數(shù)控機床換刀機械手設(shè)計說明全部.doc

《數(shù)控機床換刀機械手設(shè)計說明全部.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《數(shù)控機床換刀機械手設(shè)計說明全部.doc（50頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 學(xué)生姓名 張彤 學(xué)號 班 級 機制二班 指導(dǎo)教師 職稱 教授 單 位 工程技術(shù)系 畢業(yè)設(shè)計 （論文）題 目 數(shù)控機床換刀機械手的設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計（論文）主要內(nèi)容和要求： 換刀機械手是數(shù)控機床實現(xiàn)自動換刀的重要組成部分。 主要內(nèi)容和要求：根據(jù)數(shù)控機床的使用條件，確定換刀機械手的換刀方式，設(shè)計新型的機 械手抓取方式和動力驅(qū)動方式。并繪制其裝配圖和零件圖。 主要參數(shù)： 手架伸縮液壓缸最大行程： 100mm 夾持工件質(zhì)量： 20kg 換刀過程手架旋轉(zhuǎn)角度： 180 換刀機械手復(fù)位角度： -75 要求：設(shè)計說明書 6000 字以上，裝配圖和零件圖合計三張零號圖紙。 畢業(yè)設(shè)計（論文）

2、主要參考資料： 1 馬香峰. 工業(yè)機器人的操作機設(shè)計. 第 1 版.北京：冶金工業(yè)出版社，1996. 2 何發(fā)昌,邵遠(yuǎn).多功能機器人的原理及應(yīng)用. 第 1 版.北京：高等教育出版社，1996. 3 孟繁華.機器人應(yīng)用技術(shù). 第 1 版.哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1989. 4 機械設(shè)計手冊(第五卷第四十二篇:工業(yè)機器人). 北京: 機械工業(yè)出版社,1992. 5 王啟義.機械制造裝備設(shè)計. 第 1 版. 北京：冶金工業(yè)出版社，2003. 6 馮辛安,黃玉美,杜君文. 機械制造裝備設(shè)計. 第 1 版. 北京: 機械工業(yè)出版社,1999. 7 王愛玲,曾志強. 數(shù)控機床結(jié)構(gòu)及應(yīng)用. 第 1

3、版. 北京: 機械工業(yè)出版社,1999. 8 彭曉南,徐向纮,劉麗冰. 數(shù)控技術(shù). 第 1 版. 北京: 機械工業(yè)出版社,1999. 9 熊光華,富毅和,劉力群. 數(shù)控機床. 第 1 版. 北京: 機械工業(yè)出版社,1999. 畢業(yè)設(shè)計（論文）應(yīng)完成的主要工作： 了解換刀機械手在數(shù)控機床上的應(yīng)用情況，發(fā)現(xiàn)其在使用過程中出現(xiàn)的問題，并根據(jù)現(xiàn)在 機械手的使用弊端設(shè)計新型換刀機械手的總體結(jié)構(gòu)，確定機械手臂的運動路線、抓取方式及動 力驅(qū)動方式，并繪制相應(yīng)的裝配圖和零件圖。 1.進(jìn)行總體方案論證、主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計，零部件的選型及設(shè)計計算等； 2. 完成液壓通用機械手手腕回轉(zhuǎn)、夾緊部件、手臂伸縮運動部件、手臂

4、升降和手臂回轉(zhuǎn) 裝置及夾持式手部的設(shè)計，并完成總裝圖、部件圖、零件圖共折合 2 張 0#圖的繪制。 3.撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書，并打印裝訂成冊。 4完成所布置的科技論文的翻譯及畢業(yè)實習(xí)調(diào)研報告，一律為打印稿。 畢業(yè)設(shè)計（論文）進(jìn)度安排： 序號 畢業(yè)設(shè)計（論文）各階段內(nèi)容 時間安排 備注 1 準(zhǔn)備階段，搜集有關(guān)資料，確定設(shè)計方案 12 月 10 日12 月 20 日 2 撰寫開題報告、文獻(xiàn)綜述、外文翻譯等相關(guān)內(nèi)容 12 月 21 日3 月 12 日 3 完成設(shè)計雛形，定初稿 3 月 12 日3 月 30 日 4 完成設(shè)計說明書 4 月 1 日月 18 日 5 定終稿，完成畢業(yè)設(shè)計 4 月 19 日5

5、 月 4 日 6 完成相關(guān)設(shè)計簡介、答辯提綱，準(zhǔn)備答辯階段 5 月 5 日5 月 14 日 7 畢業(yè)設(shè)計答辯階段 月中旬 課題信息： 課題性質(zhì)： 設(shè)計 論文 課題來源： 教學(xué) 科研 生產(chǎn) 其它 發(fā)出任務(wù)書日期： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 教研室意見： 教研室主任簽名： 年 月 日 學(xué)生簽名： 畢業(yè)設(shè)計開題報告 學(xué)生姓名 張彤 學(xué)號 專業(yè)班級 機制二班 指導(dǎo)教師 職稱 教授 單 位 工程技術(shù)系 課題性質(zhì) 設(shè)計 論文 課題來源 科研 教學(xué) 生產(chǎn) 其它 畢業(yè)設(shè)計題目 數(shù)控機床換刀機械手的設(shè)計 開題報告（闡述課題的目的、意義、研究現(xiàn)狀、研究內(nèi)容、研究方案、進(jìn)度安排、預(yù)期結(jié) 果、參考文獻(xiàn)等） 1.課題

6、研究目的及意義 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 數(shù)控機床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(jìn)行設(shè)計計算，以達(dá)到準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速、可靠換刀的目的。在滿足數(shù)控 機床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)， 以方便數(shù)控機床換刀機械手的加工制造過程。 2.課題研究現(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(jìn) 步 ， 數(shù) 控 機 床 的 品 種 和 質(zhì) 量 均 比

7、以 往 有 所 提 高 ， 部 分 機 床 制 造 主 導(dǎo) 廠 還 開 發(fā) 出 具 有 相 當(dāng) 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(jìn)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)品則較少，而且這些產(chǎn)品 的核心技術(shù)或功能部件，如數(shù)控機床換刀機械手、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(hù)裝置等，還多是由中外合資企業(yè)提供或是從國外進(jìn)口的 1。這 也說明由 于 技 術(shù) 發(fā) 展 的 不 平 衡 ， 在

8、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(jìn) 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(jìn) 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。而換刀機械手則是數(shù)控機 床穩(wěn)定可靠運行的關(guān)鍵功能部件。它的快速、準(zhǔn)確的換刀程序是影響數(shù)控機床發(fā)揮高效、 可靠的加工性能的重要因素。沒有換刀機械手，就不可能有集中工序進(jìn)行加工的數(shù)控機床。 有資料顯示，刀庫和

9、機械手的故障率約占整機故障率的 25%1。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。 數(shù)控機床是備有刀庫，并能自動更換刀具，對工件進(jìn)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(biāo)志的一個方面 2。數(shù)控機床中實現(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。它由存放刀具的刀庫和換刀機構(gòu)組成。作為自動換

10、 刀裝置，它需要滿足換刀迅速、時間短，重復(fù)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 3。 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。數(shù)控機床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，數(shù)控機床的自動換刀 裝置大都采用有機械手換刀方式，因為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)

11、量確定上都比較靈活，機械手?jǐn)?shù)量和換刀形式比較隨意，換刀時間比較短，應(yīng) 用廣泛 4。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 2。 數(shù)控機床換刀機械手作為數(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(dá)到 0.9 秒，BT50 的換刀 時間也達(dá)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。 數(shù)控機床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)夾緊、放松刀具的動

12、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 4。隨著機械加工 業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對數(shù)控機床換刀機械手的需求量會越來越大。 3.研究內(nèi)容： (1)根據(jù)目前常用的數(shù)控機床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(jìn)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實現(xiàn)進(jìn)行分析。 (3)對數(shù)控機床換刀機械手的手指夾緊力進(jìn)行分析與計算，并對其關(guān)鍵部位進(jìn)行校核， 以保證換刀的可靠性。 (4)對設(shè)計中所涉及到的

13、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(jìn)行校核，以保證數(shù)控機床換刀機械手能夠穩(wěn)定、可靠 的完成換刀過程。 (5)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(jìn)行安全校核。 (6)設(shè)計出數(shù)控機床換刀機械手的控制系統(tǒng)部分，完善設(shè)計內(nèi)容。 4.研究方案： 通過閱讀大量參考文獻(xiàn)，了解了數(shù)控機床換刀機械手的優(yōu)缺點。并對其優(yōu)缺點進(jìn)行分 析，根據(jù)其應(yīng)用場合和運動方式，確定最初設(shè)計方案。通過對其結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步分析優(yōu)化， 使其各裝置結(jié)構(gòu)盡可能合理化，再通過對設(shè)計零件的強度校核及整體的干涉檢驗，保證設(shè) 計方案的可行性以及安全穩(wěn)定性。 5.進(jìn)度安排： (1)準(zhǔn)

14、備階段，搜集有關(guān)資料，確定設(shè)計方案（12 月 10 日12 月 20 日） 。 (2)撰寫開題報告、文獻(xiàn)綜述、外文翻譯等相關(guān)內(nèi)容（12 月 21 日3 月 12 日） (3)完成設(shè)計雛形，定初稿（3 月 12 日3 月 30 日） (4)完成設(shè)計說明書（4 月 1 日月 18 日） (5) 定終稿，完成畢業(yè)設(shè)計（4 月 19 日5 月 4 日） (6)完成相關(guān)設(shè)計簡介、答辯提綱，準(zhǔn)備答辯階段（5 月 5 日5 月 14 日） (7)畢業(yè)設(shè)計答辯階段（月中旬） 6.預(yù)期結(jié)果： 本設(shè)計方案在實現(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(zhǔn)確、快速、可靠、穩(wěn)定的換刀。 在一定程度

15、上簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。而對于手指夾緊、手臂伸縮及手架伸縮運動，則采用 液壓驅(qū)動方式，即可以準(zhǔn)確、穩(wěn)定的實現(xiàn)各個運動，還可以通過提高液壓缸的運動速度來 縮短換刀的時間。 7.主要參考文獻(xiàn)： 1 濮良貴、紀(jì)名剛主編. 機械設(shè)計M.高等教育出版社，2000. 2 吳宗澤，羅圣國主編. 機械設(shè)計手冊M.高等教育出版社，2006. 3 孫桓、陳作模主編. 機械原理M.高等教育出版社，2000. 4 張鉞.新型帶式輸送機設(shè)計手冊M.冶金工業(yè)出版社.2001 年 2 月. 5 唐金松.簡明機械設(shè)計手冊（第二版）M.上?？茖W(xué)技術(shù)出版社.2002 年 6 月. 6 機械設(shè)計手冊編寫組.機械設(shè)計手冊M.化學(xué)工業(yè)出版社

16、.2002 年. 7 數(shù)控機床功能部件產(chǎn)業(yè)化 EB/OL., 2004-08-31. 8 范真.數(shù)控機床M.北京：化工工業(yè)出版社，2004：42-45. 9 數(shù)控機床科普知識EB/OL. , 2004-07-8. 10 數(shù)控機床自動換刀系統(tǒng)產(chǎn)品化的研究EB/OL. , 2005-08-03. 11 賈銘新.液壓傳動與控制M. 北京：國防工業(yè)出版社，2001：87-92. 指導(dǎo)教師意見： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 教研室意見： 審 查 結(jié) 果： 同 意 不 同 意 教研室主任簽名： 年 月 日 摘 要 本設(shè)計主要是對數(shù)控機床換刀機械手的設(shè)計。機械手的種類很多，在本次設(shè)計中機 械手選用回轉(zhuǎn)式雙臂

17、機械手。此次設(shè)計主要是對數(shù)控機床換刀機械手手部進(jìn)行設(shè)計，完 成手部各參數(shù)的計算，以及液壓傳動系統(tǒng)中相關(guān)參數(shù)的計算和機械手中軸的計算，還有 液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計。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(jìn)行交換，其動作循環(huán)為：拔刀新舊刀具交換裝刀?；剞D(zhuǎn)式雙臂機械手刀具交 換裝置具有換刀時間短、動作靈活可靠等.應(yīng)用最為廣泛。本設(shè)計也在一定程度上簡化了 換刀機械手的結(jié)構(gòu)，以方便數(shù)控機床換刀機械手的加工制造過程。 關(guān)鍵詞: 數(shù)控機床； 換刀機械手；手部設(shè)計 ABSTRACT The design mainly introduces the design of the robot a

18、bout CNC machine tool change. Many different types of robots, in this design use rotary robot manipulator arms. The design of CNC machine tool change mainly on hand to design robots to complete the calculation of the parameters of the hand, and the hydraulic system related parameters in the calculat

19、ion and the calculation of the robot axes, as well as hydraulic control system design. Its main action is on the machine tool spindle and tool library or tool to send the tool exchange device, the movement cycle are: his sword exchange of old and new tool loaded knife. Rotary tool exchange device ma

20、nipulator arms with the tool change time is short, flexible movement and reliable. It has used widely. This design always simplify the structure of the robot tool changer a certain extent, CNC machine tools to facilitate the processing robot tool changing process. Keywords：CNC machine tools ; Roboti

21、c tool changer; Hand Design 目 錄 1 緒 論 .1 1.1 數(shù)控技術(shù)的基本概念 .1 1.1.1 我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展概況 .1 1.1.2 數(shù)控機床的組成及特點 .1 1.2 數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展 .2 1.3 加工中心的概況 .2 1.3.1 加工中心的定義 .2 1.3.2 加工中心的組成 .2 1.3.3 換刀機械手的發(fā)展現(xiàn)狀 .3 1.3.4 換刀機械手的類型 .4 1.3.5 機械手設(shè)計的目的及意義 .5 1.3.6 確定機械手設(shè)計方案 .6 2 機械手手部的設(shè)計 .7 2.1 機械手手臂和手爪的設(shè)計 .7 2.1.1 手爪口的計算 .7 2.1.2 手

22、爪鎖的設(shè)計與計算 .9 2.2 彈簧的選擇與設(shè)計 .11 2.3 手爪的整體尺寸設(shè)計 .12 3 液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計 .14 3.1 液壓傳動的概述 .14 3.2 液壓缸的設(shè)計 .15 3.2.1 液壓缸的載荷組成及計算 .15 3.2.2 升降缸的設(shè)計 .16 3.2.3 油缸壁厚的設(shè)計 .18 3.2.4 油缸長度的確定 .19 3.2.5 油口直徑的計算 .19 3.2.6 缸底厚度計算（缸底有油孔） .20 3.3 液壓回轉(zhuǎn)缸的設(shè)計 .20 3.3.1 回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑的計算 .20 3.3.2 回轉(zhuǎn)缸壁厚的計算 .23 3.3.3 缸蓋聯(lián)接螺釘計算 .23 3.3.4 動片輸出軸聯(lián)接螺釘計

23、算 .24 4 花鍵軸的設(shè)計 .26 4.1 花鍵軸的計算 .26 4.1.1 軸的材料選擇 .26 4.1.2 軸徑的初步計算 .26 4.1.3 花鍵軸的校核 .27 4.2 軸承的選擇 .28 4.2.1 升降缸中軸承的選擇 .28 4.2.2 對于回轉(zhuǎn)缸的軸承選擇 .30 4.3 法蘭連接的選擇 .30 4.4 升降缸中(液壓缸及活塞桿工作)密封元件 .30 5 機械手液壓控制系統(tǒng)設(shè)計 .31 5.1 液壓系統(tǒng)圖的擬定 .31 5.2 液壓控制元件選用 .32 結(jié) 論 .35 參考文獻(xiàn) .36 致 謝 .37 1 緒 論 1.1 數(shù)控技術(shù)的基本概念 數(shù)控技術(shù)是利用數(shù)字化的信息對機床運動

24、及加工過程進(jìn)行控制的一種方法。用數(shù)控 技術(shù)實施加工控制的機床，或者說裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床稱為數(shù)控(NC)機床。數(shù)控系統(tǒng) 包括：數(shù)控裝置、可編程控制器、主軸驅(qū)動器及進(jìn)給裝置等部分。 1.1.1 我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展概況 回顧數(shù)控技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了兩個階段，六代的發(fā)展歷程。第一個階段叫做 NC 階 段，經(jīng)歷了電子管、晶體管、和小規(guī)模集成電路三代。自 1970 年開始小型計算機開始用 于數(shù)控系統(tǒng)就進(jìn)入了第二個階段，叫做 CNC 階段，成為第四代數(shù)控系統(tǒng)：從 1974 年微處 理器開始用于數(shù)控系統(tǒng)即發(fā)展到第五代。經(jīng)過十多年的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)從性能到可靠性 都得到了根本性的提高。實際上從 20 世紀(jì)末期直

25、到今天，在生產(chǎn)中使用的數(shù)控系統(tǒng)大部 分都是第五代數(shù)控系統(tǒng)。但第五代數(shù)控系統(tǒng)以及以前各代都是一種專用封閉的系統(tǒng)，而 第六代開放式數(shù)控系統(tǒng)將代表著數(shù)控系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，將在現(xiàn)代制造業(yè)中發(fā)揮 越來越重要的作用。 1.1.2 數(shù)控機床的組成及特點 一、數(shù)控機床的組成 以一臺三坐標(biāo)數(shù)控銑床為例,它是由 X、Y、Z 三個坐標(biāo)來實現(xiàn)刀具和工件間的相對運 動的立式數(shù)控銑床.它包括信息輸入,運算控制(數(shù)控裝置),伺服驅(qū)動及檢測反饋,機床本 體,機電接口等部分。 二、數(shù)控機床的特點 數(shù)控機床上一種新型的自動化機床,它具有廣泛的通用性和很高的自動化程度.數(shù)控 機床是實現(xiàn)柔性自動化的關(guān)鍵設(shè)備,是柔性自動生產(chǎn)線的基本

26、單元.數(shù)控機床在如下一些 零件的加工中,更能顯示出它的優(yōu)越性,它們是:小批量而又輪番生產(chǎn)的零件；幾何形 狀復(fù)雜的零件；在加工過程中必須進(jìn)行多種工序加工零件；切削余量大的零件； 必須嚴(yán)格控制公差(即公差帶范圍很小)的零件；工藝設(shè)計會經(jīng)常變化的零件；加工 過程中的錯誤會造成嚴(yán)重浪費的貴重零件；需全部檢測的零件等等。 （一） 按運動控制的特點分類 點位控制數(shù)控機床 對于一些加工孔用的數(shù)控機床,如數(shù)控鉆床,數(shù)控銑床,數(shù)控鏜床,數(shù)控沖床,三坐標(biāo)測量 機,印刷電路板鉆床等。 直線控制數(shù)控機床 直線控制的數(shù)控機床是指控制機床工作臺或刀具以要求的進(jìn)給速度,沿著平行于坐標(biāo) 軸的方向精心直線移動和切削加工.如數(shù)控

27、車床、某些數(shù)控鏜銑床和加工中心等。 輪廓控制的數(shù)控機床 可以加工斜線、曲線、曲面的數(shù)控機床,如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等 （二） 按伺服系統(tǒng)的類型分類 開環(huán)控制的數(shù)控機床 該類機床沒有位置檢測反饋裝置,數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號流向是單向的,精度主要 決定于驅(qū)動元件和電機的性能。 閉環(huán)控制的數(shù)控機床 該類機床數(shù)控裝置中插補器發(fā)出的位置指令信號與工作臺上檢測到的實際位置反饋 信號進(jìn)行比較,根據(jù)其差值不斷控制運動,進(jìn)行誤差修正,直到差值為零停止運動。 1.2 數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，小型計算機應(yīng)用于數(shù)控機床中，由此組成的數(shù)控系統(tǒng)稱為 計算機數(shù)控(CNC)。80 年代末，我國還在

28、一定范圍內(nèi)探索實施 CIM，且取得了一些有益的 經(jīng)驗和教益。90 年代我國加強了自主知識產(chǎn)權(quán)數(shù)控系統(tǒng)的研制工作，而且取得了一定成 效,如在五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、高精度車床數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)字仿形系統(tǒng)、中低檔數(shù)控系統(tǒng)等方 面都取得了較好的成果。實際上從 20 世紀(jì)末期直到今天，在生產(chǎn)中使用的數(shù)控系統(tǒng)大部 分都是第五代數(shù)控系統(tǒng)。但第五代數(shù)控系統(tǒng)以及以前各代都是一種專用封閉的系統(tǒng)，而 第六代開放式數(shù)控系統(tǒng)將代表著數(shù)控系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，將在現(xiàn)代制造業(yè)中發(fā)揮 越來越重要的作用。 1.3 加工中心的概況 1.3.1 加工中心的定義 加工中心(Machining Center)是由機械設(shè)備和數(shù)控組成的使用于加工復(fù)雜

29、形狀工件 的高效率自動化機床。 1.3.2 加工中心的組成 從主體上看，加工中心主要由以下幾部分組成： （1） 基礎(chǔ)部件 基礎(chǔ)部件是加工中心的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，它主要由床身，工作臺，立柱三部分組成。這三 部分不僅要承受加工中心的靜載荷，還要承受切削加工時產(chǎn)生的動載荷。所以要求加工 中心的三大部件必須要有足夠的剛度，因此它們是鑄造而成的。 （2） 主軸部件 主軸部件是由主軸電機，主軸箱，主軸。主軸軸承等部件組成，主軸是加工中心切 削加工的功率輸出部件。它的啟動，停止，變速，變向等動作均是由數(shù)控系統(tǒng)控制的。 主軸的旋轉(zhuǎn)精度和定位的準(zhǔn)確性，是影響加工中心加工精度的重要因素。 （3） 數(shù)控系統(tǒng) 加工中心的數(shù)控

30、系統(tǒng)由 CNC 裝置、可編程序控制器和伺服系統(tǒng)以及面板操作系統(tǒng)組 成，它是執(zhí)行順序控制動作和加工過程的控制中心。CNC 裝置是一種位置控制系統(tǒng)，其控 制過程是根據(jù)輸入的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、插補運算，獲得理想的運動軌跡，然后輸出到 執(zhí)行部件，加工出所需要的零件。 （4） 自動換刀系統(tǒng) 換刀系統(tǒng)主要由刀庫和換刀機械手組成，如需要進(jìn)行換刀時，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令， 由機械手從刀庫中取出所需要的刀具裝入主軸孔內(nèi)，然后再把換下來的刀具放入刀庫。 （5） 輔助裝置 包括潤滑、冷卻、防護(hù)、排屑、渡壓、氣動和檢測系統(tǒng)等部分。這部分雖然不直接 參與切削運動，但是也是加工中心不可缺少的部分。對加工中心的加工精度、加工效

31、率 和可靠性起著保障作用。 1.3.3 換刀機械手的發(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(jìn)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(dǎo)廠還開發(fā)出具有相當(dāng)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(jìn)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

32、電主軸，數(shù)控刀架乃至高速安全防護(hù)裝置等，還多是由中外合資企業(yè)提供或 是從國外進(jìn)口的 1。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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)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。沒有換刀機械手，就不可能有集中工序進(jìn) 行加工的加工中心。有資料顯示，刀庫和機械手

33、的故障率約占整機故障率的 25%1。 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(jìn)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(biāo)志的一個方面 2。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。它由存放刀具的刀庫和 換刀機構(gòu)組成。作為自動換刀

34、裝置，它需要滿足換刀迅速、時間短，重復(fù)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 3。 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， 加工中心的自動換刀裝置大都采用有機械手換刀方式，因為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

35、定上都比較靈活，機械手?jǐn)?shù)量和換刀形式比 較隨意，換刀時間比較短，應(yīng)用廣泛 4。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 2。 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(dá)到 0.9 秒， BT50 的換刀時間也達(dá)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)夾緊、放松刀具的動作

36、。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 4。 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。 1.3.4 換刀機械手的類型 自動換刀裝置由刀庫、換刀機械手、刀具傳送裝置、刀具編碼裝置、識刀器等五 個部分組成。在自動換刀數(shù)控機床中，機械手的形式也是多種多樣，常見的有以下形 式。 （1） 單臂單爪回轉(zhuǎn)式機械手 這種機械手的手臂可以回轉(zhuǎn)不同的角度來進(jìn)行自動換刀，其手臂上只有一個卡爪， 不論在刀庫上或是在主軸上，均靠這個卡爪來裝刀及卸刀，因此換刀時間較長，如圖 2-1a 所示。 （2） 單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機械手 這種

37、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(wù)，另一個卡爪則執(zhí)行由刀庫取出“新刀”送到主軸的任務(wù)。 其換刀時間較上述單爪回轉(zhuǎn)式機械手要少，如圖 2-1b 所示。 （3） 雙臂回轉(zhuǎn)式機械手 這種機械手的兩臂上各有一個卡爪，兩個卡爪可同時抓取刀庫及主軸上的刀具， 回轉(zhuǎn) 180后又同時將刀具放回刀庫及裝入主軸。這種機械手換刀時間較以上兩種單械 手均短，是最常用的一種形式。圖 2-1c 右邊的機械手在抓取或?qū)⒌毒咚腿氲稁旒爸?軸上，兩臂可伸縮。 （4） 雙機械手 這種機械手相當(dāng)于兩個單臂單爪機械手，它們互相配合進(jìn)行自動換刀。其中一個 機械手從主軸上取下“

38、 舊刀 ”送回刀庫，另一個由刀庫中取出 “新刀”裝入機床主軸，圖 2-1d 所示。 （5） 雙臂往復(fù)交叉式機械手 這種機械手的兩手臂可以往復(fù)運動，并交叉成一定的角度。一個手臂從主軸上取 下“舊刀”送回刀庫，另一個手臂由刀庫中取出 “新刀” 裝入主軸。整個機械手可沿某導(dǎo) 軌直線移動或繞某個轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)由刀庫與主軸間的運刀工作，如圖 2-1e 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與前幾種不同。前幾種機械手均靠夾緊刀柄的外圓 表面來抓取刀具，這種機械手則是靠夾緊刀柄的兩個端面來抓取的，如圖 2-1f 所示。 最常用的一種換刀機械手形式，動作簡單。 圖 2-1 機械手的

39、形式 1.3.5 機械手設(shè)計的目的及意義 本設(shè)計主要是在實現(xiàn)手指夾緊、手架伸縮以及手架旋轉(zhuǎn)運動的基礎(chǔ)上，為數(shù)控機 床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(jìn)行設(shè)計計算，以達(dá)到準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速、可靠換刀的目的。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)，以方便數(shù)控機床換刀機械手的加工制造過程。 1.3.6 確定機械手設(shè)計方案 單臂單爪回轉(zhuǎn)式機械手（圖 2-1a）和單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機械手 (圖 2-1b)換刀時間長。 雙機械手（圖 2-1d）相對比較復(fù)雜，雙臂往復(fù)交叉式機械手（圖 2-1e）手指部分的整體

40、 也質(zhì)量比較大，這就會使手臂伸縮液壓缸的負(fù)載很大。雙臂端面夾緊式機械手(圖 2-1f)為 保證活塞桿的強度和穩(wěn)定性，需要將手臂伸縮液壓缸的尺寸設(shè)計得大一些，那么手架旋 轉(zhuǎn)軸的負(fù)載也會變大，使得加工中心換刀機械手的整體結(jié)構(gòu)不會很緊湊，占用的空間也 較大.而雙臂回轉(zhuǎn)式機械手（圖 2-1c）換刀時間較以上兩種單械手均短，換到靈活時間段。 通過上面六種機械手的比較雙臂回轉(zhuǎn)式機械手更符合換刀時間短、動作靈活可靠的要求。 2 機械手手部的設(shè)計 2.1 機械手手臂和手爪的設(shè)計 2.1.1 手爪口的計算 加工中心供自動刀具交換裝置使用的是通用刀柄 N0.40；N0.45 ；N0.50 三種類型，我 本次設(shè)計的

41、是小型加工中心,故選用 N0.40。其型式如下圖所示 ,尺寸如表 2-1 所示。 表 2-1 自動換刀機床用 7:24 圓錐刀具柄部尺寸(GB/T 10944-1989) 錐 體 螺 紋 孔 凸 緣柄 部 型 號 D1 1lR 2l34ld1 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 凸 緣 其 他 D3部 型 號 x y f t t1 j b R2 一般 特 殊 e D6 40 # 3.75 3.2 15.9 22.8 25 18.5 16.1 1 44.7 50 35 72.3 圖 2-1

42、刀具結(jié)構(gòu)與尺寸 因為 ，故測量與刀柄槽相對位置如圖 2-2 所示。6572.306.58.7D 圖 2-2 測量與刀柄槽相對位置 兩測量棒中心距為 ，故672.3065.D.306.5.872DOP” 1.cosOP7.52 由圖 2-2 可知： sin60P60Otg1.752()2(.8tan60)7.sinYPP4. 2.tan60tDhX 則手爪口的型式與尺寸與 N0.40 相匹配。如圖 2-3 所示， 圖 2-3 手爪口結(jié)構(gòu)圖形 54 2.86703.516.XmYDb 這里應(yīng)該有 ( 按彈簧鎖輪結(jié)構(gòu)取 )。Ff 2.1.2 手爪鎖的設(shè)計與計算 當(dāng)?shù)侗皇肿ψプ。吹毒咻S線與手爪口中

43、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，其形式如圖 2-4 所示， 圖 2-4 刀具與銷的配合圖 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(zhuǎn)，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(dá)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(jìn)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(jié)束，可以進(jìn)行拔刀動作，而在抓刀時，整個機械手旋轉(zhuǎn)角度較小，故刀柄壓 活動銷受力簡化等效如圖 2-5 所示。

44、 圖 2-5 手爪結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，機械手由原始位置轉(zhuǎn)過 90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 3 彈起，使 活動銷 4 頂住刀具不能后退，這樣機械手在回轉(zhuǎn) 時，刀具不會甩出。當(dāng)機械手上升18 插刀時，長銷又被擋塊壓下，松開刀具，機械手便可反轉(zhuǎn)復(fù)位。設(shè)計手爪口端點 到手3O 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， （1F2 與手爪中心軸的夾角）逐漸減小， 逐漸增大， 逐漸減小至 、 、 三點

45、一線2O1 2 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，1F21F 不應(yīng)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，21 過大也會阻礙刀柄進(jìn)入手爪口， 不應(yīng)過小，過小 就會偏大， 就會偏小，鎖輪2 2F 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）5 ，則有：1dm 51237.DdOm 活動銷的滾輪中心到手爪中心軸線的垂直距離為： 212sin5.96O ， 12cos534.26Om 則活動銷的行程 a： 1237.54.263.59O 活動銷上的行程槽應(yīng)大于活動銷行程加上長銷直徑，根據(jù)機械設(shè)計手冊選取長

46、銷直徑 。02.17d 則行程槽長： （取 ） ，卡銷材料為 35 鋼，熱處理硬度210.4ldam14l ，表面氧化處理的 A 型圓柱銷（GB119-86）卡銷直徑選 8mm (由機械設(shè)計課83HRC 程設(shè)計手冊第二版，吳宗澤主編)根據(jù)配合原理，則行程槽寬 。我們可以設(shè)活動銷0.18b 主體寬 ，高 ，長 ，活動銷尾部到鎖輪輪子中心距 。21bm25h2l 348lm 2.2 彈簧的選擇與設(shè)計 彈簧主要分為拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)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(shè)計中彈簧受到的壓力 不大，選擇材料為類碳素彈簧鋼絲，普通圓柱螺旋彈簧鋼絲，初選直徑 。彈1.4dm 簧中徑 （GB/1358-78）查表 30.2-4 的許用應(yīng)力 ，切面模量29Dm 0.4Pb80GPa 。又根據(jù)彈簧材料直徑 ，由表 30.2-4 得，彈簧鋼絲的抗拉強度1.4dm 。163bM0.4.863752bMa 那么旋繞比 ,曲度系數(shù)由7得 ,所以得出彈簧能夠承載29.C1.23k 的最大載荷 n