数控镗铣床换刀机械手设计

数控镗铣床换刀机械手设计摘要为了更好的应用，机床工业中的对应机械手获得了广泛的研究，然而，有限的工作空间，比较差的灵活性，复杂对应机械手的难于设计，导致人们把目光投向于少于6个自由度的对应机械手，本篇论文描述了几个在自由度的数量和类型上都不相同的对应机械手，这些对应机械手可被用语对应运动机器，运动模拟器和工业机器人。

关键词：对应机械手；对应运动机械；自由度；机器人Abstractllel manipulators for the machine tool Industry have been studied extensively for various industrial applications. However, limited useful workspace areas, the poor mobility, and design difficulties of more complex parallel manipulators have led to mare interest in parallel manipulators with less than six degrees of freedom (DoFs). Several parallel mechanisms with various numbers and types of degrees of freedom are described in this paper, which can be used in parallel kinematics machines, motion simulators, and industrial robots.Key words：parallel manipulator；parallel kinematic machine；degree of freedom；robot目录绪论 (5)1机械手的相关介绍 (6)1.1数控技术的发展历程 (6)1.2 数控加工中心的基本功能 (6)1.3 加工中心的组成部分 (7)1.3.1 刀库 (7)1.3.2 刀具交换装置 (7)1.3.3 运刀装置 (8)1.3.4 刀具编码装置 (8)1.3.5 刀具识别装置 (9)1.4 刀库的驱动及定位 (9)1.5 我国数控技术的发展状况 (10)1.6 数控技术的发展趋势 (10)2 换刀机械手的总体方案设计 (11)2.1 设计任务 (11)2.2 机械手的平稳性 (11)2.3机械手的运动特性分类 (13)2.4 开关型机械手的速度及位置控制 (13)2.5 机械传动行机械手的速度及位置控制 (14)2.6 机械手类型确定 (14)2.7 驱动系统及电控统的选择 (14)3 总体结构设计 (19)3.1 手爪部分设计 (19)3.2 机械手手臂设计 (19)3.3 机械手传动结构的设计 (22)4 换刀机械手的参数和计算 (25)4.1 手臂的弯曲变形 (25)4.2 电动机的选择 (26)5 换刀过程 (27)致谢 (31)参考文献 (32)绪论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。

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。

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。

这次设计的换刀机械手的主要任务是，完全模拟人手的换刀动作，给机床主轴提供相对转动实现夹紧、放松刀具的动作。

1 换刀机械手的相关介绍1.1数控技术的发展历程回顾数控技术的发展已经经历了两个阶段，六代的发展历程。

第一个阶段叫做NC 阶段，经历了电子管、晶体管、和小规模集成电路三代。

自1970年开始小型计算机开始用于数控系统就进入了第二个阶段，叫做CNC阶段，成为第四代数控系统：从1974年微处理器开始用于数控系统即发展到第五代。

经过十多年的发展，数控系统从性能到可靠性都得到了根本性的提高。

实际上从20世纪末期直到今天，在生产中使用的数控系统大部分都是第五代数控系统。

但第五代数控系统以及以前各代都是一种专用封闭的系统，而第六代——开放式数控系统将代表着数控系统的未来发展方向，将在现代制造业中发挥越来越重要的作用。

1.2数控加工中心的基本功能带有自动换刀刀具交换装置（ATC Automatic Tool Change）的数控机床称为加工中心。

它通过刀具的自动交换，可以一次装夹完成多道工序的加工，实现了工序的集中和工艺的复合，从而缩短了辅助加工时间，提高了机床的效率，减少了零件安装、定位次数，提高了加工精度。

加工中心是目前数控机床中产量最大、应用最广的数控机床。

带有刀具自动交换装置、能一次集中完成多种工序加工的数控加工设备。

数控机床实现了中、小批量加工自动化，改善了劳动条件。

此外，它还具有生产率高、加工精度稳定、产品成本低等一系列优点。

为了进一步发挥这些优点，数控机床遂向“工序集中”，即一台数控机床在一次装夹零件后能完成多任务序加工的数控机床(即加工中心)方面发展。

钻、镗、铣、车等单功能数控机床只能分别完成钻、镗、铣、车等作业，而在机械制造工业中，大部分零件都是需要多任务序加工的。

在单功能数控机床的整个加工过程中，真正用于切削的时间只占30％左右，其余的大部分时间都花费在安装、调整刀具、搬运、装卸零件和检查加工精度等辅助工作上。

在零件需要进行多种工序加工的情况下，单功能数控机床的加工效率仍然不高。

加工中心一般都具有刀具自动交换功能，零件装夹后便能一次完成钻、镗、铣、攻丝等多种工序加工。

1.3加工中心的组成部分加工中心分两大部分：数控机床和刀具自动交换装置。

刀具自动交换装置应能满足以下几个方面的要求：①换刀时间短；②刀具重复定位精度高；③识刀、选刀可靠，换刀动作简单；④刀库容量合理，占地面积小，并能与主机配合，使机床外观完整；⑤刀具装卸、调整、维护方便。

刀具自动交换系统由刀库、刀具交换装置、刀具传送装置、刀具编码装置、识刀器等五个部分组成。

1.3.1 刀库刀库是存贮加工所需各种类型刀具的仓库。

它是刀具自动交换系统中的重要组成部分，具有接受刀具传送装置送来的刀具和将刀具给予刀具传送装置的功能。

它的容量、布局和具体结构对整个加工中心的总体布局和性能有很大的影响，按其结构、形状可分为以下六种：①圆盘式刀库，又分为轴向式(刀具中心线与圆盘中心线平行)、径向式(刀具中心线与圆盘中心线垂直)和多盘式(在一根旋转轴上分设几层圆盘刀库)。

②转塔式刀库，又分倾斜式和水平式。

③鼓轮式刀库。

④链式刀库。

⑤格子式刀库。

⑥直线式刀库。

应当根据被加工零件的工艺要求合理的确定刀库的存储量。

根据对车床、铣床和钻床的所需刀具的数的统计表明，在加工过程中经常使用的刀具数目并不很多，对于钻削加工，用14把不同的规格的刀具就可以完成约80%的加工，即使要求完成90%的工件加工，用20把刀具也就足够了。

对于铣削加工，需要的刀具更少，用4把不同规格的铣刀就能完成约90%加工，用5把不同规格的铣刀可以加工95%的工件。

因此从使用角度来看，刀库的存储量一般为20~40把较为合适，多的可达60把刀，超过60把刀的很少。

1.3.2 刀具交换装置(机械手)它的职能是将机床主轴上的刀具与刀库或刀具传送装置上的刀具进行交换，其动作循环为：拔刀─新旧刀具交换─装刀。

换刀机械手种类繁多，可以说每个厂家都可以推出自己的机械手，基本上换刀装置按交换方式又分为两类。

无机械手换刀：由刀库与机床主轴的相对运动实现换刀。

在这类装置中，刀库一般为格子式，装在工作台上。

换刀时，先使工作台与主轴相对运动，将使用过的旧刀送回刀库，然后再使工作台与主轴相对运动一次，从刀库中取出新刀。

这种换刀方式的换刀时间长，另外刀库设置在工作台上，减少了工作台的有效使用面积。

采用机械手换刀：机械手刀具交换装置，有单臂单手式机械手、回转式单臂双机械手、双臂机械手、多手式机械手。

特别是双臂机械手刀具交换装置具有换刀时间短、动作灵活可靠等优点，应用最为广泛。

双臂机械手中最常用的几种结构有：钩手；抱手；伸缩手；叉手。

双臂机械手进行一次换刀循环的基本动作为：抓刀(手臂旋转或伸出，同时抓住主轴和刀库里的刀具)；拔刀(主轴松开，机械手同时将主轴和刀库中的刀具拔出)；换刀(手臂转180°，新、旧刀交换)；插刀(同时将新刀插入主轴，旧刀插入刀库，然后主轴夹紧刀具)；缩回(手臂缩回到原始位置)。

机械手的手爪，大都采用机械锁刀的方式，有些大型的加工中心，也有采用机械加液压的锁刀方式，以保证大而重的刀具在换刀中不被甩出。

1.3.3 运刀装置当刀库容量较大、布置得离机床较远时，就需要安排两只机械手来完成新旧刀的交换动作，一只靠近刀库，称为后机械手，完成拔新刀、插旧刀的动作；一只靠近主轴，称为前机械手，完成拔旧刀、插新刀的动作。

在前后机械手之间则设有运刀装置。

它一方面将前机械手从主轴上拔出的旧刀运回刀库旁，以便后机械手将该旧刀拔出并插回刀库；另一方面则将后机械手从刀库中拔出的新刀运到主轴旁，以便前机械手将该新刀拔出并插入主轴。

运刀器的职能就是在前后机械手之间来回运送新、旧刀具。