數(shù)控車削中心主軸箱及自驅(qū)動刀架的設(shè)計

數(shù)控車削中心主軸箱及自驅(qū)動刀架的設(shè)計,數(shù)控,車削,中心,主軸,驅(qū)動,刀架,設(shè)計 摘 要 隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和普及，加工中心的作用越發(fā)突顯它的重要性。為進(jìn)一 步提高數(shù)控機(jī)床的加工效率，數(shù)控機(jī)床正向著工件在一臺機(jī)床一次裝夾即可完 成 多道工序或全部工序加工的方向發(fā)展，因此出現(xiàn)了各種類型的加工中心機(jī)床， 如 車削中心、鏜銑加工中心、鉆削中心等等。這類多工序加工的數(shù)控機(jī)床在加工 過 程中要使用多種刀具，因此必須有自動換刀裝置，也就是所說的刀庫，以便選 用 不同刀具，完成不同工序的加工工藝。自動換刀裝置應(yīng)當(dāng)具備換刀時間短、刀 具 重復(fù)定位精度高、足夠的刀具儲備量、占地面積小、安全可靠等特性。 本論文是開發(fā)設(shè)計出一種體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、價格較低、生產(chǎn)周期短的小型 立式加工中心刀庫本文。首先介紹了國內(nèi)外加工中心研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，闡 明 了本課題研究的目的、意義。然后進(jìn)一步介紹本小型加工中心刀庫總體結(jié)構(gòu)和 各 部件方案的選擇，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了小型加工中心刀庫的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計計 算， 主要包括刀盤部件設(shè)計（含刀盤，夾塊，刀爪），刀庫轉(zhuǎn)動定位機(jī)構(gòu)設(shè)計（含 轉(zhuǎn)臂， 槽輪，滾子，鎖止盤），刀庫總體機(jī)構(gòu)設(shè)計（含軸承套，軸，箱蓋，箱體）刀 庫移 動部分設(shè)計。 關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng) 加工中心 刀庫 機(jī)械手 ABSTRACT Along with the numerical control technology development and the popularization, the processing center function reveals its importance even more suddenly.For further enhances the numerical control engine laths the processing efficiency, the numerical control engine laths is clamping to the work piece in an engine laths attire then completes the multi-channel working procedure or the complete working procedure processing direction develops, therefore appeared each kind of type processing center engine laths, like the turning center, the boring mill processing center, drills truncates center and so on.This kind of working procedure processing numerical control engine laths must use many kinds of cutting tools in the processing process, therefore must have trades the knife installment automatically, also is the knife storehouse which said, in order to select the different cutting tool, completes the different working procedure the processing craft.Trades the knife equipment to have automatically to have trades the knife time short, the cutting tool repetition pointing accuracy high, the enough cutting tool margin, the area small, safe reliable and so on the characteristics. The present paper is the development designs one kind of volume slightly, the structure compact, the price is low, production cycle short small vertical processing center knife storehouse this article.First introduced the domestic and foreign processing center research present situation and the trend of development, have expounded this topic research goal, the significance.Then further introduced this small processing center knife storehouse overall structure and various parts plan choice, and has carried on the small processing center knife storehouse mechanism design calculation in this foundation, mainly includes the knife storehouse overall organization design, the electrical machinery selection, the knife storehouse rotation detent mechanism design knife storehouse migration part design and so on. Keywords: numerically controlled lathe; machining centers ; cut database ; mechanical hand 1、緒言……………………………………………………………4 2、畢業(yè)設(shè)計工藝要求的基本任務(wù)和要求……………………………………4 2.1、基本任務(wù)………………………………………………………………………5 2.1.1、工藝設(shè)計的基本任務(wù)……………………………………………………6 2.1.2、夾具設(shè)計的基本任務(wù)……………………………………………………6 2.2、設(shè)計要求……………………………………………………6 2.2.1、工藝設(shè)計的設(shè)計要求……………………………………………………6 2.2.2、夾具設(shè)計的設(shè)計要求……………………………………………………6 3.1 刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計……………………………………………………………8 3.1.1 刀庫主要參數(shù)的確定………………………………………………… 10 3.1.2 刀盤部分的設(shè)計……………………………………………………… 10 3.1.3 刀庫轉(zhuǎn)動定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計……………………………………………10 3.1.4 軸的設(shè)計…………………………………………………………………11 3.1.5 滾動軸承的選擇計算…………………………………………………12 3.1.6 鍵的選用與計算……………………………………………………… 13 3.1.4 刀庫的支承部分的設(shè)計…………………………………………… 14 3.2 刀庫移動部分的設(shè)計…………………………………………………… 14 3.2.1 刀庫支承橫梁和導(dǎo)軌的設(shè)計……………………………………… 14 3.2.2 刀庫移動絲杠和電機(jī)的選擇…………………………………… 15 3.3 刀庫、橫梁的安裝…………………………………………………… 16 4 刀具交換裝置的設(shè)計…………………………………………………… 16 4.1 確定換刀機(jī)械手形式………………………………………………………18 4.2 換刀機(jī)械手的工作原理……………………………………………………22 4.3 機(jī)械手的自動換刀過程的動作順序………………………………………22 4.4 機(jī)械手回轉(zhuǎn)軸 4 上的齒輪齒條設(shè)計………………………………………23 4.5 自動換刀裝置的相關(guān)技術(shù)要求……………………………………………24 4.5.1 主軸準(zhǔn)停裝置…………………………………………………………24 4.5.2 換刀機(jī)械手的安裝與調(diào)試……………………………………………24 4.6 自動換刀程序的編制…………………………………………………… 26 5 自動換刀裝置的控制原理………………………………………………… 27 5.1 自動換刀裝置的液壓系統(tǒng)原理圖……………………………………… 28 5.2 自動換刀裝置換刀動作的順序控制過程……………………………… 29 6、經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床改造時數(shù)控系統(tǒng)的選用……………………… 31 小結(jié)………………………………………………………………………………31 參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………32 1、緒言 1.1、畢業(yè)設(shè)計的目的 (1)培養(yǎng)工程意識 (2)訓(xùn)練基本技能 (3)培養(yǎng)質(zhì)量意識 (4)培養(yǎng)規(guī)范意識 2、畢業(yè)設(shè)計工藝要求的基本任務(wù)和要求 2.1、基本任務(wù) 2.1.1、工藝設(shè)計的基本任務(wù) (1)繪制零件工作圖一張 (2)繪制毛坯 -零件合圖一張 (3)編制機(jī)械加工工藝規(guī)程卡片一套 (4)編寫設(shè)計說明書一份 2.1.2、夾具設(shè)計的基本任務(wù) (1)收集資料 ,為夾具設(shè)計做好準(zhǔn)備 (2)繪制草圖 ,進(jìn)行必要的理論計算和分析以及夾具的結(jié)構(gòu)方案 (3)繪制總圖和主要非標(biāo)準(zhǔn)件零件圖,編寫設(shè)計說明書 (4)編制夾具的使用說明或技術(shù)要求 2.2、設(shè)計要求 2.2.1、工藝設(shè)計的設(shè)計要求 (1)保證零件加工質(zhì)量 ,達(dá)到圖紙的技術(shù)要求 (2)在保證加工質(zhì)量的前提下,盡可能提高生產(chǎn)效率 (3)要盡量減輕工人的勞動強度,生產(chǎn)安全 (4)在立足企業(yè)的前提下,盡可能采用國內(nèi)技術(shù)和裝備 (5)工藝規(guī)程應(yīng)正確 .清晰,規(guī)范化,標(biāo)準(zhǔn)化的要求 2.2.2、夾具設(shè)計的設(shè)計要求 (1)保證工件的加工精度 (2)提高生產(chǎn)效率 (3)工藝性好 (4)使用性好 (5)經(jīng)濟(jì)性好 第3 章 刀庫的設(shè)計 刀庫是加工中心的象征，是加工中心區(qū)別于NC 鏜床和NC 銑床的本質(zhì)所在，因 此來說，刀庫的設(shè)計是加工中心設(shè)計的核心。由于作者所要設(shè)計的加工中心是 一個主要用來加工中小批量電子元件等小型零件的小型加工中心，在滿足加工 要求，經(jīng)濟(jì)實用的條件下，應(yīng)盡量使加工中心的結(jié)構(gòu)緊湊，減小加工中心的外 形輪廓尺寸，刀庫在滿足使用要求的前提下，盡量結(jié)構(gòu)使其簡單緊湊，易制造， 從而降低生產(chǎn)加工中心的成本。 3.1 刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計 在總體設(shè)計方案中已確定：自動換刀系統(tǒng)采用無機(jī)械手換刀，且刀庫置于立柱 側(cè)面的橫梁上。刀庫在橫梁上的移動采用滾珠絲杠傳動和快速移動電機(jī)。采用 盤型刀庫，由槽輪機(jī)構(gòu)實現(xiàn)回轉(zhuǎn)、分度和轉(zhuǎn)位，由交流伺服電機(jī)驅(qū)動。刀庫的 結(jié)構(gòu)設(shè)計從以下幾個方面進(jìn)行。 3.1.1 刀庫主要參數(shù)的確定 1.刀庫容量 本加工中心主要用來加工小型零件或多孔零件上的小孔和小平面，所以刀庫上 主要安裝一些孔加工刀具（如鉆頭、擴(kuò)孔鉆等）和加工小平面的立銑刀及小直 徑的面銑刀；同時又考慮到所選用電主軸軸端的尺寸及刀盤直徑等的限制；再 考慮到主要用于中小批生產(chǎn)及教學(xué)實驗等，刀具的品種不宜過多，以免造成不 必要的浪費和刀庫尺寸過大，采用8 把刀。 2.刀具最大直徑和長度 立銑刀的最大直徑定為40mm,鉆頭的最大直徑定為10mm,最大工作部分長度定為 150mm. 3.刀具最大重量為1kg. 4.刀具最大運動線速度為22m/min～30m/min. 3.1.2 刀盤部分的設(shè)計 1.刀盤尺寸的確定 刀盤采用輪輻式結(jié)構(gòu)，這樣既能滿足使用的要求，又能保證刀盤的強度。在整 個設(shè)計的過程中要保證各個尺寸在換刀過程不發(fā)生干涉即可，刀盤直徑為720mm,其 他尺寸見刀盤零件圖。 2.刀爪尺寸的設(shè)計 刀爪的外型尺寸根據(jù)30 號刀柄設(shè)計。 3.1.3 刀庫轉(zhuǎn)動定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計 1.刀庫轉(zhuǎn)動定位機(jī)構(gòu)的選擇 目前圓盤式刀庫大多采用的是單頭雙導(dǎo)程蝸輪蝸桿傳動，此傳動機(jī)構(gòu)在使用中 可隨時調(diào)整蝸輪蝸桿的傳動間隙，實現(xiàn)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)位分度，保證刀庫工作的可靠 性，但此傳動機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，而且單頭雙導(dǎo)程蝸輪和蝸桿的加工較困難。槽輪機(jī) 構(gòu)具有沖擊小，工作平穩(wěn)性較高，機(jī)械效率高，可以在較高轉(zhuǎn)速下工作，且結(jié) 構(gòu)簡單，易制造等優(yōu)點，在目前生產(chǎn)的鼓輪式刀庫的加工中心機(jī)床上很多采用 槽輪機(jī)構(gòu)來驅(qū)動刀庫的分度回轉(zhuǎn)運動。因此本設(shè)計采用槽輪機(jī)構(gòu)，來實現(xiàn)刀庫 的轉(zhuǎn)動、分度和定位。但此機(jī)構(gòu)定位精度不夠高，為提高其定位精度可采用帶 制動器和交流伺服電機(jī)，從而可保證較高的定位精度。 2.槽輪機(jī)構(gòu)的工作原理 槽輪機(jī)構(gòu)（又稱馬耳他機(jī)構(gòu)）能把主軸的勻速連續(xù)運動轉(zhuǎn)換為從動軸的周期性 間歇運動，常用于各種分度轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)中。槽輪機(jī)構(gòu)又三種基本類型：外嚙合槽 輪機(jī)構(gòu)、內(nèi)嚙合槽輪機(jī)構(gòu)和球面槽輪機(jī)構(gòu)。此刀庫采用外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)。外嚙 合槽輪機(jī)構(gòu)的工作原理如圖 3.1 所示。 外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)軸線與槽輪回轉(zhuǎn)軸線平行，通常轉(zhuǎn)臂作等速回轉(zhuǎn)， 當(dāng)轉(zhuǎn)臂上的滾子進(jìn)入槽中，就撥動槽輪作反向轉(zhuǎn)位運動，當(dāng)滾子從槽中脫出， 槽輪即靜止不動，并由鎖止盤定位。當(dāng)只有一個滾子時，轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)一周，槽輪作 轉(zhuǎn)一個角度的步進(jìn)運動，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)位、分度和定位。1.轉(zhuǎn)臂 2.槽輪 3.滾子 4. 鎖止盤 圖3.1 外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)的工作原理 槽輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計 1）槽數(shù)Z 因刀庫容量為 8 把刀，所以槽輪槽數(shù)Z = 8 . 2）槽間角2 2? ο ο ο 8 452 360 360 2 ? = Z = = (3.1) 3）槽輪每次轉(zhuǎn)位時曲柄的轉(zhuǎn)角1 2?2 180ο 2 135ο __________1 2 ?= ??= (3.2) 4) 槽輪與鎖止盤間的中心距L 為了使轉(zhuǎn)為定位機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊，采用L = 360mm。 5）主動曲柄長度1 R R LSin 360Sin22.5 138mm 1 2 = ?= ο = (3.3) 6）槽輪半徑R2 R LCos 360Cos 22.5 333mm 2 2 = ?= ο = (3.4) 7）圓銷半徑r r R 6 23mm1386 = 1 = = (3.5) 8) 槽底高b b L (R r) (3 ~ 5) 194mm 1 = ?+ ?= (3.6) 9) 槽深h h R b 139mm 2 = ? = (3.7) 10) 鎖止弧半徑x R R R r e x = ??1 式中， e = (0.6 ~ 0.8)r ，且必須大于3～5mm, 取e mm R mm x = 18 , = 97 (3.8)根據(jù)以上參數(shù)可設(shè)計出槽輪和鎖止盤的尺寸， 如槽輪和鎖止盤的零件圖所示。 3.刀庫轉(zhuǎn)動電機(jī)的選擇 刀庫的回轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)的選擇時，須考慮由摩擦引起的負(fù)載轉(zhuǎn)據(jù)和各負(fù)載的轉(zhuǎn)動 慣量。 1）負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量JLC 和刀庫系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量JC 2 ?? . ? ?? . ? = Σ m i LC i n J J n (3.9) C mc LC J = J + J (3.10) 式中 Ji—各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量，kgm2； ni—各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)速，r/min； JmC—電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，kgm2； nmC—電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min。 ( ) mC C LC DP Z CL SP n n J = J + J + J + J (3.11) 式中 JDP 、JZ、JCL、JSP—分別為刀盤、軸、槽輪和鎖止盤的轉(zhuǎn)動慣量，kgm2； nC—刀盤的轉(zhuǎn)速，r/min。 DP DP DP J 7.8 10 12 D4 L 32 = × × ? π (3.12) 式中 DDP—刀盤直徑，mm； LDP—刀盤厚度，mm。 7.8 10 12 (2104 8 304 244) 10 148 10 4 2 32 J kgm DP = × × ?× ?× ?× ≈ × ? π 同理可求得： JZ≈2.16×-4kgm2 JCL≈17.3×10-4kgm2 JSP≈5.2×10-4kgm2 24.5 / min 3.14 260 1000 20 1000 r D n V DP c ≈ × × = × = π (3.13) nmC=3000r/min JLC≈1.4×10-4kgm2 0.45 10 4 2 3 kgm J J LC mC ≥ ≈ × ? 初選電機(jī)為 MQMA042A1D，其額定轉(zhuǎn)矩為 1.3Nm，最大轉(zhuǎn)矩為 3.82 Nm， 轉(zhuǎn)動慣量為 0.64×10-4 kgm2。 JC= JmC + JLC=0.64 + 1.4 = 2.04×10-4 kgm2 2）摩擦引起的負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算 由重力產(chǎn)生的摩擦力矩 TFC（Nm） TFC ≈ μGCRSP (3.14) 式中 μ—槽輪和鎖止盤間摩擦系數(shù)，取 0.15 GC—刀盤、軸、槽輪等的重量，N； GC= 25.6 +12.6 + 9.8 + 8 +16 = 72N RSP—滾子中心到鎖止盤中心的距離，31mm， TFC ≈ 0.15×72×31×10-3 = 0.335Nm 0.335Nm〈1.3Nm(電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩),符合要求。 3）最大加速轉(zhuǎn)矩 Tcam 當(dāng)電機(jī)從靜止升至 nmax 時 Ca C cam C t n T J 60 2 max π = (3.15) 式中 ncmax—電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，3000r/min； tca—加速時間(s) 取 0.2s T Kgm Nm Cam 0.32 3.2 60 0.2 2.04 10 4 2 3000 ≈ = × × = × ?π 4)電機(jī)的最大啟動轉(zhuǎn)矩 TCr=Tcam+TFC (3.16) Tcr=3.2+0.335=3.535Nm TCr=3.535≤3.82Nm( 電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩)，符合要求。 最終確定電機(jī)型號為 MQMA042A1D，其輸出功率為 400W。相應(yīng)的伺服驅(qū)動 器選擇與電機(jī)相匹配的 MQMA043A1A 型號。 3.1.4 軸的設(shè)計 軸是機(jī)械設(shè)備中的重要零件之一.其主要功能是支承作回轉(zhuǎn)運動的零件,并傳遞 運動和動力.根據(jù)軸的受力情況不同,可把軸分成心軸、轉(zhuǎn)軸和傳動軸3 種. 軸的常用材料軸的材料主要采用碳素鋼和合金鋼,常用材料為優(yōu)質(zhì)中碳鋼,如 35、45、50 鋼，這里選取45 鋼為材料. 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計軸的合理外形應(yīng)滿足:軸和裝在軸上的零件要有準(zhǔn)確的工作位置; 軸上的零件應(yīng)便于裝拆和調(diào)整;軸應(yīng)具有良好的制造工藝性.影響軸結(jié)構(gòu)的主要 因素包括:軸的受力性質(zhì)、大小、方向及分布情況；軸上零件的布置和固定形式； 所采用的軸承類型和尺寸；軸的加工工藝等.）軸的強度計算由于功率P=400W 已知,轉(zhuǎn)速n =375r/min,β取0.5,A 取110, [т]取35MPa, 則軸徑 3 n d ≥ A p （3.17） d 114.4mm 375 ≥ 1103 400 = 式中 d--計算剖面處軸的直徑（mm）; P--軸的傳遞功率（KW）； n--軸的轉(zhuǎn)速（r/min）; 故d 最小應(yīng)取115mm.軸徑取120mm。 校核軸 轉(zhuǎn)矩 n T = 9.55×106 p （3.18） T 10186N.mm 375 9550000 0.4 = × = 式中 p--功率；n—轉(zhuǎn)速。 圓周力 Ft1=2T1/d1=2×10186/120=1700N; Ft2=2T2/d2=2×130822/120=681.4N; Ft3=2T3/d3=620N; 徑向力 Fr1=Ft1tanα=1488N; Fr2=Ft2tanα=248N； Fr3=Ft3tanα=226N. 則由受力分析圖可知： FAy=3687.4N,FAz=1342N, FBy=1020.2N,FBz=372N, 水平面彎矩 Mcx=1342×30=40260N·mm; Mdx=226×195=44070N·mm； 徐州工程學(xué)院07 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第31 頁 則 = 2 + 2 = 402602 + 440702 = 59691 X cx dx M M M N·mm ； 垂直面彎矩 Mcy=3687.4×30=110622 N·mm； Mdy=620×195=120900 N·mm； 則 = 2 + 2 = 106222 + 209002 = 21872 X cy dy M M M N·mm ； 求當(dāng)量彎矩 取修正系數(shù)α為0.6 2 ( )2 596912 (0.6 10186)2 52371 M = M + T = + × = I x α N·㎜ 2 ( )2 218722 (0.6 10186)2 19384 M = M + T = + × = II x α N·㎜ 確定危險截面及校核強度 W MI I σ =（3.19） 14.3 0.1 12 52371 0.1 3 52371 3 = × = = = d I I W σ M Mpa 11.6 0.1 12 19384 0.1 3 19384 3 = × = = = d I II W σ M Mpa 由參考文獻(xiàn)（機(jī)械設(shè)計手冊）知[ ] 1 60 b s - = Mpa，滿足 [ ] e 1b s s- ￡ 的條件，故 設(shè)計的軸有足夠的強度，并有一定裕度。因此，此軸不必在做修改 軸的結(jié)構(gòu)和受力分析如圖（3.2）所示： Fr3 FVA FVB FHA Fr2 FrB Ft2 Ft3 Fr2 Fr3 Ft2 Ft3 a)軸的結(jié)構(gòu) b)軸受力圖 c)水平面受力圖 d)垂直面受力圖 M/N.mm M/N.mm M/N.mm T=130822N.mm 121423 87012 11408 81764 41584 29760 h)轉(zhuǎn)矩圖 g)合成彎矩圖 f)垂直面彎矩圖 e)水平面彎矩圖 圖（3.2） 軸的結(jié)構(gòu)和受力分析 3.1.5 滾動軸承的選擇計算 1 滾動軸承的類型選擇: 選取向心球軸承原則: ①軸承負(fù)荷 ②軸承的轉(zhuǎn)速 ③調(diào)心性能 ④安裝與拆卸 這里選取軸承代號為3182124 的雙列向心短圓柱滾子軸承 基本額定動載荷為255KN； 2 滾動軸承的計算 滾動軸承疲勞壽命的基本計算公式為: L10=(C/P)ε （3.20） 其中 ε--壽命系數(shù); 球軸承ε=3,滾子軸承ε=10/3; P--當(dāng)量東載荷(N); C--基本額定動負(fù)荷(N); 因P=X×Fr+Y×Fa，又Fa =0，故P=1488×1=1488N, 其中X、Y 由表3-89 選的， X=1，Y=0； C=Cr=22KN, ε=3, 故其疲勞壽命 L10=(22×1031488)33.2×103×103×103; 或由公式 L10h=103×10360n·(C/P)ε （3.21） 得 L10h=103×10360×122·(22×1031488)3≈441518h 因為所設(shè)計軸的強度裕度不大，此軸不必在做修改 3.1.6 鍵的選用與計算 因為鍵是動聯(lián)接，所以選用普通的平鍵 軸上鍵的選擇 由參考文獻(xiàn)（機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計）知： 鍵的寬度b = 28㎜,高h(yuǎn) =16 ㎜，長L = 50 ㎜ 驗算鍵的強度鍵的強度公式為： dkL T fy σ = 2 （3.22） 11.4 15 3 50 2 2 4600 = × × × = = dkL T fy σ Mpa 由參考文獻(xiàn)（機(jī)械設(shè)計）知：[ ] 100 fy σ = Mpa 即11.4Mpa [ ] 100Mpa fy fy σ = ≤ σ = 鍵的強度足 3.1.4 刀庫的支承部分的設(shè)計 刀庫的支承部分包括刀庫箱體、箱蓋、軸、軸承、軸承套等，見圖3.2 刀庫總 裝圖。各部分的具體結(jié)構(gòu)尺寸見其零件圖。刀庫主要由刀盤部件 1、軸承 2、 軸承套 3、軸 4、箱蓋 5、滾子 6、 鎖止盤 7、電機(jī) 8、槽輪 9、箱體 10 和 一些連接螺釘、螺母、銷、鍵等組成。 1.刀盤部件 2.軸承 3.軸承套 4.軸 5.箱蓋 6.滾子7.鎖止盤 8.電機(jī) 9.槽輪 10.箱體 圖3.3 刀庫總裝圖 3.2 刀庫移動部分的設(shè)計 3.2.1 刀庫支承橫梁和導(dǎo)軌的設(shè)計 橫梁支撐著刀庫的整個重量，因此，它的強度和剛度要求較高。且為了實現(xiàn)刀 庫的移動，在橫梁上要設(shè)計可使刀庫移動的導(dǎo)軌，根據(jù)床身的整體高度及立柱 的形狀來考慮，橫梁的端面與立柱的聯(lián)接斷面應(yīng)成長方形長、寬分別定為 240mm、180mm。此連接處的面板厚度為 30mm 與立柱用 6 個直徑為φ25mm 的 螺栓來連接，由兩個φ16mm 的圓柱銷定位，在裝配時配作。在整個設(shè)計過程中， 因刀庫的行程 160mm，再加上滑臺的尺寸和刀盤尺寸等，靜導(dǎo)軌的總長度定為 480mm，兩端可各裝一減振器，目的是為了消除滑臺到兩端時的沖擊力?？紤]刀 庫移動電機(jī)和絲杠的安裝尺寸等，靜導(dǎo)軌的高度定為 130mm，寬度定為 192mm，其它尺寸見橫梁零件圖。考慮到刀庫支承部分的尺寸，滑座和動導(dǎo)軌的 長度定為 140mm，考慮靜導(dǎo)軌的寬度和刀庫支承部分在該方向的尺寸滑座的寬 度定為 240mm，滑座的高度定為50mm。為了減輕它自身的重量，將其鑄造成中 空的。同時，為了加強它的剛度，還設(shè)有加強肋板。導(dǎo)軌的形式有滑動導(dǎo)軌和 滾動導(dǎo)軌兩種形式。此處，僅設(shè)計滑動導(dǎo)軌，滑動導(dǎo)軌采用雙矩形形式的整體 HT300 鑄鐵導(dǎo)軌，并采用中頻淬火，淬火后的硬度為 50～55HRC。導(dǎo)軌的精度 要求為：平面度為 0.015mm，長方向的直線度為 0.01mm，側(cè)導(dǎo)向面的直線度為 0.015mm，側(cè)導(dǎo)向面之間的平行度為0.015mm，側(cè)導(dǎo)向面對導(dǎo)軌底面的垂直度為 0.01mm，導(dǎo)軌面對橫梁安裝基面的垂直度為0.01mm。 3.2.2 刀庫移動絲杠和電機(jī)的選擇要實現(xiàn)刀庫的移動，采用滾珠絲杠和快速移 動電機(jī)驅(qū)動。前者速度高，傳動平穩(wěn)，且定位精度高。后者結(jié)構(gòu)簡單，安裝方 便，傳動平穩(wěn)，但定位精度較低，還需專門的液壓系統(tǒng)。該加工中心采用滾珠 絲杠和交流伺服電機(jī)驅(qū)動方式。 1．刀庫移動絲杠 刀庫移動絲杠的選取和 X—Y 向進(jìn)給系統(tǒng)絲杠選取類似，計算不再贅述。選取 滾動絲杠副型號為 FFB2505—2—P3/385×215，各部分的結(jié)構(gòu)尺寸見橫梁滾珠 絲杠零件圖。支承方式采用兩端固定，兩端各采用一角接觸球軸承 7602020TVP。 2. 伺服電機(jī) 伺服電機(jī)的選擇計算方法同 X—Y 向進(jìn)給系統(tǒng)電機(jī)類似，計算不再贅述。選取 電機(jī)型號 MSMA102A1C，伺服驅(qū)動器型號MSMA103A1A。絲杠與電機(jī)之間采用彈性 膜片連軸器DML—01。 3.3 刀庫、橫梁的安裝 刀庫和橫梁的安裝見圖 3.3 1.刀庫移動電機(jī) 2.橫梁 3.刀庫移動絲杠 4、8.定位銷 5、9 連接螺釘 6.刀庫 7.立柱 10.橫梁滑座 圖3.4 刀庫、橫梁的安裝 3.4 小結(jié) 本章對刀庫進(jìn)行了設(shè)計和計算。確定了刀庫的主要參數(shù)，對刀盤部分的各零件 進(jìn)行了設(shè)計，對刀庫的槽輪轉(zhuǎn)位分度機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計和計算。還計算選擇了刀 庫回交流伺服電機(jī)和刀庫移動滾珠絲杠和交流伺服電機(jī)。刀庫回轉(zhuǎn)交流伺服電 機(jī)型號為 MQMA042A1D，相匹配的伺服驅(qū)動器的型號MQMA043A1A。刀庫移動滾珠 絲杠副型號為 FFB2505—2—T3/385×215。刀庫移動交流伺服電機(jī)型號 MSMA102A1C，伺服驅(qū)動器型號 MSMA103A1A。 結(jié) 論 作者開發(fā)設(shè)計了一種體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、價格較低、生產(chǎn)周期短的小型立式加 工 中心刀庫。獲得如下結(jié)論： 1）通過對國內(nèi)外同類產(chǎn)品進(jìn)行市場調(diào)研、技術(shù)調(diào)研、社會調(diào)研、需求分析和可 行性分析，了解了該產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展方向和設(shè)計開發(fā)該產(chǎn)品的必要性和 可行性。通過對未來的發(fā)展?fàn)顩r和市場發(fā)展情況的預(yù)測和估計，預(yù)測該產(chǎn)品具 有很大的潛市場，能夠為企業(yè)創(chuàng)造可觀的利稅，經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有推廣應(yīng)用 價值。 2）通過對該加工中心刀庫結(jié)構(gòu)原理方案和各組成部分設(shè)計方案的優(yōu)缺點分析， 確定了總體技術(shù)方案和主要技術(shù)性能參數(shù)。 3）刀庫為盤式結(jié)構(gòu)，容量為8 把刀，采用槽輪機(jī)構(gòu)實現(xiàn)分度轉(zhuǎn)位，結(jié)構(gòu)簡單， 制造方便，價格低。通過刀庫在橫梁上移動至主軸端來實現(xiàn)換刀。 4）用 CAD 軟件繪制出了總體裝配圖、各部件、組件裝配圖及主要非標(biāo)準(zhǔn)零件 的零件圖。由于作者水平和時間有限，在設(shè)計中還有許多方面需要完善, 在產(chǎn) 品投產(chǎn)之前，還需對加工中心設(shè)計進(jìn)行仿真，對主要零部件進(jìn)行靜、動態(tài)有限 元分析、優(yōu)化和工藝設(shè)計等，以確保產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性和可靠性。 第四章 刀具交換裝置的設(shè)計 數(shù)控機(jī)床的自動換刀裝置中,實現(xiàn)刀庫與機(jī)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(jī)械手交換 刀具, 另一種是由刀庫與機(jī)床主軸的相對運動來實現(xiàn)刀具交換即無機(jī)械手交換 刀具。無機(jī)械手交換刀具方式：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，換刀的可靠性較高；刀庫 因結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)對機(jī)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(jié)構(gòu)特性決定難以實現(xiàn)由刀庫與機(jī)床主軸的 相對運動來實現(xiàn)刀具交換，故采用機(jī)械手交換刀具的方式。 機(jī)械手是當(dāng)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(jìn)行加工的功能 部件。對機(jī)械手的具體要求是迅速可靠，準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。 4.1 確定換刀機(jī)械手形式 在自動換刀數(shù)控機(jī)床中，換刀機(jī)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(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手； 圖 4-1 機(jī)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(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手 3)兩手平行的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手； 4)雙手交叉式機(jī)械手； 由于不同的數(shù)控機(jī)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(jī)床所使用的換刀機(jī)械手也不盡相同。 上圖是兩手互相垂直的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖。 這種機(jī)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，聯(lián)機(jī)調(diào)整的相關(guān)精度要求高，機(jī)械手離加工區(qū)較近。 一般來說，這種機(jī)械手用于刀庫刀座軸線與機(jī)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(jī)械手形式。 4.2 換刀機(jī)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(jī)械手換刀的工作原理。 該機(jī)械手安裝在主軸的左側(cè)面，隨同主軸箱一起運動。機(jī)械手由機(jī)械手臂 與 45°的斜殼體組成。機(jī)械手臂 1 形狀對稱。固定在回轉(zhuǎn)軸 4 上，回轉(zhuǎn)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(biāo)出） ， 機(jī)械手有伸縮、回轉(zhuǎn)、抓刀、松刀等動作。 伸縮動作：液壓缸（圖中未標(biāo)出）帶動手臂托架 5 沿主軸軸向移動。 回轉(zhuǎn)動作：液壓缸 2 中的齒條輪通過齒輪帶動回轉(zhuǎn)軸 4 轉(zhuǎn)動。從而實現(xiàn)手 臂正向和反向 180°的旋轉(zhuǎn)運動。 抓刀、松刀動作：機(jī)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(dāng)夾緊刀具時，插入刀柄凸緣的孔內(nèi)，確保安全、 可靠。 4.3 機(jī)械手的自動換刀過程的動作順序 （a） （b） （c） （d） 圖 4-6 換刀機(jī)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(zhǔn)備，換刀即是機(jī)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(biāo)零點） ，同時實現(xiàn)“主軸準(zhǔn)?！?。即主軸停止 回轉(zhuǎn)并準(zhǔn)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(jī)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(jī)械手下行，從主軸和刀庫上取出刀具 5)機(jī)械手回轉(zhuǎn) 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(jī)械手松開主軸和刀庫上的刀具 9)當(dāng)機(jī)械手松開具后，限位開關(guān)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(guān)控制，只有前一個動作 完成后，才能進(jìn)行下一個動作，從而保證了運動的可靠性。 4.4 機(jī)械手回轉(zhuǎn)軸 4 上的齒輪齒條設(shè)計 1)回轉(zhuǎn)軸上齒輪采用漸開線標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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 /3s? 頂隙 c 0.251.cm?? 4)齒條的基本尺寸，按外齒輪幾何尺寸的計算公式進(jìn)行計算 4.5 自動換刀裝置的相關(guān)技術(shù)要求 4.5.1 主軸準(zhǔn)停裝置 為了傳遞扭矩，在主軸的前端裝有端鍵，當(dāng)?shù)毒叩侗b入錐孔時，刀柄上 的鍵槽位置必須與該鍵對準(zhǔn)才能裝入。當(dāng)機(jī)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(zhǔn)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(zhǔn)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(shù)要求稱為主軸準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)停裝置以實現(xiàn)主軸準(zhǔn)停功能。 4.5.2 換刀機(jī)械手的安裝與調(diào)試 1)換刀機(jī)械手安裝在主軸箱的左側(cè)面，加工零件時，換刀機(jī)械手隨主軸箱 一起上下運動。 2)當(dāng)初裝上換刀機(jī)械手后，必須進(jìn)行調(diào)試：用手動操縱主式調(diào)整換刀機(jī)械 手相對于主軸的位置，使用調(diào)整心棒，有誤差時可調(diào)整機(jī)械手行程、刀庫位置、 機(jī)械手支座、修正主軸坐標(biāo)原點等。安裝最大重量刀具時，要進(jìn)行多次刀庫到 主軸位置的自動交換，使機(jī)械手換刀時做到準(zhǔn)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(jìn)行。 3)為提高機(jī)床利用率，選刀動作與機(jī)床加工動作重合。 4)換刀指令 M06 必須在用新刀具進(jìn)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(jī)床 Z 軸零點（Z 0） ，要求在換刀前用準(zhǔn)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(jī)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(jìn)行，選好刀具后進(jìn)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(jī)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(yīng)為 G28 Y0 。 1 第二章 總體技術(shù)方案及系統(tǒng)組成 2.1 原始數(shù)據(jù) 負(fù)載重量：10kg 重復(fù)定位精度：±1mm 自由度：3（Z 的移動，R 軸的平動，θ 軸的轉(zhuǎn)動） Z：大臂的升降 R：大臂的伸縮 θ：腰軸 各軸最大運動速度： Z 軸上下：200mm/s θ 軸回轉(zhuǎn)：30°/s R 軸伸縮：200mm/s 各軸最大運動范圍： Z 軸上下：550mm θ 軸回轉(zhuǎn)：90° R 軸伸縮：400mm 2.2 工作要求： 機(jī)械手的工藝流程： 機(jī)械手原位→機(jī)械手前伸→機(jī)械手上升→機(jī)械手抓取并夾緊→機(jī)械手后退 →機(jī)械手前進(jìn)（小車）→小車停止→機(jī)械手左轉(zhuǎn) 90°→機(jī)械手前伸→機(jī)械手松 開→機(jī)械手后退（小車）→機(jī)械手下降→機(jī)械手右轉(zhuǎn) 90°→小車后退→退至原 位 機(jī)構(gòu)簡圖 2.3 系統(tǒng)組成 本基械手系統(tǒng)由機(jī)體，傳送機(jī)構(gòu)，動力源和控制裝置四部分組成。其中機(jī) 體由小車及本體等部分組成；傳送機(jī)構(gòu)主要由伸縮臂及抓緊機(jī)構(gòu)所組成；動力 源由液壓驅(qū)動和機(jī)械驅(qū)動兩種形式構(gòu)成控制裝置主要由自動控制和手動控制兩 部分組成。 2.4 總體技術(shù)方案 畢業(yè)設(shè)計的目的就是要把我們所學(xué)的比較分散的知識綜合起來，并進(jìn)行靈 活運用?，F(xiàn)在的發(fā)展趨勢是機(jī)電一體化，因此，我們的畢業(yè)設(shè)計是要我們將 “機(jī)” 、 “電” 、 “液”三者合并起來。 “機(jī)”即是指機(jī)械，機(jī)械手的動作過程可以分五部分，即機(jī)械手的上升下 降、機(jī)械手的前伸后縮、機(jī)械手的加緊放松、機(jī)械手的左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、小車的前進(jìn) 后退。這五部分中我們靠機(jī)械完成機(jī)械手的上升下降動作，即本課題所做的機(jī) 械手采用電動機(jī)帶動絲杠螺母機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)手臂的上升、下降方面。 滾珠螺旋傳動是在絲杠和螺母滾道之間放入適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾 動摩擦。絲桿傳動是帶動滾珠沿螺紋軌道滾動。滾珠螺旋傳動與滑動螺旋傳動 或者其他直線運動副相比，有以下特點： 1） 傳動效率高 一般滾珠絲杠副的傳動效率達(dá) 85%-98%，為滑動絲杠 副的 3-4 倍。 2） 運動平穩(wěn) 滾動摩擦系數(shù)接近常數(shù)，啟動與工作摩擦力矩差別很 小。啟動時無沖擊，低速時無爬行。 3） 能源預(yù)緊 預(yù)緊后可消除間隙產(chǎn)生過盈，提高接觸剛度和傳動精 度。同時增加的摩擦力矩相對不大。 4） 工作壽命長 滾珠絲杠螺母副的摩擦表面為高硬度、高精度，具有 較長的工作壽命和精度保持性。壽命約為滑動絲杠副的 4-10 倍以上. 5） 定位精度和重復(fù)定位精度高 由于滾珠絲杠副摩擦小、溫升小、無 爬行、無間隙，通過預(yù)緊進(jìn)行預(yù)拉伸的補償?shù)呐蛎?，因此，可以達(dá)到較高的定 位精度和重復(fù)定位精度。 6） 同步性好 用幾套相同的滾珠絲杠副同時傳動幾個相同的運動部 件?？梢缘玫捷^好的同步運動。 7） 可靠性高 潤滑密封裝置結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。 8） 不自鎖 用于垂直運動，必須在系統(tǒng)中附加自鎖或制動裝置。 9） 經(jīng)濟(jì)性差，成本高 由于結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，故制造成本高價格往往以 mm 計。 經(jīng)過計算，選擇如下： 電動機(jī)型號： Y802-2 功率： 1.1W 絲杠型號： Tr40×7 2.4.1 動作分析 工業(yè)機(jī)械手的機(jī)械機(jī)構(gòu)是指它的執(zhí)行系統(tǒng)，是機(jī)械手抓持工件、進(jìn)行操作 及各種運動的機(jī)械部件。機(jī)械部件主要包括手部，手臂前后伸縮部分，手臂上 下升降部分腰轉(zhuǎn)部分以及機(jī)座和行走機(jī)構(gòu)。 2.4.2 手部 手部：包括杠桿手指，單向作用式握緊油缸等。其工作原理：物體進(jìn)入手 指后，拉桿手油缸作用，通過拉桿帶動杠桿手指回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)握緊或松開動作。 1) 手臂的前后伸縮部分 手臂的前后伸縮部分由直線油缸帶動實現(xiàn)。 當(dāng)直線油缸工作時通過活塞桿行程的變化，完成手臂的伸縮運動。 2) 手臂的上下升降部分 手臂的上下升降部分是由電動機(jī)、絲桿傳動副、立柱等部分組成。 當(dāng)電動機(jī)工作時，通過聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動絲桿，由于絲桿螺母周受到立柱的徑向 轉(zhuǎn)動限制，使得螺母及手臂架只能作上下運動。 3) 腰轉(zhuǎn)部分 腰轉(zhuǎn)部分主要由轉(zhuǎn)盤和回轉(zhuǎn)油缸組成。 當(dāng)壓力油進(jìn)入回轉(zhuǎn)油缸時，回轉(zhuǎn)油缸的回轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，通過活塞桿的伸縮帶 動轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機(jī)械手的左右轉(zhuǎn)動， 4) 行走機(jī)構(gòu) 行走機(jī)構(gòu)主要是由電動機(jī)、齒輪、帶輪等組成。 當(dāng)電動機(jī)工作時，通過齒輪、帶輪的傳動，帶動小車的輪子轉(zhuǎn)動，從而實 現(xiàn)行走。 第三章 機(jī)械手的液壓部分 “機(jī)、電、液”中的“液”即指液壓系統(tǒng)。 液壓系統(tǒng)相對于機(jī)械傳動來說，是一門新興的技術(shù)。人類使用水力機(jī)械及 液壓技術(shù)雖然已有很長的歷史，但是液壓技術(shù)在機(jī)械領(lǐng)域中得以應(yīng)用并取得迅 速發(fā)展則是本世紀(jì)，特別是第二次世界大戰(zhàn)以來的事。由于液壓傳動具有許多 突出的優(yōu)點，因而目前已廣泛的應(yīng)用在工、農(nóng)業(yè)機(jī)械、機(jī)床、交通運輸、路地 行走設(shè)備、船舶控制、火炮控制、飛機(jī)、導(dǎo)彈等各方面。 3.1 液壓系統(tǒng)的工作原理 所謂液壓系統(tǒng)就是以液體為介質(zhì)，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(jī)傳來的回轉(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。 3.2 液壓傳動的工作特性 液壓系統(tǒng)工作是，外界負(fù)載越大（在有效承壓面積一定的前提下）所需要 的壓力也越大，反之亦然。因此液壓系統(tǒng)的由壓力（簡稱系統(tǒng)的壓力，下同） 大小取決于外界負(fù)載。負(fù)載大，系統(tǒng)壓力大；負(fù)載小，系統(tǒng)壓力?。回?fù)載為零， 系統(tǒng)壓力為零。另外，活塞或工作臺的運動速度（簡稱系統(tǒng)的速度，下同）取 決于單位時間通過節(jié)流閥進(jìn)入液壓缸中油液的體積即流量。流量越大（在有效 承壓面積一定的前提下）系統(tǒng)的速度越快，反之亦然。流量為零，系統(tǒng)的速度 亦為零。液壓系統(tǒng)的壓力和外在負(fù)載， ，速度和流量的這兩個關(guān)系稱作液壓傳動 的兩個工作特性。 3.3 液壓系統(tǒng)的組成 液壓系統(tǒng)由以下五個部分組成： 1）動力元件 它是將原動機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能的裝置。液壓泵即 為動力元件。 2）執(zhí)行元件 它是將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，以驅(qū)動部件。液 壓缸和液壓馬達(dá)即為執(zhí)行元件。 3）控制調(diào)節(jié)元件 控制調(diào)節(jié)元件是指各種閥類元件，它們的作用是控制液 壓系統(tǒng)中油液的壓力、流量和方向，以保證執(zhí)行元件完成預(yù)期的工作運動。 4） 輔助元件 輔助元件是指油箱、油管、管接頭、濾油器、壓力表、 流量表等。 5）工作介質(zhì) 在液壓系統(tǒng)中使用液壓油（通常為礦物油） 。 3.4 液壓系統(tǒng)的優(yōu)、缺點 液壓系統(tǒng)與機(jī)械、電力等傳動相比。有以下特點： 1） 能方便的進(jìn)行無級調(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(diào)節(jié)簡單、方便、省力，易實現(xiàn)自動化控制和過載保護(hù)。 4） 可實現(xiàn)無間隙傳動，運動平穩(wěn)。 5） 因為傳動介質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化、便于設(shè)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(dá)直接帶動負(fù)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(zhì)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(yán)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(zhuǎn)換和傳遞過程中，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，故液壓傳動不宜遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)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(shè)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(yīng)用。它的某些缺點隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展、提高，正在逐步得到克服。 由于液壓傳動相對于機(jī)械傳動有以上幾個突出的優(yōu)點，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作用液壓傳動來實現(xiàn)。 回轉(zhuǎn)裝置的總體組成及結(jié)構(gòu)設(shè)計 回轉(zhuǎn)裝置的組成 回轉(zhuǎn)裝置主要由執(zhí)行件、傳遞件、驅(qū)動件及控制系統(tǒng)四大部分組成。 執(zhí)行件 本設(shè)計選用的是回轉(zhuǎn)臺與傳遞件——鏈輪共用的一個長平鍵的心軸。 驅(qū)動件驅(qū)動傳遞件——鏈輪傳動，鏈輪通過共用件將回轉(zhuǎn)運動直接傳遞給 與心軸件聯(lián)接的回轉(zhuǎn)臺，并使之旋轉(zhuǎn)。 傳遞件 本課題中機(jī)械手要求作間歇往復(fù)回轉(zhuǎn)運動，因此，考慮采用回轉(zhuǎn)曲線傳動。 回轉(zhuǎn)傳動可分為齒輪傳動、帶傳動和鏈傳動。 齒輪傳動雖然效率高，工作可靠，壽命長，結(jié)構(gòu)緊湊，圓周速度及功率范 圍廣，但制造和安裝精度要求較高，不能緩沖，無過載保護(hù)，低精度時噪聲大。 由于本課題中機(jī)械手回轉(zhuǎn)精度要求不高，因此，不予考慮。 鏈傳動無彈性滑動和打滑現(xiàn)象，工作可靠，具有準(zhǔn)確的平均傳動比，傳動 效率較高，在傳動相同功率的情況下，結(jié)構(gòu)較為緊湊，鏈條張緊力小，作用于 鏈輪軸的力也較小，故鏈傳動能夠在低速重載的條件下使用。與齒輪傳動相比， 鏈傳動制造和安裝精度要求較低鏈傳動的主要缺點是不能保持恒定的瞬時傳動 比，傳動平穩(wěn)性較差，工作時有沖擊和噪聲，磨損后易發(fā)生跳齒，傳動中有周 期性的重載荷和嚙合沖擊，不適合載荷變化很大和急速反向轉(zhuǎn)動的場合。 帶傳動是一種應(yīng)用很廣的機(jī)械傳動，雖然結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，傳動平 穩(wěn)，無需潤滑，制造和安裝精度要求不高，噪聲小，能緩沖吸震，有過載保護(hù) 作用。 同步帶傳動是一種嚙合型帶傳動。它具有齒輪傳動和摩擦帶傳動的特點。 還具有傳遞功率大，傳動比準(zhǔn)確等特點。故多用于要求傳動平穩(wěn)，傳動精度較 高的場合。 因此回轉(zhuǎn)裝置中的運動傳遞本設(shè)計使用同步帶傳動。 驅(qū)動件 驅(qū)動件主要有四種：氣動驅(qū)動、電氣驅(qū)動、機(jī)械驅(qū)動和液壓驅(qū)動。其中以 液壓、氣動用的最多，占 90%以上；電動、機(jī)械驅(qū)動用的較少。 氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達(dá)、氣閥等。一般采用 4-6 個大 氣壓，個別的達(dá)到 8-10 個大氣壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護(hù)簡單，成本低。 缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止， 只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。 為了減少停機(jī)時產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機(jī)構(gòu)或緩沖機(jī)構(gòu)。 氣驅(qū)動采用的不多?，F(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動機(jī)作為動力，用大減速比減速 器來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)；直線運動則用電動機(jī)帶動絲杠螺母機(jī)構(gòu)；有的采用直線電 動機(jī)。通用機(jī)械手則考慮采用同一種形式的動力，出力比較大；缺點是控制響 應(yīng)速度比較慢。 機(jī)械驅(qū)動只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的 優(yōu)點是動作確實可靠，速度高，成本低；缺點是不易調(diào)整 液壓驅(qū)動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、馬 達(dá)加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、 齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力 大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需要配 備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。