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1、本科毕业设计任务书院(系) 机械工程学院 专业班级 学生姓名 一、毕业论文设计题目 立式加工中心换刀机械手设计 二、毕业论文设计工作自 2013 年 3 月 8 日 起至 2013 年 5 月 30 日止三、毕业论文设计进行地点: 校 内 四、毕业论文设计的内容要求：1、设计课题简介： 数控机床中，实现刀库与机床主轴之间传递和卸载刀具的装置称为刀具交换装置。刀具的交换方式和他们的具体结构对机床的生产率和工作可靠性有着直接的影响。 本设计要求学生分析论证加工中心刀具交换装置的交换方式和结构形式、工作原理，在此基础上设计一部立式加工中心用换刀机械手，要能实现抓刀、拔刀、转位和装刀等完整换刀动作；用
2、三维CAD软件建模，绘制详细设计图纸，并对主要零件进行设计计算，编写设计说明书，完成毕业设计任务。 2、设计内容及要求： 1). 搜集并阅读与本课题有关的资料，撰写开题报告； 2).了解并熟悉加工中心换刀机械手的动作原理及其结构组成； 3). 设计一部立式加工中心用换刀机械手（设计参数：抓取刀具刀柄结构BT40，刀具最大重量4kg；刀具水平存放在刀库中，刀库换刀位置处刀套垂直轴线与机床主轴轴线之间距离600mm，且与装刀基准面处于同一平面；手臂回转范围0360），机械手的运动和动作均由气动元件（气缸）控制。用三维CAD软件建模，绘制详细设计图纸，并对主要零件进行设计计算，拟定气动控制回路 4)
3、. 撰写设计说明书；绘制三维装配图（2A3）和二维工程图样（折合2A0） 3、设计说明书格式要求： 设计说明书应包括：序言、目录、摘要（中英文）、关键词（中英文）、中图分类号、正文（含设计方案论证、设计及其它说明等）、结束语和参考文献等内容，并按照封页、设计任务书、序言、目录、摘要、关键词、正文、结束语、参考文献和封底的顺序装订。 指 导 教 师 系(教 研 室) 系(教研室)主任签名 批准日期 接受论文 (设计)任务开始执行日期 学生签名 立式加工中心换刀机械手设计【摘要】本论文介绍的是小型加工中心换刀机械手的设计。机械手的种类很多，在本次设计中机械手选用回转式双臂机械手。它的主要动作是将机
4、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。回转式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.应用最为广泛。数控系统是加工中心的控制中心，它主要由（CNC）、可编程控制系统(PLC)、伺服系统构成。关键词: 加工中心 换刀机械手 Vertical machining center for knife manipulator designAbstract:This paper introduces the design of the tool changing-manipulator of the small machines centert
5、ool changing-manipulator is one of the main components of the automatically-trading-knife installment. There are a lot of types of tool changing-manipulators. The tool changing-manipulator of this design adopts the two arms manipulator of turn-over type in this design。It is main movement is carries
6、on the machine tool of main axle on cutting tool and the tool storage or exchanging the cutting tool in the transport installment. Its operating cycle is: to draw the tool - exchanging the new and the old cutting tool - to fix the tool. The two arms manipulator of turn-over type exchange installment
7、 has trade the knifetime short, the movement is nimbly and reliably and so on . The two arms manipulator of turn-over type is widely used in the machining centre. The numerical control system is the centeral of control in the processing center, which is conclude computer numerical control installmen
8、t, the programmable control system.Keywords: machining center tool changing-manipulator 目 录1 绪论11.1加工中心的定义11.2加工中心的发展历程11.3加工中心换刀机械手国内外现状21.4国产加工中心目前存在的问题及未来发展趋势21.5加工中心的分类32 加工中心自动换刀装置概述52.1加工中心自动换刀装置形式、特点及各自应用范围52.1.1带刀库的自动换刀系统52.1.2回转刀架换刀52.1.3更换主轴换刀62.1.4更换主轴箱换刀62.1.5更换刀库换刀62.2刀库以及刀具交换装置72.2.1设计
9、刀库时的主要问题72.2.2刀具交换装置72.2.3刀具的夹持122.2.4手爪的选择123 总体方案设计133.1 加工中心换刀机械手的设计要求133.2 初步设计方案133.2.1气动换刀工作过程133.2.2刀套的构造143.2.3 机械手传动结构144机械手臂和手抓的设计164.1 自动换刀装置的设计参数164.2手抓口的计算164.2.1 手爪锁的设计与计算184.2.2 弹簧的选择与设计204.2.3 手爪的整体尺寸设计214.2.4手臂的弯曲变形214.3 本章小结235 气压传动系统设计245.1气压传动的组成及工作原理245.1.1气压传动工作原理245.1.2气压传动的组成
10、245.2气压传动的优缺点245.3 升降气缸的设计255.3.1 气压缸的载荷组成及计算255.3.2升降缸的设计265.3.3气缸壁厚的设计285.3.4 气缸长度的确定285.3.5进气口直径的计算295.3.6 缸底厚度计算295.4 气压回转缸的设计305.4.1 回转缸内径的计算305.4.2 回转缸壁厚的计算325.4.3 缸盖联接螺钉计算325.4.4 动片输出轴联接螺钉计算336花键轴的设计356.1 花键轴的计算356.1.1 轴的材料选择356.1.2 轴径的初步计算356.2 轴承的选择376.2.1 升降缸中轴承的选择376.2.2 对于回转缸的轴承选择386.3 法
11、兰连接的选择386.4 本章小结397 气动系统设计4071 气压传动系统工作原理图40设计总结42参考文献43致谢441 绪论1.1加工中心的定义加工中心，简称CNC，是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床,是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床，是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通信诊断、刀具和编程技术的高科技产品。加工中心备有刀库，具有自动换刀功能，是对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具
12、、自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序，因而大大减少了工件装夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。 图1.1 加工中心1.2加工中心的发展历程1952年美国PARSONS公司与麻省理工学院（MIT）合作研制了第一台三坐标数控机床，它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结合等多方面的技术成果。1958年，美国卡尼，特雷克（Kearney&Trecker）公司首次把铣、钻、镗等多种工序集中于一台数控机床上，通过换刀方式实现连续加工，成为世界上第一台加工中心。该产
13、品出现后，销路惊人，引起了日、德、美、英、法、意等先进工业国家的高度重视，竞相开发生产，不断扩大和完善机床的功能，成为数控机床中发展最快、需求量最大的商品之一。如今，世界上出现了立式、卧式、龙门式、落地式等各种加工中心，据不完全统计，大约有1000多个品种规格。未来加工中心的发展动向是高速化、进一步提高精度和愈发完善的机能。加工中心是数控机床的代表，是高新技术集成度高的典型机电一体化机械加工设备，我国的加工中心从70年代开始，已有很大发展，但技术、品种和数量上都还远不能适应我国经济、技术发展的需要。随着我国工业的不断发展，推动了模具制造业、机械加工业的巨大发展，使得数控机床的使用越来越普遍，而
14、加工中心更是以其高自动化程度得到广泛应用。然而，目前市场上生产和销售的都是以大、中型的加工中心为主，小型加工中心几乎是空白，而机械加工业、小型模具的制造、工科院校、技工学校等对小型加工中心存在着大量的需求。为加速我国加工中心的发展，需进一步加强对加工中心的研究、设计、制造和应用。1.3加工中心换刀机械手国内外现状早些年，美国卡尼，特雷克（Kearney&Trecker）公司首次把铣、钻、镗等多种工序集中于一台数控机床上，通过换刀方式实现连续加工，成为世界上第一台加工中心。该产品出现后，引起了先进工业国家的高度重视，竞相开发生产，不断扩大和完善机床的功能，成为数控机床中发展最快、需求量最大的商品
15、之一。如今，世界上出现了各种各样的加工中心。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。在多种条件制约下，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
16、高效、可靠的加工性能的重要因素。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。1.4国产加工中心目前存在的问题及未来发展趋势国产加工中心目前存在的问题有：(1) 技术水平上，与国外同类产品的先进水平相比大约落后1015 年，在高精尖技术方面差距则更大。(2) 产品开发能力上，国内生产企业缺乏对产品竞争前的数控技术的深入研究与开发，特别是对加工中心应用领域的拓展力度不强。(3) 产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，虽然近年来
17、国产加工中心的产量增加较快，但从总体上看，还没有形成规模生产；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。(4) 国产数控系统MTBF( 平均无故障时间)大都超过1 万小时，但国际上知名品牌如：FANUC、SIEMENS 等先进企业的数控系统MTBF 已达8 万小时。国产加工中心MTBF 虽有少数厂达500 小时，但国外加工中心的先进水平已达800 小时。(5) 刀库和机械手的可靠性还比较低，近年来虽有改进，但用户仍然不放心。(6) 位置精度，特别是重复定位精度还有待于进一步提高。(7) 至于外观粗糙，漏油、漏水、漏气等老问题仍然不同程度的存在。加工中心未来发展趋势有：未来加工中心的发展
18、动向是高速化、进一步提高精度和愈发完善的机能。加工中心是数控机床的代表，是高新技术集成度高的典型机电一体化机械加工设备，随着我国工业的不断发展，推动了模具制造业、机械加工业的巨大发展，使得数控机床的使用越来越普遍，而加工中心更是以其高自动化程度得到广泛应用。在加工中心中，刀库和机械手组成自动换刀装置，而自动换刀装置的好坏，将直接影响加工中心的好坏，自动换刀装置种类繁多，五花八门。它是加工中心的象征，又是加工中心成败的关键环节。因此各加工中心制造厂家都在下大力研制动作迅速、可靠性高的自动换刀装置，以求在激烈的竞争中取得好效益。当今人们一直采用各种方式，提高加工中心的加工效率。如提高进给与移动速度
19、、提高主轴转速、加大主轴电机功率、加大切削用量、采用高质量刀具等。在换刀的加工过程中，缩短换刀时间，可大大提高生产效率，国内外加工中心生产厂家都投入大量的资金和精力，研制自动换刀装置，以缩短换刀时间，提高工作效率和竞争力。自动换刀装置是专门为大中型加工中心配套，实现其刀具储备及自动交换功能的重要功能部件，是高档加工中心和重型加工中心的重要组成部分。其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间，以提高生产率，降低生产成本，进而提升机床乃至整个生产线的生产力。自动换刀装置的换刀速度和可靠性，是数控机床系统先进与否的一个重要标志。 1.5加工中心的分类按主轴加工时的空间位置分类有：卧式和立式加工中心。卧
20、式加工中心 是指主轴轴线水平设置的加工中心。卧式加工中心有多种形式，如固定立柱式或固定工作台式。固定立柱式的卧式加工中心的立柱不动，其主轴箱在立柱上做上下移动，而工作台可在两个水平方向移动；固定工作台式的卧式加工中心的三个坐标方向的运动由立柱和主轴箱的移动来定位，安装工件的工作台是固定不动的(指直线运动)。卧式加工中心一般具有3个至5个运动坐标轴，常见的是三个直线运动坐标轴和一个回转运动坐标轴(回转工作台)。它能在工件一次装夹后完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工，最适合加工箱体类工件。它与立式加工中心相比，结构复杂、占地面积大、质量大、价格亦高。 立式加工中心 立式加工中心主轴的轴线为垂
21、直设置，其结构多为固定立柱式，工作台为十字滑台，适合加工盘类零件，一般具有三个直线运动坐标轴，并可在工作台上安置一个水平轴的数控转台(第四轴)来加工螺旋线类零件。立式加工中心结构简单，占地面积小，价格低，配备各种附件后，可进行大部分工件的加工。 大型龙门式加工中心 主轴多为垂直设置，尤其适用于大型或形状复杂的工件，像航空、航天工业及大型汽轮机上的某些零件的加工都需要用这类多坐标龙门式加工中心。五面加工中心 这种加工中心具有立式和卧式加工中心的功能，在工件一次装夹后，能完成除安装面外的所有五个面的加工，这种加工方式可以使工件的形状误差降到最低；省去二次装夹工件，从而提高生产效率，降低加工成本。后续未完含有整套图纸联系方式：贰肆六壹贰六零七贰玖