毕业设计论文小型立式加工中心的自动换刀机械手的设计.doc

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1、 目录摘要.3Abstract .4第一章 绪论.51.1 数控技术的基本概念.51.1.1 我国数控技术的发展概况.51.1.2 数控机床的组成及特点.51.2 数控技术的产生与发展.61.3 数控技术的发展趋势.61.4 加工中心的概况.71.4.1 加工中心的发展史.71.4.2 加工中心的优点.71.4.3 加工中心的发展方向.81.4.4 自动换刀装置的简介.8第二章 机械手部的设计.132.1 机械手手臂和手爪的设计.132.1.1 手爪口的计算.132.1.2 手爪锁的设计与计算.152.2 弹簧的选择与设计.172.3 手爪的整体尺寸的设计.18第三章 液压传动系统的设计.19

2、3.1 液压传动的概述.193.2 液压缸的设计.203.2.1 液压缸的载荷组成及计算.203.2.2 升降缸的设计.213.2.3 油缸壁厚的设计.233.2.4 油缸长度的设计.233.2.5 油口直径的计算.233.2.6 缸底厚度计算（缸底有油孔）.243.3 液压回转缸的设计.253.3.1 回转缸内径的计算. .253.3.2 回转缸壁厚的计算.273.3.3 缸盖连接螺钉的计算.273.3.4 动片输出轴连接螺钉的计算.28第四章 花键轴的设计.304.1 花键轴的计算.304.1.1 轴的材料选择.304.1.2 轴径的初步计算.304.1.3 花键轴的校核.314.2 轴承

3、的选择.324.2.1 升降缸中轴承的选择.324.2.2 对于回转缸的轴承选择.334.3 法兰连接的选择.344.4 升降缸中（液压缸及活塞杆工作）密封元件.34设计总结.35致谢.36参考文献.37摘要加工中心在加工中用得很广泛，加工中心利用刀库实现换刀，这是目前加工中心大量使用的换刀方式。而自动换刀装置是加工中心的重要组成部分之一，它的功能的好坏，关系到整个加工中心的功能。自动换刀装置可分为五种基本形式，即转塔式、180 回转式、回转插人式、二轴转动式和主轴直接式。刀库换刀，按照换刀过程有无机械手参与，分成有机械手换刀和无机械手换刀两种情况。在有机械手换刀的过程中，使用一个机械手将加工

4、完毕的刀具从主轴中拔出，与此同时，另一机械手将在刀库中待命的刀具从刀库拔出，然后两者交换位置完成换刀过程。无机械手换刀时，刀库中刀具存放方向与主轴平行，刀具放在主轴可到达位置换刀时，主轴箱移到刀库换刀位置上方，利用主轴Z向运动将加工用毕刀具插人刀库中要求的空位处，然后刀库中待换刀具转到待命位置。主轴 Z 向运动将待用刀具从刀库中取出，并将刀具插人主轴。关键词：加工中心 自动换刀装置 刀库 机械手全套图纸加V信153893706或扣 3346389411AbstractMachining center in the increasingly wide use of the processing

5、 which is currently used by large processing center blade. And the automatic blade changer devices is an important component of machining center. Its function is good or bad, on the whole processing machining center functions. Automatic blade devices can be divided into five basic forms . Namely to

6、 Tower, 180 turnaround-type, rotation planting one-, two-and the main axis of rotation axis direct .Exchange cutlery in the tools storehouse, according to the availability of process machinery blade in hand, into a mechanical hand blade and non-blade two mechanical hands .In a mechanical hand exchan

7、ge cutlery，those will be completed using a mechanical hand, the cutlery out from the main axis.At the same time, another mechanical hand take cutlery from tools storehouse, and then the two exchange locations. The whole process is completed. If the mechanical hand blade do not join in the process, c

8、utlery storage direction with the main axis parallel. when cutlery arrive at the location which the the main axis can reach, the main axis of the knife blade box to the location above. Z axis movement will be used to complete the processing by cutlery inserted in the space required by department, an

9、d then for cutlery knife to be transferred to the standby database location. Z axis movement will return to remove the cutlery from tools storehouse and inserted into the main axis.Keyword: machining center automatic blade changer devices tools storehouse manipulator第一章 绪论1.1 数控技术的基本概念1.1.1 我国数控技术的发

10、展概况回顾数控技术的发展已经经历了两个阶段，六代的发展历程。第一个阶段叫做NC阶段，经历了电子管、晶体管、和小规模集成电路三代。自1970年开始小型计算机开始用于数控系统就进入了第二个阶段，叫做CNC阶段，成为第四代数控系统。从1974年微处理器开始用于数控系统即发展到第五代。经过十多年的发展，数控系统从性能到可靠性都得到了根本性的提高。实际上从20世纪末期直到今天，在生产中使用的数控系统大部分都是第五代数控系统。但第五代数控系统以及以前各代都是一种专用封闭的系统，而第六代开放式数控系统将代表着数控系统的未来发展方向，将在现代制造业中发挥越来越重要的作用。1.1.2 数控机床的组成及特点1.1

11、2.1 数控机床的组成以一台三坐标数控铣床为例，它是由X、Y、Z三个坐标来实现刀具和工件间的相对运动的立式数控铣床。它包括信息输入、运算控制(数控装置)、伺服驱动及检测反馈、机床本体、机电接口等部分。1.1.2.2 数控机床的特点数控机床上一种新型的自动化机床，它具有广泛的通用性和很高的自动化程度。数控机床是实现柔性自动化的关键设备，是柔性自动生产线的基本单元。数控机床在如下一些零件的加工中，更能显示出它的优越性，它们是：小批量而又轮番生产的零件；几何形状复杂的零件；在加工过程中必须进行多种工序加工零件；切削余量大的零件；必须严格控制公差(即公差带范围很小)的零件；工艺设计会经常变化的零件；

12、加工过程中的错误会造成严重浪费的贵重零件；需全部检测的零件，等等。1.1.2.3 数控机床的分类（一） 按运动控制的特点分类点位控制数控机床这类数控机床的特点是在刀具相对于工件的移动过程中不进行切削加工， 只要求刀具从一点移动到另一点并准确定位， 而对运动的速度和轨迹没有严格的要求。如数控钻床、数控镗床、数控冲床等。直线控制数控机床直线控制的数控机床是指控制机床工作台或刀具以要求的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工。如数控车床、某些数控镗铣床和加工中心等.轮廓控制的数控机床可以加工斜线、曲线、曲面的数控机床。如数控车床、数控铣床、加工中心等。（二） 按伺服系统的类型分类 开

13、环控制的数控机床该类机床没有位置检测反馈装置。数控装置发出的指令信号流向是单向的，精度主要决定于驱动元件和电机的性能。 闭环控制的数控机床该类机床数控装置中插补器发出的位置指令信号与工作台上检测到的实际位置反馈信号进行比较，根据其差值不断控制运动，进行误差修正，直到差值为零停止运动。1.2 数控技术的产生与发展随着计算机技术的发展，小型计算机应用于数控机床中，由此组成的数控系统称为计算机数控(CNC)。80年代末，我国还在一定范围内探索实施CIM，且取得了一些有益的经验和教益。90年代我国加强了自主知识产权数控系统的研制工作，而且取得了一定成效，如在五轴联动数控系统、高精度车床数控系统、数字仿

14、形系统、中低档数控系统等方面都取得了较好的成果。实际上从20世纪末期直到今天，在生产中使用的数控系统大部分都是第五代数控系统。但第五代数控系统以及以前各代都是一种专用封闭的系统，而第六代开放式数控系统将代表着数控系统的未来发展方向，将在现代制造业中发挥越来越重要的作用。1.3 数控技术的发展趋势为了在越来越激烈的全球巿场竞争中立于不败之地，各工业发达国家均投入巨资对现代制造技术进行研究开发，并相继提出了多种全新的制造模式。如集成制造、柔性制造、智能制造、数字制造、网络制造等，其目标不外乎提高制造的效率和精度，以及增加加工的适应性和降低生产成本。数控机床(系统)作为现代制造系统的关键基础单元，其

15、功能的强弱和性能的好坏决定着上述制造模式的成败。为适应日益复杂的制造过程，数控技术正在发生根本性变革。39数控系统体系结构向基于PC的全数字化开放体系结构方向发展高速、高精度已成为高档数控机床的主要特点，速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。高速、高精度数控机床是多品种、变批量加工环境下保持高效与柔性统一的必要工具，智能化控制是提高数控加工效率的有效手段。高档数控系统是实现制造技术和装备现代化的基石，是保证国防工业和高技术产业发展的战略物资，工业发达国家至今仍限制向中国出口。目前，国产高档数控系统的发展及产业化速度已经严重制约了自主高端数字化装备的研制，在航空航天

16、船舶、发电设备、轨道交通等所需的大型专用数控机床及工艺装备基本依赖进口，已严重威胁到国民经济建设和国防安全，加快高档数控系统的研究与产业化迫在眉睫。1.4 加工中心的概况1.4.1 加工中心的发展史加工中心的发展已有50年历史，自从1952年世界上出现第一台上数控机床后，使多品种、中小批量的机械加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。它用易于修改的数控加工程序进行控制，因而比大批量生产中使用组合机床生产线的凸轮、开关控制的专用机床有更大的柔性，容易适应加工关键品种的变化，进行多品种加工。所谓加工中心，普遍上指在工件一次装卡中，能够实现自动铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等多工序的数控机床。

17、更为明确的说法是：加工中心就是自动换刀数控镗铣床。现代加工中心的内容包括：它是在数控镗床或数控铣床的基础上增加自动换刀装置，可使工件在一次装卡中，能够自动更换刀具，自动完成工件上的铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等工序的数控机床。加工中心上如果带有自动分度回转工作台或自动转角度的主轴箱，可使工件在一次装卡中，自动完成多个平面和多个角度位置的多工序加工。加工中心上如果带有交换工作台，工件在工作位置的工作台上进行加工的同时，另外的工件在装卸位置的工作台上进行装卸，不影响加工的进行。1.4.2 加工中心的优点加工中心的优点很多，主要有以下几点： 提高加工质量 工件一次装夹，即可实现多工序集中加工，大大减

18、少多次装夹所带来的误差。而且，由于是数控加工，较少依赖操作者的技术水平，可得到相当高的稳定精度。 缩短加工准备时间 减少次品率 减少刀具费用 最少的直接劳务费 最少的间接劳务费 设备利用率高 1.4.3 加工中心的发展方向总的来说，加工中心是向高速化、进一步提高精度和愈发完善的方向发展。1. 高速化加工中心的高速化，是指主轴转速、进给速度、自动换刀和自动交换工作台的高速化。2. 进一步提高精度加工中心的主要精度指标是它的运动精度指标。而运动精度主要以坐标定位精度、重复定位精度以及铣圆精度来表示。1.4.4 自动换刀装置的简介1.4.4.1 自动交换刀具的由来自动交换刀具系统（Automatic

19、 Tool Changer简称ATC）系统是由刀库、机械手及相应的控制系统组成。具有钻、镗、铣功能的数控、铣床，一般刀具都安装在机床的主轴上，工件安装于工作台上。为了使工序能够高度集中，尽量节省辅助时间，于是在数控铣床上增加自动交换刀具系统（含刀库、机械手及其控制）便形成了加工中心（MC）。初期曾采用转塔头式的换刀方式，它的电动机、变速箱、转塔头做成一体，结构紧凑；但变速箱工作时的振动和热量都直接传到转塔上来，而且每把刀都需要一个主轴所以它的刀具数量、尺寸、结构都受到很多限制。采用单独存储刀具的刀库，刀具数量可以增多，以满足加工复杂零件的需要，这时的加工中心只需一个夹持刀具进行切削的主轴，所以

20、制造难度也比转塔刀架低。1.4.4.2 自动换刀的形式（一）无机械手的换刀方式加工中心有采用无机械手换刀的方式，如图1-1。它的刀库在立柱的正前方上部，刀库中刀具的存放方向与主轴方向一致。换刀时主轴箱带着主轴在立柱导轨上上升至换刀位置，主轴上的刀具正好进入刀库的某一个刀具存放位置，随即主轴内夹刀机构松开，主轴刀库顺着主轴方向向前移动，从主轴中拔出刀具，然后刀库回转，将下一步所需的刀具转到与主轴对齐的位置；刀库退回，将新刀具插入主轴中刀具随即被夹紧，主轴箱下移，开始新的加工。这种自动换刀系统，刀库整体前后移动不仅刀具数量少，而且刀具尺寸也较小。这种刀库旋转是在工步之间进行的，即旋转所需的辅助时间

21、与加工时间不重合。（二）机械手的换刀方式这是加工中心普遍采用的一种方式。它的种类很多，可分为单臂单手式机械手、回转式单臂双手机械手、双手式机械手、多手式机械手四类。 单臂单手式机械手包括机械手只作往复直线运动的机械手和只作往复摆动的机械手。前者用于刀具主轴与刀库刀座的轴线平行的场合。它的特点是机械手的插、拔刀运动和传递刀具的运动都是直线运动，因而无回转运动所产生的离心力，所以机械手的握刀部分可以比较简单，只需两个弹簧卡销卡住刀柄。而后者，如果是机械手摆动轴线与刀具主轴平行，它主要用于刀库换刀位置的刀座的轴线与主轴轴线相平行的场合。如果是机械手摆动轴线与刀具主轴垂直，它用于刀库换刀位置的刀座和轴

22、线相垂直的场合。总之，这种单臂单手式机械手结构简单。在转塔头带刀库的换刀系统中，不与主轴的换刀时间重合，故可用这类机械手。它也可在刀库与主轴头上的换刀机械手之间传递刀具。但是，这类机械手换刀动作均需顺序进行，时间不能重合，从而换刀时间较长。 图1-1 无机械手的换刀顺序 回转式单臂双手式机械手包括两手部成180和两手部不成180两种。两手部成180的又可分为固定式双手、可伸缩式双手和剪式双手三类。这类机械手可以同时抓住和拔、插位于主轴和刀库里的刀具，与单臂单手式机械手相比，可以缩短换刀时间。 双手式机械手可分为机械化只作往复直线运动的机械手和有回转运动的机械手两大类。前者包括双手平行式和双手交

23、叉式，这种机械手适用于容量较大的、距主轴较远的，特别是分置式的刀库的换刀。机械手有回转运动的，在主轴处换刀时转角为180，可用于刀库距主轴较远者；在主轴处换刀时转角为90，适用于刀库距主轴较近者；在主轴处换刀时转角(按弹簧锁轮结构取。2.1.2 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，弹簧锁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，其形式如图2-4所示，图2-4 刀具与销的配合图 1弹簧；2活动销；3刀具；4长销； 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）被解锁。手爪欲抓住刀柄，使手爪口中心与刀具中心线重合

24、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。图2-5 结构形式图系统发出换刀指令后，机械手由原始位置转过以实现抓刀动作，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3弹起，使活动销4顶住刀具不能后退，这样机械手在回转时，刀具不会甩出。当机械手上升插刀时，长销又

25、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，抓刀过程中，（与手爪中心轴的夹角）逐渐减小，逐渐增大，逐渐减小至、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,锁轮轮子的直径（即活动销直径），则有： 活动销的滚轮中心到手爪中心轴线的垂直距离为：， 则活动销的行程a： 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。则行程槽