数控加工中心—换刀机械手设计(2)

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能勉强完成工作，但是延长了生产时间，提高了生产成本和劳动成本，为了解决这些问题机械手就应运而生了，机械手的工作效率高，而且不受体能的限制，非常方便。机械手是一种能够模拟人的手臂的部分动作，按照预定设定的程序、轨迹以及其它要求，实现抓取、搬运等工作的自动化装置。

按驱动驱动方式的动力源，机械手可分为：

液压式：其驱动系统由液压机、伺服阀、油泵、邮箱等组成。常见的方案是机械手装在套筒上，活塞杆固定，缸套同套筒一起移动，油缸左右腔进油完成动作。机械手的回转既可以采用回转油缸，也可以采用直线运动油缸通过齿轮齿条带动来完成。

凸轮联动式：机械凸轮联动驱动的自动换刀装置，插、拔刀动作通常由凸轮驱动摆杆来完成。回转动作常通过弧面分度凸轮或平行分度凸轮，带动滚子盘直接驱动机械手，或再通过一对齿轮驱动机械手旋转。 1.3.2机械手手爪的结构特点

按机械手的手抓类型分类，主要分为以下几种类型：单臂机械手：单手式（a）、双手式（b）、双臂机械手（c）、带送刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手。

图1.5 机械手

单臂机械手单手式：一个换刀臂且仅一端有一个抓刀手，只做往复直线运动，特点：所有动作均由单手完成，执行动作多，换刀时间长，但由于结构简单，并且把刀和传递刀具都是直线运动，因而无回转运动所产生的离心力，所以机械手的手抓部分设计较为简便。刀库刀座主轴与主轴轴线平行或垂直的情况均适用。

单臂机械手双手式：一个换刀臂两端各有一个抓刀手，只做往复直线运动，特点：机械手同时抓取主轴和刀库上的刀具，然后同时拔出两把车刀，下降到一定高度后回转180度，再上升到起始高度将两把刀具同时放回刀库的刀套内和装入主轴的夹紧装置内，换刀时间短，较为常用，多用于刀库换刀位置的刀座与主轴轴线平行的场合。

双臂机械手：两个机械手臂，每个手臂端部都有一个抓刀手，特点：其抓刀和换刀动作类似于人手动作，一个机械手完成将主轴上的刀具拔出并且放回刀库的动作，另一只机械手完成从刀库的刀套上去刀安装到主轴的夹紧装置上的动作，除执行换刀

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动作外有些还可以起运输刀具的作用。这种机械手结构较复杂，但换刀时间短。

如图1.6所示，送刀臂将刀具从刀库的刀套上取出送到摆刀站，由摆刀站将刀具送到换刀位置，最后由换刀臂进行换刀。特点：结构更复杂，各个部分的配合精度要求较高，换刀动作多，但是由于各部分在空间巧妙配置和组合，更具变化性，所以一般换刀时间较短。适用于刀库距离主轴较远的场合。

A-为送刀臂 B-为摆刀站 C-为换刀臂 D-为刀库 E-为主轴。

图1.6 带送刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手

夹爪机构是换刀机械手的重要部件，它是靠夹紧力来握住刀具的。目前，径向夹紧刀杆画柱外表面的夹爪机构得到普遍使用，而轴向夹紧刀杆法兰盘的夹爪机构使用较少。在钳类夹爪中刀具的紧固是依靠钳口夹紧时所产生的摩擦力，在包容卡类夹爪中是依靠固定装置。

图1.7中的手爪是钳类夹爪的一个例子。搭板用轴安装在套上，套和液压缸或气缸活塞杆起能沿夹爪轴向移动。每块搭板的另一端和杠杆铰接。在杠杆的前部安装有梯形的可交换夹紧钳口，它用形的环状槽夹紧刀具刀杆。杠杆的摆动轴固定在壳体上。当活塞杆向前运动时刀具被松开，而当活塞杆在弹簧作用下向后运动时刀具被夹紧。端面键用来传递从机床主轴到刀具的扭矩。为了使钳口能从和主轴一起旋转的刀杆上通过，端面键应该被切开。

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1-套 2-搭板 3 -杠杆 4 -可交换夹紧钳口 5- 刀杆 6 -摆动轴 7 -壳体 8 -弹簧 9 -键

图1.7 钳类央爪机构

1 -卡钳 2 -刀杆 3- 固定器 4 -杆 5 -弹簧 6 -旋转手臂 7-杠杆

图1.8 包容卡类夹爪机构

上图1.8是带固定装置的包容卡类夹爪的结构。具有V形环状槽的卡钳用螺栓固定在换刀机械手旋转手臂上。具有同样截面形状的固定器安装在杠杆上，杠杆能相对

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于手臂旋转。夹紧时，在弹簧作用下，经过杆，使固定器夹紧刀杆。当手臂移近主轴端面或刀库时，杆被压入手臂移动机构活动支架的专门槽，固定器放松刀杆。

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2 机械手的设计方案

2.1 机械手的工作原理

2.1.1机械手的换刀过程

机械手的换刀过程就是将主轴头上用过的刀具和刀库的刀套上待用的刀具拔出完成交换，然后将主轴头上用过的刀具放入刀库和将刀库内待用的刀具放到主轴头上进行机械加工，其机械手的结构如图2.1所示。

换刀机械手的主要过程如下:

（1）刀具向下转90度变成与主轴同方向

（2）机械手在水平面内由机床正面的操作者向主轴逆时针转75度分别抓住代换刀具和主轴上已用过的刀具

（3）机械手向下拔刀 （4）机械手旋转180度 （5）机械手向上放刀

（6）机械手顺时针转75度复原

（7）刀库下方的已用过刀具向上转90度回到刀库

图2.1机械手的结构

2.1.2机械手的运动

对应上述的换刀过程，每步的机械手的运动如下： （1）刀具向下转90度变成与主轴同方向

当刀库中的汽缸上端通入压缩空气时，活塞杆向下运动，带动拨叉刀套向下翻转

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