数控加工中心自动换刀装置的设计
第4章 数控机床自动换刀装置
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4.2 刀库
统计了15000种工件，按成组技术分析，各种加工刀具所必需 的刀具数的结果是：4把刀的容量就可以完成95%左右的铣削 工艺，10把孔加工刀具可完成70%的钻削工艺，因此，14把刀 的容量就可完成70~以上的工件钻削工艺。如果从完成工件的
全部加工所需的刀具数目统计，所得结果是80%的工件完成全
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4.3 机械手
2. 刀库夹爪 刀库夹爪既起着刀套作用，又起着手爪的作用。如图4-19 所示为刀库夹爪图。
4.3.4 机械手结构原理
如图4-20所示，机械手结构及工作原理如下。 机械手有两对抓刀爪，分别由液压缸1驱动其动作。当液压 缸推动机械手抓刀爪外伸时，抓刀爪上的销轴3在支架上的 导向槽2向滑动，使抓刀绕销4摆动，抓刀爪合拢抓住刀具； 当液压缸间缩时，支架2上的导向槽迫使抓刀爪张开，放松 刀具。由于抓刀动作由机械机构实现，且能自锁，因此工作 安全可靠.
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4.3 机械手
4.3.5 机械手的驱动机构
如图4-21所示为机械手的驱动机构。汽缸1通过杆6带动机械 手臂升降。当机械手在上边位置时，液压缸4通过齿条2、齿 轮3、传动盘5、杆6带动机械手臂回转；当机械手在下边位置 时，汔缸7通过齿条9、齿轮8、传动盘5和杆6，带动手臂回转。 如图4-22所示为机械手臂和手爪结构图。手臂的两端各有一 手爪。刀具被带弹簧1的活动销4紧靠着固定爪5。锁紧销2被 弹簧3弹起，使活动销4被锁位，不能后退，这就保证了在机 械手运动过程中，手爪中的刀具不会被甩出。当手臂在上方 位置从裙位置转过750时锁昆锁2被挡块压下，活动锁4就可以 活动，使得机械手可以抓住主轴和刀套中的刀具。
第2章自动换刀装置
➢ 这类换刀装置应用最广泛。
刀库装在机床的工作台上 ，这种换刀装置，直接利 用机床本身及刀库的运动 进行换刀。当某一刀具加 工完毕从工件退出后，即 开始进行自动换刀 。
现在的中小型加工中心，刀 库不是装在工作台上，而是 装在立柱上的一个托架上。 采用刀库在托架的导轨上平 行于X方向运动与主轴的上 下运动实现换刀。
2.为什么需要自动换刀装置：
• 缩短非切削时间，提高生产率，可使非切削时间减少到20
％～30％；
• “工序集中”，扩大数控机床工艺范围，减少设备占地面积； • 提高加工精度；
– 数控机床对ATC要求：
• 换刀时间尽可能短； • 刀具重复定位精度高； • 刀具储存量足够； • 结构紧凑，便于制造、维修、调整； • 布局应合理，使机床总布局美观大方； • 较好的刚性，避免冲击、振动及噪声，运转安全可靠； • 防屑、防尘装置。
第2章第三节 数控机床的自动 换刀装置
内容提要
本节将讨论数控机床的自动刀具交换装置的形 式、刀库的类型、刀具系统及选刀方式，最后将介 绍一个自动刀具交换装置的实例。
一、概述
1.什么是自动换刀装置：
• 储备一定数量的刀具并完成刀具的自动交换功能的装置 • ATC：Automatic Tool Changer
当刀库的容量大、刀具较重或机床总体布局等原因， 刀库也可作为一个独立部件，装在机床之外
刀库远离主轴，常常要 附加运输装置，来完成 刀库与主轴之间刀具的 运输。
•为了缩短换刀时间，可采用带刀库的双
主轴或多主轴换刀系统
三、刀 库
• 1、刀库的形式
（1）盘式刀库
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。
FANUCOiMD数控系统斗笠式刀库实现自动换刀
Ｎ １ Ｍ ９ ９
％
（ 换刀结束 ，返回主程序）
（ ２）Ｐ ＭＣ 与ＮＣ 程序的配合 。斗笠式 刀库 实 现 自动换 刀是Ｐ ＭＣ与ＮＣ 程 序 的配合 来完成 的 。
Ｐ Ｍ Ｃ在 整 个 换 刀 过 程 中 主 要 控 制 刀 库 的 正 ／反
转 、刀库的前进 ／后退、松 刀 ／紧刀阀的动作以及 换 刀动作 顺序 。主轴 的上 升 、下 降和定 位都是 由
Ｎ Ｃ系统 程序 控 制 的 。
（ ８ ）刀库向远离 主轴 中心位置侧平移如附图ｆ
所示 ，直 ￣ Ｊ Ｉ Ｐ Ｌ Ｃ 接 收 到 传 感 器Ａ发 出 的 反馈 确认 信
步。
斗
换取 ，根据 刀库选取的不同 ，换刀系统 的控制方式 也不同。加 工中心常用的刀库有斗笠式 、凸轮式、 链条式 等 ，斗笠式 刀库是加工中， Ｏｌ ： ｋ 较常见的一种 换刀装置 ，换 刀过程简单 ，体积小、安装方便 、易 于控制和维护等优点 ，因此在中小型加工 中心上得 到了广 泛的应用 。但对 刀库的定位要求高 ，而且在 换刀过 程中需要轴配合其动作 ，而Ｐ Ｌ Ｃ 是无法直接 参与数控轴的控制。基于Ｆ Ａ ＮＵＣ ０ ｉ ＭＤ数控 系统 利用ＮＣ 宏程序可以把轴控制与Ｐ ＭＣ 控制有机地结 合 ，它可以按一定的逻辑控制Ｐ Ｍｃ 和进给轴 ，从而 实现 包含轴移动的换 刀控制。在本文 中，笔者 结合
后 ，这 时 刀库 转 动 ， 当 目标 刀具 对 正 主 轴 正 下 方 时 ，主 轴 下 移 ，使 刀具 进 入主 轴 锥 孔 内 ，刀具 夹 紧 后 ，刀库 退 回原 来 的 位 置 ，换 刀结 束 。 刀库 具 体 动 作过程如下 ：
数控机床第三章自动换刀装置 PPT课件
箱下降，将主轴上用过的刀具3放回刀
库的空刀座中；
27
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
数控立式镗铣床
(4)主轴箱上升，接着刀库回转，将下 一工步需用的刀具对准主轴；
(5)主轴箱下降，将下一步所需的刀具
插入机床主轴，同时主轴内的刀具夹紧
装置夹紧刀具；
(6)主轴箱及主轴带着刀具上升；
刀具编码方式
刀具编码选刀方式是在刀具或刀套上安装用于识别的 编码条，一般都是根据二进制编码的原理进行编码。刀具 长度加长，制造困难，刚度降低，刀库和机械手结构复杂。
在刀柄1后端的拉杆4上套装 着等间隔的编码环2，由锁紧螺 母3固定。编码环直径有大小两 种，大直径的为二进制的“1”， 小直径的为“0”。通过两种圆环 的不同排列，可以得到一系列的 代码。
单臂双爪回转式机械手 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； 另一个执行从刀库取“新刀”的任务。
换 刀时间较单爪回转式机械手要少。
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双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。是最常用的一种形式（钩手）
1、顺序选刀
在加工前，将加工零件所需刀具按照工艺要求依次插 入刀库的刀套中，加工时按顺序调刀称为顺序选刀。
2、任选刀具
刀具在刀库中任意存放，每把刀具（或刀座）都编有 代码，自动换刀时，刀库旋转，每把刀具都经过“刀具识 别装置”接受识别。当某刀具代码与数控指令代码相符时19
任选刀具有三种换刀方式（刀具编码、刀座编码、编码附件）
（5）复位 转动手臂，回到原始位置。
34
加工中心的自动换刀系统
加工中心自动换刀装置
一、加工中心自动换刀装置的类型 1.转塔式 更换主轴换刀装置 （1）脱开主轴传动 （2）转塔头抬起 （3）转塔头转位 （4）转塔头定位 （5）主轴传动重新接通
加工中心自动换刀装置
加工中心自动换刀装置
加工中心自动换刀装置
一、加工中心自动换刀装置的类型 2.成套更换式 （1）更换转塔 （2）更换主轴箱 （3）更换刀库
六、几种典型换刀过程 1、无机械手换刀
加工中心自动换刀装置
加工中心自动换刀装置
六、几种典型换刀过程 2、机械手换刀
加工中心自动换刀装置
六、几种典型换刀过程 3、带刀套机械手换刀
加工中心自动换刀装置
加工中心自动换刀装置
二、加工中心刀库形式 2.链式刀库
加工中心自动换刀装置
二、加工中心刀库形式 3.格子式刀库
加工中心自动换刀装置
二、加工中心刀库形式 3.格子式刀库
加工中心自动换刀装置
三、加工中心刀库结构
加工中心自动换刀装置
三、加工中心刀库结构
加工中心自动换刀装置
四、JCS-018A加工中心机械手结构 2、机械手抓刀部分的结构
五、其他类型机械手 2、两手互相垂直的回 转式单臂机械手
加工中心自动换刀装置
五、其他类型机械手 3、两手平行的回转式单臂机械手
加工中心自动换刀装置
五、其他类型机械手 4、双手交叉式机械手 （1）机械手移动到机床主轴处-卸装刀具 （2）机械手移动到刀库处送回卸下的刀具
加工中心自动换刀装置
加工中心自动换刀装置
加工中心自动换刀装置
四、JCS-018A加工中心 机械手结构 2、机械手抓刀部分的 结构
பைடு நூலகம் 加工中心自动换刀装置
基于PLC的数控加工中心自动换刀系统的研究
盘式刀库自动换刀控制系统的优势主要体现在以下几个方面。首先，自动换刀 控制系统可以显著提高加工效率，避免了手动更换刀具的繁琐过程，节省了大 量时间。其次，自动换刀控制系统可以降低工人的劳动强度，减少错误操作的 可能性，提高生产安全性。最后，自动换刀控制系统有利于实现工厂的自动化 和智能化，提升整体竞争力。
目前，加工中心自动换刀装置的研究主要集中在换刀方式、刀库设计、夹持机 构和控制系统等方面。其中，换刀方式是自动换刀装置的核心技术之一，直接 影响到换刀的效率和精度。按照换刀过程中是否有旋转动作，换刀方式可以分 为旋转式和非旋转式两种。旋转式换刀方式又可以分为刀具旋转和主轴旋转两 种，而非旋转式换刀方式则可以分为直插式和伸缩式两种。
盘式刀库自动换刀控制系统的工作原理基于计算机数值控制（CNC）技术，通 过接收加工中心的指令，控制机械手臂进行刀具的更换。首先，机械手臂在盘 式刀库中选择需要更换的刀具，然后将其抓取并移动到加工区域。接下来，机 械手臂将旧的刀具从主轴中取出，并将新的刀具安装到主轴上。最后，机械手 臂将更换下来的刀具放回盘式刀库的正确位置。
近年来，随着人工智能、机器学习和计算机视觉等技术的不断发展，加工中心 自动换刀装置的研究也在不断深入。这些技术的应用，可以实现更加智能化和 高效的换刀控制，从而提高加工中心的生产效率和加工质量。
在应用前景方面，加工中心自动换刀装置将会在更多领域得到应用。例如，在 航空航天、汽车制造、模具制造和医疗器械等领域，由于对加工精度和效率的 要求较高，因此对自动换刀装置的需求也将会不断增加。此外，在智能制造和 数字化工厂的建设中，加工中心自动换刀装置也将会成为其重要组成部分之一。
加工中心自动换刀装置的发展历程可以追溯到20世纪80年代，当时该技术还处 于研究和实验阶段。随着计算机技术、机械制造技术和液压气动技术的发展， 自动换刀装置的可靠性、稳定性和效率得到了不断提高。进入21世纪以来，随 着数控技术的快速发展和制造业的不断升级，加工中心自动换刀装置的应用范 围和需求量也不断增加。
加工中心自动换刀装置
图１ Ａ Ｔ Ｃ 机械手动作过程
换刀准备 ：刀库待调刀具移动到换刀位置 ，主 轴移动到换 刀位置即第二原点 ，主轴定 向。换 刀条 件满足后 ，Ａ Ｔ Ｃ 执行换刀动作 。 Ａ Ｔ Ｃ 动作步骤 ：①Ａ Ｔ Ｃ 机械手在原位 。②Ａ Ｔ Ｃ
机械手 顺时针旋转 ９ ０ 。 ，主 轴 松 开 刀 具 ，Ａ ＴＣ 夹 紧 刀具 。 ③Ａ Ｔ Ｃ 机 械 手 前 进 到位 。④Ａ Ｔ Ｃ 机 械 手 顺
前 ＾ 进
｝ 臂
后 退 丫
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
加工中心 自动换刀装置
神 龙汽 车有 限公 司襄 阳工厂 （ 湖北 ４ ３ ０ ０ ５ ６ ） 汪 雪松
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
１ ． ＤＭ４ ０ Ａ Ｔ Ｃ自动换 刀装 置及换刀过程说 明
东风设备制造厂生产的ＤＭ５ ０ ０ Ｉ 卧式加工中心 主轴为 电主轴 ，配置Ｄ Ｍ４ ０ Ａ Ｔ Ｃ 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￣ Ｉ ］ Ａ Ｔ Ｃ 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。
心 的性 能 。
加工中心盘式刀库自动换刀控制系统设计
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｕ ｏｍａ ｉ ｏ ｌ ｈ ｎ ｅ ｏ ｔｏ ｙ ｔ ｍ ｏｒ ｓｇ ｎａ ｔ ｔ ｔ ｏ ａ ｇ ｒ ｎ ｒ Ｉ ｓ ｅ ｆ ｃ ｉｅ ｃ ｎ ｅ ｃ ｃ ｃ ｓ ｍａ ｈ ｎ ｅ ｔ ｒ
第５ 期 ２ １ 年 ５月 ０１
文章编号 ：０ １３ ９ （０ ）５ ０ ３— ３ １０ — ９ ７ ２ １ ０ — １ ７ ０ １
机 械 设 计 与 制 造
Ｍａ ｈ ｎ ｒ Ｄｅ ｉｎ ｃ ｉ ｅｙ ｓｇ ＆ Ｍａ ｕ ａ ｔ ｒ ｎ ｆ ｃｕ ｅ １７ ３
加 工 中心盘 式刀库 自动换 刀控 制 系统设计 米
０々∽ ０ ∽ ０ ∽ ∽ ∽ ＇∽ ∽ ０々∽ ０ ∽ ６ ∽ ∽ ∽ ０＇∞ ０ ∽ ● ∽ ０＇ ∽ ０ ∽ 々 ０々∽ ６０∽ ： ５ ０々 ０ ： ∽ ∽ 々 ０ ０ ０ ∽ ０ ∽ ｏ ∽ ０ ∽ 々 ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ∞ ∽ ６ ｅ
中图分 类号 ： Ｈ１ ， Ｐ ７ ＋４ 文献标 识码 ： Ｔ ６Ｔ ２ １． Ａ
１ 引言
．
工中心几乎是空 白， 而机械加工业 、 小型模具的制造 、 工科 院校 、 技工学校等对小型加工 中心存在着大量的需求目 。为了填补市场 的空白， 台自主研发制作 的微型立式加工中心应运而生 。加工 本 中心工作 台采用 — ｙ双向精密数控工作台 ； 以进行 Ｘ、 Ｚ三 可 Ｙ、 个方向的进给； 配装 自动换 刀系统 ， 可以完成铣 、 、 、 、 、 钻 扩 铰 锪 攻 丝等多种加工工序 ， 体积小 、 紧凑 ， 结构 不但可满足本科实验教学 的需要 ， 还能进行小型板类、 盘类 、 叉架类和箱体类等复杂零件 的 多品种 中小批量加工。 整体结构 ， 如图 １ 所示 。 加工中心的关键技 术在于 自动换刀系统装置 。 针对 自主研发制作的微型立式加工 中
毕业设计任务书-数控加工中心的自动换刀装置
陕西科技大学毕业设计（论文）任务书机电学院机械设计制造及其自动化专业机械056 班级学生：题目：数控加工中心的自动换刀装置毕业设计（论文）从2009年 2 月18 日起到2009年6 月15日课题的意义及培养目标：数控车削中心转塔动力刀架设计使学生将所学的知识系统化，并得到扩大和补充，将理论和实践结合，不仅使学生学会独立解决实际工程技术问题的初步技巧，培养学生的调研能力以及正确进行设计计算的能力，还使学生能够用图纸和说明书来表达设计思想和结果，此外还大大培养了学生的创新意识。
毕业设计是大学学习阶段最后也是最为重要的环节，这对学生走入社会提供了一次很好的锻炼机会。
设计（论文）所需收集的原始数据与资料：1、数控车削中心各部分组成及要求2、工位数：8工位（卧式）3、机械设计手册4、机械设计5、重复定位精度6、换刀时间7、加紧力课题的主要任务（需附有技术指标分析）：1、五张左右的A0图纸工作量，包括：（1）数控车削中心结构简图（2）刀架总装配图（3）刀架传动系统总图（4）刀架行星轮系、多齿盘等部件、零件图（5）刀架电气控制原理图及接口电路图2、完成1.5万~2万字的毕业设计说明书。
设计（论文）进度安排及完成的相关任务（以教学周为单位）：周次设计（论文）任务及要求第1周熟悉、理解毕业设计题目，查找、借阅各种参考资料第2、3周毕业实习收资，继续搜集与设计课题有关的素材，整理书写实习报告第4-10周总装图、部件装配图第11-15周部分零件图及电器控制图第16周整理书写毕业设计说明书第17周答辩准备及预答辩学生签名：日期：指导教师：日期：教研室主任：日期：。
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。
加工中心自动换刀装置的设计
加 工 中心 自动换 刀装 置 的设 计
黄 泽正 ，刘 冲 ， 陈 志辉
（中 国地 质 大 － ９ 武 汉 研 究 生 院 ，湖 北 武 汉 ４３００７４）
摘 要 ：介 绍 了 加 工 中 心 自动 换 刀装 置 结 构 的 部 分 设 计 ，并 利 用 单 片 机实 现 自动换 刀过 程 。
（１）利 用单头 蜗轮 蜗杆传 动实 现刀 库的旋转 ，此 传 动 机构 在使 用 中可随 时调 整 蜗轮 蜗 杆 的传 动 间隙 实 现准 确 的转位 分度 ，保证刀 库工作 的 可靠性 。蜗轮 蜗杆 的传动 比为 ４８：ｌ，８把刀成 数量级 比例 ，方 便软 件 编程 控制 以达 到刀盘 旋转 的准确定 位 。
关 键 词 ： 自动换 刀装 置 ；单 片机 ；设 计
中 图 分 类 号 ：ＴＧ６５９
文献 标识 码 ：Ａ
０ 引 言
２Ｏ世 纪 ９Ｏ年 代 以来 ，数控 加 工技 术 得 到迅 速 的 普 及和 发展 ，数 控机床 在 制造业 得 到 了越 来越 广泛 的 应 用 。带有 自动换 刀 系统 的数控 加 工 中心 在 现代先 进 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 。
当主轴 上 有刀 时 ，即第 二 次接 受 到 要求 换 刀及 需 要 几号 刀的信 号后 ，刀库快 进 到主轴位 置 。首 先判 断此
收稿 日期 ；２００６—０９—１９ 作 者 简 介 ：黄 泽 正 （１９７７），男 ，湖北 大 冶人 ，硕 士 研 究 生 。
维普资讯
加 工 中心 的 自动换刀 装置 ，能 使加工 中心在工 件 一 次 装夹 中完 成多种 甚 至所有 加工 工 序 ，它 能缩 短辅 助 时间 ，减少 多次 安装工 件 所引起 的误 差 ，提高 产品 的加 工精 度 。 自动 换刀装 置将 满 足换 刀时 间短 、刀具 重复 定位 精 变高 、刀具储 存 量足够 、刀具 占地面 积小 以及安 全 可靠 等要 求 。
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。
加工中心自动换刀系统设计说明书
摘要加工中心是现代机械加工中用得最多的设备之一，而自动换刀装置作为加工中心的核心部件，一直处在不断改进之中。
本课题要求设计一台小型加工中心的刀库及自动换刀装置。
本次设计分为两大部分。
首先，主要针对目前机床上常用的几种类型的刀库（鼓盘式刀库、链式刀库、格子盒式刀库等）进行了比较分析，最终选用链式刀库结构，选择伺服电机驱动，采用蜗杆蜗轮装置减速，并完成了链条的选择和链轮的设计计算。
另外，选择双臂单爪机械手结构，对其运动作了详细的分析，最终将换刀运动分解为手臂的伸缩，手架的伸缩和回转三个动作。
全部采用液压系统进行控制。
在合理选用液压缸之后，绘制出了液压系统控制图、机械手动作原理图，基本完成了自动换刀装置的设计工作。
关键词：伺服电动机驱动；链式刀库；机械手换刀；液压系统控制AbstractProcessing Center is a modern mechanical processing equipment used in one of the largest and automatic tool change device as the core parts processing center, has been in the continuous improvement of. The topics designed a small knife processing center for devices and automatic tool change. The design is divided into two parts. First of all, the main view of the current machine, commonly used for several types of knives (knives drum disc library, the chain knife, knife lattice cassette library, etc.) a comparative analysis, the final choice of the chain knife structure, choice of servo motor Driver, a worm worm deceleration devices, and completed the chain and sprocket of the choice of design and calculation. In addition, the choice of single-claw manipulator arms structure, its movement made a detailed analysis will eventually ATC campaign for the decomposition of the telescopic arm, hand-stretching and rotating the three movements. All the hydraulic system used to control. A reasonable choice of hydraulic cylinders, to map out plans of the hydraulic control systems, mechanical hand movements schematics, basically completed the installation of automatic tool change the design work.Keywords：The servo motor actuates; Chain knife storehouse; The manipulator trades the knife; The hydraulic system controls目录目录摘要 (I)Abstract (Ⅲ)1 绪论1.1 本课题的来源、目的及意义 (1)1.1.1 课题的来源 (1)1.1.2 本课题研究的目的 (1)1.1.3 本课题研究的意义 (1)1.2 课题背景及国内外研究现状 (2)1.3 本课题研究的主要内容 (3)2 刀库及换刀机构总体结构设计2.1 刀库的结构设计 (3)2.1.1 方案分析比较 (3)2.1.2 刀库容量的确定 (6)2.1.3 刀库选刀方式的确定 (6)2.1.4 刀库的设计及计算 (6)2.2 自动换刀装置设计 (13)2.2.1 方案分析比较 (13)2.2.2 机械手自动换刀工作流程设计 (13)2.2.3 换刀机械手结构设计 (22)2.2.4 换刀手手臂和手爪结构设计 (23)2.2.5 液压缸、活塞杆的选择 (24)2.2.6 液压系统工作原理 (26)设计总结 (27)致谢 (29)参考文献 (30)1 绪论1.1课题的来源及研究目的和意义1.1.1课题的来源刀库和机械手是加工中心稳定可靠运行的关键功能部件。
数控加工中心的自动换刀系统设计
数控加工中心的自动换刀系统设计摘要本设计介绍了加工中心自动换刀装置的机械手结构的部分设计、相关液压缸的结构设计以及控制系统的设计，最终实现自动换刀动作；介绍了目前实现快速自动换刀技术的基本方法和各种途径，及其在加工中心上的应用情况和实际达到的技术指标，从而可看出这方面的发展趋势。
换刀装置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，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。
加工中心自动换刀装置是实现多工序连续加工的重要装置，其结构设计及其控制是实现加工中心设计制造的关键。
加工中心的换刀过程较为复杂，动作多，动作间的相互协调关系多，因而自动换刀系统性能的好坏直接影响加工效率的高低。
带有自动换刀系统的数控加工中心在现代先进制造业中起着越来越重要的作用，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。
加工中心是数控机床中较为复杂的加工设备，由于其具有多种加工能力而得到广泛的应用，其强大的加工能力和效率得益于其配置的自动换刀装置（Automatic Tool Changer）。
关键词：自动换刀，机械手，设计，加工中心CNC MACHINING CENTER AUTOMATIC TOOLCHANGING SYSTEMABSTRACTThis paper introduces the structure of Automatic Tool Changer,And the single chip microcomputer is used to achieve the process of automatic tool changing.The cutting tool recognition system uses the cutting tool encoding method, this way is to carries on every time the cutting tool the code, because has every time the cutting tool own code, therefore, may deposit in Y u Daoku any tool apron. In such knife storehouse, simultaneously also reduced the knife storehouse operating time; Simplified has traded the knife control wiring automatically. May complete grasps the knife to draw a sword the rotation slotting tool returns and so on a series of movements.Trades the knife installment to take the machining center the important component, its leading role lies in the reduction processing process the non-cutting time, raises the productivity, reduces the production cost, then promotes the engine bed and even the entire production line's productive forces. The machining center automatically trades the movement are many, the movement intercoordination relates much, thus trades the knife system performance automatically the quality immediate influence processing efficiency height. Has trades the knife system's numerical control machining center to play more and more vital role automatically in the modern advanced manufacturing industry, it can reduce product the manufacturing cycle, enhances the product the working accuracy, suits the flexible processing. The machining center is in the numerically-controlled machine tool the more complex processing equipment, because it has many kinds of working capacities to obtain the widespread application, its formidable working capacity and the efficiency benefit from its disposition trade the knife installment automatically (Automatic Tool Changer).KEY WORDS: automatic tool changer，single chip microcomputer，design，The machining center目录前言 (1)第1章设计任务书 (2)1.1 本课题的内容和要求 (2)1.2 毕业设计目的 (2)第2章总体方案的设计 (4)2.1 换刀过程 (4)2.2 伸缩与旋转运动的确定 (5)2.2.1 液压传动的优缺 (5)2.2.2 液压传动装置的组成 (6)2.2.3 液压系统中在机械手中主要实现的辅助功能 (6)2.3 主要参数的确定 (7)2.3.1 工作行程 (7)2.3.2 运动速度 (7)2.3.3 驱动方式 (8)2.3.4 定位精度 (8)2.3.5 液压系统元件的选择 (8)2.3.6 液压系统的控制原理 (8)2.3.7 机械手液压系统的工作原理图 (11)第3章机械手各部分的设计 (13)3.1 驱动液压缸的设计 (13)3.1.1 液压系统的优点 (13)3.1.2 液压缸的设计 (14)3.2 花键轴及轴套的设计与校核 (16)3.2.1 花键轴的设计 (16)3.2.2 花键的校核 (18)3.3 轴承的选择与润滑 (19)3.4 齿轮的设计与校核 (20)3.4.1 齿轮的设计 (20)3.4.2 齿轮的校核 (21)3.5机械手臂及手抓的设计 (23)3.5.1 对设计手臂的要求 (24)3.6 立柱和机座 (25)3.6.1 立柱 (25)3.6.2 机座 (25)3.7 刀库及换刀机械手的常见故障和维护 (26)3.7.1 刀库的故障 (26)3.7.2 换刀机械手故障 (26)结论 (28)谢辞 (29)参考文献 (30)外文资料翻译 (32)前言机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。
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。
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数控加工中心自动换刀装置的设计摘要数控机床的发展与运用，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运用，加工机械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、机械手与主轴间自动换刀，加工中心出现故障80%都在上述方面。
本课题就是对自动换刀装置进行设计，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。
关键词：自动换刀装置；弧面分度凸轮；滚齿凸轮；机械手。
ABSTRACTThe numerical control engine bed development and the utilization, greatly reduced the components processing non-cutting time, enormous enhancement productivity.Along with the numerical control engine bed popularization utilization, processes the machinery the automaticity to enhance greatly, the numerical control engine bed develops now has been common the application one kind of renewal, the more advanced manufacture equipment is the processing center.The processing center has the knife storehouse and trades the knife installment automatically, can carry on the multi-working procedure processing to the work piece according to the pre-set sequence the high automation multi-purpose numerical control engine bed Trades the knife equipment to have automatically to trade the knife time satisfiedly short, the cutting tool reserves enough, the cutting tool placement space small as well as safe reliable and so on the basic request.The processing center key lies in CNC to choose the knife and between automatically the knife storehouse, the manipulator and the main axle to the knife storehouse trades the knife automatically, the processing center appears breakdown 80% all in the above aspect.This topic is to trades the knife installment to carry on the design automatically, chooses the knife control and between the knife storehouse, the manipulator and the main axle using PLC to the knife storehouse trades the knife control automatically.Keywords:Trades the knife installment automatically; Cambered surface indexing cam; Rolls the tooth cam; Manipulator.目录前言 (1)第1章绪论 (2)1.1国内外数控机床的的发展情况 (2)1.1.1 加工中心发展简史 (2)1.1.2 加工中心的主要优点 (3)1.1.3 加工中心的发展趋势 (3)1.2编程控制器的特点 (4)第2章方案设计 (6)2.1ATC设计特点及设计要求 (6)2.2自动换刀装置主要结构的论证及分析 (7)2.3方案确定 (7)2.3.1 刀库选刀 (9)2.3.2 机械手取刀和换刀 (9)2.3.3 方案确定 (9)第3章机械手结构设计和设计计算 (10)3.1机械手的装配 (10)3.1.1 机械手爪的装配 (10)3.1.2 手臂装配图 (11)3.2机械手手爪加紧力的计算 (12)第4章刀库的结构设计和计算 (13)4.1刀库的功能和形式 (13)4.2刀库的结构设计 (15)4.2.1 刀库的结构及其工作原理 (15)4.2.2 刀库各零部件结构 (15)4.2.3 刀库的装配 (17)4.3刀库的设计计算 (18)4.3.1 刀库驱动电动机的选定 (18)4.3.2 刀库传动方式及计算 (20)4.4刀库的选刀方式 (20)4.5刀套准停措施 (21)第5章机械手驱动与松刀装置设计 (23)5.1机械手驱动装置设计 (23)5.2机械手松刀装置设计 (23)第6章换刀装置的换刀动作及程序设计 (26)6.1换刀动作分析 (26)6.2换刀装置的液压机构分析 (27)6.2.1 液压分析 (27)6.2.2 换刀动作顺序表 (28)6.2.3液压泵的选择 (29)6.3自动换刀的程序设计 (30)小结 (34)参考文献 (35)致谢 (36)附录 (37)前言大学四年学习即将毕业，在各位老师的辛勤指导和培育下，我完成了基础课和机械设计与制造专业课程的学习。
在这过程当中，我本着乐群、求实、自强、进取的态度严格按照教学要求，认真学习课本，专心听取老师的讲解，对专业理论知识有了较为深刻的认识和理解。
我也通过参加学校组织的各种金工实习、生产实习和毕业实训，主动思考、分析、比较，把所学的专业知识和生产实践相结合，有效地巩固了所学的基础理论知识，真正做到了学有所用，使我学会了分析问题和解决问题的能力，而且强化了我的知识结构；同时，也使自己的综合素质有了较好的提高，为今后走上社会打下一定的基础。
毕业设计作为大学学习进程中的最后一步，也是最为关键的一步，它不仅是对我们四年学到的知识的全面总结，也是考核我们独立分析和解决问题的能力。
它可以比较系统、综合地考察一名学生是否真正学到了知识，是否能够把所学的知识应用到实际问题中去。
本次设计的目的是培养学生初步掌握独立从事专业技术工作的能力，通过毕业设计不但可以培养我们运用各种工具书的方法和技巧，而且把自己实习所经历过的结合理论使之有效的应用在自己的设计上。
在本次毕业设计中，我的设计题目是《加工中心自动换刀装置的设计》。
数控机床加工中心集机械设计、电子、液压传动、控制技术、检测装置等技术于一身的产品，已广泛应用于机械生产和机械加工中。
加工中心适用于零件形状比较复杂、精度要求较高、产品更换频繁的中小批量生产，具有明显的经济效果。
因此具有很大的发展空间和潜力，市场空间也是相当庞大的。
本设计包括：1.绪论；2.方案设计；3.机械手和刀库的结构设计及其计算；4.机械手驱动和松刀装置的设计；5. 机械手的换刀动作分析及设计要求；6.自动换刀的程序设计六个主要章节。
设计过程参考一些已有的换刀装置图，通过独立思考，在原有基础上，符合机械设计和加工原理下，发扬创新精神，单独完成该设计。
在设计过程中得到了各位老师的指导和帮助，在此向他们表示感谢。
由于我理论水平有限，而且缺乏实践经验，所以在设计过程中，难免有错误和不足之处，恳请各位老师批评指正。
第1章绪论1.1 国内外数控机床的的发展情况20 世纪90 年代以来, 数控加工技术得到迅速的普及和发展, 数控机床在制造业得到了越来越广泛的应用。
带有自动换刀系统的数控加工中心在现代先进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。
加工中心是数控机床中较为复杂的加工设备, 由于其具有多种加工能力而得到广泛的应用, 其强大的加工能力和效率得益于其配置的自动换刀装置。
换刀装置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, 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。
加工中心自动换刀装置是实现多工序连续加工的重要装置, 其结构设计及其控制是实现加工中心设计制造的关键。
加工中心的换刀过程较为复杂, 动作多, 动作间的相互协调关系多, 因而自动换刀系统性能的好坏直接影响加工效率的高低。
自动换刀系统一般由刀库、机械手和驱动装置组成。
刀库容量可大可小，其装刀数在20～180把之间。
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。
驱动装置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（或液机构）或凸轮机构组成。
机械手完成刀库里的刀（新刀）与主轴上的刀（旧刀）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。
1.1.1 加工中心发展简史1952年世界上出现第一台数控机床，使多种产品、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，因而比大批量生产中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。