数控机床换刀系统设计

1、数控机床换刀系统设计摘要2第一章 、 概述2第一节、数控机床发展现状31、国际数控机床的发展状况32、国内控机床的发展状况43、数控机床技术的发展趋势5第二节、加工中心61、加工中心的组成72、加工中心的特点8第二章 加工中心自动换刀系统方案确定10第一节、加工中心自动换刀系统概述10第二节、自动换刀系统方案确定101、刀库方案的确定102、换刀机械手方案的确定14第三章 刀库的设计19第一节、刀库容量的确定20第二节、刀库的转位20第三节、刀库的夹刀机构21第四章、换刀机械手的设计21第一节、机械手的各种运动的分析221、手臂的伸缩运动222、手爪的开合运动223、回转运动234、直线运动2

2、4第二节、设计计算241、手爪夹紧力的计算242、齿轮的设计253、轴的设计28致谢32参考文献33摘要本设计的题目是数控机床换刀系统设计。以加工中心为对象，通过分析加工中心的整体结构和自动换刀系统的特点、应用条件，设计要求等，并结合在数控机床上对刀库和换刀机械手的需要能在数控程序的控制下灵活的实现换刀过程。设计的刀库为盘式刀库，驱动装置采用电机液压驱动；设计的换刀机械手为回转式单臂双手机械手，手指采用弹簧销压紧式，驱动装置采用液压双作用缸。结合工厂实际，该自动换刀系统在数控的控制下能灵活的完成换刀程序，节省了时间、提高了效率、安全可靠。第一章 、 概述数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实

3、现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。机床是发展机械制造业乃至整个工业必不可少的复杂生产工具，既是生产要素，又是重要的商品。而数控机床是机电一体化现代机床，对复杂件、难削件的加工起到重要作用，又特别适合于中小批多品种柔性生产。在大批大量生产自动化实现之后，必须要努力发展中小批多品种柔性生产自动化，以适应社会产品多样化的需求。数控机床的发展在很大程度上取决于数控系统的性能和水平，而数控系统的发展及其技术基础离不开微电子技术和计算机技术。随着计算机及其软硬件技术的飞速发展，数控系统的硬件平台趋于一致化，而控制系统软件的竞争日益加剧。

4、第一节、数控机床发展现状1、国际数控机床的发展状况随着商品市场的国际化，各国数控机床市场的联系越来越紧密，相互之间的影响越来越大。下面列举德国、日本、和韩国等三个国家的数控机床发展状况，从中可一窥国际数控机床的发展状况。德国：创历史新高2006年，德国机床业界的生产与服务总值高达108亿欧元，增长4%。在出口方面，截至2006年，德国机床制造业已连续4年取得上好成绩，仅2006年前9月的出口增幅便高达13%。来自中国市场的需求超过了美国市场，再度成为德国机床出口的最大海外市场。 与此同时，德国对韩国与印度的机床出口也有出色表现。这标志着亚洲市场的繁荣及其各个行业工业标准的提高。日本用户也在增加

5、对德国机床与技术的订购，2006年日本首次跃居德国15大出口市场之一。进口方面，亚洲的机床生产企业正不断提升技术标准，着力强化其在德国市场中的地位。2006年前3个季度，德国的机床进口增长率高达15%，主要增量来自中国、韩国、中国台湾与日本。 2007年该国机床生产与服务总值还将继续攀升，达115亿欧元。如此一来，德国机床制造业将取得历史以来的最好成绩，并有望打破行业在2001年所创下的最高记录。日本：细水长流式的景气复苏截至2006年年底，日本机床业已连续32个月每月订货额超过1000亿日元，超过了上世纪90年最高峰时连续22个月订货额超过1000亿日元的记录。其他的统计数字为:2006年机

6、床工业生产总值达1兆2110亿日元，与订货额基本呈现同样的发展趋势，出口额9255亿日元，同比增长14%，进口额1356亿日元，同比增长26%。 回顾以2002年为谷底的本次恢复期的机床工业订货额情况，2002年为6758亿日元，同比增长14.3%;2003年为8511亿日元，同比增长25.9%;2004年为1兆2362亿日元，同比增长45.2%;2005年为1兆3632亿日元，同比增长10.3%;2006年的订货额远远超出了当初的预测值1兆1200亿日元，达到1兆4370亿日元，同比增长54%，创造了16年来的历史新高，继续着细水长流式的景气复苏。韩国：出口良好，内需萎缩2006年韩国机床产

7、业的总产值达到41.4亿美元，估计比前年增长了18%。按阶段可分为：上半年良好、下半年停滞，表现为出口良好、内需萎缩的景象。 按照不同行业需求形态来看，以中小企业为主的铸造模具行业的需求，由于内需的不景气呈现出了全面的萎缩，而电气电子行业没能追加大量的投资，比前年有所减少。然而对业绩辉煌的造船业来讲，需求十分活跃，对大型机械的需求大大增加。汽车行业虽然因受到现代汽车公司的罢工影响多少有所萎缩，但通过汽车厂商的海外拓展及GM大宇、雷诺三星的投资相对扩大，基本保持了前年的水平。2、国内控机床的发展状况随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是

8、代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而中国从20世纪80年代开始起步，仍处于发展阶段。“十五”期间，中国数控机床行业实现了超高速发展。其产量2001年为17521台，2002年24803台，2003年36813台，2004年51861台，2004年产量是2000年的3.7倍，平均年增长39；2005年国产数控机床产量59639台，接近6万台大关，是“九五”末期的4.24倍。“十五”期间，中国机床行业发展迅猛的主要原因是市场需求旺盛。固定资产投资

9、增速快、汽车和机械制造行业发展迅猛、外商投资企业增长速度加快所致。2006年，中国数控金切机床产量达到85756台，同比增长32.8%，增幅高于金切机床产量增幅18.4个百分点，进而使金切机床产值数控化率达到37.8%，同比增加2.3个百分点。此外，数控机床在外贸出口方面亦业绩骄人，全年实现出口额3.34亿美元，同比增长63.14%，高于全部金属加工机床出口额增幅18.58个百分点。2007年，中国数控金切机床产量达123,257台，数控金属成形机床产量达3,011台；国产数控机床拥有量约50万台，进口约20万台。2008年10月，中国数控机床产量达105,780台，比2007年同比增长2.9

10、6。长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。究其原因，国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了510年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了1015年。同时中国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，中国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系

11、统少之又少，制约了数控机床产业的发展。国外公司在中国数控系统销量中的80以上是普及型数控系统。如果我们能在普及型数控系统产品快速产业化上取得突破，中国数控系统产业就有望从根本上实现战略反击。同时，还要建立起比较完备的高档数控系统的自主创新体系，提高中国的自主设计、开发和成套生产能力，创建国产自主品牌产品，提高中国高档数控系统总体技术水平。“十一五”期间，中国数控机床产业将步入快速发展期，中国数控机床行业面临千载难逢的大好发展机遇，根据中国数控车床19962005年消费数量，通过模型拟合，预计2009年数控车床销售数量将达8.9万台，年均增长率为16.5%。根据中国加工中心19962005年消费

12、增长模型，预计2009年加工中心消费数量将达2.8万台，较2005年年均增长率为17.8%。3、数控机床技术的发展趋势高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在：1、机床复合技术进一步扩展随着数控机床技术进步，复合加工技术日趋成熟，包括铣车复合、车铣复合、车镗钻齿轮加工等复合，车磨复合，成形复合加工、特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。“一台机床就是一个加工厂”、“一次装卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。 2、智能化技术有新突破数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能

13、上得到了较多体现。如：自动调整干涉防碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。 3、机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用，使得柔性线更加灵活、功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车铣复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。4、精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级（0.01m

14、m）提升到目前的微米级（0.001mm），有些品种已达到0.05m左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05m左右，形状精度可达0.01m左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（0.001m）。通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。 5、功能部件性能不断提高功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机，高性

15、能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平。第二节、加工中心加工中心是在数控铣床的基础上加上刀库及自动换刀装置或多个工作台，集数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能于一身的一种由计算机来控制的高效、高自动化的机床。工件在一次装夹后，数控系统根据加工的需要，自动选择和更换刀具，根据粗精加工的不同要求自动改变机床主轴的转速、进给量和刀具相对于工件的运动轨迹和其他辅助功能，一次完成多工序的加工。减少了工件的装夹、测量和机床调整等时间，使机床的切削时间达到机床开动时间的80%左右（普通机床仅为15%20%）；同时也减少了工序之间的工件周转、搬运和存放时间，缩短了生产周

16、期，具有明显的经济效益。加工中心适用于零件形状比较复杂、精度要求较高、产品更换频繁的中小批量生产。1、加工中心的组成加工中心自问世至今已有三十多年，世界各国出现了各种类型的加工中心，虽然外形结构各异，但从总体来看主要由以下几大部分组成。（1） 基础部件。基础部件由床身、立柱和工作台等组成，它是加工中心的基础结构，主要承受加工中心的静载荷以及在加工时产生的切削负载，因此必须要有足够的刚度。这些大件可以是铸铁件，也可以是焊接而成的钢结构件，它们是加工中心体积和质量最大的部件。（2） 主轴部件。主轴部件由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零件组成。主轴的启、停和变速等动作均由数控系统控制，并且通过

17、装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴是加工中心的关键部件，其结构的优劣对加工中心的性能有很大影响。（3） 伺服系统。伺服系统主要是进给传动系统，其作用是把来自数控装置的信号转换为机床移动部件的运动，其性能是决定机床的加工精度、表面精度、表面质量和生产效率的主要因素之一。加工中心普遍采用半闭环、闭环和开环三种控制方式。（4） 数控系统（CNC）。 加工中心的数控部分是由CNC装置、可编程控制器、伺服驱动装置以及操作面板等组成。它是执行顺序控制动作和完成加工过程的控制中心。（5） 自动换刀系统（ATC）。 自动换刀系统是由刀库、机械手等部件组成。当需要换刀时，数控系统发出指

18、令，由机械手（或通过其他方式）将刀具从刀库内取出装入主轴孔中。（6） 辅助装置。辅助装置包括润滑、冷却、排屑、防护、液压、气动和检测系统等部分。这些装置虽然不直接参与切削运动，但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起着保障作用，因此也是加工中心不可缺少的部分。2、加工中心的特点（1）结构特点。 机床的刚度高、抗振性好。为了满足加工中心高自动化、高速度、高精度、高可靠性的要求，加工中心的静刚度、动刚度和机械结构系统的阻尼比都高于普通机床。 机床的传动系统结构简单，传递精度高，速度快。加工中心传动装置主要有三种，即滚珠丝杠副；静压蜗杆蜗轮条；预加载荷双齿轮齿条。它们由伺服电机直接驱动，省去齿轮传

19、动机构，传递精度高，速度快。一般速度可达15m/min，最高可达100m/min。 主轴系统结构简单，无齿轮箱变速系统（特殊的也只保留12级齿轮传动）。主轴功率大，调速范围宽，并可无级调速。目前加工中心95%以上的主轴传动都采用交流伺服系统，速度可从（102000）r/min无级变速。 加工中心的导轨都采用了耐磨损材料和新的结构，能长期地保持导轨的精度，在高速切削下，保证运动部件不振动，低速进给时保证不爬行及运动中的高灵敏度。 设置有刀库和换刀机构。具有储存加工所需刀具的刀库，它用于储存刀具并根据要求将各工序所用的刀具运送到取刀位置；具有自动装卸刀具的机械手。这是加工中心与数控铣床和数控镗床的

20、主要区别，使加工中心的功能和自动化加工的能力更强了。加工中心的刀库容量少的有几把，多的达几百把。这些刀具通过换刀机构自动调用和更换，也可以通过控制系统对刀具寿命进行管理。 具有主轴准停机构、刀杆自动夹紧松开机构和刀柄切屑自动清理装置。这是加工中心机床主轴部件中三个主要组成部分，也是加工中心机床能够顺利地实现自动换刀所需具备的结构保证。此外，还具有自动排屑、自动润滑、自动报警和工作台自动交换的系统等。（2）加工特点 全封闭防护，加工精度高。加工中心同其他数控机床一样具有加工精度高的特点，而且加工中心由于加工工序集中，避免了长工艺流程，减少了人为干扰，故加工精度更高，加工质量更加稳定。 能自动进行

21、刀具更换，加工生产率高。零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分。加工中心带有刀库和自动换刀装置，在一台机床上能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和机床的调整时间，减少工件半成品的周转、搬运和存放时间，使机床的切削利用率（切削时间和开动时间之比）高于普通机床34倍，达80%以上。 工序集中，加工连续进行。加工中心备有刀库并能自动更换刀具，对工件进行多工序加工，使得工件在一次装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹以及其他辅助功能，现代加工中心更大程度地使工件在一次装夹后实现更多表面、多特征、多工位的连续、高效、高精

22、度加工，即工序集中。这是加工中心最突出的特点。 加工中心能自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助机能。 操作者的劳动强度减轻。加工中心对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作键盘、装卸零件、进行关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度和紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到很大的改善。 功能强大，趋向复合加工，对加工对象的适应性强。加工中心生产的柔性不仅体现在对特殊要求的快速反应上，而且能快速实现批量生产，提高市场竞争能力。 经济效益高，有利于生产管理的现代化。使用加工中心加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是较

23、昂贵的，但在单件、小批量生产的情况下，可以节省许多其他方面的费用，因此能获得良好的经济效益。并且用加工中心加工零件，能够准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验和工装夹具、半成品的管理工作。这些特点有利于使生产管理现代化。由于加工中心具有上述机能，因而可以大大减少工件装夹、测量和机床调整时间，减少工件的周转、搬运和存放时间，使机床的切削时间利用率高于普通机床34倍，大大提高了生产率，尤其是在加工形状比较复杂、精度要求较高、品种更换频繁的工件时，更具有良好的经济性。第二章 加工中心自动换刀系统方案确定第一节、加工中心自动换刀系统概述加工中心要完成对工件的多工序加工，必须要在加工过程中自动更换

24、刀具，为完成这项工作而设置的储存及更换刀具的系统统称为自动换刀系统。自动换刀系统中的刀库，换刀的可靠性，即换刀速度直接影响到加工中心的工作效率。利用刀库换刀，是目前加工中心中大量使用的换刀方式。由于有了刀库，机床只要一个固定主轴夹持刀具，有利于提高主轴刚度。独立的刀库大大增加了刀具的储存数量，有利于扩大机床的功能，并能较好地减少各种影响加工精度的干扰。第二节、自动换刀系统方案确定1、刀库方案的确定刀库式换刀装置有一个存储刀具的刀库，机床只需一个夹持刀具进行切削的刀具主轴（钻，膛，铣类机床）或刀架（车床类机床）。当需要某一刀具进行切削加工时，将该刀具自动地从刀库转置至机床主轴或刀架中；在切削完毕

25、后，又将用过的刀具自动的从机床主轴或刀架移回刀库中。由于在换刀过程中刀具需要在多个部件之间进行转换，所以各部件的动作必需准确协调。刀库中刀具的数目可根据工艺要求与机床的结构布局而定，数量可较多。刀库的储存量一般在864把范围内，多的可达10200把。刀库可布置在远离加工区的地方，从而消除了它与工件发生干涉的可能性。刀库不承受切削加工的作用力，它的工作条件比较好。机床的主轴或刀架的尺寸不象刀塔那样的受限制，这样就有可能提高主轴或刀架的刚度。从而有利于提高机床的加工精度。采用这种自动换刀方式的刀具主轴或刀架，需要自动夹紧、放松刀具的机构及其驱动传力机构。另外，还常需要清洁刀柄及刀孔、刀座的装置，因

26、而结构复杂，换刀时间一般也比较长。“自动换刀过程时间”包括下述动作的时间：一个工序加工完毕后，刀具快速退离工件，从加工位置退到换刀位置（同时主轴准停）；进行新旧刀具的交换；然后松开主轴（消除准停）、变速、主轴启动旋转并快速趋近加工位置，用更新的新刀具开始下一工序的加工。由于这种自动换刀装置是用于多工序零件加工，换刀频繁，如果每一次的“自动换刀过程时间”稍长一点，多次换刀所积累的结果就会相当可观，就不能显著提高生产效率，因此，在设计条件允许的情况下，应尽可能缩短“自动换刀过程时间”。中型机床，每次换刀时间一般在10秒左右，当然，在自动换刀过程的各个动作中，有些动作如刀具快速退离和快速接近工件所需

27、时间，尚与工件加工面具体位置有关，不完全决定于设计者。但有些动作如进行新旧刀具交换所需要的“换刀时间”，则可基本上由机床设计者所决定。这种“换刀时间”有的已降低至2.5秒或更少，一般约为5秒。1.1、链式刀库链式刀库包括单环链和多环链 , 链环形式可有多种变化，如图21（a）、（b）、（c） （a） （b） （c） 图21 图22是方形刀库的典型结构示意图。主动链轮由伺服电动机通过蜗轮减速装置驱动（根据需要，还可以经过齿轮副传动）。这种传动方式，不仅在链式刀库中采用，在其他形式的刀库传动中，也多采用。图22 方形链式刀库示意图导向轮一般做成光轮，圆周表面硬化处理。兼起张紧轮作用的左侧两个导论，

28、其轮座必须带有导向槽（或导向键），以免松开安装螺钉时，轮座位置歪扭，对张紧调节带来麻烦。回零撞块可以装在链条的任意位置上，而回零开关则安装在便于调整的位置上。这时处于机械手抓刀位置的刀套，编号为1好，然后依次编上其他刀号。刀库回零时，只能从一个方向回零，至于是顺时针回转回零，还是逆时针回转回零，可由机电设计人员商定。如果刀套不能准确地停在换刀位置上，将会使换刀机械手抓刀不准，以致在换刀时容易发生掉刀现象。因此，刀套的准停问题将是影响换刀动作可靠性的重要因素之一。为了确保刀套准确地停在换刀位置上，需要采取如下措施：（1） 定位盘准停方式，由液压缸推动的定位销插入定位盘的定位槽内，以实现刀套的准停

29、，或采取定位块进行快速定位。刀位盘上的每个定位槽（或定位孔），对应于一个相应的刀套，而且定位槽（或定位孔）的节距要一致。这种准停方式的优点是能有效地消除传动链反向间隙的影响，保护传动链，使其免受换刀撞击力，驱动电动机可不用制动自锁装置。（2） 链式刀库要选用节距精确度较高的套筒滚子链和链轮，而且在把套筒装在链条上时，要用专用夹具来定位，以保证刀套节距一致。（3） 传动时要消除传动间隙。消除反向间隙方法有以下几种：电气系统自动补偿方式，在链轮轴上安装编码器，单头双导程蜗杆传动方式，使刀套单方向运行、单方向定位以及使刀套双向运行、单向定位方式等。链式刀库有如下特点：适用于刀库容量较大的场合，所占的

30、空间小。一般适用于刀具数在30120把的刀库。仅增加链条长度即可增加刀具数，可以不增加圆周速度，其转动惯量不像盘式刀库增加的那样大。1.2、盘式刀库在盘式刀库结构中，刀具可以沿主轴径向、轴向、斜向安放，如图23（a）、（b）、（c）。刀具轴向安装的结构最为紧凑，但为了换刀时刀具与主轴同向，有的刀库中的刀具需要在换刀位置作翻转。在刀库容量较大时，为在存取方便的同时保持结构紧凑，可采取弹仓式结构，但是较其他形式复杂。目前大量的刀库安装在机床立柱的顶面或侧面。在刀库容量较大时，也有安装在单独的地基上的，以隔离刀库转动造成的振动。盘式刀库的刀具轴线也圆盘轴线平行，刀具环形排列，分径向、轴向两种取刀方式

31、，其刀座结构不同。这种盘式刀库结构简单，应用较多，适用于刀库容量较小的情况。为增加刀库空间利用率，可采用双环或多环排列刀具的形式，但圆盘直径增大，转动惯量就增加，选刀时间也较长。 （a） （b） （c）图 23其他的刀库形式还有格子盒式刀库，由于篇幅的限制这里就不再详细介绍了。经过对上述两种刀库形式的比较，以及结合的实际情况，在本设计中采用盘式刀库这种结构。2、换刀机械手方案的确定采用机械手进行刀具交换的方式应用的最为广泛，这是因为机械手换刀有很大的灵活性，而且可以减少换刀时间。2.1、机械手的种类加工中心换刀机械手的种类繁多，可以说每个厂家都推出自己的独特的换刀机械手，在加工中心的自动换刀系

32、统中，是机械手具体执行刀具的自动更换，对其要求是迅速可靠、准确协调。由于加工中心机床的刀库和主轴，其相对位置距离不同，相应的换刀机械手的运动过程也不尽相同，它们由各种形式的机械手来完成。常见的机械手有：（1） 单臂单爪回转式机械手机械手摆动的轴线与刀具主轴平行，机械手的手臂可以回转不同的角度来进行自动换刀，换刀具的所花费的时间长，用于刀库换刀位置的刀座的轴线相平行的场合。如图24所示：图24 单臂单爪回转式机械手（2） 单臂双爪回转式机械手图25 单臂双爪回转式机械手这种机械手的手臂上有两个卡爪，两个卡爪有所分工，一个卡爪只执行从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务，另一个卡爪则执行由刀库取出“新

33、刀”送到主轴的任务，其换刀时间较上述单爪回转式机械手要短，如图25所示。（3） 双臂回转式机械手这种机械手的两臂各有一个卡爪，可同时抓取刀库及主轴上的刀具，在回转180°之后有同时将刀具归回刀库及装入主轴，是目前加工中心机床上最为常用的一种形式，换刀时间要比前两种都短，如图26所示：图26 双臂回转式机械手这种机械手在有的设计中还采用了可伸缩的手臂，如图27所示：图27 双臂回转式机械手（手臂可伸缩式）（4） 双机械手这种机械手相当与两个单臂单爪机械手，相互配合起来进行自动换刀。其中一个机械手执行拔“旧刀”归回刀库，另一个机械手执行从刀库取“新刀”插入机床主轴上，如图28所示：图28

34、 双机械手（5） 双臂往复交叉式机械手这种机械手两臂可往复运动，并交叉成一定角度。两个手臂分别称作装刀手和卸刀手。卸刀手完成往主轴上取下“旧刀”归回刀库，装刀机械手执行从刀库取出“新刀”装入主轴。整个机械手可沿导轨或丝杠作直线移动或绕某个转轴回转，以实现刀库与主轴之间的运送刀具工作，如图29所示：图29 双臂往复交叉式机械手（6） 双臂端面夹紧式机械手这种机械手只是在夹紧部位上和前几种不同，上述几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面来抓住刀具，而此种机械手则是夹紧刀柄的两个端面，如图210所示：图210 双臂端面夹紧式机械手由于双臂回转式机械手的动作比较简单，而且能够同时抓取和装卸机床主轴和刀库上的

35、刀具，换刀时间较短，故我们选用双臂回转式机械手。如果我们采用不能伸缩的机械手，由于机械手回转时其手部回转半径较大，如刀库中刀具排得较密，可能碰撞刀具，且用这种类型的机械手直接在刀库与主轴之间换刀，只宜采用顺序换刀或刀具编码式任意选刀，不然，换刀时间将增加。故我们采用手臂可伸缩式的双臂回转式机械手。2.2、手爪的选择机械手的手爪，大都采用机械锁刀方式，有些大型加工中心，亦有采用机械加液压锁刀方式，以保证大而重的刀具在换刀中不被甩出。现有的手爪形式可分为以下几种：（1） 机械锁刀手爪弹簧销式手爪。使用这种形式的抓持机构，手爪不需要设置专门的传递装置，因而结构简单，使用广泛。但在机械手有旋转运动时，

36、为避免刀具甩脱，手爪就必须有自锁机构。（2） 钳形机械手手爪。这种手爪的张合需要动力传递装置，传动较复杂，但手爪的结构可较简单，使用也较普遍。其结构示意图如图211所示。（3） 虎钳形指。在手爪中设有定位销，使刀具在手爪中定位。用这种形式的夹持机构时，刀具需经特殊补充加工，不能使用标准刀具，所以使用者较少。图211钳形机械手手爪1 手臂；2锁销；3止退销；4弹簧5支点轴；6手爪；7键；8螺钉经对比分析，在本设计中采用第一种手爪形式。至此，本设计中的刀库、机械手以及手爪形式都已确定。，即刀库采用盘式刀库，机械手采用手臂可伸缩式的双臂回转式机械手，手爪形式采用弹簧销式手爪。第三章 刀库的设计本章将

37、具体设计本设计中有关刀库部分的具体内容，包括刀库的容量、转位、夹刀机构等。第一节、刀库容量的确定 刀库的容量首先要考虑加工工艺的需要。例如，立式加工中心的主要工艺为钻、铣。有资料显示，在统计了15000种工件，按成组技术分析，各种加工所必需的刀具数的结果是：4把铣刀可完成工件95%左右的铣削工艺，10把孔加工刀具可完成70%的钻削工艺，因此，14把刀的容量就可完成70%以上的工件钻铣工艺。如果从完成工件的全部加工所需的刀具数目统计，所得结果是80%的工件（中等尺寸，复杂程度一般）完成全部加工任务所需的刀具数在四十种一下，所以一般的中、小型立式加工中心配有1430把刀具的刀库就能够满足70%95

38、%的工件加工需要。根据以上分析，结合本设计的要求，在本设计方案中设定刀库的容量为24把刀。第二节、刀库的转位刀库的转位机构由伺服电机通过消隙齿轮1、2带动蜗杆3，通过蜗轮4使刀库转动，如图31所示。蜗杆为右旋双导程蜗杆，可以用轴向移动到方法来调整蜗轮副的间隙。压盖5内孔螺纹与套6相配合，转动套6即可调整蜗杆的轴向位置，也就调整了蜗轮副的间隙。调整好后用螺母7锁紧。图31 刀库转位机构1、2齿轮；3蜗杆；4蜗轮；5压盖；6套；7螺母刀库的最大转角为，根据所换刀具的位置决定正转或反转、由控制系统自动判别，以使找刀路径最短。每次转角大小由位置控制系统控制，进行粗定位，最后由定位销精确定位。第三节、刀

39、库的夹刀机构刀库的夹刀机构，即刀库夹爪，既起着刀套作用，又起着手爪作用。由于刀具在刀库中大部分时间是出于相对静止状态（只有在刀库转位时随刀库一起运动），所以刀库的夹刀机构的结构都比较简单，其夹紧力也较小，只需承受刀具本身的自重就可以了。其结构示意图如图32所示。图32 刀库夹爪1 锁销；2顶销；3弹簧；4支点轴；5手爪；6挡销至此，本设计中刀库部分已完成。由于刀库的设计不是本设计的重点，所以上述各部分的设计都以论述为主。第四章、换刀机械手的设计本章是本设计的重点内容，将具体设计计算机械手的一些零部件，以及具体分析标准件的选用。第一节、机械手的各种运动的分析在加工中心换刀的过程中，由机械手完成的

40、动作是最多的，下表是机械手的换刀动作表：表41 机械手的换刀动作从表中可以看出，在整个换刀过程中由机械手完成的动作有：手臂的伸缩运动、手爪的开合运动、新旧刀具对换的回转运动、机械手的上下直线运动。下面将具体介绍各个运动。1、手臂的伸缩运动手臂伸缩机构由回转液压缸1（见机械手驱动装置外形图），输出轴47，齿轮44以及齿条39和45组成（见换刀机械手图）。当压力油通过支架28和贯穿花键轴30的通孔（见机械手驱动装置图）进入回转液压缸1时，推动输出轴47转动，轴上的齿轮44便带动齿条39和44作直线运动，使两只机械臂同时伸出，通过齿条39及44上的挡块52压向调整螺钉53来限制终点位置。同时由微动开

41、关30发出信号，以进行下一个动作。当回转液压缸改变油路时，手臂便缩回。2、手爪的开合运动见换刀机械手图。机械手手臂的头部带有固定手爪14与活动手爪18，用来夹持刀柄。活动手爪18可绕小轴15转动，其一端由弹簧杆19作用支靠在小轴20上。当弹簧顶杆3未碰到挡块13而自由伸出时，挡杆22在弹簧作用下，其一端的斜面与活动手爪18的端部斜面台阶相靠，从而将活动手爪18锁死。当挡块13左移，将弹簧顶杆3压入时，顶杆3的一端迫使杠杆21顺时针转动，这样，杠杆21的一端将挡杆22的斜面自活动手爪18的端部斜面滑开。因此，当活动手爪18伸向刀柄拔刀或插刀后收回时，刀柄表面可使活动手爪18压缩弹簧而稍微张开，这

42、样机械爪即可将刀柄抱住或退出。与此同时，齿条44（或39）上的挡杆压于调整螺钉而限位，同时微动行程开关动作发出下一动作的信号。由于机械爪伸向刀柄拔刀，或插刀后收回，都是当机械手处于轴向向下移动后的位置上进行的。为了使机械手的活动手爪18在这时能从自锁状态下松开，在机床床身立柱上设有固定杆35，在机械臂的一侧有挡块装置。挡块13、锥孔盘4（在端面上周向均匀分布有4个锥孔）和轴9固定相连，轴9装于支架12内，其右端又与一端盖10用螺纹固定。当挡块13未与固定杆35相碰时，锥孔盘4处于与钢球5相对位置，弹簧销11顶着端盖10，使锥孔盘4紧靠于支架12的端面上，此时机械臂的弹簧顶杆3自由伸出，活动手爪

43、1处8于锁死状态。当机械手轴向向上运动后，固定杆35迫使挡块13转动，由于此时锥孔盘4端面上的锥孔与钢球5错开，这样锥孔盘4即连同挡块13、轴9、端盖11、压缩弹簧销11向左移动。挡块13即将机械臂上的弹簧顶杆3压入，将活动手爪18自锁紧状态下松开。当机械爪伸出抓住刀柄后，机械手轴向向下伸出，此时挡块13亦同时离开固定杆35，借弹簧1的作用，将挡块13拉回原来的锥孔盘4上锥孔与钢球5相对的原始位置，由弹簧销11的作用，使挡块13又移动至锥孔盘4与支架12端面压紧的位置。这时机械臂上的弹簧顶杆3又自由伸出，将活动手爪18锁死，保证机械手将刀具拔出后，机械手能将刀具可靠地夹紧。3、回转运动回转运动

44、用来实现新旧刀具位置的交换。由机械手驱动装置和机械手驱动装置外形图可见它由手臂14，回转座59组成的。手臂14与花键轴58固定连接，花键轴与两个花键套筒31相连，后者则由固定在机床立柱上回转座59上的两个滚动轴承支撑。齿轮41通过花键轴套筒安装在花键轴的右端。从回转液压缸图可以看到，回转液压缸缸体8和上端盖15、下端盖3、定片28间均用螺钉联接，并将它们作为一个整体通过上端盖固定在立柱上。回转轴23支承在上、下端盖上，与动片26固定联接，其伸出端通过花键轴部分与中间座的齿轮联接，向手臂传递运动，当液压缸通入高压油而使回转轴转动时，通过传动齿轮20带动齿轮41（见机械手驱动装置图）回转，这样，由

45、花键轴58带动手臂14转动，其转角相对180°的两极限位置，可由螺钉34及39限定，同时由螺栓35及33压下微动开关40发出到位信号，以进行下一个动作。4、直线运动这里的直线运动是指机械手向下和向上的拔、插刀的运动。这一运动由液压缸（见机械手驱动装置外形图）驱动来实现的。液压缸固定于机床上，活塞杆端部有联接件与花键轴相连。当活塞杆因液压缸进入高压油而向下或向上运动时，通过联接件即可带动花键轴作直线运动，从而带动回转头及机械手臂作向下或向上运动。在液压缸两端设有缓冲装置，可防止活塞与液压缸端面的撞击。当活塞在上下两极限位置时，都设有可调挡块，由微动开关作用发出到位信号。这种液压缸活塞驱

46、动的机械手，每个动作结束之前均需设置缓冲机构，以保证机械手的工作平稳、可靠。缓冲结构可以是小孔节流，可以外接节流阀或是缓冲阀等。为了使机械手工作平稳可靠，除了要设有缓冲机构外，还要考虑尽可能减小机械手的惯量。圆柱体围绕旋转中心的运动惯量可由下式确定：式中 圆柱体绕其自身中心的惯量（）圆柱体的重量（N）旋转半径(m)由上式可见，惯量与物体重量成正比，与旋转半径的平方成正比。因此要尽可能采用密度小质量轻的材料制造有关的零件，以减小机械手的回转半径。第二节、设计计算本部分内容将具体介绍相关零件的设计计算过程，具体包括手爪夹紧力的计算、齿轮的设计及轴的设计等内容。下面一一进行介绍。1、手爪夹紧力的计算

47、手爪对工件的夹紧力可按下式计算：Nk1k2k3G kg·f式中k1安全系数，通常取1.22，我们取k1=1.8；k2动载系数，主要考虑惯性力的影响，可按k21a/g估算；a为机械手在搬运过程中的加速度，单位为m/s2,a9.8m/s2,g为重力加速度，所以这里k2=1；k3方位系数，按机械工程手册（第10卷）表56.2-3选取k3=0.91.1，我们取k3=1.0；G被夹持刀具的重量，单位kg，这里取G=11kg。则我们设计的机械手手爪的夹紧力为：N1.8×1×1.0×11 kg·f = 19.8 kg·f2、齿轮的设计2.1、齿轮传

48、动的主要特点效率高 在常用的机械传动中，以齿轮传动的效率为最高。如一级圆柱齿轮的效率可达99%。这对大功率传动十分重要，因为即使效率只提高1%，也有很大的经济效益。结构紧凑 在相同的使用条件下，齿轮传动所需的空间尺寸一般较小。工作可靠，寿命长 设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮，工作十分可靠，寿命可长达一、二十年，这也是其它机械传动所不能比拟的。这对车辆及矿井内工作的机器尤为重要。传动比稳定 传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。齿轮传动获得广泛应用，也就是由于这一特点。但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离大的场合。2.2、设计原则所设计的齿轮传动在具体的工作情况

49、下，必须具有足够的、相应的工作能力，以保证在整个工作寿命期间不致失效。目前设计一般使用的齿轮传动时，通常按保证齿根弯曲疲劳强度及保证齿面接触疲劳强度两准则进行计算。设计齿轮传动时，应使齿面具有较高的抗磨损、抗点蚀、抗胶合及抗塑性变形的能力，而齿根要有较高的抗折断的能力。因此，对齿轮材料性能的基本要求为：齿面要硬，齿芯要韧。常用的齿轮材料有钢、铸铁和一些非金属材料。2.3、设计步骤在换刀的过程中，整个机械手的转角为180°，且只经过一级齿轮传动就满足我们的传动要求，所以可以直接计算出此处的传动比，所用公式为：1/2=Z2/（Z1+Z2）式中 1机械手的回转角度 2回转液压缸动片的转角

50、Z1从动轮齿数Z2主动轮齿数由于在这里1= 180°，99=280°，即：180°/280°= Z2/（Z1+Z2）解得：两齿轮的齿数比= Z2/Z1=1.81） 选用直齿圆柱齿轮传动。2） 换刀机械手换刀时速度较高，我们选用6级精度（GB 10095-88）。3） 材料选择。我们选择小齿轮材料为40Cr（调质）,硬度为270HBS，大齿轮材料为45钢(调质)硬度为230HBS，二者材料硬度差为40HBS。4） 选小齿轮齿数为Z1=24,大齿轮齿数Z2=Z1=1.8×24=43.2,取Z2=43。由设计公式进行计算，即：1）确定公式内各计算式数

51、值（1） 试选载荷系数K=1.2（2） 计算小齿轮传递的转矩T1=95.5×105P1/n1=95.5×105×30/ 1460N.mm =1.962×105N.mm（3） 选取齿宽系数0.8（4） 确定许用接触应力：按齿轮齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限=600Mpa，大齿轮的接触疲劳强度极限=550Mpa，取安全系数=1，计算许用接触应力得：=/=600 Mpa=/=550 Mpa2） 计算（1）将以上数据代入公式中，初算中心距为：=110mm（2）计算模数m：按公式m=2a/( Z1+Z2)计算出模数，将初选的齿数代入公式计算得m=3.28，按

52、照标准模数系列（GB135787）取m=3。（3）计算主要尺寸：分度圆直径：d1=m Z1=3×24=72mm；d2=m Z2=3×43=129mm计算中心距：a=m（Z1+Z2）/2=3×（24+43）/2=100.5mm计算尺宽：b1=*a=0.8×100.5=80.4mm，取b1 =b2 =80mm轮齿弯曲强度校核公式为确定公式中有关数值（1） 查图得知小齿轮的弯曲疲劳强度极限=240Mpa，大齿轮的弯曲疲劳强度极限=190Mpa，取安全系数=1.3，计算许用弯曲应力得：=/=240/1.3=185 Mpa=/=190/1.3=146 Mpa（2）

53、 查表得齿形系数，将有关数值代入公式中计算轮齿弯曲强度校核合格。至此，传递机械手换刀动力的齿轮副设计计算完成，具体为Z1=24，Z2=43，m=3。另外，机械手臂的伸出和缩回是通过齿轮齿条传动进行的，其设计过程与此相似，由于受篇幅的限制，这里就不再叙述设计步骤。3、轴的设计轴是组成机械的一个常用的重要零件，它支持着其他转动零件如齿轮、蜗轮等零件回转并传递动力，轴、轴承和轴上安装的零件形成一个组成体，称为轴系。组成轴系的主要零件轴、轴承、联轴器等称为轴系零件。轴的设计主要包括：轴的材料选择、结构设计、轴的强度、刚度和振动稳定性计算等，设计轴的主要步骤如下：（1）根据机械传动总体布局拟定轴上零件的

54、位置；（2）轴的材料的选择；（3）初步估计轴的直径；（4）进行轴的强度、刚度、振动计算；（5）校核键、轴承、联轴器等的强度或寿命。3.1、轴的常用材料轴的材料种类很多，设计时主要根据对轴的强度、刚度、耐磨性等要求，以及为实现这些要求而采用的热处理方式，同时考虑制造工艺加以选用，力求经济合理。轴的常用材料是35、45、50优质碳素钢，对于受力较大，轴的尺寸和重量受到限制，以及有某些特殊要求的轴，可采用合金钢。根据工作条件要求，轴可在加工前或加工后经过整体或表面处理，以及表面强化处理（如喷丸、辊压、氮化等），以提高其强度（尤其疲劳强度）和耐磨、耐腐蚀等性能。轴一般由轧制圆钢或锻件经切削加工制造。轴

55、的直径较小，可用圆钢棒制造；对于重要的，大直径或阶梯直径变化较大的轴，采用锻坯。为节约材料和提高工艺性，直径大的轴还可以制成空心的，并且带有焊接的或者锻造的凸缘。对于形状复杂的轴，可采用铸造。轴的结构决定于受载情况、轴上零件的布置和固定方式、轴承的类型和尺寸、轴的毛坯、制造和装配工艺及安装、运输等条件。轴的结构应是尽量减小应力集中，受力合理，有良好工艺性，并使轴上零件定位可靠，装拆方便。对于要求刚度大的轴，还应在结构上考虑减小轴的变形。零件与轴的固定或联接方式，随零件的作用而异。一般情况下，为了保证零件在轴上具有固定的工作位置，需从轴向和周向加以固定。3.2、轴的设计过程给定轴的已知条件为：传递的功率P=30Kw；轴的转速为1460n/min。依据上述已知条件具体进行轴的设计。选择轴的材料为40Cr，经调质处理，材料的各机械性能如下：b=980MPas=785MPa-1=350MPa-1=200Mpa轴的直径按下式进行估算：由于所选材料为40Cr，所以取计算系数=100，代入式