本科畢業(yè)設(shè)計（論文）文獻綜述報告班 級 姓 名 課題名稱 鏜銑加工中心換刀機械手部件設(shè)計文獻綜述目 錄1 前言2 機械手工作原理及換刀過程3 國外機械手發(fā)展歷史及研究成果4 國內(nèi)機械手發(fā)展歷史及研究成果4.1 加工中心發(fā)展現(xiàn)狀4.2 凸輪式立臥兩用機械手的研究4.3 刀機械手控制系統(tǒng)的研究4.4 小型立-臥自動轉(zhuǎn)換式加工中心機械裝置的研制5 總結(jié)參考文獻（報告全文附后）指導(dǎo)教師審批意見簽名：年 月 日鏜銑加工中心換刀機械手部件設(shè)計1 前言機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。在機械加工中，大部分零件都要進行多種工序加工。在一般數(shù)控機床的整個加工過程中，真正用于切削的時間只占整個工作時間的 30%左右，其余的大部分時間都花在安裝、調(diào)整刀具、裝卸、搬運零件和檢查加工精度等輔助工作上。自動換刀裝置是數(shù)控加工中心在工件的一次裝夾中實現(xiàn)多道工序加工不可缺少的裝置。為充分發(fā)揮機床的作用，數(shù)控中心均配有自動換刀裝置 [1]。2 機械手工作原理及換刀過程如圖 1 所示整個機械手主要由: 行程開關(guān), 擋環(huán), 齒輪, 連接盤, 銷子, 傳動盤, 升降液壓缸, 滑軸, 齒條,轉(zhuǎn)位液壓缸, 機械手組成。其工作原理為: 上、下兩個液壓缸分別驅(qū)動兩組齒輪齒條實現(xiàn)機械手的旋轉(zhuǎn)運動; 為了保證上下兩個旋轉(zhuǎn)運動互不干擾, 中間采用一根滑軸上固接一個傳動盤的結(jié)構(gòu), 傳動盤與齒輪通過銷來傳遞運動, 機械手換刀動作到位與否則是通過行程開關(guān)來檢測, 外加檔塊進行限位, 從而實現(xiàn)機械手的自動換刀功能。圖 2 為該換刀機械手的結(jié)構(gòu)示意圖, 其換刀過程如下:( 1)刀套轉(zhuǎn) 90b: 換刀之前, 刀庫 2 轉(zhuǎn)動將待換刀具 5 送到換刀位置, 之后把帶有刀具 5 的刀套 4 向下翻轉(zhuǎn) 90b, 使得刀具軸線與主軸軸線平行。( 2)機械手轉(zhuǎn) 90b:兩手分別抓住刀庫和主軸 3 上的刀柄。( 3)刀具松開: 刀具的自動夾緊機構(gòu)松開刀具。( 4)機械手拔刀: 機械手臂下降, 同時拔出兩把刀具。( 5)機械手轉(zhuǎn) 180b:使主軸刀具與刀庫刀具交換位置。( 6)機械手插刀: 機械手上升, 分別把刀具插入主軸錐孔和刀套中。( 7)刀具夾緊: 刀具插入主軸的錐孔后, 刀具的自動夾緊機構(gòu)夾緊刀具。( 8)機械手松刀: 機械順時針轉(zhuǎn) 90b, 回到原始位置。( 9)刀套向上翻轉(zhuǎn) 90b:刀套帶著刀具向上翻轉(zhuǎn) 90b,為下一次選刀做準備 [2]。圖 1 機械手結(jié)構(gòu)圖圖 2 機械手的換刀示意圖3 國外機械手發(fā)展歷史及研究成果機械手首先是從美國開始研制的。1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。1962 年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為 Unimate(即萬能自動)。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司，專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。1962 年美國機械制造公司也實驗成功一種叫 Vewrsatran 機械手。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978 年美國 Unimate 公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate—Vicarm 型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1 毫米。聯(lián)邦德國機械制造業(yè)是從 1970 年開始應(yīng)用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。聯(lián)邦德國 l(IIKa 公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自 1969 年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機械手，至 1977 年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進口。目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。第三代機械手則能獨立完成工作過程中的任務(wù)。他與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中的重要一環(huán) [3]。4 國內(nèi)機械手發(fā)展歷史及研究成果4.1 加工中心發(fā)展現(xiàn)狀近年來隨著汽車等行業(yè)的快速發(fā)展, 對現(xiàn)代制造技術(shù)設(shè)備提出了更高的要求, 在這些行業(yè)的生產(chǎn)線上大量的普通機床和專用機床被數(shù)控機床取代,其零件的加工精度加工效率也在不斷的提高. 由于加工中心類數(shù)控機床具有計算機控制, 刀具自動交換, 各座標軸可跟隨計算機作點位, 連續(xù)運動, 工件一次裝夾可完成鉆孔, 攻螺紋, 鏜孔, 銑平面, 三座標插補銑圓, 銑螺旋線等多種工序的加工的功能, 因此也越來越廣泛的應(yīng)用于這些領(lǐng)域。加工中心又稱數(shù)控自動換刀鏜銑床, 分立式和臥式兩種, 立式加工中心應(yīng)用于較復(fù)雜的曲形零件, 小型箱體類零件. 臥式加工中心應(yīng)用于較復(fù)雜的大型曲形零件 , 箱體類零件. 立式加工中心相對于臥式加工中心結(jié)構(gòu)簡單制造容易一些, 近年來得到了廣泛的應(yīng)用。立式加工中心為適應(yīng)市場提高效率、縮短單工件的加工節(jié)拍時間的要求, 又在單主軸的基礎(chǔ)上發(fā)展了雙主軸立式加工中心。其結(jié)構(gòu)形式有兩種, 一種是雙Z 軸雙主軸箱方式, 其功能是可以同時進行兩個不同或相同的工序的加工, 但其結(jié)構(gòu)要求在立柱上設(shè)置兩個 Z 軸的導(dǎo)軌及相應(yīng)的設(shè)施, 對數(shù)控系統(tǒng)也有較高的要求, 并且在普通立式加工中心上無法通過改進的方式來實現(xiàn)。另一種是單Z 軸單主軸箱雙主軸方式, 其功能是可以同時進行兩個相同的工序的加工, 并且可以在普通立式加工中心的基礎(chǔ)上進行改進設(shè)計 [4]。近 30 年來，臺灣機床行業(yè)迅速崛起，特別是機床功能部件的開發(fā)得到高度重視。以德士、譚子、首輪、吉埔等公司為核心骨干，臺灣已成為刀庫和凸輪式 ATC 的專業(yè)化生產(chǎn)基地，不僅滿足了臺灣機床行業(yè)自身的需求，而且走向了歐美市場，近年來大舉進入中國大陸市場，而且占有較大的市場份額。隨著世界制造中心向中國的轉(zhuǎn)移，國內(nèi)機床行業(yè)正蓬勃發(fā)展，機床制造水平逐步提高，數(shù)控機床已成為機床生產(chǎn)廠家的主流產(chǎn)品，近年來每年舉辦的數(shù)控機床展覽會充分展示我國數(shù)控裝備制造成果。同時，對加工中心功能部件的研究也引起了部分科研機構(gòu)和機床生產(chǎn)廠的高度重視，目前，國內(nèi)致力于自動換刀機械手研制的單位有：北京機床研究所、大連組合機床研究所、北京發(fā)那科機電有限公司（由北京機床研究所與日本 FANUC 公司于 1992 年共同組建的合資公司）、北京第一機床廠、齊齊哈爾二機床（集團）有限責任公司、寧夏小巨人機床有限公司（寧夏共享集團與日本山崎馬扎克公司合資）、株洲金航凸輪精機有限公司等。但國產(chǎn)換刀機械手相比國外產(chǎn)品，在換刀精度、換刀速度和工作的可靠性等方面還存在有較大的差距，迄今為止，國產(chǎn)數(shù)控機床所配備的自動換刀機械手主要依賴進口，進口地相對集中在臺灣 [5]。 與國外成熟的技術(shù)相比，我國在自動換刀裝置的研究上還存在一些關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決：如優(yōu)良運動曲線選擇、機構(gòu)運行可靠性、換刀復(fù)合凸輪的設(shè)計，凸輪的精密加工等。為縮短差距，國內(nèi)生產(chǎn)廠家和科研單位正加強自動換刀裝置的研制合作。2008 年 1 月，呼和浩特眾環(huán)（集團）有限公司與清華大學(xué)就“數(shù)控機床功能部件關(guān)鍵技術(shù)研究”項目正式簽署了“數(shù)控換刀機構(gòu)空間凸輪設(shè)計制造技術(shù)研究” 協(xié)議和技術(shù)開發(fā)合同書，旨在通過雙方合作，解決自動換刀裝置在國產(chǎn)化過程中的關(guān)鍵技術(shù)難題 [6]。4.2 凸輪式立臥兩用機械手的研究陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院的夏粉玲和賀煒對凸輪式立臥兩用換刀機械手的研究。五面體加工中心的最大特點是主軸箱可進行立臥轉(zhuǎn)換。如果使用立式或者臥式換刀機械手, 在加工過程中, 主軸箱就要不斷地進行立式和臥式的轉(zhuǎn)換, 將會產(chǎn)生重復(fù)定位所帶來的誤差,使加工精度大大降低。為此, 提出了立臥兩用換刀機械手的研究。換刀機械手的驅(qū)動方式有凸輪式、液壓式、齒輪式和連桿式。而液壓式換刀機械手的缺點是換刀速度慢、安裝和調(diào)試較為困難、易泄漏等。與液壓式換刀機械手相比, 凸輪式換刀機械手的優(yōu)點是換刀速度快、可靠性高、安裝調(diào)試較容易等。因此, 它正在逐步取代液壓式等類型自動換刀機械手的主導(dǎo)地位。目前, 發(fā)達國家數(shù)控加工中心的自動換刀機械手主要采用凸輪式, 我國加工中心技術(shù)起步較晚, 對自動換刀機械手研究的也較少。迄今為止, 我國基本上還未生產(chǎn)該種產(chǎn)品, 我國制造的加工中心上配置的自動換刀機械手大多都是進口的, 價格相當昂貴。為了更進一步提高數(shù)控加工中心的加工速度及其利用率, 有必要對凸輪式立臥兩用自動換刀機械手進行研究, 以填補我國在此項研究中的空白。在制定了立臥兩用換刀機械手結(jié)構(gòu)方案后, 其主要部件) ) ) 凸輪機構(gòu)的研究與設(shè)計是主要的技術(shù)難點之一。由于凸輪機構(gòu)必須使機械手完成在刀庫中插刀、拔刀的過程。機械手插刀、拔刀整個過程的運動軌跡為正方形( 如圖 1 所示 B-C-D-E) , 因此凸輪機構(gòu)的設(shè)計計算難度大, 其主要問題是如何提高凸輪機構(gòu)的運動平穩(wěn)性。利用一個凸輪驅(qū)動一個從動件, 要使機械手完成插刀、拔刀的整個過程, 是無法實現(xiàn)的。采用兩個凸輪分別驅(qū)動兩個從動件實現(xiàn)兩個方向的運動很容易, 但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。而利用一個凸輪的輪廓曲線, 驅(qū)動兩個從動件分別實現(xiàn)兩個方向的運動既可簡化結(jié)構(gòu)又使造價降低。因此, 采用雙從動件凸輪機構(gòu)。兩個從動件的運動規(guī)律應(yīng)該相同, 不同的是存在一個時間差。凸輪的輪廓形狀取決于從動件的運動規(guī)律, 在設(shè)計凸輪輪廓曲線之前, 應(yīng)首先根據(jù)工作要求確定從動件的運動規(guī)律, 其次要考慮由于加速度突變所引起的沖擊, 從而保證從動件運動的平穩(wěn)性 [7]。圖 3 立臥兩用換刀機械手方案4.3 刀機械手控制系統(tǒng)的研究江蘇大學(xué)的許可誠，顧寄南和王富良對換刀機械手的控制系統(tǒng)的研究。換刀機械手及刀庫的三維模型，如圖 4 所示。當 PLC 上電后機械手和刀盤自動回零點，同時等待數(shù)控機床的裝刀或者換刀指令。當數(shù)控機床發(fā)出裝刀或者換刀指令時，刀盤轉(zhuǎn)動使得所需的刀具位于換刀位置，機械手轉(zhuǎn)至換刀位置通過伸縮臂氣缸的伸出將刀具取出，然后機械手再轉(zhuǎn)至裝刀位置通過伸縮臂氣缸的縮回將刀具裝在數(shù)控機床上。待刀具裝上機床后，機械手轉(zhuǎn)至防干涉位置，擺動臂氣缸縮回后機械手轉(zhuǎn)到零點位置，等待機床加工完成后的卸刀信號。當機床發(fā)出卸刀信號，機械手轉(zhuǎn)至防干涉位置，擺動臂氣缸伸出，機械手轉(zhuǎn)到裝刀位置將刀卡住，通過伸縮臂氣缸的伸出將刀具卸下來，接著機械手轉(zhuǎn)至換刀位置通過伸縮臂的縮回將刀具放回刀庫，最后機械手回到零點位置完成一次動作過程（取刀—裝刀—卸刀），如此循環(huán)。圖 4 機械手及刀庫三維模型圖硬件設(shè)計：系統(tǒng)選用的是西門子公司的 S7-200 系列的 PLC，CPU 型號為226DC/DC/DC，具有 24 個數(shù)字量輸入點和 16 個數(shù)字量輸出點，能夠很好的滿足數(shù)控機床對于換刀的要求，控制靈活，擴展性好，也能較好的和數(shù)控機床進行實時通信。PLC 是整個控制系統(tǒng)的核心部分。控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是：接收上位機（數(shù)控機床）給出的換刀信號，采集和處理機械手運動過程的傳感器信號，控制步進電機和氣缸來實現(xiàn)換刀機械手的各個動作?？刂葡到y(tǒng)主要由主電源回路，PLC，步進電機模塊，傳感器等構(gòu)成。軟件設(shè)計：系統(tǒng)有兩種工作模式：手動模式和自動模式。在手動模式下，用戶可以通過控制面板上的按鈕，使換刀機械手按照自己的要求來完成各項動作過程。而在自動模式下，由于 PLC 中已經(jīng)燒入了一系列的完整的程序，換刀機械手將根據(jù)采集到的傳感器信號和上位機給出的信號自動完成用戶事先要求的動作。PLC 程序設(shè)計采用模塊化程序設(shè)計思想，由主程序、手動子程序、自動子程序、初始化子程序和中斷子程序構(gòu)成。程序的難點在于初始化子程序中采用 PTO 驅(qū)動步進電機的程序、各端口的初始化，以及主程序中對于各中間繼電器相關(guān)觸點的定義。通過對整個系統(tǒng)的分析，對 PLC 的輸入、輸出端口進行分配，制定了相關(guān)的 I/O 分配表，如表 1 所示 [8]。表 1 I/O 端口分配表4.4 小型立-臥自動轉(zhuǎn)換式加工中心機械裝置的研制中國地質(zhì)大學(xué)的宋超，楊代華和羅志建在期刊中系統(tǒng)地討論和分析了一種小型立- 臥自動轉(zhuǎn)換式加工中心機械裝置的研制過程 ,包括系統(tǒng)的總體方案設(shè)計、主要技術(shù)參數(shù)、主要部件設(shè)計。立臥自動轉(zhuǎn)換式加工中心的研制成功,能夠有效地解決目前機械加工中多次裝夾而造成加工精度低的難題。圖 5 為小型立- 臥式加工中心總體結(jié)構(gòu)布局圖 [9]。圖 5 小型立-臥式加工中心總體結(jié)構(gòu)布局示意圖4.5 回轉(zhuǎn)型機械手手指的設(shè)計中國礦業(yè)大學(xué)的錢濟國對回轉(zhuǎn)型機械手手指的設(shè)計及加持誤差分析中介紹了機械手手指形心位置與加持工件尺寸變化之間的關(guān)系。分析了夾持誤差的影響因素，闡述了根據(jù)夾持精度和工件尺寸的變化范圍設(shè)計計算手指幾何尺寸的基本方法，并給出了設(shè)計相關(guān)的條件。錢濟國得出結(jié)論：機械手手指形心位置與工件尺寸變化之間的關(guān)系滿足雙曲線工程。手指加持誤差大小與手指幾何尺寸以及工件尺寸變化范圍所對應(yīng)的曲線區(qū)段有關(guān)。手指尺寸的設(shè)計不僅要滿足加持精度，還應(yīng)考慮夾持中手指結(jié)構(gòu) [10]。5 總結(jié) 如上所述，發(fā)達國家的機械手起步較早也較先進，尤其是美國和日本，并且正在加緊研制二代和三代的機械手。目前，國外工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。與國外成熟的技術(shù)相比，我國在自動換刀裝置的研究上還存在一些關(guān)鍵技術(shù)難題需要解決。為縮短差距，國內(nèi)生產(chǎn)廠家和科研單位正加強自動換刀裝置的研制合作。比如：2008 年 1 月，呼和浩特眾環(huán)（集團）有限公司與清華大學(xué)就 “數(shù)控機床功能部件關(guān)鍵技術(shù)研究” 項目正式簽署了“數(shù)控換刀機構(gòu)空間凸輪設(shè)計制造技術(shù)研究” 協(xié)議和技術(shù)開發(fā)合同書，旨在通過雙方合作，解決自動換刀裝置在國產(chǎn)化過程中的關(guān)鍵技術(shù)難題。參考文獻[1] 李劍玲,賀煒，丁毅，王寧俠.一種換刀機械手卡爪夾緊機構(gòu)的設(shè)計[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2003,(10):48.[2] 張祺，侯力，劉松等.加工中心換刀機械手控制系統(tǒng)研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2010，(8):42.[3] 馬浩源.淺談工業(yè)機械手[J].商情,2011，(12):154.[4] 牟世維.雙主軸雙刀庫立式加工中心機床設(shè)計.甘肅科技.2007，(12):35.[5] 杜祖鈞,賈爭現(xiàn).滾子齒形凸輪循環(huán)圖的設(shè)計與分析[J]. 西北輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報. 2002，(5)[6] 謝政. 加工中心換刀機械手的研究[D]. 湘潭大學(xué). 2008，05.15.[7] 夏粉玲,賀煒. 凸輪式立臥兩用換刀機械手的研究[J]. 機械科學(xué)與技術(shù), 2004, 23(3):320. 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