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1、职业技术学院毕业设计说明书 题 目： 小型加工中心的换刀机械手设计 院 系： 专 业： 机电一体化技术 班 级： 机电13302班 学生姓名： 学 号： 201303030205 指导教师： 胡毅光 企业指导教师： 唐银波 完成日期： 2016 年 5 月 20 日 目 录摘 要4ABSTRACT51 绪论61.1 机械手简介61.1.1 机械手发展简史61.1.2 机械手的应用意义71.1.3 机械手的发展趋势81.1.4 机械手的发展现状91.2 加工中心的概况111.2.1 加工中心的定义111.2.2 加工中心的组成111.2.3 换刀机械手的类型122 总体方案的设计142.1 设计
2、要求142.1.1 机械手的平稳性142.1.2 机械手的运动特性152.2 驱动方式162.2.1 机械手的分类162.2.2 开关型机械手的速度及位置控制162.2.3 机械传动型机械手的速度及位置控制172.3 换刀机械手方案的确定182.3.1 机械手类型的确定182.3.2 驱动系统和电控系统的选择183机械手的设计213.1 机械手的原理213.2 设计方向223.3 概要233.3.1 机械手的组成与分类233.3.2 机械手的手部243.4 机械手手臂和手爪的设计243.4.1 手爪口的计算243.4.2 手爪锁的设计与计算263.5 弹簧的选择与设计293.6 手爪的整体尺寸
3、设计294 液压传动系统设计314.1 液压传动的概述314.2 液压缸的设计324.2.1 液压缸的载荷组成及计算324.2.2升降缸的设计334.2.4 油缸长度的确定364.3 液压回转缸的设计364.3.1 回转缸内径的计算365 花键轴的设计395.1 花键轴的计算395.1.1 轴的材料选择395.1.2 轴径的初步计算395.1.3 花键轴的校核405.2 轴承的选择425.2.1 升降缸中轴承的选择425.2.2 对于回转缸的轴承选择445.3 法兰连接的选择445.4 升降缸中(液压缸及活塞杆工作)密封元件446 机械手液压控制系统设计456.1 液压系统图的拟定456.2
4、液压控制元件选用477 机械手电气控制系统设计497.1 可编程控制器（PLC）497.1.1 PLC的结构与工作原理497.1.2 PLC特点与应用范围507.1.3 工作原理517.1.4 PLC的选择517.2 可编程控制器I/O分配表和外部接线图547.3 机械手可编程控制器梯形图55结 论58参考文献59致 谢60摘 要加工中心在加工中用得很广泛，加工中心利用刀库实现换刀，这是目前加工中心大量使用的换刀方式。而自动换刀装置是加工中心的重要组成部分之一，它的功能的好坏，关系到整个加工中心的功能。自动换刀装置可分为五种基本形式，即转塔式、180 回转式、回转插人式、二轴转动式和主轴直接式
5、。刀库换刀，按照换刀过程有无机械手参与，分成有机械手换刀和无机械手换刀两种情况。在有机械手换刀的过程中，使用一个机械手将加工完毕的刀具从主轴中拔出，与此同时，另一机械手将在刀库中待命的刀具从刀库拔出，然后两者交换位置完成换刀过程。无机械手换刀时，刀库中刀具存放方向与主轴平行，刀具放在主轴可到达位置换刀时，主轴箱移到刀库换刀位置上方，利用主轴Z向运动将加工用毕刀具插人刀库中要求的空位处，然后刀库中待换刀具转到待命位置。主轴 Z 向运动将待用刀具从刀库中取出，并将刀具插人主轴。关键词：加工中心 自动换刀装置 刀库 机械手ABSTRACTMachining centers used in the p
6、rocessing of a very wide range of machining centers achieve utilization magazine tool change, tool change mode which is currently widely used in machining centers. The automatic tool changer is an important part of the machining center, its function is good or bad, related to the function of the ent
7、ire machining center. Automatic tool changer can be divided into five basic forms, namely turret, 180 rotary, rotary insertion type, two-axis rotary spindle direct. Magazine tool change, tool change process in accordance with whether the robot to participate, divided into a mechanical hand tool chan
8、ge and no two cases robot tool changer. In a mechanical hand tool change process, using a robot finished processing tool will pull out from the spindle, at the same time, another robot will be on standby in the magazine pull the tool from the magazine, and the two swap positions. Complete tool chang
9、e process. No robotic tool change, tool storage magazine in a direction parallel with the axis, the tool on the spindle reaches the position tool change, tool change spindle box moved to a position above the magazine, use Z axis motion will complete machining tool insert vacancy at the magazine clai
10、ms, then the magazine to be the tool to change the standby position. Z axis motion to set aside the tool is removed from the magazine and insert the tool spindle.Keywords: machining centers automatic tool changer magazine robot1 绪论1.1 机械手简介 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技
11、自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济个领域有着广阔的发展前景。 机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手的研制和生产已成为高技术领域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人
12、手大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中的工作。1.1.1 机械手发展简史机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁快的工件抓放机构，控制系统是示教型的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名Unimate（即
13、万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司，专门生产工业机械手。1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。改机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于1毫米。联邦德国机械
14、制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备上下料等作业。联邦德国KnKa公司还生产一种点焊接机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能对立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。1.1.2 机械手的应用意义随着科学技术的发展，机械手也越来越多的被应用。在机械工业
