摘要：通过对凸轮联动的动作分析，对凸轮曲线的设计及驱动计算做了说明，探讨了凸轮联动ATC设计中的有关技术问题。

目前，国外加工中心采用的ATC装置，主要有马氏机构(无机械手式)、凸轮联动式、液压或气动机械换刀以及其它独特的加工中心用ATC装置。其中，凸轮联动式ATC装置可靠性好，换刀速度高，最易独立推向市场，形成专业化、产业化生产。如台湾吉辅、日本的省力机械都已以独立的功能部件推向市场。本文主要对凸轮联动式ATC机构设计中的有关技术问题进行了分析。笔者负责设计的50#凸轮联动式刀库机械手已成功地与KT1500V主机配套，并投入批量生产。

1.随动摆杆 2.平面凸轮 3.蜗杆凸轮 4.随动滚子凸轮 5.机械手臂
图1 凸轮联动ATC的基本结构
图2 平面凸轮与蜗杆凸轮运动关系曲线

1 凸轮联动ATC的动作原理及基本结构

目前，加工中心上使用的凸轮联动ATC的基本结构如图1所示，ATC的换刀动作基本可以分作两部分：(1)机械手的旋转分度动作。包括抓刀、180°换刀、回零。(2)机械手的直线平移动作。包括拔刀、插刀。其中机械手的旋转分度动作采用蜗杆凸轮(有些文章中称为滚齿凸轮)垂直分度机构来实现：机械手的直线起，由同一个电动机驱动，通过凸轮曲线的设计，使机械手在一个换刀运作循环内连续完成抓刀、拔刀、180°换刀、插刀、回零动作，实现ATC的凸轮联动换刀。

2 凸轮曲线的设计

表示ATC凸轮联动换刀动作关系的曲线见图2，凸轮从零位开始旋转，旋转到q₀时，机械手开始抓刀，旋转到q₁时，机械手手臂旋转F₁角，完成抓刀动作：凸轮继续旋转到q₂时，ATC开始拔刀，到q₄时，拔刀动作完成：从q₃开始到q₆，ATC手臂从F₁旋转到F₃，完成180°换刀：从q₅到q₇，ATC完成插刀动作：从q₈到q9，ATC手臂从F₃反转到F₂，完成回零动作，换刀结束。凸轮曲线的设计包括如下几个方面：

凸轮曲线的选择由于变性正弦曲线(MS)最适合用于高速中载和重载的场合，因此，在凸轮曲线的设计中，一般优先选用变性正弦曲线。
最大压力角a_m的确定对于蜗杆凸轮，推荐最大许用压力角[a_m]=50°：对于平面凸轮，推荐[a_m]=60°。具体设计时，取a_m≤[a_m]。在结构允许时，a_m应尽可能取小值，并应考虑等强度设计，使ATC在整个换刀过程中的每一个动作，驱动电动机的最大负荷基本相等。

对于蜗杆凸轮机构，最大压力角计算公式为 tga_m=V_maxR_GF (a-R_G)q式中：R_G——滚子盘平均半径，mm

a——滚子盘与凸轮的中心距，mm

V_max——凸轮曲线的无量纲最大速度

q、F——分别为凸轮、滚子盘的动程角，(°)

O点为平面凸轮的回转中心：Q点为摆动杆的铰接支点：B点为随动滚子中心：w为凸轮的转动角速度：wF为摆杆的摆动角速度：N-N为凸轮曲面上任意点的法线：C为O、Q两点之间的距离(mm)：L为摆杆长度(mm)：F0为摆杆与直线OQ之间的最小夹角(°)：F为摆杆在任意一点的摆动角(°)：a为平面凸轮曲线上任意一点的压力角(°)
图3 随动滚子平面凸轮摆动机构简化画法

对平面凸轮摆动机构(图3)，压力角计算公式为 tga=ctg(F+F0)-L(1-dF/dq) Csin(F+F0)式中，如° 是逆时针方向，则dF/dq为负值。如果tga 为负值，这表示公法线N-N 位于从动件杆臂垂线的另一边。通常，在摆动杆摆动的中间位置，压力角为最大。根据已知的运动规律，可求出最大压力角a_m。

凸轮的拔、插刀转角(q₄-q₂)、(q₇-q₅) 一般取40°～60°，当拔、插刀距离大时应取大值。

凸轮的初始回转角q₀ ATC在零位时，蜗杆凸轮的定位角l=q₀+360°-q9，l应根据驱动电动机的制动转角qZH(指从电动机制动开始到电动机停止时凸轮的转角)来确定，一般使l=3qZH。设计时取q₀=0.5l，一般取q₀=7.5°～15°。

间歇角b₁、b₂ b₁=q₂-q₁，b₂=q₈-q₇，凸轮在b₁和b₂角度范围内旋转，机械手不动作，主轴和刀套在凸轮从q₁转至q₂之间完成松刀动作，在凸轮从q₇转至q₈之间完成刀具锁紧动作。一般取b₁=b₂=0°～30°：如果在凸轮连续旋转360°范围内主轴和刀套不存在刀具松开和夹紧动作，则取b₁=b₂=0。

重合角g₁、g₂ g₁=q₄-q₃，g₂=q₆-q₅，由于主轴和刀具之间为锥面连接，设计中为了改善凸轮曲线的动态特性和提高换刀速度，可使g₁=g₂>0，即180°换刀动作与拔、插刀动作之间存在重合区。这样设计必须保证刀具锥柄与主轴之间不产生运动干涉，必须根据设计参数和有关公式进行严格核算。

滚子盘的抓刀转角f₁、回零转角f₂、换刀转角f₃ f₁=f₁，f₂=F₃-F₂，f₃=F₃-F₁=18 0°，f₁、f₂根据设计时的空间结构制定，一般取f₁=f₂=60°～90°。通常，在蜗杆凸轮上使ATC的抓刀、回零、180°换刀曲线的最大压力角相等，所以应满足f₁/180°=(q₁-q₀)/(q₆-q₃)：在结构允许时，f₁、f₂应尽量取小值。

图4 刀具锥柄在主轴端的安装

拔、插刀行程H(图4) H=H1+H2+H3+(3～5)mm

3 驱动电动机的选择

ATC抓刀、180°换刀、回零所需的最大驱动力矩M_dI(N·m) M_dI=M_fmaxV_maxF+J_∑F²w²(AV)_max qq₃式中：M_fmax——最大摩擦力矩，N·m M_fmax=kJ_∑FA_maxw q²
附表凸轮曲线V_maxA_max(AV)_max变性梯形(MT)24.898.09变性正弦(MS)1.765.535.46变性等速(MCV)1.288.015.73

V_max——无量纲最大速度，(见附表)

A_max——无量纲最大加速度，(见附表)

(AV)_max——最大无量纲速度与加速度的积，(见附表)

J_∑——滚子盘绕中心轴的转动惯量与其负载惯量之和，kg·m²

q、F——分别为凸轮、滚子盘的分度期转角，rad

w——凸轮的角速度，1/s

k——系数，一般取k=0.1～0.2

平面凸轮上所需的最大驱动力矩M_d2

根据不同的结构参数，可以用解析法进行计算，计算较复杂，也可以用计算机编程进行设计计算。

驱动电动机的最大驱动功率N_max(kW) N_max=M_dmaxnZ 9550h式中：M_dmax——M_d1与M_d2之中的较大值，N·m

n——电动机输出转速，r/min

Z——电动机到凸轮之间传动系统的传动比

h——电动机到凸轮之间传动系统的效率

根据计算出的电动机驱动功率及电动机转速即可初选电动机型号。

4 换刀时间T的计算

ATC的换刀时间，目前国内还没有形成统一的标准规定。对于凸轮联动式ATC，电动机驱动凸轮旋转360°时，ATC完成一次换刀动作。因此，ATC的换刀时间T(s)可以近似认为是凸轮旋转360°时所用的时间，即 T=2p/w

5 提高换刀速度的措施

这种凸轮联动ATC，一般凸轮每转一圈完成一次换刀动作。因此，提高ATC的换刀速度就必须提高凸轮的转速。但由于制造误差的存在，速度提高也会使整个系统的动态特性变差。因此，应该综合考虑，采取如下的措施：

提高驱动电动机的驱动转速及驱动力矩。
合理选择、设计凸轮曲线，提高凸轮制造精度。
减小凸轮曲线的压力角。例如，改变结构参数，加大凸轮与滚子盘之间的中心距：缩短或去除主轴的松拉刀时间，使主轴松刀在换刀之前动作，拉刀在换刀之后动作：加大ATC在抓刀、180°换刀、回零时的凸轮转位角：减小拔、插刀行程，采用HSK刀柄等。
改善润滑条件，减小摩擦力矩。
改变凸轮联动的动作结构，如把180°换刀改为20°换刀等。

总之，凸轮联动ATC的设计，要把结构设计、动力学分析计算以及ATC的动作联动关系进行综合考虑、反复计算，以取得较好的设计结果，保证ATC的换刀运动连续、高速、平稳、可靠。

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