【正文】 功能部件技術(shù)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(jī)床整機(jī)的技術(shù)水平和性能，也制約著主機(jī)的發(fā)展速度。而 換刀機(jī)械手 則是加工中心穩(wěn)定可靠運(yùn)行的關(guān)鍵功能部件。它的快速、準(zhǔn)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(jī)械手 ，就不可能 有集中工序進(jìn)行加工的加工中心。有資料顯示，刀庫和機(jī)械手的故障率約占整機(jī)故障率的 25%。所以說， 換刀機(jī)械手 的性能、質(zhì)量直接影響著數(shù)控機(jī)床整機(jī)的性能、質(zhì)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(jìn)行多工序加工的一種功能較全的數(shù)字控制機(jī)床，也是典型的集高新技術(shù)于一體的機(jī)械加工設(shè)備，它的發(fā)展代表了一個(gè)國家設(shè)計(jì)、制造的水平，是判斷企業(yè)技術(shù)能力和工藝水平標(biāo)志的一個(gè)方面。加工中心中實(shí)現(xiàn)刀庫和機(jī)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(jī)床節(jié)省輔助時(shí)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(jī)構(gòu)組成。作為自動換刀裝置，它需要滿足換刀迅速、時(shí)間短，重復(fù)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(diǎn)。 換刀裝置中刀具的交換形式及它們的具體結(jié)構(gòu)對機(jī)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(jī)械手換刀方式和有機(jī)械手換刀方式兩大類。無機(jī)械手換刀方式一般是采用把刀庫放在主軸箱可以運(yùn)動到的位置，同時(shí)，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(jī)械手換刀方式是由刀庫 和機(jī)床主軸的相對運(yùn)動實(shí)現(xiàn)刀具的交換的，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但換刀時(shí)間要長。目前，加工中心 西安文 理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 2 頁 的自動換刀裝置大都采用有機(jī)械手換刀方式，因?yàn)橛袡C(jī)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(jī)械手?jǐn)?shù)量和換刀形式比較隨意，換刀時(shí)間比較短，應(yīng)用廣泛。換刀機(jī)械手的形式有單臂式、雙臂式、回轉(zhuǎn)式和軌道式等，而常用雙臂式機(jī)械手的手爪結(jié)構(gòu)形式又分為鉤手、抱手、伸縮手和叉手等。 加工中心換刀機(jī)械手作為數(shù)控機(jī)床的一個(gè)重要的功能部件，它在國內(nèi)外的數(shù)控機(jī)床制造領(lǐng)域中已受到廣泛的重視。目前，在國外 BT40 的換刀時(shí)間已 達(dá)到 秒， BT50 的換刀時(shí)間也達(dá)到了 秒左右，國內(nèi)也出現(xiàn)了立、臥兩用凸輪式換刀機(jī)械手和用于五軸聯(lián)動的換刀機(jī)械手的研究。 加工中心換刀機(jī)械手的主要任務(wù)是，完全模擬人手的換刀動作，給機(jī)床主軸與彈簧夾頭提供相對轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)夾緊、放松刀具的動作。機(jī)械手應(yīng)具備足夠的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)還應(yīng)使機(jī)械手具備結(jié)構(gòu)緊湊、占據(jù)空間小的特點(diǎn)，以適應(yīng)不同類型機(jī)床的換刀空間。隨著機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對加工中心換刀機(jī)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(jī)械手的設(shè)計(jì)是在實(shí)現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)其準(zhǔn)確、快速、可靠、穩(wěn)定的換刀。設(shè)計(jì)得主要內(nèi)容如下： 根據(jù)目前常用的加工中心換刀機(jī)械手的換刀方式，對 手臂伸縮與手指夾緊機(jī)構(gòu)、手架旋轉(zhuǎn)與手架伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 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(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。 對所選設(shè)計(jì)方案中換刀機(jī)械手的組成機(jī)構(gòu)及各個(gè)自由度運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析。 對 加工中心換刀機(jī)械手的手指夾緊力進(jìn)行分析與計(jì)算，并對其關(guān)鍵部位進(jìn)行校核，以保證換刀的可靠性。 確定各個(gè)運(yùn)動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。 對設(shè)計(jì)中所涉及到的液壓缸通過計(jì)算確定其個(gè)部 分結(jié)構(gòu)的具體尺寸，并對個(gè)活塞桿的強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及螺栓的強(qiáng)度進(jìn)行校核，以保證 加工中心換刀機(jī)械手 能夠穩(wěn)定、可靠的完成換刀過程。 對設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的齒輪、軸等重要零部件通過計(jì)算確定尺寸后，要進(jìn)行安全校核。 設(shè)計(jì)出加工中心換刀機(jī)械手的控制系統(tǒng)部分，完善設(shè)計(jì)內(nèi)容。 西安文 理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 3 頁 第 2 章 總體方案設(shè)計(jì)與論證 加工中心換刀機(jī)構(gòu)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，并設(shè)計(jì)出它的傳動控制部分，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。 初 步設(shè)計(jì)方案 旋轉(zhuǎn)臂與夾緊機(jī)構(gòu) 由于與機(jī)械、電力傳動相比，液壓傳動具有體積小、質(zhì)量輕、功率大運(yùn)動平穩(wěn)的特點(diǎn)，并且因?yàn)橐簤涸凶晕覞櫥饔?，使用壽命長，所以在以下幾種設(shè)計(jì)方案中， 旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動及夾緊機(jī)構(gòu)夾緊運(yùn)動都采用液壓的驅(qū)動方式。并且由于 旋轉(zhuǎn)臂的兩臂可旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后回轉(zhuǎn)，可避免與刀庫中其他刀具干涉，所以，以設(shè)計(jì)方案中的 換刀機(jī)械手都兩手旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)式單臂機(jī)械手夾緊機(jī)構(gòu)。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 Ⅰ 在此方案中， 加工中心換刀機(jī)械手 兩個(gè)手指的運(yùn)動由一個(gè)液壓缸單獨(dú)控制，這使得它運(yùn)動的靈活性很強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)如圖 所示 。 圖 手指夾緊機(jī)構(gòu) 工作原理：當(dāng)手架旋轉(zhuǎn) 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(dāng)液壓缸的進(jìn)油腔油壓力升高，壓力繼電器開關(guān)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(jié)束后，發(fā)出手指松開指令，此時(shí)手指夾緊液壓缸 1 反行程運(yùn)動，手指松開。 主架回轉(zhuǎn)與臂部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 此方案的主要特點(diǎn)是采用圓錐齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn) 加工中心換刀機(jī)械手的拔刀和插刀動 西安文 理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 4 頁 作， 其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 錐齒輪 機(jī)構(gòu) 工作原理：當(dāng)加工中心發(fā)出換刀信號后，電動機(jī) M 啟動，通過單級圓錐齒輪帶動手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 75176。到達(dá)工作位置后，電動機(jī) M 停止工作，并發(fā)出手臂旋轉(zhuǎn)和手指夾緊信號。當(dāng)手臂旋轉(zhuǎn)和手指夾緊動作完成后，準(zhǔn)備拔刀，此時(shí)，支撐液壓缸開始運(yùn)動，整個(gè)擺臂上升，拔刀動作開始，擺臂運(yùn)動到指定位置時(shí)，支撐液壓缸停止工作。 電動機(jī)開始工作，擺臂架旋轉(zhuǎn) 180176。 后停止，開始插刀動作過程。手架恢復(fù)到初始位置，等待下一次換到指令。 此種機(jī)構(gòu)如果設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)耐馆啓C(jī)構(gòu)便 可是從動件實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。 方案的確定 圖 所示的加工中心換刀機(jī)械手手臂伸縮和手指夾緊機(jī)構(gòu)中，手臂伸縮和手指夾緊運(yùn)動都分別由單獨(dú)的液壓缸進(jìn)行控制，這使得它們的靈活性都很好。 圖 所示的機(jī)構(gòu)由于采用了錐齒輪機(jī)構(gòu)，為保證準(zhǔn)確換刀，就需要精確的計(jì)算出錐齒輪輪的旋轉(zhuǎn)速度和錐齒輪的輪廓曲線，同時(shí)還要精確的控制電動機(jī) M 的起、停時(shí)間。故選用此機(jī)構(gòu)會比較理想一些。 通過以上分析，本設(shè)計(jì)選由圖 所示的夾緊機(jī)構(gòu)和圖 中所示的主架旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成加工中心換刀機(jī)械手進(jìn)行具體的設(shè) 計(jì)。 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析 設(shè)計(jì)參數(shù) 主架上下伸縮液壓缸最大行程： 110mm； 手臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)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(zhì)量： 8kg； 換刀過程手架旋轉(zhuǎn)角度： 180176。 ； 西安文 理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 5 頁 換刀機(jī)械手復(fù)位角度： 75176。 ； 自由度分析及各自由度的實(shí)現(xiàn) 分析自由度的坐標(biāo)形式有：直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式以及關(guān)節(jié)坐標(biāo)式等等，本設(shè)計(jì)中采用直角坐標(biāo)式對 加工中心換刀機(jī) 械手的自由度進(jìn)行分析，如圖 。分析過程如下： (1) 手指夾緊運(yùn)動 (Y )：由手指夾緊液壓缸控制實(shí)現(xiàn)，通過活塞桿推動或拉動手指部分的連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手指的夾緊或松開。 (2) 手臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動 (Y )：由伸縮式液壓缸控制實(shí)現(xiàn)。 (3) 主架上下伸縮運(yùn)動 (Z )：由手架伸縮液壓缸控制它的伸縮運(yùn)動，能實(shí)現(xiàn)換刀機(jī)械手的拔刀和插刀動作。 (4) 主架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動 (Z? )：由電 動機(jī)帶動單級圓錐齒輪來實(shí)現(xiàn)，通過控制電動機(jī)的啟停時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)手架旋轉(zhuǎn) 75176。到達(dá)工作位置、主架旋轉(zhuǎn) 180176。完成主軸刀具和刀庫刀具互換運(yùn)動、手架反向旋轉(zhuǎn) 75176。復(fù)位三種運(yùn)動。 加工中心換刀機(jī)械手的組成 加工中心換刀機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)，各部分特點(diǎn)如下： 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(yùn)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(zhuǎn)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(fù)壓式或真空式的空氣吸盤和電磁 吸盤。本設(shè)計(jì)采用夾持式手部，即由手爪和傳力機(jī)構(gòu)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中它還用于通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)加工中心主軸刀具和刀庫刀具的互換運(yùn)動。 驅(qū)動機(jī)構(gòu) 驅(qū)動機(jī)構(gòu)是用來為各個(gè)部件的運(yùn)動提供動力，是實(shí)現(xiàn)一切運(yùn)動的動力源，有氣動、液動、電動和機(jī)械式四種形式。 本設(shè)計(jì)中的各個(gè)運(yùn)動主要是直線、 旋轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動。由于電動機(jī)輸出的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，若采用電動機(jī)傳動，則必須加入齒輪、齒條等機(jī)械機(jī)構(gòu)，將電動機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復(fù)運(yùn)動，而液壓缸或氣缸一般都是直線往復(fù)運(yùn)動的，可直接帶動負(fù)載作直線往 西安文 理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 6 頁 復(fù)運(yùn)動，使得結(jié)構(gòu)簡單。同時(shí)，由于液壓驅(qū)動的抗沖擊能力比電氣驅(qū)動的抗沖擊能力要強(qiáng)，而且在產(chǎn)生相同驅(qū)動力（力矩）的條件下，與其他驅(qū)動方式相比，液壓驅(qū)動系統(tǒng)還具有體積小、慣性小、工作平穩(wěn)可靠以及可實(shí)現(xiàn)較高位置精度的特點(diǎn)。故本設(shè)計(jì)中的驅(qū)動方式以液壓驅(qū)動為主，用液壓驅(qū)動方式來實(shí)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(zhuǎn)運(yùn)動，由于手架旋轉(zhuǎn)軸要實(shí)現(xiàn)：旋轉(zhuǎn) 75176。 到工作位置，旋轉(zhuǎn) 180176。交換主軸刀具和刀庫刀具和反向旋轉(zhuǎn) 75176。 實(shí)現(xiàn)手架復(fù)位三種運(yùn)動，如采用液壓缸和行程開關(guān)來控制，要分別實(shí)現(xiàn)這三種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動會比較困難，而若采用電動機(jī)驅(qū)動，則只需控制好電動機(jī)的起、停時(shí)間就可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動。所以，本設(shè)計(jì)中的手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由電動機(jī)帶動單級圓錐齒輪來實(shí)現(xiàn)。 本章小結(jié) 本章主要是設(shè)計(jì)加工中心換刀機(jī)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(jī)構(gòu)和兩種 手架旋轉(zhuǎn)軸與手架伸縮 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，并通過論證分析，確定了最終的設(shè)計(jì)方案。同時(shí)， 本章對加工中心換刀機(jī)械手的組成及各自由度運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)也進(jìn)行了較為具體的介紹。 西安文 理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 7 頁 第 3 章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸計(jì)算 前一章對機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了方案論證，并確定了技工中心換刀機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)及工作范圍，本章將在上一章的基礎(chǔ)上對機(jī)械手的各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體的設(shè)計(jì) 。 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 手指夾緊力的計(jì)算 根據(jù)文獻(xiàn) [5， ]，手指夾緊力的計(jì)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(shè)計(jì)中取 1K =； 2K —— 動載系數(shù)，本設(shè)計(jì)中取 2K =； 3K —— 方位系數(shù)， fK / ?? ，本設(shè)計(jì)中 ~?f ， ??60? ， 則 ~)03~(60s ???K ，本設(shè)計(jì) 3K =； G —— 被抓持工件的重量，取工件質(zhì)量為 7kg； 將上述各值代入式 ()，得： ?????N = 對手指結(jié)構(gòu)進(jìn)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(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 8 頁 即： )]s in (/[s ins in2 ???? ?? cbNP () 在本設(shè)計(jì) ，， ?????? 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 ) =