自动换刀机械手设计说明书Word格式文档下载.docx
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Itispreciselybecauseofautomatictoolchangeisthecoreprocessingcenter,themanufacturersareconfidential,rarelydisclosetheinformationInparticular,somemanipulatorsostartanew.
Addtotheautomatictoolchangeform,itcanbedividedintoamanipulatortoolchangeandfreemanipulatorATCway.ATCmachiningcenters,mostusingamanipulatortoolchange,becauseitismoretime-saving.
Duetohydraulic-drivenmanipulatorsneedstrictsealedneedmorecomplexbuffer,manipulatorcontrolofthesolenoidvalvemoveshaveacertainamountoftimeconstants,becauseslowerspeedupthepace.Inrecentyears,domesticandforeignhasdevelopedacamlinkagearm-graspingmanipulator.Thismanipulatorfromtheadvantagesofmotor-driven,notmorecomplexhydraulicsystemanditssealedbuffer,noleakage,simple,reliable.Meanwhile,themanipulatorarmandrotaryknifeinserted,thedecompositionEveryonemovesarelinked,andsomemayoverlaptime,thusgreatlyreducingthetimeATC。
KeyWords：
Manipulator;
MachiningCenter;
Automatictoolchange
目 录
1绪论
1.1国内外数控机床的的发展情况
20世纪90年代以来,数控加工技术得到迅速的普及和发展,数控机床在制造业得到了越来越广泛的应用。
带有自动换刀系统的数控加工中心在现代先进制造业中起着愈来愈重要的作用,它能缩短产品的制造周期,提高产品的加工精度,适合柔性加工。
加工中心是数控机床中较为复杂的加工设备,由于其具有多种加工能力而得到广泛的应用,其强大的加工能力和效率得益于其配置的自动换刀装置（Au2tomaticToolChanger）。
换刀装置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,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。
加工中心自动换刀装置是实现多工序连续加工的重要装置,其结构设计及其控制是实现加工中心设计制造的关键。
加工中心的换刀过程较为复杂,动作多,动作间的相互协调关系多,因而自动换刀系统性能的好坏直接影响加工效率的高低。
自动换刀系统一般由刀库、机械手和驱动装置组成。
刀库容量可大可小，其装刀数在20～180把之间。
刀库的功能是存储刀具并把下一把即将要用的刀具准确地送到换刀位置，供换刀机械手完成新旧刀具的交换。
当刀库容量大时，常远离主轴配置且整体移动不易，这就需要在主轴和刀库之间配置换刀机构来执行换刀动作。
完成此功能的机构包括送刀臂，摆刀站和换刀臂，总称为机械手。
具体来说，它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。
驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的装置，一般由步进电机或液压（或液机构）或凸轮机构组成。
机械手完成刀库里的刀（新刀）与主轴上的刀（旧刀）的交换工作。
由于数控加工中心的刀库容量、换刀可靠性及换刀速度直接影响到加工中心的效率，而自动换刀就是进一步压缩非切削时间，提高生产效率，改善劳动条件。
所以数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道加工工序，缩短辅助时间，减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。
1.1.1加工中心发展简史
1952年世界上出现第一台数控机床，使多种产品、中小批量的机械加工设备在柔性，自动化和效率上产生了巨大变革。
它用易于修改的数控加工程序进行控制，因而比大批量生产中使用组合机床生产线和凸轮、开关控制的专用机床有更大的柔性，容易适应加工件品种的变化，进行多品种加工。
它用数控系统对机床的工艺功能、几何图形运动功能和辅助功能实行全自动的数字控制，因而大大提高加工加工效率，大大改变了中小批量生产中普通机床战整个机械加工70%～80%的状况。
数控机床能实现两坐标以上的联动的功能，其效率和精度比用手工和样板控制加工复杂零件要高的多。
加工中心和车削中心是有机械设备与数控系统组成，适用复杂零件加工的高效、高精度的自动化机床。
这种机床可装若干把刀具，能自动更换刀具，一次装卡中，完成铣镗、车、钻、扩、铰、攻螺纹等的加工。
也是因为加工中心和车削中心比一般数控机床多了一套自动换刀装置，可实现多工序的连续加工，因而加工效率大大提高，使其成为数控机床中发展最快、需求最大的机床。
自动换刀装置的形式是多种多样的，主要的组成部分是刀库、机械手和驱动机构等，虽然换刀过程、选刀方式、刀库结构、机械手类型等个不相同，但是在数控装置及可编程控制器控制下，由电动机或液压或气动机构驱动刀库和机械手实现刀具的选择与交换。
我们把这种为实现多工序的连续加工，在加工中心或车削中心，可进行刀具的选择与交换的装置叫自动换刀装置（automatictoolchange简称ATC）。
1.1.2加工中心的主要优点
1.提高加工质量
工件一次装夹，即可实现多工序集中加工，大大减少多次装夹所带来的误差。
另外，由于是数控加工，较少依赖操作者的技术水平，可得到相当高的饿稳定精度。
2.缩短加工准备时间
加工中心可以顶替多台通用机床，那么加工一个零件所需准备时间，是每台加工单元所损耗的准备时间之和。
才这个意义上说，加工中心的准备时间显然短得多。
3.减少在制品
以往的加工方式是工件流动于多台通用机床之间，这就要有相当数量的在制品，而在加工中心上加工，即可发挥其“多工序集中”的优势，在一台机床上完成多个工序，就能大大减少在制品数量。
4.减少刀具费
不分散设置在个通用机床上的刀具，集中在加工中心刀库上，有可能有最少量的刀具，实现公共有效利用。
这样既提高刀具利用率，有减少了刀具数量。
5.最少的直接劳务费
由NC装置多工序加工的信息集约化和一人多台管理，以及用工作台自动托盘交换装置等辅助装置，实现夜间无人运转。
这些都可缩减直接劳务费。
6.最少的间接劳务费
由于工序集中，工件搬运和质量检查工作量都大为减少，这就使间接劳务费最少。
7.设备利用率高
加工中心设备利用率为通用机床的几倍。
1.1.3加工中心的发展趋势
加工中心亦同其他机床一样，他的技术水平的提高，表现在其固有技术（如高速、高精度化等）的进一步发展和新技能（如智能化技能等）的运用上。
1.高速化
加工中心的高速化，是只主轴转速、进给速度、自动换刀和自动交换工作台的高速化。
1）主轴转速的高速化；
2）进给速度的高速化：
是指快速移动速度的高速化和切削进给速度的高速化。
3）自动换刀（ATC）的高速化
从加工中心诞生初期起，就追求ATC的高速化。
但是由于当时尚未充分掌握ATC的内在规律，故障效率较高，所以在后来的相当一段时间里，采用了首先保证动作可靠性，然后才考虑速度方针，结果在这段时期，ATC速度未提高多少。
但是随着对ATC内在规律的深入了解和用户对ATC速度的要求迫切，有开始注意ATC速度了。
4）自动托盘交换装置（APC）的高速化；
2.进一步提高精度
加工中心的主要精度指标是它的运动精度指标。
而这一精度指标，近年来有了不小的提高，其中精密加工中心精度指标的提高尤为明显。
所谓加工中心的运动精度，主要以定位精度、重复定位精度以及铣圆精度来表示。
3.机能更加完善
1）愈来愈完美的自诊断机能
为了尽可能减少加工中心的故障，现代加工中心大都配备完善的自诊断机能。
例如，位置检测传感器、刀具破损检测装置、切削异常检测装置、适应控制机能、备用刀具选择机能、温度传感器、声传感器、电流传感器等。
这些机能和传感器，使机床具有一定的人工智能。
2）新式刀具破损检测装置
3）加工中心复合化趋势
自动换刀装置开发技术要全面注意以下五个方面：
（1）自动换刀装置的可靠性与优化设计研究。
通过对自动换刀装置进行可靠性分析研究，找出其薄弱环节，通过改进设计，是自动换刀装置故障率大大减少，保证百万次以上正常换刀的品质。
通过对自动换刀装置进行多目标的优化设计，使其动态性能达到最优，进而提高自动换刀装置的性能，降低其制造成本，使刀对刀换刀时间对40刀柄不大于1s，达到世界先进水平。
（2）自动换刀装置的系列化与CAD设计。
使自动换刀装置使用国内厂家的各种产品，，以便得到推广和使用。
即达到厂家一旦提出要求，可快速、合理的设计出针对厂家机床及其提出的参数：
不同刀柄型号，刀库容量等的自动换刀装置，使厂家立即投入生产，并且处于国内先进水平的。
（3）自动换刀装置制造技术研究。
针对自动换刀装置中关键零件的制造技术研究，以提高其制造质量和降低制造成本。
（4）自动换刀系统新技术的研究。
跟踪国际加工中心和车削中心自动换刀装置的发展主流，研究自动换刀装置的新工作原理及新技术。
（5）自动换刀装置产业化研究。
自动换刀装置由专业厂生产比现有个厂家自行生产可降低成本，也能保证质量，同时在我国有巨大的市场，因此，在技术研究的基础上，应研究使我国的自动换刀装置生产走上产业化的道路，建立生产自动换刀装置的基地。
自动换刀装置的设计应满足以下基本要求：
1.换刀时间短，以减少非加工时间。
2.减少换刀动作对加工范围的干扰
3.刀具重复定位精度高。
4.识刀、选刀可靠，换刀动作简单可靠。
5.刀库刀具存储量合理。
6.刀库占地面积小，并能与主机配合，使机床外观协调美观。
7.刀具装卸、调整、维修方便，并能的到清洁的维护。
1.2可编程控制器的特点
可编程控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置”。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
PLC之所以高速发展，除了工业自动化的客观需求外，还有许多独特的优点。
它较好的解决了工业控制领域中的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。
其特点如下：
1.可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达3万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息
2.配备齐全，功能完善，适应性强
PLC发展到今天，己经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3.易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
5.体积小，重量轻，耗能低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于l00mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
2换刀机械手的相关介绍
2.1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。
2.2数控加工中心的基本功能
带有自动换刀刀具交换装置（ATCAutomaticToolChange）的数控机床称为加工中心。
它通过刀具的自动交换，可以一次装夹完成多道工序的加工，实现了工序的集中和工艺的复合，从而缩短了辅助加工时间，提高了机床的效率，减少了零件安装、定位次数，提高了加工精度。
加工中心是目前数控机床中产量最大、应用最广的数控机床。
带有刀具自动交换装置、能一次集中完成多种工序加工的数控加工设备。
数控机床实现了中、小批量加工自动化，改善了劳动条件。
此外，它还具有生产率高、加工精度稳定、产品成本低等一系列优点。
为了进一步发挥这些优点，数控机床遂向“工序集中”，即一台数控机床在一次装夹零件后能完成多任务序加工的数控机床（即加工中心）方面发展。
钻、镗、铣、车等单功能数控机床只能分别完成钻、镗、铣、车等作业，而在机械制造工业中，大部分零件都是需要多任务序加工的。
在单功能数控机床的整个加工过程中，真正用于切削的时间只占30％左右，其余的大部分时间都花费在安装、调整刀具、搬运、装卸零件和检查加工精度等辅助工作上。
在零件需要进行多种工序加工的情况下，单功能数控机床的加工效率仍然不高。
加工中心一般都具有刀具自动交换功能，零件装夹后便能一次完成钻、镗、铣、、攻丝等多种工序加工。
2.3加工中心的组成部分
加工中心分两大部分：
数控机床和刀具自动交换装置。
刀具自动交换装置应能满足以下几个方面的要求：
1.换刀时间短；
2.刀具重复定位精度高；
3.识刀、选刀可靠，换刀动作简单；
4.刀库容量合理，占地面积小，并能与主机配合，使机床外观完整；
5.刀具装卸、调整、维护方便。
刀具自动交换系统由刀库、刀具交换装置、刀具传送装置、刀具编码装置、识刀器等五个部分组成。
2.3.1刀库
刀库是存贮加工所需各种类型刀具的仓库。
它是刀具自动交换系统中的重要组成部分，具有接受刀具传送装置送来的刀具和将刀具给予刀具传送装置的功能。
它的容量、布局和具体结构对整个加工中心的总体布局和性能有很大的影响，按其结构、形状可分为以下六种：
①圆盘式刀库，又分为轴向式（刀具中心线与圆盘中心线平行）、径向式（刀具中心线与圆盘中心线垂直）和多盘式（在一根旋转轴上分设几层圆盘刀库）。
②转塔式刀库，又分倾斜式和水平式。
③鼓轮式刀库。
④链式刀库。
⑤格子式刀库。
⑥直线式刀库。
应当根据被加工零件的工艺要求合理的确定刀库的存储量。
根据对车床、铣床和钻床的所需刀具的数的统计表明，在加工过程中经常使用的刀具数目并不很多，对于钻削加工，用14把不同的规格的刀具就可以完成约80%的加工，即使要求完成90%的工件加工，用20把刀具也就足够了。
对于铣削加工，需要的刀具更少，用4把不同规格的铣刀就能完成约90%加工，用5把不同规格的铣刀可以加工95%的工件。
因此从使用角度来看，刀库的存储量一般为20~40把较为合适，多的可达60把刀，超过60把刀的很少。
2.3.2刀具交换装置（机械手）
它的职能是将机床主轴上的刀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。
2.3.3运刀装置
当刀库容量较大、布置得离机床较远时，就需要安排两只机械手来完成新旧刀的交换动作，一只靠近刀库，称为后机械手，完成拔新刀、插旧刀的动作；
一只靠近主轴，称为前机械手，完成拔旧刀、插新刀的动作。
在前后机械手之间则设有运刀装置。
它一方面将前机械手从主轴上拔出的旧刀运回刀库旁，以便后机械手将该旧刀拔出并插回刀库；
另一方面则将后机械手从刀库中拔出的新刀运到主轴旁，以便前机械手将该新刀拔出并插入主轴。
运刀器的职能就是在前后机械手之间来回运送新、旧刀具
2.3.4刀具编码装置
将加工所需的刀具自动地从刀库中选择出来称为自动选刀，有顺序选择和编码选择两种方式。
顺序选择方式：
将在加工中心上加工某一零件所需的全部刀具按工序先后依次插入刀库中。
加工时按加工顺序一一取用。
采用这种选刀方式不需要识刀器，刀库结构及其驱动装置都非常简单，每次换刀时控制刀库转位一次即可。
采用顺序选刀方式时，为某一个工件准备的刀具，不能在其他工件中重复使用，这在一定程度上限制了机床的加工能力。
固定地址选择方式：
这是一种对号入座的方式，又称为刀座编码方式。
这种方式是对刀库的刀座进行编码，并将与刀座编码相对应的刀具一一放入指定的刀座中。
然后根据刀座的编码选取刀具。
该方式使刀柄的结构简化，刀具可以做得较短，但刀具不能任意安放，一定要插入配对的刀座中。
与顺序选择方式相比较，刀座编码方式最突出的优点是刀具可以在加工过程中多次使用。
编码选择方式：
将加工某一项零件所需的全部刀具（或刀座）都预先编上代码，存放在刀库中。
加工时根据程序寻找所需要的刀具。
由于每把刀具都有自己的代码，它们在刀库中的位置和存放顺序可以与加工顺序无关。
每把刀具都可被多次重复使用。
刀具编码有多种方式，常用的有三种。
刀具编码：
在每一把刀具的尾部都用
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