畢業(yè)設(shè)計 數(shù)控機床的自動換刀裝置設(shè)計

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計論文</b></p><p>　　論文題目： 數(shù)控機床的自動換刀裝置設(shè)計 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　90年代以來，數(shù)控加工技術(shù)得到迅速的普及及發(fā)展，高速加工中心作為新

2、時代數(shù)控機床的代表，已在機床領(lǐng)域廣泛使用。</p><p>　　加工中心是一種備有刀庫并能自動換刀對工件進行多工序加工的數(shù)控機床。它是適應(yīng)省力、省時和節(jié)能的時代要求發(fā)展起來的，它綜合了機械技術(shù)、電子技術(shù)、計算機軟件技術(shù)、氣動技術(shù)、拖動技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、測量及傳感技術(shù)以及通訊診斷、刀具和應(yīng)用編程技術(shù)為一身的高科技產(chǎn)品。而刀庫是一臺加工中心關(guān)鍵的、必不可少的組成部分，刀庫的功能是儲存加工工序所需的各種刀具，并按程序

3、T指令，把將要用的刀具準確地送到換刀位置，并接受從主軸送來的已用刀具。刀庫的儲存量一般在8～64把范圍內(nèi)，多的可達100～200把。加工中心刀庫的形式很多，結(jié)構(gòu)也各不相同，最常用的有圓盤式刀庫、鏈式刀庫和格子盒式刀庫。</p><p>　　盤形刀庫為最常用的一種形式，每一刀座均可存放一把刀具。盤形刀庫的儲存量一般為15～40把。盤形刀庫的種類甚多，刀庫的刀具軸線可以按不同的方向配置。單盤式刀庫的結(jié)構(gòu)簡單，取刀也較

4、方便，因此應(yīng)用最為廣泛。</p><p>　　本設(shè)計的題目是數(shù)控機床的自動換刀裝置設(shè)計。以加工中心為對象，通過分析加工中心的整體結(jié)構(gòu)和自動換刀系統(tǒng)的特點、應(yīng)用條件、設(shè)計要求等，并結(jié)合在數(shù)控機床上對刀庫和換刀機械手的需要，能在數(shù)控程序的控制下靈活的實現(xiàn)換刀過程。設(shè)計的刀庫為盤式刀庫，驅(qū)動裝置采用電機液壓驅(qū)動；設(shè)計的換刀機械手為回轉(zhuǎn)式單臂雙手機械手，手指采用彈簧銷壓緊式，驅(qū)動裝置采用液壓雙作用缸。結(jié)合工廠實際，該自動

5、換刀系統(tǒng)在數(shù)控的控制下能靈活的完成換刀程序，節(jié)省了時間、提高了效率、安全可靠。</p><p>　　關(guān)鍵詞：加工中心，盤形刀庫，數(shù)控</p><p><b>　　、</b></p><p><b>　　、、</b></p><p><b>　　目 錄</b></p&

6、gt;<p><b>　　1概述8</b></p><p>　　1.1數(shù)控機床發(fā)展現(xiàn)狀8</p><p>　　1.1.1國際數(shù)控機床的發(fā)展狀況8</p><p>　　1.1.2國內(nèi)控機床的發(fā)展狀況9</p><p>　　1.1.3數(shù)控機床技術(shù)的發(fā)展趨勢11</p><p>

7、　　1.2加工中心12</p><p>　　1.2.1加工中心的組成12</p><p>　　1.2.2加工中心的特點13</p><p>　　1.2.3加工中心的分類15</p><p>　　1.2.4加工中心的發(fā)展方向17</p><p>　　2加工中心自動換刀系統(tǒng)方案確定19</p>&

8、lt;p>　　2.1加工中心自動換刀系統(tǒng)概述19</p><p>　　2.2自動換刀系統(tǒng)方案確定19</p><p>　　2.2.1刀庫方案的確定19</p><p>　　2.2.2換刀機械手方案的確定23</p><p><b>　　3刀庫的設(shè)計28</b></p><p>　　

9、3.1刀庫容量的確定28</p><p>　　3.2刀庫的轉(zhuǎn)位28</p><p>　　3.3刀庫的夾刀機構(gòu)30</p><p>　　4換刀機械手的設(shè)計31</p><p>　　4.1機械手的各種運動的分析31</p><p>　　4.1.1手臂的伸縮運動31</p><p>　　4

10、.1.2手爪的開合運動32</p><p>　　4.1.3回轉(zhuǎn)運動33</p><p>　　4.1.4直線運動33</p><p>　　4.2設(shè)計計算34</p><p>　　4.2.1手爪夾緊力的計算34</p><p>　　4.2.2齒輪的設(shè)計34</p><p>　　4.2.3

11、軸的設(shè)計37</p><p><b>　　5運動仿真41</b></p><p><b>　　6結(jié)論44</b></p><p><b>　　參考文獻45</b></p><p><b>　　致謝46</b></p><p&g

12、t;<b>　　1 概述</b></p><p>　　數(shù)控技術(shù)是先進制造技術(shù)的核心，是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、智能化和集成化的基礎(chǔ)。數(shù)控機床工業(yè)在國民經(jīng)濟中占有重要的地位，是衡量一個國家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國力的重要標志。</p><p>　　機床是發(fā)展機械制造業(yè)乃至整個工業(yè)必不可少的復(fù)雜生產(chǎn)工具，既是生產(chǎn)要素，又是重要的商品。而數(shù)控機床是機電一體化現(xiàn)代機床

13、，對復(fù)雜件、難削件的加工起到重要作用，又特別適合于中小批多品種柔性生產(chǎn)。在大批大量生產(chǎn)自動化實現(xiàn)之后，必須要努力發(fā)展中小批多品種柔性生產(chǎn)自動化，以適應(yīng)社會產(chǎn)品多樣化的需求?！　?shù)控機床的發(fā)展在很大程度上取決于數(shù)控系統(tǒng)的性能和水平，而數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及其技術(shù)基礎(chǔ)離不開微電子技術(shù)和計算機技術(shù)。隨著計算機及其軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺趨于一致化，而控制系統(tǒng)軟件的競爭日益加劇。</p><p>　　1.1數(shù)

14、控機床發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　1.1.1國際數(shù)控機床的發(fā)展狀況</p><p>　　隨著商品市場的國際化，各國數(shù)控機床市場的聯(lián)系越來越緊密，相互之間的影響也越來越大。下面列舉德國、日本、和韓國等三個國家的數(shù)控機床發(fā)展狀況，從中可一窺國際數(shù)控機床的發(fā)展狀況。</p><p><b>　　德國：創(chuàng)歷史新高</b></p><

15、;p>　　2006年，德國機床業(yè)界的生產(chǎn)與服務(wù)總值高達108億歐元，增長4%。在出口方面，截至2006年，德國機床制造業(yè)已連續(xù)4年取得上好成績，僅2006年前9月的出口增幅便高達13%。來自中國市場的需求超過了美國市場，再度成為德國機床出口的最大海外市場。 與此同時，德國對韓國與印度的機床出口也有出色表現(xiàn)。這標志著亞洲市場的繁榮及其各個行業(yè)工業(yè)標準的提高。日本用戶也在增加對德國機床與技術(shù)的訂購，2006年日本首次躍居德國15大出口

16、市場之一。</p><p>　　進口方面，亞洲的機床生產(chǎn)企業(yè)正不斷提升技術(shù)標準，著力強化其在德國市場中的地位。2006年前3個季度，德國的機床進口增長率高達15%，主要增量來自中國、韓國、中國臺灣與日本。 2007年該國機床生產(chǎn)與服務(wù)總值還將繼續(xù)攀升，達115億歐元。如此一來，德國機床制造業(yè)將取得歷史以來的最好成績，并有望打破行業(yè)在2001年所創(chuàng)下的最高記錄。</p><p>　　日本：細

17、水長流式的景氣復(fù)蘇</p><p>　　截至2006年年底，日本機床業(yè)已連續(xù)32個月每月訂貨額超過1000億日元，超過了上世紀90年最高峰時連續(xù)22個月訂貨額超過1000億日元的記錄。其他的統(tǒng)計數(shù)字為:2006年機床工業(yè)生產(chǎn)總值達1兆2110億日元，與訂貨額基本呈現(xiàn)同樣的發(fā)展趨勢，出口額9255億日元，同比增長14%，進口額1356億日元，同比增長26%。 回顧以2002年為谷底的本次恢復(fù)期的機床工業(yè)訂貨額情況，

18、2002年為6758億日元，同比增長14.3%;2003年為8511億日元，同比增長25.9%;2004年為1兆2362億日元，同比增長45.2%;2005年為1兆3632億日元，同比增長10.3%;2006年的訂貨額遠遠超出了當初的預(yù)測值1兆1200億日元，達到1兆4370億日元，同比增長54%，創(chuàng)造了16年來的歷史新高，繼續(xù)著細水長流式的景氣復(fù)蘇。</p><p>　　韓國：出口良好，內(nèi)需萎縮</p&g

19、t;<p>　　2006年韓國機床產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值達到41.4億美元，估計比前年增長了18%。按階段可分為：上半年良好、下半年停滯，表現(xiàn)為出口良好、內(nèi)需萎縮的景象。 按照不同行業(yè)需求形態(tài)來看，以中小企業(yè)為主的鑄造模具行業(yè)的需求，由于內(nèi)需的不景氣呈現(xiàn)出了全面的萎縮，而電氣電子行業(yè)沒能追加大量的投資，比前年有所減少。然而對業(yè)績輝煌的造船業(yè)來講，需求十分活躍，對大型機械的需求大大增加。汽車行業(yè)雖然因受到現(xiàn)代汽車公司的罷工影響多少有所

20、萎縮，但通過汽車廠商的海外拓展及GM大宇、雷諾三星的投資相對擴大，基本保持了前年的水平。</p><p>　　1.1.2國內(nèi)數(shù)控機床的發(fā)展狀況</p><p>　　隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，世界機床業(yè)已進入了以數(shù)字化制造技術(shù)為核心的機電一體化時代，其中數(shù)控機床就是代表產(chǎn)品之一。數(shù)控機床是制造業(yè)的加工母機和國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)。它為國民經(jīng)濟各個部門提供裝備和手段，具有無限放大的經(jīng)濟與社會效應(yīng)。目

21、前，歐、美、日等工業(yè)化國家已先后完成了數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)化進程，而中國從20世紀80年代開始起步，仍處于發(fā)展階段。</p><p>　　“十五”期間，中國數(shù)控機床行業(yè)實現(xiàn)了超高速發(fā)展。其產(chǎn)量2001年為17521臺，2002年24803臺，2003年36813臺，2004年51861臺，2004年產(chǎn)量是2000年的3.7倍，平均年增長39％；2005年國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)量59639臺，接近6萬臺大關(guān)，是“九五”末期的4.2

22、4倍?！笆濉逼陂g，中國機床行業(yè)發(fā)展迅猛的主要原因是市場需求旺盛。固定資產(chǎn)投資增速快、汽車和機械制造行業(yè)發(fā)展迅猛、外商投資企業(yè)增長速度加快所致。</p><p>　　2006年，中國數(shù)控金切機床產(chǎn)量達到85756臺，同比增長32.8%，增幅高于金切機床產(chǎn)量增幅18.4個百分點，進而使金切機床產(chǎn)值數(shù)控化率達到37.8%，同比增加2.3個百分點。此外，數(shù)控機床在外貿(mào)出口方面亦業(yè)績驕人，全年實現(xiàn)出口額3.34億美元，同

23、比增長63.14%，高于全部金屬加工機床出口額增幅18.58個百分點。</p><p>　　2007年，中國數(shù)控金切機床產(chǎn)量達123,257臺，數(shù)控金屬成形機床產(chǎn)量達3,011臺；國產(chǎn)數(shù)控機床擁有量約50萬臺，進口約20萬臺。</p><p>　　2008年10月，中國數(shù)控機床產(chǎn)量達105,780臺，比2007年同比增長2.96％。</p><p>　　長期以來，國

24、產(chǎn)數(shù)控機床始終處于低檔迅速膨脹，中檔進展緩慢，高檔依靠進口的局面，特別是國家重點工程需要的關(guān)鍵設(shè)備主要依靠進口，技術(shù)受制于人。究其原因，國內(nèi)本土數(shù)控機床企業(yè)大多處于“粗放型”階段，在產(chǎn)品設(shè)計水平、質(zhì)量、精度、性能等方面與國外先進水平相比落后了5—10年；在高、精、尖技術(shù)方面的差距則達到了10—15年。同時中國在應(yīng)用技術(shù)及技術(shù)集成方面的能力也還比較低，相關(guān)的技術(shù)規(guī)范和標準的研究制定相對滯后，國產(chǎn)的數(shù)控機床還沒有形成品牌效應(yīng)。同時，中國的數(shù)

25、控機床產(chǎn)業(yè)目前還缺少完善的技術(shù)培訓(xùn)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等支撐體系，市場營銷能力和經(jīng)營管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主創(chuàng)新能力，完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)少之又少，制約了數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。</p><p>　　國外公司在中國數(shù)控系統(tǒng)銷量中的80％以上是普及型數(shù)控系統(tǒng)。如果我們能在普及型數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品快速產(chǎn)業(yè)化上取得突破，中國數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)就有望從根本上實現(xiàn)戰(zhàn)略反擊。同時，還要建立起比較完備的高檔數(shù)控系統(tǒng)的自主創(chuàng)新體系，

26、提高中國的自主設(shè)計、開發(fā)和成套生產(chǎn)能力，創(chuàng)建國產(chǎn)自主品牌產(chǎn)品，提高中國高檔數(shù)控系統(tǒng)總體技術(shù)水平。</p><p>　　“十一五”期間，中國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)將步入快速發(fā)展期，中國數(shù)控機床行業(yè)面臨千載難逢的大好發(fā)展機遇，根據(jù)中國數(shù)控車床1996—2005年消費數(shù)量，通過模型擬合，預(yù)計2009年數(shù)控車床銷售數(shù)量將達8.9萬臺，年均增長率為16.5%。根據(jù)中國加工中心1996—2005年消費增長模型，預(yù)計2009年加工中心消

27、費數(shù)量將達2.8萬臺，較2005年年均增長率為17.8%。</p><p>　　1.1.3數(shù)控機床技術(shù)的發(fā)展趨勢</p><p>　　高速、精密、復(fù)合、智能和綠色是數(shù)控機床技術(shù)發(fā)展的總趨勢，近幾年來，在實用化和產(chǎn)業(yè)化等方面取得可喜成績。主要表現(xiàn)在：</p><p>　　1、機床復(fù)合技術(shù)進一步擴展</p><p>　　隨著數(shù)控機床技術(shù)進步，復(fù)合

28、加工技術(shù)日趨成熟，包括銑—車復(fù)合、車銑復(fù)合、車—鏜—鉆—齒輪加工等復(fù)合，車磨復(fù)合，成形復(fù)合加工、特種復(fù)合加工等，復(fù)合加工的精度和效率大大提高?！耙慌_機床就是一個加工廠”、“一次裝卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，復(fù)合加工機床發(fā)展正呈現(xiàn)多樣化的態(tài)勢。 </p><p>　　2、智能化技術(shù)有新突破</p><p>　　數(shù)控機床的智能化技術(shù)有新的突破，在數(shù)控系統(tǒng)的性能上得到了較多體現(xiàn)。如：自

29、動調(diào)整干涉防碰撞功能、斷電后工件自動退出安全區(qū)斷電保護功能、加工零件檢測和自動補償學(xué)習(xí)功能、高精度加工零件智能化參數(shù)選用功能、加工過程自動消除機床震動等功能進入了實用化階段，智能化提升了機床的功能和品質(zhì)。 </p><p>　　3、機器人使柔性化組合效率更高</p><p>　　機器人與主機的柔性化組合得到廣泛應(yīng)用，使得柔性線更加靈活、功能進一步擴展、柔性線進一步縮短、效率更高。機器人與加

30、工中心、車銑復(fù)合機床、磨床、齒輪加工機床、工具磨床、電加工機床、鋸床、沖壓機床、激光加工機床、水切割機床等組成多種形式的柔性單元和柔性生產(chǎn)線已經(jīng)開始應(yīng)用。</p><p>　　4、精密加工技術(shù)有了新進展</p><p>　　數(shù)控金切機床的加工精度已從原來的絲級（0.01mm）提升到目前的微米級（0.001mm），有些品種已達到0.05μm左右。超精密數(shù)控機床的微細切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定

31、達到0.05μm左右，形狀精度可達0.01μm左右。采用光、電、化學(xué)等能源的特種加工精度可達到納米級（0.001μm）。通過機床結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、機床零部件的超精加工和精密裝配、采用高精度的全閉環(huán)控制及溫度、振動等動態(tài)誤差補償技術(shù)，提高機床加工的幾何精度，降低形位誤差、表面粗糙度等，從而進入亞微米、納米級超精加工時代。 </p><p>　　5、功能部件性能不斷提高</p><p>　　功能部

32、件不斷向高速度、高精度、大功率和智能化方向發(fā)展，并取得成熟的應(yīng)用。全數(shù)字交流伺服電機和驅(qū)動裝置，高技術(shù)含量的電主軸、力矩電機、直線電機，高性能的直線滾動組件，高精度主軸單元等功能部件推廣應(yīng)用，極大的提高數(shù)控機床的技術(shù)水平。</p><p><b>　　1.2加工中心</b></p><p>　　加工中心是在數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上加上刀庫及自動換刀裝置或多個工作臺，集數(shù)控銑床

33、、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床的功能于一身的一種由計算機來控制的高效、高自動化的機床。工件在一次裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)加工的需要，自動選擇和更換刀具，根據(jù)粗精加工的不同要求自動改變機床主軸的轉(zhuǎn)速、進給量和刀具相對于工件的運動軌跡和其他輔助功能，一次完成多工序的加工。減少了工件的裝夾、測量和機床調(diào)整等時間，使機床的切削時間達到機床開動時間的80%左右（普通機床僅為15%～20%）；同時也減少了工序之間的工件周轉(zhuǎn)、搬運和存放時間，縮短了生產(chǎn)周期，具有明

34、顯的經(jīng)濟效益。加工中心適用于零件形狀比較復(fù)雜、精度要求較高、產(chǎn)品更換頻繁的中小批量生產(chǎn)。</p><p>　　1.2.1加工中心的組成</p><p>　　加工中心自問世至今已有三十多年，世界各國出現(xiàn)了各種類型的加工中心，雖然外形結(jié)構(gòu)各異，但從總體來看主要由以下幾大部分組成。</p><p><b>　　1.基礎(chǔ)部件</b></p>

35、<p>　　基礎(chǔ)部件由床身、立柱和工作臺等組成，它是加工中心的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，主要承受加工中心的靜載荷以及在加工時產(chǎn)生的切削負載，因此必須要有足夠的剛度。這些大件可以是鑄鐵件，也可以是焊接而成的鋼結(jié)構(gòu)件，它們是加工中心體積和質(zhì)量最大的部件。</p><p><b>　　2.主軸部件</b></p><p>　　主軸部件由主軸箱、主軸電動機、主軸和主軸軸承等零件

36、組成。主軸的啟、停和變速等動作均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并且通過裝在主軸上的刀具參與切削運動，是切削加工的功率輸出部件。主軸是加工中心的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣對加工中心的性能有很大影響。</p><p><b>　　3.伺服系統(tǒng)</b></p><p>　　伺服系統(tǒng)主要是進給傳動系統(tǒng)，其作用是把來自數(shù)控裝置的信號轉(zhuǎn)換為機床移動部件的運動，其性能是決定機床的加工精度、表面精度、

37、表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率的主要因素之一。加工中心普遍采用半閉環(huán)、閉環(huán)和開環(huán)三種控制方式。</p><p>　　4.數(shù)控系統(tǒng)（CNC）</p><p>　　加工中心的數(shù)控部分是由CNC裝置、可編程控制器、伺服驅(qū)動裝置以及操作面板等組成。它是執(zhí)行順序控制動作和完成加工過程的控制中心。</p><p>　　5.自動換刀系統(tǒng)（ATC）</p><p>　　

38、自動換刀系統(tǒng)是由刀庫、機械手等部件組成。當需要換刀時，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令，由機械手（或通過其他方式）將刀具從刀庫內(nèi)取出裝入主軸孔中。</p><p><b>　　6.輔助裝置</b></p><p>　　輔助裝置包括潤滑、冷卻、排屑、防護、液壓、氣動和檢測系統(tǒng)等部分。這些裝置雖然不直接參與切削運動，但對加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起著保障作用，因此也是加工中心不

39、可缺少的部分。</p><p>　　1.2.2加工中心的特點</p><p><b>　　1.結(jié)構(gòu)特點</b></p><p>　?。?） 機床的剛度高、抗振性好。為了滿足加工中心高自動化、高速度、高精度、高可靠性的要求，加工中心的靜剛度、動剛度和機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的阻尼比都高于普通機床。</p><p>　?。?）機床的傳動

40、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，傳遞精度高，速度快。加工中心傳動裝置主要有三種，即滾珠絲杠副；靜壓蝸桿——蝸輪條；預(yù)加載荷雙齒輪——齒條。它們由伺服電機直接驅(qū)動，省去齒輪傳動機構(gòu)，傳遞精度高，速度快。一般速度可達15m/min，最高可達100m/min。</p><p>　?。?） 主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無齒輪箱變速系統(tǒng)（特殊的也只保留1～2級齒輪傳動）。主軸功率大，調(diào)速范圍寬，并可無級調(diào)速。目前加工中心95%以上的主軸傳動都采用交流

41、伺服系統(tǒng)，速度可從（10～2000）r/min無級變速。</p><p>　?。?） 加工中心的導(dǎo)軌都采用了耐磨損材料和新的結(jié)構(gòu)，能長期地保持導(dǎo)軌的精度，在高速切削下，保證運動部件不振動，低速進給時保證不爬行及運動中的高靈敏度。</p><p>　?。?） 設(shè)置有刀庫和換刀機構(gòu)。具有儲存加工所需刀具的刀庫，它用于儲存刀具并根據(jù)要求將各工序所用的刀具運送到取刀位置；具有自動裝卸刀具的機械手。

42、這是加工中心與數(shù)控銑床和數(shù)控鏜床的主要區(qū)別，使加工中心的功能和自動化加工的能力更強了。加工中心的刀庫容量少的有幾把，多的達幾百把。這些刀具通過換刀機構(gòu)自動調(diào)用和更換，也可以通過控制系統(tǒng)對刀具壽命進行管理。</p><p>　?。?） 具有主軸準停機構(gòu)、刀桿自動夾緊松開機構(gòu)和刀柄切屑自動清理裝置。這是加工中心機床主軸部件中三個主要組成部分，也是加工中心機床能夠順利地實現(xiàn)自動換刀所需具備的結(jié)構(gòu)保證。此外，還具有自動排

43、屑、自動潤滑、自動報警和工作臺自動交換的系統(tǒng)等。</p><p><b>　　2.加工特點</b></p><p>　?。?） 全封閉防護，加工精度高。加工中心同其他數(shù)控機床一樣具有加工精度高的特點，而且加工中心由于加工工序集中，避免了長工藝流程，減少了人為干擾，故加工精度更高，加工質(zhì)量更加穩(wěn)定。</p><p>　?。?）能自動進行刀具更換，

44、加工生產(chǎn)率高。零件加工所需要的時間包括機動時間與輔助時間兩部分。加工中心帶有刀庫和自動換刀裝置，在一臺機床上能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和機床的調(diào)整時間，減少工件半成品的周轉(zhuǎn)、搬運和存放時間，使機床的切削利用率（切削時間和開動時間之比）高于普通機床3～4倍，達80%以上。</p><p>　?。?） 工序集中，加工連續(xù)進行。加工中心備有刀庫并能自動更換刀具，對工件進行多工序加工，使得工件在一次裝夾

45、后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機床按不同工序自動選擇和更換刀具，自動改變主軸轉(zhuǎn)速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡以及其他輔助功能，現(xiàn)代加工中心更大程度地使工件在一次裝夾后實現(xiàn)更多表面、多特征、多工位的連續(xù)、高效、高精度加工，即工序集中。這是加工中心最突出的特點。</p><p>　　（4）加工中心能自動改變機床主軸轉(zhuǎn)速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡及其他輔助機能。</p><p>　?。?）操作者的

46、勞動強度減輕。加工中心對零件的加工是按事先編好的程序自動完成的，操作者除了操作鍵盤、裝卸零件、進行關(guān)鍵工序的中間測量以及觀察機床的運行之外，不需要進行繁重的重復(fù)性手工操作，勞動強度和緊張程度均可大為減輕，勞動條件也得到很大的改善。</p><p>　?。?）功能強大，趨向復(fù)合加工，對加工對象的適應(yīng)性強。加工中心生產(chǎn)的柔性不僅體現(xiàn)在對特殊要求的快速反應(yīng)上，而且能快速實現(xiàn)批量生產(chǎn)，提高市場競爭能力。</p>

47、;<p>　?。?）經(jīng)濟效益高，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。使用加工中心加工零件時，分攤在每個零件上的設(shè)備費用是較昂貴的，但在單件、小批量生產(chǎn)的情況下，可以節(jié)省許多其他方面的費用，因此能獲得良好的經(jīng)濟效益。并且用加工中心加工零件，能夠準確地計算零件的加工工時，并有效地簡化了檢驗和工裝夾具、半成品的管理工作。這些特點有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。</p><p>　　由于加工中心具有上述機能，因而可以大大減少工

48、件裝夾、測量和機床調(diào)整時間，減少工件的周轉(zhuǎn)、搬運和存放時間，使機床的切削時間利用率高于普通機床3～4倍，大大提高了生產(chǎn)率，尤其是在加工形狀比較復(fù)雜、精度要求較高、品種更換頻繁的工件時，更具有良好的經(jīng)濟性。</p><p>　　1.2.3加工中心的分類</p><p>　　1.按加工的范圍分類</p><p>　　按加工的范圍可分為：車削加工中心、鉆削加工中心、鏜銑加

49、工中心、磨削加工中心、電火花加工中心等。一般鏜銑類加工中心簡稱加工中心。</p><p>　　2.按加工中心布局方式分類</p><p>　　按加工中心布局方式分類有以下4種。</p><p>　　（1）臥式加工中心。臥式加工中心是指主軸軸線為水平狀態(tài)設(shè)置的加工中心，通常都帶有可進行分度的回轉(zhuǎn)運動的正方形分度工作臺。臥式加工中心一般具有3～5個運動坐標，常見的是3個

50、直線運動坐標（沿X,Y,Z軸方向）加一個回轉(zhuǎn)運動坐標（回轉(zhuǎn)工作臺），它能夠使工件在一次裝夾后完成除安裝面和頂面以外的其余4個面的加工，最適合箱體類零件的加工。</p><p>　　臥式加工中心的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積大，重量大，價格也比較高。</p><p>　?。?）立式加工中心。立式加工中心是指主軸軸線為垂直狀態(tài)設(shè)置的加工中心，其結(jié)構(gòu)形式多為固定立柱式，工作臺為長方形，無分度回轉(zhuǎn)功能，適合

51、加工盤類零件，具有3個直線運動坐標（沿X,Y,Z軸方向），如在工作臺上安裝一個水平軸的數(shù)控回轉(zhuǎn)臺，可用來加工螺旋線類零件。</p><p>　　與臥式加工中心相比較，立式加工中心的結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、價格低。</p><p>　?。?）龍門式加工中心。龍門式加工中心形狀與龍門銑床相似，主軸多為垂直設(shè)置。帶有自動換刀裝置及可更換的主軸頭附件，數(shù)控裝置的軟件功能也比較齊全，能夠一機多用。龍門

52、型布局具有結(jié)構(gòu)剛性好，容易實現(xiàn)熱對稱性設(shè)計,尤其適用于大型或形狀復(fù)雜的工件，如航天工業(yè)及大型汽輪機上的某些零件的加工。</p><p>　　(4)萬能加工中心（復(fù)合加工中心）。具有立式和臥式加工中心的功能，工件一次裝夾后能完成除安裝面外的所有側(cè)面和頂面（5個面）的加工，也稱五面加工中心。常見的五面加工中心有兩種形式，一種是主軸可實現(xiàn)立、臥轉(zhuǎn)換；另一種是主軸不改變方向，工作臺帶著工件旋轉(zhuǎn)90°完成對工件5

53、個表面的加工。</p><p>　　由于五面加工中心結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地面積大、造價高，因此它的使用和生產(chǎn)在數(shù)量上遠不如其他類型的加工中心。</p><p><b>　　3.按換刀形式分類</b></p><p>　　按換刀形式分類有以下2種。</p><p>　　（1）帶刀庫機械手的加工中心。加工中心的換刀裝置（ATC）是由

54、刀庫和機械手組成的，機械手完成換刀工作。這是加工中心最普遍的形式。</p><p>　?。?）無機械手的加工中心。加工中心的換刀是通過刀庫和主軸箱的配合動作來完成的，刀庫中刀具存放的位置方向與主軸裝刀方向一致。換刀時，主軸運動到刀位上的換刀位置，由主軸直接取走或放回刀具，多采用40號以下刀柄的小型加工中心。</p><p><b>　　4.按數(shù)控系統(tǒng)分類</b><

55、;/p><p>　　按數(shù)控系統(tǒng)分類，有2坐標加工中心、3坐標加工中心和多坐標加工中心；有半閉環(huán)加工中心和全閉環(huán)加工中心。</p><p>　　1.2.4加工中心的發(fā)展方向</p><p>　　加工中心目前發(fā)展的方向主要有高速化、進一步提高精度和功能完善等方向。</p><p><b>　　1.高速化</b></p>

56、;<p>　　加工中心的高速化，主要是指主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、自動換刀和自動交換工作的高速化。</p><p><b>　　2.進一步提高精度</b></p><p>　　使工件加工精度逐漸接近坐標鏜床。</p><p><b>　　3．功能越來越完善</b></p><p>　　加工中

57、心功能的完善首先表現(xiàn)在愈來愈完善的自診斷功能。為了盡可能減少加工中的故障，現(xiàn)代加工中心大多配備完善的自診斷功能。例如，位置檢測傳感器、刀具破損檢測裝置、切削異常檢測功能、適應(yīng)控制功能、備用刀具選擇功能、溫度傳感器、聲傳感器和電流傳感器等。這些功能和傳感器，使機床具有一定的人工智能。</p><p><b>　　4.控制智能化</b></p><p>　?。?）加工過程

58、自適應(yīng)控制技術(shù)。</p><p>　　（2）加工參數(shù)智能化與選擇。</p><p>　?。?）智能故障自診斷和自修復(fù)技術(shù)。</p><p><b>　　5.體系開放化</b></p><p>　?。?）向未來技術(shù)開放。</p><p>　?。?）向用戶特殊要求開放。</p><

59、p>　?。?）數(shù)控標準的建立。</p><p><b>　　6.驅(qū)動并聯(lián)化</b></p><p>　　7.極端化（大型化和微型化）</p><p><b>　　8.信息交互網(wǎng)絡(luò)化</b></p><p>　　9.新型功能部件的研制</p><p><b>　

60、　10.高可靠性</b></p><p>　　11.加工過程的綠色化</p><p>　　12.多媒體技術(shù)的應(yīng)用</p><p>　　2 加工中心自動換刀系統(tǒng)方案確定</p><p>　　2.1加工中心自動換刀系統(tǒng)概述</p><p>　　加工中心要完成對工件的多工序加工，必須要在加工過程中自動更換刀具，為

61、完成這項工作而設(shè)置的儲存及更換刀具的系統(tǒng)統(tǒng)稱為自動換刀系統(tǒng)。自動換刀系統(tǒng)中的刀庫，換刀的可靠性，即換刀速度直接影響到加工中心的工作效率。</p><p>　　利用刀庫換刀，是目前加工中心中大量使用的換刀方式。由于有了刀庫，機床只要一個固定主軸夾持刀具，有利于提高主軸剛度。獨立的刀庫大大增加了刀具的儲存數(shù)量，有利于擴大機床的功能，并能較好地減少各種影響加工精度的干擾。</p><p>　　2

62、.2自動換刀系統(tǒng)方案確定</p><p>　　2.2.1刀庫方案的確定</p><p>　　刀庫式換刀裝置有一個存儲刀具的刀庫，機床只需一個夾持刀具進行切削的刀具主軸（鉆，膛，銑類機床）或刀架（車床類機床）。當需要某一刀具進行切削加工時，將該刀具自動地從刀庫轉(zhuǎn)置至機床主軸或刀架中；在切削完畢后，又將用過的刀具自動的從機床主軸或刀架移回刀庫中。由于在換刀過程中刀具需要在多個部件之間進行轉(zhuǎn)換，

63、所以各部件的動作必需準確協(xié)調(diào)。</p><p>　　刀庫中刀具的數(shù)目可根據(jù)工藝要求與機床的結(jié)構(gòu)布局而定，數(shù)量可較多。刀庫的儲存量一般在8～64把范圍內(nèi)，多的可達10～200把。</p><p>　　刀庫可布置在遠離加工區(qū)的地方，從而消除了它與工件發(fā)生干涉的可能性。</p><p>　　刀庫不承受切削加工的作用力，它的工作條件比較好。</p><p

64、>　　機床的主軸或刀架的尺寸不象刀塔那樣的受限制，這樣就有可能提高主軸或刀架的剛度。從而有利于提高機床的加工精度。</p><p>　　采用這種自動換刀方式的刀具主軸或刀架，需要自動夾緊、放松刀具的機構(gòu)及其驅(qū)動傳力機構(gòu)。另外，還常需要清潔刀柄及刀孔、刀座的裝置，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，換刀時間一般也比較長。</p><p>　　“自動換刀過程時間”包括下述動作的時間：一個工序加工完畢后，刀具快

65、速退離工件，從加工位置退到換刀位置（同時主軸準停）；進行新舊刀具的交換；然后松開主軸（消除準停）、變速、主軸啟動旋轉(zhuǎn)并快速趨近加工位置，用更新的新刀具開始下一工序的加工。</p><p>　　由于這種自動換刀裝置是用于多工序零件加工，換刀頻繁，如果每一次的“自動換刀過程時間”稍長一點，多次換刀所積累的結(jié)果就會相當可觀，就不能顯著提高生產(chǎn)效率，因此，在設(shè)計條件允許的情況下，應(yīng)盡可能縮短“自動換刀過程時間”。中型機床

66、，每次換刀時間一般在10秒左右，當然，在自動換刀過程的各個動作中，有些動作如刀具快速退離和快速接近工件所需時間，尚與工件加工面具體位置有關(guān)，不完全決定于設(shè)計者。但有些動作如進行新舊刀具交換所需要的“換刀時間”，則可基本上由機床設(shè)計者所決定。這種“換刀時間”有的已降低至2.5秒或更少，一般約為5秒。</p><p>　　2.2.1.1鏈式刀庫</p><p>　　鏈式刀庫包括單環(huán)鏈和多環(huán)鏈

67、, 鏈環(huán)形式可有多種變化，如圖2—1（a）、（b）、（c）</p><p>　?。╝） （b） （c） </p><p><b>　　圖2—1 </b></p><p>　　圖2—2是方形刀庫的典型結(jié)構(gòu)示意圖。主動鏈輪由伺服電動機通過蝸輪減速裝置驅(qū)動（根據(jù)需要，還可以經(jīng)過齒輪副傳動

68、）。這種傳動方式，不僅在鏈式刀庫中采用，在其他形式的刀庫傳動中，也多采用。</p><p>　　導(dǎo)向輪一般做成光輪，圓周表面硬化處理。兼起張緊輪作用的左側(cè)兩個導(dǎo)輪，其輪座必須帶有導(dǎo)向槽（或?qū)蜴I），以免松開安裝螺釘時，輪座位置歪扭，對張緊調(diào)節(jié)帶來麻煩。回零撞塊可以裝在鏈條的任意位置上，而回零開關(guān)則安裝在便于調(diào)整的位置上。這時處于機械手抓刀位置的刀套，編號為1號，然后依次編上其他刀號。刀庫回零時，只能從一個方向回零

69、，至于是順時針回轉(zhuǎn)回零，還是逆時針回轉(zhuǎn)回零，可由機電設(shè)計人員商定。</p><p>　　圖2—2 方形鏈式刀庫示意圖</p><p>　　如果刀套不能準確地停在換刀位置上，將會使換刀機械手抓刀不準，以致在換刀時容易發(fā)生掉刀現(xiàn)象。因此，刀套的準停問題將是影響換刀動作可靠性的重要因素之一。為了確保刀套準確地停在換刀位置上，需要采取如下措施：</p><p>　　定位盤

70、準停方式，由液壓缸推動的定位銷插入定位盤的定位槽內(nèi)，以實現(xiàn)刀套的準停，或采取定位塊進行快速定位。刀位盤上的每個定位槽（或定位孔），對應(yīng)于一個相應(yīng)的刀套，而且定位槽（或定位孔）的節(jié)距要一致。這種準停方式的優(yōu)點是能有效地消除傳動鏈反向間隙的影響，保護傳動鏈，使其免受換刀撞擊力，驅(qū)動電動機可不用制動自鎖裝置。</p><p>　　鏈式刀庫要選用節(jié)距精確度較高的套筒滾子鏈和鏈輪，而且在把套筒裝在鏈條上時，要用專用夾具來定

71、位，以保證刀套節(jié)距一致。</p><p>　　傳動時要消除傳動間隙。消除反向間隙方法有以下幾種：電氣系統(tǒng)自動補償方式，在鏈輪軸上安裝編碼器，單頭雙導(dǎo)程蝸桿傳動方式，使刀套單方向運行、單方向定位以及使刀套雙向運行、單向定位方式等。</p><p>　　鏈式刀庫有如下特點：適用于刀庫容量較大的場合，所占的空間小。一般適用于刀具數(shù)在30～120把的刀庫。僅增加鏈條長度即可增加刀具數(shù)，可以不增加圓

72、周速度，其轉(zhuǎn)動慣量不像盤式刀庫增加的那樣大。</p><p>　　2.2.1.2盤式刀庫</p><p>　　在盤式刀庫結(jié)構(gòu)中，刀具可以沿主軸徑向、軸向、斜向安放，如圖2—3（a）、（b）、（c）。刀具軸向安裝的結(jié)構(gòu)最為緊湊，但為了換刀時刀具與主軸同向，有的刀庫中的刀具需要在換刀位置作90°翻轉(zhuǎn)。在刀庫容量較大時，為在存取方便的同時保持結(jié)構(gòu)緊湊，可采取彈倉式結(jié)構(gòu)，但是較其他形式復(fù)

73、雜。目前大量的刀庫安裝在機床立柱的頂面或側(cè)面。在刀庫容量較大時，也有安裝在單獨的地基上的，以隔離刀庫轉(zhuǎn)動造成的振動。</p><p>　　盤式刀庫的刀具軸線也與圓盤軸線平行，刀具環(huán)形排列，分徑向、軸向兩種取刀方式，其刀座結(jié)構(gòu)不同。這種盤式刀庫結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用較多，適用于刀庫容量較小的情況。為增加刀庫空間利用率，可采用雙環(huán)或多環(huán)排列刀具的形式，但圓盤直徑增大，轉(zhuǎn)動慣量就增加，選刀時間也較長。</p>&

74、lt;p>　?。╝） （b） （c）</p><p><b>　　圖 2—3</b></p><p>　　其他的刀庫形式還有格子盒式刀庫，由于篇幅的限制這里就不再詳細介紹了。經(jīng)過對上述兩種刀庫形式的比較，以及結(jié)合的實際情況，在本設(shè)計中采用盤式刀庫這種結(jié)構(gòu)。</p>

75、<p>　　2.2.2換刀機械手方案的確定</p><p>　　采用機械手進行刀具交換的方式應(yīng)用的最為廣泛，這是因為機械手換刀有很大的靈活性，而且可以減少換刀時間。</p><p>　　2.2.2.1機械手的種類</p><p>　　加工中心換刀機械手的種類繁多，可以說每個廠家都推出自己的獨特的換刀機械手，在加工中心的自動換刀系統(tǒng)中，是機械手具體執(zhí)行刀

76、具的自動更換，對其要求是迅速可靠、準確協(xié)調(diào)。由于加工中心機床的刀庫和主軸，其相對位置距離不同，相應(yīng)的換刀機械手的運動過程也不盡相同，它們由各種形式的機械手來完成。常見的機械手有：</p><p>　　1.單臂單爪回轉(zhuǎn)式機械手</p><p>　　機械手擺動的軸線與刀具主軸平行，機械手的手臂可以回轉(zhuǎn)不同的角度來進行自動換刀，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，如

77、圖2—4所示：</p><p>　　圖2—4 單臂單爪回轉(zhuǎn)式機械手</p><p>　　2.單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機械手</p><p>　　圖2—5 單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機械手</p><p>　　這種機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)行從主軸上取下“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”送到主軸的任務(wù)，其換刀時間

78、較上述單爪回轉(zhuǎn)式機械手要短，如圖2—5所示。</p><p>　　3.雙臂回轉(zhuǎn)式機械手</p><p>　　這種機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)180°之后有同時將刀具歸回刀庫及裝入主軸，是目前加工中心機床上最為常用的一種形式，換刀時間要比前兩種都短，如圖2—6所示：</p><p>　　圖2—6 雙臂回轉(zhuǎn)式機械手</p

79、><p>　　這種機械手在有的設(shè)計中還采用了可伸縮的手臂，如圖2—7所示：</p><p>　　圖2—7 雙臂回轉(zhuǎn)式機械手（手臂可伸縮式）</p><p><b>　　4.雙機械手</b></p><p>　　這種機械手相當與兩個單臂單爪機械手，相互配合起來進行自動換刀。其中一個機械手執(zhí)行拔“舊刀”歸回刀庫，另一個機械手執(zhí)行

80、從刀庫取“新刀”插入機床主軸上，如圖2—8所示：</p><p><b>　　圖2—8 雙機械手</b></p><p>　　5.雙臂往復(fù)交叉式機械手</p><p>　　這種機械手兩臂可往復(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，裝刀機械手執(zhí)行從刀庫取出“新刀”裝入主軸。整個機械手可沿導(dǎo)

81、軌或絲杠作直線移動或</p><p>　　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，如圖2—9所示：</p><p>　　圖2—9 雙臂往復(fù)交叉式機械手</p><p>　　6.雙臂端面夾緊式機械手</p><p>　　這種機械手只是在夾緊部位上和前幾種不同，上述幾種機械手均靠夾緊刀柄的外圓表面來抓住刀具，而此種機械手則是夾緊刀柄的

82、兩個端面，如圖2—10所示：</p><p>　　圖2—10 雙臂端面夾緊式機械手</p><p>　　由于雙臂回轉(zhuǎn)式機械手的動作比較簡單，而且能夠同時抓取和裝卸機床主軸和刀庫上的刀具，換刀時間較短，故我們選用雙臂回轉(zhuǎn)式機械手。</p><p>　　如果我們采用不能伸縮的機械手，由于機械手回轉(zhuǎn)時其手部回轉(zhuǎn)半徑較大，如刀庫中刀具排得較密，可能碰撞刀具，且用這種類型的機

83、械手直接在刀庫與主軸之間換刀，只宜采用順序換刀或刀具編碼式任意選刀，不然，換刀時間將增加。故我們采用手臂可伸縮式的雙臂回轉(zhuǎn)式機械手。</p><p>　　2.2.2.2手爪的選擇</p><p>　　機械手的手爪，大都采用機械鎖刀方式，有些大型加工中心，亦有采用機械加液壓鎖刀方式，以保證大而重的刀具在換刀中不被甩出。現(xiàn)有的手爪形式可分為以下幾種：</p><p>　

84、　1.機械鎖刀手爪——彈簧銷式手爪。使用這種形式的抓持機構(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。但在機械手有旋轉(zhuǎn)運動時，為避免刀具甩脫，手爪就必須有自鎖機構(gòu)。</p><p>　　2.鉗形機械手手爪。這種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。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2—11所示。</p><p>　　3.虎鉗形指。在手爪中設(shè)有定位銷，使刀具在

85、手爪中定位。用這種形式的夾持機構(gòu)時，刀具需經(jīng)特殊補充加工，不能使用標準刀具，所以使用者較少。</p><p>　　圖2—11鉗形機械手手爪</p><p>　　手臂；2—鎖銷；3—止退銷；4—彈簧</p><p>　　5—支點軸；6—手爪；7—鍵；8—螺釘</p><p>　　經(jīng)對比分析，在本設(shè)計中采用第一種手爪形式。</p>

86、<p>　　至此，本設(shè)計中的刀庫、機械手以及手爪形式都已確定，即刀庫采用盤式刀庫，機械手采用手臂可伸縮式的雙臂回轉(zhuǎn)式機械手，手爪形式采用彈簧銷式手爪。</p><p><b>　　3 刀庫的設(shè)計</b></p><p>　　本章將具體設(shè)計本設(shè)計中有關(guān)刀庫部分的具體內(nèi)容，包括刀庫的容量、轉(zhuǎn)位、夾刀機構(gòu)等。</p><p>　　3.1刀庫

87、容量的確定</p><p>　　刀庫的容量首先要考慮加工工藝的需要。例如，立式加工中心的主要工藝為鉆、銑。有資料顯示，在統(tǒng)計了15000種工件，按成組技術(shù)分析，各種加工所必需的刀具數(shù)的結(jié)果是：4把銑刀可完成工件95%左右的銑削工藝，10把孔加工刀具可完成70%的鉆削工藝，因此，14把刀的容量就可完成70%以上的工件鉆銑工藝。如果從完成工件的全部加工所需的刀具數(shù)目統(tǒng)計，所得結(jié)果是80%的工件（中等尺寸，復(fù)雜程度一般

88、）完成全部加工任務(wù)所需的刀具數(shù)在四十種以下，所以一般的中、小型立式加工中心配有14～30把刀具的刀庫就能夠滿足70%～95%的工件加工需要。</p><p>　　根據(jù)以上分析，結(jié)合本設(shè)計的要求，在本設(shè)計方案中設(shè)定刀庫的容量為24把刀。</p><p><b>　　3.2刀庫的轉(zhuǎn)位</b></p><p>　　刀庫的轉(zhuǎn)位機構(gòu)由伺服電機通過消隙齒輪

89、1、2帶動蝸桿3，通過蝸輪4使刀庫轉(zhuǎn)動，如圖3—1所示。蝸桿為右旋雙導(dǎo)程蝸桿，可以用軸向移動到方法來調(diào)整蝸輪副的間隙。壓蓋5內(nèi)孔螺紋與套6相配合，轉(zhuǎn)動套6即可調(diào)整蝸桿的軸向位置，也就調(diào)整了蝸輪副的間隙。調(diào)整好后用螺母7鎖緊。</p><p>　　圖3—1 刀庫轉(zhuǎn)位機構(gòu)</p><p>　　1、2—齒輪；3—蝸桿；4—蝸輪；5—壓蓋；6—套；7—螺母</p><p>

90、　　刀庫的最大轉(zhuǎn)角為180°，根據(jù)所換刀具的位置決定正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)、由控制系統(tǒng)自動判別，以使找刀路徑最短。每次轉(zhuǎn)角大小由位置控制系統(tǒng)控制，進行粗定位，最后由定位銷精確定位。</p><p>　　3.3刀庫的夾刀機構(gòu)</p><p>　　刀庫的夾刀機構(gòu)，即刀庫夾爪，既起著刀套作用，又起著手爪作用。由于刀具在刀庫中大部分時間是出于相對靜止狀態(tài)（只有在刀庫轉(zhuǎn)位時隨刀庫一起運動），所以刀庫的

91、夾刀機構(gòu)的結(jié)構(gòu)都比較簡單，其夾緊力也較小，只需承受刀具本身的自重就可以了。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3—2所示。</p><p><b>　　圖3—2 刀庫夾爪</b></p><p>　　鎖銷；2—頂銷；3—彈簧；4—支點軸；5—手爪；6擋銷</p><p>　　至此，本設(shè)計中刀庫部分已完成。由于刀庫的設(shè)計不是本設(shè)計的重點，所以上述各部分的設(shè)計都以論述

92、為主。</p><p>　　4 換刀機械手的設(shè)計</p><p>　　本章是本設(shè)計的重點內(nèi)容，將具體設(shè)計計算機械手的一些零部件，以及具體分析標準件的選用。</p><p>　　4.1機械手的各種運動的分析</p><p>　　在加工中心換刀的過程中，由機械手完成的動作是最多的，下表是機械手的換刀動作表：</p><p>

93、;　　表4—1 機械手的換刀動作</p><p>　　從表中可以看出，在整個換刀過程中由機械手完成的動作有：手臂的伸縮運動、手爪的開合運動、新舊刀具對換的回轉(zhuǎn)運動、機械手的上下直線運動。下面將具體介紹各個運動。</p><p>　　4.1.1手臂的伸縮運動</p><p>　　手臂伸縮機構(gòu)由回轉(zhuǎn)液壓缸1（見機械手驅(qū)動裝置外形圖），輸出軸47，齒輪44以及齒條39和4

94、5組成（見換刀機械手圖）。當壓力油通過支架28和貫穿花鍵軸30的通孔（見機械手驅(qū)動裝置圖）進入回轉(zhuǎn)液壓缸1時，推動輸出軸47轉(zhuǎn)動，軸上的齒輪44便帶動齒條39和44作直線運動，使兩只機械臂同時伸出，通過齒條39及44上的擋塊52壓向調(diào)整螺釘53來限制終點位置。同時由微動開關(guān)30發(fā)出信號，以進行下一個動作。當回轉(zhuǎn)液壓缸改變油路時，手臂便縮回。</p><p>　　4.1.2手爪的開合運動</p>&l

95、t;p>　　見換刀機械手圖。機械手手臂的頭部帶有固定手爪14與活動手爪18，用來夾持刀柄?；顒邮肿?8可繞小軸15轉(zhuǎn)動，其一端由彈簧桿19作用支靠在小軸20上。當彈簧頂桿3未碰到擋塊13而自由伸出時，擋桿22在彈簧作用下，其一端的斜面與活動手爪18的端部斜面臺階相靠，從而將活動手爪18鎖死。當擋塊13左移，將彈簧頂桿3壓入時，頂桿3的一端迫使杠桿21順時針轉(zhuǎn)動，這樣，杠桿21的一端將擋桿22的斜面自活動手爪18的端部斜面滑開。因此

96、，當活動手爪18伸向刀柄拔刀或插刀后收回時，刀柄表面可使活動手爪18壓縮彈簧而稍微張開，這樣機械爪即可將刀柄抱住或退出。與此同時，齒條44（或39）上的擋桿壓于調(diào)整螺釘而限位，同時微動行程開關(guān)動作發(fā)出下一動作的信號。由于機械爪伸向刀柄拔刀，或插刀后收回，都是當機械手處于軸向向下移動后的位置上進行的。為了使機械手的活動手爪18在這時能從自鎖狀態(tài)下松開，在機床床身立柱上設(shè)有固定桿35，在機械臂的一側(cè)有擋塊裝置。擋塊13、錐孔盤4（在端面上周

97、向均勻分布有4個錐孔）和軸9固定相連，軸9裝于支架12內(nèi)，其右端又與一端蓋10用螺紋固定。當擋塊13未與固定桿35相碰時，錐孔盤4處于與鋼</p><p>　　當機械爪伸出抓住刀柄后，機械手軸向向下伸出，此時擋塊13亦同時離開固定桿35，借彈簧1的作用，將擋塊13拉回原來的錐孔盤4上錐孔與鋼球5相對的原始位置，由彈簧銷11的作用，使擋塊13又移動至錐孔盤4與支架12端面壓緊的位置。這時機械臂上的彈簧頂桿3又自由伸

98、出，將活動手爪18鎖死，保證機械手將刀具拔出后，機械手能將刀具可靠地夾緊。</p><p><b>　　4.1.3回轉(zhuǎn)運動</b></p><p>　　回轉(zhuǎn)運動用來實現(xiàn)新舊刀具位置的交換。由機械手驅(qū)動裝置和機械手驅(qū)動裝置外形圖可見它由手臂14，回轉(zhuǎn)座59組成的。手臂14與花鍵軸58固定連接，花鍵軸與兩個花鍵套筒31相連，后者則由固定在機床立柱上回轉(zhuǎn)座59上的兩個滾動軸

99、承支撐。齒輪41通過花鍵軸套筒安裝在花鍵軸的右端。從回轉(zhuǎn)液壓缸圖可以看到，回轉(zhuǎn)液壓缸缸體8和上端蓋15、下端蓋3、定片28間均用螺釘聯(lián)接，并將它們作為一個整體通過上端蓋固定在立柱上?；剞D(zhuǎn)軸23支承在上、下端蓋上，與動片26固定聯(lián)接，其伸出端通過花鍵軸部分與中間座的齒輪聯(lián)接，向手臂傳遞運動，當液壓缸通入高壓油而使回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，通過傳動齒輪20帶動齒輪41（見機械手驅(qū)動裝置圖）回轉(zhuǎn)，這樣，由花鍵軸58帶動手臂14轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)角相對180

100、76;的兩極限位置，可由螺釘34及39限定，同時由螺栓35及33壓下微動開關(guān)40發(fā)出到位信號，以進行下一個動作。</p><p><b>　　4.1.4直線運動</b></p><p>　　這里的直線運動是指機械手向下和向上的拔、插刀的運動。這一運動由液壓缸（見機械手驅(qū)動裝置外形圖）驅(qū)動來實現(xiàn)的。液壓缸固定于機床上，活塞桿端部有聯(lián)接件與花鍵軸相連。當活塞桿因液壓缸進入

101、高壓油而向下或向上運動時，通過聯(lián)接件即可帶動花鍵軸作直線運動，從而帶動回轉(zhuǎn)頭及機械手臂作向下或向上運動。在液壓缸兩端設(shè)有緩沖裝置，可防止活塞與液壓缸端面的撞擊。當活塞在上下兩極限位置時，都設(shè)有可調(diào)擋塊，由微動開關(guān)作用發(fā)出到位信號。</p><p>　　這種液壓缸活塞驅(qū)動的機械手，每個動作結(jié)束之前均需設(shè)置緩沖機構(gòu)，以保證機械手的工作平穩(wěn)、可靠。緩沖結(jié)構(gòu)可以是小孔節(jié)流，可以外接節(jié)流閥或是緩沖閥等。</p>

102、<p>　　為了使機械手工作平穩(wěn)可靠，除了要設(shè)有緩沖機構(gòu)外，還要考慮盡可能減小機械手的慣量。圓柱體圍繞旋轉(zhuǎn)中心的運動慣量可由下式確定：</p><p>　　式中 ——圓柱體繞其自身中心的慣量（）；——圓柱體的重量（N）；——旋轉(zhuǎn)半徑(m)</p><p>　　由上式可見，慣量與物體重量成正比，與旋轉(zhuǎn)半徑的平方成正比。因此要盡可能采用密度小質(zhì)量輕的材料制造有關(guān)的零件，以減小機

103、械手的回轉(zhuǎn)半徑。</p><p><b>　　4.2設(shè)計計算</b></p><p>　　本部分內(nèi)容將具體介紹相關(guān)零件的設(shè)計計算過程，具體包括手爪夾緊力的計算、齒輪的設(shè)計及軸的設(shè)計等內(nèi)容。下面一一進行介紹。</p><p>　　4.2.1手爪夾緊力的計算</p><p>　　手爪對工件的夾緊力可按下式計算：</p&

104、gt;<p>　　N≥k1k2k3G kg·f</p><p>　　式中k1——安全系數(shù)，通常取1.2～2，我們?nèi)1=1.8；</p><p>　　k2——動載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可按k2＝1＋a/g估算；a為機械手在搬運過程中的加速度，單位為m/s2,a＝9.8m/s2,g為重力加速度，所以這里k2=1；</p><p>　　k

105、3——方位系數(shù)，按《機械工程手冊》（第10卷）表56.2-3選取k3=0.9～1.1，我們?nèi)3=1.0；</p><p>　　G——被夾持刀具的重量，單位kg，這里取G=11kg。</p><p>　　則我們設(shè)計的機械手手爪的夾緊力為：</p><p>　　N≥1.8×1×1.0×11 kg·f = 19.8 kg

106、3;f</p><p>　　4.2.2齒輪的設(shè)計</p><p>　　4.2.2.1齒輪傳動的主要特點</p><p>　　1.效率高 在常用的機械傳動中，以齒輪傳動的效率為最高。如一級圓柱齒輪的效率可達99%。這對大功率傳動十分重要，因為即使效率只提高1%，也有很大的經(jīng)濟效益。</p><p>　　2.結(jié)構(gòu)緊湊 在相同的使用條件下，齒輪

107、傳動所需的空間尺寸一般較小。</p><p>　　3.工作可靠，壽命長 設(shè)計制造正確合理、使用維護良好的齒輪，工作十分可靠，壽命可長達一、二十年，這也是其它機械傳動所不能比擬的。這對車輛及礦井內(nèi)工作的機器尤為重要。</p><p>　　4.傳動比穩(wěn)定 傳動比穩(wěn)定往往是對傳動性能的基本要求。齒輪傳動獲得廣泛應(yīng)用，也就是由于這一特點。</p><p>　　但是齒輪傳

108、動的制造及安裝精度要求高，價格較貴，且不宜用于傳動距離大的場合。</p><p>　　4.2.2.2設(shè)計原則</p><p>　　所設(shè)計的齒輪傳動在具體的工作情況下，必須具有足夠的、相應(yīng)的工作能力，以保證在整個工作壽命期間不致失效。目前設(shè)計一般使用的齒輪傳動時，通常按保證齒根彎曲疲勞強度及保證齒面接觸疲勞強度兩準則進行計算。</p><p>　　設(shè)計齒輪傳動時，應(yīng)使

109、齒面具有較高的抗磨損、抗點蝕、抗膠合及抗塑性變形的能力，而齒根要有較高的抗折斷的能力。因此，對齒輪材料性能的基本要求為：齒面要硬，齒芯要韌。常用的齒輪材料有鋼、鑄鐵和一些非金屬材料。</p><p>　　4.2.2.3設(shè)計步驟</p><p>　　在換刀的過程中，整個機械手的轉(zhuǎn)角為180°，且只經(jīng)過一級齒輪傳動就滿足我們的傳動要求，所以可以直接計算出此處的傳動比，所用公式為：&l

110、t;/p><p>　　φ1/φ2=Z2/（Z1+Z2）</p><p>　　式中 φ1——機械手的回轉(zhuǎn)角度</p><p>　　φ2——回轉(zhuǎn)液壓缸動片的轉(zhuǎn)角</p><p><b>　　Z1——從動輪齒數(shù)</b></p><p><b>　　Z2——主動輪齒數(shù)</b></p

111、><p>　　由于在這里φ1= 180°，φ99=280°，即：</p><p>　　180°/280°= Z2/（Z1+Z2）</p><p>　　解得：兩齒輪的齒數(shù)比μ= Z2/Z1=1.8</p><p>　　一、選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)</p><p>　　1.選用