加工中心的自动换刀机械手

毕业设计说明书(论文)作者：学号：系：机械工程系专业：机械设计制造及其自动化题目：加工中心的自动换刀机械手指导者：评阅者：2010年6月4日毕业设计（论文）中文摘要题目加工中心的自动换刀机械手摘要：介绍了加工中心的自动换刀机械手的设计的基本原理和实现方式，本次设计采用了结构设计方式。通过液压缸的控制实现机械手大臂的上升、下降、前进和后退，通过减速电机来实现机械手大臂的回转，而机械手小臂的回转则是通过回转液压缸来实现。本设计的机械手能够对立式加工中心进行换刀，通过一个45°的弯轴实现水平和竖直的转换，并进行换刀动作。本设计的机械手换刀时间短，精度高，并且结构简单。关键词：机械手自动换刀加工中心毕业设计（论文）外文摘要TitleAutomaticprocessingcenterinknifemanipulatorAbstractIntroducestheprocessingcenterforthedesignofautomaticknifemanipulator,thebasicprincipleandrealization.ThisdesignUSESthestructuredesign.Throughthecontrolofhydrauliccylinderrobotarmoftheriseandfall,forwardandbackward.Themotortorealizethemanipulatorarmofrotary.Andturningtheforearmmanipulatoristhroughrotaryhydrauliccylinder.Thedesignofmanipulatortoverticalmachiningcenter,tochange,Througha45°bendaxialrealizethetransformation,andverticallevelandchange.Thedesignofmanipulatorinshortsword,highprecision,andsimplestructure.Keywords：ManipulatorAutomaticallychangeknifeMachiningcenter1目次1引言…………………………………………………………………………………11.1国内外研究现状及发展趋势……………………………………………………21.2研究的目的和意义…………………………………………………………………61.3本次设计主要完成任务……………………………………………………………61.4本课题主要研究内容………………………………………………………………61.5遇到的问题和解决问题的方法…………………………………………………72总体方案的确定…………………………………………………………………72.1驱动方式的选择…………………………………………………………………72.3方案的比较论证…………………………………………………………………83技术参数与结构方案的确定……………………………………………………113.1技术参数的确定…………………………………………………………………113.2传动方案的确定…………………………………………………………………123.3结构方案的确定…………………………………………………………………164零件与部件的确定………………………………………………………………214.1机械手爪的设计…………………………………………………………………214.2液压缸的设计……………………………………………………………………224.3减速电机的选取…………………………………………………………………244.4轴承的选取………………………………………………………………………264.5联轴器的选取……………………………………………………………………325主要零件的校核…………………………………………………………………375.1轴的计算和校核…………………………………………………………………376装配图、部装图和零件图的完成………………………………………………41结论……………………………………………………………………………………44参考文献………………………………………………………………………………45致谢……………………………………………………………………………………46211引言加工中心和车削中心是由机械设备与数控系统组成，适用复杂零件加工的高效、高精度的自动化机床。这种机床可装若干把刀具，能自动更换刀具，在一次装卡中，完成铣、镗、车、钻、扩、铰、攻螺纹等的加工。其之所以有这种加工能力,就是因为它有一套自动换刀装置。自动换到装置的形式是多种多样的，主要组成部分是刀库、机械手和驱动装置等，虽然换刀过程、选刀方式、刀库结构、机械手类型各部相同，但都是在数控装置及可编程序控制器控制下，由电动机或液压或气动机构驱动刀库和机械手实现刀具的选择与交换。我们把这种为实现多种工序的连续加工，在加工中心或车削中心，可进行刀具的选择与交换的装置叫做自动化刀装置（automatictoolchange简称ATC）。ATC的主要组成部分是刀库、机械手和驱动装置。刀库的功能是存储刀具并把下一把即将要用的刀具准确地送到换刀位置,供换刀机械手完成新旧刀具的交换。当刀库容量大时,常远离主轴配置且整体移动不易,这就需要在主轴和刀库之间配置换刀机构来执行换刀动作。完成此功能的机构包括送刀臂、摆刀站和换刀臂,总称为机械手。具体来说,它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的装置,一般由步进电机或液压(或气液机构)或凸轮机构组成。也正是因为加工中心和车削中心比一般数控机床多了一套自动换刀装置，可实现多工序的连续加工，因而加工效率大大提高，使其成为数控机床中发展最快、需求最大的机床。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更2好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。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，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。1．1国内外研究现状及发展趋势20世纪90年代以来,数控加工技术得到迅速的普及和发展,数控机床在制造业得到了越来越广泛的应用。带有自动换刀系统的数控加工中心在现代先进制造业中起着愈来愈重要的作用,它能缩短产品的制造周期,提高产品的加工精度,适合柔性加工。我国对加工中心的要求一直是有增无减，同时加工中心自动换刀装置的开发业有看长足的发展。对于卧式加工中心来说，有人从JCS—013的独立式自动换刀装置到用于TH6350、TH6363、TH6380和TH63100的ＴB51.02双层缸式通用机械手加链式刀库的自动换刀装置，对于立式加工中心来说，有人从JCS—018的气液型鼓轮式自动换刀装置到用于XH715B和XH715C的多凸轮联动鼓轮式自动换刀装置，它的研制成功，为我国自动换刀装置设计与制造翻开了崭新的一页，自1991年鉴定后批量生产，已累计生产了50多台，由于结构简单，迅速可靠，受到广大国内外用户的一致好评。当前国际加工中心和车削中心发展的主流是追求高效性。因而加工中心的和车削中心的自动换刀装置的换刀时间也不断减少。如日本MAZAK公司的高效卧式加工中心FF510，换刀时间0.9秒（刀到刀）和2.8秒（切削到切削）。德国CHIRON公司的FZ12W型高效立式加工中心，采用多机械手（每刀一机械手）速度快，切削到切削2.4秒。日本SODICK公司的动柱式立式加工中心的换刀时间0．6秒（BT40刀柄，刀到刀）。加工中心和车削中心自动换刀装置的发展趋势是四个方向：一是高速、可靠，追求的是换刀时间尽量的短，以换取加工中心和车削中心的高效性，二是简单实用、造价低、使用可靠，换刀速度不快。如立式加工中心直接换刀方式的自动换刀装置；三3是刀库向大容量和省地化方向发展；四是自动换刀装置作为功能部件由专门厂家制造。机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。本课题所做的机械手是属于第三类机械手。1.1.1简史机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于4起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。1.1.2应用简况现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。有资料统计：美国偏重于毛坯生产，日本偏