加工中心自动换刀装置的研究进展_韩越梅
高速加工中心自动换刀装置的研究
高速加工中心 自动换刀装 置的研究
应保 胜 ，杨威 ，邱新桥
（ １ ．武汉科技大学机械 自 动化学院，湖北武汉 ４ ３ ０ ０ ８ １ ； ２ ．湖 北汽 车工 业 学院机械 工程 系，湖北 十堰 ４ ４ ２ ０ 设计制造水平不足 的现状 ，设 计一套结 构简单 、加工 方便的 自动换 刀 完成 自动换刀 ，并详述 了换刀 的实现过 程。新 的 自动换 刀装 置精 度 高 、运行 平稳 、价格 合理 ，能够 取代 弧面 分度 凸轮 机
构。
关键 词 ：自动换 刀装置 ；弧面分度 凸轮 ； 换刀动作 ；加工 中心
中图分 类号 ：Ｔ Ｈ １ ２ ２ 文献标 识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ １— ３ ８ ８ １（ ２ ０ １ ３ ）８— ０ ０ １ — ２
Ｓ ｔ ｕｄ ｙ ｏ ｎ Ａｕ ｔ ｏ ｍａ ｔ ｉ ｃ Ｔｏ ｏ ｌ Ｃｈ ａ ｎｇ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ Ｈｉ ｇ ｈ－ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｃｅ ｎｔ ｅ ｒ
２ ０ １ ３年 ４月
机床与液压
ＭＡＣＨＩ ＮＥ Ｔ ＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬ Ｉ ＣＳ
Ａｐ ｒ ． ２ ０１ ３
第４ １ 卷 第 ８期
Ｖｏ １ ． ４１ Ｎｏ ． ８
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ — ３ ８ ８ １ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ８ ． ０ ０ １
Ｙ Ｉ Ｎ Ｇ Ｂ ａ ｏ ｓ ｈ ｅ ｎ ｇ ，Ｙ Ａ Ｎ Ｇ Ｗｅ ｉ 。Ｑ Ｉ Ｕ Ｘ ｉ ｎ ｑ ｉ ａ ｏ
（ １ ． Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｒ ｙ ａ ｎ ｄ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ，Ｗｕ ｈ ａ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，
加工中心自动换刀装置的研究
当然换刀过程并不唯一，考虑到上述刀库容量大，加上采用盘式刀库引起刀库所占的空间较大，刀具由刀具到换刀点P2，并最终完成换刀和刀库装刀的操作台复杂。特别是刀具在换刀和退刀的过程中要经过两次移动，这样就容易带来误差。如果在换刀过程中其中一个环节出现问题，都可能无法正常工作，降低了效率，甚至发生事故。
2、主轴换刀：主轴回到换刀点，刀具T02在P2。机械手旋转抓刀，外伸拔刀。旋转180°换刀，机械手装刀，机械手复位。主轴开始工作，送刀机构要将刚换下的刀具T01放回刀库中。
图2 自动换刀流程图
3、刀库装刀：送刀机构将刚才换下的刀具T01沿轨道送到P1处的滑板里，滑板沿轨道下移回到刀库中，刀库旋转，将T03所在的滑板由刀库沿轨道上移，并将T03所在的刀座中心与P1重合，等待下次换刀。
驱动装置[4]则是使刀库和机械手实现其功能的装置，一般由步进电机或液压(或气液机构)或凸轮机构组成。机械手完成刀库里的刀与主轴上的刀的交换工作。由于数控加工中心的刀库容量、换刀可靠性及换刀速度直接影响到加工中心的效率，而自动换刀就是进一步压缩非切削时间，提高生产效率，改善劳动条件。所以数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道加工工序，缩短辅助时间，减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。
自动换刀气动控制系统[8]的主要控制内容为：刀库刀具倒刀或回刀控制，主轴吹气控制。该系统的特点为：气源容易获得、反应速度快、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。工作压力较低，空气压缩比大，故输出功率低。
采用机械凸轮联动驱动的自动换刀装置，插、拔刀动作通常由凸轮驱动摆杆来完成。回转动作常通过弧面分度凸轮或平行分度凸轮，带动滚子盘直接驱动机械手，或再通过一对齿轮驱动机械手旋转。
自动换刀装置的发展趋势
自动换刀装置的发展趋势自动换刀装置（Automatic Tool Changer，ATC）是一种用于工业机械加工中自动更换刀具的装置，通过有效地替换刀具，提高了机械加工的效率和精度，进而提升了生产效率和产品质量。
随着工业技术的不断发展和进步，自动换刀装置也在不断地改进和创新，其发展趋势主要有以下几个方面：1. 快速换刀能力：随着生产的复杂性和多样性的增加，对于自动换刀装置的快速换刀能力提出了更高的要求。
未来的自动换刀装置将更加注重提高刀具的更换速度和精确度，以适应不同加工需求的快速转换。
2. 智能化：随着信息技术和数字化技术的发展，自动换刀装置将更加注重智能化的发展。
未来的自动换刀装置将具备智能感知功能，能够感知当前加工状态和刀具磨损情况，实时调整切割参数和切削深度，提高加工的稳定性和效率。
3. 自适应能力：随着工件形状和材料的复杂性增加，自动换刀装置将具备更强的自适应能力。
未来的自动换刀装置将能够根据工件材料和形状的不同，自动选择最合适的刀具和加工方法，实现更高效的加工。
4. 节能环保：未来的自动换刀装置将更加注重节能和环保。
通过采用先进的节能技术，如低功率电机和高效传动装置，减少能源消耗和排放。
同时，自动换刀装置还将更加注重刀具的再利用和回收利用，降低刀具的消耗和浪费。
5. 多功能性：未来的自动换刀装置将具备更多的功能和应用领域。
除了常规的切割、钻孔和铣削等加工任务，自动换刀装置还将应用于更广泛的领域，如雕刻、激光加工、3D打印等。
同时，自动换刀装置还将具备多种刀具的组合功能，实现多种加工任务的一体化。
总的来说，未来自动换刀装置的发展趋势将朝着更快速、更精确、更智能、更节能环保、更多功能的方向发展。
这些发展趋势将有效地提高机械加工的效率和精度，推动工业的发展和进步。
自动换刀装置及其控制的研究
自动换刀装置及其控制的研究一、本文概述随着现代制造业的快速发展，数控机床作为其核心设备，其性能与效率的提升对于整个制造过程至关重要。
自动换刀装置（ATC，Automatic Tool Changer）作为数控机床的重要组成部分，其性能直接影响到机床的加工效率与精度。
对自动换刀装置及其控制进行深入研究，不仅有助于提升数控机床的整体性能，也是当前制造业技术革新的重要方向。
本文旨在全面探讨自动换刀装置及其控制的研究现状与发展趋势，分析不同类型自动换刀装置的工作原理与特点，研究其控制系统设计与优化方法。
通过文献综述与实验研究相结合的方法，本文将对自动换刀装置的关键技术进行深入剖析，提出改进方案与新型控制策略，以期为提高数控机床的加工效率与精度提供理论支持与实践指导。
本文首先将对自动换刀装置的发展历程进行回顾，总结其技术演变与创新点。
接着，重点分析自动换刀装置的分类与特点，包括刀库类型、换刀方式、换刀时间等关键因素，以及它们对机床性能的影响。
在此基础上，本文将深入探讨自动换刀装置的控制系统设计，包括硬件组成、软件编程、传感器选择等方面，并分析控制系统在换刀过程中的关键作用。
本文还将研究自动换刀装置的控制策略与优化方法。
通过对比分析不同控制算法在换刀过程中的表现，提出适用于自动换刀装置的新型控制策略，以提高换刀速度与精度。
同时，结合实验研究，验证所提控制策略的有效性，并为其在实际应用中的推广提供有力支持。
本文将对自动换刀装置及其控制的研究前景进行展望，探讨未来可能的研究方向与技术创新点。
通过本文的研究，期望能够为自动换刀装置的性能提升与技术创新提供有益的参考与启示，推动现代制造业的持续发展。
二、自动换刀装置的结构和工作原理自动换刀装置（ATC，Automatic Tool Changer）是数控机床的重要组成部分，它负责在加工过程中自动更换刀具，从而提高加工效率，减少人工干预，提升加工精度。
本文将对自动换刀装置的结构和工作原理进行详细的阐述。
加工中心自动换刀装置大学论文
加工中心自动换刀装置摘要本课题所设计的是小型立式加工中心的自动换刀装置，该型加工中心主要是用来加工各种中、小批量的电子元件或者小型板类零件。
该方案在设计的过程中牵涉到了刀盘的选取和设计、槽轮的选取与设计、刀库的形式和安放位置以及伺服电机的设计等诸多问题。
本次设计在本着满足用户使用要求的前提下，尽量使结构简单、性能可靠、具有创新观念。
关键词：加工中心，自动换刀装置，槽轮机构，伺服电机Machining Center Automatic Tool ChangerABSTRACTWhat the topic designs is the automatica tool changer for small vertical machining center, which is mainly used for processing in each kind, the electronic component or the small board class components. This plan involved in the design process to the tool carousel selection and designing, the V-belt pulley selection and designing, the magazine’s position as well as the stepping motors’s designing and so on many questions. This design in line with satisfies the user operation requirements under the premise, as far as possible enable the structure simply, the performance to be reliable, to have the innovation idea. In the design all of data are passed through after the search material calculates repeatedly obtains.KEY WORD：Machining center，Automatica tool changger，Grooved pulley, Servo motor目录前言 (1)第1章刀库综述 (2)1.1刀库换刀装置 (2)1.1.1机械手换刀装置 (2)1.1.2无机械手换刀装置 (3)1.2刀库形式的选取 (3)1.3刀库位置的放置 (4)1.4 刀库的运动特点 (5)1.5 刀库的回转、分度和转位 (5)第2章设计可行性论证 (6)第3章槽轮机构 (7)3.1 槽轮机构的工作原理 (7)3.2 槽轮结构的形式 (8)3.3槽轮机构的特点 (8)3.4槽轮机构的设计 (8)第4章轴的设计与校核 (10)4.1轴的设计结构 (10)4.2轴的校核 (11)4.2.1 轴的强度校核 (11)4.2.2 按弯扭合成强度校核轴的强度 (12)4.2.3 按轴的疲劳强度安全系数校核轴的强度 (13)4.3 轴承的选取 (13)第5章刀库的设计 (16)5.1 刀库主要参数的确定 (16)5.1.1 刀库容量 (16)5.1.2 刀盘部分的设计 (16)5.1.3 刀盘装配图 (17)第6章刀库转动电机的选择 (19)第7章其他部件的设计与选取 (22)7.1 刀库支撑部分的设计 (22)7.2箱体设计 (22)结论 (24)谢辞 (25)参考文献 (26)前言随着数控技术的发展和普及，加工中心的作用越发凸显它的重要性。
加工中心自动换刀装置的研究进展
般仅用于轻便而简单 的机型， 常见于车削中心和钻削 中心 。
圆盘式刀库呈盘状 ， 刀具沿 盘面垂直排列（ 包括径 向取刀 和轴 向取刀 ）沿盘 面径 向排 列或成 锐角形 式 的刀 库 ， 构简 、 结
单、 紧凑 ， 用较多 ， 应 但刀具单环排列 ， 空间利用率低 。若增加 刀库 容量 ，必须使刀库 的外 径增大 ，那 么转动惯量也相应增
自动换刀装置是专门为大 中型加工 中心 配套 ，实现其刀 具储备及 自动交换功能 的重要 功能部件 ，是 高档 加工中心和 重 型加工 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 ， 低生产成 本 ， 而 提升 降 进 机床乃 至整 个生 产线的生产力 。 自动换刀装置 的换刀速度 和 可靠性 ， 是数 控机床 系统先进 与否的一个重 要标志。
固定在同一 转塔上 ， 元换刀臂 ， 储刀数量 有限 ， 通常为 ６～ ８把 。
～
７ Ｏ年代 并获得迅速发展 。１ ８ ， ９ ３年 国际标准化组织制定 了数 控刀具锥柄 的国际标准 ， 自动换 刀装置形成 了统一 的结构 模 式 。目前德国、 奥地利 、 日本 、 国、 韩 意大利等 国家 ， 都将 自动换 刀装置成功应用到 了高端加工 中心上。例如德 国 Ｃ Ｉ Ｏ Ｈ Ｒ Ｎ公 司生产 的 Ｆ ０ Ｓ和 ｇ Ｏ Ｗ 加 工 中心 ， 用机械 手换 刀 ， Ｚ８ Ｚ８ 采 刀库 布置在主轴的周 围并可 随主轴一起移动 ，且每把 刀具 配有一 套换 刀机械手 ， 其刀对刀换刀时间仅需 ０５ｓ切 削对 切削换刀 ． ， 时 间仅 为 １ 。德 国 Ｂ ｒａｄ 和 Ｗｅ ｅ ； Ｈ 公 司 生 产 的 ．Ｓ ５ ｕｋｒｔ ｂｒ ｍｂ （ ＭＣ ２ 、 Ｃ ２ 一 ＷＮ加工中心 ， ３ ５ Ｍ ３５ Ｔ 采用可换位 的转塔 刀库 ， 刀 换 时间等于换位 与进 给时间 ，并带 有可交换托盘和 回转 刀具 交 换系统 ， 其切 削对切 削换刀 时间为 ２ｓ 。 ｍ 相 比工业发达 国家 ， 国对加 工中心的研究起步较 晚 ， 我 因
加工中心自动换刀分析
加工中心自动换刀分析加工中心自动换刀是一种先进的自动化技术，能够在加工过程中自动完成刀具的更换工作，并且能够根据不同的加工需求选择合适的刀具。
本文将从加工中心自动换刀的原理、优势和应用等方面进行分析，以期为读者对该技术有一个全面的了解。
首先，加工中心自动换刀的原理。
加工中心自动换刀系统由控制系统、传感器、执行机构等组成。
控制系统负责刀具的管理和调度，传感器用于监测刀具的状况并反馈给控制系统，执行机构则负责实现刀具的安装和拆卸。
在加工过程中，控制系统根据加工要求和刀具状况，通过传感器获取刀具信息，并进行刀具的选取和更换操作。
整个过程通过控制系统的指令，由执行机构实现。
其次，加工中心自动换刀的优势。
首先，自动换刀可以提高生产效率。
由于刀具的更换是自动完成的，无需人工操作，大大节省了换刀时间，提高了加工效率。
其次，自动化的刀具管理可以减少人为错误。
刀具的选择和更换是根据事先设定的程序进行的，能够保证刀具的准确性和一致性，避免了因人为操作失误导致的问题。
此外，自动换刀还可以降低人工成本和劳动强度。
相比于手动换刀，自动换刀不需要操作人员进行操作，减少了人工干预的机会，降低了劳动强度，提高了工作效率和舒适度。
再次，加工中心自动换刀的应用。
加工中心自动换刀广泛应用于各行各业的加工领域。
例如，汽车工业中的车身焊装生产线，需要对不同的车身进行焊接加工，各种焊接任务需要不同的刀具进行加工。
如果采用传统的手动换刀，效率低下且容易出错。
而加工中心自动换刀可以实现自动选择和更换刀具，大大提高了生产效率和产品质量。
此外，加工中心自动换刀还广泛应用于航空航天、电子信息、模具制造等领域。
在这些领域中，对于精密加工和高效加工要求较高，传统的手动换刀方式无法满足需求，而加工中心自动换刀可以提高生产效率和加工质量，满足不同加工需求。
综上所述，加工中心自动换刀是一项先进的自动化技术，能够实现刀具的自动选择和更换，提高生产效率和加工质量，降低了人工成本和劳动强度。
加工中心自动换刀装置
神龙汽车有限公司襄阳工厂 （湖北 430056） 汪雪松加工中心自动换刀装置加工中心是由机械设备与数控系统组成的，适用于复杂零件加工的高效自动化机床。
它与一般数控机床的显著区别是对零件进行多序加工的能力，即在一次装夹中自动完成铣、镗、钻、扩、铰、攻螺纹等加工。
之所以加工中心能够广泛运用，是因为其能够利用刀库实现自动换刀。
因此自动换刀装置功能的好坏关系到整个加工中心的性能。
自动换刀装置可分为五种基本形式，即转塔式、180°回转式、回转插入式、二轴转动式和主轴直接式。
按照换刀过程有无机械手参与，分成有机械手换刀和无机械手换刀两种情况。
在有机械手换刀的过程中，使用一个机械手将加工完毕的刀具从主轴中拔出，与此同时，另一机械手将在刀库中待命的刀具从刀库拔出，然后两者交换位置，完成换刀过程。
无机械手换刀时，刀库中刀具存放方向与主轴平行，刀具放在主轴可到达位置换刀时，主轴移到刀库换刀位置，利用主轴将加工用毕刀具插人刀库中要求的空位处，然后刀库中待换刀具转到待命位置。
主轴将待用刀具从刀库中取出，并将刀具插人主轴。
目前神龙公司襄阳工厂卧式加工中心换刀方法主要有两种：①主轴直接从刀库取刀，这种方式主要在COMAU 、MAKIO 等加工中心上。
②通过换刀装置机械手交换主轴和刀库中的刀具，这种方式主要在NTC 、DFMTP 等加工中心上。
本文结合襄阳工厂缸体L3线应用实例，对东风设备制造厂DM500I 型卧式加工中心DM40ATC 自动换刀装置（以下简称ATC ）的动作及控制原理、现场维护维修方法进行研究与探讨。
1. DM40ATC自动换刀装置及换刀过程说明东风设备制造厂生产的DM500Ⅰ卧式加工中心主轴为电主轴，配置DM40ATC 换刀装置。
换刀装置运动采用变频器控制三相异步电动机，通过齿轮传动带动凸轮旋转，利用凸轮机构控制ATC 机械手的旋转、进退和松夹刀具（见图1）。
位置控制通过传感器检查位置输入信号及延时继电器控制。
立卧式加工中心自动换刀装置的研制的开题报告
立卧式加工中心自动换刀装置的研制的开题报告一、研究背景现代制造业中，高效、精密的自动化生产已经成为发展方向。
立卧式加工中心作为一种重要的机床，广泛应用于金属加工领域，在工艺、生产效率等方面都得到了很大的改进和提升。
但是，立卧式加工中心中刀具的更换仍然是一道难题。
传统更换刀具的方法需要人工干预，耗时耗力且易出错，难以满足现代制造业中对高效产能的要求。
因此，研制出自动换刀装置已经成为立卧式加工中心智能化改造的热点之一。
二、研究意义自动换刀技术的应用可以提高机床加工的自动化水平，减少操作人员劳动强度，提高生产效率和加工精度，降低生产成本。
通过自动换刀技术可以实现立卧式加工中心的连续生产，提高机床的开动率和利用率，同时还可以避免由于人为原因引起的刀具磨损、刀具不一致等生产问题，从而保证加工质量。
三、研究内容和方法本研究的主要内容是基于立卧式加工中心的自动换刀需求，设计和研制出一种自动换刀装置。
具体来说，研究目标包括：1. 设计一种有效的刀具固定和切换系统。
2. 设计一种系统控制模块和信号传输模块，确保切换和操作的可靠和稳定。
3. 通过实验和数据分析验证系统的实际效果和稳定性。
研究方法主要包括文献资料查阅、市场调查和实验验证。
通过调研和分析市场上常见的自动换刀装置，并结合目前立卧式加工中心的实际需求，设计出一种切实可行的方案。
同时，采用试验验证的方法，确定可靠的技术参数和性能指标。
四、预期结果和展望本研究预期能够研制出一种适用于立卧式加工中心的自动换刀装置，提高机床的自动化程度和加工效率，同时大幅降低操作难度和人为误差的风险。
通过此项研究，可以实现机床生产的高效安全和智能化控制，促进制造业的现代化进程。
同时，本研究对于其他机器人和自动化领域也有一定的参考价值。
数控机床自动换刀装置及其控制研究
数控机床自动换刀装置及其控制研究一、本文概述随着现代制造业的飞速发展，数控机床作为重要的加工设备，其自动化、智能化水平的高低直接决定了生产效率与加工质量。
自动换刀装置（Automatic Tool Changer, ATC）作为数控机床的关键组成部分，其性能直接影响到机床的加工效率与灵活性。
本文旨在对数控机床自动换刀装置及其控制进行深入的研究，探讨其结构特点、工作原理、控制策略以及优化方法，以期为提高数控机床的整体性能提供理论支持和实践指导。
文章首先对数控机床自动换刀装置的基本概念和分类进行介绍，明确研究对象和范围。
接着，分析不同类型自动换刀装置的结构特点和工作原理，包括刀库类型、换刀方式、换刀时间等关键因素。
在此基础上，研究自动换刀装置的控制策略，包括换刀过程的控制逻辑、运动轨迹规划、故障检测与处理等。
同时，结合实际应用案例，探讨自动换刀装置在实际生产中的性能表现及优化空间。
文章对数控机床自动换刀装置的发展趋势进行展望，提出未来研究方向和建议。
通过本文的研究，旨在为数控机床自动换刀装置的设计、制造和应用提供有益的参考和借鉴，推动现代制造业的持续发展。
二、数控机床自动换刀装置概述随着制造业的快速发展，数控机床作为高精度、高效率的加工设备，其应用越来越广泛。
在数控机床中，自动换刀装置（Automatic Tool Changer，简称ATC）是一项关键技术，它能够在加工过程中自动更换刀具，从而大幅提高加工效率。
本章节将对数控机床自动换刀装置进行概述，包括其工作原理、主要类型以及发展趋势。
工作原理：自动换刀装置主要通过刀库和换刀机构两部分实现刀具的自动更换。
刀库负责存储多把刀具，而换刀机构则负责在需要时从刀库中选取合适的刀具，并将其安装到主轴上。
整个换刀过程由数控系统控制，确保换刀过程精确、快速。
主要类型：根据换刀方式和结构特点，自动换刀装置可以分为多种类型，如转塔式、盘式、链式等。
转塔式换刀装置通过旋转转塔来选取刀具，结构紧凑但刀具容量有限盘式换刀装置利用旋转刀盘进行刀具更换，刀具容量较大链式换刀装置则通过链条或传送带将刀具输送到指定位置，适用于大型数控机床。
加工中心自动换刀装置的设计【文献综述】
文献综述机械设计制造及其自动化加工中心自动换刀装置的设计一、课题国内外现状加工中心是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床，它是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通信诊断、刀具和编程技术的高科技产品。
由于加工中心能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和调整时间，减少工件周转、搬运存放时间，使机床的切削利用率高于通用机床3倍~4倍，所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床。
由于它在机械加工中的重要作用，各个工业发达国家都极为重视，在技术和产量上都发展很快。
目前全球加工中心年生产量为50,000～55,000台左右，并且以日本、欧盟、美国及中国台湾、韩国等为最具代表性的生产基地。
日本市场消费能力强，年生产量超过10,000台。
主要机种为立式加工中心，年产量约5,000～6,000台，而且不断研发高速、高精密、五面加工、五轴联动加工等技术，满足特殊与复杂曲面加工工件的要求，日本生产加工中心的厂家有MAZAK、大隈、庄田、三菱等公司。
德国生产最佳品质与高加工效益的加工中心，近年来生产量每年约在4,000～5,000台左右。
代表性机种为卧式加工中心，年生产量约1,500～2,000台。
其他加工中心年生产量约2,000～3,000台左右，德国生产加工中心的厂家有西门子、MAKA、GEISS、科恩等公司。
美国是全球机床生产代表性国家之一，但近年来由于其国内消费能力不足，再加上出口也面临市场竞争，导致其生产有逐渐下滑的趋势，年生产加工中心仅约为5,000～6,000台左右，生产厂家有哈挺、MAG等公司。
台湾是全球加工中心生产量最大的供货基地，年生产量可达到16,000～18,000台，其中有部分是空机台，未加装微机控制器等，平均单价有偏低的情形。
韩国是全球加工中心主要生产国家之一。
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双臂机械手。两个机械手臂，每个手臂端部都有一个抓刀 手，其抓刀和换刀动作类似于人手动作，除执行换刀动作外， 有些还可以起运输刀具的作用。这种机械手结构较复杂，但换 刀时间短。
带送刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手。送刀臂将刀具从刀 库中取出送到摆刀站，由摆刀站将刀具送到换刀位置，最后由 换刀臂进行换刀。其结构更复杂，各部分在空间巧妙配置和组 合，更具变化性，一般换刀时间较短，适用于刀库距离主轴较 远的场合。 2.3 驱动装置
机械手的驱动，主要有液压（包括气液）驱动和机械式凸 轮联动两种。
液压式。采用液压式驱动的自动换刀装置，插、拔刀动作 均由油缸完成。常见的方案是机械手装在套筒上，活塞杆固 定，缸套同套筒一起移动，油缸左右腔进油完成动作。机械手 的回转既可以采用回转油缸，也可以采用直线运动油缸通过 齿轮齿条带动来完成。
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目前，国内外采用的数控机床刀库主要分为：转塔式、圆 盘式、链式刀库等形式。
转塔式刀库，包括水平转塔头和垂直转塔头两种，所有刀具 固定在同一转塔上，无换刀臂，储刀数量有限，通常为 6～8 把。 一般仅用于轻便而简单的机型，常见于车削中心和钻削中心。
圆盘式刀库呈盘状，刀具沿盘面垂直排列（包括径向取刀 和轴向取刀）、沿盘面径向排列或成锐角形式的刀库，结构简 单、紧凑，应用较多，但刀具单环排列，空间利用率低。若增加 刀库容量，必须使刀库的外径增大，那么转动惯量也相应增 大，选刀运动时间长。
《装备制造技术》２０１０ 年第 ５ 期
特性分析，建立快速创新设计支撑平台等。系统设计技术涉及 设计、分析等多种软件的集成与二次开发。 3.2 关键零部件的核心制造技术
凸轮机构是凸轮式自动换刀装置中的核心部分，包括平 面凸轮和空间弧面分度凸轮。其中，弧面分度凸轮机构，是一 种高速间歇空间分度机构，与棘轮机构、槽轮机构等传统的间 歇分度机构相比，具有分度精度高、动力学特性好、承载能力 大等优点；而弧面分度凸轮的工作轮廓面是空间不可展曲面， 设计、制造难度大。凸轮的制造工艺水平和加工精度，直接影 响自动换刀装置的换刀速度和可靠性等性能[5]。机械手上刀具 夹持元件的结构，直接影响着其使用性能，研究适应重量刀具 安全夹持要求的换刀机械手上刀具夹持元件的结构模式，使 之具备夹紧力大，适应重量刀具的安全夹持，能够自锁和工作 可靠等特点，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。
中图分类号：TG659
文献标识码：A
文章编号：1672- 545X（2010）05- 0128- 02
人们一直采用各种方式，提高加工中心的加工效率。如提 高进给与移动速度、提高主轴转速、加大主轴电机功率、加大 切削用量、采用高质量刀具等。在高节拍多次换刀的加工过程 中，缩短换刀时间，可大大提高生产效率。国内外加工中心生 产厂家都投入大量的资金和精力，研制自动换刀装置，以缩短 换刀时间，提高工作效率和竞争力。
收稿日期：2010- 02- 25 作者简介：韩越梅（1972—），女，辽宁锦州人，讲师，硕士，从事机械设计制造专业的教学及研究工作。
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2.2 机械手 目前，国内外采用的执行刀库和主轴之间换刀动作的机
械手，主要分为以下几种类型：单臂机械手、双臂机械手、带送 刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手。
单臂机械手。换刀机械手仅一个手臂，又分为单手式和双 手式。单手式，一个换刀臂且仅一端有一个抓刀手，所有动作 均由单手完成，执行动作多，换刀时间长，但结构简单。刀库与 主轴轴线平行或垂直的情况均适用。双手式，一个换刀臂两端 各有一个抓刀手，机械手同时抓取主轴和刀库上的刀具，回转 180°，同时放回和装入刀具，换刀时间短，较为常用，多用于刀 座与主轴轴线平行的场合。
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Equipment Manufactring Technology No.5，2010
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加工中心自动换刀装置的研究进展
韩越梅
( 大连大学 机械工程学院，辽宁 大连 116622 )
摘 要：介绍了加工中心自动换刀装置的国内外发展现状，以及自动换刀装置各组成部分，还分析其工作原理，针对自动换刀装置的 特点，指出了研发过程中的关键技术，并对自动换刀装置的发展趋势作了展望。 关键词：加工中心；自动换刀装置；发展；分析
相比工业发达国家，我国对加工中心的研究起步较晚，因 此对自动换刀装置的研究也相对落后。从上世纪 80 年代起， 北京机床研究所、大连组合机床研究所、沈阳机床集团、大连 机床集团、济南第一机床厂等，先后对自动换刀装置开展了研 究与开发。如大连机床集团自主研发的自动换刀装置刀对刀 最短换刀时间已达到 2 s 以内。
mechanisms [J]. International Journal of Machine Tool & Manufacture, 1999，(39) ：273- 295. [4] 陈芳，李继中.盘式刀库加工中心自动换刀系统控制[J]. 机械设计 与制造，2007，(10)：149- 151. [5] 尹明富，赵镇宏.弧面分度凸轮单侧面加工原理及刀位控制方法研 究[J]. 中国机械工程，2005，(2)：127- 130. [6] 贺 炜，夏粉玲，唐学飞. 凸轮式立卧两用换刀机械手的研究[J]. 组 合机床与自动化加工技术，2003，(12)：17- 19.
双盘式结构，是两个较小容量的刀库分置于主轴两侧，布 局较紧凑，储刀数量也相应增大，适用于中小型加工中心[4]。
链式刀库，包括单环链和多环链，链环形式可有多种变 化，适用于刀库容量较大的场合，所占的空间小。一般适用于 刀具数在 30～120 把。仅增加链条长度即可增加刀具数，也可 以把多个刀库按并联或串联的方式排列起来，既可使刀库容 量加大，又可以不增加圆周速度，其转动惯量不像盘式刀库增 加的那样大。链式刀库的驱动，有伺服电机或液压分度马达， 刀库做选刀运动在起始和到位时，有平稳的加减速过程，而在 相隔多个刀位选刀运动途中，运动连贯不变速，这样就保证了 较高的选刀速度和平稳性。
1 自动换刀装置的国内外发展现状
工业发达国家对于自动换刀装置的研究，起始于上世纪 70 年代并获得迅速发展。1983 年，国际标准化组织制定了数 控刀具锥柄的国际标准，自动换刀装置形成了统一的结构模 式。目前德国、奥地利、日本、韩国、意大利等国家，都将自动换 刀装置成功应用到了高端加工中心上。例如德国 CHIRON 公 司生产的 FZ08S 和 FZ08W 加工中心，采用机械手换刀，刀库 布置在主轴的周围并可随主轴一起移动，且每把刀具配有一 套换刀机械手，其刀对刀换刀时间仅需 0.5 s，切削对切削换刀 时 间 仅 为 1.5 s。 德 国 Burkardt 和 WeberGmbH 公 司 生 产 的 MC325、MC325- TWN 加工中心，采用可换位的转塔刀库，换刀 时间等于换位与进给时间，并带有可交换托盘和回转刀具交 换系统，其切削对切削换刀时间为 2 s[1]。
凸轮联动式。机械凸轮联动驱动的自动换刀装置，插、拔 刀动作通常由凸轮驱动摆杆来完成。回转动作常通过弧面分 度凸轮或平行分度凸轮，带动滚子盘直接驱动机械手，或再通 过一对齿轮驱动机械手旋转。
3 自动换刀装置的关键技术分析
3.1 系统设计技术 系统整体设计，是保证大型高速刀库及自动换刀装置产
品质量的基础，核心在于保证系统各零件、各机构间协调、有 序的工作，使系统结构在空间和时间上不发生干涉。系统设计 技术包括创新设计、并行设计、优化设计、可靠性设计等多种 设计方法。其中，模块化设计方法将其运用到自动换刀装置系 统的整体设计当中，建立系统化设计理念。同时运用结构拓扑 优化方法对各模块进行设计与优化，并对各运动件进行动态工作需要，进行多元 化发展。自动换刀装置的换刀时间将越来越短，同时通用性和 可靠性越来越强。传统装置将会采用动作速度更快的机构和 驱动元件，凸轮结构近年来已被大量采用。同时新的材料和加 工工艺，弥补凸轮机构磨损后可靠性降低的缺点。新的换刀方 式的出现，也为自动换刀装置的进一步发展提出了新的思路。 双主轴和多主轴换刀技术，把机床的换刀速度提高到了新的 水平。多主轴换刀方式，可以使安装在夹具上的工件快速在各 主轴之间移动，使得切削对切削换刀时间到达 0.4 s。在通用性 方面，立卧式两用自动换刀装置将会成为另一个发展方向[6]。
自动换刀装置是专门为大中型加工中心配套，实现其刀 具储备及自动交换功能的重要功能部件，是高档加工中心和 重型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。自动换刀装置的换刀速度和 可靠性，是数控机床系统先进与否的一个重要标志。
2 自动换刀装置的主要组成
自动换刀装置是加工中心的重要组成部分，主要由刀库、 机械手和驱动装置等组成。刀库的功能，是存贮加工中心所要 用的各种刀具，并在数控系统的控制下，把即将要用的刀具准 确地送到换刀位置。加工中心换刀机械手，是自动换刀装置中 的核心组成部分，主要完成将主轴上的工作刀具与刀库中的 待用刀具两者位置交换的任务，其应具有换刀时间短、工作平 稳、定位准确等特点[2]。驱动装置，则是使刀库和机械手实现其 功能的机构。此机构一般由电机、液压、气液机构或凸轮机构 组成，它们在数控系统控制下，驱动刀库和机械手，实现刀具 的选择与交换[3]。 2.1 刀库
Analysis and Development of Automatic Tool Changer
HAN Yue-mei （School of Mechanical Engineering, Dalian University , Dalian Liaoning 116622，China）