基于plc的加工中心自動換刀系統(tǒng)的優(yōu)化設計

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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 lines 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 systems 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 設計任務書21.1本課題的內(nèi)容和要求21.2 畢業(yè)設計目的2第2章 總體方案的設計42.1 換刀過程42.2 伸縮與旋轉運動的確定52.2.1 液壓傳動的優(yōu)缺：52.2.2 液壓傳動裝置的組成62.2.3 液壓系統(tǒng)中在機械手中主要實現(xiàn)的輔助功能：72.3主要參數(shù)的確定72.3.1 工作行程72.3.2 運動速度82.3.3 驅動方式82.3.4 定位精度82.3.5 液壓系統(tǒng)元件的選擇82.3.6 液壓系統(tǒng)的控制原理92.3.7 機械手液壓系統(tǒng)的工作原理圖11第3章 機械手各部分的設計133.1 驅動液壓缸的設計133.1.1 液壓系統(tǒng)的優(yōu)點：133.1.2 液壓缸的設計：143.2 花鍵軸及軸套的設計與校核163.3 軸承的選擇與潤滑203.4 齒輪的設計與校核203.4.1 齒輪的設計203.4.2 齒輪的校核223.5機械手臂及手抓的設計243.5.1 對設計手臂的要求243.6 立柱和機座263.6.1 立柱263.6.2 機座263.7刀庫及換刀機械手的常見故障和維護273.7.1 刀庫的故障273.7.2 換刀機械手故障27結 論29謝 辭30參考文獻31前 言機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業(yè)所提供裝備的性能、質量和成本，對國民經(jīng)濟各部門技術進步和經(jīng)濟效益有很大的和直接的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學技術水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。加工中心是數(shù)控機床中較為復雜的加工設備，由于其具有多種加工能力而得到廣泛的應用，其強大的加工能力和效率得益于其配置的自動換刀裝置（Automatic Tool Changer）。因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用。機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術基于plc的加工中心自動換刀系統(tǒng)的設計優(yōu)化摘 要本設計介紹了加工中心自動換刀裝置的機械手結構的部分設計、相關液壓缸的結構設計以及控制系統(tǒng)的設計，最終實現(xiàn)自動換刀動作；介紹了目前實現(xiàn)快速自動換刀技術的基本方法和各種途徑，及其在加工中心上的應用情況和實際達到的技術指標，從而可看出這方面的發(fā)展趨勢。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程中的非切削時間，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，進而提升機床乃至整個生產(chǎn)線的生產(chǎn)力。加工中心自動換刀裝置是實現(xiàn)多工序連續(xù)加工的重要裝置，其結構設計及其控制是實現(xiàn)加工中心設計制造的關鍵。加工中心的換刀過程較為復雜，動作多，動作間的相互協(xié)調關系多，因而自動換刀系統(tǒng)性能的好壞直接影響加工效率的高低。帶有自動換刀系統(tǒng)的數(shù)控加工中心在現(xiàn)代先進制造業(yè)中起著越來越重要的作用，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)控機床中較為復雜的加工設備，由于其具有多種加工能力而得到廣泛的應用，其強大的加工能力和效率得益于其配置的自動換刀裝置（Automatic Tool Changer）。關鍵詞：自動換刀，機械手，設計，加工中心CNC Machining Center Automatic Tool Changing System ABSTRACTThis 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 lines 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 systems 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.3目錄前言1第1章 設計任務書21.1本課題的內(nèi)容和要求21.2 畢業(yè)設計目的2第2章 總體方案的設計42.1 換刀過程42.2 伸縮與旋轉運動的確定52.2.1 液壓傳動的優(yōu)缺：52.2.2 液壓傳動裝置的組成62.2.3 液壓系統(tǒng)中在機械手中主要實現(xiàn)的輔助功能：72.3主要參數(shù)的確定72.3.1 工作行程72.3.2 運動速度82.3.3 驅動方式82.3.4 定位精度82.3.5 液壓系統(tǒng)元件的選擇82.3.6 液壓系統(tǒng)的控制原理92.3.7 機械手液壓系統(tǒng)的工作原理圖11第3章 機械手各部分的設計133.1 驅動液壓缸的設計133.1.1 液壓系統(tǒng)的優(yōu)點：133.1.2 液壓缸的設計：143.2 花鍵軸及軸套的設計與校核163.3 軸承的選擇與潤滑203.4 齒輪的設計與校核203.4.1 齒輪的設計203.4.2 齒輪的校核223.5機械手臂及手抓的設計243.5.1 對設計手臂的要求243.6 立柱和機座263.6.1 立柱263.6.2 機座263.7刀庫及換刀機械手的常見故障和維護273.7.1 刀庫的故障273.7.2 換刀機械手故障27結 論29謝 辭30參考文獻31前 言機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業(yè)所提供裝備的性能、質量和成本，對國民經(jīng)濟各部門技術進步和經(jīng)濟效益有很大的和直接的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學技術水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。加工中心是數(shù)控機床中較為復雜的加工設備，由于其具有多種加工能力而得到廣泛的應用，其強大的加工能力和效率得益于其配置的自動換刀裝置（Automatic Tool Changer）。因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用。機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術畢業(yè)設計目的其主要目的：1. 培養(yǎng)學生綜合分析和解決本專業(yè)的一般工程技術問題的獨立工作能力，拓寬和深化學生的知識。 2. 培養(yǎng)學生樹立正確的設計思想，設計構思和創(chuàng)新思維，掌握工程設計的一般程序規(guī)范和方法。3. 培養(yǎng)學生樹立正確的設計思想和使用技術資料、國家標準等手冊、圖冊工具書進行設計計算，數(shù)據(jù)處理，編寫技術文件等方面的工作能力。4. 培養(yǎng)學生進行調查研究，面向實際，面向生產(chǎn)，向工人和技術人員學習的基本工作態(tài)度，工作作風和工作方法。 第1章 設計任務書1.1 本課題的內(nèi)容和要求1. 題目： 數(shù)控加工中心自動換刀系統(tǒng)設計2. 主要研究目標和內(nèi)容1) 設計臥式加工中心自動換到裝置，加工中心為鏈式刀庫。2) 刀柄為BT40標準結構。3) 換刀機械手手臂長200，伸縮行程200.3. 課題要求、主要任務及數(shù)量設計自動換到裝置裝配圖和零件圖，完成3張0號圖紙的設計工作量，撰寫符合學校畢業(yè)設計要求的設計說明書。4. 速度計劃1) 5-6周：收集資料，調研，擬定改造設計方案2) 7-10周：繪制裝配圖、零件圖設計。3) 10-14周：撰寫畢業(yè)設計說明書。4) 15周：整理設計資料，準備畢業(yè)答辯。5. 主要參考文獻1) 機械設計手冊，聞邦椿.北京：機械工業(yè)出版社，20092) 現(xiàn)代實用機床設計手冊，現(xiàn)代實用機床設計手冊編委會.北京：機械工業(yè)出版社，2006.1.2 畢業(yè)設計目的畢業(yè)設計是學生完成本專業(yè)教學計劃的最后一個極為重要的實踐性教學環(huán)節(jié)，是使學生綜合運用所學過的基本理論、基本知識與基本技能去解決專業(yè)范圍內(nèi)的工程技術問題而進行的一次基本訓練。這對學生即將從事的相關技術工作和未來事業(yè)的開拓都具有一定意義。其主要目的：1. 培養(yǎng)學生綜合分析和解決本專業(yè)的一般工程技術問題的獨立工作能力，拓寬和深化學生的知識。 2. 培養(yǎng)學生樹立正確的設計思想，設計構思和創(chuàng)新思維，掌握工程設計的一般程序規(guī)范和方法。3. 培養(yǎng)學生樹立正確的設計思想和使用技術資料、國家標準等手冊、圖冊工具書進行設計計算，數(shù)據(jù)處理，編寫技術文件等方面的工作能力。4. 培養(yǎng)學生進行調查研究，面向實際，面向生產(chǎn)，向工人和技術人員學習的基本工作態(tài)度，工作作風和工作方法。第2章 總體方案的設計2.1 換刀過程由于機械手主要是完成換刀任務的，上一工序加工完畢，主軸準停位置，由自動換刀裝置換刀，立式加工中心的換刀過程如下：1. 刀套下翻90。機床的刀庫位于立柱的左側，刀具在刀庫中的安裝方向與主軸垂直，換刀之前，刀庫轉動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90度，使得刀具的軸線與主軸的軸線平行。2. 機械手轉75度。在加工時，機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，該位置為機械手的原始位置。機械手換刀的第一個動作是順時針轉75度，兩手爪分別抓住刀庫上和主軸上的刀柄。3. 刀具松開。機械手抓住主軸刀具的刀柄后，刀具的自動夾緊機構松開刀具。4. 機械手拔刀。機械手下降，同時拔出兩把刀具。5. 交換兩刀位置。機械手帶著兩把刀具逆時針轉動180度，是主軸刀具與刀庫刀具交換位置。6. 機械手插刀。機械手上升，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，刀具的自動夾緊機構夾緊刀具。8. 180度液壓缸復位。液壓缸復位驅動機械手逆時針轉動180度的液壓缸復位，機械手無動作。9. 機械手反轉75度，機械手反轉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90度，為下次選刀作準備。因此，機械手的設計就主要考慮的運動是：一，為了換刀，機械手可以旋轉0180度。二，為了拔刀，機械手能上下伸縮運動。2.2 伸縮與旋轉運動的確定機械手的轉動可以用油馬達來實現(xiàn)：油馬達通油后轉動，在其輸出軸上連上一齒輪2，并與裝在機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，油馬達帶動齒輪2轉動，齒輪2帶動齒輪1，齒輪1又帶動花鍵軸套，花鍵軸套帶動花鍵軸轉動，從而實現(xiàn)了機械手臂的轉動。2.2.1 液壓傳動的優(yōu)缺液壓系統(tǒng)與機械、電力等傳動相比。有以下特點：1） 能方便的進行無級調速，調速范圍大。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、動作靈敏，這對于液壓自動控制系統(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（如萬噸水壓力等）。3） 控制和調節(jié)簡單、方便、省力，易實現(xiàn)自動化控制和過載保護。4） 可實現(xiàn)無間隙傳動，運動平穩(wěn)。5） 因為傳動介質為油液，故液體元件有自我潤滑作用，使用壽命長。6） 液壓元件實現(xiàn)了標準化、系列化、通用化、便于設計、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直接帶動負載，從而失去了中間的減速裝置，使傳動簡化。液壓傳動的主要缺點：1） 漏 由于作為傳動介質的液體是在一定的壓力下，有時是在較高的壓力下工作的，因此在有相對運動的表面間不可避免要產(chǎn)生泄漏。同時，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，所以液壓傳動不宜用在傳動比要求較嚴格的場合。2） 震 液壓傳動中的“液壓沖擊和空穴現(xiàn)象”會產(chǎn)生很大的震動和噪聲。3） 熱 在能量轉換和傳遞過程中，由于存在機械摩擦、壓力損失、泄漏損失，因而易使油液發(fā)熱，總效率降低，故液壓傳動不宜遠距離轉動。4） 液壓傳動性能對溫度比較敏感，故不宜在高溫及低溫下工作。液壓傳動裝置對油液的污染也較敏感，故要求有良好的過濾設施。5） 液壓元件加工要求高一般情況下又要求有獨立的能源（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)鼓故障時不宜追查原因，不宜迅速排除。綜上所述，液壓傳動由于其優(yōu)點比較突出，故在工、農(nóng)業(yè)各個部門獲得廣泛的應用。它的某些缺點隨著生產(chǎn)技術的不斷發(fā)展、提高，正在逐步得到克服。由于液壓傳動相對于機械傳動有以上幾個突出的優(yōu)點，所以確定機械手的前伸后退、左轉右轉、夾緊放松著三部分動作用液壓傳動來實現(xiàn)。2.2.2 液壓傳動裝置的組成液壓傳動裝置由于使用工件壓力高的油性介質，因此機構出力大，機械結構更緊湊、動作平穩(wěn)可靠、易于調節(jié)和噪聲較小，但要配置液壓泵和油箱，當油液滲漏時易污染環(huán)境。一個完整的液壓系統(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，把原動機的機械能轉變?yōu)橐后w的壓力能并儲存起來。（2） 執(zhí)行機構部分 是液壓油缸、液動機等，它們用來帶動運動部件，將液體壓力能轉變成使部件運動的機械能。（3） 控制部分 是各種液壓閥，用于控制流體的壓力、流量和流動方向，從而控制執(zhí)行部件的作用力、運動速度和運動方向，也可以用來卸載，實現(xiàn)過載保護等。（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)中在機械手中主要實現(xiàn)的輔助功能1） 機械手的伸、縮、回轉和擺動及刀具的松開和拉緊動作等。2） 工件的自動松開、夾緊3） 工作臺的松開夾緊、交換工作臺的自動交換動作。4） 機械手的運動部件平衡。如機械手軸箱的重力平衡、機械手的平衡裝置等。5） 機械手運動部件的制動和離合器的控制、齒輪拔叉換檔等。6） 機械手的自動開關用油缸支架把液壓缸的活塞桿與花鍵軸端連接，這樣，當液壓缸的活塞運動時，就可以帶動花鍵軸運動，從而實現(xiàn)了機械手的伸縮運動。除此之外，還要考慮當機械手拔完刀旋轉時，要防止掉刀，手臂的兩端各有一個手抓，每個手抓上有一個小的液壓缸，當機械手在拔刀和旋轉運動是，液壓缸通油，使活塞運動，活塞桿端連一個活動銷，這樣，活動銷會頂住刀具，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，（屬于中型機械手）；夾持刀柄規(guī)格：BT40；刀庫換刀位置和主軸距離：450mm；換刀時間：10S20S；手臂伸縮行程：200mm；手臂回轉范圍：0180；手腕最大伸縮范圍：50mm；2.3.2 運動速度直線運動速度:手臂伸縮行程l=70mm,運動時間t=1s,則手臂伸縮速度為:v=l/t=0.071=0.07m/s回轉運動速度:定為60s2.3.3 驅動方式驅動方式采用液壓驅動的方式。手臂伸縮采用直線油缸，流量較大。液壓傳動能方便的實現(xiàn)無極調速，調速范圍大，在相同功率情況下，液壓傳動能量轉換元件的體積較小，重量較輕。工作平穩(wěn)，換向沖擊小，便于實現(xiàn)頻繁換向。而且，工作油液能使傳動零件實現(xiàn)自潤滑，故使用壽命長，液壓元件易于實現(xiàn)系列化，標準化合通用化。因此，采用液壓驅動。2.3.4 定位精度定位采用無極調速，定位精度為0.1251mm。當限位螺釘碰撞微動開關時即可發(fā)出到位信號2.3.5 液壓系統(tǒng)元件的選擇由于機械手操作時各個液壓缸不同時工作，手臂伸縮和立柱回轉所需的流量最大，其余流量均較小，因此選用雙聯(lián)葉片泵，其型號為YB6/40，系統(tǒng)壓力為2.5Mpa,電機功率為5.5KW,同步轉速為1500r/min,并考慮到集中供油、維護方便等原則，確定液壓系統(tǒng)各元件的型號如下：溢流閥：YQ/63；單向閥：Y10B；調速閥：Q63B；節(jié)流閥：L25B；換向閥：34E 63B、22E25B、24E10B。 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，依靠運動者的液體的壓力能來傳遞力的。液壓系統(tǒng)工作是，液壓泵把電動機傳來的回轉式機械能轉變成油液的壓力能：油液被輸送到液壓缸（或液壓馬達）后，又由液壓缸（或液壓馬達）把油液的壓力能變?yōu)橹本€式（或回轉式）的機械能輸出。液壓系統(tǒng)中的油液在受調節(jié)、控制的狀態(tài)下進行工作的因此液壓傳動和液壓控制在這個意義上來說難以截然分開。液壓系統(tǒng)必須滿足起執(zhí)行元件在力和速度方面的要求。 1）調壓回路 液壓系統(tǒng)的壓力必須與負載相適應，以節(jié)約動力消耗和減少發(fā)熱。本機械手采用雙聯(lián)定量泵供油，用溢流閥來調定壓力，使系統(tǒng)在恒定的壓力下工作，下圖2-1所示的為調壓回路圖。圖2-1調壓回路2）緩沖回路 直線油缸中流量較大，進油壓力也較大，故在定位前采用二位二通電磁閥換接可調節(jié)流閥，以實現(xiàn)減速緩沖，如下圖所示。當電磁閥1和2的電磁鐵通電時，手臂快速伸縮，此時回油缸回油；當手臂伸縮至接近設定位置時，電氣定位系統(tǒng)輸出信號為0，電磁閥2的電磁鐵斷電，回油經(jīng)可調節(jié)流閥3回到油箱，實現(xiàn)節(jié)流速緩沖。同時電磁閥1的電磁鐵斷電，處于o型滑閥機能的狀態(tài)，手臂即停止運動并定位。 圖2-2 緩沖回路3）調速回路本機械手的液壓驅動系統(tǒng)采用回油路節(jié)流調速，如下圖所示。這種調速回路，由于回油腔存在背壓，故具有承受負值負載的能力。圖2-3 調速回路4）換向回路本機械手的液壓驅動系統(tǒng)采用三位四通閥實現(xiàn)換向功能。 5）鎖緊回路采用O型機能的三位四通換向閥（下圖所示），滑閥在中間位置時油口全閉，油路不通，液壓缸鎖緊。由于液壓缸內(nèi)充滿液壓油，故從靜止到啟動較平穩(wěn)，換向沖擊小，換向復位位置較準確。圖2-4 鎖緊回路2.3.7 機械手液壓系統(tǒng)的工作原理圖 圖2-5 機械手液壓系統(tǒng)的工作原理圖整體設計如下圖2-6所示 圖2-6 整體設計12第3章 機械手各部分的設計3.1 驅動液壓缸的設計此液壓缸在機械手中的作用是帶動花鍵軸做伸縮運動。伸縮式油缸又稱多級缸，它由兩級或多級活塞缸套裝而成，前一級活塞缸的活塞就是后一級活塞缸的缸筒。伸縮缸逐個伸出時，有效工作面積逐次減小，因此，當輸入流量相同時，外伸速度逐次增大；當負載恒定時，液壓缸的工作壓力逐次增高。空載縮回的順序一般是從小活塞到大活塞，收縮后液壓缸總長度較斷，結構緊湊，使用于安裝空間受到限制而行程要求很長的場合。本設計中使用的直線油缸用于機械手臂前后移動完成拔刀動作。外套油缸固定在機架上，當壓力油作用時，內(nèi)套油缸和活塞桿先一起移動，移到極限位置時，活塞桿在內(nèi)套油缸內(nèi)開始移動，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，依靠運動者的液體的壓力能來傳遞力的。液壓系統(tǒng)工作是，液壓泵把電動機傳來的回轉式機械能轉變成油液的壓力能：油液被輸送到液壓缸（或液壓馬達）后，又由液壓缸（或液壓馬達）把油液的壓力能變?yōu)橹本€式（或回轉式）的機械能輸出。液壓系統(tǒng)中的油液在受調節(jié)、控制的狀態(tài)下進行工作的因此液壓傳動和液壓控制在這個意義上來說難以截然分開。液壓系統(tǒng)必須滿足起執(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：液壓系統(tǒng)與機械、電力等傳動相比。有以下特點：1） 能方便的進行無級調速，調速范圍大。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、動作靈敏，這對于液壓自動控制系統(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（如萬噸水壓力等）。3） 控制和調節(jié)簡單、方便、省力，易實現(xiàn)自動化控制和過載保護。4） 可實現(xiàn)無間隙傳動，運動平穩(wěn)。5） 因為傳動介質為油液，故液體元件有自我潤滑作用，使用壽命長。6） 液壓元件實現(xiàn)了標準化、系列化、通用化、便于設計、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直接帶動負載，從而失去了中間的減速裝置，使傳動簡化。綜上所述，液壓傳動由于其優(yōu)點比較突出，故在工、農(nóng)業(yè)各個部門獲得廣泛的應用。它的某些缺點隨著生產(chǎn)技術的不斷發(fā)展、提高，正在逐步得到克服。由于液壓傳動相對于機械傳動有以上幾個突出的優(yōu)點，所以確定機械手的前伸后退、左轉右轉、夾緊放松著三部分動作用液壓傳動來實現(xiàn)。3.1.2 液壓缸的設計：1液壓缸在工作過程中的負載為:N式中，F(xiàn)液壓缸的工作載荷 F工作負載 F動摩擦系數(shù)，0.1G運動部件自重機械效率2初選液壓缸的工作壓力由液壓設備常用工作壓力查表,取液壓缸工作壓力為10Mpa3確定液壓缸的主要結構參數(shù)1）液壓缸直徑D的確定工進階段的負載為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）5577活塞桿直徑d（0.50.6）D（0.60.7）D0.7Dd=0.56D=0.5650=28mm。液壓缸無桿腔有效作用面積A=7.06510m,有桿腔有效面積A=4.510,調速閥最小穩(wěn)定流量q=1.510/s,最小工進速度v=0.05mm/s,則,能滿足低速穩(wěn)定性要求。3）液壓缸壁厚的確定 式中， 實驗壓力； D液壓缸直徑； 缸體材料的許用應力。0.2； 45公斤/厘米80公斤/厘米,=650Mpa =7mm4) 液壓缸外徑D及長度L的確定D=D2=50+27=64mmL(3050) D，根據(jù)最大活塞行程200mm，定l290mm。液壓缸的設計如下圖3-1所示圖3-1 液壓缸3.2 花鍵軸及軸套的設計與校核3.2.1 花鍵軸的設計花鍵連接由具有周向均勻分布的多個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，依靠齒側的擠壓傳遞轉矩，花鍵連接因鍵齒多，所以承載能力強；由于齒槽淺，故應力集中小，對軸消弱小，且對中性好和導向型較好，但需要專用設備加工，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連接中?；ㄦI軸的換刀裝置中的作用是，當液壓缸的活塞桿運動時，帶動花鍵軸運動，而其它的部件不動，從而實現(xiàn)機械手的伸縮拔刀運動。由于矩形花鍵具有定心精度高，導向性能好，鍵與軸為一整體，強度高，負荷分布比較均勻；齒形簡單，可采用磨削和拉削的方法獲得較高精度等優(yōu)點，故在機床、汽車、拖拉機。工程機械等機械制造業(yè)得到廣泛的使用?；ㄦI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：由于結構形式和制造工藝的不同，與平鍵聯(lián)接比較，花鍵聯(lián)接在強度、工藝和使用方面有下列特點： 因為在軸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，齒根處應力集中較小，軸與轂的強度削弱較少； 齒數(shù)較多，總接觸面積較大，因而可承受較大的載荷； 軸上零件與軸的對中性好，這對高速及精密機器很重要； 導向性好，這對動聯(lián)接很重要； 可用磨削的方法提高加工精度及聯(lián)接質量；制造工藝較復雜，有時需要專門設備，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 花鍵的校核花鍵強度按擠壓強度計算靜聯(lián)接（耐磨性條件）：未經(jīng)熱處理,P值一般為80120Mpa；經(jīng)過熱處理為120200MpaT傳遞扭矩（N.mm）;z花鍵齒數(shù);l鍵齒工作長度（mm）;h鍵齒側面工作高度（mm）.矩形：h=(D-d)/2-2cD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=花鍵軸套的設計由于花鍵軸套上要安裝軸承，軸承采用深溝球軸承，代號為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，隔套長為10，花鍵軸套的一端外徑為84，長度為34。所以花鍵軸套的小端長為 34x2+10=78 大端長為34。 花鍵軸套的設計如下圖3-4所示圖3-4花鍵軸套3.3 軸承的選擇與潤滑軸承是機器中主要用來支承軸的部件，用以保證軸的旋轉精度，并減少軸與支撐物間的摩擦和磨損。有時，軸承也被用來支承軸上的旋轉零件。此軸承主要承受徑向載荷，所以選擇深溝球軸承。價格便宜，所選的型號為6315。本設計軸承的潤滑用到的是脂潤滑，現(xiàn)將理由介紹如下：脂潤滑與油潤滑相比有很多優(yōu)點，如：潤滑脂很容易保持在軸承內(nèi)，不易泄露，維護簡單，可防止灰塵、冷卻液和其它有害雜質的侵入，油膜強度較高，可以使用較長時間而不需要更換，支承結構簡單，不需要特殊的潤滑裝置等。對于垂直軸，如防漏問題不易解決時，采用脂潤滑尤為適宜。但是在轉速較高時，脂潤滑的摩擦損失較大，會時軸承溫度增高。軸承中充填潤滑脂的量不宜過多，根據(jù)經(jīng)驗，以填滿軸承和軸承殼體空間的1/31/2為宜，高速時應僅填充至1/3。轉速很低且對密封要求較嚴格的情況下可充滿殼體空間。3.4 齒輪的設計與校核3.4.1 齒輪的設計該齒輪用來使械手臂180回轉,它和一個傳動齒輪嚙合,通過油馬達帶動旋轉。設計步驟如下：1. 選擇齒輪材料及精度等級 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,調質,齒面硬度為240HBS。精度等級為7級，齒面粗糙度R1.63.2。表3-2（）名稱小齒輪大齒輪模數(shù)（m）33齒數(shù)（z）3447分度圓直徑（d）dmz102dmz141齒頂圓直徑（d）dm（z2）108dm（z2）=147齒根圓直徑(d)d=m(z-2.5)=94.5d=m(z-2.5)=133.5齒寬（b）b0.37102=380.37147=40由于手臂作伸縮運動時大齒輪在小齒輪上有相對移動,所以小齒輪寬度應比大齒輪寬。實際傳動比i3.4.2 齒輪的校核1.轉矩T 齒輪轉速n1450r/min T=9.5510mm=4.9410Nmm2.載荷系數(shù)K=13.許用接觸應力=由圖表查得接觸疲勞極限應力=520Mpa,=320Mpa, 應力循環(huán)次數(shù)N=60nrt=6014501(163005)=2.0910 N= r齒輪每轉一周,輪齒同一側齒面嚙合的次數(shù); t齒輪的總工作小時數(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力=Mpa=Mpa 4.許用彎曲應力=由圖查得:=210Mpa;=195Mpa彎曲疲勞強度壽命系數(shù)Y=0.9;Y=0.95試驗齒輪的應力修正系數(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.核齒根彎曲疲勞強度:6.齒輪傳動的中心距a a=mm7.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為設計的小齒輪圖3-6小齒輪3.5機械手臂及手抓的設計機械手的抓刀部分是有機械手臂和固定其兩端的結構完全相同的兩個手抓組成的。其主要的作用是完成拔刀、旋轉和換刀運動，其中，手臂和花鍵軸相連，當花鍵軸旋轉時，手臂帶動手抓做相應的旋轉運動，當花鍵軸被液壓缸帶動做伸縮運動時，手臂會帶動手抓完成拔刀或插刀運動。手抓上握刀的圓弧部分有一個定位鍵，機械手抓刀時，該定位鍵插入刀柄的鍵槽中，當機械手由原位轉75度抓住刀具時，兩個固定在手臂上的小型液壓缸通油，使活塞向外伸縮。從而使活動銷頂住刀具不能后退，這樣，機械手在回轉180度是，刀具不會被甩出。當機械手上升插刀是，液壓缸回油，使活動銷松開刀具，機械手反轉75度復位。3.5.1 對設計手臂的要求1手臂應承載能力大、剛性好、自重輕。手臂的剛性直接影響到手臂抓取工件時動作的平穩(wěn)性、運動的速度和定位精度。如剛性差的則會引起手臂在垂直平面內(nèi)的彎曲變形和水平面內(nèi)的側向扭轉變形，手臂就要產(chǎn)生振動，或振動時工件卡死無法工作。為此，手臂一般采用剛性較好的導向桿來加大手臂的剛性，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動力。 2手臂的運動速度要適當，慣性要小。機械手的運動速度一般是根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)拍要求來決定，但不宜盲目地追求高速度。手臂由靜止狀態(tài)達到正常的運動速度啟動，以及由常速減到停止動制動，速度的變化過程為速度特性曲線。手臂自重輕，其啟動和停止的平穩(wěn)性就好。3手臂動作要靈活手臂的結構要緊湊小巧，才能使手臂運動輕快、靈活。4位置精度要高機械手要獲得較高的位置精度，除采用先進的控制方法外，在結構上還要注意以下幾個問題：（1） 機械手的剛度、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） 加設定位裝置和行程檢測機構。（3） 合理選擇機械手的坐標形式。直角坐標式機械手的位置精度較高，其結構和運動都比簡單、誤差也小。而回轉運動產(chǎn)生的誤差，是放大式的尺寸誤差，當轉角位置一定時，手臂伸出越長，其誤差越大。關節(jié)式機械手，因其結構復雜，手臂的定位是由各部關節(jié)相互轉角來確定，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，能適應多種作業(yè)；工藝性好，便于維修調整。手臂的設計如下圖3-7所示圖3-7機械手臂設計圖3.6 立柱和機座3.6.1 立柱機械手的立柱是用以支承手臂并帶動它升降、擺動和移動的機構，手臂的俯仰也是由聯(lián)結在立柱上的油缸驅動，立柱與機座相聯(lián)，可固定在地面上、機床設備上、或者懸掛在橫梁滑道上，也可以固定在能行走的機座上。立柱沒有固定的型式，其結構系根據(jù)動作的要求來設計。3.6.2 機座機座是支承機械手全部重量的構件，對其結構的要求是剛性好、占地面積小、操作維修方便和造型美觀。機座結構從形式上可以分為落地式和懸掛式，或分為固定式、可移動式和行動式。移動式的機座在停置時能夠剎車定位，以保證機械手工 作時的位置精度。機座的結構與機械手的總體布置有關，對專用機械手而言，傳動和控制部分通常是單獨布置，故機座比較簡單。3.7 刀庫及換刀機械手的常見故障和維護刀庫及換刀機械手結構較復雜，且在工作中又頻繁運動，所以故障率較高，目前機床上有50以上的故障都與之有關。如刀庫運動故障，定位誤差過大，機械手夾持刀柄不穩(wěn)定，機械手動作誤差過大等。這些故障最后都造成換刀動作卡位，整機停止工作。因此刀庫及換刀機械手的維護十分重要。3.7.1 刀庫的故障刀庫的主要故障有：刀庫不能轉動或轉動不到位；刀套不能夾緊刀具；刀套上下不到位等。(1) 刀庫不能轉動或轉動不到位 刀庫不能轉動的原因可能有：聯(lián)接電動機軸與蝸桿軸的聯(lián)軸器松動；變頻器故障，應檢查變頻器的輸入、輸出電壓是否正常；PLC無控制輸出，可能是接口板中的繼電器失效；機械連接過緊；電網(wǎng)電壓過低。刀庫轉不到位的原因可能有：電動機轉動故障，傳動機構誤差。(2) 刀套不能夾緊刀具 原因可能是刀套上的調整螺釘松動，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 原因可能是裝置調整不當或加工誤差過大而造成撥叉位置不正確；限位開關安裝不正確或調整不當而造成反饋信號錯誤。3.7.2. 換刀機械手故障(1) 刀具夾不緊掉刀 原因可能是卡緊爪彈簧壓力過小；或彈簧后面的螺母松動；或刀具超重；或機械手卡緊鎖不起作用等。(2) 刀具夾緊后松不開 原因可能是松鎖的彈簧壓合過緊，卡爪縮不回：應調松螺母，使最大載荷不超過額定數(shù)值。(3) 刀具交換時掉刀 換刀時主軸箱沒有回到換刀點或換刀點漂移，機械手抓刀時沒有到位，就開始拔刀，都會導致?lián)Q刀時掉刀。這時應重新移動主軸箱，使其回到換刀點位置，重新設定換刀點。42 結 論 此次我們做的畢業(yè)設計是工業(yè)機械手結構的設計，通過2個多月努力，設計終于順利完成。這次設計給了我們一個很好的機會，使我們了解了設計工作的基本流程和設計的方法以及理念。在此次的畢業(yè)設計中，我們遇到了許多以前從未遇到過的問題，但常主任經(jīng)驗豐富、認真負責，加上我們查找了一些資料，這些問題都得到了很好的解決。我設計的是加工中心的換刀裝置，以前，自己很少關注過機械手，對其具體形狀及工作原理了解的很少，這次，通過老師的講解及查閱資料，使我對機械手的工作原理有了清晰地認識。在設計和繪圖過程中，很多內(nèi)容是我們以前學過的，由于時間長，一些知識點已經(jīng)忘記了，這迫使我把以前學過的知識都溫習了一遍，使理論知識與實際相結合，鞏固和深化了所學過的專業(yè)理論知識。由于由于此次設計是次創(chuàng)新設計，為了使機械手的設計更為合理，我不斷地學習與修改，自學了許多相關學科的內(nèi)容，經(jīng)常向常主任請教，并經(jīng)常上網(wǎng)或查閱大量相關資料，這使我的知識面擴展了很多。這次設計，使我認識到了只有理論知識，而沒有經(jīng)驗，很多地方會考慮不周，多虧了我的導師常主任經(jīng)驗豐富，使我減少了很多錯誤。畢業(yè)設計過程中，我們在獨立完成的同時也進一步加強了團隊協(xié)作精神，并取得了一定的成績。通過這次畢業(yè)設計，我相信在以后的學習和工作過程中，一定可以好好的解決問題，提高自己的能力，較快地適應工作和社會激烈的競爭。謝 辭大學生活已近尾聲，三年的努力與付出，伴隨這次畢業(yè)論文的完成，將要劃下完美的句號。當然，這次畢業(yè)設計能夠相對如此順利，首先要感謝三年來教我們知識的辛勤園丁，是他們兢兢業(yè)業(yè)的教學精神鼓舞感動著我們，使我們學道了很多知識，在教科老師的教誨下，我獲得了人生最寶貴的一筆財富，受益終生。我的畢業(yè)設計的課題是機械手的設計，以前，我對機械手了解很少，它的工作原理與外形對我來說都很陌生，經(jīng)過指導老師的幫助和對參考資料的拜讀，我已經(jīng)對機械手有了一定的了解。非常感謝這幾個月來幫助我完成畢業(yè)設計的朱老師，在朱老師的悉心指導，從論文的選擇到具體的設計過程都凝聚著朱老師的心血和汗水，在我的畢業(yè)設計期間，朱老師為我提供了種種專業(yè)知識上的指導和一些富于創(chuàng)造性的意見，他一絲不茍的作風和嚴謹?shù)膽B(tài)度使我很敬佩，沒有這樣的幫助、關懷和熏陶，我的畢業(yè)設計也不會如此順利。同時再次感謝在這3年來悉心指導我的老師們，是你們孜孜不倦的教育精神使我在這三年里學到了很多知識，拓展我們的眼界和知識面。在他們的教誨下我獲得了人生中最寶貴的財富。在朱老師的指導下使我能夠順利畢業(yè)。同時還要感謝在這三年里共同學習和生活的同學們以及我的室友們，是你們使我的大學生活充滿了激情與期待，也認識了更多的朋友。最后還是只能用非常感謝來代替現(xiàn)在的心情。再次感謝所有的人參考文獻1 郭振邦.最新基礎標準應用手冊.北京：機械工業(yè)出版社，1998 2 高得文.數(shù)控加工中心.北京: 化學工業(yè)出版社，20033 夏田.數(shù)控加工中心設計.北京：化學工業(yè)出版社,20064 王昆,何小柏.機械設計課程設計.武漢：高等教育出版社,20065 岑軍健、趙菊初、張秉政、周玉璜.張妙杭.非標準設備設計 冊(第三冊).長沙：國防工業(yè)出版社,19956 成大先等. 機械設計圖冊.北京：化學工業(yè)出版社,20027 丁樹模.液壓傳動.北京： 機械工業(yè)出版社,20068 左健民.液壓與氣壓傳動.天津：機械工業(yè)出版社,20079 上海交通大學、沈陽機電學院、華南工學院聯(lián)合主編.數(shù)控機床.上海：上?？茖W技術出版社,199810 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AutoCAD2000機械制圖.北京：機械工業(yè)出版社,2002 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