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机床自动换刀机械手的设计与研究

作者：郑志超

来源：《中国科技博览》2017年第33期

[摘 要]随着科技的飞速发展，工业化生产方式发生着无穷的变化。从手艺作坊式的劳作，逐步迈向智能化、自动化。目前，在机械的加工过程中，许多企业仍是采纳人工换刀的传统方法，这种人工换刀方法效率低、精度不高。为了适应新一轮加工制作的要求，这些年，自动换刀设备在加工制作中的作用变得越来越重要。由于现在市场上直接购买的自动换刀装置一般按普适性设计，普遍结构比较大、价格较高且针对性不强。基于此，本文就机床自动换刀机械手的设计进行详细探究。

[关键词]机床设计；自动换刀；机械手设计

中图分类号：TG502 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）33-0128-01 1 引言

在生产制造行业内，机床越来越普遍，而机床也向着自动化迈进，无论是控制还是其他系统，而在自动化机床中，机械手的应用也越来越普遍，在机床自动换刀机械手设计上，升降系统是非常重要的，除了升降系统机械手的换刀和对刀具的夹持，都是需要仔细地去设计，而对于机械手设计上要保证机床设备本身与机械手的柔性连接，保证工件的正常输送和机床的自动化加工。 2 概述

2.1 数控机床的电气控制系统

就数控机床而言，数控系统有西门子802D、802DSL、828D、840DSL、广州数控、华中数控、FANUC 0i等。当然详细系统构造能够解决一些包含调控编码或类似符号指令的程序内容，同时完成编译过程，以编译成为代码的数字进行表达，以对应载体完成对数控设备的注入。然后根据处理流从数控设备产生不同的调控信息，从而达到管控机床操作流程的目标，即根据设计图例的形态与规格标准完成零件的自动加工。此外，相对传统机床，其主要的优势在于有效处理了繁琐、精细、大量、多样的零部件加工流程，体现出更强的灵活性与高效性，标志着了当代机床调控技术研究重点，也是机电一体化研究的重要产物。电气调控规划图包含多个方面构成，即如线路装配调整、运用及维持的参考资源，主要涵盖了原理图、装配线路图、元件分布图等多种图纸的规划。而且整个体系内一切电气设施的调控原则就是依照对应的原理进行，除了电气设施的装配以外，还包含整个系统的调控等等。 2.2 各种机械手换刀分类和特点

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数控机床的机械手换刀装置有换刀效率高、精度高、频率高等特点。在数控机床的换刀过程中，有机械手换刀和无机械换刀两种。从目前的机械手换刀功能来看，可以分为双主轴、多主轴换刀、机械手换刀等。一般来说，有机械手的换刀速度、效率、准确度等都要优于无机械手换刀的方法。该方法可以在同一时间同时进行换刀、取刀等操作，极大减少数控机床换刀时的停机时间。

2.3 伺服电机换刀驱动装置

在换刀中使用的驱动装置可以分为伺服、液压、交流异步电动机三种类型。使用伺服电机的PMC轴功能，完全靠PMC来实现换刀动作。从动作上来看，伺服轴为 PMC轴，而不是 NC控制轴，从CNC 的管理下分离出来，从PMC 信号直接进行控制。可不使用NC 程序仅利用信号来控制轴。譬如，可以从PMC 侧赋予移动量、进给速度等的指令，使得与CNC 管理下运动中的其他轴独立地进行移动。因此，可以使用CNC 的任意轴，对转塔、托盘、分度台等周边设备进行控制。通过输入信号来选择在CNC 侧或PMC 侧的管理下进行控制。因此编程较为复杂，对技术人员的要求较高。

不同的驱动装置其适用的数控机床也不同。一般来说，液压驱动装置的使用容易受到环境的限制，因而比较适用于运行稳定的环境中，因此通常主要运用在大中型机床中。交流异步电动驱动所需的成本比较低，换刀效率高。其主要运用在换刀频率较高的小型加工环境中。 3 自动换刀装置材料材质的选择

机械手材料首先根据机械手手臂的工作状况进行挑选，以满足机器人的规划要求。从规划的思维出发，机械手能够完成各种运动。因此，对材料的挑选要满足以下要求：①机械手最好是轻型的材料，由于挑选轻型原料的材料用于制作机械手手臂，能够增加机械手自动换刀的速度，提升其工作的精度。②自动换刀设备应挑选强度较高、组织均匀、屈服极限较高的材料，然后增加机械手在工作时的刚性，以及宜选用热处理后在应力较大部位具有较高强度的材料。③应挑选抗压强度较高的材料，如：调质钢、渗碳钢或许氮化钢等原料。④自动换刀设备应挑选功能好，以及耐热性的材料，以增加换刀设备在工作时的冲突性，以及在高温加热时的耐热性。此外，自动换刀设备还要挑选腐蚀性的材料。以防止换刀设备在工作时，可能会发生腐蚀的状况，增强换刀设备的寿数。 4 机床自动换刀机械手的设计与研究 4.1 零件技术要求

①零件构造分析：该零件由外圆、内圆、沉孔、内孔、倒斜角等构成，主要是由孔构成，因而该产品比较适合加工中心加工。②尺度精度分析：零件的加工精度是指零件在加工后的实际尺寸变化所达到的标准公差的等级范围。尺度精度是指实践尺度改变所到达的规范公差的等级范围。假如有公差要求的，我们在编程的时候，编程尺度选用中值尺度进行编程，才能够保

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证尺度公差要求。③形位公差分析：加工后的零件不只有尺度差错，构成零件几何特征的点、线、面的形状以及相互之间摆放的地理位置也许与理想中的物体形状部分地理位置存在较大的偏差，这是属于正常的现象，这种由于理想和实际地理位置而发生的差异，我们称之为“形位差错”，在实践操作过程中要注重这种差错，这样才能够提升操作的精度。假如有形位公差请求的部件我们要选用一次装夹即要能加工出有形位公差请求的部位。④零件外表精度分析：零件外表精度便是指外表粗糙度，是指加工后的零部件也许由于冲突会发生很小的空隙，并且会出现些许状的表征，因而对零件的精度要认真去规划。这些原因通常是由所采纳的加工办法、资料、刀具等其他要素归纳构成的。 4.2 PLC 程序

PLC 系统也是机床主要构造部件之一，而且其从收到命令到调控命令的反应周期仅仅为 10～100ms，当然这种高效的反应速度完全可以满足大部分数控机床运作环境。 编程思路分解

1、主轴上无刀，指令 T****；

2、主轴上有刀，指令 T****，且指令（目标）刀号大于主轴上刀号： 3、主轴上有刀，指令 T****，且指令（目标）刀号小于主轴上刀号： 4、主轴上有刀，指令 T****，且指令（目标）刀号等于主轴上刀号： 4.3 机械手设计

机床机械的形式有很多，种类繁多，对于每个机械手都有它不同的意义和用处。单臂单爪回转式机械手，这种机械手的手臂是可以回转运动，而回转运动的摆动线与刀库的轴线平行，意义在于机械手的手抓可以快速地抓取到刀具。单臂双爪回转式机械手，这种机械手的手臂上有两个机械手手抓，手抓是对称放置，这种机械手的两个手抓是分工的，一个是从刀库拿刀送往主轴，另一个是从主轴将刀具拿回到刀库内。双臂回转式机械手，这种机械手的手抓不是对称的，是在一天轴线上，轴线的两端放置手抓，两个手抓绕中心做回转运动，这种机械手可以实现刀库取刀和主轴送刀同时进行，节省的时间，提高工作效率。双机械手，这种结构是有些类似于人的双手，有两个手臂，两个手抓，它们是分别运动的，一个是从刀库取刀，一个是送刀，。 5 结束语

因为制造业和工业不断的发展，科学不断的提升，对生产效率不断提高的要求，单纯的使用人力，是不能满足生产需要的，使得机械手的应用越来越广泛，它可以代替人完成更高要求、难度、重复枯燥的工作，所以机械手现在不仅仅应用在机床上，所以怎样能更大提升机床