大型加工中心换刀机械手的设计

四 川 理 工 学 院毕 业 设 计（论 文）说 明 书题 目 大型加工中心 50#刀柄换刀机械手的设计学 生 系 别 专 业 班 级 学 号 指 导 教 师 前 言现代数控技术集机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电技术于一体，是现代制造技术的基础，它的发展和运用，开创了制造业的新时代，使世界制造业的格局发生了巨大变化。数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段，它的广泛使用给机械制造业生产方式、产业结构、管理方式带来深刻的变化它的关联效益和辐射能力更是难以估计；数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化、生产的基础，现代的 CAD/CAM、FMS、CIMS 等，都是建立在数控技术之上。数控技术是国际商业贸易的重要构成，发达国家把数控机床视为具有高技术附加值、高利润的重要出口产品，世界贸易额逐年增加。因此，数控技术是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，是当今制造业的发展方向。专家们曾预言：机械制造的竞争，其实质是数控的竞争。有鉴于此，发达国家把提高数控技术水平作为提高制造业水平的重要基础，竞相发展本国的数控产业。数控技术在制造业的扩展与延伸所产生的辐射作用和波及效果对机械制造业的产业结构、产品结构、专业化分工方式、机械加工方式及管理方式、社会的生产分工、企业的运行机制等正带来深刻的变化，对国民经济的发展起着重要重要的促进作用。数控技术对现代制造业的影响是多方面的和重大的，主要表现为：1.使机械制造业的整体面貌发生了根本性变化数控技术的应用将传统的机械制造与微电子、计算机信息处理、现代控制理论、检测技术以及光电磁等学科技术融为一体，使制造业成为知识密集、技术密集的大科学范畴的现代制造业，是当代国民经济的基础工业。2.使机械制造业的生产方式产生了深刻变化纵观制造业的发展史，其生产规模沿着“小批量少品种大批量多品种变批量”的方向发展。数控技术是当今柔性自动化和智能自动化的技术基础之一，它是适应科技进步，满足多品种变批量市场需求的生产方式。数控技术是传统的制造工艺发生显著和本质的变化。由经验走向定量化，由分散单一工艺走向集成和科学化的工艺。随着数控技术的不断发展和应用，工艺方法和制造系统不断更新，形成CAD、 CAM、CAPP、CAT、FMS、CIMS、FA 等一系列具有划时代意义的新技术新工艺的制造系统。3.使产品结构发生了重大变化现代制造产品向着高精度、高自动化和高可靠性方向发展，具有机电结合和多学科技术结合的特点，纯机械产品越来越少，而且更新换代速度快。当前，机械产品在国外市场上是否有竞争力，在很大程度上取决于数控技术的发展、推广和应用。我国从发展数控技术的战略高度结合国民经济发展的特点对数控技术进行创新性研究，重点开 发“开放式”及“智能化”的特征。参考文献1 邱宣怀. 机械设计.第四版.北京：高等教育出版社,1997.72 刘朝儒，彭福荫，高政一.机械制图.第四版.北京：高等教育出版社,2001.83 吴宗泽，罗圣国 .机械设计课程设计手册.第二版.北京：高等教育出版社,1999.64 章宏甲，黄谊 .液压传动.北京：机械工业出版社，2005.85 王爱玲. 现代数控机床.北京：国防工业出版社，2003.46 刘跃南. 机床计算机数控及其应用.北京：机械工业出版社，1997.57 吴祖育，秦鹏飞 .数控机床.第二版.上海：上海科学技术出版社，1990.38 机械设计手册联合编写组.机械设计手册.下册.第二版.北京：化学工业出版社，1983.79 洪志育. 例说 PLC.北京：人民邮电出版社, 2006. 610 尹秀妍. 可编程控制器及应用. 北京：中国建筑出版社, 2005. 1 目 录中文摘要英文摘要第 1 章 绪论11.1 数控机床的基本概念11.1.1 数控机床的定义11.1.2 机床数字控制的原理11.2 数控机床的组成和特点21.2.1 数控机床的组成21.2.2 数控机床的特点5第 2 章 加工中心的自动换刀装置62.1 自动换刀装置的形式62.1.1 自动换刀装置的功用及要求62.1.2 自动换刀装置的类型62.2 换刀机械手的类型72.3 换刀机械手的动作顺序8第 3 章 换刀机械手结构设计93.1 手爪口的设计93.1.1 刀具结构尺寸93.1.2 手爪口尺寸计算93.2 活动销的设计103.2.1 活动销行程计算103.2.2 活动销尺寸计算123.2.3 活动销弹簧的设计123.3 换刀机械手手臂的结构与尺寸14第 4 章 液压传动系统设计与计算154.1 概述154.2 液压缸的设计154.2.1 液压缸载荷的组成和计算15 4.2.2 液压缸的结构尺寸设计164.2.3 液压缸的强度校核184.2.4 稳定性校核204.2.5 液压缸进出油口的设计224.2.6 活塞的常用形式224.2.7 液压缸的缓冲装置224.2.8 液压缸的排气装置244.3 摆动液压缸的设计244.3.1 外载荷力矩的计算244.3.2 回转缸内径计算254.3.3 回转缸壁厚及流量的计算264.3.4 回转缸动片与输出轴联接螺钉设计264.3.5 回转缸缸盖联接螺钉设计284.3.6 花键轴的设计与校核294.3.7 轴承选择314.4 拟定液压系统原理图314.4.1 液压系统工作原理314.4.2 液压控制元件的选用324.5 换刀机械手的电气控制系统设计344.5.1 电气原理图的画法规则344.5.2 拟定电气原理图354.5.3 工作原理36第 5 章 换刀机械手的可编程控制385.1 可编程控制器概述385.2 PLC 应用控制系统设计流程385.3 换刀机械手的 PLC 控制系统设计405.3.1 F1 系列 PLC 的性能指标405.3.2 F1 系列 PLC 的编程元件425.3.3 换刀机械手的梯形图设计43第 6 章 总结48 摘 要在对大型加工中心自动换刀装置深入调查研究的基础上，确定采用机械手配合刀库进行刀具交换的换刀方式。根据 ATC 的创新设计思想，设计出能同时抓取刀库和主轴上刀具的回转式单臂双手换刀机械手结构。这种结构的换刀机械手主要应用在立式加工中心的场合中。其换刀动作简单可靠，主要依靠液压系统驱动，采用可编程控制系统（PLC）进行控制，具有换刀时间短、运动惯性小等优点。实现了可以在一次装夹中完成多道工序的加工，从而缩短了辅助加工时间，提高了机床的效率，减少了零件安装和定位次数，提高了加工精度。关键词：加工中心 换刀机械手 PLC ATC 刀库 ABSTRACTIn Automatic Tool Change thorough investigation and study automatically to the large-scale machining center in the foundation, determined that uses the manipulator to coordinate the Tool Change to carry on the cutting tool to exchange Change the Tool way. According to the ATC innovative design thought that designs can simultaneously capture on the Tool Change and the main axle cutting tools rotation type double arm Change the Tool manipulator structure. This kind of structure Change the Tool manipulator mainly to apply in the vertical machining center situation. This kind Change the Tool movement simply reliable, mainly depends upon the hydraulic system actuation, uses the programmable control system (PLC) to carry on the control, has Change the Tool time to be short, movement inertia small and so on merits. Realized has been possible, in attire clamped completes the multi-channel working procedure the processing, thus reduced the auxiliary process period, raised engine beds efficiency, reduced the components installment and the localization number of times, and increased the working accuracy.Key words: The machining center Change the Tool manipulator PLC Tool storehouse Automatic Tool Change 前 言现代数控技术集机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电技术于一体，是现代制造技术的基础，它的发展和运用，开创了制造业的新时代，使世界制造业的格局发生了巨大变化。数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段，它的广泛使用给机械制造业生产方式、产业结构、管理方式带来深刻的变化它的关联效益和辐射能力更是难以估计；数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化、生产的基础，现代的 CAD/CAM、FMS、CIMS 等，都是建立在数控技术之上。数控技术是国际商业贸易的重要构成，发达国家把数控机床视为具有高技术附加值、高利润的重要出口产品，世界贸易额逐年增加。因此，数控技术是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，是当今制造业的发展方向。专家们曾预言：机械制造的竞争，其实质是数控的竞争。有鉴于此，发达国家把提高数控技术水平作为提高制造业水平的重要基础，竞相发展本国的数控产业。数控技术在制造业的扩展与延伸所产生的辐射作用和波及效果对机械制造业的产业结构、产品结构、专业化分工方式、机械加工方式及管理方式、社会的生产分工、企业的运行机制等正带来深刻的变化，对国民经济的发展起着重要重要的促进作用。数控技术对现代制造业的影响是多方面的和重大的，主要表现为：1.使机械制造业的整体面貌发生了根本性变化数控技术的应用将传统的机械制造与微电子、计算机信息处理、现代控制理论、检测技术以及光电磁等学科技术融为一体，使制造业成为知识密集、技术密集的大科学范畴的现代制造业，是当代国民经济的基础工业。2.使机械制造业的生产方式产生了深刻变化纵观制造业的发展史，其生产规模沿着“小批量少品种大批量多品种变批量”的方向发展。数控技术是当今柔性自动化和智能自动化的技术基础之一，它是适应科技进步，满足多品种变批量市场需求的生产方式。数控技术是传统的制造工艺发生显著和本质的变化。由经验走向定量化，由分散单一工艺走向集成和科学化的工艺。随着数控技术的不断发展和应用，工艺方法和制造系统不断更新，形成CAD、CAM 、CAPP、CAT、FMS、CIMS、FA 等一系列具有划时代意义的新技术新工艺的制造系统。3.使产品结构发生了重大变化现代制造产品向着高精度、高自动化和高可靠性方向发展，具有机电结合和多学科技术结合的特点，纯机械产品越来越少，而且更新换代速度快。当前，机械产品在国外市场上是否有竞争力，在很大程度上取决于数控技术的发展、推广和应用。我国从发展数控技术的战略高度结合国民经济发展的特点对数控技术进行创新性研究，重点开发“开放式”及“智能化”的特征。 第一章 绪 论1.1 数控机床的基本概念1.1.1 数控机床的定义数字控制（Numerical Control）是用数字信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种控制方法。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是现代化工业生产中的一门新型的，发展十分迅速的高新技术。数控设备是以数控技术为代表的新技术对传统制造业产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化设备；其技术范围所覆盖的领域有：机械制造技术；微电子技术；信息处理、加工、传输技术；自动控制技术；伺服驱动技术；检测监控技术、传感技术；软件技术等。数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使用技术和最基本的装备。在提高生产率、降低成本、保证加工质量及改善工人劳动强度等方面，都有突出的优点；特别是在适应机械产品迅速更新换代、小批量、多品种生产方面，各类数控装备是实现先进制造技术的关键。数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国际信息（International Faderation of Information Processing,IFIP）第五技术委员会，对数控机床作了如下定义：数控机床是一种装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。1.1.2 机床数字控制的原理数控机床的加工，首先要将被加工零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序，然后将加工程序输入数控装置，按照程序的要求，经过数控系统信息处理、分配，使各坐标移动若干个最小位移量，实现刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。通常把数控机床上刀具运动轨迹是直线的加工，称为直线插补；刀具运动的轨迹是圆弧的加工，称为圆弧插补。插补（Interpolation ）是指在被加工轨迹的起点和终点之间，插进许多中间点，进行数据点的密化工作，然后用已知线型（如直线、圆弧）逼近。一般的数控系统都具有直线、圆弧插补，随着科学技术的迅速发展，许多生产数控系统的厂家，逐渐推出了具有抛物线插补、螺旋线插补、极坐标插补、样条曲线插补、曲面直接插补等丰富功能的数控系统，以满足用户的不同要求。机床的数字控制是由数控系统完成的。数控系统包括：数控装置、伺服驱动装置、 可编程控制器和检测装置等。数控装置能接收零件图纸加工要求的信息，进行插补运算，实时地向各坐标轴发出速度控制指令。伺服驱动装置能快速响应数控装置发出的指令，驱动机床的坐标轴运动，同时能提供足够的功率和扭矩。伺服控制按其工作原理可分为两种控制方式：关断控制和调节控制。关断控制是将指令值与实际值在关断电路的比较器中进行比较，相等后发出信号，控制结束。这种方式用于点位控制。调节控制是数控装置发出运动的指令信号，伺服驱动装置快速响应跟踪指令信号。检测装置将坐标位移的实际值检测出来，反馈给数控装置的调节电路中的比较器，有差值就发出运动控制信号，从而实现偏差控制；不断比较指令值与反馈的实际值、不断发出信号，直到差值为零，运动结束。这种方式适用于连续轨迹控制。在数控机床上除了上述轨迹控制和点位控制外，还有许多动作，如：主轴的启停、刀具的更换、冷却液的开关、电磁铁的吸合、电磁阀的启闭、离合器的开合、各种运动的互锁、连锁，运动行程的限位、急停、报警、进给保持、循环启动、程序停止、复位等。这些都属于开关量控制，一般由（Programmable Controller 简称 PC，也可称为可编程控制器 PLC）来完成，开关量仅有“0”和“1”两种状态，显然可以很方便地融入机床数控系统中，实现对机床各种运动协调的数字控制。1.2 数控机床的组成和特点1.2.1 数控机床的组成数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统。测量反馈装置和主机组成（见图 1-1）。控制介质数控装置伺服系统机床测量装置图 11 数控机床的组成1.2.1.1 控制介质数控机床加工时，所需的各种控制信息要靠某种中间载体携带和传输，这种载体称作“控制介质”。控制介质是储存数控加工所需要的全部动作和刀具相对于工件位置信息的媒介物，它记载着零件的加工程序。控制介质有多种，如穿孔带、穿孔卡、磁带及磁盘等，也可以通过通信接口直接输入所需各种信息，采用何种控制介质则取决于数控装置的类型。 1.2.1.2 数控装置数控装置是数控机床的核心，是高技术密集型产品。它集成了微电子技术、信息技术、自动控制技术、驱动技术、监控检测技术、软件工程技术和机械加工工艺知识。数控机床正是在它的控制下，按照给定的程序自动地对机械零件进行加工。自 20 世纪50 年代数控机床问世以来，数控装置已由 NC 发展到 CNC（Computer Numerical Control,计算机数控）。特别是微处理机和微型计算机在数控装置上成功的应用后，是计算机数控装置的性能和可靠性不断提高，成本不断下降，其高性能价格比促进了数控机床的迅速发展。CNC 装置由硬件和软件组成。CNC 的硬件为一专用计算机，由软件来实现部分或全部数控功能，通过改变软件很容易更改或扩展其功能。其硬件结构如图 1-2 所示，软件结构如图 1-3 所示。CPUEPROMRAM输入接口输出接口总线纸带阅读机接口MDI/CRY接口位置控制纸 带阅读机MDI/CRY接口位置控制 MPC进给电机位置检测器图 1-2 CNC 装置的硬件结构系 统软 件管理软件控 制软 件零件程序输入输出显示 诊断 译码 刀 具补 偿速 度控 制插 补运 算位 置控 制图 1-3 CNC 装置的软件结构 CNC 装置的基本工作有：输入、译码、刀具补偿、进给速度处理、插补、位置控制、I/O 处理、显示和诊断等，它具备的主要功能如下：（1）多坐标控制（多轴联动）；（2）实现多种函数的插补（直线、圆弧、抛物线等）；（3）多种程序输入（人机对话、手动数据输入，由上级计算机及其他计算机输入设备的接口输入），以及编辑和修改；（4）信息转换（EIA/ISO 代码转换，米制/英制转换，坐标转换，绝对值/ 增量值转换，计数制转换等）；（5）补偿（刀具半径补偿，刀具长度补偿，传动间隙补偿，螺距误差补偿等）；（6）多种加工方式选择（可实现各种加工循环，重复加工，凹凸面加工和镜像加工等）；（7）故障自诊断；（8）显示，用 CRT 可显示字符、轨迹、平面图形和动态三维图形；（9）通信和联网。1.2.1.3 伺服系统机床伺服系统是数控装置与机床的联接环节，它是以机床移动部件（工作台）的位置和速度作为集中量的自动控制系统，用来接受数控装置（或计算机）插补生成的进给脉冲或进给位移量，驱动机床机构运动。它包括主轴驱动单元（主要是熟读控制）、进给驱动单元（主要是速度控制和位置控制）、主轴电机和进给电机等。一般来说，数控机床的伺服系统要求有良好的快速响应性能，进给速度范围要大，灵敏而准确地跟踪指令功能和转速，在较大范围内有良好的工作稳定性。现在采用的是直流伺服系统和交流伺服系统，且交流伺服系统正在取代直流伺服系统。1.2.1.4 测量反馈装置该装置可以包括在伺服系统中。它由检测元件和相应的电路组成，其作用主要是检测速度和位移，并将信息反馈回控制系统中，构成闭环控制。无测量反馈装置的系统称为开环系统。常用的测量元件有脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅、磁尺及激光位移检测系统等。1.2.1.5 机床主机主机是数控机床的主体，包括床身、箱体、导轨、主轴、进给机构等机械部件。数控机床主机的结构有下面几个特点：（1）由于采用了高性能的主轴及进给伺服驱动装置，简化了数控机床的机械传动结构，传动链较短； （2）数控机床的机械结构具有较高的动态特性，动态刚度、阻尼精度、耐磨性以及抗热变形性能，适应连续自动化加工。（3）较多地采用高效传动件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨、静压导轨等。1.2.2 数控机床的特点数控机床是新型的自动化机床，它具有广泛通用性和很高的自动化程度。数控机床是实现柔性自动化最重要的环节，是发展柔性生产的基础。数控机床的优点：（1）提高生产率。数控机床能缩短生产准备时间，增加切削加工时间是比率。采用最佳切削参数和最佳切削走刀路线，缩短加工时间，从而提高生产率。（2）数控机床可以提高的加工精度，稳定产品质量。由于它是按照程序自动加工不需要人工干预，其加工精度还可以利用软件进行校正及补偿，故可以获得比机床本身精度还要高的加工精度和重复精度。（3）有广泛的适应性和较大的灵活性。通过改变程序，就可以加工新产品的零件，能够完成很多普通机床难以完成或者根本不能加工的复杂型面零件的加工。（4）可以实现一机多用。一些数控机床，例如加工中心，可以自动换刀。一次装卡后，几乎能完成零件的全部加工部位的加工，节省了设备和厂房面积。（5）可以进行精确的成本计算和生产进度安排，减少在制品，加速资金周转，提高经济效益。（6）不需要专用夹具。采用普通的通用夹具就能满足数控加工的要求，节省了专用夹具设计制造和存放的费用。（7）大大减轻了工人的劳动强度。数控机床是具有广泛的通用性又具有很高自动化程度的机床。但是，数控机床的初投资及技术维修等费用较高，要求管理及操作人员的素质也较高。第二章 加工中心的自动换刀装置2.1 自动换刀装置的形式2.1.1 自动换刀装置的功用及其要求带有自动换刀装置（ATC Automatic Tool Change）的数控机床称为加工中心。它通过刀具的自动交换，可以一次装夹完成多道工序的加工，实现了工序的集中和工艺的复合，从而缩短了辅助加工时间，提高了机床的效率，减少了零件安装、定位次数，提高了加工精度。加工中心是目前数控机床中产量最大、应用最广的数控机床。在自动换刀数控机床上，对自动换刀装置的基本要求是：换刀时间短； 刀具 重复定位精度高； 识刀、选刀可靠，换刀动作简单； 刀库容量合理，占地面积小，并能与主机配合，使机床外观完整； 刀具装卸、调整、维护方便。2.1.2 自动换刀装置的类型各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的形式、工艺范围及其刀具的种类和数量。其基本类型见表 2-1。类 型 特 点 适 用 范 围刀库与刀具主轴或刀架之间进行换刀这种换刀装置换刀运动集中、运动部件少，但刀库运动多，换刀时间长，适应性差用于切削加工时间长，换刀次数少的情况。运动部件少，对使用重型刀具的重型机床较为有利用机械手配合刀库换刀刀库可安置在主轴箱上、机床立柱顶部、立柱侧面刀库只有选刀运动，机械手进行换刀，比刀库作换刀运动惯性小、速度快、换刀时间短，刀库容量不定，与布局形式有关适用中、小型机床及中等容量刀库的机床，当刀库置于机床一侧时，适用与精度较高，刀库容量较大的机床刀 库 式用机械手、运输装置配合刀库换刀换刀运动分散，由多个部件实现，运动部件多，但布局灵活，适应性好适于刀库容量较少或一般精度的机床有刀库的转塔式换刀装置 多为顺序换刀、换刀时间短适于扩大工艺范围的各种转塔式数控机床有成套刀库系统的可自动更换刀库的装置由刀库储存器、刀库更换装置组成。采用组合部件，使换刀装置通用。扩大了工艺范围，提高了机床利用率和自动化程度适应于加工中心组成高自动化生产系统的需要结合本次设计要求和特点，选择用机械手配合刀库形式的自动换刀装置，用于立式加工中心实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具。2.2 换刀机械手的类型2.2.1 换刀机械手形式表 2-1 自动换刀装置的类型、特点及适用范围 自动换刀装置由刀库、换刀机械手、刀具传送装置、刀具编码装置、识刀器等五个部分组成。在自动换刀数控机床中，机械手的形式多种多样，常见的有以下几种形式：1单臂单爪回转式机械手这种机械手的手臂可以回转不同的角度来进行自动换刀，其手臂上只有一个卡爪。在刀库上或是在主轴上，均靠这个卡爪来装刀及卸刀，换刀时间较长，如图 2-1a 所示。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少，如图 2-1b 所示。 (c)(b)(a)刀 库主 轴 (c)(d)(e)图 2-1 机械手的形式3双臂回转式机械手这种机械手的两臂上各有一个卡爪，两个卡爪可同时抓取刀库及主轴上的刀具，回转 180后又同时将刀具放回刀库及装入主轴。这种机械手换刀时间较以上两种单臂机械手均短，是最常用的一种形式。图 2-1c 右边的机械手在抓取或将刀具送入刀库及主轴上，两臂可伸缩。4双机械手这种机械手相当于两个单臂单爪机械手，它们互相配合进行自动换刀。其中一个 机械手从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个由刀库中取出“新刀”装入机床主轴，图 2-1d 所示。5双臂往复交叉式机械手这种机械手的两手臂可以往复运动，并交叉成一定的角度。一个手臂从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个手臂由刀库中取出“新刀”装入主轴。整个机械手可沿某导轨直线移动或绕某个转轴回转，以实现由刀库与主轴间的运刀工作，如图 2-1e 所示。6双臂端面夹紧式机械手这种机械手只是在夹紧部位上与前几种不同。前几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面来抓取刀具，这种机械手则是靠夹紧刀柄的两个端面来抓取的，如图 2-1f 所示。最常用的一种换刀机械手形式，动作简单。第三章 换刀机械手结构设计3.1 手爪口的设计3.1.1 手爪口结构尺寸的确定数控机床加工刀具的工具系统一般由工具柄部、刀具装夹部分和刀具组成。目前，大多数控机床采用 7：24 工具圆锥柄。这类锥柄不自锁，换刀比较方便；比直柄有较高的定心精度与刚度。其缺点主要表现在：轴向定位精度差；刚度不能满足要求；高速旋转时会导致机床主轴孔产生扩张量；尺寸大、重量大、拉紧力大；换刀时间长。GB/T 109441989 所规定的自动换刀机床用 7：24 圆锥工具柄部有：40 #、45 #和 50#三种，尺寸见下表，结构如图 3-1。锥 体 螺 纹 孔 凸 缘柄部型号D1 1lR 2l3l4ld1 d2 g R1 D4 D550# 69.85 101.75 2.5 47 62 11.5 25 28 M24 1.5 91.25 97.5凸 缘 其 他D3柄部型号x y f t t1 j b R2 一 特 e D6 表 3-1 自动换刀机床用 7：24 圆锥工具柄部尺寸3.1.2 手爪口尺寸计算根据刀具型号确定手爪尺寸，因： D6D5=107.2597.5=9.75mm 7式中： 7 为量棒直径 （单位：mm）量棒与刀柄槽相对位置如图 3-2 所示：根据刀柄结构尺寸和上图所示计算两测量棒中心距： 7=107.257=100.25 mm6D故： mm57OA1.32mmP.cos60mm7C.5.2由图可知： PBsin60APOtg60故 mm 图 3-2 手爪口尺寸计算yA.49所以 mm5Dx23tg机械手在换取刀具时要使刀具被夹紧，那么刀柄的型式应该与手爪口相匹配，其形状如图 3-3 所示：般 殊50# 3.75 3.2 15.9 35.5 37.7 30 25.7 1 70.1 80 35 107.25图 3-1 50#刀具柄部结构尺寸 图 3-3 手爪口结构形式3.2 活动销的设计3.2.1 活动销行程计算当刀具的刀柄部分被换刀机械手手爪夹持住（刀具轴线与手爪口中心点重合）时，活动销在弹簧的作用下把刀具顶住，锁紧销在另外一根弹簧作用下把活动销锁住，从而也把刀具锁紧了，防止在旋转过程中刀具被甩出去。其结构形式如图所示：图 3-4：1、3弹簧 2锁紧销 4活动销 5刀具 6长销系统发出换刀指令后， 机械手由原始位置转过 以实现抓刀动作，90而两手爪上的长销 6 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 5 在弹簧的作用下移动顶住刀 具。机械手拔刀时，长销 6 与挡块脱离接触， 锁紧销 2 被弹簧 3 弹起，使活动销 4 顶住刀具 不能后退，这样机械手在回转 时，刀具不会甩出。当机械手上升插刀时，两长销又被挡块压下，锁紧180 销从活动销孔中退出，松开刀具，机械手便可反转复位。机械手抓刀瞬时动态图：F 合根据上图假定手爪口端点到手爪中心轴线垂直距离为 8mm，当系统发出指令后，手爪运动到刚好与刀柄接触的时候和刀具完全被机械手抓住，活 图 3-5 手爪抓刀动作图动销都出于自由状态，同时活动销受到水平力 Fx、径向力 Fy，维持其平衡的作用力是机械手旋转产生的离心力。F x 、F y 两者的过大、过小都会影响机械手抓刀动作。在整个抓刀过程中，角度 应取一个较为合理的值。因为 过大，则受力图中 Fx 方向上的力变小，F y 就偏大，而无法压缩弹簧使活动销移动，也会阻碍刀柄进入手爪口；也不能过小否则 Fx 就偏大了，使活动销不能正常的顶住刀具，刀具容易脱落。故取= ，假定活动销滚轮直径为 mm25 1d4则有： mm513DdO748.5.72活动销的滚轮中心到手爪中心轴线的垂直距离为：mm；1413sin5.7sin253.6mm。3co2co01由上面的计算结论可得活动销的行程 :amm134aO5.70.15243.2.2 设计活动销尺寸由于位于活动销槽中的长销受力较小，因此无须考虑其强度要求，参考机械设计手册选择长销直径 mm，长度 的圆柱销d630 ml（GB119-86），材料为 钢，热处5理硬度 2838HRC。活动销的行程槽应大于行程 加a上长销直径 ：d故行程槽长度：mm，取 mm01.24la018l图中：1、3弹簧 2锁紧销 4活动销 5刀具 6长销FyFx 行程槽宽 应等于长销的直径：bmm 图 3-6 活动销结构图6但考虑到配合间隙，且它们配合的要求不高，所以取 。b6.5设计活动销前端与刀柄接触部分：根据 50#刀具的刀柄结构，活动销前端滚轮的结构如图 3-6 所示：其尺寸初步设定：图中 1销子 参考机械设计手册选择销子直径为 8mm；2活动销滚轮 直径 14mm，上面的高度为 5mm，下面的高度为 3mm； 3活动销 厚度为 7mm3.2.3 活动销弹簧的设计3.2.3.1 弹簧的功用、种类及材料弹簧的主要功用是： 控制机械的运动，例如内燃机中的阀门弹簧、离合器中的控制弹簧； 吸收振动和冲击能量，例如车辆中的缓冲弹簧、联轴器中的吸振弹簧； 储蓄能量，例如钟表弹簧； 测量力的大小，例如测力器和弹簧秤中的弹簧等。弹簧的基本型式，按照受力的性质，弹簧主要分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧四种。按照弹簧形状又可分为螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、板弹簧、盘簧等。弹簧材料应具有高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性和良好的热处理性能。在选择弹簧材料时，应考虑弹簧的使用条件、功用及其重要程度。所谓使用条件是指载荷性质、大小及其循环特性，工作温度和周围介质情况等。钢是最常用的弹簧材料。受力较小而又要求防腐蚀、防磁等特性时，可以采用有色金属。非金属弹簧材料主要是橡胶，软木、空气也可以用作弹簧材料。3.2.3.2 活动销弹簧的设计计算活动销弹簧如图 3-7 所示，根据其设计要求初选弹簧材料为 65Mn 类弹簧，它的使用性能参考机械设计手册（GB123976 ）。直径定为 d=1.6，中径D2=10图 3-7 活动销的弹簧 利用弹簧材料可以查出，许用切应力 ，G=81000MP a 。 材料 65MnB0.3的抗拉强度 ，故 =495MPaBa1650MP 计算弹簧的旋绕比 C：2D=.d旋绕比又称弹簧指数，当其他条件相同时，C 值愈小，弹簧内、外侧的应力差愈悬殊，材料的利用率也就愈低。所以在设计时一般规定 ，不同簧丝直径荐用的旋绕C4比见表：表 3-2 不同簧丝直径的旋绕比d/ 0.10.4 0.51 1.22.2 2.56 716 1840C 714 512 510 410 48 46根据上面计算出来的 C 值与表对照，该值符合要求。确定曲度系数： 4c-10.6k=.2 弹簧能承受的最大载荷： 336n2d1.6P49510.2N8kD由胡克定律计算出 F 弹 = x1.45.NnP故弹簧截面直径 d:n 6Pkc.2.d1.61.61.4m.64950根据计算结果可知，初选弹簧的直径 1.6 合乎要求。 弹簧的外径 mm2Dd10.6由于弹簧是放在活动销的凹槽中，因此凹槽的宽度应不小于 11.6mm，可以取其值为 12mm。 手爪中还有一根用在锁紧销处的弹簧，但是它受力很小，主要实现锁紧销的升降进而控制刀具的夹紧和放松。因此这根弹簧的强度要求不是很高，参数可以比上面的弹簧稍小一些，直径取 1.6mm，中径取 6mm。 3.3 机械手手臂的结构与尺寸3.3.1 手爪连接部分的结构尺寸换刀机械手的手臂宽度应大于 50#刀柄的直径 D5，假定它的宽度为 110。手爪