【正文】 盤類之類的零件，特別對箱體零件上的一些孔系和頂部平面及頂面的其他工序，容易得到保證，適合于批量加工。 它和一般的 數(shù)控壓力機(jī) 機(jī)床相比具有如下優(yōu)點： （ 1） 減少機(jī)床臺數(shù) , 便于管理，對于多 工序的零件只要一臺數(shù)控壓力機(jī)機(jī)床就能完成全部加工，并可以減少半成品的庫存量； （ 2） 由于工件只要一次裝夾，因此減少了由于多次安裝造成的定位誤差，可以依靠數(shù)控壓力機(jī)機(jī)床精度來保證加工質(zhì)量； （ 3） 工序集中，減少了輔助時間，提高了生產(chǎn)率； （ 4） 由于零件在一臺機(jī)床上一次裝夾就能完成多道工序加工，所以大大減少了專用工夾具的數(shù)量，進(jìn)一步縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時間 。 (圖 11） 本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 3 頁 本次設(shè)計方法及要求 本次設(shè)計的 題目是加工中心的自動換刀裝置中的核心部件 機(jī)械手的設(shè)計。機(jī)械手是自動換刀裝置中交換刀具的主要工具，它擔(dān)負(fù)著把刀庫上的刀具送到主軸上，再把主軸上已用過的刀具返回刀庫上的任務(wù)。 設(shè)計此機(jī)械手的目的是為了使加工中心能夠更快的的工作，使加工中心能夠得到更加充分的利用，以實現(xiàn)其價值所在；再者，由于使用了機(jī)械手，減少由于人工換刀帶來的低生產(chǎn)效率和容易出事故的弊端。 本次設(shè)計研究的基本思路是根據(jù)實際要求完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計及完成機(jī)械手運動所需要的驅(qū)動裝置。 本次設(shè)計的工作內(nèi)容要求包括 2張 0號裝配圖 (圖 11）、 6張 3號零件圖及 15000字論文，并且 設(shè)計內(nèi)容能完成機(jī)械手旋轉(zhuǎn)、升降、鎖刀運動。加工中心的主要的技術(shù)參數(shù)要求： ⑴ 刀庫容量： 24 把刀 ⑵ 刀柄型號： 40 號刀柄 ⑶ 刀具最大直徑： 120 ㎜ ⑷ 刀具重量： 11 ㎏ ⑸ 換刀時間： 7s ⑹ 選刀方式： 順序換刀 （圖 12） 本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 4 頁 第二章 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 自動換刀系統(tǒng)介紹 加工中心區(qū)別于 NC 鏜銑床的主要特點就在于它具有根據(jù)工藝要求自動更換所需刀具的功能，即自動換刀（ ATC）機(jī)能。 機(jī)械手是自動換刀裝置中交換刀具的主要工具，它擔(dān)負(fù)著把刀庫上的刀具送到主軸上，再把主軸上已用過的刀具返回刀庫上的任務(wù)。 加工中心的自動換刀形式，可分為有機(jī)械手換刀方式和無機(jī)械手換刀方式兩類。無機(jī)械手換刀方式，適用于采用 40 號以下刀柄的小型加工中心或換刀次數(shù)少的用量型刀具的重型機(jī)床，這種換刀方式?jīng)]有機(jī)械手，因而結(jié)構(gòu)簡單。另外，刀庫回轉(zhuǎn)是在工步與工步之間，即非切削時進(jìn)行的。因此， 雖然刀庫設(shè)置在立柱頂面，卻免去了刀庫回轉(zhuǎn)時的震動對加工精度的影響。 無機(jī)械手換刀方式中，刀庫可以是圓盤型、直線排列式，也可以是格子箱式等。無機(jī)械手換刀方式中特別需要注意的是刀庫轉(zhuǎn)位定位的準(zhǔn)確度，為保證轉(zhuǎn)位準(zhǔn)確，就要盡力消除刀庫驅(qū)動傳動鏈的間隙，為此可采用雙導(dǎo)程蝸桿蝸輪副，或采用可以相互錯位的兩片齒輪結(jié)構(gòu)形式，或采用插銷定位、反靠定位等方法來準(zhǔn)確定位。圓盤型刀庫可設(shè)在立柱頂上、立柱主軸箱的側(cè)面，也可設(shè)在橫梁一端，或設(shè)在主軸箱上，由主軸箱和刀庫配合運動完成自動換刀動作。直線排列式刀庫可設(shè)在工作臺上方，也可設(shè)在工 作臺的一端或兩端，由主軸箱或工作臺配合運動完成自動換刀動作。格子箱式刀庫可設(shè)在雙工作臺的中間，換刀時，小直徑刀具可軸向取刀，大直徑刀具可徑向取刀。 加工中心的自動換刀裝置，通常是由刀庫和機(jī)械手組成，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作迅速、可靠性高的自動換刀裝置，以求在激烈的競爭中取得好效益，自動換刀裝置是加工中心的核心內(nèi)容，各廠家都在保密，極少公開有關(guān)資料，尤其機(jī)械手部分更是如此。 無機(jī)械手換刀方式中特別需要注意的是刀庫轉(zhuǎn)位定位的準(zhǔn)確度。為保證轉(zhuǎn) 位準(zhǔn)確，就要盡力消除刀庫驅(qū)動傳動鏈的間隙，為此可采用雙導(dǎo)程蝸桿蝸輪副，或采用可以相互錯位的兩片齒輪結(jié)構(gòu)形式；或采用插銷定位、反靠定位等方法來準(zhǔn)確定位。 本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 5 頁 機(jī)械手種類簡介 加工中心換刀機(jī)械手的種類繁多，可以說每個廠家都推出自己的獨特的換刀機(jī)械手，在加工中心的自動換刀系統(tǒng)中，是機(jī)械手具體執(zhí)行刀具的自動更換，對其要求是迅速可靠、準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。由于加工中心機(jī)床的刀庫和主軸，其相對位置距離不同，相應(yīng)的換刀機(jī)械手的運動過程也不盡相同，它們由各種形式的機(jī)械手來完成。常見的機(jī)械手有： ⑴單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 機(jī)械 手?jǐn)[動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)行自動換刀，換刀具的所花費的時間長，用于刀庫換刀位置的刀座的軸線相平行的場合。 圖 21 單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 ⑵單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 圖 22 單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 6 頁 這種機(jī)械手的手臂上有兩個卡爪，兩個卡爪有所分工，一個卡爪只執(zhí)行從軸上取下“舊刀”送回刀庫的任務(wù)，另一個卡爪則執(zhí)行由刀庫取出“新刀”送主軸的任務(wù)，其換刀時間較上述單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手要短，如圖 所示。 ⑶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卡爪，可同時抓取刀庫及主軸上的刀具，在回轉(zhuǎn)180176。之后有同時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，換刀時間要比前兩種都短，如圖 23 所示。 圖 23 雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 這種機(jī)械手在有的設(shè)計中還采用了可伸縮的臂，如圖 24 所示： 圖 24 雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 7 頁 ⑷雙機(jī)械手 這種機(jī)械手相當(dāng)與兩個單臂單爪機(jī)械手，相互配合起來進(jìn)行自動換刀。其中一個機(jī)械手執(zhí)行拔“舊刀”歸回刀庫，另一個機(jī)械手執(zhí)行從刀庫取“ 新刀”插入機(jī)床主軸上，如圖 25 所示： 圖 25 雙機(jī)械手 ⑸雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手 圖 26 雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手 本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 8 頁 這種機(jī)械手兩臂可往復(fù)運動，并交叉成一定角度。兩個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。整個機(jī)械手可沿導(dǎo)軌或絲杠作直線移動或繞某個轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)刀庫與主軸之間的運送刀具工作。 ⑹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 柄的兩個端面，如圖 27 所示： 圖 27 雙臂端面夾緊式機(jī)械手 手爪的選擇 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)運動時，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。 鉗形杠桿機(jī)械手。這種機(jī)械手手爪的張合需要動力傳遞裝置，傳動較復(fù)雜，但手爪的結(jié)構(gòu)可較簡單。使用也較普遍。 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，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。 電磁感應(yīng)式鎖刀機(jī)械手。手爪的結(jié)構(gòu)簡單，鎖刀驅(qū)動裝置簡，而且能滿足工作要求。（注：本人自己設(shè)計） 故選擇自己設(shè)計的第四種方案。 本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 9 頁 刀具的夾持及刀柄 在刀具自動交換裝置上，機(jī)械手抓刀具的方法大體上可以分為下列兩類： (1)柄式夾持（軸向夾持）。 (2)發(fā)蘭式夾持。 這種夾持方式，在刀具夾頭的前端，有供機(jī)械手用的發(fā)蘭盤。采用發(fā)蘭式夾持，當(dāng)應(yīng)用中間搬運裝置時，可以很方便地從一個機(jī)械手將刀具夾頭過渡到另一個輔助機(jī)械手上去，刀具夾頭采用帶洼形的法蘭盤夾持刀夾。 在 這里，我們采用第一種夾持方式，刀柄型號為 BT40,錐度為 7： 24。 圖 1 所示為標(biāo)準(zhǔn)刀具夾頭的錐柄柄部，由圖可見，刀柄圓柱部分的 V 形槽是供機(jī)械手夾持之用。帶 V 形槽圓柱右端，按所裝刀具（例如鉆頭、銑刀、鉸刀及鏜桿等）不同，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可設(shè)計成不同形式。 圖 28 刀柄的型式 表 21 日本 BT 標(biāo)準(zhǔn)刀柄的尺寸： 柄部 型號 錐 體 螺 紋 孔 凸 緣 D1 L R l1 l2 l3 d1 g d2 t b BT40 1 9 30 70 17 M16 19 BT45 11 38 70 21 M20 23 29 BT50 13 45 90 25 M24 27 本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 10 頁 表 22 刀柄參數(shù)表 柄部 型號 凸 緣 參考尺寸 L1 W D2 D3 T Y Y1 V d D4 BT40 21 53 63 25 10 BT45 26 68 80 30 12 BT50 31 85 100 35 15 本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 11 頁 第三章 機(jī)械手的運動裝置 機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)運動設(shè)計 旋轉(zhuǎn)運動驅(qū)動裝置設(shè)計 旋轉(zhuǎn)軸 2 通過聯(lián)軸器連接在步進(jìn)電機(jī)上，軸上通過鍵和軸肩來固定齒輪，軸頭部分用滾動軸承進(jìn)行支撐，軸承支撐與機(jī)床通過螺釘連接，齒輪 2 和齒輪 1 相互嚙合。齒輪 1 通過彈性擋圈固定在軸 1 上，軸頭通過螺栓連接機(jī)械手，一旦電機(jī)通電并控制其轉(zhuǎn)速就能帶動軸 2 旋轉(zhuǎn)，就能實現(xiàn)機(jī)械手 的旋轉(zhuǎn)運動。驅(qū)動裝置見圖 31 所示： 圖 31 步進(jìn)電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)需要一定的力，在這種力的作用下，機(jī)械手及齒輪的大小和形狀都沒有發(fā)生改變，那么機(jī)械手和齒輪組成的整體，我們可以看成剛體，圍繞電機(jī)軸做旋轉(zhuǎn)運動。所以我們可以通過剛體的定軸轉(zhuǎn)動來求機(jī)械手由靜止到運動這段過程中的加速度。我把機(jī)械手轉(zhuǎn)動的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化成剛體的轉(zhuǎn)動的數(shù)學(xué)模型（圖 32）： 本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 12 頁 圖 32 工程上常用每分鐘轉(zhuǎn)過的圈數(shù) n（簡稱轉(zhuǎn)速）來描述剛體轉(zhuǎn)動的快慢，其單位是r/min,顯然角速度 ? 與 n 間的關(guān)系是 30n??? 。這里我們要求機(jī)械手 n=30r/時間為 1s，代入數(shù)值 30n??? =*30/30=(rad/s)。 角速度 ? 對時間的一階導(dǎo)數(shù)就是繞定軸轉(zhuǎn)動剛體的角加速度，以符號 ? 表示 ,? =(r/ 2s )。 根據(jù)旋轉(zhuǎn)運動系統(tǒng)的牛頓第二定律： dtdJTTL ???，其中 T 為電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，LT 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，其單位都是 MN? ， J為旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量， ? 為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的角速度。 2?MJ? ,? 為旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)半徑。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)由機(jī)械手、軸、齒輪組成，可以分開來求各旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動慣量 J. 齒輪 4 的 質(zhì) 量 m= ，所以4J = =。齒輪 3 的質(zhì)量 m=， 3J = =。軸 1 的質(zhì)量 m=，所以 1J =。軸 2 的質(zhì)量 m=， 2J =。當(dāng)機(jī)械手夾持刀具后。我們可以理想的認(rèn)為刀具的質(zhì)量平均分配到機(jī)械手上， m=，J=，所以 總J =。實際傳動比為 i=1,所以根據(jù)： dtdJTTL ??? （ 31） T= ?? JiTg ?? （ 32） 將數(shù)據(jù)代入式 32 可以求出 T= MN? 。 根據(jù)求出的折算到電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 13 頁 可以查相關(guān)的書籍查出步進(jìn)電機(jī)的型號（見表 31）： 表 31 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)表 電機(jī)型號 步距角 相數(shù) 電壓（ v） 電流 A 110BYG