自动换刀机械手
卧式加工中心换刀机械手设计
卧式加工中心换刀机械手设计摘要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思路是用机械手的动作来实现对加工中心的换刀机械手的转动有回转液压缸运来实现其动力则由驱动系统实现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部分更是如此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SummaryThe machine hand changes the knife automatically to exchanges the main tool that knife have in the device it carry to have the knife the knife on the sends to the principal axis last useses again the principal axis the top already over ofthe knife has to return the knife the mission on the Designing the way of thinking is to uses the action of the machine hand realizes centrally to process to change the knife the machine turns to move the turn-over liquid presses the urn carries realize its motive is then from drive the system realizesProcess the central changing the knife the device automatically usually constitute with the machine from the knife it is a key to process the central symbol again is process the center success or failure linkTherefore each process the center manufactory house to all obtain the performance in descend strongly research to manufacture action quickly dependable highly automatically change the knife device in order to in the vigorous competition change the knife automatically the device is to process the central core contents each factory house is all at keep secret minimum amount public relevant data particularly the cent of machine hand is also suchThis kind of machine pulls out the knife and put the knife acts mostly from oil an action to completeRequest according to the construction can adopt the oil urn move the piston fixsOr the piston moves oil a fixed construction formWhole machine hand from flexible organization in machine arm the machine claw opens to match the organization turning round the organization and packing to unload the knife have the straight line the sport the organization constitutes 引言本次设计的题目是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再者由于使用了机械手减少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加工中心的总体布局盘式刀库的卧式加工中心卧式加工中心的主轴是水平设置的卧式加工中心刀库容量一般较大有的刀库可存放几百把刀具卧式加工中心的结构较立式加工中心复杂占地面积大价格也较高卧式加工中心较适用于加工箱体之类的零件特别对箱体零件上的一些孔和孔系以及孔和型腔与基准面有严格要求的箱体容易得到保证适合于批量加工卧式加工中心的功能较立式加工中心多在立式加工中心上加工不了的工件在卧式加工中心上一般都能加工21 技术条件我们所设计的加工中心的主要的技术参数有⑴刀库容量 24把刀⑵刀柄型号 40号刀柄⑶刀具最大直径 120㎜⑷刀具重量 11㎏⑸换刀时间 5s⑹选刀方式任选22 总体布局我们设计的加工中心的总体布局如图11所示图11 卧式加工中心的总体布局23 卧式加工中心的机械结构⑴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⑵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抑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换刀机械手的设计31 刀具的交换装置com 自动换刀装置加工中心区别于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加工中心的自动换刀形式可分为有机械手换刀方式和无机械手换刀方式两类无机械手换刀方式适用于采用40号以下刀柄的小型加工中心或换刀次数少的用量型刀具的重型机床这种换刀方式没有机械手因而结构简单另外刀库回转是在工步与工步之间即非切削时进行的因此虽然刀库设置在立柱顶面却免去了刀库回转时的震动对加工精度的影响无机械手换刀方式中刀库可以是圆盘型直线排列式也可以是格子箱式等无机械手换刀方式中特别需要注意的是刀库转位定位的准确度为保证转位准确就要尽力消除刀库驱动传动链的间隙为此可采用双导程蜗杆蜗轮副或采用可以相互错位的两片齿轮结构形式或采用插销定位反靠定位等方法来准确定位圆盘型刀库可设在立柱顶上立柱主轴箱的侧面也可设在横梁一端或设在主轴箱上由主轴箱和刀库配合运动完成自动换刀动作直线排列式刀库可设在工作台上方也可设在工作台的一端或两端由主轴箱或工作台配合运动完成自动换刀动作格子箱式刀库可设在双工作台的中间换刀时小直径刀具可轴向取刀大直径刀具可径向取刀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部分更是如此无机械手换刀方式中特别需要注意的是刀库转位定位的准确度为保证转位准确就要尽力消除刀库驱动传动链的间隙为此可采用双导程蜗杆蜗轮副或采用可以相互错位的两片齿轮结构形式或采用插销定位反靠定位等方法来准确定位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自动换刀机械手换刀动作如表31所示表31 机械手的换刀动作机械手的种类加工中心换刀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⑴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所示图31 单臂单爪回转式机械手⑵单臂双爪回转式机械手图32 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32所示⑶双臂回转式机械手俗称扁担式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180°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33-a 所示图33-a 双臂回转式机械手这种机械手在有的设计中还采用了可伸缩的臂如图33-b 所示图33-b 双臂回转式机械手⑷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34所示图34 双机械手⑸双臂往复交叉式机械手图35 双臂往复交叉式机械手这种机械手两臂可往复运动并交叉成一定角度两个手臂分别称作装刀手和卸刀手卸刀手完成往主轴上取下旧刀归回刀库装刀机械手执行从刀库取出新刀装入主轴整个机械手可沿导轨或丝杠作直线移动或绕某个转轴回转以实现刀库与主轴之间的运送刀具工作如图35所示⑹双臂端面夹紧式机械手这种机械手只是在夹紧部位上和前几种不同上述几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面来抓住刀具而此种机械手则是夹紧刀柄的两个端面如图36所示图36 双臂端面夹紧式机械手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和刀库集中的刀具换刀时间较短我们本次设计所要求的换刀时间为5秒故我们选用双臂回转式机械手如果我们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得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我们采用可伸缩式的双臂回转机械手com 手爪的选择1．单臂双爪式机械手的手爪这种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加液压锁刀方式以保证大而重的刀具在换刀中不被甩出较普通采用的机械锁刀方式手爪弹簧销式手爪如图A-A放大图它是目前加工中心上用较多的一种手臂的两端个有一个手爪刀具被弹簧2推着的活动销4类似于人的手指顶靠在固定爪5中锁紧销3被弹簧1顶起使活动销4被锁住不能后退这就是保证了机械手在换刀过程中手爪中的刀具不会被甩出当手臂处于抓刀位置时锁紧销2被设置在主轴伸出端或刀库上的撞块压下活动销4就可以活动使得机械手可以抓住或放开主轴或刀库刀套中的刀具此外钳形手的杠杆手用得也较普遍锁销2在弹簧作用下其大直径外圆顶着止退销3杠杆手爪6就不能摆动张开手爪中的刀具就不会被甩出当抓刀或还刀时锁销2被装在刀库或主轴端处的撞块压回止退销3和杠杆手爪6就能摆动张开刀具就能装入或取出钳型手和杠杆手均为直线运动抓手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⑴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⑵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⑶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我们在这里采用第一种手爪com 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⑴柄式夹持轴向夹持⑵发兰式夹持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在这里我们采用第一种夹持方式刀柄型号为BT40图37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图37 刀柄的型式表3-1为日本BT标准刀柄的尺寸表3-1 日本BT标准刀柄的尺寸柄部型号锥体螺纹孔凸缘D1 L r l1 l2 l3 d1 g d2 t b BT40 4445 654 1 9 30 70 17 M1619 225 161 BT45 5715 828 12 11 38 70 21 M2023 29 193 BT50 6985 1018 15 13 45 90 25 M24 27353 257柄部型号凸缘参考尺寸L1 W D2 D3 T Y Y1 V d D4 BT40 21 012 53 63 25 16 16 166 10 75679BT45 26 012 68 80 30 32 32 212 12 95215 BT50 31 020 85 100 35 32 32 232 15 119019 32 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自动换刀机械手的驱动装置和驱动装置外形com 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组成见自动换刀机械手图当压力油通过支架28和贯穿花键轴30的通孔见换刀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44作直线运动使两只机械臂同时伸出通过齿条39及44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com 手爪的开合见自动换刀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左移将弹簧顶杆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44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左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内其右端又与一端盖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1处8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11压缩弹簧销11向左移动挡块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又向右移动至锥孔盘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com 回转运动见驱动装置图回转机械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14回转座51组成的手臂14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壳体79和上端盖86下端盖74定片93间均用螺钉联接并将它们作为一体通过上端盖与固定在立柱上转轴2支承在上下端盖上与动片90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14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com 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圆柱体围绕旋转中心的运动惯量可由下式确定J J0WR298 com2式中 J0圆柱体绕其自身中心的惯量N·m·s2W圆柱体的重量NR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33 设计计算com 手指夹紧力的计算手指对工件的夹紧力可按下式计算N≥k1k2k3G kg·f式中k1安全系数通常取122我们取k1 18k2动载系数主要考虑惯性力的影响可按k2＝1＋ag估算a为机械手在搬运过程中的加速度单位为ms2a＝98ms2g为重力加速度所以这里k2 1k3方位系数按《机械工程手册》第10卷表562-3选取k3 0911我们取k3 10G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≥18×1×10×11 kg·f 198 kg·fcom 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轮蜗杆和轴线偏置的锥齿轮双曲线齿轮这些齿轮又称空间齿轮齿轮齿形曲线主要采用渐开线其它还有摆线圆弧线等由于渐开线齿形容易制造便于安装所以大多数齿轮采用渐开线齿形齿形标准摘自JB-100-60JB304-62齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一形式很多应用广泛传递的功率近十万千瓦圆周速度可达200ms齿轮传动按照两齿轮轴在机构中相对位置的不同一齿轮传动主要特点①效率高在常用的机械传动中以齿轮传动的效率为最高如一级圆柱齿轮的效率可达99这对大功率传动十分重要因为即使效率只提高1也有很大的经济效益②结构紧凑在相同的使用条件下齿轮传动所需的空间尺寸一般较小③工作可靠寿命长设计制造正确合理使用维护良好的齿轮工作十分可靠寿命可长达一二十年这也是其它机械传动所不能比拟的这对车辆及矿井内工作的机器尤为重要④传动比稳定传动比稳定往往是对传动性能的基本要求齿轮传动获得广泛应用也就是由于这一特点但是齿轮传动的制造及安装精度要求高价格较贵且不宜用于传动距离大的场合齿轮传动可做成开式半开式及闭式如在农业机械建筑机械以及简易的机械设备中有一些齿轮传动没有防尘罩或机壳齿轮完全暴露在外边这叫开式齿轮传动这种传动外界杂物极易侵入而且润滑不良因此工作条件不好轮齿也极易磨损故只宜用于低速传动当齿轮传动装有简易的防护罩有时还把大齿轮部分地浸入油池中则称为半开式齿轮传动它的工作条件虽有改善但仍不能做到防止外界杂物侵入润滑条件也不算最好而汽车机床航空发动机等所用的齿轮传动都是装在精确加工而且封闭严密的箱体机匣内这称为闭式齿轮传动齿轮箱它与开式或半开式相比润滑及防护等条件最好多用于重要的场合二设计原则所设计的齿轮传动在具体的工作情况下必须具有足够的相应的工作能力以保证在整个工作寿命期间不致失效目前设计一般使用的。
数控机床自动换刀装置
02
数控机床自动换刀装置 的结构与设计
刀库设计
刀库容量
根据数控机床的加工需求， 合理设计刀库容量，确保 能够存放足够数量的刀具。
刀具存放方式
采用合适的刀具存放方式， 如刀具架、刀具套等，以 便于刀具的存取和管理。
刀库布局
根据数控机床的整体布局 和加工要求，合理布置刀 库的位置和方向，以提高 换刀效率和加工精度。
例如，在发动机缸体的加工中，需要使用不同种类的刀具进行粗加工、半精加工和精加工。数控机床 自动换刀装置可以在加工过程中自动识别需要更换的刀具，并快速、准确地完成换刀操作，保证了加 工过程的连续性和稳定性。
应用案例二：航空航天业
航空航天业对零部件的加工精度和效率要求极高，数控机床自动换刀装置在航空 航天业中也有着广泛的应用。例如，在飞机机身和机翼的制造中，需要使用大型 五轴数控机床进行加工，而大型五轴数控机床的换刀时间较长，影响了加工效率 。
数控机床自动换刀装置的应用，可以大大缩短换刀时间，提高加工效率。同时， 由于航空航天业对零部件的加工精度要求极高，数控机床自动换刀装置的精确性 和稳定性也得到了充分验证，为航空航天业的发展提供了有力支持。
应用案例三：模具制造业
模具制造业是数控机床自动换刀装置的重要应用领域 之一。在模具的制造过程中，需要使用不同种类的刀 具进行粗加工、半精加工和精加工。数控机床自动换 刀装置的应用，可以大大提高模具的加工效率和精度 。
分类与比较
按换刀方式分类
数控机床自动换刀装置可分为机械手换刀和机器人换刀两种 方式。机械手换刀方式具有结构简单、成本低等优点，但换 刀速度较慢；机器人换刀方式具有换刀速度快、精度高等优 点，但结构复杂、成本较高。
按刀库类型分类
数控机床自动换刀装置可分为固定刀库和旋转刀库两种类型 。固定刀库具有容量大、换刀速度快等优点，但结构复杂、 成本较高；旋转刀库具有结构简单、成本低等优点，但容量 较小、换刀速度较慢。
自动换刀系统
换刀系统自动换刀系统主要是将加工所需刀具，从刀库中传送到主轴夹持机构上。
换刀系统由刀库，机械手，驱动系统等构成。
基本要求：1. 换刀时间短2. 刀具重复定位精度高3. 足够的刀具储存量4. 刀库占地面积小(结构紧凑)5. 安全可靠。
刀库刀库系统是提供自动化加工过程中所需之储刀及换刀需求的一种装置；其自动换刀机构及可以储放多把刀具的刀库。
由电脑程式的控制，可以完成各种不同的加工需求，如铣削、钻孔、搪孔、攻牙等。
大幅缩短加工时程，降低生产成本。
刀库主要是提供储刀位置，并能依程式的控制，正确选择刀具加以定位，以进行刀具交换；换刀机构则是执行刀具交换的动作。
刀库必须与换刀机构同时存在，若无刀库则加工所需刀具无法事先储备；若无换刀机构，则加工所需刀具无法自刀库依序更换，而失去降低非切削时间的目的。
刀库的回转运动由带抱闸的三相异步电动机作动力源，三相电源通过交流接触器提供给电动机时抱闸打开，然后刀库进行运转，切断三相电源则抱闸闭锁，刀库立刻停止运转。
通过分度盘的运动及相关检测元件组的逻辑组合，可使每个刀套准确停在换刀位置。
刀套停在换刀位置后，由气缸控制刀套处于水平或垂直状态，以方便机械手换刀，刀套分度台可以顺时针或逆时针方向旋转，从而可以在最短的时间内搜索到所要更换的刀具。
驱动系统数控工具机的自动换刀系统有油压机构、气压机构、电气式凸轮机构。
现如今凸轮式换刀机构就广泛的被采用。
快速确实，除了换油外没有其他消耗零件及保养需求，故障率最少，寿命超过百万次以上。
换刀系统的速度要求快速自动换刀技术是以减少辅助加工时间为主要目的，综合考虑工具机的各方面因素，在尽可能短的时间内完成刀具交换的技术方法。
机台有几个特点：1.刀臂短2.刀臂不一定成直线 3.两刀可能互相垂直 4.凸轮箱小且可移动。
其主要目的是要让换刀时，可动件之转动惯量小，以达到快速换刀之目的。
提高换刀速度的方法1．在传统自动换刀装置的基础上提高动作速度，或采用动作速度更快的机构和驱动元件。
自动换刀机械手的总功能设计论文
摘要在本论文中，首先扼要的介绍了自动换刀装置，以及将自动换刀装置发展成机械手的原因和机械手在生产中的作用；在第二部分中，介绍了工业机械手的组成和分类以及机械手的缓冲器与定位元件，并对机械手的手机身作了简单的介绍。
在第三部分中我们分别就驱动系统、控制系统、执行系统论证了一些方案，并从中选出了一些合理的功能单元，最后进行最佳方案的组合。
经详细的技术评价与综合方案评价后确定本论文中的方案一为最优；由于整体设计的需要，我们选择了液压系统作为驱动系统。
一方面，液压传动的速度快，反应灵敏，传动平稳；另一方面是其运行精确，可以达到较高的定位精度。
第四部分进行了有关机械手的计算。
第五部分介绍了我所设计的滑座伸缩和回转机构。
第六部分我们对工业机械手的工作顺序进行了分析。
第七部分我们叙述了未来机械手的发展趋势。
由此我们可以看到目前工业机械手的应用在逐渐的扩大，技术性能在不断的提高。
最后，我们记录了心得体会。
在设计中，我们参考了一些文摘并翻译了一篇名为“Estimation of heat fluxes during high-speed drilling”的外文。
关键词：机械手;液压传动;刀具ABSTRACTIn this dissertation, the part one introduced concisely the set that can up or down cutter automatically and it gave the reason why we developed it into the manipulator and manipulator’s function in the production. In the second part, it introduced the integrant and assortment about the manipulator, then it told us what is the free degree and coordinate of the manipulator. In this section, we respectively demonstrated some plan carefully about drive-system, control system, actuator system, and then selected some reasonable plans of function unit from these. At last, we decided the best way. After evaluating the brief technology and general plans, we conducted that the plan A is the best. Because of the whole design’s request, we selected liquid-actuated system as actuator system. Because in one hand, the liquid-acetated is fast, reacts swift and drives steadily. On the other hand, for it has accurately movement and orientates precisely. The part three do some calculates about manipulator. The part four do some analysis on the manipulator’s operative order. The part five, we narrate the development tendency of the future manipulator. From the above, we can see that the application of the current industrial manipulator is expanded gradulately and the technologic capability is improved on and on. In addition,according to the information collected and the content of design, we made the animated on the basis of the cutter clear. Finally, we recorded our personal insight. We referred some literatures and translated an article named “Estimation of heat fluxes during high-speed drilling” from English into Chinese.Key words: manipulator, liquid-actuated system, and cutter目录摘要前言 (1)1工业机械手的简介 (2)1.1工业机械手的组成 (2)1.2工业机械手的分类方法简介 (2)1.3工业机械手的机身简介 (2)1.3.1设计机身应注意的问题 (3)1.3.2机身的结构方案 (3)1.3.3驱动力的计算 (5)1.3.4机身的方案评价 (5)1.4缓冲器与定位元件的设计 (5)1.4.1 机械手的运动特征 (6)1.4.2 开关型机械手的速度及位置控制 (6)1.4.3 机械传动型机械手速度及位置控制 (8)1.4.4 驱动系统和电控系统的选择 (8)2自动换刀机械手的总功能设计 (12)2.1自动换刀机械手的黑箱描述 (12)2.2 机械手功能单元的分类 (12)3自动换刀机械手的方案确定 (13)3.1总体的布置要求 (13)3.2自动换刀机械手各个部分的最终方案的确定 (13)3.3自动换刀机械手缓冲部分的原理 (17)4液压系统的设计与计算 (18)4.1结构上的总要求 (18)4.2 设计液压动回路 (18)4.3活塞杆的设计计算 (18)4.3.1 活塞杆的设计 (19)4.3.2液压钢壁厚计算 (21)4.3.3 液压机械手伸缩速度的控制 (21)4.3.4回转力矩的计算 (22)4.3.5耗油量的计算 (22)4.4自动换刀机械手的液压系统 (23)5伸缩回转机构设计 (25)5.1伸缩回转结构图 (25)5.2 伸缩回转机构运动原理 (27)6 自动换刀机械手的自动换刀过程 (28)6.1自动换刀装置简图及介绍 (28)6.2自动换刀过程实例 (29)7机械手的发展趋势 (31)致谢 (33)参考文献 (34)附录：外文翻译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。
加工中心自动换刀指令M06
2）攻右旋螺纹循环指令
•格式：G84 X — Y — Z — R — F — ；
（4）取消固定循环指令
格式：G80； 注意：当用G80取消孔加工固定循环后，固定循环指令
中的 孔加工数据也被取消。那些在固定循环之 前
的插补模态恢复。
【例题3：固定循环功能综合应用示例】
加工图示工件的2×M10×1.5螺纹通孔，在立式加工中心上加工工序为： ①Φ8.5麻花钻钻孔；②Φ25锪钻倒角；③M10丝锥攻螺纹。切削用量见下表， 试编制加工程序。
加工程序:
O5007； G17 G90 G40 G80 G49 G21； G91 G28 Z0； M06 T01； G90 G54 G00 X0 Y0； M03 S750； G43 Z100. H01； G99 G81 Z-25. R3. F150； G98 X-40.； G91 G80 G28 Z0 M05； M06 T02； G90 G54 G00 X0 Y0； S150 M03； G43 Z100. H02； G99 G81 Z-5.5 R3. F30；
（2）镗孔循环指令
1）精镗孔循环指令 •格式：G76 X__ Y __ Z __ R__ Q__ P__ F__ ； •式中：Q——刀具移动量（正值、非小数、1.0㎜）。
P——孔底暂停（ms)。
2）镗孔循环指令
格式：G86 X — Y — Z — R — F — ；
（3）攻螺纹循环指令
1）攻左旋螺纹循环指令 •格式：G74 X__ Y __ Z __ R__ F__ ； •式中：F——攻螺纹的进给速度（㎜/min），
刀具自起始点快速进给到R点。 动作3——孔加工：以切削进给的方式执行孔
加工的动作。(Z点） 动作4——孔底动作：包括暂停、主轴准停、
自动换刀机械手设计
自动换刀机械手设计自动换刀机械手是一种高效的工业自动化设备，常用于切割、焊接、刻字、打孔等加工领域，可实现自动化生产，提高工作效率。
本文将就自动换刀机械手的设计进行详细探讨。
一、自动换刀机械手的原理自动换刀机械手主要由机械臂、夹具、控制系统、刀具库以及相应的传感器等组成。
其工作原理如下：当需要更换刀具时，由控制系统发出指令，调节机械臂移动到刀具库的位置，通过相应的传感器精确定位，机械臂使用夹具将选中的刀具拿出并放到加工工具上，完成换刀操作。
二、自动换刀机械手设计的要点1. 夹具设计夹具的设计很重要，需要根据工件的特点进行设计，确保夹紧力度合适，不会对工件造成损坏。
同时，夹具材料的选择也需要注意，要具有良好的耐磨性和耐腐蚀性。
2. 机械臂的结构机械臂是整个自动换刀机械手的核心，应根据工作环境和加工需要进行设计，采用合适的轴数和长度，确保能够实现精确定位和快速移动。
机械臂的结构应简单、紧凑，且易于维护。
3. 控制系统的软硬件设计控制系统是自动换刀机械手的灵魂，应根据实际需要进行软硬件设计，以保证稳定可靠的操作。
软件设计主要包括程序控制、运动控制和动态性能控制等，硬件设计则包括控制器的选型、传感器的选择、电气接线等。
4. 刀具库的设计刀具库的设计是确保自动换刀机械手顺利运行的关键，应该充分考虑刀具种类和数量，以及库房面积大小等因素。
为方便操作和控制，可考虑在库房内设置显示屏和按钮。
三、自动换刀机械手的优点与应用1. 提高生产效率自动换刀机械手实现了自动化作业，能够大大缩短更换刀具的时间和提高生产效率。
2. 提高加工精度和一致性自动换刀机械手通过精确的定位和控制，可以保证加工的精度和一致性，避免人为因素的影响。
3. 减少人力成本和劳动强度自动换刀机械手的运行不需要人工干预，可以减少人力成本和劳动强度，增强企业的竞争力和市场占有率。
自动换刀机械手应用于机械加工、船舶制造、汽车制造、电子元器件制造等行业，广泛应用于铸造、焊接、切割、打孔、搭接等工作。
卧式加工中心换刀机械手设计
1前言1.1 机械手发展历史与现状随着经济的不断发展，客户的需求日益多样化，人们对制造企业的生产模式提出了更高的要求，大批量的生产方式将逐渐被模块化、柔性化的生产方式所取代。
因此，企业对制造装备提出了更高的要求，柔性化的数控加工设备将成为装备制造业发展的主流。
因此，将卧式加工中心的机械手设计作为毕业设计题目，迎合了装备制造业发展趋势。
卧式加工中心的换刀机械手是自动换刀装置中交换刀具的主要工具，它用来把刀库上的刀具送到主轴上，同时把主轴上已用过的刀具返回刀库。
据不完全统计，全世界的工业机器人中大约有近一半的工业机器人用于各种形式的加工中心的自动换刀领域。
目前用得最广泛的是模仿人的手臂功能的多关节机器人，其手臂灵活性最大，可以使换刀卡爪的空间位置和姿势调至任意状态，满足换刀需求。
我国的机械手起步于20世纪70年代初期，经过30多年发展，大致经历了3个阶段：70年代萌芽期、80年代的开发期和90年代的应用化期。
在我国，机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着。
在国际强手面前，国内的机械手企业面临着相当大的竞争压力。
如今，我国正在从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给机械手产业发展注入新的动力。
不仅如此，我国目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件。
国际上，目前机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究。
例如，德国的CLOOS、REIS、KUKA 公司；瑞典的ABB公司；奥地利的IGM公司；意大利的CAMAU公司；日系有OTC、Panasonic、FANUC公司在机器人方面都做的比较好。
从机器人技术发展趋势看，自动换刀机器人和其它工业机器人一样，正在不断向智能化和多样化方向发展。
1.2设计目的及意义1.2.1 设计目的本次设计主要为卧式加工中心设计其用于换刀的机械手部分，目的是为了使加工中心能够更快的工作，使加工中心能够得到更加充分的利用，以实现其价值所在。
加工中心换刀装置控制及故障解决方法
动75度，回到机械手原始位置，此时机械手原位开关发出信号，倒刀电磁阀线圈 YV3B 断电，回刀电磁阀线圈YV5C 通电，气缸向下运动推动刀杯向上翻转90度，回 刀定位开关SX5B 检测到信号，为自动加工作准备，完成整个换刀控制过程。
如图 Id 所示。
4、自动换刀装置常见故障及解决方法（1）机械手卡死处理方法加丄中心在加工完零件自动换刀时，出现机械手卡死现象，屏幕出现2103# 报警，无法继续自动加工。
方法一：•设备禁止断电。
•在MDI 方式下输入M39 （强制换刀指令），按循环启动按钮进行强制换刀， 若机械手依然卡死，则参照方法二处理。
方法二：•设备禁止断电。
•在J0G 方式下松开主轴夹具，拆下机械手电机顶罩，手动逆时针盘电机，中途卸下刀座，继续盘电机至原位，消除2103#报警。
-TrtTOTT «C1L_ 9 1 - -UU 1 匸 14-1•按屏幕显示刀号在主轴装入刀座，HD：主轴刀号，XX:等待刀号。
•在MDI方式下输入M06换刀指令，装入另一刀座，若是T2刀座注意定位。
机床空运行一循环，确认主轴刀具与程序制定刀具一致性。
最后正确装夹工件自动加工。
（2）自动换刀时主轴掉刀故障处理方法在换刀时主轴刀座从机械手掉下，自动加工被迫停止。
•检查主轴换刀点是否偏移。
•主轴编码器与主轴连接是否松动，主轴编码器转位信号是否正确。
•检查机械手扣刀开关SX33位置。
•手盘电机察看机械手与主轴刀具换刀点是否干涉。
（3）刀库倒刀时刀座从刀杯内掉落故障处理方法•刀库换刀位置刀杯内弹簧疲劳变形，夹紧力不够，调整弹簧预紧力。
•倒刀气缸拉杆与刀杯定位偏移，倒刀定位开关SX5B信号无，调整螺钉及开关位置，恢复倒刀动作。
•刀座超过允许的重量限制。
（4）刀库乱刀故障处理方法不正确的操作使系统PMC参数丢失或刀库装置维修后，会出现换刀过程中乱刀现象，造成撞刀事故。
•恢复系统PMC参数，调整刀库计数开关、机械手初始开关及倒刀开关位置, 恢复换刀动作。
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1.3.4 机身的方案评价
表 1.1 加权评分表
评价要素 刚度 维修性 平稳性 灵活性 制造性 重量
1.3.3 驱动力的计算 回转运动时，由于起动过程中不是等加速运动，所以最大驱动力矩要比理论上平均
值大一些。计算时一般取 1.3 倍。驱动力矩按下式计算： Ma = 1.3 ( Mm + Mg ) N * m
式中 Mm ---- 摩擦力矩（包括各支承处的摩擦力矩） N Mg ---- 起动时惯性力矩，一般按下式计算： Mg = J ω / t N*m
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因素，设计合理结构，以满足要求。
1.4.1 机械手的运动特征 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性。下列为我
们所选上下刀机械手所应具有的运动规律减速较大的情形。
按照上图的运动，机械手的速度变化呈等加速或不等加速运行，其减速过程亦可分 为等减速运行和不等减速运行。在等加速运行而不等减速运行时，由于速度形成短，故 有利于提高机械手的工作速度。
杆内花键套 2 导向。回转运动由摆动油缸 5 驱动，其回转角度是 210 度，因摆动缸安置 在升降活塞杆的上方，故活塞杆 1 的尺寸要加大。
③ 回转运动采用活塞油缸带动齿条传动的机身。升降运动由活塞 3 驱动。回转运
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动由活塞油缸 7 驱动与其平行安装的齿条 5 和齿轮 4 来实现的。这种结构多用于抓重小 的情况。
低，一般工厂可以
自己制造
取舍
取
成本低 取
成本较高
结构简单，能源方 液压元件成本高，油
便，成本低
路也比较复杂
舍
取
取
2 电控系统的选择 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
中使用，泄露影响
露易着火
小
应用 应用于自由度少 使用于抓重 可用于程 中小型专用，通用 中小型专用，通用机
范围 的专用机械手，高 大和速度低 序复杂和
机械手都能用 械手都有应用，特别
速、低速均能适用 的机械手 运动轨迹
是重型机械手，多为
要求严格
液压驱动
的小型通
用机械手
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成本 结构简单，成本
② 气动式：气源方便，维护简单，易于获得高速度。其缺点是操作力较小、体积 大、空气可压缩性大、速度控制困难、动作不平稳、控制有滞后现象。
③ 电动式：动力源方便、操作力较大，其缺点是需要设置减速机构，结构较复杂， 或者用特殊电机驱动。
④ 机械式：一般借助动力源，通过凸轮、连杆机构等实现规定的动作，变换程序 较困难，其动作可靠。 ⑵ 按用途分
B. 油缸端部缓冲装置 行程固定的机械手多采用油缸端部缓冲装置。 下图是控制加速和减速的缓冲装置结构。启动时，油经节流孔 1，单向阀 2 进入油 缸，活塞 5 退出缓冲室 3 后主油口 6 进油，机械手快速运行。活塞进入缓冲室的过程中， 三角槽控制节流减速。适用于速度低于 40cm / s 的机械手。
B. 采用液动液阻装置。 C. 开关型机械手的定位系统 定位系统与速度控制系统有密切联系，但有独立性。例如节流减速后，既可发出指 令关闭油路,定位也可以压在挡块上而定位。 a. 电气开关预定位： 电动机械手一般用电磁制动器定位。当机械手运动到定位点 时，行程开关发讯电控系统，激励电磁制动器而定位。 特点： 结构简单、工作可靠、维修方便，但定位精度低。 b. 机械挡块定位： 一般是在减速后，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挡块机构。
1.3.2 机身的结构方案 ① 回转运动采用齿条活塞油缸驱动的机身。升降运动由活塞 4 驱动，靠立柱上平
键导向。回转运动由齿条活塞 2 驱动齿轮，带动配油轴 3 和油缸体 6 一起转动，再通过 缸体上键带动外套一起转动而实现的。图如下：
② 回转运动采用摆动油缸驱动的机身。升降运动由活塞油缸 4 驱动，靠升降活塞
我们这次的设计任务是参考以往的技术资料，设计数控卧式镗铣床的自动换刀机械 手。但由于初涉大型设计经验不足，搜集的资料可能不够全面，且缺乏实际工作经验， 故设计不当之处再所难免，恳请各位老师给予批评和指正。
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1 工业机械手的简介
工业机械手是一种模仿人的动作，按照预先设定的程序、轨迹或其它要求实现抓取、 搬运工件或操纵工具的自动化装置。
特点： 速度变化基本上连续，运动中不会发生冲击，可以满足高速、平稳、定位 精度高的要求。
1.4.2 开关型机械手的速度及位置控制 说明： 用电气开关、换向阀、节流阀及机械挡块等控制的机械手称为开关型机械
手。 ① 液压机械手的速度控制 开关型液压机械手一般采用节流减速的方法，少数采用蓄能器或溢流减速的方法，
④ 回转运动由摆动缸驱动。摆动缸安置在立柱上部。臂部用销轴和摆动缸体连接， 作为臂部俯仰运动的支点。摆动缸的转轴和立柱固连，摆动缸体与转套相连，俯仰用活 塞油缸装在转套上。活塞杆与臂部托架用铰链连接。摆动缸工作时，缸体带动套筒及活 塞缸和臂部一起回转。
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⑤ 回转运动采用气缸链条传动的机身。升降运动是由单作用式气缸来实现的。上 腔进气后推动缸体上升，下降时依靠自动由两只气缸 6 交替驱动，链条 5 带动链轮 2 来 实现的。链轮 2 通过链带动升降气缸的活塞杆和导向杆同步回转。
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。
1.1 工业机械手的组成 ① 执行系统 （手部、腕部、臂部、机身、行走机构） ② 驱动系统 （驱动元件和传动机构） ③ 控制系统 （检测装置、控制装置）
1.2 工业机械手的分类方法简介
⑴ 按驱动方式分
① 液压式：操纵力大，体积小，动作平稳。缺点是漏油会影响系统的工作性能， 而且油的黏度对温度变化敏感。
在现代工业生产自动化领域中，机械加工的快速上下刀、精确的加工都使数控机床 以及数控加工中心的应用显得十分重要。据详实的资料统计，这些费用占全部加工费用 的五分之一以上。而大规模的机械加工中，时间的节省越来越成为生产者和工程设计者 （或者技术人员）的追求方向，这也是未来工业发展的趋势。
在现代的工业生产中，需要普通车床的生产更为高效、精度高、适应性强、加工性 能强，而且还可以减轻工人的劳动强度。这样使之能够适于单件、中小批量的生产；形 状比较复杂，精度要求高的零件加工；产品更新频繁，生产周期短的加工。这在改进产 品质量，改善工作条件，提高经济效益等方面，都能获得显著的效果。
1.4.3 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驱
动，特点是工作速度可以提高而且与主机同步工作而不产生误动作。 通过比较缓冲方案选择液压缓冲器和油缸端部缓冲，定位选机械挡块定位。
1.4.4 驱动系统和电控系统的选择
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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 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。
也可以几种方法同时采用。 A. 节流减速系统的设计 油缸端部缓冲装置，油路节流缓冲回路以及液动机械手用的液压缓冲器，都是利用
节流原理，吸收机械手的能量，提高背压控制减速，它们的设计方法相同。 减速过程中，节流口恒定的称为恒节流，节流口不断变化的称为渐变节流。采用恒
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定节流口，在减速开始时，减速度大，冲击大。随后减速平滑下降，定位是稍高。该种 节流口减速行程长，适用低速机械手（参见下图）。渐变节流可获得较好的减速特性， 如缓冲柱塞开方截面抛物线节流槽（参见下图 1）可实现等减速，减速行程短，柱塞上 开三角槽（参见下图 2）减速过程冲击小，减速行程比恒节流短。圆锥形柱塞的减速特 征比开三角柱塞的稍差。
1 驱动系统的选择
机械手驱动系统有液压驱动、气压驱动、电机驱动和机械驱动四种。机械手的驱动
方式，可以只用一种方式驱动，也可以采用几种方式联合驱动。
表 1.2 各种驱动方案特点比较及初选
比较
驱动方式特点比较
内容
机械传动
电机驱动
气压驱动
液压驱动
异步电机 步进或伺
直流电机
服电机
输出 输出力较大
输出力较大 输出力较 气体压力小，输出 输出压力高，可以获
高，可与主机严格
位