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1、西安文理學院機械電子工程系本科畢業(yè)設(shè)計（論文）題目加工中心自動換刀機構(gòu)設(shè)計專業(yè)班級08級機電（2）班學號08102080213學生姓名侯飛龍指導教師姚慧設(shè)計所在單位西安文理學院2012年2月目錄目錄第1章緒論.11.1加工中心換刀機構(gòu)設(shè)計的目的及意義.11.2加工中心換刀機構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀.11.3研究的主要內(nèi)容.2第2章總體方案設(shè)計與論證.32.1加工中心換刀機構(gòu)的設(shè)計要求.32.2初步設(shè)計方案.32.2.1旋轉(zhuǎn)臂與夾緊機構(gòu).32.2.2主架回轉(zhuǎn)與臂部旋轉(zhuǎn)機構(gòu).32.3方案的確定.42.4設(shè)計結(jié)構(gòu)分析.42.4.1設(shè)計參數(shù).42.4.2自由度分析及各自由度的實現(xiàn).52.4.3加工中心換刀機械手的

2、組成.52.5本章小結(jié).6第3章構(gòu)設(shè)計及尺寸計算.73.1手指結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算.73.1.1手指夾緊力的計算.73.1.2手指部分的相關(guān)校核.83.2手指夾緊液壓缸設(shè)計.103.2.1手指夾緊液壓缸各部分尺寸的確定.103.2.2材料的選擇.123.3手臂旋轉(zhuǎn)液壓缸設(shè)計.123.3.1手臂伸縮液壓缸各尺寸數(shù)據(jù)的確定.123.4主架旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計.143.4.1主架架旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計.143.4.2手架旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)的選擇.163.4.3單級圓錐齒輪的設(shè)計與校核.173.5主架伸縮液壓缸的設(shè)計.233.5.1主架伸縮液壓缸各尺寸數(shù)據(jù)的確定.233.5.2材料的選擇.243.5.3手架伸縮液壓缸活塞桿的校核

3、.243.6本章小結(jié).25第4章控制部分的設(shè)計.264.1液壓缸的流量、流速及壓力.264.2確定液壓泵的流量、壓力及液壓泵的型號.264.3各液壓缸緩沖裝置的設(shè)計.284.4液壓系統(tǒng)回路.284.5旋轉(zhuǎn)軸控制線路.294.6技術(shù)難點.294.7本章小結(jié).30結(jié)束語.31致謝.32參考文獻.33西安文理學院本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第1頁第1章緒論1.1加工中心換刀機構(gòu)設(shè)計的目的及意義本設(shè)計主要是在實現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋轉(zhuǎn)運動的基礎(chǔ)上，為加工中心換刀機械手的研究提供幾種新的設(shè)計方案，并通過論證分析，選擇其中一種比較理想可行的方案進行設(shè)計計算，以達到準確、穩(wěn)定、快速、可靠換刀的目的

4、。在滿足加工中心換刀機械手各種運動要求的同時，本設(shè)計也在一定程度上簡化了換刀機械手的結(jié)構(gòu)，以方便加工中心換刀機械手的加工制造過程。1.2加工中心換刀機構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀近年來，隨著世界制造業(yè)向中國轉(zhuǎn)移，我國對機床的需求量大增。同時，經(jīng)過多年的努力，我國數(shù)控機床的開發(fā)水平也有了很大進步，數(shù)控機床的品種和質(zhì)量均比以往有所提高，部分機床制造主導廠還開發(fā)出具有相當水平的數(shù)控設(shè)備。但是，通過有關(guān)部門給出的資料，只要作進一步的分析與了解，我們就會發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)數(shù)控機床在消費量的臺數(shù)中雖占有一半（55%）以上，但它們多是些技術(shù)水平較低、價格相對便宜的普通產(chǎn)品，如數(shù)控車床、數(shù)控銑鏜床和線切數(shù)機床等，高、中檔數(shù)控產(chǎn)品則較

5、少，而且這些產(chǎn)品的核心技術(shù)或功能部件，如加工中心換刀機械手、全功能的數(shù)控伺服系統(tǒng)，高速電主軸，數(shù)控刀架乃至高速安全防護裝置等，還多是由中外合資企業(yè)提供或是從國外進口的。這也說明由于技術(shù)發(fā)展的不平衡，在多種條件制約下，目前我國數(shù)控機床的整件技術(shù)水平與國際先進水平相比還有一定距離，部分高性能、高速、高精度的數(shù)控機床仍需要依靠海外進口。功能部件技術(shù)水平的高低、性能的優(yōu)劣以及整體的社會配套水平，都直接決定和影響著數(shù)控機床整機的技術(shù)水平和性能，也制約著主機的發(fā)展速度。而換刀機械手則是加工中心穩(wěn)定可靠運行的關(guān)鍵功能部件。它的快速、準確的換刀程序是影響加工中心發(fā)揮高效、可靠的加工性能的重要因素。沒有換刀機械

6、手，就不可能有集中工序進行加工的加工中心。有資料顯示，刀庫和機械手的故障率約占整機故障率的25%。所以說，換刀機械手的性能、質(zhì)量直接影響著數(shù)控機床整機的性能、質(zhì)量和品種的發(fā)展。加工中心是備有刀庫，并能自動更換刀具，對工件進行多工序加工的一種功能較全的數(shù)字控制機床，也是典型的集高新技術(shù)于一體的機械加工設(shè)備，它的發(fā)展代表了一個國家設(shè)計、制造的水平，是判斷企業(yè)技術(shù)能力和工藝水平標志的一個方面。加工中心中實現(xiàn)刀庫和機床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為自動換刀裝置，它的功能是儲備一定數(shù)量的刀具并完成刀具的自動交換。自動換刀裝置可幫助數(shù)控機床節(jié)省輔助時間，并滿足在一次安裝中完成多工序、工步加工要求。它由存

7、放刀具的刀庫和換刀機構(gòu)組成。作為自動換刀裝置，它需要滿足換刀迅速、時間短，重復定位精度高，刀具儲存量足夠，所占空間位置小，工作穩(wěn)定可靠等特點。換刀裝置中刀具的交換形式及它們的具體結(jié)構(gòu)對機床的工作效率和工作可靠性有著直接影響。加工中心的自動換刀形式可分為無機械手換刀方式和有機械手換刀方式兩大類。無機械手換刀方式一般是采用把刀庫放在主軸箱可以運動到的位置，同時，刀庫中刀具的存放方向一般與主軸上的裝刀方向一致。無機械手換刀方式是由刀庫和機床主軸的相對運動實現(xiàn)刀具的交換的，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但換刀時間要長。目前，加工中心西安文理學院本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第2頁的自動換刀裝置大都采用有機械手換刀方式，因為

8、有機械手換刀裝置在刀庫的配置、與主軸的相對位置及刀具數(shù)量確定上都比較靈活，機械手數(shù)量和換刀形式比較隨意，換刀時間比較短，應(yīng)用廣泛。換刀機械手的形式有單臂式、雙臂式、回轉(zhuǎn)式和軌道式等，而常用雙臂式機械手的手爪結(jié)構(gòu)形式又分為鉤手、抱手、伸縮手和叉手等。加工中心換刀機械手作為數(shù)控機床的一個重要的功能部件，它在國內(nèi)外的數(shù)控機床制造領(lǐng)域中已受到廣泛的重視。目前，在國外BT40的換刀時間已達到0.9秒，BT50的換刀時間也達到了1.5秒左右，國內(nèi)也出現(xiàn)了立、臥兩用凸輪式換刀機械手和用于五軸聯(lián)動的換刀機械手的研究。加工中心換刀機械手的主要任務(wù)是，完全模擬人手的換刀動作，給機床主軸與彈簧夾頭提供相對轉(zhuǎn)動實現(xiàn)夾

9、緊、放松刀具的動作。機械手應(yīng)具備足夠的轉(zhuǎn)矩，同時還應(yīng)使機械手具備結(jié)構(gòu)緊湊、占據(jù)空間小的特點，以適應(yīng)不同類型機床的換刀空間。隨著機械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對加工中心換刀機械手的需求量會越來越大。1.3研究的主要內(nèi)容加工中心換刀機械手的設(shè)計是在實現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋轉(zhuǎn)運動的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)其準確、快速、可靠、穩(wěn)定的換刀。設(shè)計得主要內(nèi)容如下：1、根據(jù)目前常用的加工中心換刀機械手的換刀方式，對手臂伸縮與手指夾緊機構(gòu)、手架旋轉(zhuǎn)與手架伸縮機構(gòu)的設(shè)計提出幾種新的方案，并通過對所提出方案的論證分析，選擇一種較為理想的方案進行具體的設(shè)計。2、對所選設(shè)計方案中換刀機械手的組成機構(gòu)及各個自由度運動的

10、實現(xiàn)進行分析。3、對加工中心換刀機械手的手指夾緊力進行分析與計算，并對其關(guān)鍵部位進行校核，以保證換刀的可靠性。4、確定各個運動的驅(qū)動機構(gòu)。5、對設(shè)計中所涉及到的液壓缸通過計算確定其個部分結(jié)構(gòu)的具體尺寸，并對個活塞桿的強度、穩(wěn)定性以及螺栓的強度進行校核，以保證加工中心換刀機械手能夠穩(wěn)定、可靠的完成換刀過程。6、對設(shè)計中出現(xiàn)的齒輪、軸等重要零部件通過計算確定尺寸后，要進行安全校核。7、設(shè)計出加工中心換刀機械手的控制系統(tǒng)部分，完善設(shè)計內(nèi)容。西安文理學院本科畢業(yè)設(shè)計(論文)第3頁第2章總體方案設(shè)計與論證2.1加工中心換刀機構(gòu)的設(shè)計要求設(shè)計加工中心換刀機械手，使其實現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架

11、旋轉(zhuǎn)運動，并設(shè)計出它的傳動控制部分，以保證加工中心換刀機械手能夠準確、穩(wěn)定、快速、可靠的完成換刀過程。2.2初步設(shè)計方案2.2.1旋轉(zhuǎn)臂與夾緊機構(gòu)由于與機械、電力傳動相比，液壓傳動具有體積小、質(zhì)量輕、功率大運動平穩(wěn)的特點，并且因為液壓元件有自我潤滑作用，使用壽命長，所以在以下幾種設(shè)計方案中，旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)運動及夾緊機構(gòu)夾緊運動都采用液壓的驅(qū)動方式。并且由于旋轉(zhuǎn)臂的兩臂可旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后回轉(zhuǎn)，可避免與刀庫中其他刀具干涉，所以，以設(shè)計方案中的換刀機械手都兩手旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)式單臂機械手夾緊機構(gòu)。1、結(jié)構(gòu)設(shè)計方案在此方案中，加工中心換刀機械手兩個手指的運動由一個液壓缸單獨控制，這使得它運動的靈活性很強，其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。圖2.1手指夾緊機構(gòu)工作原理：當手架旋轉(zhuǎn)75到指定位置后，發(fā)出手臂伸出指令，手臂伸縮液壓缸1工作，當液壓缸的進油腔油壓力升高，壓力繼電器開關(guān)動作，并發(fā)出手指夾緊指令，手手指開始夾緊。手架在插刀動作結(jié)束后，發(fā)出手指松開指令，此時手指夾緊液壓缸1反行程運動，手指松開。2.2.2主架回轉(zhuǎn)與臂部旋轉(zhuǎn)機構(gòu)1、結(jié)構(gòu)設(shè)計方案此方案的主要特點是采用圓錐齒輪機構(gòu)實現(xiàn)加工中心換刀機械手的拔刀和插刀動