数控加工中心―换刀机械手设计

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1 绪论

1.1数控加工中心概述

1.1.1数控加工中心的优点

数控加工中心的优点很多，主要有一下几种：

（1）工件一次装夹可完成多种加工任务，避免了因多次装夹带来的误差和时间成本，而且，由于不需要依靠操作者的技术水平，可得到相当高的稳定精度。

（2）减少了加工的准备时间，提高了加工效率，减少了劳动力的使用，从而大大的

降低了生产成本，提高了产品的竞争力。

（3）提高了设备的利用率，数控加工中心的设备利用率为通用机床的几倍，并且，

由于工序较为几种，更加适合多种、中小批量的加工生产。 1.1.2数控加工中心的结构特点数控加工中心的结构特点如下：

（1）刚度高、抗振性好。

（2）传动系统结构简单，传递速度快，精度高。

（3）设计有刀库和换刀机构，这是数控加工中心与其他机床的主要区别。（4）相

较其他机床更为人性化，功能齐全，省去了绝大部分的人力劳动。 1.1.3数控加工中心的发展趋势

（1）高速化

随着数控系统核心处理器性能的进步，数控加工中心的主轴转速和进给速度的进一步

提升以及自动交换平台和自动换刀用时的进一步缩短，进而使数控机床的效率向更高的目

标迈进。

（2）高精度化

先进的数控系统一般带有高精度的位置检测装置，并通过自我反馈系统时时的调整主轴的运动，进而保证了较高的加工精度和准确性。随着现代科学技术的发展，以及人们不断去对超精密加工技术提出更高的要求，并且伴随新材料，新零件的出现对它们的加工需要更高的超精密加工工艺，因此不断发展新型的超精密加工机床和不断完善现代超精密加工技术，是数控机床发展的毕由之路。

（3）复合化

随着产品外观曲线的复杂化致使模具加工技术必须不断升级，对数控系统提出了新的需求。机床五轴加工、六轴加工已日益普及，机床加工的复合化已是不可避免的

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发展趋势。

（4）高柔性化

数控机床在提高单机柔性化的同时，正朝着单元柔性化和系统柔性化方向发展.柔性制造系统是一种在批量生产下，高柔性和高自动化程度的制造系统，它综合了高效，高质量及高柔性的特点，适用于中各种批量和不同品种产品的自动化生产的技术问题，伴随数控系统技术的成熟和升级改造，数控机床的高单元柔性化和系统柔性化已日趋成为现实。

1.2自动换刀装置简介

1.2.1自动换刀装置

自动换刀装置简称ATC是由刀库、机械手及相应的控制系统组成的。具有钻、镗、铣功能的数控铣床，一般刀具都安装在机床的主轴上，工件安装在工作台上。为了能使工序尽可能的集中，尽量节省辅助时间，于是在数控铣床上增加了自动换到装置便形成了加工中心。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ATC在加工中心中扮演着极重要的角色。有机械手换刀，是数控加工中心普遍采用的一种方式，它的种类很多，主要原理均为靠机械手的手抓抓取刀具完成新旧刀具的交换工作，应为节省了换刀时间，提高了加工效率，所以备受亲赖。 1.2.2刀库的结构功能和运动原理

刀库是存储刀具的装置，也是区别一般机床和数控机床最主要的区别，常见的刀库主要有以下几种形：转塔式刀库、盘式刀库、链式刀库。

图1.1 转塔式刀库

（1）转塔式刀库，包括水平转塔头和垂直转塔头两种形式，所有刀具固定在同

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一转塔上，无换刀臂，储刀的数量非常有限，通常为6到8把车刀。一般仅用于轻便

而简单的机床，常见于车削中心和钻削中心等。在钻削中心储刀位置即主轴，其外部结构

紧凑并且内部构造复杂，精度要求较高。

（2）盘式刀库特点，刀具沿盘面垂直排列、沿盘面径向排列或成锐角排列的形式的

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。刀具数量一般不多于32把;刀具呈多环排列的刀库的空间利用率高，但必然使得取刀机构复杂，适用于机床空间

受限制而刀库容量又较大的场合。

图1.2 盘式刀库

图1.3 链式刀库

（3）链式刀库包括单环链和多环链两种类型，链环形式可有多种变化特点，适用于

刀库容量较大的场合，优点是刀库所占的空间小，可容纳的刀具较多，刀库的空间利用率

很高。一般适用于刀具数在30到120把。可通过增加链条的长度就能增加可容纳刀具的

数量，并且可以不增加圆周速度，其转动惯量相比盘式刀库增加的较小。

（4）格子式刀库装有刀套的格子架固定，其前面有抓刀器在上下、左右移动，

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根据指令把需用的刀具爪取到主轴换刀的位置上，换刀完毕后再把已用的刀具送回到

原来所在的刀库的到套上，然后把下道工序将要用到的刀具送到换刀位置，如此往复换刀。这种刀库的容量非常大，适合用于多用途的数控加工中心上。

（5）刀套准停措施

机床的切削转矩是由主轴前端面上的端面键来传递的，每次机械手自动装取刀具时，

必须保证刀柄上的键槽对准主轴的端面键，这就要求主轴具有准确的定位功能。为满足主

轴这一功能而设计的装置成为主轴准停装置或称为主轴定向装置。

1-数控系统 2-强电时序电路 3-主轴伺服单元 4-主轴电动机 5-同步齿形带 6-位置控制电路 7-主

轴端面键 8-主轴 9-发磁体 10-磁传感器 11-放大器 12-定向电路

图1.4 主轴准停装置原理图

本次设计采用的是电气式主轴准停装置，即用电磁传感器检测定向，主轴8的尾部安装有发磁体9，它随主轴转动，在距发磁体外缘14mm处，固定了一个磁传感器10，它经过放大器11与主轴伺服单元3连接。主轴定向指令1发出后，主轴处于定向状态，当发磁体上的判别孔转到对准传感器上的基准槽时，主轴立即停止。5为电动机与主轴之间的同步齿形带，4为主轴电动机，2为强电时序电路，7为主轴端面键，6是位置控制回路，12是定向电路。

1.3机械手的概述

1.3.1机械手的驱动方式

在工业生产的过程中，由于工作环境的限制，导致人们无法完成某些工作或者仅

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