机械手-50#刀柄拉刀机构设计-说明书

四川理工学院毕业设计（论文）I摘 要50刀柄拉刀机构为大型机床主轴内部刀具自动夹紧机构。油缸接到松刀信号时，将压力油通入主轴尾部的油缸右腔，活塞推动拉杆向左移动，同时使碟形弹簧压紧。拉杆的左移使左端的钢球的分布直径变大，解除了刀杆上的拉力，机械手便取出刀杆。当刀具由机械手或用其他方法装到主轴孔后，其刀柄后部的拉钉便被送到主轴内拉杆的前端，当接到夹紧信号时，将压力油通入主轴尾部的油缸左腔，活塞向右移动，拉杆在碟形弹簧的作用下也向右移动，其前端圆周上的钢球在主轴锥孔的逼迫下收缩分布直径，将刀柄拉钉紧紧拉住。松刀和拉刀信号是当活塞处于左右两个极限位置时由 PLC 控制的相应的行程开关发出的。另外，拉杆是空心的，为的是每次换刀时要用压缩空气清洁主轴孔和刀具锥柄，以保证刀具的准确安装。关键词：50，刀柄，拉刀,机构。摘 要IIABSTRACTThis project is design the 50# knife hilts broach mechanism.It is cutting tool automatically clamp mechanism of spindles inside for large-scale machining .When the oil cylinder receives the loose knife signal, the pressure oil is passed over the oil cylinder right cavity of the spindle rear part, the piston impels the tension bar to the left migration, Simultaneously causes the small dish shape spring to contract. The tension bar shifts to the left causes steel ball where is at left side distributed diameter changes in a big way, relieved on the cutter bar pulling force, the manipulator then takes out the cutter bar. When cutting tool roaled of spindles hole by manipulator or other ways,the pull nail behind of knife hilts is sent to ahead of tension bar of spindle. When receives the clamps signal, the pressure oil is passed over the oil cylinder left cavity of the spindle rear part, the piston to the right migration ,tension bar also to right migration by small dish shape spring function, the stell ball of ahead circumference of the tension bar shrink the distribution diameter by spindles cone holes force, holds on the knife hilts and pull nail colsely. when the piston is in two limiting positions，The corresponding Limit switch which sends out the loose knife and broach signal is Controled by PLC. Moreover, the tension bar is hollow for clean the spindles hole and cutting tools cone hole by compressed air when exchang knife ,to pledge cutting tools installed exactly.Keywords:50#; knife hilts; broach;mechanism.四川理工学院毕业设计（论文）III目 录中文摘要英文摘要前言1第 1 章 总体结构分析21.1 拉刀机构设计目的 21.2 机构原理分析 .2第 2 章 机械零件的设计与计算52.1 机械零件设计的性质和任务 52.2 机械零件设计步骤和准则 52.3 主轴主要参数的确定 .62.3.1 主轴前轴颈 D1 的选取 62.3.1 主轴内孔直径 d 的确定 72.3.1 主轴前端悬伸量 a 的确定 .72.3.1 主轴支承跨距 L 的确定 92.4 碟形弹簧的选择与计算 .92.4.1 碟形弹簧的特点 .92.4.2 碟形弹簧的选取与计算 .122.4.3 碟形弹簧的技术要求 122.5 拉杆的设计与计算 .132.5.1 标准钢球的选取 132.5.2 拉杆的尺寸确定及校核 .162.6 螺纹联接的设计与计算 192.6.1 螺纹基本尺寸的确定 192.6.2 螺母的选取 212.6.3 垫片的选取 212.7 拉杆套的设计与计算 .222.8 液压缸的设计与计算 .222.8.1 液压缸的载荷组成与计算 222.8.2 液压缸主要参数的确定 .232.8.3 强度校核 .27目 录IV2.8.4 稳定性校核 29第 3 章 气、液压系统的设计313.1 液压系统设计概述 .323.2 气、 液压传动特点 .323.2.1 液压传动与其它传动（如机械传动、电气传动及气压传动）比较的优点 .323.2.2 气压传动特点 333.3 气、液压传动原理 .343.4 液压元件的选择 353.4.1 确定液压泵的最大工作压力 Pp353.4.2 确定液压泵的流量 Qp363.4.3 选择液压泵的规格 363.4.4 液压阀的选择 363.4.5 油箱容量的确定 .373.5 液压系统的性能验算 .373.5.1 回路压力损失验算 373.5.2 油液温升验算 37第 4 章 PLC 的控制与编程.384.1 PLC 的概述 .384.2 PLC 的选型 384.3 PLC 的接线图 .394.3.1 输入部分 394.3.2 内部等效继电器系统 .404.3.3 输出部分 424.4 PLC 编程 42第 5 章 总结44参考文献45致谢46附录47四川理工学院毕业设计（论文）V四川理工学院毕业设计（论文）1绪 论近年来，随着科学技术的迅速发展，机械产品的形状和结构不断的改进，这就要求机床设备具有较好的通用性和较大的灵活性，以适应生产对象频繁变化的需要，特别是对于宇宙航行、航空等部门中的加工批量不大、生产周期要求短、改型短、改进频繁、形状复杂、精度要求又很高的这一类零件的加工。如何提高劳动生产率、提高产品质量、降低产品成本及改善劳动条件已成为目前迫切需要解决的问题。数控机床是综合运用了计算机技术、自动控制、精密测量及机床结构设计等各种技术的最新成就而发展起来的一种新型机床。它具有通用性、灵活性及高度自动化的特点，具有提高劳动生产率和加工精度、缩短生产准备周期、减轻体力劳动强度、减少设备周期、降低生产成本等优点，已被广泛应用于机械制造、航空工业、造船和车辆工业、金属加工部门等。其中在改善劳动条件、减少辅助时间、改善操作性、提高劳动生产率方面，采用了刀具自动夹紧装置、刀库与自动换刀装置及自动排屑等辅助装置。本次设计的目的也在于此，主要设计的是刀具自动夹紧和自动排屑机构。此次设计主要应用三个原理：机构原理；液压驱动原理；电器控制原理。所以在设计过程中分别应用了与之相对应的知识。在设计过程中一方面加深了对所学理论知识的认识，另一方面在老师的指导下，学会运用所学知识去分析和解决一些实际问题，学会应用手册、标准、规范等资料。做此设计主要解决的问题就是对整个机构工作原理的理解并对各个部分进行设计与计算。通过改造设计使此装置在满足技术性能的前提下又能获得最佳的经济效益。此说明书共分为五大部分：总体结构分析；机械零件的设计与计算；气、液压系统设计；电气自动控制设计；总结。设计过程中参考了诸多文献，列表附说明书末页。第 1 章 总体结构分析2第 1章 总体结构分析1.1 拉刀机构设计的目的机械设计制造及其自动化专业是为了培养从事机械设计、制造行业的人才而开设的专业。而拉刀机构设计不仅培养设计者对机械的认识、运用能力,而且也增进了对机械工业发展的了解和认知。拉刀机构的设计涉及：机械、液压、气压、电气等相关基本理论知识。设计目的：1.培养查阅文献、运用资料的基本能力；2.培养学生的机电产品设计的基本能力；3.扩展学生的知识结构，加强理论与实践相结合的能力；1.2 机构原理分析50刀柄拉刀机构为大型机床主轴内部刀具自动夹紧机构。油缸接到松刀信号时，将压力油通入主轴尾部的油缸右腔，活塞推动拉杆向左移动，同时使碟形弹簧压紧。拉杆的左移使左端的钢球的分布直径变大，解除了刀杆上的拉力，机械手便取出刀杆。当刀具由机械手或用其他方法装到主轴孔后，其刀柄后部的拉钉便被送到主轴内拉杆的前端，当接到夹紧信号时，将压力油通入主轴尾部的油缸左腔，活塞向右移动，拉杆在碟形弹簧的作用下也向右移动，其前端圆周上的钢球在主轴锥孔的逼迫下收缩分布直径，将刀柄拉钉紧紧拉住。另外，拉杆是空心的，为的是每次换刀时要用压缩空气清洁主轴孔和刀具锥柄，以保证刀具的准确安装。图 1-1 是该机构的总体结构图。刀杆采用 7：24 的大锥度锥柄，在锥柄的尾端轴颈被拉紧的同时，通过锥面的定心和摩擦作用将刀杆夹紧于主轴的端部。大锥度的锥柄既利于定心，也为松夹带来了方便。在碟形弹簧 5 的作用下，拉杆 4 始终保持约 10000N 的拉力，并通过拉杆左端的刚球 3 将刀杆的尾部轴颈拉紧。换刀前必须首先将刀柄松开，即将压力油通入主轴尾部的油缸右腔，活塞 11 推动拉杆 4 向左移动，同时使碟形弹簧 5 压紧。拉杆 4 的左移使左端的钢球 3 位于套筒的喇叭口处，解除了刀杆上的拉力。机械手便取出刀杆。当活塞处于左右两个极限位置时，相应的限位行程开关发出松开和夹紧的信号。四川理工学院毕业设计（论文）3图 1-1总体结构1-BT型刀柄 2-P 型拉钉，3-钢球、4-拉杆、5-碟形弹簧、6-拉杆套、7-垫片、8-螺母、9-缸盖、10-缸筒、11-活塞自动清除主轴孔中的切屑和灰尘是换刀操作中的一个不容忽视的问题。如果在主轴锥孔中掉进了切屑或其它污物，在拉紧刀杆时，主轴锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤，甚至使刀杆发生偏斜，破坏了刀具正确的定位，影响加工零件的精度，甚至使零件报废。为了保持主轴锥孔的清洁，常用压缩空气吹屑。图 1.1 的活塞 11 的心部钻有压缩空气通道，当活塞向左移动时，压缩空气经过活塞主轴孔内的空气喷嘴吹喷出。将锥孔清理干净。喷气小孔要有合理的喷射角度，并均匀分布，以提高其吹屑效果。此结构采用的是 7：24 圆锥刀柄，这种标准的 7：24 锥联接有许多优点：因为自锁，可实现快速装卸刀具；刀柄的锥体在拉杆轴向拉力的作用下，紧紧地与主轴的内锥面接触，实心的锥体直接在主轴孔内支承刀具，可以减少刀具的悬伸量；这种联结只有一个尺寸即锥角需加工到很高的精度，所以成本较低，而且可靠，多年来应用较广泛。但是，7：24锥联结也有一些缺点：锥度较大，锥炳较长，锥体表面同时要起两个作用，即刀具相对于主轴的精确定位及实现刀具夹紧并提供足够的联结刚度，由于它不能实现与主轴端面和内锥面同时定位。所以标准的 7：24 刀/轴锥联结在主轴端面和刀柄法兰端面有较大的间隙。7：24 锥度联结的刚度对锥角的变化和轴向拉力的变化很敏感，当拉力增大 48 倍时联结的刚度可提高 20%50%。但是过大的拉力在频繁的换刀过程中，会加速主轴内孔的磨第 1 章 总体结构分析4损，使主轴内孔膨胀影响主轴前轴承的寿命。在了解了设计结构的基础上，我将从三方面对起进行设计与计算。首先在机构方面设计相关的零件，如碟形弹簧、拉杆、拉杆套、拉钉、活塞、缸筒等，并对标准件进行选型；其次是对其气、液压部分进行气、液压系统的设计；最后是对 PLC 控制部分的设计与编程。四川理工学院毕业设计（论文）5第 2章 机械零件的设计与计算2.1 机械零件设计的性质和任务机械是人类用来减轻体力劳动和提高劳动生产率的工具。机械化程度的高低是衡量一个国家社会生产率发展水平的重要标志。在新技术革命中，最大限度的提高劳动生产率和产品质量，为工业、农业、国防、轻工、化工、交通、能源及能源开发以及新的科学实验基地提供更多的先进设备，这是机械工业的伟大历史使命。不论是制造新的机械设备还是改进原有的机械设备，都要进行大量的机械设计工作。 “机械”是一个总称，习惯上包括机构和机器。机构是由相对运动的构件组成的。它的作用是传递运动并变换运动形式和改变运动量；机器是由若干基本单元构成的，构成机器的这些单元称为机械零件，如轴、齿轮和螺栓等。通常又把为完成同一使命的零件组合在一起，构成一套协调工作的整体，这个整体称为部件，如联轴器、减速器等。由此可知，机械零件是组成机械的基本单元。机械零件设计是根据零件在机器中的工作条件，阐明其设计原则，设计方法和设计规范的。其主要任务包括：进行基本的力学计算，确定零件的最适当外形尺寸；选择材料、精度等级和表面质量以及制造上的技术要求等，最后绘制工作图。2.2 机械零件设计准则和设计步骤设计的机械零件既要工作可靠，又要成本低廉。要解决前一个问题，零件在其强度、刚度、表面质量等方面必须满足一定的条件，这些零件是判断零件工作能力的准则。要降低零件的制造成本，必须从设计和制造两方面着手。就设计而言，设计时要正确选择材料、合理规定公差等级及认真考虑零件的加工工艺性和装配工艺性。具体说来设计机械零件时必须考虑以下要点：1.设计的机械零件要确实能满足机器的使用要求，充分发挥其机能，具有各方面的可靠性。2.使用寿命要长，要能耐腐蚀、耐疲劳、耐磨损、耐蠕变、耐高温等。3.结构要简单，制造费用要低廉。4.重量要尽可能轻，尺寸要尽可能小，占地面积要尽可能少。5.尽量使所设计的机械零件标准化、系列化、通用化。根据上述要点，机械零件设计的一般步骤为：1.了解设计要求，收集有关设计资料，拟订最好的结构形式。2.根据零件的结构和受力情况建立力学模型，据此算出作用在零件上的外载荷大小第 2 章 机械零件的设计与计算6和变化性质，求出计算载荷。3.对由计算载荷产生的应力和变形进行计算，选取满足要求的材料，用计算方法确定零件的基本尺寸，确定热处理方法。4.进行强度校核计算，确定零件的全部结构尺寸。5.绘制工作图和编制技术条件。2.3 主轴主要参数的确定此次设计主轴不用详细设计，但该参数对后面的机械零件的设计相关，故在此对其有用部分进行说明。主轴的主要结构参数有：主轴前、后轴颈 D1、D2，主轴内孔直径 d，主轴前端悬伸量 a 和主轴主要支承间的跨距 L，这些参数直接影响旋转精度和主轴刚度。2.3.1 主轴前轴颈 D1 的选取一般按机床类型、主轴传递的功率或最大的加工直径（参考表（2-1） ）选取 D1，后轴颈 D2（0.70.85）D1。表 2-1 主轴前轴颈直径功率 P/KW 1.472.5 2.63.6 3.75.5 5.67.3车床 6080 7090 70105 95130升降台铣床 5090 6090 6095 75100外圆磨床 5060 5590 7080功率 P/KW 7.411 1114.7 14.818.4 18.522车床 110145 140165 150169 220升降台铣床 90105 110115 外圆磨床 7590 75100 90100 105由设计任务书上数据知主机功率 P=12KW，故可选取 D1=110mm,D2=0.8D1= 88mm,在此取主轴外径 D=100mm.2.3.2 主轴内孔直径 d 的确定很多机床的主轴是空心的，内孔直径与其用途有关，如车床主轴内孔用来通过棒料或安装送夹料机构。铣床主轴内孔通过拉杆来拉紧刀杆等。为不过多的削弱主轴的刚度，铣床的主轴孔径 d 可比刀具拉杆直径大 510mm。在此初步定 d 孔=35mm。由于主四川理工学院毕业设计（论文）7轴内孔直径在一定范围内对主轴刚度影响很小，若超出此范围，则能使主轴刚度急剧下降，由材料力学知识可知刚度 K 正比于截面惯性矩 I，它与直径间有下列关系，即（2-1）d，D主轴内外径K0，I0空心主轴的刚度和截面惯性矩K，I实心主轴的刚度和截面惯性矩一般取 0.7 对刚度影响不大，若 0.7 将使刚度下降，这里 =35/100=0.358000 N。初步拟订行程量 L=12 mm，则对合碟簧片数 n 为：n=L/f=L/2（X+X）=12。则复合碟簧组的自由高度 H0 为：将数据代入得 =85.2 mm。0(1)nit(23)32200Ffd3K=()()1hftDtt（ 2-）四川理工学院毕业设计（论文）132.4.3 碟形弹簧的技术要求1.参数的公差及偏差表 2-6 参数的公差及偏差碟簧在时的0.75fhF弹簧负荷公差， %厚度公差，mm外径公差，mm内径公差，mm内外径的同轴度，mm自由高度公差，mm+35-15+0.18-0.22（h14） （H14） 0.20+0.25-0.152.碟簧锥面加热前的光洁度，车削时不得低于5，磨削时不得低于7；对于级精度碟簧，在厚度4mm 时，可按高级精度冷轧钢板供货表面状态；3.碟簧淬火次数不得超过两次，经两次淬火后的级精度碟簧应进行脱碳层深度检查。单面全脱碳层深度，当厚度3mm 时，不得超过厚度的 5%。碟簧的硬度应在HRC=4252 范围内；4.碟簧表面不得有毛刺、发裂、斑疤等缺陷，淬火后应清除氧化皮、盐浴痕迹及其他污物。级精度碟簧表面允许有微小的厚度公差范围以内的凹陷。5.所有碟簧应全部进行强压处理。处理方法为：一次持续压平，持续时间不小于 12 小时，短时压平，压平次数不少于 5 次。压平力不小于 的二倍。经强压处理后，0.75fhF自由高度应稳定。6.碟簧表面处理（如镀锌、镀镉、磷化）的要求，根据需要在产品图样或有关文件中注明。经电镀处理的碟簧必须进行去氢处理。2.5 拉杆的设计与计算2.5.1 标准钢球的选取根据中华人民共和国国家标准 GB308-2002，钢球的材料为高碳铬轴承钢，优先采用的钢球公称直径如下表 2-7 所示第 2 章 机械零件的设计与计算14表 2-7优先采用的钢球公称直径其技术要求为：1.材料及热处理钢球采用符合 GB/T18254-2000，GB/T18579-2001 规定的轴承钢制造，热处理质量应符合 JB/T1255 的规定。2.硬度及压碎载荷成品钢球硬度按表 2-8 的规定，其 3 mm50.8 mm。表 2-8成品钢球硬度四川理工学院毕业设计（论文）15钢球的压碎载荷值不应小于表 2-9，其中 3 mm50.8 mm。3.公差等级钢球按制造的尺寸公差、形状公差、规值及表面粗糙度可分成3，5，10，16，20，24，28，40，60，100，200 十一个等级，精度依次由高到低。4.几何形状和表面质量对每一个公差等级钢球几何形状和表面质量，规定有以下几方面：球直径变动差，见表 2-10球形误差，见表 2-10表面粗糙度，见表 2-10表 2-9钢球的最小压碎载荷值第 2 章 机械零件的设计与计算16表 2-10形状误差和表面粗糙度单位为微米。所以根据上述要求及结构要求预选其公称直径 Dw 为 10 mm。2.5.2 拉杆的尺寸确定从价格比及性能上可选取材料为 45 号优质碳素结构钢，则 b=600 Mpa，s=300 Mpa，=140 Mpa，由整个机构的工作原理可将拉杆的结构设计如下图所示：图 2-5 拉杆结构拉杆头部发大图如图 2-6四川理工学院毕业设计（论文）17图 2-6 拉杆头部放大图受力分析如下：松刀时，其中，F2F 弹F1危险截面 m-m 处受力最大、最危险，但是右端 BC 很短，即使在受压条件下也不能轻易被压弯，故此情况下不作为拉杆稳定性校核的依据。第 2 章 机械零件的设计与计算18拉刀时校核：1）刚度校核 将 D=25mm，d=12mm 代入得 A=0.000377776 m 2将 FN=8000N 代入得 =21.17MPa将数据 s=300 Mpa，s=1.8 代入得=167 Mpa因为 7活塞杆直径 （0.30.5）D （0.50.55）D （0.60.7）D 0.7D由上表可知 P1=2.6 5 Mpa，所以可初步确定两者关系为：活塞杆直径 d=0.52 D下图所示单杆活塞缸它的进、出口的布置视其安装方式而定，可以缸筒固定，也可以活塞杆固定，工作台的移动范围都是活塞（或缸筒）的有效行程的两倍。由工作原理知我们选择的安装方式为缸筒固定。（a） （b）图 2-11 单杆活塞缸简图（a）缸无杆腔进油 （b）缸有杆腔进油