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摘要
加工中心是現(xiàn)代機(jī)械加工中用得最多的設(shè)備之一，而自動(dòng)換刀裝置作為加工中心的核心部件，一直處在不斷改進(jìn)之中。本課題要求設(shè)計(jì)一臺(tái)小型加工中心的刀庫及自動(dòng)換刀裝置。本次設(shè)計(jì)分為兩大部分。首先，主要針對(duì)目前機(jī)床上常用的幾種類型的刀庫（鼓盤式刀庫、鏈?zhǔn)降稁?、格子盒式刀庫等）進(jìn)行了比較分析，最終選用鏈?zhǔn)降稁旖Y(jié)構(gòu)，選擇伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用蝸桿蝸輪裝置減速，并完成了鏈條的選擇和鏈輪的設(shè)計(jì)計(jì)算。另外，選擇雙臂單爪機(jī)械手結(jié)構(gòu)，對(duì)其運(yùn)動(dòng)作了詳細(xì)的分析，最終將換刀運(yùn)動(dòng)分解為手臂的伸縮，手架的伸縮和回轉(zhuǎn)三個(gè)動(dòng)作。全部采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制。在合理選用液壓缸之后，繪制出了液壓系統(tǒng)控制圖、機(jī)械手動(dòng)作原理圖，基本完成了自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)工作。
關(guān)鍵詞：伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；鏈?zhǔn)降稁欤粰C(jī)械手換刀；液壓系統(tǒng)控制
Abstract
Processing Center is a modern mechanical processing equipment used in one of the largest and automatic tool change device as the core parts processing center, has been in the continuous improvement of. The topics designed a small knife processing center for devices and automatic tool change. The design is divided into two parts. First of all, the main view of the current machine, commonly used for several types of knives (knives drum disc library, the chain knife, knife lattice cassette library, etc.) a comparative analysis, the final choice of the chain knife structure, choice of servo motor Driver, a worm worm deceleration devices, and completed the chain and sprocket of the choice of design and calculation. In addition, the choice of single-claw manipulator arms structure, its movement made a detailed analysis will eventually ATC campaign for the decomposition of the telescopic arm, hand-stretching and rotating the three movements. All the hydraulic system used to control. A reasonable choice of hydraulic cylinders, to map out plans of the hydraulic control systems, mechanical hand movements schematics, basically completed the installation of automatic tool change the design work.
Keywords：The servo motor actuates; Chain knife storehouse; The manipulator trades the knife; The hydraulic system controls
目錄
目 錄
摘 要 I
Abstract Ⅲ
1 緒 論
1.1 本課題的來源、目的及意義 (1)
1.1.1 課題的來源……………………………………………………….....(1)
1.1.2 本課題研究的目的……………………………………………….....(1)
1.1.3 本課題研究的意義………………………………………………….(1)
1.2 課題背景及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 (2)
1.3 本課題研究的主要內(nèi)容 (3)
2 刀庫及換刀機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (3)
2.1.1 方案分析比較…………………………………………………….....(3)
2.1.2 刀庫容量的確定………………………………………………….....(6)
2.1.3 刀庫選刀方式的確定…………………………………………….....(6)
2.1.4 刀庫的設(shè)計(jì)及計(jì)算……………………………………………….....(6)
2.2 自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì) (13)
2.2.1 方案分析比較……………………………………………………...(13)
2.2.2 機(jī)械手自動(dòng)換刀工作流程設(shè)計(jì)…………………………………...(13)
2.2.3 換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………...(22)
2.2.4 換刀手手臂和手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………...(23)
2.2.5 液壓缸、活塞桿的選擇…………………………………………...(24)
2.2.6 液壓系統(tǒng)工作原理…………………………………………….......(26)
設(shè)計(jì)總結(jié)………………………………………………………………….(27)
致 謝 (29)
參考文獻(xiàn) (30)
III
1 緒論
1.1課題的來源及研究目的和意義
1.1.1課題的來源
刀庫和機(jī)械手是加工中心穩(wěn)定可靠運(yùn)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。有資料顯示，刀庫和機(jī)械手的故障率約占整機(jī)故障率的25%。因此本課題將要求設(shè)計(jì)一套自動(dòng)換刀裝置，達(dá)到自動(dòng)換刀的目的。
1.1.2本課題研究目的
本課題研究目的主要是學(xué)習(xí)典型機(jī)械裝備的分析、設(shè)計(jì)和計(jì)算，了解機(jī)械裝備系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況。設(shè)計(jì)一套能在數(shù)控機(jī)床上使用的自動(dòng)換刀裝置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀的要求。
1.1.3．本課題研究的意義
隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)控加工中心，它在減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。目前，我國(guó)數(shù)控機(jī)床占機(jī)床總量比例不到3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)外的水平。而機(jī)床役齡10年以上的占60%以上，10年以下的機(jī)床中，自動(dòng)/半自動(dòng)機(jī)床不到20%，能進(jìn)行柔性加工的自動(dòng)化生產(chǎn)線更少。但當(dāng)今產(chǎn)品的制造追求精密、美觀、更新快、成本低、普通機(jī)床加工出來的產(chǎn)品存在質(zhì)量波動(dòng)大、加工精度低、品種少、成本高、時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，而這些因素又直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場(chǎng)、效益，關(guān)系到企業(yè)的生存和發(fā)展。而現(xiàn)代制造業(yè)和加工中心正朝著高精度，高速度的方向發(fā)展，與此同時(shí)對(duì)加工中心自身也就提出拉高速度、高精度、智能化的發(fā)展要求，采用高速化的自動(dòng)換刀裝置，減少換刀時(shí)間是加工中心高速化的一個(gè)重要環(huán)節(jié)和手段。因此，自動(dòng)換刀裝置的改進(jìn)，將大力提高機(jī)床的生產(chǎn)率。而目前很多企業(yè)正著力進(jìn)行提高機(jī)床的數(shù)控化率，希望能為企業(yè)今后實(shí)現(xiàn)信息化改造打下良好的基礎(chǔ)。
1.2 課題背景及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
加工中心是典型的集高新技術(shù)于一體的機(jī)械加工設(shè)備，它的發(fā)展代表了一個(gè)國(guó)家設(shè)計(jì)、制造的水平，因此在國(guó)內(nèi)外企業(yè)界都受到高度重視。加工中心是數(shù)控機(jī)床各類產(chǎn)品中發(fā)展最快、所占比重最大的一類產(chǎn)品，也是制造業(yè)應(yīng)用最廣的一類設(shè)備。一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家都把發(fā)展加工中心作為發(fā)展數(shù)控機(jī)床的首要任務(wù)，它的發(fā)展直接關(guān)系到國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防安全。
從上世紀(jì)80年代開始，北京機(jī)床研究所等單位開發(fā)了立式加工中心，并形成了商品。上世紀(jì)90年代初，北京機(jī)床所引進(jìn)美國(guó)TK公司立式加工中心技術(shù)、北京機(jī)電研究院引進(jìn)美國(guó)辛辛那提公司馬刀立式加工中心技術(shù)等和自行開發(fā)，基本掌握了加工中心的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，為今后加工中心的生產(chǎn)和應(yīng)用打下了扎實(shí)基礎(chǔ)。到上世紀(jì)90年代末，國(guó)內(nèi)的加工中心生產(chǎn)數(shù)量仍然很少，每年僅300臺(tái)左右。2000年前后，一批海外跨國(guó)機(jī)床集團(tuán)看好我國(guó)市場(chǎng)，開始在中國(guó)建立生產(chǎn)加工中心的獨(dú)資或合資企業(yè)，實(shí)現(xiàn)了本地制造和本地銷售。目前形成規(guī)模的有臺(tái)灣杭州友佳機(jī)床有限公司、寧夏小巨人機(jī)床有限公司、大連億達(dá)日平機(jī)床有限公司和德馬吉上海機(jī)床有限公司等。步入21世紀(jì)，隨著我國(guó)綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力的快速提高，加工中心市場(chǎng)進(jìn)入了快速發(fā)展期，汽車及其零部件、通用機(jī)械、航空航天、模具等各行業(yè)對(duì)加工中心的需求大幅上升，國(guó)產(chǎn)加工中心擇優(yōu)選擇國(guó)內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)、功能部件等配套件，加快了產(chǎn)業(yè)化步伐，質(zhì)量大幅度提高，性價(jià)比具有優(yōu)勢(shì)，逐步得到了國(guó)內(nèi)用戶的肯定和認(rèn)可。同時(shí)，企業(yè)加大了產(chǎn)品開發(fā)研究的資金投入，一批國(guó)內(nèi)急需長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的高檔加工中心，如高速加工中心、五軸加工中心等取得了突破，有的已進(jìn)入批量生產(chǎn)。
目前，國(guó)際上，加工中心的發(fā)展趨勢(shì)正朝著高速度、高精度化、高可靠性、多功能化、智能化、集成化、具有開放性、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)、并聯(lián)機(jī)床及數(shù)控系統(tǒng)的方向發(fā)展。而作為其中的關(guān)鍵部件——自動(dòng)換刀裝置也將向高速度、高精度、智能化的方向發(fā)展。在現(xiàn)有的各種類型的加工中心中，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)的造價(jià)在機(jī)床整機(jī)造價(jià)中總是占著很大比重，這是加工中心價(jià)格居高不下、應(yīng)用不普遍的重要原因。如果把自動(dòng)換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造從現(xiàn)有加工中心的制造模式中分離出來，把它作為加工中心的標(biāo)準(zhǔn)件或附件組織專門化的生產(chǎn)，同時(shí)由于該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用簡(jiǎn)化了機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)、采用彈簧夾頭和外驅(qū)動(dòng)機(jī)械手等關(guān)鍵技術(shù)，這不僅使數(shù)控機(jī)床工作性能有所提高，而且使得由它配套構(gòu)成的加工中心的總體造價(jià)大幅度下降。低造價(jià)高性能的加工中心將會(huì)被中小廠廣泛接收，這樣必將給自動(dòng)換刀系統(tǒng)生產(chǎn)廠商和加工中心制造廠商帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
1.3本課題研究的主要內(nèi)容
本課題主要設(shè)計(jì)一臺(tái)小型加工中心刀庫及換刀機(jī)構(gòu)。加工中心是是帶有刀庫和自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床。由于它具有自動(dòng)換刀系統(tǒng)，工件在一次裝夾中便可自動(dòng)完成多道工序的加工。自動(dòng)換刀裝置的用途是按照加工需要，自動(dòng)地更換裝在主軸上的刀具。自動(dòng)換刀裝置是一套獨(dú)立、完整的部件。
本課題要求設(shè)計(jì)出一種由雙臂單爪換刀機(jī)械手和鏈?zhǔn)降稁鞓?gòu)成的自動(dòng)換刀裝置，達(dá)到高速度，高精度，智能化換刀，而且造價(jià)低廉。具體要求如下：臥式加工中心；刀庫容量20；換刀時(shí)間2到2.5秒，定位精確。其關(guān)鍵技術(shù)如下：
（1）、鏈?zhǔn)降稁戽湕l的選擇，鏈輪中心距的確定；
（2）、刀庫驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇（刀庫負(fù)載扭矩，刀庫加速扭矩，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出扭矩）；
（3）、雙臂單爪換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)（手臂，手腕，手爪，的設(shè)計(jì)計(jì)算，校核）；
（4）、液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，液壓元件的選擇。
2 刀庫及換刀機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1.1 方案分析比較
刀庫的功能是安全穩(wěn)定地儲(chǔ)存數(shù)控機(jī)床在加工中所需要的各種刀具，并且在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，把將要用的刀具迅速、準(zhǔn)確地送到換刀位置（主軸），并接受和儲(chǔ)存從主軸送來的用過的刀具。根據(jù)刀庫存刀數(shù)量和取刀方式，加工中心刀庫的形式很多，結(jié)構(gòu)也各不相同，最常用的有鼓盤式刀庫、鏈?zhǔn)降稁旌透褡雍惺降稁臁?
1.鼓盤式刀庫
鼓盤式刀庫結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，在加工中心上應(yīng)用較多。但較多使用于刀庫容量較小的場(chǎng)合，一般存放刀具不超過32把。有徑向取刀形式和軸向取刀形式。
2. 鏈?zhǔn)降稁?
在環(huán)形鏈條上裝有許多刀座，刀座的孔中裝夾各種刀具，鏈條由鏈輪驅(qū)動(dòng)。鏈?zhǔn)降稁爝m用于刀庫容量較大的場(chǎng)合，且多為軸向取刀。鏈?zhǔn)降稁煊袉苇h(huán)鏈?zhǔn)胶投喹h(huán)鏈?zhǔn)降葞追N。當(dāng)鏈條較長(zhǎng)時(shí)，可以增加支承鏈輪的數(shù)目，使鏈條折疊回繞，提高空間利用率。
3. 格子盒式刀庫
格子盒式刀庫的刀具分幾排直線排列，由縱、橫向移動(dòng)的取刀機(jī)械手完成選刀運(yùn)動(dòng)，將選取的刀具送到固定的換刀位置刀座上，由換刀機(jī)械手交換刀具。由于刀具排列密集，因此空間利用率高，刀庫容量大。但布局不靈活，通常刀庫安置在工作臺(tái)上。
固定型格子盒式刀庫
1--刀座；2--刀具固定板架；3—取刀機(jī)械手橫向?qū)к墸?—取刀機(jī)械手縱向?qū)к墸?—換刀位置刀座；6—換刀機(jī)械手
鼓盤式刀庫是應(yīng)用最廣泛的一種刀庫，刀做90°翻轉(zhuǎn)的鼓盤式刀庫，能簡(jiǎn)化取刀動(dòng)作，取刀方便。結(jié)合本次設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)加工中心要求采用鏈?zhǔn)降稁欤业稁烊萘磕苓_(dá)到要求，所以在本次設(shè)計(jì)中選擇鏈?zhǔn)降稁臁?
2.1.2刀庫容量的確定
在設(shè)計(jì)多工序自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床時(shí)，要合理的確定刀庫的容量，本次設(shè)計(jì)的加工中心主要加工離合器殼體，主要是銑削、鉆削加工，因此，20把刀具已足夠，取刀庫容量為20把刀。
2.1.3 刀庫選刀方式的確定
方案的分析比較：
選刀方式是將所需刀具從刀庫中準(zhǔn)確調(diào)出的方法，有三種基本方式：一是順序選刀，二是半任意選刀，三是任意選刀。
1）順序選刀。是將刀具按加工工序的順序，依次放入刀庫的每一個(gè)刀座內(nèi)，刀具順序不能搞錯(cuò)。開始加工時(shí)，先選擇第一位置的刀具送至主軸頭上進(jìn)行加工，加工完成后放回第一位置，再取第二位置的刀具供下一步加工，以此類推，直至加工完畢。這種方式在每一次加工時(shí)，都需要重新排列刀庫中的刀具順序，操作較煩瑣。
2）半任意選刀。是將各種刀具預(yù)先放置在刀庫的特定位置上而不變動(dòng)，使刀具與刀套成固定對(duì)應(yīng)關(guān)系，加工時(shí)按刀套號(hào)碼選擇刀具，加工后再放回原來位置，這一方式使刀具檢查及更換較為容易，可以安放大直徑刀具，只要有意選擇相鄰刀套，但在選刀時(shí)較費(fèi)時(shí)。
3）任意選刀。是目前加工中心普遍采用的選刀方式。它是由控制系統(tǒng)根據(jù)最初輸入的刀套與刀具號(hào)，跟蹤記憶刀具在使用中刀具與刀套新的對(duì)應(yīng)號(hào)，并按程序指令準(zhǔn)確的調(diào)用所需刀具，并可將用過的刀具放回到刀庫上任意位置，不必放回原來位置，故選刀快速。
比較上述三種方式，順序選刀在每次加工時(shí)，都要重新排列刀庫中的刀具順序，操作煩瑣；半任意選刀較費(fèi)時(shí)；任意選刀方式在加工中心應(yīng)用很普遍，選刀速度快，因此，選用任意選刀方式。
2.1.4刀庫的設(shè)計(jì)及計(jì)算
2.1.4.1刀庫驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的確定
刀庫常用的驅(qū)動(dòng)方式有伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、普通電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和液動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)三種，我國(guó)的加工中心三種驅(qū)動(dòng)方式都采用，但如用普通電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，則一定在刀庫的傳動(dòng)系統(tǒng)中有步進(jìn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，因步進(jìn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)不同就有不同的計(jì)算公式，很麻煩。因此選用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。
伺服電動(dòng)機(jī)主要包括步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和直線電機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般用于開環(huán)系統(tǒng)，在一些普通機(jī)床的數(shù)控改造，以及對(duì)精度要求較低的場(chǎng)合。直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速特性，可以方便的在寬范圍內(nèi)平滑無級(jí)調(diào)速，故多用在對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能要求高的生產(chǎn)設(shè)備中。但直流伺服電動(dòng)機(jī)存在一些固有的缺點(diǎn)，如電刷和換向器易磨損，需經(jīng)常維護(hù)，應(yīng)用受到環(huán)境的限制，制造困難等。交流伺服電動(dòng)機(jī)，特別是籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)則沒有直流電機(jī)的缺點(diǎn)，且轉(zhuǎn)子慣量比直流電動(dòng)機(jī)小，使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好。在同樣體積下，交流電動(dòng)機(jī)輸出功率比直流電動(dòng)機(jī)提高了10％～70％，此外，交流電動(dòng)機(jī)的容量可比直流電動(dòng)機(jī)大，達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床都傾向于采用交流伺服驅(qū)動(dòng)。本設(shè)計(jì)選用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
選擇依據(jù)：
（1）按負(fù)載轉(zhuǎn)矩選：加在電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)比電動(dòng)機(jī)額定連續(xù)轉(zhuǎn)矩小。
鏈?zhǔn)降稁熵?fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算：將三把最大重量刀具挨近放在一起，按加工中心規(guī)格規(guī)定的最大刀具重量引起的最大重量計(jì)算，而其質(zhì)心設(shè)定在離刀庫回轉(zhuǎn)中心半徑處。
負(fù)載轉(zhuǎn)矩：=15×10×0.8153=122.3N.m
==1.2 N.m
選≈1.2～1.5
（2）按加速時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩選：加速時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩T，包括加速轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩，即T＞+。加速轉(zhuǎn)矩按下式計(jì)算：
=（+）=(3.0×+1.0×)=2.8 N.m;
T=+=2.8+1.2=4N.m;
式中——刀庫選刀時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min);
——加速時(shí)間（ms），通常取=150～200；
——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量(N.m. )；
——負(fù)載慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量(N.m. )；
加速時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩T應(yīng)小于電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。
（3）校驗(yàn)：檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果是否滿足下列關(guān)系式：＜
本設(shè)計(jì)選電機(jī)型號(hào)：P10B10030HXS電動(dòng)機(jī)，其主要參數(shù)如下：
額定輸出功率：0.3KW；
額定轉(zhuǎn)速：2000轉(zhuǎn)/min;
最高轉(zhuǎn)速：3000轉(zhuǎn)/min;
額定力矩：1.5 N.m；
力矩常數(shù)KT:0.67 N.m/A;
電機(jī)全長(zhǎng)182 mm；安裝尺寸115 mm；軸徑16 mm；
所選電機(jī)滿足：
① Ts=1.5N.m>=1.2 N.m;
②電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩=5.0 N.m＞T=4N.m;
③<
所選電機(jī)滿足要求，故電機(jī)合適。
定電機(jī)工作實(shí)際轉(zhuǎn)速為100r/min。
2.1.4.2刀庫傳動(dòng)方式的確定
驅(qū)動(dòng)刀庫的電機(jī)為伺服電動(dòng)機(jī)，為使伺服電動(dòng)機(jī)在最佳狀態(tài)下工作，不采用伺服電動(dòng)機(jī)的低速段，而采用蝸桿蝸輪減速裝置，蝸桿和蝸輪的旋線方向取為右旋。為了消除間隙，采用雙片齒輪，蝸桿蝸輪采用單頭雙導(dǎo)程蝸桿，以消除蝸桿蝸輪齒間嚙合間隙，刀庫和刀庫轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)裝在一個(gè)箱體內(nèi)，用滾動(dòng)導(dǎo)軌支撐在立柱頂部，用油缸驅(qū)動(dòng)整個(gè)箱體的前移和后退。
蝸桿傳動(dòng)主要用于軸交角∑=90°的軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。主要優(yōu)點(diǎn)是：
1）傳動(dòng)平穩(wěn)，振動(dòng)、沖擊和噪聲小。
2）能實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比，結(jié)構(gòu)緊湊。
3）單頭蝸桿導(dǎo)程角r﹤3.5°時(shí)，具有自鎖作用。
根據(jù)蝸桿齒廓形狀和其成型原理，蝸桿可分為普通圓柱蝸桿傳動(dòng)、環(huán)面蝸桿傳動(dòng)和錐蝸桿傳動(dòng)。普通圓柱蝸桿傳動(dòng)應(yīng)用廣泛。
普通圓柱蝸桿傳動(dòng)基本類型：阿基米德蝸桿、法向直廓蝸桿、漸開線蝸桿和錐面包絡(luò)圓柱蝸桿等。阿基米德圓柱蝸桿應(yīng)用廣泛，主要用于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，低速主運(yùn)動(dòng)，夾緊機(jī)構(gòu)等傳動(dòng)精度要求不高的場(chǎng)合。
本設(shè)計(jì)中，蝸桿傳動(dòng)要求精度不高，電機(jī)速度較低，因此選用阿基米德圓柱蝸桿。
根據(jù)GB/T 10085-1988的規(guī)定，據(jù)《現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》，表3-6-3，3-6-4選：蝸桿模數(shù)m=3.15mm,
分度圓直徑d1=35.5mm；
齒根圓直徑df1=27.9mm；
齒頂圓直徑da1=41.8mm；
軸向齒距px=9.896mm；
蝸桿頭數(shù)z1=1；
蝸桿直徑系數(shù)q=11.27；
㎡d1=352.25；
導(dǎo)程角r1=5°04′15″。
根據(jù)GB/T 10085-1988的規(guī)定，據(jù)《現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》，表3-6-5蝸輪蝸桿的匹配，選:中心距a=125mm, 傳動(dòng)比i=69,
蝸輪齒數(shù)Z2=69， 蝸輪變位系數(shù)x2=-0.4524
據(jù)普通圓柱蝸桿傳動(dòng)基本幾何尺寸關(guān)系，據(jù)《現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》，表3-6-6，算得主要數(shù)據(jù)如下：
蝸桿齒寬b1≈2.5m≈2.5×3.15×≈66mm;
蝸桿分度圓(中圓)直徑d1=dm1=qm=11.27×3.15=35.5mm;
節(jié)圓直徑d1′=35.5-1.425=34.1mm;
蝸桿螺旋線導(dǎo)程==3.14×3.15×1=9.891mm;
蝸桿齒頂高h(yuǎn)a1=ha*m=0.5(da1-d1)=0.5×(41.8-35.5)=3.15mm;
蝸桿齒根高h(yuǎn)f1=( ha*+c*)m=0.5(d1-df1)=0.5×(35.5-27.9)=3.8mm;
蝸輪齒寬b2≈2m(0.5+)=2×3.15×(0.5+)=25mm;
蝸輪分度圓直徑d2=217.35mm;
蝸輪節(jié)圓直徑d2′=d2=217.35mm,
蝸輪中圓直徑dm2=2a-d1=m(z2+2)=214.5mm;
蝸輪喉圓直徑da2=+2=220.8mm,
蝸輪齒頂高=0.5(da2-)=m(ha*+)=3.15×(1-0.4524)=1.72mm;
蝸輪頂圓直徑=da2+m=66.4+3.15=224mm;
蝸輪齒根圓直徑df2=d2-2 =60.8-2×2.32=207mm；
蝸輪齒根高=0.5（d2-df2）=0.5×(217.35-207)=5.2mm。
蝸桿采用軸承支承。軸承的功用：一為支撐軸及軸上零件，并保持軸的旋轉(zhuǎn)精度；二為減少轉(zhuǎn)軸與支承之間的摩擦和磨損。軸承分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩大類。滾動(dòng)軸承具有摩擦阻力小、起動(dòng)靈效率高、潤(rùn)滑簡(jiǎn)便和易于互換等優(yōu)點(diǎn)，所以獲得廣泛應(yīng)用。它的缺點(diǎn)是抗沖擊能力較差，高速時(shí)出現(xiàn)噪聲，工作壽命也不及液體摩擦的滑動(dòng)軸承。
機(jī)床常用滾動(dòng)軸承特性：
（1）深溝球軸承 主要承受徑向載荷，同時(shí)也可承受一定量的軸向載荷。當(dāng)轉(zhuǎn)速很高而軸向載荷不大時(shí)，可代替推力球軸承承受純軸向載荷。
（2）圓柱滾子軸承 能承受較大的徑向載荷，不能承受軸向載荷，內(nèi)外圈只允許有及小的相對(duì)偏轉(zhuǎn)。
（3）推力圓柱滾子軸承 能承受較大的單向軸向載荷。
（4）角接觸軸承 能同時(shí)承受徑向、軸向聯(lián)合載荷，公稱接觸角越大，軸向承載能力也越大，公稱接觸角有15°、25°、40°三種，通常成對(duì)使用，可以分裝與兩個(gè)支點(diǎn)或同裝于一個(gè)支點(diǎn)上。
根據(jù)以上分析比較，具體到本設(shè)計(jì)，蝸桿軸上選用滾動(dòng)軸承中角接觸球軸承，能承受徑向和軸向載荷。軸承型號(hào)7004C，d=20mm,D=42mm,b=12mm, =0.6mm,
額定負(fù)荷C=8050N, =5250 N,極限轉(zhuǎn)速32000r/min;
2.1.4.3 鏈條的選擇
在刀庫的設(shè)計(jì)中，采用套筒輥?zhàn)渔渷韨鲃?dòng)，而刀具通過專門的夾具裝在刀套中，刀套直接裝在鏈條上，隨著鏈條的運(yùn)動(dòng)改變刀具的位置，最終到達(dá)換刀位置。
在設(shè)計(jì)中可供選用的鏈條主要有以下兩種：
（1）、帶導(dǎo)向輪的SK04型鏈條，它是一種懸掛式鏈條，采用SK04懸掛式鏈條的鏈?zhǔn)降稁斓牟季中问胶芏?，因此?yīng)用也很廣泛，但是這種形式的刀庫只能是刀套“外轉(zhuǎn)型”，也就是說它的刀套只能向外伸出，故不能充分地利用中間的空間，特別是在當(dāng)?shù)稁煨问绞欠叫螘r(shí)。另外，它需要有專門的夾具把刀具固定在刀套中，再將刀套裝在鏈條上，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。
（2）、HP型鏈條，它又叫套筒式鏈條。相比SK04型懸掛式鏈條，它本身的輥?zhàn)泳褪堑短祝毒咧苯油ㄟ^專用夾具裝在刀套中，因此不需要設(shè)計(jì)專門的刀套，它也可以組成各種形式的刀庫，而且這種形式的刀庫在刀套“內(nèi)轉(zhuǎn)”時(shí)，不發(fā)生刀套之間的干涉，故刀庫的空間利用率比懸掛式的高。
綜合各種因素，選用HP套筒滾子鏈，型號(hào)為TG508 GB1243-76 A級(jí)雙排滾子鏈。
經(jīng)查表（冶金工業(yè)出版社 機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè) 第二版表11-9）其對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)參數(shù)如下：
鏈號(hào)：TG508 節(jié)距：P=50.80 滾子直徑：dr=28.58
內(nèi)鏈節(jié)內(nèi)寬：b1min=31.75 排距：Pp=58.55 內(nèi)鏈板高：h=48
銷軸直徑：dzmax=14.30 外鏈節(jié)外寬：bz=57.94 聯(lián)結(jié)銷軸：L1max=32.15
L2max=36.82 過渡銷軸：L3max=73.65 每米質(zhì)量：q=10千克/米
最低破壞載荷（選擇A級(jí)）：Q為221.4KN 或者22700KGf
鏈條快速移動(dòng)時(shí)速度為8米/分，低速運(yùn)動(dòng)時(shí)速度為0.2米/分。由于其低速運(yùn)動(dòng)速度小于0.6米/分，故屬于低速鏈。對(duì)于低速鏈，一般按照靜強(qiáng)度來設(shè)計(jì)計(jì)算。靜強(qiáng)度公式為：
S’=Q/KfF 式中S’為靜強(qiáng)度安全系數(shù)，Q為鏈條最低破壞載荷，單位取N，Kf為載荷系數(shù)，F(xiàn)為有效圓周力。
2.1.4.4 鏈輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
整個(gè)刀庫由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過蝸桿蝸輪減速后帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)刀庫運(yùn)動(dòng)。
由于鏈條型號(hào)為TG508 GB1243-76 A級(jí)雙排滾子鏈，快速運(yùn)動(dòng)時(shí)速度為6米/分，低速運(yùn)動(dòng)時(shí)速度為0.2米/分，故采用低速鏈的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在結(jié)構(gòu)允許的情況下，盡量取較大的鏈輪直徑以降低鏈條的拉力。同時(shí)應(yīng)保證鏈輪與鏈條同時(shí)嚙合的齒數(shù)大于3—5個(gè)。
鏈輪的具體設(shè)計(jì)計(jì)算過程如下：
（1）、鏈輪尺寸參數(shù)計(jì)算
根據(jù)節(jié)距P取50.8（以下單位除特殊標(biāo)明外，均默認(rèn)為mm），由《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》冶金工業(yè)出版社第二版，查表11—11得到以下公式：
鏈輪節(jié)圓直徑d’=p/(sin180°/Z) 齒頂圓直徑 da=p(0.54+ctg180°/Z)
齒根圓直徑 df=d’-dr dr為滾子直徑； 最大齒根距離 Lx：當(dāng)鏈輪齒數(shù)為偶數(shù)時(shí)有：
Lx=df 當(dāng)鏈輪齒數(shù)為奇數(shù)時(shí)，Lx=d’cos(90°/Z)-dr 齒側(cè)凸緣最大直徑或排間槽最大直徑：dh=p(ctg180°/z-1) -0.80
取P=50.8 Z=19,查表11-12得：
Sin180°/Z=0.16459 ctg180°/Z=9.1948 Cos90°/Z=0.99853
由以上數(shù)據(jù)帶入各公式可求得鏈輪各尺寸參數(shù)如下：
節(jié)圓直徑d‘=308.56 齒頂圓直徑da=49 0.4 齒根圓直徑df=280.07
由于鏈輪齒數(shù)取19，是奇數(shù)，求得最大齒間距離Lx=279.6 齒側(cè)凸緣最大直徑dH=415.5
（2）、鏈輪齒形參數(shù)
由表11—13查得鏈輪齒形參數(shù)如下：
分度圓節(jié)距 P0=P(1+(d1-dr)/d) 分度圓直徑 d=p/(sin180°/Z) 齒溝圓弧半徑 r1=0.5025dr+0.05 齒溝半角 α=55°-60°/Z 齒溝圓心到工作段圓心距離O1O2=0.8d1
工作段圓弧半徑 r2=0.8dr+r1=1.3025dr 工作段圓弧中心角 β=18°-56°/Z 齒形半角γ=17°-64°/Z 齒頂圓弧半徑 r3=dr（1.3cosr+0.8cosB-1.3025）-0.05 齒形壓力角 最大值Qmax=35°-120°/Z 最小值 Qmin=17°-64°/Z 平均值 Q=26°-92°/Z
將個(gè)數(shù)據(jù)帶入以上公式，分別求得分度圓節(jié)距P0=120 分度圓直徑 d=308.56 齒溝圓弧半徑r1=14.41 齒溝半角 α=51.84 齒溝圓心到工作段圓心距離O1O2=260 工作段圓弧半徑 r2=37.23 工作段圓弧中心角 β=15.05° 齒形半角γ=13.63° 齒頂圓弧半徑 r3=8.46 齒形壓力角 最大值 Qmax=28.68° 最小值 Qmin=13.63° 平均值 Q=21.16°
由以上信息就可以確定鏈輪的形狀和尺寸了。
2.2 自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)
2.2.1 方案分析比較
根據(jù)題目要求，加工中心必須帶有刀庫和自動(dòng)換刀裝置，工件在加工中心上一次裝夾后，能自動(dòng)完成多種工序的加工，其中包括使用多把刀具，以實(shí)現(xiàn)零件的生產(chǎn)節(jié)拍的要求。
自動(dòng)換刀裝置的種類繁多，實(shí)際應(yīng)用較多的自動(dòng)換刀裝置可分為直接換刀方式、機(jī)械手換刀方式、轉(zhuǎn)塔頭方式三大類型。
（1）直接換刀方式的自動(dòng)換刀裝置的換刀是通過刀庫和主軸箱的配合動(dòng)作來完成，按刀庫是否移動(dòng)又分為刀庫移位方式和刀庫固定方式。刀庫移位方式換刀運(yùn)動(dòng)集中，運(yùn)動(dòng)部件少，但刀庫運(yùn)動(dòng)多，布局不靈活，適應(yīng)性差；刀庫固定順序選刀的結(jié)構(gòu)通常用于刀具數(shù)量較少的加工中心和數(shù)控?cái)?shù)控銑床上。
（2）轉(zhuǎn)塔頭方式的自動(dòng)換刀裝置一般為順序換刀，換刀時(shí)間短，結(jié)構(gòu)緊湊，可又分為轉(zhuǎn)塔刀架換刀方式和轉(zhuǎn)塔主軸頭換刀方式兩種。
（3）加工中心的自動(dòng)換刀裝置大都采用機(jī)械手換刀方式，它是由機(jī)械手把刀庫上的刀具送到主軸上，再把主軸上已用過的刀具返送到刀庫上，這種換刀方式比直接換刀方式運(yùn)動(dòng)慣性小，速度快，布局靈活。
機(jī)械手的換刀形式是多種多樣的，常見的有：（1）兩手呈180°的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手：①兩手不伸縮的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手；②兩手伸縮的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手； ③剪式手爪的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手；(2)兩手互相垂直的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手 (3)兩手平行的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手(4)雙手交叉式機(jī)械手。
比較上述三種自動(dòng)換刀裝置，根據(jù)需要最后選擇雙臂單爪機(jī)械手。
2.2.2 機(jī)械手自動(dòng)換刀工作流程設(shè)計(jì)
機(jī)械手換刀方式的自動(dòng)換刀裝置是由刀庫、機(jī)械手配合完成自動(dòng)換刀的，這種換刀裝置在加工中心應(yīng)用最為普遍，比直接換刀方式的自動(dòng)換刀裝置中刀庫的配置、位置、容量的選用都要靈活的多，換刀時(shí)間也短。
上一工序加工完畢，主軸返回?fù)Q刀位置并停在準(zhǔn)停位置，假定此時(shí)機(jī)械手的狀態(tài)為：手架已經(jīng)轉(zhuǎn)向了刀庫，裝刀手中夾著刀具T09,卸刀手的手中是空的，主軸上裝著刀具T05，此時(shí)主軸需要換刀。那么整個(gè)自動(dòng)換刀裝置的動(dòng)作如下：
（1）手架轉(zhuǎn)向主軸。機(jī)床的刀庫位于立柱的左側(cè)，刀具在刀庫中的安裝方向與主軸平行。裝刀之前，手架轉(zhuǎn)動(dòng)180°，即手架轉(zhuǎn)向主軸，此時(shí)裝刀手與裝刀手中的刀具是垂直的，而此刀具與主軸上的刀具軸線平行。
（2）卸刀手前伸抓取主軸上待換刀具T05。機(jī)床已經(jīng)用T05的刀完成了所需要的加工動(dòng)作，而需要用到下一把刀具（在這里用T09），而主軸上只能裝一把刀，因此要換刀，就必須先卸下主軸上已有的用過的刀具。此時(shí)卸刀手手指中心與主軸中心在一條直線上，卸刀手在伸縮油缸的帶動(dòng)下直線運(yùn)動(dòng)，抓取主軸上的刀，即為T05。
（3）滑座前伸拔刀。機(jī)械手抓住主軸刀具的刀柄后，由手指將刀柄鎖緊，而刀庫中刀具的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)松開刀具。此時(shí)伸縮油缸架前伸，滑座在導(dǎo)軌內(nèi)前移，帶動(dòng)整個(gè)手架前伸，從而將刀具T05從主軸上拔出卸下。
（4）卸刀手縮回。此時(shí)刀具已經(jīng)從主軸上拔出，機(jī)械手離開了主軸，拔刀動(dòng)作完成，機(jī)械手將刀具夾緊，手臂在伸縮油缸的控制下快速后退，離開主軸，返回到拔刀前的位置。
（5）裝刀手前伸。此時(shí)主軸上的刀具已經(jīng)拔出，需要換上新的刀具（T09）繼續(xù)完成后面的加工動(dòng)作。此時(shí)裝刀手前伸，與（2）卸刀手前伸抓刀的動(dòng)作基本一樣。手指的中心與主軸中心重合。
（6）滑座后退插刀（裝刀）。刀具插入主軸錐孔后，刀具的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)夾緊刀具。此時(shí)伸縮油缸架后退，滑座在導(dǎo)軌內(nèi)后移，帶動(dòng)整個(gè)手架回退，同時(shí)裝刀手中的自動(dòng)鎖緊裝置松開，主軸夾緊刀具，從而將刀具T09從機(jī)械手的裝刀手中拔出卸下，裝到主軸上。
（7）裝刀手縮回。此時(shí)刀具已經(jīng)準(zhǔn)確地裝到了主軸上，主軸將要用新裝上的刀具進(jìn)行加工，裝刀動(dòng)作已完成，機(jī)械手將刀具完全松開，手臂在伸縮油缸的控制下快速后退，離開主軸，返回到裝刀前的位置。
（8）手架轉(zhuǎn)向刀庫。此時(shí)裝刀動(dòng)作已完成，主軸開始加工工件，而機(jī)械手的使命并沒有完成，它還需要把從主軸上卸下的刀具（T05）放回刀庫中對(duì)應(yīng)的位置，以便下次取刀的方便。回轉(zhuǎn)油缸啟動(dòng)，回轉(zhuǎn)180°，同時(shí)帶動(dòng)手架轉(zhuǎn)動(dòng)180°，手架轉(zhuǎn)向主軸，裝刀手、卸刀手的中心與刀庫上T05刀套的中心在同一直線上。為換刀做好準(zhǔn)備。
（9）滑座前伸。在動(dòng)作（6）中，滑座已經(jīng)后退了，此時(shí)的機(jī)械手與刀庫在同一平面內(nèi)，無法完成裝刀的動(dòng)作，此時(shí)伸手架中的伸縮油缸前移，滑座在導(dǎo)軌內(nèi)前移，帶動(dòng)整個(gè)手架前伸，直到到達(dá)制定位置。
（10）卸刀手前伸。卸刀手在伸縮油缸的驅(qū)動(dòng)下前伸，將刀具T05裝入刀庫中對(duì)應(yīng)刀套T05的位置，同時(shí)刀庫中的自動(dòng)夾緊裝置夾緊刀柄。
（11）滑座后退插刀。滑座后退插刀（裝刀）。刀具插入刀套中的錐孔后，刀具的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)夾緊刀具。此時(shí)伸縮油缸架后退，滑座在導(dǎo)軌內(nèi)后移，帶動(dòng)整個(gè)手架回退，同時(shí)卸刀手中的自動(dòng)鎖緊裝置松開，刀庫夾緊刀具，從而將刀具T05從機(jī)械手的卸刀手中拔出卸下，裝到刀庫中。
（12）卸刀手縮回。原理與動(dòng)作（4）一樣。換刀完成。
（13）滑座回參考點(diǎn)。換刀過程進(jìn)行完畢，機(jī)械手返回到參考點(diǎn)，為下次換刀動(dòng)作做準(zhǔn)備。
機(jī)械手換刀過程圖如下：
開始換刀前狀態(tài)
2.2.3 換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
這里的機(jī)械手為雙臂單爪式機(jī)械手。為了從刀庫的刀套中心處取刀，并送到機(jī)床的主軸孔處將刀具插入主軸孔，或者從主軸孔中將刀具拔出取下，送到刀庫的相應(yīng)刀套處存放起來，需要機(jī)械手完成以下幾個(gè)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作：
裝刀手、卸刀手的伸縮運(yùn)動(dòng)（接近刀具）；手指夾緊或松開動(dòng)作；手架伸縮運(yùn)動(dòng)（拔刀和插刀）（垂直于手臂方向的運(yùn)動(dòng)）；手架的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（刀具換位）等。每個(gè)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作均由具體機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，各機(jī)構(gòu)的具體的設(shè)計(jì)如下：
1、裝刀手、卸刀手的伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和手指夾緊機(jī)構(gòu)
具體結(jié)構(gòu)見圖“機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)圖A0”。裝刀手5和卸刀手2對(duì)稱配置在手架1上，其結(jié)構(gòu)和尺寸、運(yùn)動(dòng)要求完全相同，只是幾個(gè)主要零件（如伸縮缸體、手部指座等）形狀相反。裝刀手、卸刀手只有伸縮運(yùn)動(dòng)和手指的夾放運(yùn)動(dòng)。
裝刀手、卸刀手的伸縮運(yùn)動(dòng)由單桿活塞油缸實(shí)現(xiàn)。活塞油缸的活塞桿6固定在手架1上，當(dāng)壓力油從油孔11和12（或者9和10）分別進(jìn)到油缸5的兩腔時(shí)，推動(dòng)缸體5在燕尾行導(dǎo)軌上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其形成位置由裝在手架1上的行程開關(guān)進(jìn)行檢測(cè)，并采用油缸端部節(jié)流緩沖，油缸端蓋與活塞端蓋相碰而定位。
裝刀手和卸刀手的手臂移動(dòng)方向相交城45°角，其交電即是裝刀手和卸刀手前伸到終點(diǎn)時(shí)手指的夾緊中心。此中心點(diǎn)要與刀庫上的刀套中心和加工中心機(jī)床上的主軸中心相重合，以保證能正確的裝、卸刀。
裝刀手（卸刀手）的手部由手指座3（即伸縮缸的端蓋）、固定指7、活動(dòng)指9、刀具定向鍵10、頂銷12、卡銷13、彈簧11、15和擋塊14等組成。此手部屬于一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型彈簧式手部結(jié)構(gòu)。在手臂伸縮運(yùn)動(dòng)裝卸刀具時(shí)，手部的活動(dòng)指9，應(yīng)能自由地從刀柄的梯形槽上滑過，抓住刀柄后，特別是在運(yùn)刀過程中，活動(dòng)手指應(yīng)鎖住，因此手部?jī)?nèi)還有鎖緊機(jī)構(gòu)（手部的具體結(jié)構(gòu)見圖“機(jī)械手結(jié)構(gòu)（部分）圖A1”）。
在“機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)圖A0”中，卸刀手已將舊刀取下，且手臂已經(jīng)縮回，而裝刀手將新刀已經(jīng)裝入機(jī)床主軸孔內(nèi)（插刀完畢），此時(shí)卡銷13被擋塊14（形狀為Ⅱ型）的b’面壓入，頂銷12能自由活動(dòng)，當(dāng)裝刀手手臂后退時(shí)，活動(dòng)手指9就從刀柄上自動(dòng)滑落，在卡銷13和擋塊14接觸時(shí)，彈簧15將卡銷13頂出進(jìn)入頂銷12的凹槽內(nèi)，將頂銷鎖緊，即將活動(dòng)指9鎖住。
如是卸刀，則卸刀手手臂前伸，卸刀手手部（其結(jié)構(gòu)與裝刀手手部相同，只是固定指座有左右之別）動(dòng)作。當(dāng)卡銷13碰擋塊8（形狀為Ⅰ型）時(shí)，卡銷13縮回，頂銷12能自由運(yùn)動(dòng)；在碰到b面時(shí)，活動(dòng)手指9碰刀柄而自動(dòng)張開，，插入刀柄的梯形槽中；碰c面時(shí)卡銷13在彈簧15的作用下，卡銷被彈出，鎖緊活動(dòng)手指9，將刀抓牢，以后進(jìn)行拔刀等動(dòng)作。
擋塊8和14安裝在機(jī)床主軸套筒的端面上，另有兩塊（Ⅰ、Ⅱ型各一塊）裝在手架懸伸支架上（圖中未標(biāo)出）。
刀具在手指中不允許有轉(zhuǎn)動(dòng)，以免鍵槽錯(cuò)位，故在固定手指7上有定向鍵10。
2、手架伸縮和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
手架伸縮運(yùn)動(dòng)能實(shí)現(xiàn)裝、卸刀手的拔、插刀動(dòng)作；手架回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能實(shí)現(xiàn)手架的回轉(zhuǎn)動(dòng)作，從而改變裝刀手、卸刀手的位置（即機(jī)械手由主軸轉(zhuǎn)向刀庫，或由刀庫轉(zhuǎn)向主軸）。
圖“手架伸縮和回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)圖A0”所示為手架伸縮，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)圖。
手架的伸縮是由滑座的伸縮來實(shí)現(xiàn)的?；?（其上加工有油缸）安裝在由滾柱組（滾柱俺十字交叉位置放置）和V形滑道組成的滾動(dòng)導(dǎo)軌8上，活塞桿2固定在橫梁5上。當(dāng)壓力油從油管13進(jìn)入油缸左腔時(shí)，推動(dòng)滑座1前伸，即拔刀運(yùn)動(dòng)；若壓力油經(jīng)油管14進(jìn)入到油缸右腔時(shí)，推動(dòng)滑座1縮回，即插刀運(yùn)動(dòng)?；?的行程位置由安裝在橫梁5上的行程開關(guān)10和11進(jìn)行檢測(cè)。為了緩和沖擊，此油缸采用端部節(jié)流緩沖，并靠活塞端面與油缸端蓋相碰而定位。
手架的回轉(zhuǎn)是由安裝在滑座內(nèi)的回轉(zhuǎn)油缸4來實(shí)現(xiàn)。手架與轉(zhuǎn)軸3固連，轉(zhuǎn)軸3通過鍵與回轉(zhuǎn)油缸的動(dòng)片軸相連。當(dāng)壓力油通過油管15或16進(jìn)入到回轉(zhuǎn)油缸的工作腔時(shí)，推動(dòng)動(dòng)片軸9，并帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸3回轉(zhuǎn)，手架即回轉(zhuǎn)，其回轉(zhuǎn)位置由行程開關(guān)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)安裝在轉(zhuǎn)軸3上的定位塊7與定位螺釘6相接觸時(shí)，手架即到達(dá)指定位置。
在回轉(zhuǎn)油缸的端蓋上，加工有三對(duì)進(jìn)出油口（即a、b、c和a’、b’、c’）,當(dāng)接到手架轉(zhuǎn)向的指令后，壓力油經(jīng)過油管（例如16），從油孔c進(jìn)到回轉(zhuǎn)油缸工作腔，使動(dòng)片啟動(dòng)一定角度后，動(dòng)片將有口a打開進(jìn)油，動(dòng)片軸快速回轉(zhuǎn)，回油腔油液從油口a’、b’排出，當(dāng)動(dòng)片將油口a’堵住后，油液從b’口排出，油液受到節(jié)流阻尼，動(dòng)片回轉(zhuǎn)速度下降，以達(dá)到減速緩沖的效果。減速度的大小或緩沖效果可以通過回轉(zhuǎn)油缸端蓋上的調(diào)節(jié)螺釘進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2.2.4 機(jī)械手手臂和手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
手部是機(jī)械手直接用于抓取和抓緊（或吸附）工件或夾持專用工具（如刀具，噴槍，焊接工具等）進(jìn)行操作的部件。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，并安裝與機(jī)械手手臂的前端。
手部結(jié)構(gòu)形式很多，在這里我們選用一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型彈簧式手部結(jié)構(gòu)，它的有點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，可以方便的抓刀、卸刀，而且在手指內(nèi)采用了刀具定向鍵，定位精度高，能滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。
手部的具體結(jié)構(gòu)圖見“機(jī)械手（部分）”，現(xiàn)將其組成結(jié)構(gòu)和夾緊原理介紹如下：
機(jī)械手采取“徑向抓刀”的方式，機(jī)械手的手爪由固定指和活動(dòng)指兩部分組成。當(dāng)需要抓刀時(shí)，鎖緊銷的肩部靠彈簧卡入頂銷的孔內(nèi)，限制頂銷的下移，從而鎖住活動(dòng)指，使手爪抓緊刀具。當(dāng)需要松開手爪時(shí)，靠主軸套筒端面及手臂座支架上的松開導(dǎo)板，將鎖緊銷頂進(jìn)去，此時(shí)頂銷可以下移，使活動(dòng)指松開。手爪夾緊力約為5公斤。
2.2.5 液壓缸、活塞桿的選擇
液壓缸是機(jī)床氣動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一種執(zhí)行元件。它是將壓縮油液的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
液壓油缸一般有缸筒、前后缸蓋、活塞桿、活塞、密封件和緊固件等零件組成。油缸被活塞分為二個(gè)腔：有桿腔（簡(jiǎn)稱頭腔或前腔）和無桿腔（簡(jiǎn)稱尾腔或后腔）。有活塞桿的腔室為為有桿腔，無活塞桿的腔室為無桿腔。
緩沖油缸在缸蓋上設(shè)有緩沖裝置：緩沖密封圈安裝在缸蓋上，具有工藝性和緩沖性能好的特點(diǎn)。
油缸的工作原理：壓縮油當(dāng)從無桿腔進(jìn)油時(shí)，則有桿腔排出油液，壓縮油作用在活塞右端面上推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，使活塞伸出；當(dāng)有桿腔腔與無桿腔交替進(jìn)油排油時(shí)，則活塞桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
緩沖油缸壓縮油液從無桿腔進(jìn)油使活塞桿伸出，有桿腔的油經(jīng)前端蓋排出。當(dāng)活塞桿伸出接近行程末端，有桿腔緩沖柱塞將出油孔密封，緩沖開始，活塞桿繼續(xù)伸出時(shí)，有桿腔內(nèi)的油只能從節(jié)流小孔經(jīng)針閥才能排出，油液排出受到阻力，活塞桿伸出運(yùn)動(dòng)速度逐漸減慢起到緩沖作用。防止了活塞與缸蓋的撞擊，活塞達(dá)到緩慢停止。調(diào)節(jié)針閥開度的大小可控制油缸的緩沖性能。
油缸的分類：油缸的種類繁多，分類的方法也不同。
（1）按壓縮液體作用的方向分：有單作用油缸、雙作用油缸和組合油缸。
1）單作用油缸。壓縮液體只從一腔進(jìn)入油缸推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。活塞復(fù)位靠彈簧、膜片、自重或其它外力的作用。彈簧可安裝在有桿腔或無桿腔的一面。
2）雙作用油缸。油缸活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)均由壓縮液體來完成。
（2）按油缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分活塞式油缸和柱塞式油缸。
（3）按油缸運(yùn)動(dòng)方式分為推力油缸和擺動(dòng)油缸。
1、手臂的伸縮缸
機(jī)械手手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)由液壓缸來控制。由于需要油缸雙向運(yùn)動(dòng)，所以選擇雙作用活塞油缸。根據(jù)手臂大小，選擇油缸內(nèi)徑Φ50，活塞桿外徑Φ35油缸行程180mm，想對(duì)應(yīng)的油管直徑 為Φ8。導(dǎo)向距離H是活塞桿外伸時(shí)，由活塞中心到活塞桿導(dǎo)向部分中心的距離，最合理的導(dǎo)向距離建議不小于最大行程的1/10，在這里H取25即可。油缸和活塞的安裝方式為單活塞桿雙作用推力型油缸?；钊麠U一端固連在手座上，另一端伸入油缸內(nèi)，而油缸是可以移動(dòng)的，油缸右端與手指座固連。活塞油缸的安裝形式及其動(dòng)作原理示意圖如下：
1
2
1—活塞桿 2—油缸
當(dāng)油缸左腔進(jìn)油時(shí)，左腔壓力增大，對(duì)活塞有向右的推力，反之，活塞對(duì)油缸有一向左的反作用力，活塞是不動(dòng)的，就使得油缸向左運(yùn)動(dòng)；相反，當(dāng)油缸右腔進(jìn)油時(shí)，油缸就向右運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)手指座的縮回和前伸動(dòng)作。
2、機(jī)械手手架的伸縮油缸
機(jī)械手手架的伸縮運(yùn)動(dòng)也采用油缸控制，與手臂的伸縮相似，選擇油缸內(nèi)徑Φ40，活塞桿外徑Φ28，相應(yīng)的油管直徑Φ8。當(dāng)油缸中通入壓力油時(shí)，缸體連同手臂沿著手臂座移動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，完成拔刀和插刀的動(dòng)作。手臂靠在十字交叉滾子在手臂座的V行導(dǎo)軌上移動(dòng)。
3、機(jī)械手手架的回轉(zhuǎn)油缸
機(jī)械手手架的回轉(zhuǎn)選用單葉片擺動(dòng)油缸控制。油缸型號(hào)為：BM-500。其主要技術(shù)規(guī)格如下：
型號(hào)：BM-500 壓力：7.14kgf/c㎡ 流量：22.5L/Min 扭矩：500kgfcm
最大擺動(dòng)角度：284°
油缸的基本控制原理如下：
回轉(zhuǎn)（擺動(dòng)）油缸擺動(dòng)180°，帶動(dòng)整個(gè)手架回轉(zhuǎn)180°，實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械手由刀庫轉(zhuǎn)向主軸或由主軸轉(zhuǎn)向刀庫，與油缸1、2一起，控制機(jī)械手的整個(gè)換刀過程。
2.2.6 液壓系統(tǒng)工作原理
換刀機(jī)械手液壓系統(tǒng)如圖“液壓系統(tǒng)圖A1”所示。它是自動(dòng)換刀系統(tǒng)液壓系統(tǒng)的一部分。該系統(tǒng)采用雙聯(lián)葉片泵（YYB-AB60/9B-FL）供油，它具有功率損失小，油箱溫升小, 泵的壽命長(zhǎng)，成本低等優(yōu)點(diǎn)。
雙聯(lián)葉片泵的工作是用溢流閥（YB-B20B）、卸荷閥（X4F-B20B）和單向閥（DIF-L20H1）三個(gè)閥聯(lián)合控制的。當(dāng)雙聯(lián)葉片泵啟動(dòng)后，兩個(gè)泵的輸出油液分別進(jìn)入它們的管道，小泵1的輸出油液經(jīng)過濾器過濾后進(jìn)入溢流閥，大泵2的輸出油液進(jìn)入卸荷閥，若此時(shí)電磁鐵（15DT）不通電，管道通過電液動(dòng)滑閥（24DY-B20H）單向閥（DF-B20Ks）和油箱相通。此時(shí)管路中壓力很低，溢流閥和卸荷閥都關(guān)閉，兩泵的油都通過電液動(dòng)滑閥流回油箱。若雙聯(lián)葉片泵啟動(dòng)7-10秒，電磁鐵15DT通電，電液動(dòng)滑閥換向，泵的輸出油液通向自動(dòng)換刀裝置各油缸和油馬達(dá)的工作回路。
當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，例如機(jī)械手的手架在最上位置并轉(zhuǎn)向了機(jī)床主軸，當(dāng)卸刀手去卸刀時(shí)，這時(shí)只有卸刀手手臂伸縮油缸需要壓力油，其余多余的油液從溢流閥YF-B20B溢出。在高壓小油泵1 供油時(shí)，管路內(nèi)的油壓上升到溢流閥所確定的壓力，由于卸荷閥的調(diào)定壓力比溢流閥的調(diào)定壓力低5kg/c㎡，卸荷閥X4F-B20B被打開，單向閥DIF-L20H1在系統(tǒng)壓力作用下而關(guān)閉，低壓大流量油泵2的輸出油液不通向負(fù)載，而以較低的壓力通過卸荷閥流經(jīng)冷卻器回到油箱。此時(shí)低壓大流量油泵2所建立的壓力只用于克服管路損失，因而壓力很低，消耗的功率小，高壓小流量油泵1的輸出油液供給系統(tǒng)使用。
1、手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)控制
當(dāng)卸刀手手臂伸出抓刀時(shí)，懸臂開關(guān)使無觸電行程開關(guān)發(fā)信號(hào)，使電磁鐵13DT吸合，接通油路，壓力油通過油管9進(jìn)入油缸左腔，使得油缸前伸，帶動(dòng)卸刀手手臂伸出。
當(dāng)卸刀手手臂縮回時(shí)，懸臂感應(yīng)塊使無觸電行程開關(guān)發(fā)信號(hào)，使電磁鐵13DT斷開，接通油路，壓力油通過油管10進(jìn)入油缸右腔，使得油缸縮回，帶動(dòng)卸刀手手臂縮回。
裝刀手的伸縮運(yùn)動(dòng)原理與卸刀手的動(dòng)作原理完全相同，只是進(jìn)、出油管道不一樣，具體情況見下表。
2、手架的伸縮運(yùn)動(dòng)控制
（1）手架的伸出（拔刀動(dòng)作）。在機(jī)械手抓緊刀柄后，懸臂感應(yīng)塊使無觸電行程開關(guān)發(fā)信號(hào)，電磁鐵10DT通電，而9DT斷開，接通油管13，壓力油經(jīng)過油管13進(jìn)入油缸左腔，油缸前伸，帶動(dòng)整個(gè)手架伸出，完成拔刀動(dòng)作。
（2）手架的縮回（插刀動(dòng)作）。與手架伸出一樣，在機(jī)械手抓刀到達(dá)主軸換刀位置或是刀庫上刀套準(zhǔn)停位置時(shí)，手臂前伸，懸臂感應(yīng)塊使無觸電行程開關(guān)發(fā)信號(hào)，電磁鐵9DT吸合，而10DT斷開，接通油管14，壓力油經(jīng)過油管14進(jìn)入油缸右腔，油缸縮回，帶動(dòng)整個(gè)手架縮回，完成插刀動(dòng)作。
其他動(dòng)作，如手架的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與手臂，手座的伸縮運(yùn)動(dòng)淚水，都是由數(shù)控柜按程序發(fā)出指令信號(hào)，控制相應(yīng)的電磁閥實(shí)現(xiàn)程序動(dòng)作。
換刀機(jī)械手的動(dòng)作名稱與電磁鐵的通斷電情況如下表所示：
電磁鐵序號(hào)
換刀機(jī)械手動(dòng)作
9DT
10DT
11DT
12DT
13DT
14DT
15DT
手架伸出
—
+
手架縮回
+
—
裝刀手前伸
+
裝到手縮回
—
卸刀手前伸
+
卸刀手縮回
—
手架轉(zhuǎn)向刀庫
+
—
手架轉(zhuǎn)向主軸
—
+
卸荷
—
設(shè)計(jì)總結(jié)
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題是小型加工中心刀庫及換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，不僅對(duì)加工中心有了更深入的認(rèn)識(shí)和了解，而且鍛煉了我獨(dú)立思考的能力和認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度。為以后的學(xué)習(xí)工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，將大學(xué)四年所學(xué)的專業(yè)課知識(shí)進(jìn)行了很好的運(yùn)用和總結(jié)，重新學(xué)習(xí)了一些已遺忘的知識(shí)，收獲很大。畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅是對(duì)個(gè)人能力的考驗(yàn)，更要求個(gè)人具有頑強(qiáng)的毅力和堅(jiān)持不懈的精神，以及認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，我查閱了大量的資料，繪制了刀庫及換刀機(jī)構(gòu)裝配總圖及一些必要的零件圖，對(duì)工作原理進(jìn)行了認(rèn)真分析，對(duì)必要部分進(jìn)行了校核、計(jì)算。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了我們對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握和領(lǐng)悟程度，以及個(gè)人的學(xué)習(xí)態(tài)度和設(shè)計(jì)能力。由于我們是第一次進(jìn)行整體性地設(shè)計(jì)，不可避免地碰到了許多困難，有時(shí)甚至?xí)械綗o法下手。在設(shè)計(jì)過程中，碰到了很多困難，但我都沒有退縮，憑著一股求知的熱情，積極查閱資料，動(dòng)手計(jì)算，動(dòng)腦思考，不懂的地方向指導(dǎo)老師請(qǐng)教，最終將難點(diǎn)一一攻克了。
通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我在各個(gè)方面都有了很大的提高，收獲很大，具體地表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1.將大學(xué)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行了很好的歸納、運(yùn)用和總結(jié)，將各科知識(shí)融合到了一起，形成了一個(gè)整體的知識(shí)體系。
2.對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行查漏補(bǔ)缺，補(bǔ)起了遺忘的知識(shí)，學(xué)習(xí)了新知識(shí)，并了解了課題有關(guān)的國(guó)內(nèi)外動(dòng)向，開闊了視野，拓寬了自己的知識(shí)面。
3.設(shè)計(jì)能力得到了提高。將所學(xué)理論知識(shí)很好的運(yùn)用到了實(shí)際設(shè)計(jì)中，并鍛煉了自己動(dòng)腦解決問題的能力，提高了理解能力。
4.學(xué)會(huì)了充分利用網(wǎng)絡(luò)資源查閱相關(guān)資料。
5.提高了自己理論聯(lián)系實(shí)際的能力，鍛煉了持之以恒的堅(jiān)強(qiáng)毅力和認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度，敢于鉆研，有問題及時(shí)解決掉的學(xué)習(xí)習(xí)慣，對(duì)以后的學(xué)習(xí)工作會(huì)產(chǎn)生很大的影響。
致謝
本文是在尊敬的王維志導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下完成的。王老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的知識(shí)、敏銳的洞察力，對(duì)學(xué)生的耐心輔導(dǎo)，令每一個(gè)學(xué)生敬佩。在設(shè)計(jì)過程中，王老師很認(rèn)真的解答我的問題，對(duì)我出錯(cuò)的地方給予耐心指導(dǎo)，有時(shí)向我提出問題，培養(yǎng)了我全面考慮問題的能力和創(chuàng)新意識(shí)。王老師平易近人中透射出了當(dāng)代大學(xué)教師的師德和風(fēng)范，他認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對(duì)我以后的學(xué)習(xí)工作會(huì)產(chǎn)生很大的影響。在此，謹(jǐn)向王老師表達(dá)我深深的敬意和忠心的感謝！
在課題設(shè)計(jì)中，參考了許多學(xué)者專家的文章和著作，以及一些網(wǎng)絡(luò)制造商的資料，在此向這些對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)提供參考資料的作者們表示感謝！
同時(shí)，要感謝給我?guī)椭椭С值耐瑢W(xué)們，謝謝你們大學(xué)四年對(duì)我的幫助，關(guān)心，感謝你們這四年中給了我珍貴的友誼和一段終身難忘的大學(xué)生活！
最后，感謝汽車學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)、老師，特別是機(jī)械工程系的領(lǐng)導(dǎo)、老師，謝謝你們?cè)谖胰松钪匾乃哪曛校o我的教導(dǎo)和幫助！
在本文結(jié)束之際，向所有為我的論文提出寶貴意見的評(píng)閱專家們表示衷心的感謝和崇高的敬意!
謝謝!
參考文獻(xiàn)
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