开题报告
机械设计制造及其自动化
加工中心自动换刀装置的设计
一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义
加工中心是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床，它是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通信诊断、刀具和编程技术的高科技产品。

由于加工中心能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和调整时间，减少工件周转、搬运存放时间，使机床的切削利用率高于通用机床3倍～4倍，所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床。

1958年，美国卡尼，特雷克公司首次把铣、钻、镗等多种工序集中于一台数控机床上，通过换刀方式实现连续加工，成为世界上第一台加工中心。

该产品出现后，销路惊人，引起了日、德、美、英、法、意等先进工业国家的高度重视，竞相开发生产，不断扩大和完善机床的功能，成为数控机床中发展最快、需求量最大的商品之一。

如今，世界上出现了立式、卧式、龙门式、落地式等各种加工中心，据不完全统计，大约有1000多个品种规格。

未来加工中心的发展动向是高速化、进一步提高精度和愈发完善的机能。

加工中心是数控机床的代表，是高新技术集成度高的典型机电一体化机械加工设备，我国的加工中心从70年代开始，已有很大发展，但技术、品种和数量上都还远不能适应我国经济、技术发展的需要。

随着我国工业的不断发展，推动了模具制造业、机械加工业的巨大发展，使得数控机床的使用越来越普遍，而加工中心更是以其高自动化程度得到广泛应用。

然而，目前市场上生产和销售的都是以大、中型的加工中心为主，小型加工中心几乎是空白，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。

为加速我国加工中心的发展，需进一步加强对加工中心的研究、设计、制造和应用。

在加工中心中，刀库和机械手组成自动换刀装置（Automatic Tool Changer,简称ATC），而自动换刀装置的好坏，将直接影响加工中心的好坏，从目前情况看，加工中心的主机部分基本定型，变化不大，但自动换刀装置种类繁多，五花八门，是最难搞好
的部分。

它是加工中心的象征，又是加工中心成败的关键环节。

因此各加工中心制造厂家都在下大力研制动作迅速、可靠性高的自动换刀装置，以求在激烈的竞争中取得好效益，正因为自动换刀装置是加工中心的核心内容，各厂家都在保密，极少公开有关资料，尤其机械手这部分更是如此。

刀库的形式和容量主要是为满足机床的工艺范围，目前常见的刀库类型如下：（1）盘式刀库此刀库结构简单，应用较多。

此换刀装置的优点是结构简单，成本较低，换刀可靠性较好，缺点是换刀时间长，适用于刀库容量较小的加工中心上采用。

（2）链式刀库此刀库结构紧凑，刀库容量较大，链环的形状可根据机床的布局制成各种形状，也可将换刀位突出以便于换刀，能充分利用机床的占地空间，通常为轴向取刀，位置精度较低，造价也较高。

（3）格子箱式刀库结构紧凑，刀库空间利用率高，换刀时间较长。

布局不灵活，通常刀库安装在工作台上，应用者较少。

（4）直线式刀库刀库容量少，一般在十几把左右，多用于自动换刀数控车床，钻床上也有采用。

目前常见的换刀机械手类型有：①单臂单手式机械手结构较简单，换刀各动作均需顺序进行，时间不能重合，故换刀时间较长。

②双手式机械手向刀库还回用完的刀具和选取新刀，均可在主轴正在加工时进行，故换刀时间可较短。

③回转式单臂双手机械手这类机械手可以同时抓住和拔、插位于主轴和刀库里的刀具。

与单臂单手式机械手相比，可以缩短换刀时间。

应用最广泛，形式也较多。

④多手式机械手使用者较少。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题
在确立数控机床的设计技术规范时，应该考虑专业市场上的供求情况、顾客潜在的选择，从有关商业文献中获得竞争产品所能达到的技术要求、价格等因素，最后再根据所要求的数控机床性能来确定自动换刀装置的设计技术要求。

所研究的主要内容有：
1、掌握加工中心的基本结构、工作原理；
2、刀库、换刀机械手结构设计；
3、刀库电机的选择及计算；
4、绘制装配图、零件图。

研究所考虑的设计基本原则是：结构简单、价格低廉、容易制造，拆卸、装配、维修方便，配件容易得到等。

三、研究步骤、方法及措施
1、查阅有关的立式加工中心自动换刀装置文献或资料，掌握立式加工中心的基本结构。

2、刀库的结构设计
刀库的作用是储备一定数量的刀具，通过机械手实现与主轴刀具的交换。

本课题中刀库采用盘型刀库结构，根据刀库中储存刀具的数目和最大刀具直径计算出盘式刀库的最小直径，相邻刀具间应留有一定间隙。

3、换刀机械手结构设计
本课题研究采用的是单臂双手式机械手，亦叫扁担式机械手。

这种机械手的拔刀、插刀动作，大都由油缸动作来完成。

根据结构要求，可以采取油缸动，活塞固定；或活塞动，油缸固定的结构形式。

而手臂的回转动作，则通过活塞的运动带动齿轮齿条来实现。

机械手臂的不同回转角度，是由活塞的可调行程来保证。

图1单臂双手式机械手
4、传动部分设计
（1）利用单头蜗轮蜗杆实现刀库的旋转，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。

相比之下，槽轮机构具有冲击小，工作平稳性高，机械效率高，可在较高转速下工作，结构简单等优点，但定位精度不够高。

图2 刀库传动结构简图
（2）利用伺服电机实现蜗轮蜗杆的传动。

5、刀库电机的选择
1）按负载转矩选 加在伺服电动机轴上的负载转矩L T 应比电动机额定连续转矩S T 小。

圆盘式刀库负载转矩计算方法 这种刀库的负载转矩1T 主要来自刀具重量的不平衡。

计算方法有两种：
① 用平均重量的刀具插满圆盘的半个圆，根据工艺要求所需的各种刀具，确定每个刀
具的平均重量CP W ，而其重心则设定为离刀库回转中心2/3半径处。

② 将三把最重刀挨在一起，按加工中心规格规定的最大刀具重量max W 计算，而其重心
则设定为离刀库回转中心半径处。

如下图所示：
把如上计算的负载转矩转换为电动机轴上的转矩L T 的公式为：L T =1T /（η⋅i ） 式中i —传动比 η—传动效率
考虑到实际情况比计算时所设定条件复杂，电机额定转矩S T 应为负载转矩的1.2～1.5倍，亦即(1.2~1.5)S L T T >
2）按加速时的最大转矩选 加速时的最大转矩T 包括加速转矩a T 和负载转矩L T ，即T >a T +L T ，加速转矩a T 按下式计算：)60/()(2a m L a t J J n T +=π（N •m ）
式中n —刀库选刀时电动机转速（r/min ）a t —加速时间，通常取150~200ms m J —电动机转子惯量，可从样本中查到（2N m s ••）L J —负载惯量折算到电机轴上的惯量
加速时的最大转矩T 应小于电机的最大转矩max T ，即T<max T
3)校验 检验计算结果是否满足下列关系式L J <m J ，选用能满足上述三项条件的伺服电机。

图3 圆盘式刀库刀具分布
6、机械手换刀过程
①刀套下转90°②机械手转75°③刀具松开 ④机械手拔刀 ⑤交换两刀具位置 ⑥机械手插刀 ⑦刀具夹紧
⑧机械手反转75° ⑨刀套上转90°换刀过程如下：。