自動換刀機械手的設(shè)計

目錄摘要 1ABSTRACT 1緒論 1課題背景 1課題的來源 1研究目的 21.1.3．研究的意義 2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3研究內(nèi)容 4設(shè)計總體方案論證 4概述 4刀庫和交換主軸換刀裝置的原理 5主軸交換的原理 5主軸抬起及轉(zhuǎn)位的原理 6刀庫及換刀裝置 6刀庫的設(shè)計計算 7電動機的選擇 7蝸輪、蝸桿承載能力計算 11自動換刀裝置設(shè)計 13方案分析比較 13機械手自動換刀工作流程設(shè)計 13換刀機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計 20機械手手臂和手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計 22結(jié)論 22參考文獻 25致謝 26PAGEPAGE4摘要在機械加工領(lǐng)域，經(jīng)常需要對機械零件進行加工，此時需要用到加工中心設(shè)備，加工設(shè)備的核心部件之下是自動換刀裝置，本課題主要對自動換刀機械手進行了設(shè)計。本論文主要是對加工中心的刀庫及換刀機械手進行研究，主要是自動換刀裝置的設(shè)能夠維持較長的使用壽命，并使之能夠完成換刀工作。關(guān)鍵詞：機械手；軸；換刀裝置ABSTRACInthefieldofmechanicalprocessing,itisoftennecessarytoprocessmechanicalparts.Atthistime,machiningcenterequipmentisneeded.UnderthecorecomponentofmachiningequipmentisAutomatictoolchanger.Thistopicmainlydesignstheautomatictoolchangingmanipulator.Thispapermainlystudiesthetoolmagazineandtoolchangingmanipulatorofthemachiningcenter,mainlythedesignofAutomatictoolchanger.Firstly,thispaperanalyzesthetypeoftoolmagazineandtoolchangingschemeoftheequipment,anddeterminesthedesignschemeofthemanipulator.Thentheexecutivemotorofthecrowddeviceisselected,andthetransmissionpartisselectedandcalculated.Finally,thekeypartsofthetoolchanger,suchasmanipulatorandhydrauliccylinder,aredesigned,andtheimportantpartssuchasbearingandhydrauliccylinderarechecked,whichcanmaintainalongservicelifeandcompletethetoolchanger.Keywords:manipulator; shaft; toolchanger;1緒論課題背景課題的來源本次的課題研究是機械手自動換刀裝置設(shè)計，我們經(jīng)過相關(guān)的資料查閱和分析，發(fā)現(xiàn)在整套機器工作中，機械手和刀庫的功能是否穩(wěn)定或者工作能否順利完成，會直接影響整個加工中心的加工效率，通常我們需要高效的完成加工過程，比較重要就是這個換刀裝置的設(shè)計，換刀速度和是否完成準(zhǔn)確，都會直接影響整個加工效率。同時在很多報廢或者損壞的機器中，我們發(fā)現(xiàn)大部分發(fā)生故障都是機械手或者刀具占多數(shù)，所以我們需要通過所學(xué)知識解決這種問題，設(shè)計出穩(wěn)定可靠的自動換刀裝置，提高加工效率[1]。研究目的通過學(xué)習(xí)和了解各國的機械行業(yè)發(fā)展，以及相關(guān)的研究，對自己選擇的課題設(shè)計進行探索分析，最后得到理想的結(jié)論和設(shè)計理念，主要涉及到的有機械裝備的分析和設(shè)計，主要零件的計算和選擇，最后設(shè)計出合理穩(wěn)定可靠的自動換刀裝置，應(yīng)用在國家的機床研究領(lǐng)域。1.1.3．研究的意義在現(xiàn)在的國際金融發(fā)展下，工業(yè)發(fā)展在不斷的發(fā)展和前進，對工業(yè)自動化水平也在不斷的提高要求，就出現(xiàn)了數(shù)控加工，這個就是通過機器自己的運轉(zhuǎn)完成加工過程，減少了人類的勞動力和人力資源成本，同時機器的準(zhǔn)確度很高，生產(chǎn)效率會得到很大的提高，提高了生產(chǎn)率。可是在我們國家目前使用數(shù)控機床的比率在其他國家中是很低的，相關(guān)資料顯示低于3%，而國外的數(shù)控機床使用和技術(shù)都在我們國家之上。此外在我國數(shù)控機床的役齡也是比較高的，周期發(fā)展速度比較慢，一半以上的機床自動化水平都不高，能進行完好的自動化加工也是非常少。伴隨著技術(shù)和經(jīng)濟的發(fā)展，我們對生活質(zhì)量的追求在不斷提高，我們對現(xiàn)在的生產(chǎn)產(chǎn)品要求也在提高，不僅僅只是過去的質(zhì)量要求，還希望產(chǎn)品的外形美觀，加工細節(jié)精密，更新速度快，生產(chǎn)成本低，浪費資源少以及可以重利用等。但是在一般的機床中生產(chǎn)加工的產(chǎn)品容易產(chǎn)生質(zhì)量差距不等，品種比較單一，生產(chǎn)效率低，成本高等缺點，但是有些不利因素會導(dǎo)致一個生產(chǎn)的過程出現(xiàn)很多的困難，最后產(chǎn)品的質(zhì)量會有很大的波動，一些產(chǎn)品加工精度不高，但是成本相對特別高，不適合加工生產(chǎn)，為了解決這些問題，就需要不斷的提高生產(chǎn)設(shè)備的加工效率和加工準(zhǔn)確信號，在加工中心影響加工速度是刀庫及機械手的自動換刀裝置，所以為了進入這個高速度的社會發(fā)展，我們需要不斷的給機床的自動換刀裝置改進和完善，減少換刀時間，提高機器的生產(chǎn)率，在目前很多企業(yè)都在努力提高機床的數(shù)控化率，希望能為企業(yè)今后實現(xiàn)信息化改造打下良好的基礎(chǔ)。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀數(shù)據(jù)機床加工中心是現(xiàn)在國際上面提倡和追求的機械加工，它的使用和技術(shù)會代表一個國家的生產(chǎn)制造水平和生產(chǎn)效率等。所以無論在國內(nèi)還是國外都是非常重視這樣的機械加工設(shè)備。在整個數(shù)控機床中加工中心是發(fā)展最快的，占的比率最高。有的國家直接把數(shù)控加工中心技術(shù)發(fā)展作為發(fā)展數(shù)控機床的主要工作和目標(biāo)，可以直接影響一個國家的經(jīng)濟發(fā)展和生產(chǎn)技術(shù)水平發(fā)展。我們對數(shù)控機床的研究，在上個世紀(jì)，當(dāng)時在北京研究所等單位開發(fā)了立式加工，最后逐漸變成商品。在1980年，北京研究院引進了美國的立式加工中心技術(shù)，還引進了更多的設(shè)備和技術(shù)，咱們國家逐漸的形成了自己的體系，在那個時候，就已經(jīng)大概的掌握了核心的設(shè)計和加工制造技術(shù)，這個事件算一個突破性得進展，也為在今后的數(shù)控加工中心方面提供了穩(wěn)定的基礎(chǔ)。在上個世紀(jì)90年代末，我們國家的加工中心還是處于較為落后的狀態(tài)，加工中心的生產(chǎn)數(shù)量還是很少，一般300臺左右每一年。然后在2000年的前后，就有很多外國企業(yè)看到中國的市場行情，開始在我國進行合資或者獨立經(jīng)營的方式建立生產(chǎn)加工中心，然后在我國生產(chǎn)經(jīng)營和銷售產(chǎn)品，比如現(xiàn)在規(guī)模較大的臺灣杭州友佳機床有限公司、寧夏小巨人機床有限公司等公司都是具有代表性的。進入21世紀(jì)后，我國的綜合實力在增強，經(jīng)濟在不斷發(fā)展，加工中心市場也呈現(xiàn)出了高峰快速時期，特別在汽車行業(yè)，通用的機械設(shè)備行業(yè)，磨具和航天領(lǐng)域都在不斷的增加加工中心發(fā)展。這樣就加大了我國的加工中心技術(shù)發(fā)展，生產(chǎn)的產(chǎn)品也在不斷優(yōu)化，得到了國內(nèi)的肯定。在此時。中國的各大企業(yè)對產(chǎn)品開發(fā)和研究進行了大量的投資，建設(shè)了高檔加工中心，很多已經(jīng)進入批量生產(chǎn)。在現(xiàn)在的發(fā)展當(dāng)中，加工中心的發(fā)展趨勢是主要強調(diào)速度快，精確分析高，產(chǎn)品質(zhì)量好，更新快，智能化，多功能性等。所以在整個數(shù)控加工中心最主要的部件就是我們這里研究的自動換刀裝置，在現(xiàn)在的企業(yè)中已經(jīng)把自動換刀裝置看作最主要的部分，著力提升自動換刀裝置的功能性和快速性。由于加工中心的種類有很多種，而投入的自動換刀裝置比例大，就產(chǎn)生了不同的設(shè)備價格不同，應(yīng)用不能普及的主要原因。因此，自動換刀裝置可以單獨研究，可以作為加工中心的標(biāo)準(zhǔn)件或附件來組織專業(yè)化生產(chǎn)，可以簡化整個機床就可以降低企業(yè)的成本，被多數(shù)企業(yè)應(yīng)用和肯定。研究內(nèi)容本次設(shè)計主要是對小型加工中心刀庫和換刀，加工中心主要是自動換刀的的一種數(shù)控機床，對于它獨特的加工系統(tǒng)，工件可以一次性完成很多工序的完成，其主要的作用是按照加工的要求，自動換主軸刀具[2]。其中自動換刀裝置是一個完整的體系。主要的技術(shù)如下對刀庫中選擇合適的鏈條，確定鏈輪中心距所有刀庫中電機的選擇對換刀機械手的簡單設(shè)計對液壓所需元件的選擇和系統(tǒng)的確定2設(shè)計總體方案論證概述據(jù)有關(guān)資料顯示，目前市場上有多種類型的換刀裝置，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，多軸換刀裝置的數(shù)量有限，無法完成多工序加工;另外，圍繞主軸布置的刀庫的刀塔方法是不同的，換刀時間隨刀庫的位置而變化。在下面圖中，就是有兩個工作主軸的結(jié)構(gòu)方案圖，1-轉(zhuǎn)塔體2-壓縮空氣管接頭3-行程開關(guān)4-5-液壓缸67-大齒輪8-碟形彈簧910-11-拉釘12-刀夾13-端面鍵14-15-滑移齒輪圖2-1雙主軸換刀對于這種兩個主軸的設(shè)計中，一個主軸是直接用來加工的，而另一個主軸是用來更換就是當(dāng)進行更換刀具時，另外一個加工的主軸會迅速的退出，更換刀具完成后，加工的主軸就會繼續(xù)開始加工。主要實現(xiàn)了具體的工作。刀庫和交換主軸換刀裝置的原理主軸交換的原理兩個主軸在轉(zhuǎn)塔頭內(nèi)部交錯分布著，而且兩個主軸結(jié)構(gòu)完全相同。同時主軸的運動動力來源于電動機，先由電動機傳入動力，分別會經(jīng)過滑移齒輪和大齒輪輸入。當(dāng)需要進行換刀步驟時候，就會由數(shù)控裝置發(fā)出指令，進行換刀，先通過液壓撥叉，然后就會促使滑移齒輪和大齒輪脫離嚙合。然后在液壓缸的作用下，帶轉(zhuǎn)塔體抬起，再通過壓力油直接進5PAGEPAGE11入轉(zhuǎn)位液壓缸，使轉(zhuǎn)塔體轉(zhuǎn)位180°，此時就會進行下一工序，主軸就會回到開始的工作位置。進行切削加工，換刀主軸進行換刀工作。主軸抬起及轉(zhuǎn)位的原理2-2所示，對于主軸抬起和轉(zhuǎn)位原理是開始讓滑移齒輪和主軸齒輪進行脫離，然2858438180位完成后，中心液壓缸接通回油，轉(zhuǎn)塔體落下，定位銷實現(xiàn)轉(zhuǎn)塔體的定位。876543211，2-中心液壓缸3-活塞桿齒輪條4-小齒輪刀庫及換刀裝置

5-定位銷6-大齒輪7-軸8-轉(zhuǎn)塔體圖2-2主軸轉(zhuǎn)位裝置儲放刀具的裝置被我們稱作刀庫，一般在機械中常見的刀庫有下面幾種:1.轉(zhuǎn)塔式刀庫6～8把中心和鉆削中心。盤式刀庫盤式刀庫，類似盤的形狀，主要特征是刀具是垂直表面的狀態(tài)。它沿著磁盤表面垂直排列（包括徑向切割和軸向切割）。沿盤面徑向排列或以銳角形式排列的刀具結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可以應(yīng)用更多，因為刀具排列成一個環(huán)，會降低空間利用率。這時候需要通過將刀庫的外徑增大，就可以使刀庫的容量增大，最后使轉(zhuǎn)動慣量也增大，一般用于較小的刀庫（12~24把刀）。刀具在內(nèi)部的排列是環(huán)形就可以增加刀庫的空間利用率，這樣就會導(dǎo)致取刀比較麻煩，需要合理的取刀機構(gòu)，通常是比較復(fù)雜的，所以這樣的盤式刀庫經(jīng)常用于機床空間受限制可是刀庫容量又較大的場合。鏈?zhǔn)降稁?0120個工具之間。這里只需要增加鏈條長度就可以增加刀具的數(shù)量，而不會增加圓周速度，慣性力矩小的優(yōu)點。然而，其缺點是機械剛度差和傳動間隙大，這導(dǎo)致定位精度差。為了改善定位精度，需要搭配復(fù)雜的電路檢控，這樣才能實現(xiàn)快速和精確定位。直線式刀庫和組合刀庫線性刀庫的特點，第一個結(jié)構(gòu)比較簡單，刀具排列成單排，刀庫的容量比較小，一般用于數(shù)控車床和鉆床。組合刀庫是炮塔式刀庫的組合。它的特點是刀具更換速度快，每個刀庫的刀具存儲量小，這種多數(shù)用于FMS的集中供刀系統(tǒng)，不適用電機加工中心。在上面的對比和分析中，我們最后選擇盤式刀庫，因為我們的課題主要針對中小型加20然后放在機床主軸的上面，可減少占用空間。對于兩種驅(qū)動模式，我們選擇伺服電機來CAM連桿驅(qū)動。通過上面對換刀裝置的結(jié)構(gòu)分析，以及重要組成部件的了解，結(jié)合其他相關(guān)資料最后確定了換刀裝置的基本結(jié)構(gòu)，和刀庫的形式及容量，以及其他主要零部件的主要作用，進行每個部分的設(shè)計，最后得到符合設(shè)計要求的自動換刀裝置。3刀庫的設(shè)計計算電動機的選擇Y801-22825r/min3-1：表3-1電動機主要技術(shù)數(shù)據(jù)、外形和安裝尺寸表型號/kw

額定功率 額定轉(zhuǎn)r/min

最大轉(zhuǎn)矩（額定轉(zhuǎn)矩）Y801-2外 形 尺 寸 mm×mm×mmL×（AB/2+AD×HD

/mm

0.75中心高H

/mm

2825安裝尺寸A×B

2.2軸伸尺寸/mm×mm×mmD×E295×323×175 80 125×100 19×40蝸輪蝸桿的計算1、選擇傳動的類型和精度等級ZA8GB10089-8920000小時。2、選擇材料，確定許用應(yīng)力4545～55HRC,模鑄造[4]。10-5[5]10-7[5]中分別查得56MPa0F

220MPaOH應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=60 nJL2 H

60

280010

200003.3610881073.3681073.36108N

0.644許用應(yīng)力Z 0.664220141.68MPaH N OHYF N

0.5245629.34MPa0F3、選擇蝸桿頭數(shù)Z1

和蝸輪齒數(shù)Z2i=10,參考文獻[6]10-2取Z14、按蝸輪齒面接觸疲勞強度設(shè)計

=2Z2

=iZ1

=10×2=20。 Z 2m2d 9kT E （5-）1 2 Z 2 H確定載荷系數(shù)由參考文獻表10-3[7]中選取使用系數(shù)K 1.1由于載荷平穩(wěn)，AK1Kv1.05[8]則KK K K 1.111.051.16A v計算作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩，取效率0.80150r/min代入數(shù)值得

T iT2 1

(5-2)T100.89.551060.751 2800

20.46429Nm確定彈性系數(shù)Z ，由文獻表10-4[10]查得Z 155E E計算m2d1

，確定模數(shù)m和蝸桿分度圓直徑d1 Z 2m2d

9kT

E 1 2 Z 2 H91.1620464.29

155 220141.68 639.27mm310-1[11]m=4mm,d1a

=40mma計算蝸桿導(dǎo)程角

dd1 2

404202

60mm 4 arctan 1arctan

118'6"d 401Zv2Z 20 20Z 2 v2 cos3 cos311.3

21.224確定齒形系數(shù)Y 2.87Fa確定螺旋角系數(shù)YY 1

1200

0.90575校核彎曲強度F 1.53KT代入數(shù)值得

F mdd12

2Y YFa

（5-3） 1.531.1620464.292.870.90575F 40804滿足要求。

7.38MPaH6、蝸桿和蝸輪主要幾何尺寸計算蝸桿蝸桿分度圓直徑d1

d=40mm1蝸桿直徑系數(shù)q

qd140

10m 411蝸桿齒頂圓直徑da1

d d2hm*40241=48mma1 1 a蝸桿齒根圓直徑df1 d df1 1

2hcm4021a

430.4mm蝸桿軸向齒距pa1Pa1蝸桿導(dǎo)程Lz

m412.56mmL ZPZ 1a1

212.5625.12mm蝸桿軸向齒厚Sa1蝸輪蝸輪分度圓直徑

S 1m6.28mma1 2蝸輪喉圓直徑

d mZ 420=80mm2 2 d d 2h*x m802488mma2 2 a 2蝸輪齒根圓直徑 d d 2hcx m70.4mmf2 2 a 2蝸輪、蝸桿承載能力計算、蝸桿傳動的受力分析及計算校核各力的大小如下：90;桿的軸向力等于蝸桿的圓周力。蝸桿的徑向力等于蝸輪的徑向力，方向相反。PAGEPAGE23F Ft1 a2

295490.75103280040

128NF Fa1 t2

1220464.2980

511607NF Fr1 r2

F tan511.607tan20186.21Na1F 511.607F a1n cos20

0.94

554.804N

F KFca

KKKFA n式中K —使用系數(shù)AK—齒向載荷分布系數(shù)K —動載系數(shù)v2、蝸桿傳動的強度校核蝸輪齒面接觸疲勞強度校核

111Fn

554.804N9KT2dd29KT2dd21 2H E

（5-4）代入數(shù)值得919120464.2940802H131.47MPa250MPaH3、蝸輪齒根彎曲疲勞強度校核1.53KT 2Y Y

（5-5）F ddm

Fa21 2代入數(shù)值得 1.5320464.292.130.9F 408044.69MPaF

YN

0.5245629.3MPa4自動換刀裝置設(shè)計方案分析比較對于我們選擇研究的主題，加工中心需要配備刀庫和自動換刀裝置，工件需要在加工中心完成夾緊，然后加工可以自動完成，這涉及到使用很多刀具，以滿足零件生產(chǎn)周期的要求。當(dāng)然對于自動換刀裝置在不同的環(huán)境下都會遇到不同的，正常情況下，我們會經(jīng)?？吹较旅嫒N，分別是直接換刀方式、機械手換刀方式、轉(zhuǎn)塔頭方式。塔刀架換刀方式和轉(zhuǎn)塔主軸頭換刀方式兩種。加工中心自動換刀裝置大多采用機械手動換刀方式，它是由機械手到主軸上的刀快，布局靈活。機械手自動換刀工作流程設(shè)計所謂的機械手換刀方式，就是指由刀庫和機械手共同組成的自動換刀裝置，在我們在完成一個加工工序后，就會使主軸返回換刀位置，而且可以停在準(zhǔn)停位置，此時我們可以假設(shè)機械手架已經(jīng)完成了轉(zhuǎn)向工作，直接轉(zhuǎn)向了刀庫，裝刀手中夾著刀具T09,卸刀1、手架轉(zhuǎn)向主軸1、手架轉(zhuǎn)向主軸T05T09主軸手的手中是空的，主軸上裝著刀具T05，這個時候就需要主軸就行換刀工作，主要的操作過程如下面所示：機械手換刀過程圖如下：開始換刀前狀態(tài)裝刀手裝刀手刀庫T09T05主軸卸刀手刀具直接和主軸呈平行狀態(tài)安裝在刀庫上面，在進行裝刀之前，我們需要讓手架旋轉(zhuǎn)180°，就可以使手架轉(zhuǎn)向主軸，最后裝刀手和裝刀手中的刀具是處于垂直狀態(tài)的，同時會讓刀具和主軸上的刀具軸線保持平行狀態(tài)。0T05T05T09T05T09，可是同時作用兩把刀進行加工，而主軸上面只可以裝一把刀，所以只能進行換刀裝置，需要先拿下之前加工的刀再換另外一把刀具。通過觀察可以看到卸刀手手指中心與主軸中心是處于一條直線，所以卸刀手在伸縮油T05。3、滑座前伸拔刀T05T05T09具的自動夾緊機構(gòu)松開刀具。此時，伸縮油缸框架向前延伸，滑座在導(dǎo)軌中向前移動，T05從主軸上拉出。4、卸刀手縮回4、卸刀手縮回T05T09迅速離開主軸，回到開始未拔刀的位置。、裝刀手前伸T05T09T09，新的刀具換上之后就可以進行后面的加工動作。就會讓裝刀手向前伸。、滑座后退插刀）T05T05T09T09裝在主軸上面，就完成了裝刀步驟。7、裝刀手縮回7、裝刀手縮回T05T09行加工工作，完成裝刀后，機械手就會放開刀具，最后機械手就會回到開始的位置，這個就是機械手縮回工作。8、手架轉(zhuǎn)向刀庫8、手架轉(zhuǎn)向刀庫T058.它還需要把從主軸上卸下的刀具（T05）放回刀庫中對應(yīng)的位置，方便下一次進行取刀工作。、滑座前伸P05T056在這里我們需要滑座向前移動，回到制定位置。10、卸刀手前伸10、卸刀手前伸T05意味著整個換刀工作完成，上面就是整個步驟，最后機械手回到待命處，等待下一次的換刀工作。、滑座后退插刀T05、卸刀手縮回換刀機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計過下面的操作過程：總體的過程就是有裝刀手、卸刀手的伸縮運動，從而可以接近刀具的位置進行刀具取得，然后需要進行上面提到的取刀和返回工作，就是機械手手部夾緊和松開過程，最后刀具送回存放。這些動作完成需要相關(guān)的機構(gòu)去實現(xiàn)，下面就是對每種結(jié)構(gòu)的具體介紹和分析：251指座等，而且外形正好相反。裝刀手、卸刀手只有伸縮運動和手指的夾放運動。61112（910）551部節(jié)流緩沖，油缸端蓋與活塞端蓋相碰而定位。45°合，以保證能正確的裝、卸刀。裝刀手（卸刀手）的手部由手指座即伸縮缸的端蓋）、固定指7910121311、1514。此手部屬于一支點回轉(zhuǎn)9，應(yīng)能自由地從刀柄的緊機構(gòu)。孔內(nèi)（插刀完畢），1314（形狀為Ⅱ型）b’12913141513129若卸刀，則卸刀手手臂前伸，卸刀手手部（有左右之別）動作。當(dāng)卡銷13形狀為Ⅰ型）時，卡銷1312b9c13159，動作。擋塊8和14安裝在機床主軸套筒的端面上，另有兩塊（Ⅰ、Ⅱ型各一塊）裝在手架懸伸支架上（圖中未標(biāo)出）。227102.手架伸縮和回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)作，從而改變裝刀手、卸刀手的位置（即機械手由主軸轉(zhuǎn)向刀庫，或由刀庫轉(zhuǎn)向主軸）其上加工有油缸（滾柱俺十字交叉位置放置）和V825131141151011油缸端蓋相碰而定位。機械手手臂和手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計機械手是運用和人一樣的手臂，模仿人類的手臂進行相關(guān)操作的，機械手的手臂是可以用來抓取物品和工件進行加工的，常見的就是用機械手手臂去夾持刀具和相關(guān)加工工具的，然后就行加工