数控铣床自动换刀化改造(刀库式加工中心)

第一章绪论
1.1 数控设备的发展历史
>第一代数控系统：1952年至1959年，采川电子管元件。

>第二代数控系统：1959年开始，采刖晶体管元件。

>第三代数控系统：1965年开始，采川集成电路。

>第四代数控系统：1970年开始，采刖人规模集成电路及小型通用计算机。

>第五代数控系统：1974年开始，采用微处理机和微型计算机。

1.2 自动换刀系统的意义
从换刀系统发展的历史米看，1956年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM公司同期也研制成功了“APT”（刀具程序控制装置）。

1958年美国K&T公司研制出带ATC(自动刀具交换装置)的加工中心。

1967年出现了FMS（柔性制造系统）。

1978年以后，加工中心迅速发展，带有ATC装置，可实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。

1.1.1 加工中心
加工中心机床的出现，加之CAD技术、信息技术、网络控制技术以及系统工程学的发展，为单机数控自动化向计算机控制的多机制造系统自动化方向发展，创造了必要的条件．计算机群控系统即直接数控(Direct NC-DNC)系统，就是这一发展趋向的具体体观。

DNC系统使用一台较大的计算机，控制与管理多台数控机床和数控加工中心，能进行多品种、多工序的加工。

加工中心机床配备有装载多把刀具的刀具库，有自动更换刀具的功能，一次装夹中可以完成钻、镗、铣、铰等工序，特别适用于箱体类零件的多面、多工序加工。

它能完成车削加工的同时，兼有铣、镗、钻孔、攻丝等功能。

1.1.2 柔性制造单元
柔性制造单元(FMC)是由中心控制计算机、加工中心与自动交换工件(AWC，APC)装置所组成。

工件一次装夹后可在柔性制造单元中的加工中心上加工，使得加工的柔性（可编程性）、加工精度和生产效率更高。

在柔性制造单元中，中心控制计算机负
责作业调度、自动检测与工况自动监控等功能。

工件装在自动交换工件装置（工作台）上在中心控制计算机控制下传送到加工中心上加工；加工中心接收中心控制计算机传送来的数控程序进行加工，并将工况数据送中心控制计算机处理，如工件尺寸自动检测和补偿，刀具损坏和寿命躲控等。

组成：它由加工中心、环形工件交换工作台、工件托盘及托盘交换装置组成环形工作台是一个独立的通用部件，与加工中心并不直接相连，装有工件的托盘在环形-工作台的导轨上由环形链条驱动进行回转，每个托盘上有地址编码。

当一个工件加工完毕后，托盘交换装置将加工完的工件连同托盘一起拖回至环形工作台的空位，然后，按指令将下一个加工的托盘与工件转到交换位置，由托盘交换装簧将它送到机床工作台上，定位夹紧以待加工。

已加工好的工件连同托盘转至工件的装卸工位，由工人卸下，并装上待加工的工件。

托盘搬运的方式多用于箱体类零件或大型零件。

托盘上可装夹几个不同的零件，也可装夹数个不同的零件。

对于车削或磨削中心等机床，可以使用工业机器人进行工件的交换。

由于机器人的抓重能力及同一规格的抓取手爪对工件形状，与尺寸的限制，这种搬运方式主要适用于小件或回转件的搬运。

柔性制造单元可以作为组成柔性制造系统的基础，也可以作独立的自动化加工设备。

由于柔性制造单元自成体系，占地面积小，成小低而且功能完善，加工适应范围广，故有廉价小型柔性制造系统之称。

1.1.3 柔性制造系统
柔性制造系统带有自动换刀装置的数控加工中心，是柔性制造的硬件基础，是制造系统的基木级别。

其后出现的柔性制造单元，是较之高一级的柔性制造系统，它一般由加工中心机床与自动更换工件的随行托盘或工业机器人以及自动检测与监控技术装备所组成。

由多台和存储，以及必要的工件清洗和尺寸检查设备，并由高一级的计算机对整个系统进行控制和管理。

可实现多品种的全部机械加工。

1.1.4 计算机集成制造系统
计算机集成制造系统:将车间制造过程的自动化，从生产决策、产品设计、市场预测直到销售的整个生产活动的自动化，特别是技术和管理科室工作的自动化的要求综合成一个完整的生产制造系统，即所谓的计算机集成制造系统，它将一个制造工厂的生产活动进行有机的集成，以实更高效益、更高柔性的智能化生产。

这是当今自动化制造技术发展的最高阶段。

1.3 自动换刀系统产品化的技术问题
为了更好地简化数拧机床主轴结构，尽可能地减小换刀机构对机床主轴结构优化设计带来的影响，采用弹簧夹头这一理想的刀具夹持元件，在机床主轴的设计上除了轴端制作出与弹簧夹头联结的专用结构外，机床主轴结构完全可以根据其优化耍求来确定，从而可最人限度地提高机床主轴的工作性能。

本研究以它巧妙的构思，对换刀机械手、刀具交换装簧、刀库结构形式：以及驱动机构进行了新的设计与讨论，改变了传统的结构模式。

在本项研究中要解决的主要问题有：
(1)研究适用于机床主轴结构并能满足自动换刀要求的高性能弹簧夹头结构模式弹簧夹头的结构及其制造工艺的优化程度并按影响着它的使用性能。

用于自动换刀的弹簧夹头必须具备夹紧力大，能够自锁和工作可靠的特点，而且还必须具有足够的夹持刚度，同时便于刀具的轴向精确定位。

(2)研究确定弹簧夹头与机床主轴头部可靠联结的结构方案弹簧夹头与主轴采用轴头联结，这种联结方式完全不影响机床主轴自身的优化设计。

弹簧夹头对定尺寸柄刀具或定尺寸柄辅具的夹紧放松动作采用主轴轴端外驱动工作方式。

因此要研究满足以上要求的主轴轴端结构形式。

(3)换刀机械手与驱动装簧的研究
换刀机械手的主要任务是，完全模拟人手的换刀动作，给机床主轴与弹簧夹头提供相对转动实现夹紧、放松刀具的动作。

机械手应具备足够的转矩，该转矩还必须恒定（可调）。

同时还应使机械手具备结构紧凑、占据空间小的特点，以适应不同类型机床的换刀空间，换刀机械手完全采用电磁机械传动，以求最大限度地降低自动换刀系统的成本造价。

(4)刀库结构及刀库驱动方式的研究
要在总结现有数控机床刀库类型、刀架结构、刀库驱动方式的基础上，研制出夹持圆柱形定尺寸柄刀具或辅具的刀片形式、刀架结构和刀具交换装置。

同时包括刀库的驱动、定位机构、刀具编码方式的研究。

(5)智能型控制系统的研究
自动换刀系统采用单片机或PLC控制，它通过几条与主控机的联络信号线以及系统内设置的自诊断、自适应功能实现对换刀系统的全自动控制管理。

本研究已取得了阶段性成果，并获得了国家专利。

该项研究包括：采用高性能弹簧夹头夹持刀具，使用外驱动机械手完成刀具的夹紧、放松，系统配簧扩展型链式刀库和刀具交换装簧，整机采用电磁机械传动、PLC控制，换刀系统具有夹紧力大、夹紧力恒定（可调）、自动复位以及各种自检保护功能，同时具有占据空间小的特点。

研究的最终目标是，期望能够形成一种结构紧凑、工作稳定可靠、造价低廉、可供不同类型数控机床选型配套的智能型高性能自动换刀系统系列产品。

1.4 自动换刀系统产品化的前景
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，传统结构的白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，把它作为加工中心的标准件或工件组织专用化的生产，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链技术、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，而且使得由它配套构成的加工中心的总体造价人幅度下降。

低造价高性能的加工中心将会被中小生产厂家广泛接收，这样必将给自动换刀系统生产批厂商和加工中心制造商带来巨人的经济效益。

1.5 自动换刀装置(A TC)的选择
自动换刀装置( ATC)是加工中心、车削中心和带交换冲头数控冲床的基本特征。

尤其是加工中心，ATC装置的投资往往占整机的30%-50%。

因此，用户应十分重视ATC 的工作质量和刀库储存量，ATC的工作质量主要表现为换刀时问和故障率。

经验表明，加工中心故障中有50%以上与ATC有关。

因此用户应在满足使用要求的前提下尽量选用结构简单和可靠性高的ATC，以降低整机的价格。

第二章换刀系统
数控机床(CNC machinery)集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体，是典型的机电一体化产品，具有模块化特点。

因此普通数控铣床与加工中心相在结构与功能上有很人的互换性。

2.1 数控立式铣床与加工中心的简介及区别
2.1.1 数控铣床简介
数控铣床是一种加工功能很强的数控机床，是数控铣床中数量最多、应用最广的一种。

其机械部分与普能铣床基本相同，主要功能有：点位控制能力、连续轮廓控制能力、刀具长度补偿功能、镜像加工功能、同定循环功能等其它特殊功能。

2.1.2 加工中心简介
加工中心是和数控铣床的基础上再配以刀具库和自动换刀系统而构成的，其主要结构、功能与数控铣床基本相同。

2.2 常用自动换刀装置简介
2.2.1 更换主轴换刀
更换主轴换刀是一种比较简单的换刀的换刀方式。

这种机床的主轴就是一个转塔刀库。

主轴头有卧式和立式两种，常用转塔内转位来更换主轴头，以实现自动换刀。

在转塔的各个主轴头上，预先安装各工序所需要的旋转刀具，当发出换刀指令时，各轴头依次地转到加工位置，并接通木轴运动，使相应的主轴带动刀具旋转。

而其它不处于加工位置的主轴头与主运动分离。

由于空间位置的限制，主轴部件的结构不可能设计得十分坚实，因而影响了主轴系统的刚度。

为了保证主轴的刚度，主轴数目必须加以限制，否则将会使结构尺寸大为增加。

转塔主轴头换刀方式的主要优点在于省去了自动松夹、卸刀、装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作。

从而提高了换刀的可靠性，并显著地缩短了换刀时间。

但由于上述结构上的原因，转塔主轴头通常只是用于工序较少、精度要求不太高的机床，
例如数控钻床等。

图2-11所示为八轴立式铣床的转塔结构外形。

2.2.2 带刀库的自动换刀系统
带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换机构组成。

首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准刀柄上，在机外进行尺寸预调整后，按一定的方式放入刀库中去，换刀时先在刀库中进行选刀，并由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具，在进行交换刀具之后，将新刀具装入主轴，把旧刀具放回刀库。

刀库具有较大的容量，它既可以安装在土轴箱的侧面或上方，也可作为单独部件安装到机床以外，并由搬运装置运送刀具。

与转塔主轴头相比较，由于带刀库的自动换刀装置数控机床主轴箱内只有一个主轴，设计主轴部件就有可能充分增强它的刚度，因而能满足精密加工的要求。

另外，刀库可以存放数量很大的刀具，因而能够进行复杂零件的多工序加工，这样就明显提高了机床的适应性和加工效率。

(l)有机械手的换刀（刀库—与机械手—主轴）该装置由刀库和刀具交换系统机构组成。

如图2-22所示
(2)无机械手的换刀（刀库—主轴）该装置是通过主轴直接与刀库进行换刀，换刀时主轴必须先将刀具放同刀库后才能取刀。

如图2-33所示。

图2-11 图2-22 图2-23
2.3.1 换刀形式
数控机床的刀具交换方式通常分为由刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换和采用机械手交换刀具两类。

刀具的交换方式和它们的具体结构对机床的生产率和工作
可靠性有直接的影响。

由刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换的装置，在换刀时必须先将用过的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出新刀具，这两个动作不可能同时进行，因此换刀时间长。

采用机械手进行刀具交换的方式应用最为广泛，这是因为机械手换刀有很大的灵活性而且可以减少换刀时问。

目前在加工中心上绝大多数都使用记忆式的任选换刀方式。

这种方式能将刀具号和刀库中的刀套位置（地址）对应地记忆在数控系统的PC 中，不论刀具放在哪个刀套内部始终记忆着它的踪迹。

刀库上装有位置检测装置（一般与电动机装在一起），可以检测出每个刀套的位置，这样刀具就可以任意取出并送回。

刀库上还设有机械原点，使每次选刀时，就近选取，如对于盘式刀库来说，每次选刀运动或者说正转或反转不会超过180度。

我选用的是XK320为改造对象，对其进行加工中心改造。

选用的是有机械手的自动换刀装置即主轴—手—刀库换装置（图2-31）。

图2-31
2.4 圆盘式刀库自动换刀装置机构和动作原理
2.4.1 刀库型号及特点
采用BT50-24TOOL圆盘式刀库行动换刀装置，刀库容量为24把刀、刀柄／拉钉型号为BT40/LDA-40BT、换刀时间为2.7秒（小含刀库转动）、最大刀具长度300mm、最大刀具重量l0kg、刀具允许最人直径为80、刀库电机输出AC0.09，电压为100V。

如图2-41所示。

特点如下：
(1)刀库的旋转为电动机托动（具有电磁制动装置），靠电气实现刀库旋转方向（具
有近刀功能）、换刀位置检测及定位控制，结构简单，工作可靠。

(2)机械手换刀采用先进的凸轮换刀结构，实现电气和机械联合控制。

(3)倒刀控制采用气功控制，通过气缸的磁环开关检测控制。

(4)全机械式换刀，避免液压泄漏，降低了故障率。

(5)换刀时间仅为2.7秒，大大提高了机床工作效率。

2-41 BT50-24TOOL圆盘式刀库结构简图
(a)圆盘式刀库结构简图(b) 凸轮换刀机械手简图
1-刀库旋转电机2-刀库刀位计数开关3-刀库刀位复位开关4-刀库的刀座5-机械手换刀电动机停止开关6-机械手扣刀定认开关7-机械手原点确认开关8-倒刀气缸回定位开关9-回刀气缸伸出定位开关10-机械手换刀电动机11-机械手12-圆柱凸轮13-杠杆14-锥齿轮15-凸轮滚子16-主轴箱17-十字轴18-刀套
2.4.2 自动刀交换动作原理及过程
(l)程序执行到选刀指令T代码时，系统通过方向判别后，控制刀库电机l正转或反转，刀库中刀位计数开关2开始计数（计算出到达换刀点的步数），当刀库上所选的刀具转到换刀位置后，旋转刀库电机立即停转，完成选刀定位控制。

如图2-42a所示。

(2)当T代码执行后，倒刀电磁阀线圈得电，气缸推动选刀的刀套向下翻转90度（倒下），倒刀位检测信号开关8（磁环开关）发出信号，完成倒刀控制，同时这个信号还是交换刀具的开始信号。

如图2-42b所示。

(3)执行到交换刀具指令，交换刀具指令一般为M06（实际上是调换刀子程序），首先主轴自动返回换刀点（一般是机床的第二参考点），且实现主轴准停，然后换刀电机10起动运行，通过锥齿轮14，凸轮滚子15、十字轴1 7带动机械手从原位逆时针旋转60度，进行机械手抓刀控制，当机械手扣刀定认开关6发出到位信号后，换刀电动机10立即停止主轴刀具夹紧松开。

如图2-42c所示。

(4)主轴刀具松开后，换刀电动机10起动运行，通过圆柱凸轮12、十字轴13带动机械手下降，进行拔刀控制，机械手完成拔刀后，换刀电动机10继续运转，连续完成一下个换刀动作。

如图2-42d所示。

(5)当机械手完成拔刀控制后，通过锥齿轮14、凸轮滚子1 5、十字轴17带动机械手逆时针旋转180度，使主轴刀具与刀库刀具交换位置。

然后通过圆柱凸轮12、杠杆13使机械手上升，把交换后的刀具插入主轴锥孔和刀库的刀套中。

机械手完成插刀后，换刀电动机停止开关5（接近开关）发出信号使电动机立即停止。

刀具插入主轴锥孔后，刀具的自动夹紧机构夹紧刀具。

如图2-42e所示。

(6)当机械手扣刀到位检测信号开关6（接近开关）再次接通后，换刀电动机10起动运行，通过锥齿轮14、凸轮滚子1 5、十字轴17带动机械手顺时针转动60度，回到机械手原点位置。

机械手原位到位开关7接通后，换刀电动机10立即停止，如图2-42f所示。

(7)当机械手同到原位后，机械手原位到位开关7（接近开关）接通，回刀电磁阀线圈获电，气缸推动刀套向旧翻转90度，为下一次选刀做准备。

回刀气缸伸出定位开关9（磁环开火）接通，完成整个换刀控制，如图2-42g、h所示。

图2-42 机械手换刀动作分解图
第三章换刀系统的设计
BT50-24TOOL圆盘式刀库行动换刀装置，其结构与功能出厂时已经固定，在这里所说的换刀系统的设计是指其安装与控制部分的设计。

3.1 换刀系统安装
3.1.1 安装方式
(l)整机式，将刀库与换刀装置挂在机床立柱上，再在立柱的另一边挂一配重器。

这样做，其优点是结构紧凑，稳定，不易产生刀库位置偏移。

其缺点是要求立柱的承载能力比较强。

(2)分离式，另设支撑立柱米，将刀库与换刀装置固定在其上。

这样做，其优点是结构结构简单，容易安装，不必考虑机床立柱的承载能力。

其缺点是容易出现刀库位置偏移，换刀出现碰撞。

3.1.1 安装尺寸
换刀系统的安装尺寸主要是确定刀库与主轴的相对位置，由于机械手的长度尺寸是一定的，且机械手的扣刀动作的位置（同时也是插刀与拔刀时的位置）是与垂直方向呈60度夹角。

故刀库与主轴中心的水平距离为800sin600度mm。

如图：3-11所示。

3.2 液压与气动系统的设计
现代数控机床床，实现整体机制全自动化控制中，除数控系统外，还需要配备液压和气动装置来辅助实现整机的自动运行功能。

一个完整有液压或气动系统是由能源部分、执行机构、控制部分、辅助部分组成。

图3-11
3.2.1 气动的设计
气动传动以为气为传动介质的传动系统。

其特点：气源容易获得、反应速度快( 0.02S)、动作迅速、维护方便、管路不易堵塞、不易发生过载，还可以用于降温。

缺点是：工作压力较低( 0.3~1Mpa)空气压缩比大，故输出功率低（输出力不宜大于10～40KN）。

综上特点，设计些系统是用于刀库的倒刀与回刀、主轴的吹气（作用是吹走主轴内的冷却液等杂质），系统如图3-21所示。

图3-21 气动系统图
1-气缸2-单相调速阀3-三位四通电磁阀4-消声器5-压力表6-压力继电器7-气动
三联件8-而为三天电磁阀9减速阀
注意事项：选用的气源压力为0.5Mpa力，因此气源压力至少就恒为0.6 Mpa以上。

主轴吹气回路压力设定为0.3Mpa。

刀库倒刀同路压力设定为0.5Mpa。

三联件的调整：调节压力时首先先将调节手轮拨至调节位置，转动手轮至所需要的压力(0.5Mpa)，然后垂直压下，锁定手轮，保持压力稳定。

3.2.2 液压的设计
液压系统的设计：液压系统工作平稳可靠、易于调节、传动介质为高压力的油性介质，因此适合大功率输出的系统。

此机床的液压系统工程主现用于主轴退刀，亦可也用于机械手的换刀控制，由于我采用的是三相交流电机直接驱动机械手，所以在这里不用更改原机床的液压系统，直接沿用原系统即可。

如图3-22所示。

3.3 电气系统的设计
3.3.1 电气系统设计原则
(l)保证数摔机床稳定、可靠地运行，数控机床运行的稳定性、可靠性在某种程度上决定于电气控制部分的稳定性、可靠性，数控机床在加工车间，其使用的条件、环境比较恶劣，极易造成数控系统的故障。

为此必须采取相应的措施以保证系统的稳定。

(2)安全，电气控制电路的设计应高度重视保证人身安令、设备安全，要符合有关的安全规范和标准。

各种指示及信号易识别，操纵机构易操作，易切换。

3.3.2 换刀手动控制按钮盒设计
换刀手动控制地指，机床在非MEM、MDI模式下通过手动按钮实现对换刀动作的控制。

其控制的功能为刀库的正反转、倒刀．回刀、主轴定向、刀库原点指示灯，其中所有的按钮都有指示灯。

其用是用于刀库的回复位（即回刀库原点），检测或换刀失败后手动倒刀与回刀。

如图3-32所示。

图3-32按钮盒
3.3.3 电气系统的设计
(l)机械手电机刀库电机的控制的强电部分的设计。

KM4为ATC电机接触器，由于ATC电动机只作一个方向的运转，其逆时针、须时针旋转是靠ATC内部的机械机构．来进行转换的，故换刀动作只有一个接触器。

KM5、KM6分别为刀库电机正、反转控制接触器，正反电机之间互锁。

该电路中有感性负载继电器、电动机在关断时会产生强烈的脉冲噪声，影响其他电路的正常工作，必须在感性负载处加吸收电路抑
制瞬态噪声，其吸收电路如图3-33a中的FV10。

同样其它电路也有RC灭弧装料。

图3-33a
（2）接触器电路的设计，这里主要是实现PMC输出信号的变化接通或断开的控制。

KA7、KA3、KA4分别为控制接触器KM4、KM5、KM6线圈得电的物理中间继电器。

如图3-33b所示。

图3-33b
(3)液压、气动电磁阀电路。

分别由物理继电器KA9、KA5、KA6、KA12控制YVI、YV13、YV14、YV17电磁阀。

如图3-33c所示。

图3-33c
(4)下图为PMC输出，输出信号Y2.0、Y2.1分别为刀库塔电机正反转的信号，对应输出为中间继电器KA3、KA4。

输出信号Y2.2、Y2.3分别为刀库倒刀与回刀（气动电磁阀）的信号，对应输出为中间继电器KA5、KA6。

输出信号Y2.4为机械手换刀的信号，对应输出为中间继电器KA7。

输出信号Y2.5为主轴吹气的信号，对应输出为中间继电器KA8。

输出信号Y2.6为主轴退刀（液压电磁阀）机械手换刀的信号，对应输出为中间继电器KA9。

如图3-33d所示。

图3-33d
(5) PMC输入／输出，SQ为信号开关分别对应刀具夹紧确认、刀具松开确认、倒刀气缸伸出定位、同刀气缸缩同定位、刀库刀位计数开关、刀库刀位复位开关、机械手扣刀定位开关、机械手原点确认开关，分别与图2-41相对应。

KA3～KA9为输出继电器，分别对应刀库的正转、刀库的反转、刀库倒刀、刀库回刀、机械手动作、主轴退刀。

Xl002. 0～X1002.3和X1002.6是换刀系统在非AUTO与MDI模式下手动输入信号，分别对应刀库正转、刀库反转、刀库倒刀、刀库回刀、主轴退刀（机床本身已有，位于主轴立柱上）、主轴定向。

如图3-33e所示。