半自動液壓專用銑床液壓系統(tǒng)設計(論文+DWG圖紙),半自動,液壓,專用,銑床,系統(tǒng),設計,論文,dwg,圖紙 半自動液壓專用銑床液壓系統(tǒng)設計 目 錄 1 概述……………………………………………………………… 3 1.1 課題背景……………………………………………………… 3 1.2 課題內容……………………………………………………… 3 1.3 課題的意義…………………………………………………… 4 1.4 課題的創(chuàng)新點…………………………………………………4 2 機械制造技術畢業(yè)設計的基本任務與要求………………………4 2.1 設計任務…………………………………………………………5 2.2 畢業(yè)設計基本要求 …………………………………………… 5 3 刀庫的設計……………………………………………………………5 3.1 確定刀庫容量………………………………………………… 5 3.2 確定刀庫形式………………………………………………… 6 3.3 刀庫結構設計………………………………………………… 7 3.4 初估刀庫驅動轉距及選定電機……………………………… 8 3.4.1 初選電動機與降速傳動裝置………………………………8 3.4.2 初估刀庫驅動轉距…………………………………………8 3.5 刀庫轉位機構的普通圓柱蝸桿傳動的設計…………………8 3.6 刀庫驅動轉矩的校核…………………………………………10 3.7 花鍵聯(lián)接的強度計算…………………………………………14 3.8 夾緊機構插銷剪切強度的校核………………………………15 3.9 確定刀具的選擇方式…………………………………………15 3.10 刀庫的定位與刀具的松夾………………………………… 15 4 刀具交換裝置的設計……………………………………………16 4.1 確定換刀機械手形式………………………………………17 4.2 換刀機械手的工作原理……………………………………19 4.3 機械手的自動換刀過程的動作順序………………………21 4.4 機械手回轉軸 4 上的齒輪齒條設計………………………21 4.5 自動換刀裝置的相關技術要求……………………………22 4.5.1 主軸準停裝置……………………………………………24 4.5.2 換刀機械手的安裝與調試………………………………24 4.6 自動換刀程序的編制…………………………………… 24 5 夾具設計研資料究原始………………………………………24 5.1 擬定夾具的結構方案………………………………………24 5.2 確定工件的定位方式及夾具體元件的材料………………25 5.3 工件的夾緊方式，計算夾緊力并設計夾緊裝置 ………26 5.4 機械加工工藝規(guī)程卡片……………………………………30 6. 致謝 …………………………………………………………33 參考文獻書目 …………………………………………………34 1 概述 1．1 課題背景 現(xiàn)在工業(yè)機器人集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學 科先進技術于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。自從 1962 年美國研制出世 界上第一臺工業(yè)機器人以來，機器人技術極其產品發(fā)展很快，已成為柔性制造 系統(tǒng)（FMS ） 、自動化工廠（ FA） 、計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）的自動化工 具。 廣泛采用工業(yè)機器人，不僅可提高產品的質量與產量，而且對保障人身安 全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產率，節(jié)約原材料以及降低生 產成本，有著十分重要的意義。和計算機、網絡技術一樣，工業(yè)機器人的廣泛 應用正在日益改善著人類的生產和生活方式。 工業(yè)機器人是最典型的機電一體化數(shù)字化裝備，技術附加值很高，應用范 圍很廣，作為先進制造業(yè)的支撐技術和信息化社會的新興產業(yè)，將對未來生產 和社會發(fā)展起著越來越重要的作用。國外專家預測，機器人產業(yè)是繼汽車、計 算機之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術產業(yè)。據(jù)聯(lián)合國歐洲委員會（UNECE）和 國際機器人聯(lián)合會（IFR ）的統(tǒng)計，世界機器人市場前景看好，從 20 世紀下半 葉起，世界機器人產業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭。進入 20 世紀 90 年代， 機器人產品發(fā)展速度較快，年增長率平均在 10%左右。2004 年增長率達到闖記 錄的 20%。其中，亞洲機器人增長幅度最為突出，高達 43%。 在自動化生產領域中，工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的。工業(yè)機械手的 是從工業(yè)機器人中分支出來的。 其特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人 和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機械手作業(yè)具有準確性和 各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力。 機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它 有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。 機械手由執(zhí)行機構、驅動-傳動機構、控制系統(tǒng)、智能系統(tǒng)、遠程診斷監(jiān)控 系統(tǒng)五部分組成。驅動-傳動機構與執(zhí)行機構是相輔相成的，在驅動系統(tǒng)中可以 分：機械式、電氣式、液壓式和復合式，其中液壓操作力最大。 本課題是數(shù)控機床上專用于工件和零件的夾持和自動運轉的裝置，其運動自 由度多，且有嚴格的動作順序要求、用液壓驅動可實現(xiàn)動作自動循環(huán)，利于自 動化和高效率等要求。 1．2 課題內容 本課題的基本內容是： 1）功能原理方案分析 2）液壓系統(tǒng)原理圖設計 3）液壓系統(tǒng)的計算 4）油箱與執(zhí)行元件工作圖設計 5）編寫計算說明書 1．3 課題的意義 本課題所研究的數(shù)控機床的裝夾裝置屬于工業(yè)機器人這一范疇，對它的研 究實際上就是對工業(yè)機器人的研究?，F(xiàn)在工業(yè)機器人集機械、電子、控制、計 算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化 裝備。自從 1962 年美國研制出世界上第一臺工業(yè)機器人以來，機器人技術極其 產品發(fā)展很快，已成為柔性制造系統(tǒng)（FMS） 、自動化工廠（FA） 、計算機集成制 造系統(tǒng)（CIMS）的自動化工具。 廣泛采用工業(yè)機器人，不僅可提高產品的質量與產量，而且對保障人身安 全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產率，節(jié)約原材料以及降低生 產成本，有著十分重要的意義。和計算機、網絡技術一樣，工業(yè)機器人的廣泛 應用正在日益改善著人類的生產和生活方式。 隨著加工行業(yè)在我國的迅速發(fā)展，各行各業(yè)的自動化裝備水平越來越高， 現(xiàn)代化加工車間，常常配有機械手，以提高生產效率，代替工人完成惡劣環(huán)境 下危險、繁重的勞動。 1．4 課題的創(chuàng)新點 采用手動換向閥變換夾持方式，既可以雙夾持也可以單夾持。 2 機械制造技術畢業(yè)設計的基本任務與要求 2 .1、設計任務 （1）設計一個中等復雜的零件的加工工藝規(guī)程； （2）設計一個專用夾具； （3）編寫設計說明書。 2 .2、畢業(yè)設計基本要求 （1）內容完整，步驟齊全。 （2）設計內容與說明書的數(shù)據(jù)和結論應一致，內容表達清楚，圖紙準確規(guī) 范，簡圖應簡潔明了，正確易懂。 （3）正確處理繼承與創(chuàng)新的關系。 （4）正確使用標準和規(guī)范。 （5） 盡量采用先進設計手段。 3 刀庫的設計 刀庫是帶刀庫自動換刀裝置的主要部件之一，其容量形式、布局及具體結構對數(shù)控機 床的性能有很大影響。 3.1 確定刀庫容量 決定刀庫容量時，首先要考慮加工工藝的需要，同時還要調查分析同類型、相近規(guī)格 的自動換刀機床的刀庫容量及其發(fā)展趨勢。由于帶自動換刀裝置的數(shù)控機床主要是在 多品種、單件小批生產時使用，因而應根據(jù)廣泛的工藝統(tǒng)計，依大多數(shù)工件加工時需 要的刀具數(shù)來確定刀庫容量。例如，對功能較為齊全的加工中心而言，它可承擔多個 工件的切削任務，因而要配備刀具的種類和規(guī)格較 多。通常，配備的刀具越多，機床能加工工件的比 率也越高，但它們并不是成正比例關系。圖 3-1 為刀 庫容量與機床能加工工件的比率統(tǒng)計曲線。 刀庫儲存量過大，導致刀庫的結構龐大而復雜,影響 機床總體布局；儲存量過小，則不能滿足復雜零件 的加工要求。因此，刀庫容量應在經濟合理的條件下，力圖將一組類似的零件所需的 全部刀具裝入刀庫，以縮短每次裝刀所需的裝調時間。對自動換刀數(shù)控機床的刀庫容 量，有關資料曾對 15000 個零件進行分組統(tǒng)計，指出不同工序加工時必須的刀具數(shù)不 同，如圖 3-1 所示。由圖可知， 4 把銑刀可完成加工工件的 95％左右的銑削工藝，10 把孔加工刀具可完成 70％的鉆削工藝， 14 把刀的容量就可完成 70％以上工件的鉆銑 工藝，配有 14—40 把刀具的刀庫就能夠滿足 70％-95％工件的加工需要。因此，對 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床，從使用和經濟效率角度來看，容量為 6 的刀庫就 可滿足要求了。 3.2 確定刀庫容量 由以上考慮 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床的結構布局等原因，決定采用軸向放置 的鼓盤式刀庫形式。這種刀庫結構簡單，刀具排列較為緊湊，在刀庫容理定為 6 的情 況下體種不大，且取刀也較為方便，但需要考慮機械手的換刀動作空間。 3.3 刀庫結構設計 如刀庫裝配圖所示，當數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，直流伺服電動機接通，其運動經過 十字聯(lián)軸器、波傳動減速器、套筒式聯(lián)軸器、蝸桿、蝸輪后，再經花鍵聯(lián)接傳到刀盤 上，刀盤帶動刀座上的 6 個刀套轉動，完成選刀動作。 刀庫裝 配圖 3.4 初估刀庫驅動轉矩及選定電機 刀庫回轉運動多數(shù)采用液壓馬達、直流電動機驅動，并沒有降速傳動裝置。 3.4.1 初選電動機與降速傳動裝置 刀庫的驅動系統(tǒng)中，由于本刀庫的驅動轉矩小，且所需轉速小，所以決定采用直流伺 服電動機驅動。直流伺服電動機具有體積小，重量輕、伺服性好、力能指標高等優(yōu)點， 且該電機可用信號電壓進行無級調速。采用型號為 90SZ03 的 SZ 系列電磁式直流伺服 電動機，其基本參數(shù)為：功率 0.092KW，轉速 3000R/MIN（《袖珍機械師設計手冊》 P1275） ；降速傳動裝置型號為 XB3-50-100A 的扁平式諧波傳動減速器，其基本參數(shù)為： 輸入功率 0.092KW，輸出轉矩 18N·m（《袖珍機械師設計手冊 》P1078-1079） 。 3.4.2 初估刀庫驅動轉矩 由于刀庫容量 6，下面就以 THK6363 型自動換刀數(shù)控鏜銑床的刀庫為設計參考（查參考 資料 14） ，采用經驗法初估回轉所需轉矩。 THK6363 型自動換刀數(shù)控鏜銑床的刀庫也是采用軸向放置的鼓盤式刀庫形式，其容量 為 36 把刀具，最大刀具重達 10kgf，刀庫回轉由最大扭矩為 25N·m 的液壓馬達經諧波 減速器驅動。現(xiàn)在由于設計的刀庫容量為 6 把刀具，可初估刀庫驅動轉矩(主要是指直 接驅動刀盤轉動的轉矩)為 T0=8N·m。 3.5 刀庫轉位機構的普通圓柱蝸桿傳動的設計 刀庫的主運動是圓周回轉運動，如圖 3-3 所示,直流伺服電動機 1 通過彈性柱銷聯(lián)軸器 與諧波傳動減速器 2 聯(lián)接減速后驅動蝸桿 3,設計刀庫轉位機構的普通圓柱蝸桿傳動. 由刀庫轉位機構實現(xiàn)。 己知直流伺服電動機 1 的功率為 0.092KW,轉速為 3000R/MIN,諧波傳動減速器 2 的傳 動比為 100.傳動效率為 80%,1 經 2 減速后驅動蝸桿 3,蝸桿為主動,蝸輪為從動,要求傳 動此為 6,單向旋轉,單班工作制,預計壽命為 5 年. 圖示 3-3 刀庫轉位機構傳動示意圖 1)選擇蝸桿傳動類型 根據(jù) GB10085—88 的推薦，采用漸開線蝸桿（ZI） 。 2)選擇材料 蝸桿采用 45 鋼，齒面淬火，硬度為 45～50HRC；蝸輪用鑄錫磷青銅 ZCuSn10Pb1，金 屬模鑄造， =220 MPa， =220 MPa。'2HP?'2FP? 3)確定主要參數(shù) 蝸桿蝸輪傳動，以蝸桿為主動，蝸輪為從動。為了提高傳動效率，取 Z1=6，傳動比取 6，單向旋轉，單工作制，預計壽命為 5 年。則 Z2= Z1ⅹi= 6ⅹ6=36。 4)按齒面接觸疲勞強度設計 m2d1 KT2 (mm3)?'250ZHP??????? a)計算蝸輪軸轉矩 T2 初估傳動效率 η=0.95,則 T2=9549 =9549 η=9549 ⅹ0.95=133.53 N·m12Pn1/i0.928%3/6? 其中 n1 =3000/100=30(r/min) b)載荷系數(shù) K=1.05 c)許用接觸應力 2HP? = =220ⅹ0.9ⅹ1.48=293.04 MPa2HP'VSZN 式中, =220 MPa, '2 估計滑動速度 <5m/s，用浸沒潤滑 ,則由(參考文獻 11) (P972 圖 18—2)查得滑動速度S 影響系數(shù) =0.9, =1.48（其中 =60a t=60ⅹ1ⅹ ⅹ5ⅹ300ⅹ8=3.6ⅹ ,按VZNLZ2n306610 圖 18—3 查得） ； d)計算 m2d1 值,并選定模數(shù) m 和蝸桿分度圓直徑 d1 m2d1 ⅹ1.05ⅹ133.53=283.46 mm 3;?250369.4??????? 按表 18—3 查得模數(shù) m=3.15(mm), d1=35.5 (mm) (m2d1 值應大于計算值) 5)驗算滑動速度 SV a)計算蝸桿速度 1 = = =0.0558 m/s160dn??35.0? b)計算滑動速度 SV = / =0.0558/ =0.0632 m/sS1cos?'"cos2814? 其中 = = = ,則初估的 值合適。?11(/)tgZmd?(63.15/.)tg??'"2814?SV 6)驗算蝸輪齒彎曲強度 驗算公式為 22 216AVFFSPTKYd????? a)使用系數(shù) =1A b)動載荷系數(shù) =1.03VK c)載荷分布系數(shù) =1? d1=35.5 mm， =m =3.15 36=113.4 mm,其中模數(shù) m=3.15(mm)。2dZ? d)蝸輪齒形系數(shù) =4.00FSY e)按蝸輪當量齒數(shù) = / =36/ =52.34,由圖 17—2 查得。2VZ3cos?3'"s2814? f)導程角系數(shù) =1- /120°=1- /120 =0.766Y??'"?? g)許用彎曲應力 2FP? = =70 0.542=37.94 MPa2FP'NY? h)計算彎曲應力 =22.1322613.5.014.076F???? 由于 < ，故滿足蝸輪輪齒強度條件。2HP 7)計算蝸桿蝸輪的主要參數(shù) a)分度圓直徑 =35.5， =m =3.15 36=113.4mm1d2z? b)中心距 a a=( + +2 m)/2=[35.5+113.4+2 (-0.1349) 3.15]/2=74 mm1d2x? c)蝸桿導程角 '"814??? 8)計算其他尺寸 a)蝸桿齒頂圓直徑 = +2 =35.5+2 3.15=41.8 mm，1ad1a1ah? 其中 為蝸桿齒頂高，且 =m=3.15 mm；1ah1a b)蝸輪喉圓直徑 = +2 =113.4+2 0.8651 3.15=118.85 mm，2ad2ad2ah? 其中 為蝸輪齒頂高，且 = + =1-0.1349=0.8651 mm；2ah2a?2x c)蝸輪外圓直徑 = +m=118.85+3.15=122 mm；2ed d)蝸桿齒寬 由于 =6，故 按結構設計，取 =64 mm1b1Z1b1b e)蝸輪齒寬 0.67 =0.67 41.8 =28.006mm,取 =28 mm；22?1ad?2 f)蝸輪齒頂圓弧半徑 = -m= -3.15=14.6 mm2aR2a35. g)蝸輪齒根圓弧半徑 = +c= +0.2m= +0.2 3.15=21.53 mm；2f2f1da41.82? h)蝸桿軸向齒厚 = /2= = 3.15/2=4.948 mm,其中 為蝸桿軸1xs1xsp/m?xp 向齒距； i)蝸桿法向齒厚 = =4.948 =4.368 mm；1ns1nsxco?'"cs2814? j)蝸輪分度圓齒厚 =0.5 =0.5 3.15=4.948 mm。22m?? 9)熱平衡計算 蝸桿傳動由于效率低，所以工作時發(fā)熱量大。在閉式傳動中，如果產生的熱量不能及 時地散逸，將因油溫不斷升高而使?jié)櫥拖♂專瑥亩龃竽ゲ翐p失，甚至發(fā)生膠合。 所以必須根據(jù)單位時間內的發(fā)熱量 等于同時間內的散熱量 的條件進行熱功平衡1H2H 計算，以保證油溫穩(wěn)定牌規(guī)定的范圍內。 由于摩擦損耗的功率 = （1- ）kW, 則產生的熱流量（單位為 1W=1j/s）為fP1? =1000 （1- ）W1H1 式中 為蝸桿傳遞的功率（單位：kW） 。1 以自然冷卻方式，從箱體外壁散發(fā)到周圍空氣中去的熱流量為 =kA( - )W2H1t0 式中 k——熱導率，一般取 k=8.7～17.5W( ),環(huán)境空氣流通較差時，取較小值，2mC?: 否則取較大值； A——傳動裝置散熱的計算面積，即內面被沒浸濺的，而外面又被空氣所能冷卻的的 箱殼面積（ ） ；2m ——潤滑油的工作溫度，一般限制在 60～70 ，最高不能超過 80 ；1t C? C? ——周圍環(huán)境溫度，一般取室溫 =20 。0t 0t? 按熱平衡條件 = ，可求得在既定工作條件下的沒溫為1H2 = + 1t0??1P-kA?C? 在繪制傳動裝置結構圖的基礎上進行熱平衡計算： =0.092 80 =0.0736 kW1P?0 取 =20 , =0.95, k=10,并估算 A=0. 006 ，則0tC??2m =20+ =81.33 ＞801t??0.7361-0.95 ?C?? 由于 ＞80 ,超過最高工作溫度，所以必須采取一些散熱措施，以提高散熱能力，1tC? 如在傳動箱內裝循環(huán)冷卻管路。 3.6 刀庫驅動轉矩的校核 蝸輪轉速 =5r/min,所能傳遞的功率為 P=0.092 80 0.95=0.07 Kw,此時刀庫的驅動2n?0 轉矩為：T= = =120.3N·m＞T 0=8N·m，其中 =0.9 為外花954N??0.795? 鍵帶動刀盤回轉的傳動效率。由于 T＞T 0，所以，刀庫驅動轉矩滿足要求。 3.7 刀庫驅動轉矩的校核 在刀庫的傳動系統(tǒng)中，刀盤是利用花鍵聯(lián)接帶動刀座上的刀套轉動而進行選刀的，花 鍵的聯(lián)接屬于動聯(lián)接。已知所用的花鍵類型為漸開線花鍵 d=26mm,以下對其進行必要 的強度計算。計算公式如下： p= [p]MPa 式中:2gmTzhLD?? T——轉距（N·mm） ，此處 T=120.3N·m=120.3 1000N·mm；? ——各齒間載荷不均勻系數(shù)，通常取 =0.7 0.8，此處取 =0.75；?:? z——齒數(shù)，此處 z=6； ——齒的工作高度（mm） ，對漸開線花鍵， =m,此處 m 為模數(shù)，且取gh gh m=1.5mm； ——齒的工作長度（mm） ，此處 =48mm；gLgL ——平均直徑（mm） ，對漸開線花鍵，此處 =d=26mm。mDmD 于是，把數(shù)據(jù)代入計算公式，得 p= = =28.6MPa2gmTzhLD?120.3.756486? 由于該花鍵聯(lián)接為不在載荷作用下移動的動聯(lián)接，查表 9-13 可知，若齒面經熱處理且 使用和制造情況為良好時，[p]可達 40 70 MPa，p [p],故花鍵聯(lián)接的強度滿足要求。:? 3.8 夾緊機構插銷剪切強度的校核 刀套在刀座上的夾緊由插銷實現(xiàn)（見刀庫裝配圖） 。插銷承受的主要是剪切力，以下對 單個插銷進行剪切強度的校核。 插銷材料為 45 鋼，[ ]=60MPa,直徑 d=6mm。? 剪切力由重力引起，估算 P=100N,插銷受力如圖所示。 由圖可知該情況為雙剪切，且由平衡方程易得 Q=P/2, 于是，插銷橫截面上的剪切力為 = Q/A=(100 )/[ ]=1.8MPa [ ]?610??322(10)4????? 故插銷滿足強度條件要求。 3.9 確定刀具的選擇方式 按數(shù)控裝置的刀具指令，從刀庫中將所需要的刀具轉換到取刀位置，稱為自動選刀。 在刀庫中選擇刀具通常采用兩種方式。 1)順序選擇刀具 2)任意選擇刀具 3.10 刀庫的定位與刀具的松夾 刀庫旋轉定位是依靠簡易定位裝置來實現(xiàn)的。其控制過程示意圖如下： 發(fā)出選刀 信號 牙嵌離合器 脫離嚙合 從動軸慣性 慢轉 刀庫定位停 止 定位完畢發(fā) 出信號 刀庫的定位是由接近開關使直流伺服 電機停止轉動，然后由雙向液壓帶動 定位銷 6，插入刀座 5 上的定位孔， 實現(xiàn)精確定位。在刀座 5 的每一個刀 位上都裝有如圖所示的彈簧、導柱 3、鍵塊 1 和銷 2 所組成的刀具固定 裝置。由此實現(xiàn)刀具在刀庫上的固定 鎖緊。圖中所示為刀具卡在刀座上的 狀況。當液壓缸 4 通油后，將導柱 3 拉出，使銷 2 退出，此時刀具在刀座上處于自由狀態(tài)，控制刀具固定裝置的液壓缸 4 有兩個，一個和定位銷在一起，自動換刀時用，另一個在靠近立柱方向，用于刀庫手 動裝卸刀。 刀庫定位示意圖 4 刀具交換裝置的設計 數(shù)控機床的自動換刀裝置中,實現(xiàn)刀庫與機床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具 交換裝置。刀具的交換方式通常分為兩種: 一種是采用機械手交換刀具 , 另一種是由刀 庫與機床主軸的相對運動來實現(xiàn)刀具交換即無機械手交換刀具。無機械手交換刀具方 式：結構簡單，成本低，換刀的可靠性較高；刀庫因結構所限容量不多。這種換刀系 統(tǒng)多為中、小型加工中心采用。刀具的交換方式及它們的具體結構對機床的工作效率 和工作可靠性有直接的影響。由 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床的結構特性決定難 以實現(xiàn)由刀庫與機床主軸的相對運動來實現(xiàn)刀具交換，故采用機械手交換刀具的方式。 機械手是當主軸上的刀具完成一個工步后，把這一工步的刀具送回刀庫，并把下一道 工步的所需要的刀具從刀庫中取出并裝入主軸繼續(xù)進行加工的功能部件。對機械手的 具體要求是迅速可靠，準確協(xié)調。 4.1 確定換刀機械手形式 在自動換刀數(shù)控機床中，換刀機械手的形式是多種多樣的，常見的有以下幾種。 1)兩手呈 180°的回轉式單臂雙手機械手； 圖 4-1 機械手臂和手爪 1.手爪 2.錐銷 3.手臂 4.5.彈簧 6.活動銷 7.長銷 8.鎖緊銷 2)兩手互相垂直的回轉式單臂雙手機械手 3)兩手平行的回轉式單臂雙手機械手； 4)雙手交叉式機械手； 由于不同的數(shù)控機床（加工中心）的刀庫與主軸的相對位置不同。所以各種數(shù)控機床 所使用的換刀機械手也不盡相同。 上圖是兩手互相垂直的回轉式單臂雙手機械手的結構示意圖。 這種機械手的優(yōu)點是換刀動作可靠，換好時間短，缺點是刀柄精度要求高，結構復雜， 聯(lián)機調整的相關精度要求高，機械手離加工區(qū)較近。 一般來說，這種機械手用于刀庫刀座軸線與機床主軸軸線垂直，刀庫為徑向存取刀具 形式的自動換刀裝置，因此，在 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降銑床的自動換刀裝置中可 采用這種機械手形式。 4.2 換刀機械手的工作原理 下面是以在 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床的自動換刀裝置中采用這種上機械手換 刀的工作原理。 該機械手安裝在主軸的左側面，隨同主軸箱一起運動。機械手由機械手臂與 45°的斜 殼體組成。機械手臂 1 形狀對稱。固定在回轉軸 4 上，回轉軸與主軸成 45°角，安裝 在殼體 3 上，5 為手臂托，可由液壓缸帶動（圖中未標出） ，機械手有伸縮、回轉、抓 刀、松刀等動作。 伸縮動作：液壓缸（圖中未標出）帶動手臂托架 5 沿主軸軸向移動。 回轉動作：液壓缸 2 中的齒條輪通過齒輪帶動回轉軸 4 轉動。從而實現(xiàn)手臂正向和反 向 180°的旋轉運動。 抓刀、松刀動作：機械手對刀具的夾緊和松開是通過液壓缸 6。碟形彈簧 7 及拉桿 8、 杠桿 9、活動爪 10 來實現(xiàn)。碟形彈簧實現(xiàn)夾緊，液壓缸實現(xiàn)松開。在活動爪中有兩個 銷子 11，當夾緊刀具時，插入刀柄凸緣的孔內，確保安全、可靠。 4.3 機械手的自動換刀過程的動作順序 （a） （b） （c） （d） 圖 4-6 換刀機械手的換刀過程 自動換刀裝置的換刀過程由選刀和換刀兩部分組成。 選刀即刀庫按照選刀命令（或信息）自動將要用的刀具移動到換刀位置，完成選刀過 程，為下面換刀做好準備，換刀即是機械手把主軸上用過的刀具取下，將選好的刀具 安裝在主軸之上。 換刀動作的大致過程為： 1)主軸箱回到最高處（z 坐標零點） ，同時實現(xiàn)“主軸準停 ”。即主軸停止回轉并準確停 止在一個固定不變的角度方位上，保證主軸端面的鍵也在一個固定的方位，使刀柄上 的鍵槽能恰好對正端面鍵。 2)機械手抓住主軸和刀庫上的刀具。如圖 4-6（a）所示。 3)把卡緊在主軸和發(fā)庫上的刀具松開 4)活塞桿推動機械手下行，從主軸和刀庫上取出刀具 5)機械手回轉 180°，交換刀具位置， 6)將更換后的刀具裝入主軸和刀庫 7)分別夾緊主軸和刀庫上的刀具 8)機械手松開主軸和刀庫上的刀具 9)當機械手松開具后，限位開關發(fā)出“換刀完畢”的信號，主軸自由，可以開始加工 或其他程序動作。 在自動換刀的整個過程中，各項運動均由限位開關控制，只有前一個動作完成后，才 能進行下一個動作，從而保證了運動的可靠性。 4.4 機械手回轉軸 4 上的齒輪齒條設計 1)回轉軸上齒輪采用漸開線標準直齒圓柱齒輪形式 2)取模數(shù) M=1。 5。初取齒數(shù) z=30 3)下表為齒輪幾何尺寸設計的基本參數(shù)： 名稱 代號 計算公式 模數(shù) m 壓力角 ?20o 分度圓直徑 d D=mz=1.5 30=45? 齒頂高 ahah1.5m??? 齒根高 ff()(02)1.875c? 齒全高 h af.3 齒頂圓直徑 adad(z2)().4hm???? 齒根圓直徑 f fa125c?? 齒距 p 4.7p? 齒厚 s /2.35sm?? 頂隙 c 0.17c?? 4)齒條的基本尺寸，按外齒輪幾何尺寸的計算公式進行計算 4.5 自動換刀裝置的相關技術要求 4.5.1 主軸準停裝置 為了傳遞扭矩，在主軸的前端裝有端鍵，當?shù)毒叩侗b入錐孔時，刀柄上的鍵槽位置 必須與該鍵對準才能裝入。當機械手從刀庫取刀時，為了確保刀具其后能順利地裝入 主軸錐孔中，必須使主軸準確地停在刀具交換位置上。同時，由于工藝上的需要，也 必須使主軸準停在固定位置上。這種使主軸端在定位鍵停在固定位置的技術要求稱為 主軸準停。 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床的自動換刀裝置，在每次自動裝卸刀具時，都必須 要求主軸準確地停止在固定的周向位置上。因此，可在主軸上安裝電氣控制的主軸準 停裝置以實現(xiàn)主軸準停功能。 4.5.2 換刀機械手的安裝與調試 1)換刀機械手安裝在主軸箱的左側面，加工零件時，換刀機械手隨主軸箱一起上下運 動。 2)當初裝上換刀機械手后，必須進行調試：用手動操縱主式調整換刀機械手相對于主 軸的位置，使用調整心棒，有誤差時可調整機械手行程、刀庫位置、機械手支座、修 正主軸坐標原點等。安裝最大重量刀具時，要進行多次刀庫到主軸位置的自動交換， 使機械手換刀時做到準確無誤，無撞擊。 4.6 自動換刀程序的編制 1)換刀動作（指令）：選刀（T××） ；換刀（M06） 2)選刀和換刀通常分開進行。 3)為提高機床利用率，選刀動作與機床加工動作重合。 4)換刀指令 M06 必須在用新刀具進行切削加工的程序段之前，而下一個選刀指令 T 常 緊跟在這次換刀指令之后。 5)換刀點：多數(shù)加工中心規(guī)定在機床 Z 軸零點（Z 0） ，要求在換刀前用準備功能指令 （G28）使主軸自動返回 Z0 點。 6)換刀過程:接到 T××指令后立即自動選刀，并使選中的刀具處于換刀位置，接到 M06 指令后機械手動作，一方面將主軸上的刀具取下送回刀庫，另一方面又將換刀位 置的刀具取出裝到主軸上，實現(xiàn)換刀。 7)換刀程序編制方法 a)主軸返回參考點和刀庫選刀同時進行，選好刀具后進行換刀。 … N02 G28 Z0 T02 Z 軸回零，選 T02 號刀； N03 M06 換上 T02 號刀 … 缺點：選刀時間大于回零時間時，需要占機選刀。 b)在 Z 軸回零換刀前就選好刀 … N10 G01 X_ Y_ Z_ F_ T02 直線插補，選 T02 號刀 N11 G28 Z0 M06 Z 軸回零，換 T02 號刀 … N20 G01 Z_ F_ T03 直線插補，選 T03 號刀 N30 G02 X_ Y_ I_ J_ F_ 順圓弧插補 c)有的加工中心（TH5632）換刀程序與上略不同 … N10 G01 X_ Y_ Z_ F_ T02 直線插補，選 T02 號刀 … N30 G28 Z0 T03 M06 Z 軸回零，換 T02 號刀，選 T03 號刀 N40 G00 Z1 N50 G02 X_ Y_ I_ J_ F_ 圓弧插補 … 注：對臥式加工中心，上面程序的 G28 Z0 應為 G28 Y0 。 5 夾具設計研資料究原始 5．1 擬定夾具的結構方案 1.確定夾具的類型 ⑴：以 φ56 外圓表面自定心三爪卡盤與活動頂尖定位，限制 Y 軸方向和 Z 軸方向的四個自由度，這種方按無法保證軸向尺寸精度，再由于夾緊力方向與 切削力方向不一致，而且，零件表面可以卡的地方面積太小。 （ 圖 五 ） ⑵：工件以底面和外圓在夾具體和 V 型塊上定位，即可限制零件 Z 軸方向 和 X 軸方向的自由度，由于 V 型塊定位精度高，能保證加工精度。另外在 V 型塊上用螺栓緊固零件，就可以最大限度的限制零件在 Y 軸方向的自由度，定 位夾緊更加可靠， （如下圖所示） 。從以上兩個方案比較來看，方案二明顯優(yōu)于 方案一，故采用方案二作為本工序的定位方案。 （ 圖 六 ） 5.2 確定工件的定位方式及夾具體元件的材料 工件的定位方式主要取決于工件的加工要求和定位基準的形狀．尺寸。分 析加工工序的技術條件和定位基準選擇的合理性，遵循六點定位原則，按定位 可靠．結構簡單的原則，確定定位方式。常見的定位方式有平面定位．內孔定 位．外圓定位和組合表面（一面兩銷）定位等。在確定了工件的定位方式后， 即可根據(jù)定位基面的形狀，選取相應的定位元件及結構。 (1) 平面定位 在夾具設計中常用的平面定位元件有固定支承．可調支承．自位支承及輔 助支承，其中固定支承又可分為支承釘和支承板。 (2)夾具體材料 由于本產品需大批量生產，所以該專用夾具的每個零件需選用較好的材料， 且不容易磨損，不容易變形，經濟實用，以及熱處理。所以 ，本夾具除了導向 套使用材料銅，彈簧使用材料 60Si2Mn，螺栓使用材料 35 號鋼，其余的零件， 我都用 45 號剛來制造。下面我來介紹下 45 號鋼。 45 號鋼 1：45 號鋼不淬火硬度小于 HRC28，比較軟，不耐磨。淬火后硬度可以 （注意是可以）大于 HRC55，耐磨性較好，韌性好。 2：變形的問題 千萬不要相信熱處理，如果是專業(yè)的人是不會變形的。凡是熱處理就會變 形，只不過變形能不能接受罷了，零件把精加工放在熱處理后就是為了將變形 加工掉。 淬火前一定要講好允許的變形量的大小，校正變形的費用問題。不然的話，熱 處理方一定會連校正也不作，直接交貨的。盡管之前他們肯定會吹得天花亂墜。 3：淬硬的問題。 45 號鋼淬火后硬度可以（注意是可以）大于 HRC55。但這是小截面的，截面 稍大，得到的硬度就會降低。而且冬天淬裂的可能也是有的。這些方面都要注 意。 不要采用表面氮化處理，雖然表面硬度可以提高很多，但基體材料會硬度很低。 雖然耐磨了，但會壓出小坑來。 將來再做的話，可以采用淬透性好的合金鋼，在較大的截面下，仍可以獲 得較高的硬度，而且變形也比 45 號鋼的小。比如 GCr15（滾鉻 15，軸承鋼） ， 在臨沂市場比 45 號鋼還便宜，硬度、耐磨性、熱處理工藝性都好。 4：45#鋼是含炭量在 0.45%的碳素結構鋼 5 .3 工件的夾緊方式，計算夾緊力并設計夾緊裝置 (1)工件的夾緊方式 夾緊機構應保證工件夾緊可靠．安全．不破壞工件的定位及夾壓表面的精 度和粗糙度。在設計夾緊裝置時必須合理選擇夾緊力的方向和作用點，必要時 還應進行夾緊力的估算。 所以，我選擇以底面為基準面，用 V 型塊和夾具體夾緊工件，并且在 V 型 塊兩側用緊固螺栓進行固定，用彈簧緊固零件，側面用一塊擋板限制其自由度， 從而更好的固定零件，方便加工。 （如下圖所示） 由于 45 號鋼淬火后硬度可以（注意是可以）大于 HRC55，耐磨性較好。 但這是小截面的，截面稍大，得到的硬度就會降低。假如采用表面氮化處理， 雖然表面硬度可以提高很多，但基體材料會硬度很低。雖然耐磨了，但會壓出 小坑來。所以，采用表面淬火的 45 號鋼制作螺栓，夾具體，墊圈， V 型塊等， 而彈簧則選用常用的彈簧材料（60Si2Mn） 。 （ 圖 七 ） (2)夾緊力的計算 在確定夾緊力的大小時，為簡化計算，通常將夾具和工件看成一個剛性系 統(tǒng)。根據(jù)工件所受切削力，夾緊力（大型工件還需考慮重力，慣性力等等）的 作用情況，找出加工過程中對夾緊最不力的狀態(tài)，按靜力平衡原理計算出理論 夾緊力，最后再乘以安全系數(shù)，如下： 用壓板和 V 形塊夾緊工件 KM sina/2Fwk= df X 1+sina/2 Fwk 為所需（實際）夾緊力；M 為切削轉矩；K 為安全系數(shù)(粗加工時取 2.5～3，精加工時取 1.5～2)；d 為工件直徑；f 為工件與支承面間的摩擦系數(shù)； 其數(shù)值參見下表： 各種不同接觸表面之間的摩擦系數(shù) 接觸表面的形式 摩擦系數(shù) f 接觸表面的形式 摩擦系數(shù) f 接觸表面均為加工過的 光滑表面 0.12～0.25 夾具夾緊元件的淬硬表 面在垂直主切削力方向 有齒輪 0.4 工件表面為毛坯，夾具 的支承面為球面 0.2～0.3 夾具夾緊元件的淬硬表 面有相互垂直的齒輪 0.4～0.5 夾具夾緊元件的淬硬表 面在沿主切削力方向有 齒輪 0.3 夾具夾緊元件的淬硬表 面有網狀齒紋 0.7～0.8 1)刀具的選擇 切削過程中，刀具的切削刃要承受很高的溫度和很大的切削力，同時還要 承受沖擊與振動，要使刀具能在這樣的條件下工作并且保持良好的切削力，刀 具應滿足以下基本要求： ⒈ 高硬度以及高耐磨性。 ⒉ 足夠的強度和韌性。 ⒊ 良好的耐熱性能。 ⒋ 良好的工藝性。 ⒌ 經濟性 高速鋼是含有較多的 W 、Mo 、Gr 、V 的的高合金工具鋼，與碳素工具鋼 和合金工具鋼相比，高速鋼具有較高的熱穩(wěn)定性（500℃～650℃時仍能切削） ， 故高速鋼刀具允許使用切削速度較高。 高速鋼還具有良好的綜合性能。其強度和韌性是現(xiàn)有刀具材料中最高的 （其抗彎強度是強硬質合金的 2～3 倍，韌性是硬質合金的 9～10 倍） ，具有一 定的硬度和耐磨性，切削性能能滿足一般加工要求，高速鋼刀具制造工藝簡單， 刃磨易獲得鋒利的切削刃，能鍛造，熱處理變形小，所以適合加工本零件。 麻花鉆是孔加工刀具中應用最為廣泛的刀具，特別適合與 D30mm 以下的 孔粗加工，有時也用于擴孔。麻花鉆按其制造材料分為高速鋼麻花鉆和硬質合 金麻花鉆。用高速鋼麻花鉆加工發(fā)孔精度可達 IT11～IT13 ，表面粗糙度 Ra 可 達 6.3～2.5um；硬質合金鉆頭加工時則分別可達 IT10～IT11 和 Ra12.5～3.2um. (文獻 4) 2）夾緊力的計算： 由下圖可知，a=120° （ 圖 八 ） 所以可得： 2×M sin120/2 Fwk=0.056×0.2 X 1+sin120/2 ①式 3)切削扭矩 M 扭的計算： 2 0.8 查文獻⑵得 M 扭= 210 x D x F ②式 其中 D=孔的加工直徑 F=軸向進給量 2 0.8 -3 M 扭 = 210 x 28mm x 1mm × 10 -3 = 210 x 784mm x 10 = 164.604N.m 所以，由①式和②式可得： 2×164.604N.m Sin120/2 Fwk= 0.056×0.2 X 1+Sin120/2 =13639N 4)軸向力 F 軸的計算 2 0.8 -3 查文獻⑵軸向力 F 軸=425 x D x F x 10 ③式 其中 D=孔的加工直徑 F=軸向進給量 2 0.8 -3 = 425 x 28mm x 1mm x 10 -3 = 425 x 784mm x 10 = 333.200N 5)選擇夾緊螺栓直徑 根據(jù)夾緊力方向和作用點的選擇原則，依照方按二，選用兩只 M16×120 螺栓作為夾緊螺栓，且置于工件的兩邊，鉆頭橫向進刀時，軸向力 Fz 與夾緊力 Fwk 方向相同，兩螺栓分別作用在 V 形塊上（如下圖所示）切削扭矩 M 切使得 工件轉動，為防止工件發(fā)生轉動，夾具夾緊機構應有足夠的摩擦力矩與之平衡。 鏜孔時，鉆頭鉆的孔越大時，所受到的軸向力也越大，所以，螺栓此時所受的力最大， ，將 此時作為驗算依據(jù)，在鉆頭橫向進刀時，根據(jù)力矩平衡原理，計算螺栓應受到的最大力。 所以若想正常加工，必須符合以下公式： Fwk × f 摩 ≥ F 軸 ④式 根據(jù)①式，②式和③式可得： 13639N × 0.2 = 2727.8N ⑤式 F 軸 = 333.2N ⑥式 根據(jù)⑤式和⑥式得：④式成立，即可以正常加工所以，即兩個螺栓要承受 13639N 的力，即每個螺栓要承受的力為： F= 13639/ 2N = 6819.5N 根據(jù)文獻（4）第二版（P21）得： 2 單個螺栓所能承受的力是 F= πr × σb 根據(jù)文獻（4）第二版得：σb = 530 / MPa = 530 N/m㎡ 2 由上可得： F = 3.14 × 8 × 530 = 106508.8 N 所以可得，單個螺栓所能承受的力，遠大于夾具中要承受的力 6819.5N 的 力，所以，選用 M16 的螺栓作為夾緊螺栓，安全可靠。 5 .4 機械加工工藝規(guī)程卡片 （表一） 機 械 加 工 工 藝 規(guī) 程 卡 片 零件名稱 閥體零件 材料牌號 HT15—33 毛坯種類 灰鑄鐵 工序號 工序名稱 工序內容 設備 工藝裝備 010 毛坯鑄造 砂型鑄造 自硬砂為造 型材料 020 熱處理 去應力退火 030 底面粗/精加工 1.以 φ46 的 圓柱為基準， 用虎鉗夾住 兩端面。 2，校正 3，粗加工 4mm，精加工 1mm 4，測量 XQ6225 面銑刀（高速鋼） ，專用夾具 ，機械卡尺 040 側面粗/精加工 1,以底面 （030 所加 工處）為基 準，用兩壓 板固定。 2,校正 3,精加工 XQ6225 面銑刀， （高速鋼） ，專用夾具，機械卡尺 050 端面粗/精加工 1,以底面為 基準固定， 同 050 步驟。 2,校正。 3,粗加工 4mm 精加工 1mm 4,測量 XQ6225 面銑刀， （高速鋼） ，專用夾具，機械卡尺 060 螺孔粗/精加工 1,專用夾具 固定 2,校正 3,用 φ28 鉆 頭進行加工 4,用 M30×1.5-6H 的攻頭攻絲 5, 測量 T68 麻花鉆 ， （高速鋼） ， M30×1.5-6H 的絲攻，專用 夾具（已設計） ，機械卡尺 070 螺孔粗/精加工 1 專用夾具 固定。 2,校正。 3,用 φ20 的 麻花鉆進行 加工 4,用 G1/2 的 專用攻頭攻 絲 5 測量 Z35 麻花鉆， （高速鋼） ，G1/2 的專用絲攻，專用夾具，機 械卡尺 080 螺孔加工 1,固定方法 同 050 步驟。 2,校正。 3,用 φ12 的 麻花鉆進行 加工 4 測量 Z35 麻花鉆， （高速鋼） ，專用夾具，機械卡尺 090 锪孔半精加工 1.固定方法 同 080 步 2 用锪孔鉆 加工， 3，測量 Z35 锪孔鉆， （高速鋼） ，專用夾具，機械卡尺 100 清潔 去毛刺 編制（日 期） 審核（日 期） 共（ ）頁 第（ ）頁 致 謝 大學三年即將結束，這篇畢業(yè)論文是對我三年所學的考驗和總結。設計本 課題讓我把所學的相關專業(yè)知識運用其中，并對軟件設計研究有更深的了解。 經過幾個月的查找資料和 CAD 的使用計算，將一些與本課題有關的知識進 行總結歸納，從選題、收集材料、比較分析、設計和總結是在導師繆飛軍老師 的指導下完成的。 本論文是在繆飛軍老師的嚴格要求、督促及楊偉超老師耐心指導下完成的。 繆飛軍老師和楊偉超老師嚴謹?shù)闹螌W精神使我受益頗深，沒有繆飛軍老師和楊 偉超的關懷和指導就沒有本文的完成，在此表示衷心的感謝。同時還要感謝同 學孫建，在畢業(yè)設計過程中給予我的整體設計方向上的指引和技術上的幫助與 支持。 另外，還要感謝我的同學馮園，在一些技術細節(jié)上給了我很多的指點，本 論文的完成與同事們的支持也是分不開的，在此一并謝過。 最后，我要感謝的是我的好朋友們，感謝他們在我讀大學期間對我一如既 往的的支持與幫助。特別感謝我的父母，為我提供學習的機會，我的每一分成 績也同樣屬于他們。 由于時間和能力有限，在本論文中存在許多不足之處，我只有在今后的工 作和學習中不斷的嚴格要求自己，繼續(xù)發(fā)揚畢業(yè)設計時的求知精神。 參考文獻書目 ⑴《機械設計基礎》 主編：王世輝 重慶大學出版社 2005 年 ⑵《機械制造技術課程設計》主編：吳雄彪 浙江大學出版社 2005 年 ⑶《機械制造基礎》 主編：蘇建修 機械工業(yè)出版社 2005 年 ⑷《機械制造技術基礎》 主編：黃健求 機械工業(yè)出版社 2006 年 （第一版，第二版） ⑸《機械工程材料》 主編：許德珠 高等教育出版社 2005 年 ⑹《機械制造技術》 主編：朱正心 機械工業(yè)出版社 1999 年 ⑺《金屬切削原理與刀具》 主編：王曉霞 高等教育出版社 2005 年 ⑻《機械制圖》 主編：劉 力 高等教育出版社 2000 年 ⑼ 《Pro/ENGINEER 模具設計與 Mastercam 數(shù)控加工》 主編：何滿才 人民郵電出版社 2006 年