数控铣床自动换刀化改造(刀库式加工中心)

第一章 绪论

1.1 数控设备的发展历史

>第一代数控系统：1952年至1959年，采川电子管元件。 >第二代数控系统：1959年开始，采刖晶体管元件。 >第三代数控系统：1965年开始，采川集成电路。

>第四代数控系统：1970年开始，采刖人规模集成电路及小型通用计算机。 >第五代数控系统：1974年开始，采用微处理机和微型计算机。

1.2 自动换刀系统的意义

从换刀系统发展的历史米看，1956年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM公司同期也研制成功了“APT”（刀具程序控制装置）。1958年美国K&T公司研制出带ATC(自动刀具交换装置)的加工中心。1967年出现了FMS（柔性制造系统）。1978年以后，加工中心迅速发展，带有ATC装置，可实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。 1.1.1 加工中心

加工中心机床的出现，加之CAD技术、信息技术、网络控制技术以及系统工程学的发展，为单机数控自动化向计算机控制的多机制造系统自动化方向发展，创造了必要的条件．计算机群控系统即直接数控(Direct NC-DNC)系统，就是这一发展趋向的具体体观。DNC系统使用一台较大的计算机，控制与管理多台数控机床和数控加工中心，能进行多品种、多工序的加工。

加工中心机床配备有装载多把刀具的刀具库，有自动更换刀具的功能，一次装夹中可以完成钻、镗、铣、铰等工序，特别适用于箱体类零件的多面、多工序加工。它能完成车削加工的同时，兼有铣、镗、钻孔、攻丝等功能。 1.1.2 柔性制造单元

柔性制造单元(FMC)是由中心控制计算机、加工中心与自动交换工件(AWC，APC)装置所组成。工件一次装夹后可在柔性制造单元中的加工中心上加工，使得加工的柔性（可编程性）、加工精度和生产效率更高。在柔性制造单元中，中心控制计算机负

责作业调度、自动检测与工况自动监控等功能。

工件装在自动交换工件装置（工作台）上在中心控制计算机控制下传送到加工中心上加工；加工中心接收中心控制计算机传送来的数控程序进行加工，并将工况数据送中心控制计算机处理，如工件尺寸自动检测和补偿，刀具损坏和寿命躲控等。 组成：它由加工中心、环形工件交换工作台、工件托盘及托盘交换装置组成环形工作台是一个独立的通用部件，与加工中心并不直接相连，装有工件的托盘在环形-工作台的导轨上由环形链条驱动进行回转，每个托盘上有地址编码。当一个工件加工完毕后，托盘交换装置将加工完的工件连同托盘一起拖回至环形工作台的空位，然后，按指令将下一个加工的托盘与工件转到交换位置，由托盘交换装簧将它送到机床工作台上，定位夹紧以待加工。已加工好的工件连同托盘转至工件的装卸工位，由工人卸下，并装上待加工的工件。托盘搬运的方式多用于箱体类零件或大型零件。托盘上可装夹几个不同的零件，也可装夹数个不同的零件。

对于车削或磨削中心等机床，可以使用工业机器人进行工件的交换。由于机器人的抓重能力及同一规格的抓取手爪对工件形状，与尺寸的限制，这种搬运方式主要适用于小件或回转件的搬运。柔性制造单元可以作为组成柔性制造系统的基础，也可以作独立的自动化加工设备。由于柔性制造单元自成体系，占地面积小，成小低而且功能完善，加工适应范围广，故有廉价小型柔性制造系统之称。 1.1.3 柔性制造系统

柔性制造系统带有自动换刀装置的数控加工中心，是柔性制造的硬件基础，是制造系统的基木级别。其后出现的柔性制造单元，是较之高一级的柔性制造系统，它一般由加工中心机床与自动更换工件的随行托盘或工业机器人以及自动检测与监控技术装备所组成。由多台和存储，以及必要的工件清洗和尺寸检查设备，并由高一级的计算机对整个系统进行控制和管理。可实现多品种的全部机械加工。 1.1.4 计算机集成制造系统

计算机集成制造系统:将车间制造过程的自动化，从生产决策、产品设计、市场预测直到销售的整个生产活动的自动化，特别是技术和管理科室工作的自动化的要求综合成一个完整的生产制造系统，即所谓的计算机集成制造系统，它将一个制造工厂的生产活动进行有机的集成，以实更高效益、更高柔性的智能化生产。这是当今自动化制造技术发展的最高阶段。

1.3 自动换刀系统产品化的技术问题

为了更好地简化数拧机床主轴结构，尽可能地减小换刀机构对机床主轴结构优化设计带来的影响，采用弹簧夹头这一理想的刀具夹持元件，在机床主轴的设计上除了轴端制作出与弹簧夹头联结的专用结构外，机床主轴结构完全可以根据其优化耍求来确定，从而可最人限度地提高机床主轴的工作性能。本研究以它巧妙的构思，对换刀机械手、刀具交换装簧、刀库结构形式：以及驱动机构进行了新的设计与讨论，改变了传统的结构模式。在本项研究中要解决的主要问题有：

(1)研究适用于机床主轴结构并能满足自动换刀要求的高性能弹簧夹头结构模式弹簧夹头的结构及其制造工艺的优化程度并按影响着它的使用性能。用于自动换刀的弹簧夹头必须具备夹紧力大，能够自锁和工作可靠的特点，而且还必须具有足够的夹持刚度，同时便于刀具的轴向精确定位。

(2)研究确定弹簧夹头与机床主轴头部可靠联结的结构方案弹簧夹头与主轴采用轴头联结，这种联结方式完全不影响机床主轴自身的优化设计。弹簧夹头对定尺寸柄刀具或定尺寸柄辅具的夹紧放松动作采用主轴轴端外驱动工作方式。因此要研究满足以上要求的主轴轴端结构形式。 (3)换刀机械手与驱动装簧的研究

换刀机械手的主要任务是，完全模拟人手的换刀动作，给机床主轴与弹簧夹头提供相对转动实现夹紧、放松刀具的动作。机械手应具备足够的转矩，该转矩还必须恒定（可调）。同时还应使机械手具备结构紧凑、占据空间小的特点，以适应不同类型机床的换刀空间，换刀机械手完全采用电磁机械传动，以求最大限度地降低自动换刀系统的成本造价。

(4)刀库结构及刀库驱动方式的研究

要在总结现有数控机床刀库类型、刀架结构、刀库驱动方式的基础上，研制出夹持圆柱形定尺寸柄刀具或辅具的刀片形式、刀架结构和刀具交换装置。同时包括刀库的驱动、定位机构、刀具编码方式的研究。 (5)智能型控制系统的研究

自动换刀系统采用单片机或PLC控制，它通过几条与主控机的联络信号线以及系统内设置的自诊断、自适应功能实现对换刀系统的全自动控制管理。

本研究已取得了阶段性成果，并获得了国家专利。该项研究包括：采用高性能弹簧夹头夹持刀具，使用外驱动机械手完成刀具的夹紧、放松，系统配簧扩展型链式刀库和刀具交换装簧，整机采用电磁机械传动、PLC控制，换刀系统具有夹紧力大、夹紧力恒定（可调）、自动复位以及各种自检保护功能，同时具有占据空间小的特点。研究的最终目标是，期望能够形成一种结构紧凑、工作稳定可靠、造价低廉、可供不同类型数控机床选型配套的智能型高性能自动换刀系统系列产品。

1.4 自动换刀系统产品化的前景

随着机械加工业的发展，制造行业对于带有自动换刀系统的高效高性能加工中心的需求量越来越大。在现有的各种类型的加工中心中，传统结构的白动换刀系统的造价在机床整机造价中总是占着很大比重，这是加工中心价格居高不下、应用不普遍的重要原因。如果把自动换刀系统的设计制造从现有加工中心的制造模式中分离出来，把它作为加工中心的标准件或工件组织专用化的生产，同时由于．该项技术的应用简化了机床主轴结构、采用弹簧夹头和外驱动机械手等关链技术、采用圆柱柄刀具和辅具，这不仅使数控机床工作性能有所提高，而且使得由它配套构成的加工中心的总体造价人幅度下降。低造价高性能的加工中心将会被中小生产厂家广泛接收，这样必将给自动换刀系统生产批厂商和加工中心制造商带来巨人的经济效益。

1.5 自动换刀装置(ATC)的选择

自动换刀装置( ATC)是加工中心、车削中心和带交换冲头数控冲床的基本特征。尤其是加工中心，ATC装置的投资往往占整机的30%-50%。因此，用户应十分重视ATC的工作质量和刀库储存量，ATC的工作质量主要表现为换刀时问和故障率。 经验表明，加工中心故障中有50%以上与ATC有关。因此用户应在满足使用要求的前提下尽量选用结构简单和可靠性高的ATC，以降低整机的价格。