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1、立式铣床加工中心换刀机械手设计 摘 要：在当今大规模制造业中,企业为提高生产效率,保障产品的质量，普遍重视生产过程的自动化程度，机械手作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。机械手的技术水平和应用程度在一定程度上面反映了一个国家工业自动化的水平，目前,机械手主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取教再现的方式。本文主要是注重对铣床加工中心的自动换刀机械手进行设计。主要的功用就是根据零件加工需求的不同，来更换刀具对零件进行精细加工.机械手代替人工换刀不仅提高了生产效率和降低了生产成本，还避免了人身事故。关键词：换刀机械手 铣床加工中心 De
2、sgof Mnipuatr f Milling Vertcal Machne nterAbstract： Nowady， in thegreat scae fmanufacuring idutrie， eterpss pay re attentntotheve o the utomtin inodr to improve the ption efficiecy a he product quality。And the aniplatos argrdualy reoiz y nepi as he important partte atoatic productin lie。he techncal
3、 levls nd the killed appicatio of the manulatr rflecttnatioal levls o industria tomaton to some degrees At reset,te anipultrs aedvotithmslves t theasks lie eding, painting, arring and stakin whih re veryomitedand tirng And theiray o woringi tteac d to abck。 Thi uit manly cides te deign o te auttic k
4、i manipulators of he mill achinig ce。Is mai functiis to epace he knife tols and to prcesth body parts inely accordn to th ifrentdeandsof the body pat thee pocessing anipats sed o th mauawo notonlimprovethe efficiencof productioand reuc he ts f prodctn，but lo avoid the scurityacidents.Key Wods：The kn
5、ife manipulators，T il machiig cente 1 前言 .1 国内外研究现状加工中心是在数控铣床的基础上发展起来的。952 年,美国麻省理工学院首先实现了三坐标铣床的数控化,数控装置采用真空管电路.5 年,第一次进行了数控机床的批量制造。数控机床是电子技术、自动控制技术、机械技术的综合应用，是机械加工领域划时代的重大技术突破。数控机床利用编程软件，将简单工序集中起来，从而大大提高零件的加工效率和加工质量.但在复杂零件工序高度集中时，必须频繁地更换刀具以满足不同工序的加工要求，从而限制了生产效率的提高。为了解决自动换刀问题，提高生产效率，最早出现了转塔头立式钻铣床。19
6、6年日本富士通研究成功数控转塔式冲床。美国IBM 公司同期也研制成功了“APT”（刀具程序控制装置）。195 年美国K& 公司研制出带ATC（自动刀具交换装置）的加工中心.同年，美国UT公司首次把铣钻等多种工序集中于一台数控铣床中,通过自动换刀方式实现连续加工，成为世界上第一台加工中心。167年出现了MS(柔性制造系统)。197年以后，加工中心迅速发展,带有ATC装置可实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。983年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，自动换刀系统便形成了统一的结构模式。日本三井哲夫在上世纪八十年代中期将弧面凸轮用于ATC的刀臂旋转控制，取得极佳效果。20 年
7、来此类机构长盛不衰，已成为TC 机构的主流。目前发达国家数控加工中心的自动换刀机械手主要采用弧面凸轮式换刀机械手。2 选题研究意义在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下:以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。2.以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业,使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，
8、以机械手代替人进行工作,可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。3。可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作,这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手,以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产.综上所述,有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。2加工中心。1 加工中心简介加工中心(Mahinig eter）是一种具有自动换刀功能的高效自动化机床，由机械部件与数控系统组成,适用于加工复杂零件.这种机床能装多把刀具，在一次装夹中完成铣、镗、钻、扩、铰
9、、攻螺纹、切内槽等工序的加工。高精度加工中心可以代替精密坐标镗床，还可作为基础部件组成柔性制造系统和计算机集成制造系统.加工中心的工作过程为：根据零件图样制定工艺方案，采用手工编程或计算机自动编程方式编制零件的加工程序，将加工零件所需的机床各种动作及全部工艺参数变成机床数控装置所能接受的信息代码,并把这些信息代码存储在信息载体上,将信息载体送到输入装置读出信息,并送入数控装置11。进入数控装置的信息,经过一系列处理和运算变成脉冲信号，部分信号送到机床的伺服系统,通过伺服机构对其进行放大，再经过传动机构，驱动机床有关部件。使刀具和工件严格执行零件程序所规定的相对运动.部分信号送到可编程序控制器中
10、,用以控制机床的其它辅助动作，如冷却液的开关和自动更换刀具等.加工中心的基本结构由三部分组成：CNC 数控系统.加工中心一般都采用CC 数控系统。伺服系统。伺服系统的作用是把来自数控装置的信号转换为机床移动部件的运动。机械部件3.加工中心和一般通用机床相比，其结构简单，精度高，结构刚性好，可靠性高;显著区别是具有对零件进行多工序加工的能力2。2.2 自动换刀装置的组成在实际生产中，大多数零件都要进行多道工序的加工。当用数控机床实现多工序加工时，真正用于切削工件的时间只占整个作业时间的左右,其余大部分时间都花在安装、调整刀具、装卸、搬运零件和检查加工精度等辅助工作上。为充分发挥数控机床的作用,在
11、机床中配备自动换刀装置而成为加工中心.自动换刀装置（Autoai oolChange，简称ATC)由刀库、机械手和驱动装置等部分组成3。刀库的功能是用于存储刀具,并把即将要用的刀具准确地送到换刀位置,供换刀机械手完成新旧刀具的交换。刀库配置在主轴附近,换刀机构在主轴和刀库之间执行换刀动作,完成此功能的机构称为机械手。机械手包括送刀臂、摆刀站和换刀臂等部分。机械手完成刀具装卸和在主轴头与刀库之间的传递。驱动装置是使刀库和机械手实现其功能的动力装置,一般由步进电机或液压（或气液机构)或凸轮机构组成。自动换刀装置的形式多种多样,其换刀过程、选刀方式、刀库结构、机械手类型等各不相同,但都是在数控装置及
12、可编程序控制器的控制下,由电机、液压或气动机构来驱动刀库和机械手来实现刀具的选择和交换.早期自动换刀装置采用转塔式机构来实现自动换刀,后来陆续出现了无换刀机械手式和带换刀机械手式的自动换刀装置.无换刀机械手式换刀主要有两种方式：一种是悬臂式刀库，水平安放在铣头旁边，刀库留有一个空缺的刀位,换刀时偏心轮带动刀库回转,然后拔刀、转位、换刀，最后插刀进入主轴。另一种是刀库固定，用机床主轴运动去配合刀库,完成插刀和拔刀动作.这种无机械手式ATC 换刀时必须先将用过的刀具送回刀库,然后再从刀库中取出新刀具。该两种动作不能同时进行，换刀时间较长.虽然结构简单,但机床配置的刀具量较少。带换刀机械手式换刀类型
13、比较多，按驱动装置的不同可以分凸轮式、液压式、齿轮式、连杆式以及多种机构复合式,其中以凸轮式应用最广，采用该换刀形式的加工中心可以配备较多的刀具3.2。3换刀机械手换刀机械手是执行刀库和主轴之间换刀动作的装置,分为以下几种类型：31 单臂机械手该换刀机械手仅有一个手臂。可细分为单手式和双手式两种: （1) 单手式:一个换刀臂仅有一个抓刀手。如图。 特点：所有动作均由单手完成，执行动作多,换刀时间长，但结构简单,刀库与主轴轴线平行或垂直的情况均适用.图1 单手式ig。1 Sngle han type（2) 双手式:一个换刀臂两端各有一个抓刀手。如图。特点：机械手同时抓取主轴和刀库上的刀具,回转
14、180 度，同时放回和装入刀具，换刀时间短，较为常用，多用于刀座与主轴轴线平行的场合。图 双手式Fig.2 Hands totype2。32 双臂机械手两个机械手臂,每个手臂端部都有一个抓刀手。如图c。 特点：其抓刀和换刀动作类似于人手动作,除执行换刀动作外有些还可以起运输刀具的作用。这种机械手换刀时间短,但结构较复杂。图 双臂手Fig. Aims i hand2.3 带送刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手送刀臂将刀具从刀库中取出送到摆刀站，由摆刀站将刀具送到换刀位置，最后由换刀臂进行换刀。如图4所示，A 为送刀臂,B 为摆刀站,C 为换刀臂,为刀库，E 为主轴.特点:结构更复杂，各部分在空间巧妙配置和组合，更具变化性。换刀时间较短，适用于刀库距离主轴较远的场合。图 带送刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手Fig.4 iplatorodeliver te tool arm，wage the to staton and exchaneetolrm4 常用换刀机械手2.4.1单臂双爪式机械手单臂双爪式机械手也叫扁担式机械手，它是目前加工中心上用得最多的一种.这种机械手的拔刀、插刀动作，大都由液压缸来完成4。 近年来凸轮式联动式单臂
