轴上的负载转矩TL应比电动机额定连续转矩TS小。

圆盘式刀库负载转矩计算方法 这种刀库的负载转矩T1主要来自刀具重量的不平衡。计算方法有两种：

① 用平均重量的刀具插满圆盘的半个圆，根据工艺要求所需的各种刀具，确定每个刀具的平均重量WCP，而其重心则设定为离刀库回转中心2/3半径处。

② 将三把最重刀挨在一起，按加工中心规格规定的最大刀具重量Wmax计算，而其重心则设定为离刀库回转中心半径处。如下图所示：

TL=T1/把如上计算的负载转矩转换为电动机轴上的转矩TL的公式为：（i）

式中i—传动比 —传动效率

考虑到实际情况比计算时所设定条件复杂，TS～，亦即TS(1.2~1.5)TL 2）按加速时的最大转矩选 加速时的最大转矩T包括加速转矩Ta和负载转矩

TL，即T>Ta+TL，加速转矩Ta按下式计算：Ta2n(JLJm)/(60ta)（N•m）

式中n—刀库选刀时电动机转速（r/min）ta—加速时间，通常取150~200ms

Jm—电动机转子惯量，可从样本中查到（N•m•s2）JL—负载惯量折算到

电机轴上的惯量

加速时的最大转矩T应小于电机的最大转矩Tmax，即T3)校验 检验计算结果是否满足下列关系式JL

图3 圆盘式刀库刀具分布

6、机械手换刀过程

①刀套下转90°②机械手转75°③刀具松开 ④机械手拔刀 ⑤交换两刀具位置 ⑥机械手插刀 ⑦刀具夹紧 ⑧机械手反转75° ⑨刀套上转90°换刀过程如下：

图4 换刀过程示意图

四、研究工作进度 (一)、第一阶段（1-4周）

1、开题报告（含文献综述、参考资料等） 2、方案论证和方案设计（含初步的设计及计算） 3、完成ppt文档，准备第一阶段考核 （二）、第二阶段（5-10周） 1、完成第一张A0

2、完成第二或第三张的草图绘制（包括主要结构）3、准备外文翻译资料

4、完成ppt文档，准备第二阶段考核 （三）、第三阶段（11-17周） 1、绘制要求的其余设计图纸 2、完成外文翻译资料 3、撰写说明书准备答辩 五、主要参考文献

[1] （第三册）.北京：机械工业出版社，1986 [2] ：国防工业出版社，2003 [3] 林宋，：化学工业出版社，2003 [4] 、：机械工业出版社，2003 [5] 廉元国，：机械工业出版社，1995 [6] ，2006 [7] 陈芳，，2007

[8] 黄泽正，刘冲，，2007 [9] 曹秋霞，，2005

[10] 依兰•欧克拉，•，2000

[11] of automatic tool changer for CNC . thesis,Mechanical EngineeringDepartmet, METU, Ankara, Turkey 1995

[12] . A methodology for creative mechanism design. mechansism and machine,1992

附录2

文献综述

一、课题国内外现状

加工中心（Machining Center,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。

由于它在机械加工中的重要作用，各个工业发达国家都极为重视，在技术和产量上都发展很快。目前全球加工中心年生产量为50,000～55,000台左右，并且以日本、欧盟、美国及中国台湾、韩国等为最具代表性的生产基地。日本市场消费能力强，年生产量超过10,000台。主要机种为立式加工中心，年产量约5,000～6,000台，而且不断研发高速、高精密、五面加工、五轴联动加工等技术，满足特殊与复杂曲面加工工件的要求，日本生产加工中心的厂家有MAZAK、大隈、庄田、三菱等公司。德国生产最佳品质与高加工效益的加工中心，近年来生产量每年约在4,000～5,000台左右。代表性机种为卧式加工中心，年生产量约1,500～2,000台。其他加工中心年生产量约2,000～3,000台左右，德国生产加工中心的厂家有西门子、MAKA、GEISS、科恩等公司。美国是全球机床生产代表性国家之一，但近年来由于其国内消费能力不足，再加上出口也面临市场竞争，导致其生产有逐渐下滑的趋势，年生产加工中心仅约为5,000～6,000台左右，生产厂家有哈挺、MAG、Hurco等公司。台湾是全球加工中心生产量最大的供货基地，年生产量可达到16,000～18,000台，其中有部分是空机台，未加装微机控制器等，平均单价有偏低的情形。韩国是全球加工中心主要生产国家之一。其加工中心主要用于韩国汽车工业、模具工业及机械工业，年生产加工中心在4,000～5,000台左右。未来加工中心的生产基地则有可能是大陆，特别是

日本、美国、德国、中国台湾、韩国已竞相到大陆设厂生产加工中心，再加上大陆本身的企业研发与制造，未来技术成熟、品质稳定、成本降低后，必将会成为全球重要供应基地之一。

20世纪70年代我国研制的加工中心，多数因配套件和设计、制造的缺陷而不能正常使用。进入80 年代后，由于引进了日本FANUC、德国SIEMENS 等公司的数控系统、直流进给伺服电机和主轴电机及其伺服单元之后，数控系统的可靠性有了很大提高。但就整机而言，可靠性还不够高。20世纪90年代中期以来，随着加工中心技术的进步和配套的完善，国内生产企业注意到了采用标准功能部件来取代产品的某些部件，同时优先选择世界知名公司的名牌产品(如：数控系统、滚动直线导轨、滚珠丝杠、轴承、ATC 装置、液压气动元件、电气元件和检测元件等)作为配套，提高了国产加工中心的档次和可靠性，在一定程度上缩短了与国外同类产品的差距。当前，国产加工中心的可靠性与国外同类产品相比依然不高。除此以外，还有整机防护与密封、外观粗糙、整体造型不尽如意等缺陷，在一定程度上影响了国产加工中心的市场竞争力。目前国内生产加工中心的有沈阳机床厂、大连机床厂、上海祥裕等厂家。 二、研究主要成果

90年代以来，国外一些机床厂家先后开发出一批高速加工中心，其主要技术参数为： 主轴最高转速：一般为12000～15000r/min，有的高达40000～60000r/min。坐标轴的加工进给最高速度：30～60m/min，快速移动速度高达70～80m/min。换刀时间(刀-刀)～，～；托板交换时间普遍在6～8s。

综上所述，高速加工中心的出现使得单轴加工中心的效率赶上了多轴的组合机床或专用机床。因此，高效高柔性的加工中心已开始在汽车工业中应用，并成为重要的工艺装备。目前世界上比较有名的加工中心有：德国EX-CELL-O GMBH公司XHC240卧式加工中心、德国Chiron Werke公司FZ12W立式加工中心、日本Mazak公司产品、日本新泻铁工所SPN50、SPN40加工中心、美国Giddings & Lewis公司RAM500型、RAM630型卧式加工中心和美国Ingersoll铣床公司HVM600型卧式加工中心等等。

目前，国产加工中心的主要品种是立式加工中心和卧式加工中心。为市场提供的产品主要是立式加工中心。其规格(是指工作台宽度，单位：mm) 一般为300、400、500、630 和800。其中，前三种属于较小规格产量较大；后两种属于中大型产量较小。目前，国产立式加工中心拥有的规格基本上覆盖了中小型立式加工中心的规格范围。在我国，人们习惯上把数控机床按其技术水平的高低分为高、中、低三个档次。所谓高档数控机床是指高速度、高精度、五轴联动和工艺高度复合化的数控机床，包括部分重型机床；而所谓低档数控机床主要是指以步进电机驱动为主要特征的开环控制的经济型数控车床、钻床和铣床，其精度和速度都不高；其他数控机床则属于中档数控机床，也就是人们常说的通用普及型数控机床。国产加工中心大多数产品的档次属于此范畴。

目前，自动换刀装置中刀库的种类有链式、盘式、格子箱式和直线式等形式。自动换刀装置分有机械手换刀和无机械手换刀两种，其中机械手的种类大概有单臂单手式机械手、双手式机械手、回转式单臂双手机械手、多手式机械手等形式。 三、发展趋势 1、高速度、高效率

众所周知，机床向高速化方向发展，不但可以大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。是进入新世纪以来国内外机床技术发展的重要趋势。

20世纪90年代以来，欧、美、日等工业发达国家争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元(电主轴，转速15000－100000r/min)、高速且高加/减速度的进给运动部件(快移速度60～120m/min，切削进给速度高达60m/min)、高效率的自动换刀装置、高性能数控装置和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。 2、高精度

追求加工中心的高精度，一直是世界各工业发达国家努力的方向。当前，在机械加工高精度的要求下，普通级数控机床的加工精度已由±10μm 提高

到±5μm ；精密级加工中心的加工精度则从±3～5μm 提高到±1～ ，甚至更高。 3、高可靠性

随着数控机床应用领域的日益普及，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造厂家和数控机床制造厂家十分注重和追求的目标。数控机床也只有首先具有较高的可靠性，才能谈得上高速度、高效率和高精度。这已经是众多的数控系统制造厂家和数控机床制造厂家达成的共识。当前，国外先进数控系统的MTBF 值已达8万小时以上。 四、存在问题

(1) 技术水平上，与国外同类产品的先进水平相比大约落后10～15 年，在高精尖技术方面则更大。

(2) 产品开发能力上，国内生产企业缺乏对产品竞争前的数控技术的深入研究与开发，特别是对加工中心应用领域的拓展力度不强。

(3) 产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，虽然近年来国产加工中心的产量增加较快，但从总体上看，还没有形成规模生产；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。

(4) 国产数控系统MTBF( 平均无故障时间)大都超过1 万小时，但国际上知名品牌如：FANUC、SIEMENS 等先进企业的数控系统MTBF 已达8 万小时。国产加工中心MTBF 虽有少数厂达500 小时，但国外加工中心的先进水平已达800 小时。

(5) 刀库和机械手的可靠性还比较低，近年来虽有改进，但用户仍然不放心。 (6) 位置精度，特别是重复定位精度还有待于进一步提高。

(7) 至于外观粗糙，漏油、漏水、漏气等老问题仍然不同程度的存在。

五、主要参考文献

[1] （第三册）.北京：机械工业出版社，1986 [2] ：国防工业出版社，2003 [3] 林宋，：化学工业出版社，2003 [4] 、：机械工业出版社，2003 [5] 廉元国，：机械工业出版社，1995 [6] ，2006 [7] 陈芳，，2007 [8] 黄泽正，刘冲，，2007 [9] 曹秋霞，，2005

[10] 依兰•欧克拉，•，2000

[11] of automatic tool changer for CNC . thesis,Mechanical EngineeringDepartmet, METU, Ankara, Turkey 1995

[12] . A methodology for creative mechanism design. mechansism and machine,1992

附录3

设计一个数控卧式加工中心上带有盘型刀库的自动换刀装置

（收稿于1996年4月12日）

摘要——自动换刀装置（ATC）是数控机床中用于交换的机床设备主轴上的刀具与刀库上刀具的装置。在这个文章中，介绍了一种数控卧式加工中心上自动换刀装置的设计，该自动换刀装置的设计是一个数控机床制造商要求。经审查几个替代方案，决定实施盘式换刀。该刀库设计有24把刀具，最大刀具直径为150毫米，最大刀具重量8公斤。所设计的自动换刀装置可以在4秒内交换最接近的刀具和在6秒内交换相邻最远的刀具。，1997年。

任何机床制造商必须或者支付任何特定数控专利的数控机床，或设计自己的系统来制造数控机床。购买新技术是一项昂贵的选择，并且它一般不容许作任何修改和在购买到的系统上进行改进。机床制造商不出售自己开发的新技术，他们一般都愿意出售其遗弃的技术。

因此，一个特定的数控机床制造商已开始对新的数控卧式加工中心的设计与生产进行研究和改进。这就需要设计这个机床新的自动换刀系统。

自动换刀装置可以被定义为一个可以根据机器控制单元提供的命令选择和改变刀库中刀具的装置。

拥有不同工作原理的各种自动换刀装置已用于由不同厂家生产的卧式加工中心上[1-17]。刀具存储装置一般是链式或盘式（旋转式）的类型。然而，现在有一些其他类型的刀库，如球形，带型等[17]。圆盘型刀库可能按照盘式的功能被归类。

（1）在一个带有换臂类型的刀库中，这些刀具是通过一个机械手从刀库中取刀并与主轴上的刀具相交换的方法来交换的。因此，该盘型刀库具有存储索引的功能[1-5]。在图1（a）[1]，图1（b）[1]和图1（c）[5]中展示了这种类型的一些例子。

（2）无换臂机械手式刀库动作与有机械手式相似。这些刀具是通过盘式刀库本身来改变的[2，6 - 8]。2[1]中展示了这种类型的一个例子。正如图所示，两盘式刀库和两个主轴安装在该应用程序的一个立柱上。

在带有链式刀库的一个自动换刀装置上[9-16]，该刀具是由一换臂机械手来改变的。如下所示链式刀库可根据刀具在刀库中相对于主轴的方向来归类。

（1）刀库中刀具的轴线垂直于主轴并且刀库位于立柱的右侧或左侧。因此，为改变刀具的方向，机械手带动刀具围绕垂直于主轴的方向作旋转使新刀和主轴相平行，如图3（a）13所示。这种类型的另外一种倒装情况，刀库，也就是刀具安放的位置，围绕它们自己的轴线旋转来与主轴轴线相平行，如图3（b）12所示。换刀机械手交换位于刀库和主轴的刀具。

（2）链式刀库刀具的轴线平行于主轴轴线，如图3（c）12所示。切削刀具与主轴轴线平行的方向只有一个，刀具就在那个位置被交换。

（3）刀库中刀具轴平行于主轴轴线。位于主轴和刀库之间的机械手朝主轴作直线运动和更换刀具，如图3（d）16所示。

在表1，不同的ATC和它们的最短刀具交换时间是根据业界文献来给出的[2-5，7-14]。在表1中，“D +A”，“D”和“C +A”分别用来定义带机械手的盘式刀库、无机械手的盘式刀库和带机械手的链式刀库。

在盘式刀库中，随着刀具的数量增加，该盘的直径增加，这是空间角度点位置不定的情况。然而，在链式刀库里，[18]。该链式刀库可以在一个非常狭小的空间存储很多刀具。然而，链型刀库与盘型刀库相比要贵。

2. 自动换刀装置的设计

在弄清了数控机床的设计规范的阶段，特定市场的供应与需求，潜在客户的喜好，竞争对手产品的规模可以从相关行业文献获得，比如数控机床产品价格等，ATC的设计规格应予以考虑。

通过考虑如简单，成本相对较低，制造相对轻松，组装，拆卸，维修，以及备件供应等基本的设计标准，数控卧式加工中心上一种无机械手式盘型刀库的自动换刀装置被设计了出来[19]。

如图4所示，所设计的自动换刀装置的刀具转换过程包括如下基本步

骤。

（图4（a））。

，该刀库沿A-A方向前进（图4（b））。

，刀库围绕其旋转轴顺时针或逆时针方向旋转，这取决于刀库刀具的相对位置（图4（c））。

（图4（c））。

，即挂钩已安全地运作新的刀具时，主轴开始执行新的加工周期（图4（d））。

在自动换刀装置类型确定以及工作原理应用之后，对于没有换臂机械手的盘式刀库规格定义如下[20]。

（刀库容量）是24。

，刀具的最大直径为100毫米时。 ，刀具的最大直径为150毫米。 。 [21]。 。

在下面的小节，介绍了典型ATC的基本组成部分。

该盘型刀库最小直径是根据所存储刀具的数量和最大刀具的直径来进行计算的。刀库中连续刀具间应留有间隙。该盘型刀库的直径计算为812毫米，并在相邻刀具之间留6毫米间隙[19]。在计算出刀库的直径之后，刀库的形状大小也就确定了。由于频繁加速和减速，低惯量非常重要。这可通过使用轻型材料来解决。铝被选中作为盘型刀库的材料。薄壁圆盘结构应予以考虑，以确保必要的刚度。该盘式刀库结构应尽可能简单，以降低铸造模具的成本。一个简单的示意图如图5 [19]所示。

在任何自动换刀系统中，有将刀具从主轴中拔出或插入一个新刀的提取和回缩动作。在无机械手盘型刀库的ATC中，该刀库应该做来回运动。这就需要滑体。这些动作能够很容易地通过任何一个液压或气动活塞来实现。

事实上，有能实现直线运动一些其他方法比如使用滚珠丝杠将旋转运动转化为直线运动。但是，当只需要一个简单重复的动作周期时此方法是极其昂贵的。

由图6可见，滑体被设计成中空，以减少重量[19]。在后方，有一个编码器和体内耦合空间。气动活塞被选定和实施推拉滑体。滑体的特殊部分是一个封闭盖子的气动活塞的组装。

滑体的滑动部分被设计成正方形，但不是相配合的类型。对于使用方型滑体类型的原因是易于生产，有价格和有限空间的优势。

对于每一个刀具的交换周期，刀库通过滑体进行前后运动，它占用了大部分的周期时间。为了减少这一时间，穿越高速度是首选。然而，减速问题就出现了，必须在很短的距离吸收极高水平的动能，以阻止系统不会造成过度的冲击负荷或振动。减震器可用于此目的。

在设计中，采用气动活塞。由于空气的可压缩性，在缓冲操作时气动活塞有急剧上升接近行程终点的特性。在接近行程结束时大部分的能量被吸收[22]。因此，减震器是必需的。减震器前面所产生的压力在活塞的整个行程中保持不变，由于特定的孔间距使速度降低到零。因此，抵制力保持恒定和均匀，因此直线减速得到实现[22]。

盘型刀库上的刀具用夹爪存放在刀套里。该刀具通过夹紧爪夹持。夹具通过这样一种方式设计以至于最大重量的刀具可以被安全地夹持。由于盘式刀库绕其自身轴旋转，离心力添加到该刀具的重量上。这应在所设计的夹紧系统中被考虑。该刀套和夹紧爪是根据刀具持有类型来设计的。夹紧爪应该有适当的配合表面与指定的刀柄相配合。

这些刀具通过叶片和螺旋弹簧的组合存放在刀套内，所设计的刀套可以安全夹持刀具的最大重量为8公斤[19]。夹爪与BT40刀柄锥表面相配合[21]。

在自动换刀装置的设计上，一些保护措施是必要的。如果任何碎片在刀

具插入主轴之前粘连到该刀柄锥面，刀柄就不能准确地装在主轴上，将导致失效，不准确和重复性问题，而碎片可能会损坏主轴锥度。为了防止这些，刀柄应由一个防护罩来保护，防护罩只在主轴到达换刀位置之前打开（图7）[19]。在切削过程中防护罩是保持关闭的。

盘式刀库的旋转可通过电动机和减速机合用来实现。在确定电动机的类型之后，功率和所需扭矩就可以计算出来，以选择合适的电机。通过考虑定位精度和可重复性，交流无刷伺服马达就可用来实现刀库的旋转[19]。，在△t= 60 K和△t=100 。电机转速为每分钟2000转[23]。

刀库和电动机之间的减速可通过蜗轮，行星齿轮传动，谐波传动等来提供。快速反应对于刀具精确定位于主轴孔径中心从而更换刀具是必要的。同步带是另一种可以保证零反弹力量传播的方法。但是，同步带在一个非常小区域获得很大减速是非常困难的。通过蜗轮蜗杆可以在一个非常小的区域获得非常高的减速比。然而，蜗轮有反弹的问题。此外，在高减速时，该系统的效率会突然下降。如果减速是用非常低效率的蜗轮实现的话，所需要电机的功率就会变大，这反过来增加了电机及其控制系统的成本。在零反弹蜗轮中，蜗轮是分体式的而且具有特殊的齿廓[24]。

在低价格的行星齿轮系统中，消除反弹是通过减少齿轮中心距直至达到最小间隙从而没有过多噪音或升温来达到的。由于干扰，这通常导致高起动转矩，在正常反弹的条件下大大降低运行效率。目前世界上只有少数几家生产零反弹齿轮的公司[25]。

谐波传动是另一个零反弹的方式。谐波驱动的优点可以说明如下[26]。 （1）定位精度是相当不错的。谐波齿轮传动的设计保证在任何时候大约有占总数10％的齿保持啮合，最大限度地减少了齿对齿误差的影响。

（2）因为谐波传动结构简单，它很容易进入厂房制造，单调的直线式和车削操作所需的加工变得简单。

（3）由于谐波齿轮传动结构紧凑，重量非常轻，装配和拆卸都非常容易。

（4）它比任何其它的零反弹齿轮便宜。

由于上述优势，经过必要的计算，谐波驱动被选中，并在自动换刀装置上实施[26]。假设盘式刀库旋转一半，包括它消耗的加速和减速时间，是在2秒内完成的，。这就要求一个120:1的减速比，。:1减速比的齿轮得到了50:1的减速比。该谐波驱动的输出轴连接到一个直径125毫米的小齿轮上，该小齿轮同一个直径为300毫米的齿轮啮合。该齿轮是通过螺栓连接到刀库上[19]。

刀库的位置是非常重要的，以便于合适的刀具插入到主轴上。这可通过使用绝对或增量编码器来提供。编码器还可以用于计算刀具站，这是索引所需刀具所必需的。编码器是非常灵敏的设备，能给予非常精确的输出。如果编码器的电缆受到一些来自环境（即干扰）的影响，会发送给控制单元与实际值不同的信息。因此，另一种计算刀具的方法作为编码器的安全预防措施。开关可能用于这一目的来计算刀具。开关发出的信号和编码器进行比较，以防止索引刀具时发生任何错误。

绝对编码器与增量编码器相比要昂贵。如图6所示，该刀库的定位是通过直接使用一个增量编码器得到的，此编码器直接安装在刀库轴上而不是像正常伺服驱动一样安在电机轴上。角定位反弹问题通过放置一个直接连接到刀库并坐落于滑体上的增量式编码器而得到解决。被选中的增量编码器为每转3600线。

接近开关作为预防措施安放在刀库附近的滑体上。该开关靠安装在刀库上的24个数据输出门来驱动。因此，对于每个刀具，有一个数据输出门来驱动开关，从而使这两个点的刀具站提供了一个信号给控制单元。

有几个开关也要求用作控制目的。由于自动换刀装置有一个旋转轴，控制单元应该能够识别旋转参照点。否则，控制单元不知道参考刀具和其他刀具的位置。既然采用增量式编码器，一个接近开关被安装在滑体上用来设置复位。如果使用了绝对编码器，就没有必要安装复位开关，因为绝对编码器知道他们所处的的绝对位置。

挂钩是一个拔出单元，用于主轴上拉出刀柄。该自动换刀装置和挂钩应

按顺序工作，否则可能会出现严重的问题。至于挂钩、滑体和刀库旋转的同步运作，两个限位开关被用于前方和后方的滑体，使换刀的同时提供可靠性。另一个接近开关置于主轴用于感应挂钩单元是否在其夹紧位置。如果开关不驱动，这意味着或者刀柄没有夹紧或者夹紧不当。

挑选主轴上刀具的刀套必须在主轴接近前处于空闲状态，否则会发生碰撞，碰撞可能会损坏刀具、主轴和刀库。为防止以上损坏，需要一个接近开关来检查特定刀套是否处于空闲状态。

制造和组装出特定的数控卧式加工中心，机床制造商测试每个系统并且单独或将数控机床作为整体进行运行。在测试结束后，会报告自动换刀装置中的一切运行都没有问题。所设计的自动换刀装置检测两最接近刀具的换刀时间是4秒，而刀具相邻最远时为6秒。

在报告自动换刀系统没有任何问题后，该专用机床会用于机床制造商特定的数控生产线上。

在本文章中，介绍了一种无机械手盘式刀库自动换刀装置的工作原理和设计准则。当考虑到设计周期，为尽快进入市场，这种类型的自动换刀装置已被特定的数控机床制造商所采用。所设计自动换刀装置的最短换刀时间是4秒，与表1中给出的其他类型相比是相当合理的。因此，所设计的自动换刀系统为市场上的加工中心提供了一个有竞争力的地位。