数控机床的自动换刀装置设计.docx

1、数控机床的自动换刀装置设计毕业设计论文论文题目： 数控机床的自动换刀装置设计 作者姓名 指导教师 所在院系 甘肃有色冶金职业技术学院 专业班级 矿山机电1201班 摘 要90年代以来，数控加工技术得到迅速的普及及发展，高速加工中心作为新时代数控机床的代表，已在机床领域广泛使用。加工中心是一种备有刀库并能自动换刀对工件进行多工序加工的数控机床。它是适应省力、省时和节能的时代要求发展起来的，它综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、气动技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通讯诊断、刀具和应用编程技术为一身的高科技产品。而刀库是一台加工中心关键的、必不可少的组成部分，刀库的功能是储存加

2、工工序所需的各种刀具，并按程序T指令，把将要用的刀具准确地送到换刀位置，并接受从主轴送来的已用刀具。刀库的储存量一般在864把范围内，多的可达100200把。加工中心刀库的形式很多，结构也各不相同，最常用的有圆盘式刀库、链式刀库和格子盒式刀库。盘形刀库为最常用的一种形式，每一刀座均可存放一把刀具。盘形刀库的储存量一般为1540把。盘形刀库的种类甚多，刀库的刀具轴线可以按不同的方向配置。单盘式刀库的结构简单，取刀也较方便，因此应用最为广泛。本设计的题目是数控机床的自动换刀装置设计。以加工中心为对象，通过分析加工中心的整体结构和自动换刀系统的特点、应用条件、设计要求等，并结合在数控机床上对刀库和换

3、刀机械手的需要，能在数控程序的控制下灵活的实现换刀过程。设计的刀库为盘式刀库，驱动装置采用电机液压驱动；设计的换刀机械手为回转式单臂双手机械手，手指采用弹簧销压紧式，驱动装置采用液压双作用缸。结合工厂实际，该自动换刀系统在数控的控制下能灵活的完成换刀程序，节省了时间、提高了效率、安全可靠。关键词：加工中心，盘形刀库，数控、1 概述数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、智能化和集成化的基础。数控机床工业在国民经济中占有重要的地位，是衡量一个国家工业现代化水平和综合国力的重要标志。机床是发展机械制造业乃至整个工业必不可少的复杂生产工具，既是生产要素，又是重要的商品。而数

4、控机床是机电一体化现代机床，对复杂件、难削件的加工起到重要作用，又特别适合于中小批多品种柔性生产。在大批大量生产自动化实现之后，必须要努力发展中小批多品种柔性生产自动化，以适应社会产品多样化的需求。数控机床的发展在很大程度上取决于数控系统的性能和水平，而数控系统的发展及其技术基础离不开微电子技术和计算机技术。随着计算机及其软硬件技术的飞速发展，数控系统的硬件平台趋于一致化，而控制系统软件的竞争日益加剧。1.1数控机床发展现状1.1.1国际数控机床的发展状况随着商品市场的国际化，各国数控机床市场的联系越来越紧密，相互之间的影响也越来越大。下面列举德国、日本、和韩国等三个国家的数控机床发展状况，从

5、中可一窥国际数控机床的发展状况。德国：创历史新高2006年，德国机床业界的生产与服务总值高达108亿欧元，增长4%。在出口方面，截至2006年，德国机床制造业已连续4年取得上好成绩，仅2006年前9月的出口增幅便高达13%。来自中国市场的需求超过了美国市场，再度成为德国机床出口的最大海外市场。 与此同时，德国对韩国与印度的机床出口也有出色表现。这标志着亚洲市场的繁荣及其各个行业工业标准的提高。日本用户也在增加对德国机床与技术的订购，2006年日本首次跃居德国15大出口市场之一。进口方面，亚洲的机床生产企业正不断提升技术标准，着力强化其在德国市场中的地位。2006年前3个季度，德国的机床进口增长

6、率高达15%，主要增量来自中国、韩国、中国台湾与日本。 2007年该国机床生产与服务总值还将继续攀升，达115亿欧元。如此一来，德国机床制造业将取得历史以来的最好成绩，并有望打破行业在2001年所创下的最高记录。日本：细水长流式的景气复苏截至2006年年底，日本机床业已连续32个月每月订货额超过1000亿日元，超过了上世纪90年最高峰时连续22个月订货额超过1000亿日元的记录。其他的统计数字为:2006年机床工业生产总值达1兆2110亿日元，与订货额基本呈现同样的发展趋势，出口额9255亿日元，同比增长14%，进口额1356亿日元，同比增长26%。 回顾以2002年为谷底的本次恢复期的机床工

7、业订货额情况，2002年为6758亿日元，同比增长14.3%;2003年为8511亿日元，同比增长25.9%;2004年为1兆2362亿日元，同比增长45.2%;2005年为1兆3632亿日元，同比增长10.3%;2006年的订货额远远超出了当初的预测值1兆1200亿日元，达到1兆4370亿日元，同比增长54%，创造了16年来的历史新高，继续着细水长流式的景气复苏。韩国：出口良好，内需萎缩2006年韩国机床产业的总产值达到41.4亿美元，估计比前年增长了18%。按阶段可分为：上半年良好、下半年停滞，表现为出口良好、内需萎缩的景象。 按照不同行业需求形态来看，以中小企业为主的铸造模具行业的需求，

8、由于内需的不景气呈现出了全面的萎缩，而电气电子行业没能追加大量的投资，比前年有所减少。然而对业绩辉煌的造船业来讲，需求十分活跃，对大型机械的需求大大增加。汽车行业虽然因受到现代汽车公司的罢工影响多少有所萎缩，但通过汽车厂商的海外拓展及GM大宇、雷诺三星的投资相对扩大，基本保持了前年的水平。1.1.2国内数控机床的发展状况随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业

9、化进程，而中国从20世纪80年代开始起步，仍处于发展阶段。“十五”期间，中国数控机床行业实现了超高速发展。其产量2001年为17521台，2002年24803台，2003年36813台，2004年51861台，2004年产量是2000年的3.7倍，平均年增长39；2005年国产数控机床产量59639台，接近6万台大关，是“九五”末期的4.24倍。“十五”期间，中国机床行业发展迅猛的主要原因是市场需求旺盛。固定资产投资增速快、汽车和机械制造行业发展迅猛、外商投资企业增长速度加快所致。2006年，中国数控金切机床产量达到85756台，同比增长32.8%，增幅高于金切机床产量增幅18.4个百分点，进

10、而使金切机床产值数控化率达到37.8%，同比增加2.3个百分点。此外，数控机床在外贸出口方面亦业绩骄人，全年实现出口额3.34亿美元，同比增长63.14%，高于全部金属加工机床出口额增幅18.58个百分点。2007年，中国数控金切机床产量达123,257台，数控金属成形机床产量达3,011台；国产数控机床拥有量约50万台，进口约20万台。2008年10月，中国数控机床产量达105,780台，比2007年同比增长2.96。长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。究其原因，国内本土数控机床企业大多处于

11、“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了510年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了1015年。同时中国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，中国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。国外公司在中国数控系统销量中的80以上是普及型数控系统。如果我们能在普及型数控系统产品快速产业化上取得突破，中国数控系统产业就有望从根本上实现

12、战略反击。同时，还要建立起比较完备的高档数控系统的自主创新体系，提高中国的自主设计、开发和成套生产能力，创建国产自主品牌产品，提高中国高档数控系统总体技术水平。“十一五”期间，中国数控机床产业将步入快速发展期，中国数控机床行业面临千载难逢的大好发展机遇，根据中国数控车床19962005年消费数量，通过模型拟合，预计2009年数控车床销售数量将达8.9万台，年均增长率为16.5%。根据中国加工中心19962005年消费增长模型，预计2009年加工中心消费数量将达2.8万台，较2005年年均增长率为17.8%。1.1.3数控机床技术的发展趋势高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，

13、近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在：1、机床复合技术进一步扩展随着数控机床技术进步，复合加工技术日趋成熟，包括铣车复合、车铣复合、车镗钻齿轮加工等复合，车磨复合，成形复合加工、特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。“一台机床就是一个加工厂”、“一次装卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。 2、智能化技术有新突破数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动

14、等功能进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。 3、机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用，使得柔性线更加灵活、功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车铣复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。4、精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级（0.01mm）提升到目前的微米级（0.001mm），有些品种已达到0.05m左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05m左右，形状精度可达0.01m左右。采用光、

15、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（0.001m）。通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。 5、功能部件性能不断提高功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平。1.2加工中心加工中心是在数控铣床的基础上加上刀库及自动换刀装置或多个工作台，集数控铣床、数

16、控镗床、数控钻床的功能于一身的一种由计算机来控制的高效、高自动化的机床。工件在一次装夹后，数控系统根据加工的需要，自动选择和更换刀具，根据粗精加工的不同要求自动改变机床主轴的转速、进给量和刀具相对于工件的运动轨迹和其他辅助功能，一次完成多工序的加工。减少了工件的装夹、测量和机床调整等时间，使机床的切削时间达到机床开动时间的80%左右（普通机床仅为15%20%）；同时也减少了工序之间的工件周转、搬运和存放时间，缩短了生产周期，具有明显的经济效益。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。1.2.1加工中心的组成加工中心自问世至今已有三十多年，世界各国出现了各种类型

17、的加工中心，虽然外形结构各异，但从总体来看主要由以下几大部分组成。1.基础部件基础部件由床身、立柱和工作台等组成，它是加工中心的基础结构，主要承受加工中心的静载荷以及在加工时产生的切削负载，因此必须要有足够的刚度。这些大件可以是铸铁件，也可以是焊接而成的钢结构件，它们是加工中心体积和质量最大的部件。2.主轴部件主轴部件由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零件组成。主轴的启、停和变速等动作均由数控系统控制，并且通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴是加工中心的关键部件，其结构的优劣对加工中心的性能有很大影响。3.伺服系统伺服系统主要是进给传动系统，其作用是把来自数控装

18、置的信号转换为机床移动部件的运动，其性能是决定机床的加工精度、表面精度、表面质量和生产效率的主要因素之一。加工中心普遍采用半闭环、闭环和开环三种控制方式。4.数控系统（CNC） 加工中心的数控部分是由CNC装置、可编程控制器、伺服驱动装置以及操作面板等组成。它是执行顺序控制动作和完成加工过程的控制中心。5.自动换刀系统（ATC） 自动换刀系统是由刀库、机械手等部件组成。当需要换刀时，数控系统发出指令，由机械手（或通过其他方式）将刀具从刀库内取出装入主轴孔中。6.辅助装置辅助装置包括润滑、冷却、排屑、防护、液压、气动和检测系统等部分。这些装置虽然不直接参与切削运动，但对加工中心的加工效率、加工精

19、度和可靠性起着保障作用，因此也是加工中心不可缺少的部分。1.2.2加工中心的特点1.结构特点（1） 机床的刚度高、抗振性好。为了满足加工中心高自动化、高速度、高精度、高可靠性的要求，加工中心的静刚度、动刚度和机械结构系统的阻尼比都高于普通机床。（2）机床的传动系统结构简单，传递精度高，速度快。加工中心传动装置主要有三种，即滚珠丝杠副；静压蜗杆蜗轮条；预加载荷双齿轮齿条。它们由伺服电机直接驱动，省去齿轮传动机构，传递精度高，速度快。一般速度可达15m/min，最高可达100m/min。（3） 主轴系统结构简单，无齿轮箱变速系统（特殊的也只保留12级齿轮传动）。主轴功率大，调速范围宽，并可无级调速

20、。目前加工中心95%以上的主轴传动都采用交流伺服系统，速度可从（102000）r/min无级变速。（4） 加工中心的导轨都采用了耐磨损材料和新的结构，能长期地保持导轨的精度，在高速切削下，保证运动部件不振动，低速进给时保证不爬行及运动中的高灵敏度。（5） 设置有刀库和换刀机构。具有储存加工所需刀具的刀库，它用于储存刀具并根据要求将各工序所用的刀具运送到取刀位置；具有自动装卸刀具的机械手。这是加工中心与数控铣床和数控镗床的主要区别，使加工中心的功能和自动化加工的能力更强了。加工中心的刀库容量少的有几把，多的达几百把。这些刀具通过换刀机构自动调用和更换，也可以通过控制系统对刀具寿命进行管理。（6）

21、 具有主轴准停机构、刀杆自动夹紧松开机构和刀柄切屑自动清理装置。这是加工中心机床主轴部件中三个主要组成部分，也是加工中心机床能够顺利地实现自动换刀所需具备的结构保证。此外，还具有自动排屑、自动润滑、自动报警和工作台自动交换的系统等。2.加工特点（1） 全封闭防护，加工精度高。加工中心同其他数控机床一样具有加工精度高的特点，而且加工中心由于加工工序集中，避免了长工艺流程，减少了人为干扰，故加工精度更高，加工质量更加稳定。（2）能自动进行刀具更换，加工生产率高。零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分。加工中心带有刀库和自动换刀装置，在一台机床上能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量

22、和机床的调整时间，减少工件半成品的周转、搬运和存放时间，使机床的切削利用率（切削时间和开动时间之比）高于普通机床34倍，达80%以上。（3） 工序集中，加工连续进行。加工中心备有刀库并能自动更换刀具，对工件进行多工序加工，使得工件在一次装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹以及其他辅助功能，现代加工中心更大程度地使工件在一次装夹后实现更多表面、多特征、多工位的连续、高效、高精度加工，即工序集中。这是加工中心最突出的特点。（4）加工中心能自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助机能。（5）操作者的劳动强度减轻

23、。加工中心对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作键盘、装卸零件、进行关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度和紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到很大的改善。（6）功能强大，趋向复合加工，对加工对象的适应性强。加工中心生产的柔性不仅体现在对特殊要求的快速反应上，而且能快速实现批量生产，提高市场竞争能力。（7）经济效益高，有利于生产管理的现代化。使用加工中心加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是较昂贵的，但在单件、小批量生产的情况下，可以节省许多其他方面的费用，因此能获得良好的经济效益。并且用加工中心加工零件，能够准确地计算零件的加工

24、工时，并有效地简化了检验和工装夹具、半成品的管理工作。这些特点有利于使生产管理现代化。由于加工中心具有上述机能，因而可以大大减少工件装夹、测量和机床调整时间，减少工件的周转、搬运和存放时间，使机床的切削时间利用率高于普通机床34倍，大大提高了生产率，尤其是在加工形状比较复杂、精度要求较高、品种更换频繁的工件时，更具有良好的经济性。1.2.3加工中心的分类1.按加工的范围分类按加工的范围可分为：车削加工中心、钻削加工中心、镗铣加工中心、磨削加工中心、电火花加工中心等。一般镗铣类加工中心简称加工中心。2.按加工中心布局方式分类按加工中心布局方式分类有以下4种。（1）卧式加工中心。卧式加工中心是指主

25、轴轴线为水平状态设置的加工中心，通常都带有可进行分度的回转运动的正方形分度工作台。卧式加工中心一般具有35个运动坐标，常见的是3个直线运动坐标（沿X,Y,Z轴方向）加一个回转运动坐标（回转工作台），它能够使工件在一次装夹后完成除安装面和顶面以外的其余4个面的加工，最适合箱体类零件的加工。卧式加工中心的结构复杂，占地面积大，重量大，价格也比较高。（2）立式加工中心。立式加工中心是指主轴轴线为垂直状态设置的加工中心，其结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形，无分度回转功能，适合加工盘类零件，具有3个直线运动坐标（沿X,Y,Z轴方向），如在工作台上安装一个水平轴的数控回转台，可用来加工螺旋线类零件。

26、与卧式加工中心相比较，立式加工中心的结构简单、占地面积小、价格低。（3）龙门式加工中心。龙门式加工中心形状与龙门铣床相似，主轴多为垂直设置。带有自动换刀装置及可更换的主轴头附件，数控装置的软件功能也比较齐全，能够一机多用。龙门型布局具有结构刚性好，容易实现热对称性设计,尤其适用于大型或形状复杂的工件，如航天工业及大型汽轮机上的某些零件的加工。(4)万能加工中心（复合加工中心）。具有立式和卧式加工中心的功能，工件一次装夹后能完成除安装面外的所有侧面和顶面（5个面）的加工，也称五面加工中心。常见的五面加工中心有两种形式，一种是主轴可实现立、卧转换；另一种是主轴不改变方向，工作台带着工件旋转90完成

27、对工件5个表面的加工。由于五面加工中心结构复杂、占地面积大、造价高，因此它的使用和生产在数量上远不如其他类型的加工中心。3.按换刀形式分类按换刀形式分类有以下2种。（1）带刀库机械手的加工中心。加工中心的换刀装置（ATC）是由刀库和机械手组成的，机械手完成换刀工作。这是加工中心最普遍的形式。（2）无机械手的加工中心。加工中心的换刀是通过刀库和主轴箱的配合动作来完成的，刀库中刀具存放的位置方向与主轴装刀方向一致。换刀时，主轴运动到刀位上的换刀位置，由主轴直接取走或放回刀具，多采用40号以下刀柄的小型加工中心。4.按数控系统分类按数控系统分类，有2坐标加工中心、3坐标加工中心和多坐标加工中心；有半

28、闭环加工中心和全闭环加工中心。1.2.4加工中心的发展方向加工中心目前发展的方向主要有高速化、进一步提高精度和功能完善等方向。1.高速化 加工中心的高速化，主要是指主轴转速、进给速度、自动换刀和自动交换工作的高速化。2.进一步提高精度使工件加工精度逐渐接近坐标镗床。3功能越来越完善加工中心功能的完善首先表现在愈来愈完善的自诊断功能。为了尽可能减少加工中的故障，现代加工中心大多配备完善的自诊断功能。例如，位置检测传感器、刀具破损检测装置、切削异常检测功能、适应控制功能、备用刀具选择功能、温度传感器、声传感器和电流传感器等。这些功能和传感器，使机床具有一定的人工智能。4.控制智能化（1）加工过程自

29、适应控制技术。（2）加工参数智能化与选择。（3）智能故障自诊断和自修复技术。5.体系开放化（1）向未来技术开放。（2）向用户特殊要求开放。（3）数控标准的建立。6.驱动并联化7.极端化（大型化和微型化）8.信息交互网络化9.新型功能部件的研制10.高可靠性11.加工过程的绿色化12.多媒体技术的应用2 加工中心自动换刀系统方案确定2.1加工中心自动换刀系统概述加工中心要完成对工件的多工序加工，必须要在加工过程中自动更换刀具，为完成这项工作而设置的储存及更换刀具的系统统称为自动换刀系统。自动换刀系统中的刀库，换刀的可靠性，即换刀速度直接影响到加工中心的工作效率。利用刀库换刀，是目前加工中心中大量

30、使用的换刀方式。由于有了刀库，机床只要一个固定主轴夹持刀具，有利于提高主轴刚度。独立的刀库大大增加了刀具的储存数量，有利于扩大机床的功能，并能较好地减少各种影响加工精度的干扰。2.2自动换刀系统方案确定2.2.1刀库方案的确定刀库式换刀装置有一个存储刀具的刀库，机床只需一个夹持刀具进行切削的刀具主轴（钻，膛，铣类机床）或刀架（车床类机床）。当需要某一刀具进行切削加工时，将该刀具自动地从刀库转置至机床主轴或刀架中；在切削完毕后，又将用过的刀具自动的从机床主轴或刀架移回刀库中。由于在换刀过程中刀具需要在多个部件之间进行转换，所以各部件的动作必需准确协调。刀库中刀具的数目可根据工艺要求与机床的结构布

31、局而定，数量可较多。刀库的储存量一般在864把范围内，多的可达10200把。刀库可布置在远离加工区的地方，从而消除了它与工件发生干涉的可能性。刀库不承受切削加工的作用力，它的工作条件比较好。机床的主轴或刀架的尺寸不象刀塔那样的受限制，这样就有可能提高主轴或刀架的刚度。从而有利于提高机床的加工精度。采用这种自动换刀方式的刀具主轴或刀架，需要自动夹紧、放松刀具的机构及其驱动传力机构。另外，还常需要清洁刀柄及刀孔、刀座的装置，因而结构复杂，换刀时间一般也比较长。“自动换刀过程时间”包括下述动作的时间：一个工序加工完毕后，刀具快速退离工件，从加工位置退到换刀位置（同时主轴准停）；进行新旧刀具的交换；然

32、后松开主轴（消除准停）、变速、主轴启动旋转并快速趋近加工位置，用更新的新刀具开始下一工序的加工。由于这种自动换刀装置是用于多工序零件加工，换刀频繁，如果每一次的“自动换刀过程时间”稍长一点，多次换刀所积累的结果就会相当可观，就不能显著提高生产效率，因此，在设计条件允许的情况下，应尽可能缩短“自动换刀过程时间”。中型机床，每次换刀时间一般在10秒左右，当然，在自动换刀过程的各个动作中，有些动作如刀具快速退离和快速接近工件所需时间，尚与工件加工面具体位置有关，不完全决定于设计者。但有些动作如进行新旧刀具交换所需要的“换刀时间”，则可基本上由机床设计者所决定。这种“换刀时间”有的已降低至2.5秒或更少，一般约为5秒。2.2.1.1链式刀库链式刀库包括单环链和多环链