毕业设计（论文）-自动换刀机械手设计.doc

摘 要摘要加工中心是指在一次装卡中，能够实现自动铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等多工序的数控机床。更为明确的说法是：加工中心就是自动换刀数控镗铣床。这就把加工中心和自动换刀数控车床和车削中心区别开来。加工中心区别于别的数控镗铣床的主要特点就在于它具有根据工艺要求自动更换所需刀具的功能，机自动换刀(ATC)机能。加工中心的自动换刀系统,通常是由刀库和机械手组成,它是加工中心的象征,又是加工中心成败的关键环节。因此各加工中心制造厂家都在下大力研制动作迅速、可靠性高的自动换刀装置,以求在激烈的竞争中取得好的效益。正因为自动换刀装置是加工中心的核心内容,各厂家都在保密,极少公开有关资料,尤其机械手部分更始如此。加重中心的自动换刀形式,可分为有机械手换刀方式和无机械手换刀方式。加工中心的ATC,大都采用有机械手的换刀方式，因为更节省时间。由于液压驱动的机械手需要采用严格的密封，还需较复杂的缓冲机构，控制机械手动作的电磁阀都有一定的时间常数，因为换刀速度较慢。近年来国内、外先后研制出凸轮联动式单臂双抓机械手。这种机械手的优点是由电机驱动，不需要较复杂的液压系统及其密封、缓冲机构，没有漏油现象，结构简单，工作可靠。同时，机械手手臂的回转和插刀、拔刀的分解动作是联动的，部分时间可重叠，从而大大缩短了换刀时间。关键词：机械手；加工中心；自动换刀AbstractAbstractMachining Center is installed in a card, to achieve automatic milling, drilling, boring, Reaming, Tapping and other processes of CNC machine tools. A more explicit statement of Machining Center is the automatic tool change CNC milling machines. This brings the processing center and automatic tool change CNC lathe and turning centers to distinguish.Machining Center is different from other CNC milling machines to the main features is that it has under the technological requirements for automatic tool change function, Automatic Tool Change (ATC) function.Machining Center, ATC system is usually a knife and the composition manipulator, it is a symbol of the processing center. Machining Center is the key to success. Therefore the processing center manufacturers are vigorously developing the next moves quickly, high reliability, ATC, to the fierce competition to achieve good results。It is precisely because of automatic tool change is the core processing center, the manufacturers are confidential, rarely disclose the information In particular, some manipulator so start anew.Add to the automatic tool change form, it can be divided into a manipulator tool change and free manipulator ATC way. ATC machining centers, most using a manipulator tool change, because it is more time-saving.Due to hydraulic-driven manipulators need strict sealed need more complex buffer, manipulator control of the solenoid valve moves have a certain amount of time constants, because slower speed up the pace. In recent years, domestic and foreign has developed a cam linkage arm-grasping manipulator. This manipulator from the advantages of motor-driven, not more complex hydraulic system and its sealed buffer, no leakage, simple, reliable. Meanwhile, the manipulator arm and rotary knife inserted, the decomposition Everyone moves are linked, and some may overlap time, thus greatly reducing the time ATC。KeyWords：Manipulator; Machining Center; Automatic tool change III目 录目录摘要IAbstractII1 绪 论11.1国内外数控机床的的发展情况11.1.1 加工中心发展简史11.1.2 加工中心的主要优点21.1.3 加工中心的发展趋势31.2可编程控制器的特点52换刀机械手的相关介绍72.1 数控技术的发展历程72.2数控加工中心的基本功能72.3加工中心的组成部分82.3.1 刀库82.3.2 刀具交换装置（机械手）82.3.3 运刀装置92.3.4 刀具编码装置92.3.5刀具识别装置102.4刀库的驱动及定位102.5我国数控系统的发展概况112.6数控系统的发展趋势112.7 ATC装置的分类112.8 ATC装置的换刀速度比较132.9 分步双爪式ATC装置142.10自动换刀系统产品化的前景153 换刀机械手的总体方案设计163.1 设计任务163.2机械手的平稳性163.2.1、影响平稳性以定位精度的因素163.2.2 机械手的运动特性173.3机械手运动特性的分类183.4开关型机械手的速度及位置控制183.5机械传动型机械手速度及位置控制193.6 机械手类型确定193.7 驱动系统和电控系统的选择193.7.1驱动系统的选择193.7.2电控系统的选择204 总体结构设计234.1 手爪部分设计234.2 机械手手臂的设计244.2.1臂部要防止偏重244.2.2加强臂部刚度254.2.3改进缓冲装置和提高配合精度254.2.4采取的措施：254.3机械手传动结构的设计275 换刀机械手的参数和计算305.1 手臂的弯曲变形305.2 连杆的强度计算325.3 驱动电动机的选择326 换刀过程35结 论39参考文献40致 谢42附录A 部分三维零件图情况43绪论1 绪 论1.1国内外数控机床的的发展情况20 世纪90 年代以来, 数控加工技术得到迅速的普及和发展, 数控机床在制造业得到了越来越广泛的应用。带有自动换刀系统的数控加工中心在现代先进制造业中起着愈来愈重要的作用, 它能缩短产品的制造周期, 提高产品的加工精度, 适合柔性加工。加工中心是数控机床中较为复杂的加工设备, 由于其具有多种加工能力而得到广泛的应用, 其强大的加工能力和效率得益于其配置的自动换刀装置(A u2tom at ic Too l Changer)。换刀装置作为加工中心的重要组成部分, 其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间, 提高生产率, 降低生产成本, 进而提升机床乃至整个生产线的生产力。加工中心自动换刀装置是实现多工序连续加工的重要装置, 其结构设计及其控制是实现加工中心设计制造的关键。加工中心的换刀过程较为复杂, 动作多, 动作间的相互协调关系多, 因而自动换刀系统性能的好坏直接影响加工效率的高低。自动换刀系统一般由刀库、机械手和驱动装置组成。刀库容量可大可小，其装刀数在20180把之间。刀库的功能是存储刀具并把下一把即将要用的刀具准确地送到换刀位置，供换刀机械手完成新旧刀具的交换。当刀库容量大时，常远离主轴配置且整体移动不易，这就需要在主轴和刀库之间配置换刀机构来执行换刀动作。完成此功能的机构包括送刀臂，摆刀站和换刀臂，总称为机械手。具体来说，它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的装置，一般由步进电机或液压（或液机构）或凸轮机构组成。机械手完成刀库里的刀（新刀）与主轴上的刀（旧刀）的交换工作。由于数控加工中心的刀库容量、换刀可靠性及换刀速度直接影响到加工中心的效率，而自动换刀就是进一步压缩非切削时间，提高生产效率，改善劳动条件。所以数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道加工工序，缩短辅助时间，减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。1.1.1 加工中心发展简史1952年世界上出现第一台数控机床，使多种产品、中小批量的机械加工设备在柔性，自动化和效率上产生了巨大变革。它用易于修改的数控加工程序进行控制，因而比大批量生产中使用组合机床生产线和凸轮、开关控制的专用机床有更大的柔性，容易适应加工件品种的变化，进行多品种加工。它用数控系统对机床的工艺功能、几何图形运动功能和辅助功能实行全自动的数字控制，因而大大提高加工加工效率，大大改变了中小批量生产中普通机床战整个机械加工70%80%的状况。数控机床能实现两坐标以上的联动的功能，其效率和精度比用手工和样板控制加工复杂零件要高的多。加工中心和车削中心是有机械设备与数控系统组成，适用复杂零件加工的高效、高精度的自动化机床。这种机床可装若干把刀具，能自动更换刀具，一次装卡中，完成铣镗、车、钻、扩、铰、攻螺纹等的加工。也是因为加工中心和车削中心比一般数控机床多了一套自动换刀装置，可实现多工序的连续加工，因而加工效率大大提高，使其成为数控机床中发展最快、需求最大的机床。自动换刀装置的形式是多种多样的，主要的组成部分是刀库、机械手和驱动机构等，虽然换刀过程、选刀方式、刀库结构、机械手类型等个不相同，但是在数控装置及可编程控制器控制下，由电动机或液压或气动机构驱动刀库和机械手实现刀具的选择与交换。我们把这种为实现多工序的连续加工，在加工中心或车削中心，可进行刀具的选择与交换的装置叫自动换刀装置（automatic tool change 简称ATC）。1.1.2 加工中心的主要优点1.提高加工质量工件一次装夹，即可实现多工序集中加工，大大减少多次装夹所带来的误差。另外，由于是数控加工，较少依赖操作者的技术水平，可得到相当高的饿稳定精度。2.缩短加工准备时间加工中心可以顶替多台通用机床，那么加工一个零件所需准备时间，是每台加工单元所损耗的准备时间之和。才这个意义上说，加工中心的准备时间显然短得多。3.减少在制品以往的加工方式是工件流动于多台通用机床之间，这就要有相当数量的在制品，而在加工中心上加工，即可发挥其“多工序集中”的优势，在一台机床上完成多个工序，就能大大减少在制品数量。4.减少刀具费不分散设置在个通用机床上的刀具，集中在加工中心刀库上，有可能有最少量的刀具，实现公共有效利用。这样既提高刀具利用率，有减少了刀具数量。5.最少的直接劳务费由NC装置多工序加工的信息集约化和一人多台管理，以及用工作台自动托盘交换装置等辅助装置，实现夜间无人运转。这些都可缩减直接劳务费。6.最少的间接劳务费由于工序集中，工件搬运和质量检查工作量都大为减少，这就使间接劳务费最少。7.设备利用率高加工中心设备利用率为通用机床的几倍。1.1.3 加工中心的发展趋势加工中心亦同其他机床一样，他的技术水平的提高，表现在其固有技术（如高速、高精度化等）的进一步发展和新技能（如智能化技能等）的运用上。1.高速化加工中心的高速化，是只主轴转速、进给速度、自动换刀和自动交换工作台的高速化。1）主轴转速的高速化；2）进给速度的高速化：是指快速移动速度的高速化和切削进给速度的高速化。3）自动换刀（ATC）的高速化从加工中心诞生初期起，就追求ATC的高速化。但是由于当时尚未充分掌握ATC的内在规律，故障效率较高，所以在后来的相当一段时间里，采用了首先保证动作可靠性，然后才考虑速度方针，结果在这段时期，ATC速度未提高多少。但是随着对ATC内在规律的深入了解和用户对ATC速度的要求迫切，有开始注意ATC速度了。4）自动托盘交换装置（APC）的高速化；2.进一步提高精度加工中心的主要精度指标是它的运动精度指标。而这一精度指标，近年来有了不小的提高，其中精密加工中心精度指标的提高尤为明显。所谓加工中心的运动精度，主要以定位精度、重复定位精度以及铣圆精度来表示。3.机能更加完善1）愈来愈完美的自诊断机能为了尽可能减少加工中心的故障，现代加工中心大都配备完善的自诊断机能。例如，位置检测传感器、刀具破损检测装置、切削异常检测装置、适应控制机能、备用刀具选择机能、温度传感器、声传感器、电流传感器等。这些机能和传感器，使机床具有一定的人工智能。2）新式刀具破损检测装置3）加工中心复合化趋势自动换刀装置开发技术要全面注意以下五个方面：(1）自动换刀装置的可靠性与优化设计研究。通过对自动换刀装置进行可靠性分析研究，找出其薄弱环节，通过改进设计，是自动换刀装置故障率大大减少，保证百万次以上正常换刀的品质。通过对自动换刀装置进行多目标的优化设计，使其动态性能达到最优，进而提高自动换刀装置的性能，降低其制造成本，使刀对刀换刀时间对40刀柄不大于1s，达到世界先进水平。(2）自动换刀装置的系列化与CAD设计。使自动换刀装置使用国内厂家的各种产品，以便得到推广和使用。即达到厂家一旦提出要求，可快速、合理的设计出针对厂家机床及其提出的参数：不同刀柄型号，刀库容量等的自动换刀装置，使厂家立即投入生产，并且处于国内先进水平的。(3）自动换刀装置制造技术研究。针对自动换刀装置中关键零件的制造技术研究，以提高其制造质量和降低制造成本。(4）自动换刀系统新技术的研究。跟踪国际加工中心和车削中心自动换刀装置的发展主流，研究自动换刀装置的新工作原理及新技术。(5）自动换刀装置产业化研究。自动换刀装置由专业厂生产比现有个厂家自行生产可降低成本，也能保证质量，同时在我国有巨大的市场，因此，在技术研究的基础上，应研究使我国的自动换刀装置生产走上产业化的道路，建立生产自动换刀装置的基地。自动换刀装置的设计应满足以下基本要求：1.换刀时间短，以减少非加工时间。2.减少换刀动作对加工范围的干扰3.刀具重复定位精度高。4.识刀、选刀可靠，换刀动作简单可靠。5.刀库刀具存储量合理。6.刀库占地面积小，并能与主机配合，使机床外观协调美观。7.刀具装卸、调整、维修方便，并能的到清洁的维护。1.2可编程控制器的特点可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会(International Electrical Committee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置”。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。PLC之所以高速发展，除了工业自动化的客观需求外，还有许多独特的优点。它较好的解决了工业控制领域中的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。其特点如下：1.可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达3万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息2.配备齐全，功能完善，适应性强PLC发展到今天，己经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3.易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。5.体积小，重量轻，耗能低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于l00mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。382换刀机械手的相关介绍2换刀机械手的相关介绍2.1 数控技术的发展历程 回顾数控技术的发展已经经历了两个阶段，六代的发展历程。第一个阶段叫做NC阶段，经历了电子管、晶体管、和小规模集成电路三代。自1970年开始小型计算机开始用于数控系统就进入了第二个阶段，叫做CNC阶段，成为第四代数控系统：从1974年微处理器开始用于数控系统即发展到第五代。经过十多年的发展，数控系统从性能到可靠性都得到了根本性的提高。实际上从20世纪末期直到今天，在生产中使用的数控系统大部分都是第五代数控系统。但第五代数控系统以及以前各代都是一种专用封闭的系统，而第六代开放式数控系统将代表着数控系统的未来发展方向，将在现代制造业中发挥越来越重要的作用。2.2数控加工中心的基本功能 带有自动换刀刀具交换装置（ATC Automatic Tool Change）的数控机床称为加工中心。它通过刀具的自动交换，可以一次装夹完成多道工序的加工，实现了工序的集中和工艺的复合，从而缩短了辅助加工时间，提高了机床的效率，减少了零件安装、定位次数，提高了加工精度。加工中心是目前数控机床中产量最大、应用最广的数控机床。 带有刀具自动交换装置、能一次集中完成多种工序加工的数控加工设备。数控机床实现了中、小批量加工自动化，改善了劳动条件。此外，它还具有生产率高、加工精度稳定、产品成本低等一系列优点。为了进一步发挥这些优点，数控机床遂向“工序集中”，即一台数控机床在一次装夹零件后能完成多任务序加工的数控机床（即加工中心）方面发展。 钻、镗、铣、车等单功能数控机床只能分别完成钻、镗、铣、车等作业，而在机械制造工业中，大部分零件都是需要多任务序加工的。在单功能数控机床的整个加工过程中，真正用于切削的时间只占30左右，其余的大部分时间都花费在安装、调整刀具、搬运、装卸零件和检查加工精度等辅助工作上。在零件需要进行多种工序加工的情况下，单功能数控机床的加工效率仍然不高。加工中心一般都具有刀具自动交换功能，零件装夹后便能一次完成钻、镗、铣、攻丝等多种工序加工。 2.3加工中心的组成部分加工中心分两大部分：数控机床和刀具自动交换装置。刀具自动交换装置应能满足以下几个方面的要求： 1.换刀时间短； 2.刀具重复定位精度高； 3.识刀、选刀可靠，换刀动作简单；4.刀库容量合理，占地面积小，并能与主机配合，使机床外观完整； 5.刀具装卸、调整、维护方便。 刀具自动交换系统由刀库、刀具交换装置、刀具传送装置、刀具编码装置、识刀器等五个部分组成。 2.3.1 刀库刀库是存贮加工所需各种类型刀具的仓库。它是刀具自动交换系统中的重要组成部分，具有接受刀具传送装置送来的刀具和将刀具给予刀具传送装置的功能。它的容量、布局和具体结构对整个加工中心的总体布局和性能有很大的影响，按其结构、形状可分为以下六种： 圆盘式刀库，又分为轴向式（刀具中心线与圆盘中心线平行）、径向式（刀具中心线与圆盘中心线垂直）和多盘式（在一根旋转轴上分设几层圆盘刀库）。 转塔式刀库，又分倾斜式和水平式。 鼓轮式刀库。 链式刀库。 格子式刀库。 直线式刀库。 应当根据被加工零件的工艺要求合理的确定刀库的存储量。根据对车床、铣床和钻床的所需刀具的数的统计表明，在加工过程中经常使用的刀具数目并不很多，对于钻削加工，用14把不同的规格的刀具就可以完成约80%的加工，即使要求完成90%的工件加工，用20把刀具也就足够了。对于铣削加工，需要的刀具更少，用4把不同规格的铣刀就能完成约90%加工，用5把不同规格的铣刀可以加工95%的工件。因此从使用角度来看，刀库的存储量一般为2040把较为合适，多的可达60把刀，超过60把刀的很少。 2.3.2 刀具交换装置（机械手）它的职能是将机床主轴上的刀具与刀库或刀具传送装置上的刀具进行交换，其动作循环为：拔刀新旧刀具交换装刀。换刀机械手种类繁多，可以说每个厂家噢都可以推出自己的机械手，基本上换刀装置按交换方式又分为两类。 无机械手换刀：由刀库与机床主轴的相对运动实现换刀。在这类装置中，刀库一般为格子式，装在工作台上。换刀时，先使工作台与主轴相对运动，将使用过的旧刀送回刀库，然后再使工作台与主轴相对运动一次，从刀库中取出新刀。这种换刀方式的换刀时间长，另外刀库设置在工作台上，减少了工作台的有效使用面积。 采用机械手换刀：机械手刀具交换装置，有单臂单手式机械手、回转式单臂双机械手、双臂机械手、多手式机械手。特别是双臂机械手刀具交换装置具有换刀时间短、动作灵活可靠等优点，应用最为广泛。双臂机械手中最常用的几种结构有：钩手；抱手；伸缩手；叉手。双臂机械手进行一次换刀循环的基本动作为：抓刀（手臂旋转或伸出，同时抓住主轴和刀库里的刀具）；拔刀（主轴松开，机械手同时将主轴和刀库中的刀具拔出）；换刀（手臂转180，新、旧刀交换）；插刀（同时将新刀插入主轴，旧刀插入刀库，然后主轴夹紧刀具）缩回（手臂缩回到原始位置）。机械手的手爪，大都采用机械锁刀的方式，有些大型的加工中心，也有采用机械加液压的锁刀方式，以保证大而重的刀具在换刀中不被甩出。 2.3.3 运刀装置 当刀库容量较大、布置得离机床较远时，就需要安排两只机械手来完成新旧刀的交换动作，一只靠近刀库，称为后机械手，完成拔新刀、插旧刀的动作；一只靠近主轴，称为前机械手，完成拔旧刀、插新刀的动作。在前后机械手之间则设有运刀装置。它一方面将前机械手从主轴上拔出的旧刀运回刀库旁，以便后机械手将该旧刀拔出并插回刀库；另一方面则将后机械手从刀库中拔出的新刀运到主轴旁，以便前机械手将该新刀拔出并插入主轴。运刀器的职能就是在前后机械手之间来回运送新、旧刀具 2.3.4 刀具编码装置 将加工所需的刀具自动地从刀库中选择出来称为自动选刀，有顺序选择和编码选择两种方式。 顺序选择方式： 将在加工中心上加工某一零件所需的全部刀具按工序先后依次插入刀库中。加工时按加工顺序一一取用。采用这种选刀方式不需要识刀器，刀库结构及其驱动装置都非常简单，每次换刀时控制刀库转位一次即可。采用顺序选刀方式时，为某一个工件准备的刀具，不能在其他工件中重复使用，这在一定程度上限制了机床的加工能力。 固定地址选择方式：这是一种对号入座的方式，又称为刀座编码方式。这种方式是对刀库的刀座进行编码，并将与刀座编码相对应的刀具一一放入指定的刀座中。然后根据刀座的编码选取刀具。该方式使刀柄的结构简化，刀具可以做得较短，但刀具不能任意安放，一定要插入配对的刀座中。与顺序选择方式相比较，刀座编码方式最突出的优点是刀具可以在加工过程中多次使用。 编码选择方式： 将加工某一项零件所需的全部刀具（或刀座）都预先编上代码，存放在刀库中。加工时根据程序寻找所需要的刀具。由于每把刀具都有自己的代码，它们在刀库中的位置和存放顺序可以与加工顺序无关。每把刀具都可被多次重复使用。刀具编码有多种方式，常用的有三种。刀具编码：在每一把刀具的尾部都用编码环编上自己的号码。选刀时根据穿孔带所发出的刀号指令任意选择所需的刀具。由于每把刀具都有自己确定的代码，无论将刀具放入刀库的哪个刀座中都不会影响正确选刀。采用这种编码方式可简化换刀动作和控制线路，缩短换刀时间。这种编码现已获广泛应用。刀座编码：在刀库的每一个刀座上用编码板编码。这种编码方式的优点是刀柄不会因尾部有编码环而增加长度缺点是刀具必须对号入座，换刀时间长。 编码钥匙：预先给每把刀具都系上一把表示该刀具代码的编码钥匙。2.3.5刀具识别装置通常有接触式和非接触式两种。2.4刀库的驱动及定位 刀库的旋转可分为电气驱动和液压驱动两种方式。电气驱动可以将伺服半闭环系统用作驱动刀库的转动，也可采用系统的PC 直接发出运转信号控制电机的运转来带动刀库旋转。液压驱动仍需电气信号的配合，PC 给出运转信号，一般通过电磁阀来实现前级控制，只是执行机构是液动马达。在执行ATC 过程时，除了主轴头的定向及主轴箱的定位外，为确保所更换的刀具准确地被机械手抓住，所以刀库的定位也是必要的功能。电气驱动时可在电机上安装位置编码器进行定位，也可以在抓刀位置安装接近开关来检测定位。液动结构的刀库往往采用机电结合式的销定位方式。半闭环伺服驱动刀库的定位精度较高，其它几种方式也足以满足刀库定位精度的要求。 2.5我国数控系统的发展概况在对内搞活，对外开放的方针指引下，于1980年开始引进日本就有70年代末期水平的微处理器数控系统和直流伺服拖动技术。并于1981年开始生产，到1988年又开始引进美国的GE和DYNAPATH公司的数控系统和拖动技术，在上海市机床研究所和辽宁精密仪器厂组织生产。1985年以后，我国的数控机床的可供品种已超过300种，其中数控机床占40%，加工中心占27% ，其它品种为重型机床、镗铣床、电加工机床、磨床、齿轮加工机床等。目前我国数控机床生产厂家共有100多家，其中能批量生产的企业有42家，平均年产量4050台，几家重点企业年产量可以达到400700台；数控系统生产企业约50家，但生产具有一定批量的只有8家，生产数控机床配套产品的企业共计300余家，产品品种包括八大类2000种以上。我国的数控系统分为三种类型，经济型、普及型、和高级型。在经济型数控系统中，我国具有很大优势，在当前每年数千台经济型数控车床和电加工机床的市场上，国产数控系统占据了绝大份额。在普及型数控系统的市场上，我们正在取得进展。当然，拥有自主知识产权的数控系统在市场的开拓上仍要尽更大的力量。新开发的国产数控机床产品大部分达到国际80年代中期水平，部分达到90年代水平，在技术上也有所突破，如高速主轴制造技术、快速进给、快速换刀、柔性制造、快速成型制造技术等为下一代国产数控技术的发展奠定了基础。2.6数控系统的发展趋势 国际上，数控系统的发展趋势正朝着高速度高精度化、高可靠性、多功能化、智能化、集成化、具有开放性、网络化数控系统、并联机床及数控系统的方向发展。2.7 ATC装置的分类自动刀具交换装置（ATC）通常由机械手和刀库组成，它们在刀具交换过程中的各种动作和步序取决于机械手的类型和刀具还回刀库的方式。 目前比较广泛使用的ATC装置中，按其机械手的类型来分有“无手式”（主要靠进给轴和刀库的运动来实现刀具的交换）、“单爪式”（机械手上只有一个手爪，换刀时先将主轴上的刀具送回刀库；再将刀库中的刀具装入主轴）和“双爪式”（换刀时一个手爪从刀库中取新刀，另一手爪从主轴上卸原刀）。其中“双爪式”又可分为“同步式”和“分步式”两种，前者是指取刀和卸刀是在同一步完成的，新刀装入主轴和原刀还回刀库也是在另一步同时完成的；而后者则是分成多步完成上述动作的。 “无手式”ATC装置的结构最为简单，“单爪式”其次，“同步双爪式”的结构相对复杂，而“分步双爪式”的结构最为复杂。 从刀具还回刀库的方式来看，ATC装置可以分为“固定刀位式”、“随机刀位式”和“混合还刀式”三种。“固定刀位式”是指机床使用的刀具在刀库中都有自己固定的位置（刀套），也就是说，从主轴上换下来的刀具必须还回原来的刀套位置。“随机刀位式”则是指还回刀库的刀具位置是任意的（就近）。而”混合还刀式”则是大直径刀具采用“固定刀位式”还刀，标准刀具采用“随机刀位式”还刀。 “固定刀位式”还刀的优点是刀具在刀库中的位置是固定的，操作人员对刀库中的刀具分布状况一目了然，他们可以根据加工程式中T代码后面的数字直接把刀具装入相应编号的刀套中，程编人员也可以根据刀具在刀库中的分布情况直接在加工程式中编写T指令；操作者也不必在手动装刀後检查和修改“刀套/刀号表”，给用户带来了很大的方便。 此外，由于刀具位置是固定的（刀具号等于刀套号），操作不必在刀库中设立专用的大直径刀具区，只要不在大直径刀具的二个相邻刀位装入刀具，即可保证运行的安全，从而提高了刀库的刀位利用率。 “固定刀位式”还刀的缺点是刀库在还刀前还要为寻找原刀位作一次旋转定位，影响了还刀的速度。 “随机刀位式”还刀的优点是还刀速度快（刀库不需作第二次旋转定位），缺点是刀库的现行刀具分布状况不直观（刀套中的刀具号是随时变化的），操作者必须查找“刀套/刀号表”后才能确定刀库中的刀具位置是否与加工程式中的T指令（刀具号）一致；手动装刀后，必须认真检查和修改“刀套/刀号表”，否则就可能造成“错刀”事故。 此外，如果使用了大直径刀具，还要设立大直径刀具区，刀库的刀位利用率就会降低。2.8 ATC装置的换刀速度比较图2.1a描述了“无手”或“单爪”式ATC装置的刀具交换过程，这类ATC装置只能采用“固定刀位式”还刀，必须先将主轴上的原用刀具还回刀库，再转动刀库找到新刀后，将它装入主轴。 虽然这类装置的结构十分简单，但是整套动作都占用了加工时间，所以换刀速度最低。 图2.1b和图2.1c描述了同步双爪式ATC装置的刀具交换过程，前者采用“固定刀位式”还刀（大直径刀具时）， 后者采用“随机刀位式”还刀（标准刀具时）。在这种ATC装置中从刀库取刀和从主轴卸刀是在同一步进行的，在采用“随机刀位式”还刀时，将新刀装入主轴和将原刀还回刀库可以连续在同一步进行，所以节省了时间，加快了换刀速度。 这类ATC装置还可以用在加工程式中提前编写T指令的方法，使刀库选刀动作提前完成（不占用加工时间），来提高换刀的速度。但是，这类装置往往要求刀库随主轴一起移动，所以刀库的容量不能很大，只适合于中小型加工中心配用。 图2.1d描述了分步双爪式ATC装置的刀具交换过程（固定刀位法），这种ATC装置的机械手左、右手爪是分步动作的，左爪用于取刀和还刀（刀库侧），右爪用于卸刀和装刀（主轴侧），取刀时将新刀从刀库送到换刀准备位；换刀时，将主轴上的原刀卸下后装入新刀（左、右爪的刀具交换）；还刀时，刀库旋转到原主轴刀具刀位后，左爪将原刀还回刀库。虽然这种ATC装置的结构复杂，换刀动作较多，但因为两个手爪的动作可以分步进行，所以经优化后，可以将“选刀”、“取刀”、“找还刀位”和“还刀”四组动作安排在加工时间进行，这样大大地缩短了换刀周期，提高了换刀速度，同时还保持了”固定刀位式”还刀的许多优点，成为一种比较受操作者欢迎的自动换刀装置。图2.1 几种ACT装置的换刀时序图2.9 分步双爪式ATC装置分步双爪式ATC装置的刀库可以自为一体、落地安装，所以容量很大（一般在60把刀以上），广泛用于大型卧式加工中心。图2是这种ATC装置的机械手、刀库和主轴的相动位置图，其中：刀库换刀位的位置是固定的，机械手臂在X轴方向有左、中、右三个位置（图中为“臂在右端”）；在Z轴方向有伸出和收回二个位置（图中为“手臂收回”）， 双爪可在X-Y平面上旋转180，以实现左、右爪上的刀具在A、B两个位置上的变换。根据机械设计人员提供的ATC动作循环表和电控时序图（其中详细描述了换刀过程的步序和每一步输出的动作命令以及步命令完成後各个机械部件位置检测器的状态）编写的，其中所列的步状态可作为各步动作完成标记使用，除本步发出的动作命令完成后相应的机械部件位置检测器的状态外，步状态中还包含了一些以前完成的、为保证下步动作安全的机械部件位置检测器的状态。 分步双爪式ATC装置的刀具交换过程由“取刀”（S02S08）、“换刀”（S10S20）和“还刀”（S22S28）三个基本循环组成。完成后停在第S01步。 “取刀”循环由加工程式中的T命令（S02步）起动（T代码后面的数字表示此后加工时要使用的刀具所在的刀套号），所选刀具到达换刀准备位置后（S08步）结束，此循环可与加工同时进行。 “换刀”循环由加工程式中的M06指令（S09步）起动，在所选刀具装入主轴；机械手左爪带着换下的原刀回到中间位置；刀库门关上；右爪夹紧后（S20步）结束。 “换刀”循环结束后，M06指令完成，系统进入加工状态。 “还刀”循环在“换刀”循结束后开始（也可用M76指令起动），在刀库定位到原主轴刀具刀套所在位置；刀具还回刀库；手臂回到中间；左爪夹紧（S28步）后结束，此循环也与加工同时进行。2.10自动换刀系统产品化的前景 随着机械加工业的发展，制造行业对于带有自动换刀系统的高效高性能加工中心的需求量越来越大。在现有的各种类型的加工中心中，传统结构的自动换刀系统的造价在机床整机造价中总是占着很大比重，这是加工中心价格居高不下、应用不普遍的重要原因。如果把自动换刀系统的设计制造从现有加工中心的制造模式中分离出来，把它作为加工中心的标准件或附件组织专门化的生产，同时由于该项技术的应用简化了机床主轴结构、采用弹簧夹头和外驱动机械手等关键技术、采用圆柱柄刀具和辅具，这不仅使数控机床工作性能有所提高，而且使得由它配套构成的加工中心的总体造价大幅度下降。低造价高性能的加工中心将会被中小厂广泛接收，这样必将给自动换刀系统生产厂商和加工中心制造厂商带来巨大的经济效益。3换刀机械手的总体结构设计3 换刀机械手的总体方案设计3.1 设计任务本次设计的主要任务是：自动换刀机械手，实现数控镗铣床的自动换刀，需要换的刀具主要是BT40型刀柄，需要实现的工作是抓刀换刀松刀的动作。主要技术参数：刀具最大重量6kg，双臂回转式换刀，刀臂数量和长度以及直径主要依据配套刀库的设计要求。换刀时间2.5S。3.2机械手的平稳性工业生产要求机械手工作速度快，运动平稳，定位精度高。应注意其影响因素，设计合理结构，以满足要求。3.2.1、影响平稳性以定位精度的因素1、 惯性力的影响图 3.1 惯性曲线机械手速度突变，加（减）速度不连续，会产生巨大的惯性冲击力，以至使工件滑动、部件松动、零件破裂。定位时，大的减速度使臂部往复振动，直接影响定位精度。因此，应根据机械手的运动特性，选择适宜的控制系统，使加（减）速度按所需的运动归路变化，同时，在保证刚度的前提下，减轻机械手运动件的重量。2、结构刚度的影响零件结构刚度性差，配合间隙大及整机固有频率低时，受较小惯性冲击，就发生振动。不但降低定位精度，而且降低机械手寿命。应选择合理结构，提高机械手固有频率及承受惯性载荷的能力。 3、定位方法的影响常用的定位方法中，电气开关的定位精度最低，伺服定位较高，机械挡块的定位最高。4、控制系统的影响电控系统的误差，阀类泄漏，检测元件失灵，挡块偏移等会降低定位失灵。5、驱动源的影响液压、气压、电压及油温波动都会降低平稳性及定位精度，必要时，用蓄能器等稳定液压、气压、电压，用加热器和冷却器控制油温。3.2.2 机械手的运动特性深入分析机械手的运动特点，有利于根据工作条件选择适宜的运动特点。下面为我们所选工业机械手所具有的运动规律，在减速较大时的情形。图 3.2 运动特性曲线按上图的运动，机械手的速度变化呈等加速或不等加速运动，其减速过程亦分为等减速运行和不等减速运行，在呈等加速运行，而不等减速运行时，由于速度行程短，故有利于提高机械手的工作速度。特点：速度变化基本上连续，运动中不会产生冲击，可以满足高速、平稳和定位精度高的要求。3.3机械手运动特性的分类气动机械手：气动机械手的加速或调节系统采用气路节流调速系统，控制系统采用气缸端部节流缓冲装置、气路节流缓冲回路、液压缓冲气等。定位系统采用机械挡块或多点定位几机构定位精度。液压机械手：液压机械手的加速或调节系统油路节流调速系统，控制系统采用油缸端部节流缓冲装置及缓冲回路、减压节流继续能缓冲系统、伺服系统等。定位系统采用关闭电磁换向阀定位精度、机械挡块定位精、伺服系统定位精度度等。电动机械手：电动机械手的加速或调节系统采用电路节流调速系统，控制系统采用反接制动电路、减速电路、凸轮或连杆机构等。定位系统采用电磁制动器、脉冲电路定位精度、机械挡块定位精度等。机械联动机械手：机械联动机械手的加速或调节系统采用凸轮连杆机构，控制系统采凸轮曲线和连杆机构。定位系统采用凸轮基圆及凸轮顶点、连杆极限位置。3.4开关型机械手的速度及位置控制用电气开关、换向阀、节流阀和机械挡块等来控制的机械手称为开关型机械手。液压机械手的速度控制：开关型液压机械手一般采用截流减速方法，少数采用蓄能器或溢流阀减速方法，也可以几种方法一起采用。气动机械手的速度控制：气动机械手有很多优点，但气动的压缩性大，阻尼效果差。符合大的气动机械手采用液压缓冲回路。一般采用的装置是气动-液阻装置。开关型机械手的定位系统：定位系统与速度控制系统有密切的关系，但他们都有其独立性，例如，节流减速后既可以发出指令关闭油路定位，也可以压在挡块上而定位。电气开关定位：电动机械手一般采用电磁制动器定位。当机械手运动到定位点时，行程开关发出信息给电控系统，激励电磁制动器而定位。特点：结构简单，工作可靠，维修方便，但定位精度低。机械挡块定位：一般是在减速后，驱动压力将运动件压在机械挡块上或驱动压力将活塞压靠缸盖而定位，定位精度较高。可分为单点定位或多点定位的挡块机构。3.5机械传动型机械手速度及位置控制为了便于控制机械手的速度及位置，一些专用机械手采用凸轮机构和连杆机构进行驱动。特点：工作速度可以提高而且与主机同步工作而不产生误动作。通过以上论述和比较，选用液压缓冲器和油缸端部缓冲的方式，定位选用机械挡块定位。3.6 机械手类型确定根据以上的介绍，通过比较我确定选用电动机械手。这样选择的原因主要是根据精度和成本的原因。由于是个单独的部件大量生产，成本是非常主要的原因，气动和液压机械手的制造精度要求非常高，成本也就高，而电动机械手作为发展得最为完善的机械手，在精度满足需要的同时，成本是最低的，所以选择了电动机械手。3.7 驱动系统和电控系统的选择3.7.1驱动系统的选择机械手驱动系统有：液压驱动、电压驱动、电机驱动和机械驱动四种。一台机械手的驱动方式，可以只用一种方式进行驱动，也可采用几种方式联合驱动。机械手的驱动系统有液压驱动，气压驱动，电机驱动，和机械传动四种。一台机械手可以只用一种驱动，也可以用几种方式联合驱动，各种驱动的特点见表“3-1”。 表3-1驱动方式的比较比较内 容驱动方式机械传动电机 驱动气压传动液压传动异步电机，直流电机步进或伺服电机输出力矩输出力矩较大输出力可较大输出力矩较小气体压力小，输出力矩小，如需输出力矩较大，结构尺寸过大液体压力高，可以获得较大的输出力控制性能速度可高，速度和加速度均由机构控制，定位精度高，可与主机严格