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3.6自动换刀程序的编制18

第四章自动换刀装置的控制原理20

4.1自动换刀装置的液压系统原理图20

4.2自动换刀装置换刀动作的顺序控制过程20

致谢22

参考文献23

第一章XKA5032A/C数控立式升降台铣床及其主要参数

XKA5032A型数控立式升降台铣床是一种使用范围广泛的机床，根据用户要求，配置国内外（OSP-U10M、SIEMENS802D、华中Ⅰ号）先进数控系统，可手动或自动操作。

它可以实现X、Y、Z三轴同时定位/直线插补，同时二轴圆弧插补。

OPS全域绝对位置检测。

每次开机无须回零，简化机床操作。

尤其在发生停机、断电、更换程序等情况后再启动时不用整机回零，可以直接开机，方便操作。

尤其方便不熟练操作工、繁忙操作工、电力不良等情况下的使用。

可采用主程序、子程序进行编程，最小单位可选0.001mm。

具有标准机床坐标系、工件坐标系，绝对值、增量可并用。

各有50组刀具长度、半径长度补偿。

彩色LCD中文显示，具良好人机对话窗口，系统具有160m存储容量，可进行程序编辑、管理，可用RS-232C接口、1.44软盘进行数据输入、输出,便于加工程序的管理。

可以对程序进行模拟加工，刀具轨迹跟踪及动画仿真、图形动画显示，记录运行时间及作业信息。

XKA5032A/C数控立式升降台铣床是北京第一机床厂生产的带有立铣头的立式铣床，为机电一体化结构，三坐标联动，是一种使用很广的机床，它可以使用各种圆柱铣刀、角度铣刀及端面铣刀完成直线铣削，组成各种往复循环和框式循环或按坐标位置加工孔，也可以铣削具有轮廓的零件，如凸轮、样板、模具、叶片、弧形槽等；

该机床适用于机械制造的各种类部门，也适用于军工部门。

1.1其主要结构特点

1）主传动系统为7.5Kw的交流电动机通过弹性连轴器驱动主传动箱，主传动箱内有三组滑移齿轮,液压预选变速机构推动各滑移齿轮,组成18种转速,再传到铣头上的主轴，主传动箱内有电磁制动器,主轴制动迅速平稳。

2）进给系统X、Y、Z三个座标的进给，都是由交流伺服电机驱动的。

电机通过同步齿形带驱动滚珠丝杠，从而使部件沿导轨移动。

伺服电机及其相应的速度控制单元和用于位置检测的脉冲编码器等均受控于数控系统；

以完成各种进给运动。

同步齿形带可张紧以减少传动间隙，噪声亦可降低。

垂向电机是带制动器的，当断电时，垂向刹紧，以防止升降台因自重而下滑。

3）铣头上的立式主轴，有符合国际标准的（ISO）No.50锥孔，可安装标准的铣刀或铣夹头。

主轴的轴向位置可调整，连同套筒一起作轴向伸出。

主轴也可以连同铣头主体一起，在左右各45°

范围内调整成倾斜位置。

4）刀柄采用标准XT50形式，可与万能铣床刀柄通用。

5）润滑系统

自动润滑站配以递进式分油器，对机床导轨副、滚珠丝杠副及齿轮副等进行自动的定时定量润滑，每次加油量和两次间的时间间隔都是可调的，力求保证每个润滑点的合理油量。

6）机床采用侧挂式电柜和吊挂式操纵站，机电一体，整体装运，安装方便，集中操纵但能又多位置操作。

7）半自动的装卸刀机构,安装在铣头的上方，通过两个按钮分别控制装刀和卸刀，方便而安全，即使主轴向外伸出，也不会影响刀具的装卸。

1.2其主要规格及技术参数

表一机床主要规格及技术参数

参数名称单位数量

工作台面尺寸（长X宽）mm320X1320

工作台纵向（X）行程mm780

工作台纵向（Y）行程mm300

工作台纵向（Z）行程mm380

主轴孔径mm29

主轴端面至工作台面的距离mm70～450

主轴中心线至床身导轨面距离mm350

定位精度及重复定位精度mm±

0.015、±

0.005

主轴端部锥度ISONo.50

立铣头最大回转角度45°

主轴转速级数18

主轴转速范围r/min30～1500

工作台进给级数无级

纵、横向进给范围mm/min6～3200

垂向进给范围mm/min3～1600

纵、横向快进速度mm/min6000

垂向快进速度mm/min3000

主传动电动机功率kw7.5

主传动电动机转速r/min1440

工作台最大承载重量kg320

主轴最大扭矩N·

m1000

机床外形尺寸（长X宽X高）mm1929X2055X2216

机床重量kg2800（3000）

该机床推荐使用的最大切削范围如下：

铣切钢：

钢的含碳量0.45%，抗拉强度600N/mm2。

铣刀直径100mm，齿数4；

铣切宽度50mm，铣切深度3mm；

主轴转速750r/min，进给量750mm/min。

铣切灰铸铁：

材料HT200，硬度HB150～225。

铣刀直径250mm，齿数14；

铣切宽度150mm，铣切深度3.7mm；

主轴转速47.5r/min，进给量300mm/min

第二章刀库的设计

刀库是加工中心的象征，是加工中心区别于NC镗床和NC铣床的本质所在，因此来说，刀库的设计是加工中心设计的核心。

由于作者所要设计的加工中心是一个主要用来加工中小批量电子元件等小型零件的小型加工中心，在满足加工要求，经济实用的条件下，应尽量使加工中心的结构紧凑，减小加工中心的外形轮廓尺寸，刀库在满足使用要求的前提下，尽量结构使其简单紧凑，易制造，从而降低生产加工中心的成本。

2.1自动换刀装置（ATC）及其形式

数控机床为了进一步提高生产率，进一步压缩非切削时间，现代的机床逐步发展为在一台机床上在一次装中完成多工序或全部工序的加工。

数控机床为了能在工件一次装夹中完成多个工步，以缩减辅助时间和减少多次安装工件引起的误差，通常带有自动换刀系统。

对工件的多工序加工而设置的存储及更换刀具的装置称为自动换刀装置（AutomaticToolChanger，ATC）;

自动换刀（AutomaticToolChange简称ATC）系统由控制系统和换刀装置组成。

在数控铣床的基础上，如果再配以刀具和自动换刀系统，就构成加工中心（Machiningcenter简称MC）。

在这类数控机床上，自动换刀装置（ATC）是必不可少的。

例如加工中心机床又称多工序自动换刀数控机床，它主要是指具有自动换刀及自动改变工件加工位置工能的数控机床，具有自动换刀装置是加工中心机床的典型特征，是多工序加工的必要条件。

自动换装置的功能，对整机的加工效率有很大的影响。

由于普通的数控立式铣床加工的一般是中小零件，其大多需要几把刀具加工（10把刀具以内，）故增加自动换刀装置并同时自动变换主轴转速。

可减轻劳动强度，减少换刀时间，既提高了机床的自动化程度，又提高了劳动生产率。

因此，数控立式铣床作为数控铣床中数量最多、应用范围也最广的一种，对其附加能够快速、准确地换刀的自动换刀装置是非常有必要的。

各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的型式、工艺范围及刀具的种类和数量等。

这种装置主要可以分为以下几种形式：

1.回转刀架换刀形式

数控车床使用的回转刀架是一种简单的自动换刀装置。

回转刀架上分别安装着四把、六把或更多的刀具，并按数控装置的指令转位换刀。

回转刀架在结构上必须有良好的强度和刚性，以及合理的定位结构，以保证回转刀架在每一次转位之后具有尽可能高的重复定位精度。

如：

CK7815型数控车床采用BA200L刀架，其工作循环是：

刀架接收数控装置的指令一松开一转到指令要求的位置一夹紧一发出转位结束的信号。

2.更换主轴头换刀形式

在带有旋转刀具的数控机床中，更换主轴头换刀是一种简单的换刀方式。

主轴头通有卧式和立式两种，而且常用转塔的转位来更换主轴头以实现自动换刀。

各个主轴头上预先装有各工序加工所需要的旋转刀具，当收到换刀指令时,各主轴头依次地转到加工位置，并接通主运动使相应的主轴带动刀具旋转，而其他处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。

转塔主轴头换刀方式的主要优点是省去了自动松夹、卸刀装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作，从而显著地减少了换刀时间，提高了换刀的可靠性，但是由于结构上的原因和空间位置的限制，主轴部件的刚性差且主轴的数目不可能很多。

因此转塔主轴头换刀通常只适用于工序较少，精度要求不太高的数控机床，如数控铣床。

3.带刀库的自动换刀形式

带刀库的自动换刀形式主要是由刀库和刀具交换装置组成。

目前这种换刀方法在数控机床上的应用最为广泛。

带刀库的自动换刀装置的数控机床主轴箱和转塔主轴头相比较，由于主轴箱内只有一个主轴，所以主轴部件具有足够刚度，因而能够满足各种精密加工的要求。

另外，刀库可以存放数量较多的刀具，可进行复杂零件的多工序加工，可明显提高数控机床的适应性和加工效率。

这种带刀库的自动换刀装置特别适用于数控铣床、数控钻床和数控镗床。

刀库的类型按刀库的结构形式可分为：

圆盘式刀库、链式刀库、箱型式刀库---箱型和线型；

按设置部位的不同，刀库可以分为：

顶置式、侧置式、悬挂式和落地式等多种类型；

按交换刀具还是交换主轴，刀库可分为：

普通刀库（简称刀库）和主轴箱刀库。

虽然刀库有多种形式，但数控机床上常用的主要是圆盘式和链式两种。

交换装置的机械手形式也多样，目前在数控机床上用得最多的是回转式双臂机械手。

其他形式还有摆动式单臂双爪机械手、单臂单爪回转式机械手、双机械手等等。

由以上考虑XKA5032A/C数控立式升降台铣床的结构布局等原因，决定采用轴向放置的鼓盘式刀库形式。

这种刀库结构简单，刀具排列较为紧凑，在刀库容理定为6的情况下体积不大，且取刀也较为方便，但需要考虑机械手的换刀动作空间。

2.2特点

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12、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。

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。

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。

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。

2.3使用的选择

两种刀库形式各有优缺点。

选择哪一种？

常规选择大家关注两点：

一是价格，二是使用场合。

价格：

以40#刀库20把刀为例。

圆盘式刀库价格约为3.5万，机械手刀库为6.5万。

使用场合：

一般单件小批量生产用圆盘式刀库为好，大批量生产用机械手刀库。

另外大家也知道机械手刀库可靠性比圆盘式刀库高，但圆盘式刀库维护保养简单方便。

其实还有几点大家容易忽略。

1、圆盘式刀库的刀柄在刀库内放置时7：

24的锥面是敞开的，无保护，时间久了或车间环境恶劣，锥面易脏。

影响刀具的重复安装精度。

而机械手刀库的刀套包容全部锥面，不易脏。

特别对精镗刀的鏜孔精度稳定性有好处。

2、机械手刀库对刀具重量要求严格，一旦超重，刀具会从机械手中甩出去，易出危险。

长度也必须在要求范围内，机械手旋转时所占的空间比较大，编程者须计算换刀是否会碰夹具等。

3、圆盘式刀库从使用上讲，刀具应在圆盘周围均匀放置，尽可能使质量重心在圆盘中心。

以延长刀库使用寿命。

4、从承重的角度讲，圆盘式刀库的刀柄以40#和30#比较好，50#的刀柄最好选机械手刀库。

5、机械手刀库在使用大直径刀具（大于相邻刀位的最大直径）时处理比较麻烦。

要么每一把刀具间隔位置都一样。

要么通过PLC专门辟出几个刀套位作为“特区”。

2.4刀库的故障情况

圆盘式刀库的故障概率比机械手刀库高，易损件主要是“马式机构”中拨叉上的滚针轴承损坏，如果刀库长时间满载或者偏重运行。

那导轨副会磨损、圆盘中心的轴承也会磨损。

但是更换都是比较方便的。

机械手刀库主要是靠凸轮机构完成换刀动作的，简单、可靠。

平时只要按时更换凸轮箱里的油即可。

使用寿命长。

如果凸轮槽磨损到一定程度后不更换，刀库就不能用了。

在总体设计方案中已确定：

自动换刀系统采用无机械手换刀，且刀库置于立柱侧面的横梁上。

刀库在横梁上的移动采用滚珠丝杠传动和快速移动电机。

采用盘型刀库，由槽轮机构实现回转、分度和转位，由交流伺服电机驱动。

刀库的结构设计从以下几个方面进行。

2.5刀库主要参数的确定

1.刀库容量

本加工中心主要用来加工小型零件或多孔零件上的小孔和小平面，所以刀库上主要安装一些孔加工刀具（如钻头、扩孔钻等）和加工小平面的立铣刀及小直径的面铣刀；

同时又考虑到所选用电主轴轴端的尺寸及刀盘直径等的限制；

再考虑到主要用于中小批生产及教学实验等，刀具的品种不宜过多，以免造成不必要的浪费和刀库尺寸过大，采用8把刀。

2.刀具最大直径和长度

立铣刀的最大直径定为40mm,钻头的最大直径定为10mm,最大工作部分长度定为150mm.

3.刀具最大重量为1kg.

4.刀具最大运动线速度为22m/min～30m/min.

2.5.1刀盘部分的设计

1.刀盘尺寸的确定

刀盘采用轮辐式结构，这样既能满足使用的要求，又能保证刀盘的强度。

在整个设计的过程中要保证各个尺寸在换刀过程不发生干涉即可，刀盘直径为720mm,其他尺寸见刀盘零件图。

2.刀爪尺寸的设计

刀爪的外型尺寸根据30号刀柄设计。

2.5.2刀库转动定位机构的设计

1.刀库转动定位机构的选择

目前圆盘式刀库大多采用的是单头双导程蜗轮蜗杆传动，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，但此传动机构较复杂，而且单头双导程蜗轮和蜗杆的加工较困难。

槽轮机构具有冲击小，工作平稳性较高，机械效率高，可以在较高转速下工作，且结构简单，易制造等优点，在目前生产的鼓轮式刀库的加工中心机床上很多采用槽轮机构来驱动刀库的分度回转运动。

因此本设计采用槽轮机构，来实现刀库的转动、分度和定位。

但此机构定位精度不够高，为提高其定位精度可采用带制动器和交流伺服电机，从而可保证较高的定位精度。

2.槽轮机构的工作原理

槽轮机构（又称马耳他机构）能把主轴的匀速连续运动转换为从动轴的周期性间歇运动，常用于各种分度转位机构中。

槽轮机构又三种基本类型：

外啮合槽轮机构、内啮合槽轮机构和球面槽轮机构。

此刀库采用外啮合槽轮机构。

外啮合槽轮机构的工作原理。

外啮合槽轮机构的转臂回转轴线与槽轮回转轴线平行，通常转臂作等速回转，当转臂上的滚子进入槽中，就拨动槽轮作反向转位运动，当滚子从槽中脱出，槽轮即静止不动，并由锁止盘定位。

当只有一个滚子时，转臂转一周，槽轮作转一个角度的步进运动，从而实现转位、分度和定位。

1.转臂2.槽轮3.滚子4.锁止盘

外啮合槽轮机构的工作原理

槽轮机构（又称马尔他机构）能把主动轴的匀速连续运动转换为从动轴的周期性间歇运动，常用于各种分度转位机构中。

槽轮机构有三种基本类型：

加工中心鼓轮式刀库采用外啮合槽轮机构。

外啮合槽轮机构工作原理它由转臂（主动曲柄）槽轮，滚子和锁止盘组成。

刀库的回转驱动电机的选择时，须考虑由摩擦引起的负载转据和各负载的转动惯量。

2.6刀库移动部分的设计

2.6.1刀库支承横梁和导轨的设计

横梁支撑着刀库的整个重量，因此，它的强度和刚度要求较高。

且为了实现刀库的移动，在横梁上要设计可使刀库移动的导轨，根据床身的整体高度及立柱的形状来考虑，横梁的端面与立柱的联接断面应成长方形长、宽分别定为240mm、180mm。

此连接处的面板厚度为30mm与立柱用6个直径为φ25mm的螺栓来连接，由两个φ16mm的圆柱销定位，在装配时配作。

在整个设计过程中，因刀库的行程160mm，再加上滑台的尺寸和刀盘尺寸等，静导轨的总长度定为480mm，两端可各装一减振器，目的是为了消除滑台到两端时的冲击力。

考虑刀库移动电机和丝杠的安装尺寸等，静导轨的高度定为130mm，宽度定为192mm，其它尺寸见横梁零件图。

考虑到刀库支承部分的尺寸，滑座和动导轨的长度定为140mm，考虑静导轨的宽度和刀库支承部分在该方向的尺寸滑座的宽度定为240mm，滑座的高度定为50mm。

为了减轻它自身的重量，将其铸造成中空的。

同时，为了加强它的刚度，还设有加强肋板。

导轨的形式有滑动导轨和滚动导轨两种形式。

此处，仅设计滑动导轨，滑动导轨采用双矩形形式的整体HT300铸铁导轨，并采用中频淬火，淬火后的硬度为50～55HRC。

导轨的精度要求为：

平面度为0.015mm，长方向的直线度为0.01mm，侧导向面的直线度为0.015mm，侧导向面之间的平行度为0.015mm，侧导向面对导轨底面的垂直度为0.01mm，导轨面对横梁安装基面的垂直度为0.01mm。

2.6.2刀库移动丝杠和电机的选择

要实现刀库的移动，采用滚珠丝杠和快速移动电机驱动。

前者速度高，传动平稳，且定位精度高。

后者结构简单，安装方便，传动平稳，但定位精度较低，还需专门的液压系统。

该加工中心采用滚珠丝杠和交流伺服电机驱动方式。

1．刀库移动丝杠

刀库移动丝杠的选取和X—Y向进给系统丝杠选取类似，计算不再赘述。

选取滚动丝杠副型号为FFB2505—2—P3/385×

215，各部分的结构尺寸见横梁滚珠丝杠零件图。

支承方式采用两端固定，两端各采用一角接触球轴承7602020TVP。

2.伺服电机

伺服电机的选择计算方法同X—Y向进给系统电机类似，计算不再赘述。

选取电机型号MSMA102A1C，伺服驱动器型号MSMA103A1A。

丝杠与电机之间采用弹性膜片连轴器DML—01。

第三章刀具交换装置的设计

数控机床的自动换刀装置中,实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具交换装置。

刀具的交换方式通常分为两种:

一种是采用机械手交换刀具,另一种是由刀库与机床主轴的相对运动来实现刀具交换即无机械手交换刀具。

无机械手交换刀具方式：

结构简单，成本低，换刀的可靠性较高；

刀库因结构所限容量不多。

这种换刀系统多为中、小型加工中心采用。

刀具的交换方式及它们的具体结构对机床的工作效率和工作可靠性有直接的影响。

由XKA5032A/C数控立式升降台铣床的结构特性决定难以实现由刀库与机床主轴的相对运动来实现刀具交换，故采用机械手交换刀具的方式。

机械手是当主轴上的刀具完成一个工步后，把这一工步的刀具送回刀库，并把下一道工步的所需要的刀具从刀库中取出并装入主轴继续进行加工的功能部件。

对机械手的具体要求是迅速可靠，准确协调。

3.1确定换刀机械手形式

在自动换刀数控机床中，换刀机械手的形式是多种多样的，常见的有以下几种。

1）两手呈180°

的回转式单臂双手机械手；

图3-1机械手臂和手爪

1.手爪2.锥销3.手臂4.5.弹簧6.活动销7.长销8.锁紧销

2）两手互相垂直的回转式单臂双手机械手

图3-2换刀机械手（附录1）

3）两手平行的回转式单臂双手机械手；

4）双手交叉式机械手；

由于不同的数控机床（加工中心）的刀库与主轴的相对位置不同。

所以各种数控机床所使用的换刀机械手也不尽相同。

上图是两手互相垂直的回转式单臂双手机械手的结构示意图。

这种机械手的优点是换刀动作可靠，换好时间短，缺点是刀柄精度要求高，结构复杂，联机调整的相关精度要求高，机械手离加工区较近。

3.2换刀机械手的工作原理

下面是以在XKA5032A/C数控立式升降台铣床的自动换刀装置中采用这种上机械手换刀的工作原理。

该机械手安装在主轴的左侧面，随同