目錄摘要 1ABSTRACT 1緒論 1課題背景 1課題的來源 1研究目的 21.1.3．研究的意義 2國內外研究現狀 3研究內容 4設計總體方案論證 4概述 4刀庫和交換主軸換刀裝置的原理 5主軸交換的原理 5主軸抬起及轉位的原理 6刀庫及換刀裝置 6刀庫的設計計算 7電動機的選擇 7蝸輪、蝸桿承載能力計算 11自動換刀裝置設計 13方案分析比較 13機械手自動換刀工作流程設計 13換刀機械手的結構設計 20機械手手臂和手爪結構設計 22結論 22參考文獻 25致謝 26PAGEPAGE4摘要在機械加工領域，經常需要對機械零件進行加工，此時需要用到加工中心設備，加工設備的核心部件之下是自動換刀裝置，本課題主要對自動換刀機械手進行了設計。本論文主要是對加工中心的刀庫及換刀機械手進行研究，主要是自動換刀裝置的設能夠維持較長的使用壽命，并使之能夠完成換刀工作。關鍵詞：機械手；軸；換刀裝置ABSTRACInthefieldofmechanicalprocessing,itisoftennecessarytoprocessmechanicalparts.Atthistime,machiningcenterequipmentisneeded.UnderthecorecomponentofmachiningequipmentisAutomatictoolchanger.Thistopicmainlydesignstheautomatictoolchangingmanipulator.Thispapermainlystudiesthetoolmagazineandtoolchangingmanipulatorofthemachiningcenter,mainlythedesignofAutomatictoolchanger.Firstly,thispaperanalyzesthetypeoftoolmagazineandtoolchangingschemeoftheequipment,anddeterminesthedesignschemeofthemanipulator.Thentheexecutivemotorofthecrowddeviceisselected,andthetransmissionpartisselectedandcalculated.Finally,thekeypartsofthetoolchanger,suchasmanipulatorandhydrauliccylinder,aredesigned,andtheimportantpartssuchasbearingandhydrauliccylinderarechecked,whichcanmaintainalongservicelifeandcompletethetoolchanger.Keywords:manipulator; shaft; toolchanger;1緒論課題背景課題的來源本次的課題研究是機械手自動換刀裝置設計，我們經過相關的資料查閱和分析，發現在整套機器工作中，機械手和刀庫的功能是否穩定或者工作能否順利完成，會直接影響整個加工中心的加工效率，通常我們需要高效的完成加工過程，比較重要就是這個換刀裝置的設計，換刀速度和是否完成準確，都會直接影響整個加工效率。同時在很多報廢或者損壞的機器中，我們發現大部分發生故障都是機械手或者刀具占多數，所以我們需要通過所學知識解決這種問題，設計出穩定可靠的自動換刀裝置，提高加工效率[1]。研究目的通過學習和了解各國的機械行業發展，以及相關的研究，對自己選擇的課題設計進行探索分析，最后得到理想的結論和設計理念，主要涉及到的有機械裝備的分析和設計，主要零件的計算和選擇，最后設計出合理穩定可靠的自動換刀裝置，應用在國家的機床研究領域。1.1.3．研究的意義在現在的國際金融發展下，工業發展在不斷的發展和前進，對工業自動化水平也在不斷的提高要求，就出現了數控加工，這個就是通過機器自己的運轉完成加工過程，減少了人類的勞動力和人力資源成本，同時機器的準確度很高，生產效率會得到很大的提高，提高了生產率。可是在我們國家目前使用數控機床的比率在其他國家中是很低的，相關資料顯示低于3%，而國外的數控機床使用和技術都在我們國家之上。此外在我國數控機床的役齡也是比較高的，周期發展速度比較慢，一半以上的機床自動化水平都不高，能進行完好的自動化加工也是非常少。伴隨著技術和經濟的發展，我們對生活質量的追求在不斷提高，我們對現在的生產產品要求也在提高，不僅僅只是過去的質量要求，還希望產品的外形美觀，加工細節精密，更新速度快，生產成本低，浪費資源少以及可以重利用等。但是在一般的機床中生產加工的產品容易產生質量差距不等，品種比較單一，生產效率低，成本高等缺點，但是有些不利因素會導致一個生產的過程出現很多的困難，最后產品的質量會有很大的波動，一些產品加工精度不高，但是成本相對特別高，不適合加工生產，為了解決這些問題，就需要不斷的提高生產設備的加工效率和加工準確信號，在加工中心影響加工速度是刀庫及機械手的自動換刀裝置，所以為了進入這個高速度的社會發展，我們需要不斷的給機床的自動換刀裝置改進和完善，減少換刀時間，提高機器的生產率，在目前很多企業都在努力提高機床的數控化率，希望能為企業今后實現信息化改造打下良好的基礎。國內外研究現狀數據機床加工中心是現在國際上面提倡和追求的機械加工，它的使用和技術會代表一個國家的生產制造水平和生產效率等。所以無論在國內還是國外都是非常重視這樣的機械加工設備。在整個數控機床中加工中心是發展最快的，占的比率最高。有的國家直接把數控加工中心技術發展作為發展數控機床的主要工作和目標，可以直接影響一個國家的經濟發展和生產技術水平發展。我們對數控機床的研究，在上個世紀，當時在北京研究所等單位開發了立式加工，最后逐漸變成商品。在1980年，北京研究院引進了美國的立式加工中心技術，還引進了更多的設備和技術，咱們國家逐漸的形成了自己的體系，在那個時候，就已經大概的掌握了核心的設計和加工制造技術，這個事件算一個突破性得進展，也為在今后的數控加工中心方面提供了穩定的基礎。在上個世紀90年代末，我們國家的加工中心還是處于較為落后的狀態，加工中心的生產數量還是很少，一般300臺左右每一年。然后在2000年的前后，就有很多外國企業看到中國的市場行情，開始在我國進行合資或者獨立經營的方式建立生產加工中心，然后在我國生產經營和銷售產品，比如現在規模較大的臺灣杭州友佳機床有限公司、寧夏小巨人機床有限公司等公司都是具有代表性的。進入21世紀后，我國的綜合實力在增強，經濟在不斷發展，加工中心市場也呈現出了高峰快速時期，特別在汽車行業，通用的機械設備行業，磨具和航天領域都在不斷的增加加工中心發展。這樣就加大了我國的加工中心技術發展，生產的產品也在不斷優化，得到了國內的肯定。在此時。中國的各大企業對產品開發和研究進行了大量的投資，建設了高檔加工中心，很多已經進入批量生產。在現在的發展當中，加工中心的發展趨勢是主要強調速度快，精確分析高，產品質量好，更新快，智能化，多功能性等。所以在整個數控加工中心最主要的部件就是我們這里研究的自動換刀裝置，在現在的企業中已經把自動換刀裝置看作最主要的部分，著力提升自動換刀裝置的功能性和快速性。由于加工中心的種類有很多種，而投入的自動換刀裝置比例大，就產生了不同的設備價格不同，應用不能普及的主要原因。因此，自動換刀裝置可以單獨研究，可以作為加工中心的標準件或附件來組織專業化生產，可以簡化整個機床就可以降低企業的成本，被多數企業應用和肯定。研究內容本次設計主要是對小型加工中心刀庫和換刀，加工中心主要是自動換刀的的一種數控機床，對于它獨特的加工系統，工件可以一次性完成很多工序的完成，其主要的作用是按照加工的要求，自動換主軸刀具[2]。其中自動換刀裝置是一個完整的體系。主要的技術如下對刀庫中選擇合適的鏈條，確定鏈輪中心距所有刀庫中電機的選擇對換刀機械手的簡單設計對液壓所需元件的選擇和系統的確定2設計總體方案論證概述據有關資料顯示，目前市場上有多種類型的換刀裝置，經過對比發現，多軸換刀裝置的數量有限，無法完成多工序加工;另外，圍繞主軸布置的刀庫的刀塔方法是不同的，換刀時間隨刀庫的位置而變化。在下面圖中，就是有兩個工作主軸的結構方案圖，1-轉塔體2-壓縮空氣管接頭3-行程開關4-5-液壓缸67-大齒輪8-碟形彈簧910-11-拉釘12-刀夾13-端面鍵14-15-滑移齒輪圖2-1雙主軸換刀對于這種兩個主軸的設計中，一個主軸是直接用來加工的，而另一個主軸是用來更換就是當進行更換刀具時，另外一個加工的主軸會迅速的退出，更換刀具完成后，加工的主軸就會繼續開始加工。主要實現了具體的工作。刀庫和交換主軸換刀裝置的原理主軸交換的原理兩個主軸在轉塔頭內部交錯分布著，而且兩個主軸結構完全相同。同時主軸的運動動力來源于電動機，先由電動機傳入動力，分別會經過滑移齒輪和大齒輪輸入。當需要進行換刀步驟時候，就會由數控裝置發出指令，進行換刀，先通過液壓撥叉，然后就會促使滑移齒輪和大齒輪脫離嚙合。然后在液壓缸的作用下，帶轉塔體抬起，再通過壓力油直接進5PAGEPAGE11入轉位液壓缸，使轉塔體轉位180°，此時就會進行下一工序，主軸就會回到開始的工作位置。進行切削加工，換刀主軸進行換刀工作。主軸抬起及轉位的原理2-2所示，對于主軸抬起和轉位原理是開始讓滑移齒輪和主軸齒輪進行脫離，然2858438180位完成后，中心液壓缸接通回油，轉塔體落下，定位銷實現轉塔體的定位。876543211，2-中心液壓缸3-活塞桿齒輪條4-小齒輪刀庫及換刀裝置

5-定位銷6-大齒輪7-軸8-轉塔體圖2-2主軸轉位裝置儲放刀具的裝置被我們稱作刀庫，一般在機械中常見的刀庫有下面幾種:1.轉塔式刀庫6～8把中心和鉆削中心。盤式刀庫盤式刀庫，類似盤的形狀，主要特征是刀具是垂直表面的狀態。它沿著磁盤表面垂直排列（包括徑向切割和軸向切割）。沿盤面徑向排列或以銳角形式排列的刀具結構簡單緊湊，可以應用更多，因為刀具排列成一個環，會降低空間利用率。這時候需要通過將刀庫的外徑增大，就可以使刀庫的容量增大，最后使轉動慣量也增大，一般用于較小的刀庫（12~24把刀）。刀具在內部的排列是環形就可以增加刀庫的空間利用率，這樣就會導致取刀比較麻煩，需要合理的取刀機構，通常是比較復雜的，所以這樣的盤式刀庫經常用于機床空間受限制可是刀庫容量又較大的場合。鏈式刀庫30120個工具之間。這里只需要增加鏈條長度就可以增加刀具的數量，而不會增加圓周速度，慣性力矩小的優點。然而，其缺點是機械剛度差和傳動間隙大，這導致定位精度差。為了改善定位精度，需要搭配復雜的電路檢控，這樣才能實現快速和精確定位。直線式刀庫和組合刀庫線性刀庫的特點，第一個結構比較簡單，刀具排列成單排，刀庫的容量比較小，一般用于數控車床和鉆床。組合刀庫是炮塔式刀庫的組合。它的特點是刀具更換速度快，每個刀庫的刀具存儲量小，這種多數用于FMS的集中供刀系統，不適用電機加工中心。在上面的對比和分析中，我們最后選擇盤式刀庫，因為我們的課題主要針對中小型加20然后放在機床主軸的上面，可減少占用空間。對于兩種驅動模式，我們選擇伺服電機來CAM連桿驅動。通過上面對換刀裝置的結構分析，以及重要組成部件的了解，結合其他相關資料最后確定了換刀裝置的基本結構，和刀庫的形式及容量，以及其他主要零部件的主要作用，進行每個部分的設計，最后得到符合設計要求的自動換刀裝置。3刀庫的設計計算電動機的選擇Y801-22825r/min3-1：表3-1電動機主要技術數據、外形和安裝尺寸表型號/kw

額定功率 額定轉r/min

最大轉矩（額定轉矩）Y801-2外 形 尺 寸 mm×mm×mmL×（AB/2+AD×HD

/mm

0.75中心高H

/mm

2825安裝尺寸A×B

2.2軸伸尺寸/mm×mm×mmD×E295×323×175 80 125×100 19×40蝸輪蝸桿的計算1、選擇傳動的類型和精度等級ZA8GB10089-8920000小時。2、選擇材料，確定許用應力4545～55HRC,模鑄造[4]。10-5[5]10-7[5]中分別查得56MPa0F

220MPaOH應力循環次數N=60 nJL2 H

60

280010

200003.3610881073.3681073.36108N

0.644許用應力Z 0.664220141.68MPaH N OHYF N

0.5245629.34MPa0F3、選擇蝸桿頭數Z1

和蝸輪齒數Z2i=10,參考文獻[6]10-2取Z14、按蝸輪齒面接觸疲勞強度設計

=2Z2

=iZ1

=10×2=20。 Z 2m2d 9kT E （5-）1 2 Z 2 H確定載荷系數由參考文獻表10-3[7]中選取使用系數K 1.1由于載荷平穩，AK1Kv1.05[8]則KK K K 1.111.051.16A v計算作用在蝸輪上的轉矩，取效率0.80150r/min代入數值得

T iT2 1

(5-2)T100.89.551060.751 2800

20.46429Nm確定彈性系數Z ，由文獻表10-4[10]查得Z 155E E計算m2d1

，確定模數m和蝸桿分度圓直徑d1 Z 2m2d

9kT

E 1 2 Z 2 H91.1620464.29

155 220141.68 639.27mm310-1[11]m=4mm,d1a

=40mma計算蝸桿導程角

dd1 2

404202

60mm 4 arctan 1arctan

118'6"d 401Zv2Z 20 20Z 2 v2 cos3 cos311.3

21.224確定齒形系數Y 2.87Fa確定螺旋角系數YY 1

1200

0.90575校核彎曲強度F 1.53KT代入數值得

F mdd12

2Y YFa

（5-3） 1.531.1620464.292.870.90575F 40804滿足要求。

7.38MPaH6、蝸桿和蝸輪主要幾何尺寸計算蝸桿蝸桿分度圓直徑d1

d=40mm1蝸桿直徑系數q

qd140

10m 411蝸桿齒頂圓直徑da1

d d2hm*40241=48mma1 1 a蝸桿齒根圓直徑df1 d df1 1

2hcm4021a

430.4mm蝸桿軸向齒距pa1Pa1蝸桿導程Lz

m412.56mmL ZPZ 1a1

212.5625.12mm蝸桿軸向齒厚Sa1蝸輪蝸輪分度圓直徑

S 1m6.28mma1 2蝸輪喉圓直徑

d mZ 420=80mm2 2 d d 2h*x m802488mma2 2 a 2蝸輪齒根圓直徑 d d 2hcx m70.4mmf2 2 a 2蝸輪、蝸桿承載能力計算、蝸桿傳動的受力分析及計算校核各力的大小如下：90;桿的軸向力等于蝸桿的圓周力。蝸桿的徑向力等于蝸輪的徑向力，方向相反。PAGEPAGE23F Ft1 a2

295490.75103280040

128NF Fa1 t2

1220464.2980

511607NF Fr1 r2

F tan511.607tan20186.21Na1F 511.607F a1n cos20

0.94

554.804N

F KFca

KKKFA n式中K —使用系數AK—齒向載荷分布系數K —動載系數v2、蝸桿傳動的強度校核蝸輪齒面接觸疲勞強度校核

111Fn

554.804N9KT2dd29KT2dd21 2H E

（5-4）代入數值得919120464.2940802H131.47MPa250MPaH3、蝸輪齒根彎曲疲勞強度校核1.53KT 2Y Y

（5-5）F ddm

Fa21 2代入數值得 1.5320464.292.130.9F 408044.69MPaF

YN

0.5245629.3MPa4自動換刀裝置設計方案分析比較對于我們選擇研究的主題，加工中心需要配備刀庫和自動換刀裝置，工件需要在加工中心完成夾緊，然后加工可以自動完成，這涉及到使用很多刀具，以滿足零件生產周期的要求。當然對于自動換刀裝置在不同的環境下都會遇到不同的，正常情況下，我們會經常看到下面三種，分別是直接換刀方式、機械手換刀方式、轉塔頭方式。塔刀架換刀方式和轉塔主軸頭換刀方式兩種。加工中心自動換刀裝置大多采用機械手動換刀方式，它是由機械手到主軸上的刀快，布局靈活。機械手自動換刀工作流程設計所謂的機械手換刀方式，就是指由刀庫和機械手共同組成的自動換刀裝置，在我們在完成一個加工工序后，就會使主軸返回換刀位置，而且可以停在準停位置，此時我們可以假設機械手架已經完成了轉向工作，直接轉向了刀庫，裝刀手中夾著刀具T09,卸刀1、手架轉向主軸1、手架轉向主軸T05T09主軸手的手中是空的，主軸上裝著刀具T05，這個時候就需要主軸就行換刀工作，主要的操作過程如下面所示：機械手換刀過程圖如下：開始換刀前狀態裝刀手裝刀手刀庫T09T05主軸卸刀手刀具直接和主軸呈平行狀態安裝在刀庫上面，在進行裝刀之前，我們需要讓手架旋轉180°，就可以使手架轉向主軸，最后裝刀手和裝刀手中的刀具是處于垂直狀態的，同時會讓刀具和主軸上的刀具軸線保持平行狀態。0T05T05T09T05T09，可是同時作用兩把刀進行加工，而主軸上面只可以裝一把刀，所以只能進行換刀裝置，需要先拿下之前加工的刀再換另外一把刀具。通過觀察可以看到卸刀手手指中心與主軸中心是處于一條直線，所以卸刀手在伸縮油T05。3、滑座前伸拔刀T05T05T09具的自動夾緊機構松開刀具。此時，伸縮油缸框架向前延伸，滑座在導軌中向前移動，T05從主軸上拉出。4、卸刀手縮回4、卸刀手縮回T05T09迅速離開主軸，回到開始未拔刀的位置。、裝刀手前伸T05T09T09，新的刀具換上之后就可以進行后面的加工動作。就會讓裝刀手向前伸。、滑座后退插刀）T05T05T09T09裝在主軸上面，就完成了裝刀步驟。7、裝刀手縮回7、裝刀手縮回T05T09行加工工作，完成裝刀后，機械手就會放開刀具，最后機械手就會回到開始的位置，這個就是機械手縮回工作。8、手架轉向刀庫8、手架轉向刀庫T058.它還需要把從主軸上卸下的刀具（T05）放回刀庫中對應的位置，方便下一次進行取刀工作。、滑座前伸P05T056在這里我們需要滑座向前移動，回到制定位置。10、卸刀手前伸10、卸刀手前伸T05意味著整個換刀工作完成，上面就是整個步驟，最后機械手回到待命處，等待下一次的換刀工作。、滑座后退插刀T05、卸刀手縮回換刀機械手的結構設計過下面的操作過程：總體的過程就是有裝刀手、卸刀手的伸縮運動，從而可以接近刀具的位置進行刀具取得，然后需要進行上面提到的取刀和返回工作，就是機械手手部夾緊和松開過程，最后刀具送回存放。這些動作完成需要相關的機構去實現，下面就是對每種結構的具體介紹和分析：251指座等，而且外形正好相反。裝刀手、卸刀手只有伸縮運動和手指的夾放運動。61112（910）551部節流緩沖，油缸端蓋與活塞端蓋相碰而定位。45°合，以保證能正確的裝、卸刀。裝刀手（卸刀手）的手部由手指座即伸縮缸的端蓋）、固定指7910121311、1514。此手部屬于一支點回轉9，應能自由地從刀柄的緊機構。孔內（插刀完畢），1314（形狀為Ⅱ型）b’12913141513129若卸刀，則卸刀手手臂前伸，卸刀手手部（有左右之別）動作。當卡銷13形狀為Ⅰ型）時，卡銷1312b9c13159，動作。擋塊8和14安裝在機床主軸套筒的端面上，另有兩塊（Ⅰ、Ⅱ型各一塊）裝在手架懸伸支架上（圖中未標出）。227102.手架伸縮和回轉運動機構作，從而改變裝刀手、卸刀手的位置（即機械手由主軸轉向刀庫，或由刀庫轉向主軸）其上加工有油缸（滾柱俺十字交叉位置放置）和V825131141151011油缸端蓋相碰而定位。機械手手臂和手爪結構設計機械手是運用和人一樣的手臂，模仿人類的手臂進行相關操作的，機械手的手臂是可以用來抓取物品和工件進行加工的，常見的就是用機械手手臂去夾持刀具和相關加工工具的，然后就行加工