自动换刀机械手的设计

120092009 届毕业设计届毕业设计自动换刀机械手的设计自动换刀机械手的设计姓姓 名：名： 指指 导导 教教 师：师： 院院 系：系： 专专 业：机械设计制造及其自动化业：机械设计制造及其自动化班班 级：级： 学学 制：制： 完完 成成 时时 间：间： 2 自动换刀机械手的设计自动换刀机械手的设计摘要加工中心在加工中用得很广泛，加工中心利用刀库实现换刀，这是目前加工中心大量使用的换刀方式。而自动换刀装置是加工中心的重要组成部分之一，它的功能的好坏，关系到整个加工中心的功能。自动换刀装置可分为五种基本形式，即转塔式、 180 回转式、回转插人式、二轴转动式和主轴直接式。刀库换刀，按照换刀过程有无机械手参与，分成有机械手换刀和无机械手换刀两种情况。在有机械手换刀的过程中，使用一个机械手将加工完毕的刀具从主轴中拔出，与此同时，另一机械手将在刀库中待命的刀具从刀库拔出，然后两者交换位置完成换刀过程无机械手换刀时，刀库中刀具存放方向与主轴平行，刀具放在主轴可到达位置换刀时，主轴箱移到刀库换刀位置上方，利用主轴 Z 向运动将加工用毕刀具插人刀库中要求的空位处，然后刀库中待换刀具转到待命位置主轴 Z 向运动将待用刀具从刀库中取出，并将刀具插人主轴。关键词：加工中心 自动换刀装置 刀库 机械手 3AbstractabstractMachining 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 4目目 录录摘要.2前言.5第一章绪论.61.1 加工中心简介.61.1.1加工中心的发展史 .61.1.2加工中心的优点 .61.1.3加工中心的发展动向 .61.2 自动换刀装置的简介.71.2.1自动交换刀具的由来 .71.2.2自动换刀的形式 .71.2.3刀库的功能和形式 .81.2.4刀套准停措施 .10第二章机械手的设计.122.1 机械手的原理 .122.2 设计方向.132.3 概要.142.3.1机械手的组成与分类 .142.3.2.机械手的手部 .142.4 机械手手部的设计 .152.5 机械手其它零件以及尺寸的确定.192.5.1.螺栓的确定 .192.5.2. 其它尺寸的确定 .202.5.3 轴与机械手配合部分的直径的确定.212.5.4 液压泵的选择.22第三章 驱动系统的设计.233.1 转位机构的设计 .233.1.1机械手转过 75 度的驱动机构 .243.1.2.机械手转过 180 度的驱动机构 .283.2 驱动机构其它零件的设计.313.2.1.液压缸的选择 .313.3 轴的结构设计.323.3.1.拟定轴上零件的装配方案 .323.3.2.确定轴的各段直径与长度 .333.4 主轴的自动夹紧机构以及主轴准停装置的设计.343.4.1主轴结构 .343.4.2刀具的自动夹紧机构 .343.4.3主轴准停装置 .343.5 换刀装置的液压机构分析.353.5.1液压分析 .35 53.5.2换刀动作顺序表 .37第四章PLC 控制分析 .39小结.43参考文献.44附译文.45 6前言前言加工中心的自动换刀装置（机械手） ，是加工中心的重要组成部分之一，我做的这个毕业设计就是关于这方面的问题。我的设计任务是：对加工中心自动换刀机械手进行设计。它主要包括以下几方面的内容：1. 机械部分的设计2. 液压部分的设计3. 自动控制方面的设计（PLC） 这个自动换刀装置是针对 JCS-018 的，通过对实验室中这台机床的研究以及查阅相关资料。在老师的指导下，我很快就有了一个明确的思路。我的思路如下：首先，对机械手部分进行设计，接下来是液压部分，最后是 PLC 方面。这个机械手只有 2 个方向的自由度，既：Z 轴方向的转动一移动，通过这 2 个自由度，我可以完成整个换刀的操作。其中转动是用来交换刀具的位置，进而为拔刀与插刀做准备。而移动是用来完成拔刀与插刀的动作的。就是说整个运动过程如下：机械手转到指定的位置，然后在一系列的控制之下交换刀具以及插拔刀具。而我这个设计与实验室中的那台加工中心的自动换刀装置有一些区别，就是实验室中那台加工中心的自动换刀装置采用的是气压控制，而我在这个设计中采用的是液压控制。 在我这个设计中，我遇到了一些问题，就是力不好确定，以及许多尺寸不容易准确的确定下来，我采用了一个很笨的方法，就是直接对 JCS-01 那台加工中心一些部件的尺寸进行直接的测量，才得出来，我所要的尺寸。通过这个设计中，我对自己的知识有了很明确的认识，看到了自己的许多缺点，对自己起到了一个查漏补缺的作用。 同时，我得到了程老师的很多指导，如果不是程老师的话，我根本不知道从那里入手。在做论文的过程中，我出了很多错误，因为这，得到及时的更正。谢谢老师。从这次做毕业设计中，我对 CAD 有了很大的认识，以后，我对再复杂的图，都不会有恐惧感，在液压方面也温习了以前学到的知识。虽然这样，我做的这个毕业设计，肯定还有很多的错误，希望老师们指正。 7第一章第一章 绪论绪论 1.1 加工中心简介加工中心简介1.1.1加工中心的发展史加工中心的发展史加工中心的发展已有 50 年历史，自从 1952 年世界上出现第一台上数控机床后，使多品种、中小批量的机械加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。它用易于修改的数控加工程序进行控制，因而比大批量生产中使用组合机床生产线的凸轮、开关控制的专用机床有更大的柔性，容易适应加工关键品种的变化，进行多品种加工。所谓加工中心，普遍上指在工件一次装卡中，能够实现自动铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等多工序的数控机床。更为明确的说法是：加工中心就是自动换刀数控镗铣床。现代加工中心的内容包括：它是在数控镗床或数控铣床的基础上增加自动换刀装置，可使工件在一次装卡中，能够自动更换刀具，自动完成工件上的铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等工序的数控机床。加工中心上如果带有自动分度回转工作台或自动转角度的主轴箱，可使工件在一次装卡中，自动完成多个平面和多个角度位置的多工序加工。加工中心上如果带有交换工作台，工件在工作位置的工作台上进行加工的同时，另外的工件在装卸为止的工作台上进行装卸，不影响加工的进行。1.1.2加工中心的优点加工中心的优点加工中心的优点很多，主要有以下几点： 提高加工质量 工件一次装夹，即可实现多工序集中加工，大大减少多次装夹所带来的误差。而且，由于是数控加工，较少依赖操作者的技术水平，可得到相当高的稳定精度。 缩短加工准备时间 减少在制品减少刀具费用最少的直接劳务费最少的间接劳务费 8设备利用率高 加工中心设备利用率为通用机床的几倍。另外，由于工序集中，容易适应多品种、中小批量生产。1.1.3加工中心的发展动向加工中心的发展动向总的来说，加工中心是向高速化、进一步提高精度和愈发完善的方向发展。1. 高速化加工中心的高速化，是指主轴转速、进给速度、自动换刀和自动交换工作台的高速化。2. 进一步提高精度加工中心的主要精度指标是它的运动精度指标。而运动精度主要以坐标定位精度、重复定位精度以及铣圆精度来表示。1.2 自动换刀装置的简介自动换刀装置的简介1.2.1自动交换刀具的由来自动交换刀具的由来自动交换刀具系统（Automatic Tool Changer 简称 ATC）系统是由刀库、机械手及相应的控制系统组成。具有钻、镗、铣功能的数控、铣床，一般刀具都安装在机床的主轴上，工件安装于工作台上。为了使工序能够高度集中，尽量节省辅助时间，于是在数控铣床上增加自动交换刀具系统（含刀库、机械手及其控制）便形成了加工中心（MC） 。 初期曾采用转塔头式的换刀方式，它的电动机、变速箱、转塔头做成一体，结构紧凑：但变速箱工作时的振动和热量都直接传到转塔上来，而且每把刀都需要一个主轴所以它的刀具数量、尺寸、结构都受到很多限制。采用单独存储刀具的刀库，刀具数量可以增多，以满足加工复杂零件的需要，这时的加工中心只需一个夹持刀具进行切削的主轴，所以制造难度也比转塔刀架低。1.2.2自动换刀的形式自动换刀的形式（1）无机械手的换刀方式2小型加工中心有采用无机械手换刀的方式，如图 1-1。它的刀库在立柱的正前方上部，刀库中刀具的存放方向与主轴方向一致。换刀时主轴箱带着主轴在立柱导轨上上升至换刀位置，主轴上的刀具正好进入刀库的某一个刀具存放位置，随即主轴内夹刀机构松开，主轴刀库顺着主轴方向向前移动，从主轴中拔出刀具，然后刀库回转，将下一步所需的刀具转到与主轴对齐的位置；刀库退回，将新刀具插入主轴中刀具随即被夹紧，主轴箱下移，开始新的加工。这种自动换刀系统，刀库整体前后移动不仅刀具数量少，而且刀具尺寸也较小。这种刀库旋转是在工步之间进行的，即旋转所需的辅助时间与加工时间不重合。（2）机械手的换刀方式 9这是加工中心普遍采用的一种方式。它的种类很多，可分为单臂单手式机械手、回转式单臂双手机械手、双手式机械手、多手式机械手四类。 单臂单手式机械手包括机械手只作往复直线运动的机械手和只作往复摆动的机械手。前者用于刀具主轴与刀库刀座的轴线平行的场合。它的特点是机械手的插、拔刀运动和传递刀具的运动都是直线运动，因而无回转运动所产生的离心力，所以机械手的握刀部分可以比较简单，只需两个弹簧卡销卡住刀柄。而后者，如果是机械手摆动轴线与刀具主轴平行，它主要用于刀库换刀位置的刀座的轴线与主轴轴线相平行的场合。如果是机械手摆动轴线与刀具主轴垂直，它用于刀库换刀位置的刀座和轴线相垂直的场合。总之，这种单臂单手式机械手结构简单。在转塔头带刀库的换刀系统中，不与主轴的换刀时间重合，故可用这类机械手。它也可在刀库与主轴头上的换刀机械手之间传递刀具。但是，这类机械手换刀动作均需顺序进行，时间不能重合，从而换刀时间较长。 图 1-1 无机械手的换刀顺序 回转式单臂双手式机械手包括两手部成 180 和两手部不成 180 两种。两手部成 180 的又可分为固定式双手、可伸缩式双手和剪式双手三类。这类机械手可以同时抓住和拔、插位于主轴和刀库里的刀具，与单臂单手式机械手相比，可以缩 10短换刀时间。 双手式机械手可分为机械化只作往复直线运动的机械手和有回转运动的机械手两大类。前者包括双手平行式和双手交叉式，这种机械手适用于容量较大的、距主轴较远的，特别是分置式的刀库的换刀。机械手有回转运动的，在主轴处换刀时转角为 180 ，可用于刀库距主轴较远者；在主轴处换刀时转角为 90 ，适用于刀库距主轴较近者；在主轴处换刀时转角G (2-3)即：NG/u=7*9.8/0.12=572N从上式我们可以得到活动销对刀具的压力大于 572 牛又由于活动销对刀具的力是由于弹簧压缩所产生的，所以P=N572N (2-4)联立（1） （4）二式可以得到 P=N=28.5k572N所以 k=N/28.5572/28.5=20.06N/mm 19取 k=21N/mm4.活动销的选取与验证由于活动销承受的压力较大，所以选用 45 钢（调质）活动销的受力图如下如图：N是刀具对活动销的支撑反力N=P=kx=21N/mm*28.5mm=598.5Nf是由于摩擦的结果 是由于活动销阻止刀具下掉掉力的作用反力，与 f 的方向相反。即方向向上大小为：f=f=Nu=598.5N*0.12=70.14NF为弹簧对活动销的作用力F=-kx=598.5NF1 是由固定活动销的外壁产生的，用来限制活动销向下的运动、向上的运动、转动等 5 个自由度的。由于这个物体（活动销）在力的作用下平衡，根据力的作用力与反作用原理，可得： F=NF1=f所以得到：F1=f=70.14N 且要与 f的方向相反，因此方向向上。对 X 轴方向 ，活动销受到 F与 N这对力的同时作用所以产生的内部应力为 AFn所以 nFA (2-5)确定上式中各个参数值：1） 由于材料为 45 钢 ，所一许用应力为 58Mpa2） Fn=N=f=598.5N所以（2-5）式中 nFA 又因为 （2-6） 42dA 20所以 （2-7） 24dFAFNN即： mmFdN63. 3101 .135814. 35 .598443所以取 d=12mm又由于活动销还受到剪的作用，所以： bsbsbsAF（2-8）由（6） （8）二式我们可以得到如下的公式： bsbsFd4（2-9）确定上式中的各个参数值：1） 45 钢的许用剪应力为Mpabs602） 剪切力 Fbs=f=598.5N所以（9）式可以计算为：3.56mm （2-10） MpaFdbsbs605 .59844由（7）与（10）得到的 d 综合得 取 d=12mm下面来确定销的长度 由于在 F1 和 f的作用下会产生一个力距 M大小为 M=F1L （2-11） 上式中的 L 为活动销的长度在 M 的作用下活动销要弯曲，在它的 2 个端点弯距最大为 M=F1L所以弯曲应力为 （2-12） WM上式中 W 为抗弯截面系数由于截面为圆形所以 W=322/64/2/34dhddIz 21所以 （2-13） 333232dMdMWM由于 45 钢的弯曲应力为 40Mpa所以 （2-14） WM即MpaldMWM40012. 014.70323233所以,由上式得145mml根据销的系列与上式所计算的长度，取 l=112mm所以活动销就确定了为5锁紧销的选取与验证 由于锁紧销的要求没有活动销高，联想到它的使用状况，所以选用 20 钢它的剪应力Mpabs25所以 （2-15） AFbs （2-16） 42dA （2-17） bsbs由（15） （16） （17）式可以得到mmmFdbs12.381012.382014. 35 .598443取 d=7mm 根据销的系列选取长度为 40mm 的销所以销的类别为 7*40 2.5 机械手其它零件以及尺寸的确定机械手其它零件以及尺寸的确定 2.5.1.螺栓的确定螺栓的确定机械手的手部是通过螺栓连接在手腕上面的，又因为手部与手腕的结合要能精 22确的固定相对位置，所以选用普通螺栓来连接。我这里采用了 3 螺栓组成螺栓组来连接的现在对这 3 螺栓进行受力分析这 3 个螺栓同时受到力 F=598.5 以及力矩 M=FL 作用由于这些螺栓都采用的是普通螺栓所以各个螺栓的受力分别为F=NNF5 .19935 .598311）下面我对其中的一个螺栓进行验证 （2-18） fziFkFFkziFfss000上式中F 为接合面的摩擦系数i 为接合面数 ，这里接合面数为 2，所以 i=2为防滑系数 -1.3，这里取=1.2sk1 . 1sksk由于接触表面的表面状况为干燥的表面，所以取 f=0.1所以（18）式可以如下计算 NfziFkFs5 .997212. 02 . 15 .1990又因为螺栓危险截面的拉伸条件公式： （2-19） 43 . 143 . 1020FddFca由于螺栓的材料为中碳钢，所以 它的许用拉伸应=43Mpa 所以（19）式可以如下计算：=6.2mm mmFd4 .384314. 345 .9973 . 143 . 10由于我只是大概的计算，所以实际取螺栓值的时候取大一点我们取 d=14mm所以采用 M14 这种螺栓关于螺栓的排布，我采用如下的方式： 23图 2-2 螺栓的排列下面，我们来确定这些螺栓在机械手中的位置右边第一个螺栓它离下底面的距离为 到右端面的距离301y101x右边第二个螺栓它离下底面的距离为 到右端面的距离102y302x右边第三个螺栓它离下底面的距离为 到右端面的距离103y553x2.5.2. 其它尺寸的确定其它尺寸的确定 机械手的手腕部分我选用 20 碳钢它的厚度为 30mm，它的宽度为 80mm，它的整个长度为 640mm 其中机械手中心到手腕外的距离为 259mm，2.5.3 轴与机械手配合部分的直径的确定轴与机械手配合部分的直径的确定 1）材料的确定 由于轴是重要的零件所以选用 45 钢 2）按扭转强度来计算轴径在轴的结构设计时，通常用下面的这个公式来初步估算轴径 TTTdnpWT32 . 0955000(2-20)上式中为扭转切应力，单位为 MpaT T 为轴所承受的扭距，单位为 N.mm 为轴的抗扭截面系数,单位为TW3mm P 为轴所传递的功 单位为 kW D 为计算截面处的直径 ,单位为 mm为许用扭转应力,单位为 Mpa T 24由上式可以得到轴的直径为: 303332 . 095500002 . 09550000nPAnPnpdTT(2-21)确定上式的值:(1) 确定0A查表得=126-103,这里取=1100A0A(2) 确定转速 n因为在 MV-810/A 中,换刀时间为 2.5s,整个过程有 10 个动作,按每个动作的时间相等来计算所以每个动作的时间s25. 0105 . 210Tt 而机械手在交换刀具的时候转过 180 度的时间也为 0.25s,所以在这个时候,它的转速最大,我们只要用最大转速去计算轴径就好了 因为轴转过 180 度的时间为 0.25s,所以转过一 周所用的时间为 0.5s所转速就为min/120605 . 01rn(3) P 的确定由于所产生的功主要是用来使机械手转动在转 180 度的时候 p 最大,p=M其中 M=FL我们取 F 的最大值为 598.5N,而 L 的值我们在前面已经确定了为 320mm所以M=FL=598.5NmNmm.5 .192320而 rad/s4所以 p=M=192.5kww42. 28 .24174所以(21)式可以表示为: mmnPAnPnpdTT5 .2725. 01100187. 011012024. 21102 . 095500002 . 095500003330333 25我们取 d=30mm 根据花键系列选择：d=28mm关于轴与机械手的连接:轴与机械手连接采用花键2.5.42.5.4 液压泵的选择液压泵的选择根据实践，主轴夹紧松开所用的液压缸所需的流量最大，因此，这里只需计算主轴夹紧松开的液压缸的流量即可。主轴夹紧松开6：自动换刀装置的整个换刀过程所需的时间,共有 10 个动作，st5 . 2则每个动作的时间平均为=tst25. 010210即主轴松开刀具的时间为 0.25查手册得每个碟形弹簧厚度，自由高度 H=9 . 0m310m3106 . 1根据设计共有 22 个弹簧组成每个蝶形弹簧的极限行程0h3107 . 0m则一组蝶形弹簧的极限行程为22107 . 03hm3104 .15速度)/(1016. 625. 0104 .1525. 023smhv（1）拉钉松开刀具：进油口油腔的面积：S =1)(422dD )031. 0125. 0(422)(105 .1123m油缸的容积效率97. 0v98. 099. 0则此时液压缸的流量为VvSq114321012. 798. 0105 .111016. 6)/(3sm（2）拉钉夹紧刀具：进油口油腔的面积：)(1027.12125. 04423222mDS则此时液压缸的流量为)/(1066. 798. 01027.121016. 6343222smvSqv比较（1） 、 （2）两者的计算结果，取smq/108 . 033齿轮液压泵的容积效率，总效率9 . 07 . 0v85. 07 . 0 26刀盘的转速为min)/(3 .1646750rinn电螺杆液压泵的排量vBqnQ310)/(7 . 09 . 0603 .16108 . 033sm第三章第三章 驱动系统的设计驱动系统的设计3.13.1 转位机构的设计转位机构的设计在整个运动的过程中,转位有 3 次,第一是机械手转过 75 度,第二次是机械手转过180 度,第三次是机械手反向到原来的位置.这些转位机构主要是由齿轮齿条机构来实现的,它们的动力源来自于液压缸,对液压港通入一定的压力油,使活塞向预定的方向运动齿轮条是与活塞杆是做成一体的.采用不同行程的液压缸就可以实现不同角度的转动了。3.1.1机械手转过机械手转过 75 度的驱动机构度的驱动机构 这个机构由一般个液压缸、齿轮条、齿轮以及连接盘、连杆组成的，当发出机械手抓刀的信号时，液压缸的后腔就通入压力油，活塞杆推动着齿轮条向前移动，使得齿轮转动，齿轮转动的时候，带动连接盘与连杆转动，而连杆通过花键连在机械手上，所以当活塞通入压力油的时候，机械手就相应的转动。1）下面我们首先来选择与计算液压缸 由于机械手的整个换刀时间为 2.5s 整个过程有 10 个动作,按每个动作的时间相等来计算所以每个动作的时间s25. 0105 . 210Tt即：机械手转过 75 度的时间为 0.25s取齿轮的齿数为 60，模数为 1.5，材料为 60Cr,那么齿轮的分度圆直径为d=mz=60mm905 . 1齿轮的分度圆周长为 27S=mmd6 .2829014. 3所以齿轮转过 75 度走过的距离L=mmmms875.586 .28236075360750000因为齿轮齿条是配合的所以齿轮条在这个运动中也走过 58.875mm活塞杆的速度为smts/236. 025. 0875.58设液压缸的溶积效鱼为，这里取99. 097. 098. 0设液压缸的额定流量为 q所以 （2-22） qA又 （2-23） 42dA由上 2 式可以得到 （2-24） qqqd29. 5236. 014. 398. 044因为 q=0.8m/s310所以（24）可以如下计算29. 5108 . 029. 53qd 所以选择 d=35mm所以选择液压缸，它的 行程为 58.8mm，活塞的直径为 35mm。2.确定齿轮齿条机构其它尺寸 首先确定齿宽系数d 由于齿轮的二支承相对齿轮做对称布置，所以取=1。d 由于 *aaamhmzhmzd（2-25）由于我都采用的是标准直齿轮（压力角为 20 度） 所以1*ah所以 28 =90+2*22aaamhmzhmzdmm935 . 1因为所以齿轮做成实心mmda160由于这个齿轮通过连杆与连接盘来传递运动的，所以齿轮做成如下的结构： 图 3-1 大齿轮的结构其中取 B1=30mm那么 B2=91mm-30mm=61mm所以与活塞杆连接在一起的齿轮条的直径就为 35mm而齿轮条固定在一个滑槽中，滑槽的结构如下：L1=10 L2=20 H=8 L=80图 3-2 固定与大齿轮配对的齿轮条的滑槽齿轮的齿距（分度圆） mmmp71. 45 . 114. 3由于齿轮与齿轮条是配合一起运动的所以齿轮的齿距（分度圆）就是齿轮条的齿距（分度圆）即：mmpp71. 4齿轮齿条由于液压缸的行程 l=58.875mm，所以齿轮条的齿轮数 29 5 .1271. 4875.58plz因为要留一些距离，还有齿轮与齿轮条的齿轮数互为质数，所以取齿轮条的齿轮数为 z=15。3与齿轮齿条一起运动的零件以及尺寸的确定1）连接盘的尺寸的确定D1=50mmD2=70mmD3=90mmD4=130mmL1=20mmL2=40mmL3=61mmL4=11mmd=6mm连接盘是空套在齿轮上面的，2）传动盘以及尺寸的确定D1=40mmD2=60mmD3=70mmL1=10mmL2=30mm孔的直径 d1=6mm 30图 3-4 传动盘3) 把传动盘与连杆（轴）连接起来的花键的确定D1=40mmD2=26mmH=10mm图 3-5 花键3.1.2.机械手转过机械手转过 180 度的驱动机构度的驱动机构 这个机构由一般个液压缸、齿轮条、齿轮以及连杆组成的，当发出机械手交换刀具的信号时，液压缸的后腔就通入压力油，活塞杆推动着齿轮条向前移动，使得齿轮转动，齿轮转动的时候，带动连杆转动，而连杆通过花键连在机械手上，所以当活塞通入压力油的时候，机械手就相应的转动。1）下面我们首先来选择与计算液压缸 由于机械手的整个换刀时间为 2.5s 整个过程有 10 个动作,按每个动作的时间相等来计算所以每个动作的时间s25. 0105 . 210Tt即：机械手转过 180 间为 0.25s取齿轮的齿数为 48,模数为 1.5，材料为 60Cr,那么齿轮的分度员直径为d=mz=mm725 . 148齿轮的分度圆周长为S=mmd08.22697214. 3所以齿轮转过 180 度所走的距离L=mmmms04.1138 .2263601803601800000因为齿轮齿条是配合的所以齿轮条在这个运动中也走过 113.04mm活塞杆的速度为smts/452. 025. 004.113设液压缸的溶积效鱼为，这里取99. 097. 098. 0 31设液压缸的额定流量为 q所以 qA（2-26）又 42dA（2-27）由上 2 式可以得到 qqqd76. 2452. 014. 398. 044（2-28）因为 q=0.8m/s310所以（28）式如下计算mqd002208. 0108 . 076. 276. 23 所以选择 d=30m所以选择液压缸，它的 行程为 113.04mm,直径为 30mm。2.确定齿轮齿条机构其它尺寸 首先确定齿宽系数d 由于齿轮的二支承相对齿轮做对称布置，所以取=1。d 由于 *aaamhmzhmzd（2-25）由于我都采用的是标准直齿轮（压力角为 20 度） 所以1*ah所以 =72+*aaamhmzhmzdmm5 .7315 . 1因为所以齿轮做成实心mmda160由于这个齿轮通过连杆与连接盘来传递运动的，所以齿轮做成如下的结构： 32图 3-6 小齿轮其中取 B1=25mm那么 B2=72-25=47mm所以与活塞杆连接在一起的齿轮条的直径就为 30mm而齿轮条固定在一个滑槽中，滑槽的结构如下： h1=10 L1=20 L2=40 L3=80 L4=125 L5=20图 3-7 固定与小齿轮一起配对的齿轮条齿轮的齿距（分度圆） mmmp71. 45 . 114. 3由于齿轮与齿轮条是配合一起运动的 33所以齿轮的齿距（分度圆）就是齿轮条的齿距（分度圆）即：mmpp71. 4齿轮齿条由于液压缸的行程 l=112.04mm，所以齿轮条的齿数 2471. 404.112plz因为要留一些距离，还有齿轮与齿轮条的齿轮数互为质数，所以取齿轮条的齿轮数为 z=273.23.2 驱动机构其它零件的设计驱动机构其它零件的设计 在前 2 节中，已经对转位机构做了设计，但是要完成整个运动还需要插拔刀具的运动，这就需要设计一个机构来完成插拔刀具的功能。 在这个机械手中，只要给机械手一个 z 轴方向的运动即可。由于机械手的的初使位置与在夹刀具的位置有些不同，这就需要使机械手从初使位置运动到夹刀具的位置，在 z 轴方向的距离为 100mm。为了完成这个动作，我选用了一个液压缸来实现。原理如下：当需要夹刀具的时候，液压缸的下腔通入压力油，使液压缸的活塞向上运动，把机械手带到夹刀具与拔刀具的位置，完成这个动作以后，就要拔刀具了，这个时候液压缸的上腔通入压力油，使得活塞向下运动。只要选择合适的液压缸的行程就可以达到预定的位置。 34 3.2.1.3.2.1.液压缸的选择液压缸的选择由于机械手的初始位置与开始工作位置（拔插刀具的位置）的距离 l=100 mm，而这个距离，在运动中是依靠液压缸的，所以液压缸的行程就为 100mm。另外我选用活塞直径为 d=30mm，所以液压缸的规格就为 100mm。mm303.液压缸以及连接零件尺寸的确定L1=30mmL2=50mmL3=60L4=95D1=30mmD2=40mmS1=25mmS2=10mmS3=5mm图 3-8 与大液压缸连接的部分机械结构3.33.3 轴的结构设计轴的结构设计 在前面的章节中，已经初选定了轴的最小直径，它为 d=28mm，且轴的材料也已经选定了为 45 钢，选择 45 钢的理由：碳钢相对与合金钢来说价格便宜，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理来提高其耐磨性和抗疲劳强度。而 45 钢在碳钢中是性能比较优良的一种，所以选用 45 钢为轴的材料。 35 下面我们就来对轴做一些结构设计3.3.1.3.3.1.拟定轴上零件的装配方案拟定轴上零件的装配方案本设计中按照下面的方案来装配图 3-9 轴上零件的装配方案3.3.2.确定轴的各段直径与长度确定轴的各段直径与长度1） 为了定位右边的齿轮就必须在轴的右端制出一轴肩，故取右端的直径为，由于齿轮的长为 80mm，还加上这个结构，齿轮不是空套在轴上的，mmdII30而是通过连接盘、传动盘来把运动传递给轴的，所以，段接连接盘与mml6311III传动盘，长度为，段的下面由于是靠花键定位，所以不需要在轴上做mmlIII38III一些处理。而。因为 VII 端是与小齿轮相连接的，它的上,146mmlIVmmdIV30面 VI 端采用轴肩定位，所以，。而小齿轮是空套在轴上面的，mmdVI46mmlVI10所以与小齿轮空套的轴的直径为，另外我取，mmdVII30mmlVII82mmlIX158。mmdIx302） 初选滚动轴承 因为轴同时受到径向力与轴向力的作用，故选用角接触球轴承，参照工作要求，并根据由轴承产品目录中初步选取 0 基本游隙组、标准精度级的角接触球轴承,30mmdIX70306C。所以轴的总长为 36 mmllllllllIXVIIVIIVIIIIII4881215882101463863总 3） 确定轴上圆角与倒角尺寸 取轴端的倒角尺寸为 2 ，各轴肩的圆角尺寸为 R0.5度45对于轴的校核，我就不做说明了。轴的工作图如下：C21.61.61.6A-ABC488C2A图 3-10 轴的结构图3.43.4 主轴的自动夹紧机构以及主轴准停装置的设计主轴的自动夹紧机构以及主轴准停装置的设计3.4.1主轴结构主轴结构主轴的前支承配置了三个高精度的角接触球轴承，用以承受径向载荷和轴向载荷，前两个轴承大口朝下，后面一个轴承大口朝上。前支承按预加载荷计算的预紧量由螺母来调整。后支承为一对小口相对配置的角接触球轴承，它们只承受径向载荷，因此轴承外圈不需要定位。该主轴选择的轴承类型和配置形式，能满足主轴高转速和承受较大轴向在乎的要求，主轴受热变形向后伸长，不影响加工精度。3.4.2刀具的自动夹紧机构刀具的自动夹紧机构主轴内部和后端安装的是刀具自动夹紧机构。它主要由拉杆、拉杆端部的四个钢球、蝶形弹簧、活塞、液压缸等组成。机床执行换刀指令，机械手要从主轴拔刀时，主轴需松开刀具。这时液压缸上腔通压力油，活塞推动拉杆向下移动，使碟形弹簧压缩，钢球进入主轴锥孔上端的糟内、刀柄尾部的拉钉（拉紧刀具用）被松开，机械手即可拔刀。之后，压缩空气进入活塞和拉杆的中孔，吹净主轴锥孔，为装入新刀具做好准备。当机械手将下一把刀具插入主轴后，液压缸上腔无油压，在碟形弹簧和弹簧的恢复力作用下，使拉杆、钢球和活塞退回到图示的位置，即碟形弹簧通过拉杆和钢球拉紧刀柄尾部的拉钉，使刀具被夹紧。 373.4.3主轴准停装置主轴准停装置机床的切削扭矩由主轴上的端面键来传递，每次机械手自动装取刀具时，必须保证刀柄上的键糟对准主轴的端面键，这就要求主轴具有准确定位的功能。为满足主轴这一功能而设计的正好子称为主轴准停装置或称为主轴定向装置。本机床采用的是电气式主轴准停装置，即用磁力传感器检测定向。如图 2-7 所示，主轴 8 的尾部安装有发磁体 9，它随主轴转动，在距发磁体外缘 1-2mm 处，固定了一个磁传感器 10，它经过放大器 11 与主轴伺服单元 3 连接。主轴定向的指令 1 发出后，主轴便处于定向状态，当发磁体的上判别孔转到对准磁传感器上的基准糟时，主轴立即停止。 图 3-11 主轴准停装置的原理图图中 5 为电动机与主轴之间的同步齿形带，4 为主轴电动机，2 为强电时序电路，7 为主轴端面键，6 是位置控制回路，12 是定向电路。3.53.5 换刀装置的液压机构分析换刀装置的液压机构分析3.5.13.5.1液压分析液压分析如图 3-3 所示，液压缸 1 是实现机械手的正反转 75运动，液压缸 2 是实现机械手正反转 180运动，液压缸 3 是实现机械手拔刀、插刀运动，液压缸 4 是实现主轴的夹紧、松开动作。这里活塞杆活动，液压缸固定。 38当行程开关 10 发出抓刀信号后，机械手要顺时针转动 75，这时，电磁铁SDL-1 接通，其余电磁铁处于断开状态，油从泵出发，经过单向阀，受溢流阀 1 调压后，经调速阀 1 调速，由三位四通阀 1 传到液压缸 1 的上腔，推动活塞杆下移，油从下腔流回油缸，实现了机械手正转 75的动作。当机械手顺时针转过 75 后，行程开关 2 发出信号，刀柄尾部的拉钉要松开刀具，这时电磁铁 SDL-7 接通，电磁铁 SDL-1 断开，其余的仍处于断开状态。油从泵出发，经过单向阀，受溢流阀 2 调压后，经调速阀 4 传到液压缸 4 的上腔，推动活塞杆下移，油从下腔流回油缸，实现了主轴的松开动作。当主轴松开刀具后，行程开关 8 发出信号，这时电磁铁 SDL-5 接通，电磁铁SDL-7 断开，其余的处于断开状态。油从泵出发，经过单向阀，受溢流阀 1 调压后，经调速阀 3 传到液压缸 3 的上腔，推动活塞杆下移，油从下腔流回油缸，这个动作使得机械手实现拔刀动作。当机械手拔出刀后，行程开关 6 发出信号，机械手要带着刀具转过 180，这时电磁铁 SDL-3 接通，电磁铁 SDL-5 断开，其余的处于断开状态。油从泵出发，经过单向阀，受溢流阀 1 调压后，经调速阀 2 传到液压缸 2 的上腔，推动活塞杆下移，油从下腔流回油缸，这样就实现了机械 正转 180的动作。当机械手转过 180 后，行程开关 4 发出信号，机械手要进行插刀动作，这时电磁铁 SDL-6 接通，电磁铁 SDL-3 断开，其余的处于断开状态。油从泵出发，经过单向阀，受溢流阀 1 调压后，经调速阀 3 传到液压缸 3 的下腔，推动活塞杆上移，油从上腔流回油缸，这时完成了机械手的插刀动作。当插刀动作完成后，行程开关 5 发出信号，刀柄底部的拉钉要夹紧换好的刀具。这时电磁铁 SDL-8 接通，电磁铁 SDL-6 断开，其余的处于断开状态。油从泵出发，经过单向阀，受溢流阀 2 调压后，经调速阀 4 传到液压缸 4 的下腔，推动活塞杆上移，油从上腔流回油缸，这样就实现了主轴的夹紧动作。主轴夹紧刀具，位置开关 7 发出信号，这时电磁铁 SDL-4 接通，电磁铁 SDL-8断开，其余的处于断开状态。油从泵出发，经过单向阀，受溢流阀 1 调压后，经调速阀 2 传到液压缸 2 的下腔，推动活塞杆上移，油从上腔流回油缸，此时机械手完成了转 180 的动作。机械手转过 180 后，位置开关 3 发出信号，这时电磁铁 SDL-2 接通，电磁铁SDL-4 断开，其余的处于断开状态。油从泵出发，经过单向阀，受溢流阀 1 调压后，经调速阀 1 传到液压缸 1 的下腔，推动活塞杆上移，油从上腔流回油缸，机械手反转 75 ，回到原位。这样就完成了整个液压控制过程。 39图 3-12 液压系统图3.5.23.5.2换刀动作顺序表换刀动作顺序表表 3-1 为换刀动作顺序表，SDL-1、SDL-2、SDL-3、SDL-4、SDL-5、SDL-6、SDL-7、SDL-8 为电磁铁，SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5、SQ6、SQ7、SQ8 为行程开关。 “+”表示电磁铁接通或压下行程开关。空格表示电磁铁断开或未压下行程开关。表表 3-1SSSSSSSSSSSSSSSS 40DL1DL2DL3DL4DL5DL6DL7DL8Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8刀套下转90+机械手转75（顺时针）+刀具松开+机械手拔刀+交换刀具位置+机+ 41械手插刀刀具夹紧+机械手转180+机械手反转75+ 42第四章第四章 PLC 控制分析控制分析PC 实质上是一种工业控制用的专用计算机，它是由硬件系统和软件系统组成的。硬件系统由主机、I/O 扩展机及外部设备组成，主机和扩展机内部由运算器、控制器、存储器、输入单元、输出单元以及接口等组成。软件系统包括系统程序、用户程序组成。根据第三章的换刀动作分析和液压系统分析，得到自动换刀装置的 PLC 端口图如 4-1 所示。左边部分为输入信号，右边为输出信号。刀库行程开关21机械手行程开关13机械手行程开关7刀库行程开关22机械手行程开关1主轴发磁体2机械手行程开关9机械手行程开关3机械手行程开关14 主轴发磁体1主轴停转信号换刀信号机械手液压缸SDL-2右行电磁阀刀库气缸下行电磁阀主轴电机刀库断电开关刀库汽缸上行电磁阀机械手液压缸SDL-1左行电磁阀主轴液压缸SDL-7下行电磁阀机械手液压缸SDL-5下行电磁阀机械手液压缸SDL-3左行电磁阀主轴液压缸SDL-8上行电磁阀机械手液压缸SDL-6上行电磁阀机械手液压缸SDL-4右行电磁阀 图 4-1 端口连接图 432. 由端口图及换刀动作可编制梯形图 4-2 如下： 刀套下转90 机械手下转75 主轴松开刀具 机械手拔刀机械手正转180 机械手插刀 主轴夹紧 机械手反转75 机械手反转180 刀套上转90 主轴开始运作 刀库停止运作 图 4-2 PLC 梯形图从上面的梯形图可编得如下程序：0 LD 10001 OR 20002 AND NOT 2010 443 AND NOT 10014 AND NOT 20015 OUT 20006 LD 10017 AND NOT 10028 AND NOT 20029 OUT 200110 LD 100211 AND NOT 100312 AND NOT 200313 OUT 200214 LD 100215 AND 100316 AND NOT 100417 AND NOT 200418 OUT 200319 LD 100420 AND NOT 100521 AND NOT 200522 OUT 200423 LD 100524 AND NOT 100625 AND NOT 200626 OUT 200527 LD 100628 AND 100729 AND NOT 200730 OUT 200631 LD 100632 AND 100733 AND NOT 100834 AND NOT 200835 OUT 200736 LD 100837 AND NOT 100938 AND NOT 200939 OUT 2008 4540 LD 200941 AND NOT 101042 ANDNOT 200043 OUT 200944 LD 100945 AND 100746 OUT 201047 LD 101048 OUT 2011 46小结小结 大学四年就过去了，虽然依依不舍，但还是要离开。毕业设计是大学最后一次练兵，也是与老师们接触的不多机会。现在毕业设计已经完成。从中我学到了很多，从材料力学到机械设计，从液压到 PLC，自己的能力有了一个很大的提高。我认识了自己的很多不足之处，也对自己学习过的知识温习了一遍。我这次做的题目是自动换刀机械手的设计，选择的是对加工中心的自动换刀装置进行设计。我做的主要工作有：查阅相关资料、对正文部分机械手以及它的驱动控制系统进行设计。在驱动部分的设计时候，我遇到一些问题，不知道选用什么样的机构来使机械手转过一定的角度，最后在老师的启蒙下才想到了用齿轮齿条的方法。选用一定行程的液压缸与相应的齿轮机构就 可以实现转位。以前我对 CAD 画复杂的图有一定的恐惧感，通过这次设计我已经克服了。我的指导老师是程俊兰老师。在这里，我对程老师多次对我的教诲表示非常的感谢！同时对以前教诲我的老师也要说声谢谢！感谢你们的教诲。 47参考文献1 廉元国，张永洪编著 . 加工中心设计与应用 . 北京：机械工业出版社，19952 杜君文主编 . 机械制造技术装备及设计 . 天津：天津大学出版社，1998.83 徐灏主编 . 机械设计手册（第三卷） . 北京：机械工业出版社，1991.94 徐灏主编 . 机械设计手册（第四卷） . 北京：机械工业出版社，1991.95 董献坤主编 . 数控机床结构与编程 . 北京：机械工业出版社，1997.86 许福铃， 陈尧明等主编 . 液压与气压传动 . 北京：机械工业出版社，2000.57 机械设计手册联合编写组编 . 机械设计手册.下册 . 北京：石油化学工业出版社，1978.98 杨长能，张兴毅编著 . 可编程序控制器（PC）基础及应用 . 重庆：重庆大学出版社，1993.19 濮良贵，纪名刚主编 . 机械设计 . 北京：高等教育出版社，200110 汪晓光、孙晓英等编著 . 可编程控制器原理及应用 . 北京： 机械工业出版社，2001.811 章宏甲、黄谊、王积伟编著 . 液压与气压传动 . 北京：机械工业出版社，199812 杜君文主编. 机械制造技术装备及设计. 天津：天津大学出版社，199813王知行、刘适茸主编. 机械原理 .北京：高等教育出版社 199914刘鸿文主编. 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