【正文】 功能部件技術水平的高低、性能的優(yōu)劣以及整體的社會配套水平，都直接決定和影響著數(shù)控機床整機的技術水平和性能，也制約著主機的發(fā)展速度。而 換刀機械手 則是加工中心穩(wěn)定可靠運行的關鍵功能部件。它的快速、準確的換刀程序是影響加工中心發(fā)揮高效、可靠的加工性能的重要因素。沒有 換刀機械手 ，就不可能 有集中工序進行加工的加工中心。有資料顯示，刀庫和機械手的故障率約占整機故障率的 25%。所以說， 換刀機械手 的性能、質量直接影響著數(shù)控機床整機的性能、質量和品種的發(fā)展。 加工中心是備有刀庫，并能自動更換刀具，對工件進行多工序加工的一種功能較全的數(shù)字控制機床，也是典型的集高新技術于一體的機械加工設備，它的發(fā)展代表了一個國家設計、制造的水平，是判斷企業(yè)技術能力和工藝水平標志的一個方面。加工中心中實現(xiàn)刀庫和機床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為自動換刀裝置，它的功能是儲備一定數(shù)量的刀具并完成刀具的自動交換。自動換刀裝置 可幫助數(shù)控機床節(jié)省輔助時間，并滿足在一次安裝中完成多工序、工步加工要求。它由存放刀具的刀庫和換刀機構組成。作為自動換刀裝置，它需要滿足換刀迅速、時間短，重復定位精度高，刀具儲存量足夠，所占空間位置小，工作穩(wěn)定可靠等特點。 換刀裝置中刀具的交換形式及它們的具體結構對機床的工作效率和工作可靠性有著直接影響。加工中心的自動換刀形式可分為無機械手換刀方式和有機械手換刀方式兩大類。無機械手換刀方式一般是采用把刀庫放在主軸箱可以運動到的位置，同時，刀庫中刀具的存放方向一般與主軸上的裝刀方向一致。無機械手換刀方式是由刀庫 和機床主軸的相對運動實現(xiàn)刀具的交換的，這種方式結構簡單，但換刀時間要長。目前，加工中心 西安文 理學院本科畢業(yè)設計 (論文 ) 第 2 頁 的自動換刀裝置大都采用有機械手換刀方式，因為有機械手換刀裝置在刀庫的配置、與主軸的相對位置及刀具數(shù)量確定上都比較靈活，機械手數(shù)量和換刀形式比較隨意，換刀時間比較短，應用廣泛。換刀機械手的形式有單臂式、雙臂式、回轉式和軌道式等，而常用雙臂式機械手的手爪結構形式又分為鉤手、抱手、伸縮手和叉手等。 加工中心換刀機械手作為數(shù)控機床的一個重要的功能部件，它在國內(nèi)外的數(shù)控機床制造領域中已受到廣泛的重視。目前，在國外 BT40 的換刀時間已 達到 秒， BT50 的換刀時間也達到了 秒左右，國內(nèi)也出現(xiàn)了立、臥兩用凸輪式換刀機械手和用于五軸聯(lián)動的換刀機械手的研究。 加工中心換刀機械手的主要任務是，完全模擬人手的換刀動作，給機床主軸與彈簧夾頭提供相對轉動實現(xiàn)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(jù)空間小的特點，以適應不同類型機床的換刀空間。隨著機械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對加工中心換刀機械手的需求量會越來越大。 研究的主要內(nèi)容 加工中心換刀機械手的設計是在實現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋 轉運動的基礎上，實現(xiàn)其準確、快速、可靠、穩(wěn)定的換刀。設計得主要內(nèi)容如下： 根據(jù)目前常用的加工中心換刀機械手的換刀方式，對 手臂伸縮與手指夾緊機構、手架旋轉與手架伸縮機構的設計 提出幾種新的方案，并 通過對所提出方案的論證分析，選擇一種較為理想的方案進行具體的設計。 對所選設計方案中換刀機械手的組成機構及各個自由度運動的實現(xiàn)進行分析。 對 加工中心換刀機械手的手指夾緊力進行分析與計算，并對其關鍵部位進行校核，以保證換刀的可靠性。 確定各個運動的驅動機構。 對設計中所涉及到的液壓缸通過計算確定其個部 分結構的具體尺寸，并對個活塞桿的強度、穩(wěn)定性以及螺栓的強度進行校核，以保證 加工中心換刀機械手 能夠穩(wěn)定、可靠的完成換刀過程。 對設計中出現(xiàn)的齒輪、軸等重要零部件通過計算確定尺寸后，要進行安全校核。 設計出加工中心換刀機械手的控制系統(tǒng)部分，完善設計內(nèi)容。 西安文 理學院本科畢業(yè)設計 (論文 ) 第 3 頁 第 2 章 總體方案設計與論證 加工中心換刀機構的設計要求 設計加工中心換刀機械手，使其實現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋轉運動，并設計出它的傳動控制部分，以保證 加工中心換刀機械手 能夠準確、穩(wěn)定、快速、可靠的完成換刀過程。 初 步設計方案 旋轉臂與夾緊機構 由于與機械、電力傳動相比，液壓傳動具有體積小、質量輕、功率大運動平穩(wěn)的特點，并且因為液壓元件有自我潤滑作用，使用壽命長，所以在以下幾種設計方案中， 旋轉臂旋轉運動及夾緊機構夾緊運動都采用液壓的驅動方式。并且由于 旋轉臂的兩臂可旋轉，旋轉后回轉，可避免與刀庫中其他刀具干涉，所以，以設計方案中的 換刀機械手都兩手旋轉回轉式單臂機械手夾緊機構。 結構設計方案 Ⅰ 在此方案中， 加工中心換刀機械手 兩個手指的運動由一個液壓缸單獨控制，這使得它運動的靈活性很強，其結構如圖 所示 。 圖 手指夾緊機構 工作原理：當手架旋轉 75176。 到指定位置后，發(fā)出手臂伸出指令，手臂伸縮液壓缸 1工作，當液壓缸的進油腔油壓力升高，壓力繼電器開關動作，并發(fā)出手指夾緊指令，手手指開始夾緊。 手架在插刀動作結束后，發(fā)出手指松開指令，此時手指夾緊液壓缸 1 反行程運動，手指松開。 主架回轉與臂部旋轉機構 結構設計方案 此方案的主要特點是采用圓錐齒輪機構實現(xiàn) 加工中心換刀機械手的拔刀和插刀動 西安文 理學院本科畢業(yè)設計 (論文 ) 第 4 頁 作， 其結構如圖 所示。 圖 錐齒輪 機構 工作原理：當加工中心發(fā)出換刀信號后，電動機 M 啟動，通過單級圓錐齒輪帶動手架旋轉軸旋轉。在旋轉軸旋轉 75176。到達工作位置后，電動機 M 停止工作，并發(fā)出手臂旋轉和手指夾緊信號。當手臂旋轉和手指夾緊動作完成后，準備拔刀，此時，支撐液壓缸開始運動，整個擺臂上升，拔刀動作開始，擺臂運動到指定位置時，支撐液壓缸停止工作。 電動機開始工作，擺臂架旋轉 180176。 后停止，開始插刀動作過程。手架恢復到初始位置，等待下一次換到指令。 此種機構如果設計出適當?shù)耐馆啓C構便 可是從動件實現(xiàn)預期的運動，而且結構簡單、緊湊。 方案的確定 圖 所示的加工中心換刀機械手手臂伸縮和手指夾緊機構中，手臂伸縮和手指夾緊運動都分別由單獨的液壓缸進行控制，這使得它們的靈活性都很好。 圖 所示的機構由于采用了錐齒輪機構，為保證準確換刀，就需要精確的計算出錐齒輪輪的旋轉速度和錐齒輪的輪廓曲線，同時還要精確的控制電動機 M 的起、停時間。故選用此機構會比較理想一些。 通過以上分析，本設計選由圖 所示的夾緊機構和圖 中所示的主架旋轉機構組成加工中心換刀機械手進行具體的設 計。 設計結構分析 設計參數(shù) 主架上下伸縮液壓缸最大行程： 110mm； 手臂旋轉機構液壓缸最大行程： 60mm； 手指夾緊液壓缸最大行程： 10mm； 夾持工件質量： 8kg； 換刀過程手架旋轉角度： 180176。 ； 西安文 理學院本科畢業(yè)設計 (論文 ) 第 5 頁 換刀機械手復位角度： 75176。 ； 自由度分析及各自由度的實現(xiàn) 分析自由度的坐標形式有：直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式以及關節(jié)坐標式等等，本設計中采用直角坐標式對 加工中心換刀機 械手的自由度進行分析，如圖 。分析過程如下： (1) 手指夾緊運動 (Y )：由手指夾緊液壓缸控制實現(xiàn)，通過活塞桿推動或拉動手指部分的連桿機構實現(xiàn)手指的夾緊或松開。 (2) 手臂旋轉運動 (Y )：由伸縮式液壓缸控制實現(xiàn)。 (3) 主架上下伸縮運動 (Z )：由手架伸縮液壓缸控制它的伸縮運動，能實現(xiàn)換刀機械手的拔刀和插刀動作。 (4) 主架旋轉運動 (Z? )：由電 動機帶動單級圓錐齒輪來實現(xiàn)，通過控制電動機的啟停時間即可實現(xiàn)手架旋轉 75176。到達工作位置、主架旋轉 180176。完成主軸刀具和刀庫刀具互換運動、手架反向旋轉 75176。復位三種運動。 加工中心換刀機械手的組成 加工中心換刀機械手由執(zhí)行機構、驅動機構，各部分特點如下： 執(zhí)行機構 執(zhí)行機構是完成各種動作的部件總稱，它由抓取部分（手部）、臂部和主架等運動部件所組成。 手指部分：即直接與工件接觸部分，一般是回轉型或平移型，手爪多為兩指，也有多指；根據(jù)需要分為內(nèi)抓式或外抓式；也可用負壓式或真空式的空氣吸盤和電磁 吸盤。本設計采用夾持式手部，即由手爪和傳力機構組成，它的主要功能是在換刀過程中完成抓住工件、握持工件和釋放工件的動作。 手臂部分：手臂是支撐被抓物體以及手指部分的重要部件，起調(diào)整和改變工件方位的作用。本設計中手臂的主要作用是帶動手指去抓取物件。 主架部分：用于承受手部以及手臂部分的總體重量，在本設計中它還用于通過旋轉運動實現(xiàn)加工中心主軸刀具和刀庫刀具的互換運動。 驅動機構 驅動機構是用來為各個部件的運動提供動力，是實現(xiàn)一切運動的動力源，有氣動、液動、電動和機械式四種形式。 本設計中的各個運動主要是直線、 旋轉往復運動。由于電動機輸出的是旋轉運動，若采用電動機傳動，則必須加入齒輪、齒條等機械機構，將電動機輸出的旋轉運動轉變?yōu)橹本€往復運動，而液壓缸或氣缸一般都是直線往復運動的，可直接帶動負載作直線往 西安文 理學院本科畢業(yè)設計 (論文 ) 第 6 頁 復運動，使得結構簡單。同時，由于液壓驅動的抗沖擊能力比電氣驅動的抗沖擊能力要強，而且在產(chǎn)生相同驅動力（力矩）的條件下，與其他驅動方式相比，液壓驅動系統(tǒng)還具有體積小、慣性小、工作平穩(wěn)可靠以及可實現(xiàn)較高位置精度的特點。故本設計中的驅動方式以液壓驅動為主，用液壓驅動方式來實現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮和手架伸縮的動作。 對于手架的 旋轉運動，由于手架旋轉軸要實現(xiàn)：旋轉 75176。 到工作位置，旋轉 180176。交換主軸刀具和刀庫刀具和反向旋轉 75176。 實現(xiàn)手架復位三種運動，如采用液壓缸和行程開關來控制，要分別實現(xiàn)這三種旋轉運動會比較困難，而若采用電動機驅動，則只需控制好電動機的起、停時間就可實現(xiàn)預期的運動。所以，本設計中的手架旋轉運動由電動機帶動單級圓錐齒輪來實現(xiàn)。 本章小結 本章主要是設計加工中心換刀機械手的主要換刀形式，也給出了三種手臂伸縮與手指夾緊機構和兩種 手架旋轉軸與手架伸縮 機構的設計方案，并通過論證分析，確定了最終的設計方案。同時， 本章對加工中心換刀機械手的組成及各自由度運動的實現(xiàn)也進行了較為具體的介紹。 西安文 理學院本科畢業(yè)設計 (論文 ) 第 7 頁 第 3 章 結構設計及尺寸計算 前一章對機械手的整體結構進行了方案論證，并確定了技工中心換刀機械手的基本結構及工作范圍，本章將在上一章的基礎上對機械手的各部分結構進行具體的設計 。 手指結構設計及計算 手指夾緊力的計算 根據(jù)文獻 [5， ]，手指夾緊力的計算過程如下： 手指對工件夾緊力： GKKKN 321? () 式中： 1K —— 安全系數(shù)，本設計中取 1K =； 2K —— 動載系數(shù)，本設計中取 2K =； 3K —— 方位系數(shù)， fK / ?? ，本設計中 ~?f ， ??60? ， 則 ~)03~(60s ???K ，本設計 3K =； G —— 被抓持工件的重量，取工件質量為 7kg； 將上述各值代入式 ()，得： ?????N = 對手指結構進行受力分析如圖 所示， 由： PPP ?? ?? s ins in 21 21 PP? 可得： )sin2/(1 ?PP ? () 又由： 0s in/1 ??? ?cPNb )sin(11 ?? ??? PP () 得： cNbP /s in)s in2/()s in ( ???? ?? 西安文 理學院本科畢業(yè)設計 (論文 ) 第 8 頁 即： )]s in (/[s ins in2 ???? ?? cbNP () 在本設計 ，， ?????? 302160 ??? b =50mm， c =13mm； 將 各值代入式 ()，得 )]3021s i n(13/[ 330s i n21s i n2 ????????P =2 50 (13 ) =