西安文理学院机械电子工程系
本科毕业设计（论文）
题 目 加工中心自动换刀机构设计 专业班级 08级机电（2）班 学 号 08102080213 学生姓名 侯飞龙 指导教师 姚慧 设计所在单位 西安文理学院
2012年 2月
目录
目录
第1章 绪论 ................................................................................................................................................. 1
1.1 加工中心换刀机构设计的目的及意义 ....................................................................................... 1 1.2 加工中心换刀机构的发展现状 ................................................................................................... 1 1.3 研究的主要内容 ........................................................................................................................... 2 第2章 总体方案设计与论证 ..................................................................................................................... 3
2.1 加工中心换刀机构的设计要求 ................................................................................................... 3 2.2 初步设计方案 ............................................................................................................................... 3
2.2.1 旋转臂与夹紧机构 ........................................................................................................... 3 2.2.2 主架回转与臂部旋转机构 ............................................................................................... 3 2.3 方案的确定 ................................................................................................................................... 4 2.4 设计结构分析 ............................................................................................................................... 4
2.4.1 设计参数 ........................................................................................................................... 4 2.4.2 自由度分析及各自由度的实现 ....................................................................................... 5 2.4.3 加工中心换刀机械手的组成 ........................................................................................... 5 2.5 本章小结 ....................................................................................................................................... 6 第3章 构设计及尺寸计算 ......................................................................................................................... 7
3.1 手指结构设计及计算 ................................................................................................................... 7
3.1.1 手指夹紧力的计算 ........................................................................................................... 7 3.1.2 手指部分的相关校核 ....................................................................................................... 8 3.2 手指夹紧液压缸设计 ................................................................................................................. 10
3.2.1 手指夹紧液压缸各部分尺寸的确定 ............................................................................. 10 3.2.2 材料的选择 ..................................................................................................................... 12 3.3 手臂旋转液压缸设计 ................................................................................................................. 12
3.3.1 手臂伸缩液压缸各尺寸数据的确定 ............................................................................. 12 3.4 主架旋转机构设计 ..................................................................................................................... 14
3.4.1 主架架旋转轴的设计 ..................................................................................................... 14 3.4.2 手架旋转驱动机构的选择 ............................................................................................. 16 3.4.3 单级圆锥齿轮的设计与校核 ......................................................................................... 17 3.5 主架伸缩液压缸的设计 ............................................................................................................. 23
3.5.1 主架伸缩液压缸各尺寸数据的确定 ............................................................................. 23 3.5.2 材料的选择 ..................................................................................................................... 24 3.5.3 手架伸缩液压缸活塞杆的校核 ..................................................................................... 24 3.6 本章小结 ..................................................................................................................................... 25 第4章 控制部分的设计 ........................................................................................................................... 26
4.1 液压缸的流量、流速及压力 ..................................................................................................... 26 4.2 确定液压泵的流量、压力及液压泵的型号 ............................................................................. 26 4.3 各液压缸缓冲装置的设计 ......................................................................................................... 28 4.4 液压系统回路 ............................................................................................................................. 28 4.5 旋转轴控制线路 ......................................................................................................................... 29 4.6 技术难点 ..................................................................................................................................... 29 4.7 本章小结 ..................................................................................................................................... 30 结束语 ........................................................................................................................................................... 31
致 谢 ................................................................................................................................................. 32 参考文献 ............................................................................................................................................... 33
西安文理学院本科毕业设计(论文) 第1页
第1章 绪论
1.1 加工中心换刀机构设计的目的及意义
本设计主要是在实现手指夹紧、手臂伸缩、手架伸缩以及手架旋转运动的基础上，为加工中心换刀机械手的研究提供几种新的设计方案，并通过论证分析，选择其中一种比较理想可行的方案进行设计计算，以达到准确、稳定、快速、可靠换刀的目的。在满足加工中心换刀机械手各种运动要求的同时，本设计也在一定程度上简化了换刀机械手的结构，以方便加工中心换刀机械手的加工制造过程。
1.2 加工中心换刀机构的发展现状
近年来，随着世界制造业向中国转移，我国对机床的需求量大增。同时，经过多年的努力，我国数控机床的开发水平也有了很大进步，数控机床的品种和质量均比以往有所提高，部分机床制造主导厂还开发出具有相当水平的数控设备。但是，通过有关部门给出的资料，只要作进一步的分析与了解，我们就会发现，国产数控机床在消费量的台数中虽占有一半（55%）以上，但它们多是些技术水平较低、价格相对便宜的普通产品，如数控车床、数控铣镗床和线切数机床等，高、中档数控产品则较少，而且这些产品的核心技术或功能部件，如加工中心换刀机械手、全功能的数控伺服系统，高速电主轴，数控刀架乃至高速安全防护装置等，还多是由中外合资企业提供或是从国外进口的。这也说明由于技术发展的不平衡，在多种条件制约下，目前我国数控机床的整件技术水平与国际先进水平相比还有一定距离，部分高性能、高速、高精度的数控机床仍需要依靠海外进口。
功能部件技术水平的高低、性能的优劣以及整体的社会配套水平，都直接决定和影响着数控机床整机的技术水平和性能，也制约着主机的发展速度。而换刀机械手则是加工中心稳定可靠运行的关键功能部件。它的快速、准确的换刀程序是影响加工中心发挥高效、可靠的加工性能的重要因素。没有换刀机械手，就不可能有集中工序进行加工的加工中心。有资料显示，刀库和机械手的故障率约占整机故障率的25%。所以说，换刀机械手的性能、质量直接影响着数控机床整机的性能、质量和品种的发展。
加工中心是备有刀库，并能自动更换刀具，对工件进行多工序加工的一种功能较全的数字控制机床，也是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，是判断企业技术能力和工艺水平标志的一个方面。加工中心中实现刀库和机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为自动换刀装置，它的功能是储备一定数量的刀具并完成刀具的自动交换。自动换刀装置可帮助数控机床节省辅助时间，并满足在一次安装中完成多工序、工步加工要求。它由存放刀具的刀库和换刀机构组成。作为自动换刀装置，它需要满足换刀迅速、时间短，重复定位精度高，刀具储存量足够，所占空间位置小，工作稳定可靠等特点。
换刀装置中刀具的交换形式及它们的具体结构对机床的工作效率和工作可靠性有着直接影响。加工中心的自动换刀形式可分为无机械手换刀方式和有机械手换刀方式两大类。无机械手换刀方式一般是采用把刀库放在主轴箱可以运动到的位置，同时，刀库中刀具的存放方向一般与主轴上的装刀方向一致。无机械手换刀方式是由刀库和机床主轴的相对运动实现刀具的交换的，这种方式结构简单，但换刀时间要长。目前，加工中心
西安文理学院本科毕业设计(论文) 第2页
的自动换刀装置大都采用有机械手换刀方式，因为有机械手换刀装置在刀库的配置、与主轴的相对位置及刀具数量确定上都比较灵活，机械手数量和换刀形式比较随意，换刀时间比较短，应用广泛。换刀机械手的形式有单臂式、双臂式、回转式和轨道式等，而常用双臂式机械手的手爪结构形式又分为钩手、抱手、伸缩手和叉手等。
加工中心换刀机械手作为数控机床的一个重要的功能部件，它在国内外的数控机床制造领域中已受到广泛的重视。目前，在国外BT40的换刀时间已达到0.9秒，BT50的换刀时间也达到了1.5秒左右，国内也出现了立、卧两用凸轮式换刀机械手和用于五轴联动的换刀机械手的研究。
加工中心换刀机械手的主要任务是，完全模拟人手的换刀动作，给机床主轴与弹簧夹头提供相对转动实现夹紧、放松刀具的动作。机械手应具备足够的转矩，同时还应使机械手具备结构紧凑、占据空间小的特点，以适应不同类型机床的换刀空间。随着机械加工业的发展，制造行业对加工中心换刀机械手的需求量会越来越大。
1.3 研究的主要内容
加工中心换刀机械手的设计是在实现手指夹紧、手臂伸缩、手架伸缩以及手架旋转运动的基础上，实现其准确、快速、可靠、稳定的换刀。设计得主要内容如下： 1、根据目前常用的加工中心换刀机械手的换刀方式，对手臂伸缩与手指夹紧机构、手架旋转与手架伸缩机构的设计提出几种新的方案，并通过对所提出方案的论证分析，选择一种较为理想的方案进行具体的设计。
2、对所选设计方案中换刀机械手的组成机构及各个自由度运动的实现进行分析。 3、对加工中心换刀机械手的手指夹紧力进行分析与计算，并对其关键部位进行校核，以保证换刀的可靠性。
4、确定各个运动的驱动机构。
5、对设计中所涉及到的液压缸通过计算确定其个部分结构的具体尺寸，并对个活塞杆的强度、稳定性以及螺栓的强度进行校核，以保证加工中心换刀机械手能够稳定、可靠的完成换刀过程。
6、对设计中出现的齿轮、轴等重要零部件通过计算确定尺寸后，要进行安全校核。 7、设计出加工中心换刀机械手的控制系统部分，完善设计内容。
西安文理学院本科毕业设计(论文) 第3页
第2章 总体方案设计与论证
2.1 加工中心换刀机构的设计要求
设计加工中心换刀机械手，使其实现手指夹紧、手臂伸缩、手架伸缩以及手架旋转运动，并设计出它的传动控制部分，以保证加工中心换刀机械手能够准确、稳定、快速、可靠的完成换刀过程。
2.2 初步设计方案 2.2.1 旋转臂与夹紧机构
由于与机械、电力传动相比，液压传动具有体积小、质量轻、功率大运动平稳的特点，并且因为液压元件有自我润滑作用，使用寿命长，所以在以下几种设计方案中，旋转臂旋转运动及夹紧机构夹紧运动都采用液压的驱动方式。并且由于旋转臂的两臂可旋转，旋转后回转，可避免与刀库中其他刀具干涉，所以，以设计方案中的换刀机械手都两手旋转回转式单臂机械手夹紧机构。
1、结构设计方案Ⅰ 在此方案中，加工中心换刀机械手两个手指的运动由一个液压缸单独控制，这使得它运动的灵活性很强，其结构如图2.1所示。
图2.1 手指夹紧机构
工作原理：当手架旋转75°到指定位置后，发出手臂伸出指令，手臂伸缩液压缸1工作，当液压缸的进油腔油压力升高，压力继电器开关动作，并发出手指夹紧指令，手手指开始夹紧。
手架在插刀动作结束后，发出手指松开指令，此时手指夹紧液压缸1反行程运动，手指松开。
2.2.2 主架回转与臂部旋转机构
1、结构设计方案
此方案的主要特点是采用圆锥齿轮机构实现加工中心换刀机械手的拔刀和插刀动