立式加工中心机械手的设计毕业设计1

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1、立式加工中心机械手的设计目录摘要1关键词11前言12换刀机械手的相关介绍22.1数控技术的发展历程22.2数控加工中心基本功能32.3加工中心组成部分32.3.1刀库32.3.2刀具交换装置42.3.3运刀装置42.3.4刀具编码装置52.4刀库的驱动及定位52.5数控系统发展趋势62.6 ATC装置分类62.7 ATC装置换刀速度比较73换刀机械手的总体方案设计83.1设计任务83.2机械手的平稳性93.2.1影响平稳性以及定位精度因素93.2.2机械手运动特性93.3机械手运动特性分类103.4开关型机械手的速度及位置控制113.5机械传动型机械手速度及位置控制113.6机械手类型确定11

2、3.7驱动系统和电控系统的选择113.7.1驱动系统的选择113.7.2电控系统的选择124总体结构设计144.1刀爪部分设计144.2机械手手臂的设计154.2.1臂部防止偏重164.2.2加强臂部刚度164.2.3改进缓冲装置和提高配合精度164.2.4采取的措施164.3机械手传动结构设计185运动及其动力计算205.1选用异步电机的方法205.2锥齿轮的设计及计算215.2.1确定公式内各计算数值215.2.2锥齿轮部分的计算225.3锥齿轮轴的设计及其计算235.3.1锥齿轮设计及校核235.3.2确定各轴段直径和长度245.4刀臂的弯曲变形286换刀过程317结论35参考文献35致

3、谢36附录36立式加工中心机械手的设计摘 要：加工中心是指在一次装卡中，能够实现自动铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等多工序的数控机床。更为明确的说法是：加工中心就是自动换刀数控镗铣床。这就把加工中心和自动换刀数控车床和车削中心区别开来。加工中心区别于别的数控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。加工中心的自动换刀系统,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。关键词：机械手；加工中心；自动换刀The Design of Vertical Machining Center Manipulator Abstract: Machining Ce

4、nter is installed in a card, to achieve automatic milling, drilling, boring, Reaming, Tapping and other processes of CNC machine tools. A more explicit statement of Machining Center is the automatic tool change CNC milling machines. This brings the processing center and automatic tool change CNC lat

5、he and turning centers to distinguish.Machining Center is different from other CNC milling machines to the main features is that it has under the technological requirements for automatic tool change function. Automatic Tool Change (ATC) function.Machining Center, ATC system is usually a knife and th

6、e composition manipulator, it is a symbol of the processing center. Machining Center is the key to success. Keywords: Robot; Processing Center; Automatic Tool Changer1 前言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

7、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。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

8、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。2 换刀机械手的相关介绍2.1 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N

9、C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。 2.2 数控加工中心的基本功能 带有自动换刀刀具交换装置（ATC Automatic Tool Change）的

10、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。随着人工智能技术的不断发展，并为满足制造业生产柔性化、制造自动化发展需求。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

11、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。 2.3 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： 换刀时间短； 刀具

12、重复定位精度高； 识刀、选刀可靠，换刀动作简单； 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； 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。 2.3.1 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： 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

13、分设几层圆盘刀库）。 转塔式刀库，又分倾斜式和水平式。 鼓轮式刀库。 链式刀库。 格子式刀库。 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2040把较为合适，多的可达60把刀，超过60把刀的很少。 2.3.2 刀具交换

14、装置 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，可以说每个厂家噢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。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

15、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。 2.3.3 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；

16、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 2.3.4 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，有顺序选择固定地址选择和编码选择三种方式。 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，

17、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

18、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。 2.

19、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

20、精度的要求。2.5 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。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。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。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4050台，几家重点企业年产量可以达到400700台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

21、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。2.6 ATC装置的分类自动刀具交换装置（ATC）通常由机械手和刀库组成，它们在刀具交换过程中的各种动作和步序取决于机械手的类型和刀具还回刀库的方式。 目前比较广泛使用的ATC装置中，

22、按其机械手的类型来分有“无手式”（主要靠进给轴和刀库的运动来实现刀具的交换）、“单爪式”（机械手上只有一个手爪，换刀时先将主轴上的刀具送回刀库；再将刀库中的刀具装入主轴）和“双爪式”（换刀时一个手爪从刀库中取新刀，另一手爪从主轴上卸原刀）。其中“双爪式”又可分为“同步式”和“分步式”两种，前者是指取刀和卸刀是在同一步完成的，新刀装入主轴和原刀还回刀库也是在另一步同时完成的；而后者则是分成多步完成上述动作的。 “无手式”ATC装置的结构最为简单，“单爪式”其次，“同步双爪式”的结构相对复杂，而“分步双爪式”的结构最为复杂。 从刀具还回刀库的方式来看，ATC装置可以分为“固定刀位式”、“随机刀位式

23、”和“混合还刀式”三种。“固定刀位式”是指机床使用的刀具在刀库中都有自己固定的位置（刀套），也就是说，从主轴上换下来的刀具必须还回原来的刀套位置。“随机刀位式”则是指还回刀库的刀具位置是任意的（就近）。而”混合还刀式”则是大直径刀具采用“固定刀位式”还刀，标准刀具采用“随机刀位式”还刀。 “固定刀位式”还刀的优点是刀具在刀库中的位置是固定的，操作人员对刀库中的刀具分布状况一目了然，他们可以根据加工程式中T代码后面的数字直接把刀具装入相应编号的刀套中，程编人员也可以根据刀具在刀库中的分布情况直接在加工程式中编写T指令；操作者也不必在手动装刀後检查和修改“刀套/刀号表”，给用户带来了很大的方便。

24、此外，由于刀具位置是固定的（刀具号等于刀套号），操作不必在刀库中设立专用的大直径刀具区，只要不在大直径刀具的二个相邻刀位装入刀具，即可保证运行的安全，从而提高了刀库的刀位利用率。 “固定刀位式”还刀的缺点是刀库在还刀前还要为寻找原刀位作一次旋转定位，影响了还刀的速度。 “随机刀位式”还刀的优点是还刀速度快（刀库不需作第二次旋转定位），缺点是刀库的现行刀具分布状况不直观（刀套中的刀具号是随时变化的），操作者必须查找“刀套/刀号表”后才能确定刀库中的刀具位置是否与加工程式中的T指令（刀具号）一致；手动装刀后，必须认真检查和修改“刀套/刀号表”，否则就可能造成“错刀”事故。此外，如果使用了大直径刀具

25、，还要设立大直径刀具区，刀库的刀位利用率就会降低。2.7 ATC装置的换刀速度比较图1 a描述了“无手”或“单爪”式ATC装置的刀具交换过程，这类ATC装置只能采用“固定刀位式”还刀，必须先将主轴上的原用刀具还回刀库，再转动刀库找到新刀后，将它装入主轴。虽然这类装置的结构十分简单，价格低廉，但是整套动作都占用了加工时间，时间分配也不合理，所以换刀速度最低。因为其局限性，所以并没有得到广泛的使用。 图1 b和图1 c描述了同步双爪式ATC装置的刀具交换过程，前者采用“固定刀位式”还刀（大直径刀具时）， 后者采用“随机刀位式”还刀（标准刀具时）。在这种ATC装置中从刀库取刀和从主轴卸刀是在同一步进

26、行的，在采用“随机刀位式”还刀时，将新刀装入主轴和将原刀还回刀库可以连续在同一步进行，所以节省了时间，加快了换刀速度。 这类ATC装置还可以用在加工程式中提前编写T指令的方法，使刀库选刀动作提前完成（不占用加工时间），来提高换刀的速度。但是，这类装置往往要求刀库随主轴一起移动，所以刀库的容量不能很大，刀具的重量不能太重，只能适合于中小型加工中心配用。 图1 d描述了分步双爪式ATC装置的刀具交换过程（固定刀位法），这种ATC装置的机械手左、右手爪是分步动作的，即左爪用于取刀和还刀（刀库侧），右爪用于卸刀和装刀（主轴侧），取刀时将新刀从刀库送到换刀准备位；换刀时，将主轴上的原刀卸下后装入新刀（左

27、、右爪的刀具交换）；还刀时，刀库旋转到原主轴刀具刀位后，左爪将原刀还回刀库。虽然这种ATC装置的结构复杂，换刀动作较多，但因为两个手爪的动作可以分步进行，所以经优化后，可以将“选刀”、“取刀”、“找还刀位”和“还刀”四组动作安排在加工时间进行，这样大大地缩短了换刀周期，提高了换刀速度，同时还保持了”固定刀位式”还刀的许多优点。成为一种比较受操作者欢迎的自动换刀装置。图1 几种ACT装置的换刀时序图Fig. 1 Several ACT the device tool change timing diagram3 换刀机械手的总体方案设计 此处省略NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计

28、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3.2.2 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 3 运动特性曲线Fig .3 Movement characteristic curve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。3.3

29、机械手运动特性的分类气动机械手：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。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，控制采用系统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。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。机械联动机械手：机械联

30、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。3.4 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。其中，机械挡块定位是在减速后，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。3.5 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

31、用机械挡块定位。3.6 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。3.7 驱动系统和电控系统的选择3.7.1 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

32、用一种驱动，也可以几种方式联合驱动，各种驱动的特点见表1。表1 驱动方式的比较Table 1 Drive way comparison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。 液体压力高，能获得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，精确定位较难。 油液压缩性小，压力流量均容易控制，可无级调速，反应灵敏。体积当自由度多时，机构

33、复杂，体积液较大。要减速装置，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，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机械手可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的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。考虑到经济实用的要求，我选择了异步电机作为驱动。3.7.2 电控

34、系统的选择机械手的电控系统有多种类型，除专用机械手外，大多数要专门进行电控系统的设计。各控制系统见表2.表2 控制系统的比较Table 2 The control system compare比较内容控制系统固定系统可编程序继电器线路半导体逻辑电路顺序控制器示数再观成计算机动作程序容量动作程序较少动作程序较多动作顺序一般为16步可扩展为32部或更多动作程序较多通常为200步可扩展更多控制的参数1、动作程序 2、动作到达的位置或时间3、夹放信息4、连锁信息 这些信息固定于线路之中不能任意变动1、 动作程序2、 动作到达的位置或时间3、 时间信息4、 夹放信息5、 联锁信息6、 程序终了信息1、

35、动作程序2、 时间信息3、 动作应到达位置或时间4、 夹放信息5、 联锁信息6、 运动速度信息7、 定位精度信息制造与维护维护简单方便体积较大，制造简单制造简单，维护方便，体积小一般由专业厂生产供应，需具有一定专业知识人员维修线路复杂，制造，维护调整均较困难，需专业人员维修行程检测元件行程开关，机械挡块行程开关，机械挡块行程开关，电位器电位器，旋转变压器，光栅等使用寿命寿命低寿命较高寿命较高寿命较高成本便宜较便宜成本较高成本较高使用范围用于动作少，速度低的专用机械手用于速度快节拍短的专用机械手适用于动作较多，速度变化多即一般机械手动作多，程序复杂的高级通用机械手适用我们可设继电器线路为方案1，

36、半导体逻辑线路为方案2，顺序控制器为方案3，示数再现成计算器为方案4。表3设备技术评价得分Table 3 Equipment technical evaluation score设备的技术评价特性 方案1-4的分数 1 2 3 4理想的控制通用性范围制造方便程序容量总分数技术价X 2 2 3 3 10 0.625 2 2 3 2 9 0.5625 3 3 2 2 10 0.625 3 3 1 2 9 0.5625 4 4 4 4 16 1.00表4 设备经济评价得分Table 4 Device economic evaluation score设备的经济评价特性 方案1-4的分数 1 2 3

37、4理想的成本（元件）制造与维护成本寿命元件耗费总分数经济价Y 33 2 2 10 0.625 33 3 2 11 0.6875 22 2 3 9 0.5625 11 3 3 8 0.5 4 4 4 4 16 1.00显然可以知道方案1比较适合，即采用继电器线路进行控制。4 总体结构设计4.1 手爪部分设计机械手手爪部分的作用是抓住和放开工件，并且要保证在抓刀后的换刀过程中保证刀具不会从手爪中飞出。目前的加工中心换刀机械手手爪使用最多的有3种机械手，分别是单臂单手式机械手，回转式单臂双手机械手，双手式机械手。单臂单手式机械手的特点是机械手只做往复直线运动，主要用与刀具主轴和刀库刀座的轴线平行的场

38、合，机械手的插、拔刀运动和传递刀具的运动全都是直线运动，因为没有回转运动所产生的离心力，因为无回转运动所产生的离心力，所以机械手的握刀部分可以比较简单，只需要两个弹簧卡销卡住刀柄即可。回转式单臂双手机械手的两手部成180，手型种类很多，常见的有固定式双手、可伸缩式双手、剪式双手等。这类的机械手可以同时抓住可拔、插位于主轴和刀库（或运输装置）里的刀具，与单臂单手式机械手相比，可以缩短换刀时间。这类机械手应用最广泛，形式也最多。双手式机械手的手臂运动方式有2种，一种是机械手只做往复直线运动的，这样的机械手有双手平行式和双手交叉式，这样的机械手可起运输装置的作用，使用于容量大、距主轴较远的。还有一种

39、是机械手有回转运动的。这2种机械手向刀库还回用过的刀具和选用新刀，均可在主轴正在加工时进行，换刀时间较短。根据以上的分析，手爪部分的结构我选择了回转式单臂双手机械手，而夹刀的部分我选用了钩手的结构，这样选择的原因是钩手具有结构简单，安装拆卸方便，不需要额外的驱动，抓刀方式简单等特点。结构如图4所示。图4 钩手结构示意图Fig .4 Goushou structure diagram 如图4所示，当机械手旋转的时候，钩手与刀柄先接触，由于机械手继续旋转，刀柄对顶柱有挤压作用，顶柱的后面是弹簧，并且定位顶柱没有锁定，所以顶柱收缩到机械手臂内，刀柄顺利进入钩手内，旋转结结束，顶柱通过弹簧的弹力恢复原

40、位，定位顶柱锁顶，顶柱不能移动，卡住刀具，抓刀结束。刀具重量的范围，由于沟手结构的刀爪抓刀后，刀具的重量集中在刀爪内圈的突起上，顶柱受力不到刀具重量的1/10，所以当刀爪抓刀后，由定位顶柱所提供的推力远远大于顶柱所受到的力，所以肯定能把刀具固定住，而不用担心刀具会在机械手旋转的时候掉下来。4.2 机械手手臂的设计机械手工作中运动速度较高，在结构位置应保证运动平稳，这样可以提高机械手运动的平稳性，可以提高机械手适用的可靠性，并提高使用寿命。4.2.1 臂部防止偏重通常臂部处于悬臂的工作状态，在设计臂部、腕部和手部结构时，尽量使其总的重心在支撑中心，防止对支撑中心的偏重。一但偏重，将会产生附加的弯

41、矩，引起导向装置不均匀的磨损。在回转运动中，偏重对回转轴附加有动压力，其方向不断变化，特别是高速及速度突然变化时更加明显，这些都将引起机械手的振动，严重的会造成卡死。预防的措施：（1）减轻腕部、手部重量，减少偏心载荷。可采用铝合金制造腕部和手部。（2）合理分布臂部上各部件重量和增加平衡重，使臂部平衡。（3）某些机械手结构上无法避免偏重，应加强导向支撑，减轻偏重对运动的影响。4.2.2 加强臂部刚度提高臂部刚度是减少手部颤动的关键，有利于提高定位精度，故常采用导向形式来加强定位。4.2.3 改进缓冲装置和提高配合精度机械手的缓冲装置是保证运动平稳和减少振动的主要措施。机械冲击，它是在臂部运动中与

42、定位装置相碰撞而产生的。它可用缓冲装置来消除。4.2.4 采取的措施：（1）提高部件的配合精度，减少间隙，有利于运动平稳，特别是高速运动的机械手更需要保证加工精度和提高配合。（2）机械手的紧固件在运动中受变载荷的作用必须采用防松措施。综合以上所述，我在设计机械手手臂的时候采用了完全中心对称的机构，并且通过调整螺栓来调整机械手手臂的水平。因为整体的尺寸很小，所以机械手换刀臂的轴的直径比较小，并不适合采用键连接来传动，所以采取了胀缩环这一个标准件来连接机械手换刀臂和机械手换刀臂的轴。胀缩环具有非常好的对中性，并且能够传递非常大的转距，结构简单，非常适用在机构尺寸小的结构中。机械手换刀臂的结构简图如

43、图5所示。这个手臂的形状，完全按照中心对称的方式设计，但是为了适应不同型号的手柄，两边的刀爪是可以拆卸调换的。图5机械手换刀臂Fig. 5 Robotic tool changing arm4.3 机械手传动结构的设计根据第3章的介绍，我选择凸轮换刀装置作为传动方案。凸轮机械手换刀装置是目前加工中心常用的机构之一，与传统的气动、液压换刀机构相比，它具有换刀速度快、换刀可靠、运动平稳的特点。近年来加工中心得到了广泛的应用。凸轮机械手换刀装置通常由2个凸轮以及相应的机构组成，其中，一个平面凸轮通过连杆机构，用来完成“装刀”与“ 拔刀”动作；另一个间歇式凸轮机构带动凸轮分度机构，用来实现机械手的转位

44、，完成“抓刀”和“换刀”动作。图6 凸轮机械手换刀机构原理图Fig. 6 Cam robot tool changer schematic 凸轮换刀装置的结构原理如图1所示，它主要由驱动电动机1、锥齿轮2、平面凸轮3、间歇式凸轮4、连杆5、机械手等部件构成。换刀时，驱动电动机1连续回转，通过锥齿轮2与凸轮换刀装置连接，提供装置的动力；并通过平面凸轮、间歇式凸轮以及相应的机构，将驱动电动机的连续运动转化为机械手的间歇运动。图6中，平面凸轮3通过锥齿轮2连接，在驱动电动机转动时，通过连杆机构5，带动机械手在垂直方向作左右运动，以实现机械手在主轴上的“拔刀”、“装刀”动作。间歇式凸轮机构4和平面凸轮

45、3相连，在驱动电动机回转时，通过滚动盘6（共有4个滚珠）带动花键转动，花键轴带动机械手在水平方向上作旋转动作，从而实现从机械手转位，完成“抓刀”和“换刀”动作。电气信号盘9中安装有若干开关，以检测机械手实际运动情况，实现电气互锁。平面凸轮与弧面凸轮的动作配合曲线如图7所示。在驱动电动机的带动下，弧面凸轮在7.557.5的范围内，完成机械手80的转位动作。在57.572.5的范围内弧面凸轮、平面凸轮均不产生机械手运动，用于松开刀具。图7 平面凸轮和弧面凸轮的运动过程Fig .7 Plane cam and Globoidal, during exercise当凸轮转动到72.5137.5的范围内

46、，平面凸轮通过连杆机构带动机械手进行向下运动；其中，在72.5117.5范围内，只有平面凸轮带动机械手作向下的运动，机械手同时拔出主轴、刀库中的刀具；在117.5137.5的范围内，因刀具已经脱离主轴的刀座，两凸轮同时动作，即：在机械手继续向下的过程中，已经开始进行180转位，以提高换刀速度。凸轮转动到117.5242.5的范围内，弧面凸轮带动机械手进行180转位，完成主轴与刀库的刀具交换；当进入222.5242.5的范围时，两凸轮同时动作，平面凸轮已经开始通过连杆机构带动机械手进行向上运动，以提高换刀速度。从222.5起，平面凸轮带动机械手向上运动，机械手同时将主轴、刀库中的刀具装入刀座；这

47、一动作在222.5287.55范围，完成“装刀”动作。接着的287.55302.5范围内，弧面凸轮、平面凸轮均不产生机械手运动，机床进行刀具的“夹紧”动作，这一动作由机床的气动或液压机构完成。在302.5360的范围内，弧面凸轮完成机械手80反向转位动作，在机械手回到原位，换刀结束。5 运动及其动力计算5.1 选用异步电动机的方法按负载转矩选 加在伺服电动机轴上的负载转距TL，应该比电动机额定连续转距T小。机械手的转矩主要是手臂重量的不平衡引起的，不平衡重量主要是手臂的形状造成的。还有一部分的负载转矩是由摩擦力所引起的。不平衡重量Wmax，可按刀具的平均重量分别作用在机械手的手臂两端来计算，而

48、其重心就是刀具的重心，转动半径可以按刀具重心到机械手的轴的距离来计算。摩擦力所造成的转矩按锥齿轮的接触面的接触应力来计算。转动半径为锥齿轮的分度圆半径。把如上计算的负载转矩，转换为电机轴上的转距TL的公式为 TL=T1/i (1)式中 i传动比，取i=5传动效率，取=50%考虑传动比则考虑到实际情况比计算时所设定条件复杂，电机额定转距T应为负载转距的1.21.5倍，也就是Ts(1.21.5) TL (2)根据计算得，初定电机的转矩为0.225,转数、速为300r/min，最后我选用Y132S-8三相异步电机，其额定功率为2.2KW，满载转速为710r/min。5.2 锥齿轮的设计及其计算根据表

49、，查得机构传动效率： 很好跑合的6级精度和7级精度齿轮传动（油润滑） 齿式联轴器 滚动球轴承 在本设计中取电机经过联轴器输入功率：所受的转矩：5.2.1 确定公式内的各计算数值试选载荷系数 小齿轮的转矩 由表选取齿宽系数 由表查得材料的弹性影响系数由图按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限由式计算应力循环次数：由图取接触疲劳寿命系数；计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1，由式得5.2.2 锥齿轮部分计算（1）试算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值（2）计算圆周速度、 载荷系数锥齿轮分度圆直径（3）查取齿形系数由表查得 ；（线性插值法）（4）查取应力校正系

50、数由表查得 ；（线性插值法）（5）由图取弯曲疲劳寿命系数； （6）计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式得（7）大、小齿轮的并加以比较 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲强度算得的模数1.616并就近圆整为标准值，按接触强度算得的分度圆直径，算出小齿轮齿数则有大齿轮齿数：平均分度圆直径轮齿的受力分析为锥齿轮设计计算完毕。5.3 锥齿轮轴的结构设计及计算5.3.1 锥齿轮轴设计及校核(1) 材料及热处理 考虑到是高速

51、轴以及材料后，选此轴材料为Q235-A，调质处理。（2）初步确定轴的最小直径 按式初步估算轴的最小直径。根据轴的材料和表，取，所以根据公式有： （3）即 由于此轴上开有一个键槽，所以应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的削弱；再者直径小于100 mm，因此。轴的最小直径显然是安装联轴器处的直径。为了使所选的轴径与联轴器的孔径相适应，故需同时选取联轴器型号。联轴器的计算转矩，查表，考虑到转矩变化和冲击载荷大（如织布机、挖掘机、起重机、碎石机），故取，则：按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件并且考虑到补偿两轴综合位移，查表，选用GY5凸缘联轴器，半联轴器的孔径为35 mm，故取，半联轴器与轴配合的长度

52、为60 mm。（3）轴的结构设计由于此轴是装有联轴器的齿轮轴，所以结构采用外伸梁布局，外伸部分装联轴器，两轴承布置在齿轮的两端，轴系采用两端单向固定布置，为避免因温度升高而卡死，轴承端盖与轴承外圈端面留出的热补偿间隙，轴的初步结构如下图所示。图8 锥齿轮轴的结构设计Fig.8 The structural design of the bevel gear shaft5.3.2 确定各轴段直径和长度 （1）段装GICL1联轴器，因此。半联轴器与轴配合的孔径长度为60 mm，为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，因此段的长度应比60略小一些，现取。 （2）为了满足半联轴器的轴向定位要

53、求，段的左端需要制出一轴肩，轴肩高度，即，取，因此。轴承端盖的总宽度为20 mm（由减速器及轴承端盖的结构设计而定）。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离，故取。（3) 初步选择滚动轴承。因轴承主要承受轴向载荷和径向载荷作用，故选用圆锥滚子轴承。根据，选择6308型轴承其尺寸为，因此。（4）轴上零件的周向定位半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。根据，查表，有平键截面，键槽用键槽铣刀加工，长度为30mm；半联轴器与轴的连接，选用平键为，半联轴器与轴的配合为；滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为m6。（5）确定轴上

54、圆角和倒角尺寸参考表，取轴端倒角和各轴肩处的圆角半径见零件图。（6）求轴上载荷并做出轴的弯矩图和扭矩图根据轴的结构图做出轴的计算简图，如下图所示。图9 轴的结构简图Fig.9 The shaft structure diagram其中 取B值为120所以 （7）轴的水平面手力示意图为图10 轴水平面受力示意图Fig. 10 Axis horizontal plane by the force diagram（8）水平弯矩为图11 轴水平面弯矩图Fig. 11 Axis horizontal plane bending moment diagram其中 （9）垂直面受力分析图图12 垂直面受力示

55、意图Fig.12 Vertical force diagram（10）垂直面弯矩为 图13 垂直面弯矩图Fig. 13 Vertical bending moment diagram其中（11）总弯矩图为图14 总弯矩图Fig. 14 Total bending moment diagram(12)扭矩图图15 扭矩图Fig.15 Torque Fig.(13)弯扭合成强度校核 （4）查表得 故安全，强度校核完毕。5.4 刀臂的弯曲变形刀臂受到自身重力和刀具的重力左右，所以会有弯曲变形，如果弯曲太大，就会造成换刀时手臂和刀具的干涉，造成机器的损坏。刀臂的自身重力可以通过简化的方式转化为一个长度

56、为410mm，宽90mm，高35mm的长方体来计算，G=mg=7.8104193=86346N=86.346KN87N刀具的重量F=106=60N刀臂材料的抗拉强度 =460MPa 屈服强度 =235MPa 刀臂的受力可以简化为图16所示,可简化为悬臂梁来处理，则任意横截面上的弯矩为： M=-60（l-x） =-60（205-x） 得挠曲线方程 图16 刀臂受力示意图Fig .16 The knife arm by force diagram刀具重力所造成的弯曲由表6.14： （5）公式（1）中 弯曲距离F作用力杆的长度杆上任意一点到固定端的距离材料的弹性摸量惯性距刀臂自重所造成的弯曲由表6.14： （6）其中=3012=1822500=1.8225E=2.2刀具重力所造成的弯曲由表6.14： （7）刀臂自重所造成的弯曲由表6.14： （8）刀具重力所造成的弯曲由表6.14： （9）刀臂自重所造成的弯曲由表6.14： （10）计算得刀具重量所造成的弯曲：=-60