加工中心自动换刀装置结构设计【加工中心刀库以及机械手设计】【全套含CAD图纸、说明书、三维模型】
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加工中心刀库以及机械手设计
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装订线压缩包内含CAD图纸和三维建模及说明书,咨询Q 197216396 或 11970985 摘要本发明属于加工装置领域，具体涉及数控加工中心的主轴不停转无机械手自动换刀装置。包括主轴、刀柄、刀库和数控系统。主轴具有调速功能、周向位置实时检测与调整功能。刀库包括多个刀位和刀位换位装置、每个刀位包括用来夹持刀具的刀夹、驱动刀具旋转的刀具驱动电机，该主轴不停转自动换刀装置可以实现加工中心主轴上的刀具在主轴不停转的情况和刀库中的刀具进行快速换刀，节约了加工中心加工中的辅助加工时间，提高了数控机床的使用效率，降低了加工成本，应用前景广阔。本论文主要是小型加工中心自动换刀装置的设计。首先介绍了数控加工中心的发展现状以及详细介绍了自动换刀装置的各种结构类型。其次对要设计的换刀装置进行了总体方案设计，确定了设计参数以及换刀形式。最后对其结构进行了设计计算，主要包括了刀库以及换刀机械手的结构设计。机械手选用的是回转式双臂机械手。该装置有效地实现了小型加工中心的换刀过程。关键词：小型加工中心，机械手，自动换刀装置，盘式刀库AbstractThe invention belongs to the processing device field, and specifically relates to a spindle automatically changing tool without changing the spindle of a numerical control machining center. It includes the main shaft, the handle, the tool bank and the numerical control system. The automatic tool changeover device of the spindle can realize the cutting tool on the main shaft of the machining center and the tool in the tool library for fast changing the knife. The auxiliary processing time in machining center improves the efficiency of CNC machine tools, reduces the processing cost and has broad application prospects.This paper is mainly about the design of automatic tool changer for small machining centers. Firstly, the development status of CNC machining center is introduced, and the various structural types of automatic tool changer are introduced in detail. Secondly, the overall design of the tool changer is designed, and the design parameters and tool changing forms are determined. Finally, the structure of the tool is designed and calculated, including the structural design of tool magazine and tool changer. The manipulator is a manipulator with a rotating double arm. The device effectively realizes the tool changing process of small machining centers.Key words: small machining center, manipulator, automatic tool changer, disc magazineVI目录1 绪论11.1加工中心的定义11.2加工中心的发展历程11.3加工中心国内外现状21.4国产加工中心目前存在的问题及未来发展趋势31.5加工中心的分类42 加工中心自动换刀装置概述52.1加工中心自动换刀装置52.1.1带刀库的自动换刀系统52.1.2回转刀架换刀52.1.3更换主轴换刀52.1.4更换主轴箱换刀62.1.5更换刀库换刀62.2刀库以及换刀装置62.2.1刀库的形式72.2.2设计刀库时可能出现的主要问题72.2.3刀具交换装置82.2.4刀具的夹持122.2.5手爪的选择123 总体方案设计143.1 立式加工中心刀库参数设计143.2立式加工中心刀库的形式143.3机械手自动换刀装置的参数设计143.4自动换刀装置机械手的形式154 刀库的设计及计算164.1 刀库刀具容量的确定164.2确定刀库形式164.3 刀库驱动转矩的初步计算及电机的选型164.4确定刀具的选择方式184.5刀库结构设计185 刀具换刀装置的设计195.1换刀机械手抓刀部分结构195.2刀具换刀装置的总体结构的设计205.3 换刀过程分析205.3.1液压分析205.3.2液压驱动转位机构的设计225.3.3液压驱动插拔直线机构的设计285.4 主要零部件的设计计算295.4.1手指结构设计及计算295.4.2轴结构设计及计算345.4.3联轴器的选用及计算36结 论37参 考 文 献39致 谢40附录421 绪论1.1加工中心的定义cnc加工中心，是可以用于加工复杂形状工件的，集高效率以及自动化一体的数控机床，是具备自动换刀功能，应时代的需求发展起来的集各种技术为一体的新型机床。加工中心自身带有的刀库以及自动换刀系统，使得可以完成铣、钻、镗等多工序的加工。它实现了自动换刀、对刀、自动变量等，是一种机电化一体的高科技产品。尤其是针对复杂形状的工件，大大地减少了辅助时间以及加工时间。对于实现高精度以及高难度加工具有重大意义。 图1-1 加工中心1.2加工中心的发展历程1952年，英国基恩公司和麻省理工学院合作设计一款集机电技术、软件控制、机械传导于一体的三坐标数控机床。1958年，卡尼特雷克公司，美国，第一次将铣，钻，镗和其他过程集于数控机床上，是世界上第一个可以实现连续加工的加工中心。该产品一经问世，吸引了日本、德国以及美国等大多工业大国的眼球。随着对加工技术的要求越来越高，发展加工中心已成为一种趋势。目前，现有的加工中心有四大类：垂直、水平、龙门、落地式。加工中心的未来的发展就是提高精度以及实现自动化加工。加工中心是典型的数控机床、70年代以来，我国的加工中心有了一定发展，但是其精度以及数量并不能满足我国日益增长的物质文化需求。随着我国工业的发展，机械加工行业要求越来越高，数控机床应用越来越普遍，对加工中心的需求越发急迫。目前，大中型加工中心居多，小的加工中心的发展基本是空白的。对于部分行业，例如小型加工工厂，技校以及小型模具厂等，都有着极大的需求。因此大力发展加工中心有着非常大的意义。1.3加工中心国内外现状各个工业较为发达的国家，对于加工中心的发展都很为重视，投入了很多资金。目前，全世界的年生产量为60，000台左右。美国和日本生产量占据前沿。立式加工中心产量最大，为了满足复杂形面工件的高精度加工，研发了很多高精度以及五轴联动等加工技术。日本有很多公司在大力发展此技术，典型的是三菱公司。德国作为工业大国，年产量在50000台左右，其卧式的加工中心为占有接近一半，典型的有西门子以及科恩公司。美国也是工业的大国，但是由于近年来经济增长的下降，主要用于出口，产量只有德国的一半。台湾是全世界较大的供应商，年生产量可达到20,000台。韩国的汽车行业、模具行业等需要了大量的加工中心机床，使得其成为了全球重要的加工生产国家之一。加工中心未来的发展势必向技术、品质、高效率以及低成本发展，而我国有对此开始大力发展，必将成为其重要的生产商。1970年，我国由于技术缺陷，自主研发的加工中心使得加工质量以及效率都较低。其后开始引进日本以及德国的数控系统、电机以及伺服系统，大大改善了其可靠性。通过向各国零部件生产商的标准件的选用，使得我国加工中心的质量有了大幅度的提升，缩短了与国外一流机床的差距。如今比较知名的厂商有杭州机床厂等，都在为我国加工技术的提高努力。综上所述，加工中心相比单一加工的机床的效率有了很大程度的提升，在汽车行业应用越来越广泛，成为了较为重要的加工工艺设备。国外比较先进的加工中心有：德国和美国的立式和卧式加工中心。目前我国生产以及引进的加工中心为立式和卧式两种。其中立式的应用最为广泛。我国如今的加工中心覆盖了大中小的所有型号。数控加工中心因其精度高，定位准确，工艺性能好以及自动化程度高，我们将其定义为中高档机床。其伺服系统相比普通机床也有着极大的优越性。1.4国产加工中心目前存在的问题及未来发展趋势国产加工中心目前也存在较多的问题：(1) 技术上尤其是高端技术，与国外高水平落后较大。(2) 缺少核心的竞争力，研究领域较局限，应用前景不好。(3) 市场份额少，很多生产并未形成规模，品牌形象并未树立，依赖进口。(4) 国外数控系统例如西门子，工作寿命约为国产的八倍，其寿命质量有待进一步提升。(5)数控机床刀库以及换刀手的安全可靠性还待进一步提升。(6) 定位精度，定位的准确性还不足。(7) 其他问题利于漏油，油温过高等问题还存在一些。加工中心的发展趋势有以下几个方面：（1）高效高速机床必将往高切削速度，高进给速度发展，不仅是要提高加工效率，同时成本也要最低化。加工表面的质量以及尺寸精度同时也随之提高。20世纪90年代以来，发达国家都竞相发展高速机床，主要在主轴速度以及进给速度，切削速度上发展，并取得了突破性的进展。同时高性能的自动换刀装置、数控以及伺服系统都取得一定的进步，整体水平提升一个档次。（2）高精度高精度一直是加工行业的追求标准，是人们一直以来追求的目标。加工精度已经达微米以上级别，实现高精度的镜面加工对人类的生活起着非常重要的作用。（3）高可靠性数控机床的加工效率高的同时，也需要很好的可靠性。其数控系统的寿命以及安全性都是非常重要的。在人工成本日益增长的时代，机器人有望代替人工进行操作，其可靠性往往决定了加工的效率，歇业的时间延长大大降低加工的速度，进而提高成本。1.5加工中心的分类主轴位置的不同将加工中心分为：1. 立式2. 卧式卧式加工中心是主轴轴线与地面保持平行。卧式加工中心大多是轴数量在三轴于五轴之间，大部分是三轴数控加工中心，适合箱体工件的加工，其与立式的相比，结构复杂，体积较大，成本也较高。立式加工中心主轴轴线与地面垂直，工作台一般采用十字滑台式，加工盘式的零件比较合适，结构较简单，体积较小，价格便宜，使用范围广。2 加工中心自动换刀装置概述2.1加工中心自动换刀装置普通的机床只能进行单一工序的加工，而完成一个零件需要多个工序组成而成。在进行更换刀具、机床以及重新装夹工件的时间往往超出了实际加工时间，所以为减小这个时间，自动换刀系统应运而生。自动换刀装置主要由刀库以及机械手两大部分组成，是加工中心及其重要的部分，决定了加工的准确性以及效率。刀库有大有小，各种类型的刀具如铣刀、钻头、镗刀等，还包含了各种型号以适应复杂零件的加工。由于换刀次数的频繁，自动换刀装置的机械结构以及控制都要十分精准。换刀的可靠性以及平稳都是需要保证的。2.1.1带刀库的自动换刀系统自动换刀系统主要是由刀库、选刀和换刀装置组成，主要形式如下表2-1： 表2-1 自动换刀系统形式形式类别特点应用范围刀库形式无机械手换刀1. 利用刀库运动与主轴直接换刀，省去机械手2. 结构紧凑3. 刀库运动较多小型加工中心机械手换刀1. 刀库只做选刀运动，机械手换刀2. 布局灵活，换刀速度快各种加工中心机械手和刀具运送器1. 刀库距机床主轴较远时，用刀具运送器将刀具送至机械手2. 结构复杂大型加工中心 2.1.2回转刀架换刀回转换刀装置经常所用到的是是四方、六方的刀架，也可以是盘式的刀架，刀具数量不限。它是根据数控程序发出的指令完成各项基本操作，例如刀架抬起、刀架旋转以及压紧复位等。2.1.3更换主轴换刀主轴换刀是一种结构以及原理较为简单的换刀方式。图2.1是转塔式镗铣床的结构图，主轴头布置有八根轴，而其轴上又分别放置有一把刀，刀一般是不同种类以及型号的。根据工序的需求，通过数控程序控制具体的换刀过程，实现自动换刀。槽轮机构是转塔头的转位关键部件。具体动作包括（1）与主轴分离传动；（2）抬刀；（3）转动；（4）定位压紧；（5）再次传动。该方法大大缩短了切削时间，提高了刀具更换的可靠性。然而，由于空间位置的限制，主轴部件结构不能很强，因此影响主轴系统的刚度。为了保证其刚度，必须限制主轴的数量，否则将大大增加结构的尺寸。仅适用于加工少、精度要求低的机床。图2-1 更换主轴换刀2.1.4更换主轴箱换刀更换主轴箱换刀实质上就是将主轴箱移动更换。它比较适合箱体类零件，加工工艺范围也较大，结构叫其他也较复杂，其生产率较高。2.1.5更换刀库换刀当刀要求数量过多时，超过单一刀库的容量时，采用多刀库的形式。其优点在于，扩大了工艺范围，提高了自动化的程度，有助于加工复杂零件，并易于组成成套的数控加工系统。2.2刀库以及换刀装置刀库是储存刀库的装置，按照数控指令要求，使得刀具准确地送到确定位置，并将已换刀具送回刀库。刀库的布置以及结构设计都会影响整个机床。2.2.1刀库的形式根据机床的工艺要求，根据实际需求的形式和容量，具体类型如下：(1)盘式刀库 该工具库结构简单、实用性强。优点是结构简单，成本低，但换刀时间较长，刀库容量小，适用于小型加工中心。(2)链式刀库 刀库结构是最为紧密的一种，可根据机床具体的布局设计成不同形状，可以充分利用机床的空余，换刀方便。方式为轴向取刀，成本较高，精度不高。(3)直线式刀库 刀库容量小，总量一般只有十几把，小型数控中心常用的。(4)箱式刀库 结构最为紧凑，空间利用率最高，刀库量较大，布局繁琐，应用少。 图2-2 盘式刀库 图2-3 链式刀库 图2-4 直线式刀库 图2-5格子箱式刀库2.2.2设计刀库时可能出现的主要问题（1）刀库的存刀数量确定；（2）换刀时间的减少；（3）换刀定位精度；（4）换刀装置运动平稳；（5）刀座布置合理；2.2.3刀具交换装置将刀库与机床主轴的刀具进行交换以及传递的装置为刀具交换装置。刀具交换装置作为数控重要组成部分之一，其机械结构的设计对机床有很大的影响，主要在精度、可靠性方面。交换装置的形式很多，一般可分为两大类。(一)由刀库和主轴的相对运动实现刀具交换 此种方式的特点是，刀具进入刀库以及从刀库提取新刀，这两个工位是分开进行的。如图2.6所示，选刀和换刀主要是由数控定位系统来完成。该种换刀方式最为简单，无机械手操作，依赖本身结构，所以换刀时间较长以及振动较大。对机床精度有一定的影响。图2-6 刀库和主轴的相对运动换刀（二）机械手换刀 换刀机械手应用较为广泛，种类也较多。结构简单，但是其优势相比前者很明显，换刀时间较短，精度较高。这样效率以及可靠性都得到提高，其实用性较高。机械手的类型如下：机械手的种类较多，不同的机床，机械手类型不一样。但是其要求都是可靠以及准确，具有较高的强度以及使用寿命。根据刀库与主轴距离的不同，换刀方式以及运动过程也不同，只能通过不同形式的来实现。常见的机械手有：(1)单臂单爪回转式机械手机械手的轴线与刀具主轴平行，机械手可以自动改变刀具角度。更换工具需要很长时间，刀座的轴线平行于刀位的位置。如图所示： 图2-7单臂单爪回转式机械手(2)单臂双爪回转式机械手机械手在其臂的前端有两个爪，一个是从主轴上取出刀，送回刀库，另一是将刀库里的新刀，装到主轴上，换刀时间略短，如图2.8所示。图2-8 单臂双爪回转式机械手(3)双臂回转式机械手机械手被广泛使用。两臂各有一爪，可同时抓住刀库和刀具在主轴上，旋转180度。一步实现换刀的操作。换到时间较前两者都较短，结构如图2.9所示。图2-9 双臂回转式机械手有些机械手还有伸缩的结构，如图2.10所示：图2-10 双臂回转式机械手(4)双机械手该机械手相当于两个机械手，一个是换旧刀，另一个是换新刀，配合使用，实现换刀过程的有序化，定位精度更高 ，如图2.10所示：图2-10 双机械手(5)双臂往复交叉式机械手图2-11 双臂往复交叉式机械手机械手是交叉和往复运动的，与上个相同的是，一是专门用于装刀具，另一是用于卸下主轴上的刀，整个过程都是通过导轨或者丝杠的直线运动转化成轴向的运动，如图2.11所示。(6)双臂端面夹紧式机械手这种机械手不同于以前的机械手。夹持方式与上述方式不同，夹持刀具的两端面。如图2-12所示：图2-12 双臂端面夹紧式机械手由于机械结构较为简单，可以同时装刀以及卸刀，工作时间很短，效率高，但是稳定性有待提高。故我们采用双臂回转机械手。2.2.4刀具的夹持刀具大致有两种：一种是直柄的，另一种是锥柄的。夹持方法是轴向夹持以及径向夹持。= 图2-13 圆锥刀柄 图2-14 圆柱刀柄2.2.5手爪的选择弹簧销式手爪是应用较为广泛的方式。机械手还应该具有锁刀的作用，防止换刀的时候，刀具被甩出或者掉落。手爪锁刀装置主要分为两类；机械式以及液压式。通常大型加工中心采用的是液压式的，保证了其强度要求，而小型加工中心是机械式的。手爪的形式有：（1）机械爪刀爪-弹簧销式夹持器，采用该夹紧机构，夹具不需设置特殊的输送装置，结构简单，用途广泛。然而，为了防止工具脱落，机械手必须具有自锁夹紧机构，并且当操作者具有旋转运动时，其结构是复杂的。（2）钳夹杆机械手。通过杠杆传递动力，爪的结构相对简单，应用更为普遍。(3)虎钳形指。在夹持器中设置定位销，使得切割器可以定位在夹持器中。在这种夹紧机构形式下，刀具需要特殊的辅助加工，没有标准的刀具，用户很少。本文采用机械锁刀式，如图2.15所示：图2-15 机械手爪3 总体方案设计3.1 立式加工中心刀库参数设计加工中心刀库容量：20把选刀的方式：任意选择最大刀具的重量：20kg最大刀具长度：280mm最大刀具直径：156mm相邻刀套的中心距离为：130mm刀柄型号为ISO50刀柄3.2立式加工中心刀库的形式本次的刀库设计方案采用的是盘式刀库，它的储备量为20把刀，其结构较为紧凑，传动速度平稳，刀座的排列很合理，换刀也较准确，成本很低，可以很大的提高了机床的空间利用率。刀库结构如下图3-1所示。图3-1 刀库机械手三维示意图3.3机械手自动换刀装置的参数设计有关参数如下：主轴中心和换刀位置的距离 420mm机械手取刀回转直径 500mm机械手手爪圆弧直径 66mm3.4自动换刀装置机械手的形式本文采用的立式加工中心自动换刀装置为双臂回转式机械手，也叫扁担式机械手，其结构如图3.1所示。这种机械手的取刀、插刀操作大部分都是由油缸驱动来完成的。根据课题刀库自动换刀的要求，我们可以采用油缸驱动，活塞固定的方式；或者相反，采用活塞驱动，而油缸固定。同时，机械手的回转动作是通过活塞驱动带动齿轮齿条的运动来实现。机械手臂不同的回转角度，是由活塞可调行程来调节。在刀库的换刀操作过程中，回转机械手要完成准备、抓刀、取刀、交换主轴和刀座上的刀具、插刀和复位等操作，机械手的全部驱动操作都是由液压缸控制。4 刀库的设计及计算4.1 刀库刀具容量的确定刀库刀具的容量设为20把。4.2确定刀库形式本课题我们采用盘式刀库，刀库刀容量为20把,容量不是很多，其主要用于一般的中小型加工中心，例如，数控铣床等。本文设计的刀库结构简单，应用场合较多。其换刀装置的优点是结构比较简单，成本较低，换刀的可靠性较好，它的缺点是换刀时间较长，效率低，它主要适用于刀库容量较小的立式加工中心。其结构如下图4-1所示。图4-1 盘式刀库4.3 刀库驱动转矩的初步计算及电机的选型1.电动机输出扭矩的相关计算驱动电机的输出转矩应同时满足负载转矩和加速度转矩之和。将上述计算的转矩和加速度转矩转换为驱动电机轴上的输出转矩。它的计算公式为，式中：i- 电动机轴至刀库轴的速比；ii- -传动效率；考虑到实际情况比计算中假设的情况更复杂，电动机的额定转矩应为负载转矩的1.21.5倍。假设当两个最大的工具彼此相邻放置时，相邻刀具之间的中心距离为124mm。刀库长度为1236mm，宽度为864毫米，如图4.3所示。刀库承载扭矩的计算公式为：=7209.8618=848(1) 加速扭矩的计算设刀库中刀具最大运动线速度为24m/min，链轮的半径R为130mm，即可确定刀库选刀转速为=29.4r/min，加速时间暂时确定为=200ms，电动机的转子惯量根据查表得到=2.14，由负载惯量换算到电动机轴上的惯量：=891.3则可求得=13.7(2) 驱动电机的输出扭矩应该同时满足刀库承载扭矩和加速扭矩之和电动机轴到刀库轴的速比为i=60,蜗轮蜗杆的传动效率=0.7,即可求得=20.52电动机的额定转矩(1.21.5) =(24.630.8) 而所选电机转矩为33选取的伺服电机型号为GK6085-6AA31，它主要的技术参数为：重量 22.5kg额定转速 1200r/min额定电流 19.8A转子惯量 0.00535工作电压 220V4.4确定刀具的选择方式刀具的选择是在任何选择模式下的计算机存储器，工具库上的刀具号和刀地址可以存储在计算机存储器或可编程控制器中。无论刀具是否放置在该地址，都可以跟踪存储器，并且可以利用刀库上的刀具位置检测装置来测量每个位置。该工具可以在没有编码元素的任何时间访问。刀具选择方法大大简化了刀具更换控制。4.5刀库结构设计刀库是由传动系统、液压油缸和圆盘形刀座组成，各种刀具安装在标准的刀柄中，本次设计的刀柄采用的是7：24锥度的刀柄。CNC接受命令后，编码器编码选取刀具，设置好电机行程后电机得到转动。当刀座经驱动旋转转到换刀位置时，此时刀座位于与主轴中心相平行的位置，等待抓取机械手取、换刀。另外，刀座上的滚子在不旋转时处于环形槽中限位。换刀前，刀座位于水平位置。整个刀库的传动系统采用半闭环的设计，这样才能保证其工作的可靠性。 另外，刀座尾部的弹簧球头销用来夹紧刀具，使刀座在转动90后不会因为自重而下落。因此，刀座内装有4个弹簧球头销，这样能完全起到固定的作用，取刀时由机械手抓取力的作用，弹簧球沿孔的锥度退出，此时刀具即可顺利取出。 5 刀具换刀装置的设计5.1换刀机械手抓刀部分结构该小型立式加工中心机床采用的是双臂回转式机械手。可同时在刀具座主轴上抓取、装卸刀具。优点是动作简单，更换刀的时间短。结构图如下图5-1所示。图5-1 换刀机械手结构图在自动更换刀具的过程中，操作人员应迅速完成刀具、刀具、主轴和刀具位置、刀片和复位等一系列操作。单臂更换工具主要由臂和固定在机械手两端的两爪组成。其中，爪的上手柄的圆形部分具有圆锥销，当换刀机械手握持刀时，锥销插入刀柄键槽中。当刀柄从原来的位置旋转六十度以抓住工具时，机械手的两手爪上的长销被主轴前端的压块压下，使主动销在轴向上有一个长槽移动到在弹簧的作用下位于工具的右侧。另外，当拔出刀具时，销与块分离，锁定销从弹簧中弹出。同时，活动销不能反转刀具，刀具不能在180度旋转时掉出，使得刀具的稳定性和安全性无法维持。当换刀机械手向上移动以插入刀时，两个长销被两个块压下。此外，锁定销从活动销孔退出并松开工具。机械手可以重置75度。5.2刀具换刀装置的总体结构的设计刀具的整体结构由4个液压缸、支撑连接器和机械手组成。机械手的所有运动由液压缸控制，包括机械手的回转运动和刀具插入刀的运动。液压缸1 是实现机械手的正反转75运动，液压缸2是实现机械手正反转180运动，液压缸3是实现机械手拔刀、插刀运动，液压缸4是实现主轴的夹紧、松开动作。这里活塞杆活动，液压缸固定。另外，支撑体的连接体是换刀装置的重要部件。它是液压缸的固定轴承部件。同时，其制造精度也极大地影响了机械手的动作精度。5.3 换刀过程分析换刀机械手换刀的步骤为：1.刀套下转902.机械手转753.刀具松开 4.机械手拔刀 5.交换两刀具位置 6.机械手插刀 7.刀具夹紧 8.机械手反转75 9.刀套上转905.3.1液压分析液压缸1 是实现机械手的正反转75运动，液压缸2是实现机械手正反转180运动，液压缸3是实现机械手拔刀、插刀运动，液压缸4是实现主轴的夹紧、松开动作。这里活塞杆活动，液压缸固定。当行程开关10发出抓刀信号后，机械手要顺时针转动75，这时，电磁铁SDL-1接通，其余电磁铁处于断开状态，油从泵出发，经过单向阀，受溢流阀1调压后，经调速阀1调速，由三位四通阀1传到液压缸1的上腔，推动活塞杆下移，油从下腔流回油缸，实现了机械手正转75的动作。当机械手顺时针转过75后，行程开关2发出信号，刀柄尾部的拉钉要松开刀具，这时电磁铁SDL-7接通，电磁铁SDL-1断开，其余的仍处于断开状态。油从泵出发，经过单向阀，受溢流阀2调压后，经调速阀4传到液压缸4的上腔，推动活塞杆下移，油从下腔流回油缸，实现了主轴的松开动作。当主轴松开刀具后，行程开关8发出信号，这时电磁铁SDL-5接通，电磁铁SDL-7断开，其余的处于断开状态。油从泵出发，经过单向阀，受溢流阀1调压后，经调速阀3传到液压缸3的上腔，推动活塞杆下移，油从下腔流回油缸，这个动作使得机械手实现拔刀动作。当机械手拔出刀后，行程开关6发出信号，机械手要带着刀具转过180，这时电磁铁SDL-3接通，电磁铁SDL-5断开，其余的处于断开状态。油从泵出发，经过单向阀，受溢流阀1调压后，经调速阀2传到液压缸2的上腔，推动活塞杆下移，油从下腔流回油缸，这样就实现了机械 正转180的动作。当机械手转过180后，行程开关4发出信号，机械手要进行插刀动作，这时电磁铁SDL-6接通，电磁铁SDL-3断开，其余的处于断开状态。油从泵出发，经过单向阀，受溢流阀1调压后，经调速阀3传到液压缸3的下腔，推动活塞杆上移，油从上腔流回油缸，这时完成了机械手的插刀动作。当插刀动作完成后，行程开关5发出信号，刀柄底部的拉钉要夹紧换好的刀具。这时电磁铁SDL-8接通，电磁铁SDL-6断开，其余的处于断开状态。油从泵出发，经过单向阀，受溢流阀2调压后，经调速阀4传到液压缸4的下腔，推动活塞杆上移，油从上腔流回油缸，这样就实现了主轴的夹紧动作。主轴夹紧刀具，位置开关7发出信号，这时电磁铁SDL-4接通，电磁铁SDL-8断开，其余的处于断开状态。油从泵出发，经过单向阀，受溢流阀1调压后，经调速阀2传到液压缸2的下腔，推动活塞杆上移，油从上腔流回油缸，此时机械手完成了转180的动作。机械手转过180后，位置开关3发出信号，这时电磁铁SDL-2接通，电磁铁SDL-4断开，其余的处于断开状态。油从泵出发，经过单向阀，受溢流阀1调压后，经调速阀1传到液压缸1的下腔，推动活塞杆上移，油从上腔流回油缸，机械手反转75，回到原位。这样就完成了整个液压控制过程。 图5-2 液压系统图5.3.2液压驱动转位机构的设计在整个运动的过程中,转位有3次,第一是机械手转过75度,第二次是机械手转过180度,第三次是机械手反向到原来的位置.这些转位机构主要是由齿轮齿条机构来实现的,它们的动力源来自于液压缸,对液压港通入一定的压力油,使活塞向预定的方向运动齿轮条是与活塞杆是做成一体的.采用不同行程的液压缸就可以实现不同角度的转动了。（1）机械手转过75度的驱动机构这个机构由一般个液压缸、齿轮条、齿轮以及连接盘、连杆组成的，当发出机械手抓刀的信号时，液压缸的后腔就通入压力油，活塞杆推动着齿轮条向前移动，使得齿轮转动，齿轮转动的时候，带动连接盘与连杆转动，而连杆通过花键连在机械手上，所以当活塞通入压力油的时候，机械手就相应的转动。1）下面我们首先来选择与计算液压缸由于机械手的整个换刀时间为2.5s整个过程有10个动作,按每个动作的时间相等来计算所以每个动作的时间s即：机械手转过75度的时间为0.25s取齿轮的齿数为60，模数为1.5，材料为60Cr,那么齿轮的分度圆直径为：d=mz=60齿轮的分度圆周长为S=所以齿轮转过75度走过的距离L=因为齿轮齿条是配合的所以齿轮条在这个运动中也走过58.875mm活塞杆的速度为设液压缸的溶积效鱼为，这里取设液压缸的额定流量为q所以 （5-1） 又 （5-2） 由上2式可以得到 （5-3） 因为q=0.8m/s所以（24）可以如下计算 所以选择d=35mm所以选择液压缸，它的 行程为58.8mm，活塞的直径为35mm。2.确定齿轮齿条机构其它尺寸 首先确定齿宽系数 由于齿轮的二支承相对齿轮做对称布置，所以取=1。 由于 （5-4） 由于我都采用的是标准直齿轮（压力角为20度） 所以所以 =90+2因为所以齿轮做成实心由于这个齿轮通过连杆与连接盘来传递运动的，所以齿轮做成如下的结构： 图5-3 大齿轮的结构其中取B1=30mm那么B2=91mm-30mm=61mm所以与活塞杆连接在一起的齿轮条的直径就为35mm而齿轮条固定在一个滑槽中，滑槽的结构如下：L1=10 L2=20 H=8 L=80图5-4 固定与大齿轮配对的齿轮条的滑槽齿轮的齿距（分度圆） 由于齿轮与齿轮条是配合一起运动的所以齿轮的齿距（分度圆）就是齿轮条的齿距（分度圆）即：由于液压缸的行程l=58.875mm，所以齿轮条的齿轮数 因为要留一些距离，还有齿轮与齿轮条的齿轮数互为质数，所以取齿轮条的齿轮数为z=15。3与齿轮齿条一起运动的零件以及尺寸的确定1）连接盘的尺寸的确定D1=50mm；D2=70mm；D3=90mm；D4=130mm；L1=20mm；L2=40mm；L3=61mm；L4=11mm；d=6mm连接盘是空套在齿轮上面的，2）传动盘以及尺寸的确定D1=40mm；D2=60mm；D3=70mm；L1=10mm；L2=30mm；孔的直径d1=6mm 图5-5 传动盘3) 把传动盘与连杆（轴）连接起来的花键的确定D1=40mm；D2=26mm；H=10mm图5-6 花键（2）机械手转过180度的驱动机构 这个机构由一般个液压缸、齿轮条、齿轮以及连杆组成的，当发出机械手交换刀具的信号时，液压缸的后腔就通入压力油，活塞杆推动着齿轮条向前移动，使得齿轮转动，齿轮转动的时候，带动连杆转动，而连杆通过花键连在机械手上，所以当活塞通入压力油的时候，机械手就相应的转动。1）下面我们首先来选择与计算液压缸 由于机械手的整个换刀时间为2.5s整个过程有10个动作,按每个动作的时间相等来计算所以每个动作的时间s即：机械手转过180间为0.25s取齿轮的齿数为48,模数为1.5，材料为60Cr,那么齿轮的分度员直径为d=mz=齿轮的分度圆周长为S=所以齿轮转过180度所走的距离L=因为齿轮齿条是配合的所以齿轮条在这个运动中也走过113.04mm活塞杆的速度为设液压缸的溶积效鱼为，这里取设液压缸的额定流量为q所以 （2-26）又 （2-27）由上2式可以得到 （2-28）因为q=0.8m/s所以（28）式如下计算 所以选择d=30m所以选择液压缸，它的 行程为113.04mm,直径为30mm。2.确定齿轮齿条机构其它尺寸 首先确定齿宽系数 由于齿轮的二支承相对齿轮做对称布置，所以取=1。 由于 （5-5） 由于我都采用的是标准直齿轮（压力角为20度），所以所以 =72+因为所以齿轮做成实心由于这个齿轮通过连杆与连接盘来传递运动的，所以齿轮做成如下的结构：图5-7 小齿轮其中取B1=25mm那么B2=72-25=47mm所以与活塞杆连接在一起的齿轮条的直径就为30mm而齿轮条固定在一个滑槽中，滑槽的结构如下： h1=10；L1=20；L2=40；L3=80；L4=125；L5=20图5-8 固定与小齿轮一起配对的齿轮条齿轮的齿距（分度圆）由于齿轮与齿轮条是配合一起运动的所以齿轮的齿距（分度圆）就是齿轮条的齿距（分度圆）即：由于液压缸的行程l=112.04mm，所以齿轮条的齿数 因为要留一些距离，还有齿轮与齿轮条的齿轮数互为质数，所以取齿轮条的齿轮数为z=275.3.3液压驱动插拔直线机构的设计 在前两小节中，已经对转位机构做了设计，但是要完成整个运动还需要插拔刀具的运动，这就需要设计一个机构来完成插拔刀具的功能。 在这个机械手中，只要给机械手一个z轴方向的运动即可。由于机械手的的初使位置与在夹刀具的位置有些不同，这就需要使机械手从初使位置运动到夹刀具的位置，在z轴方向的距离为100mm。为了完成这个动作，我选用了一个液压缸来实现。原理如下：当需要夹刀具的时候，液压缸的下腔通入压力油，使液压缸的活塞向上运动，把机械手带到夹刀具与拔刀具的位置，完成这个动作以后，就要拔刀具了，这个时候液压缸的上腔通入压力油，使得活塞向下运动。只要选择合适的液压缸的行程就可以达到预定的位置。 液压缸的选择：由于机械手的初始位置与开始工作位置（拔插刀具的位置）的距离l=100 mm，而这个距离，在运动中是依靠液压缸的，所以液压缸的行程就为100mm。另外我选用活塞直径为d=30mm，所以液压缸的规格就为100mm。液压缸以及连接零件尺寸的确定：L1=30mm；L2=50mm；L3=60；L4=95；D1=30mm；D2=40mm；S1=25mm；S2=10mm；S3=5mm图5-9 与大液压缸连接的部分机械结构5.4 主要零部件的设计计算5.4.1手指结构设计及计算 （1）手指夹紧力的计算根据文献，手指夹紧力的计算过程如下：手指对工件夹紧力： (5-5)式中：安全系数，本设计中取=1.5；动载系数，本设计中取=1.5；方位系数，本设计中，则，本设计=1.45；被抓持工件的重量，取工件质量为7kg；将上述各值代入式(3.1)，得：=223.81N对手指结构进行受力分析如图3.1所示，由：可得： (5-6)又由： (5-7)得：即： (5-8)在本设计=50mm，=13mm；将各值代入式(3.4)，得=2500.50.358223.81/(130.777)=400.22N考虑到运动过程中的能量损失，取=0.9，则手指夹紧液压缸的实际驱动力为：=400.22/0.95=421.28N本设计中取=500N；由式(3.2)可得：=697.61N由式(3.3)可得：=697.61=542.14N=697.61=439.02N对手指夹紧力的校核过程如下：在手架旋转过程中手指所受的惯性力为： (5-9)式中：工件质量；工件到旋转轴线的距离，这里取mm；手架旋转轴的转速，初取rad/s；则由式(3.5)可得：=82.91 N 因， 所以手指夹紧液压缸的实际驱动力取=500N，安全。(2) 手指部分的相关校核根据文献8，72-94，对手指部分重要部位的校核过程如下：轴和手指的材料都选用45号钢，它们的许用剪应力=70MPa、许用挤压应力 =140MPa、许用拉应力=300MPa；1、轴校核=5.59 MPa=3.79 MPa， 轴安全。2、轴校核=13.88 MPa=6.71 MPa， 轴安全。3、手指强度校核A截面的抗弯截面模量公式如下： (5-10)式中：形心轴惯性矩；截面图形的形心位置； (5-11) 式中：=8.66mm，=20mm，=10mm，将各值代入式(3.7)可得=13.85mm其截面面积为： =2017.3210(17.328.66)/2=(364.486.6)/2=129.9mm2=5mm其截面面积为：=2611.34=294.84mm2A处截面的形心位置为：=(13.85129.9+294.845)/(129.9+294.84)=(1799.12+1474.2)/424.74=7.7mm = 8.663(102+41020+202)/36(20+10)+(13.855)2129.9=781.76+10174.09=10955.85mm4=11.34326/12+(7.75)2294.84=3159.59+2149.38=5308.97 mm4=10955.85+5308.97=16264.82 mm4将各值代入式(3.6)得：16264.82/7.7=2112.31mm3A截面处的弯矩：=2.26Nm故危险截面A处的拉应力为：MPa 安全。危险截面C处的弯矩=8.536Nm，其截面图形形状如图3.3所示，抗弯截面模量为：故危险截面C处的拉应力为：=4.04+1.03 =5.07MPa； 安全。(3) 手指夹紧液压缸设计1.手指夹紧液压缸各部分尺寸的确定根据文献9，5-12，由： (5-12)得： (5-13)式中：液压缸的工作压力，本设计中初取=1.5MPa；液压缸回油腔背压力，对于简单系统和一般轻载的节流调速系统,=0.20.5MPa，在本设计中初取估算值=0.5MPa；活塞杆直径与液压缸内径之比，因在工作压力2MPa时，=0.20.3，本设计中取=0.2； 工作循环中的最大外负载，本设计中=500N；液压缸密封处的摩擦力，=(1/-1)；密封处的机械效率，一般=0.90.97，本设计中取=0.9；将各值代入式(3.9)，可得：=26.33mm；为便于采取标准的密封件，根据液压缸内径尺寸系列，将内径D进行圆整，取=32mm。因为本设计中=0.2，所以=0.232=6.4mm，同样为便于采取标准密封件，根据活塞杆直径系列，将活塞杆直径d进行圆整，取=8mm。手指夹紧液压缸的最大储油量为： (5-14)式中为活塞杆的最大行程，这里取=10mm，则有：=8042.48=8.04L活塞的宽度=19.232mm，为减少手指夹紧液压缸的整体重量，取=20mm。活塞杆的导向长度=4.812mm。由于本设计中手指夹紧液压缸的缸体内径较小，并且活塞的行程也不大，为方便它的加工制造，在这里将活塞和活塞杆设计成一体的形式。对于手指夹紧液压缸，因其为低压系统，而在中、低压系统中，液压缸缸筒的壁厚常由结构工艺上的要求决定，强度问题是次要的，一般不需要进行验算，所以，此手指夹紧液压缸的缸筒壁厚由结构需要决定。5.4.2轴结构设计及计算 初选定了轴的最小直径，它为d=28mm，选用45钢为轴的材料.（1）拟定轴上零件的装配方案本设计中按照下面的方案来装配图5-10 轴上零件的装配方案（2）确定轴的各段直径与长度1）为了定位右边的齿轮就必须在轴的右端制出一轴肩，故取右端的直径为，由于齿轮的长为80mm，还加上这个结构，齿轮不是空套在轴上的，而是通过连接盘、传动盘来把运动传递给轴的，所以，段接连接盘与传动盘，长度为，段的下面由于是靠花键定位，所以不需要在轴上做一些处理。而。因为VII端是与小齿轮相连接的，它的上面VI端采用轴肩定位，所以，。而小齿轮是空套在轴上面的，所以与小齿轮空套的轴的直径为，另外我取，。2）初选滚动轴承 因为轴同时受到径向力与轴向力的作用，故选用角接触球轴承，参照工作要求，并根据由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组、标准精度级的角接触球轴承70306C。所以轴的总长为 3） 确定轴上圆角与倒角尺寸 取轴端的倒角尺寸为2 ，各轴肩的圆角尺寸为R0.5轴的工作图如下：图5-11 轴的结构图5.4.3联轴器的选用及计算联轴器是连接两个轴或轴的装置，在移动和移动时不会关闭。 此外，联轴器还可以补偿两个轴的相对位移，缓冲和减震，以及安全保护。 在这种设计中，刀库的电机通过联轴器传递到蜗杆轴需要选择联轴器。联轴器根据性能以及能否补偿区分为刚性和挠性两种联轴器。刚性联轴器结构较为简单，成本较低，但是本身不带补偿功能，也有其应用范围。柔性联轴器最大的特点就是可以补偿位移，同时可以具有较高的阻尼。常用用于传递较大扭矩的场合，其弹性元件强度较高，而且使用寿命较长，承受多变载荷能力强。联轴器的选用计算如下：在选择标准耦合器或已推荐的一系列联轴器时，通常是扭矩T或标准耦合器的额定扭矩的原理，即转矩小于耦合所需的耦合。由于传动轴系的变化特性和联轴器本身的结构特点和性能，由联轴器传递的实际扭矩不等于传动轴系在理论上需要传递的转矩T。式中T理论转矩（），在带制动器的传动系统中，当制动器的理论转矩大于动力机的理论转矩时，应根据前者计算出联轴器；、n分别为驱动功率（kw）和转速（r/min）；K工作情况系数；动力机系数；启动系数；温度系数。查相关资料K=1.25, =1.0, =1.0, =1.0,电动机最大转矩T=33，因此可计算得: =331.25111=41.25。该机床暂选定联轴器为膜片弹性联轴器，而所选挠性联轴器=90，满足使用条件。该联轴器的许用转速为n=12000r/min。该联轴器的外形如图6-1所示：图6-1 挠性联轴器结 论本次毕业设计我所选中的课题名称是加工中心自动换刀装置的结构设计，针对的设计对象是机床小型立式加工中心刀具。本篇论文所阐述的刀库部分是该加工中心中盘式刀库结构和参数的设计以及它的计算，计算的内容是刀库驱动电机的选择计算。在我看来，我认为本次设计的刀库的传动结构是比较紧凑的。对于机械手的设计部分则是阐述了机械手的抓刀部分的结构设计、总体结构设计以及机械手的动作设计分为这三大内容。在机械手的运动方面，精确性则是均由液压油缸和连接体来保证的。在机械手的刀具替换方面，机械手具有的功能有这几样：拔刀、插刀和换刀这几样动作，它们则都是通过液压缸和齿轮齿条的联合作用，这样的一种方式来实现并且达到要求的。而在机械手臂的回转方面，我所采用的机械手臂的回转方式是用的不同的回转角度来完成具体要求的，是由活塞的可调行程来进行保证的。基本的动作包括有刀座准备、抓刀、拔刀、换刀、插刀以及复位这几个流程。为期半个学期的设计工作临近尾声，虽然我的毕业设计已基本完成，但自己还觉得有一定的缺陷和不足，还有很多值得学习与改进的地方。开始的时候自己总是没有按照正常的思路进行设计和思考，思绪比较混乱，这是我在今后的工作与学习中自己需要着重点锻炼的方面。而在具体的设计中，在机械手的连接体设计上我遇到了一定的麻烦，刀库箱体设计上，我出了点岔子，没有找到很好方法，而且液压集成块的设计上还存在很大的提升空间，这些问题都是自己所掌握的知识面还不够广阔的原因所造成的。在绘图方面这一块来说，自己所绘制的图纸上一些部位表示还是有一点小小的瑕疵，绘图上存在一定的缺陷以及需要修正和需要进步的地方，这些方面都是今后需要加强的地方。由于除了这些问题，我过后也做了一定的总结，是什么原因导致了这些问题，我仔细思考过后发现在设计的过程中，我们需要考虑到各种各样的因素的影响，要把整体与部分有机地结合起来，并且寻找更加合适的设计方法。但是正式由于碰到了问题，我才能意识到将来无论做什么事都要全面地、系统地去认识它，唯独这样才能更好地将它解决完成。我们知道只有发现问题、面对问题，才有可能解决问题，只有以后自己在这些方面不断地努力去学习、去克服，我们才能收获到更加宝贵的知识财富以及积累实际操作的经验。只有知道了自己朝什么方向前进，我们才会朝着这个方向不断地努力奋斗，哪怕会跌倒，我也一定会，在哪里跌倒就在哪里爬起，因为这是我的信念。经过这半个学期的经历以后，我基本上掌握了机械手和刀库结构设计的步骤和方法，很大程度上提高了我的查阅能力和分析问题的能力，也让我认识到整体协作的重要性，无论任何时候，光光单凭一个人都不可能去开发、设计一个较大规模的系统。因为我认为，只有具有团队精神、具有集体主义观的人才会有新的发展，才能创造出新的成就！毕业设计这一环节我认为它是大学学习期间最重要的一个环节，它不但对大学所学的知识进行了系统的总结，还为我们走向工作岗位奠定了深厚的基础。在这次设计中，我受益匪浅，首先，我对机械电子工程这个专业有了进一步
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