1、三 明 职 业 技 术 学 院毕 业 作 业作业形式： 毕 业 设 计 作业题目：数铣自动换刀装置（刀库式）的设计姓 名： X X X 学 号： X 所 在 系： 机 械 电 子 系 专 业： 机电一体化技术 年(班)级： 2 0 0 9 级 学 制： 三 年 制 指导教师： X X X 完成日期： 2012 年 5 月 10 日 1摘 要自动换刀装置（Automatic Tool Changer）作为加工中心的重要组成部分，其主要作用在于减少加工过程中的非切屑时间，以提高生产效率、降低生产成本，进而提升铣床乃至整个生产线的生产力。所以 ATC 在加工中心中扮演着极重要的角色。本次课题中所设计
2、的的是数控铣床自动换刀装置（刀库式）的设计。 参与自动换刀装置总体设计，刀库式的自动换刀装置是由刀库和刀具交换装置（换刀机械手）组成。它是多工序数控铣床上应用最广泛的换刀装置，它的一个简单的过程是首先把加工过程中需要使用的全部刀具安装在标准的刀柄上，在铣床外进行尺寸预调后，按一定的方式装入刀库。设计中机械手采用刀库刀座轴线与铣床主轴轴线垂直形式，设计得两手互相垂直的回转式单臂双手机械手结构，换刀动作可靠，换好时间短，缺点是刀柄精度要求高，结构复杂，联机调整的相关精度要求高，机械手离加工区较近。本设计以它巧妙的构思，对换刀机械手、刀具交换装置、刀库结构形式以及驱动机构进行了新的设计，改变了传统的
3、结构模式。关键词：数控铣床；自动换刀装置；刀库；换刀机械手2目 录前言4 页第一章 绪论5 页1.1 本设计要完成的工作及要求5 页 1.2 数控立式铣床自动换刀装置（ATC）的行业分析5 页 1.3 自动换刀装置在数控铣床中的性能特点及其重要性5 页第二章 自动换刀装置（ATC）设计理念2.1 自动换刀装置的控制原理6 页2.2 自动换刀装置结构的构思7 页2.3 自动换刀装置的形式及设计要求8页 2.3.1 自动换刀装置的形式8 页 2.3.2 自动换刀装置换刀动作分析及设计要求8 页第三章 自动换刀装置（ATC）刀库设计3.1 刀库结构设计39 页3.1.1 确定刀库形式9 页3.1.2
4、 确定刀库容量9 页3.1.3 刀库托架的设计10 页3.1.4 机械手回转轴上的齿轮齿条设计10 页3.2 确定刀具的选择方式11 页3.3 刀库驱动转矩的校核11 页3.4 刀库转位机构传动的设计11 页第四章 刀库和刀具交换装置的设计4.1 刀库和刀具交换部分的机械原理（采用机械手）4.1.1 机械手的机械原理及自动换刀过程的动作顺序12 页4.1.2 机械手的自动换刀过程的动作顺序12 页4.2 刀库和刀具交换装置的相关技术要求12 页 4.3 自4动换刀程序的编制12 页第五章 换刀过程常见的故障及维修5.1 换刀过程常见的故障13 页结束语13 页参考文献15 页致谢16 页5前
5、言自动换刀装置（Automatic Tool Changer）简称 ATC，作为加工中心的重要组成部分，其主要作用在于减少加工过程中的非切屑时间，以提高生产效率、降低生产成本，进而提升铣床乃至整个生产线的生产力。所以 ATC 在加工中心中扮演着极重要的角色。自动换刀装置（ATC）是加工中心的重要组成单元，其设计质量的好坏，直接影响加工中心的质量。ATC 由刀库和机械手组成，把即将要用的刀具迅速、准确地送到换到位置，因此刀库的位置、体积大小能否适合加工中心的整体设计，刀库的运动机构能否使刀库平稳运转并准确地停在换刀位置，运动过程有无干涉、卡死等现象，都是设计人员非常关心的问题。机械手的功能是把刀
6、库上的刀具送到主轴上再把主轴上已用过的刀具送回到库。它的动作要求迅速而准确，所以对机构的结构、定位、运动、夹持力的大小等都有很高的要求，一旦有运动故障或定位、运动误差过大，都会造成换刀动作失败，掉刀。6第一章 绪论1.1 本设计要完成的工作及要求本次课题主要是根据凯恩帝 XH-714 数控立式铣床来设计数控铣床的自动换刀装置，其刀库采用的是盘形结构，安装在铣床的左侧立柱上，刀库容量为十六把，采用顺序选刀方式。机械手选用转式双臂机械手。根据设计任务书计划，设计可完成规定的数控铣床自动换刀装置的设计；具体包括：换刀装置的工作原理、刀库结构的设计、完成具体各运动机构传动方案的设计、关键技术的分析与设
7、计理念、自动换刀装置的程序编制、换刀过程常见的故障及维修 。1.2 数控铣床自动换刀装置（ATC）的行业分析随着机械加工业的发展，制造行业对于带有自动换刀系统的高效高性能加工中心的需求量越来越大。在现有的各种类型的加工中心中，传统结构的自动换刀系统的造价在机床整机造价中总是占着很大比重，这是加工中心价格居高不下、应用不普遍的重要原因。如果把自动换刀系统的设计制造从现有加工中心的制造模式中分离出来，7把它作为加工中心的标准件或附件组织专门化的生产，同时由于该项技术的应用简化了机床主轴结构、采用弹簧夹头和外驱动机械手等关键技术、采用圆柱柄刀具和辅具，这不仅使数控机床工作性能有所提高，而且使得由它配
8、套构成的加工中心的总体造价大幅度下降。低造价高性能的加工中心将会被中小厂广泛接收，这样必将给自动换刀系统生产厂商和加工中心制造厂商带来巨大的经济效益。1.3 自动换刀装置在数控铣床中的性能特点及其重要性由于加工中心的自动换刀要求可靠准确，而且大大减少了许多不必要工序，自动换刀系统是当下数控铣床的重要组成部分，刀具夹持元件的结构特性及它与铣床主轴的连接方式，将直接影响铣床的加工性能，刀库结构形式及刀具交换装置的工作方式，则会影响铣床的换刀效率。自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度，又会对整机的成本造价产生直接影响。第二章 自动换刀装置（ATC）设计理念2.1 自动换刀装置的控制原理2.1.1 自
9、动换刀装置的传动系统在自动换刀装置的整个换刀过程中，换刀动作的控制由刀库控制部分、换刀机械手控制部分以及主轴相控制部分三部分组成，它们组成是一个互相联系的系统，如图 1-1 自动换刀装置的液压系统原理图，对其控制程作一下简要说明。图 1-1 自动换刀装置液压系统原理图81)刀库控制部分 采用该自动换刀装置的一个优点就是，在加工工件的同时，下一个工序所需用到的刀具可随刀库转到位置等候，这样可以减少整个换刀时间，提高生产效率。刀库自动换刀时，由一个 3 位 4 通电磁阀 YV1 控制，当 YV1 在右位接通时，换刀松开，而当 YV1 在左位接通时，则实现换刀锁紧动作。2)机械手控制部份 机械手自动
10、换刀时，在换上新刀前，首先进行的是拔刀动作，然是 180的回转动作，接着是插刀动作，最后是机械手的手爪退出换刀位置完成整个换刀过程，机械手拔刀、插刀动作是由一个 3 位 4 通电磁阀 YV5 控制，当 YV5 在右位接通时，进行插刀动作，而当 YV5 在左位接通时，则实现拔刀动作；机械手的 180 回转是由一个回转液压缸来完成，它由一个 3 位 4 通的电磁阀 YV7 来控制；机械手的换刀锁紧与换刀松开也是由一个 3 位 4 通的是电磁阀 YV6 控制，当 YV6 在右位接通时，实现换刀松开动作，而当 YV6 在左位接通时，则实现换刀锁紧动作。3)主轴箱控制部分 主轴准停后，主轴箱内的刀具自动
11、卡紧装置实现松开与锁刀功能，基其松刀、锁刀动作也是由一个 3 位 4 通电磁阀 YV4 控制，当 Y4 在右位接通时，实现松刀动作，而当 Y4 在左侠接通时，则实现锁刀动作。2.1.2 自动换刀装置的机械动作过程选刀即刀库按照选刀命令（或信息）自动将要用的刀具移动到换刀位置，完成选刀过程，为下面换刀做好准备，换刀即是机械手把主轴上用过的刀具取下，将选好的刀具安装在主轴之上。9换刀动作的大致过程为：1)主轴箱回到最高处（z 坐标零点） ，同时实现“主轴准停” ，即主轴停止回转并准确停止在一个固定不变的角度方位上，保证主轴端面的键也在一个固定的方位，使刀柄上的键槽能恰好对正端面键；2)机械手抓住主
12、轴和刀库上的刀具；3)把卡紧在主轴和发库上的刀具松开；4)活塞杆推动机械手下行，从主轴和刀库上取出刀具；5)机械手回转 180，交换刀具位置；6)将更换后的刀具装入主轴和刀库；7)分别夹紧主轴和刀库上的刀具；8)机械手松开主轴和刀库上的刀具；9)当机械手松开具后，限位开关发出“换刀完毕”的信号，主轴自由，可以开始加工或其他程序动作。在自动换刀的整个过程中，各项运动均由限位开关控制，只有前一个动作完成后，才能进行下一个动作，从而保证了运动的可靠性。2.2 自动换刀装置结构的构思一个机构系统在概念设计阶段，传统的方法总是根据需求获得需要的功能，随后进行方案设计。而产品往往缺乏创新性，对于加工中心自
13、动换刀装置，根据其特定的功能及结构特点，提出综合的设计思想：第一步，首先对现有换刀系统进行广泛研究和深刻了解，抽象出对象的特征，这是一个收敛准备；第二步，分析，即功能分解，从根本上说，机械系统总的功能要求是完成一定的工艺动作过程。因此对 ATC 来说，可以从它的总的功能要求出发，根据其换刀动作特点及设计要求，运用功能行为、结构的概念设计分析模式找出对应功能元件的多种结构。这是一个思维发散的过程；第三步，综合，结合机构系统的特点及设计要求和约束考虑其空间和时序关系，进行机构组合，最后进行评价选优，从而达到创新设计的目的。2.3 自动换刀装置（ATC）的形式及设计要求2.3.1 自动换刀装置的形式
14、加工中心与一般数控铣床的显著区别是具有对零件进行多工序加工的能力，即能在一次装夹中自动完成铣、镗、钻、扩、铰、功螺纹和内槽加工等，其之所以有这种加工能力，就是因为它有一套自动换刀装置。自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有三种；回转刀架10换刀、更换主轴换刀和带刀库的自动换刀系统。本课题设计此凯恩帝 XH-714 型数控立式铣床的自动换刀装置，考虑采用带刀库和机械手的自动换刀系统。2.3.2 自动换刀装置换刀动作分析及设计要求ATC 换刀动作主要有抓、插、拔刀和复位几个动作。换刀动作和换刀臂的型式有密切关系;ATC 设计特点及设计要求;从以上的分析介绍，可以得出
15、ATC 的设计特点和设计具有如下特点：属于典型的开链机构；ATC 各个组成部分的功能具有相对的独立性；组成结构与刀库、主轴之间的相对位置关系密切相关；ATC 的设计必须考虑铣床三轴运动的参与。同时，ATC 的设计应达到如下几项要求：1、换刀时间越短越好；2、换刀机构所占的空间小；3、机构构造简单；4、加工或换刀时，不可与工件或工作台发生干涉；5、能够在切削时间内完成换刀前的准备动作；6、刀库离开主轴一段距离，以减少切削和切削液的污染；7、刀库与换刀机构最好同铣床主体分开，防止振动对精度的影响；8、设计标准化或模块化；9、良好的可靠性和定位精度；10、足够的刀具夹紧和夹持力。第三章 自动换刀装置
16、（ATC）刀库设计3.1 刀库结构设计3.1.1 确定刀库形式由以上考虑 XH-714 数控立式铣床自动换刀装置的形式及设计要求以及其传动系统和机械动作过程等原因，决定采用轴向放置的鼓盘斗笠式刀库的形式。例如图 3-1 刀库结构图这种刀库结构简单，刀具排列较为紧凑，且取刀也较为方便， 能满足多工序的加工，能一次性放置多功能的加工刀具，大大缩短每图 3-1 刀库结构图11次装刀所需的装调时间，减少了更换刀具的次数，提高了工作效率也减少了换刀的麻烦。3.1.2 确定刀库容量决定刀库容量时，首先要考虑加工工艺的需要，同时还要调查分析同类型、相近规格的自动换刀铣床的刀库容量及其发展趋势。由于带自动换刀
17、装置的数控铣床主要是在多品种、单件小批生产时使用，因而应根据广泛的工艺统计，依大多数工件加工时需要的刀具数来确定刀库容量。例如，对功能较为齐全的加工中心而言，它可承担多个工件的切削任务，因而要配备刀具的种类和规格较多。通常，配备的刀具越多，铣床能加工工件的比率也越高，但它们并不是成正比例关系。图 3-2 为刀库容量与铣床能加工工件的比率统计曲线。刀库储存量过大，导致刀库的结构庞大而复杂,影响铣床总体布局；储存量过小，则不能满足复杂零件的加工要求。因此，刀库容量应在经济合理的条件下，力图将一组类似的零件所需的全部刀具装入刀库，以缩短每次装刀所需的装调时间。对自动换刀数控铣床的刀库容量，有关资料曾
18、对 15000 个零件进行分组统计，指出不同工序加工时必须的刀具数不同，如图 3-1 所示。由图可知，4 把铣刀可完成加工工件的 95左右的铣削工艺，10 把孔加工刀具可完成 70的钻削工艺， 14把刀的容量就可完成 70以上工件的钻铣工艺，配有 1440 把刀具的刀库就能够满足 70-95工件的加工需要。因此，对 XH-714 数控立式铣床，从使用和经济效率角度来看，容量为十六的刀库就可满足要求了。3.1.3 刀库托架的设计本设计所需托架有电机、刀库及机械手的安装托架。托架的设计应根据电机、刀库及机械手的尺寸重量大小和安装部位的形状尺寸等而刀库托架用于支承刀库，应根据刀库的外形尺寸和刀库满刀
19、时的最大重量对其进行设计，刀库图 3-2 刀具数量统计图12托架安装在主轴箱左侧的立柱两侧。XH-714 数控立铣的刀库形式设计及刀库容量的确定刀库托架设计采用的是鼓钟融洽式底座，材质用的是 45 钢， =60MPa,制造。3.1.4 机械手回转轴上的齿轮齿条设计1)回转轴上齿轮采用渐开线标准直齿圆柱齿轮形式2)取模数 M=1。5。初取齿数 z=303)下表为齿轮几何尺寸设计的基本参数见表 3-1表 3-1名称 代号 计算公式模数 m压力角 20o分度圆直径 d D=mz=1.5 30=45齿顶高 ahah1.5m齿根高 ff()(0.2)1.587c齿全高 h af.873齿顶圆直径 ad(
20、z2)().4h齿根圆直径 ffa125cm齿距 p 4.7p齿厚 s /23s4)齿条的基本尺寸，按外齿轮几何尺寸的计算公式进行计算。3.2 确定刀具的选择方式按数控装置的刀具指令，从刀库中将所需要的刀具转换到取刀位置，称为自动选刀。本设计中采用顺序选择刀具的方法选刀。刀具按预定工序的先后顺序插入刀库的刀座中，使用时按顺序转到取刀位置。用过的刀具放回原来的刀座内，也可以按加工顺序放入下一个刀座内。该法不需要刀具识别装置，驱动控制也比较简单，工作可靠。此外，装刀时必须十分谨慎，如果刀具不按顺序装在刀库中，将会产生严重的后果。加工时按顺序调刀。13在以上确定刀库容量时已经讨论可知数控铣床用四把刀
21、就可完成大多数的铣削加工。所以这个容量为十六把刀的刀库，几乎不存在加工过程中需要重复利用刀具的情况，所以刀具的选择方式确定为顺序选择刀具。该法不需要刀具识别装置，驱动控制也比较简单，工作可靠。3.3 刀库驱动转矩的校核蜗轮转速 =5r/min,所能传递的功率为 P=0.092 80 0.95=0.07 Kw,此2n 0时刀库的驱动转矩为：T= = =120.3NmT 0=8Nm，954Nn0.795其中 =0.9 为外花键带动刀盘回转的传动效率。由于 TT 0，所以，刀库驱动转矩满足要求。3.4 刀库转位机构传动的设计刀库转动定位机构的选择可采用遭轮机构，该机构具有冲击小，工作平稳性较高，机械
22、效率高，可以在较高转速下工作，且机构简单，易制造等优点。目前圆盘式刀库大多采用的是单头双导程涡轮蜗杆传动。此传动机构在使用中科随时调整涡轮蜗杆的传动间隙，实现准确的转位分度，保证刀库中工作的可靠性，但此传动机构较为复杂，而且单头双导程涡轮蜗杆传动。第四章 刀库和刀具交换装置的设计4.1 刀库和刀具交换部分的机械原理（采用机械手）4.1.1 机械手的机械原理及自动换刀过程的动作顺序下面是以在 XH-714 数控铣床的自动换刀装置中采用这种机械手换刀的工作原理。该机械手安装在主轴的左侧面，随同主轴箱一起运动。机械手由机械手臂与 45的斜壳体组成。机械手臂形状对称。可由液压缸带动，机械手有伸缩、回转
23、、抓刀、松刀等动作。4.1.2 机械手的自动换刀过程的动作顺序换刀时，它的一个顺序先在刀库中进行选刀，由机械手从刀库和主轴上取出刀具，然后交换位置，把新刀插入主轴，旧刀放回刀库。144.2 刀库和刀具交换装置的相关技术要求主轴准停止：为了传递扭矩在主轴的前端装有端键，当刀具刀柄装入锥孔时刀柄上的键槽位置必须与该键对准才能装入。当机械手从刀库取刀时，为了确保刀具其后能顺利地装入主轴锥孔中，必须使主轴准确地停在刀具交换位置上。XH-714 数控立式铣床的自动换刀装置，在每次自动装卸刀具时，都必须要求主轴准确地停止在固定的周向位置上。因此，可在主轴上安装电气控制的主轴准停装置以实现主轴准停功能。4.
24、3 自动换刀程序的编制T1 M6 M50 ;IF #1011!=0 GOTO 500 ; M50 ;M51 ; G00 G91 G30 P3 Z0 ;M05 ; M59 ;M19 ; M52 ;G00 G91 G30 P3 Z0; M56 ;IF #1003! =0 GOTO 300 ; G00 G91 G30 P2 Z0 ;M51 ; M58 ;IF #1015!=0 GOTO 200 ; M51 ;M51 ; M66 ;M56 ; M53 ;G00 G91 G30 P2 Z0 ; M51 ;M58 ; G90 ;M52 ; M57 ;M50 ; M99 ;G00 G91 G30 P3 Z0
25、 ; %M59 ;M66 ;IF #1007!=0 GOTO 500 ;第五章 换刀过程常见的故障及维修5.1 换刀过程常见的故障我们现在已经清楚了数铣刀盘换刀的一个大致流程，下面我们结合这些认识来分析一下换刀过程刀架换刀的模式，它分为两种换刀模式；一种是手动换刀，一种是通过 T 指令进行自动换刀。我们以手动状态为例，介绍一下换刀过程及常见故障。 故障现象一：一台配套 FANUC OMC 系统，型号为 XH-714 的数控铣床，在换刀过程中，主轴上移至刀爪时，刀库刀爪有错动，拔插刀时，有明显声响，似乎卡滞；15分析及处理过程；主轴上移至刀爪时，刀库刀爪有错动，说明刀库零点可能偏移，或是由于刀库
26、传动存在间隙，获知刀库上刀具重量不平衡而偏向一边。因为拔插刀别劲，估计是刀库零点偏移；将刀库刀具全部卸下将主轴手摇至 Y轴第二参考点附近，用塞尺测刀库刀爪与主轴传动键之间间隙，证实偏移；用手推拉刀库，也不能利用间隙使其回正；调整参数 7508 直至刀库刀爪与主轴传动键之间间隙基本相等，开机后执行换刀正常。故障现象二；一台配套 FANUC OMC 系统，型号为 XH-714 的数控铣床，在换刀过程中，刀库旋转时突遇停电，刀库停在随机位置。分析及处理过程；刀库停在随机位置，会影响开机刀库回零。故障发生后尽快用螺钉旋具打开刀库伸缩电磁阀手动钮让刀库伸出，用扳手拧开刀库齿轮箱方头轴，将刀库转到与主轴正
27、对，同时手动取下当前刀爪上的刀具，再将刀库电磁阀手动钮关掉，让刀库退回。经以上处理，来点后，正常可恢复正常。故障现在三；一台配套 FANUC OMC 系统，型号为 XH-714 的数控铣床，换刀时，手爪未将主轴中刀具拔出，报警，很紧。分析及处理；手爪不能将主轴中刀具拔出的可能原因有；1）刀库不能伸出 2）主轴松刀液压缸为动作 3）松刀机构卡死。复位，消除报警，如不能消除，则停电再送电。用手摇脉冲发生器将主轴摇下，用手动换刀主轴刀具，不能拔刀，故怀疑松刀液压缸有问题。在主轴后部观察，发现松刀时松刀缸未动作，而气液转换缸油位指示无油，检查发现其供油管脱落，重新安装好供油管，加油后，打开液压缸放气两
28、次，松刀回复正常。结束语：毕业设计期间，在指导老师的精心指导下，实践了数控立式铣床自动换刀装置（刀库式）的编制及设计以及技术的应用，深刻体会了数控加工技术的特点，了解到数控加工技术可靠性、实用性，也体现了它的普及性。通过这段时间的动手操作以及对刀库式换刀盘的资料收集中，基本熟悉了数控铣床自动换刀装置的传动系统和机械动作过程和加工程序的编制等相关技术的应用，达到了毕业设计的目的。设计完成以后，接下来的主要任务就是准备答辩。这是决定毕业设计成败16的关键阶段，我必须在再次认真检查设计的基础上，认真论证我设计的自动换刀装置的工作原理、可行性、可靠性以及不足之处等等，为答辩作好充分的准备。通过整个设计
29、阶段的自己努力，老师的指导和同学们的帮助，我有信心顺利通过毕业设计答辩。参考文献1铣床设计手册编写组，机应设计手册（3）北京：机械工业出版社，19862加工中心应用与维修编委会。加工中心应用与维修。北京：机械工业出版社，1997.3林东.数控技术M.北京:北京理工大学出版社,1995.4范俊广.数控铣床及其应用。北京：机械工业出版社，19925熊光华.数控铣床M. 北京:机械工业出版社,2001.6李峻勤,费仁元.数控铣床及其使用与维修M.北京:国防工业出版社,2000.7张柱银,陈思义,明兴祖.数控原理与数控铣床M.北京:化学工业出版社,2003.8陈锦昌,刘就女,刘林.计算机工程制图M.广
30、州:华南理工大学出版社,1999.9何存兴,张铁华.液压传动与气压传动第二版M.湖北:华中科技大学出版社,2000.17致谢语历时六个月的实习接近尾声了，我的设计也基本上圆满完成了，我们说毕业设计是完成教学计划达到专业培养目标的一个重要的教学环节，是教学计划中综合性最强的实践性教学环节，它在培养和提高我们综合运用专业知识分析和解决实际问题的能力。在论文完成之际，我要特别感谢学校、和公司。感谢他们给了我这个平台，这个工作机会。还有就是要特别感谢张 X 老师的热情关怀和悉心指导，此时回想过去设计的日子，体会多多，感慨也不少。无论是在论文的选题、构思和资料收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，18我都得到了导师悉心细致的指点和无私的帮助，特别是在最后的修改阶段，导师都详细检查后对我的设计给予详细的、全面的批评指正和修改建议。我根据指导老师的修改建议，进行再一次的修改，修改完后再请老师过目指导，直到指导老师认为基本没什么错误为止。这一阶段指导老师的点睛之笔是我设计不断完善的关键，使我终身收益，在此向导师表示真挚的谢意。
