【正文】 理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的應用?，F今的工業(yè)機械手可分為專用機械手和通用機械手兩類。該機械手的結構形式比較簡單，專用性強，僅附屬于某臺機床。這就要對其進行必要的改造，使其適應未來的工業(yè)發(fā)展的需要。通用機械手在工業(yè)生產中的應用只有三十年的歷史，但這些裝置在國外得到相當重視。雖然目前我國的數控加工中心等大型設備還是依賴進口，但相信不久的將來我國必然會設計研制出自己的設備，這需要我們所有人的不懈努力。2 換刀機械手的相關介紹 數控技術的發(fā)展歷程 回顧數控技術的發(fā)展已經經歷了兩個階段，六代的發(fā)展歷程。自1970年開始小型計算機開始用于數控系統(tǒng)就進入了第二個階段，叫做CNC階段，成為第四代數控系統(tǒng)：從1974年微處理器開始用于數控系統(tǒng)即發(fā)展到第五代。實際上從20世紀末期直到今天，在生產中使用的數控系統(tǒng)大部分都是第五代數控系統(tǒng)。 數控加工中心的基本功能 帶有自動換刀刀具交換裝置（ATC Automatic Tool Change）的數控機床稱為加工中心。隨著人工智能技術的不斷發(fā)展，并為滿足制造業(yè)生產柔性化、制造自動化發(fā)展需求。 帶有刀具自動交換裝置、能一次集中完成多種工序加工的數控加工設備。此外，它還具有生產率高、加工精度穩(wěn)定、產品成本低等一系列優(yōu)點。 鉆、鏜、銑、車等單功能數控機床只能分別完成鉆、鏜、銑、車等作業(yè)，而在機械制造工業(yè)中，大部分零件都是需要多任務序加工的。在零件需要進行多種工序加工的情況下，單功能數控機床的加工效率仍然不高。 加工中心的組成部分 加工中心分兩大部分：數控機床和刀具自動交換裝置。 刀庫 刀庫是存貯加工所需各種類型刀具的倉庫。它的容量、布局和具體結構對整個加工中心的總體布局和性能有很大的影響，按其結構、形狀可分為以下六種：① 圓盤式刀庫，又分為軸向式（刀具中心線與圓盤中心線平行）、徑向式（刀具中心線與圓盤中心線垂直）和多盤式（在一根旋轉軸上分設幾層圓盤刀庫）。 ③鼓輪式刀庫。 ⑤格子式刀庫。 應當根據被加工零件的工藝要求合理的確定刀庫的存儲量。對于銑削加工，需要的刀具更少，用4把不同規(guī)格的銑刀就能完成約90%加工，用5把不同規(guī)格的銑刀可以加工95%的工件。 刀具交換裝置 它的職能是將機床主軸上的刀具與刀庫或刀具傳送裝置上的刀具進行交換，其動作循環(huán)為：拔刀─新舊刀具交換─裝刀。 無機械手換刀：由刀庫與機床主軸的相對運動實現換刀。換刀時，先使工作臺與主軸相對運動，將使用過的舊刀送回刀庫，然后再使工作臺與主軸相對運動一次，從刀庫中取出新刀。特別是雙臂機械手刀具交換裝置具有換刀時間短、動作靈活可靠等優(yōu)點，應用最為廣泛。雙臂機械手進行一次換刀循環(huán)的基本動作為：抓刀（手臂旋轉或伸出，同時抓住主軸和刀庫里的刀具）；拔刀（主軸松開，機械手同時將主軸和刀庫中的刀具拔出）；換刀（手臂轉180176。機械手的手爪，大都采用機械鎖刀的方式，有些大型的加工中心，也有采用機械加液壓的鎖刀方式，以保證大而重的刀具在換刀中不被甩出。在前后機械手之間則設有運刀裝置。運刀器的職能就是在前后機械手之間來回運送新、舊刀具 刀具編碼裝置 將加工所需的刀具自動地從刀庫中選擇出來稱為自動選刀，有順序選擇固定地址選擇和編碼選擇三種方式。加工時按加工順序一一取用。采用順序選刀方式時，為某一個工件準備的刀具，不能在其他工件中重復使用，這在一定程度上限制了機床的加工能力。這種方式是對刀庫的刀座進行編碼，并將與刀座編碼相對應的刀具一一放入指定的刀座中。該方式使刀柄的結構簡化，刀具可以做得較短，但刀具不能任意安放，一定要插入配對的刀座中。 編碼選擇方式： 將加工某一項零件所需的全部刀具（或刀座）都預先編上代碼，存放在刀庫中。由于每把刀具都有自己的代碼，它們在刀庫中的位置和存放順序可以與加工順序無關。刀具編碼有多種方式，常用的有三種。選刀時根據穿孔帶所發(fā)出的刀號指令任意選擇所需的刀具。采用這種編碼方式可簡化換刀動作和控制線路，縮短換刀時間。刀座編碼：在刀庫的每一個刀座上用編碼板編碼。 編碼鑰匙：預先給每把刀具都系上一把表示該刀具代碼的編碼鑰匙。電氣驅動可以將伺服半閉環(huán)系統(tǒng)用作驅動刀庫的轉動，也可采用系統(tǒng)的PC 直接發(fā)出運轉信號控制電機的運轉來帶動刀庫旋轉。在執(zhí)行ATC 過程時，除了主軸頭的定向及主軸箱的定位外，為確保所更換的刀具準確地被機械手抓住，所以刀庫的定位也是必要的功能。液動結構的刀庫往往采用機電結合式的銷定位方式。 數控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 國際上，數控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢正朝著高速度高精度化、高可靠性、多功能化、智能化、集成化、具有開放性、網絡化數控系統(tǒng)、并聯(lián)機床及數控系統(tǒng)的方向發(fā)展。其中數控機床占40%，加工中心占27%，其它品種為重型機床、鏜銑床、電加工機床、磨床、齒輪加工機床等。目前我國數控機床生產廠家共有100多家，其中能批量生產的企業(yè)有42家，平均年產量40~50臺，幾家重點企業(yè)年產量可以達到400~700臺我國的數控系統(tǒng)分為三種類型，經濟型、普及型、和高級型。在普及型數控系統(tǒng)的市場上，我們正在取得進展。新開發(fā)的國產數控機床產品大部分達到國際80年代中期水平，部分達到90年代水平，在技術上也有所突破，如高速主軸制造技術、快速進給、快速換刀、柔性制造、快速成型制造技術等為下一代國產數控技術的發(fā)展奠定了基礎。 目前比較廣泛使用的ATC裝置中，按其機械手的類型來分有“無手式”（主要靠進給軸和刀庫的運動來實現刀具的交換）、“單爪式”（機械手上只有一個手爪，換刀時先將主軸上的刀具送回刀庫；再將刀庫中的刀具裝入主軸）和“雙爪式”（換刀時一個手爪從刀庫中取新刀，另一手爪從主軸上卸原刀）。 “無手式”ATC裝置的結構最為簡單，“單爪式”其次，“同步雙爪式”的結構相對復雜，而“分步雙爪式”的結構最為復雜?！肮潭ǖ段皇健笔侵笝C床使用的刀具在刀庫中都有自己固定的位置（刀套），也就是說，從主軸上換下來的刀具必須還回原來的刀套位置。而”混合還刀式”則是大直徑刀具采用“固定刀位式”還刀，標準刀具采用“隨機刀位式”還刀。 此外，由于刀具位置是固定的（刀具號等于刀套號），操作不必在刀庫中設立專用的大直徑刀具區(qū)，只要不在大直徑刀具的二個相鄰刀位裝入刀具，即可保證運行的安全，從而提高了刀庫的刀位利用率。 “隨機刀位式”還刀的優(yōu)點是還刀速度快（刀庫不需作第二次旋轉定位），缺點是刀庫的現行刀具分布狀況不直觀（刀套中的刀具號是隨時變化的），操作者必須查找“刀套/刀號表”后才能確定刀庫中的刀具位置是否與加工程式中的T指令（刀具號）一致；手動裝刀后，必須認真檢查和修改“刀套/刀號表”，否則就可能造成“錯刀”事故。 ATC裝置的換刀速度比較圖1 a描述了“無手”或“單爪”式ATC裝置的刀具交換過程，這類ATC裝置只能采用“固定刀位式”還刀，必須先將主軸上的原用刀具還回刀庫，再轉動刀庫找到新刀后，將它裝入主軸。因為其局限性，所以并沒有得到廣泛的使用。在這種ATC裝置中從刀庫取刀和從主軸卸刀是在同一步進行的，在采用“隨機刀位式”還刀時，將新刀裝入主軸和將原刀還回刀庫可以連續(xù)在同一步進行，所以節(jié)省了時間，加快了換刀速度。但是，這類裝置往往要求刀庫隨主軸一起移動，所以刀庫的容量不能很大，刀具的重量不能太重，只能適合于中小型加工中心配用。雖然這種ATC裝置的結構復雜，換刀動作較多，但因為兩個手爪的動作可以分步進行，所以經優(yōu)化后，可以將“選刀”、“取刀”、“找還刀位”和“還刀”四組動作安排在加工時間進行，這樣大大地縮短了換刀周期，提高了換刀速度，同時還保持了”固定刀位式”還刀的許多優(yōu)點。圖1 幾種ACT裝置的換刀時序圖Fig. 1 Several ACT the device tool change timing diagram3 換刀機械手的總體方案設計 此處省略下面為我們所選工業(yè)機械手所具有的運動規(guī)律，在減速較大時的情形。特點：速度變化基本上連續(xù)，運動中不會產生沖擊，可以滿足高速、平穩(wěn)和定位精度高的要求。定位系統(tǒng)采用機械擋塊或多點定位幾機構定位精度。定位系統(tǒng)采用關閉電磁換向閥定位精度、機械擋塊定位精、伺服系統(tǒng)定位精度度等。定位系統(tǒng)采用電磁制動器、脈沖電路定位精度、機械擋塊定位精度等。定位系統(tǒng)采用凸輪基圓及凸輪頂點、連桿極限位置。其中，機械擋塊定位是在減速后，驅動壓力將運動件壓在機械擋塊上或驅動壓力將活塞壓靠缸蓋而定位，定位精度較高。 機械傳動型機械手速度及位置控制為了便于控制機械手的速度及位置，一些專用機械手采用凸輪機構和連桿機構進行驅動。通過以上論述和比較，選用液壓緩沖器和油缸端部緩沖的方式，定位選用機械擋塊定位。這樣選擇的原因主要是根據精度和成本的原因。 驅動系統(tǒng)和電控系統(tǒng)的選擇 驅動系統(tǒng)的選擇機械手驅動系統(tǒng)有：液壓驅動、電壓驅動、電機驅動和機械驅動四種。 機械手的驅動系統(tǒng)有液壓驅動，氣壓驅動，電機驅動，和機械傳動四種。表1 驅動方式的比較Table 1 Drive way parison比較內容驅動方式機械傳動電機 驅動氣壓傳動液壓傳動異步機，直流電機步進或伺服電機輸出力矩輸出力矩較大輸出力可較大輸出力矩較小氣體壓力小，輸出力矩小?？刂菩阅茌^差，慣性大，步易精確定位。 油液壓縮性小，壓力流量均容易控制，可無級調速，反應靈敏。要減速裝置，體積較大體積較小體積較大在輸出力相同的條件下體積小。維修方便，液體對溫度變化敏感，油液泄漏易著火。中小型專用通用機械手都有，特別時重型機械手多用。液壓元件成本較高，油路也較復雜。 電控系統(tǒng)的選擇機械手的電控系統(tǒng)有多種類型，除專用機械手外，大多數要專門進行電控系統(tǒng)的設計。表3設備技術評價得分Table 3 Equipment technical evaluation score設備的技術評價特性 方案14的分數 1 2 3 4理想的控制通用性范圍制造方便程序容量總分數技術價X 2 2 3 3 10 2 2 3 2 9 3 3 2 2 10 3 3 1 2 9 4