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. 畢業(yè)設計（論文） 題目：基于pro/e的加工中心換刀機械手的設計 學 生 姓 名： 黃玉鵬 學號： 120302031110 學 部 （系）： 機械與電氣工程 專 業(yè) 年 級：12級機械設計制造及其自動化（3）班 指 導 教 師： 樊珊 職稱或學位： 本科 2016 年 5 月 1 日 . 加工中心換刀機械手設計 【摘要】本論文介紹的是小型加工中心換刀機械手的設計。機械手的種類很多，在本次設計中機械手選用回轉式雙臂機械手。它的主要動作是將機床主軸上的刀具與刀庫或刀具傳送裝置上的刀具進行交換，其動作循環(huán)為：拔刀─新舊刀具交換─裝刀?；剞D式雙臂機械手刀具交換裝置具有換刀時間短、所需空間小動作靈活可靠等.應用最為廣泛。數(shù)控系統(tǒng)是加工中心的控制中心，它主要由（CNC）、可編程控制系統(tǒng)(PLC)、伺服系統(tǒng)構成。 關鍵詞: 加工中心 換刀機械手 . Vertical machining center for knife manipulator design [Abstract]:This paper introduces the design of the tool changing-manipulator of the small machines centertool changing-manipulator is one of the main components of the automatically-trading-knife installment. There are a lot of types of tool changing-manipulators. The tool changing-manipulator of this design adopts the two arms manipulator of turn-over type in this design。It is main movement is carries on the machine tool of main axle on cutting tool and the tool storage or exchanging the cutting tool in the transport installment. Its operating cycle is: to draw the tool - exchanging the new and the old cutting tool - to fix the tool. The two arms manipulator of turn-over type exchange installment has trade the knifetime short, the movement is nimbly and reliably and so on . The two arms manipulator of turn-over type is widely used in the machining centre. The numerical control system is the centeral of control in the processing center, which is conclude computer numerical control installment, the programmable control system. Keywords: machining center tool changing-manipulator . 目 錄 1 緒論 1 1.1加工中心的定義 1 1.2加工中心的發(fā)展歷程 1 1.3加工中心換刀機械手國內外現(xiàn)狀 2 1.4國產加工中心目前存在的問題及未來發(fā)展趨勢 2 1.5加工中心的分類 3 2 加工中心自動換刀裝置概述 5 2.1加工中心自動換刀裝置形式、特點及各自應用范圍 5 2.1.1帶刀庫的自動換刀系統(tǒng) 5 2.1.2回轉刀架換刀 5 2.1.3更換主軸換刀 6 2.1.4更換主軸箱換刀 6 2.1.5更換刀庫換刀 6 2.2刀庫以及刀具交換裝置 7 2.2.1設計刀庫時的主要問題 7 2.2.2刀具交換裝置 7 2.2.3刀具的夾持 12 2.2.4手爪的選擇 12 3 總體方案設計 13 3.1 加工中心換刀機械手的設計要求 13 3.2 初步設計方案 13 3.2.1氣動換刀工作過程 13 3.2.2刀套的構造 14 3.2.3 機械手傳動結構 14 4機械手臂和手抓的設計 16 4.1 自動換刀裝置的設計參數(shù) 16 4.2手抓口的計算 16 4.2.1 手爪鎖的設計與計算 18 4.2.2 彈簧的選擇與設計 20 4.2.3 手爪的整體尺寸設計 21 4.2.4手臂的彎曲變形 21 4.3 本章小結 23 5 氣壓傳動系統(tǒng)設計 24 5.1氣壓傳動的組成及工作原理 24 5.1.1氣壓傳動工作原理 24 5.1.2氣壓傳動的組成 24 5.2氣壓傳動的優(yōu)缺點 24 5.3 升降氣缸的設計 25 5.3.1 氣壓缸的載荷組成及計算 25 5.3.2升降缸的設計 26 5.3.3氣缸壁厚的設計 28 5.3.4 氣缸長度的確定 28 5.3.5進氣口直徑的計算 29 5.3.6 缸底厚度計算 29 5.4 氣壓回轉缸的設計 30 5.4.1 回轉缸內徑的計算 30 5.4.2 回轉缸壁厚的計算 32 5.4.3 缸蓋聯(lián)接螺釘計算 32 5.4.4 動片輸出軸聯(lián)接螺釘計算 33 6花鍵軸的設計 35 6.1 花鍵軸的計算 35 6.1.1 軸的材料選擇 35 6.1.2 軸徑的初步計算 35 6.2 軸承的選擇 37 6.2.1 升降缸中軸承的選擇 37 6.2.2 對于回轉缸的軸承選擇 38 6.3 法蘭連接的選擇 38 6.4 本章小結 39 7 氣動系統(tǒng)設計 40 7．1 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 40 設計總結 42 參考文獻 43 致謝 44 . 1 緒論 1.1加工中心的定義 加工中心，簡稱CNC，是由機械設備與數(shù)控系統(tǒng)組成的使用于加工復雜形狀工件的高效率自動化機床,是適應省力、省時和節(jié)能的時代要求而迅速發(fā)展起來的自動換刀數(shù)控機床，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。加工中心備有刀庫，具有自動換刀功能，是對工件一次裝夾后進行多工序加工的數(shù)控機床。加工中心是高度機電一體化的產品，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，因而大大減少了工件裝夾時間、測量和機床調整等輔助工序時間，對加工形狀比較復雜，精度要求較高，品種更換頻繁的零件具有良好的經濟效果。 圖1.1 加工中心 1.2加工中心的發(fā)展歷程 1952年美國PARSONS公司與麻省理工學院（MIT）合作研制了第一臺三坐標數(shù)控機床，它綜合應用了電子計算機、自動控制、伺服驅動、精密檢測與新型機械結合等多方面的技術成果。1958年，美國卡尼，特雷克（Kearney&Trecker）公司首次把銑、鉆、鏜等多種工序集中于一臺數(shù)控機床上，通過換刀方式實現(xiàn)連續(xù)加工，成為世界上第一臺加工中心。該產品出現(xiàn)后，銷路驚人，引起了日、德、美、英、法、意等先進工業(yè)國家的高度重視，競相開發(fā)生產，不斷擴大和完善機床的功能，成為數(shù)控機床中發(fā)展最快、需求量最大的商品之一。如今，世界上出現(xiàn)了立式、臥式、龍門式、落地式等各種加工中心，據不完全統(tǒng)計，大約有1000多個品種規(guī)格。 未來加工中心的發(fā)展動向是高速化、進一步提高精度和愈發(fā)完善的機能。加工中心是數(shù)控機床的代表，是高新技術集成度高的典型機電一體化機械加工設備，我國的加工中心從70年代開始，已有很大發(fā)展，但技術、品種和數(shù)量上都還遠不能適應我國經濟、技術發(fā)展的需要。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，推動了模具制造業(yè)、機械加工業(yè)的巨大發(fā)展，使得數(shù)控機床的使用越來越普遍，而加工中心更是以其高自動化程度得到廣泛應用。然而，目前市場上生產和銷售的都是以大、中型的加工中心為主，小型加工中心幾乎是空白，而機械加工業(yè)、小型模具的制造、工科院校、技工學校等對小型加工中心存在著大量的需求。為加速我國加工中心的發(fā)展，需進一步加強對加工中心的研究、設計、制造和應用。自動換刀裝置主要用于大中型數(shù)控加工中心，具有連續(xù)換刀且換刀時間短的優(yōu)點。目前，我國提出振興裝備制造業(yè)、自主發(fā)展數(shù)控機床的國家戰(zhàn)略，同時對數(shù)控機床與加工中心的功能部件和基礎元件的自主發(fā)展非常重視，很多專家學者已經開始認識到國產功能部件包括自動換刀裝置、滾動功能部件和數(shù)控系統(tǒng)存在基礎研究薄弱和性能總體落后的問題，急需在國產功能部件上進行產品性能提升。其中，自動換刀裝置作為數(shù)控加工中心的重要組成部分和關鍵功能部件，直接影響到國產數(shù)控加工中心的自主發(fā)展和國產化水平。 1.3加工中心換刀機械手國內外現(xiàn)狀 自動換刀裝置主要由刀庫和機械手及驅動裝置組 成，刀庫的功能是存貯加工中心所要用的各種刀具，并在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，把即將要用的刀具準確地送到換刀位置，刀庫的主要形式有轉塔式、盤式以及鏈式；機械手的功能是完成刀具在主軸頭與刀庫之間的傳遞及裝卸；驅動裝置則是為刀庫和機械手實現(xiàn)其功能提供動力的機構.目前，具有更高可靠性與較高自動 換刀速度的凸輪式換刀成為主流發(fā)展趨勢。近幾年，隨著數(shù)控機床行業(yè)向著多功能、高效率、高速化、高可靠性的演進趨勢，發(fā)展高負荷、高容量、高速化、高可靠性的自動換刀裝置成為必然趨勢。 相對于歐美工業(yè)發(fā)達國家，我國自動換刀裝置的研究起步較晚，隨著數(shù)控機床及其關鍵功能部件的研究工作被列為國家重點科技攻關項目，自動換刀裝置作為數(shù)控加工中心的關鍵功能部件，其制造技術和水平直接影響到我國數(shù)控加工中心的自主發(fā)展與生產。 總結國內外自動換刀裝置技術特點，國產自動換刀裝置與國外同類先進產品相比在技術上還有明顯的 差距，主要表現(xiàn)在：換刀速度的主要指標刀到刀、切削到切削以及切屑到切屑換刀時間和同時期的國外先進水平有明顯差距；刀庫及機械手的定位精度和精度保持性能相對較差，還需要進一步的提高和優(yōu)化；自動換刀裝置的可靠性作為衡量一個ATC先進與否的關鍵指標，還需要明顯的提高和優(yōu)化；相對于國外產品，國內自動換刀裝置相關的機械制造及加工工藝，以及數(shù)控技術的研究較為薄弱，制約了自動換刀裝置的創(chuàng)新與發(fā)展。 總體而言，我國自動換刀裝置正處于追趕國外先進水平的階段，需要針對國產自動換刀裝置的缺點和不足，聯(lián)合相關專業(yè)廠家和專家學者在一些關鍵技術上進行攻關研究，提高我國自動換刀裝置的整體技術水平。 1.4國產加工中心目前存在的問題及未來發(fā)展趨勢 國產加工中心目前存在的問題有： (1) 技術水平上，與國外同類產品的先進水平相比大約落后10～15 年，在高精尖技術方面差距則更大。 (2) 產品開發(fā)能力上，國內生產企業(yè)缺乏對產品競爭前的數(shù)控技術的深入研究與開發(fā)，特別是對加工中心應用領域的拓展力度不強。 (3) 產業(yè)化水平上，市場占有率低，品種覆蓋率小，雖然近年來國產加工中心的產量增加較快，但從總體上看，還沒有形成規(guī)模生產；國產數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應，用戶信心不足。 (4) 國產數(shù)控系統(tǒng)MTBF( 平均無故障時間)大都超過1 萬小時，但國際上知名品牌如：FANUC、SIEMENS 等先進企業(yè)的數(shù)控系統(tǒng)MTBF 已達8 萬小時。國產加工中心MTBF 雖有少數(shù)廠達500 小時，但國外加工中心的先進水平已達800 小時。 (5) 刀庫和機械手的可靠性還比較低，近年來雖有改進，但用戶仍然不放心。 (6) 位置精度，特別是重復定位精度還有待于進一步提高。 (7) 至于外觀粗糙，漏油、漏水、漏氣等老問題仍然不同程度的存在。 加工中心未來發(fā)展趨勢有： 未來加工中心的發(fā)展動向是高速化、進一步提高精度和愈發(fā)完善的機能。加工中心是數(shù)控機床的代表，是高新技術集成度高的典型機電一體化機械加工設備，隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，推動了模具制造業(yè)、機械加工業(yè)的巨大發(fā)展，使得數(shù)控機床的使用越來越普遍，而加工中心更是以其高自動化程度得到廣泛應用。在加工中心中，刀庫和機械手組成自動換刀裝置，而自動換刀裝置的好壞，將直接影響加工中心的好壞，自動換刀裝置種類繁多，五花八門。它是加工中心的象征，又是加工中心成敗的關鍵環(huán)節(jié)。因此各加工中心制造廠家都在下大力研制動作迅速、可靠性高的自動換刀裝置，以求在激烈的競爭中取得好效益。 當今人們一直采用各種方式，提高加工中心的加工效率。如提高進給與移動速度、提高主軸轉速、加大主軸電機功率、加大切削用量、采用高質量刀具等。在換刀的加工過程中，縮短換刀時間，可大大提高生產效率，國內外加工中心生產廠家都投入大量的資金和精力，研制自動換刀裝置，以縮短換刀時間，提高工作效率和競爭力。自動換刀裝置是專門為大中型加工中心配套，實現(xiàn)其刀具儲備及自動交換功能的重要功能部件，是高檔加工中心和重型加工中心的重要組成部分。其主要作用在于減少加工過程中的非切削時間，以提高生產率，降低生產成本，進而提升機床乃至整個生產線的生產力。自動換刀裝置的換刀速度和可靠性，是數(shù)控機床系統(tǒng)先進與否的一個重要標志。 1.5加工中心的分類 按主軸加工時的空間位置分類有：臥式和立式加工中心。 臥式加工中心 是指主軸軸線水平設置的加工中心。臥式加工中心有多種形式，如固定立柱式或固定工作臺式。固定立柱式的臥式加工中心的立柱不動，其主軸箱在立柱上做上下移動，而工作臺可在兩個水平方向移動；固定工作臺式的臥式加工中心的三個坐標方向的運動由立柱和主軸箱的移動來定位，安裝工件的工作臺是固定不動的(指直線運動)。臥式加工中心一般具有3個至5個運動坐標軸，常見的是三個直線運動坐標軸和一個回轉運動坐標軸(回轉工作臺)。它能在工件一次裝夾后完成除安裝面和頂面以外的其余四個面的加工，最適合加工箱體類工件。它與立式加工中心相比，結構復雜、占地面積大、質量大、價格亦高。 立式加工中心 立式加工中心主軸的軸線為垂直設置，其結構多為固定立柱式，工作臺為十字滑臺，適合加工盤類零件，一般具有三個直線運動坐標軸，并可在工作臺上安置一個水平軸的數(shù)控轉臺(第四軸)來加工螺旋線類零件。立式加工中心結構簡單，占地面積小，價格低，配備各種附件后，可進行大部分工件的加工。 大型龍門式加工中心 主軸多為垂直設置，尤其適用于大型或形狀復雜的工件，像航空、航天工業(yè)及大型汽輪機上的某些零件的加工都需要用這類多坐標龍門式加工中心。 五面加工中心 這種加工中心具有立式和臥式加工中心的功能，在工件一次裝夾后，能完成除安裝面外的所有五個面的加工，這種加工方式可以使工件的形狀誤差降到最低；省去二次裝夾工件，從而提高生產效率，降低加工成本。 . 2 加工中心自動換刀裝置概述 2.1加工中心自動換刀裝置（ATC）形式、特點及各自應用范圍 一個零件的加工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，在制造一個零件的過程中，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，我們便設計了帶有自動換刀系統(tǒng)的加工中心。 由刀庫和機械手組成的自動換刀裝置(Automatic Tool Changer,ATC)是加工中心的重要組成部分。加工中心上所需更換的刀具較多，從十幾把到幾十把．甚至上百把，故通常采用刀庫形式，其結構比較復雜，自動換刀裝置種類繁多。由于加工中心上自動換刀次數(shù)比較頻繁，故對自動換刀裝置的技術要求十分嚴格。如要求定位精度高，動作平穩(wěn)，工作可靠以及精度保持性等。這些要求都與加工中心的性能息息相關。其基本形式有以下幾種。 2.1.1帶刀庫的自動換刀系統(tǒng) 帶刀庫的自動換刀形式主要是由刀庫、選刀裝置和刀具交換裝置組成，目前這種換刀方式在機床和加工中心上應用最為廣泛，具體形式如下表2.1.1： 表2.1.1 自動換刀系統(tǒng)形式 形式 類別 特點 應用范圍 刀庫式 無機械手換刀 1. 利用刀庫運動與主軸直接換刀，省去機械手 2. 結構緊湊 3. 刀庫運動較多 小型加工中心 機械手換刀 1. 刀庫只做選刀運動，機械手換刀 2. 布局靈活，換刀速度快 各種加工中心 機械手和刀具運送器 1. 刀庫距機床主軸較遠時，用刀具運送器將刀具送至機械手 2. 結構復雜 大型加工中心 2.1.2回轉刀架換刀 回轉刀架換刀裝置，常用于數(shù)控車床?？稍O計成四方、六方刀架或圓盤式裝刀刀架，并相應的安裝四把、六把或更過的刀具，它的動作根據數(shù)控指令進行，由液壓系統(tǒng)通過電磁換向閥和順序閥進行控制，基本動作為：刀架抬起、刀架轉位、刀架壓緊、轉位油缸復位?；剞D刀架還可以采用電機-馬氏機構轉位、鼠齒盤定位，以及其他轉位和定位機構。 2.1.3更換主軸換刀 更換主軸換刀是一種比較簡單的換刀方式。這種機床的主軸頭就是一個轉塔刀庫，主軸頭有立式和臥式兩種。圖二是TK-5525型數(shù)控轉塔式鏜銑床的外觀圖，八方形主軸頭上有八根主軸，每根主軸上都裝有一把刀具。根據工序的要求按順尋將所有需要的刀具的主軸轉到工作位置，以此實現(xiàn)自動換刀，同時接通豬傳動。不處在主軸位置的主軸便與住傳動脫開。轉塔頭的轉位有槽輪機構來實現(xiàn)，具體動作包括（1）脫開主軸傳動；（2）轉塔頭抬起；（3）轉塔頭轉位；（4）轉塔頭定位壓緊；（5）主軸傳動重新接通。 這種換刀方式大大縮短了換刀時間，并提高了換刀的可靠性，但是由于空間位置的限制，是主軸部件結構不能設計得十分結實，因而影響主軸系統(tǒng)的剛度。為保證其剛度，必須限制主軸數(shù)目，否則將使結構尺寸大大增加。只適用于工序較少、精度要求不高的機床。 圖2.1.3 更換主軸換刀 2.1.4更換主軸箱換刀 更換主軸箱換刀，顧名思義，即利用更換主軸箱達到換刀目的，特點在于： （1）利用更換主軸箱，擴大組合機床加工工藝范圍； （2）結構比較復雜.這種形式的換刀使用于加工箱體類零件，可以大大提高生產率。 2.1.5更換刀庫換刀 當加工工藝的范圍很廣，所需刀具數(shù)量很多，機床刀庫容量有限時，可以采用多個刀庫存刀，再從更換后的刀庫中選擇所需要的刀具，這種機床可以一臺單獨工作，也可以用多臺機床組成自動生產線。特點在于： （1）擴大加工工藝，更換刀庫，另有刀庫存儲器； （2）充分提高機床利用率和自動化程度； （3）擴大加工中心的加工工藝范圍。適用于加工復雜零件，需刀具很多的加工中心或組成高度自動化的生產系統(tǒng)。 2.2刀庫以及刀具交換裝置 刀庫的功能是儲存加工工序所需的各種刀具，并按程序指令，把即將要用的刀具迅速、準確地送到換刀位置，并接受從主軸送回的已用刀具。它是自動換刀裝置中主要部件之一。其容量、布局和具體結構對數(shù)控機床的設計有很大影響。 2.2.1設計刀庫時的主要問題 （1）合理確定刀庫的儲存量 ; （2）盡量縮短選刀時間； （3）刀庫運動速度應適宜； （4）要求刀庫運動平穩(wěn)； （5）刀座在刀庫中排列合理； （6）其他的問題 如刀具在刀座中應夾持可靠，刀庫防塵、防屑以及安全防護問題等。 2.2.2刀具交換裝置 實現(xiàn)刀庫與機床主軸之間裝卸和傳遞刀具的裝置稱為刀具交換裝置。交換裝置的形式和具體結構對數(shù)控機床的整體布局、生產率和工作可靠性都有直接影響，是數(shù)控機床的重要組成部分之一。 交換裝置的形式很多，一般可分為兩大類。 (一)由刀庫和主軸的相對運動實現(xiàn)刀具交換 用這種形式交換刀具時，主軸上用過的刀具送回刀庫和從刀庫取出新刀，這兩個動作是不能同時進行的。如圖2.2.4所示，選刀和換刀全由三坐標軸的數(shù)控定位系統(tǒng)來完成。這種換刀方式沒有機械手，因而結構簡單；刀庫回轉是在工步與工步之間，故換刀時間長，換刀動作也較多，但卻免去了刀庫回轉時的振動對加工精度的影響。 圖2.2.2 刀庫和主軸的相對運動換刀 （二）由機械手進行刀具交換 由于刀庫及刀具交換方式不同，換刀機械手種類繁多。這中換刀方式動作簡單，換刀時間短，刀具定位精度高生產效率和工作可靠性都較高，是目前實用性較高的的一種換刀方式。機械手的類型如下： 加工中心換刀機械手的種類繁多，可以說每個廠家都推出自己的獨特的換刀機械手，在加工中心的自動換刀系統(tǒng)中，是機械手具體執(zhí)行刀具的自動更換，對其要求是迅速可靠、準確協(xié)調。由于加工中心機床的刀庫和主軸，其相對位置距離不同，相應的換刀機械手的運動過程也不盡相同，它們由各種形式的機械手來完成。常見的機械手有： (1)單臂單爪回轉式機械手 機械手擺動的軸線與刀具主軸平行，機械手的手臂可以回轉不同的角度來進行自動換刀，換刀具的所花費的時間長，用于刀庫換刀位置的刀座的軸線相平行的場合。如圖所示： 圖2.2.2 a 單臂單爪回轉式機械手 (2)單臂雙爪回轉式機械手 這種機械手的手臂上有兩個卡爪，兩個卡爪有所分工，一個卡爪只執(zhí)行從主軸上取下“舊刀”送回刀庫的任務，另一個卡爪則執(zhí)行由刀庫取出“新刀”送到主軸的任務，其換刀時間較上述單爪回轉式機械手要短，如圖2.2.4b所示。 圖2.2.2b 單臂雙爪回轉式機械手 (3)雙臂回轉式機械手（俗稱扁擔式） 這種機械手的兩臂各有一個卡爪，可同時抓取刀庫及主軸上的刀具，在回轉180度之后有同時將刀具歸回刀庫及裝入主軸，是目前加工中心機床上最為常用的一種形式，換刀時間要比前兩種都短，如圖2.2.2c所示。 圖2.2.2c 雙臂回轉式機械手 這種機械手在有的設計中還采用了可伸縮的臂，如圖2.2.2d所示： 圖2.2.2d 雙臂回轉式機械手 (4)雙機械手 這種機械手相當于兩個單臂單爪機械手，相互配合起來進行自動換刀。其中一個機械手執(zhí)行拔“舊刀”歸回刀庫，另一個機械手執(zhí)行從刀庫取“新刀”插入機床主軸上，如圖2.2.4e所示： 圖2.2.2e 雙機械手 (5)雙臂往復交叉式機械手 圖2.2.2f 雙臂往復交叉式機械手 這種機械手兩臂可往復運動，并交叉成一定角度。兩個手臂分別稱作裝刀手和卸刀手。卸刀手完成往主軸上取下“舊刀”歸回刀庫，裝刀機械手執(zhí)行從刀庫取出“新刀”裝入主軸。整個機械手可沿導軌或絲杠作直線移動或繞某個轉軸回轉，以實現(xiàn)刀庫與主軸之間的運送刀具工作，如圖2.2.2f所示。 (6)雙臂端面夾緊式機械手 這種機械手只是在夾緊部位上和前幾種不同，上述幾種機械手均靠夾緊刀柄的外圓表面來抓住刀具，而此種機械手則是夾緊刀柄的兩個端面，如圖2.2.2g所示： 圖2.2.2g 雙臂端面夾緊式機械手 由于雙臂回轉式機械手的動作比較簡單，而且能夠同時抓取和裝卸機床主軸和刀庫集中的刀具，換刀時間較短，故我們選用雙臂回轉式機械手。 在這里我們采用換刀機械手進行刀庫與主軸之間的換刀 2.2.3刀具的夾持 刀具必須裝在標準的刀柄內，我國提出了TSG刀具系統(tǒng)，并制定了刀柄標準，有直柄以及7：24錐度的錐柄兩類，刀具夾持方法有柄式夾持（軸向夾持）和法蘭盤式夾持（徑向夾持）兩種。 圖2.2.5a 圓錐刀柄 圖2.2.5b 圓柱刀柄 2.2.4手爪的選擇 這種機械手的手爪，大都采用機械鎖刀方式，有些大型加工中心，亦有采用機械加液壓鎖刀方式，以保證大而重的刀具在換刀中不被甩出，較普通采用的機械鎖刀方式手爪——彈簧銷式手爪。 機械手的手爪在抓住刀具后，還必須具有鎖刀功能，以防止在換刀過程中掉刀或刀具被甩出。當機械手松刀時，刀庫的夾爪既起著刀套的作用，又起著手爪的作用。對于雙臂回轉式機械手的手爪，大都采用機械鎖刀方式，有些大型加工中心，亦有采用機械液壓鎖刀方式，以保證大而重的刀具在換刀中不被甩出。手爪的形式有： (1)機械鎖刀手爪——彈簧銷式手爪，使用這種形式的抓持機構，手爪不需要設置專門的傳遞裝置，因而結構簡單，使用廣泛。但在機械手有旋轉運動時，為避免刀具甩脫，手爪就必須有自鎖夾持機構，其結構較復雜。 (2)鉗形杠桿機械手。這種機械手手爪的張合需要動力傳遞裝置，傳動較復雜，但手爪的結構可較簡單。使用也較普遍。 (3)虎鉗形指。在手爪中設有定位銷，使刀具在手爪中定位。用這種形式的夾持機構時，刀具需經特殊補充加工，不能使用標準刀具，所以使用者較少。 3 總體方案設計 3.1 加工中心換刀機械手的設計要求 設計加工中心換刀機械手，使其實現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋轉運動，并設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。 3.2 初步設計方案 在加工中心中,為了實現(xiàn)全自動加工,除數(shù)控系統(tǒng)外,還需要配備液壓和氣動裝置等來完成自動運行功能,如自動換刀裝置,它是加工中心上必不可少的部分,自動換刀裝置的換刀時間和可靠性直接影響到整個加工中心的質量。本文介紹的換刀系統(tǒng)通過氣壓傳動來傳遞動力,通過PLC來控制換刀的各個動作。 氣壓傳動作為一種易于推廣普及的實現(xiàn)工業(yè)自動化的應用技術,其氣源容易獲得,環(huán)境污染小,工作速度快,動作頻率高,工程實現(xiàn)容易。PLC是一種功能強、編程簡單、可靠性高的自動控制產品,兩者在工業(yè)生產上都得到了廣泛的應用。用氣動自動化控制技術實現(xiàn)生產過程自動化,是工業(yè)自動化的一種重要技術手段,也是一種低成本自動化技術。 3.2.1氣動換刀工作過程 如下圖所示為加工中心上常用的轉盤式自動換刀裝置結構示意圖。當發(fā)出換刀指令后,主軸準停,主軸向上滑動,退至換刀點,實現(xiàn)主軸定位;接著機械手順時針轉動90,兩手爪分別抓住刀庫中和主軸上的刀柄,當機械手抓住主軸刀具的刀柄后,刀具的自動夾緊機構松開刀具,機械手拔刀,同時拔出兩把刀具,接著機械手反轉180,交換兩刀具的位置,然后機械手插刀,刀具的自動夾緊機構夾緊刀具,最后機械手復位。 圖3.1轉盤式自動化刀裝置 3.2.2刀套的構造 刀套的構造如圖下圖所示，由圖中可以看到錐孔尾部有兩個球頭銷釘，后有彈簧用以夾住刀具，故當?shù)短仔D90后刀具不會下落。刀套頂部的滾子用以在刀套處于水平位置時支撐刀套。當?shù)毒吒? 換完畢，該刀座插入從主軸換下的刀具夾頭。通過氣缸作用，與上述動作相反，刀座帶動刀具夾頭順時針轉動，直到水平位置為止，此時滾子銷重新處于支撐板的凹槽。 圖3.2刀套 3.2.3 機械手傳動結構 自動換刀的大致順序如下圖： 第一，見圖（b），工件上某一表面加工完畢后，主軸停轉，主軸箱返回原點準備換刀，此時刀庫早已根據指令將“新刀”轉到換刀位置上(即向下旋轉90),等待機械手抓取。 第二，見圖（c），機械手由原始水平位置逆時針旋轉75，機械手的兩夾爪同時抓住刀庫中的“新刀”與主軸中的“舊刀”。 第三，見圖（d），機械手沿軸向將刀具同時從主軸及刀庫中拔出。 第四，見圖（e），機械手順時針旋轉180，把“新刀”轉至主軸處，“舊刀”轉至刀庫換刀位置處。 第五，見圖（f），機械手沿軸向將刀具同時裝入主軸及刀庫。 第六，見圖（h），機械手順時針回轉75，恢復原始水平位置。 第七，見圖（g），刀庫刀套向上旋轉90，等待下一次換 圖3.3換刀順序 機械手抓刀部分結構如下 本機床上使用的換刀機械手為回轉式單臂雙手機械手。在自動換刀過程中，機械手要完成抓刀、拔刀、交換主軸上和刀庫上的刀具位置、插刀、復位等動作。 單臂單手式機械手主要由手臂3和固定于其兩端的結構完全相同的兩個手爪1組成。手爪1上握刀的圓弧部分有一個錐銷2，機械手抓刀時，該錐銷插入刀柄的鍵槽中。當機械手由原位轉75抓住刀具時，兩手爪上的長銷7分別被主軸前端面和刀庫上的擋塊壓下，使軸向開有長槽的活動銷6在彈簧的作用下右移頂住刀具。機械手拔刀時，長銷與擋塊脫離接觸，鎖緊銷被彈簧彈起，使活動銷頂住刀具不能后退，這樣機械手在回轉180時，刀具不會被甩出。當機械手上升插刀時，兩長銷又分別被兩擋塊壓下，鎖緊銷從活動銷孔中退出，松開刀具，機械手便可反轉75復位。 1—手抓 2—錐銷 3—手臂 4、5—彈簧 6—活動銷 7—長銷 8—鎖緊銷 圖3.4機械手 4機械手臂和手抓的設計 4.1 自動換刀裝置的設計參數(shù) 主軸中心和換刀位置的距離600mm 刀庫容量 16 選刀方式 任選 最大刀具重量4kg 刀柄為BT40刀柄 4.2手抓口的計算 本次設計所采用的是BT40刀柄 具體參數(shù)如下： 柄部型號 錐 體 螺 紋 孔 凸 緣 D1 R d1 d2 g R1 D4 D5 40# 44.45 68.40 1.2 32 43 8.2 17 19 M16 1 56.25 63.55 柄部型號 凸 緣 其 他 x y f t t1 j b R2 D3 e D6 一般 特殊 40# 3.75 3.2 15.9 22.8 25 18.5 16.1 1 44.7 50 35 72.3 圖4.1刀柄 因為，故測量與刀柄槽相對位置如下圖所示。 圖4.2手抓口 兩測量棒中心距為，故 由圖2-2可知： 則手爪口的型式與尺寸與BT40相匹配。如圖下圖所示， 4.2.1 手爪鎖的設計與計算 當?shù)侗皇肿ψプ。吹毒咻S線與手爪口中心點重合）時，彈簧瑣輪在彈簧的作用下把刀柄鎖緊，使刀具不會從手爪口中脫落，其形式如下圖所示， 1—彈簧；2—活動銷；3—刀具；4—長銷； 手爪在抓刀時，隨傳動軸逆時針旋轉，主軸及刀庫附近的凸臺壓下長銷4，活動銷（即彈簧鎖輪）被解鎖。手爪欲抓住刀柄，使手爪口中心與刀具中心線重合，達到圖示位置，刀柄反作用力活動銷使其壓縮彈簧1向左運動至極限位置后手柄已進入手爪口，此時活動銷向右運動至手爪口中心與刀具中心軸線完全重合，回到初始狀態(tài)，刀柄被鎖住，抓刀結束，可以進行拔刀動作，而在抓刀時，整個機械手旋轉角度較小，故刀柄壓活動銷受力簡化等效如圖2-5所示。 系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，機械手由原始位置轉過以實現(xiàn)抓刀動作，而兩手爪上的長銷4分別被主軸前端面和刀庫上的擋塊壓下，使軸向開有長槽的活動銷2在彈簧的作用下移動頂住刀具。機械手拔刀時，長銷4與擋塊脫離接觸，鎖緊銷2被彈簧1彈起，使活動銷2頂住刀具不能后退，這樣機械手在回轉時，刀具不會甩出。當機械手上升插刀時，長銷又被擋塊壓下，松開刀具，機械手便可反轉復位。設計手爪口端點到手爪中心軸線垂直距離為7mm，抓刀初始位置時，最小，最大，抓刀過程中，（與手爪中心軸的夾角）逐漸減小，逐漸增大，逐漸減小至、、三點一線時最大，最小，之后逐漸增大至活動銷還原至初始位置被鎖緊銷鎖住為抓刀完畢，不應過大，過大就會偏小，就會偏大，過小無法壓縮彈簧使活動銷移動，過大也會阻礙刀柄進入手爪口，不應過小，過小就會偏大，就會偏小，鎖輪便無法緊固刀柄，刀柄容易脫落。即取,鎖輪輪子的直徑（即活動銷直徑），則有： 活動銷的滾輪中心到手爪中心軸線的垂直距離為： ， 則活動銷的行程a： 活動銷上的行程槽應大于活動銷行程加上長銷直徑，根據《機械設計手冊》選取長銷直徑。 則行程槽長：（?。ㄤN材料為35鋼，熱處理硬度，表面氧化處理的A型圓柱銷（GB119-86）卡銷直徑選3mm (由機械設計課程設計手冊第二版，吳宗澤主編)根據配合原理，則行程槽寬。我們可以設活動銷主體寬，高，長，活動銷尾部到鎖輪輪子中心距。 因此我們?。? 行程槽長： 行程槽寬 動銷主體寬，高，長 活動銷尾部到鎖輪輪子中心距 4.2.2 彈簧的選擇與設計 彈簧主要分為拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉彈簧和彎曲彈簧四種。按照彈簧形狀又可分為螺旋彈簧、碟形彈簧、環(huán)形彈簧、板彈簧、盤簧等。因為該設計中彈簧受到的壓力不大，選擇材料為Ⅱ類碳素彈簧鋼絲，普通圓柱螺旋彈簧鋼絲，初選直徑。彈簧中徑（GB/1358-78）查表30.2-4的許用應力，切面模量。又根據彈簧材料直徑,由表30.2-4得，彈簧鋼絲的抗拉強度。 那么旋繞比 ,曲度系數(shù)由<<機械零件設計計算實例>>得,所以得出彈簧能夠承載的最大載荷 （式4-1） 校核彈簧截面材料的直徑 （式4-2） 故初選合理。 4.2.3 手爪的整體尺寸設計 本次要求機械手兩手抓中心距為600mm 1. 首先考慮手爪部件的主要尺寸，設計如下： 手爪總長90mm , 手爪總的內道寬分別為: , . 2. 從螺釘?shù)綑C械手手臂中心的距離為120mm,寬度為90mm,厚度為16mm. 因此取機械手抓中心道螺釘中心距離為 （600-2120）/2=180mm。 根據設計要求選定機械手臂的材料為45鋼,彎曲許用應力,在工作過程中,主要受橫向彎曲應力,最大正應力發(fā)生在彎矩最大的截面上,且離中性軸最遠處. 設刀具及手爪之重為4kg,由前面可知承受重力到機械手臂中心的距離為300mm,因此: 因此設計達到要求且合理。 4.2.4手臂的彎曲變形 手臂受到自身重力和刀具的重力左右，所以會有彎曲變形，如果彎曲太大，就會造成換刀時手臂和刀具的干涉，造成機器的損壞。 手臂的自身重力可以通過簡化的方式轉化為一個長度為600mm，寬90mm，高30mm的長方體來計算，G=mg=7.8106093=86346N=≈126KN 刀具的重量F=104=40KN 手臂材料的抗拉強度 []=460MPa 屈服強度 []=235MPa 圖4.1 手臂的受力可以簡化為圖4.1所示 如上圖所示，可簡化為懸臂梁來處理， 則任意橫截面上的彎矩為： M=-60（l-x） =-60（205-x） （4.1） 得撓曲線方程 刀具重力所造成的彎曲： （4.2） 公式（4.2）中 —彎曲距離 F—作用力 —桿的長度 —桿上任意一點到固定端的距離 —材料的彈性摸量 —慣性距 刀臂自重所造成的彎曲： （4.3） 其中=3012=1822500=1.8225 E=2.2 最大撓度為 刀具重力所造成的彎曲： （4.4） 刀臂自重所造成的彎曲： （4.5） 端截面轉角為 刀具重力所造成的彎曲 （4.6） 刀臂自重所造成的彎曲： （4.7） 計算得 刀具重量所造成的彎曲： = -40（32.21.8225） 3.2m =-40（22.21.8225） 3.1 刀臂自身重量所造成的彎曲： =-127（3205-102.5）（32.2 1.8225）3.5m 3.9m =-127（22.21.8225） 1.1 通過以上的計算可知，換刀機械手的手臂的彎曲非常小，根本不會對實際工作造成任務影響，所以是符合要求的。 4.3 本章小結 本章主要對機械手進行了設計,機械手主要由手臂、手爪、手爪口三部分組成。結合所學的知識和資料對手臂、手爪、手爪口進行了詳細的計算，設計中彈簧和活動銷也起到了重要的作用，我對這兩個部件進行了初步估算和選擇，彈簧是根據機械設計手冊上面來選擇的。初步設計出機械手爪部分的整體尺寸并對它的受力情況進行了校核。 5 氣壓傳動系統(tǒng)設計 5.1氣壓傳動的組成及工作原理 5.1.1氣壓傳動工作原理 氣壓傳動，是以壓縮空氣為工作介質進行能量傳遞和信號傳遞的一門技術。 它的工作原理是利用空壓機把電動機或其它原動機輸出的機械能轉換為空氣的壓力能，然后在控制元件的作用下，通過執(zhí)行元件把壓力能轉換為直線運動或回轉運動形式的機械能，從而完成各種動作，并對外做功。 5.1.2氣壓傳動的組成 氣壓傳動系統(tǒng)和液壓傳動系統(tǒng)類似，也是由四部分組成的 (1) 氣源裝置 獲得壓縮空氣的裝置。其主體部分是空氣壓縮機，它將原動機供給的機械能轉變?yōu)闅怏w的壓力能； (2) 控制元件 用來控制壓縮空氣的壓力、流量和流動方向的，以便使執(zhí)行機構完成預定的工作循環(huán)。它包括各種壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥等； (3) 執(zhí)行元件 是將氣體的壓力能轉換成機械能的一種能量轉換裝置。包括氣缸、氣馬達、擺動馬達； (4) 輔助元件 是保證壓縮空氣的凈化、元件的潤滑、元件間的連接及消聲等所必須的，它包括過濾器、油霧氣、管接頭及消聲器等。 5.2氣壓傳動的優(yōu)缺點 氣動技術廣泛應用于機械、電子、輕工、紡織、食品、醫(yī)藥、包裝、冶金、石化、航空、交通運輸?shù)雀鱾€工業(yè)部門。氣動機械手、組合機床、加工中心、生產自動線、自動檢測和實驗裝置等已大量涌現(xiàn)。在提高生產效率、自動化程度、產品質量、工作可靠性和實現(xiàn)特殊工藝等方面顯示出極大的優(yōu)越性。這主要是因為氣壓傳動與機械、電氣、液壓傳動相比有以下特點： 氣壓傳動的優(yōu)點 (1) 工作介質是空氣，取之不盡、用之不竭。氣體不易堵塞流動通道，用過后可將其隨時排入大氣中，不污染環(huán)境。 (2) 空氣的特性受溫度影響小。在高溫下能可靠地工作，不會發(fā)生燃燒或爆炸。且溫度變化時，對空氣的粘度影響極小，故不會影響傳動性能。 (3) 空氣的粘度很?。s為液壓油的萬分之一），所以流動阻力小，在管道中流動的壓力損失較小，所以便于集中供應和遠距離輸送。 (4) 相對液壓傳動而言，氣動動作迅速、反應快，一般只需0.02~0.3秒就可達到工作壓力和速度。液壓油在管路中流動速度一般為1~5m/s，而氣體的流速最小也大于10m/s，有時甚至達到音速，排氣時還達到超音速。 (5) 氣體壓力具有較強的自保持能力，即使壓縮機停機，關閉氣閥，但裝置中仍然可以維持一個穩(wěn)定的壓力。液壓系統(tǒng)要保持壓力，一般需要能源泵繼續(xù)工作或另加蓄能器，而氣體通過自身的膨脹性來維持承載缸的壓力不變。 (6) 氣動元件可靠性高、壽命長。電氣元件可運行百萬次，而氣動元件可運行2000~4000萬次。 (7) 工作環(huán)境適應性好，特別在易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射、振動等惡劣環(huán)境中，比液壓、電子、電氣傳動和控制優(yōu)越。 (8) 氣動裝置結構簡單、成本低、維護方便、過載能自動保護。 氣壓傳動的缺點 (1) 因空氣的可壓縮性較大，氣動裝置的動作穩(wěn)定性較差。 (2)氣動裝置工作壓力低，輸出力或力矩受到限制。在結構尺寸相同的情況下，氣壓傳動裝置比液壓傳動裝置輸出的力要小得多。 (3) 氣動裝置中的信號傳動速度比光、電控制速度慢，所以不宜于信號傳遞速度要求十分高的復雜線路中。同時實現(xiàn)生產過程的遙控也比較困難，但對一般的機械設備，氣動信號的傳遞速度是能滿足工作要求的。 (4) 噪聲較大，尤其是在超音速排氣時要加消聲器。 (5) 工作介質空氣本身沒有潤滑性，需另加裝置進行給油潤滑。 5.3 升降氣缸的設計 5.3.1 氣壓缸的載荷組成及計算 設機械手抓刀重約20Kg，作用在活塞桿上的外部載荷包括工作載荷，導軌的摩擦力和由于速度變化而產生的慣性力。 （式5-1） （1）常見的工作載荷有作用于活塞桿軸線上的重力，切削力，擠壓力等，而該設計中只有重力， （2）導軌摩擦載荷 （的取值參考機械設計手冊表37.5-2） （3）慣性載荷 一般機械取，所以， 除外載荷外，作用于活塞桿上的載荷還包括氣壓密封處的摩擦阻力，一般估算為： （式5-2） 氣壓缸的機械效率，一般取 ； 則： 由于負載248N比較小，而且對于機械手定位精度較高因此取系統(tǒng)壓力為0.8MPa 故取工作壓力. 5.3.2升降缸的設計 圖a為活塞桿受壓狀態(tài)，圖b為受拉狀態(tài) 活塞桿受壓時，，活塞桿受拉時， 式中 ——無桿腔活塞有效作用面積； ——有桿腔活塞有效作用面積； ——氣缸壓力； ——氣缸壓力； 一般氣缸在受力狀態(tài)下工作，其活塞面積為： （式5-3） 選取d/D，其值是由下表選擇。如表3-1所示： 表3-1 活塞桿直徑 按工作壓力選取d/D 活塞桿受力情況 受拉伸 受壓縮，工作壓力P/MPa P<5 57 活塞桿直徑 （0.3~0.5）D (0.5~0.55)D (0.6~0.7)D 0.7D 因此選取d/D=0.5 所以可以得出活塞的直徑： （式5-4） 所以，（與的值是在機械設計手冊表37.5-5和37.5-3選取的）， 根據所計算出的結果表5-2中選擇標準的尺寸。 表5-2 活塞桿和氣壓缸直徑 所以選擇，。 活塞桿直徑的強度在高壓系統(tǒng)中要進行校核： ——活塞桿材料的許用應力，初選材料為20鋼，則許用應力為80MPa。 又根據設計需要，（軸承的配合，螺釘?shù)陌惭b等）此活塞桿為空心桿。令空心桿內徑，空心桿外徑。 由于 （式5-5） ——空心桿直徑； ——空心桿內徑； ——空心桿外徑， ——抗扭矩截面系數(shù)； 所以有 空心桿壁厚。 則設計符合要求。 因此空心桿內徑，空心桿外徑。 空心桿壁厚 5.3.3氣缸壁厚的設計 通常按薄壁筒公式 為試驗壓力，一般取=1.5p（p為工作壓力） 為許用應力 []——缸筒材料的許用應力，20鋼，[]=100Mpa,所以， ， 一般氣缸缸筒與內徑/D1/10 根據結構需要取。 5.3.4 氣缸長度的確定 氣缸的缸筒長度由最大工作行程決定，缸筒的長度一般最好不超過其內徑20倍。而最大工作行程應大于刀柄長度以避免與主軸與刀庫相碰撞，因此最大工作行程 所以缸筒長度為，在這里取L=135mm。 5.3.5進氣口直徑的計算 氣缸的進氣口直徑根據活塞最高運動速和油口最高氣流速度而定， （式5-6） 因為，其中，； 式中 ——無桿腔活塞有效作用面積； ——有桿腔活塞有效作用面積； ——活塞直徑 （）； ——活塞桿直徑 （）； 由行程L初定換刀過程所用時間為1秒,則平均速度為0.135m/s。令無缸腔進氣速，則有桿腔進氣速度。 所以，氣流速度大小等于有桿腔進氣速, 即. 故。 5.3.6 缸底厚度計算 因為考慮到缸底有氣孔，所以計算公式有： 圖5-1 氣壓缸缸底 （式5-7） 式中 ——缸底厚度； ——氣壓缸內徑； ——試驗壓力； ——缸底材料許用應力；選取材料為20無縫鋼管， 。 5.4 氣壓回轉缸的設計 5.4.1 回轉缸內徑的計算 作用在動片上的載荷力矩有以下關系： ， （式5-8） 式中 ——工作阻力矩（） ——所有回轉缸密封處的摩擦阻力矩（）， ， ，； ——參與回轉運動的零部件，在啟動時產生的慣性力矩（）； ； （式5-9） ——齒輪回轉時，在啟動運動過程中的角加速度（）； ——角速度變化量（），； ——啟動過程時間，一般為令； ——參與回轉運動零部件，對回轉軸的轉動慣量（）； ——參與回轉運動的刀柄對重心轉動慣量（）； ——刀柄與機械手的總重量（）； ——刀柄與機械手的重心到回轉軸的距離（） 由理論力學得公式，則 （式5-10） 在這里取0.6MPa 。 作用在動片上的合成壓力矩即驅動力矩， 回轉缸內徑的計算： 根據