　　　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30%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。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。为充分发挥机床的作用，数控中心均配有自动换刀装置。

　　　本课题重点在于镗铣加工中心换刀机械手的结构设计。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。本课题重点解决的问题：换刀机械手部件的结构设计，对关键零件进行校核以及尺寸的优化选取。

　　　主要设计内容有：

（1）设计镗铣加工中心换刀机械手部件的结构，传动系统以及驱动系统，使其能够满足快速，平稳，准确换刀的功能。

（2）完成重要零件的设计，主要包括齿轮的设计，轴的设计，手指的设计。使用Pro/E对所有换刀机械手零件进行三维建模，并建立总装模型。

（3）用AutoCAD画出换刀机械手重要零部件的二维图纸。

关键词：镗铣加工中心；结构设计；换刀机械手；伸缩回转式单臂双爪机械手。

摘要

Abstract

第1章绪论1

1.1选题的背景和意义1

1.2国内外研究现状和发展趋势1

1.2.1机械手简介1

1.2.2 机械手的分类3

1.2.3工业机械手研究趋势6

1.3 换刀机械手研究意义7

1.4 设计的内容和思路7

第2章镗铣加工中心换刀机械手总体设计8

2.1 换刀机械手的工作原理分析8

2.2 机械手的平稳性10

2.3 机械手的运动特性11

2.4 换刀机械手方案的确定12

第3章换刀机械手的总体方案设计12

3.1手爪部分设计12

3.2 机械手手臂的设计13

3.3 机械手传动方式的选择14

3.3.1机械手转过180度的传动机构选择14

3.3.2 主轴以及机械手上下伸缩的传动机构设计16

3.4 换刀机械手驱动机构的选择18

第4章换刀机械手的结构设计及尺寸确定19

4.1 手指结构设计及计算19

4.1.1 手指夹紧力的计算19

4.1.2 手指部分的相关校核21

4.2手臂的弯曲变形23

4.3 轴与机械手配合部分的直径的选取25

4.4 机械手转过180度的驱动机构设计26

4.5 设计参数29

第5章总结与展望30

参考文献31

致谢33

2.1 换刀机械手的工作原理分析

整体结构设计布局如图2-1所示。本设计中，换刀机械手部件的最大长度为1400mm，最大高度为1200mm，厚度为175mm。

　　传动机构。工业生产要求机械手工作速度快，运动平稳，转动灵活，定位精度高。主要传动部件：①大主轴：采用45钢；②传动齿轮：采用40Cr，齿数为22，模数为6，采用7级精度；③带齿条的传动轴：采用45钢；④扇形齿轮和传动齿条轴：齿数为21，模数为2；⑤液压缸。

　　运动实现方式:该换刀机械手通过液压缸-带齿条的传动杆-齿轮-大主轴-连接块，实现机械手在水平方向的180°转动，从而完成换刀的运动。机械手的另外一个运动是通过液压缸-大主轴-连接块，带动机械手臂的上下移动，实现机械手的拔刀和插刀的运动。而机械手的伸缩和抓刀松刀则是通过液压缸-活塞杆-扇形齿轮-齿条轴的传动来完成的。

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内容简介：: 浙江理工大学本科毕业设计（论文）任务书洪之奇同学（专业 / 班级：机械设计制造及其自动化09(4)）现下达毕业设计（论文）课题任务书，望能保质保量地认真按时完成。课题名称镗铣加工中心换刀机械手部件设计主要任务与目标工业机械手和加工中心是现代生产加工设备，加工中心换刀机械手可快速准确地完成换刀动作，缩短辅助时间，提高生产效率。在已有换刀机械手结构的基础上，国内外对机械手的结构和功能作了不少改进，功能增加的同时，结构适应数控的需要，并且在不断的改进中。课题主要设计一套镗铣加工中心换刀机械手部件，功能为抓取刀具进行换刀。设计内容包括传动部件的结构设计、传动方式的选择、传动件的结构设计、支撑方式的选择、夹持部件的设计、以及其他结构件的设计。重点解决换刀部件的结构设计、传动结构设计和夹持部件的结构设计。主要任务是：1）镗铣加工中心换刀机械手部件方案设计；2）重要零部件分析计算；3）镗铣加工中心换刀机械手部件结构设计；目标：设计一套镗铣加工中心换刀机械手部件，功能为抓取刀具进行换刀。方案及结构设计合理，图纸满足生产要求。主要内容与基本要求主要设计内容：1）镗铣加工中心换刀机械手部件方案的确定；2）工况及受力分析；3）传动方式选择；4）重要尺寸计算；5）部件结构设计；6）零件结构设计；7）技术要求的制定。基本要求：按照题目内容，完成方案设计，结构设计，装配图和零件图绘制，总计不少于2张零号图纸，方案结构合理。完成毕业设计要求的各种文档，包括文献综述、开题报告、外文翻译及毕业设计论文等。按照进度安排，认真按时完成设计任务。主要参考资料及文献阅读任务查阅与课题有关的文献（论文、书籍或手册等）不少于10篇（部），写出符合要求的文献综述报告。主要参考文献如下：1 李剑玲, 贺炜, 丁毅, 等. 一种换刀机械手卡爪夹紧机构的设计J. 组合机床与自动化加工技术, 2003, (10): 48-50. 2 钱济国. 回转型机械手手指的设计及夹持误差分析J. 制造技术与机床, 2003, (4): 22-24. 3 宋超, 杨代华, 罗志建. 小型立-卧自动转换式加工中心机械装置的研制J. 煤矿机械, 2007, 28(10):106-108. 4 牟世维. 双主轴双刀库立式加工中心机床设计J. 甘肃科技, 2007, 23(12):35-37. 5 孟兆明. 一种新型机械手尺寸的最优化设计J. 青岛化工学院学报, 2000, 21(3): 245-259. 6 Jay Lee. Kinematic synthesis of industrial robot hand/gripper - a creative design approach J. Robotics and Autonomous Systems, 1988, 4(3): 257-263. 7 S. Mekid, P. Pruschek, J. Hernandez. Beyond intelligent manufacturing: A new generation of flexible intelligent NC machines J. Mechanism and Machine Theory, 2009, 44(2): 466-476. 外文翻译任务阅读2篇以上（10000字符左右）的外文材料，完成2000汉字以上的英译汉翻译。英文参考文献如下：1 Jay Lee. Kinematic synthesis of industrial robot hand/gripper - a creative design approach J. Robotics and Autonomous Systems, 1988, 4(3): 257-263. 2 S. Mekid, P. Pruschek, J. Hernandez. Beyond intelligent manufacturing: A new generation of flexible intelligent NC machines J. Mechanism and Machine Theory, 2009, 44(2): 466-476. 计划进度：起止时间内容12月初12月上旬前期资料准备、毕业设计任务书、文献综述、外文翻译布置。12月上旬01月上旬查阅资料(包括外文资料)，撰写文献综述、开题报告及外文资料翻译。01月上旬01月中旬完成开题报告。开题报告答辩。01月下旬02月中旬(寒假)总体方案设计，分析计算，结构设计。02月下旬04月上旬方案设计，分析计算，结构设计，图纸绘制，撰写说明书。04月上旬04月中旬毕业设计中期检查完成情况及表格与记录的填写。04月中旬05月上旬完成图纸绘制，说明书撰写。提交毕业设计（论文）。05月上旬05月中旬毕业设计（论文）的审阅；评议小组分组审阅。05月中旬05月下旬毕业设计答辩。实习地点指导教师签名年月日系意见系主任签名：年月日学院盖章主管院长签名：年月日浙江理工大学本科毕业设计（论文）文献综述报告班级机械设计制造及其自动化09(4)班姓名洪之奇课题名称镗铣加工中心换刀机械手部件设计文献综述目录1 前言2 机械手工作原理及换刀过程3 国外机械手发展历史及研究成果4 国内机械手发展历史及研究成果4.1加工中心发展现状4.2凸轮式立卧两用机械手的研究4.3刀机械手控制系统的研究4.4小型立-卧自动转换式加工中心机械装置的研制5 总结参考文献（报告全文附后）指导教师审批意见签名：年月日镗铣加工中心换刀机械手部件设计洪之奇（机械设计制造及其自动化09（4）班）1 前言机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。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30%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。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。为充分发挥机床的作用，数控中心均配有自动换刀装置1。2 机械手工作原理及换刀过程如图1所示整个机械手主要由: 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。图2为该换刀机械手的结构示意图, 其换刀过程如下:( 1)刀套转90b: 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90b, 使得刀具轴线与主轴轴线平行。( 2)机械手转90b:两手分别抓住刀库和主轴3上的刀柄。( 3)刀具松开: 刀具的自动夹紧机构松开刀具。( 4)机械手拔刀: 机械手臂下降, 同时拔出两把刀具。( 5)机械手转180b:使主轴刀具与刀库刀具交换位置。( 6)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。( 7)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。( 8)机械手松刀: 机械顺时针转90b, 回到原始位置。( 9)刀套向上翻转90b:刀套带着刀具向上翻转90b,为下一次选刀做准备2。图1机械手结构图图2机械手的换刀示意图3国外机械手发展历史及研究成果机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司，专门生产工业机械手。1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种UnimateVicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国l(IIKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作过程中的任务。他与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环3。4 国内机械手发展历史及研究成果4.1 加工中心发展现状近年来随着汽车等行业的快速发展, 对现代制造技术设备提出了更高的要求, 在这些行业的生产线上大量的普通机床和专用机床被数控机床取代,其零件的加工精度加工效率也在不断的提高. 由于加工中心类数控机床具有计算机控制, 刀具自动交换, 各座标轴可跟随计算机作点位, 连续运动, 工件一次装夹可完成钻孔, 攻螺纹, 镗孔, 铣平面, 三座标插补铣圆, 铣螺旋线等多种工序的加工的功能, 因此也越来越广泛的应用于这些领域。加工中心又称数控自动换刀镗铣床, 分立式和卧式两种, 立式加工中心应用于较复杂的曲形零件, 小型箱体类零件. 卧式加工中心应用于较复杂的大型曲形零件, 箱体类零件. 立式加工中心相对于卧式加工中心结构简单制造容易一些, 近年来得到了广泛的应用。立式加工中心为适应市场提高效率、缩短单工件的加工节拍时间的要求, 又在单主轴的基础上发展了双主轴立式加工中心。其结构形式有两种, 一种是双Z 轴双主轴箱方式, 其功能是可以同时进行两个不同或相同的工序的加工, 但其结构要求在立柱上设置两个Z 轴的导轨及相应的设施, 对数控系统也有较高的要求, 并且在普通立式加工中心上无法通过改进的方式来实现。另一种是单Z 轴单主轴箱双主轴方式, 其功能是可以同时进行两个相同的工序的加工, 并且可以在普通立式加工中心的基础上进行改进设计4。近 30 年来，台湾机床行业迅速崛起，特别是机床功能部件的开发得到高度重视。以德士、谭子、首轮、吉埔等公司为核心骨干，台湾已成为刀库和凸轮式ATC的专业化生产基地，不仅满足了台湾机床行业自身的需求，而且走向了欧美市场，近年来大举进入中国大陆市场，而且占有较大的市场份额。随着世界制造中心向中国的转移，国内机床行业正蓬勃发展，机床制造水平逐步提高，数控机床已成为机床生产厂家的主流产品，近年来每年举办的数控机床展览会充分展示我国数控装备制造成果。同时，对加工中心功能部件的研究也引起了部分科研机构和机床生产厂的高度重视，目前，国内致力于自动换刀机械手研制的单位有：北京机床研究所、大连组合机床研究所、北京发那科机电有限公司（由北京机床研究所与日本FANUC 公司于1992 年共同组建的合资公司）、北京第一机床厂、齐齐哈尔二机床（集团）有限责任公司、宁夏小巨人机床有限公司（宁夏共享集团与日本山崎马扎克公司合资）、株洲金航凸轮精机有限公司等。但国产换刀机械手相比国外产品，在换刀精度、换刀速度和工作的可靠性等方面还存在有较大的差距，迄今为止，国产数控机床所配备的自动换刀机械手主要依赖进口，进口地相对集中在台湾5。与国外成熟的技术相比，我国在自动换刀装置的研究上还存在一些关键技术问题需要解决：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。为缩短差距，国内生产厂家和科研单位正加强自动换刀装置的研制合作。2008 年1 月，呼和浩特众环（集团）有限公司与清华大学就“数控机床功能部件关键技术研究”项目正式签署了“数控换刀机构空间凸轮设计制造技术研究” 协议和技术开发合同书，旨在通过双方合作，解决自动换刀装置在国产化过程中的关键技术难题6。4.2 凸轮式立卧两用机械手的研究陕西工业职业技术学院的夏粉玲和贺炜对凸轮式立卧两用换刀机械手的研究。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B-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, 采用双从动件凸轮机构。两个从动件的运动规律应该相同, 不同的是存在一个时间差。凸轮的轮廓形状取决于从动件的运动规律, 在设计凸轮轮廓曲线之前, 应首先根据工作要求确定从动件的运动规律, 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7。图3立卧两用换刀机械手方案4.3刀机械手控制系统的研究江苏大学的许可诚，顾寄南和王富良对换刀机械手的控制系统的研究。换刀机械手及刀库的三维模型，如图4 所示。当PLC 上电后机械手和刀盘自动回零点，同时等待数控机床的装刀或者换刀指令。当数控机床发出装刀或者换刀指令时，刀盘转动使得所需的刀具位于换刀位置，机械手转至换刀位置通过伸缩臂气缸的伸出将刀具取出，然后机械手再转至装刀位置通过伸缩臂气缸的缩回将刀具装在数控机床上。待刀具装上机床后，机械手转至防干涉位置，摆动臂气缸缩回后机械手转到零点位置，等待机床加工完成后的卸刀信号。当机床发出卸刀信号，机械手转至防干涉位置，摆动臂气缸伸出，机械手转到装刀位置将刀卡住，通过伸缩臂气缸的伸出将刀具卸下来，接着机械手转至换刀位置通过伸缩臂的缩回将刀具放回刀库，最后机械手回到零点位置完成一次动作过程（取刀装刀卸刀），如此循环。图4机械手及刀库三维模型图硬件设计：系统选用的是西门子公司的S7-200 系列的PLC，CPU 型号为226DC/DC/DC，具有24 个数字量输入点和16 个数字量输出点，能够很好的满足数控机床对于换刀的要求，控制灵活，扩展性好，也能较好的和数控机床进行实时通信。PLC 是整个控制系统的核心部分。控制系统的主要任务是：接收上位机（数控机床）给出的换刀信号，采集和处理机械手运动过程的传感器信号，控制步进电机和气缸来实现换刀机械手的各个动作。控制系统主要由主电源回路，PLC，步进电机模块，传感器等构成。软件设计：系统有两种工作模式：手动模式和自动模式。在手动模式下，用户可以通过控制面板上的按钮，使换刀机械手按照自己的要求来完成各项动作过程。而在自动模式下，由于PLC 中已经烧入了一系列的完整的程序，换刀机械手将根据采集到的传感器信号和上位机给出的信号自动完成用户事先要求的动作。PLC 程序设计采用模块化程序设计思想，由主程序、手动子程序、自动子程序、初始化子程序和中断子程序构成。程序的难点在于初始化子程序中采用PTO 驱动步进电机的程序、各端口的初始化，以及主程序中对于各中间继电器相关触点的定义。通过对整个系统的分析，对PLC 的输入、输出端口进行分配，制定了相关的I/O 分配表，如表1 所示8。表1 I/O端口分配表4.4小型立-卧自动转换式加工中心机械装置的研制中国地质大学的宋超，杨代华和罗志建在期刊中系统地讨论和分析了一种小型立- 卧自动转换式加工中心机械装置的研制过程,包括系统的总体方案设计、主要技术参数、主要部件设计。立卧自动转换式加工中心的研制成功,能够有效地解决目前机械加工中多次装夹而造成加工精度低的难题。图5 为小型立- 卧式加工中心总体结构布局图9。图5小型立-卧式加工中心总体结构布局示意图4.5回转型机械手手指的设计中国矿业大学的钱济国对回转型机械手手指的设计及加持误差分析中介绍了机械手手指形心位置与加持工件尺寸变化之间的关系。分析了夹持误差的影响因素，阐述了根据夹持精度和工件尺寸的变化范围设计计算手指几何尺寸的基本方法，并给出了设计相关的条件。钱济国得出结论：机械手手指形心位置与工件尺寸变化之间的关系满足双曲线工程。手指加持误差大小与手指几何尺寸以及工件尺寸变化范围所对应的曲线区段有关。手指尺寸的设计不仅要满足加持精度，还应考虑夹持中手指结构10。5 总结如上所述，发达国家的机械手起步较早也较先进，尤其是美国和日本，并且正在加紧研制二代和三代的机械手。目前，国外工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。与国外成熟的技术相比，我国在自动换刀装置的研究上还存在一些关键技术难题需要解决。为缩短差距，国内生产厂家和科研单位正加强自动换刀装置的研制合作。比如：2008 年1 月，呼和浩特众环（集团）有限公司与清华大学就“数控机床功能部件关键技术研究”项目正式签署了“数控换刀机构空间凸轮设计制造技术研究” 协议和技术开发合同书，旨在通过双方合作，解决自动换刀装置在国产化过程中的关键技术难题。参考文献1 李剑玲,贺炜，丁毅，王宁侠.一种换刀机械手卡爪夹紧机构的设计J.组合机床与自动化加工技术,2003,(10):48.2 张祺，侯力，刘松等.加工中心换刀机械手控制系统研究J.组合机床与自动化加工技术,2010，(8):42.3 马浩源.浅谈工业机械手J.商情,2011，(12):154.4 牟世维.双主轴双刀库立式加工中心机床设计.甘肃科技.2007，(12):35.5 杜祖钧,贾争现.滚子齿形凸轮循环图的设计与分析J. 西北轻工业学院学报. 2002，(5)6 谢政. 加工中心换刀机械手的研究D. 湘潭大学. 2008，05.15.7 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. 8 许可诚,顾寄南,王富良. 换刀机械手控制系统的设计与研究J. 机械设计与制造, 2011,第8期:158.9 宋超,杨代华,罗志建. 小型立-卧自动转换式加工中心机械装置的研制J. 煤矿机械, 2007, 第28卷(10):106. 10 钱济国. 回转型机械手手指的设计及夹持误差分析J.设计与研究. 2003,第4期：22.11 孟兆明. 一种新型机械手尺寸的最优化设计J. 青岛化工学院学报. 2000, 21（3）：246.12 郑俊,许明恒，高宏力，单俊峰.PCB钻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：6.13 S. Mekid a,*, P. Pruschek b, J. Hernandez c, Beyond intelligent manufacturing: A new generationof flexible intelligent NC machinesJ, Mechanism andMachine Theory,2009(44):466-476.14 Lee J,Kinematic Synethsis of Industrial Robot Hand/Gripper-A Creative Design ApproachJ,End Effect,1988(4):257-263.浙江理工大学本科毕业设计（论文）开题报告班级机械设计制造及其自动化09（4）班姓名洪之奇课题名称镗铣加工中心换刀机械手部件设计目录1 选题的背景与意义1.1 国内外研究现状和发展趋势1.11 机械手简介1.12 机械手的分类1.2换刀机械手研究意义2 研究的基本内容与拟解决的主要问题2.1 基本内容2.2 拟解决的主要问题3 研究思路方案、可行性分析及预期成果3.1 研究思路方案3.2 可行性分析3.3 预期研究成果4 研究工作计划成绩：答辩意见答辩组长签名：年月日系主任审核意见签名：年月日镗铣加工中心换刀机械手部件设计洪之奇(机械设计制造及其自动化09(4)班 B09300410)1 选题的背景与意义机械制造业是一个国家最基础的行业，为整个国民经济提供技术装备，其发展水平是国家工业化程度的主要指标之一。在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：一、以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。二、以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。1.1 国内外研究现状和发展趋势1.11机械手简介人类在面对对人体健康有害的各种射线、高温和低压、高压和低压，进行深水考察，以及操作有毒性的和爆炸性的物质时，都必须利用各种远距离操作设备。远距离操作设备与普通设备的主要区别，在于能够通过适当的生物屏蔽把操作人员与危险源隔开进行操作。作为这种屏蔽的有各种防护屏、屏蔽箱、热室和其它箱室的壁，有时亦可采用加大距离的办法。机械手就是这样一种远距离操作设备1。机械手是由操作人员或程序装置远距离操纵的一种装置。它包括供模仿人手的移动和关节动作功能用的操作机构。机械手通常是由安装在危险区内的从动臂、安装在危险区外的主动臂和穿墙（防护屏）的连接臂组成。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用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。1.1.2 机械手的分类目前，机械手尚无通用的分类方法。它们可按不同的特点分，例如，根据从动臂对于主动臂动作的模仿程度，主动臂上力的再现，用途，从动臂与主动臂的连接形式，操作方法，外形等分类。实践中所采用的机械手可分为四类：1）剑式机械手；2）机械传动和密封磁力机械传动机械手；3）电动机械传动、液压和气动机械手；4）特殊机械手1。第一类机械手一般不能完全模仿操作人员的手关节的动作。但是，由于其结构简单、价格便宜，因而获得广泛应用，是通用的机械手。第二类机械手能完全模仿操作人员的手关节的动作（有七个和七个以上的动作）。它比第一类机械手较为复杂。由于其操作方便、价格不太高，所以也得了广泛应用。磁力机械传动机械手比机械传动机械手略微复杂，而且昂贵，但能保证箱室的完全密封。第三类机械手比第二类机械手更加复杂而且昂贵。这类机械手的某些类型得了广泛应用，尤其是用于操作间与箱室之间要求高度密封，进行远距离操作和主动臂作用于从动臂的力按比例反射操作的地方。这一类的非模拟机械手有杠杆或控制装置和普通（非随动的）电传动装置，简化了结构，降低了价格。第四类机械手装有控制装置，这类机械手的抓举能力很大，可用于完成预先给定的工序。其中换刀机械手也有各种分类：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1所示：图1单臂单爪回转式机械手单臂双爪回转式机械手图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短，如图2所示。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3所示。图3双臂回转式机械手这种机械手在有的设计中还采用了可伸缩的臂如图4所示：图4双臂回转式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5所示。图5双机械手双臂往复交叉式机械手图6双臂往复交叉式机械手1.1.3工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。1.2 换刀机械手研究意义随着科学与技术的发展, 机械手的应用领域也不断扩大。目前, 机械手不仅应用于传统制造业如采矿,冶金,石油,化学,船舶等领域,同时也已开始扩大到核能,航空,航天,医药,生化等高科技领域以及家庭清洁,医疗康复等服务业领域中。如,水下机器人,抛光机器人,打毛刺机器人,擦玻璃机器人,高压线作业机器人,服装裁剪机器人,制衣机器人,管道机器人等特种机器人以及扫雷机器人,作战机器人,侦察机器人,哨兵机器人,排雷机器人,布雷机器人等军用机器人都是机械手应用的典型。机械手广泛应用于各行各业。而且,随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩,未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活,其市场将繁荣兴旺。换刀机械手的结构设计和研究是数控加工中心研究的基础。因此，对具有理想结构和传动方式的换刀机械手进行抓取机理、操作理论、运动学和动力学、控制理论、信息集成等方面的研究是最有效也是最有意义的。2 研究的基本内容与拟解决的主要问题2.1 基本内容本次毕业设计中主要完成的内容包括：(1）镗铣加工中心换刀机械手结构设计分析换刀机械手的工作原理，机械手模型建立及运动分析，进行原理性换刀机械手的方案设计。(2）镗铣换刀机械手三维CAD建模、装配机械手各关节部分的具体结构设计，利用Pro/Engineer软件建立三维模型，进行装配分析，进一步改进结构设计。(3）镗铣换刀机械手的关键部位的强度校核计算对机械手几个主要的零件进行强度校核计算，对尺寸结构等参数进行调整设计。2.2 拟解决的主要问题通过设计实现使机械可以顺利的抓取多种尺寸的待加工件，并实现待加工件的换向，完成待加工件的加工要求。减小手的体积、质量和功耗。因为过大的体积将影响外观,而且有可能会妨碍到加工机床的运作；过重的手部和过大的功耗将加重臂部的负担,加速零件的磨损，加重电源负担。手部自由度数目、驱动类型、传动方式、关节机构、所用材料以及运动特性等对手的体积、质量和功耗均有较大影响。根据物体质量、尺寸和表面性质, 手在抓取时应该采用不同抓取力, 即手的抓取力应具有一定的可控性。3 研究思路方案、可行性分析及预期成果本设计论文拟采用理论分析与三维建模与仿真实验的方法，在已有的基础上，通过三维Pro/E环境完成镗铣加工中心换刀机械手的设计仿真。3.1 研究思路方案具体思路方案包含以下两个方面：3.1.1目前已有的换刀机械手原理分析：如图7所示整个机械手主要由: 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。图8为该换刀机械手的结构示意图, 其换刀过程如下:(1)刀套转90b: 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90b, 使得刀具轴线与主轴轴线平行。(2)机械手转90b:两手分别抓住刀库和主轴3上的刀柄。(3)刀具松开: 刀具的自动夹紧机构松开刀具。(4)机械手拔刀: 机械手臂下降, 同时拔出两把刀具。(5)机械手转180b:使主轴刀具与刀库刀具交换位置。(6)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。(7)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。(8)机械手松刀: 机械顺时针转90b, 回到原始位置。(9)刀套向上翻转90b:刀套带着刀具向上翻转90b,为下一次选刀做准备。2图7机械手结构图图8机械手的换刀示意图3.1.2 基于Pro/ E设计平台的三维CAD设计目前,随着计算机辅助技术的不断发展,三维造型软件功能不断完善,传统的二维设计正逐渐被三维实体设计所代替。Pro /Engineer是美国PTC公司于1988年开发的参数化设计系统,是一套由设计至生产的机械自动化的三维实体模型(3DS)设计软件,它不仅具有CAD 的强大功能,同时还具有CAE 和CAM 的功能,广泛应用于工业设计、机械设计、模具设计、机构分析、有限元分析、加工制造及关系数据库管理等领域。而且能同时支持针对同一产品进行同步设计,具有单一数据库、全相关性、以特征为基础的参数式模型和尺寸参数化等优点。运用Pro/ E三维设计平台,通过对特征工具的操作,避免高级语言的复杂编程,所开发设计出来的三指三关节的欠驱动三指手,便于研究人员通过对界面特征工具的操作,生成欠驱动三指手实体模型，甚至输出所需要的工程图及相关分析数据。这样既可辅助研究人员完成其设计构思、减轻劳动强度、提高效率和精度、改善视觉的立体效果,并可有效地缩短研制周期,提高设计制造的成功率;也为后续的3D运动学仿真分析奠定了基础。3.2 可行性分析换刀机械手的广泛应用给数控加工中心的发展提供了强大的技术支持，使加工步骤简化，加工时长大幅缩减，并适应多种加工任务。经过几年的研究与发展，在换刀机械手结构学、运动学建摸、分析与设计方法方面已取得了一定的研究成果2-7，在机床加工、铸造、

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