臥式加工中心換刀裝置設(shè)計(jì)【3張CAD圖紙】

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中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 1 頁(yè) 共 50 頁(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 臥式加工中心自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名：三號(hào)楷體 學(xué)號(hào)： 三號(hào)楷體 學(xué) 院： 三號(hào)楷體 專 業(yè)： 三號(hào)楷體 指導(dǎo)教師： 只寫名字，三號(hào)楷體 年 月（小二號(hào)居中） 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 2 頁(yè) 共 50 頁(yè) 自動(dòng)換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì) 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(kù)實(shí)現(xiàn)換刀。而自動(dòng) 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(gè)臥式 加工中心的功能。自動(dòng)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(dòng)式和主軸直接式。刀庫(kù)換刀，按照換刀過(guò)程有無(wú)機(jī)械手參與， 分成有機(jī)械手換刀和無(wú)機(jī)械手換刀兩種情況。在有機(jī)械手換刀的過(guò)程中，使用一個(gè) 機(jī)械手將加工完畢的刀具從主軸中拔出，與此同時(shí)，另一機(jī)械手將在刀庫(kù)中待命的 刀具從刀庫(kù)拔出，然后兩者交換位置，完成換刀過(guò)程。無(wú)機(jī)械手換刀時(shí)，刀庫(kù)中刀 具存放方向與主軸平行，刀具放在主軸可到達(dá)位置換刀時(shí)，主軸箱移到刀庫(kù)換刀位 置上方，利用主軸 Z 向運(yùn)動(dòng)將加工用畢刀具插人刀庫(kù)中要求的空位處，然后刀庫(kù)中 待換刀具轉(zhuǎn)到待命位置。主軸 Z 向運(yùn)動(dòng)將待用刀具從刀庫(kù)中取出，并將刀具插人主 軸。 關(guān)鍵詞：臥式加工中心 自動(dòng)換刀裝置 刀庫(kù) 機(jī)械手 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 3 頁(yè) 共 50 頁(yè) 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(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 4 頁(yè) 共 50 頁(yè) 目 錄 1 前言 .6 1.1 加工中心簡(jiǎn)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(diǎn) .7 1.1.3 加工中心的發(fā)展動(dòng)向 .8 1.2 自動(dòng)換刀裝置的簡(jiǎn)介 .8 1.2.1 自動(dòng)交換刀具的由來(lái) .8 1.2.2 自動(dòng)換刀的形式 .9 1.2.3 刀庫(kù)的功能和形式 .11 1.2.4 刀套準(zhǔn)停措施 .13 2 機(jī)械手的設(shè)計(jì) .14 2.1 機(jī)械手的原理 .14 2.2 設(shè)計(jì)方向 .16 2.3 概要 .17 2.3.1 機(jī)械手的組成與分類 .17 2.3.2 機(jī)械手的手部 .17 2.4 機(jī)械手手部的設(shè)計(jì) .18 2.5 機(jī)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(jī)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(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .27 3.1 轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) .27 3.1.1機(jī)械手轉(zhuǎn)過(guò) 75 度的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) .28 3.1.2 機(jī)械手轉(zhuǎn)過(guò) 180 度的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) .32 3.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)其它零件的設(shè)計(jì) .35 3.2.1 液壓缸的選擇 .36 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 5 頁(yè) 共 50 頁(yè) 3.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .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(zhǎng)度 .38 3.4 主軸的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)以及主軸準(zhǔn)停裝置的設(shè)計(jì) .39 3.4.1 主軸結(jié)構(gòu) .39 3.4.2 刀具的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu) .39 3.4.3 主軸準(zhǔn)停裝置 .39 3.5 換刀裝置的液壓機(jī)構(gòu)分析 .40 3.5.1 液壓分析 .40 3.5.2 換刀動(dòng)作順序表 .42 4 PLC 控制分析 .44 小結(jié) .48 參考文獻(xiàn) .49 致謝 .50 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 6 頁(yè) 共 50 頁(yè) 1 前言 臥式加工中心的自動(dòng)換刀裝置（機(jī)械手） ，是加工中心的重要組成部分之一，我 做的這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)就是關(guān)于這方面的問(wèn)題。 我的設(shè)計(jì)任務(wù)是：對(duì)臥式加工中心自動(dòng)換刀機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)。它主要包括以下 幾方面的內(nèi)容： (1)機(jī)械部分的設(shè)計(jì) (2)液壓部分的設(shè)計(jì) (3)自動(dòng)控制方面的設(shè)計(jì)（PLC） 這個(gè)自動(dòng)換刀裝置是針對(duì) JCS-018 的，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室中這臺(tái)機(jī)床的研究以及查 閱相關(guān)資料。在老師的指導(dǎo)下，我很快就有了一個(gè)明確的思路。我的思路如下：首 先，對(duì)機(jī)械手部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，接下來(lái)是液壓部分，最后是 PLC 方面。這個(gè)機(jī)械手只 有 2 個(gè)方向的自由度，既：Z 軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)一移動(dòng)，通過(guò)這 2 個(gè)自由度，我可以完 成整個(gè)換刀的操作。其中轉(zhuǎn)動(dòng)是用來(lái)交換刀具的位置，進(jìn)而為拔刀與插刀做準(zhǔn)備。 而移動(dòng)是用來(lái)完成拔刀與插刀的動(dòng)作的。就是說(shuō)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程如下：機(jī)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(gè)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn) 室中的那臺(tái)加工中心的自動(dòng)換刀裝置有一些區(qū)別，就是實(shí)驗(yàn)室中那臺(tái)加工中心的自 動(dòng)換刀裝置采用的是氣壓控制，而我在這個(gè)設(shè)計(jì)中采用的是液壓控制。 在我這個(gè)設(shè)計(jì)中，我遇到了一些問(wèn)題，就是力不好確定，以及許多尺寸不容易 準(zhǔn)確的確定下來(lái)，我采用了一個(gè)很笨的方法，就是直接對(duì) JCS-01 那臺(tái)加工中心一 些部件的尺寸進(jìn)行直接的測(cè)量，才得出來(lái)，我所要的尺寸。通過(guò)這個(gè)設(shè)計(jì)中，我對(duì) 自己的知識(shí)有了很明確的認(rèn)識(shí)，看到了自己的許多缺點(diǎn)，對(duì)自己起到了一個(gè)查漏補(bǔ) 缺的作用。 同時(shí)，我得到了程老師的很多指導(dǎo)，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(guò)程中，我出了很多錯(cuò)誤，因?yàn)檫@，得到及時(shí)的更正。謝謝老 師。 從這次做畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我對(duì) CAD 有了很大的認(rèn)識(shí)，以后，我對(duì)再?gòu)?fù)雜的圖，都 不會(huì)有恐懼感，在液壓方面也溫習(xí)了以前學(xué)到的知識(shí)。 雖然這樣，我做的這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)，肯定還有很多的錯(cuò)誤，希望老師們指正。 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 7 頁(yè) 共 50 頁(yè) 1.1 加工中心簡(jiǎn)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(tái)上數(shù)控機(jī)床后， 使多品種、中小批量的機(jī)械加工設(shè)備在柔性、自動(dòng)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(jìn)行控制，因而比大批量生產(chǎn)中使用組合機(jī)床生 產(chǎn)線的凸輪、開關(guān)控制的專用機(jī)床有更大的柔性，容易適應(yīng)加工關(guān)鍵品種的變化， 進(jìn)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(dòng)銑削、鉆孔、鏜孔、 鉸孔、攻絲等多工序的數(shù)控機(jī)床。更為明確的說(shuō)法是：加工中心就是自動(dòng)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(chǔ)上增加自動(dòng)換 刀裝置，可使工件在一次裝卡中，能夠自動(dòng)更換刀具，自動(dòng)完成工件上的銑削、鉆 孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等工序的數(shù)控機(jī)床。加工中心上如果帶有自動(dòng)分度回轉(zhuǎn)工 作臺(tái)或自動(dòng)轉(zhuǎn)角度的主軸箱，可使工件在一次裝卡中，自動(dòng)完成多個(gè)平面和多個(gè)角 度位置的多工序加工。加工中心上如果帶有交換工作臺(tái)，工件在工作位置的工作 臺(tái)上進(jìn)行加工的同時(shí)，另外的工件在裝卸為止的工作臺(tái)上進(jìn)行裝卸，不影響加工的 進(jìn)行。 1.1.2 加工中心的優(yōu)點(diǎn) 加工中心的優(yōu)點(diǎn)很多，主要有以下幾點(diǎn)： 提高加工質(zhì)量 工件一次裝夾，即可實(shí)現(xiàn)多工序集中加工，大大減少多次 裝夾所帶來(lái)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(dāng)高的穩(wěn)定精度。 縮短加工準(zhǔn)備時(shí)間 減少在制品 減少刀具費(fèi)用 最少的直接勞務(wù)費(fèi) 最少的間接勞務(wù)費(fèi) 設(shè)備利用率高 加工中心設(shè)備利用率為通用機(jī)床的幾倍。另外，由于工序集 中，容易適應(yīng)多品種、中小批量生產(chǎn)。 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 8 頁(yè) 共 50 頁(yè) 1.1.3 加工中心的發(fā)展動(dòng)向 總的來(lái)說(shuō)，加工中心是向高速化、進(jìn)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(jìn)給速度、自動(dòng)換刀和自動(dòng)交換工作臺(tái)的 高速化。 （2）進(jìn)一步提高精度 加工中心的主要精度指標(biāo)是它的運(yùn)動(dòng)精度指標(biāo)。而運(yùn)動(dòng)精度主要以坐標(biāo)定位精 度、重復(fù)定位精度以及銑圓精度來(lái)表示。 1.2 自動(dòng)換刀裝置的簡(jiǎn)介 1.2.1 自動(dòng)交換刀具的由來(lái) 自動(dòng)交換刀具系統(tǒng)（Automatic Tool Changer 簡(jiǎn)稱 ATC）系統(tǒng)是由刀庫(kù)、機(jī)械 手及相應(yīng)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(jī)床的主軸上，工件安裝于工作臺(tái)上。為了使工序能夠高度集中，盡量節(jié)省輔助時(shí) 間，于是在數(shù)控銑床上增加自動(dòng)交換刀具系統(tǒng)（含刀庫(kù)、機(jī)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(dòng)機(jī)、變速箱、轉(zhuǎn)塔頭做成一體，結(jié) 構(gòu)緊湊：但變速箱工作時(shí)的振動(dòng)和熱量都直接傳到轉(zhuǎn)塔上來(lái)，而且每把刀都需要一 個(gè)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(dú)存儲(chǔ)刀具的刀庫(kù)，刀具數(shù)量可以增多，以滿足加工復(fù)雜零件的需要， 這時(shí)的加工中心只需一個(gè)夾持刀具進(jìn)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(dòng)換刀的形式 （1）無(wú)機(jī)械手的換刀方式 小型加工中心有采用無(wú)機(jī)械手換刀的方式，如圖 1-1。它的刀庫(kù)在立柱的正前 方上部，刀庫(kù)中刀具的存放方向與主軸方向一致。換刀時(shí)主軸箱帶著主軸在立柱導(dǎo) 軌上上升至換刀位置，主軸上的刀具正好進(jìn)入刀庫(kù)的某一個(gè)刀具存放位置，隨即主 軸內(nèi)夾刀機(jī)構(gòu)松開，主軸刀庫(kù)順著主軸方向向前移動(dòng)，從主軸中拔出刀具，然后刀 庫(kù)回轉(zhuǎn)，將下一步所需的刀具轉(zhuǎn)到與主軸對(duì)齊的位置；刀庫(kù)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(dòng)換刀系統(tǒng)，刀庫(kù)整體 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 9 頁(yè) 共 50 頁(yè) 前后移動(dòng)不僅刀具數(shù)量少，而且刀具尺寸也較小。這種刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)是在工步之間進(jìn)行 的，即旋轉(zhuǎn)所需的輔助時(shí)間與加工時(shí)間不重合。 （2）機(jī)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(jī)械手、 回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手、雙手式機(jī)械手、多手式機(jī)械手四類。 單臂單手式機(jī)械手包括機(jī)械手只作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手和只作往復(fù)擺動(dòng)的 機(jī)械手。前者用于刀具主軸與刀庫(kù)刀座的軸線平行的場(chǎng)合。它的特點(diǎn)是機(jī)械手的插、 拔刀運(yùn)動(dòng)和傳遞刀具的運(yùn)動(dòng)都是直線運(yùn)動(dòng)，因而無(wú)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心力，所以 機(jī)械手的握刀部分可以比較簡(jiǎn)單，只需兩個(gè)彈簧卡銷卡住刀柄。而后者，如果是機(jī) 械手?jǐn)[動(dòng)軸線與刀具主軸平行，它主要用于刀庫(kù)換刀位置的刀座的軸線與主軸軸線 相平行的場(chǎng)合。如果是機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)軸線與刀具主軸垂直，它用于刀庫(kù)換刀位置的刀 座和軸線相垂直的場(chǎng)合?？傊?，這種單臂單手式機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在轉(zhuǎn)塔頭帶刀庫(kù) 的換刀系統(tǒng)中，不與主軸的換刀時(shí)間重合，故可用這類機(jī)械手。它也可在刀庫(kù)與主 軸頭上的換刀機(jī)械手之間傳遞刀具。但是，這類機(jī)械手換刀動(dòng)作均需順序進(jìn)行，時(shí) 間不能重合，從而換刀時(shí)間較長(zhǎng)。 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 10 頁(yè) 共 50 頁(yè) 圖 1-1 無(wú)機(jī)械手的換刀順序 回轉(zhuǎn)式單臂雙手式機(jī)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(jī)械手 可以同時(shí)抓住和拔、插位于主軸和刀庫(kù)里的刀具，與單臂單手式機(jī)械手相比，可以 縮短換刀時(shí)間。 雙手式機(jī)械手可分為機(jī)械化只作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手和有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械 手兩大類。前者包括雙手平行式和雙手交叉式，這種機(jī)械手適用于容量較大的、距 主軸較遠(yuǎn)的，特別是分置式的刀庫(kù)的換刀。機(jī)械手有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的，在主軸處換刀時(shí) 轉(zhuǎn)角為 180 ，可用于刀庫(kù)距主軸較遠(yuǎn)者；在主軸處換刀時(shí)轉(zhuǎn)角為 90 ，適用于刀 庫(kù)距主軸較近者；在主軸處換刀時(shí)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(dòng)銷對(duì)刀具的壓力大于 572 牛 又由于活動(dòng)銷對(duì)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(dòng)銷的選取與驗(yàn)證 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 20 頁(yè) 共 50 頁(yè) 由于活動(dòng)銷承受的壓力較大，所以選用 45 鋼（調(diào)質(zhì)） 活動(dòng)銷的受力圖如下 如圖： N是刀具對(duì)活動(dòng)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(dòng)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(duì)活動(dòng)銷的作用力 F=-kx=598.5N F1 是由固定活動(dòng)銷的外壁產(chǎn)生的，用來(lái)限制活動(dòng)銷向下的運(yùn)動(dòng)、向上的運(yùn)動(dòng)、 轉(zhuǎn)動(dòng)等 5 個(gè)自由度的。 由于這個(gè)物體（活動(dòng)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(duì) X 軸方向 ，活動(dòng)銷受到 F與 N這對(duì)力的同時(shí)作用 所以產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力為 AFn 所以 (2-5)n 確定上式中各個(gè)參數(shù)值： 1） 由于材料為 45 鋼 ，所一許用應(yīng)力為 58Mpa 2） Fn=N=f=598.5N 所以（2-5）式中 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 21 頁(yè) 共 50 頁(yè) nFA 又因?yàn)?（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(dòng)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(gè)參數(shù)值： 1） 45 鋼的許用剪應(yīng)力為 Mpabs60 2） 剪切力 Fbs=f=598.5N 所以（9）式可以計(jì)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(lái)確定銷的長(zhǎng)度 由于在 F1 和 f的作用下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)力距 M 大小為 M=F1L （2-11） 上式中的 L 為活動(dòng)銷的長(zhǎng)度 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 22 頁(yè) 共 50 頁(yè) 在 M 的作用下活動(dòng)銷要彎曲，在它的 2 個(gè)端點(diǎn)彎距最大為 M=F1L 所以 彎曲應(yīng)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(yīng)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(jì)算的長(zhǎng)度，取 l=112mm 所以活動(dòng)銷就確定了 為 （5）鎖緊銷的選取與驗(yàn)證 由于鎖緊銷的要求沒有活動(dòng)銷高，聯(lián)想到它的使用狀況，所以選用 20 鋼 它的剪應(yīng)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(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 23 頁(yè) 共 50 頁(yè) mFdbs 12.38102.38014.3594 取 d=7mm 根據(jù)銷的系列選取長(zhǎng)度為 40mm 的銷 所以銷的類別為 7*40 2.5 機(jī)械手其它零件以及尺寸的確定 2.5.1.螺栓的確定 機(jī)械手的手部是通過(guò)螺栓連接在手腕上面的，又因?yàn)槭植颗c手腕的結(jié)合要能精 確的固定相對(duì)位置，所以選用普通螺栓來(lái)連接。我這里采用了 3 螺栓組成螺栓組來(lái) 連接的 現(xiàn)在對(duì)這 3 螺栓進(jìn)行受力分析 這 3 個(gè)螺栓同時(shí)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(gè)螺栓的受力分別為 F= NF5.193.581 1）下面我對(duì)其中的一個(gè)螺栓進(jìn)行驗(yàn)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(jì)算 NfziFks 5.9721.00 又因?yàn)槁菟ㄎｋU(xiǎn)截面的拉伸條件公式： 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 24 頁(yè) 共 50 頁(yè) （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(yīng) =43Mpa 所以（19）式可以如下計(jì)算： =6.2mm mFd4.3814.35973.10 由于我只是大概的計(jì)算，所以實(shí)際取螺栓值的時(shí)候取大一點(diǎn) 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(lái)確定這些螺栓在機(jī)械手中的位置 右邊第一個(gè)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(gè)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(gè)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(jī)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(gè)長(zhǎng)度為 640mm 其中機(jī)械手中心到手腕外的距離為 259mm， 2.5.3 軸與機(jī)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(qiáng)度來(lái)計(jì)算軸徑 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 25 頁(yè) 共 50 頁(yè) 在軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通常用下面的這個(gè)公式來(lái)初步估算軸徑 (2-20) TTdnpW32.095 上式中 為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)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(jì)算截面處的直徑 ,單位為 mm 為許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)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?yàn)樵?MV-810/A 中,換刀時(shí)間為 2.5s,整個(gè)過(guò)程有 10 個(gè)動(dòng)作,按每個(gè)動(dòng)作的時(shí) 間相等來(lái)計(jì)算 所以每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間 s 25.01Tt 而機(jī)械手在交換刀具的時(shí)候轉(zhuǎn)過(guò) 180 度的時(shí)間也為 0.25s,所以在這個(gè)時(shí)候,它 的轉(zhuǎn)速最大,我們只要用最大轉(zhuǎn)速去計(jì)算軸徑就好了 因?yàn)檩S轉(zhuǎn)過(guò) 180 度的時(shí)間為 0.25s,所以轉(zhuǎn)過(guò)一 周所用的時(shí)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(lái)使機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng) 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 26 頁(yè) 共 50 頁(yè) 在轉(zhuǎn) 180 度的時(shí)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?cè)谇懊嬉呀?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(jī)械手的連接: 軸與機(jī)械手連接采用花鍵 2.5.4 液壓泵的選擇 根據(jù)實(shí)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(jì)算 主軸夾緊松開的液壓缸的流量即可。 主軸夾緊松開： 自動(dòng)換刀裝置的整個(gè)換刀過(guò)程所需的時(shí)間 ,共有 10 個(gè)動(dòng)作，st5.2 則每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間平均為 = t01 即主軸松開刀具的時(shí)間為 0.25 查手冊(cè)得每個(gè)碟形彈簧厚度 ，自由高度 H=9.m3m3106. 根據(jù)設(shè)計(jì)共有 22 個(gè)彈簧組成 每個(gè)蝶形彈簧的極限行程 0h317. 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 27 頁(yè) 共 50 頁(yè) 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(jìn)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(shí)液壓缸的流量為 VSq1 432102.7.6. )/(3s （2）拉釘夾緊刀具： 進(jìn)油口油腔的面積： )(.125.042322 mDS 則此時(shí)液壓缸的流量為 )/(106.798.06342 svq 比較（1） 、 （2）兩者的計(jì)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(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.1 轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 在整個(gè)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,轉(zhuǎn)位有 3 次,第一是機(jī)械手轉(zhuǎn)過(guò) 75 度,第二次是機(jī)械手轉(zhuǎn) 過(guò) 180 度,第三次是機(jī)械手反向到原來(lái)的位置. 這些轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)主要是由齒輪齒條機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,它們的動(dòng)力源來(lái)自于液壓缸,對(duì) 液壓港通入一定的壓力油,使活塞向預(yù)定的方向運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)不同角度的轉(zhuǎn)動(dòng)了。 3.1.1機(jī)械手轉(zhuǎn)過(guò) 75 度的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 這個(gè)機(jī)構(gòu)由一般個(gè)液壓缸、齒輪條、齒輪以及連接盤、連桿組成的，當(dāng)發(fā)出機(jī) 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 28 頁(yè) 共 50 頁(yè) 械手抓刀的信號(hào)時(shí)，液壓缸的后腔就通入壓力油，活塞桿推動(dòng)著齒輪條向前移動(dòng)， 使得齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，帶動(dòng)連接盤與連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，而連桿通過(guò)花鍵連在機(jī) 械手上，所以當(dāng)活塞通入壓力油的時(shí)候，機(jī)械手就相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)。 （1）下面我們首先來(lái)選擇與計(jì)算液壓缸 由于機(jī)械手的整個(gè)換刀時(shí)間為 2.5s 整個(gè)過(guò)程有 10 個(gè)動(dòng)作,按每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間相 等來(lái)計(jì)算 所以每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間 s 25.01Tt 即：機(jī)械手轉(zhuǎn)過(guò) 75 度的時(shí)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(zhǎng)為 S= d6.284.3 所以齒輪轉(zhuǎn)過(guò) 75 度走過(guò)的距離 L= ms875.360750 因?yàn)辇X輪齒條是配合的所以 齒輪條在這個(gè)運(yùn)動(dòng)中也走過(guò) 58.875mm 活塞桿的速度為 smts/236.05.87 設(shè)液壓缸的溶積效魚為 ，這里取9.98.0 設(shè)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(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 29 頁(yè) 共 50 頁(yè) （2-24） qqd29.536.0148 因?yàn)?q=0.8 m/s3 所以（24）可以如下計(jì)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(jī)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(duì)齒輪做對(duì)稱布置，所以取 =1。d 由于 （2-25） *aaamhzd 由于我都采用的是標(biāo)準(zhǔn)直齒輪（壓力角為 20 度） 所以 1 *ah 所以 =90+2 *2aaamhzzdm935.1 因?yàn)?所以齒輪做成實(shí)心160 由于這個(gè)齒輪通過(guò)連桿與連接盤來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)的，所以齒輪做成如下的結(jié)構(gòu)： 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 30 頁(yè) 共 50 頁(yè) 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(gè)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(duì)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(yùn)動(dòng)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(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 31 頁(yè) 共 50 頁(yè) 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?yàn)橐粢恍┚嚯x，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(yùn)動(dòng)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(dòng)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(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 32 頁(yè) 共 50 頁(yè) 圖 3-4 傳動(dòng)盤 3) 把傳動(dòng)盤與連桿（軸）連接起來(lái)的花鍵的確定 D1=40mm D2=26mm H=10mm 圖 3-5 花鍵 3.1.2 機(jī)械手轉(zhuǎn)過(guò) 180 度的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 這個(gè)機(jī)構(gòu)由一般個(gè)液壓缸、齒輪條、齒輪以及連桿組成的，當(dāng)發(fā)出機(jī)械手交換 刀具的信號(hào)時(shí)，液壓缸的后腔就通入壓力油，活塞桿推動(dòng)著齒輪條向前移動(dòng)，使得 齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，而連桿通過(guò)花鍵連在機(jī)械手上，所以 當(dāng)活塞通入壓力油的時(shí)候，機(jī)械手就相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)。 （1）下面我們首先來(lái)選擇與計(jì)算液壓缸 由于機(jī)械手的整個(gè)換刀時(shí)間為 2.5s 整個(gè)過(guò)程有 10 個(gè)動(dòng)作,按每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間相 等來(lái)計(jì)算 所以每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間 s 25.01Tt 即：機(jī)械手轉(zhuǎn)過(guò) 180 間為 0.25s 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 33 頁(yè) 共 50 頁(yè) 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(zhǎng)為 S= d08.69.3 所以齒輪轉(zhuǎn)過(guò) 180 度所走的距離 L= ms4.13.2360180 因?yàn)辇X輪齒條是配合的所以 齒輪條在這個(gè)運(yùn)動(dòng)中也走過(guò) 113.04mm 活塞桿的速度為 smts/452.0.13 設(shè)液壓缸的溶積效魚為 ，這里取9.798.0 設(shè)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?yàn)?q=0.8 m/s 所以（28）式如下計(jì)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(jī)構(gòu)其它尺寸 首先確定齒寬系數(shù) d 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 34 頁(yè) 共 50 頁(yè) 由于齒輪的二支承相對(duì)齒輪做對(duì)稱布置，所以取 =1。d 由于 （2- *aaamhzd 25） 由于我都采用的是標(biāo)準(zhǔn)直齒輪（壓力角為 20 度） 所以 1 *ah 所以 =72+ *aaamhzdm5.731. 因?yàn)?所以齒輪做成實(shí)心160 由于這個(gè)齒輪通過(guò)連桿與連接盤來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)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(gè)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(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 35 頁(yè) 共 50 頁(yè) 圖 3-7 固定與小齒輪一起配對(duì)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(yùn)動(dòng)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?yàn)橐粢恍┚嚯x，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(dòng)機(jī)構(gòu)其它零件的設(shè)計(jì) 在前 2 節(jié)中，已經(jīng)對(duì)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)做了設(shè)計(jì)，但是要完成整個(gè)運(yùn)動(dòng)還需要插拔刀具 的運(yùn)動(dòng)，這就需要設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)構(gòu)來(lái)完成插拔刀具的功能。 在這個(gè)機(jī)械手中，只要給機(jī)械手一個(gè) z 軸方向的運(yùn)動(dòng)即可。由于機(jī)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(jī)械手從初使位置運(yùn)動(dòng)到夾刀具的 位置，在 z 軸方向的距離為 100mm。為了完成這個(gè)動(dòng)作，我選用了一個(gè)液壓缸來(lái)實(shí) 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 36 頁(yè) 共 50 頁(yè) 現(xiàn)。 原理如下：當(dāng)需要夾刀具的時(shí)候，液壓缸的下腔通入壓力油，使液壓缸的活塞 向上運(yùn)動(dòng)，把機(jī)械手帶到夾刀具與拔刀具的位置，完成這個(gè)動(dòng)作以后，就要拔刀具 了，這個(gè)時(shí)候液壓缸的上腔通入壓力油，使得活塞向下運(yùn)動(dòng)。只要選擇合適的液壓 缸的行程就可以達(dá)到預(yù)定的位置。 3.2.1.液壓缸的選擇 由于機(jī)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(gè)距離，在運(yùn)動(dòng)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(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 37 頁(yè) 共 50 頁(yè) 圖 3-8 與大液壓缸連接的部分機(jī)械結(jié)構(gòu) 3.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(duì)與合金鋼來(lái)說(shuō)價(jià)格便宜，對(duì)應(yīng)力集 中的敏感性較低，同時(shí)也可以用熱處理或化學(xué)熱處理來(lái)提高其耐磨性和抗疲勞強(qiáng)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(lái)對(duì)軸做一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.3.1.擬定軸上零件的裝配方案 本設(shè)計(jì)中按照下面的方案來(lái)裝配 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 38 頁(yè) 共 50 頁(yè) 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(zhǎng)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(zhǎng)為 80mm，還加上這個(gè)結(jié)構(gòu)，齒輪不是空套在軸上的，而mdI30 是通過(guò)連接盤、傳動(dòng)盤來(lái)把運(yùn)動(dòng)傳遞給軸的，所以 ， 段接連接盤與傳ml631I 動(dòng)盤，長(zhǎng)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?yàn)?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(dòng)軸承 因?yàn)檩S同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)的角接觸球,30mdIX 軸承 70306C。 所以軸的總長(zhǎng)為 mllll IXVIII 481258104638總 （3） 確定軸上圓角與倒角尺寸 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 39 頁(yè) 共 50 頁(yè) 取軸端的倒角尺寸為 2 ，各軸肩的圓角尺寸為 R0.5度45 對(duì)于軸的校核，我就不做說(shuō)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(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)以及主軸準(zhǔn)停裝置的設(shè)計(jì) 3.4.1 主軸結(jié)構(gòu) 主軸的前支承配置了三個(gè)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(gè)軸承大口朝下，后面一個(gè)軸承大口朝上。前支承按預(yù)加載荷計(jì)算的預(yù)緊 量由螺母來(lái)調(diào)整。后支承為一對(duì)小口相對(duì)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(zhǎng)，不影響加工精度。 3.4.2 刀具的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu) 主軸內(nèi)部和后端安裝的是刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)。它主要由拉桿、拉桿端部的四個(gè) 鋼球、蝶形彈簧、活塞、液壓缸等組成。機(jī)床執(zhí)行換刀指令，機(jī)械手要從主軸拔刀 時(shí)，主軸需松開刀具。這時(shí)液壓缸上腔通壓力油，活塞推動(dòng)拉桿向下移動(dòng)，使碟形 彈簧壓縮，鋼球進(jìn)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(jī)械手即可拔刀。之后，壓縮空氣進(jìn)入活塞和拉桿的中孔，吹凈主軸錐孔，為裝入 新刀具做好準(zhǔn)備。當(dāng)機(jī)械手將下一把刀具插入主軸后，液壓缸上腔無(wú)油壓，在碟形 彈簧和彈簧的恢復(fù)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(guò)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(zhǔn)停裝置 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 40 頁(yè) 共 50 頁(yè) 機(jī)床的切削扭矩由主軸上的端面鍵來(lái)傳遞，每次機(jī)械手自動(dòng)裝取刀具時(shí)，必須 保證刀柄上的鍵糟對(duì)準(zhǔn)主軸的端面鍵，這就要求主軸具有準(zhǔn)確定位的功能。為滿足 主軸這一功能而設(shè)計(jì)的正好子稱為主軸準(zhǔn)停裝置或稱為主軸定向裝置。本機(jī)床采用 的是電氣式主軸準(zhǔn)停裝置，即用磁力傳感器檢測(cè)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(dòng)，在距發(fā)磁體外緣 1-2mm 處，固定了一個(gè)磁傳感 器 10，它經(jīng)過(guò)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(dāng)發(fā)磁體的上判別孔轉(zhuǎn)到對(duì)準(zhǔn)磁傳感器上的基準(zhǔn)糟時(shí)，主軸立即 停止。 圖 3-11 主軸準(zhǔn)停裝置的原理圖 圖中 5 為電動(dòng)機(jī)與主軸之間的同步齒形帶，4 為主軸電動(dòng)機(jī)，2 為強(qiáng)電時(shí)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(jī)構(gòu)分析 3.5.1 液壓分析 如圖 3-3 所示，液壓缸 1 是實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的正反轉(zhuǎn) 75運(yùn)動(dòng)，液壓缸 2 是實(shí)現(xiàn)機(jī) 械手正反轉(zhuǎn) 180運(yùn)動(dòng)，液壓缸 3 是實(shí)現(xiàn)機(jī)械手拔刀、插刀運(yùn)動(dòng)，液壓缸 4 是實(shí)現(xiàn) 主軸的夾緊、松開動(dòng)作。這里活塞桿活動(dòng)，液壓缸固定。 當(dāng)行程開關(guān) 10 發(fā)出抓刀信號(hào)后，機(jī)械手要順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 75，這時(shí)，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(guò)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(dòng)活塞桿下移， 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 41 頁(yè) 共 50 頁(yè) 油從下腔流回油缸，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手正轉(zhuǎn) 75的動(dòng)作。 當(dāng)機(jī)械手順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò) 75 后，行程開關(guān) 2 發(fā)出信號(hào)，刀柄尾部的拉釘要松開刀 具，這時(shí)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(guò)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(dòng)活 塞桿下移，油從下腔流回油缸，實(shí)現(xiàn)了主軸的松開動(dòng)作。 當(dāng)主軸松開刀具后，行程開關(guān) 8 發(fā)出信號(hào)，這時(shí)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(guò)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(dòng)活塞桿下移，油從下腔流回油缸，這個(gè)動(dòng)作 使得機(jī)械手實(shí)現(xiàn)拔刀動(dòng)作。 當(dāng)機(jī)械手拔出刀后，行程開關(guān) 6 發(fā)出信號(hào)，機(jī)械手要帶著刀具轉(zhuǎn)過(guò) 180，這 時(shí)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(guò)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(dòng)活塞桿下移， 油從下腔流回油缸，這樣就實(shí)現(xiàn)了機(jī)械 正轉(zhuǎn) 180的動(dòng)作。 當(dāng)機(jī)械手轉(zhuǎn)過(guò) 180 后，行程開關(guān) 4 發(fā)出信號(hào)，機(jī)械手要進(jìn)行插刀動(dòng)作，這時(shí) 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(guò) 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(dòng)活塞桿上移， 油從上腔流回油缸，這時(shí)完成了機(jī)械手的插刀動(dòng)作。 當(dāng)插刀動(dòng)作完成后，行程開關(guān) 5 發(fā)出信號(hào)，刀柄底部的拉釘要夾緊換好的刀具。 這時(shí)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(guò)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(dòng)活塞桿上 移，油從上腔流回油缸，這樣就實(shí)現(xiàn)了主軸的夾緊動(dòng)作。 主軸夾緊刀具，位置開關(guān) 7 發(fā)出信號(hào)，這時(shí)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(guò)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(dòng)活塞桿上移，油從上腔流回油缸，此時(shí)機(jī)械手完 成了轉(zhuǎn) 180 的動(dòng)作。 機(jī)械手轉(zhuǎn)過(guò) 180 后，位置開關(guān) 3 發(fā)出信號(hào)，這時(shí)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(guò)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(dòng)活塞桿上移，油從上腔流回油缸，機(jī)械手反 轉(zhuǎn) 75 ，回到原位。這樣就完成了整個(gè)液壓控制過(guò)程。 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 42 頁(yè) 共 50 頁(yè) 圖 3-12 液壓系統(tǒng)圖 3.5.2 換刀動(dòng)作順序表 表 3-1 為換刀動(dòng)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)?？崭癖硎倦姶盆F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(jī) 械 手 + + 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 43 頁(yè) 共 50 頁(yè) 轉(zhuǎn) 75 （ 順 時(shí) 針） 刀 具 松 開 + + 機(jī) 械 手 拔 刀 + + 交 換 刀 具 位 置 + + 機(jī) 械 手 插 刀 + + 刀 具 夾 緊 + + 機(jī) 械 手 轉(zhuǎn) + + 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 44 頁(yè) 共 50 頁(yè) 180 機(jī) 械 手 反 轉(zhuǎn) 75 + + 4 PLC 控制分析 PC 實(shí)質(zhì)上是一種工業(yè)控制用的專用計(jì)算機(jī)，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(jī)、I/O 擴(kuò)展機(jī)及外部設(shè)備組成，主機(jī)和擴(kuò)展機(jī)內(nèi)部由運(yùn)算器、控制 器、存儲(chǔ)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)第三章的換刀動(dòng)作分析和液壓系統(tǒng)分析，得到自動(dòng)換刀裝置的 PLC 端口圖 如 4-1 所示。 （1）左邊部分為輸入信號(hào)，右邊為輸出信號(hào)。 刀 庫(kù) 行 程 開 關(guān) 21機(jī) 械 手 行 程 開 關(guān) 3機(jī) 械 手 行 程 開 關(guān) 7刀 庫(kù) 行 程 開 關(guān) 2機(jī) 械 手 行 程 開 關(guān) 1主 軸 發(fā) 磁 體機(jī) 械 手 行 程 開 關(guān) 9機(jī) 械 手 行 程 開 關(guān)機(jī) 械 手 行 程 開 關(guān) 4 主 軸 發(fā) 磁 體主 軸 停 轉(zhuǎn) 信 號(hào)換 刀 信 號(hào) 機(jī) 械 手 液 壓 缸 SDL-2右 行 電 磁 閥刀 庫(kù) 氣 缸 下 行 電 磁 閥主 軸 電 機(jī)刀 庫(kù) 斷 電 開 關(guān)刀 庫(kù) 汽 缸 上 行 電 磁 閥機(jī) 械 手 液 壓 缸 SDL-1左 行 電 磁 閥主 軸 液 壓 缸 7下 行 電 磁 閥機(jī) 械 手 液 壓 缸 5下 行 電 磁 閥機(jī) 械 手 液 壓 缸 3左 行 電 磁 閥主 軸 液 壓 缸 8上 行 電 磁 閥機(jī) 械 手 液 壓 缸 6上 行 電 磁 閥機(jī) 械 手 液 壓 缸 4右 行 電 磁 閥 圖 4-1 端口連接圖 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 45 頁(yè) 共 50 頁(yè) （2）由端口圖及換刀動(dòng)作可編制梯形圖 4-2 如下： 刀 套 下 轉(zhuǎn) 90機(jī) 械 手 下 轉(zhuǎn) 75主 軸 松 開 刀 具 機(jī) 械 手 拔 刀機(jī) 械 手 正 轉(zhuǎn) 180機(jī) 械 手 插 刀 主 軸 夾 緊機(jī) 械 手 反 轉(zhuǎn) 75機(jī) 械 手 反 轉(zhuǎn) 180 刀 套 上 轉(zhuǎn) 9主 軸 開 始 運(yùn) 作 刀 庫(kù) 停 止 運(yùn) 作 圖 4-2 PLC 梯形圖 從上面的梯形圖可編得如下程序： 0 LD 1000 1 OR 2000 2 AND NOT 2010 3 AND NOT 1001 4 AND NOT 2001 5 OUT 2000 6 LD 1001 7 AND NOT 1002 8 AND NOT 2002 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 46 頁(yè) 共 50 頁(yè) 9 OUT 2001 10 LD 1002 11 AND NOT 1003 12 AND NOT 2003 13 OUT 2002 14 LD 1002 15 AND 1003 16 AND NOT 1004 17 AND NOT 2004 18 OUT 2003 19 LD 1004 20 AND NOT 1005 21 AND NOT 2005 22 OUT 2004 23 LD 1005 24 AND NOT 1006 25 AND NOT 2006 26 OUT 2005 27 LD 1006 28 AND 1007 29 AND NOT 2007 30 OUT 2006 31 LD 1006 32 AND 1007 33 AND NOT 1008 34 AND NOT 2008 35 OUT 2007 36 LD 1008 37 AND NOT 1009 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 47 頁(yè) 共 50 頁(yè) 38 AND NOT 2009 39 OUT 2008 40 LD 2009 41 AND NOT 1010 42 ANDNOT 2000 43 OUT 2009 44 LD 1009 45 AND 1007 46 OUT 2010 47 LD 1010 48 OUT 2011 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 48 頁(yè) 共 50 頁(yè) 小結(jié) 大學(xué)三年就過(guò)去了，雖然依依不舍，但還是要離開。畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)最后一次 練兵，也是與老師們接觸的不多機(jī)會(huì)。現(xiàn)在畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成。從中我學(xué)到了很多， 從材料力學(xué)到機(jī)械設(shè)計(jì)，從液壓到 PLC，自己的能力有了一個(gè)很大的提高。我認(rèn)識(shí) 了自己的很多不足之處，也對(duì)自己學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)溫習(xí)了一遍。 我這次做的題目是臥式加工中心自動(dòng)換刀裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。我做的主要工作有： 查閱相關(guān)資料、對(duì)正文部分機(jī)械手以及它的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在驅(qū)動(dòng)部分的 設(shè)計(jì)時(shí)候，我遇到一些問(wèn)題，不知道選用什么樣的機(jī)構(gòu)來(lái)使機(jī)械手轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度， 最后在老師的啟蒙下才想到了用齒輪齒條的方法。選用一定行程的液壓缸與相應(yīng)的 齒輪機(jī)構(gòu)就 可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位。 我的指導(dǎo)老師是*老師。在這里，我對(duì)程老師多次對(duì)我的教誨表示非常的 感謝！同時(shí)對(duì)以前教誨我的老師也要說(shuō)聲謝謝！感謝你們的教誨。 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 49 頁(yè) 共 50 頁(yè) 參考文獻(xiàn) 1 廉元國(guó)，張永洪編著 . 加工中心設(shè)計(jì)與應(yīng)用 . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995 2 杜君文主編 . 機(jī)械制造技術(shù)裝備及設(shè)計(jì) . 天津：天津大學(xué)出版社，1998.8 3 徐灝主編 . 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三卷） . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.9 4 徐灝主編 . 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第四卷） . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.9 5 董獻(xiàn)坤主編 . 數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)與編程 . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.8 6 許福鈴， 陳堯明等主編 . 液壓與氣壓傳動(dòng) . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2000.5 7 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 聯(lián)合編寫組編 . 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).下冊(cè) . 北京：石油化學(xué)工業(yè) 出版社，1978.9 8 楊長(zhǎng)能，張興毅編著 . 可編程序控制器（PC）基礎(chǔ)及應(yīng)用 . 重慶：重慶大學(xué) 出版社，1993.1 9 濮良貴，紀(jì)名剛主編 . 機(jī)械設(shè)計(jì) . 北京：高等教育出版社，2001 10 汪曉光、孫曉英等編著 . 可編程控制器原理及應(yīng)用 . 北京： 機(jī)械工業(yè)出版 社，2001.8 11 章宏甲、黃誼、王積偉編著 . 液壓與氣壓傳動(dòng) . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1998 12 杜君文主編. 機(jī)械制造技術(shù)裝備及設(shè)計(jì). 天津：天津大學(xué)出版社，1998 13王知行、劉適茸主編. 機(jī)械原理 .北京：高等教育出版社 1999 14劉鴻文主編. 材料力學(xué).第四版. 北京：高等教育出版社 2004 15馮之敬主編. 機(jī)械制造工程原理 北京：清華大學(xué)出版社 1998 16羅學(xué)科 謝富春 .數(shù)控原理與數(shù)控機(jī)床. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社 2000 中北大學(xué) 2010 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 50 頁(yè) 共 50 頁(yè) 致謝 緊張的畢業(yè)設(shè)計(jì)就要結(jié)束了，大學(xué)三年的生活也到了尾聲。此時(shí)此刻感慨萬(wàn)千， 首先感謝指導(dǎo)老師在這半年的畢業(yè)設(shè)計(jì)中對(duì)我的幫助和鼓勵(lì)，特別感謝老師對(duì)我畢 業(yè)設(shè)計(jì)的大力支持。同時(shí)感謝同學(xué)們?cè)谖业漠厴I(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程其中對(duì)我莫大鼓勵(lì)與幫助。 感謝在這三年來(lái)對(duì)我的學(xué)習(xí)和生活有過(guò)莫大幫助的老師。感謝我的朋友和同學(xué)們?cè)?我三年生活和學(xué)習(xí)中對(duì)我的幫助，就要分別了，衷心祝福各位一路走好。再次感謝 各位老師和同學(xué)希望大家以后工作順利。謝謝！