卧式加工中心换刀机械手设计

1 前言

1.1 机械手发展历史与现状

随着经济的不断发展，客户的需求日益多样化，人们对制造企业的生产模式提出了更高的要求，大批量的生产方式将逐渐被模块化、柔性化的生产方式所取代。因此，企业对制造装备提出了更高的要求，柔性化的数控加工设备将成为装备制造业发展的主流。因此，将卧式加工中心的机械手设计作为毕业设计题目，迎合了装备制造业发展趋势。卧式加工中心的换刀机械手是自动换刀装置中交换刀具的主要工具，它用来把刀库上的刀具送到主轴上，同时把主轴上已用过的刀具返回刀库。据不完全统计，全世界的工业机器人中大约有近一半的工业机器人用于各种形式的加工中心的自动换刀领域。目前用得最广泛的是模仿人的手臂功能的多关节机器人，其手臂灵活性最大，可以使换刀卡爪的空间位置和姿势调至任意状态，满足换刀需求。

我国的机械手起步于20世纪70年代初期，经过30多年发展，大致经历了3个阶段：70年代萌芽期、80年代的开发期和90年代的应用化期。在我国，机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着。在国际强手面前，国内的机械手企业面临着相当大的竞争压力。

如今，我国正在从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给机械手产业发展注入新的动力。不仅如此，我国目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件。国际上，目前机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究。例如，德国的CLOOS、REIS、KUKA公司；瑞典的ABB公司；奥地利的IGM公司；意大利的CAMAU公司；日系有OTC、Panasonic、FANUC公司在机器人方面都做的比较好。从机器人技术发展趋势看，自动换刀机器人和其它工业机器人一样，正在不断向智能化和多样化方向发展。

1.2 设计目的及意义

1.2.1 设计目的

本次设计主要为卧式加工中心设计其用于换刀的机械手部分，目的是为了使加工中心能够更快的工作，使加工中心能够得到更加充分的利用，以实现其价值所在。再者，使用了机械手，有效的减少了由于人工换刀带来的生

产效率低，并且容易出事故的弊端。

1.2.2 设计意义

伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危害生命安全。因此机械手就在这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其中机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识，因此设计机械手有着很大的意义：

（1）能够部分地代替人工操作，减轻人力劳动；

（2）能够按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸，改善劳动条件，大大的避免了人身事故；

（3）能够显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

2 设计内容

本次设计参照设计项目要求及技术指标确定机械手结构设计和驱动装置所要选用等技术参数，确定结构方案，绘制部件装配图及主要零件图纸。设计的主要内容有机械手臂和机械手的驱动系统的设计。该机械手的手臂伸缩运动拟采用回转液压缸联合齿轮齿条传动，能较好地解决机械手在运动过程中的动力问题，具有传动平稳，机械效率高等优点。由于机械手的存在，使得在现代化的企业中可以很好的实现自动化和减少人工费用,同时可以解决在生产过程中，作业者劳动强度大的难题并能满足加工中人工无法达到的精度要求。由于采用齿轮传动使得机械手可以传递较大的动力，并且由于内部轴及外部外筒在作用使其可以承受较大的扭矩和足够的应力变化。并且机械手有几个方向上的自由度，可以进行多方位工作。其驱动系统的回转与直线运动拟采用液压缸来实现，在液压缸两端设有缓冲装置，可防止活塞与液压缸端面的撞击。

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。设计的具体内容如下：

（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）对设计中所设计到的液压缸通过计算确定某个部分结构的具体尺寸，并对活塞杆的强度、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。

经过以上设计内容，可达到设计的目的和要求，使机械手做到 [开始（缩手）--伸手抓住刀具并夹紧--直线伸出拔出刀具--手臂同时缩回--逆时针旋转180°--手臂同时伸出--直线回程插入刀具--松手同时缩回--复位]的全部换刀动作，并保证换刀过程中的可靠性、安全性以及稳定性。

3 设计方案

3.1 机械手换刀运动流程

本次机械手换刀运动流程拟采用以下方式：开始（缩手）--伸手抓住刀具并夹紧--直线伸出拔出刀具--手臂同时缩回--逆时针旋转180°--手臂同时伸出--直线回程插入刀具--松手同时缩回--复位。如下图所示：

3.2 刀具的交换装置

加工中心和其他数控机床的区别就在于它具有根据工艺要求自动更换所需刀具的功能，即自动换刀（ATC）机能。机械手是自动换刀装置中交换刀具的主要工具，它担负着把刀库上的刀具送到主轴上，

同时把主轴上已用过的刀具返回

刀库上的任务。下面介绍机械手各部分组成结构的方案选择。

3.2.1 机械手的种类选择

常见的机械手种类有:

（1）单臂单爪回转式机械手：如下图1所示：

图1. 单臂单爪回转式机械手

这种机械手摆动的轴线与刀具主轴平行，机械手的手臂可以回转不同的角度来进行自动换刀，适用于刀库换刀位置与刀座的轴线平行的场合。但是换所花费的时间长。

（2）单臂双爪回转式机械手：如下图2所示：

图2. 单臂双爪回转式机械手

这种机械手的手臂上有两个卡爪，两个卡爪各有所分工，一个卡爪只执行从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务，另一个卡爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务，其换刀时间较上述单爪回转式机械手要短。

（3）双臂回转式机械手（俗称扁担式）：如下图3.1所示：

图3.1 双臂回转式机械手

这种机械手两臂各有一个卡爪，可同时抓取刀库及主轴上的刀具，在回转180°之后又同时将刀具归回刀库及装入主轴，是目前加工中心机床上最为常用的一种形式，换刀时间要比前两种都短。

另外，这种机械手在设计中有的还采用了可伸缩的臂，如下图3.2所示：