（机械制造及其自动化专业论文）凸轮式立卧两用换刀机械手及虚拟样机研究.pdf

l l l l l l l l l11 1 1 1 1 1 11 11 1 1 1i il y 17 9 8 9 9 3 s t u d yo nc a mt y p ev e r t i c a l h o r i z o n t a l d u a l u s et o o lc h a n g i n gm a n i p u l a t o r & v i r t u a lp r o t o t y p e a t h e s i s ( o rd i s s e r t a t i o n ) s u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g t h e s i s ( o rd i s s e r t a t i o n ) s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r 垦q 坚i i 塑坠g m a y ， 2 0 1 0 p r o f e s s o r 圣塾曼卫g 丛! i 凸轮式立卧两用换刀机械手及虚拟样机研究 摘要 本课题基于凸轮机构设计理论对数控加工中心立卧两用换刀机械手进 行研究和设计；以s i e m e n sn x 6 0 软件为开发平台进行虚拟样机的设计。 在课题研究中，通过对三种方案的比较选择了较为合理的设计方案，针 对此方案进行详细的设计和计算。主要包括： 1 机械手的手爪结构设计 确定了立卧两用换刀机械手的手爪类型，并对其进行了结构设计。 2 驱动部分的设计 该机械手采用3 个伺服电机驱动，分别完成机械手带动刀具1 8 0 度旋转、 机械手进行立卧转换、带动凸轮轴完成插刀和拔刀运动。在设计时首先确定 了各电动机的类型，然后通过计算确定了伺服电动机的功率和型号。机械手 卡爪动作由气缸控制，实现夹紧及松开。 3 立卧转换机构的设计 立卧转换机构主要由传动轴、联轴器和箱体等组成，由伺服电动机带动 轴转动使机械手转过9 0 度以实现机械手的立卧转换。 4 凸轮机构的设计 采用平面凸轮机构实现机械手插刀和拔刀运动，由伺服电机驱动。在设 计时，根据总体设计中提出的要求，确定出从动件的运动规律，并根据从动 件的运动规律，得出平面凸轮的理论廓线和实际廓线，继而设计出凸轮机构。 5 虚拟样机的设计 在上述设计和计算的基础上，利用s i e m e n sn x 6 0 软件进行了立卧两用 平面凸轮式换刀机械手的虚拟样机设计。 本课题的创新之处主要有： 1 驱动部分采用了三个伺服电机的设计方案，简化了换刀机械手传动 部分的设计和加工，适用于定制或生产批量较小的情况；同时由于传动链很 短，最大程度的减小了传动过程中引入的误差、也有效地降低了传动链的故 障率。 2 在产品开发过程中，将传统设计方法和虚拟产品开发技术综合运用， 在s i e m e n sn x 6 0 平台上进行了虚拟样机的研究和开发，加快了产品的开发 速度，提高了产品的设计水平。 关键词：加工中心，自动换刀机械手，凸轮机构，虚拟样机 s t u d yo nc a mt y p ev e r t i c a l h o r i z o n t a l d u a l u s et o o l c h a n g i n gm a n i p u l a t o r & v i r t u a lp r o t o t y p e a b s t r a c t t h ep a p e rr e s e a r c ha n dd e s i g no nm a c h i n i n gc e n t e rv e r t i c a l - h o r i z o n m l d u a l - u s et o o lc h a n g i n gm a n i p u l a t o rb a s e do nc a mm e c h a n i s md e s i g nt h e o r y ；u s e s o f t w a r es i e m e n sn x 6 0a st h ed e v e l o p i n gp l a t f o r mf o rt h ev i r t u a lp r o t o t y p e d e s i g n i nt h er e s e a r c h ，t h eb e a e rd e s i g ns c h e m ew a sc h o s e nb yc o m p a r i n gt h r e e d i f f e r e n td e s i g ns c h e m e s ，a n dd e t a i ld e s i g n i n ga n dc a l c u l a t i n ga i m e da tt h i s d e s i g ns c h e m ew a si m p l e m e n t e d m a i n l y r e s e a r c h e sa sf o l l o w ： 1 j a wm a c h i n e r yd e s i g no ft h em a n i p u l a t o r t h ej a wt y p eo fv e r t i c a l h o r i z o n t a ld u a l u s et o o lc h a n g i n gm a n i p u l a t o rw a s d e f i n e da n dt h em a c h i n e r yw a sd e s i g n e d 2 d r i v i n gp a r td e s i g n t h e m a n i p u l a t o rd r i v i n gb y t h r e es e r v o m o t o r , r e s p e c t i v e l y , d r i v e n m a n i p u l a t o rb r i n gt o o l s r o t a t e18 0d e g r e e ，d r i v e nm a n i p u l a t o ri m p l e m e n t v e r t i c a l h o r i z o n t a l c o n v e r t i n ga n dd d v e nc a m s h a f tc o m p l e t ep l u g g i n g a n d d r a w i n gt o o lm o t i o n d u r i n gt h ed e s i g n i n g ，f i r s t l yc o n f i r mt h em o t o rt y p e ，a n d t h e nc o n f i r mt h es e r v om o t o r sp o w e ra n dm o d e lt h r o u g hc a l c u l a t i o n t h e m a n i p u l a t o rj a w sm o t i o ni sc o n t r o l l e db yc y l i n d e rt oi m p l e m e n tc l a m p i n ga n d r e l e a s e 3 v e r t i c a l - h o r i z o n t a lc o n v e r t i n gm e c h a n i s md e s i g n v e r t i c a l h o r i z o n t a l c o n v e r t i n g m e c h a n i s mc o n s i s t so f d r i v i n gs h a f t ， c o u p l i n g sa n db o xe t c ，t h es e r v om o t o r d r i v e ns h a f tb r i n gm a n i p u l a t o rr o t a t e9 0 d e g r e ei no r d e rt oa c h i e v et h e v e r t i c a l - h o r i z o n t a lc o n v e r t i n g 4 c a mm e c h a n i s md e s i g n t h em a n i p u l a t o r st o o l sp l u g g i n ga n dd r a w i n ga c t i o ni sa c h i e v e db yu s i n g f l a tc a mm e c h a n i s m ，a n dd r i v e nb ys e r v om o t o r d u r i n gt h ed e s i g n i n g ，t h ed r i v e n i i i p a r t sm o t i o nr u l ei sc o n f i r m e da c c o r d i n gt h eg e n e r a ld e s i g nr e q u e s t s ；a c c o r d i n g t h ed r i v e np a r t sm o t i o nr u l e ，t h ef l a tc a m st h e o r e t i c a lc o n t o u ra n da c t u a l c o n t o u rw a sd r a wo u t t h e n d e s i g n e dt h ec a mm e c h a n i s m 5 v i r t u a lp r o t o t y p ed e s i g n b a s e do na b o v ed e s i g na n dc a l c u l a t i o n ，t h ef l a tc a mt y p ev e r t i c a l - h o r i z o n t a l d u a l - u s et o o lc h a n g i n gm a n i p u l a t o r sv i r t u a lp r o t o t y p ew a sd e s i g n e db yu s e s i e m e n sn x 6 0s o f t w a r e t h er e s e a r c h sm a i n l yi n n o v a t i o np o i n t sa sf o l l o w ： - 1 t h et r a n s m i s s i o np a r td e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n go ft o o lc h a n g i n g m a n i p u l a t o r w a ss i m p l i f i e db y u s i n gt h et h r e es e r v om o t o r sd e s i g ns c h e m e ，i t sf i t f o r t h ec u s t o m i z a t i o na n ds m a l lb a t c hp r o d u c t i o ns i t u a t i o n ；b e c a u s et h e t r a n s m i s s i o nc h a i ni sv e r ys h o r t ，e r r o ri nt h et r a n s m i t t i n gp r o c e s sw a sm a x i m a l l y r e d u c e da n dt h ef a i l u r er a t ew a se f f e c t i v e l yr e d u c e d 2 d u r i n gt h ep r o d u c t i o nd e v e l o p i n gp r o c e s s ，b yc o m p r e h e n s i v eu s i n gt h e t r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d sa n dv i r t u a l p r o d u c t i o nd e v e l o p i n gt e c h n i q u e s ， r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gt h ev i r t u a lp r o t o t y p eo ns i e m e n sn x 6 0p l a t f o r m ， t h ep r o d u c t i o ns p e e da n dd e s i g nl e v e lw e r ei m p r o v e d k e y w o r d s ：m a c h i n i n gc e n t e r , a t c ，c a mm e c h a n i s m ，v i r t u a lp r o t o t y p e 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目j 畏i l l 者论1 1 1自动换刀装置。l 1 2 凸轮式换刀机械手简介2 1 3国内外技术水平2 1 4 虚拟产品开发简介3 1 4 1 虚拟产品开发的定义。3 1 4 2 虚拟产品开发的特点。4 1 5 软件平台介绍4 1 6 本课题的主要内容5 2自动换刀装置功用及结构技术分析嚣o ：7 2 1 刀库7 2 1 1 刀库的功能7 2 1 2 刀库的种类。7 2 2 换刀机械手7 2 2 1 自动换刀形式8 2 2 2 机械手的种类l0 2 3 小结1 2 3 立卧两用换刀机械手的方案设计。1 3 3 1 运动分析。13 3 2 几种可行性设计方案1 3 3 3 方案比较。1 6 3 4 ，j 、结1 6 4 机械手的设计及计算l7 4 1 立卧两用换刀机械手的机械手手爪设计。1 7 4 1 1 确定立卧换刀机械手的机械手手爪类型1 7 4 1 2 换刀机械手的设计计算1 8 4 2 机械手旋转18 0 0 部分的设计计算2 0 4 2 1 电机计算的基本理论2 0 4 2 2 计算2 2 4 3 机械手立卧转换部分的设计计算2 3 4 3 1 轴的设计计算2 3 4 3 2 轴承的选择与校核2 7 4 3 3 键的选择与强度计算2 8 4 3 4 驱动轴i i 旋转的伺服电机的选择2 9 4 4 机械手由准备位置移动到换刀位置的机构设计与计算2 9 4 4 1 导轨的选择及所选导轨的特点2 9 4 4 2 气缸的选择计算3 l 4 5 ，j 、结3 3 5 凸轮机构的设计计算3 5 5 1凸轮的结构方案3 5 5 2 确定从动件的运动规律3 5 5 3 凸轮机构的设计4 1 5 3 1设计凸轮轮廓4 l 5 3 2 设计凸轮结构4 7 5 4 轴的设计及计算4 7 5 4 1 求输出轴上的功率p ，转速n 和转矩t 4 7 5 4 2 初步确定轴的最小直径4 8 5 4 3 轴的结构设计4 9 5 5 ，j 、结5 4 6 换刀机械手虚拟样机设计5 5 6 1 虚拟样机技术5 5 6 2 虚拟产品开发的概念5 6 6 2 1虚拟产品开发概念的提出5 6 6 2 2 虚拟产品开发的内涵5 7 6 2 3 虚拟产品开发的特点5 7 6 3s i e m e n sn x 6 0 简介5 8 6 3 1n x 软件概述5 8 6 3 2n x 的发展历史5 9 6 4n x 零件建模6 0 6 4 1n x 实体建模和特征建模6 0 6 4 2n x 实体建模简例6 0 6 5n x 装配建模6 1 6 5 1 装配方式6 l 6 5 2 装配方法简介6 2 6 5 3自底向上装配6 2 6 5 4自顶向下装配6 4 6 6n x 运动仿真模块m o t i o n 简介。6 7 6 6 1 进入运动仿真模块6 8 6 6 2 连杆6 8 6 6 3 材料属性6 9 6 6 4 设定运动副和传动副7 1 6 6 5 载荷7 1 6 7 ，j 、结7 l 7 结论7 3 7 1 本课题所做的工作7 3 7 2 对今后研究工作的展望7 3 致 射7 5 参考文献7 7 附萄之7 9 攻读学位期间发表的学术论文目录8 5 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明8 7 i ! i 凸轮式立卧两用换刀机械手及虚拟样机研究 1 绪论 制造技术和装备是人类生产活动的最基本的生产资料。随着计算机、通信、电子、 检测、控制和机械等相关技术的不断进步，数控技术也日新月异地飞速发展，并已成为 现代先进制造系统中不可或缺的基础技术。数控技术使用数字信息对机械运动和工作过 程进行控制的技术，是当今先进制造技术和装备的核心技术。数控机床( n cm a c h i n e ) 是一种装有程序控制系统( 数控系统) 的机床，该系统能逻辑地处理具有特定代码、编 码指令规定的程序。数控系统能控制机床在加工程序指令下自动完成零件的加工。数控 机床是集机、电、气、液计算机和和自动控制及测试技术为一身的机电一体化的典型设 备。自从1 9 5 2 年美国第一台数控机床问世至今已经历了半个多世纪，现在数控设备已包 括车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及其他各类专用加工设备，形成了庞大 的数控制造设备家族。 加工中心机床也称为多工序自动换刀数控机床，加工中心是在普通数控机床的基础 上增加了刀库和自动换刀装置的数控机床。它可使零件在一次装夹以后，进行多种工艺、 多道工序的集中连续加工，从而减少装卸工件、更换和调整刀具的辅助时间；并且减少 了由于工件多次装卸造成的定位误差，从而提高机床效率和各加工面间的位置精度。其 中，具有自动换刀装置( a u t o m a t i ct o o lc h a n g e r ，a t c ，也称自动刀具交换装置) 是加 工中心机床的典型特征，自动换刀装置能大大提高加工效率和机床的工艺能力，是进行 多工序加工的必要条件。 1 1 自动换刀装置2 1 1 3 1 加工中心机床为了能在工件一次装夹中完成多种甚至所有加工工序，缩短辅助时间， 减少多次安装工件所引入的定位误差，必须带有自动换刀装置。各种数控机床的自动换 刀装置的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具种类和数量等。换刀形式主要有： 回转刀架换刀、主轴换刀和机械手换刀。回转刀架换刀方式主要用于数控车床和车削加 工中心；后两种换刀方式主要用于铣削加工中心，尤其是机械手刀具交换装置，具有换 刀时间短、动作灵活可靠等优点，应用最为广泛。 当前，多功能数控机床和五面体、复合型数控机床已经占据了大量的市场，复合型 数控机床是将多种动力头集中于一台机床上，使工件在一次装夹中完成多道工序的加工， 从而使工件的加工精度及生产率大大提高。 五面体加工中心越来越得到广泛应用，其最大特点是主轴可进行立卧转换。如果使 用立式或者卧式换刀机械手，那么在加工过程中，主轴箱就要不断地进行立式和卧式的 陕西科技大学硕士学位论文 转换，将会产生重复定位所代来的误差，使加工精度大大降低。为此，提出立卧两用换 刀机械手的研究。 1 2凸轮式换刀机械手简介1 1 l 1 4 l 换刀机械手的驱动方式有凸轮式、液压式、齿轮式和连杆式。现在，市场上已经有 液压式换刀机械手，而液压式换刀机械手具有许多无法克服的缺点，如换刀速度慢、安 装和调试较为困难等。与液压式换刀机械手相比，凸轮式换刀机械手具有以下优点： ( 1 ) 换刀速度快这是由于机械式凸轮机构驱动的换刀机械手，其换刀的一系列动 作有些可以重叠，而液压驱动的换刀过程只有在一个动作被确认无误后才能进行下一个 动作；另外，机械式凸轮驱动的运动规律完全可以由设计者进行选择。这样以来就可以 采用最大速度、最大加速度甚至最大跃度都较小的运动规律。而液压驱动就无法达到这 一点。这样，在同样的换刀速度下，液压驱动比凸轮式驱动会产生更大的冲击、振动和 噪声，这也是限制液压驱动的换刀速度不能快的原因。 ( 2 ) 可靠性高从可靠性方面来看，采用液压驱动的自动换刀机械手的加工中心的 故障中，5 0 以上的故障与自动换刀机械手有关。其故障主要表现在机械手夹持刀柄不 稳定、机械手运动误差大等。对于凸轮式自动换刀机械手，由于在初始安装时就由凸轮 的曲线完全确定了机械手的运动和定位，克服了机械手运动误差较大的故障。同时，凸 轮式自动换刀机械手动作由凸轮轮廓曲线确定，没有中间控制环节，所以可靠性高于液 压等机构的自动换刀机械手。 ( 3 ) 安装调试容易在安装和调试方面，液压式自动换刀机械手调试较难，并且工 作量大，对数控系统的要求也高。而凸轮式自动换刀机械手调试较容易、工作量小，调 试费用也低。 由于凸轮式自动换刀机械手的上述优点，所以它正逐步取代液压式及其他类型的自 动换刀机械手。 1 3 国内外技术水平 凸轮式换刀机械手加快了换刀过程，大大提高了换刀速度。德国、日本以及台湾等 发达国家和地区的数控加工中心的自动换刀机械手主要采用凸轮式。如目前全球a t c 产 品产量居首位的德士凸轮股份有限公司的产品，主要采用滚子式凸轮结构，输出轴的惯 性矩小、构造体积小、受力大，可组合许多动作；在凸轮同一转向时，输出轴可做正逆 向转动及轴心上下拉刀动作一体化，其b t 4 0 刀具的换刀速度接近1 秒，b t 3 0 刀具接近 0 5 秒；再如台湾吉径科技有限公司的滚子凸轮式的自动换刀系统只用一个驱动马达就可 完成复杂的换刀动作，除了换油外没有其他消耗零件及保养需求，故障率最少，寿命超 2 凸轮式立卧两用换刀机械手及虚拟样机研究 过百万次以上，该公司与日本企业合作，开始研发生产快速换刀凸轮机构，供销日本市 场，其换刀速度b t 3 0 达到o 5 秒，b t 4 0 达到o 8 秒。 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。进入九十年代以后， 北京机床研究所、大连组合机床研究所、济南第一机床厂、青海机床厂、秦川机床厂和 陕西科技大学等企业和科研院所都对自动换刀机械手进行了研究和开发，取得了一定的 成果，尤其是陕西科技大学研发的多沟槽转位凸轮换刀机械手具有结构简单、抓取准确， 换刀时间短、寿命长等显著特点，填补了国内空白。 1 4 虚拟产品开发简介1 5 l 1 6 l1 7 l 1 4 1 虚拟产品开发的定义 目前产品开发的特点主要体现为：( 1 ) 产品适销期明显缩短；( 2 ) 产品品种数急剧增加； ( 3 ) 产品开发周期极大压缩。 而我国在产品开发上还存在如下问题：( 1 ) 产品仿制多，创新少，市场竞争能力不强， 获利不高；( 2 ) 设计耗时多，设计成功率低，反复试制使开发周期长，产品更新换代慢； ( 3 ) 通用型产品多，面向用户的功能多样化的产品少：( 4 ) 产品设计从技术上考虑多，经济 分析少，成本高；( 5 ) 产品的标准化、通用化程度不高，生产产品投产上市速度慢，准备 工作量大；( 6 ) 设计方法和手段不先进。； 以设计为中心的虚拟制造为设计者提供一个对产品进行设计、分析、制造、检测和 使用的工作环境。通常将以面向产品开发为中心的虚拟制造又称为虚拟产品开发o r t r t u a l p r o d u c td e v e l o p m e n t ，v p d ) ，虚拟产品开发是实现虚拟制造系统的信息源。新产品开发 的实质就是产品的工程设计过程。传统的方法是由工程师设计出产品，并制造出原型， 然后再经过测试和验证。如果产品达不到规定的要求，就反复地进行这一过程，直到满 意为止。虚拟产品开发技术建立在可以用计算机完成产品整个开发过程这一构想的基础 之上，工程师在计算机上建立产品模型，对模型进行分析，然后改进产品设计方案，用 虚拟样机代替原来的实物模型，以提高新产品开发成功率。 传统的产品设计开发，在上游阶段较少考虑下游因素，导致设计方案的反复改进， 延长了开发周期。并行产品开发要求在产品设计阶段就考虑到可能影响产品质量、成本 及开发时间的后续环节，以减少由于产品开发下游阶段出现重大问题的反馈，但是其缩 短产品开发周期的作用仍然有限。虚拟产品开发利用存储在计算机内部的数字化模型 虚拟产品来代替实物模型进行仿真、分析，从而提高产品在时间、质量、成本、服 务和环境等多目标中的决策水平，达到全局优化和一次性开发成功的目的。 建立虚拟化的试验模型虚拟产品，目的是对产品外形、结构、功能、行为等进 行测试，以便加快决策速度，改善产品开发过程中对其性能预测的准确性。为了对虚拟 3 陕西科技大学硕士学位论文 产品的外形、功能和行为等进行测试，必须要求完整可靠的产品描述，不仅包括产品定 义数据本身，还包括产品所有相应环境的描述，以及产品和环境相互作用规律的描述， 通过产品、环境及相互作用规律来考察产品生命周期中的各项性能。 1 4 2 虚拟产品开发的特点 实践证明，利用信息技术对传统产业进行技术改造是一条必由之路。在虚拟产品开 发中，产品开发过程在能够支持并行设计的p d m ( 产品数据管理) 系统管理下，采用先进 的软件系统帮助设计人员完成多学科产品的设计开发和创新过程。虚拟产品开发的主要 目标是将产品描述为数字模型进行分析并仿真产品的行为，开发过程中将大量采用先进 的应用软件系统，需要改变常规的设计模式。 在没有任何计算机工具时，设计者基于实物模型进行产品设计，给人最好的感知效 果，然而时间周期长和成本高；随着计算机辅助工具的出现，有了二维c a d 模型，帮 助设计师缩短产品开发时间和成本，但也很大程度上丢失了原先基于实物模型时具有的 直观感知性；从三维c a d 、数字样机到虚拟样机技术的出现，都体现了信息集成度的逐 渐提高，即在设计师与计算机交互进行产品开发中，获得越来越丰富的反应产品本质的 直观感知。 故而，虚拟产品开发应具有如下特点： ( 1 ) 核心是体现虚拟产品开发本质的全数字化虚拟产品模型。 ( 2 ) 多学科集成仿真试验。 ( 3 ) 可通过虚拟现实系统为设计师提供更为直观的感知交互。 1 5 软件平台介绍 本课题所用的软件平台是n x6 0 。n x 是一个交互的计算机辅助设计、计算机辅助 制造和计算机辅助工程( c a d c a m c a e ) 系统，由s i e m e n sp l ms o r w a r e 开发。n x 支持产品开发的整个过程，从概念( c a i d ) 、到设计( c a d ) 、到分析( c a e ) 、到制造 ( c a m ) 的完整流程。目前的最新版本是n x7 0 。 借助n x 解决方案套件，用户不但可以实现整个产品开发流程的变革，而且能够提 高组成此流程的各个步骤的效率。针对用户的所有产品开发举措，n x 提供了同类产品 最出色的c a d 、c a m 、c a e 和p d m 功能。无论是广度还是深度，n x 套件包括了很多 优秀的功能，包括： ( 1 ) 同步建模技术 利用同步建模技术，用户可以在同一环境中自如地运用生产效率最高的几种建模方 法，包括显式实体和表面建模，以及通过参数化和不依赖历史的方式进行建模。 4 凸轮式立卧两用换刀机械手及虚拟样机研究 ( 2 ) 基于知识的自动化 利用基于知识的自动化功能，用户可以利用本单位从自身经验和行业最佳实践中获 得的产品和流程知识。 ( 3 ) 流程创新 借助这一功能，用户可以对规划、概念设计、工程、仿真和制造团队的日常工作进 行简化和集成。 ( 4 ) 生命周期仿真 借助这一功能，用户可以在早期或经常性地简化仿真、验证和优化流程，将性能仿 真并入产品开发流程。 n x 的主要应用领域有：工业造型设计、包装设计、机械设计、机电设计、机械仿 真、机电仿真、工装模具和夹具设计、机械加工以及工程流程管理。 1 6 本课题的主要内容 本课题在已有的研究基础上，要完成的主要任务有以下几个方面： ( 1 ) 凸轮式立卧两用换刀机械手的总体设计 静 根据使用要求，当机床主轴箱进行立卧转换时，机械手应该是立卧两用的，应具有 立卧转换运动，这就要求机械手进行9 0 0 转动。 ( 2 ) 机械手的手爪结构设计 ” 确定立卧两用换刀机械手的机械手爪类型，在众多的机械手中，进行充分比较选用 一种动作实现容易、方便，内部结构简单可靠，重复定位精度高的机械手爪，进行机械 手的手爪结构设计。 ( 3 ) 立卧转换机构的设计 立卧转换机构是实现机械手立卧转换的机构，要使机械手准确转过9 0 0 ，采用伺服 电动机将很容易实现这一要求。 ( 4 ) 气缸、导轨和凸轮机构的设计和计算 主要包括确定活塞的运动速度以及活塞的行程、选择导轨的类型、根据从动件的运 动规律进行凸轮机构的设计以及相关的计算 ( 5 ) 虚拟样机的设计 根据以上设计和计算，基于u gn x 设计出3 d 零件模型，并进行虚拟装配。 5 陕两科技大学硕士学位论文 6 凸轮式立卧两用换刀机械手及虚拟样机研究 2 自动换刀装置功用及结构技术分析 为完成对工件的多工序加工而设置的存储及更换刀具的装置称为自动换刀装置。加 工中心中的自动换刀装置，通常是由刀库和机械手组成，它是加工中心区别于普通数控 机床的典型特征，也是加工中心的关键部件。 2 1 刀库2 1 1 3 l 1 8 l 2 1 1 刀库的功能 刀库是自动换刀装置的主要部件，其容量、布局以及具体结构对数控机床的设计有 很大的影响。刀库的功能是储存加工工序所需的各种刀具，并且按照程序指令把即将要 用的刀具准确、迅速地送到换刀位置，并接受从主轴送来的已经用过的刀具。 2 1 2 刀库的种类 由于加工中心有立式、卧式、龙门式等几种，因此，不同加工中心上的刀库和换刀 装置也各不相同。一般加工中心的刀库类型有鼓轮式刀库、链式刀库、格子箱式刀库和 直线刀库等，如图2 1 所示。 鼓轮式刀库应用广泛，它包括刀具轴线与鼓轮轴线两者平行、垂直或成锐角三种形 式。鼓轮式刀库结构简单紧凑。但由于刀具单环排列、定向、刀库利用率低，大容量刀 库的外径将较大、选刀运动时间长。因此，这种形式的刀库容量较小，一般不超过3 2 把。 链式刀库容量较大，当采用多环链式刀库时，刀库外形较紧凑，占用空间较小，适 用于作大容量的刀库。在增加存储刀具数量时，可增加链条长度，而不增加链轮直径， 链轮的圆周速度不会增加。 格子箱式刀库容量较大、结构紧凑、空间利用率高，但布局不灵活。通常将刀库安 放于工作台上。有时甚至在使用一侧的刀具主轴时，必须更换另一侧的刀座板。 直线式刀库结构简单，刀库容量较小，一般应用于数控车床、数控钻床，个别加工 中心也有采用。 2 2 换刀机械手1 1 1 1 2 1 1 5 1 1 8 l 采用机械手进行刀具交换的方式应用得最为广泛，这是因为机械手换刀有很大的灵 活性，而且可以减少换刀时间。由于自动换刀装置是加工中心的关键环节，因此各加工 7 陕西科技大学硕士学位论文 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，因此各个厂家都在保密， 很少公开有关资料，尤其机械手部分更是如此。 !- lllil r 掰羚 赕缈 b ) f ) c )d ) iijl iili + l h 喜。审审面鼋审 图2 1 加工中心刀库类型 f i g2 - lt y p e so fm a c h i n i n gc e n t e rt o o lm a g z i n e a ) 、b ) 、c ) d ) 鼓轮式刀库；e ) 链式刀库；f ) 格子箱式刀库；g ) 直线式刀库 2 2 1 自动换刀形式 加工中心自动换刀装置根据其组成结构可以分为：转塔式自动换刀装置、无机械手 式自动换刀装置和有机械手自动换刀装置。 3 一 、鬈 幽参 凸轮式立卧两用换刀机械手及虚拟样机研究 转塔式自动换刀装置是数控机床中比较简单的换刀装置。转塔刀架上装有主轴头， 转塔转动时更换主轴头以实现自动换刀。在转塔各个主轴头上，预先安装有各土序所需 要的旋转刀具，如图2 2 所示。 图2 2 转塔刀架 f i 9 2 - 2 t u r r e t： 这种自动换刀装置存储刀具的数量较少，适用于加工较简单的工件。其优点是结构 简单、可靠性好、换刀时间短。但由于空间位置的限制，主轴部件的结构刚性较低。并 安装于机床上，对机床的结构影响较大。它是适用于工序较少，精度要求不太高的数控嚣 钻镗床等。 目前大量使用的是带有刀库的自动换刀装置，与转塔式换刀装置不同。由于有了刀 库，加工中心只需要一个夹持刀具进行切削的主轴。当需要某一刀具进行切削加工时， 将该刀具自动地从刀库交换到主轴上，切削完毕后又将用过的刀具自动地从主轴上放回 刀库。由于换刀过程是在各个部件之间进行的，所以要求各参与换刀的部件的动作必须 准确协调。这种换刀方式由于主轴不像转塔式换刀机构那样受限制，因此主轴刚度可以 提高，还有利于提高加工精度和加工效率。由于有了单独存储刀具的刀库，使刀具的存 储容量增多，有利于加工复杂零件。而且刀库可离开加工区，消除很多不必要的干扰。 在带有刀库的自动换刀装置中可分为无机械手换刀装置和有机械手换刀装置两类。 无机械手的换刀系统一般是采用把刀库放在主轴箱可以运动到的位置，或整个刀库 或某一刀位能移动到主轴箱可以到达的位置，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。换刀时由主轴运动到刀库上的换刀位置，利用主轴直接取走或放回刀 具。图2 3 是一种卧式加工中心无机械手换刀系统的换刀过程。 9 陕西科技大学硕士学位论文 ( a ) 箱 ( c ) 图2 - 3 无机械手换刀系统的换刀过程 f i g2 - 3 t o o l sc h a n g i n gp r o c e s so fn o n - m a n i p u l a t o rt o o lc h a n g i n gs y s t e m 无机械手换刀装置的优点是结构简单、成本低、换刀可靠性也较高。其缺点是由于 结构所限，刀库的容量不多，且换刀时间较长，一般需要l o - 2 0 s 。因此，多为中、小 型加工中心采用。采用4 0 号以下刀柄的小型加工中心多为这种方式。 有机械手的换刀装置，一般由机械手和刀库组成。其刀库的配置，位置及数量的选 用要比无机械手的换刀系统灵活得多。它可以根据不同的要求配置不同形式的机械手， 可以是单臂的、双臂的，甚至配置一个主机械手和一个辅助机械手的形式。它能够配备 多至数百把刀具的刀库，换刀时间可缩短到几秒甚至零点几秒，因此目前大多数加工中 心，配有机械手的换刀装置。但由于刀库位置和机械手的换刀动作的不同，其自动换刀 装置结构形式多样。 2 2 2 机械手的种类 加工中心换刀机械手的种类很多，常见的有单臂单爪机械手、单臂双爪机械手和双 臂回转式机械手、双机械手、双臂往复交叉式机械手和双臂端面夹紧式机械手等，如图 2 2 3 所示。 1 0 凸轮式立卧两用换刀机械手及虚拟样机研究 ( c u j l i u j 凸li皿 1 1 1 桤 t 4 r a (d)(e) 图2 4 机械手的类型 f i g2 - 4t y p e so fm a n i p u l a t o r ( a ) 单臂单瓜机械手( b ) 单臂双乐机械手( c ) 双臂回转式机械手 ( d ) 双机械手( e ) 双臂往复交叉式机械手( f ) 双臂端面夹紧式机械手 ( 1 ) 单臂单爪回转式机械手 如图2 4 ( a ) 所示，单臂单爪回转式机械手的手臂可以回转不同的角度进行自动换 刀，手臂上只有一个卡爪，不论在刀库上或在主轴上，均靠这一个卡爪来装刀或卸刀， 因此换刀时间较长。 ( 2 ) 单臂双爪摆动式机械手 如图2 4 ( b ) 所示，单臂双爪摆动式机械手的手臂上有两个卡爪，两个卡爪各有分 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。其换刀时间较单臂单爪回转式机械手要少。 ( 3 ) 单臂双爪回转式机械手 如图2 - 4 ( c ) 所示，单臂单爪回转式机械手的手臂两端各有一个卡爪，两个卡爪可 同时抓取刀库及主轴上的刀具，回转1 8 0 0 后又同时将刀具放回刀库及装入主轴。换刀时 间较以上两种单臂机械手都短，是最常用的一种形式。图( c ) 右侧的一种机械手在抓取 刀具或将刀具送入刀库及主轴时，两臂可伸缩。 陕西科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 双机械手 如图2 - 4 ( d ) 所示，这种机械手相当于两个单爪机械手，相互配合起来进行自动换 刀。