1 凸轮联动ATC的动作原理及基本结构

2 凸轮曲线的设计

1. 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。
2. 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

1. 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

5 提高换刀速度的措施

1. 提高驱动电动机的驱动转速及驱动力矩。
2. 合理选择、设计凸轮曲线，提高凸轮制造精度。
3. 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。
4. 改善润滑条件，减小摩擦力矩。
5. 改变凸轮联动的动作结构，如把180°换刀改为20°换刀等。