自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)【數(shù)控鏜銑床的自動(dòng)換刀】【BT40型刀柄】,數(shù)控鏜銑床的自動(dòng)換刀,BT40型刀柄,自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)【數(shù)控鏜銑床的自動(dòng)換刀】【BT40型刀柄】,自動(dòng),機(jī)械手,設(shè)計(jì),數(shù)控,銑床,bt40,刀柄 摘 要 摘　　要 加工中心是指在一次裝卡中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等多工序的數(shù)控機(jī)床。更為明確的說(shuō)法是：加工中心就是自動(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床。這就把加工中心和自動(dòng)換刀數(shù)控車床和車削中心區(qū)別開(kāi)來(lái)。 加工中心區(qū)別于別的數(shù)控鏜銑床的主要特點(diǎn)就在于它具有根據(jù)工藝要求自動(dòng)更換所需刀具的功能，機(jī)自動(dòng)換刀(ATC)機(jī)能。 加工中心的自動(dòng)換刀系統(tǒng),通常是由刀庫(kù)和機(jī)械手組成,它是加工中心的象征,又是加工中心成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此各加工中心制造廠家都在下大力研制動(dòng)作迅速、可靠性高的自動(dòng)換刀裝置,以求在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中取得好的效益。正因?yàn)樽詣?dòng)換刀裝置是加工中心的核心內(nèi)容,各廠家都在保密,極少公開(kāi)有關(guān)資料,尤其機(jī)械手部分更始如此。 加重中心的自動(dòng)換刀形式,可分為有機(jī)械手換刀方式和無(wú)機(jī)械手換刀方式。加工中心的ATC,大都采用有機(jī)械手的換刀方式，因?yàn)楦?jié)省時(shí)間。 由于液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手需要采用嚴(yán)格的密封，還需較復(fù)雜的緩沖機(jī)構(gòu)，控制機(jī)械手動(dòng)作的電磁閥都有一定的時(shí)間常數(shù)，因?yàn)閾Q刀速度較慢。近年來(lái)國(guó)內(nèi)、外先后研制出凸輪聯(lián)動(dòng)式單臂雙抓機(jī)械手。這種機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，不需要較復(fù)雜的液壓系統(tǒng)及其密封、緩沖機(jī)構(gòu)，沒(méi)有漏油現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠。同時(shí)，機(jī)械手手臂的回轉(zhuǎn)和插刀、拔刀的分解動(dòng)作是聯(lián)動(dòng)的，部分時(shí)間可重疊，從而大大縮短了換刀時(shí)間。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手；加工中心；自動(dòng)換刀 Abstract Abstract Machining Center is installed in a card, to achieve automatic milling, drilling, boring, Reaming, Tapping and other processes of CNC machine tools. A more explicit statement of Machining Center is the automatic tool change CNC milling machines. This brings the processing center and automatic tool change CNC lathe and turning centers to distinguish. Machining Center is different from other CNC milling machines to the main features is that it has under the technological requirements for automatic tool change function, Automatic Tool Change (ATC) function. Machining Center, ATC system is usually a knife and the composition manipulator, it is a symbol of the processing center. Machining Center is the key to success. Therefore the processing center manufacturers are vigorously developing the next moves quickly, high reliability, ATC, to the fierce competition to achieve good results。It is precisely because of automatic tool change is the core processing center, the manufacturers are confidential, rarely disclose the information In particular, some manipulator so start anew. Add to the automatic tool change form, it can be divided into a manipulator tool change and free manipulator ATC way. ATC machining centers, most using a manipulator tool change, because it is more time-saving. Due to hydraulic-driven manipulators need strict sealed need more complex buffer, manipulator control of the solenoid valve moves have a certain amount of time constants, because slower speed up the pace. In recent years, domestic and foreign has developed a cam linkage arm-grasping manipulator. This manipulator from the advantages of motor-driven, not more complex hydraulic system and its sealed buffer, no leakage, simple, reliable. Meanwhile, the manipulator arm and rotary knife inserted, the decomposition Everyone moves are linked, and some may overlap time, thus greatly reducing the time ATC。 KeyWords：Manipulator; Machining Center; Automatic tool change III 目 錄 目　　錄 摘　　要 I Abstract II 1 緒 論 1 1.1國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的的發(fā)展情況 1 1.1.1 加工中心發(fā)展簡(jiǎn)史 1 1.1.2 加工中心的主要優(yōu)點(diǎn) 2 1.1.3 加工中心的發(fā)展趨勢(shì) 3 1.2可編程控制器的特點(diǎn) 5 2換刀機(jī)械手的相關(guān)介紹 7 2.1 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展歷程 7 2.2數(shù)控加工中心的基本功能 7 2.3加工中心的組成部分 8 2.3.1 刀庫(kù) 8 2.3.2 刀具交換裝置（機(jī)械手） 8 2.3.3 運(yùn)刀裝置 9 2.3.4 刀具編碼裝置 9 2.3.5刀具識(shí)別裝置 10 2.4刀庫(kù)的驅(qū)動(dòng)及定位 10 2.5我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展概況 11 2.6數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 11 2.7 ATC裝置的分類 11 2.8 ATC裝置的換刀速度比較 13 2.9 分步雙爪式ATC裝置 14 2.10自動(dòng)換刀系統(tǒng)產(chǎn)品化的前景 15 3 換刀機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì) 16 3.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 16 3.2機(jī)械手的平穩(wěn)性 16 3.2.1、影響平穩(wěn)性以定位精度的因素 16 3.2.2 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特性 17 3.3機(jī)械手運(yùn)動(dòng)特性的分類 18 3.4開(kāi)關(guān)型機(jī)械手的速度及位置控制 18 3.5機(jī)械傳動(dòng)型機(jī)械手速度及位置控制 19 3.6 機(jī)械手類型確定 19 3.7 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)的選擇 19 3.7.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇 19 3.7.2電控系統(tǒng)的選擇 20 4 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23 4.1 手爪部分設(shè)計(jì) 23 4.2 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì) 24 4.2.1臂部要防止偏重 24 4.2.2加強(qiáng)臂部剛度 25 4.2.3改進(jìn)緩沖裝置和提高配合精度 25 4.2.4采取的措施： 25 4.3機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 27 5 換刀機(jī)械手的參數(shù)和計(jì)算 30 5.1 手臂的彎曲變形 30 5.2 連桿的強(qiáng)度計(jì)算 32 5.3 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇 32 6 換刀過(guò)程 35 結(jié) 論 39 參考文獻(xiàn) 40 致 謝 42 附錄A 部分三維零件圖情況 43 緒論 1 緒 論 1.1國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的的發(fā)展情況 20 世紀(jì)90 年代以來(lái), 數(shù)控加工技術(shù)得到迅速的普及和發(fā)展, 數(shù)控機(jī)床在制造業(yè)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的數(shù)控加工中心在現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)中起著愈來(lái)愈重要的作用, 它能縮短產(chǎn)品的制造周期, 提高產(chǎn)品的加工精度, 適合柔性加工。加工中心是數(shù)控機(jī)床中較為復(fù)雜的加工設(shè)備, 由于其具有多種加工能力而得到廣泛的應(yīng)用, 其強(qiáng)大的加工能力和效率得益于其配置的自動(dòng)換刀裝置(A u2tom at ic Too l Changer)。換刀裝置作為加工中心的重要組成部分, 其主要作用在于減少加工過(guò)程中的非切削時(shí)間, 提高生產(chǎn)率, 降低生產(chǎn)成本, 進(jìn)而提升機(jī)床乃至整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)力。加工中心自動(dòng)換刀裝置是實(shí)現(xiàn)多工序連續(xù)加工的重要裝置, 其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其控制是實(shí)現(xiàn)加工中心設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵。加工中心的換刀過(guò)程較為復(fù)雜, 動(dòng)作多, 動(dòng)作間的相互協(xié)調(diào)關(guān)系多, 因而自動(dòng)換刀系統(tǒng)性能的好壞直接影響加工效率的高低。 自動(dòng)換刀系統(tǒng)一般由刀庫(kù)、機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)裝置組成。刀庫(kù)容量可大可小，其裝刀數(shù)在20～180把之間。刀庫(kù)的功能是存儲(chǔ)刀具并把下一把即將要用的刀具準(zhǔn)確地送到換刀位置，供換刀機(jī)械手完成新舊刀具的交換。當(dāng)?shù)稁?kù)容量大時(shí)，常遠(yuǎn)離主軸配置且整體移動(dòng)不易，這就需要在主軸和刀庫(kù)之間配置換刀機(jī)構(gòu)來(lái)執(zhí)行換刀動(dòng)作。完成此功能的機(jī)構(gòu)包括送刀臂，擺刀站和換刀臂，總稱為機(jī)械手。具體來(lái)說(shuō)，它的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與刀庫(kù)之間的傳遞。驅(qū)動(dòng)裝置則是使刀庫(kù)和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)其功能的裝置，一般由步進(jìn)電機(jī)或液壓（或液機(jī)構(gòu)）或凸輪機(jī)構(gòu)組成。機(jī)械手完成刀庫(kù)里的刀（新刀）與主軸上的刀（舊刀）的交換工作。由于數(shù)控加工中心的刀庫(kù)容量、換刀可靠性及換刀速度直接影響到加工中心的效率，而自動(dòng)換刀就是進(jìn)一步壓縮非切削時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件。所以數(shù)控機(jī)床為了能在工件一次裝夾中完成多道加工工序，縮短輔助時(shí)間，減少多次安裝工件所引起的誤差，必須帶有自動(dòng)換刀裝置。 1.1.1 加工中心發(fā)展簡(jiǎn)史 1952年世界上出現(xiàn)第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，使多種產(chǎn)品、中小批量的機(jī)械加工設(shè)備在柔性，自動(dòng)化和效率上產(chǎn)生了巨大變革。它用易于修改的數(shù)控加工程序進(jìn)行控制，因而比大批量生產(chǎn)中使用組合機(jī)床生產(chǎn)線和凸輪、開(kāi)關(guān)控制的專用機(jī)床有更大的柔性，容易適應(yīng)加工件品種的變化，進(jìn)行多品種加工。它用數(shù)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的工藝功能、幾何圖形運(yùn)動(dòng)功能和輔助功能實(shí)行全自動(dòng)的數(shù)字控制，因而大大提高加工加工效率，大大改變了中小批量生產(chǎn)中普通機(jī)床戰(zhàn)整個(gè)機(jī)械加工70%～80%的狀況。數(shù)控機(jī)床能實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)以上的聯(lián)動(dòng)的功能，其效率和精度比用手工和樣板控制加工復(fù)雜零件要高的多。 加工中心和車削中心是有機(jī)械設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)組成，適用復(fù)雜零件加工的高效、高精度的自動(dòng)化機(jī)床。這種機(jī)床可裝若干把刀具，能自動(dòng)更換刀具，一次裝卡中，完成銑鏜、車、鉆、擴(kuò)、鉸、攻螺紋等的加工。也是因?yàn)榧庸ぶ行暮蛙囅髦行谋纫话銛?shù)控機(jī)床多了一套自動(dòng)換刀裝置，可實(shí)現(xiàn)多工序的連續(xù)加工，因而加工效率大大提高，使其成為數(shù)控機(jī)床中發(fā)展最快、需求最大的機(jī)床。 自動(dòng)換刀裝置的形式是多種多樣的，主要的組成部分是刀庫(kù)、機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等，雖然換刀過(guò)程、選刀方式、刀庫(kù)結(jié)構(gòu)、機(jī)械手類型等個(gè)不相同，但是在數(shù)控裝置及可編程控制器控制下，由電動(dòng)機(jī)或液壓或氣動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)刀具的選擇與交換。我們把這種為實(shí)現(xiàn)多工序的連續(xù)加工，在加工中心或車削中心，可進(jìn)行刀具的選擇與交換的裝置叫自動(dòng)換刀裝置（automatic tool change 簡(jiǎn)稱ATC）。 1.1.2 加工中心的主要優(yōu)點(diǎn) 1.提高加工質(zhì)量 工件一次裝夾，即可實(shí)現(xiàn)多工序集中加工，大大減少多次裝夾所帶來(lái)的誤差。另外，由于是數(shù)控加工，較少依賴操作者的技術(shù)水平，可得到相當(dāng)高的餓穩(wěn)定精度。 2.縮短加工準(zhǔn)備時(shí)間 加工中心可以頂替多臺(tái)通用機(jī)床，那么加工一個(gè)零件所需準(zhǔn)備時(shí)間，是每臺(tái)加工單元所損耗的準(zhǔn)備時(shí)間之和。才這個(gè)意義上說(shuō)，加工中心的準(zhǔn)備時(shí)間顯然短得多。 3.減少在制品 以往的加工方式是工件流動(dòng)于多臺(tái)通用機(jī)床之間，這就要有相當(dāng)數(shù)量的在制品，而在加工中心上加工，即可發(fā)揮其“多工序集中”的優(yōu)勢(shì)，在一臺(tái)機(jī)床上完成多個(gè)工序，就能大大減少在制品數(shù)量。 4.減少刀具費(fèi) 不分散設(shè)置在個(gè)通用機(jī)床上的刀具，集中在加工中心刀庫(kù)上，有可能有最少量的刀具，實(shí)現(xiàn)公共有效利用。這樣既提高刀具利用率，有減少了刀具數(shù)量。 5.最少的直接勞務(wù)費(fèi) 由NC裝置多工序加工的信息集約化和一人多臺(tái)管理，以及用工作臺(tái)自動(dòng)托盤交換裝置等輔助裝置，實(shí)現(xiàn)夜間無(wú)人運(yùn)轉(zhuǎn)。這些都可縮減直接勞務(wù)費(fèi)。 6.最少的間接勞務(wù)費(fèi) 由于工序集中，工件搬運(yùn)和質(zhì)量檢查工作量都大為減少，這就使間接勞務(wù)費(fèi)最少。 7.設(shè)備利用率高 加工中心設(shè)備利用率為通用機(jī)床的幾倍。 1.1.3 加工中心的發(fā)展趨勢(shì) 加工中心亦同其他機(jī)床一樣，他的技術(shù)水平的提高，表現(xiàn)在其固有技術(shù)（如高速、高精度化等）的進(jìn)一步發(fā)展和新技能（如智能化技能等）的運(yùn)用上。 1.高速化 加工中心的高速化，是只主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、自動(dòng)換刀和自動(dòng)交換工作臺(tái)的高速化。 1）主軸轉(zhuǎn)速的高速化； 2）進(jìn)給速度的高速化：是指快速移動(dòng)速度的高速化和切削進(jìn)給速度的高速化。 3）自動(dòng)換刀（ATC）的高速化 從加工中心誕生初期起，就追求ATC的高速化。但是由于當(dāng)時(shí)尚未充分掌握ATC的內(nèi)在規(guī)律，故障效率較高，所以在后來(lái)的相當(dāng)一段時(shí)間里，采用了首先保證動(dòng)作可靠性，然后才考慮速度方針，結(jié)果在這段時(shí)期，ATC速度未提高多少。但是隨著對(duì)ATC內(nèi)在規(guī)律的深入了解和用戶對(duì)ATC速度的要求迫切，有開(kāi)始注意ATC速度了。 4）自動(dòng)托盤交換裝置（APC）的高速化； 2.進(jìn)一步提高精度 加工中心的主要精度指標(biāo)是它的運(yùn)動(dòng)精度指標(biāo)。而這一精度指標(biāo)，近年來(lái)有了不小的提高，其中精密加工中心精度指標(biāo)的提高尤為明顯。所謂加工中心的運(yùn)動(dòng)精度，主要以定位精度、重復(fù)定位精度以及銑圓精度來(lái)表示。 3.機(jī)能更加完善 1）愈來(lái)愈完美的自診斷機(jī)能 為了盡可能減少加工中心的故障，現(xiàn)代加工中心大都配備完善的自診斷機(jī)能。例如，位置檢測(cè)傳感器、刀具破損檢測(cè)裝置、切削異常檢測(cè)裝置、適應(yīng)控制機(jī)能、備用刀具選擇機(jī)能、溫度傳感器、聲傳感器、電流傳感器等。這些機(jī)能和傳感器，使機(jī)床具有一定的人工智能。 2）新式刀具破損檢測(cè)裝置 3）加工中心復(fù)合化趨勢(shì) 自動(dòng)換刀裝置開(kāi)發(fā)技術(shù)要全面注意以下五個(gè)方面： (1）自動(dòng)換刀裝置的可靠性與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。通過(guò)對(duì)自動(dòng)換刀裝置進(jìn)行可靠性分析研究，找出其薄弱環(huán)節(jié)，通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，是自動(dòng)換刀裝置故障率大大減少，保證百萬(wàn)次以上正常換刀的品質(zhì)。通過(guò)對(duì)自動(dòng)換刀裝置進(jìn)行多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其動(dòng)態(tài)性能達(dá)到最優(yōu)，進(jìn)而提高自動(dòng)換刀裝置的性能，降低其制造成本，使刀對(duì)刀換刀時(shí)間對(duì)40刀柄不大于1s，達(dá)到世界先進(jìn)水平。 (2）自動(dòng)換刀裝置的系列化與CAD設(shè)計(jì)。使自動(dòng)換刀裝置使用國(guó)內(nèi)廠家的各種產(chǎn)品，，以便得到推廣和使用。即達(dá)到廠家一旦提出要求，可快速、合理的設(shè)計(jì)出針對(duì)廠家機(jī)床及其提出的參數(shù)：不同刀柄型號(hào)，刀庫(kù)容量等的自動(dòng)換刀裝置，使廠家立即投入生產(chǎn)，并且處于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的。 (3）自動(dòng)換刀裝置制造技術(shù)研究。針對(duì)自動(dòng)換刀裝置中關(guān)鍵零件的制造技術(shù)研究，以提高其制造質(zhì)量和降低制造成本。 (4）自動(dòng)換刀系統(tǒng)新技術(shù)的研究。跟蹤國(guó)際加工中心和車削中心自動(dòng)換刀裝置的發(fā)展主流，研究自動(dòng)換刀裝置的新工作原理及新技術(shù)。 (5）自動(dòng)換刀裝置產(chǎn)業(yè)化研究。自動(dòng)換刀裝置由專業(yè)廠生產(chǎn)比現(xiàn)有個(gè)廠家自行生產(chǎn)可降低成本，也能保證質(zhì)量，同時(shí)在我國(guó)有巨大的市場(chǎng)，因此，在技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)研究使我國(guó)的自動(dòng)換刀裝置生產(chǎn)走上產(chǎn)業(yè)化的道路，建立生產(chǎn)自動(dòng)換刀裝置的基地。 自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下基本要求： 1.換刀時(shí)間短，以減少非加工時(shí)間。 2.減少換刀動(dòng)作對(duì)加工范圍的干擾 3.刀具重復(fù)定位精度高。 4.識(shí)刀、選刀可靠，換刀動(dòng)作簡(jiǎn)單可靠。 5.刀庫(kù)刀具存儲(chǔ)量合理。 6.刀庫(kù)占地面積小，并能與主機(jī)配合，使機(jī)床外觀協(xié)調(diào)美觀。 7.刀具裝卸、調(diào)整、維修方便，并能的到清潔的維護(hù)。 1.2可編程控制器的特點(diǎn) 可編程控制器，簡(jiǎn)稱PLC（Programmable logic Controller）,是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國(guó)際電工委員會(huì)(International Electrical Committee)頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì)PLC做了如下定義：PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置”。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。 PLC之所以高速發(fā)展，除了工業(yè)自動(dòng)化的客觀需求外，還有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。它較好的解決了工業(yè)控制領(lǐng)域中的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題。其特點(diǎn)如下： 1.可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無(wú)故障時(shí)間高達(dá)3萬(wàn)小時(shí)。一些使用冗余CPU的PLC的平均無(wú)故障工作時(shí)間則更長(zhǎng)。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息 2.配備齊全，功能完善，適應(yīng)性強(qiáng) PLC發(fā)展到今天，己經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來(lái)PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 3.易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語(yǔ)言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開(kāi)關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語(yǔ)言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開(kāi)了方便之門。 4.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造 PLC用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來(lái)。 5.體積小，重量輕，耗能低 以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于l00mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。 38 2換刀機(jī)械手的相關(guān)介紹 2換刀機(jī)械手的相關(guān)介紹 2.1 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展歷程 回顧數(shù)控技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段，六代的發(fā)展歷程。第一個(gè)階段叫做NC階段，經(jīng)歷了電子管、晶體管、和小規(guī)模集成電路三代。自1970年開(kāi)始小型計(jì)算機(jī)開(kāi)始用于數(shù)控系統(tǒng)就進(jìn)入了第二個(gè)階段，叫做CNC階段，成為第四代數(shù)控系統(tǒng)：從1974年微處理器開(kāi)始用于數(shù)控系統(tǒng)即發(fā)展到第五代。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)從性能到可靠性都得到了根本性的提高。實(shí)際上從20世紀(jì)末期直到今天，在生產(chǎn)中使用的數(shù)控系統(tǒng)大部分都是第五代數(shù)控系統(tǒng)。但第五代數(shù)控系統(tǒng)以及以前各代都是一種專用封閉的系統(tǒng)，而第六代——開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)將代表著數(shù)控系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展方向，將在現(xiàn)代制造業(yè)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。 2.2數(shù)控加工中心的基本功能 帶有自動(dòng)換刀刀具交換裝置（ATC Automatic Tool Change）的數(shù)控機(jī)床稱為加工中心。它通過(guò)刀具的自動(dòng)交換，可以一次裝夾完成多道工序的加工，實(shí)現(xiàn)了工序的集中和工藝的復(fù)合，從而縮短了輔助加工時(shí)間，提高了機(jī)床的效率，減少了零件安裝、定位次數(shù)，提高了加工精度。加工中心是目前數(shù)控機(jī)床中產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的數(shù)控機(jī)床。 帶有刀具自動(dòng)交換裝置、能一次集中完成多種工序加工的數(shù)控加工設(shè)備。數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)了中、小批量加工自動(dòng)化，改善了勞動(dòng)條件。此外，它還具有生產(chǎn)率高、加工精度穩(wěn)定、產(chǎn)品成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)。為了進(jìn)一步發(fā)揮這些優(yōu)點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床遂向“工序集中”，即一臺(tái)數(shù)控機(jī)床在一次裝夾零件后能完成多任務(wù)序加工的數(shù)控機(jī)床（即加工中心）方面發(fā)展。 鉆、鏜、銑、車等單功能數(shù)控機(jī)床只能分別完成鉆、鏜、銑、車等作業(yè)，而在機(jī)械制造工業(yè)中，大部分零件都是需要多任務(wù)序加工的。在單功能數(shù)控機(jī)床的整個(gè)加工過(guò)程中，真正用于切削的時(shí)間只占30％左右，其余的大部分時(shí)間都花費(fèi)在安裝、調(diào)整刀具、搬運(yùn)、裝卸零件和檢查加工精度等輔助工作上。在零件需要進(jìn)行多種工序加工的情況下，單功能數(shù)控機(jī)床的加工效率仍然不高。加工中心一般都具有刀具自動(dòng)交換功能，零件裝夾后便能一次完成鉆、鏜、銑、、攻絲等多種工序加工。 2.3加工中心的組成部分 加工中心分兩大部分：數(shù)控機(jī)床和刀具自動(dòng)交換裝置。刀具自動(dòng)交換裝置應(yīng)能滿足以下幾個(gè)方面的要求： 1.換刀時(shí)間短； 2.刀具重復(fù)定位精度高； 3.識(shí)刀、選刀可靠，換刀動(dòng)作簡(jiǎn)單；4.刀庫(kù)容量合理，占地面積小，并能與主機(jī)配合，使機(jī)床外觀完整； 5.刀具裝卸、調(diào)整、維護(hù)方便。 ?刀具自動(dòng)交換系統(tǒng)由刀庫(kù)、刀具交換裝置、刀具傳送裝置、刀具編碼裝置、識(shí)刀器等五個(gè)部分組成。 2.3.1 刀庫(kù) 刀庫(kù)是存貯加工所需各種類型刀具的倉(cāng)庫(kù)。它是刀具自動(dòng)交換系統(tǒng)中的重要組成部分，具有接受刀具傳送裝置送來(lái)的刀具和將刀具給予刀具傳送裝置的功能。它的容量、布局和具體結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)加工中心的總體布局和性能有很大的影響，按其結(jié)構(gòu)、形狀可分為以下六種：① 圓盤式刀庫(kù)，又分為軸向式（刀具中心線與圓盤中心線平行）、徑向式（刀具中心線與圓盤中心線垂直）和多盤式（在一根旋轉(zhuǎn)軸上分設(shè)幾層圓盤刀庫(kù)）。 ②轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)，又分傾斜式和水平式。 ③鼓輪式刀庫(kù)。④ 鏈?zhǔn)降稁?kù)。 ⑤格子式刀庫(kù)。 ⑥直線式刀庫(kù)。 應(yīng)當(dāng)根據(jù)被加工零件的工藝要求合理的確定刀庫(kù)的存儲(chǔ)量。根據(jù)對(duì)車床、銑床和鉆床的所需刀具的數(shù)的統(tǒng)計(jì)表明，在加工過(guò)程中經(jīng)常使用的刀具數(shù)目并不很多，對(duì)于鉆削加工，用14把不同的規(guī)格的刀具就可以完成約80%的加工，即使要求完成90%的工件加工，用20把刀具也就足夠了。對(duì)于銑削加工，需要的刀具更少，用4把不同規(guī)格的銑刀就能完成約90%加工，用5把不同規(guī)格的銑刀可以加工95%的工件。因此從使用角度來(lái)看，刀庫(kù)的存儲(chǔ)量一般為20~40把較為合適，多的可達(dá)60把刀，超過(guò)60把刀的很少。 2.3.2 刀具交換裝置（機(jī)械手） 它的職能是將機(jī)床主軸上的刀具與刀庫(kù)或刀具傳送裝置上的刀具進(jìn)行交換，其動(dòng)作循環(huán)為：拔刀─新舊刀具交換─裝刀。換刀機(jī)械手種類繁多，可以說(shuō)每個(gè)廠家噢都可以推出自己的機(jī)械手，基本上換刀裝置按交換方式又分為兩類。 無(wú)機(jī)械手換刀：由刀庫(kù)與機(jī)床主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)換刀。在這類裝置中，刀庫(kù)一般為格子式，裝在工作臺(tái)上。換刀時(shí)，先使工作臺(tái)與主軸相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將使用過(guò)的舊刀送回刀庫(kù)，然后再使工作臺(tái)與主軸相對(duì)運(yùn)動(dòng)一次，從刀庫(kù)中取出新刀。這種換刀方式的換刀時(shí)間長(zhǎng)，另外刀庫(kù)設(shè)置在工作臺(tái)上，減少了工作臺(tái)的有效使用面積。 采用機(jī)械手換刀：機(jī)械手刀具交換裝置，有單臂單手式機(jī)械手、回轉(zhuǎn)式單臂雙機(jī)械手、雙臂機(jī)械手、多手式機(jī)械手。特別是雙臂機(jī)械手刀具交換裝置具有換刀時(shí)間短、動(dòng)作靈活可靠等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。雙臂機(jī)械手中最常用的幾種結(jié)構(gòu)有：鉤手；抱手；伸縮手；叉手。雙臂機(jī)械手進(jìn)行一次換刀循環(huán)的基本動(dòng)作為：抓刀（手臂旋轉(zhuǎn)或伸出，同時(shí)抓住主軸和刀庫(kù)里的刀具）；拔刀（主軸松開(kāi)，機(jī)械手同時(shí)將主軸和刀庫(kù)中的刀具拔出）；換刀（手臂轉(zhuǎn)180°，新、舊刀交換）；插刀（同時(shí)將新刀插入主軸，舊刀插入刀庫(kù)，然后主軸夾緊刀具）﹔縮回（手臂縮回到原始位置）。機(jī)械手的手爪，大都采用機(jī)械鎖刀的方式，有些大型的加工中心，也有采用機(jī)械加液壓的鎖刀方式，以保證大而重的刀具在換刀中不被甩出。 2.3.3 運(yùn)刀裝置 當(dāng)?shù)稁?kù)容量較大、布置得離機(jī)床較遠(yuǎn)時(shí)，就需要安排兩只機(jī)械手來(lái)完成新舊刀的交換動(dòng)作，一只靠近刀庫(kù)，稱為后機(jī)械手，完成拔新刀、插舊刀的動(dòng)作；一只靠近主軸，稱為前機(jī)械手，完成拔舊刀、插新刀的動(dòng)作。在前后機(jī)械手之間則設(shè)有運(yùn)刀裝置。它一方面將前機(jī)械手從主軸上拔出的舊刀運(yùn)回刀庫(kù)旁，以便后機(jī)械手將該舊刀拔出并插回刀庫(kù)；另一方面則將后機(jī)械手從刀庫(kù)中拔出的新刀運(yùn)到主軸旁，以便前機(jī)械手將該新刀拔出并插入主軸。運(yùn)刀器的職能就是在前后機(jī)械手之間來(lái)回運(yùn)送新、舊刀具 2.3.4 刀具編碼裝置 將加工所需的刀具自動(dòng)地從刀庫(kù)中選擇出來(lái)稱為自動(dòng)選刀，有順序選擇和編碼選擇兩種方式。 順序選擇方式： 將在加工中心上加工某一零件所需的全部刀具按工序先后依次插入刀庫(kù)中。加工時(shí)按加工順序一一取用。采用這種選刀方式不需要識(shí)刀器，刀庫(kù)結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置都非常簡(jiǎn)單，每次換刀時(shí)控制刀庫(kù)轉(zhuǎn)位一次即可。采用順序選刀方式時(shí)，為某一個(gè)工件準(zhǔn)備的刀具，不能在其他工件中重復(fù)使用，這在一定程度上限制了機(jī)床的加工能力。 固定地址選擇方式：這是一種對(duì)號(hào)入座的方式，又稱為刀座編碼方式。這種方式是對(duì)刀庫(kù)的刀座進(jìn)行編碼，并將與刀座編碼相對(duì)應(yīng)的刀具一一放入指定的刀座中。然后根據(jù)刀座的編碼選取刀具。該方式使刀柄的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，刀具可以做得較短，但刀具不能任意安放，一定要插入配對(duì)的刀座中。與順序選擇方式相比較，刀座編碼方式最突出的優(yōu)點(diǎn)是刀具可以在加工過(guò)程中多次使用。 編碼選擇方式： 將加工某一項(xiàng)零件所需的全部刀具（或刀座）都預(yù)先編上代碼，存放在刀庫(kù)中。加工時(shí)根據(jù)程序?qū)ふ宜枰牡毒?。由于每把刀具都有自己的代碼，它們?cè)诘稁?kù)中的位置和存放順序可以與加工順序無(wú)關(guān)。每把刀具都可被多次重復(fù)使用。刀具編碼有多種方式，常用的有三種。刀具編碼：在每一把刀具的尾部都用編碼環(huán)編上自己的號(hào)碼。選刀時(shí)根據(jù)穿孔帶所發(fā)出的刀號(hào)指令任意選擇所需的刀具。由于每把刀具都有自己確定的代碼，無(wú)論將刀具放入刀庫(kù)的哪個(gè)刀座中都不會(huì)影響正確選刀。采用這種編碼方式可簡(jiǎn)化換刀動(dòng)作和控制線路，縮短換刀時(shí)間。這種編碼現(xiàn)已獲廣泛應(yīng)用。刀座編碼：在刀庫(kù)的每一個(gè)刀座上用編碼板編碼。這種編碼方式的優(yōu)點(diǎn)是刀柄不會(huì)因尾部有編碼環(huán)而增加長(zhǎng)度﹔缺點(diǎn)是刀具必須對(duì)號(hào)入座，換刀時(shí)間長(zhǎng)。 編碼鑰匙：預(yù)先給每把刀具都系上一把表示該刀具代碼的編碼鑰匙。 2.3.5刀具識(shí)別裝置 通常有接觸式和非接觸式兩種。 2.4刀庫(kù)的驅(qū)動(dòng)及定位 刀庫(kù)的旋轉(zhuǎn)可分為電氣驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)兩種方式。電氣驅(qū)動(dòng)可以將伺服半閉環(huán)系統(tǒng)用作驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，也可采用系統(tǒng)的PC 直接發(fā)出運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)。液壓驅(qū)動(dòng)仍需電氣信號(hào)的配合，PC 給出運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)，一般通過(guò)電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)前級(jí)控制，只是執(zhí)行機(jī)構(gòu)是液動(dòng)馬達(dá)。在執(zhí)行ATC 過(guò)程時(shí)，除了主軸頭的定向及主軸箱的定位外，為確保所更換的刀具準(zhǔn)確地被機(jī)械手抓住，所以刀庫(kù)的定位也是必要的功能。電氣驅(qū)動(dòng)時(shí)可在電機(jī)上安裝位置編碼器進(jìn)行定位，也可以在抓刀位置安裝接近開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)定位。液動(dòng)結(jié)構(gòu)的刀庫(kù)往往采用機(jī)電結(jié)合式的銷定位方式。半閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)的定位精度較高，其它幾種方式也足以滿足刀庫(kù)定位精度的要求。 2.5我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展概況 在對(duì)內(nèi)搞活，對(duì)外開(kāi)放的方針指引下，于1980年開(kāi)始引進(jìn)日本就有70年代末期水平的微處理器數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服拖動(dòng)技術(shù)。并于1981年開(kāi)始生產(chǎn)，到1988年又開(kāi)始引進(jìn)美國(guó)的GE和DYNAPATH公司的數(shù)控系統(tǒng)和拖動(dòng)技術(shù)，在上海市機(jī)床研究所和遼寧精密儀器廠組織生產(chǎn)。1985年以后，我國(guó)的數(shù)控機(jī)床的可供品種已超過(guò)300種，其中數(shù)控機(jī)床占40%，加工中心占27% ，其它品種為重型機(jī)床、鏜銑床、電加工機(jī)床、磨床、齒輪加工機(jī)床等。目前我國(guó)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家共有100多家，其中能批量生產(chǎn)的企業(yè)有42家，平均年產(chǎn)量40~50臺(tái)，幾家重點(diǎn)企業(yè)年產(chǎn)量可以達(dá)到400~700臺(tái)；數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)約50家，但生產(chǎn)具有一定批量的只有8家，生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床配套產(chǎn)品的企業(yè)共計(jì)300余家，產(chǎn)品品種包括八大類2000種以上。我國(guó)的數(shù)控系統(tǒng)分為三種類型，經(jīng)濟(jì)型、普及型、和高級(jí)型。在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中，我國(guó)具有很大優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)前每年數(shù)千臺(tái)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床和電加工機(jī)床的市場(chǎng)上，國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)占據(jù)了絕大份額。在普及型數(shù)控系統(tǒng)的市場(chǎng)上，我們正在取得進(jìn)展。當(dāng)然，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)在市場(chǎng)的開(kāi)拓上仍要盡更大的力量。新開(kāi)發(fā)的國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品大部分達(dá)到國(guó)際80年代中期水平，部分達(dá)到90年代水平，在技術(shù)上也有所突破，如高速主軸制造技術(shù)、快速進(jìn)給、快速換刀、柔性制造、快速成型制造技術(shù)等為下一代國(guó)產(chǎn)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 2.6數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 國(guó)際上，數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)正朝著高速度高精度化、高可靠性、多功能化、智能化、集成化、具有開(kāi)放性、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)、并聯(lián)機(jī)床及數(shù)控系統(tǒng)的方向發(fā)展。 2.7 ATC裝置的分類 自動(dòng)刀具交換裝置（ATC）通常由機(jī)械手和刀庫(kù)組成，它們?cè)诘毒呓粨Q過(guò)程中的各種動(dòng)作和步序取決于機(jī)械手的類型和刀具還回刀庫(kù)的方式。 目前比較廣泛使用的ATC裝置中，按其機(jī)械手的類型來(lái)分有“無(wú)手式”（主要靠進(jìn)給軸和刀庫(kù)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具的交換）、“單爪式”（機(jī)械手上只有一個(gè)手爪，換刀時(shí)先將主軸上的刀具送回刀庫(kù)；再將刀庫(kù)中的刀具裝入主軸）和“雙爪式”（換刀時(shí)一個(gè)手爪從刀庫(kù)中取新刀，另一手爪從主軸上卸原刀）。其中“雙爪式”又可分為“同步式”和“分步式”兩種，前者是指取刀和卸刀是在同一步完成的，新刀裝入主軸和原刀還回刀庫(kù)也是在另一步同時(shí)完成的；而后者則是分成多步完成上述動(dòng)作的。 “無(wú)手式”ATC裝置的結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，“單爪式”其次，“同步雙爪式”的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，而“分步雙爪式”的結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜。 從刀具還回刀庫(kù)的方式來(lái)看，ATC裝置可以分為“固定刀位式”、“隨機(jī)刀位式”和“混合還刀式”三種?！肮潭ǖ段皇健笔侵笝C(jī)床使用的刀具在刀庫(kù)中都有自己固定的位置（刀套），也就是說(shuō)，從主軸上換下來(lái)的刀具必須還回原來(lái)的刀套位置?！半S機(jī)刀位式”則是指還回刀庫(kù)的刀具位置是任意的（就近）。而”混合還刀式”則是大直徑刀具采用“固定刀位式”還刀，標(biāo)準(zhǔn)刀具采用“隨機(jī)刀位式”還刀。 “固定刀位式”還刀的優(yōu)點(diǎn)是刀具在刀庫(kù)中的位置是固定的，操作人員對(duì)刀庫(kù)中的刀具分布狀況一目了然，他們可以根據(jù)加工程式中T代碼后面的數(shù)字直接把刀具裝入相應(yīng)編號(hào)的刀套中，程編人員也可以根據(jù)刀具在刀庫(kù)中的分布情況直接在加工程式中編寫T指令；操作者也不必在手動(dòng)裝刀後檢查和修改“刀套/刀號(hào)表”，給用戶帶來(lái)了很大的方便。 此外，由于刀具位置是固定的（刀具號(hào)等于刀套號(hào)），操作不必在刀庫(kù)中設(shè)立專用的大直徑刀具區(qū)，只要不在大直徑刀具的二個(gè)相鄰刀位裝入刀具，即可保證運(yùn)行的安全，從而提高了刀庫(kù)的刀位利用率。 “固定刀位式”還刀的缺點(diǎn)是刀庫(kù)在還刀前還要為尋找原刀位作一次旋轉(zhuǎn)定位，影響了還刀的速度。 “隨機(jī)刀位式”還刀的優(yōu)點(diǎn)是還刀速度快（刀庫(kù)不需作第二次旋轉(zhuǎn)定位），缺點(diǎn)是刀庫(kù)的現(xiàn)行刀具分布狀況不直觀（刀套中的刀具號(hào)是隨時(shí)變化的），操作者必須查找“刀套/刀號(hào)表”后才能確定刀庫(kù)中的刀具位置是否與加工程式中的T指令（刀具號(hào)）一致；手動(dòng)裝刀后，必須認(rèn)真檢查和修改“刀套/刀號(hào)表”，否則就可能造成“錯(cuò)刀”事故。 此外，如果使用了大直徑刀具，還要設(shè)立大直徑刀具區(qū)，刀庫(kù)的刀位利用率就會(huì)降低。 2.8 ATC裝置的換刀速度比較 圖2.1a描述了“無(wú)手”或“單爪”式ATC裝置的刀具交換過(guò)程，這類ATC裝置只能采用“固定刀位式”還刀，必須先將主軸上的原用刀具還回刀庫(kù)，再轉(zhuǎn)動(dòng)刀庫(kù)找到新刀后，將它裝入主軸。 雖然這類裝置的結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，但是整套動(dòng)作都占用了加工時(shí)間，所以換刀速度最低。 圖2.1b和圖2.1c描述了同步雙爪式ATC裝置的刀具交換過(guò)程，前者采用“固定刀位式”還刀（大直徑刀具時(shí)）， 后者采用“隨機(jī)刀位式”還刀（標(biāo)準(zhǔn)刀具時(shí)）。在這種ATC裝置中從刀庫(kù)取刀和從主軸卸刀是在同一步進(jìn)行的，在采用“隨機(jī)刀位式”還刀時(shí)，將新刀裝入主軸和將原刀還回刀庫(kù)可以連續(xù)在同一步進(jìn)行，所以節(jié)省了時(shí)間，加快了換刀速度。 這類ATC裝置還可以用在加工程式中提前編寫T指令的方法，使刀庫(kù)選刀動(dòng)作提前完成（不占用加工時(shí)間），來(lái)提高換刀的速度。但是，這類裝置往往要求刀庫(kù)隨主軸一起移動(dòng)，所以刀庫(kù)的容量不能很大，只適合于中小型加工中心配用。 圖2.1d描述了分步雙爪式ATC裝置的刀具交換過(guò)程（固定刀位法），這種ATC裝置的機(jī)械手左、右手爪是分步動(dòng)作的，左爪用于取刀和還刀（刀庫(kù)側(cè)），右爪用于卸刀和裝刀（主軸側(cè)），取刀時(shí)將新刀從刀庫(kù)送到換刀準(zhǔn)備位；換刀時(shí)，將主軸上的原刀卸下后裝入新刀（左、右爪的刀具交換）；還刀時(shí)，刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)到原主軸刀具刀位后，左爪將原刀還回刀庫(kù)。雖然這種ATC裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，換刀動(dòng)作較多，但因?yàn)閮蓚€(gè)手爪的動(dòng)作可以分步進(jìn)行，所以經(jīng)優(yōu)化后，可以將“選刀”、“取刀”、“找還刀位”和“還刀”四組動(dòng)作安排在加工時(shí)間進(jìn)行，這樣大大地縮短了換刀周期，提高了換刀速度，同時(shí)還保持了”固定刀位式”還刀的許多優(yōu)點(diǎn)，成為一種比較受操作者歡迎的自動(dòng)換刀裝置。 圖2.1 幾種ACT裝置的換刀時(shí)序圖 2.9 分步雙爪式ATC裝置 分步雙爪式ATC裝置的刀庫(kù)可以自為一體、落地安裝，所以容量很大（一般在60把刀以上），廣泛用于大型臥式加工中心。圖2是這種ATC裝置的機(jī)械手、刀庫(kù)和主軸的相動(dòng)位置圖，其中：刀庫(kù)換刀位的位置是固定的，機(jī)械手臂在X軸方向有左、中、右三個(gè)位置（圖中為“臂在右端”）；在Z軸方向有伸出和收回二個(gè)位置（圖中為“手臂收回”）， 雙爪可在X-Y平面上旋轉(zhuǎn)180°，以實(shí)現(xiàn)左、右爪上的刀具在A、B兩個(gè)位置上的變換。 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)人員提供的ATC動(dòng)作循環(huán)表和電控時(shí)序圖（其中詳細(xì)描述了換刀過(guò)程的步序和每一步輸出的動(dòng)作命令以及步命令完成後各個(gè)機(jī)械部件位置檢測(cè)器的狀態(tài)）編寫的，其中所列的步狀態(tài)可作為各步動(dòng)作完成標(biāo)記使用，除本步發(fā)出的動(dòng)作命令完成后相應(yīng)的機(jī)械部件位置檢測(cè)器的狀態(tài)外，步狀態(tài)中還包含了一些以前完成的、為保證下步動(dòng)作安全的機(jī)械部件位置檢測(cè)器的狀態(tài)。 分步雙爪式ATC裝置的刀具交換過(guò)程由“取刀”（S02~S08）、“換刀”（S10~S20）和“還刀”（S22~S28）三個(gè)基本循環(huán)組成。完成后停在第S01步。 “取刀”循環(huán)由加工程式中的T命令（S02步）起動(dòng)（T代碼后面的數(shù)字表示此后加工時(shí)要使用的刀具所在的刀套號(hào)），所選刀具到達(dá)換刀準(zhǔn)備位置后（S08步）結(jié)束，此循環(huán)可與加工同時(shí)進(jìn)行。 “換刀”循環(huán)由加工程式中的M06指令（S09步）起動(dòng)，在所選刀具裝入主軸；機(jī)械手左爪帶著換下的原刀回到中間位置；刀庫(kù)門關(guān)上；右爪夾緊后（S20步）結(jié)束。 “換刀”循環(huán)結(jié)束后，M06指令完成，系統(tǒng)進(jìn)入加工狀態(tài)。 “還刀”循環(huán)在“換刀”循結(jié)束后開(kāi)始（也可用M76指令起動(dòng)），在刀庫(kù)定位到原主軸刀具刀套所在位置；刀具還回刀庫(kù)；手臂回到中間；左爪夾緊（S28步）后結(jié)束，此循環(huán)也與加工同時(shí)進(jìn)行。 2.10自動(dòng)換刀系統(tǒng)產(chǎn)品化的前景 ??? 隨著機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對(duì)于帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的高效高性能加工中心的需求量越來(lái)越大。在現(xiàn)有的各種類型的加工中心中，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)的造價(jià)在機(jī)床整機(jī)造價(jià)中總是占著很大比重，這是加工中心價(jià)格居高不下、應(yīng)用不普遍的重要原因。如果把自動(dòng)換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造從現(xiàn)有加工中心的制造模式中分離出來(lái)，把它作為加工中心的標(biāo)準(zhǔn)件或附件組織專門化的生產(chǎn)，同時(shí)由于該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用簡(jiǎn)化了機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)、采用彈簧夾頭和外驅(qū)動(dòng)機(jī)械手等關(guān)鍵技術(shù)、采用圓柱柄刀具和輔具，這不僅使數(shù)控機(jī)床工作性能有所提高，而且使得由它配套構(gòu)成的加工中心的總體造價(jià)大幅度下降。低造價(jià)高性能的加工中心將會(huì)被中小廠廣泛接收，這樣必將給自動(dòng)換刀系統(tǒng)生產(chǎn)廠商和加工中心制造廠商帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 3換刀機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 換刀機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì) 3.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是：自動(dòng)換刀機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)數(shù)控鏜銑床的自動(dòng)換刀，需要換的刀具主要是BT40型刀柄，需要實(shí)現(xiàn)的工作是抓刀—換刀—松刀的動(dòng)作。 主要技術(shù)參數(shù)：刀具最大重量6kg，雙臂回轉(zhuǎn)式換刀，刀臂數(shù)量和長(zhǎng)度以及直徑主要依據(jù)配套刀庫(kù)的設(shè)計(jì)要求。換刀時(shí)間2.5S。 3.2機(jī)械手的平穩(wěn)性 工業(yè)生產(chǎn)要求機(jī)械手工作速度快，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，定位精度高。應(yīng)注意其影響因素，設(shè)計(jì)合理結(jié)構(gòu)，以滿足要求。 3.2.1、影響平穩(wěn)性以定位精度的因素 1、 慣性力的影響 圖 3.1 慣性曲線 機(jī)械手速度突變，加（減）速度不連續(xù)，會(huì)產(chǎn)生巨大的慣性沖擊力，以至使工件滑動(dòng)、部件松動(dòng)、零件破裂。定位時(shí)，大的減速度使臂部往復(fù)振動(dòng)，直接影響定位精度。因此，應(yīng)根據(jù)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特性，選擇適宜的控制系統(tǒng)，使加（減）速度按所需的運(yùn)動(dòng)歸路變化，同時(shí)，在保證剛度的前提下，減輕機(jī)械手運(yùn)動(dòng)件的重量。 2、結(jié)構(gòu)剛度的影響 零件結(jié)構(gòu)剛度性差，配合間隙大及整機(jī)固有頻率低時(shí)，受較小慣性沖擊，就發(fā)生振動(dòng)。不但降低定位精度，而且降低機(jī)械手壽命。應(yīng)選擇合理結(jié)構(gòu)，提高機(jī)械手固有頻率及承受慣性載荷的能力。 3、定位方法的影響 常用的定位方法中，電氣開(kāi)關(guān)的定位精度最低，伺服定位較高，機(jī)械擋塊的定位最高。 4、控制系統(tǒng)的影響 電控系統(tǒng)的誤差，閥類泄漏，檢測(cè)元件失靈，擋塊偏移等會(huì)降低定位失靈。 5、驅(qū)動(dòng)源的影響 液壓、氣壓、電壓及油溫波動(dòng)都會(huì)降低平穩(wěn)性及定位精度，必要時(shí)，用蓄能器等穩(wěn)定液壓、氣壓、電壓，用加熱器和冷卻器控制油溫。 3.2.2 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特性 深入分析機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，有利于根據(jù)工作條件選擇適宜的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。下面為我們所選工業(yè)機(jī)械手所具有的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在減速較大時(shí)的情形。 圖 3.2 運(yùn)動(dòng)特性曲線 按上圖的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手的速度變化呈等加速或不等加速運(yùn)動(dòng)，其減速過(guò)程亦分為等減速運(yùn)行和不等減速運(yùn)行，在呈等加速運(yùn)行，而不等減速運(yùn)行時(shí)，由于速度行程短，故有利于提高機(jī)械手的工作速度。 特點(diǎn)：速度變化基本上連續(xù)，運(yùn)動(dòng)中不會(huì)產(chǎn)生沖擊，可以滿足高速、平穩(wěn)和定位精度高的要求。 3.3機(jī)械手運(yùn)動(dòng)特性的分類 氣動(dòng)機(jī)械手：氣動(dòng)機(jī)械手的加速或調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用氣路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用氣缸端部節(jié)流緩沖裝置、氣路節(jié)流緩沖回路、液壓緩沖氣等。定位系統(tǒng)采用機(jī)械擋塊或多點(diǎn)定位幾機(jī)構(gòu)定位精度。 液壓機(jī)械手：液壓機(jī)械手的加速或調(diào)節(jié)系統(tǒng)油路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用油缸端部節(jié)流緩沖裝置及緩沖回路、減壓節(jié)流繼續(xù)能緩沖系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等。定位系統(tǒng)采用關(guān)閉電磁換向閥定位精度、機(jī)械擋塊定位精、伺服系統(tǒng)定位精度度等。 電動(dòng)機(jī)械手：電動(dòng)機(jī)械手的加速或調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用電路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用反接制動(dòng)電路、減速電路、凸輪或連桿機(jī)構(gòu)等。定位系統(tǒng)采用電磁制動(dòng)器、脈沖電路定位精度、機(jī)械擋塊定位精度等。 機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)械手：機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)械手的加速或調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用凸輪連桿機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)采凸輪曲線和連桿機(jī)構(gòu)。定位系統(tǒng)采用凸輪基圓及凸輪頂點(diǎn)、連桿極限位置。 3.4開(kāi)關(guān)型機(jī)械手的速度及位置控制 用電氣開(kāi)關(guān)、換向閥、節(jié)流閥和機(jī)械擋塊等來(lái)控制的機(jī)械手稱為開(kāi)關(guān)型機(jī)械手。 液壓機(jī)械手的速度控制：開(kāi)關(guān)型液壓機(jī)械手一般采用截流減速方法，少數(shù)采用蓄能器或溢流閥減速方法，也可以幾種方法一起采用。 氣動(dòng)機(jī)械手的速度控制：氣動(dòng)機(jī)械手有很多優(yōu)點(diǎn)，但氣動(dòng)的壓縮性大，阻尼效果差。符合大的氣動(dòng)機(jī)械手采用液壓緩沖回路。 一般采用的裝置是氣動(dòng)-液阻裝置。 開(kāi)關(guān)型機(jī)械手的定位系統(tǒng)：定位系統(tǒng)與速度控制系統(tǒng)有密切的關(guān)系，但他們都有其獨(dú)立性，例如，節(jié)流減速后既可以發(fā)出指令關(guān)閉油路定位，也可以壓在擋塊上而定位。 電氣開(kāi)關(guān)定位：電動(dòng)機(jī)械手一般采用電磁制動(dòng)器定位。當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到定位點(diǎn)時(shí)，行程開(kāi)關(guān)發(fā)出信息給電控系統(tǒng)，激勵(lì)電磁制動(dòng)器而定位。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，維修方便，但定位精度低。 機(jī)械擋塊定位：一般是在減速后，驅(qū)動(dòng)壓力將運(yùn)動(dòng)件壓在機(jī)械擋塊上或驅(qū)動(dòng)壓力將活塞壓靠缸蓋而定位，定位精度較高?？煞譃閱吸c(diǎn)定位或多點(diǎn)定位的擋塊機(jī)構(gòu)。 3.5機(jī)械傳動(dòng)型機(jī)械手速度及位置控制 為了便于控制機(jī)械手的速度及位置，一些專用機(jī)械手采用凸輪機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 特點(diǎn)：工作速度可以提高而且與主機(jī)同步工作而不產(chǎn)生誤動(dòng)作。 通過(guò)以上論述和比較，選用液壓緩沖器和油缸端部緩沖的方式，定位選用機(jī)械擋塊定位。 3.6 機(jī)械手類型確定 根據(jù)以上的介紹，通過(guò)比較我確定選用電動(dòng)機(jī)械手。這樣選擇的原因主要是根據(jù)精度和成本的原因。由于是個(gè)單獨(dú)的部件大量生產(chǎn)，成本是非常主要的原因，氣動(dòng)和液壓機(jī)械手的制造精度要求非常高，成本也就高，而電動(dòng)機(jī)械手作為發(fā)展得最為完善的機(jī)械手，在精度滿足需要的同時(shí)，成本是最低的，所以選擇了電動(dòng)機(jī)械手。 3.7 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)的選擇 3.7.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有：液壓驅(qū)動(dòng)、電壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)四種。一臺(tái)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式，可以只用一種方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，也可采用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動(dòng)。 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓驅(qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，和機(jī)械傳動(dòng)四種。一臺(tái)機(jī)械手可以只用一種驅(qū)動(dòng)，也可以用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，各種驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)見(jiàn)表“3-1”。 表3-1驅(qū)動(dòng)方式的比較 比較內(nèi) 容 驅(qū)動(dòng)方式 機(jī)械傳動(dòng) 電機(jī) 驅(qū)動(dòng) 氣壓傳動(dòng) 液壓傳動(dòng) 異步電機(jī)，直流電機(jī) 步進(jìn)或伺服電機(jī) 輸出力矩 輸出力矩較大 輸出力可較大 輸出力矩較小 氣體壓力小，輸出力矩小，如需輸出力矩較大，結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大 液體壓力高，可以獲得較大的輸出力 控制性能 速度可高，速度和加速度均由機(jī)構(gòu)控制，定位精度高，可與主機(jī)嚴(yán)格同步 控制性能較差，慣性大，步易精確定位 控制性能好，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜 可高速，氣體壓縮性大，阻力效果差，沖擊較嚴(yán)重，精確定位較困難，低速步易控制 油液壓縮性小，壓力流量均容易控制，可無(wú)級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 體積 當(dāng)自由度多時(shí)，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，體積液較大 要油減速裝置，體積較大 體積較小 體積較大 在輸出力相同的條件下體積小 維修使用 維修使用方便 維修使用方便 維修使用較復(fù)雜 維修簡(jiǎn)單，能在高溫，粉塵等惡劣環(huán)境種使用，泄漏影響小 維修方便，液體對(duì)溫度變化敏感，油液泄漏易著火 應(yīng)用范圍 適用于自由度少的專用機(jī)械手，高速低速均能適用 適用于抓取重量大和速度低的專用機(jī)械手 可用于程序復(fù)雜和運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手 中小型專用通用機(jī)械手都有 中小型專用通用機(jī)械手都有，特別時(shí)重型機(jī)械手多用 成本 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，一般工廠可以自己制造 成本低 成本較高 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能源方便，成本低 液壓元件成本較高，油路也較復(fù)雜 考慮到精度和結(jié)構(gòu)的要求，我選擇了伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)。 3.7.2電控系統(tǒng)的選擇 機(jī)械手的電控系統(tǒng)有多種類型，除專用機(jī)械手外，大多數(shù)要專門進(jìn)行電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 表3-2控制系統(tǒng)的比較 比較內(nèi)容 控制系統(tǒng) 固定系統(tǒng) 可編程序 繼電器線路 半導(dǎo)體邏輯電路 順序控制器 示數(shù)再觀成計(jì)算機(jī) 動(dòng)作程序容量 動(dòng)作程序較少 動(dòng)作程序可以較多 動(dòng)作順序一般為16步可擴(kuò)展為32部或更多 動(dòng)作程序較多通常為200步可擴(kuò)展更多 控制的參數(shù) 1、動(dòng)作程序 2、動(dòng)作到達(dá)的位置或時(shí)間 3、夾放信息 4、連鎖信息 這些信息固定于線路之中不能任意變動(dòng) 1、 動(dòng)作程序 2、 動(dòng)作到達(dá)的位置或時(shí)間 3、 時(shí)間信息 4、 夾放信息 5、 聯(lián)鎖信息 6、 程序終了信息 這些信息可以任意安排 1、 動(dòng)作程序 2、 時(shí)間信息 3、 動(dòng)作應(yīng)到達(dá)位置或時(shí)間 4、 夾放信息 5、 聯(lián)鎖信息 6、 運(yùn)動(dòng)速度信息 7、 定位精度信息 8、 程序終了信息 編排程序范圍大，可裝各種傳感器 制造與維護(hù) 維護(hù)簡(jiǎn)單方便體積較大，制造簡(jiǎn)單 制造簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，體積小 一般由專業(yè)廠生產(chǎn)供應(yīng)，需具有一定專業(yè)知識(shí)人員維修 線路復(fù)雜，制造，維護(hù)調(diào)整均較困難，需專業(yè)人員維修 行程檢測(cè)元件 行程開(kāi)關(guān)，機(jī)械擋塊 行程開(kāi)關(guān)，機(jī)械擋塊 行程開(kāi)關(guān)，電位器 電位器，旋轉(zhuǎn)變壓器，光柵等 使用壽命 壽命低 壽命較高 壽命較高 壽命較高 成本 便宜 較便宜 成本較高 成本較高 使用范圍 用于動(dòng)作少，速度低的專用機(jī)械手 用于速度快節(jié)拍短的專用機(jī)械手 適用于動(dòng)作較多，速度變化多即一般機(jī)械手 動(dòng)作多，程序復(fù)雜的高級(jí)通用機(jī)械手適用 我們可設(shè)繼電器線路為方案1，半導(dǎo)體邏輯線路為方案2，順序控制器為方案3，示數(shù)再現(xiàn)成計(jì)算器為方案4。 表3-3設(shè)備技術(shù)評(píng)價(jià)得分 設(shè)備的技術(shù)評(píng)價(jià)特性 方案1-4的分?jǐn)?shù) 1 2 3 4 理想的 控制通用性 2 2 3 3 4 范圍 2 2 3 3 4 制造方便 3 3 2 1 4 程序容量 3 2 2 2 4 總分?jǐn)?shù) 10 9 10 9 16 技術(shù)價(jià)X 0.625 0.5625 0.625 0.5625 1.00 表3-4設(shè)備經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)得分 設(shè)備的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)特性 方案1-4的分?jǐn)?shù) 1 2 3 4 理想的 成本（元件） 3 3 2 1 4 制造與維護(hù)成本 3 3 2 1 4 壽命 2 3 2 3 4 元件耗費(fèi) 2 2 3 3 4 總分?jǐn)?shù) 10 11 9 8 16 經(jīng)濟(jì)價(jià)Y 0.625 0.6875 0.5625 0.5 1.00 顯然可以知道方案1比較適合，即采用繼電器線路進(jìn)行控制。 4總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1 手爪部分設(shè)計(jì) 機(jī)械手手爪部分的作用是抓住和放開(kāi)工件，并且要保證在抓刀后的換刀過(guò)程中保證刀具不會(huì)重手爪中飛出。 目前的加工中心換刀機(jī)械手的手爪種類繁多，可以說(shuō)每個(gè)廠家都推出自己的獨(dú)特的換刀機(jī)械手，目前使用最多的有4種機(jī)械手，分別是單臂單手式機(jī)械手，回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手，雙手式機(jī)械手和多手式機(jī)械手。 單臂單手式機(jī)械手的特點(diǎn)是機(jī)械手只做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，主要用與刀具主軸和刀庫(kù)刀座的軸線平行的場(chǎng)合，機(jī)械手的插、拔刀運(yùn)動(dòng)和傳遞刀具的運(yùn)動(dòng)全都是直線運(yùn)動(dòng)，因?yàn)闆](méi)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心力，因?yàn)闊o(wú)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心力，所以機(jī)械手的握刀部分可以比較簡(jiǎn)單，只需要兩個(gè)彈簧卡銷卡住刀柄即可。但是換刀各動(dòng)作均需順序進(jìn)行，時(shí)間不能重合，所以換刀時(shí)間較長(zhǎng)。例如在轉(zhuǎn)塔頭帶刀庫(kù)的換刀系統(tǒng)中，不工作主軸的換刀時(shí)間與工作主軸的加工時(shí)間重合，可使用這類機(jī)械手。 回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手的兩手部成180°，手型種類很多，常見(jiàn)的有固定式雙手、可伸縮式雙手、剪式雙手等。這類的機(jī)械手可以同時(shí)抓住可拔、插位于主軸和刀庫(kù)（或運(yùn)輸裝置）里的刀具，與單臂單手式機(jī)械手相比，可以縮短換刀時(shí)間。這類機(jī)械