數(shù)控鏜銑加工中心自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期報(bào)告
題目：數(shù)控鏜銑加工中心
自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
1 設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)展情況
通過查閱書籍資料，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的選擇和計(jì)算。
查閱相關(guān)資料，了解到換刀機(jī)械手的組成結(jié)構(gòu)，主要工作參數(shù)以及各結(jié)構(gòu)的作用設(shè)計(jì)理論。結(jié)合資料所示各參數(shù)計(jì)算方法，對相關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算。
1.1 換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)主要參數(shù)的設(shè)計(jì)選取
1.1.1 機(jī)械手夾緊力計(jì)算
由于選取的是用活動(dòng)銷夾緊刀具的機(jī)械手，所以計(jì)算夾緊力，則需要計(jì)算活動(dòng)銷的行程，確定所需彈簧尺寸。同時(shí)，活動(dòng)銷對刀具的夾緊力是由彈簧的反力來提供的，所以根據(jù) P=-F=-kx 可以計(jì)算出夾緊力。同時(shí)還要考慮到摩擦力以及運(yùn)動(dòng)中的慣性。
1.1.2軸與機(jī)械手配合部分的直徑的確定
由于軸是重要的零件所以材料選用為45鋼，在軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通常用公式根據(jù)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度來初步估算軸徑。則可以得到公式，這時(shí)確定式中各項(xiàng)的值，便可以求出軸徑。
1.1.3手部與軸連接螺栓的確定
機(jī)械手的手部是通過螺栓連接在軸上的，選用普通的螺栓來連接，在這里擬采用四個(gè)螺栓組成的螺栓組來連接的，由于這4個(gè)螺栓同時(shí)受到的力F以及力矩的作用，因?yàn)樵诖瞬捎玫氖瞧胀菟ǎ梢缘贸鲆粋€(gè)螺栓的受力情況，由 得預(yù)緊力，因?yàn)檫x材為中碳鋼，此時(shí)可得到螺栓的許用拉應(yīng)力，從而根據(jù)螺栓的危險(xiǎn)截面拉伸條件公式，可以得出螺栓直徑，需要考慮到的是，為了保證在使用過程中的安全可靠，在實(shí)際的選用中螺栓的直徑應(yīng)大些。
1.1.4機(jī)械手轉(zhuǎn)過75°驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
這個(gè)機(jī)構(gòu)由一個(gè)液壓缸、齒輪條、齒輪以及連接盤、連桿組成的，當(dāng)發(fā)出機(jī)械手抓刀信號時(shí)，液壓缸的后腔就通入液壓油，活塞桿推動(dòng)著齒輪條向前移動(dòng)，使得齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，帶動(dòng)連接盤與連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，而連桿通過花鍵連在機(jī)械手上，所以當(dāng)活塞通入液壓油的時(shí)候，機(jī)械手就能相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)。
根據(jù)每個(gè)動(dòng)作的平均時(shí)間，和齒輪的齒數(shù)，可以求得齒輪的分度圓直徑，也就是在轉(zhuǎn)過75°時(shí)間里齒條所走的長度，由此算出活塞桿的速度，從而得到液壓缸的活塞直徑。
1.1.5確定齒輪齒條
由于我選用的都是標(biāo)準(zhǔn)齒輪，壓力角為20°。由于齒輪齒條是配合運(yùn)動(dòng)的，所以它們的齒距是一樣的，最后齒條的計(jì)算結(jié)果要考慮到多留出的部分以及齒輪與齒條的齒數(shù)互為質(zhì)數(shù)。
1.1.6機(jī)械手轉(zhuǎn)過180°驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
此機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與機(jī)械手轉(zhuǎn)過75°的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方式相同。
1.1.7插拔刀具的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
當(dāng)需要夾刀具時(shí)，液壓缸的上腔通入液壓油，使液壓缸的活塞向下運(yùn)動(dòng)，把機(jī)械手帶到夾刀具和拔刀具的位置，完成這個(gè)動(dòng)作以后，就要拔刀具了，這個(gè)時(shí)侯下腔通入液壓油，使得活塞向上運(yùn)動(dòng)。只要選擇合適的液壓缸的行程就可以達(dá)到預(yù)定位置。
1.1.8整體機(jī)構(gòu)
通過前幾章的論述，最終設(shè)計(jì)出的機(jī)械手的總體裝配方案如圖1所示
圖 1 換刀機(jī)械手裝配圖
1—機(jī)械手手臂；2—傳動(dòng)軸；3—齒條滑軌；4—換位齒條；5—換位盤；6—下銷；7—機(jī)架；
8—齒條滑軌；9—抓刀齒條；10—液壓缸；11—活塞；12—聯(lián)接蓋；13—聯(lián)接套；14—推力軸承；15—抓刀齒輪；16—孔板；17—抓刀盤；18—上銷；19—從動(dòng)盤；20—盤；21—換位齒輪
1.2 完成外文翻譯資料。
2 存在的問題及解決措施
在設(shè)計(jì)計(jì)算的過程中，對于計(jì)算的具體順序不太明確，以及各零件的材料選用不熟悉。每個(gè)零件之間的配合過程，具體的接觸，傳動(dòng)過程中導(dǎo)致的誤差的估算，還有就是對計(jì)算中所使用的各種公式的不熟悉。這些問題通過查找相關(guān)文獻(xiàn)及資料得到了有效的解決。
3 后期工作安排
11周：完善該機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算；
12～15周：完成該機(jī)械手的裝配圖；
16～18周：完成論文的撰寫，準(zhǔn)備答辯；
指導(dǎo)教師簽字：
年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告
題目：數(shù)控鏜銑加工中心
自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
1 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）綜述
1.1題目背景、研究意義
一個(gè)零件往往需要進(jìn)行多工序的加工，而單功能的數(shù)控機(jī)床，只能完成單工序的加工，如車、鉆、銑等。因此，在制造一個(gè)零件的過程中，大量的時(shí)間用于更換刀具、裝卸零件、測量和搬運(yùn)零件等非加工時(shí)間上，切削時(shí)間僅僅占整個(gè)工時(shí)中的較小比例。為了縮短非切削時(shí)間，提高工作效率，我們便設(shè)計(jì)了帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的加工中心。
加工中心（Machining Center,MC）是適應(yīng)省力、省時(shí)和節(jié)能的時(shí)代要求而迅速發(fā)展起來的自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床，它是綜合了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、拖動(dòng)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、測量及傳感技術(shù)以及通信診斷、刀具和編程技術(shù)的高科技產(chǎn)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(diào)整時(shí)間，減少工件周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)存放時(shí)間，使機(jī)床的切削利用率高于通用機(jī)床3倍～4倍，所以說，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且是數(shù)控機(jī)床中生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度最高的綜合性機(jī)床[1]。
1.2國內(nèi)外相關(guān)研究情況
未來加工中心的發(fā)展動(dòng)向是高速化、進(jìn)一步提高精度和愈發(fā)完善的機(jī)能。加工中心是數(shù)控機(jī)床的代表，是高新技術(shù)集成度高的典型機(jī)電一體化機(jī)械加工設(shè)備，我國的加工中心從70年代開始，已有很大發(fā)展，但技術(shù)、品種和數(shù)量上都還遠(yuǎn)不能適應(yīng)我國經(jīng)濟(jì)、技術(shù)發(fā)展的需要[2]。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，推動(dòng)了模具制造業(yè)、機(jī)械加工業(yè)的巨大發(fā)展，使得數(shù)控機(jī)床的使用越來越普遍，而加工中心更是以其高自動(dòng)化程度得到廣泛應(yīng)用。然而，目前市場上生產(chǎn)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(jī)械加工業(yè)、小型模具的制造、工科院校、技工學(xué)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(jìn)一步加強(qiáng)對加工中心的研究、設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用[3]。
在加工中心中，刀庫和機(jī)械手組成自動(dòng)換刀裝置（Automatic Tool Changer,簡稱ATC），而自動(dòng)換刀裝置的好壞，將直接影響加工中心的好壞，從目前情況看，加工中心的主機(jī)部分基本定型，變化不大，但自動(dòng)換刀裝置種類繁多，五花八門，是最難搞好的部分[4]。它是加工中心的象征，又是加工中心成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此各加工中心制造廠家都在下大力研制動(dòng)作迅速、可靠性高的自動(dòng)換刀裝置，以求在激烈的競爭中取得好效益，正因?yàn)樽詣?dòng)換刀裝置是加工中心的核心內(nèi)容，各廠家都在保密，極少公開有關(guān)資料，尤其機(jī)械手這部分更是如此。
目前常見的換刀機(jī)械手類型如下：
（1）單臂單手式機(jī)械手 結(jié)構(gòu)較簡單，換刀各動(dòng)作均需順序進(jìn)行，時(shí)間不能重合，故換刀時(shí)間較長。
（2）雙手式機(jī)械手 向刀庫還回用完的刀具和選取新刀，均可在主軸正在加工時(shí)進(jìn)行，故換刀時(shí)間可較短。
（3）雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 這類機(jī)械手可以同時(shí)抓住和拔、插位于主軸和刀庫里的刀具。與單臂單手式機(jī)械手相比，可以縮短換刀時(shí)間。應(yīng)用最廣泛，形式也較多。
（4）多手式機(jī)械手 使用者較少。
2 主要研究內(nèi)容、擬采用的研究方案、研究方法或措施
2.1主要設(shè)計(jì)內(nèi)容：
縮短機(jī)械手換刀的時(shí)間、保持工作平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確。從而提高生產(chǎn)效率。
2.2研究方案：
2.2.1手的驅(qū)動(dòng)方式的選擇
（1）液壓驅(qū)動(dòng)
通常擁有很大的抓舉能力，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)作平穩(wěn)，耐沖擊，耐振動(dòng)，防爆好，但液壓組件要求有較高的制造精度和密封性能，否則漏油將污染環(huán)境。
（2）氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)
特點(diǎn)是電源方便，動(dòng)作迅捷，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)較低，維修方便。但是難以進(jìn)行速度控制，氣壓不可太高，故抓舉能力較低。
（3）電動(dòng)驅(qū)動(dòng)
電力驅(qū)動(dòng)是目前使用最多的一種驅(qū)動(dòng)方式。其特點(diǎn)是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)力較大，信號檢測、傳遞、處理方便，并可采用多種靈活控制方案。由于電機(jī)速度較高，通常必須采用減速機(jī)構(gòu)，而且成本上也較其他兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高。
由于本設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)需要要求換刀時(shí)間短、工作平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確，故選擇液壓驅(qū)動(dòng)。
2.2.2機(jī)械手的組成及運(yùn)動(dòng)
本課題研究采用的是雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手。這種機(jī)械手的拔刀、插刀動(dòng)作，大都由油缸動(dòng)作來完成。手臂的回轉(zhuǎn)動(dòng)作，則通過活塞的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪齒條來實(shí)現(xiàn)。機(jī)械手臂的不同回轉(zhuǎn)角度，是由活塞的可調(diào)行程來保證。圖1為該機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)示意圖。整個(gè)機(jī)械手主要由: 行程開關(guān), 擋環(huán),齒輪, 連接盤, 銷子, 傳動(dòng)盤, 升降液壓缸, 滑軸, 齒條,轉(zhuǎn)位液壓缸, 機(jī)械手組成。其工作原理為: 上、下兩個(gè)液壓缸分別驅(qū)動(dòng)兩組齒輪齒條實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng); 為了保證上下兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)互不干擾, 中間采用一根滑軸上固接一個(gè)傳動(dòng)盤的結(jié)構(gòu), 傳動(dòng)盤與齒輪通過銷來傳遞運(yùn)動(dòng), 機(jī)械手換刀動(dòng)作到位與否則是通過行程開關(guān)來檢測, 外加檔塊進(jìn)行限位, 從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的自動(dòng)換刀功能。如圖2所示。
圖1雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手
1,3,7,9,13,14為行程開關(guān)； 2,6,12為擋環(huán)； 4,11為齒輪 ；5為連接盤；8為銷子；10為傳動(dòng)盤；15為升降液壓缸；16為滑軸；17,19為齒條；18,20為轉(zhuǎn)位液壓缸；21為機(jī)械手；
圖2機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖
在換刀過程中，機(jī)械手要完成準(zhǔn)備、抓刀、拔刀、交換主軸上和刀座上的刀具、插刀和復(fù)位等動(dòng)作，機(jī)械手的全部動(dòng)作均由液壓油缸控制。
刀具安裝在標(biāo)準(zhǔn)的刀柄中，本次設(shè)計(jì)采用7：24錐度的刀柄；最大刀具長度300mm，最大刀具直徑100mm，最大刀具重量8kg，刀具材料為高速鋼，如圖3所示。
圖3刀具結(jié)構(gòu)圖
機(jī)械手兩端各有一個(gè)手爪，手爪的抓刀圓弧部分各有各有一個(gè)錐銷，機(jī)械手抓刀時(shí)，錐銷插入刀柄鍵槽內(nèi)，由活動(dòng)銷在彈簧力的作用下頂住刀柄，使刀柄固定，機(jī)械手能同時(shí)抓取和裝卸刀庫和主軸上的刀具，動(dòng)作簡單，效率高，換刀時(shí)間短。
其換刀過程如下，如圖4圖5所示:
a. 刀套轉(zhuǎn)90°: 換刀之前, 刀庫2 轉(zhuǎn)動(dòng)將待換刀具5送到換刀位置, 之后把帶有刀具5的刀套4向下翻轉(zhuǎn)90°, 使得刀具軸線與主軸軸線平行。
b. 機(jī)械手轉(zhuǎn)90°:兩手分別抓住刀庫和主軸3上的刀柄。
c. 刀具松開: 刀具的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)松開刀具。
d. 機(jī)械手拔刀: 機(jī)械手臂下降, 同時(shí)拔出兩把刀具。
e. 機(jī)械手轉(zhuǎn)180°:使主軸刀具與刀庫刀具交換位置。
f. 機(jī)械手插刀: 機(jī)械手上升, 分別把刀具插入主軸錐孔和刀套中。
g. 刀具夾緊: 刀具插入主軸的錐孔后, 刀具的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)夾緊刀具。
h. 機(jī)械手松刀: 機(jī)械順時(shí)針轉(zhuǎn)90°, 回到原始位置。
i. 刀套向上翻轉(zhuǎn)90°:刀套帶著刀具向上翻轉(zhuǎn)90°,為下一次選刀做準(zhǔn)備。
圖4械手的換刀示意圖
圖5機(jī)械手手部換刀過程簡圖
3 本課題研究的重點(diǎn)難點(diǎn)以及展開的工作
本課題的重點(diǎn)是：保證各個(gè)結(jié)構(gòu)之間的相互合理配合，使之能連續(xù)工作，有節(jié)奏，安全地成產(chǎn)。
難點(diǎn)是：機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)與計(jì)算，機(jī)械手手部的設(shè)計(jì)與計(jì)算，機(jī)械手傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，以及各個(gè)過程參數(shù)的確定，繪制圖形。
前期已經(jīng)展開的工作：網(wǎng)上查閱有關(guān)書籍和資料，確定設(shè)計(jì)的大致方向，了解換刀機(jī)械手的大體結(jié)構(gòu)和工作原理。
4 工作方案及進(jìn)度計(jì)劃
1～3周：調(diào)研并收集資料；
3～6周：閱讀資料，分析該機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，并完成結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)；
7～11周：完成該機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算；
12～15周：完成該機(jī)械手的裝配圖和仿真；
16～18周：完成論文撰寫，準(zhǔn)備答辯；
指導(dǎo)教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見）
指導(dǎo)教師： 年 月 日
所在系審查意見：
系主管領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日
參考文獻(xiàn)
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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目：數(shù)控鏜銑加工中心自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)
的設(shè)計(jì)
數(shù)控鏜銑加工中心自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
摘 要
隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，自動(dòng)化程度迅速提高，在自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域中，工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的。工業(yè)機(jī)械手的是從工業(yè)機(jī)器人中分支出來的。其特點(diǎn)將預(yù)期的作業(yè)任務(wù)通過編程來完成，它分別具備了人和機(jī)器在構(gòu)造和性能上的優(yōu)點(diǎn)，人對環(huán)境的適應(yīng)性及智能性尤其得到了體現(xiàn)。機(jī)械手的準(zhǔn)確性，對環(huán)境的適應(yīng)性保證了其能在各種情況下完成工作，機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，其自由度多方向性的特點(diǎn)，保證其可以在不同的環(huán)境中搬運(yùn)物體，完成工作任務(wù)。
本論文設(shè)計(jì)的是V116B型數(shù)控鏜銑加工中心使用的采用液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)-液機(jī)械手自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)。在有機(jī)械手換刀的過程中，使用一個(gè)機(jī)械手將加工完畢的刀具從主軸中拔出，與此同時(shí)，另一機(jī)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。該自動(dòng)換刀裝置由刀庫和換刀機(jī)械手組成。刀庫采用盤形結(jié)構(gòu)，機(jī)械手選用回轉(zhuǎn)式雙臂機(jī)械手。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手；加工中心；自動(dòng)換刀裝置
The design of Automatic Tool Changer of Numerical Control Boring & Milling Machine Center
Abstract
With the rapid development of China's industrial production, the rapid increase in the degree of automation in the field of automation and industrial robot is developed in recent decades . Industrial robots are branching out from the industrial robot . Its characteristics will be expected to complete their tasks by programming , which respectively have the advantage of man and machine in the structure and performance, adaptability and intelligent people , especially the environment has been reflected . The accuracy of the robot , and adaptability to the environment to ensure that the multifunction machine to complete its work in a variety of situations , a robot positioning control can be automated and can be re -programmed to change its freedom of multi- directional characteristics ensure that it can carry an object in a different environment, complete the tasks .
In this paper, the design is the use of hydraulically driven machine V116B CNC milling centers use - robot design solution for automatic tool changer . In a mechanical hand tool change process, the use of a mechanical hand finished processing tool pulled from the spindle , while the other robot in the magazine will be on standby tool from the magazine pulled out , and then the two switched positions , complete the tool change process. The automatic tool changer from the magazine and gripper components. The magazine uses a disk-shaped structure, selection of rotary robot manipulator arm .
Key Words: Manipulator；Machining Centers,；Automatic Tool Changer
目 錄
1 緒論 1
1.1概述 1
1.2加工中心概述 2
1.2.1加工中心的分類及結(jié)構(gòu)組成 2
1.2.2加工中心的加工工藝特點(diǎn) 3
1.3 機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀 4
1.4 機(jī)械手的分類 5
1.4.1 工業(yè)機(jī)械手研究趨勢 8
1.5 自動(dòng)換刀機(jī)械手主要功能 8
1.6 設(shè)計(jì)工具 8
2 總體方案的設(shè)計(jì) 9
2.1 初定換刀裝置的設(shè)計(jì)參數(shù) 9
2.1 換刀機(jī)械手抓刀部分結(jié)構(gòu) 10
2.3 機(jī)械手軸的設(shè)計(jì) 10
2.4 機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 11
2.5 自動(dòng)換刀過程的動(dòng)作順序 12
2.5 自動(dòng)換刀裝置的相關(guān)技術(shù)要求 13
2.6 換刀機(jī)械手的液壓控制 14
3 換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)計(jì)算 15
3.1 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 15
3.1.1 手指夾緊力的計(jì)算 15
3.2 手臂的彎曲變形 15
3.3 軸與機(jī)械手配合部分的直徑的選取 17
3.4 手部與軸連接螺栓的確定 18
3.5 機(jī)械手轉(zhuǎn)過75度的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
3.5.1 回轉(zhuǎn)液壓缸的計(jì)算 19
3.5.2 確定齒輪齒條機(jī)構(gòu)其它尺寸 20
3.6 機(jī)械手轉(zhuǎn)過180度的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 21
3.6.1 回轉(zhuǎn)液壓缸的計(jì)算 21
3.6.2 確定齒條尺寸 22
3.7 升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 22
4 結(jié)論 24
參考文獻(xiàn) 25
致謝 26
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 27
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明 28
IV
西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
1 緒論
1.1概述
一個(gè)零件往往需要進(jìn)行多工序的加工，而單功能的數(shù)控機(jī)床，只能完成單工序的加工，如車、鉆、銑等。因此，在制造一個(gè)零件的過程中，大量的時(shí)間用于更換刀具、裝卸零件、測量和搬運(yùn)零件等非加工時(shí)間上，切削時(shí)間僅僅占整個(gè)工時(shí)中的較小比例。為了縮短非切削時(shí)間，提高工作效率，我們便設(shè)計(jì)了帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的加工中心。
加工中心（Machining Center,MC）是適應(yīng)省力、省時(shí)和節(jié)能的時(shí)代要求而迅速發(fā)展起來的自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床，它是綜合了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、拖動(dòng)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、測量及傳感技術(shù)以及通信診斷、刀具和編程技術(shù)的高科技產(chǎn)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(diào)整時(shí)間，減少工件周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)存放時(shí)間，使機(jī)床的切削利用率高于通用機(jī)床3倍～4倍，所以說，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且是數(shù)控機(jī)床中生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度最高的綜合性機(jī)床[1]。
未來加工中心的發(fā)展動(dòng)向是高速化、進(jìn)一步提高精度和愈發(fā)完善的機(jī)能。加工中心是數(shù)控機(jī)床的代表，是高新技術(shù)集成度高的典型機(jī)電一體化機(jī)械加工設(shè)備，我國的加工中心從70年代開始，已有很大發(fā)展，但技術(shù)、品種和數(shù)量上都還遠(yuǎn)不能適應(yīng)我國經(jīng)濟(jì)、技術(shù)發(fā)展的需要[2]。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，推動(dòng)了模具制造業(yè)、機(jī)械加工業(yè)的巨大發(fā)展，使得數(shù)控機(jī)床的使用越來越普遍，而加工中心更是以其高自動(dòng)化程度得到廣泛應(yīng)用。然而，目前市場上生產(chǎn)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(jī)械加工業(yè)、小型模具的制造、工科院校、技工學(xué)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(jìn)一步加強(qiáng)對加工中心的研究、設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用[3]。
在加工中心中，刀庫和機(jī)械手組成自動(dòng)換刀裝置（Automatic Tool Changer,簡稱ATC），而自動(dòng)換刀裝置的好壞，將直接影響加工中心的好壞，從目前情況看，加工中心的主機(jī)部分基本定型，變化不大，但自動(dòng)換刀裝置種類繁多，五花八門，是最難搞好的部分。是加工中心的象征，又是加工中心成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此各加工
26
的競爭中取得好效益，正因?yàn)樽詣?dòng)換刀裝置是加工中心的核心內(nèi)容，各廠家都在保密，極少公開有關(guān)資料，尤其機(jī)械手這部分更是如此。
1.2加工中心概述
1.2.1加工中心的分類及結(jié)構(gòu)組成
a. 加工中心的分類
按照空間來分類，可以分為兩大類，立式加工中心和臥式加工中心。立式加工中心為加工中心的主軸在空間處于垂直狀態(tài)的，臥式加工中心主軸，其在空間處于水平狀態(tài)的[5]。
復(fù)合加工中心，也可以稱為立臥式加工中心或五面加工中心，其含義是主軸可作垂直和水平轉(zhuǎn)換的。加工中心立柱的數(shù)量分為單柱式和雙柱式。
按加工中心運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)數(shù)和同時(shí)控制的坐標(biāo)數(shù)分：有三軸二聯(lián)動(dòng)、三個(gè)軸三種聯(lián)動(dòng)、四軸三聯(lián)動(dòng)、五軸四聯(lián)動(dòng)、六軸五聯(lián)動(dòng)等。三軸、四軸是指加工中心具有的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)數(shù)，聯(lián)動(dòng)是指控制系統(tǒng)可以同時(shí)控制運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)刀具相對工件的位置和速度控制。
按工作臺的數(shù)量和功能分：有單工作臺生產(chǎn)制造中心、雙工作臺加工中心，和多工作臺加工中心。
按加工精度分：普通、高精度兩種加工中心。普通加工中心，分辨率為1μm，最大進(jìn)給速度15～25m／min，定位精度l0μm左右。高精度加工中心、分辨率為0.1μm，最大進(jìn)給速度為15～100m／min，定位精度為2μm左右。介于2～l0μm之間的，以±5μm較多，可稱精密級。
b. 加工中心的結(jié)構(gòu)組成
加工中心自問世至今已有30多年，世界各國出現(xiàn)了各種類型的加工中心，雖然外形結(jié)構(gòu)各界，但從總體來看主要由以下幾大部分組成。
基礎(chǔ)部件 這是一個(gè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)加工中心，按在床上，列和表格等，這主要是受到靜電負(fù)荷加工中心和切削加工過程中產(chǎn)生的負(fù)載，它必須具有足夠的剛度。這些大件可以是鑄鐵件也可以是焊接而成的鋼結(jié)構(gòu)件，它們是生產(chǎn)制造中體積和重量最大的部件。
（1） 主軸部件 由主軸電動(dòng)機(jī)、主軸箱、主軸軸承和主軸等零部件行成。主軸的啟、停和變速等動(dòng)作均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并且通過裝在主軸上的刀具參與切削運(yùn)動(dòng)，是切削加工的功率輸出部件。
（2） 數(shù)控系統(tǒng) 加工的數(shù)控部位是由數(shù)控裝置，可編程控制器，伺服驅(qū)動(dòng)器和控制面板等組成。這是執(zhí)行的操作控制中心，并完成以控制過程。
（3） 自動(dòng)換刀系統(tǒng) 它的組成部分是由刀庫、機(jī)械手等。當(dāng)有需求換刀的時(shí)候，就會(huì)通過數(shù)控來發(fā)出命令，由機(jī)器人從刀具庫中刪除刀具裝入主軸孔。
（4） 輔助裝置 包括渦滑、冷卻、排屑、防護(hù)、液壓、氣動(dòng)和檢測體系等的。雖然輔助體系不直接參與運(yùn)動(dòng)，但是他卻對加工效率，精度和準(zhǔn)確性有著很重要的保證作用，所以他是不可缺少的部分[6]。
1.2.2加工中心的加工工藝特點(diǎn)
數(shù)控加工靈活，自動(dòng)化程度高，特別適合于加工的曲線復(fù)雜的輪廓形狀，曲面零件，和具有大量復(fù)雜的孔的外殼，槽加工，棱體零件，在多樣的類型、生產(chǎn)量不是很多的狀況下，運(yùn)用數(shù)量控制的機(jī)器生產(chǎn)加工能獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。
加工和一般機(jī)械加工數(shù)控加工過程基本上是同樣的問題，但它有它的特點(diǎn)。因此，在數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)時(shí)，既要遵循普通加工工藝的基本原則和方法，又要考慮數(shù)控加工本身的特點(diǎn)和零件編程要求[7]。
a. 零件裝夾方法的確與夾具選擇，我們要加工的零件需要裝夾到數(shù)控機(jī)床上，裝夾的方法與在一般的機(jī)床上裝夾的方法一樣，也要合理選擇定位基準(zhǔn)和夾緊方案。依照“基準(zhǔn)統(tǒng)一”和“基準(zhǔn)重合”等的原則來進(jìn)行精基準(zhǔn)的選擇。
b. 加工順序的安排，除了因按照“先面后孔”“先粗后精”等基本原則安排加工順序。
c. 確定換刀點(diǎn)和對刀點(diǎn)，對刀點(diǎn)是數(shù)控加工時(shí)刀具相對于工件運(yùn)動(dòng)的開始。從這一點(diǎn)，因?yàn)槌绦虮粓?zhí)行的，所以程序也被稱為從刀刀點(diǎn)或點(diǎn)的起點(diǎn)。規(guī)劃應(yīng)首先考慮選擇刀點(diǎn)。
在生產(chǎn)過程中要換刀的時(shí)候，應(yīng)該規(guī)定換刀的準(zhǔn)確點(diǎn)，換刀的原則是不能碰傷元件，夾具和機(jī)床。
d. 刀具進(jìn)給路線的規(guī)劃，進(jìn)給路線是指數(shù)控加工過程中刀具（刀位點(diǎn)）想對于被加工零件的運(yùn)動(dòng)軌跡，原則是：
（1） 零件的加工精度和質(zhì)量要得到很好的保證。
（2） 計(jì)算方法簡單方便。
（3） 擁有最短的進(jìn)給途徑。
在加工輪廓的過程中應(yīng)該避免生產(chǎn)過程的停頓，因?yàn)樵谏a(chǎn)加工的時(shí)候，零件、刀具、夾具以及機(jī)床等都有稍稍的變形，在進(jìn)給停頓時(shí)，切削力會(huì)減小，刀具將在零件表面留下凹痕[8]。
對于孔的位置精度要求高的零件，在精鏜孔系時(shí)，安排鏜孔路線一定要注意做到各孔的定位方向一致，避免反向間隙的影響。
e. 刀具選擇，數(shù)控加工臺時(shí)費(fèi)用高，為提高效益，數(shù)控加工對刀具提出了更高要求，不僅要?jiǎng)傂院?，精度高，而且要尺寸穩(wěn)定、耐用度高。調(diào)整方便。因此凡加工情況允許選用硬質(zhì)合金刀具時(shí)，就不應(yīng)選用高速鋼具刀。應(yīng)盡量選用可轉(zhuǎn)位刀片以減少刀具磨損后的更換和預(yù)調(diào)時(shí)間，選用涂層刀具以提高耐磨性。精密鏜孔應(yīng)選用性能更好更耐磨的金剛石和立方氧化硼刀具。
f. 切削用量的確定，數(shù)控加工的切削用量選擇原則與普通加工相同。由金屬切削原理可知，在選擇切削用量時(shí)，應(yīng)首先采用最大的切削深度，再選用大的進(jìn)給量，然后根據(jù)確定的刀具耐用度選擇切削速度。對于數(shù)控加工，刀具耐用度至少應(yīng)大雨加工完一個(gè)零件，或最少不低于半個(gè)工作班。 在輪廓加工中，應(yīng)注意克服由于慣性或伺服系統(tǒng)的隨動(dòng)誤差而造成輪廓拐角處的“超程”或“欠程”現(xiàn)象。
g. 程編誤差及其控制，程序編制中的誤差由逼近誤差、插補(bǔ)誤差和尺寸圓整誤差三部分組成。
1.3機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀
能模仿人手和手臂的某些動(dòng)作功能，按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可解放人們的雙手，減免人們的生產(chǎn)勞動(dòng)，達(dá)到機(jī)械化、自動(dòng)化代替人工，在各種惡劣的生產(chǎn)工作的環(huán)境下，很好的完成工作任務(wù)。它被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造，冶金，電子，輕工等行業(yè)[10]。
手和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)形成機(jī)械手的主要部分。手部是根據(jù)被夾著的物體的形狀，大小，重量，材料和多種結(jié)構(gòu)形式，如鉗類型，夾持和吸附型操作要求將工件保持部件。移動(dòng)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)所述手部來完成各種移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)預(yù)定的操作，以改變對象的夾持位置和姿勢。獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的方式向下運(yùn)行機(jī)制，拉伸，旋轉(zhuǎn)，稱為自由度機(jī)械手。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)[11]。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般有2～3個(gè)自由度。
一種機(jī)器手，可以根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓，氣動(dòng)，電氣，機(jī)械手;適用范圍可分為專用和通用機(jī)械操縱兩只手，按軌跡控制點(diǎn)可以分為控制和連續(xù)的機(jī)器人軌跡控制等。
機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱[12]。
機(jī)械手是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程逐步成長起來的一種新型裝置。近年來，隨著信息化的技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，開發(fā)和生產(chǎn)的機(jī)器人有一個(gè)新興的技術(shù)中成為一個(gè)迅速發(fā)展的高科技領(lǐng)域一起，更促進(jìn)了機(jī)器人的發(fā)展，機(jī)器人可以更好地實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化的很好的結(jié)合。
雖然機(jī)器人是不如靈活的人手，但它可以工作，工作可以繼續(xù)、重復(fù)，不知道疲勞，不怕危險(xiǎn)，電源抓舉重物等特點(diǎn)比人力要強(qiáng)的多，因此，對于這些特點(diǎn)機(jī)器人一直是適用于許多行業(yè)，而且根據(jù)其特性，在很多領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。
1.4機(jī)械手的分類
目前，機(jī)械手尚無通用的分類方法。它們可按不同的特點(diǎn)分，例如，根據(jù)手爪的數(shù)量、手臂的數(shù)量及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類[13]。
a. 單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手
機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)的軸線與刀具主軸平行，機(jī)械手的手臂可以回轉(zhuǎn)不同的角度來進(jìn)行自動(dòng)換刀，換刀具的所花費(fèi)的時(shí)間長，用于刀庫換刀位置的刀座的軸線相平行的場合。如圖1.1所示：
圖1.1 單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手
b. 單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手
圖1.2 單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手
這種機(jī)械手的手臂上有兩個(gè)卡爪，兩個(gè)卡爪有所分工，一個(gè)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(gè)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(shí)間較上述單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手要短，如圖1.2所示。
c. 雙臂回轉(zhuǎn)機(jī)械手
這種機(jī)械手的兩臂各有一個(gè)卡爪，可同時(shí)抓取刀庫及主軸上的刀具，在回轉(zhuǎn)之后有同時(shí)將刀具歸回刀庫及裝入主軸，是目前加工中心機(jī)床上最為常用的一種形式，換刀時(shí)間要比前兩種都短，如圖1.3所示。
圖1.3 雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手
d. 雙機(jī)械手
這種機(jī)械手相當(dāng)與兩個(gè)單臂單爪機(jī)械手，相互配合起來進(jìn)行自動(dòng)換刀。其中一個(gè)機(jī)械手執(zhí)行拔舊刀歸回刀庫，另一個(gè)機(jī)械手執(zhí)行從刀庫取新刀插入機(jī)床上，如圖1.4所示。
圖1.4 雙機(jī)械手
e. 雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手
圖1.5 雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手
1.4.1工業(yè)機(jī)械手研究趨勢
目前工業(yè)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數(shù)量，品質(zhì)還是性能方面都不能完全滿足工業(yè)發(fā)展的需要。
在國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專業(yè)機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手。在自動(dòng)換刀裝置的研究上還要解決一些關(guān)鍵技術(shù)問題：如優(yōu)良運(yùn)動(dòng)曲線選擇、機(jī)構(gòu)運(yùn)行可靠性、換刀復(fù)合凸輪的設(shè)計(jì)，凸輪的精密加工等。
此外，國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，做相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生少許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測，重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺。目前，已經(jīng)取得一定成績。
1.5自動(dòng)換刀機(jī)械手主要功能
加工中心換刀機(jī)械手的主要任務(wù)是：完全模擬人工手動(dòng)換刀的動(dòng)作，給機(jī)床主軸與彈簧夾頭提供相對轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾緊、放松刀具的動(dòng)作。機(jī)械手應(yīng)具備足夠的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)還應(yīng)使機(jī)械手具備結(jié)構(gòu)緊湊、占據(jù)空間小的特點(diǎn)。機(jī)械手主要由手部、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使機(jī)械手部完成各種規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢?？刂葡到y(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手的動(dòng)作順序的控制。
1.6設(shè)計(jì)工具
常用的設(shè)計(jì)軟件有AutoCAD、3Dmax、Adobe image等，在本次設(shè)計(jì)中，我選用AutoCAD來繪制本次設(shè)計(jì)的各類圖紙，原因如下：
（1） 具有完善的圖形繪制功能。
（2） 有強(qiáng)大的圖形編輯功能。
（3） 可以采用多種方式進(jìn)行二次開發(fā)或用戶定制。
（4） 可以進(jìn)行多種圖形格式的轉(zhuǎn)換，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)交換能力。
（5） 支持多種硬件設(shè)備。
（6） 支持多種操作平臺
（7） 具有通用性、易用性，適用于各類用戶，
2 總體方案的設(shè)計(jì)
數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置中,實(shí)現(xiàn)刀庫與機(jī)床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置。刀具的交換方式通常分為兩種: 一種是采用機(jī)械手交換刀具, 另一種是由刀庫與機(jī)床主軸的相對運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)刀具交換即無機(jī)械手交換刀具。刀具的交換方式及它們的具體結(jié)構(gòu)對機(jī)床的工作效率和工作可靠性有直接的影響。本文機(jī)械手交換刀具的方式。
機(jī)械手是當(dāng)主軸上的刀具完成一個(gè)工步后，把這一工步的刀具送回刀庫，并把下一道工步的所需的刀具從刀庫中取出并裝入主軸繼續(xù)加工的功能部件。對機(jī)械手的具體要求是迅速可靠，準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。
2.1初定換刀裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)
本次設(shè)計(jì)采用7：24錐度的刀柄；最大刀具長度150mm，最大刀具直徑50mm，最大刀具重量3kg，刀具材料為高速鋼，如圖2.1所示。
圖2.1 刀具結(jié)構(gòu)圖[14]
初估最大直徑刀具的重量為3kg。
2.1換刀機(jī)械手抓刀部分結(jié)構(gòu)
如圖2.2所示機(jī)械手抓刀部分結(jié)構(gòu)。
圖2.2 機(jī)械手
它主要由手臂和固定于其兩端的結(jié)構(gòu)完全相同的兩個(gè)手爪組成。手爪上握刀的圓弧部分有一錐銷，機(jī)械手抓刀時(shí)，該銷插入刀柄的鍵槽中。
當(dāng)機(jī)械手由原位轉(zhuǎn)75°抓住刀具時(shí)，兩手爪上的長銷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(dòng)銷在彈簧的作用下右移頂住刀具。機(jī)械手拔刀時(shí)，長銷與擋塊脫離接觸，鎖緊銷被彈簧彈起，使活動(dòng)銷頂住刀具不能后退，這樣機(jī)械手在回轉(zhuǎn)180°時(shí)，刀具不會(huì)被甩出。當(dāng)機(jī)械手上升插刀時(shí)，兩長銷又分別被兩擋塊壓下，鎖緊銷從活動(dòng)銷孔中退出，松開刀具，機(jī)械手便可反轉(zhuǎn)75°復(fù)位[15]。
2.3機(jī)械手軸的設(shè)計(jì)
我設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)裝置中所采用的軸主要作用是既可以在插刀、拔刀時(shí)帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械手上下移動(dòng)，又可在交換刀具時(shí)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)，考慮到機(jī)械手在轉(zhuǎn)動(dòng)180度和轉(zhuǎn)動(dòng)75度的時(shí)候，上方的液壓缸不能跟著主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，所以必須設(shè)計(jì)一個(gè)裝置能讓主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)保持上方的液壓缸不轉(zhuǎn)動(dòng)，而上方液壓缸帶動(dòng)主軸上下伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)也不會(huì)和轉(zhuǎn)動(dòng)裝置發(fā)生干涉。經(jīng)過查資料，我設(shè)計(jì)了以下結(jié)構(gòu)來保證這一要求，如圖3-6所示。
圖2.3 手伸縮傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖
2.4機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu)
圖2.4為機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2.4 機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)圖
2.5自動(dòng)換刀過程的動(dòng)作順序
機(jī)械手將刀具從刀庫中取出送至機(jī)床主軸上，然后將用過的舊刀送回刀庫。其動(dòng)作過程簡述如下：
a. 刀套轉(zhuǎn)90°: 換刀之前, 刀庫2 轉(zhuǎn)動(dòng)將待換刀具5送到換刀位置, 之后把帶有刀具5的刀套4向下翻轉(zhuǎn)90°, 使得刀具軸線與主軸軸線平行。
b. 機(jī)械手轉(zhuǎn)75°:兩手分別抓住刀庫和主軸3上的刀柄。
c. 刀具松開: 刀具的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)松開刀具。
d. 機(jī)械手拔刀: 機(jī)械手臂下降, 同時(shí)拔出兩把刀具。
e. 機(jī)械手轉(zhuǎn)180°:使主軸刀具與刀庫刀具交換位置。
f. 機(jī)械手插刀: 機(jī)械手上升, 分別把刀具插入主軸錐孔和刀套中。
g. 刀具夾緊: 刀具插入主軸的錐孔后, 刀具的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)夾緊刀具。
h. 機(jī)械手松刀: 機(jī)械順時(shí)針轉(zhuǎn)75°, 回到原始位置。
i. 刀套向上翻轉(zhuǎn)90°:刀套帶著刀具向上翻轉(zhuǎn)90°,為下一次選刀做準(zhǔn)備。
圖2.5 械手的換刀示意圖
圖2.6 機(jī)械手手部換刀過程簡圖
2.5 自動(dòng)換刀裝置的相關(guān)技術(shù)要求
a. 主軸準(zhǔn)停裝置 為了傳遞扭矩，在主軸的前端裝有端鍵，當(dāng)?shù)毒叩侗b入錐孔時(shí)，刀柄上的鍵槽位置必須與該鍵對準(zhǔn)才能裝入。當(dāng)機(jī)械手從刀庫取刀時(shí)，為了確保刀具其后能順利地裝入主軸錐孔中，必須使主軸準(zhǔn)確地停在刀具交換位置上。同時(shí)，由于工藝上的需要，也必須使主軸準(zhǔn)停在固定位置上。這種使主軸端在定位鍵停在固定位置的技術(shù)要求稱為主軸準(zhǔn)停。可在主軸上安裝電氣控制的主軸準(zhǔn)停裝置以實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)停功能。
b. 換刀機(jī)械手的安裝與調(diào)試
(1) 換刀機(jī)械手安裝在主軸箱的左側(cè)面，加工零件時(shí)，換刀機(jī)械手隨主軸箱一起上下運(yùn)動(dòng)；
(2) 當(dāng)初裝上換刀機(jī)械手后，必須進(jìn)行調(diào)試：用手動(dòng)操縱主式調(diào)整換刀機(jī)械手相對于主軸的位置，使用調(diào)整心棒，有誤差時(shí)可調(diào)整機(jī)械手行程、刀庫位置、機(jī)械手支座、修正主軸坐標(biāo)原點(diǎn)等。安裝最大重量刀具時(shí)，要進(jìn)行多次刀庫到主軸位置的自動(dòng)交換，使機(jī)械手換刀時(shí)做到準(zhǔn)確無誤，無撞擊。
2.6換刀機(jī)械手的液壓控制圖
機(jī)械手的換刀動(dòng)作由液壓控制。機(jī)械手的換刀動(dòng)作分別由三個(gè)液壓缸控制，如圖2.6所示：
圖2.6 液壓控制圖
3 換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算
3.1.1手指夾緊力的計(jì)算
在V116B數(shù)控鏜銑加工中心中，刀具的最大直徑為50mm，所以設(shè)計(jì)的手爪夾持最大直徑為50mm，這就需要通過調(diào)節(jié)活動(dòng)銷的行程來實(shí)現(xiàn)刀具的夾緊，通過計(jì)算得知活動(dòng)銷的行程應(yīng)大于L=8mm,這就需要彈簧的壓縮量最少為8mm，在此選擇壓縮量為10mm的彈簧。
可按下列公式計(jì)算：
（3.1）
式中：
—安全系數(shù)，由機(jī)械手的工藝及設(shè)計(jì)要求確定,通常取1.2—2.0，取1.5；
—工件情況系數(shù)；
—方位系數(shù)，根據(jù)手指與刀具形狀以及手指與刀具位置不同進(jìn)行選定。
手指與工件位置：手指水平放置 工件垂直放置；
手指與工件形狀： V型指端夾持圓柱型；
， 為摩擦系數(shù)， 為 V型手指半角，此處粗略計(jì)算
求得夾緊力，
取整為177N。
3.2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(huì)有彎曲變形，如果彎曲太大，就會(huì)造成換刀時(shí)手臂和刀具的干涉，造成機(jī)器的損壞。
手臂的自身重力可以通過簡化的方式轉(zhuǎn)化為一個(gè)長度為300mm，寬48mm，高15mm的長方體來計(jì)算，G=mg=9.8×10×3×4.8×1.5=1684.8N=1.6848KN≈1.7KN
刀具的重量F=9.8×3=30KN
手臂材料的抗拉強(qiáng)度 []=460MPa
屈服強(qiáng)度 []=235MPa
圖3.1 手臂受力
手臂的受力可以簡化為圖3.1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）
得撓曲線方程
刀具重力所造成的彎曲：
刀臂自重所造成的彎曲：
其中=30×÷12=1822500×=1.8225×
E=2.2
最大撓度為
刀具重力所造成的彎曲：
刀臂自重所造成的彎曲：
端截面轉(zhuǎn)角為
刀具重力所造成的彎曲
刀臂自重所造成的彎曲：
計(jì)算得
刀具重量所造成的彎曲：
=-60××÷（3×2.2×1.8225×）
4.3×m
=-60××÷（2×2.2×1.8225×）
3.1×
刀臂自身重量所造成的彎曲：
=-87×××（3×205-102.5）÷（3×2.2 ×1.8225×）3.9×m
3.9×m
=-488××÷（2×2.2×1.8225×）
6.4×
通過以上的計(jì)算可知，換刀機(jī)械手的手臂的彎曲非常小，根本不會(huì)對實(shí)際工作造成任何影響，所以是符合要求的。
3.3軸與機(jī)械手配合部分的直徑的選取
a. 材料的確定
由于軸是重要的零件所以材料選用為45鋼
b. 按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度來計(jì)算軸徑
在軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通常用下面的公式來初步估算軸徑
（3.2）
式中：—扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為Mpa
T—軸所承受的轉(zhuǎn)矩，單位為N?mm
WT—軸的抗扭截面系數(shù)，單位為mm3
P—軸所傳遞的功，單位為kW
D—計(jì)算截面處的直徑，單位為mm
—許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，單位為Mpa
由上式可得到軸的直徑為：
（3.3）
確定上述公式中的值：
(1) 確定A0
查表，A0取值范圍為103-126，取A0=110
(2) 確定轉(zhuǎn)速n
因?yàn)檎麄€(gè)換刀過程的時(shí)間為2.5s，而整個(gè)換刀過程有5個(gè)動(dòng)作，按照每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間相等來計(jì)算，所以每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間
而機(jī)械手在交換刀具的時(shí)候轉(zhuǎn)過180度的時(shí)間也為0.5s，所以在這個(gè)時(shí)候它的轉(zhuǎn)速最大，我們只要按照最大的轉(zhuǎn)速去計(jì)算直徑就可以了，因?yàn)檗D(zhuǎn)過180度的時(shí)間為0.5秒，因而轉(zhuǎn)過一周的時(shí)間就為1秒，所以轉(zhuǎn)速n=60r/min
(3) P的確定
由于所產(chǎn)生的功主要用來使機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)，再轉(zhuǎn)180度時(shí)的時(shí)候功率P最大，=180×2π=1.130kw
其中我們?nèi)的最大值為600N，而L的值我們前邊已經(jīng)確定為300mm，所以 =180N*M
而rad/s
所以P=M
即 24.83mm
在這里我們選擇 25mm。
3.4手部與軸連接螺栓的確定
機(jī)械手的手部是通過螺栓連接在軸上的，選用普通的螺栓來連接，在這里擬采用四個(gè)螺栓組成的螺栓組來連接的，現(xiàn)在對這4個(gè)螺栓進(jìn)行受力分析。
這4個(gè)螺栓同時(shí)受到的力F以及力矩的作用，因?yàn)樵诖瞬捎玫氖瞧胀菟?，所以各個(gè)螺栓的受力分別為：
150N
下面對其中的一個(gè)螺栓進(jìn)行驗(yàn)證
由
（3.4）
得預(yù)緊力 （3.5）
式中：為接合面的摩擦系數(shù)
為接合面數(shù)，這里接合面數(shù)為1，所以
為防滑系數(shù)，，這里取
由于接觸表面的表面狀況為干燥的表面，所以在這里取
所以得1200N
由螺栓的危險(xiǎn)截面拉伸條件公式
， （3.6）
得 （3.7）
式中：為螺栓的許用拉伸應(yīng)力
螺栓的材料為中碳鋼，所以取許用應(yīng)力180Mp，即
5
由于這只是大致估算，為了保證在使用過程中的安全可靠，在實(shí)際的選用中螺栓的直徑應(yīng)大些，所以取，故而選用M6的螺釘。
3.5機(jī)械手轉(zhuǎn)過75度的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
這個(gè)機(jī)構(gòu)由一般個(gè)液壓缸、齒輪條、齒輪以及連桿組成的，當(dāng)發(fā)出機(jī)械手交換刀具的信號時(shí)，液壓缸的后腔就通入壓力油，活塞桿推動(dòng)著齒輪條向前移動(dòng)，使得齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，而連桿通過連接塊連在機(jī)械手上，所以當(dāng)活塞通入壓力油的時(shí)候，機(jī)械手就相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)。
3.5.1回轉(zhuǎn)液壓缸的計(jì)算
由于機(jī)械手的整個(gè)換刀時(shí)間為2.5s整個(gè)過程有5個(gè)動(dòng)作,按每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間相等來計(jì)算
所以每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間
即：機(jī)械手轉(zhuǎn)過75°的時(shí)間為0.5s
取齒輪的齒數(shù)為20,模數(shù)為3，材料為40Cr,那么齒輪的分度員直徑為
d=mz=20×3=60mm
齒輪的分度圓周長為
S=
所以齒輪轉(zhuǎn)過75度所走的距離
因?yàn)辇X輪齒條是配合的所以
齒輪條在這個(gè)運(yùn)動(dòng)中也走過39.25mm
活塞桿的速度為
設(shè)液壓缸的溶積效魚為，這里取
設(shè)液壓缸的額定流量為q
所以 （3.8）
又 （3.9）
由上2式可以得到
因?yàn)閝=0.8m/s
所以又如下計(jì)算
所以選擇d=35m
所以選擇液壓缸，它的行程為39.25mm,直徑為35mm。
3.5.2確定齒輪齒條機(jī)構(gòu)其它尺寸
首先確定齒寬系數(shù) ，由于齒輪的二支撐相對齒輪做對稱分布，所以取。
（3.10）
由于我都采用的是標(biāo)準(zhǔn)齒輪（壓力角為20°）
所以，故而
由于所以齒輪做成實(shí)心的。其中取B1=30mm，齒條固定在一個(gè)滑槽內(nèi)。
齒輪的齒距（分度圓）
由于齒輪與齒條是配合在一起運(yùn)動(dòng)的，所以齒輪的齒距（分度圓）就是齒條的齒距
即
由于液壓缸的行程是39.25mm，所以齒條的齒數(shù)
3.6機(jī)械手轉(zhuǎn)過180度的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.6.1回轉(zhuǎn)液壓缸的計(jì)算
由于機(jī)械手的整個(gè)換刀時(shí)間為2.5s整個(gè)過程有5個(gè)動(dòng)作,按每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間相等來計(jì)算
所以每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間
即：機(jī)械手轉(zhuǎn)過180間為0.5s
取齒輪的齒數(shù)為20,模數(shù)為3，材料為40Cr,那么齒輪的分度員直徑為
d=mz=20×3=60mm
齒輪的分度圓周長為
S=
所以齒輪轉(zhuǎn)過180度所走的距離
因?yàn)辇X輪齒條是配合的所以
齒輪條在這個(gè)運(yùn)動(dòng)中也走過94.2mm
活塞桿的速度為
設(shè)液壓缸的溶積效魚為，這里取
設(shè)液壓缸的額定流量為q
所以
又
由上2式可以得到
因?yàn)閝=0.8m/s
所以有如下計(jì)算
所以選擇d=40m
所以選擇液壓缸，它的行程為94.2mm,直徑為40mm。
3.6.2確定齒條尺寸
由于液壓缸的行程是94.2mm，所以齒條的齒數(shù)
因?yàn)橐粢恍┚嚯x，還有齒輪與齒條的齒數(shù)互為質(zhì)數(shù)，所以取齒條的齒數(shù)為z=13。
3.7升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
前面已經(jīng)對轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)做了設(shè)計(jì)，但要完成整個(gè)運(yùn)動(dòng)還需要插拔刀具的運(yùn)動(dòng)，這就需要設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)構(gòu)來完成插拔刀具的功能。
在這個(gè)機(jī)械手中，只要給機(jī)械手一個(gè)z軸方向的運(yùn)動(dòng)即可。由于機(jī)械手的初位置與在夾刀具的位置有些不同，這就需要使機(jī)械手從初始位置運(yùn)動(dòng)到夾刀具的位置，在z軸方向的距離為100mm。為了完成這個(gè)工作，我選擇一個(gè)液壓缸來實(shí)現(xiàn)。
原理如下：當(dāng)需要夾刀具時(shí)，液壓缸的上腔通入液壓油，使液壓缸的活塞向下運(yùn)動(dòng)，把機(jī)械手帶到夾刀具和拔刀具的位置，完成這個(gè)動(dòng)作以后，就要拔刀具了，這個(gè)時(shí)侯下腔通入液壓油，使得活塞向上運(yùn)動(dòng)。只要選擇合適的液壓缸的行程就可以達(dá)到預(yù)定位置。
估算換刀機(jī)構(gòu)升降液壓缸負(fù)載為
26.72kg
設(shè)升降液壓缸的活塞桿在達(dá)到穩(wěn)定速度過程中的加速度，則升降液壓缸承受的負(fù)載為：
=785.57N
考慮到液壓缸密封處的摩擦力，取=0.95，則機(jī)械手升降液壓缸實(shí)際的負(fù)載為：=826.92N；
液壓缸回油腔背壓力，由于此液壓缸在不工作時(shí)需保證它的負(fù)載能長時(shí)間的保持在某一位置上，所以在本設(shè)計(jì)中初取估算值=1MPa，取=1.5MPa，因工作壓力<2MPa，取活塞桿直徑與液壓缸內(nèi)徑之比=0.3。
將各值代入式，可得：=43.8mm。
為便于采取標(biāo)準(zhǔn)的密封件，根據(jù)液壓缸內(nèi)徑尺寸系列，將內(nèi)徑D進(jìn)行圓整，取=50mm；又因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中=0.3，所以=0.3×50=15mm，樣為便于采取標(biāo)準(zhǔn)密封件，根據(jù)活塞桿直徑系列，將活塞桿直徑d進(jìn)行圓整，取=16mm；活塞的寬度=30~50mm，這里取B=40mm。
4 結(jié)論
經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算與校核，本設(shè)計(jì)中的加工中心換刀機(jī)械手在滿足抓刀、松刀、拔刀、插刀以及刀庫刀具與主軸刀具之間刀具的互換等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速、可靠的換刀。
本設(shè)計(jì)中的加工中心換刀機(jī)械手用軸承連接活塞桿和手架旋轉(zhuǎn)軸，可以使升降液壓缸的活塞桿帶動(dòng)手臂旋轉(zhuǎn)軸一起做伸縮運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)換刀機(jī)械手的拔刀和插刀運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，手臂旋轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)也不會(huì)干擾到活塞桿。本設(shè)計(jì)基于結(jié)構(gòu)上的需要采用了液壓缸來實(shí)現(xiàn)手架的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即可以準(zhǔn)確、穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)各個(gè)運(yùn)動(dòng)，還可以通過提高液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度來縮短換刀的時(shí)間，在一定程度上簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我不僅把知識融會(huì)貫通，而且豐富了大腦，同時(shí)在查找資料的過程中也了解了許多的課外知識，開拓了視野，認(rèn)清了將來機(jī)床的發(fā)展方向，使自己在專業(yè)知識方面和動(dòng)手能力方面有了質(zhì)的飛越。
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致 謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)馬上就要結(jié)束了，這本來是一件值得慶幸的好事，但是對于在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中對我有很大幫助的老師、同學(xué)以及學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)我不知道以怎樣的方式表達(dá)我心中的謝意，更不知道用什么樣的詞語來表達(dá)我此時(shí)此刻的心情，沒有他們的幫助，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)不會(huì)這么順利的完成，而我只有在這里對所有幫助過我的老師、同學(xué)、學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)說一句：你們辛苦了，謝謝！
畢業(yè)設(shè)計(jì)是對我們每一位畢業(yè)生在這幾年大學(xué)中所學(xué)習(xí)到的知識的總結(jié)，也是對這幾年在大學(xué)里所學(xué)習(xí)的知識的自我考核，讓我們可以正確認(rèn)識自己，給自己一個(gè)合理的定位。我這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在姚慧老師的指導(dǎo)下完成的。在完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中我也遇到了不少問題，姚老師給了我許多的關(guān)懷和幫助，并且經(jīng)常詢問我們畢業(yè)設(shè)計(jì)的進(jìn)展情況、很用心的指導(dǎo)我們。
通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我對所研究的題目內(nèi)容、相關(guān)原理及實(shí)際中的運(yùn)用了有了深刻的理解，掌握了對自己所需要的資料的查詢方法，培養(yǎng)了我們獨(dú)立學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考、獨(dú)立解決問題的能力，并且拓寬了我們的知識面。
最后，我再次感謝對我指導(dǎo)、關(guān)心和幫助過的老師、同學(xué)及領(lǐng)導(dǎo)。非常感謝！
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