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1、浙江工业大学之江学院毕业设计（论文）文献综述毕业设计（论文）文 献 综 述浙江工业大学之江学院毕业设计（论文）文献综述1 数控加工中心立卧两用换刀机械手进入上世纪 90 年代以来，北京机床研究所、大连组合机床研究所、济南第一机床厂、大河机床厂及陕西秦川机床厂都对自动换刀机械手进行了研究和开发，但迄今为止，我国制造的加工中心上配置的自动换刀机械手装置大多都依赖进口，价格相当昂贵。作为加工中心的配套技术， 自动换刀机械手的研究和开发将直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的1。从 2001 年第七届中国国际机床展览会展出的数控机床来看，多功能数控机床和五面体、复合型数
2、控机床已经占据了大量的市场。其中复合型数控机床是将多种动力头集中于一台机床上，使工件在一次装夹中完成多道工序的加工，从而使工件的加工精度及生产率大大提高2。而五面体加工中心是工件在一次装夹中可以完成除了安装底面以外的所有表面和精密孔系加工。数控机床中， 五面体加工中心的数控机床所占的比列是最大的。由于五面体加工中心越来越得到广泛的应用，以及加工中心向更高速、 更高精度的方向发展， 对换刀速度和定位精度的要求越来越高3。为了更进一步提高五面体数控加工中心的加工效率，特提出对凸轮式立卧两用换刀机械手的设计4。1国内外研究现状经查阅相关资料， 目前，发达国家数控加工中心的自动换刀机械手主要采用凸轮式
3、，我国加工中心技术起步较晚，对自动换刀机械手研究的也较少。迄今为止，我国基本上还未生产该种产品， 我国制造的加工中心上配置的自动换刀机械手大多都是进口的，价格相当昂贵。 为了更进一步提高数控加工中心的加工速度及其利用率，有必要对凸轮式立卧两用自动换刀机械手进行研究，以填补我国在此项研究中的空白5。凸轮式换刀机械手加快了换刀过程，大大提高了换刀速度。 德国、日本以及台湾等发达国家和地区的数控加工中心的自动换刀机械手主要采用凸轮式6。如目前全球ATC 产品产量居首位的德士凸轮股份有限公司的产品，主要采用滚子式凸轮结构，输出轴的惯性矩小、构造体积小、受力大，可组合许多动作；在凸轮同一转向时，输出轴可
4、做正逆向转动及轴心上下拉刀动作一体化，其 BT40 刀具的换刀速度接近秒，BT30 刀具接近 0.5 秒；再如台湾吉径科技有限公司的滚子凸轮式的自动换刀系统只用一个驱动马达就可完成复杂的换刀动作，除了换油外没有其他消耗零件及保养需求，故障率最少，寿命超过百万次以上，该公司与日本企业合作，开始研发生产快速换刀凸轮机构，供销日本市场，其换刀速度BT30 达到 0.5 秒，BT40 达到 0.8 秒7。目前，国外先进机床企业生产的高速加工中心为了适应高速加工，大都配备了快速自动换刀装置。加工中心自动换刀系统的动作要准确可靠，而且结构相对复杂，提浙江工业大学之江学院毕业设计（论文）文献综述2 高换刀速
5、度的技术难度大。因此，自动换刀技术己经成为机床行业竞争的焦点之一，各加工中心制造企业争先研制高速可靠的自动换刀装置8。2基本原理及研究方向2.1 凸轮式换刀机械手的基本原理换刀机械手的驱动方式有凸轮式、液压式、齿轮式和连杆式。而液压式换刀机械手的缺点是换刀速度慢、 安装和调试较为困难、 易泄漏等。与液压式换刀机械手相比，凸轮式换刀机械手的优点是换刀速度快、可靠性高、安装调试较容易等。因此，它正在逐步取代液压式等类型自动换刀机械手的主导地位9。1 凸轮机构2导轨 3气缸 4伺服电动机5联轴器6伺服电动机图 2.1 立卧两用换刀机械手方案如图 2.1 所示，伺服电动机 6 直接驱动换刀手，伺服电动
6、机4 通过联轴器直接驱动轴 II 运动。其运动过程如下：换刀手由气缸3 推动在导轨上运动，由准备位置B移至位置 A，当主轴退出刀杆后， 在伺服电动机 6 的驱动下， 换刀臂和联接体实现一起绕轴 I 转动 180 ，主轴箱复位，刀杆插入主轴，卡爪松开后，气缸3 将换刀手拉回至位置 B （此时，主轴已开始工作， 下述换刀动作为辅助运动， 与工件加工同步进行），由凸轮机构 1 带动导轨以上的机构由运动到C、D、E 而将刀具插入刀库中，然后凸轮机构 1 使它们运动到位置B。刀库转动，将所需刀具转至位置E，导轨以上的机构再在凸轮机构 1 的作用下由位置BEDCB 完成取刀过程，此时，换刀手夹浙江工业大学
7、之江学院毕业设计（论文）文献综述3 持着新刀具在准备位置B 待命。至此本轮换刀结束，待接到新的换刀命令后，重复上述过程10。2.2换刀机械手的研究方向目前，五面体加工中心越来越得到广泛的应用，并且加工中心向更高速、 更高精度的方向发展，对换刀速度和定位精度的也要求越来越高。五面体加工中心核心是主轴可进行立、卧转换。而现有的换刀机械手是立式或卧式凸轮换刀机械手11。如果使用立式或者卧式换刀机械手，那么在加工过程中， 主轴箱就要不断地进行立式和卧式的转换，将会产生重复定位所带来的误差，使加工精度大大降低。而采用凸轮式立卧两用换刀机械手，不但可以克服使用立式或卧式凸轮换刀机械手时所存在的缺点，而且还
8、可以使换刀时的辅助时间与主轴的工作时间相重合。所以越来越多形式的凸轮式立卧两用换刀机械手代替了原先的立式或卧式凸轮换刀机械手12。3存在问题（1）制定立卧两用换刀机械手结构方案时，如何实现立卧的转换，即对立卧转换机构的设计是主要的技术难点之一。立卧转换机构完成的动作是确保使机械手准确地转过 90 度，并准确地能定位刀具的位置。确定总体结构时， 由于本设计需要满足机床主轴箱进行立卧转换。因此，机械手需要进行 90 度转动。这样就存在机械手与主轴箱及防护罩的干涉以及体积大、布局难等方面的问题。所以在总体方案确定时可以考虑把机械手设计为远离主轴箱的位置，并能把刀具送到指定换刀位置，使设计难度加大。（
9、2）换刀机械手的运动轨迹很难确定。依据总体方案的设计， 凸轮机构必须使机械手完成在刀库中插刀、拔刀的过程。机械手的插刀、拔刀的整个过程的运动轨迹，其尺寸主要由刀具的尺寸决定，而刀具尺寸是变化的， 因此运动轨迹的尺寸很难确定13。（3）由于各部件的选择或设计计算的难度很大，又引来的主要问题是如何提高换刀机械手的运动平稳性。 例如，如何提高凸轮机构的运动平稳性，利用一个凸轮驱动一个从动件，要使机械手完成插刀、拔刀的整个过程，是无法实现的。因此，采用双从动件凸轮机构。 两个从动件的运动规律应该相同，不同的是存在一个时间差。 凸轮的轮廓形状取决于从动件的运动规律，在凸轮轮廓形状设计时， 应考虑根据工作
10、要求确定从动件的运动规律，从而保证从动件运动的平稳性15。浙江工业大学之江学院毕业设计（论文）文献综述4 4发展趋势国内外主要从以下方面展开对自动换刀技术的研究：（l）根据高速机床新的结构特点设计刀库和换刀装置的形式和位置例如传统的立式加工中心的刀库和换刀装置多装在立柱一侧；而高速加工中心则多采用立柱移动的进给方式， 为减轻运动件质量，刀库和换刀装置不宜再装在立柱上。（2）采用新方法进行刀具快速交换不用刀库和机械手方式，而改用其它方式换刀。例如不用换刀，用换主轴的方法，但是此方法不适用于大容量刀库。（3）利用新开发的加工中心的主轴部件新开发的加工中心的主轴部件可作6 自由度高速运动，让主轴直接
11、参与换刀过程，不仅可使刀库配置位置灵活， 而且可减少刀库运动的自由度，显著简化刀库和换刀装置的结构。（4）应用适合于高速加工中心的刀柄HSK 刀柄质量轻，拔插刀行程短，可以使自动换刀装置的速度提高。自动换刀装置采用 HSK 空心短锥柄刀是快速换刀技术发展的趋势16。5总结凸轮式立卧两用换刀机械手换刀动作少、内部结构简单可靠； 由于机械手远离工作区，机床整体布局美观； 驱动部分选用凸轮机构和伺服电机，有效减小了机械手的体积并提高了运动精度，克服了其它机械传动机构质量大、体积庞大的缺点。因此，立卧两用凸轮式换刀机械手是一种结构先进、简单实用的立卧两用换刀机械手，具有良好的市场及应用前景17。浙江工
12、业大学之江学院毕业设计（论文）文献综述5 参考文献1夏粉玲，贺炜，李体仁，等关于立卧两用换刀机械手的设计J 西北轻工业学院学报，2002，20（5） ：13162李体仁加工中心换刀机械手及刀具管理系统的设计D 陕西科技大学，20043张祺，侯力，刘松，等加工中心换刀机械手控制系统研究J 组合机床与自动化加工技术， 2010， （8） ：42444罗爱辉数控加工中心凸轮式自动换刀机械手的研究D 西北轻工业学院，20025谢政加工中心换刀机械手的研究D 湘潭大学，20086李剑玲立卧两用凸轮式换刀机械手的研究与开发D 陕西科技大学，20037夏粉玲数控加工中心凸轮式立卧两用换刀机械手的研究D 陕西
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