加工中心自动换刀系统设计(盘式)—刀库设计

加工中心自动换刀系统设计（盘式）—刀库设计
刀库是自动换刀装置中最主要的部件之一，其容量、布局以及具体结构对加工中心的设计有很大影响。

16刀刀库是在小型加工中心应用最为广泛，根据使用的场合和实际运用的要求，设计了相应的16刀的圆盘式刀库，并且对它的控制进行了一定的研究。

论文首先对16刀刀库总体设计方案进行阐述，阐述其各部件的工作原理，然后就刀库的结构设计与控制分章节对各个部分进行计算与设计。

刀库的结构设计是本文研究的重点，传动部分为蜗杆蜗轮的一种减速装置，对于该装置中的蜗杆、蜗轮以及相关的轴都进行了详细的计算;控制部分为刀库送刀部分，由液压控制和PLC控制完成。

绪论
本章首先从数控机床的发展历程引出加工中心的发展趋势，再具体到本次设计针对的刀库的任务要求，明确了本设计任务的主要内容。

1引言
1952年世界上出现了第一台数控机床，使多品种、中小批量的机械加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。

1958年第一台加工中心问世，它将多工序（铣、钻、镗、铰、攻丝等）加工集于一身；适应加工多品种和大批量的工件；增加机床功能（自动换刀、自动换工件、
自动检测等），使自动化程度和加工效率上了一个新台阶；使无人化（或长时间无人操作）加工成为现实。

加工中心已成为柔性制造系统、计算机集成制造系统和自动化工厂的基本单元。

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，受到世界各工业发达国家的高度重视，技术迅速发展，品种和数量大幅度增加，成为当今世界机械加工设备中最引人注目的一类产品。

1.1加工中心简介
1.1.1加工中心的发展简史
1952年世界上出现第一台数控机床，使多品种、中小批量的机械加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。

它用易于修改的数控加工程序进行控制，因而比大批量生产重使用组合机床生产线和凸轮、开关控制的专用机床有更大的柔性，容易适应加工件品种的变化，进行多品种加工。

它用数控系统对机床的工艺功能、几何图形运动功能和辅助功能实行全自动的数字控制，因为有更高的自动化程度和加工效率，大大改变了中小批量生产中普通机床占整个机械加工的状况。

数控机床能实现两坐标以上联动的功能，其效率和精度比用手工和样板控制加工复杂零件要高得多。

1958年第一台加工中心在美国卡尼、特雷克（Kearney&Trecker）公司问世。

现代加工中心的内容是什么？第一，它是在数控镗床或数控铣床的基础上增加自动换刀装置，可使工件在一次装卡中，能够自动更换刀具，自动完成工件上的铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等工序的数控机床。

第二，加工中心上如果带有自动分度回转工作台或自动转角度的
主轴箱，可使工件在一次装卡中，自动完成多个平面和多个角度位置的多工序加工。

第三，加工中心上如果带有交换工作台，工件在工作位置的工作台上进行加工的同时，另外的工件在装卸位置的工作台上进行装卸，不影响加工的进行。

由上述可知，加工重心在加工的柔性、自动化程度和加工效率上，在一般数控机床的基础上又上了一个新的台阶，又是一次新的变革。

加工中心的定义是什么？目前世界上并无标准定义，但目前普遍认为是指：在工件一次装卡中，能够实现自动铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等多工序的数控机床。

更为明确的说法是：加工中心就是自动换刀数控镗铣床。

这就把加工中心与自动换刀数控车床或车削中心区别开来。

1.1.2加工中心的结构组成
加工中心的组成岁机床的类别、功能、参数的不同而有所区别。

机床本身分基本部件和选择部件，数控系统有基本功能和选用功能，机床参数有主参数和其它参数。

机床制造厂可根据用户提出的要求进行生产，但在同类机床的基本功能和部件组成一般差别不大。

从总体上看，加工中心基本上由以下几大部分组成。

1、基础部件主要由床身、立柱和工作台等大件组成。

它们是加工中心的基础结构，要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削负载，因此必须是刚度很高的部件。

这些大件可以是铸铁件也可以是焊接的刚结构件，是加工中心中重量和体积最大的部件。

2、主轴系统主要由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零部件组成。

主轴的启动、停止和变转速等动作均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。

主轴系统是加工中心的关键部件，其结构的好坏，对加工中心的性能有很大的影响。

3、数控系统主要由CNC装置、可编程序控制器、伺服驱动装置以及电动机等部分组成，它们是加工中心执行顺序控制动作和完成加工过程的控制中心。

4、自动换刀系统主要由刀库、自动换刀装置等部件组成。

刀库是存放加工过程所要使用的全部刀具的装置。

当需要换刀时，根据数控系统的指令，由机械手（或通过别的方式）将刀具从刀库取出装入主轴孔中。

刀库有盘式、链式和鼓式等多种形式，容量从几把到几百把。

机械手的结构根据刀库与主轴的相对位置几结构的不痛也有多种形式。

如单臂式、
双臂式。

回转式和轨道式等等。

有的加工中心利用主轴箱或刀库的移动来实现换刀。

5、辅助系统包括润滑、冷却、排屑防护、液压和随机检测系统等部分。

辅助系统虽不直接参与切削运动。

但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起到保障作用，因此也是加工中心中不可缺少的部分。

另外，为进一步缩短非切削时间，有的加工中心还配备了自动托盘交换系统。

例如，配有两个自动交换工件托盘的加工中心，一个安装工件在工作台上加工，另一个则位于工作台外进行工件的装卸。

当完成一个托盘上工件的加工后，便自动交换托盘，进行新零件的加工，这样可以减少辅助时间，提高加工效率。

1.1.3加工中心的分类
按照加工中心形态不同进行分类，可分为立式、卧式和五坐标加工中心。

立式加工中心（如图1-1）立式加工中心的主轴轴心线为垂直状态
图1-1 立式加工中心
配置，结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形，适合加工小型板类、盘类、壳体类零件。

卧式加工中心（如图1-2）卧式加工中心是指主轴轴线为水平状态设置的加工中心，通常都带有可进行分度回转运动的正方形分度工作台。

卧式加工中心一般具有3~5个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标(沿X、Y、Z轴方向)加一个回转运动坐标(回转工作台)，它能够使工件在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，最适合箱体类工件的加工。

图1-2卧式加工中心
3、五坐标加工中心五坐标加工中心间距立式和卧式加工中心的功能，工件一次装夹后能完成除安装面外的所有侧面和顶面等五个面的加工，因此也叫五面加工中心。

常见的五坐标加工中心有两种结构形式，一种是主轴可以90︒旋转，另一种是工作台可以90︒旋转。

加工中心的主要优点
（1）提高加工质量工件一次装夹，即可实现多工序集中加工，大大减少多次装夹所带来的误差。

另外，由于是数控加工，较少依赖操作者的技术水平，可得到相当高的稳定精度。

（2）缩短加工准备时间加工中心既然可以顶替多台通用机床，那么加工一个零件嗦需准备时间，是每台加工单元所损耗的准备时间之和。

从这个意义上说，加工中心的准备时间显然短得多。

（3）减少在制品以往的加工方式是工件流动与多台通用机床之间，这就要有相当数量的在制品，而在加工中心上加工，即可发挥其“多工序集中”的优势，在一台机床上完成多个工序，就能大大减少在制品数量。

（4）减少刀具费把分散设置在各通用机床上的刀具，集中在加工中心刀库上，有可能用最少量的刀具，实现公共有效利用。

这样既提高刀具利用率，又减少了道具数量。

（5）最少的直接劳务费由NC装置实现多工序加工的信息集约化和一人多台管理，以及用工作台自动托盘交换装置（Automatic Pallet Changer简称APC）等辅助装置，实现夜间无人运转。

这些都可缩减直接劳务费。

（6）最少的简介劳务费由于工序集中，工件搬运和质量检查工作量都大为减少，这就使间接劳务费最少。

（7）设备利用率高加工中心设备利用率为通用机床的几倍。

另外，
由于工序集中，容易适应多品种、中小批量生产。

1.1.4加工中心的发展趋势
立式加工中心主要的用户层面为,以看好的汽车零部件行业为首，还有模具、飞机、医疗设备、IT、光学设备等行业。

在飞机制造业因绝大多数加工件为多品种、小批量的产品，因此五轴加工机为主的立式加工中心有潜在的需求。

今后电子零部件、精密机枝零部件、半导体模具等行业也具有需求潜力。

各生产厂家面对预期需求扩大的飞机、模
立式加工中心主要的用户层面为,以看好的汽车零部件行业为首，还有模具、飞机、医疗设备、IT、光学设备等行业。

在飞机制造业因绝大多数加工件为多品种、小批量的产品，因此五轴加工机为主的立式加工中心有潜在的需求。

今后电子零部件、精密机枝零部件、半导体模具等行业也具有需求潜力。

各生产厂家面对预期需求扩大的飞机、模具、半导体等行业，正在抓紧开发五轴加工机。

和几年前的以生产一般零部件为主的立式加工中心形成鲜明对比的，突出以加工模具为主的设备方案不断从厂家出现，由此可明显地看出对高速、高效、高品位加工的需求正在增加。

针对高精度加工，一些厂家比较注重研制对不易切削材质搞重切削加工的机型。

同时，以减少工件更换时间和集中工序为目的的复合化加工技术也在不断创新。

为进一步提高效率，有些厂家正在尝试在立式加工中心的控制轴方面再加上l~2个轴，形成五轴控制，样对于形状复杂的工件和自由曲面等工件都可完成一次装卡加工。

在产品开发方面，由于用户的要求更加严格，不得不在保持低价位的同时不断追求高性能的技术。

由于正在加快适应环保要求的新技术开发，因此，更加需要可以调整品种、数量的可形成柔性线结构的设备。

现在干式切削也在研制之中，如已经出现的使用高纯度氮气的干式加工系统，以氧化来控制精度变化。

同时为改善作业环境、提高经济效率，对于切屑的处理也采用了易于回收的方式。

卧式加工中心
卧式加工中心因其加工面是垂直的，切屑易脱落，比较适应时间无操作。

又因是模块结构，可以短时间内导入最适当规模的系统。

因其无人操作时间较长，在成本费用方面与单机相比效果更好。

从用户需求来看，对卧式加工中心的要求更加趋向于适应多品种小批量的生产，要求加工设备能够灵活地适应工序集中导致的生产型加工件的变化。

现在由于汽车厂家的设备投资呈上升趋势，需求可望进一步扩大。

此外，因对于产品制造的认识和对生产体系的看法正在发生根本的转变，由此而派生的新的生产体系可能对能形成柔性线的小型机种产生需求。

着手生产以上机型的厂家在追求高速、高精度的同时，还在如何使机体小型化及成本控制方面下功夫。

也就是说此类产品的开发重点在于机体的小型化、适应形成柔性线体系方面。

从技术开发动向来看，是谋求提高主轴转速、进给速度、提高精密度、并将对应热变位、模块化等集中体现出来。

其中，作为机床基本课题的高速化研究也不断取得成果。

由于提高进给速度直接关系到产品的加工时间，以利提高生产效率，因此在高速进给技术方面，驱动装置采用直线电机的机型正在增多。

同时也有厂家在开发不使用直线电机，采用进给轴以大导程滚珠丝杠为驱动，进给加速度1.5G~ 2G、快速进给速度120 mm／min的高速卧式加工中心。

并在主轴上采用双面约束刀具、主轴转速为 2 万r/min、快速进给速度为60 m/min、以尽量缩短重复定位、刀至刀等的非切削时间。

为解决速度提高带来的热变位影响，防止精度下降，一般都采用独自的补正
装置或主轴冷却结构、冷却装置等。

数控立式车床
适合于加工大直径、大吨位外圆型工件的立式车床，也被各行业采用。

由于其市场的局限性，产品在很大程度上反应了用户的意向，很多是以专用机的形式交货投付使用的，这也是用户和厂家形成密切联系的原因。

最近，对中出口看好的建设机械厂家对立式车床的需求令人瞩目，造船行业的订货则似乎暂告一段落。

从去年起，数控车床生产厂家期待着在飞机、高性能发电机、风力发电机等方面设备投资比较活跃的重电机行业的订货。

由于市场在交货期、质量、价格方面的要求越来越高，一些中小规模的设备用户为缩短产品的生产周期，更青睐一次装卡、可搞多种加工的复合型加工机。

考虑到环保要求而采用半干式加工的需求也在增加，根据这类用户的要求，OM制作所以产学协作的方式开发出采用气化热半干式加工技术，并加强了节省能源的措施，控制了电力的使用。

现在，市场对于提高了通用性的、低价位的小型数控立式车床的需求仍在扩大，同时，和卧式数控车床一样，带有加工中心意识的功能型复合机的开发研制比较活跃。

例如，随着对复杂形状工件成品加工要求的提高，也在研制将立式车床功能加上钻、攻丝、镗等旋转方面的加工功能。

因配置了C轴，不同的复合加工也可通过一次装卡进行。

此外，在以切削为主的同时，加上采用单刀具的双面约束ATC方式后，在铣加工功能方面也见到不少可进行重切加工的工序集约型产品。

本文研究的主要内容——刀库
2刀库的类型
刀库是自动换刀装置中最主要的部件之一，其容量、布局以及具体结构对加工中心的设计有很大影响。

刀库是用来储存加工刀具及辅助工具的地方。

由于多数加工中心的取送刀位置都是在刀库中的某一固定刀位，因此刀库还需要有使刀具运动及定为的机构来保证换刀的可靠。

其动力可采用液动机或电动机，如果需要还要有减速机构。

刀库的定为机构是用来保证更换的每一把刀具或刀套都能准确地停在换到位置上。

其控制部分可以采用简易位置控制器或类似半闭环进给系统的伺服位置控制，也可以采用电气和机械相结合的销定为方式，一般要求综合定为精度达到0.1~0.5mm。

根据刀库所需要的容量和取刀方式，可以将刀库设计成多种形式。

图1-3列出了常用的几种刀库。

图1-3~
a d是但盘式刀库，为适应机床主轴的布局，刀库的刀具轴线可以按不同的方向配置，图1-3d是刀具可作90 翻转的圆盘刀库，采用这种结构能够简化取刀动作。

单盘式刀库的结构简单，取刀也较为方便，因此应用最为广泛。

但由于圆盘尺寸受限制，刀库的容量较小（通常装15~30把刀）。

图1-3 刀库的形式
a）轴向式b）径向式c）斜向式d）刀具翻转式e）鼓筒弹夹式f）链式g）多盘式h）格子式
当需要存放更多数量的刀具时，可以采用图1-3~
e h形式的刀库，它们充分利用了机床周围的有效空间，且刀库的外形尺寸又不致过于庞大。

图1-3e是鼓筒弹夹式刀库，其结构十分紧凑，在相同的空间内，它的刀库容量较大，但选刀和取刀的动作较复杂。

图1-3f是链式刀库，其结构有较大的灵活性，存放刀具的数量也较多，选刀和取刀动作十分简单。

当链条较长时，可以增加支撑链轮的数目，使链条折迭回绕，提高了空间利用率。

图1-3g和1-3h分别为多盘式和格子式刀库，它们虽然也具有结构紧凑的特点，但选刀和取刀动作复杂，较少应用。

2.1刀库的类型
加工中心上普遍采用的刀库是盘式刀库和链式刀库。

密集型的固定刀库目前于用于FMS中的集中供刀系统。

（1）盘式刀库盘式刀库结构简单，应用较多，如图1-4所示。

由于刀具环形排列，空间利用率低。

因此出现了将刀具在盘中采用双环或多环排列，以增加空间的利用率。

但这样一来使刀库的外径过大，转动惯量也很大，选刀时间也较长。

因此，盘式刀库一般适用于刀具容量较少的刀库。

图1-4 盘式刀库的形式
a）径向取刀形式b）轴向取刀形式c）刀具径向安装d）刀具斜向安装（2）链式刀库如图1-5所示，链式刀库的结构紧凑，刀库容量较大，链环的形状可以根据机床的布局配置成各种形状，也可将换刀位突出以利换刀。

当链式刀库需增加刀具容量时，只需增加链条的长度和支承链轮的数目，在一定范围内，无需变更线速度及惯量。

这些特点也为系列刀库的设计与制造带来了很大的方便，可以满足不同使用条件。

一般刀具数量在30~120把时，多采用链式刀库。

图1-5 链式刀库的形式
本文所设计的刀库
由于是使用在小型加工中心上，所以采用的是圆盘刀库的结构形式，以下是介绍本设计的结构组成与传动过程。

换刀过程
在介绍刀库结构之前，先了解一下换刀过程。

刀库位于立柱左侧，其中刀库的安装
方向与主轴轴线垂直，换刀前应改变在换刀位置的刀具轴线方向，使之与主轴轴线平行。

某工序加工完毕，主轴定向后，可由自动换刀装置换刀，如图1-6所示。

（1）刀套下翻换刀前，刀库2转动，将待换刀具5送到换刀位置。

换刀时，带有刀具5的刀套4下翻90︒，使刀具轴线与主轴轴线平行。

（2）机械手抓刀机械手1从原始位置顺时针旋转75︒（K向观察），两手爪分别抓住刀库上和主轴3上的刀具。

（3）刀具松开主轴内的刀具自动夹紧机构松开刀具。

（4）机械手拔刀机械手下降，同时拔出两把刀具。

（5）刀具位置交换机械手带着两把刀具逆时针旋转180︒（K向观察），交换两把刀具位置。

（6）机械手插刀机械手上升，分别把刀具插入主轴锥孔和刀套中。

（7）刀具夹紧主轴内的刀具自动夹紧机构加紧刀具。

图1-6 换刀过程示意图
1—机械手2—刀库3—主轴4—刀套5—刀具
（8）液压缸活塞复位驱动机械手逆时针旋转180︒的液压缸活塞复位（机械手无动作）。

（9）机械手松刀机械手1逆时针旋转75︒（K向观察），松开刀具回到原始位置。

（10）刀套上翻刀套带着刀具上翻90︒。

2.2刀库的结构与传动
（1）刀库的结构组成如图1-7所示，为盘式刀库结构示意图。

它主要由电动机蜗杆蜗轮、刀盘、刀套、液压缸、及拨叉等构建组成。

其盘
式刀库的具体机构，如图1-8所示。

（2）刀库的选刀过程根据数控系统发出的选刀指令，直流伺服电动机1经联轴器2和蜗杆3、蜗轮4带动刀盘12和安装其上的16个刀套11旋转相应角度，完成选刀的过程。

（3）刀套翻转过程待换刀具转到换刀位置时，刀套尾部的滚子10转入拨叉8的槽内。

这是，液压缸5的下腔通入液压油，活塞带动拨叉上升，同时松开行程开关7，用以断开相应电路，防止刀库、主轴等出现误动作。

拨叉上升，带动刀套下翻90︒，使刀具轴线与主轴轴线平行，同时压下行程开关6，发出信号使机械手抓刀。

反之，拨叉下降，带动刀套上翻90︒。

图1-7 刀库结构示意图
1—电动机2—联轴器3—蜗杆4—蜗轮5—液压缸6、7—行程开关8—拨叉9—挡标10—滚子11—刀套12—刀盘
图1-8 刀库结构图
1—电动机2—联轴器3—蜗轮4—蜗杆5—液压缸6—活塞杆7—拨叉8—挡标9、10—行程开关11—滚子12—销轴13—刀套14—刀盘
2.3刀库驱动电动机的选定
驱动刀库，目前常见的方式有伺服电动机驱动和液动机驱动两种，我国加工中心都选用伺服电机驱动方式，故在本设计中也将采用伺服电动机来驱动。

2.3.1按负载转矩选
加在伺服电动机轴上的负载转矩
L T ，应比电动机额定连续转矩
S T 小。

圆盘式刀库负载转矩计算方法，这种刀库的负载转矩1T ，主要来自刀具重量的不平衡。

其计算方法如下：
将三把最重刀具挨在一起，按加工中心规格规定的最大刀具重量max W 计算，而其重心则设定为离刀库回转中心半径处。

设刀库半径为300mm ，刀具最大重量为8kg 。

所以 189.8/30023.52T kg N kg mm N mm =⨯⨯=
把如上计算的负载转矩，转换为电机轴上的转矩L T 的公式为：
ηi T T L 1
= 式中：i ——传动比；
η——传动效率。

本设计中，为了降低传动速度，所以传动比定为20=i 。

传动效率为：2123ηηηη=总
20.720.990.99=⨯⨯
0.699=
式中：1η——联轴器的传动功率；
2η——蜗杆的传动功率；
3η——轴承的传动功率。

∴ 123.52
1.68200.699L T T N mm i η===⨯
考虑到实际情况比计算时所设定条件复杂，电机额定转矩S T 应为负载转
矩的1.2~1.5倍，亦即：
(1.2~1.5)s L T T >
(1.2~1.5) 1.68S T N mm >⨯
(2.016~2.52)S T N mm >
2.3.2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
a T 和负载转矩L T ，即：
a L T T T >+ 加速转矩a T 按下式计算：
2()()60a m L a nm T J J N m t π=+ 式中：m n ——刀库选刀时的电动机转速(/min)r ；
a t ——加速时间，通常取150~200（ms ）；
m J ——电动机转子惯量； L J ——负载惯量折算到电动机轴上的惯量。

设计中，初选1000/min m n r =，20.032m J N m s =，20.016L J N m s =，
180 1.8a t ms s ==。

∴ 2()60m a m L a n T J J t π=
+ 2 3.141000(0.0320.016)60 1.8⨯⨯=⨯+⨯ 2.79N m =
∴ a L T T T >+
2.79 1.68T >+
4.47T >
加速时的最大转矩T 应小于电机的最大转矩max T ，即：
max T T <
2.3.3校验
20.016L J N m s =
2
0.032m J N m s =
∴ L m J J <
∴该结果满足条件。

根据以上计算结果，所选电机型号如下： 表2-1 所选电机型号
S ） max T )m
max n 309 1000 2.3.4分配传动比
在前一章中以介绍为了降低传动的速度，传动比选为20. 各轴转速 Ⅰ轴
1000/min
m n n r I ==
Ⅱ轴 100050/min 20n n r i =
==ⅠⅡⅠ
各轴的输入功率 Ⅰ轴 1 2.50.99 2.475d P P kw
η==⨯=Ⅰ
Ⅱ轴
23 2.4750.720.99 1.764P P kw ηη==⨯⨯=ⅡⅠ
各轴的输入转矩 电动机的输入转矩
d
T 为:
6
6 2.59.55109.5510238751000d d m P T N mm n =⨯=⨯⨯= 故: Ⅰ轴 1238750.9923636.25d T T N mm
η==⨯=Ⅰ
Ⅱ轴
2323636.250.720.9920336958.38T T i N mm ηη==⨯⨯⨯=ⅡⅠ
表2-2 分配传动比 mm ） 23875 23636.25 336958.38
3刀库传动机构的设计
3.1初定刀套线速度
刀套线速度影响选刀效率，但是过快的线速度又影响刀库工作可靠性。

一般推荐为22~30m/min ，在本次设计中，刀套线速度初定为25m/min 。

3.2刀库传动方式
为使伺服电机在最佳状态下工作，一般不采用伺服电机的低速段。

这就要采用蜗轮减速装置了。

以下为蜗杆传动的设计计算：
蜗杆采用45#钢，表面硬度>45HRC ，蜗杆材料采用ZCuSn10P1，砂型铸。