1、數(shù)控機(jī)床換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要2第一章、概述2第一節(jié)、數(shù)控機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀31、國際數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r32、國內(nèi)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r43、數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展趨勢5第二節(jié)、加工中心61、加工中心的組成72、加工中心的特點(diǎn)8第二章加工中心自動換刀系統(tǒng)方案確定10第一節(jié)、加工中心自動換刀系統(tǒng)概述10第二節(jié)、自動換刀系統(tǒng)方案確定101、刀庫方案的確定102、換刀機(jī)械手方案的確定14第三章刀庫的設(shè)計(jì)19第一節(jié)、刀庫容量的確定20第二節(jié)、刀庫的轉(zhuǎn)位20第三節(jié)、刀庫的夾刀機(jī)構(gòu)21第四章、換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)21第一節(jié)、機(jī)械手的各種運(yùn)動的分析221、手臂的伸縮運(yùn)動222、手爪的開合運(yùn)動223、回轉(zhuǎn)運(yùn)動234、直線運(yùn)動24第二節(jié)

2、、設(shè)計(jì)計(jì)算241、手爪夾緊力的計(jì)算242、齒輪的設(shè)計(jì)253、軸的設(shè)計(jì)28致謝32參考文獻(xiàn)33摘要本設(shè)計(jì)的題目是數(shù)控機(jī)床換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)。以加工中心為對象，通過分析加工中心的整體結(jié)構(gòu)和自動換刀系統(tǒng)的特點(diǎn)、應(yīng)用條件，設(shè)計(jì)要求等，并結(jié)合在數(shù)控機(jī)床上對刀庫和換刀機(jī)械手的需要能在數(shù)控程序的控制下靈活的實(shí)現(xiàn)換刀過程。設(shè)計(jì)的刀庫為盤式刀庫，驅(qū)動裝置采用電機(jī)液壓驅(qū)動；設(shè)計(jì)的換刀機(jī)械手為回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手，手指采用彈簧銷壓緊式，驅(qū)動裝置采用液壓雙作用缸。結(jié)合工廠實(shí)際，該自動換刀系統(tǒng)在數(shù)控的控制下能靈活的完成換刀程序，節(jié)省了時(shí)間、提高了效率、安全可靠。關(guān)鍵詞：刀庫、機(jī)械手、加工中心AbstractThe subje

3、ct is to design numerically controlled toolchanging manipulator and numerically controlled toolmagazine. In this progress, the project synthesizes the characteristic and utility condition of numerically controlled toolchanging manipulator and numerically controlled toolmagazine . numerically control

4、led toolchanging manipulator adopts rotary single arm and spring pin ; numerically controlled toolmagazine adopts vertical toolmagazine . Driving gear uses hydraulic cylinder .In a word ,the toolmagazine and the manipulator can do efficiently 、reliably and quickly .Key words:Toolmagazine ,Toolchangi

5、ng manipulator , Machining Center.第一章、概述數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的核心，是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、集成化的基礎(chǔ)。數(shù)控裝備的整體水平標(biāo)志著一個(gè)國家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國力的強(qiáng)弱。機(jī)床是發(fā)展機(jī)械制造業(yè)乃至整個(gè)工業(yè)必不可少的復(fù)雜生產(chǎn)工具，既是生產(chǎn)要素，又是重要的商品。而數(shù)控機(jī)床是機(jī)電一體化現(xiàn)代機(jī)床，對復(fù)雜件、難削件的加工起到重要作用，又特別適合于中小批多品種柔性生產(chǎn)。在大批大量生產(chǎn)自動化實(shí)現(xiàn)之后，必須要努力發(fā)展中小批多品種柔性生產(chǎn)自動化，以適應(yīng)社會產(chǎn)品多樣化的需求。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展在很大程度上取決于數(shù)控系統(tǒng)的性能和水平，而數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及其技術(shù)基礎(chǔ)離不開

6、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)及其軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺趨于一致化，而控制系統(tǒng)軟件的競爭日益加劇。第一節(jié)、數(shù)控機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀1、國際數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r隨著商品市場的國際化，各國數(shù)控機(jī)床市場的聯(lián)系越來越緊密，相互之間的影響越來越大。下面列舉德國、日本、和韓國等三個(gè)國家的數(shù)控機(jī)床發(fā)展?fàn)顩r，從中可一窺國際數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r。德國：創(chuàng)歷史新高2006年，德國機(jī)床業(yè)界的生產(chǎn)與服務(wù)總值高達(dá)108億歐元，增長4%。在出口方面，截至2006年，德國機(jī)床制造業(yè)已連續(xù)4年取得上好成績，僅2006年前9月的出口增幅便高達(dá)13%。來自中國市場的需求超過了美國市場，再度成為德國機(jī)床出口的最大海外市場

7、。 與此同時(shí)，德國對韓國與印度的機(jī)床出口也有出色表現(xiàn)。這標(biāo)志著亞洲市場的繁榮及其各個(gè)行業(yè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的提高。日本用戶也在增加對德國機(jī)床與技術(shù)的訂購，2006年日本首次躍居德國15大出口市場之一。進(jìn)口方面，亞洲的機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)正不斷提升技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，著力強(qiáng)化其在德國市場中的地位。2006年前3個(gè)季度，德國的機(jī)床進(jìn)口增長率高達(dá)15%，主要增量來自中國、韓國、中國臺灣與日本。 2007年該國機(jī)床生產(chǎn)與服務(wù)總值還將繼續(xù)攀升，達(dá)115億歐元。如此一來，德國機(jī)床制造業(yè)將取得歷史以來的最好成績，并有望打破行業(yè)在2001年所創(chuàng)下的最高記錄。日本：細(xì)水長流式的景氣復(fù)蘇截至2006年年底，日本機(jī)床業(yè)已連續(xù)32個(gè)月每月訂貨額

8、超過1000億日元，超過了上世紀(jì)90年最高峰時(shí)連續(xù)22個(gè)月訂貨額超過1000億日元的記錄。其他的統(tǒng)計(jì)數(shù)字為:2006年機(jī)床工業(yè)生產(chǎn)總值達(dá)1兆2110億日元，與訂貨額基本呈現(xiàn)同樣的發(fā)展趨勢，出口額9255億日元，同比增長14%，進(jìn)口額1356億日元，同比增長26%。 回顧以2002年為谷底的本次恢復(fù)期的機(jī)床工業(yè)訂貨額情況，2002年為6758億日元，同比增長14.3%;2003年為8511億日元，同比增長25.9%;2004年為1兆2362億日元，同比增長45.2%;2005年為1兆3632億日元，同比增長10.3%;2006年的訂貨額遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)初的預(yù)測值1兆1200億日元，達(dá)到1兆4370億

9、日元，同比增長54%，創(chuàng)造了16年來的歷史新高，繼續(xù)著細(xì)水長流式的景氣復(fù)蘇。韓國：出口良好，內(nèi)需萎縮2006年韓國機(jī)床產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值達(dá)到41.4億美元，估計(jì)比前年增長了18%。按階段可分為：上半年良好、下半年停滯，表現(xiàn)為出口良好、內(nèi)需萎縮的景象。 按照不同行業(yè)需求形態(tài)來看，以中小企業(yè)為主的鑄造模具行業(yè)的需求，由于內(nèi)需的不景氣呈現(xiàn)出了全面的萎縮，而電氣電子行業(yè)沒能追加大量的投資，比前年有所減少。然而對業(yè)績輝煌的造船業(yè)來講，需求十分活躍，對大型機(jī)械的需求大大增加。汽車行業(yè)雖然因受到現(xiàn)代汽車公司的罷工影響多少有所萎縮，但通過汽車廠商的海外拓展及GM大宇、雷諾三星的投資相對擴(kuò)大，基本保持了前年的水平。2

10、、國內(nèi)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，世界機(jī)床業(yè)已進(jìn)入了以數(shù)字化制造技術(shù)為核心的機(jī)電一體化時(shí)代，其中數(shù)控機(jī)床就是代表產(chǎn)品之一。數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)的加工母機(jī)和國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)。它為國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門提供裝備和手段，具有無限放大的經(jīng)濟(jì)與社會效應(yīng)。目前，歐、美、日等工業(yè)化國家已先后完成了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，而中國從20世紀(jì)80年代開始起步，仍處于發(fā)展階段。“十五”期間，中國數(shù)控機(jī)床行業(yè)實(shí)現(xiàn)了超高速發(fā)展。其產(chǎn)量2001年為17521臺，2002年24803臺，2003年36813臺，2004年51861臺，2004年產(chǎn)量是2000年的3.7倍，平均年增長39；2005年國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量59639

11、臺，接近6萬臺大關(guān)，是“九五”末期的4.24倍。“十五”期間，中國機(jī)床行業(yè)發(fā)展迅猛的主要原因是市場需求旺盛。固定資產(chǎn)投資增速快、汽車和機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展迅猛、外商投資企業(yè)增長速度加快所致。2006年，中國數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量達(dá)到85756臺，同比增長32.8%，增幅高于金切機(jī)床產(chǎn)量增幅18.4個(gè)百分點(diǎn)，進(jìn)而使金切機(jī)床產(chǎn)值數(shù)控化率達(dá)到37.8%，同比增加2.3個(gè)百分點(diǎn)。此外，數(shù)控機(jī)床在外貿(mào)出口方面亦業(yè)績驕人，全年實(shí)現(xiàn)出口額3.34億美元，同比增長63.14%，高于全部金屬加工機(jī)床出口額增幅18.58個(gè)百分點(diǎn)。2007年，中國數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量達(dá)123,257臺，數(shù)控金屬成形機(jī)床產(chǎn)量達(dá)3,011臺；國產(chǎn)數(shù)

12、控機(jī)床擁有量約50萬臺，進(jìn)口約20萬臺。2008年10月，中國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量達(dá)105,780臺，比2007年同比增長2.96。長期以來，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床始終處于低檔迅速膨脹，中檔進(jìn)展緩慢，高檔依靠進(jìn)口的局面，特別是國家重點(diǎn)工程需要的關(guān)鍵設(shè)備主要依靠進(jìn)口，技術(shù)受制于人。究其原因，國內(nèi)本土數(shù)控機(jī)床企業(yè)大多處于“粗放型”階段，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平、質(zhì)量、精度、性能等方面與國外先進(jìn)水平相比落后了510年；在高、精、尖技術(shù)方面的差距則達(dá)到了1015年。同時(shí)中國在應(yīng)用技術(shù)及技術(shù)集成方面的能力也還比較低，相關(guān)的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的研究制定相對滯后，國產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床還沒有形成品牌效應(yīng)。同時(shí)，中國的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)目前還缺少完善的技

13、術(shù)培訓(xùn)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等支撐體系，市場營銷能力和經(jīng)營管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主創(chuàng)新能力，完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)少之又少，制約了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。國外公司在中國數(shù)控系統(tǒng)銷量中的80以上是普及型數(shù)控系統(tǒng)。如果我們能在普及型數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品快速產(chǎn)業(yè)化上取得突破，中國數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)就有望從根本上實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略反擊。同時(shí)，還要建立起比較完備的高檔數(shù)控系統(tǒng)的自主創(chuàng)新體系，提高中國的自主設(shè)計(jì)、開發(fā)和成套生產(chǎn)能力，創(chuàng)建國產(chǎn)自主品牌產(chǎn)品，提高中國高檔數(shù)控系統(tǒng)總體技術(shù)水平。“十一五”期間，中國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)將步入快速發(fā)展期，中國數(shù)控機(jī)床行業(yè)面臨千載難逢的大好發(fā)展機(jī)遇，根據(jù)中國數(shù)控車床19962005年消費(fèi)數(shù)量，通

14、過模型擬合，預(yù)計(jì)2009年數(shù)控車床銷售數(shù)量將達(dá)8.9萬臺，年均增長率為16.5%。根據(jù)中國加工中心19962005年消費(fèi)增長模型，預(yù)計(jì)2009年加工中心消費(fèi)數(shù)量將達(dá)2.8萬臺，較2005年年均增長率為17.8%。3、數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展趨勢高速、精密、復(fù)合、智能和綠色是數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展的總趨勢，近幾年來，在實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化等方面取得可喜成績。主要表現(xiàn)在：1、機(jī)床復(fù)合技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展隨著數(shù)控機(jī)床技術(shù)進(jìn)步，復(fù)合加工技術(shù)日趨成熟，包括銑車復(fù)合、車銑復(fù)合、車鏜鉆齒輪加工等復(fù)合，車磨復(fù)合，成形復(fù)合加工、特種復(fù)合加工等，復(fù)合加工的精度和效率大大提高。“一臺機(jī)床就是一個(gè)加工廠”、“一次裝卡，完全加工”等理念正在被

15、更多人接受，復(fù)合加工機(jī)床發(fā)展正呈現(xiàn)多樣化的態(tài)勢。 2、智能化技術(shù)有新突破數(shù)控機(jī)床的智能化技術(shù)有新的突破，在數(shù)控系統(tǒng)的性能上得到了較多體現(xiàn)。如：自動調(diào)整干涉防碰撞功能、斷電后工件自動退出安全區(qū)斷電保護(hù)功能、加工零件檢測和自動補(bǔ)償學(xué)習(xí)功能、高精度加工零件智能化參數(shù)選用功能、加工過程自動消除機(jī)床震動等功能進(jìn)入了實(shí)用化階段，智能化提升了機(jī)床的功能和品質(zhì)。 3、機(jī)器人使柔性化組合效率更高機(jī)器人與主機(jī)的柔性化組合得到廣泛應(yīng)用，使得柔性線更加靈活、功能進(jìn)一步擴(kuò)展、柔性線進(jìn)一步縮短、效率更高。機(jī)器人與加工中心、車銑復(fù)合機(jī)床、磨床、齒輪加工機(jī)床、工具磨床、電加工機(jī)床、鋸床、沖壓機(jī)床、激光加工機(jī)床、水切割機(jī)床等組

16、成多種形式的柔性單元和柔性生產(chǎn)線已經(jīng)開始應(yīng)用。4、精密加工技術(shù)有了新進(jìn)展數(shù)控金切機(jī)床的加工精度已從原來的絲級（0.01mm）提升到目前的微米級（0.001mm），有些品種已達(dá)到0.05m左右。超精密數(shù)控機(jī)床的微細(xì)切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定達(dá)到0.05m左右，形狀精度可達(dá)0.01m左右。采用光、電、化學(xué)等能源的特種加工精度可達(dá)到納米級（0.001m）。通過機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、機(jī)床零部件的超精加工和精密裝配、采用高精度的全閉環(huán)控制及溫度、振動等動態(tài)誤差補(bǔ)償技術(shù)，提高機(jī)床加工的幾何精度，降低形位誤差、表面粗糙度等，從而進(jìn)入亞微米、納米級超精加工時(shí)代。 5、功能部件性能不斷提高功能部件不斷向高速度、高精

17、度、大功率和智能化方向發(fā)展，并取得成熟的應(yīng)用。全數(shù)字交流伺服電機(jī)和驅(qū)動裝置，高技術(shù)含量的電主軸、力矩電機(jī)、直線電機(jī)，高性能的直線滾動組件，高精度主軸單元等功能部件推廣應(yīng)用，極大的提高數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平。第二節(jié)、加工中心加工中心是在數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上加上刀庫及自動換刀裝置或多個(gè)工作臺，集數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床的功能于一身的一種由計(jì)算機(jī)來控制的高效、高自動化的機(jī)床。工件在一次裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)加工的需要，自動選擇和更換刀具，根據(jù)粗精加工的不同要求自動改變機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對于工件的運(yùn)動軌跡和其他輔助功能，一次完成多工序的加工。減少了工件的裝夾、測量和機(jī)床調(diào)整等時(shí)間，使機(jī)床的切削時(shí)

18、間達(dá)到機(jī)床開動時(shí)間的80%左右（普通機(jī)床僅為15%20%）；同時(shí)也減少了工序之間的工件周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)和存放時(shí)間，縮短了生產(chǎn)周期，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。加工中心適用于零件形狀比較復(fù)雜、精度要求較高、產(chǎn)品更換頻繁的中小批量生產(chǎn)。1、加工中心的組成加工中心自問世至今已有三十多年，世界各國出現(xiàn)了各種類型的加工中心，雖然外形結(jié)構(gòu)各異，但從總體來看主要由以下幾大部分組成。（1） 基礎(chǔ)部件。基礎(chǔ)部件由床身、立柱和工作臺等組成，它是加工中心的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，主要承受加工中心的靜載荷以及在加工時(shí)產(chǎn)生的切削負(fù)載，因此必須要有足夠的剛度。這些大件可以是鑄鐵件，也可以是焊接而成的鋼結(jié)構(gòu)件，它們是加工中心體積和質(zhì)量最大的部件。（2

19、） 主軸部件。主軸部件由主軸箱、主軸電動機(jī)、主軸和主軸軸承等零件組成。主軸的啟、停和變速等動作均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并且通過裝在主軸上的刀具參與切削運(yùn)動，是切削加工的功率輸出部件。主軸是加工中心的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣對加工中心的性能有很大影響。（3） 伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)主要是進(jìn)給傳動系統(tǒng)，其作用是把來自數(shù)控裝置的信號轉(zhuǎn)換為機(jī)床移動部件的運(yùn)動，其性能是決定機(jī)床的加工精度、表面精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率的主要因素之一。加工中心普遍采用半閉環(huán)、閉環(huán)和開環(huán)三種控制方式。（4） 數(shù)控系統(tǒng)（CNC）。加工中心的數(shù)控部分是由CNC裝置、可編程控制器、伺服驅(qū)動裝置以及操作面板等組成。它是執(zhí)行順序控制動作和完成加工

20、過程的控制中心。（5） 自動換刀系統(tǒng)（ATC）。 自動換刀系統(tǒng)是由刀庫、機(jī)械手等部件組成。當(dāng)需要換刀時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令，由機(jī)械手（或通過其他方式）將刀具從刀庫內(nèi)取出裝入主軸孔中。（6） 輔助裝置。輔助裝置包括潤滑、冷卻、排屑、防護(hù)、液壓、氣動和檢測系統(tǒng)等部分。這些裝置雖然不直接參與切削運(yùn)動，但對加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起著保障作用，因此也是加工中心不可缺少的部分。2、加工中心的特點(diǎn)（1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 機(jī)床的剛度高、抗振性好。為了滿足加工中心高自動化、高速度、高精度、高可靠性的要求，加工中心的靜剛度、動剛度和機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的阻尼比都高于普通機(jī)床。 機(jī)床的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，傳遞精度高，速

21、度快。加工中心傳動裝置主要有三種，即滾珠絲杠副；靜壓蝸桿蝸輪條；預(yù)加載荷雙齒輪齒條。它們由伺服電機(jī)直接驅(qū)動，省去齒輪傳動機(jī)構(gòu)，傳遞精度高，速度快。一般速度可達(dá)15m/min，最高可達(dá)100m/min。 主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無齒輪箱變速系統(tǒng)（特殊的也只保留12級齒輪傳動）。主軸功率大，調(diào)速范圍寬，并可無級調(diào)速。目前加工中心95%以上的主軸傳動都采用交流伺服系統(tǒng)，速度可從（102000）r/min無級變速。 加工中心的導(dǎo)軌都采用了耐磨損材料和新的結(jié)構(gòu)，能長期地保持導(dǎo)軌的精度，在高速切削下，保證運(yùn)動部件不振動，低速進(jìn)給時(shí)保證不爬行及運(yùn)動中的高靈敏度。設(shè)置有刀庫和換刀機(jī)構(gòu)。具有儲存加工所需刀具的刀庫，它

22、用于儲存刀具并根據(jù)要求將各工序所用的刀具運(yùn)送到取刀位置；具有自動裝卸刀具的機(jī)械手。這是加工中心與數(shù)控銑床和數(shù)控鏜床的主要區(qū)別，使加工中心的功能和自動化加工的能力更強(qiáng)了。加工中心的刀庫容量少的有幾把，多的達(dá)幾百把。這些刀具通過換刀機(jī)構(gòu)自動調(diào)用和更換，也可以通過控制系統(tǒng)對刀具壽命進(jìn)行管理。具有主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)、刀桿自動夾緊松開機(jī)構(gòu)和刀柄切屑自動清理裝置。這是加工中心機(jī)床主軸部件中三個(gè)主要組成部分，也是加工中心機(jī)床能夠順利地實(shí)現(xiàn)自動換刀所需具備的結(jié)構(gòu)保證。此外，還具有自動排屑、自動潤滑、自動報(bào)警和工作臺自動交換的系統(tǒng)等。（2）加工特點(diǎn) 全封閉防護(hù)，加工精度高。加工中心同其他數(shù)控機(jī)床一樣具有加工精度高的特

23、點(diǎn)，而且加工中心由于加工工序集中，避免了長工藝流程，減少了人為干擾，故加工精度更高，加工質(zhì)量更加穩(wěn)定。 能自動進(jìn)行刀具更換，加工生產(chǎn)率高。零件加工所需要的時(shí)間包括機(jī)動時(shí)間與輔助時(shí)間兩部分。加工中心帶有刀庫和自動換刀裝置，在一臺機(jī)床上能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和機(jī)床的調(diào)整時(shí)間，減少工件半成品的周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)和存放時(shí)間，使機(jī)床的切削利用率（切削時(shí)間和開動時(shí)間之比）高于普通機(jī)床34倍，達(dá)80%以上。 工序集中，加工連續(xù)進(jìn)行。加工中心備有刀庫并能自動更換刀具，對工件進(jìn)行多工序加工，使得工件在一次裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機(jī)床按不同工序自動選擇和更換刀具，自動改變主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對工件

24、的運(yùn)動軌跡以及其他輔助功能，現(xiàn)代加工中心更大程度地使工件在一次裝夾后實(shí)現(xiàn)更多表面、多特征、多工位的連續(xù)、高效、高精度加工，即工序集中。這是加工中心最突出的特點(diǎn)。加工中心能自動改變機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對工件的運(yùn)動軌跡及其他輔助機(jī)能。操作者的勞動強(qiáng)度減輕。加工中心對零件的加工是按事先編好的程序自動完成的，操作者除了操作鍵盤、裝卸零件、進(jìn)行關(guān)鍵工序的中間測量以及觀察機(jī)床的運(yùn)行之外，不需要進(jìn)行繁重的重復(fù)性手工操作，勞動強(qiáng)度和緊張程度均可大為減輕，勞動條件也得到很大的改善。功能強(qiáng)大，趨向復(fù)合加工，對加工對象的適應(yīng)性強(qiáng)。加工中心生產(chǎn)的柔性不僅體現(xiàn)在對特殊要求的快速反應(yīng)上，而且能快速實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，提

25、高市場競爭能力。經(jīng)濟(jì)效益高，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。使用加工中心加工零件時(shí)，分?jǐn)傇诿總€(gè)零件上的設(shè)備費(fèi)用是較昂貴的，但在單件、小批量生產(chǎn)的情況下，可以節(jié)省許多其他方面的費(fèi)用，因此能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。并且用加工中心加工零件，能夠準(zhǔn)確地計(jì)算零件的加工工時(shí)，并有效地簡化了檢驗(yàn)和工裝夾具、半成品的管理工作。這些特點(diǎn)有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。由于加工中心具有上述機(jī)能，因而可以大大減少工件裝夾、測量和機(jī)床調(diào)整時(shí)間，減少工件的周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)和存放時(shí)間，使機(jī)床的切削時(shí)間利用率高于普通機(jī)床34倍，大大提高了生產(chǎn)率，尤其是在加工形狀比較復(fù)雜、精度要求較高、品種更換頻繁的工件時(shí)，更具有良好的經(jīng)濟(jì)性。第二章 加工中心自動換

26、刀系統(tǒng)方案確定第一節(jié)、加工中心自動換刀系統(tǒng)概述加工中心要完成對工件的多工序加工，必須要在加工過程中自動更換刀具，為完成這項(xiàng)工作而設(shè)置的儲存及更換刀具的系統(tǒng)統(tǒng)稱為自動換刀系統(tǒng)。自動換刀系統(tǒng)中的刀庫，換刀的可靠性，即換刀速度直接影響到加工中心的工作效率。利用刀庫換刀，是目前加工中心中大量使用的換刀方式。由于有了刀庫，機(jī)床只要一個(gè)固定主軸夾持刀具，有利于提高主軸剛度。獨(dú)立的刀庫大大增加了刀具的儲存數(shù)量，有利于擴(kuò)大機(jī)床的功能，并能較好地減少各種影響加工精度的干擾。第二節(jié)、自動換刀系統(tǒng)方案確定1、刀庫方案的確定刀庫式換刀裝置有一個(gè)存儲刀具的刀庫，機(jī)床只需一個(gè)夾持刀具進(jìn)行切削的刀具主軸（鉆，膛，銑類機(jī)床）

27、或刀架（車床類機(jī)床）。當(dāng)需要某一刀具進(jìn)行切削加工時(shí)，將該刀具自動地從刀庫轉(zhuǎn)置至機(jī)床主軸或刀架中；在切削完畢后，又將用過的刀具自動的從機(jī)床主軸或刀架移回刀庫中。由于在換刀過程中刀具需要在多個(gè)部件之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以各部件的動作必需準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。刀庫中刀具的數(shù)目可根據(jù)工藝要求與機(jī)床的結(jié)構(gòu)布局而定，數(shù)量可較多。刀庫的儲存量一般在864把范圍內(nèi)，多的可達(dá)10200把。刀庫可布置在遠(yuǎn)離加工區(qū)的地方，從而消除了它與工件發(fā)生干涉的可能性。刀庫不承受切削加工的作用力，它的工作條件比較好。機(jī)床的主軸或刀架的尺寸不象刀塔那樣的受限制，這樣就有可能提高主軸或刀架的剛度。從而有利于提高機(jī)床的加工精度。采用這種自動換刀方式的

28、刀具主軸或刀架，需要自動夾緊、放松刀具的機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動傳力機(jī)構(gòu)。另外，還常需要清潔刀柄及刀孔、刀座的裝置，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，換刀時(shí)間一般也比較長。“自動換刀過程時(shí)間”包括下述動作的時(shí)間：一個(gè)工序加工完畢后，刀具快速退離工件，從加工位置退到換刀位置（同時(shí)主軸準(zhǔn)停）；進(jìn)行新舊刀具的交換；然后松開主軸（消除準(zhǔn)停）、變速、主軸啟動旋轉(zhuǎn)并快速趨近加工位置，用更新的新刀具開始下一工序的加工。由于這種自動換刀裝置是用于多工序零件加工，換刀頻繁，如果每一次的“自動換刀過程時(shí)間”稍長一點(diǎn)，多次換刀所積累的結(jié)果就會相當(dāng)可觀，就不能顯著提高生產(chǎn)效率，因此，在設(shè)計(jì)條件允許的情況下，應(yīng)盡可能縮短“自動換刀過程時(shí)間”。中型機(jī)床

29、，每次換刀時(shí)間一般在10秒左右，當(dāng)然，在自動換刀過程的各個(gè)動作中，有些動作如刀具快速退離和快速接近工件所需時(shí)間，尚與工件加工面具體位置有關(guān)，不完全決定于設(shè)計(jì)者。但有些動作如進(jìn)行新舊刀具交換所需要的“換刀時(shí)間”，則可基本上由機(jī)床設(shè)計(jì)者所決定。這種“換刀時(shí)間”有的已降低至2.5秒或更少，一般約為5秒。1.1、鏈?zhǔn)降稁戽準(zhǔn)降稁彀▎苇h(huán)鏈和多環(huán)鏈 , 鏈環(huán)形式可有多種變化，如圖21（a）、（b）、（c）（a）（b）（c）圖21 圖22是方形刀庫的典型結(jié)構(gòu)示意圖。主動鏈輪由伺服電動機(jī)通過蝸輪減速裝置驅(qū)動（根據(jù)需要，還可以經(jīng)過齒輪副傳動）。這種傳動方式，不僅在鏈?zhǔn)降稁熘胁捎茫谄渌问降牡稁靷鲃又校捕嗖?/p>

30、用。圖22方形鏈?zhǔn)降稁焓疽鈭D導(dǎo)向輪一般做成光輪，圓周表面硬化處理。兼起張緊輪作用的左側(cè)兩個(gè)導(dǎo)論，其輪座必須帶有導(dǎo)向槽（或?qū)蜴I），以免松開安裝螺釘時(shí)，輪座位置歪扭，對張緊調(diào)節(jié)帶來麻煩。回零撞塊可以裝在鏈條的任意位置上，而回零開關(guān)則安裝在便于調(diào)整的位置上。這時(shí)處于機(jī)械手抓刀位置的刀套，編號為1好，然后依次編上其他刀號。刀庫回零時(shí)，只能從一個(gè)方向回零，至于是順時(shí)針回轉(zhuǎn)回零，還是逆時(shí)針回轉(zhuǎn)回零，可由機(jī)電設(shè)計(jì)人員商定。如果刀套不能準(zhǔn)確地停在換刀位置上，將會使換刀機(jī)械手抓刀不準(zhǔn)，以致在換刀時(shí)容易發(fā)生掉刀現(xiàn)象。因此，刀套的準(zhǔn)停問題將是影響換刀動作可靠性的重要因素之一。為了確保刀套準(zhǔn)確地停在換刀位置上，需要

31、采取如下措施：（1） 定位盤準(zhǔn)停方式，由液壓缸推動的定位銷插入定位盤的定位槽內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)刀套的準(zhǔn)停，或采取定位塊進(jìn)行快速定位。刀位盤上的每個(gè)定位槽（或定位孔），對應(yīng)于一個(gè)相應(yīng)的刀套，而且定位槽（或定位孔）的節(jié)距要一致。這種準(zhǔn)停方式的優(yōu)點(diǎn)是能有效地消除傳動鏈反向間隙的影響，保護(hù)傳動鏈，使其免受換刀撞擊力，驅(qū)動電動機(jī)可不用制動自鎖裝置。（2） 鏈?zhǔn)降稁煲x用節(jié)距精確度較高的套筒滾子鏈和鏈輪，而且在把套筒裝在鏈條上時(shí)，要用專用夾具來定位，以保證刀套節(jié)距一致。（3） 傳動時(shí)要消除傳動間隙。消除反向間隙方法有以下幾種：電氣系統(tǒng)自動補(bǔ)償方式，在鏈輪軸上安裝編碼器，單頭雙導(dǎo)程蝸桿傳動方式，使刀套單方向運(yùn)行、單

32、方向定位以及使刀套雙向運(yùn)行、單向定位方式等。鏈?zhǔn)降稁煊腥缦绿攸c(diǎn)：適用于刀庫容量較大的場合，所占的空間小。一般適用于刀具數(shù)在30120把的刀庫。僅增加鏈條長度即可增加刀具數(shù)，可以不增加圓周速度，其轉(zhuǎn)動慣量不像盤式刀庫增加的那樣大。1.2、盤式刀庫在盤式刀庫結(jié)構(gòu)中，刀具可以沿主軸徑向、軸向、斜向安放，如圖23（a）、（b）、（c）。刀具軸向安裝的結(jié)構(gòu)最為緊湊，但為了換刀時(shí)刀具與主軸同向，有的刀庫中的刀具需要在換刀位置作翻轉(zhuǎn)。在刀庫容量較大時(shí)，為在存取方便的同時(shí)保持結(jié)構(gòu)緊湊，可采取彈倉式結(jié)構(gòu)，但是較其他形式復(fù)雜。目前大量的刀庫安裝在機(jī)床立柱的頂面或側(cè)面。在刀庫容量較大時(shí)，也有安裝在單獨(dú)的地基上的，以

33、隔離刀庫轉(zhuǎn)動造成的振動。盤式刀庫的刀具軸線也圓盤軸線平行，刀具環(huán)形排列，分徑向、軸向兩種取刀方式，其刀座結(jié)構(gòu)不同。這種盤式刀庫結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用較多，適用于刀庫容量較小的情況。為增加刀庫空間利用率，可采用雙環(huán)或多環(huán)排列刀具的形式，但圓盤直徑增大，轉(zhuǎn)動慣量就增加，選刀時(shí)間也較長。（a）（b）（c）圖23其他的刀庫形式還有格子盒式刀庫，由于篇幅的限制這里就不再詳細(xì)介紹了。經(jīng)過對上述兩種刀庫形式的比較，以及結(jié)合的實(shí)際情況，在本設(shè)計(jì)中采用盤式刀庫這種結(jié)構(gòu)。2、換刀機(jī)械手方案的確定采用機(jī)械手進(jìn)行刀具交換的方式應(yīng)用的最為廣泛，這是因?yàn)闄C(jī)械手換刀有很大的靈活性，而且可以減少換刀時(shí)間。2.1、機(jī)械手的種類加工中心

34、換刀機(jī)械手的種類繁多，可以說每個(gè)廠家都推出自己的獨(dú)特的換刀機(jī)械手，在加工中心的自動換刀系統(tǒng)中，是機(jī)械手具體執(zhí)行刀具的自動更換，對其要求是迅速可靠、準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。由于加工中心機(jī)床的刀庫和主軸，其相對位置距離不同，相應(yīng)的換刀機(jī)械手的運(yùn)動過程也不盡相同，它們由各種形式的機(jī)械手來完成。常見的機(jī)械手有：（1） 單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手機(jī)械手?jǐn)[動的軸線與刀具主軸平行，機(jī)械手的手臂可以回轉(zhuǎn)不同的角度來進(jìn)行自動換刀，換刀具的所花費(fèi)的時(shí)間長，用于刀庫換刀位置的刀座的軸線相平行的場合。如圖24所示：圖24單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手（2） 單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手圖25 單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手這種機(jī)械手的手臂上有兩個(gè)卡爪，兩個(gè)卡爪有所

35、分工，一個(gè)卡爪只執(zhí)行從主軸上取下“舊刀”送回刀庫的任務(wù)，另一個(gè)卡爪則執(zhí)行由刀庫取出“新刀”送到主軸的任務(wù)，其換刀時(shí)間較上述單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手要短，如圖25所示。（3） 雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手這種機(jī)械手的兩臂各有一個(gè)卡爪，可同時(shí)抓取刀庫及主軸上的刀具，在回轉(zhuǎn)180°之后有同時(shí)將刀具歸回刀庫及裝入主軸，是目前加工中心機(jī)床上最為常用的一種形式，換刀時(shí)間要比前兩種都短，如圖26所示：圖26 雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手這種機(jī)械手在有的設(shè)計(jì)中還采用了可伸縮的手臂，如圖27所示：圖27 雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手（手臂可伸縮式）（4） 雙機(jī)械手這種機(jī)械手相當(dāng)與兩個(gè)單臂單爪機(jī)械手，相互配合起來進(jìn)行自動換刀。其中一個(gè)機(jī)械手執(zhí)行拔

36、“舊刀”歸回刀庫，另一個(gè)機(jī)械手執(zhí)行從刀庫取“新刀”插入機(jī)床主軸上，如圖28所示：圖28 雙機(jī)械手（5） 雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手這種機(jī)械手兩臂可往復(fù)運(yùn)動，并交叉成一定角度。兩個(gè)手臂分別稱作裝刀手和卸刀手。卸刀手完成往主軸上取下“舊刀”歸回刀庫，裝刀機(jī)械手執(zhí)行從刀庫取出“新刀”裝入主軸。整個(gè)機(jī)械手可沿導(dǎo)軌或絲杠作直線移動或繞某個(gè)轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)刀庫與主軸之間的運(yùn)送刀具工作，如圖29所示：圖29 雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手（6） 雙臂端面夾緊式機(jī)械手這種機(jī)械手只是在夾緊部位上和前幾種不同，上述幾種機(jī)械手均靠夾緊刀柄的外圓表面來抓住刀具，而此種機(jī)械手則是夾緊刀柄的兩個(gè)端面，如圖210所示：圖210 雙臂端面夾

37、緊式機(jī)械手由于雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手的動作比較簡單，而且能夠同時(shí)抓取和裝卸機(jī)床主軸和刀庫上的刀具，換刀時(shí)間較短，故我們選用雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手。如果我們采用不能伸縮的機(jī)械手，由于機(jī)械手回轉(zhuǎn)時(shí)其手部回轉(zhuǎn)半徑較大，如刀庫中刀具排得較密，可能碰撞刀具，且用這種類型的機(jī)械手直接在刀庫與主軸之間換刀，只宜采用順序換刀或刀具編碼式任意選刀，不然，換刀時(shí)間將增加。故我們采用手臂可伸縮式的雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手。2.2、手爪的選擇機(jī)械手的手爪，大都采用機(jī)械鎖刀方式，有些大型加工中心，亦有采用機(jī)械加液壓鎖刀方式，以保證大而重的刀具在換刀中不被甩出。現(xiàn)有的手爪形式可分為以下幾種：（1） 機(jī)械鎖刀手爪彈簧銷式手爪。使用這種形式的抓

38、持機(jī)構(gòu)，手爪不需要設(shè)置專門的傳遞裝置，因而結(jié)構(gòu)簡單，使用廣泛。但在機(jī)械手有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)，為避免刀具甩脫，手爪就必須有自鎖機(jī)構(gòu)。（2） 鉗形機(jī)械手手爪。這種手爪的張合需要?jiǎng)恿鬟f裝置，傳動較復(fù)雜，但手爪的結(jié)構(gòu)可較簡單，使用也較普遍。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖211所示。（3） 虎鉗形指。在手爪中設(shè)有定位銷，使刀具在手爪中定位。用這種形式的夾持機(jī)構(gòu)時(shí)，刀具需經(jīng)特殊補(bǔ)充加工，不能使用標(biāo)準(zhǔn)刀具，所以使用者較少。圖211鉗形機(jī)械手手爪1 手臂；2鎖銷；3止退銷；4彈簧5支點(diǎn)軸；6手爪；7鍵；8螺釘經(jīng)對比分析，在本設(shè)計(jì)中采用第一種手爪形式。至此，本設(shè)計(jì)中的刀庫、機(jī)械手以及手爪形式都已確定。，即刀庫采用盤式刀庫，機(jī)械手

39、采用手臂可伸縮式的雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手，手爪形式采用彈簧銷式手爪。第三章 刀庫的設(shè)計(jì)本章將具體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中有關(guān)刀庫部分的具體內(nèi)容，包括刀庫的容量、轉(zhuǎn)位、夾刀機(jī)構(gòu)等。第一節(jié)、刀庫容量的確定 刀庫的容量首先要考慮加工工藝的需要。例如，立式加工中心的主要工藝為鉆、銑。有資料顯示，在統(tǒng)計(jì)了15000種工件，按成組技術(shù)分析，各種加工所必需的刀具數(shù)的結(jié)果是：4把銑刀可完成工件95%左右的銑削工藝，10把孔加工刀具可完成70%的鉆削工藝，因此，14把刀的容量就可完成70%以上的工件鉆銑工藝。如果從完成工件的全部加工所需的刀具數(shù)目統(tǒng)計(jì)，所得結(jié)果是80%的工件（中等尺寸，復(fù)雜程度一般）完成全部加工任務(wù)所需的刀具數(shù)在

40、四十種一下，所以一般的中、小型立式加工中心配有1430把刀具的刀庫就能夠滿足70%95%的工件加工需要。根據(jù)以上分析，結(jié)合本設(shè)計(jì)的要求，在本設(shè)計(jì)方案中設(shè)定刀庫的容量為24把刀。第二節(jié)、刀庫的轉(zhuǎn)位刀庫的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)通過消隙齒輪1、2帶動蝸桿3，通過蝸輪4使刀庫轉(zhuǎn)動，如圖31所示。蝸桿為右旋雙導(dǎo)程蝸桿，可以用軸向移動到方法來調(diào)整蝸輪副的間隙。壓蓋5內(nèi)孔螺紋與套6相配合，轉(zhuǎn)動套6即可調(diào)整蝸桿的軸向位置，也就調(diào)整了蝸輪副的間隙。調(diào)整好后用螺母7鎖緊。圖31 刀庫轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)1、2齒輪；3蝸桿；4蝸輪；5壓蓋；6套；7螺母刀庫的最大轉(zhuǎn)角為，根據(jù)所換刀具的位置決定正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)、由控制系統(tǒng)自動判別，以使找刀

41、路徑最短。每次轉(zhuǎn)角大小由位置控制系統(tǒng)控制，進(jìn)行粗定位，最后由定位銷精確定位。第三節(jié)、刀庫的夾刀機(jī)構(gòu)刀庫的夾刀機(jī)構(gòu)，即刀庫夾爪，既起著刀套作用，又起著手爪作用。由于刀具在刀庫中大部分時(shí)間是出于相對靜止?fàn)顟B(tài)（只有在刀庫轉(zhuǎn)位時(shí)隨刀庫一起運(yùn)動），所以刀庫的夾刀機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)都比較簡單，其夾緊力也較小，只需承受刀具本身的自重就可以了。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖32所示。圖32 刀庫夾爪1 鎖銷；2頂銷；3彈簧；4支點(diǎn)軸；5手爪；6擋銷至此，本設(shè)計(jì)中刀庫部分已完成。由于刀庫的設(shè)計(jì)不是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，所以上述各部分的設(shè)計(jì)都以論述為主。第四章、換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)本章是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，將具體設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)械手的一些零部件，以及具體

42、分析標(biāo)準(zhǔn)件的選用。第一節(jié)、機(jī)械手的各種運(yùn)動的分析在加工中心換刀的過程中，由機(jī)械手完成的動作是最多的，下表是機(jī)械手的換刀動作表：表41 機(jī)械手的換刀動作從表中可以看出，在整個(gè)換刀過程中由機(jī)械手完成的動作有：手臂的伸縮運(yùn)動、手爪的開合運(yùn)動、新舊刀具對換的回轉(zhuǎn)運(yùn)動、機(jī)械手的上下直線運(yùn)動。下面將具體介紹各個(gè)運(yùn)動。1、手臂的伸縮運(yùn)動手臂伸縮機(jī)構(gòu)由回轉(zhuǎn)液壓缸1（見機(jī)械手驅(qū)動裝置外形圖），輸出軸47，齒輪44以及齒條39和45組成（見換刀機(jī)械手圖）。當(dāng)壓力油通過支架28和貫穿花鍵軸30的通孔（見機(jī)械手驅(qū)動裝置圖）進(jìn)入回轉(zhuǎn)液壓缸1時(shí)，推動輸出軸47轉(zhuǎn)動，軸上的齒輪44便帶動齒條39和44作直線運(yùn)動，使兩只機(jī)械

43、臂同時(shí)伸出，通過齒條39及44上的擋塊52壓向調(diào)整螺釘53來限制終點(diǎn)位置。同時(shí)由微動開關(guān)30發(fā)出信號，以進(jìn)行下一個(gè)動作。當(dāng)回轉(zhuǎn)液壓缸改變油路時(shí)，手臂便縮回。2、手爪的開合運(yùn)動見換刀機(jī)械手圖。機(jī)械手手臂的頭部帶有固定手爪14與活動手爪18，用來夾持刀柄。活動手爪18可繞小軸15轉(zhuǎn)動，其一端由彈簧桿19作用支靠在小軸20上。當(dāng)彈簧頂桿3未碰到擋塊13而自由伸出時(shí)，擋桿22在彈簧作用下，其一端的斜面與活動手爪18的端部斜面臺階相靠，從而將活動手爪18鎖死。當(dāng)擋塊13左移，將彈簧頂桿3壓入時(shí)，頂桿3的一端迫使杠桿21順時(shí)針轉(zhuǎn)動，這樣，杠桿21的一端將擋桿22的斜面自活動手爪18的端部斜面滑開。因此，當(dāng)

44、活動手爪18伸向刀柄拔刀或插刀后收回時(shí)，刀柄表面可使活動手爪18壓縮彈簧而稍微張開，這樣機(jī)械爪即可將刀柄抱住或退出。與此同時(shí)，齒條44（或39）上的擋桿壓于調(diào)整螺釘而限位，同時(shí)微動行程開關(guān)動作發(fā)出下一動作的信號。由于機(jī)械爪伸向刀柄拔刀，或插刀后收回，都是當(dāng)機(jī)械手處于軸向向下移動后的位置上進(jìn)行的。為了使機(jī)械手的活動手爪18在這時(shí)能從自鎖狀態(tài)下松開，在機(jī)床床身立柱上設(shè)有固定桿35，在機(jī)械臂的一側(cè)有擋塊裝置。擋塊13、錐孔盤4（在端面上周向均勻分布有4個(gè)錐孔）和軸9固定相連，軸9裝于支架12內(nèi)，其右端又與一端蓋10用螺紋固定。當(dāng)擋塊13未與固定桿35相碰時(shí)，錐孔盤4處于與鋼球5相對位置，彈簧銷11頂

45、著端蓋10，使錐孔盤4緊靠于支架12的端面上，此時(shí)機(jī)械臂的彈簧頂桿3自由伸出，活動手爪1處8于鎖死狀態(tài)。當(dāng)機(jī)械手軸向向上運(yùn)動后，固定桿35迫使擋塊13轉(zhuǎn)動，由于此時(shí)錐孔盤4端面上的錐孔與鋼球5錯(cuò)開，這樣錐孔盤4即連同擋塊13、軸9、端蓋11、壓縮彈簧銷11向左移動。擋塊13即將機(jī)械臂上的彈簧頂桿3壓入，將活動手爪18自鎖緊狀態(tài)下松開。當(dāng)機(jī)械爪伸出抓住刀柄后，機(jī)械手軸向向下伸出，此時(shí)擋塊13亦同時(shí)離開固定桿35，借彈簧1的作用，將擋塊13拉回原來的錐孔盤4上錐孔與鋼球5相對的原始位置，由彈簧銷11的作用，使擋塊13又移動至錐孔盤4與支架12端面壓緊的位置。這時(shí)機(jī)械臂上的彈簧頂桿3又自由伸出，將活

46、動手爪18鎖死，保證機(jī)械手將刀具拔出后，機(jī)械手能將刀具可靠地夾緊。3、回轉(zhuǎn)運(yùn)動回轉(zhuǎn)運(yùn)動用來實(shí)現(xiàn)新舊刀具位置的交換。由機(jī)械手驅(qū)動裝置和機(jī)械手驅(qū)動裝置外形圖可見它由手臂14，回轉(zhuǎn)座59組成的。手臂14與花鍵軸58固定連接，花鍵軸與兩個(gè)花鍵套筒31相連，后者則由固定在機(jī)床立柱上回轉(zhuǎn)座59上的兩個(gè)滾動軸承支撐。齒輪41通過花鍵軸套筒安裝在花鍵軸的右端。從回轉(zhuǎn)液壓缸圖可以看到，回轉(zhuǎn)液壓缸缸體8和上端蓋15、下端蓋3、定片28間均用螺釘聯(lián)接，并將它們作為一個(gè)整體通過上端蓋固定在立柱上。回轉(zhuǎn)軸23支承在上、下端蓋上，與動片26固定聯(lián)接，其伸出端通過花鍵軸部分與中間座的齒輪聯(lián)接，向手臂傳遞運(yùn)動，當(dāng)液壓缸通入高

47、壓油而使回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時(shí)，通過傳動齒輪20帶動齒輪41（見機(jī)械手驅(qū)動裝置圖）回轉(zhuǎn)，這樣，由花鍵軸58帶動手臂14轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)角相對180°的兩極限位置，可由螺釘34及39限定，同時(shí)由螺栓35及33壓下微動開關(guān)40發(fā)出到位信號，以進(jìn)行下一個(gè)動作。4、直線運(yùn)動這里的直線運(yùn)動是指機(jī)械手向下和向上的拔、插刀的運(yùn)動。這一運(yùn)動由液壓缸（見機(jī)械手驅(qū)動裝置外形圖）驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)的。液壓缸固定于機(jī)床上，活塞桿端部有聯(lián)接件與花鍵軸相連。當(dāng)活塞桿因液壓缸進(jìn)入高壓油而向下或向上運(yùn)動時(shí)，通過聯(lián)接件即可帶動花鍵軸作直線運(yùn)動，從而帶動回轉(zhuǎn)頭及機(jī)械手臂作向下或向上運(yùn)動。在液壓缸兩端設(shè)有緩沖裝置，可防止活塞與液壓缸端面的撞擊。

48、當(dāng)活塞在上下兩極限位置時(shí)，都設(shè)有可調(diào)擋塊，由微動開關(guān)作用發(fā)出到位信號。這種液壓缸活塞驅(qū)動的機(jī)械手，每個(gè)動作結(jié)束之前均需設(shè)置緩沖機(jī)構(gòu)，以保證機(jī)械手的工作平穩(wěn)、可靠。緩沖結(jié)構(gòu)可以是小孔節(jié)流，可以外接節(jié)流閥或是緩沖閥等。為了使機(jī)械手工作平穩(wěn)可靠，除了要設(shè)有緩沖機(jī)構(gòu)外，還要考慮盡可能減小機(jī)械手的慣量。圓柱體圍繞旋轉(zhuǎn)中心的運(yùn)動慣量可由下式確定：式中圓柱體繞其自身中心的慣量（）圓柱體的重量（N）旋轉(zhuǎn)半徑(m)由上式可見，慣量與物體重量成正比，與旋轉(zhuǎn)半徑的平方成正比。因此要盡可能采用密度小質(zhì)量輕的材料制造有關(guān)的零件，以減小機(jī)械手的回轉(zhuǎn)半徑。第二節(jié)、設(shè)計(jì)計(jì)算本部分內(nèi)容將具體介紹相關(guān)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算過程，具體包括

49、手爪夾緊力的計(jì)算、齒輪的設(shè)計(jì)及軸的設(shè)計(jì)等內(nèi)容。下面一一進(jìn)行介紹。1、手爪夾緊力的計(jì)算手爪對工件的夾緊力可按下式計(jì)算：Nk1k2k3G kg·f式中k1安全系數(shù)，通常取1.22，我們?nèi)1=1.8；k2動載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可按k21a/g估算；a為機(jī)械手在搬運(yùn)過程中的加速度，單位為m/s2,a9.8m/s2,g為重力加速度，所以這里k2=1；k3方位系數(shù)，按機(jī)械工程手冊（第10卷）表56.2-3選取k3=0.91.1，我們?nèi)3=1.0；G被夾持刀具的重量，單位kg，這里取G=11kg。則我們設(shè)計(jì)的機(jī)械手手爪的夾緊力為：N1.8×1×1.0×1

50、1 kg·f = 19.8 kg·f2、齒輪的設(shè)計(jì)2.1、齒輪傳動的主要特點(diǎn)效率高 在常用的機(jī)械傳動中，以齒輪傳動的效率為最高。如一級圓柱齒輪的效率可達(dá)99%。這對大功率傳動十分重要，因?yàn)榧词剐手惶岣?%，也有很大的經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)構(gòu)緊湊 在相同的使用條件下，齒輪傳動所需的空間尺寸一般較小。工作可靠，壽命長 設(shè)計(jì)制造正確合理、使用維護(hù)良好的齒輪，工作十分可靠，壽命可長達(dá)一、二十年，這也是其它機(jī)械傳動所不能比擬的。這對車輛及礦井內(nèi)工作的機(jī)器尤為重要。傳動比穩(wěn)定 傳動比穩(wěn)定往往是對傳動性能的基本要求。齒輪傳動獲得廣泛應(yīng)用，也就是由于這一特點(diǎn)。但是齒輪傳動的制造及安裝精度要求高，價(jià)

51、格較貴，且不宜用于傳動距離大的場合。2.2、設(shè)計(jì)原則所設(shè)計(jì)的齒輪傳動在具體的工作情況下，必須具有足夠的、相應(yīng)的工作能力，以保證在整個(gè)工作壽命期間不致失效。目前設(shè)計(jì)一般使用的齒輪傳動時(shí)，通常按保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度及保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度兩準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)齒輪傳動時(shí)，應(yīng)使齒面具有較高的抗磨損、抗點(diǎn)蝕、抗膠合及抗塑性變形的能力，而齒根要有較高的抗折斷的能力。因此，對齒輪材料性能的基本要求為：齒面要硬，齒芯要韌。常用的齒輪材料有鋼、鑄鐵和一些非金屬材料。2.3、設(shè)計(jì)步驟在換刀的過程中，整個(gè)機(jī)械手的轉(zhuǎn)角為180°，且只經(jīng)過一級齒輪傳動就滿足我們的傳動要求，所以可以直接計(jì)算出此處的傳動比，所用公

52、式為：1/2=Z2/（Z1+Z2）式中 1機(jī)械手的回轉(zhuǎn)角度2回轉(zhuǎn)液壓缸動片的轉(zhuǎn)角Z1從動輪齒數(shù)Z2主動輪齒數(shù)由于在這里1= 180°，99=280°，即：180°/280°= Z2/（Z1+Z2）解得：兩齒輪的齒數(shù)比= Z2/Z1=1.8、選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)1） 選用直齒圓柱齒輪傳動。2） 換刀機(jī)械手換刀時(shí)速度較高，我們選用6級精度（GB10095-88）。3） 材料選擇。我們選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)）,硬度為270HBS，大齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))硬度為230HBS，二者材料硬度差為40HBS。4） 選小齒輪齒數(shù)為Z1=24,大齒

53、輪齒數(shù)Z2=Z1=1.8×24=43.2,取Z2=43。2.3.2、按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)由設(shè)計(jì)公式進(jìn)行計(jì)算，即：1）確定公式內(nèi)各計(jì)算式數(shù)值（1） 試選載荷系數(shù)K=1.2（2） 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩T1=95.5×105P1/n1=95.5×105×30/ 1460N.mm =1.962×105N.mm（3） 選取齒寬系數(shù)0.8（4） 確定許用接觸應(yīng)力：按齒輪齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=600Mpa，大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=550Mpa，取安全系數(shù)=1，計(jì)算許用接觸應(yīng)力得：=/=600Mpa=/=550Mpa2） 計(jì)算（1）將以上數(shù)據(jù)代

54、入公式中，初算中心距為：=110mm（2）計(jì)算模數(shù)m：按公式m=2a/(Z1+Z2)計(jì)算出模數(shù)，將初選的齒數(shù)代入公式計(jì)算得m=3.28，按照標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列（GB135787）取m=3。（3）計(jì)算主要尺寸：分度圓直徑：d1=mZ1=3×24=72mm；d2=mZ2=3×43=129mm計(jì)算中心距：a=m（Z1+Z2）/2=3×（24+43）/2=100.5mm計(jì)算尺寬：b1=*a=0.8×100.5=80.4mm，取b1=b2=80mm、按輪齒彎曲強(qiáng)度校核輪齒彎曲強(qiáng)度校核公式為確定公式中有關(guān)數(shù)值（1） 查圖得知小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=240Mpa，大齒輪的

55、彎曲疲勞強(qiáng)度極限=190Mpa，取安全系數(shù)=1.3，計(jì)算許用彎曲應(yīng)力得：=/=240/1.3=185Mpa=/=190/1.3=146Mpa（2） 查表得齒形系數(shù)，將有關(guān)數(shù)值代入公式中計(jì)算輪齒彎曲強(qiáng)度校核合格。至此，傳遞機(jī)械手換刀動力的齒輪副設(shè)計(jì)計(jì)算完成，具體為Z1=24，Z2=43，m=3。另外，機(jī)械手臂的伸出和縮回是通過齒輪齒條傳動進(jìn)行的，其設(shè)計(jì)過程與此相似，由于受篇幅的限制，這里就不再敘述設(shè)計(jì)步驟。3、軸的設(shè)計(jì)軸是組成機(jī)械的一個(gè)常用的重要零件，它支持著其他轉(zhuǎn)動零件如齒輪、蝸輪等零件回轉(zhuǎn)并傳遞動力，軸、軸承和軸上安裝的零件形成一個(gè)組成體，稱為軸系。組成軸系的主要零件軸、軸承、聯(lián)軸器等稱為軸

56、系零件。軸的設(shè)計(jì)主要包括：軸的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軸的強(qiáng)度、剛度和振動穩(wěn)定性計(jì)算等，設(shè)計(jì)軸的主要步驟如下：（1）根據(jù)機(jī)械傳動總體布局?jǐn)M定軸上零件的位置；（2）軸的材料的選擇；（3）初步估計(jì)軸的直徑；（4）進(jìn)行軸的強(qiáng)度、剛度、振動計(jì)算；（5）校核鍵、軸承、聯(lián)軸器等的強(qiáng)度或壽命。3.1、軸的常用材料軸的材料種類很多，設(shè)計(jì)時(shí)主要根據(jù)對軸的強(qiáng)度、剛度、耐磨性等要求，以及為實(shí)現(xiàn)這些要求而采用的熱處理方式，同時(shí)考慮制造工藝加以選用，力求經(jīng)濟(jì)合理。軸的常用材料是35、45、50優(yōu)質(zhì)碳素鋼，對于受力較大，軸的尺寸和重量受到限制，以及有某些特殊要求的軸，可采用合金鋼。根據(jù)工作條件要求，軸可在加工前或加工后經(jīng)過整

57、體或表面處理，以及表面強(qiáng)化處理（如噴丸、輥壓、氮化等），以提高其強(qiáng)度（尤其疲勞強(qiáng)度）和耐磨、耐腐蝕等性能。軸一般由軋制圓鋼或鍛件經(jīng)切削加工制造。軸的直徑較小，可用圓鋼棒制造；對于重要的，大直徑或階梯直徑變化較大的軸，采用鍛坯。為節(jié)約材料和提高工藝性，直徑大的軸還可以制成空心的，并且?guī)в泻附拥幕蛘咤懺斓耐咕墶τ谛螤顝?fù)雜的軸，可采用鑄造。軸的結(jié)構(gòu)決定于受載情況、軸上零件的布置和固定方式、軸承的類型和尺寸、軸的毛坯、制造和裝配工藝及安裝、運(yùn)輸?shù)葪l件。軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)是盡量減小應(yīng)力集中，受力合理，有良好工藝性，并使軸上零件定位可靠，裝拆方便。對于要求剛度大的軸，還應(yīng)在結(jié)構(gòu)上考慮減小軸的變形。零件與軸的固定

58、或聯(lián)接方式，隨零件的作用而異。一般情況下，為了保證零件在軸上具有固定的工作位置，需從軸向和周向加以固定。3.2、軸的設(shè)計(jì)過程給定軸的已知條件為：傳遞的功率P=30Kw；軸的轉(zhuǎn)速為1460n/min。依據(jù)上述已知條件具體進(jìn)行軸的設(shè)計(jì)。、選擇材料及估算軸徑選擇軸的材料為40Cr，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，材料的各機(jī)械性能如下：b=980MPas=785MPa-1=350MPa-1=200Mpa軸的直徑按下式進(jìn)行估算：由于所選材料為40Cr，所以取計(jì)算系數(shù)=100，代入式中得：=27.4mm我們選用花鍵軸的尺寸為：D×d×b=65×56×10。、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)如圖41a)所示。、軸的受力分析軸