数控镗铣床换刀机械手设计.docx

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数控镗铣床换刀机械手设计

数控镗铣床换刀机械手设计

摘要

为了更好的应用，机床工业中的对应机械手获得了广泛的研究，然而，有限的工作空间，比较差的灵活性，复杂对应机械手的难于设计，导致人们把目光投向于少于6个自由度的对应机械手，本篇论文描述了几个在自由度的数量和类型上都不相同的对应机械手，这些对应机械手可被用语对应运动机器，运动模拟器和工业机器人。

关键词：

对应机械手；对应运动机械；自由度；机器人

Abstract

llelmanipulatorsforthemachinetoolIndustryhavebeenstudiedextensivelyforvariousindustrialapplications.However,limitedusefulworkspaceareas,thepoormobility,anddesigndifficultiesofmorecomplexparallelmanipulatorshaveledtomareinterestinparallelmanipulatorswithlessthansixdegreesoffreedom（DoFs）.Severalparallelmechanismswithvariousnumbersandtypesofdegreesoffreedomaredescribedinthispaper,whichcanbeusedinparallelkinematicsmachines,motionsimulators,andindustrialrobots.

Keywords：

parallelmanipulator；parallelkinematicmachine；degreeoffreedom；robot

绪论…………………………………………………………………………………5

1机械手的相关介绍……………………………………………………………………6

1.1数控技术的发展历程……………………………………………………………6

1.2数控加工中心的基本功能…………………………………………………………6

1.3加工中心的组成部分………………………………………………………………7

1.3.1刀库……………………………………………………………………7

1.3.2刀具交换装置…………………………………………………………………7

1.3.3运刀装置……………………………………………………………………8

1.3.4刀具编码装置…………………………………………………………………8

1.3.5刀具识别装置……………………………………………………………………9

1.4刀库的驱动及定位…………………………………………………………………9

1.5我国数控技术的发展状况…………………………………………………………10

1.6数控技术的发展趋势……………………………………………………………10

2换刀机械手的总体方案设计……………………………………………………………11

2.1设计任务……………………………………………………………………………11

2.2机械手的平稳性……………………………………………………………………11

2.3机械手的运动特性分类……………………………………………………………13

2.4开关型机械手的速度及位置控制…………………………………………………13

2.5机械传动行机械手的速度及位置控制……………………………………………14

2.6机械手类型确定……………………………………………………………………14

2.7驱动系统及电控统的选择…………………………………………………………14

3总体结构设计…………………………………………………………………………19

3.1手爪部分设计………………………………………………………………………19

3.2机械手手臂设计…………………………………………………………………19

3.3机械手传动结构的设计…………………………………………………………22

4换刀机械手的参数和计算………………………………………………………………25

4.1手臂的弯曲变形……………………………………………………………………25

4.2电动机的选择………………………………………………………………………26

5换刀过程………………………………………………………………………………27

致谢………………………………………………………………………………………31

参考文献…………………………………………………………………………………32

绪论

随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已越来越引起人们的重视。

生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。

因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的应用。

在现代工业生产自动化领域中，机械加工的快速上下刀、精确的加工都使数控机床以及数控加工中心的应用显得十分重要。

据详实的资料统计，这些费用占全部加工费用的五分之一以上。

而大规模的机械加工中，时间的节省越来越成为生产者和工程设计者（或者技术人员）的追求方向，这也是未来工业发展的趋势。

机械手已被广泛用于航空、航天以及工业生产领域中，并取得较好的效果。

现今的工业机械手可分为专用机械手和通用机械手两类。

我国目前研制的工业机械手大多还是专用机械手。

该机械手的结构形式比较简单，专用性强，仅附属于某台机床。

虽然其有着通用机械手无法比拟的批量大，对某些设备（或者机加零件）的加工精确性高的优点，但就目前来看，专用机械手存在着适应性不强的弊端。

这就要对其进行必要的改造，使其适应未来的工业发展的需要。

由于通用机械手改变工作程序较方便，特别适用于多品种、小批量的生产。

通用机械手在工业生产中的应用只有三十年的历史，但这些装置在国外得到相当重视。

所以设计生产使用数控机床、数控加工中心一类的较为高级的机加设备是迫在眉睫的。

虽然目前我国的数控加工中心等大型设备还是依赖进口，但相信不久的将来我国必然会设计研制出自己的设备，这需要我们所有人的不懈努力。

这次设计的换刀机械手的主要任务是，完全模拟人手的换刀动作，给机床主轴提供相对转动实现夹紧、放松刀具的动作。

1换刀机械手的相关介绍

1.1数控技术的发展历程

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。

1.2数控加工中心的基本功能

带有自动换刀刀具交换装置（ATCAutomaticToolChange）的数控机床称为加工中心。

它通过刀具的自动交换，可以一次装夹完成多道工序的加工，实现了工序的集中和工艺的复合，从而缩短了辅助加工时间，提高了机床的效率，减少了零件安装、定位次数，提高了加工精度。

加工中心是目前数控机床中产量最大、应用最广的数控机床。

带有刀具自动交换装置、能一次集中完成多种工序加工的数控加工设备。

数控机床实现了中、小批量加工自动化，改善了劳动条件。

此外，它还具有生产率高、加工精度稳定、产品成本低等一系列优点。

为了进一步发挥这些优点，数控机床遂向“工序集中”，即一台数控机床在一次装夹零件后能完成多任务序加工的数控机床（即加工中心）方面发展。

钻、镗、铣、车等单功能数控机床只能分别完成钻、镗、铣、车等作业，而在机械制造工业中，大部分零件都是需要多任务序加工的。

在单功能数控机床的整个加工过程中，真正用于切削的时间只占30％左右，其余的大部分时间都花费在安装、调整刀具、搬运、装卸零件和检查加工精度等辅助工作上。

在零件需要进行多种工序加工的情况下，单功能数控机床的加工效率仍然不高。

加工中心一般都具有刀具自动交换功能，零件装夹后便能一次完成钻、镗、铣、攻丝等多种工序加工。

1.3加工中心的组成部分

加工中心分两大部分：

数控机床和刀具自动交换装置。

刀具自动交换装置应能满足以下几个方面的要求：

①换刀时间短；②刀具重复定位精度高；③识刀、选刀可靠，换刀动作简单；④刀库容量合理，占地面积小，并能与主机配合，使机床外观完整；⑤刀具装卸、调整、维护方便。

刀具自动交换系统由刀库、刀具交换装置、刀具传送装置、刀具编码装置、识刀器等五个部分组成。

1.3.1刀库

刀库是存贮加工所需各种类型刀具的仓库。

它是刀具自动交换系统中的重要组成部分，具有接受刀具传送装置送来的刀具和将刀具给予刀具传送装置的功能。

它的容量、布局和具体结构对整个加工中心的总体布局和性能有很大的影响，按其结构、形状可分为以下六种：

①圆盘式刀库，又分为轴向式（刀具中心线与圆盘中心线平行）、径向式（刀具中心线与圆盘中心线垂直）和多盘式（在一根旋转轴上分设几层圆盘刀库）。

②转塔式刀库，又分倾斜式和水平式。

③鼓轮式刀库。

④链式刀库。

⑤格子式刀库。

⑥直线式刀库。

应当根据被加工零件的工艺要求合理的确定刀库的存储量。

根据对车床、铣床和钻床的所需刀具的数的统计表明，在加工过程中经常使用的刀具数目并不很多，对于钻削加工，用14把不同的规格的刀具就可以完成约80%的加工，即使要求完成90%的工件加工，用20把刀具也就足够了。

对于铣削加工，需要的刀具更少，用4把不同规格的铣刀就能完成约90%加工，用5把不同规格的铣刀可以加工95%的工件。

因此从使用角度来看，刀库的存储量一般为20~40把较为合适，多的可达60把刀，超过60把刀的很少。

1.3.2刀具交换装置（机械手）

它的职能是将机床主轴上的刀具与刀库或刀具传送装置上的刀具进行交换，其动作循环为：

拔刀─新旧刀具交换─装刀。

换刀机械手种类繁多，可以说每个厂家都可以推出自己的机械手，基本上换刀装置按交换方式又分为两类。

无机械手换刀：

由刀库与机床主轴的相对运动实现换刀。

在这类装置中，刀库一般为格子式，装在工作台上。

换刀时，先使工作台与主轴相对运动，将使用过的旧刀送回刀库，然后再使工作台与主轴相对运动一次，从刀库中取出新刀。

这种换刀方式的换刀时间长，另外刀库设置在工作台上，减少了工作台的有效使用面积。

采用机械手换刀：

机械手刀具交换装置，有单臂单手式机械手、回转式单臂双机械手、双臂机械手、多手式机械手。

特别是双臂机械手刀具交换装置具有换刀时间短、动作灵活可靠等优点，应用最为广泛。

双臂机械手中最常用的几种结构有：

钩手；抱手；伸缩手；叉手。

双臂机械手进行一次换刀循环的基本动作为：

抓刀（手臂旋转或伸出，同时抓住主轴和刀库里的刀具）；拔刀（主轴松开，机械手同时将主轴和刀库中的刀具拔出）；换刀（手臂转180°，新、旧刀交换）；插刀（同时将新刀插入主轴，旧刀插入刀库，然后主轴夹紧刀具）；缩回（手臂缩回到原始位置）。

机械手的手爪，大都采用机械锁刀的方式，有些大型的加工中心，也有采用机械加液压的锁刀方式，以保证大而重的刀具在换刀中不被甩出。

1.3.3运刀装置

当刀库容量较大、布置得离机床较远时，就需要安排两只机械手来完成新旧刀的交换动作，一只靠近刀库，称为后机械手，完成拔新刀、插旧刀的动作；一只靠近主轴，称为前机械手，完成拔旧刀、插新刀的动作。

在前后机械手之间则设有运刀装置。

它一方面将前机械手从主轴上拔出的旧刀运回刀库旁，以便后机械手将该旧刀拔出并插回刀库；另一方面则将后机械手从刀库中拔出的新刀运到主轴旁，以便前机械手将该新刀拔出并插入主轴。

运刀器的职能就是在前后机械手之间来回运送新、旧刀具。

1.3.4刀具编码装置

将加工所需的刀具自动地从刀库中选择出来称为自动选刀，有顺序选择和编码选择两种方式。

顺序选择方式：

将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库中。

加工时按加工顺序一一取用。

采用这种选刀方式不需要识刀器，刀库结构及其驱动装置都非常简单，每次换刀时控制刀库转位一次即可。

采用顺序选刀方式时，为某一个工件准备的刀具，不能在其他工件中重复使用，这在一定程度上限制了机床的加工能力。

固定地址选择方式：

这是一种对号入座的方式，又称为刀座编码方式。

这种方式是对刀库的刀座进行编码，并将与刀座编码相对应的刀具一一放入指定的刀座中。

然后根据刀座的编码选取刀具。

该方式使刀柄的结构简化，刀具可以做得较短，但刀具不能任意安放，一定要插入配对的刀座中。

与顺序选择方式相比较，刀座编码方式最突出的优点是刀具可以在加工过程中多次使用。

编码选择方式：

将加工某一项零件所需的全部刀具（或刀座）都预先编上代码，存放在刀库中。

加工时根据程序寻找所需要的刀具。

由于每把刀具都有自己的代码，它们在刀库中的位置和存放顺序可以与加工顺序无关。

每把刀具都可被多次重复使用。

刀具编码有多种方式，常用的有三种。

刀具编码：

在每一把刀具的尾部都用编码环编上自己的号码。

选刀时根据穿孔带所发出的刀号指令任意选择所需的刀具。

由于每把刀具都有自己确定的代码，无论将刀具放入刀库的哪个刀座中都不会影响正确选刀。

采用这种编码方式可简化换刀动作和控制线路，缩短换刀时间。

这种编码现已获广泛应用。

刀座编码：

在刀库的每一个刀座上用编码板编码。

这种编码方式的优点是刀柄不会因尾部有编码环而增加长度；缺点是刀具必须对号入座，换刀时间长。

编码钥匙：

预先给每把刀具都系上一把表示该刀具代码的编码钥匙。

1.3.5刀具识别装置

通常有接触式和非接触式两种。

1.4刀库的驱动及定位

刀库的旋转可分为电气驱动和液压驱动两种方式。

电气驱动可以将伺服半闭环系统用作驱动刀库的转动，也可采用系统的PC直接发出运转信号控制电机的运转来带动刀库旋转。

液压驱动仍需电气信号的配合，PC给出运转信号，一般通过电磁阀来实现前级控制，只是执行机构是液动马达。

在执行ATC过程时，除了主轴头的定向及主轴箱的定位外，为确保所更换的刀具准确地被机械手抓住，所以刀库的定位也是必要的功能。

电气驱动时可在电机上安装位置编码器进行定位,也可以在抓刀位置安装接近开关来检测定位。

液动结构的刀库往往采用机电结合式的销定位方式。

半闭环伺服驱动刀库的定位精度较高,其它几种方式也足以满足刀库定位精度的要求。

1.5我国数控系统的发展概况

   在对内搞活，对外开放的方针指引下，于1980年开始引进日本就有70年代末期水平的微处理器数控系统和直流伺服拖动技术。

并于1981年开始生产，到1988年又开始引进美国的GE和DYNAPATH公司的数控系统和拖动技术，在上海市机床研究所和辽宁精密仪器厂组织生产。

1985年以后，我国的数控机床的可供品种已超过300种，其中数控机床占40%，加工中心占27%，其它品种为重型机床、镗铣床、电加工机床、磨床、齿轮加工机床等。

目前我国数控机床生产厂家共有100多家，其中能批量生产的企业有42家，平均年产量40~50台，几家重点企业年产量可以达到400~700台；数控系统生产企业约50家，但生产具有一定批量的只有8家，生产数控机床配套产品的企业共计300余家，产品品种包括八大类2000种以上。

我国的数控系统分为三种类型，经济型、普及型、和高级型。

在经济型数控系统中，我国具有很大优势，在当前每年数千台经济型数控车床和电加工机床的市场上，国产数控系统占据了绝大份额。

在普及型数控系统的市场上，我们正在取得进展。

当然，拥有自主知识产权的数控系统在市场的开拓上仍要尽更大的力量。

新开发的国产数控机床产品大部分达到国际80年代中期水平，部分达到90年代水平，在技术上也有所突破，如高速主轴制造技术、快速进给、快速换刀、柔性制造、快速成型制造技术等为下一代国产数控技术的发展奠定了基础。

1.6数控系统的发展趋势

国际上，数控系统的发展趋势正朝着高速度高精度化、高可靠性、多功能化、智能化、集成化、具有开放性、网络化数控系统、并联机床及数控系统的方向发展。

2换刀机械手的总体方案设计

2.1设计任务

本次设计的主要任务是：

自动换刀机械手，实现数控镗铣床的自动换刀，需要换的刀具主要是BT40型刀柄，需要实现的工作是抓刀—换刀—松刀的动作。

主要技术参数：

刀具最大重量6kg，双臂回转式换刀，刀臂数量和长度以及直径主要依据配套刀库的设计要求。

换刀时间2.5S。

.

2.2机械手的平稳性

工业生产要求机械手工作速度快，运动平稳，定位精度高。

应注意其影响因素，设计合理结构，以满足要求。

1、影响平稳性以定位精度的因素

（1）、惯性力的影响

图2.1惯性曲线

机械手速度突变，加（减）速度不连续，会产生巨大的惯性冲击力，以至使工件滑动、部件松动、零件破裂。

定位时，大的减速度使臂部往复振动，直接影响定位精度。

因此，应根据机械手的运动特性，选择适宜的控制系统，使加（减）速度按所需的运动归路变化，同时，在保证刚度的前提下，减轻机械手运动件的重量。

（2）、结构刚度的影响

零件结构刚度性差，配合间隙大及整机固有频率低时，受较小惯性冲击，就发生振动。

不但降低定位精度，而且降低机械手寿命。

应选择合理结构，提高机械手固有频率及承受惯性载荷的能力。

（3）、定位方法的影响

常用的定位方法中，电气开关的定位精度最低，伺服定位较高，机械挡块的定位最高。

（4）、控制系统的影响

电控系统的误差，阀类泄漏，检测元件失灵，挡块偏移等会降低定位失灵。

（5）、驱动源的影响

液压、气压、电压及油温波动都会降低平稳性及定位精度，必要时，用蓄能器等稳定液压、气压、电压，用加热器和冷却器控制油温。

2机械手的运动特性

深入分析机械手的运动特点，有利于根据工作条件选择适宜的运动特点。

下面为我们所选工业机械手所具有的运动规律，在减速较大时的情形。

图2.2运动特性曲线

按上图的运动，机械手的速度变化呈等加速或不等加速运动，其减速过程亦分为等减速运行和不等减速运行，在呈等加速运行，而不等减速运行时，由于速度行程短，故有利于提高机械手的工作速度。

特点：

速度变化基本上连续，运动中不会产生冲击，可以满足高速、平稳和定位精度高的要求。

2.3机械手运动特性的分类

1气动机械手

气动机械手的加速或调节系统采用气路节流调速系统，控制系统采用气缸端部节流缓冲装置、气路节流缓冲回路、液压缓冲气等。

定位系统采用机械挡块或多点定位几机构定位精度。

2液压机械手

液压机械手的加速或调节系统油路节流调速系统，控制系统采用油缸端部节流缓冲装置及缓冲回路、减压节流继续能缓冲系统、伺服系统等。

定位系统采用关闭电磁换向阀定位精度、机械挡块定位精、伺服系统定位精度度等。

3电动机械手

电动机械手的加速或调节系统采用电路节流调速系统，控制系统采用反接制动电路、减速电路、凸轮或连杆机构等。

定位系统采用电磁制动器、脉冲电路定位精度、机械挡块定位精度等。

4机械联动机械手

机械联动机械手的加速或调节系统采用凸轮连杆机构，控制系统采凸轮曲线和连杆机构。

定位系统采用凸轮基圆及凸轮顶点、连杆极限位置。

2.4开关型机械手的速度及位置控制

用电气开关、换向阀、节流阀和机械挡块等来控制的机械手称为开关型机械手。

一、液压机械手的速度控制

开关型液压机械手一般采用截流减速方法，少数采用蓄能器或溢流阀减速方法，也可以几种方法一起采用。

二、气动机械手的速度控制

气动机械手有很多优点，但气动的压缩性大，阻尼效果差。

符合大的气动机械手采用液压缓冲回路。

一般采用的装置是气动-液阻装置。

三、开关型机械手的定位系统

定位系统与速度控制系统有密切的关系，但他们都有其独立性，例如，节流减速后既可以发出指令关闭油路定位，也可以压在挡块上而定位。

1、电气开关定位

电动机械手一般采用电磁制动器定位。

当机械手运动到定位点时，行程开关发出信息给电控系统，激励电磁制动器而定位。

特点：

结构简单，工作可靠，维修方便，但定位精度低。

2、机械挡块定位

一般是在减速后，驱动压力将运动件压在机械挡块上或驱动压力将活塞压靠缸盖而定位，定位精度较高。

可分为单点定位或多点定位的挡块机构。

2.5机械传动型机械手速度及位置控制

为了便于控制机械手的速度及位置，一些专用机械手采用凸轮机构和连杆机构进行驱动。

特点：

工作速度可以提高而且与主机同步工作而不产生误动作。

通过以上论述和比较，选用液压缓冲器和油缸端部缓冲的方式，定位选用机械挡块定位。

2.6机械手类型确定

根据以上的介绍，通过比较我确定选用电动机械手。

这样选择的原因主要是根据精度和成本的原因。

由于是个单独的部件大量生产，成本是非常主要的原因，气动和液压机械手的制造精度要求非常高，成本也就高，而电动机械手作为发展得最为完善的机械手，在精度满足需要的同时，成本是最低的，所以选择了电动机械手。

2.7驱动系统和电控系统的选择

一、驱动系统的选择

机械手驱动系统有：

液压驱动、电压驱动、电机驱动和机械驱动四种。

一台机械手的驱动方式，可以只用一种方式进行驱动，也可采用几种方式联合驱动。

.机械手的驱动系统有液压驱动，气压驱动，电机驱动，和机械传动四种。

一台机械手可以只用一种驱动，也可以用几种方式联合驱动，各种驱动的特点见表“2-1”。

比较内容

驱动方式

机械传动

电机驱动

气压传动

液压传动

异步电机，直流电机

步进或伺服电机

输出力矩

输出力矩较大

输出力可较大

输出力矩较小

气体压力小，输出力矩小，如需输出力矩较大，结构尺寸过大

液体压力高，可以获得较大的输出力

控制性能

速度可高，速度和加速度均由机构控制，定位精度高，可与主机严格同步

控制性能较差，惯性大，步易精确定位

控制性能好，可精确定位，但控制系统复杂

可高速，气体压缩性大，阻力效果差，冲击较严重，精确定位较困难，低速步易控制

油液压缩性小，压力流量均容易控制，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制

体积

当自由度多时，机构复杂，体积液较大

要油减速装置，体积较大

体积较小

体积较大

在输出力相同的条件下体积小

维修使用

维修使用方便

维修使用方便

维修使用较复杂

维修简单，能在高温，粉尘等恶劣环境种使用，泄漏影响小

维修方便，液体对温度变化敏感，油液泄漏易着火

应用范围

适用于自由度少的专用机械手，高速低速均能适用

适用于抓取重量大和速度低的专用机械手

可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手

中小型专用通用机械手都有

中小型专用通用机械手都有，特别时重型机械手多用

成本

结构简单，成本低，一般工厂可以自己制造

成本低

成本较高

结构简单，能源方便，成本低

液压元件成本较高，油路也较复杂

表2-1

考虑到精度和结构的要求