数控镗铣加工中心自动换刀机构设计
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毕业设计(论文)中期报告题目:数控镗铣加工中心自动换刀机构的设计1 设计(论文)进展情况通过查阅书籍资料,进行相关参数的选择和计算。查阅相关资料,了解到换刀机械手的组成结构,主要工作参数以及各结构的作用设计理论。结合资料所示各参数计算方法,对相关设计进行计算。1.1 换刀机械手设计主要参数的设计选取1.1.1 机械手夹紧力计算由于选取的是用活动销夹紧刀具的机械手,所以计算夹紧力,则需要计算活动销的行程,确定所需弹簧尺寸。同时,活动销对刀具的夹紧力是由弹簧的反力来提供的,所以根据 P=-F=-kx 可以计算出夹紧力。同时还要考虑到摩擦力以及运动中的惯性。1.1.2轴与机械手配合部分的直径的确定由于轴是重要的零件所以材料选用为45钢,在轴的结构设计时,通常用公式根据扭转强度来初步估算轴径。则可以得到公式,这时确定式中各项的值,便可以求出轴径。1.1.3手部与轴连接螺栓的确定 机械手的手部是通过螺栓连接在轴上的,选用普通的螺栓来连接,在这里拟采用四个螺栓组成的螺栓组来连接的,由于这4个螺栓同时受到的力F以及力矩的作用,因为在此采用的是普通螺栓,可以得出一个螺栓的受力情况,由 得预紧力,因为选材为中碳钢,此时可得到螺栓的许用拉应力,从而根据螺栓的危险截面拉伸条件公式,可以得出螺栓直径,需要考虑到的是,为了保证在使用过程中的安全可靠,在实际的选用中螺栓的直径应大些。1.1.4机械手转过75驱动机构设计 这个机构由一个液压缸、齿轮条、齿轮以及连接盘、连杆组成的,当发出机械手抓刀信号时,液压缸的后腔就通入液压油,活塞杆推动着齿轮条向前移动,使得齿轮转动,齿轮转动的时候,带动连接盘与连杆转动,而连杆通过花键连在机械手上,所以当活塞通入液压油的时候,机械手就能相应的转动。 根据每个动作的平均时间,和齿轮的齿数,可以求得齿轮的分度圆直径,也就是在转过75时间里齿条所走的长度,由此算出活塞杆的速度,从而得到液压缸的活塞直径。1.1.5确定齿轮齿条由于我选用的都是标准齿轮,压力角为20。由于齿轮齿条是配合运动的,所以它们的齿距是一样的,最后齿条的计算结果要考虑到多留出的部分以及齿轮与齿条的齿数互为质数。1.1.6机械手转过180驱动机构设计此机构设计与机械手转过75的机构设计计算方式相同。1.1.7插拔刀具的驱动机构 当需要夹刀具时,液压缸的上腔通入液压油,使液压缸的活塞向下运动,把机械手带到夹刀具和拔刀具的位置,完成这个动作以后,就要拔刀具了,这个时侯下腔通入液压油,使得活塞向上运动。只要选择合适的液压缸的行程就可以达到预定位置。1.1.8整体机构 通过前几章的论述,最终设计出的机械手的总体装配方案如图1所示图 1 换刀机械手装配图1机械手手臂;2传动轴;3齿条滑轨;4换位齿条;5换位盘;6下销;7机架;8齿条滑轨;9抓刀齿条;10液压缸;11活塞;12联接盖;13联接套;14推力轴承;15抓刀齿轮;16孔板;17抓刀盘;18上销;19从动盘;20盘;21换位齿轮1.2 完成外文翻译资料。2 存在的问题及解决措施在设计计算的过程中,对于计算的具体顺序不太明确,以及各零件的材料选用不熟悉。每个零件之间的配合过程,具体的接触,传动过程中导致的误差的估算,还有就是对计算中所使用的各种公式的不熟悉。这些问题通过查找相关文献及资料得到了有效的解决。3 后期工作安排11周:完善该机械手的结构设计计算;1215周:完成该机械手的装配图;1618周:完成论文的撰写,准备答辩;指导教师签字: 年 月 日 毕业设计(论文)开题报告题目:数控镗铣加工中心自动换刀机构的设计1 毕业设计(论文)综述1.1题目背景、研究意义 一个零件往往需要进行多工序的加工,而单功能的数控机床,只能完成单工序的加工,如车、钻、铣等。因此,在制造一个零件的过程中,大量的时间用于更换刀具、装卸零件、测量和搬运零件等非加工时间上,切削时间仅仅占整个工时中的较小比例。为了缩短非切削时间,提高工作效率,我们便设计了带有自动换刀系统的加工中心。加工中心(Machining Center,MC)是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床,它是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通信诊断、刀具和编程技术的高科技产品。由于加工中心能集中完成多种工序,因而可减少工件装夹、测量和调整时间,减少工件周转、搬运存放时间,使机床的切削利用率高于通用机床3倍4倍,所以说,加工中心不仅提高了工件的加工精度,而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床1。1.2国内外相关研究情况未来加工中心的发展动向是高速化、进一步提高精度和愈发完善的机能。加工中心是数控机床的代表,是高新技术集成度高的典型机电一体化机械加工设备,我国的加工中心从70年代开始,已有很大发展,但技术、品种和数量上都还远不能适应我国经济、技术发展的需要2。随着我国工业的不断发展,推动了模具制造业、机械加工业的巨大发展,使得数控机床的使用越来越普遍,而加工中心更是以其高自动化程度得到广泛应用。然而,目前市场上生产和销售的都是以大、中型的加工中心为主,小型加工中心几乎是空白,而机械加工业、小型模具的制造、工科院校、技工学校等对小型加工中心存在着大量的需求。为加速我国加工中心的发展,需进一步加强对加工中心的研究、设计、制造和应用3。在加工中心中,刀库和机械手组成自动换刀装置(Automatic Tool Changer,简称ATC),而自动换刀装置的好坏,将直接影响加工中心的好坏,从目前情况看,加工中心的主机部分基本定型,变化不大,但自动换刀装置种类繁多,五花八门,是最难搞好的部分4。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,正因为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,尤其机械手这部分更是如此。目前常见的换刀机械手类型如下:(1)单臂单手式机械手 结构较简单,换刀各动作均需顺序进行,时间不能重合,故换刀时间较长。(2)双手式机械手 向刀库还回用完的刀具和选取新刀,均可在主轴正在加工时进行,故换刀时间可较短。(3)双臂回转式机械手 这类机械手可以同时抓住和拔、插位于主轴和刀库里的刀具。与单臂单手式机械手相比,可以缩短换刀时间。应用最广泛,形式也较多。(4)多手式机械手 使用者较少。2 主要研究内容、拟采用的研究方案、研究方法或措施2.1主要设计内容:缩短机械手换刀的时间、保持工作平稳、定位准确。从而提高生产效率。2.2研究方案:2.2.1手的驱动方式的选择(1)液压驱动通常拥有很大的抓举能力,特点是结构紧凑,动作平稳,耐冲击,耐振动,防爆好,但液压组件要求有较高的制造精度和密封性能,否则漏油将污染环境。(2)气动驱动特点是电源方便,动作迅捷,结构简单,造价较低,维修方便。但是难以进行速度控制,气压不可太高,故抓举能力较低。(3)电动驱动 电力驱动是目前使用最多的一种驱动方式。其特点是电源方便,响应快,驱动力较大,信号检测、传递、处理方便,并可采用多种灵活控制方案。由于电机速度较高,通常必须采用减速机构,而且成本上也较其他两种驱动系统高。由于本设计机构需要要求换刀时间短、工作平稳、定位准确,故选择液压驱动。 2.2.2机械手的组成及运动 本课题研究采用的是双臂回转式机械手。这种机械手的拔刀、插刀动作,大都由油缸动作来完成。手臂的回转动作,则通过活塞的运动带动齿轮齿条来实现。机械手臂的不同回转角度,是由活塞的可调行程来保证。图1为该机械手手部结构示意图。整个机械手主要由: 行程开关, 挡环,齿轮, 连接盘, 销子, 传动盘, 升降液压缸, 滑轴, 齿条,转位液压缸, 机械手组成。其工作原理为: 上、下两个液压缸分别驱动两组齿轮齿条实现机械手的旋转运动; 为了保证上下两个旋转运动互不干扰, 中间采用一根滑轴上固接一个传动盘的结构, 传动盘与齿轮通过销来传递运动, 机械手换刀动作到位与否则是通过行程开关来检测, 外加档块进行限位, 从而实现机械手的自动换刀功能。如图2所示。 图1双臂回转式机械手 1,3,7,9,13,14为行程开关; 2,6,12为挡环; 4,11为齿轮 ;5为连接盘;8为销子;10为传动盘;15为升降液压缸;16为滑轴;17,19为齿条;18,20为转位液压缸;21为机械手;图2机械手结构图在换刀过程中,机械手要完成准备、抓刀、拔刀、交换主轴上和刀座上的刀具、插刀和复位等动作,机械手的全部动作均由液压油缸控制。刀具安装在标准的刀柄中,本次设计采用7:24锥度的刀柄;最大刀具长度300mm,最大刀具直径100mm,最大刀具重量8kg,刀具材料为高速钢,如图3所示。图3刀具结构图机械手两端各有一个手爪,手爪的抓刀圆弧部分各有各有一个锥销,机械手抓刀时,锥销插入刀柄键槽内,由活动销在弹簧力的作用下顶住刀柄,使刀柄固定,机械手能同时抓取和装卸刀库和主轴上的刀具,动作简单,效率高,换刀时间短。其换刀过程如下,如图4图5所示:a. 刀套转90: 换刀之前, 刀库2 转动将待换刀具5送到换刀位置, 之后把带有刀具5的刀套4向下翻转90, 使得刀具轴线与主轴轴线平行。b. 机械手转90:两手分别抓住刀库和主轴3上的刀柄。c. 刀具松开: 刀具的自动夹紧机构松开刀具。d. 机械手拔刀: 机械手臂下降, 同时拔出两把刀具。e. 机械手转180:使主轴刀具与刀库刀具交换位置。f. 机械手插刀: 机械手上升, 分别把刀具插入主轴锥孔和刀套中。g. 刀具夹紧: 刀具插入主轴的锥孔后, 刀具的自动夹紧机构夹紧刀具。h. 机械手松刀: 机械顺时针转90, 回到原始位置。i. 刀套向上翻转90:刀套带着刀具向上翻转90,为下一次选刀做准备。图4械手的换刀示意图图5机械手手部换刀过程简图3 本课题研究的重点难点以及展开的工作本课题的重点是:保证各个结构之间的相互合理配合,使之能连续工作,有节奏,安全地成产。难点是:机械手手臂的设计与计算,机械手手部的设计与计算,机械手传动和驱动的设计计算,以及各个过程参数的确定,绘制图形。前期已经展开的工作:网上查阅有关书籍和资料,确定设计的大致方向,了解换刀机械手的大体结构和工作原理。4 工作方案及进度计划13周:调研并收集资料;36周:阅读资料,分析该机械手的结构组成和工作原理,并完成结构方案设计;711周:完成该机械手的结构设计计算;1215周:完成该机械手的装配图和仿真;1618周:完成论文撰写,准备答辩; 指导教师意见(对课题的深度、广度及工作量的意见) 指导教师: 年 月 日 所在系审查意见: 系主管领导: 年 月 日参考文献1 刘建慧,邹慧君.加工中心自动换刀装置类型综述及设计特点J,机械设计与研究,2001.9,17(3):49512 李净仪,李秋红,郑耘杰.简述机械手液压控制系统的设计J,农机使用与维修,2010,3: 27283 朱文艺,张庆乐.数控加工中心换刀机构动作过程及控制原理研究J,武汉工程职业技术学院学报,2009.3,21(1):59 4 刘炜. 数控加工中心自动换刀系统J, 机床与液压, 2005,5:585 杨可森,艾长胜,侯志坚. 数控镗铣加工中心自动换刀系统中机液机械手J, 机床与液压,2003,3:2162176 夏粉玲,贺炜. 凸轮式立卧两用换刀机械手的研究J. 机械科学与技术, 2004, 23(3):320.7 谢政. 加工中心换刀机械手的研究D. 湘潭大学. 2008,05.15.8 郑俊,许明恒,高宏力,单俊峰.PCB钻床自动换刀机械手换刀部分的设计分析J,现代机械,2008,第1期:6.9 李加明,陶卫军,冯虎田. 自动换刀装置发展现状及其关键技术J.电气制造,2013(05):174176 10 黄泽正,刘冲,陈志辉. 加工中心自动换刀装置的设计J. 机械工程与自动化. 2007(01):12412511 戚洪利. 自动换刀装置及其控制的研究D. 兰州理工大学 2007 12 朱玉敏. 加工中心的自动换刀技术J. 制造技术与机床. 1988(08):16817013 陈义庄. 数控机床自动换刀装置的选择及刀柄的配置J. 机床与液压. 2002(04):20720914 M.B.Ko.Design of automatic tool changer for CNC machines.M.Sc. thesis,Mechanical EngineeringDepartmet, METU, Ankara, Turkey 199515 KIM Jae-Hyun,LEE Choon-Man School of Mechatronics,Changwon National University,Changwon 641-773,Korea16 S. Mekid a,*, P. Pruschek b, J. Hernandez c, Beyond intelligent manufacturing: A new generationof flexible intelligent NC machinesJ, Mechanism and Machine Theory,2009(44):466-476. 本科毕业设计(论文)题目:数控镗铣加工中心自动换刀机构的设计数控镗铣加工中心自动换刀机构的设计摘 要随着我国工业生产的飞速发展,自动化程度迅速提高,在自动化生产领域中,工业机械手是近几十年发展起来的。工业机械手的是从工业机器人中分支出来的。其特点将预期的作业任务通过编程来完成,它分别具备了人和机器在构造和性能上的优点,人对环境的适应性及智能性尤其得到了体现。机械手的准确性,对环境的适应性保证了其能在各种情况下完成工作,机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器,其自由度多方向性的特点,保证其可以在不同的环境中搬运物体,完成工作任务。本论文设计的是V116B型数控镗铣加工中心使用的采用液压驱动的机-液机械手自动换刀装置的设计。在有机械手换刀的过程中,使用一个机械手将加工完毕的刀具从主轴中拔出,与此同时,另一机械手将在刀库中待命的刀具从刀库拔出,然后两者交换位置,完成换刀过程。该自动换刀装置由刀库和换刀机械手组成。刀库采用盘形结构,机械手选用回转式双臂机械手。关键词:机械手;加工中心;自动换刀装置The design of Automatic Tool Changer of Numerical Control Boring & Milling Machine CenterAbstractWith the rapid development of Chinas industrial production, the rapid increase in the degree of automation in the field of automation and industrial robot is developed in recent decades . Industrial robots are branching out from the industrial robot . Its characteristics will be expected to complete their tasks by programming , which respectively have the advantage of man and machine in the structure and performance, adaptability and intelligent people , especially the environment has been reflected . The accuracy of the robot , and adaptability to the environment to ensure that the multifunction machine to complete its work in a variety of situations , a robot positioning control can be automated and can be re -programmed to change its freedom of multi- directional characteristics ensure that it can carry an object in a different environment, complete the tasks .In this paper, the design is the use of hydraulically driven machine V116B CNC milling centers use - robot design solution for automatic tool changer . In a mechanical hand tool change process, the use of a mechanical hand finished processing tool pulled from the spindle , while the other robot in the magazine will be on standby tool from the magazine pulled out , and then the two switched positions , complete the tool change process. The automatic tool changer from the magazine and gripper components. The magazine uses a disk-shaped structure, selection of rotary robot manipulator arm .Key Words: Manipulator;Machining Centers,;Automatic Tool Changer目 录1 绪论1 1.1概述1 1.2加工中心概述2 1.2.1加工中心的分类及结构组成21.2.2加工中心的加工工艺特点3 1.3 机械手的发展现状4 1.4 机械手的分类5 1.4.1 工业机械手研究趋势8 1.5 自动换刀机械手主要功能8 1.6 设计工具82 总体方案的设计9 2.1 初定换刀装置的设计参数9 2.1 换刀机械手抓刀部分结构10 2.3 机械手轴的设计10 2.4 机械手传动结构11 2.5 自动换刀过程的动作顺序12 2.5 自动换刀装置的相关技术要求13 2.6换刀机械手的液压控制143 换刀机械手的设计计算15 3.1 手指结构设计及计算153.1.1 手指夹紧力的计算15 3.2 手臂的弯曲变形15 3.3 轴与机械手配合部分的直径的选取17 3.4 手部与轴连接螺栓的确定18 3.5 机械手转过75度的驱动机构设计193.5.1 回转液压缸的计算193.5.2 确定齿轮齿条机构其它尺寸20 3.6 机械手转过180度的驱动机构设计213.6.1 回转液压缸的计算213.6.2 确定齿条尺寸22 3.7 升降机构的设计224 结论24参考文献25致谢26毕业设计(论文)知识产权声明27毕业设计(论文)独创性声明28 IV 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)1 绪论1.1概述一个零件往往需要进行多工序的加工,而单功能的数控机床,只能完成单工序的加工,如车、钻、铣等。因此,在制造一个零件的过程中,大量的时间用于更换刀具、装卸零件、测量和搬运零件等非加工时间上,切削时间仅仅占整个工时中的较小比例。为了缩短非切削时间,提高工作效率,我们便设计了带有自动换刀系统的加工中心。加工中心(Machining Center,MC)是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床,它是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通信诊断、刀具和编程技术的高科技产品。由于加工中心能集中完成多种工序,因而可减少工件装夹、测量和调整时间,减少工件周转、搬运存放时间,使机床的切削利用率高于通用机床3倍4倍,所以说,加工中心不仅提高了工件的加工精度,而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床1。未来加工中心的发展动向是高速化、进一步提高精度和愈发完善的机能。加工中心是数控机床的代表,是高新技术集成度高的典型机电一体化机械加工设备,我国的加工中心从70年代开始,已有很大发展,但技术、品种和数量上都还远不能适应我国经济、技术发展的需要2。随着我国工业的不断发展,推动了模具制造业、机械加工业的巨大发展,使得数控机床的使用越来越普遍,而加工中心更是以其高自动化程度得到广泛应用。然而,目前市场上生产和销售的都是以大、中型的加工中心为主,小型加工中心几乎是空白,而机械加工业、小型模具的制造、工科院校、技工学校等对小型加工中心存在着大量的需求。为加速我国加工中心的发展,需进一步加强对加工中心的研究、设计、制造和应用3。在加工中心中,刀库和机械手组成自动换刀装置(Automatic Tool Changer,简称ATC),而自动换刀装置的好坏,将直接影响加工中心的好坏,从目前情况看,加工中心的主机部分基本定型,变化不大,但自动换刀装置种类繁多,五花八门,是最难搞好的部分。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26的竞争中取得好效益,正因为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,尤其机械手这部分更是如此。1.2加工中心概述1.2.1加工中心的分类及结构组成a. 加工中心的分类按照空间来分类,可以分为两大类,立式加工中心和卧式加工中心。立式加工中心为加工中心的主轴在空间处于垂直状态的,卧式加工中心主轴,其在空间处于水平状态的5。复合加工中心,也可以称为立卧式加工中心或五面加工中心,其含义是主轴可作垂直和水平转换的。加工中心立柱的数量分为单柱式和双柱式。按加工中心运动坐标数和同时控制的坐标数分:有三轴二联动、三个轴三种联动、四轴三联动、五轴四联动、六轴五联动等。三轴、四轴是指加工中心具有的运动坐标数,联动是指控制系统可以同时控制运动的坐标数,从而实现刀具相对工件的位置和速度控制。按工作台的数量和功能分:有单工作台生产制造中心、双工作台加工中心,和多工作台加工中心。按加工精度分:普通、高精度两种加工中心。普通加工中心,分辨率为1m,最大进给速度1525mmin,定位精度l0m左右。高精度加工中心、分辨率为0.1m,最大进给速度为15100mmin,定位精度为2m左右。介于2l0m之间的,以5m较多,可称精密级。b. 加工中心的结构组成加工中心自问世至今已有30多年,世界各国出现了各种类型的加工中心,虽然外形结构各界,但从总体来看主要由以下几大部分组成。基础部件 这是一个基础结构加工中心,按在床上,列和表格等,这主要是受到静电负荷加工中心和切削加工过程中产生的负载,它必须具有足够的刚度。这些大件可以是铸铁件也可以是焊接而成的钢结构件,它们是生产制造中体积和重量最大的部件。(1) 主轴部件 由主轴电动机、主轴箱、主轴轴承和主轴等零部件行成。主轴的启、停和变速等动作均由数控系统控制,并且通过装在主轴上的刀具参与切削运动,是切削加工的功率输出部件。(2) 数控系统 加工的数控部位是由数控装置,可编程控制器,伺服驱动器和控制面板等组成。这是执行的操作控制中心,并完成以控制过程。(3) 自动换刀系统 它的组成部分是由刀库、机械手等。当有需求换刀的时候,就会通过数控来发出命令,由机器人从刀具库中删除刀具装入主轴孔。(4) 辅助装置 包括涡滑、冷却、排屑、防护、液压、气动和检测体系等的。虽然辅助体系不直接参与运动,但是他却对加工效率,精度和准确性有着很重要的保证作用,所以他是不可缺少的部分6。1.2.2加工中心的加工工艺特点数控加工灵活,自动化程度高,特别适合于加工的曲线复杂的轮廓形状,曲面零件,和具有大量复杂的孔的外壳,槽加工,棱体零件,在多样的类型、生产量不是很多的状况下,运用数量控制的机器生产加工能获得较高的经济效益。加工和一般机械加工数控加工过程基本上是同样的问题,但它有它的特点。因此,在数控加工工艺设计时,既要遵循普通加工工艺的基本原则和方法,又要考虑数控加工本身的特点和零件编程要求7。a. 零件装夹方法的确与夹具选择,我们要加工的零件需要装夹到数控机床上,装夹的方法与在一般的机床上装夹的方法一样,也要合理选择定位基准和夹紧方案。依照“基准统一”和“基准重合”等的原则来进行精基准的选择。 b. 加工顺序的安排,除了因按照“先面后孔”“先粗后精”等基本原则安排加工顺序。 c. 确定换刀点和对刀点,对刀点是数控加工时刀具相对于工件运动的开始。从这一点,因为程序被执行的,所以程序也被称为从刀刀点或点的起点。规划应首先考虑选择刀点。 在生产过程中要换刀的时候,应该规定换刀的准确点,换刀的原则是不能碰伤元件,夹具和机床。d. 刀具进给路线的规划,进给路线是指数控加工过程中刀具(刀位点)想对于被加工零件的运动轨迹,原则是: (1) 零件的加工精度和质量要得到很好的保证。 (2) 计算方法简单方便。 (3) 拥有最短的进给途径。 在加工轮廓的过程中应该避免生产过程的停顿,因为在生产加工的时候,零件、刀具、夹具以及机床等都有稍稍的变形,在进给停顿时,切削力会减小,刀具将在零件表面留下凹痕8。 对于孔的位置精度要求高的零件,在精镗孔系时,安排镗孔路线一定要注意做到各孔的定位方向一致,避免反向间隙的影响。e. 刀具选择,数控加工台时费用高,为提高效益,数控加工对刀具提出了更高要求,不仅要刚性好,精度高,而且要尺寸稳定、耐用度高。调整方便。因此凡加工情况允许选用硬质合金刀具时,就不应选用高速钢具刀。应尽量选用可转位刀片以减少刀具磨损后的更换和预调时间,选用涂层刀具以提高耐磨性。精密镗孔应选用性能更好更耐磨的金刚石和立方氧化硼刀具。 f. 切削用量的确定,数控加工的切削用量选择原则与普通加工相同。由金属切削原理可知,在选择切削用量时,应首先采用最大的切削深度,再选用大的进给量,然后根据确定的刀具耐用度选择切削速度。对于数控加工,刀具耐用度至少应大雨加工完一个零件,或最少不低于半个工作班。 在轮廓加工中,应注意克服由于惯性或伺服系统的随动误差而造成轮廓拐角处的“超程”或“欠程”现象。g. 程编误差及其控制,程序编制中的误差由逼近误差、插补误差和尺寸圆整误差三部分组成。1.3机械手的发展现状能模仿人手和手臂的某些动作功能,按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可解放人们的双手,减免人们的生产劳动,达到机械化、自动化代替人工,在各种恶劣的生产工作的环境下,很好的完成工作任务。它被广泛应用于机械制造,冶金,电子,轻工等行业10。手和运动机构形成机械手的主要部分。手部是根据被夹着的物体的形状,大小,重量,材料和多种结构形式,如钳类型,夹持和吸附型操作要求将工件保持部件。移动机构旋转所述手部来完成各种移动或复合运动来实现预定的操作,以改变对象的夹持位置和姿势。独立运动的方式向下运行机制,拉伸,旋转,称为自由度机械手。为了抓取空间中任意位置和方位的物体,需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关键参数11。自由度越多,机械手的灵活性越大,通用性越广,其结构也越复杂。一般有23个自由度。一种机器手,可以根据驱动方式可分为液压,气动,电气,机械手;适用范围可分为专用和通用机械操纵两只手,按轨迹控制点可以分为控制和连续的机器人轨迹控制等。机械手通常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12。机械手是在机械化、自动化生产过程逐步成长起来的一种新型装置。近年来,随着信息化的技术特别是电子计算机的广泛应用,开发和生产的机器人有一个新兴的技术中成为一个迅速发展的高科技领域一起,更促进了机器人的发展,机器人可以更好地实现机械化和自动化的很好的结合。虽然机器人是不如灵活的人手,但它可以工作,工作可以继续、重复,不知道疲劳,不怕危险,电源抓举重物等特点比人力要强的多,因此,对于这些特点机器人一直是适用于许多行业,而且根据其特性,在很多领域已得到广泛应用。1.4机械手的分类目前,机械手尚无通用的分类方法。它们可按不同的特点分,例如,根据手爪的数量、手臂的数量及结构进行分类13。 a. 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1.1所示:图1.1 单臂单爪回转式机械手b. 单臂双爪回转式机械手 图1.2 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1.2所示。c. 双臂回转机械手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1.3所示。图1.3 双臂回转式机械手d. 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上,如图1.4所示。图1.4 双机械手e. 双臂往复交叉式机械手图1.5 双臂往复交叉式机械手1.4.1工业机械手研究趋势 目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面,无论数量,品质还是性能方面都不能完全满足工业发展的需要。 在国内主要是逐步扩大应用范围,重点发展铸造、热处理方面的机械手,以减轻劳动强度,改善作业条件,在应用专业机械手的同时,相应的发展通用机械手。在自动换刀装置的研究上还要解决一些关键技术问题:如优良运动曲线选择、机构运行可靠性、换刀复合凸轮的设计,凸轮的精密加工等。 此外,国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力,能反馈外界条件的变化,做相应的变更。如位置发生少许偏差时,即能更正并自行检测,重点是研究视觉功能和触觉。目前,已经取得一定成绩。1.5自动换刀机械手主要功能加工中心换刀机械手的主要任务是:完全模拟人工手动换刀的动作,给机床主轴与弹簧夹头提供相对转动实现夹紧、放松刀具的动作。机械手应具备足够的转矩,同时还应使机械手具备结构紧凑、占据空间小的特点。机械手主要由手部、驱动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件(或工具)的部件。驱动机构,使机械手部完成各种规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势。控制系统用来实现对机械手的动作顺序的控制。1.6设计工具常用的设计软件有AutoCAD、3Dmax、Adobe image等,在本次设计中,我选用AutoCAD来绘制本次设计的各类图纸,原因如下:(1) 具有完善的图形绘制功能。(2) 有强大的图形编辑功能。(3) 可以采用多种方式进行二次开发或用户定制。(4) 可以进行多种图形格式的转换,具有较强的数据交换能力。(5) 支持多种硬件设备。(6) 支持多种操作平台(7) 具有通用性、易用性,适用于各类用户,2 总体方案的设计数控机床的自动换刀装置中,实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具交换装置。刀具的交换方式通常分为两种: 一种是采用机械手交换刀具, 另一种是由刀库与机床主轴的相对运动来实现刀具交换即无机械手交换刀具。刀具的交换方式及它们的具体结构对机床的工作效率和工作可靠性有直接的影响。本文机械手交换刀具的方式。机械手是当主轴上的刀具完成一个工步后,把这一工步的刀具送回刀库,并把下一道工步的所需的刀具从刀库中取出并装入主轴继续加工的功能部件。对机械手的具体要求是迅速可靠,准确协调。2.1初定换刀装置的设计参数本次设计采用7:24锥度的刀柄;最大刀具长度150mm,最大刀具直径50mm,最大刀具重量3kg,刀具材料为高速钢,如图2.1所示。 图2.1 刀具结构图14初估最大直径刀具的重量为3kg。2.1换刀机械手抓刀部分结构如图2.2所示机械手抓刀部分结构。 图2.2 机械手它主要由手臂和固定于其两端的结构完全相同的两个手爪组成。手爪上握刀的圆弧部分有一锥销,机械手抓刀时,该销插入刀柄的键槽中。当机械手由原位转75抓住刀具时,两手爪上的长销分别被主轴前端面和刀库上的挡块压下,使轴向开有长槽的活动销在弹簧的作用下右移顶住刀具。机械手拔刀时,长销与挡块脱离接触,锁紧销被弹簧弹起,使活动销顶住刀具不能后退,这样机械手在回转180时,刀具不会被甩出。当机械手上升插刀时,两长销又分别被两挡块压下,锁紧销从活动销孔中退出,松开刀具,机械手便可反转75复位15。2.3机械手轴的设计我设计的驱动装置中所采用的轴主要作用是既可以在插刀、拔刀时带动整个机械手上下移动,又可在交换刀具时带动回转头转动,考虑到机械手在转动180度和转动75度的时候,上方的液压缸不能跟着主轴一起转动,所以必须设计一个装置能让主轴转动时保持上方的液压缸不转动,而上方液压缸带动主轴上下伸缩运动时也不会和转动装置发生干涉。经过查资料,我设计了以下结构来保证这一要求,如图3-6所示。 图2.3 手伸缩传动结构示意图2.4机械手传动结构图2.4为机械手结构示意图。图2.4 机械手整体结构图2.5自动换刀过程的动作顺序机械手将刀具从刀库中取出送至机床主轴上,然后将用过的旧刀送回刀库。其动作过程简述如下:a. 刀套转90: 换刀之前, 刀库2 转动将待换刀具5送到换刀位置, 之后把带有刀具5的刀套4向下翻转90, 使得刀具轴线与主轴轴线平行。b. 机械手转75:两手分别抓住刀库和主轴3上的刀柄。c. 刀具松开: 刀具的自动夹紧机构松开刀具。d. 机械手拔刀: 机械手臂下降, 同时拔出两把刀具。e. 机械手转180:使主轴刀具与刀库刀具交换位置。f. 机械手插刀: 机械手上升, 分别把刀具插入主轴锥孔和刀套中。g. 刀具夹紧: 刀具插入主轴的锥孔后, 刀具的自动夹紧机构夹紧刀具。h. 机械手松刀: 机械顺时针转75, 回到原始位置。i. 刀套向上翻转90:刀套带着刀具向上翻转90,为下一次选刀做准备。图2.5 械手的换刀示意图 图2.6 机械手手部换刀过程简图2.5自动换刀装置的相关技术要求a. 主轴准停装置 为了传递扭矩,在主轴的前端装有端键,当刀具刀柄装入锥孔时,刀柄上的键槽位置必须与该键对准才能装入。当机械手从刀库取刀时,为了确保刀具其后能顺利地装入主轴锥孔中,必须使主轴准确地停在刀具交换位置上。同时,由于工艺上的需要,也必须使主轴准停在固定位置上。这种使主轴端在定位键停在固定位置的技术要求称为主轴准停。可在主轴上安装电气控制的主轴准停装置以实现主轴准停功能。b. 换刀机械手的安装与调试(1) 换刀机械手安装在主轴箱的左侧面,加工零件时,换刀机械手随主轴箱一起上下运动;(2) 当初装上换刀机械手后,必须进行调试:用手动操纵主式调整换刀机械手相对于主轴的位置,使用调整心棒,有误差时可调整机械手行程、刀库位置、机械手支座、修正主轴坐标原点等。安装最大重量刀具时,要进行多次刀库到主轴位置的自动交换,使机械手换刀时做到准确无误,无撞击。2.6换刀机械手的液压控制图机械手的换刀动作由液压控制。机械手的换刀动作分别由三个液压缸控制,如图2.6所示:图2.6 液压控制图3 换刀机械手的设计计算3.1手指结构设计及计算3.1.1手指夹紧力的计算在V116B数控镗铣加工中心中,刀具的最大直径为50mm,所以设计的手爪夹持最大直径为50mm,这就需要通过调节活动销的行程来实现刀具的夹紧,通过计算得知活动销的行程应大于L=8mm,这就需要弹簧的压缩量最少为8mm,在此选择压缩量为10mm的弹簧。可按下列公式计算: (3.1)式中:安全系数,由机械手的工艺及设计要求确定,通常取1.22.0,取1.5;工件情况系数;方位系数,根据手指与刀具形状以及手指与刀具位置不同进行选定。手指与工件位置:手指水平放置 工件垂直放置;手指与工件形状: V型指端夹持圆柱型; , 为摩擦系数, 为 V型手指半角,此处粗略计算 求得夹紧力,取整为177N。3.2手臂的弯曲变形手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。手臂的自身重力可以通过简化的方式转化为一个长度为300mm,宽48mm,高15mm的长方体来计算,G=mg=9.81034.81.5=1684.8N=1.6848KN1.7KN刀具的重量F=9.83=30KN手臂材料的抗拉强度 =460MPa 屈服强度 =235MPa 图3.1 手臂受力手臂的受力可以简化为图3.1所示如上图所示,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) 得挠曲线方程刀具重力所造成的弯曲: 刀臂自重所造成的弯曲: 其中=3012=1822500=1.8225E=2.2最大挠度为刀具重力所造成的弯曲: 刀臂自重所造成的弯曲: 端截面转角为刀具重力所造成的弯曲 刀臂自重所造成的弯曲: 计算得刀具重量所造成的弯曲:=-60(32.21.8225) 4.3m=-60(22.21.8225) 3.1刀臂自身重量所造成的弯曲:=-87(3205-102.5)(32.2 1.8225)3.9m 3.9m=-488(22.21.8225)6.4通过以上的计算可知,换刀机械手的手臂的弯曲非常小,根本不会对实际工作造成任何影响,所以是符合要求的。3.3轴与机械手配合部分的直径的选取a. 材料的确定由于轴是重要的零件所以材料选用为45钢b. 按照扭转强度来计算轴径在轴的结构设计时,通常用下面的公式来初步估算轴径 (3.2) 式中:扭转切应力,单位为MpaT轴所承受的转矩,单位为NmmWT轴的抗扭截面系数,单位为mm3P轴所传递的功,单位为kWD计算截面处的直径,单位为mm许用扭转应力,单位为Mpa由上式可得到轴的直径为: (3.3) 确定上述公式中的值:(1) 确定A0查表,A0取值范围为103-126,取A0=110(2) 确定转速n因为整个换刀过程的时间为2.5s,而整个换刀过程有5个动作,按照每个动作的时间相等来计算,所以每个动作的时间 而机械手在交换刀具的时候转过180度的时间也为0.5s,所以在这个时候它的转速最大,我们只要按照最大的转速去计算直径就可以了,因为转过180度的时间为0.5秒,因而转过一周的时间就为1秒,所以转速n=60r/min(3) P的确定由于所产生的功主要用来使机械手转动,再转180度时的时候功率P最大,=1802=1.130kw其中我们取F的最大值为600N,而L的值我们前边已经确定为300mm,所以 =180N*M而rad/s所以P=M即 24.83mm在这里我们选择 25mm。3.4手部与轴连接螺栓的确定机械手的手部是通过螺栓连接在轴上的,选用普通的螺栓来连接,在这里拟采用四个螺栓组成的螺栓组来连接的,现在对这4个螺栓进行受力分析。这4个螺栓同时受到的力F以及力矩的作用,因为在此采用的是普通螺栓,所以各个螺栓的受力分别为:150N下面对其中的一个螺栓进行验证由 (3.4)得预紧力 (3.5) 式中:为接合面的摩擦系数 为接合面数,这里接合面数为1,所以 为防滑系数,这里取由于接触表面的表面状况为干燥的表面,所以在这里取所以得1200N由螺栓的危险截面拉伸条件公式 , (3.6)得 (3.7)式中:为螺栓的许用拉伸应力螺栓的材料为中碳钢,所以取许用应力180Mp,即5由于这只是大致估算,为了保证在使用过程中的安全可靠,在实际的选用中螺栓的直径应大些,所以取,故而选用M6的螺钉。3.5机械手转过75度的驱动机构设计 这个机构由一般个液压缸、齿轮条、齿轮以及连杆组成的,当发出机械手交换刀具的信号时,液压缸的后腔就通入压力油,活塞杆推动着齿轮条向前移动,使得齿轮转动,齿轮转动的时候,带动连杆转动,而连杆通过连接块连在机械手上,所以当活塞通入压力油的时候,机械手就相应的转动。3.5.1回转液压缸的计算 由于机械手的整个换刀时间为2.5s整个过程有5个动作,按每个动作的时间相等来计算所以每个动作的时间即:机械手转过75的时间为0.5s取齿轮的齿数为20,模数为3,材料为40Cr,那么齿轮的分度员直径为d=mz=203=60mm齿轮的分度圆周长为S=所以齿轮转过75度所走的距离因为齿轮齿条是配合的所以齿轮条在这个运动中也走过39.25mm活塞杆的速度为设液压缸的溶积效鱼为,这里取设液压缸的额定流量为q所以 (3.8)又 (3.9)由上2式可以得到 因为q=0.8m/s所以又如下计算所以选择d=35m所以选择液压缸,它的行程为39.25mm,直径为35mm。3.5.2确定齿轮齿条机构其它尺寸首先确定齿宽系数 ,由于齿轮的二支撑相对齿轮做对称分布,所以取。 (3.10)由于我都采用的是标准齿轮(压力角为20)所以,故而由于所以齿轮做成实心的。其中取B1=30mm,齿条固定在一个滑槽内。齿轮的齿距(分度圆)由于齿轮与齿条是配合在一起运动的,所以齿轮的齿距(分度圆)就是齿条的齿距即由于液压缸的行程是39.25mm,所以齿条的齿数3.6机械手转过180度的驱动机构设计3.6.1回转液压缸的计算 由于机械手的整个换刀时间为2.5s整个过程有5个动作,按每个动作的时间相等来计算所以每个动作的时间即:机械手转过180间为0.5s取齿轮的齿数为20,模数为3,材料为40Cr,那么齿轮的分度员直径为d=mz=203=60mm齿轮的分度圆周长为S=所以齿轮转过180度所走的距离因为齿轮齿条是配合的所以齿轮条在这个运动中也走过94.2mm活塞杆的速度为设液压缸的溶积效鱼为,这里取设液压缸的额定流量为q所以 又 由上2式可以得到 因为q=0.8m/s所以有如下计算所以选择d=40m所以选择液压缸,它的行程为94.2mm,直径为40mm。3.6.2确定齿条尺寸由于液压缸的行程是94.2mm,所以齿条的齿数因为要留一些距离,还有齿轮与齿条的齿数互为质数,所以取齿条的齿数为z=13。3.7升降机构的设计前面已经对转位机构做了设计,但要完成整个运动还需要插拔刀具的运动,这就需要设计一个机构来完成插拔刀具的功能。在这个机械手中,只要给机械手一个z轴方向的运动即可。由于机械手的初位置与在夹刀具的位置有些不同,这就需要使机械手从初始位置运动到夹刀具的位置,在z轴方向的距离为100mm。为了完成这个工作,我选择一个液压缸来实现。原理如下:当需要夹刀具时,液压缸的上腔通入液压油,使液压缸的活塞向下运动,把机械手带到夹刀具和拔刀具的位置,完成这个动作以后,就要拔刀具了,这个时侯下腔通入液压油,使得活塞向上运动。只要选择合适的液压缸的行程就可以达到预定位置。估算换刀机构升降液压缸负载为26.72kg设升降液压缸的活塞杆在达到稳定速度过程中的加速度,则升降液压缸承受的负载为:=785.57N考虑到液压缸密封处的摩擦力,取=0.95,则机械手升降液压缸实际的负载为:=826.92N;液压缸回油腔背压力,由于此液压缸在不工作时需保证它的负载能长时间的保持在某一位置上,所以在本设计中初取估算值=1MPa,取=1.5MPa,因工作压力2MPa,取活塞杆直径与液压缸内径之比=0.3。 将各值代入式,可得:=43.8mm。为便于采取标准的密封件,根据液压缸内径尺寸系列,将内径D进行圆整,取=50mm;又因为本设计中=0.3,所以=0.350=15mm,样为便于采取标准密封件,根据活塞杆直径系列,将活塞杆直径d进行圆整,取=16mm;活塞的宽度=3050mm,这里取B=40mm。 4 结论经过设计计算与校核,本设计中的加工中心换刀机械手在满足抓刀、松刀、拔刀、插刀以及刀库刀具与主轴刀具之间刀具的互换等运动参数的同时,可以实现准确、稳定、快速、可靠的换刀。本设计中的加工中心换刀机械手用轴承连接活塞杆和手架旋转轴,可以使升降液压缸的活塞杆带动手臂旋转轴一起做伸缩运动,实现换刀机械手的拔刀和插刀运动。同时,手臂旋转轴在旋转时也不会干扰到活塞杆。本设计基于结构上的需要采用了液压缸来实现手架的旋转运动,即可以准确、稳定的实现各个运动,还可以通过提高液压缸的运动速度来缩短换刀的时间,在一定程度上简化了系统结构。通过这次毕业设计,我不仅把知识融会贯通,而且丰富了大脑,同时在查找资料的过程中也了解了许多的课外知识,开拓了视野,认清了将来机床的发展方向,使自己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞越。 参考文献1刘建慧,邹慧君.加工中心自动换刀装置类型综述及设计特点J,机械设计与研究,2001.9,17(3):49-51.2李净仪,李秋红,郑耘杰.简述机械手液压控制系统的设计J,农机使用与维修,2010,3: 27-28.3朱文艺,张庆乐.数控加工中心换刀机构动作过程及控制原理研究J,武汉工程职业技术学院学报,2009.3,21(1):5-9 .4刘炜. 数控加工中心自动换刀系统J, 机床与液压, 2005,5:58-59.5杨可森,艾长胜,侯志坚. 数控镗铣加工中心自动换刀系统中机液机械手J, 机床与液压,2003,3:216-217.6夏粉玲,贺炜. 凸轮式立卧两用换刀机械手的研究J. 机械科学与技术, 2004, 23,(3):320-322.7谢政. 加工中心换刀机械手的研究D. 湘潭大学. 2008,05.15-17.8郑俊,许明恒,高宏力,单俊峰.PCB钻床自动换刀机械手换刀部分的设计分析J,现代机械,2008,(1):6-7.9李加明,陶卫军.自动换刀装置发展现状及其关键技术J.电气制造,2013,(05):32-33.10黄泽正,刘冲,陈志辉. 加工中心自动换刀装置的设计J. 机械工程与自动化. 2007,(01):89-93.11戚洪利.自动换刀装置及其控制的研究D. 兰州理工大学 2007. 12朱玉敏.加工中心的自动换刀技术J. 制造技术与机床. 1988,(08):12-16.13陈义庄.数控机床自动换刀装置的选择J. 机床与液压. 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Mekid a,*, P. Pruschek b, J. Hernandez c, Beyond intelligent manufacturing: A new generationof flexible intelligent NC machinesJ, Mechanism and Machine Theory,2009(44):466-476.致 谢毕业设计马上就要结束了,这本来是一件值得庆幸的好事,但是对于在这次毕业设计中对我有很大帮助的老师、同学以及学校领导我不知道以怎样的方式表达我心中的谢意,更不知道用什么样的词语来表达我此时此刻的心情,没有他们的帮助,我的毕业设计不会这么顺利的完成,而我只有在这里对所有帮助过我的老师、同学、学校领导说一句:你们辛苦了,谢谢!毕业设计是对我们每一位毕业生在这几年大学中所学习到的知识的总结,也是对这几年在大学里所学习的知识的自我考核,让我们可以正确认识自己,给自己一个合理的定位。我这次毕业设计是在姚慧老师的指导下完成的。在完成毕业设计的过程中我也遇到了不少问题,姚老师给了我许多的关怀和帮助,并且经常询问我们毕业设计的进展情况、很用心的指导我们。通过这次毕业设计,我对所研究的题目内容、相关原理及实际中的运用了有了深刻的理解,掌握了对自己所需要的资料的查询方法,培养了我们独立学习、独立思考、独立解决问题的能力,并且拓宽了我们的知识面。最后,我再次感谢对我指导、关心和帮助过的老师、同学及领导。非常感谢!
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