小型加工中心自動控制換刀機械手的設計說明書

1、 2011屆畢業(yè)設計說明書小型加工中心自動控制換刀機械手的設計系 、 部： 機械工程系 學生： 志蛟 指導教師： 豐峰 職稱 副教授 專 業(yè)：機械設計制造與其自動化班 級： 機本0704 完成時間： 2011年5月20日 39 / 46摘 要本論文介紹的是小型加工中心換刀機械手的設計。機械手在當今機械行業(yè)的應用的廣泛程度世人都有目共睹，隨著現(xiàn)代數(shù)控技術的發(fā)展，在某些工作條件復雜和危險的情況下，機械手可以代替人類進行各種工作。對于機械手的優(yōu)點很多，它可以代替人類高效而且精確的工作，這是最重要的一點。所以，為適應時代發(fā)展要求，在機械手的設計方面國家投入了大量的人力物力。機械手的種類很多，在本次設計

2、中機械手選用回轉(zhuǎn)式雙臂機械手。它的主要動作是將機床主軸上的刀具與刀庫或刀具傳送裝置上的刀具進行交換，其動作循環(huán)為：拔刀新舊刀具交換裝刀。回轉(zhuǎn)式雙臂機械手刀具交換裝置具有換刀時間短、動作靈活可靠等.應用最為廣泛?；仡檾?shù)控技術的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了兩個階段，六代的發(fā)展歷程。第一個階段叫做NC階段，經(jīng)歷了電子管、晶體管、和小規(guī)模集成電路三代。數(shù)控系統(tǒng)是加工中心的控制中心，它主要由（CNC）、可編程控制系統(tǒng)(PLC)、伺服系統(tǒng)構成。本次設計是運用可編程控制系統(tǒng)來對換刀機械手進行控制的。關鍵詞: 加工中心；換刀機械手；PLC AbstractThis paper introduces the design o

3、f the tool changing-manipulator of the small machines centertool changing-manipulator is one of the main components of the automatically-trading-knife installment.Robotic applications in today's machinery industry are obvious to the extent of the world, with modern CNC technology, working condit

4、ions in some of the complex and dangerous situation, the robot can replace humans in a variety of work. The robot has many advantages, it can replace the human efficient and precise work, this is the most important point. Therefore, in order to meet the requirements of the times, in the design of th

5、e manipulator state has invested a great deal of manpower and resources.There are a lot of types of tool changing-manipulators. The tool changing-manipulator of this design adopts the two arms manipulator of turn-over type in this design。It is main movement is carries on the machine tool of main axl

6、e on cutting tool and the tool storage or exchanging the cutting tool in the transport installment. Its operating cycle is: to draw the tool - exchanging the new and the old cutting tool - to fix the tool. The two arms manipulator of turn-over type exchange installment has trade the knifetime short,

7、 the movement is nimbly and reliably and so on . The two arms manipulator of turn-over type is widely used in the machining centre. The numerical control system is the centeral of control in the processing center, which is conclude computer numerical control installment, the programmable control sys

8、tem, the servosystem. That capital is designed time is to control apply the programmable control to come to command the tool changing-manipulator. Keywords: machining center；tool changing-manipulator；programmable control (PLC) 1 緒 論1.1 數(shù)控技術的基本概念1.1.1 我國數(shù)控技術的發(fā)展概況回顧數(shù)控技術的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了兩個階段，六代的發(fā)展歷程。第一個階段叫

9、做NC階段，經(jīng)歷了電子管、晶體管、和小規(guī)模集成電路三代。自1970年開始小型計算機開始用于數(shù)控系統(tǒng)就進入了第二個階段，叫做CNC階段，成為第四代數(shù)控系統(tǒng)：從1974年微處理器開始用于數(shù)控系統(tǒng)即發(fā)展到第五代。經(jīng)過十多年的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)從性能到可靠性都得到了根本性的提高。實際上從20世紀末期直到今天，在生產(chǎn)中使用的數(shù)控系統(tǒng)大部分都是第五代數(shù)控系統(tǒng)。但第五代數(shù)控系統(tǒng)以與以前各代都是一種專用封閉的系統(tǒng)，而第六代開放式數(shù)控系統(tǒng)將代表著數(shù)控系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，將在現(xiàn)代制造業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。1.1.2 數(shù)控機床的組成與特點數(shù)控機床的組成以一臺三坐標數(shù)控銑床為例，它是由X、Y、Z三個坐標來實現(xiàn)刀具和工

10、件間的相對運動的立式數(shù)控銑床。它包括信息輸入,運算控制(數(shù)控裝置),伺服驅(qū)動與檢測反饋,機床本體,機電接口等部分。數(shù)控機床的特點數(shù)控機床上一種新型的自動化機床,它具有廣泛的通用性和很高的自動化程度.數(shù)控機床是實現(xiàn)柔性自動化的關鍵設備,是柔性自動生產(chǎn)線的基本單元.數(shù)控機床在如下一些零件的加工中,更能顯示出它的優(yōu)越性,它們是:小批量而又輪番生產(chǎn)的零件;幾何形狀復雜的零件；在加工過程中必須進行多種工序加工零件；切削余量大的零件；必須嚴格控制公差(即公差帶圍很小)的零件；工藝設計會經(jīng)常變化的零件；加工過程中的錯誤會造成嚴重浪費的貴重零件；需全部檢測的零件,等等。數(shù)控機床的分類（一） 按運動控制的特點分

11、類1、點位控制數(shù)控機床對于一些加工孔用的數(shù)控機床，如數(shù)控鉆床，數(shù)控銑床，數(shù)控鏜床，數(shù)控沖床，三坐標測量機，印刷電路板鉆床等。2、直線控制數(shù)控機床直線控制的數(shù)控機床是指控制機床工作臺或刀具以要求的進給速度，沿著平行于坐標軸的方向精心直線移動和切削加工。如數(shù)控車床、某些數(shù)控鏜銑床和加工中心等。3、輪廓控制的數(shù)控機床可以加工斜線、曲線、曲面的數(shù)控機床,如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等。（二） 按伺服系統(tǒng)的類型分類1、 開環(huán)控制的數(shù)控機床該類機床沒有位置檢測反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號流向是單向的，精度主要決定于驅(qū)動元件和電機的性能。2、閉環(huán)控制的數(shù)控機床該類機床數(shù)控裝置中插補器發(fā)出的位置指令信號

12、與工作臺上檢測到的實際位置反饋信號進行比較，根據(jù)其差值不斷控制運動，進行誤差修正，直到差值為零停止運動。1.2 數(shù)控技術的產(chǎn)生與發(fā)展隨著計算機技術的發(fā)展，小型計算機應用于數(shù)控機床中，由此組成的數(shù)控系統(tǒng)稱為計算機數(shù)控(CNC)。80年代末，我國還在一定圍探索實施CIM，且取得了一些有益的經(jīng)驗和教益。90年代我國加強了自主知識產(chǎn)權數(shù)控系統(tǒng)的研制工作，而且取得了一定成效,如在五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、高精度車床數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)字仿形系統(tǒng)、中低檔數(shù)控系統(tǒng)等方面都取得了較好的成果。實際上從20世紀末期直到今天，在生產(chǎn)中使用的數(shù)控系統(tǒng)大部分都是第五代數(shù)控系統(tǒng)。但第五代數(shù)控系統(tǒng)以與以前各代都是一種專用封閉的系統(tǒng)，而第六

13、代開放式數(shù)控系統(tǒng)將代表著數(shù)控系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，將在現(xiàn)代制造業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。1.3 數(shù)控技術的發(fā)展趨勢為了在越來越激烈的全球巿場競爭中立于不敗之地，各工業(yè)發(fā)達國家均投入巨資，對現(xiàn)代制造技術進行研究開發(fā)，并相繼提出了多種全新的制造模式。如集成制造、柔性制造、智能制造、數(shù)字制造、網(wǎng)絡制造等，其目標不外乎提高制造的效率和精度，以與增加加工的適應性和降低生產(chǎn)成本。數(shù)控機床(系統(tǒng))作為現(xiàn)代制造系統(tǒng)的關鍵基礎單元，其功能的強弱和性能的好壞決定著上述制造模式的成敗。為適應日益復雜的制造過程，數(shù)控技術正在發(fā)生根本性變革。在體系結構方面，數(shù)控系統(tǒng)已基本上實現(xiàn)由專用型封閉式結構模式向通用型開放式結構模式

14、的轉(zhuǎn)型，并向基于PC的全數(shù)字化體系結構發(fā)展；在網(wǎng)絡化基礎上，數(shù)控系統(tǒng)可方便地與CAD/CAM集成為一體，數(shù)控機床的聯(lián)網(wǎng)運行，使得車間網(wǎng)絡化監(jiān)控、維護與管理變成了現(xiàn)實；在數(shù)控系統(tǒng)的高速、高精、高效控制方面，也采取了很多措施，如高速下的平滑控制算法、提高系統(tǒng)的快速響應能力、提高反饋和控制環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)分辨率等，獲得了不錯的效果；在智能化控制方面，通過采樣加工過程中影響產(chǎn)品加工質(zhì)量的外部變量，實現(xiàn)了加工參數(shù)的自動修正、調(diào)節(jié)與補償，有效提高了CNC的工作效率。 數(shù)控系統(tǒng)體系結構向基于PC的全數(shù)字化開放體系結構方向發(fā)展高速、高精度已成為高檔數(shù)控機床的主要特點，速度和精度是數(shù)控機床的兩個重要指標，它直接關系到

15、加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。高速、高精度數(shù)控機床是多品種、變批量加工環(huán)境下保持高效與柔性統(tǒng)一的必要工具。智能化控制是提高數(shù)控加工效率的有效手段。高檔數(shù)控系統(tǒng)是實現(xiàn)制造技術和裝備現(xiàn)代化的基石，是保證國防工業(yè)和高技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略物資，工業(yè)發(fā)達國家至今仍限制向中國出口。目前，國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化速度已經(jīng)嚴重制約了自主高端數(shù)字化裝備的研制，在航空航天、船舶、發(fā)電設備、軌道交通等所需的大型專用數(shù)控機床與工藝裝備基本依賴進口，已嚴重威脅到國民經(jīng)濟建設和國防安全，加快高檔數(shù)控系統(tǒng)的研究與產(chǎn)業(yè)化迫在眉睫。1.4 加工中心的概況1.4.1 加工中心的定義加工中心(Machining Center)是由機械設

16、備和數(shù)控組成的使用于加工復雜形狀工件的高效率自動化機床。1.4.2 加工中心的組成從主體上看，加工中心主要由以下幾部分組成：（1） 基礎部件基礎部件是加工中心的基礎結構，它主要由床身，工作臺，立柱三部分組成。這三部分不僅要承受加工中心的靜載荷，還要承受切削加工時產(chǎn)生的動載荷。所以要求加工中心的三大部件必須要有足夠的剛度，因此它們是鑄造而成的。（2） 主軸部件主軸部件是由主軸電機，主軸箱，主軸。主軸軸承等部件組成，主軸是加工中心切削加工的功率輸出部件。它的啟動，停止，變速，變向等動作均是由數(shù)控系統(tǒng)控制的。主軸的旋轉(zhuǎn)精度和定位的準確性，是影響加工中心加工精度的重要因素。（3） 數(shù)控系統(tǒng)加工中心的數(shù)

17、控系統(tǒng)由CNC裝置、可編程序控制器和伺服系統(tǒng)以與面板操作系統(tǒng)組成，它是執(zhí)行順序控制動作和加工過程的控制中心。CNC裝置是一種位置控制系統(tǒng)，其控制過程是根據(jù)輸入的信息進行數(shù)據(jù)處理、插補運算，獲得理想的運動軌跡，然后輸出到執(zhí)行部件，加工出所需要的零件。（4） 自動換刀系統(tǒng)換刀系統(tǒng)主要由刀庫和換刀機械手組成，如需要進行換刀時，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令，由機械手從刀庫中取出所需要的刀具裝入主軸孔，然后再把換下來的刀具放入刀庫。（5） 輔助裝置包括潤滑、冷卻、防護、排屑、渡壓、氣動和檢測系統(tǒng)等部分。這部分雖然不直接參與切削運動，但是也是加工中心不可缺少的部分。對加工中心的加工精度、加工效率和可靠性起著保障作用。

18、1.4.3 換刀機械手的介紹與其組成現(xiàn)在,工業(yè)機械手的使用圍只限于在簡單復雜的操作方面節(jié)省人力,其效益是代替人從事繁重的工作和危險的工作，在惡劣環(huán)境下尤其明顯。至于在汽車工業(yè)和電子工業(yè)之類的費工的工業(yè) 部門，機械手的應用情況決不能說是很好的。雖然這些工業(yè)部門工時不足的問題很尖銳，但采用機械手只限于一小部分工序。其原因之一是，工業(yè)機械手的性能還不能滿足這些部門的要求，適于機械手工作的圍很小。另外經(jīng)濟性問題當然也很重要，采用機械手來節(jié)約人力從經(jīng)濟上看不一定總是合算的，然而，利用機械手或類似機械設備節(jié)省和實現(xiàn)生產(chǎn)合理化的要求，今后還會增長。工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成：a 執(zhí)行機

19、構執(zhí)行機構由抓取部分(手部)，腕部，肩部和行走機構等運動部件組成。b 驅(qū)動機構有氣動，液動，電動和機械式四種形式。c 控制系統(tǒng)有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進行點位程序控制，也有采用可編程序控制器控制,微型計算機數(shù)字控制，采用凸輪，磁盤磁帶，穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。 d 基體(機身)基體是整個機械手的基礎。1.4.4 換刀機械手的類型自動換刀裝置由刀庫、換刀機械手、刀具傳送裝置、刀具編碼裝置、識刀器等五個部分組成。在自動換刀數(shù)控機床中，機械手的形式也是多種多樣，常見的有以下形式。1. 單臂單爪回轉(zhuǎn)式機械手這種機械手的手臂可以回轉(zhuǎn)不同的角度來進行

20、自動換刀，其手臂上只有一個卡爪，不論在刀庫上或是在主軸上，均靠這個卡爪來裝刀與卸刀，因此換刀時間較長，如圖1-a所示。2. 單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機械手這種機械手的手臂上有兩個卡爪，兩個卡爪有所分工。一個卡爪只執(zhí)行從主軸上取下“舊刀”送回刀庫的任務，另一個卡爪則執(zhí)行由刀庫取出“新刀”送到主軸的任務。其換刀時間較上述單爪回轉(zhuǎn)式機械手要少，如圖1-b所示。3雙臂回轉(zhuǎn)式機械手這種機械手的兩臂上各有一個卡爪，兩個卡爪可同時抓取刀庫與主軸上的刀具，回轉(zhuǎn)180°后又同時將刀具放回刀庫與裝入主軸。這種機械手換刀時間較以上兩種單械手均短，是最常用的一種形式。圖1-c右邊的機械手在抓取或?qū)⒌毒咚腿氲稁炫c主軸上

21、，兩臂可伸縮。4雙機械手這種機械手相當于兩個單臂單爪機械手，它們互相配合進行自動換刀。其中一個機械手從主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另一個由刀庫中取出“新刀”裝入機床主軸，圖1-d所示。5雙臂往復交叉式機械手這種機械手的兩手臂可以往復運動，并交叉成一定的角度。一個手臂從主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另一個手臂由刀庫中取出“新刀”裝入主軸。整個機械手可沿某導軌直線移動或繞某個轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)由刀庫與主軸間的運刀工作，如圖1-e所示。6雙臂端面夾緊式機械手這種機械手只是在夾緊部位上與前幾種不同。前幾種機械手均靠夾緊刀柄的外圓表面來抓取刀具，這種機械手則是靠夾緊刀柄的兩個端面來抓取的，如圖1-f所示。最

22、常用的一種換刀機械手形式，動作簡單。圖1 機械手的形式2 機械手手部的設計2.1 機械手手臂和手爪的設計2.1.1 手爪口的計算加工中心供自動刀具交換裝置使用的是通用刀柄N0.40；N0.45；N0.50三種類型，我本次設計的是小型加工中心,故選用N0.40。其型式如下圖所示,尺寸如表1所示。表1 自動換刀機床用7:24圓錐刀具柄部尺寸(GB/T 10944-1989)柄部型號椎體螺紋孔40#D144.45I168.40R1.2 I2 32I343I48.2d117d219GM16R11柄部型號凸緣40#D456025D563.55X3.75Y3.2F15.9T22.8T125J18.5B16

23、.1R21圖2 刀具結構與尺寸因為，故測量與刀柄槽相對位置如圖3所示。圖3 測量與刀柄槽相對位置兩測量棒中心距為，故由圖2-2可知：則手爪口的型式與尺寸與N0.40相匹配。如圖4所示，圖4 手爪口結構圖形這里應該有>(按彈簧鎖輪結構取)。2.1.2 手爪鎖的設計與計算當?shù)侗皇肿ψプ。吹毒咻S線與手爪口中心點重合）時，彈簧瑣輪在彈簧的作用下把刀柄鎖緊，使刀具不會從手爪口中脫落，其形式如圖5所示。圖5 刀具與銷的配合圖1彈簧；2活動銷；3刀具；4長銷；手爪在抓刀時，隨傳動軸逆時針旋轉(zhuǎn)，主軸與刀庫附近的凸臺壓下長銷4，活動銷（即彈簧鎖輪）被解鎖。手爪欲抓住刀柄，使手爪口中心與刀具中心線重合，

24、達到圖示位置，刀柄反作用力活動銷使其壓縮彈簧1向左運動至極限位置后手柄已進入手爪口，此時活動銷向右運動至手爪口中心與刀具中心軸線完全重合，回到初始狀態(tài)，刀柄被鎖住，抓刀結束，可以進行拔刀動作，而在抓刀時，整個機械手旋轉(zhuǎn)角度較小，故刀柄壓活動銷受力簡化等效如圖6所示。圖6 結構形式圖系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，機械手由原始位置轉(zhuǎn)過以實現(xiàn)抓刀動作，而兩手爪上的長銷4分別被主軸前端面和刀庫上的擋塊壓下，使軸向開有長槽的活動銷2在彈簧的作用下移動頂住刀具。機械手拔刀時，長銷4與擋塊脫離接觸，鎖緊銷2被彈簧3彈起，使活動銷4頂住刀具不能后退，這樣機械手在回轉(zhuǎn)時，刀具不會甩出。當機械手上升插刀時，長銷又被擋塊壓下

25、，松開刀具，機械手便可反轉(zhuǎn)復位。設計手爪口端點到手爪中心軸線垂直距離為7mm，抓刀初始位置時，最小，最大，抓刀過程中，（與手爪中心軸的夾角）逐漸減小，逐漸增大，逐漸減小至、三點一線時最大，最小，之后逐漸增大至活動銷還原至初始位置被鎖緊銷鎖住為抓刀完畢，不應過大，過大就會偏小，就會偏大，過小無法壓縮彈簧使活動銷移動，過大也會阻礙刀柄進入手爪口，不應過小，過小就會偏大，就會偏小，鎖輪便無法緊固刀柄，刀柄容易脫落。即取,鎖輪輪子的直徑（即活動銷直徑），則有：活動銷的滾輪中心到手爪中心軸線的垂直距離為：，則活動銷的行程a：活動銷上的行程槽應大于活動銷行程加上長銷直徑，根據(jù)機械設計手冊選取長銷直徑。則行

26、程槽長：（取），卡銷材料為35鋼，熱處理硬度，表面氧化處理的A型圓柱銷（GB119-86）卡銷直徑選8mm (由機械設計課程設計手冊第二版，吳宗澤主編)根據(jù)配合原理，則行程槽寬。我們可以設活動銷主體寬，高，長，活動銷尾部到鎖輪輪子中心距。2.2 彈簧的選擇與設計彈簧主要分為拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧和彎曲彈簧四種。按照彈簧形狀又可分為螺旋彈簧、碟形彈簧、環(huán)形彈簧、板彈簧、盤簧等。因為該設計中彈簧受到的壓力不大，選擇材料為類碳素彈簧鋼絲，普通圓柱螺旋彈簧鋼絲，初選直徑。彈簧中徑（GB/1358-78）查表30.2-4的許用應力，切面模量。又根據(jù)彈簧材料直徑,由表30.2-4得，彈簧鋼絲的抗拉強

27、度。那么旋繞比 ,曲度系數(shù)由<<機械零件設計計算實例>>得,所以得出彈簧能夠承載的最大載荷（1）校核彈簧截面材料的直徑（2）故初選合理。2.3 手爪的整體尺寸設計1. 首先考慮手爪部件的主要尺寸，設計如下：手爪總長82mm ,活動銷中心到聯(lián)接螺釘中心的距離為89mm.手爪總的道寬分別為: , .2. 從螺釘?shù)綑C械手手臂中心的距離為87mm,寬度為95mm,厚度為16mm.因此機械手的總長度為（65+89+87）×2=482mm。根據(jù)設計要求選定機械手臂的材料為45鋼，彎曲許用應力，在工作過程中，主要受橫向彎曲應力，最大正應力發(fā)生在彎矩最大的截面上，且離中性軸最

28、遠處。設刀具與手爪之重為10g，由前面可知承受重力到機械手臂中心的距離為241mm,因此：因此設計達到要求且合理。2.4 本章小結本章主要對機械手進行了設計,機械手主要由手臂、手爪、手爪口三部分組成。結合所學的知識和資料對手臂、手爪、手爪口進行了詳細的計算，設計中彈簧和活動銷也起到了重要的作用，我對這兩個部件進行了初步估算和選擇，彈簧是根據(jù)機械設計手冊上面來選擇的。初步設計出機械手爪部分的整體尺寸并對它的受力情況進行了校核。3 液壓傳動系統(tǒng)設計3.1 液壓傳動的概述液壓傳動系統(tǒng)設計與主機的設計是緊密聯(lián)系的，兩者往往同時進行，相互協(xié)調(diào)。主機對液壓系統(tǒng)的使用要設計液壓傳動系統(tǒng)的依據(jù)。系統(tǒng)的設計除了

29、應滿足主機要求的功能和性能外，還必須符合質(zhì)量輕、體積小、成本低、效率高、結構簡單、使用維護方便與工作可靠等要求。因此設計開始，首先必須搞清楚下列問題：1. 機概況：用途、主要結構、技術參數(shù)與性能、作業(yè)環(huán)境、工藝流程、總體布局；2. 液壓系統(tǒng)應完成那些動作，動作順序與彼此聯(lián)鎖關系如何；3. 液壓驅(qū)動機構的運動形式,運動速度；4. 各動作機構的載荷大小與其性質(zhì)；5. 對調(diào)速圍、運動平穩(wěn)性、轉(zhuǎn)換精度等性能方面的要求；6. 自動化程度、操作控制方式的要求；7. 對防火、防爆、周圍介質(zhì)、環(huán)境溫度、風沙與塵埃、外界沖擊振動、安全可靠性的要求；8. 對效率、成本等方面的要求。設計液壓系統(tǒng)的出發(fā)點，可以是充分

30、發(fā)揮其組成元件的工作性能，也可以是著重追求其工作狀態(tài)的絕對可靠。前者著眼于安全；實際的設計工作則常常是這兩種觀點不同程度的組合。為此，液壓傳動系統(tǒng)的設計迄今仍沒有一個公認的統(tǒng)一步驟，往往隨著系統(tǒng)的繁簡，借鑒的多寡，設計人員經(jīng)驗的不同而做法上呈現(xiàn)出差異來。下圖這種設計的基本容和一般流程。這里除了最末一項外全都是屬于性能設計的圍。這些步驟相互關聯(lián)，彼此影響，因此常需要穿插進行，交叉展開。最末一項屬于結構設計容，則須要仔細查閱產(chǎn)品樣本、手冊和資料，選定元件的結構和配置的型式，才能布局繪圖。圖7 液壓傳動系統(tǒng)的一般設計流程3.2 液壓缸的設計3.2.1 液壓缸的載荷組成與計算設機械手抓刀重約20Kg，

31、作用在活塞桿上的外部載荷包括工作載荷，導軌的摩擦力和由于速度變化而產(chǎn)生的慣性力。（3） （1）常見的工作載荷有作用于活塞桿軸線上的重力，切削力，擠壓力等，而該設計中只有重力：（2）導軌摩擦載荷（的取值參考機械設計手冊表37.5-2） （3）慣性載荷一般機械取，所以，除外載荷外，作用于活塞桿上的載荷還包括液壓密封處的摩擦阻力，一般估算為：（4） 液壓缸的機械效率，一般取 ； 則：液壓缸不同負載時的工作壓力表2如下：表2 液壓缸不同載荷時的工作壓力表載荷工作壓力故取工作壓力.3.2.2升降缸的設計圖8為活塞桿受壓狀態(tài)，圖9為受拉狀態(tài) 圖8 活塞桿受力圖（a）圖9 活塞桿受力圖(b)活塞桿受壓時：，

32、活塞桿受拉時：式中無桿腔活塞有效作用面積；有桿腔活塞有效作用面積； 液壓缸工作腔壓力；液壓缸回油壓力；一般液壓缸在受力狀態(tài)下工作，其活塞面積為：（5） 運用和關系令，其值是由下表選擇。如表3所示：表3 按工作壓力選取d/D工作壓力 MPa5.05.07.07.0d/D0.5 0.550.62 0.700.7所以可以得出活塞的直徑：（6） 所以，（與的值是在機械設計手冊表37.5-5和37.5-3選取的）， 根據(jù)所計算出的結果表4中選擇標準的尺寸。表4 活塞桿和液壓缸直徑速比缸徑1.4624022502863354580455690566010060701106380速比缸徑1.46212570

33、901408010016090100180100125200110140220125250140所以選擇，。活塞桿直徑的強度在高壓系統(tǒng)中要進行校核：活塞桿材料的許用應力，初選材料為20鋼，則許用應力為80MPa。又根據(jù)設計需要，（軸承的配合，螺釘?shù)陌惭b等）此活塞桿為空心桿。令空心桿徑，空心桿外徑。由于 （7）空心桿直徑；空心桿徑； 空心桿外徑；抗扭矩截面系數(shù)；所以有空心桿壁厚。 則設計符合要求。3.2.3 油缸壁厚的設計對于低壓系統(tǒng)或當時，油缸的壁厚有：（8） 缸筒試壓力，當時，當時， 缸筒材料的許用應力，20鋼，=100Mpa,所以，根據(jù)結構需要取。3.2.4 油缸長度的確定 液壓缸的缸筒長

34、度由最大工作行程決定，缸筒的長度一般最好不超過其徑20倍。即，設計任務書上給定了伸縮單行程為100m，即取L=135mm。3.2.5 油口直徑的計算液壓缸的油口直徑根據(jù)活塞最高運動速和油口最高液流速度而定， （9）因為，其中，；式中 無桿腔活塞有效作用面積；有桿腔活塞有效作用面積；活塞直徑 （）；活塞桿直徑 （）；由行程L初定換刀過程所用時間為1秒,則平均速度為0.135m/s。令無肛腔進油速，則有桿腔進油速度。所以，液流速度大小等于有桿腔進油速, 即.故。3.2.6 缸底厚度計算（缸底有油孔）因為考慮到缸底有油孔，所以計算公式有：圖10 液壓缸缸底 （10）式中缸底厚度；液壓缸徑；試驗壓力；

35、 缸底材料許用應力；選取材料為20無縫鋼管，。3.3 液壓回轉(zhuǎn)缸的設計3.3.1 回轉(zhuǎn)缸徑的計算作用在動片上的載荷力矩有以下關系：， （11）式中工作阻力矩（）所有回轉(zhuǎn)缸密封處的摩擦阻力矩（）， ，；參與回轉(zhuǎn)運動的零部件，在啟動時產(chǎn)生的慣性力矩（）； （12）齒輪回轉(zhuǎn)時，在啟動運動過程中的角加速度（）；角速度變化量（），；啟動過程時間，一般為令；參與回轉(zhuǎn)運動零部件，對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量（）；參與回轉(zhuǎn)運動的刀柄對重心轉(zhuǎn)動慣量（）；刀柄與機械手的總重量（）；刀柄與機械手的重心到回轉(zhuǎn)軸的距離（）由理論力學得公式，則 （13） 由于背壓力有如下規(guī)定：回油路上有節(jié)流閥的調(diào)速閥背壓力為0.2-0.5MPa，

36、回油路中設有背壓閥的系統(tǒng)背壓力為0.5-1.5MPa，采用輔助油泵的閉式回路背壓力為1-1.5MPa。故取0.6MPa 。 回轉(zhuǎn)液壓缸的進油腔壓力油液，作用在動片上的合成液壓力矩即驅(qū)動力矩，回轉(zhuǎn)缸徑的計算：根據(jù) （14）式中 回轉(zhuǎn)缸徑（）；作用在動片的外載荷力矩；回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力（）；動片寬度（）；輸出軸與動片聯(lián)接處的直徑（）；初步設計時按選取。為減少動片與輸出軸的聯(lián)接螺釘所受的載荷與動片的懸伸長度，選擇動片寬度（即液壓缸寬度）時，可選用回轉(zhuǎn)液壓缸的徑（）；由于慣性力矩必須大于所有摩擦力矩才能使回轉(zhuǎn)葉片動，即 所以由以上代數(shù)式子可以得到： ，代入上面的式子得，得出：；根據(jù)所選花鍵軸與之配合

37、取，則，。3.3.2 回轉(zhuǎn)缸壁厚的計算對于低壓系統(tǒng)或當時，回轉(zhuǎn)缸的壁厚有：（15） 缸筒試壓力，當時，當時，缸筒材料的許用應力，20鋼，=100Mpa；由于設計需要，雖其工作壓力較小，為了滿足穩(wěn)定性，強度與結構的要求取。 3.3.3 缸蓋聯(lián)接螺釘計算當工作壓力時應有，初取，。螺釘數(shù)目Z由公式得：（?。?。式中 螺釘中心所在圓的直徑；在這種聯(lián)接中每個螺釘在危險剖面上所承受的拉力是工作載荷與剩余鎖緊力之和，即：（16）式中 工作載荷（）；螺釘數(shù)目；油缸油液工作壓力（）；剩余鎖緊力，歲于要求緊密的聯(lián)接取因此，螺釘?shù)膹姸葪l件有：（17）式中計算載荷，；這里只考慮靜載荷；許用拉應力，（）；螺釘材料的屈服極

38、限（）這里選擇45鋼，所以=3600；（參考工業(yè)機械手設計基礎，允文編）安全系數(shù)，一般，取。則有 根據(jù)設計需要取3.3.4 動片輸出軸聯(lián)接螺釘計算 動片是輸出軸用螺釘聯(lián)接的結構，聯(lián)接螺釘一般對稱安裝，并用銷釘定位。聯(lián)接螺釘?shù)淖饔茫菏箘悠c輸出軸的配合面緊密接觸不留間隙。當油腔通壓油時，動片受油壓作用產(chǎn)生一個合成液壓力矩來克服輸出軸上所受的載荷力矩，動片所受的力矩的平衡條件有：式中每個螺釘?shù)念A緊力（N）；動片的寬度（m）；回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力（）；動片外徑（m）；動片與輸出軸配合處直徑（m）；螺釘數(shù)目；被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，鋼對鋼取。螺釘?shù)膹姸葪l件為：（18）因為，。所以有： 又 螺釘?shù)膹?/p>

39、度條件為由已知條件可得： 故設計滿足要求。3.4 本章小結本章主要是對液壓傳動系統(tǒng)進行設計，該設計中的液壓系統(tǒng)主要由一個液壓缸和一個擺動液壓缸（回轉(zhuǎn)液壓缸）兩部分組成。本章的任務是綜合運用所學的知識，通過計算研究，了解與收集有關先進技術，結合實際情況，力求設計出質(zhì)量好、效率高、結構簡單和操作維護方便的液壓傳動系統(tǒng)，回轉(zhuǎn)液壓缸是選用的雙葉片式擺動液壓馬達。4 花鍵軸的設計4.1 花鍵軸的計算4.1.1 軸的材料選擇軸的材料種類很多，設計時主要根據(jù)對軸的強度、剛度、耐磨性等要求，以與為實現(xiàn)這些要求而采用的熱處理方式，同時考慮制造工藝問題加以選用，力求經(jīng)濟合理。軸常用的材料是35、45、50優(yōu)質(zhì)碳素

40、鋼，最常用的是45鋼。對于受載較小或不太重要的軸，也可用、等普通碳素鋼。對于受力較大，軸的尺寸和重量受到限制，以與有某些特殊要求的軸，可采用合金鋼。根據(jù)設計要求由機械設計手冊4分冊軸的材料,如下表5和6所示:表5 軸的材料型號熱處理毛坯直徑硬度45調(diào)質(zhì)200217.255表6 軸的性能機械性能許用彎曲應力650360270155601002204.1.2 軸徑的初步計算由于液壓執(zhí)行元件的最大工作壓力與管路上的損失因素則,前面已經(jīng)計算出液流速度,回轉(zhuǎn)缸直徑,則, （19）. （20）,.根據(jù)機械零件設計計算實例得到軸徑的初步計算公式:（21）式中 材料的受載系數(shù)，選取軸為45鋼，故取；軸所傳遞的

41、功率；回轉(zhuǎn)時的最大轉(zhuǎn)速；為了滿足花鍵與回轉(zhuǎn)缸的配合，花鍵的規(guī)格選用： （為鍵數(shù)）對應為 （為鍵寬）由于花鍵為外花鍵，則公差配合為：4.1.3 花鍵軸的校核（1）許用彎曲應力的計算：由彎矩產(chǎn)生的彎曲應力應有以下關系式：，由材料力學可得到：（22）式中 回轉(zhuǎn)缸扭轉(zhuǎn)時的當量彎矩（）；花鍵軸截面抗扭系數(shù)，查機械設計教材附錄1得又 （23）式中 根據(jù)該換轉(zhuǎn)缸性質(zhì)而定的應力校正系數(shù)， 取；回轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的扭矩；則有 因此 故設計滿足要求。又由于花鍵軸在徑向受到抗扭矩的作用且作用在花鍵最小截面上產(chǎn)生最大剪應力，即 ， （24）式中 螺釘數(shù)目；螺釘寬度；則有：所以故設計合理。4.2 軸承的選擇4.2.1 升降缸中

42、軸承的選擇由于升降缸主要用于換刀機械手執(zhí)行拔刀、插刀動作.即實現(xiàn)直線往復運動,該運動所受的載荷較小,故選擇角接觸球軸承(GB/7292-94)首先對其使用壽命進行計算:(小時)查表機械零件設計計算實例18-3得壽命系數(shù):因為軸承轉(zhuǎn)速低,應按額定靜載荷和額定動載荷來進行計算,取較大值. （1）按額定靜載荷計算選擇有：（25）由表,得,按式子又由于該軸承只受到徑向載荷作用,故,所以,(由前面液壓缸的計算得） 則,由于,故取.所以根據(jù)和軸頸直徑可選用7205C型號的角接觸軸承().（2）按額定動載荷選擇軸承的條件有:（26）（27） 式中額定壽命，查表機械零件設計計算實例18-5；計算動載荷 N；當

43、量動載荷；額定動載荷；轉(zhuǎn)速；壽命系數(shù)，球軸承，滾子軸承；壽命系數(shù)，查表機械零件設計計算實例18-3，取=2.785；性質(zhì)系數(shù)，查表機械零件設計計算實例18-4，取=1.4；溫度系數(shù)，查表機械零件設計計算實例18-6，取=1；轉(zhuǎn)速系數(shù)，查表機械零件設計計算實例18-5，取=0.284；由于Fa=0,由表18-1,查得X=1,Y=0,代入式子(N)根據(jù)和軸頸直徑可選用7205C型號的角接觸軸承,因為,故設計滿足要求。4.2.2 對于回轉(zhuǎn)缸的軸承選擇 因為總負載很小，工作壓力不高，回轉(zhuǎn)缸軸承選用7206C完全足夠，無需校核！4.3 法蘭連接的選擇法蘭的種類分為灰鑄鐵管法蘭和鋼制管法蘭兩種，而鋼制管法

44、蘭又分為平面整體鋼制管法蘭、凸面整體鋼制管法蘭、凹凸面整體鋼制管法蘭、環(huán)聯(lián)接整體鋼制管法蘭等。在本次設計中，由于連接換刀機械手部分為一 平面的機械手手爪，因此我選擇平面帶頸平焊鋼制管法蘭。參考機械設計手冊。根據(jù)標準選擇灰鑄鐵管法蘭用石棉橡膠墊片（摘自GB4216.984）。4.4 升降缸中(液壓缸與活塞桿工作)密封元件密封可分為靜密封和動密封。密封材料應滿足密封功能的要求，由于被密封的介質(zhì)不同，以與設備的工作條件不同，要求密封材料具有不同的適應性。對密封材料的要求一般是：（1）材料致密性好，不易泄漏介質(zhì)；（2）有適當?shù)臋C械強度和硬度；（3）壓縮性和回彈性好；本次設計中我選擇的密封元件是（摘自

45、GB3452.1-92）。4.5 本章小結本章主要是對花鍵軸進行了計算與選擇，從而根據(jù)花鍵來選擇升降缸中和回轉(zhuǎn)缸中軸承的型號。由于花鍵軸在執(zhí)行轉(zhuǎn)動的時候緊固性高，而且能帶動的力比較大，所以花鍵比一般的平鍵更好。應該說花鍵在擺動液壓缸中的作用是比較大的，還對密封元件進行了選擇。5 機械手液壓控制系統(tǒng)設計5.1 液壓系統(tǒng)圖的擬定首先我們應該確定換刀機械手的工作過程,選定液壓執(zhí)行元件、油源類型、調(diào)速方案和液壓基本回路確定之后，在增添一些必要的元件和配置一些輔助性油路，如控制回路、測壓回路等把它們有機結合在一起。在該工作過程中機械手液壓系統(tǒng)的部件有:升降液壓缸和回轉(zhuǎn)液壓缸以與濾油器等.液壓系統(tǒng)在機械手

46、工作過程中所起的作用是通過電液轉(zhuǎn)換元件把控制信號進行功率放大，對液壓動力機構進行方向、信號、速度的控制，在大多數(shù)情況下液壓回轉(zhuǎn)缸采用擺動液壓缸。該系統(tǒng)的具有手臂升降，手臂回轉(zhuǎn)兩個自由度。動作順序為：逆轉(zhuǎn)90度手臂下降手臂回轉(zhuǎn)180度手臂上升手臂順轉(zhuǎn)90度復位。完成一個工作循環(huán)！上述動作均由電控系統(tǒng)發(fā)訊號控制相應的電磁鐵，按順序依次步進動作而實現(xiàn)的，動作順序可以根據(jù)工藝要求而改變。為便于機械手的自動控制，如采用可編程序控制器或微機進行控制，由于次系統(tǒng)的壓力和流量都不高，因此一般都選用電磁換向閥回路，以獲得較好的自動化程度和經(jīng)濟效益。液壓機械手一般采用單泵和雙泵供油，由于我們設計的機械手動作比較少

47、，所以采用單泵且并聯(lián)供油，這樣可以有效的降低系統(tǒng)的供油壓力，此時為了保證多缸運動的系統(tǒng)不干涉，實現(xiàn)同步或非同步運動，需要采用“O”型換向閥。 初步設計液壓系統(tǒng)原理圖為圖11：圖11 液壓系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)工作狀態(tài)如圖所示，首先由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，變量液壓泵3工作向液壓系統(tǒng)供油，壓力油經(jīng)單向閥4通到換刀機械手上的油路分配器，并通向兩只電磁換向閥（三位四通）。電磁閥的通電或斷電由PLC編制的程序控制，從而使機械手動作。當換向閥7中的電磁閥4DT通電時，壓力油通過換向閥的右位進入擺動液壓缸右腔，在壓力油的作用下使擺動液壓缸的動片旋轉(zhuǎn)一定角度，實現(xiàn)機械手的抓刀動作。該角度是由PLC的定時器所控制，在

48、定時器時間到達后4DT自動斷電，此時換向閥7處于中位。接著將執(zhí)行拔刀動作，換向閥6中的電磁閥2DT通電經(jīng)過單向調(diào)速閥進入升降液壓缸的上腔，在壓力油作用下推動活塞桿向下運動完成拔刀動作。其它的幾個動作如手臂旋轉(zhuǎn)、手臂上升的控制都是由控制相應電磁閥的通斷改變壓力油的方向?qū)崿F(xiàn)換刀動作。手臂的升降采用單桿作用液壓缸驅(qū)動，手臂的升降速度由單向節(jié)流閥8、9實現(xiàn)回油節(jié)流調(diào)速；手臂的回轉(zhuǎn)由擺動液壓缸驅(qū)動，其正反運動采用單向調(diào)速閥10、12回油節(jié)流調(diào)速。由于手臂升降缸為立式液壓缸，為了支承平衡手臂運動部件的自重，該系統(tǒng)在手臂升降中采用了單向順序閥11的平衡回路。電磁鐵動作順序表：表7 液壓系統(tǒng)動作順序表手臂動作

49、順序手臂逆轉(zhuǎn)90度手臂下降手臂逆轉(zhuǎn)180度手臂上升手臂順轉(zhuǎn)90度電磁鐵動作4DT1DT4DT2DT3DT5.2 液壓控制元件選用選擇液壓控制元件的主要依據(jù)系統(tǒng)的流量和工作壓力。其中最大流量必要時允許短期超過額定流量的20，否則會引起發(fā)熱、噪聲、壓力損失等增大和閥的性能的下降。此外，選擇閥時還應注意結構形式、特性、壓力等級、連接方式、集成方式與操縱方式等。液壓缸的流速V=110m/s,所以有：回轉(zhuǎn)缸的流速為V：，則所以最大流量為：(k的取值為1.11.3，這里取1.2)；直動式溢流閥的響應快，一般宜作制動閥、安全閥用；先導式溢流閥的啟閉特性好，宜作調(diào)壓閥、背壓閥等用。先導式溢流閥的最低調(diào)定壓力一

50、般只有 圍。溢流閥的流量應按液壓泵的最大流量選取，并應注意其允許的最小穩(wěn)定流量，一般來說，最小流量為額定流量的15以上。一般中、低壓流量閥的最小穩(wěn)定流量為 ；高壓流量閥為 。流量閥的進出口需要有一定的壓差，高精度流量閥約需1MPa的壓差。按通過閥的流量來選擇結構形式，一般來說，流量在 以上時宜用插裝閥；以下時可采用滑閥型換向閥。70 以下時可用電磁換向閥，否則需用電液換向閥。直流式電磁鐵壽命長，可靠性高，故應盡可能選用直流濕式電磁換向閥。在某些特殊場合，還要用安全防爆型、耐壓防爆型、無沖擊型以與節(jié)能型等電磁鐵。單向閥應選擇開啟壓力小的；開啟壓力較大（0.30.5）的單向閥可作背壓閥用。外泄式液

51、控單向閥與泄式相比，其控制壓力低，工作可靠，選用時可優(yōu)先考慮。根據(jù)閥類與輔助元件所在油路的最大工作壓力和通過該元件的最大流量，可選出液壓元件的型號與規(guī)格。5.3 本章小結液壓系統(tǒng)是由液壓傳動系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)組成的。一般所說液壓系統(tǒng)的設計則是泛指液壓系統(tǒng)傳動的設計，其實從結構組成或工作原理來看，這兩類系統(tǒng)本無本質(zhì)區(qū)別，僅僅一類以傳遞動力為住，追求傳動特性的完善，其執(zhí)行元件用來驅(qū)動主機的某個部分；另一類以實施控制為主，追求控制特性的完善，其執(zhí)行元件用來驅(qū)動某個液壓件的操縱裝置（例如液壓泵、液壓馬達的變量機構、液壓閥的閥心等）而已。因此傳動系統(tǒng)的設計容和方法只需略作調(diào)整，伺服系統(tǒng)使液壓傳動系統(tǒng)中的

52、有關裝置精確地、平穩(wěn)地按某種給定的規(guī)律變化，它和伺服系統(tǒng)一樣涉與的主要是系統(tǒng)的動態(tài)問題。本章設計的就是有關液壓傳動系統(tǒng)中升降和回轉(zhuǎn)的控制系統(tǒng)。6 機械手電氣控制系統(tǒng)設計6.1 電氣系統(tǒng)工作原理由于該設計要求機械手換刀時間為3秒，根據(jù)具體時間分配如下：手臂順、逆時針旋轉(zhuǎn)90°各0.4s，手臂上升下降各0.5s，手臂逆時針旋轉(zhuǎn)180°0.5s，檢查復位0.2s。電氣控制原理圖如圖12所示：圖12 電氣原理圖該電氣系統(tǒng)的工作原理如下：先合上電源開關QG，按下啟動按鈕SB2，KM1得電吸合并自鎖。電機開始正轉(zhuǎn)，KM1得電后動斷觸電KT1處于閉合狀態(tài)，所以電磁鐵YA1得電，同時時間繼

53、電器KT1也得電。手臂逆轉(zhuǎn)90°實現(xiàn)抓刀動作。延時0.4s后動斷觸點KT1斷開，YA1失電。同一時間延時動合觸點KT1閉合，動斷觸點KT2也是閉合的限位SQ1開關也是閉合的。所以YA2和時間繼電器KT2得電，實現(xiàn)手臂下降，完成拔刀動。延時0.5s后動斷觸點KT2和限位開關SQ1斷開，YA2失電。同一時間延時動合觸點KT2閉合，動斷觸點KT3閉合，所以YA3和時間繼電器KT3得電。實現(xiàn)手臂的逆轉(zhuǎn)180°，完成換刀動作。延時1s后動斷觸點KT3斷開，YA3失電。同一時間延時動合觸點KT3閉合，動斷觸點KT4和限位開關SQ2閉合，所以YA4得電，時間繼電器KT4也得電。實現(xiàn)手臂上升，完成裝刀動作。延時0.5s后動斷觸點KT4斷開，所以YA4失電。同一時間動合觸點KT4閉合，動斷觸點KT5是閉合的，所以YA5得電，時間繼電器KT5也得電。實現(xiàn)手臂順轉(zhuǎn)90°，實現(xiàn)手臂復位動作。延時0.4s后動斷觸點KT5斷開，YA5失電。同一時間動合觸點KT5閉合，動斷觸點KT