【正文】 塞桿推動(dòng)或拉動(dòng)手指部分的連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手指的夾緊或松開。 ； 換刀機(jī)械手復(fù)位角度： 75176。 通過以上分析，本設(shè)計(jì)最終選定由圖 所示的手臂伸縮和手指夾緊機(jī)構(gòu)和圖 中所示的手架伸縮和手架旋轉(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)。尤為重要的是：本設(shè)計(jì)中凸輪與從動(dòng)件之間為點(diǎn)接觸，并且凸輪需要承受工件、手指、手臂及手架旋轉(zhuǎn)軸等的整體重量，這會使凸輪極容易磨損，從而大大縮短它的使用壽命。這樣就使得手架的多次旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與拔刀和插刀運(yùn)動(dòng)互不干擾，并且可以使加工中 心換刀機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。所以，圖 所示的手臂伸縮和手指夾緊機(jī)構(gòu)比較理想一些。 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(dòng)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，但由 于圖 中所示的機(jī)構(gòu)中，手指部分的結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，而且手指部分的整體也質(zhì)量比較大，這就會使手臂伸縮液壓缸的負(fù)載很大。此時(shí)，凸輪上的 A 點(diǎn)又與 E 點(diǎn)重合，手架恢復(fù)到初始位置，等待下一次換到指令。電動(dòng)機(jī) M 啟動(dòng)并反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn) 75176。手架旋轉(zhuǎn)軸上的觸點(diǎn) b 觸動(dòng)行程開關(guān) 2，發(fā)出手指松開和手臂縮回指令。 后，凸輪上的 D 點(diǎn)與 E 點(diǎn)位置重合，開始插刀動(dòng)作過程。此時(shí)凸輪仍在運(yùn)動(dòng)，但由于 C→ D 段上各點(diǎn)到凸輪旋轉(zhuǎn)軸心的距離相等，所以能夠保證手架在此過程中不發(fā)生伸縮現(xiàn)象。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁 當(dāng) C 點(diǎn)與 E 重合后，拔刀動(dòng)作完成，此時(shí)手架旋轉(zhuǎn)軸上的觸點(diǎn) a 觸動(dòng)行程開關(guān) 1，發(fā)出手架旋轉(zhuǎn) 180176。當(dāng)手臂伸出和手指夾緊動(dòng)作完成后，準(zhǔn)備拔刀 ，此時(shí)，手架旋轉(zhuǎn)軸與凸輪的接觸點(diǎn) E 恰好到達(dá)凸輪上的 B 點(diǎn)位置。在旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 75176。對于這種機(jī)構(gòu)，只要設(shè)計(jì)好凸輪的輪廓曲線以及凸輪的轉(zhuǎn)速，就可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的各種運(yùn)動(dòng) ，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 后，電動(dòng)機(jī) M 停止工作，手架恢復(fù)到初始位置，等待下一次換到指令。 當(dāng)手臂縮回動(dòng)作完成后，發(fā)出手架復(fù)位指令。 后，發(fā)出插刀動(dòng)作信號，手架伸縮液壓缸開始反行程動(dòng)作。當(dāng)手架伸縮液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)到設(shè)計(jì)位置時(shí)，拔刀動(dòng)作完成 ，電動(dòng)機(jī) M 啟動(dòng)，手架開始旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)主軸刀具與刀庫刀具的互換動(dòng)作。到達(dá)工作位置后，電動(dòng)機(jī) M 停止工作，并發(fā)出手臂伸縮和手指夾緊信號。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁 工作原理：當(dāng)加工中心發(fā)出換刀信號后，控制小齒輪軸運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī) M啟動(dòng)，通過單級圓錐齒輪帶動(dòng)手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。手架旋轉(zhuǎn)軸上開有很長的鍵槽，通過滑鍵與圓錐齒輪相連，這樣就可以使手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與手架的伸縮運(yùn)動(dòng)之間互不干擾。 手架在插刀動(dòng)作結(jié)束后，發(fā)出手指松開指令，此時(shí)液壓缸 2 和 2′ 反行程工作，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到初始位置后，手指恢復(fù)到原位置 ，同時(shí)發(fā)出手臂縮回指令，液壓缸 1 和 1′ 開始動(dòng)作，當(dāng)手臂縮回到初始位置后，活塞不再運(yùn)動(dòng)，手臂伸縮液壓缸進(jìn)油腔內(nèi)油壓力升高，即發(fā)出手架復(fù)位指令。 到指定位置后，發(fā)出手臂伸出指令，液壓缸 1 和 1′ 工作，當(dāng)兩液壓缸的活塞運(yùn)動(dòng)到設(shè)計(jì)位置后不再運(yùn)動(dòng)，進(jìn)油腔油壓力升高，壓力繼電器開關(guān)動(dòng)作，發(fā)出手指夾緊指令，手指夾緊液壓缸 2 和 2′ 工作，由活塞桿推動(dòng)手指運(yùn)動(dòng)，手指開始夾緊。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案Ⅱ 此方案在結(jié)構(gòu)和原理上都與前 一 種方案相似，不同的是它綜合了方案Ⅰ的各自優(yōu)點(diǎn)，每側(cè)都由一個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)兩個(gè)手指運(yùn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)的靈活性又使它在結(jié)構(gòu)上比較簡單， 其結(jié)構(gòu)如圖 所示。當(dāng)手指夾緊工件后，手指夾緊液壓缸的進(jìn)油腔內(nèi)的油壓力升高，發(fā)出手架伸出指令，開始拔刀動(dòng)作。 圖 手臂伸縮與手指夾緊機(jī)構(gòu)Ⅰ 工作原理：當(dāng)手架旋轉(zhuǎn) 75176。并且由于 兩手伸縮回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機(jī)械手的兩手可伸縮，縮回后回轉(zhuǎn)，可避免與刀庫中其他刀具干涉，所以，以下 2 種設(shè)計(jì)方案中的 換刀機(jī)械手都為 兩手伸縮回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機(jī)械手。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁 第 2 章 總體方案設(shè)計(jì)與論證 加工中心換刀機(jī)械手的設(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(dòng)，并設(shè)計(jì)出它的傳動(dòng)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。 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。 確定各個(gè)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 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(dòng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析。 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(dòng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)其準(zhǔn)確、快速、可靠、穩(wěn)定的換刀。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 [4]。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(dòng)的換刀機(jī)械手的研究。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 [2]。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(dòng)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。加工中心的自動(dòng)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。作為自動(dòng)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) [3]。自動(dòng)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。 加工中心是備有刀庫，并能自動(dòng)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) 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁 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 [2]。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%[1]。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。 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。 但是，通過有關(guān)部門給出的資料，只要作進(jìn)一步的分析與了解，我們就會發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在消費(fèi)量的臺數(shù)中雖占有一半 （ 55%） 以上，但它們多是些技術(shù)水平較低、價(jià)格相對便宜的普通產(chǎn)品，如數(shù)控車床、數(shù)控銑鏜床和線切數(shù)機(jī)床等，高、中檔數(shù)控產(chǎn)品則較少，而且這些產(chǎn)品的核心技術(shù)或功能部件，如 加工中心換刀機(jī)械手 、 全功能的數(shù)控伺服系統(tǒng)，高速電主軸，數(shù)控刀架乃至高速安全防護(hù)裝置等，還多是由中外合資 企業(yè)提供或是從國外進(jìn)口的 [1]。 換刀機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀 近年來，隨著世界制造業(yè)向中國轉(zhuǎn)移，我國對機(jī)床的需求量大增。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁 第 1 章 緒論 加工中心換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)的目的及意義 本設(shè)計(jì)主要是 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(dòng)的基礎(chǔ)上，為加工中心換刀機(jī)械手的研究提供幾種新的 設(shè)計(jì)方案， 并 通過論證分析， 選擇其中一種比較理想可行的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算， 以達(dá)到準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速、可靠換刀的目的。在滿足 加工中心換刀機(jī)械手 各種運(yùn)動(dòng)要求的同時(shí)，本設(shè)計(jì)也在一定程度上 簡化 了 換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu) ，以方便 加工中心換刀機(jī)械手 的加工制造過程。同時(shí)，經(jīng)過 多年的努力， 我國數(shù)控機(jī)床的開發(fā)水平也有了很大進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床的品種和質(zhì)量均比以往有所提高，部分機(jī)床制造主導(dǎo)廠還開發(fā)出具有相當(dāng)水平的數(shù)控設(shè)備。這也說明 由于技術(shù)發(fā)展的不平衡，在多種條件制約下，目前我國數(shù)控機(jī)床的整件技術(shù)水平與國際先進(jìn)水平相比還有一定距離，部分高性能、高速、高精度的數(shù)控機(jī)床仍需要依靠海外進(jìn)口。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。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。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(dòng)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(dòng)交換。它由存放刀具的刀庫和換刀機(jī)構(gòu)組成。 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。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(dòng)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。目前，加工中心的自動(dòng)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 [4]。 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。 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(dòng)作，給機(jī)床主軸與彈簧夾頭提供相對轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾緊、放松刀具的動(dòng)作。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。設(shè)計(jì)得主要內(nèi)容如下： 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁 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 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。 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。 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。 初步設(shè)計(jì)方案 手臂伸縮與手指夾緊機(jī)構(gòu) 由于與機(jī)械、電力傳動(dòng)相比，液壓傳動(dòng)具有體積小、質(zhì)量輕、功率大運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的特點(diǎn)，并且因?yàn)橐簤涸凶晕覞櫥饔?，使用壽命長 [5]，所以在以下幾種設(shè)計(jì)方案中， 手臂伸縮運(yùn)動(dòng)及手指夾緊運(yùn)動(dòng)都采用液壓的驅(qū)動(dòng)方式。 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 四個(gè)手指的運(yùn)動(dòng)分別由四個(gè)液壓缸單獨(dú)控制，這使得 它運(yùn)動(dòng)的靈活性很強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 到指定位置后，發(fā)出手臂伸出指令，手臂伸縮液壓缸 1和 1′ 工作，當(dāng)兩液壓缸的活塞運(yùn)動(dòng)到設(shè)計(jì)位置后，進(jìn)油腔油壓力升高，壓力繼電器開關(guān)動(dòng)作，并發(fā)出手指夾緊指令，手指夾緊液壓缸 2′以及 3′ 工作，手指開始夾緊。 手架在插刀動(dòng)作 結(jié)束后，發(fā)出手指松開指令，此時(shí)手指夾緊液壓缸 3 和 2′ 、 3′反行程運(yùn)動(dòng)，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到初始位置后，手指恢復(fù)到原位置，當(dāng)進(jìn)油腔內(nèi)油壓力升高后， 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁 壓力繼電器開關(guān)動(dòng)作，發(fā)出手臂縮回指令，液壓缸 1 和 1′ 開始動(dòng)作，當(dāng)手臂縮回到初始位置后，活塞不再運(yùn)動(dòng)，手臂伸縮液壓缸進(jìn)油腔內(nèi)油壓力升高，即發(fā)出手架復(fù)位指令。 圖 手臂伸縮與手指夾緊機(jī)構(gòu) Ⅱ 工作原理：當(dāng)手架旋轉(zhuǎn) 75176。當(dāng)手指夾緊工件后，手指夾緊液壓缸的進(jìn)油腔內(nèi)的油壓力升高，發(fā)出手架伸出指令，開始拔刀動(dòng)作。 手架旋轉(zhuǎn)與手架伸縮機(jī)構(gòu) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案Ⅰ 此方案的主要特點(diǎn)是，手架旋轉(zhuǎn)軸與手架伸縮液壓缸之間通過一對角接觸球軸承來連接，由這對軸承向旋轉(zhuǎn)軸傳遞活塞桿的推力和拉力，實(shí)現(xiàn)手架的伸縮運(yùn)動(dòng)，并且保證手架旋轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)也不會干擾到手架伸縮液壓缸。對于手架的旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，用延時(shí)繼電器控制電動(dòng)機(jī)的起、停時(shí)間，并由單級圓錐齒輪將電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)傳遞給手架旋轉(zhuǎn)軸，這在一定程度上簡化了加工中心換刀機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。在旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 75176。 當(dāng)手臂伸縮和手指夾緊動(dòng)作完成后，即發(fā)出拔刀信號，手架伸縮液壓缸動(dòng)作，開始拔刀動(dòng)作過程。 當(dāng)手架旋轉(zhuǎn) 180176。插刀動(dòng)作完成后，又依次完成手指松開和手臂縮運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī) M 啟動(dòng)并反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，在反向旋轉(zhuǎn) 75176。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案Ⅱ 此方案的主要特點(diǎn)是采用凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn) 加工中心換刀機(jī)械手的拔刀和插刀動(dòng)作。 圖 機(jī)構(gòu)Ⅰ 圖 機(jī)構(gòu)Ⅱ 工作原理：當(dāng)加工中心發(fā)出換刀信號后，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)凸輪從 A 點(diǎn)位置開始旋轉(zhuǎn)，在凸輪開始旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，控制小齒輪軸運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī) M 也啟動(dòng)，通過單級圓錐齒輪帶動(dòng)手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。到達(dá)工作位置后，電動(dòng)機(jī) M 停止工作，并發(fā)出手臂伸出和手指夾緊信號，此時(shí)凸輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。凸輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，隨著凸輪上 C 點(diǎn)向 E 點(diǎn)的逼近，手架伸出，開始拔刀動(dòng)作過程。 的信號，電動(dòng)機(jī) M