加工中心自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)論文[帶圖紙].doc

西安文理學(xué)院機(jī)械電子工程系本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目加工中心自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)班級(jí)08級(jí)機(jī)電（2）班學(xué)號(hào)08102080213學(xué)生姓名侯飛龍指導(dǎo)教師姚慧設(shè)計(jì)所在單位西安文理學(xué)院2012年2月目錄目錄第1章緒論.11.1加工中心換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的及意義.11.2加工中心換刀機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀.11.3研究的主要內(nèi)容.2第2章總體方案設(shè)計(jì)與論證.32.1加工中心換刀機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求.32.2初步設(shè)計(jì)方案.32.2.1旋轉(zhuǎn)臂與夾緊機(jī)構(gòu).32.2.2主架回轉(zhuǎn)與臂部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu).32.3方案的確定.42.4設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析.42.4.1設(shè)計(jì)參數(shù).42.4.2自由度分析及各自由度的實(shí)現(xiàn).52.4.3加工中心換刀機(jī)械手的組成.52.5本章小結(jié).6第3章構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸計(jì)算.73.1手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算.73.1.1手指夾緊力的計(jì)算.73.1.2手指部分的相關(guān)校核.83.2手指夾緊液壓缸設(shè)計(jì).103.2.1手指夾緊液壓缸各部分尺寸的確定.103.2.2材料的選擇.123.3手臂旋轉(zhuǎn)液壓缸設(shè)計(jì).123.3.1手臂伸縮液壓缸各尺寸數(shù)據(jù)的確定.123.4主架旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).143.4.1主架架旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì).143.4.2手架旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇.163.4.3單級(jí)圓錐齒輪的設(shè)計(jì)與校核.173.5主架伸縮液壓缸的設(shè)計(jì).233.5.1主架伸縮液壓缸各尺寸數(shù)據(jù)的確定.233.5.2材料的選擇.243.5.3手架伸縮液壓缸活塞桿的校核.243.6本章小結(jié).25第4章控制部分的設(shè)計(jì).264.1液壓缸的流量、流速及壓力.264.2確定液壓泵的流量、壓力及液壓泵的型號(hào).264.3各液壓缸緩沖裝置的設(shè)計(jì).284.4液壓系統(tǒng)回路.284.5旋轉(zhuǎn)軸控制線路.294.6技術(shù)難點(diǎn).294.7本章小結(jié).30結(jié)束語(yǔ).31致謝.32參考文獻(xiàn).33西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第1頁(yè)第1章緒論1.1加工中心換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的及意義本設(shè)計(jì)主要是在實(shí)現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，為加工中心換刀機(jī)械手的研究提供幾種新的設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)論證分析，選擇其中一種比較理想可行的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，以達(dá)到準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速、可靠換刀的目的。在滿(mǎn)足加工中心換刀機(jī)械手各種運(yùn)動(dòng)要求的同時(shí)，本設(shè)計(jì)也在一定程度上簡(jiǎn)化了換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，以方便加工中心換刀機(jī)械手的加工制造過(guò)程。1.2加工中心換刀機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀近年來(lái)，隨著世界制造業(yè)向中國(guó)轉(zhuǎn)移，我國(guó)對(duì)機(jī)床的需求量大增。同時(shí)，經(jīng)過(guò)多年的努力，我國(guó)數(shù)控機(jī)床的開(kāi)發(fā)水平也有了很大進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床的品種和質(zhì)量均比以往有所提高，部分機(jī)床制造主導(dǎo)廠還開(kāi)發(fā)出具有相當(dāng)水平的數(shù)控設(shè)備。但是，通過(guò)有關(guān)部門(mén)給出的資料，只要作進(jìn)一步的分析與了解，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在消費(fèi)量的臺(tái)數(shù)中雖占有一半（55%）以上，但它們多是些技術(shù)水平較低、價(jià)格相對(duì)便宜的普通產(chǎn)品，如數(shù)控車(chē)床、數(shù)控銑鏜床和線切數(shù)機(jī)床等，高、中檔數(shù)控產(chǎn)品則較少，而且這些產(chǎn)品的核心技術(shù)或功能部件，如加工中心換刀機(jī)械手、全功能的數(shù)控伺服系統(tǒng)，高速電主軸，數(shù)控刀架乃至高速安全防護(hù)裝置等，還多是由中外合資企業(yè)提供或是從國(guó)外進(jìn)口的。這也說(shuō)明由于技術(shù)發(fā)展的不平衡，在多種條件制約下，目前我國(guó)數(shù)控機(jī)床的整件技術(shù)水平與國(guó)際先進(jìn)水平相比還有一定距離，部分高性能、高速、高精度的數(shù)控機(jī)床仍需要依靠海外進(jìn)口。功能部件技術(shù)水平的高低、性能的優(yōu)劣以及整體的社會(huì)配套水平，都直接決定和影響著數(shù)控機(jī)床整機(jī)的技術(shù)水平和性能，也制約著主機(jī)的發(fā)展速度。而換刀機(jī)械手則是加工中心穩(wěn)定可靠運(yùn)行的關(guān)鍵功能部件。它的快速、準(zhǔn)確的換刀程序是影響加工中心發(fā)揮高效、可靠的加工性能的重要因素。沒(méi)有換刀機(jī)械手，就不可能有集中工序進(jìn)行加工的加工中心。有資料顯示，刀庫(kù)和機(jī)械手的故障率約占整機(jī)故障率的25%。所以說(shuō)，換刀機(jī)械手的性能、質(zhì)量直接影響著數(shù)控機(jī)床整機(jī)的性能、質(zhì)量和品種的發(fā)展。加工中心是備有刀庫(kù)，并能自動(dòng)更換刀具，對(duì)工件進(jìn)行多工序加工的一種功能較全的數(shù)字控制機(jī)床，也是典型的集高新技術(shù)于一體的機(jī)械加工設(shè)備，它的發(fā)展代表了一個(gè)國(guó)家設(shè)計(jì)、制造的水平，是判斷企業(yè)技術(shù)能力和工藝水平標(biāo)志的一個(gè)方面。加工中心中實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)和機(jī)床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱(chēng)為自動(dòng)換刀裝置，它的功能是儲(chǔ)備一定數(shù)量的刀具并完成刀具的自動(dòng)交換。自動(dòng)換刀裝置可幫助數(shù)控機(jī)床節(jié)省輔助時(shí)間，并滿(mǎn)足在一次安裝中完成多工序、工步加工要求。它由存放刀具的刀庫(kù)和換刀機(jī)構(gòu)組成。作為自動(dòng)換刀裝置，它需要滿(mǎn)足換刀迅速、時(shí)間短，重復(fù)定位精度高，刀具儲(chǔ)存量足夠，所占空間位置小，工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。換刀裝置中刀具的交換形式及它們的具體結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)床的工作效率和工作可靠性有著直接影響。加工中心的自動(dòng)換刀形式可分為無(wú)機(jī)械手換刀方式和有機(jī)械手換刀方式兩大類(lèi)。無(wú)機(jī)械手換刀方式一般是采用把刀庫(kù)放在主軸箱可以運(yùn)動(dòng)到的位置，同時(shí)，刀庫(kù)中刀具的存放方向一般與主軸上的裝刀方向一致。無(wú)機(jī)械手換刀方式是由刀庫(kù)和機(jī)床主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀具的交換的，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但換刀時(shí)間要長(zhǎng)。目前，加工中心西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第2頁(yè)的自動(dòng)換刀裝置大都采用有機(jī)械手換刀方式，因?yàn)橛袡C(jī)械手換刀裝置在刀庫(kù)的配置、與主軸的相對(duì)位置及刀具數(shù)量確定上都比較靈活，機(jī)械手?jǐn)?shù)量和換刀形式比較隨意，換刀時(shí)間比較短，應(yīng)用廣泛。換刀機(jī)械手的形式有單臂式、雙臂式、回轉(zhuǎn)式和軌道式等，而常用雙臂式機(jī)械手的手爪結(jié)構(gòu)形式又分為鉤手、抱手、伸縮手和叉手等。加工中心換刀機(jī)械手作為數(shù)控機(jī)床的一個(gè)重要的功能部件，它在國(guó)內(nèi)外的數(shù)控機(jī)床制造領(lǐng)域中已受到廣泛的重視。目前，在國(guó)外BT40的換刀時(shí)間已達(dá)到0.9秒，BT50的換刀時(shí)間也達(dá)到了1.5秒左右，國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了立、臥兩用凸輪式換刀機(jī)械手和用于五軸聯(lián)動(dòng)的換刀機(jī)械手的研究。加工中心換刀機(jī)械手的主要任務(wù)是，完全模擬人手的換刀動(dòng)作，給機(jī)床主軸與彈簧夾頭提供相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾緊、放松刀具的動(dòng)作。機(jī)械手應(yīng)具備足夠的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)還應(yīng)使機(jī)械手具備結(jié)構(gòu)緊湊、占據(jù)空間小的特點(diǎn)，以適應(yīng)不同類(lèi)型機(jī)床的換刀空間。隨著機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對(duì)加工中心換刀機(jī)械手的需求量會(huì)越來(lái)越大。1.3研究的主要內(nèi)容加工中心換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)是在實(shí)現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)其準(zhǔn)確、快速、可靠、穩(wěn)定的換刀。設(shè)計(jì)得主要內(nèi)容如下：1、根據(jù)目前常用的加工中心換刀機(jī)械手的換刀方式，對(duì)手臂伸縮與手指夾緊機(jī)構(gòu)、手架旋轉(zhuǎn)與手架伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出幾種新的方案，并通過(guò)對(duì)所提出方案的論證分析，選擇一種較為理想的方案進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。2、對(duì)所選設(shè)計(jì)方案中換刀機(jī)械手的組成機(jī)構(gòu)及各個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析。3、對(duì)加工中心換刀機(jī)械手的手指夾緊力進(jìn)行分析與計(jì)算，并對(duì)其關(guān)鍵部位進(jìn)行校核，以保證換刀的可靠性。4、確定各個(gè)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。5、對(duì)設(shè)計(jì)中所涉及到的液壓缸通過(guò)計(jì)算確定其個(gè)部分結(jié)構(gòu)的具體尺寸，并對(duì)個(gè)活塞桿的強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及螺栓的強(qiáng)度進(jìn)行校核，以保證加工中心換刀機(jī)械手能夠穩(wěn)定、可靠的完成換刀過(guò)程。6、對(duì)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的齒輪、軸等重要零部件通過(guò)計(jì)算確定尺寸后，要進(jìn)行安全校核。7、設(shè)計(jì)出加工中心換刀機(jī)械手的控制系統(tǒng)部分，完善設(shè)計(jì)內(nèi)容。西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第3頁(yè)第2章總體方案設(shè)計(jì)與論證2.1加工中心換刀機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)加工中心換刀機(jī)械手，使其實(shí)現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并設(shè)計(jì)出它的傳動(dòng)控制部分，以保證加工中心換刀機(jī)械手能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速、可靠的完成換刀過(guò)程。2.2初步設(shè)計(jì)方案2.2.1旋轉(zhuǎn)臂與夾緊機(jī)構(gòu)由于與機(jī)械、電力傳動(dòng)相比，液壓傳動(dòng)具有體積小、質(zhì)量輕、功率大運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的特點(diǎn)，并且因?yàn)橐簤涸凶晕覞?rùn)滑作用，使用壽命長(zhǎng)，所以在以下幾種設(shè)計(jì)方案中，旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及夾緊機(jī)構(gòu)夾緊運(yùn)動(dòng)都采用液壓的驅(qū)動(dòng)方式。并且由于旋轉(zhuǎn)臂的兩臂可旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后回轉(zhuǎn)，可避免與刀庫(kù)中其他刀具干涉，所以，以設(shè)計(jì)方案中的換刀機(jī)械手都兩手旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)式單臂機(jī)械手夾緊機(jī)構(gòu)。1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案在此方案中，加工中心換刀機(jī)械手兩個(gè)手指的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)液壓缸單獨(dú)控制，這使得它運(yùn)動(dòng)的靈活性很強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。圖2.1手指夾緊機(jī)構(gòu)工作原理：當(dāng)手架旋轉(zhuǎn)75到指定位置后，發(fā)出手臂伸出指令，手臂伸縮液壓缸1工作，當(dāng)液壓缸的進(jìn)油腔油壓力升高，壓力繼電器開(kāi)關(guān)動(dòng)作，并發(fā)出手指夾緊指令，手手指開(kāi)始夾緊。手架在插刀動(dòng)作結(jié)束后，發(fā)出手指松開(kāi)指令，此時(shí)手指夾緊液壓缸1反行程運(yùn)動(dòng)，手指松開(kāi)。2.2.2主架回轉(zhuǎn)與臂部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案此方案的主要特點(diǎn)是采用圓錐齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)加工中心換刀機(jī)械手的拔刀和插刀動(dòng)