換刀機械手畢業(yè)論文

1、立式銑床加工中心換刀機械手設(shè)計 摘 要:在當今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品的質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，機械手作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。機械手的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上面反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，機械手主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復(fù)性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取教再現(xiàn)的方式。本文主要是注重對銑床加工中心的自動換刀機械手進行設(shè)計。主要的功用就是根據(jù)零件加工需求的不同，來更換刀具對零件進行精細加工。機械手代替人工換刀不僅提高了生產(chǎn)效率和降低了生產(chǎn)成本，還避免了人身事故。關(guān)鍵詞：換刀機械手 銑床加工中心 de

2、sign of manipulator of milling vertical machine centerstudent：xxxxxtutor：xxxxxabstract: nowadays, in the great scale of manufacturing industries, enterprises pay more attention to the level of the automation in order to improve the production efficiency and the product quality. and the manipulators

3、are gradually recognized by enterprises as the important parts of the automatic production line. the technical levels and the skilled application of the manipulators reflect the national levels of industrial automation to some degrees. at present, the manipulators are devoting themselves to the task

4、s like welding, painting, carrying and stacking which are very complicated and tiring. and their way of working is to teach and to payback. this unit mainly considers the design of the automatic knife manipulators of the milling machining center. its main function is to replace the knife tools and t

5、o process the body parts finely according to the different demands of the body parts that need processing. manipulators instead of the manual work not only improve the efficiency of production and reduce the costs of production, but also avoid the security accidents.key words：the knife manipulators，

6、the milling machining center 1 前言 1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀加工中心是在數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。1952 年，美國麻省理工學(xué)院首先實現(xiàn)了三坐標銑床的數(shù)控化，數(shù)控裝置采用真空管電路。1955 年，第一次進行了數(shù)控機床的批量制造。數(shù)控機床是電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、機械技術(shù)的綜合應(yīng)用，是機械加工領(lǐng)域劃時代的重大技術(shù)突破。數(shù)控機床利用編程軟件，將簡單工序集中起來，從而大大提高零件的加工效率和加工質(zhì)量。但在復(fù)雜零件工序高度集中時，必須頻繁地更換刀具以滿足不同工序的加工要求，從而限制了生產(chǎn)效率的提高。為了解決自動換刀問題，提高生產(chǎn)效率，最早出現(xiàn)了轉(zhuǎn)塔頭立式鉆銑床。1956

7、 年日本富士通研究成功數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床。美國ibm 公司同期也研制成功了“apt”(刀具程序控制裝置)。1958 年美國k&t 公司研制出帶atc(自動刀具交換裝置)的加工中心。同年，美國ut 公司首次把銑鉆等多種工序集中于一臺數(shù)控銑床中，通過自動換刀方式實現(xiàn)連續(xù)加工，成為世界上第一臺加工中心。1967年出現(xiàn)了fms(柔性制造系統(tǒng))。1978 年以后，加工中心迅速發(fā)展，帶有atc 裝置可實現(xiàn)多種工序加工的機床，步入了機床發(fā)展的黃金時代。1983 年國際標準化組織制定了數(shù)控刀具錐柄的國際標準，自動換刀系統(tǒng)便形成了統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)模式。日本三井哲夫在上世紀八十年代中期將弧面凸輪用于atc 的刀臂旋轉(zhuǎn)控制，

8、取得極佳效果。20 年來此類機構(gòu)長盛不衰，已成為atc 機構(gòu)的主流。目前發(fā)達國家數(shù)控加工中心的自動換刀機械手主要采用弧面凸輪式換刀機械手。1.2 選題研究意義在機械工業(yè)中，應(yīng)用機械手的意義可以概括如下：1.以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度應(yīng)用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。2.以改善勞動條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡

9、單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。3可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應(yīng)用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)。綜上所述，有效的應(yīng)用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。2 加工中心2.1 加工中心簡介加工中心(machining center)是一種具有自動換刀功能的高效自動化機床，由機械部件與數(shù)控系統(tǒng)組成，適用于加工復(fù)雜零件1。這種機床能裝

10、多把刀具，在一次裝夾中完成銑、鏜、鉆、擴、鉸、攻螺紋、切內(nèi)槽等工序的加工。高精度加工中心可以代替精密坐標鏜床，還可作為基礎(chǔ)部件組成柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)。加工中心的工作過程為：根據(jù)零件圖樣制定工藝方案，采用手工編程或計算機自動編程方式編制零件的加工程序，將加工零件所需的機床各種動作及全部工藝參數(shù)變成機床數(shù)控裝置所能接受的信息代碼，并把這些信息代碼存儲在信息載體上，將信息載體送到輸入裝置讀出信息，并送入數(shù)控裝置11。進入數(shù)控裝置的信息，經(jīng)過一系列處理和運算變成脈沖信號，部分信號送到機床的伺服系統(tǒng)，通過伺服機構(gòu)對其進行放大，再經(jīng)過傳動機構(gòu)，驅(qū)動機床有關(guān)部件。使刀具和工件嚴格執(zhí)行零件程序所

11、規(guī)定的相對運動。部分信號送到可編程序控制器中，用以控制機床的其它輔助動作，如冷卻液的開關(guān)和自動更換刀具等。加工中心的基本結(jié)構(gòu)由三部分組成:cnc 數(shù)控系統(tǒng)。加工中心一般都采用cnc 數(shù)控系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的作用是把來自數(shù)控裝置的信號轉(zhuǎn)換為機床移動部件的運動。機械部件13。加工中心和一般通用機床相比，其結(jié)構(gòu)簡單，精度高，結(jié)構(gòu)剛性好，可靠性高；顯著區(qū)別是具有對零件進行多工序加工的能力2。2.2 自動換刀裝置的組成在實際生產(chǎn)中，大多數(shù)零件都要進行多道工序的加工。當用數(shù)控機床實現(xiàn)多工序加工時，真正用于切削工件的時間只占整個作業(yè)時間的30%左右，其余大部分時間都花在安裝、調(diào)整刀具、裝卸、搬運零件和

12、檢查加工精度等輔助工作上。為充分發(fā)揮數(shù)控機床的作用，在機床中配備自動換刀裝置而成為加工中心。自動換刀裝置(automatic tool changer，簡稱atc)由刀庫、機械手和驅(qū)動裝置等部分組成3。刀庫的功能是用于存儲刀具，并把即將要用的刀具準確地送到換刀位置，供換刀機械手完成新舊刀具的交換。刀庫配置在主軸附近，換刀機構(gòu)在主軸和刀庫之間執(zhí)行換刀動作，完成此功能的機構(gòu)稱為機械手。機械手包括送刀臂、擺刀站和換刀臂等部分。機械手完成刀具裝卸和在主軸頭與刀庫之間的傳遞。驅(qū)動裝置是使刀庫和機械手實現(xiàn)其功能的動力裝置，一般由步進電機或液壓(或氣液機構(gòu))或凸輪機構(gòu)組成。自動換刀裝置的形式多種多樣，其換刀

13、過程、選刀方式、刀庫結(jié)構(gòu)、機械手類型等各不相同，但都是在數(shù)控裝置及可編程序控制器的控制下，由電機、液壓或氣動機構(gòu)來驅(qū)動刀庫和機械手來實現(xiàn)刀具的選擇和交換。早期自動換刀裝置采用轉(zhuǎn)塔式機構(gòu)來實現(xiàn)自動換刀，后來陸續(xù)出現(xiàn)了無換刀機械手式和帶換刀機械手式的自動換刀裝置。無換刀機械手式換刀主要有兩種方式：一種是懸臂式刀庫，水平安放在銑頭旁邊，刀庫留有一個空缺的刀位，換刀時偏心輪帶動刀庫回轉(zhuǎn)，然后拔刀、轉(zhuǎn)位、換刀，最后插刀進入主軸。另一種是刀庫固定，用機床主軸運動去配合刀庫，完成插刀和拔刀動作。這種無機械手式atc 換刀時必須先將用過的刀具送回刀庫，然后再從刀庫中取出新刀具。該兩種動作不能同時進行，換刀時間

14、較長。雖然結(jié)構(gòu)簡單，但機床配置的刀具量較少。帶換刀機械手式換刀類型比較多，按驅(qū)動裝置的不同可以分凸輪式、液壓式、齒輪式、連桿式以及多種機構(gòu)復(fù)合式，其中以凸輪式應(yīng)用最廣，采用該換刀形式的加工中心可以配備較多的刀具3。2.3 換刀機械手換刀機械手是執(zhí)行刀庫和主軸之間換刀動作的裝置5，分為以下幾種類型：2.3.1 單臂機械手該換刀機械手僅有一個手臂?？杉毞譃閱问质胶碗p手式兩種： (1) 單手式：一個換刀臂僅有一個抓刀手。如圖1。 特點：所有動作均由單手完成，執(zhí)行動作多，換刀時間長，但結(jié)構(gòu)簡單，刀庫與主軸軸線平行或垂直的情況均適用。圖1 單手式fig.1 single hand type(2) 雙手式

15、：一個換刀臂兩端各有一個抓刀手。如圖2。特點：機械手同時抓取主軸和刀庫上的刀具，回轉(zhuǎn) 180 度，同時放回和裝入刀具，換刀時間短，較為常用，多用于刀座與主軸軸線平行的場合。圖2 雙手式fig.2 hands to type2.3.2 雙臂機械手兩個機械手臂，每個手臂端部都有一個抓刀手。如圖c。 特點：其抓刀和換刀動作類似于人手動作，除執(zhí)行換刀動作外有些還可以起運輸?shù)毒叩淖饔?。這種機械手換刀時間短，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。圖3 雙臂手fig.3 aims in hand2.3.3 帶送刀臂、擺刀站和換刀臂的機械手送刀臂將刀具從刀庫中取出送到擺刀站，由擺刀站將刀具送到換刀位置，最后由換刀臂進行換刀。如圖4所

16、示，a 為送刀臂，b 為擺刀站，c 為換刀臂，d 為刀庫，e 為主軸。特點：結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，各部分在空間巧妙配置和組合，更具變化性。換刀時間較短，適用于刀庫距離主軸較遠的場合。圖4 帶送刀臂、擺刀站和換刀臂的機械手fig.4 manipulator of deliver the tool arm，waggle the tool station and exchange the tool arm2.4 常用換刀機械手2.4.1 單臂雙爪式機械手單臂雙爪式機械手也叫扁擔式機械手，它是目前加工中心上用得最多的一種。這種機械手的拔刀、插刀動作，大都由液壓缸來完成4。 近年來凸輪式聯(lián)動式單臂雙爪機械手得到廣

17、泛的應(yīng)用，這是因為這種機械手由電動機驅(qū)動，不需要復(fù)雜的液壓系統(tǒng)及其密封、緩沖機構(gòu)，沒有漏油現(xiàn)象，機構(gòu)簡單，工作可靠。同時，機械手手臂的回轉(zhuǎn)和插刀、拔刀的分解動作是聯(lián)動的，部分時間可重疊，大大縮短了換刀時間。2.4.2 雙臂單爪交叉式機械手2.4.3 單臂雙爪且手臂回轉(zhuǎn)軸成45的機械手 這種機械手換刀動作可靠，換刀時間短，缺點是刀柄精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，聯(lián)機調(diào)整的相關(guān)精度要求高，機械手離加工區(qū)較近。2.5 刀庫刀庫是存儲刀具的裝置，刀庫主要有以下幾種形式：a.轉(zhuǎn)塔式刀庫包括水平轉(zhuǎn)塔頭和垂直轉(zhuǎn)塔頭兩種。特點：所有刀具固定在同一轉(zhuǎn)塔上，無換刀臂，儲刀數(shù)量有限，通常為68把。一般僅用于輕便而簡單的機型

18、。常見于車削中心和鉆削中心。在鉆削中心儲刀位置即主軸，其外部結(jié)構(gòu)緊湊但內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，精度要求高b.盤式刀庫該刀庫呈盤狀，刀具沿盤面垂直排列(包括徑向取刀和軸向取刀)。沿盤面徑向排列或成銳角排列的刀庫，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，應(yīng)用較多，但刀具單環(huán)排列，空間利用率低。如果要增加刀庫容量必須使刀庫的外徑增大，那么轉(zhuǎn)動慣量也相應(yīng)增大，選刀運動時間增長。此刀庫所存貯的刀具數(shù)量一般不多于32 把。對于刀具呈多環(huán)排列的刀庫，其空間利用率高，但取刀機構(gòu)復(fù)雜，適用于機床空間受限制而刀庫容量大的場合；雙盤式結(jié)構(gòu)是兩個較小容量的刀庫分置于主軸兩側(cè)，布局較緊湊，儲刀數(shù)量也相應(yīng)增大，適用于中小型加工中心。c.鏈式刀庫鏈環(huán)形式有多

19、種形式，包括單環(huán)鏈和多環(huán)鏈。該刀庫所占空間小，適用于刀具容量較大的場合，一般用于刀具數(shù)在30120把的機床。該刀庫結(jié)構(gòu)可通過增加鏈條長度增加刀具數(shù)，而不必增加圓周速度，其轉(zhuǎn)動慣量小于盤式刀庫。d.直線式刀庫和組合刀庫直線式刀庫結(jié)構(gòu)簡單，刀具單行排列，刀庫容量小，多用于數(shù)控車床和鉆床上。組合刀庫一般是轉(zhuǎn)塔式刀庫的組合，轉(zhuǎn)塔式與盤式刀庫的組合及鏈式刀庫的組合。單個刀庫的儲刀量較小，換刀速度快。另外，還有一些密集型的鼓輪式、彈匣式和格子式刀庫。這些密集型刀庫雖占地面積小，但由于結(jié)構(gòu)限制，基本上不用于單機加工中心，多用于fms 的集中供刀系統(tǒng)。2.6 換刀機械手的組成加工中心換刀機械手由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動

20、機構(gòu)、控制系統(tǒng)、檢測機構(gòu)組成6，各部分特點如下：2.6.1 執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)是完成各種動作的部件總稱，它由抓取部分（手部）、腕部、臂部和手架等運動部件所組成。手指部分：即直接與工件接觸部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型，手爪多為兩指，也有多指；根據(jù)需要分為內(nèi)抓式或外抓式；也可用負壓式或真空式的空氣吸盤和電磁吸盤。本設(shè)計采用夾持式手部，即由手爪和傳力機構(gòu)組成，它的主要功能是在換刀過程中完成抓住工件、握持工件和釋放工件的動作。手腕部分：用于連接手指部分和手臂部分的部件。手臂部分：手臂是支撐被抓物體以及手指部分的重要部件，起調(diào)整和改變工件方位的作用。本設(shè)計中手臂的主要作用是帶動手指去抓取物件。手架部分：用于

21、承受手部以及手臂部分的總體重量，在本設(shè)計中它還用于通過旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)加工中心主軸刀具和刀庫刀具的互換運動。2.6.2 驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動機構(gòu)是用來為各個部件的運動提供動力，是實現(xiàn)一切運動的動力源，有氣動、液動、電動和機械式四種形式15。其中液壓氣驅(qū)動用的最多，占90%以上，電動、機械驅(qū)動用的較少。液壓驅(qū)動主要是通過油缸、閥、油泵和郵箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。氣壓驅(qū)動所采

22、用的元件為氣壓缸、氣壓馬達、氣閥等。一般采用4-6個大氣壓，個別的達到8-10個大氣壓。他的優(yōu)點是氣源方便，維護簡單，成本低。缺點是出力小體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難現(xiàn)實中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。為了減少停機時產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機構(gòu)或緩沖機構(gòu)。電氣驅(qū)動采用的不多現(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動機作為動力，用大減速比減速器來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)；直線涌動則用電動機帶動絲杠螺母機構(gòu)；有的采用直線電動機。通用機械手則考慮用步進電機、直流火交流的伺服電機、變速箱等。電氣驅(qū)動的優(yōu)點是驅(qū)動源簡單，維護，使用方便。驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大

23、；缺點是控制響應(yīng)速度比較慢。機械驅(qū)動只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機構(gòu)實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可靠，速度高，成本低；缺點是不易調(diào)整。2.6.3 控制系統(tǒng) 此系統(tǒng)是用來控制驅(qū)動機構(gòu)工作，從而實現(xiàn)按預(yù)定程序進行工作的機構(gòu)。它通過位置檢測的反饋來檢測各部分機構(gòu)工作的位置精度，從而保證能準確地實現(xiàn)加工中心換刀機械手的換刀動作?？刂葡到y(tǒng)包括程序控制部分和行程反饋部分。2.6.4 檢測機構(gòu)檢測是為了進行比較和判斷提供依據(jù)，位置檢測是通過將位置變化反饋給輸入變量從而達到一定的定位精度和位置精度。本設(shè)計中伸縮和升降機構(gòu)采用壓力繼電器進行位置控制。2.7 換刀方式換刀方式主要有隨機任選換刀和固定任選

24、換刀。前一種方式刀庫的刀套號和刀具號在換刀完成后，就不一致了。而后一種方式，刀套號和刀具號始終一致。1固定換刀方式a（無機械手，無刀具準備功能）：無論換刀次數(shù)，刀套號與刀具號始終一一對應(yīng)，如n號刀套中始終是n號刀。這種換刀方式換刀時間較長，適合用于刀具容量較少的小型加工中心。且無刀具準備，必須先歸舊刀再找新刀加工（無機械手，用主軸運動進給），換刀時間較長，適用于小型刀庫（bt40一下，20把刀以內(nèi)，刀庫速度快）。2固定換刀方式b（有機械手，可實現(xiàn)刀具準備）刀具號仍與刀套號一致，無刀具表，系統(tǒng)可記憶當前主軸刀具和下吧所選的刀具，機械手用油缸驅(qū)動，故易受油質(zhì)、閥體質(zhì)量、油壓、油溫等外界因素的影響，

25、需定期進行調(diào)整，并清洗閥體。此種適和用于換刀不很頻繁、刀具數(shù)為40-60把、主軸錐孔為bt40以上的刀庫。3隨機換刀（有機械手，可實現(xiàn)刀具準備）：刀具號與刀套號不一一對應(yīng)，系統(tǒng)有相應(yīng)的刀具表隨時記憶刀具的使用情況，刀表中的刀套是固定的，而刀具號則隨刀具的交換隨時更新。例如在刀具表初始化后，n號刀套中是n號刀，但只要生產(chǎn)刀具交換，則刀具表隨之進行數(shù)據(jù)交換（需在梯形圖中處理并設(shè)定相應(yīng)的數(shù)據(jù)表）。當所選刀具直徑超過相鄰刀套中心距時（產(chǎn)生刀具干涉時），需做大徑到判斷后采取不同的換刀方式：如為大徑刀，使用固定刀套換刀方式：如為小徑刀則采用隨機換刀。大徑刀的判別可用多種方式實現(xiàn)，如采用宏程序或在梯形圖中處

26、理。綜上所述，不同的換刀方式各有各的優(yōu)缺點，使用時應(yīng)根據(jù)具體情況選擇使用。2.8 刀具的識別裝置1 接觸式刀具識別裝置 接觸是刀具識別裝置應(yīng)用廣泛，特別適用于空間位置較小的刀具編碼。這種識別裝置結(jié)構(gòu)簡單，但可靠性較差，且難于快速換刀。2 非接觸式刀具識別裝置非接觸式刀具識別裝置無機械接觸、無磨損、無噪聲、壽命長、反應(yīng)速度快，適用于高速且換刀頻繁的場合。非接觸式刀具識別方法主要有：磁性識別法、光學(xué)纖維識別法、圖像識別法。夾爪的類型更具刀柄在換刀機構(gòu)刀臂上的夾持方式可分為固定爪、活動爪、單夾爪、雙夾爪、彈簧爪、動力爪等類型。固定爪是指刀臂夾持部能吻合刀柄v形槽的半圓部分，半圓形夾持部的一端或兩端有

27、彈簧扣，即所謂單夾爪、雙夾爪；由兩個可張開的夾指所組成即活動爪，其加緊里由彈簧產(chǎn)生的即彈簧爪，通常以直進方式抓刀松刀；由液壓缸等動力源控制其張合的為動力爪。3 換刀動作順序和驅(qū)動方案的比較選擇3.1 換刀順序圖5 換刀動作設(shè)計方案fig.5 design proposal of tool exchange movement如圖5所示，其運動過程如下：換刀手由準備位置b移至位置a，當主軸退出刀桿后，換刀臂和聯(lián)接體現(xiàn)實一起繞軸i轉(zhuǎn)動180，主軸箱復(fù)位，刀桿插入主軸，卡爪松開后，換刀手回至位置b（此時，主軸已經(jīng)開始工作，下述換刀動作為輔助運動，與工件加工同步進行），導(dǎo)軌以上的機構(gòu)由b運動到c、d、e

28、而將刀具插入刀庫中，然后運動到位置b。刀庫轉(zhuǎn)動，將所需刀具轉(zhuǎn)至位置e，由位置b-e-d-c-b完成取刀過程，此時，換刀手夾持著新刀具在準備位置b待命。至此本輪換刀結(jié)束，待接到新的換刀命令后，重復(fù)上述過程。3.2 驅(qū)動方案的比較3.2.1 方案1 將45換刀機械手與移動式換刀機械手相結(jié)合如圖6：圖6 立式換刀機械手方案1fig.6 manipulator proposal of vertical tool change 1換刀手準備位置b至圖示位置a，當主軸箱1退出刀桿后，在機構(gòu)5的作用下，換刀臂2、4和連接體3前移至圖示位置再一起繞軸i轉(zhuǎn)動180，主軸箱1再換刀，卡爪松開后，縱向差動油缸8帶動

29、換刀手至位置c（此時，主軸已經(jīng)開始工作，下述換刀動作為輔助運動，與工件加工同步進行）；橫向油缸帶動換刀手至位置d，油缸8使其移動至位置e而將刀具插入刀庫中；橫向油缸回位，使換刀手回到換刀準備位置b。刀庫電機轉(zhuǎn)動，將所需刀具轉(zhuǎn)至位置e，換刀手在差動油缸8和橫向油缸的共同作用下，完成由位置b-e-d-c-b的轉(zhuǎn)換過程，此時，換刀手夾持著新刀具在換刀準備位置b待命。至此本輪換刀結(jié)束，待接到新的換刀命令后，重復(fù)上述過程。機構(gòu)5，7選用液壓驅(qū)動齒輪齒條機構(gòu)，橫向油缸固定在機架上。3.2.2 方案2原理圖如圖7，采用伺服電機作為動力源來實現(xiàn)換刀運動。實現(xiàn)兩個直線于東、兩個旋轉(zhuǎn)運動的過程如下：換刀手由伺服電

30、動機驅(qū)動齒輪齒條傳動裝置3中的齒輪4傳到齒輪5再傳到齒輪11和齒條12，是軸ii丹東機構(gòu)1和換刀臂及聯(lián)接體由準備位置b移至圖示位置a；當主軸箱退出刀桿后，在伺服電動機的帶動下，再由齒輪11帶動齒條12使換刀手運動至位置b；此時由機構(gòu)2帶動機構(gòu)3、機構(gòu)1和換刀臂聯(lián)接體及刀具實現(xiàn)從b到c再到d最后到e而將刀具插入刀庫中，再由機構(gòu)2使機構(gòu)3、機構(gòu)1和換刀臂連接體回到準備位置b。刀庫轉(zhuǎn)動，將所需的刀具轉(zhuǎn)至位置e，換刀手在機構(gòu)2使機構(gòu)3、機構(gòu)1和換刀臂聯(lián)接體完成由位置b-e-d-c-b的取刀運動過程。此時換刀手夾持著新刀再準備位置b待命。至此本輪換刀結(jié)束，待接到新的換刀命令后，重復(fù)上述過程。圖7 立式換

31、刀機械手方案2fig.7 manipulator proposal of vertical tool change 23.2.3 方案3原理如圖8，液壓缸4直接驅(qū)動換刀手。其運動過程如下：換刀手由氣缸3推動在導(dǎo)軌上運動，由準備位置b移動至位置a，當主軸退出刀桿后，在液壓缸4的驅(qū)動下，換刀臂和連接體實現(xiàn)一起繞軸i轉(zhuǎn)動180主軸箱復(fù)位，刀桿插入主軸，卡爪松開后氣缸3將換刀手拉回至位置b（此時，主軸已開始工作，下述換刀動作為輔助運動，與工件加工同步進行），由凸輪機構(gòu)1帶動導(dǎo)軌以上的機構(gòu)由b運動到c、d、e而將刀具插入刀庫中，然后凸輪機構(gòu)1使他們運動到位置b。刀庫轉(zhuǎn)動，將所需刀具轉(zhuǎn)至位置e，導(dǎo)軌以上的

32、機構(gòu)再在凸輪機構(gòu)1的作用下有位置b-e-d-c-b完成取刀過程，此時，換刀手夾持著新刀具在準備位置b待命。至此本輪換刀結(jié)束，帶接到新的換刀命令后，初伏上述過程圖8 立式換刀機械手方案3fig.8 manipulator proposal of vertical tool change 33.2.4 方案4本方案的設(shè)計思路是：在刀庫和45換刀機械手之間加一個小型的送到機械手裝置并固定在一合理的位置，再裝配一個暫存刀位置。這樣一來，就去掉凸輪機構(gòu)，只需其它的機構(gòu)就可以實現(xiàn)換刀。以方案3的圖為例簡述其換刀過程：換刀手由準備位置b移至位置a，主軸箱退出刀桿，軸i旋轉(zhuǎn)180，主軸箱再換刀，卡爪松開后，運

33、動到位置b（此時，主軸已經(jīng)開始工作），將刀具放入暫存刀位置，送刀機械手將刀取回刀庫，再選取新刀放在暫存到位置，然后換刀機械手將刀從暫存刀位置取出在位置b待命。至此本輪換刀結(jié)束，待接到新的換刀命令后，重復(fù)上述過程。3.2.5 方案比較 方案1采用的液壓作為動力源，由于液壓驅(qū)動的機械手需要采用嚴格的密封，還需要較復(fù)雜的緩沖機構(gòu)；控制機械手動作的電磁閥有一定的時間滯后，因而換刀速度慢且不易維護，不足取。方案2采用了伺服電動機作為動力源，雖然避免了使用液壓時的一些問題，但同時也存在一些不足；采用齒輪齒條機構(gòu)的傳動，將使定位精度降低，同時降低了運動平衡性，在定位精度和運動平穩(wěn)性要求較高的換刀過程中出現(xiàn)這

34、種現(xiàn)象是不可取的。另外，增加量齒輪齒條機構(gòu)，加大了重量，使得整個換刀機械手顯得笨大，不能滿足結(jié)構(gòu)簡單的設(shè)計思想，因此也不可取。方案3是方案2的改進方案，由于換刀手及刀具的重量并不是很到，不必要再加一些中間裝置直接由液壓缸驅(qū)動換刀手進行繞軸i轉(zhuǎn)動，這樣聯(lián)接結(jié)構(gòu)簡單，減少了零件的數(shù)目，減少了中間環(huán)節(jié)的影響，沒有間隙，效率高；既增加了定位精度又減少了換刀時間。在實現(xiàn)從b-c-d-e-b的過程中，采用了凸輪結(jié)構(gòu)，不需要復(fù)雜的液壓系統(tǒng)及其密封、緩沖機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，從而大大的縮短了換刀時間。對于方案4來說，動作比較多不容易協(xié)調(diào)，反而增加了換刀時間，不足取。綜上所述，方案3比較合理。4 換刀機械手

35、的結(jié)構(gòu)設(shè)計及尺寸確定4.1 手指夾緊力的計算手指加在工件上的加緊力，是設(shè)計手部的主要依據(jù)。必須對大小放心和作用點進行分析計算。一般來說需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的加緊狀態(tài)。手指對工件的夾緊力可按公式計算: （1）式中： ，本設(shè)計中取 ，本設(shè)計中取 。本設(shè)計中取 。本設(shè)計中刀具質(zhì)量8kg，所以重力為 帶入公式得：4.2 手部的驅(qū)動力計算如下圖所示，p為油壓力，g為刀具的重量，n為手指夾住刀具的夾緊力，則p=2bctgn其中 c為動力臂，b為阻力臂，c=b/2，去=15從而p=4ntga15為了考慮刀具在傳動時慣性力、振動及傳動效率的影響

36、，其實際驅(qū)動力： （2）式子中： 在此分別取值： ， ， 。從而： = 圖9 手部受力分析fig.9 hand force analysis機械手卡爪中銷的選擇機械手卡爪中銷，都選用的是圓柱銷m8，材料為45號鋼，其許用切應(yīng)力核算： （3）已算出：，根據(jù)上式算出 （4）所以該圓柱銷符合要求4.3 機械手卡爪機構(gòu)選用及工作原理如圖10，油缸11、定位塊8固定在換刀臂10上，活塞固定于定位塊8上。換刀手由準備位置移動至換刀位置，鍵2卡進刀具定位槽中，此時，油缸11推動活塞組件9，在定位塊8的導(dǎo)向下向前滑動，使得兩卡爪1、3分別繞軸4、5轉(zhuǎn)動，直至卡爪加緊刀具，此時，活塞組件9將卡爪鎖上?？ㄗΦ乃砷_

37、是由油缸11內(nèi)的彈簧帶動活塞組件9后移，卡爪1、3分別在彈簧球6、7的作用下與活塞組件件9保持接觸，卡爪松開后，換刀手退至準備位置。本卡爪加緊機構(gòu)利用活塞組件9實現(xiàn)了卡緊、鎖止的聯(lián)動，在油壓較小時也能有效的鎖緊刀具。當鎖止角=15時，也就是說作用于卡爪上的力比所提供的作用于活塞組件9上的油壓大約大4倍，故可滿足鎖止要求。圖10 機械手卡爪機構(gòu)fig.10 manipulator claw mechanism4.4 滾動直線導(dǎo)軌機械手由準備位置到換刀位置的往返直線運動選用thkhra型50166滾動直線導(dǎo)軌來實現(xiàn)。這樣，不僅提高了機械手的定位精度，而且低速時無爬行現(xiàn)象。采用滾動直線導(dǎo)軌還可以施加

38、預(yù)緊力，以提高它的承載能力，是機械手的運動精度和穩(wěn)定性有了保證。5 凸輪機構(gòu)的設(shè)計5.1 結(jié)構(gòu)方案在實際應(yīng)用中，多數(shù)凸輪機構(gòu)是一個凸輪驅(qū)動一個從動件，極少采用一個凸輪驅(qū)動多個從動件。在立式加工中心換刀機械手的研究設(shè)計中，為了滿足使用要求，采用了兩個凹槽式凸輪驅(qū)動分別帶動2個從動件，是機械手完成一個正方形運動，從而實現(xiàn)插刀和拔刀。使得凸輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單化，成本也大大降低。根據(jù)立臥兩用換刀機械手的設(shè)計方案，采用一個凸輪的輪廓曲線同時驅(qū)動兩個從動件實現(xiàn)b-c-d-e形狀的正方形運動，兩個從動件的運動規(guī)律應(yīng)該完全相同。所以兩個凸輪帶動2個從動件運動規(guī)律也與一個凸輪2個從動件相同，設(shè)計原理也相同。設(shè)

39、一個凸輪2個從動件原理圖如圖11所示，凸輪采用的方案為一個具體有兩個互相垂直從動件的圓柱滾子凸輪機構(gòu)，并且推程、回程角都為904。圖11 凸輪原理fig.11 principle of cam5.2 運動規(guī)律計算 凸輪的輪廓形狀取決于從動件的運動規(guī)律，在確定從動件運動規(guī)律時，要考慮由于加速度突變所引起的沖擊19。應(yīng)盡量選擇加速度曲線連續(xù)的運動規(guī)律。根據(jù)從動件所要求完成的運動，在從動件1相對凸輪運動時，從動件2必須靜止，然后從動件2運動、從動件1靜止。因此凸輪必須具有雙停歇運動規(guī)律，即具有遠近休止角。所以在行程兩端的速度和加速度應(yīng)為零。這樣，在推程和回程銜接處，加速度過渡平滑，且可使最大速度和最

40、大加速度下降，對受力情況和減少振動都是有利的。凸輪的轉(zhuǎn)速n應(yīng)依據(jù)換刀輔助時間來確定，完成插刀及拔刀所需時間為2s，則凸輪的轉(zhuǎn)速n=1r/s，即n=60r/min為低速運動。其次自機械手爪、連接體及所推動的箱體，初步估計為60kg-80kg，屬中等載荷。根據(jù)規(guī)律為改進正弦加速度運動規(guī)律。插刀、拔刀整個過程的軌跡為正方形，正方形的尺寸主要由于刀具的尺寸所決定，及l(fā)cd（c、d兩點間的距離）必須大于刀具刀柄的半徑才能順利取出刀具，而且lbc（b、c兩點間的距離）尺寸必須大于刀柄的長度，才能實現(xiàn)插刀、拔刀。現(xiàn)依據(jù)這個條件，進行凸輪設(shè)計計算。刀柄半徑為40mm，刀柄長度為70mm。根據(jù)這個條件，確定b-

41、c-d-e正方形的邊長為80mm。由于凸輪需要現(xiàn)實插刀、拔刀的正方形軌跡是唯一不變的，即凸輪無論在正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)都能改變其走過的幾何形狀。因此，凸輪的形狀輪廓相對某條軸線相對稱，即推程與回程具有相對應(yīng)的特征。取回程運動方程與推程運動方程相同，則從動件的運動方程如下所示。推程運動方程前段： （5） （6） （7）中段： （8） （9） （10）后段： （11） （12） （13）回程運動方程前段： （14） （15） （16）中段： （17） （18） （19）后段： （20） （21） （22）休止角運動規(guī)律及參數(shù)根據(jù)從動件所要完成的運動軌跡曲線b-c-d-e的尺寸，到達遠休止角時，其升程為80m

42、m。元休止角的范圍為。 處于遠休止段時：s=80mm：近休止段時，從動件相對靜止、位移最小，近休止角的范圍為。 即：處于近休止段時：s=0，。位移曲線方程依據(jù)從動件的運動方程休止角運動規(guī)律及參數(shù)，得出從動件完整的位移曲線方程，即從動件運動規(guī)律為： 范圍 位移曲線方程 （23） （24） （25） （26） （27） （28） 凸輪輪廓曲線的繪制 依據(jù)從動件的位移曲線方程，繪制凸輪的輪廓曲線如下圖圖12 凸輪輪廓fig.12 the contour of cam5.3 凸輪結(jié)論立式加工中心換刀機械手采用凸輪式驅(qū)動方式克服了液壓式驅(qū)動所存在的缺點，是機械手的換刀速度及可靠性等大為提升：采用雙從動件

43、的結(jié)構(gòu)形式，克服了由于兩個凸輪分別驅(qū)動兩個從動件帶來的結(jié)構(gòu)龐大和造價高等缺點9；凸輪曲線采用修正正弦曲線，容易加工且在使用過程中提高了運動的平穩(wěn)性。6 零件的簡單計算和選擇6.1 彈簧的設(shè)計計算彈簧選用普通圓柱壓縮彈簧，彈簧類型為ii類，是硅錳彈簧鋼，查取許用切應(yīng)力為 選擇旋繞比c=8，則 （29） 根據(jù)安裝空間選擇彈簧中徑d=42mm，估算彈簧絲直徑 試算彈簧絲直徑 （30）根據(jù)變形情況確定彈簧圈的有效圈數(shù)： （31）選擇標準為n=3，彈簧的總?cè)?shù)圈最后確定d=42mm，d=7mm，6.2 機械手回轉(zhuǎn)軸上的齒輪齒條設(shè)計回轉(zhuǎn)軸上齒輪采用漸開線標準直齒圓柱齒輪形式計算齒輪幾何尺寸設(shè)計的基本菜熟：

44、初取齒數(shù)z=45，模數(shù)m=3，壓力角=20分度圓直徑d： d=mz=齒頂高齒根高齒全高齒頂圓直徑齒根圓直徑齒距齒厚齒槽寬頂隙材料選擇：齒輪材料為45號鋼（調(diào)質(zhì)處理）硬度為24hbs，查表得齒輪的接觸疲勞強度極限 查表得齒輪的彎曲疲勞強度極限；彎曲疲勞壽命系數(shù)kfn=0.88，計算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù)s=1.4得齒條的基本尺寸，按外齒輪幾何尺寸的計算公式計算。6.3 電動機類型的選擇13目前常用的加工中心換刀機械手，它的手架旋轉(zhuǎn)運動是由兩個液壓缸實現(xiàn)的。一個液壓缸用來實現(xiàn)手架到達工作位置，換刀運動過程準備開始。另一個液壓缸則是在拔刀過程結(jié)束后，實現(xiàn)整個手臂轉(zhuǎn)180的運動， 是主軸刀

45、具與刀庫刀具互換位置。雖然這種結(jié)構(gòu)工作原理很簡單，但由于驅(qū)動機構(gòu)較多，它們之間以及它們和手架伸縮液壓缸的活塞桿之間的連接機構(gòu)卻比較復(fù)雜。在手架旋轉(zhuǎn)軸上設(shè)計了一個很長的鍵槽，所以只需要用一個驅(qū)動機構(gòu)帶動齒輪機構(gòu)或蝸輪蝸桿機構(gòu)，就可實現(xiàn)手架在拔、插刀前后的多次旋轉(zhuǎn)運動。對于這個驅(qū)動機構(gòu)，它需要能實現(xiàn)手臂180旋轉(zhuǎn)。若采用液壓缸和行程開關(guān)進行控制，則一般只能實現(xiàn)一種角度的旋轉(zhuǎn)。而如果采用電動機進行傳動，則只需控制好電動機的起、停時間就可以實現(xiàn)各種預(yù)期的運動。tyv系列高精度微型特種減速電動機采用高新技術(shù)，具有齒輪減速、蝸輪減速、直線往復(fù)等多種結(jié)構(gòu)，并可配有電子無級調(diào)速、阻尼制動、電磁剎車等功能，適用

46、于交流、直流多種電壓，是一種高效、節(jié)能、低噪音的微特減速電動機，它還具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、減速比大、體積小、輸出轉(zhuǎn)矩大及運行可靠等特點，因此，本設(shè)計中的手臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)選用tyv系列高精度微型特種減速電動機作為驅(qū)動機構(gòu)。6.4 軸的計算選用45號鋼，查資料取軸的傳動效率取0.95查電機系列，取tyv4型齒輪減速電動機，其基本參數(shù)如下：允許負載為p=60w，輸出轉(zhuǎn)速為n=150r/min。軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為： （32）式中：扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，mpa； 軸的抗扭截面系數(shù)，；t軸所受的扭矩，nmm； n軸的轉(zhuǎn)速，r/min； p軸傳遞的功率，kw； d計算截面處軸的直徑，mm； r動力系數(shù)，考慮穩(wěn)定性本設(shè)計

47、取r=1 許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，查表得45號鋼為2545mpa由上述式子可得軸的直徑： （33） =57w 查表得45號鋼為126103，取=120 初步計算得mm，取84mm。校核軸的強度9550000計算應(yīng)力為： （34）式子中：軸的計算應(yīng)力，mpa； 軸所受的彎矩，nmm； 軸所收的扭矩，nmm； 軸的抗彎截面系數(shù)，查機械設(shè)計教課書此處取計算公式； 對稱循環(huán)變應(yīng)力時軸的許用彎曲應(yīng)力，查機械設(shè)計教課書此處取60 此處軸是受電動機進行旋轉(zhuǎn)，所以沒有受到彎曲應(yīng)力，彎矩w=0 nmm 原式=所以滿足應(yīng)力要求。軸的剛度校核計算：此處軸用于旋轉(zhuǎn)不考慮彎曲剛度的計算，只考慮軸的扭轉(zhuǎn)剛度的校核計算。公式： （

48、35） 式中：軸所受的扭矩，nmm； 軸的材料的剪切彈性模量，mpa，對于鋼材，； 軸截面的極慣性矩，對于圓軸，； 軸的扭轉(zhuǎn)剛度條件為 （36）為軸每米長的允許扭轉(zhuǎn)角，與軸的使用場合有關(guān)。對于一般傳動軸，可??；對于精密傳動軸，可?。粚τ诰纫蟛桓叩妮S，可大于。本設(shè)計是一般傳動軸取1原式=滿足剛度要求。軸的結(jié)構(gòu)如圖13圖13 軸fig.13 shaft6.5 鍵的選擇和強度計算鍵的選擇根據(jù)軸的軸徑d=84mm，查機械設(shè)計表61普通平鍵，鍵寬b=22mm，鍵高h=14mm，鍵的長度l=180mm鍵的強度計算普通平鍵連接的強度條件為 （37）式子中：傳遞的轉(zhuǎn)矩，nm；鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，=0.

49、5h，此處h為鍵的高度mm； 鍵的工作長度，mm，圓頭平鍵=lb，平頭鍵=l，這里l為鍵的公稱長度，mm；b為鍵的寬度，mm； 軸的直徑，mm； 鍵、軸、輪轂3者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，差機械設(shè)計表62取80mpa 原式=68.5mpa 所以選用的普通平鍵適合7 結(jié)論自動換刀裝置是數(shù)控加工中心在工件的一次裝夾中實現(xiàn)多道工序加工不可缺少的裝置，主要由刀庫、機械手和驅(qū)動裝置幾部分組成。機械手和驅(qū)動裝置是兩個關(guān)鍵部分，根據(jù)驅(qū)動裝置的不同，自動換刀裝置可分為凸輪式、液壓式、齒輪式、連桿式及各種機構(gòu)復(fù)合式，其中以凸輪式用得較多。 發(fā)達國家數(shù)控加工中心的立式銑床換刀機械手主要采用凸輪式，我國加工中心技術(shù)

50、起步較晚，對自動換刀機械手研究較少。迄今為止，我國制造的加工中心配置的自動換刀機械手大多數(shù)是進口的。其主要原因：一是國內(nèi)生產(chǎn)的換刀機械手質(zhì)量較差，成本也不低；二是進口換刀機械手價格雖然較高，但在整個加工中心中所占份額不大。作為加工中心的配套技術(shù)，自動換刀機械手的研究和開發(fā)將直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。對于數(shù)控加工中心凸輪式立式換刀機械手，目前國內(nèi)外同類產(chǎn)品較少，使設(shè)計難度增加。依據(jù)總體方案的設(shè)計，凸輪機構(gòu)必須在刀庫中完成插刀、拔刀的過程。機械手插刀、拔刀整個過程的運動軌跡為四邊形，因此凸輪機構(gòu)的設(shè)計計算難度大，主要是如何提高凸輪機構(gòu)運動平穩(wěn)性的問題。