數(shù)控鏜銑床加工中心換刀機械手三維設計含SW三維及4張CAD圖.zip,數(shù)控,銑床,加工,中心,機械手,三維設計,SW,三維,CAD 任務書 論文(設計)題目：數(shù)控鏜銑床加工中心換刀機械手三維設計 工作日期：2017年12月18日 ~ 2018年05月20日 1.選題依據: 設計了一種數(shù)控臥式鏜銑床加工中心換刀機械手，使之在給定的程序指令下，配合刀庫和臥式鏜銑床實現(xiàn)所有加工工序的自動換刀。加工中心區(qū)別于數(shù)控機床最主要的特征是備有刀庫，具有自動換刀功能，對工件一次裝夾后進行多工序加工的數(shù)控機床。工件裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機床按不同工序自動選擇、更換刀具，自動對刀、自動改變主軸轉速、進給量等，可連續(xù)完成鉆、鏜、銑、鉸、攻絲等多種工序。 2.論文要求(設計參數(shù)): 抓 重：20公斤。自由度數(shù)：4個。 坐標形式：圓柱坐標。 手指夾持刀柄的直徑：Φ100毫米。驅動方式：液壓。 拔、插刀行程（即滑座伸縮Z）：155毫米（最大180毫米）。 升降行程（即找刀排Y）：3x420毫(刀排間垂直方向距離為420毫米，共四排)。 回轉角度（Φ）：180°。 裝、卸刀手手臂伸縮行程（X）：195毫米。手指夾持刀柄的直徑：Φ100mm 。 3.個人工作重點: 采用三維設計軟件完成數(shù)控鏜銑床加工中心換刀機械手的設計，包括機械手總裝結構設計、機械手手部和手臂的結構設計、升降伸縮和回轉機構的結構設計，同時編寫設計說明書，完成英文翻譯工作。 4.時間安排及應完成的工作: 第1周：布置畢設任務 第2周：根據題目查閱文獻第3周：準備開題報告材料 第4周：撰寫開題報告，準備開題答辯第5周： 查閱文獻進行方案設計 第6周：根據方案完成結構設計第7周：零件三維設計和建模第8周：零件三維設計和建模第9周：零件三維設計和建模 第10周：將三維零件進行裝配，完成裝配圖第11周：完善裝配圖和零件圖 第12周：完成設計說明書和英文翻譯第13周：完善設計說明書和英文翻譯第14周：上交材料，答辯 5.應閱讀的基本文獻: [1] 李宗斌. 加工中心換刀機械手的設計與計算[J]. 組合機床與自動化加工技術, 1994,(12) . [2] 曹華軍,劉飛,何彥,李智勇.面向綠色制造的機床設備選擇模型及其應用機械工程學報2004(03) [3] 賀煒,李劍玲,丁毅,李體仁,夏田.立臥兩用凸輪式換刀機械手的設計機械制造.2003(07). [4] 梁楚華,朱志堅,吳金強.數(shù)控機床自動換刀系統(tǒng)產品化研究.機械工藝師2000(08). [5] 夏粉玲,賀煒,李體仁,劉俊生,李劍玲. 關于立臥兩用換刀機械手的設計[J]. 西北輕工業(yè)學院學報.2002(05) . [6] 彭文,劉伯軍. 加工中心機械聯(lián)動換刀裝置[J]. 制造技術與機床, 1999(04) . [7] 李劍玲,賀煒,丁毅,王寧俠. 一種換刀機械手卡爪夾緊機構的設計[J]. 組合機床與自動化加工技術. 2003(10) . [8] Lee, C. S. G., Chung, M. J., Mudge, T. N., andTurney, J. L.: On the Control of Mechanical Manipulators. Proc. 6thIFACConf. Estimation and Parameter Identification, Washington D. C., 1982 (pp1454-1459). [9] 劉瑞已. 加工中心快速自動換刀裝置[J]. 機械工程師.2004(11) . [10]劉茂生. FMS刀具交換系統(tǒng)換刀機械手的方案設計[J]. 航空精密制造技術.1997(06) . 指導教師簽字： XX 教研室主任意見： 同意 簽字：XX 2017年12月14日 教學指導分委會意見： 同意 簽字：XX 2017年12月15日 學院公章 進度檢查表 第 -1 周 工作進展情況 在老師的指導下，查閱鏜銑床加工中心換刀機械手文獻，并根據參考文獻寫出了一份文獻綜述。最后完成開題報告，并通過了開題答辯。 2018年01月10日 指導教師意見 按照畢業(yè)設計任務書要求，查閱鏜銑床加工中心換刀機械手文獻，并根據參考文獻寫出了一份文獻綜述，了解了鏜銑床加工中心換刀機械手國內外研究狀況及發(fā)展趨勢，開題報告技術路線可行，時間進度安排合理，較好地完成了開題階段的任務。 指導教師(簽字)：XX 2018年01月11日 第 2 周 工作進展情況 經查閱相關資料以及參考文獻，并且在老師的幫助下，完成了對數(shù)控臥式鏜銑床自動換刀機械手的控制電路、液壓系統(tǒng)、手臂和手部結構以及升降機構和手架回轉機構的設計方案。準備開始進行二維及三維建模畫圖，并撰寫說明書。 2018年03月15日 指導教師意見 查閱了相關資料以及參考文獻，完成了對數(shù)控臥式鏜銑床自動換刀機械手的控制電路、液壓系統(tǒng)、手臂和手部結構以及升降機構和手架回轉機構的設計方案，完成了畢業(yè)設計進度計劃相關部分。 指導教師(簽字)：XX 2018年03月16日 第 5 周 工作進展情況 方案設計已全部完成，換刀機械手手臂和手部結構二維A0圖和換刀機械手滑座伸縮和手部回轉機構二維A0圖和換刀機械手設計總裝圖A0圖以及換刀機械手升降機構A0圖已完成，分析及計算過程也已完成，液壓回路設計完成，接下來開始撰寫說明書以及機械手三維建模 2018年04月11日 指導教師意見 完成了方案設計、換刀機械手手臂和手部結構二維A0圖、換刀機械手滑座伸縮和手部回轉機構二維A0圖、換刀機械手設計總裝圖A0圖以及換刀機械手升降機構A0圖（初稿），初步完成分析及計算過程、液壓回路設計 。 指導教師(簽字)：XX 2018年04月11日 第 8 周 工作進展情況 翻閱查看參考文獻以及相關書籍，研究并設計了所有結構以及計算內容 。說明書撰寫完緒論、手臂及手部設計部分?；炜s機構和回轉機構；機械手升降機構；手爪及手臂的三維模型已經完成，待裝配。 2018年05月01日 指導教師意見 完成了機械手的結構設計和部分計算工作，完成了設計說明書的緒論、手臂及手部設計部分；完成了滑座伸縮機構和回轉機構、機械手升降機構、手爪及手臂的零件部分三維模型。 指導教師(簽字)：XX 2018年05月02日 第 11 周 工作進展情況 二維圖、三維建模裝配全部完成，設計說明書撰寫完成。 2018年05月20日 指導教師意見 完成零部件的三維建模和裝配體模型，完成外文翻譯、畢業(yè)設計說明書 ，準備畢業(yè)答辯答辯。 指導教師(簽字)：XX 2018年05月21日 第周 工作進展情況 年 月 日 指導教師意見 指導教師(簽字)： 年 月 日 過程管理評價表 評價內容 具體要求 總分 評分 工作態(tài)度 態(tài)度認真，刻苦努力，作風嚴謹 3 2 遵守紀律 自覺遵守學校有關規(guī)定，主動聯(lián)系指導教師,接受指導 3 3 開題報告 內容詳實，符合規(guī)范要求 5 3 任務完成 按時、圓滿完成各項工作任務 4 3 過程管理評分合計 11 過程管 理評語 該生在畢業(yè)設計過程中態(tài)度較為端正，較為刻苦努力，能夠積極主動地分析問題和解決問題，能夠按時聯(lián)系指導老師，遇到問題 ，能夠積極主動地查閱資料，解決問題。通過查閱相關文獻資料 ，較好地完成了開題報告，開題報告內容詳實，論述清晰，符合規(guī)范要求，文獻綜述完成較好。能夠獨立地完成方案設計、結構設計 、三維建模整個過程，中期檢查按時完成任務，在整個畢業(yè)過程中 ，開始進展較慢，與進度計劃相比，稍微滯后。后期經過努力，完成了整個畢業(yè)設計任務，完成了設計說明書，分析、計算過程準確 ，論述層次分明，結構合理，符合規(guī)范要求。 指導教師簽字:XX 日期:2018-05-23 指導教師評價表 評價內容 具體要求 總分 評分 選題質量 符合培養(yǎng)目標要求,有一定的研究價值和實踐意義,有一定的開拓性、創(chuàng)新性,深度、難度適宜,工作量飽滿 5 4 能力水平 有較強的綜合運用知識能力、科研方法運用能力、中文表達與外語能力、文獻資料檢索能力、計算機應用能力 5 4 完成質量 文題相符,概念準確,分析、論證、計算、設計、實驗等正確合理,結論明確；論文結構、撰寫格式、圖表等符合基本規(guī) 10 7 指導教師評分合計 15 指導教 師評語 張楠同學的畢業(yè)設計題目符合培養(yǎng)目標要求，有一定的研究價值和實踐意義，具有開拓性，難度適宜，工作量飽滿。有綜合運用知識能力、文獻資料檢索能力、計算機應用能力、科研方法運用能力和分析問題解決問題的能力，總體設計方案合理。論文文題相符 ，概念準確，分析、論證、計算、設計、實驗等正確合理，結論明確；論文結構合理，撰寫格式、圖表等基本符合規(guī)范要求，該生具有中文表達與外語能力?；就瓿闪水厴I(yè)設計要求的任務，同意該生參加畢業(yè)答辯。 指導教師簽字:XX 日期:2018-05-23 評閱人評價表 評價內容 具體要求 總分 評分 選題質量 符合培養(yǎng)目標要求,有一定的研究價值和實踐意義,有一定的 開拓性、創(chuàng)新性,深度、難度適宜,工作量飽滿 5 3 能力水平 有較強的綜合運用知識能力、科研方法運用能力、中文表 達與外語能力、文獻資料檢索能力、計算機應用能力 5 3 完成質量 文題相符,概念準確,分析、論證、計算、設計、實驗等正確 合理,結論明確；論文結構、撰寫格式、圖表等符合基本規(guī) 10 8 評閱人評分合計 14 評閱人 評語 論文研究并設計了一種數(shù)控臥式鏜銑床加工中心自動換刀機械手，讓其在設定好的程序指令下，配合刀庫和鏜銑床完成整個加工工序的自動換刀過程。選題符合專業(yè)培養(yǎng)方案要求，具有一定的實際意義，難度適中，工作量符合要求。通過畢業(yè)設計工作，該生具有了一定的綜合知識運用能力，中英文寫作能力，文獻檢索能力。工程圖紙的繪制，表明該生具備一定的計算機使用能力。該畢業(yè)設計文題相符，分析計算設計基本合理。論文格式及撰寫內容、圖表基本符合規(guī)范要求。同意該生參加畢業(yè)答辯. 評閱人簽字：XX 評閱人工作單位：機械工程學院日期：2018-05-23 答辯委員會評價表 評價內容 具體要求 總分 評分 自述總結 思路清晰,語言表達準確,概念清楚,論點正確,分析歸納合理 10 6 答辯過程 能夠正確回答所提出的問題,基本概念清楚,有理論根據 10 6 選題質量 符合培養(yǎng)目標要求,有一定的研究價值和實踐意義,有一定的 開拓性、創(chuàng)新性,深度、難度適宜,工作量飽滿 5 4 完成質量 文題相符,概念準確,分析、論證、計算、設計、實驗等正確 合理,結論明確；論文結構、撰寫格式、圖表等符合基本規(guī) 10 6 能力水平 有較強的綜合運用知識能力、科研方法運用能力、中文表 達與外語應用能力、文獻資料檢索能力、計算機應用能力 10 6 答辯委員會評分合計 28 答辯委員會評語 張楠同學在畢業(yè)設計工作期間，基本遵守各項紀律，表現(xiàn)一般。 能按時完成畢業(yè)設計有關任務。 論文立論正確，立論分析無原則性的錯誤，解決問題方案有一定的參考價值，結論基本正確。 論文使用的概念基本正確，語句通順，條理比較清楚。 論文中使用的圖表，設計中的圖紙在書寫和制作時，能夠執(zhí)行國家相關標準，基本規(guī)范。 能夠查閱文獻資料，原始數(shù)據搜集得當，實驗或計算結論基本準確。 答辯過程中，能夠闡述出論文的主要內容，主要問題經答辯教師啟發(fā)后能夠回答出來。 答辯成績： 28 答辯委員會主任： XX 2018年05月30日 成績評定 項目分類 成績評定 過程管理評分 11 指導教師評分 15 評閱人評分 14 答辯委員會評分 28 總分 68 成績等級 D 成績等級按“A、B、C、D、F”記載 成績審核人簽章： XX 學院審核人簽章： XX 一、選題依據 1.論文（設計）題目 數(shù)控鏜銑床加工中心換刀機械手三維設計 2.研究領域 機械設計、三維設計、工業(yè)機械手 3.論文（設計）工作的理論意義和應用價值 一個零件往往需要進行多工序的加工，而單功能的數(shù)控機床，只能完成單工序的加工，如車、鉆、銑等。因此，在制造零件的過程中，大量的時間用于更換刀具、裝卸零件、測量和搬運零件等非加工時間上，切削時間僅僅占整個工時中的較小比例。為了縮短非切削時間，提高工作效率，便設計帶有自動換刀系統(tǒng)的加工中心。加工中心(Machining Center,MC)是綜合了機械技術、電子技術、計算機軟件技術、拖動技術、現(xiàn)代控制理論、測量及傳感技術以及通信診斷、刀具和編程技術的高科技產品。由于加工中心能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和調整時間，減少工件周轉、搬運存放時間，使機床的切削利用率高于通用機床的 3 到 4 倍，所以，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且是數(shù)控機床中生產率和自動化程度最高的綜合性機床。 機械手的應用價值： （1）提高生產過程中的自動化程度 應用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產率和降低生產成本。 （2）改善勞動條件，避免人身事故 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復， 特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 （3）減輕人力，便于有節(jié)奏的生產 應用機械手代替人可以進行連續(xù)的工作，但在自動化機床綜合加工自動線上，機械手還沒有普及，應用機械手可以減少人力，更準確的控制生產的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產。 4.目前研究的概況和發(fā)展趨勢 機械手（machine hand），指能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置，主要由執(zhí)行機構、驅動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。機械人手臂與人類的手臂最大區(qū)別就在于靈活度與耐力度，也就是機械手的最大優(yōu)勢可以重復的做同一動作。機械手可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產的機 11 械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 機械手研究始于 20 世紀中期。大批量生產的迫切需求推動了自動化技術的進展， 并且為機器人的開發(fā)奠定了基礎。另一方面，核能技術的研究要求某些操作機械代替人處理放射性物質。在這一需求背景下，美國于 1947 年開發(fā)了遙控機械手，1948 年又開發(fā)了機械式的主從機械手，1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手，它的結構是機體上安裝一個回轉臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教形的。同時，隨著計算機和自動控制技術的迅速發(fā)展，農業(yè)機械將進入高度自動化和智能化時期，機械手機器人的應用可以提高勞動生產率和產品質量，改善勞動條件，解決勞動力不足等問題。 比爾蓋茨曾經說過：“前三十年是計算機的時代，后一百年是機器人的時代”足見計算機時代后的機器人時代的重要性及其影響的長遠性。世界上幾大機器人巨頭， 如日本、美國及歐共體，在機器人領域內取得巨大進步，從研究型走向實用型，從重要的軍事應用走向民用，甚至走向家庭，從高科技走向普及。而我國機器人技術領域還有較大差距，很多方面還處于起步階段。在先進制造業(yè)領域中，機器人的應用主要在于示教焊接機器人、噴涂機器人、裝配機器人、裝卸機器人、換刀機器人等。作為先進制造中技術含量最高的裝備之一的加工中心，不僅是加工的多面手，也是構建柔性制造系統(tǒng)乃至計算機集成制造系統(tǒng)的核心硬件，除了數(shù)控加工工藝和編程能力外， 其自動換刀機械手的性能也直接影響整機性能。要求機械手自動換刀具有準確性、穩(wěn)定性、快速性等。傳統(tǒng)的換刀機械手都是專用的機械式的結構，通用性較差，標準化程度低，商業(yè)市場不廣。 加工中心由于加工工藝的復雜性，使用的刀具種類和數(shù)量較多，當程序執(zhí)行到不同刀具功能代碼 T 時，要及時更換刀具完成其加工。機械手則是完成刀庫和機床主軸之間刀具裝卸與傳遞的裝置。目前這類機械手的品種較多，比如：單臂單爪回轉式機械手，單臂雙爪擺動式機械手，雙臂回轉式機械手，雙臂往復交叉式機械手和雙臂端面夾緊式機械手等。沒有芯片控制純機械工作方式，它的拔刀，插刀及轉動由機構驅動，一種是液壓控制驅動的油缸來完成，一種是電動驅動凸輪聯(lián)動來完成。 國內大部分大規(guī)模生產加工企業(yè)將采用機械手進行裝配作為目前研究的重點，國外已采用攝像機、力傳感裝置和微型計算機連接在一起，能確定零件的方位來達到安裝的目的。由于近年來世界制造業(yè)逐漸向中國轉移，我國對于機床的需求量逐漸增加。同時，經過多年努力我國數(shù)控機床的技術逐漸成熟，品種和質量有所提高。然而在所有數(shù)控產品中，中高檔數(shù)控機床較少，而且這些數(shù)控產品的核心技術加工中心換刀機械手、數(shù)控伺服系統(tǒng)、高速電主軸、數(shù)控刀架等等都需要依賴中外合資企業(yè)提供或者直接從國外進口，這也說明了國內外數(shù)控技術的發(fā)展不平衡，我國的整體技術水平和國外技術水平還是有一定差距的。功能部件的技術水平以及性能優(yōu)劣直接決定和影響 著數(shù)控機床的整體技術水平和性能，而自動換刀機械手則是保證數(shù)控機床加工中心穩(wěn)定可靠運行的關鍵功能部件。換刀機械手作為數(shù)控機床的一個重要的功能部件，它在國內外的數(shù)控機床制造領域中已受到廣泛的重視。在國外 BT40 機床的換刀時間已達到 0.9 秒，BT50 機床的換刀時間也達到了 1.5 秒左右，國內也出現(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。換刀機器人換刀的速度和準確性是影響加工中心發(fā)揮可靠加工性能的重要因素。據資料顯示，刀庫和機械手的故障率占整機故障率的 25%。所以換刀機械手的質量和性能影響整體機床的質量、性能和品種。加工中心自動換刀機械手的主要任務是完成換刀動作，給機床主軸和夾緊裝置提供相對轉動實現(xiàn)夾緊和放松刀具的動作。因此機械手必須具備足夠大的轉矩，同時設計機械手的結構緊湊使其占用空間盡量小。隨著機械制造加工業(yè)的不斷發(fā)展，制造業(yè)對換刀機械手的需求量會逐漸提高，自動換刀機器人的普及度也會越來越高。 目前，國內自動換刀機械手主要還是應用于機床加工、制造、熱處理等方面，無論數(shù)量、品種或是性能方面都是不能滿足制造業(yè)發(fā)展需求的。面對機械加工行業(yè)中多元化的需求和激烈的競爭，生產加工的效率將會越來越高，因此自動換刀機器人的發(fā)展會愈加的多元化。首先，在國內換刀機器人擴大其應用范圍，重點發(fā)展鑄造加工和熱處理方面的機械手，以減輕疲勞強度，改善作業(yè)條件，在應用專用機械手的同時， 研制發(fā)展通用機械手、示教型機械手、計算機控制機械手和組合型機械手等。 換刀機器人手的性能逐漸提高，主要表現(xiàn)在速度、精度、可靠性以及操作性可便于維修方面，同時單機的價格也在逐漸下降。機器人的控制系統(tǒng)也逐漸向基于 PC 機的開放型控制器方向發(fā)展，以便于標準化。元器件的集成度也提高了，控制柜也日漸減小，并且采用模塊化的結構，很大程度上提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。換刀機器人的機械結構也向模塊化和可重構化發(fā)向發(fā)展，比如在關節(jié)模塊中，伺服電機、減速機和檢測系統(tǒng)三位一體化，關節(jié)模塊和連桿模塊用重組的方式構造機器人的整體機構。機器人中的傳感器也扮演著越來越重要的角色，除了采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器之外，還應用了視覺、聲覺、觸覺、力覺等傳感器來進行環(huán)境建模和決策控制。 二、論文（設計）研究的內容 1. 重點解決的問題 采用三維設計軟件 SolidWorks 完成數(shù)控鏜銑床加工中心換刀機械手的設計，包括機械手總裝結構設計、機械手手部和手臂的結構設計、升降伸縮和回轉機構的結構設計。 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路） （1）確定換刀機械手的組成與配置 （2）通過設計計算和手冊及參考文獻確定換刀機械手的升降機構的結構和尺寸及相互位置關系 （3）設計自動換刀機械手的滑座伸縮機構 （4）設計自動換刀機械手的手架回轉運動機構 （5）設計裝、卸刀手手臂和手部結構 （6）完成機械手三維模型 3.本論文（設計）預期取得的成果 （1）一套完整的鏜銑床加工中心換刀機械手三維模型及其二維零件圖、裝配圖 （2）一份鏜銑床加工中心換刀機械手的設計說明書 （3）一篇外文文獻翻譯 三、論文（設計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數(shù)） 采用三維設計軟件 SolidWorks 完成數(shù)控鏜銑床加工中心換刀機械手的設計，包括機械手總結構設計、機械手手部和手臂的結構設計、升降伸縮和回轉機構的結構設計。 用途： 在給定的程序指令下，配合刀庫和臥式鏜銑床（簡稱主機）實現(xiàn)所有加工工序的自動裝、卸刀。 設計參數(shù)： 刀庫類型：鏈式刀庫。 換刀機械手：雙臂單爪交叉式機械手。抓 重：20 公斤 自由度數(shù)：4 個 坐標形式：圓柱坐標。 手指夾持刀柄的直徑：Φ100 毫米驅動方式：液壓 手架運動參數(shù)： 拔、插刀行程（即滑座伸縮 Z）：155 毫米（最大 180 毫米） 升降行程（即找刀排 Y）：3x420 毫(刀排間垂直方向距離為 420 毫米，共四排) 回轉角度（φ）：180° 位置檢測與定位方式：滑座伸縮、手架回轉和裝、卸刀手手臂伸縮運動采用行程開關進行位置檢測，由擋塊定位。手架升降運動采用無觸點行程開關進行位置檢測，并控制三位四通閥適時“關閉”來定位 控制方式：數(shù)字控制 2.論文（設計）進度計劃 第 1 周：根據畢業(yè)設計任務做初步準備 第 2 周：查閱鏜銑床加工中心換刀機械手文獻 第 3 周：準備機械手、換刀、加工中心的開題報告材料 第 4 周：撰寫鏜銑床加工中心換刀機械手開題報告，準備開題答辯 第 5 周：查閱相關文獻進行方案設計 第 6 周：根據方案完成機械手結構設計 第 7-9 周：換刀機械手零件三維設計和三維建模 第 10 周：將換刀機械手三維零件進行裝配，完成裝配圖 第 11 周：完善換刀機械手裝配圖和零件圖 第 12-13 周：完成鏜銑床加工中心換刀機械手設計說明書和英文翻譯 第 14 周：上交鏜銑床加工中心換刀機械手設計說明書和英文翻譯以及換刀機械手裝配圖和零件圖，并進行答辯 四、需要閱讀的參考文獻 [1] 張 俊 勇 , 趙 小 剛 . 刀 庫 合 理 布 置 在 加 工 中 心 的 應 用 [J]. 裝 備 制 造 技術,2009(06):147-148. 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[16]傅凱.數(shù)控銑床刀庫改裝裝置[J].科技創(chuàng)新與應用,2017(20):65-66. 附：文獻綜述 文獻綜述 加工中心是由機械設備與數(shù)控系統(tǒng)組成的，適用于復雜零件加工的高效自動化機床。它與一般數(shù)控機床的顯著區(qū)別是對零件進行多序加工的能力，即在一次裝夾中自動完成銑、鏜、鉆、擴、鉸、攻螺紋等加工。加工中心能夠廣泛運用，是因為其能夠利用刀庫實現(xiàn)自動換刀。因此自動換刀裝置功能的好壞關系到整個加工中心的性能。自動換刀裝置可分為五種基本形式，即轉塔式、180°回轉式、回轉插入式、二軸 轉動式和主軸直接式。按照換刀過程有無機械手參與，分成有機械手換刀和無機械手換刀兩種情況。在有機械手換刀的過程中，使用一個機械手將加工完畢的刀具從主軸中拔出，與此同時，另一機械手將在刀庫中待命的刀具從刀庫拔出，然后兩者交換位置，完成換刀過程。無機械手換刀時，刀庫中刀具存放方向與主軸平行，刀具放在主軸可到達位置換刀時，主軸移到刀庫換刀位置，利用主軸將加工用畢刀具插入刀庫中要求的空位處，然后刀庫中待換刀具轉到待命位置。主軸將待用刀具從刀庫中取出， 并將刀具插入主軸。 加工中心換刀機械手的工作特點是：工作循環(huán)時間短暫; 執(zhí)行機構具有不恒定的質量和轉動慣量;在過渡過程中(起動、制動和反向時) ，傳動機構會出現(xiàn)大的動載荷、振動和沖擊。由于這些特點，要保證換刀機械手動作的快速性、工作精度和使用壽命， 就必須合理選擇它在過渡工作過程時的傳動參數(shù)。 換刀機械手的傳動系統(tǒng)由原動機和傳動機構以及帶有位置、速度、力傳感器的控制裝置組成。原動機可以是液壓缸或氣缸,液壓馬達或氣動馬達，液壓或氣動擺動馬達,直線電機或電磁鐵。傳動直流或交流電機，機構可以是減速器(普通齒輪式、行星齒輪式或諧波齒輪式)，也可以是別的運動轉換機構(齒輪齒條機構、蝸輪機構、曲柄滑塊機構、凸輪機構等等)。 沈陽機床股份有限公司的武曉杰在對刀庫結構及工作原理的研究中論述了刀庫回轉系統(tǒng)主要由刀盤旋轉驅動電機、減速機、蝸桿凸輪回轉機構、旋轉刀盤、刀套、換刀位刀套翻轉機構組成，主要完成刀具的安裝、預選以及換刀位刀具翻轉。其中， 換刀位刀套的水平、垂直翻轉，一般采用氣缸驅動實現(xiàn)。刀套均有對應的刀套號，刀庫回轉系統(tǒng)內置 2 只無觸點感應開關，分別用于刀庫的回零反饋和刀庫的旋轉計數(shù)。針對不同的刀柄標準，如 BT、ISO、CAT 等，對應不同的刀套型號，其余結構一致。機械手驅動系統(tǒng)主要由機械手換刀電機、ATC 凸輪箱(內含弧面/ 平面組合凸輪、機械手回轉機構、刀臂伸縮機構等，是該類刀庫的核心部件)、換刀機械手組成，主要完成機床主軸與刀庫中的刀具抓取、卸刀、換位、裝刀等動作。ATC 凸輪箱中內置三只無觸點開關，用于監(jiān)測機械手各項動作是否到位，并將信號反饋至機床控制系統(tǒng)。圓盤機械手刀庫采用隨機換刀的方式，采用就近換刀原則，即多次換刀后，刀套號與刀具號并不一致。每一個刀套號中對應的刀具號由數(shù)控系統(tǒng)記憶并實現(xiàn)不斷更新，且該過程同樣適用于鏈式機械手刀庫。 大連機床集團有限公司技術中心的譚春暉師傅曾精確的設計了刀庫的控制方式。 (1) 刀庫作為系統(tǒng)的定位軸來控制。在梯形圖中根據指令 T 碼進行運算比較后輸出角度和速度指令到刀庫伺服，驅動的刀庫伺服電機。刀庫的容量、旋轉速度加/減速時間等均可在系統(tǒng)參數(shù)中設定，此種方式不受外界因素影響，定位準確、可靠，但成本較高。 (2)刀庫由液壓馬達驅動，有快慢速之分，用接近開關計數(shù)并定位。在梯形圖中比較系統(tǒng)存儲的當前刀號(主軸上的刀)和目標刀號(預選刀)并運算，再輸出旋轉指令，同時判斷按最短路徑旋轉到位。這種方式需要足夠的液壓動力和電磁閥，刀庫旋 轉速度可通過節(jié)流閥調整。但使用一段時間后，可能會因為油質、油壓、油溫及環(huán)境因素的變化而影響運動速度和準確性，一般用于不需頻繁換刀的大中型機床。 (3)刀庫由交流異步電動機驅動凸輪機構(馬氏機構)，用接近開關計數(shù)，這種方式運行穩(wěn)定，定位準確可靠，一般與凸輪機械手配合使用，換刀速度快，定位準。主要用于中小型的加工中心。 在自動化機床中，機械手的應用越來越普遍，在機床自動換刀機械手設計上，升降系統(tǒng)是非常重要的，除了升降系統(tǒng)機械手的換刀和對刀具的夾持，都是需要仔細地去設計，而對于機械手設計上要保證機床設備本身與機械手的柔性連接，保證工件的正常輸送和機床的自動化加工。上海優(yōu)尼斯工業(yè)設備銷售有限公司技術部鄭博在刀具換刀與夾持上做了相關研究，如下：在機床機械手換刀上,是自動換刀裝置，同時它還擔負著把刀從刀庫送到主軸上,刀具在主軸上使用完成之后，再從主軸上被送回到刀庫中，機床刀具的換刀方式有圓盤形、直線型,圓盤形換刀是刀架是一個回轉體， 每個刀都置于圓盤的外圓端，通過圓盤的選擇，刀具旋轉到指定位置，機械手進行換刀，這種換刀方法是機床上最常見的。刀具的夾持設計上，一般選取柄式夾持和法蘭式夾持，柄式夾持方法是軸向夾持，這種方法是利用最多的，因為刀柄的尾部是個錐柄，這種刀具采用模式錐度方法夾持最方便、快捷。而法蘭式夾持方法是在機械手前端安裝法蘭盤，這種夾持方法有一些繁瑣。 蘭州理工大學陳愛虎、羅生梅教授對機械手換刀控制進行了仿真研究。數(shù)控機械手主要作用就是換刀，由于在換刀過程中會出現(xiàn)刀具不能精確地換到對應位置，影響機床正常工作。為了能夠減小這種誤差，通過系統(tǒng)的建模、有限元仿真和優(yōu)化的方法對其結構進行建模、靜力分析和模態(tài)分析，得到整個裝配體的位移和應力以及它的固有頻率、振型，然后將優(yōu)化前和優(yōu)化后的機械手進行對比。結果顯示，總的位移相對于優(yōu)化前的位移有了大幅的減少，且使一二五六階模態(tài)固有頻率變大,三四階模態(tài)固有頻率減小。綜合仿真分析結果可得，上述優(yōu)化方法可以有效減小數(shù)控機械手誤差， 為后續(xù)機械手設計提供了依據和借鑒。 浙江交通技師學院的傅凱對刀庫進行了改裝裝置的設計。隨著對加工工藝的深入了解，加工中心起到重要的作用。設備改造、產品創(chuàng)新設計、生產工藝改進等都是需要突破的難點數(shù)控銑床的自動化換刀就是眾多項目中的一個，通過分析企業(yè)需求，制定設備改造方案，完成自動換刀裝置支架的設計和制造、刀庫系統(tǒng)的設計、刀庫的安裝及位置調整、系統(tǒng)調試及運行等任務，最終完成對數(shù)控銑床的自動化改造，將機械手自動換刀代替以前的人工手動換刀，使生產提高了效率，降低了成本。 山東大學高瑋珽在數(shù)控加工中心刀庫及機械手設計中提到刀庫傳動系統(tǒng)的傳動過程為：直流伺服電機通過十字聯(lián)軸節(jié)、蝸桿、蝸輪將運動傳給刀盤，刀盤帶動其刀套(內裝刀具)轉動，完成選刀工作。其中每個刀套尾部有一個滾子，當待換刀具轉到換刀位置時，滾子進入撥叉的槽內。同時氣缸的下腔進壓縮空氣，活塞桿帶動撥叉上升，帶動刀套繞著銷軸向下轉動 90 度，從而使刀具軸線與主軸軸線平行，做好換刀的準備工作。在運動過程中，為防止刀庫、主軸等有誤動作，高瑋珽利用位置開關起到自鎖保護的作用，用以斷開相關的電路，起到保護機械結構作用。 考慮刀庫的分度精度要求，本傳動系統(tǒng)采用蝸桿、蝸輪傳動，同時選用同服電動機傳動，實現(xiàn)準確的轉位分度，保證刀庫工作的可靠性。 加工中心刀庫的布置、刀庫與主軸的配置影響機械手的動作、抓刀方式、機構的復雜程度、可靠性和換刀時間的長短，進而影響加工中心的工作效率。陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院的張俊勇和趙小剛通過對加工中心換刀的分析和研究，提出了合理布置刀庫的方式，以減少自動換刀裝置的動作和機構的復雜程度，提高加工中心的效率、可靠性和可維護性。 13 圖 1 加工中心換刀過程 換刀過程為： （1）刀庫取刀：主軸正常工作，刀庫旋轉，將 T02 所在的滑板由刀庫沿滑道上移，并將 T02 所在的刀座中心與 P1 重合，等待換刀。當系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，送刀機構將刀具 TO2 及其刀座一起沿軌道移動到 P2，等待換刀機械手換刀，在送刀機構工作的同時，主軸快速停轉并回到主軸換刀點，主軸應離開被加工工件一段距離，為換刀留出一個足夠的空間，避免換刀被工件干涉。 （2）主軸換刀：主軸回到換刀點，刀具 T02 在 P2。機械手旋轉抓刀，外伸拔刀。旋轉 180°換刀，機械手裝刀，機械手復位。主軸開始工作，送刀機構要將剛換下的刀具 T01 放回刀庫中。 （3）刀庫裝刀：送刀機構將剛才換下的刀具 T01 沿軌道送到 P1 處的滑板里，滑板沿軌道下移回到刀庫中，刀庫旋轉，將 T03 所在的滑板由刀庫沿軌道上移，并將 T03 所在的刀座中心與 P1 重合,等待下次換刀。 換刀過程就是這樣，由刀庫取刀--送刀--機械手換刀--刀庫裝刀--刀庫取刀循環(huán)，直到工件加工完成。 缺點：刀庫容量大，加上采用盤式刀庫引起刀庫所占的空間較大，刀具由刀庫到換刀點 P2，并最終完成換刀和刀庫裝刀的 操作太復雜，分別由刀庫旋轉一滑板上移一送刀機構一機械手換刀一送刀機構一滑板下移來完成。換刀過程中，如果其中個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都可能無法正常工作，降低了效率，甚至發(fā)生事故。 因為制造業(yè)和工業(yè)不斷的發(fā)展，科學不斷的進步，對生產效率不斷提高的要求， 單純的使用人力，不能滿足生產需要，使得機械手的應用越來越廣泛，它可以代替人完成更高要求、難度、重復枯燥的工作，所以怎樣能更大提升加工中心換刀機械手的性能，怎樣將加工中心的控制系統(tǒng)與機械手完美的連接，這是機械手研究設計的一個重要環(huán)節(jié)和意義所在。 指導教師評閱意見（對選題情況、研究內容、工作安排、文獻綜述等方面進行評閱） 審 核 簽字： 年 月 日 意 見 教研室主任意見 簽字： 年 月 日 學院教學指導委員會意見 簽字： 年 月 日公章：