自動換刀機械手設(shè)計【數(shù)控鏜銑床的自動換刀】【BT40型刀柄】
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一、選題背景
1. 國內(nèi)外數(shù)控機床的的發(fā)展情況
20 世紀(jì)90 年代以來, 數(shù)控加工技術(shù)得到迅速的普及和發(fā)展, 數(shù)控機床在制造業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。帶有自動換刀系統(tǒng)的數(shù)控加工中心在現(xiàn)代先進制造業(yè)中起著愈來愈重要的作用, 它能縮短產(chǎn)品的制造周期, 提高產(chǎn)品的加工精度, 適合柔性加工。加工中心是數(shù)控機床中較為復(fù)雜的加工設(shè)備, 由于其具有多種加工能力而得到廣泛的應(yīng)用, 其強大的加工能力和效率得益于其配置的自動換刀裝置(A u2tom at ic Too l Changer)。換刀裝置作為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, 提高生產(chǎn)率, 降低生產(chǎn)成本, 進而提升機床乃至整個生產(chǎn)線的生產(chǎn)力。加工中心自動換刀裝置是實現(xiàn)多工序連續(xù)加工的重要裝置, 其結(jié)構(gòu)設(shè)計及其控制是實現(xiàn)加工中心設(shè)計制造的關(guān)鍵。加工中心的換刀過程較為復(fù)雜, 動作多, 動作間的相互協(xié)調(diào)關(guān)系多, 因而自動換刀系統(tǒng)性能的好壞直接影響加工效率的高低。
2. 加工中心發(fā)展簡史
1952年世界上出現(xiàn)第一臺數(shù)控機床，使多種產(chǎn)品、中小批量的機械加工設(shè)備在柔性，自動化和效率上產(chǎn)生了巨大變革。它用易于修改的數(shù)控加工程序進行控制，因而比大批量生產(chǎn)中使用組合機床生產(chǎn)線和凸輪、開關(guān)控制的專用機床有更大的柔性，容易適應(yīng)加工件品種的變化，進行多品種加工。它用數(shù)控系統(tǒng)對機床的工藝功能、幾何圖形運動功能和輔助功能實行全自動的數(shù)字控制，因而大大提高加工加工效率，大大改變了中小批量生產(chǎn)中普通機床戰(zhàn)整個機械加工70%～80%的狀況。數(shù)控機床能實現(xiàn)兩坐標(biāo)以上的聯(lián)動的功能，其效率和精度比用手工和樣板控制加工復(fù)雜零件要高的多。
自動換刀裝置的形式是多種多樣的，主要的組成部分是刀庫、機械手和驅(qū)動機構(gòu)等，雖然換刀過程、選刀方式、刀庫結(jié)構(gòu)、機械手類型等個不相同，但是在數(shù)控裝置及可編程控制器控制下，由電動機或液壓或氣動機構(gòu)驅(qū)動刀庫和機械手實現(xiàn)刀具的選擇與交換。我們把這種為實現(xiàn)多工序的連續(xù)加工，在加工中心或車削中心，可進行刀具的選擇與交換的裝置叫自動換刀裝置（automatic tool change 簡稱ATC）。
3. 加工中心的主要優(yōu)點
1）提高加工質(zhì)量
工件一次裝夾，即可實現(xiàn)多工序集中加工，大大減少多次裝夾所帶來的誤差。另外，由于是數(shù)控加工，較少依賴操作者的技術(shù)水平，可得到相當(dāng)高的餓穩(wěn)定精度。
2）縮短加工準(zhǔn)備時間
3）減少在制品
4）減少刀具費
5）最少的直接勞務(wù)費
6）最少的間接勞務(wù)費
7）設(shè)備利用率高
4． 加工中心的發(fā)展趨勢
加工中心亦同其他機床一樣，他的技術(shù)水平的提高，表現(xiàn)在其固有技術(shù)（如高速、高精度化等）的進一步發(fā)展和新技能（如智能化技能等）的運用上。
1.高速化
加工中心的高速化，是只主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、自動換刀和自動交換工作臺的高速化。
2.進一步提高精度
加工中心的主要精度指標(biāo)是它的運動精度指標(biāo)。而這一精度指標(biāo)，近年來有了不小的提高，其中精密加工中心精度指標(biāo)的提高尤為明顯。所謂加工中心的運動精度，主要以定位精度、重復(fù)定位精度以及銑圓精度來表示。
3.機能更加完善
（1）愈來愈完美的自診斷機能
（2）新式刀具破損檢測裝置
（3）加工中心復(fù)合化趨勢
二、設(shè)計方案
（一）、 研究的主要內(nèi)容
加工中心換刀機械手的設(shè)計是在實現(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，實現(xiàn)其準(zhǔn)確、快速、可靠、穩(wěn)定的換刀。設(shè)計得主要內(nèi)容如下：
1、根據(jù)目前常用的加工中心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)進行分析。
3、對加工中心換刀機械手的手指夾緊力進行分析與計算，并對其關(guān)鍵部位進行校核，以保證換刀的可靠性。
4、確定各個運動的驅(qū)動機構(gòu)。
5、對設(shè)計中所涉及到的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行校核，以保證加工中心換刀機械手能夠穩(wěn)定、可靠的完成換刀過程。
6、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，要進行安全校核。
7、設(shè)計出加工中心換刀機械手的控制系統(tǒng)部分，完善設(shè)計內(nèi)容。
(二)、初步設(shè)計方案
1.手臂伸縮與手指夾緊機構(gòu)
由于與機械、電力傳動相比，液壓傳動具有體積小、質(zhì)量輕、功率大運動平穩(wěn)的特點，并且因為液壓元件有自我潤滑作用，使用壽命長[5]，所以在以下設(shè)計方案中，手臂伸縮運動及手指夾緊運動都采用液壓的驅(qū)動方式。并且由于兩手伸縮回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機械手的兩手可伸縮，縮回后回轉(zhuǎn)，可避免與刀庫中其他刀具干涉，所以，以下設(shè)計方案中的換刀機械手為兩手伸縮回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機械手。
結(jié)構(gòu)設(shè)計方案
在此方案中，加工中心換刀機械手四個手指的運動分別由四個液壓缸單獨控制，這使得它運動的靈活性很強，其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。
圖2.1 手臂伸縮與手指夾緊機構(gòu)
2. 手架旋轉(zhuǎn)與手架伸縮機構(gòu)
結(jié)構(gòu)設(shè)計方案
此方案的主要特點是，手架旋轉(zhuǎn)軸與手架伸縮液壓缸之間通過一對角接觸球軸承來連接，由這對軸承向旋轉(zhuǎn)軸傳遞活塞桿的推力和拉力，實現(xiàn)手架的伸縮運動，并且保證手架旋轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)時也不會干擾到手架伸縮液壓缸。手架旋轉(zhuǎn)軸上開有很長的鍵槽，通過滑鍵與圓錐齒輪相連，這樣就可以使手架旋轉(zhuǎn)運動與手架的伸縮運動之間互不干擾。對于手架的旋轉(zhuǎn)運動，則采用電動機驅(qū)動方式，用延時繼電器控制電動機的起、停時間，并由單級圓錐齒輪將電動機的運動傳遞給手架旋轉(zhuǎn)軸，這在一定程度上簡化了加工中心換刀機械手的機械結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。
圖2.3 機構(gòu)
三、進度安排
(一)、第一階段（1-4周）
1、開題報告(含文獻綜述、參考資料等)
2.方案論證和方案設(shè)計
（二）、第二階段（5-11周）
1、完成第一張A0
2、完成第二張第三張的草圖繪制（包括主要結(jié)構(gòu)）
（三）、第三階段（12-18周）
1、繪制要求的其余設(shè)計圖紙
2、撰寫說明書準(zhǔn)備答辯
四、參考文獻
【1】沈陽市機床工業(yè)公司七·二一大學(xué)編著，《工業(yè)機械手》，遼寧人民出版社，1979
【2】工業(yè)機械手圖冊編寫組編著，《工業(yè)機械手圖冊》，機械工業(yè)出版社，1978
【3】李允文編，《工業(yè)機械手設(shè)計》，機械工業(yè)出版社，2009
【4】王永章,杜君文,程國全 主編.數(shù)控技術(shù)[M].高等教育出版社,2007.8;
【5】李建功，《機械設(shè)計》，機械工業(yè)出版社，2008
【6】廉元國 張永紅 加工中心設(shè)計與應(yīng)用[M] 北京：機械工業(yè)出版社，1995.12；
【7】王永華主編，《現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)》，北京航空航天大學(xué)出版社，2003
【8】（美）J達菲著，《機構(gòu)和機械手分析》，1990
【9】依蘭·歐克拉，比克·京.數(shù)控平面加工中心輪式刀庫自動換刀裝置的設(shè)計.成都紡織高等?？茖W(xué)校學(xué)報.2000
指導(dǎo)教師意見：
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年 月 日
畢業(yè)設(shè)計（論文）領(lǐng)導(dǎo)小組意見：
負責(zé)人簽章：
年 月 日
摘 要
摘 要
加工中心是指在一次裝卡中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等多工序的數(shù)控機床。更為明確的說法是：加工中心就是自動換刀數(shù)控鏜銑床。這就把加工中心和自動換刀數(shù)控車床和車削中心區(qū)別開來。
加工中心區(qū)別于別的數(shù)控鏜銑床的主要特點就在于它具有根據(jù)工藝要求自動更換所需刀具的功能，機自動換刀(ATC)機能。
加工中心的自動換刀系統(tǒng),通常是由刀庫和機械手組成,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的效益。正因為自動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,尤其機械手部分更始如此。
加重中心的自動換刀形式,可分為有機械手換刀方式和無機械手換刀方式。加工中心的ATC,大都采用有機械手的換刀方式，因為更節(jié)省時間。
由于液壓驅(qū)動的機械手需要采用嚴(yán)格的密封，還需較復(fù)雜的緩沖機構(gòu)，控制機械手動作的電磁閥都有一定的時間常數(shù)，因為換刀速度較慢。近年來國內(nèi)、外先后研制出凸輪聯(lián)動式單臂雙抓機械手。這種機械手的優(yōu)點是由電機驅(qū)動，不需要較復(fù)雜的液壓系統(tǒng)及其密封、緩沖機構(gòu)，沒有漏油現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。同時，機械手手臂的回轉(zhuǎn)和插刀、拔刀的分解動作是聯(lián)動的，部分時間可重疊，從而大大縮短了換刀時間。
關(guān)鍵詞：機械手；加工中心；自動換刀
Abstract
Abstract
Machining Center is installed in a card, to achieve automatic milling, drilling, boring, Reaming, Tapping and other processes of CNC machine tools. A more explicit statement of Machining Center is the automatic tool change CNC milling machines. This brings the processing center and automatic tool change CNC lathe and turning centers to distinguish.
Machining Center is different from other CNC milling machines to the main features is that it has under the technological requirements for automatic tool change function, Automatic Tool Change (ATC) function.
Machining Center, ATC system is usually a knife and the composition manipulator, it is a symbol of the processing center. Machining Center is the key to success. Therefore the processing center manufacturers are vigorously developing the next moves quickly, high reliability, ATC, to the fierce competition to achieve good results。It is precisely because of automatic tool change is the core processing center, the manufacturers are confidential, rarely disclose the information In particular, some manipulator so start anew.
Add to the automatic tool change form, it can be divided into a manipulator tool change and free manipulator ATC way. ATC machining centers, most using a manipulator tool change, because it is more time-saving.
Due to hydraulic-driven manipulators need strict sealed need more complex buffer, manipulator control of the solenoid valve moves have a certain amount of time constants, because slower speed up the pace. In recent years, domestic and foreign has developed a cam linkage arm-grasping manipulator. This manipulator from the advantages of motor-driven, not more complex hydraulic system and its sealed buffer, no leakage, simple, reliable. Meanwhile, the manipulator arm and rotary knife inserted, the decomposition Everyone moves are linked, and some may overlap time, thus greatly reducing the time ATC。
KeyWords：Manipulator; Machining Center; Automatic tool change
III
目 錄
目 錄
摘 要 I
Abstract II
1 緒 論 1
1.1國內(nèi)外數(shù)控機床的的發(fā)展情況 1
1.1.1 加工中心發(fā)展簡史 1
1.1.2 加工中心的主要優(yōu)點 2
1.1.3 加工中心的發(fā)展趨勢 3
1.2可編程控制器的特點 5
2換刀機械手的相關(guān)介紹 7
2.1 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展歷程 7
2.2數(shù)控加工中心的基本功能 7
2.3加工中心的組成部分 8
2.3.1 刀庫 8
2.3.2 刀具交換裝置（機械手） 8
2.3.3 運刀裝置 9
2.3.4 刀具編碼裝置 9
2.3.5刀具識別裝置 10
2.4刀庫的驅(qū)動及定位 10
2.5我國數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展概況 11
2.6數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 11
2.7 ATC裝置的分類 11
2.8 ATC裝置的換刀速度比較 13
2.9 分步雙爪式ATC裝置 14
2.10自動換刀系統(tǒng)產(chǎn)品化的前景 15
3 換刀機械手的總體方案設(shè)計 16
3.1 設(shè)計任務(wù) 16
3.2機械手的平穩(wěn)性 16
3.2.1、影響平穩(wěn)性以定位精度的因素 16
3.2.2 機械手的運動特性 17
3.3機械手運動特性的分類 18
3.4開關(guān)型機械手的速度及位置控制 18
3.5機械傳動型機械手速度及位置控制 19
3.6 機械手類型確定 19
3.7 驅(qū)動系統(tǒng)和電控系統(tǒng)的選擇 19
3.7.1驅(qū)動系統(tǒng)的選擇 19
3.7.2電控系統(tǒng)的選擇 20
4 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 23
4.1 手爪部分設(shè)計 23
4.2 機械手手臂的設(shè)計 24
4.2.1臂部要防止偏重 24
4.2.2加強臂部剛度 25
4.2.3改進緩沖裝置和提高配合精度 25
4.2.4采取的措施： 25
4.3機械手傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計 27
5 換刀機械手的參數(shù)和計算 30
5.1 手臂的彎曲變形 30
5.2 連桿的強度計算 32
5.3 驅(qū)動電動機的選擇 32
6 換刀過程 35
結(jié) 論 39
參考文獻 40
致 謝 42
附錄A 部分三維零件圖情況 43
緒論
1 緒 論
1.1國內(nèi)外數(shù)控機床的的發(fā)展情況
20 世紀(jì)90 年代以來, 數(shù)控加工技術(shù)得到迅速的普及和發(fā)展, 數(shù)控機床在制造業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。帶有自動換刀系統(tǒng)的數(shù)控加工中心在現(xiàn)代先進制造業(yè)中起著愈來愈重要的作用, 它能縮短產(chǎn)品的制造周期, 提高產(chǎn)品的加工精度, 適合柔性加工。加工中心是數(shù)控機床中較為復(fù)雜的加工設(shè)備, 由于其具有多種加工能力而得到廣泛的應(yīng)用, 其強大的加工能力和效率得益于其配置的自動換刀裝置(A u2tom at ic Too l Changer)。換刀裝置作為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, 提高生產(chǎn)率, 降低生產(chǎn)成本, 進而提升機床乃至整個生產(chǎn)線的生產(chǎn)力。加工中心自動換刀裝置是實現(xiàn)多工序連續(xù)加工的重要裝置, 其結(jié)構(gòu)設(shè)計及其控制是實現(xiàn)加工中心設(shè)計制造的關(guān)鍵。加工中心的換刀過程較為復(fù)雜, 動作多, 動作間的相互協(xié)調(diào)關(guān)系多, 因而自動換刀系統(tǒng)性能的好壞直接影響加工效率的高低。
自動換刀系統(tǒng)一般由刀庫、機械手和驅(qū)動裝置組成。刀庫容量可大可小，其裝刀數(shù)在20～180把之間。刀庫的功能是存儲刀具并把下一把即將要用的刀具準(zhǔn)確地送到換刀位置，供換刀機械手完成新舊刀具的交換。當(dāng)?shù)稁烊萘看髸r，常遠離主軸配置且整體移動不易，這就需要在主軸和刀庫之間配置換刀機構(gòu)來執(zhí)行換刀動作。完成此功能的機構(gòu)包括送刀臂，擺刀站和換刀臂，總稱為機械手。具體來說，它的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與刀庫之間的傳遞。驅(qū)動裝置則是使刀庫和機械手實現(xiàn)其功能的裝置，一般由步進電機或液壓（或液機構(gòu)）或凸輪機構(gòu)組成。機械手完成刀庫里的刀（新刀）與主軸上的刀（舊刀）的交換工作。由于數(shù)控加工中心的刀庫容量、換刀可靠性及換刀速度直接影響到加工中心的效率，而自動換刀就是進一步壓縮非切削時間，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件。所以數(shù)控機床為了能在工件一次裝夾中完成多道加工工序，縮短輔助時間，減少多次安裝工件所引起的誤差，必須帶有自動換刀裝置。
1.1.1 加工中心發(fā)展簡史
1952年世界上出現(xiàn)第一臺數(shù)控機床，使多種產(chǎn)品、中小批量的機械加工設(shè)備在柔性，自動化和效率上產(chǎn)生了巨大變革。它用易于修改的數(shù)控加工程序進行控制，因而比大批量生產(chǎn)中使用組合機床生產(chǎn)線和凸輪、開關(guān)控制的專用機床有更大的柔性，容易適應(yīng)加工件品種的變化，進行多品種加工。它用數(shù)控系統(tǒng)對機床的工藝功能、幾何圖形運動功能和輔助功能實行全自動的數(shù)字控制，因而大大提高加工加工效率，大大改變了中小批量生產(chǎn)中普通機床戰(zhàn)整個機械加工70%～80%的狀況。數(shù)控機床能實現(xiàn)兩坐標(biāo)以上的聯(lián)動的功能，其效率和精度比用手工和樣板控制加工復(fù)雜零件要高的多。
加工中心和車削中心是有機械設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)組成，適用復(fù)雜零件加工的高效、高精度的自動化機床。這種機床可裝若干把刀具，能自動更換刀具，一次裝卡中，完成銑鏜、車、鉆、擴、鉸、攻螺紋等的加工。也是因為加工中心和車削中心比一般數(shù)控機床多了一套自動換刀裝置，可實現(xiàn)多工序的連續(xù)加工，因而加工效率大大提高，使其成為數(shù)控機床中發(fā)展最快、需求最大的機床。
自動換刀裝置的形式是多種多樣的，主要的組成部分是刀庫、機械手和驅(qū)動機構(gòu)等，雖然換刀過程、選刀方式、刀庫結(jié)構(gòu)、機械手類型等個不相同，但是在數(shù)控裝置及可編程控制器控制下，由電動機或液壓或氣動機構(gòu)驅(qū)動刀庫和機械手實現(xiàn)刀具的選擇與交換。我們把這種為實現(xiàn)多工序的連續(xù)加工，在加工中心或車削中心，可進行刀具的選擇與交換的裝置叫自動換刀裝置（automatic tool change 簡稱ATC）。
1.1.2 加工中心的主要優(yōu)點
1.提高加工質(zhì)量
工件一次裝夾，即可實現(xiàn)多工序集中加工，大大減少多次裝夾所帶來的誤差。另外，由于是數(shù)控加工，較少依賴操作者的技術(shù)水平，可得到相當(dāng)高的餓穩(wěn)定精度。
2.縮短加工準(zhǔn)備時間
加工中心可以頂替多臺通用機床，那么加工一個零件所需準(zhǔn)備時間，是每臺加工單元所損耗的準(zhǔn)備時間之和。才這個意義上說，加工中心的準(zhǔn)備時間顯然短得多。
3.減少在制品
以往的加工方式是工件流動于多臺通用機床之間，這就要有相當(dāng)數(shù)量的在制品，而在加工中心上加工，即可發(fā)揮其“多工序集中”的優(yōu)勢，在一臺機床上完成多個工序，就能大大減少在制品數(shù)量。
4.減少刀具費
不分散設(shè)置在個通用機床上的刀具，集中在加工中心刀庫上，有可能有最少量的刀具，實現(xiàn)公共有效利用。這樣既提高刀具利用率，有減少了刀具數(shù)量。
5.最少的直接勞務(wù)費
由NC裝置多工序加工的信息集約化和一人多臺管理，以及用工作臺自動托盤交換裝置等輔助裝置，實現(xiàn)夜間無人運轉(zhuǎn)。這些都可縮減直接勞務(wù)費。
6.最少的間接勞務(wù)費
由于工序集中，工件搬運和質(zhì)量檢查工作量都大為減少，這就使間接勞務(wù)費最少。
7.設(shè)備利用率高
加工中心設(shè)備利用率為通用機床的幾倍。
1.1.3 加工中心的發(fā)展趨勢
加工中心亦同其他機床一樣，他的技術(shù)水平的提高，表現(xiàn)在其固有技術(shù)（如高速、高精度化等）的進一步發(fā)展和新技能（如智能化技能等）的運用上。
1.高速化
加工中心的高速化，是只主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、自動換刀和自動交換工作臺的高速化。
1）主軸轉(zhuǎn)速的高速化；
2）進給速度的高速化：是指快速移動速度的高速化和切削進給速度的高速化。
3）自動換刀（ATC）的高速化
從加工中心誕生初期起，就追求ATC的高速化。但是由于當(dāng)時尚未充分掌握ATC的內(nèi)在規(guī)律，故障效率較高，所以在后來的相當(dāng)一段時間里，采用了首先保證動作可靠性，然后才考慮速度方針，結(jié)果在這段時期，ATC速度未提高多少。但是隨著對ATC內(nèi)在規(guī)律的深入了解和用戶對ATC速度的要求迫切，有開始注意ATC速度了。
4）自動托盤交換裝置（APC）的高速化；
2.進一步提高精度
加工中心的主要精度指標(biāo)是它的運動精度指標(biāo)。而這一精度指標(biāo)，近年來有了不小的提高，其中精密加工中心精度指標(biāo)的提高尤為明顯。所謂加工中心的運動精度，主要以定位精度、重復(fù)定位精度以及銑圓精度來表示。
3.機能更加完善
1）愈來愈完美的自診斷機能
為了盡可能減少加工中心的故障，現(xiàn)代加工中心大都配備完善的自診斷機能。例如，位置檢測傳感器、刀具破損檢測裝置、切削異常檢測裝置、適應(yīng)控制機能、備用刀具選擇機能、溫度傳感器、聲傳感器、電流傳感器等。這些機能和傳感器，使機床具有一定的人工智能。
2）新式刀具破損檢測裝置
3）加工中心復(fù)合化趨勢
自動換刀裝置開發(fā)技術(shù)要全面注意以下五個方面：
(1）自動換刀裝置的可靠性與優(yōu)化設(shè)計研究。通過對自動換刀裝置進行可靠性分析研究，找出其薄弱環(huán)節(jié)，通過改進設(shè)計，是自動換刀裝置故障率大大減少，保證百萬次以上正常換刀的品質(zhì)。通過對自動換刀裝置進行多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計，使其動態(tài)性能達到最優(yōu)，進而提高自動換刀裝置的性能，降低其制造成本，使刀對刀換刀時間對40刀柄不大于1s，達到世界先進水平。
(2）自動換刀裝置的系列化與CAD設(shè)計。使自動換刀裝置使用國內(nèi)廠家的各種產(chǎn)品，，以便得到推廣和使用。即達到廠家一旦提出要求，可快速、合理的設(shè)計出針對廠家機床及其提出的參數(shù)：不同刀柄型號，刀庫容量等的自動換刀裝置，使廠家立即投入生產(chǎn)，并且處于國內(nèi)先進水平的。
(3）自動換刀裝置制造技術(shù)研究。針對自動換刀裝置中關(guān)鍵零件的制造技術(shù)研究，以提高其制造質(zhì)量和降低制造成本。
(4）自動換刀系統(tǒng)新技術(shù)的研究。跟蹤國際加工中心和車削中心自動換刀裝置的發(fā)展主流，研究自動換刀裝置的新工作原理及新技術(shù)。
(5）自動換刀裝置產(chǎn)業(yè)化研究。自動換刀裝置由專業(yè)廠生產(chǎn)比現(xiàn)有個廠家自行生產(chǎn)可降低成本，也能保證質(zhì)量，同時在我國有巨大的市場，因此，在技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)研究使我國的自動換刀裝置生產(chǎn)走上產(chǎn)業(yè)化的道路，建立生產(chǎn)自動換刀裝置的基地。
自動換刀裝置的設(shè)計應(yīng)滿足以下基本要求：
1.換刀時間短，以減少非加工時間。
2.減少換刀動作對加工范圍的干擾
3.刀具重復(fù)定位精度高。
4.識刀、選刀可靠，換刀動作簡單可靠。
5.刀庫刀具存儲量合理。
6.刀庫占地面積小，并能與主機配合，使機床外觀協(xié)調(diào)美觀。
7.刀具裝卸、調(diào)整、維修方便，并能的到清潔的維護。
1.2可編程控制器的特點
可編程控制器，簡稱PLC（Programmable logic Controller）,是指以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會(International Electrical Committee)頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對PLC做了如下定義：PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置”。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。
PLC之所以高速發(fā)展，除了工業(yè)自動化的客觀需求外，還有許多獨特的優(yōu)點。它較好的解決了工業(yè)控制領(lǐng)域中的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟等問題。其特點如下：
1.可靠性高，抗干擾能力強
高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時間高達3萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息
2.配備齊全，功能完善，適應(yīng)性強
PLC發(fā)展到今天，己經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。
3.易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎
PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。
4.系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，容易改造
PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。
5.體積小，重量輕，耗能低
以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于l00mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。
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2換刀機械手的相關(guān)介紹
2換刀機械手的相關(guān)介紹
2.1 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展歷程
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。
2.2數(shù)控加工中心的基本功能
帶有自動換刀刀具交換裝置（ATC Automatic Tool Change）的數(shù)控機床稱為加工中心。它通過刀具的自動交換，可以一次裝夾完成多道工序的加工，實現(xiàn)了工序的集中和工藝的復(fù)合，從而縮短了輔助加工時間，提高了機床的效率，減少了零件安裝、定位次數(shù)，提高了加工精度。加工中心是目前數(shù)控機床中產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的數(shù)控機床。
帶有刀具自動交換裝置、能一次集中完成多種工序加工的數(shù)控加工設(shè)備。數(shù)控機床實現(xiàn)了中、小批量加工自動化，改善了勞動條件。此外，它還具有生產(chǎn)率高、加工精度穩(wěn)定、產(chǎn)品成本低等一系列優(yōu)點。為了進一步發(fā)揮這些優(yōu)點，數(shù)控機床遂向“工序集中”，即一臺數(shù)控機床在一次裝夾零件后能完成多任務(wù)序加工的數(shù)控機床（即加工中心）方面發(fā)展。
鉆、鏜、銑、車等單功能數(shù)控機床只能分別完成鉆、鏜、銑、車等作業(yè)，而在機械制造工業(yè)中，大部分零件都是需要多任務(wù)序加工的。在單功能數(shù)控機床的整個加工過程中，真正用于切削的時間只占30％左右，其余的大部分時間都花費在安裝、調(diào)整刀具、搬運、裝卸零件和檢查加工精度等輔助工作上。在零件需要進行多種工序加工的情況下，單功能數(shù)控機床的加工效率仍然不高。加工中心一般都具有刀具自動交換功能，零件裝夾后便能一次完成鉆、鏜、銑、、攻絲等多種工序加工。
2.3加工中心的組成部分
加工中心分兩大部分：數(shù)控機床和刀具自動交換裝置。刀具自動交換裝置應(yīng)能滿足以下幾個方面的要求： 1.換刀時間短； 2.刀具重復(fù)定位精度高； 3.識刀、選刀可靠，換刀動作簡單；4.刀庫容量合理，占地面積小，并能與主機配合，使機床外觀完整； 5.刀具裝卸、調(diào)整、維護方便。
?刀具自動交換系統(tǒng)由刀庫、刀具交換裝置、刀具傳送裝置、刀具編碼裝置、識刀器等五個部分組成。
2.3.1 刀庫
刀庫是存貯加工所需各種類型刀具的倉庫。它是刀具自動交換系統(tǒng)中的重要組成部分，具有接受刀具傳送裝置送來的刀具和將刀具給予刀具傳送裝置的功能。它的容量、布局和具體結(jié)構(gòu)對整個加工中心的總體布局和性能有很大的影響，按其結(jié)構(gòu)、形狀可分為以下六種：① 圓盤式刀庫，又分為軸向式（刀具中心線與圓盤中心線平行）、徑向式（刀具中心線與圓盤中心線垂直）和多盤式（在一根旋轉(zhuǎn)軸上分設(shè)幾層圓盤刀庫）。 ②轉(zhuǎn)塔式刀庫，又分傾斜式和水平式。 ③鼓輪式刀庫。④ 鏈?zhǔn)降稁臁?⑤格子式刀庫。 ⑥直線式刀庫。 應(yīng)當(dāng)根據(jù)被加工零件的工藝要求合理的確定刀庫的存儲量。根據(jù)對車床、銑床和鉆床的所需刀具的數(shù)的統(tǒng)計表明，在加工過程中經(jīng)常使用的刀具數(shù)目并不很多，對于鉆削加工，用14把不同的規(guī)格的刀具就可以完成約80%的加工，即使要求完成90%的工件加工，用20把刀具也就足夠了。對于銑削加工，需要的刀具更少，用4把不同規(guī)格的銑刀就能完成約90%加工，用5把不同規(guī)格的銑刀可以加工95%的工件。因此從使用角度來看，刀庫的存儲量一般為20~40把較為合適，多的可達60把刀，超過60把刀的很少。
2.3.2 刀具交換裝置（機械手）
它的職能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。換刀機械手種類繁多，可以說每個廠家噢都可以推出自己的機械手，基本上換刀裝置按交換方式又分為兩類。
無機械手換刀：由刀庫與機床主軸的相對運動實現(xiàn)換刀。在這類裝置中，刀庫一般為格子式，裝在工作臺上。換刀時，先使工作臺與主軸相對運動，將使用過的舊刀送回刀庫，然后再使工作臺與主軸相對運動一次，從刀庫中取出新刀。這種換刀方式的換刀時間長，另外刀庫設(shè)置在工作臺上，減少了工作臺的有效使用面積。
采用機械手換刀：機械手刀具交換裝置，有單臂單手式機械手、回轉(zhuǎn)式單臂雙機械手、雙臂機械手、多手式機械手。特別是雙臂機械手刀具交換裝置具有換刀時間短、動作靈活可靠等優(yōu)點，應(yīng)用最為廣泛。雙臂機械手中最常用的幾種結(jié)構(gòu)有：鉤手；抱手；伸縮手；叉手。雙臂機械手進行一次換刀循環(huán)的基本動作為：抓刀（手臂旋轉(zhuǎn)或伸出，同時抓住主軸和刀庫里的刀具）；拔刀（主軸松開，機械手同時將主軸和刀庫中的刀具拔出）；換刀（手臂轉(zhuǎn)180°，新、舊刀交換）；插刀（同時將新刀插入主軸，舊刀插入刀庫，然后主軸夾緊刀具）﹔縮回（手臂縮回到原始位置）。機械手的手爪，大都采用機械鎖刀的方式，有些大型的加工中心，也有采用機械加液壓的鎖刀方式，以保證大而重的刀具在換刀中不被甩出。
2.3.3 運刀裝置
當(dāng)?shù)稁烊萘枯^大、布置得離機床較遠時，就需要安排兩只機械手來完成新舊刀的交換動作，一只靠近刀庫，稱為后機械手，完成拔新刀、插舊刀的動作；一只靠近主軸，稱為前機械手，完成拔舊刀、插新刀的動作。在前后機械手之間則設(shè)有運刀裝置。它一方面將前機械手從主軸上拔出的舊刀運回刀庫旁，以便后機械手將該舊刀拔出并插回刀庫；另一方面則將后機械手從刀庫中拔出的新刀運到主軸旁，以便前機械手將該新刀拔出并插入主軸。運刀器的職能就是在前后機械手之間來回運送新、舊刀具
2.3.4 刀具編碼裝置
將加工所需的刀具自動地從刀庫中選擇出來稱為自動選刀，有順序選擇和編碼選擇兩種方式。
順序選擇方式： 將在加工中心上加工某一零件所需的全部刀具按工序先后依次插入刀庫中。加工時按加工順序一一取用。采用這種選刀方式不需要識刀器，刀庫結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動裝置都非常簡單，每次換刀時控制刀庫轉(zhuǎn)位一次即可。采用順序選刀方式時，為某一個工件準(zhǔn)備的刀具，不能在其他工件中重復(fù)使用，這在一定程度上限制了機床的加工能力。
固定地址選擇方式：這是一種對號入座的方式，又稱為刀座編碼方式。這種方式是對刀庫的刀座進行編碼，并將與刀座編碼相對應(yīng)的刀具一一放入指定的刀座中。然后根據(jù)刀座的編碼選取刀具。該方式使刀柄的結(jié)構(gòu)簡化，刀具可以做得較短，但刀具不能任意安放，一定要插入配對的刀座中。與順序選擇方式相比較，刀座編碼方式最突出的優(yōu)點是刀具可以在加工過程中多次使用。
編碼選擇方式： 將加工某一項零件所需的全部刀具（或刀座）都預(yù)先編上代碼，存放在刀庫中。加工時根據(jù)程序?qū)ふ宜枰牡毒?。由于每把刀具都有自己的代碼，它們在刀庫中的位置和存放順序可以與加工順序無關(guān)。每把刀具都可被多次重復(fù)使用。刀具編碼有多種方式，常用的有三種。刀具編碼：在每一把刀具的尾部都用編碼環(huán)編上自己的號碼。選刀時根據(jù)穿孔帶所發(fā)出的刀號指令任意選擇所需的刀具。由于每把刀具都有自己確定的代碼，無論將刀具放入刀庫的哪個刀座中都不會影響正確選刀。采用這種編碼方式可簡化換刀動作和控制線路，縮短換刀時間。這種編碼現(xiàn)已獲廣泛應(yīng)用。刀座編碼：在刀庫的每一個刀座上用編碼板編碼。這種編碼方式的優(yōu)點是刀柄不會因尾部有編碼環(huán)而增加長度﹔缺點是刀具必須對號入座，換刀時間長。 編碼鑰匙：預(yù)先給每把刀具都系上一把表示該刀具代碼的編碼鑰匙。
2.3.5刀具識別裝置
通常有接觸式和非接觸式兩種。
2.4刀庫的驅(qū)動及定位
刀庫的旋轉(zhuǎn)可分為電氣驅(qū)動和液壓驅(qū)動兩種方式。電氣驅(qū)動可以將伺服半閉環(huán)系統(tǒng)用作驅(qū)動刀庫的轉(zhuǎn)動，也可采用系統(tǒng)的PC 直接發(fā)出運轉(zhuǎn)信號控制電機的運轉(zhuǎn)來帶動刀庫旋轉(zhuǎn)。液壓驅(qū)動仍需電氣信號的配合，PC 給出運轉(zhuǎn)信號，一般通過電磁閥來實現(xiàn)前級控制，只是執(zhí)行機構(gòu)是液動馬達。在執(zhí)行ATC 過程時，除了主軸頭的定向及主軸箱的定位外，為確保所更換的刀具準(zhǔn)確地被機械手抓住，所以刀庫的定位也是必要的功能。電氣驅(qū)動時可在電機上安裝位置編碼器進行定位，也可以在抓刀位置安裝接近開關(guān)來檢測定位。液動結(jié)構(gòu)的刀庫往往采用機電結(jié)合式的銷定位方式。半閉環(huán)伺服驅(qū)動刀庫的定位精度較高，其它幾種方式也足以滿足刀庫定位精度的要求。
2.5我國數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展概況
在對內(nèi)搞活，對外開放的方針指引下，于1980年開始引進日本就有70年代末期水平的微處理器數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服拖動技術(shù)。并于1981年開始生產(chǎn)，到1988年又開始引進美國的GE和DYNAPATH公司的數(shù)控系統(tǒng)和拖動技術(shù)，在上海市機床研究所和遼寧精密儀器廠組織生產(chǎn)。1985年以后，我國的數(shù)控機床的可供品種已超過300種，其中數(shù)控機床占40%，加工中心占27% ，其它品種為重型機床、鏜銑床、電加工機床、磨床、齒輪加工機床等。目前我國數(shù)控機床生產(chǎn)廠家共有100多家，其中能批量生產(chǎn)的企業(yè)有42家，平均年產(chǎn)量40~50臺，幾家重點企業(yè)年產(chǎn)量可以達到400~700臺；數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)約50家，但生產(chǎn)具有一定批量的只有8家，生產(chǎn)數(shù)控機床配套產(chǎn)品的企業(yè)共計300余家，產(chǎn)品品種包括八大類2000種以上。我國的數(shù)控系統(tǒng)分為三種類型，經(jīng)濟型、普及型、和高級型。在經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)中，我國具有很大優(yōu)勢，在當(dāng)前每年數(shù)千臺經(jīng)濟型數(shù)控車床和電加工機床的市場上，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)占據(jù)了絕大份額。在普及型數(shù)控系統(tǒng)的市場上，我們正在取得進展。當(dāng)然，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)在市場的開拓上仍要盡更大的力量。新開發(fā)的國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)品大部分達到國際80年代中期水平，部分達到90年代水平，在技術(shù)上也有所突破，如高速主軸制造技術(shù)、快速進給、快速換刀、柔性制造、快速成型制造技術(shù)等為下一代國產(chǎn)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
2.6數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
國際上，數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢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)機床及數(shù)控系統(tǒng)的方向發(fā)展。
2.7 ATC裝置的分類
自動刀具交換裝置（ATC）通常由機械手和刀庫組成，它們在刀具交換過程中的各種動作和步序取決于機械手的類型和刀具還回刀庫的方式。
目前比較廣泛使用的ATC裝置中，按其機械手的類型來分有“無手式”（主要靠進給軸和刀庫的運動來實現(xiàn)刀具的交換）、“單爪式”（機械手上只有一個手爪，換刀時先將主軸上的刀具送回刀庫；再將刀庫中的刀具裝入主軸）和“雙爪式”（換刀時一個手爪從刀庫中取新刀，另一手爪從主軸上卸原刀）。其中“雙爪式”又可分為“同步式”和“分步式”兩種，前者是指取刀和卸刀是在同一步完成的，新刀裝入主軸和原刀還回刀庫也是在另一步同時完成的；而后者則是分成多步完成上述動作的。
“無手式”ATC裝置的結(jié)構(gòu)最為簡單，“單爪式”其次，“同步雙爪式”的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，而“分步雙爪式”的結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜。
從刀具還回刀庫的方式來看，ATC裝置可以分為“固定刀位式”、“隨機刀位式”和“混合還刀式”三種?！肮潭ǖ段皇健笔侵笝C床使用的刀具在刀庫中都有自己固定的位置（刀套），也就是說，從主軸上換下來的刀具必須還回原來的刀套位置?！半S機刀位式”則是指還回刀庫的刀具位置是任意的（就近）。而”混合還刀式”則是大直徑刀具采用“固定刀位式”還刀，標(biāo)準(zhǔn)刀具采用“隨機刀位式”還刀。
“固定刀位式”還刀的優(yōu)點是刀具在刀庫中的位置是固定的，操作人員對刀庫中的刀具分布狀況一目了然，他們可以根據(jù)加工程式中T代碼后面的數(shù)字直接把刀具裝入相應(yīng)編號的刀套中，程編人員也可以根據(jù)刀具在刀庫中的分布情況直接在加工程式中編寫T指令；操作者也不必在手動裝刀後檢查和修改“刀套/刀號表”，給用戶帶來了很大的方便。
此外，由于刀具位置是固定的（刀具號等于刀套號），操作不必在刀庫中設(shè)立專用的大直徑刀具區(qū)，只要不在大直徑刀具的二個相鄰刀位裝入刀具，即可保證運行的安全，從而提高了刀庫的刀位利用率。
“固定刀位式”還刀的缺點是刀庫在還刀前還要為尋找原刀位作一次旋轉(zhuǎn)定位，影響了還刀的速度。
“隨機刀位式”還刀的優(yōu)點是還刀速度快（刀庫不需作第二次旋轉(zhuǎn)定位），缺點是刀庫的現(xiàn)行刀具分布狀況不直觀（刀套中的刀具號是隨時變化的），操作者必須查找“刀套/刀號表”后才能確定刀庫中的刀具位置是否與加工程式中的T指令（刀具號）一致；手動裝刀后，必須認真檢查和修改“刀套/刀號表”，否則就可能造成“錯刀”事故。
此外，如果使用了大直徑刀具，還要設(shè)立大直徑刀具區(qū)，刀庫的刀位利用率就會降低。
2.8 ATC裝置的換刀速度比較
圖2.1a描述了“無手”或“單爪”式ATC裝置的刀具交換過程，這類ATC裝置只能采用“固定刀位式”還刀，必須先將主軸上的原用刀具還回刀庫，再轉(zhuǎn)動刀庫找到新刀后，將它裝入主軸。
雖然這類裝置的結(jié)構(gòu)十分簡單，但是整套動作都占用了加工時間，所以換刀速度最低。
圖2.1b和圖2.1c描述了同步雙爪式ATC裝置的刀具交換過程，前者采用“固定刀位式”還刀（大直徑刀具時）， 后者采用“隨機刀位式”還刀（標(biāo)準(zhǔn)刀具時）。在這種ATC裝置中從刀庫取刀和從主軸卸刀是在同一步進行的，在采用“隨機刀位式”還刀時，將新刀裝入主軸和將原刀還回刀庫可以連續(xù)在同一步進行，所以節(jié)省了時間，加快了換刀速度。
這類ATC裝置還可以用在加工程式中提前編寫T指令的方法，使刀庫選刀動作提前完成（不占用加工時間），來提高換刀的速度。但是，這類裝置往往要求刀庫隨主軸一起移動，所以刀庫的容量不能很大，只適合于中小型加工中心配用。
圖2.1d描述了分步雙爪式ATC裝置的刀具交換過程（固定刀位法），這種ATC裝置的機械手左、右手爪是分步動作的，左爪用于取刀和還刀（刀庫側(cè)），右爪用于卸刀和裝刀（主軸側(cè)），取刀時將新刀從刀庫送到換刀準(zhǔn)備位；換刀時，將主軸上的原刀卸下后裝入新刀（左、右爪的刀具交換）；還刀時，刀庫旋轉(zhuǎn)到原主軸刀具刀位后，左爪將原刀還回刀庫。雖然這種ATC裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，換刀動作較多，但因為兩個手爪的動作可以分步進行，所以經(jīng)優(yōu)化后，可以將“選刀”、“取刀”、“找還刀位”和“還刀”四組動作安排在加工時間進行，這樣大大地縮短了換刀周期，提高了換刀速度，同時還保持了”固定刀位式”還刀的許多優(yōu)點，成為一種比較受操作者歡迎的自動換刀裝置。
圖2.1 幾種ACT裝置的換刀時序圖
2.9 分步雙爪式ATC裝置
分步雙爪式ATC裝置的刀庫可以自為一體、落地安裝，所以容量很大（一般在60把刀以上），廣泛用于大型臥式加工中心。圖2是這種ATC裝置的機械手、刀庫和主軸的相動位置圖，其中：刀庫換刀位的位置是固定的，機械手臂在X軸方向有左、中、右三個位置（圖中為“臂在右端”）；在Z軸方向有伸出和收回二個位置（圖中為“手臂收回”）， 雙爪可在X-Y平面上旋轉(zhuǎn)180°，以實現(xiàn)左、右爪上的刀具在A、B兩個位置上的變換。
根據(jù)機械設(shè)計人員提供的ATC動作循環(huán)表和電控時序圖（其中詳細描述了換刀過程的步序和每一步輸出的動作命令以及步命令完成後各個機械部件位置檢測器的狀態(tài)）編寫的，其中所列的步狀態(tài)可作為各步動作完成標(biāo)記使用，除本步發(fā)出的動作命令完成后相應(yīng)的機械部件位置檢測器的狀態(tài)外，步狀態(tài)中還包含了一些以前完成的、為保證下步動作安全的機械部件位置檢測器的狀態(tài)。
分步雙爪式ATC裝置的刀具交換過程由“取刀”（S02~S08）、“換刀”（S10~S20）和“還刀”（S22~S28）三個基本循環(huán)組成。完成后停在第S01步。
“取刀”循環(huán)由加工程式中的T命令（S02步）起動（T代碼后面的數(shù)字表示此后加工時要使用的刀具所在的刀套號），所選刀具到達換刀準(zhǔn)備位置后（S08步）結(jié)束，此循環(huán)可與加工同時進行。
“換刀”循環(huán)由加工程式中的M06指令（S09步）起動，在所選刀具裝入主軸；機械手左爪帶著換下的原刀回到中間位置；刀庫門關(guān)上；右爪夾緊后（S20步）結(jié)束。
“換刀”循環(huán)結(jié)束后，M06指令完成，系統(tǒng)進入加工狀態(tài)。
“還刀”循環(huán)在“換刀”循結(jié)束后開始（也可用M76指令起動），在刀庫定位到原主軸刀具刀套所在位置；刀具還回刀庫；手臂回到中間；左爪夾緊（S28步）后結(jié)束，此循環(huán)也與加工同時進行。
2.10自動換刀系統(tǒng)產(chǎn)品化的前景
??? 隨著機械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對于帶有自動換刀系統(tǒng)的高效高性能加工中心的需求量越來越大。在現(xiàn)有的各種類型的加工中心中，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自動換刀系統(tǒng)的造價在機床整機造價中總是占著很大比重，這是加工中心價格居高不下、應(yīng)用不普遍的重要原因。如果把自動換刀系統(tǒng)的設(shè)計制造從現(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)，同時由于該項技術(shù)的應(yīng)用簡化了機床主軸結(jié)構(gòu)、采用彈簧夾頭和外驅(qū)動機械手等關(guān)鍵技術(shù)、采用圓柱柄刀具和輔具，這不僅使數(shù)控機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大幅度下降。低造價高性能的加工中心將會被中小廠廣泛接收，這樣必將給自動換刀系統(tǒng)生產(chǎn)廠商和加工中心制造廠商帶來巨大的經(jīng)濟效益。
3換刀機械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
3 換刀機械手的總體方案設(shè)計
3.1 設(shè)計任務(wù)
本次設(shè)計的主要任務(wù)是：自動換刀機械手，實現(xiàn)數(shù)控鏜銑床的自動換刀，需要換的刀具主要是BT40型刀柄，需要實現(xiàn)的工作是抓刀—換刀—松刀的動作。
主要技術(shù)參數(shù)：刀具最大重量6kg，雙臂回轉(zhuǎn)式換刀，刀臂數(shù)量和長度以及直徑主要依據(jù)配套刀庫的設(shè)計要求。換刀時間2.5S。
3.2機械手的平穩(wěn)性
工業(yè)生產(chǎn)要求機械手工作速度快，運動平穩(wěn)，定位精度高。應(yīng)注意其影響因素，設(shè)計合理結(jié)構(gòu)，以滿足要求。
3.2.1、影響平穩(wěn)性以定位精度的因素
1、 慣性力的影響
圖 3.1 慣性曲線
機械手速度突變，加（減）速度不連續(xù)，會產(chǎn)生巨大的慣性沖擊力，以至使工件滑動、部件松動、零件破裂。定位時，大的減速度使臂部往復(fù)振動，直接影響定位精度。因此，應(yīng)根據(jù)機械手的運動特性，選擇適宜的控制系統(tǒng)，使加（減）速度按所需的運動歸路變化，同時，在保證剛度的前提下，減輕機械手運動件的重量。
2、結(jié)構(gòu)剛度的影響
零件結(jié)構(gòu)剛度性差，配合間隙大及整機固有頻率低時，受較小慣性沖擊，就發(fā)生振動。不但降低定位精度，而且降低機械手壽命。應(yīng)選擇合理結(jié)構(gòu)，提高機械手固有頻率及承受慣性載荷的能力。
3、定位方法的影響
常用的定位方法中，電氣開關(guān)的定位精度最低，伺服定位較高，機械擋塊的定位最高。
4、控制系統(tǒng)的影響
電控系統(tǒng)的誤差，閥類泄漏，檢測元件失靈，擋塊偏移等會降低定位失靈。
5、驅(qū)動源的影響
液壓、氣壓、電壓及油溫波動都會降低平穩(wěn)性及定位精度，必要時，用蓄能器等穩(wěn)定液壓、氣壓、電壓，用加熱器和冷卻器控制油溫。
3.2.2 機械手的運動特性
深入分析機械手的運動特點，有利于根據(jù)工作條件選擇適宜的運動特點。下面為我們所選工業(yè)機械手所具有的運動規(guī)律，在減速較大時的情形。
圖 3.2 運動特性曲線
按上圖的運動，機械手的速度變化呈等加速或不等加速運動，其減速過程亦分為等減速運行和不等減速運行，在呈等加速運行，而不等減速運行時，由于速度行程短，故有利于提高機械手的工作速度。
特點：速度變化基本上連續(xù)，運動中不會產(chǎn)生沖擊，可以滿足高速、平穩(wěn)和定位精度高的要求。
3.3機械手運動特性的分類
氣動機械手：氣動機械手的加速或調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用氣路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用氣缸端部節(jié)流緩沖裝置、氣路節(jié)流緩沖回路、液壓緩沖氣等。定位系統(tǒng)采用機械擋塊或多點定位幾機構(gòu)定位精度。
液壓機械手：液壓機械手的加速或調(diào)節(jié)系統(tǒng)油路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用油缸端部節(jié)流緩沖裝置及緩沖回路、減壓節(jié)流繼續(xù)能緩沖系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等。定位系統(tǒng)采用關(guān)閉電磁換向閥定位精度、機械擋塊定位精、伺服系統(tǒng)定位精度度等。
電動機械手：電動機械手的加速或調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用電路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用反接制動電路、減速電路、凸輪或連桿機構(gòu)等。定位系統(tǒng)采用電磁制動器、脈沖電路定位精度、機械擋塊定位精度等。
機械聯(lián)動機械手：機械聯(lián)動機械手的加速或調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用凸輪連桿機構(gòu)，控制系統(tǒng)采凸輪曲線和連桿機構(gòu)。定位系統(tǒng)采用凸輪基圓及凸輪頂點、連桿極限位置。
3.4開關(guān)型機械手的速度及位置控制
用電氣開關(guān)、換向閥、節(jié)流閥和機械擋塊等來控制的機械手稱為開關(guān)型機械手。
液壓機械手的速度控制：開關(guān)型液壓機械手一般采用截流減速方法，少數(shù)采用蓄能器或溢流閥減速方法，也可以幾種方法一起采用。
氣動機械手的速度控制：氣動機械手有很多優(yōu)點，但氣動的壓縮性大，阻尼效果差。符合大的氣動機械手采用液壓緩沖回路。
一般采用的裝置是氣動-液阻裝置。
開關(guān)型機械手的定位系統(tǒng)：定位系統(tǒng)與速度控制系統(tǒng)有密切的關(guān)系，但他們都有其獨立性，例如，節(jié)流減速后既可以發(fā)出指令關(guān)閉油路定位，也可以壓在擋塊上而定位。
電氣開關(guān)定位：電動機械手一般采用電磁制動器定位。當(dāng)機械手運動到定位點時，行程開關(guān)發(fā)出信息給電控系統(tǒng)，激勵電磁制動器而定位。
特點：結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，維修方便，但定位精度低。
機械擋塊定位：一般是在減速后，驅(qū)動壓力將運動件壓在機械擋塊上或驅(qū)動壓力將活塞壓靠缸蓋而定位，定位精度較高。可分為單點定位或多點定位的擋塊機構(gòu)。
3.5機械傳動型機械手速度及位置控制
為了便于控制機械手的速度及位置，一些專用機械手采用凸輪機構(gòu)和連桿機構(gòu)進行驅(qū)動。
特點：工作速度可以提高而且與主機同步工作而不產(chǎn)生誤動作。
通過以上論述和比較，選用液壓緩沖器和油缸端部緩沖的方式，定位選用機械擋塊定位。
3.6 機械手類型確定
根據(jù)以上的介紹，通過比較我確定選用電動機械手。這樣選擇的原因主要是根據(jù)精度和成本的原因。由于是個單獨的部件大量生產(chǎn)，成本是非常主要的原因，氣動和液壓機械手的制造精度要求非常高，成本也就高，而電動機械手作為發(fā)展得最為完善的機械手，在精度滿足需要的同時，成本是最低的，所以選擇了電動機械手。
3.7 驅(qū)動系統(tǒng)和電控系統(tǒng)的選擇
3.7.1驅(qū)動系統(tǒng)的選擇
機械手驅(qū)動系統(tǒng)有：液壓驅(qū)動、電壓驅(qū)動、電機驅(qū)動和機械驅(qū)動四種。一臺機械手的驅(qū)動方式，可以只用一種方式進行驅(qū)動，也可采用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動。
機械手的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動，電機驅(qū)動，和機械傳動四種。一臺機械手可以只用一種驅(qū)動，也可以用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動，各種驅(qū)動的特點見表“3-1”。
表3-1驅(qū)動方式的比較
比較內(nèi) 容
驅(qū)動方式
機械傳動
電機 驅(qū)動
氣壓傳動
液壓傳動
異步電機，直流電機
步進或伺服電機
輸出力矩
輸出力矩較大
輸出力可較大
輸出力矩較小
氣體壓力小，輸出力矩小，如需輸出力矩較大，結(jié)構(gòu)尺寸過大
液體壓力高，可以獲得較大的輸出力
控制性能
速度可高，速度和加速度均由機構(gòu)控制，定位精度高，可與主機嚴(yán)格同步
控制性能較差，慣性大，步易精確定位
控制性能好，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜
可高速，氣體壓縮性大，阻力效果差，沖擊較嚴(yán)重，精確定位較困難，低速步易控制
油液壓縮性小，壓力流量均容易控制，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制
體積
當(dāng)自由度多時，機構(gòu)復(fù)雜，體積液較大
要油減速裝置，體積較大
體積較小
體積較大
在輸出力相同的條件下體積小
維修使用
維修使用方便
維修使用方便
維修使用較復(fù)雜
維修簡單，能在高溫，粉塵等惡劣環(huán)境種使用，泄漏影響小
維修方便，液體對溫度變化敏感，油液泄漏易著火
應(yīng)用范圍
適用于自由度少的專用機械手，高速低速均能適用
適用于抓取重量大和速度低的專用機械手
可用于程序復(fù)雜和運動軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機械手
中小型專用通用機械手都有
中小型專用通用機械手都有，特別時重型機械手多用
成本
結(jié)構(gòu)簡單，成本低，一般工廠可以自己制造
成本低
成本較高
結(jié)構(gòu)簡單，能源方便，成本低
液壓元件成本較高，油路也較復(fù)雜
考慮到精度和結(jié)構(gòu)的要求，我選擇了伺服電機作為驅(qū)動。
3.7.2電控系統(tǒng)的選擇
機械手的電控系統(tǒng)有多種類型，除專用機械手外，大多數(shù)要專門進行電控系統(tǒng)的設(shè)計。
表3-2控制系統(tǒng)的比較
比較內(nèi)容
控制系統(tǒng)
固定系統(tǒng)
可編程序
繼電器線路
半導(dǎo)體邏輯電路
順序控制器
示數(shù)再觀成計算機
動作程序容量
動作程序較少
動作程序可以較多
動作順序一般為16步可擴展為32部或更多
動作程序較多通常為200步可擴展更多
控制的參數(shù)
1、動作程序
2、動作到達的位置或時間
3、夾放信息
4、連鎖信息
這些信息固定于線路之中不能任意變動
1、 動作程序
2、 動作到達的位置或時間
3、 時間信息
4、 夾放信息
5、 聯(lián)鎖信息
6、 程序終了信息
這些信息可以任意安排
1、 動作程序
2、 時間信息
3、 動作應(yīng)到達位置或時間
4、 夾放信息
5、 聯(lián)鎖信息
6、 運動速度信息
7、 定位精度信息
8、 程序終了信息
編排程序范圍大，可裝各種傳感器
制造與維護
維護簡單方便體積較大，制造簡單
制造簡單，維護方便，體積小
一般由專業(yè)廠生產(chǎn)供應(yīng)，需具有一定專業(yè)知識人員維修
線路復(fù)雜，制造，維護調(diào)整均較困難，需專業(yè)人員維修
行程檢測元件
行程開關(guān)，機械擋塊
行程開關(guān)，機械擋塊
行程開關(guān)，電位器
電位器，旋轉(zhuǎn)變壓器，光柵等
使用壽命
壽命低
壽命較高
壽命較高
壽命較高
成本
便宜
較便宜
成本較高
成本較高
使用范圍
用于動作少，速度低的專用機械手
用于速度快節(jié)拍短的專用機械手
適用于動作較多，速度變化多即一般機械手
動作多，程序復(fù)雜的高級通用機械手適用
我們可設(shè)繼電器線路為方案1，半導(dǎo)體邏輯線路為方案2，順序控制器為方案3，示數(shù)再現(xiàn)成計算器為方案4。
表3-3設(shè)備技術(shù)評價得分
設(shè)備的技術(shù)評價特性
方案1-4的分數(shù)
1
2
3
4
理想的
控制通用性
2
2
3
3
4
范圍
2
2
3
3
4
制造方便
3
3
2
1
4
程序容量
3
2
2
2
4
總分數(shù)
10
9
10
9
16
技術(shù)價X
0.625
0.5625
0.625
0.5625
1.00
表3-4設(shè)備經(jīng)濟評價得分
設(shè)備的經(jīng)濟評價特性
方案1-4的分數(shù)
1
2
3
4
理想的
成本（元件）
3
3
2
1
4
制造與維護成本
3
3
2
1
4
壽命
2
3
2
3
4
元件耗費
2
2
3
3
4
總分數(shù)
10
11
9
8
16
經(jīng)濟價Y
0.625
0.6875
0.5625
0.5
1.00
顯然可以知道方案1比較適合，即采用繼電器線路進行控制。
4總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
4 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.1 手爪部分設(shè)計
機械手手爪部分的作用是抓住和放開工件，并且要保證在抓刀后的換刀過程中保證刀具不會重手爪中飛出。
目前的加工中心換刀機械手的手爪種類繁多，可以說每個廠家都推出自己的獨特的換刀機械手，目前使用最多的有4種機械手，分別是單臂單手式機械手，回轉(zhuǎn)式單臂雙手機械手，雙手式機械手和多手式機械手。
單臂單手式機械手的特點是機械手只做往復(fù)直線運動，主要用與刀具主軸和刀庫刀座的軸線平行的場合，機械手的插、拔刀運動和傳遞刀具的運動全都是直線運動，因為沒有回轉(zhuǎn)運動所產(chǎn)生的離心力，因為無回轉(zhuǎn)運動所產(chǎn)生的離心力，所以機械手的握刀部分可以比較簡單，只需要兩個彈簧卡銷卡住刀柄即可。但是換刀各動作均需順序進行，時間不能重合，所以換刀時間較長。例如在轉(zhuǎn)塔頭帶刀庫的換刀系統(tǒng)中，不工作主軸的換刀時間與工作主軸的加工時間重合，可使用這類機械手。
回轉(zhuǎn)式單臂雙手機械手的兩手部成180°，手型種類很多，常見的有固定式雙手、可伸縮式雙手、剪式雙手等。這類的機械手可以同時抓住可拔、插位于主軸和刀庫（或運輸裝置）里的刀具，與單臂單手式機械手相比，可以縮短換刀時間。這類機械
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