加工中心自动换刀机构设计论文

西安文理学院机械电子工程系 本科毕业设计（论文） 题 目 加工中心 自动换刀 机构 设计 专业班级 08 级机电（ 2）班 学 号 08102080213 学生姓名 侯飞龙 指导教师 姚慧 设计所在单位 西安 文理学院 2012 年 2 月 目录 目录 第 1 章 绪论 .加工中心换刀 机构 设计的目的及意义 .加工中心换刀 机构 的发展现状 .研究的主要内容 . 2 章 总体方案设计与论证 .加工中心换刀 机构 的设计要求 .初步设计方案 . 旋转臂与夹紧机构 . 主架回转与臂部旋转机构 .方案的确定 .设计结构分析 . 设计参数 . 自由度分析及各自由度的实现 . 加工中心换刀机械手的组成 .本章小结 . 3 章 构设计及尺寸 计算 .手指结构设计及计算 . 手指夹紧力的计算 . 手指部分的相关校核 .手指夹紧液压缸设计 . 10 手指夹紧液压缸各部分尺寸的确定 . 10 材料的选择 . 12 手臂旋转液压缸设计 . 12 手臂伸缩液压缸各尺寸数据的确定 . 12 主架旋转机构设计 . 14 主架架旋转轴的设计 . 14 手架旋转驱动机构的选择 . 16 单级圆锥齿轮的设计与校核 . 17 主架伸缩液压缸的设计 . 23 主架伸缩液压缸各尺寸数据的确定 . 23 材料的选择 . 24 手架伸缩液压 缸活塞杆的校核 . 24 本章小结 . 25 第 4 章 控制部分的设计 . 26 液压缸的流量、流速及压力 . 26 确定液压泵的流量、压力及液压泵的型号 . 26 各液压缸缓冲装置的设计 . 28 液压系统回路 . 28 旋转轴控制线路 . 29 技术难点 . 29 本章小结 . 30 结束语 . 31 致 谢 . 32 参考文献 . 33 西安文理学院本科毕业设计 (论文 ) 第 1 页 第 1 章 绪论 加工中心换刀 机构 设计的目的及意义 本设计主要是在实现手指夹紧、手臂伸缩、手架伸缩以及手架旋转 运动的基础上，为加工中心换刀机械手的研究提供几种新的设计方案，并通过论证分析，选择其中一种比较理想可行的方案进行设计计算，以达到准确、稳定、快速、可靠换刀的目的。在满足加工中心换刀机械手各种运动要求的同时，本设计也在一定程度上简化了换刀机械手的结构，以方便加工中心换刀机械手的加工制造过程。 加工中心换刀 机构 的发展现状 近年来，随着世界制造业向中国转移，我国对机床的需求量大增。同时，经过多年的努力， 我国数控机床的开发水平也有了很大进步，数控机床的品种和质量均比以往有所提高，部分机床制造主导厂还开发出 具有相当水平的数控设备。 但是，通过有关部门给出的资料，只要作进一步的分析与了解，我们就会发现，国产数控机床在消费量的台数中虽占有一半 （ 55%） 以上，但它们多是些技术水平较低、价格相对便宜的普通产品，如数控车床、数控铣镗床和线切数机床等，高、中档数控产品则较少，而且这些产品的核心技术或功能部件，如 加工中心换刀机械手、 全功能的数控伺服系统，高速电主轴，数控刀架乃至高速安全防护装置等，还多是由中外合资企业提供或是从国外进口的。这也说明 由于技术发展的不平衡，在多种条件制约下，目前我国数控机床的整件技术水平与国际先进 水平相比还有一定距离，部分高性能、高速、高精度的数控机床仍需要依靠海外进口。 功能部件技术水平的高低、性能的优劣以及整体的社会配套水平，都直接决定和影响着数控机床整机的技术水平和性能，也制约着主机的发展速度。而 换刀机械手 则是加工中心稳定可靠运行的关键功能部件。它的快速、准确的换刀程序是影响加工中心发挥高效、可靠的加工性能的重要因素。没有 换刀机械手 ，就不可能有集中工序进行加工的加工中心。有资料显示，刀库和机械手的故障率约占整机故障率的 25%。所以说， 换刀机械手 的性能、质量直接影响着数控机床整机的性能、质量和品 种的发展。 加工中心是备有刀库，并能自动更换刀具，对工件进行多工序加工的一种功能较全的数字控制机床，也是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，是判断企业技术能力和工艺水平标志的一个方面。加工中心中实现刀库和机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为自动换刀装置，它的功能是储备一定数量的刀具并完成刀具的自动交换。自动换刀装置可帮助数控机床节省辅助时间，并满足在一次安装中完成多工序、工步加工要求。它由存放刀具的刀库和换刀机构组成。作为自动换刀装置，它需要满足换刀迅速、时间短，重 复定位精度高，刀具储存量足够，所占空间位置小，工作稳定可靠等特点。 换刀装置中刀具的交换形式及它们的具体结构对机床的工作效率和工作可靠性有着直接影响。加工中心的自动换刀形式可分为无机械手换刀方式和有机械手换刀方式两大类。无机械手换刀方式一般是采用把刀库放在主轴箱可以运动到的位置，同时，刀库中刀具的存放方向一般与主轴上的装刀方向一致。无机械手换刀方式是由刀库和机床主轴的相对运动实现刀具的交换的，这种方式结构简单，但换刀时间要长。目前，加工中心 西安文理学院本科毕业设计 (论文 ) 第 2 页 的自动换刀装置大都采用有机械手换刀方式，因为有机械手换刀装置在刀库的 配置、与主轴的相对位置及刀具数量确定上都比较灵活，机械手数量和换刀形式比较随意，换刀时间比较短，应用广泛。换刀机械手的形式有单臂式、双臂式、回转式和轨道式等，而常用双臂式机械手的手爪结构形式又分为钩手、抱手、伸缩手和叉手等。 加工中心换刀机械手作为数控机床的一个重要的功能部件，它在国内外的数控机床制造领域中已受到广泛的重视。目前，在国外 换刀时间已达到 ， 换刀时间也达到了 左右，国内也出现了立、卧两用凸轮式换刀机械手和用于五轴联动的换刀机械手的研究。 加工中心换刀机械手的主要任 务是，完全模拟人手的换刀动作，给机床主轴与弹簧夹头提供相对转动实现夹紧、放松刀具的动作。机械手应具备足够的转矩，同时还应使机械手具备结构紧凑、占据空间小的特点，以适应不同类型机床的换刀空间。随着机械加工业的发展，制造行业对加工中心换刀机械手的需求量会越来越大。 研究的主要内容 加工中心换刀机械手的设计是在实现手指夹紧、手臂伸缩、手架伸缩以及手架旋转运动的基础上，实现其准确、快速、可靠、稳定的换刀。设计得主要内容如下： 1、根据目前常用的加工中心换刀机械手的换刀方式，对 手臂伸缩与手指夹紧机构、手架旋 转与手架伸缩机构的设计 提出几种新的方案，并 通过对所提出方案的论证分析，选择一种较为理想的方案进行具体的设计。 2、对所选设计方案中换刀机械手的组成机构及各个自由度运动的实现进行分析。 3、对 加工中心换刀机械手的手指夹紧力进行分析与计算，并对其关键部位进行校核，以保证换刀的可靠性。 4、确定各个运动的驱动机构。 5、对设计中所涉及到的液压缸通过计算确定其个部分结构的具体尺寸，并对个活塞杆的强度、稳定性以及螺栓的强度进行校核，以保证 加工中心换刀机械手 能够稳定、可靠的完成换刀过程。 6、对设计中出现的齿轮、轴等重 要零部件通过计算确定尺寸后，要进行安全校核。 7、设计出加工中心换刀机械手的控制系统部分，完善设计内容。 西安文理学院本科毕业设计 (论文 ) 第 3 页 第 2 章 总体方案设计与论证 加工中心换刀 机构 的设计要求 设计加工中心换刀机械手，使其实现手指夹紧、手臂伸缩、手架伸缩以及手架旋转运动，并设计出它的传动控制部分，以保证 加工中心换刀机械手 能够准确、稳定、快速、可靠的完成换刀过程。 初步设计方案 旋转臂与夹紧机构 由于与机械、电力传动相比，液压传动具有体积小、质量轻、功率大运动平稳的特点，并且因为液压元件有自我润滑作用，使 用寿命长，所以在以下几种设计方案中， 旋转臂旋转运动及夹紧机构夹紧运动都采用液压的驱动方式。并且由于 旋转臂的两臂可旋转，旋转后回转，可避免与刀库中其他刀具干涉，所以，以设计方案中的 换刀机械手都两手旋转回转式单臂机械手夹紧机构。 1、结构设计方案 在此方案中， 加工中心换刀机械手 两个手指的运动由一个液压缸单独控制，这使得它运动的灵活性很强，其结构如图 示。 图 手指夹紧机构 工作原理：当手架旋转 75 到指定位置后，发出手臂伸出指令，手 臂伸缩液压缸 1工作，当液压缸的进油腔油压力升高，压力继电器开关动作，并发出手指夹紧指令，手手指开始夹紧。 手架在插刀动作结束后，发出手指松开指令，此时手指夹紧液压缸 1 反行程运动，手指松开。 主架回转与臂部旋转机构 1、结构设计方案 此方案的主要特点是采用圆锥齿轮机构实现 加工中心换刀机械手的拔刀和插刀动 西安文理学院本科毕业设计 (论文 ) 第 4 页 作， 其结构如图 示。 图 锥齿轮 机构 工作原理：当加工中心发出换刀信号后，电动机 M 启动，通过单级圆锥齿轮带动手架旋转轴旋转。在 旋转轴旋转 75到达工作位置后，电动机 M 停止工作，并发出手臂旋转和手指夹紧信号。当手臂旋转和手指夹紧动作完成后，准备拔刀，此时，支撑液压缸开始运动，整个摆臂上升，拔刀动作开始，摆臂运动到指定位置时，支撑液压缸停止工作。 电动机开始工作，摆臂架旋转 180 后停止，开始插刀动作过程。手架恢复到初始位置，等待下一次换到指令。 此种机构如果设计出适当的凸轮机构便可是从动件实现预期的运动，而且结构简单、紧凑。 方案的确定 图 示的加工中心换刀机械手手臂伸缩和手指夹紧机构中，手臂伸缩和手指夹紧运动都分 别由单独的液压缸进行控制，这使得它们的灵活性都很好。 图 示的机构由于采用了锥齿轮机构，为保证准确换刀，就需要精确的计算出锥齿轮轮的旋转速度和锥齿轮的轮廓曲线，同时还要精确的控制电动机 M 的起、停时间。故选用此机构会比较理想一些。 通过以上分析，本设计选由图 示的夹紧机构和图 所示的主架旋转机构组成加工中心换刀机械手进行具体的设 计。 设计结构分析 设计参数 主架上下伸缩液压缸最大行程： 110 手臂旋转机构液压缸最大行程： 60 手指夹 紧液压缸最大行程： 10 夹持工件质量： 8 换刀过程手架旋转角度： 180 ； 西安文理学院本科毕业设计 (论文 ) 第 5 页 换刀机械手复位角度： ； 自由度分析及各自由度的实现 分析自由度的坐标形式有：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式以及关节坐标式等等，本设计中采用直角坐标式对 加工中心换刀机械手的自由度进行分析，如图 示。分析过程如下： (1) 手指夹紧运动 (Y )：由手指夹紧液压缸控制实现，通过活塞 杆推动或拉动手指部分的连杆机构实现手指的夹紧或松开。 (2) 手臂旋转运动 (Y )：由伸缩式液压缸控制实现。 (3) 主架上下伸缩运动 (Z )：由手架伸缩液压缸控制它的伸缩运动，能实现换刀机械手的拔刀和插刀动作。 (4) 主架旋转运动 (Z )：由电动机带动单级圆锥齿轮来实现，通过控制电动机的启停时间即可实现手架旋转 75到达工作位置、主架旋转 180完成主轴刀具和刀库刀具互换运动、手架反向旋转 75 复位三种运动。 加工中心换刀机械手的组成 加工中心换刀机械手由执行机构、驱动机构，各部分特点如下： 1、执行机构 执行机构是完成各种动作的部件总称，它由抓取部分（手部）、臂部和主架等运动部件所组成。 手指部分：即直接与工件接触部分，一般是回转型或平移型，手爪多为两指，也有多指；根据需要分为内抓式或外抓式；也可用负压式或真空式的空气吸盘和电磁吸盘。本设计采用夹持式手部，即由手爪和传力机构组成，它的主要功能是在换刀过程中完成抓住工件、握持工件和释放工件的动作。 手臂部分：手臂是支撑被抓物体以及手 指部分的重要部件，起调整和改变工件方位的作用。本设计中手臂的主要作用是带动手指去抓取物件。 主架部分：用于承受手部以及手臂部分的总体重量，在本设计中它还用于通过旋转运动实现加工中心主轴刀具和刀库刀具的互换运动。 2、驱动机构 驱动机构是用来为各个部件的运动提供动力，是实现一切运动的动力源，有气动、液动、电动和机械式四种形式。 本设计中的各个运动主要是直线、旋转往复运动。由于电动机输出的是旋转运动，若采用电动机传动，则必须加入齿轮、齿条等机械机构，将电动机输出的旋转运动转变为直线往复运动，而液压缸或气缸一般都 是直线往复运动的，可直接带动负载作直线往 西安文理学院本科毕业设计 (论文 ) 第 6 页 复运动，使得结构简单。同时，由于液压驱动的抗冲击能力比电气驱动的抗冲击能力要强，而且在产生相同驱动力（力矩）的条件下，与其他驱动方式相比，液压驱动系统还具有体积小、惯性小、工作平稳可靠以及可实现较高位置精度的特点。故本设计中的驱动方式以液压驱动为主，用液压驱动方式来实现手指夹紧、手臂伸缩和手架伸缩的动作。 对于手架的旋转运动，由于手架旋转轴要实现：旋转 75 到工作位置，旋转 180交换主轴刀具和刀库刀具和反向旋转 75 实现手架复位三种运动，如采用液压缸和行程开关来控制 ，要分别实现这三种旋转运动会比较困难，而若采用电动机驱动，则只需控制好电动机的起、停时间就可实现预期的运动。所以，本设计中的手架旋转运动由电动机带动单级圆锥齿轮来实现。 本章小结 本章主要是设计加工中心换刀机械手的主要换刀形式，也给出了三种手臂伸缩与手指夹紧机构和两种 手架旋转轴与手架伸缩 机构的设计方案，并通过论证分析，确定了最终的设计方案。同时，本章对加工中心换刀机械手的组成及各自由度运动的实现也进行了较为具体的介绍。 西安文理学院本科毕业设计 (论文 ) 第 7 页 第 3 章 结构设计及尺寸 计算 前一章对机械手的整体结构进行了方案论证，并确定了 技工中心换刀机械手的基本结构及工作范围，本章将在上一章的基础上对机械手的各部分结构进行具体的设计 。 手指结构设计及计算 手指夹紧力的计算 根据文献 5， 手指夹紧力的计算过程如下： 手指对工件夹紧力： 式中： 1K 安全系数，本设计中取 1K = 2K 动载系数，本设计中取 2K = 3K 方位系数， ，本设计中 .0f ， 60 ， 则 360s K，本设计3K= G 被抓持工件的重量，取工件质量为 7 将上述各值代入式 (得： N =手指结构进行受力分析如图 示， 由： s 1 21 可得： )1 (又由： 0 )1 (得： s in)s )s 西安文理学院本科毕业设计 (论文 ) 第 8 页 即： )s s (在本设计 ， 302160 b =50c =13 将各值代入式 (得 )3021s 13/P =2 50 13 =虑到运动过程中的能量损失，取 =手指夹紧液压缸的实际驱动力为： /实 =设计中取实P=500N； 由式 (得： )215001 P =式 (得： 1P =511P =51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： 2惯 (式中： m 工件质量； R 工件到旋转轴线的距离，这里取 300R 手架 旋转轴的转速，初取 2 s； 则由式 (得： 2)2(惯F = N 因实惯 ， 所以手指夹紧液压缸的实际驱动力取实P=500N，安全。 手指部分的相关校核 根据文献 8， 72 对手指部分重要部位的校核过程如下： 西安文理学院本科毕业设计 (论文 ) 第 9 页 轴和手指的材料都选用 45 号钢， 它们的许用剪应力 =70用挤压应力 140许用拉应力 =300 1、轴校核 1 )1010/(2 =101013/(61 = ， 轴安全。 2、轴校核 1 )108/(2 =10813/(61 = ， 轴安全。 3、手指强度校核 A 截面的抗弯截面模量公式如下： (式中： 形心轴惯性矩； z 截面图形的形心位置； )(3/)2(101 (式中：h =b =20a =10 将各值代入式 (得 2z =截面面积为： 1A =20 10 (2=z =5截面面积为： 2 =26 处截面的形心位置为： )/()( 212211 西安文理学院本科毕业设计 (论文 ) 第 10页 =(5)/(=(36/)4( 22222222321211 = (102+4 10 20+202)/36 (20+10)+(5)2 2/3112222 =26/12+(5)2 1 y =各值代入式 (： 截面处的弯矩： 危险截面 A 处的拉应力为： 9A A A 安全。 危险截面 C 处的弯矩截面图形形状如图 示，抗弯截面模量为： 3222C (6/6/ 故危险截面 C 处的拉应力为： )9 = C安全。 手指夹紧液压缸设计 手指夹紧液压缸各部分尺寸的确定 根据 文献 9， 5由： 西安文理学院本科毕业设计 (论文 ) 第 11页 4/)(4/ 22212 f (得： 12221 /)()/()(4 f (式中： 1P 液压缸的工作压力，本设计中初取1P= 2P 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 , 2P =本设计中初取估算值 2P = 活塞杆直径与液压缸内径之比，因在工作压力 1P 1200 N/ 2，取 速度系数 中点圆周速度为： )100060/(11 =50/60000=s 因s 和 1200 N/ 2故 可取 工作硬化系数 因大小齿轮均为硬齿面，故取 1； 接触计算时的尺寸系数 一般取 1； 计算齿轮的接触疲劳极限应力 ： 西安文理学院本科毕业设计 (论文 ) 第 21页 由公式： 1=2=150011 1=触计算安全系数 因大小齿轮材料和硬度均相同，所以有：S /=触计算最小安全系数为1HS安全。 2、 齿根弯曲疲劳强度的校核 弯曲计算用单位齿宽上的载荷K 式中： 中点分度圆上的圆周力， K 工况系数，K=1； 动载系数，； 弯曲计算用的齿向载荷分布系数，取 弯曲计算用的端面载荷分布系数，对直齿圆锥齿轮，； 将各值代入式 (得： 11/18=位系数 x 、 为提高弯曲疲劳强度，采用切向 高变位传动，因 =90（轴交角），故由)/11(1 ，可得： 小轮的变位系数 1x =轮的变位系数 2x =- 1x = 根据 212 /1 =19/57=取11 计算应力集中系数 当 1x =0 时，1 当 2x =2180 时， 2 齿形系数 圆柱） ( 西安文理学院本科毕业设计 (论文 ) 第 22页 根据1x=0，2x=80， 查得1柱） =柱） = 根据1 查得1C=C= 故由式 (得： 1柱） =柱） =曲计算应力 F ： 111 ( 当量圆柱齿轮弯曲计算用重合度系数，对一般圆锥齿轮1； 中点模数； 小齿轮弯曲计算应力： 111 =： )/( 212212 = = ： 由于大、小齿轮的材料 及硬度都相同，并经过渗碳淬火处理，可取 1= 2=350 N/ 2 试验齿轮弯曲计算用的寿命系数 按持久寿命计算，有：1； 相对表面状况系数 因小齿轮均用 20面经渗碳处理，齿面光洁度为 7 ， 21 R =m 故取1 2 相对敏感系数 ： 因大、小齿轮均用 20经渗碳淬火处理， 当 =600 N/ 2 1，查得 1= 西安文理学院本科毕业设计 (论文 ) 第 23页 当 600 N/ 22，查得2 试验齿轮的应力集中系数 弯曲计算用的尺寸系数 因为大、小齿轮材料和热处理方式都相同， m =2，所以 1； 计算齿轮的弯曲疲劳极限应力： 111111l i i m XR re lT =350=2222222l i i m XR re lT =350=2弯曲计算安全系数 1 11 = 22 =曲计算最小安全系数 1 2 安全。 主架伸缩液压缸的设计 主架伸缩液压缸各尺寸数据的确定 估算手架伸缩液压缸负载如下： 轴承套筒质量： 1m = 两轴承质量： 2m = 旋转轴质量： 3m= 手架旋转轴所承受的负载为： 4m = 上述结构的总质量为： 4321 = 手架伸缩液压缸的活塞杆在达到稳定速度过程中的加速度 ，则手架伸缩液压缸承受的负载为： )( = 西安文理学院本科毕业设计 (论文 ) 第 24页 考虑到液压缸密封处的摩擦力，取C=手架伸缩液压缸实际的负载为：F = 液压缸回油腔背压力，由于此液压缸在不工作时需保证它的负载能 长时间的保持在某一位置上，所以在本设计中初取估算值2P=1取1P=工作压力1时，液压缸将有较大的动量，使得液压缸在行程终点停止时，易产生很大的冲击及噪音，这种冲击不仅会引起液压缸的损坏，而且还会引起各类阀及相关部件的损坏，具有很大的危险性。为消除这种冲击，可设置缓冲装置。在本设计中，手指夹紧液压缸的负载虽然不是很大，可是由于它的速度较高，为保证各类部件的安全，仍给它设置了缓冲装置。但由于它的行程较短，不宜采用两端缓冲装置，否则会导致非缓冲行程过短，甚至没有缓冲行程。所以，本设计中只在手指夹紧液压缸的前端设置了缓冲装置。 而对于手臂伸缩液压缸，因其所取 的速度不是很大，故不需设置缓冲装置。 对于 手架伸缩液压缸，由于它的行程较大，为缩短加工中心换刀机械手的整体换刀时间，本设计中将手架伸缩液压缸的速度取得较大，同时由于它的负载也很大，所以在它的两端都需要设置缓冲装置。 液压系统回路 本设计中液压系统的控制主要 由压力继电器、电磁换向阀以及流量控制阀等元件实现。 控 制过程如下： 当手臂伸出信号发出后，电磁铁 作，两侧手臂同时伸出。当手臂伸缩液压缸的活塞杆及手指夹紧液压缸的后端盖运动到设计位置后，由于受到阻碍，便不再运动。 力继电器 1作，同时，电磁铁 电，电磁铁 电，开始手指夹紧动作。同理，当手指夹紧液压缸的活塞杆运动到设计位置后便不再运动 。 d 腔内油压力升高，压力继电器 2作，电磁铁 电，手架伸缩液压缸开始拔刀动作。当手架伸缩液压缸运动到设计位置时，控制电动机运动的线圈 好延时结束，它所控制的常开延时闭触头闭合，电动机启动，手架旋转轴开始旋转运动，进行刀库刀具和主轴刀具的互换动作。在手架旋转轴旋转 180后，发出插刀信号。电磁铁 电，手架伸缩液压缸开始反行程运动。但运动到初始位置后，活塞不运动， 油腔 力继电器 3作，控制电磁铁 电，手指夹紧液压缸反行程运动。当运动 西安文理学院本科毕业设计 (论文 ) 第 29页 刀设计位置后，油腔 c 内油压力升高，电磁铁 电，手臂伸缩液压缸开始反行程运动，当回到初始位置后，换刀动作结束，手架旋转轴准备复位。 旋转轴控制线路 手指夹紧时间： 1t= 手臂伸出时间： 2t= 手指松开时间： 3t= 手臂缩回时间： 4t= 手架伸出时间 : 5t= 手架缩回时间 : 6t= 手架旋转 75 时间： 7t= 手架旋转 180 时间： 8t= 手架反向旋转 75复位时