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中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 1 頁 共 50 頁 畢業(yè)設計說明書 臥式加工中心自動換刀裝置設計 學生姓名：三號楷體 學號： 三號楷體 學 院： 三號楷體 專 業(yè)： 三號楷體 指導教師： 只寫名字，三號楷體 年 月（小二號居中） 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 2 頁 共 50 頁 自動換刀機械手的設計 摘要 臥式加工中心在加工中用得很廣泛，臥式加工中心利用刀庫實現(xiàn)換刀。而自動 換刀裝置是臥式加工中心的重要組成部分之一，它的功能的好壞，關(guān)系到整個臥式 加工中心的功能。自動換刀裝置可分為五種基本形式，即轉(zhuǎn)塔式、 180 回轉(zhuǎn)式、回 轉(zhuǎn)插入式、二軸轉(zhuǎn)動式和主軸直接式。刀庫換刀，按照換刀過程有無機械手參與， 分成有機械手換刀和無機械手換刀兩種情況。在有機械手換刀的過程中，使用一個 機械手將加工完畢的刀具從主軸中拔出，與此同時，另一機械手將在刀庫中待命的 刀具從刀庫拔出，然后兩者交換位置，完成換刀過程。無機械手換刀時，刀庫中刀 具存放方向與主軸平行，刀具放在主軸可到達位置換刀時，主軸箱移到刀庫換刀位 置上方，利用主軸 Z 向運動將加工用畢刀具插人刀庫中要求的空位處，然后刀庫中 待換刀具轉(zhuǎn)到待命位置。主軸 Z 向運動將待用刀具從刀庫中取出，并將刀具插人主 軸。 關(guān)鍵詞：臥式加工中心 自動換刀裝置 刀庫 機械手 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 3 頁 共 50 頁 Abstract Machining center in the increasingly wide use of the processing , which is currently used by large processing center blade.And the automatic blade changer devices is an important component of machining center.Its function is good or bad, on the whole processing machining center functions.Automatic blade devices can be divided into five basic forms .Namely to Tower, 180 turnaround-type, rotation planting one-, two-and the main axis of rotation axis direct .Exchange cutlery in the tools storehouse,according to the availability of process machinery blade in hand,into a mechanical hand blade and non- blade two mechanical hands .In a mechanical hand exchange cutlery,those will be completed using a mechanical hand, the cutlery out from the main axis.At the same time, another mechanical hand take cutlery from tools storehouse, and then the two exchange locations. The whole process is completed.If the mechanical hand blade do not join in the process, cutlery storage direction with the main axis parallel. when cutlery arrive at the location which the the main axis can reach, the main axis of the knife blade box to the location above.Z axis movement will be used to complete the processing by cutlery inserted in the space required by department, and then for cutlery knife to be transferred to the standby database location. Z axis movement will return to remove the cutlery from tools storehouse and inserted into the main axis. Keyword: machining center automatic blade changer devices tools storehouse manipulator 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 4 頁 共 50 頁 目 錄 1 前言 ..................................................................6 1.1 加工中心簡介 .......................................................7 1.1.1 加工中心的發(fā)展史 ................................................7 1.1.2 加工中心的優(yōu)點 ..................................................7 1.1.3 加工中心的發(fā)展動向 ..............................................8 1.2 自動換刀裝置的簡介 .................................................8 1.2.1 自動交換刀具的由來 ..............................................8 1.2.2 自動換刀的形式 ..................................................9 1.2.3 刀庫的功能和形式 ...............................................11 1.2.4 刀套準停措施 ...................................................13 2 機械手的設計 .........................................................14 2.1 機械手的原理 ......................................................14 2.2 設計方向 ..........................................................16 2.3 概要 ..............................................................17 2.3.1 機械手的組成與分類 ..............................................17 2.3.2 機械手的手部 ....................................................17 2.4 機械手手部的設計 ...................................................18 2.5 機械手其它零件以及尺寸的確定 .......................................23 2.5.1 螺栓的確定 ......................................................23 2.5.2 其它尺寸的確定 ..................................................24 2.5.3 軸與機械手配合部分的直徑的確定 ..................................24 2.5.4 液壓泵的選擇 ....................................................26 3 驅(qū)動系統(tǒng)的設計 ......................................................27 3.1 轉(zhuǎn)位機構(gòu)的設計 ....................................................27 3.1.1機械手轉(zhuǎn)過 75 度的驅(qū)動機構(gòu) .......................................28 3.1.2 機械手轉(zhuǎn)過 180 度的驅(qū)動機構(gòu) ......................................32 3.2 驅(qū)動機構(gòu)其它零件的設計 .............................................35 3.2.1 液壓缸的選擇 ....................................................36 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 5 頁 共 50 頁 3.3 軸的結(jié)構(gòu)設計 .......................................................37 3.3.1 擬定軸上零件的裝配方案 ..........................................37 3.3.2 確定軸的各段直徑與長度 ..........................................38 3.4 主軸的自動夾緊機構(gòu)以及主軸準停裝置的設計 ...........................39 3.4.1 主軸結(jié)構(gòu) ........................................................39 3.4.2 刀具的自動夾緊機構(gòu) ..............................................39 3.4.3 主軸準停裝置 ...................................................39 3.5 換刀裝置的液壓機構(gòu)分析 .............................................40 3.5.1 液壓分析 .......................................................40 3.5.2 換刀動作順序表 .................................................42 4 PLC 控制分析 ........................................................44 小結(jié) ...................................................................48 參考文獻 ...............................................................49 致謝 ...................................................................50 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 6 頁 共 50 頁 1 前言 臥式加工中心的自動換刀裝置（機械手） ，是加工中心的重要組成部分之一，我 做的這個畢業(yè)設計就是關(guān)于這方面的問題。 我的設計任務是：對臥式加工中心自動換刀機械手進行設計。它主要包括以下 幾方面的內(nèi)容： (1)機械部分的設計 (2)液壓部分的設計 (3)自動控制方面的設計（PLC） 這個自動換刀裝置是針對 JCS--018 的，通過對實驗室中這臺機床的研究以及查 閱相關(guān)資料。在老師的指導下，我很快就有了一個明確的思路。我的思路如下：首 先，對機械手部分進行設計，接下來是液壓部分，最后是 PLC 方面。這個機械手只 有 2 個方向的自由度，既：Z 軸方向的轉(zhuǎn)動一移動，通過這 2 個自由度，我可以完 成整個換刀的操作。其中轉(zhuǎn)動是用來交換刀具的位置，進而為拔刀與插刀做準備。 而移動是用來完成拔刀與插刀的動作的。就是說整個運動過程如下：機械手轉(zhuǎn)到指 定的位置，然后在一系列的控制之下交換刀具以及插拔刀具。而我這個設計與實驗 室中的那臺加工中心的自動換刀裝置有一些區(qū)別，就是實驗室中那臺加工中心的自 動換刀裝置采用的是氣壓控制，而我在這個設計中采用的是液壓控制。 在我這個設計中，我遇到了一些問題，就是力不好確定，以及許多尺寸不容易 準確的確定下來，我采用了一個很笨的方法，就是直接對 JCS--01 那臺加工中心一 些部件的尺寸進行直接的測量，才得出來，我所要的尺寸。通過這個設計中，我對 自己的知識有了很明確的認識，看到了自己的許多缺點，對自己起到了一個查漏補 缺的作用。 同時，我得到了程老師的很多指導，如果不是程老師的話，我根本不知道從那 里入手。在做論文的過程中，我出了很多錯誤，因為這，得到及時的更正。謝謝老 師。 從這次做畢業(yè)設計中，我對 CAD 有了很大的認識，以后，我對再復雜的圖，都 不會有恐懼感，在液壓方面也溫習了以前學到的知識。 雖然這樣，我做的這個畢業(yè)設計，肯定還有很多的錯誤，希望老師們指正。 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 7 頁 共 50 頁 1.1 加工中心簡介 1.1.1 加工中心的發(fā)展史 加工中心的發(fā)展已有 50 年歷史，自從 1952 年世界上出現(xiàn)第一臺上數(shù)控機床后， 使多品種、中小批量的機械加工設備在柔性、自動化和效率上產(chǎn)生了巨大變革。 它用易于修改的數(shù)控加工程序進行控制，因而比大批量生產(chǎn)中使用組合機床生 產(chǎn)線的凸輪、開關(guān)控制的專用機床有更大的柔性，容易適應加工關(guān)鍵品種的變化， 進行多品種加工。 所謂加工中心，普遍上指在工件一次裝卡中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動銑削、鉆孔、鏜孔、 鉸孔、攻絲等多工序的數(shù)控機床。更為明確的說法是：加工中心就是自動換刀數(shù)控 鏜銑床。 現(xiàn)代加工中心的內(nèi)容包括：它是在數(shù)控鏜床或數(shù)控銑床的基礎上增加自動換 刀裝置，可使工件在一次裝卡中，能夠自動更換刀具，自動完成工件上的銑削、鉆 孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等工序的數(shù)控機床。加工中心上如果帶有自動分度回轉(zhuǎn)工 作臺或自動轉(zhuǎn)角度的主軸箱，可使工件在一次裝卡中，自動完成多個平面和多個角 度位置的多工序加工。加工中心上如果帶有交換工作臺，工件在工作位置的工作 臺上進行加工的同時，另外的工件在裝卸為止的工作臺上進行裝卸，不影響加工的 進行。 1.1.2 加工中心的優(yōu)點 加工中心的優(yōu)點很多，主要有以下幾點： 提高加工質(zhì)量 工件一次裝夾，即可實現(xiàn)多工序集中加工，大大減少多次 裝夾所帶來的誤差。而且，由于是數(shù)控加工，較少依賴操作者的技術(shù)水平，可得到 相當高的穩(wěn)定精度。 縮短加工準備時間 減少在制品 減少刀具費用 最少的直接勞務費 最少的間接勞務費 設備利用率高 加工中心設備利用率為通用機床的幾倍。另外，由于工序集 中，容易適應多品種、中小批量生產(chǎn)。 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 8 頁 共 50 頁 1.1.3 加工中心的發(fā)展動向 總的來說，加工中心是向高速化、進一步提高精度和愈發(fā)完善的方向發(fā)展。 （1）高速化 加工中心的高速化，是指主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、自動換刀和自動交換工作臺的 高速化。 （2）進一步提高精度 加工中心的主要精度指標是它的運動精度指標。而運動精度主要以坐標定位精 度、重復定位精度以及銑圓精度來表示。 1.2 自動換刀裝置的簡介 1.2.1 自動交換刀具的由來 自動交換刀具系統(tǒng)（Automatic Tool Changer 簡稱 ATC）系統(tǒng)是由刀庫、機械 手及相應的控制系統(tǒng)組成。具有鉆、鏜、銑功能的數(shù)控、銑床，一般刀具都安裝在 機床的主軸上，工件安裝于工作臺上。為了使工序能夠高度集中，盡量節(jié)省輔助時 間，于是在數(shù)控銑床上增加自動交換刀具系統(tǒng)（含刀庫、機械手及其控制）便形成 了加工中心（MC） 。 初期曾采用轉(zhuǎn)塔頭式的換刀方式，它的電動機、變速箱、轉(zhuǎn)塔頭做成一體，結(jié) 構(gòu)緊湊：但變速箱工作時的振動和熱量都直接傳到轉(zhuǎn)塔上來，而且每把刀都需要一 個主軸所以它的刀具數(shù)量、尺寸、結(jié)構(gòu)都受到很多限制。 采用單獨存儲刀具的刀庫，刀具數(shù)量可以增多，以滿足加工復雜零件的需要， 這時的加工中心只需一個夾持刀具進行切削的主軸，所以制造難度也比轉(zhuǎn)塔刀架低。 1.2.2 自動換刀的形式 （1）無機械手的換刀方式 小型加工中心有采用無機械手換刀的方式，如圖 1-1。它的刀庫在立柱的正前 方上部，刀庫中刀具的存放方向與主軸方向一致。換刀時主軸箱帶著主軸在立柱導 軌上上升至換刀位置，主軸上的刀具正好進入刀庫的某一個刀具存放位置，隨即主 軸內(nèi)夾刀機構(gòu)松開，主軸刀庫順著主軸方向向前移動，從主軸中拔出刀具，然后刀 庫回轉(zhuǎn)，將下一步所需的刀具轉(zhuǎn)到與主軸對齊的位置；刀庫退回，將新刀具插入主 軸中刀具隨即被夾緊，主軸箱下移，開始新的加工。這種自動換刀系統(tǒng)，刀庫整體 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 9 頁 共 50 頁 前后移動不僅刀具數(shù)量少，而且刀具尺寸也較小。這種刀庫旋轉(zhuǎn)是在工步之間進行 的，即旋轉(zhuǎn)所需的輔助時間與加工時間不重合。 （2）機械手的換刀方式 這是加工中心普遍采用的一種方式。它的種類很多，可分為單臂單手式機械手、 回轉(zhuǎn)式單臂雙手機械手、雙手式機械手、多手式機械手四類。 單臂單手式機械手包括機械手只作往復直線運動的機械手和只作往復擺動的 機械手。前者用于刀具主軸與刀庫刀座的軸線平行的場合。它的特點是機械手的插、 拔刀運動和傳遞刀具的運動都是直線運動，因而無回轉(zhuǎn)運動所產(chǎn)生的離心力，所以 機械手的握刀部分可以比較簡單，只需兩個彈簧卡銷卡住刀柄。而后者，如果是機 械手擺動軸線與刀具主軸平行，它主要用于刀庫換刀位置的刀座的軸線與主軸軸線 相平行的場合。如果是機械手擺動軸線與刀具主軸垂直，它用于刀庫換刀位置的刀 座和軸線相垂直的場合?？傊?，這種單臂單手式機械手結(jié)構(gòu)簡單。在轉(zhuǎn)塔頭帶刀庫 的換刀系統(tǒng)中，不與主軸的換刀時間重合，故可用這類機械手。它也可在刀庫與主 軸頭上的換刀機械手之間傳遞刀具。但是，這類機械手換刀動作均需順序進行，時 間不能重合，從而換刀時間較長。 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 10 頁 共 50 頁 圖 1-1 無機械手的換刀順序 回轉(zhuǎn)式單臂雙手式機械手包括兩手部成 180 和兩手部不成 180 兩種。兩 手部成 180 的又可分為固定式雙手、可伸縮式雙手和剪式雙手三類。這類機械手 可以同時抓住和拔、插位于主軸和刀庫里的刀具，與單臂單手式機械手相比，可以 縮短換刀時間。 雙手式機械手可分為機械化只作往復直線運動的機械手和有回轉(zhuǎn)運動的機械 手兩大類。前者包括雙手平行式和雙手交叉式，這種機械手適用于容量較大的、距 主軸較遠的，特別是分置式的刀庫的換刀。機械手有回轉(zhuǎn)運動的，在主軸處換刀時 轉(zhuǎn)角為 180 ，可用于刀庫距主軸較遠者；在主軸處換刀時轉(zhuǎn)角為 90 ，適用于刀 庫距主軸較近者；在主軸處換刀時轉(zhuǎn)角G (2-3) 即：NG/u=7*9.8/0.12=572N 從上式我們可以得到活動銷對刀具的壓力大于 572 牛 又由于活動銷對刀具的力是由于彈簧壓縮所產(chǎn)生的，所以 P=N572N (2-4) 聯(lián)立（1） （4）二式可以得到 P=N=28.5k572N 所以 k=N/28.5572/28.5=20.06N/mm 取 k=21N/mm （4）活動銷的選取與驗證 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 20 頁 共 50 頁 由于活動銷承受的壓力較大，所以選用 45 鋼（調(diào)質(zhì)） 活動銷的受力圖如下 如圖： N是刀具對活動銷的支撐反力 N=P=kx=21N/mm*28.5mm=598.5N f是由于摩擦的結(jié)果 是由于活動銷阻止刀具下掉掉力的作用反力，與 f 的 方向相反。即方向向上 大小為：f=f=Nu=598.5N*0.12=70.14N F為彈簧對活動銷的作用力 F=-kx=598.5N F1 是由固定活動銷的外壁產(chǎn)生的，用來限制活動銷向下的運動、向上的運動、 轉(zhuǎn)動等 5 個自由度的。 由于這個物體（活動銷）在力的作用下平衡，根據(jù)力的作用力與反作用原理， 可得： F=N F1=f 所以得到：F1=f=70.14N 且要與 f的方向相反，因此方向向上。 對 X 軸方向 ，活動銷受到 F與 N這對力的同時作用 所以產(chǎn)生的內(nèi)部應力為 AFn 所以 (2-5)n 確定上式中各個參數(shù)值： 1） 由于材料為 45 鋼 ，所一許用應力為 58Mpa 2） Fn=N=f=598.5N 所以（2-5）式中 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 21 頁 共 50 頁 nFA 又因為 （2-6） 4 2d 所以 （2-7） 2dFAN 即： mFdN 63.10.35814.39 所以取 d=12mm 又由于活動銷還受到剪的作用，所以： （2-8） bsbsAF 由（6） （8）二式我們可以得到如下的公式： （2-9）bs d4 確定上式中的各個參數(shù)值： 1） 45 鋼的許用剪應力為 Mpabs60 2） 剪切力 Fbs=f=598.5N 所以（9）式可以計算為： 3.56mm （2-10） paFdbs605.984 由（7）與（10）得到的 d 綜合得 取 d=12mm 下面來確定銷的長度 由于在 F1 和 f的作用下會產(chǎn)生一個力距 M 大小為 M=F1L （2-11） 上式中的 L 為活動銷的長度 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 22 頁 共 50 頁 在 M 的作用下活動銷要彎曲，在它的 2 個端點彎距最大為 M=F1L 所以 彎曲應力為 （2-12） W 上式中 W 為抗彎截面系數(shù) 由于截面為圓形所以 W= 32/642/dhdIz 所以 （2-13） 3MW 由于 45 鋼的彎曲應力為 40Mpa 所以 （2-14） 即 MpaldWM4012.7323 所以,由上式得 145mml 根據(jù)銷的系列與上式所計算的長度，取 l=112mm 所以活動銷就確定了 為 （5）鎖緊銷的選取與驗證 由于鎖緊銷的要求沒有活動銷高，聯(lián)想到它的使用狀況，所以選用 20 鋼 它的剪應力 Mpabs25 所以 （2-15） AFbs （2-16） 4 2d （2-17） bss 由（15） （16） （17）式可以得到 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 23 頁 共 50 頁 mFdbs 12.38102.38014.3594 取 d=7mm 根據(jù)銷的系列選取長度為 40mm 的銷 所以銷的類別為 7*40 2.5 機械手其它零件以及尺寸的確定 2.5.1.螺栓的確定 機械手的手部是通過螺栓連接在手腕上面的，又因為手部與手腕的結(jié)合要能精 確的固定相對位置，所以選用普通螺栓來連接。我這里采用了 3 螺栓組成螺栓組來 連接的 現(xiàn)在對這 3 螺栓進行受力分析 這 3 個螺栓同時受到力 F=598.5 以及力矩 M=FL 作用 由于這些螺栓都采用的是普通螺栓 所以各個螺栓的受力分別為 F= NF5.193.581 1）下面我對其中的一個螺栓進行驗證 （2-18） fziFkkzif ss00 上式中 F 為接合面的摩擦系數(shù) i 為接合面數(shù) ，這里接合面數(shù)為 2，所以 i=2 為防滑系數(shù) ---1.3，這里取 =1.2sk1.sksk 由于接觸表面的表面狀況為干燥的表面，所以取 f=0.1 所以（18）式可以如下計算 NfziFks 5.9721.00 又因為螺栓危險截面的拉伸條件公式： 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 24 頁 共 50 頁 （2-19） 43.143.1020FdFca 由于螺栓的材料為中碳鋼，所以 它的許用拉伸應 =43Mpa 所以（19）式可以如下計算： =6.2mm mFd4.3814.35973.10 由于我只是大概的計算，所以實際取螺栓值的時候取大一點 我們?nèi)?d=14mm 所以采用 M14 這種螺栓 關(guān)于螺栓的排布，我采用如下的方式： 圖 2-2 螺栓的排列 下面，我們來確定這些螺栓在機械手中的位置 右邊第一個螺栓它離下底面的距離為 到右端面的距離301y10 x 右邊第二個螺栓它離下底面的距離為 到右端面的距離2 32 右邊第三個螺栓它離下底面的距離為 到右端面的距離3y5x 2.5.2. 其它尺寸的確定 機械手的手腕部分我選用 20 碳鋼它的厚度為 30mm，它的寬度為 80mm，它的整 個長度為 640mm 其中機械手中心到手腕外的距離為 259mm， 2.5.3 軸與機械手配合部分的直徑的確定 1）材料的確定 由于軸是重要的零件所以選用 45 鋼 2）按扭轉(zhuǎn)強度來計算軸徑 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 25 頁 共 50 頁 在軸的結(jié)構(gòu)設計時，通常用下面的這個公式來初步估算軸徑 (2-20) TTdnpW32.095 上式中 為扭轉(zhuǎn)切應力，單位為 Mpa T 為軸所承受的扭距，單位為 N.mm 為軸的抗扭截面系數(shù),單位為 3m P 為軸所傳遞的功 單位為 kW D 為計算截面處的直徑 ,單位為 mm 為許用扭轉(zhuǎn)應力,單位為 MpaT 由上式可以得到軸的直徑為: (2-21) 303332.0952.095nPAnpdTT 確定上式的值: (1) 確定 0A 查表得 =126---103,這里取 =1100A (2) 確定轉(zhuǎn)速 n 因為在 MV-810/A 中,換刀時間為 2.5s,整個過程有 10 個動作,按每個動作的時 間相等來計算 所以每個動作的時間 s 25.01Tt 而機械手在交換刀具的時候轉(zhuǎn)過 180 度的時間也為 0.25s,所以在這個時候,它 的轉(zhuǎn)速最大,我們只要用最大轉(zhuǎn)速去計算軸徑就好了 因為軸轉(zhuǎn)過 180 度的時間為 0.25s,所以轉(zhuǎn)過一 周所用的時間為 0.5s 所轉(zhuǎn)速就為 min/12065.rn (3) P 的確定 由于所產(chǎn)生的功主要是用來使機械手轉(zhuǎn)動 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 26 頁 共 50 頁 在轉(zhuǎn) 180 度的時候 p 最大,p=M 其中 M=FL 我們?nèi)?F 的最大值為 598.5N,而 L 的值我們在前面已經(jīng)確定了為 320mm 所以 M=FL=598.5N mN.519230 而 rad/s4 所以 p=M =192.5 kw4.8.74 所以(21)式可以表示為: mnPAnPpdTT5.27018.1204.95.0953333 我們?nèi)?d=30mm 根據(jù)花鍵系列選擇：d=28mm 關(guān)于軸與機械手的連接: 軸與機械手連接采用花鍵 2.5.4 液壓泵的選擇 根據(jù)實踐，主軸夾緊松開所用的液壓缸所需的流量最大，因此，這里只需計算 主軸夾緊松開的液壓缸的流量即可。 主軸夾緊松開： 自動換刀裝置的整個換刀過程所需的時間 ,共有 10 個動作，st5.2 則每個動作的時間平均為 = t01 即主軸松開刀具的時間為 0.25 查手冊得每個碟形彈簧厚度 ，自由高度 H=9.m3m3106. 根據(jù)設計共有 22 個彈簧組成 每個蝶形彈簧的極限行程 0h317. 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 27 頁 共 50 頁 則一組蝶形彈簧的極限行程為 2107.3hm3104.5 速度 )/(6.25.014. 23smhv （1）拉釘松開刀具： 進油口油腔的面積：S = =1)(42dD)031.5.(422)(05.23m 油缸的容積效率 97.0v98.0 則此時液壓缸的流量為 VSq1 432102.7.6. )/(3s （2）拉釘夾緊刀具： 進油口油腔的面積： )(.125.042322 mDS 則此時液壓缸的流量為 )/(106.798.06342 svq 比較（1） 、 （2）兩者的計算結(jié)果，取 sq/103 齒輪液壓泵的容積效率 ，總效率.7v 5.07 刀盤的轉(zhuǎn)速為 min)/(3.16450rin電 螺桿液壓泵的排量 vBqQ)/(7.0963.108. 3sm 3 驅(qū)動系統(tǒng)的設計 3.1 轉(zhuǎn)位機構(gòu)的設計 在整個運動的過程中,轉(zhuǎn)位有 3 次,第一是機械手轉(zhuǎn)過 75 度,第二次是機械手轉(zhuǎn) 過 180 度,第三次是機械手反向到原來的位置. 這些轉(zhuǎn)位機構(gòu)主要是由齒輪齒條機構(gòu)來實現(xiàn)的,它們的動力源來自于液壓缸,對 液壓港通入一定的壓力油,使活塞向預定的方向運動齒輪條是與活塞桿是做成一體的.采 用不同行程的液壓缸就可以實現(xiàn)不同角度的轉(zhuǎn)動了。 3.1.1機械手轉(zhuǎn)過 75 度的驅(qū)動機構(gòu) 這個機構(gòu)由一般個液壓缸、齒輪條、齒輪以及連接盤、連桿組成的，當發(fā)出機 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 28 頁 共 50 頁 械手抓刀的信號時，液壓缸的后腔就通入壓力油，活塞桿推動著齒輪條向前移動， 使得齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪轉(zhuǎn)動的時候，帶動連接盤與連桿轉(zhuǎn)動，而連桿通過花鍵連在機 械手上，所以當活塞通入壓力油的時候，機械手就相應的轉(zhuǎn)動。 （1）下面我們首先來選擇與計算液壓缸 由于機械手的整個換刀時間為 2.5s 整個過程有 10 個動作,按每個動作的時間相 等來計算 所以每個動作的時間 s 25.01Tt 即：機械手轉(zhuǎn)過 75 度的時間為 0.25s 取齒輪的齒數(shù)為 60，模數(shù)為 1.5，材料為 60Cr,那么齒輪的分度圓直徑為 d=mz=60 m905.1 齒輪的分度圓周長為 S= d6.284.3 所以齒輪轉(zhuǎn)過 75 度走過的距離 L= ms875..360750 因為齒輪齒條是配合的所以 齒輪條在這個運動中也走過 58.875mm 活塞桿的速度為 smts/236.05.87 設液壓缸的溶積效魚為 ，這里取9.98.0 設液壓缸的額定流量為 q 所以 （2-22） qA 又 （2-23） 4 2d 由上 2 式可以得到 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 29 頁 共 50 頁 （2-24） qqd29.536.0148 因為 q=0.8 m/s3 所以（24）可以如下計算 29.5108.29.53qd 所以選擇 d=35mm 所以選擇液壓缸，它的 行程為 58.8mm，活塞的直徑為 35mm。 （2）確定齒輪齒條機構(gòu)其它尺寸 首先確定齒寬系數(shù) d 由于齒輪的二支承相對齒輪做對稱布置，所以取 =1。d 由于 （2-25） *aaamhzd 由于我都采用的是標準直齒輪（壓力角為 20 度） 所以 1 *ah 所以 =90+2 *2aaamhzzdm935.1 因為 所以齒輪做成實心160 由于這個齒輪通過連桿與連接盤來傳遞運動的，所以齒輪做成如下的結(jié)構(gòu)： 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 30 頁 共 50 頁 圖 3-1 大齒輪的結(jié)構(gòu) 其中取 B1=30mm 那么 B2=91mm-30mm=61mm 所以與活塞桿連接在一起的齒輪條的直徑就為 35mm 而齒輪條固定在一個滑槽中，滑槽的結(jié)構(gòu)如下： L1=10 L2=20 H=8 L=80 圖 3-2 固定與大齒輪配對的齒輪條的滑槽 齒輪的齒距（分度圓） mmp71.45.3 由于齒輪與齒輪條是配合一起運動的 所以齒輪的齒距（分度圓）就是齒輪條的齒距（分度圓） 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 31 頁 共 50 頁 即： mp71.4齒 輪齒 條 由于液壓缸的行程 l=58.875mm，所以齒輪條的齒輪數(shù)5.271.48plz 因為要留一些距離，還有齒輪與齒輪條的齒輪數(shù)互為質(zhì)數(shù)，所以取齒輪條的齒 輪數(shù)為 z=15。 （3）與齒輪齒條一起運動的零件以及尺寸的確定 1）連接盤的尺寸的確定 D1=50mm D2=70mm D3=90mm D4=130mm L1=20mm L2=40mm L3=61mm L4=11mm d=6mm 連接盤是空套在齒輪上面的， 2）傳動盤以及尺寸的確定 D1=40mm D2=60mm D3=70mm L1=10mm L2=30mm 孔的直徑 d1=6mm 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 32 頁 共 50 頁 圖 3-4 傳動盤 3) 把傳動盤與連桿（軸）連接起來的花鍵的確定 D1=40mm D2=26mm H=10mm 圖 3-5 花鍵 3.1.2 機械手轉(zhuǎn)過 180 度的驅(qū)動機構(gòu) 這個機構(gòu)由一般個液壓缸、齒輪條、齒輪以及連桿組成的，當發(fā)出機械手交換 刀具的信號時，液壓缸的后腔就通入壓力油，活塞桿推動著齒輪條向前移動，使得 齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪轉(zhuǎn)動的時候，帶動連桿轉(zhuǎn)動，而連桿通過花鍵連在機械手上，所以 當活塞通入壓力油的時候，機械手就相應的轉(zhuǎn)動。 （1）下面我們首先來選擇與計算液壓缸 由于機械手的整個換刀時間為 2.5s 整個過程有 10 個動作,按每個動作的時間相 等來計算 所以每個動作的時間 s 25.01Tt 即：機械手轉(zhuǎn)過 180 間為 0.25s 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 33 頁 共 50 頁 取齒輪的齒數(shù)為 48,模數(shù)為 1.5，材料為 60Cr,那么齒輪的分度員直徑為 d=mz= m725.148 齒輪的分度圓周長為 S= d08.69.3 所以齒輪轉(zhuǎn)過 180 度所走的距離 L= ms4.13.2360180 因為齒輪齒條是配合的所以 齒輪條在這個運動中也走過 113.04mm 活塞桿的速度為 smts/452.0.13 設液壓缸的溶積效魚為 ，這里取9.798.0 設液壓缸的額定流量為 q 所以 （2-26） qA 又 （2-27）4 2d 由上 2 式可以得到 （2-28） qqd76.245.01398 因為 q=0.8 m/s 所以（28）式如下計算 mqd028.18.0762. 3 所以選擇 d=30m 所以選擇液壓缸，它的 行程為 113.04mm,直徑為 30mm。 （2）確定齒輪齒條機構(gòu)其它尺寸 首先確定齒寬系數(shù) d 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 34 頁 共 50 頁 由于齒輪的二支承相對齒輪做對稱布置，所以取 =1。d 由于 （2- *aaamhzd 25） 由于我都采用的是標準直齒輪（壓力角為 20 度） 所以 1 *ah 所以 =72+ *aaamhzdm5.731. 因為 所以齒輪做成實心160 由于這個齒輪通過連桿與連接盤來傳遞運動的，所以齒輪做成如下的結(jié)構(gòu)： 圖 3-6 小齒輪 其中取 B1=25mm 那么 B2=72-25=47mm 所以與活塞桿連接在一起的齒輪條的直徑就為 30mm 而齒輪條固定在一個滑槽中，滑槽的結(jié)構(gòu)如下： h1=10 L1=20 L2=40 L3=80 L4=125 L5=20 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 35 頁 共 50 頁 圖 3-7 固定與小齒輪一起配對的齒輪條 齒輪的齒距（分度圓） mmp71.45.3 由于齒輪與齒輪條是配合一起運動的 所以齒輪的齒距（分度圓）就是齒輪條的齒距（分度圓） 即： p71.4齒 輪齒 條 由于液壓缸的行程 l=112.04mm，所以齒輪條的齒數(shù) 271.40plz 因為要留一些距離，還有齒輪與齒輪條的齒輪數(shù)互為質(zhì)數(shù)，所以 取齒輪條的齒輪數(shù)為 z=27。 3.2 驅(qū)動機構(gòu)其它零件的設計 在前 2 節(jié)中，已經(jīng)對轉(zhuǎn)位機構(gòu)做了設計，但是要完成整個運動還需要插拔刀具 的運動，這就需要設計一個機構(gòu)來完成插拔刀具的功能。 在這個機械手中，只要給機械手一個 z 軸方向的運動即可。由于機械手的的初 使位置與在夾刀具的位置有些不同，這就需要使機械手從初使位置運動到夾刀具的 位置，在 z 軸方向的距離為 100mm。為了完成這個動作，我選用了一個液壓缸來實 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 36 頁 共 50 頁 現(xiàn)。 原理如下：當需要夾刀具的時候，液壓缸的下腔通入壓力油，使液壓缸的活塞 向上運動，把機械手帶到夾刀具與拔刀具的位置，完成這個動作以后，就要拔刀具 了，這個時候液壓缸的上腔通入壓力油，使得活塞向下運動。只要選擇合適的液壓 缸的行程就可以達到預定的位置。 3.2.1.液壓缸的選擇 由于機械手的初始位置與開始工作位置（拔插刀具的位置）的距離 l=100 mm， 而這個距離，在運動中是依靠液壓缸的，所以液壓缸的行程就為 100mm。 另外我選用活塞直徑為 d=30mm，所以液壓缸的規(guī)格就為 100mm 。m30 液壓缸以及連接零件尺寸的確定 L1=30mm L2=50mm L3=60 L4=95 D1=30mm D2=40mm S1=25mm S2=10mm S3=5mm 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 37 頁 共 50 頁 圖 3-8 與大液壓缸連接的部分機械結(jié)構(gòu) 3.3 軸的結(jié)構(gòu)設計 在前面的章節(jié)中，已經(jīng)初選定了軸的最小直徑，它為 d=28mm，且軸的材料也已 經(jīng)選定了為 45 鋼，選擇 45 鋼的理由：碳鋼相對與合金鋼來說價格便宜，對應力集 中的敏感性較低，同時也可以用熱處理或化學熱處理來提高其耐磨性和抗疲勞強度。 而 45 鋼在碳鋼中是性能比較優(yōu)良的一種，所以選用 45 鋼為軸的材料。 下面我們就來對軸做一些結(jié)構(gòu)設計 3.3.1.擬定軸上零件的裝配方案 本設計中按照下面的方案來裝配 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 38 頁 共 50 頁 圖 3-9 軸上零件的裝配方案 3.3.2.確定軸的各段直徑與長度 （1）為了定位右邊的齒輪就必須在軸的右端制出一軸肩，故取右端的直徑為 ，由于齒輪的長為 80mm，還加上這個結(jié)構(gòu)，齒輪不是空套在軸上的，而mdI30 是通過連接盤、傳動盤來把運動傳遞給軸的，所以 ， 段接連接盤與傳ml631I 動盤，長度為 ， 段的下面由于是靠花鍵定位，所以不需要在軸上做一lI38I 些處理。而 。因為 VII 端是與小齒輪相連接的，它的上面,146mIVdIV0 VI 端采用軸肩定位，所以 ， 。而小齒輪是空套在軸上面的，I46mlVI10 所以與小齒輪空套的軸的直徑為 ， ，另外我取 ，I3lI82mlIX158 。mdIx30 （2）初選滾動軸承 因為軸同時受到徑向力與軸向力的作用，故選用角接觸球軸承，參照工作要求， 并根據(jù) 由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取 0 基本游隙組、標準精度級的角接觸球,30mdIX 軸承 70306C。 所以軸的總長為 mllll IXVIII 481258104638總 （3） 確定軸上圓角與倒角尺寸 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 39 頁 共 50 頁 取軸端的倒角尺寸為 2 ，各軸肩的圓角尺寸為 R0.5度45 對于軸的校核，我就不做說明了。 軸的工作圖如下： 圖 3-10 軸的結(jié)構(gòu)圖 3.4 主軸的自動夾緊機構(gòu)以及主軸準停裝置的設計 3.4.1 主軸結(jié)構(gòu) 主軸的前支承配置了三個高精度的角接觸球軸承，用以承受徑向載荷和軸向載 荷，前兩個軸承大口朝下，后面一個軸承大口朝上。前支承按預加載荷計算的預緊 量由螺母來調(diào)整。后支承為一對小口相對配置的角接觸球軸承，它們只承受徑向載 荷，因此軸承外圈不需要定位。該主軸選擇的軸承類型和配置形式，能滿足主軸高 轉(zhuǎn)速和承受較大軸向在乎的要求，主軸受熱變形向后伸長，不影響加工精度。 3.4.2 刀具的自動夾緊機構(gòu) 主軸內(nèi)部和后端安裝的是刀具自動夾緊機構(gòu)。它主要由拉桿、拉桿端部的四個 鋼球、蝶形彈簧、活塞、液壓缸等組成。機床執(zhí)行換刀指令，機械手要從主軸拔刀 時，主軸需松開刀具。這時液壓缸上腔通壓力油，活塞推動拉桿向下移動，使碟形 彈簧壓縮，鋼球進入主軸錐孔上端的糟內(nèi)、刀柄尾部的拉釘（拉緊刀具用）被松開， 機械手即可拔刀。之后，壓縮空氣進入活塞和拉桿的中孔，吹凈主軸錐孔，為裝入 新刀具做好準備。當機械手將下一把刀具插入主軸后，液壓缸上腔無油壓，在碟形 彈簧和彈簧的恢復力作用下，使拉桿、鋼球和活塞退回到圖示的位置，即碟形彈簧 通過拉桿和鋼球拉緊刀柄尾部的拉釘，使刀具被夾緊。 3.4.3 主軸準停裝置 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 40 頁 共 50 頁 機床的切削扭矩由主軸上的端面鍵來傳遞，每次機械手自動裝取刀具時，必須 保證刀柄上的鍵糟對準主軸的端面鍵，這就要求主軸具有準確定位的功能。為滿足 主軸這一功能而設計的正好子稱為主軸準停裝置或稱為主軸定向裝置。本機床采用 的是電氣式主軸準停裝置，即用磁力傳感器檢測定向。如圖 2-7 所示，主軸 8 的尾 部安裝有發(fā)磁體 9，它隨主軸轉(zhuǎn)動，在距發(fā)磁體外緣 1-2mm 處，固定了一個磁傳感 器 10，它經(jīng)過放大器 11 與主軸伺服單元 3 連接。主軸定向的指令 1 發(fā)出后，主軸 便處于定向狀態(tài)，當發(fā)磁體的上判別孔轉(zhuǎn)到對準磁傳感器上的基準糟時，主軸立即 停止。 圖 3-11 主軸準停裝置的原理圖 圖中 5 為電動機與主軸之間的同步齒形帶，4 為主軸電動機，2 為強電時序電路， 7 為主軸端面鍵，6 是位置控制回路，12 是定向電路。 3.5 換刀裝置的液壓機構(gòu)分析 3.5.1 液壓分析 如圖 3-3 所示，液壓缸 1 是實現(xiàn)機械手的正反轉(zhuǎn) 75運動，液壓缸 2 是實現(xiàn)機 械手正反轉(zhuǎn) 180運動，液壓缸 3 是實現(xiàn)機械手拔刀、插刀運動，液壓缸 4 是實現(xiàn) 主軸的夾緊、松開動作。這里活塞桿活動，液壓缸固定。 當行程開關(guān) 10 發(fā)出抓刀信號后，機械手要順時針轉(zhuǎn)動 75，這時，電磁鐵 SDL-1 接通，其余電磁鐵處于斷開狀態(tài)，油從泵出發(fā)，經(jīng)過單向閥，受溢流閥 1 調(diào) 壓后，經(jīng)調(diào)速閥 1 調(diào)速，由三位四通閥 1 傳到液壓缸 1 的上腔，推動活塞桿下移， 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 41 頁 共 50 頁 油從下腔流回油缸，實現(xiàn)了機械手正轉(zhuǎn) 75的動作。 當機械手順時針轉(zhuǎn)過 75 后，行程開關(guān) 2 發(fā)出信號，刀柄尾部的拉釘要松開刀 具，這時電磁鐵 SDL-7 接通，電磁鐵 SDL-1 斷開，其余的仍處于斷開狀態(tài)。油從泵 出發(fā)，經(jīng)過單向閥，受溢流閥 2 調(diào)壓后，經(jīng)調(diào)速閥 4 傳到液壓缸 4 的上腔，推動活 塞桿下移，油從下腔流回油缸，實現(xiàn)了主軸的松開動作。 當主軸松開刀具后，行程開關(guān) 8 發(fā)出信號，這時電磁鐵 SDL-5 接通，電磁鐵 SDL-7 斷開，其余的處于斷開狀態(tài)。油從泵出發(fā)，經(jīng)過單向閥，受溢流閥 1 調(diào)壓后， 經(jīng)調(diào)速閥 3 傳到液壓缸 3 的上腔，推動活塞桿下移，油從下腔流回油缸，這個動作 使得機械手實現(xiàn)拔刀動作。 當機械手拔出刀后，行程開關(guān) 6 發(fā)出信號，機械手要帶著刀具轉(zhuǎn)過 180，這 時電磁鐵 SDL-3 接通，電磁鐵 SDL-5 斷開，其余的處于斷開狀態(tài)。油從泵出發(fā)，經(jīng) 過單向閥，受溢流閥 1 調(diào)壓后，經(jīng)調(diào)速閥 2 傳到液壓缸 2 的上腔，推動活塞桿下移， 油從下腔流回油缸，這樣就實現(xiàn)了機械 正轉(zhuǎn) 180的動作。 當機械手轉(zhuǎn)過 180 后，行程開關(guān) 4 發(fā)出信號，機械手要進行插刀動作，這時 電磁鐵 SDL-6 接通，電磁鐵 SDL-3 斷開，其余的處于斷開狀態(tài)。油從泵出發(fā)，經(jīng)過 單向閥，受溢流閥 1 調(diào)壓后，經(jīng)調(diào)速閥 3 傳到液壓缸 3 的下腔，推動活塞桿上移， 油從上腔流回油缸，這時完成了機械手的插刀動作。 當插刀動作完成后，行程開關(guān) 5 發(fā)出信號，刀柄底部的拉釘要夾緊換好的刀具。 這時電磁鐵 SDL-8 接通，電磁鐵 SDL-6 斷開，其余的處于斷開狀態(tài)。油從泵出發(fā)， 經(jīng)過單向閥，受溢流閥 2 調(diào)壓后，經(jīng)調(diào)速閥 4 傳到液壓缸 4 的下腔，推動活塞桿上 移，油從上腔流回油缸，這樣就實現(xiàn)了主軸的夾緊動作。 主軸夾緊刀具，位置開關(guān) 7 發(fā)出信號，這時電磁鐵 SDL-4 接通，電磁鐵 SDL-8 斷開，其余的處于斷開狀態(tài)。油從泵出發(fā)，經(jīng)過單向閥，受溢流閥 1 調(diào)壓后，經(jīng)調(diào) 速閥 2 傳到液壓缸 2 的下腔，推動活塞桿上移，油從上腔流回油缸，此時機械手完 成了轉(zhuǎn) 180 的動作。 機械手轉(zhuǎn)過 180 后，位置開關(guān) 3 發(fā)出信號，這時電磁鐵 SDL-2 接通，電磁鐵 SDL-4 斷開，其余的處于斷開狀態(tài)。油從泵出發(fā)，經(jīng)過單向閥，受溢流閥 1 調(diào)壓后， 經(jīng)調(diào)速閥 1 傳到液壓缸 1 的下腔，推動活塞桿上移，油從上腔流回油缸，機械手反 轉(zhuǎn) 75 ，回到原位。這樣就完成了整個液壓控制過程。 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 42 頁 共 50 頁 圖 3-12 液壓系統(tǒng)圖 3.5.2 換刀動作順序表 表 3-1 為換刀動作順序表，SDL-1、SDL-2、SDL-3、SDL-4、SDL-5、SDL- 6、SDL-7、SDL-8 為電磁鐵，SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5、SQ6、SQ7、SQ8 為行程開 關(guān)。 “+”表示電磁鐵接通或壓下行程開關(guān)。空格表示電磁鐵斷開或未壓下行程開關(guān)。 表 3-1 S D L 1 S D L 2 S D L 3 S D L 4 S D L 5 S D L 6 S D L 7 S D L 8 S Q 1 S Q 2 S Q 3 S Q 4 S Q 5 S Q 6 S Q 7 S Q 8 刀 套 下 轉(zhuǎn) 90 + 機 械 手 + + 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 43 頁 共 50 頁 轉(zhuǎn) 75 （ 順 時 針） 刀 具 松 開 + + 機 械 手 拔 刀 + + 交 換 刀 具 位 置 + + 機 械 手 插 刀 + + 刀 具 夾 緊 + + 機 械 手 轉(zhuǎn) + + 中北大學 2010 屆畢業(yè)設計說明書 第 44 頁 共 50 頁 180 機 械 手 反 轉(zhuǎn) 75 + + 4 PLC 控制分析 PC 實質(zhì)上是一種工業(yè)控制用的專用計算機，它是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成的。 硬件系統(tǒng)由主機、I/O 擴展機及外部設備組成，主機和擴展機內(nèi)部由運算器、控制 器、存儲器、輸入單元、輸出單元以及接口等組成。軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)程序、用戶 程序組成。 根據(jù)