卧式加工中心机械手的设计毕业设计.docx
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卧式加工中心机械手的设计毕业设计
卧式加工中心机械手的设计
摘要………………………………………………………………………………1
关键词……………………………………………………………………………1
1前言……………………………………………………………………………1
2绪论……………………………………………………………………………2
2.1卧式加工中心概述…………………………………………………………2
2.2机械手的分类………………………………………………………………2
2.3应用机械手的意义…………………………………………………………3
2.4国内外研究现状……………………………………………………………3
3加工中心的总体布局…………………………………………………………3
3.1技术条件……………………………………………………………………3
3.2总体布局……………………………………………………………………4
3.3卧式加工中心的机械结构………………………………………………4
4机械手的设计…………………………………………………………………………4
4.1机械手的结构设计…………………………………………………………5
4.1.1自动换刀装置介绍……………………………………………………5
4.1.2机械手种类简介………………………………………………………6
4.1.3手爪的选择……………………………………………………………9
4.1.4刀具的夹持………………………………………………………………9
4.2机械手的驱动装置………………………………………………………10
4.2.1手臂的伸缩运动………………………………………………………11
4.2.2手爪的开合…………………………………………………………11
4.2.3回转运动……………………………………………………………12
4.3.4直线运动………………………………………………………………12
4.3设计计算…………………………………………………………………13
4.3.1手指夹紧力的计算………………………………………………………13
4.3.2齿轮的设计………………………………………………………………13
4.3.3轴的设计…………………………………………………………………18
4.3.4轴承的设计…………………………………………………………………24
5液压分析…………………………………………………………………………28
5.1液压泵的选择………………………………………………………………………28
5.2液压元件的选择……………………………………………………………………28
6总结………………………………………………………………………30
参考文献……………………………………………………………………30
致谢………………………………………………………………………31
卧式加工中心机械手的设计
摘要：
在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，机械手作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业认同并采用。
机械手的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。
目前，机械手主要承担着焊接、喷漆、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作。
机械手是卧式加工中心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。
关键词：
卧式加工中心；机械手；刀库；机械臂
DesignOfTheManipulatorHorizontalMachiningCenter
Abstract:
Toimprovetheefficiencyofproductionandensurequalityofproduction,theenterprisesgenerallyattachimportancetotheautomationofproductionprocessintoday’smassmanufacturing.Asanimportantmemberofautomationproductionline,manipulatorgraduallyrecognizedbyenterprises.Technologylevelandapplicationlevelofthemanipulatorinacertainextentreflectsthelevelofindustrialautomationinacountry.Atpresent,themanipulatorismainlyusedforweldingspraypainting,handling,stackingrepetitiveworkandlaborintensitygreatly.Manipulatorisautomaticallychangetooldevicethemaintooltoexchangetool,itbearsontheknifelibraryonthetooltospindle,andthenthespindlehasusedtoolreturnstasksontoolstore.
Keywords:
Morizontalmachiningcenter;Manipulator;Magazinetool;Mechanicalarm
1前言
本次设计的课题是卧式加工中心的自动换刀装置中的核心部件---机械手的设计。
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；另外，使用了机械手，减少了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绪论
2.1卧式加工中心概述
卧式加工中心是最常用的数控机床之一，其技术含量高，是数控机床产业发展水平的标志性产品之一。
卧式加工中心主要通过数控系统、伺服驱动装置控制机床基本运动，其结构的主要特征是主轴水平设置，通常由3-5个运动部件（主轴箱、工作台、立柱或主轴套等）组成。
在卧式加工中心上设置自动交换工作台，构成柔性制造单元（FMC），实现工件自动交换，即在加工的同时可进行另一件工件的装卸。
加工工件经一次装夹后，完成多工序自动加工，自动选择及更换刀具，自动改变机床主轴转速和进给速度，自动实现刀具与工件的运动轨迹变化以及自动实现其他辅助功能。
卧式加工中心适用于零件形状比较复杂和精度要求高的产品的批量生产，特别是箱体和复杂结构件的加工。
在汽车、航天航空、船舶和发电等行业被大量用于复杂零件的精密和高效加工。
国产卧式加工中心的水平有很大提高，可以达到一般零件的高速、精密加工，基本上可以满足用户需求，但与国际先进水平相比，在精度、效率、智能化和可靠性等方面尚有差距，因此，高档卧式加工中心进口量较大。
2.2机械手的分类
机械手一般分为三类：
第一类是不需要人工操作的通用机械手。
它是一种独立的不附属于某一主机的装置。
它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定得操作。
它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。
第二类是需要人工操作的，称为操作机。
它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。
工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。
第三类是专业机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。
这种机械手在国外称为“MechanicalHand”,它是为主机服务的，由主机驱动，除少数之外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
机械手是卧式加工中心自动换刀装置中交换刀具的主要工具，因此本课题所设计得机械手属于第三类机械手。
2.3应用机械手的意义
随着科学技术的发展，机械手也越来越多的被应用。
在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实例。
其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工种中也有应用。
在机械工业中，应用机械手的意义可言慨括如下：
1）提高生产过程中的自动化程度。
应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。
2）改善劳动条件，避免人身事故。
在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。
在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
3）可以减轻人力，并便于有节奏的生产。
应用机械手代替人进行工作这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。
综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。
2.4国内外研究现状
国内研究现状：
当今社会，机械手被普遍用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。
有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。
这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
目前国内外正在研究反应速度更快，更可靠的机械手，同时也正在研究用人脑来代替程序控制的机械手。
在这个进程中仿生机械手也正在慢慢的被人类所重视。
国外研究现状：
国外机械手在机械制造业中应用较多，发展也很快，目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业。
3加工中心的总体布局
3.1技术条件
主要的技术参数要求有：
1）刀具最大重量：
1.5kg
2）换刀时间：
3.5s
3）刀柄：
标准刀柄
3.2总体布局
图1卧式加工中心的总体布局
Fig.1Horizontalprocessingcenterofthegenerallayout
3.3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。
4机械手的设计
4.1机械手的结构设计
4.1.1自动换刀装置介绍
卧式加工中心区别于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。
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。
卧式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。
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
4.1.2机械手种类简介
卧式加工中心机械手的种类繁多，可以说每个厂家都推出自己的独特的换刀机械手，在卧式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。
由于卧式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
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。
图4单臂双爪回转式机械手
Fig.4Doubleclawrotaryrobotmanipulators
（3）双臂回转式机械手（俗称扁担式）
此处省略 NNNNNNNNNNNN字。
如需要完整说明书和设计图纸等.请联系 扣扣：
九七一九二零八零零另提供全套机械毕业设计下载！
该论文已经通过答辩
（5）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8所示：
图8双机械手
Fig.8Doublemanipulator
由于双臂回转式机械手的动作比较简单，而且能够同时抓取和装卸机床主轴以及刀库集中地刀具，换刀时间较短，本次设计所要求的换刀时间为3.5秒，故选用双臂回转式机械手。
如果采用不能伸缩的机械手，由于机械手回转时其手部回转半径较大，如刀库中刀具排列较密，可能碰撞刀具，且用这种类型的机械手直接在刀库与主轴之间换刀，只宜采用顺序换刀或刀具编码式任意选刀，不然，换刀时间将增加。
故本次设计采用可伸缩式的双臂回转式机械手。
4.1.3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。
经综合考量本次设计决定采用第一种手爪。
4.1.4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：
（1）柄式夹持（轴向夹持）
（2）发兰式夹持
图9刀柄的型式
Fig.9Handletype
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。
经综合考量，本次设计决定采用第一种夹持方式，刀柄型号为BT40。
图9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。
4.2机械手的驱动装置
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。
图见机械手的驱动装置和驱动装置外形。
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
70
21
M20
23
29
19.3
BT50
69.85
101.8
1.5
13
45
90
25
M24
27
35.3
25.7
4.2.1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（见机械手图）。
当压力油通过支架12和贯穿花键轴50的通孔（见机械手驱动装置图）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45作直线运动，使两只机械臂同时伸出，通过齿条39及45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。
4.2.2手爪的开合（见机械手图）
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右移，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45（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右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，其左端又与一端盖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18处于锁死状态。
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10、压缩弹簧销11向右移动。
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又向左移动至锥孔盘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。
4.2.3回转运动（见驱动装置图）
回转机械手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16，回转座51组成的。
手臂16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55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，回转缸缸体79和上端盖86、下端盖74、定片95间均用螺钉联接，并将它们作为一体通过上端盖固定在立柱上。
转轴90支承在上、下端盖上，与动片93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16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。
4.2.4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。
查理论力学（Ⅰ）[1]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。
4.3设计计算
4.3.1手指夹紧力的计算
查机械制造技术基础[2],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，本次设计取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,g为重力加速度，所以这里k2=2；
k3——方位系数，按《机械工程手册》（第10卷）表56.2-3选取k3=0.9~1.1，本次设计取k3=1.0;
G——被夹持工件的重量，单位kg，这里G=11kg。
则我们设计的机械手手指的夹紧力为：
N≥1.8×2×1.0×11kg·f=39.6kg·f
4.3.2齿轮的设计
齿轮传动按照两齿轮轴在机构中相对位置的不同分为：
两轴相互平行，两轴相交和两轴交错（即不平行也不相交）三类。
用与平行轴传动的有；直齿、斜齿、圆柱齿轮、直齿、斜齿内齿轮、直齿、斜齿缘，这些齿轮有称为平面齿轮。
用与相交轴传动的有：
两轴线垂直相交和两轴线相交但不垂直的直齿、圆弧齿、延伸外摆线齿锥齿轮。
用与交错轴传动的有：
螺旋齿轮、蜗
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