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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

应比电动机额定连续转矩

小。

圆盘式刀库负载转矩计算方法这种刀库的负载转矩

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

，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

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

的公式为：

=

/（

）

式中i—传动比

—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

应为负载转矩的1.2～1.5倍，亦即

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

和负载转矩

，即

>

+

，加速转矩

按下式计算：

（N

m）

式中n—刀库选刀时电动机转速（r/min）

—加速时间，通常取150~200ms

—电动机转子惯量，可从样本中查到（

—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

，即T<

3）校验检验计算结果是否满足下列关系式

<

，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：

图4换刀过程示意图

四、研究工作进度

（一）、第一阶段（1-4周）

1、开题报告（含文献综述、参考资料等）

2、方案论证和方案设计（含初步的设计及计算）

3、完成ppt文档，准备第一阶段考核

（二）、第二阶段（5-10周）

1、完成第一张A0

2、完成第二或第三张的草图绘制（包括主要结构）

3、准备外文翻译资料

4、完成ppt文档，准备第二阶段考核

（三）、第三阶段（11-17周）

1、绘制要求的其余设计图纸

2、完成外文翻译资料

3、撰写说明书准备答辩

五、主要参考文献

[1]机床设计手册编写组.机床设计手册（第三册）.北京：

机械工业出版社，1986

[2]王爱玲主编.现代数控机床.北京：

国防工业出版社，2003

[3]林宋，田建君编.现代数控机床.北京：

化学工业出版社，2003

[4]沙杰编.加工中心结构、调试与维护.北京：

机械工业出版社，2003

[5]廉元国，张永洪编.加工中心设计与应用.北京：

机械工业出版社，1995

[6]向金林.TH7130立式加工中心自动换刀系统的设计.装备制造技术，2006

[7]陈芳，李继中.盘式刀库加工中心自动换刀系统控制.机械设计与制造，2007

[8]黄泽正，刘冲，陈志辉.加工中心自动换刀装置的设计.机械工程与自动化，2007

[9]曹秋霞，马国亮.小型立式加工中心圆盘式刀库的设计.机电产品开发与创新，2005

[10]依兰

欧克拉，比京

克.数控平面加工中心轮式刀库自动换刀装置的设计.成都纺织高等专科学校学报，2000

[11]M.B.Ko.DesignofautomatictoolchangerforCNCmachines.M.Sc.thesis,MechanicalEngineeringDepartmet,METU,Ankara,Turkey1995

[12]H.S.Yan.Amethodologyforcreativemechanismdesign.mechansismandmachine,1992

附录2

文献综述

一、课题国内外现状

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。

由于它在机械加工中的重要作用，各个工业发达国家都极为重视，在技术和产量上都发展很快。

目前全球加工中心年生产量为50,000～55,000台左右，并且以日本、欧盟、美国及中国台湾、韩国等为最具代表性的生产基地。

日本市场消费能力强，年生产量超过10,000台。

主要机种为立式加工中心，年产量约5,000～6,000台，而且不断研发高速、高精密、五面加工、五轴联动加工等技术，满足特殊与复杂曲面加工工件的要求，日本生产加工中心的厂家有MAZAK、大隈、庄田、三菱等公司。

德国生产最佳品质与高加工效益的加工中心，近年来生产量每年约在4,000～5,000台左右。

代表性机种为卧式加工中心，年生产量约1,500～2,000台。

其他加工中心年生产量约2,000～3,000台左右，德国生产加工中心的厂家有西门子、MAKA、GEISS、科恩等公司。

美国是全球机床生产代表性国家之一，但近年来由于其国内消费能力不足，再加上出口也面临市场竞争，导致其生产有逐渐下滑的趋势，年生产加工中心仅约为5,000～6,000台左右，生产厂家有哈挺、MAG、Hurco等公司。

台湾是全球加工中心生产量最大的供货基地，年生产量可达到16,000～18,000台，其中有部分是空机台，未加装微机控制器等，平均单价有偏低的情形。

韩国是全球加工中心主要生产国家之一。

其加工中心主要用于韩国汽车工业、模具工业及机械工业，年生产加工中心在4,000～5,000台左右。

未来加工中心的生产基地则有可能是大陆，特别是日本、美国、德国、中国台湾、韩国已竞相到大陆设厂生产加工中心，再加上大陆本身的企业研发与制造，未来技术成熟、品质稳定、成本降低后，必将会成为全球重要供应基地之一。

20世纪70年代我国研制的加工中心，多数因配套件和设计、制造的缺陷而不能正常使用。

进入80年代后，由于引进了日本FANUC、德国SIEMENS等公司的数控系统、直流进给伺服电机和主轴电机及其伺服单元之后，数控系统的可靠性有了很大提高。

但就整机而言，可靠性还不够高。

20世纪90年代中期以来，随着加工中心技术的进步和配套的完善，国内生产企业注意到了采用标准功能部件来取代产品的某些部件，同时优先选择世界知名公司的名牌产品（如：

数控系统、滚动直线导轨、滚珠丝杠、轴承、ATC装置、液压气动元件、电气元件和检测元件等）作为配套，提高了国产加工中心的档次和可靠性，在一定程度上缩短了与国外同类产品的差距。

当前，国产加工中心的可靠性与国外同类产品相比依然不高。

除此以外，还有整机防护与密封、外观粗糙、整体造型不尽如意等缺陷，在一定程度上影响了国产加工中心的市场竞争力。

目前国内生产加工中心的有沈阳机床厂、大连机床厂、上海祥裕等厂家。

二、研究主要成果

90年代以来，国外一些机床厂家先后开发出一批高速加工中心，其主要技术参数为：

主轴最高转速：

一般为12000～15000r/min，有的高达40000～60000r/min。

坐标轴的加工进给最高速度：

30～60m/min，快速移动速度高达70～80m/min。

换刀时间（刀-刀）普遍在1.5～3.5s，有的快到0.8～0.9s；

托板交换时间普遍在6～8s。

综上所述，高速加工中心的出现使得单轴加工中心的效率赶上了多轴的组合机床或专用机床。

因此，高效高柔性的加工中心已开始在汽车工业中应用，并成为重要的工艺装备。

目前世界上比较有名的加工中心有：

德国EX-CELL-OGMBH公司XHC240卧式加工中心、德国ChironWerke公司FZ12W立式加工中心、日本Mazak公司产品、日本新泻铁工所SPN50、SPN40加工中心、美国Giddings&

Lewis公司RAM500型、RAM630型卧式加工中心和美国Ingersoll铣床公司HVM600型卧式加工中心等等。

目前，国产加工中心的主要品种是立式加工中心和卧式加工中心。

为市场提供的产品主要是立式加工中心。

其规格（是指工作台宽度，单位：

mm）一般为300、400、500、630和800。

其中，前三种属于较小规格产量较大；

后两种属于中大型产量较小。

目前，国产立式加工中心拥有的规格基本上覆盖了中小型立式加工中心的规格范围。

在我国，人们习惯上把数控机床按其技术水平的高低分为高、中、低三个档次。

所谓高档数控机床是指高速度、高精度、五轴联动和工艺高度复合化的数控机床，包括部分重型机床；

而所谓低档数控机床主要是指以步进电机驱动为主要特征的开环控制的经济型数控车床、钻床和铣床，其精度和速度都不高；

其他数控机床则属于中档数控机床，也就是人们常说的通用普及型数控机床。

国产加工中心大多数产品的档次属于此范畴。

目前，自动换刀装置中刀库的种类有链式、盘式、格子箱式和直线式等形式。

自动换刀装置分有机械手换刀和无机械手换刀两种，其中机械手的种类大概有单臂单手式机械手、双手式机械手、回转式单臂双手机械手、多手式机械手等形式。

三、发展趋势

1、高速度、高效率

众所周知，机床向高速化方向发展，不但可以大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。

是进入新世纪以来国内外机床技术发展的重要趋势。

20世纪90年代以来，欧、美、日等工业发达国家争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。

高速主轴单元（电主轴，转速15000－100000r/min）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度60～120m/min，切削进给速度高达60m/min）、高效率的自动换刀装置、高性能数控装置和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。

2、高精度

追求加工中心的高精度，一直是世界各工业发达国家努力的方向。

当前，在机械加工高精度的要求下，普通级数控机床的加工精度已由±

10μm提高到±

5μm；

精密级加工中心的加工精度则从±

3～5μm提高到±

1～1.5μm，甚至更高。

3、高可靠性

随着数控机床应用领域的日益普及，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造厂家和数控机床制造厂家十分注重和追求的目标。

数控机床也只有首先具有较高的可靠性，才能谈得上高速度、高效率和高精度。

这已经是众多的数控系统制造厂家和数控机床制造厂家达成的共识。

当前，国外先进数控系统的MTBF值已达8万小时以上。

四、存在问题

（1）技术水平上，与国外同类产品的先进水平相比大约落后10～15年，在高精尖技术方面则更大。

（2）产品开发能力上，国内生产企业缺乏对产品竞争前的数控技术的深入研究与开发，特别是对加工中心应用领域的拓展力度不强。

（3）产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，虽然近年来国产加工中心的产量增加较快，但从总体上看，还没有形成规模生产；

国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。

（4）国产数控系统MTBF（平均无故障时间）大都超过1万小时，但国际上知名品牌如：

FANUC、SIEMENS等先进企业的数控系统MTBF已达8万小时。

国产加工中心MTBF虽有少数厂达500小时，但国外加工中心的先进水平已达800小时。

（5）刀库和机械手的可靠性还比较低，近年来虽有改进，但用户仍然不放心。

（6）位置精度，特别是重复定位精度还有待于进一步提高。

（7）至于外观粗糙，漏油、漏水、漏气等老问题仍然不同程度的存在。

五、主要参考文献

附录3

设计一个数控卧式加工中心上带有盘型刀库的自动换刀装置

穆斯塔法.伊尔汗.高克雷尔和缪特拉.比邻干.科斯

（收稿于1996年4月12日）

摘要——自动换刀装置（ATC）是数控机床中用于交换的机床设备主轴上的刀具与刀库上刀具的装置。

在这个文章中，介绍了一种数控卧式加工中心上自动换刀装置的设计，该自动换刀装置的设计是一个数控机床制造商要求。

经审查几个替代方案，决定实施盘式换刀。

该刀库设计有24把刀具，最大刀具直径为150毫米，最大刀具重量8公斤。

所设计的自动换刀装置可以在4秒内交换最接近的刀具和在6秒内交换相邻最远的刀具。

厄尔尼诺.菲尔科技有限公司保留所有版权，1997年。

1.引言

任何机床制造商必须或者支付任何特定数控专利的数控机床，或设计自己的系统来制造数控机床。

购买新技术是一项昂贵的选择，并且它一般不容许作任何修改和在购买到的系统上进行改进。

机床制造商不出售自己开发的新技术，他们一般都愿意出售其遗弃的技术。

因此，一个特定的数控机床制造商已开始对新的数控卧式加工中心的设计与生产进行研究和改进。

这就需要设计这个机床新的自动换刀系统。

自动换刀装置可以被定义为一个可以根据机器控制单元提供的命令选择和改变刀库中刀具的装置。

拥有不同工作原理的各种自动换刀装置已用于由不同厂家生产的卧式加工中心上[1-17]。

刀具存储装置一般是链式或盘式（旋转式）的类型。

然而，现在有一些其他类型的刀库，如球形，带型等[17]。

圆盘型刀库可能按照盘式的功能被归类。

（1）在一个带有换臂类型的刀库中，这些刀具是通过一个机械手从刀库中取刀并与主轴上的刀具相交换的方法来交换的。

因此，该盘型刀库具有存储索引的功能[1-5]。

在图1（a）[1]，图1（b）[1]和图1（c）[5]中展示了这种类型的一些例子。

（2）无换臂机械手式刀库动作与有机械手式相似。

这些刀具是通过盘式刀库本身来改变的[2，6-8]。

2[1]中展示了这种类型的一个例子。

正如图所示，两盘式刀库和两个主轴安装在该应用程序的一个立柱上。

在带有链式刀库的一个自动换刀装置上[9-16]，该刀具是由一换臂机械手来改变的。

如下所示链式刀库可根据刀具在刀库中相对于主轴的方向来归类。

（1）刀库中刀具的轴线垂直于主轴并且刀库位于立柱的右侧或左侧。

因此，为改变刀具的方向，机械手带动刀具围绕垂直于主轴的方向作旋转使新刀和主轴相平行，如图3（a）13所示。

这种类型的另外一种倒装情况，刀库，也就是刀具安放的位置，围绕它们自己的轴线旋转来与主轴轴线相平行，如图3（b）12所示。

换刀机械手交换位于刀库和主轴的刀具。

（2）链式刀库刀具的轴线平行于主轴轴线，如图3（c）12所示。

切削刀具与主轴轴线平行的方向只有一个，刀具就在那个位置被交换。

（3）刀库中刀具轴平行于主轴轴线。

位于主轴和刀库之间的机械手朝主轴作直线运动和更换刀具，如图3（d）16所示。

在表1，不同的ATC和它们的最短刀具交换时间是根据业界文献来给出的[2-5，7-14]。

在表1中，“D+A”，“D”和“C+A”分别用来定义带机械手的盘式刀库、无机械手的盘式刀库和带机械手的链式刀库。

在盘式刀库中，随着刀具的数量增加，该盘的直径增加，这是空间角度点位置不定的情况。

然而，在链式刀库里，同样的空间刀具的数量大约是盘式刀库的1.5倍[18]。

该链式刀库可以在一个非常狭小的空间存储很多刀具。

然而，链型刀库与盘型刀库相比要贵。

2.自动换刀装置的设计

在弄清了数控机床的设计规范的阶段，特定市场的供应与需求，潜在客户的喜好，竞争对手产品的规模可以从相关行业文献获得，比如数控机床产品价格等，ATC的设计规格应予以考虑。

通过考虑如简单，成本相对较低，制造相对轻松，组装，拆卸，维修，以及备件供应等基本的设计标准，数控卧式加工中心上一种无机械手式盘型刀库的自动换刀装置被设计了出来[19]。

如图4所示，所设计的自动换刀装置的刀具转换过程包括如下基本步骤。

第1步.主轴靠近刀库将旧刀插入刀套（图4（a））。

第2步.随后挂钩释放旧的刀具，该刀库沿A-A方向前进（图4（b））。

第3步.尽可能快地将新刀带到刀具转换位置，刀库围绕其旋转轴顺时针或逆时针方向旋转，这取决于刀库刀具的相对位置（图4（c））。

第4步.该刀库撤回将新刀插入主轴（图4（c））。

第5步.当控制单元收到主轴的信息，即挂钩已安全地运作新的刀具时，主轴开始执行新的加工周期（图4（d））。

在自动换刀装置类型确定以及工作原理应用之后，对于没有换臂机械手的盘式刀库规格定义如下[20]。

1.刀库中存储刀具的数量（刀库容量）是24。

2.当相邻的刀套都装满时，刀具的最大直径为100毫米时。

3.当相邻的刀套为空时，刀具的最大直径为150毫米。

4.该刀具包括刀柄的最大重量是8公斤。

5.刀柄类型BT40[21]。

6.在相距最近和相距最远距离上的刀具更换时间为分别为4秒和6秒。

在下面的小节，介绍了