毕业设计（论文）-双臂单爪换刀机械手和链式刀库自动换刀装置设计

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1、摘要加工中心是现代机械加工中用得最多的设备之一，而自动换刀装置作为加工中心的核心部件，一直处在不断改进之中。本课题要求设计一台小型加工中心的刀库及自动换刀装置。本次设计分为两大部分。首先，主要针对目前机床上常用的几种类型的刀库（鼓盘式刀库、链式刀库、格子盒式刀库等）进行了比较分析，最终选用链式刀库结构，选择伺服电机驱动，采用蜗杆蜗轮装置减速，并完成了链条的选择和链轮的设计计算。另外，选择双臂单爪机械手结构，对其运动作了详细的分析，最终将换刀运动分解为手臂的伸缩，手架的伸缩和回转三个动作。全部采用液压系统进行控制。在合理选用液压缸之后，绘制出了液压系统控制图、机械手动作原理图，基本完成了自动换刀

2、装置的设计工作。关键词：伺服电动机驱动；链式刀库；机械手换刀；液压系统控制全套图纸加扣 3012250582AbstractProcessing Center is a modern mechanical processing equipment used in one of the largest and automatic tool change device as the core parts processing center, has been in the continuous improvement of. The topics designed a small knife pr

3、ocessing center for devices and automatic tool change. The design is divided into two parts. First of all, the main view of the current machine, commonly used for several types of knives (knives drum disc library, the chain knife, knife lattice cassette library, etc.) a comparative analysis, the fin

4、al choice of the chain knife structure, choice of servo motor Driver, a worm worm deceleration devices, and completed the chain and sprocket of the choice of design and calculation. In addition, the choice of single-claw manipulator arms structure, its movement made a detailed analysis will eventual

5、ly ATC campaign for the decomposition of the telescopic arm, hand-stretching and rotating the three movements. All the hydraulic system used to control. A reasonable choice of hydraulic cylinders, to map out plans of the hydraulic control systems, mechanical hand movements schematics, basically comp

6、leted the installation of automatic tool change the design work.Keywords：The servo motor actuates; Chain knife storehouse; The manipulator trades the knife; The hydraulic system controls 目 录摘 要IAbstract1 绪 论1.1 本课题的来源、目的及意义(1)1.1.1 课题的来源.(1)1.1.2 本课题研究的目的.(1)1.1.3 本课题研究的意义.(1)1.2 课题背景及国内外研究现状(2)1.3

7、本课题研究的主要内容(3)2 刀库及换刀机构总体结构设计2.1 刀库的结构设计(3)2.1.1 方案分析比较.(3)2.1.2 刀库容量的确定.(6)2.1.3 刀库选刀方式的确定.(6)2.1.4 刀库的设计及计算.(6)2.2 自动换刀装置设计(13)2.2.1 方案分析比较.(13)2.2.2 机械手自动换刀工作流程设计.(13)2.2.3 换刀机械手结构设计.(22)2.2.4 换刀手手臂和手爪结构设计.(23)2.2.5 液压缸、活塞杆的选择.(24)2.2.6 液压系统工作原理.(26)设计总结.(27)致 谢(29)参考文献(30)III1 绪论1.1课题的来源及研究目的和意义1

8、.1.1课题的来源刀库和机械手是加工中心稳定可靠运行的关键功能部件。它的快速、准确的换刀程序是影响加工中心发挥高效、可靠的加工性能的重要因素。有资料显示，刀库和机械手的故障率约占整机故障率的25%。因此本课题将要求设计一套自动换刀装置，达到自动换刀的目的。1.1.2本课题研究目的本课题研究目的主要是学习典型机械装备的分析、设计和计算，了解机械装备系统的国内外发展情况。设计一套能在数控机床上使用的自动换刀装置，实现自动换刀的要求。1.1.3本课题研究的意义随着工业自动化的发展，出现了数控加工中心，它在减轻工人的劳动强度的同时大大提高了劳动生产率。目前，我国数控机床占机床总量比例不到3%，远远低于

9、国外的水平。而机床役龄10年以上的占60%以上，10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20%，能进行柔性加工的自动化生产线更少。但当今产品的制造追求精密、美观、更新快、成本低、普通机床加工出来的产品存在质量波动大、加工精度低、品种少、成本高、时间长等缺点，而这些因素又直接影响一个企业的产品、市场、效益，关系到企业的生存和发展。而现代制造业和加工中心正朝着高精度，高速度的方向发展，与此同时对加工中心自身也就提出拉高速度、高精度、智能化的发展要求，采用高速化的自动换刀装置，减少换刀时间是加工中心高速化的一个重要环节和手段。因此，自动换刀装置的改进，将大力提高机床的生产率。而目前很多企业正着力进行

10、提高机床的数控化率，希望能为企业今后实现信息化改造打下良好的基础。1.2 课题背景及国内外研究现状加工中心是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，因此在国内外企业界都受到高度重视。加工中心是数控机床各类产品中发展最快、所占比重最大的一类产品，也是制造业应用最广的一类设备。一些经济发达国家都把发展加工中心作为发展数控机床的首要任务，它的发展直接关系到国家经济建设和国防安全。从上世纪80年代开始，北京机床研究所等单位开发了立式加工中心，并形成了商品。上世纪90年代初，北京机床所引进美国TK公司立式加工中心技术、北京机电研究院引进美国辛辛那提公司马刀立式加工中

11、心技术等和自行开发，基本掌握了加工中心的设计和制造技术，为今后加工中心的生产和应用打下了扎实基础。到上世纪90年代末，国内的加工中心生产数量仍然很少，每年仅300台左右。2000年前后，一批海外跨国机床集团看好我国市场，开始在中国建立生产加工中心的独资或合资企业，实现了本地制造和本地销售。目前形成规模的有台湾杭州友佳机床有限公司、宁夏小巨人机床有限公司、大连亿达日平机床有限公司和德马吉上海机床有限公司等。步入21世纪，随着我国综合经济实力的快速提高，加工中心市场进入了快速发展期，汽车及其零部件、通用机械、航空航天、模具等各行业对加工中心的需求大幅上升，国产加工中心择优选择国内外数控系统、功能部

12、件等配套件，加快了产业化步伐，质量大幅度提高，性价比具有优势，逐步得到了国内用户的肯定和认可。同时，企业加大了产品开发研究的资金投入，一批国内急需长期依赖进口的高档加工中心，如高速加工中心、五轴加工中心等取得了突破，有的已进入批量生产。目前，国际上，加工中心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。而作为其中的关键部件自动换刀装置也将向高速度、高精度、智能化的方向发展。在现有的各种类型的加工中心中，传统结构的自动换刀系统的造价在机床整机造价中总是占着很大比重，这是加工中心价格居高不下、应用不普遍的重要原因。如

13、果把自动换刀系统的设计制造从现有加工中心的制造模式中分离出来，把它作为加工中心的标准件或附件组织专门化的生产，同时由于该项技术的应用简化了机床主轴结构、采用弹簧夹头和外驱动机械手等关键技术，这不仅使数控机床工作性能有所提高，而且使得由它配套构成的加工中心的总体造价大幅度下降。低造价高性能的加工中心将会被中小厂广泛接收，这样必将给自动换刀系统生产厂商和加工中心制造厂商带来巨大的经济效益。 1.3本课题研究的主要内容本课题主要设计一台小型加工中心刀库及换刀机构。加工中心是是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。由于它具有自动换刀系统，工件在一次装夹中便可自动完成多道工序的加工。自动换刀装置的用途是按照

14、加工需要，自动地更换装在主轴上的刀具。自动换刀装置是一套独立、完整的部件。本课题要求设计出一种由双臂单爪换刀机械手和链式刀库构成的自动换刀装置，达到高速度，高精度，智能化换刀，而且造价低廉。具体要求如下：卧式加工中心；刀库容量20；换刀时间2到2.5秒，定位精确。其关键技术如下：（1）、链式刀库链条的选择，链轮中心距的确定；（2）、刀库驱动电动机的选择（刀库负载扭矩，刀库加速扭矩，驱动电动机输出扭矩）；（3）、双臂单爪换刀机械手的设计（手臂，手腕，手爪，的设计计算，校核）；（4）、液压系统的设计，液压元件的选择。2 刀库及换刀机构总体结构设计2.1刀库的结构设计2.1.1 方案分析比较刀库的功

15、能是安全稳定地储存数控机床在加工中所需要的各种刀具，并且在数控系统的控制下，把将要用的刀具迅速、准确地送到换刀位置（主轴），并接受和储存从主轴送来的用过的刀具。根据刀库存刀数量和取刀方式，加工中心刀库的形式很多，结构也各不相同，最常用的有鼓盘式刀库、链式刀库和格子盒式刀库。1.鼓盘式刀库鼓盘式刀库结构紧凑、简单，在加工中心上应用较多。但较多使用于刀库容量较小的场合，一般存放刀具不超过32把。有径向取刀形式和轴向取刀形式。2. 链式刀库在环形链条上装有许多刀座，刀座的孔中装夹各种刀具，链条由链轮驱动。链式刀库适用于刀库容量较大的场合，且多为轴向取刀。链式刀库有单环链式和多环链式等几种。当链条较长

16、时，可以增加支承链轮的数目，使链条折叠回绕，提高空间利用率。3. 格子盒式刀库格子盒式刀库的刀具分几排直线排列，由纵、横向移动的取刀机械手完成选刀运动，将选取的刀具送到固定的换刀位置刀座上，由换刀机械手交换刀具。由于刀具排列密集，因此空间利用率高，刀库容量大。但布局不灵活，通常刀库安置在工作台上。固定型格子盒式刀库1-刀座；2-刀具固定板架；3取刀机械手横向导轨；4取刀机械手纵向导轨；5换刀位置刀座；6换刀机械手鼓盘式刀库是应用最广泛的一种刀库，刀做90翻转的鼓盘式刀库，能简化取刀动作，取刀方便。结合本次设计，所设计加工中心要求采用链式刀库，而且刀库容量能达到要求，所以在本次设计中选择链式刀库

17、。2.1.2刀库容量的确定 在设计多工序自动换刀数控机床时，要合理的确定刀库的容量，本次设计的加工中心主要加工离合器壳体，主要是铣削、钻削加工，因此，20把刀具已足够，取刀库容量为20把刀。2.1.3 刀库选刀方式的确定 方案的分析比较： 选刀方式是将所需刀具从刀库中准确调出的方法，有三种基本方式：一是顺序选刀，二是半任意选刀，三是任意选刀。1）顺序选刀。是将刀具按加工工序的顺序，依次放入刀库的每一个刀座内，刀具顺序不能搞错。开始加工时，先选择第一位置的刀具送至主轴头上进行加工，加工完成后放回第一位置，再取第二位置的刀具供下一步加工，以此类推，直至加工完毕。这种方式在每一次加工时，都需要重新排

18、列刀库中的刀具顺序，操作较烦琐。2）半任意选刀。是将各种刀具预先放置在刀库的特定位置上而不变动，使刀具与刀套成固定对应关系，加工时按刀套号码选择刀具，加工后再放回原来位置，这一方式使刀具检查及更换较为容易，可以安放大直径刀具，只要有意选择相邻刀套，但在选刀时较费时。3）任意选刀。是目前加工中心普遍采用的选刀方式。它是由控制系统根据最初输入的刀套与刀具号，跟踪记忆刀具在使用中刀具与刀套新的对应号，并按程序指令准确的调用所需刀具，并可将用过的刀具放回到刀库上任意位置，不必放回原来位置，故选刀快速。比较上述三种方式，顺序选刀在每次加工时，都要重新排列刀库中的刀具顺序，操作烦琐；半任意选刀较费时；任意

19、选刀方式在加工中心应用很普遍，选刀速度快，因此，选用任意选刀方式。2.1.4刀库的设计及计算2.1.4.1刀库驱动电动机的确定刀库常用的驱动方式有伺服电动机驱动、普通电动机驱动和液动机驱动三种，我国的加工中心三种驱动方式都采用，但如用普通电动机进行驱动，则一定在刀库的传动系统中有步进运动机构，因步进运动机构不同就有不同的计算公式，很麻烦。因此选用伺服电动机驱动。伺服电动机主要包括步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机和直线电机。步进电动机一般用于开环系统，在一些普通机床的数控改造，以及对精度要求较低的场合。直流伺服电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可以方便的在宽范围内平滑无级调速，故多用在对

20、伺服电动机的调速性能要求高的生产设备中。但直流伺服电动机存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护，应用受到环境的限制，制造困难等。交流伺服电动机，特别是笼式感应电动机则没有直流电机的缺点，且转子惯量比直流电动机小，使得动态响应更好。在同样体积下，交流电动机输出功率比直流电动机提高了1070，此外，交流电动机的容量可比直流电动机大，达到更高的电压和转速。现代数控机床都倾向于采用交流伺服驱动。本设计选用交流伺服电机驱动。选择依据：（1）按负载转矩选：加在电动机轴上的负载转矩应比电动机额定连续转矩小。链式刀库负载转矩计算：将三把最大重量刀具挨近放在一起，按加工中心规格规定的最大刀具重量引

21、起的最大重量计算，而其质心设定在离刀库回转中心半径处。负载转矩：=15100.8153=122.3N.m=1.2 N.m选1.21.5（2）按加速时的最大转矩选：加速时的最大转矩T，包括加速转矩和负载转矩，即T+。加速转矩按下式计算：=（+）=(3.0+1.0)=2.8 N.m;T=+=2.8+1.2=4N.m;式中刀库选刀时电动机转速(r/min);加速时间（ms），通常取=150200；电动机转子惯量(N.m. )；负载惯量折算到电动机轴上的惯量(N.m. )；加速时的最大转矩T应小于电机的最大转矩。（3）校验：检验计算结果是否满足下列关系式：本设计选电机型号：P10B10030HXS电动

22、机，其主要参数如下：额定输出功率：0.3KW；额定转速：2000转/min;最高转速：3000转/min;额定力矩：1.5 N.m；力矩常数KT:0.67 N.m/A;电机全长182 mm；安装尺寸115 mm；轴径16 mm；所选电机满足： Ts=1.5N.m=1.2 N.m; 电机最大转矩=5.0 N.mT=4N.m; 所选电机满足要求，故电机合适。定电机工作实际转速为100r/min。2.1.4.2刀库传动方式的确定驱动刀库的电机为伺服电动机，为使伺服电动机在最佳状态下工作，不采用伺服电动机的低速段，而采用蜗杆蜗轮减速装置，蜗杆和蜗轮的旋线方向取为右旋。为了消除间隙，采用双片齿轮，蜗杆蜗

23、轮采用单头双导程蜗杆，以消除蜗杆蜗轮齿间啮合间隙，刀库和刀库转位机构装在一个箱体内，用滚动导轨支撑在立柱顶部，用油缸驱动整个箱体的前移和后退。蜗杆传动主要用于轴交角=90的轴间传递运动和动力。主要优点是：1）传动平稳，振动、冲击和噪声小。2）能实现大传动比，结构紧凑。3）单头蜗杆导程角r3.5时，具有自锁作用。根据蜗杆齿廓形状和其成型原理，蜗杆可分为普通圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动和锥蜗杆传动。普通圆柱蜗杆传动应用广泛。普通圆柱蜗杆传动基本类型：阿基米德蜗杆、法向直廓蜗杆、渐开线蜗杆和锥面包络圆柱蜗杆等。阿基米德圆柱蜗杆应用广泛，主要用于进给运动，低速主运动，夹紧机构等传动精度要求不高的场合。本

24、设计中，蜗杆传动要求精度不高，电机速度较低，因此选用阿基米德圆柱蜗杆。根据GB/T 10085-1988的规定，据现代实用机床设计手册，表3-6-3，3-6-4选：蜗杆模数m=3.15mm, 分度圆直径d1=35.5mm；齿根圆直径df1=27.9mm；齿顶圆直径da1=41.8mm；轴向齿距px=9.896mm；蜗杆头数z1=1；蜗杆直径系数q=11.27；d1=352.25；导程角r1=50415。根据GB/T 10085-1988的规定，据现代实用机床设计手册，表3-6-5蜗轮蜗杆的匹配，选:中心距a=125mm, 传动比i=69, 蜗轮齿数Z2=69， 蜗轮变位系数x2=-0.4524

25、据普通圆柱蜗杆传动基本几何尺寸关系，据现代实用机床设计手册，表3-6-6，算得主要数据如下：蜗杆齿宽b12.5m2.53.1566mm;蜗杆分度圆(中圆)直径d1=dm1=qm=11.273.15=35.5mm;节圆直径d1=35.5-1.425=34.1mm;蜗杆螺旋线导程=3.143.151=9.891mm;蜗杆齿顶高ha1=ha*m=0.5(da1-d1)=0.5(41.8-35.5)=3.15mm;蜗杆齿根高hf1=( ha*+c*)m=0.5(d1-df1)=0.5(35.5-27.9)=3.8mm;蜗轮齿宽b22m(0.5+)=23.15(0.5+)=25mm;蜗轮分度圆直径d2=

26、217.35mm;蜗轮节圆直径d2=d2=217.35mm,蜗轮中圆直径dm2=2a-d1=m(z2+2)=214.5mm;蜗轮喉圆直径da2=+2=220.8mm,蜗轮齿顶高=0.5(da2-)=m(ha*+)=3.15(1-0.4524)=1.72mm;蜗轮顶圆直径=da2+m=66.4+3.15=224mm;蜗轮齿根圆直径df2=d2-2 =60.8-22.32=207mm；蜗轮齿根高=0.5（d2-df2）=0.5(217.35-207)=5.2mm。蜗杆采用轴承支承。轴承的功用：一为支撑轴及轴上零件，并保持轴的旋转精度；二为减少转轴与支承之间的摩擦和磨损。轴承分为滚动轴承和滑动轴承两

27、大类。滚动轴承具有摩擦阻力小、起动灵效率高、润滑简便和易于互换等优点，所以获得广泛应用。它的缺点是抗冲击能力较差，高速时出现噪声，工作寿命也不及液体摩擦的滑动轴承。机床常用滚动轴承特性：（1）深沟球轴承 主要承受径向载荷，同时也可承受一定量的轴向载荷。当转速很高而轴向载荷不大时，可代替推力球轴承承受纯轴向载荷。（2）圆柱滚子轴承 能承受较大的径向载荷，不能承受轴向载荷，内外圈只允许有及小的相对偏转。（3）推力圆柱滚子轴承 能承受较大的单向轴向载荷。（4）角接触轴承 能同时承受径向、轴向联合载荷，公称接触角越大，轴向承载能力也越大，公称接触角有15、25、40三种，通常成对使用，可以分装与两个支

28、点或同装于一个支点上。根据以上分析比较，具体到本设计，蜗杆轴上选用滚动轴承中角接触球轴承，能承受径向和轴向载荷。轴承型号7004C，d=20mm,D=42mm,b=12mm, =0.6mm, 额定负荷C=8050N, =5250 N,极限转速32000r/min;2.1.4.3 链条的选择在刀库的设计中，采用套筒辊子链来传动，而刀具通过专门的夹具装在刀套中，刀套直接装在链条上，随着链条的运动改变刀具的位置，最终到达换刀位置。在设计中可供选用的链条主要有以下两种：（1）、带导向轮的SK04型链条，它是一种悬挂式链条，采用SK04悬挂式链条的链式刀库的布局形式很多，因此应用也很广泛，但是这种形式的

29、刀库只能是刀套“外转型”，也就是说它的刀套只能向外伸出，故不能充分地利用中间的空间，特别是在当刀库形式是方形时。另外，它需要有专门的夹具把刀具固定在刀套中，再将刀套装在链条上，结构比较复杂。（2）、HP型链条，它又叫套筒式链条。相比SK04型悬挂式链条，它本身的辊子就是刀套，刀具直接通过专用夹具装在刀套中，因此不需要设计专门的刀套，它也可以组成各种形式的刀库，而且这种形式的刀库在刀套“内转”时，不发生刀套之间的干涉，故刀库的空间利用率比悬挂式的高。综合各种因素，选用HP套筒滚子链，型号为TG508 GB1243-76 A级双排滚子链。经查表（冶金工业出版社 机械零件设计手册 第二版表11-9）

30、其对应的各项参数如下：链号：TG508 节距：P=50.80 滚子直径：dr=28.58 内链节内宽：b1min=31.75 排距：Pp=58.55 内链板高：h=48销轴直径：dzmax=14.30 外链节外宽：bz=57.94 联结销轴：L1max=32.15L2max=36.82 过渡销轴：L3max=73.65 每米质量：q=10千克/米最低破坏载荷（选择A级）：Q为221.4KN 或者22700KGf链条快速移动时速度为8米/分，低速运动时速度为0.2米/分。由于其低速运动速度小于0.6米/分，故属于低速链。对于低速链，一般按照静强度来设计计算。静强度公式为：S=Q/KfF 式中S为

31、静强度安全系数，Q为链条最低破坏载荷，单位取N，Kf为载荷系数，F为有效圆周力。2.1.4.4 链轮的设计计算整个刀库由伺服电机驱动，经过蜗杆蜗轮减速后带动链轮转动，从而使链条转动，带动刀库运动。由于链条型号为TG508 GB1243-76 A级双排滚子链，快速运动时速度为6米/分，低速运动时速度为0.2米/分，故采用低速链的设计计算方法。设计时应在结构允许的情况下，尽量取较大的链轮直径以降低链条的拉力。同时应保证链轮与链条同时啮合的齿数大于35个。链轮的具体设计计算过程如下： （1）、链轮尺寸参数计算根据节距P取50.8（以下单位除特殊标明外，均默认为mm），由机械零件设计手册冶金工业出版社

32、第二版，查表1111得到以下公式：链轮节圆直径d=p/(sin180/Z) 齿顶圆直径 da=p(0.54+ctg180/Z)齿根圆直径 df=d-dr dr为滚子直径； 最大齿根距离 Lx：当链轮齿数为偶数时有：Lx=df 当链轮齿数为奇数时，Lx=dcos(90/Z)-dr 齿侧凸缘最大直径或排间槽最大直径：dh=p(ctg180/z-1) -0.80 取P=50.8 Z=19,查表11-12得：Sin180/Z=0.16459 ctg180/Z=9.1948 Cos90/Z=0.99853由以上数据带入各公式可求得链轮各尺寸参数如下：节圆直径d=308.56 齿顶圆直径da=49 0.4

33、 齿根圆直径df=280.07由于链轮齿数取19，是奇数，求得最大齿间距离Lx=279.6 齿侧凸缘最大直径dH=415.5（2）、链轮齿形参数由表1113查得链轮齿形参数如下：分度圆节距 P0=P(1+(d1-dr)/d) 分度圆直径 d=p/(sin180/Z) 齿沟圆弧半径 r1=0.5025dr+0.05 齿沟半角 =55-60/Z 齿沟圆心到工作段圆心距离O1O2=0.8d1工作段圆弧半径 r2=0.8dr+r1=1.3025dr 工作段圆弧中心角 =18-56/Z 齿形半角=17-64/Z 齿顶圆弧半径 r3=dr（1.3cosr+0.8cosB-1.3025）-0.05 齿形压力

34、角 最大值Qmax=35-120/Z 最小值 Qmin=17-64/Z 平均值 Q=26-92/Z将个数据带入以上公式，分别求得分度圆节距P0=120 分度圆直径 d=308.56 齿沟圆弧半径r1=14.41 齿沟半角 =51.84 齿沟圆心到工作段圆心距离O1O2=260 工作段圆弧半径 r2=37.23 工作段圆弧中心角 =15.05 齿形半角=13.63 齿顶圆弧半径 r3=8.46 齿形压力角 最大值 Qmax=28.68 最小值 Qmin=13.63 平均值 Q=21.16由以上信息就可以确定链轮的形状和尺寸了。2.2 自动换刀装置设计2.2.1 方案分析比较根据题目要求，加工中心

35、必须带有刀库和自动换刀装置，工件在加工中心上一次装夹后，能自动完成多种工序的加工，其中包括使用多把刀具，以实现零件的生产节拍的要求。自动换刀装置的种类繁多，实际应用较多的自动换刀装置可分为直接换刀方式、机械手换刀方式、转塔头方式三大类型。 （1）直接换刀方式的自动换刀装置的换刀是通过刀库和主轴箱的配合动作来完成，按刀库是否移动又分为刀库移位方式和刀库固定方式。刀库移位方式换刀运动集中，运动部件少，但刀库运动多，布局不灵活，适应性差；刀库固定顺序选刀的结构通常用于刀具数量较少的加工中心和数控数控铣床上。（2）转塔头方式的自动换刀装置一般为顺序换刀，换刀时间短，结构紧凑，可又分为转塔刀架换刀方式和

36、转塔主轴头换刀方式两种。 （3）加工中心的自动换刀装置大都采用机械手换刀方式，它是由机械手把刀库上的刀具送到主轴上，再把主轴上已用过的刀具返送到刀库上，这种换刀方式比直接换刀方式运动惯性小，速度快，布局灵活。机械手的换刀形式是多种多样的，常见的有：（1）两手呈180的回转式单臂双手机械手：两手不伸缩的回转式单臂双手机械手；两手伸缩的回转式单臂双手机械手； 剪式手爪的回转式单臂双手机械手；(2)两手互相垂直的回转式单臂双手机械手 (3)两手平行的回转式单臂双手机械手(4)双手交叉式机械手。比较上述三种自动换刀装置，根据需要最后选择双臂单爪机械手。2.2.2 机械手自动换刀工作流程设计 机械手换刀

37、方式的自动换刀装置是由刀库、机械手配合完成自动换刀的，这种换刀装置在加工中心应用最为普遍，比直接换刀方式的自动换刀装置中刀库的配置、位置、容量的选用都要灵活的多，换刀时间也短。上一工序加工完毕，主轴返回换刀位置并停在准停位置，假定此时机械手的状态为：手架已经转向了刀库，装刀手中夹着刀具T09,卸刀手的手中是空的，主轴上装着刀具T05，此时主轴需要换刀。那么整个自动换刀装置的动作如下：（1）手架转向主轴。机床的刀库位于立柱的左侧，刀具在刀库中的安装方向与主轴平行。装刀之前，手架转动180，即手架转向主轴，此时装刀手与装刀手中的刀具是垂直的，而此刀具与主轴上的刀具轴线平行。（2）卸刀手前伸抓取主轴

38、上待换刀具T05。机床已经用T05的刀完成了所需要的加工动作，而需要用到下一把刀具（在这里用T09），而主轴上只能装一把刀，因此要换刀，就必须先卸下主轴上已有的用过的刀具。此时卸刀手手指中心与主轴中心在一条直线上，卸刀手在伸缩油缸的带动下直线运动，抓取主轴上的刀，即为T05。（3）滑座前伸拔刀。机械手抓住主轴刀具的刀柄后，由手指将刀柄锁紧，而刀库中刀具的自动夹紧机构松开刀具。此时伸缩油缸架前伸，滑座在导轨内前移，带动整个手架前伸，从而将刀具T05从主轴上拔出卸下。（4）卸刀手缩回。此时刀具已经从主轴上拔出，机械手离开了主轴，拔刀动作完成，机械手将刀具夹紧，手臂在伸缩油缸的控制下快速后退，离开主

39、轴，返回到拔刀前的位置。（5）装刀手前伸。此时主轴上的刀具已经拔出，需要换上新的刀具（T09）继续完成后面的加工动作。此时装刀手前伸，与（2）卸刀手前伸抓刀的动作基本一样。手指的中心与主轴中心重合。（6）滑座后退插刀（装刀）。刀具插入主轴锥孔后，刀具的自动夹紧机构夹紧刀具。此时伸缩油缸架后退，滑座在导轨内后移，带动整个手架回退，同时装刀手中的自动锁紧装置松开，主轴夹紧刀具，从而将刀具T09从机械手的装刀手中拔出卸下，装到主轴上。（7）装刀手缩回。此时刀具已经准确地装到了主轴上，主轴将要用新装上的刀具进行加工，装刀动作已完成，机械手将刀具完全松开，手臂在伸缩油缸的控制下快速后退，离开主轴，返回到

40、装刀前的位置。（8）手架转向刀库。此时装刀动作已完成，主轴开始加工工件，而机械手的使命并没有完成，它还需要把从主轴上卸下的刀具（T05）放回刀库中对应的位置，以便下次取刀的方便。回转油缸启动，回转180，同时带动手架转动180，手架转向主轴，装刀手、卸刀手的中心与刀库上T05刀套的中心在同一直线上。为换刀做好准备。（9）滑座前伸。在动作（6）中，滑座已经后退了，此时的机械手与刀库在同一平面内，无法完成装刀的动作，此时伸手架中的伸缩油缸前移，滑座在导轨内前移，带动整个手架前伸，直到到达制定位置。（10）卸刀手前伸。卸刀手在伸缩油缸的驱动下前伸，将刀具T05装入刀库中对应刀套T05的位置，同时刀库

41、中的自动夹紧装置夹紧刀柄。（11）滑座后退插刀。滑座后退插刀（装刀）。刀具插入刀套中的锥孔后，刀具的自动夹紧机构夹紧刀具。此时伸缩油缸架后退，滑座在导轨内后移，带动整个手架回退，同时卸刀手中的自动锁紧装置松开，刀库夹紧刀具，从而将刀具T05从机械手的卸刀手中拔出卸下，装到刀库中。（12）卸刀手缩回。原理与动作（4）一样。换刀完成。（13）滑座回参考点。换刀过程进行完毕，机械手返回到参考点，为下次换刀动作做准备。 机械手换刀过程图如下： 开始换刀前状态2.2.3 换刀机械手的结构设计这里的机械手为双臂单爪式机械手。为了从刀库的刀套中心处取刀，并送到机床的主轴孔处将刀具插入主轴孔，或者从主轴孔中将

42、刀具拔出取下，送到刀库的相应刀套处存放起来，需要机械手完成以下几个运动和动作：装刀手、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（拔刀和插刀）（垂直于手臂方向的运动）；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来实现，各机构的具体的设计如下：1、装刀手、卸刀手的伸缩运动机构和手指夹紧机构具体结构见图“机械手整体结构图A0”。装刀手5和卸刀手2对称配置在手架1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。装刀手、卸刀手只有伸缩运动和手指的夹放运动。装刀手、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6固定在手架1

43、上，当压力油从油孔11和12（或者9和10）分别进到油缸5的两腔时，推动缸体5在燕尾行导轨上做往复运动，其形成位置由装在手架1上的行程开关进行检测，并采用油缸端部节流缓冲，油缸端盖与活塞端盖相碰而定位。装刀手和卸刀手的手臂移动方向相交城45角，其交电即是装刀手和卸刀手前伸到终点时手指的夹紧中心。此中心点要与刀库上的刀套中心和加工中心机床上的主轴中心相重合，以保证能正确的装、卸刀。装刀手（卸刀手）的手部由手指座3（即伸缩缸的端盖）、固定指7、活动指9、刀具定向键10、顶销12、卡销13、弹簧11、15和挡块14等组成。此手部属于一支点回转型弹簧式手部结构。在手臂伸缩运动装卸刀具时，手部的活动指9

44、，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，因此手部内还有锁紧机构（手部的具体结构见图“机械手结构（部分）图A1”）。在“机械手整体结构图A0”中，卸刀手已将旧刀取下，且手臂已经缩回，而装刀手将新刀已经装入机床主轴孔内（插刀完毕），此时卡销13被挡块14（形状为型）的b面压入，顶销12能自由活动，当装刀手手臂后退时，活动手指9就从刀柄上自动滑落，在卡销13和挡块14接触时，弹簧15将卡销13顶出进入顶销12的凹槽内，将顶销锁紧，即将活动指9锁住。如是卸刀，则卸刀手手臂前伸，卸刀手手部（其结构与装刀手手部相同，只是固定指座有左右之别）动作。当卡销13碰挡块8

45、（形状为型）时，卡销13缩回，顶销12能自由运动；在碰到b面时，活动手指9碰刀柄而自动张开，插入刀柄的梯形槽中；碰c面时卡销13在弹簧15的作用下，卡销被弹出，锁紧活动手指9，将刀抓牢，以后进行拔刀等动作。挡块8和14安装在机床主轴套筒的端面上，另有两块（、型各一块）装在手架悬伸支架上（图中未标出）。刀具在手指中不允许有转动，以免键槽错位，故在固定手指7上有定向键10。2、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；手架回转运动能实现手架的回转动作，从而改变装刀手、卸刀手的位置（即机械手由主轴转向刀库，或由刀库转向主轴）。图“手架伸缩和回转结构图A0”所示为手架伸缩，回转

46、运动的结构图。手架的伸缩是由滑座的伸缩来实现的。滑座1（其上加工有油缸）安装在由滚柱组（滚柱俺十字交叉位置放置）和V形滑道组成的滚动导轨8上，活塞杆2固定在横梁5上。当压力油从油管13进入油缸左腔时，推动滑座1前伸，即拔刀运动；若压力油经油管14进入到油缸右腔时，推动滑座1缩回，即插刀运动。滑座1的行程位置由安装在横梁5上的行程开关10和11进行检测。为了缓和冲击，此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4来实现。手架与转轴3固连，转轴3通过键与回转油缸的动片轴相连。当压力油通过油管15或16进入到回转油缸的工作腔时，推动动片轴9，并带动转

47、轴3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3上的定位块7与定位螺钉6相接触时，手架即到达指定位置。在回转油缸的端盖上，加工有三对进出油口（即a、b、c和a、b、c）,当接到手架转向的指令后，压力油经过油管（例如16），从油孔c进到回转油缸工作腔，使动片启动一定角度后，动片将有口a打开进油，动片轴快速回转，回油腔油液从油口a、b排出，当动片将油口a堵住后，油液从b口排出，油液受到节流阻尼，动片回转速度下降，以达到减速缓冲的效果。减速度的大小或缓冲效果可以通过回转油缸端盖上的调节螺钉进行调节。2.2.4 机械手手臂和手爪结构设计手部是机械手直接用于抓取和抓紧（或吸附）工件或夹

48、持专用工具（如刀具，喷枪，焊接工具等）进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装与机械手手臂的前端。手部结构形式很多，在这里我们选用一支点回转型弹簧式手部结构，它的有点是结构相对比较简单，可以方便的抓刀、卸刀，而且在手指内采用了刀具定向键，定位精度高，能满足实际生产的要求。手部的具体结构图见“机械手（部分）”，现将其组成结构和夹紧原理介绍如下：机械手采取“径向抓刀”的方式，机械手的手爪由固定指和活动指两部分组成。当需要抓刀时，锁紧销的肩部靠弹簧卡入顶销的孔内，限制顶销的下移，从而锁住活动指，使手爪抓紧刀具。当需要松开手爪时，靠主轴套筒端面及手臂座支架上的松开导板，将锁紧销顶进去，此时顶销

49、可以下移，使活动指松开。手爪夹紧力约为5公斤。2.2.5 液压缸、活塞杆的选择液压缸是机床气动系统中应用最多的一种执行元件。它是将压缩油液的压力能转化为机械能，驱动机构实现直线往复运动或回转运动。液压油缸一般有缸筒、前后缸盖、活塞杆、活塞、密封件和紧固件等零件组成。油缸被活塞分为二个腔：有杆腔（简称头腔或前腔）和无杆腔（简称尾腔或后腔）。有活塞杆的腔室为为有杆腔，无活塞杆的腔室为无杆腔。缓冲油缸在缸盖上设有缓冲装置：缓冲密封圈安装在缸盖上，具有工艺性和缓冲性能好的特点。油缸的工作原理：压缩油当从无杆腔进油时，则有杆腔排出油液，压缩油作用在活塞右端面上推动活塞运动，使活塞伸出；当有杆腔腔与无杆腔

50、交替进油排油时，则活塞杆驱动机构实现直线往复运动。缓冲油缸压缩油液从无杆腔进油使活塞杆伸出，有杆腔的油经前端盖排出。当活塞杆伸出接近行程末端，有杆腔缓冲柱塞将出油孔密封，缓冲开始，活塞杆继续伸出时，有杆腔内的油只能从节流小孔经针阀才能排出，油液排出受到阻力，活塞杆伸出运动速度逐渐减慢起到缓冲作用。防止了活塞与缸盖的撞击，活塞达到缓慢停止。调节针阀开度的大小可控制油缸的缓冲性能。油缸的分类：油缸的种类繁多，分类的方法也不同。（1）按压缩液体作用的方向分：有单作用油缸、双作用油缸和组合油缸。1）单作用油缸。压缩液体只从一腔进入油缸推动活塞运动。活塞复位靠弹簧、膜片、自重或其它外力的作用。弹簧可安装

51、在有杆腔或无杆腔的一面。2）双作用油缸。油缸活塞的往复运动均由压缩液体来完成。（2）按油缸的结构特点分活塞式油缸和柱塞式油缸。（3）按油缸运动方式分为推力油缸和摆动油缸。1、手臂的伸缩缸 机械手手臂的伸缩运动由液压缸来控制。由于需要油缸双向运动，所以选择双作用活塞油缸。根据手臂大小，选择油缸内径50，活塞杆外径35油缸行程180mm，想对应的油管直径 为8。导向距离H是活塞杆外伸时，由活塞中心到活塞杆导向部分中心的距离，最合理的导向距离建议不小于最大行程的1/10，在这里H取25即可。油缸和活塞的安装方式为单活塞杆双作用推力型油缸。活塞杆一端固连在手座上，另一端伸入油缸内，而油缸是可以移动的，

52、油缸右端与手指座固连。活塞油缸的安装形式及其动作原理示意图如下：1 21活塞杆 2油缸当油缸左腔进油时，左腔压力增大，对活塞有向右的推力，反之，活塞对油缸有一向左的反作用力，活塞是不动的，就使得油缸向左运动；相反，当油缸右腔进油时，油缸就向右运动，从而带动手指座的缩回和前伸动作。2、机械手手架的伸缩油缸机械手手架的伸缩运动也采用油缸控制，与手臂的伸缩相似，选择油缸内径40，活塞杆外径28，相应的油管直径8。当油缸中通入压力油时，缸体连同手臂沿着手臂座移动，从而带动整个机械手的运动，完成拔刀和插刀的动作。手臂靠在十字交叉滚子在手臂座的V行导轨上移动。3、机械手手架的回转油缸机械手手架的回转选用单

53、叶片摆动油缸控制。油缸型号为：BM-500。其主要技术规格如下：型号：BM-500 压力：7.14kgf/c 流量：22.5L/Min 扭矩：500kgfcm最大摆动角度：284油缸的基本控制原理如下：回转（摆动）油缸摆动180，带动整个手架回转180，实现整个机械手由刀库转向主轴或由主轴转向刀库，与油缸1、2一起，控制机械手的整个换刀过程。2.2.6 液压系统工作原理换刀机械手液压系统如图“液压系统图A1”所示。它是自动换刀系统液压系统的一部分。该系统采用双联叶片泵（YYB-AB60/9B-FL）供油，它具有功率损失小，油箱温升小, 泵的寿命长，成本低等优点。双联叶片泵的工作是用溢流阀（YB

54、-B20B）、卸荷阀（X4F-B20B）和单向阀（DIF-L20H1）三个阀联合控制的。当双联叶片泵启动后，两个泵的输出油液分别进入它们的管道，小泵1的输出油液经过滤器过滤后进入溢流阀，大泵2的输出油液进入卸荷阀，若此时电磁铁（15DT）不通电，管道通过电液动滑阀（24DY-B20H）单向阀（DF-B20Ks）和油箱相通。此时管路中压力很低，溢流阀和卸荷阀都关闭，两泵的油都通过电液动滑阀流回油箱。若双联叶片泵启动7-10秒，电磁铁15DT通电，电液动滑阀换向，泵的输出油液通向自动换刀装置各油缸和油马达的工作回路。当系统工作时，例如机械手的手架在最上位置并转向了机床主轴，当卸刀手去卸刀时，这时只

55、有卸刀手手臂伸缩油缸需要压力油，其余多余的油液从溢流阀YF-B20B溢出。在高压小油泵1 供油时，管路内的油压上升到溢流阀所确定的压力，由于卸荷阀的调定压力比溢流阀的调定压力低5kg/c，卸荷阀X4F-B20B被打开，单向阀DIF-L20H1在系统压力作用下而关闭，低压大流量油泵2的输出油液不通向负载，而以较低的压力通过卸荷阀流经冷却器回到油箱。此时低压大流量油泵2所建立的压力只用于克服管路损失，因而压力很低，消耗的功率小，高压小流量油泵1的输出油液供给系统使用。1、手臂的伸缩运动控制当卸刀手手臂伸出抓刀时，悬臂开关使无触电行程开关发信号，使电磁铁13DT吸合，接通油路，压力油通过油管9进入油

56、缸左腔，使得油缸前伸，带动卸刀手手臂伸出。当卸刀手手臂缩回时，悬臂感应块使无触电行程开关发信号，使电磁铁13DT断开，接通油路，压力油通过油管10进入油缸右腔，使得油缸缩回，带动卸刀手手臂缩回。装刀手的伸缩运动原理与卸刀手的动作原理完全相同，只是进、出油管道不一样，具体情况见下表。2、手架的伸缩运动控制（1）手架的伸出（拔刀动作）。在机械手抓紧刀柄后，悬臂感应块使无触电行程开关发信号，电磁铁10DT通电，而9DT断开，接通油管13，压力油经过油管13进入油缸左腔，油缸前伸，带动整个手架伸出，完成拔刀动作。（2）手架的缩回（插刀动作）。与手架伸出一样，在机械手抓刀到达主轴换刀位置或是刀库上刀套准

57、停位置时，手臂前伸，悬臂感应块使无触电行程开关发信号，电磁铁9DT吸合，而10DT断开，接通油管14，压力油经过油管14进入油缸右腔，油缸缩回，带动整个手架缩回，完成插刀动作。其他动作，如手架的回转运动，与手臂，手座的伸缩运动泪水，都是由数控柜按程序发出指令信号，控制相应的电磁阀实现程序动作。换刀机械手的动作名称与电磁铁的通断电情况如下表所示：电磁铁序号换刀机械手动作9DT10DT11DT12DT13DT14DT15DT手架伸出+手架缩回+装刀手前伸+装到手缩回卸刀手前伸+卸刀手缩回手架转向刀库+手架转向主轴+卸荷 设计总结本次毕业设计课题是小型加工中心刀库及换刀机构设计，通过这次毕业设计，不

58、仅对加工中心有了更深入的认识和了解，而且锻炼了我独立思考的能力和认真严谨的学习态度。为以后的学习工作打下了坚实的基础。 这次毕业设计，将大学四年所学的专业课知识进行了很好的运用和总结，重新学习了一些已遗忘的知识，收获很大。毕业设计不仅是对个人能力的考验，更要求个人具有顽强的毅力和坚持不懈的精神，以及认真严谨的学习态度。在整个设计过程中，我查阅了大量的资料，绘制了刀库及换刀机构装配总图及一些必要的零件图，对工作原理进行了认真分析，对必要部分进行了校核、计算。本次毕业设计体现了我们对所学知识的掌握和领悟程度，以及个人的学习态度和设计能力。由于我们是第一次进行整体性地设计，不可避免地碰到了许多困难，

59、有时甚至会感到无法下手。在设计过程中，碰到了很多困难，但我都没有退缩，凭着一股求知的热情，积极查阅资料，动手计算，动脑思考，不懂的地方向指导老师请教，最终将难点一一攻克了。通过本次毕业设计，使我在各个方面都有了很大的提高，收获很大，具体地表现在以下几个方面：1.将大学所学知识进行了很好的归纳、运用和总结，将各科知识融合到了一起，形成了一个整体的知识体系。2.对所学知识点进行查漏补缺，补起了遗忘的知识，学习了新知识，并了解了课题有关的国内外动向，开阔了视野，拓宽了自己的知识面。3.设计能力得到了提高。将所学理论知识很好的运用到了实际设计中，并锻炼了自己动脑解决问题的能力，提高了理解能力。4.学会

60、了充分利用网络资源查阅相关资料。 5.提高了自己理论联系实际的能力，锻炼了持之以恒的坚强毅力和认真严谨的学习态度，敢于钻研，有问题及时解决掉的学习习惯，对以后的学习工作会产生很大的影响。致谢本文是在尊敬的王维志导师的悉心指导下完成的。王老师严谨的治学态度、渊博的知识、敏锐的洞察力，对学生的耐心辅导，令每一个学生敬佩。在设计过程中，王老师很认真的解答我的问题，对我出错的地方给予耐心指导，有时向我提出问题，培养了我全面考虑问题的能力和创新意识。王老师平易近人中透射出了当代大学教师的师德和风范，他认真严谨的态度对我以后的学习工作会产生很大的影响。在此，谨向王老师表达我深深的敬意和忠心的感谢！在课题设

61、计中，参考了许多学者专家的文章和著作，以及一些网络制造商的资料，在此向这些对毕业设计提供参考资料的作者们表示感谢！同时，要感谢给我帮助和支持的同学们，谢谢你们大学四年对我的帮助，关心，感谢你们这四年中给了我珍贵的友谊和一段终身难忘的大学生活！最后，感谢汽车学院的领导、老师，特别是机械工程系的领导、老师，谢谢你们在我人生最重要的四年中，给我的教导和帮助！在本文结束之际，向所有为我的论文提出宝贵意见的评阅专家们表示衷心的感谢和崇高的敬意! 谢谢! 参考文献1、机床设计手册编写组编.机床设计手册 第二册 零件设计.北京.机械工业出版社.1986.122、机床设计手册编写组编.机床设计手册 第三册 部件、机构及总体设计.北京.机械工业出版社.1986.123、现代实用机床设计手册编委会 编.现代机床设计手册. 北京：机械工业出版社，2006.74、文怀兴.数控铣床设计.北京：化学工业出版社，2006.15、