-加工中心自動換刀系統的研究機械電子工程1前言隨著數控技術的發展，帶有自動換刀系統的加工中心在現代制造業中起著愈來愈重要的作用，它能縮短產品的制造周期，提高產品的加工精度，適合柔性加工[1]。人們一直尋求各種方式，提高加工中心的加工效率。如提高進給與移動速度、提高主軸轉速、加大主軸電機功率、加大切削用量、采用高質量刀具等。在高節拍多次換刀的加工過程中，縮短換刀時間，可大大提高生產效率。國內外加工中心生產廠家都投入大量的資金和精力，研制自動換刀裝置，以縮短換刀時間，提高工作效率和競爭力。自動換刀裝置是專門為大中型加工中心配套，實現其刀具儲備及自動交換功能的重要功能部件，是高檔加工中心和重型加工中心的重要組成部分。其主要作用在于減少加工過程中的非切削時間，以提高生產率，降低生產成本，進而提升機床乃至整個生產線的生產力。自動換刀裝置的換刀速度和可靠性，是數控機床系統先進與否的一個重要標志[2]。2、自動換刀系統的組成自動換刀系統[2,3,5]一般由刀庫、機械手和驅動裝置組成。一般來說，刀庫容量可大可小，其裝刀數量在20～180把之間。刀庫的功能是存儲刀具并把下一把即將要用的刀具準確地送到換刀位置，供換刀機械手完成新舊刀具的交換。當刀庫容量大時，常遠離主軸配置且整體移動不易，這就需要在主軸和刀庫之間配置換刀機構來執行換刀動作。完成此功能的機構包括送刀臂、擺刀站和換刀臂，總稱為機械手。具體來說，它的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與刀庫之間的傳遞。驅動裝置[4]則是使刀庫和機械手實現其功能的裝置，一般由步進電機或液壓(或氣液機構)或凸輪機構組成。機械手完成刀庫里的刀與主軸上的刀的交換工作。由于數控加工中心的刀庫容量、換刀可靠性及換刀速度直接影響到加工中心的效率，而自動換刀就是進一步壓縮非切削時間，提高生產效率，改善勞動條件。所以數控機床為了能在工件一次裝夾中完成多道加工工序，縮短輔助時間，減少多次安裝工件所引起的誤差，必須帶有自動換刀裝置。2.1刀庫目前，國內外采用的數控機床刀庫主要分為：轉塔式、圓盤式、鏈式刀庫等形式。轉塔式刀庫，包括水平轉塔頭和垂直轉塔頭兩種，所有刀具固定在同一轉塔上，無換刀臂，儲刀數量有限，通常為6—8把。一般僅用于輕便而簡單的機型，常見于車削中心和鉆削中心。圓盤式刀庫呈盤狀，刀具沿盤面垂直排列(包括徑向取刀和軸向取刀)、沿盤面徑向排列或成銳角形式的刀庫，結構簡單、緊湊，應用較多，但刀具單環排列，空間利用率低。若增加刀庫容量，必須使刀庫的外徑增大，那么轉動慣量也相應增大，選刀運動時間長。雙盤式結構，是兩個較小容量的刀庫分置于主軸兩側，布局較緊湊，儲刀數量也相應增大，適用于中小型加工中心[5,7]。鏈式刀庫，包括單環鏈和多環鏈，鏈環形式可有多種變化，適用于刀庫容量較大的場合，所占的空間小。一般適用于刀具數在30—120把。僅增加鏈條長度即可增加刀具數，也可以把多個刀庫按并聯或串聯的方式排列起來，既可使刀庫容量加大，又可以不增加圓周速度，其轉動慣量不像盤式刀庫增加的那樣大。鏈式刀庫的驅動，有伺服電機或液壓分度馬達，刀庫做選刀運動在起始和到位時，有平穩的加減速過程，而在相隔多個刀位選刀運動途中，運動連貫不變速，這樣就保證了較高的選刀速度和平穩性。對于刀庫的選擇應根據具體的需求和情況進行選擇，比較各刀庫的優缺點合理選擇。例如，在空間有限，刀具需求量大的情況下，可以選擇將刀庫設計為鏈式刀庫。2.2機械手加工中心自動換刀裝置有兩種形式：有機械手換刀和無機械手換刀[6]。加工中心的自動換刀裝置大多都采用有機械手換刀方式。它是由機械手把刀庫上的刀具送到主軸上，再把主軸上已用過的刀具返送到刀庫上，換刀時間短，但其機械結構比較復雜。目前，國內外采用的執行刀庫和主軸之間換刀動作的機械手，主要分為以下幾種類型：單臂機械手、雙臂機械手、帶送刀臂、擺刀站和換刀臂的機械手。單臂機械手的換刀機械手僅一個手臂，其又分為單手式和雙手式。單手式，換刀臂僅在某一端有一個抓刀手，所有動作均由單手完成，執行動作多，換刀時間長，但結構簡單，刀庫與主軸軸線平行或垂直的情況均適用。雙手式，換刀臂兩端各有一個抓刀手，機械手同時抓取主軸和刀庫上的刀具。回轉180°，同時放回和裝入刀具，換刀時間短，較為常用，多用于刀庫與主軸軸線平行的場合[]。雙臂機械手有兩個機械手臂，每個手臂端部都有一個抓刀手，其抓刀和換刀動作類似于人手動作，除執行換刀動作外，有些還可以起運輸刀具的作用。這種機械手結構較復雜，但換刀時間短。帶送刀臂、擺刀站和換刀臂的機械手。送刀臂將刀具從刀庫中取出送到擺刀站，由擺刀站將刀具送到換刀位置，最后由換刀臂進行換刀。其結構更復雜，各部分在空間巧妙配置和組合，更具變化性，一般換刀時間較短，適用于刀庫距離主軸較遠的場合。無機械手換刀方式是直接在刀庫與主軸（或刀架）之間換刀的自動換刀方式。因無機械手，所以結構簡單，換刀時必須首先將用過的刀具送回刀庫，然后再從刀庫中取出新刀具。這兩個動作不能同時進行，所以換刀過程較為復雜，換刀時間較長，但是刀庫回轉是在工步與工步之間，即非切削時進行的，因此可免去刀庫回轉時的振動對加工精度的影響。無機械手換刀方式適用于小型加工中心或換刀次數少的用重型刀具的重型機床。2.3驅動裝置機械手的驅動，主要有液壓(包括氣液)驅動和機械式凸輪聯動兩種。采用液壓式驅動的自動換刀裝置，插、拔刀動作均由油缸完成。常見的方案是機械手裝在套筒上，活塞桿固定，缸套同套筒一起移動，油缸左右腔進油完成動作。機械手的回轉既可以采用回轉油缸，也可以采用直線運動油缸通過齒輪齒條帶動來完成。液壓系統工作平穩可靠、易予調節、傳動介質為高壓力的油性介質，因此適合大功率輸出的系統[7]。加工中心換刀控制液壓系統主要用于實現主軸退刀控制，亦可也用于機械手的換刀控制。自動換刀氣動控制系統[8]的主要控制內容為：刀庫刀具倒刀或回刀控制，主軸吹氣控制。該系統的特點為：氣源容易獲得、反應速度快、動作迅速、維護方便、管路不易堵塞、不易發生過載，還可以用于降溫。工作壓力較低，空氣壓縮比大，故輸出功率低。采用機械凸輪聯動驅動的自動換刀裝置，插、拔刀動作通常由凸輪驅動擺桿來完成。回轉動作常通過弧面分度凸輪或平行分度凸輪，帶動滾子盤直接驅動機械手，或再通過一對齒輪驅動機械手旋轉。目前應用較多的是液壓驅動的方式，在液壓的驅動下可以實現平穩工作且輸出的功率比較大，也沒有凸輪的磨損問題。3、自動換刀過程這里以日本牧野MAKINO1210臥式加工中心換刀過程[9]為例，簡述自動換刀過程的實現。MAKINO1210采用盤式刀庫，刀庫容量為60把刀具，刀庫刀套采用傳統的炮筒式結構，機械手采用回轉式結構，換刀示意圖如圖1所示。P1為送刀機構取送刀的工位。假設現在主軸上正工作的刀具是T01，而要被換上的下一把刀具是T02，繼T02之后要被換上的刀具是T03。圖1日本牧野MAKINO1210臥式加工中心換刀示意圖[9]換刀過程：1、刀庫取刀：主軸正常工作，刀庫旋轉，將T02所在的滑板由刀庫沿滑道上移，并將T02所在的刀座中心與P1重合，等待換刀。當系統發出換刀指令后，送刀機構將刀具T02及其刀座一起沿軌道移動到P2，等待換刀機械手換刀，在送刀機構工作的同時，主軸快速停轉并回到主軸換刀點，主軸應離開被加工工件一段距離，為換刀留出一個足夠的空間，避免換刀被工件干涉。2、主軸換刀：主軸回到換刀點，刀具T02在P2。機械手旋轉抓刀，外伸拔刀。旋轉180°換刀，機械手裝刀，機械手復位。主軸開始工作，送刀機構要將剛換下的刀具T01放回刀庫中。刀庫旋轉選刀刀庫旋轉選刀滑道、導軌送刀機械手旋轉抓刀一手抓待換刀具T02一手抓主軸刀具T01機械手外伸拔刀機械手旋轉180°換刀一手抓T02送到主軸位置一手將T01送到P2位置機械手回縮裝刀主軸急停回到換刀點機械手復位、主軸工作導軌、滑道送刀刀回刀庫準備下次換刀圖2自動換刀流程圖3、刀庫裝刀：送刀機構將剛才換下的刀具T01沿軌道送到P1處的滑板里，滑板沿軌道下移回到刀庫中，刀庫旋轉，將T03所在的滑板由刀庫沿軌道上移，并將T03所在的刀座中心與P1重合，等待下次換刀。換刀過程就是這樣，由刀庫取刀→送刀→機械手換刀→刀庫裝刀→刀庫取刀循環，直到工件加工完成，其流程圖如圖2所示。當然換刀過程并不唯一，考慮到上述刀庫容量大，加上采用盤式刀庫引起刀庫所占的空間較大，刀具由刀具到換刀點P2，并最終完成換刀和刀庫裝刀的操作臺復雜。特別是刀具在換刀和退刀的過程中要經過兩次移動，這樣就容易帶來誤差。如果在換刀過程中其中一個環節出現問題，都可能無法正常工作，降低了效率，甚至發生事故。可以考慮將盤式刀庫改為鏈式刀庫，這樣可以使刀庫占用的空間減小。再通過刀庫與主軸的合理布置，機械手類型的選擇，特殊刀座的應用來簡化換刀過程，使得在換刀的過程中無移動環節。將機械手設計為直抓式，利用特殊刀座，實現簡化目的。改進后機械手可以安全、快速的完成換刀，動作也少，實現較容易。回轉式機械手與刀庫中刀具間有干涉，而直抓式機械手與刀庫沒有干涉，這樣就保證換刀的準確性，也可以大大降低發生事故的概率。4、自動換刀過程的控制機器畢竟是機器，要使它聽命于人就必須對其進行控制，目前常用可編程邏輯控制器[10,11]（PLC）進行編程控制。利用PLC可以控制步進電機的轉動來實現角位移，也可以控制電磁閥的通斷[11]。步進電機的轉動來驅動機械手臂的左右旋轉或驅動刀庫的旋轉。電磁閥驅動液缸（氣缸）的升降和伸縮，升降運動來控制機械手手臂的上升和下降，伸縮運動來控制機械手手臂的伸長和收縮。4.1自動選刀方式目前刀具選擇一般有四種控制方式：刀套編碼方式、順序選刀方式、刀具編碼方式以及隨機換刀方式。刀套編碼方式是對刀庫各刀座預先編碼，每把刀具放入相應刀座之后就具有了相應刀座的編碼，即刀具在刀庫中的位置是固定的。順序選刀方式是將刀具按加工工序順序依次放入刀庫的每一個刀座中。每次換刀時，先把已經使用過的刀具放回原來的刀座中，然后刀庫順序轉過一個刀座位置，并取出所需要的刀具。這種方法有利于換刀過程的控制，但是，由于刀具在不同的工序中不能重復使用，如果刀具不按順序放在刀庫中，將會產生嚴重的后果。這樣就必須增加刀庫的容量和刀具的數量，降低了刀庫和刀具的利用率。刀具編碼方式是指刀具在刀庫中不必按照工件的加工順序排列，可以任意排放的。每把刀具均編上代碼，自動換刀時，刀庫旋轉，每把刀具都要經過“刀具識別器”接受識別[5]。當刀具代碼與數控機床發出的請求代碼相符時，刀庫旋轉到換刀位置，等待機械手取刀。隨機選刀方式主要由軟件完成選刀,根據指令要求任意選擇所需要的刀具。刀具在刀庫中不必按照工件的加工順序排列，可任意存放，且相同的刀具可以重復使用。消除了由于識別裝置的移動性和可靠性所帶來的選刀誤差,大大提高了選刀精度并簡化了控制裝置。刀具數量比較少，刀庫也相應的較小。目前該種選刀方式正被越來越多的各類數控機床自動換刀裝置采用。4.2基于PLC的自動換刀控制開始PLC接到請求刀號信息PLC根據目標位置和現在位置確定刀庫旋轉的最短路徑驅動電機轉動刀庫旋轉到位NY刀庫停止旋轉，主軸停止工作機械手開始工作、換刀PLC接收到計算機數控裝置（CNC)發來的刀號指令,即進行選刀工作,刀庫在步進電機的帶動下轉動,一旦選刀成功,就將該刀送至指定的刀具交換位置上,等待換刀。在這個過程中,需要應用PLC完成的自動控制主要包括接收新刀號、計算目標地址、開始PLC接到請求刀號信息PLC根據目標位置和現在位置確定刀庫旋轉的最短路徑驅動電機轉動刀庫旋轉到位NY刀庫停止旋轉，主軸停止工作機械手開始工作、換刀或裝刀動作，從而實現換刀，流程圖如圖3所示。5、總結自動換刀裝置，將根據不同的工作需要，進行多元化發展。自動換刀裝置所追求的換刀時間將越來越短，通用性和可靠性越來越強。傳統裝置將會采用動作速度更快的機構和驅動元件，凸輪結構近年來已被大量采用[12]。同時新的材料和加工工藝，彌補凸輪機構磨損后可靠性降低的缺點。新的換刀方式的出現，也為自動換刀裝置的進一步發展提出了新的思路。雙主軸和多主軸換刀技術，把機床的換刀速度提高到了新的水平。多主軸換刀方式，可以使安裝在夾具上的工件快速在各主軸之間移動。在通用性方面，立臥式兩用自動換刀裝置將會成為另一個發展方向。基于PLC的自動換刀系統將充分發揮現有數控設備的功能，節省人工換刀時所需要的時間，提高車間的生產效率，同時能夠實現一次裝夾完成多道工序，縮短了生產準備時間。6參考文獻[1]黃澤正，劉沖，陳志輝.加工中心自動換刀裝置的設計[J].機械工程與自動化,2007,(1):124-125.[2]韓越梅.加工中心自動換刀裝置的研究進展[J].裝備制造技術，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.自動換刀裝置及其控制的研究[D].蘭州理工大學,2007.[6]曹秋霞.小型立式加工中心無機械手自動換刀裝置的設計[J].機床與液壓，2006，(9):54-56.[7]譚光恒.大型刀庫及自動換刀裝置的研制[J].機械工程師,2010,(7)：40-41.[8]朱文藝,張慶樂.數控加工中心自動換刀機構動作過程及控制原理研究[J].武漢工程職業技術學院學報,2009，21(1):5-9.[9]張俊勇,趙小剛.刀庫合理布置在加工中心的應用[J].裝備制造技術，2009,(6):147-148.[10]牛軍燕，顧寄南.基于PLC的自動換刀系統研究[J].制造業自動化,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，提出了一種新方法，即利用從PLC獲得的可用的二進制記錄，控制識別換刀過程的PLC增量。為確定已識別的離散事件模型需要修改計時Petri網。根據事件序列，使已確定的計時Petri網模型與實際的換刀過程同步，從而建立實時異常檢測系統。模型和實際系統之間的任何差異都將被認為是異常。試驗結果表明，診斷系統會自動使用新構建的方法檢測到異常現象，例如不正確的時序或非法的事件序列。同樣的程序已成功地應用于其他監控PLC控制的自動化程序。AbstractInthispaper,anovelautomatictoolchangerforhorizontalmachiningcenterispresented.Themechanismandworkingprincipleoftheautomatictoolchangerareintroduced.Push-pullrodandtoolchangerrunsynchronouslydrivenbydual-camlinkage.Thekeystructure,dual-camlinkage,isanalyzedanddesignedindetails.Camcurvesoftwosetsofcams,oneofwhichdrivespush-pullrodandanotherdrivestoolchanger,areselectedbywayofcomprehensiveevaluation.Thetransmissionunitisdesigned.AnapplicationexampleofthisnovelautomatictoolchangerinMDH65HorizontalMachiningCenterispresentedandmotionsimulationiscarriedout.Theresultshowsthatthenoveldual-camlinkageautomatictoolchangerworksmoreefficientlyandreliablythangeneralwithrationalmatchingdesignoftwosetsofcams.摘要在本文中，描述了一種全新的自動換刀系統在臥式加工中心的應用。介紹了該自動換刀裝置的機構和工作原理。推拉桿及換刀裝置在雙凸輪連桿的驅動下同步運行。對雙凸輪連桿的關鍵結構進行了詳細的分析和設計。通過綜合評價的方法設計兩個凸輪的輪廓線，使得其中一個用于驅動推拉桿而另一個用于驅動換刀裝置。傳輸裝置的設計。在MDH65臥式加工中心上，這種新型的自動換刀裝置得以實際應用，并且進行了運動仿真。結果表明，這種新型雙凸輪連桿自動換刀裝置比一般的兩凸輪配套設計工作效率高且更可靠。任務分配總體方案設計：傳動系統設計：動力電機系統設計：控制電路設計：軟件編程：電力供電系統：附上整體效果圖【圖片】目錄任務分配 緒論設計背景加工中心（MachiningCenter,MC）是適應省力、省時和節能的時代要求而迅速發展起來的自動換刀數控機床，它是綜合了機械技術、電子技術、計算機軟件技術、拖動技術、現代控制理論、測量及傳感技術以及通信診斷、刀具和編程技術的高科技產品。由于加工中心能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和調整時間，減少工件周轉、搬運存放時間，使機床的切削利用率高于通用機床3倍～4倍，所以說，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且是數控機床中生產率和自動化程度最高的綜合性機床。1958年，美國卡尼，特雷克（Kearney&Trecker）公司首次把銑、鉆、鏜等多種工序集中于一臺數控機床上，通過換刀方式實現連續加工，成為世界上第一臺加工中心。該產品出現后，銷路驚人，引起了日、德、美、英、法、意等先進工業國家的高度重視，競相開發生產，不斷擴大和完善機床的功能，成為數控機床中發展最快、需求量最大的商品之一。如今，世界上出現了立式、臥式、龍門式、落地式等各種加工中心，據不完全統計，大約有1000多個品種規格。未來加工中心的發展動向是高速化、進一步提高精度和愈發完善的機能。加工中心是數控機床的代表，是高新技術集成度高的典型機電一體化機械加工設備，我國的加工中心從70年代開始，已有很大發展，但技術、品種和數量上都還遠不能適應我國經濟、技術發展的需要。隨著我國工業的不斷發展，推動了模具制造業、機械加工業的巨大發展，使得數控機床的使用越來越普遍，而加工中心更是以其高自動化程度得到廣泛應用。然而，目前市場上生產和銷售的都是以大、中型的加工中心為主，小型加工中心幾乎是空白，而機械加工業、小型模具的制造、工科院校、技工學校等對小型加工中心存在著大量的需求。為加速我國加工中心的發展，需進一步加強對加工中心的研究、設計、制造和應用。立式數控銑床立式數控銑床的主軸軸線與工作臺面垂直，是數控銑床中最常見的一種布局形式。立式數控銑床一般為三坐標（X、Y、Z）聯動,其各坐標的控制方式主要有以下兩種：1）工作臺縱、橫向移動并升降，主軸只完成主運動。目前小型數控銑床一般采用這種方式。2）工作臺縱、橫向移動，主軸升降。這種方式一般運用在中型數控銑床中。立式數控銑床的功能分為一般功能和特殊功能。一般功能是指各類數控銑床普遍所具有的功能。如點位控制功能、刀具半徑自動補償功能、鏡象加工功能、固定循環功能等。特殊功能是指數控銑床在增加了某些特殊裝置或附件后，分別具有或兼備的一些特殊功能。如刀具長度補償功能、靠模加工功能、自動變換工作臺功能、自適應功能、數控采集功能等。數控銑床的主軸開啟與停止，主軸正反轉與主軸變速等都可以按輸入介質上編入的程序自動執行。不同的機床其變速功能與范圍也不同。有的采用變頻機組，固定幾種轉速，可自選一種編入程序，但不能在運轉時改變。有的采用變頻器調整，將轉速分為幾檔，編程時可任選一檔，在運轉中可通過控制面板上的旋鈕，在本檔范圍內自由調節；有的則不分檔,編程時可在整個范圍內無級調速。但是在實際操作中，調速不能有大起大落的突變，只能在允許的范圍內調高或調低，只能在允許的范圍內一般都設有自動拉、退刀裝置，能在數秒內完成裝刀與卸刀，換刀比較方便。此外，多坐標數控銑床的主軸可以繞X、Y或Z軸作數控擺動，擴大了主軸自身的運動范圍，但是主軸結構更加復雜。方案設計2.1課題內容依據設計任務書，我們的任務是給數控立式銑床設計安裝合適的自動換刀裝置，以力濤-CNC1000數控立式升降臺銑床為例。主要技術參數為：工作范圍X軸行程1050mmY軸行程650mmZ軸行程500mm立柱最前端至主軸中心650mm工作臺加工面積（長×寬）1400×320mm工作臺承載重量800kg主軸最高轉速8000rpm快速進給速度X軸5m/min快速進給速度Y軸5m/min快速進給速度Z軸5m/min刀庫刀具數20把定位精度±0.005/300mm重復定位精度±0.003mm加工精度0.008mm主軸錐孔BT40刀具最大直徑∮80mm換刀時間（刀對刀）4秒最大進給速度5000m/min2.2確定其自動換刀裝置的形式由于LT-CNC1000數控立式升降臺銑床是一種使用范圍較廣的機床，且其可加工零件的精度要求也較高，比較上章介紹的幾種換刀形式，決定選用帶刀庫的自動換刀形式。LT-CNC1000數控立式升降臺銑床主軸箱上方沒有好的安裝位置，安裝在機床外又要增加刀具運輸時間，降低效率，所以安裝在機床側面最合適，有些部件交錯的地方，作適當的調整。設計成由由盤式刀庫和回轉式雙臂機械手組成。設計增加自動換刀裝置后的LT-CNC1000數控立式升降臺銑床的外觀圖如圖2-1所示。圖2-1數控立式升降臺銑床的外觀圖2.3加工中心自動換刀裝置（ATC）形式、特點及各自應用范圍由刀庫和機械手組成的自動換刀裝置(AutomaticToolChanger,ATC)是加工中心的重要組成部分。加工中心上所需更換的刀具較多，從十幾把到幾十把．甚至上百把，故通常采用刀庫形式，其結構比較復雜，自動換刀裝置種類繁多。由于加工中心上自動換刀次數比較頻繁，故對自動換刀裝置的技術要求十分嚴格．如要求定位精度高．動作平穩，工作可靠以及精度保持性等。這些要求都與加工中心的性能息息相關。在使用立式數控銑床加工工件時，只要充分利用數控銑床的各種功能，就可以加工許多普通銑床難加工的工件。數控銑床的主要加工對象有：平面類零件；變斜角類零件；曲面類（立體類）零件。表2-1加工中心上的換刀裝置形式類別特點應用范圍轉塔式垂直轉塔頭根據驅動方式不同，可分為順序選刀或任意選刀結構緊湊簡單容納刀具數目少用于鉆削中心水平轉塔頭刀庫式無機械手換刀利用刀庫運動與主軸直接換刀，省去機械手結構緊湊刀庫運動較多小型加工中心機械手換刀刀庫只做選刀運動，機械手換刀布局靈活，換刀速度快各種加工中心機械手和刀具運送器刀庫距機床主軸較遠時，用刀具運送器將刀具送至機械手結構復雜大型加工中心成套更換方式更換轉塔利用更換轉塔頭，增加換刀數目換刀時間基本不變擴大加工工藝的鉆削中心更換主軸箱利用更換主軸箱，擴大組合機床加工工藝范圍結構比較復雜擴大柔性的組合機床更換刀庫擴大加工工藝，更換刀庫，另有刀庫存儲器充分提高機床利用率和自動化程度擴大加工中心的加工工藝范圍加工復雜零件，需刀具很多的加工中心2.4刀庫及刀具交換裝置刀庫的功能是儲存加工工序所需的各種刀具，并按程序指令，把即將要用的刀具迅速、準確地送到換刀位置，并接受從主軸送回的已用刀具。所以說它是自動換刀裝置中主要部件之一。2.4.1刀庫的形式根據刀庫的容量和存取刀具的方式，刀庫可設計成多種形式。目前常見的刀庫類型如下：盤式刀庫此刀庫結構簡單，應用較多。此換刀裝置的優點是結構簡單，成本較低，換刀可靠性較好，缺點是換刀時間長，適用于刀庫容量較小的加工中心上采用。如圖2-2所示。鏈式刀庫此刀庫結構緊湊，刀庫容量較大，鏈環的形狀可根據機床的布局制成各種形狀，也可將換刀位突出以便于換刀，能充分利用機床的占地空間，通常為軸向取刀，位置精度較低，造價也較高。如圖2-3所示。格子箱式刀庫結構緊湊，刀庫空間利用率高，換刀時間較長。布局不靈活，通常刀庫安裝在工作臺上，應用者較少。如圖2-4所示。直線式刀庫刀庫容量少，一般在十幾把左右，多用于自動換刀數控車床，鉆床上也有采用。如圖2-5所示。圖2-2盤式刀庫圖2-3鏈式刀庫圖2-4格子箱式刀庫圖2-5直線式刀庫2.4.2刀具的選擇方式在自動換刀裝置換刀時，按數控裝置的刀具選擇指令，從刀庫中將所需要的刀具準確地自動地選出，并轉換到取刀位置．稱為自動選刀。從刀庫中選擇刀具通常采用下述方式：（1）順序選擇方式順序選擇方式是按零件加工的預定工序要求依次將所用刀具存入刀庫的刀座中，使用時按順序將其轉到取刀位置。用過的刀具放回原來的刀座中，亦可以按加工順序故入下一個刀座中。這種方法不需要刀具識別裝置，驅動控制也較簡單，工作可靠，但刀具不能重復使用。即工藝相同的不同工序，也要重新安排刀具，故增加了刀具數量和刀庫容量。一般用于刀具較少的中小型加工中心、加工批量較大但工件品種較少的加工中心、刀庫與主抽之間直接換刀的加工中心、有自動換刀庫的數控機床(當加工小批量零件時)。另外，在裝刀時必要認真謹慎對號入座，否則將會產生嚴重后果。（2）任意選擇刀具方式這種方法根據程序指令的要求任意選擇所需要的刀具，刀具在刀庫中不必按照工件的加工順序排列，可任意存放。每把刀具(或刀座)都編上代碼．自動換刀時，刀庫旋轉，每把刀具(或刀座)都經過“刀具識別裝置”接受識別。當某把刀具的代碼與數控指令的代碼相符合時，該把刀具被選中，刀庫將選中的刀具送至換刀位置，等待機械手來抓取。任意選擇刀具法的優點是刀庫中刀具的排列順序與工件加工順序無關。相同的刀具可重復使用，故刀具數量比順序選擇法的刀具可少一些，刀庫也相應小一些。①刀座編碼式這種編碼方式是對刀庫中的每個刀座都預先進行編碼，刀具也編號，并將與刀座編碼對應的刀具一一放入指定的刀座中，根據刀座編碼選刀。換刀時刀庫旋轉，使各個刀座依次經過刀具識別器，直至找到規定的刀座，刀庫即刻停止旋轉。刀座編碼又分永久性編碼和臨時性編碼，前者刀座號是固定不變的；后者又稱編碼鑰匙，即采用一種專用的編碼鑰匙”這種入法是按加工順序要求事先給各刀具都縛上一“把表示法刀具號的編碼鑰匙，當把各刀具存放到刀庫的刀座中時，將編碼鑰匙插進刀座旁邊的鑰匙孔中。這樣就把鑰匙的號碼轉記到刀座中，給刀座編上了號碼。識別器可通過識別鑰匙上的號碼來選取該鑰匙旁邊刀座中的刀具；編碼鑰匙中除導向凸起外，共右16個凸起和凹下的位置，故有65535凹凸組合，可區別65535把刀具。鑰匙沿著水平方向的鑰匙縫插人鑰匙孔座，然后順時針方向旋轉90°，處于鑰匙代碼凸起的第一彈簧接觸片被撐起，表承代碼“1”，處于代碼凹處的第二彈簧接觸片保持原狀，表示代碼“0”。由于鑰匙上每個凸凹部分旁邊均有相應的碳刷，故可將鑰匙各個凸凹部分均識別出來，即識別出相應的刀具。當取出刀具時，鑰匙也隨之取出，刀座碼立即消失，調換鑰匙可任意改變刀具編碼，使用具有更大的靈活性。②刀具編碼式這種萬式是直接對每把刀具進行編碼，由換刀裝置識別刀具上的編碼進行選刀，出于每把刀只都有自己的代碼，故可存放于刀庫的任一刀座中。這樣刀庫中的刀具在不同的工序中也就可重復使用，用過的刀具也不一定放回原刀座中。避免了因刀具存放在刀庫中的順序差錯而造成的事故；同時也縮短了刀庫的運轉時間，簡化了自動換刀控制線路。它還可直接在刀庫與刀具主軸之間進行換刀而不致增加換刀時間。其缺點是使刀具長度增加，制造田難，剛度降低，同時使機械手和刀庫的結構也復雜化。③編碼附件法這種選刀方式介于刀具編碼與刀座編碼之間。刀庫的刀座與刀具均無需編碼。只利用一種帶有編碼附件(如鑰匙、卡片、編碼桿、編碼盤)與刀具合在—起，這樣刀具就具有與編碼附件相同的編號。當帶編碼附件的刀具插人刀庫中某一刀座時，該刀座便具有編碼附件指定的編碼。以上選刀方式都結換刀系統帶來很多不便，所以近年來在加工中心應用得很少。④計算機記憶式高檔的數控加工中心，可將刀具號和刀庫上存刀地址對應地記憶在計算機存儲器內或可編程控制器內。不論刀具放入哪個地址，均可跟蹤記憶；利用刀庫上裝刀位置檢測裝置，可測得每一地址。這樣刀具可以任意取、存，無需編碼元件，這種刀具任選方式使換刀控制大為簡化。故目前的加上中心絕大多數都采用這種方式。2.4.3刀具(刀座)識別裝置刀具(刀座)識別裝置是自動換刀系統中的重要組成部分，常用的有下列幾種。(1)接觸式刀具識別裝置接觸式刀具識別裝置應用廣泛，特別適應于空間位置較小的刀具編碼，其原理如圖2—6所示。在刀柄1上裝有兩種直徑不同的編碼環，規定大直徑的環表示二進制的“1”，小直徑的環為“0”，圖中有5個編碼環4，在刀庫附近固定一刀具識別裝置2，從中伸出幾個觸針3，觸針數量與刀柄上的編碼環個數相等。每個觸針連一個繼電器，當大直徑的編碼環與觸針接觸，繼電器通電，其數碼為“數碼與所需刀具的編碼一致時，由控制裝置發出信號，使刀庫停轉，等待換刀。接觸式刀具識別裝置結構簡單，但由于使用中觸針有磨損，故壽命較短，可靠性較差，且難于快速換刀。(2)非接觸式刀具識別裝置非接觸式刀具識別裝置無機械接觸、無磨損、無噪聲、壽命長、反應速度快，適應于高速且換刀頻繁的工作場合。常用的有磁性識別法和光電識別法。①非接觸式磁性識別法磁性識別法是利用磁性材料和非磁性材料磁感應強弱不同，通過感應線圈讀取代碼。編碼環的直徑相等，分別由導磁材料(如軟鋼)和非導磁材料(如黃銅、塑料等)制成，規定前者編碼為“1”，后者編碼為“0”。圖2-7所示為一種用于刀具編碼的磁性識別裝置。圖中刀柄1上裝有非導磁材料編碼環4和導磁材料編碼環2、與編碼環對應的有一組檢測線圈6組成非接觸式識別裝置3。在檢測線圈6的一次線圈5中輸入交流電壓時，如編碼環為導磁材料，則磁感應較強，在二次線圈7中產生較大的感應電壓。如編碼環為非導磁材料，則磁感應較弱，在二次線圈中感應的電壓較弱。利用感應電壓的強弱，就能識別刀具的號碼。當編碼環的號碼與指令刀號相等時，控制電路便發出信號，使刀庫停止運轉，等待換刀。刀具編碼的識別裝置原理如圖2-8所示。當數控裝置接受穿孔紙帶給出的選刀號T代碼，由選刀控制電路使刀庫快速轉動，刀具依次通過識刀器，對應每個刀具的編碼環感應出不同的信號，經刀號讀出電路將編碼環所表示的號碼讀出，通過輸入控制門存入刀號寄存器內，然后送入比較符合電路與數控裝置，對已接收的T代碼進行比較。若與給定的T代碼不一樣，則刀庫仍繼續轉動，直到識刀器讀出的刀具或刀座編碼與T代碼一致時，發出選刀符合信號，說明已選中刀具；此時刀庫減速、定位、停止，所選刀具停在等待換刀位置。圖中延時清零電路用來等待識刀器讀完一個編碼號后再進行比較識別，以免因讀出信號時間上的不一致造成失誤。每讀完一次編碼，延時清零電路經一定延時發出一次消零信號，使刀號寄存器清零復位，以便寄存下一個刀號。圖2-6接觸式刀具識別裝置圖2-7磁性識別裝置圖2-8識刀裝置原理框圖②光學纖維刀具識別裝置這種裝置利用光導纖維很好的光傳導特性，采用多束光導纖維構成閱讀頭。用靠近的兩束光導纖維來閱讀二進制碼的一位時，其中一束將光源投射到能反光或不能反光(被涂黑)的金屬表面，另一束光導纖維將反射光送至光電轉換元件轉換成電信號，以判斷正對這兩束光導纖維的金屬表面有無反射光，有反射時(表面光亮)為“1”，無反射時(表面涂黑)為“0”．如圖2-8(b)所示。在刀具的某個磨光部位按二進制規律涂黑或不涂黑，就可以給刀具編上號碼。正當中的一小塊反光部分用來發出同步信號。閱讀頭的端面如圖2-9(a)所示，共用的投光射出面為一矩形框，中間嵌進一排共9個圓形受光入射面、當閱讀頭端面正對刀具編碼部位，沿箭頭方向相對運動時，在同步信號作用下，可將刀具編碼讀入，并與給定的刀具號進行比較而選刀。在光導纖維中傳播的光信號比在導體中傳播的電信號具有更高的抗干擾能力。光導纖維可任意彎曲，這給機械設計、光源及光電轉換元件的安裝都帶來很大的方便。因此，這種識別方法很有發展前途。近年來，“圖像識別”技術也開始用于刀具識別，刀具不必編碼，而在刀具識別位置上利用光學系統將刀具的形狀投影到許多光電元件組成的屏板上，從而將刀具的形狀變為光電信號，經信息處理后存人記憶裝置中。選刀時，數控指令T所指的刀具在刀具識別位置出現圖形時，便與記憶裝置中的圖形進行比較，選中時發出選刀符合信號，刀具便停在換刀位置上。這種識別方法雖有很多優點，但由于該系統價格昂貴而限制了它的使用。圖2-9光學纖維刀具識別裝置(3)利用Pc實現隨機換刀隨著計算機技術的發展，利用軟件選刀以代替傳統的編碼環和識刀器。在這種選刀和換刀的方式中，刀庫上的刀具能與主軸上的刀具任意地直接交換，即隨機換刀。主軸上換來的新刀號及還回刀庫的刀具號，均在Pc內部相應地存儲單元記憶。隨機換刀控制方式需要在Pc內部設量一個模擬刀庫的數據表，其長度和表內設置的數據與刀庫的位置數和刀具號相對應。這種方法主要由軟件完成選刀，從而消除了內于識刀裝置的穩定性、可靠性所帶來的選刀失誤。①ATC(自動換刀)控制和刀號數據表如圖2—9所示，刀庫有8個刀座，可存放8把刀具。刀座固定位置編號為方框內1號—8號，0為主軸刀位置號，由于刀具本身不附帶編碼環，故刀具編號可任意沒定，如圖2—10中(10)—(18)的刀號。一旦給某刀編號后．該編號不應隨意改變。為了使用方使．刀號也采用BCD碼編寫。在PC內部建立一個模擬刀庫的刀號數據表，如圖2-11所示。數據表的表序號與刀庫刀座編號相對應，每個表序號中的內容就是對應刀座中所插入的刀具號。圖中刀號表首地址TAB單元固定存放主軸上的刀具號數，TAB+1—TAR+8存放刀庫上的刀具號。由于刀號數據表實際上是刀庫中存放刀具位置的一種映像，所以刀號表與刀庫中刀具的位置應始終保持一致。圖2-10刀庫中刀具位置編號圖2-11刀庫的刀號數據表②刀具的識別雖然刀具不附帶任何編碼裝置，且采用任意換刀方式，但是，由于在PC內部設置的刀號數據表始終與刀具在刀庫中的實際位置相對應，所以對刀具的識別實質上轉變為對刀庫位置的識別。當刀庫旋轉，每個刀座通過換刀位置(基準位置)時，產生一個脈沖信號送至PC，作為計數脈沖。同時．在PC內部設置一個刀庫位置計數器，當刀庫正轉(cw)時，每發一個計數脈沖，使該計數器遞增計數；當刀庫反轉(ccw)時．每發一個計數脈沖，則計數器遞減計數。于是計數器的計數值始終在1—8之間循環，而通過換刀位置時的計數值(當前值)總是指示刀庫的現在位置。立式數控銑床的主軸軸線與工作臺面垂直，是數控銑床中最常見的一種布局形式。立式數控銑床一般為三坐標（X、Y、Z）聯動,其各坐標的控制方式主要有以下兩種：1）工作臺縱、橫向移動并升降，主軸只完成主運動。目前小型數控銑床一般采用這種方式。2）工作臺縱、橫向移動，主軸升降。這種方式一般運用在中型數控銑床中當PC接到新刀具的指令(TXX)后，在模擬刀庫的刀號數據表中進行數據檢索，檢索到T代碼給定的刀號，將該刀具號所在數據表中的表號數存放在一個緩沖存儲單元中，這個表序號數就是新刀具在刀庫中的目標位置。刀庫旋轉后，測得刀庫的實際位置與要求的刀庫目標位置一致時，即識別了所要尋找的新刀具。刀庫停轉并定位，等待換刀。識別刀具的PC程序流程團如圖2-12所示。③刀具的交換及刀號數據表的修改當前一工序加工結束后需要更換新刀加工時，NC系統發出自動換刀指令M06控制機床主軸準停。機械手執行換刀動作，將主軸上用過的舊刀和刀庫上選好的新刀進行交換。與此同時，應通過軟件修改PC內部的刀號數據表，使相應的刀號表單元中的刀號與交換后的刀號相對應。圖2-12識別刀具的PC程序流程框圖2.4.4刀具交換裝置實現刀庫與機床主軸之間裝卸和傳遞刀具的裝置稱為刀具交換裝置。交換裝置的形式和具體結構對數控機床的整體布局、生產率和工作可靠性都有直接影響。交換裝置的形式很多，一般可分為兩大類。由刀庫和主軸的相對運動實現刀具交換用這種形式交換刀具時，必須將主軸上用過的刀具送回刀庫，再從刀庫取出新刀，但兩個動作不能同時進行。它適用采用40號以下刀柄的小型加工中心或換刀次數少的用重型刀具的重型機床。這種換刀方式沒有機械手，因而結構簡單；刀庫回轉是在工步與工步之間，故換刀時間長，換刀動作也較多，但卻免去了刀庫回轉時的振動對加工精度的影響。在這種換刀方式中，刀庫可以是圓盤型、直線排列式、也可以是格子箱式等。圓盤式刀庫可設在立柱頂上、立柱主軸箱的側面，也可以設在橫梁一端。直線排列式刀庫可設在工作臺上方，也可設在工作臺的一端或兩端。格子箱式刀庫可設在雙工作臺的中間。由機械手進行刀具交換由于刀庫及刀具交換方式不同，換刀機械手種類繁多。機械手的類型如表2-2所示。表2-2換刀機械手的結構及特點類型形式應用特點單臂單手式機械手作往復直線運動用于刀具主軸與刀庫刀座軸線平行的場合結構較簡單，換刀時間較長機械手擺動，其軸線與刀具主軸平行用于刀庫刀座軸線與主軸軸線平行的場合機械手擺動，其軸線與刀具主軸垂直用于刀庫刀座軸線與主軸軸線垂直的場合單臂雙手式固定雙手式用于刀庫刀座軸線與主軸軸線平行的場合，廣泛用于加工中心可同時抓住主軸和刀庫中的刀具，并進行拔出、插入，換刀時間短可伸縮雙手式剪式雙手式雙手不成180°雙手式雙手平行式這種機械手還起運輸作用換到時間較短，結構較復雜雙手交叉式雙手有回轉運動第3章換刀機械手結構設計數控機床的自動換刀裝置中,實現刀庫與機床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置。刀具的交換方式通常分為兩種:一種是采用機械手交換刀具,另一種是由刀庫與機床主軸的相對運動來實現刀具交換即無機械手交換刀具。無機械手交換刀具方式：結構簡單，成本低，換刀的可靠性較高；刀庫因結構所限容量不多。這種換刀系統多為中、小型加工中心采用。刀具的交換方式及它們的具體結構對機床的工作效率和工作可靠性有直接的影響。由LT-CNC1000數控立式升降臺銑床的結構特性決定難以實現由刀庫與機床主軸的相對運動來實現刀具交換，故采用機械手交換刀具的方式。機械手是當主軸上的刀具完成一個工步后，把這一工步的刀具送回刀庫，并把下一道工步的所需要的刀具從刀庫中取出并裝入主軸繼續進行加工的功能部件。對機械手的具體要求是迅速可靠，準確協調。3.1確定換刀機械手形式在自動換刀數控機床中，換刀機械手的形式是多種多樣的，常見的有以下幾種。1)兩手呈180°的回轉式單臂雙手機械手；圖3-1機械手臂和手爪1.手爪2.錐銷3.手臂4.5.彈簧6.活動銷7.長銷8.鎖緊銷2)兩手互相垂直的回轉式單臂雙手機械手3)兩手平行的回轉式單臂雙手機械手；4)雙手交叉式機械手；由于不同的數控機床（加工中心）的刀庫與主軸的相對位置不同。所以各種數控機床所使用的換刀機械手也不盡相同。這次設計我選用兩手互相垂直的回轉式單臂雙手機械手。這種機械手的優點是換刀動作可靠，換好時間短，缺點是刀柄精度要求高，結構復雜，聯機調整的相關精度要求高，機械手離加工區較近。一般來說，這種機械手用于刀庫刀座軸線與機床主軸軸線垂直，刀庫為徑向存取刀具形式的自動換刀裝置，因此，在LT-CNC1000數控立式升降銑床的自動換刀裝置中可采用這種機械手形式。3.2換刀機械手的工作原理下面是以在LT-CNC1000數控立式升降臺銑床的自動換刀裝置中采用這種上機械手換刀的工作原理。該機械手安裝在主軸的左側面，隨同主軸箱一起運動。機械手由機械手臂與45°的斜殼體組成。機械手臂形狀對稱。固定在回轉軸上，回轉軸與主軸成45°角，安裝在殼體上，有手臂托，可由液壓缸帶動（圖中未標出），機械手有伸縮、回轉、抓刀、松刀等動作。伸縮動作：液壓缸（圖中未標出）帶動手臂托架沿主軸軸向移動。回轉動作：液壓缸中的齒條輪通過齒輪帶動回轉軸轉動。從而實現手臂正向和反向180°的旋轉運動。抓刀、松刀動作：機械手對刀具的夾緊和松開是通過液壓缸。碟形彈簧及拉桿、杠桿、活動爪來實現。碟形彈簧實現夾緊，液壓缸實現松開。在活動爪中有兩個銷子，當夾緊刀具時，插入刀柄凸緣的孔內，確保安全、可靠。3.3機械手的自動換刀過程的動作順序（a）（b）（c）（d）圖3-2換刀機械手的換刀過程自動換刀裝置的換刀過程由選刀和換刀兩部分組成。選刀即刀庫按照選刀命令（或信息）自動將要用的刀具移動到換刀位置，完成選刀過程，為下面換刀做好準備，換刀即是機械手把主軸上用過的刀具取下，將選好的刀具安裝在主軸之上。換刀動作的大致過程為：1)主軸箱回到最高處（z坐標零點），同時實現“主軸準停”。即主軸停止回轉并準確停止在一個固定不變的角度方位上，保證主軸端面的鍵也在一個固定的方位，使刀柄上的鍵槽能恰好對正端面鍵。2)機械手抓住主軸和刀庫上的刀具。如3-2（a）所示。3)把卡緊在主軸和發庫上的刀具松開4)活塞桿推動機械手下行，從主軸和刀庫上取出刀具5)機械手回轉180°，交換刀具位置，6)將更換后的刀具裝入主軸和刀庫7)分別夾緊主軸和刀庫上的刀具8)機械手松開主軸和刀庫上的刀具9)當機械手松開具后，限位開關發出“換刀完畢”的信號，主軸自由，可以開始加工或其他程序動作。在自動換刀的整個過程中，各項運動均由限位開關控制，只有前一個動作完成后，才能進行下一個動作，從而保證了運動的可靠性。3.4兩手相互垂直的回轉式單臂雙手機械手3.5機械手回轉軸4上的齒輪齒條設計1)回轉軸上齒輪采用漸開線標準直齒圓柱齒輪形式2)取模數M=1.5。初取齒數z=303)下表為齒輪幾何尺寸設計的基本參數：名稱代號計算公式模數m壓力角分度圓直徑dD=mz=1.530=45齒頂高齒根高齒全高h齒頂圓直徑齒根圓直徑齒距p齒厚s頂隙c齒條的基本尺寸，按外齒輪幾何尺寸的計算公式進行計算3.6自動換刀裝置的相關技術要求3.6.1主軸準停裝置為了傳遞扭矩，在主軸的前端裝有端鍵，當刀具刀柄裝入錐孔時，刀柄上的鍵槽位置必須與該鍵對準才能裝入。當機械手從刀庫取刀時，為了確保刀具其后能順利地裝入主軸錐孔中，必須使主軸準確地停在刀具交換位置上。同時，由于工藝上的需要，也必須使主軸準停在固定位置上。這種使主軸端在定位鍵停在固定位置的技術要求稱為主軸準停。LT-CNC1000數控立式升降臺銑床的自動換刀裝置，在每次自動裝卸刀具時，都必須要求主軸準確地停止在固定的周向位置上。因此，可在主軸上安裝電氣控制的主軸準停裝置以實現主軸準停功能。3.6.2換刀機械手的安裝與調試1)換刀機械手安裝在主軸箱的左側面，加工零件時，換刀機械手隨主軸箱一起上下運動。2)當初裝上換刀機械手后，必須進行調試：用手動操縱主式調整換刀機械手相對于主軸的位置，使用調整心棒，有誤差時可調整機械手行程、刀庫位置、機械手支座、修正主軸坐標原點等。安裝最大重量刀具時，要進行多次刀庫到主軸位置的自動交換，使機械手換刀時做到準確無誤，無撞擊。3.7確定刀庫容量刀庫容量設為20把。3.7.1確定刀庫形式刀庫容量為20,容量不大，并且用于小型立式加工中心，因此決定采用盤式刀庫。盤式刀庫結構簡單，應用較多。此換刀裝置的優點是結構簡單，成本較低，換刀可靠性較好。整個換刀過程時間大約為4秒。3.7.2初步估計刀庫驅動轉矩及選定電機刀庫驅動電動機的選擇應同時滿足刀庫運轉時的負載扭矩和啟動時的加速扭矩的要求。刀庫負載扭矩的計算圓盤式刀庫負載扭矩估算方法：這種刀庫的負載扭矩主要用來克服刀具質量的不平衡，估算按如下兩種情況進行：第一，用平均重量的刀具插滿圓盤的半個圓，如圖4-1（a）所示，根據工藝要求所需的各種刀具，確定每個刀具的（包括刀柄）平均重量，而其重心則設定為離刀庫回轉中心2/3半徑處。第二，把三把最重的刀具放在一起，如圖3-3（b）所示。按加工中心規格規定的最大刀具質量算，而其重心則設定為離刀庫回轉中心半徑處。刀庫加速扭矩的計算式中-刀庫選刀時的電動機轉速（r/min）；-加速時間，通常取150~200ms；-電動機轉子慣量（），可查樣本；-負載慣量折算到電動機軸上的慣量（）（a）刀具插滿圓盤的半個圓（b）三把最重的刀具插在一起圖3-3刀庫負載轉矩計算方法驅動電動機輸出扭矩計算驅動電動機的輸出扭矩應同時滿足刀庫負載扭矩和加速扭矩之和，將以上計算的刀庫負載扭矩和加速扭矩轉換為驅動電動機軸上的輸出扭矩的公式為式中i-電動機軸至刀庫軸的速比；-傳動效率。考慮到實際情況比計算時所設定的條件復雜，電動機額定轉矩應為負載扭矩的1.2~1.5倍。設定當兩個最大刀具相鄰放置時，其間距為5毫米，則相鄰刀套中心距為85毫米，夾角為20度。可知刀套放置半徑為mm，圓整為245mm。刀庫負載扭矩的計算按方法二進行估算，即將三把最重的刀放在一起，則負載扭矩==389.8245=57.624加速扭矩的計算設刀具最大運動線速度為24m/min，則可確定刀庫選刀轉速為=15.6r/min，加速時間暫定為=200ms，電動機的轉子慣量可查相關樣本=2.14，負載慣量折算到電動機軸上的慣量=30.01則可求得=0.26驅動電動機的輸出扭矩應同時滿足刀庫負載扭矩和加速扭矩之和電動機軸到刀庫軸的速比為i=48,蝸輪蝸桿的傳動效率=0.7,則可求得==1.72電動機的額定轉矩>(1.2~1.5)=(2.06~2.58)而所選電機轉矩為10確定伺服電機型號為SM130-10N1500，其主要技術參數為：額定功率1.5Kw額定轉速1500r/min額定電流6A轉子慣量0.00214機械時間常數2.11ms工作電壓220V3.7.3刀庫轉位機構的普通蝸輪蝸桿的相關設計蝸桿頭數=1，初定傳動比為i=48，則蝸輪齒數=i=48，模數m=3.15，蝸桿分度圓直徑=48mm，蝸輪分度圓直徑=m=151.2mm中心距a=(+)/2=99.6mm,圓整中心距取=100mm，蝸輪變位系數=（a-）/m=-0.127，屬于1>=x>=-1的要求蝸輪齒頂高=(1-0.127)3.15=2.75mm蝸輪齒根高=(1+0.2+0.127)3.15=4.18mm蝸輪齒根圓直徑=151.2-24.18=142.84mm蝸輪齒頂圓直徑=151.2+22.75=156.7mm蝸桿齒頂圓直徑=48+213.15=54.3mm蝸桿齒根圓直徑=48-23.15(1+0.2)=40.44mm考慮到傳遞的功率不大，轉速較低，選用ZA蝸桿傳動，精度為5fGB10089-1988。蝸桿材料選用35CrMo，表面淬火硬度45~55HRC,表面粗糙度Ra≤1.6μm。蝸輪材料選用ZCuAl10Fe3，表面淬火硬度45~55HRC,表面粗糙度Ra≤1.6μm。蝸輪蝸桿其他計算參數：蝸桿導程角r=arctan蝸桿齒形角為20°蝸桿軸向齒距積累誤差=0.0085mm蝸桿軸向齒距極限偏差=±0.0048mm蝸輪齒形誤差=0.0071mm3.7.4確定刀具的選擇方式刀具的選擇方式為任意選擇方式中的計算機記憶式，可將刀具號和刀庫上存刀地址對應地記憶在計算機存儲器內或可編程控制器內。不論刀具放入那個地址，均可跟蹤記憶；利用刀庫上裝刀位置檢測裝置，可測得每一地址。這樣刀具可以任意存取，無需編碼元件，這種刀具任選方式使換刀控制大為簡化。3.7.5刀庫結構設計圓盤式刀庫由專用的交流伺服電機14經撓性聯軸器15、蝸桿24、蝸輪25，帶動刀盤和盤上的20個刀套旋轉，如圖3-4所示。刀座的滾子在不旋轉的刀盤的槽中受到限位，刀盤在最下端的換刀位置開了一個缺口。刀座以鉸鏈形式與支撐板相連。平時，由彈簧將滾子銷壓在刀套的凹槽中，使刀座定位在水平位置。由于主軸是立式的，故應將處于刀庫刀盤最下位置的刀套旋轉90°，使刀頭朝下。實現這個動作靠氣缸28。氣缸28的活塞桿帶動撥叉59上升，由剖視圖中可以看到，最下面的一個刀套右尾部的滾子正好進入撥叉59的缺口。撥叉上升使刀套連同刀具逆時針方向旋轉90°，滾子銷退出支撐板的凹槽，刀座轉至垂直位置，等待機械手換刀。刀套的構造錐孔尾部有兩個球頭銷釘，后有彈簧用以夾住刀具，故當刀套旋轉90°后刀具不會下落。刀套頂部的滾子用以在刀套處于水平位置時支撐刀套。當刀具更換完畢，該刀座插入從主軸換下的刀具夾頭。通過氣缸作用，與上述動作相反，刀座帶動刀具夾頭順時針轉動，直到水平位置為止，此時滾子銷重新處于支撐板的凹槽中。圖3-4刀套結構圖第4章PLC控制系統設計4.1機械手控制系統PLC的選擇在系統控制器的選擇上可以有多種方案，目前在機電一體化設計中主要有三種：單片機、工業控制計算機、可編程控制器（PLC）。隨著計算機系統的不斷發展，PLC控制系統得到了廣泛的應用。PLC控制有以下優點：1、可靠性高PLC不需要大量的活動元件和連接電子元件，它的連線大大減少。與此同時，系統的維修簡單，維修時間短，采用了一系列可靠性設計的方法進行設計，如：冗余的設計、斷電保護、故障診斷和信息保護及恢復等。2、易操作性PLC有較高的易操作性，它具有編程簡單，操作方便，維修容易等特點，一般不容易發生操作的錯誤。PLC是為工業生產過程控制而專門設計的控制裝置，它具有比通用計算機控制更簡單的編程語言和更可靠的硬件。采用了精簡化的編程語言，編程出錯率大大降低。3、靈活性PLC采用的編程語言有梯形圖、布爾助記符、功能圖、功能模塊和語句描述編程語言。編程方法的多樣性使編程簡單、應用而拓展。操作十分靈活方便，監視和控制變量十分容易。經過各方面分析比較，本課題采用三菱FX2N系列PLC作為控制器，并配有相應的控制模塊，來實現整個機械手的控制功能。4.2機械手的PLC控制系統限位開關的布局示意圖圖4-1限位開關的布局示意圖4.3機械手自動換刀系統的工作流程機械手移動刀具的單個工作流程由復位到初始位置、將機械手移動到刀庫處、夾緊刀具、將刀具移動到目標位置、放下刀具和移動到初始位置6個過程組成。機械手移動刀具通過PLC平控制，可以實現這6個過程全自動依次運行。如下圖所示單個工作流程示意圖：圖4-2自