1、毕业设计（论文）题目：基于 pro/e 的加工中心换刀机械手的设计学 生 姓 名： 黄玉鹏 学号： 120302031110 学 部 （系）： 机械与电气工程 专 业 年 级：12 级机械设计制造及其自动化（3）班 指 导 教 师： 樊珊 职称或学位： 本科 2016 年 5 月 1 日加工中心换刀机械手设计【摘要】本论文介绍的是小型加工中心换刀机械手的设计。机械手的种类很多，在本次设计中机械手选用回转式双臂机械手。它的主要动作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。回转式双臂机械手刀具交换装置具有换刀时间短、所需空间小动作灵活可靠等.应用
2、最为广泛。数控系统是加工中心的控制中心，它主要由（CNC）、可编程控制系统(PLC)、伺服系统构成。关键词: 加工中心 换刀机械手 Vertical machining center for knife manipulator designAbstract:This paper introduces the design of the tool changing-manipulator of the small machines centertool changing-manipulator is one of the main components of the automatically-
3、trading-knife installment. There are a lot of types of tool changing-manipulators. The tool changing-manipulator of this design adopts the two arms manipulator of turn-over type in this design。It is main movement is carries on the machine tool of main axle on cutting tool and the tool storage or exc
4、hanging the cutting tool in the transport installment. Its operating cycle is: to draw the tool - exchanging the new and the old cutting tool - to fix the tool. The two arms manipulator of turn-over type exchange installment has trade the knifetime short, the movement is nimbly and reliably and so o
5、n . The two arms manipulator of turn-over type is widely used in the machining centre. The numerical control system is the centeral of control in the processing center, which is conclude computer numerical control installment, the programmable control system.Keywords: machining center tool changing-
6、manipulator I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 加工中心换刀机械手国内外现状 21.4 国产加工中心目前存在的问题及未来发展趋势 21.5 加工中心的分类 32 加工中心自动换刀装置概述 .52.1 加工中心自动换刀装置形式、特点及各自应用范围 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 62.1.4 更换主轴箱换刀 62.1.5 更换刀库换刀 62.2 刀库以及刀具交换装置 72.2.1 设计刀库时的主要问题 72.2.2 刀具交换装置 72.2.3 刀具的夹持 .122.2.4 手爪
7、的选择 .123 总体方案设计 .133.1 加工中心换刀机械手的设计要求 133.2 初步设计方案 133.2.1 气动换刀工作过程 .133.2.2 刀套的构造 .143.2.3 机械手传动结构 .144机械手臂和手抓的设计 .164.1 自动换刀装置的设计参数 .164.2 手抓口的计算 .164.2.1 手爪锁的设计与计算 .184.2.2 弹簧的选择与设计 204.2.3 手爪的整体尺寸设计 .214.2.4 手臂的弯曲变形 .214.3 本章小结 .235 气压传动系统设计 245.1 气压传动的组成及工作原理 .245.1.1 气压传动工作原理 .24I5.1.2 气压传动的组成
8、 .245.2 气压传动的优缺点 .245.3 升降气缸的设计 .255.3.1 气压缸的载荷组成及计算 .255.3.2 升降缸的设计 .265.3.3 气缸壁厚的设计 .285.3.4 气缸长度的确定 .285.3.5 进气口直径的计算 .295.3.6 缸底厚度计算 .295.4 气压回转缸的设计 .305.4.1 回转缸内径的计算 .305.4.2 回转缸壁厚的计算 .325.4.3 缸盖联接螺钉计算 .325.4.4 动片输出轴联接螺钉计算 .336花键轴的设计 .356.1 花键轴的计算 .356.1.1 轴的材料选择 .356.1.2 轴径的初步计算 .356.2 轴承的选择 .
9、376.2.1 升降缸中轴承的选择 .376.2.2 对于回转缸的轴承选择 .386.3 法兰连接的选择 .386.4 本章小结 .397 气动系统设计 .4071 气压传动系统工作原理图 40设计总结 .42参考文献 43致谢 44第 0 页 共 44 页1 绪论1.1 加工中心的定义加工中心，简称 CNC，是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床,是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床，是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通信诊断、刀具和编程技术的高科技产品。加工中心备有刀库，具有自动换
10、刀功能，是对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具、自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序，因而大大减少了工件装夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。图 1.1 加工中心1.2 加工中心的发展历程1952 年美国 PARSONS 公司与麻省理工学院（MIT）合作研制了第一台三坐标数控机床，它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结合等多方面的技术成果。1958 年，美国卡
11、尼，特雷克（Kearney （2）尽量缩短选刀时间；（3）刀库运动速度应适宜；（4）要求刀库运动平稳；（5）刀座在刀库中排列合理；（6）其他的问题 如刀具在刀座中应夹持可靠，刀库防尘、防屑以及安全防护问题等。2.2.2 刀具交换装置实现刀库与机床主轴之间装卸和传递刀具的装置称为刀具交换装置。交换装置的形式和具体结构对数控机床的整体布局、生产率和工作可靠性都有直接影响，是数控机床的重要组成部分之一。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 用这种形式交换刀具时，主轴上用过的刀具送回刀库和从刀库取出新刀，这两个动作是不能同时进行的。如图 2.2.4 所示，选刀
12、和换刀全由三坐标轴的数控定位系统来完成。这种换刀方式没有机械手，因而结构简单；刀库回转是在工步与工步之间，故换刀时间长，换刀动作也较多，但却免去了刀库回转时的振动对加工精度的影响。第 7 页 共 44 页图 2.2.2 刀库和主轴的相对运动换刀（二）由机械手进行刀具交换 由于刀库及刀具交换方式不同，换刀机械手种类繁多。这中换刀方式动作简单，换刀时间短，刀具定位精度高生产效率和工作可靠性都较高，是目前实用性较高的的一种换刀方式。机械手的类型如下：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
13、、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。如图所示：图 2.2.2 a 单臂单爪回转式机械手(2)单臂双爪回转式机械手第 8 页 共 44 页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
14、，如图 2.2.4b 所示。图 2.2.2b 单臂双爪回转式机械手(3)双臂回转式机械手（俗称扁担式）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 度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 2.2.2c 所示。图 2.2.2c 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臂，如图 2.2.2d 所示：第 9 页 共 44 页图 2.2.2d 双臂回转式机械手(4)双机械手这种机械手相当于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
15、取“新刀”插入机床主轴上，如图 2.2.4e 所示：图 2.2.2e 双机械手第 10 页 共 44 页(5)双臂往复交叉式机械手图 2.2.2f 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 2.2.2f 所示。(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 2.
16、2.2g 所示：图 2.2.2g 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集中的刀具，换刀时间较短，故我们选用双臂回转式机械手。在这里我们采用换刀机械手进行刀库与主轴之间的换刀第 11 页 共 44 页2.2.3 刀具的夹持刀具必须装在标准的刀柄内，我国提出了 TSG 刀具系统，并制定了刀柄标准，有直柄以及 7：24 锥度的锥柄两类，刀具夹持方法有柄式夹持（轴向夹持）和法兰盘式夹持（径向夹持）两种。图 2.2.5a 圆锥刀柄 图 2.2.5b 圆柱刀柄2.2.4 手爪的选择这种机械手的手爪，大都采用机械锁刀方式，有些大型加工中心，亦有采用机械
17、加液压锁刀方式，以保证大而重的刀具在换刀中不被甩出，较普通采用的机械锁刀方式手爪弹簧销式手爪。机械手的手爪在抓住刀具后，还必须具有锁刀功能，以防止在换刀过程中掉刀或刀具被甩出。当机械手松刀时，刀库的夹爪既起着刀套的作用，又起着手爪的作用。对于双臂回转式机械手的手爪，大都采用机械锁刀方式，有些大型加工中心，亦有采用机械液压锁刀方式，以保证大而重的刀具在换刀中不被甩出。手爪的形式有：(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，为避免刀具甩脱，手爪就必须有自锁夹持机构，其结构较复杂。(2)钳形杠杆机械手。这种机
18、械手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。(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。第 12 页 共 44 页3 总体方案设计3.1 加工中心换刀机械手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。3.2 初步设计方案在加工中心中,为了实现全自动加工,除数控系统外,还需要配备液压和气动装置等来完成自动运行功能,如自动换刀装置,它是加
19、工中心上必不可少的部分,自动换刀装置的换刀时间和可靠性直接影响到整个加工中心的质量。本文介绍的换刀系统通过气压传动来传递动力,通过 PLC 来控制换刀的各个动作。气压传动作为一种易于推广普及的实现工业自动化的应用技术,其气源容易获得,环境污染小,工作速度快,动作频率高,工程实现容易。PLC 是一种功能强、编程简单、可靠性高的自动控制产品,两者在工业生产上都得到了广泛的应用。用气动自动化控制技术实现生产过程自动化,是工业自动化的一种重要技术手段,也是一种低成本自动化技术。3.2.1 气动换刀工作过程如下图所示为加工中心上常用的转盘式自动换刀装置结构示意图。当发出换刀指令后,主轴准停,主轴向上滑动
20、,退至换刀点,实现主轴定位;接着机械手顺时针转动 90,两手爪分别抓住刀库中和主轴上的刀柄,当机械手抓住主轴刀具的刀柄后,刀具的自动夹紧机构松开刀具,机械手拔刀,同时拔出两把刀具,接着机械手反转 180,交换两刀具的位置,然后机械手插刀,刀具的自动夹紧机构夹紧刀具,最后机械手复位。第 13 页 共 44 页图 3.1 转盘式自动化刀装置3.2.2 刀套的构造刀套的构造如图下图所示，由图中可以看到锥孔尾部有两个球头销钉，后有弹簧用以夹住刀具，故当刀套旋转 90后刀具不会下落。刀套顶部的滚子用以在刀套处于水平位置时支撑刀套。当刀具更。换完毕，该刀座插入从主轴换下的刀具夹头。通过气缸作用，与上述动作
21、相反，刀座带动刀具夹头顺时针转动，直到水平位置为止，此时滚子销重新处于支撑板的凹槽。图 3.2 刀套3.2.3 机械手传动结构 自动换刀的大致顺序如下图：第一，见图（b） ，工件上某一表面加工完毕后，主轴停转，主轴箱返回原点准备换刀，此时刀库早已根据指令将“新刀”转到换刀位置上(即向下旋转 90),等待机械手抓取。 第二，见图（c ） ，机械手由原始水平位置逆时针旋转 75，机械手的两夹爪同时抓住刀库中的“新刀”与主轴中的“旧刀” 。 第三，见图（d） ，机械手沿轴向将刀具同时从主轴及刀库中拔出。 第四，见图（e ） ，机械手顺时针旋转 180，把“新刀”转至主轴处， “旧刀”转至刀库换刀位置
22、处。 第五，见图（f） ，机械手沿轴向将刀具同时装入主轴及刀库。第六，见图（h） ，机械手顺时针回转 75，恢复原始水平位置。 第七，见图（g） ，刀库刀套向上旋转 90，等待下一次换第 14 页 共 44 页图 3.3 换刀顺序机械手抓刀部分结构如下本机床上使用的换刀机械手为回转式单臂双手机械手。在自动换刀过程中，机械手要完成抓刀、拔刀、交换主轴上和刀库上的刀具位置、插刀、复位等动作。 单臂单手式机械手主要由手臂 3 和固定于其两端的结构完全相同的两个手爪 1 组成。手爪 1上握刀的圆弧部分有一个锥销 2，机械手抓刀时，该锥销插入刀柄的键槽中。当机械手由原位转 75抓住刀具时，两手爪上的长销
23、 7 分别被主轴前端面和刀库上的挡块压下，使轴向开有长槽的活动销 6 在弹簧的作用下右移顶住刀具。机械手拔刀时，长销与挡块脱离接触，锁紧销被弹簧弹起，使活动销顶住刀具不能后退，这样机械手在回转180时，刀具不会被甩出。当机械手上升插刀时，两长销又分别被两挡块压下，锁紧销从活动销孔中退出，松开刀具，机械手便可反转 75复位。1手抓 2锥销 3手臂 4、5弹簧 6活动销 7长销 8锁紧销图 3.4 机械手第 15 页 共 44 页4机械手臂和手抓的设计4.1 自动换刀装置的设计参数主轴中心和换刀位置的距离 600mm刀库容量 16选刀方式 任选最大刀具重量 4kg刀柄为 BT40 刀柄4.2 手抓
24、口的计算本次设计所采用的是 BT40 刀柄具体参数如下：锥 体 螺 纹 孔 凸 缘柄部型号D1 1lR 2l3l4ld1 d2 g R1 D4 D540# 44.45 68.40 1.2 32 43 8.2 17 19 M16 1 56.25 63.55凸 缘 其 他D3柄部型号x y f t t1 j b R2一般特殊e D640# 3.75 3.2 15.9 22.8 25 18.5 16.1 1 44.7 50 35 72.3图 4.1 刀柄第 16 页 共 44 页因为 ，故测量与刀柄槽相对位置如下图所示。6572.306.58.7D图 4.2 手抓口两测量棒中心距为 ，故672.30
25、65.D65872OP”1.cos60OP75由图 2-2 可知： sin60“POtg“ 1.752()2(.860)7.siY tg47.0660DhXtgtg 则手爪口的型式与尺寸与 BT40 相匹配。如图下图所示，第 17 页 共 44 页54 2.86703.516.XmYDb4.2.1 手爪锁的设计与计算当刀柄被手爪抓住（即刀具轴线与手爪口中心点重合）时，弹簧琐轮在弹簧的作用下把刀柄锁紧，使刀具不会从手爪口中脱落，其形式如下图所示，1弹簧；2活动销；3刀具；4长销；第 18 页 共 44 页手爪在抓刀时，随传动轴逆时针旋转，主轴及刀库附近的凸台压下长销 4，活动销（即弹簧锁轮）被解
26、锁。手爪欲抓住刀柄，使手爪口中心与刀具中心线重合，达到图示位置，刀柄反作用力活动销使其压缩弹簧 1 向左运动至极限位置后手柄已进入手爪口，此时活动销向右运动至手爪口中心与刀具中心轴线完全重合，回到初始状态，刀柄被锁住，抓刀结束，可以进行拔刀动作，而在抓刀时，整个机械手旋转角度较小，故刀柄压活动销受力简化等效如图 2-5 所示。系统发出换刀指令后，机械手由原始位置转过 90以实现抓刀动作，而两手爪上的长销 4 分别被主轴前端面和刀库上的挡块压下，使轴向开有长槽的活动销 2 在弹簧的作用下移动顶住刀具。机械手拔刀时，长销 4 与挡块脱离接触，锁紧销 2 被弹簧 1 弹起，使活动销 2 顶住刀具不能
27、后退，这样机械手在回转 180时，刀具不会甩出。当机械手上升插刀时，长销又被挡块压下，松开刀具，机械手便可反转复位。设计手爪口端点 到手爪中心轴线垂直距离为 7mm，抓刀初始位置时， 最小， 最大，抓刀过3O 1F2程中， （ 与手爪中心轴的夹角）逐渐减小， 逐渐增大， 逐渐减小至 、2 1 O、 三点一线时 最大， 最小，之后 逐渐增大至活动销还原至初始位置被锁231F21F紧销锁住为抓刀完毕， 不应过大，过大 就会偏小， 就会偏大， 过小无法压21缩弹簧使活动销移动， 过大也会阻碍刀柄进入手爪口， 不应过小，过小 就会2 F偏大， 就会偏小，锁轮便无法紧固刀柄，刀柄容易脱落。即取 ,锁轮轮
28、子的2 5直径（即活动销直径） ，则有：1dm51237.DdOm第 19 页 共 44 页活动销的滚轮中心到手爪中心轴线的垂直距离为： 212sin5.96Om，12cos534.26Om则活动销的行程 a：1237.4.3.59活动销上的行程槽应大于活动销行程加上长销直径，根据机械设计手册选取长销直径 。02.17d则行程槽长： （取 ） ，卡销材料为 35 钢，热处理硬度20.4ldam14l，表面氧化处理的 A 型圆柱销（GB119-86 ）卡销直径选 3mm (由机械设计83HRC课程设计手册第二版，吴宗泽主编)根据配合原理，则行程槽宽 。我们可以设0.14b活动销主体宽 ，高 ，长
29、 ，活动销尾部到锁轮轮子中心距21b25h240lm。348lm因此我们取：行程槽长： 行程槽宽 14lm0.14b动销主体宽 ，高 ，长2b25h2lm活动销尾部到锁轮轮子中心距 38l4.2.2 弹簧的选择与设计弹簧主要分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧四种。按照弹簧形状又可分为螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、板弹簧、盘簧等。因为该设计中弹簧受到的压力不大，选择材料为类碳素弹簧钢丝，普通圆柱螺旋弹簧钢丝，初选直径。弹簧中径 （GB/1358-78）查表 30.2-4 的许用应力 ，1.4dm29Dm 0.4Pb切面模量 80GPa。又根据弹簧材料直径 ,由表 30.2-4 得，弹簧钢
30、丝的抗1.4dm拉强度 。63bM0.4.863752bMPa那么旋绕比 ,曲度系数由得291Cd,所以得出弹簧能够承载的最大载荷1.2k n（式 4-28nPkc1） 221.475.6.3236ndpp （ N）第 20 页 共 44 页校核弹簧截面材料的直径 d（式 4-1.6nPkc2） .32.431.6. 1.475nPkcd m故初选合理。4.2.3 手爪的整体尺寸设计本次要求机械手两手抓中心距为 600mm1. 首先考虑手爪部件的主要尺寸，设计如下：手爪总长 90mm ,手爪总的内道宽分别为: , .2.86Xm7.0Y2. 从螺钉到机械手手臂中心的距离为 120mm,宽度为
31、90mm,厚度为 16mm.因此取机械手抓中心道螺钉中心距离为 （600-2120）/2=180mm。根据设计要求选定机械手臂的材料为 45 钢,弯曲许用应力 ,在工作过10MPa程中,主要受横向弯曲应力,最大正应力 发生在弯矩最大的截面上,且离中性轴最远max处.maxaxMW32 26/10.9.163.8426izbhbhw 设刀具及手爪之重为 4kg,由前面可知承受重力到机械手臂中心的距离为 300mm,因此:49.8MFSmax6173010.MPW因此设计达到要求且合理。4.2.4 手臂的弯曲变形手臂受到自身重力和刀具的重力左右，所以会有弯曲变形，如果弯曲太大，就会造成换刀时手臂和
32、刀具的干涉，造成机器的损坏。手臂的自身重力可以通过简化的方式转化为一个长度为 600mm，宽 90mm，高 30mm第 21 页 共 44 页的长方体来计算，G=mg=7.8106093=86346N=126KN刀具的重量 F=104=40KN手臂材料的抗拉强度 =460MPat屈服强度 =235MPa 图 4.1手臂的受力可以简化为图 4.1 所示如上图所示，可简化为悬臂梁来处理，则任意横截面上的弯矩为：M=-60（l-x） =-60（205-x） 310（4.1）得挠曲线方程刀具重力所造成的弯曲：)6/(32EIxlF（4.2）公式（4.2）中 弯曲距离F作用力杆的长度l杆上任意一点到固定
33、端的距离x材料的弹性摸量E惯性距I刀臂自重所造成的弯曲：（4.3）其中 =30 12=1822500 =1.8225123bhI390Pa120Pa610)6/(3(62EIxaF)(0lxa第 22 页 共 44 页E=2.2 Pa10最大挠度为刀具重力所造成的弯曲：)3/(EIFlB（4.4）刀臂自重所造成的弯曲：)3/(2IalB（4.5）端截面转角为刀具重力所造成的弯曲)2/(EIFlB（4.6）刀臂自重所造成的弯曲：)2/(IaB（4.7）计算得刀具重量所造成的弯曲：= -40 （32.2 1.8225 ）)3/(EIFlB320591106103.2 m710=-40 （22.2
34、1.8225 ）)2/(Il26163.1 6刀臂自身重量所造成的弯曲：=-127 （3205-102.5）（32.2 )3/(2EIalFB25.109 101.8225 ） 3.5 m61073.9 m7=-127 （22.2 1.8225 ）)2/(IaB25.610106101.1 610通过以上的计算可知，换刀机械手的手臂的弯曲非常小，根本不会对实际工作造成任务影响，所以是符合要求的。4.3 本章小结本章主要对机械手进行了设计,机械手主要由手臂、手爪、手爪口三部分组成。结第 23 页 共 44 页合所学的知识和资料对手臂、手爪、手爪口进行了详细的计算，设计中弹簧和活动销也起到了重要的作用，我对这两个部件进行了初步估算和选择，弹簧是根据机械设计手册上面来选择的。初步设计出机械手爪部分的整体尺寸并对它的受力情况进行了校核。
