小型加工中心自動控制換刀機械手的設計

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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 學生姓名： 陳志蛟 指導教師： 陳豐峰 職稱 副教授 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化班 級： 機本 0704 完成時間： 2011 年 5 月 20 日 1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(shù)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。回顧數(shù)控技術(shù)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(gòu)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(guān)鍵詞: 加工中心；換刀機械手；PLC 2AbstractThis paper introduces the design of 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 conditions 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 the 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 axle 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, 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 system, 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) １1 緒 論1.1 數(shù)控技術(shù)的基本概念1.1.1 我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展概況回顧數(shù)控技術(shù)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。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)以及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)控機床的組成及特點數(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)動及檢測反饋,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(guān)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:①小批量而又輪番生產(chǎn)的零件;②幾何形狀復雜的零件；③在加工過程中必須進行多種工序加工零件；④切削余量大的零件；⑤必須嚴格控制公差(即公差帶范圍很小)的零件；⑥工藝設計會經(jīng)常變化的零件；⑦加工過程中的錯誤會造成嚴重浪費的貴重零件；⑧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２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(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展隨著計算機技術(shù)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，我國還在一定范圍內(nèi)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(quán)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)以及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。1.3 數(shù)控技術(shù)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(shù)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，以及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(guān)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(shù)正在發(fā)生根本性變革。在體系結(jié)構(gòu)方面，數(shù)控系統(tǒng)已基本上實現(xiàn)由專用型封閉式結(jié)構(gòu)模式向通用型開放式結(jié)構(gòu)模式的轉(zhuǎn)型，并向基于 PC 的全數(shù)字化體系結(jié)構(gòu)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３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(jié)構(gòu)向基于 PC 的全數(shù)字化開放體系結(jié)構(gòu)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(guān)系到加工效率和產(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(shù)和裝備現(xiàn)代化的基石，是保證國防工業(yè)和高技術(shù)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)展及產(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)控機床及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(jié)構(gòu)，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)控系統(tǒng)由 CNC 裝置、可編程序控制器和伺服系統(tǒng)以及面板操作系統(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內(nèi)，然后再把換下來的刀具放入刀庫。４（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。1.4.3 換刀機械手的介紹及其組成現(xiàn)在,工業(yè)機械手的使用范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，適于機械手工作的范圍很小。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(gòu)，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成：a 執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)由抓取部分(手部)，腕部，肩部和行走機構(gòu)等運動部件組成。b 驅(qū)動機構(gòu)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及卸刀，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５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及主軸上的刀具，回轉(zhuǎn) 180°后又同時將刀具放回刀庫及裝入主軸。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毒咚腿氲稁旒爸鬏S上，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。最常用的一種換刀機械手形式，動作簡單。６圖 1 機械手的形式72 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# D144.45I168.40R1.2I232I343I48.2d117d219GM16R11柄部型號 凸緣40# D456025D563.55X3.75Y3.2F15.9T22.8T125J18.5B16.1R21圖 2 刀具結(jié)構(gòu)與尺寸因為 ，故測量與刀柄槽相對位置如圖 3 所示。6572.306.58.7D?????8圖 3 測量與刀柄槽相對位置兩測量棒中心距為 ，故672.065.D???587OP?”1.cos60OP?’752??’由圖 2-2 可知： ''sin60?““POtg?'“' 1.752()2(0.86)7.0siY tg????????47.066DhXtgtg???? ?則手爪口的型式與尺寸與 N0.40 相匹配。如圖 4 所示，9圖 4 手爪口結(jié)構(gòu)圖形'''5'4' 2.86703.516.XmYDb??這里應該有 ( 按彈簧鎖輪結(jié)構(gòu)取)。Ff2.1.2 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；10手爪在抓刀時，隨傳動軸逆時針旋轉(zhuǎn)，主軸及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，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(jié)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(jié)構(gòu)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 90?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) 180?時，刀具不會甩出。當機械手上升插刀時，長銷又被擋塊壓下，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，3O 1F最大，抓刀過程中， （ 與手爪中心軸的夾角）逐漸減小， 逐漸增大，2F??2逐漸減小至 、 、 三點一線時 最大， 最小，之后 逐漸增大至活動銷231F21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??2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，1 2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??1F2落。即取 ,鎖輪輪子的直徑（即活動銷直徑） ，則有：25?? 1dm?'51237.DdO??活動銷的滾輪中心到手爪中心軸線的垂直距離為：11'212sin5.96Om??，'12cos534.26Om???則活動銷的行程 a：'1237.4.3.5??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 。02.1d???則行程槽長： （取 ） ，卡銷材料為 35 鋼，熱處理硬2.lam???1l?度 ，表面氧化處理的 A 型圓柱銷（GB119-86）卡銷直徑選 8mm (由機械83HRC?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0.18b??可以設活動銷主體寬 ，高 ，長 ，活動銷尾部到鎖輪輪21b25h240lm子中心距 。34lm?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Ⅱ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 ，1.4dm?29Dm? ]0.4Pb???Ⅱ切面模量 80GPa。又根據(jù)彈簧材料直徑 ,由表 30.2-4 得，彈簧鋼絲的1.4dm?抗拉強度 。63bM?[]0.4.863752bMPa???Ⅱ那么旋繞比 ,曲度系數(shù)由得21Cd,所以得出彈簧能夠承載的最大載荷1.2k? n[]8nPkc???Ⅱ（1） 221.475.6.32836ndp????pⅡ「 」 （ N）校核彈簧截面材料的直徑1.6[]nPkc??Ⅱ（2） .32.431.6. 1.4[]75nPkcd m???????Ⅱ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.手爪總的內(nèi)道寬分12別為: , .'2.86Xm?'7.0Y?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[]10MPa??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max?中性軸最遠處。maxax[]MW???3232363(0.951)0.611 4.05()26bhIZ m??????設刀具及手爪之重為 10g，由前面可知承受重力到機械手臂中心的距離為241mm,因此：3109.82410.8()MFSNm????max65.[]10.MPaPaW???因此設計達到要求且合理。2.4 本章小結(jié)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(jié)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。133 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)的使用要求是設計液壓傳動系統(tǒng)的依據(jù)。系統(tǒng)的設計除了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(jié)構(gòu)簡單、使用維護方便及工作可靠等要求。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(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)及性能、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，動作順序及彼此聯(lián)鎖關(guān)系如何；3. 液壓驅(qū)動機構(gòu)的運動形式,運動速度；4. 各動作機構(gòu)的載荷大小及其性質(zhì)；5. 對調(diào)速范圍、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內(nèi)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范圍。這些步驟相互關(guān)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(jié)構(gòu)設計內(nèi)容，則須要仔細查閱產(chǎn)品樣本、手冊和資料，選定元件的結(jié)構(gòu)和配置的型式，才能布局繪圖。14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 液壓缸的載荷組成及計算設機械手抓刀重約 20Kg，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。 wgafF??（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： 209.86()gmN??（2）導軌摩擦載荷 fF（ 的取值參考機械設計手冊表 37.5-2） .1()fg??（3）慣性載荷 a一般機械取 ，所以，20Gvt????（ ） stv5.1~0/??1968()WFN?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FmF算為：15(1)mF???（4）液壓缸的機械效率，一般取 ； 95.0~則： 284()0.9WmN???(1)(280F?? 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 410N0.5?1~.23~5?工作壓力 MP8?5.47~?故取工作壓力 .51a??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：，12WmFPA???活塞桿受拉時： 121式中 1A——無桿腔活塞有效作用面積；2——有桿腔活塞有效作用面積； 1P——液壓缸工作腔壓力；162P——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：211FA??（5） 運用 和 關(guān)系令 ，其值是由下表選擇。如表 3 所示：1A20.5dD?表 3 按工作壓力選取 d/D工作壓力 MPa ＜5.0 5.0~7.0 ＞7.0d/D 0.5 ~ 0.55 0.62 ~ 0.70 0.7所以可以得出活塞的直徑：2143.()FDP???（6） 2 2148503.().4(0.9(1.)FD mP??? ??所以 ， （ 與 的值是在機械設計手冊表 37.5-5 和 37.5-3 選取的） ， 05dm1根據(jù)所計算出的結(jié)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1.46212570901408010016090100180100125200110140220125250140所以選擇 ， 。80Dm?45d活塞桿直徑的強度在高壓系統(tǒng)中要進行校核：17642481.93.10Fdm??????「 」?「 」——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。令空心桿內(nèi)徑 ，空心桿外徑 。52dm?'72dm由于 ttTW?空實（7） “2'4“11()6dd??——空心桿直徑；——空心桿內(nèi)徑； 'd——空心桿外徑； tW——抗扭矩截面系數(shù)；所以有 “64.71.98dm??空心桿壁厚。 ' 72510dm????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：16AL???2[]yPAL??（8） ——缸筒試壓力，當 時， ，當 時， yP16n?.5yn?16nP?.25ynP?[ ]——缸筒材料的許用應力，20 鋼，[ ]=100Mpa,所以，?，6.80.482[]yPALm?????根據(jù)結(jié)構(gòu)需要取 。8m?3.2.4 油缸長度的確定液壓缸的缸筒長度由最大工作行程決定，缸筒的長度一般最好不超過其內(nèi)徑 20倍。即 ，設計任務書上給定了伸縮單行程為L240~1680)3~2(??100m，即取 L=135mm。183.2.5 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 V和油口最高液流速度 而定，'V0'.13dD?（9）因為 ，其中 ， ； 1210.68VA?214A?24d?式中 ——無桿腔活塞有效作用面積；1——有桿腔活塞有效作用面積；2——活塞直徑 （ ） ；Dm——活塞桿直徑 （ ） ；d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 。10.Vms?20.6Vs?所以 ，液流速度 大小等于有桿腔進油2ax1.8V? 'V速, 即 .'.6/故。30' 0.1.30.1.36dDm????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00.43[]()yPDhd???（10）式中19h——缸底厚度； D——液壓缸內(nèi)徑；yP——試驗壓力； ——缸底材料許用應力；選取材料為 20 無縫鋼管，[]?[]10MPa??。6330 1.50810.43.4804.8[]() (.)yhD md ??????? ?3.3 液壓回轉(zhuǎn)缸的設計3.3.1 回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑的計算作用在動片上的載荷力矩 有以下關(guān)系：M驅(qū)， Z??驅(qū) 回封 慣（11）式中——工作阻力矩（ ）Z /kgcms?——所有回轉(zhuǎn)缸密封處的摩擦阻力矩（ ）M慣 /kgcms?， ，'“??封 封 封 '1bPR??封， ；12()cdrF?封 2r??——參與回轉(zhuǎn)運動的零部件，在啟動時產(chǎn)生的慣性力矩慣（ ） ； ； /kgcms? tJ?/0??慣（12）?——齒輪回轉(zhuǎn)時，在啟動運動過程中的角加速度（ ） ；2/rads——角速度變化量（ ） ， ；w?/rads2/??w——啟動過程時間，一般為 令 ；t )5.0~1.(?tt1.0??0J——參與回轉(zhuǎn)運動零部件，對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量（ ）2kgcm?；20GeJg??——參與回轉(zhuǎn)運動的刀柄對重心轉(zhuǎn)動慣量（ ） ；2?——刀柄與機械手的總重量（ ） ；kge——刀柄與機械手的重心到回轉(zhuǎn)軸的距離（ c）由理論力學得公式 ，則 201MlJ?1201(4820)95.Jkgm????stv /36./95/0???慣202()RrbMbPdRr????回 回 回（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，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 。 P回回轉(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 ，'M驅(qū)' 2()RrpdMbD????驅(qū)回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑 D的計算：根據(jù) '驅(qū) 驅(qū)2()8pbDd??驅(qū)2M?驅(qū)（14）式中 D——回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑（ m） ；驅(qū) ——作用在動片的外載荷力矩；p——回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力（ Pa） ；b——動片寬度（ ） ；d——輸出軸與動片聯(lián)接處的直徑（ ） ；初步設計時按選取。5.2~1/?dD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 2bDd??——回轉(zhuǎn)液壓缸的內(nèi)徑（ m） ；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 2M??回慣所以由以上代數(shù)式子可以得到： 307.85Md?，962回代入上面的式子得，得出： ；根據(jù)所選花鍵軸與之配合取 ，031.4dcm? 036dm?則 ， 。002.5.369Dd???0.34b?213.3.2 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：16AL???2[]yPAL??（15） ——缸筒試壓力，當 時， ，當 時， yP16n?.5yn?16nP?.25ynP?[ ]——缸筒材料的許用應力，20 鋼，[ ]=100Mpa；?50' 6.90.42[]1yPDm????由于設計需要，雖其工作壓力較小，為了滿足穩(wěn)定性，強度及結(jié)構(gòu)的要求取。 '20m??3.3.3 缸蓋聯(lián)接螺釘計算當工作壓力 時應有 ，初取 ， 。MPa15~?015tm?045tm?26/Pkgc螺釘數(shù)目 Z 由公式 得： （取 ） 。' ' '0()DtVD???? 7.9Z8Z?式中 ——螺釘中心所在圓的直徑；'0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0QF之和，即：'sQF0' '20(1)4sQQFDZPK????（16）式中 ——工作載荷（ ） ；QFkg——螺釘數(shù)目；Z8.1~5?K——油缸內(nèi)油液工作壓力（ ） ；P2/cm——剩余鎖緊力，歲于要求緊密的聯(lián)接取'sQ 0'sQFk?因此，螺釘?shù)膹姸葪l件有：14[]QjFd???（17）22式中——計算載荷， ；這里只考慮靜載荷；QjF1.3QjF?——許用拉應力， （ ） ；[]?[]sn?2/kgcm——螺釘材料的屈服極限（ ）這里選擇 45 鋼，所以s=3600 ；（參考工業(yè)機械手設計基礎，李允文編）s?2/kgcm——安全系數(shù)，一般 ，取 。n5.2~1??則有 214.3.0[]6QjFd m??????根據(jù)設計需要取16m?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(jié)構(gòu)，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：2()82QbpdDdMFZf??摩式中 ——每個螺釘?shù)念A緊力（N） ；QF——動片的寬度（m） ；b——回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力（ ） ；pPa——動片外徑（m） ；D——動片與輸出軸配合處直徑（m ） ；d——螺釘數(shù)目；Z——被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，鋼對鋼取 。f 0.15f?螺釘?shù)膹姸葪l件為：2()4QbpFDdZf??（18）因為 ， ， ， ， ， 。所54.bmc?26Pkgcm80.15f?3.6dcm9Dc?以有： 25.4(9.)7.()013.6QFN???又 螺釘?shù)膹姸葪l件為2314[]QjFd???由已知條件可得： 127.60.363.4cm???故設計滿足要求。3.4 本章小結(jié)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(guān)先進技術(shù)，結(jié)合實際情況，力求設計出質(zhì)量好、效率高、結(jié)構(gòu)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。244 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，以及為實現(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3A5到限制，以及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) 200?217.255表 6 軸的性能機械性能 許用彎曲應力b?650s3601??2701??155[ ]1??60[ ]1100[ ]1??2204.1.2 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610.8Pa??則 ,前面已經(jīng)計算出液流速度 ,回0.5pMPa??= 1.5pMa???=總 '0.16/Vms?轉(zhuǎn)缸直徑 ,則9Dm, 233203.496.0Am???（19）. 306.10.17/inQVL????（20）, .0.95V??.8599VPKW?總功 10.9154.()TNm?? 根據(jù) 機械零件設計計算實例 得到軸徑的初步計算公式:==330.1.425dAmn????功（21）式中 25——材料的受載系數(shù)，選取軸為 45 鋼，故取 ；A 10A?——軸所傳遞的功率；P功——回轉(zhuǎn)時的最大轉(zhuǎn)速 ；n1450minnr?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)）' 'NdDB?'N對應為 （ 為鍵寬）8125'由于花鍵為外花鍵，則公差配合為：710636(487)nfadGB?? 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(guān)系式： ，由材料力學可得到：1b?1[]b???'1[]bMW???（22）式中 ——回轉(zhuǎn)缸扭轉(zhuǎn)時的當量彎矩（ ） ；' .Nm——花鍵軸截面抗扭系數(shù)，查機械設計教材附錄 1 得32d??又 ' 21()MT???驅(qū)（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 ；1[]60.27????——回轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的扭矩；M驅(qū)則有 10.275.9163.TNm????3348(08)0.591(.)d Nm?????驅(qū)因此 ' 2 4221()(.591).6.3(.)MT?????驅(qū)333.40870(Wd???2661 16.32.840[]60057b bPaMPa????????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 max[]tTW????， 42()()3tdDdNBW?????（24）式中 ——螺釘數(shù)目；N——螺釘寬度；B則有：4 23633.108(.20.18)[.0.18]501.703tW m????????? ??所以 max 165.9.3170tTMPaa? ??????故設計合理。4.2 軸承的選擇4.2.1 升降缸中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)15302815%0hL???查表 ?機械零件設計計算實例 18-3 得壽命系數(shù): ?2.785hf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：00jCSP??（25）由表 , 得 , ,按式子 又由于該軸承82?00.6.5XY 01.00raXFY??只受到徑向載荷作用,故 ,所以 , (由前面液壓缸的計算得） aF6rF28N則 ,由于 ,故取 .所以0.613.8P?? N0rP?0301.3jCN??根據(jù) 和軸頸直徑 可選用 7205C 型號的角接觸軸承( ).jCd 745k?（2）按額定動載荷選擇軸承的條件有: