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1、 120092009 屆畢業(yè)設計屆畢業(yè)設計自動換刀機械手的設計自動換刀機械手的設計姓姓 名：名： 指指 導導 教教 師：師： 院院 系：系： 專專 業(yè)：機械設計制造及其自動化業(yè)：機械設計制造及其自動化班班 級：級： 學學 制：制： 完完 成成 時時 間：間： 2 自動換刀機械手的設計自動換刀機械手的設計摘要加工中心在加工中用得很廣泛，加工中心利用刀庫實現(xiàn)換刀，這是目前加工中心大量使用的換刀方式。而自動換刀裝置是加工中心的重要組成部分之一，它的功能的好壞，關系到整個加工中心的功能。自動換刀裝置可分為五種基本形式，即轉塔式、 180 回轉式、回轉插人式、二軸轉動式和主軸直接式。刀庫換刀，按照換刀過

2、程有無機械手參與，分成有機械手換刀和無機械手換刀兩種情況。在有機械手換刀的過程中，使用一個機械手將加工完畢的刀具從主軸中拔出，與此同時，另一機械手將在刀庫中待命的刀具從刀庫拔出，然后兩者交換位置完成換刀過程無機械手換刀時，刀庫中刀具存放方向與主軸平行，刀具放在主軸可到達位置換刀時，主軸箱移到刀庫換刀位置上方，利用主軸 Z 向運動將加工用畢刀具插人刀庫中要求的空位處，然后刀庫中待換刀具轉到待命位置主軸 Z 向運動將待用刀具從刀庫中取出，并將刀具插人主軸。關鍵詞：加工中心 自動換刀裝置 刀庫 機械手 3AbstractabstractMachining center in the increasi

3、ngly 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 i

4、nto 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 ha

5、nds .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 bla

6、de 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 s

7、pace 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

8、目目 錄錄摘要.2前言.5第一章緒論.61.1 加工中心簡介.61.1.1加工中心的發(fā)展史 .61.1.2加工中心的優(yōu)點 .61.1.3加工中心的發(fā)展動向 .61.2 自動換刀裝置的簡介.71.2.1自動交換刀具的由來 .71.2.2自動換刀的形式 .71.2.3刀庫的功能和形式 .81.2.4刀套準停措施 .10第二章機械手的設計.122.1 機械手的原理 .122.2 設計方向.132.3 概要.142.3.1機械手的組成與分類 .142.3.2.機械手的手部 .142.4 機械手手部的設計 .152.5 機械手其它零件以及尺寸的確定.192.5.1.螺栓的確定 .192.5.2. 其它尺

9、寸的確定 .202.5.3 軸與機械手配合部分的直徑的確定.212.5.4 液壓泵的選擇.22第三章 驅動系統(tǒng)的設計.233.1 轉位機構的設計 .233.1.1機械手轉過 75 度的驅動機構 .243.1.2.機械手轉過 180 度的驅動機構 .283.2 驅動機構其它零件的設計.313.2.1.液壓缸的選擇 .313.3 軸的結構設計.323.3.1.擬定軸上零件的裝配方案 .323.3.2.確定軸的各段直徑與長度 .333.4 主軸的自動夾緊機構以及主軸準停裝置的設計.343.4.1主軸結構 .343.4.2刀具的自動夾緊機構 .343.4.3主軸準停裝置 .343.5 換刀裝置的液壓機

10、構分析.353.5.1液壓分析 .35 53.5.2換刀動作順序表 .37第四章PLC 控制分析 .39小結.43參考文獻.44附譯文.45 6前言前言加工中心的自動換刀裝置（機械手） ，是加工中心的重要組成部分之一，我做的這個畢業(yè)設計就是關于這方面的問題。我的設計任務是：對加工中心自動換刀機械手進行設計。它主要包括以下幾方面的內容：1. 機械部分的設計2. 液壓部分的設計3. 自動控制方面的設計（PLC） 這個自動換刀裝置是針對 JCS-018 的，通過對實驗室中這臺機床的研究以及查閱相關資料。在老師的指導下，我很快就有了一個明確的思路。我的思路如下：首先，對機械手部分進行設計，接下來是液壓

11、部分，最后是 PLC 方面。這個機械手只有 2 個方向的自由度，既：Z 軸方向的轉動一移動，通過這 2 個自由度，我可以完成整個換刀的操作。其中轉動是用來交換刀具的位置，進而為拔刀與插刀做準備。而移動是用來完成拔刀與插刀的動作的。就是說整個運動過程如下：機械手轉到指定的位置，然后在一系列的控制之下交換刀具以及插拔刀具。而我這個設計與實驗室中的那臺加工中心的自動換刀裝置有一些區(qū)別，就是實驗室中那臺加工中心的自動換刀裝置采用的是氣壓控制，而我在這個設計中采用的是液壓控制。 在我這個設計中，我遇到了一些問題，就是力不好確定，以及許多尺寸不容易準確的確定下來，我采用了一個很笨的方法，就是直接對 JCS

12、-01 那臺加工中心一些部件的尺寸進行直接的測量，才得出來，我所要的尺寸。通過這個設計中，我對自己的知識有了很明確的認識，看到了自己的許多缺點，對自己起到了一個查漏補缺的作用。 同時，我得到了程老師的很多指導，如果不是程老師的話，我根本不知道從那里入手。在做論文的過程中，我出了很多錯誤，因為這，得到及時的更正。謝謝老師。從這次做畢業(yè)設計中，我對 CAD 有了很大的認識，以后，我對再復雜的圖，都不會有恐懼感，在液壓方面也溫習了以前學到的知識。雖然這樣，我做的這個畢業(yè)設計，肯定還有很多的錯誤，希望老師們指正。 7第一章第一章 緒論緒論 1.1 加工中心簡介加工中心簡介1.1.1加工中心的發(fā)展史加工

13、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)第一臺上數控機床后，使多品種、中小批量的機械加工設備在柔性、自動化和效率上產生了巨大變革。它用易于修改的數控加工程序進行控制，因而比大批量生產中使用組合機床生產線的凸輪、開關控制的專用機床有更大的柔性，容易適應加工關鍵品種的變化，進行多品種加工。所謂加工中心，普遍上指在工件一次裝卡中，能夠實現(xiàn)自動銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等多工序的數控機床。更為明確的說法是：加工中心就是自動換刀數控鏜銑床。現(xiàn)代加工中心的內容包括：它是在數控鏜床或數控銑床的基礎上增加自動換刀裝置，可使工件在一次裝卡中，能夠自動更換刀具，自動完成工件上的

14、銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等工序的數控機床。加工中心上如果帶有自動分度回轉工作臺或自動轉角度的主軸箱，可使工件在一次裝卡中，自動完成多個平面和多個角度位置的多工序加工。加工中心上如果帶有交換工作臺，工件在工作位置的工作臺上進行加工的同時，另外的工件在裝卸為止的工作臺上進行裝卸，不影響加工的進行。1.1.2加工中心的優(yōu)點加工中心的優(yōu)點加工中心的優(yōu)點很多，主要有以下幾點： 提高加工質量 工件一次裝夾，即可實現(xiàn)多工序集中加工，大大減少多次裝夾所帶來的誤差。而且，由于是數控加工，較少依賴操作者的技術水平，可得到相當高的穩(wěn)定精度。 縮短加工準備時間 減少在制品減少刀具費用最少的直接勞務費最少的間接勞務

15、費 8設備利用率高 加工中心設備利用率為通用機床的幾倍。另外，由于工序集中，容易適應多品種、中小批量生產。1.1.3加工中心的發(fā)展動向加工中心的發(fā)展動向總的來說，加工中心是向高速化、進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，是指主軸轉速、進給速度、自動換刀和自動交換工作臺的高速化。2. 進一步提高精度加工中心的主要精度指標是它的運動精度指標。而運動精度主要以坐標定位精度、重復定位精度以及銑圓精度來表示。1.2 自動換刀裝置的簡介自動換刀裝置的簡介1.2.1自動交換刀具的由來自動交換刀具的由來自動交換刀具系統(tǒng)（Automatic Tool Changer 簡稱 ATC）系

16、統(tǒng)是由刀庫、機械手及相應的控制系統(tǒng)組成。具有鉆、鏜、銑功能的數控、銑床，一般刀具都安裝在機床的主軸上，工件安裝于工作臺上。為了使工序能夠高度集中，盡量節(jié)省輔助時間，于是在數控銑床上增加自動交換刀具系統(tǒng)（含刀庫、機械手及其控制）便形成了加工中心（MC） 。 初期曾采用轉塔頭式的換刀方式，它的電動機、變速箱、轉塔頭做成一體，結構緊湊：但變速箱工作時的振動和熱量都直接傳到轉塔上來，而且每把刀都需要一個主軸所以它的刀具數量、尺寸、結構都受到很多限制。采用單獨存儲刀具的刀庫，刀具數量可以增多，以滿足加工復雜零件的需要，這時的加工中心只需一個夾持刀具進行切削的主軸，所以制造難度也比轉塔刀架低。1.2.2自

17、動換刀的形式自動換刀的形式（1）無機械手的換刀方式2小型加工中心有采用無機械手換刀的方式，如圖 1-1。它的刀庫在立柱的正前方上部，刀庫中刀具的存放方向與主軸方向一致。換刀時主軸箱帶著主軸在立柱導軌上上升至換刀位置，主軸上的刀具正好進入刀庫的某一個刀具存放位置，隨即主軸內夾刀機構松開，主軸刀庫順著主軸方向向前移動，從主軸中拔出刀具，然后刀庫回轉，將下一步所需的刀具轉到與主軸對齊的位置；刀庫退回，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。這種自動換刀系統(tǒng)，刀庫整體前后移動不僅刀具數量少，而且刀具尺寸也較小。這種刀庫旋轉是在工步之間進行的，即旋轉所需的輔助時間與加工時間不重合。（

18、2）機械手的換刀方式 9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械手、回轉式單臂雙手機械手、雙手式機械手、多手式機械手四類。 單臂單手式機械手包括機械手只作往復直線運動的機械手和只作往復擺動的機械手。前者用于刀具主軸與刀庫刀座的軸線平行的場合。它的特點是機械手的插、拔刀運動和傳遞刀具的運動都是直線運動，因而無回轉運動所產生的離心力，所以機械手的握刀部分可以比較簡單，只需兩個彈簧卡銷卡住刀柄。而后者，如果是機械手擺動軸線與刀具主軸平行，它主要用于刀庫換刀位置的刀座的軸線與主軸軸線相平行的場合。如果是機械手擺動軸線與刀具主軸垂直，它用于刀庫換刀位置的刀座和軸線相垂直的場合。

19、總之，這種單臂單手式機械手結構簡單。在轉塔頭帶刀庫的換刀系統(tǒng)中，不與主軸的換刀時間重合，故可用這類機械手。它也可在刀庫與主軸頭上的換刀機械手之間傳遞刀具。但是，這類機械手換刀動作均需順序進行，時間不能重合，從而換刀時間較長。 圖 1-1 無機械手的換刀順序 回轉式單臂雙手式機械手包括兩手部成 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。這類機械手可以同時抓住和拔、插位于主軸和刀庫里的刀具，與單臂單手式機械手相比，可以縮 10短換刀時間。 雙手式機械手可分為機械化只作往復直線運動的機械手和有回轉運動的機械手兩大類。前者包括雙手平行式和雙

20、手交叉式，這種機械手適用于容量較大的、距主軸較遠的，特別是分置式的刀庫的換刀。機械手有回轉運動的，在主軸處換刀時轉角為 180 ，可用于刀庫距主軸較遠者；在主軸處換刀時轉角為 90 ，適用于刀庫距主軸較近者；在主軸處換刀時轉角G (2-3)即：NG/u=7*9.8/0.12=572N從上式我們可以得到活動銷對刀具的壓力大于 572 牛又由于活動銷對刀具的力是由于彈簧壓縮所產生的，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 19取 k=21N/mm4.活動銷的選取與驗證由于活動銷承受的壓力較大

21、，所以選用 45 鋼（調質）活動銷的受力圖如下如圖：N是刀具對活動銷的支撐反力N=P=kx=21N/mm*28.5mm=598.5Nf是由于摩擦的結果 是由于活動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=70.14NF為彈簧對活動銷的作用力F=-kx=598.5NF1 是由固定活動銷的外壁產生的，用來限制活動銷向下的運動、向上的運動、轉動等 5 個自由度的。由于這個物體（活動銷）在力的作用下平衡，根據力的作用力與反作用原理，可得： F=NF1=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 X 軸方向

22、，活動銷受到 F與 N這對力的同時作用所以產生的內部應力為 AFn所以 nFA (2-5)確定上式中各個參數值：1） 由于材料為 45 鋼 ，所一許用應力為 58Mpa2） Fn=N=f=598.5N所以（2-5）式中 nFA 又因為 （2-6） 42dA 20所以 （2-7） 24dFAFNN即： mmFdN63. 3101 .135814. 35 .598443所以取 d=12mm又由于活動銷還受到剪的作用，所以： bsbsbsAF（2-8）由（6） （8）二式我們可以得到如下的公式： bsbsFd4（2-9）確定上式中的各個參數值：1） 45 鋼的許用剪應力為Mpabs602） 剪切力

23、Fbs=f=598.5N所以（9）式可以計算為：3.56mm （2-10） MpaFdbsbs605 .59844由（7）與（10）得到的 d 綜合得 取 d=12mm下面來確定銷的長度 由于在 F1 和 f的作用下會產生一個力距 M大小為 M=F1L （2-11） 上式中的 L 為活動銷的長度在 M 的作用下活動銷要彎曲，在它的 2 個端點彎距最大為 M=F1L所以彎曲應力為 （2-12） WM上式中 W 為抗彎截面系數由于截面為圓形所以 W=322/64/2/34dhddIz 21所以 （2-13） 333232dMdMWM由于 45 鋼的彎曲應力為 40Mpa所以 （2-14） WM即M

24、paldMWM40012. 014.70323233所以,由上式得145mml根據銷的系列與上式所計算的長度，取 l=112mm所以活動銷就確定了為5鎖緊銷的選取與驗證 由于鎖緊銷的要求沒有活動銷高，聯(lián)想到它的使用狀況，所以選用 20 鋼它的剪應力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 根據銷的系列選取長度為 40mm 的銷所以銷的類別為 7*40 2.5 機械手其它零件以及尺寸的確定機械手其它零件以及尺寸的確定 2.5

25、.1.螺栓的確定螺栓的確定機械手的手部是通過螺栓連接在手腕上面的，又因為手部與手腕的結合要能精 22確的固定相對位置，所以選用普通螺栓來連接。我這里采用了 3 螺栓組成螺栓組來連接的現(xiàn)在對這 3 螺栓進行受力分析這 3 個螺栓同時受到力 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螺栓的受力分別為F=NNF5 .19935 .598311）下面我對其中的一個螺栓進行驗證 （2-18） fziFkFFkziFfss000上式中F 為接合面的摩擦系數i 為接合面數 ，這里接合面數為 2，所以 i=2為防滑系數 -1.3，這里取=1.2sk1 . 1sksk由于接觸

26、表面的表面狀況為干燥的表面，所以取 f=0.1所以（18）式可以如下計算 NfziFkFs5 .997212. 02 . 15 .1990又因為螺栓危險截面的拉伸條件公式： （2-19） 43 . 143 . 1020FddFca由于螺栓的材料為中碳鋼，所以 它的許用拉伸應=43Mpa 所以（19）式可以如下計算：=6.2mm mmFd4 .384314. 345 .9973 . 143 . 10由于我只是大概的計算，所以實際取螺栓值的時候取大一點我們取 d=14mm所以采用 M14 這種螺栓關于螺栓的排布，我采用如下的方式： 23圖 2-2 螺栓的排列下面，我們來確定這些螺栓在機械手中的位置

27、右邊第一個螺栓它離下底面的距離為 到右端面的距離301y101x右邊第二個螺栓它離下底面的距離為 到右端面的距離102y302x右邊第三個螺栓它離下底面的距離為 到右端面的距離103y553x2.5.2. 其它尺寸的確定其它尺寸的確定 機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，它的整個長度為 640mm 其中機械手中心到手腕外的距離為 259mm，2.5.3 軸與機械手配合部分的直徑的確定軸與機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）按扭轉強度來計算軸徑在軸的結構設計時，通常用下面的這個公式來初步估算軸徑 TTTd

28、npWT32 . 0955000(2-20)上式中為扭轉切應力，單位為 MpaT T 為軸所承受的扭距，單位為 N.mm 為軸的抗扭截面系數,單位為TW3mm P 為軸所傳遞的功 單位為 kW D 為計算截面處的直徑 ,單位為 mm為許用扭轉應力,單位為 Mpa T 24由上式可以得到軸的直徑為: 303332 . 095500002 . 09550000nPAnPnpdTT(2-21)確定上式的值:(1) 確定0A查表得=126-103,這里取=1100A0A(2) 確定轉速 n因為在 MV-810/A 中,換刀時間為 2.5s,整個過程有 10 個動作,按每個動作的時間相等來計算所以每個動

29、作的時間s25. 0105 . 210Tt 而機械手在交換刀具的時候轉過 180 度的時間也為 0.25s,所以在這個時候,它的轉速最大,我們只要用最大轉速去計算軸徑就好了 因為軸轉過 180 度的時間為 0.25s,所以轉過一 周所用的時間為 0.5s所轉速就為min/120605 . 01rn(3) P 的確定由于所產生的功主要是用來使機械手轉動在轉 180 度的時候 p 最大,p=M其中 M=FL我們取 F 的最大值為 598.5N,而 L 的值我們在前面已經確定了為 320mm所以M=FL=598.5NmNmm.5 .192320而 rad/s4所以 p=M=192.5kww42. 2

30、8 .24174所以(21)式可以表示為: mmnPAnPnpdTT5 .2725. 01100187. 011012024. 21102 . 095500002 . 095500003330333 25我們取 d=30mm 根據花鍵系列選擇：d=28mm關于軸與機械手的連接:軸與機械手連接采用花鍵2.5.42.5.4 液壓泵的選擇液壓泵的選擇根據實踐，主軸夾緊松開所用的液壓缸所需的流量最大，因此，這里只需計算主軸夾緊松開的液壓缸的流量即可。主軸夾緊松開6：自動換刀裝置的整個換刀過程所需的時間,共有 10 個動作，st5 . 2則每個動作的時間平均為=tst25. 010210即主軸松開刀具的

31、時間為 0.25查手冊得每個碟形彈簧厚度，自由高度 H=9 . 0m310m3106 . 1根據設計共有 22 個彈簧組成每個蝶形彈簧的極限行程0h3107 . 0m則一組蝶形彈簧的極限行程為22107 . 03hm3104 .15速度)/(1016. 625. 0104 .1525. 023smhv（1）拉釘松開刀具：進油口油腔的面積：S =1)(422dD )031. 0125. 0(422)(105 .1123m油缸的容積效率97. 0v98. 099. 0則此時液壓缸的流量為VvSq114321012. 798. 0105 .111016. 6)/(3sm（2）拉釘夾緊刀具：進油口油腔

32、的面積：)(1027.12125. 04423222mDS則此時液壓缸的流量為)/(1066. 798. 01027.121016. 6343222smvSqv比較（1） 、 （2）兩者的計算結果，取smq/108 . 033齒輪液壓泵的容積效率，總效率9 . 07 . 0v85. 07 . 0 26刀盤的轉速為min)/(3 .1646750rinn電螺桿液壓泵的排量vBqnQ310)/(7 . 09 . 0603 .16108 . 033sm第三章第三章 驅動系統(tǒng)的設計驅動系統(tǒng)的設計3.13.1 轉位機構的設計轉位機構的設計在整個運動的過程中,轉位有 3 次,第一是機械手轉過 75 度,第

33、二次是機械手轉過180 度,第三次是機械手反向到原來的位置.這些轉位機構主要是由齒輪齒條機構來實現(xiàn)的,它們的動力源來自于液壓缸,對液壓港通入一定的壓力油,使活塞向預定的方向運動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現(xiàn)不同角度的轉動了。3.1.1機械手轉過機械手轉過 75 度的驅動機構度的驅動機構 這個機構由一般個液壓缸、齒輪條、齒輪以及連接盤、連桿組成的，當發(fā)出機械手抓刀的信號時，液壓缸的后腔就通入壓力油，活塞桿推動著齒輪條向前移動，使得齒輪轉動，齒輪轉動的時候，帶動連接盤與連桿轉動，而連桿通過花鍵連在機械手上，所以當活塞通入壓力油的時候，機械手就相應的轉動。1）下面我們首

34、先來選擇與計算液壓缸 由于機械手的整個換刀時間為 2.5s 整個過程有 10 個動作,按每個動作的時間相等來計算所以每個動作的時間s25. 0105 . 210Tt即：機械手轉過 75 度的時間為 0.25s取齒輪的齒數為 60，模數為 1.5，材料為 60Cr,那么齒輪的分度圓直徑為d=mz=60mm905 . 1齒輪的分度圓周長為 27S=mmd6 .2829014. 3所以齒輪轉過 75 度走過的距離L=mmmms875.586 .28236075360750000因為齒輪齒條是配合的所以齒輪條在這個運動中也走過 58.875mm活塞桿的速度為smts/236. 025. 0875.58

35、設液壓缸的溶積效魚為，這里取99. 097. 098. 0設液壓缸的額定流量為 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因為 q=0.8m/s310所以（24）可以如下計算29. 5108 . 029. 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.確定齒輪齒條機構其它尺寸 首先確定齒寬系數d 由于齒輪的二支承相對齒輪做對稱布置，所以取=1。d 由于 *aaamhmzhmzd（2-25）由于我都采用的是標準直齒輪（壓力角為 20 度）

36、所以1*ah所以 28 =90+2*22aaamhmzhmzdmm935 . 1因為所以齒輪做成實心mmda160由于這個齒輪通過連桿與連接盤來傳遞運動的，所以齒輪做成如下的結構： 圖 3-1 大齒輪的結構其中取 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滑槽中，滑槽的結構如下：L1=10 L2=20 H=8 L=80圖 3-2 固定與大齒輪配對的齒輪條的滑槽齒輪的齒距（分度圓） mmmp71. 45 . 114. 3由于齒輪與齒輪條是配合一起運動的所以齒輪的齒距（分度圓）就是齒輪條的齒距（分度圓）即：mmpp71

37、. 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 29 5 .1271. 4875.58plz因為要留一些距離，還有齒輪與齒輪條的齒輪數互為質數，所以取齒輪條的齒輪數為 z=15。3與齒輪齒條一起運動的零件以及尺寸的確定1）連接盤的尺寸的確定D1=50mmD2=70mmD3=90mmD4=130mmL1=20mmL2=40mmL3=61mmL4=11mmd=6mm連接盤是空套在齒輪上面的，2）傳動盤以及尺寸的確定D1=40mmD2=60mmD3=70mmL1=10mmL2=30mm孔的直徑 d1=6mm 30圖 3-4 傳動盤3) 把傳動盤與連桿（軸）連接起來的花鍵的確

38、定D1=40mmD2=26mmH=10mm圖 3-5 花鍵3.1.2.機械手轉過機械手轉過 180 度的驅動機構度的驅動機構 這個機構由一般個液壓缸、齒輪條、齒輪以及連桿組成的，當發(fā)出機械手交換刀具的信號時，液壓缸的后腔就通入壓力油，活塞桿推動著齒輪條向前移動，使得齒輪轉動，齒輪轉動的時候，帶動連桿轉動，而連桿通過花鍵連在機械手上，所以當活塞通入壓力油的時候，機械手就相應的轉動。1）下面我們首先來選擇與計算液壓缸 由于機械手的整個換刀時間為 2.5s 整個過程有 10 個動作,按每個動作的時間相等來計算所以每個動作的時間s25. 0105 . 210Tt即：機械手轉過 180 間為 0.25s

39、取齒輪的齒數為 48,模數為 1.5，材料為 60Cr,那么齒輪的分度員直徑為d=mz=mm725 . 148齒輪的分度圓周長為S=mmd08.22697214. 3所以齒輪轉過 180 度所走的距離L=mmmms04.1138 .2263601803601800000因為齒輪齒條是配合的所以齒輪條在這個運動中也走過 113.04mm活塞桿的速度為smts/452. 025. 004.113設液壓缸的溶積效魚為，這里取99. 097. 098. 0 31設液壓缸的額定流量為 q所以 qA（2-26）又 42dA（2-27）由上 2 式可以得到 qqqd76. 2452. 014. 398. 0

40、44（2-28）因為 q=0.8m/s310所以（28）式如下計算mqd002208. 0108 . 076. 276. 23 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.確定齒輪齒條機構其它尺寸 首先確定齒寬系數d 由于齒輪的二支承相對齒輪做對稱布置，所以取=1。d 由于 *aaamhmzhmzd（2-25）由于我都采用的是標準直齒輪（壓力角為 20 度） 所以1*ah所以 =72+*aaamhmzhmzdmm5 .7315 . 1因為所以齒輪做成實心mmda160由于這個齒輪通過連桿與連接盤來傳遞運動的，所以齒輪做成如下的結構： 32圖 3-6

41、 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滑槽中，滑槽的結構如下： h1=10 L1=20 L2=40 L3=80 L4=125 L5=20圖 3-7 固定與小齒輪一起配對的齒輪條齒輪的齒距（分度圓） mmmp71. 45 . 114. 3由于齒輪與齒輪條是配合一起運動的 33所以齒輪的齒距（分度圓）就是齒輪條的齒距（分度圓）即：mmpp71. 4齒輪齒條由于液壓缸的行程 l=112.04mm，所以齒輪條的齒數 2471. 404.112plz因為要留一些距離，還有齒輪與齒輪條的齒輪數互為質數，所以取齒輪條

42、的齒輪數為 z=273.23.2 驅動機構其它零件的設計驅動機構其它零件的設計 在前 2 節(jié)中，已經對轉位機構做了設計，但是要完成整個運動還需要插拔刀具的運動，這就需要設計一個機構來完成插拔刀具的功能。 在這個機械手中，只要給機械手一個 z 軸方向的運動即可。由于機械手的的初使位置與在夾刀具的位置有些不同，這就需要使機械手從初使位置運動到夾刀具的位置，在 z 軸方向的距離為 100mm。為了完成這個動作，我選用了一個液壓缸來實現(xiàn)。原理如下：當需要夾刀具的時候，液壓缸的下腔通入壓力油，使液壓缸的活塞向上運動，把機械手帶到夾刀具與拔刀具的位置，完成這個動作以后，就要拔刀具了，這個時候液壓缸的上腔通

43、入壓力油，使得活塞向下運動。只要選擇合適的液壓缸的行程就可以達到預定的位置。 34 3.2.1.3.2.1.液壓缸的選擇液壓缸的選擇由于機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，而這個距離，在運動中是依靠液壓缸的，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。mm303.液壓缸以及連接零件尺寸的確定L1=30mmL2=50mmL3=60L4=95D1=30mmD2=40mmS1=25mmS2=10mmS3=5mm圖 3-8 與大液壓缸連接的部分機械結構3.33.3 軸的結構設計軸的結構設計 在前面的章節(jié)中

44、，已經初選定了軸的最小直徑，它為 d=28mm，且軸的材料也已經選定了為 45 鋼，選擇 45 鋼的理由：碳鋼相對與合金鋼來說價格便宜，對應力集中的敏感性較低，同時也可以用熱處理或化學熱處理來提高其耐磨性和抗疲勞強度。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。 35 下面我們就來對軸做一些結構設計3.3.1.3.3.1.擬定軸上零件的裝配方案擬定軸上零件的裝配方案本設計中按照下面的方案來裝配圖 3-9 軸上零件的裝配方案3.3.2.確定軸的各段直徑與長度確定軸的各段直徑與長度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，由于齒輪的長為 80

45、mm，還加上這個結構，齒輪不是空套在軸上的，mmdII30而是通過連接盤、傳動盤來把運動傳遞給軸的，所以，段接連接盤與mml6311III傳動盤，長度為，段的下面由于是靠花鍵定位，所以不需要在軸上做mmlIII38III一些處理。而。因為 VII 端是與小齒輪相連接的，它的上,146mmlIVmmdIV30面 VI 端采用軸肩定位，所以，。而小齒輪是空套在軸上面的，mmdVI46mmlVI10所以與小齒輪空套的軸的直徑為，另外我取，mmdVII30mmlVII82mmlIX158。mmdIx302） 初選滾動軸承 因為軸同時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，并根據由軸

46、承產品目錄中初步選取 0 基本游隙組、標準精度級的角接觸球軸承,30mmdIX70306C。所以軸的總長為 36 mmllllllllIXVIIVIIVIIIIII4881215882101463863總 3） 確定軸上圓角與倒角尺寸 取軸端的倒角尺寸為 2 ，各軸肩的圓角尺寸為 R0.5度45對于軸的校核，我就不做說明了。軸的工作圖如下：C21.61.61.6A-ABC488C2A圖 3-10 軸的結構圖3.43.4 主軸的自動夾緊機構以及主軸準停裝置的設計主軸的自動夾緊機構以及主軸準停裝置的設計3.4.1主軸結構主軸結構主軸的前支承配置了三個高精度的角接觸球軸承，用以承受徑向載荷和軸向載荷

47、，前兩個軸承大口朝下，后面一個軸承大口朝上。前支承按預加載荷計算的預緊量由螺母來調整。后支承為一對小口相對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，能滿足主軸高轉速和承受較大軸向在乎的要求，主軸受熱變形向后伸長，不影響加工精度。3.4.2刀具的自動夾緊機構刀具的自動夾緊機構主軸內部和后端安裝的是刀具自動夾緊機構。它主要由拉桿、拉桿端部的四個鋼球、蝶形彈簧、活塞、液壓缸等組成。機床執(zhí)行換刀指令，機械手要從主軸拔刀時，主軸需松開刀具。這時液壓缸上腔通壓力油，活塞推動拉桿向下移動，使碟形彈簧壓縮，鋼球進入主軸錐孔上端的糟內、刀柄尾部的拉釘（拉緊刀

48、具用）被松開，機械手即可拔刀。之后，壓縮空氣進入活塞和拉桿的中孔，吹凈主軸錐孔，為裝入新刀具做好準備。當機械手將下一把刀具插入主軸后，液壓缸上腔無油壓，在碟形彈簧和彈簧的恢復力作用下，使拉桿、鋼球和活塞退回到圖示的位置，即碟形彈簧通過拉桿和鋼球拉緊刀柄尾部的拉釘，使刀具被夾緊。 373.4.3主軸準停裝置主軸準停裝置機床的切削扭矩由主軸上的端面鍵來傳遞，每次機械手自動裝取刀具時，必須保證刀柄上的鍵糟對準主軸的端面鍵，這就要求主軸具有準確定位的功能。為滿足主軸這一功能而設計的正好子稱為主軸準停裝置或稱為主軸定向裝置。本機床采用的是電氣式主軸準停裝置，即用磁力傳感器檢測定向。如圖 2-7 所示，主

49、軸 8 的尾部安裝有發(fā)磁體 9，它隨主軸轉動，在距發(fā)磁體外緣 1-2mm 處，固定了一個磁傳感器 10，它經過放大器 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)，當發(fā)磁體的上判別孔轉到對準磁傳感器上的基準糟時，主軸立即停止。 圖 3-11 主軸準停裝置的原理圖圖中 5 為電動機與主軸之間的同步齒形帶，4 為主軸電動機，2 為強電時序電路，7 為主軸端面鍵，6 是位置控制回路，12 是定向電路。3.53.5 換刀裝置的液壓機構分析換刀裝置的液壓機構分析3.5.13.5.1液壓分析液壓分析如圖 3-3 所示，液壓缸 1 是實現(xiàn)機械手的正反轉 75運動，液壓缸 2

50、 是實現(xiàn)機械手正反轉 180運動，液壓缸 3 是實現(xiàn)機械手拔刀、插刀運動，液壓缸 4 是實現(xiàn)主軸的夾緊、松開動作。這里活塞桿活動，液壓缸固定。 38當行程開關 10 發(fā)出抓刀信號后，機械手要順時針轉動 75，這時，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)，經過單向閥，受溢流閥 1 調壓后，經調速閥 1 調速，由三位四通閥 1 傳到液壓缸 1 的上腔，推動活塞桿下移，油從下腔流回油缸，實現(xiàn)了機械手正轉 75的動作。當機械手順時針轉過 75 后，行程開關 2 發(fā)出信號，刀柄尾部的拉釘要松開刀具，這時電磁鐵 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

51、發(fā)，經過單向閥，受溢流閥 2 調壓后，經調速閥 4 傳到液壓缸 4 的上腔，推動活塞桿下移，油從下腔流回油缸，實現(xiàn)了主軸的松開動作。當主軸松開刀具后，行程開關 8 發(fā)出信號，這時電磁鐵 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)，經過單向閥，受溢流閥 1 調壓后，經調速閥 3 傳到液壓缸 3 的上腔，推動活塞桿下移，油從下腔流回油缸，這個動作使得機械手實現(xiàn)拔刀動作。當機械手拔出刀后，行程開關 6 發(fā)出信號，機械手要帶著刀具轉過 180，這時電磁鐵 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)，經過單向閥，受溢流閥 1 調壓后，經調速閥

52、 2 傳到液壓缸 2 的上腔，推動活塞桿下移，油從下腔流回油缸，這樣就實現(xiàn)了機械 正轉 180的動作。當機械手轉過 180 后，行程開關 4 發(fā)出信號，機械手要進行插刀動作，這時電磁鐵 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)，經過單向閥，受溢流閥 1 調壓后，經調速閥 3 傳到液壓缸 3 的下腔，推動活塞桿上移，油從上腔流回油缸，這時完成了機械手的插刀動作。當插刀動作完成后，行程開關 5 發(fā)出信號，刀柄底部的拉釘要夾緊換好的刀具。這時電磁鐵 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)，經過單向閥，受溢流閥 2 調壓后，經調速閥

53、 4 傳到液壓缸 4 的下腔，推動活塞桿上移，油從上腔流回油缸，這樣就實現(xiàn)了主軸的夾緊動作。主軸夾緊刀具，位置開關 7 發(fā)出信號，這時電磁鐵 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)，經過單向閥，受溢流閥 1 調壓后，經調速閥 2 傳到液壓缸 2 的下腔，推動活塞桿上移，油從上腔流回油缸，此時機械手完成了轉 180 的動作。機械手轉過 180 后，位置開關 3 發(fā)出信號，這時電磁鐵 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)，經過單向閥，受溢流閥 1 調壓后，經調速閥 1 傳到液壓缸 1 的下腔，推動活塞桿上移，油從上腔流回油缸，機

54、械手反轉 75 ，回到原位。這樣就完成了整個液壓控制過程。 39圖 3-12 液壓系統(tǒng)圖3.5.23.5.2換刀動作順序表換刀動作順序表表 3-1 為換刀動作順序表，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。 “+”表示電磁鐵接通或壓下行程開關。空格表示電磁鐵斷開或未壓下行程開關。表表 3-1SSSSSSSSSSSSSSSS 40DL1DL2DL3DL4DL5DL6DL7DL8Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8刀套下轉90+機械手轉75（順時針）+刀具松開+

55、機械手拔刀+交換刀具位置+機+ 41械手插刀刀具夾緊+機械手轉180+機械手反轉75+ 42第四章第四章 PLC 控制分析控制分析PC 實質上是一種工業(yè)控制用的專用計算機，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、I/O 擴展機及外部設備組成，主機和擴展機內部由運算器、控制器、存儲器、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。根據第三章的換刀動作分析和液壓系統(tǒng)分析，得到自動換刀裝置的 PLC 端口圖如 4-1 所示。左邊部分為輸入信號，右邊為輸出信號。刀庫行程開關21機械手行程開關13機械手行程開關7刀庫行程開關22機械手行程開關1主軸發(fā)磁體2機械手行程開關9

56、機械手行程開關3機械手行程開關14 主軸發(fā)磁體1主軸停轉信號換刀信號機械手液壓缸SDL-2右行電磁閥刀庫氣缸下行電磁閥主軸電機刀庫斷電開關刀庫汽缸上行電磁閥機械手液壓缸SDL-1左行電磁閥主軸液壓缸SDL-7下行電磁閥機械手液壓缸SDL-5下行電磁閥機械手液壓缸SDL-3左行電磁閥主軸液壓缸SDL-8上行電磁閥機械手液壓缸SDL-6上行電磁閥機械手液壓缸SDL-4右行電磁閥 圖 4-1 端口連接圖 432. 由端口圖及換刀動作可編制梯形圖 4-2 如下： 刀套下轉90 機械手下轉75 主軸松開刀具 機械手拔刀機械手正轉180 機械手插刀 主軸夾緊 機械手反轉75 機械手反轉180 刀套上轉90

57、 主軸開始運作 刀庫停止運作 圖 4-2 PLC 梯形圖從上面的梯形圖可編得如下程序：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 100

58、521 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 100

59、945 AND 100746 OUT 201047 LD 101048 OUT 2011 46小結小結 大學四年就過去了，雖然依依不舍，但還是要離開。畢業(yè)設計是大學最后一次練兵，也是與老師們接觸的不多機會。現(xiàn)在畢業(yè)設計已經完成。從中我學到了很多，從材料力學到機械設計，從液壓到 PLC，自己的能力有了一個很大的提高。我認識了自己的很多不足之處，也對自己學習過的知識溫習了一遍。我這次做的題目是自動換刀機械手的設計，選擇的是對加工中心的自動換刀裝置進行設計。我做的主要工作有：查閱相關資料、對正文部分機械手以及它的驅動控制系統(tǒng)進行設計。在驅動部分的設計時候，我遇到一些問題，不知道選用什么樣的機構來使機

60、械手轉過一定的角度，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的齒輪機構就 可以實現(xiàn)轉位。以前我對 CAD 畫復雜的圖有一定的恐懼感，通過這次設計我已經克服了。我的指導老師是程俊蘭老師。在這里，我對程老師多次對我的教誨表示非常的感謝！同時對以前教誨我的老師也要說聲謝謝！感謝你們的教誨。 47參考文獻1 廉元國，張永洪編著 . 加工中心設計與應用 . 北京：機械工業(yè)出版社，19952 杜君文主編 . 機械制造技術裝備及設計 . 天津：天津大學出版社，1998.83 徐灝主編 . 機械設計手冊（第三卷） . 北京：機械工業(yè)出版社，1991.94 徐灝主編 . 機械設計手

61、冊（第四卷） . 北京：機械工業(yè)出版社，1991.95 董獻坤主編 . 數控機床結構與編程 . 北京：機械工業(yè)出版社，1997.86 許福鈴， 陳堯明等主編 . 液壓與氣壓傳動 . 北京：機械工業(yè)出版社，2000.57 機械設計手冊聯(lián)合編寫組編 . 機械設計手冊.下冊 . 北京：石油化學工業(yè)出版社，1978.98 楊長能，張興毅編著 . 可編程序控制器（PC）基礎及應用 . 重慶：重慶大學出版社，1993.19 濮良貴，紀名剛主編 . 機械設計 . 北京：高等教育出版社，200110 汪曉光、孫曉英等編著 . 可編程控制器原理及應用 . 北京： 機械工業(yè)出版社，2001.811 章宏甲、黃誼、王積偉編著 . 液壓與氣壓傳動 . 北京：機械工業(yè)出版社，199812 杜君文主編. 機械制造技術裝備及設計. 天津：天津大學出版社，199813王知行、劉適茸主編. 機械原理 .北京：高等教育出版社 199914劉鴻文主編. 材料力學.第四版. 北京：高等教育出版社 200415馮之敬主編. 機械制造工程原理 北京：清華大學出版社 199816羅學科 謝富春 .數控原理與數控機床. 北京：化學工業(yè)出版社 2000 48