自动换刀机械手在数控技术中的应用

孔宪玉

摘要：机械制造业是一个国家的命脉，综合国力的体现，而现代数控加工技术是制造业的支柱。自动换刀机械手促进了数控机床的发展，使数控机床朝着重复精度高、模块化、节能化、机电一体化方向发展。

关键词：数控加工技术；数控机床；自动换刀机械手

1數控技术的地位与作用

数控技术（英文：Numerical Control简称：NC），起源于20世纪中期，是一种由数字程序对机床执行自动控制的技术，它是由数字、文字和符号组成的数字化信号对一台或多台机械加工设备及其加工过程进行控制的一种技术。它通常控制加工时的位移、切削量、转速、走刀轨迹等有关机械量以及与机械量流向相关的开关数字量。数据载体和0、1逻辑形式运算的出现是数控技术产生的基础，在当今的机械制造业业界数控技术也被称为计算机数控技术（Computerized Numerical Control简称：CNC），计算机数控技术是由计算机软件完成对机床数字程序的控制，是现代制造业数字信息化的重要构成单元。它可由预先保存在计算机中的数字化控制程序完成对机械设备数据传输的存储、处理、运算、逻辑判断等各种功能的控制，此功能的实现是基于原来是硬件逻辑电路组成的数控运行装置被计算机所取代，由计算机软件来执行与控制。

数控技术是现代机械制造中先进加工制造技术的基础，它是新时代制造业的起点，其发展和广泛使用不仅使传统制造业发生了翻天覆地的变化，还促使世界制造业今后的加工方向、产品的构成、产业的发展趋势发生了革命性的变化，也促使整个制造行业的格局有了明显的变化。现代数控加工技术在提高产品加工质量、提升劳动生产率，实现制造业现代化、智能化、集成化生产等方面是必不可少的手段和基础。在各制造大国之间，数控技术已然成为一个时代、一个国家的象征，它代表着国家战略地位和综合国力水平的高低，其实现表征了一个国家现代化制造业发展的程度，而实现加工机床及生产过程数控化是现代制造业发展的大趋势。改革开放后，我国的数控技术及产业从发展的战略充分结合了我国经济发展的特点进行了有针对性的研究和发展，自主研制开发出具有自主知识产权的数控平台，具有智能化的基本操作系统，也研制出业界机床的新技术和新产品，但是与发达国家相比较仍旧存在不少问题有待于解决。

2数控技术的发展趋势

伴随着社会的高速发展，数控技术涉及的内容也越来越广泛，在一些重要的国计民生行业扮演着越来越重要的角色，因为在这些行业中数字化的设备是未来社会发展的新趋势。纵观当今各国数控技术及装备发展的趋势来看，数控技术的发展趋势主要有以下几个方面：

2.1智能化趋势

由于制造业的发展，现代数控技术需要具备一定的智能化系统，智能化是数控技术发展的大趋势：

①实现提升产品加工生产效率、加工精度的智能化，如实现加工过程的自适应，自动生成工艺参数：

②实现提高驱动性能，使用方便连接的智能化，如前馈控制、学习控制、专家控制等：

③实现编程、操作的智能化，如可实现数控系统自动编制加工程序，整个加工过程的可视化，模拟仿真等；

④即时处理信息智能化，如实现现场加工实时监控，数控设备的故障诊断与处理等。

2.2开放式趋势

为了突破传统的数控专用封闭系统和数控应用软件局限性的问题，实现与其他不同平台的应用系统相互兼容，并具有特性一致的用户操作界面，目前国内外很多专家都对开放式系统进行了研究。当前，我国自主研究的数控开放式系统与国外的系统相比较，还处于万里长征的第一步。

2.3网络化趋势

在现代化、信息化的制造模式下，我国自主研发的数控系统大部分没有大容量的存储设备，也无法连接网络，导致系统内存较小，存储空间有限。通过数控系统的上网，可以实现大型复杂模具加工程序的存储。同时，企业通过网络可以实现对外发布信息或让外界了解自己的制造能力，从而根据需要选择性地组成网上虚拟车间和电子商务，最终实现异地CAD/CAM/CNC的网络加工制造。

3自动换刀机械手在数控技术中的应用

自动换刀机械手（Automation Tool Changer简称为ATC），是执行刀库和主轴之间换刀动作的装置，可以完成数控加工中心在一次装夹中实现多道或全部工序加工，该装置由刀库、自动换刀机械手及控制系统等组成。

现代机械加工中为了进一步提高数控机床的加工效率，数控机床正向着工作在一台机床一次装夹即可完成多道工序或全部工序发展，因此出现了各种类型的加工中心。自动换刀机械手装置一般用于加工中心，自从1952年世界上出现第一台上数控机床后，使多品种、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的凸轮、开关控制的专用机床有更大的柔性，容易适应加工关键品种的变化，进行多品种加工。

现代加工中心正朝着重复精度高、模块化、节能化、机电一体化方向发展，其主要特点有：

①带有自动换刀装置：

②自动分度转台或自动旋转角度主轴箱；

③如带有交换工作台，工件在工作台上进行加工的同时，不影响其他的工件进行装卸和加工。

4自动换刀机械手在数控技术中发展趋势

随着数控技术的不断进步，自动换刀机械手在数控机床中的作用也日渐突显，在提高产品的加工精度、减少工人劳动强度以及改善生产加工条件等方面有着日趋重要的作用。在对零部件的生产加工过程中，为了提高加工效率进一步节省工件装夹时间，现代数控机床正朝着一台机床在一次装夹中完成多道工序或全部工序的方向发展。然而在多工序的数控机床中，为了完成自动换刀操作必须设置的刀具存储装置和刀具交换装置等统称为数控机床的自动换刀系统，即自动换刀机械手，由于在系统的刀库里存放着一定数量的刀具，因此可以对形状、尺寸复杂的零件进行不同工步、多工序加工，从而使数控机床的通用性和生产加工效率有了很大的提高。目前，数控钻床、数控镗床和数控铣床的刀库都带有这种自动换刀系统。

换刀机械手促进了数控机床的发展。主要表现在：①换刀系统在数控机床的广泛应用，使得数控复合加工技术逐步走向成熟，相比以前机床的加工精度和加工效率有了很大的提高。②智能换刀系统提升了机床的功能和品质。③自动换刀机械手促进了柔性化加工的广泛应用，提升了机器人与主机的柔性化组合效率。④换刀机械手的主轴箱内只有一根主轴，且具有足够的刚度，因此能够完成各种精密加工。

换刀机械手正朝着快速化、智能化、简便化以及安全性能高的方向发展。数控机床自动换刀系统应当达到换刀速度快、用时短、高精度的刀具二次定位、足够的刀库容量、占据空间小及工作安全可靠等要求。带有自动换刀机械手的数控系统能让机床按照不同加工程序自动选刀、自动换刀、自动对刀、自动调整转速、自动改变刀具进给量等其他工艺参数。可连续完成车、铣、刨、磨、钻等多种工序，对于加工形状、尺寸较复杂，表面粗糙度要求较高，频繁更换加工工艺的工件应具有较好的经济效益。endprint