1.1研究數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機床的目的與意義

隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展和經(jīng)濟競爭的日趨激烈,產(chǎn)品更新速度越來越快,復雜形狀的零件越來越多,精度要求越來越高,多品種,中小批量生產(chǎn)比重明顯增加.激烈的市場競爭使產(chǎn)品研制生產(chǎn)周期越來越短.傳統(tǒng)的加工設(shè)備和制造方法已難于適應(yīng)這種多樣化,柔性化與復雜形狀零件的高效高質(zhì)量加工要求.因此近幾十年來,世界各國十分重視發(fā)展能有效解決復雜,精密,小批量多變零件的數(shù)控加工技術(shù),在加工設(shè)備中大量采用以微電子技術(shù)和計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)控技術(shù).目前,數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革,他集成了微電子,計算機,信息處理,自動檢測,自動控制等高新技術(shù)于一體,具有高精度,高效率,柔性自動化等特點,對制造業(yè)實現(xiàn)柔性自動化,集成化,智能化起著舉足輕重的作用。數(shù)控技術(shù)是制造業(yè)實現(xiàn)自動化,柔性化,集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ),現(xiàn)代的CAD/CAM,FMS.CIMS等，都是建立在數(shù)控技術(shù)之上，離開數(shù)控技術(shù)，先進制造技術(shù)就成了無本之木。同時，數(shù)控技術(shù)關(guān)系到國家戰(zhàn)略地位，是體現(xiàn)國家綜合國力的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，其水平高低是衡量一個國家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標志，實現(xiàn)加工機床及生產(chǎn)過程數(shù)控化，已經(jīng)成為當今制造業(yè)的發(fā)展方向1.1研究數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機床的目的與意義

隨著科學技術(shù)的飛1三、機械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計

機械手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(shè)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(zhuǎn)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(yīng)用最為廣泛。雙臂機械手中最常用的幾種結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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。三、機械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計

機械手的職能是將機床主軸上23.1機械手的平穩(wěn)性

（1）、慣性力的影響機械手速度突變，加（減）速度不連續(xù)，會產(chǎn)生巨大的慣性沖擊力，以至使工件滑動、部件松動、零件破裂。定位時，大的減速度使臂部往復振動，直接影響定位精度。因此，應(yīng)根據(jù)機械手的運動特性，選擇適宜的控制系統(tǒng)，使加（減）速度按所需的運動歸路變化，同時，在保證剛度的前提下，減輕機械手運動件的重量。3.1機械手的平穩(wěn)性

（1）、慣性力的影響3

（2）、結(jié)構(gòu)剛度的影響

零件結(jié)構(gòu)剛度性差，配合間隙大及整機固有頻率低時，受較小慣性沖擊，就發(fā)生振動。不但降低定位精度，而且降低機械手壽命。應(yīng)選擇合理結(jié)構(gòu)，提高機械手固有頻率及承受慣性載荷的能力。

（2）、結(jié)構(gòu)剛度的影響4（3）、定位方法的影響常用的定位方法中，電氣開關(guān)的定位精度最低，伺服定位較高，機械擋塊的定位最高。（4）、控制系統(tǒng)的影響電控系統(tǒng)的誤差，閥類泄漏，檢測元件失靈，擋塊偏移等會降低定位失靈。（5）、驅(qū)動源的影響液壓、氣壓、電壓及油溫波動都會降低平穩(wěn)性及定位精度，必要時，用蓄能器等穩(wěn)定液壓、氣壓、電壓，用加熱器和冷卻器控制油溫。（3）、定位方法的影響53.2.2機械手的運動特性

3.2.2機械手的運動特性

6深入分析機械手的運動特點，有利于根據(jù)工作條件選擇適宜的運動特點。下面為我們所選工業(yè)機械手所具有的運動規(guī)律，在減速較大時的情形。深入分析機械手的運動特點，有利于根據(jù)工作條件選擇適宜的運動特73.1手爪部分設(shè)計

機械手手爪部分的作用是抓住和放開工件，并且要保證在抓刀后的換刀過程中保證刀具不會重手爪中飛出。目前的加工中心換刀機械手的手爪種類繁多，可以說每個廠家都推出自己的獨特的換刀機械手，目前使用最多的有4種機械手，分別是單臂單手式機械手，回轉(zhuǎn)式單臂雙手機械手，雙手式機械手和多手式機械手。單臂單手式機械手的特點是機械手只做往復直線運動，主要用與刀具主軸和刀庫刀座的軸線平行的場合，機械手的插、拔刀運動和傳遞刀具的運動全都是直線運動，因為沒有回轉(zhuǎn)運動所產(chǎn)生的離心力，因為無回轉(zhuǎn)運動所產(chǎn)生的離心力，所以機械手的握刀部分可以比較簡單，只需要兩個彈簧卡銷卡住刀柄即可。但是換刀各動作均需順序進行，時間不能重合，所以換刀時間較長。例如在轉(zhuǎn)塔頭帶刀庫的換刀系統(tǒng)中，不工作主軸的換刀時間與工作主軸的加工時間重合，可使用這類機械手。回轉(zhuǎn)式單臂雙手機械手的兩手部成180°，手型種類很多，常見的有固定式雙手、可伸縮式雙手、剪式雙手等。這類的機械手可以同時抓住可拔、插位于主軸和刀庫（或運輸裝置）里的刀具，與單臂單手式機械手相比，可以縮短換刀時間。這類機械手應(yīng)用最廣泛，形式也最多。雙手式機械手的手臂運動方式有2種，一種是機械手只做往復直線運動的，這樣的機械手有雙手平行式和雙手交叉式，這樣的機械手可起運輸裝置的作用，使用于容量大、距主軸較遠的、特別是分置式的刀庫和換刀。還有一種是機械手有回轉(zhuǎn)運動的。這2種機械手向刀庫還回用過的刀具和選用新刀，均可在主軸正在加工時進行，所以換刀時間較短。多手式機械手的各個機械手順次使用，可以用語單主軸機床（機械手和刀庫為一體），和帶雙刀庫的雙主軸轉(zhuǎn)塔頭機床。這類機械手的使用者最少。根據(jù)以上的分析，手爪部分的結(jié)構(gòu)我選擇了回轉(zhuǎn)式單臂雙手機械手，而夾刀的部分我選用了鉤手的結(jié)構(gòu)，這樣選擇的原因是鉤手具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝拆卸方便，不需要額外的驅(qū)動，抓刀方式簡單等特點。3.1手爪部分設(shè)計

機械手手爪部分的作用是抓住和放開工件，83.2機械手手臂的設(shè)計

機械手工作中運動速度較高，在結(jié)構(gòu)位置應(yīng)保證運動平穩(wěn)，這樣可以提高機械手運動的平穩(wěn)性，可以提高機械手適用的可靠性，并提高使用壽命。3.2機械手手臂的設(shè)計

機械手工作中運動速度較高，在結(jié)構(gòu)位93.2.1臂部要防止偏重

通常臂部處于懸臂的工作狀態(tài)，在設(shè)計臂部、腕部和手部結(jié)構(gòu)時，盡量使其總的重心在支撐中心，防止對支撐中心的偏重。一但偏重，將會產(chǎn)生附加的彎矩，引起導向裝置不均勻的磨損。在回轉(zhuǎn)運動中，偏重對回轉(zhuǎn)軸附加有動壓力，其方向不斷變化，特別是高速及速度突然變化時更加明顯，這些都將引起機械手的振動，嚴重的會造成卡死。預防的措施：減輕腕部、手部的重量，并盡量減少偏心載荷。可采用鋁合金制造腕部和手部。合理分布臂部上各部件重量和增加平衡重，使臂部平衡。某些機械手結(jié)構(gòu)上無法避免偏重，則應(yīng)加強導向支撐，盡量減輕偏重對運動的影響。3.2.1臂部要防止偏重

通常臂部處于懸臂的工作狀態(tài)，在設(shè)計103.2.2加強臂部剛度

提高臂部剛度是減少手部顫動的關(guān)鍵，有利于提高定位精度，故常采用導向形式來加強定位。3.2.2加強臂部剛度

提高臂部剛度是減少手部顫動的關(guān)鍵，有113.2.3改進緩沖裝置和提高配合精度

機械手的緩沖裝置是保證運動平穩(wěn)和減少振動的主要措施。機械沖擊，它是在臂部運動中與定位裝置相碰撞而產(chǎn)生的。它可用緩沖裝置來消除。3.2.3改進緩沖裝置和提高配合精度

機械手的緩沖裝置是保證123.2.4采取的措施：

提高部件的配合精度，減少間隙，有利于運動平穩(wěn)，特別是高速運動的機械手更需要保證加工精度和提高配合。機械手的緊固件在運動中受變載荷的作用必須采用防松措施。

3.2.4采取的措施：

提高部件的配合精度，減少間隙，有利于133.3機械手傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計

我選擇凸輪換刀裝置作為傳動方案。

凸輪機械手換刀裝置是目前加工中心常用的機構(gòu)之一，與傳統(tǒng)的氣動、液壓換刀機構(gòu)相比，它具有換刀速度快、換刀可靠、運動平穩(wěn)的特點。近年來加工中心得到了廣泛的應(yīng)用。凸輪機械手換刀裝置通常由2個凸輪以及相應(yīng)的機構(gòu)組成，其中，一個平面凸輪通過連桿機構(gòu)，用來完成“裝刀”與“拔刀”動作；另一個弧面凸輪帶動凸輪分度機構(gòu)，用來實現(xiàn)機械手的轉(zhuǎn)位，完成“抓刀”和“換刀”動作。3.3機械手傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計

我選擇凸輪換刀裝置作為傳動方案。143.4換刀機械手的參數(shù)和計算

3.4.1手臂的彎曲變形

手臂受到自身重力和刀具的重力左右，所以會有彎曲變形，如果彎曲太大，就會造成換刀時手臂和刀具的干涉，造成機器的損壞。手臂的自身重力可以通過簡化的方式轉(zhuǎn)化為一個長度為410mm，寬90mm，高35mm的長方體來計算，G=mg=7.8×10×41×9