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车铣复合机床—换刀机械手部件设计

摘要 当今市场对零件的复杂程度的要求越来越高，复合加工机床随之不断增加，复合加工机床将进入激烈的竞争时代。自动换刀装置作为复合加工机床重要的部件，满足换刀时间短、刀具存储量足够、刀具的安置空间小以及安全可靠等基本要求。设计方案选定后，本文主要通过计算，对自动换刀装置各部件进行了详细的介绍。阐述了自动换刀装置的整个工作过程。论证了自动换刀装置的优势。得出了大规模制造业中，机械手在自动化生产线的重要作用。
关键词 复合加工机床；自动换刀装置；换刀；刀具；机械手

1 引言
车铣复合加工机床是利用铣刀旋转和工件旋转的合成运动来实现对工件的切削加工,使工件在形状精度、位置精度、已加工表面完整性等多方面达到使用要求的一种先进切削加工方法。车铣复合加工不是单纯的将车削和铣削两种加工手段合并到一台机床上,而是利用车铣合成运动来完成各类表面的加工,是在当今数控技术得到较大发展的条件下产生的一种新的切削理论和切削技术，具有车削、铣削等复合功能，能够实现一次装夹、全部完成的加工理念。
机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。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任务的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，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的重要成员，逐渐被企业认同并采用。机械手的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。
机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运，他可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调的重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域不断扩大。下面对机械手来进行详细的介绍。
2 复合机床的总体结构
本设计课题为车铣复合机床[1][2]，以车为主，附有铣的功能，因此有的主要部件:车主轴部件、背车轴部件、铣主轴部件和刀库机械手部件。工件在加工时须夹持车主轴或背车轴中，刀具则夹持在铣轴中，铣主轴有3个正交伺服进给方向，分别是左右、前后和上下，为扩大加工范围，铣轴还应有一个自由度，在一个正交面中可进行旋转。对于车主轴和背车轴，按参数可以知道两轴必须同轴线，其轴端面为1610mm，至于放置方式参照CA6140，采用水平相对放置，车主轴固定，背车轴则可进行水平进给。床身则采用现流行斜床身，便于排屑和回油。由于床身回转直径为600mm，为给加工留出足够的空间，可将机械手装在侧面、上面和背面、远离车轴，为装卸刀具方便和安全考虑。选择在背部安装刀库，另外因为刀库中刀具为20把，我采用盘式结构，为缩短刀库直径，我采用轴向装刀径向换刀。
3 机械手部件的设计[3]
在设计中应注意的问题：
（1）手指应有足够的夹紧力。
（2）手指应用在一定的开闭范围，其大小不仅与工件的尺寸有关，而且须想到手部接近刀具的运动路线以及方位的影响。
（3）应能保证工件在手指内准确定位。
（4）结构尽量紧凑、重量轻。
综合上述，我选择使用如图1[4]所示的机械手手部。

图1 机械手手部
3.1设计参数
(1)刀柄型式HSK-A63；
(2)刀库容量20把；
(3)刀具最大直径Φ88mm
(4)刀具最大长度25mm
(5)刀具最大重量7kg
(6)换刀时间1.8s（刀—刀）
3.2机械手执行部件设计
所谓执行部件，即机械回转手部部件，包括固定爪、活动指和回转手臂三大部分，我对这三大部件分别作了设计，其中：
我将固定爪分为2个主要零件，即与所给参刀柄形式配合卡套以及连接卡套和回转手臂的手腕。
卡套根据如图2所示的HSK-A63具体尺寸进行设计以保证刀具被可靠抓入其中
手腕如图4是根据如图3所示刀柄卡套尺寸设计的，其原因在于将固定爪进行细化拆分，便于加工制造。
回转手臂根据刀库与铣轴之间距离而定，目前暂定420mm
活动指设计源于要在抓刀的过程可以活动，以便刀具被卡进卡套内，在拔刀插刀过程中固定，以保证刀柄能准确可靠卡在卡套内，鉴于此要求1弹簧。

图2 HSK刀柄形式 图3 刀柄卡套 图4 手腕

3.4.1弹簧的选取
通过对手爪尺寸的计算，活动销的行程为12.38mm，这就需要弹簧压缩量至少为12.38mm，这里我们选择弹簧压缩量为15mm
因为刀具最大重量为7kg，要使刀具在夹紧力的作用下不掉下去。摩擦力就必须大于重力。
由于这里是钢接触，所以取摩擦系数u=0.12
摩擦力 f=uN ①
上式中N为活动销对刀具的压力，所以
f=uN>G ②
即
从上式我们可以得到活动销对刀具的压力大于572N
又由于活动销对刀具的力是由于弹簧压缩所产生的，所以P=N=572N
而根据作用力与反作用力的关
P=-F=-kx=15k ③
所以 k=572/15=38.13N/mm
取 k=40N/mm
3.4.2活动销与锁紧销的选取与验证
由于活动销承受的压力较大，所以选用45钢（调质）,活动销的受力如图5

图5 活动销受力图
刀具对活动销的支反力

刀具对活动销摩擦力

弹簧对活动销的作用力
是由于固定活动销的外壁产生的，用来限制活动销向下、向上的运动、转动等5个自由度的。
由于活动销在力的作用下平衡，根据力的作用力与反作用力原理，可得
所以得到
且与方向相反，因此方向向上。
对x方向，活动销受到与 _/ _/() D_Dd__
⑤所以
而①由于材料为45钢，所以许用应力为58Mpa
②
所以由 且
所以可以取d=12mm
又由于活动销还受到剪力的作用，所以：
⑥
故而①45钢的许用剪应力为②剪切力
综上所述取的d=12mm
下面确定活动销的长度
在弯矩M的作用下活动销要弯曲，在它的2个端点弯矩最大为
弯曲应力⑧（W为抗弯截面系数，由于截面为圆形， ）
所以，45钢的弯曲应力为40Mpa
根据销的系列与上式所计算的长度，可以l=80mm
由于锁紧销的要求没有活动销高，所以选用20钢
它的剪应力 [
,,
所以由以上三式得：

取d=7mm
根据销钉的系列选取长度为40mm的销，所以销的类别为7x40
3.4.3机械手其他零件以及尺寸的确定{5}
（1）螺栓的确定
机械手的手部是通过螺栓连接在手腕上面，又因为手部与手腕的结合要能精确的固定相对位置，所以选用普通螺栓来连接。我这里采用3螺栓组成螺栓组来连接的
现在对这3个螺栓进行受力分析
这3个螺栓同时受到力F=600N，以及力矩M=FL的作用
由于这3个螺栓都采用的是普通螺栓
所以各个螺栓的受力分别为

螺栓危险截面的拉伸条件公式：
⑩
由于螺栓的材料为中碳钢，所以它的许用拉伸应力
由于采用粗算，所以实际取螺栓值的时候取大一些，这里取d=8mm
所以选择螺栓型号M8
（2）其他尺寸确定
机械手的手腕部分我选用20碳钢，它的厚度22mm,它的宽度为90mm,机械手的整个长度为600mm，其中机械手的中心到手腕外的具体为210mm。
3.4.4轴与机械手配合部分的直径的确定[6]
（1）材料的确定
由于轴是重要的零件，所以选用45钢, 选择45钢的理由：碳钢相对与合金钢来说价格便宜，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学处理来提高其耐磨性和抗疲劳强度。而45钢在碳钢中是性能比较优良的一种，所以选用45钢为轴的材料
（2）按扭矩强度来计算轴径
在轴的结构设计时，通常采用下面这个公式来初步估算轴径
上式中为扭转切应力，单位Mpa
T为轴所承受的扭矩，单位N*mm
为轴的抗扭截面系数，单位
P为轴所传递的功，单位w
n为轴的转速，单位r/min
d为轴的直径，单位mm
为许用切应力，单位Mpa。
由上式可得轴的直径为：
确定上式的值：
①确定，查表得 _
②确定转速n
因为在换刀过程中，整个换刀时间（刀-刀）为T=1.8s，除去刀套翻转90°两个步骤，还有8个动作，按每个动作的时间相等来计算。
所以每个动作的时间t=T/8=1.8/8=0.225s
而机械手在交换刀具的时候转过180°的时间也是0.225s，所以在这个时候，它的转速最大，这里只要用最大转速去计算轴径就行了。
因为转过180°的时间为0.225s，所以转过一周所用的时间为0.45s，
所以转速就为

（3）P的确定
由于所产生的功能主要是用来使机械手转动在转180°的时候P最大，p=Mw,其中M=FL，我们取F最大值为600N,而L的值我们在前面已经确定了300mm
故而M=FL=600x0.3=180N.m
而
所以,我们选取32mm，轴与机械手采用花键连接
3.5驱动系统的设计[7]
在整个运动过程中，转位又3次，第一次是机械手转过75°，第二次是机械手转过180°，第三次是机械手反向回到原来的位置。这些转位机构主要是由齿轮齿条机构来实现的，它们的动力源来自于液压缸，对液压缸通入一定的液压油，使活塞向预定的方向运动，而齿条与活塞杆做成一体的，采用不同行程的液压缸就可以实现不同角度的转动了。示意图如图5：

图6 驱动系统示意图
3.5.1机械手转75°的齿轮齿条设计
这个机构由一个液压缸、齿轮条、齿轮以及连接盘、连杆组成的，当发出机械手抓刀信号时，液压缸的后腔就通入液压油，活塞杆推动着齿轮条向前移动，使得齿轮转动，齿轮转动的时候，带动连接盘与连杆转动，而连杆通过花键连在机械手上，所以当活塞通入液压油的时候，机械手就能相应的转动。
下面我们首先来选择和计算液压缸，由于机械手的整个换到时间为1.8s，整个刀-刀换时有8个动作的时间

即机械手转过75°的时间为0.225s,取齿轮齿数为60，模数为2.5，材料为60Cr那么齿轮分度圆直径为
⑬
齿轮的分度圆周长为

所以齿轮转过75°时走过的距离

因为齿轮齿条是配合的，所以齿条在这个运动过程中也走过98.125mm,
活塞杆的速度为
⑭
设液压缸的容积效率为，这里取
设液压缸的额定流量为q,所以,又
所以

取
所以
选择d=50mm
综上选择的液压缸，它的行程98.125mm活塞直径50mm
3.5.2机械手转180°的齿轮齿条设计（与75°同理）
机械手的整个换刀时间为1.8s
整个刀-刀换时有8个动作，按每个动作的时间相等来计算，所以每个动作的时间

即机械手转过180°的时间为0.225s，取齿轮齿数为48，模数为2，材料为60Cr
那么齿轮分度圆直径为

齿轮的分度圆周长为

所以齿轮转过180°时走过的距离

因为齿轮齿条是配合的，所以齿条在这个运动过程中也走过150.72mm
活塞杆的速度为
设液压缸的容积效率为 ，这里取
设液压缸的额定流量为q，所以,又，

选择d=40mm
综上选择的液压缸，它的行程150.72mm活塞直径40mm
3.5.3插刀拔刀过程
因为插刀拔刀过程同样是液压缸驱动，根据刀柄长度，插刀拔刀过程为充分脱离刀套和主轴，我设计此液压缸行程为100mm，两个齿轮间距100mm，因为换刀过程轴要与两个不同的齿轮相啮合，如果用花键配合两个齿轮比较麻烦，所以我采用销进行连接，此传动销不管与两个齿轮分别连接还是伸缩始终与轴动作， 因此我设计一个传动盘，上面分别有两个销，置于两侧，用于与两个齿轮分别连接，传动盘则通过键与轴连接在一起。对于两个齿轮则固定在间距100mm的位置旋转，齿轮与轴是空套关系，轴的伸缩不能带动齿轮轴向窜动。
4 结论
在现代制造业大发展的时代中，加工机床的小型化、轻量化、自动化、复合化是未来机床发展的趋势，本文所做车铣复合机床-换刀机械手是数控机床中不可缺少的一部分。本文所设计的换刀机械手结构简单、体积小，同时可以高效的完成工作，可以广泛的被各种机床采用。
参 考 文 献
[1]现代实用机床设计手册编委会 编.现代实用机床设计手册[M]，机械工业出版社.2006.6；
[2]廉元国 张永红 加工中心设计与应用[M] 北京：机械工业出版社，1995.12；
[3] 刘明保 吕春红 张春梅.机械手的组成机构及其技术指标的确定.长春工业大学学报(自然科学版),2004
[4]陈敏 刘晓叙. AutoCAD2004机械设计绘图应用教程 [M].西南交通大学出版，2005.2；
[5]吴宗泽 罗圣国.机械设计课程设计手册[M].北京:高等教育出版社,2006.5；
[6]刘洪文 主编.简明材料力学[M].高等教育出版社，2004.4；
[7] 陈奎生.液压与气压传动.武汉理工大学出版社,2001