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，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能勉强完成工作，但是延长了生产时间，提高了生产成本和劳动成本，为了解决这些问题机械手就应运而生了，机械手的工作效率高，而且不受体能的限制，非常方便。

机械手是一种能够模拟人的手臂的部分动作，按照预定设定的程序、轨迹以及其它要求，实现抓取、搬运等工作的自动化装置。

按驱动驱动方式的动力源，机械手可分为：液压式：其驱动系统由液压机、伺服阀、油泵、邮箱等组成。

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。

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。

1.3.2机械手手爪的结构特点按机械手的手抓类型分类，主要分为以下几种类型：单臂机械手：单手式（a）、双手式（b）、双臂机械手（c）、带送刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手。

图1.5 机械手单臂机械手单手式：一个换刀臂且仅一端有一个抓刀手，只做往复直线运动，特点：所有动作均由单手完成，执行动作多，换刀时间长，但由于结构简单，并且把刀和传递刀具都是直线运动，因而无回转运动所产生的离心力，所以机械手的手抓部分设计较为简便。

刀库刀座主轴与主轴轴线平行或垂直的情况均适用。

单臂机械手双手式：一个换刀臂两端各有一个抓刀手，只做往复直线运动，特点：机械手同时抓取主轴和刀库上的刀具，然后同时拔出两把车刀，下降到一定高度后回转180度，再上升到起始高度将两把刀具同时放回刀库的刀套内和装入主轴的夹紧装置内，换刀时间短，较为常用，多用于刀库换刀位置的刀座与主轴轴线平行的场合。

双臂机械手：两个机械手臂，每个手臂端部都有一个抓刀手，特点：其抓刀和换刀动作类似于人手动作，一个机械手完成将主轴上的刀具拔出并且放回刀库的动作，另一只机械手完成从刀库的刀套上去刀安装到主轴的夹紧装置上的动作，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。

如图1.6所示，送刀臂将刀具从刀库的刀套上取出送到摆刀站，由摆刀站将刀具送到换刀位置，最后由换刀臂进行换刀。

特点：结构更复杂，各个部分的配合精度要求较高，换刀动作多，但是由于各部分在空间巧妙配置和组合，更具变化性，所以一般换刀时间较短。

适用于刀库距离主轴较远的场合。

A-为送刀臂B-为摆刀站C-为换刀臂D-为刀库E-为主轴。

图1.6 带送刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手夹爪机构是换刀机械手的重要部件，它是靠夹紧力来握住刀具的。

目前，径向夹紧刀杆画柱外表面的夹爪机构得到普遍使用，而轴向夹紧刀杆法兰盘的夹爪机构使用较少。

在钳类夹爪中刀具的紧固是依靠钳口夹紧时所产生的摩擦力，在包容卡类夹爪中是依靠固定装置。

图1.7中的手爪是钳类夹爪的一个例子。

搭板用轴安装在套上，套和液压缸或气缸活塞杆起能沿夹爪轴向移动。

每块搭板的另一端和杠杆铰接。

在杠杆的前部安装有梯形的可交换夹紧钳口，它用形的环状槽夹紧刀具刀杆。

杠杆的摆动轴固定在壳体上。

当活塞杆向前运动时刀具被松开，而当活塞杆在弹簧作用下向后运动时刀具被夹紧。

端面键用来传递从机床主轴到刀具的扭矩。

为了使钳口能从和主轴一起旋转的刀杆上通过，端面键应该被切开。

1-套2-搭板3 -杠杆4 -可交换夹紧钳口5- 刀杆6 -摆动轴7 -壳体8 -弹簧9 -键图1.7 钳类央爪机构1 -卡钳2 -刀杆3- 固定器4 -杆5 -弹簧6 -旋转手臂7-杠杆图1.8 包容卡类夹爪机构上图1.8是带固定装置的包容卡类夹爪的结构。

具有V形环状槽的卡钳用螺栓固定在换刀机械手旋转手臂上。

具有同样截面形状的固定器安装在杠杆上，杠杆能相对于手臂旋转。

夹紧时，在弹簧作用下，经过杆，使固定器夹紧刀杆。

当手臂移近主轴端面或刀库时，杆被压入手臂移动机构活动支架的专门槽，固定器放松刀杆。

2 机械手的设计方案2.1 机械手的工作原理2.1.1机械手的换刀过程机械手的换刀过程就是将主轴头上用过的刀具和刀库的刀套上待用的刀具拔出完成交换，然后将主轴头上用过的刀具放入刀库和将刀库内待用的刀具放到主轴头上进行机械加工，其机械手的结构如图2.1所示。

换刀机械手的主要过程如下:（1）刀具向下转90度变成与主轴同方向（2）机械手在水平面内由机床正面的操作者向主轴逆时针转75度分别抓住代换刀具和主轴上已用过的刀具（3）机械手向下拔刀（4）机械手旋转180度（5）机械手向上放刀（6）机械手顺时针转75度复原（7）刀库下方的已用过刀具向上转90度回到刀库图2.1机械手的结构2.1.2机械手的运动对应上述的换刀过程，每步的机械手的运动如下：（1）刀具向下转90度变成与主轴同方向当刀库中的汽缸上端通入压缩空气时，活塞杆向下运动，带动拨叉刀套向下翻转90度，从而使刀具轴线和主轴轴线平行。

此时机械手的手臂中心线与主轴中心到刀库刀具中心额连线成75度。