340 自動換刀機(jī)械手設(shè)計(jì),自動,機(jī)械手,設(shè)計(jì) 一、選題背景1. 國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的的發(fā)展情況20 世紀(jì) 90 年代以來, 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)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。帶有自動換刀系統(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。加工中心的換刀過程較為復(fù)雜, 動作多, 動作間的相互協(xié)調(diào)關(guān)系多, 因而自動換刀系統(tǒng)性能的好壞直接影響加工效率的高低。2. 加工中心發(fā)展簡史1952 年世界上出現(xiàn)第一臺數(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)對機(jī)床的工藝功能、幾何圖形運(yùn)動功能和輔助功能實(shí)行全自動的數(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。自動換刀裝置的形式是多種多樣的，主要的組成部分是刀庫、機(jī)械手和驅(qū)動機(jī)構(gòu)等，雖然換刀過程、選刀方式、刀庫結(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，由電動機(jī)或液壓或氣動機(jī)構(gòu)驅(qū)動刀庫和機(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換刀裝置（automatic tool change 簡稱ATC） 。3. 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3）減少在制品4）減少刀具費(fèi)5）最少的直接勞務(wù)費(fèi)6）最少的間接勞務(wù)費(fèi)7）設(shè)備利用率高4． 加工中心的發(fā)展趨勢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、自動換刀和自動交換工作臺的高速化。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)動精度指標(biāo)。而這一精度指標(biāo)，近年來有了不小的提高，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)動精度，主要以定位精度、重復(fù)定位精度以及銑圓精度來表示。3.機(jī)能更加完善（1）愈來愈完美的自診斷機(jī)能（2）新式刀具破損檢測裝置（3）加工中心復(fù)合化趨勢二、設(shè)計(jì)方案（一） 、 研究的主要內(nèi)容加工中心換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)是在實(shí)現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)其準(zhǔn)確、快速、可靠、穩(wěn)定的換刀。設(shè)計(jì)得主要內(nèi)容如下：1、根據(jù)目前常用的加工中心換刀機(jī)械手的換刀方式，對手臂伸縮與手指夾緊機(jī)構(gòu)、手架旋轉(zhuǎn)與手架伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出幾種新的方案，并通過對所提出方案的論證分析，選擇一種較為理想的方案進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。2、對所選設(shè)計(jì)方案中換刀機(jī)械手的組成機(jī)構(gòu)及各個(gè)自由度運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析。3、對加工中心換刀機(jī)械手的手指夾緊力進(jìn)行分析與計(jì)算，并對其關(guān)鍵部位進(jìn)行校核，以保證換刀的可靠性。4、確定各個(gè)運(yùn)動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。5、對設(shè)計(jì)中所涉及到的液壓缸通過計(jì)算確定其個(gè)部分結(jié)構(gòu)的具體尺寸，并對個(gè)活塞桿的強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及螺栓的強(qiáng)度進(jìn)行校核，以保證加工中心換刀機(jī)械手能夠穩(wěn)定、可靠的完成換刀過程。6、對設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的齒輪、軸等重要零部件通過計(jì)算確定尺寸后，要進(jìn)行安全校核。7、設(shè)計(jì)出加工中心換刀機(jī)械手的控制系統(tǒng)部分，完善設(shè)計(jì)內(nèi)容。(二)、初步設(shè)計(jì)方案1.手臂伸縮與手指夾緊機(jī)構(gòu)由于與機(jī)械、電力傳動相比，液壓傳動具有體積小、質(zhì)量輕、功率大運(yùn)動平穩(wěn)的特點(diǎn)，并且因?yàn)橐簤涸凶晕覞櫥饔?，使用壽命長 [5]，所以在以下設(shè)計(jì)方案中，手臂伸縮運(yùn)動及手指夾緊運(yùn)動都采用液壓的驅(qū)動方式。并且由于兩手伸縮回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機(jī)械手的兩手可伸縮，縮回后回轉(zhuǎn)，可避免與刀庫中其他刀具干涉，所以，以下設(shè)計(jì)方案中的換刀機(jī)械手為兩手伸縮回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機(jī)械手。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案在此方案中，加工中心換刀機(jī)械手四個(gè)手指的運(yùn)動分別由四個(gè)液壓缸單獨(dú)控制，這使得它運(yùn)動的靈活性很強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示。圖 2.1 手臂伸縮與手指夾緊機(jī)構(gòu)2. 手架旋轉(zhuǎn)與手架伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案此方案的主要特點(diǎn)是，手架旋轉(zhuǎn)軸與手架伸縮液壓缸之間通過一對角接觸球軸承來連接，由這對軸承向旋轉(zhuǎn)軸傳遞活塞桿的推力和拉力，實(shí)現(xiàn)手架的伸縮運(yùn)動，并且保證手架旋轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)也不會干擾到手架伸縮液壓缸。手架旋轉(zhuǎn)軸上開有很長的鍵槽，通過滑鍵與圓錐齒輪相連，這樣就可以使手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動與手架的伸縮運(yùn)動之間互不干擾。對于手架的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，則采用電動機(jī)驅(qū)動方式，用延時(shí)繼電器控制電動機(jī)的起、停時(shí)間，并由單級圓錐齒輪將電動機(jī)的運(yùn)動傳遞給手架旋轉(zhuǎn)軸，這在一定程度上簡化了加工中心換刀機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖 2.3 所示。圖 2.3 機(jī)構(gòu)三、進(jìn)度安排(一)、第一階段（1-4 周）1、開題報(bào)告(含文獻(xiàn)綜述、參考資料等)2.方案論證和方案設(shè)計(jì)（二）、第二階段（5-11 周）1、完成第一張 A02、完成第二張第三張的草圖繪制（包括主要結(jié)構(gòu)）（三）、第三階段（12-18 周）1、繪制要求的其余設(shè)計(jì)圖紙2、撰寫說明書準(zhǔn)備答辯四、參考文獻(xiàn)【1】沈陽市機(jī)床工業(yè)公司七·二一大學(xué)編著， 《工業(yè)機(jī)械手》 ，遼寧人民出版社，1979【2】工業(yè)機(jī)械手圖冊編寫組編著， 《工業(yè)機(jī)械手圖冊》 ，機(jī)械工業(yè)出版社，1978【3】李允文編， 《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)》 ，機(jī)械工業(yè)出版社，2009【4】王永章,杜君文,程國全 主編.數(shù)控技術(shù)[M].高等教育出版社,2007.8;【5】李建功， 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 ，機(jī)械工業(yè)出版社，2008【6】廉元國 張永紅 加工中心設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M] 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.12；【7】王永華主編， 《現(xiàn)代電氣控制及 PLC 應(yīng)用技術(shù)》 ，北京航空航天大學(xué)出版社，2003【8】 （美）J 達(dá)菲著， 《機(jī)構(gòu)和機(jī)械手分析》 ，1990【9】依蘭·歐克拉，比克·京.數(shù)控平面加工中心輪式刀庫自動換刀裝置的設(shè)計(jì).成都紡織高等專科學(xué)校學(xué)報(bào).2000指導(dǎo)教師意見：指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）領(lǐng)導(dǎo)小組意見：負(fù)責(zé)人簽章： 年 月 日