-加工中心自動換刀系統(tǒng)的研究機(jī)械電子工程1前言隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，帶有自動換刀系統(tǒng)的加工中心在現(xiàn)代制造業(yè)中起著愈來愈重要的作用，它能縮短產(chǎn)品的制造周期，提高產(chǎn)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(jìn)給與移動速度、提高主軸轉(zhuǎn)速、加大主軸電機(jī)功率、加大切削用量、采用高質(zhì)量刀具等。在高節(jié)拍多次換刀的加工過程中，縮短換刀時間，可大大提高生產(chǎn)效率。國內(nèi)外加工中心生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)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(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，進(jìn)而提升機(jī)床乃至整個生產(chǎn)線的生產(chǎn)力。自動換刀裝置的換刀速度和可靠性，是數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)先進(jìn)與否的一個重要標(biāo)志[2]。2、自動換刀系統(tǒng)的組成自動換刀系統(tǒng)[2,3,5]一般由刀庫、機(jī)械手和驅(qū)動裝置組成。一般來說，刀庫容量可大可小，其裝刀數(shù)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(zhǔn)確地送到換刀位置，供換刀機(jī)械手完成新舊刀具的交換。當(dāng)?shù)稁烊萘看髸r，常遠(yuǎn)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(jī)構(gòu)來執(zhí)行換刀動作。完成此功能的機(jī)構(gòu)包括送刀臂、擺刀站和換刀臂，總稱為機(jī)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(qū)動裝置[4]則是使刀庫和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)其功能的裝置，一般由步進(jìn)電機(jī)或液壓(或氣液機(jī)構(gòu))或凸輪機(jī)構(gòu)組成。機(jī)械手完成刀庫里的刀與主軸上的刀的交換工作。由于數(shù)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(jìn)一步壓縮非切削時間，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件。所以數(shù)控機(jī)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(nèi)外采用的數(shù)控機(jī)床刀庫主要分為：轉(zhuǎn)塔式、圓盤式、鏈?zhǔn)降稁斓刃问?。轉(zhuǎn)塔式刀庫，包括水平轉(zhuǎn)塔頭和垂直轉(zhuǎn)塔頭兩種，所有刀具固定在同一轉(zhuǎn)塔上，無換刀臂，儲刀數(shù)量有限，通常為6—8把。一般僅用于輕便而簡單的機(jī)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(jié)構(gòu)簡單、緊湊，應(yīng)用較多，但刀具單環(huán)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(zhuǎn)動慣量也相應(yīng)增大，選刀運(yùn)動時間長。雙盤式結(jié)構(gòu)，是兩個較小容量的刀庫分置于主軸兩側(cè)，布局較緊湊，儲刀數(shù)量也相應(yīng)增大，適用于中小型加工中心[5,7]。鏈?zhǔn)降稁?，包括單環(huán)鏈和多環(huán)鏈，鏈環(huán)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(shù)在30—120把。僅增加鏈條長度即可增加刀具數(shù)，也可以把多個刀庫按并聯(lián)或串聯(lián)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(zhuǎn)動慣量不像盤式刀庫增加的那樣大。鏈?zhǔn)降稁斓尿?qū)動，有伺服電機(jī)或液壓分度馬達(dá)，刀庫做選刀運(yùn)動在起始和到位時，有平穩(wěn)的加減速過程，而在相隔多個刀位選刀運(yùn)動途中，運(yùn)動連貫不變速，這樣就保證了較高的選刀速度和平穩(wěn)性。對于刀庫的選擇應(yīng)根據(jù)具體的需求和情況進(jìn)行選擇，比較各刀庫的優(yōu)缺點(diǎn)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(shè)計(jì)為鏈?zhǔn)降稁臁?.2機(jī)械手加工中心自動換刀裝置有兩種形式：有機(jī)械手換刀和無機(jī)械手換刀[6]。加工中心的自動換刀裝置大多都采用有機(jī)械手換刀方式。它是由機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。目前，國內(nèi)外采用的執(zhí)行刀庫和主軸之間換刀動作的機(jī)械手，主要分為以下幾種類型：單臂機(jī)械手、雙臂機(jī)械手、帶送刀臂、擺刀站和換刀臂的機(jī)械手。單臂機(jī)械手的換刀機(jī)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(zhí)行動作多，換刀時間長，但結(jié)構(gòu)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(jī)械手同時抓取主軸和刀庫上的刀具?；剞D(zhuǎn)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(jī)械手有兩個機(jī)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(zhí)行換刀動作外，有些還可以起運(yùn)輸?shù)毒叩淖饔谩＿@種機(jī)械手結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但換刀時間短。帶送刀臂、擺刀站和換刀臂的機(jī)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(jìn)行換刀。其結(jié)構(gòu)更復(fù)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(yuǎn)的場合。無機(jī)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(jī)械手，所以結(jié)構(gòu)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(jìn)行，所以換刀過程較為復(fù)雜，換刀時間較長，但是刀庫回轉(zhuǎn)是在工步與工步之間，即非切削時進(jìn)行的，因此可免去刀庫回轉(zhuǎn)時的振動對加工精度的影響。無機(jī)械手換刀方式適用于小型加工中心或換刀次數(shù)少的用重型刀具的重型機(jī)床。2.3驅(qū)動裝置機(jī)械手的驅(qū)動，主要有液壓(包括氣液)驅(qū)動和機(jī)械式凸輪聯(lián)動兩種。采用液壓式驅(qū)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(jī)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(jìn)油完成動作。機(jī)械手的回轉(zhuǎn)既可以采用回轉(zhuǎn)油缸，也可以采用直線運(yùn)動油缸通過齒輪齒條帶動來完成。液壓系統(tǒng)工作平穩(wěn)可靠、易予調(diào)節(jié)、傳動介質(zhì)為高壓力的油性介質(zhì)，因此適合大功率輸出的系統(tǒng)[7]。加工中心換刀控制液壓系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)主軸退刀控制，亦可也用于機(jī)械手的換刀控制。自動換刀氣動控制系統(tǒng)[8]的主要控制內(nèi)容為：刀庫刀具倒刀或回刀控制，主軸吹氣控制。該系統(tǒng)的特點(diǎn)為：氣源容易獲得、反應(yīng)速度快、動作迅速、維護(hù)方便、管路不易堵塞、不易發(fā)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(jī)械凸輪聯(lián)動驅(qū)動的自動換刀裝置，插、拔刀動作通常由凸輪驅(qū)動擺桿來完成?；剞D(zhuǎn)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(qū)動機(jī)械手，或再通過一對齒輪驅(qū)動機(jī)械手旋轉(zhuǎn)。目前應(yīng)用較多的是液壓驅(qū)動的方式，在液壓的驅(qū)動下可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)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(shí)現(xiàn)。MAKINO1210采用盤式刀庫，刀庫容量為60把刀具，刀庫刀套采用傳統(tǒng)的炮筒式結(jié)構(gòu)，機(jī)械手采用回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，換刀示意圖如圖1所示。P1為送刀機(jī)構(gòu)取送刀的工位。假設(shè)現(xiàn)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(zhuǎn)，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(dāng)系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，送刀機(jī)構(gòu)將刀具T02及其刀座一起沿軌道移動到P2，等待換刀機(jī)械手換刀，在送刀機(jī)構(gòu)工作的同時，主軸快速停轉(zhuǎn)并回到主軸換刀點(diǎn)，主軸應(yīng)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(diǎn)，刀具T02在P2。機(jī)械手旋轉(zhuǎn)抓刀，外伸拔刀。旋轉(zhuǎn)180°換刀，機(jī)械手裝刀，機(jī)械手復(fù)位。主軸開始工作，送刀機(jī)構(gòu)要將剛換下的刀具T01放回刀庫中。刀庫旋轉(zhuǎn)選刀刀庫旋轉(zhuǎn)選刀滑道、導(dǎo)軌送刀機(jī)械手旋轉(zhuǎn)抓刀一手抓待換刀具T02一手抓主軸刀具T01機(jī)械手外伸拔刀機(jī)械手旋轉(zhuǎn)180°換刀一手抓T02送到主軸位置一手將T01送到P2位置機(jī)械手回縮裝刀主軸急?；氐綋Q刀點(diǎn)機(jī)械手復(fù)位、主軸工作導(dǎo)軌、滑道送刀刀回刀庫準(zhǔn)備下次換刀圖2自動換刀流程圖3、刀庫裝刀：送刀機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)，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(jī)械手換刀→刀庫裝刀→刀庫取刀循環(huán)，直到工件加工完成，其流程圖如圖2所示。當(dāng)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(diǎn)P2，并最終完成換刀和刀庫裝刀的操作臺復(fù)雜。特別是刀具在換刀和退刀的過程中要經(jīng)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(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都可能無法正常工作，降低了效率，甚至發(fā)生事故?？梢钥紤]將盤式刀庫改為鏈?zhǔn)降稁?，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(jī)械手類型的選擇，特殊刀座的應(yīng)用來簡化換刀過程，使得在換刀的過程中無移動環(huán)節(jié)。將機(jī)械手設(shè)計(jì)為直抓式，利用特殊刀座，實(shí)現(xiàn)簡化目的。改進(jìn)后機(jī)械手可以安全、快速的完成換刀，動作也少，實(shí)現(xiàn)較容易。回轉(zhuǎn)式機(jī)械手與刀庫中刀具間有干涉，而直抓式機(jī)械手與刀庫沒有干涉，這樣就保證換刀的準(zhǔn)確性，也可以大大降低發(fā)生事故的概率。4、自動換刀過程的控制機(jī)器畢竟是機(jī)器，要使它聽命于人就必須對其進(jìn)行控制，目前常用可編程邏輯控制器[10,11]（PLC）進(jìn)行編程控制。利用PLC可以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)角位移，也可以控制電磁閥的通斷[11]。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動來驅(qū)動機(jī)械手臂的左右旋轉(zhuǎn)或驅(qū)動刀庫的旋轉(zhuǎn)。電磁閥驅(qū)動液缸（氣缸）的升降和伸縮，升降運(yùn)動來控制機(jī)械手手臂的上升和下降，伸縮運(yùn)動來控制機(jī)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(jī)換刀方式。刀套編碼方式是對刀庫各刀座預(yù)先編碼，每把刀具放入相應(yīng)刀座之后就具有了相應(yīng)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(jīng)使用過的刀具放回原來的刀座中，然后刀庫順序轉(zhuǎn)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(fù)使用，如果刀具不按順序放在刀庫中，將會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。這樣就必須增加刀庫的容量和刀具的數(shù)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(zhuǎn)，每把刀具都要經(jīng)過“刀具識別器”接受識別[5]。當(dāng)?shù)毒叽a與數(shù)控機(jī)床發(fā)出的請求代碼相符時，刀庫旋轉(zhuǎn)到換刀位置，等待機(jī)械手取刀。隨機(jī)選刀方式主要由軟件完成選刀,根據(jù)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(fù)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(shù)量比較少，刀庫也相應(yīng)的較小。目前該種選刀方式正被越來越多的各類數(shù)控機(jī)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(jù)目標(biāo)位置和現(xiàn)在位置確定刀庫旋轉(zhuǎn)的最短路徑驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動刀庫旋轉(zhuǎn)到位NY刀庫停止旋轉(zhuǎn)，主軸停止工作機(jī)械手開始工作、換刀PLC接收到計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（CNC)發(fā)來的刀號指令,即進(jìn)行選刀工作,刀庫在步進(jìn)電機(jī)的帶動下轉(zhuǎn)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(yīng)用PLC完成的自動控制主要包括接收新刀號、計(jì)算目標(biāo)地址、開始PLC接到請求刀號信息PLC根據(jù)目標(biāo)位置和現(xiàn)在位置確定刀庫旋轉(zhuǎn)的最短路徑驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動刀庫旋轉(zhuǎn)到位NY刀庫停止旋轉(zhuǎn)，主軸停止工作機(jī)械手開始工作、換刀或裝刀動作，從而實(shí)現(xiàn)換刀，流程圖如圖3所示。5、總結(jié)自動換刀裝置，將根據(jù)不同的工作需要，進(jìn)行多元化發(fā)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(qiáng)。傳統(tǒng)裝置將會采用動作速度更快的機(jī)構(gòu)和驅(qū)動元件，凸輪結(jié)構(gòu)近年來已被大量采用[12]。同時新的材料和加工工藝，彌補(bǔ)凸輪機(jī)構(gòu)磨損后可靠性降低的缺點(diǎn)。新的換刀方式的出現(xiàn)，也為自動換刀裝置的進(jìn)一步發(fā)展提出了新的思路。雙主軸和多主軸換刀技術(shù)，把機(jī)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(fā)展方向?；赑LC的自動換刀系統(tǒng)將充分發(fā)揮現(xiàn)有數(shù)控設(shè)備的功能，節(jié)省人工換刀時所需要的時間，提高車間的生產(chǎn)效率，同時能夠?qū)崿F(xiàn)一次裝夾完成多道工序，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時間。6參考文獻(xiàn)[1]黃澤正，劉沖，陳志輝.加工中心自動換刀裝置的設(shè)計(jì)[J].機(jī)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(jìn)展[J].裝備制造技術(shù)，2010,(5):128-129.[3]Y.H.Jeong,H.Tae,B.K.Min,D.W.Cho.Virtualautomatictoolchangerofamachiningcentrewithareal-timesimulation[J].InternationalJournalofComputerIntegratedManufacturing,2008,21(8).

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緒論設(shè)計(jì)背景加工中心（MachiningCenter,MC）是適應(yīng)省力、省時和節(jié)能的時代要求而迅速發(fā)展起來的自動換刀數(shù)控機(jī)床，它是綜合了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、拖動技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、測量及傳感技術(shù)以及通信診斷、刀具和編程技術(shù)的高科技產(chǎn)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(diào)整時間，減少工件周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)存放時間，使機(jī)床的切削利用率高于通用機(jī)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(shù)控機(jī)床中生產(chǎn)率和自動化程度最高的綜合性機(jī)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(shù)控機(jī)床上，通過換刀方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工，成為世界上第一臺加工中心。該產(chǎn)品出現(xiàn)后，銷路驚人，引起了日、德、美、英、法、意等先進(jìn)工業(yè)國家的高度重視，競相開發(fā)生產(chǎn)，不斷擴(kuò)大和完善機(jī)床的功能，成為數(shù)控機(jī)床中發(fā)展最快、需求量最大的商品之一。如今，世界上出現(xiàn)了立式、臥式、龍門式、落地式等各種加工中心，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，大約有1000多個品種規(guī)格。未來加工中心的發(fā)展動向是高速化、進(jìn)一步提高精度和愈發(fā)完善的機(jī)能。加工中心是數(shù)控機(jī)床的代表，是高新技術(shù)集成度高的典型機(jī)電一體化機(jī)械加工設(shè)備，我國的加工中心從70年代開始，已有很大發(fā)展，但技術(shù)、品種和數(shù)量上都還遠(yuǎn)不能適應(yīng)我國經(jīng)濟(jì)、技術(shù)發(fā)展的需要。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，推動了模具制造業(yè)、機(jī)械加工業(yè)的巨大發(fā)展，使得數(shù)控機(jī)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(yīng)用。然而，目前市場上生產(chǎn)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(jī)械加工業(yè)、小型模具的制造、工科院校、技工學(xué)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(fā)展，需進(jìn)一步加強(qiáng)對加工中心的研究、設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用。立式數(shù)控銑床立式數(shù)控銑床的主軸軸線與工作臺面垂直，是數(shù)控銑床中最常見的一種布局形式。立式數(shù)控銑床一般為三坐標(biāo)（X、Y、Z）聯(lián)動,其各坐標(biāo)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(yùn)動。目前小型數(shù)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(yùn)用在中型數(shù)控銑床中。立式數(shù)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(shù)控銑床普遍所具有的功能。如點(diǎn)位控制功能、刀具半徑自動補(bǔ)償功能、鏡象加工功能、固定循環(huán)功能等。特殊功能是指數(shù)控銑床在增加了某些特殊裝置或附件后，分別具有或兼?zhèn)涞囊恍┨厥夤δ?。如刀具長度補(bǔ)償功能、靠模加工功能、自動變換工作臺功能、自適應(yīng)功能、數(shù)控采集功能等。數(shù)控銑床的主軸開啟與停止，主軸正反轉(zhuǎn)與主軸變速等都可以按輸入介質(zhì)上編入的程序自動執(zhí)行。不同的機(jī)床其變速功能與范圍也不同。有的采用變頻機(jī)組，固定幾種轉(zhuǎn)速，可自選一種編入程序，但不能在運(yùn)轉(zhuǎn)時改變。有的采用變頻器調(diào)整，將轉(zhuǎn)速分為幾檔，編程時可任選一檔，在運(yùn)轉(zhuǎn)中可通過控制面板上的旋鈕，在本檔范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)；有的則不分檔,編程時可在整個范圍內(nèi)無級調(diào)速。但是在實(shí)際操作中，調(diào)速不能有大起大落的突變，只能在允許的范圍內(nèi)調(diào)高或調(diào)低，只能在允許的范圍內(nèi)一般都設(shè)有自動拉、退刀裝置，能在數(shù)秒內(nèi)完成裝刀與卸刀，換刀比較方便。此外，多坐標(biāo)數(shù)控銑床的主軸可以繞X、Y或Z軸作數(shù)控?cái)[動，擴(kuò)大了主軸自身的運(yùn)動范圍，但是主軸結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。方案設(shè)計(jì)2.1課題內(nèi)容依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書，我們的任務(wù)是給數(shù)控立式銑床設(shè)計(jì)安裝合適的自動換刀裝置，以力濤-CNC1000數(shù)控立式升降臺銑床為例。主要技術(shù)參數(shù)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(zhuǎn)速8000rpm快速進(jìn)給速度X軸5m/min快速進(jìn)給速度Y軸5m/min快速進(jìn)給速度Z軸5m/min刀庫刀具數(shù)20把定位精度±0.005/300mm重復(fù)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(jìn)給速度5000m/min2.2確定其自動換刀裝置的形式由于LT-CNC1000數(shù)控立式升降臺銑床是一種使用范圍較廣的機(jī)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(shù)控立式升降臺銑床主軸箱上方?jīng)]有好的安裝位置，安裝在機(jī)床外又要增加刀具運(yùn)輸時間，降低效率，所以安裝在機(jī)床側(cè)面最合適，有些部件交錯的地方，作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。設(shè)計(jì)成由由盤式刀庫和回轉(zhuǎn)式雙臂機(jī)械手組成。設(shè)計(jì)增加自動換刀裝置后的LT-CNC1000數(shù)控立式升降臺銑床的外觀圖如圖2-1所示。圖2-1數(shù)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(diǎn)及各自應(yīng)用范圍由刀庫和機(jī)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(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，自動換刀裝置種類繁多。由于加工中心上自動換刀次數(shù)比較頻繁，故對自動換刀裝置的技術(shù)要求十分嚴(yán)格．如要求定位精度高．動作平穩(wěn)，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(guān)。在使用立式數(shù)控銑床加工工件時，只要充分利用數(shù)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(shù)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(diǎn)應(yīng)用范圍轉(zhuǎn)塔式垂直轉(zhuǎn)塔頭根據(jù)驅(qū)動方式不同，可分為順序選刀或任意選刀結(jié)構(gòu)緊湊簡單容納刀具數(shù)目少用于鉆削中心水平轉(zhuǎn)塔頭刀庫式無機(jī)械手換刀利用刀庫運(yùn)動與主軸直接換刀，省去機(jī)械手結(jié)構(gòu)緊湊刀庫運(yùn)動較多小型加工中心機(jī)械手換刀刀庫只做選刀運(yùn)動，機(jī)械手換刀布局靈活，換刀速度快各種加工中心機(jī)械手和刀具運(yùn)送器刀庫距機(jī)床主軸較遠(yuǎn)時，用刀具運(yùn)送器將刀具送至機(jī)械手結(jié)構(gòu)復(fù)雜大型加工中心成套更換方式更換轉(zhuǎn)塔利用更換轉(zhuǎn)塔頭，增加換刀數(shù)目換刀時間基本不變擴(kuò)大加工工藝的鉆削中心更換主軸箱利用更換主軸箱，擴(kuò)大組合機(jī)床加工工藝范圍結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜擴(kuò)大柔性的組合機(jī)床更換刀庫擴(kuò)大加工工藝，更換刀庫，另有刀庫存儲器充分提高機(jī)床利用率和自動化程度擴(kuò)大加工中心的加工工藝范圍加工復(fù)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(zhǔn)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(jù)刀庫的容量和存取刀具的方式，刀庫可設(shè)計(jì)成多種形式。目前常見的刀庫類型如下：盤式刀庫此刀庫結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用較多。此換刀裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，換刀可靠性較好，缺點(diǎn)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?zhǔn)降稁齑说稁旖Y(jié)構(gòu)緊湊，刀庫容量較大，鏈環(huán)的形狀可根據(jù)機(jī)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(jī)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(shù)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?zhǔn)降稁靾D2-4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(shù)控裝置的刀具選擇指令，從刀庫中將所需要的刀具準(zhǔn)確地自動地選出，并轉(zhuǎn)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(yù)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?qū)⑵滢D(zhuǎn)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(qū)動控制也較簡單，工作可靠，但刀具不能重復(fù)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(shù)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(shù)控機(jī)床(當(dāng)加工小批量零件時)。另外，在裝刀時必要認(rèn)真謹(jǐn)慎對號入座，否則將會產(chǎn)生嚴(yán)重后果。（2）任意選擇刀具方式這種方法根據(jù)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(zhuǎn)，每把刀具(或刀座)都經(jīng)過“刀具識別裝置”接受識別。當(dāng)某把刀具的代碼與數(shù)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(jī)械手來抓取。任意選擇刀具法的優(yōu)點(diǎn)是刀庫中刀具的排列順序與工件加工順序無關(guān)。相同的刀具可重復(fù)使用，故刀具數(shù)量比順序選擇法的刀具可少一些，刀庫也相應(yīng)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(yù)先進(jìn)行編碼，刀具也編號，并將與刀座編碼對應(yīng)的刀具一一放入指定的刀座中，根據(jù)刀座編碼選刀。換刀時刀庫旋轉(zhuǎn)，使各個刀座依次經(jīng)過刀具識別器，直至找到規(guī)定的刀座，刀庫即刻停止旋轉(zhuǎn)。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(dāng)把各刀具存放到刀庫的刀座中時，將編碼鑰匙插進(jìn)刀座旁邊的鑰匙孔中。這樣就把鑰匙的號碼轉(zhuǎn)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(dǎo)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(qū)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(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)的刀具。當(dāng)取出刀具時，鑰匙也隨之取出，刀座碼立即消失，調(diào)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(jìn)行編碼，由換刀裝置識別刀具上的編碼進(jìn)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(fù)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(yùn)轉(zhuǎn)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(jìn)行換刀而不致增加換刀時間。其缺點(diǎn)是使刀具長度增加，制造田難，剛度降低，同時使機(jī)械手和刀庫的結(jié)構(gòu)也復(fù)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(dāng)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(jié)換刀系統(tǒng)帶來很多不便，所以近年來在加工中心應(yīng)用得很少。④計(jì)算機(jī)記憶式高檔的數(shù)控加工中心，可將刀具號和刀庫上存刀地址對應(yīng)地記憶在計(jì)算機(jī)存儲器內(nèi)或可編程控制器內(nèi)。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(shù)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(tǒng)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(yīng)用廣泛，特別適應(yīng)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(huán)，規(guī)定大直徑的環(huán)表示二進(jìn)制的“1”，小直徑的環(huán)為“0”，圖中有5個編碼環(huán)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(shù)量與刀柄上的編碼環(huán)個數(shù)相等。每個觸針連一個繼電器，當(dāng)大直徑的編碼環(huán)與觸針接觸，繼電器通電，其數(shù)碼為“數(shù)碼與所需刀具的編碼一致時，由控制裝置發(fā)出信號，使刀庫停轉(zhuǎn)，等待換刀。接觸式刀具識別裝置結(jié)構(gòu)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(jī)械接觸、無磨損、無噪聲、壽命長、反應(yīng)速度快，適應(yīng)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(yīng)強(qiáng)弱不同，通過感應(yīng)線圈讀取代碼。編碼環(huán)的直徑相等，分別由導(dǎo)磁材料(如軟鋼)和非導(dǎo)磁材料(如黃銅、塑料等)制成，規(guī)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(dǎo)磁材料編碼環(huán)4和導(dǎo)磁材料編碼環(huán)2、與編碼環(huán)對應(yīng)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(huán)為導(dǎo)磁材料，則磁感應(yīng)較強(qiáng)，在二次線圈7中產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓。如編碼環(huán)為非導(dǎo)磁材料，則磁感應(yīng)較弱，在二次線圈中感應(yīng)的電壓較弱。利用感應(yīng)電壓的強(qiáng)弱，就能識別刀具的號碼。當(dāng)編碼環(huán)的號碼與指令刀號相等時，控制電路便發(fā)出信號，使刀庫停止運(yùn)轉(zhuǎn)，等待換刀。刀具編碼的識別裝置原理如圖2-8所示。當(dāng)數(shù)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(zhuǎn)動，刀具依次通過識刀器，對應(yīng)每個刀具的編碼環(huán)感應(yīng)出不同的信號，經(jīng)刀號讀出電路將編碼環(huán)所表示的號碼讀出，通過輸入控制門存入刀號寄存器內(nèi)，然后送入比較符合電路與數(shù)控裝置，對已接收的T代碼進(jìn)行比較。若與給定的T代碼不一樣，則刀庫仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動，直到識刀器讀出的刀具或刀座編碼與T代碼一致時，發(fā)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(jìn)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(jīng)一定延時發(fā)出一次消零信號，使刀號寄存器清零復(fù)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(xué)纖維刀具識別裝置這種裝置利用光導(dǎo)纖維很好的光傳導(dǎo)特性，采用多束光導(dǎo)纖維構(gòu)成閱讀頭。用靠近的兩束光導(dǎo)纖維來閱讀二進(jìn)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(dǎo)纖維將反射光送至光電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成電信號，以判斷正對這兩束光導(dǎo)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(jìn)制規(guī)律涂黑或不涂黑，就可以給刀具編上號碼。正當(dāng)中的一小塊反光部分用來發(fā)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(jìn)一排共9個圓形受光入射面、當(dāng)閱讀頭端面正對刀具編碼部位，沿箭頭方向相對運(yùn)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(jìn)行比較而選刀。在光導(dǎo)纖維中傳播的光信號比在導(dǎo)體中傳播的電信號具有更高的抗干擾能力。光導(dǎo)纖維可任意彎曲，這給機(jī)械設(shè)計(jì)、光源及光電轉(zhuǎn)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(fā)展前途。近年來，“圖像識別”技術(shù)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(xué)系統(tǒng)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?yōu)楣怆娦盘?，?jīng)信息處理后存人記憶裝置中。選刀時，數(shù)控指令T所指的刀具在刀具識別位置出現(xiàn)圖形時，便與記憶裝置中的圖形進(jìn)行比較，選中時發(fā)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(yōu)點(diǎn)，但由于該系統(tǒng)價格昂貴而限制了它的使用。圖2-9光學(xué)纖維刀具識別裝置(3)利用Pc實(shí)現(xiàn)隨機(jī)換刀隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用軟件選刀以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的編碼環(huán)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(jī)換刀。主軸上換來的新刀號及還回刀庫的刀具號，均在Pc內(nèi)部相應(yīng)地存儲單元記憶。隨機(jī)換刀控制方式需要在Pc內(nèi)部設(shè)量一個模擬刀庫的數(shù)據(jù)表，其長度和表內(nèi)設(shè)置的數(shù)據(jù)與刀庫的位置數(shù)和刀具號相對應(yīng)。這種方法主要由軟件完成選刀，從而消除了內(nèi)于識刀裝置的穩(wěn)定性、可靠性所帶來的選刀失誤。①ATC(自動換刀)控制和刀號數(shù)據(jù)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(nèi)1號—8號，0為主軸刀位置號，由于刀具本身不附帶編碼環(huán)，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(yīng)隨意改變。為了使用方使．刀號也采用BCD碼編寫。在PC內(nèi)部建立一個模擬刀庫的刀號數(shù)據(jù)表，如圖2-11所示。數(shù)據(jù)表的表序號與刀庫刀座編號相對應(yīng)，每個表序號中的內(nèi)容就是對應(yīng)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(shù)，TAB+1—TAR+8存放刀庫上的刀具號。由于刀號數(shù)據(jù)表實(shí)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(yīng)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(shù)據(jù)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(nèi)部設(shè)置的刀號數(shù)據(jù)表始終與刀具在刀庫中的實(shí)際位置相對應(yīng)，所以對刀具的識別實(shí)質(zhì)上轉(zhuǎn)變?yōu)閷Φ稁煳恢玫淖R別。當(dāng)?shù)稁煨D(zhuǎn)，每個刀座通過換刀位置(基準(zhǔn)位置)時，產(chǎn)生一個脈沖信號送至PC，作為計(jì)數(shù)脈沖。同時．在PC內(nèi)部設(shè)置一個刀庫位置計(jì)數(shù)器，當(dāng)?shù)稁煺D(zhuǎn)(cw)時，每發(fā)一個計(jì)數(shù)脈沖，使該計(jì)數(shù)器遞增計(jì)數(shù)；當(dāng)?shù)稁旆崔D(zhuǎn)(ccw)時．每發(fā)一個計(jì)數(shù)脈沖，則計(jì)數(shù)器遞減計(jì)數(shù)。于是計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值始終在1—8之間循環(huán)，而通過換刀位置時的計(jì)數(shù)值(當(dāng)前值)總是指示刀庫的現(xiàn)在位置。立式數(shù)控銑床的主軸軸線與工作臺面垂直，是數(shù)控銑床中最常見的一種布局形式。立式數(shù)控銑床一般為三坐標(biāo)（X、Y、Z）聯(lián)動,其各坐標(biāo)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(yùn)動。目前小型數(shù)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(yùn)用在中型數(shù)控銑床中當(dāng)PC接到新刀具的指令(TXX)后，在模擬刀庫的刀號數(shù)據(jù)表中進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索，檢索到T代碼給定的刀號，將該刀具號所在數(shù)據(jù)表中的表號數(shù)存放在一個緩沖存儲單元中，這個表序號數(shù)就是新刀具在刀庫中的目標(biāo)位置。刀庫旋轉(zhuǎn)后，測得刀庫的實(shí)際位置與要求的刀庫目標(biāo)位置一致時，即識別了所要尋找的新刀具。刀庫停轉(zhuǎn)并定位，等待換刀。識別刀具的PC程序流程團(tuán)如圖2-12所示。③刀具的交換及刀號數(shù)據(jù)表的修改當(dāng)前一工序加工結(jié)束后需要更換新刀加工時，NC系統(tǒng)發(fā)出自動換刀指令M06控制機(jī)床主軸準(zhǔn)停。機(jī)械手執(zhí)行換刀動作，將主軸上用過的舊刀和刀庫上選好的新刀進(jìn)行交換。與此同時，應(yīng)通過軟件修改PC內(nèi)部的刀號數(shù)據(jù)表，使相應(yīng)的刀號表單元中的刀號與交換后的刀號相對應(yīng)。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(shí)現(xiàn)刀庫與機(jī)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(jié)構(gòu)對數(shù)控機(jī)床的整體布局、生產(chǎn)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(yùn)動實(shí)現(xiàn)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(jìn)行。它適用采用40號以下刀柄的小型加工中心或換刀次數(shù)少的用重型刀具的重型機(jī)床。這種換刀方式?jīng)]有機(jī)械手，因而結(jié)構(gòu)簡單；刀庫回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)在立柱頂上、立柱主軸箱的側(cè)面，也可以設(shè)在橫梁一端。直線排列式刀庫可設(shè)在工作臺上方，也可設(shè)在工作臺的一端或兩端。格子箱式刀庫可設(shè)在雙工作臺的中間。由機(jī)械手進(jìn)行刀具交換由于刀庫及刀具交換方式不同，換刀機(jī)械手種類繁多。機(jī)械手的類型如表2-2所示。表2-2換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)類型形式應(yīng)用特點(diǎn)單臂單手式機(jī)械手作往復(fù)直線運(yùn)動用于刀具主軸與刀庫刀座軸線平行的場合結(jié)構(gòu)較簡單，換刀時間較長機(jī)械手?jǐn)[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(jī)械手?jǐn)[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(jìn)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(jī)械手還起運(yùn)輸作用換到時間較短，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜雙手交叉式雙手有回轉(zhuǎn)運(yùn)動第3章?lián)Q刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床的自動換刀裝置中,實(shí)現(xiàn)刀庫與機(jī)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(jī)械手交換刀具,另一種是由刀庫與機(jī)床主軸的相對運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)刀具交換即無機(jī)械手交換刀具。無機(jī)械手交換刀具方式：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，換刀的可靠性較高；刀庫因結(jié)構(gòu)所限容量不多。這種換刀系統(tǒng)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(jié)構(gòu)對機(jī)床的工作效率和工作可靠性有直接的影響。由LT-CNC1000數(shù)控立式升降臺銑床的結(jié)構(gòu)特性決定難以實(shí)現(xiàn)由刀庫與機(jī)床主軸的相對運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)刀具交換，故采用機(jī)械手交換刀具的方式。機(jī)械手是當(dāng)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(xù)進(jìn)行加工的功能部件。對機(jī)械手的具體要求是迅速可靠，準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。3.1確定換刀機(jī)械手形式在自動換刀數(shù)控機(jī)床中，換刀機(jī)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(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手；圖3-1機(jī)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(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手3)兩手平行的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手；4)雙手交叉式機(jī)械手；由于不同的數(shù)控機(jī)床（加工中心）的刀庫與主軸的相對位置不同。所以各種數(shù)控機(jī)床所使用的換刀機(jī)械手也不盡相同。這次設(shè)計(jì)我選用兩手互相垂直的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手。這種機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是換刀動作可靠，換好時間短，缺點(diǎn)是刀柄精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，聯(lián)機(jī)調(diào)整的相關(guān)精度要求高，機(jī)械手離加工區(qū)較近。一般來說，這種機(jī)械手用于刀庫刀座軸線與機(jī)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(shù)控立式升降銑床的自動換刀裝置中可采用這種機(jī)械手形式。3.2換刀機(jī)械手的工作原理下面是以在LT-CNC1000數(shù)控立式升降臺銑床的自動換刀裝置中采用這種上機(jī)械手換刀的工作原理。該機(jī)械手安裝在主軸的左側(cè)面，隨同主軸箱一起運(yùn)動。機(jī)械手由機(jī)械手臂與45°的斜殼體組成。機(jī)械手臂形狀對稱。固定在回轉(zhuǎn)軸上，回轉(zhuǎn)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(biāo)出），機(jī)械手有伸縮、回轉(zhuǎn)、抓刀、松刀等動作。伸縮動作：液壓缸（圖中未標(biāo)出）帶動手臂托架沿主軸軸向移動?；剞D(zhuǎn)動作：液壓缸中的齒條輪通過齒輪帶動回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。從而實(shí)現(xiàn)手臂正向和反向180°的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。抓刀、松刀動作：機(jī)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(shí)現(xiàn)。碟形彈簧實(shí)現(xiàn)夾緊，液壓缸實(shí)現(xiàn)松開。在活動爪中有兩個銷子，當(dāng)夾緊刀具時，插入刀柄凸緣的孔內(nèi)，確保安全、可靠。3.3機(jī)械手的自動換刀過程的動作順序（a）（b）（c）（d）圖3-2換刀機(jī)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(zhǔn)備，換刀即是機(jī)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(biāo)零點(diǎn)），同時實(shí)現(xiàn)“主軸準(zhǔn)停”。即主軸停止回轉(zhuǎn)并準(zhǔn)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(jī)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(fā)庫上的刀具松開4)活塞桿推動機(jī)械手下行，從主軸和刀庫上取出刀具5)機(jī)械手回轉(zhuǎn)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(jī)械手松開主軸和刀庫上的刀具9)當(dāng)機(jī)械手松開具后，限位開關(guān)發(fā)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(xiàng)運(yùn)動均由限位開關(guān)控制，只有前一個動作完成后，才能進(jìn)行下一個動作，從而保證了運(yùn)動的可靠性。3.4兩手相互垂直的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手3.5機(jī)械手回轉(zhuǎn)軸4上的齒輪齒條設(shè)計(jì)1)回轉(zhuǎn)軸上齒輪采用漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪形式2)取模數(shù)M=1.5。初取齒數(shù)z=303)下表為齒輪幾何尺寸設(shè)計(jì)的基本參數(shù)：名稱代號計(jì)算公式模數(shù)m壓力角分度圓直徑dD=mz=1.530=45齒頂高齒根高齒全高h(yuǎn)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(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算3.6自動換刀裝置的相關(guān)技術(shù)要求3.6.1主軸準(zhǔn)停裝置為了傳遞扭矩，在主軸的前端裝有端鍵，當(dāng)?shù)毒叩侗b入錐孔時，刀柄上的鍵槽位置必須與該鍵對準(zhǔn)才能裝入。當(dāng)機(jī)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(zhǔn)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(zhǔn)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(shù)要求稱為主軸準(zhǔn)停。LT-CNC1000數(shù)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(zhǔn)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(zhǔn)停裝置以實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)停功能。3.6.2換刀機(jī)械手的安裝與調(diào)試1)換刀機(jī)械手安裝在主軸箱的左側(cè)面，加工零件時，換刀機(jī)械手隨主軸箱一起上下運(yùn)動。2)當(dāng)初裝上換刀機(jī)械手后，必須進(jìn)行調(diào)試：用手動操縱主式調(diào)整換刀機(jī)械手相對于主軸的位置，使用調(diào)整心棒，有誤差時可調(diào)整機(jī)械手行程、刀庫位置、機(jī)械手支座、修正主軸坐標(biāo)原點(diǎn)等。安裝最大重量刀具時，要進(jìn)行多次刀庫到主軸位置的自動交換，使機(jī)械手換刀時做到準(zhǔn)確無誤，無撞擊。3.7確定刀庫容量刀庫容量設(shè)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(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用較多。此換刀裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)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(jì)刀庫驅(qū)動轉(zhuǎn)矩及選定電機(jī)刀庫驅(qū)動電動機(jī)的選擇應(yīng)同時滿足刀庫運(yùn)轉(zhuǎn)時的負(fù)載扭矩和啟動時的加速扭矩的要求。刀庫負(fù)載扭矩的計(jì)算圓盤式刀庫負(fù)載扭矩估算方法：這種刀庫的負(fù)載扭矩主要用來克服刀具質(zhì)量的不平衡，估算按如下兩種情況進(jìn)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(jù)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(shè)定為離刀庫回轉(zhuǎn)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(guī)格規(guī)定的最大刀具質(zhì)量算，而其重心則設(shè)定為離刀庫回轉(zhuǎn)中心半徑處。刀庫加速扭矩的計(jì)算式中-刀庫選刀時的電動機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；-加速時間，通常取150~200ms；-電動機(jī)轉(zhuǎn)子慣量（），可查樣本；-負(fù)載慣量折算到電動機(jī)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(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法驅(qū)動電動機(jī)輸出扭矩計(jì)算驅(qū)動電動機(jī)的輸出扭矩應(yīng)同時滿足刀庫負(fù)載扭矩和加速扭矩之和，將以上計(jì)算的刀庫負(fù)載扭矩和加速扭矩轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電動機(jī)軸上的輸出扭矩的公式為式中i-電動機(jī)軸至刀庫軸的速比；-傳動效率?？紤]到實(shí)際情況比計(jì)算時所設(shè)定的條件復(fù)雜，電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)為負(fù)載扭矩的1.2~1.5倍。設(shè)定當(dāng)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(fù)載扭矩的計(jì)算按方法二進(jìn)行估算，即將三把最重的刀放在一起，則負(fù)載扭矩==389.8245=57.624加速扭矩的計(jì)算設(shè)刀具最大運(yùn)動線速度為24m/min，則可確定刀庫選刀轉(zhuǎn)速為=15.6r/min，加速時間暫定為=200ms，電動機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量可查相關(guān)樣本=2.14，負(fù)載慣量折算到電動機(jī)軸上的慣量=30.01則可求得=0.26驅(qū)動電動機(jī)的輸出扭矩應(yīng)同時滿足刀庫負(fù)載扭矩和加速扭矩之和電動機(jī)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(jī)的額定轉(zhuǎn)矩>(1.2~1.5)=(2.06~2.58)而所選電機(jī)轉(zhuǎn)矩為10確定伺服電機(jī)型號為SM130-10N1500，其主要技術(shù)參數(shù)為：額定功率1.5Kw額定轉(zhuǎn)速1500r/min額定電流6A轉(zhuǎn)子慣量0.00214機(jī)械時間常數(shù)2.11ms工作電壓220V3.7.3刀庫轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的普通蝸輪蝸桿的相關(guān)設(shè)計(jì)蝸桿頭數(shù)=1，初定傳動比為i=48，則蝸輪齒數(shù)=i=48，模數(shù)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(shù)=（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(zhuǎn)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(jì)算參數(shù)：蝸桿導(dǎo)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(jì)算機(jī)記憶式，可將刀具號和刀庫上存刀地址對應(yīng)地記憶在計(jì)算機(jī)存儲器內(nèi)或可編程控制器內(nèi)。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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圓盤式刀庫由專用的交流伺服電機(jī)14經(jīng)撓性聯(lián)軸器15、蝸桿24、蝸輪25，帶動刀盤和盤上的20個刀套旋轉(zhuǎn)，如圖3-4所示。刀座的滾子在不旋轉(zhuǎn)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(yīng)將處于刀庫刀盤最下位置的刀套旋轉(zhuǎn)90°，使刀頭朝下。實(shí)現(xiàn)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(jìn)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(zhuǎn)90°，滾子銷退出支撐板的凹槽，刀座轉(zhuǎn)至垂直位置，等待機(jī)械手換刀。刀套的構(gòu)造錐孔尾部有兩個球頭銷釘，后有彈簧用以夾住刀具，故當(dāng)?shù)短仔D(zhuǎn)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(dāng)?shù)毒吒鼡Q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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)圖第4章PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1機(jī)械手控制系統(tǒng)PLC的選擇在系統(tǒng)控制器的選擇上可以有多種方案，目前在機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中主要有三種：單片機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程控制器（PLC）。隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，PLC控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。PLC控制有以下優(yōu)點(diǎn)：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(tǒng)的維修簡單，維修時間短，采用了一系列可靠性設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，如：冗余的設(shè)計(jì)、斷電保護(hù)、故障診斷和信息保護(hù)及恢復(fù)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(diǎn)，一般不容易發(fā)生操作的錯誤。PLC是為工業(yè)生產(chǎn)過程控制而專門設(shè)計(jì)的控制裝置，它具有比通用計(jì)算機(jī)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(yīng)用而拓展。操作十分靈活方便，監(jiān)視和控制變量十分容易。經(jīng)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(yīng)的控制模塊，來實(shí)現(xiàn)整個機(jī)械手的控制功能。4.2機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)限位開關(guān)的布局示意圖圖4-1限位開關(guān)的布局示意圖4.3機(jī)械手自動換刀系統(tǒng)的工作流程機(jī)械手移動刀具的單個工作流程由復(fù)位到初始位置、將機(jī)械手移動到刀庫處、夾緊刀具、將刀具移動到目標(biāo)位置、放下刀具和移動到初始位置6個過程組成。機(jī)械手移動刀具通過PLC平控制，可以實(shí)現(xiàn)這6個過程全自動依次運(yùn)行。如下圖所示單個工作流程示意圖：圖4-2自