立式加工中心换刀机械手

.毕业设计（论文）题目：基于pro/e的加工中心换刀机械手的设计 学 生 姓 名： 黄玉鹏 学号： 120302031110 学 部 （系）： 机械与电气工程 专 业 年 级：12级机械设计制造及其自动化（3）班 指 导 教 师： 樊珊 职称或学位： 本科 2016 年 5 月 1 日.加工中心换刀机械手设计 【摘要】本论文介绍的是小型加工中心换刀机械手的设计。机械手的种类很多，在本次设计中机械手选用回转式双臂机械手。它的主要动作是将机床主轴上的刀具与刀库或刀具传送装置上的刀具进行交换，其动作循环为：拔刀新旧刀具交换装刀。回转式双臂机械手刀具交换装置具有换刀时间短、所需空间小动作灵活可靠等.应用最为广泛。数控系统是加工中心的控制中心，它主要由（CNC）、可编程控制系统(PLC)、伺服系统构成。关键词: 加工中心 换刀机械手 .Vertical machining center for knife manipulator designAbstract:This paper introduces the design of the tool changing-manipulator of the small machines centertool changing-manipulator is one of the main components of the automatically-trading-knife installment. There are a lot of types of tool changing-manipulators. The tool changing-manipulator of this design adopts the two arms manipulator of turn-over type in this design。It is main movement is carries on the machine tool of main axle on cutting tool and the tool storage or exchanging the cutting tool in the transport installment. Its operating cycle is: to draw the tool - exchanging the new and the old cutting tool - to fix the tool. The two arms manipulator of turn-over type exchange installment has trade the knifetime short, the movement is nimbly and reliably and so on . The two arms manipulator of turn-over type is widely used in the machining centre. The numerical control system is the centeral of control in the processing center, which is conclude computer numerical control installment, the programmable control system.Keywords: machining center tool changing-manipulator .目 录1 绪论11.1加工中心的定义11.2加工中心的发展历程11.3加工中心换刀机械手国内外现状21.4国产加工中心目前存在的问题及未来发展趋势21.5加工中心的分类32 加工中心自动换刀装置概述52.1加工中心自动换刀装置形式、特点及各自应用范围52.1.1带刀库的自动换刀系统52.1.2回转刀架换刀52.1.3更换主轴换刀62.1.4更换主轴箱换刀62.1.5更换刀库换刀62.2刀库以及刀具交换装置72.2.1设计刀库时的主要问题72.2.2刀具交换装置72.2.3刀具的夹持122.2.4手爪的选择123 总体方案设计133.1 加工中心换刀机械手的设计要求133.2 初步设计方案133.2.1气动换刀工作过程133.2.2刀套的构造143.2.3 机械手传动结构144机械手臂和手抓的设计164.1 自动换刀装置的设计参数164.2手抓口的计算164.2.1 手爪锁的设计与计算184.2.2 弹簧的选择与设计204.2.3 手爪的整体尺寸设计214.2.4手臂的弯曲变形214.3 本章小结235 气压传动系统设计245.1气压传动的组成及工作原理245.1.1气压传动工作原理245.1.2气压传动的组成245.2气压传动的优缺点245.3 升降气缸的设计255.3.1 气压缸的载荷组成及计算255.3.2升降缸的设计265.3.3气缸壁厚的设计285.3.4 气缸长度的确定285.3.5进气口直径的计算295.3.6 缸底厚度计算295.4 气压回转缸的设计305.4.1 回转缸内径的计算305.4.2 回转缸壁厚的计算325.4.3 缸盖联接螺钉计算325.4.4 动片输出轴联接螺钉计算336花键轴的设计356.1 花键轴的计算356.1.1 轴的材料选择356.1.2 轴径的初步计算356.2 轴承的选择376.2.1 升降缸中轴承的选择376.2.2 对于回转缸的轴承选择386.3 法兰连接的选择386.4 本章小结397 气动系统设计4071 气压传动系统工作原理图40设计总结42参考文献43致谢44.1 绪论1.1加工中心的定义加工中心，简称CNC，是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床,是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床，是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通信诊断、刀具和编程技术的高科技产品。加工中心备有刀库，具有自动换刀功能，是对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具、自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序，因而大大减少了工件装夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。 图1.1 加工中心1.2加工中心的发展历程1952年美国PARSONS公司与麻省理工学院（MIT）合作研制了第一台三坐标数控机床，它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结合等多方面的技术成果。1958年，美国卡尼，特雷克（Kearney&Trecker）公司首次把铣、钻、镗等多种工序集中于一台数控机床上，通过换刀方式实现连续加工，成为世界上第一台加工中心。该产品出现后，销路惊人，引起了日、德、美、英、法、意等先进工业国家的高度重视，竞相开发生产，不断扩大和完善机床的功能，成为数控机床中发展最快、需求量最大的商品之一。如今，世界上出现了立式、卧式、龙门式、落地式等各种加工中心，据不完全统计，大约有1000多个品种规格。未来加工中心的发展动向是高速化、进一步提高精度和愈发完善的机能。加工中心是数控机床的代表，是高新技术集成度高的典型机电一体化机械加工设备，我国的加工中心从70年代开始，已有很大发展，但技术、品种和数量上都还远不能适应我国经济、技术发展的需要。随着我国工业的不断发展，推动了模具制造业、机械加工业的巨大发展，使得数控机床的使用越来越普遍，而加工中心更是以其高自动化程度得到广泛应用。然而，目前市场上生产和销售的都是以大、中型的加工中心为主，小型加工中心几乎是空白，而机械加工业、小型模具的制造、工科院校、技工学校等对小型加工中心存在着大量的需求。为加速我国加工中心的发展，需进一步加强对加工中心的研究、设计、制造和应用。自动换刀装置主要用于大中型数控加工中心，具有连续换刀且换刀时间短的优点。目前，我国提出振兴装备制造业、自主发展数控机床的国家战略，同时对数控机床与加工中心的功能部件和基础元件的自主发展非常重视，很多专家学者已经开始认识到国产功能部件包括自动换刀装置、滚动功能部件和数控系统存在基础研究薄弱和性能总体落后的问题，急需在国产功能部件上进行产品性能提升。其中，自动换刀装置作为数控加工中心的重要组成部分和关键功能部件，直接影响到国产数控加工中心的自主发展和国产化水平。1.3加工中心换刀机械手国内外现状自动换刀装置主要由刀库和机械手及驱动装置组 成，刀库的功能是存贮加工中心所要用的各种刀具，并在数控系统的控制下，把即将要用的刀具准确地送到换刀位置，刀库的主要形式有转塔式、盘式以及链式；机械手的功能是完成刀具在主轴头与刀库之间的传递及装卸；驱动装置则是为刀库和机械手实现其功能提供动力的机构.目前，具有更高可靠性与较高自动 换刀速度的凸轮式换刀成为主流发展趋势。近几年，随着数控机床行业向着多功能、高效率、高速化、高可靠性的演进趋势，发展高负荷、高容量、高速化、高可靠性的自动换刀装置成为必然趋势。相对于欧美工业发达国家，我国自动换刀装置的研究起步较晚，随着数控机床及其关键功能部件的研究工作被列为国家重点科技攻关项目，自动换刀装置作为数控加工中心的关键功能部件，其制造技术和水平直接影响到我国数控加工中心的自主发展与生产。总结国内外自动换刀装置技术特点，国产自动换刀装置与国外同类先进产品相比在技术上还有明显的 差距，主要表现在：换刀速度的主要指标刀到刀、切削到切削以及切屑到切屑换刀时间和同时期的国外先进水平有明显差距；刀库及机械手的定位精度和精度保持性能相对较差，还需要进一步的提高和优化；自动换刀装置的可靠性作为衡量一个ATC先进与否的关键指标，还需要明显的提高和优化；相对于国外产品，国内自动换刀装置相关的机械制造及加工工艺，以及数控技术的研究较为薄弱，制约了自动换刀装置的创新与发展。 总体而言，我国自动换刀装置正处于追赶国外先进水平的阶段，需要针对国产自动换刀装置的缺点和不足，联合相关专业厂家和专家学者在一些关键技术上进行攻关研究，提高我国自动换刀装置的整体技术水平。1.4国产加工中心目前存在的问题及未来发展趋势国产加工中心目前存在的问题有：(1) 技术水平上，与国外同类产品的先进水平相比大约落后1015 年，在高精尖技术方面差距则更大。(2) 产品开发能力上，国内生产企业缺乏对产品竞争前的数控技术的深入研究与开发，特别是对加工中心应用领域的拓展力度不强。(3) 产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，虽然近年来国产加工中心的产量增加较快，但从总体上看，还没有形成规模生产；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。(4) 国产数控系统MTBF( 平均无故障时间)大都超过1 万小时，但国际上知名品牌如：FANUC、SIEMENS 等先进企业的数控系统MTBF 已达8 万小时。国产加工中心MTBF 虽有少数厂达500 小时，但国外加工中心的先进水平已达800 小时。(5) 刀库和机械手的可靠性还比较低，近年来虽有改进，但用户仍然不放心。(6) 位置精度，特别是重复定位精度还有待于进一步提高。(7) 至于外观粗糙，漏油、漏水、漏气等老问题仍然不同程度的存在。加工中心未来发展趋势有：未来加工中心的发展动向是高速化、进一步提高精度和愈发完善的机能。加工中心是数控机床的代表，是高新技术集成度高的典型机电一体化机械加工设备，随着我国工业的不断发展，推动了模具制造业、机械加工业的巨大发展，使得数控机床的使用越来越普遍，而加工中心更是以其高自动化程度得到广泛应用。在加工中心中，刀库和机械手组成自动换刀装置，而自动换刀装置的好坏，将直接影响加工中心的好坏，自动换刀装置种类繁多，五花八门。它是加工中心的象征，又是加工中心成败的关键环节。因此各加工中心制造厂家都在下大力研制动作迅速、可靠性高的自动换刀装置，以求在激烈的竞争中取得好效益。当今人们一直采用各种方式，提高加工中心的加工效率。如提高进给与移动速度、提高主轴转速、加大主轴电机功率、加大切削用量、采用高质量刀具等。在换刀的加工过程中，缩短换刀时间，可大大提高生产效率，国内外加工中心生产厂家都投入大量的资金和精力，研制自动换刀装置，以缩短换刀时间，提高工作效率和竞争力。自动换刀装置是专门为大中型加工中心配套，实现其刀具储备及自动交换功能的重要功能部件，是高档加工中心和重型加工中心的重要组成部分。其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间，以提高生产率，降低生产成本，进而提升机床乃至整个生产线的生产力。自动换刀装置的换刀速度和可靠性，是数控机床系统先进与否的一个重要标志。 1.5加工中心的分类按主轴加工时的空间位置分类有：卧式和立式加工中心。卧式加工中心 是指主轴轴线水平设置的加工中心。卧式加工中心有多种形式，如固定立柱式或固定工作台式。固定立柱式的卧式加工中心的立柱不动，其主轴箱在立柱上做上下移动，而工作台可在两个水平方向移动；固定工作台式的卧式加工中心的三个坐标方向的运动由立柱和主轴箱的移动来定位，安装工件的工作台是固定不动的(指直线运动)。卧式加工中心一般具有3个至5个运动坐标轴，常见的是三个直线运动坐标轴和一个回转运动坐标轴(回转工作台)。它能在工件一次装夹后完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工，最适合加工箱体类工件。它与立式加工中心相比，结构复杂、占地面积大、质量大、价格亦高。 立式加工中心 立式加工中心主轴的轴线为垂直设置，其结构多为固定立柱式，工作台为十字滑台，适合加工盘类零件，一般具有三个直线运动坐标轴，并可在工作台上安置一个水平轴的数控转台(第四轴)来加工螺旋线类零件。立式加工中心结构简单，占地面积小，价格低，配备各种附件后，可进行大部分工件的加工。 大型龙门式加工中心 主轴多为垂直设置，尤其适用于大型或形状复杂的工件，像航空、航天工业及大型汽轮机上的某些零件的加工都需要用这类多坐标龙门式加工中心。五面加工中心 这种加工中心具有立式和卧式加工中心的功能，在工件一次装夹后，能完成除安装面外的所有五个面的加工，这种加工方式可以使工件的形状误差降到最低；省去二次装夹工件，从而提高生产效率，降低加工成本。.2 加工中心自动换刀装置概述2.1加工中心自动换刀装置（ATC）形式、特点及各自应用范围一个零件的加工往往需要进行多工序的加工，而单功能的数控机床，只能完成单工序的加工，如车、钻、铣等。因此，在制造一个零件的过程中，大量的时间用于更换刀具、装卸零件、测量和搬运零件等非加工时间上，切削时间仅仅占整个工时中的较小比例。为了缩短非切削时间，提高工作效率，我们便设计了带有自动换刀系统的加工中心。由刀库和机械手组成的自动换刀装置(Automatic Tool Changer,ATC)是加工中心的重要组成部分。加工中心上所需更换的刀具较多，从十几把到几十把甚至上百把，故通常采用刀库形式，其结构比较复杂，自动换刀装置种类繁多。由于加工中心上自动换刀次数比较频繁，故对自动换刀装置的技术要求十分严格。如要求定位精度高，动作平稳，工作可靠以及精度保持性等。这些要求都与加工中心的性能息息相关。其基本形式有以下几种。2.1.1带刀库的自动换刀系统 带刀库的自动换刀形式主要是由刀库、选刀装置和刀具交换装置组成，目前这种换刀方式在机床和加工中心上应用最为广泛，具体形式如下表2.1.1： 表2.1.1 自动换刀系统形式形式类别特点应用范围刀库式无机械手换刀1. 利用刀库运动与主轴直接换刀，省去机械手2. 结构紧凑3. 刀库运动较多小型加工中心机械手换刀1. 刀库只做选刀运动，机械手换刀2. 布局灵活，换刀速度快各种加工中心机械手和刀具运送器1. 刀库距机床主轴较远时，用刀具运送器将刀具送至机械手2. 结构复杂大型加工中心2.1.2回转刀架换刀回转刀架换刀装置，常用于数控车床。可设计成四方、六方刀架或圆盘式装刀刀架，并相应的安装四把、六把或更过的刀具，它的动作根据数控指令进行，由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，基本动作为：刀架抬起、刀架转位、刀架压紧、转位油缸复位。回转刀架还可以采用电机-马氏机构转位、鼠齿盘定位，以及其他转位和定位机构。2.1.3更换主轴换刀更换主轴换刀是一种比较简单的换刀方式。这种机床的主轴头就是一个转塔刀库，主轴头有立式和卧式两种。图二是TK-5525型数控转塔式镗铣床的外观图，八方形主轴头上有八根主轴，每根主轴上都装有一把刀具。根据工序的要求按顺寻将所有需要的刀具的主轴转到工作位置，以此实现自动换刀，同时接通猪传动。不处在主轴位置的主轴便与住传动脱开。转塔头的转位有槽轮机构来实现，具体动作包括（1）脱开主轴传动；（2）转塔头抬起；（3）转塔头转位；（4）转塔头定位压紧；（5）主轴传动重新接通。这种换刀方式大大缩短了换刀时间，并提高了换刀的可靠性，但是由于空间位置的限制，是主轴部件结构不能设计得十分结实，因而影响主轴系统的刚度。为保证其刚度，必须限制主轴数目，否则将使结构尺寸大大增加。只适用于工序较少、精度要求不高的机床。图2.1.3 更换主轴换刀2.1.4更换主轴箱换刀更换主轴箱换刀，顾名思义，即利用更换主轴箱达到换刀目的，特点在于：（1）利用更换主轴箱，扩大组合机床加工工艺范围；（2）结构比较复杂.这种形式的换刀使用于加工箱体类零件，可以大大提高生产率。2.1.5更换刀库换刀 当加工工艺的范围很广，所需刀具数量很多，机床刀库容量有限时，可以采用多个刀库存刀，再从更换后的刀库中选择所需要的刀具，这种机床可以一台单独工作，也可以用多台机床组成自动生产线。特点在于：（1）扩大加工工艺，更换刀库，另有刀库存储器；（2）充分提高机床利用率和自动化程度；（3）扩大加工中心的加工工艺范围。适用于加工复杂零件，需刀具很多的加工中心或组成高度自动化的生产系统。2.2刀库以及刀具交换装置刀库的功能是储存加工工序所需的各种刀具，并按程序指令，把即将要用的刀具迅速、准确地送到换刀位置，并接受从主轴送回的已用刀具。它是自动换刀装置中主要部件之一。其容量、布局和具体结构对数控机床的设计有很大影响。2.2.1设计刀库时的主要问题（1）合理确定刀库的储存量 ; （2）尽量缩短选刀时间；（3）刀库运动速度应适宜；（4）要求刀库运动平稳；（5）刀座在刀库中排列合理；（6）其他的问题 如刀具在刀座中应夹持可靠，刀库防尘、防屑以及安全防护问题等。2.2.2刀具交换装置实现刀库与机床主轴之间装卸和传递刀具的装置称为刀具交换装置。交换装置的形式和具体结构对数控机床的整体布局、生产率和工作可靠性都有直接影响，是数控机床的重要组成部分之一。交换装置的形式很多，一般可分为两大类。(一)由刀库和主轴的相对运动实现刀具交换 用这种形式交换刀具时，主轴上用过的刀具送回刀库和从刀库取出新刀，这两个动作是不能同时进行的。如图2.2.4所示，选刀和换刀全由三坐标轴的数控定位系统来完成。这种换刀方式没有机械手，因而结构简单；刀库回转是在工步与工步之间，故换刀时间长，换刀动作也较多，但却免去了刀库回转时的振动对加工精度的影响。 图2.2.2 刀库和主轴的相对运动换刀（二）由机械手进行刀具交换 由于刀库及刀具交换方式不同，换刀机械手种类繁多。这中换刀方式动作简单，换刀时间短，刀具定位精度高生产效率和工作可靠性都较高，是目前实用性较高的的一种换刀方式。机械手的类型如下：加工中心换刀机械手的种类繁多，可以说每个厂家都推出自己的独特的换刀机械手，在加工中心的自动换刀系统中，是机械手具体执行刀具的自动更换，对其要求是迅速可靠、准确协调。由于加工中心机床的刀库和主轴，其相对位置距离不同，相应的换刀机械手的运动过程也不尽相同，它们由各种形式的机械手来完成。常见的机械手有：(1)单臂单爪回转式机械手机械手摆动的轴线与刀具主轴平行，机械手的手臂可以回转不同的角度来进行自动换刀，换刀具的所花费的时间长，用于刀库换刀位置的刀座的轴线相平行的场合。如图所示：图2.2.2 a 单臂单爪回转式机械手(2)单臂双爪回转式机械手这种机械手的手臂上有两个卡爪，两个卡爪有所分工，一个卡爪只执行从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务，另一个卡爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务，其换刀时间较上述单爪回转式机械手要短，如图2.2.4b所示。图2.2.2b 单臂双爪回转式机械手(3)双臂回转式机械手（俗称扁担式）这种机械手的两臂各有一个卡爪，可同时抓取刀库及主轴上的刀具，在回转180度之后有同时将刀具归回刀库及装入主轴，是目前加工中心机床上最为常用的一种形式，换刀时间要比前两种都短，如图2.2.2c所示。图2.2.2c 双臂回转式机械手这种机械手在有的设计中还采用了可伸缩的臂，如图2.2.2d所示：图2.2.2d 双臂回转式机械手(4)双机械手这种机械手相当于两个单臂单爪机械手，相互配合起来进行自动换刀。其中一个机械手执行拔“旧刀”归回刀库，另一个机械手执行从刀库取“新刀”插入机床主轴上，如图2.2.4e所示：图2.2.2e 双机械手(5)双臂往复交叉式机械手图2.2.2f 双臂往复交叉式机械手这种机械手两臂可往复运动，并交叉成一定角度。两个手臂分别称作装刀手和卸刀手。卸刀手完成往主轴上取下“旧刀”归回刀库，装刀机械手执行从刀库取出“新刀”装入主轴。整个机械手可沿导轨或丝杠作直线移动或绕某个转轴回转，以实现刀库与主轴之间的运送刀具工作，如图2.2.2f所示。(6)双臂端面夹紧式机械手这种机械手只是在夹紧部位上和前几种不同，上述几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面来抓住刀具，而此种机械手则是夹紧刀柄的两个端面，如图2.2.2g所示：图2.2.2g 双臂端面夹紧式机械手由于双臂回转式机械手的动作比较简单，而且能够同时抓取和装卸机床主轴和刀库集中的刀具，换刀时间较短，故我们选用双臂回转式机械手。在这里我们采用换刀机械手进行刀库与主轴之间的换刀2.2.3刀具的夹持刀具必须装在标准的刀柄内，我国提出了TSG刀具系统，并制定了刀柄标准，有直柄以及7：24锥度的锥柄两类，刀具夹持方法有柄式夹持（轴向夹持）和法兰盘式夹持（径向夹持）两种。 图2.2.5a 圆锥刀柄 图2.2.5b 圆柱刀柄2.2.4手爪的选择这种机械手的手爪，大都采用机械锁刀方式，有些大型加工中心，亦有采用机械加液压锁刀方式，以保证大而重的刀具在换刀中不被甩出，较普通采用的机械锁刀方式手爪弹簧销式手爪。机械手的手爪在抓住刀具后，还必须具有锁刀功能，以防止在换刀过程中掉刀或刀具被甩出。当机械手松刀时，刀库的夹爪既起着刀套的作用，又起着手爪的作用。对于双臂回转式机械手的手爪，大都采用机械锁刀方式，有些大型加工中心，亦有采用机械液压锁刀方式，以保证大而重的刀具在换刀中不被甩出。手爪的形式有：(1)机械锁刀手爪弹簧销式手爪，使用这种形式的抓持机构，手爪不需要设置专门的传递装置，因而结构简单，使用广泛。但在机械手有旋转运动时，为避免刀具甩脱，手爪就必须有自锁夹持机构，其结构较复杂。(2)钳形杠杆机械手。这种机械手手爪的张合需要动力传递装置，传动较复杂，但手爪的结构可较简单。使用也较普遍。(3)虎钳形指。在手爪中设有定位销，使刀具在手爪中定位。用这种形式的夹持机构时，刀具需经特殊补充加工，不能使用标准刀具，所以使用者较少。3 总体方案设计3.1 加工中心换刀机械手的设计要求设计加工中心换刀机械手，使其实现手指夹紧、手臂伸缩、手架伸缩以及手架旋转运动，并设计出它的传动控制部分，以保证加工中心换刀机械手能够准确、稳定、快速、可靠的完成换刀过程。3.2 初步设计方案在加工中心中,为了实现全自动加工,除数控系统外,还需要配备液压和气动装置等来完成自动运行功能,如自动换刀装置,它是加工中心上必不可少的部分,自动换刀装置的换刀时间和可靠性直接影响到整个加工中心的质量。本文介绍的换刀系统通过气压传动来传递动力,通过PLC来控制换刀的各个动作。气压传动作为一种易于推广普及的实现工业自动化的应用技术,其气源容易获得,环境污染小,工作速度快,动作频率高,工程实现容易。PLC是一种功能强、编程简单、可靠性高的自动控制产品,两者在工业生产上都得到了广泛的应用。用气动自动化控制技术实现生产过程自动化,是工业自动化的一种重要技术手段,也是一种低成本自动化技术。3.2.1气动换刀工作过程如下图所示为加工中心上常用的转盘式自动换刀装置结构示意图。当发出换刀指令后,主轴准停,主轴向上滑动,退至换刀点,实现主轴定位;接着机械手顺时针转动90,两手爪分别抓住刀库中和主轴上的刀柄,当机械手抓住主轴刀具的刀柄后,刀具的自动夹紧机构松开刀具,机械手拔刀,同时拔出两把刀具,接着机械手反转180,交换两刀具的位置,然后机械手插刀,刀具的自动夹紧机构夹紧刀具,最后机械手复位。图3.1转盘式自动化刀装置3.2.2刀套的构造刀套的构造如图下图所示，由图中可以看到锥孔尾部有两个球头销钉，后有弹簧用以夹住刀具，故当刀套旋转90后刀具不会下落。刀套顶部的滚子用以在刀套处于水平位置时支撑刀套。当刀具更。换完毕，该刀座插入从主轴换下的刀具夹头。通过气缸作用，与上述动作相反，刀座带动刀具夹头顺时针转动，直到水平位置为止，此时滚子销重新处于支撑板的凹槽。图3.2刀套3.2.3 机械手传动结构 自动换刀的大致顺序如下图：第一，见图（b），工件上某一表面加工完毕后，主轴停转，主轴箱返回原点准备换刀，此时刀库早已根据指令将“新刀”转到换刀位置上(即向下旋转90),等待机械手抓取。 第二，见图（c），机械手由原始水平位置逆时针旋转75，机械手的两夹爪同时抓住刀库中的“新刀”与主轴中的“旧刀”。 第三，见图（d），机械手沿轴向将刀具同时从主轴及刀库中拔出。 第四，见图（e），机械手顺时针旋转180，把“新刀”转至主轴处，“旧刀”转至刀库换刀位置处。 第五，见图（f），机械手沿轴向将刀具同时装入主轴及刀库。第六，见图（h），机械手顺时针回转75，恢复原始水平位置。 第七，见图（g），刀库刀套向上旋转90，等待下一次换图3.3换刀顺序机械手抓刀部分结构如下本机床上使用的换刀机械手为回转式单臂双手机械手。在自动换刀过程中，机械手要完成抓刀、拔刀、交换主轴上和刀库上的刀具位置、插刀、复位等动作。 单臂单手式机械手主要由手臂3和固定于其两端的结构完全相同的两个手爪1组成。手爪1上握刀的圆弧部分有一个锥销2，机械手抓刀时，该锥销插入刀柄的键槽中。当机械手由原位转75抓住刀具时，两手爪上的长销7分别被主轴前端面和刀库上的挡块压下，使轴向开有长槽的活动销6在弹簧的作用下右移顶住刀具。机械手拔刀时，长销与挡块脱离接触，锁紧销被弹簧弹起，使活动销顶住刀具不能后退，这样机械手在回转180时，刀具不会被甩出。当机械手上升插刀时，两长销又分别被两挡块压下，锁紧销从活动销孔中退出，松开刀具，机械手便可反转75复位。 1手抓 2锥销 3手臂 4、5弹簧 6活动销 7长销 8锁紧销图3.4机械手4机械手臂和手抓的设计4.1 自动换刀装置的设计参数主轴中心和换刀位置的距离600mm刀库容量 16选刀方式 任选最大刀具重量4kg刀柄为BT40刀柄4.2手抓口的计算 本次设计所采用的是BT40刀柄具体参数如下：柄部型号锥 体螺 纹 孔凸 缘D1Rd1d2gR1D4D540#44.4568.401.232438.21719M16156.2563.55柄部型号凸 缘其 他xyftt1jbR2D3eD6一般特殊40#3.753.215.922.82518.516.1144.7503572.3图4.1刀柄因为，故测量与刀柄槽相对位置如下图所示。图4.2手抓口两测量棒中心距为，故 由图2-2可知： 则手爪口的型式与尺寸与BT40相匹配。如图下图所示，4.2.1 手爪锁的设计与计算 当刀柄被手爪抓住（即刀具轴线与手爪口中心点重合）时，弹簧琐轮在弹簧的作用下把刀柄锁紧，使刀具不会从手爪口中脱落，其形式如下图所示， 1弹簧；2活动销；3刀具；4长销； 手爪在抓刀时，随传动轴逆时针旋转，主轴及刀库附近的凸台压下长销4，活动销（即弹簧锁轮）被解锁。手爪欲抓住刀柄，使手爪口中心与刀具中心线重合，达到图示位置，刀柄反作用力活动销使其压缩弹簧1向左运动至极限位置后手柄已进入手爪口，此时活动销向右运动至手爪口中心与刀具中心轴线完全重合，回到初始状态，刀柄被锁住，抓刀结束，可以进行拔刀动作，而在抓刀时，整个机械手旋转角度较小，故刀柄压活动销受力简化等效如图2-5所示。系统发出换刀指令后，机械手由原始位置转过以实现抓刀动作，而两手爪上的长销4分别被主轴前端面和刀库上的挡块压下，使轴向开有长槽的活动销2在弹簧的作用下移动顶住刀具。机械手拔刀时，长销4与挡块脱离接触，锁紧销2被弹簧1弹起，使活动销2顶住刀具不能后退，这样机械手在回转时，刀具不会甩出。当机械手上升插刀时，长销又被挡块压下，松开刀具，机械手便可反转复位。设计手爪口端点到手爪中心轴线垂直距离为7mm，抓刀初始位置时，最小，最大，抓刀过程中，（与手爪中心轴的夹角）逐渐减小，逐渐增大，逐渐减小至、三点一线时最大，最小，之后逐渐增大至活动销还原至初始位置被锁紧销锁住为抓刀完毕，不应过大，过大就会偏小，就会偏大，过小无法压缩弹簧使活动销移动，过大也会阻碍刀柄进入手爪口，不应过小，过小就会偏大，就会偏小，锁轮便无法紧固刀柄，刀柄容易脱落。即取,锁轮轮子的直径（即活动销直径），则有： 活动销的滚轮中心到手爪中心轴线的垂直距离为：， 则活动销的行程a： 活动销上的行程槽应大于活动销行程加上长销直径，根据机械设计手册选取长销直径。则行程槽长：（取），卡销材料为35钢，热处理硬度，表面氧化处理的A型圆柱销（GB119-86）卡销直径选3mm (由机械设计课程设计手册第二版，吴宗泽主编)根据配合原理，则行程槽宽。我们可以设活动销主体宽，高，长，活动销尾部到锁轮轮子中心距。因此我们取：行程槽长： 行程槽宽 动销主体宽，高，长活动销尾部到锁轮轮子中心距4.2.2 弹簧的选择与设计弹簧主要分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧四种。按照弹簧形状又可分为螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、板弹簧、盘簧等。因为该设计中弹簧受到的压力不大，选择材料为类碳素弹簧钢丝，普通圆柱螺旋弹簧钢丝，初选直径。弹簧中径（GB/1358-78）查表30.2-4的许用应力，切面模量。又根据弹簧材料直径,由表30.2-4得，弹簧钢丝的抗拉强度。那么旋绕比 ,曲度系数由得,所以得出弹簧能够承载的最大载荷 （式4-1）校核弹簧截面材料的直径 （式4-2）故初选合理。4.2.3 手爪的整体尺寸设计 本次要求机械手两手抓中心距为600mm1. 首先考虑手爪部件的主要尺寸，设计如下：手爪总长90mm ,手爪总的内道宽分别为: , .2. 从螺钉到机械手手臂中心的距离为120mm,宽度为90mm,厚度为16mm.因此取机械手抓中心道螺钉中心距离为 （600-2120）/2=180mm。根据设计要求选定机械手臂的材料为45钢,弯曲许用应力,在工作过程中,主要受横向弯曲应力,最大正应力发生在弯矩最大的截面上,且离中性轴最远处. 设刀具及手爪之重为4kg,由前面可知承受重力到机械手臂中心的距离为300mm,因此: 因此设计达到要求且合理。4.2.4手臂的弯曲变形手臂受到自身重力和刀具的重力左右，所以会有弯曲变形，如果弯曲太大，就会造成换刀时手臂和刀具的干涉，造成机器的损坏。手臂的自身重力可以通过简化的方式转化为一个长度为600mm，宽90mm，高30mm的长方体来计算，G=mg=7.8106093=86346N=126KN刀具的重量F=104=40KN手臂材料的抗拉强度 =460MPa 屈服强度 =235MPa 图4.1手臂的受力可以简化为图4.1所示如上图所示，可简化为悬臂梁来处理，则任意横截面上的弯矩为： M=-60（l-x） =-60（205-x） （4.1）得挠曲线方程刀具重力所造成的弯曲： （4.2）公式（4.2）中 弯曲距离F作用力杆的长度杆上任意一点到固定端的距离材料的弹性摸量惯性距刀臂自重所造成的弯曲： （4.3）其中=3012=1822500=1.8225E=2.2最大挠度为刀具重力所造成的弯曲： （4.4）刀臂自重所造成的弯曲： （4.5）端截面转角为刀具重力所造成的弯曲 （4.6）刀臂自重所造成的弯曲： （4.7）计算得刀具重量所造成的弯曲：= -40（32.21.8225） 3.2m=-40（22.21.8225） 3.1刀臂自身重量所造成的弯曲：=-127（3205-102.5）（32.2 1.8225）3.5m 3.9m=-127（22.21.8225）1.1通过以上的计算可知，换刀机械手的手臂的弯曲非常小，根本不会对实际工作造成任务影响，所以是符合要求的。4.3 本章小结本章主要对机械手进行了设计,机械手主要由手臂、手爪、手爪口三部分组成。结合所学的知识和资料对手臂、手爪、手爪口进行了详细的计算，设计中弹簧和活动销也起到了重要的作用，我对这两个部件进行了初步估算和选择，弹簧是根据机械设计手册上面来选择的。初步设计出机械手爪部分的整体尺寸并对它的受力情况进行了校核。5 气压传动系统设计5.1气压传动的组成及工作原理 5.1.1气压传动工作原理气压传动，是以压缩空气为工作介质进行能量传递和信号传递的一门技术。 它的工作原理是利用空压机把电动机或其它原动机输出的机械能转换为空气的压力能，然后在控制元件的作用下，通过执行元件把压力能转换为直线运动或回转运动形式的机械能，从而完成各种动作，并对外做功。 5.1.2气压传动的组成气压传动系统和液压传动系统类似，也是由四部分组成的 (1) 气源装置 获得压缩空气的装置。其主体部分是空气压缩机，它将原动机供给的机械能转变为气体的压力能； (2) 控制元件 用来控制压缩空气的压力、流量和流动方向的，以便使执行机构完成预定的工作循环。它包括各种压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀等； (3) 执行元件 是将气体的压力能转换成机械能的一种能量转换装置。包括气缸、气马达、摆动马达； (4) 辅助元件 是保证压缩空气的净化、元件的润滑、元件间的连接及消声等所必须的，它包括过滤器、油雾气、管接头及消声器等。 5.2气压传动的优缺点 气动技术广泛应用于机械、电子、轻工、纺织、食品、医药、包装、冶金、石化、航空、交通运输等各个工业部门。气动机械手、组合机床、加工中心、生产自动线、自动检测和实验装置等已大量涌现。在提高生产效率、自动化程度、产品质量、工作可靠性和实现特殊工艺等方面显示出极大的优越性。这主要是因为气压传动与机械、电气、液压传动相比有以下特点： 气压传动的优点 (1) 工作介质是空气，取之不尽、用之不竭。气体不易堵塞流动通道，用过后可将其随时排入大气中，不污染环境。 (2) 空气的特性受温度影响小。在高温下能可靠地工作，不会发生燃烧或爆炸。且温度变化时，对空气的粘度影响极小，故不会影响传动性能。 (3) 空气的粘度很小（约为液压油的万分之一），所以流动阻力小，在管道中流动的压力损失较小，所以便于集中供应和远距离输送。 (4) 相对液压传动而言，气动动作迅速、反应快，一般只需0.020.3秒就可达到工作压力和速度。液压油在管路中流动速度一般为15m/s，而气体的流速最小也大于10m/s，有时甚至达到音速，排气时还达到超音速。 (5) 气体压力具有较强的自保持能力，即使压缩机停机，关闭气阀，但装置中仍然可以维持一个稳定的压力。液压系统要保持压力，一般需要能源泵继续工作或另加蓄能器，而气体通过自身的膨胀性来维持承载缸的压力不变。 (6) 气动元件可靠性高、寿命长。电气元件可运行百万次，而气动元件可运行20004000万次。 (7) 工作环境适应性好，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣环境中，比液压、电子、电气传动和控制优越。 (8) 气动装置结构简单、成本低、维护方便、过载能自动保护。 气压传动的缺点 (1) 因空气的可压缩性较大，气动装置的动作稳定性较差。 (2)气动装置工作压力低，输出力或力矩受到限制。在结构尺寸相同的情况下，气压传动装置比液压传动装置输出的力要小得多。 (3) 气动装置中的信号传动速度比光、电控制速度慢，所以不宜于信号传递速度要求十分高的复杂线路中。同时实现生产过程的遥控也比较困难，但对一般的机械设备，气动信号的传递速度是能满足工作要求的。 (4) 噪声较大，尤其是在超音速排气时要加消声器。 (5) 工作介质空气本身没有润滑性，需另加装置进行给油润滑。 5.3 升降气缸的设计5.3.1 气压缸的载荷组成及计算设机械手抓刀重约20Kg，作用在活塞杆上的外部载荷包括工作载荷，导轨的摩擦力和由于速度变化而产生的惯性力。 （式5-1） （1）常见的工作载荷有作用于活塞杆轴线上的重力，切削力，挤压力等，而该设计中只有重力，（2）导轨摩擦载荷 （的取值参考机械设计手册表37.5-2） （3）惯性载荷 一般机械取，所以， 除外载荷外，作用于活塞杆上的载荷还包括气压密封处的摩擦阻力，一般估算为： （式5-2） 气压缸的机械效率，一般取 ； 则： 由于负载248N比较小，而且对于机械手定位精度较高因此取系统压力为0.8MPa故取工作压力.5.3.2升降缸的设计 图a为活塞杆受压状态，图b为受拉状态活塞杆受压时，活塞杆受拉时，式中无杆腔活塞有效作用面积；有杆腔活塞有效作用面积； 气缸压力；气缸压力；一般气缸在受力状态下工作，其活塞面积为： （式5-3） 选取d/D，其值是由下表选择。如表3-1所示：表3-1 活塞杆直径 按工作压力选取d/D活塞杆受力情况受拉伸受压缩，工作压力P/MPaP55p7活塞杆直径（0.30.5）D(0.50.55)D(0.60.7)D0.7D因此选取d/D=0.5所以可以得出活塞的直径： （式5-4） 所以，（与的值是在机械设计手册表37.5-5和37.5-3选取的）， 根据所计算出的结果表5-2中选择标准的尺寸。表5-2 活塞杆和气压缸直径所以选择，。活塞杆直径的强度在高压系统中要进行校核： 活塞杆材料的许用应力，初选材料为20钢，则许用应力为80MPa。又根据设计需要，（轴承的配合，螺钉的安装等）此活塞杆为空心杆。令空心杆内径，空心杆外径。由于 （式5-5） 空心杆直径； 空心杆内径； 空心杆外径， 抗扭矩截面系数；所以有空心杆壁厚。 则设计符合要求。因此空心杆内径，空心杆外径。空心杆壁厚5.3.3气缸壁厚的设计通常按薄壁筒公式 为试验压力，一般取=1.5p（p为工作压力） 为许用应力 缸筒材料的许用应力，20钢，=100Mpa,所以，一般气缸缸筒与内径/D1/10 根据结构需要取。5.3.4 气缸长度的确定 气缸的缸筒长度由最大工作行程决定，缸筒的长度一般最好不超过其内径20倍。而最大工作行程应大于刀柄长度以避免与主轴与刀库相碰撞，因此最大工作行程所以缸筒长度为，在这里取L=135mm。5.3.5进气口直径的计算气缸的进气口直径根据活塞最高运动速和油口最高气流速度而定， （式5-6）因为，其中，；式中 无杆腔活塞有效作用面积； 有杆腔活塞有效作用面积； 活塞直径 （）； 活塞杆直径 （）；由行程L初定换刀过程所用时间为1秒,则平均速度为0.135m/s。令无缸腔进气速，则有杆腔进气速度。所以，气流速度大小等于有杆腔进气速, 即.故。5.3.6 缸底厚度计算 因为考虑到缸底有气孔，所以计算公式有：图5-1 气压缸缸底 （式5-7） 式中 缸底厚度； 气压缸内径； 试验压力； 缸底材料许用应力；选取材料为20无缝钢管， 。5.4 气压回转缸的设计5.4.1 回转缸内径的计算作用在动片上的载荷力矩有以下关系：， （式5-8）式中工作阻力矩（） 所有回转缸密封处的摩擦阻力矩（）， ， ，； 参与回转运动的零部件，在启动时产生的惯性力矩（）； ； （式5-9）齿轮回转时，在启动运动过程中的角加速度（）；角速度变化量（），；启动过程时间，一般为令； 参与回转运动零部件，对回转轴的转动惯量（）；参与回转运动的刀柄对重心转动惯量（）；刀柄与机械手的总重量（）；刀柄与机械手的重心到回转轴的距离（）由理论力学得公式，则 （式5-10） 在这里取0.6MPa 。 作用在动片上的合成压力矩即驱动力矩， 回转缸内径的计算：根据