340 自動換刀機械手設計,自動,機械手,設計 摘 要摘　　要加工中心是指在一次裝卡中，能夠實現(xiàn)自動銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等多工序的數(shù)控機床。更為明確的說法是：加工中心就是自動換刀數(shù)控鏜銑床。這就把加工中心和自動換刀數(shù)控車床和車削中心區(qū)別開來。加工中心區(qū)別于別的數(shù)控鏜銑床的主要特點就在于它具有根據(jù)工藝要求自動更換所需刀具的功能，機自動換刀(ATC)機能。加工中心的自動換刀系統(tǒng),通常是由刀庫和機械手組成,它是加工中心的象征,又是加工中心成敗的關鍵環(huán)節(jié)。因此各加工中心制造廠家都在下大力研制動作迅速、可靠性高的自動換刀裝置,以求在激烈的競爭中取得好的效益。正因為自動換刀裝置是加工中心的核心內容,各廠家都在保密,極少公開有關資料,尤其機械手部分更始如此。加重中心的自動換刀形式,可分為有機械手換刀方式和無機械手換刀方式。加工中心的 ATC,大都采用有機械手的換刀方式，因為更節(jié)省時間。由于液壓驅動的機械手需要采用嚴格的密封，還需較復雜的緩沖機構，控制機械手動作的電磁閥都有一定的時間常數(shù)，因為換刀速度較慢。近年來國內、外先后研制出凸輪聯(lián)動式單臂雙抓機械手。這種機械手的優(yōu)點是由電機驅動，不需要較復雜的液壓系統(tǒng)及其密封、緩沖機構，沒有漏油現(xiàn)象，結構簡單，工作可靠。同時，機械手手臂的回轉和插刀、拔刀的分解動作是聯(lián)動的，部分時間可重疊，從而大大縮短了換刀時間。關鍵詞：機械手；加工中心；自動換刀AbstractIAbstractMachining Center 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 lathe 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 the composition manipulator, it is a symbol of the processing center. Machining Center is the key to success. Therefore the processing center manufacturers are vigorously developing the next moves quickly, high reliability, ATC, to the fierce competition to achieve good results。It is precisely because of automatic tool change is the core processing center, the manufacturers are confidential, rarely disclose the information In particular, some manipulator so start anew.Add to the automatic tool change form, it can be divided into a manipulator tool change and free manipulator ATC way. ATC machining centers, most using a manipulator tool change, because it is more time-saving.Due to hydraulic-driven manipulators need strict sealed need more complex buffer, manipulator control of the solenoid valve moves have a certain amount of time constants, because slower speed up the pace. In recent years, domestic and foreign has developed a cam linkage arm-grasping manipulator. This manipulator from the advantages of motor-driven, not more complex hydraulic system and its sealed buffer, no leakage, simple, reliable. Meanwhile, the manipulator arm and rotary knife inserted, the decomposition Everyone moves are linked, and some may overlap time, thus greatly reducing the time ATC。KeyWords：Manipulator; Machining Center; Automatic tool change 目 錄II目　　錄摘　　 要 .........................................................................................................................IAbstract..........................................................................................................................II1 緒 論 ..........................................................................................................................11.1 國內外數(shù)控機床的的發(fā)展情況 .......................................................................11.1.1 加工中心發(fā)展簡史 ..........................................................................11.1.2 加工中心的主要優(yōu)點 ......................................................................21.1.3 加工中心的發(fā)展趨勢 ......................................................................31.2 可編程控制器的特點 .......................................................................................52 換刀機械手的相關介紹 .............................................................................................72.1 數(shù)控技術的發(fā)展歷程 ......................................................................................72.2 數(shù)控加工中心的基本功能 ...............................................................................72.3 加工中心的組成部分 .......................................................................................82.3.1 刀庫 ........................................................................................................82.3.2 刀具交換裝置（機械手） ....................................................................82.3.3 運刀裝置 ................................................................................................92.3.4 刀具編碼裝置 ........................................................................................92.3.5 刀具識別裝置 .......................................................................................102.4 刀庫的驅動及定位 .........................................................................................102.5 我國數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展概況 .............................................................................112.6 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 .....................................................................................112.7 ATC 裝置的分類 ............................................................................................112.8 ATC 裝置的換刀速度比較 ............................................................................132.9 分步雙爪式 ATC 裝置 ..................................................................................142.10 自動換刀系統(tǒng)產品化的前景 .......................................................................153 換刀機械手的總體方案設計 ................................................................................163.1 設計任務 ........................................................................................................163.2 機械手的平穩(wěn)性 .............................................................................................16目 錄III3.2.1、影響平穩(wěn)性以定位精度的因素 ........................................................163.2.2 機械手的運動特性 ..............................................................................173.3 機械手運動特性的分類 .................................................................................183.4 開關型機械手的速度及位置控制 .................................................................183.5 機械傳動型機械手速度及位置控制 .............................................................193.6 機械手類型確定 ............................................................................................193.7 驅動系統(tǒng)和電控系統(tǒng)的選擇 ........................................................................193.7.1 驅動系統(tǒng)的選擇 ...................................................................................193.7.2 電控系統(tǒng)的選擇 ...................................................................................204 總體結構設計 ........................................................................................................234.1 手爪部分設計 ................................................................................................234.2 機械手手臂的設計 ........................................................................................244.2.1 臂部要防止偏重 ...................................................................................244.2.2 加強臂部剛度 .......................................................................................254.2.3 改進緩沖裝置和提高配合精度 ...........................................................254.2.4 采取的措施： .......................................................................................254.3 機械手傳動結構的設計 .................................................................................275 換刀機械手的參數(shù)和計算 ....................................................................................305.1 手臂的彎曲變形 ............................................................................................305.2 連桿的強度計算 ............................................................................................325.3 驅動電動機的選擇 ........................................................................................326 換刀過程 ................................................................................................................35結 論 ..........................................................................................................................39參考文獻 ......................................................................................................................40致 謝 ..........................................................................................................................42附錄 A 部分三維零件圖情況 .....................................................................................43緒論01 緒 論1.1 國內外數(shù)控機床的的發(fā)展情況20 世紀 90 年代以來, 數(shù)控加工技術得到迅速的普及和發(fā)展, 數(shù)控機床在制造業(yè)得到了越來越廣泛的應用。帶有自動換刀系統(tǒng)的數(shù)控加工中心在現(xiàn)代先進制造業(yè)中起著愈來愈重要的作用, 它能縮短產品的制造周期, 提高產品的加工精度, 適合柔性加工。加工中心是數(shù)控機床中較為復雜的加工設備, 由于其具有多種加工能力而得到廣泛的應用, 其強大的加工能力和效率得益于其配置的自動換刀裝置 (A u2tom at ic Too l Changer)。換刀裝置作為加工中心的重要組成部分, 其主要作用在于減少加工過程中的非切削時間, 提高生產率, 降低生產成本, 進而提升機床乃至整個生產線的生產力。加工中心自動換刀裝置是實現(xiàn)多工序連續(xù)加工的重要裝置, 其結構設計及其控制是實現(xiàn)加工中心設計制造的關鍵。加工中心的換刀過程較為復雜, 動作多, 動作間的相互協(xié)調關系多, 因而自動換刀系統(tǒng)性能的好壞直接影響加工效率的高低。自動換刀系統(tǒng)一般由刀庫、機械手和驅動裝置組成。刀庫容量可大可小，其裝刀數(shù)在 20～180 把之間。刀庫的功能是存儲刀具并把下一把即將要用的刀具準確地送到換刀位置，供換刀機械手完成新舊刀具的交換。當?shù)稁烊萘看髸r，常遠離主軸配置且整體移動不易，這就需要在主軸和刀庫之間配置換刀機構來執(zhí)行換刀動作。完成此功能的機構包括送刀臂，擺刀站和換刀臂，總稱為機械手。具體來說，它的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與刀庫之間的傳遞。驅動裝置則是使刀庫和機械手實現(xiàn)其功能的裝置，一般由步進電機或液壓（或液機構）或凸輪機構組成。機械手完成刀庫里的刀（新刀）與主軸上的刀（舊刀）的交換工作。由于數(shù)控加工中心的刀庫容量、換刀可靠性及換刀速度直接影響到加工中心的效率，而自動換刀就是進一步壓縮非切削時間，提高生產效率，改善勞動條件。所以數(shù)控機床為了能在工件一次裝夾中完成多道加工工序，縮短輔助時間，減少多次安裝工件所引起的誤差，必須帶有自動換刀裝置。1.1.1 加工中心發(fā)展簡史1952 年世界上出現(xiàn)第一臺數(shù)控機床，使多種產品、中小批量的機械加工設備在柔性，自動化和效率上產生了巨大變革。它用易于修改的數(shù)控加工程序進行控制，緒論1因而比大批量生產中使用組合機床生產線和凸輪、開關控制的專用機床有更大的柔性，容易適應加工件品種的變化，進行多品種加工。它用數(shù)控系統(tǒng)對機床的工藝功能、幾何圖形運動功能和輔助功能實行全自動的數(shù)字控制，因而大大提高加工加工效率，大大改變了中小批量生產中普通機床戰(zhàn)整個機械加工 70%～80%的狀況。數(shù)控機床能實現(xiàn)兩坐標以上的聯(lián)動的功能，其效率和精度比用手工和樣板控制加工復雜零件要高的多。加工中心和車削中心是有機械設備與數(shù)控系統(tǒng)組成，適用復雜零件加工的高效、高精度的自動化機床。這種機床可裝若干把刀具，能自動更換刀具，一次裝卡中，完成銑鏜、車、鉆、擴、鉸、攻螺紋等的加工。也是因為加工中心和車削中心比一般數(shù)控機床多了一套自動換刀裝置，可實現(xiàn)多工序的連續(xù)加工，因而加工效率大大提高，使其成為數(shù)控機床中發(fā)展最快、需求最大的機床。自動換刀裝置的形式是多種多樣的，主要的組成部分是刀庫、機械手和驅動機構等，雖然換刀過程、選刀方式、刀庫結構、機械手類型等個不相同，但是在數(shù)控裝置及可編程控制器控制下，由電動機或液壓或氣動機構驅動刀庫和機械手實現(xiàn)刀具的選擇與交換。我們把這種為實現(xiàn)多工序的連續(xù)加工，在加工中心或車削中心，可進行刀具的選擇與交換的裝置叫自動換刀裝置（automatic tool change 簡稱ATC）。1.1.2 加工中心的主要優(yōu)點1.提高加工質量工件一次裝夾，即可實現(xiàn)多工序集中加工，大大減少多次裝夾所帶來的誤差。另外，由于是數(shù)控加工，較少依賴操作者的技術水平，可得到相當高的餓穩(wěn)定精度。2.縮短加工準備時間加工中心可以頂替多臺通用機床，那么加工一個零件所需準備時間，是每臺加工單元所損耗的準備時間之和。才這個意義上說，加工中心的準備時間顯然短得多。3.減少在制品緒論2以往的加工方式是工件流動于多臺通用機床之間，這就要有相當數(shù)量的在制品，而在加工中心上加工，即可發(fā)揮其“多工序集中”的優(yōu)勢，在一臺機床上完成多個工序，就能大大減少在制品數(shù)量。4.減少刀具費不分散設置在個通用機床上的刀具，集中在加工中心刀庫上，有可能有最少量的刀具，實現(xiàn)公共有效利用。這樣既提高刀具利用率，有減少了刀具數(shù)量。5.最少的直接勞務費由 NC 裝置多工序加工的信息集約化和一人多臺管理，以及用工作臺自動托盤交換裝置等輔助裝置，實現(xiàn)夜間無人運轉。這些都可縮減直接勞務費。6.最少的間接勞務費由于工序集中，工件搬運和質量檢查工作量都大為減少，這就使間接勞務費最少。7.設備利用率高加工中心設備利用率為通用機床的幾倍。1.1.3 加工中心的發(fā)展趨勢加工中心亦同其他機床一樣，他的技術水平的提高，表現(xiàn)在其固有技術（如高速、高精度化等）的進一步發(fā)展和新技能（如智能化技能等）的運用上。1.高速化加工中心的高速化，是只主軸轉速、進給速度、自動換刀和自動交換工作臺的高速化。1）主軸轉速的高速化；2）進給速度的高速化：是指快速移動速度的高速化和切削進給速度的高速化。3）自動換刀（ATC）的高速化從加工中心誕生初期起，就追求 ATC 的高速化。但是由于當時尚未充分掌握ATC 的內在規(guī)律，故障效率較高，所以在后來的相當一段時間里，采用了首先保證動作可靠性，然后才考慮速度方針，結果在這段時期，ATC 速度未提高多少。但是隨著對 ATC 內在規(guī)律的深入了解和用戶對 ATC 速度的要求迫切，有開始注意 ATC 速度了。4）自動托盤交換裝置（APC）的高速化；緒論32.進一步提高精度加工中心的主要精度指標是它的運動精度指標。而這一精度指標，近年來有了不小的提高，其中精密加工中心精度指標的提高尤為明顯。所謂加工中心的運動精度，主要以定位精度、重復定位精度以及銑圓精度來表示。3.機能更加完善1）愈來愈完美的自診斷機能為了盡可能減少加工中心的故障，現(xiàn)代加工中心大都配備完善的自診斷機能。例如，位置檢測傳感器、刀具破損檢測裝置、切削異常檢測裝置、適應控制機能、備用刀具選擇機能、溫度傳感器、聲傳感器、電流傳感器等。這些機能和傳感器，使機床具有一定的人工智能。2）新式刀具破損檢測裝置3）加工中心復合化趨勢自動換刀裝置開發(fā)技術要全面注意以下五個方面：(1）自動換刀裝置的可靠性與優(yōu)化設計研究。通過對自動換刀裝置進行可靠性分析研究，找出其薄弱環(huán)節(jié)，通過改進設計，是自動換刀裝置故障率大大減少，保證百萬次以上正常換刀的品質。通過對自動換刀裝置進行多目標的優(yōu)化設計，使其動態(tài)性能達到最優(yōu)，進而提高自動換刀裝置的性能，降低其制造成本，使刀對刀換刀時間對 40 刀柄不大于 1s，達到世界先進水平。(2）自動換刀裝置的系列化與 CAD 設計。使自動換刀裝置使用國內廠家的各種產品，，以便得到推廣和使用。即達到廠家一旦提出要求，可快速、合理的設計出針對廠家機床及其提出的參數(shù)：不同刀柄型號，刀庫容量等的自動換刀裝置，使廠家立即投入生產，并且處于國內先進水平的。(3）自動換刀裝置制造技術研究。針對自動換刀裝置中關鍵零件的制造技術研究，以提高其制造質量和降低制造成本。(4）自動換刀系統(tǒng)新技術的研究。跟蹤國際加工中心和車削中心自動換刀裝置的發(fā)展主流，研究自動換刀裝置的新工作原理及新技術。(5）自動換刀裝置產業(yè)化研究。自動換刀裝置由專業(yè)廠生產比現(xiàn)有個廠家自行生產可降低成本，也能保證質量，同時在我國有巨大的市場，因此，在技術研究的基礎上，應研究使我國的自動換刀裝置生產走上產業(yè)化的道路，建立生產自動換刀裝置的基地。緒論4自動換刀裝置的設計應滿足以下基本要求：1.換刀時間短，以減少非加工時間。2.減少換刀動作對加工范圍的干擾3.刀具重復定位精度高。4.識刀、選刀可靠，換刀動作簡單可靠。5.刀庫刀具存儲量合理。6.刀庫占地面積小，并能與主機配合，使機床外觀協(xié)調美觀。7.刀具裝卸、調整、維修方便，并能的到清潔的維護。1.2 可編程控制器的特點可編程控制器，簡稱 PLC（Programmable logic Controller）,是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。在 1987 年國際電工委員會(International Electrical Committee)頒布的 PLC 標準草案中對 PLC 做了如下定義：PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置”。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC 及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。PLC 之所以高速發(fā)展，除了工業(yè)自動化的客觀需求外，還有許多獨特的優(yōu)點。它較好的解決了工業(yè)控制領域中的可靠、安全、靈活、方便、經濟等問題。其特點如下：1.可靠性高，抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產的 F 系列 PLC 平均無故障時間高達 3 萬小時。一些使用冗余 CPU的 PLC 的平均無故障工作時間則更長。此外，PLC 帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息2.配備齊全，功能完善，適應性強PLC 發(fā)展到今天，己經形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產品。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC 大多具有完善的數(shù)據(jù)運緒論5算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。近年來 PLC 的功能單元大量涌現(xiàn)，使 PLC 滲透到了位置控制、溫度控制、CNC 等各種工業(yè)控制中。加上 PLC 通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用 PLC 組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。3.易學易用，深受工程技術人員歡迎PLC 作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用 PLC 的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。4.系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。5.體積小，重量輕，耗能低以超小型 PLC 為例，新近出產的品種底部尺寸小于 l00mm，重量小于 150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。2 換刀機械手的相關介紹62 換刀機械手的相關介紹2.1 數(shù)控技術的發(fā)展歷程 回顧數(shù)控技術的發(fā)展已經經歷了兩個階段，六代的發(fā)展歷程。第一個階段叫做NC 階段，經歷了電子管、晶體管、和小規(guī)模集成電路三代。自 1970 年開始小型計算機開始用于數(shù)控系統(tǒng)就進入了第二個階段，叫做 CNC 階段，成為第四代數(shù)控系統(tǒng)：從 1974 年微處理器開始用于數(shù)控系統(tǒng)即發(fā)展到第五代。經過十多年的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)從性能到可靠性都得到了根本性的提高。實際上從 20 世紀末期直到今天，在生產中使用的數(shù)控系統(tǒng)大部分都是第五代數(shù)控系統(tǒng)。但第五代數(shù)控系統(tǒng)以及以前各代都是一種專用封閉的系統(tǒng)，而第六代——開放式數(shù)控系統(tǒng)將代表著數(shù)控系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，將在現(xiàn)代制造業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。2.2 數(shù)控加工中心的基本功能 帶有自動換刀刀具交換裝置（ATC Automatic Tool Change）的數(shù)控機床稱為加工中心。它通過刀具的自動交換，可以一次裝夾完成多道工序的加工，實現(xiàn)了工序的集中和工藝的復合，從而縮短了輔助加工時間，提高了機床的效率，減少了零件安裝、定位次數(shù)，提高了加工精度。加工中心是目前數(shù)控機床中產量最大、應用最廣的數(shù)控機床。 帶有刀具自動交換裝置、能一次集中完成多種工序加工的數(shù)控加工設備。數(shù)控機床實現(xiàn)了中、小批量加工自動化，改善了勞動條件。此外，它還具有生產率高、加工精度穩(wěn)定、產品成本低等一系列優(yōu)點。為了進一步發(fā)揮這些優(yōu)點，數(shù)控機床遂向“工序集中”，即一臺數(shù)控機床在一次裝夾零件后能完成多任務序加工的數(shù)控機床（即加工中心）方面發(fā)展。 鉆、鏜、銑、車等單功能數(shù)控機床只能分別完成鉆、鏜、銑、車等作業(yè)，而在機械制造工業(yè)中，大部分零件都是需要多任務序加工的。在單功能數(shù)控機床的整個加工過程中，真正用于切削的時間只占 30％左右，其余的大部分時間都花費在安裝、調整刀具、搬運、裝卸零件和檢查加工精度等輔助工作上。在零件需要進行多種工序加工的情況下，單功能數(shù)控機床的加工效率仍然不高。加工中心一般都具有刀具自動交換功能，零件裝夾后便能一次完成鉆、鏜、銑、、攻絲等多種工序加工。 2 換刀機械手的相關介紹72.3 加工中心的組成部分加工中心分兩大部分：數(shù)控機床和刀具自動交換裝置。刀具自動交換裝置應能滿足以下幾個方面的要求： 1.換刀時間短； 2.刀具重復定位精度高； 3.識刀、選刀可靠，換刀動作簡單；4.刀庫容量合理，占地面積小，并能與主機配合，使機床外觀完整； 5.刀具裝卸、調整、維護方便。 刀具自動交換系統(tǒng)由刀庫、刀具交換裝置、刀具傳送裝置、刀具編碼裝置、識刀器等五個部分組成。 2.3.1 刀庫刀庫是存貯加工所需各種類型刀具的倉庫。它是刀具自動交換系統(tǒng)中的重要組成部分，具有接受刀具傳送裝置送來的刀具和將刀具給予刀具傳送裝置的功能。它的容量、布局和具體結構對整個加工中心的總體布局和性能有很大的影響，按其結構、形狀可分為以下六種：① 圓盤式刀庫，又分為軸向式（刀具中心線與圓盤中心線平行）、徑向式（刀具中心線與圓盤中心線垂直）和多盤式（在一根旋轉軸上分設幾層圓盤刀庫）。 ②轉塔式刀庫，又分傾斜式和水平式。 ③鼓輪式刀庫。④ 鏈式刀庫。 ⑤格子式刀庫。 ⑥直線式刀庫。 應當根據(jù)被加工零件的工藝要求合理的確定刀庫的存儲量。根據(jù)對車床、銑床和鉆床的所需刀具的數(shù)的統(tǒng)計表明，在加工過程中經常使用的刀具數(shù)目并不很多，對于鉆削加工，用 14 把不同的規(guī)格的刀具就可以完成約 80%的加工，即使要求完成 90%的工件加工，用 20 把刀具也就足夠了。對于銑削加工，需要的刀具更少，用 4 把不同規(guī)格的銑刀就能完成約 90%加工，用5 把不同規(guī)格的銑刀可以加工 95%的工件。因此從使用角度來看，刀庫的存儲量一般為 20~40 把較為合適，多的可達 60 把刀，超過 60 把刀的很少。 2.3.2 刀具交換裝置（機械手）它的職能是將機床主軸上的刀具與刀庫或刀具傳送裝置上的刀具進行交換，其動作循環(huán)為：拔刀─新舊刀具交換─裝刀。換刀機械手種類繁多，可以說每個廠家噢都可以推出自己的機械手，基本上換刀裝置按交換方式又分為兩類。 無機械手換刀：由刀庫與機床主軸的相對運動實現(xiàn)換刀。在這類裝置中，刀庫一般為格子式，裝在工作臺上。換刀時，先使工作臺與主軸相對運動，將使用過的2 換刀機械手的相關介紹8舊刀送回刀庫，然后再使工作臺與主軸相對運動一次，從刀庫中取出新刀。這種換刀方式的換刀時間長，另外刀庫設置在工作臺上，減少了工作臺的有效使用面積。 采用機械手換刀：機械手刀具交換裝置，有單臂單手式機械手、回轉式單臂雙機械手、雙臂機械手、多手式機械手。特別是雙臂機械手刀具交換裝置具有換刀時間短、動作靈活可靠等優(yōu)點，應用最為廣泛。雙臂機械手中最常用的幾種結構有：鉤手；抱手；伸縮手；叉手。雙臂機械手進行一次換刀循環(huán)的基本動作為：抓刀（手臂旋轉或伸出，同時抓住主軸和刀庫里的刀具）；拔刀（主軸松開，機械手同時將主軸和刀庫中的刀具拔出）；換刀（手臂轉 180°，新、舊刀交換）；插刀（同時將新刀插入主軸，舊刀插入刀庫，然后主軸夾緊刀具）﹔縮回（手臂縮回到原始位置）。機械手的手爪，大都采用機械鎖刀的方式，有些大型的加工中心，也有采用機械加液壓的鎖刀方式，以保證大而重的刀具在換刀中不被甩出。 2.3.3 運刀裝置 當?shù)稁烊萘枯^大、布置得離機床較遠時，就需要安排兩只機械手來完成新舊刀的交換動作，一只靠近刀庫，稱為后機械手，完成拔新刀、插舊刀的動作；一只靠近主軸，稱為前機械手，完成拔舊刀、插新刀的動作。在前后機械手之間則設有運刀裝置。它一方面將前機械手從主軸上拔出的舊刀運回刀庫旁，以便后機械手將該舊刀拔出并插回刀庫；另一方面則將后機械手從刀庫中拔出的新刀運到主軸旁，以便前機械手將該新刀拔出并插入主軸。運刀器的職能就是在前后機械手之間來回運送新、舊刀具 2.3.4 刀具編碼裝置 將加工所需的刀具自動地從刀庫中選擇出來稱為自動選刀，有順序選擇和編碼選擇兩種方式。 順序選擇方式： 將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庫中。加工時按加工順序一一取用。采用這種選刀方式不需要識刀器，刀庫結構及其驅動裝置都非常簡單，每次換刀時控制刀庫轉位一次即可。采用順序選刀方式時，為某一個工件準備的刀具，不能在其他工件中重復使用，這在一定程度上限制了機床的加工能力。 2 換刀機械手的相關介紹9固定地址選擇方式：這是一種對號入座的方式，又稱為刀座編碼方式。這種方式是對刀庫的刀座進行編碼，并將與刀座編碼相對應的刀具一一放入指定的刀座中。然后根據(jù)刀座的編碼選取刀具。該方式使刀柄的結構簡化，刀具可以做得較短，但刀具不能任意安放，一定要插入配對的刀座中。與順序選擇方式相比較，刀座編碼方式最突出的優(yōu)點是刀具可以在加工過程中多次使用。 編碼選擇方式： 將加工某一項零件所需的全部刀具（或刀座）都預先編上代碼，存放在刀庫中。加工時根據(jù)程序尋找所需要的刀具。由于每把刀具都有自己的代碼，它們在刀庫中的位置和存放順序可以與加工順序無關。每把刀具都可被多次重復使用。刀具編碼有多種方式，常用的有三種。刀具編碼：在每一把刀具的尾部都用編碼環(huán)編上自己的號碼。選刀時根據(jù)穿孔帶所發(fā)出的刀號指令任意選擇所需的刀具。由于每把刀具都有自己確定的代碼，無論將刀具放入刀庫的哪個刀座中都不會影響正確選刀。采用這種編碼方式可簡化換刀動作和控制線路，縮短換刀時間。這種編碼現(xiàn)已獲廣泛應用。刀座編碼：在刀庫的每一個刀座上用編碼板編碼。這種編碼方式的優(yōu)點是刀柄不會因尾部有編碼環(huán)而增加長度﹔缺點是刀具必須對號入座，換刀時間長。 編碼鑰匙：預先給每把刀具都系上一把表示該刀具代碼的編碼鑰匙。2.3.5 刀具識別裝置通常有接觸式和非接觸式兩種。2.4 刀庫的驅動及定位 刀庫的旋轉可分為電氣驅動和液壓驅動兩種方式。電氣驅動可以將伺服半閉環(huán)系統(tǒng)用作驅動刀庫的轉動，也可采用系統(tǒng)的 PC 直接發(fā)出運轉信號控制電機的運轉來帶動刀庫旋轉。液壓驅動仍需電氣信號的配合，PC 給出運轉信號，一般通過電磁閥來實現(xiàn)前級控制，只是執(zhí)行機構是液動馬達。在執(zhí)行 ATC 過程時，除了主軸頭的定向及主軸箱的定位外，為確保所更換的刀具準確地被機械手抓住，所以刀庫的定位也是必要的功能。電氣驅動時可在電機上安裝位置編碼器進行定位，也可以在抓刀位置安裝接近開關來檢測定位。液動結構的刀庫往往采用機電結合式的銷定位方式。半閉環(huán)伺服驅動刀庫的定位精度較高，其它幾種方式也足以滿足刀庫定位精度的要求。 2 換刀機械手的相關介紹102.5 我國數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展概況在對內搞活，對外開放的方針指引下，于 1980 年開始引進日本就有 70 年代末期水平的微處理器數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服拖動技術。并于 1981 年開始生產，到 1988年又開始引進美國的 GE 和 DYNAPATH 公司的數(shù)控系統(tǒng)和拖動技術，在上海市機床研究所和遼寧精密儀器廠組織生產。1985 年以后，我國的數(shù)控機床的可供品種已超過300 種，其中數(shù)控機床占 40%，加工中心占 27% ，其它品種為重型機床、鏜銑床、電加工機床、磨床、齒輪加工機床等。目前我國數(shù)控機床生產廠家共有 100 多家，其中能批量生產的企業(yè)有 42 家，平均年產量 40~50 臺，幾家重點企業(yè)年產量可以達到 400~700 臺；數(shù)控系統(tǒng)生產企業(yè)約 50 家，但生產具有一定批量的只有 8 家，生產數(shù)控機床配套產品的企業(yè)共計 300 余家，產品品種包括八大類 2000 種以上。我國的數(shù)控系統(tǒng)分為三種類型，經濟型、普及型、和高級型。在經濟型數(shù)控系統(tǒng)中，我國具有很大優(yōu)勢，在當前每年數(shù)千臺經濟型數(shù)控車床和電加工機床的市場上，國產數(shù)控系統(tǒng)占據(jù)了絕大份額。在普及型數(shù)控系統(tǒng)的市場上，我們正在取得進展。當然，擁有自主知識產權的數(shù)控系統(tǒng)在市場的開拓上仍要盡更大的力量。新開發(fā)的國產數(shù)控機床產品大部分達到國際 80 年代中期水平，部分達到 90 年代水平，在技術上也有所突破，如高速主軸制造技術、快速進給、快速換刀、柔性制造、快速成型制造技術等為下一代國產數(shù)控技術的發(fā)展奠定了基礎。2.6 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 國際上，數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢正朝著高速度高精度化、高可靠性、多功能化、智能化、集成化、具有開放性、網絡化數(shù)控系統(tǒng)、并聯(lián)機床及數(shù)控系統(tǒng)的方向發(fā)展。2.7 ATC 裝置的分類自動刀具交換裝置（ATC）通常由機械手和刀庫組成，它們在刀具交換過程中的各種動作和步序取決于機械手的類型和刀具還回刀庫的方式。 目前比較廣泛使用的 ATC 裝置中，按其機械手的類型來分有“無手式”（主要靠進給軸和刀庫的運動來實現(xiàn)刀具的交換）、“單爪式”（機械手上只有一個手爪，換刀時先將主軸上的刀具送回刀庫；再將刀庫中的刀具裝入主軸）和“雙爪式”（換刀時一個手爪從刀庫中取新刀，另一手爪從主軸上卸原刀）。其中“雙爪式”2 換刀機械手的相關介紹11又可分為“同步式”和“分步式”兩種，前者是指取刀和卸刀是在同一步完成的，新刀裝入主軸和原刀還回刀庫也是在另一步同時完成的；而后者則是分成多步完成上述動作的。 “無手式”ATC 裝置的結構最為簡單，“單爪式”其次，“同步雙爪式”的結構相對復雜，而“分步雙爪式”的結構最為復雜。 從刀具還回刀庫的方式來看，ATC 裝置可以分為“固定刀位式”、“隨機刀位式”和“混合還刀式”三種?！肮潭ǖ段皇健笔侵笝C床使用的刀具在刀庫中都有自己固定的位置（刀套），也就是說，從主軸上換下來的刀具必須還回原來的刀套位置?！半S機刀位式”則是指還回刀庫的刀具位置是任意的（就近）。而”混合還刀式”則是大直徑刀具采用“固定刀位式”還刀，標準刀具采用“隨機刀位式”還刀?！肮潭ǖ段皇健边€刀的優(yōu)點是刀具在刀庫中的位置是固定的，操作人員對刀庫中的刀具分布狀況一目了然，他們可以根據(jù)加工程式中 T 代碼后面的數(shù)字直接把刀具裝入相應編號的刀套中，程編人員也可以根據(jù)刀具在刀庫中的分布情況直接在加工程式中編寫 T 指令；操作者也不必在手動裝刀後檢查和修改“刀套/刀號表”，給用戶帶來了很大的方便。 此外，由于刀具位置是固定的（刀具號等于刀套號），操作不必在刀庫中設立專用的大直徑刀具區(qū)，只要不在大直徑刀具的二個相鄰刀位裝入刀具，即可保證運行的安全，從而提高了刀庫的刀位利用率。 “固定刀位式”還刀的缺點是刀庫在還刀前還要為尋找原刀位作一次旋轉定位，影響了還刀的速度。 “隨機刀位式”還刀的優(yōu)點是還刀速度快（刀庫不需作第二次旋轉定位），缺點是刀庫的現(xiàn)行刀具分布狀況不直觀（刀套中的刀具號是隨時變化的），操作者必須查找“刀套/刀號表”后才能確定刀庫中的刀具位置是否與加工程式中的 T 指令（刀具號）一致；手動裝刀后，必須認真檢查和修改“刀套/刀號表”，否則就可能造成“錯刀”事故。 此外，如果使用了大直徑刀具，還要設立大直徑刀具區(qū)，刀庫的刀位利用率就會降低。2 換刀機械手的相關介紹122.8 ATC 裝置的換刀速度比較圖 2.1a 描述了“無手”或“單爪”式 ATC 裝置的刀具交換過程，這類 ATC 裝置只能采用“固定刀位式”還刀，必須先將主軸上的原用刀具還回刀庫，再轉動刀庫找到新刀后，將它裝入主軸。 雖然這類裝置的結構十分簡單，但是整套動作都占用了加工時間，所以換刀速度最低。 圖 2.1b 和圖 2.1c 描述了同步雙爪式 ATC 裝置的刀具交換過程，前者采用“固定刀位式”還刀（大直徑刀具時）， 后者采用“隨機刀位式”還刀（標準刀具時）。在這種 ATC 裝置中從刀庫取刀和從主軸卸刀是在同一步進行的，在采用“隨機刀位式”還刀時，將新刀裝入主軸和將原刀還回刀庫可以連續(xù)在同一步進行，所以節(jié)省了時間，加快了換刀速度。 這類 ATC 裝置還可以用在加工程式中提前編寫 T 指令的方法，使刀庫選刀動作提前完成（不占用加工時間），來提高換刀的速度。但是，這類裝置往往要求刀庫隨主軸一起移動，所以刀庫的容量不能很大，只適合于中小型加工中心配用。 圖 2.1d 描述了分步雙爪式 ATC 裝置的刀具交換過程（固定刀位法），這種 ATC裝置的機械手左、右手爪是分步動作的，左爪用于取刀和還刀（刀庫側），右爪用于卸刀和裝刀（主軸側），取刀時將新刀從刀庫送到換刀準備位；換刀時，將主軸上的原刀卸下后裝入新刀（左、右爪的刀具交換）；還刀時，刀庫旋轉到原主軸刀具刀位后，左爪將原刀還回刀庫。雖然這種 ATC 裝置的結構復雜，換刀動作較多，但因為兩個手爪的動作可以分步進行，所以經優(yōu)化后，可以將“選刀”、“取刀”、“找還刀位”和“還刀”四組動作安排在加工時間進行，這樣大大地縮短了換刀周期，提高了換刀速度，同時還保持了”固定刀位式”還刀的許多優(yōu)點，成為一種比較受操作者歡迎的自動換刀裝置。2 換刀機械手的相關介紹13圖 2.1 幾種 ACT 裝置的換刀時序圖2.9 分步雙爪式 ATC 裝置分步雙爪式 ATC 裝置的刀庫可以自為一體、落地安裝，所以容量很大（一般在60 把刀以上），廣泛用于大型臥式加工中心。圖 2 是這種 ATC 裝置的機械手、刀庫和主軸的相動位置圖，其中：刀庫換刀位的位置是固定的，機械手臂在 X 軸方向有左、中、右三個位置（圖中為“臂在右端”）；在 Z 軸方向有伸出和收回二個位置（圖中為“手臂收回”）， 雙爪可在 X-Y 平面上旋轉 180°，以實現(xiàn)左、右爪上的刀具在 A、B 兩個位置上的變換。根據(jù)機械設計人員提供的 ATC 動作循環(huán)表和電控時序圖（其中詳細描述了換刀過程的步序和每一步輸出的動作命令以及步命令完成後各個機械部件位置檢測器的狀態(tài)）編寫的，其中所列的步狀態(tài)可作為各步動作完成標記使用，除本步發(fā)出的動2 換刀機械手的相關介紹14作命令完成后相應的機械部件位置檢測器的狀態(tài)外，步狀態(tài)中還包含了一些以前完成的、為保證下步動作安全的機械部件位置檢測器的狀態(tài)。 分步雙爪式 ATC 裝置的刀具交換過程由“取刀”（S02~S08）、“換刀”（S10~S20）和“還刀”（S22~S28）三個基本循環(huán)組成。完成后停在第 S01 步。 “取刀”循環(huán)由加工程式中的 T 命令（S02 步）起動（T 代碼后面的數(shù)字表示此后加工時要使用的刀具所在的刀套號），所選刀具到達換刀準備位置后（S08 步）結束，此循環(huán)可與加工同時進行。 “換刀”循環(huán)由加工程式中的 M06 指令（S09 步）起動，在所選刀具裝入主軸；機械手左爪帶著換下的原刀回到中間位置；刀庫門關上；右爪夾緊后（S20 步）結束。 “換刀”循環(huán)結束后，M06 指令完成，系統(tǒng)進入加工狀態(tài)。 “還刀”循環(huán)在“換刀”循結束后開始（也可用 M76 指令起動），在刀庫定位到原主軸刀具刀套所在位置；刀具還回刀庫；手臂回到中間；左爪夾緊（S28 步）后結束，此循環(huán)也與加工同時進行。2.10 自動換刀系統(tǒng)產品化的前景隨著機械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對于帶有自動換刀系統(tǒng)的高效高性能加工中心的需求量越來越大。在現(xiàn)有的各種類型的加工中心中，傳統(tǒng)結構的自動換刀系統(tǒng)的造價在機床整機造價中總是占著很大比重，這是加工中心價格居高不下、應用不普遍的重要原因。如果把自動換刀系統(tǒng)的設計制造從現(xiàn)有加工中心的制造模式中分離出來，把它作為加工中心的標準件或附件組織專門化的生產，同時由于該項技術的應用簡化了機床主軸結構、采用彈簧夾頭和外驅動機械手等關鍵技術、采用圓柱柄刀具和輔具，這不僅使數(shù)控機床工作性能有所提高，而且使得由它配套構成的加工中心的總體造價大幅度下降。低造價高性能的加工中心將會被中小廠廣泛接收，這樣必將給自動換刀系統(tǒng)生產廠商和加工中心制造廠商帶來巨大的經濟效益。3 換刀機械手的總體結構設計153 換刀機械手的總體方案設計3.1 設計任務本次設計的主要任務是：自動換刀機械手，實現(xiàn)數(shù)控鏜銑床的自動換刀，需要換的刀具主要是 BT40 型刀柄，需要實現(xiàn)的工作是抓刀—換刀—松刀的動作。主要技術參數(shù)：刀具最大重量 6kg，雙臂回轉式換刀，刀臂數(shù)量和長度以及直徑主要依據(jù)配套刀庫的設計要求。換刀時間 2.5S。3.2 機械手的平穩(wěn)性工業(yè)生產要求機械手工作速度快，運動平穩(wěn)，定位精度高。應注意其影響因素，設計合理結構