【毕业设计】加工中心自动换刀机构毕业设计说明书

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反行程运动，手指松开。

主架回转与臂部旋转机构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西安文理学院本科毕业设计论文第页作，其结构如图所示。

图锥齿轮机构工作原理当加工中心发出换刀信号后，电动机启动，通过单级圆锥齿轮带动手架旋转轴旋转。

在旋转轴旋转到达工作位置后，电动机停止工作，并发出手臂旋转和手指夹紧信号。

当手臂旋转和手指夹紧动作完成后，准备拔刀，此时，支撑液压缸开始运动，整个摆臂上升，拔刀动作开始，摆臂运动到指定位置时，支撑液压缸停止工作。

电动机开始工作，摆臂架旋转后停止，开始插刀动作过程。

手架恢复到初始位置，等待下次换到指令。

此种机构如果设计出适当的凸轮机构便可是从动件实现预期的运动，而且结构简单紧凑。

方案的确定图所示的加工中心换刀机械手手臂伸缩和手指夹紧机构中，手臂伸缩和手指夹紧运动都分别由单独的液压缸进行控制，这使得它们的灵活性都很好。

图所示的机构由于采用了锥齿轮机构，为保证准确换刀，就需要精确的计算出锥齿轮轮的旋转速度和锥齿轮的轮廓曲线，同时还要精确的控制电动机的起停时间。

故选用此机构会比较理想些。

通过以上分析，本设计选由图所示的夹紧机构和图中所示的主架旋转机构组成加工中心换刀机械手进行具体的设计。

设计结构分析设计参数主架上下伸缩液压缸最大行程手臂旋转机构液压缸最大行程手指夹紧液压缸最大行程夹持工件质量换刀过程手架旋转角度西安文理学院本科毕业设计论文第页换刀机械手复位角度自由度分析及各自由度的实现分析自由度的坐标形式有直角坐标式圆柱坐标式球坐标式以及关节坐标式等等，本设计中采用直角坐标式对加工中心换刀机械手的自由度进行分析，如图所示。

分析过程如下手指夹紧运动由手指夹紧液压缸控制实现，通过活塞杆推动或拉动手指部分的连杆机构实现手指的夹紧或松开。

手臂旋转运动由伸缩式液压缸控制实现。

主架上下伸缩运动由手架伸缩液压缸控制它的伸缩运动，能实现换刀机械手的拔刀和插刀动作。

主架旋转运动由电动机带动单级圆锥齿轮来实现，通过控制电动机的启停时间即可实现手架旋转到达工作位置主架旋转完成主轴刀具和刀库刀具互换运动手架反向旋转复位三种运动。

加工中心换刀机械手的组成加工中心换刀机械手由执行机构驱动机构，各部分特点如下执行机构执行机构是完成各种动作的部件总称，它由抓取部分手部臂部和主架等运动部件所组成。

手指部分即直接与工件接触部分，般是回转型或平移型，手爪多为两指，也有多指根据需要分为内抓式或外抓式也可用负压式或真空式的空气吸盘和电磁吸盘。

本设计采用夹持式手部，即由手爪和传力机构组成，它的主要功能是在换刀过程中完成抓住工件握持工件和释放工件的动作。

手臂部分手臂是支撑被抓物体以及手指部分的重要部件，起调整和改变工件方位的作用。

本设计中手臂的主要作用是带动手指去抓取物件。

主架部分用于承受手部以及手臂部分的总体重量，在本设计中它还用于通过旋转运动实现加工中心主轴刀具和刀库刀具的互换运动。

驱动机构驱动机构是用来为各个部件的运动提供动力，是实现切运动的动力源，有气动液动电动和机械式四种形式。

本设计中的各个运动主要是直线旋转往复运动。

由于电动机输出的是旋转运动，若采用电动机传动，则必须加入齿轮齿条等机械机构，将电动机输出的旋转运动转变为直线往复运动，而液压缸或气缸般都是直线往复运动的，可直接带动负载作直线往西安文理学院本科毕业设计论文第页复运动，使得结构简单。

同时，由于液压驱动的抗冲击能力比电气驱动的抗冲击能力要强，而且在产生相同驱动力力矩的条件下，与其他驱动方式相比，液压驱动系统还具有体积小惯性小工作平稳可靠以及可实现较高位置精度的特点。

故本设计中的驱动方式以液压驱动为主，用液压驱动方式来实现手指夹紧手臂伸缩和手架伸缩的动作。

对于手架的旋转运动，由于手架旋转轴要实现旋转到工作位置，旋转交换主轴刀具和刀库刀具和反向旋转实现手架复位三种运动，如采用液压缸和行程开关来控制，要分别实现这三种旋转运动会比较困难，而若采用电动机驱动，则只需控制好电动机的起停时间就可实现预期的运动。

所以，本设计中的手架旋转运动由电动机带动单级圆锥齿轮来实现。

本章小结本章主要是设计加工中心换刀机械手的主要换刀形式，也给出了三种手臂伸缩与手指夹紧机构和两种手架旋转轴与手架伸缩机构的设计方案，并通过论证分析，确定了最终的设计方案。

同时，本章对加工中心换刀机械手的组成及各自由度运动的实现也进行了较为具体的介绍。

西安文理学院本科毕业设计论文第页第章结构设计及尺寸计算前章对机械手的整体结构进行了方案论证，并确定了技工中心换刀机械手的基本结构及工作范围，本章将在上章的基础上对机械手的各部分结构进行具体的设计。

手指结构设计及计算手指夹紧力的计算根据文献手指夹紧力的计算过程如下手指对工件夹紧力式中安全系数，本设计中取动载系数，本设计中取方位系数，，本设计中，，则，本设计被抓持工件的重量，取工件质，当手指夹紧液压缸的活塞杆运动到设计位置后便不再运动。

腔内油压力升高，压力继电器动作，电磁铁通电，手架伸缩液压缸开始拔刀动作。

当手架伸缩液压缸运动到设计位置时，控制电动机运动的线圈恰好延时结束，它所控制的常开延时闭触头闭合，电动机启动，手架旋转轴开始旋转运动，进行刀库刀具和主轴刀具的互换动作。

在手架旋转轴旋转后，发出插刀信号。

电磁铁通电，手架伸缩液压缸开始反行程运动。

但运动到初始位置后，活塞不运动，油腔内油压力升高，压力继电器动作，控制电磁铁通电，手指夹紧液压缸反行程运动。

当运动西安文理学院本科毕业设计论文第页刀设计位置后，油腔内油压力升高，电磁铁通电，手臂伸缩液压缸开始反行程运动，当回到初始位置后，换刀动作结束，手架旋转轴准备复位。

旋转轴控制线路手指夹紧时间手臂伸出时间手指松开时间手臂缩回时间手架伸出时间手架缩回时间手架旋转时间手架旋转时间手架反向旋转复位时间从加工中心发出换刀信号到换刀机械手复位动作完成总需时间本设计中电动机的控制则主要依靠于延时继电器实现，其控制回路如图所示。

控制过程当换刀信号发出后，模拟开关闭合，延时继电器的线圈通电，同时，也通电，经时间后，线圈延时时间到，常闭延时开触头打开，停止转动，此时手架旋转轴旋转，到达工作位置，同时，发出手臂伸缩信号。

在完成手指夹紧手臂伸缩以及拔刀动作后，即线圈经过延时后，常开延时闭触头关闭，线圈通电，电动机正转，开始实现刀库刀具与主轴刀具互换的动作。

在手架旋转后，即在线圈通电，延时时间到，常闭延时开触头打开，电动机停止转动。

与此同时，发出插刀信号，在完成插刀手指松开手臂缩回动作后，此时线圈延时时间到，常开延时闭触头闭合，通电，电动机反向转动。

在电动机反向转动后，手架旋转轴复位。

此时，线圈延时时间到，常闭延时开触头打开，停止转动，换刀动作完成。

技术难点本设计中的手指夹紧手臂伸缩以及手架伸缩的运动都是由液压驱动的，只要设计好各个液压缸的尺寸参数行程及各个工作过程的进油及回油压力值，就可以达到预期的效果。

而对于手架的旋转运动，由于结构上的需求，采用了电动机驱动方式，由单级圆锥齿轮将电动机的运动传递给主架旋转轴。

但是，手架旋转轴旋转的角度比较小，使得电动机的启停时间间隔也比较短，为保证准确稳定换刀，就需要为各液压缸的运动时间留出时间余量，并严格控制好电动机的起停时间，同时，两个圆锥齿轮的加工精度和它们之间的传动比也要严格控制好。

西安文理学院本科毕业设计论文第页本章小结本章主要是针对加工中心换刀机械手液压系统控制回路和电动机控制回路进行了设计。

液压系统的控制主要由压力继电器电磁换向阀以及流量阀等元件实现而电动机控制则主要依靠于延时继电器实现。

通过这两部分控制系统的相互协调控制，可以实现换刀机械手的准确换刀动作。

西安文理学院本科毕业设计论文第页结束语经过设计计算与校核，本设计中的加工中心换刀机械手在满足抓刀松刀拔刀插刀以及刀库刀具与主轴刀具之间刀具的互换等运动参数的同时，可以实现准确稳定快速可靠的换刀。

本设计中的加工中心换刀机械手换刀时间为，其突出的特点是采用两个圆锥滚子轴承和滑键来配合完成手架旋转和手架伸缩两种运动。

用轴承连接活塞杆和手架旋转轴，可以使手架伸缩液压缸的活塞杆带动手架旋转轴起做伸缩运动，实现换刀机械手的拔刀和插刀运动。

同时，手架旋转轴在旋转时也不会干扰到活塞杆。

用滑键来连接旋转轴与圆锥齿轮，为只用个驱动机构来实现手架旋转轴在拔刀和插刀前后的旋转运动提供了可能，从定程度上可以简化换刀系统的结构。

本设计基于结构上的需要采用了电机传动机构来实现手架的旋转运动，在定程度上简化了系统结构。

而对于手指夹紧手臂伸缩及手架伸缩运动，则采用液压驱动方式，即可以准确稳定的实现各个运动，还可以通过提高液压缸的运动速度来缩短换刀的时间。

本设计中也存在着些不足。

如设计中的手架旋转轴直径不大，每次旋转的角度也很小，这样加工中心换刀机械手在每次的手架旋转运动上占用的时间应该很小。

而本设计中采用电动机来驱动手架的旋转运动，由于受到电动机启动时间转速负载能力及安装尺寸等综合因素的限制，手架旋转轴的转速不能设计的很大，这就使整个换刀系统在缩短换刀时间上的效果不理想。

所以，实现手架旋转运动的这部分机构还需要进步的改进，以达到更大程度上缩短换刀时间的目的。

通过这次毕业设计，我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多的课外知识，开拓了视野，认清了将来机床的发展方向，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞越。

毕业设计是我作为名学生即将完成学业的最后次的作业，它既是对学校所学知识的全面总结和综合应用，又为今后走向社会的实际操作应用铸就了个良好开端。

毕业设计是我对所学知识理论的检验与总结，能够培养和提高设计者分析和解决问题的能力，是我在校期间向学校所交的份综合性作业。

从老师的角度的来说，指导做毕业设计是老师对学生所做的最后次执手训练。

其次，毕业设计的指导是老师检验其教学效果，改进教学方法，提高