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. 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目：基于pro/e的加工中心換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名： 黃玉鵬 學(xué)號(hào)： 120302031110 學(xué) 部 （系）： 機(jī)械與電氣工程 專 業(yè) 年 級(jí)：12級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化（3）班 指 導(dǎo) 教 師： 樊珊 職稱或?qū)W位： 本科 2016 年 5 月 1 日 . 加工中心換刀機(jī)械手設(shè)計(jì) 【摘要】本論文介紹的是小型加工中心換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)。機(jī)械手的種類很多，在本次設(shè)計(jì)中機(jī)械手選用回轉(zhuǎn)式雙臂機(jī)械手。它的主要?jiǎng)幼魇菍C(jī)床主軸上的刀具與刀庫或刀具傳送裝置上的刀具進(jìn)行交換，其動(dòng)作循環(huán)為：拔刀─新舊刀具交換─裝刀?；剞D(zhuǎn)式雙臂機(jī)械手刀具交換裝置具有換刀時(shí)間短、所需空間小動(dòng)作靈活可靠等.應(yīng)用最為廣泛。數(shù)控系統(tǒng)是加工中心的控制中心，它主要由（CNC）、可編程控制系統(tǒng)(PLC)、伺服系統(tǒng)構(gòu)成。 關(guān)鍵詞: 加工中心 換刀機(jī)械手 . Vertical machining center for knife manipulator design [Abstract]: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 錄 1 緒論 1 1.1加工中心的定義 1 1.2加工中心的發(fā)展歷程 1 1.3加工中心換刀機(jī)械手國內(nèi)外現(xiàn)狀 2 1.4國產(chǎn)加工中心目前存在的問題及未來發(fā)展趨勢 2 1.5加工中心的分類 3 2 加工中心自動(dòng)換刀裝置概述 5 2.1加工中心自動(dòng)換刀裝置形式、特點(diǎn)及各自應(yīng)用范圍 5 2.1.1帶刀庫的自動(dòng)換刀系統(tǒng) 5 2.1.2回轉(zhuǎn)刀架換刀 5 2.1.3更換主軸換刀 6 2.1.4更換主軸箱換刀 6 2.1.5更換刀庫換刀 6 2.2刀庫以及刀具交換裝置 7 2.2.1設(shè)計(jì)刀庫時(shí)的主要問題 7 2.2.2刀具交換裝置 7 2.2.3刀具的夾持 12 2.2.4手爪的選擇 12 3 總體方案設(shè)計(jì) 13 3.1 加工中心換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求 13 3.2 初步設(shè)計(jì)方案 13 3.2.1氣動(dòng)換刀工作過程 13 3.2.2刀套的構(gòu)造 14 3.2.3 機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 14 4機(jī)械手臂和手抓的設(shè)計(jì) 16 4.1 自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)參數(shù) 16 4.2手抓口的計(jì)算 16 4.2.1 手爪鎖的設(shè)計(jì)與計(jì)算 18 4.2.2 彈簧的選擇與設(shè)計(jì) 20 4.2.3 手爪的整體尺寸設(shè)計(jì) 21 4.2.4手臂的彎曲變形 21 4.3 本章小結(jié) 23 5 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24 5.1氣壓傳動(dòng)的組成及工作原理 24 5.1.1氣壓傳動(dòng)工作原理 24 5.1.2氣壓傳動(dòng)的組成 24 5.2氣壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn) 24 5.3 升降氣缸的設(shè)計(jì) 25 5.3.1 氣壓缸的載荷組成及計(jì)算 25 5.3.2升降缸的設(shè)計(jì) 26 5.3.3氣缸壁厚的設(shè)計(jì) 28 5.3.4 氣缸長度的確定 28 5.3.5進(jìn)氣口直徑的計(jì)算 29 5.3.6 缸底厚度計(jì)算 29 5.4 氣壓回轉(zhuǎn)缸的設(shè)計(jì) 30 5.4.1 回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑的計(jì)算 30 5.4.2 回轉(zhuǎn)缸壁厚的計(jì)算 32 5.4.3 缸蓋聯(lián)接螺釘計(jì)算 32 5.4.4 動(dòng)片輸出軸聯(lián)接螺釘計(jì)算 33 6花鍵軸的設(shè)計(jì) 35 6.1 花鍵軸的計(jì)算 35 6.1.1 軸的材料選擇 35 6.1.2 軸徑的初步計(jì)算 35 6.2 軸承的選擇 37 6.2.1 升降缸中軸承的選擇 37 6.2.2 對(duì)于回轉(zhuǎn)缸的軸承選擇 38 6.3 法蘭連接的選擇 38 6.4 本章小結(jié) 39 7 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 40 7．1 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖 40 設(shè)計(jì)總結(jié) 42 參考文獻(xiàn) 43 致謝 44 . 1 緒論 1.1加工中心的定義 加工中心，簡稱CNC，是由機(jī)械設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)組成的使用于加工復(fù)雜形狀工件的高效率自動(dòng)化機(jī)床,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，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。加工中心備有刀庫，具有自動(dòng)換刀功能，是對(duì)工件一次裝夾后進(jìn)行多工序加工的數(shù)控機(jī)床。加工中心是高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品，工件裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機(jī)床按不同工序自動(dòng)選擇、更換刀具、自動(dòng)對(duì)刀、自動(dòng)改變主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量等，可連續(xù)完成鉆、鏜、銑、鉸、攻絲等多種工序，因而大大減少了工件裝夾時(shí)間、測量和機(jī)床調(diào)整等輔助工序時(shí)間，對(duì)加工形狀比較復(fù)雜，精度要求較高，品種更換頻繁的零件具有良好的經(jīng)濟(jì)效果。 圖1.1 加工中心 1.2加工中心的發(fā)展歷程 1952年美國PARSONS公司與麻省理工學(xué)院（MIT）合作研制了第一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床，它綜合應(yīng)用了電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、精密檢測與新型機(jī)械結(jié)合等多方面的技術(shù)成果。1958年，美國卡尼，特雷克（Kearney&Trecker）公司首次把銑、鉆、鏜等多種工序集中于一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上，通過換刀方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工，成為世界上第一臺(tái)加工中心。該產(chǎn)品出現(xiàn)后，銷路驚人，引起了日、德、美、英、法、意等先進(jìn)工業(yè)國家的高度重視，競相開發(fā)生產(chǎn)，不斷擴(kuò)大和完善機(jī)床的功能，成為數(shù)控機(jī)床中發(fā)展最快、需求量最大的商品之一。如今，世界上出現(xiàn)了立式、臥式、龍門式、落地式等各種加工中心，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，大約有1000多個(gè)品種規(guī)格。 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。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(duì)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(duì)加工中心的研究、設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用。自動(dòng)換刀裝置主要用于大中型數(shù)控加工中心，具有連續(xù)換刀且換刀時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。目前，我國提出振興裝備制造業(yè)、自主發(fā)展數(shù)控機(jī)床的國家戰(zhàn)略，同時(shí)對(duì)數(shù)控機(jī)床與加工中心的功能部件和基礎(chǔ)元件的自主發(fā)展非常重視，很多專家學(xué)者已經(jīng)開始認(rèn)識(shí)到國產(chǎn)功能部件包括自動(dòng)換刀裝置、滾動(dòng)功能部件和數(shù)控系統(tǒng)存在基礎(chǔ)研究薄弱和性能總體落后的問題，急需在國產(chǎn)功能部件上進(jìn)行產(chǎn)品性能提升。其中，自動(dòng)換刀裝置作為數(shù)控加工中心的重要組成部分和關(guān)鍵功能部件，直接影響到國產(chǎn)數(shù)控加工中心的自主發(fā)展和國產(chǎn)化水平。 1.3加工中心換刀機(jī)械手國內(nèi)外現(xiàn)狀 自動(dòng)換刀裝置主要由刀庫和機(jī)械手及驅(qū)動(dòng)裝置組 成，刀庫的功能是存貯加工中心所要用的各種刀具，并在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，把即將要用的刀具準(zhǔn)確地送到換刀位置，刀庫的主要形式有轉(zhuǎn)塔式、盤式以及鏈?zhǔn)?；機(jī)械手的功能是完成刀具在主軸頭與刀庫之間的傳遞及裝卸；驅(qū)動(dòng)裝置則是為刀庫和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)其功能提供動(dòng)力的機(jī)構(gòu).目前，具有更高可靠性與較高自動(dòng) 換刀速度的凸輪式換刀成為主流發(fā)展趨勢。近幾年，隨著數(shù)控機(jī)床行業(yè)向著多功能、高效率、高速化、高可靠性的演進(jìn)趨勢，發(fā)展高負(fù)荷、高容量、高速化、高可靠性的自動(dòng)換刀裝置成為必然趨勢。 相對(duì)于歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國家，我國自動(dòng)換刀裝置的研究起步較晚，隨著數(shù)控機(jī)床及其關(guān)鍵功能部件的研究工作被列為國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，自動(dòng)換刀裝置作為數(shù)控加工中心的關(guān)鍵功能部件，其制造技術(shù)和水平直接影響到我國數(shù)控加工中心的自主發(fā)展與生產(chǎn)。 總結(jié)國內(nèi)外自動(dòng)換刀裝置技術(shù)特點(diǎn)，國產(chǎn)自動(dòng)換刀裝置與國外同類先進(jìn)產(chǎn)品相比在技術(shù)上還有明顯的 差距，主要表現(xiàn)在：換刀速度的主要指標(biāo)刀到刀、切削到切削以及切屑到切屑換刀時(shí)間和同時(shí)期的國外先進(jìn)水平有明顯差距；刀庫及機(jī)械手的定位精度和精度保持性能相對(duì)較差，還需要進(jìn)一步的提高和優(yōu)化；自動(dòng)換刀裝置的可靠性作為衡量一個(gè)ATC先進(jìn)與否的關(guān)鍵指標(biāo)，還需要明顯的提高和優(yōu)化；相對(duì)于國外產(chǎn)品，國內(nèi)自動(dòng)換刀裝置相關(guān)的機(jī)械制造及加工工藝，以及數(shù)控技術(shù)的研究較為薄弱，制約了自動(dòng)換刀裝置的創(chuàng)新與發(fā)展。 總體而言，我國自動(dòng)換刀裝置正處于追趕國外先進(jìn)水平的階段，需要針對(duì)國產(chǎn)自動(dòng)換刀裝置的缺點(diǎn)和不足，聯(lián)合相關(guān)專業(yè)廠家和專家學(xué)者在一些關(guān)鍵技術(shù)上進(jìn)行攻關(guān)研究，提高我國自動(dòng)換刀裝置的整體技術(shù)水平。 1.4國產(chǎn)加工中心目前存在的問題及未來發(fā)展趨勢 國產(chǎn)加工中心目前存在的問題有： (1) 技術(shù)水平上，與國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平相比大約落后10～15 年，在高精尖技術(shù)方面差距則更大。 (2) 產(chǎn)品開發(fā)能力上，國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)缺乏對(duì)產(chǎn)品競爭前的數(shù)控技術(shù)的深入研究與開發(fā)，特別是對(duì)加工中心應(yīng)用領(lǐng)域的拓展力度不強(qiáng)。 (3) 產(chǎn)業(yè)化水平上，市場占有率低，品種覆蓋率小，雖然近年來國產(chǎn)加工中心的產(chǎn)量增加較快，但從總體上看，還沒有形成規(guī)模生產(chǎn)；國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應(yīng)，用戶信心不足。 (4) 國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)MTBF( 平均無故障時(shí)間)大都超過1 萬小時(shí)，但國際上知名品牌如：FANUC、SIEMENS 等先進(jìn)企業(yè)的數(shù)控系統(tǒng)MTBF 已達(dá)8 萬小時(shí)。國產(chǎn)加工中心MTBF 雖有少數(shù)廠達(dá)500 小時(shí)，但國外加工中心的先進(jìn)水平已達(dá)800 小時(shí)。 (5) 刀庫和機(jī)械手的可靠性還比較低，近年來雖有改進(jìn)，但用戶仍然不放心。 (6) 位置精度，特別是重復(fù)定位精度還有待于進(jìn)一步提高。 (7) 至于外觀粗糙，漏油、漏水、漏氣等老問題仍然不同程度的存在。 加工中心未來發(fā)展趨勢有： 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，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。在加工中心中，刀庫和機(jī)械手組成自動(dòng)換刀裝置，而自動(dòng)換刀裝置的好壞，將直接影響加工中心的好壞，自動(dòng)換刀裝置種類繁多，五花八門。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。 當(dāng)今人們一直采用各種方式，提高加工中心的加工效率。如提高進(jìn)給與移動(dòng)速度、提高主軸轉(zhuǎn)速、加大主軸電機(jī)功率、加大切削用量、采用高質(zhì)量刀具等。在換刀的加工過程中，縮短換刀時(shí)間，可大大提高生產(chǎn)效率，國內(nèi)外加工中心生產(chǎn)廠家都投入大量的資金和精力，研制自動(dòng)換刀裝置，以縮短換刀時(shí)間，提高工作效率和競爭力。自動(dòng)換刀裝置是專門為大中型加工中心配套，實(shí)現(xiàn)其刀具儲(chǔ)備及自動(dòng)交換功能的重要功能部件，是高檔加工中心和重型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(shí)間，以提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，進(jìn)而提升機(jī)床乃至整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)力。自動(dòng)換刀裝置的換刀速度和可靠性，是數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)先進(jìn)與否的一個(gè)重要標(biāo)志。 1.5加工中心的分類 按主軸加工時(shí)的空間位置分類有：臥式和立式加工中心。 臥式加工中心 是指主軸軸線水平設(shè)置的加工中心。臥式加工中心有多種形式，如固定立柱式或固定工作臺(tái)式。固定立柱式的臥式加工中心的立柱不動(dòng)，其主軸箱在立柱上做上下移動(dòng)，而工作臺(tái)可在兩個(gè)水平方向移動(dòng)；固定工作臺(tái)式的臥式加工中心的三個(gè)坐標(biāo)方向的運(yùn)動(dòng)由立柱和主軸箱的移動(dòng)來定位，安裝工件的工作臺(tái)是固定不動(dòng)的(指直線運(yùn)動(dòng))。臥式加工中心一般具有3個(gè)至5個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸，常見的是三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸和一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸(回轉(zhuǎn)工作臺(tái))。它能在工件一次裝夾后完成除安裝面和頂面以外的其余四個(gè)面的加工，最適合加工箱體類工件。它與立式加工中心相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地面積大、質(zhì)量大、價(jià)格亦高。 立式加工中心 立式加工中心主軸的軸線為垂直設(shè)置，其結(jié)構(gòu)多為固定立柱式，工作臺(tái)為十字滑臺(tái)，適合加工盤類零件，一般具有三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸，并可在工作臺(tái)上安置一個(gè)水平軸的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)(第四軸)來加工螺旋線類零件。立式加工中心結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，價(jià)格低，配備各種附件后，可進(jìn)行大部分工件的加工。 大型龍門式加工中心 主軸多為垂直設(shè)置，尤其適用于大型或形狀復(fù)雜的工件，像航空、航天工業(yè)及大型汽輪機(jī)上的某些零件的加工都需要用這類多坐標(biāo)龍門式加工中心。 五面加工中心 這種加工中心具有立式和臥式加工中心的功能，在工件一次裝夾后，能完成除安裝面外的所有五個(gè)面的加工，這種加工方式可以使工件的形狀誤差降到最低；省去二次裝夾工件，從而提高生產(chǎn)效率，降低加工成本。 . 2 加工中心自動(dòng)換刀裝置概述 2.1加工中心自動(dòng)換刀裝置（ATC）形式、特點(diǎn)及各自應(yīng)用范圍 一個(gè)零件的加工往往需要進(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。 由刀庫和機(jī)械手組成的自動(dòng)換刀裝置(Automatic Tool Changer,ATC)是加工中心的重要組成部分。加工中心上所需更換的刀具較多，從十幾把到幾十把．甚至上百把，故通常采用刀庫形式，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，自動(dòng)換刀裝置種類繁多。由于加工中心上自動(dòng)換刀次數(shù)比較頻繁，故對(duì)自動(dòng)換刀裝置的技術(shù)要求十分嚴(yán)格。如要求定位精度高，動(dòng)作平穩(wěn)，工作可靠以及精度保持性等。這些要求都與加工中心的性能息息相關(guān)。其基本形式有以下幾種。 2.1.1帶刀庫的自動(dòng)換刀系統(tǒng) 帶刀庫的自動(dòng)換刀形式主要是由刀庫、選刀裝置和刀具交換裝置組成，目前這種換刀方式在機(jī)床和加工中心上應(yīng)用最為廣泛，具體形式如下表2.1.1： 表2.1.1 自動(dòng)換刀系統(tǒng)形式 形式 類別 特點(diǎn) 應(yīng)用范圍 刀庫式 無機(jī)械手換刀 1. 利用刀庫運(yùn)動(dòng)與主軸直接換刀，省去機(jī)械手 2. 結(jié)構(gòu)緊湊 3. 刀庫運(yùn)動(dòng)較多 小型加工中心 機(jī)械手換刀 1. 刀庫只做選刀運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手換刀 2. 布局靈活，換刀速度快 各種加工中心 機(jī)械手和刀具運(yùn)送器 1. 刀庫距機(jī)床主軸較遠(yuǎn)時(shí)，用刀具運(yùn)送器將刀具送至機(jī)械手 2. 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 大型加工中心 2.1.2回轉(zhuǎn)刀架換刀 回轉(zhuǎn)刀架換刀裝置，常用于數(shù)控車床?？稍O(shè)計(jì)成四方、六方刀架或圓盤式裝刀刀架，并相應(yīng)的安裝四把、六把或更過的刀具，它的動(dòng)作根據(jù)數(shù)控指令進(jìn)行，由液壓系統(tǒng)通過電磁換向閥和順序閥進(jìn)行控制，基本動(dòng)作為：刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位、刀架壓緊、轉(zhuǎn)位油缸復(fù)位?；剞D(zhuǎn)刀架還可以采用電機(jī)-馬氏機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)位、鼠齒盤定位，以及其他轉(zhuǎn)位和定位機(jī)構(gòu)。 2.1.3更換主軸換刀 更換主軸換刀是一種比較簡單的換刀方式。這種機(jī)床的主軸頭就是一個(gè)轉(zhuǎn)塔刀庫，主軸頭有立式和臥式兩種。圖二是TK-5525型數(shù)控轉(zhuǎn)塔式鏜銑床的外觀圖，八方形主軸頭上有八根主軸，每根主軸上都裝有一把刀具。根據(jù)工序的要求按順尋將所有需要的刀具的主軸轉(zhuǎn)到工作位置，以此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，同時(shí)接通豬傳動(dòng)。不處在主軸位置的主軸便與住傳動(dòng)脫開。轉(zhuǎn)塔頭的轉(zhuǎn)位有槽輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，具體動(dòng)作包括（1）脫開主軸傳動(dòng)；（2）轉(zhuǎn)塔頭抬起；（3）轉(zhuǎn)塔頭轉(zhuǎn)位；（4）轉(zhuǎn)塔頭定位壓緊；（5）主軸傳動(dòng)重新接通。 這種換刀方式大大縮短了換刀時(shí)間，并提高了換刀的可靠性，但是由于空間位置的限制，是主軸部件結(jié)構(gòu)不能設(shè)計(jì)得十分結(jié)實(shí)，因而影響主軸系統(tǒng)的剛度。為保證其剛度，必須限制主軸數(shù)目，否則將使結(jié)構(gòu)尺寸大大增加。只適用于工序較少、精度要求不高的機(jī)床。 圖2.1.3 更換主軸換刀 2.1.4更換主軸箱換刀 更換主軸箱換刀，顧名思義，即利用更換主軸箱達(dá)到換刀目的，特點(diǎn)在于： （1）利用更換主軸箱，擴(kuò)大組合機(jī)床加工工藝范圍； （2）結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜.這種形式的換刀使用于加工箱體類零件，可以大大提高生產(chǎn)率。 2.1.5更換刀庫換刀 當(dāng)加工工藝的范圍很廣，所需刀具數(shù)量很多，機(jī)床刀庫容量有限時(shí)，可以采用多個(gè)刀庫存刀，再從更換后的刀庫中選擇所需要的刀具，這種機(jī)床可以一臺(tái)單獨(dú)工作，也可以用多臺(tái)機(jī)床組成自動(dòng)生產(chǎn)線。特點(diǎn)在于： （1）擴(kuò)大加工工藝，更換刀庫，另有刀庫存儲(chǔ)器； （2）充分提高機(jī)床利用率和自動(dòng)化程度； （3）擴(kuò)大加工中心的加工工藝范圍。適用于加工復(fù)雜零件，需刀具很多的加工中心或組成高度自動(dòng)化的生產(chǎn)系統(tǒng)。 2.2刀庫以及刀具交換裝置 刀庫的功能是儲(chǔ)存加工工序所需的各種刀具，并按程序指令，把即將要用的刀具迅速、準(zhǔn)確地送到換刀位置，并接受從主軸送回的已用刀具。它是自動(dòng)換刀裝置中主要部件之一。其容量、布局和具體結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)有很大影響。 2.2.1設(shè)計(jì)刀庫時(shí)的主要問題 （1）合理確定刀庫的儲(chǔ)存量 ; （2）盡量縮短選刀時(shí)間； （3）刀庫運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)適宜； （4）要求刀庫運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)； （5）刀座在刀庫中排列合理； （6）其他的問題 如刀具在刀座中應(yīng)夾持可靠，刀庫防塵、防屑以及安全防護(hù)問題等。 2.2.2刀具交換裝置 實(shí)現(xiàn)刀庫與機(jī)床主軸之間裝卸和傳遞刀具的裝置稱為刀具交換裝置。交換裝置的形式和具體結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)控機(jī)床的整體布局、生產(chǎn)率和工作可靠性都有直接影響，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分之一。 交換裝置的形式很多，一般可分為兩大類。 (一)由刀庫和主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀具交換 用這種形式交換刀具時(shí)，主軸上用過的刀具送回刀庫和從刀庫取出新刀，這兩個(gè)動(dòng)作是不能同時(shí)進(jìn)行的。如圖2.2.4所示，選刀和換刀全由三坐標(biāo)軸的數(shù)控定位系統(tǒng)來完成。這種換刀方式?jīng)]有機(jī)械手，因而結(jié)構(gòu)簡單；刀庫回轉(zhuǎn)是在工步與工步之間，故換刀時(shí)間長，換刀動(dòng)作也較多，但卻免去了刀庫回轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)對(duì)加工精度的影響。 圖2.2.2 刀庫和主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)換刀 （二）由機(jī)械手進(jìn)行刀具交換 由于刀庫及刀具交換方式不同，換刀機(jī)械手種類繁多。這中換刀方式動(dòng)作簡單，換刀時(shí)間短，刀具定位精度高生產(chǎn)效率和工作可靠性都較高，是目前實(shí)用性較高的的一種換刀方式。機(jī)械手的類型如下： 加工中心換刀機(jī)械手的種類繁多，可以說每個(gè)廠家都推出自己的獨(dú)特的換刀機(jī)械手，在加工中心的自動(dòng)換刀系統(tǒng)中，是機(jī)械手具體執(zhí)行刀具的自動(dòng)更換，對(duì)其要求是迅速可靠、準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。由于加工中心機(jī)床的刀庫和主軸，其相對(duì)位置距離不同，相應(yīng)的換刀機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過程也不盡相同，它們由各種形式的機(jī)械手來完成。常見的機(jī)械手有： (1)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。如圖所示： 圖2.2.2 a 單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 (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2.2.4b所示。 圖2.2.2b 單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 (3)雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手（俗稱扁擔(dān)式） 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)180度之后有同時(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2.2.2c所示。 圖2.2.2c 雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 這種機(jī)械手在有的設(shè)計(jì)中還采用了可伸縮的臂，如圖2.2.2d所示： 圖2.2.2d 雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 (4)雙機(jī)械手 這種機(jī)械手相當(dāng)于兩個(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)床主軸上，如圖2.2.4e所示： 圖2.2.2e 雙機(jī)械手 (5)雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手 圖2.2.2f 雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手 這種機(jī)械手兩臂可往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并交叉成一定角度。兩個(gè)手臂分別稱作裝刀手和卸刀手。卸刀手完成往主軸上取下“舊刀”歸回刀庫，裝刀機(jī)械手執(zhí)行從刀庫取出“新刀”裝入主軸。整個(gè)機(jī)械手可沿導(dǎo)軌或絲杠作直線移動(dòng)或繞某個(gè)轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)刀庫與主軸之間的運(yùn)送刀具工作，如圖2.2.2f所示。 (6)雙臂端面夾緊式機(jī)械手 這種機(jī)械手只是在夾緊部位上和前幾種不同，上述幾種機(jī)械手均靠夾緊刀柄的外圓表面來抓住刀具，而此種機(jī)械手則是夾緊刀柄的兩個(gè)端面，如圖2.2.2g所示： 圖2.2.2g 雙臂端面夾緊式機(jī)械手 由于雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手的動(dòng)作比較簡單，而且能夠同時(shí)抓取和裝卸機(jī)床主軸和刀庫集中的刀具，換刀時(shí)間較短，故我們選用雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手。 在這里我們采用換刀機(jī)械手進(jìn)行刀庫與主軸之間的換刀 2.2.3刀具的夾持 刀具必須裝在標(biāo)準(zhǔn)的刀柄內(nèi)，我國提出了TSG刀具系統(tǒng)，并制定了刀柄標(biāo)準(zhǔn)，有直柄以及7：24錐度的錐柄兩類，刀具夾持方法有柄式夾持（軸向夾持）和法蘭盤式夾持（徑向夾持）兩種。 圖2.2.5a 圓錐刀柄 圖2.2.5b 圓柱刀柄 2.2.4手爪的選擇 這種機(jī)械手的手爪，大都采用機(jī)械鎖刀方式，有些大型加工中心，亦有采用機(jī)械加液壓鎖刀方式，以保證大而重的刀具在換刀中不被甩出，較普通采用的機(jī)械鎖刀方式手爪——彈簧銷式手爪。 機(jī)械手的手爪在抓住刀具后，還必須具有鎖刀功能，以防止在換刀過程中掉刀或刀具被甩出。當(dāng)機(jī)械手松刀時(shí)，刀庫的夾爪既起著刀套的作用，又起著手爪的作用。對(duì)于雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手的手爪，大都采用機(jī)械鎖刀方式，有些大型加工中心，亦有采用機(jī)械液壓鎖刀方式，以保證大而重的刀具在換刀中不被甩出。手爪的形式有： (1)機(jī)械鎖刀手爪——彈簧銷式手爪，使用這種形式的抓持機(jī)構(gòu)，手爪不需要設(shè)置專門的傳遞裝置，因而結(jié)構(gòu)簡單，使用廣泛。但在機(jī)械手有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，為避免刀具甩脫，手爪就必須有自鎖夾持機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。 (2)鉗形杠桿機(jī)械手。這種機(jī)械手手爪的張合需要?jiǎng)恿鬟f裝置，傳動(dòng)較復(fù)雜，但手爪的結(jié)構(gòu)可較簡單。使用也較普遍。 (3)虎鉗形指。在手爪中設(shè)有定位銷，使刀具在手爪中定位。用這種形式的夾持機(jī)構(gòu)時(shí)，刀具需經(jīng)特殊補(bǔ)充加工，不能使用標(biāo)準(zhǔn)刀具，所以使用者較少。 3 總體方案設(shè)計(jì) 3.1 加工中心換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)加工中心換刀機(jī)械手，使其實(shí)現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并設(shè)計(jì)出它的傳動(dòng)控制部分，以保證加工中心換刀機(jī)械手能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速、可靠的完成換刀過程。 3.2 初步設(shè)計(jì)方案 在加工中心中,為了實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)加工,除數(shù)控系統(tǒng)外,還需要配備液壓和氣動(dòng)裝置等來完成自動(dòng)運(yùn)行功能,如自動(dòng)換刀裝置,它是加工中心上必不可少的部分,自動(dòng)換刀裝置的換刀時(shí)間和可靠性直接影響到整個(gè)加工中心的質(zhì)量。本文介紹的換刀系統(tǒng)通過氣壓傳動(dòng)來傳遞動(dòng)力,通過PLC來控制換刀的各個(gè)動(dòng)作。 氣壓傳動(dòng)作為一種易于推廣普及的實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的應(yīng)用技術(shù),其氣源容易獲得,環(huán)境污染小,工作速度快,動(dòng)作頻率高,工程實(shí)現(xiàn)容易。PLC是一種功能強(qiáng)、編程簡單、可靠性高的自動(dòng)控制產(chǎn)品,兩者在工業(yè)生產(chǎn)上都得到了廣泛的應(yīng)用。用氣動(dòng)自動(dòng)化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化,是工業(yè)自動(dòng)化的一種重要技術(shù)手段,也是一種低成本自動(dòng)化技術(shù)。 3.2.1氣動(dòng)換刀工作過程 如下圖所示為加工中心上常用的轉(zhuǎn)盤式自動(dòng)換刀裝置結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)發(fā)出換刀指令后,主軸準(zhǔn)停,主軸向上滑動(dòng),退至換刀點(diǎn),實(shí)現(xiàn)主軸定位;接著機(jī)械手順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90,兩手爪分別抓住刀庫中和主軸上的刀柄,當(dāng)機(jī)械手抓住主軸刀具的刀柄后,刀具的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)松開刀具,機(jī)械手拔刀,同時(shí)拔出兩把刀具,接著機(jī)械手反轉(zhuǎn)180,交換兩刀具的位置,然后機(jī)械手插刀,刀具的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)夾緊刀具,最后機(jī)械手復(fù)位。 圖3.1轉(zhuǎn)盤式自動(dòng)化刀裝置 3.2.2刀套的構(gòu)造 刀套的構(gòu)造如圖下圖所示，由圖中可以看到錐孔尾部有兩個(gè)球頭銷釘，后有彈簧用以夾住刀具，故當(dāng)?shù)短仔D(zhuǎn)90后刀具不會(huì)下落。刀套頂部的滾子用以在刀套處于水平位置時(shí)支撐刀套。當(dāng)?shù)毒吒? 換完畢，該刀座插入從主軸換下的刀具夾頭。通過氣缸作用，與上述動(dòng)作相反，刀座帶動(dòng)刀具夾頭順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直到水平位置為止，此時(shí)滾子銷重新處于支撐板的凹槽。 圖3.2刀套 3.2.3 機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 自動(dòng)換刀的大致順序如下圖： 第一，見圖（b），工件上某一表面加工完畢后，主軸停轉(zhuǎn)，主軸箱返回原點(diǎn)準(zhǔn)備換刀，此時(shí)刀庫早已根據(jù)指令將“新刀”轉(zhuǎn)到換刀位置上(即向下旋轉(zhuǎn)90),等待機(jī)械手抓取。 第二，見圖（c），機(jī)械手由原始水平位置逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)75，機(jī)械手的兩夾爪同時(shí)抓住刀庫中的“新刀”與主軸中的“舊刀”。 第三，見圖（d），機(jī)械手沿軸向?qū)⒌毒咄瑫r(shí)從主軸及刀庫中拔出。 第四，見圖（e），機(jī)械手順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180，把“新刀”轉(zhuǎn)至主軸處，“舊刀”轉(zhuǎn)至刀庫換刀位置處。 第五，見圖（f），機(jī)械手沿軸向?qū)⒌毒咄瑫r(shí)裝入主軸及刀庫。 第六，見圖（h），機(jī)械手順時(shí)針回轉(zhuǎn)75，恢復(fù)原始水平位置。 第七，見圖（g），刀庫刀套向上旋轉(zhuǎn)90，等待下一次換 圖3.3換刀順序 機(jī)械手抓刀部分結(jié)構(gòu)如下 本機(jī)床上使用的換刀機(jī)械手為回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手。在自動(dòng)換刀過程中，機(jī)械手要完成抓刀、拔刀、交換主軸上和刀庫上的刀具位置、插刀、復(fù)位等動(dòng)作。 單臂單手式機(jī)械手主要由手臂3和固定于其兩端的結(jié)構(gòu)完全相同的兩個(gè)手爪1組成。手爪1上握刀的圓弧部分有一個(gè)錐銷2，機(jī)械手抓刀時(shí)，該錐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7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6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。 1—手抓 2—錐銷 3—手臂 4、5—彈簧 6—活動(dòng)銷 7—長銷 8—鎖緊銷 圖3.4機(jī)械手 4機(jī)械手臂和手抓的設(shè)計(jì) 4.1 自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)參數(shù) 主軸中心和換刀位置的距離600mm 刀庫容量 16 選刀方式 任選 最大刀具重量4kg 刀柄為BT40刀柄 4.2手抓口的計(jì)算 本次設(shè)計(jì)所采用的是BT40刀柄 具體參數(shù)如下： 柄部型號(hào) 錐 體 螺 紋 孔 凸 緣 D1 R d1 d2 g R1 D4 D5 40# 44.45 68.40 1.2 32 43 8.2 17 19 M16 1 56.25 63.55 柄部型號(hào) 凸 緣 其 他 x y f t t1 j b R2 D3 e D6 一般 特殊 40# 3.75 3.2 15.9 22.8 25 18.5 16.1 1 44.7 50 35 72.3 圖4.1刀柄 因?yàn)?，故測量與刀柄槽相對(duì)位置如下圖所示。 圖4.2手抓口 兩測量棒中心距為，故 由圖2-2可知： 則手爪口的型式與尺寸與BT40相匹配。如圖下圖所示， 4.2.1 手爪鎖的設(shè)計(jì)與計(jì)算 當(dāng)?shù)侗皇肿ψプ。吹毒咻S線與手爪口中心點(diǎn)重合）時(shí)，彈簧瑣輪在彈簧的作用下把刀柄鎖緊，使刀具不會(huì)從手爪口中脫落，其形式如下圖所示， 1—彈簧；2—活動(dòng)銷；3—刀具；4—長銷； 手爪在抓刀時(shí)，隨傳動(dòng)軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，主軸及刀庫附近的凸臺(tái)壓下長銷4，活動(dòng)銷（即彈簧鎖輪）被解鎖。手爪欲抓住刀柄，使手爪口中心與刀具中心線重合，達(dá)到圖示位置，刀柄反作用力活動(dòng)銷使其壓縮彈簧1向左運(yùn)動(dòng)至極限位置后手柄已進(jìn)入手爪口，此時(shí)活動(dòng)銷向右運(yùn)動(dòng)至手爪口中心與刀具中心軸線完全重合，回到初始狀態(tài)，刀柄被鎖住，抓刀結(jié)束，可以進(jìn)行拔刀動(dòng)作，而在抓刀時(shí)，整個(gè)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)角度較小，故刀柄壓活動(dòng)銷受力簡化等效如圖2-5所示。 系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，機(jī)械手由原始位置轉(zhuǎn)過以實(shí)現(xiàn)抓刀動(dòng)作，而兩手爪上的長銷4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2在彈簧的作用下移動(dòng)頂住刀具。機(jī)械手拔刀時(shí)，長銷4與擋塊脫離接觸，鎖緊銷2被彈簧1彈起，使活動(dòng)銷2頂住刀具不能后退，這樣機(jī)械手在回轉(zhuǎn)時(shí)，刀具不會(huì)甩出。當(dāng)機(jī)械手上升插刀時(shí)，長銷又被擋塊壓下，松開刀具，機(jī)械手便可反轉(zhuǎn)復(fù)位。設(shè)計(jì)手爪口端點(diǎn)到手爪中心軸線垂直距離為7mm，抓刀初始位置時(shí)，最小，最大，抓刀過程中，（與手爪中心軸的夾角）逐漸減小，逐漸增大，逐漸減小至、、三點(diǎn)一線時(shí)最大，最小，之后逐漸增大至活動(dòng)銷還原至初始位置被鎖緊銷鎖住為抓刀完畢，不應(yīng)過大，過大就會(huì)偏小，就會(huì)偏大，過小無法壓縮彈簧使活動(dòng)銷移動(dòng)，過大也會(huì)阻礙刀柄進(jìn)入手爪口，不應(yīng)過小，過小就會(huì)偏大，就會(huì)偏小，鎖輪便無法緊固刀柄，刀柄容易脫落。即取,鎖輪輪子的直徑（即活動(dòng)銷直徑），則有： 活動(dòng)銷的滾輪中心到手爪中心軸線的垂直距離為： ， 則活動(dòng)銷的行程a： 活動(dòng)銷上的行程槽應(yīng)大于活動(dòng)銷行程加上長銷直徑，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取長銷直徑。 則行程槽長：（?。?，卡銷材料為35鋼，熱處理硬度，表面氧化處理的A型圓柱銷（GB119-86）卡銷直徑選3mm (由機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)第二版，吳宗澤主編)根據(jù)配合原理，則行程槽寬。我們可以設(shè)活動(dòng)銷主體寬，高，長，活動(dòng)銷尾部到鎖輪輪子中心距。 因此我們?nèi)。? 行程槽長： 行程槽寬 動(dòng)銷主體寬，高，長 活動(dòng)銷尾部到鎖輪輪子中心距 4.2.2 彈簧的選擇與設(shè)計(jì) 彈簧主要分為拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧和彎曲彈簧四種。按照彈簧形狀又可分為螺旋彈簧、碟形彈簧、環(huán)形彈簧、板彈簧、盤簧等。因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)中彈簧受到的壓力不大，選擇材料為Ⅱ類碳素彈簧鋼絲，普通圓柱螺旋彈簧鋼絲，初選直徑。彈簧中徑（GB/1358-78）查表30.2-4的許用應(yīng)力，切面模量。又根據(jù)彈簧材料直徑,由表30.2-4得，彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度。 那么旋繞比 ,曲度系數(shù)由<<機(jī)械零件設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例>>得,所以得出彈簧能夠承載的最大載荷 （式4-1） 校核彈簧截面材料的直徑 （式4-2） 故初選合理。 4.2.3 手爪的整體尺寸設(shè)計(jì) 本次要求機(jī)械手兩手抓中心距為600mm 1. 首先考慮手爪部件的主要尺寸，設(shè)計(jì)如下： 手爪總長90mm , 手爪總的內(nèi)道寬分別為: , . 2. 從螺釘?shù)綑C(jī)械手手臂中心的距離為120mm,寬度為90mm,厚度為16mm. 因此取機(jī)械手抓中心道螺釘中心距離為 （600-2120）/2=180mm。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求選定機(jī)械手臂的材料為45鋼,彎曲許用應(yīng)力,在工作過程中,主要受橫向彎曲應(yīng)力,最大正應(yīng)力發(fā)生在彎矩最大的截面上,且離中性軸最遠(yuǎn)處. 設(shè)刀具及手爪之重為4kg,由前面可知承受重力到機(jī)械手臂中心的距離為300mm,因此: 因此設(shè)計(jì)達(dá)到要求且合理。 4.2.4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600mm，寬90mm，高30mm的長方體來計(jì)算，G=mg=7.8106093=86346N=≈126KN 刀具的重量F=104=40KN 手臂材料的抗拉強(qiáng)度 []=460MPa 屈服強(qiáng)度 []=235MPa 圖4.1 手臂的受力可以簡化為圖4.1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） （4.1） 得撓曲線方程 刀具重力所造成的彎曲： （4.2） 公式（4.2）中 —彎曲距離 F—作用力 —桿的長度 —桿上任意一點(diǎn)到固定端的距離 —材料的彈性摸量 —慣性距 刀臂自重所造成的彎曲： （4.3） 其中=3012=1822500=1.8225 E=2.2 最大撓度為 刀具重力所造成的彎曲： （4.4） 刀臂自重所造成的彎曲： （4.5） 端截面轉(zhuǎn)角為 刀具重力所造成的彎曲 （4.6） 刀臂自重所造成的彎曲： （4.7） 計(jì)算得 刀具重量所造成的彎曲： = -40（32.21.8225） 3.2m =-40（22.21.8225） 3.1 刀臂自身重量所造成的彎曲： =-127（3205-102.5）（32.2 1.8225）3.5m 3.9m =-127（22.21.8225） 1.1 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(duì)實(shí)際工作造成任務(wù)影響，所以是符合要求的。 4.3 本章小結(jié) 本章主要對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了設(shè)計(jì),機(jī)械手主要由手臂、手爪、手爪口三部分組成。結(jié)合所學(xué)的知識(shí)和資料對(duì)手臂、手爪、手爪口進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算，設(shè)計(jì)中彈簧和活動(dòng)銷也起到了重要的作用，我對(duì)這兩個(gè)部件進(jìn)行了初步估算和選擇，彈簧是根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)上面來選擇的。初步設(shè)計(jì)出機(jī)械手爪部分的整體尺寸并對(duì)它的受力情況進(jìn)行了校核。 5 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.1氣壓傳動(dòng)的組成及工作原理 5.1.1氣壓傳動(dòng)工作原理 氣壓傳動(dòng)，是以壓縮空氣為工作介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞和信號(hào)傳遞的一門技術(shù)。 它的工作原理是利用空壓機(jī)把電動(dòng)機(jī)或其它原動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為空氣的壓力能，然后在控制元件的作用下，通過執(zhí)行元件把壓力能轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)械能，從而完成各種動(dòng)作，并對(duì)外做功。 5.1.2氣壓傳動(dòng)的組成 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓傳動(dòng)系統(tǒng)類似，也是由四部分組成的 (1) 氣源裝置 獲得壓縮空氣的裝置。其主體部分是空氣壓縮機(jī)，它將原動(dòng)機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的壓力能； (2) 控制元件 用來控制壓縮空氣的壓力、流量和流動(dòng)方向的，以便使執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成預(yù)定的工作循環(huán)。它包括各種壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥等； (3) 執(zhí)行元件 是將氣體的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。包括氣缸、氣馬達(dá)、擺動(dòng)馬達(dá)； (4) 輔助元件 是保證壓縮空氣的凈化、元件的潤滑、元件間的連接及消聲等所必須的，它包括過濾器、油霧氣、管接頭及消聲器等。 5.2氣壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn) 氣動(dòng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、輕工、紡織、食品、醫(yī)藥、包裝、冶金、石化、航空、交通運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)工業(yè)部門。氣動(dòng)機(jī)械手、組合機(jī)床、加工中心、生產(chǎn)自動(dòng)線、自動(dòng)檢測和實(shí)驗(yàn)裝置等已大量涌現(xiàn)。在提高生產(chǎn)效率、自動(dòng)化程度、產(chǎn)品質(zhì)量、工作可靠性和實(shí)現(xiàn)特殊工藝等方面顯示出極大的優(yōu)越性。這主要是因?yàn)闅鈮簜鲃?dòng)與機(jī)械、電氣、液壓傳動(dòng)相比有以下特點(diǎn)： 氣壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn) (1) 工作介質(zhì)是空氣，取之不盡、用之不竭。氣體不易堵塞流動(dòng)通道，用過后可將其隨時(shí)排入大氣中，不污染環(huán)境。 (2) 空氣的特性受溫度影響小。在高溫下能可靠地工作，不會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸。且溫度變化時(shí)，對(duì)空氣的粘度影響極小，故不會(huì)影響傳動(dòng)性能。 (3) 空氣的粘度很小（約為液壓油的萬分之一），所以流動(dòng)阻力小，在管道中流動(dòng)的壓力損失較小，所以便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。 (4) 相對(duì)液壓傳動(dòng)而言，氣動(dòng)動(dòng)作迅速、反應(yīng)快，一般只需0.02~0.3秒就可達(dá)到工作壓力和速度。液壓油在管路中流動(dòng)速度一般為1~5m/s，而氣體的流速最小也大于10m/s，有時(shí)甚至達(dá)到音速，排氣時(shí)還達(dá)到超音速。 (5) 氣體壓力具有較強(qiáng)的自保持能力，即使壓縮機(jī)停機(jī)，關(guān)閉氣閥，但裝置中仍然可以維持一個(gè)穩(wěn)定的壓力。液壓系統(tǒng)要保持壓力，一般需要能源泵繼續(xù)工作或另加蓄能器，而氣體通過自身的膨脹性來維持承載缸的壓力不變。 (6) 氣動(dòng)元件可靠性高、壽命長。電氣元件可運(yùn)行百萬次，而氣動(dòng)元件可運(yùn)行2000~4000萬次。 (7) 工作環(huán)境適應(yīng)性好，特別在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、輻射、振動(dòng)等惡劣環(huán)境中，比液壓、電子、電氣傳動(dòng)和控制優(yōu)越。 (8) 氣動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維護(hù)方便、過載能自動(dòng)保護(hù)。 氣壓傳動(dòng)的缺點(diǎn) (1) 因空氣的可壓縮性較大，氣動(dòng)裝置的動(dòng)作穩(wěn)定性較差。 (2)氣動(dòng)裝置工作壓力低，輸出力或力矩受到限制。在結(jié)構(gòu)尺寸相同的情況下，氣壓傳動(dòng)裝置比液壓傳動(dòng)裝置輸出的力要小得多。 (3) 氣動(dòng)裝置中的信號(hào)傳動(dòng)速度比光、電控制速度慢，所以不宜于信號(hào)傳遞速度要求十分高的復(fù)雜線路中。同時(shí)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的遙控也比較困難，但對(duì)一般的機(jī)械設(shè)備，氣動(dòng)信號(hào)的傳遞速度是能滿足工作要求的。 (4) 噪聲較大，尤其是在超音速排氣時(shí)要加消聲器。 (5) 工作介質(zhì)空氣本身沒有潤滑性，需另加裝置進(jìn)行給油潤滑。 5.3 升降氣缸的設(shè)計(jì) 5.3.1 氣壓缸的載荷組成及計(jì)算 設(shè)機(jī)械手抓刀重約20Kg，作用在活塞桿上的外部載荷包括工作載荷，導(dǎo)軌的摩擦力和由于速度變化而產(chǎn)生的慣性力。 （式5-1） （1）常見的工作載荷有作用于活塞桿軸線上的重力，切削力，擠壓力等，而該設(shè)計(jì)中只有重力， （2）導(dǎo)軌摩擦載荷 （的取值參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表37.5-2） （3）慣性載荷 一般機(jī)械取，所以， 除外載荷外，作用于活塞桿上的載荷還包括氣壓密封處的摩擦阻力，一般估算為： （式5-2） 氣壓缸的機(jī)械效率，一般取 ； 則： 由于負(fù)載248N比較小，而且對(duì)于機(jī)械手定位精度較高因此取系統(tǒng)壓力為0.8MPa 故取工作壓力. 5.3.2升降缸的設(shè)計(jì) 圖a為活塞桿受壓狀態(tài)，圖b為受拉狀態(tài) 活塞桿受壓時(shí)，，活塞桿受拉時(shí)， 式中 ——無桿腔活塞有效作用面積； ——有桿腔活塞有效作用面積； ——?dú)飧讐毫Γ? ——?dú)飧讐毫Γ? 一般氣缸在受力狀態(tài)下工作，其活塞面積為： （式5-3） 選取d/D，其值是由下表選擇。如表3-1所示： 表3-1 活塞桿直徑 按工作壓力選取d/D 活塞桿受力情況 受拉伸 受壓縮，工作壓力P/MPa P<5 57 活塞桿直徑 （0.3~0.5）D (0.5~0.55)D (0.6~0.7)D 0.7D 因此選取d/D=0.5 所以可以得出活塞的直徑： （式5-4） 所以，（與的值是在機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表37.5-5和37.5-3選取的）， 根據(jù)所計(jì)算出的結(jié)果表5-2中選擇標(biāo)準(zhǔn)的尺寸。 表5-2 活塞桿和氣壓缸直徑 所以選擇，。 活塞桿直徑的強(qiáng)度在高壓系統(tǒng)中要進(jìn)行校核： ——活塞桿材料的許用應(yīng)力，初選材料為20鋼，則許用應(yīng)力為80MPa。 又根據(jù)設(shè)計(jì)需要，（軸承的配合，螺釘?shù)陌惭b等）此活塞桿為空心桿。令空心桿內(nèi)徑，空心桿外徑。 由于 （式5-5） ——空心桿直徑； ——空心桿內(nèi)徑； ——空心桿外徑， ——抗扭矩截面系數(shù)； 所以有 空心桿壁厚。 則設(shè)計(jì)符合要求。 因此空心桿內(nèi)徑，空心桿外徑。 空心桿壁厚 5.3.3氣缸壁厚的設(shè)計(jì) 通常按薄壁筒公式 為試驗(yàn)壓力，一般取=1.5p（p為工作壓力） 為許用應(yīng)力 []——缸筒材料的許用應(yīng)力，20鋼，[]=100Mpa,所以， ， 一般氣缸缸筒與內(nèi)徑/D1/10 根據(jù)結(jié)構(gòu)需要取。 5.3.4 氣缸長度的確定 氣缸的缸筒長度由最大工作行程決定，缸筒的長度一般最好不超過其內(nèi)徑20倍。而最大工作行程應(yīng)大于刀柄長度以避免與主軸與刀庫相碰撞，因此最大工作行程 所以缸筒長度為，在這里取L=135mm。 5.3.5進(jìn)氣口直徑的計(jì)算 氣缸的進(jìn)氣口直徑根據(jù)活塞最高運(yùn)動(dòng)速和油口最高氣流速度而定， （式5-6） 因?yàn)?，其中，? 式中 ——無桿腔活塞有效作用面積； ——有桿腔活塞有效作用面積； ——活塞直徑 （）； ——活塞桿直徑 （）； 由行程L初定換刀過程所用時(shí)間為1秒,則平均速度為0.135m/s。令無缸腔進(jìn)氣速，則有桿腔進(jìn)氣速度。 所以，氣流速度大小等于有桿腔進(jìn)氣速, 即. 故。 5.3.6 缸底厚度計(jì)算 因?yàn)榭紤]到缸底有氣孔，所以計(jì)算公式有： 圖5-1 氣壓缸缸底 （式5-7） 式中 ——缸底厚度； ——?dú)鈮焊變?nèi)徑； ——試驗(yàn)壓力； ——缸底材料許用應(yīng)力；選取材料為20無縫鋼管， 。 5.4 氣壓回轉(zhuǎn)缸的設(shè)計(jì) 5.4.1 回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑的計(jì)算 作用在動(dòng)片上的載荷力矩有以下關(guān)系： ， （式5-8） 式中 ——工作阻力矩（） ——所有回轉(zhuǎn)缸密封處的摩擦阻力矩（）， ， ，； ——參與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零部件，在啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩（）； ； （式5-9） ——齒輪回轉(zhuǎn)時(shí)，在啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)過程中的角加速度（）； ——角速度變化量（），； ——啟動(dòng)過程時(shí)間，一般為令； ——參與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)零部件，對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）； ——參與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的刀柄對(duì)重心轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）； ——刀柄與機(jī)械手的總重量（）； ——刀柄與機(jī)械手的重心到回轉(zhuǎn)軸的距離（） 由理論力學(xué)得公式，則 （式5-10） 在這里取0.6MPa 。 作用在動(dòng)片上的合成壓力矩即驅(qū)動(dòng)力矩， 回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑的計(jì)算： 根據(jù)