内容简介：: l VMC 7 5 0 A快速换刀机械手设计简介 f f 韩冬生宋援朝北京市机电研究院工程中心 ( 邮编；1 0 0 0 2 7 ) 一摘要：对于加工中心换刀时问直接关系到机床的加工效率尤其是在生产线上对生产节拍有严格的要求，换刀速度更为重要。本文阐述了凸轮 ( 空间凸轮与平面凸轮)传动的快速换刀机构，使换刀过程的各动作相互谐调、相互制约，达到丁准确、可靠、快速的目的兰璺鬯 f 一、前言，厂， ”， I ，一在生产过程中为了进一步提高加工效率机床具有更大的柔性发明了带刀庠的机床这就是加工中心 ( Ma e l i n n i g C e n t e r ) 。加工中心诞生以来，人们采用各种方式来进一步提高其加工效率，如；提高进给、移动速度、提高主轴转速、加大主轴电机功率、加大切削用量、采用高质量刀具等来提高加工效率。近几年来，国内外加工中心生产厂家都投入很大的资金及精力，来缩短换刀时间，这在历届展览会上充分显示了出来因为在高节拍，需多次换刀的加工过程中，换刀时间的缩短对生产效率的提高相当明显据有关资料介绍换刀时间每减少 1秒机床的生产效率可提高 4 5 。可见在加工中心机床上缩短换刀时间对提高生产效率适应高节拍的生产线，充分满足用户需求提高产品竞争能力是非常重要的目前，国外加工中心生产厂家对快速换刀机构的开发、研制相当重视有的生产厂家将换刀速度降至了 2秒以下，换刀速度的快慢成了机床性能先进与否的标志之一。我院快速换刀机械手机构的研制并取得成功标志着我院加工中心机床在换刀速度方面具备了较高的技术水平为赶超国外先进水平奠定了基础，同时提高丁我院产品的竞争能力，对实现替代国外产品挡住进口具有重要的现实意义。二、刀库、机械手动作分析刀库、机械手放置于立柱的右侧机械手换刀前 ( 或在加工时) ，刀库转动将所要换的刀具转至换刀位置处于等待状态当换刀指令发出后刀库中要交换的刀具随刀套翻转机械手同时抓主轴上及刀库中的刀具进行交换。通常应有如下动作；如图一所示。三一蹦讶l 直 I 1 捌l 手 I 】啊J - _ 则妻劓哩 I 圃圃查囹豳 l 匪函 I 国童口 l 地! l 皇l 维普资讯由图一不难看出，整个换刀过程包含了许多步骤，若按图一顺序的动作来进行换刀的话，完成一个换刀过程需较长的时间，达不到快速换刀的目的但若使几个动作在同一时间内按一定的要求同时进行 ( 形成联动) ，那么，换刀全过程所需时间就会缩短达到设计目的。使这些动作按一定要求进行联动是用凸轮机构来完成的此快速换刀机构采用了一个空间凸轮，两个平面凸轮。在某一时问内可同时进行的动作如图二：由图二可以看出，换刀过程的多个动作，在较为集中的几个步骤中完成，因此所需时间较短，达到快速换刀要求，翻刀动作及机械手长降各由一平面凸轮控制，机械手旋转由一空间凸轮控制。动作时序图如下一【 r j 机械手旋转鞫 f l 图三刀库和主轴上的刀具相互转移是通过机械手来完成的，机械手通过，旋转一拔刀一旋转插刀等动作来完成换刀循环，可用如下简图说明。机械手原位蛰跨鹳蛰图四 6 手旋转 1 8 0 旋转 1 8 0 后，向上插刀。插刀完成后，反转 6 5 ，机械手复位 ( 刀套复位) 换刀结束。号号械信信。机刀位刀，转松到拉后旋出刀下位针发松向到时并抽后刀逆刀主认拉抓确维普资讯三、结构及传动设计快速换刀机械手参数，指标如下表 1 刀库容量( 把 ) 2 4 2 最大刀径( 相邻装刀) 中8 0 mm 3 最大刀长 2 4 9 t r i m 4 最大刀重( k g) 7 刀库转速 ( r p m) 1 2 5 3 7 5 6 换刀速度( s ) 2 5 3 5 表 1 刀库采用圆盘式结构，在 d 6 5 0 mm 的圆周上均布 2 4个刀套，刀套翻转位置定为圆盘的下端。刀库旋转时，每转一个刀位刀盘转动的角度为：一 = 1 5 刀库电机每转一转，刀库转动一个刀位，则： 3 6 0。3 6 0 。一一百面一当刀库装满刀具时其重量较大，为使每一刀套能准确停在翻刀位置且刀库转动平稳、可靠，在刀库电机至刀库的传动中加一分度单元分度单元的降速比为 i - rt 一8 。因此：i 电一库一i 升度 i 若选定一级齿轮降速，则： i 一韭一譬一3 。机械手的动作较为复杂，既有旋转，上下移动，又有停歇，因此其传动机构的设计较为复杂，其中最主要的是凸轮的设计。选用是机的最高转速为：1 7 1 0 r p m ( 2 8 5 转秒 ) ，采用变频器电机的转速可调，因此机械手的转速也是可调的，从表一可查得，预定机械手换刀速度为：2 5 3 5 s 。而机械手转一转为一换刀循环因此可得到电机或机械手的总降速比为：j n n H 一2 5 2 8 5 7 1 2 5 圆整后：取 i 龟一 n 一7 O 快速换刀机械手、刀库的传动原理图，如图五所示。M1电机每转 7 0 转，机械手完成一次换刀循环机械手何时升降、升降的幅度由机械手提升凸轮及提升杠杆控制；机械手的旋转及旋转的方向与角度，停歇及停歇的时间由空问凸轮及六角轴控制；刀库中刀套的翻转由翻刀凸轮及翻刀杠杆控制，显然，机械手机构动作准确性、协调性如何凸轮的设计是关键。维普资讯图五凸轮联动换刀机构传动系统图 a 两平面凸轮 ( 翻刀凸轮和机械手提升凸轮)的设计：平面凸轮机构是最常用的凸轮机构，它的运动学分析和设计计算包括凸轮轮廓曲线、速度、加速度曲线及压力角和曲率半径的计算。求解凸轮廓线的常用方法为图解法，压力角是反映凸轮与从动件之间速度与力传递关系的重要参数，压力角过大，会降低效率甚至会导致自锁而使凸轮机构无法运转，因此，在初步确定凸轮的几何尺寸时，就要根据最大允许压力角估算凸轮基圆半径等基本参数。曲率半径的大小直接影响到凸轮与随动件之间的啮合性能及接触应力，还影响凸轮的加工工艺性。因此在设计时需保证合适的曲率半径。这两个平面凸轮在机械手传动中的作用相似，其动作过程也不复杂，由凸轮轨迹通过杠杆产生所需要的升降运动图六翻刀凸轮运动机构简图由图六可知，R1 、R 2分别为凸轮滚道中心的最大半径和最小半径。 A l R1 一 R2 刀套翻转所需距离为：6 0 5 mm。所以；A1 =R1 一R 2 一 =2 7 mm 一8 一维普资讯图七机械手升降凸轮运动机构简图同理：由图七可知，R3 、R 4分别为凸轮滚道中心的最小半径和最大半径。A2 =R 4 一R 3 拨插刀时需升降的距离为：l l 5 mm 所以：A2一R4 一R3 一 4 4 mm A1 、 A2是设计两平面凸轮时必须满足的结构条件，此外还必须考虑工艺性要求，才能设计出满足需要的凸轮。平面凸轮的轮廓曲线有多种 ( 修正等速度曲线、修正梯形曲线及修正正弦曲线的最大加速度( Am)及最大速度 ( V m)都比较小，最大跃度 ( J m)也不太大，综合性能好，这种曲线的通用性强，适用于中速的情况 ( 重载、轻载皆宜 ) ，特别是在负载情况不明时，用该曲线最为保险。这种曲线的动载转矩最小，根据结构的传动特点及使用要求，选用了修正正弦曲线。 b 快速换刀机构中，空问凸轮的作用是使机械手实现间歇、正转、反转，以满足换刀要求。在机械手传动机构中应用的空间凸轮又称为凹桶形凸轮，配以滚子从动盘 ( 即六角轴) 实现所要求的运动。这种凸轮传动可以通过增加预紧力来消除间隙，使得传动精度较高，动剐度较大，能运用于高速机构上。预紧力的大小与传动系统的动力学特性及制造和装配精度等因素有关。空间凸轮的计算较为复杂，一般是通过计算机进行辅助设计。根据机械手换刀时的运动要求，其动作曲线图如图八所示：刀库与换刀机构的控制刀库与机械手驱动电机采用同一交流变频器，可以对两个不同转动惯量的机械传动系统分别设定制动参数。使其可以迅速制动，并具有良好的重复性。维普资讯 2 一寸 l ： I ! 图八一、刀库控制 1 刀库零位开关用于断电后重新开机时刀库的校准。 2 刀套复位开关，确认刀套位置，防止刀套未复位，刀库转动造成的机械损伤。 3 计数开关，用于刀具位置的检索与计数。 4 定位开关，用于控制刀库分度位置为保证分度可靠，该开关实际上为两个相 “ 与 ” 的开关在某一个撞块松动时，会造成触发时间不一致，系统可及时报警。二、换刀机构控制 1 在该机构中，松刀动作不可能实现与机械手联动。松刀速度是提高换刀速度的关键。因此采用了液压驱动的方式。 2 为减少液压站的功耗，降低噪声，减小油箱温升，液压单元采用电磁卸荷阀实现 P T及 P A 切换，当执行 M0 6指令时首先将温流阀切换至 P A 状态，使系统具有正常的工作压力。 3 换刀控制过程随机换刀方式大尺寸刀具的处理随机换刀方式的特点是每一把刀具在刀库中位置不是固定不变的，在有大刀 ( 它占有三个刀位)时，如处理不当在换刀过程中会发生刀具的干涉。为保证换刀的安全性及充分利用刀库容量。根据机床配置的数控系统，我们采取了下述两种控制方案。 1 当数控系统具有完善的刀具管理能力，可识别确认大尺寸刀具 ( 如 AC R OMAT I C 8 5 0 S X等)时，由系统实现换刀、选刀的自动控制，在加工程序中不需要做任何特殊处理。 ( 1 )其原理是将大刀及其前一把刀按任选方式实现刀具交换，即刀具在刀库中的地址为确定值，换句话解释是当该刀具未还回刀库原位置前，刀库不执行选刀 T指令 ( 2 )当刀库中只有一把大刀时，尽量将其选择为加工程序中的第一把刀。换刀按任选方式交换。 ( 2 )当刀库中只有一把大刀，该刀库不能做为加工程序中第一把刀时，该刀及前一把刀按任选方式换刀。 ( 3 )当刀库大刀数量为 n时，则按第 ( 2 )种情况类推，有 2 n把刀按任选方式换刀。 2 当机床的数控系统不具备刀具种类识别能力时 ( 如三菱 M3 A 等) ，应在加工程序编制时予以考虑其原理与上一种情况相同，只是处理方式不同编程示例如下；设大刀刀号为 n Tn一 1 M 0 6 G0 X 1 0 0 Y 1 2 0 Z1 50 1 0 M 06 Tn + M 0 6 维普资讯 G1 Z 5 0 F3 0 0 G0 Z 1 5 O M O 6 Tn+ M 0 6 TnT M 0 6 I n M 06 G1 X2 0 0 Y1 0 0 Z1 0 0 F5 0 0 四、结束语经过试制，现已生产出两台样机，经千余次试运行后检验，各项指标均达到设计要求现已交付使用，运行情况良好。这标志着我院从设计、工艺、生产方面掌握了快速换刀机构的技术，在国内同行业中处领先地位，同时接近了国外先进技术。从而使我院加工中心产品更具竞争力为占领更大的市场份额打下了技术基础。维普资讯一种换刀机械手卡爪夹紧机构的设计李剑玲贺炜丁毅王宁侠 1 陕西科技大学机电工程学院，陕西成阳 7 1 2 0 8 1 ； 2 陕西科技大学设计学院，陕西西安 7 1 0 0 0 0 摘要：运用优化设计的方法，设计了一种应用于立卧两用换刀场合的机械手卡爪机构。该机构结构简单、机构紧凑、可靠性高，是一种比较实用的机械手卡爪机构。关键词：自动换刀装置；双臂机械手；优化设计中图分类号： T G 6 5 9 0 2 3 1 文献标识码： B文章编号： 1 0 0 1 2 2 6 5 ( 2 0 0 3 ) 1 00 0 4 8 0 3 Th e d e s i g n o f a c l a w me c ha ni s m f o r t h e ma n i pul a t o r LI J i a n l i n g HE W e i DI NG Yi W ANG Ni n gx i a Ab s t r a c t ：I n t hi s pa pe r - we h a v e us e d t he me t h o d o f o pt i mum de s i g nde s i g ne d a c l a w me c h a n i s m a p pl i e d t o v e r t i e a ho r iso nt a l d o ub l ed ut y ma n i pu l at o r And t hi s me c h a n i s m i s a s i mp l ec ompt a nd r e li a b l e o ne Ke y wo r d：ATC；b ot h a r ms ma n i p u l at o r；o pt i mu m d e s i gn 1 自动换刀装置及双臂式换刀机械手在机械加工中，大部分零件都要进行多种工序加工。在一般数控机床的整个加工过程中，真正用于切削的时间只占整个工作时间的 3 0 左右，其余的大部分时间都花在安装、调整刀具、装卸、搬运零件和检查加工精度等辅助工作上。为充分发挥机床的作用，数控加工中心均配有自动换刀装置。自动换刀装置的职能是将机床主轴用过的刀具与刀库或刀具传送装置下一道工序要用的刀具进行交换。其动作循环是：拔刀一刀具交换一装刀。根据刀具夹持器的数目不同可分为单臂式机械手和双臂式机械手。由于双臂机械手具有换刀时间短，动作灵活可靠等优点，因此常采用双臂机械手作为加工中心的刀具交换装置。双臂式机械手的型式见图 l 。图 l 所示的几种双臂机械手均是两手同轴，主要用于刀库轴线和主轴轴线平行的场合。另有一种常用的双臂机械手的两手成一定角度，特殊的是 9 0 。，称为直角形机械手，该机械手用于刀库轴线和主轴垂直的场合，如图 2 所示。图 1双臂机械手双臂机械手进行一次换刀的循环的最基本动作为： ( 1 ) 抓刀：手臂旋转或伸出，同时抓住主轴和刀库里的刀具。 ( 2 ) 拔刀：主轴松开，机械手同时将主轴和刀库中的刀具拔出。 ( 3 ) 换刀：手臂旋转 l 8 0 。。刀具交换。 ( 4 ) 插刀：同时将刀具图 2 直角型双臂机械手插入主轴和刀库，然后主轴夹紧刀具。 ( 5 ) 缩回：手臂缩回原始位置。根据我们所设计立卧两用换刀机械手的工作要求。本换刀机械手选用直角形双臂机械手。 2 机械手卡爪机构选用及工作原理如图 3所示，油缸 l 1 、定位块 8固定在换刀臂 l 0上。活塞固定于定位块 8上。换刀手由准备位置移至换刀位置，键 2卡进刀具定位槽中，此时，油缸 l 1 推动活塞组件 9 ，在定位块 8的导向下向前滑动，使得两卡爪 l 、 3分别绕轴 4 、 5转动，直至卡爪夹图 3 换刀臂内部结构图 4 8 组合机床与自动化加工维普资讯紧刀具，此时，活塞组件 9将卡爪锁上。卡爪的松开是由油缸 l 1 内的弹簧带动活塞组件 9 后移，卡爪 l 、 3分别在弹簧球 6 、 7 的作用下与件 9保持接触，卡爪松开后，换刀手退至准备位置。本卡爪夹紧机构利用活塞组件 9实现了卡紧、锁止的联动，在油压较小时也能有效地锁紧刀具。如图 3所示，当锁止角 a =l 5 。时， F =P s i n l 5 。一3 9 F，也就是说作用于卡爪上的力 ( F l +F 2 ) 比所提供的作用于件 9上的油压力大约大 4倍，故可满足锁止要求。 3 机械手的设计及计算 3 1 手指握力的计算当手指水平位置夹持垂直刀具时，手指握住刀具时需要的夹紧力最大，取安全系数为 2 ，刀具质量按 8 k g 计算，则握力为： N=2 mg=289 8=1 5 6 8 ( N) 3 2 手部的驱动力计算P t 如图 4 所示， P为油压力， G为刀具一的重量，为手指夹住刀具的夹紧力，则 P ： t z口 C 一其中 C为动力臂， b为阻力臂， C=6 2 ，取口=1 5 。。从而 P =4Nt g al 5 。为了考虑刀具在传动时惯性力、振动及传动效率的影响，其实际驱动力： P 宴际 P 图 4 手部受力分析式中：手部机械效率 k ，安全系数 2 工作情况系数一般取 0 8 5 0 9 5 在此分别取值： 7 =0 9 ， k l =1 5 ， k 2 =l 。从而： P宴际 P = 一 2 8 0N 3 3 复位弹簧的设计 3 3 1 基本参数弹簧选用普通圆柱压缩弹簧，弹簧类型为 I I 类，材料为 6 5 Mn 。当钢丝直径为 2 2 2 5时，有口=1 6 1 8 MP a ，弹性模量 G为 7 8 5 0 0 MP a ， r =0 4 0 口=6 4 7 MP a 。设计手爪的摆幅为 2 0 mm，则当弹簧受到最大工作载荷 F一时，弹簧的最大变形量 A = 1 0m m o 对弹簧进行受力分析，计算得弹簧受到最大工作载 F 一荷为 5 0 7 N。 3 3 2 手爪的优化设计 ( 1 ) 选取优化对象：为了使手爪的结构更紧凑，尺寸设计更合理，同时也为了提高机械手的性能和使用寿命，我们对机械手手爪进行了优化设计。复位弹簧的自由高度对机械手手爪的体积大小有举足轻重的影响，故在对手爪的优化设计中，我们首先对复位弹簧进行优化设计。 ( 2 ) 确定设计变量设计变量是指在设计过程中进行选择并最终必须确定的各项独立参数。在此选取设计变量为弹簧丝直径 d 、弹簧中径 D 及弹簧的有效圈数 n 。即 X= d D 2 n = l 2 3 ( 3 )确定目标函数要进行优化设计，首先应该根据实际要求选择确定优化的目标函数。目标函数是设计中预期要达到的目标，表达为各设计变量的函数表达式：， ( X) = f ( l ， 2 ，， ) 它代表设计的某项最重要的特征。在设计中如果所要求的性能指标较多，就应该以其中最重要的指标作为设计的目标或者将各目标函数以加权的方法组成一个总的目标函数。这里选取弹簧的有效圈数 n最小为最优化设计的目标。根据对弹簧刚度的要求范围有： = l 0 Gd4 = X 3 从而得目标函数： f ( -x) = = ( 4 ) 确定约束条件目标函数取决于设计变量，而设计变量的取值范围常常是有限的或必须满足一定的条件，称之为约束条件或设计约束。选取设计变量，列出目标函数，给定合理的约束条件后便可构造最优化设计的数学模型，建立最优化设计的数学模型以后，即可选择合适的最优化方法解题，求目标函数的最优解。 1 ) 根据旋绕比的范围有： g l ( ) =4 一x_ _ 22 0 g 2 ( X)= 一9 0 2 ) 根据弹簧的强度条件有约束条件： 1 6 6( ) 6 647 MP a 3 ) 根据弹簧的疲劳强度要求给出约束条件： 6 6( 2 l 6 d ， c 1 o 由以上所述可得以弹簧工作圈数为目标函数的最优化设计模型如式 ( 1 ) ： mi n = 一X= l 2 3 = d D2 n 4 一 x_22 0 1 兰一90 1 m s ) ，故需要安装缓冲装置，我们选用缓冲性能较好的可变节流缓冲装置。如图 5所示。为了避免含有空气的油进入系统后对液压系统造成的侵害，需在液压缸上安装如图所示的排气阀，见图 6 。图 5 可变节流缓冲装置图 6 排气阀缸筒材料选用 4 5 号钢调质，缸筒内径和活塞用害配合，表面粗糙度，缸筒内表面研磨。活塞材料用耐磨铸铁，活塞和活塞杆采用螺纹连接，害配合， o 型圈密封。端盖材料用 4 5 号钢锻件，端盖和缸筒采用螺纹连接，活塞杆头部用螺纹连接。 4结束语该机械手卡爪夹紧机构结构简单，经优化设计，使其结构更加紧凑，可靠性更高，故该机械手卡爪夹紧机构是一种实用、合理的机构。参考文献】 1 詹启贤自动机械设计 M 北京：中国轻工业出版社， 1 9 9 2 2 濮良贵，纪名刚机械设计 M 北京：高等教育出版社， 1 9 96 3 刘惟信机械最优化设计 M 北京：清华大学出版社， 1 9 9 4 4 李寿刚液压传动 M 北京：北京理工大学出版社， l 9 9 4 5 吕凤翥 c+ + 语言基础教程北京：清华大学出版社， 1 9 9 9 6 邵名健一种新结构的立卧换刀机械手机械传动， 1 9 9 8 ( 2 ) 收稿日期： 2 0 0 30 40 3 作者简介：李剑玲 ( 1 9 7 8一) ，女，陕西洛南人，陕西科技大学硕士研究生。 ( 编辑江复 ) ( 上接第 4 7页) 表 1 椭圆曲线节点坐标 I 单位： m m) ) ， f F 4 9 96 O 1 2o 0 1 2 Ol 1 2 00 49 8 4 0 2 4o 0 1 2 o 6 1 2 O2 49 63 9 3 59 9 1 2l 6 1 2l O 49 3 5 6 4 798 1 2 32 1 22 3 48 9 9l 5 9 9 5 1 2 52 1 2 4l 48 5 42 7 1 9l 1 2 78 1 2 63 48 0 0 7 8 3 85 1 3 O8 1 29l 47 3 85 9 5 75 1 3 43 1 3 2 3 46 6 73 l O 7 6O 1 38 3 1 3 5 9 4 5 8 7 O l1 9 40 1 42 7 1 4o 0 4 4 9 72 l 3 1 ll 1 47 5 1 44 5 4 3 98 0 l 4 27 2 1 52 8 1 49 4 4 2 88 9 l 5 42 0 1 58 4 1 5 4 6 41 69 9 l 6 55 4 1 6 43 1 6O 2 40 4 70 l 7 6l 8 1 62 6 1 66 O 3 9 1 46 l 8 66 4 1 68 7 1 7l 8 3 7 72 8 l 9 68 7 1 74 9 1 7 7 7 3 6 2l 5 2 0 68 4 1 8l 2 1 8 38 3 4 6O 8 21 65 2 1 8 7 6 1 9 o 0 32 9 O 8 22 5 8 7 1 9 40 1 9 62 3 1 1l 5 23 483 2 O o4 2 O 2 4 2 9 2 33 2 4 3 38 2 O 67 2 08 5 2 7 2 6 4 2 5 1 48 2 1 2 9 2 1 45 2 5 2l l 2 5 9 O7 2 1 8 9 2 2 o4 2 3 0 78 2 6 6l 3 2 2 47 2 2 6 O 2 0 8 7O 2 7 2 62 2 3 Ol 2 3 l 3 l 8 59 2 2 7 8 49 2 35 2 2 3 6 3 l 6 25 O 2 8 37l 2 39 9 2 40 9 l 3 85l 2 8 82 6 2 44 2 2 45 O l 1 4 Ol 2 9 2l O 2 48 O 2 48 6 8 9 O8 29 52 0 2 5l 2 2 5l 7 6 38l 29 75 5 2 538 2 5 42 3 82 7 29 9l 2 2 5 5 9 2 5 62 1 25 5 29 9 9l 2 5 73 2 5 75 参考文献】 1 刘跃南计算机数控及其应用北京：机械工业出版社， l 9 95 2 薛彦成数控原理与编程北京：机械工业出版社， 1 9 9 4 3 邹俊鹏机床数控技术哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， l 9 9 5 收稿日期： 2 0 0 3 0 31 7 作者简介：蒿建军 ( 1 9 5 4 一) ，男，新疆昌吉人，攀枝花学院机电工程系副教授。 ( 编辑江复) 组合机床与自动化加工维普资讯 1_7 寺机械传动证二中物 t糍耋一种新结构的立卧换刀机械手甚济南一机床集团有限公司邵名健我厂接受的联合国援助项目中，要求设计试制五面加工中心，其特点是主轴箱可进行主卧转换。为此，提出立卧换刀机械手的设计。在德国专家指导下，所完成的换刀手方案是单向换刀。我们经过调研和讨论，认为该方案存在以下缺点： 1 ) 换刀手与主轴箱及防护的干涉大； 2 )换刀手体积大； 3 )换刀手在加工区内，布局不合理； 4 ) 在加工过程中，存在着主轴箱的重复定位误差。同时，肯定了在刀库中刀具轴线与主轴轴线垂圉 1 4 5 。换刀手丁 L f I 2 实现了立卧换刀。该换刀手的设计，外型和内部结构打破了传统设计模式，有所创新。 l 换刀手运行原理如图 3所示，换刀手由准备位置 B移至图示位置 A，当主轴箱 l 退出刀杆后，在齿轮齿条机构 5的作用下，换刀臂 2 ， 4和联接体 3一起绕轴 I 转动 1 8 0 。，主轴箱 l再前移至图示位置实现换刀，卡爪松开后，纵向差动油缸 8带动换刀手至位置 C( 此时，主轴已开始工作，下述换刀动作为辅助运动，与工件加工同步进行) ；横向油缸带动换刀手至位置尸，油缸 8使其移至位置 E而将刀具插入刀库中，横向油缸回位，使换刀手回到换刀准备位置 B。刀库电机转动，将所需刀具转至位置 E，换刀手在差动油缸 8和横向油缸的共同作用下，完成由位置 BEDc B 的转换过程，此时，换刀手夹持着新刀具在换刀准备位置 B待命。至此本轮换刀结束，待接到新的换刀命令后，重复上述过程。当主轴箱 1 转至立式位置，需要立式换刀时，齿轮齿条机构 7 便驱动联成一体的件 2 、 3 、 4 、 5 和回转体 6 ，使之绕轴 l转动 9 0 至立式换刀位置，其他过程与上述卧式换刀相同。幽 2移动式换刀手直的情况下，采用 4 5 。换刀手 ( 见图 1 ) 的优点。我们认为这种换刀形式可加大刀库容量，简化换刀过程，因此，提出将单向换刀手改为立卧转换刀手的设计方案。方案是将 4 5 。换刀手( 图 1 ) 与移动式换刀手 ( 图 2 ) 相结合，增加立卧转换机构形成立卧转换换刀手，如图 3所示。这种结构吸取了 4 5 。换刀手和移动式换刀手的优点，换刀动作简单( 两个直线运动，两个旋转运动) ，再加上卡爪夹紧，与普通移动式换刀手动作敦相同，但却图 3立卧转换式换刀手 2 卡爪夹紧机构图 4是去掉臂盖的换刀臂内部结构图，图中油缸 9 、定位块 1 】固定在换刀臂 2上，活塞组件 1 0可沿定位块 1 1滑动，卡爪 l 7 、 l 8可分别绕轴 l 5 、 1 4转动，刀具定位键 l 6固定于定位块 l 】上。换刀手由准备位置移至换刀位置时，键 1 6卡进刀具定位槽中，此时，油缸 9中的油液推动活塞组件 1 o ，在定位块 1 】的导向下向前移动，使得两卡爪 1 7 、 1 8分维普资讯第 2 2 卷第 3 期一种新结构的立卧换刀机械手 M 向( 掉盖) 图 4 抉刀臂内鄱结构图别绕轴 1 5 、 1 4转动，直至卡爪夹紧刀具，此时活塞组件 1 O将卡爪锁上。卡爪的松开是由油缸 9内的弹簧带动活塞组件1 0 后移，卡爪1 7 、 1 8 分别在弹簧球1 2 、 1 3 的作用下与件 1 O保持接触，卡爪松开，换刀手退至换刀准备位置上述卡爪夹紧机构，利用活塞组件 1 o实现了卡紧、锁止的联动。在油压较小时也能有效地锁紧刀具。如图 4所示，当锁止角为 1 5 。时， F 一p s i n l 5 。 3 9 F。式中，为作用于件 1 O上的油压力； F 为作用于卡爪上的力所以，作用于卡爪上的力 ( F ) 比所提供的作用于件 1 o上的油的压力大 3 9 倍，这样便实现了锁止的要求由此说明，该夹紧机构结构简单可靠。通过图 4可以看出，该立卧转换换刀机械手的换刀动作少，且各个动作都是由简单的直线运动实现，内部结构简单可靠( 这样便降低了制造成本) ；由于机械手远离工作区，机床整体布局美观，同时，机械手立卧换刀，去掉了主轴箱的重复定位误差，故提高了工件的加工精度。下表为在电气液压和机械状态相同的前提下，与单向固定式换刀手在换刀时间上的比较。通过比较可知上述结构的立卧换刀机械手，在刀库中刀具轴线与主轴轴线垂直的情况下，省去了中间环节，结构简单，虽比单向换刀手成本稍高，但功能强；而与 NC换刀机械手相比，由于所用数控系统档次降低减少了大量电气元件，因而制造成本下降了数倍，而功能却相同。所以本文所介绍的立卧换刀机械手是一种结构先进，功能价格比合理的实用型机械手。时间m l 立卧转换移动式4 5 。换刀手单向固定式4 5 谈刀手 0 几芯 l卧式换刀立式换刀卧式换刀立式换刀切削至脯 4 哪硎 1 o 8 换刀时间l 5 5 5 5 辅助时间l 4 O 注一为德国 HEL LE R甚司的设计方案 - 结构见图 1 *男3 5岁工程师邮编： 2 5 0 0 2 1 ( 收稿 E l 期： 1 9 9 8 0 2 1 0 ) 机械工业部郑l州机械研究所经十几年的研究，开发出一系列齿轮 C AD软件产品。这些辑件实用性强、使用方便、商品化程度高，是齿轮设计者必备的设计工具现已在全国几十个厂家应用，探受用户好评。欢迎各界用户选用我所齿轮软件系列。多级平行轴渐开线圆柱齿轮减速器优化设计 C A D软件包齿轮、轴等零部件参数化绘图软件包高速齿轮练合优化及 C AD软件包圆弧齿轮优化设计及 C AD软件包锥齿轮设计辑件包最新国标 G B T3 4 8 0 ( GB 3 4 8 0 8 3修订版 ) 齿轮强度校核软件国家标准 G B1 0 0 6 2 8 8锥齿轮强度校核软件美国标准 A GMA2 0 0 1 一B 8 8齿轮强度校核软件国家标准 G B6 4 1 3 -8 6齿轮胶合承载能力计算软件美国标准 A GMA 齿轮胶台承载能力计算软件国家标准 G B 0 0 9 5 8 8 齿轮几何尺寸及精度计算软件齿轮销齿传动 C AD软件齿轮变形修形、润滑计算软件轴强度刚度计算软件轮轴横向振动固有频率计算( 临界转速计算 ) 重载齿轮减速器系列 C AD 开发计算机绘制的齿轮箱装配图联系地址：郑州市嵩山南路 8 1 号机械部郑州机械研究所齿轮中心二处联系人：杨寿夜电话： ( 0 3 7 1 ) 7 9 4 7 6 4 2 7 4 3 5 4 5 2 传真： ( 0 3 7 1 ) 7 4 4 9 1 4 8 邮编： 4 5 0 0 5 2 维普资讯第 2 3卷第 3期 2 0 0 4年 3月机械科学与技术 MECHANI CAL SCI ENCE AND T ECHNOLOGY V0 1 2 3 Ma r c h No 3 2 00 4 夏粉玲文章编号： 1 0 0 3 8 7 2 8 ( 2 0 0 4) 0 3 -0 3 1 9 0 3 凸轮式立卧两用换刀机械手的研究夏粉玲，贺炜 ( 陕西工业职业技术学院，咸阳7 1 2 0 0 0 ；陕西科技大学，咸阳7 1 2 0 8 1 ) 摘要：针对在立卧两用换刀机械手中，其凸轮机构驱动机械手需完成的运动轨迹为正方形的特点提出采用双从动件的凸轮机构设计方案，通过一系列分析计算，确定了运动平稳性较好的从动件运动规律及完整的位移曲线方程，绘制了凸轮的轮廓曲线。关键词：立卧两用；机械手；凸轮机构中图分类号： T H1 1 2 文献标识码： A Re s e a r c he s o n Cam Ge ar Ve r t i c a l& Ho r i z o n t a l To o l - Cha n gi n g M a ni p ul a t o r XI A Fe n 1 i n g 。，HE W e i ( 。 S h a a n x i P o l y t e c h n i c I n s t i t u t e ，Xi a n y a n g 7 1 2 0 0 0； S h a a n x i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e& T e c h n o l o g y ， X i a n y a n g 7 1 2 0 8 1) Abs t r a c t ：I n t h e fie l d o f NC ma c hi ni ng，e s p e c i a l l y wh e n ma c h i n i n g i s ma d e o n pe n t a h e dr o n CNC ma c h i n i n g c e n t e r s ，v e rti c a l h o r i z o n t a l c o n v e r s i o n o f t h e h e a d s t o c k i s n e e d e d，a n d r e s e a r c h o n v e rti c a l h o r i z o n t a l t o o l c h a ng i n g ma ni pu l a t o r i s t he r e f o r e n e c e s s a r y F o c u s i n g o n t h e s q u a r e l o c u s a l o n g wh i c h t h e d r i v e n p a rt s o f t h e c a m g e a r mo v e，a p r o j e c t c a m g e a r i s d e s i g n e d f o r e mp l o y i n g t w o d r i v e n p a r t s T h e t a s k o f v e rti c a l h o r i z o n t a l t o o l - c h a n g i n g ma ni pu l a t o r i s t o ma k e c o n v e r s i o n be t we e n v e rti c a l a nd h o r i z o n t a l mo v e me n t s t o me e t t h e n e e d f o r t o o l c h a ng e I t r e d u c e s t h e e r r o r o f r e p e a t a b l e p o s i t i o n i ng c a u s e d b y v e rti c a h o r i z o n t a l c o n v e r s i o n o f ma c h i n i n g c e n t e r h e a d s t o c k， a n d t h e ma c h i n i n g a c c u r a c y i s g r e a t l y i n c r e a s e d T h e s h o r t c o m i n g o f t h e h y d r a u l i c d r i v i n g s y s t e m i s e l i mi n a t e d b y s e l e c t i n g t h e p r o j e c t c a m g e a r ， r e s u l t i n g i n a n i n c r e a s e i n t o o l c h a n g i n g s p e e d a n d r e l i a bi l i t y S i n c e t wo s l a v e d r i v e n p a rts a r e e mp l o y e d i n c a m g e a r ，t h e s i z e o f t h e d e v i c e i s s ma l l e r a n d t h e c o s t i s l e s s t ha n b e f o r e Th e c o n t o u r o f t h e c a m i s n o w o f mo di f i e d s i n u s o i d a l t y p e，i t i s e a s i e r t o ma c h i n e a n d i t s s t a b i l i t y i n mo t i o n i s mu c h i mp r o v e d Ke y wo r d s：Ve rti c a l& h o r i z o n t a l ma n i p u l a t o r ；Ca m g e a r ；To o l c h a ng i n g ma ni pu l a t o r 五面体加工中心的最大特点是主轴箱可进行立卧转换。如果使用立式或者卧式换刀机械手，在加工过程中，主轴箱就要不断地进行立式和卧式的转换，将会产生重复定位所带来的误差，使加工精度大大降低。为此，提出了立卧两用换刀机械手的研究。换刀机械手的驱动方式有凸轮式、液压式、齿轮式和连杆式。而液压式换刀机械手的缺点是换刀速度慢、安装和调试较为困难、易泄漏等。与液压式换刀机械手相比，凸轮式换刀机械手的优点是换刀速度快、可靠性高、安装调试较容易等。因此，它正在逐步取代液压式等类型自动换刀机械手的主导地位。目前，发达国家数控加工中心的自动换刀机械手主要采用凸轮式，我国加工中心技术起步较晚，对自动换刀机械收稿日期： 2 0 0 2一l l 一1 2 基金项目：陕西省教委专项基金项目( 0 0 J K 2 3 7 ) 资助作者简介：夏粉玲( 1 9 6 l 一) ，女( 汉 ) ，陕西硕士手研究的也较少。迄今为止，我国基本上还未生产该种产品，我国制造的加工中心上配置的自动换刀机械手大多都是进口的，价格相当昂贵。为了更进一步提高数控加工中心的加工速度及其利用率，有必要对凸轮式立卧两用自动换刀机械手进行研究，以填补我国在此项研究中的空白。在制定了立卧两用换刀机械手结构方案后，其主要部件凸轮机构的研究与设计是主要的技术难点之一。由于凸轮机构必须使机械手完成在刀库中插刀、拔刀的过程。机械手插刀、拔刀整个过程的运动轨迹为正方形 ( 如图 1 所示曰一 C D E) ，因此凸轮机构的设计计算难度大，其主要问题是如何提高凸轮机构的运动平稳性。利用一个凸轮驱动一个从动件，要使机械手完成插刀、拔刀的整个过程，是无法实现的。采用两个凸轮分别驱动两个从动件实现两个方向的运动很容易，但是其结构复杂。而利用一个凸轮的轮廓曲线，驱动两个从动件分别实现两个方向的运动既可简化结构又使造价降低。因此，采用双维普资讯机械科学与技术第 2 3卷什凸轮机构两个从动件的运动规律应该相同不同自 0已仔 f E 1 、时间差凸轮的轮廓形状取决于从动件的运动律在设汁凸轮轮廓曲线之前，应首先根据工怍要求确定、动什的运动规律其次要考虑由于加速度突变所引起的冲击，从而保证从动件运动的平稳性。 1 卧两川换机械手案 I 立卧两用换刀机械手的结构方案如图 1 所示伺服电动机 2直接驱动换刀手，伺服电动 l l 嗵过联轴豁直接驱动轴 l I 运动。其运动过程如下：换刀 f气缸推动在导轨上运动，由准备位置 B移至位置 A ，当 l! l 退出7 J 杆后，在伺服电动机 2的驱动下，换刀臂和联接体现一起绕轴 I 转动 l 8 O 。，主轴箱复位，刀杆插入主轴爪侩开后气缸将换刀手拉回至位置 B( 此时主轴已开始 I _ 怍下述换刀动作为辅助运动，与工件加工同步进行凸轮机构带动导轨以上的机构由 B运动到 c 、 D、 E 将刀具插入刀库中，然后凸轮机构使它们运动到位置 B 。， J 侔转动，将所需刀具转至位置 E，导轨以上的机构再在凸轮饥掏的怍用下由位置 B E D c B完成取刀过程此时，换 J 手_灾持着新刀具在准备位置 B待命。至此本轮换刀结束，披到新的换刀命令后重复上述过程。主轴转至卧式位置需要卧式换刀时，伺服电动机 l 通过联轴嚣带动轴 l l 及伺服电动机 2和手臂联接体使刀具转动 ) 换刀位置其他过程与上述立式换刀过程相同凸轮机构的设计 2 1 结曲方案往实际应用中，多数凸轮机构是一个凸轮驱动一个从动檄少采用一个凸轮驱动多个从动件。在立卧两用换刀饥橄手的研究设计中为了满足使用要求，采用了一个凸轮驱动两个从动件使机械手完成个正方形运动，从而实现插刀和拔刀使得凸轮机构的结构设计简单化，成本也大：降低一眼据立卧两用换刀机械手的设计方案，采用一 1 、凸轮的轮廓曲线同时驱动两个从动件实现 B C D - E形状的 l ：方形运动两，从动件的运动规律应完全相同，只是存 f j ：，， | 时问差。同时，凸轮还需要经常改变转向，且正、反转的运动规律也应该完全相同。据此初步确定凸轮所采用的方案为个具有两个相互垂直从动件的凸轮机构，并且推强、 l 口 j 程角郁为 9 O 。设计方案如图 2所示。图 2设计方案图移动郎仆从动件 1 2 2 从动件的运动规律凸轮的轮廓形状取决于从动件的运动规律在确定从动件运动规律时，要考虑由于加速度突变所引起的冲击应尽量选择加速度曲线连续的运动规律。根据从动件所要求完成的运动在从动件 1 相对凸轮运动时，从动件 2必须静止然后从动件 2运动，从动件 1 静止。因此凸轮必须具有双停歇运动规律，即具有远近休止角。所以在行程两端的速度和加速度应为零。这样，在推程和回程衔接处加速度过渡平滑，且可使最大速度和最大加速度下降，对受力情况和减少振动都是有利的。凸轮的转速 n应依据换刀辅助时间来确定完成插刀及拔刀所需时间为 2 s ，则 n =1 r s 即 n：6 0 r ra i n 为低速运动。其次从动件所承受的载荷主要来自机械手爪、连接体及所推动的箱体，初步估计为 6 O k g8 O k g ，属中等载荷。据上述分析，选择从动件运动规律为改进正弦加速度运动规律。 2 2 1 运动方程插刀、拔刀整个过程的轨迹为正方形正方形的尺寸主要由刀具的尺寸所决定，即。 ( c、 D两点间的距离 )必须大于刀具刀柄的半径才能顺利取出刀具而 ( B 、 c两点间的距离 )尺寸必须大于刀柄的长度，才能实现插刀、拔刀。现依据最大尺寸的刀具为例，进行凸轮设计计算。查得最大刀柄半径为 4 0 11 1 171 1 ，刀柄长度为 7 0 r l l n l 。根据这个条件，确定 B C D E正方形的边长为 8 0 n l n l 由于凸轮需实现插刀、拔刀的正方形轨迹是唯一不变的，即凸轮无论在正转、反转都不能改变其走过的几何形状。因此，凸轮的形状轮廓相对某条轴线对称，即推程与回程具有相对应的特征。取回程运动方程与推程相同，则从动件的运动方程见表 l 所示。 2 2 2 休止角运动规律及参数据从动件所要完成的运动轨迹曲线 B c D E的尺寸，到达远休止角时，其升程为 8 0 I l l 11 1 。远休止角的范围为 1 T 21 T 。处于远休止段时： s=8 0 n l 11 1 ； s =s =0 。近休止段时，从动件相对静止、位移最小，近休止角的范围为 3 r 22 1 r 。即：处于近休止段时： s=0 ； s =s ：0 2 2 3位移曲线方程依据从动件的运动方程、休止角运动规律及参数得出从动件完整的位移曲线方程即从动件运动规律见表 2 维普资讯第 3期夏粉玲等：凸轮式立卧两用换刀机械手的研究 3 2 l 表】从动件的运动力程推程运动方程回程运动方程。 e 【 o 焉。 e 等 s： z 。一了 1 s s ) s = 8 0 一 2 ( 日一 ) 一了 1 。一段 s C o) = 【j_ ” s )= 一【j_c o s ) 】 s )= ) ( 口 )：一墨 i ( 8 ( 口一 ) ) 4+ 1 r 。 e 【素，】。 e 【等】 s：【 z + z 。一 s i n ( 孚+ 了 8 。 ) s = 8 0 一【 2 + 2 ( 日一 ) 一下 9 s i n ( 子+ ( 日一 ) ) 中段 s = 【子堋) s = 一 - o s c 孚。一： j ( + 8 0 ) s ：一旦。 j ( + 8 ( 0一 ) ) q + j 4 + 3 。 e 【号】。 e 【，孚】 s= 【锄一 ) s ： 8 0 一【 4 + 2 ( 日一 ) 一丁 1 ( 8 ( 日一】段 s = Il_c o s ) 】一；一。 ( ( 一 ) ) ”： i ( 8 日 ) 一： i ( 8 ( 日一 ) ) 4+ 4+ 叮 r 表 2 从动件运动规律范围位移曲线方程。 e 【 o l 6_ E - 】 s = 【 z 。一 ( 8 0 】。 e 【音，】 s = 【 z + z 。一 s in ( + 丁 8 ) 】 e【】 s ：【棚一 ) 】。 e 【詈，】 s = 8 O 。 e 】 s = 8 0 一【 2 ) 一了 1 日一】。 e 【 6 等 6l J s = 8 0 4 8+0 2 + 2 ( 日 ) 一下 9 s in ( 了 8 ( 日一 ) ) 】。 e 【 6 2 J s = 8 0 一【 + 2 ( 。一。 ) 】。 e 【孚】 s ： 0 2 2 4 凸轮轮廓曲线的绘制根据凸轮机构的实际工作要求，拟定基圆半径 R = l 2 ( )n l I l l 。这样即可依据从动件的位移曲线方程，绘制凸轮的轮廓曲线。凸轮的轮廓曲线如图 3所示。 3 分析比较立卧两用换刀机械手的特点是机械手可以进行图 3 凸轮的轮廓曲线立式和卧式转换，以满足加工中心立式或卧式加工时的换刀要求。克服了换刀时主轴箱立卧转换所带来的重复定位误差，使加工精度大大提高；采用凸轮式驱动方式克服了液压式驱动所存在的缺点，使机械手的换刀速度及可靠性等大为提高；采用双从动件的结构形式，克服了由于两个凸轮分别驱动两个从动件所带来的结构庞大和造价高等缺点；凸轮曲线采用修正正弦曲线，容易加工且在使用过程中提高了运动的平稳性。 ( 下转第 3 2 4页) 维普资讯 3 2 4 机械科学与技术第 2 3卷和布置若为了保证柔性机构在运动过程中具有足够的强度，就必须考虑零件中的应力和零件的形状尺寸。现在以图 3所示的部分柔性机构为例来说明考虑零件中的应力时的优化设计问题。 3 1 优化数学模型为了减少设计变量，设计变量取为 Y ( X 1 X 2 X 3 , X 4 ) = ( ，，， )( 6 ) 式巾：和 l 为柔性构件的矩形横截面尺寸。目标函数为八X)：I( X ) 一( X ) I mi n ( 7 ) 约束条件除机构能够实现指定的运动、杆长和扭簧的刚度为正外还包括强度条件：，其中为安全系数为零件中的最大应力，。；为极限应力。最大应力为 6 K1 “ - 式中： =0 1 一0 1 0 强度约束条件为 ( ) ： K 一 0g ( 8) L 广一 ( ) 上述优化问题也采取文献 9 中所述的一种改进的遗传算法进行求解将遗传进化过程中最好的个体保留下来，在进化完成后，这个个体就可以看作是优化问题的解。在遗传算法中，适应度函数取为 F ( X )： X)+T ma x ( O， g ( ) ) ( 9 ) 式中：是惩罚因子。 3 2优化综合实例实例已知条件为 0 2 0=0 ， li 邢：1 4 4 91 0 P a ， s： 1 5 表 3给出了当 0 在不同的范围内运动时的优化设计结果同时给出了的值。表 3 优化设计结果 ( ) ( 。) K ， ( Nm) ( m) t ( n 1 ) e ( m) 2+ 3 ( 4) 2 ， I 2 0 4 5 2 3 9 2 0 0 0 0 7 0 0 4 6 3 9 8 0 0 2 8 4 3 O 0 o 0 9 5 1 0 0 5 9 l 7 l 5 ， 2 5 0 5 4 l 3 5 2 O O l O l 0 0 4 6 l 8 0 0 2 9 9 3 O o 0 l 5 4 1 O 0 3 4 6 5 6 4 结论目前柔性机构应用的尺寸范围从大于一个人的大型工具到手握设备以及微机构。柔性机构的使用可以使以前无法实现的事情变得容易，例如本文所

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