二、加工中心的总体布局
2.1 已知参数：
机械手用于抓取BT40号刀具，刀具最大重量4公斤；刀具水平存放于刀库中，刀库换刀位置处刀套垂直轴线与机床主轴轴线之间水平距离为600mm，且装刀基准面处于同一水平面；手臂回转范围0—360°，手臂回转速度90°/s，拔刀与装刀移动速度300mm/s；
分析：刀具水平存放于刀库中，可以分析此次需要设计的是卧式加工中心的机械手。卧式加工中心的主轴是水平设置的，刀库内的刀具是水平放置的，卧式加工中心刀库容量一般较大，有的刀库可存放几百把刀具，卧式加工中心的结构较立式加工中心复杂，占地面积大，价格也较高，卧式加工中心较适用于加工箱体之类的零件，特别对箱体零件上的一些孔和孔系，以及孔和型腔与基准面有严格要求的箱体，容易得到保证，适合于批量加工。
卧式加工中心的功能较立式加工中心多，在立式加工中心上加工不了的工件，在卧式加工中心上一般都能加工。
2.2 总体布局
图1.1 卧式加工中心的总体布局
2.3 卧式加工中心的机械结构：
⑴主轴组件 对加工中心主轴组件的基本要求是具有足够的刚度，精度，传递足够的功率和转矩，以及高速运转和适应自动换刀的条件。主轴轴承多采用高精度，高刚度，高速滚动轴承。
卧式加工中心的主轴组件按进给功能分有镗轴进给，滑枕进给及非进给主轴等类型，大多数采用非进给型主轴。
⑵立柱 立柱有侧面导轨型与正面导轨型。侧面导轨型立柱便于机床的总体设计，制造成本也较低，并抑易于与非数控卧式镗铣床建立模块化系列关系，但这类立柱在机床工作时受力状况较差，且热变形的对称性差，因而对机床加工精度影响较大。正面导轨型立柱多采用门式结构，有较好的热对称结构和受力条件，多数加工中心采用这种立柱形式。
工作台 卧式加工中心可采用自动分度工作台，数控回转工作台。
三、换刀机械手的设计
3.1 刀具的交换装置
3.1.1 自动换刀装置
加工中心区别于NC镗铣床的主要特点就在于它具有根据工艺要求自动更换所需刀具的功能，即自动换刀（ATC）机能。
机械手是自动换刀装置中交换刀具的主要工具，它担负着把刀库上的刀具送到主轴上，再把主轴上已用过的刀具返回刀库上的任务。
加工中心的自动换刀形式，可分为有机械手换刀方式和无机械手换刀方式两类。无机械手换刀方式，适用于采用40号以下刀柄的小型加工中心或换刀次数少的用量型刀具的重型机床，这种换刀方式没有机械手，因而结构简单。另外，刀库回转是在工步与工步之间，即非切削时进行的。因此，虽然刀库设置在立柱顶面，却免去了刀库回转时的震动对加工精度的影响。
无机械手换刀方式中，刀库可以是圆盘型、直线排列式，也可以是格子箱式等。无机械手换刀方式中特别需要注意的是刀库转位定位的准确度，为保证转位准确，就要尽力消除刀库驱动传动链的间隙，为此可采用双导程蜗杆蜗轮副，或采用可以相互错位的两片齿轮结构形式，或采用插销定位、反靠定位等方法来准确定位。圆盘型刀库可设在立柱顶上、立柱主轴箱的侧面，也可设在横梁一端，或设在主轴箱上，由主轴箱和刀库配合运动完成自动换刀动作。直线排列式刀库可设在工作台上方，也可设在工作台的一端或两端，由主轴箱或工作台配合运动完成自动换刀动作。格子箱式刀库可设在双工作台的中间，换刀时，小直径刀具可轴向取刀，大直径刀具可径向取刀。
加工中心的自动换刀装置，通常是由刀库和机械手组成，它是加工中心的象征，又是加工中心成败的关键环节。因此各加工中心制造厂家都在下大力研制动作迅速、可靠性高的自动换刀装置，以求在激烈的竞争中取得好效益，自动换刀装置是加工中心的核心内容，各厂家都在保密，极少公开有关资料，尤其机械手部分更是如此。
无机械手换刀方式中特别需要注意的是刀库转位定位的准确度。为保证转位准确，就要尽力消除刀库驱动传动链的间隙，为此可采用双导程蜗杆蜗轮副，或采用可以相互错位的两片齿轮结构形式；或采用插销定位、反靠定位等方法来准确定位。
采用机械手进行刀具交换的方式应用的最为广泛，这是因为机械手换刀有很大的灵活性，而且可以减少换刀时间。
3.1.2机械手的种类
加工中心换刀机械手的种类繁多，可以说每个厂家都推出自己的独特的换刀机械手，在加工中心的自动换刀系统中，是机械手具体执行刀具的自动更换，对其要求是迅速可靠、准确协调。由于加工中心机床的刀库和主轴，其相对位置距离不同，相应的换刀机械手的运动过程也不尽相同，它们由各种形式的机械手来完成。常见的机械手有：
⑴单臂单爪回转式机械手
机械手摆动的轴线与刀具主轴平行，机械手的手臂可以回转不同的角度来进行自动换刀，换刀具的所花费的时间长，用于刀库换刀位置的刀座的轴线相平行的场合。如图所示：
图3.1 单臂单爪回转式机械手⑵单臂双爪回转式机械手
图3.2 单臂双爪回转式机械手
这种机械手的手臂上有两个卡爪，两个卡爪有所分工，一个卡爪只执行从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务，另一个卡爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务，其换刀时间较上述单爪回转式机械手要短，如图3.2所示。
⑶双臂回转式机械手
这种机械手的两臂各有一个卡爪，可同时抓取刀库及主轴上的刀具，在回转180°之后有同时将刀具归回刀库及装入主轴，是目前加工中心机床上最为常用的一种形式，换刀时间要比前两种都短，如图3.3-a)所示。
图3.3-a) 双臂回转式机械手
3.1.4 刀具的夹持
在刀具自动交换装置上，机械手抓刀具的方法大体上可以分为下列两类：
⑴柄式夹持（轴向夹持）。
⑵发兰式夹持。
这种夹持方式，在刀具夹头的前端，有供机械手用的发兰盘。采用发兰式夹持，当应用中间搬运装置时，可以很方便地从一个机械手将刀具夹头过渡到另一个辅助机械手上去，刀具夹头采用带洼形的法兰盘夹持刀夹。
在这里，我们采用第一种夹持方式，刀柄型号为BT40。
图3.7所示为标准刀具夹头的锥柄柄部，由图可见，刀柄圆柱部分的V形槽是供机械手夹持之用。带V形槽圆柱右端，按所装刀具（例如钻头、铣刀、铰刀及镗杆等）不同，根据标准可设计成不同形式。
图3.7 刀柄的型式
3） 轴的设计过程
我们设计的驱动装置中所采用的轴主要作用是既可以在插刀、拔刀时带动整个机械手左右移动，又可在交换刀具时带动回转头转动，由于这两个动作是分离的，我们在这里采用花键轴。
该花键轴左端与回转头固定联接，两个花键套筒通过轴承安装在机床立柱上的回转座内，齿轮41通过花键套筒安装在花键轴的右端。当回转缸通入压力气而使转轴转动时，通过传动齿轮7带动齿轮41转动，这样，花键轴即可带动回转头转动，又由于直线气压缸活塞杆端部有联接件与花键轴相连，当活塞杆因气缸进入高压气而向左或向右运动时，通过联接件即可带动花键轴作直线运动，从而带动回转头及机械臂作向左或向右运动。
已知条件：
花键轴传递的功率为：P=30KW；
轴的转速为n=1460r/min
⒈估算轴径
选择轴的材料为40Cr，经调质处理，由《机械设计手册》（第四卷）表26.1-1查得材料机械性能数据为：
σb=750MPa
σs=550MPa
σ-1=350MPa
τ-1=200MPa
根据表26.3-1公式初步计算轴径，由于材料为40Cr，由表26.3-2选取A=100，则得：
dmin=A(P/n)1/3=100×(30/1460) 1/3㎜=27.3㎜
我们选用花键轴的尺寸为：D×d×b=65㎜×56㎜×10㎜
⒉轴的结构设计，如图3.8-a)所示：
⒊轴上受力分析，如图3.8-b)所示：
轴传递的转矩为：
T1=9.55×106P/n=9.55×106×30/1460 N·㎜=1.962×105 N·㎜
齿轮的圆周力为：
Ft=2T1/d1=2×1.962×105/96 N=4088 N
齿轮的径向力为：
Fr= Ft·tgα=4088×tg20° N=1488 N
图3．8
3.3.5 弹簧的设计
弹簧是一种弹性元件，它可以在载荷作用下产生较大的弹性变形。弹簧在机械中的应用十分广泛，主要用于：
①控制机构的运动，如：制动器、离合器中的控制弹簧，内燃机气缸的阀门弹簧等。
②减振和缓冲，如汽车，火车车厢下的减振弹簧，以及各种缓冲器用的弹簧等。
③储存及输出能量，如钟表弹簧等。
④测量力的大小，如测力器和弹簧称中的弹簧等。
1） 弹簧的分类：
按照所承受的载荷的不同，弹簧可以分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种；而按照弹簧的形状不同，又可分为螺旋弹簧、环形弹簧、碟形弹簧、板簧和平面涡卷弹簧等。
螺旋弹簧是用弹簧丝卷绕而成的，由于制造简便，所以应用最广。在一般的机械中，最为常用的是圆柱螺旋弹簧。
弹簧材料的许用应力[τ]及[б]必须按照负荷性质来确定。
弹簧按载荷性质分为三类：
Ⅰ类：受变负荷作用，次数在106次以上的弹簧；
Ⅱ类：受变载荷作用，次数在103~105次或冲击负荷的弹簧；
Ⅲ类：受变载荷作用，次数在103次以下的弹簧。
弹簧材料是根据弹簧丝直径d选择的，当d≤8㎜时，用碳素弹簧钢丝Ⅱ组或Ⅱa组，当d≥10㎜时，用60Si2MnA.
最大工作负荷Pn，Ⅱ类弹簧按[τ]=0.4бb计算。
节距P是近似值，计算出的自由高度应圆整至尺寸参数系列中的H0推荐值。
我们在机械手中所选用的弹簧有圆柱螺旋拉伸弹簧和圆柱螺旋压缩弹簧。普通圆柱螺旋弹簧的主要几何尺寸有：外径D、中径D2、内径D1、节距p、弹簧丝直径d，如图3.10所示：
图3.10
3.3.6 气压控制回路设计
气压回路实现的机械手动作：1YA通电，压缩空气经换向阀1，使回转气压缸1正向旋转，机械手上下臂伸出并抓取主轴和刀库里的刀具；5YA通电，压缩空气经换向阀3，使拔刀插刀气压缸活塞杆伸出，从而拔出两把刀具；2YA通电，压缩空气经换向阀1，使回转气压缸1逆向旋转，机械手上下臂缩回；3YA通电，压缩空气经换向阀2，回转气压缸2正向旋转，从而带动机械手正向旋转，使两把刀具交换位置；2YA通电，压缩空气经换向阀1，使回转气压缸1正向旋转，机械手上下臂伸出并抓取主轴和刀库里的刀具；6YA通电，压缩空气经换向阀3，使拔刀插刀气压缸活塞杆缩回，从而插入两把刀具；2YA通电，压缩空气经换向阀1，使回转气压缸1逆向旋转，机械手上下臂缩回。
