毕业设计（论文）-数控机床换刀机械手设计.doc

毕业设计（论文）任务书 学生姓名张彤学号班 级机制二班 指导教师职称教授单 位工程技术系 毕业设计 （论文）题 目 数控机床换刀机械手的设计 毕业设计（论文）主要内容和要求：毕业设计（论文）主要内容和要求： 换刀机械手是数控机床实现自动换刀的重要组成部分。 主要内容和要求：根据数控机床的使用条件，确定换刀机械手的换刀方式，设计新型的机 械手抓取方式和动力驱动方式。并绘制其装配图和零件图。 主要参数： 手架伸缩液压缸最大行程： 100mm 夹持工件质量： 20kg 换刀过程手架旋转角度： 180 换刀机械手复位角度： -75 要求：设计说明书 6000 字以上，装配图和零件图合计三张零号图纸。 毕业设计（论文）主要参考资料：毕业设计（论文）主要参考资料： 1 马香峰. 工业机器人的操作机设计. 第 1 版.北京：冶金工业出版社，1996. 2 何发昌,邵远.多功能机器人的原理及应用. 第 1 版.北京：高等教育出版社，1996. 3 孟繁华.机器人应用技术. 第 1 版.哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社，1989. 4 机械设计手册(第五卷第四十二篇:工业机器人). 北京: 机械工业出版社,1992. 5 王启义.机械制造装备设计. 第 1 版. 北京：冶金工业出版社，2003. 6 冯辛安,黄玉美,杜君文. 机械制造装备设计. 第 1 版. 北京: 机械工业出版社,1999. 7 王爱玲,曾志强. 数控机床结构及应用. 第 1 版. 北京: 机械工业出版社,1999. 8 彭晓南,徐向纮,刘丽冰. 数控技术. 第 1 版. 北京: 机械工业出版社,1999. 9 熊光华,富毅和,刘力群. 数控机床. 第 1 版. 北京: 机械工业出版社,1999. 毕业设计（论文）应完成的主要工作：毕业设计（论文）应完成的主要工作： 了解换刀机械手在数控机床上的应用情况，发现其在使用过程中出现的问题，并根据现在 机械手的使用弊端设计新型换刀机械手的总体结构，确定机械手臂的运动路线、抓取方式及动 力驱动方式，并绘制相应的装配图和零件图。 1.进行总体方案论证、主要结构的设计，零部件的选型及设计计算等； 2. 完成液压通用机械手手腕回转、夹紧部件、手臂伸缩运动部件、手臂升降和手臂回转 装置及夹持式手部的设计，并完成总装图、部件图、零件图共折合 2 张 0#图的绘制。 3.撰写毕业设计说明书，并打印装订成册。 4完成所布置的科技论文的翻译及毕业实习调研报告，一律为打印稿。 毕业设计（论文）进度安排：毕业设计（论文）进度安排： 序号序号毕业设计（论文）各阶段内容毕业设计（论文）各阶段内容时间安排时间安排备注备注 1 准备阶段，搜集有关资料，确定设 计方案 12 月 10 日12 月 20 日 2 撰写开题报告、文献综述、外文翻 译等相关内容 12 月 21 日3 月 12 日 3完成设计雏形，定初稿3 月 12 日3 月 30 日 4完成设计说明书4 月 1 日月 18 日 5定终稿，完成毕业设计4 月 19 日5 月 4 日 6 完成相关设计简介、答辩提纲，准 备答辩阶段 5 月 5 日5 月 14 日 7毕业设计答辩阶段月中旬 课题信息：课题信息： 课题性质： 设计 论文 课题来源： 教学 科研 生产 其它 发出任务书日期： 指导教师签名： 年 月 日 教研室意见：教研室意见： 教研室主任签名： 年 月 日 学生签名： 毕业设计开题报告 学生姓名张彤学号专业班级机制二班 指导教师职称教授单 位工程技术系 课题性质设计 论文课题来源科研 教学 生产 其它 毕业设计题目数控机床换刀机械手的设计 开题报告（阐述课题的目的、意义、研究现状、研究内容、研究方案、进度安排、预期结开题报告（阐述课题的目的、意义、研究现状、研究内容、研究方案、进度安排、预期结 果、参考文献等）果、参考文献等） 1.1.课题研究目的及意义课题研究目的及意义 本设计主要是在实现手指夹紧、手臂伸缩、手架伸缩以及手架旋转运动的基础上，为 数控机床换刀机械手的研究提供几种新的设计方案，并通过论证分析，选择其中一种比较 理想可行的方案进行设计计算，以达到准确、稳定、快速、可靠换刀的目的。在满足数控 机床换刀机械手各种运动要求的同时，本设计也在一定程度上简化了换刀机械手的结构， 以方便数控机床换刀机械手的加工制造过程。 2.2.课题研究现状：课题研究现状： 近年来，随着世界制造业向中国转移，我国对机床的需求量大增。同时，经过多年的 努力，我国数控机床的开发水平也有了很大进步，数控机床的品种和质量均比以往有 所提高，部分机床制造主导厂还开发出具有相当水平的数控设备。但是，通过有 关部门给出的资料，只要作进一步的分析与了解，我们就会发现，国产数控机床在消费量 的台数中虽占有一半（55%）以上，但它们多是些技术水平较低、价格相对便宜的普通产 品，如数控车床、数控铣镗床和线切数机床等，高、中档数控产品则较少，而且这些产品 的核心技术或功能部件，如数控机床换刀机械手、全功能的数控伺服系统，高速电主轴， 数控刀架乃至高速安全防护装置等，还多是由中外合资企业提供或是从国外进口的1。这 也说明由于技术发展的不平衡，在多种条件制约下，目前我国数控机床的整件技术水 平与国际先进水平相比还有一定距离，部分高性能、高速、高精度的数控机床仍需 要依靠海外进口。 功能部件技术水平的高低、性能的优劣以及整体的社会配套水平，都直接决定和影响 着数控机床整机的技术水平和性能，也制约着主机的发展速度。而换刀机械手则是数控机 床稳定可靠运行的关键功能部件。它的快速、准确的换刀程序是影响数控机床发挥高效、 可靠的加工性能的重要因素。没有换刀机械手，就不可能有集中工序进行加工的数控机床。 有资料显示，刀库和机械手的故障率约占整机故障率的 25%1。所以说，换刀机械手的性 能、质量直接影响着数控机床整机的性能、质量和品种的发展。 数控机床是备有刀库，并能自动更换刀具，对工件进行多工序加工的一种功能较全的 数字控制机床，也是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家 设计、制造的水平，是判断企业技术能力和工艺水平标志的一个方面2。数控机床中实现 刀库和机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为自动换刀装置，它的功能是储备一定数量 的刀具并完成刀具的自动交换。自动换刀装置可帮助数控机床节省辅助时间，并满足在一 次安装中完成多工序、工步加工要求。它由存放刀具的刀库和换刀机构组成。作为自动换 刀装置，它需要满足换刀迅速、时间短，重复定位精度高，刀具储存量足够，所占空间位 置小，工作稳定可靠等特点3。 换刀装置中刀具的交换形式及它们的具体结构对机床的工作效率和工作可靠性有着直 接影响。数控机床的自动换刀形式可分为无机械手换刀方式和有机械手换刀方式两大类。 无机械手换刀方式一般是采用把刀库放在主轴箱可以运动到的位置，同时，刀库中刀具的 存放方向一般与主轴上的装刀方向一致。无机械手换刀方式是由刀库和机床主轴的相对运 动实现刀具的交换的，这种方式结构简单，但换刀时间要长。目前，数控机床的自动换刀 装置大都采用有机械手换刀方式，因为有机械手换刀装置在刀库的配置、与主轴的相对位 置及刀具数量确定上都比较灵活，机械手数量和换刀形式比较随意，换刀时间比较短，应 用广泛4。换刀机械手的形式有单臂式、双臂式、回转式和轨道式等，而常用双臂式机械 手的手爪结构形式又分为钩手、抱手、伸缩手和叉手等2。 数控机床换刀机械手作为数控机床的一个重要的功能部件，它在国内外的数控机床制 造领域中已受到广泛的重视。目前，在国外 bt40 的换刀时间已达到 0.9 秒，bt50 的换刀 时间也达到了 1.5 秒左右，国内也出现了立、卧两用凸轮式换刀机械手和用于五轴联动的 换刀机械手的研究。 数控机床换刀机械手的主要任务是，完全模拟人手的换刀动作，给机床主轴与弹簧夹 头提供相对转动实现夹紧、放松刀具的动作。机械手应具备足够的转矩，同时还应使机械 手具备结构紧凑、占据空间小的特点，以适应不同类型机床的换刀空间4。随着机械加工 业的发展，制造行业对数控机床换刀机械手的需求量会越来越大。 3.3.研究内容：研究内容： (1)根据目前常用的数控机床换刀机械手的换刀方式，对手臂伸缩与手指夹紧机构、 手架旋转与手架伸缩机构的设计提出几种新的方案，并通过对所提出方案的论证分析，选 择一种较为理想的方案进行具体的设计。 (2)对所选设计方案中换刀机械手的组成机构及各个自由度运动的实现进行分析。 (3)对数控机床换刀机械手的手指夹紧力进行分析与计算，并对其关键部位进行校核， 以保证换刀的可靠性。 (4)对设计中所涉及到的液压缸通过计算确定其个部分结构的具体尺寸，并对个活塞 杆的强度、稳定性以及螺栓的强度进行校核，以保证数控机床换刀机械手能够稳定、可靠 的完成换刀过程。 (5)对设计中出现的齿轮、轴等重要零部件通过计算确定尺寸后，要进行安全校核。 (6)设计出数控机床换刀机械手的控制系统部分，完善设计内容。 4.4.研究方案：研究方案： 通过阅读大量参考文献，了解了数控机床换刀机械手的优缺点。并对其优缺点进行分 析，根据其应用场合和运动方式，确定最初设计方案。通过对其结构的进一步分析优化， 使其各装置结构尽可能合理化，再通过对设计零件的强度校核及整体的干涉检验，保证设 计方案的可行性以及安全稳定性。 5.5.进度安排：进度安排： (1)准备阶段，搜集有关资料，确定设计方案（12 月 10 日12 月 20 日） 。 (2)撰写开题报告、文献综述、外文翻译等相关内容（12 月 21 日3 月 12 日） (3)完成设计雏形，定初稿（3 月 12 日3 月 30 日） (4)完成设计说明书（4 月 1 日月 18 日） (5) 定终稿，完成毕业设计（4 月 19 日5 月 4 日） (6)完成相关设计简介、答辩提纲，准备答辩阶段（5 月 5 日5 月 14 日） (7)毕业设计答辩阶段（月中旬） 6.6.预期结果：预期结果： 本设计方案在实现手指夹紧、手臂伸缩、手架伸缩以及手架旋转运动的基础上，实现 其准确、快速、可靠、稳定的换刀。 在一定程度上简化了系统结构。而对于手指夹紧、手臂伸缩及手架伸缩运动，则采用 液压驱动方式，即可以准确、稳定的实现各个运动，还可以通过提高液压缸的运动速度来 缩短换刀的时间。 7.7.主要参考文献：主要参考文献： 1 濮良贵、纪名刚主编. 机械设计m.高等教育出版社，2000. 2 吴宗泽，罗圣国主编. 机械设计手册m.高等教育出版社，2006. 3 孙桓、陈作模主编. 机械原理m.高等教育出版社，2000. 4 张钺.新型带式输送机设计手册m.冶金工业出版社.2001 年 2 月. 5 唐金松.简明机械设计手册（第二版）m.上海科学技术出版社.2002 年 6 月. 6 机械设计手册编写组.机械设计手册m.化学工业出版社.2002 年. 7 数控机床功能部件产业化 eb/ol., 2004-08-31. 8 范真.数控机床m.北京：化工工业出版社，2004：42-45. 9 数控机床科普知识eb/ol. , 2004-07-8. 10 数控机床自动换刀系统产品化的研究eb/ol. , 2005-08-03. 11 贾铭新.液压传动与控制m. 北京：国防工业出版社，2001：87-92. 指导教师意见：指导教师意见： 指导教师签名： 年 月 日 教研室意见：教研室意见： 审 查 结果： 同 意 不 同 意 教研室主任签名： 年 月 日 摘摘 要要 本设计主要是对数控机床换刀机械手的设计。机械手的种类很多，在本次设计中机 械手选用回转式双臂机械手。此次设计主要是对数控机床换刀机械手手部进行设计，完 成手部各参数的计算，以及液压传动系统中相关参数的计算和机械手中轴的计算，还有 液压控制系统的设计。它的主要动作是将机床主轴上的刀具与刀库或刀具传送装置上的 刀具进行交换，其动作循环为：拔刀新旧刀具交换装刀。回转式双臂机械手刀具交 换装置具有换刀时间短、动作灵活可靠等.应用最为广泛。本设计也在一定程度上简化了 换刀机械手的结构，以方便数控机床换刀机械手的加工制造过程。 关键词: 数控机床； 换刀机械手；手部设计 abstract the design mainly introduces the design of the robot about cnc machine tool change. many different types of robots, in this design use rotary robot manipulator arms. the design of cnc machine tool change mainly on hand to design robots to complete the calculation of the parameters of the hand, and the hydraulic system related parameters in the calculation and the calculation of the robot axes, as well as hydraulic control system design. its main action is on the machine tool spindle and tool library or tool to send the tool exchange device, the movement cycle are: his sword exchange of old and new tool loaded knife. rotary tool exchange device manipulator arms with the tool change time is short, flexible movement and reliable. it has used widely. this design always simplify the structure of the robot tool changer a certain extent, cnc machine tools to facilitate the processing robot tool changing process. keywords：cnc machine tools; robotic tool changer; hand design 目 录 1绪 论 .1 1.1数控技术的基本概念 .1 1.1.1我国数控技术的发展概况 .1 1.1.2数控机床的组成及特点 .1 1.2数控技术的产生与发展 .2 1.3加工中心的概况 .2 1.3.1加工中心的定义 .2 1.3.2加工中心的组成 .2 1.3.3换刀机械手的发展现状 .3 1.3.4换刀机械手的类型 .4 1.3.5机械手设计的目的及意义 .5 1.3.6确定机械手设计方案 .6 2机械手手部的设计 .7 2.1机械手手臂和手爪的设计 .7 2.1.1手爪口的计算 .7 2.1.2手爪锁的设计与计算 .9 2.2弹簧的选择与设计 .11 2.3手爪的整体尺寸设计 .12 3液压传动系统设计 .14 3.1液压传动的概述 .14 3.2液压缸的设计 .15 3.2.1液压缸的载荷组成及计算 .15 3.2.2升降缸的设计 .16 3.2.3油缸壁厚的设计 .18 3.2.4油缸长度的确定 .19 3.2.5油口直径的计算 .19 3.2.6缸底厚度计算（缸底有油孔） .20 3.3液压回转缸的设计 .20 3.3.1回转缸内径的计算 .20 3.3.2回转缸壁厚的计算 .23 3.3.3缸盖联接螺钉计算 .23 3.3.4动片输出轴联接螺钉计算 .24 4花键轴的设计 .26 4.1花键轴的计算 .26 4.1.1轴的材料选择 .26 4.1.2轴径的初步计算 .26 4.1.3 花键轴的校核 .27 4.2轴承的选择 .28 4.2.1升降缸中轴承的选择 .28 4.2.2对于回转缸的轴承选择 .30 4.3法兰连接的选择 .30 4.4升降缸中(液压缸及活塞杆工作)密封元件 .30 5机械手液压控制系统设计 .31 5.1液压系统图的拟定 .31 5.2液压控制元件选用 .32 结 论 .35 参考文献 .36 致 谢 .37 1绪 论 1.1 数控技术的基本概念 数控技术是利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。用数控 技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控(nc)机床。数控系统 包括：数控装置、可编程控制器、主轴驱动器及进给装置等部分。 1.1.1我国数控技术的发展概况 回顾数控技术的发展已经经历了两个阶段，六代的发展历程。第一个阶段叫做 nc 阶 段，经历了电子管、晶体管、和小规模集成电路三代。自 1970 年开始小型计算机开始用 于数控系统就进入了第二个阶段，叫做 cnc 阶段，成为第四代数控系统：从 1974 年微处 理器开始用于数控系统即发展到第五代。经过十多年的发展，数控系统从性能到可靠性 都得到了根本性的提高。实际上从 20 世纪末期直到今天，在生产中使用的数控系统大部 分都是第五代数控系统。但第五代数控系统以及以前各代都是一种专用封闭的系统，而 第六代开放式数控系统将代表着数控系统的未来发展方向，将在现代制造业中发挥 越来越重要的作用。 1.1.2数控机床的组成及特点 一、数控机床的组成 以一台三坐标数控铣床为例,它是由 x、y、z 三个坐标来实现刀具和工件间的相对运 动的立式数控铣床.它包括信息输入,运算控制(数控装置),伺服驱动及检测反馈,机床本 体,机电接口等部分。 二、数控机床的特点 数控机床上一种新型的自动化机床,它具有广泛的通用性和很高的自动化程度.数控 机床是实现柔性自动化的关键设备,是柔性自动生产线的基本单元.数控机床在如下一些 零件的加工中,更能显示出它的优越性,它们是:小批量而又轮番生产的零件；几何形 状复杂的零件；在加工过程中必须进行多种工序加工零件；切削余量大的零件； 必须严格控制公差(即公差带范围很小)的零件；工艺设计会经常变化的零件；加工 过程中的错误会造成严重浪费的贵重零件；需全部检测的零件等等。 （一） 按运动控制的特点分类 点位控制数控机床 对于一些加工孔用的数控机床,如数控钻床,数控铣床,数控镗床,数控冲床,三坐标测量 机,印刷电路板钻床等。 直线控制数控机床 直线控制的数控机床是指控制机床工作台或刀具以要求的进给速度,沿着平行于坐标 轴的方向精心直线移动和切削加工.如数控车床、某些数控镗铣床和加工中心等。 轮廓控制的数控机床 可以加工斜线、曲线、曲面的数控机床,如数控车床、数控铣床、加工中心等 （二） 按伺服系统的类型分类 开环控制的数控机床 该类机床没有位置检测反馈装置,数控装置发出的指令信号流向是单向的,精度主要 决定于驱动元件和电机的性能。 闭环控制的数控机床 该类机床数控装置中插补器发出的位置指令信号与工作台上检测到的实际位置反馈 信号进行比较,根据其差值不断控制运动,进行误差修正,直到差值为零停止运动。 1.2 数控技术的产生与发展 随着计算机技术的发展，小型计算机应用于数控机床中，由此组成的数控系统称为 计算机数控(cnc)。80 年代末，我国还在一定范围内探索实施 cim，且取得了一些有益的 经验和教益。90 年代我国加强了自主知识产权数控系统的研制工作，而且取得了一定成 效,如在五轴联动数控系统、高精度车床数控系统、数字仿形系统、中低档数控系统等方 面都取得了较好的成果。实际上从 20 世纪末期直到今天，在生产中使用的数控系统大部 分都是第五代数控系统。但第五代数控系统以及以前各代都是一种专用封闭的系统，而 第六代开放式数控系统将代表着数控系统的未来发展方向，将在现代制造业中发挥 越来越重要的作用。 1.3 加工中心的概况 1.3.1加工中心的定义 加工中心(machining center)是由机械设备和数控组成的使用于加工复杂形状工件 的高效率自动化机床。 1.3.2加工中心的组成 从主体上看，加工中心主要由以下几部分组成： （1） 基础部件 基础部件是加工中心的基础结构，它主要由床身，工作台，立柱三部分组成。这三 部分不仅要承受加工中心的静载荷，还要承受切削加工时产生的动载荷。所以要求加工 中心的三大部件必须要有足够的刚度，因此它们是铸造而成的。 （2） 主轴部件 主轴部件是由主轴电机，主轴箱，主轴。主轴轴承等部件组成，主轴是加工中心切 削加工的功率输出部件。它的启动，停止，变速，变向等动作均是由数控系统控制的。 主轴的旋转精度和定位的准确性，是影响加工中心加工精度的重要因素。 （3） 数控系统 加工中心的数控系统由 cnc 装置、可编程序控制器和伺服系统以及面板操作系统组 成，它是执行顺序控制动作和加工过程的控制中心。cnc 装置是一种位置控制系统，其控 制过程是根据输入的信息进行数据处理、插补运算，获得理想的运动轨迹，然后输出到 执行部件，加工出所需要的零件。 （4） 自动换刀系统 换刀系统主要由刀库和换刀机械手组成，如需要进行换刀时，数控系统发出指令， 由机械手从刀库中取出所需要的刀具装入主轴孔内，然后再把换下来的刀具放入刀库。 （5） 辅助装置 包括润滑、冷却、防护、排屑、渡压、气动和检测系统等部分。这部分虽然不直接 参与切削运动，但是也是加工中心不可缺少的部分。对加工中心的加工精度、加工效率 和可靠性起着保障作用。 1.3.3换刀机械手的发展现状 近年来，随着世界制造业向中国转移，我国对机床的需求量大增。同时，经过多 年的努力，我国数控机床的开发水平也有了很大进步，数控机床的品种和质量均比以 往有所提高，部分机床制造主导厂还开发出具有相当水平的数控设备。但是，通过有 关部门给出的资料，只要作进一步的分析与了解，我们就会发现，国产数控机床在消 费量的台数中虽占有一半（55%）以上，但它们多是些技术水平较低、价格相对便宜 的普通产品，如数控车床、数控铣镗床和线切数机床等，高、中档数控产品则较少， 而且这些产品的核心技术或功能部件，如加工中心换刀机械手、全功能的数控伺服系 统，高速电主轴，数控刀架乃至高速安全防护装置等，还多是由中外合资企业提供或 是从国外进口的1。这也说明由于技术发展的不平衡，在多种条件制约下，目前我国 数控机床的整件技术水平与国际先进水平相比还有一定距离，部分高性能、高速、高 精度的数控机床仍需要依靠海外进口。 功能部件技术水平的高低、性能的优劣以及整体的社会配套水平，都直接决定和 影响着数控机床整机的技术水平和性能，也制约着主机的发展速度。而换刀机械手则 是加工中心稳定可靠运行的关键功能部件。它的快速、准确的换刀程序是影响加工中 心发挥高效、可靠的加工性能的重要因素。没有换刀机械手，就不可能有集中工序进 行加工的加工中心。有资料显示，刀库和机械手的故障率约占整机故障率的 25%1。 所以说，换刀机械手的性能、质量直接影响着数控机床整机的性能、质量和品种的发 展。 加工中心是备有刀库，并能自动更换刀具，对工件进行多工序加工的一种功能较 全的数字控制机床，也是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了 一个国家设计、制造的水平，是判断企业技术能力和工艺水平标志的一个方面2。加 工中心中实现刀库和机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为自动换刀装置，它的功 能是储备一定数量的刀具并完成刀具的自动交换。自动换刀装置可帮助数控机床节省 辅助时间，并满足在一次安装中完成多工序、工步加工要求。它由存放刀具的刀库和 换刀机构组成。作为自动换刀装置，它需要满足换刀迅速、时间短，重复定位精度高， 刀具储存量足够，所占空间位置小，工作稳定可靠等特点3。 换刀装置中刀具的交换形式及它们的具体结构对机床的工作效率和工作可靠性有 着直接影响。加工中心的自动换刀形式可分为无机械手换刀方式和有机械手换刀方式 两大类。无机械手换刀方式一般是采用把刀库放在主轴箱可以运动到的位置，同时， 刀库中刀具的存放方向一般与主轴上的装刀方向一致。无机械手换刀方式是由刀库和 机床主轴的相对运动实现刀具的交换的，这种方式结构简单，但换刀时间要长。目前， 加工中心的自动换刀装置大都采用有机械手换刀方式，因为有机械手换刀装置在刀库 的配置、与主轴的相对位置及刀具数量确定上都比较灵活，机械手数量和换刀形式比 较随意，换刀时间比较短，应用广泛4。换刀机械手的形式有单臂式、双臂式、回转 式和轨道式等，而常用双臂式机械手的手爪结构形式又分为钩手、抱手、伸缩手和叉 手等2。 加工中心换刀机械手作为数控机床的一个重要的功能部件，它在国内外的数控机 床制造领域中已受到广泛的重视。目前，在国外 bt40 的换刀时间已达到 0.9 秒， bt50 的换刀时间也达到了 1.5 秒左右，国内也出现了立、卧两用凸轮式换刀机械手 和用于五轴联动的换刀机械手的研究。 加工中心换刀机械手的主要任务是，完全模拟人手的换刀动作，给机床主轴与弹 簧夹头提供相对转动实现夹紧、放松刀具的动作。机械手应具备足够的转矩，同时还 应使机械手具备结构紧凑、占据空间小的特点，以适应不同类型机床的换刀空间4。 随着机械加工业的发展，制造行业对加工中心换刀机械手的需求量会越来越大。 1.3.4换刀机械手的类型 自动换刀装置由刀库、换刀机械手、刀具传送装置、刀具编码装置、识刀器等五 个部分组成。在自动换刀数控机床中，机械手的形式也是多种多样，常见的有以下形 式。 （1） 单臂单爪回转式机械手 这种机械手的手臂可以回转不同的角度来进行自动换刀，其手臂上只有一个卡爪， 不论在刀库上或是在主轴上，均靠这个卡爪来装刀及卸刀，因此换刀时间较长，如图 2-1a 所示。 （2） 单臂双爪回转式机械手 这种机械手的手臂上有两个卡爪，两个卡爪有所分工。一个卡爪只执行从主轴上 取下“旧刀”送回刀库的任务，另一个卡爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务。 其换刀时间较上述单爪回转式机械手要少，如图 2-1b 所示。 （3） 双臂回转式机械手 这种机械手的两臂上各有一个卡爪，两个卡爪可同时抓取刀库及主轴上的刀具， 回转 180后又同时将刀具放回刀库及装入主轴。这种机械手换刀时间较以上两种单械 手均短，是最常用的一种形式。图 2-1c 右边的机械手在抓取或将刀具送入刀库及主 轴上，两臂可伸缩。 （4） 双机械手 这种机械手相当于两个单臂单爪机械手，它们互相配合进行自动换刀。其中一个 机械手从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个由刀库中取出“新刀”装入机床主轴，图 2-1d 所示。 （5） 双臂往复交叉式机械手 这种机械手的两手臂可以往复运动，并交叉成一定的角度。一个手臂从主轴上取 下“旧刀”送回刀库，另一个手臂由刀库中取出“新刀”装入主轴。整个机械手可沿某导 轨直线移动或绕某个转轴回转，以实现由刀库与主轴间的运刀工作，如图 2-1e 所示。 （6） 双臂端面夹紧式机械手 这种机械手只是在夹紧部位上与前几种不同。前几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆 表面来抓取刀具，这种机械手则是靠夹紧刀柄的两个端面来抓取的，如图 2-1f 所示。 最常用的一种换刀机械手形式，动作简单。 图 2-1 机械手的形式 1.3.5 机械手设计的目的及意义 本设计主要是在实现手指夹紧、手架伸缩以及手架旋转运动的基础上，为数控机 床换刀机械手的研究提供几种新的设计方案，并通过论证分析，选择其中一种比较理 想可行的方案进行设计计算，以达到准确、稳定、快速、可靠换刀的目的。在满足加 工中心换刀机械手各种运动要求的同时，本设计也在一定程度上简化了换刀机械手的 结构，以方便数控机床换刀机械手的加工制造过程。 1.3.6确定机械手设计方案 单臂单爪回转式机械手（图 2-1a）和单臂双爪回转式机械手(图 2-1b)换刀时间长。 双机械手（图 2-1d）相对比较复杂，双臂往复交叉式机械手（图 2-1e）手指部分的整体 也质量比较大，这就会使手臂伸缩液压缸的负载很大。双臂端面夹紧式机械手(图 2-1f)为 保证活塞杆的强度和稳定性，需要将手臂伸缩液压缸的尺寸设计得大一些，那么手架旋 转轴的负载也会变大，使得加工中心换刀机械手的整体结构不会很紧凑，占用的空间也 较大.而双臂回转式机械手（图 2-1c）换刀时间较以上两种单械手均短，换到灵活时间段。 通过上面六种机械手的比较双臂回转式机械手更符合换刀时间短、动作灵活可靠的要求。 2机械手手部的设计 2.1 机械手手臂和手爪的设计 2.1.1手爪口的计算 加工中心供自动刀具交换装置使用的是通用刀柄 n0.40；n0.45；n0.50 三种类型，我 本次设计的是小型加工中心,故选用 n0.40。其型式如下图所示,尺寸如表 2-1 所示。 表 2-1 自动换刀机床用 7:24 圆锥刀具柄部尺寸(gb/t 10944-1989) 锥 体螺 纹 孔凸 缘柄 部 型 号 d1 1 lr 2 l 3 l 4 ld1d2gr1d4d5 40 # 44.4568.401.232438.21719m16156.2563.55 柄凸 缘其 他 d3 部 型 号 xyftt1jbr2 一般 特 殊 ed6 40 # 3.753.215.922.82518.516.1144.7503572.3 图 2-1 刀具结构与尺寸 因为，故测量与刀柄槽相对位置如图 2-2 所示。 65 72.3063.558.757dd 图 2-2 测量与刀柄槽相对位置 两测量棒中心距为，故 6 772.30765.30d 65 765.3063.55 0.875 22 dd op ” 1.75 cos60 o p op 7 1.751.75 2 o p 由图 2-2 可知： sin60 o p pp “ 60ppoptg “ 1.75 22 ()2 (0.875 tan60 )7.70 sin60 yp ppppp 54 27.0722.86 tan602 tan60 ddh xy 则手爪口的型式与尺寸与 n0.40 相匹配。如图 2-3 所示， 图 2-3 手爪口结构图形 55 4 2.86 7.07 63.55 56.25 16.10 xxmm yymm ddmm ddmm bbmm 这里应该有(按弹簧锁轮结构取)。fff 2.1.2手爪锁的设计与计算 当刀柄被手爪抓住（即刀具轴线与手爪口中心点重合）时，弹簧琐轮在弹簧的作用 下把刀柄锁紧，使刀具不会从手爪口中脱落，其形式如图 2-4 所示， 图 2-4 刀具与销的配合图 1弹簧；2活动销；3刀具；4长销； 手爪在抓刀时，随传动轴逆时针旋转，主轴及刀库附近的凸台压下长销 4，活动销 （即弹簧锁轮）被解锁。手爪欲抓住刀柄，使手爪口中心与刀具中心线重合，达到图示 位置，刀柄反作用力活动销使其压缩弹簧 1 向左运动至极限位置后手柄已进入手爪口， 此时活动销向右运动至手爪口中心与刀具中心轴线完全重合，回到初始状态，刀柄被锁 住，抓刀结束，可以进行拔刀动作，而在抓刀时，整个机械手旋转角度较小，故刀柄压 活动销受力简化等效如图 2-5 所示。 图 2-5 手爪结构图 系统发出换刀指令后，机械手由原始位置转过90以实现抓刀动作，而两手爪上的长 销 4 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 2 在弹簧的作用 下移动顶住刀具。机械手拔刀时，长销 4 与挡块脱离接触，锁紧销 2 被弹簧 3 弹起，使 活动销 4 顶住刀具不能后退，这样机械手在回转时，刀具不会甩出。当机械手上升 180 插刀时，长销又被挡块压下，松开刀具，机械手便可反转复位。设计手爪口端点到手 3 o 爪中心轴线垂直距离为 7mm，抓刀初始位置时，最小，最大，抓刀过程中，（ 1 f 2 f 与手爪中心轴的夹角）逐渐减小，逐渐增大，逐渐减小至、三点一线 2 oo 1 f 2 fo 2 o 3 o 时最大，最小，之后逐渐增大至活动销还原至初始位置被锁紧销锁住为抓刀完毕， 1 f 2 f 1 f 不应过大，过大就会偏小，就会偏大，过小无法压缩弹簧使活动销移动， 1 f 2 f 1 f 过大也会阻碍刀柄进入手爪口，不应过小，过小就会偏大，就会偏小，锁轮 2 f 1 f 2 f 便无法紧固刀柄，刀柄容易脱落。即取,锁轮轮子的直径（即活动销直径）25 ，则有： 1 12dmm 5 12 37.775 22 dd oomm 活动销的滚轮中心到手爪中心轴线的垂直距离为： 2212sin25 15.96o ooomm ， 1212cos25 34.236oooomm 则活动销的行程 a： 1212 37.77534.2363.539aoooomm 活动销上的行程槽应大于活动销行程加上长销直径，根据机械设计手册选取长 销直径 。 0 20.1 7d 则行程槽长：（取） ，卡销材料为 35 钢，热处理硬度 12 10.4ldamm 1 14lmm ，表面氧化处理的 a 型圆柱销（gb119-86）卡销直径选 8mm (由机械设计课2838hrc 程设计手册第二版，吴宗泽主编)根据配合原理，则行程槽宽。我们可以设活动销 0.1 10 8b 主体宽，高，长，活动销尾部到锁轮轮子中心距 。 2 12bmm 2 15hmm 2 40lmm 3 48lmm 2.2 弹簧的选择与设计 弹簧主要分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧四种。按照弹簧形状又可 分为螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、板弹簧、盘簧等。因为该设计中弹簧受到的压力 不大，选择材料为类碳素弹簧钢丝，普通圆柱螺旋弹簧钢丝，初选直径。弹1.4dmm 簧中径（gb/1358-78）查表 30.2-4 的许用应力，切面模量 2 9dmm0.4 pb 80ggpa 。又根据弹簧材料直径，由表 30.2-4 得，弹簧钢丝的抗拉强度1.4dmm 。1863 b mpa0.40.4 1863745.2 pb mpa 那么旋绕比 ,曲度系数由7得,所以得出弹簧能够承载 2 9 1.46.43cdd1.23k 的最大载荷 n p （2-1） 2 8 np d p kc 上式带入数值有： 22 1.4 745.266.32 88 1.23 6.43 n d p kc p （n ） 校核弹簧截面材料的直径 d （2-2）1.6 n p pkc d 代入数值有 66.32 1.23 6.43 41.4 745.2 n p pkc dmm 故初选合理。 2.3 手爪的整体尺寸设计 (1)首先考虑手爪部件的主要尺寸，设计如下： 手爪总长 82mm ，活动销中心到联接螺钉中心的距离为 89mm。手爪总的内道宽分 别为：，。 2.86xmm 7.07ymm (2)从螺钉到机械手手臂中心的距离为 87mm,宽度为 95mm，厚度为 16mm。因此机 械手的总长度为（65+89+87）2=482mm。 根据设计要求选定机械手臂的材料为 45 钢，弯曲许用应力，在工作过 100mpa 程中,主要受横向弯曲应力，最大正应力发生在弯矩最大的截面上，且离中性轴最远 max 处。 max max m w 3 2323 63 (0.095 10 )0.016 10 12 4.05 10 () 2266 bh i zbh wm hh 设刀具及手爪之重为 10g，由前面可知承受重力到机械手臂中心的距离为 241mm， 因此： 3 10 9.8 241 1023.8(. )mfsn m max 6 23.8 5.88 100 4.05 10 m mpampa w 因此设计达到要求且合理。 3液压传动系统设计 3.1 液压传动的概述 液压传动系统设计与主机的设计是紧密联系的，两者往往同时进行，相互协调。主 机对液压系统的使用要求是设计液压传动系统的依据。系统的设计除了应满足主机要求 的功能和性能外，还必须符合质量轻、体积小、成本低、效率高、结构简单、使用维护 方便及工作可靠等要求。因此设计开始，首先必须搞清楚下列问题： （1） 机概况：用途、主要结构、技术参数及性能、作业环境、工艺流程、总体布 局； （2） 液压系统应完成那些动作，动作顺序及彼此联锁关系如何； （3） 液压驱动机构的运动形式,运动速度； （4） 各动作机构的载荷大小及其性质； （5） 对调速范围、运动平稳性、转换精度等性能方面的要求； （6） 自动化程度、操作控制方式的要求； （7） 对防火、防爆、周围介质、环境温度、风沙与尘埃、外界冲击振动、安全可 靠性的要求； （8） 对效率、成本等方面的要求。 设计液压系统的出发点，可以是充分发挥其组成元件的工作性能，也可以是着重追 求其工作状态的绝对可靠。前者着眼于安全；实际的设计工作则常常是这两种观点不同 程度的组合。为此，液压传动系统的设计迄今仍没有一个公认的统一步骤，往往随着系 统的繁简，借鉴的多寡，设计人员经验的不同而做法上呈现出差异来。下图这种设计的 基本内容和一般流程。这里除了最末一项外全都是属于性能设计的范围。这些步骤相互 关联，彼此影响，因此常需要穿插进行，交叉展开。最末一项属于结构设计内容，则须 要仔细查阅产品样本、手册和资料，选定元件的结构和配置的型式，才能布局绘图。 图 3-1 液压传动系统的一般设计流程 3.2 液压缸的设计 3.2.1液压缸的载荷组成及计算 设机械手抓刀重约 20kg，作用在活塞杆上的外部载荷包括工作载荷，导轨的摩擦力 和由于速度变化而产生的惯性力。 (3-1) fagw ffff （1）常见的工作载荷有作用于活塞杆轴线上的重力，切削力，挤压力等，而该设计 中只有重力： (3-2) 20 9.8196 g fmgn （2）导轨摩擦载荷 f f （的取值参考机械设计手册表 37.5-2）0.06 19612() fg ffn （3）惯性载荷 a f 一般机械取，所以，20 120 a g v f g t （n ）0.5 1.5 v s t 196 1220228() w fn 除外载荷外，作用于活塞杆上的载荷还包括液压密封处的摩擦阻力，一般估 w ff m f 算为：(1) mm ff 液压缸的机械效率，一般取； 0.90 0.95 则： 228 248() 0.92 w m f fn (1)(1 0.92) 24820() mm ffn 液压缸不同负载时的工作压力表 3-1 如下： 表 3-1 液压缸不同载荷时的工作压力表 载荷 4 10 n0.50.5 11 22 33 55 工作压力mp0.8 11.5 22.5 33 44 55 7 故取工作压力 。 5 8 10ppa 3.2.2升降缸的设计 图 3-2 a 图活塞杆受压状态 图 3-2 b 图活塞杆受拉状态 活塞杆受压时，活塞杆受拉时， 1122 w m f fpap a 1221 w m f fpap a 式中 1 a 无杆腔活塞有效作用面积； 2 a 有杆腔活塞有效作用面积； 1 p 液压缸工作腔压力； 2 p 液压缸回油压力； 一般液压缸在受力状态下工作，其活塞面积为： （3-3） 22 1 1 fp a a p 运用和关系令，其值是由下表选择。如表 3-1 所示： 1 a 2 a0.5d d 表 3-2 按工作压力选取 d/d 工作压力 mpa 5.0 5.07.0 7.0 d/d0.50.550.620.700.7 所以可以得出活塞的直径： （3-4） 2 12 4 3.14(1) f d pp 22 12 44 248 50 3.14(1)3.14 (0.80.9(1 0.5 ) f dmm pp 所以， （与的值是在机械设计手册表 37.5-5 和 37.5-3 选取的） ，0.525ddmm 1 pp 根据所计算出的结果表 3-2 中选择标准的尺寸。 表 3-3 活塞杆和液压缸直径 缸径速 比 4050638090100110125140160180200220250 1.46 2 2228 35 45 45 56 56 60 60 70 63 80 70 90 80 100 90 110 100 125 110 140 125140 所以选择，。80dmm45dmm 活塞杆直径的强度在高压系统中要进行校核： 6 44 248 1.98 3.14 80 10 f dmm 活塞杆材料的许用应力，初选材料为 20 钢，则许用应力为 80mpa。 又根据设计需要， （轴承的配合，螺钉的安装等）此活塞杆为空心杆。令空心杆内径 ，空心杆外径。52dmm 72dmm 由于 （3-5） tt tt ww 空实 “24“4 11 () 1616 ddd “ d 空心杆直径； d空心杆内径； d 空心杆