自动换刀机械手的设计

目录摘要 1ABSTRACT 1绪论 1课题背景 1课题的来源 1研究目的 21.1.3．研究的意义 2国内外研究现状 3研究内容 4设计总体方案论证 4概述 4刀库和交换主轴换刀装置的原理 5主轴交换的原理 5主轴抬起及转位的原理 6刀库及换刀装置 6刀库的设计计算 7电动机的选择 7蜗轮、蜗杆承载能力计算 11自动换刀装置设计 13方案分析比较 13机械手自动换刀工作流程设计 13换刀机械手的结构设计 20机械手手臂和手爪结构设计 22结论 22参考文献 25致谢 26PAGEPAGE4摘要在机械加工领域，经常需要对机械零件进行加工，此时需要用到加工中心设备，加工设备的核心部件之下是自动换刀装置，本课题主要对自动换刀机械手进行了设计。本论文主要是对加工中心的刀库及换刀机械手进行研究，主要是自动换刀装置的设能够维持较长的使用寿命，并使之能够完成换刀工作。关键词：机械手；轴；换刀装置ABSTRACInthefieldofmechanicalprocessing,itisoftennecessarytoprocessmechanicalparts.Atthistime,machiningcenterequipmentisneeded.UnderthecorecomponentofmachiningequipmentisAutomatictoolchanger.Thistopicmainlydesignstheautomatictoolchangingmanipulator.Thispapermainlystudiesthetoolmagazineandtoolchangingmanipulatorofthemachiningcenter,mainlythedesignofAutomatictoolchanger.Firstly,thispaperanalyzesthetypeoftoolmagazineandtoolchangingschemeoftheequipment,anddeterminesthedesignschemeofthemanipulator.Thentheexecutivemotorofthecrowddeviceisselected,andthetransmissionpartisselectedandcalculated.Finally,thekeypartsofthetoolchanger,suchasmanipulatorandhydrauliccylinder,aredesigned,andtheimportantpartssuchasbearingandhydrauliccylinderarechecked,whichcanmaintainalongservicelifeandcompletethetoolchanger.Keywords:manipulator; shaft; toolchanger;1绪论课题背景课题的来源本次的课题研究是机械手自动换刀装置设计，我们经过相关的资料查阅和分析，发现在整套机器工作中，机械手和刀库的功能是否稳定或者工作能否顺利完成，会直接影响整个加工中心的加工效率，通常我们需要高效的完成加工过程，比较重要就是这个换刀装置的设计，换刀速度和是否完成准确，都会直接影响整个加工效率。同时在很多报废或者损坏的机器中，我们发现大部分发生故障都是机械手或者刀具占多数，所以我们需要通过所学知识解决这种问题，设计出稳定可靠的自动换刀装置，提高加工效率[1]。研究目的通过学习和了解各国的机械行业发展，以及相关的研究，对自己选择的课题设计进行探索分析，最后得到理想的结论和设计理念，主要涉及到的有机械装备的分析和设计，主要零件的计算和选择，最后设计出合理稳定可靠的自动换刀装置，应用在国家的机床研究领域。1.1.3．研究的意义在现在的国际金融发展下，工业发展在不断的发展和前进，对工业自动化水平也在不断的提高要求，就出现了数控加工，这个就是通过机器自己的运转完成加工过程，减少了人类的劳动力和人力资源成本，同时机器的准确度很高，生产效率会得到很大的提高，提高了生产率。可是在我们国家目前使用数控机床的比率在其他国家中是很低的，相关资料显示低于3%，而国外的数控机床使用和技术都在我们国家之上。此外在我国数控机床的役龄也是比较高的，周期发展速度比较慢，一半以上的机床自动化水平都不高，能进行完好的自动化加工也是非常少。伴随着技术和经济的发展，我们对生活质量的追求在不断提高，我们对现在的生产产品要求也在提高，不仅仅只是过去的质量要求，还希望产品的外形美观，加工细节精密，更新速度快，生产成本低，浪费资源少以及可以重利用等。但是在一般的机床中生产加工的产品容易产生质量差距不等，品种比较单一，生产效率低，成本高等缺点，但是有些不利因素会导致一个生产的过程出现很多的困难，最后产品的质量会有很大的波动，一些产品加工精度不高，但是成本相对特别高，不适合加工生产，为了解决这些问题，就需要不断的提高生产设备的加工效率和加工准确信号，在加工中心影响加工速度是刀库及机械手的自动换刀装置，所以为了进入这个高速度的社会发展，我们需要不断的给机床的自动换刀装置改进和完善，减少换刀时间，提高机器的生产率，在目前很多企业都在努力提高机床的数控化率，希望能为企业今后实现信息化改造打下良好的基础。国内外研究现状数据机床加工中心是现在国际上面提倡和追求的机械加工，它的使用和技术会代表一个国家的生产制造水平和生产效率等。所以无论在国内还是国外都是非常重视这样的机械加工设备。在整个数控机床中加工中心是发展最快的，占的比率最高。有的国家直接把数控加工中心技术发展作为发展数控机床的主要工作和目标，可以直接影响一个国家的经济发展和生产技术水平发展。我们对数控机床的研究，在上个世纪，当时在北京研究所等单位开发了立式加工，最后逐渐变成商品。在1980年，北京研究院引进了美国的立式加工中心技术，还引进了更多的设备和技术，咱们国家逐渐的形成了自己的体系，在那个时候，就已经大概的掌握了核心的设计和加工制造技术，这个事件算一个突破性得进展，也为在今后的数控加工中心方面提供了稳定的基础。在上个世纪90年代末，我们国家的加工中心还是处于较为落后的状态，加工中心的生产数量还是很少，一般300台左右每一年。然后在2000年的前后，就有很多外国企业看到中国的市场行情，开始在我国进行合资或者独立经营的方式建立生产加工中心，然后在我国生产经营和销售产品，比如现在规模较大的台湾杭州友佳机床有限公司、宁夏小巨人机床有限公司等公司都是具有代表性的。进入21世纪后，我国的综合实力在增强，经济在不断发展，加工中心市场也呈现出了高峰快速时期，特别在汽车行业，通用的机械设备行业，磨具和航天领域都在不断的增加加工中心发展。这样就加大了我国的加工中心技术发展，生产的产品也在不断优化，得到了国内的肯定。在此时。中国的各大企业对产品开发和研究进行了大量的投资，建设了高档加工中心，很多已经进入批量生产。在现在的发展当中，加工中心的发展趋势是主要强调速度快，精确分析高，产品质量好，更新快，智能化，多功能性等。所以在整个数控加工中心最主要的部件就是我们这里研究的自动换刀装置，在现在的企业中已经把自动换刀装置看作最主要的部分，着力提升自动换刀装置的功能性和快速性。由于加工中心的种类有很多种，而投入的自动换刀装置比例大，就产生了不同的设备价格不同，应用不能普及的主要原因。因此，自动换刀装置可以单独研究，可以作为加工中心的标准件或附件来组织专业化生产，可以简化整个机床就可以降低企业的成本，被多数企业应用和肯定。研究内容本次设计主要是对小型加工中心刀库和换刀，加工中心主要是自动换刀的的一种数控机床，对于它独特的加工系统，工件可以一次性完成很多工序的完成，其主要的作用是按照加工的要求，自动换主轴刀具[2]。其中自动换刀装置是一个完整的体系。主要的技术如下对刀库中选择合适的链条，确定链轮中心距所有刀库中电机的选择对换刀机械手的简单设计对液压所需元件的选择和系统的确定2设计总体方案论证概述据有关资料显示，目前市场上有多种类型的换刀装置，经过对比发现，多轴换刀装置的数量有限，无法完成多工序加工;另外，围绕主轴布置的刀库的刀塔方法是不同的，换刀时间随刀库的位置而变化。在下面图中，就是有两个工作主轴的结构方案图，1-转塔体2-压缩空气管接头3-行程开关4-5-液压缸67-大齿轮8-碟形弹簧910-11-拉钉12-刀夹13-端面键14-15-滑移齿轮图2-1双主轴换刀对于这种两个主轴的设计中，一个主轴是直接用来加工的，而另一个主轴是用来更换就是当进行更换刀具时，另外一个加工的主轴会迅速的退出，更换刀具完成后，加工的主轴就会继续开始加工。主要实现了具体的工作。刀库和交换主轴换刀装置的原理主轴交换的原理两个主轴在转塔头内部交错分布着，而且两个主轴结构完全相同。同时主轴的运动动力来源于电动机，先由电动机传入动力，分别会经过滑移齿轮和大齿轮输入。当需要进行换刀步骤时候，就会由数控装置发出指令，进行换刀，先通过液压拨叉，然后就会促使滑移齿轮和大齿轮脱离啮合。然后在液压缸的作用下，带转塔体抬起，再通过压力油直接进5PAGEPAGE11入转位液压缸，使转塔体转位180°，此时就会进行下一工序，主轴就会回到开始的工作位置。进行切削加工，换刀主轴进行换刀工作。主轴抬起及转位的原理2-2所示，对于主轴抬起和转位原理是开始让滑移齿轮和主轴齿轮进行脱离，然2858438180位完成后，中心液压缸接通回油，转塔体落下，定位销实现转塔体的定位。876543211，2-中心液压缸3-活塞杆齿轮条4-小齿轮刀库及换刀装置

5-定位销6-大齿轮7-轴8-转塔体图2-2主轴转位装置储放刀具的装置被我们称作刀库，一般在机械中常见的刀库有下面几种:1.转塔式刀库6～8把中心和钻削中心。盘式刀库盘式刀库，类似盘的形状，主要特征是刀具是垂直表面的状态。它沿着磁盘表面垂直排列（包括径向切割和轴向切割）。沿盘面径向排列或以锐角形式排列的刀具结构简单紧凑，可以应用更多，因为刀具排列成一个环，会降低空间利用率。这时候需要通过将刀库的外径增大，就可以使刀库的容量增大，最后使转动惯量也增大，一般用于较小的刀库（12~24把刀）。刀具在内部的排列是环形就可以增加刀库的空间利用率，这样就会导致取刀比较麻烦，需要合理的取刀机构，通常是比较复杂的，所以这样的盘式刀库经常用于机床空间受限制可是刀库容量又较大的场合。链式刀库30120个工具之间。这里只需要增加链条长度就可以增加刀具的数量，而不会增加圆周速度，惯性力矩小的优点。然而，其缺点是机械刚度差和传动间隙大，这导致定位精度差。为了改善定位精度，需要搭配复杂的电路检控，这样才能实现快速和精确定位。直线式刀库和组合刀库线性刀库的特点，第一个结构比较简单，刀具排列成单排，刀库的容量比较小，一般用于数控车床和钻床。组合刀库是炮塔式刀库的组合。它的特点是刀具更换速度快，每个刀库的刀具存储量小，这种多数用于FMS的集中供刀系统，不适用电机加工中心。在上面的对比和分析中，我们最后选择盘式刀库，因为我们的课题主要针对中小型加20然后放在机床主轴的上面，可减少占用空间。对于两种驱动模式，我们选择伺服电机来CAM连杆驱动。通过上面对换刀装置的结构分析，以及重要组成部件的了解，结合其他相关资料最后确定了换刀装置的基本结构，和刀库的形式及容量，以及其他主要零部件的主要作用，进行每个部分的设计，最后得到符合设计要求的自动换刀装置。3刀库的设计计算电动机的选择Y801-22825r/min3-1：表3-1电动机主要技术数据、外形和安装尺寸表型号/kw

额定功率 额定转r/min

最大转矩（额定转矩）Y801-2外 形 尺 寸 mm×mm×mmL×（AB/2+AD×HD

/mm

0.75中心高H

/mm

2825安装尺寸A×B

2.2轴伸尺寸/mm×mm×mmD×E295×323×175 80 125×100 19×40蜗轮蜗杆的计算1、选择传动的类型和精度等级ZA8GB10089-8920000小时。2、选择材料，确定许用应力4545～55HRC,模铸造[4]。10-5[5]10-7[5]中分别查得56MPa0F

220MPaOH应力循环次数N=60 nJL2 H

60

280010

200003.3610881073.3681073.36108N

0.644许用应力Z 0.664220141.68MPaH N OHYF N

0.5245629.34MPa0F3、选择蜗杆头数Z1

和蜗轮齿数Z2i=10,参考文献[6]10-2取Z14、按蜗轮齿面接触疲劳强度设计

=2Z2

=iZ1

=10×2=20。 Z 2m2d 9kT E （5-）1 2 Z 2 H确定载荷系数由参考文献表10-3[7]中选取使用系数K 1.1由于载荷平稳，AK1Kv1.05[8]则KK K K 1.111.051.16A v计算作用在蜗轮上的转矩，取效率0.80150r/min代入数值得

T iT2 1

(5-2)T100.89.551060.751 2800

20.46429Nm确定弹性系数Z ，由文献表10-4[10]查得Z 155E E计算m2d1

，确定模数m和蜗杆分度圆直径d1 Z 2m2d

9kT

E 1 2 Z 2 H91.1620464.29

155 220141.68 639.27mm310-1[11]m=4mm,d1a

=40mma计算蜗杆导程角

dd1 2

404202

60mm 4 arctan 1arctan

118'6"d 401Zv2Z 20 20Z 2 v2 cos3 cos311.3

21.224确定齿形系数Y 2.87Fa确定螺旋角系数YY 1

1200

0.90575校核弯曲强度F 1.53KT代入数值得

F mdd12

2Y YFa

（5-3） 1.531.1620464.292.870.90575F 40804满足要求。

7.38MPaH6、蜗杆和蜗轮主要几何尺寸计算蜗杆蜗杆分度圆直径d1

d=40mm1蜗杆直径系数q

qd140

10m 411蜗杆齿顶圆直径da1

d d2hm*40241=48mma1 1 a蜗杆齿根圆直径df1 d df1 1

2hcm4021a

430.4mm蜗杆轴向齿距pa1Pa1蜗杆导程Lz

m412.56mmL ZPZ 1a1

212.5625.12mm蜗杆轴向齿厚Sa1蜗轮蜗轮分度圆直径

S 1m6.28mma1 2蜗轮喉圆直径

d mZ 420=80mm2 2 d d 2h*x m802488mma2 2 a 2蜗轮齿根圆直径 d d 2hcx m70.4mmf2 2 a 2蜗轮、蜗杆承载能力计算、蜗杆传动的受力分析及计算校核各力的大小如下：90;杆的轴向力等于蜗杆的圆周力。蜗杆的径向力等于蜗轮的径向力，方向相反。PAGEPAGE23F Ft1 a2

295490.75103280040

128NF Fa1 t2

1220464.2980

511607NF Fr1 r2

F tan511.607tan20186.21Na1F 511.607F a1n cos20

0.94

554.804N

F KFca

KKKFA n式中K —使用系数AK—齿向载荷分布系数K —动载系数v2、蜗杆传动的强度校核蜗轮齿面接触疲劳强度校核

111Fn

554.804N9KT2dd29KT2dd21 2H E

（5-4）代入数值得919120464.2940802H131.47MPa250MPaH3、蜗轮齿根弯曲疲劳强度校核1.53KT 2Y Y

（5-5）F ddm

Fa21 2代入数值得 1.5320464.292.130.9F 408044.69MPaF

YN

0.5245629.3MPa4自动换刀装置设计方案分析比较对于我们选择研究的主题，加工中心需要配备刀库和自动换刀装置，工件需要在加工中心完成夹紧，然后加工可以自动完成，这涉及到使用很多刀具，以满足零件生产周期的要求。当然对于自动换刀装置在不同的环境下都会遇到不同的，正常情况下，我们会经常看到下面三种，分别是直接换刀方式、机械手换刀方式、转塔头方式。塔刀架换刀方式和转塔主轴头换刀方式两种。加工中心自动换刀装置大多采用机械手动换刀方式，它是由机械手到主轴上的刀快，布局灵活。机械手自动换刀工作流程设计所谓的机械手换刀方式，就是指由刀库和机械手共同组成的自动换刀装置，在我们在完成一个加工工序后，就会使主轴返回换刀位置，而且可以停在准停位置，此时我们可以假设机械手架已经完成了转向工作，直接转向了刀库，装刀手中夹着刀具T09,卸刀1、手架转向主轴1、手架转向主轴T05T09主轴手的手中是空的，主轴上装着刀具T05，这个时候就需要主轴就行换刀工作，主要的操作过程如下面所示：机械手换刀过程图如下：开始换刀前状态装刀手装刀手刀库T09T05主轴卸刀手刀具直接和主轴呈平行状态安装在刀库上面，在进行装刀之前，我们需要让手架旋转180°，就可以使手架转向主轴，最后装刀手和装刀手中的刀具是处于垂直状态的，同时会让刀具和主轴上的刀具轴线保持平行状态。0T05T05T09T05T09，可是同时作用两把刀进行加工，而主轴上面只可以装一把刀，所以只能进行换刀装置，需要先拿下之前加工的刀再换另外一把刀具。通过观察可以看到卸刀手手指中心与主轴中心是处于一条直线，所以卸刀手在伸缩油T05。3、滑座前伸拔刀T05T05T09具的自动夹紧机构松开刀具。此时，伸缩油缸框架向前延伸，滑座在导轨中向前移动，T05从主轴上拉出。4、卸刀手缩回4、卸刀手缩回T05T09迅速离开主轴，回到开始未拔刀的位置。、装刀手前伸T05T09T09，新的刀具换上之后就可以进行后面的加工动作。就会让装刀手向前伸。、滑座后退插刀）T05T05T09T09装在主轴上面，就完成了装刀步骤。7、装刀手缩回7、装刀手缩回T05T09行加工工作，完成装刀后，机械手就会放开刀具，最后机械手就会回到开始的位置，这个就是机械手缩回工作。8、手架转向刀库8、手架转向刀库T058.它还需要把从主轴上卸下的刀具（T05）放回刀库中对应的位置，方便下一次进行取刀工作。、滑座前伸P05T056在这里我们需要滑座向前移动，回到制定位置。10、卸刀手前伸10、卸刀手前伸T05意味着整个换刀工作完成，上面就是整个步骤，最后机械手回到待命处，等待下一次的换刀工作。、滑座后退插刀T05、卸刀手缩回换刀机械手的结构设计过下面的操作过程：总体的过程就是有装刀手、卸刀手的伸缩运动，从而可以接近刀具的位置进行刀具取得，然后需要进行上面提到的取刀和返回工作，就是机械手手部夹紧和松开过程，最后刀具送回存放。这些动作完成需要相关的机构去实现，下面就是对每种结构的具体介绍和分析：251指座等，而且外形正好相反。装刀手、卸刀手只有伸缩运动和手指的夹放运动。61112（910）551部节流缓冲，油缸端盖与活塞端盖相碰而定位。45°合，以保证能正确的装、卸刀。装刀手（卸刀手）的手部由手指座即伸缩缸的端盖）、固定指7910121311、1514。此手部属于一支点回转9，应能自由地从刀柄的紧机构。孔内（插刀完毕），1314（形状为Ⅱ型）b’12913141513129若卸刀，则卸刀手手臂前伸，卸刀手手部（有左右之别）动作。当卡销13形状为Ⅰ型）时，卡销1312b9c13159，动作。挡块8和14安装在机床主轴套筒的端面上，另有两块（Ⅰ、Ⅱ型各一块）装在手架悬伸支架上（图中未标出）。227102.手架伸缩和回转运动机构作，从而改变装刀手、卸刀手的位置（即机械手由主轴转向刀库，或由刀库转向主轴）其上加工有油缸（滚柱俺十字交叉位置放置）和V825131141151011油缸端盖相碰而定位。机械手手臂和手爪结构设计机械手是运用和人一样的手臂，模仿人类的手臂进行相关操作的，机械手的手臂是可以用来抓取物品和工件进行加工的，常见的就是用机械手手臂去夹持刀具和相关加工工具的，然后就行加工