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1 前言
1.1 数控加工中心简介
加工中心是一种可以对工件进行多工序加工的数字控制机床，它装备有刀库，并可以自动更换里面的刀具。工件经过一次装夹之后，数字控制系统能控制机床按照不同的工序，自动选择刀具或者更换刀具，自动地改变机床主轴的转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹，并且可以完成很多其他辅助机能，依次完成工件几个面上多工序的加工。减少了工同时也减少了工序之间的工件周转、搬运和存放的时间，大大缩短了生产的周期，具有显明经济效益。
一种功能较全的数控加工机床就是数控加工中心。 目前数控加工中心是世界上生产产出的数量最高、最广的应用数控类机床之一。它综合加工的能力特别强，工件一次装夹后能够完成很多的加工内容，加工工件质量比较高，就要求中等加工难度和批量生产的工件，其加工效率是普通类机床的6～10倍，特别的是：它还能够完成许多普通机床所不能完成的加工，对要求精度高，单件加工或中小批量多品种生产形状较复杂的尤为适和。它把削铣、钻、攻等功能加在一个装置上，使其具有多种工艺手段。加工中心设置有储存刀具的刀库，刀库中存放着各种不同数量和规格的刀具或量具，在加工过程中利用程序来实现自动地更换和选用。这就是加工中心与数控铣、镗的差异。加工中心是一种综合的加工能力比较强的设备，工件一次装夹之后就能完成很多的工步，加工精度很高，就批量的中等的工件而言，其加工效率是普通制造机器和设备的7～12倍多，尤其是它能够实现很多普通机床所不能完成的加工，就像一些特别的行面等。这将会使新产品的研制和更新换代节省大量的人力和物力，从而使得企业具有特别强的竞争力。
1.2 数控加工中心刀库系统简介
刀库系统是一种可以提供自动化加工过程中所需的换刀及储刀需求的装置。藉由电脑程式（PLC）的控制，可以实现各种不同的加工的需求，如攻、削、- 1 -
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铣、搪、钻洞等。储存刀具的位置主要是刀库来提供，并依电脑的控制，正确选择刀具，并且定好位置，以便进行刀具的交换；如果没有机构用来自动换刀，则无法自刀库依序更换加工所需刀具，从而达不到减少时间的目的。换刀机构则是执行的是刀具的交换动作。刀库必须与换刀机构同时存在，若无刀库则加工所需刀具无法事先储备。此两者在功用和运行上是缺一不可，相辅相成的。大幅度的缩减了加工的时间，降低了生产中过程的成本；这便是刀库系统的最大特点之一。
1.3 本设计数控加工中心刀库简介
本次设计根据实际条件要求选用圆盘式刀库，所谓的固定地址的换刀刀库就是圆盘式刀库，即每个刀位上都有编号，即为刀号地址。不管这个刀具更换多少次，当操作人员可以把一把刀放进一个刀位后，它永远在该刀位内。其主要的部件是刀库体及分度盘，只要这两样零件加工精度得到保证即可以达到很高的精度要求，运动部件中刀库的分度使用的是非常经典的“马氏机构（凸轮机构）”，前后、上下运动需要选用液压缸。装配调整也比较方便，维护也十分的简单。一般机床制造厂家都能自几制造。在更换刀具时，一般按旋转最短角度的原则，刀号编号按逆时针方向排序的，如果刀库数量是10，当前刀号位10，要换8号刀，按最短角度的换刀原则，刀库是逆时针转。如要换6号刀，刀库则是顺时针旋转。 圆盘式刀库的总刀具数量受到限制，不能太多，一般40#刀柄的不超过24把，50#的刀超不过20把，大型龙门机床上，为了增加刀具的数量就把圆盘转变为链式结构了，这样一来刀量可达60把。 本次设计的是带有机械手的立式加工中心的刀库系统的设计，根据实际- 2 -
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的要求：刀库容量：24把，随机选刀方式，换刀时间为6秒，最大刀具长度为300mm，最大刀具直径为100mm，刀柄型号是BT40。根据以上已知的参数选择使用圆盘式的刀库，利用伺服电机作为转动的动力，同时利用伺服电机作为准确定位的仪器，利用液压缸来实现刀具的转动，从而到达准确的换刀的位置，本次设计的换刀机械手的控制也是有电液伺服系统来综合控制的。它是由回转体和分布其上面的刀夹单元及驱动伺服电机等组成的。这是一种新型的刀库系统，综合了电子、伺服、液压等，是一种尤其适应与当今追求的高速大功率切削的需要。
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2 数控加工中心刀库设计方案的确定
2.1 选题背景与意义
2.1.1 国内外研究现状
伴随着数控科技的迅猛发展和普及，加工中心的作用更加突显出了它的重要性。为进一步提高数控机床的加工效率，工件在一台机床只进行一次装夹即可完成多道工序的加工是未来机床的的发展方向，因此出现了各种类型的加工中心装置，如车削中心、钻削中心、铣镗加工中心等等。这类多工序加工的数控机床在加工过程中要使用多种刀具，因此必须有自动换刀的装置，也就是所说的刀库系统，以便选用不同的刀具时，完成不同工序的加工工序时，加工中心可以自动加工完成，避免换刀等的工序占用时间降低加工效率。此外，加工中心还有带立、卧两个主轴的复合式形式的，和主轴可调整成卧轴或立轴的卧立可调样式的加工中心，它们能对工件进行多个（一般是五个）面的加工。 近年来刀库行业的发展已经慢慢超越其以前的为工具机陪件的角色，在其特有的技术领域中发展出符合工具机高可靠度、高效能、高精度及多工位复合加工等概念之产品。工具机的整体效能表现关乎到其生产的产品品质的好坏。追求高速、高精度、高效率的目标，已经成为未来工具机产业的发展的一大趋势。随着不断提高的切削速度，不断缩短的切削时间，对换刀时间的要求也在逐步提高；换刀的速度已成为高级别的刀库系统的一项重要指标。快速自动换刀技术把减少辅助加工时间做为主要目的，综合考虑工具机的各方面因素，在尽可能少的时间里完成刀具交换的技术方法。 2.1.2选题目的及意义
数控加工中心是综合的高新技术产品。它柔和了机械、电子电工、计算机技术、控制工程等技术于一身。对刀库系统的设计是实现对工件表面进行连续加工的必要设备之一，配备了刀库之后可以自动进行镗、扩、铰、攻、铣、削、钻等多工步的加工工步的加工，使加工中心集中多工序加工成为了可能，而刀库为加工中心的自动化换刀、多工位的加工提供了刀具的支持。刀库是换刀系统的核心部件之一，其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间，以提高生产效率、降低生产成本，进而提升机床乃至整个生产线的生产力。随着来加工心的发展，国家企业对高速，大功率，高效率的要求，以及ATC的设计的去向和系统化走向，刀库的设计所以显得尤为关建和重要了。
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2.2设计内容
2.2.1设计内容研究
（1）具体技术参数
刀库容量：24把；选刀方式：随机；换刀时间：6秒；最大刀具长度：300mm；最大刀具直径：100mm；刀柄型号：BT40；
（2）刀库系统的主要构件
刀库主要是提供储放刀具的位置，并能依程式（PLC）的控制，正确选择刀具加以定位，以进行刀具交换； 换刀机构则是执行刀具交换的动作。刀库必须与换刀机构同时存在，若无刀库则加工所需刀具无法事先储备；若没有专门的换刀机构来换刀，则就无法自刀库依次序来更换加工所需要的刀具，从而失去了减少用时量，提高效率的目的。此二者在运用及功能上相辅相成不可缺一。
（3）刀库系统的分类
近年来刀库技术的迅猛发展，工具机配件的角色已经不适合刀库了，符合工具机高可靠度、高效能、高精度及多工位复合加工是在其特有的技术领域中发展趋势。其产品品质的好坏，关乎到工具机的整体性能的外在表现。刀库的布局、容量，针对于不同类型的工具机，其形式也会不同，依据刀库的取刀的方式、外部形状和容积可大约分为以下几种类别：
② 圆盘式的刀库 ③ 链条式的刀库
① 斗笠式的刀库
2.3设计方案
2.3.1刀库的总体布局
本次设计的是带有机械手的立式加工中心的刀库系统，根据已知的参数选择使
用圆盘式的刀库，利用伺服电机作为转动的动力，同时利用伺服电机作为准确定位的仪器。它的结构如图1所示，它是由回转体和分布其上面的刀夹单元及驱动伺服电机等组成的。
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