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数控镗铣加工中心自动换刀机构设计,数控,加工,中心,自动,机构,设计
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毕业设计（论文）中期报告 题目： 数控镗铣加工中心 自动换刀机构的设计 1 设计 （论文）进展情况 通过查阅书籍资料，进行相关参数的选择和计算。 查阅相关资料 ，了解到换刀机械手的组成结构，主要工作参数以及各结构的作用设计理论。结合资料所示各参数计算方法，对相关设计进行计算。 刀机械手设计主要参数的设计选取 械手夹紧力计算 由于选取的是用活动销夹紧刀具的机械手 ， 所以计算夹紧力 ，则需要计算活动销的行程，确定所需弹簧尺寸。同时，活动销对刀具的夹紧力是由弹簧的反力来提供的，所以根据 P=以计算出夹紧力 。 同时还要考虑到摩擦力以及运动中的惯性 。 与机械手配合部分的直径的确定 由于轴是重要的零件所以材料选用为 45 钢 ， 在轴的结构设计时，通常用公式 根据扭转强度来初步估算轴径 。则可以得到公式 4 9 ， 这时确定式中各项的值 ， 便可以求出轴径 。 部与轴连接螺栓的确定 机械手的手部是通过螺栓连接在轴上的，选用普通的螺栓来连接，在这里拟采用四个螺栓组成的螺栓组来连接的，由于这 4个 螺栓同时受到的力 为在此采用的是普通螺栓 ， 可以得出一个螺栓的受力情况 ， 由 00 F得预紧力 ，因为选材为中碳钢，此时可得到螺栓的许用拉应力 ， 从而根据螺栓的危险截面拉伸条件公式 ， 可以得出螺栓直径 ， 需要考虑到的是 ， 为了保证在使用过程中的安全可靠，在实际的选用中螺栓的直径应大些 。 械手转过 75驱动机构设计 这个机构由一个液压缸、齿轮条、齿轮以及连接盘、连杆组成的，当发出机械手抓刀信号时， 液压缸的后腔就通入液压油，活塞杆推动着齿轮条向前移动，使得齿轮转动，齿轮转动的时候，带动连接盘与连杆转动，而连杆通过花键连在机械手上，所以当活塞通入液压油的时候，机械手就能相应的转动。 根据每个动作的平均时间，和齿轮的齿数，可以求得齿轮的分度圆直径，也就是在转过 75时间里齿条所走的长度，由此算出活塞杆的速度，从而得到液压缸的活塞直径。 定齿轮齿条 由于我选用的都是标准齿轮，压力角为 20。由于齿轮齿条是配合运动的，所以它们的齿距是一样的，最后齿条的计算结果要考虑到多留出的部分以及齿轮与齿条 的齿数互为质数。 械手转过 180驱动机构设计 此机构设计与机械手转过 75的机构设计计算方式相同。 拔刀具的驱动机构 当需要夹刀具时，液压缸的上腔通入液压油，使液压缸的活塞向下运动，把机械手带到夹刀具和拔刀具的位置，完成这个动作以后，就要拔刀具了，这个时侯下腔通入液压油，使得活塞向上运动。只要选择合适的液压缸的行程就可以达到预定位置。 体机构 通过前几章的论述，最终设计出的机械手的总体装配方案如图 1 所示 图 1 换刀机械手装配图 1 机械手手臂； 2 传动轴； 3 齿条滑轨； 4 换位齿条； 5 换位盘； 6 下销； 7 机架； 8 齿条滑轨； 9 抓刀齿条； 10 液压缸； 11 活塞； 12 联接盖； 13 联接套； 14 推力轴承；15 抓刀齿轮； 16 孔板； 17 抓刀盘； 18 上销； 19 从动盘； 20 盘； 21 换位齿轮 成外文翻译资料 。 2 存在的问题及解决措施 在设计计算的过程中，对于计算的具体顺序不太明确，以及各零件的材料选用不熟悉。每个零件之间的配合过程，具体的接触，传动过程中导致的误差的估算，还有就是对计算中所使用的各种公式的不熟悉。这些问题通过查找相关文献及 资料得到了有效的解决。 3 后期工作安排 11 周：完善该机械手的结构设计计算； 12 15 周：完成该机械手的装配图； 16 18 周：完成论文的撰写，准备答辩； 指导教师签字： 年 月 日 毕业设计 (论文 )开题报告 题目： 数控镗铣加工中心 自动换刀机构 的设计 1 毕业设计（论文）综述 目背景 、 研究意义 一个零件往往需要进行多工序的加工，而单功能的数控机床，只能完成单工序的加工，如车、钻、铣等。因此，在制造一个零件的过程中，大量的时间用于更换刀具、装卸零件、测量和搬运零件等非加工时间上，切削时间仅仅占整个工时中的较小比例。为了缩短非切削时间，提高工作效率，我们便设计了带有自动换刀系统的加工中心。 加工中心（ C）是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床，它是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术 、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通信诊断、刀具和编程技术的高科技产品。由于加工中心能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和调整时间，减少工件周转、搬运存放时间，使机床的切削利用率高于通用机床 3 倍 4 倍，所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床 1。 内外相关研究情况 未来加工中心的发展动向是高速化、进一步提高精度和愈发完善的机能。加工中心是数控机床的代表，是高新技术集成度高的典型机电一体化机械加工设备，我国的加工中心从 70 年代开 始，已有很大发展，但技术、品种和数量上都还远不能适应我国经济、技术发展的需要 2。随着我国工业的不断发展，推动了模具制造业、机械加工业的巨大发展，使得数控机床的使用越来越普遍，而加工中心更是以其高自动化程度得到广泛应用。然而，目前市场上生产和销售的都是以大、中型的加工中心为主，小型加工中心几乎是空白，而机械加工业、小型模具的制造、工科院校、技工学校等对小型加工中心存在着大量的需求。为加速我国加工中心的发展，需进一步加强对加工中心的研究、设计、制造和应用 3。 在加工中心中，刀库和机械手组成自动换刀装置（ 称 而自动换刀装置的好坏，将直接影响加工中心的好坏，从目前情况看，加工中心的主机部分基本定型，变化不大，但自动换刀装置种类繁多，五花八门，是最难搞好的部分 4。它是加工中心的象征，又是加工中心成败的关键环节。因此各加工中心制造厂家都在下大力研制动作迅速、可靠性高的自动换刀装置，以求在激烈的竞争中取得好效益，正因为自动换刀装置是加工中心的核心内容，各厂家都在保密，极少公开有关资料，尤其机械手这部分更是如此。 目前常见的换刀机械手类型如下： （ 1）单臂单 手式机械手 结构较简单，换刀各动作均需顺序进行，时间不能重合，故换刀时间较长。 （ 2）双手式机械手 向刀库还回用完的刀具和选取新刀，均可在主轴正在加工时进行，故换刀时间可较短。 （ 3）双臂回转式机械手 这类机械手可以同时抓住和拔、插位于主轴和刀库里的刀具。与单臂单手式机械手相比，可以缩短换刀时间。应用最广泛，形式也较多。 （ 4）多手式机械手 使用者较少。 2 主要研究内容、拟采用的研究方案、研究方法或措施 要设计内容： 缩短机械手换刀的时间、保持工作平稳、定位准确。从而提高生产效率。 究方案 ： 的驱动方式的选择 （ 1）液压驱动 通常拥有很大的抓举能力，特点是结构紧凑，动作平稳，耐冲击，耐振动，防爆好，但液压组件要求有较高的制造精度和密封性能，否则漏油将污染环境。 （ 2）气动驱动 特点是电源方便，动作迅捷，结构简单，造价较低，维修方便。但是难以进行速度控制，气压不可太高，故抓举能力较低。 （ 3）电动驱动 电力驱动是目前使用最多的一种驱动方式。其特点是电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测、传递、处理方便，并可采用多种灵活控制方案。由于电机速度较高，通常必须采用减速机构，而且成 本上也较其他两种驱动系统高。 由于本设计机构需要要求换刀时间短、工作平稳、定位准确，故选择液压驱动。 械手的组成及运动 本课题研究采用的是双臂回转式机械手。这种机械手的拔刀、插刀动作，大都由油缸动作来完成。手臂的回转动作，则通过活塞的运动带动齿轮齿条来实现。机械手臂的不同回转角度，是由活塞的可调行程来保证。图 1 为该机械手手部结构示意图。整个机械手主要由 : 行程开关 , 挡环 ,齿轮 , 连接盘 , 销子 , 传动盘 , 升降液压缸 , 滑轴 , 齿条 ,转位液压缸 , 机械手组成。其工作原理为 : 上、下 两个液压缸分别驱动两组齿轮齿条实现机械手的旋转运动 ; 为了保证上下两个旋转运动互不干扰 , 中间 采用一根滑轴上固接一个传动盘的结构 , 传动盘与齿轮通过销来传递运动 , 机械手换刀动作到位与否则是通过行程开关来检测 , 外加档块进行限位 , 从而实现机械手的自动换刀功能。如图 2 所示。 图 1 双臂回转式机械手 1,3,7,9,13,14 为行程开关； 2,6,12 为挡环； 4,11 为齿轮 ； 5 为连接盘； 8 为销子；10 为传动盘； 15 为升降液压缸； 16 为滑轴； 17,19 为齿条； 18,20 为转位液压缸； 21为机械手； 图 2 机械手结构图 在换刀过程中，机械手要完成准备、抓刀、拔刀、交换主轴上和刀座上的刀具、插刀和复位等动作，机械手的全部动作均由液压油缸控制。 刀具安装在标准的刀柄中，本次设计采用 7： 24 锥度的刀柄；最大 刀具长度 300大刀具直径 100大刀具重量 8具材料为高速钢，如图 3 所示。 图 3 刀具结构图 机械手两端各有一个手爪，手爪的抓刀圆弧部分各有各有一个锥销，机械手抓刀时，锥销插入刀柄键槽内，由活动销在弹簧力的作用下顶住刀柄，使刀柄固定，机械手能同时抓取和装卸刀库和主轴上的刀具，动作简单，效率高，换刀时间短。 其换刀过程如下，如图 4 图 5 所示 : a. 刀套转 90: 换刀之前 , 刀库 2 转动将待换刀具 5 送到换刀位置 , 之后把带有刀具 5 的刀套 4 向下翻转 90, 使得刀具轴线与主轴轴线平行 。 b. 机械手转 90: 两手分别抓住刀库和主轴 3 上的刀柄。 c. 刀具松开 : 刀具的自动夹紧机构松开刀具。 d. 机械手拔刀 : 机械手臂下降 , 同时拔出两把刀具。 e. 机械手转 180: 使主轴刀具与刀库刀具交换位置。 f. 机械手插刀 : 机械手上升 , 分别把刀具插入主轴锥孔和刀套中。 g. 刀具夹紧 : 刀具插入主轴的锥孔后 , 刀具的自动夹紧机构夹紧刀具。 h. 机械手松刀 : 机械顺时针转 90, 回到原始位置。 i. 刀套向上翻转 90: 刀套带着刀具向上翻转 90, 为下一次选刀做准备。 图 4 械手的换刀示意图 图 5 机械手手部换刀过程简图 3 本课题研究的重点难点以及展开的工作 本课题的 重点是：保证各个结构之间的相互合理配合，使之能连续工作，有节奏，安全地成产。 难点是：机械手手臂的设计与计算，机械手手部的设 计与计算，机械手传动和驱动的设计计算，以及各个过程参数的确定，绘制图形。 前期 已经展开的工作：网上查阅有关书籍和资料，确定设计的大致方向，了解换刀机械手的大体结构和工作原理。 4 工作方案及进度计划 1 3 周： 调研并收集资料； 3 6 周：阅读资料，分析该机械手的结构组成和工作原理，并完成结构方案设计； 7 11 周：完成该机械手的结构设计计算； 12 15 周：完成该机械手的装配图和仿真； 16 18 周：完成论文撰写，准备答辩； 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 所在系审查意见： 系主管领导： 年 月 日 参考文献 1 刘建慧 ,邹慧君 J,机械设计与研究 ,7(3):49 51 2 李净仪 ,李秋红 ,郑耘杰 J,农机使用与维修 ,2010,3: 27 28 3 朱文艺，张庆乐 J,武汉工程职业技术学院学报， 1(1):5 9 4 刘炜 . 数控加工中心自动换刀系统 J, 机床与液压 , 2005,5:58 5 杨可森 ,艾长胜 ,侯志坚 . 数控镗铣加工中心自动换刀系统中机 液机械手 J, 机床与液压， 2003,3:216 217 6 夏粉玲 ,贺炜 . 凸轮式立卧两用换刀机械手的研究 J. 机械科学与技术 , 2004, 23(3):320. 7 谢政 . 加工中心换刀机械手的研究 D. 湘潭大学 . 2008， 8 郑俊 ,许明恒，高宏 力，单俊峰 床自动换刀机械手换刀部分的设计分析 J,现代机械， 2008，第 1 期： 6. 9 李加明，陶卫军，冯虎田 . 自动换刀装置发展现状及其关键技术 J2013（ 05）： 174 176 10 黄泽正 ,刘冲 ,陈志辉 . 加工中心自动换刀装置的设计 J. 机械工程与自动化 . 2007(01)： 124 125 11 戚洪利 . 自动换刀装置及其控制的研究 D. 兰州理工大学 2007 12 朱玉敏 . 加工中心的自动换刀技术 J. 制造技术与机床 . 1988(08)： 168 170 13 陈义庄 . 数控机床自动换刀装置的选择及刀柄的配置 J. 机床与液压 . 2002(04)：207 209 14 of NC 995 15 4116 S. a,*, P. b, J. c, A C , 009(44):466 I 本科毕业设计（论文） 题目：数控镗铣加工中心自动换刀机构 的设计 控镗铣加工中心自动换刀机构的设计 摘 要 随着我国工业生产的飞速发展，自动化程度迅速提高，在自动化生产领域中，工业机械手是近几十年发展起来的。工业机械手的是从工业机器人中分支出来的。其特点将预期的作业任务通过编程来完成，它分别具备了人和机器在构造和性能上的优点，人对环境的适应性及智能性尤其得到了体现。机械手的准确性，对环境的适应性保证了其能在各种情况下完成工作，机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以 变动的多功能机器，其自由度多方向性的特点，保证其可以在不同的环境中搬运物体，完成工作任务。 本论文设计的是 液机械手自动换刀装置的设计。在有机械手换刀的过程中，使用一个机械手将加工完毕的刀具从主轴中拔出，与此同时，另一机械手将在刀库中待命的刀具从刀库拔出，然后两者交换位置，完成换刀过程。该自动换刀装置由刀库和换刀机械手组成。刀库采用盘形结构，机械手选用回转式双臂机械手。 关键词 ：机械手；加工中心；自动换刀装置 he s in of in of is in be to by of in of to to to in a of a be be to of it an in a In is of 116B In a of a in be on a of 录 1 绪论 . 1 述 . 1 工中心概述 . 2 工中心的分类及结构组成 . 2 工中心的加工工艺特点 . 3 械手的发展现状 . 4 械手的分类 . 5 业机械手研究趋势 . 8 动换刀机械手主要功能 . 8 计工具 . 8 2 总体方案的设计 . 9 定换刀装置的设计参数 . 9 刀机械手抓刀部分结构 . 10 械手轴的设计 . 10 械手传动结构 . 11 动换刀过程的动作顺序 . 12 动换刀装置的相关技术要求 . 13 刀机械手的液压控制 . 14 3 换刀机械手的设计计算 . 15 指结构设计及计算 . 15 指夹紧力的计算 . 15 臂的弯曲变 形 . 15 与机械手配合部分的直径的选取 . 17 部与轴连接螺栓的确定 . 18 械手转过 75 度的驱动机构设计 . 19 转液压缸的计算 . 19 定齿轮齿条机构其它尺寸 . 20 械手转过 180 度的驱动机构设计 . 21 转液压缸的计算 . 21 定齿条尺寸 . 22 降机构的设计 . 22 V 4 结论 . 24 参考文献 . 25 致谢 . 266 毕业设计（论文）知识产权声明 . 错误 !未定义书签。 7 毕业设计（论文）独创性声明 . 错误 !未定义书签。 8 1 1 绪论 述 一个零件往往需要进行多工序的加工，而单功能的数控机床，只能完 成单工序的加工，如车、钻、铣等。因此，在制造一个零件的过程中，大量的时间用于更换刀具、装卸零件、测量和搬运零件等非加工时间上，切削时间仅仅占整个工时中的较小比例。为了缩短非切削时间，提高工作效率，我们便设计了带有自动换刀系统的加工中心。 加工中心（ C）是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床，它是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通信诊断、刀具和编程技术的高科技产品。由于加工中心能集中完成多种工序， 因而可减少工件装夹、测量和调整时间，减少工件周转、搬运存放时间，使机床的切削利用率高于通用机床 3 倍 4 倍，所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床 1。 未来加工中心的发展动向是高速化、进一步提高精度和愈发完善的机能。加工中心是数控机床的代表，是高新技术集成度高的典型机电一体化机械加工设备，我国的加工中心从 70 年代开始，已有很大发展，但技术、品种和数量上都还远不能适应我国经济、技术发展的需要 2。随着我国工业的不断发展，推动了模具制造业、机械加工业的巨 大发展，使得数控机床的使用越来越普遍，而加工中心更是以其高自动化程度得到广泛应用。然而，目前市场上生产和销售的都是以大、中型的加工中心为主，小型加工中心几乎是空白，而机械加工业、小型模具的制造、工科院校、技工学校等对小型加工中心存在着大量的需求。为加速我国加工中心的发展，需进一步加强对加工中心的研究、设计、制造和应用 3。 在加工中心中，刀库和机械手组成自动换刀装置（ 称而自动换刀装置的好坏，将直接影响加工中心的好坏，从目前情况看，加工中心的主机部分 基本定型，变化不大，但自动换刀装置种类繁多，五花八门，是最难搞好的部分。是加工中心的象征，又是加工中心成败的关键环节。因此各加工 2 的竞争中取得好效益，正因为自动换刀装置是加工中心的核心内容，各厂家都在保密，极少公开有关资料，尤其机械手这部分更是如此。 工中心概述 工中心的分类及结构组成 a. 加工中心的分类 按照空间来分类，可以分为两大类，立式加工中心和卧式加工中心。立式加工中心为加工中心的主轴在空间处于垂直状态的，卧式加工中心主轴，其在空间处于水平状态的 5。 复合加工中心，也可以称 为立卧式加工中心或五面加工中心，其含义是主轴可作垂直和水平转换的。加工中心立柱的数量分为单柱式和双柱式。 按加工中心运动坐标数和同时控制的坐标数分：有三轴二联动、三个轴三种联动、四轴三联动、五轴四联动、六轴五联动等。三轴、四轴是指加工中心具有的运动坐标数，联动是指控制系统可以同时控制运动的坐标数，从而实现刀具相对工件的位置和速度控制。 按工作台的数量和功能分：有单工作台生产制造中心、双工作台加工中心，和多工作台加工中心。 按加工精度分：普通、高精度两种加工中心。普通加工中心，分辨率为 1m，最大进给速度 15 25m 位精度 右。高精度加工中心、大进给速度为 15 100m 位精度为 2m 左右。介于 2 间的，以 5m 较多，可称精密级。 b. 加工中心的结构组成 加工中心自问世至今已有 30 多年，世界各国出现了各种类型的加工中心，虽然外形结构各界，但从总体来看主要由以下几大部分组成。 基础部件 这是一个基础结构加工中心，按在床上，列和表格等，这主要是受到静电负荷加工中心和切削加工过程中产生的负载，它必须具有足够的刚度。这些大件可以是铸铁件也可以是焊接而成 的钢结构件，它们是生产制造中体积和重量最大的部件。 （ 1） 主轴部件 由主轴电动机、主轴箱、主轴轴承和主轴等零部件行成。主轴的启、停和变速等动作均由数控系统控制，并且通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。 3 （ 2） 数控系统 加工的数控部位是由数控装置，可编程控制器，伺服驱动器和控制面板等组成。这是执行的操作控制中心，并完成以控制过程。 （ 3） 自动换刀系统 它的组成部分是由刀库、机械手等。当有需求换刀的时候，就会通过数控来发出命令，由机器人从刀具库中删除刀具装入主轴孔。 （ 4） 辅助装置 包括涡滑、冷却、排屑、防护、液压、气动和检测体系等的。虽然辅助体系不直接参与运动，但是他却对加工效率，精度和准确性有着很重要的保证作用，所以他是不可缺少的部分 6。 工中心的加工工艺特点 数控加工灵活，自动化程度高，特别适合于加工的曲线复杂的轮廓形状，曲面零件，和具有大量复杂的孔的外壳，槽加工，棱体零件，在多样的类型、生产量不是很多的状况下，运用数量控制的机器生产加工能获得较高的经济效益。 加工和一般机械加工数控加工过程基本上是同样的问题，但它有它的特点。因此，在数控加工工艺设计时 ，既要遵循普通加工工艺的基本原则和方法，又要考虑数控加工本身的特点和零件编程要求 7。 a. 零件装夹方法的确与夹具选择，我们要加工的零件需要装夹到数控机床上，装夹的方法与在一般的机床上装夹的方法一样，也要合理选择定位基准和夹紧方案。依照 “基准统一 ”和 “基准重合 ”等的原则来进行精基准的选择。 b. 加工顺序的安排，除了因按照 “先面后孔 ”“先粗后精 ”等基本原则安排加工顺序。 c. 确定换刀点和对刀点，对刀点是数控加工时刀具相对于工件运动的开始。从这一点，因为程序被执行的，所以程序也被称为从刀刀点或点的起 点。规划应首先考虑选择刀点。 在生产过程中要换刀的时候，应该规定换刀的准确点，换刀的原则是不能碰伤元件，夹具和机床。 d. 刀具进给路线的规划，进给路线是指数控加工过程中刀具（刀位点）想对于被加工零件的运动轨迹，原则是： （ 1） 零件的加工精度和质量要得到很好的保证。 （ 2） 计算方法简单方便。 （ 3） 拥有最短的进给途径。 在加工轮廓的过程中应该避免生产过程的停顿，因为在生产加工的时候，零件、刀具、夹具以及机床等都有稍稍的变形，在进给停顿时，切削力会减小，刀具将在 4 零件表面留下凹痕 8。 对于 孔的位置精度要求高的零件，在精镗孔系时，安排镗孔路线一定要注意做到各孔的定位方向一致，避免反向间隙的影响。 e. 刀具选择，数控加工台时费用高，为提高效益，数控加工对刀具提出了更高要求，不仅要刚性好，精度高，而且要尺寸稳定、耐用度高。调整方便。因此凡加工情况允许选用硬质合金刀具时，就不应选用高速钢具刀。应尽量选用可转位刀片以减少刀具磨损后的更换和预调时间，选用涂层刀具以提高耐磨性。精密镗孔应选用性能更好更耐磨的金刚石和立方氧化硼刀具。 f. 切削用量的确定，数控加工的切削用量选择原则与普通加工相同。由金属 切削原理可知，在选择切削用量时，应首先采用最大的切削深度，再选用大的进给量，然后根据确定的刀具耐用度选择切削速度。对于数控加工，刀具耐用度至少应大雨加工完一个零件，或最少不低于半个工作班。 在轮廓加工中，应注意克服由于惯性或伺服系统的随动误差而造成轮廓拐角处的 “超程 ”或 “欠程 ”现象。 g. 程编误差及其控制，程序编制中的误差由逼近误差、插补误差和尺寸圆整误差三部分组成。 械手的发展现状 能模仿人手和手臂的某些动作功能，按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可解放人们的双手，减免人们的生 产劳动，达到机械化、自动化代替人工，在各种恶劣的生产工作的环境下，很好的完成工作任务。它被广泛应用于机械制造，冶金，电子，轻工等行业 10。 手和运动机构形成机械手的主要部分。手部是根据被夹着的物体的形状，大小，重量，材料和多种结构形式，如钳类型，夹持和吸附型操作要求将工件保持部件。移动机构旋转所述手部来完成各种移动或复合运动来实现预定的操作，以改变对象的夹持位置和姿势。独立运动的方式向下运行机制，拉伸，旋转，称为自由度机械手。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有 6 个自由度。自由度是机 械手设计的关键 参数 11。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般有 2 3 个自由度。 一种机器手，可以根据驱动方式可分为液压，气动，电气，机械手 ;适用范围可分为专用和通用机械操纵两只手，按轨迹控制点可以分为控制和连续的机器人轨迹控制等。 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装 5 卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵 12。 机械手是在机械化、自动化生产过程逐步成长起来的一种新型装置。近年来，随着信息化的技术特别是电 子计算机的广泛应用，开发和生产的机器人有一个新兴的技术中成为一个迅速发展的高科技领域一起，更促进了机器人的发展，机器人可以更好地实现机械化和自动化的很好的结合。 虽然机器人是不如灵活的人手，但它可以工作，工作可以继续、重复，不知道疲劳，不怕危险，电源抓举重物等特点比人力要强的多，因此，对于这些特点机器人一直是适用于许多行业，而且根据其特性，在很多领域已得到广泛应用。 械手的分类 目前，机械手尚无通用的分类方法。它们可按不同的特点分，例如，根据手爪的数量、手臂的数量及结构进行分类 13。 a. 单臂单爪 回转式机械手 机械手摆动的轴线与刀具主轴平行，机械手的手臂可以回转不同的角度来进行自动换刀，换刀具的所花费的时间长，用于刀库换刀位置的刀座的轴线相平行的场合。如图 示： 图 单臂单爪回转式机械手 b. 单臂双爪回转式机械手 6 图 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短，如图 示。 c. 双臂回转机械手 这种 机械手的两臂各有一个卡爪，可同时抓取刀库及主轴上的刀具，在回转之后有同时将刀具归回刀库及装入主轴，是目前加工中心机床上最为常用的一种形式，换刀时间要比前两种都短，如图 示。 图 双臂回转式机械手 7 d. 双机械手 这种机械手相当与两个单臂单爪机械手，相互配合起来进行自动换刀。其中一个机械手执行拔旧刀归回刀库，另一个机械手执行从刀库取新刀插入机床上，如图 图 双机械手 e. 双臂往复交叉式机械手 图 双臂往复交叉式机械手 8 业机械手研究趋势 目前工 业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量，品质还是性能方面都不能完全满足工业发展的需要。 在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手。在自动换刀装置的研究上还要解决一些关键技术问题：如优良运动曲线选择、机构运行可靠性、换刀复合凸轮的设计，凸轮的精密加工等。 此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做相应的变更。如位置发生 少许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉。目前，已经取得一定成绩。 动换刀机械手主要功能 加工中心换刀机械手的主要任务是：完全模拟人工手动换刀的动作，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。机械手主要由手部、驱动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件。驱动机构，使机械手部完成各种规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。控制系统用来实现对机械手的动作顺序的控制。 计 工具 常用的设计软件有 3，在本次设计中，我选用绘制本次设计的各类图纸，原因如下： （ 1） 具有完善的图形绘制功能。 （ 2） 有强大的图形编辑功能。 （ 3） 可以采用多种方式进行二次开发或用户定制。 （ 4） 可以进行多种图形格式的转换，具有较强的数据交换能力。 （ 5） 支持多种硬件设备。 （ 6） 支持多种操作平台 （ 7） 具有通用性、易用性，适用于各类用户， 9 2 总体方案的设计 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。本文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。 定换刀装置的设计参数 本次设计采用 7： 24 锥度的刀柄；最大刀具长度 150大刀具直径 50 大刀具重量 3具材料为高速钢，如图 示。 图 刀具结构图 14 初估最大直径刀具的重量为 3 10 刀机械手抓刀部分结构 如图 示机械手抓刀部分结构。 图 机械手 它主要由手臂和固定于其两端的结构完全相同的两个手爪组成。手爪上握刀的圆弧部分有一锥销，机械手抓刀时，该销插入刀柄的键槽中。 当机械手由原位转 75抓住刀具时，两手爪上的长销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在弹簧的作用下右移顶住刀具。机械手拔刀时，长销与挡块脱离 接触，锁紧销被弹簧弹起，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 15。 械手轴的设计 我设计的驱动装置中所采用的轴主要作用是既可以在插刀、拔刀时带动整个机械手上下移动，又可在交换刀具时带动回转头转动，考虑到机械手在转动 180 度和转动 75 度的时候，上方的液压缸不能跟着主轴一起转动，所以必须设计一个装置能让主轴转动时保持上方的液压缸不转动，而上方液压缸带动主轴上下伸缩 运动时也不会和转动装置发生干涉。经过查资料，我设计了以下结构来保证这一要求，如图3示。 11 图 手伸缩传动结构示意图 械手传动结构 图 机械手结构示意图。 图 机械手整体结构图 12 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： a. 刀套转 90: 换刀之前 , 刀库 2 转动将待换刀具 5 送到换刀位置 , 之后把带有刀具5 的刀套 4 向下翻转 90, 使得刀具轴线与主轴轴线平行。 b. 机械手转 75:两手分别抓住刀库和主轴 3 上的刀柄。 c. 刀具松开 : 刀具的自动夹紧机构松开刀具。 d. 机械手拔刀 : 机械手臂下降 , 同时拔出两把刀具。 e. 机械手转 180:使主轴刀具与刀库刀具交换位置。 f. 机械手插刀 : 机械手上升 , 分别把刀具插入主轴锥孔和刀套中。 g. 刀具夹紧 : 刀具插入主轴的锥孔后 , 刀具的自动夹紧机构夹紧刀具。 h. 机械手松刀 : 机械顺时针转 75, 回到原始位置。 i. 刀套向上翻转 90:刀套带着刀具向上翻转 90,为下一次选刀做准备。 图 械手的换刀示意图 13 图 机械手手部换刀过程简图 动换刀装置的相关技术要求 a. 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。 b. 换刀机械手的安装与调试 (1) 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； (2) 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。 14 刀机械手的液压控制图 机械手的换刀动作由液压控制。机械手的换刀动作分别由三个液压缸控制，如图 示： 图 液压控制图 15 3 换刀机械手的设计计算 指结构设计及计算 指夹紧力的计算 在 控镗铣加工中心中，刀具的最大直径为 50以设计的手爪夹持最大直径为 50就需要通过调节活动销的行程来实现刀具的夹紧，通过计算得知活动销的行程应大于 L=8就需要弹簧的压缩量最少为 8此选择压缩量为 10弹簧。 可按下列公式计算： 21 （ 式中： 1K 安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定 ,通常取 2K 工件情况系数； 3K 方位系数，根据手指与刀具形状以及手指与刀具位置不同进行选定。 手指与工件位置：手指水平放置 工件垂直放置； 手指与工件形状： V 型指端夹持圆柱型； fK， f 为摩擦系数， 为 V 型手指半角，此处粗略计算 43 K 求得夹紧力 取整为 177N。 臂的弯曲变形 手臂受到自身重力和刀具的重力左右，所以会有弯曲变形，如果弯曲太大，就会造成换刀时手臂和刀具的干涉，造成机器的损坏。 手臂的自身重力可以通过简化的方式转化为一个长度为 300 4815长方体来计算， G=03具的重量 F=30臂材料的抗拉强度 t=460服强度 =23516 图 臂受力 手臂的受力可以简化为图 示 如上图所示，可简化为悬臂梁来处理， 则任意横截面上的弯矩为： M= 205310 得挠曲线方程 刀具重力所造成的弯曲： )6()3(2 刀臂自重所造成的弯曲： )6()3(2 其中 123 30 390 12=1822500 = E= 最大挠度为 刀具重力所造成的弯曲： )3(3 刀臂自重所造成的弯曲： )3()3(2 端截面转角为 刀具重力所造 成的弯曲 )2(2 刀臂自重所造成的弯曲： )2(2 计算得 刀具重量所造成的弯曲： )3(3 =3205 910 （ 3110 610 ） 710 m )2(2 =2205 610 （ 2110 610 ） 17 610 刀臂自身重量所造成的弯曲： )3()3(2 = 910 （ 3（ 3110 610 ） 710 m 710 m )2(2 = 610 （ 2110 610 ） 610 通过以上的计算可知，换刀机械 手的手臂的弯曲非常小，根本不会对实际工作造成任何影响，所以是符合要求的。 与机械手配合部分的直径的选取 a. 材料的确定 由于轴是重要的零件所以材料选用为 45 钢 b. 按照扭转强度来计算轴径 在轴的结构设计时，通常用下面的公式来初步估算轴径 （ 式中：T扭转切应力，单位为 轴所承受的转矩，单位为 NT轴的抗扭截面系数，单位为 轴所传递的功，单位为 计算截面处的直径，单位为 T 许用扭转应力，单位为 上式可得到轴的直径为： 4 9 （ 确定上述公式中的值： (1) 确定 表， 值范围为 103 10 (2) 确定转速 n 因为整个换刀过程的时间为 整个换刀过程有 5 个动作，按照每个动作的时间相等来计算，所以每个动作的时间 18 5 而机械手在交换刀具的时候转过 180 度的时间也为 以在这个时候它的转速最大，我们只要按照最大的转速去计算直径就可以了，因为转过 180 ，因而转过一周的时间就为 1 秒 ，所以转速 n=60r/3) P 的确定 由于所产生的功主要用来使机械手转动，再转 180 度时的时候功率 P 最大，=1802=中 我们取 F 的最大 值为 600N，而 L 的值我们前边已经确定为 300以 =180N*M 而 22 n s 所以 P=M 即 3333 09 5 4 9 1 0 1 . 11 1 0 2 90 . 2 6 0 m 这里我们选择 30d 25 部与轴连接螺栓的确定 机械手的手部是通过螺栓连接在轴上的，选用普通的螺栓来连接，在这里拟采用四个螺栓组成的螺栓 组来连接的，现在对这 4 个螺栓进行受力分析。 这 4 个螺栓同时受到的力 F 以及力矩的作用，因为在此采用的是普通螺栓，所以各个螺栓的受力分别为： 1 585 150N 下面对其中的一个螺栓进行验证 由 00 F（ 得预紧力 0 0f （ 式中：0里接合面数为 1，所以 1i ，这里取 由于接触表面的表面状况为干燥的表面，所以在这里取 1.0i 所以得 s 1200N 19 由螺栓的危险截面拉伸条件公式 （ 得 式中： 为螺栓的许用拉伸应力 螺栓的材料为中碳钢，所以取许用应力 180 5 由于这只是大致估算，为了保证在使用过程中的安全可靠，在实际的选用中螺栓的直径应大些，所以取 ，故而选用 螺钉。 械手转过 75 度的驱动机构设计 这个机构由一般个液压缸、齿轮条、齿轮以及连杆组成的，当发出机械手交换刀具的信号时，液压缸的后腔就通入压力油，活塞杆推动着齿轮条向前移动，使得齿轮转动，齿轮转动的时候，带动连杆转动，而连杆通过连接块连在机械手上，所以当活塞 通入压力油的时候，机械手就相应的转动。
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