【JQ025】数控镗铣床换刀机械手设计【含UG三维图】【3A0】【机械专业毕业设计论文】【优秀】【通过答辩】
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wo H. . of to in of of of in be in of a to to a a in A in or of of of a A a to of of in of to of mo st is to of A is a of a is to a by or of is to of of is by be at or be by to a as in of to in a of to in of be 947, of a a to of a to He a 955 (1a) a to by of to by a a as an 965 (1b), in a by to of in a 978, a of of as by of to of of is to of of a a a 1 of is of an n of a by at At of at of is as of of of of is of be on in is an of is to of of of 2 of a he of of a of or to of a be of s is be =d() is of d is (d=3 d=6 n is of g is of of 3 he of of of a ; of a be . A 7 in 0% 6% 40%3. 1 0 is as 2 if to be to is no no is of 3. 2 so be is R as 3a. x y to is as 3b， in at a of in is to 3c, be is by BB 40 in of to is is of in is FW of 3. 3 A , n=10, g=q. (1) =22/4 is of no i, e.， or 3. 4 =29/5， so no A of 3. 5 so 4a is a of of of is in is by a as a or a or of 947， as 1a, a of of 965 is 1b. As 4a, be at to as 46, in a 3is a in of 4c a is A to of in 4a to of be if to in is be is of be as 3d. in as is it is a is to of a on to a is to a as be in 5 . 1 he of a a of of a or of a in is is an of to a 1)， (8) 12). 1) 12) a to a or (15) 13) at a 3) 11) at is an 4) 10)， is on 2) 9) 8) a a is to a 16) at a 5) at is to an 6) is on 7)of is by on 5. 2 he is a of In of 6, 1) 12) on of z x 5) 16) 8) as on of of of to z z in of y he is of a as in a) b) a c) of be of of as as V. ， on he be as a in be as an a or a 6a is be be by to 5. 4 he a of to a of A of is as i=1,2,3),of as bi(i = 1， 2,3). A : is at of z to y :O-xyz, is at of z is to y is 1of is , ;B;=L, i=1,2,3. In 3B3 12 of is to a of to of of is by R, OR =(x y z)T (2) x=0. is by a Q, Q= c o o s (3) is of y of i in be by i =1,2,3): (0 r 0)T (0 r 0)T (r 0 0)T (4) i=1,2,3) be as of in , 0 R 0 R R 0 (5) i=1,2,3) in be as + OR (6) of be by =L ,i=1,2,3 (7) a of of be q.(7) 22 )( (8) 22 )( (9) 31= s in)c o s( 222 (10) 8)-(10),we a of To 6 , of ” (8)一 (10) +” . 6 is 7a. A of is is is . is to by of a , 3， 4, 2, 6， 7， in by is by of to by of to of is is to of a in to s to is to a of in 6 2 he 8 a to by of a is to a at a at is to a is a by of to of side具有 2 或 3 个自由度的对应机械手 。 J。 H。 。 要 : 为了 更好的应用 ,机床工业的对应机械手获得了广泛的研究 ,然而 ,有限的工作空间 ,较差的灵活性 ,复杂对应机械手的难于设计 ,导致人们把目光投向于少于 6个自由度的对应机械手 ,本篇论文描述了几个在自由度的数量和类型上都不相同的对应机械手 ,这些对应机械手可被用语对应运动机器 ,运动模拟器和工业机器人 。 关键词 : 对应机械手 ,对应运动机械 ,机器人 。 引言 允许一个刚体可相对于固定底座运动的机构 ,在许多领域扮演着许多非常重要的角色 。 一个刚体可以有几个平移和旋转与动 ,该平移和旋转与动称为刚体的自由度 。 刚体的自由度最多 6 个 。 也就是说 ,对于 3 个互相垂直的坐标轴的 3 个平移 ,和 3 个旋转 。 一个机器人包含一个系统 ,用以控制末端受动器的数个自由度 。 最近几年 ,有证据显示 ,工业机器人 ,因其灵活性 ,在应用上得到了推广 。 然而 ,普通 的机器人却不能用来完成某些任务 ,因此 ,最近为了工业上的使用 ,其他类似的机构 ,包括对应机械手得到了发展 。 一种 对应机械手 ,即一个由几个连接杆构成的封 闭环机构 ,通常包含一个运动平台 ,若干下肢或腿 ,后者把运动平台连接到固定基础上 。 通常 ,下肢的数量等于自由度的数量 。 一个下肢受一个 驱 动装置控制 ,所有的驱动装置 安装在固定基础上或其附近 ,对应机械手有时也称作平台机构 ,因为外部载荷能被各驱动装置分担 ,对应机械手具有较大的承载能力 。 它常用于要求精度高 ,刚性好 ,和承载能力大的场合 ,他们在航天和航行模拟器上都得到了广泛的应用 ,在机床工业的知名度也越来越大 。 图 1 对应机械手概念的提出可追溯到 1947 年 ,那时 ,高 夫创立了有一个封闭环的运动机构的基础原理 ,在那时 ,是为了在测试轮胎磨损时 ,控制运动平台的位置和方向 。 在 1955 年 ,他 创立 了一个模型 （ 图 1） ,在该模型里 ,受动器是一个六角平台 。他的 6 个顶点 ,分别以球型铰链形式 ,与连接杆相连 。 连接杆的另一端 ,以通用的铰链连接 ,连接到基础上 。 6 个线性驱动装置可调整连接杆的长度 。 斯图尔特 ,在 1965年 ,设计了一个平台机构 ,作为一个飞行起模拟器 （ 图 1b） ,在其中 ,受动器是一个三角平台 ,它的顶点同样 ,用球型铰链连一连接杆 ,连接到支持机构上 ,每个支持机构 喊又 2 个支撑杆 ,支撑机构是三角形布 置 。 在 1978 年 ,亨特 ,以空间 3应机械手为例 ,对对应机械手的运动机制 做了体统的研究 。 从那时起 ,又有很多人多次对对应机械手记性了广泛的研究 。 直到如今 ,所研究的大多数是 6他们都有 6 个可伸缩的下肢 。 这些对应机械手具有高的刚 度 ,低惯性 ,大的承载能力 。 然而 ,他们受到有限使用空间的限制 ,和难于设计的困扰 。 而且 ,对他们的运动也很难进行分析 。 因此 ,在工业领域 ,人们越来越关注少余个自由度的对应机械手 。 这篇论文引入了对应机械手的概念 ,机器分类 。 几扫了 3 种新对应机械手 ,新空间 3新 2新平面 3 1 对应机械手的定义 对应机械手由一个具有 n 个自由度的受动器 ,基础组成 ,基础和受动器之间 用 2 或 3 个独立运动连接杆相连 ,驱动器担负驱动任务 。 这些机构有下列特性 : 至少有 2 个连接杆支持受动器 ,每个连接杆至少陪有一个简单的受动器 。 驱动器 的数量与受动器的自由度的数量相等 。 当受动器自锁时 ,机械手的可动度为零 。 对应机械手因下列原因引起人们的兴趣 : 载荷可被分配到多哥连接杆上 。 需要数个驱动器 。 驱动器自锁时 ,机械手停止运动 ,停在 原来的位置不动 ,从使 用的安全角度讲 ,这是很重要的 。 对应机械手 ,因其连接杆的数量完全等于受动器的自由度的数量 ,即一一对应而得名 。 2 机构的自由度 机构的自由度是所需的独立参数 ,或输入的参数 ,目的是为了定义机构的结构 。 然而 ,如亨特和 说 :可动度的准则是很难定义的 。 典型的可动度公式忽略了某些自由度 。 现在 ,人们仍在使用 公式 : M=d（ +1） 式中 : M 可动度 ; D 螺钉系统顺序数 （ 对于平面和球型的运动 ,d=3;对于空间运动 ,d=6） ; n 连接杆的数量 ,包括框架 ; j 铰链的数量 ; 第 3。 对应机械手的分类 一个刚体有 6 个自由度 ,对应机械手的自由度在 2 到 6 之间 。 自从第一个机械手设计开始 ,又推出了许多个有 2 到 6 个自由度的机械手 。 对文献所记载的 87个驱动装置的调查显示 ,6 个自由度的对应机械手占 40%,5 个自由度的占 3。 5%,4个自由度的占 6%,3 个自由度的占 40%,余下的为 2 个自由度的 。 机械手 大多数现存的 2 个自由度的机械手是平面的 ,有 2 个平移自由度 。 这样的设计采用棱柱状的能移动的铰链 。 出了 20 个不同的组合 。 驱动器系统在地上 的有 6 个 ,如图 2 所示 。 没有被动的棱柱铰链 ,任何一个驱动器也不承受另一个驱动器的重量 。 图 2 有许多 3 这里只举几个典型的例子 。 图 3a,平面 3 运动平台有 3 个平面自由度 ,沿 X、 Y 轴的平移和 Z 轴的旋转 。 图 3b,球面的 3 三个铰链连接杆汇交于一点 。 机构上任何一点的运动是绕共 同焦点的旋转 。 图 3c,3械手 ,由亨特设计 ,有综合的自由度 ,很难定义 。 图 3d,械人 ,由 计 ,由 司和 40 名字推向市场 ,工业上得到了广泛应用 。 图 3e,有被动腿的机械手的例子 ,运动平台有 4 条腿 ,第 4 条腿是被动的 ,也是主要的 ,决定运动平台的运动 ,例如 ,本图显示的球坐标对应机械手 。 该对应机械手被 学的 于机床设计 。 图 3 对于一个 4d=6,n=10,g=12,M=4。 把这些值代入公式 （ 1） ,得出 F=22/4,即每个腿有 22/4 的自由度 。 因此 ,实际上 ,不可能有 4 早期的 4也就是说 ,机械手的每个连接杆配有两个驱动器或者有被动约束 。 5对应机械手的 F=29/5,所以 ,实际上 ,不可能有 5 由 出的 5实际上包含 2 个对应机械手 。 3。 5 6 6并得到广泛的研究 。 图 4a 显示的是一个典型的6 大多数 6 个可伸缩的下肢 。 这些对应机械手具有高的刚 度 ,低惯性 ,大的承载能力 。 然而 ,他们受相对小的可用空间限制和难于设计的困扰 。 而且 ,对它们的运动很难进行分析 。 也有一些奇特的链机械手 ,这些机械手被一个平面机构驱动 ,例如 ,4 杆机构或 5 杆机构 ,或每条腿有两个驱动趋的 ,通常有 3 条腿 。 图 4 4 对应机械手的评价 高夫在 1947 年建立了如图 1a 所示的 ,有封闭环的运动机构的原理之后 ,推出了许多自由度数量和类型不同的对应机械手 。 图 1b 的结构是 1965 年由 图 4a 所示的通用机械手 ,从理论上讲 ,他的 6 个腿可以任意布置 ,设计成各种各样的 6例如 ,图 46条腿按 3结构紧凑 ,可用在微观系统 。 图 4c 所示的 ,是机械手按规定的方向运动自如 ,在工业上应用广泛 。 图 4a 所示的通用机械手 ,类似于 出的 ,每对的两条腿互相平行 。 即使每一对的两条腿的输入是相同的 ,机械手自由度的数量也是不同的 （ 机构不同所致 ） 。 与此相当的机械手显示在图 5。 该机械手输出的是 3 个平移 ,几乎是 驱动的连接杆可以按众所周知的 ,如图 3d 所示的 ,快速机器人布置 。 几个变体 ,例如 ,构 ,如图 3 也是 3 虽然 器人与 样 ,也有 3个平移 ,准确的说 ,他不是 变体 。 它们的设计观念是不同的 ,器人是用来处理 的问题的第一个设计 。 另一个 3群论为基础设计的 。 这些设计观念对设计新机械手提供了新的想法 ,后续的工作是 ,设计出把平移和旋转结合在一起的 ,自由度少于 6 个的机器人 。 例如 ,有不多的空间 3把两个空间平移和一个旋转结合在一起 ,如下一节提出的 。 图 5 5 新空间 35。 1 新空间 3应机械手的结构 新空间 3如图 6a 所示 ,包含 : 基础板 运动平台 （ 等腰三角形 ） 14 腿 1 12 8 铰链 15 和 3（ 被动 ） 13 和 11（ 被动 ） 16 和 5（ 被动 ） 主动滑套 4 10 6 导轨 （ 固定的 ） 2 9 7 运动平台的运动由 3 个滑套在导轨上滑动来实现 。 图 6 5。 2 新空间 3当约束起作用时 ,此机械手有 3 个自由度 。 腿 1 和 12 给出两个约束 。 即限制运动平套对 Z 轴的旋转和对 X 轴的平移 。 腿 8 的铰链 5 和 16 有 2 个平行轴 。 腿8 给出一个约束 ,即限制对 X 轴的旋转 。 因此 ,3 条腿结合在一起 ,限制了运动平台对 X、 Z 轴的旋转 ,限制了对 X 轴的平移 。 因此 ,运动平台仅剩下 3 个自由度 :即沿的平移 ,和对 Y 轴的旋转 。 空间 3驱动腿 8,如 器人 ,械手和 样 ,采用一个平面的4机构设计显得很有趣 。 这个独特的空间 3 个特点 :（ a） 仅有转动铰链 ,（ b） 把空间平移和旋转结合在一个 对应机械手内 ,（ c） 绕 Y 轴转动的自由度具有灵活性 。 从 实用角度 ,此设计使用与对应机床 。 由于少于 6越来越多的对应机床被作成混合结构 ,例如 , 床 ,他们都是基于 3 在将来 ,所提出的对应机械手将被应用与设计混合对应机床 。 该对应机构也能用于工业机器人 ,运动模拟器 ,或微机器人 。 图 6a 显示的设计 ,是约束过的 ,也就是说 ,加工的零件必须是高精度的 。 然而 ,球铰链可用容易加工的 ,精度较高上午转动铰链来代替 。 空间 3算 逆运算即用输出平台的坐标计算输入变量的坐标 。 运动模型见图 6b。 输出平台的 3 个顶点用 2,示 。 基础平台的 3 个顶点用 b1,b2,示 。 固定球型参考系 R:点 O 在边 心 ,z 轴垂直于基础平面 ,y 轴沿b1,另一个参考系 ,称为顶架 ,R:O-xyz,原点 O在边 中心 ,z轴垂直于输出平台 ,y轴沿 2。 3 个连接杆的长度 2,等 ,为 L,有时 等于 2。 假定 ,运动平台的笛卡儿参考系原点坐标在 R:已知的 ,即 OR =（ x y z） T （ 2） 式中 ,x=0,方向由矩阵 Q 给出 , Q= c o o s （ 3） 式中 ,角度 是输出平台对 y 轴的转角 。 2,参考系 R的坐标用向量 2R, （ 0 r 0） T （ 0 r 0） T （ r 0 0） T （ 4） 向量 2R,基础铰链在参考系 R 的位置向量定义 , 0 R T 0 R T R 0 T （ 5） 向量 2R,参考系 写为 , + OR （ 6） 那么 ,对应机械手的逆运动能用下列限定公式求解 , =L ,i=1,2,3 （ 7） 因 此 ,对于给顶的机械手 ,给顶的运动平台的方向值 ,需要的驱动器输入可从公式 （ 7） 直接计算出 , 22 )( （ 8） 22 )( （ 9） 3z= s in)c o s( 222 （ 10） 从公式 （ 8） -（ 10） ,可以看出对于一个对应机械手的给顶方位 。 有 8 个逆运算解 。 为了得到如图 6 的逆结构 ,公式中的三个 “ ” 符号都应该取 “ +” 6 其他对应机构 2图 7a 显示一个新 2图 7b 是他的运动简图 。 基础 1,运动平台 2,运动平台有两条一样的退 。 每个腿包含一个平面 4 第一个腿有四个杆 :2,3,4,5;第二个腿有四个杆 :2,6,7,8。 每个平面 4边形结构 ,运动平台对于基础有两个平移自由度 。 系统是过约束的 ,因有一个平面4就能实现一个刚体仅有 2用两个平面 4是为了增加系统的硬挺行和保持对称性 。 该机构正被用于 与齐齐哈尔第二机床厂的合作 开发 新型 6 图 7 图 8 面 3图 8 显示该机构运动平台有两条腿 。 右边的腿 ,下部与转动铰链连接 ,上部与被动转动铰链连接 。 被动铰链通过棱柱铰链与基 础连接 。 左边的腿 ,完全不同于右边的 ,是一个可变的四边形 ,其一边是可伸缩的 ,目的是变更运动平台的方位 。 四条边 ,通过转动铰链互相连接 。 四边形与基础的连接是靠棱柱铰链 。 该机构正被用于与江东机床厂合作开发新型 6 7 结论 这篇论文给出了对应机械手和其自由度的定义 。 讨论了三种类型的新对应机械手 ,新空间 3新兴 23应机构 ,这些设计的后两个正被机床工业的开发设计所采用 。 开 题 报 告 课题名称 数控镗铣床换刀机械手设计 课题来源 A 课题类型 1 导师姓名 易广建 学生姓名 姚平 班级学号 0301030425 专 业 机械设计制造及其自动化 一、 意义 及背景 换刀机械手的主要任务是 ： 完全模拟人手的换刀动作，给机床 主轴与弹簧夹头提供相对转动实现夹紧、放松刀具的动作。 钻、镗、铣、车等单功能数控机床只能分别完成钻、镗、铣、车等作业，而在机械制造工业中，大部分零件都是需要多任务序加工的。在单功能数控机床的整个加工过程中，真正用于切削的时间只占 30左右，其余的大部分时间都花费在安装、调整刀具、搬运、装卸零件和检查加工精度等辅助工作上。 刀具自动交换系统由刀库、刀具交换装置、刀具传送装置、刀具编码装置、识刀器等五个部分组成。 其中，刀具交换装置（换刀机械手）是该系统的核心部分。带有自动换刀刀具交换装置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。 二、国内外发展现状 从换刀系统发展的历史来看， 1956 年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国 司同期也研制成功了 “ （刀具程序控制装置）。 1958 年美国 K&T 公司研制出带 动刀具交换装置）的加工中心。 1967 年出现了 性制造系统）。 1978 年以后，加工中心迅速发展，带有 置，可实现多种工序加工的机床，步入了 机床发展的黄金时代。 1983年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，自动换刀系统便形成了统一的结构模式。现在的国内 机械手刀具交换装置，有单臂单手式机械手、回转式单臂双机械手、双臂机械手、多手式机械手 等。 机械手中最常用的几种结构有：钩手；抱手；伸缩手；叉手 等 。 三、 设计的主要内容和方案 我的主要设计内容为 数控镗铣床换刀机械手设计 。 方案： 1、 要求 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， 所以选择 回转式单臂双爪机械手 。 2、采用 钩手 结构，简单可靠。 3、 传动方式： 换刀机械手完全采用电磁机械传动，以求最大限度地降低自动换刀系统的成本造价。 四、日程安排： 1 调研，了解背景、国内外现状，确定设计方案，写开题报告。 3 参数设定，计算基本数据。 7 具体设计，完成所有内容，包括模型，设计图 等 14 周 老师检查，攥写 说明书 。 15 周 答辩 五、参考文献 1、 廉元国、张永洪编著，加工中心设计与应用，北京：机械工业出版社， 1985 2、 爱玲主编，现代数控机床，北京：国防工业出版社， 2003 3、 良贵，机械设计，北京：高等教育出版社， 2001 4、 先逵 主编，机械制造工艺学，北京：机械工业出版社， 1995 5、 侯秀珍主编，机械系统设计，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 2000 6、 辛安主编，北京：机械工业出版社， 1999 7、 学桐主编，我国数控产业的现状和发展措施，北京：机械工业出版社， 1999 8、 爱珍主编，数控原理与系统，北京：机械工业出版社， 1999 指导教师签名： 日期： 学院意见： 学院教学指导委员会主任签字： 日期： 填表说明：题目类型： 1。工程设计 ;2。应用研究 ;3。理论研究 ;4。其它 题目来源 : A。自拟课题 B。民用科研课题 C。国防科研课题 数控镗铣床换刀机械手设计 摘 要 为了更好的应用，机床工业中的对应机械手获得了广泛的研究，然而，有限的工作空间， 比较差的灵活性，复杂对应机械手的难于设计，导致人们把目光投向于少于 6个自由度的对应机械手，本篇论文描述了几个在自由度的数量和类型上都不相同的对应机械手，这些对应机械手可被用语对应运动机器，运动模拟器和工业机器人。 关键词 ：对应机械手；对应运动机械；自由度；机器人 of to in of of of in be in of 录 绪论 5 1 机械手的相关介绍 6 控技术的发展历程 6 控加工中心的基本功能 6 工中心的组成部分 7 库 7 具交换装置 7 刀装置 8 具编码装置 8 具识别装置 9 库的驱动及定位 9 国数控技术的发展状况 10 控技术的发展趋势 10 2 换刀机械手的总体方案设计 11 计任务 11 械手的平稳性 11 械手的运动特性分类 13 关型机械手的速度及位置控制 13 械传动行机械手的速度及位置控制 14 械手类型确定 14 驱动系统及电控统的选择 14 3 总体结构设计 19 爪部分设计 19 械手手臂设计 19 械手传动结构的设计 22 4 换刀机械手的参数和计算 25 臂的弯曲变形 25 动机的选择 26 5 换刀过程 27 致谢 31 参考文献 32 沈阳理工大学学士学位论文 - 1 - 数控镗铣床换刀机械手设计 摘 要 为了更好的应用，机床工业中的对应机械手获得了广泛的研究，然而，有限的工作空间， 比较差的灵活性，复杂对应机械手的难于设计，导致人们把目光投向于少于 6个自由度的对应机械手，本篇论文描述了几个在自由度的数量和类型上都不相同的对应机械手，这些对应机械手可被用语对应运动机器，运动模拟器和工业机器人。 关键词 ：对应机械手；对应运动机械；自由度；机器人 沈阳理工大学学士学位论文 - 2 - of to in of of of in be in of 阳理工大学学士学位论文 - 3 - 目录 绪论 5 1 机械手的相关介绍 6 控技术的发展历程 6 控加工中心的基本功能 6 工中心的组成部分 7 库 7 具交换装置 7 刀装置 8 具编码装置 8 具识别装置 9 库的驱动及定位 9 国数控技术的发展状况 10 控技术的发展趋势 10 2 换刀机械手的总体方案设计 11 计任务 11 械手的平稳性 11 械手的运动特性分类 13 关型机械手的速度及位置控制 13 械传动行机械手的速度及位置控制 14 械手类型确定 14 驱动系统及电控统的选择 14 3 总体结构设计 19 爪部分设计 19 械手手臂设计 19 械手传动结构的设计 22 4 换刀机械手的参数和计算 25 臂的弯曲变形 25 动机的选择 26 沈阳理工大学学士学位论文 - 4 - 5 换刀过程 27 致谢 31 参考文献 32 沈阳理工大学学士学位论文 - 5 - 绪 论 随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作 业的自动化，已越来越引起人们的重视。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的应用。 在现代工业生产自动化领域中，机械加工的快速上下刀、精确的加工都使数控机床以及数控加工中心的应用显得十分重要。据详实的资料统计，这些费用占全部加工费用的 五分之一以上。而大规模的机械加工中，时间的节省越来越成为生产者和工程设计者（或者技术人员）的追求方向，这也是未来工业发展的趋势。 机械手已被广泛用于航空、航天以及工业生产领域中，并取得较好的效果。现今的工业机械手可分为专用机械手和通用机械手两类。我国目前研制的工业机械手大多还是专用机械手。该机械手的结构形式比较简单，专用性强，仅附属于某台机床。虽然其有着通用机械手无法比拟的批量大，对某些设备（或者机加零件）的加工精确性高的优点，但就目前来看，专用机械手存在着适应性不强的弊端。这就要对其进行必要的改造，使其适 应未来的工业发展的需要。由于通用机械手改变工作程序较方便，特别适用于多品种、小批量的生产。通用机械手在工业生产中的应用只有三十年的历史，但这些装置在国外得到相当重视。所以设计生产使用数控机床、数控加工中心一类的较为高级的机加设备是迫在眉睫的。虽然目前我国的数控加工中心等大型设备还是依赖进口，但相信不久的将来我国必然会设计研制出自己的设备，这需要我们所有人的不懈努力。 这次设计的 换刀机械手的主要任务是，完全模拟人手的换刀动作，给机床主轴提供相对转动实现夹紧、放松刀具的动作。 沈阳理工大学学士学位论文 - 6 - 1 换刀机械手的相 关介绍 回顾数控技术的发展已经经历了两个阶段，六代的发展历程。第一个阶段叫做 历了电子管、晶体管、和小规模集成电路三代。自 1970 年开始小型计算机开始用于数控系统就进入了第二个阶段，叫做 段，成为第四代数控系统：从 1974年微处理器开始用于数控系统即发展到第五代。经过十多年的发展，数控系统从性能到可靠性都得到了根本性的提高。实际上从 20 世纪末期直到今天，在生产中使用的数控系统大部分都是第五代数控系统。但第五代数控系统以及以前各代都是一种专用封闭的系统，而第六代 开放式数控系统将代表着数控系统的未来发展方向，将在现代制造业中发挥越来越重要的作用。 带有自动换刀刀具交换装置（ 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。 带有刀具自动交换装置、能一次集中完成多种工序加工的数控加工设备 。数控机床实现了中、小批量加工自动化，改善了劳动条件。此外，它还具有生产率高、加工精度稳定、产品成本低等一系列优点。为了进一步发挥这些优点，数控机床遂向“工序集中”，即一台数控机床在一次装夹零件后能完成多任务序加工的数控机床 (即加工中心 )方面发展。 钻、镗、铣、车等单功能数控机床只能分别完成钻、镗、铣、车等作业，而在机械制造工业中，大部分零件都是需要多任务序加工的。在单功能数控机床的整个加工过程中，真正用于切削的时间只占 30左右，其余的大部分时间都花费在安装、调整刀具、搬运、装卸零件和检查加工精度等辅助 工作上。在零件需要进行多种工序加工的情况下，单功能数控机床的加工效率仍然不高。加工中心一般都具有刀具自动交换功能，零件装夹后便能一次完成钻、镗、铣、攻丝等多种工序加工。 沈阳理工大学学士学位论文 - 7 - 加工中心分两大部分：数控机床和刀具自动交换装置。刀具自动交换装置应能满足以下几个方面的要求： 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。 刀具自动交换系统由刀库、刀具交换装置、刀具传送装置 、刀具编码装置、识刀器等五个部分组成。 库 刀库是存贮加工所需各种类型刀具的仓库。它是刀具自动交换系统中的重要组成部分，具有接受刀具传送装置送来的刀具和将刀具给予刀具传送装置的功能。它的容量、布局和具体结构对整个加工中心的总体布局和性能有很大的影响，按其结构、形状可分为以下六种： 圆盘式刀库，又分为轴向式 (刀具中心线与圆盘中心线平行 )、径向式 (刀具中心线与圆盘中心线垂直 )和多盘式 (在一根旋转轴上分设几层圆盘刀库 )。 转塔式刀库，又分倾斜式和水平式。 鼓轮式刀库。 链式刀库。 格子 式刀库。 直线式刀库。 应当根据被加工零件的工艺要求合理的确定刀库的存储量。根据对车床、铣床和钻床的所需刀具的数的统计表明，在加工过程中经常使用的刀具数目并不很多，对于钻削加工，用 14 把不同的规格的刀具就可以完成约 80%的加工，即使要求完成 90%的工件加工，用 20 把刀具也就足够了。对于铣削加工，需要的刀具更少，用 4 把不同规格的铣刀就能完成约 90%加工，用 5 把不同规格的铣刀可以加工 95%的工件。因此从使用角度来看，刀库的存储量一般为 2040 把较为合适，多的可达 60 把刀，超过 60 把刀的很少。 具交换装置 (机械手 ) 它的职能是将机床主轴上的刀具与刀库或刀具传送装置上的刀具进行交换，其动作循环为：拔刀新旧刀具交换装刀。换刀机械手种类繁多，可以说每个厂家都可以推出自己的机械手，基本上换刀装置按交换方式又分为两类。 沈阳理工大学学士学位论文 - 8 - 无机械手换刀：由刀库与机床主轴的相对运动实现换刀。在这类装置中，刀库一般为格子式，装在工作台上。换刀时，先使工作台与主轴相对运动，将使用过的旧刀送回刀库，然后再使工作台与主轴相对运动一次，从刀库中取出新刀。这种换刀方式的换刀时间长，另外刀库设置在工作台上，减少了工作台的有效使用面积 。 采用机械手换刀：机械手刀具交换装置，有单臂单手式机械手、回转式单臂双机械手、双臂机械手、多手式机械手。特别是双臂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。双臂机械手中最常用的几种结构有：钩手；抱手；伸缩手；叉手。双臂机械手进行一次换刀循环的基本动作为：抓刀 (手臂旋转或伸出，同时抓住主轴和刀库里的刀具 )；拔刀 (主轴松开，机械手同时将主轴和刀库中的刀具拔出 )；换刀 (手臂转 180，新、旧刀交换 )；插刀 (同时将新刀插入主轴，旧刀插入刀库，然后主轴夹紧刀具 )；缩回 (手臂缩回到原始位置 )。机械手的手爪，大都采用机械锁刀的方式，有些大型的加工中心，也有采用机械加液压的锁刀方式，以保证大而重的刀具在换刀中不被甩出。 刀装置 当刀库容量较大、布置得离机床较远时，就需要安排两只机械手来完成新旧刀的交换动作，一只靠近刀库，称为后机械手，完成拔新刀、插旧刀的动作；一只靠近主轴，称为前机械手，完成拔旧刀、插新刀的动作。在前后机械手之间则设有运刀装置。它一方面将前机械手从主轴上拔出的旧刀运回刀库旁，以便后机械手将该旧刀拔出并插回刀库；另一方面则将后机械手从刀库中拔出的新刀运到主轴旁，以 便前机械手将该新刀拔出并插入主轴。运刀器的职能就是在前后机械手之间来回运送新、旧刀具。 具编码装置 将加工所需的刀具自动地从刀库中选择出来称为自动选刀，有顺序选择和编码选择两种方式。 顺序选择方式： 将在加工中心上加工某一零件所需的全部刀具按工序先后依次插入刀库中。加工时按加工顺序一一取用。采用这种选刀方式不需要识刀器，刀库结构及其驱动装置都非常简单，每次换刀时控制刀库转位一次即可。采用顺序选刀方式时，为沈阳理工大学学士学位论文 - 9 - 某一个工件准备的刀具，不能在其他工件中重复使用，这在一定程度上限制了机床的加工能力。 固定地址选择方式：这是一种对号入座的方式，又称为刀座编码方式。这种方式是对刀库的刀座进行编码，并将与刀座编码相对应的刀具一一放入指定的刀座中。然后根据刀座的编码选取刀具。该方式使刀柄的结构简化，刀具可以做得较短，但刀具不能任意安放，一定要插入配对的刀座中。与顺序选择方式相比较，刀座编码方式最突出的优点是刀具可以在加工过程中多次使用。 编码选择方式： 将加工某一项零件所需的全部刀具 (或刀座 )都预先编上代码，存放在刀库中。加工时根据程序寻找所需要的刀具。由于每把刀具都有自己的代码，它们在刀库中的位置和存放 顺序可以与加工顺序无关。每把刀具都可被多次重复使用。刀具编码有多种方式，常用的有三种。刀具编码：在每一把刀具的尾部都用编码环编上自己的号码。选刀时根据穿孔带所发出的刀号指令任意选择所需的刀具。由于每把刀具都有自己确定的代码，无论将刀具放入刀库的哪个刀座中都不会影响正确选刀。采用这种编码方式可简化换刀动作和控制线路，缩短换刀时间。这种编码现已获广泛应用。刀座编码：在刀库的每一个刀座上用编码板编码。这种编码方式的优点是刀柄不会因尾部有编码环而增加长度；缺点是刀具必须对号入座，换刀时间长。 编码钥匙：预先给每把刀 具都系上一把表示该刀具代码的编码钥匙。 通常有接触式和非接触式两种。 刀库的旋转可分为电气驱动和液压驱动两种方式。电气驱动可以将伺服半闭环系统用作驱动刀库的转动，也可采用系统的 接发出运转信号控制电机的运转来带动刀库旋转。液压驱动仍需电气信号的配合， 出运转信号，一般通过电磁阀来实现前级控制，只是执行机构是液动马达。在执行 程时，除了主轴头的定向及主轴箱的定位外，为确保所更换的刀具准确地被机械手抓住，所以刀库的定位也是必要的功能。电 气驱动时可在电机上安装位置编码器进行定位 ,也可以在抓刀位置安装接近开关来检沈阳理工大学学士学位论文 - 10 - 测定位。液动结构的刀库往往采用机电结合式的销定位方式。半闭环伺服驱动刀库的定位精度较高 ,其它几种方式也足以满足刀库定位精度的要求。 在对内搞活，对外开放的方针指引下，于 1980 年开始引进日本就有 70 年代末期水平的微处理器数控系统和直流伺服拖动技术。并于 1981 年开始生产，到 1988 年又开始引进美国的 司的数控系统和拖动技术，在上海市机床研究所和辽宁精密仪器厂组织生产。 1985 年以后，我国的数控机床的可供品种已超过 300 种，其中数控机床占 40%，加工中心占 27% ，其它品种为重型机床、镗铣床、电加工机床、磨床、齿轮加工机床等。目前我国数控机床生产厂家共有 100 多家，其中能批量生产的企业有 42 家，平均年产量 4050 台，几家重点企业年产量可以达到 400700 台；数控系统生产企业约 50 家，但生产具有一定批量的只有 8 家，生产数控机床配套产品的企业共计 300 余家，产品品种包括八大类 2000 种以上。我国的数控系统分为三种类型，经济型、普及型、和高级型。在经济型数控系统中，我国具有很大 优势，在当前每年数千台经济型数控车床和电加工机床的市场上，国产数控系统占据了绝大份额。在普及型数控系统的市场上，我们正在取得进展。当然，拥有自主知识产权的数控系统在市场的开拓上仍要尽更大的力量。新开发的国产数控机床产品大部分达到国际 80 年代中期水平，部分达到 90 年代水平，在技术上也有所突破，如高速主轴制造技术、快速进给、快速换刀、柔性制造、快速成型制造技术等为下一代国产数控技术的发展奠定了基础。 国际上，数控系统的发展趋势正朝着高速度高精度化、高可靠性、多功能化、智能化、集成化 、具有开放性、网络化数控系统、并联机床及数控系统的方向发展。 沈阳理工大学学士学位论文 - 11 - 2换刀机械手的总体方案设计 本次设计的主要任务是：自动换刀机械手，实现数控镗铣床的自动换刀，需要换的刀具主要是 刀柄，需要实现的工作是抓刀 换刀 松刀的动作。 主要技术参数：刀具最大重量 6臂回转式换刀，刀臂数量和长度以及直径主要依据配套刀库的设计要求。换刀时间 . 工业生产要求机械手工作速度快，运动平稳，定位精度高。应注意其影响因素，设计合理结构，以满足要求。 1、 影响平稳性以定位精度的因素 （ 1）、惯性力的影响 图 惯性曲线 机械手速度突变，加（减）速度不连续，会产生巨大的惯性冲击力，以至使工件滑动、部件松动、零件破裂。定位时，大的减速度使臂部往复振动，直接影响定位精度。因此，应根据机械手的运动特性，选择适宜的控制系统，使加（减）速度按所需的运动归路变化，同时，在保证刚度的前提下，减轻机械手运动件的重量。 沈阳理工大学学士学位论文 - 12 - （ 2）、结构刚度的影响 零件结构刚度性差，配合间隙大及整机固有频率低时，受较小惯性冲击，就发生振动。不但降低定位精度，而且降低机械手寿命。应选择合 理结构，提高机械手固有频率及承受惯性载荷的能力。 （ 3）、定位方法的影响 常用的定位方法中，电气开关的定位精度最低，伺服定位较高，机械挡块的定位最高。 （ 4）、控制系统的影响 电控系统的误差，阀类泄漏，检测元件失灵，挡块偏移等会降低定位失灵。 （ 5）、驱动源的影响 液压、气压、电压及油温波动都会降低平稳性及定位精度，必要时，用蓄能器等稳定液压、气压、电压，用加热器和冷却器控制油温。 2 机械手的运动特性 深入分析机械手的运动特点，有利于根据工作条件选择适宜的运动特点。下面为我们所选工业机械手所具有的运动规律，在减速较大时的情形。 图 运动特性曲线 沈阳理工大学学士学位论文 - 13 - 按上图的运动，机械手的速度变化呈等加速或不等加速运动，其减速过程亦分为等减速运行和不等减速运行，在呈等加速运行，而不等减速运行时，由于速度行程短，故有利于提高机械手的工作速度。 特点：速度变化基本上连续，运动中不会产生冲击，可以满足高速、平稳和定位精度高的要求。 1 气动机械手 气动机械手的加速或调节系统采用 气路节流调速系统 ， 控制系统采用气缸端部节流缓冲装置、气路节流缓冲回路、液压缓冲气等。定位系统采用机械挡块或多点定位几机构定位精度。 2 液压机械手 液压机械手的加速或调节系统油路节流调速系统，控制系统采用油缸端部节流缓冲装置及缓冲回路、减压节流继续能缓冲系统、伺服系统等。定位系统采用关闭电磁换向阀定位精度、机械挡块定位精、伺服系统定位精度度等。 3 电动机械手 电动机械手的加速或调节系统采用电路节流调速系统，控制系统采用反接制动电路、减速电路、凸轮或连杆机构等。定位系统采用电磁制动器、脉冲电路定位精度、 机械挡块定位精度等。 4 机械联动机械手 机械联动机械手的加速或调节系统采用凸轮连杆机构，控制系统采凸轮曲线和连杆机构。定位系统采用凸轮基圆及凸轮顶点、连杆极限位置。 用电气开关、换向阀、节流阀和机械挡块等来控制的机械手称为开关型机械手。 一、 液压机械手的速度控制 开关型液压机械手一般采用截流减速方法，少数采用蓄能器或溢流阀减速方法，也可以几种方法一起采用。 二、 气动机械手的速度控制 沈阳理工大学学士学位论文 - 14 - 气动机械手有很多优点，但气动的压缩性大，阻尼效果差。符合大的气动机械手采用液压缓冲回路。 一般采 用的装置是气动 三、 开关型机械手的定位系统 定位系统与速度控制系统有密切的关系，但他们都有其独立性，例如，节流减速后既可以发出指令关闭油路定位，也可以压在挡块上而定位。 1、 电气开关定位 电动机械手一般采用电磁制动器定位。当机械手运动到定位点时，行程开关发出信息给电控系统，激励电磁制动器而定位。 特点：结构简单，工作可靠，维修方便，但定位精度低。 2、机械挡块定位 一般是在减速后，驱动压力将运动件压在机械挡块上或驱动压力将活塞压靠缸盖而定位，定位精度较高。可分为单点定位或多点定位的挡块机构。 动型机械手速度及位置控制 为了便于控制机械手的速度及位置，一些专用机械手采用凸轮机构和连杆机构进行驱动。 特点：工作速度可以提高而且与主机同步工作而不产生误动作。 通过以上论述和比较，选用液压缓冲器和油缸端部缓冲的方式，定位选用机械挡块定位。 械手类型确定 根据以上的介绍，通过比较我确定选用电动机械手。这样选择的原因主要是根据精度和成本的原因。由于是个单独的部件大量生产，成本是非常主要的原因，气动和液压机械手的制造精度要求非常高，成本也就高，而电动机械手作为发展得最为完善的机械手，在精度满足需要 的同时，成本是最低的，所以选择了电动机械手。 动系统和电控系统的选择 一、 驱动系统的选择 机械手驱动系统有：液压驱动、电压驱动、电机驱动和机械驱动四种。一台机械手的驱动方式，可以只用一种方式进行驱动，也可采用几种方式联合驱动。 沈阳理工大学学士学位论文 - 15 - . 机械手的驱动系统有液压驱动，气压驱动，电机驱动，和机械传动四种。一台机械手可以只用一种驱动，也可以用几种方式联合驱动，各种驱动的特点见表“ 2 比较内 容 驱动方式 机械传动 电机 驱动 气压传动 液压传动 异步电机，直流电机 步进或伺服电机 输出力矩 输出力矩较大 输出力可较大 输出力矩较小 气体压力小，输出力矩小，如需输 出力矩较大，结构尺寸过大 液体压力高，可以获得较大的输出力 控制性能 速度可高，速度和加速度均由机构控制，定位精度高，可与主机严格同步 控制性能较差，惯性大，步易精确定位 控制性能好，可精确定位，但控制系统复杂 可高速，气体压缩性大，阻力效果差，冲击较严重，精确定位 较困难，低速步易控制 油液压缩性小，压力流量均容易控制，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制 体积 当自由度多时，机构复杂，体积液较大 要油减速装置，体积较 大 体积较小 体积较大 在输出力相同的条件下体积小 维修使用 维修使用方便 维修使用方便 维修使用较复杂 维修简单，能在高温，粉尘等恶劣 环境种使用，泄漏影响小 维修方便，液体对 温 度 变 化 敏感，油液泄漏易着火 应用范围 适用于自由度少的专用机械适用于抓取重量大可用于程序复杂和运动中小型 专用通用机 械手中小型专用通用机械手都有，特沈阳理工大学学士学位论文 - 16 - 手，高速低速均能适用 和速度低的专用机械手 轨迹要求严格的小型通用机械手 都有 别时重型机械手多用 成本 结构简单，成本低，一般工厂可以自己制造 成本低 成本较高 结构简单， 能源方便，成本低 液压元件成本较高，油路也较复杂 表 2虑到精度和结构的要求，我选择了伺服电机作为驱动。 二、 电控系统的选择 机械手的电控系统有多种类型，除专用机械手外，大多数要专门进行电控系统的设计。 比较内容 控制系统 固定系统 可编程序 继电器线路 半导体逻辑电路 顺序控制器 示数再观成计算机 动作程序容量 动作程序较少 动作程序可以较多 动作顺序一般为 16 步可扩展为 32 部或更多 动作程序较多通常为 200 步可扩展更多 控制的参数 1、动作程序 2、动作到达的位 置或时间 3、夹放信息 4、连锁信息 这些信息固定于线路之中不能任意变动 1、 动作程序 2、 动作到达的位置或时间 3、 时间信息 4、 夹放信息 5、 联锁信息 6、 程序终了信息 这些信息可以任意安排 1、 动作程序 2、 时间信息 3、 动作应到达位置或时间 4、 夹放信息 5、 联锁信息 6、 运动速度信息 7、 定位精度信息 8、 程序终了信息 沈阳理工大学学士学位论文 - 17 - 编排程序范围大，可装各种传感器 制造与维护 维护简 单方便体积较大，制造简单 制造简单，维护方便，体积小 一般由专业厂生产供应，需具有一定专业知识人员维修 线路复杂，制造，维护调整均较困难，需专业人员维修 行程检测元件 行程开关，机械挡块 行程开关，机械挡块 行程开关，电位器 电位器，旋转变压器，光栅等 使用寿命 寿命低 寿命较高 寿命较高 寿命较高 成本 便宜 较便宜 成本较高 成本较高 使用范围 用于动作少，速度低 的专用机械手 用于速 度快节拍短 的专用机械手 适用于动作较多，速度变化多即一般机械手 动作多，程序复杂的高级通用机械手适用 表 2们可设继电器线路为方案 1，半导体逻辑线路为方案 2，顺序控制器为方案 3，示数再现成计算器为方案 4。 设备的技术评价特性 方案 1分数 1 2 3 4 理想的 控制通用性 2 2 3 3 4 范围 2 2 3 3 4 制造方便 3 3 2 1 4 程序容量 3 2 2 2 4 总分数 10 9 10 9 16 技术价 X 2阳理工大学学士学位论文 - 18 - 设备的经 济评价特性 方案 1分数 1 2 3 4 理想的 成本（元件） 3 3 2 1 4 制造与维护成本 3 3 2 1 4 寿命 2 3 2 3 4 元件耗费 2 2 3 3 4 总分数 10 11 9 8 16 经济价 Y 2然可以知道方案 1 比较适合，即采用继电器线路进行控制。 沈阳理工大学学士学位论文 - 19 - 3 总体结构设计 爪部分设计 手爪部分的结构我选择了钩手的结构，这样选择的原因是钩手具有结构简单，安装拆卸方便，不需要额外的驱动，抓刀方式简单等特点。结构如图 示。 图 手结构示意图 如图 示，当机械手旋转的时候，钩手与刀柄先接触，由于机械手继续旋转，刀柄对顶柱有挤压作用，顶柱的后面是弹簧，并且定位顶柱没有锁定，所以顶 柱收缩到机械手臂内，刀柄顺利进入钩手内，旋转结结束，顶柱通过弹簧的弹力恢复原位，定位顶柱锁顶，顶柱不能移动，卡住刀具，抓刀结束。 刀具重量的范围，由于沟手结构的刀爪抓刀后，刀具的重量集中在刀爪内圈的突起上，顶柱受力不到刀具重量的 1/10，所以当刀爪抓刀后，由定位顶柱所提供的推力远远大于顶柱所受到的力，所以肯定能把刀具固定住，而不用担心刀具会在机械手旋转的时候掉下来。 械手手臂的设计 机械手工作中运动速度较高，在结构位置应保证运动平稳，这样可以提高机械手运动的平稳性，可以提高机械手适用的可靠性，并 提高使用寿命。 一、 臂部要防止偏重 沈阳理工大学学士学位论文 - 20 - 通常臂部处于悬臂的工作状态，在设计臂部、腕部和手部结构时，尽量使其总的重心在支撑中心，防止对支撑中心的偏重。一但偏重，将会产生附加的弯矩，引起导向装置不均匀的磨损。在回转运动中，偏重对回转轴附加有动压力，其方向不断变化，特别是高速及速度突然变化时更加明显，这些都将引起机械手的振动，严重的会造成卡死。 预防的措施： 1、 减轻腕部、手部的重量，并尽量减少偏心载荷。可采用铝合金制造腕部和手部。 2、 合理分布臂部上各部件重量和增加平衡重，使臂部平衡。 3、 某些机械手结构上无法避免偏重，则应加强导 向支撑，尽量减轻偏重对运动的影响。 二、 加强臂部刚度 提高臂部刚度是减少手部颤动的关键，有利于提高定位精度，故常采用导向形式来加强定位。 三、 改进缓冲装置和提高配合精度 机械手的缓冲装置是保证运动平稳和减少振动的主要措施。 机械冲击，它是在臂部运动中与定位装置相碰撞而产生的。它可用缓冲装置来消除。 四、采取的措施： 1、 提高部件的配合精度，减少间隙，有利于运动平稳，特别是高速运动的机械手更需要保证加工精度和提高配合。 2、 机械手的紧固件在运动中受变载荷的作用必须采用防松措施。 综合以上所述，我在设计机械手手臂的时候采用了 完全中心对称的机构，并且通过调整螺栓来调整机械手手臂的水平。因为整体的尺寸很小，所以机械手换刀臂的轴的直径比较小，并不适合采用键连接来传动，所以采取了胀缩环这一个标准件来连接机械手换刀臂和机械手换刀臂的轴。胀缩环具有非常好的对中性，并且能够传递非常大的转距，结构简单，非常适用在机构尺寸小的结构中。机械手换刀臂的结构简图如图 示。 这个手臂的形状，完全按照中心对称的方式设计，但是为了适应不同型号的刀柄，两边的刀爪是可以拆卸调换的。 沈阳理工大学学士学位论文 - 21 - 图 阳理工大学学士学位论文 - 22 - 根据第 2 章的介绍，我选择凸 轮换刀装置作为传动方案。 凸轮机械手换刀装置是目前加工中心常用的机构之一，与传统的气动、液压换刀机构相比，它具有换刀速度快、换刀可靠、运动平稳的特点。近年来加工中心得到了广泛的应用。凸轮机械手换刀装置通常由 2 个凸轮以及相应的机构组成，其中，一个平面凸轮通过连杆机构，用来完成“装刀”与“ 拔刀”动作；另一个弧面凸轮带动凸轮分度机构，用来实现机械手的转位，完成“抓刀”和“换刀”动作。 图 轮机械手换刀机构原理图 1 驱动电动机 2 减速器 3 锥齿轮 4 平面凸轮 5 弧面凸轮 6 连杆机构 7 机械手 8 滚动盘 9 电气信号盘 凸轮换刀装置的结构原理如图 1 所示，它主要由驱动电动机 1、减速器 2、平面凸轮 4、弧面凸轮 5、连杆 6、机械手 7 等部件构成。换刀时，驱动电动机 1 连续回转，通沈阳理工大学学士学位论文 - 23 - 过减速器 2 与凸轮换刀装置连接，提供装置的动力；并通过平面凸轮、弧面凸轮以及相应的机构，将驱动电动机的连续运动转化为机械手的间歇运动。 图 ，平面凸轮 4 通过锥齿轮 3 和减速器 2 连接，在驱动电动机转动时，通过连杆机构 6，带动机械手 7 在垂直方向作上、下运动，以实现机械手在主轴上的“拔刀”、“装刀”动作。弧面凸轮 5 和平面凸轮 4 相连， 在驱动电动机回转时，通过滚动盘 8（共6 个滚珠）带动花键转动，花键轴带动机械手 7 在水平方向上作旋转动作，以实现从机械手转位，完成“抓刀”和“换刀”动作。电气信号盘 9 中安装有若干开关，以检测机械手实际运动情况，实现电气互锁。 弧面凸轮转角 平面凸轮转角 图 面凸轮和弧面凸轮的运动过程 平面凸轮与弧面凸轮的动作配合曲线如图 示。 在驱动电动机的带动下，弧面凸轮在 范围内，完成机械手 80的转位动作。在 范围内弧面凸轮、平面凸轮均不产生机械手运动，用于松开刀具。 当凸轮继续转动到 范围内，平面凸轮通过连杆机构带动机械手进行向下运动；其中，在 围内，只有平面凸轮带动机械手作向下的运动，机械手同时拔出主轴、刀库中的刀具；在 范围内，因刀具已经脱离主轴的刀座，两凸轮同时动作，即：在机械手继续向下的过程中，已经开始进行 180沈阳理工大学学士学位论文 - 24 - 转位，以提高换刀速度。 在凸轮转动到 范围内，弧面凸轮带动机械手进行 180转位，完成主轴与刀库的刀具交换；当进入 范围时，两凸轮同时动作，平面凸轮已经开始通过连杆机构带动机械手进行向上运动，以提高换刀速度。 从 ，平面凸轮带动机械手向上运动，机械手同时将主轴、刀库中的刀具装入刀座；这一动作在 围，完成“装刀”动作。接着的 围内，弧面凸轮、平面凸轮均不产生机械手运动，机床进行刀具的“夹紧”动作，这一动作由机床的气动或液压机构完成。 在 360的范围内，弧面凸轮完成机械手 80反向转位动作，在机械手回到原位，换刀结束。 沈阳理工大学学士学位论文 - 25 - 4换刀机械手的参数和计算 手臂受到自身重力和刀具的重力左右，所以会有弯曲变形，如果弯曲太大，就会造成换刀时手臂和刀具的干涉，造成机器的损坏。 手臂的自身重力可以通过简化的方式转化为一个长度为 410 90 35G=10 41 9 3=86346N=87具的重量 F=10 6=60臂材料的抗拉强度 t=460服强度 =235图 臂的受力可以简化为图 示 如上图所示，可简化为悬臂梁来处理， 则任意横截面上的弯矩为： M= 205310 挠曲线方程 刀具重力所造成的弯曲： )6
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