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1、加工中心刀库技术的现状及发展目 录摘要11 引言11.1 数控技术的发展历程11.2 数控加工中心的分类11.3 刀库的发展前景21.4 刀库的意义32 刀库的形式与方案选择32.1 刀库的形式32.2 刀库方案比较43 刀库的总体方案设计83.1 刀库主要参数83.2 电动机的初选83.3 确定传动装置的总传动比和分配传动比104 刀具交换装置114.1 刀具交换装置简介114.2 换刀简介114.3 换刀过程11总 结 13参考文献 13致 谢 14 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。自动换刀刀库的发展俨然已超
2、越其为数控加工中心配套的角色，在其特有的技术领域中发展出符合机床高精度、高效率、高可靠度及多任务复合等概念的独特产品。刀库作为加工中心最重要的部分之一，它的发展也直接决定了加工中心的发展。本论文完成的是刀库的总体设计、传动设计以及传动部分的运动和动力设计。刀库容量为20把刀具；能完成自动换刀；自动交换刀具时，应保证交换前后都处于正确的位置；刀库、换刀机构都应有足够的刚度，可靠性高；换刀时间尽可能短操作安全方便；刀具管理方便。刀库系统必将向一.精密和简易的两极化并存；二.个性化和低成本；三.常规刀库的高速化、轻量化；四.低碳、环保、智能、安全这4个方向发展。关键词： 加工中心； 刀库； 数控加工
3、一、引言1.1数控技术的发展历程回顾数控技术的发展已经经历了两个阶段，六代的发展历程。第一个阶段叫做NC阶段，经历了电子管、晶体管、和小规模集成电路三代。自1970年开始小型计算机开始用于数控系统就进入了第二个阶段，叫做CNC阶段，成为第四代数控系统：从1974年微处理器开始用于数控系统即发展到第五代。经过十多年的发展，数控系统从性能到可靠性都得到了根本性的提高。实际上从20世纪末期直到今天，在生产中使用的数控系统大部分都是第五代数控系统。但第五代数控系统以及以前各代都是一种专用封闭的系统，而第六代开放式数控系统将代表着数控系统的未来发展方向，将在现代制造业中发挥越来越重要的作用。1.2 数控
4、加工中心的分类1.2.1 按照机床形态分类（1）卧式加工中心 指主轴轴线为水平状态设置的加工中心。卧式加工中心一般具有3-5个运动坐标。常见的有三个直线运动坐标(沿X、Y、Z轴方向)加一个回转坐标(工作台)，它能够使工件一次装夹完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工。卧式加工中心较立式加工中心应用范围广，适宜复杂的箱体类零件、泵体、阀体等零件的加工。但卧式加工中心占地面积大，重量大；结构复杂，价格较高。 （2）立式加工中心 指主轴轴心线为垂直状态设置的加工中心。立式加工中心一般具有三个直线运动坐标，工作台具有分度和旋转功能，可在工作台上安装个水平轴的数控转台用以加工螺旋线零件。立式加工中心多
5、用于加工筒单箱体、箱盖、板类零件和平面凸轮的加工。立式加工中心具有结构简单、占地面积小、价格低的优点。 （3）龙门加工中心 与龙门铣床类似，适应于大型或形状复杂的工件加工。 （4）万能加工中心 万能加工中心也称五面加工中心小工件装夹能完成除安装面外的所有面的加工；具有立式和卧式加工中心的功能。常见的万能加工中心有两种形式：一种是主轴可以旋转900既可象立式加工中心一样，也可象卧式加工中心一样；另一种是主轴不改变方向，而工作台带着工件旋转900完成对工件五个面的加工。在万能加工中心安装工件避免了由于二次装夹带来的安装误差，所以效率和精度高，但结构复杂、造价也高。1.2.2按换刀形式分类（1）带刀
6、库机械手的加工中心 加工中心换刀装置由刀库、机械手级组成，换刀动作由机械手完成。（2）机械手的加工中心 这种加工中心的换刀通过刀库和主轴箱配合动作来完成换刀过程。（3）转塔刀库式加工中心 一般应用于小型加工中心，主要以加工孔为主。加工中心常按主轴在空间所处的状态分为立式加工中心和卧式加工中心，加工中心的主轴在空间处于垂直状态的称为立式加工中心，主轴在空间处于水平状态的称为卧式加工中心。主轴可作垂直和水平转换的，称为立卧式加工中心或五面加工中心，也称复合加工中心。按加工中心立柱的数量分；有单柱式和双柱式（龙门式）。1.2.3按加工精度分类（1）普通加工中心 普通加工中心，分辨率为1m，最大进给速
7、度1525m/min，定位精度l0 m左右。（2）高精度加工中心 高精度加工中心，分辨率为0.1m，最大进给速度为15100m/min，定位精度为2m左右。介于2l0 m之间的，以5 m较多，可称精密级。1.3刀库的发展前景 近年来自动换刀刀库的发展俨然已超越其为综合切削加工机床配套的角色，在其特有的技术领域中发展符合机床高精度、高效能、高可靠度及多任务复合等概念的独特产品。以其多样化产品的功能，左右了综合切削加工机床在生产效能及产品精度的表现。多年来吉辅企业有限公司早已成为全球机床厂最主要的刀库供货商以及产品开发伙伴，以其优质的产品营销全球22余国，获得全球100余厂家的肯定，同时也大幅提升
8、了机床的性能与附加价值。 对于全球机床产业朝向全方位、高效率、高速化、多功能机床的发展趋势以及降低生产成本架构的发展需求，我有深刻的体会。在机床制造商的高效率及降低制造成本的要求下，吉辅公司致力于发展符合市场需求的产品。近年来刀库产品之发展趋势为：高效能的产品：发展符合高荷重、高容量、高速化概念的刀库产品。轻量化、低成本的产品：发展符合重量轻、成本低概念的刀库产品。在此概念的基础下，刀库产品的发展现况为：超重刀具负荷的刀库的发展 发展出刀链系统能承载重量70kg以上的超重刀具，拥有强力锁刀装置的稳固刀链架构，可防止重型刀具于运转中坠落。高效率且定位精确的驱动及选刀系统的发展 发展出高精度系统配
9、置高质量、高定位精度的伺服电动机及减速机，以符合选刀迅速、换刀精确的主要性能要求。多型式刀具容载刀库的发展 发展出同时可容纳多种型式刀具（如IS050及IS060）的刀链系统，也被视为是必须时常变换使用多种主轴的加工中心的必备装置。不同型式刀具及任意点的换刀系统的发展可以同时夹取不同型式刀具如IS050及IS060，因应需求必须有不同的刀具。为了缩短换刀时间，多点式或任意点式的换刀系统是有必要的。轻量化、低成本架构的刀库的发展 发展出轻量化的塑钢射出刀套架构，整体重量较传统刀库减轻100kg以上，成本大幅降低的刀库。大型及高容量刀库的发展 在机床多功能的趋势演化下，大量的刀具被使用在同一台机床
10、上，刀库的架构必须兼顾换刀的效率及储刀效能，多变的刀库型体（可容纳120/180/200把以上刀具）及多样精密的换刀系统（如各种立式、卧式、立卧单点及多点式换刀系统），是其主要的特色。无庸置疑，未来刀库的演进及发展简直难以想象，新时代刀库被赋予能符合未来全方位综合切削加工机床及多任务复合加工机床需求的使命。刀库业界必须展现全新的思维，方能在未来的产业发展中扮演称职的角色。吉辅公司积极参与从事全新功能概念刀库的研发工作，在多功能式架构的刀库领域及高效率换刀系统的领域，长期投入与发展的态度一直不变。未来的发展将朝向：快速而多功能的换刀系统（预期BT-40型式可达到1s以内；BT-50型式轻刀可达到
11、1.5s以内）、扩充式及高储刀效能的刀库架构（可容纳240/300/360把以上刀具）、仓储式刀库架构以及更轻更量化快速及成本低廉的刀库架构，必将成为未来发展最受期待的焦点。1.4 刀库的意义 一个零件往往需要多工序的加工，而单功能的数控机床只能完成单工序的加工。如车、钻、铣等。因此，在制造一个零件的过程中，大量的时间用于更换刀具，装卸零件，测量和搬运零件等非切削时间上，切削加工时间仅占整个工时中较小的比列。为了缩短非切削时间，往往采用“工序集中”的原则，60年代末出现了带有自动换刀装置的数控机床，即“加工中心”机床。刀库系统作为自动化加工过程中所需的储刀及换刀需求的一种装置，为数控机床缩短机
12、床非切削时间，降低劳动强度提供了必要条件，是数控机床的重要功能部件。以众环、亚星、高金为代表的大陆刀库厂家与台湾地区及发达国家出品的刀库在外观、性能、材质、产品的多样性、核心技术的掌握等方面仍有很大差距。例如，在产品的多样性方面，大陆刀库厂家的品种仅集中在斗笠、圆盘机械手、凸轮链式这三个系列，很难满足用户的个性化需求，而国外的高端刀库往往是专门针对某种机型特定的，在适应性和安装合理性上都优于常规刀库。二、刀库的形式与方案选择2.1 刀库的形式加工中心使用的刀库最常见的形式是圆盘式刀库和机械手换刀刀库。2.1.1圆盘式刀库圆盘式刀库应该称之为固定地址换刀刀库，即每个刀位上都有编号，一般从1编到1
13、2、18、20、24等，即为刀号地址。操作者把一把刀具安装进某一刀位后，不管该刀具更换多少次，总是在该刀位内。（1）制造成本低。主要部件是刀库体及分度盘，只要这两样零件加工精度得到保证即可，运动部件中刀库的分度使用的是非常经典的“马氏机构”，前后、上下运动主要选用气缸。装配调整比较方便，维护简单。一般机床制造厂家都能自制。（2）刀号的计数原理。一般在换刀位安装一个无触点开关，1号刀位上安装挡板。每次机床开机后刀库必须“回零”，刀库在旋转时，只要挡板靠近（距离为0.3mm左右）无触点开关，数控系统就默认为1号刀。并以此为计数基准，“马氏机构”转过几次，当前就是几号刀。只要机床不关机，当前刀号就被
14、记忆。刀具更换时，一般按最近距离旋转原则，刀号编号按逆时针方向，如果刀库数量是18，当前刀号位8，要换6号刀，按最近距离换刀原则，刀库是逆时针转。如要换10号刀，刀库是顺时针转。机床关机后刀具记忆清零。（3）固定地址换刀刀库换刀时间比较长国内的机床一般要8秒以上（从一次切削到另一次切削）。（4）圆盘式刀库的总刀具数量受限制，不宜过多，一般40#刀柄的不超过24把，50#的不超过20把，大型龙门机床也有把圆盘转变为链式结构，刀具数量多达60把。2.1.2机械手刀库机械手刀库换刀是随机地址换刀。每个刀套上无编号，它最大的优点是换刀迅速、可靠。（1）制造成本高。刀库有一个个刀套链式组合起来，机械手换
15、刀的动作有凸轮机构控制，零件的加工比较复杂。装配调试也比较复杂，一般由专业厂家生产，机床制造商一般不自制。（2）刀号的计数原理。与固定地址选刀一样，它也有基准刀号：1号刀。但我们只能理解为1号刀套，而不是零件程序中的1号刀：T1。系统中有一张刀具表。它有两栏。一栏是刀套号，一栏是对应刀套号的当前程序刀号。假如我们编一个三把刀具的加工程序，刀具的放置起始是1号刀套装T1（1号刀），2号刀套装T2，3号刀套装T3，我们知道当主轴上T1在加工时，T2刀即准备好，换刀后，T1换进2号刀套，同理，在T3加工时，T2就装在3号刀套里。一个循环后，前一把刀具就安装到后一把刀具的刀套里。数控系统对刀套号及刀具
16、号的记忆是永久的，关机后再开机刀库不用“回零”即可恢复关机前的状态。如果“回零”，那必须在刀具表中修改刀套号中相对应的刀具号。（3）机械手刀库换刀时间一般为4秒（从一次切削到另一次切削）。（4）刀具数量一般比圆盘刀库多，常规有18、20、30、40、60等（5）刀库的凸轮箱要定期更换起润滑、冷却作用的齿轮油。2.2刀库方案比较2.2.1毂轮式刀库（也称盘式刀库）：应用较广，它包括刀具轴线与鼓轮式平行或垂直，或成锐角。如图2.2所示。这种刀库的结构紧凑，但因刀具单环排列、定向利用率低，大容量刀库的外径较大，转动惯量大，选刀时运动间长。因此这种刀库的一般容量较小，不超过32把刀具。如图2.3所示的
17、加工中心采用的就是轮毂式刀库。图2.2轮毂式刀库结构简图图2.3采用轮毂式刀库的加工中心2.2.2链式刀库：容量较大，当采用多环链式刀库时，刀库的外形较紧凑，占用空间较小，适用于做大容量刀库。在增加存储刀具数目时，可增加链条的长度，而不增加链轮直径，因此，链轮的圆周速度不会增加，且刀库的运动惯量不像鼓轮式刀库增加的那么多，基于这些优点，链式刀库在加工中心应用非常广泛。刀库的布局形式如下图所示。图2.4刀库布局形式2.2.3格子箱式刀库（也称阵列式刀库）：刀库容量大，结构紧凑，空间利用率高，但布局不灵活，通常将刀库安放于工作台上。有时甚至在使用一侧的刀具时，必须更换另一侧的刀座板。如图2.5图2
18、.52.2.4直线式刀库：特点是结构简单，刀库容量较小，一般用于数控车床，数控钻床，个别加工中心也有采用。比较上述四种刀库方案，结合所给的给设计要求，约20把刀具，且支持自动换刀，最终决定的方案为盘式刀库，无机械手换刀。即卡爪参与换刀动作。换刀过程如下：刀库初始位置在主轴靠后的位置，先向前平移，与刀具中间的槽对齐，让后向左平移，卡爪夹紧主轴上的刀具，主轴松开刀具，刀库前移拔出刀具，让后回转，将要换的刀具转到交换位置上，插入刀具，主轴夹紧道具。刀库向右退开。回到原始位置。整个换刀过程如图2.6所示。图2.6换刀方案图刀库的外形如图2.7所示。图2.7刀库外形图三、刀库的总体设计3.1 刀库主要参
19、数载刀量：24把主轴鼻端：刀具形式BT40刀具直径：80mm平均重量：7Kg初选刀库直径：660mm刀盘最低转速：60r/min由于刀具形式为BT40，其刀具直径为80mm，按初选的刀库直径660mm来排列可知每把刀之间的间隔约为6mm，符合安装要求。3.2 电动机的初选3.2.1 选择电动机类型按工作要求和条件，选用三相异步电动机，电压380V，Y型。3.2.2 选择电动机的刀库扭矩要合理选择电机，既不能有功率和扭矩的浪费，也不能功率和扭矩不足.因此要对刀库负载扭矩的进行估算。圆盘式刀库负载扭矩按下面模型估算，将平均重力的刀具放置于半个刀盘，重心定在刀盘回转中心2/3处。则其中重力加速度g取
20、圆盘式刀库负载扭矩按下面模型估算，将平均重力的刀具放置于半个刀盘，重心定在刀盘回转中心2/3处。则其中重力加速度g取刀库加速扭矩计算式中刀库选刀时电机转速（r/min） 加速时间，通常150200ms 电机转子惯量 负载惯量折算到电机轴上的惯量。 查电机参数得，将刀具等效为直径60mm的圆柱体，则有转动惯量，并将刀盘及卡爪转动惯量折算到电机上，总惯量取整为则驱动电机的输出扭矩式中 电机轴到刀库的速度比 传动效率则计算出考虑实际情况，电机的额定转矩应大于负载转矩的1.21.5倍故，则根据这些，选取三菱公司的HF-SP81B型电机，符合要求。其中三菱电机参数如下图图1性能参数图2 参数变化表3.2
21、.3轴端结构参数电机与输出轴连接，考虑输出件为蜗杆轴，且三菱电机不允许刚性连接。故采用弹性柱销连轴器HL2柱销连轴器GB/T5 014-19953.3 确定传动装置的总传动比和分配传动比由选定电动机满载转速n和工作机主动轴转速n,可得传动装置总传动比为 （2-1） 总传动比为各级传动比,、的乘积，即电动机型号为Y27122，满载转速n=2820。（1） 总传动比由式(1) =47待添加的隐藏文字内容3（2） 分配减速器的各级传动比 按展开式布置。考虑润滑条件，得2，=19.5则此时的输出转速为n=72.31四、刀具交换装置4.1刀具交换装置简介刀具交换装置又称机械手，它的职能是将机床主轴上的刀
22、具与刀库或刀具传送装置上的刀具进行交换，其动作循环为：拔刀新旧刀具交换装刀。换刀机械手种类繁多，可以说每个厂家噢都可以推出自己的机械手，基本上换刀装置按交换方式又分为两类。 无机械手换刀，由刀库与机床主轴的相对运动实现换刀。在这类装置中，刀库一般为格子式，装在工作台上。换刀时，先使工作台与主轴相对运动，将使用过的旧刀送回刀库，然后再使工作台与主轴相对运动一次，从刀库中取出新刀。这种换刀方式的换刀时间长，另外刀库设置在工作台上，减少了工作台的有效使用面积。 采用机械手换刀，机械手刀具交换装置，有单臂单手式机械手、回转式单臂双机械手、双臂机械手、多手式机械手。特别是双臂机械手刀具交换装置具有换刀时
23、间短、动作灵活可靠等优点，应用最为广泛。双臂机械手中最常用的几种结构有：钩手；抱手；伸缩手；叉手。双臂机械手进行一次换刀循环的基本动作为：抓刀(手臂旋转或伸出，同时抓住主轴和刀库里的刀具)；拔刀(主轴松开，机械手同时将主轴和刀库中的刀具拔出)；换刀(手臂转180，新、旧刀交换)；插刀(同时将新刀插入主轴，旧刀插入刀库，然后主轴夹紧刀具)缩回(手臂缩回到原始位置)。机械手的手爪，大都采用机械锁刀的方式，有些大型的加工中心，也有采用机械加液压的锁刀方式，以保证大而重的刀具在换刀中不被甩出。4.2换刀简介换刀过程的完成依靠连轴器上布置的三个轴转角、转速测量定位装置。三个传感器传输的数据经过软件分析可
24、以对刀库刀盘的转速和转角进行准确定位，从而快速、准确地找到所需刀号，使其位于换刀位上，为接下来的换刀做好准备。刀具选定后，换刀开始。4.3换刀过程图4-1换刀过程如图4-1所示， 当刀具选定后，滑块A沿着活塞杆向上滑动，带动拨叉B，使得刀套C绕O点旋转，从而使刀具完成倒刀过程。 倒刀结束后，D点受压（如图4-2），使得钢珠向外扩张，刀具松动从而可以实现换刀；换刀完成后，D点松开，钢珠重新受压，刀具被加紧，刀套再由垂直方向转回水平方向，完成整个换刀动作。图4-2总 结通过这几个月的紧张分析与设计。我有深刻的感觉和体会，书本内容与实际情况还是有相当的差异。平时所学的各门课程要灵活运用，综合全面的考
25、虑分析问题，而在遇到问题时要从多方面查阅资料，力求做到全面和详细。而毕业设计中使用的软件AutoCAD 2007是一款功能强大的综合性制图软件。对它的熟练运用对我们今后的学习和工作有着显著的帮助。由于设计时间和笔者自身水平的限制。所设计的刀库还存在一些问题。如刀库刀具抓取方式的确定。一般来说，刀具是应由机械手抓取，来简化刀具存储结构，保证刀具交换的精度和速度。而本文方案中刀具夹取和刀库做整体移在实际的加工中心中一般是不采用的，因此本方案更倾向于一个教学系统，旨在显示加工中心所具有的功能。尽管简化了设计模型，在设计过程中通过查阅资料，深入思考，老师的指导和同学的帮助，完成了这次设计任务，基本达到
26、了设计目的。在整个设计过程中，并没有什么创新机构，但通过现有知识的应用，基本能成功解决问题。通过查阅网络资料，我们可以知道，事实上已有很多厂家专业进行刀库的设计。并力求兼容更多的加工中心。可以预见在不久的将来，刀库也可能作为标准元件出现。参考文献：杨叔子主编.机械加工工艺师手册.北京:机械工业出版社,2001刘延林主编.柔性制造自动化概论.武汉:华中科技大学出版社,2001吴启迪主编.柔性自造自动化的原理与实践.北京:清华大学出版社,1997冯辛安主编.机械制造装备设计.北京:机械工业出版社,1999陈蔚芳,王宏涛主编.机床数控技术及应用.北京:科学出版社,2005姜永武,刘薇娜主编.组合机床设计.成都:西南交通大学出版社,2004许祥泰,刘艳芳主编 加工中心实用技术 北京 机械工业出版社,2007.10中国机械设计大典 中国机械工程学会 南昌：江西科学技术出版社 2002年机械加工工艺手册 杨叔子等主编 北京：机械工业出版社 2001年机械设计 钟毅芳 吴昌林 唐增宝主编 武汉：华中科技大学出版社 2001年机械设计课程设计 第三版 唐增宝 常建娥 主编 武汉：华中科技大学出版社2006年
