數控鏜銑加工中心自動換刀機構設計

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為了保證上下兩個旋轉運動互不干擾, 中間采用一根滑軸上固接一個傳動盤的結構, 傳動盤與齒輪通過銷來傳遞運動, 機械手換刀動作到位與否則是通過行程開關來檢測, 外加檔塊進行限位, 從而實現機械手的自動換刀功能。如圖2所示。 圖1雙臂回轉式機械手 1,3,7,9,13,14為行程開關； 2,6,12為擋環(huán)； 4,11為齒輪 ；5為連接盤；8為銷子；10為傳動盤；15為升降液壓缸；16為滑軸；17,19為齒條；18,20為轉位液壓缸；21為機械手； 圖2機械手結構圖 在換刀過程中，機械手要完成準備、抓刀、拔刀、交換主軸上和刀座上的刀具、插刀和復位等動作，機械手的全部動作均由液壓油缸控制。 刀具安裝在標準的刀柄中，本次設計采用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刀具結構圖 機械手兩端各有一個手爪，手爪的抓刀圓弧部分各有各有一個錐銷，機械手抓刀時，錐銷插入刀柄鍵槽內，由活動銷在彈簧力的作用下頂住刀柄，使刀柄固定，機械手能同時抓取和裝卸刀庫和主軸上的刀具，動作簡單，效率高，換刀時間短。 其換刀過程如下，如圖4圖5所示: a. 刀套轉90°: 換刀之前, 刀庫2 轉動將待換刀具5送到換刀位置, 之后把帶有刀具5的刀套4向下翻轉90°, 使得刀具軸線與主軸軸線平行。 b. 機械手轉90°:兩手分別抓住刀庫和主軸3上的刀柄。 c. 刀具松開: 刀具的自動夾緊機構松開刀具。 d. 機械手拔刀: 機械手臂下降, 同時拔出兩把刀具。 e. 機械手轉180°:使主軸刀具與刀庫刀具交換位置。 f. 機械手插刀: 機械手上升, 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, 刀具的自動夾緊機構夾緊刀具。 h. 機械手松刀: 機械順時針轉90°, 回到原始位置。 i. 刀套向上翻轉90°:刀套帶著刀具向上翻轉90°,為下一次選刀做準備。 圖4械手的換刀示意圖 圖5機械手手部換刀過程簡圖 3 本課題研究的重點難點以及展開的工作 本課題的重點是：保證各個結構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。 難點是：機械手手臂的設計與計算，機械手手部的設計與計算，機械手傳動和驅動的設計計算，以及各個過程參數的確定，繪制圖形。 前期已經展開的工作：網上查閱有關書籍和資料，確定設計的大致方向，了解換刀機械手的大體結構和工作原理。 4 工作方案及進度計劃 1～3周：調研并收集資料； 3～6周：閱讀資料，分析該機械手的結構組成和工作原理，并完成結構方案設計； 7～11周：完成該機械手的結構設計計算； 12～15周：完成該機械手的裝配圖和仿真； 16～18周：完成論文撰寫，準備答辯； 指導教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見） 指導教師： 年 月 日 所在系審查意見： 系主管領導： 年 月 日 參考文獻 [1] 劉建慧,鄒慧君.加工中心自動換刀裝置類型綜述及設計特點[J],機械設計與研究,2001.9,17(3):49～51 [2] 李凈儀,李秋紅,鄭耘杰.簡述機械手液壓控制系統的設計[J],農機使用與維修,2010,3: 27～28 [3] 朱文藝，張慶樂.數控加工中心換刀機構動作過程及控制原理研究[J],武漢工程職業(yè)技術學院學報，2009.3,21(1):5～9 [4] 劉煒. 數控加工中心自動換刀系統[J], 機床與液壓, 2005,5:58 [5] 楊可森,艾長勝,侯志堅. 數控鏜銑加工中心自動換刀系統中機—液機械手[J], 機床與液壓，2003,3:216～217 [6] 夏粉玲,賀煒. 凸輪式立臥兩用換刀機械手的研究[J]. 機械科學與技術, 2004, 23(3):320. 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Hernandez c, Beyond intelligent manufacturing: A new generationof flexible intelligent NC machines[J], Mechanism and Machine Theory,2009(44):466-476. 本科畢業(yè)設計（論文） 題目：數控鏜銑加工中心自動換刀機構 的設計 數控鏜銑加工中心自動換刀機構的設計 摘 要 隨著我國工業(yè)生產的飛速發(fā)展，自動化程度迅速提高，在自動化生產領域中，工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的。工業(yè)機械手的是從工業(yè)機器人中分支出來的。其特點將預期的作業(yè)任務通過編程來完成，它分別具備了人和機器在構造和性能上的優(yōu)點，人對環(huán)境的適應性及智能性尤其得到了體現。機械手的準確性，對環(huán)境的適應性保證了其能在各種情況下完成工作，機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，其自由度多方向性的特點，保證其可以在不同的環(huán)境中搬運物體，完成工作任務。 本論文設計的是V116B型數控鏜銑加工中心使用的采用液壓驅動的機-液機械手自動換刀裝置的設計。在有機械手換刀的過程中，使用一個機械手將加工完畢的刀具從主軸中拔出，與此同時，另一機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。該自動換刀裝置由刀庫和換刀機械手組成。刀庫采用盤形結構，機械手選用回轉式雙臂機械手。 關鍵詞：機械手；加工中心；自動換刀裝置 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構組成 2 1.2.2加工中心的加工工藝特點 3 1.3 機械手的發(fā)展現狀 4 1.4 機械手的分類 5 1.4.1 工業(yè)機械手研究趨勢 8 1.5 自動換刀機械手主要功能 8 1.6 設計工具 8 2 總體方案的設計 9 2.1 初定換刀裝置的設計參數 9 2.1 換刀機械手抓刀部分結構 10 2.3 機械手軸的設計 10 2.4 機械手傳動結構 11 2.5 自動換刀過程的動作順序 12 2.5 自動換刀裝置的相關技術要求 13 2.6 換刀機械手的液壓控制 14 3 換刀機械手的設計計算 15 3.1 手指結構設計及計算 15 3.1.1 手指夾緊力的計算 15 3.2 手臂的彎曲變形 15 3.3 軸與機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 機械手轉過75度的驅動機構設計 19 3.5.1 回轉液壓缸的計算 19 3.5.2 確定齒輪齒條機構其它尺寸 20 3.6 機械手轉過180度的驅動機構設計 21 3.6.1 回轉液壓缸的計算 21 3.6.2 確定齒條尺寸 22 3.7 升降機構的設計 22 4 結論 24 參考文獻 25 致謝 26 畢業(yè)設計（論文）知識產權聲明 27 畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明 28 IV 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 1 緒論 1.1概述 一個零件往往需要進行多工序的加工，而單功能的數控機床，只能完成單工序的加工，如車、鉆、銑等。因此，在制造一個零件的過程中，大量的時間用于更換刀具、裝卸零件、測量和搬運零件等非加工時間上，切削時間僅僅占整個工時中的較小比例。為了縮短非切削時間，提高工作效率，我們便設計了帶有自動換刀系統的加工中心。 加工中心（Machining Center,MC）是適應省力、省時和節(jié)能的時代要求而迅速發(fā)展起來的自動換刀數控機床，它是綜合了機械技術、電子技術、計算機軟件技術、拖動技術、現代控制理論、測量及傳感技術以及通信診斷、刀具和編程技術的高科技產品。由于加工中心能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和調整時間，減少工件周轉、搬運存放時間，使機床的切削利用率高于通用機床3倍～4倍，所以說，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且是數控機床中生產率和自動化程度最高的綜合性機床[1]。 未來加工中心的發(fā)展動向是高速化、進一步提高精度和愈發(fā)完善的機能。加工中心是數控機床的代表，是高新技術集成度高的典型機電一體化機械加工設備，我國的加工中心從70年代開始，已有很大發(fā)展，但技術、品種和數量上都還遠不能適應我國經濟、技術發(fā)展的需要[2]。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，推動了模具制造業(yè)、機械加工業(yè)的巨大發(fā)展，使得數控機床的使用越來越普遍，而加工中心更是以其高自動化程度得到廣泛應用。然而，目前市場上生產和銷售的都是以大、中型的加工中心為主，小型加工中心幾乎是空白，而機械加工業(yè)、小型模具的制造、工科院校、技工學校等對小型加工中心存在著大量的需求。為加速我國加工中心的發(fā)展，需進一步加強對加工中心的研究、設計、制造和應用[3]。 在加工中心中，刀庫和機械手組成自動換刀裝置（Automatic Tool Changer,簡稱ATC），而自動換刀裝置的好壞，將直接影響加工中心的好壞，從目前情況看，加工中心的主機部分基本定型，變化不大，但自動換刀裝置種類繁多，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鍵環(huán)節(jié)。因此各加工 26 的競爭中取得好效益，正因為自動換刀裝置是加工中心的核心內容，各廠家都在保密，極少公開有關資料，尤其機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構組成 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換的。加工中心立柱的數量分為單柱式和雙柱式。 按加工中心運動坐標數和同時控制的坐標數分：有三軸二聯動、三個軸三種聯動、四軸三聯動、五軸四聯動、六軸五聯動等。三軸、四軸是指加工中心具有的運動坐標數，聯動是指控制系統可以同時控制運動的坐標數，從而實現刀具相對工件的位置和速度控制。 按工作臺的數量和功能分：有單工作臺生產制造中心、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. 加工中心的結構組成 加工中心自問世至今已有30多年，世界各國出現了各種類型的加工中心，雖然外形結構各界，但從總體來看主要由以下幾大部分組成。 基礎部件 這是一個基礎結構加工中心，按在床上，列和表格等，這主要是受到靜電負荷加工中心和切削加工過程中產生的負載，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構件，它們是生產制造中體積和重量最大的部件。 （1） 主軸部件 由主軸電動機、主軸箱、主軸軸承和主軸等零部件行成。主軸的啟、停和變速等動作均由數控系統控制，并且通過裝在主軸上的刀具參與切削運動，是切削加工的功率輸出部件。 （2） 數控系統 加工的數控部位是由數控裝置，可編程控制器，伺服驅動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） 自動換刀系統 它的組成部分是由刀庫、機械手等。當有需求換刀的時候，就會通過數控來發(fā)出命令，由機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、液壓、氣動和檢測體系等的。雖然輔助體系不直接參與運動，但是他卻對加工效率，精度和準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 數控加工靈活，自動化程度高，特別適合于加工的曲線復雜的輪廓形狀，曲面零件，和具有大量復雜的孔的外殼，槽加工，棱體零件，在多樣的類型、生產量不是很多的狀況下，運用數量控制的機器生產加工能獲得較高的經濟效益。 加工和一般機械加工數控加工過程基本上是同樣的問題，但它有它的特點。因此，在數控加工工藝設計時，既要遵循普通加工工藝的基本原則和方法，又要考慮數控加工本身的特點和零件編程要求[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控機床上，裝夾的方法與在一般的機床上裝夾的方法一樣，也要合理選擇定位基準和夾緊方案。依照“基準統一”和“基準重合”等的原則來進行精基準的選擇。 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. 確定換刀點和對刀點，對刀點是數控加工時刀具相對于工件運動的開始。從這一點，因為程序被執(zhí)行的，所以程序也被稱為從刀刀點或點的起點。規(guī)劃應首先考慮選擇刀點。 在生產過程中要換刀的時候，應該規(guī)定換刀的準確點，換刀的原則是不能碰傷元件，夾具和機床。 d. 刀具進給路線的規(guī)劃，進給路線是指數控加工過程中刀具（刀位點）想對于被加工零件的運動軌跡，原則是： （1） 零件的加工精度和質量要得到很好的保證。 （2） 計算方法簡單方便。 （3） 擁有最短的進給途徑。 在加工輪廓的過程中應該避免生產過程的停頓，因為在生產加工的時候，零件、刀具、夾具以及機床等都有稍稍的變形，在進給停頓時，切削力會減小，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，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，數控加工臺時費用高，為提高效益，數控加工對刀具提出了更高要求，不僅要剛性好，精度高，而且要尺寸穩(wěn)定、耐用度高。調整方便。因此凡加工情況允許選用硬質合金刀具時，就不應選用高速鋼具刀。應盡量選用可轉位刀片以減少刀具磨損后的更換和預調時間，選用涂層刀具以提高耐磨性。精密鏜孔應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，應首先采用最大的切削深度，再選用大的進給量，然后根據確定的刀具耐用度選擇切削速度。對于數控加工，刀具耐用度至少應大雨加工完一個零件，或最少不低于半個工作班。 在輪廓加工中，應注意克服由于慣性或伺服系統的隨動誤差而造成輪廓拐角處的“超程”或“欠程”現象。 g. 程編誤差及其控制，程序編制中的誤差由逼近誤差、插補誤差和尺寸圓整誤差三部分組成。 1.3機械手的發(fā)展現狀 能模仿人手和手臂的某些動作功能，按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可解放人們的雙手，減免人們的生產勞動，達到機械化、自動化代替人工，在各種惡劣的生產工作的環(huán)境下，很好的完成工作任務。它被廣泛應用于機械制造，冶金，電子，輕工等行業(yè)[10]。 手和運動機構形成機械手的主要部分。手部是根據被夾著的物體的形狀，大小，重量，材料和多種結構形式，如鉗類型，夾持和吸附型操作要求將工件保持部件。移動機構旋轉所述手部來完成各種移動或復合運動來實現預定的操作，以改變對象的夾持位置和姿勢。獨立運動的方式向下運行機制，拉伸，旋轉，稱為自由度機械手。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機 械手設計的關鍵參數[11]。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般有2～3個自由度。 一種機器手，可以根據驅動方式可分為液壓，氣動，電氣，機械手;適用范圍可分為專用和通用機械操縱兩只手，按軌跡控制點可以分為控制和連續(xù)的機器人軌跡控制等。 機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱[12]。 機械手是在機械化、自動化生產過程逐步成長起來的一種新型裝置。近年來，隨著信息化的技術特別是電子計算機的廣泛應用，開發(fā)和生產的機器人有一個新興的技術中成為一個迅速發(fā)展的高科技領域一起，更促進了機器人的發(fā)展，機器人可以更好地實現機械化和自動化的很好的結合。 雖然機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，不知道疲勞，不怕危險，電源抓舉重物等特點比人力要強的多，因此，對于這些特點機器人一直是適用于許多行業(yè)，而且根據其特性，在很多領域已得到廣泛應用。 1.4機械手的分類 目前，機械手尚無通用的分類方法。它們可按不同的特點分，例如，根據手爪的數量、手臂的數量及結構進行分類[13]。 a. 單臂單爪回轉式機械手 機械手擺動的軸線與刀具主軸平行，機械手的手臂可以回轉不同的角度來進行自動換刀，換刀具的所花費的時間長，用于刀庫換刀位置的刀座的軸線相平行的場合。如圖1.1所示： 圖1.1 單臂單爪回轉式機械手 b. 單臂雙爪回轉式機械手 圖1.2 單臂雙爪回轉式機械手 這種機械手的手臂上有兩個卡爪，兩個卡爪有所分工，一個卡爪只執(zhí)行從主軸上取下“舊刀”送回刀庫的任務，另一個卡爪則執(zhí)行由刀庫取出“新刀”送到主軸的任務，其換刀時間較上述單爪回轉式機械手要短，如圖1.2所示。 c. 雙臂回轉機械手 這種機械手的兩臂各有一個卡爪，可同時抓取刀庫及主軸上的刀具，在回轉之后有同時將刀具歸回刀庫及裝入主軸，是目前加工中心機床上最為常用的一種形式，換刀時間要比前兩種都短，如圖1.3所示。 圖1.3 雙臂回轉式機械手 d. 雙機械手 這種機械手相當與兩個單臂單爪機械手，相互配合起來進行自動換刀。其中一個機械手執(zhí)行拔舊刀歸回刀庫，另一個機械手執(zhí)行從刀庫取新刀插入機床上，如圖1.4所示。 圖1.4 雙機械手 e. 雙臂往復交叉式機械手 圖1.5 雙臂往復交叉式機械手 1.4.1工業(yè)機械手研究趨勢 目前工業(yè)機械手主要用于機床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數量，品質還是性能方面都不能完全滿足工業(yè)發(fā)展的需要。 在國內主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應用專業(yè)機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手。在自動換刀裝置的研究上還要解決一些關鍵技術問題：如優(yōu)良運動曲線選擇、機構運行可靠性、換刀復合凸輪的設計，凸輪的精密加工等。 此外，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，做相應的變更。如位置發(fā)生少許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺。目前，已經取得一定成績。 1.5自動換刀機械手主要功能 加工中心換刀機械手的主要任務是：完全模擬人工手動換刀的動作，給機床主軸與彈簧夾頭提供相對轉動實現夾緊、放松刀具的動作。機械手應具備足夠的轉矩，同時還應使機械手具備結構緊湊、占據空間小的特點。機械手主要由手部、驅動機構和控制系統三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件。驅動機構，使機械手部完成各種規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢?？刂葡到y用來實現對機械手的動作順序的控制。 1.6設計工具 常用的設計軟件有AutoCAD、3Dmax、Adobe image等，在本次設計中，我選用AutoCAD來繪制本次設計的各類圖紙，原因如下： （1） 具有完善的圖形繪制功能。 （2） 有強大的圖形編輯功能。 （3） 可以采用多種方式進行二次開發(fā)或用戶定制。 （4） 可以進行多種圖形格式的轉換，具有較強的數據交換能力。 （5） 支持多種硬件設備。 （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 總體方案的設計 數控機床的自動換刀裝置中,實現刀庫與機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: 一種是采用機械手交換刀具, 另一種是由刀庫與機床主軸的相對運動來實現刀具交換即無機械手交換刀具。刀具的交換方式及它們的具體結構對機床的工作效率和工作可靠性有直接的影響。本文機械手交換刀具的方式。 機械手是當主軸上的刀具完成一個工步后，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。對機械手的具體要求是迅速可靠，準確協調。 2.1初定換刀裝置的設計參數 本次設計采用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 刀具結構圖[14] 初估最大直徑刀具的重量為3kg。 2.1換刀機械手抓刀部分結構 如圖2.2所示機械手抓刀部分結構。 圖2.2 機械手 它主要由手臂和固定于其兩端的結構完全相同的兩個手爪組成。手爪上握刀的圓弧部分有一錐銷，機械手抓刀時，該銷插入刀柄的鍵槽中。 當機械手由原位轉75°抓住刀具時，兩手爪上的長銷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在彈簧的作用下右移頂住刀具。機械手拔刀時，長銷與擋塊脫離接觸，鎖緊銷被彈簧彈起，使活動銷頂住刀具不能后退，這樣機械手在回轉180°時，刀具不會被甩出。當機械手上升插刀時，兩長銷又分別被兩擋塊壓下，鎖緊銷從活動銷孔中退出，松開刀具，機械手便可反轉75°復位[15]。 2.3機械手軸的設計 我設計的驅動裝置中所采用的軸主要作用是既可以在插刀、拔刀時帶動整個機械手上下移動，又可在交換刀具時帶動回轉頭轉動，考慮到機械手在轉動180度和轉動75度的時候，上方的液壓缸不能跟著主軸一起轉動，所以必須設計一個裝置能讓主軸轉動時保持上方的液壓缸不轉動，而上方液壓缸帶動主軸上下伸縮運動時也不會和轉動裝置發(fā)生干涉。經過查資料，我設計了以下結構來保證這一要求，如圖3-6所示。 圖2.3 手伸縮傳動結構示意圖 2.4機械手傳動結構 圖2.4為機械手結構示意圖。 圖2.4 機械手整體結構圖 2.5自動換刀過程的動作順序 機械手將刀具從刀庫中取出送至機床主軸上，然后將用過的舊刀送回刀庫。其動作過程簡述如下： a. 刀套轉90°: 換刀之前, 刀庫2 轉動將待換刀具5送到換刀位置, 之后把帶有刀具5的刀套4向下翻轉90°, 使得刀具軸線與主軸軸線平行。 b. 機械手轉75°:兩手分別抓住刀庫和主軸3上的刀柄。 c. 刀具松開: 刀具的自動夾緊機構松開刀具。 d. 機械手拔刀: 機械手臂下降, 同時拔出兩把刀具。 e. 機械手轉180°:使主軸刀具與刀庫刀具交換位置。 f. 機械手插刀: 機械手上升, 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, 刀具的自動夾緊機構夾緊刀具。 h. 機械手松刀: 機械順時針轉75°, 回到原始位置。 i. 刀套向上翻轉90°:刀套帶著刀具向上翻轉90°,為下一次選刀做準備。 圖2.5 械手的換刀示意圖 圖2.6 機械手手部換刀過程簡圖 2.5 自動換刀裝置的相關技術要求 a. 主軸準停裝置 為了傳遞扭矩，在主軸的前端裝有端鍵，當刀具刀柄裝入錐孔時，刀柄上的鍵槽位置必須與該鍵對準才能裝入。當機械手從刀庫取刀時，為了確保刀具其后能順利地裝入主軸錐孔中，必須使主軸準確地停在刀具交換位置上。同時，由于工藝上的需要，也必須使主軸準停在固定位置上。這種使主軸端在定位鍵停在固定位置的技術要求稱為主軸準停。可在主軸上安裝電氣控制的主軸準停裝置以實現主軸準停功能。 b. 換刀機械手的安裝與調試 (1) 換刀機械手安裝在主軸箱的左側面，加工零件時，換刀機械手隨主軸箱一起上下運動； (2) 當初裝上換刀機械手后，必須進行調試：用手動操縱主式調整換刀機械手相對于主軸的位置，使用調整心棒，有誤差時可調整機械手行程、刀庫位置、機械手支座、修正主軸坐標原點等。安裝最大重量刀具時，要進行多次刀庫到主軸位置的自動交換，使機械手換刀時做到準確無誤，無撞擊。 2.6換刀機械手的液壓控制圖 機械手的換刀動作由液壓控制。機械手的換刀動作分別由三個液壓缸控制，如圖2.6所示： 圖2.6 液壓控制圖 3 換刀機械手的設計計算 3.1手指結構設計及計算 3.1.1手指夾緊力的計算 在V116B數控鏜銑加工中心中，刀具的最大直徑為50mm，所以設計的手爪夾持最大直徑為50mm，這就需要通過調節(jié)活動銷的行程來實現刀具的夾緊，通過計算得知活動銷的行程應大于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。 可按下列公式計算： （3.1） 式中： —安全系數，由機械手的工藝及設計要求確定,通常取1.2—2.0，取1.5； —工件情況系數； —方位系數，根據手指與刀具形狀以及手指與刀具位置不同進行選定。 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， 為 V型手指半角，此處粗略計算 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，所以會有彎曲變形，如果彎曲太大，就會造成換刀時手臂和刀具的干涉，造成機器的損壞。 手臂的自身重力可以通過簡化的方式轉化為一個長度為300mm，寬48mm，高15mm的長方體來計算，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 手臂材料的抗拉強度 []=460MPa 屈服強度 []=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： 端截面轉角為 刀具重力所造成的彎曲 刀臂自重所造成的彎曲： 計算得 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× 通過以上的計算可知，換刀機械手的手臂的彎曲非常小，根本不會對實際工作造成任何影響，所以是符合要求的。 3.3軸與機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. 按照扭轉強度來計算軸徑 在軸的結構設計時，通常用下面的公式來初步估算軸徑 （3.2） 式中：—扭轉切應力，單位為Mpa T—軸所承受的轉矩，單位為N?mm WT—軸的抗扭截面系數，單位為mm3 P—軸所傳遞的功，單位為kW D—計算截面處的直徑，單位為mm —許用扭轉應力，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) 確定轉速n 因為整個換刀過程的時間為2.5s，而整個換刀過程有5個動作，按照每個動作的時間相等來計算，所以每個動作的時間 而機械手在交換刀具的時候轉過180度的時間也為0.5s，所以在這個時候它的轉速最大，我們只要按照最大的轉速去計算直徑就可以了，因為轉過180度的時間為0.5秒，因而轉過一周的時間就為1秒，所以轉速n=60r/min (3) P的確定 由于所產生的功主要用來使機械手轉動，再轉180度時的時候功率P最大，=180×2π=1.130kw 其中我們取F的最大值為600N，而L的值我們前邊已經確定為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，在這里擬采用四個螺栓組成的螺栓組來連接的，現在對這4個螺栓進行受力分析。 這4個螺栓同時受到的力F以及力矩的作用，因為在此采用的是普通螺栓，所以各個螺栓的受力分別為： 150N 下面對其中的一個螺栓進行驗證 由 （3.4） 得預緊力 （3.5） 式中：為接合面的摩擦系數 為接合面數，這里接合面數為1，所以 為防滑系數，，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 由螺栓的危險截面拉伸條件公式 ， （3.6） 得 （3.7） 式中：為螺栓的許用拉伸應力 螺栓的材料為中碳鋼，所以取許用應力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，在實際的選用中螺栓的直徑應大些，所以取，故而選用M6的螺釘。 3.5機械手轉過75度的驅動機構設計 這個機構由一般個液壓缸、齒輪條、齒輪以及連桿組成的，當發(fā)出機械手交換刀具的信號時，液壓缸的后腔就通入壓力油，活塞桿推動著齒輪條向前移動，使得齒輪轉動，齒輪轉動的時候，帶動連桿轉動，而連桿通過連接塊連在機械手上，所以當活塞通入壓力油的時候，機械手就相應的轉動。 3.5.1回轉液壓缸的計算 由于機械手的整個換刀時間為2.5s整個過程有5個動作,按每個動作的時間相等來計算 所以每個動作的時間 即：機械手轉過75°的時間為0.5s 取齒輪的齒數為20,模數為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= 所以齒輪轉過75度所走的距離 因為齒輪齒條是配合的所以 齒輪條在這個運動中也走過39.25mm 活塞桿的速度為 設液壓缸的溶積效魚為，這里取 設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 因為q=0.8m/s 所以又如下計算 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確定齒輪齒條機構其它尺寸 首先確定齒寬系數 ，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準齒輪（壓力角為20°） 所以，故而 由于所以齒輪做成實心的。其中取B1=30mm，齒條固定在一個滑槽內。 齒輪的齒距（分度圓） 由于齒輪與齒條是配合在一起運動的，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 3.6機械手轉過180度的驅動機構設計 3.6.1回轉液壓缸的計算 由于機械手的整個換刀時間為2.5s整個過程有5個動作,按每個動作的時間相等來計算 所以每個動作的時間 即：機械手轉過180間為0.5s 取齒輪的齒數為20,模數為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= 所以齒輪轉過180度所走的距離 因為齒輪齒條是配合的所以 齒輪條在這個運動中也走過94.2mm 活塞桿的速度為 設液壓缸的溶積效魚為，這里取 設液壓缸的額定流量為q 所以 又 由上2式可以得到 因為q=0.8m/s 所以有如下計算 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 因為要留一些距離，還有齒輪與齒條的齒數互為質數，所以取齒條的齒數為z=13。 3.7升降機構的設計 前面已經對轉位機構做了設計，但要完成整個運動還需要插拔刀具的運動，這就需要設計一個機構來完成插拔刀具的功能。 在這個機械手中，只要給機械手一個z軸方向的運動即可。由于機械手的初位置與在夾刀具的位置有些不同，這就需要使機械手從初始位置運動到夾刀具的位置，在z軸方向的距離為100mm。為了完成這個工作，我選擇一個液壓缸來實現。 原理如下：當需要夾刀具時，液壓缸的上腔通入液壓油，使液壓缸的活塞向下運動，把機械手帶到夾刀具和拔刀具的位置，完成這個動作以后，就要拔刀具了，這個時侯下腔通入液壓油，使得活塞向上運動。只要選擇合適的液壓缸的行程就可以達到預定位置。 估算換刀機構升降液壓缸負載為 26.72kg 設升降液壓缸的活塞桿在達到穩(wěn)定速度過程中的加速度，則升降液壓缸承受的負載為： =785.57N 考慮到液壓缸密封處的摩擦力，取=0.95，則機械手升降液壓缸實際的負載為：=826.92N； 液壓缸回油腔背壓力，由于此液壓缸在不工作時需保證它的負載能長時間的保持在某一位置上，所以在本設計中初取估算值=1MPa，取=1.5MPa，因工作壓力<2MPa，取活塞桿直徑與液壓缸內徑之比=0.3。 將各值代入式，可得：=43.8mm。 為便于采取標準的密封件，根據液壓缸內徑尺寸系列，將內徑D進行圓整，取=50mm；又因為本設計中=0.3，所以=0.3×50=15mm，樣為便于采取標準密封件，根據活塞桿直徑系列，將活塞桿直徑d進行圓整，取=16mm；活塞的寬度=30~50mm，這里取B=40mm。 4 結論 經過設計計算與校核，本設計中的加工中心換刀機械手在滿足抓刀、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動參數的同時，可以實現準確、穩(wěn)定、快速、可靠的換刀。 本設計中的加工中心換刀機械手用軸承連接活塞桿和手架旋轉軸，可以使升降液壓缸的活塞桿帶動手臂旋轉軸一起做伸縮運動，實現換刀機械手的拔刀和插刀運動。同時，手臂旋轉軸在旋轉時也不會干擾到活塞桿。本設計基于結構上的需要采用了液壓缸來實現手架的旋轉運動，即可以準確、穩(wěn)定的實現各個運動，還可以通過提高液壓缸的運動速度來縮短換刀的時間，在一定程度上簡化了系統結構。 通過這次畢業(yè)設計，我不僅把知識融會貫通，而且豐富了大腦，同時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，認清了將來機床的發(fā)展方向，使自己在專業(yè)知識方面和動手能力方面有了質的飛越。 參考文獻 [1]劉建慧,鄒慧君.加工中心自動換刀裝置類型綜述及設計特點[J],機械設計與研究,2001.9,17(3):49-51. 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