数控机床自动换刀装置的主要类型、特点及适用范围
加工中心自动换刀装置类型综述及设计特点(1)
文章编号:100622343(2001)032049203加工中心自动换刀装置类型综述及设计特点刘建慧, 邹慧君(上海交通大学 机械工程学院,上海 200030)摘 要:在对国内外加工中心(Machine Center ,简称MC )自动换刀装置(Autotomatic Tool Changer ,简称A TC )广泛调查研究的基础上,对加工中心A TC 的组成结构、类型、特点以及各部分的相互关系做了系统全面的分析和归纳,进一步分析了自动换刀装置各部分的功能、基本换刀动作及其设计要求。
提出A TC 的创新设计问题以及抽象—分析—综合三步走的创新设计思想,为加工中心自动换刀装置系统化的创新设计做了有意义的探索。
关键词:加工中心;ATC;创新设计中图分类号:TH2/605 文献标识码:A 收稿日期:2000201217 自动换刀装置(Automatic Tool Changer )简称A TC ,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削时间,以提高生产率、降低生产成本,进而提升机床乃至整个生产线的生产力。
所以A TC 在加工中心中扮演着极重要的角色。
1 A TC 的组成及分类 加工中心与一般数控机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、攻螺纹和内槽加工等。
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。
自动换刀装置是指能够自动完成主轴与刀具储存位置之间刀具交换的装置。
A TC 的主要组成部分是刀库、机械手和驱动装置。
刀库的功能是存储刀具并把下一把即将要用的刀具准确地送到换刀位置,供换刀机械手完成新旧刀具的交换。
当刀库容量大时,常远离主轴配置且整体移动不易,这就需要在主轴和刀库之间配置换刀机构来执行换刀动作。
完成此功能的机构包括送刀臂、摆刀站和换刀臂,总称为机械手。
具体来说,它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。
自动换刀装置
为完成对工件的多工序加工而设置的存储及更换 刀具的装置称为自动换刀装置（Automatic Tool Changer, ATC）。 自动换刀装置应当满足的基本要求为：
刀具换刀时间短且换刀可靠。 刀具重复定位精度高。 足够的刀具储存量。 结构简单，便于制造、维修、调整。 布局合理，机床总布局美观大方。
编码识别装置
接触式刀具识别装置的原理
非接触式磁性识别原理图
光导纤维刀具识别原理图
刀座编码方式
对每个刀座都进行编码，刀具也编号，并将刀具放到与 其号码相符的刀座中，换刀时刀库旋转，使各个刀座依次经 过识刀器，直至找到规定的刀座，刀库停止旋转。
如图所示为圆盘形刀库的刀 座编码装置。在圆盘的圆周上均 匀分布若干个刀座，其外侧边缘 上装有相应的刀座识别装置2。 刀座编码的识别原理与刀具编码 完全相同.
(6)主轴箱及主轴带着刀具上升；
(7)机床工作台快速向左返回，将刀库 从主轴下面移开，同时将工件移至主轴 数控立式镗铣床
下面，使主轴上的刀具对准工件的加工
面。
四、刀具交换装置
1、利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换
这种自动换刀装置只有一个刀库， 不需要其他装置，结构极为简单，然而 换刀过程却较为复杂。 另外，由于刀库置于工作台上，因 而减少了工作台的有效使用面积。这种 换刀装置多用于小型低价位的加工中心。
转塔头主轴通常只适应于工序较少，精度要求 不太高的机床，如数控钻床、铣床等。
一、自动换刀装置的型式——转塔头式换刀装置
优点： 省去了自动松、夹、装刀、卸刀以及刀具搬运等一系 列的复杂操作，从而缩短了换刀时间（仅为2s左右）， 并提高了换刀的可靠性。
缺点： 由于空间位置的限制，使主轴部件结构不能设计得十 分坚实，因而影响了主轴系统的刚度。为了保证主轴的 刚度，必须限制主轴数目，否则将使结构尺寸大大增加。
数控机床的分类、特点与应用范围PPT(30张)
7、机床
组成：由主运动部件、进给运动部件（工作台、 拖板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、 床身等）以及特殊装置（刀具自动交换系统 工 件自动交换系统）和辅助装置（如排屑装置 等）。
第二节、数控机床的分类
1、按加工工艺分类
普通数控机床： 如：数控车床、数控铣床、数控磨床、数控钻床等等
第一章 绪论
数
控
机
数控人才需求
“蓝领层”数控技术人才： 承担数控机床的具体操作及日常简单维护
工作的技术工人。 “灰领层”数控技术人才：
承担数控编程的工艺员和数控机床维护、维 修人员。 “金领层”数控技术人才：
具备并精通数控操作、数控工艺编程和数 控机床维护、维修所需要的综合知识，积累了 大量实际经验，知识面广。
数控系统：数控设备的数据处理和控制电路以及伺 服机构等统称数控控制系统。它由程序输入\输出 设备、计算机数字控制装置、可编程控制器、主轴 进给及驱动装置等组成。
三、计算机数控的发展
23.05.2019从1952年至今，数控机床按数控系统 的发展经历了五代。
第一代：1955年 数控系统以电子管组成，体积 大，功耗大。
1、控制介质
控制介质是记录零件加工程序的媒介
输入装置
将所输入的程序载体上的数控程序变成相应 的电脉冲信号，传送并存入数控装置内。
3、数控装置
数控装置是接受输入装置送来的脉冲信号，经过 编译、运算和逻辑处理后，输出指令控制机床的 各个部分，按程序动作的装置。
4、伺服驱动装置
伺服驱动装置的作用是把来自CNC装置的各种 指令（脉冲信号），经过功率放大后，驱动电动 机运转，通过机械传动装置拖动工作台或刀架运 动。
数控人才知识结构
数控机床及其维护第2章练习题答案
第2章思考与练习题答案1. 数控机床与普通机床相比，在机械传动和结构上有哪些特点？答案：（1）高刚度数控机床要在高速和重负荷条件下工作，因此，机床的床身、立柱、主轴、工作台、刀架等主要部件，均需具有很高的刚度，工作中应无变形或振动。
（2）高灵敏度数控机床通过数字信息来控制刀具与工件的相对运动，它要求在相当大的进给速度范围内都能达到较高的精度，因而运动部件应有较高的灵敏度。
（3）高抗震性数控机床的一些运动部件，除应具有高刚度、高灵敏度外，还应具有高抗振性，即在高速重切削情况下应无振动，以保证加工工件的高精度和高的表面质量。
特别要注意的是应避免切削时的谐振，因此对数控机床的动态特性提出更高的要求。
（4）热变形小机床的主轴、工作台、刀架等运动部件，在运动中常易产生热量，而工艺过程的自动化和精密加工的发展，对机床的加工精度和精度稳定性提出了越来越高的要求。
（6）可靠性机床在自动条件下工作，这就要求机床具有高可靠性，像在工作中动作频繁的刀库、换刀机构、工件交换装置等部件都具有自锁和互锁装置保证在长期工作中十分可靠。
2. 数控机床的主传动系统有哪些要求？答案：与普通机床比较，数控机床主传动系统具有下列特点：（1）转速高、功率大。
它能使数控机床进行高速、大功率切削，实现高效率加工。
随着涂层刀具、陶瓷刀具和超硬刀具的发展，数控机床切削速度也不断的提高。
（2）所选用的电机主要使用新型的交流伺服电动机，而不在采用普通的交流异步电动机或传统的直流调速电动机。
（3）变速范围大，可实现无级调速。
数控机床的主传动系统要求有较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。
（4）具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪声低。
主传动件的制造精度与刚度高，耐磨性好；主轴组件采用精度高的轴承及合理的支承跨距，具有较高的固有频率，实现动平衡，保持合适的配合间隙并进行循环润滑。
（5）具有特有的刀具安装结构。
机床数控技术及应用-自动换刀装置相关知识
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•
6.4.1自动换刀装置的分类
无机械手的换刀装置一般把刀库放在主轴箱可以运动到的位置 ，即整个刀库或刀库的某一刀位能移动到主轴箱可以到达的位置 。刀库中刀具的存放方向一般与主轴箱的装刀方向一致。换刀时 通过主轴和刀库的相对运动执行换刀动作，利用主轴取走或放回 刀具。
机械手换刀是利用机械手实现主轴和刀库间刀具交换的方 式。它可以克服无机械手换刀的缺点，刀具交换速度快， 刀具数量多，刀库布局灵活，使用范围广。但其结构通常 较复杂，制造成本高。
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•
6.4.1自动换刀装置的分类
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•
பைடு நூலகம்
6.4.1自动换刀装置的分类
•
6.4.1自动换刀装置的分类
（3）刀架定位 刀架体7转动时 带动电刷座 10转动，当转到程 序指定的位置时，粗定位销 15 在弹簧力的作用下进入粗定位 盘6的槽中进行粗定位，同时电 刷13接触导体使电动机1反转。 由于粗定位槽的限制，刀架体 7不能转动，使其在该位置垂直 落下，刀架体7和刀架底座5上 的端面齿啮合实现精确定位 ；
（1）刀架抬起 当数控装置发 出换刀指令后，电动机 1起动 正转，并经联轴器 2使蜗杆 3 转动，从而带动蜗轮丝杠4转动 。刀架体 7的内孔加工有螺纹 与丝杠联结，蜗轮4与丝杠为整 体结构。当蜗轮开始转动时， 由于刀架底座5和刀架体 7上的 端面齿处于啮合状态，且蜗轮 丝杠轴向固定，因此刀架体 7 抬起 。
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•
6.4.1自动换刀装置的分类
在加工中心上，由于刀具被安装于主轴上，换刀必须在主轴 和刀库之间进行，为此，必须设计专门的自动换刀装置和刀 库，其刀具的交换方式通常可以分为无机械手换刀和带机械 手换刀两大类。
机械制造装备设计9
11 1
刀柄 刀具识别装置
次线圈 编码环 检测线圈
(a)
(b)
非接触式磁性识别
光导纤维刀具识别
利用PLC（可编程控制器）实现随机换刀
3.4.4 带有刀库的自动换刀装置
（四） 换 刀 机 械 手
常见的机械手形式
3.4.4 带有刀库的自动换刀装置
1）单臂单爪回转式机械手 可以回转不同的角度进行自动换刀，手臂上只有 一个夹爪，不论在刀库上或在主轴上，均靠这一个夹 爪来装刀及卸刀，因此换刀时间较长。
3.4.4 带有刀库的自动换刀装置
2）单臂双爪摆动式机械手 手臂上有两个夹爪，两个夹爪有所分工，一个 夹爪只执行从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务， 另一个夹爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任 务，其换刀时间较上述单爪回转式机械手要短。
3.4.4 带有刀库的自动换刀装置 3）单臂双爪回转式机械手 手臂两端各有一个夹爪，两个夹爪可同时抓取刀 库及主轴上的刀具，回转180°后又同时将刀具放回 刀库及装入主轴。换刀时间较以上两种单臂机械手均 短，是最常用的一种形式。图右边的一种机械手在抓 取刀具或将刀具送入刀库及主轴时，两臂可伸缩。
3.4.2 机床的几种典型刀架
（3）双排回转刀架：外圆类、内孔类刀具分别布 置在刀架的一侧面。回转刀架的回转轴与主轴倾 斜，每个刀位上可装两把刀具，用于加工外圆和 内孔。
3.4.2 机床的几种典型刀架
回转刀架的工位数最多可达20多个，但最常用的 是8、10、12和16工位4种。工位数越多，刀间夹 角越小，非加工位置刀具与工件相碰而产生干涉 的可能性就越大，因此在刀架布刀时要给予考 虑，避免发生干涉现象。
数控机床作业答案
数控机床作业答案The document was prepared on January 2, 2021数控机床第二次作业第二章一、填空题1数控机床的机械部分一般由主传动系统、进给传动系统、基础支承件、辅助装置组成.2数控机床高速主轴单元的类型主要有电主轴、气动主轴、水动主轴等.3滚珠丝杠螺母副运动具有可逆性,不能自锁,立式使用时应增加制动装置.4为防止系统快速响应特性变差,在传动系统各个环节,包括滚珠丝杠、轴承、齿轮、蜗轮蜗杆、甚至联轴器和键联接都必须采取相应的润滑措施.5数控机床的主轴箱或滑枕等部件,可采用卸荷装置来平衡载荷,以补偿部件引起的静力变形.6数控机床床身采用钢板的焊接结构既可以增加静刚度,减小结构质量．又可以增加构件本身的阻尼.7直接驱动的回转工作台是伺服驱动电动机与回转工作台的集成,它具有减少传动环节、简化机床的结构等优点.8检测装置精度直接影响闭环控制数控机床的定位精度和加工精度.9在自动换刀过程中常见的选刀方式有顺序选刀和任意选刀两种.10在加工中心的基础上配置更多 5个以上的托盘,可组成环形回转式托盘库,称为柔性制造单元FMC .二、选择题1数控加工中心的主轴部件上设有准停装置,其作用是CA提高加工精度B提高机床精度C保证自动换刀,提高刀具重复定位精度 ,满足一些特殊工艺要2滚珠丝杠预紧的目的是 CA增加阻尼比,提高抗振性 B提高运动平稳性C消除轴向间隙和提高传动刚度 D加大摩擦力,使系统能自锁3数控机床进给系统采用齿轮传动副时,为了提高传动精度应该有消隙 A 措施.A齿轮轴向间隙 B齿顶间隙C齿侧间隙 D齿根间隙4静压导轨与滚动导轨相比,其抗振性 A .A 前者优于后者B 后者优于前者C 两者一样5光栅利用 C ,使得它能测得比栅距还小的位移量.A细分技术 B数显表C莫尔条纹的作用 D高分辨指示光栅6在采用ATC后,数控加工的辅助时间主要用于 A .A 工件安装及调整B 刀具装夹及调整C 刀库的调整7在下列特点中,B 不是数控机床主传动系统具有的特点.A转速高、功率大 B变速范围窄C主轴变换迅速可靠 D主轴组件的耐磨性高三、判断题1数控机床的气压装置因空气黏度小,在管路中的能量损失小,适于远程传输及控制使用. √2数控铣床立柱采用热对称结构可以减少热变形对加工件的精度影响. √3滚珠丝杠螺母副的作用是将回转运动转换为直线运动. √4数控机床主传动系统的作用就是产生不同的主轴切削速度,以满足不同的加工条件要求. √5数控机床传动丝杠反方向间隙是不能补偿的. ×6进给运动是以保证刀具相对位置关系为目的. √7刀具在刀库中的位置是固定不变的. ×四、简答题1、数控机床的机械结构应具有良好的特性,主要包括哪些方面①高的静、动刚度及良好的抗振性能②良好的热稳定性③较高的灵敏度④高效化装置、高人性化操作2、数控机床的主轴变速方式有哪几种试述其特点及应用场合.①带有变速齿轮的主传动特点：通过少数几对齿轮降速,扩大输出扭矩,以满足主轴低速时对输出扭矩特性的要求.应用：大、中型数控机床采用这种变速方式.②通过带传动的主传动特点：电动机本身的调速就能够满足要求,不用齿轮变速,可以避免齿轮传动引起的振动与噪声.它适用于高速、低转矩特性要求的主轴.常用的是三角带和同步齿形带.③用两个电动机分别驱动主轴特点：这是上述两种方式的混合传动,具有上述两种性能.高速时电动机通过皮带轮直接驱动主轴旋转,低速时,另一个电动机通过两级齿轮传动驱动主轴旋转,齿轮起到降速和扩大变速范围的作用,这样就使恒功率区增大,扩大了变速范围.克服了低速时转矩不够且电动机功率不能充分利用的问题.但两个电机不能同时工作,也是一种浪费.④由调速电动机直接驱动的主传动特点：调速电机与主轴用联轴器同轴联接,这种方式大大简化了主传动系统的结构,有效地提高了主轴部件的刚度,但主轴输出扭矩小,电机发热对主轴精度影响较大.⑤内装式电主轴: 即主轴与电机转子合二为一.特点：优点是主轴部件结构更紧凑,重量轻,惯量小,可提高启动、停止的响应特性,并利于控制振动和噪声.缺点同样是热变形问题.3、试述滚珠丝杠螺母副的特点有哪些它是如何工作的常用间隙调整方法有哪些滚珠丝杠螺母副的特点：①摩擦损失小,传动效率高.②灵敏度高,传动平稳,不易产生低速爬行现象,随动精度和定位精度高.③磨损小,寿命长,精度保持性好.④给予适当预紧,可消除丝杠与螺母的螺纹间隙,进而反向可消除空程死区,从而提高反向传动精度和轴向刚度.⑤运动具有可逆性,即能将旋转运动转换为直线运动,或将直线运动转换为旋转运动,因此不能自锁,丝杠立式使用时,应增加制动装置.⑥制造工艺复杂,成本高.工作原理：在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽,当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道.螺母上有滚珠回路管道,将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的循环滚道,并在滚道内装满滚珠.当丝杠旋转时,滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动.因而迫使螺母或丝杠轴向移动.常用的双螺母丝杠消除间隙方法有：1双螺母垫片调隙式2双螺母齿差调隙式3双螺母螺纹调隙式4、自动排屑装置有哪几种类型各适合于什么场合：1平板链式排屑装置；将屑通过链带提升实现液屑分离,这种装置能排除各种形状的切屑,适应性强,各类机床都能采用. 2刮板式排屑装置；将屑通过链带提升,用带有刮板链板.这种装置常用于传送各种材料的短小切屑,排泄能力较强.3螺旋式排屑装置.用螺旋槽水平或小角度排屑.只适合沿水平或小角度的直线运动排屑.5、数控机床的工作台有哪些形式各自的特点是什么1工作台应用:直线进给运动2回转工作台应用：圆周进给运动.有回转工作台和分度工作台两种.3摆动工作台应用：摆动进给运动.四轴、五轴联动的加工中心的A轴、B轴的摆动仅给运动可以由摆动工作台实现.4直接驱动的回转工作台组成：是伺服驱动电动机与回转工作台的集成.优点：减少传动环节、简化机床的结构等.6、数控机床的主传动方式由哪些各有何特点1带有变速齿轮的主传动特点：通过少数几对齿轮降速,扩大输出扭矩,以满足主轴低速时对输出扭矩特性的要求.应用：大、中型数控机床采用这种变速方式.2 通过带传动的主传动特点：电动机本身的调速就能够满足要求,不用齿轮变速,可以避免齿轮传动引起的振动与噪声.它适用于高速、低转矩特性要求的主轴.常用的是三角带和同步齿形带.应用：这种传动主要应用在转速较高、变速范围不大的机床.3用两个电动机分别驱动主轴特点：这是上述两种方式的混合传动,具有上述两种性能.高速时电动机通过皮带轮直接驱动主轴旋转,低速时,另一个电动机通过两级齿轮传动驱动主轴旋转,齿轮起到降速和扩大变速范围的作用,这样就使恒功率区增大,扩大了变速范围.克服了低速时转矩不够且电动机功率不能充分利用的问题.但两个电机不能同时工作,也是一种浪费.7、数控机床对自动换刀装置有什么样的要求自动换刀装置有哪些种类要求：换刀时间短,刀具重复定位精度高,足够的刀具储备量,占地面积小,安全可靠等.加工中心的自动换刀装置及刀库类型1转塔式换刀装置①垂直转塔式；②水平转塔式2刀库式换刀装置①无机械手换刀方式；②机械手换刀方式；③机械手和刀具运送器.3成套更换方式换刀装置①更换转塔头；②更换主轴箱；③更换刀库.8、数控机床的导轨有什么作用有哪些类型各自的特点是什么作用：对运动部件起支承和导向作用.类型：一．滑动导轨优点：具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等.缺点：是静摩擦系数大,且动摩擦系数随速度变化而变化,摩擦损失大,低速时易出现爬行现象,降低了运动部件的定位精度.目前多数采用贴塑导轨.贴塑导轨的优点：贴塑滑动导轨的特点是摩擦特性好、耐磨性好、运动平稳、减振性好、工艺性好.二．滚动导轨优点：1灵敏度高,运动平稳,低速移动时不易出现爬行现象；2定位精度高；3摩擦阻力小,移动轻便,磨损小,精度保持性好,寿命长.缺点：抗振性较差,对防护要求较高,结构复杂,制造比较困难,成本较高.三种结构形式：1滚珠导轨；2滚柱导轨；3滚针导轨.9、简述数控机床液压和气压装置的特点.1液压传动装置机构输出力大,机械结构更紧凑、动作平稳可靠,易于调节和噪声较小,但要配置液压泵和油箱,当油液渗漏时污染环境.2气压装置装置结构简单,工作介质不污染环境,工作速度快和动作频率高,适合于完成频繁启动的辅助工作,过载时比较安全,不易发生过载损坏机件等事故.。
加工中心的刀库种类及换刀形式
自动换刀数控机床多采用刀库式自动换刀装置。
带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换机构组成，它是多工序数控机床上应用最广泛的换刀方法。
换刀过程较为复杂，首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准的刀柄上，在机外进行尺寸预调整之后，按一定的方式放入刀库，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。
在进行刀具交换之后，将新刀具装入主轴，把旧刀具放回刀库。
存放刀具的刀库具有较大的容量，它既可安装在主轴箱的侧面或上方，也可作为单独部件安装到机床以外。
1、刀库的种类刀库用于存放刀具，它是自动换刀装置中的主要部件之一。
根据刀库存放刀具的数目和取刀方式，刀库可设计成不同类型。
常见的几种刀库的形式有哪些。
(1)直线刀库，刀具在刀库中直线排列、结构简单，存放刀具数量有限(一般8把-12把)，较少使用。
(2)圆盘刀库。
，存刀量少则6把-8把，多则50把-60把，有多种形式。
刀具径向布置，占有较大空间，一般置于机床立柱上端。
刀具轴向布置，常置于主轴侧面，刀库轴心线可垂直放置，也可以水平放置，较多使用。
刀具为伞状布置，多斜放于立柱上端。
为进一步扩充存刀量，有的机床使用多圈分布刀具的圆盘刀库，多层圆盘刀库)和多排圆盘刀库。
多排圆盘刀库每排4把刀，可整排更换。
后三种刀库形式使用较少。
(3)链式刀库。
链式刀库是较常使用的形式，常用的有单排链式刀库和加长链条的链式刀库。
(4)其他刀库。
格子箱式刀库，，刀库容量较大。
单面式，多面式。
2、换刀方式数控机床的自动换刀装置中，实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具交换装置。
(1)无机械手换刀。
必须首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。
(2)机械手换刀。
采用机械手进行刀具交换的方式应用得最为广泛，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间。
自动换刀装置的形式---回转刀架换刀
8.4.1 自动换刀装置的形式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，目前常见的有以下几种。
1．回转刀架换刀数控机床使用的回转刀架是最简单的自动换刀装置，有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。
回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力：同时要保证回转刀架在每次转位的重复定位精度。
图8-17为数控车床六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。
在加工轴类零件时，可以用四方回转刀架。
由于两者底部安装尺寸相同，更换刀架十分方便。
图8-17 数控车床六角回转刀架1－活塞2－刀架体3、7－齿轮4－齿圈5－空套齿轮6－活塞8－齿条9－固定插销10、11－推杆12－触头回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，它的动作分为4个步骤：(1)刀架抬起当数控装置发出换刀指令后，压力油由a孔进入压紧液压缸的下腔，活塞1上升，刀架体2抬起，使定位用的活动插销10与固定插销9脱开。
同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮5结合。
(2)刀架转位当刀架抬起后，压力油从c孔进入转位液压缸左腔，活塞6向右移动，通过联接板带动齿条8移动，使空套齿轮5作逆时针方向转动。
通过端齿离合器使刀架转过60º。
活塞的行程应等于齿轮5分度圆周长的1/6，并由限位开关控制。
(3)刀架压紧刀架转位之后，压力油从b孔进入压紧液压缸上腔，活塞1带动刀架体2下降。
齿轮3的底盘上精确地安装有6个带斜楔的圆柱固定插销9，利用活动插销10消除定位销与孔之间的间隙，实现反靠定位。
刀架体2下降时，定位活动插销10与另一个固定插销9卡紧，同时齿轮3与齿圈4的锥面接触，刀架在新的位置定位并夹紧。
这时，端齿离合器与空套齿轮5脱开。
(4)转位液压缸复位刀架压紧之后，压力油从d孔进入转位液压缸的右腔，活塞6带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮3在轴上空转。
如果定位和夹紧动作正常，推杆11与相应的触头12接触，发出信号表示换刀过程已经结束，可以继续进行切削加工。
加工中心自动换刀控制系统毕业设计
摘要机床的发展与应用，大大降低了零件加工的辅助时间，极大的提高了生产率。
随着数控机床的普及应用，机械加工的自动化程度大大提高，数控机床发展成了当今普遍应用的一种更新、更先进的制造设备即加工中心。
加工中心带有刀库和自动换刀装置，能对工件按预定程序进行多工序加工的高度自动化的多功能的数字控制机床。
自动换刀装置应当满足换刀时间短、刀具存储量足够、刀具的安置空间小以及安全可靠等基本要求。
加工中心的关键在于CNC对刀库的自动选刀和刀库、机械手与主轴间的自动换刀，加工中心出现故障80%都在上述方面本课题就是针对现有的自动换刀装置进一步减少换刀时间，利用PLC对刀库的选刀控制和刀库、机械手与主轴间的自动换刀控制以及刀库精确定位。
利用PLC控制液压传动机构，使液压传动更加稳定和精确。
关键词：ATC，刀库，PLC，自动选刀，液压传动AbstractWith the development of NC, the automatic tool changer system is More and moreimportant in the modern advanced manufacture, because the ATC can shorten the cycle time of produ ct manufacturing, improve the precision of product machining. The latestrequirements of machine tool user comprise of diversification of control object,complexity of process, flexible of application and high reliability.The function of tool magazine is that stores the tool and moves the tool which will be used in the n ext manufacturing process to the right changeover position and robot willfinish the change over tool When the tool magazine's capacity is so big and the distance of tool position is more far away the principal axis, there need the tool exchanging unitto implement the changeover work between the principal axis and tool magazine. Theframework of this function include the robot, tools rotation station and changeov er robot. PLC control the use of hydraulic transmission, made hydraulic transmission to morestable and accur ate.Key words: ATC，tool magazine，PLC，tool exchange at random，Hydraulic transmissionII目录第一章绪论 (1)1.1 国内外数控机床的发展情况 (1)1.1.1 国内外数控机床的现状 (1)1.1.2 数控机床发展趋势 (2)1.2 可编程控制技术的现状及发展情况 (3)1.2.1 可编程控制器的特点 (3)1.2.2 可编程控制器的应用 (4)1.2.3 可编程控制器的发展趋势 (6)1.3 本文的主要研究意义与内容 (7)第二章机械手的自动换刀装置研究 (8)2.1 数控机床自动换刀装置的主要类型、特点及适用范围 (8)2.1.1 自动回转刀架 (8)2.1.2转塔头式换刀装 (9)2.1.3带刀库的自动换刀系统 (9)2.2ATC的作用及其组成 (10)2.2.1 ATC的作用 (10)2.2.2 ATC的主要组成 (10)2.3 加工中心机械手自动换刀过程 (13)第三章PLC控制系统设计 (16)3.1 PLC机型的选择 (16)3.1.1 CPU的能力 (16)3.1.2 I/O点数 (16)3.1.3 响应速度 (17)3.1.4 指令系统 (17)3.1.5 机型选择的其它考虑 (18)3.2 PLC控制系统设计 (18)3.2.1 本机I/O与扩展I/O的地址分配 (18)3.2.2 电器的选择 (20)3.3 PLC外部接线图设计 (21)3.4 应用S7-200编制梯形图 (25)第四章液压传动部分的设计 (28)4.1 液压传动系统的特点 (28)4.2 液压传动系统的选择 (28)4.3 液压传动回路设计 (29)第五章机械手三维模型设计 (33)5.1 PRO/E软件介绍 (33)5.2 应用PRO/E进行模型设计 (33)第六章毕业设计结论 (39)参考文献 (40)致谢信 (42)声明 (43)第一章绪论1.1 国内外数控机床的发展情况随着数控技术的发展，带有自动换刀系统的加工中心在现代制造业中起着愈来愈重要的作用，它能缩短产品的制造周期，提高产品的加工精度，适合柔性加工。
数控车床自动回转刀架的控制设计
目录第一章引言 (1)1.1概述 (1)1.2数控车床自动回转刀架的发展趋势 (1)1.3刀架的设计准则 (2)第二章数控车床自动回转刀架的设计 (3)2.1数控车床刀架应满足的要求 (3)2.2刀架的工作原理 (6)2.3步进电机的选用 (7)2.4蜗杆及蜗轮的选用与校核 (8)2.5蜗杆轴的设计 (10)2.6蜗轮轴的设计 (17)2.7中心轴的设计 (18)2.8齿盘的设计 (20)2.9轴承的选择 (23)第三章PLC控制单元设计 (26)3.1PLC与工业控制计算机（IPC）和集散控制系统（DSC）的比较 (26)3.2控制电路硬件接线图 (27)3.3PLC控制流程图 (31)总结 (32)参考文献 (33)第一章引言1.1 概述数控车床的刀架是机床的重要组成部分。
刀架用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。
在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平。
随着数控车床的不断发展，刀架结构形式也在不断翻新。
其中按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。
其中，带刀库的数控加工中心自动换刀装置自1958年研制成功以来，其机械结构和控制方式不断得到改进和完善。
自动换刀装置时加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有更换主轴头换刀以及带刀库的自动换刀系统。
1.2 数控车床自动回转刀架的发展趋势数控刀架的发展趋势是：随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。
目前国内数控刀架以电动为主，分为立式（如图1-1）和卧式（如图1-2）两种。
立式主要用于简易数控车床；卧式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能数控车床。
另外，卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。
电动刀架是数控车床重要的传统结构，合理地选配电动刀架，并正确实施控制，能够有效的提高劳动生产率，缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与加工精度的一致性等等。
数控技术练习题(有答案)
数控技术练习题一、填空题1.数控加工中心是具有自动刀具交换装置并能进行多种工序加工的数控机床。
2.NC机床是用数控技术实现加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床,是一种柔性的、高效能的自动化机床。
3、数控机床一般是由数控装置、伺服系统、机床本体和检测反馈装置组成，其中数控装置是数控机床的核心，伺服系统是数控系统的执行部分。
4.数控机床是由程序载体、数控装置、伺服驱动装置、机床本体和其它辅助装置共同组成的。
3. 数控装置是数控机床的核心，主要由输入、处理、和输出三个基本部分构成。
4.驱动装置由主轴驱动单元、进给驱动单元和主轴伺服电动机、进给伺服电动机组成。
5、数控系统的插补精度是以脉冲当量的数值来衡量的。
6.柔性制造系统是制造模块的主体，主要包括：零件的数控加工、生产调度、刀具管理、质量检测和控制、装配、物料储运等。
7.切削用量主要包括以下数据：主轴转速、进给速度、背吃刀量等。
8.程序送入数控机床后，还需要经过试运行和试加工两步检验后，才能进行正式加工。
9.一个完整的程序由程序号、程序的内容和程序结束三部分组成。
10.对于数控机床的进给指令F100表示进给速度为 100mm/min 对于回转轴的进给指令F12表示每分钟进给速度为 12011.对于刀具功能字T指令，T0102中的 01 表示刀号、02表示刀补号。
12.在数控机床上加工零件时，刀具相对于工件运动的起点称之为起刀点、对刀点或程序起点。
13. 数控机床加工过程中需要换刀时，刀架转位换刀时的位置称之为：换刀点。
14. 在数控加工中，刀具刀位点相对于工件运动的轨迹称为加工路线。
15. 在圆弧插补指令中， G02 为顺时针圆弧插补指令， G03 为逆时针圆弧插补指令。
16.主轴控制指令中 M03 指令为控制主轴顺时针方向转动的指令、 M04 指令为控制主轴逆时针方向转动的指令、M05 指令为控制主轴停止转动的指令。
17.自动编程根据编程信息的输入与计算机对信息的处理方式不同，分为以数控语言为基础的自动编程方法和以计算机绘图为基础的自动编程方法。
数控机床的结构与设计-复习思考题-09
数控机床的结构与设计_复习思考题复习思考题1．加工中心的定义是什么?它应具有哪些功能?2．加工中心的工作原理是什么?3．加工中心的基本组成有哪几部分?4．加工中心的分类方法有哪几种。
5．JCS一018型立式加工中心的功能及结构组成是什么?6．根据图1－6说明JCS一018型立式加工中心的传动系统。
7．根据图1—8说明JCS一018型主轴部件的结构组成、功能及特点。
8．说明JCS一018型自动换刀装置的结构组成、功能及特点。
9．说明JCS一018型自动换刀的过程及PC控制器的控制过程。
10．简述JCS一018型立柱、床身、滑座及工作台的结构特点。
11．简述JCS一018型伺服进给系统的组成及传动路线。
12．说明发纳克7CM的基本组成。
13．主传动方式有哪几种?各有何特点?14．试说明加工中心的主轴结构。
15·加工中心主轴轴承有哪几种?各有何特点?各适用于什么场合?16．加工中心主轴轴承配置形式有几种?各适用什么场合?17．试述加工中心主轴轴承的配合量及其影响。
18．何谓对滚动轴承的预紧?何谓径向预紧及轴向预紧?19．主轴轴承的润滑方式有哪几种?各有何特点?20．试述加工中心刀具自动夹紧装置的组成及夹紧与松开的动作。
21．试述主轴定向的原理及定向的方式。
22．主轴电动机有何特点?23．试述伺服电机与进给丝杠的联接方法。
24．消除齿隙的方法有哪几种?各有何特点?25．滚珠丝杠螺母副的工作原理及特点是什么?何为内循环和外循环方式? 26．试述滚珠丝杠螺母副消除间隙及预加载荷的方法。
27．试述静压蜗杆蜗母条传动副工作原理。
28．何谓磁力丝杠螺母副?它有什么优点?29．简述丝杠专用角接触球轴承的特点及配置。
30．何谓分度工作台和数控转台?试举例说明。
31．何谓塑料滑动导轨?何谓滚动导轨?各有何特点?32．自动换刀装置有哪几种形式?各有何特点?33．刀库有哪几种形式?各适用于什么场合?34．刀具交换装置有哪几种?35．刀具的选择方式有几种?各适用何种场合?36．简述机械手类型、特点及适应范围。
数控机床的分类及主要功能特点
数控机床的分类及主要功能特点数控机床是机械加工工业的重要设备，那么你想知道数控机床的分类是什么，还有各自的功能特点又是什么呢？以下是店铺为你整理推荐数控机床的分类及主要功能特点，希望你喜欢。
数控机床按加工工艺方法分类及特点1.金属切削类数控机床与传统的车、铣、钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。
尽管这些数控机床在加工工艺方法上存在很大差别，具体的控制方式也各不相同，但机床的动作和运动都是数字化控制的，具有较高的生产率和自动化程度。
在普通数控机床加装一个刀库和换刀装置就成为数控加工中心机床。
加工中心机床进一步进步了普通数控机床的自动化程度和生产效率。
例如铣、镗、钻加工中心，它是在数控铣床基础上增加了一个容量较大的刀库和自动换刀装置形成的，工件一次装夹后，可以对箱体零件的四面甚至五面大部分加工工序进行铣、镗、钻、扩、铰以及攻螺纹等多工序加工，特别适合箱体类零件的加工。
加工中心机床可以有效地避免由于工件多次安装造成的定位误差，减少了机床的台数和占地面积，缩短了辅助时间，大大进步了生产效率和加工质量。
2.特种加工类数控机床除了切削加工数控机床以外，数控技术也大量用于数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控激光加工机床等。
3.板材加工类数控机床常见的应用于金属板材加工的数控机床有数控压力机、数控剪板机和数控折弯机等。
近年来，其它机械设备中也大量采用了数控技术，如数控多坐标丈量机、自动绘图机及产业机器人等。
数控机床按控制运动轨迹分类及特点1. 点位控制数控机床点位控制数控机床的特点是机床移动部件只能实现由一个位置到另一个位置的精确定位，在移动和定位过程中不进行任何加工。
机床数控系统只控制行程终点的坐标值，不控制点与点之间的运动轨迹，因此几个坐标轴之间的运动无任何联系。
可以几个坐标同时向目标点运动，也可以各个坐标单独依次运动。
数控机床的自动换刀装置
01
02
03
04
提升换刀速度
通过改进换刀机构和优化换刀 程序，缩短换刀时间，提高生
产效率。
提高刀具定位精度
采用高精度传感器和优化算法 ，确保刀具快速、准确地安装
到机床主轴上。
加强刀具管理
建立完善的刀具管理系统，实 现刀具的快速识别、选择和调
度，提高生产效率。
降低故障率
加强设备维护和保养，定期检 查自动换刀装置的各部件，确
数控机床自动换刀装置 的类型与结构
回转刀架式自动换刀装置
总结词
结构简单、操作方便、换刀时间短
详细描述
回转刀架式自动换刀装置通常由刀架、定位销、转位机构等组成，通过电机驱 动刀架旋转，实现刀具的快速更换。这种装置结构简单，操作方便，换刀时间 短，适用于中小型数控机床。
转塔式自动换刀装置
总结词
换刀速度快、刀具容量大、精度高
详细描述
转塔式自动换刀装置由主轴和多个刀套组成，通过旋转塔体来更换刀具。这种装 置换刀速度快，刀具容量大，精度高，适用于大型数控机床。
机械手式自动换刀装置
总结词
自动化程度高、灵活性好、适应性强
详细描述
机械手式自动换刀装置由机械手、夹爪、传动机构等组成，通过机械手的伸缩、旋转和升降等动作来更换刀具。 这种装置自动化程度高，灵活性好，适应性强，适用于各种类型的数控机床。
数控机床的自动换刀 装置
目录
• 数控机床自动换刀装置概述 • 数控机床自动换刀装置的工作原理 • 数控机床自动换刀装置的类型与结构 • 数控机床自动换刀装置的应用与优化
01
数控机床自动换刀装置 概述
定义与特点
定义
数控机床的自动换刀装置是指在 加工过程中能够自动更换刀具的 装置，是数控机床的重要组成部 分。详细描述
数控机床的自动换刀装置
第六章数控机床的自动换刀装置第一节自动换刀装置的形式数控机床为了能在工件一次装夹中完成多种甚至所有加工工序，以缩短辅助时间和减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。
数控车床上的回转刀架就是一种简单的自动换刀装置，所不同的是在多工序数控机床出现之后，逐步发展和完善了各类回转刀具的自动换刀装置，扩大了换刀数量，从而能实现更为复杂的换刀操作。
在自动换刀数控机床上，对自动换刀装置的基本要求是：换刀时间短，刀具重复定位精度高，有足够的刀具存储量，刀库占地面积小及安全可靠等。
各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的形式、工艺范围及其刀具的种类和数量。
其基本类型有以下几种。
一、转刀架换刀回转刀架是一种最简单的自动换刀装置，常用于数控车床。
可以设计成四方刀架、六角刀架或圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。
回转刀架上分别安装着四把、六把或更多的刀具，并按数控装置的指令换刀。
回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。
由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀具位置不进行人工调整，因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度（一般为0.001～0.005mm）。
一般情况下，回转刀架的换刀动作包括刀架抬起、刀架转位及刀架压紧等。
回转刀架按其工作原理分为若干类型，如图6-1所示。
图6-1a)所示为螺母升降转位刀架，电动机经弹簧安全离合器到蜗轮副带动螺母旋转，螺母举起刀架使上齿盘与下齿盘分离，随即带动刀架旋转到位，然后给系统发信号螺母反转锁紧。
图6-1 回转刀架的类型及其工作原理图6-1b)所示为利用十字槽轮来转位及锁紧刀架（还要加定位销），销钉每转一周，刀架便转1/4转（也可设计成六工位等）。
图6-1c)所示为凸台棘爪式刀架，蜗轮带动下凸轮台相对于上凸轮台转动，使其上、下端齿盘分离，继续旋转，则棘轮机构推动刀架转90º，然后利用一个接触开关或霍尔元件发出电动机反转信号，重新锁紧刀架。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
数控机床自动换刀装置的主要类型、特点及适用范围
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：
数控机床自动换刀装置的主要类型、特点及适用范围
数控机床自动换刀装置的主要类型、特点及适用范围见表1。
表1 自动换刀装置的主要类型、特点及适用范围
1．自动回转刀架
自动回转刀架是数控车床上使用的一种简单的自动换刀装置，有四方刀架和六角刀架等多种形式，回转刀架上分别安装有四把、六把或更多的刀具，并按数控指令进行换刀。
回转刀架又有立式和卧式两种，立式回转刀架的回转轴与机床主轴成垂直布置，结构比较简单，经济型数控车床多采用这种刀架。
回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时切削抗力和减少刀架在切削力作用下的变形，提高加工精度。
回转刀架还要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转
位之后具有较高的重复定位精度（一般为0.001～0.005mm）。
图1所示为螺旋升降式四方刀架，它的换刀过程如下：
（1）刀架抬起当数控装置发出换刀指令后，电机22正转，并经联轴套16、轴17，由滑键（或花键）带动蜗杆18、蜗轮2、轴1、轴套10转动。
轴套10的外圆上有两处凸起，可在套筒9内孔中的螺旋槽内滑动，从而举起与套筒9相连的刀架8及上端齿盘6，使6与下端齿盘5分开，完成刀架抬起动作。
图1 立式四方刀架结构
1，17—轴；2—蜗轮；3—刀座；4—密封圈；5，6—齿盘；7—压盖；8—刀架；9，20—套简；10—轴套；11—垫圈；12—螺母；13—销；14—底盘；15—轴承；16—联轴套；18—蜗杆；19—微动开关；21—压缩弹簧；22—电机
（2）刀架转位刀架抬起后，轴套10仍在继续转动，同时带动刀架8转过90°，180°，270°或360°，并由微动开关19发出信号给数控装置。
具体转过的度数由数控装置的控制信号确定，刀架上的刀具位置一般采用编码盘来确定。
（3）刀架压紧刀架转位后，由微动开关发出的信号使电机22反转，销11使刀架8定位而不随轴套10回转，于是刀架8向下移动。
上下端齿盘5、6合拢压紧。
蜗杆18继续转动则产生轴向位移，压缩弹簧21，套筒20的外圆曲面，微动开关19使电机22停止旋转，从而完成一次转位。
2．转塔头式换刀装置
带有旋转刀具的数控机床常采用转塔头式换刀装置，如数控钻镗床的多轴转塔头等。
转塔头上装有几个主轴，每个主轴上均装一把刀具，加工过程中转塔头可自动转位实现自动换刀。
主轴转塔头就相当于一个转塔刀库，其优点是结构简单，换刀时间短，仅为2秒左右。
由于受空间位置的限制，主轴数目不能太多，主轴部件结构不能设计得十分坚实，影响了主轴系统的刚度，通常只适用于工序较少、精度要求不太高的机床，如数控钻床、数控铣床等。
近年来出现了一种用机械手和转塔头配合刀库进行换刀的自动换刀装置，如图2所示。
它实际上是转塔头换刀装置和刀库式换刀装置的结合。
其工作原理如下：
图2 机械手和转塔头配合刀库换刀的自动换刀装置
1—刀库；2—机械手；3，4—刀具主轴；5—转塔头；6—工件；7—工作台
转塔头5上有两个刀具主轴3和4，当用刀具主轴4上的刀具进行加工时，可由机械手2将下一步需用的刀具换至不工作的刀具主轴3上，待本工序完成后，转塔头回转180°，完成换刀。
因其换刀时间大部分和加工时间重合，真正换刀时间只需转塔头转位的时间。
这种换刀方式主要用于数控钻床和数控铣镗床。
3．带刀库的自动换刀系统
由于回转刀架、转塔头式换刀装置容纳的刀具数量不能太多，不能满足复杂零件的加工需要，因此，自动换刀数控机床多采用带刀库的自动换刀装置。
带刀库的自动换刀装置由刀库和换刀机构组成，换刀过程较为复杂。
首先要把加工过程中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。
换刀时，先在刀库中选刀，再由换刀装置从刀库或主轴上取出刀具，进行交换，
将新刀装入主轴，旧刀放回刀库。
刀库具有较大的容量，既可安装在主轴箱的侧面或上方。
由于带刀库的自动换刀装置的数控机床的主轴箱内只有一根主轴，主轴部件的刚度要高，以满足精密加工要求。
另外，刀库内刀具数量较大，因而能够进行复杂零件的多工序加工，大大提高了机床的适应性和加工效率。
带刀库的自动换刀系统适用于数控钻削中心和加工中心。