基于plc的加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)【15張CAD圖紙+PDF圖】
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摘 要
本設(shè)計(jì)介紹了加工中心自動(dòng)換刀裝置的機(jī)械手結(jié)構(gòu)的部分設(shè)計(jì)、相關(guān)液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀動(dòng)作；介紹了目前實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)換刀技術(shù)的基本方法和各種途徑，及其在加工中心上的應(yīng)用情況和實(shí)際達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，從而可看出這方面的發(fā)展趨勢(shì)。
換刀裝置作為加工中心的重要組成部分，其主要作用在于減少加工過(guò)程中的非切削時(shí)間，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，進(jìn)而提升機(jī)床乃至整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)力。加工中心自動(dòng)換刀裝置是實(shí)現(xiàn)多工序連續(xù)加工的重要裝置，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其控制是實(shí)現(xiàn)加工中心設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵。加工中心的換刀過(guò)程較為復(fù)雜，動(dòng)作多，動(dòng)作間的相互協(xié)調(diào)關(guān)系多，因而自動(dòng)換刀系統(tǒng)性能的好壞直接影響加工效率的高低。
帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的數(shù)控加工中心在現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)中起著越來(lái)越重要的作用，它能縮短產(chǎn)品的制造周期，提高產(chǎn)品的加工精度，適合柔性加工。加工中心是數(shù)控機(jī)床中較為復(fù)雜的加工設(shè)備，由于其具有多種加工能力而得到廣泛的應(yīng)用，其強(qiáng)大的加工能力和效率得益于其配置的自動(dòng)換刀裝置（Automatic Tool Changer）。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)換刀，機(jī)械手，設(shè)計(jì)，加工中心
CNC Machining Center Automatic Tool Changing System
ABSTRACT
This paper introduces the structure of Automatic Tool Changer,And the single chip microcomputer is used to achieve the process of automatic tool changing.
The cutting tool recognition system uses the cutting tool encoding method, this way is to carries on every time the cutting tool the code, because has every time the cutting tool own code, therefore, may deposit in Yu Daoku any tool apron. In such knife storehouse, simultaneously also reduced the knife storehouse operating time; Simplified has traded the knife control wiring automatically. The manipulator uses the single arm union chuck rotation type to extend draws back the hand, may complete grasps the knife to draw a sword the rotation slotting tool returns and so on a series of movements.
Trades the knife installment to take the machining center the important component, its leading role lies in the reduction processing process the non-cutting time, raises the productivity, reduces the production cost, then promotes the engine bed and even the entire production line's productive forces. The machining center automatically trades the movement are many, the movement intercoordination relates much, thus trades the knife system performance automatically the quality immediate influence processing efficiency height. Has trades the knife system's numerical control machining center to play more and more vital role automatically in the modern advanced manufacturing industry, it can reduce product the manufacturing cycle, enhances the product the working accuracy, suits the flexible processing. The machining center is in the numerically-controlled machine tool the more complex processing equipment, because it has many kinds of working capacities to obtain the widespread application, its formidable working capacity and the efficiency benefit from its disposition trade the knife installment automatically (Automatic Tool Changer).
KEY WORDS: automatic tool changer;single chip microcomputer;design，The machining center.
4
目 錄
前 言 1
第1章 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 2
1.1本課題的內(nèi)容和要求 2
1.2 畢業(yè)設(shè)計(jì)目的 2
第2章 總體方案的設(shè)計(jì) 4
2.1 換刀過(guò)程 4
2.2 伸縮與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的確定 5
2.2.1 液壓傳動(dòng)的優(yōu)缺： 5
2.2.2 液壓傳動(dòng)裝置的組成 6
2.2.3 液壓系統(tǒng)中在機(jī)械手中主要實(shí)現(xiàn)的輔助功能： 7
2.3主要參數(shù)的確定 7
2.3.1 工作行程 7
2.3.2 運(yùn)動(dòng)速度 8
2.3.3 驅(qū)動(dòng)方式 8
2.3.4 定位精度 8
2.3.5 液壓系統(tǒng)元件的選擇 8
2.3.6 液壓系統(tǒng)的控制原理 9
2.3.7 機(jī)械手液壓系統(tǒng)的工作原理圖 11
第3章 機(jī)械手各部分的設(shè)計(jì) 13
3.1 驅(qū)動(dòng)液壓缸的設(shè)計(jì) 13
3.1.1 液壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)： 13
3.1.2 液壓缸的設(shè)計(jì)： 14
3.2 花鍵軸及軸套的設(shè)計(jì)與校核 16
3.3 軸承的選擇與潤(rùn)滑 20
3.4 齒輪的設(shè)計(jì)與校核 20
3.4.1 齒輪的設(shè)計(jì) 20
3.4.2 齒輪的校核 22
3.5機(jī)械手臂及手抓的設(shè)計(jì) 24
3.5.1 對(duì)設(shè)計(jì)手臂的要求 24
3.6 立柱和機(jī)座 26
3.6.1 立柱 26
3.6.2 機(jī)座 26
3.7刀庫(kù)及換刀機(jī)械手的常見(jiàn)故障和維護(hù) 27
3.7.1 刀庫(kù)的故障 27
3.7.2 換刀機(jī)械手故障 27
結(jié) 論 29
謝 辭 30
參考文獻(xiàn) 31
前 言
機(jī)械工業(yè)是國(guó)民的裝備部，是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生活提供耐用消費(fèi)品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開(kāi)各種各樣的機(jī)械裝備，機(jī)械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益有很大的和直接的影響。機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國(guó)都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國(guó)經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一。
加工中心是數(shù)控機(jī)床中較為復(fù)雜的加工設(shè)備，由于其具有多種加工能力而得到廣泛的應(yīng)用，其強(qiáng)大的加工能力和效率得益于其配置的自動(dòng)換刀裝置（Automatic Tool Changer）。
因此，機(jī)械手已受到許多部門(mén)的重視，并越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門(mén)跨學(xué)科綜合技術(shù)
基于plc的加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化
摘 要
本設(shè)計(jì)介紹了加工中心自動(dòng)換刀裝置的機(jī)械手結(jié)構(gòu)的部分設(shè)計(jì)、相關(guān)液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀動(dòng)作；介紹了目前實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)換刀技術(shù)的基本方法和各種途徑，及其在加工中心上的應(yīng)用情況和實(shí)際達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，從而可看出這方面的發(fā)展趨勢(shì)。
換刀裝置作為加工中心的重要組成部分，其主要作用在于減少加工過(guò)程中的非切削時(shí)間，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，進(jìn)而提升機(jī)床乃至整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)力。加工中心自動(dòng)換刀裝置是實(shí)現(xiàn)多工序連續(xù)加工的重要裝置，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其控制是實(shí)現(xiàn)加工中心設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵。加工中心的換刀過(guò)程較為復(fù)雜，動(dòng)作多，動(dòng)作間的相互協(xié)調(diào)關(guān)系多，因而自動(dòng)換刀系統(tǒng)性能的好壞直接影響加工效率的高低。
帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的數(shù)控加工中心在現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)中起著越來(lái)越重要的作用，它能縮短產(chǎn)品的制造周期，提高產(chǎn)品的加工精度，適合柔性加工。加工中心是數(shù)控機(jī)床中較為復(fù)雜的加工設(shè)備，由于其具有多種加工能力而得到廣泛的應(yīng)用，其強(qiáng)大的加工能力和效率得益于其配置的自動(dòng)換刀裝置（Automatic Tool Changer）。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)換刀，機(jī)械手，設(shè)計(jì)，加工中心
CNC Machining Center Automatic Tool Changing System
ABSTRACT
This paper introduces the structure of Automatic Tool Changer,And the single chip microcomputer is used to achieve the process of automatic tool changing.
The cutting tool recognition system uses the cutting tool encoding method, this way is to carries on every time the cutting tool the code, because has every time the cutting tool own code, therefore, may deposit in Yu Daoku any tool apron. In such knife storehouse, simultaneously also reduced the knife storehouse operating time; Simplified has traded the knife control wiring automatically. The manipulator uses the single arm union chuck rotation type to extend draws back the hand, may complete grasps the knife to draw a sword the rotation slotting tool returns and so on a series of movements.
Trades the knife installment to take the machining center the important component, its leading role lies in the reduction processing process the non-cutting time, raises the productivity, reduces the production cost, then promotes the engine bed and even the entire production line's productive forces. The machining center automatically trades the movement are many, the movement intercoordination relates much, thus trades the knife system performance automatically the quality immediate influence processing efficiency height. Has trades the knife system's numerical control machining center to play more and more vital role automatically in the modern advanced manufacturing industry, it can reduce product the manufacturing cycle, enhances the product the working accuracy, suits the flexible processing. The machining center is in the numerically-controlled machine tool the more complex processing equipment, because it has many kinds of working capacities to obtain the widespread application, its formidable working capacity and the efficiency benefit from its disposition trade the knife installment automatically (Automatic Tool Changer).
KEY WORDS: automatic tool changer;single chip microcomputer;design，The machining center.
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目 錄
前 言 1
第1章 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 2
1.1本課題的內(nèi)容和要求 2
1.2 畢業(yè)設(shè)計(jì)目的 2
第2章 總體方案的設(shè)計(jì) 4
2.1 換刀過(guò)程 4
2.2 伸縮與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的確定 5
2.2.1 液壓傳動(dòng)的優(yōu)缺： 5
2.2.2 液壓傳動(dòng)裝置的組成 6
2.2.3 液壓系統(tǒng)中在機(jī)械手中主要實(shí)現(xiàn)的輔助功能： 7
2.3主要參數(shù)的確定 7
2.3.1 工作行程 7
2.3.2 運(yùn)動(dòng)速度 8
2.3.3 驅(qū)動(dòng)方式 8
2.3.4 定位精度 8
2.3.5 液壓系統(tǒng)元件的選擇 8
2.3.6 液壓系統(tǒng)的控制原理 9
2.3.7 機(jī)械手液壓系統(tǒng)的工作原理圖 11
第3章 機(jī)械手各部分的設(shè)計(jì) 13
3.1 驅(qū)動(dòng)液壓缸的設(shè)計(jì) 13
3.1.1 液壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)： 13
3.1.2 液壓缸的設(shè)計(jì)： 14
3.2 花鍵軸及軸套的設(shè)計(jì)與校核 16
3.3 軸承的選擇與潤(rùn)滑 20
3.4 齒輪的設(shè)計(jì)與校核 20
3.4.1 齒輪的設(shè)計(jì) 20
3.4.2 齒輪的校核 22
3.5機(jī)械手臂及手抓的設(shè)計(jì) 24
3.5.1 對(duì)設(shè)計(jì)手臂的要求 24
3.6 立柱和機(jī)座 26
3.6.1 立柱 26
3.6.2 機(jī)座 26
3.7刀庫(kù)及換刀機(jī)械手的常見(jiàn)故障和維護(hù) 27
3.7.1 刀庫(kù)的故障 27
3.7.2 換刀機(jī)械手故障 27
結(jié) 論 29
謝 辭 30
參考文獻(xiàn) 31
前 言
機(jī)械工業(yè)是國(guó)民的裝備部，是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生活提供耐用消費(fèi)品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開(kāi)各種各樣的機(jī)械裝備，機(jī)械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益有很大的和直接的影響。機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國(guó)都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國(guó)經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一。
加工中心是數(shù)控機(jī)床中較為復(fù)雜的加工設(shè)備，由于其具有多種加工能力而得到廣泛的應(yīng)用，其強(qiáng)大的加工能力和效率得益于其配置的自動(dòng)換刀裝置（Automatic Tool Changer）。
因此，機(jī)械手已受到許多部門(mén)的重視，并越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門(mén)跨學(xué)科綜合技術(shù)
畢業(yè)設(shè)計(jì)目的
其主要目的：
1. 培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決本專(zhuān)業(yè)的一般工程技術(shù)問(wèn)題的獨(dú)立工作能力，拓寬和深化學(xué)生的知識(shí)。
2. 培養(yǎng)學(xué)生樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)構(gòu)思和創(chuàng)新思維，掌握工程設(shè)計(jì)的一般程序規(guī)范和方法。
3. 培養(yǎng)學(xué)生樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想和使用技術(shù)資料、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等手冊(cè)、圖冊(cè)工具書(shū)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，數(shù)據(jù)處理，編寫(xiě)技術(shù)文件等方面的工作能力。
4. 培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行調(diào)查研究，面向?qū)嶋H，面向生產(chǎn)，向工人和技術(shù)人員學(xué)習(xí)的基本工作態(tài)度，工作作風(fēng)和工作方法。
第1章 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)
1.1 本課題的內(nèi)容和要求
1. 題目： 數(shù)控加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2. 主要研究目標(biāo)和內(nèi)容
1) 設(shè)計(jì)臥式加工中心自動(dòng)換到裝置，加工中心為鏈?zhǔn)降稁?kù)。
2) 刀柄為BT40標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。
3) 換刀機(jī)械手手臂長(zhǎng)200，伸縮行程200.
3. 課題要求、主要任務(wù)及數(shù)量
設(shè)計(jì)自動(dòng)換到裝置裝配圖和零件圖，完成3張0號(hào)圖紙的設(shè)計(jì)工作量，撰寫(xiě)符合學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。
4. 速度計(jì)劃
1) 5-6周：收集資料，調(diào)研，擬定改造設(shè)計(jì)方案
2) 7-10周：繪制裝配圖、零件圖設(shè)計(jì)。
3) 10-14周：撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。
4) 15周：整理設(shè)計(jì)資料，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。
5. 主要參考文獻(xiàn)
1) 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，聞邦椿.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009
2) 現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)，現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.
1.2 畢業(yè)設(shè)計(jì)目的
畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生完成本專(zhuān)業(yè)教學(xué)計(jì)劃的最后一個(gè)極為重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是使學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)過(guò)的基本理論、基本知識(shí)與基本技能去解決專(zhuān)業(yè)范圍內(nèi)的工程技術(shù)問(wèn)題而進(jìn)行的一次基本訓(xùn)練。這對(duì)學(xué)生即將從事的相關(guān)技術(shù)工作和未來(lái)事業(yè)的開(kāi)拓都具有一定意義。
其主要目的：
1. 培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決本專(zhuān)業(yè)的一般工程技術(shù)問(wèn)題的獨(dú)立工作能力，拓寬和深化學(xué)生的知識(shí)。
2. 培養(yǎng)學(xué)生樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)構(gòu)思和創(chuàng)新思維，掌握工程設(shè)計(jì)的一般程序規(guī)范和方法。
3. 培養(yǎng)學(xué)生樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想和使用技術(shù)資料、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等手冊(cè)、圖冊(cè)工具書(shū)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，數(shù)據(jù)處理，編寫(xiě)技術(shù)文件等方面的工作能力。
4. 培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行調(diào)查研究，面向?qū)嶋H，面向生產(chǎn)，向工人和技術(shù)人員學(xué)習(xí)的基本工作態(tài)度，工作作風(fēng)和工作方法。
第2章 總體方案的設(shè)計(jì)
2.1 換刀過(guò)程
由于機(jī)械手主要是完成換刀任務(wù)的，上一工序加工完畢，主軸準(zhǔn)停位置，由自動(dòng)換刀裝置換刀，立式加工中心的換刀過(guò)程如下：
1. 刀套下翻90°。機(jī)床的刀庫(kù)位于立柱的左側(cè)，刀具在刀庫(kù)中的安裝方向與主軸垂直，換刀之前，刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)將待換刀具送到換刀位置，之后把帶有待換刀具的刀套向下翻轉(zhuǎn)90度，使得刀具的軸線與主軸的軸線平行。
2. 機(jī)械手轉(zhuǎn)75度。在加工時(shí)，機(jī)械手的手臂與主軸中心到換到位置的刀具中心線的連線成75度，該位置為機(jī)械手的原始位置。機(jī)械手換刀的第一個(gè)動(dòng)作是順時(shí)針轉(zhuǎn)75度，兩手爪分別抓住刀庫(kù)上和主軸上的刀柄。
3. 刀具松開(kāi)。機(jī)械手抓住主軸刀具的刀柄后，刀具的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)松開(kāi)刀具。
4. 機(jī)械手拔刀。機(jī)械手下降，同時(shí)拔出兩把刀具。
5. 交換兩刀位置。機(jī)械手帶著兩把刀具逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)180度，是主軸刀具與刀庫(kù)刀具交換位置。
6. 機(jī)械手插刀。機(jī)械手上升，分別把刀具插入主軸錐孔和刀套中。
7. 刀具加緊。刀具插入主軸錐孔后，刀具的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)夾緊刀具。
8. 180度液壓缸復(fù)位。液壓缸復(fù)位驅(qū)動(dòng)機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)180度的液壓缸復(fù)位，機(jī)械手無(wú)動(dòng)作。
9. 機(jī)械手反轉(zhuǎn)75度，機(jī)械手反轉(zhuǎn)75度，回到原始位置。
10. 刀套上翻90度。刀套帶著刀具向上翻轉(zhuǎn)90度，為下次選刀作準(zhǔn)備。
因此，機(jī)械手的設(shè)計(jì)就主要考慮的運(yùn)動(dòng)是：一，為了換刀，機(jī)械手可以旋轉(zhuǎn)0—180度。二，為了拔刀，機(jī)械手能上下伸縮運(yùn)動(dòng)。
2.2 伸縮與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的確定
機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)可以用油馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)：油馬達(dá)通油后轉(zhuǎn)動(dòng)，在其輸出軸上連上一齒輪2，并與裝在機(jī)械手花鍵軸上的齒輪1嚙合，齒輪2與裝在花鍵軸上的花鍵套以鍵連接，這樣，油馬達(dá)帶動(dòng)齒輪2轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪2帶動(dòng)齒輪1，齒輪1又帶動(dòng)花鍵軸套，花鍵軸套帶動(dòng)花鍵軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.2.1 液壓傳動(dòng)的優(yōu)缺
液壓系統(tǒng)與機(jī)械、電力等傳動(dòng)相比。有以下特點(diǎn)：
1） 能方便的進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍大。
2） 體積小，、重量輕、功率大。一方面，在相同輸出功率的前提下，其體積小、重量輕、慣性小、動(dòng)作靈敏，這對(duì)于液壓自動(dòng)控制系統(tǒng)有重要的意義。另一方面，在體積或重量相近的情況下，其輸出功率大，能傳遞較大的扭矩或推力（如萬(wàn)噸水壓力等）。
3） 控制和調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單、方便、省力，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和過(guò)載保護(hù)。
4） 可實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙傳動(dòng)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。
5） 因?yàn)閭鲃?dòng)介質(zhì)為油液，故液體元件有自我潤(rùn)滑作用，使用壽命長(zhǎng)。
6） 液壓元件實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化、便于設(shè)計(jì)、制造和推廣使用。
7） 可以采用大推力的液壓缸和大扭矩的液壓馬達(dá)直接帶動(dòng)負(fù)載，從而失去了中間的減速裝置，使傳動(dòng)簡(jiǎn)化。
液壓傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)：
1） 漏 由于作為傳動(dòng)介質(zhì)的液體是在一定的壓力下，有時(shí)是在較高的壓力下工作的，因此在有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面間不可避免要產(chǎn)生泄漏。同時(shí)，由于油液并不是不可以壓縮的，油管等也回產(chǎn)生彈性變形，所以液壓傳動(dòng)不宜用在傳動(dòng)比要求較嚴(yán)格的場(chǎng)合。
2） 震 液壓傳動(dòng)中的“液壓沖擊和空穴現(xiàn)象”會(huì)產(chǎn)生很大的震動(dòng)和噪聲。
3） 熱 在能量轉(zhuǎn)換和傳遞過(guò)程中，由于存在機(jī)械摩擦、壓力損失、泄漏損失，因而易使油液發(fā)熱，總效率降低，故液壓傳動(dòng)不宜遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)動(dòng)。
4） 液壓傳動(dòng)性能對(duì)溫度比較敏感，故不宜在高溫及低溫下工作。液壓傳動(dòng)裝置對(duì)油液的污染也較敏感，故要求有良好的過(guò)濾設(shè)施。
5） 液壓元件加工要求高一般情況下又要求有獨(dú)立的能源（如液壓泵站），這些可能使產(chǎn)品成本提高。
6） 液壓系統(tǒng)出現(xiàn)鼓故障時(shí)不宜追查原因，不宜迅速排除。
綜上所述，液壓傳動(dòng)由于其優(yōu)點(diǎn)比較突出，故在工、農(nóng)業(yè)各個(gè)部門(mén)獲得廣泛的應(yīng)用。它的某些缺點(diǎn)隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展、提高，正在逐步得到克服。
由于液壓傳動(dòng)相對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)有以上幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，所以確定機(jī)械手的前伸后退、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、夾緊放松著三部分動(dòng)作用液壓傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2.2.2 液壓傳動(dòng)裝置的組成
液壓傳動(dòng)裝置由于使用工件壓力高的油性介質(zhì)，因此機(jī)構(gòu)出力大，機(jī)械結(jié)構(gòu)更緊湊、動(dòng)作平穩(wěn)可靠、易于調(diào)節(jié)和噪聲較小，但要配置液壓泵和油箱，當(dāng)油液滲漏時(shí)易污染環(huán)境。一個(gè)完整的液壓系統(tǒng)是由以下幾部分組成的：
（1） 能源部分 包括泵裝置和蓄能器，它們能夠輸出壓力油，把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的壓力能并儲(chǔ)存起來(lái)。
（2） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分 是液壓油缸、液動(dòng)機(jī)等，它們用來(lái)帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件，將液體壓力能轉(zhuǎn)變成使部件運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。
（3） 控制部分 是各種液壓閥，用于控制流體的壓力、流量和流動(dòng)方向，從而控制執(zhí)行部件的作用力、運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向，也可以用來(lái)卸載，實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)等。
（4） 輔助部分 是系統(tǒng)中除了上述三部分以外的所有其他元件。
2.2.3 液壓系統(tǒng)中在機(jī)械手中主要實(shí)現(xiàn)的輔助功能
1） 機(jī)械手的伸、縮、回轉(zhuǎn)和擺動(dòng)及刀具的松開(kāi)和拉緊動(dòng)作等。
2） 工件的自動(dòng)松開(kāi)、夾緊
3） 工作臺(tái)的松開(kāi)夾緊、交換工作臺(tái)的自動(dòng)交換動(dòng)作。
4） 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)部件平衡。如機(jī)械手軸箱的重力平衡、機(jī)械手的平衡裝置等。
5） 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)部件的制動(dòng)和離合器的控制、齒輪拔叉換檔等。
6） 機(jī)械手的自動(dòng)開(kāi)關(guān)
用油缸支架把液壓缸的活塞桿與花鍵軸端連接，這樣，當(dāng)液壓缸的活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，就可以帶動(dòng)花鍵軸運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的伸縮運(yùn)動(dòng)。
除此之外，還要考慮當(dāng)機(jī)械手拔完刀旋轉(zhuǎn)時(shí)，要防止掉刀，手臂的兩端各有一個(gè)手抓，每個(gè)手抓上有一個(gè)小的液壓缸，當(dāng)機(jī)械手在拔刀和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是，液壓缸通油，使活塞運(yùn)動(dòng)，活塞桿端連一個(gè)活動(dòng)銷(xiāo)，這樣，活動(dòng)銷(xiāo)會(huì)頂住刀具，防止掉刀和刀具被甩出。
2.3 主要參數(shù)的確定
2.3.1 工作行程
由已知條件及方案分析確定
最大抓取重量：20公斤，（屬于中型機(jī)械手）；
夾持刀柄規(guī)格：BT40；
刀庫(kù)換刀位置和主軸距離：450mm；
換刀時(shí)間：10S－20S；
手臂伸縮行程：200mm；
手臂回轉(zhuǎn)范圍：0～180°；
手腕最大伸縮范圍：50mm；
2.3.2 運(yùn)動(dòng)速度
直線運(yùn)動(dòng)速度:手臂伸縮行程l=70mm,運(yùn)動(dòng)時(shí)間t=1s,則手臂伸縮速度為:v=l/t=0.07／1=0.07m/s回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度:定為60°／s
2.3.3 驅(qū)動(dòng)方式
驅(qū)動(dòng)方式采用液壓驅(qū)動(dòng)的方式。手臂伸縮采用直線油缸，流量
較大。液壓傳動(dòng)能方便的實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，調(diào)速范圍大，在相同功率情況下，液壓傳動(dòng)能量轉(zhuǎn)換元件的體積較小，重量較輕。工作平穩(wěn)，換向沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)頻繁換向。而且，工作油液能使傳動(dòng)零件實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑，故使用壽命長(zhǎng)，液壓元件易于實(shí)現(xiàn)系列化，標(biāo)準(zhǔn)化合通用化。因此，采用液壓驅(qū)動(dòng)。
2.3.4 定位精度
定位采用無(wú)極調(diào)速，定位精度為±0.125～±1mm。當(dāng)限位螺釘碰撞微動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)即可發(fā)出到位信號(hào)
2.3.5 液壓系統(tǒng)元件的選擇
由于機(jī)械手操作時(shí)各個(gè)液壓缸不同時(shí)工作，手臂伸縮和立柱回轉(zhuǎn)所需的流量最大，其余流量均較小，因此選用雙聯(lián)葉片泵，其型號(hào)為YB—6/40，系統(tǒng)壓力為2.5Mpa,電機(jī)功率為5.5KW,同步轉(zhuǎn)速為1500r/min,并考慮到集中供油、維護(hù)方便等原則，確定液壓系統(tǒng)各元件的型號(hào)如下：
溢流閥：YQ/63；
單向閥：Y10B；
調(diào)速閥：Q63B；
節(jié)流閥：L—25B；
換向閥：34E— 63B、22E—25B、24E—10B。
2.3.6 液壓系統(tǒng)的控制原理
所謂液壓系統(tǒng)就是以液體為介質(zhì)，依靠運(yùn)動(dòng)者的液體的壓力能來(lái)傳遞力的。液壓系統(tǒng)工作是，液壓泵把電動(dòng)機(jī)傳來(lái)的回轉(zhuǎn)式機(jī)械能轉(zhuǎn)變成油液的壓力能：油液被輸送到液壓缸（或液壓馬達(dá)）后，又由液壓缸（或液壓馬達(dá)）把油液的壓力能變?yōu)橹本€式（或回轉(zhuǎn)式）的機(jī)械能輸出。液壓系統(tǒng)中的油液在受調(diào)節(jié)、控制的狀態(tài)下進(jìn)行工作的因此液壓傳動(dòng)和液壓控制在這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)難以截然分開(kāi)。液壓系統(tǒng)必須滿(mǎn)足起執(zhí)行元件在力和速度方面的要求。
1）調(diào)壓回路
液壓系統(tǒng)的壓力必須與負(fù)載相適應(yīng)，以節(jié)約動(dòng)力消耗和減少發(fā)熱。本機(jī)械手采用雙聯(lián)定量泵供油，用溢流閥來(lái)調(diào)定壓力，使系統(tǒng)在恒定的壓力下工作，下圖2-1所示的為調(diào)壓回路圖。
圖2-1調(diào)壓回路
2）緩沖回路
直線油缸中流量較大，進(jìn)油壓力也較大，故在定位前采用二位二通電磁閥換接可調(diào)節(jié)流閥，以實(shí)現(xiàn)減速緩沖，如下圖所示。當(dāng)電磁閥1和2的電磁鐵通電時(shí)，手臂快速伸縮，此時(shí)回油缸回油；當(dāng)手臂伸縮至接近設(shè)定位置時(shí)，電氣定位系統(tǒng)輸出信號(hào)為0，電磁閥2的電磁鐵斷電，回油經(jīng)可調(diào)節(jié)流閥3回到油箱，實(shí)現(xiàn)節(jié)流速緩沖。同時(shí)電磁閥1的電磁鐵斷電，處于o型滑閥機(jī)能的狀態(tài)，手臂即停止運(yùn)動(dòng)并定位。
圖2-2 緩沖回路
3）調(diào)速回路
本機(jī)械手的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用回油路節(jié)流調(diào)速，如下圖所示。這種調(diào)速回路，由于回油腔存在背壓，故具有承受負(fù)值負(fù)載的能力。
圖2-3 調(diào)速回路
4）換向回路
本機(jī)械手的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用三位四通閥實(shí)現(xiàn)換向功能。
5）鎖緊回路
采用O型機(jī)能的三位四通換向閥（下圖所示），滑閥在中間位置時(shí)油口全閉，油路不通，液壓缸鎖緊。由于液壓缸內(nèi)充滿(mǎn)液壓油，故從靜止到啟動(dòng)較平穩(wěn)，換向沖擊小，換向復(fù)位位置較準(zhǔn)確。
圖2-4 鎖緊回路
2.3.7 機(jī)械手液壓系統(tǒng)的工作原理圖
圖2-5 機(jī)械手液壓系統(tǒng)的工作原理圖
整體設(shè)計(jì)如下圖2-6所示
圖2-6 整體設(shè)計(jì)
12
第3章 機(jī)械手各部分的設(shè)計(jì)
3.1 驅(qū)動(dòng)液壓缸的設(shè)計(jì)
此液壓缸在機(jī)械手中的作用是帶動(dòng)花鍵軸做伸縮運(yùn)動(dòng)。伸縮式油缸又稱(chēng)多級(jí)缸，它由兩級(jí)或多級(jí)活塞缸套裝而成，前一級(jí)活塞缸的活塞就是后一級(jí)活塞缸的缸筒。伸縮缸逐個(gè)伸出時(shí)，有效工作面積逐次減小，因此，當(dāng)輸入流量相同時(shí)，外伸速度逐次增大；當(dāng)負(fù)載恒定時(shí)，液壓缸的工作壓力逐次增高?？蛰d縮回的順序一般是從小活塞到大活塞，收縮后液壓缸總長(zhǎng)度較斷，結(jié)構(gòu)緊湊，使用于安裝空間受到限制而行程要求很長(zhǎng)的場(chǎng)合。本設(shè)計(jì)中使用的直線油缸用于機(jī)械手臂前后移動(dòng)完成拔刀動(dòng)作。外套油缸固定在機(jī)架上，當(dāng)壓力油作用時(shí)，內(nèi)套油缸和活塞桿先一起移動(dòng)，移到極限位置時(shí)，活塞桿在內(nèi)套油缸內(nèi)開(kāi)始移動(dòng)，這樣可得到較大的行程。
所謂液壓系統(tǒng)就是以液體為介質(zhì)，依靠運(yùn)動(dòng)者的液體的壓力能來(lái)傳遞力的。液壓系統(tǒng)工作是，液壓泵把電動(dòng)機(jī)傳來(lái)的回轉(zhuǎn)式機(jī)械能轉(zhuǎn)變成油液的壓力能：油液被輸送到液壓缸（或液壓馬達(dá)）后，又由液壓缸（或液壓馬達(dá)）把油液的壓力能變?yōu)橹本€式（或回轉(zhuǎn)式）的機(jī)械能輸出。液壓系統(tǒng)中的油液在受調(diào)節(jié)、控制的狀態(tài)下進(jìn)行工作的因此液壓傳動(dòng)和液壓控制在這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)難以截然分開(kāi)。液壓系統(tǒng)必須滿(mǎn)足起執(zhí)行元件在力和速度方面的要求。
3.1.1 液壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：
液壓系統(tǒng)與機(jī)械、電力等傳動(dòng)相比。有以下特點(diǎn)：
1） 能方便的進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍大。
2） 體積小，、重量輕、功率大。一方面，在相同輸出功率的前提下，其體積小、重量輕、慣性小、動(dòng)作靈敏，這對(duì)于液壓自動(dòng)控制系統(tǒng)有重要的意義。另一方面，在體積或重量相近的情況下，其輸出功率大，能傳遞較大的扭矩或推力（如萬(wàn)噸水壓力等）。
3） 控制和調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單、方便、省力，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和過(guò)載保護(hù)。
4） 可實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙傳動(dòng)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。
5） 因?yàn)閭鲃?dòng)介質(zhì)為油液，故液體元件有自我潤(rùn)滑作用，使用壽命長(zhǎng)。
6） 液壓元件實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化、便于設(shè)計(jì)、制造和推廣使用。
7） 可以采用大推力的液壓缸和大扭矩的液壓馬達(dá)直接帶動(dòng)負(fù)載，從而失去了中間的減速裝置，使傳動(dòng)簡(jiǎn)化。
綜上所述，液壓傳動(dòng)由于其優(yōu)點(diǎn)比較突出，故在工、農(nóng)業(yè)各個(gè)部門(mén)獲得廣泛的應(yīng)用。它的某些缺點(diǎn)隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展、提高，正在逐步得到克服。
由于液壓傳動(dòng)相對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)有以上幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，所以確定機(jī)械手的前伸后退、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、夾緊放松著三部分動(dòng)作用液壓傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3.1.2 液壓缸的設(shè)計(jì)：
1．液壓缸在工作過(guò)程中的負(fù)載為:
N
式中，F(xiàn)－液壓缸的工作載荷
F—工作負(fù)載
F－動(dòng)摩擦系數(shù)，0.1
G—運(yùn)動(dòng)部件自重
—機(jī)械效率
2．初選液壓缸的工作壓力
由液壓設(shè)備常用工作壓力查表,取液壓缸工作壓力為10Mpa
3．確定液壓缸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)
1）液壓缸直徑D的確定
工進(jìn)階段的負(fù)載為F=5730N
液壓缸內(nèi)徑圓整為50mm。
2）活塞桿直徑d的確定
活塞桿直徑按工作壓力確定,根據(jù)下表3-1所示
表3-1
液壓缸工作壓力（MPa）
≤5
5—7
＞7
活塞桿直徑d
（0.5—0.6）D
（0.6—0.7）D
0.7D
d=0.56D=0.56×50=28mm。
液壓缸無(wú)桿腔有效作用面積A=7.065×10m,有桿腔有效面積A=4.5×10,調(diào)速閥最小穩(wěn)定流量q=1.5×10/s,最小工進(jìn)速度v=0.05mm/s,則
,能滿(mǎn)足低速穩(wěn)定性要求。
3）液壓缸壁厚的確定
式中， —實(shí)驗(yàn)壓力；
D—液壓缸直徑；
[]—缸體材料的許用應(yīng)力。[]＝0.2；
＝45公斤/厘米≤80公斤/厘米,=650Mpa
==7mm
4) 液壓缸外徑D及長(zhǎng)度L的確定
D=D＋2=50+2×7=64mm
L≤(30～50) D，根據(jù)最大活塞行程200mm，定l＝290mm。
液壓缸的設(shè)計(jì)如下圖3-1所示
圖3-1 液壓缸
3.2 花鍵軸及軸套的設(shè)計(jì)與校核
3.2.1 花鍵軸的設(shè)計(jì)
花鍵連接由具有周向均勻分布的多個(gè)鍵齒的花鍵軸和具有同樣鍵齒槽的輪轂或花鍵軸套組成的。工作時(shí)，依靠齒側(cè)的擠壓傳遞轉(zhuǎn)矩，花鍵連接因鍵齒多，所以承載能力強(qiáng)；由于齒槽淺，故應(yīng)力集中小，對(duì)軸消弱小，且對(duì)中性好和導(dǎo)向型較好，但需要專(zhuān)用設(shè)備加工，所以成本較高。
花鍵連接適用于載荷較大，定心精度要求較高的靜連接和動(dòng)連接中。
花鍵軸的換刀裝置中的作用是，當(dāng)液壓缸的活塞桿運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)花鍵軸運(yùn)動(dòng)，而其它的部件不動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的伸縮拔刀運(yùn)動(dòng)。
由于矩形花鍵具有定心精度高，導(dǎo)向性能好，鍵與軸為一整體，強(qiáng)度高，負(fù)荷分布比較均勻；齒形簡(jiǎn)單，可采用磨削和拉削的方法獲得較高精度等優(yōu)點(diǎn)，故在機(jī)床、汽車(chē)、拖拉機(jī)。工程機(jī)械等機(jī)械制造業(yè)得到廣泛的使用。
花鍵聯(lián)接由內(nèi)花鍵和外花鍵組成。內(nèi)、外花鍵均為多齒零件，在內(nèi)圓柱表面上的花鍵為內(nèi)花鍵，在外圓柱表面上的花鍵為外花鍵。顯然，花鍵聯(lián)接是平鍵聯(lián)接在數(shù)目上的發(fā)展。
使用特點(diǎn)：
由于結(jié)構(gòu)形式和制造工藝的不同，與平鍵聯(lián)接比較，花鍵聯(lián)接在強(qiáng)度、工藝和使用方面有下列特點(diǎn)：
?? 因?yàn)樵谳S上與轂孔上直接而均勻地制出較多的齒與槽，故聯(lián)接受力較為均勻；
?? 因槽較淺，齒根處應(yīng)力集中較小，軸與轂的強(qiáng)度削弱較少；
? ?齒數(shù)較多，總接觸面積較大，因而可承受較大的載荷；
?? 軸上零件與軸的對(duì)中性好，這對(duì)高速及精密機(jī)器很重要；
?? 導(dǎo)向性好，這對(duì)動(dòng)聯(lián)接很重要；
?? 可用磨削的方法提高加工精度及聯(lián)接質(zhì)量；
??制造工藝較復(fù)雜，有時(shí)需要專(zhuān)門(mén)設(shè)備，成本較高。
圖3-2 花鍵
所選花鍵的規(guī)格為 8x52x60x10
矩形花鍵聯(lián)接采用外徑定心精度高，加工方便，外花鍵的外徑可在普通磨床上加工至所需的精度，內(nèi)花鍵由拉刀保證其外經(jīng)精度所選花鍵的規(guī)格為 8x52x60x10
花鍵軸如圖3-3所示
圖3-3花鍵軸
3.2.2 花鍵的校核
花鍵強(qiáng)度按擠壓強(qiáng)度計(jì)算
靜聯(lián)接（耐磨性條件）：
未經(jīng)熱處理,[P]值一般為80～120Mpa；經(jīng)過(guò)熱處理為120～200Mpa
T——傳遞扭矩（N.mm）;
z——花鍵齒數(shù);
l——鍵齒工作長(zhǎng)度（mm）;
h——鍵齒側(cè)面工作高度（mm）.
矩形：h=[(D-d)/2]-2c＝
D—花鍵大徑（mm）;
d—花鍵小徑（mm）;
c—倒角尺寸;
—各齒間載荷不均勻系數(shù)，取＝0.75;
d—平均直徑(mm).
d=
花鍵軸套的設(shè)計(jì)
由于花鍵軸套上要安裝軸承，軸承采用深溝球軸承，代號(hào)為6315。該軸承的內(nèi)徑為75毫米，所以，花鍵軸套的外徑為75毫米，軸承的寬度為34，隔套長(zhǎng)為10，花鍵軸套的一端外徑為84，長(zhǎng)度為34。所以花鍵軸套的小端長(zhǎng)為 34x2+10=78
大端長(zhǎng)為34。
花鍵軸套的設(shè)計(jì)如下圖3-4所示
圖3-4花鍵軸套
3.3 軸承的選擇與潤(rùn)滑
軸承是機(jī)器中主要用來(lái)支承軸的部件，用以保證軸的旋轉(zhuǎn)精度，并減少軸與支撐物間的摩擦和磨損。有時(shí)，軸承也被用來(lái)支承軸上的旋轉(zhuǎn)零件。
此軸承主要承受徑向載荷，所以選擇深溝球軸承。價(jià)格便宜，所選的型號(hào)為6315。
本設(shè)計(jì)軸承的潤(rùn)滑用到的是脂潤(rùn)滑，現(xiàn)將理由介紹如下：
脂潤(rùn)滑與油潤(rùn)滑相比有很多優(yōu)點(diǎn)，如：潤(rùn)滑脂很容易保持在軸承內(nèi)，不易泄露，維護(hù)簡(jiǎn)單，可防止灰塵、冷卻液和其它有害雜質(zhì)的侵入，油膜強(qiáng)度較高，可以使用較長(zhǎng)時(shí)間而不需要更換，支承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要特殊的潤(rùn)滑裝置等。對(duì)于垂直軸，如防漏問(wèn)題不易解決時(shí)，采用脂潤(rùn)滑尤為適宜。但是在轉(zhuǎn)速較高時(shí)，脂潤(rùn)滑的摩擦損失較大，會(huì)時(shí)軸承溫度增高。
軸承中充填潤(rùn)滑脂的量不宜過(guò)多，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，以填滿(mǎn)軸承和軸承殼體空間的1/3～1/2為宜，高速時(shí)應(yīng)僅填充至1/3。轉(zhuǎn)速很低且對(duì)密封要求較嚴(yán)格的情況下可充滿(mǎn)殼體空間。
3.4 齒輪的設(shè)計(jì)與校核
3.4.1 齒輪的設(shè)計(jì)
該齒輪用來(lái)使械手臂180°回轉(zhuǎn),它和一個(gè)傳動(dòng)齒輪嚙合,通過(guò)油馬達(dá)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)步驟如下：
1. 選擇齒輪材料及精度等級(jí)
大小齒輪都選用軟齒面。大齒輪選用45鋼，正火，齒面硬度為190HBS;小齒輪選用45鋼,調(diào)質(zhì),齒面硬度為240HBS。精度等級(jí)為7級(jí)，齒面粗糙度R≤1.6～3.2。
表3-2（㎜）
名稱(chēng)
小齒輪
大齒輪
模數(shù)（m）
3
3
齒數(shù)（z）
34
47
分度圓直徑（d）
d＝mz＝102
d＝mz＝141
齒頂圓直徑（d）
d＝m（z＋2）＝108
d＝m（z＋2）=147
齒根圓直徑(d)
d=m(z-2.5)=94.5
d=m(z-2.5)=133.5
齒寬（b）
b＝＝0.37×102=38
0.37×147=40
由于手臂作伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)大齒輪在小齒輪上有相對(duì)移動(dòng),所以小齒輪寬度應(yīng)比大齒輪寬。實(shí)際傳動(dòng)比i＝
3.4.2 齒輪的校核
1.轉(zhuǎn)矩T
齒輪轉(zhuǎn)速n＝1450r/min
T=9.55×10·mm=4.94×10N·mm
2.載荷系數(shù)K=1
3.許用接觸應(yīng)力[]
[]=
由圖表查得接觸疲勞極限應(yīng)力=520Mpa,=320Mpa,
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=60nrt=60×1450×1×(16×300×5)=2.09×10
N=
r—齒輪每轉(zhuǎn)一周,輪齒同一側(cè)齒面嚙合的次數(shù);
t—齒輪的總工作小時(shí)數(shù),h
接觸疲勞的壽命系數(shù)Z=0.93,Z=1.0,取安全系數(shù)S=1.0,兩輪的許用接觸應(yīng)力
[]=Mpa
[]=Mpa
4.許用彎曲應(yīng)力[]
[]=
由圖查得:=210Mpa;=195Mpa
彎曲疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù)Y=0.9;Y=0.95
試驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù) Y=2,取安全系數(shù)S=1.25
[]=
[]=
根據(jù)齒數(shù)查得齒形系數(shù)應(yīng)力修正系數(shù)分別為:
=2.45, Y=2.40; Y=1.65, Y=1.67.
5.核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度:
6.齒輪傳動(dòng)的中心距a
a=mm
7.齒輪的圓周速度v
V=mm/s
圖3-5為大齒輪1
圖3-5大齒輪
圖3-6為設(shè)計(jì)的小齒輪
圖3-6小齒輪
3.5機(jī)械手臂及手抓的設(shè)計(jì)
機(jī)械手的抓刀部分是有機(jī)械手臂和固定其兩端的結(jié)構(gòu)完全相同的兩個(gè)手抓組成的。其主要的作用是完成拔刀、旋轉(zhuǎn)和換刀運(yùn)動(dòng)，
其中，手臂和花鍵軸相連，當(dāng)花鍵軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，手臂帶動(dòng)手抓做相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)花鍵軸被液壓缸帶動(dòng)做伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，手臂會(huì)帶動(dòng)手抓完成拔刀或插刀運(yùn)動(dòng)。手抓上握刀的圓弧部分有一個(gè)定位鍵，機(jī)械手抓刀時(shí)，該定位鍵插入刀柄的鍵槽中，當(dāng)機(jī)械手由原位轉(zhuǎn)75度抓住刀具時(shí)，兩個(gè)固定在手臂上的小型液壓缸通油，使活塞向外伸縮。從而使活動(dòng)銷(xiāo)頂住刀具不能后退，這樣，機(jī)械手在回轉(zhuǎn)180度是，刀具不會(huì)被甩出。當(dāng)機(jī)械手上升插刀是，液壓缸回油，使活動(dòng)銷(xiāo)松開(kāi)刀具，機(jī)械手反轉(zhuǎn)75度復(fù)位。
3.5.1 對(duì)設(shè)計(jì)手臂的要求
1．手臂應(yīng)承載能力大、剛性好、自重輕。
手臂的剛性直接影響到手臂抓取工件時(shí)動(dòng)作的平穩(wěn)性、運(yùn)動(dòng)的速度和定位精度。如剛性差的則會(huì)引起手臂在垂直平面內(nèi)的彎曲變形和水平面內(nèi)的側(cè)向扭轉(zhuǎn)變形，手臂就要產(chǎn)生振動(dòng)，或振動(dòng)時(shí)工件卡死無(wú)法工作。為此，手臂一般采用剛性較好的導(dǎo)向桿來(lái)加大手臂的剛性，各支承、連接件的剛性也要有一定的要求，以保證能承受所需要的驅(qū)動(dòng)力。
2．手臂的運(yùn)動(dòng)速度要適當(dāng)，慣性要小。
機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度一般是根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)拍要求來(lái)決定，但不宜盲目地追求高速度。
手臂由靜止?fàn)顟B(tài)達(dá)到正常的運(yùn)動(dòng)速度—啟動(dòng)，以及由常速減到停止動(dòng)—制動(dòng)，速度的變化過(guò)程為速度特性曲線。
手臂自重輕，其啟動(dòng)和停止的平穩(wěn)性就好。
3．手臂動(dòng)作要靈活
手臂的結(jié)構(gòu)要緊湊小巧，才能使手臂運(yùn)動(dòng)輕快、靈活。
4．位置精度要高
機(jī)械手要獲得較高的位置精度，除采用先進(jìn)的控制方法外，在
結(jié)構(gòu)上還要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：
（1） 機(jī)械手的剛度、偏重力矩、慣性力及緩沖效果都直接影響手臂的位置精度。
（2） 加設(shè)定位裝置和行程檢測(cè)機(jī)構(gòu)。
（3） 合理選擇機(jī)械手的坐標(biāo)形式。直角坐標(biāo)式機(jī)械手的位置精度較高，其結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)都比簡(jiǎn)單、誤差也小。而回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的誤差，是放大式的尺寸誤差，當(dāng)轉(zhuǎn)角位置一定時(shí)，手臂伸出越長(zhǎng)，其誤差越大。關(guān)節(jié)式機(jī)械手，因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，手臂的定位是由各部關(guān)節(jié)相互轉(zhuǎn)角來(lái)確定，其誤差是積累誤差，因而精度較差，其位置精度也更難保證。
5．通用性強(qiáng)，能適應(yīng)多種作業(yè)；工藝性好，便于維修調(diào)整。
手臂的設(shè)計(jì)如下圖3-7所示
圖3-7機(jī)械手臂設(shè)計(jì)圖
3.6 立柱和機(jī)座
3.6.1 立柱
機(jī)械手的立柱是用以支承手臂并帶動(dòng)它升降、擺動(dòng)和移動(dòng)的機(jī)構(gòu)，手臂的俯仰也是由聯(lián)結(jié)在立柱上的油缸驅(qū)動(dòng)，立柱與機(jī)座相聯(lián)，可固定在地面上、機(jī)床設(shè)備上、或者懸掛在橫梁滑道上，也可以固定在能行走的機(jī)座上。
立柱沒(méi)有固定的型式，其結(jié)構(gòu)系根據(jù)動(dòng)作的要求來(lái)設(shè)計(jì)。
3.6.2 機(jī)座
機(jī)座是支承機(jī)械手全部重量的構(gòu)件，對(duì)其結(jié)構(gòu)的要求是剛性好、占地面積小、操作維修方便和造型美觀。
機(jī)座結(jié)構(gòu)從形式上可以分為落地式和懸掛式，或分為固定式、可移動(dòng)式和行動(dòng)式。移動(dòng)式的機(jī)座在停置時(shí)能夠剎車(chē)定位，以保證機(jī)械手工 作時(shí)的位置精度。
機(jī)座的結(jié)構(gòu)與機(jī)械手的總體布置有關(guān)，對(duì)專(zhuān)用機(jī)械手而言，傳動(dòng)和控制部分通常是單獨(dú)布置，故機(jī)座比較簡(jiǎn)單。
3.7 刀庫(kù)及換刀機(jī)械手的常見(jiàn)故障和維護(hù)
刀庫(kù)及換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且在工作中又頻繁運(yùn)動(dòng)，所以故障率較高，目前機(jī)床上有50％以上的故障都與之有關(guān)。如刀庫(kù)運(yùn)動(dòng)故障，定位誤差過(guò)大，機(jī)械手夾持刀柄不穩(wěn)定，機(jī)械手動(dòng)作誤差過(guò)大等。這些故障最后都造成換刀動(dòng)作卡位，整機(jī)停止工作。因此刀庫(kù)及換刀機(jī)械手的維護(hù)十分重要。
3.7.1 刀庫(kù)的故障
刀庫(kù)的主要故障有：刀庫(kù)不能轉(zhuǎn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)不到位；刀套不能夾緊刀具；刀套上下不到位等。
(1) 刀庫(kù)不能轉(zhuǎn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)不到位 刀庫(kù)不能轉(zhuǎn)動(dòng)的原因可能有：①聯(lián)接電動(dòng)機(jī)軸與蝸桿軸的聯(lián)軸器松動(dòng)；②變頻器故障，應(yīng)檢查變頻器的輸入、輸出電壓是否正常；③PLC無(wú)控制輸出，可能是接口板中的繼電器失效；④機(jī)械連接過(guò)緊；⑤電網(wǎng)電壓過(guò)低。
刀庫(kù)轉(zhuǎn)不到位的原因可能有：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)故障，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)誤差。
(2) 刀套不能夾緊刀具? 原因可能是刀套上的調(diào)整螺釘松動(dòng)，或彈簧太松，造成卡緊力不足；或刀具超重。
(3) 刀套上下不到位? 原因可能是裝置調(diào)整不當(dāng)或加工誤差過(guò)大而造成撥叉位置不正確；限位開(kāi)關(guān)安裝不正確或調(diào)整不當(dāng)而造成反饋信號(hào)錯(cuò)誤。?
3.7.2. 換刀機(jī)械手故障?
(1) 刀具夾不緊掉刀? 原因可能是卡緊爪彈簧壓力過(guò)?。换驈椈珊竺娴?
螺母松動(dòng)；或刀具超重；或機(jī)械手卡緊鎖不起作用等。
(2) 刀具夾緊后松不開(kāi)? 原因可能是松鎖的彈簧壓合過(guò)緊，卡爪縮不回：應(yīng)調(diào)松螺母，使最大載荷不超過(guò)額定數(shù)值。
(3) 刀具交換時(shí)掉刀? 換刀時(shí)主軸箱沒(méi)有回到換刀點(diǎn)或換刀點(diǎn)漂移，機(jī)械手抓刀時(shí)沒(méi)有到位，就開(kāi)始拔刀，都會(huì)導(dǎo)致?lián)Q刀時(shí)掉刀。這時(shí)應(yīng)重新移動(dòng)主軸箱，使其回到換刀點(diǎn)位置，重新設(shè)定換刀點(diǎn)。
43
結(jié) 論
此次我們做的畢業(yè)設(shè)計(jì)是工業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過(guò)2個(gè)多月努力，設(shè)計(jì)終于順利完成。這次設(shè)計(jì)給了我們一個(gè)很好的機(jī)會(huì)，使我們了解了設(shè)計(jì)工作的基本流程和設(shè)計(jì)的方法以及理念。
在此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我們遇到了許多以前從未遇到過(guò)的問(wèn)題，但常主任經(jīng)驗(yàn)豐富、認(rèn)真負(fù)責(zé)，加上我們查找了一些資料，這些問(wèn)題都得到了很好的解決。
我設(shè)計(jì)的是加工中心的換刀裝置，以前，自己很少關(guān)注過(guò)機(jī)械手，對(duì)其具體形狀及工作原理了解的很少，這次，通過(guò)老師的講解及查閱資料，使我對(duì)機(jī)械手的工作原理有了清晰地認(rèn)識(shí)。在設(shè)計(jì)和繪圖過(guò)程中，很多內(nèi)容是我們以前學(xué)過(guò)的，由于時(shí)間長(zhǎng)，一些知識(shí)點(diǎn)已經(jīng)忘記了，這迫使我把以前學(xué)過(guò)的知識(shí)都溫習(xí)了一遍，使理論知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合，鞏固和深化了所學(xué)過(guò)的專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)。由于由于此次設(shè)計(jì)是次創(chuàng)新設(shè)計(jì)，為了使機(jī)械手的設(shè)計(jì)更為合理，我不斷地學(xué)習(xí)與修改，自學(xué)了許多相關(guān)學(xué)科的內(nèi)容，經(jīng)常向常主任請(qǐng)教，并經(jīng)常上網(wǎng)或查閱大量相關(guān)資料，這使我的知識(shí)面擴(kuò)展了很多。
這次設(shè)計(jì)，使我認(rèn)識(shí)到了只有理論知識(shí)，而沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)，很多地方會(huì)考慮不周，多虧了我的導(dǎo)師常主任經(jīng)驗(yàn)豐富，使我減少了很多錯(cuò)誤。
畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們?cè)讵?dú)立完成的同時(shí)也進(jìn)一步加強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，并取得了一定的成績(jī)。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我相信在以后的學(xué)習(xí)和工作過(guò)程中，一定可以好好的解決問(wèn)題，提高自己的能力，較快地適應(yīng)工作和社會(huì)激烈的競(jìng)爭(zhēng)。
謝 辭
大學(xué)生活已近尾聲，三年的努力與付出，伴隨這次畢業(yè)論文的完成，將要?jiǎng)澫峦昝赖木涮?hào)。
當(dāng)然，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠相對(duì)如此順利，首先要感謝三年來(lái)教我們知識(shí)的辛勤園丁，是他們兢兢業(yè)業(yè)的教學(xué)精神鼓舞感動(dòng)著我們，使我們學(xué)道了很多知識(shí)，在教科老師的教誨下，我獲得了人生最寶貴的一筆財(cái)富，受益終生。
我的畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題是機(jī)械手的設(shè)計(jì)，以前，我對(duì)機(jī)械手了解很少，它的工作原理與外形對(duì)我來(lái)說(shuō)都很陌生，，經(jīng)過(guò)指導(dǎo)老師的幫助和對(duì)參考資料的拜讀，我已經(jīng)對(duì)機(jī)械手有了一定的了解。
非常感謝這幾個(gè)月來(lái)幫助我完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的朱老師，在朱老師的悉心指導(dǎo)，從論文的選擇到具體的設(shè)計(jì)過(guò)程都凝聚著朱老師的心血和汗水，在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，朱老師為我提供了種種專(zhuān)業(yè)知識(shí)上的指導(dǎo)和一些富于創(chuàng)造性的意見(jiàn)，他一絲不茍的作風(fēng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度使我很敬佩，沒(méi)有這樣的幫助、關(guān)懷和熏陶，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)也不會(huì)如此順利。同時(shí)再次感謝在這3年來(lái)悉心指導(dǎo)我的老師們，是你們孜孜不倦的教育精神使我在這三年里學(xué)到了很多知識(shí)，拓展我們的眼界和知識(shí)面。在他們的教誨下我獲得了人生中最寶貴的財(cái)富。在朱老師的指導(dǎo)下使我能夠順利畢業(yè)。
同時(shí)還要感謝在這三年里共同學(xué)習(xí)和生活的同學(xué)們以及我的室友們，是你們使我的大學(xué)生活充滿(mǎn)了激情與期待，也認(rèn)識(shí)了更多的朋友。
最后還是只能用非常感謝來(lái)代替現(xiàn)在的心情。再次感謝所有的人
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外文資料翻譯
1. Machining Center
Processing Center: a library with a knife and automatic tool changer for a highly automated multi-function CNC machine tools. In Hong Kong, China, Taiwan, and Guangdong generation has a lot of people call it the computer gongs.??Workpiece in the machining center by a single setup, the digital control system can control the machine by different processes, automatic selection and replacement of tools, automatically change the spindle speed, feed rate and tool workpiece relative trajectory and other auxiliary functions, followed by complete Several multi-process workpiece surface processing. And a variety of tool changing knives feature or choose to make substantial improvements in productivity.
Machining center according to processing procedures into two major categories of boring and milling and turning, according to the number of control axes can be divided into three-axis, four-axis and five-axis machining center.
Centralized processing center due process and automatic tool changing, reducing the workpiece clamping, measurement and adjustment of the time machine, so that the cutting machine to machine starting time of about 80% of the time (general machine tools is only 15 ~ 20%); the same time also reduces the workpiece between the turnover process, handling and storage time, shortening the production cycle, with significant economic effects. Processing center for the more complex shape parts, high precision, small volume products change frequently.
The first processing center in 1958 by the American Kearney - trecker first successfully developed. CNC horizontal boring and milling it based on the increase of automatic tool changer, enabling the workpiece in a single setup, ready for milling, drilling, boring, reaming and tapping a variety of processes such as centralized processing.
Since the 70s the twentieth century, the rapid development of processing center, there may be for machining center spindle box, it can be automatically replaced with a number of multi-axis spindle box with tools, can also be porous workpiece processing.
This centralized processing in the form of multi-process also extended to other types of CNC machine tools, such as turning centers, CNC lathe which is configured in multiple automatic tool changer, can control more than three coordinates, in addition to turning, the spindle stop switch can be or sub-degree rotation by the tool for milling, drilling, reaming and tapping operations, suitable for processing of complex rotating body parts.
?According to the main axis machining center is divided into vertical and horizontal layout of two types. Horizontal Machining Center
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