加工中心自动换刀装置的研究进展

EquipmentManufactringTechnologyNo.5，2010

!"

!!!!"专论与综述

!"

高进给与移动速度、提高主轴转速、加大主轴电机功率、加大切削用量、采用高质量刀具等。在高节拍多次换刀的加工过程中，缩短换刀时间，可大大提高生产效率。国内外加工中心生产厂家都投入大量的资金和精力，研制自动换刀装置，以缩短换刀时间，提高工作效率和竞争力。

自动换刀装置是专门为大中型加工中心配套，实现其刀具储备及自动交换功能的重要功能部件，是高档加工中心和重型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，以提高生产率，降低生产成本，进而提升机床乃至整个生产线的生产力。自动换刀装置的换刀速度和可靠性，是数控机床系统先进与否的一个重要标志。

自动换刀装置是加工中心的重要组成部分，主要由刀库、机械手和驱动装置等组成。刀库的功能，是存贮加工中心所要用的各种刀具，并在数控系统的控制下，把即将要用的刀具准加工中心换刀机械手，是自动换刀装置中确地送到换刀位置。

的核心组成部分，主要完成将主轴上的工作刀具与刀库中的工作平待用刀具两者位置交换的任务，其应具有换刀时间短、稳、定位准确等特点[2]。驱动装置，则是使刀库和机械手实现其功能的机构。此机构一般由电机、液压、气液机构或凸轮机构组成，它们在数控系统控制下，驱动刀库和机械手，实现刀具的选择与交换[3]。2.1

刀库

目前，国内外采用的数控机床刀库主要分为：转塔式、圆盘式、链式刀库等形式。

转塔式刀库，包括水平转塔头和垂直转塔头两种，所有刀具固定在同一转塔上，无换刀臂，储刀数量有限，通常为6～8把。一般仅用于轻便而简单的机型，常见于车削中心和钻削中心。

圆盘式刀库呈盘状，刀具沿盘面垂直排列（包括径向取刀和轴向取刀）、沿盘面径向排列或成锐角形式的刀库，结构简单、紧凑，应用较多，但刀具单环排列，空间利用率低。若增加刀库容量，必须使刀库的外径增大，那么转动惯量也相应增大，选刀运动时间长。

双盘式结构，是两个较小容量的刀库分置于主轴两侧，布局较紧凑，储刀数量也相应增大，适用于中小型加工中心[4]。

链式刀库，包括单环链和多环链，链环形式可有多种变化，适用于刀库容量较大的场合，所占的空间小。一般适用于刀具数在30～120把。仅增加链条长度即可增加刀具数，也可以把多个刀库按并联或串联的方式排列起来，既可使刀库容量加大，又可以不增加圆周速度，其转动惯量不像盘式刀库增加的那样大。链式刀库的驱动，有伺服电机或液压分度马达，刀库做选刀运动在起始和到位时，有平稳的加减速过程，而在相隔多个刀位选刀运动途中，运动连贯不变速，这样就保证了较高的选刀速度和平稳性。

1

70年代并获得迅速发展。1983年，国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，自动换刀装置形成了统一的结构模式。目前德国、奥地利、日本、韩国、意大利等国家，都将自动换刀装置成功应用到了高端加工中心上。例如德国CHIRON公司生产的FZ08S和FZ08W加工中心，采用机械手换刀，刀库布置在主轴的周围并可随主轴一起移动，且每把刀具配有一套换刀机械手，其刀对刀换刀时间仅需0.5s，切削对切削换刀时间仅为1.5s。德国Burkardt和WeberGmbH公司生产的MC325、MC325-TWN加工中心，采用可换位的转塔刀库，换刀时间等于换位与进给时间，并带有可交换托盘和回转刀具交换系统，其切削对切削换刀时间为2s[1]。

相比工业发达国家，我国对加工中心的研究起步较晚，因此对自动换刀装置的研究也相对落后。从上世纪80年代起，北京机床研究所、大连组合机床研究所、沈阳机床集团、大连机床集团、济南第一机床厂等，先后对自动换刀装置开展了研究与开发。如大连机床集团自主研发的自动换刀装置刀对刀最短换刀时间已达到2s以内。

收稿日期：2010-02-25作者简介：韩越梅（1972—），女，辽宁锦州人，讲师，硕士，从事机械设计制造专业的教学及研究工作。

128

!!!!"

加工中心自动换刀装置的研究进展

韩越梅

(大连大学机械工程学院，辽宁大连116622)

摘要：介绍了加工中心自动换刀装置的国内外发展现状，以及自动换刀装置各组成部分，还分析其工作原理，针对自动换刀装置的特点，指出了研发过程中的关键技术，并对自动换刀装置的发展趋势作了展望。关键词：加工中心；自动换刀装置；发展；分析中图分类号：TG659

文献标识码：A

文章编号：1672-545X（2010）05-0128-02

人们一直采用各种方式，提高加工中心的加工效率。如提

2自动换刀装置的主要组成

自动换刀装置的国内外发展现状

工业发达国家对于自动换刀装置的研究，起始于上世纪

《装备制造技术》２０１０年第５期

2.2

机械手

特性分析，建立快速创新设计支撑平台等。系统设计技术涉及分析等多种软件的集成与二次开发。设计、

3.2关键零部件的核心制造技术

凸轮机构是凸轮式自动换刀装置中的核心部分，包括平面凸轮和空间弧面分度凸轮。其中，弧面分度凸轮机构，是一槽轮机构等传统的间种高速间歇空间分度机构，与棘轮机构、歇分度机构相比，具有分度精度高、动力学特性好、承载能力大等优点；而弧面分度凸轮的工作轮廓面是空间不可展曲面，设计、制造难度大。凸轮的制造工艺水平和加工精度，直接影机械手上刀具响自动换刀装置的换刀速度和可靠性等性能[5]。

夹持元件的结构，直接影响着其使用性能，研究适应重量刀具安全夹持要求的换刀机械手上刀具夹持元件的结构模式，使之具备夹紧力大，适应重量刀具的安全夹持，能够自锁和工作可靠等特点，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。

目前，国内外采用的执行刀库和主轴之间换刀动作的机

械手，主要分为以下几种类型：单臂机械手、双臂机械手、带送摆刀站和换刀臂的机械手。刀臂、

单臂机械手。换刀机械手仅一个手臂，又分为单手式和双一个换刀臂且仅一端有一个抓刀手，所有动作手式。单手式，均由单手完成，执行动作多，换刀时间长，但结构简单。刀库与双手式，一个换刀臂两端主轴轴线平行或垂直的情况均适用。

各有一个抓刀手，机械手同时抓取主轴和刀库上的刀具，回转180°，同时放回和装入刀具，换刀时间短，较为常用，多用于刀座与主轴轴线平行的场合。

双臂机械手。两个机械手臂，每个手臂端部都有一个抓刀手，其抓刀和换刀动作类似于人手动作，除执行换刀动作外，这种机械手结构较复杂，但换有些还可以起运输刀具的作用。

刀时间短。

带送刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手。送刀臂将刀具从刀库中取出送到摆刀站，由摆刀站将刀具送到换刀位置，最后由换刀臂进行换刀。其结构更复杂，各部分在空间巧妙配置和组合，更具变化性，一般换刀时间较短，适用于刀库距离主轴较远的场合。2.3

驱动装置

机械手的驱动，主要有液压（包括气液）驱动和机械式凸

4结束语

未来的自动换刀装置，将根据不同的工作需要，进行多元

自动换刀装置的换刀时间将越来越短，同时通用性和化发展。

可靠性越来越强。传统装置将会采用动作速度更快的机构和驱动元件，凸轮结构近年来已被大量采用。同时新的材料和加工工艺，弥补凸轮机构磨损后可靠性降低的缺点。新的换刀方式的出现，也为自动换刀装置的进一步发展提出了新的思路。双主轴和多主轴换刀技术，把机床的换刀速度提高到了新的多主轴换刀方式，可以使安装在夹具上的工件快速在各水平。

主轴之间移动，使得切削对切削换刀时间到达0.4s。在通用性

方面，立卧式两用自动换刀装置将会成为另一个发展方向[6]。

参考文献：

[1]王科社，杨庆东，赵宏林.高速加工中心的快速自动换刀技术[J].制2001，(12)：5-7.造技术与机床，

[2]刘建慧，邹慧君.加工中心自动换刀装置类型综述及设计特点[J].机械设计与研究，2001，(9)：49-51.

[3]FCChen.Configurationsynthesisofmachiningcentreswithtoolchangemechanisms[J].InternationalJournalofMachineTool&Manufacture,1999，(39)：273-295.

李继中.盘式刀库加工中心自动换刀系统控制[J].机械设计[4]陈芳，

与制造，2007，(10)：149-151.

[5]尹明富，赵镇宏.弧面分度凸轮单侧面加工原理及刀位控制方法研2005，(2)：127-130.究[J].中国机械工程，

[6]贺炜，夏粉玲，唐学飞.凸轮式立卧两用换刀机械手的研究[J].组2003，(12)：17-19.合机床与自动化加工技术，

轮联动两种。

液压式。采用液压式驱动的自动换刀装置，插、拔刀动作均由油缸完成。常见的方案是机械手装在套筒上，活塞杆固定，缸套同套筒一起移动，油缸左右腔进油完成动作。机械手的回转既可以采用回转油缸，也可以采用直线运动油缸通过齿轮齿条带动来完成。

凸轮联动式。机械凸轮联动驱动的自动换刀装置，插、拔刀动作通常由凸轮驱动摆杆来完成。回转动作常通过弧面分度凸轮或平行分度凸轮，带动滚子盘直接驱动机械手，或再通过一对齿轮驱动机械手旋转。

3

3.1

自动换刀装置的关键技术分析

系统设计技术

系统整体设计，是保证大型高速刀库及自动换刀装置产

品质量的基础，核心在于保证系统各零件、各机构间协调、有序的工作，使系统结构在空间和时间上不发生干涉。系统设计技术包括创新设计、并行设计、优化设计、可靠性设计等多种设计方法。其中，模块化设计方法将其运用到自动换刀装置系同时运用结构拓扑统的整体设计当中，建立系统化设计理念。优化方法对各模块进行设计与优化，并对各运动件进行动态

AnalysisandDevelopmentofAutomaticToolChanger

HANYue-mei

（SchoolofMechanicalEngineering,DalianUniversity,DalianLiaoning116622，China）

Abstract:Inthispaper,theactualdevelopmentofautomatictoolchangerisintroduced.Then,thepaperdescribescomponentsandwork-ingprincipleofautomatictoolchanger.Basedonthefeatureofautomatictoolchanger,keytechnologiesthroughtheprocessofdesign

andmanufacturearerepresented.Finally,thefuturetrendofautomatictoolchangerisforecasted.

automatictoolchanger;development;analysisKeywords:machiningcenter；

129