自动换刀机械手的设计.doc

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1、自动换刀机械手的设计摘要加工中心在加工中用得很广泛，加工中心利用刀库实现换刀，这是目前加工中心大量使用的换刀方式。而自动换刀装置是加工中心的重要组成部分之一，它的功能的好坏，关系到整个加工中心的功能。自动换刀装置可分为五种基本形式，即转塔式、 180 回转式、回转插人式、二轴转动式和主轴直接式。刀库换刀，按照换刀过程有无机械手参及，分成有机械手换刀和无机械手换刀两种情况。在有机械手换刀的过程中，使用一个机械手将加工完毕的刀具从主轴中拔出，及此同时，另一机械手将在刀库中待命的刀具从刀库拔出，然后两者交换位置完成换刀过程无机械手换刀时，刀库中刀具存放方向及主轴平行，刀具放在主轴可到达位置换刀时，主

2、轴箱移到刀库换刀位置上方，利用主轴Z向运动将加工用毕刀具插人刀库中要求的空位处，然后刀库中待换刀具转到待命位置主轴 Z 向运动将待用刀具从刀库中取出，并将刀具插人主轴。关键词：加工中心 自动换刀装置 刀库 机械手 AbstractMachining center in the increasingly wide use of the processing , which is currently used by large processing center blade. And the automatic blade changer devices is an important compo

3、nent of machining center。 Its function is good or bad, on the whole processing machining center functions。 Automatic blade devices can be divided into five basic forms .Namely to Tower, 180 turnaround-type, rotation planting one-, two-and the main axis of rotation axis direct .Exchange cutlery in th

4、e tools storehouse , according to the availability of process machinery blade in hand, into a mechanical hand blade and non-blade two mechanical hands .In a mechanical hand exchange cutlery，those will be completed using a mechanical hand, the cutlery out from the main axis.At the same time, another

5、mechanical hand take cutlery from tools storehouse, and then the two exchange locations. The whole process is completed。 If the mechanical hand blade do not join in the process, cutlery storage direction with the main axis parallel. when cutlery arrive at the location which the the main axis can rea

6、ch, the main axis of the knife blade box to the location above。Z axis movement will be used to complete the processing by cutlery inserted in the space required by department, and then for cutlery knife to be transferred to the standby database location. Z axis movement will return to remove the cut

7、lery from tools storehouse and inserted into the main axis.Keyword: machining center automatic blade changer devices tools storehouse manipulator目 录摘要2前言5第一章绪论61.1 加工中心简介61.1.1加工中心的发展史61.1.2加工中心的优点61.1.3加工中心的发展动向61.2 自动换刀装置的简介71.2.1自动交换刀具的由来71.2.2自动换刀的形式71.2.3刀库的功能和形式81.2.4刀套准停措施10第二章机械手的设计122.1 机械手

8、的原理122.2 设计方向132.3 概要142.3.1机械手的组成及分类142.3.2.机械手的手部142.4机械手手部的设计152.5 机械手其它零件以及尺寸的确定192.5.1.螺栓的确定192.5.2. 其它尺寸的确定202.5.3轴及机械手配合部分的直径的确定212.5.4液压泵的选择22第三章 驱动系统的设计233.1 转位机构的设计233.1.1机械手转过75度的驱动机构243.1.2.机械手转过180度的驱动机构283.2 驱动机构其它零件的设计313.2.1.液压缸的选择313.3 轴的结构设计323.3.1.拟定轴上零件的装配方案323.3.2.确定轴的各段直径及长度333

9、.4 主轴的自动夹紧机构以及主轴准停装置的设计343.4.1主轴结构343.4.2刀具的自动夹紧机构343.4.3主轴准停装置343.5 换刀装置的液压机构分析353.5.1液压分析353.5.2换刀动作顺序表37第四章PLC控制分析39小结43参考文献44前言加工中心的自动换刀装置（机械手），是加工中心的重要组成部分之一，我做的这个毕业设计就是关于这方面的问题。我的设计任务是：对加工中心自动换刀机械手进行设计。它主要包括以下几方面的内容：1. 机械部分的设计2. 液压部分的设计3. 自动控制方面的设计（PLC） 这个自动换刀装置是针对JCS-018的，通过对实验室中这台机床的研究以及查阅相关

10、资料。在老师的指导下，我很快就有了一个明确的思路。我的思路如下：首先，对机械手部分进行设计，接下来是液压部分，最后是PLC方面。这个机械手只有2个方向的自由度，既：Z轴方向的转动一移动，通过这2个自由度，我可以完成整个换刀的操作。其中转动是用来交换刀具的位置，进而为拔刀及插刀做准备。而移动是用来完成拔刀及插刀的动作的。就是说整个运动过程如下：机械手转到指定的位置，然后在一系列的控制之下交换刀具以及插拔刀具。而我这个设计及实验室中的那台加工中心的自动换刀装置有一些区别，就是实验室中那台加工中心的自动换刀装置采用的是气压控制，而我在这个设计中采用的是液压控制。 在我这个设计中，我遇到了一些问题，就

11、是力不好确定，以及许多尺寸不容易准确的确定下来，我采用了一个很笨的方法，就是直接对JCS-01那台加工中心一些部件的尺寸进行直接的测量，才得出来，我所要的尺寸。通过这个设计中，我对自己的知识有了很明确的认识，看到了自己的许多缺点，对自己起到了一个查漏补缺的作用。 同时，我得到了金老师的很多指导，如果不是金老师的话，我根本不知道从那里入手。在做论文的过程中，我出了很多错误，因为这，得到及时的更正。谢谢老师。从这次做毕业设计中，我对CAD有了很大的认识，以后，我对再复杂的图，都不会有恐惧感，在液压方面也温习了以前学到的知识。虽然这样，我做的这个毕业设计，肯定还有很多的错误，希望老师们指正。第一章绪

12、论 1.1 加工中心简介1.1.1加工中心的发展史加工中心的发展已有50年历史，自从1952年世界上出现第一台上数控机床后，使多品种、中小批量的机械加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。它用易于修改的数控加工程序进行控制，因而比大批量生产中使用组合机床生产线的凸轮、开关控制的专用机床有更大的柔性，容易适应加工关键品种的变化，进行多品种加工。所谓加工中心，普遍上指在工件一次装卡中，能够实现自动铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等多工序的数控机床。更为明确的说法是：加工中心就是自动换刀数控镗铣床。现代加工中心的内容包括：它是在数控镗床或数控铣床的基础上增加自动换刀装置，可使工件在一次装卡中，能够

13、自动更换刀具，自动完成工件上的铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等工序的数控机床。加工中心上如果带有自动分度回转工作台或自动转角度的主轴箱，可使工件在一次装卡中，自动完成多个平面和多个角度位置的多工序加工。加工中心上如果带有交换工作台，工件在工作位置的工作台上进行加工的同时，另外的工件在装卸为止的工作台上进行装卸，不影响加工的进行。1.1.2加工中心的优点加工中心的优点很多，主要有以下几点： 提高加工质量 工件一次装夹，即可实现多工序集中加工，大大减少多次装夹所带来的误差。而且，由于是数控加工，较少依赖操作者的技术水平，可得到相当高的稳定精度。 缩短加工准备时间 减少在制品减少刀具费用最少的直接劳务

14、费最少的间接劳务费设备利用率高 加工中心设备利用率为通用机床的几倍。另外，由于工序集中，容易适应多品种、中小批量生产。1.1.3加工中心的发展动向总的来说，加工中心是向高速化、进一步提高精度和愈发完善的方向发展。1. 高速化加工中心的高速化，是指主轴转速、进给速度、自动换刀和自动交换工作台的高速化。2. 进一步提高精度加工中心的主要精度指标是它的运动精度指标。而运动精度主要以坐标定位精度、重复定位精度以及铣圆精度来表示。1.2 自动换刀装置的简介1.2.1自动交换刀具的由来自动交换刀具系统（Automatic Tool Changer简称ATC）系统是由刀库、机械手及相应的控制系统组成。具有钻

15、、镗、铣功能的数控、铣床，一般刀具都安装在机床的主轴上，工件安装于工作台上。为了使工序能够高度集中，尽量节省辅助时间，于是在数控铣床上增加自动交换刀具系统（含刀库、机械手及其控制）便形成了加工中心（MC）。 初期曾采用转塔头式的换刀方式，它的电动机、变速箱、转塔头做成一体，结构紧凑：但变速箱工作时的振动和热量都直接传到转塔上来，而且每把刀都需要一个主轴所以它的刀具数量、尺寸、结构都受到很多限制。采用单独存储刀具的刀库，刀具数量可以增多，以满足加工复杂零件的需要，这时的加工中心只需一个夹持刀具进行切削的主轴，所以制造难度也比转塔刀架低。1.2.2自动换刀的形式（1）无机械手的换刀方式2小型加工中

16、心有采用无机械手换刀的方式，如图1-1。它的刀库在立柱的正前方上部，刀库中刀具的存放方向及主轴方向一致。换刀时主轴箱带着主轴在立柱导轨上上升至换刀位置，主轴上的刀具正好进入刀库的某一个刀具存放位置，随即主轴内夹刀机构松开，主轴刀库顺着主轴方向向前移动，从主轴中拔出刀具，然后刀库回转，将下一步所需的刀具转到及主轴对齐的位置；刀库退回，将新刀具插入主轴中刀具随即被夹紧，主轴箱下移，开始新的加工。这种自动换刀系统，刀库整体前后移动不仅刀具数量少，而且刀具尺寸也较小。这种刀库旋转是在工步之间进行的，即旋转所需的辅助时间及加工时间不重合。（2）机械手的换刀方式这是加工中心普遍采用的一种方式。它的种类很多

17、，可分为单臂单手式机械手、回转式单臂双手机械手、双手式机械手、多手式机械手四类。 单臂单手式机械手包括机械手只作往复直线运动的机械手和只作往复摆动的机械手。前者用于刀具主轴及刀库刀座的轴线平行的场合。它的特点是机械手的插、拔刀运动和传递刀具的运动都是直线运动，因而无回转运动所产生的离心力，所以机械手的握刀部分可以比较简单，只需两个弹簧卡销卡住刀柄。而后者，如果是机械手摆动轴线及刀具主轴平行，它主要用于刀库换刀位置的刀座的轴线及主轴轴线相平行的场合。如果是机械手摆动轴线及刀具主轴垂直，它用于刀库换刀位置的刀座和轴线相垂直的场合。总之，这种单臂单手式机械手结构简单。在转塔头带刀库的换刀系统中，不及

18、主轴的换刀时间重合，故可用这类机械手。它也可在刀库及主轴头上的换刀机械手之间传递刀具。但是，这类机械手换刀动作均需顺序进行，时间不能重合，从而换刀时间较长。 图1-1 无机械手的换刀顺序 回转式单臂双手式机械手包括两手部成180和两手部不成180两种。两手部成180的又可分为固定式双手、可伸缩式双手和剪式双手三类。这类机械手可以同时抓住和拔、插位于主轴和刀库里的刀具，及单臂单手式机械手相比，可以缩短换刀时间。 双手式机械手可分为机械化只作往复直线运动的机械手和有回转运动的机械手两大类。前者包括双手平行式和双手交叉式，这种机械手适用于容量较大的、距主轴较远的，特别是分置式的刀库的换刀。机械手有回

19、转运动的，在主轴处换刀时转角为180，可用于刀库距主轴较远者；在主轴处换刀时转角为90，适用于刀库距主轴较近者；在主轴处换刀时转角G (2-3)即：NG/u=7*9.8/0.12=572N从上式我们可以得到活动销对刀具的压力大于572牛又由于活动销对刀具的力是由于弹簧压缩所产生的，所以P=N572N (2-4)联立（1）（4）二式可以得到 P=N=28.5k572N所以k=N/28.5572/28.5=20.06N/mm取k=21N/mm4.活动销的选取及验证由于活动销承受的压力较大，所以选用45钢（调质）活动销的受力图如下如图：N是刀具对活动销的支撑反力N=P=kx=21N/mm*28.5m

20、m=598.5Nf是由于摩擦的结果 是由于活动销阻止刀具下掉掉力的作用反力，及 f的方向相反。即方向向上大小为：f=f=Nu=598.5N*0.12=70.14NF为弹簧对活动销的作用力F=-kx=598.5NF1 是由固定活动销的外壁产生的，用来限制活动销向下的运动、向上的运动、转动等5个自由度的。由于这个物体（活动销）在力的作用下平衡，根据力的作用力及反作用原理，可得： F=NF1=f所以得到：F1=f=70.14N 且要及f的方向相反，因此方向向上。对X轴方向 ，活动销受到F及N这对力的同时作用所以产生的内部应力为所以 (2-5)确定上式中各个参数值：1） 由于材料为45钢 ，所一许用应

21、力为58Mpa2） Fn=N=f=598.5N所以（2-5）式中 又因为 （2-6） 所以 （2-7） 即：所以取d=12mm又由于活动销还受到剪的作用，所以： （2-8）由（6）（8）二式我们可以得到如下的公式： （2-9）确定上式中的各个参数值：1） 45钢的许用剪应力为2） 剪切力Fbs=f=598.5N所以（9）式可以计算为：3.56mm （2-10） 由（7）及（10）得到的d综合得 取d=12mm下面来确定销的长度 由于在F1和f的作用下会产生一个力距M大小为 M=F1L （2-11） 上式中的L为活动销的长度在M的作用下活动销要弯曲，在它的2个端点弯距最大为M=F1L所以弯曲应力

22、为 （2-12） 上式中W为抗弯截面系数由于截面为圆形所以 W=所以 （2-13） 由于45钢的弯曲应力为40Mpa所以 （2-14） 即所以,由上式得145mm根据销的系列及上式所计算的长度，取l=112mm所以活动销就确定了为5锁紧销的选取及验证 由于锁紧销的要求没有活动销高，联想到它的使用状况，所以选用20钢它的剪应力所以 （2-15） （2-16） （2-17） 由（15）（16）（17）式可以得到取d=7mm 根据销的系列选取长度为40mm的销所以销的类别为7*40 2.5 机械手其它零件以及尺寸的确定 2.5.1.螺栓的确定机械手的手部是通过螺栓连接在手腕上面的，又因为手部及手腕的

23、结合要能精确的固定相对位置，所以选用普通螺栓来连接。我这里采用了3螺栓组成螺栓组来连接的现在对这3螺栓进行受力分析这3个螺栓同时受到力F=598.5以及力矩M=FL作用由于这些螺栓都采用的是普通螺栓所以各个螺栓的受力分别为F=1）下面我对其中的一个螺栓进行验证 （2-18） 上式中F为接合面的摩擦系数i为接合面数 ，这里接合面数为2，所以i=2为防滑系数 -1.3，这里取=1.2由于接触表面的表面状况为干燥的表面，所以取f=0.1所以（18）式可以如下计算 又因为螺栓危险截面的拉伸条件公式： （2-19） 由于螺栓的材料为中碳钢，所以 它的许用拉伸应=43Mpa所以（19）式可以如下计算：=6

24、.2mm由于我只是大概的计算，所以实际取螺栓值的时候取大一点我们取d=14mm所以采用M14这种螺栓关于螺栓的排布，我采用如下的方式： 图2-2 螺栓的排列下面，我们来确定这些螺栓在机械手中的位置右边第一个螺栓它离下底面的距离为 到右端面的距离右边第二个螺栓它离下底面的距离为 到右端面的距离右边第三个螺栓它离下底面的距离为 到右端面的距离2.5.2. 其它尺寸的确定 机械手的手腕部分我选用20碳钢它的厚度为30mm，它的宽度为80mm，它的整个长度为640mm其中机械手中心到手腕外的距离为259mm，2.5.3轴及机械手配合部分的直径的确定 1）材料的确定 由于轴是重要的零件所以选用45钢 2

25、）按扭转强度来计算轴径在轴的结构设计时，通常用下面的这个公式来初步估算轴径 (2-20)上式中为扭转切应力，单位为Mpa T为轴所承受的扭距，单位为N.mm 为轴的抗扭截面系数,单位为 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为许用扭转应力,单位为Mpa由上式可以得到轴的直径为: (2-21)确定上式的值:(1) 确定查表得=126-103,这里取=110(2) 确定转速n因为在MV-810/A中,换刀时间为2.5s,整个过程有10个动作,按每个动作的时间相等来计算所以每个动作的时间s 而机械手在交换刀具的时候转过180度的时间也为0.25s,所以在这个时候,它的转速最大,我们只要用最大转速去计算轴径就好了 因为轴转过180度的时间为0.25s,所