XK713数控立式升降台铣床自动换刀装置.docx

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XK713数控立式升降台铣床自动换刀装置

本科毕业论文（设计）

论文题目：

光机电一体化在数控机床中的应用

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学号：

**********

专业：

光机电一体化工程

班级：

07-2031

指导教师：

吴新跃余丽

完成日期：

2011年3月21日

摘要………………………………………………………………………………………I

Abstract………………………………………………………………………………………II

摘要

本论文介绍的是XK713立式数控床身铣床自动换刀装置（刀库式）的设计形式.刀库式的自动换刀装置是由刀库和刀具交换装置（换刀机械手）组成。

它是多工序数控机床上应用最广泛的换刀装置，其整过换刀过程比较复杂。

首先把加工过程中需要使用的全部刀具安装在标准的刀柄上，在机床外进行尺寸预调后，按一定的方式装入刀库。

换刀时，先在刀库中进行选刀，由机械手从刀库和主轴上取出刀具，然后交换位置，把新刀插入主轴，旧刀放回刀库。

存放刀具的刀库具有较大的容量，其容量为六把刀具,采用盘形结构,安装在机床的左侧立柱上。

刀具按预定工序的先后顺序插入刀库的刀座中，使用时按顺序转到取刀位置。

用过的刀具放回原来的刀座内，也可以按加工顺序放入下一个刀座内。

该法不需要刀具识别装置，驱动控制也比较简单，工作可靠。

但刀库中每一把刀具在不同工序中不能重复使用，为了满足加工需要只有增加刀具的数量和刀库的容量，这就降低了刀具和刀库的利用率。

此外，装刀时必须十分谨慎，如果刀具不按顺序装在刀库中，将会产生严重的后果。

顺序选刀是在加工之前，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，顺序不能有差错。

加工时按顺序调刀。

适合加工批量较大、工件品种数量较少的中、小型自动换刀装置。

可知数控铣床用4把刀就可完成大多数的铣削加工。

所以这个容量为6把刀的刀库，几乎不存在加工过程中需要重复利用刀具的情况，所以刀具的选择方式确定为顺序选择刀具。

两手互相垂直的回转式单臂双手机械手的优点是换刀动作可靠，换好时间短，缺点是刀柄精度要求高，结构复杂，联机调整的相关精度要求高，机械手离加工区较近。

一般来说，这种机械手用于刀库刀座轴线与机床主轴轴线垂直，刀库为径向存取刀具形式的自动换刀装置，因此，在XK713立式数控床身铣床的自动换刀装置中可采用这种机械手形式。

关键词：

数控铣床；自动换刀装置；刀库；换刀机械手

Abstract

ThisthesisintroductionisthedesignthattheXK713numbercontrolsthesigntypeworkingpanelbedmillertochangetheknifedevice（theknifedatabasetype）automatically.Theknifedatabasetypeautomaticallychangetheknifedeviceishavebytheknifedatabaseandtheknifetoexchangedevice（changetheknifethemachinehand）toconstitute.Itismanyworkordinalnumberstocontrolthetopofthetoolmachinetoapplytochangetheknifedevicemostextensively,itiswholetoleadtochangetheknifeprocessmorecomplicated.Firstprocessprocessinneedtobeuseofallknifeshavetoinstallonthehaftofthestandard,pressingcertainwaytopackintotheknifedatabaseafterthetoolmachinecarryonsizetopreparetoadjustoutside.Beintheknifedatabasecarryonchoosingknifefirstwhilechangetheknife,istakenoutknifetohavefromtheknifedatabaseandtheprincipalaxisbythemachinehand,thenexchangeposition,insertthenewknifeintotheprincipalaxis,theoldknifeputsbackaknifedatabase.Theknifedatabasethatdepositsknifetohavehasbiggercapacity,itscapacityhasforsixknifes,adoptingthedishformstructure,theleftsidethatinstallsinthetoolmachinesignspillarup.

Theknifehastopresstoscheduletotheworkprefaceinserttheknifeoftheknifedatabaseorderofsequence,usageturntotakeknifepositioninorder.Theknifeforusingputsbacktheoriginalknifeinside,canalsopresstoprocesssequencetoputintothenextknife.Thatmethoddoesn'tneedtheknifetoidentifydevice,drivingacontrolalsomoresimple,workcredibility.Buttheknifedatabaseineachknifehaveinthedifferentworkprefaceandcan'trepeatanusage,forsatisfyingtoprocesstoneedtoonlyincreasethecapacityofthequantityandtheknifedatabasethattheknifehave,thisutilizationthatlowersknifetohavewiththeknifedatabase.Havetobeverycarefulwhilepackingknifeinaddition,iftheknifedoesn'tinorderhavetopackintheknifedatabase,willproduceseriousresult.Sequence'schoosingknifeisbeforeprocess,willprocesstheknifethatsparepartsneedtohavetorequesttobeonebyoneinorderintheknifesetofinserttheknifedatabaseaccordingtothecraft,thesequencecan'thavemistake.Processadjustknifeinorder.Suittoprocessabatchquantitytocomparegreatly,theworkpiecethespeciesquantitylessofmedium,smallscaledtheautochangetheknifedevice.Canknowthenumbercontrolsmillertouse4maketheknifecompletemostmillingandcanparetoprocess.Sothiscapacityis6knifedatabasesofknifes,almostthenonentityprocesstoneedtomakeuseofthecircumstancethattheknifehaveagainintheprocess,sotheknifehaveofthechoicemethodassuranceforinproperorderchoicetheknifehave.

Twohandsaremutualperpendicularoftheadvantageoftheturn-overtypesinglearmhandsmachinehandchangetheknifeactioncredibility,changinggoodtimeshort,theweaknessisthehaftaccuracytohavehighrequest,structurecomplications,thelinkingmachineadjustoftherelatedaccuracyhavehighrequest,themachinehandleavestoprocessareanearer.Generallyspeaking,thiskindofmachinehandusedsfortheknifedatabaseknifethestalklineandthetoolmachineprincipalaxisstalklineperpendicular,theknifedatabasehasaformtochangetheknifedeviceautomaticallytowardtheaccessknifeforthepath,thereforecanadoptthiskindofmachinehandformintheXK713numbercontrolthesignbedtypemillertheautochangetheknifethedevice.

Keywords:

numericalcontrolmillingmachines；Automatictoolchanger；Toolstorage；toolchanging-manipulator

XK713数控立式升降台铣床自动换刀装置

第一章绪论

1.1数控机床知识

数字控制机床是用数字代码形式的信息（程序指令），控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。

数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。

随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。

此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。

数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。

输入数控装置的程序指令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入。

随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程。

未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多；激光加工等技术将应用在切削加工机床上，从而扩大多工序集中的工艺范围；数控机床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。

1.2数控铣床的分类

1.2.1立式数控铣床

立式数控铣床是数控铣床中数量最多的一种，应用范围也最为广泛。

小型数控铣床一般都采用工作台移动、升降、及主轴不动方式，与普通立式升降台铣床相似；中型立式数控铣床一般采用纵向和横向工作台移动方式，且主轴沿垂直溜板上下运动；大型数控立式铣床，因要考虑到扩大行程，缩小占地面积及刚性等技术问题，往往采用龙门架移动式，其主轴可以在龙门架的横向与垂直溜板上运动，而龙门架则沿床身作纵向运动。

从机床数控系统控制的坐标数量来看，目前3坐标立式数控铣床仍占大多数。

一般可进行3坐标联动加工，但也有部分机床只能进行3坐标中的任意二个坐标联动加工。

此外，还有机床主轴可以绕X、Y、Z坐标轴中其中一个或两个轴作数控摆角运动的4坐标和5坐标立式数控铣床。

一般来说，机床控制的坐标轴越多，特别是要求联动的坐标轴越多，机床的功能、加工范围及可选择的加工对象也越多。

但随之而来的是机床的结构更复杂，对数控系统的要求更高，编程的难度更大，设备的价格也更高。

立式数控铣床可以附加数控转盘，采用自动交换台，增加靠模装置等来扩大立式数控铣床的功能，加工范围和加工对象，进一步提高生产效率。

1.2.2卧式数控铣床

与通用卧式铣床相同，其主轴级平行于水平面。

为了扩大加工范围和扩大功能，卧式数控铣床通常采用增加数控转盘或万能数控转盘来实现4、5坐标加工，这样，不但工件侧面上的连续回转轮廓可以加工出来，而且可以实现在一次安装中，通过转盘改变工位，进行“四面加工”。

可以省去许多专用夹具或专用角度成型铣刀。

对箱体类零件或需要在一次安装中改变工位的工件来说，选择带数控转盘的卧式铣床进行加工是非常合适的。

1.2.3立、卧式两用数控铣床

这类铣床目前正在逐渐增多，它的主轴方向可以更换，能达到在一台机床上既可以进行立式加工，又可以进行卧式加工，其使用范围更广，功能更全，选择加工的对象和余地更大，给用户带来了很多方便，特别是当生产批量小，品种较多，又需要立卧两种方式加工时，用户只需买一台这样的机床就行了。

立、卧两用数控铣床的主轴方向的更换有手动与自动两种，采用数控万能主轴头的立、卧两用数控铣床，其主轴头可以任意转换方向，可以加工出与水平面呈各种不同角度的工件表面。

当立、卧两用数控铣床增加数控转盘后，就可以实现对工件的“五面加工”。

即出除了工件与转盘贴合的定位面外，其它表面都可以在一次安装中进行加工。

因此，其加工性能非常优越。

1.3数控铣床的结构特征

1.3.1数控铣床的主轴特征

数控铣床的主轴开启与停止，主轴正反转与主轴变速等都可以按输入介质上编入的程序自动执行。

不同的机床其变速功能与范围也不同。

有的采用变频机组，固定几种转速，可自选一种编入程序，但不能在运转时改变。

有的采用变频器调整，将转速分为几档，编程时可任选一档，在运转中可通过控制面板上的旋钮，在本档范围内自由调节；有的则不分档,编程时可在整个范围内无级调速。

但是在实际操作中，调速不能有大起大落的突变，只能在允许的范围内调高或调低，只能在允许的范围内一般都设有自动拉、退刀装置，能在数秒内完成装刀与卸刀，换刀比较方便。

此外，多坐标数控铣床的主轴可以绕X、Y或Z轴作数控摆动，扩大了主轴自身的运动范围，但是主轴结构更加复杂。

1.3.2控制机床运动的坐标特征

为了要把工件上各种复杂的形状轮廓连续加工出来，必须控制刀具沿平面上设定的直线、圆弧或空间直线、圆弧轨迹运动，因此，要求数控铣床的伺服拖动系统能在多坐标方向同时协调动作，并保持预定的相互关系，这就要求机床应能实现多坐标联动。

数控铣床要控制的坐标数最少是3坐标中任意两坐标联动。

要实现连续加工直线变斜角工件，应实现四坐标联动。

若要加工曲线变斜角工件，是要求实现五坐标联动。

因此，数控铣床所配置的数控系统档次，一般都比其它数控机床相应更高一些。

1.4数控铣床的主要功能及加工对象

1.4.1数控铣床的功能

数控铣床的功能分为一般功能和特殊功能。

一般功能是指各类数控铣床普遍所具有的功能。

如点位控制功能、刀具半径自动补偿功能、镜象加工功能、固定循环功能等。

特殊功能是指数控铣床在增加了某些特殊装置或附件后，分别具有或兼备的一些特殊功能。

如刀具长度补偿功能、靠模加工功能、自动变换工作台功能、自适应功能、数控采集功能等。

在使用数控铣床加工工件时，只要充分利用数控铣床的各种功能，就可以加工许多普通铣床难加工的工件。

数控铣床的主要加工对象有：

平面类零件；变斜角类零件；曲面类（立体类）零件。

1.4.2自动换刀装置（ATC）及其形式

数控机床为了进一步提高生产率，进一步压缩非切削时间，现代的机床逐步发展为在一台机床上在一次装中完成多工序或全部工序的加工。

数控机床为了能在工件一次装夹中完成多个工步，以缩减辅助时间和减少多次安装工件引起的误差，通常带有自动换刀系统。

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（AutomaticToolChanger，ATC）;自动换刀（AutomaticToolChange简称ATC）系统由控制系统和换刀装置组成。

在数控铣床的基础上，如果再配以刀具和自动换刀系统，就构成加工中心（Machiningcenter简称MC）。

在这类数控机床上，自动换刀装置（ATC）是必不可少的。

例如加工中心机床又称多工序自动换刀数控机床，它主要是指具有自动换刀及自动改变工件加工位置工能的数控机床，具有自动换刀装置是加工中心机床的典型特征，是多工序加工的必要条件。

自动换装置的功能，对整机的加工效率有很大的影响。

由于普通的数控立式铣床加工的一般是中小零件，其大多需要几把刀具加工（10把刀具以内，）故增加自动换刀装置并同时自动变换主轴转速。

可减轻劳动强度，减少换刀时间，既提高了机床的自动化程度，又提高了劳动生产率。

因此，数控立式铣床作为数控铣床中数量最多、应用范围也最广的一种，对其附加能够快速、准确地换刀的自动换刀装置是非常有必要的。

各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的型式、工艺范围及刀具的种类和数量等。

这种装置主要可以分为以下几种形式：

1）回转刀架换刀形式

数控车床使用的回转刀架是一种简单的自动换刀装置。

根据不同加工对象，可以设计成四方和六角刀架或其他等多种形式。

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转位换刀。

回转刀架在结构上必须有良好的强度和刚性，以及合理的定位结构，以保证回转刀架在每一次转位之后具有尽可能高的重复定位精度。

如：

CK7815型数控车床采用BA200L刀架，其工作循环是：

刀架接收数控装置的指令一松开一转到指令要求的位置一夹紧一发出转位结束的信号。

2）更换主轴头换刀形式

在带有旋转刀具的数控机床中，更换主轴头换刀是一种简单的换刀方式。

主轴头通有卧式和立式两种，而且常用转塔的转位来更换主轴头以实现自动换刀。

各个主轴头上预先装有各工序加工所需要的旋转刀具，当收到换刀指令时,各主轴头依次地转到加工位置，并接通主运动使相应的主轴带动刀具旋转，而其他处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。

转塔主轴头换刀方式的主要优点是省去了自动松夹、卸刀装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作，从而显著地减少了换刀时间，提高了换刀的可靠性，但是由于结构上的原因和空间位置的限制，主轴部件的刚性差且主轴的数目不可能很多。

因此转塔主轴头换刀通常只适用于工序较少，精度要求不太高的数控机床，如数控铣床。

3）带刀库的自动换刀形式

带刀库的自动换刀形式主要是由刀库和刀具交换装置组成。

目前这种换刀方法在数控机床上的应用最为广泛。

带刀库的自动换刀装置的数控机床主轴箱和转塔主轴头相比较，由于主轴箱内只有一个主轴，所以主轴部件具有足够刚度，因而能够满足各种精密加工的要求。

另外，刀库可以存放数量较多的刀具，可进行复杂零件的多工序加工，可明显提高数控机床的适应性和加工效率。

这种带刀库的自动换刀装置特别适用于数控铣床、数控钻床和数控镗床。

刀库的类型按刀库的结构形式可分为：

圆盘式刀库、链式刀库、箱型式刀库---箱型和线型；按设置部位的不同，刀库可以分为：

顶置式、侧置式、悬挂式和落地式等多种类型；按交换刀具还是交换主轴，刀库可分为：

普通刀库（简称刀库）和主轴箱刀库。

虽然刀库有多种形式，但数控机床上常用的主要是圆盘式和链式两种。

交换装置的机械手形式也多样，目前在数控机床上用得最多的是回转式双臂机械手。

其他形式还有摆动式单臂双爪机械手、单臂单爪回转式机械手、双机械手等等。

1.4.3自动换刀装置应当满足的基本要求

1）刀具换刀时间短。

2）刀具重复定位精度高。

3）足够的刀具储存量。

4）刀库占地面积小。

5）换刀安全可靠。

第二章总体方案的确定

依据设计任务书，我们的任务是给XK713立式数控铣床设计安装合适的自动换刀装置。

主要技术参数为：

1）刀库容量：

4-62）选刀方式：

顺序选刀3）重复精度：

5"

XK713数控立式床身铣床主要由床身、升降台、工作台、立铣头、主传动、主变速、拉刀机构、液压系统、自动润滑系统、冷却系统、吊挂、电柜等部分组成。

机床本身并不带自动换刀装置。

自动换刀装置作为一套独立的、完整的机床部件，设计依据是该机床的型式、工艺范围及刀具的种类和数量等。

2.1XK713数控立式升降台铣床及其主要参数

XK713数控床身铣床是一种高效型、经济型的机床。

机床刚性很高、加工精度好，可以自动连续完成对零件的铣、钻、镗、扩、铰等多种工序加工，适用于中等批量生产的各种平面、阶梯面、沟槽、圆弧面、螺旋槽、齿轮、齿条、花键、孔等各种形状零件的加工。

可广泛应用于机械行业及其他行业的机械加工、机修部门，尤其对于成批零件加工、模具加工和较精密零件加工具有很强的应用性。

主轴采用台湾森力玛YPNC系列主轴变频专用电机配用国外进口变频器经过两档齿轮机械变速以实现机床主轴的无级调速。

变速操纵机构采用间歇齿轮齿条机构控制，通过高低档转换手柄以实现手动挂挡变速。

主轴松拉刀机构采用台湾打刀缸、具有响应快、力量大、稳定性好等特点。

XYZ坐标均采用交流伺服电机通过高精度无齿隙联轴器与精密级滚珠丝杠副直联，丝杠轴承采用高精度、高刚性成组角接触球轴承，稳定性好、精度高，保证了机床的传动刚性、位置精度和高传动精度。

机床配有全封闭防护罩及刀具自动冷却系统。

控制系统可采用成都广泰，武汉华中，广州广数，日本FANUC，德国SIEMENS，三菱MISTUEBISH等数控系统。

该机床适用于机械制造的各种类部门，也适用于军工部门。

2.1.1其主要结构特点

1）主传动系统为7.5Kw的交流电动机通过弹性连轴器驱动主传动箱，主传动箱内有三组滑移齿轮,液压预选变速机构推动各滑移齿轮,组成18种转速,再传到铣头上的主轴，主传动箱内有电磁制动器,主轴制动迅速平稳。

2）进给系统X、Y、Z三个座标的进给，都是由交流伺服电机驱动的。

电机通过同步齿形带驱动滚珠丝杠，从而使部件沿导轨移动。

伺服电机及其相应的速度控制单元和用于位置检测的脉冲编码器等均受控于数控系统