毕业设计（论文）-加工中心换刀机械手设计论文.doc

1 摘摘 要要 本论文介绍的是加工中心换刀机械手自动换刀装置的设计.通过分析加工中心的整体 结构和自动换刀系统的特点、应用条件，设计要求等，并结合在数控机床上对刀库和换 刀机械手的需要能在数控程序的控制下灵活的实现换刀过程。设计的刀库为盘形结 构，沿刀库主轴轴向安装。驱动为型号为 90SZ03 的 SZ 系列电磁式直流伺服电动机 。换 刀机械采用机械手交换刀具的方式。结合了工厂实际，该自动换刀系统在数控的控制下 能灵活的完成换刀程序，节省了时间、提高了效率、安全可靠。 关键词：刀库、机械手、加工中心 2 ABSTRACT The present paper introduces is processes the center to trade the knife manipulator automatically to trade the design which the knife installs. And trades the knife system automatically through the analysis processing center overall construction the characteristic, the application condition, the design request and so on, and unifies on the numerical control engine bed and trades the knife manipulators need to the knife storehouse - - to be able the nimble realization to trade the knife process in under the numerical control procedure control.The design knife storehouse is the disc structure, along knife storehouse main axle axial installment.The actuation for the model is the 90SZ03 SZ series electromagnetic cocurrent servo motor.Trades the knife machinery to use the manipulator to exchange the cutting tool the way.Linked to the factory reality, this trades the knife system to be able automatically nimble to complete under the numerical control control trades the knife procedure, saved the time, enhanced the efficiency safely, reliable. Key words: Tool-magazine,Tool-changing manipulator,Machining Center. 3 目 录 引言 1 1.数控铣床介绍 1 1.1 数控铣床的分类 1 1.2 数控铣床的结构特征2 1.3 数控铣床的主要功能及加工对象2 2总体方案的设计 4 2.1 加工中心换刀机械手及其主要参数4 2.2 初定加工中心换刀机械手自动换刀装置的设计参数5 2.3 确定加工中心换刀机械手自动换刀装置的形式5 3刀库的设计6 3.1 确定刀库容量7 3.2 确定刀库形式7 3.3 刀库结构设计 7 4.刀具交换装置的设计 9 4.1 换刀机械手抓刀部分结构 9 4.2 机械手传动结构 10 4.3 自动换刀过程的动作顺序 11 5.自动换刀装置的控制原理 12 5.1 刀库的控制 12 5.2 机械手的控制 13 6.典型零件的设计 13 6.1 联轴器 13 6.1.1 联轴器的选用与校核 13 6.2 托架的设计 14 结论 14 4 致谢词 15 参考文献 15 附图 1 16 附图 2 17 5 引引 言言 近年来，加工中心换刀机械手在自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、便于 操作、精度准确等方面所表现出的综合优势是其手动操作难以比拟的。随着它的发展， 它在数控铣床上的应用也越来越多。本文提出的是换刀机械手的工作原理、装置设计、 刀库管理等。在实际运行中是切实可行的。整个控制系统具有设计思路清晰、安全可靠、 性能强等显著优点。 1 1、数控铣床介绍、数控铣床介绍 数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的 ,两都的加工工艺基本相同 ,结构也 有些相似,但数控铣床是靠程序控制的自动加工机床 ,所以其结构也与普通铣床有很 大区别. 1 11 1 数控铣床的分类数控铣床的分类 111 数控立式铣床 数控立式铣床是数控铣床中数量最多的一种，应用范围也最为广泛。小型数控铣 床一般都采用工作台移动、升降、及主轴不动方式，与普通立式升降台铣床相似；中 型数控立式铣床一般采用纵向和横向工作台移动方式，且主轴沿垂直溜板上下运动； 大型数控立式铣床，因要考虑到扩大行程，缩小占地面积及刚性等技术问题，往往采 用龙门架移动式，其主轴可以在龙门架的横向与垂直溜板上运动，而龙门架则沿床身 作纵向运动。从机床数控系统控制的坐标数量来看，目前3 坐标数控立式铣床仍占 大多数。一般可进行 3 坐标联动加工，但也有部分机床只能进行3 坐标中的任意二 个坐标联动加工。此外，还有机床主轴可以绕X、Y、Z 坐标轴中其中一个或两个轴 作数控摆角运动的 4 坐标和 5 坐标数控立式铣床。一般来说，机床控制的坐标轴越多， 特别是要求联动的坐标轴越多，机床的功能、加工范围及可选择的加工对象也越多。 但随之而来的是机床的结构更复杂，对数控系统的要求更高，编程的难度更大，设备 的价格也更高。数控立式铣床可以附加数控转盘，采用自动交换台，增加靠模装置等 来扩大数控立式铣床的功能，加工范围和加工对象，进一步提高生产效率。 112 卧式数控铣床 与通用卧式铣床相同，其主轴级平行于水平面。为了扩大加工范围和扩大功能， 卧式数控铣床通常采用增加数控转盘或万能数控转盘来实现4、5 坐标加工，这样， 不但工件侧面上的连续回转轮廓可以加工出来，而且可以实现在一次安装中，通过转 盘改变工位，进行 “四面加工” 。可以省去许多专用夹具或专用角度成型铣刀。对箱 6 体类零件或需要在一次安装中改变工位的 工件来说，选择带数控转盘的卧式铣床进 行加工是非常合适的。 113 立、卧式两用数控铣床 这类铣床目前正在逐渐增多，它的主轴方向可以更换，能达到在一台机床上既可 以进行立式加工，又可以进行卧式加工，其使用范围更广，功能更全，选择加工的对 象和余地更大，给用户带来了很多方便，特别是当生产批量小，品种较多，又需要立 卧两种方式加工时，用户只需买一台这样的机床就行了。 立、卧两用数控铣床的主轴方向的更换有手动与自动两种，采用数控万能主轴头 的立、卧两用数控铣床，其主轴头可以任意转换方向，可以加工出与水平面呈各种不 同角度的工件表面。当立、卧两用数控铣床增加数控转盘后，就可以实现对工件的 “五面加工” 。即出除了工件与转盘贴合的定位面外，其它表面都可以在一次安装中进 行加工。因此，其加工性能非常优越。 1 12 2 数控铣床的结构特征数控铣床的结构特征 121 数控铣床的主轴特征 数控铣床的主轴开启与停止，主轴正反转与主轴变速等都可以按输入介质上编入 的程序自动执行。不同的机床其变速功能与范围也不同。有的采用变频机组，固定几 种转速，可自选一种编入程序，但不能在运转时改变。有的采用变频器调整，将转速 分为几档，编程时可任选一档，在运转中可通过控制面板上的旋钮，在本档范围内自 由调节；有的则不分档 ,编程时可在整个范围内无级调速。但是在实际操作中，调速 不能有大起大落的突变，只能在允许的范围内调高或调低，只能在允许的范围内一般 都设有自动拉、退刀装置，能在数秒内完成装刀与卸刀，换刀比较方便。此外，多坐 标数控铣床的主轴可以绕 X、Y 或 Z 轴作数控摆动，扩大了主轴自身的运动范围，但 是主轴结构更加复杂。 122 控制机床运动的坐标特征 为了要把工件上各种复杂的形状轮廓连续加工出来，必须控制刀具沿平面上设定的 直线、圆弧或空间直线、圆弧轨迹运动，因此，要求数控铣床的伺服拖动系统能在多坐 标方向同时协调动作，并保持预定的相互关系，这就要求机床应能实现多坐标联动。数 控铣床要控制的坐标数最少是 3 坐标中任意两坐标联动。要实现连续加工直线变斜角工 件，应实现四坐标联动。若要加工曲线变斜角工件，是要求实现五坐标联动。因此，数 控铣床所配置的数控系统档次，一般都比其它数控机床相应更高一些。 1 13 3 数控铣床的主要功能及加工对象数控铣床的主要功能及加工对象 131 数控铣床的功能 7 数控铣床的功能分为一般功能和特殊功能。一般功能是指各类数控铣床普遍所具有 的功能。如点位控制功能、刀具半径自动补偿功能、镜象加工功能、 固定循环功能等。 特殊功能是指数控铣床在增加了某些特殊装置或附件后，分别具有或兼备的一些特殊功 能。如刀具长度补偿功能、靠模加工功能、自动变换工作台功能、自适应功能、数控采 集功能等。 在使用数控铣床加工工件时，只要充分利用数控铣床的各种功能，就可以加工许多 普通铣床难加工的工件。数控铣床的主要加工对象有：1、平面类零件。2、变斜角类零 件。3、曲面类（立体类）零件。 132 自动换刀装置（ATC）及其形式 数控机床为了能在工件一次装夹中完成多个工步，以缩减辅助时间和减少多次安装 工件引起的误差，通常带有自动换刀系统。自动换刀（Automatic Tool Change 简称 ATC）系统由控制系统和换刀装置组成。在数控铣床的基础上，如果再配以刀具和自动换 刀系统，就构成加工中心（Machining center 简称 MC） 。 各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的型式、工艺范围及刀具的种类和 数量等。这种装置主要可以分为以下几种形式： （一）回转刀架换刀形式 数控车床使用的回转刀架是一种简单的自动换刀装置。根据不同加工对象，可以设 计成四方和六角刀架等多种形式。回转刀架上分别安装着四把、六把或更多的刀具，并 按数控装置的指令转位换刀。 （二）更换主轴头换刀形式 在带有旋转刀具的数控机床中，更换主轴头换刀是一种简单的换刀方式。主轴头通 有卧式和立式两种，而且常用转塔的转位来更换主轴头以实现自动换刀。各个主轴头上 预先装有各工序加工所需要的旋转刀具，当收到换刀指令时,各主轴头依次地转到加工位 置，并接通主运动使相应的主轴带动刀具旋转，而其他处于不加工位置上的主轴都与主 运动脱开。 转塔主轴头换刀方式的主要优点是省去了自动松夹、卸刀装刀、夹紧以及刀具搬运 等一系列复杂的操作，从而显著地减少了换刀时间，提高了换刀的可靠性，但是由于结 构上的原因和空间位置的限制，主轴的数目不可能很多。因此转塔主轴头换刀通常只适 用于工序较少，精度要求不太高的数控机床，如数控铣床。 （三）带刀库的自动换刀形式 带刀库的自动换到形式主要是由刀库和刀具交换装置组成。目前这种换刀方法在数 8 控机床上的应用最为广泛。带刀库的自动换刀装置的数控机床主轴箱和转塔主轴头相比 较，由于主轴箱内只有一个主轴，所以主轴部件具有足够刚度，因而能够满足各种精密 加工的要求。另外，刀库可以存放数量较多的刀具，可进行复杂零件的多工序加工，可 明显提高数控机床的适应性和加工效率。这种带刀库的自动换刀装置特别适用于数控铣 床、数控钻床和数控镗床。 刀库有多种形式，数控机床上常用的有盘式和链式两种。交换装置的机械手形式也 多样，目前在数控机床上用得最多的是回转式双臂机械手。其他形式还有摆动式单臂双 爪机械手、单臂单爪回转式机械手、双机械手等等。 133 自动换刀装置应当满足的基本要求 1) 换刀时间短。 2）刀具重复精度高。 3）刀具储存足够。 4）刀库占地面积小。 5）安全可靠。 2 2、总体方案的确定、总体方案的确定 依据设计任务书，我们的任务是给加工中心换刀机械手设计安装合适的自动换刀 装置。主要技术参数为： 1）刀库容量： 4-6 2）选刀方式：顺序选刀 3）重复 精度：5 加工中心换刀机械手主要由床身、升降台、工作台、立铣头、主传动、主变速、 拉刀机构、液压系统、自动润滑系统、冷却系统、吊挂、电柜等部分组成。机床本身 并不带自动换刀装置。自动换刀装置作为一套独立的、完整的机床部件，设计依据是 该机床的型式、工艺范围及刀具的种类和数量等。 2 21 1 加工中心换刀机械手及其主要参数加工中心换刀机械手及其主要参数 加工中心换刀机械手是北京第一机床厂生产的带有立铣头的立式铣床，为机电一体 化结构，三坐标联动，是一种使用很广的机床，它可以使用各种圆柱铣刀、角度铣刀及 端面铣刀完成直线铣削，组成各种往复循环和框式循环或按坐标位置加工孔，也可以铣 削具有轮廓的零件，如凸轮、样板、模具、叶片、弧形槽等。 该机床适用于机械制造的各种类部门，也适用于军工部门。其主要规格及技术参数 如下表： 9 表 1 机床主要规格及技术参数 参数名称单位数量 工作台面尺寸（长 X 宽）mm320 X 1320 工作台纵向（X）行程mm780 工作台纵向（Y）行程mm300 续表一 工作台纵向（Z）行程mm380 主轴孔径mm29 立铣头最大回转角度45 主轴转速级数18 主轴转速范围r/min30-1500 工作台进给级数无级 主传动电动机功率 kw7.5 主传动电动机转速r/min1440 工作台最大承载重量kg320 主轴最大扭矩Nm1000 机床外形尺寸（长 X 宽 X 高）mm1929 X 2055 X 2216 机床重量kg2800 该机床推荐使用的最大切削范围如下： 铣切钢：钢的含碳量 0.45%，抗拉强度 600N/mm2。铣刀直径100mm，齿数 4； 铣切宽度 50mm，铣切深度 3 mm；主轴转速 750 r/min，进给量 750mm/min。 铣切灰铸铁：材料 HT200，硬度 HB150225。铣刀直径250mm，齿数 14； 铣切宽度 150mm，铣切深度 3.7 mm；主轴转速 47.5 r/min，进给量 300mm/min 2 22 2 初定加工中心换刀机械手自动换刀装置的设计参数初定加工中心换刀机械手自动换刀装置的设计参数 在铣削轮廓时，为了保证一次连续地加工出全部表面，应选用半径小于工件最小轮 廓半径的刀具，而在实际的生产加工中，常尽量选用直径较大的铣刀，因为大直径铣刀 刚性好，耐用度高。由加工中心换刀机械手推荐使用的最大切削范围可知，当铣切钢时， 铣刀直径为100 mm。当铣灰铸铁时，铣刀直径达250mm。因此，为了满足该机床的实 际加工能力与生产情况，在设计其自动换刀装置时，应该根据最大的刀具直径来设计， 即设计的换刀装置能交换250mm 的刀具。 初估最大直径刀具的重量为 8kgf。 2 23 3 确定加工中心换刀机械手自动换刀装置的形式确定加工中心换刀机械手自动换刀装置的形式 数控机床的自动换刀装置的结构形式多种多样，选择何种形式，主要取决于机床的 10 种类、工艺范围以及刀具的种类和数量等。 由于加工中心换刀机械手是一种使用范围较广的机床，且其可加工零件的精度要求 也较高，比较上章介绍的几种换刀形式，决定选用带刀库的自动换刀形式。 带刀库的自动换刀装置是由刀库和刀具交换装置（换刀机械手）组成。它是多工序 数控机床上应用最广泛的换刀装置，其整过换刀过程比较复杂。首先把加工过程中需要 使用的全部刀具安装在标准的刀柄上，在机床外进行尺寸预调后，按一定的方式装入刀 库。换刀时，先在刀库中进行选刀，由机械手从刀库和主轴上取出刀具，然后交换位置， 把新刀插入主轴，旧刀放回刀库。存放刀具的刀库可具有较大的容量，它既可以安装在 主轴箱的侧面或上方，也可以作为独立部件安装在机床以外。 加工中心换刀机械手主轴箱上方没有好的安装位置，安装在机床外又要增加刀具运 输时间，降低效率，所以安装在机床侧面最合适，有些部件交错的地方，作适当的调整。 因为加工中心换刀机械手外形及其他性能参数等均与 JCS018A 数控立式镗铣床相似， 所以本机床的自动换刀装置的设计将仿效 JCS018A 数控立式镗铣床换刀装置，设计成 由由盘式刀库和回转式双臂机械手组成。设计增加自动换刀装置后的加工中心换刀机械 手的外观图如图 1-1 所示。 图 1-1 加工中心换刀机械手的外观图 3 3、刀库的设计、刀库的设计 11 刀库是带刀库自动换刀装置的主要部 件之一，其容量形式、布局及具体结构对 数控机床的性能有很大影响。 3 31 1 确定刀库容量确定刀库容量 刀库储存量过大，导致刀库的结构庞大而复杂, 影响机床总体布局；储存量过小，则不能满足复杂零 件的加工要求。因此，刀库容量应在经济合理的条件 下，力图将一组类似的零件所需的全部刀具装入刀库， 以缩短每次装刀所需的装调时间。对自动换刀数控机 床的刀库容量，有关资料曾对 15000 个零件进行分组 统计，指出不同工序加工时必须的刀具数不同，如图 3-1 所示。由图可知，铣削 90%的加工量由 4 把铣刀 即可完成。因此，对加工中心换刀机械手，容量为 6 的刀库就可满足要求了。 3 32 2 确定刀库形式确定刀库形式 由以上考虑加工中心换刀机械手的结构布局等原因，决定刀库采用盘形结构，沿刀 库主轴轴向安装。这种刀库结构简单且紧凑，但为了换刀时刀具与主轴同向，刀库中的 刀具需在换刀位置作 90翻转。 3 33 3 刀库结构设计刀库结构设计 刀库的外形如图 3-2 所示。圆盘式刀库（图 a）由专用的直流伺服电动机 1 经套筒联 轴器 2、蜗杆 4、蜗轮 3，带动刀盘 14 和盘上的 6 个刀套 13 旋转。刀座的滚子 11 在不旋 转的导盘 14 的槽中受到限位，导盘 14 在最下端的换刀位置开了一个缺口。刀座以铰链 形式与支承板 16 相连（图 b） 。平时，由弹簧 18 将滚子销 19 压在刀套 13 的凹槽中，使 刀座定位在水平位置。由于主轴是立式的，故应将处于刀库刀盘 14 最下位置的刀套旋转 90，使刀头朝下。实现这个动作靠气缸 5。气缸 5 的活塞杆 6 带动拨叉 7 上升。由 A A 剖视图中可以看到，最下面的一个刀套 13 右尾部的滚子 11 正好进入拨叉 7 的缺口。拨 叉 7 上升使刀套连同刀具逆时针旋转 90，滚子销 19 退出支承板 16 的凹槽，刀座转到 垂直位置，等待机械手换刀。 刀套的构造如图 b 所示。由图中可以看到锥孔尾部有两个球头销钉 17，后有弹簧用 以夹住刀具，故当刀套旋转 90后刀具不会下落。刀套顶部的滚子 15 用以在刀套处于水 平位置时支承刀套。当刀具更换完毕，该刀座插入从主轴换下的刀具平头。通过气缸作 用，与上述动作相反，刀座带着刀具夹头顺时针转动，直到水平位置为止，此时，滚子 销 19 重新处于支承板 16 的凹槽中。 12 3 34 4 初估刀库驱动转矩及选定电机初估刀库驱动转矩及选定电机 以 THK6363 型自动换刀数控镗铣床的刀库为设计参考（查参考资料 14） ，采用经念法 初估回转所需转矩。 THK6363 型自动换刀数控镗铣床的刀库也是采用轴向放置的鼓盘式刀库形式，其容量 为 36 把刀具，最大刀具重达 10kgf，刀库回转由最大扭矩为 25Nm 的液压马达经谐波减 速器驱动。现在由于设计的刀库容量为 6 把刀具，可初估刀库驱动转矩为 T0=8Nm。 刀库回转运动多数采用液压马达、直流电动机驱动。由于本刀库的驱动转矩小，且 所需转速小，所以决定采用直流伺服电动机驱动。直流伺服电动机具有体积小，重量轻、 伺服性好、力能指标高等优点，且该电机可用信号电压进行无级调速。由参考资料 11 P1275 表查选电动机型号为 90SZ03 的 SZ 系列电磁式直流伺服电动机，功率为 0.092 kw。 3 35 5 刀库驱动转矩的校核刀库驱动转矩的校核 蜗轮转速=5r/min,所能传递的功率为 P=0.092 800.95=0.07 Kw,此时刀库的驱 2 n 00 动转矩为：T=120.3NmT0=8Nm，其中=0.9 为普通平 9549 N n 0.07 95490.90 5 键带动刀盘回转的传动效率。所以，刀库驱动转矩满足要求。 3 36 6 确定刀具的选择方式确定刀具的选择方式 按数控装置的刀具指令，从刀库中将所需要的刀具转换到取刀位置，称为自动选刀。 13 在刀库中选择刀具通常采用两种方式。 （一）顺序选择刀具 刀具按预定工序的先后顺序插入刀库的刀座中，使用时按顺序转到取刀位置。用过 的刀具放回原来的刀座内，也可以按加工顺序放入下一个刀座内。该法不需要刀具识别 装置，驱动控制也比较简单，工作可靠。但刀库中每一把刀具在不同工序中不能重复使 用，为了满足加工需要只有增加刀具的数量和刀库的容量，这就降低了刀具和刀库的利 用率。此外，装刀时必须十分谨慎，如果刀具不按顺序装在刀库中，将会产生严重的后 果。 （二）任意选择刀具 这种方法根据程序指令的要求任意选择所需要的刀具，刀具在刀库中不必按照工件 加工顺序排列，可以任意存放。每把刀具（或刀座）都编上代码，自动换刀时，刀库旋 转，每把刀具（或刀座）都经过“刀具识别装置”接受识别。当某把刀具（或刀座）的 代码与数控指令相符合时，该把刀具被选中，刀库将刀具送到换到位置，等待机械手来 抓取。任意选择刀具法的优点是刀库中刀具的排列顺序与工作加工顺序无关，刀具可重 复使用。因此，刀具数量比较顺序选择法少一些。刀库也相应地简单些。任意选择法主 要有三种编码方式：刀具编码方式、刀座编码方式和编码附件方式。 在以上确定刀库容量时已经讨论可知数控铣床用 4 把刀就可完成大多数的铣削加工。 所以这个容量为 6 把刀的刀库，几乎不存在加工过程中需要重复利用刀具的情况，所以 刀具的选择方式确定为顺序选择刀具。该法不需要刀具识别装置，驱动控制也比较简单， 工作可靠。 4 4、刀具交换装置的设计、刀具交换装置的设计 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。由加工中心 换刀机械手的结构特性决定难以实现由刀库与机床主轴的相对运动来实现刀具交换， 故采用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。 14 4 41 1 换刀机械手抓刀部分结构换刀机械手抓刀部分结构 如图 4-1 所示机械手抓刀部分结构。它主要由手臂 1 和固定于其两端的结构完全相 同的两个手爪 1 组成。手爪上握刀的圆弧部分有一锥销 2，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 7 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 6 在弹簧 4 的作用下右移顶住刀具。机械手拔刀 时，长销 7 与挡块脱离接触，锁紧销 8 被弹簧 5 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 7 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。 4 42 2 机械手传动结构机械手传动结构 下图为本设计刀库所用采用的机械手结构示意图。如前述刀库结构，刀套向下转 90后，压下行程开关，发出机械手抓刀信号。此时，机械手 21 正处在图中所示的上面 位置，液压缸 18 右腔通压力油，活塞杆推动齿条 17 向左移动，带动齿轮 11 转动（连接 盘与齿轮 11 用螺栓连接，它们空套在机械手臂轴 16 上，传动盘 10 与机械手臂轴 16 用 花键连接） ，使机械手回转 75抓刀。抓刀动作结束进，齿条 17 上的挡环 12 压下行程开 关 14，发出拔刀信号，于是升降液压缸 15 的上腔通压力油，活塞杆推机械手臂轴 16 下 降拔刀。在轴 16 下降进，传动盘 10 随之下降，其下端的销子 8 插入连接盘 5 的销孔中， 连接盘 5 和下面的齿轮 4 也是用螺栓连接的，它们空套轴 16 上。当拔刀动作完成后，轴 16 上的挡环 2 压下行程开关 1，发出换刀信号。这时转位液压缸 20 的右腔通压力油，活 塞杆推动齿条 19 向左移动，带动齿轮和连接盘 5 转动，通过销子 8，由传动盘带动机械 手转 180，交换主轴上和刀库上的刀具位置。换刀动作完成后，齿条 19 上的挡环 6 压 15 下位置开关 9，发出插刀信号，使升降油缸下腔通压力油，活塞杆带着机械手臂轴上升插 刀，同时传动盘下面的销子 8 从连接盘 5 的销孔中移出。插刀动作完成后，轴 16 上的挡 环压下行程开关 3，使转位油缸 20 的左腔通压力油，活塞杆带着齿条 19 向右复位，齿轮 4 空转，机械手无动作。齿条 19 复位后其上挡环压下行程开关 7，使液压缸 18 的左腔通 压力油，活塞杆带着齿条 17 向右移动，通过齿轮 11 使机械手反转 75复位。机械手复 位后，齿条 17 上的挡环压下行程开关 13，发出换刀完成信号，使刀套向上翻转 90， 为下次选刀做好准备。同时机床继续执行后面的操作，换刀过程亦可见本设计的动画演 示。 4 43 3 自动换刀过程的动作顺序自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（结合如下换刀过程示意图 4-3）： （1） 、刀套下转 90 如上图 a 所示刀库位于立柱左侧，刀具轴线在刀库中的安装方向与主轴垂直。换刀 前，刀库将待换刀具送到换刀位置，然后刀套连同刀具翻转 90，使刀具轴线与主轴轴 线平行，如图 b 所示。 （2） 、机械手转 75 如图 c 所示，换刀机械手逆时针旋转 75，两手爪分别抓住刀库上和主轴上的刀柄。 （3） 、机械手拔刀 待主轴上自动夹紧机构松开刀具后，机械手下降，同时拔出主轴上和刀库上的刀具， 如图 d 所示。 （4） 、刀具位置交换 16 如图 e 所示，机械手逆时针转 180，使主轴刀具与刀库刀具交换位置。 （5） 、机械手插刀 机械手上升，分别将刀具插入主轴锥孔和刀库刀套中,如图 f 所示。 （6）机械手顺时针转 75 如图 g 所示,待主轴上自动夹紧机构夹紧刀具后，机械手顺时针转 75，回到原始位 置。 （7）刀套带着换回的旧刀具向上翻转 90，准备下一次选刀,如图 h 所示。 4 44 4 自动换刀装置的相关技术要求自动换刀装置的相关技术要求 441 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。 442 换刀机械手的安装与调试 A：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； B：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。 17 5 5、自动换刀装置的控制原理、自动换刀装置的控制原理 5.15.1 刀库的控制刀库的控制 刀库的转动由电机带动，转速由控制信号电压调定。刀库刀盘最下位置的刀套旋转 90，使刀头朝下，等待机械手来换刀，是由气缸实现的。当 PLC 控制系统发出换刀信 号时，气缸的活塞杆带动拨叉上升，最下面的一个刀套右尾部的滚子正好进入拨叉的缺 口，拨叉 7 上升使刀套连同刀具逆时针旋转 90，使刀头与主轴平行，便与换刀。当机 械手完成换刀后，发出换刀结束信号，开始下一道工序。同时刀库旋转 60，把下一道 工序刀具转到刀库最下端的换刀位置，做好下一次换刀准备，这也缩短了辅助时间。 5 52 2 机械手的控制机械手的控制 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 5-1 所示。 具体控制过程上一章 42 机械手传动结构已经说明。该控制的优点是换刀平稳，快 捷。 6 6、典型零件的设计、典型零件的设计 6.16.1 联轴器联轴器 本设计只用到一个联轴器，那就是刀库的驱动电机主轴与蜗杆轴的联接处。 6.1.1 联轴器的选用 由上述可知,本设计的刀库容量仅为 6 把刀具， 驱动转矩不大于 T0=8Nm。由于本刀库的驱动转 矩小，且所需转速小，所以决定采用较普通的套 18 筒联轴器。查参考资料 12 表 16-4,选用 d=16mm,型套筒联轴器，如图 6-1 所示。其主 要参数为=28Nm。 p M 6.1.2 联轴器的校核 校核公式为 cP MKMM 其中联轴器的公称转矩（Nm） M 联轴器的施用转矩（Nm） P M 工作情况因数，查参考资料 12 表 16-4,得=1.5 KK 于是，所以所选的联轴器合适。 1.5 81228 cP MKMN mMN mAA 6 62 2 托架的设计托架的设计 本设计所需托架有电机、刀库及机械手的安装托架。托架的设计应根据电机、刀库 及机械手的尺寸重量大小和安装部位的形状尺寸等等。由于本设计的篇幅所限，具体的 设计就给予省略。 结 论 毕业设计是完成教学计划达到专业培养目标的一个重要的教学环节；是教学计划中 综合性最强的实践性教学环节，它在培养和提高我们综合运用专业知识分析和解决实际 问题的能力，并进行工程技术人员所必须具备的基本素质的