数控卧式镗铣床刀库机械手回转与装卸刀机构设计【7张图纸】【优秀】
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数控卧式镗铣床刀库机械手回转与装卸刀机构设计
36页-16000字数+说明书+开题报告+中期报告+7张CAD图纸
中期报告.doc
总装配图.dwg
摘 要.doc
数控卧式镗铣床刀库机械手回转与装卸刀机构设计开题报告.doc
数控卧式镗铣床刀库机械手回转与装卸刀机构设计说明书.doc
机械手液压控制图.dwg
机械手装配图.dwg
活塞杆.dwg
液压缸盖.dwg
自动换刀装置的安装示意图.dwg
装配图.dwg
目 录
1 绪论1
1.1题目背景和意义1
1.2数控镗铣床概述和结构组成1
1.2.1数控镗铣床的结构组成2
1.3国内外研究情况2
1.4本课题研究的主要内容3
1.4.1本课题研究的主要内容3
1.4.2 研究方案3
1.4.3 研究方法3
2 总体方案的确定……….7
2.1 主要技术参数6
2.2 自动换刀装置的设计参数6
2.3 确定数控卧式镗铣床自动换刀装置的形式6
3 机械手8
3.1机械手的组成8
3.1.1执行机构8
3.1.2驱动机构8
3.1.3 控制系统9
3.1.4课题工作要求9
3.2机械手手部的结构的设计10
3.2.2夹紧力及驱动力的计算12
3.2.3 机械手手抓夹持精度的分析计算13
3.2.4 弹簧的设计计算13
3.3机械手腕部结构的设计15
3.3.1腕部的结构以及选择15
3.3.2腕部的设计计算15
3.3.3液压缸盖螺钉的计算17
3.4 臂部18
3.4.1 臂部结构形式19
3.4.2 臂部运动的导向装置19
3.5机械手机身的设计计算21
3.5.1机身的整体设计21
3.5.2 机身回转机构的设计计算22
3.6自动换刀机械手的滑座伸缩和手架回转运动机构24
4 刀具交换装置的设计26
4.1 换刀机械手抓刀部分结构26
4.2 机械手传动结构27
4.3 自动换刀过程的动作顺序28
4.4 自动换刀装置的相关技术要求29
4.4.1 主轴准停装置29
4.4.2 换刀机械手的安装与调试29
5 自动换刀装置的控制原理30
5.1刀库的控制30
5.2机械手的控制30
结 论31
致 谢32
参考文献33
在铣削轮廓时，为了保证一次连续地加工出全部表面，应选用半径小于工件最小轮廓半径的刀具，而在实际的生产加工中，常尽量选用直径较大的铣刀，因为大直径铣刀刚性好，耐用度高。由数控卧式镗铣床推荐使用的最大切削范围可知，当铣切钢时，铣刀直径为10 mm。当铣灰铸铁时，铣刀直径达25mm。因此，为了满足该机床的实际加工能力与生产情况，在设计其自动换刀装置时，应该根据最大的刀具直径来设计，即设计的换刀装置能交换25mm的刀具。
初估最大直径刀具的重量为8kg。
2.3确定数控卧式镗铣床自动换刀装置的形式
数控机床的自动换刀装置的结构形式多种多样，选择何种形式，主要取决于机床的种类、工艺范围以及刀具的种类和数量等。
由于数控卧式镗铣床是一种使用范围较广的机床，且其可加工零件的精度要求也较高，比较上章介绍的几种换刀形式，决定选用带刀库的自动换刀形式。
带刀库的自动换刀装置是由刀库和刀具交换装置（换刀机械手）组成。它是多工序数控机床上应用最广泛的换刀装置，其整过换刀过程比较复杂。首先把加工过程中需要使用的全部刀具安装在标准的刀柄上，在机床外进行尺寸预调后，按一定的方式装入刀库。换刀时，先在刀库中进行选刀，
由机械手从刀库和主轴上取出刀具，然后交换位置，把新刀插入主轴，旧刀放回刀库。存放刀具的刀库可具有较大的容量，它既可以安装在主轴箱的侧面或上方，也可以作为独立部件安装在机床以外。
数控卧式镗铣床主轴箱上方没有好的安装位置，安装在机床外又要增加刀具运输时间，降低效率，所以安装在机床侧面最合适，有些部件交错的地方，作适当的调整。因为数控卧式镗铣床外形及其他性能参数等均与JCS—018A数控立式镗铣床相似，所以本机床的自动刀装置的设计将仿效JCS—018A数控立式镗铣床换刀装置，设计成由由
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毕业设计（论文）中期报告题目： 数控卧式镗铣床刀库机械手回转与装卸刀机构设计系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2012年 3 月 20 日 1. 设计（论文）进展状况 本阶段主要是完成 Optimal Kinematic Design of a 2-DOF Planar Parallel Manipulator* 的翻译工作。对数控卧式镗铣床的深入了解和分析，了解机械手回转和装卸刀。1.1自动换刀的组成 自动换刀机械手是自动换刀装置主要组成部分。自动换刀装置与数控卧式相配合，在一次装夹中完成镗、铣、钻、铰和攻丝等多道工序，解决中小批多品种。生产箱体零件的加工自动化问题。自动换刀装置，主要由刀库，手架升降机构，装、卸刀机械手和手架伸缩与回转机构等组成。刀库由四排带刀套的链条组成，每排链条上有15个刀套，刀库能存放60把刀具。安装刀套的四条链条由油马达通过齿轮组带动而同步转动。找刀（刀具识别），采用刀套编号方式。由于四排刀套链中，各排刀套的位置一一对应，一次找刀是由俩部分运动来实现，即手架升降找刀排刀链转动在一排内选刀。换刀机械手的作用是；在给定的程序指令下，配合刀库和我是镗铣床实现所有加工工序的自动装刀和卸刀。1.2 装、卸刀手的伸缩运动机构和手指夹紧机构装到手和卸刀手对称配置在手架上，其结构和尺寸、运动要求完全相同，只是几个主要零件形状相反。装刀手只有伸缩运动和手指的夹放动作。装刀手的伸缩运动由单杆活塞油缸实现。活塞油缸的活塞杆固定在手架上，当压力油从油孔进到油缸的两腔时，推动缸体在燕尾形导轨上往复移动，其形成位置由装在手架上的行程开关进行检测，并用油缸端部节流缓冲，油缸端盖与活塞端面相碰而定位。装到手和卸刀手的手臂移动方向相交成45度角，其交点即是装刀手和卸刀手前伸移到终点时手指的夹紧中心，它要与刀库上的刀套中心和卧式镗铣床的主轴中心相重合，以保证能正确地装、卸刀。装（卸）刀手的手部由手指座、固定指、活动指、刀具定向键、项销、卡销、弹簧和挡块等组成。此手部属于一支点回转型弹簧式手部。在手臂伸缩运动装卸刀具时，手部的活动手指，应能自由地从刀柄的梯形槽上滑过，抓住刀柄后，特别是在运刀过程中，活动手指应锁住，因此手部内有紧锁机构。图a刀库机械手回转与装卸刀机械手回转及装刀、卸刀机构，是用于主轴和刀库间的装刀、卸刀的换刀装置。回转油缸1摆动，带动手架4回转，实现向主轴和刀库换刀的动作。当拔刀油缸2通入压力油时，缸体连同手臂3沿手臂座5移动，完成拔刀和插刀动作。手臂3靠十字交叉滚子6在手臂5的V字型导轨上移动。手架伸缩运动能实现装、卸刀手的拔、插刀动作；手架回转的运动能改变装、卸刀手的位置（即手向主轴转向刀库，或手向刀库转向主轴）。手架的回转是由安装在滑座内的回转油缸来实现。手架和转轴固联，转轴通过键与回转油缸的动片相联。当压力油通过油管进到回转油缸的工作腔时，推动动片轴，并带动转轴回转，手架即回转，其回转位置由行程开关进行检测，当装在转轴上的定位块与定位螺钉相接触时而定位。图b刀库机械手回转与装卸刀2. 存在问题及解决措施 首先，对机械手回转与装卸刀机构设计的具体设计内容不是特别了解。 其次，对于结构设计和计算分析还不到位。 通过查找资料翻阅课本了解结构设计和计算，与同学的探讨和老师的指点，使我对自己的毕业设计有了更深一步的认识。我明白了设计与实际要紧密结合，要多动脑，勤思考。平时要多练习软件。3. 后期工作安排 10-11周，完成结构设计计算； 11-13周，完成零件图和装配图的绘制； 13-15周，完成论文撰写，准备答辩。 指导教师签字： 年 月 日数控卧式镗铣床刀库机械手回转与装卸刀机构设计摘要数控卧式镗铣床是一种具有自动换刀装置和任意分度数控转台的数字控制机床，工件在一次装夹后能自动完成几个侧面的多种工序的加工。数控卧式镗铣床刀库机械手回转与装卸刀机构用于主轴和刀库间的装刀与卸刀操作。良好的结构设计能够实现刀库与机床主轴之间刀具的快速装卸，提高机床的工作效率。镗铣床主要是刀具在工件上加工已有预制孔的机床。通常，刀具旋转为主运动，刀具或工件的移动为进给运动。它主要是用来加工高精度孔或一次定位完成多个孔的精加工，此外还可以从事与孔精加工有关的其他加工面的加工。自动换刀装置是数控加工中心在工件的一次装夹中实现多道工序加工不可缺少的装置,主要由刀库、机械手和驱动装置几部分组成。关键字：卧式镗铣床；自动换刀装置；回转机构；装卸刀装置CNC horizontal boring and milling machine tool storage manipulator rotary knife with loading and discharging mechanism designAbstractCNC horizontal boring and milling machine is a kind of digital control machine tools, automatic tool changer and arbitrary indexing NC rotary table machining of the workpiece in a fixture can automatically complete the side of a variety of processes. CNC horizontal boring and milling machine magazine robotic swing and handling knife institutions for the loading the knife and unloading knife operation between the spindle and magazine. The good structure designed to achieve rapid loading and unloading of the tool between the magazine and the machine tool spindle to improve the efficiency of the machine. Boring and milling machine is a machine tool on the workpiece processing has been pre-hole. Typically, the rotation of the tool main movement, the movement of the tool or workpiece feed movement. It is mainly used to process high-precision holes or location to complete the finishing of a plurality of apertures, in addition to in the hole finishing machining surface processing. The automatic tool changer CNC machining centers in the workpiece clamping device, multi-channel processes indispensable mainly by the magazine, robots and drives several parts.Keywords：horizontal boring and milling machine； automatic tool changer；rotating mechanism； loading and unloading knife device毕业设计(论文)开题报告题目：数控卧式镗铣床刀库机械手回转与装卸刀机构设计系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2012年 12 月 21 日一、毕业设计（论文）题目背景、研究意义及国内外相关研究情况。1、课题名称数控卧式镗铣床刀库机械手回转与装卸刀机构设计与分析 2.题目背景和意义：2.1数控卧式镗铣床是一种具有自动换刀装置和任意分度数控转台的数字控制机床，工件在一次装夹后能自动完成几个侧面的多种工序的加工。数控卧式镗铣床刀库机械手回转与装卸刀机构用于主轴和刀库间的装刀与卸刀操作。良好的结构设计能够实现刀库与机床主轴之间刀具的快速装卸，提高机床的工作效率。 2.2本课题的意义：在车床、镗床、铣床、插、拉床、磨床、数控加工中心、齿轮加工中心、切断机床、特种加工机床、组合机床、柔性制造系统等众多机械加工设备中，镗铣床加工特点：加工过程中工件不动，让刀具移动，并使刀具转动（主运动），在实践中具有“万能机床”的称号【1】。镗铣床主要是刀具在工件上加工已有预制孔的机床。通常，刀具旋转为主运动，刀具或工件的移动为进给运动。它主要是用来加工高精度孔或一次定位完成多个孔的精加工，此外还可以从事与孔精加工有关的其他加工面的加工。【2】3、数控镗铣床概述和结构组成3.1数控镗铣床也称“加工中心”机床，是一种新型机床，是一种具有自动换刀装置和任意分度数控转台的点位-直线数字控制机床。工件在一次装夹后能自动完成几个侧面的钻、铣、镗、铰、攻丝等多种工序的加工，有立式和卧式之分。在机械零件中，箱体类零件占相当大的比重，例如变速箱、气缸体、气缸盖等。【3】这类零件往往重量较大，形状复杂，加工的工序多。如果能在一台机床上，一次装夹自动地完成大部分工序，对于提高生产率，提高加工质量和自动化程度将有很大的意义。箱体类零件的加工工序，主要是铣端面和钻孔、攻螺纹、镗孔等孔加工。因此，数控镗铣床集中了钻床、铣床和镗床的功能，有下列特点：（1）工序集中。集中了铣削和不同直径的孔加工工序。（2）自动换刀。按预定加工程序，自动地把各种刀具换到主轴上去，把用过的刀具换下来。因此，要有刀库、换刀机械手等。（3）精度高。各孔的中心距全靠各坐标的精度来保证，不用钻、镗模。有的机床，还有自动转位工作台，用来保证各孔各面间的角度。镗孔时，还可先镗这个壁上的孔，然后工作台转180度，再镗对面壁上的孔。两孔要保证达到一定的同轴度。3.2数控镗铣床的结构组成（1）机床本体。数控镗铣床常按主轴在空间所处的状态，分为立式数控镗铣床和卧式数控镗铣床。机床本体是用来支撑机床的工作以达到加工生产目的，主要由床身和立柱组成。（2）主轴结构。主轴部件既要满足精加工时精度较高的要求，又要具备粗加工时高效切削的能力，因此在旋转精度、刚度、抗振性和热变形等方面，都有很高的要求。在布局结构方面，对于具有自动换刀功能的数控镗铣床，其主轴部件除主轴、主轴轴承和传动件等一般组成部分外，还有刀具自动加紧、主轴自动准停和主轴装刀孔吹净等装置。（3）数控转台。数控转台可以进行任意角度定位，它的功用有两个：一是使工作台进行圆周进给运动，二是使工作台进行分度运动。（4）换刀装置。数控镗铣床为了能在工件一次装夹中完成多种甚至所有加工工序，以缩减辅助时间和减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。其主要有刀库、横梁升降机构、滑座伸缩机构、手架回转机构、装刀手和卸刀手组成。（5）机床导轨。导轨主要用来支承和引导运动部件沿一定的轨道运动。在导轨副中，运动的一方叫运动导轨，不动的一方叫支撑导轨。运动导轨相对于支撑导轨的运动，通常是直线运动或回转运动。【4】4、国内外研究情况当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展3,s。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，己形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在20世纪80年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早己成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。中国加入WTO后，正式参与世界市场激烈竞争，今后如何加强机床工业实力、加速数控机床产业发展，实是紧迫而又艰巨的任务。【5】随着数控镗铣床的发展，机床附件行业必须有与之相配套的产品，要能跟得上数控镗铣床的步调，数控镗铣床竞争是激烈的，机床附件行业竞争也是激烈的，但恶性的竞争终将给行业带来黑暗，机床附件行业急需公平的良性竞争【6】。我国机床的功能部件虽然从“小件、“配套件的地位提升到“关键岗位并受到重视，但一直是在“重主机、轻配套，“重洋轻土这样的大环境中逆水行舟、艰难成长。长期以来我们对功能部件关注不够，在功能部件上无所作为很难使我们的机床产业上一个台阶，购买国外的功能部件只能使我们的产业缺乏竞争力。【7】我国滚动功能部件产业是土生土长的民族工业，有着40多年的发展历史，行业虽小（约60多家企业）却有一批从上世纪60年代“精密机床全国会战中成长起来的骨干企业。在生产规模、硬件设施等方面与国外同行不相上下。再加上近几年出现的一批新生的企业，行业竞争越来越激烈，我们应为机床附件行业提供一个好的公平的竞争环境。这才能促进行业更进一步发展。最近几年，随着国民经济快速稳定发展，装备制造业的振兴以及整个制造业技术升级和国防现代化需求加大，在固定资产投资较快增长的拉动下，我国机床附件工具市场呈现产需两旺的态势，代表装备制造业先进水平的数控机床生产更是乘势而上。【8】强劲的市场需求拉动，促使国内机床工具行业出现了产销畅旺的局面，机床附件行业在强大的需求之下也是如虎添翼，奋力前进【9】。二、本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施1、本课题研究的主要内容：（1）了解刀库机械手回转与装卸刀机构的性能要求； （2）了解刀库机械手回转与装卸刀机构的工作原理，进行结构设计和计算分析； （3）设计指标：回转油缸摆动，带动手架回转，实现主轴和刀库间的换刀动作，手臂沿手臂座移动，完成拔刀和插刀动作； （4）应用CAD系统对系统零件和装配建模和仿真2、研究方案：（1）明确文章的研究内容，确定研究对象；（2）大量收集并查阅相关资料，力求条理清晰。3、研究方法：（1）坚持很好地全部阅读指导教师指定的参考资料、文献，并阅读了较多的自选资料和较多的外文资料，积极开展调研论证；（2）充分利用时间，提前学习专业软件，能够熟练运用CAD 软件进行设计、分析、加工等操作，使产品提前得到的方案可行性设计。（3）采用同其它同等机械类设备的类比，方案比较等方法，根据实际应用特征及现有的物质、经济技术、人力等条件，以所学的理论知识为基础，按照工业机械手工作的一般过程、设计标准。借鉴以往相似设备的成功经验进行初步设计然后对初步设计方案进行验算，修正，直至达到安全、经济、实用的目的。其中对于机械手设计中的关键问题、难点问题进行重点分析解决，确保整个设计方案的可行性和最佳性。【9】图1 刀库机械手回转与装卸刀自动换刀装置是数控加工中心在工件的一次装夹中实现多道工序加工不可缺少的装置,主要由刀库、机械手和驱动装置几部分组成。机械手和驱动装置是两个关键部分,根据驱动装置的不同,自动换刀装置可分为凸轮式、液压式、齿轮式、连杆式及各种机构复合式,其中以凸轮式用得较多。【10】图2刀库机械手回转与装卸刀机械手回转及装刀、卸刀机构，是用于主轴和刀库间的装刀、卸刀的换刀装置。回转油缸1摆动，带动手架4回转，实现向主轴和刀库换刀的动作。当拔刀油缸2通入压力油时，缸体连同手臂3沿手臂座5移动，完成拔刀和插刀动作。手臂3靠十字交叉滚子6在手臂5的V字型导轨上移动。三.本课题研究的重点及难点，前期已开展工作本课题研究的重点及难点在于设计方案和整体结构特点的确定。目前已经查找和阅读了大量期刊、书籍、报纸及优秀硕士论文，并对相关数据进行了分析。四、完成毕业论文的工作步骤与时间安排（按周次填写）（1）13周：调研并收集资料；（2）310周：确定设计方案和整体结构特点；（3）1011周：完成结构设计计算；（4）1113周：完成装配图、三维建模和仿真；（5）13-15周：完成论文撰写，准备答辩。5 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见） 指导教师： 年 月 日 6 所在系审查意见： 系主管领导： 年 月 日参考文献1 吴波，周云龙.数控机床现状及发展趋势简析.科技信息.2010年25期：461479.2 俄 IO.M.索罗门采夫主编 干东英、安永辰译工业机械人图册机械工业出版社 1993年5月 2753 梁训瑄.我国机床工业60年发展.航空制造技术.2009年19期：5659.4 徐国威.国内外数控机床的发展及应用.兵工自动化.1993年02期：3135.5 徐宁安.从CIMT2005看数控卧式镗铣床与落地铣镗床的发展.世界制造技术与装备市场.2005年06期：98100.6 吴波，周云龙.数控机床现状及发展趋势简析.科技信息.2010年25期：461479.7 徐国威.国内外数控机床的发展及应用.兵工自动化.1993年02期：3135.8 苗松.海德汉工件测头TS640在数控镗铣床上的应用.制造技术与机床.2009年12期：141142.9 王斌，徐艳新.数控镗铣床改造设计.科技风.2010年10期：234.10 卢秉恒.机械制造技术基础.第三版.北京：机械工业出版社.2007.1211 白婕静 万宏强.机械制造工程学课程设计手册.北京：兵器工业出版社.2008.312 李允文主编工业机械手设计机械工业出版社 1996年6月1417、262913 胡占齐 杨丽.机床数控技术.第二版.北京：机械工业出版社.2007.514 李育锡.机械设计课程设计.北京：高等教育车版社.2008.615 凡仁建.当前数控机床改造的最新技术研究M.机械工业出版社,2009,19(10):178-180.16 吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册第二版M.北京：高等教育出版社，2006：1-261.17 徐颓主编机械设计手册(第5卷).北京：机械工业出版社，1992.18 Blohoubek, P., Kolbal, Z.: The knowledge from the Research in the Field of Robotics at UT Brno, Czech Republic. In: Automazione/Automation 1993, BIAS, Milano, Italy, November 23-25, 1993, pp. 723-726 19 Hoostetter G H.Design of Feed Control System. CBS College Publishing.1982.20 Knofl ek, R.- Marek, J.: Obrbc centra a pr?myslov roboty s paraleln kinematickou strukturou. In: Strojrensk vyroba, ro nk 45, 1997, .1-2, ISBN 0039-24567, pp. 9-11目 录1 绪论1 1.1题目背景和意义1 1.2数控镗铣床概述和结构组成1 1.2.1数控镗铣床的结构组成2 1.3国内外研究情况2 1.4本课题研究的主要内容3 1.4.1本课题研究的主要内容3 1.4.2 研究方案3 1.4.3 研究方法32 总体方案的确定.7 2.1 主要技术参数6 2.2 自动换刀装置的设计参数6 2.3 确定数控卧式镗铣床自动换刀装置的形式63 机械手8 3.1机械手的组成8 3.1.1执行机构8 3.1.2驱动机构8 3.1.3 控制系统9 3.1.4课题工作要求9 3.2机械手手部的结构的设计10 3.2.2夹紧力及驱动力的计算12 3.2.3 机械手手抓夹持精度的分析计算13 3.2.4 弹簧的设计计算13 3.3机械手腕部结构的设计15 3.3.1腕部的结构以及选择15 3.3.2腕部的设计计算15 3.3.3液压缸盖螺钉的计算17 3.4 臂部18 3.4.1 臂部结构形式19 3.4.2 臂部运动的导向装置19 3.5机械手机身的设计计算21 3.5.1机身的整体设计21 3.5.2 机身回转机构的设计计算22 3.6自动换刀机械手的滑座伸缩和手架回转运动机构244 刀具交换装置的设计26 4.1 换刀机械手抓刀部分结构26 4.2 机械手传动结构27 4.3 自动换刀过程的动作顺序28 4.4 自动换刀装置的相关技术要求29 4.4.1 主轴准停装置29 4.4.2 换刀机械手的安装与调试295 自动换刀装置的控制原理30 5.1刀库的控制30 5.2机械手的控制30结 论31致 谢32参考文献33毕业设计（论文）知识产权声明.34毕业设计（论文）独创性声明.35IV11 绪论1 绪论1.1题目背景和意义数控卧式镗铣床是一种具有自动换刀装置和任意分度数控转台的数字控制机床，工件在一次装夹后能自动完成几个侧面的多种工序的加工。数控卧式镗铣床刀库机械手回转与装卸刀机构用于主轴和刀库间的装刀与卸刀操作。良好的结构设计能够实现刀库与机床主轴之间刀具的快速装卸，提高机床的工作效率。 在车床、镗床、铣床、插、拉床、磨床、数控加工中心、齿轮加工中心、切断机床、特种加工机床、组合机床、柔性制造系统等众多机械加工设备中，镗铣床加工特点：加工过程中工件不动，让刀具移动，并使刀具转动（主运动），在实践中具有“万能机床”的称号1。镗铣床主要是刀具在工件上加工已有预制孔的机床。通常，刀具旋转为主运动，刀具或工件的移动为进给运动。它主要是用来加工高精度孔或一次定位完成多个孔的精加工，此外还可以从事与孔精加工有关的其他加工面的加工2。1.2数控镗铣床概述和结构组成数控镗铣床也称“加工中心”机床，是一种新型机床，是一种具有自动换刀装置和任意分度数控转台的点位-直线数字控制机床。工件在一次装夹后能自动完成几个侧面的钻、铣、镗、铰、攻丝等多种工序的加工，有立式和卧式之分。在机械零件中，箱体类零件占相当大的比重，例如变速箱、气缸体、气缸盖等3。这类零件往往重量较大，形状复杂，加工的工序多。如果能在一台机床上，一次装夹自动地完成大部分工序，对于提高生产率，提高加工质量和自动化程度将有很大的意义。箱体类零件的加工工序，主要是铣端面和钻孔、攻螺纹、镗孔等孔加工。因此，数控镗铣床集中了钻床、铣床和镗床的功能，有下列特点：a. 工序集中 集中了铣削和不同直径的孔加工工序。b. 自动换刀 按预定加工程序，自动地把各种刀具换到主轴上去，把用过的刀具换下来。因此，要有刀库、换刀机械手等。c. 精度高 各孔的中心距全靠各坐标的精度来保证，不用钻、镗模。有的机床，还有自动转位工作台，用来保证各孔各面间的角度。镗孔时，36毕业设计（论文）还可先镗这个壁上的孔，然后工作台转180度，再镗对面壁上的孔。两孔要保证达到一定的同轴度。1.2.1 数控镗铣床的结构组成a. 机床本体 数控镗铣床常按主轴在空间所处的状态，分为立式数控镗铣床和卧式数控镗铣床。机床本体是用来支撑机床的工作以达到加工生产目的，主要由床身和立柱组成。b. 主轴结构 主轴部件既要满足精加工时精度较高的要求，又要具备粗加工时高效切削的能力，因此在旋转精度、刚度、抗振性和热变形等方面，都有很高的要求。在布局结构方面，对于具有自动换刀功能的数控镗铣床，其主轴部件除主轴、主轴轴承和传动件等一般组成部分外，还有刀具自动加紧、主轴自动准停和主轴装刀孔吹净等装置。c. 数控转台 数控转台可以进行任意角度定位，它的功用有两个：一是使工作台进行圆周进给运动，二是使工作台进行分度运动。d. 换刀装置 数控镗铣床为了能在工件一次装夹中完成多种甚至所有加工工序，以缩减辅助时间和减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。其主要有刀库、横梁升降机构、滑座伸缩机构、手架回转机构、装刀手和卸刀手组成。e. 机床导轨 导轨主要用来支承和引导运动部件沿一定的轨道运动。在导轨副中，运动的一方叫运动导轨，不动的一方叫支撑导轨。运动导轨相对于支撑导轨的运动，通常是直线运动或回转运动4。1.3国内外研究情况当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展3,s。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，己形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在20世纪80年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早己成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。中国加入WTO后，正式参与世界市场激烈竞争，今后如何加强机床工业实力、加速数控机床产业发展，实是紧迫而又艰巨的任务5。随着数控镗铣床的发展，机床附件行业必须有与之相配套的产品，要能跟得上数控镗铣床的步调，数控镗铣床竞争是激烈的，机床附件行业竞争也是激烈的，但恶性的竞争终将给行业带来黑暗，机床附件行业急需公平的良性竞争6。毕业设计（论文）我国机床的功能部件虽然从“小件、“配套件的地位提升到“关键岗位并受到重视，但一直是在“重主机、轻配套，“重洋轻土这样的大环境中逆水行舟、艰难成长。长期以来我们对功能部件关注不够，在功能部件上无所作为很难使我们的机床产业上一个台阶，购买国外的功能部件只能使我们的产业缺乏竞争力7。我国滚动功能部件产业是土生土长的民族工业，有着40多年的发展历史，行业虽小（约60多家企业）却有一批从上世纪60年代“精密机床全国会战中成长起来的骨干企业。在生产规模、硬件设施等方面与国外同行不相上下。再加上近几年出现的一批新生的企业，行业竞争越来越激烈，我们应为机床附件行业提供一个好的公平的竞争环境。这才能促进行业更进一步发展。最近几年，随着国民经济快速稳定发展，装备制造业的振兴以及整个制造业技术升级和国防现代化需求加大，在固定资产投资较快增长的拉动下，我国机床附件工具市场呈现产需两旺的态势，代表装备制造业先进水平的数控机床生产更是乘势而上8。强劲的市场需求拉动，促使国内机床工具行业出现了产销畅旺的局面，机床附件行业在强大的需求之下也是如虎添翼，奋力前进9。1.4本课题研究的主要内容1.4.1本课题研究的主要内容a. 了解刀库机械手回转与装卸刀机构的性能要求； b. 了解刀库机械手回转与装卸刀机构的工作原理，进行结构设计和计算分析； c. 设计指标：回转油缸摆动，带动手架回转，实现主轴和刀库间的换刀动作，手臂沿手臂座移动，完成拔刀和插刀动作； d. 应用CAD系统对系统零件和装配建模和仿真1.4.2研究方案a. 明确文章的研究内容，确定研究对象；b. 大量收集并查阅相关资料，力求条理清晰。1.4.3研究方法a. 坚持很好地全部阅读指导教师指定的参考资料、文献，并阅读了较多的自选资料和较多的外文资料，积极开展调研论证；毕业设计（论文）b. 充分利用时间，提前学习专业软件，能够熟练运用CAD 软件进行设计、分析、加工等操作，使产品提前得到的方案可行性设计。c. 采用同其它同等机械类设备的类比，方案比较等方法，根据实际应用特征及现有的物质、经济技术、人力等条件，以所学的理论知识为基础，按照工业机械手工作的一般过程、设计标准。借鉴以往相似设备的成功经验进行初步设计然后对初步设计方案进行验算，修正，直至达到安全、经济、实用的目的。其中对于机械手设计中的关键问题、难点问题进行重点分析解决，确保整个设计方案的可行性和最佳性10。图1.1 刀库机械手回转与装卸刀自动换刀装置是数控加工中心在工件的一次装夹中实现多道工序加工不可缺少的装置,主要由刀库、机械手和驱动装置几部分组成。机械手和驱动装置是两个关键部分,根据驱动装置的不同,自动换刀装置可分为凸轮式、液压式、齿轮式、连杆式及各种机构复合式,其中以凸轮式用得较多11。图1.2刀库机械手回转与装卸刀机械手回转及装刀、卸刀机构，是用于主轴和刀库间的装刀、卸刀的换刀装置。回转油缸15摆动，带动手架3回转，实现向主轴和刀库换刀的动作。当拔刀油缸7通入压力油时，缸体连同手臂8沿手臂座22移动，完成拔刀和插刀动作。手臂8靠十字交叉滚子在手臂8的V字型导轨上移动。2 总体方案的确定2 总体方案的确定2.1主要技术参数 a. 刀库容量：4-6 b. 选刀方式：顺序选刀 c. 重复精度： 5数控卧式镗铣床主要由床身、升降台、工作台、立铣头、镗头、主传动、主变速、拉刀机构、液压系统、自动润滑系统、冷却系统、吊挂、电柜等部分组成。机床本身并不带自动换刀装置。自动换刀装置作为一套独立的、完整的机床部件，设计依据是该机床的型式、工艺范围及刀具的种类和数量等。2.2自动换刀装置的设计参数在铣削轮廓时，为了保证一次连续地加工出全部表面，应选用半径小于工件最小轮廓半径的刀具，而在实际的生产加工中，常尽量选用直径较大的铣刀，因为大直径铣刀刚性好，耐用度高。由数控卧式镗铣床推荐使用的最大切削范围可知，当铣切钢时，铣刀直径为10 mm。当铣灰铸铁时，铣刀直径达25mm。因此，为了满足该机床的实际加工能力与生产情况，在设计其自动换刀装置时，应该根据最大的刀具直径来设计，即设计的换刀装置能交换25mm的刀具。初估最大直径刀具的重量为8kg。2.3确定数控卧式镗铣床自动换刀装置的形式数控机床的自动换刀装置的结构形式多种多样，选择何种形式，主要取决于机床的种类、工艺范围以及刀具的种类和数量等。由于数控卧式镗铣床是一种使用范围较广的机床，且其可加工零件的精度要求也较高，比较上章介绍的几种换刀形式，决定选用带刀库的自动换刀形式。 带刀库的自动换刀装置是由刀库和刀具交换装置（换刀机械手）组成。它是多工序数控机床上应用最广泛的换刀装置，其整过换刀过程比较复杂。首先把加工过程中需要使用的全部刀具安装在标准的刀柄上，在机床外进行尺寸预调后，按一定的方式装入刀库。换刀时，先在刀库中进行选刀，毕业设计（论文）由机械手从刀库和主轴上取出刀具，然后交换位置，把新刀插入主轴，旧刀放回刀库。存放刀具的刀库可具有较大的容量，它既可以安装在主轴箱的侧面或上方，也可以作为独立部件安装在机床以外。数控卧式镗铣床主轴箱上方没有好的安装位置，安装在机床外又要增加刀具运输时间，降低效率，所以安装在机床侧面最合适，有些部件交错的地方，作适当的调整。因为数控卧式镗铣床外形及其他性能参数等均与JCS018A数控立式镗铣床相似，所以本机床的自动刀装置的设计将仿效JCS018A数控立式镗铣床换刀装置，设计成由由盘式刀库和回转式双臂机械手组成。设计增加自动换刀装置后的数控卧式镗铣床的外观图如图2.1所示。图2.1 数控卧式镗铣床的外观图3 机械手3 机械手3.1机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。其组成及相互关系如下图：3.1.1执行机构a. 手部手部安装在手臂的前端。手臂的内孔装有转动轴，可把动作传给手腕，以转动、伸屈手腕，开闭手指。本课所指的机械手仅需开闭手指。机械手手部的机构系模仿人的手指，分为无关节，固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指和四指等，其中以二指用的最多。可以根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作需要。本课所做的机械手采用二指形状。 b. 手臂手臂有无关节和有关节手臂之分。本课所做的机械手的手臂采用无关节臂。手臂的作用是引导手指准确的抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确的定位。本课题所做的机械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左转、右转三个方向的定位均采用行程开关控制，以保证定位的精度。总括机械手的运动离不开直线移动和转动二种，因此，它采用的执行机构主要是直线油缸、摆动油缸、电液脉冲马达、伺服油马达、直流伺服马达和步进马达等。躯干是安装手臂、动力源和执行机构的支架。3.1.2驱动机构 驱动机构主要有四种，液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压气，动用的最多，占90 以上，电动、机械驱动用的较少。液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、毕业设计（论文）马达加上齿轮、齿条实现直线运动，利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用4-6 ， 个大气压，个别的达到 8-10 个大气压。它的优点是气源方便，维护简单， 成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。电气驱动采用的不多。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构，直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构，有的采用直线电动机。通用机械手则考虑用步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等。电气驱动的优点是动力源简单 ，维护，使用方便。驱动机构和控制系统可以采用统一形式的动力，出力比较大，缺点是控制响应速度比较慢。机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，速度高，成本低，缺点是不易调整。本课题所做的机械手采用电动机带动丝杠螺母机构来实现手臂的上升、下降方面。采用手臂的左转、右转、手臂的夹紧、放松方面。3.1.3控制系统机械手控制系统的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。 它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作 。3.1.4课题工作要求a. 用途在给定的程序指令下，配合刀库和卧式镗铣床，简称主机，实现所有加工工序的自动装、卸刀。b. 规格参数抓重： 20kg自由度数： 4坐标形式： 圆柱坐标毕业设计（论文）手架运动参数： 拔、插刀行程（即滑座伸缩 z）： 155mm（最大180mm） 升降行程（即找刀排 y ）： （刀排间垂直方向距离为 4 2 0 毫米）共四排 回转角度（w）： 180 装 卸刀手手臂伸缩行程（x）： 195mm 手指夹持刀柄的直径： 100mm 位置检测与定位方式： 滑座伸缩、手架会装和装、卸刀手手臂伸缩运动采用行程开关进行位置检测，有挡块（或活塞与端盖）定位。手架升降运动采用无触电行程开关进行位置检测，并控制三位四通阀适时“关闭”来定位。 缓冲方式 ：滑座伸缩、装卸刀手手臂伸缩运动采用油缸端部节流缓冲，手架回转运动采用转换不同尺寸的出油口增加背压减速缓冲，手架升降运动采用无触点行程 开关发信，切断油路缓速缓冲。 驱动方式： 液压控制方式： 数字控制3.2机械手手部的结构的设计3.2.1机械手手抓的设计计算毕业设计（论文）a. 手抓的力学分析 (a) (b)1 手指 2销轴 3 杠杆图3.1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析在杠杆3的作用下,销轴2向上的拉力为 F ,并通过销轴中心O点,两手指1的滑槽对销轴的反作用力为 F和F1 其力的方向垂直于滑槽的中心线 OO1和OO2 并指向O点,交F1和 F2的延长线于A及 B。由 得 得 由， (3.1)式中 a 手指的回转支点到对称中心的距离（mm） 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分析可知： 当驱动力 F 一定时，角增大，则握力FN也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大,以及手部结构增大，因此最好=30 4 0 。3.2.2夹紧力及驱动力的计算 手指加在工件上的夹紧力,是设计手部的主要依据。 必须对大小、 方向和作用点进行分析计算。一般来说,需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷,以便工件保持可靠的夹紧状态 。 手指对工件的夹紧力可按公式计算：FK1K2K3G式中 K1安全系数,通常 1.02.0； K2工作情况系数,主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估，其中a，重力方向的最大上升加速度：； vmax运载时工件最大上升速度 t响系统达到最高速度的时间,一般选取 0.030.5s； K3方位系数,根据手指与工件位置不同进行选择。 G 被抓取工件所受重力（N）。表3.2 液压缸的工作压力作用在活塞上外力 F(N)液压缸工作压力Mpa作用在活塞上外力 F(N)液压缸工作压力Mpa小于500000.8-120000-300002.4-4.05000-100001.5-2.030000-500004.0-5.010000-200002.5-3.050000以上5.0-8.0计算：设a=100mm，b=50mm，1040； 机械手达到最高响应时间为 0.5s， 求夹紧力FN和驱动力F和驱动液压缸的尺寸。 a. 设K1=1.5 (3.2) 根据公式，将已知条件带入 ： b. 根据驱动力公式得： c. 取=0.85 d. 确定液压缸直径D选取活塞杆直径 d=0.5D选择液压缸压力油工作压力p=0.8-1Mpa； (3.3)根据表 3.2（JB826-66），选取液压缸内径为D=63mm；则活塞杆内径为： D=630.5=31.5，选取d=32mm3.2.3机械手手抓夹持精度的分析计算机械手的精度设计要求工件定位准确，抓取精度高，重复定位精度和运动稳定性好，并有足够的抓取能力 机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度 (由臂部和腕部等运动部件来决定)，而且也于机械手夹持误差大小有关。 特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定进行机械手的夹持误差。该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持范围为 80mm-180mm；一般夹持误差不超过 1mm分析如下：工件的平均半径: 手指长 l=100mm，取V型夹角2=120偏转角按最佳偏转角确定：计算： 当S时带入有： (3.4) 夹持误差满足设计要求。3.2.4 弹簧的设计计算选择弹簧是压缩条件，选择圆柱压缩弹簧。计算过程如下。 a. 选择硅锰弹簧钢，查取许用切应力； b. 选择旋绕比C=8，则 c. 根据安装空间选择弹簧中径 D=42mm估算弹簧丝直径 d. 试算弹簧丝直径: e. 根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数： 选择标准为 n =3，弹簧的总圈数n1=n+1.5=3+1.5=4.5圈 f. 最后确定D=42mm，d=7mm，D1=D-d=42-7=35mm D2=D+d=42+7=49mm g. 对于压缩弹簧稳定性的验算 对于压缩弹簧如果长度较大时,则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。为了避免这种现象压缩弹簧的长细比， 本设计弹簧是 2端自由，根据下列选取： 当两端固定时，b 5.3，当一端固定：一端自由时，3b 7 ， 当两端自由转动时，b 2.6 。结论本设计弹簧 b = 1.76 2.6 ，因此弹簧稳定性合适。 h. 疲劳强度和应力强度的验算对于循环次数多、在变应力下工作的弹簧 ，还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应力强度进行验算 ，如果变载荷的作用次数 N 103， 或者载荷变化幅度不大时（可只进行静应力强度验算）。现在由于本设计是在恒定载荷情况下，所以只进行静应力强度验算。计算公式Ss选取 1.3-1.7（力学性精确能高）结论：经过校核，弹簧适应 。3.3机械手腕部结构的设计3.3.1腕部的结构以及选择a. 典型的腕部结构(1) 具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。 它具有结构紧凑 、 灵活等优点而被广腕部回转，总力矩 M，需要克服以下几种阻力，克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定，（一般小于270）。(2) 齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于270 的情况下 ，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。(3) 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。(4) 机-液结合的腕部结构。b. 腕部结构和驱动机构的选择 本设计要求手腕回转180，综合以上的分析考虑到各种因素， 腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构 ，采用液压驱动。3.3.2腕部的设计计算a. 腕部设计考虑的参数夹取工件重量 60Kg回转b. 腕部的驱动力矩计算（1） 腕部的驱动力矩需要的力矩M惯。（2） 腕部回转支撑处的摩擦力矩M摩。夹取棒料直径 100mm长度1000mm重量 60Kg当手部回转180 时，计算力矩： 1） 手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体高为220mm直径120mm其重力估算G=3.14 2） 擦力矩 M摩=0.1 m 。 3） 启动过程所转过的角度启=18=3.14rad，等速转动角速度= 2.616 s2。 (3.5)查取转动惯量公式有：代入： c. 腕部驱动力的计算表3.3 腕部驱动力图示2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250设定腕部的部分尺寸:根据表设缸体内空半径 R=110mm外径根据表 选择121mm这个是液压缸壁最小厚度,考虑到实际装配问题后,其外径为 226mm动片宽度 b=66mm输 出 轴 r=22.5mm基本尺寸示如图所示。则回转缸工作压力，选择8Mpa图3.4 腕部液压缸剖截面结构示意表3.5 标准液压缸外径 （JB1068-67）（mm）液压缸内径405063809010011012514015016020 钢 p5060769510812113316814618019445 钢 506076951081211331681461801941802002192452192453.3.3液压缸盖螺钉的计算图3.6 缸盖螺钉间距示意表3.7 螺钉间距 t 与压力 P 之间的关系工作压力p(Mpa)螺钉的间距t（mm）0.51.5小于1501.52.5小于1202.55.0小于1005.010.0小于80缸盖螺钉的计算，如图所示，t为螺钉的间距，间距跟工作压强有关，见表，在这种联结中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力计算：液压缸工作压强为p= 8Mpa， 所以螺钉间距 t小 于 80mm，试 选 择 8个螺钉，所以选择螺钉数目合适Z=8个危险截面所以， (3.6) =7908.875N k=1.5-1.8=1.57908.8=11863.3N所以， 螺钉材料选择Q235，则螺钉直径： 螺钉的直径选择 d=16mm3.4臂部臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部,并改变手部在空间的位置。机械手的臂部一般具有2 3个自由度，即伸缩、回旋、俯仰或升降，专用机械手的臂部一般具有 12 个自由度，即伸缩、回转或直移。臂部总重量较大，受力一般较复杂，在运动时，直接承受腕部、手部和工件(或工具)的静、 动载荷，尤其高速运动时，将产生较大的惯性力(或惯性距)，引起冲击，影响定位的准确性。臂部运动部分零部件的重量直接影响着臂部结构的刚度和强度。专用机械手的臂部一般直接安装在主机上，机械手的臂部一般与控制系统和驱动系统一起安装在机身，(即机座)上，机身可以是固定的，也可以是行走式的、即可沿地面或导轨移动。臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取重量、动作自由度、运动精度等因素来确定。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、油缸及倒向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素 ，它们分别是，刚度要大，倒向性要好，偏重力矩要小，运动要平稳、定位精度要高 。3.4.1臂部结构形式机械手的臂部结构一般包括臂部伸缩、回转、俯仰或升降等运动的结构以及与其有关的结构，如传动机构、驱动装置、导向定位装置、支撑连接件和位置检测元件等。此外还有与腕部连接的有关构件及配管、线等。下面介绍一些臂部结构。a. 圆柱坐标机器人的臂部结构，其臂部具有回转、升降、伸缩自由度回转运动通过齿条缸驱动齿轮回转来实现升降与伸缩分别由升降油缸和伸缩油缸驱动。 b. 极坐标机器人的臂部结构，臂回转结构为齿轮齿条缸结构，臂俯仰、臂伸缩均采用直线运动油缸。c. 多关节型机器人的臂部结构，这种类型的 机械手多用于喷漆，故也称为喷漆机器人。 其臂部有回转、 俯仰和前后移动三个运动。回转机构为齿轮齿条缸结构，俯仰和前后运动均采用铰链油缸驱动。d. 臂部伸缩运动结构，用钢管做成伸缩臂，由活塞杆带动齿轮沿固定齿条滚动而产生伸缩运动 ，这种结构的特点是传动效率高，易于实现较大行程和速度，它的行程和速度的大小与齿轮的直径大小有关。e. 臂部俯仰运动的结构，一般采用铰接油（气）缸来实现。铰接油（气）缸位于手臂下方，活塞杆与手臂之间用铰链连接，缸体与立柱之间用耳叉销轴等方式连接。f. 臂部回转及升降运动的结构，可采用齿条缸与升降缸实现臂回转和升降，臂回转还可用回转缸与行星齿轮传动，链条链轮传动。g. 臂部复合运动机构，它是将一个驱动运动分解为1 3个运动，并能依合成运动的形式实现复杂运动的机构。在一些专用机械手中常采用行星齿轮机构、凸轮机构及连杆机构等来实现臂部的复合运动。3.4.2 臂部运动的导向装置臂部的导向装置，机械手的手臂伸缩及升降运动机构上常设置导向装置 ，其目的是： a. 防止移动部件在伸缩及升降时产生不必要的转动，以保证手臂运动方位的准确性。 b. 增大移动部件的刚性， 减少移动部件由于自重与抓取重量所引起的变形和位移。 c. 承受移动部件的部分自重和抓取工件（或工具）的部分重量。导向装置一般根据臂部的安装形式、具体的结构及抓取重量等因素来确定，就导向装置而言，其导向精度、刚度和耐磨性对机械手的精度和其它工作性能影响很大，在设计时必须充分注意。这里仅就几种特殊形式作一简单介绍：(1) 单导向杆式 单导向杆一般配置在驱动油（气）缸体的一侧或活塞杆内。放在活塞杆内时，虽然结构紧凑，但是工艺性比较差。单导向杆导向装置结构简单 、重量轻、摩擦力小，但是承载能力较低 ，刚性差，而且导向杆内走管通道少。一般用于较小型的机器人。单导向杆一般采用实心圆杆 、方杆、 空心圆杆、花键轴等。方杆比圆杆刚性好，但加工比较困难。(2) 双导向杆式 双到向杆一般对称配置在驱动油（气）缸两侧。这种形式受力情况好、刚性大，可承受重载，导向杆内部走管道多，便于油路配置 。但转动惯量增加，不利于回转定位。双导向杆一般采用圆杆，以便内部通走管。(3) 导轨式 导轨式的形式较多，其共同特点是刚性好，工作平稳、导向性能好，但结构比较复杂。适用于负载较重、速度较低的机器人或专用机械手。(4) 滚珠花键式 焊接结构的轴套前端固接一个循环滚珠套， 套内装有若干钢珠，并设有保持架。滚珠花键轴的圆弧性花键槽与其中一部分钢珠配合 ，轴套的转动通过循环滚珠套及钢珠传给花键轴，花键轴在随手臂移动时便带动钢珠滚动并自行循环，实现滚动摩擦代替普通花键轴的滑动摩擦。这种结构摩擦阻力小，定向精度高，移动速度快，但是结构比较复杂，制造成本高。臂部具有3个自由度、即升降、回转、伸缩运动。臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取重量、动作自由度、运动精度等因素来确定。为了防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂要有足够的刚度，导向性要好，偏重力矩要小，运动要平稳，定位精度要高，回转运动用伺服电机驱动，通过一对内齿轮实现手臂的回转运动。伸缩运动用伺服电机驱动，由斜齿轮带动螺杆、螺母作相对的移动，使手臂能灵活地伸缩。升降运动用伺服电机驱动，通过丝杠与滚珠的回转，带动外壳体在机座外侧表面作相对滑动，实现手臂的升降。在手臂回转运动中，手臂的重量通过大齿轮由交叉轴承。该轴承是根据标准的止推轴承特制设计的，8320型属此种。8320 的额定运载荷是 21700ckN，额定静载荷是57200ckN，完全可以满足许用条件要求。该轴承的内 、外圈都可有螺孔以联接用，并且在淬火之前铣一外圈的键槽和大齿轮进行周向固定。特制的交叉滚珠轴承结构尺寸如下： d=140.0mm D=287.0mm B=54.0mm润滑方式 ：脂润滑。机座：是机械手用来手臂部件，并安装驱动装置与其它装置的部件，故稳定性要好，且满足足够的刚度，机座为7 0 0 的尺寸，足够满足运动时的平稳。3.5机械手机身的设计计算机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动 .这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。3.5.1机身的整体设计按照设计要求，机械手要实现手臂180的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构,就要综合考虑,分析。机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分 。常用的机身结构有以下几种： a. 回转缸置于升降之下的结构 这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。 b. 回转缸置于升降之上的结构 这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。 c. 活塞缸和齿条齿轮机构 手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现，齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。分析：经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。如上图所示，回转机构置于升降缸之上的机身结构。手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。活塞杆采用空心，内装一花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导向。花键轴与与升降缸的下端盖用键来固定，下短盖与连接地面的的底座固定。这样就固定了花键轴，也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是导向杆在内部，结构紧凑。具体结构见下图。驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，一个进油孔，一个排油孔，分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定，对于本设计就是考虑两个叶片之间可以转动的角度为满足设计要求，设计中动片和静片之间可以回转180。3.5.2机身回转机构的设计计算a. 回转缸驱动力矩的计算手臂回转缸的回转驱动力矩M驱 ，应该与手臂运动时所产生的惯性力矩M惯及各密封装置处的摩擦阻力矩M阻 相平衡。M驱=M惯+M阻+M回惯性力矩的计算 . (3.6)式中 回转缸动片角速度变化量（ rad s ），在起动过程中 = ， t 起动过程的时间(s). J0手臂回转部件(包括工件)对回转轴线的转动惯量(Nms2 ) 。 若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为，则 (3.7)式中 Jc回转零件的重心的转动惯量。 (3.8)回转部件可以等效为一个长1800mm直径为 60mm的圆柱体,质量为159.2Kg设置起动角度=18则起动角速度 =0.314rad s，起动时间设计为0.1s。密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下M阻=0.03M驱由于回油背差一般非常的小，故在这里忽略不计。经过以上的计算M驱=4839.5Nms2b. 回转缸尺寸的初步确定设计回转缸的静片和动片宽 60mm，选择液压缸的工作压强为8Mpa。d为输出轴与动片连接处的直径，设 d=50mm 则回转缸的内径通过下列计算：D=151mm既设计液压缸的内径为 150mm， 根据表 选择液压缸的基本外径尺寸 180mm（不是最终尺寸），再经过配合等条件的考虑。c. 液压缸盖螺钉的计算根据表3.7所示，因为回转缸的工作压力为 8Mpa 所以螺钉间距t 小于 80mm,根据初步估算,，所以缸盖螺钉的数目为(一个面 6个，两个面是12个)。危险截面所以， K=1.5-1.8=1.520933=31400N螺钉材料选择 Q235，则 (n=1.2-2.5)螺钉的直径 螺钉的直径选择 d=20mm 选择 M20 的开槽盘头螺钉。经过以上的计算,需要螺钉来连接，最终确定的液压缸的截面尺寸如图3.9所示，内径为150mm外径为230mm输出轴径为50mm。图3.8 回转缸的截面图3.6自动换刀机械手的滑座伸缩和手架回转运动机构图3.9 滑块旋转机械手由滑座1、活塞杆2、转柱3、回转油缸4、滚珠组5，滚柱按十字交叉位置放置、预紧螺钉6、定位螺钉7、定位块8和V形导轨9组成。 滑座伸缩，当有关13、14分别想滑座1上的油缸两腔同压力油时，驱动滑座，因活塞杆2固定在横梁上，使滑座在十字交叉放置的滚柱和V形滚动导轨9上往复运动高压注意呼吁带动手架来完成拨、插刀运动。亲行程位置的检测由安装在横梁上的行程开关完成。在活塞杆2上的活塞两端加工成圆锥形，配合油缸端部其节流缓冲作用。图3.10 滑块伸缩手架回转：当油管15、16分别通压力油回转到油缸4的两腔时，推动动片连同转轴一起转动，通过平键使转柱3和手架回转。其回转角度的检测由行程开关发，并用定位螺钉7和定位块8来定位。 该手架在图示位置剖面为手架转向主轴时的位置。回转油缸的端盖进出油口分别有3对即a、b、c和abc,当接到手架转向刀库指令后，三位四通电磁滑阀换向油管16进压力油从油孔c进到回转油缸工作腔使动片启动一定角度后动片将油孔c打开进油，快速回转，回有腔油液从a、b孔排出动片将油孔出a打开进油，快速回转，回油腔油液从a、b孔排出，待将a打开进油，快速回转，回油腔油液从a、b孔排出，动片回转速度降下来以达到减速缓冲。减速度的大小可通向回转油缸端盖上的调节螺钉进行调节。 4刀具交换装置的设计4 刀具交换装置的设计数控机床的自动换刀装置中,实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具交换装置。刀具的交换方式通常分为两种: 一种是采用机械手交换刀具, 另一种是由刀库与机床主轴的相对运动来实现刀具交换即无机械手交换刀具。刀具的交换方式及它们的具体结构对机床的工作效率和工作可靠性有直接的影响。由数控卧式镗铣床的结构特性决定难以实现由刀库与机床主轴的相对运动来实现刀具交换，故采用机械手交换刀具的方式。 机械手是当主轴上的刀具完成一个工步后，把这一工步的刀具送回刀库，并把下一道工步的所需的刀具从刀库中取出并装入主轴继续加工的功能部件。对机械手的具体要求是迅速可靠，准确协调。4.1换刀机械手抓刀部分结构 如图4-1所示机械手抓刀部分结构。它主要由手臂1和固定于其两端的结构完全相同的两个手爪1组成。手爪上握刀的圆弧部分有一锥销2，机械手抓刀时，该销插入刀柄的键槽中。1-手爪； 2-锥销； 3-手臂； 4、5-弹簧； 6-活动销； 7-长销； 8-锁紧销 图4.1 机械手臂与手爪毕业设计（论文）当机械手由原位转75抓住刀具时，两手爪上的长销7分别被主轴前端面和刀库上的挡块压下，使轴向开有长槽的活动销6在弹簧4的作用下右移顶住刀具。机械手拔刀时，长销7与挡块脱离接触，锁紧销8被弹簧5弹起，使活动销顶住刀具不能后退，这样机械手在回转180时，刀具不会被甩出。当机械手上升插刀时，两长销7又分别被两挡块压下，锁紧销从活动销孔中退出，松开刀具，机械手便可反转75复位。4.2机械手传动结构下图为本设计刀库所用采用的机械手结构示意图。如前述刀库结构，刀套向下转90后，压下行程开关，发出机械手抓刀信号。此时，机械手21正处在图中所示的上面位置，液压缸18右腔通压力油，活塞杆推动齿条17向左移动，带动齿轮11转动（连接盘与齿轮11用螺栓连接，它们空套在机械手臂轴16上，传动盘10与机械手臂轴16用花键连接），使机械手回转75抓刀。抓刀动作结束进，齿条17上的挡环12压下行程开关14，发出拔刀信号，于是升降液压缸15的上腔通压力油，活塞杆推机械手臂轴16下降拔刀。在轴16下降进，传动盘10随之下降，其下端的销子8插入连接盘5的销孔中，连接盘5和下面的齿轮4也是用螺栓连接的，它们空套轴16上。当拔刀动作完成后，轴16上的挡环2压下行程开关1，发出换刀信号。这时转位液压缸20的右腔通压力油，活塞杆推动齿条19向左移动，带动齿轮和1、3、7、9、13、14-行程开关； 2、6、12-挡环； 4、11-齿轮；5-连接盘； 8-销子； 10-传动盘； 15-升降液压缸； 16-机械手臂油； 17、19-齿条； 18、20-转位液压缸； 21-机械手。图4.1机械手传动结构示意图连接盘5转动，通过销子8，由传动盘带动机械手转180，交换主轴上和32毕业设计（论文）刀库上的刀具位置。换刀动作完成后，齿条19上的挡环6压下位置开关9，发出插刀信号，使升降油缸下腔通压力油，活塞杆带着机械手臂轴上升插刀，同时传动盘下面的销子8从连接盘5的销孔中移出。插刀动作完成后，轴16上的挡环压下行程开关3，使转位油缸20的左腔通压力油，活塞杆带着齿条19向右复位，齿轮4空转，机械手无动作。齿条19复位后其上挡环压下行程开关7，使液压缸18的左腔通压力油，活塞杆带着齿条17向右移动，通过齿轮11使机械手反转75复位。机械手复位后，齿条17上的挡环压下行程开关13，发出换刀完成信号，使刀套向上翻转90，为下次选刀做好准备。同时机床继续执行后面的操作。4.3自动换刀过程的动作顺序 机械手将刀具从刀库中取出送至机床主轴上，然后将用过的旧刀送回刀库。其动作过程简述如下（结合如下换刀过程示意图4-3）：a. 刀套下转90 如上图a所示刀库位于立柱左侧，刀具轴线在刀库中的安装方向与主轴垂直。换刀前，刀库将待换刀具送到换刀位置，然后刀套连同刀具翻转90，使刀具轴线与主轴轴线平行，如图b所示。b. 机械手转75 如图c所示，换刀机械手逆时针旋转75，两手爪分别抓住刀库上和主轴上的刀柄。c. 机械手拔刀 待主轴上自动夹紧机构松开刀具后，机械手下降，同时拔出主轴上和刀库上的刀具，如图d所示。 图4.2 自动换到示意图d. 刀具位置交换 如图e所示，机械手逆时针转180，使主轴刀具与刀库刀具交换位置。e. 机械手插刀 机械手上升，分别将刀具插入主轴锥孔和刀库刀套中,如图f所示。f. 机械手顺时针转75 如图g所示,待主轴上自动夹紧机构夹紧刀具后，机械手顺时针转75，回到原始位置。h. 刀套带着换回的旧刀具向上翻转90，准备下一次选刀,如图h所示。4.4自动换刀装置的相关技术要求4.4.1 主轴准停装置为了传递扭矩，在主轴的前端装有端键，当刀具刀柄装入锥孔时，刀柄上的键槽位置必须与该键对准才能装入。当机械手从刀库取刀时，为了确保刀具其后能顺利地装入主轴锥孔中，必须使主轴准确地停在刀具交换位置上。同时，由于工艺上的需要，也必须使主轴准停在固定位置上。这种使主轴端在定位键停在固定位置的技术要求称为主轴准停。可在主轴上安装电气控制的主轴准停装置以实现主轴准停功能。4.4.1换刀机械手的安装与调试a. 换刀机械手安装在主轴箱的左侧面，加工零件时，换刀机械手随主轴箱一起上下运动；b. 当初装上换刀机械手后，必须进行调试：用手动操纵主式调整换刀机械手相对于主轴的位置，使用调整心棒，有误差时可调整机械手行程、刀库位置、机械手支座、修正主轴坐标原点等。安装最大重量刀具时，要进行多次刀库到主轴位置的自动交换，使机械手换刀时做到准确无误，无撞击。 5自动换刀装置的控制原理5 自动换刀装置
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