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3.2机械手的驱动装置…………………………………………11
3.2.1手臂的伸缩运动………………………………………11
3.2.2手爪的开合……………………………………………11
3.2.3回转运动………………………………………………12
3.2.4直线运动………………………………………………12
3.3设计计算……………………………………………………13
3.3.1手指夹紧力的计算……………………………………13
3.3.2齿轮的设计……………………………………………13
3.3.3轴的设计………………………………………………19
3.3.4轴承的设计……………………………………………24
3.3.5弹簧的设计……………………………………………28
4结论……………………………………………………………………31
参考文献…………………………………………………………………31
致谢………………………………………………………………………32
加工中心换刀装置的设计
学生：
胡文午
指导老师：
刘玉慧
摘要：
机械手是自动换刀装置中交换刀具的主要工具，它担负着把刀库上的刀具送到主轴上，再把主轴上已用过的刀具返回刀库上的任务。
设计思路是用机械手的动作来实现对加工中心的换刀，机械手的转动有回转液压缸运来实现，其动力则由驱动系统实现。
加工中心的自动换刀装置，通常是由刀库和机械手组成，它是加工中心的象征，又是加工中心成败的关键环节。
因此各加工中心制造厂家都在下大力研制动作迅速、可靠性高的自动换刀装置，以求在激烈的竞争中取得好效益，自动换刀装置是加工中心的核心内容，各厂家都在保密，极少公开有关资料，尤其机械手部分更是如此。
这种机械手的拔刀、插刀动作，大都由油缸动作来完成。
根据结构要求，可以采用油缸动，活塞固定；
或活塞动，油缸固定的结构形式。
整个机械手由机械臂伸缩机构，机械爪开合机构，回转机构及装卸刀具直线运动机构组成。
关键词：
加工中心；
机械手；
刀库；
机械臂
ProcessingCenterinLnifeDeviceDesign
Student:
XiongTao
Tutor:
ZhangLan
（OrientalScience＆TechnologyCollegeofHunanAgriculturalUniversity,Changsha410128）
Abstract：
Manipulatorisautomaticallychangetooldevicethemaintooltoexchangetool,itbearsontheknifelibraryonthetooltospindle,andthenthespindlehasusedtoolreturnstasksontoolstore.Designideaistouserobotstoachievetheactionmachiningcenter,therotationofthemanipulatorchangecuttersareshippedturnhydrauliccylinder,itspowerisrealizedbydrivesystemimplementation.Machiningcenter,theautomaticcutterreplacementdeviceisusuallycomposedbyknifelibraryandmanipulator,itisthesymbolofprocessingcenter,itiscrucialtothesuccessoftheprocessingcenterlink.Sotheprocessingcentermanufacturesaredevelopedrapidlynextvigorously,highreliabilityofaction,inordertobeautomaticcutterreplacementdeviceinthefiercecompetitionandachievedgoodbenefit,automaticallychangetooldeviceisthecorecontentofmachiningcenter,themanufacturersareconfidential,seldompubliclyaboutmaterial,especiallymanipulatorpartisevenmoreso.Thismanipulator,asword,insertedknifeactionbyoilcylinderactionmostlytofinish.Accordingtothestructuralrequirement,canuseoilcylindermove,pistonfixed;
Orthepistonmove,oilcylinderfixedstructure.Thewholemanipulator,bymechanicalarmtelescopicinstitutionofmechanicalclawopening-closinginstitutions,rotaryinstitutionsandloadingandunloadingtoollinearmotionmechanismcomposition.
Keywords:
machiningcentre；
manipulator；
magazinetool；
mechanicalarm
1前言
本次设计的题目是加工中心的自动换刀装置中的核心部件---机械手的设计。
设计此机械手的目的是为了使加工中心能够更快的的工作，使加工中心能够得到更加充分的利用，以实现其的价值所在；
再者，由于使用了机械手，减少由于人工换刀带来的生产效率低，并且容易出事故的弊端。
本次设计的内容主要有回转液压缸装置和机械运动的驱动系统，对于其中动作的实现则由电气控制来实现。
由于本人能力及学识有限，在设计中存在有很多缺陷，望老师们能多加指导。
2加工中心的总体布局
盘式刀库的卧式加工中心
卧式加工中心的主轴是水平设置的，卧式加工中心刀库容量一般较大，有的刀库可存放几百把刀具，卧式加工中心的结构较立式加工中心复杂，占地面积大，价格也较高，卧式加工中心较适用于加工箱体之类的零件，特别对箱体零件上的一些孔和孔系，以及孔和型腔与基准面有严格要求的箱体，容易得到保证，适合于批量加工。
卧式加工中心的功能较立式加工中心多，在立式加工中心上加工不了的工件，在卧式加工中心上一般都能加工。
2.1技术条件
我们所设计的加工中心的主要的技术参数有：
1.刀库容量：
24把刀
2.刀柄型号：
标准刀柄
3.刀具最大直径：
120㎜
4.刀具最大重量：
1.5kg
5.刀具重量：
11㎏
6.换刀时间：
3.5s
7.选刀方式：
任选
2.2总体布局
图1卧式加工中心的总体布局
Fig.1Horizontalprocessingcenterofthegenerallayout
2.3卧式加工中心的机械结构：
1主轴组件对加工中心主轴组件的基本要求是具有足够的刚度，精度，传递足够的功率和转矩，以及高速运转和适应自动换刀的条件。
主轴轴承多采用高精度，高刚度，高速滚动轴承。
卧式加工中心的主轴组件按进给功能分有镗轴进给，滑枕进给及非进给主轴等类型，大多数采用非进给型主轴。
2立柱立柱有侧面导轨型与正面导轨型。
侧面导轨型立柱便于机床的总体设计，制造成本也较低，并抑易于与非数控卧式镗铣床建立模块化系列关系，但这类立柱在机床工作时受力状况较差，且热变形的对称性差，因而对机床加工精度影响较大。
正面导轨型立柱多采用门式结构，有较好的热对称结构和受力条件，多数加工中心采用这种立柱形式。
3工作台卧式加工中心可采用自动分度工作台，数控回转工作台。
3换刀机械手的设计
3.1刀具的交换装置
3.1.1自动换刀装置
加工中心区别于NC镗铣床的主要特点就在于它具有根据工艺要求自动更换所需刀具的功能，即自动换刀（ATC）机能。
加工中心的自动换刀形式，可分为有机械手换刀方式和无机械手换刀方式两类。
无机械手换刀方式，适用于采用40号以下刀柄的小型加工中心或换刀次数少的用量型刀具的重型机床，这种换刀方式没有机械手，因而结构简单。
另外，刀库回转是在工步与工步之间，即非切削时进行的。
因此，虽然刀库设置在立柱顶面，却免去了刀库回转时的震动对加工精度的影响。
无机械手换刀方式中，刀库可以是圆盘型、直线排列式，也可以是格子箱式等。
无机械手换刀方式中特别需要注意的是刀库转位定位的准确度，为保证转位准确，就要尽力消除刀库驱动传动链的间隙，为此可采用双导程蜗杆蜗轮副，或采用可以相互错位的两片齿轮结构形式，或采用插销定位、反靠定位等方法来准确定位。
圆盘型刀库可设在立柱顶上、立柱主轴箱的侧面，也可设在横梁一端，或设在主轴箱上，由主轴箱和刀库配合运动完成自动换刀动作。
直线排列式刀库可设在工作台上方，也可设在工作台的一端或两端，由主轴箱或工作台配合运动完成自动换刀动作。
格子箱式刀库可设在双工作台的中间，换刀时，小直径刀具可轴向取刀，大直径刀具可径向取刀。
无机械手换刀方式中特别需要注意的是刀库转位定位的准确度。
为保证转位准确，就要尽力消除刀库驱动传动链的间隙，为此可采用双导程蜗杆蜗轮副，或采用可以相互错位的两片齿轮结构形式；
或采用插销定位、反靠定位等方法来准确定位。
采用机械手进行刀具交换的方式应用的最为广泛，这是因为机械手换刀有很大的灵活性，而且可以减少换刀时间。
图见零号图自动换刀机械手。
换刀动作如图2所示：
图2机械手的换刀动作
Fig.2Manipulatormovements.Changecutters
3.1.2机械手的种类
加工中心换刀机械手的种类繁多，可以说每个厂家都推出自己的独特的换刀机械手，在加工中心的自动换刀系统中，是机械手具体执行刀具的自动更换，对其要求是迅速可靠、准确协调。
由于加工中心机床的刀库和主轴，其相对位置距离不同，相应的换刀机械手的运动过程也不尽相同，它们由各种形式的机械手来完成。
常见的机械手有：
1单臂单爪回转式机械手
机械手摆动的轴线与刀具主轴平行，机械手的手臂可以回转不同的角度来进行自动换刀，换刀具的所花费的时间长，用于刀库换刀位置的刀座的轴线相平行的场合。
如图3所示：
图3单臂单爪回转式机械手
Fig.3Singlegripperrotaryrobotmanipulators
2单臂双爪回转式机械手
图4单臂双爪回转式机械手
Fig.4Doubleclawrotaryrobotmanipulators
这种机械手的手臂上有两个卡爪，两个卡爪有所分工，一个卡爪只执行从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务，另一个卡爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务，其换刀时间较上述单爪回转式机械手要短，如图4所示。
2双臂回转式机械手（俗称扁担式）
这种机械手的两臂各有一个卡爪，可同时抓取刀库及主轴上的刀具，在回转180°
之后有同时将刀具归回刀库及装入主轴，是目前加工中心机床上最为常用的一种形式，换刀时间要比前两种都短，如图5所示。
图5双臂回转式机械手
Fig.5Armsrotarymanipulator
这种机械手在有的设计中还采用了可伸缩的臂，如图6所示：
图6双臂回转式机械手
Fig.6Armsrotarymanipulator
3双机械手
这种机械手相当与两个单臂单爪机械手，相互配合起来进行自动换刀。
其中一个机械手执行拔“旧刀”归回刀库，另一个机械手执行从刀库取“新刀”插入机床主轴上，如图7所示：
图7双机械手
Fig.7Doublemanipulator
4双臂往复交叉式机械手
图8双臂往复交叉式机械手
Fig.8Robotarmsreciprocatingshortestarrangement
这种机械手两臂可往复运动，并交叉成一定角度。
两个手臂分别称作装刀手和卸刀手。
卸刀手完成往主轴上取下“旧刀”归回刀库，装刀机械手执行从刀库取出“新刀”装入主轴。
整个机械手可沿导轨或丝杠作直线移动或绕某个转轴回转，以实现刀库与主轴之间的运送刀具工作，如图8所示双臂端面夹紧式机械手
这种机械手只是在夹紧部位上和前几种不同，上述几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面来抓住刀具，而此种机械手则是夹紧刀柄的两个端面，如图9所示：
图9双臂端面夹紧式机械手
Fig.9Armsclamponmanipulatorend
3.1.3手爪的选择
机械手的手爪在抓住刀具后，还必须具有锁刀功能，以防止在换刀过程中掉刀或刀具被甩出。
当机械手松刀时，刀库的夹爪既起着刀套的作用，又起着手爪的作用。
对于双臂回转式机械手的手爪，大都采用机械锁刀方式，有些大型加工中心，亦有采用机械液压锁刀方式，以保证大而重的刀具在换刀中不被甩出。
手爪的形式有：
机械锁刀手爪——弹簧销式手爪，使用这种形式的抓持机构，手爪不需要设置专门的传递装置，因而结构简单，使用广泛。
但在机械手有旋转运动时，为避免刀具甩脱，手爪就必须有自锁夹持机构，其结构较复杂。
钳形杠杆机械手。
这种机械手手爪的张合需要动力传递装置，传动较复杂，但手爪的结构可较简单。
使用也较普遍。
虎钳形指。
在手爪中设有定位销，使刀具在手爪中定位。
用这种形式的夹持机构时，刀具需经特殊补充加工，不能使用标准刀具，所以使用者较少。
我们在这里采用第一种手爪。
3.1.4刀具的夹持
在刀具自动交换装置上，机械手抓刀具的方法大体上可以分为下列两类：
柄式夹持（轴向夹持）
发兰式夹持
图10刀柄的型式
Fig.10Handletype
这种夹持方式，在刀具夹头的前端，有供机械手用的发兰盘。
采用发兰式夹持，当应用中间搬运装置时，可以很方便地从一个机械手将刀具夹头过渡到另一个辅助机械手上去，刀具夹头采用带洼形的法兰盘夹持刀夹。
在这里，我们采用第一种夹持方式，刀柄型号为BT40。
图10所示为标准刀具夹头的锥柄柄部，由图可见，刀柄圆柱部分的V形槽是供机械手夹持之用。
带V形槽圆柱右端，按所装刀具（例如钻头、铣刀、铰刀及镗杆等）不同，根据标准可设计成不同形式。
表1日本BT标准刀柄的尺寸：
Tab.1ThesizeoftheJapaneseBTstandardhandles
柄部
型号
锥体
螺纹孔
凸缘
D1
L
r
l1
l2
l3
d1
g
d2
t
b
BT40
44.45
65.4
1
9
30
70
17
M16
19
22.5
16.1
BT45
57.15
82.8
1.2
11
38
21
M20
23
29
19.3
BT50
69.85
101.8
1.5
13
45
90
25
M24
27
35.3
25.7
3.2机械手的驱动装置
图见自动换刀机械手的驱动装置和驱动装置外形。
3.2.1手臂的伸缩运动：
回转头的两端对称分布着两个机械臂，可以同时伸出抓刀。
机械臂伸缩机构由回转液压缸1（见驱动外形图），输出轴47，齿轮44以及齿条39和45组成（见自动换刀机械手图）。
当压力油通过支架28和贯穿花键轴30的通孔（见换刀机械手驱动装置图）进入回转液压缸1时，推动输出轴47转动，轴上的齿轮44便带动齿条39和44作直线运动，使两只机械臂同时伸出，通过齿条39及44上的挡块52压向调整螺钉53来限制终点位置。
同时由左视图中的微动开关30发出信号，以进行下一个动作。
当回转液压缸改变油路时，机械臂便缩回。
3.2.2手爪的开合（见自动换刀机械手图）
机械臂的头部带有固定手爪14与活动手爪18，用来夹持刀柄之用。
活动手爪18可绕小轴15转动，其一端由弹簧杆19作用支靠在小轴20上。
当弹簧顶杆3未碰到挡块13而自由伸出时，挡杆22在弹簧作用下，其一端的斜面与活动手爪18的端部斜面台阶相靠，从而将活动手爪18锁死。
当挡块13左移，将弹簧顶杆3压入时，顶杆3的一端迫使杠杆21顺时针转动。
这样，杠杆21的一端将挡杆22的斜面自活动手爪18的端部斜面滑开。
因此，当活动手爪18伸向刀柄拔刀或插刀后收回时，刀柄表面可使活动手爪18压缩弹簧而稍微张开，这样机械爪即可将刀柄抱住或退出。
与此同时，齿条44（或39）上的挡杆压于调整螺钉而限位，同时微动行程开关动作发出下一动作的信号。
由于机械爪伸向刀柄拔刀，或插刀后收回，都是当机械手处于轴向向左移动后的位置上进行的。
为了使机械手的活动手爪18在这时能从自锁状态下松开，在机床床身立柱上设有固定杆35，在机械臂的一侧有挡块装置。
挡块13、锥孔盘4（在端面上周向均匀分布有4个锥孔）和轴9固定相连，轴9装于支架12内，其右端又与一端盖10用螺纹固定。
当挡块13未与固定杆35相碰时，锥孔盘4处于与钢球5相对位置，弹簧销11顶着端盖10，使锥孔盘4紧靠于支架12的端面上，此时机械臂的弹簧顶杆3自由伸出，活动手爪1处8于锁死状态。
当机械手轴向向右移动后，固定杆35迫使挡块13转动，由于此时锥孔盘4端面上的锥孔与钢球5错开，这样锥孔盘4即连同挡块13、轴9、端盖11、压缩弹簧销11向左移动。
挡块13即将机械臂上的弹簧顶杆3压入，将活动手爪18自锁紧状态下松开。
当机械爪伸出抓住刀柄后，机械手轴向向左伸出，此时挡块13亦同时离开固定杆35，借弹簧1的作用，将挡块13拉回原来的锥孔盘4上锥孔与钢球5相对的原始位置，由弹簧销11的作用，使挡块13又向右移动至锥孔盘4与支架12端面压紧的位置。
这时机械臂上的弹簧顶杆3又自由伸出，将活动手爪18锁死，保证机械手将刀具拔出后，机械手能将刀具可靠地夹紧。
3.2.3回转运动（见驱动装置图）
回转机械用来实现刀具的交换动作，由图驱动外形装置图可见它由手臂14，回转座51组成的。
手臂14与花键轴50固定连接，花键轴与两个花键套筒49相连，后者则由固定在机床立柱上回转座51上的两个滚动轴承支撑。
齿轮41通过花键轴套筒安装在花键轴的右端。
回转液压缸的结构见第三张图，回转缸壳体79和上端盖86、下端盖74、定片93间均用螺钉联接，并将它们作为一体通过上端盖与固定在立柱上。
转轴2支承在上、下端盖上，与动片90固定联接，其伸出端通过花键轴部分与中间座的齿轮联接，向手臂传递运动，当液压缸通入高压油而使转轴转动时，通过传动齿轮99带动齿轮41回转，这样，由花键轴50带动手臂14转动，其转角两相对180°
的极限位置，可由螺钉67及53限定，同时由螺钉65及68压下微动开关69及52发出到位信号，以进行下一个动作。
3.2.4直线运动
回转头14的向左或向右（拔刀或插刀）的直线运动是由液压缸来实现。
液压缸座系固定于机床立柱上，活塞杆端部有联接件与花键轴相连。
当活塞杆因液压缸进入高压油而向左或向右运动时，通过联接件即可带动花键轴作直线运动，从而带动回转头及机械手臂作向左或向右运动。
在液压缸两端设有缓冲装置，可防止活塞与液压缸端面的撞击。
当活塞在左右两极限位置时，都设有可调挡块，由微动开关作用发出到位信号。
需要提醒的是，既要保证不漏油，又要保证机械手动作灵活。
过紧的密封，往往影响机械手的正常动作。
这种液压缸活塞驱动的机械手，每个动作结束之前均需设置缓冲机构，以保证机械手的工作平稳、可靠。
缓冲结构可以是小孔节流，可以外接节流阀或是缓冲阀等。
为了使机械手工作平稳可靠，除了要设有缓冲机构外，还要考虑尽可能减小机械手的惯量。
圆柱体围绕旋转中心的运动惯量可由下式确定：
J=J0+WR2/9.8（N.m.s^2）
（1）
式中J0——圆柱体绕其自身中心的惯量（N·
m·
s2）
W——圆柱体的重量（N）
R——旋转半径（m）
由上式可见，惯量与物体重量成正比，与旋转半径的平方成正比。
因此要尽可能采用密度小质量请的材料制造有关的零件，要尽可能的减小机械手的回转半径。
由于液压驱动的机械手需要采用严格的密封，因此还需要缓冲机构。
3.3设计计算
3.3.1手指夹紧力的计算：
手指对工件的夹紧力可按下式计算：
N≥k1k2k3Gkg·
f
（2）
式中k1——安全系数，通常取1.2~2，我们取k1=1.8；
k2——动载系数，主要考虑惯性力的影响，可按k2＝1＋a/g估算；
a为机械手在搬运过程中的加速度，单位为m/s2,a＝9.8m/s2,
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