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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。
参考文献： [1] 王科社，杨庆东，赵宏林.高速加工中心的快速自动换刀技术[J]. 制
造技术与机床，2001，(12)：5- 7. [2] 刘建慧，邹慧君. 加工中心自动换刀装置类型综述及设计特点[J].
机械设计与研究，2001，(9)：49- 51. [3] F C Chen. Configuration synthesis of machining centres with tool change
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）