数控加工中心-换刀机械手设计论文_本科论文

1绪论

1.1数控加工中心概述

1.1.1数控加工中心的优点

数控加工中心的优点很多，主要有一下几种：

（1）工件一次装夹可完成多种加工任务，避免了因多次装夹带来的误差和时间成本，而且，由于不需要依靠操作者的技术水平，可得到相当高的稳定精度。

（2）减少了加工的准备时间，提高了加工效率，减少了劳动力的使用，从而大大的降低了生产成本，提高了产品的竞争力。

（3）提高了设备的利用率，数控加工中心的设备利用率为通用机床的几倍，并且，由于工序较为几种，更加适合多种、中小批量的加工生产。

1.1.2数控加工中心的结构特点

数控加工中心的结构特点如下：

（1）刚度高、抗振性好。

（2）传动系统结构简单，传递速度快，精度高。

（3）设计有刀库和换刀机构，这是数控加工中心与其他机床的主要区别。

（4）相较其他机床更为人性化，功能齐全，省去了绝大部分的人力劳动。

1.1.3数控加工中心的发展趋势

（1）高速化

随着数控系统核心处理器性能的进步，数控加工中心的主轴转速和进给速度的进一步提升以及自动交换平台和自动换刀用时的进一步缩短，进而使数控机床的效率向更高的目标迈进。

（2）高精度化

先进的数控系统一般带有高精度的位置检测装置，并通过自我反馈系统时时的调整主轴的运动，进而保证了较高的加工精度和准确性。随着现代科学技术的发展，以及人们不断去对超精密加工技术提出更高的要求，并且伴随新材料，新零件的出现对它们的加工需要更高的超精密加工工艺，因此不断发展新型的超精密加工机床和不断完善现代超精密加工技术，是数控机床发展的毕由之路。

（3）复合化

随着产品外观曲线的复杂化致使模具加工技术必须不断升级，对数控系统提出了新的需求。机床五轴加工、六轴加工已日益普及，机床加工的复合化已是不可避免的

发展趋势。

（4）高柔性化

数控机床在提高单机柔性化的同时，正朝着单元柔性化和系统柔性化方向发展.柔性制造系统是一种在批量生产下，高柔性和高自动化程度的制造系统，它综合了高效，高质量及高柔性的特点，适用于中各种批量和不同品种产品的自动化生产的技术问题，伴随数控系统技术的成熟和升级改造，数控机床的高单元柔性化和系统柔性化已日趋成为现实。

1.2自动换刀装置简介

1.2.1自动换刀装置

自动换刀装置简称ATC是由刀库、机械手及相应的控制系统组成的。具有钻、镗、铣功能的数控铣床，一般刀具都安装在机床的主轴上，工件安装在工作台上。为了能使工序尽可能的集中，尽量节省辅助时间，于是在数控铣床上增加了自动换到装置便形成了加工中心。作为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。所以ATC在加工中心中扮演着极重要的角色。有机械手换刀，是数控加工中心普遍采用的一种方式，它的种类很多，主要原理均为靠机械手的手抓抓取刀具完成新旧刀具的交换工作，应为节省了换刀时间，提高了加工效率，所以备受亲赖。

1.2.2刀库的结构功能和运动原理

刀库是存储刀具的装置，也是区别一般机床和数控机床最主要的区别，常见的刀库主要有以下几种形：转塔式刀库、盘式刀库、链式刀库。

图1.1 转塔式刀库

（1）转塔式刀库，包括水平转塔头和垂直转塔头两种形式，所有刀具固定在同

一转塔上，无换刀臂，储刀的数量非常有限，通常为6到8把车刀。一般仅用于轻便而简单的机床，常见于车削中心和钻削中心等。在钻削中心储刀位置即主轴，其外部结构紧凑并且内部构造复杂，精度要求较高。

（2）盘式刀库特点，刀具沿盘面垂直排列、沿盘面径向排列或成锐角排列的形式的刀库结构简单紧凑，应用较多，但刀具单环排列，空间利用率低。若增加刀库容量必须使刀库的外径增大，那么转动惯量也相应增大，选刀运动时间长。刀具数量一般不多于32把;刀具呈多环排列的刀库的空间利用率高，但必然使得取刀机构复杂，适用于机床空间受限制而刀库容量又较大的场合。

图1.2 盘式刀库

图1.3 链式刀库

（3）链式刀库包括单环链和多环链两种类型，链环形式可有多种变化特点，适用于刀库容量较大的场合，优点是刀库所占的空间小，可容纳的刀具较多，刀库的空间利用率很高。一般适用于刀具数在30到120把。可通过增加链条的长度就能增加可容纳刀具的数量，并且可以不增加圆周速度，其转动惯量相比盘式刀库增加的较小。

（4）格子式刀库装有刀套的格子架固定，其前面有抓刀器在上下、左右移动，

根据指令把需用的刀具爪取到主轴换刀的位置上，换刀完毕后再把已用的刀具送回到原来所在的刀库的到套上，然后把下道工序将要用到的刀具送到换刀位置，如此往复换刀。这种刀库的容量非常大，适合用于多用途的数控加工中心上。

（5）刀套准停措施

机床的切削转矩是由主轴前端面上的端面键来传递的，每次机械手自动装取刀具时，必须保证刀柄上的键槽对准主轴的端面键，这就要求主轴具有准确的定位功能。为满足主轴这一功能而设计的装置成为主轴准停装置或称为主轴定向装置。

1-数控系统2-强电时序电路3-主轴伺服单元4-主轴电动机5-同步齿形带6-位置控制电路7-主轴端面键8-主轴9-发磁体10-磁传感器11-放大器12-定向电路

图1.4 主轴准停装置原理图

本次设计采用的是电气式主轴准停装置，即用电磁传感器检测定向，主轴8的尾部安装有发磁体9，它随主轴转动，在距发磁体外缘14mm处，固定了一个磁传感器10，它经过放大器11与主轴伺服单元3连接。主轴定向指令1发出后，主轴处于定向状态，当发磁体上的判别孔转到对准传感器上的基准槽时，主轴立即停止。5为电动机与主轴之间的同步齿形带，4为主轴电动机，2为强电时序电路，7为主轴端面键，6是位置控制回路，12是定向电路。

1.3机械手的概述

1.3.1机械手的驱动方式

在工业生产的过程中，由于工作环境的限制，导致人们无法完成某些工作或者仅

能勉强完成工作，但是延长了生产时间，提高了生产成本和劳动成本，为了解决这些问题机械手就应运而生了，机械手的工作效率高，而且不受体能的限制，非常方便。机械手是一种能够模拟人的手臂的部分动作，按照预定设定的程序、轨迹以及其它要求，实现抓取、搬运等工作的自动化装置。

按驱动驱动方式的动力源，机械手可分为：

液压式：其驱动系统由液压机、伺服阀、油泵、邮箱等组成。常见的方案是机械手装在套筒上，活塞杆固定，缸套同套筒一起移动，油缸左右腔进油完成动作。机械手的回转既可以采用回转油缸，也可以采用直线运动油缸通过齿轮齿条带动来完成。

凸轮联动式：机械凸轮联动驱动的自动换刀装置，插、拔刀动作通常由凸轮驱动摆杆来完成。回转动作常通过弧面分度凸轮或平行分度凸轮，带动滚子盘直接驱动机械手，或再通过一对齿轮驱动机械手旋转。

1.3.2机械手手爪的结构特点

按机械手的手抓类型分类，主要分为以下几种类型：单臂机械手：单手式（a）、双手式（b）、双臂机械手（c）、带送刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手。

图1.5 机械手

单臂机械手单手式：一个换刀臂且仅一端有一个抓刀手，只做往复直线运动，特点：所有动作均由单手完成，执行动作多，换刀时间长，但由于结构简单，并且把刀和传递刀具都是直线运动，因而无回转运动所产生的离心力，所以机械手的手抓部分设计较为简便。刀库刀座主轴与主轴轴线平行或垂直的情况均适用。

单臂机械手双手式：一个换刀臂两端各有一个抓刀手，只做往复直线运动，特点：机械手同时抓取主轴和刀库上的刀具，然后同时拔出两把车刀，下降到一定高度后回转180度，再上升到起始高度将两把刀具同时放回刀库的刀套内和装入主轴的夹紧装置内，换刀时间短，较为常用，多用于刀库换刀位置的刀座与主轴轴线平行的场合。

双臂机械手：两个机械手臂，每个手臂端部都有一个抓刀手，特点：其抓刀和换刀动作类似于人手动作，一个机械手完成将主轴上的刀具拔出并且放回刀库的动作，另一只机械手完成从刀库的刀套上去刀安装到主轴的夹紧装置上的动作，除执行换刀

动作外有些还可以起运输刀具的作用。这种机械手结构较复杂，但换刀时间短。

如图1.6所示，送刀臂将刀具从刀库的刀套上取出送到摆刀站，由摆刀站将刀具送到换刀位置，最后由换刀臂进行换刀。特点：结构更复杂，各个部分的配合精度要求较高，换刀动作多，但是由于各部分在空间巧妙配置和组合，更具变化性，所以一般换刀时间较短。适用于刀库距离主轴较远的场合。

A-为送刀臂B-为摆刀站C-为换刀臂D-为刀库E-为主轴。

图1.6 带送刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手

夹爪机构是换刀机械手的重要部件，它是靠夹紧力来握住刀具的。目前，径向夹紧刀杆画柱外表面的夹爪机构得到普遍使用，而轴向夹紧刀杆法兰盘的夹爪机构使用较少。在钳类夹爪中刀具的紧固是依靠钳口夹紧时所产生的摩擦力，在包容卡类夹爪中是依靠固定装置。

图1.7中的手爪是钳类夹爪的一个例子。搭板用轴安装在套上，套和液压缸或气缸活塞杆起能沿夹爪轴向移动。每块搭板的另一端和杠杆铰接。在杠杆的前部安装有梯形的可交换夹紧钳口，它用形的环状槽夹紧刀具刀杆。杠杆的摆动轴固定在壳体上。当活塞杆向前运动时刀具被松开，而当活塞杆在弹簧作用下向后运动时刀具被夹紧。端面键用来传递从机床主轴到刀具的扭矩。为了使钳口能从和主轴一起旋转的刀杆上通过，端面键应该被切开。

1-套2-搭板3 -杠杆4 -可交换夹紧钳口5- 刀杆6 -摆动轴7 -壳体8 -弹簧9 -键

图1.7 钳类央爪机构

1 -卡钳

2 -刀杆3- 固定器4 -杆5 -弹簧6 -旋转手臂7-杠杆

图1.8 包容卡类夹爪机构

上图1.8是带固定装置的包容卡类夹爪的结构。具有V形环状槽的卡钳用螺栓固定在换刀机械手旋转手臂上。具有同样截面形状的固定器安装在杠杆上，杠杆能相对

于手臂旋转。夹紧时，在弹簧作用下，经过杆，使固定器夹紧刀杆。当手臂移近主轴端面或刀库时，杆被压入手臂移动机构活动支架的专门槽，固定器放松刀杆。

2 机械手的设计方案

2.1 机械手的工作原理

2.1.1机械手的换刀过程

机械手的换刀过程就是将主轴头上用过的刀具和刀库的刀套上待用的刀具拔出完成交换，然后将主轴头上用过的刀具放入刀库和将刀库内待用的刀具放到主轴头上进行机械加工，其机械手的结构如图2.1所示。

换刀机械手的主要过程如下:

（1）刀具向下转90度变成与主轴同方向

（2）机械手在水平面内由机床正面的操作者向主轴逆时针转75度分别抓住代换刀具和主轴上已用过的刀具

（3）机械手向下拔刀

（4）机械手旋转180度

（5）机械手向上放刀

（6）机械手顺时针转75度复原

（7）刀库下方的已用过刀具向上转90度回到刀库

图2.1机械手的结构

2.1.2机械手的运动

对应上述的换刀过程，每步的机械手的运动如下：

（1）刀具向下转90度变成与主轴同方向

当刀库中的汽缸上端通入压缩空气时，活塞杆向下运动，带动拨叉刀套向下翻转

90度，从而使刀具轴线和主轴轴线平行。此时机械手的手臂中心线与主轴中心到刀库刀具中心额连线成75度。

（2）机械手在水平面内由机床正面的操作者向主轴逆时针转75度分别抓住代换刀具和主轴上已用过的刀具

（3）机械手向下拔刀

当主轴的刀具自动夹紧机构松开，连杆最上面的液压缸的上端通入压力油，使活塞杆向下运动，通过转动盘与连杆使机械手向下运动，完成拔刀动作。

（4）机械手旋转180度

该动作由对应的液压缸，齿条以及齿轮与连杆来实现的。当接到交换刀具的命令时，液压缸的前腔充入压力油，从而带动在连杆上的齿条运动，齿轮齿条的运动带动机械手旋转180度，实现交换刀具这个功能。

（5）机械手向上放刀

这个运动过程与机械手把刀相反，即液压缸的下腔通入一定压力的液压油，使活塞杆向上运动，从而把刀具放在准确的位置上。

（6）机械手顺时针选转75度复位

液压缸内通入液压油齿条向前运动带动齿轮运动，从而使机械手反向转过75度。

（7）刀库下方的已用过刀具转90度回到刀库

位置开关发出信号，刀套带着刀具向上翻转90度，为下次选刀做好准备。

2.2总体设计方案

2.2.1设计参数及预期要求

数控加工中心是综合了机械、电子、计算机、控制等技术于一体综合加工能力较强的设备，工件一次装夹后能完成较多的加工步骤，加工精度较高。其中换刀机械手是实现对工件表面进行连续加工的必要设备之一，可以自动进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻丝、铣削等多工步的加工，为加工中心多工序集中加工提供了保障，而机械手为加工中心的自动化换刀、加工提供了支持。

毕业设计的内容为数控加工中心换刀机械手，按国家标准进行相关部件运动参数校核计算，完成操纵机构的设计，其他机构（如开停、制动及换向机构等）设计，绘制换刀机械手装配草图后，确定各机构运动过程是否干涉，进一步完善结构，完成装配图和零件图绘制工作并完成相应的尺寸、配合及形位公差标注。

技术参数：刀库容量：24把；

选刀方式：随机；

换刀时间：6秒；

最大刀具长度：300mm；

最大刀具直径：100mm；

刀柄型号：BT40

机械手驱动方式：液压驱动，单臂式

预期研究要求

根据技术参数和驱动方式选择最佳的换刀机械手的设计方案，并绘制其装配图和零件图。数控加工中心—换刀机械手设计的任务是按照已确定的运动参数、动力参数和传动方案，设计出经济合理、性能先进的换刀机械手。其主要涉及内容为：拟定换刀机械手形式及具体手爪部分等结构设计。装配图包括换刀机械手展开图、横向剖视图、外观图及其他必要的局部视图等。绘制出部件的主要结构装配草图之后，需要检查各元件是否相碰或干涉，再根据动力计算的结果修改结构，然后细化、完善装配草图，并按制图标准进行加深，最后进行尺寸、配合及零件标注等。

根据设计要求，初步选取盘式刀库、机械手采用包容式卡爪和单臂机械手的双手式、采用液压驱动和齿轮齿条传动。

2.2.2设计方案的构思及选择

在研究过设计要求和查阅资料后初步设想主轴主要零件装配方式有以下几种：（1）方案一

主轴上固定装配一个齿轮，主轴旋转180度和75度分别由两个液压缸带动俩个齿条完成，齿轮随主轴一起做旋转和上下移动，齿条位置固定，驱动旋转180度的齿条的长度设为齿轮的分度圆周长的一半，驱动旋转75度的齿条为齿轮分度圆周长的75/360，这样可以达到很高的运动传递的准确性。两个驱动齿条的液压缸的行程均稍大于齿条的长度，在齿轮上下移动到指定位置时并不与齿条接触，以减少碰撞和振动。

（2）方案二

主轴旋转180度和75度由一个液压缸完成，即只需要一套液压缸、齿轮和齿条驱动，主轴和齿轮通过花键连接，这样齿轮既可以把旋转运动传递给主轴又不随主轴上下运动可以固定和齿条的相对位置，该方案结构简单，所需零件较少。

（3）方案三

主轴上固定装配一个传动盘，主轴旋转180度和75度分别由两套液压缸、齿条和齿轮完成，传动盘随主轴一起上下移动，齿轮位置固定，传动盘通过销钉与固定在齿轮上的连接件固定配合，并将扭距由齿轮传送给主轴，进而带动机械手抓完成旋转运动。

综上所述，比较以上三种方案，方案一不需要较高的装配精度，而且构造较为简洁，但是齿轮的上下运动时定位问题难以解决以及齿轮和齿条齿数确定较为困难，影响了方案的实施；方案二结构更为简化，所需零件最少，但是由于所以运动都由一个液压缸完成，导致液压缸行程过大，加大了液压缸的尺寸和总体设计尺寸影响换刀机械手与机床和道具的整体配合，而且转位精度较低。方案三虽然结构较为复杂，所用零件较多，但是每个运动都由固定机构玩成，提高了运动的准确性和可控性，较好的

满足了设计要求。

最终选择方案三为本次设计的方案由其确定的轴上装配方案如下图2.2所示：

图2.2 轴的装配

在确定设计方案后，进一步确定各种配合、链接和固定件的尺寸，对主轴和箱体和手抓部分的链接形成初步的构想，对运动过程、驱动方式、力的传递途径进行深入了解，然后根据给出有关刀具的设计参数，去关键零件进行计算，确定关键件个主要配合尺寸后，标准件按机械设计手册选取，非标准件视情况设计，最终完成设计任务所要求的工作量如下：

（1）关外文翻译资料一份（译文字数不少于2000汉字）；

（2）毕业设计方案1份，且符合毕业设计规范；

（3）总设计图量不少于3.0张A0，装配图有充分的零件图支撑；

（4）设计说明书1份（不少于1.2万字），查阅文献15篇以上，外文文献2篇以

3 关键件的设计计算

3.1主轴的设计

3.1.1主轴与手爪连接处设计

（1）主轴与手爪配合处直径的计算选取

在轴的设计过程中，通常用下面的公式来估算轴的直径：

??????≤≈=T d n P T

W T ττ32.0955000 （3.1） 在上式中T τ为扭转切应力，单位为Mpa

T 为轴所承受的扭矩，单位为N.mm

T W 为轴的抗扭截面系数，单位3m m

P 为轴所传递的功，单位为kw

D 为计算截面处的直径，单位为mm

??

????T τ为许用扭转应力，单位为Mpa 根据上面式子可求得

3302.0955000n p A n T p d =??

????≥

τ （3.2） 经查表可得0A 的范围为126到103，为了设计方便取0

A =110 根据设计要求换刀时间应不超过6s ，整个换刀过程有7个动作组成，按照每个动作用时相等均为0.8s 来进行计算

有应为机械手在转过180度的用时也是0.8s ，所以在这时机械手的转速最高，计算轴径时需最大转速进行计算

由此我们可得机械手的主轴在旋转180度时的转速为

N=606

.11?=37.5r/min （3.3） P=M ω=FL ω=653.3N ?320mm ?1.25s π=0.82kw （3.4） 经计算可得

3

0n p A d ≥=30.76mm （3.5） 所以取直径为32mm

3.1.2主轴其余部分尺寸选取

在前面的设计计算中，已经初步选取了主轴的最小直径，主轴的材料的初步确定为45钢，选择45钢的理由：碳钢相对与合金钢来说价格跟为便宜，并且对应力集中的敏感性不高，而且还可以通过热处理和化学处理等手段来达到提高其耐磨性和抗疲劳强度的目的，同时45钢在碳钢中的性能也是属于比较优良的一种，最终确定选择45钢作为主轴的材料。

确定轴的各段直径和长度，为了定位左边的齿轮就必须在轴的右端的直径为d=32mm ，由于齿轮的长度为80mm ，还加上这个结构，齿轮不是空套在轴上的，而是通过连接盘和传动盘把运动传到主轴，取该段长度为63mm ，与传动盘连接的部分的长度为38mm ，与小齿轮连接部分的长度为46mm 。

3.2手抓的设计

（1）在充分了解了机械手的种类和机构和结合本次设计任务参数之后，最终我们选取的机械手是单臂机械手的双手式，手抓选取包容卡类夹爪机构。根据设计参数刀柄型号为BT40，机械手的手抓的抓紧部位在刀柄上故其内径应为Φ53。

（2）手部的工作原理

该机械手全不是机械装置不需外加动力，当机械手臂处于换刀位置的75度时，锁紧销被挡块压下，活动销就可以活动了，使得机械手可以抓住（或放开）主轴和刀套上的刀具，刀具被弹簧的活动销顶靠在固定的爪中，锁紧销弹起使，使活动销被锁紧，不能后退，这就保证了在机械手运动的过程中，手抓中的刀具不会被甩出。

（3）弹簧的选取

由于机械手的夹紧位置为刀具的刀柄，且刀柄全为BT40所以锁紧销位置无需调节，只要满足活动销能提供足够的夹紧力即可。

由于设计参数中未给出刀具的最大质量，经参看相关设计任务资料，此处最大质量选取为8kg ，要使刀具在夹紧力的作用下不掉洛，摩擦力必须大于重力。

即G Nu f >= (3.6) N 为活动销对刀具的压力