【《某换刀机械手的整体设计方案》5100字】

某换刀机械手的整体设计方案目录TOC\o"1-3"\h\u14090某换刀机械手的整体设计方案 1153381.1自动换刀的组成 111821.3自动换刀装置的形式 2237991.3.1旋转刀架换刀 2213071.3.2更换主轴头换刀（刀具旋转为主要运动） 2282761.4刀具的选择方式 3283951.4.1刀具的选择 3211421.4.2刀具编码 397491.4.3刀具交换装置 4263731.5机械手种类 433581.6手爪的选择 5201051.7刀具夹持方式的选择 7255591.8机械手的驱动装置 7310221.8.1机械臂的伸缩运动过程 7213981.8.2机械手驱动系统中回转运动机构的选择 8262451.8.3机械手驱动系统中直线运动机构的选择 81.1自动换刀的组成自动换刀系统就是说在加工零件时，在需要哪种刀具就能及时的自动换刀，这也是所谓的自动换刀ATC（AutoToolsChange，自动换刀装置）机能。加工中心一般搭配数控机床使用，它由存放刀具的刀库和具备换刀功能的换刀机构组装而成的。换刀系统有很多种类，但是主流的系统只有那么几种。一种是旋转塔的换刀系统，另一种是圆盘刀库的换刀系统，还有一个是链条刀库的换刀系统。而刀库可以是立式的，也可以是卧式的。

在机床上由刀库和机械手组成的自动换刀系统。换刀系统的安装调试会很麻烦，所以换刀系统现在都是机床出厂商所配备的，所以现在不同的机床出厂商所出厂的机床所自带的换刀系统都是不一样的。这也体现了百花齐放的能力也是每种机床的特色。它是加工中心最重要的功能之一，自动换刀能力的好坏影响产品的质量，甚至是成品或废品的关键。而机械手更是其中最重要的部分，它的作用是递刀和还刀，装刀还要保证安装精度。1.2刀库的选择 刀库，顾名思义就是放置刀具的。刀库有多种类型，但刀库只有三种主要类型。刀库的类型也有很多种，但主流的刀库也就三种，一个是盘式刀库另一个是链式刀库加上斗笠式刀库三种。盘式刀库——经常出现在小型的数控机床上。‘圆盘刀库’一般被称成‘盘式刀库’。这种刀库的容量一般在30把左右。如果刀库的容量很大，刀库的圆盘就会更大，这样会很容易造成刀库在转动的时候惯性过大导致换刀时间加长影响工作效率。通常和自动换刀功能一起来实现刀具交换。链式刀库——链式刀库就是根据链条所制成的刀库，这是因为链条可以承受较大的重量，工作时平稳可靠。这种类型的刀库容量最大的，可以存储100多个刀具。刀库容量大才能满足加工箱体类零件，因为箱体类零件加工复杂和精度要求高从而使刀具的数量也增加。链式刀库设计紧凑，刀库容量大。链条的形状可以根据工作需求来改变，如果需要增加刀具的数量，我们就增加链节数，反之减少链节数，以保证工作空间紧凑，布局合理。当需要增加刀具数量时，只需增加链条长度，为刀库的设计和制造带来了方便。当现场需要额外的增加刀具的时候，只需要多添几个链节数就行。斗笠式刀库——又称为单盘式刀库，可以摆放的刀具最少，大约就是存放16-24把刀具。斗笠式刀库成本便宜但是精度不好，所以常用于工艺比较少，精度比较低的场合。在机械行业中常见的只有第一种和第二种，即圆盘刀库和链式刀库。第三种斗笠式刀库不适合精加工，故比较少见。在这次设计任务中，我们选用的是圆盘式刀库。1.3自动换刀装置的形式1.3.1旋转刀架换刀旋转刀架是一种具有适合装配各类刀具的刀架。选择刀具时，使用指令进行刀具切换。回转刀架在加工时要有足够的切削抵抗力，并且在换刀过程中由于没有人工操作，所以在换刀过程中选择可靠的定位方案来保证定位精度，然后才能保证后续成品的加工精度。1.3.2更换主轴头换刀（刀具旋转为主要运动）主轴头更换刀具是在数控机床中一种很方便的换刀。这种主轴头实际上是一个转塔刀库。有两种类型的主轴头，水平的和垂直的两种主轴头。在自动换刀的过程中，我们通常把刀架代替主轴头来使用。在转塔的任何一个主轴上，准备下一次工作所需的刀具。当需要更换刀具时，主轴头将配合相应的地址信号转到相应的工作地址，随着其主运动动作将驱动其相应的主轴将刀具旋转。其它非加工位置的主轴将与主运动分离。该主轴换刀器减少了复杂的操作，缩短了辅助工作时间，提高了可靠性，并确保了精度。1.4刀具的选择方式1.4.1刀具的选择一般来说，刀具库中有许多刀具。但是在每次换刀前，要先选择好刀具。常用的刀具选刀方法有顺序刀具和随机刀具的有两种刀具选择。顺序选刀就是将工件按所需要的工艺规程所摆放好，进行到某个工艺时刀库里面对应工艺的刀具自动转到相应位置，以此来进行相应的工作。机加工就是按顺序调整刀具。其优点是刀库的驱动和控制相对简单。因此，在工件多但是工序少的情况下，一般选用顺序选刀进行自动换刀。现在由于数控系统的高速发展，现在大部分机床采用的是随意选刀法，只需要提前设置好对应的刀具编码。当需要某刀具时，数控系统能够自我识别使刀库转到相应的位置。1.4.2刀具编码为了更好的区分刀具，数控系统设置了编码方法来辅助系统随意选择刀具。刀具的代码或刀具套筒的代码是在刀具和刀具套筒的位置设个指令代码。刀具代码的选择采用特殊的刀具手柄结构，并对每个刀具进行了编码，使用基本的二进制代码对刀具进行编号和区分。随便一个刀具有自己的代号，因此该刀具可以在不同的进程中重复使用。更换刀具不需要放回原来的刀架中，刀库的容量也会相应减少。但是，这种类型的刀具具有一个特殊的编码，并且刀具长度较长，生产工时长，产量低，这样会导致了刀库和机械手的结构也相应的变的冗杂。刀套的编码方法是每一个刀都有与其相对应的刀套位置。现在都采用十进制编码给刀套编码。从一个刀具套筒中取出的刀具必须放回同一个刀具套筒中。这样会导致辅助工作时间变长，浪费大量的人力资源和直接生产时间。在21世纪，加工中心都已经采用了相对优势的记忆方式。这样，刀具和刀套在刀库中的位置就可以存储在数控系统的PLC（ProgrammableLogicController，可编程逻辑控制器）中。这样，刀具信息总是存储在其中放置刀具套筒的PLC中。1.4.3刀具交换装置换刀装置是指在数控机床上，刀具库和机床的主轴上的刀具实现传递和安装的机构。交换的方式有两种：刀库和机床主轴的相对运动实现换刀，机械手实现刀具交换。更换刀具的时候，需要把用完的刀具放回保管库，然后再取出新的刀具。两个动作不能同时做，换刀很花费时间。这个机器人刀具交换装置，可以同时将刀具装入机器主轴和刀具库，进一步缩短刀具交换时间。最常用的换刀方法是机械手。这是因为机械手灵活，速度快，结构简单。机械手可以完成抓取、牵引、旋转、插入、返回等一系列动作。为了防止刀具掉落，机械手的活动爪装有自锁机构。1.5机械手种类机械手是机器中的执行元件，其要求是保证迅速、准确的完成工作任务。由于刀具仓库与加工中心主轴的相对位置距离不同，相应的刀具换刀机械手的运动处理也不同。那些动作是由各种机器人进行的。双臂旋转机械手通常被称为杆式（见图1）。机械手的两臂都有一个爪，可以将刀具同时固定在刀库和主轴上，将其旋转180度。可以把主轴上的刀具返回到刀库，并同时可以将另一把刀具加载到主轴，这是加工中心机床上最常用的形式。换刀时间比其他类型的换刀机械手短。图1双臂回转式机械手这类机械手在后面的演变过程中，考虑到结构问题，我们采用了机械臂可伸缩的设计，见图2图2可伸缩式双臂回转式由于双臂回转式机械手能够同时做到拆卸和备刀等优秀性能，做到了换刀时间迅速。符合这次设计要求，所以在这次设计采用双臂回转式机械手是最好的。如果我们使用的是不可伸缩式机械手，这种机械手旋转时的旋转半径很比较大，如果在刀库里的刀具布置得太紧，可能会发生刀具碰撞。这样的机械手非常不方便，在换刀过程中容易出现事故。所以我们最好采用可伸缩双臂旋转机械手。1.6手爪的选择 夹持器在机械手是最重要的执行机构，根据夹持原理可分为夹持式、解钩式和弹簧式夹持器。有两种锁定夹持器的方法：机械刀锁和机械加液压刀锁。但随着国家要求工业清洗减少污染，液压已逐渐减少使用，现在主要采用机械锁刀。弹簧销式夹持器（见图3）在目前的情况下是常用的，并且夹持器是机械锁定的。它是目前使用最广泛的手爪之一。手臂的两端都有爪子。由弹簧顶着固定爪推动活动销和刀具，由弹簧向上推动锁紧销把活动销卡住，以保证机械手换刀过程中夹持器能固定刀具而不被抛出。当臂处于夹紧刀具的位置时，可以锁定保持器，锁定销被主轴或刀库延伸端的压下，活动销就可以移动，从而机械夹持器可以安全稳靠的夹持刀具。图3弹簧销式机械手手爪此外，机械手的钳形夹持器也是常用的夹持器（见图4）。在弹簧的作用下，锁销2手柄的大直径外圆挡住了止动销3，使夹爪6打不开，爪中的刀具不会松动，从而导致刀具不会被抛出。夹持或退回刀具时，安装在刀库或主轴端的冲击块将锁销2压回，止动销3和棘爪6可以打开，使机械手的棘爪能够夹持刀具并装载或取出刀具。还有刀库夹爪，刀库夹爪不仅起着刀套作用，又起着抓的作用。如图51-手臂2-锁销3-止退销4-弹簧5-支点轴6-手爪7-键8-螺钉图4钳形机械手手爪1-锁销2-顶销3-弹簧4-支点轴5-手爪6-档销图5刀库刀爪机械手的夹持器在抓取刀具时，还应具有锁定刀具的功能，以避免换刀过程中落刀或抛出刀具造成事故。对于手臂旋转式的机械手夹持器，目前工厂都是采用机械锁刀方式，而在一些重要的加工中心，为了保证安全的前提，则采用多重保障——机械液压锁刀方式，就可以保证在换刀过程中大型、重型刀具不会被抛出。手爪的形式有：弹簧销夹持器——这种夹持机构采用的是机械锁刀夹持，因此结构相对简单，并且适用于大量场合。如果用于有旋转运动的场合时，为了安全考虑还必须让它拥有自锁功能，随之结构也会变的更加复杂了。钳杆式机械手——这种机械手需要一个动力传动装置来开启和关闭夹持器，传动比较复杂，但夹持器结构简单，应用范围更广。虎钳形指——为了刀具更好的定位，还在上面安装了定位销。这种类型的夹紧机构，对刀具也有一定的要求，需要对刀具进行特殊加工，标准刀具无法使用，因此这种类型使用的也比较罕见。在综合考虑之下，本次设计将选择机械锁刀机械手手爪—弹簧销式手爪。1.7刀具夹持方式的选择刀具夹持方式对刀具寿命和加工精度有重要影响：刀具夹持方式的对错严重影响刀具的耐久性。提高刀具寿命可以降低刀具成本。此外，良好的跳动精度也意味着切削时负荷均匀分布在切削刃上，从而允许更高的切削速度和进给速度，这代表了更高的生产效率。刀具夹持方式分类在可分为两类：轴向夹紧——轴向夹紧是数控机床自动换刀装置中应用最广泛的方法。法兰夹紧——在此夹紧模式下，刀架的前端具有一个用于机械手的法兰结构。采用法兰夹紧。用于中间处理装置时，刀架采用凹形法兰来夹紧。目标：在根据毕业设计的要求上，明确指出了手柄的型号为BT40，结合各方面考虑，决定本设计采用轴向夹紧。1.8机械手的驱动装置这种机械手都是由液压缸提供动力来完成的动作。根据结构的不同，分为两种类型，有液压缸固定，活塞往复移动；也有活塞固定，液压缸往复移动。整个机械手由机械手的伸缩结构、机械爪的开闭结构、旋转机构和装卸刀具的直线运动机构组成（见图6）。1.8.1机械臂的伸缩运动过程机械臂的伸缩机构由回转液压缸、输出轴、齿轮、齿条和机架构成。压力油通过支架和花键轴的通孔流入到回转液压缸时,推进轴旋转,轴的齿轮、齿条作往复的直线运动,两个机械手臂伸出,利用齿条和挡块对调整螺钉有一定的限制，可以控制调整螺钉的最后的位移距离。同时，微开关发送信号，用于下一次动作。回转液压缸内改变油路方向时，机械臂收回。1.8.2机械手驱动系统中回转运动机构的选择回转运动机构用于实现刀具的交换动作。它由机械臂、旋转座等构成。机械臂与花键轴锁紧连接，花键轴与两个花键套筒连接，后座是由固定在机床立柱上的回转座上的两个滚动轴承支撑。同时，可以使用两个螺钉按下微动开关以发出下一步动作的信号。图6机械手的驱动装置1.8.3机械手驱动系统中直线运动机构的选择回转运动是由液压缸动作来实现。液压缸底座固定在机床的立柱上，活塞杆某一端部通过连接件与花键轴固定连接。通过液压缸的高压油使活塞杆向左或向右移动，连接件就会带动花键轴做直线移动，从而带动旋转头和机械手向左或向右移动。必须要在液压缸两端设有缓冲装置，以防止活塞与液压缸端面发生碰撞。当活塞处于左右极限位置时，设置止动和调整螺钉，信号是由微动开关发出。这种由液压缸活塞驱动的机械手，必修要在每次动作结束前配备缓冲装置，以保证机械手的下次安全的运行。为了使机械手安全工作，除了必要的考