數控臥式鏜銑床刀庫機械手回轉與裝卸刀機構設計,數控,臥式,銑床,機械手,回轉,裝卸,機構,設計 畢業(yè)設計（論文）中期報告 題目： 數控臥式鏜銑床刀庫機械手回轉與裝卸刀機構設計 系 別 機電信息系 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 班 級 姓 名 學 號 導 師 2012年 3 月 20 日 1. 設計（論文）進展狀況 本階段主要是完成 Optimal Kinematic Design of a 2-DOF Planar Parallel Manipulator* 的翻譯工作。對數控臥式鏜銑床的深入了解和分析，了解機械手回轉和裝卸刀。 1.1自動換刀的組成 自動換刀機械手是自動換刀裝置主要組成部分。自動換刀裝置與數控臥式相配合，在一次裝夾中完成鏜、銑、鉆、鉸和攻絲等多道工序，解決中小批多品種。生產箱體零件的加工自動化問題。 自動換刀裝置，主要由刀庫，手架升降機構，裝、卸刀機械手和手架伸縮與回轉機構等組成。刀庫由四排帶刀套的鏈條組成，每排鏈條上有15個刀套，刀庫能存放60把刀具。安裝刀套的四條鏈條由油馬達通過齒輪組帶動而同步轉動。找刀（刀具識別），采用刀套編號方式。由于四排刀套鏈中，各排刀套的位置一一對應，一次找刀是由倆部分運動來實現(xiàn)，即手架升降找刀排刀鏈轉動在一排內選刀。換刀機械手的作用是；在給定的程序指令下，配合刀庫和我是鏜銑床實現(xiàn)所有加工工序的自動裝刀和卸刀。 1.2 裝、卸刀手的伸縮運動機構和手指夾緊機構 裝到手和卸刀手對稱配置在手架上，其結構和尺寸、運動要求完全相同，只是幾個主要零件形狀相反。裝刀手只有伸縮運動和手指的夾放動作。 裝刀手的伸縮運動由單桿活塞油缸實現(xiàn)?；钊透椎幕钊麠U固定在手架上，當壓力油從油孔進到油缸的兩腔時，推動缸體在燕尾形導軌上往復移動，其形成位置由裝在手架上的行程開關進行檢測，并用油缸端部節(jié)流緩沖，油缸端蓋與活塞端面相碰而定位。 裝到手和卸刀手的手臂移動方向相交成45度角，其交點即是裝刀手和卸刀手前伸移到終點時手指的夾緊中心，它要與刀庫上的刀套中心和臥式鏜銑床的主軸中心相重合，以保證能正確地裝、卸刀。 裝（卸）刀手的手部由手指座、固定指、活動指、刀具定向鍵、項銷、卡銷、彈簧和擋塊等組成。此手部屬于一支點回轉型彈簧式手部。在手臂伸縮運動裝卸刀具時，手部的活動手指，應能自由地從刀柄的梯形槽上滑過，抓住刀柄后，特別是在運刀過程中，活動手指應鎖住，因此手部內有緊鎖機構。 圖a刀庫機械手回轉與裝卸刀 機械手回轉及裝刀、卸刀機構，是用于主軸和刀庫間的裝刀、卸刀的換刀裝置。回轉油缸1擺動，帶動手架4回轉，實現(xiàn)向主軸和刀庫換刀的動作。當拔刀油缸2通入壓力油時，缸體連同手臂3沿手臂座5移動，完成拔刀和插刀動作。手臂3靠十字交叉滾子6在手臂5的V字型導軌上移動。 手架伸縮運動能實現(xiàn)裝、卸刀手的拔、插刀動作；手架回轉的運動能改變裝、卸刀手的位置（即手向主軸轉向刀庫，或手向刀庫轉向主軸）。 手架的回轉是由安裝在滑座內的回轉油缸來實現(xiàn)。手架和轉軸固聯(lián)，轉軸通過鍵與回轉油缸的動片相聯(lián)。當壓力油通過油管進到回轉油缸的工作腔時，推動動片軸，并帶動轉軸回轉，手架即回轉，其回轉位置由行程開關進行檢測，當裝在轉軸上的定位塊與定位螺釘相接觸時而定位。 圖b刀庫機械手回轉與裝卸刀 2. 存在問題及解決措施 首先，對機械手回轉與裝卸刀機構設計的具體設計內容不是特別了解。 其次，對于結構設計和計算分析還不到位。 通過查找資料翻閱課本了解結構設計和計算，與同學的探討和老師的指點，使我對自己的畢業(yè)設計有了更深一步的認識。我明白了設計與實際要緊密結合，要多動腦，勤思考。平時要多練習軟件。 3. 后期工作安排 10-11周，完成結構設計計算； 11-13周，完成零件圖和裝配圖的繪制； 13-15周，完成論文撰寫，準備答辯。 指導教師簽字： 年 月 日 畢業(yè)設計(論文)開題報告 題目：數控臥式鏜銑床刀庫機械手回轉與裝卸刀機構設計 系 別 機電信息系 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 班 級 姓 名 學 號 導 師 2012年 12 月 21 日 一、畢業(yè)設計（論文）題目背景、研究意義及國內外相關研究情況。 1、課題名稱 數控臥式鏜銑床刀庫機械手回轉與裝卸刀機構設計與分析 2.題目背景和意義： 2.1數控臥式鏜銑床是一種具有自動換刀裝置和任意分度數控轉臺的數字控制機床，工件在一次裝夾后能自動完成幾個側面的多種工序的加工。數控臥式鏜銑床刀庫機械手回轉與裝卸刀機構用于主軸和刀庫間的裝刀與卸刀操作。良好的結構設計能夠實現(xiàn)刀庫與機床主軸之間刀具的快速裝卸，提高機床的工作效率。 2.2本課題的意義： 在車床、鏜床、銑床、插、拉床、磨床、數控加工中心、齒輪加工中心、切斷機床、特種加工機床、組合機床、柔性制造系統(tǒng)等眾多機械加工設備中，鏜銑床加工特點：加工過程中工件不動，讓刀具移動，并使刀具轉動（主運動），在實踐中具有“萬能機床”的稱號【1】。 鏜銑床主要是刀具在工件上加工已有預制孔的機床。通常，刀具旋轉為主運動，刀具或工件的移動為進給運動。它主要是用來加工高精度孔或一次定位完成多個孔的精加工，此外還可以從事與孔精加工有關的其他加工面的加工。【2】 3、數控鏜銑床概述和結構組成 3.1數控鏜銑床也稱“加工中心”機床，是一種新型機床，是一種具有自動換刀裝置和任意分度數控轉臺的點位-直線數字控制機床。工件在一次裝夾后能自動完成幾個側面的鉆、銑、鏜、鉸、攻絲等多種工序的加工，有立式和臥式之分。在機械零件中，箱體類零件占相當大的比重，例如變速箱、氣缸體、氣缸蓋等?！?】這類零件往往重量較大，形狀復雜，加工的工序多。如果能在一臺機床上，一次裝夾自動地完成大部分工序，對于提高生產率，提高加工質量和自動化程度將有很大的意義。箱體類零件的加工工序，主要是銑端面和鉆孔、攻螺紋、鏜孔等孔加工。因此，數控鏜銑床集中了鉆床、銑床和鏜床的功能，有下列特點： （1）工序集中。集中了銑削和不同直徑的孔加工工序。 （2）自動換刀。按預定加工程序，自動地把各種刀具換到主軸上去，把用過的刀具換下來。因此，要有刀庫、換刀機械手等。 （3）精度高。各孔的中心距全靠各坐標的精度來保證，不用鉆、鏜模。有的機床，還有自動轉位工作臺，用來保證各孔各面間的角度。鏜孔時，還可先鏜這個壁上的孔，然后工作臺轉180度，再鏜對面壁上的孔。兩孔要保證達到一定的同軸度。 3.2數控鏜銑床的結構組成 （1）機床本體。數控鏜銑床常按主軸在空間所處的狀態(tài)，分為立式數控鏜銑床和臥式數控鏜銑床。機床本體是用來支撐機床的工作以達到加工生產目的，主要由床身和立柱組成。 （2）主軸結構。主軸部件既要滿足精加工時精度較高的要求，又要具備粗加工時高效切削的能力，因此在旋轉精度、剛度、抗振性和熱變形等方面，都有很高的要求。在布局結構方面，對于具有自動換刀功能的數控鏜銑床，其主軸部件除主軸、主軸軸承和傳動件等一般組成部分外，還有刀具自動加緊、主軸自動準停和主軸裝刀孔吹凈等裝置。 （3）數控轉臺。數控轉臺可以進行任意角度定位，它的功用有兩個：一是使工作臺進行圓周進給運動，二是使工作臺進行分度運動。 （4）換刀裝置。數控鏜銑床為了能在工件一次裝夾中完成多種甚至所有加工工序，以縮減輔助時間和減少多次安裝工件所引起的誤差，必須帶有自動換刀裝置。其主要有刀庫、橫梁升降機構、滑座伸縮機構、手架回轉機構、裝刀手和卸刀手組成。 （5）機床導軌。導軌主要用來支承和引導運動部件沿一定的軌道運動。在導軌副中，運動的一方叫運動導軌，不動的一方叫支撐導軌。運動導軌相對于支撐導軌的運動，通常是直線運動或回轉運動?！?】 4、國內外研究情況 當今世界，工業(yè)發(fā)達國家對機床工業(yè)高度重視，競相發(fā)展機電一體化、高精、高效、自動化先進機床，以加速工業(yè)和國民經濟的發(fā)展[3,s]。長期以來，歐、美、亞在國際市場上相互展開激烈競爭，己形成一條無形戰(zhàn)線，特別是隨微電子、計算機技術的進步，數控機床在20世紀80年代以后加速發(fā)展，各方用戶提出更多需求，早己成為四大國際機床展上各國機床制造商競相展示先進技術、爭奪用戶、擴大市場的焦點。中國加入WTO后，正式參與世界市場激烈競爭，今后如何加強機床工業(yè)實力、加速數控機床產業(yè)發(fā)展，實是緊迫而又艱巨的任務。【5】 隨著數控鏜銑床的發(fā)展，機床附件行業(yè)必須有與之相配套的產品，要能跟得上數控鏜銑床的步調，數控鏜銑床競爭是激烈的，機床附件行業(yè)競爭也是激烈的，但惡性的競爭終將給行業(yè)帶來黑暗，機床附件行業(yè)急需公平的良性競爭【6】。? 我國機床的功能部件雖然從“小件"、“配套件"的地位提升到“關鍵崗位"并受到重視，但一直是在“重主機、輕配套"，“重洋輕土"這樣的大環(huán)境中逆水行舟、艱難成長。長期以來我們對功能部件關注不夠，在功能部件上無所作為很難使我們的機床產業(yè)上一個臺階，購買國外的功能部件只能使我們的產業(yè)缺乏競爭力?！?】? 我國滾動功能部件產業(yè)是土生土長的民族工業(yè)，有著40多年的發(fā)展歷史，行業(yè)雖小（約60多家企業(yè)）卻有一批從上世紀60年代“精密機床全國會戰(zhàn)"中成長起來的骨干企業(yè)。在生產規(guī)模、硬件設施等方面與國外同行不相上下。再加上近幾年出現(xiàn)的一批新生的企業(yè)，行業(yè)競爭越來越激烈，我們應為機床附件行業(yè)提供一個好的公平的競爭環(huán)境。這才能促進行業(yè)更進一步發(fā)展。? 最近幾年，隨著國民經濟快速穩(wěn)定發(fā)展，裝備制造業(yè)的振興以及整個制造業(yè)技術升級和國防現(xiàn)代化需求加大，在固定資產投資較快增長的拉動下，我國機床附件工具市場呈現(xiàn)產需兩旺的態(tài)勢，代表裝備制造業(yè)先進水平的數控機床生產更是乘勢而上?！?】? 強勁的市場需求拉動，促使國內機床工具行業(yè)出現(xiàn)了產銷暢旺的局面，機床附件行業(yè)在強大的需求之下也是如虎添翼，奮力前進【9】?。 二、本課題研究的主要內容和擬采用的研究方案、研究方法或措施 1、本課題研究的主要內容： （1）了解刀庫機械手回轉與裝卸刀機構的性能要求； （2）了解刀庫機械手回轉與裝卸刀機構的工作原理，進行結構設計和計算分析； （3）設計指標：回轉油缸擺動，帶動手架回轉，實現(xiàn)主軸和刀庫間的換刀動作，手臂沿手臂座移動，完成拔刀和插刀動作； （4）應用CAD系統(tǒng)對系統(tǒng)零件和裝配建模和仿真 2、研究方案： （1）明確文章的研究內容，確定研究對象； （2）大量收集并查閱相關資料，力求條理清晰。 3、研究方法： （1）堅持很好地全部閱讀指導教師指定的參考資料、文獻，并閱讀了較多的自選資料和較多的外文資料，積極開展調研論證； （2）充分利用時間，提前學習專業(yè)軟件，能夠熟練運用CAD 軟件進行設計、分析、加工等操作，使產品提前得到的方案可行性設計。 （3）采用同其它同等機械類設備的類比，方案比較等方法，根據實際應用特征及現(xiàn)有的物質、經濟技術、人力等條件，以所學的理論知識為基礎，按照工業(yè)機械手工作的一般過程、設計標準。借鑒以往相似設備的成功經驗進行初步設計然后對初步設計方案進行驗算，修正，直至達到安全、經濟、實用的目的。其中對于機械手設計中的關鍵問題、難點問題進行重點分析解決，確保整個設計方案的可行性和最佳性?！?】 圖1 刀庫機械手回轉與裝卸刀 自動換刀裝置是數控加工中心在工件的一次裝夾中實現(xiàn)多道工序加工不可缺少的裝置,主要由刀庫、機械手和驅動裝置幾部分組成。機械手和驅動裝置是兩個關鍵部分,根據驅動裝置的不同,自動換刀裝置可分為凸輪式、液壓式、齒輪式、連桿式及各種機構復合式,其中以凸輪式用得較多?！?0】 圖2刀庫機械手回轉與裝卸刀 機械手回轉及裝刀、卸刀機構，是用于主軸和刀庫間的裝刀、卸刀的換刀裝置?；剞D油缸1擺動，帶動手架4回轉，實現(xiàn)向主軸和刀庫換刀的動作。當拔刀油缸2通入壓力油時，缸體連同手臂3沿手臂座5移動，完成拔刀和插刀動作。手臂3靠十字交叉滾子6在手臂5的V字型導軌上移動。 三.本課題研究的重點及難點，前期已開展工作 本課題研究的重點及難點在于設計方案和整體結構特點的確定。 目前已經查找和閱讀了大量期刊、書籍、報紙及優(yōu)秀碩士論文，并對相關數據進行了分析。 四、完成畢業(yè)論文的工作步驟與時間安排（按周次填寫） （1）1—3周：調研并收集資料； （2）3—10周：確定設計方案和整體結構特點； （3）10—11周：完成結構設計計算； （4）11—13周：完成裝配圖、三維建模和仿真； （5）13-15周：完成論文撰寫，準備答辯。 5 指導教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見） 指導教師： 年 月 日 6 所在系審查意見： 系主管領導： 年 月 日 參考文獻 [1] 吳波，周云龍.數控機床現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢簡析.科技信息.2010年25期：461~479. 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CNC horizontal boring and milling machine magazine robotic swing and handling knife institutions for the loading the knife and unloading knife operation between the spindle and magazine. The good structure designed to achieve rapid loading and unloading of the tool between the magazine and the machine tool spindle to improve the efficiency of the machine. Boring and milling machine is a machine tool on the workpiece processing has been pre-hole. Typically, the rotation of the tool main movement, the movement of the tool or workpiece feed movement. It is mainly used to process high-precision holes or location to complete the finishing of a plurality of apertures, in addition to in the hole finishing machining surface processing. The automatic tool changer CNC machining centers in the workpiece clamping device, multi-channel processes indispensable mainly by the magazine, robots and drives several parts. Keywords：horizontal boring and milling machine； automatic tool changer；rotating mechanism； loading and unloading knife device 目 錄 1 緒論 1 1.1題目背景和意義 1 1.2數控鏜銑床概述和結構組成 1 1.2.1數控鏜銑床的結構組成 2 1.3國內外研究情況 2 1.4本課題研究的主要內容 3 1.4.1本課題研究的主要內容 3 1.4.2 研究方案 3 1.4.3 研究方法 3 2 總體方案的確定………………………………………………………….7 2.1 主要技術參數 6 2.2 自動換刀裝置的設計參數 6 2.3 確定數控臥式鏜銑床自動換刀裝置的形式 6 3 機械手 8 3.1機械手的組成 8 3.1.1執(zhí)行機構 8 3.1.2驅動機構 8 3.1.3 控制系統(tǒng) 9 3.1.4課題工作要求 9 3.2機械手手部的結構的設計 10 3.2.2夾緊力及驅動力的計算 12 3.2.3 機械手手抓夾持精度的分析計算 13 3.2.4 彈簧的設計計算 13 3.3機械手腕部結構的設計 15 3.3.1腕部的結構以及選擇 15 3.3.2腕部的設計計算 15 3.3.3液壓缸蓋螺釘的計算 17 3.4 臂部 18 3.4.1 臂部結構形式 19 3.4.2 臂部運動的導向裝置 19 3.5機械手機身的設計計算 21 3.5.1機身的整體設計 21 3.5.2 機身回轉機構的設計計算 22 3.6自動換刀機械手的滑座伸縮和手架回轉運動機構 24 4 刀具交換裝置的設計 26 4.1 換刀機械手抓刀部分結構 26 4.2 機械手傳動結構 27 4.3 自動換刀過程的動作順序 28 4.4 自動換刀裝置的相關技術要求 29 4.4.1 主軸準停裝置 29 4.4.2 換刀機械手的安裝與調試 29 5 自動換刀裝置的控制原理 30 5.1刀庫的控制 30 5.2機械手的控制 30 結 論 31 致 謝 32 參考文獻 33 畢業(yè)設計（論文）知識產權聲明………………………………………….....34 畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明……………………………………………….35 IV 1 1 緒論 1 緒論 1.1題目背景和意義 數控臥式鏜銑床是一種具有自動換刀裝置和任意分度數控轉臺的數字控制機床，工件在一次裝夾后能自動完成幾個側面的多種工序的加工。數控臥式鏜銑床刀庫機械手回轉與裝卸刀機構用于主軸和刀庫間的裝刀與卸刀操作。良好的結構設計能夠實現(xiàn)刀庫與機床主軸之間刀具的快速裝卸，提高機床的工作效率。 在車床、鏜床、銑床、插、拉床、磨床、數控加工中心、齒輪加工中心、切斷機床、特種加工機床、組合機床、柔性制造系統(tǒng)等眾多機械加工設備中，鏜銑床加工特點：加工過程中工件不動，讓刀具移動，并使刀具轉動（主運動），在實踐中具有“萬能機床”的稱號[1]。 鏜銑床主要是刀具在工件上加工已有預制孔的機床。通常，刀具旋轉為主運動，刀具或工件的移動為進給運動。它主要是用來加工高精度孔或一次定位完成多個孔的精加工，此外還可以從事與孔精加工有關的其他加工面的加工[2]。 1.2數控鏜銑床概述和結構組成 數控鏜銑床也稱“加工中心”機床，是一種新型機床，是一種具有自動換刀裝置和任意分度數控轉臺的點位-直線數字控制機床。工件在一次裝夾后能自動完成幾個側面的鉆、銑、鏜、鉸、攻絲等多種工序的加工，有立式和臥式之分。在機械零件中，箱體類零件占相當大的比重，例如變速箱、氣缸體、氣缸蓋等[3]。這類零件往往重量較大，形狀復雜，加工的工序多。如果能在一臺機床上，一次裝夾自動地完成大部分工序，對于提高生產率，提高加工質量和自動化程度將有很大的意義。箱體類零件的加工工序，主要是銑端面和鉆孔、攻螺紋、鏜孔等孔加工。 因此，數控鏜銑床集中了鉆床、銑床和鏜床的功能，有下列特點： a. 工序集中 集中了銑削和不同直徑的孔加工工序。 b. 自動換刀 按預定加工程序，自動地把各種刀具換到主軸上去，把用過的刀具換下來。因此，要有刀庫、換刀機械手等。 c. 精度高 各孔的中心距全靠各坐標的精度來保證，不用鉆、鏜模。有的機床，還有自動轉位工作臺，用來保證各孔各面間的角度。鏜孔時， 36 畢業(yè)設計（論文） 還可先鏜這個壁上的孔，然后工作臺轉180度，再鏜對面壁上的孔。兩孔要保證達到一定的同軸度。 1.2.1 數控鏜銑床的結構組成 a. 機床本體 數控鏜銑床常按主軸在空間所處的狀態(tài)，分為立式數控鏜銑床和臥式數控鏜銑床。機床本體是用來支撐機床的工作以達到加工生產目的，主要由床身和立柱組成。 b. 主軸結構 主軸部件既要滿足精加工時精度較高的要求，又要具備粗加工時高效切削的能力，因此在旋轉精度、剛度、抗振性和熱變形等方面，都有很高的要求。在布局結構方面，對于具有自動換刀功能的數控鏜銑床，其主軸部件除主軸、主軸軸承和傳動件等一般組成部分外，還有刀具自動加緊、主軸自動準停和主軸裝刀孔吹凈等裝置。 c. 數控轉臺 數控轉臺可以進行任意角度定位，它的功用有兩個：一是使工作臺進行圓周進給運動，二是使工作臺進行分度運動。 d. 換刀裝置 數控鏜銑床為了能在工件一次裝夾中完成多種甚至所有加工工序，以縮減輔助時間和減少多次安裝工件所引起的誤差，必須帶有自動換刀裝置。其主要有刀庫、橫梁升降機構、滑座伸縮機構、手架回轉機構、裝刀手和卸刀手組成。 e. 機床導軌 導軌主要用來支承和引導運動部件沿一定的軌道運動。在導軌副中，運動的一方叫運動導軌，不動的一方叫支撐導軌。運動導軌相對于支撐導軌的運動，通常是直線運動或回轉運動[4]。 1.3國內外研究情況 當今世界，工業(yè)發(fā)達國家對機床工業(yè)高度重視，競相發(fā)展機電一體化、高精、高效、自動化先進機床，以加速工業(yè)和國民經濟的發(fā)展[3,s]。長期以來，歐、美、亞在國際市場上相互展開激烈競爭，己形成一條無形戰(zhàn)線，特別是隨微電子、計算機技術的進步，數控機床在20世紀80年代以后加速發(fā)展，各方用戶提出更多需求，早己成為四大國際機床展上各國機床制造商競相展示先進技術、爭奪用戶、擴大市場的焦點。中國加入WTO后，正式參與世界市場激烈競爭，今后如何加強機床工業(yè)實力、加速數控機床產業(yè)發(fā)展，實是緊迫而又艱巨的任務[5]。 隨著數控鏜銑床的發(fā)展，機床附件行業(yè)必須有與之相配套的產品，要能跟得上數控鏜銑床的步調，數控鏜銑床競爭是激烈的，機床附件行業(yè)競爭也是激烈的，但惡性的競爭終將給行業(yè)帶來黑暗，機床附件行業(yè)急需公平的良性競爭[6]。? 畢業(yè)設計（論文） 我國機床的功能部件雖然從“小件"、“配套件"的地位提升到“關鍵崗位"并受到重視，但一直是在“重主機、輕配套"，“重洋輕土"這樣的大環(huán)境中逆水行舟、艱難成長。長期以來我們對功能部件關注不夠，在功能部件上無所作為很難使我們的機床產業(yè)上一個臺階，購買國外的功能部件只能使我們的產業(yè)缺乏競爭力[7]?。 我國滾動功能部件產業(yè)是土生土長的民族工業(yè)，有著40多年的發(fā)展歷史，行業(yè)雖小（約60多家企業(yè)）卻有一批從上世紀60年代“精密機床全國會戰(zhàn)"中成長起來的骨干企業(yè)。在生產規(guī)模、硬件設施等方面與國外同行不相上下。再加上近幾年出現(xiàn)的一批新生的企業(yè)，行業(yè)競爭越來越激烈，我們應為機床附件行業(yè)提供一個好的公平的競爭環(huán)境。這才能促進行業(yè)更進一步發(fā)展。? 最近幾年，隨著國民經濟快速穩(wěn)定發(fā)展，裝備制造業(yè)的振興以及整個制造業(yè)技術升級和國防現(xiàn)代化需求加大，在固定資產投資較快增長的拉動下，我國機床附件工具市場呈現(xiàn)產需兩旺的態(tài)勢，代表裝備制造業(yè)先進水平的數控機床生產更是乘勢而上[8]。 強勁的市場需求拉動，促使國內機床工具行業(yè)出現(xiàn)了產銷暢旺的局面，機床附件行業(yè)在強大的需求之下也是如虎添翼，奮力前進[9]?。 1.4本課題研究的主要內容 1.4.1本課題研究的主要內容 a. 了解刀庫機械手回轉與裝卸刀機構的性能要求； b. 了解刀庫機械手回轉與裝卸刀機構的工作原理，進行結構設計和計算分析； c. 設計指標：回轉油缸擺動，帶動手架回轉，實現(xiàn)主軸和刀庫間的換刀動作，手臂沿手臂座移動，完成拔刀和插刀動作； d. 應用CAD系統(tǒng)對系統(tǒng)零件和裝配建模和仿真 1.4.2研究方案 a. 明確文章的研究內容，確定研究對象； b. 大量收集并查閱相關資料，力求條理清晰。 1.4.3研究方法 a. 堅持很好地全部閱讀指導教師指定的參考資料、文獻，并閱讀了較多的自選資料和較多的外文資料，積極開展調研論證； 畢業(yè)設計（論文） b. 充分利用時間，提前學習專業(yè)軟件，能夠熟練運用CAD 軟件進行設計、分析、加工等操作，使產品提前得到的方案可行性設計。 c. 采用同其它同等機械類設備的類比，方案比較等方法，根據實際應用特征及現(xiàn)有的物質、經濟技術、人力等條件，以所學的理論知識為基礎，按照工業(yè)機械手工作的一般過程、設計標準。借鑒以往相似設備的成功經驗進行初步設計然后對初步設計方案進行驗算，修正，直至達到安全、經濟、實用的目的。其中對于機械手設計中的關鍵問題、難點問題進行重點分析解決，確保整個設計方案的可行性和最佳性[10]。 圖1.1 刀庫機械手回轉與裝卸刀 自動換刀裝置是數控加工中心在工件的一次裝夾中實現(xiàn)多道工序加工不可缺少的裝置,主要由刀庫、機械手和驅動裝置幾部分組成。機械手和驅動裝置是兩個關鍵部分,根據驅動裝置的不同,自動換刀裝置可分為凸輪式、液壓式、齒輪式、連桿式及各種機構復合式,其中以凸輪式用得較多[11]。 圖1.2刀庫機械手回轉與裝卸刀 機械手回轉及裝刀、卸刀機構，是用于主軸和刀庫間的裝刀、卸刀的換刀裝置?；剞D油缸15擺動，帶動手架3回轉，實現(xiàn)向主軸和刀庫換刀的動作。當拔刀油缸7通入壓力油時，缸體連同手臂8沿手臂座22移動，完成拔刀和插刀動作。手臂8靠十字交叉滾子在手臂8的V字型導軌上移動。 2 總體方案的確定 2 總體方案的確定 2.1主要技術參數 a. 刀庫容量：4-6 b. 選刀方式：順序選刀 c. 重復精度： 5" 數控臥式鏜銑床主要由床身、升降臺、工作臺、立銑頭、鏜頭、主傳動、主變速、拉刀機構、液壓系統(tǒng)、自動潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、吊掛、電柜等部分組成。機床本身并不帶自動換刀裝置。自動換刀裝置作為一套獨立的、完整的機床部件，設計依據是該機床的型式、工藝范圍及刀具的種類和數量等。 2.2自動換刀裝置的設計參數 在銑削輪廓時，為了保證一次連續(xù)地加工出全部表面，應選用半徑小于工件最小輪廓半徑的刀具，而在實際的生產加工中，常盡量選用直徑較大的銑刀，因為大直徑銑刀剛性好，耐用度高。由數控臥式鏜銑床推薦使用的最大切削范圍可知，當銑切鋼時，銑刀直徑為10 mm。當銑灰鑄鐵時，銑刀直徑達25mm。因此，為了滿足該機床的實際加工能力與生產情況，在設計其自動換刀裝置時，應該根據最大的刀具直徑來設計，即設計的換刀裝置能交換25mm的刀具。 初估最大直徑刀具的重量為8kg。 2.3確定數控臥式鏜銑床自動換刀裝置的形式 數控機床的自動換刀裝置的結構形式多種多樣，選擇何種形式，主要取決于機床的種類、工藝范圍以及刀具的種類和數量等。 由于數控臥式鏜銑床是一種使用范圍較廣的機床，且其可加工零件的精度要求也較高，比較上章介紹的幾種換刀形式，決定選用帶刀庫的自動換刀形式。 帶刀庫的自動換刀裝置是由刀庫和刀具交換裝置（換刀機械手）組成。它是多工序數控機床上應用最廣泛的換刀裝置，其整過換刀過程比較復雜。首先把加工過程中需要使用的全部刀具安裝在標準的刀柄上，在機床外進行尺寸預調后，按一定的方式裝入刀庫。換刀時，先在刀庫中進行選刀， 畢業(yè)設計（論文） 由機械手從刀庫和主軸上取出刀具，然后交換位置，把新刀插入主軸，舊刀放回刀庫。存放刀具的刀庫可具有較大的容量，它既可以安裝在主軸箱的側面或上方，也可以作為獨立部件安裝在機床以外。 數控臥式鏜銑床主軸箱上方沒有好的安裝位置，安裝在機床外又要增加刀具運輸時間，降低效率，所以安裝在機床側面最合適，有些部件交錯的地方，作適當的調整。因為數控臥式鏜銑床外形及其他性能參數等均與JCS—018A數控立式鏜銑床相似，所以本機床的自動刀裝置的設計將仿效JCS—018A數控立式鏜銑床換刀裝置，設計成由由盤式刀庫和回轉式雙臂機械手組成。設計增加自動換刀裝置后的數控臥式鏜銑床的外觀圖如圖2.1所示。 圖2.1 數控臥式鏜銑床的外觀圖 3 機械手 3 機械手 3.1機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構、驅動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。其組成及相互關系如下圖： 3.1.1執(zhí)行機構 a. 手部 手部安裝在手臂的前端。手臂的內孔裝有轉動軸，可把動作傳給手腕，以轉動、伸屈手腕，開閉手指。　 本課所指的機械手僅需開閉手指?！? 機械手手部的機構系模仿人的手指，分為無關節(jié)，固定關節(jié)和自由關節(jié)三種。手指的數量又可以分為二指、三指和四指等，其中以二指用的最多?？梢愿鶕A持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應操作需要。本課所做的機械手采用二指形狀。 b. 手臂 手臂有無關節(jié)和有關節(jié)手臂之分。 本課所做的機械手的手臂采用無關節(jié)臂。 手臂的作用是引導手指準確的抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠正確的工作，手臂的三個自由度都需要精確的定位。 本課題所做的機械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左轉、右轉三個方向的定位均采用行程開關控制，以保證定位的精度。 總括機械手的運動離不開直線移動和轉動二種，因此，它采用的執(zhí)行機構主要是直線油缸、擺動油缸、電液脈沖馬達、伺服油馬達、直流伺服馬達和步進馬達等?！? 軀干是安裝手臂、動力源和執(zhí)行機構的支架。 3.1.2驅動機構 驅動機構主要有四種，液壓驅動、氣壓驅動、電氣驅動和機械驅動。其中以液壓氣，動用的最多，占90％ 以上，電動、機械驅動用的較少?！? 液壓驅動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、 畢業(yè)設計（論文） 馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動，利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉運動。液壓驅動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復雜成本較高?！? 氣壓驅動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達、氣閥等。一般采用4-6 ， 個大氣壓，個別的達到 8-10 個大氣壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護簡單， 成本低。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹?！? 為了減少停機時產生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機構或緩沖機構?！? 電氣驅動采用的不多?，F(xiàn)在都用三相感應電動機作為動力，用大減速比減速器來驅動執(zhí)行機構，直線運動則用電動機帶動絲杠螺母機構，有的采用直線電動機。通用機械手則考慮用步進電機、直流或交流的伺服電機、變速箱等。 電氣驅動的優(yōu)點是動力源簡單 ，維護，使用方便。驅動機構和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大，缺點是控制響應速度比較慢?！? 機械驅動只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機構實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可靠，速度高，成本低，缺點是不易調整。本課題所做的機械手采用電動機帶動絲杠螺母機構來實現(xiàn)手臂的上升、下降方面。采用手臂的左轉、右轉、手臂的夾緊、放松方面?！　　? 3.1.3控制系統(tǒng) 機械手控制系統(tǒng)的要素，包括工作順序、到達位置、動作時間和加速度等。　 控制系統(tǒng)可根據動作的要求，設計采用數字順序控制。 它首先要編制程序加以存儲，然后再根據規(guī)定的程序，控制機械手進行工作 。 3.1.4課題工作要求 a. 用途 在給定的程序指令下，配合刀庫和臥式鏜銑床，簡稱主機，實現(xiàn)所有加工工序的自動裝、卸刀。 b. 規(guī)格參數 抓重： 20kg 自由度數： 4 坐標形式： 圓柱坐標 畢業(yè)設計（論文） 手架運動參數： 拔、插刀行程（即滑座伸縮 z）： 155mm（最大180mm） 升降行程（即找刀排 y ）： （刀排間垂直方向距離為 4 2 0 毫米）共四排 回轉角度（w）： 180o 裝\ 卸刀手手臂伸縮行程（x）： 195mm 手指夾持刀柄的直徑： 100mm 位置檢測與定位方式： 滑座伸縮、手架會裝和裝、卸刀手手臂伸縮運動采用行程開關進行位置檢測，有擋塊（或活塞與端蓋）定位。手架升降運動采用無觸電行程開關進行位置檢測，并控制三位四通閥適時“關閉”來定位。 緩沖方式 ： 滑座伸縮、裝卸刀手手臂伸縮運動采用油缸端部節(jié)流緩沖，手架回轉運動采用轉換不同尺寸的出油口增加背壓減速緩沖，手架升降運動采用無觸點行程 開關發(fā)信，切斷油路緩速緩沖。 驅動方式： 液壓 控制方式： 數字控制 3.2機械手手部的結構的設計 3.2.1機械手手抓的設計計算 畢業(yè)設計（論文） a. 手抓的力學分析 (a) (b) 1 ——手指 2——銷軸　 3 ——杠桿　 圖3.1 滑槽杠桿式手部結構、受力分析 在杠桿3的作用下,銷軸2向上的拉力為 F ,并通過銷軸中心O點,兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為 F和F1 其力的方向垂直于滑槽的中心線 OO1和OO2 并指向O點,交F1和 F2的延長線于A及 B。 由　 得 得 由， (3.1) 式中　 　 a ——手指的回轉支點到對稱中心的距離（mm）　 α ——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點的夾角。 由分析可知： 當驅動力 F 一定時，α角增大，則握力FN也隨之增大，但α角過大會導致拉桿行程過大,以及手部結構增大，因此最好α=30 o—4 0 o。 3.2.2夾緊力及驅動力的計算　 手指加在工件上的夾緊力,是設計手部的主要依據。 必須對大小、 方向和作用點進行分析計算。一般來說,需要克服工件重力所產生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化的慣性力產生的載荷,以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài) 。 手指對工件的夾緊力可按公式計算：F≥K1K2K3G 式中　 　 　K1——安全系數,通常 1.0——2.0；　 　 　 　 　 K2——工作情況系數,主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦溃渲衋，重力方向的最大上升加速度：； vmax——運載時工件最大上升速度　 t響——系統(tǒng)達到最高速度的時間,一般選取 0.03——0.5s； 　 K3——方位系數,根據手指與工件位置不同進行選擇。　 　 G ——被抓取工件所受重力（N）。 表3.2 液壓缸的工作壓力　 作用在活塞上外力 F(N) 液壓缸工作壓力Mpa 作用在活塞上外力 F(N) 液壓缸工作壓力Mpa 小于50000 0.8-1 20000-30000 2.4-4.0 5000-10000 1.5-2.0 30000-50000 4.0-5.0 10000-20000 2.5-3.0 50000以上 5.0-8.0 計算：設a=100mm，b=50mm，10o<α<40o； 機械手達到最高響應時間為 0.5s， 求夾緊力FN和驅動力F和驅動液壓缸的尺寸。 a. 設K1=1.5 (3.2) 根據公式，將已知條件帶入 ： b. 根據驅動力公式得： c. 取=0.85 d. 確定液壓缸直徑D 選取活塞桿直徑 d=0.5D選擇液壓缸壓力油工作壓力p=0.8-1Mpa； (3.3) 根據表 3.2（JB826-66），選取液壓缸內徑為D=63mm； 則活塞桿內徑為： D=630.5=31.5，選取d=32mm 3.2.3機械手手抓夾持精度的分析計算 機械手的精度設計要求工件定位準確，抓取精度高，重復定位精度和運動穩(wěn)定性好，并有足夠的抓取能力 機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手的定位精度 (由臂部和腕部等運動部件來決定)，而且也于機械手夾持誤差大小有關。 特別是在多品種的中、小批量生產中，為了適應工件尺寸在一定范圍內變化，一定進行機械手的夾持誤差。 該設計以棒料來分析機械手的夾持誤差精度。 機械手的夾持范圍為 80mm-180mm； 一般夾持誤差不超過 1mm分析如下： 工件的平均半徑: 手指長 l=100mm，取V型夾角2θ=120o 偏轉角β按最佳偏轉角確定： 計算： 當S時帶入有： (3.4) 夾持誤差滿足設計要求。 3.2.4 彈簧的設計計算 選擇彈簧是壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。計算過程如下。 a. 選擇硅錳彈簧鋼，查取許用切應力； b. 選擇旋繞比C=8，則　 c. 根據安裝空間選擇彈簧中徑 D=42mm估算彈簧絲直徑 d. 試算彈簧絲直徑: e. 根據變形情況確定彈簧圈的有效圈數： 選擇標準為 n =3，彈簧的總圈數n1=n+1.5=3+1.5=4.5圈 f. 最后確定D=42mm，d=7mm，D1=D-d=42-7=35mm D2=D+d=42+7=49mm g. 對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗算 對于壓縮彈簧如果長度較大時,則受力后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是不允許的。為了避免這種現(xiàn)象壓縮彈簧的長細比， 本設計彈簧是 2端自由，根據下列選取： 當兩端固定時，b ≤5.3，當一端固定：一端自由時，3b ≤7 ， 當兩端自由轉動時，b ≤2.6 。結論本設計彈簧 b = 1.76 ≤2.6 ，因此彈簧穩(wěn)定性合適。 h. 疲勞強度和應力強度的驗算 對于循環(huán)次數多、在變應力下工作的彈簧 ，還應該進一步對彈簧的疲勞強度和靜應力強度進行驗算 ，如果變載荷的作用次數 N ≤103， 或者載荷變化幅度不大時（可只進行靜應力強度驗算）?！? 現(xiàn)在由于本設計是在恒定載荷情況下，所以只進行靜應力強度驗算。計算公式 Ss選取 1.3-1.7（力學性精確能高） 結論：經過校核，彈簧適應 。 3.3機械手腕部結構的設計 3.3.1腕部的結構以及選擇 a. 典型的腕部結構 (1) 具有一個自由度的回轉驅動的腕部結構。 它具有結構緊湊 、 靈活等優(yōu)點而被廣腕部回轉，總力矩 M，需要克服以下幾種阻力，克服啟動慣性所用?；剞D角由動片和靜片之間允許回轉的角度來決定，（一般小于270o）。 (2) 齒條活塞驅動的腕部結構。在要求回轉角大于270o 的情況下 ，可采用齒條活塞驅動的腕部結構。這種結構外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。 (3) 具有兩個自由度的回轉驅動的腕部結構。它使腕部具有水平和垂直轉動的兩個自由度。 (4) 機-液結合的腕部結構。 b. 腕部結構和驅動機構的選擇　　 本設計要求手腕回轉180o，綜合以上的分析考慮到各種因素， 腕部結構選擇具有一個自由度的回轉驅動腕部結構 ，采用液壓驅動。 3.3.2腕部的設計計算　 a. 腕部設計考慮的參數　 夾取工件重量 60Kg回轉o b. 腕部的驅動力矩計算 （1） 腕部的驅動力矩需要的力矩M慣。 （2） 腕部回轉支撐處的摩擦力矩M摩。 夾取棒料直徑 100mm長度1000mm重量 60Kg當手部回轉 180 o時，計算力矩： 1） 手抓、手抓驅動液壓缸及回轉液壓缸轉動件等效為一個圓柱體?高為220mm直徑120mm其重力估算G=3.14 2） 擦力矩 M摩=0.1 m 。 3） 啟動過程所轉過的角度φ啟=18o=3.14rad，等速轉動角速度ω= 2.616 s2。 (3.5) 查取轉動慣量公式有： 代入： c. 腕部驅動力的計算 表3.3 腕部驅動力圖示 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 設定腕部的部分尺寸:根據表設缸體內空半徑 R=110mm外徑根據表 選擇121mm這個是液壓缸壁最小厚度,考慮到實際裝配問題后,其外徑為 226mm動片寬度 b=66mm輸 出 軸 r=22.5mm基本尺寸示如圖所示。則回轉缸工作壓力， 選擇8Mpa 圖3.4 腕部液壓缸剖截面結構示意 表3.5 標準液壓缸外徑 （JB1068-67）（mm） 液壓缸內徑 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 20 鋼 p 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 45 鋼 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 180 200 219 245 219 245 3.3.3液壓缸蓋螺釘的計算 圖3.6 缸蓋螺釘間距示意 表3.7 螺釘間距 t 與壓力 P 之間的關系 工作壓力p(Mpa) 螺釘的間距t（mm） 0.5~1.5 小于150 1.5~2.5 小于120 2.5~5.0 小于100 5.0~10.0 小于80 缸蓋螺釘的計算，如圖所示，t為螺釘的間距，間距跟工作壓強有關，見表，在這種聯(lián)結中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力　 計算： 液壓缸工作壓強為p= 8Mpa， 所以螺釘間距 t小 于 80mm，試 選 擇 8個螺釘，所以選擇螺釘數目合適Z=8個 危險截面 所以， (3.6) =7908.875N k=1.5--1.8 =1.57908.8=11863.3N 所以， 螺釘材料選擇Q235，則 螺釘直徑： 螺釘的直徑選擇 d=16mm 3.4臂部 臂部是機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部,并改變手部在空間的位置。機械手的臂部一般具有2 ~ 3個自由度，即伸縮、回旋、俯仰或升降，專用機械手的臂部一般具有 1~2 個自由度，即伸縮、回轉或直移。臂部總重量較大，受力一般較復雜，在運動時，直接承受腕部、手部和工件(或工具)的靜、 動載荷，尤其高速運動時，將產生較大的慣性力(或慣性距)，引起沖擊，影響定位的準確性。臂部運動部分零部件的重量直接影響著臂部結構的剛度和強度。專用機械手的臂部一般直接安裝在主機上，機械手的臂部一般與控制系統(tǒng)和驅動系統(tǒng)一起安裝在機身，(即機座)上，機身可以是固定的，也可以是行走式的、即可沿地面或導軌移動。 臂部的結構形式必須根據機器人的運動形式、抓取重量、動作自由度、運動精度等因素來確定。同時，設計時必須考慮到手臂的受力情況、油缸及倒向裝置的布置、內部管路與手腕的連接形式等因素 ，它們分別是，剛度要大，倒向性要好，偏重力矩要小，運動要平穩(wěn)、定位精度要高 。 3.4.1臂部結構形式 機械手的臂部結構一般包括臂部伸縮、回轉、俯仰或升降等運動的結構以及與其有關的結構，如傳動機構、驅動裝置、導向定位裝置、支撐連接件和位置檢測元件等。此外還有與腕部連接的有關構件及配管、線等。下面介紹一些臂部結構。 a. 圓柱坐標機器人的臂部結構，其臂部具有回轉、升降、伸縮自由度回轉運動通過齒條缸驅動齒輪回轉來實現(xiàn)升降與伸縮分別由升降油缸和伸縮油缸驅動。 b. 極坐標機器人的臂部結構，臂回轉結構為齒輪齒條缸結構，臂俯仰、臂伸縮均采用直線運動油缸。 c. 多關節(jié)型機器人的臂部結構，這種類型的 機械手多用于噴漆，故也稱為噴漆機器人。 其臂部有回轉、 俯仰和前后移動三個運動?；剞D機構為齒輪齒條缸結構，俯仰和前后運動均采用鉸鏈油缸驅動。 d. 臂部伸縮運動結構，用鋼管做成伸縮臂，由活塞桿帶動齒輪沿固定齒條滾動而產生伸縮運動 ，這種結構的特點是傳動效率高，易于實現(xiàn)較大行程和速度，它的行程和速度的大小與齒輪的直徑大小有關。 e. 臂部俯仰運動的結構，一般采用鉸接油（氣）缸來實現(xiàn)。鉸接油（氣）缸位于手臂下方，活塞桿與手臂之間用鉸鏈連接，缸體與立柱之間用耳叉銷軸等方式連接。 f. 臂部回轉及升降運動的結構，可采用齒條缸與升降缸實現(xiàn)臂回轉和升降，臂回轉還可用回轉缸與行星齒輪傳動，鏈條鏈輪傳動。 g. 臂部復合運動機構，它是將一個驅動運動分解為1 ~ 3個運動，并能依合成運動的形式實現(xiàn)復雜運動的機構。在一些專用機械手中常采用行星齒輪機構、凸輪機構及連桿機構等來實現(xiàn)臂部的復合運動。 3.4.2 臂部運動的導向裝置 臂部的導向裝置，機械手的手臂伸縮及升降運動機構上常設置導向裝置 ，其目的是： a. 防止移動部件在伸縮及升降時產生不必要的轉動，以保證手臂運動方位的準 確性。 b. 增大移動部件的剛性， 減少移動部件由于自重與抓取重量所引起的變形和位移。 c. 承受移動部件的部分自重和抓取工件（或工具）的部分重量。 導向裝置一般根據臂部的安裝形式、具體的結構及抓取重量等因素來確定，就導向裝置而言，其導向精度、剛度和耐磨性對機械手的精度和其它工作性能影響很大，在設計時必須充分注意。這里僅就幾種特殊形式作一簡單介紹： (1) 單導向桿式 單導向桿一般配置在驅動油（氣）缸體的一側或活塞桿內。放在活塞桿內時，雖然結構緊湊，但是工藝性比較差。單導向桿導向裝置結構簡單 、重量輕、摩擦力小，但是承載能力較低 ，剛性差，而且導向桿內走管通道少。一般用于較小型的機器人。 單導向桿一般采用實心圓桿 、方桿、 空心圓桿、花鍵軸等。方桿比圓桿剛性好，但加工比較困難。 (2) 雙導向桿式 雙到向桿一般對稱配置在驅動油（氣）缸兩側。這種形式受力情況好、剛性大，可承受重載，導向桿內部走管道多，便于油路配置 。但轉動慣量增加，不利于回轉定位。雙導向桿一般采用圓桿，以便內部通走管。 (3) 導軌式 導軌式的形式較多，其共同特點是剛性好，工作平穩(wěn)、導向性能好，但結構比較復雜。適用于負載較重、速度較低的機器人或專用機械手。 (4) 滾珠花鍵式 焊接結構的軸套前端固接一個循環(huán)滾珠套， 套內裝有若干鋼珠，并設有保持架。滾珠花鍵軸的圓弧性花鍵槽與其中一部分鋼珠配合 ，軸套的轉動通過循環(huán)滾珠套及鋼珠傳給花鍵軸，花鍵軸在隨手臂移動時便帶動鋼珠滾動并自行循環(huán)，實現(xiàn)滾動摩擦代替普通花鍵軸的滑動摩擦。這種結構摩擦阻力小，定向精度高，移動速度快，但是結構比較復雜，制造成本高。 臂部具有3個自由度、即升降、回轉、伸縮運動。臂部的結構形式必須根據機器人的運動形式、抓取重量、動作自由度、運動精度等因素來確定。為了防止臂部在運動過程中產生過大的變形，手臂要有足夠的剛度，導向性要好，偏重力矩要小，運動要平穩(wěn)，定位精度要高，回轉運動用伺服電機驅動，通過一對內齒輪實現(xiàn)手臂的回轉運動。伸縮運動用伺服電機驅動，由斜齒輪帶動螺桿、螺母作相對的移動，使手臂能靈活地伸縮。升降運動用伺服電機驅動，通過絲杠與滾珠的回轉，帶動外殼體在機座外側表面作相對滑動，實現(xiàn)手臂的升降。 在手臂回轉運動中，手臂的重量通過大齒輪由交叉軸承。該軸承是根據標準的止推軸承特制設計的，8320型屬此種。8320 的額定運載荷是 21700ckN，額定靜載荷是57200ckN，完全可以滿足許用條件要求。該軸承的內 、外圈都可有螺孔以聯(lián)接用，并且在淬火之前銑一外圈的鍵槽和大齒輪進行周向固定。 特制的交叉滾珠軸承結構尺寸如下： d=140.0mm D=287.0mm B=54.0mm 潤滑方式 ：脂潤滑。　 機座：是機械手用來手臂部件，并安裝驅動裝置與其它裝置的部件，故穩(wěn)定性要好，且滿足足夠的剛度，機座為φ7 0 0 的尺寸，足夠滿足運動時的平穩(wěn)。　 3.5機械手機身的設計計算 機身是直接支撐和驅動手臂的部件。一般實現(xiàn)手臂的回轉和升降運動 .這些運動的傳動機構都安在機身上，或者直接構成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動越多，機身的機構和受力情況就越復雜。機身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運動。 3.5.1機身的整體設計 按照設計要求，機械手要實現(xiàn)手臂180o的回轉運動，實現(xiàn)手臂的回轉運動機構一般設計在機身處。為了設計出合理的運動機構,就要綜合考慮,分析。 機身承載著手臂，做回轉，升降運動，是機械手的重要組成部分 。常用的機身結構有以下幾種： a. 回轉缸置于升降之下的結構 這種結構優(yōu)點是能承受較大偏重力矩。其缺點是回轉運動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉精度的影響較大。 b. 回轉缸置于升降之上的結構 這種結構采用單缸活塞桿，內部導向，結構緊湊。但回轉缸與臂部一起升降，運動部件較大。 c. 活塞缸和齒條齒輪機構 手臂的回轉運動是通過齒條齒輪機構來實現(xiàn)，齒條的往復運動帶動與手臂連接的齒輪作往復回轉，從而使手臂左右擺動。 分析： 經過綜合考慮，本設計選用回轉缸置于升降缸之上的結構。本設計機身包括兩個運動，機身的回轉和升降。如上圖所示，回轉機構置于升降缸之上的機身結構。手臂部件與回轉缸的上端蓋連接，回轉缸的動片與缸體連接，由缸體帶動手臂回轉運動。回轉缸的轉軸與升降缸的活塞桿是一體的。活塞桿采用空心，內裝一花鍵套與花鍵軸配合，活塞升降由花鍵軸導向?；ㄦI軸與與升降缸的下端蓋用鍵來固定，下短蓋與連接地面的的 底座固定。這樣就固定了花鍵軸，也就通過花鍵軸固定了活塞桿。這種結構是導向桿在內部，結構緊湊。具體結構見下圖。 驅動機構是液壓驅動，回轉缸通過兩個油孔，一個進油孔，一個排油孔，分別通向回轉葉片的兩側來實現(xiàn)葉片回轉。回轉角度一般靠機械擋塊來決定，對于本設計就是考慮兩個葉片之間可以轉動的角度為滿足設計要求，設計中動片和靜片之間可以回轉180o。 3.5.2機身回轉機構的設計計算　 a. 回轉缸驅動力矩的計算 手臂回轉缸的回轉驅動力矩M驅 ，應該與手臂運動時所產生的慣性力矩M慣及各密封裝置處的摩擦阻力矩M阻 相平衡。 M驅=M慣+M阻+M回 慣性力矩的計算 . (3.6) 式中　 ?ω ——回轉缸動片角速度變化量（ rad s ），在起動過程中 ?ω = ω ，? t ——起動過程的時間(s). J0——手臂回轉部件(包括工件)對回轉軸線的轉動慣量(N·m·s2 ) 。 若手臂回轉零件的重心與回轉軸的距離為ρ，則　 　 (3.7) 式中　 　 　Jc——回轉零件的重心的轉動慣量。 (3.8) 回轉部件可以等效為一個長1800mm直徑為 60mm的圓柱體,質量為159.2Kg設置起動角度ω=18o則起動角速度 ?ω =0.314rad s，起動時間設計為0.1s。 密封處的摩擦阻力矩可以粗略估算下M阻=0.03M驅由于回油背差一般非常的小，故在這里忽略不計。 經過以上的計算M驅=4839.5N·m·s2 b. 回轉缸尺寸的初步確定 設計回轉缸的靜片和動片寬 60mm，選擇液壓缸的工作壓強為8Mpa。d為輸出軸與動片連接處的直徑，設 d=50mm 則回轉缸的內徑通過下列計算： D=151mm 既設計液壓缸的內徑為 150mm， 根據表 選擇液壓缸的基本外徑尺寸 180mm（不是最終尺寸），再經過配合等條件的考慮。 c. 液壓缸蓋螺釘的計算 　根據表3.7所示，因為回轉缸的工作壓力為 8Mpa 所以螺釘間距t 小于 80mm,根據初步估算, ，所以缸蓋螺釘的數目為(一個面 6個，兩個面是12個)。 危險截面 所以， K=1.5-1.8 =1.520933=31400N 螺釘材料選擇 Q235，則 (n=1.2---2.5) 螺釘的直徑 螺釘的直徑選擇 d=20mm 選擇 M20 的開槽盤頭螺釘。 經過以上的計算,需要螺釘來連接，最終確定的液壓缸的截面尺寸如圖3.9所示，內徑為150mm外徑為230mm輸出軸徑為50mm。 圖3.8 回轉缸的截面圖 3.6自動換刀機械手的滑座伸縮和手架回轉運動機構 圖3.9 滑塊旋轉 機械手由滑座1、活塞桿2、轉柱3、回轉油缸4、滾珠組5，滾柱按十字交叉位置放置、預緊螺釘6、定位螺釘7、定位塊8和V形導軌9組成。 滑座伸縮，當有關13、14分別想滑座1上的油缸兩腔同壓力油時，驅動滑座，因活塞桿2固定在橫梁上，使滑座在十字交叉放置的滾柱和V形滾動導軌9上往復運動高壓注意呼吁帶動手架來完成撥、插刀運動。親行程位置的檢測由安裝在橫梁上的行程開關完成。在活塞桿2上的活塞兩端加工成圓錐形，配合油缸端部其節(jié)流緩沖作用。 圖3.10 滑塊伸縮 手架回轉：當油管15、16分別通壓力油回轉到油缸4的兩腔時，推動動片連同轉軸一起轉動，通過平鍵使轉柱3和手架回轉。其回轉角度的檢測由行程開關發(fā)，并用定位螺釘7和定位塊8來定位。 該手架在圖示位置剖面為手架轉向主軸時的位置。回轉油缸的端蓋進出油口分別有3對即a、b、c和a’b’c’,當接到手架轉向刀庫指令后，三位四通電磁滑閥換向油管16進壓力油從油孔c’進到回轉油缸工作腔使動片啟動一定角度后動片將油孔c’打開進油，快速回轉，回有腔油液從a、b孔排出動片將油孔出a’打開進油，快速回轉，回油腔油液從a、b孔排出，待將a打開進油，快速回轉，回油腔油液從a、b孔排出，動片回轉速度降下來以達到減速緩沖。減速度的大小可通向回轉油缸端蓋上的調節(jié)螺釘進行調節(jié)。 4刀具交換裝置的設計 4 刀具交換裝置的設計 數控機床的自動換刀裝置中,實現(xiàn)刀庫與機床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置。刀具的交換方式通常分為兩種: 一種是采用機械手交換刀具, 另一種是由刀庫與機床主軸的相對運動來實現(xiàn)刀具交換即無機械手交換刀具。刀具的交換方式及它們的具體結構對機床的工作效率和工作可靠性有直接的影響。由數控臥式鏜銑床的結構特性決定難以實現(xiàn)由刀庫與機床主軸的相對運動來實現(xiàn)刀具交換，故采用機械手交換刀具的方式。 機械手是當主軸上的刀具完成一個工步后，把這一工步的刀具送回刀庫，并把下一道工步的所需的刀具從刀庫中取出并裝入主軸繼續(xù)加工的功能部件。對機械手的具體要求是迅速可靠，準確協(xié)調。 4.1換刀機械手抓刀部分結構 如圖4-1所示機械手抓刀部分結構。它主要由手臂1和固定于其兩端的結構完全相同的兩個手爪1組成。手爪上握刀的圓弧部分有一錐銷2，機械手抓刀時，該銷插入刀柄的鍵槽中。 1-手爪； 2-錐銷； 3-手臂； 4、5-彈簧； 6-活動銷； 7-長銷； 8-鎖緊銷 圖4.1 機械手臂與手爪 畢業(yè)設計（論文） 當機械手由原位轉75°抓住刀具時，兩手爪上的長銷7分別被主軸前端面和刀庫上的擋塊壓下，使軸向開有長槽的活動銷6在彈簧4的作用下右移頂住刀具。機械手拔刀時，長銷7與擋塊脫離接觸，鎖緊銷8被彈簧5彈起，使活動銷頂住刀具不能后退，這樣機械手在回轉180°時，刀具不會被甩出。當機械手上升插刀時，兩長銷7又分別被兩擋塊壓下，鎖緊銷從活動銷孔中退出，松開刀具，機械手便可反轉75°復位。 4.2機械手傳動結構 下圖為本設計刀庫所用采用的機械手結構示意圖。如前述刀庫結構，刀套向下轉90°后，壓下行程開關，發(fā)出機械手抓刀信號。此時，機械手21正處在圖中所示的上面位置，液壓缸18右腔通壓力油，活塞桿推動齒條17向左移動，帶動齒輪11轉動（連接盤與齒輪11用螺栓連接，它們空套在機械手臂軸16上，傳動盤10與機械手臂軸16用花鍵連接），使機械手回轉75°抓刀。抓刀動作結束進，齒條17上的擋環(huán)12壓下行程開關14，發(fā)出拔刀信號，于是升降液壓缸15的上腔通壓力油，活塞桿推機械手臂軸16下降拔刀。在軸16下降進，傳動盤10隨之下降，其下端的銷子8插入連接盤5的銷孔中，連接盤5和下面的齒輪4也是用螺栓連接的，它們空套軸16上。當拔刀動作完成后，軸16上的擋環(huán)2壓下行程開關1，發(fā)出換刀信號。這時轉位液壓缸20的右腔通壓力油，活塞桿推動齒條19向左移動，帶動齒輪和 1、3、7、9、13、14-行程開關； 2、6、12-擋環(huán)； 4、11-齒輪；5-連接盤； 8-銷子； 10-傳動盤； 15-升降液壓缸； 16-機械手臂油； 17、19-齒條； 18、20-轉位液壓缸； 21-機械手。 圖4.1機械手傳動結構示意圖 連接盤5轉動，通過銷子8，由傳動盤帶動機械手轉180°，交換主軸上和 32 畢業(yè)設計（論文） 刀庫上的刀具位置。換刀動作完成后，齒條19上的擋環(huán)6壓下位置開關9，發(fā)出插刀信號，使升降油缸下腔通壓力油，活塞桿帶著機械手臂軸上升插刀，同時傳動盤下面的銷子8從連接盤5的銷孔中移出。插刀動作完成后，軸16上的擋環(huán)壓下行程開關3，使轉位油缸20的左腔通壓力油，活塞桿帶著齒條19向右復位，齒輪4空轉，機械手無動作。齒條19復位后其上擋環(huán)壓下行程開關7，使液壓缸18的左腔通壓力油，活塞桿帶著齒條17向右移動，通過齒輪11使機械手反轉75°復位。機械手復位后，齒條17上的擋環(huán)壓下行程開關13，發(fā)出換刀完成信號，使刀套向上翻轉90°，為下次選刀做好準備。同時機床繼續(xù)執(zhí)行后面的操作。 4.3自動換刀過程的動作順序 機械手將刀具從刀庫中取出送至機床主軸上，然后將用過的舊刀送回刀庫。其動作過程簡述如下（結合如下?lián)Q刀過程示意圖4-3）： a. 刀套下轉90° 如上圖a所示刀庫位于立柱左側，刀具軸線在刀庫中的安裝方向與主軸垂直。換刀前，刀庫將待換刀具送到換刀位置，然后刀套連同刀具翻轉90°，使刀具軸線與主軸軸線平行，如圖b所示。 b. 機械手轉75° 如圖c所示，換刀機械手逆時針旋轉75°，兩手爪分別抓住刀庫上和主軸上的刀柄。 c. 機械手拔刀 待主軸上自動夾緊機構松開刀具后，機械手下降，同時拔出主軸上和刀庫上的刀具，如圖d所示。 圖4.2 自動換到示意圖 d. 刀具位置交換 如圖e所示，機械手逆時針轉180°，使主軸刀具與刀庫刀具交換位置。 e. 機械手插刀 機械手上升，分別將刀具插入主軸錐孔和刀庫刀套中,如圖f所示。 f. 機械手順時針轉75° 如圖g所示,待主軸上自動夾緊機構夾緊刀具后，機械手順時針轉75°，回到原始位置。 h. 刀套帶著換回的舊刀具向上翻轉90°，準備下一次選刀,如圖h所示。 4.4自動換刀裝置的相關技術要求 4.4.1 主軸準停裝置 為了傳遞扭矩，在主軸的前端裝有端鍵，當刀具刀柄裝入錐孔時，刀柄上的鍵槽位置必須與該鍵對準才能裝入。當機械手從刀庫取刀時，為了確保刀具其后能順利地裝入主軸錐孔中，必須使主軸準確地停在刀具交換位置上。同時，由于工藝上的需要，也必須使主軸準停在固定位置上。這種使主軸端在定位鍵停在固定位置的技術要求稱為主軸準停。可在主軸上安裝電氣控制的主軸準停裝置以實現(xiàn)主軸準停功能。 4.4.1換刀機械手的安裝與調試 a. 換刀機械手安裝在主軸箱的左側面，加工零件時，換刀機械手隨主軸箱一起上下運動； b. 當初裝上換刀機械手后，必須進行調試：用手動操縱主式調整換刀機械手相對于主軸的位置，使用調整心棒，有誤差時可調整機械手行程、刀庫位置、機械手支座、修正主軸坐標原點等。安裝最大重量刀具時，要進行多次刀庫到主軸位置的自動交換，使機械手換刀時做到準確無誤，無撞擊。 5自動換刀裝置的控制原理 5 自動換刀裝置的控制原理 5.1刀庫的控制 刀庫的轉動由電機帶動，轉速由控制信號電壓調定。刀庫刀盤最下位置的刀套旋轉90°，使刀頭朝下，等待機械手來換刀，是由氣缸實現(xiàn)的。當PLC控制系統(tǒng)發(fā)出換刀信號時，氣缸的活塞桿帶動撥叉上升，最下面的一個刀套右尾部的滾子正好進入撥叉的缺口，撥叉7上升使刀套連同刀具逆時針旋轉90°，使刀頭與主軸平行，便與換刀。當機械手完成換刀后，發(fā)出換刀結束信號，開始下一道工序。同時刀庫旋轉60°，把下一道工序刀具轉到刀庫最下端的換刀位置，做好下一次換刀準備，這也縮短了輔助時間。 5.2機械手的控制 機械手的換刀動作由液壓控制。機械手的換刀動作分別由三個液壓缸控制，如圖5-1所示。 圖5.1 機械手液壓控制 結 論 畢業(yè)設計是大學四年所學知識的一個考察,它兼顧了四年中所學的基礎和專業(yè)知識,因此不同于以前的課程設計,畢業(yè)設計是課程設計一個質的飛越.認識到這點,我對待畢業(yè)設計的態(tài)度也不敢懶散,一直抱以認真謹慎的學習態(tài)度. 在接到畢業(yè)設計課題后首先要做的就是搜集各方面的資料，以前的課程設計都是老師給出的，不用自己去煩惱。但是畢業(yè)設計就不同了，它是一個綜合設計，很多資料，數據都需要自己通過各種途徑搜集得到。 在本次設計中，要用到許多基礎理論，由于有些知識已經遺忘，這使我們要重新溫習知識，因此設計之前就對大學里面所涉及到的有關該課題的課程認真的復