自动换刀机械手设计.docx

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自动换刀机械手设计

题目：

数控镗铣床换刀机械手设计

学生姓名：

***

系别：

机电系

专业年级：

11维修

指导教师：

周文斌老师齐晓霞老师

2013年12月6日

摘要

[摘要]数控机床的发展与应用，大大降低了零件的加工辅助时间，提高了生产效率。

随着数控机床的普及应用，机械加工的自动化程度大大提高，数控机床发展成了当今普遍应用的一种更新、更先进的制造设备。

加工中心带有刀库和自动换刀装置，可以实现按照预定程序对工件进行多工序加工。

本文对JCS-013数控镗铣床换刀机械手的各个组成部分、工作原理、坐标形式、驱动方式等进行了讨论。

对一些主要零部件进行了选择计算。

换刀机械手应当满足换刀时间短、运行平稳可靠、定位精确、体积小以及控制方便灵活等要求。

带刀库的数控机床的关键在于机械手与主轴的自动换刀。

本课题就是针对JCS-013数控镗铣床换刀机械手，在分析其组成部分、工作原理的基础上使用现代机械设计理论进行改进，把原来纯液压驱动改为电液混合驱动。

提高了工作效率和可靠性。

对机械手的活动手指使用CATIA软件进行有限元分析模，分析得出在实际静力作用下的应力情况和变形情况，得出了相应的分析报告。

关键字换刀机械手JCS-013数控镗铣床机械手自动换刀

Abstract

WiththedevelopmentofNC,theautomatictoolchangersystemismoreandmoreimportantinthemodernadvancedmanufacture,becausetheATCcanshortenthecycletimeofproductmanufacturing,improvetheprecisionofproductmachining.Thelatestrequirementsofmachinetoolusercompriseofdiversificationofcontrolobject,complexityofprocess,flexibleofapplicationandhighreliability.Thefunctionoftoolmagazineisthatstoresthetoolandmovesthetoolwhichwillbeusedinthenextmanufacturingprocesstotherightchangeoverpositionandrobotwillfinishthechangeovertool.

ThisarticledrilledthemillingmachinetotheJCS-013numericalcontroltotradetheknifemanipulator'seachconstituent,theprincipleofwork,thecoordinateform,thedrivetypeandsoontocarryonthediscussion.Hascarriedontheanalysiscomputationtosomemainspareparts.tradestheknifemanipulatortotradetheknifetimetobeshortsatisfiedly,themovementsteadyreliable,thelocalizationisprecise,thevolumeissmallaswellascontrolconveniencenimbleandsoonrequests.Hastheknifestorehousenumerically-controlledmachinetool'skeytolieinthemanipulatorandthemainaxletradestheknifeautomatically.ThistopicisaimsattheJCS-013numericalcontrolboringmillingmachinetotradetheknifemanipulator,inanalyzesitsconstituent,intheprincipleofworkfoundationtousethemodernmachinedesigntheorytomaketheimprovement,changesthebatterysolutionmixactuationtheoriginalpurehydraulicpressureactuation.Raisedtheefficiency.ThematchgraspstheactivefingerusestheCATIAsoftware'sfiniteelementanalysismoduletoanalyzeunderthestaticfunctionstresssituationandthedistortionsituation.Hasobtainedthecorrespondinganalysisreport.

KeywordsATCJCS-013NCToolChangermanipulator

第一章绪论

第一节国内外数控机床的发展

随着数控技术的发展，带有自动换刀系统的加工中心在现代制造业种起着越来越重要的作用，它能缩短产品的制造周期，提高产品的加工精度，适合柔性加工。

自动换刀系统一般由刀库、机械手合驱动装置组成。

刀库的容量可大可小，其装刀数载20至180把之间。

刀库的功能是储存刀具并把下一把即将要用的道具准确地送到换刀位置，供换刀机械手完成新旧刀具的交换。

当刀库容量大时，常远离主轴配置且移动不易，这就需要在主轴和刀库之间配置换刀机构来执行换刀动作。

完成此功能的机械包括送刀臂、摆刀站和换刀臂，总称为机械手。

具体来说，它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。

驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的装置，一般由步进电机或液压（或气液机构）或凸轮机构组成。

机械手完成刀库里的刀与主轴上的刀的交换工作。

由于数控加工中心的刀库容量、换刀可靠性及换刀速度直接影响到加工中心的效率，而自动换刀就是进一步压缩非切削时间，提高成产效率，改善劳动条件。

所以数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道加工工序，缩短辅助时间，减小多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。

1.1国内外数控机床的现状

当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精度、自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。

长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随着电子、计算机技术的进步、数控机床在20世纪80年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早已成为四大国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。

中过加入WTO后，正式参与世界市场激烈竞争，今后如何加强机床工业实力、加速数控机床产业发展，实是紧迫而艰巨的任务。

自从1952年美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床以来，数控机床在制造工业，特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中被广泛地应用，数控技术无论在硬件和软件方面，都是有飞速发展。

1956年，日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM公司同期研制成功了“APT”的加工中心。

1958年美国K&T公司研制出带ATC的加工中心。

1967年出现了FMS，1978年以后，加工中心迅速发展，带有ATC装置。

可实现多工序加工的机床步入了机床发展的黄金时代。

中国1958年研制出第一台数控机床以来，发展过程大致可分为两大阶段。

在1958至1979年间为第一阶段，从1979年至今为第二阶段。

第一阶段中对数控机床的特点、发展条件缺乏认识，在人员素质、基础薄弱、配套件不过关的情况下，无法用于生产而停顿。

主要存在的问题是盲目性大，缺乏事实求是的科学精神。

在第二阶段从日、德、美、西班牙先后引进数控系统技术，从美、日、德等引进数控先进技术和合作、合资生产，解决了可靠性、稳定性问题，数控机床开始正式生产和使用，并逐步向前发展。

1.2数控机床的发展趋势

1.2.1高速化、高精度化、高可靠性

质量、效率是先进制造技术的主体。

高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。

高速化：

（1）提高进给速度：

采用直线滚珠式导轨等；

（2）提高主轴转速：

采用直线电机技术，直接将电机与主轴连接成一体后，装入主轴部件，可以在1.8秒从0加速到15000r/min。

高精度化：

精密化石为了适应高新技术发展的需要，随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床的加工精度的要求也越来越高。

高可靠性：

一般数控系统的可靠性要高于数控设备的可靠性在一个数量级以上。

1.2.2复合化

数控机床的功能复合化得发展，以其复合加工实现了一次装夹后完成各种复杂零件的全部加工，从而减少了不床造价值的辅助时间，提高了机床的效率和加工精度，降低了生产制造成本，提高了生产的柔性。

复合功能的机床近年来发展很快的机种，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、镗、攻丝、铰孔和扩孔等多种操作工序。

1.2.3智能化

智能化的内容包括在数控系统中各方面：

为追求加工效率和加工质量的智能化：

如自适应控制、工艺参数自动生成等；为提高驱动性能的智能化，如：

前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载、自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化；还有如职能化得自动编程、智能化得人机界面等，及智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维护等。

1.2.4柔性化、集成化

为适应制造自动化的发展，向FMCFMSCIMS提供基础设备，要求数控系统不仅能完成通常的加工功能，而且还能够具备自动测量自动上、下料，自动换刀，自动误差补偿、自动诊断、进线和联网功能，依据用户的不同要求，可方便地灵活配置及集成。

第二章JCS-013数控镗铣床换刀机械手设计

第一节设计目的

机械手设计是机械工程自动化专业的一个重要环节，是学完专业基础以及其他技术基础课以后的一次专业课程内容的综合设计。

通过设计提高学生的机构分析与综合的能力、机械结构设计的能力。

通过这次教学环节要求达到：

1）通过设计，把有关课程中所获得的理论知识在实际中综合的运用，使这些知识的到巩固和发展。

2）培养学生独立整机设计的能力，树立正确的设计思想，掌握机电一体化机械产品设计的基本方法和步骤，为自动机械设计打下良好的基础。

第二节设计内容

要求本设计能明显的体现机电一体化的设计构思。

在规定的时间内完成以下工作内容：

1）拟定整体方案。

2）重要零部件的设计计算。

3）绘制机械手回转与装、卸刀机构装配图。

4）液压系设计。

5）机械手活动指CATIA分析。

第三节换刀装置的组成

自动换刀机械手是自动换刀装置的主要组成部分。

自动换刀装置与数控卧式镗铣床相配合，在一次装夹中完成铣、镗、钻、锪、铰和攻丝等多道工序，解决中小批多品种。

生产箱体零件的加工自动化问题。

自动换刀装置，主要由刀库（存放刀具），手架升降机构（找刀排），装、卸刀机械手和手架伸缩与回转机构等组成。

刀库由四排带刀套的链条组成，每排链条上有15个刀套，刀库能存放60把刀具。

安装刀套的四条链条由油马达通过齿轮组带动而同步转动。

找刀（刀具识别），采用刀套编号方式。

由于四排刀套链中，各排刀套的位置一一对应，因此找刀是由两部分运动来实现，即手架升降找刀排，刀链转动在一排内选刀。

换刀机械手的作用是：

在给定的程序指令下，配合刀库和卧式镗铣床实现所有加工工序的自动装刀和卸刀。

自动换刀装置（如图2.1）。

图2.1

为了从刀库的刀套中心处取刀，并送到主机的主轴孔处将刀具插入主轴孔，或从主轴孔中将刀具拔出取下，送到刀库的相应刀套处存放起来，需要换刀机械于具有下列几个运动和动作：

手架的升降运动（找刀排）；装（或卸）刀手的伸缩运动（接近刀具）；手指夹紧或松开动作；手架伸缩运动（拔、插刀）（垂直于纸面方向运动，如图中符号所示），手架的回转运动（刀具换位）等。

每个运动和动作均由具体机构而实现，现介绍如下：

3.1手架升降运动机构

当接受使手架升降（找刀排）指今后，升降电机1带动滚珠丝杠转动，滑座就作升降运动，使其上的手架带动装刀手和卸刀手一同作升降运动。

因刀库有四排刀排，所以滑座应上下移动3X420毫米的距离。

手架上下运动到接近所选刀徘位置时，其上带的悬臂感应块（图中末示出），使无触点行程开关发信号，控制滑座升降的电机减速，使滑座减速。

当到达所选刀排所要求谁确定位时，装在减速齿轮传动轴上的感应块使无触点行程开关发信号，切断滑座升降电机电源，电磁离合器吸合，电机停转，滑座（即手架）停在所规定的位置上。

导向柱除起导向作用外，还使滚珠丝杠在传动小，免受滑座及手架、装卸刀手等的重量所造成的偏重力矩的作用，使升降运动平稳可靠。

滚珠丝杠和螺母间的间隙，可修磨调整垫的厚度进行调节。

3.2装、卸刀手的伸缩运动机构和手指夹紧机构

装刀手和卸刀手对称配置在手架上，其结构和尺寸、运动要求完全相同，只是几个主要零件（如伸缩缸体、手部指座等）形状相反。

奖（卸）刀手只有伸缩运动和手指的夹放动作。

装（卸）刀手的伸缩运动由单杆活塞油缸实现。

活塞油缸的活塞杆固定在手架上，当压力油从油孔进到油缸的两腔时．推动缸体在燕尾形导轨上往复移动，其行程位置由装在手架上的行程开关进行检测，并采用油缸端部节流缓冲，油缸端盖与活塞瑞面相碰而定位。

装刀手和卸刀手的手臂移动方向相交成45度角，其交点即是装刀手和卸刀手前伸移到终点时手指的夹紧中心，它要与刀库上的刀套中心和卧式镗铣床的主抽中心相重合，以保证能正确地装、卸刀。

装（卸）刀手的手部由手指座（即伸缩缸的端盖）、固定指、活动指、刀具定向键、项销、卡销、弹簧、和挡块等组成。

此手部属于一支点回转型弹簧式手部。

在手臂伸缩运动装卸刀具时，手部的活动手指，应能自由地从刀柄的梯形槽上滑过，抓住刀柄后，特别是在运刀过程中，活动手指应锁住，因此手部内有锁紧机构。

3.3手架伸缩和回转运动机构

手架伸缩运动能实现装、卸刀手的拔、插刀动作；手架回转运动能改变装、卸刀手的位置（即手向主轴转向刀库，或手向刀库转向主轴）。

手架的伸缩是由滑座的伸缩来实现的。

滑应（其上加工有油缸）安装在由滚柱组（滚柱按十字交叉位置放置）和V形滑道组成的滚动动导轨上，活塞杆固定在横梁上。

当压力油从油管进入油缸左腔时，推动滑座前伸（即拔刀运动）；若压力油经管进到油缸右腔时，滑座缩间（即插刀运动）。

滑座的行程位置由安装在横梁上的行程开关进行检测。

为了缓和冲击，油缸采用端部节流缓冲，并靠活塞端面与油缸端盖相碰而定位。

手架的回转是由安装在滑座内的回转油缸来实现。

手架与转轴固联，转轴通过键与回转油缸的动片轴相联。

当压力油通过油管进到回转油缸的工作腔时，推动动片轴，并带动转轴回转，手架即回转，其回转位置由行程开关进行检测，当安装在转轴上的定位块与定位螺钉相接触时而定位。

第四节JCS-013数控镗铣床机械手参数

4.1爪重

抓重是机城手所能抓取或搬运物件的最大重量，它是机械手规格中的主要参数。

抓重以10公斤左右的机械手为数最多。

一般将抓重1公斤以下的定为微型，1一5公斤的定为小型；5—30公斤的定为中型30公斤以上的定为大型。

对于搬运重量上千公斤的机械手为数不多。

机械手抓重大小对其它参数如行程范围、运动速度、座标型式和缓冲装置的设计均有影响，因此，设计时必须予以重视。

4.2坐标形式

按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为下列几种

（1）直角座标式

直角坐标的机械手，其手臂的运动系由三个直线运动所组成，即沿直角座标系的X轴的伸缩、沿Z轴的升降、沿Y轴的横移。

这种座标型式的机械手称为直角座标式机械手。

它的特点是结构简单，定位精度高，适用于主机位置成行排列的场合。

但是由于占地面积大而工作范围小以及灵活性差，限制了它的使用范围。

（2）圆控座标式

圆柱坐标式的机械手，其手臀的运动系由两个直线运动和一个回转所组成，即沿x轴的伸缩、沿Z轴的升降和绕z轴的回转。

这种座标型式的机械手称为圆柱座标式机械手。

它与直角座标式相比较，占地面积小而活动范围大．结构较简单，并能达到较高的定位精度，因此应用较广泛。

但由于机械手结构的关系，沿Z轴方向移动的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的物件。

（3）球座标式

球坐标形式的机械手，其手臂的运动系由一个直线运动和两个转动所组成，即沿x轴的伸缩、绕Y轴的俯仰和绕Z轴的回转。

这种座标型式的机械手称为球座标式机械手。

这种机械手手臂的俯仰运动能抓取地面上的物件，为了使手部能适应被抓取物件方位的要求，常常设有手腕上下摆动，使其手部保持水平位置或其它状态。

这种型式的机械手具有动作灵活，占地面积小而工作范围大等特点，它适用于沿伸缩方向向外作业的传动形式。

但结构铰复杂，此外，手臂摆角的误差通过手臂会引起手部中心处的误差放大。

〔4）关节式

关节式的机械手，其手臂的运动类似人的手臂可作几个方向的转动。

它由大小两臂和立柱等所组成，大小两臂之间的联接为肘关节，大臂与立柱之间的联接为肩关节，各关节均由铰链构成以实现转动，手臂的运动系统由三个回转运动所组成。

它的特点是工作范围大，动作灵活，通用性强，能抓取靠近机座的物体并能绕过机体和工作主机之间的障碍物去抓取物件，此为其它型式的机械手不可比拟的优点。

但是关节式机械手的手指定位是由各个关节相互转角来决定的，所以定位精度较差，另外，控制装置和机械结构比其它型式的机械手均复杂。

4.3JCS-013数控镗铣床机械手的参数

表2.1基本参数

爪重

自由度数

坐标形式

手指加持刀具直径

驱动方式

控制方式

20Kg

4

圆柱坐标

100mm

电液混合

数字

表2.1运动参数

拔、插刀运动

升降运动

回转运动

装，卸刀手臂伸缩运动

位移

155mm

420mm

180°

195mm

速度

250mm/s

位置检测与定位方式：

滑座伸缩、手架回转和装、卸刀手手臂伸缩运动采用系行程开关进行检测，由挡块或活塞与端盖定位。

手架升降运动采用无触点行程开关进行位置检测，并控制电动机“实时”关闭来定位。

缓冲方式：

滑座伸缩、装卸刀手手臂伸缩运动采用油缸端部节流缓冲；手架回转运动采用换接不通的出油口增加背压减速缓冲；手架升降运动采用无触点行程开关发信，使电动机变速或停转来实现减速缓冲。

第五节JCS-013数控镗铣床机械手的组成

机械手是由执行机构、驱动系统和控制系统组成的，各部分关系如图1.1所示。

图1.1机械手系统

5.1执行机构

执行机构由手抓、装卸刀手臂、滑座，横梁和行走机构等组成。

（1）手抓手抓是直接抓取刀具的部分。

JCS-013数控镗铣床的换刀机械手的手部属于夹钳式手抓。

主要由手指、传动机构、驱动装置和自锁机构组成。

驱动装置为转动机构提供动力，驱动源为弹簧。

图2.3手抓自锁机构原理图

如图1.3所示，手抓有活动指1和固定指2。

手抓取刀后，锁紧销3的肩部靠弹簧4卡入顶销5的孔内，限制顶销5下移，锁住活动指1，使手抓抓紧刀具。

当需要松开手抓时，靠主轴套筒端面及手臂支架上的松开导板6,将锁紧销3顶进去，此时顶销5可以下移，使活动指松开。

手抓加紧力越5公斤。

装卸刀手臂是一个油缸的缸体，其活塞杆固定在手架上。

缸体与手指通过手指座用螺钉固连在一起。

当压力油通过活塞杆内的油路通道进入活塞小面短时手臂带动手指后缩。

当压力油通过活塞杆内的油路通道进入活塞大面端时，手臂带动手指向前伸。

（2）滑座滑座（图1.2所示）上加工有伸缩缸缸体，其活塞连杆通过螺栓固定在横梁上。

当通入液压油时滑座可沿横梁做伸缩运动。

回转油缸安装在滑座上，通过回转轴带动手架做180°回转运动。

（3）横梁横梁是带动整个机械手做升降运动的部件。

升降电机通过带动丝杠副转动，把旋转运动转化成整个机械手的升降运动，使机械手沿着左右两个光杠上下运动。

5.2驱动系统

驱动系统主要有气动、液动、电动和机械式四种。

气动式速度快，结构简单，成本低，但臂力小。

液动式的臂力大，可采用液压伺服机构，可实现连续控制，在机械手中得到广泛应用。

定位精度一般在-1mm~1mm范围之内。

JCS-013数控镗铣床机械手驱动系统包括升降电机、插拔刀行程的伸缩油缸和回转油缸。

5.3控制系统

控制系统主要有点动控制和连续控制两种。

是对整个机床进行控制的电气系统。

JCS-013数控镗铣床的机械手采用点动控制。

通过用无触点行程开关检测机械手位置的方法进行对机械手位置的控制。

当机械手到达某一行程开关位置时，行程开关向主机发信号，主机根据程序向机械手驱动系统发出相应指令，控制其减速或停止。

第三章升降机构驱动电机

第一节升降电机的选择

1.1升降电机的理论分析

电机拖动机构受力分析如图3.1所示：

图3.1机械手升降电机受力分析（M表示机械手自重，m表示爪重）

当手抓接到上升找刀排的指令后，电动机带动滚珠丝杠向使手抓上升的方向转动，带动手抓上升到接近所选刀排位置时，手臂支架上的感应块，使刀库上与刀排位置相应的无触点开关发出讯号，电动机变速，手架随之减速，装在讯号盘上的定位块转到使讯号开关同时发出讯号时，电动机停转，摩擦片式离合器吸合，丝杠制动，手抓准确地停在预定的换刀位置上。

手架下降找刀排过程与上升情况基本相同，只是电动机带动丝杠时旋转的方向相反。

分析电机的运行过程可知，电机工作时间比较短，而停机时间比较长，属于短时工作制的电机。

所以机械手升降机构的电机工作特点是：

工作时温升达不到最高值，而停车时可完全冷却到周围环境温度，如图2.2所示。

由于发热情况与长期连续工作方式的电机不同，所以，电动机的选择也不一样，即可选择专用短时工作的电机，也可选择连续工作制的普通电机。

通过传动过程的受力分析可知，如图3.1。

电机的负载为恒定负载，电机的输出功率分为两部分，一部分通过齿轮减速传递给制动器。

另外一部分通过丝杠传递给手抓。

忽略导向柱摩擦力引起的功率损失可用公如下公式表达：

P电=P制+P手抓（3.1）

P电为电机理论输出功率。

P手抓为手抓理论输入功率。

P制为制动器理论输入功率。

由于制动器的输入功率相比手抓理论输入功率很小，所以可忽略不记。

于是：

P电=P手抓（3.2）

对于负载功率PL恒定不变的成产机械，拖动这类机械的电动机在短时运行时的负载图及温升曲线如图2.2所示。

为这类工作机械选择电动机时，只需按设计手册中的计算公式算出负载所需输入功率PW，再选择一台额定功率为

PN≥PW（3.3）

的电机即可。

图3.2恒定负载短时工作的负载图及温升图

1.2升降电机的选择

电动机所需的输出功率为：

Pn=

（3.3）

PW为工作机械所要求的输入功率（Kw）；η为电动机至工作机的总效率。

由于机械手升降机的电动机是通过间连接直接传递到工作机的，所以η=1;于是：

Pn=PW（3.4）

工作机要求输入功率根据机械设计手册