換刀機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計(jì)--立式銑床加工中心換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)

1、<p>　　立式銑床加工中心換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)</p><p>　　學(xué) 生： XXXXXX</p><p>　　指導(dǎo)老師： XXXXXX</p><p>　　摘 要:在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品的質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度，機(jī)械手作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。機(jī)械手的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在

2、一定程度上面反映了一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化的水平，目前，機(jī)械手主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作，工作方式一般采取教再現(xiàn)的方式。</p><p>　　本文主要是注重對銑床加工中心的自動(dòng)換刀機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要的功用就是根據(jù)零件加工需求的不同，來更換刀具對零件進(jìn)行精細(xì)加工。機(jī)械手代替人工換刀不僅提高了生產(chǎn)效率和降低了生產(chǎn)成本，還避免了人身事故。</p><p>　　關(guān)

3、鍵詞：換刀機(jī)械手 銑床加工中心 </p><p>　　Design of Manipulator of Milling Vertical Machine Center</p><p>　　Student：XXXXX</p><p>　　Tutor：XXXXX</p><p>　　Abstract: Nowadays, in the grea

4、t scale of manufacturing industries, enterprises pay more attention to the level of the automation in order to improve the production efficiency and the product quality. And the manipulators are gradually recognized by e

5、nterprises as the important parts of the automatic production line. The technical levels and the skilled application of the manipulators reflect the national levels of industrial automation to some degrees. At present, t

6、he manipulators are devoting </p><p>　　This unit mainly considers the design of the automatic knife manipulators of the milling machining center. Its main function is to replace the knife tools and to proces

7、s the body parts finely according to the different demands of the body parts that need processing. Manipulators instead of the manual work not only improve the efficiency of production and reduce the costs of production,

8、 but also avoid the security accidents.</p><p>　　Key Words：The knife manipulators，The Milling machining center </p><p>　　1 前言 </p

9、><p>　　1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　加工中心是在數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。1952 年，美國麻省理工學(xué)院首先實(shí)現(xiàn)了三坐標(biāo)銑床的數(shù)控化，數(shù)控裝置采用真空管電路。1955 年，第一次進(jìn)行了數(shù)控機(jī)床的批量制造。</p><p>　　數(shù)控機(jī)床是電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)械技術(shù)的綜合應(yīng)用，是機(jī)械加工領(lǐng)域劃時(shí)代的重大技術(shù)突破。數(shù)控機(jī)床利用編程軟件，將簡單工

10、序集中起來，從而大大提高零件的加工效率和加工質(zhì)量。但在復(fù)雜零件工序高度集中時(shí)，必須頻繁地更換刀具以滿足不同工序的加工要求，從而限制了生產(chǎn)效率的提高。為了解決</p><p>　　自動(dòng)換刀問題，提高生產(chǎn)效率，最早出現(xiàn)了轉(zhuǎn)塔頭立式鉆銑床。1956 年日本富士通研究成功數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床。美國IBM 公司同期也研制成功了“APT”(刀具程序控制裝置)。1958 年美國K&T 公司研制出帶ATC(自動(dòng)刀具交換裝置)的

11、加工中心。同年，美國UT 公司首次把銑鉆等多種工序集中于一臺(tái)數(shù)控銑床中，通過自動(dòng)換刀方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工，成為世界上第一臺(tái)加工中心。1967年出現(xiàn)了FMS(柔性制造系統(tǒng))。1978 年以后，加工中心迅速發(fā)展，帶有ATC 裝置可實(shí)現(xiàn)多種工序加工的機(jī)床，步入了機(jī)床發(fā)展的黃金時(shí)代。1983 年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了數(shù)控刀具錐柄的國際標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)換刀系統(tǒng)便形成了統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)模式。日本三井哲夫在上世紀(jì)八十年代中期將弧面凸輪用于ATC 的刀臂旋轉(zhuǎn)控制，取得極

12、佳效果。20 年來此類機(jī)構(gòu)長盛不衰，已成為ATC 機(jī)構(gòu)的主流。目前發(fā)達(dá)國家數(shù)控加工中心的自動(dòng)換刀機(jī)械手主要采用弧面凸輪式換刀機(jī)械手。</p><p>　　1.2 選題研究意義</p><p>　　在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下：</p><p>　　1.以提高生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化程度</p><p>　　應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的

13、傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化的程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。</p><p>　　2.以改善勞動(dòng)條件，避免人身事故</p><p>　　在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。</p&g

14、t;<p>　　在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。</p><p>　　3．可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)</p><p>　　應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床的綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都沒有機(jī)械手，

15、以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。</p><p>　　綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢。</p><p><b>　　2 加工中心</b></p><p>　　2.1 加工中心簡介</p><p>　　加工中心(Machining Center)是一種具有自動(dòng)換刀功能的高

16、效自動(dòng)化機(jī)床，由機(jī)械部件與數(shù)控系統(tǒng)組成，適用于加工復(fù)雜零件[1]。這種機(jī)床能裝多把刀具，在一次裝夾中完成銑、鏜、鉆、擴(kuò)、鉸、攻螺紋、切內(nèi)槽等工序的加工。高精度加工中心可以代替精密坐標(biāo)鏜床，還可作為基礎(chǔ)部件組成柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。</p><p>　　加工中心的工作過程為：根據(jù)零件圖樣制定工藝方案，采用手工編程或計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程方式編制零件的加工程序，將加工零件所需的機(jī)床各種動(dòng)作及全部工藝參數(shù)變成機(jī)床數(shù)

17、控裝置所能接受的信息代碼，并把這些信息代碼存儲(chǔ)在信息載體上，將信息載體送到輸入裝置讀出信息，并送入數(shù)控裝置[11]。進(jìn)入數(shù)控裝置的信息，經(jīng)過一系列處理和運(yùn)算變成脈沖信號(hào)，部分信號(hào)送到機(jī)床的伺服系統(tǒng)，通過伺服機(jī)構(gòu)對其進(jìn)行放大，再經(jīng)過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床有關(guān)部件。</p><p>　　使刀具和工件嚴(yán)格執(zhí)行零件程序所規(guī)定的相對運(yùn)動(dòng)。部分信號(hào)送到可編程序控制器中，用以控制機(jī)床的其它輔助動(dòng)作，如冷卻液的開關(guān)和自動(dòng)更換刀具等。

18、加工中心的基本結(jié)構(gòu)由三部分組成:①CNC 數(shù)控系統(tǒng)。加工中心一般都采用CNC 數(shù)控系統(tǒng)。②伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的作用是把來自數(shù)控裝置的信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)。③機(jī)械部件[13]。加工中心和一般通用機(jī)床相比，其結(jié)構(gòu)簡單，精度高，結(jié)構(gòu)剛性好，可靠性高；顯著區(qū)別是具有對零件進(jìn)行多工序加工的能力[2]。</p><p>　　2.2 自動(dòng)換刀裝置的組成</p><p>　　在實(shí)際生產(chǎn)中，大多數(shù)零

19、件都要進(jìn)行多道工序的加工。當(dāng)用數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)多工序加工時(shí)，真正用于切削工件的時(shí)間只占整個(gè)作業(yè)時(shí)間的30%左右，其余大部分時(shí)間都花在安裝、調(diào)整刀具、裝卸、搬運(yùn)零件和檢查加工精度等輔助工作上。為充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的作用，在機(jī)床中配備自動(dòng)換刀裝置而成為加工中心。自動(dòng)換刀裝置(Automatic Tool Changer，簡稱ATC)由刀庫、機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)裝置等部分組成[3]。刀庫的功能是用于存儲(chǔ)刀具，并把即將要用的刀具準(zhǔn)確地送到換刀位置，供換刀機(jī)械

20、手完成新舊刀具的交換。刀庫配置在主軸附近，換刀機(jī)構(gòu)在主軸和刀庫之間執(zhí)行換刀動(dòng)作，完成此功能的機(jī)構(gòu)稱為機(jī)械手。機(jī)械手包括送刀臂、擺刀站和換刀臂等部分。機(jī)械手完成刀具裝卸和在主軸頭與刀庫之間的傳遞。驅(qū)動(dòng)裝置是使刀庫和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)其功能的動(dòng)力裝置，一般由步進(jìn)電機(jī)或液壓(或氣液機(jī)構(gòu))或凸輪機(jī)構(gòu)組成。自動(dòng)換刀裝置的形式多種多樣，其換刀過程、選刀方式、刀庫結(jié)構(gòu)、機(jī)械手類型等各不相同，但都是在數(shù)控裝置及可編程序控制器的控制下，由電機(jī)、液壓或氣動(dòng)機(jī)構(gòu)來驅(qū)

21、動(dòng)刀庫和機(jī)械手來實(shí)現(xiàn)刀具的選擇和交換。早期自動(dòng)換刀裝置采用轉(zhuǎn)塔式機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，后來陸續(xù)出現(xiàn)了</p><p><b>　　2.3 換刀機(jī)械手</b></p><p>　　換刀機(jī)械手是執(zhí)行刀庫和主軸之間換刀動(dòng)作的裝置[5]，分為以下幾種類型：</p><p>　　2.3.1 單臂機(jī)械手</p><p>　　該換刀機(jī)

22、械手僅有一個(gè)手臂?？杉?xì)分為單手式和雙手式兩種：</p><p>　　(1) 單手式：一個(gè)換刀臂僅有一個(gè)抓刀手。如圖1。</p><p>　　特點(diǎn)：所有動(dòng)作均由單手完成，執(zhí)行動(dòng)作多，換刀時(shí)間長，但結(jié)構(gòu)簡單，刀庫與主軸軸線平行或垂直的情況均適用。</p><p><b>　　圖1 單手式</b></p><p>　　Fig

23、.1 Single hand type</p><p>　　(2) 雙手式：一個(gè)換刀臂兩端各有一個(gè)抓刀手。如圖2。</p><p>　　特點(diǎn)：機(jī)械手同時(shí)抓取主軸和刀庫上的刀具，回轉(zhuǎn) 180 度，同時(shí)放回和裝入刀具，換刀時(shí)間短，較為常用，多用于刀座與主軸軸線平行的場合。</p><p><b>　　圖2 雙手式</b></p>

24、<p>　　Fig.2 Hands to type</p><p>　　2.3.2 雙臂機(jī)械手</p><p>　　兩個(gè)機(jī)械手臂，每個(gè)手臂端部都有一個(gè)抓刀手。如圖c。</p><p>　　特點(diǎn)：其抓刀和換刀動(dòng)作類似于人手動(dòng)作，除執(zhí)行換刀動(dòng)作外有些還可以起運(yùn)輸?shù)毒叩淖饔?。這種機(jī)械手換刀時(shí)間短，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。</p><p><

25、;b>　　圖3 雙臂手</b></p><p>　　Fig.3 Aims in hand</p><p>　　2.3.3 帶送刀臂、擺刀站和換刀臂的機(jī)械手</p><p>　　送刀臂將刀具從刀庫中取出送到擺刀站，由擺刀站將刀具送到換刀位置，最后由換刀臂進(jìn)行換刀。如圖4所示，A 為送刀臂，B 為擺刀站，C 為換刀臂，D 為刀庫，E 為主軸。&l

26、t;/p><p>　　特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，各部分在空間巧妙配置和組合，更具變化性。換刀時(shí)間較短，適用于刀庫距離主軸較遠(yuǎn)的場合。</p><p>　　圖4 帶送刀臂、擺刀站和換刀臂的機(jī)械手</p><p>　　Fig.4 Manipulator of deliver the tool arm，waggle the tool station and exchange th

27、e tool arm</p><p>　　2.4 常用換刀機(jī)械手</p><p>　　2.4.1 單臂雙爪式機(jī)械手</p><p>　　單臂雙爪式機(jī)械手也叫扁擔(dān)式機(jī)械手，它是目前加工中心上用得最多的一種。這種機(jī)械手的拔刀、插刀動(dòng)作，大都由液壓缸來完成[4]。</p><p>　　近年來凸輪式聯(lián)動(dòng)式單臂雙爪機(jī)械手得到廣泛的應(yīng)用，這是因?yàn)檫@種機(jī)

28、械手由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，不需要復(fù)雜的液壓系統(tǒng)及其密封、緩沖機(jī)構(gòu)，沒有漏油現(xiàn)象，機(jī)構(gòu)簡單，工作可靠。同時(shí)，機(jī)械手手臂的回轉(zhuǎn)和插刀、拔刀的分解動(dòng)作是聯(lián)動(dòng)的，部分時(shí)間可重疊，大大縮短了換刀時(shí)間。</p><p>　　2.4.2 雙臂單爪交叉式機(jī)械手</p><p>　　2.4.3 單臂雙爪且手臂回轉(zhuǎn)軸成45°的機(jī)械手</p><p>　　這種機(jī)械手換刀動(dòng)作可靠，換

29、刀時(shí)間短，缺點(diǎn)是刀柄精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，聯(lián)機(jī)調(diào)整的相關(guān)精度要求高，機(jī)械手離加工區(qū)較近。</p><p><b>　　2.5 刀庫</b></p><p>　　刀庫是存儲(chǔ)刀具的裝置，刀庫主要有以下幾種形式：</p><p><b>　　a.轉(zhuǎn)塔式刀庫</b></p><p>　　包括水平轉(zhuǎn)塔頭和垂直

30、轉(zhuǎn)塔頭兩種。</p><p>　　特點(diǎn)：所有刀具固定在同一轉(zhuǎn)塔上，無換刀臂，儲(chǔ)刀數(shù)量有限，通常為6～8把。一般僅用于輕便而簡單的機(jī)型。常見于車削中心和鉆削中心。在鉆削中心儲(chǔ)刀位置即主軸，其外部結(jié)構(gòu)緊湊但內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，精度要求高</p><p><b>　　b.盤式刀庫</b></p><p>　　該刀庫呈盤狀，刀具沿盤面垂直排列(包括徑向取刀和

31、軸向取刀)。沿盤面徑向排列或成銳角排列的刀庫，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，應(yīng)用較多，但刀具單環(huán)排列，空間利用率低。如果要增加刀庫容量必須使刀庫的外徑增大，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也相應(yīng)增大，選刀運(yùn)動(dòng)時(shí)間增長。此刀庫所存貯的刀具數(shù)量一般不多于32 把。對于刀具呈多環(huán)排列的刀庫，其空間利用率高，但取刀機(jī)構(gòu)復(fù)雜，適用于機(jī)床空間受限制而刀庫容量大的場合；雙盤式結(jié)構(gòu)是兩個(gè)較小容量的刀庫分置于主軸兩側(cè)，布局較緊湊，儲(chǔ)刀數(shù)量也相應(yīng)增大，適用于中小型加工中心。</p>

32、;<p><b>　　c.鏈?zhǔn)降稁?lt;/b></p><p>　　鏈環(huán)形式有多種形式，包括單環(huán)鏈和多環(huán)鏈。</p><p>　　該刀庫所占空間小，適用于刀具容量較大的場合，一般用于刀具數(shù)在30～120把的機(jī)床。該刀庫結(jié)構(gòu)可通過增加鏈條長度增加刀具數(shù)，而不必增加圓周速度，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小于盤式刀庫。</p><p>　　d.直線式刀庫和組

33、合刀庫</p><p>　　直線式刀庫結(jié)構(gòu)簡單，刀具單行排列，刀庫容量小，多用于數(shù)控車床和鉆床上。組合刀庫一般是轉(zhuǎn)塔式刀庫的組合，轉(zhuǎn)塔式與盤式刀庫的組合及鏈?zhǔn)降稁斓慕M合。單個(gè)刀庫的儲(chǔ)刀量較小，換刀速度快。另外，還有一些密集型的鼓輪式、彈匣式和格子式刀庫。這些密集型刀庫雖占地面積小，但由于結(jié)構(gòu)限制，基本上不用于單機(jī)加工中心，多用于FMS 的集中供刀系統(tǒng)。</p><p>　　2.6 換刀機(jī)械

34、手的組成</p><p>　　加工中心換刀機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、檢測機(jī)構(gòu)組成[6]，各部分特點(diǎn)如下：</p><p>　　2.6.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)</p><p>　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)是完成各種動(dòng)作的部件總稱，它由抓取部分（手部）、腕部、臂部和手架等運(yùn)動(dòng)部件所組成。</p><p>　　手指部分：即直接與工件接觸部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移

35、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(dòng)作。</p><p>　　手腕部分：用于連接手指部分和手臂部分的部件。</p><p>　　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

36、主要作用是帶動(dòng)手指去抓取物件。</p><p>　　手架部分：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(dòng)實(shí)現(xiàn)加工中心主軸刀具和刀庫刀具的互換運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　2.6.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)</p><p>　　驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是用來為各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，是實(shí)現(xiàn)一切運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，有氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械式四種形式[15]。其中液壓氣驅(qū)動(dòng)用的最多，

37、占90%以上，電動(dòng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)用的較少。</p><p>　　液壓驅(qū)動(dòng)主要是通過油缸、閥、油泵和郵箱等實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。它利用油缸、馬達(dá)加上齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；利用擺動(dòng)油缸、馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積小、出力大、運(yùn)動(dòng)平緩，可無級(jí)變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點(diǎn)是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。</p><p>　　氣壓驅(qū)動(dòng)所采

38、用的元件為氣壓缸、氣壓馬達(dá)、氣閥等。一般采用4-6個(gè)大氣壓，個(gè)別的達(dá)到8-10個(gè)大氣壓。他的優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，維護(hù)簡單，成本低。缺點(diǎn)是出力小體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難現(xiàn)實(shí)中間位置的停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。</p><p>　　為了減少停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機(jī)構(gòu)或緩沖機(jī)構(gòu)。</p><p>　　電氣驅(qū)動(dòng)采用的不多現(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作

39、為動(dòng)力，用大減速比減速器來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；直線涌動(dòng)則用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)；有的采用直線電動(dòng)機(jī)。通用機(jī)械手則考慮用步進(jìn)電機(jī)、直流火交流的伺服電機(jī)、變速箱等。</p><p>　　電氣驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)源簡單，維護(hù)，使用方便。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動(dòng)力，出力比較大；缺點(diǎn)是控制響應(yīng)速度比較慢。</p><p>　　機(jī)械驅(qū)動(dòng)只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。它的優(yōu)點(diǎn)

40、是動(dòng)作確實(shí)可靠，速度高，成本低；缺點(diǎn)是不易調(diào)整。</p><p>　　2.6.3 控制系統(tǒng)</p><p>　　此系統(tǒng)是用來控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作，從而實(shí)現(xiàn)按預(yù)定程序進(jìn)行工作的機(jī)構(gòu)。它通過位置檢測的反饋來檢測各部分機(jī)構(gòu)工作的位置精度，從而保證能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)加工中心換刀機(jī)械手的換刀動(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)包括程序控制部分和行程反饋部分。</p><p>　　2.6.4 檢測機(jī)構(gòu)&l

41、t;/p><p>　　檢測是為了進(jìn)行比較和判斷提供依據(jù)，位置檢測是通過將位置變化反饋給輸入變量從而達(dá)到一定的定位精度和位置精度。本設(shè)計(jì)中伸縮和升降機(jī)構(gòu)采用壓力繼電器進(jìn)行位置控制。</p><p><b>　　2.7 換刀方式</b></p><p>　　換刀方式主要有隨機(jī)任選換刀和固定任選換刀。前一種方式刀庫的刀套號(hào)和刀具號(hào)在換刀完成后，就不一致了

42、。而后一種方式，刀套號(hào)和刀具號(hào)始終一致。</p><p>　　1固定換刀方式A（無機(jī)械手，無刀具準(zhǔn)備功能）：無論換刀次數(shù)，刀套號(hào)與刀具號(hào)始終一一對應(yīng)，如N號(hào)刀套中始終是N號(hào)刀。這種換刀方式換刀時(shí)間較長，適合用于刀具容量較少的小型加工中心。且無刀具準(zhǔn)備，必須先歸舊刀→再找新刀→加工（無機(jī)械手，用主軸運(yùn)動(dòng)進(jìn)給），換刀時(shí)間較長，適用于小型刀庫（BT40一下，20把刀以內(nèi)，刀庫速度快）。</p><p

43、>　　2固定換刀方式B（有機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)刀具準(zhǔn)備）刀具號(hào)仍與刀套號(hào)一致，無刀具表，系統(tǒng)可記憶當(dāng)前主軸刀具和下吧所選的刀具，機(jī)械手用油缸驅(qū)動(dòng)，故易受油質(zhì)、閥體質(zhì)量、油壓、油溫等外界因素的影響，需定期進(jìn)行調(diào)整，并清洗閥體。此種適和用于換刀不很頻繁、刀具數(shù)為40-60把、主軸錐孔為BT40以上的刀庫。</p><p>　　3隨機(jī)換刀（有機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)刀具準(zhǔn)備）：刀具號(hào)與刀套號(hào)不一一對應(yīng)，系統(tǒng)有相應(yīng)的刀具表隨時(shí)記憶

44、刀具的使用情況，刀表中的刀套是固定的，而刀具號(hào)則隨刀具的交換隨時(shí)更新。例如在刀具表初始化后，N號(hào)刀套中是N號(hào)刀，但只要生產(chǎn)刀具交換，則刀具表隨之進(jìn)行數(shù)據(jù)交換（需在梯形圖中處理并設(shè)定相應(yīng)的數(shù)據(jù)表）。當(dāng)所選刀具直徑超過相鄰刀套中心距時(shí)（產(chǎn)生刀具干涉時(shí)），需做大徑到判斷后采取不同的換刀方式：如為大徑刀，使用固定刀套換刀方式：如為小徑刀則采用隨機(jī)換刀。大徑刀的判別可用多種方式實(shí)現(xiàn)，如采用宏程序或在梯形圖中處理。綜上所述，不同的換刀方式各有各的優(yōu)

45、缺點(diǎn)，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況選擇使用。</p><p>　　2.8 刀具的識(shí)別裝置</p><p>　　1 接觸式刀具識(shí)別裝置</p><p>　　接觸是刀具識(shí)別裝置應(yīng)用廣泛，特別適用于空間位置較小的刀具編碼。這種識(shí)別裝置結(jié)構(gòu)簡單，但可靠性較差，且難于快速換刀。</p><p>　　2 非接觸式刀具識(shí)別裝置</p><p&g

46、t;　　非接觸式刀具識(shí)別裝置無機(jī)械接觸、無磨損、無噪聲、壽命長、反應(yīng)速度快，適用于高速且換刀頻繁的場合。</p><p>　　非接觸式刀具識(shí)別方法主要有：磁性識(shí)別法、光學(xué)纖維識(shí)別法、圖像識(shí)別法。</p><p><b>　　夾爪的類型</b></p><p>　　更具刀柄在換刀機(jī)構(gòu)刀臂上的夾持方式可分為固定爪、活動(dòng)爪、單夾爪、雙夾爪、彈簧爪、動(dòng)

47、力爪等類型。固定爪是指刀臂夾持部能吻合刀柄V形槽的半圓部分，半圓形夾持部的一端或兩端有彈簧扣，即所謂單夾爪、雙夾爪；由兩個(gè)可張開的夾指所組成即活動(dòng)爪，其加緊里由彈簧產(chǎn)生的即彈簧爪，通常以直進(jìn)方式抓刀松刀；由液壓缸等動(dòng)力源控制其張合的為動(dòng)力爪。</p><p>　　3 換刀動(dòng)作順序和驅(qū)動(dòng)方案的比較選擇</p><p><b>　　3.1 換刀順序</b></p&g

48、t;<p>　　圖5 換刀動(dòng)作設(shè)計(jì)方案</p><p>　　Fig.5 Design proposal of tool exchange movement</p><p>　　如圖5所示，其運(yùn)動(dòng)過程如下：換刀手由準(zhǔn)備位置B移至位置A，當(dāng)主軸退出刀桿后，換刀臂和聯(lián)接體現(xiàn)實(shí)一起繞軸I轉(zhuǎn)動(dòng)180°，主軸箱復(fù)位，刀桿插入主軸，卡爪松開后，換刀手回至位置B（此時(shí)，主軸已經(jīng)

49、開始工作，下述換刀動(dòng)作為輔助運(yùn)動(dòng)，與工件加工同步進(jìn)行），導(dǎo)軌以上的機(jī)構(gòu)由B運(yùn)動(dòng)到C、D、E而將刀具插入刀庫中，然后運(yùn)動(dòng)到位置B。刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)，將所需刀具轉(zhuǎn)至位置E，由位置B-E-D-C-B完成取刀過程，此時(shí)，換刀手夾持著新刀具在準(zhǔn)備位置B待命。至此本輪換刀結(jié)束，待接到新的換刀命令后，重復(fù)上述過程。</p><p>　　3.2 驅(qū)動(dòng)方案的比較</p><p>　　3.2.1 方案1</p

50、><p>　　將45°換刀機(jī)械手與移動(dòng)式換刀機(jī)械手相結(jié)合如圖6：</p><p>　　圖6 立式換刀機(jī)械手方案1</p><p>　　Fig.6 Manipulator proposal of vertical tool change 1</p><p>　　換刀手準(zhǔn)備位置B至圖示位置A，當(dāng)主軸箱1退出刀桿后，在機(jī)構(gòu)5的作用下，換刀

51、臂2、4和連接體3前移至圖示位置再一起繞軸I轉(zhuǎn)動(dòng)180°，主軸箱1再換刀，卡爪松開后，縱向差動(dòng)油缸8帶動(dòng)換刀手至位置C（此時(shí)，主軸已經(jīng)開始工作，下述換刀動(dòng)作為輔助運(yùn)動(dòng)，與工件加工同步進(jìn)行）；橫向油缸帶動(dòng)換刀手至位置D，油缸8使其移動(dòng)至位置E而將刀具插入刀庫中；橫向油缸回位，使換刀手回到換刀準(zhǔn)備位置B。刀庫電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將所需刀具轉(zhuǎn)至位置E，換刀手在差動(dòng)油缸8和橫向油缸的共同作用下，完成由位置B-E-D-C-B的轉(zhuǎn)換過程，此時(shí)，換刀

52、手夾持著新刀具在換刀準(zhǔn)備位置B待命。至此本輪換刀結(jié)束，待接到新的換刀命令后，重復(fù)上述過程。機(jī)構(gòu)5，7選用液壓驅(qū)動(dòng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)，橫向油缸固定在機(jī)架上。</p><p>　　3.2.2 方案2</p><p>　　原理圖如圖7，采用伺服電機(jī)作為動(dòng)力源來實(shí)現(xiàn)換刀運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直線于東、兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的過程如下：換刀手由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條傳動(dòng)裝置3

53、中的齒輪4傳到齒輪5再傳到齒輪11和齒條12，是軸II丹東機(jī)構(gòu)1和換刀臂及聯(lián)接體由準(zhǔn)備位置B移至圖示位置A；當(dāng)主軸箱退出刀桿后，在伺服電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，再由齒輪11帶動(dòng)齒條12使換刀手運(yùn)動(dòng)至位置B；此時(shí)由機(jī)構(gòu)2帶動(dòng)機(jī)構(gòu)3、機(jī)構(gòu)1和換刀臂聯(lián)接體及刀具實(shí)現(xiàn)從B到C再到D最后到E而將刀具插入刀庫中，再由機(jī)構(gòu)2使機(jī)構(gòu)3、機(jī)構(gòu)1和換刀臂連接體回到準(zhǔn)備位置B。刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)，將所需的刀具轉(zhuǎn)至位置E，換刀手在機(jī)構(gòu)2使機(jī)構(gòu)3、機(jī)構(gòu)1和換刀臂聯(lián)接體完成由位置B-

54、E-D-C-B的取刀運(yùn)動(dòng)過程。此時(shí)換刀手夾持著新刀再準(zhǔn)備位置B待命。至此本輪換刀結(jié)束，待接到新的換刀命令后，重復(fù)上述過程。</p><p>　　圖7 立式換刀機(jī)械手方案2</p><p>　　Fig.7 Manipulator proposal of vertical tool change 2</p><p>　　3.2.3 方案3</p>&

55、lt;p>　　原理如圖8，液壓缸4直接驅(qū)動(dòng)換刀手。其運(yùn)動(dòng)過程如下：換刀手由氣缸3推動(dòng)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，由準(zhǔn)備位置B移動(dòng)至位置A，當(dāng)主軸退出刀桿后，在液壓缸4的驅(qū)動(dòng)下，換刀臂和連接體實(shí)現(xiàn)一起繞軸I轉(zhuǎn)動(dòng)180°主軸箱復(fù)位，刀桿插入主軸，卡爪松開后氣缸3將換刀手拉回至位置B（此時(shí)，主軸已開始工作，下述換刀動(dòng)作為輔助運(yùn)動(dòng)，與工件加工同步進(jìn)行），由凸輪機(jī)構(gòu)1帶動(dòng)導(dǎo)軌以上的機(jī)構(gòu)由B運(yùn)動(dòng)到C、D、E而將刀具插入刀庫中，然后凸輪機(jī)構(gòu)1使他們

56、運(yùn)動(dòng)到位置B。刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)，將所需刀具轉(zhuǎn)至位置E，導(dǎo)軌以上的機(jī)構(gòu)再在凸輪機(jī)構(gòu)1的作用下有位置B-E-D-C-B完成取刀過程，此時(shí)，換刀手夾持著新刀具在準(zhǔn)備位置B待命。至此本輪換刀結(jié)束，帶接到新的換刀命令后，初伏上述過程</p><p>　　圖8 立式換刀機(jī)械手方案3</p><p>　　Fig.8 Manipulator proposal of vertical tool change 3

57、</p><p>　　3.2.4 方案4</p><p>　　本方案的設(shè)計(jì)思路是：在刀庫和45°換刀機(jī)械手之間加一個(gè)小型的送到機(jī)械手裝置并固定在一合理的位置，再裝配一個(gè)暫存刀位置。這樣一來，就去掉凸輪機(jī)構(gòu)，只需其它的機(jī)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)換刀。以方案3的圖為例簡述其換刀過程：換刀手由準(zhǔn)備位置B移至位置A，主軸箱退出刀桿，軸I旋轉(zhuǎn)180°，主軸箱再換刀，卡爪松開后，運(yùn)動(dòng)到位置B

58、（此時(shí)，主軸已經(jīng)開始工作），將刀具放入暫存刀位置，送刀機(jī)械手將刀取回刀庫，再選取新刀放在暫存到位置，然后換刀機(jī)械手將刀從暫存刀位置取出在位置B待命。至此本輪換刀結(jié)束，待接到新的換刀命令后，重復(fù)上述過程。</p><p>　　3.2.5 方案比較</p><p>　　方案1采用的液壓作為動(dòng)力源，由于液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手需要采用嚴(yán)格的密封，還需要較復(fù)雜的緩沖機(jī)構(gòu)；控制機(jī)械手動(dòng)作的電磁閥有一定的時(shí)

59、間滯后，因而換刀速度慢且不易維護(hù)，不足取。方案2采用了伺服電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，雖然避免了使用液壓時(shí)的一些問題，但同時(shí)也存在一些不足；采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)，將使定位精度降低，同時(shí)降低了運(yùn)動(dòng)平衡性，在定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性要求較高的換刀過程中出現(xiàn)這種現(xiàn)象是不可取的。另外，增加量齒輪齒條機(jī)構(gòu)，加大了重量，使得整個(gè)換刀機(jī)械手顯得笨大，不能滿足結(jié)構(gòu)簡單的設(shè)計(jì)思想，因此也不可取。方案3是方案2的改進(jìn)方案，由于換刀手及刀具的重量并不是很到，不必要再加一

60、些中間裝置直接由液壓缸驅(qū)動(dòng)換刀手進(jìn)行繞軸I轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣聯(lián)接結(jié)構(gòu)簡單，減少了零件的數(shù)目，減少了中間環(huán)節(jié)的影響，沒有間隙，效率高；既增加了定位精度又減少了換刀時(shí)間。在實(shí)現(xiàn)從B-C-D-E-B的過程中，采用了凸輪結(jié)構(gòu)，不需要復(fù)雜的液壓系統(tǒng)及其密封、緩沖機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，從而大大的縮短了換刀時(shí)間。對于方案4來說，動(dòng)作比較多不容易協(xié)調(diào)，反而增加了換刀時(shí)間，不足取。綜上所述，方案3比較合理。</p><p>　　4 換

61、刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸確定</p><p>　　4.1 手指夾緊力的計(jì)算</p><p>　　手指加在工件上的加緊力，是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)。必須對大小放心和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。一般來說需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的加緊狀態(tài)。</p><p>　　手指對工件的夾緊力可按公式計(jì)算:

62、 （1）</p><p><b>　　式中：</b></p><p><b>　　，本設(shè)計(jì)中取 </b></p><p><b>　　，本設(shè)計(jì)中取 </b></p><p><b>　　。本設(shè)計(jì)中取</b></p>&l

63、t;p>　　。本設(shè)計(jì)中刀具質(zhì)量8kg，所以重力為</p><p><b>　　帶入公式得：</b></p><p>　　4.2 手部的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算</p><p>　　如下圖所示，P為油壓力，G為刀具的重量，N為手指夾住刀具的夾緊力，則P=2bctgαN其中 c為動(dòng)力臂，b為阻力臂，c=b/2，去α=15°從而P=4Ntga15&

64、#176;為了考慮刀具在傳動(dòng)時(shí)慣性力、振動(dòng)及傳動(dòng)效率的影響，其實(shí)際驅(qū)動(dòng)力：</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　式子中：</b></p><p>　　在此分別取值： ， ， 。從而：</p><p><b>　　=</b></p>

65、<p>　　圖9 手部受力分析</p><p>　　Fig.9 Hand force analysis</p><p>　　機(jī)械手卡爪中銷的選擇</p><p>　　機(jī)械手卡爪中銷，都選用的是圓柱銷M8，材料為45號(hào)鋼，其許用切應(yīng)力</p><p>　　核算：

66、 （3）</p><p>　　已算出：，根據(jù)上式算出</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　所以該圓柱銷符合要求</p><p>　　4.3 機(jī)械手卡爪機(jī)構(gòu)選用及工作原理</p><p>　　如圖10，油缸11、定位塊8固定在換刀臂10

67、上，活塞固定于定位塊8上。換刀手由準(zhǔn)備位置移動(dòng)至換刀位置，鍵2卡進(jìn)刀具定位槽中，此時(shí)，油缸11推動(dòng)活塞組件9，在定位塊8的導(dǎo)向下向前滑動(dòng)，使得兩卡爪1、3分別繞軸4、5轉(zhuǎn)動(dòng)，直至卡爪加緊刀具，此時(shí)，活塞組件9將卡爪鎖上?？ㄗΦ乃砷_是由油缸11內(nèi)的彈簧帶動(dòng)活塞組件9后移，卡爪1、3分別在彈簧球6、7的作用下與活塞組件件9保持接觸，卡爪松開后，換刀手退至準(zhǔn)備位置。本卡爪加緊機(jī)構(gòu)利用活塞組件9實(shí)現(xiàn)了卡緊、鎖止的聯(lián)動(dòng)，在油壓較小時(shí)也能有效的鎖緊

68、刀具。當(dāng)鎖止角α=15°時(shí)，，也就是說作用于卡爪上的力比所提供的作用于活塞組件9上的油壓大約大4倍，故可滿足鎖止要求。</p><p>　　圖10 機(jī)械手卡爪機(jī)構(gòu)</p><p>　　Fig.10 Manipulator claw mechanism</p><p>　　4.4 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌</p><p>　　機(jī)械手由準(zhǔn)備位置

69、到換刀位置的往返直線運(yùn)動(dòng)選用THKHRA型50166滾動(dòng)直線導(dǎo)軌來實(shí)現(xiàn)。這樣，不僅提高了機(jī)械手的定位精度，而且低速時(shí)無爬行現(xiàn)象。采用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌還可以施加預(yù)緊力，以提高它的承載能力，是機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)精度和穩(wěn)定性有了保證。</p><p><b>　　5 凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　5.1 結(jié)構(gòu)方案</b></p>

70、<p>　　在實(shí)際應(yīng)用中，多數(shù)凸輪機(jī)構(gòu)是一個(gè)凸輪驅(qū)動(dòng)一個(gè)從動(dòng)件，極少采用一個(gè)凸輪驅(qū)動(dòng)多個(gè)從動(dòng)件。在立式加工中心換刀機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)中，為了滿足使用要求，采用了兩個(gè)凹槽式凸輪驅(qū)動(dòng)分別帶動(dòng)2個(gè)從動(dòng)件，是機(jī)械手完成一個(gè)正方形運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)插刀和拔刀。使得凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單化，成本也大大降低。根據(jù)立臥兩用換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案，采用一個(gè)凸輪的輪廓曲線同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)B-C-D-E形狀的正方形運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律應(yīng)該完

71、全相同。所以兩個(gè)凸輪帶動(dòng)2個(gè)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律也與一個(gè)凸輪2個(gè)從動(dòng)件相同，設(shè)計(jì)原理也相同。設(shè)一個(gè)凸輪2個(gè)從動(dòng)件原理圖如圖11所示，凸輪采用的方案為一個(gè)具體有兩個(gè)互相垂直從動(dòng)件的圓柱滾子凸輪機(jī)構(gòu)，并且推程、回程角都為90°[4]。</p><p><b>　　圖11 凸輪原理</b></p><p>　　Fig.11 Principle of CAM</

72、p><p>　　5.2 運(yùn)動(dòng)規(guī)律計(jì)算</p><p>　　凸輪的輪廓形狀取決于從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在確定從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，要考慮由于加速度突變所引起的沖擊[19]。應(yīng)盡量選擇加速度曲線連續(xù)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。根據(jù)從動(dòng)件所要求完成的運(yùn)動(dòng)，在從動(dòng)件1相對凸輪運(yùn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)件2必須靜止，然后從動(dòng)件2運(yùn)動(dòng)、從動(dòng)件1靜止。因此凸輪必須具有雙停歇運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即具有遠(yuǎn)近休止角。所以在行程兩端的速度和加速度應(yīng)為零。這樣，在

73、推程和回程銜接處，加速度過渡平滑，且可使最大速度和最大加速度下降，對受力情況和減少振動(dòng)都是有利的。凸輪的轉(zhuǎn)速n應(yīng)依據(jù)換刀輔助時(shí)間來確定，完成插刀及拔刀所需時(shí)間為2s，則凸輪的轉(zhuǎn)速n=1r/s，即n=60r/min為低速運(yùn)動(dòng)。其次自機(jī)械手爪、連接體及所推動(dòng)的箱體，初步估計(jì)為60kg-80kg，屬中等載荷。根據(jù)規(guī)律為改進(jìn)正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律。插刀、拔刀整個(gè)過程的軌跡為正方形，正方形的尺寸主要由于刀具的尺寸所決定，及LCD（C、D兩點(diǎn)間的距離）

74、必須大于刀具刀柄的半徑才能順利取出刀具，而且LBC（B、C兩點(diǎn)間的距離）尺寸必須大于刀柄的長度，才能實(shí)現(xiàn)插刀、拔刀。現(xiàn)依據(jù)這個(gè)條件，進(jìn)行凸輪設(shè)計(jì)計(jì)算。刀柄半徑為40mm，刀柄長度為70mm。根據(jù)這個(gè)條件，確定B-C-D-E</p><p><b>　　推程運(yùn)動(dòng)方程</b></p><p><b>　　前段：</b></p><

75、p><b>　?。?） </b></p><p><b>　　（6）</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　中段：</b></p><p><b>　?。?）</b></p&g

76、t;<p><b>　　（9）</b></p><p><b>　?。?0）</b></p><p><b>　　后段：</b></p><p><b>　　（11）</b></p><p><b>　?。?2）</b>

77、</p><p><b>　?。?3）</b></p><p><b>　　回程運(yùn)動(dòng)方程</b></p><p><b>　　前段：</b></p><p><b>　?。?4）</b></p><p><b>　　（15

78、）</b></p><p><b>　?。?6）</b></p><p><b>　　中段：</b></p><p><b>　　（17）</b></p><p><b>　?。?8）</b></p><p><b

79、>　　（19）</b></p><p><b>　　后段：</b></p><p><b>　?。?0）</b></p><p><b>　?。?1）</b></p><p><b>　　（22）</b></p><p

80、>　　休止角運(yùn)動(dòng)規(guī)律及參數(shù)</p><p>　　根據(jù)從動(dòng)件所要完成的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線B-C-D-E的尺寸，到達(dá)遠(yuǎn)休止角時(shí)，其升程為80mm。元休止角的范圍為。</p><p>　　處于遠(yuǎn)休止段時(shí)：s=80mm：</p><p>　　近休止段時(shí)，從動(dòng)件相對靜止、位移最小，近休止角的范圍為。</p><p>　　即：處于近休止段時(shí)：s=0，。&

81、lt;/p><p><b>　　位移曲線方程</b></p><p>　　依據(jù)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)方程休止角運(yùn)動(dòng)規(guī)律及參數(shù)，得出從動(dòng)件完整的位移曲線方程，即從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律為：</p><p>　　范圍 位移曲線方程</p><p><b>　?。?3）</b>

82、;</p><p><b>　?。?4）</b></p><p><b>　?。?5）</b></p><p><b>　?。?6）</b></p><p><b>　　（27）</b></p><p><b>　　（28

83、）</b></p><p><b>　　凸輪輪廓曲線的繪制</b></p><p>　　依據(jù)從動(dòng)件的位移曲線方程，繪制凸輪的輪廓曲線如下圖</p><p><b>　　圖12 凸輪輪廓</b></p><p>　　Fig.12 The contour of cam</p>

84、<p><b>　　5.3 凸輪結(jié)論</b></p><p>　　立式加工中心換刀機(jī)械手采用凸輪式驅(qū)動(dòng)方式克服了液壓式驅(qū)動(dòng)所存在的缺點(diǎn)，是機(jī)械手的換刀速度及可靠性等大為提升：采用雙從動(dòng)件的結(jié)構(gòu)形式，克服了由于兩個(gè)凸輪分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)從動(dòng)件帶來的結(jié)構(gòu)龐大和造價(jià)高等缺點(diǎn)[9]；凸輪曲線采用修正正弦曲線，容易加工且在使用過程中提高了運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。</p><p>

85、　　6 零件的簡單計(jì)算和選擇</p><p>　　6.1 彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p>　　彈簧選用普通圓柱壓縮彈簧，彈簧類型為II類，是硅錳彈簧鋼，查取許用切應(yīng)力為</p><p>　　選擇旋繞比C=8，則</p><p><b>　　（29）</b></p><p>　　根據(jù)安裝空間選擇彈簧

86、中徑D=42mm，估算彈簧絲直徑</p><p><b>　　試算彈簧絲直徑</b></p><p><b>　?。?0）</b></p><p>　　根據(jù)變形情況確定彈簧圈的有效圈數(shù)：</p><p><b>　?。?1）</b></p><p>　　

87、選擇標(biāo)準(zhǔn)為n=3，彈簧的總?cè)?shù)圈</p><p>　　最后確定D=42mm，d=7mm，，</p><p>　　6.2 機(jī)械手回轉(zhuǎn)軸上的齒輪齒條設(shè)計(jì)</p><p>　　回轉(zhuǎn)軸上齒輪采用漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪形式</p><p>　　計(jì)算齒輪幾何尺寸設(shè)計(jì)的基本菜熟：</p><p>　　初取齒數(shù)z=45，模數(shù)m=3，壓

88、力角α=20°</p><p>　　分度圓直徑d： d=mz=</p><p><b>　　齒頂高</b></p><p><b>　　齒根高</b></p><p><b>　　齒全高</b></p><p><b>　　齒頂圓直

89、徑</b></p><p><b>　　齒根圓直徑</b></p><p><b>　　齒距</b></p><p><b>　　齒厚</b></p><p><b>　　齒槽寬</b></p><p><b>

90、;　　頂隙</b></p><p>　　材料選擇：齒輪材料為45號(hào)鋼（調(diào)質(zhì)處理）硬度為24HBS，查表得齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限</p><p>　　查表得齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；彎曲疲勞壽命系數(shù)Kfn=0.88，計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力</p><p>　　取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4得</p><p>　　齒條的基本尺寸，按外齒輪幾

91、何尺寸的計(jì)算公式計(jì)算。</p><p>　　6.3 電動(dòng)機(jī)類型的選擇[13]</p><p>　　目前常用的加工中心換刀機(jī)械手，它的手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)液壓缸實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)液壓缸用來實(shí)現(xiàn)手架到達(dá)工作位置，換刀運(yùn)動(dòng)過程準(zhǔn)備開始。另一個(gè)液壓缸則是在拔刀過程結(jié)束后，實(shí)現(xiàn)整個(gè)手臂轉(zhuǎn)180°的運(yùn)動(dòng)， 是主軸刀具與刀庫刀具互換位置。雖然這種結(jié)構(gòu)工作原理很簡單，但由于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)較多，它們之間以及它

92、們和手架伸縮液壓缸的活塞桿之間的連接機(jī)構(gòu)卻比較復(fù)雜。在手架旋轉(zhuǎn)軸上設(shè)計(jì)了一個(gè)很長的鍵槽，所以只需要用一個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)或蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，就可實(shí)現(xiàn)手架在拔、插刀前后的多次旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　對于這個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它需要能實(shí)現(xiàn)手臂180°旋轉(zhuǎn)。若采用液壓缸和行程開關(guān)進(jìn)行控制，則一般只能實(shí)現(xiàn)一種角度的旋轉(zhuǎn)。而如果采用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行傳動(dòng)，則只需控制好電動(dòng)機(jī)的起、停時(shí)間就可以實(shí)現(xiàn)各種預(yù)期的運(yùn)動(dòng)。</

93、p><p>　　TYV系列高精度微型特種減速電動(dòng)機(jī)采用高新技術(shù)，具有齒輪減速、蝸輪減速、直線往復(fù)等多種結(jié)構(gòu)，并可配有電子無級(jí)調(diào)速、阻尼制動(dòng)、電磁剎車等功能，適用于交流、直流多種電壓，是一種高效、節(jié)能、低噪音的微特減速電動(dòng)機(jī)，它還具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、減速比大、體積小、輸出轉(zhuǎn)矩大及運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，因此，本設(shè)計(jì)中的手臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)選用TYV系列高精度微型特種減速電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。</p><p>

94、<b>　　6.4 軸的計(jì)算</b></p><p>　　選用45號(hào)鋼，查資料取軸的傳動(dòng)效率取0.95</p><p>　　查電機(jī)系列，取TYV4型齒輪減速電動(dòng)機(jī)，其基本參數(shù)如下：允許負(fù)載為P=60w，輸出轉(zhuǎn)速為n=150r/min。</p><p>　　軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：</p><p><b>　?。?2

95、）</b></p><p>　　式中：—扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；</p><p>　　—軸的抗扭截面系數(shù)，；</p><p>　　T—軸所受的扭矩，N·mm；</p><p>　　n—軸的轉(zhuǎn)速，r/min；</p><p>　　P—軸傳遞的功率，kw；</p><p>　　d—

96、計(jì)算截面處軸的直徑，mm；</p><p>　　r—?jiǎng)恿ο禂?shù)，考慮穩(wěn)定性本設(shè)計(jì)取r=1</p><p>　　—許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，查表得45號(hào)鋼為2545MPa</p><p>　　由上述式子可得軸的直徑：</p><p><b>　?。?3）</b></p><p><b>　　=57W&

97、lt;/b></p><p>　　查表得45號(hào)鋼為126103，取=120</p><p>　　初步計(jì)算得mm，取84mm。</p><p><b>　　校核軸的強(qiáng)度</b></p><p><b>　　9550000</b></p><p><b>　　計(jì)算

98、應(yīng)力為：</b></p><p><b>　?。?4）</b></p><p>　　式子中：—軸的計(jì)算應(yīng)力，MPa；</p><p>　　—軸所受的彎矩，N·mm；</p><p>　　—軸所收的扭矩，N·mm；</p><p>　　—軸的抗彎截面系數(shù)，，查機(jī)械設(shè)計(jì)

99、教課書此處取計(jì)算公式；</p><p>　　—對稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)軸的許用彎曲應(yīng)力，查機(jī)械設(shè)計(jì)教課書此處取60</p><p>　　此處軸是受電動(dòng)機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，所以沒有受到彎曲應(yīng)力，彎矩W=0 N·mm</p><p><b>　　原式=</b></p><p><b>　　所以滿足應(yīng)力要求。</b&

100、gt;</p><p><b>　　軸的剛度校核計(jì)算：</b></p><p>　　此處軸用于旋轉(zhuǎn)不考慮彎曲剛度的計(jì)算，只考慮軸的扭轉(zhuǎn)剛度的校核計(jì)算。</p><p>　　公式： （35）</p><p>　　式中：—軸所受的

101、扭矩，N·mm；</p><p>　　—軸的材料的剪切彈性模量，MPa，對于鋼材，；</p><p>　　—軸截面的極慣性矩，，對于圓軸，；</p><p><b>　　軸的扭轉(zhuǎn)剛度條件為</b></p><p><b>　?。?6）</b></p><p>　　為

102、軸每米長的允許扭轉(zhuǎn)角，與軸的使用場合有關(guān)。對于一般傳動(dòng)軸，可取；對于精密傳動(dòng)軸，可取；對于精度要求不高的軸，可大于。</p><p>　　本設(shè)計(jì)是一般傳動(dòng)軸取1</p><p><b>　　原式===</b></p><p><b>　　滿足剛度要求。</b></p><p><b>　　

103、軸的結(jié)構(gòu)如圖13</b></p><p><b>　　圖13 軸</b></p><p>　　Fig.13 Shaft</p><p>　　6.5 鍵的選擇和強(qiáng)度計(jì)算</p><p><b>　　鍵的選擇</b></p><p>　　根據(jù)軸的軸徑d=84mm，查

104、機(jī)械設(shè)計(jì)表6—1普通平鍵，鍵寬b=22mm，鍵高h(yuǎn)=14mm，鍵的長度L=180mm</p><p><b>　　鍵的強(qiáng)度計(jì)算</b></p><p>　　普通平鍵連接的強(qiáng)度條件為</p><p><b>　　（37）</b></p><p>　　式子中：—傳遞的轉(zhuǎn)矩，N·m；</p

105、><p>　　—鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，=0.5h，此處h為鍵的高度mm；</p><p>　　—鍵的工作長度，mm，圓頭平鍵=L—b，平頭鍵=L，這里L(fēng)為鍵的公稱長度，mm；b為鍵的寬度，mm；</p><p><b>　　—軸的直徑，mm；</b></p><p>　　—鍵、軸、輪轂3者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，差機(jī)械設(shè)

106、計(jì)表6—2取80MPa</p><p>　　原式==68.5MPa</p><p>　　所以選用的普通平鍵適合</p><p><b>　　7 結(jié)論</b></p><p>　　自動(dòng)換刀裝置是數(shù)控加工中心在工件的一次裝夾中實(shí)現(xiàn)多道工序加工不可缺少的裝置，主要由刀庫、機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)裝置幾部分組成。機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)裝置是兩個(gè)關(guān)鍵部

107、分，根據(jù)驅(qū)動(dòng)裝置的不同，自動(dòng)換刀裝置可分為凸輪式、液壓式、齒輪式、連桿式及各種機(jī)構(gòu)復(fù)合式，其中以凸輪式用得較多。</p><p>　　發(fā)達(dá)國家數(shù)控加工中心的立式銑床換刀機(jī)械手主要采用凸輪式，我國加工中心技術(shù)起步較晚，對自動(dòng)換刀機(jī)械手研究較少。迄今為止，我國制造的加工中心配置的自動(dòng)換刀機(jī)械手大多數(shù)是進(jìn)口的。其主要原因：一是國內(nèi)生產(chǎn)的換刀機(jī)械手質(zhì)量較差，成本也不低；二是進(jìn)口換刀機(jī)械手價(jià)格雖然較高，但在整個(gè)加工中心中所

108、占份額不大。作為加工中心的配套技術(shù)，自動(dòng)換刀機(jī)械手的研究和開發(fā)將直接影響到我國自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。</p><p>　　對于數(shù)控加工中心凸輪式立式換刀機(jī)械手，目前國內(nèi)外同類產(chǎn)品較少，使設(shè)計(jì)難度增加。依據(jù)總體方案的設(shè)計(jì)，凸輪機(jī)構(gòu)必須在刀庫中完成插刀、拔刀的過程。機(jī)械手插刀、拔刀整個(gè)過程的運(yùn)動(dòng)軌跡為四邊形，因此凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算難度大，主要是如何提高凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的問題。通過

109、一個(gè)凸輪的輪廓曲線，是從動(dòng)件上的一點(diǎn)完成機(jī)械手插刀、拔刀的整個(gè)過程，采用雙從動(dòng)件來完成，而且兩個(gè)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律應(yīng)該相同，只能是存在一個(gè)時(shí)間差。凸輪的輪廓形狀取決于從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此在設(shè)計(jì)凸輪輪廓線之前，應(yīng)首先根據(jù)工作要求確定從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在選擇從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，要考慮由速度曲線的突變引起的剛性沖擊和由于加速度曲線突變所引起的沖擊。盡量使從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律不存在任何沖擊，用以獲得連續(xù)而光滑的位移、速度、加速度曲線，從而保證從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)

110、的平穩(wěn)性。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 成大先 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第三版、第一卷）[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1994</p><p>　　[2] 張柱銀，陳思義，明興祖.數(shù)控原理與數(shù)控機(jī)床[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.</p><p>　　[3] 彭晉

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