12009 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)自動(dòng)換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)姓 名： 指 導(dǎo) 教 師： 院 系： 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班 級(jí)： 學(xué) 制： 完 成 時(shí) 間： 2自動(dòng)換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)摘要加工中心在加工中用得很廣泛，加工中心利用刀庫(kù)實(shí)現(xiàn)換刀，這是目前加工中心大量使用的換刀方式。而自動(dòng)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(guān)系到整個(gè)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)插人式、二軸轉(zhuǎn)動(dòng)式和主軸直接式。刀庫(kù)換刀，按照換刀過程有無機(jī)械手參與，分成有機(jī)械手換刀和無機(jī)械手換刀兩種情況。在有機(jī)械手換刀的過程中，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．完成換刀過程．無機(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] ：加工中心 自動(dòng)換刀裝置 刀庫(kù) 機(jī)械手 3Abstract[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 manipulator4目 錄摘要 2前言 5第一章 緒論 .61.1 加工中心簡(jiǎn)介 61.1.1 加工中心的發(fā)展史 .61.1.2 加工中心的優(yōu)點(diǎn) .61.1.3 加工中心的發(fā)展動(dòng)向 .61.2 自動(dòng)換刀裝置的簡(jiǎn)介 71.2.1 自動(dòng)交換刀具的由來 .71.2.2 自動(dòng)換刀的形式 .71.2.3 刀庫(kù)的功能和形式 .81.2.4 刀套準(zhǔn)停措施 10第二章 機(jī)械手的設(shè)計(jì) 122.1 機(jī)械手的原理 122.2 設(shè)計(jì)方向 .132.3 概要 .142.3.1．機(jī)械手的組成與分類 142.3.2.機(jī)械手的手部 .142.4 機(jī)械手手部的設(shè)計(jì) .152.5 機(jī)械手其它零件以及尺寸的確定 .192.5.1.螺栓的確定 .192.5.2. 其它尺寸的確定 202.5.3 軸與機(jī)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 233.1 轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 233.1.1．機(jī)械手轉(zhuǎn)過 75 度的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) .243.1.2.機(jī)械手轉(zhuǎn)過 180 度的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) .283.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)其它零件的設(shè)計(jì) 313.2.1.液壓缸的選擇 .313.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .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(zhǎng)度 .333.4 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) 343.4.1 主軸結(jié)構(gòu) 343.4.2 刀具的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu) 343.4.3 主軸準(zhǔn)停裝置 343.5 換刀裝置的液壓機(jī)構(gòu)分析 353.5.1 液壓分析 3553.5.2 換刀動(dòng)作順序表 37第四章 PLC 控制分析 39小結(jié) .43參考文獻(xiàn) .44附譯文 .456前言加工中心的自動(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)于這方面的問題。我的設(shè)計(jì)任務(wù)是：對(duì)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)是用來完成拔刀與插刀的動(dòng)作的。就是說整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程如下：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，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，我所要的尺寸。通過這個(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。7第一章 緒論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。更為明確的說法是：加工中心就是自動(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床?，F(xiàn)代加工中心的內(nèi)容包括：①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。②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。③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)：① 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。② 縮短加工準(zhǔn)備時(shí)間 ③減少在制品④減少刀具費(fèi)用⑤最少的直接勞務(wù)費(fèi)⑥最少的間接勞務(wù)費(fèi)8⑦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)。1.1.3 加工中心的發(fā)展動(dòng)向總的來說，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，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）無機(jī)械手的換刀方式 [2]小型加工中心有采用無機(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(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。① 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)。圖 1-1 無機(jī)械手的換刀順序②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10短換刀時(shí)間。③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/mm19取 k=21N/mm4.活動(dòng)銷的選取與驗(yàn)證由于活動(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=598.5Nf’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=70.14NF’為彈簧對(duì)活動(dòng)銷的作用力F’=-kx=598.5NF1 是由固定活動(dòng)銷的外壁產(chǎn)生的，用來限制活動(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 n?(2-5)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 58Mpa2） Fn=N’=f’=598.5N所以（2-5 ）式中???nFA?又因?yàn)? （2-6） 42d??20所以 （2-7） ???????24dFAN即： ??mdN 63.10.3581.39????????所以取 d=12mm又由于活動(dòng)銷還受到剪的作用，所以：??bsbsAF??（2-8）由（6） （8）二式我們可以得到如下的公式：??bsd??4?（2-9）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??21所以 （2-13） 32dMW???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） 42d??（2-17） ??bss??由（15） （16） （17）式可以得到?? mFdbs 12.38102.38014.594????????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22確的固定相對(duì)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(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 ss????00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 5.9721.050????又因?yàn)槁菟ㄎｋU(xiǎn)截面的拉伸條件公式：（2-19） ????????????43.43. 020Fdca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：23圖 2-2 螺栓的排列下面，我們來確定這些螺栓在機(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301?y10?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3y5x2.5.2. 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)度來計(jì)算軸徑在軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通常用下面的這個(gè)公式來初步估算軸徑??TTdnpW?????32.095(2-20)上式中 為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)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(shù),單位為 3mP 為軸所傳遞的功 單位為 kWD 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 Mpa??T?24由上式可以得到軸的直徑為:????303332.0952.095nPAnpdTT?????(2-21)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)過程有 10 個(gè)動(dòng)作,按每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間相等來計(jì)算所以每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間 s25.01?Tt而機(jī)械手在交換刀具的時(shí)候轉(zhuǎn)過 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 180 度的時(shí)間為 0.25s,所以轉(zhuǎn)過一 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)生的功主要是用來使機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)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/s??4?所以 p=M =192.5 kw4.8.74?所以(21)式可以表示為 :????mnPAnPpdTT5.27018.1204.95.0953333???????25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 [6]：自動(dòng)換刀裝置的整個(gè)換刀過程所需的時(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.m3??m3106.??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.?則一組蝶形彈簧的極限行程為 20.???3104.5?速度 )/(16.25.014. 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 ~97.0?v?98.0?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： )(102.5.042322 mDS??????則此時(shí)液壓缸的流量為 )/(106.798.16342 svq ????比較（1） 、 （2）兩者的計(jì)算結(jié)果，取 sq/03???齒輪液壓泵的容積效率 ，總效率.0~7?v 5.~7?26刀盤的轉(zhuǎn)速為 min)/(3.164750rin?電螺桿液壓泵的排量 ???vBqQ?)/(7.0963.108. 3sm???第三章 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)的過程中,轉(zhuǎn)位有 3 次,第一是機(jī)械手轉(zhuǎn)過 75 度,第二次是機(jī)械手轉(zhuǎn)過180 度,第三次是機(jī)械手反向到原來的位置.這些轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)主要是由齒輪齒條機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的,它們的動(dòng)力源來自于液壓缸,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 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)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)過程有 10 個(gè)動(dòng)作,按每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間相等來計(jì)算所以每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間 s25.01?Tt即：機(jī)械手轉(zhuǎn)過 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27S= md6.289014.3???所以齒輪轉(zhuǎn)過 75 度走過的距離L= s87575600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 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） ???A又 （2-23） 42d?由上 2 式可以得到（2-24） qqd29.536.018???????因?yàn)?q=0.8 m/s3所以（24）可以如下計(jì)算 29.5108.29.53???qd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 *aaamhzd??（2-25 ）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28=90+2*2aaamhzzd??m935.1??因?yàn)?所以齒輪做成實(shí)心160?由于這個(gè)齒輪通過連桿與連接盤來傳遞運(yùn)動(dòng)的，所以齒輪做成如下的結(jié)構(gòu)：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）即： p71.4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)295.127.48?plz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=50mmD2=70mmD3=90mmD4=130mmL1=20mmL2=40mmL3=61mmL4=11mmd=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=40mmD2=60mmD3=70mmL1=10mmL2=30mm孔的直徑 d1=6mm30圖 3-4 傳動(dòng)盤3) 把傳動(dòng)盤與連桿（軸）連接起來的花鍵的確定D1=40mmD2=26mmH=10mm圖 3-5 花鍵3.1.2.機(jī)械手轉(zhuǎn)過 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)過程有 10 個(gè)動(dòng)作,按每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間相等來計(jì)算所以每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間 s25.01?Tt即：機(jī)械手轉(zhuǎn)過 180 間為 0.25s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 180 度所走的距離L= ms4.13.216080???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 113.04mm活塞桿的速度為 sts/452.0.13???設(shè)液壓缸的溶積效魚為 ，這里取9.7??98.0?? 12009 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)自動(dòng)換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)姓 名： 指 導(dǎo) 教 師： 院 系： 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班 級(jí)： 學(xué) 制： 完 成 時(shí) 間： 2自動(dòng)換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)摘要加工中心在加工中用得很廣泛，加工中心利用刀庫(kù)實(shí)現(xiàn)換刀，這是目前加工中心大量使用的換刀方式。而自動(dòng)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(guān)系到整個(gè)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)插人式、二軸轉(zhuǎn)動(dòng)式和主軸直接式。刀庫(kù)換刀，按照換刀過程有無機(jī)械手參與，分成有機(jī)械手換刀和無機(jī)械手換刀兩種情況。在有機(jī)械手換刀的過程中，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．完成換刀過程．無機(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] ：加工中心 自動(dòng)換刀裝置 刀庫(kù) 機(jī)械手 3Abstract[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 manipulator4目 錄摘要 2前言 5第一章 緒論 .61.1 加工中心簡(jiǎn)介 61.1.1 加工中心的發(fā)展史 .61.1.2 加工中心的優(yōu)點(diǎn) .61.1.3 加工中心的發(fā)展動(dòng)向 .61.2 自動(dòng)換刀裝置的簡(jiǎn)介 71.2.1 自動(dòng)交換刀具的由來 .71.2.2 自動(dòng)換刀的形式 .71.2.3 刀庫(kù)的功能和形式 .81.2.4 刀套準(zhǔn)停措施 10第二章 機(jī)械手的設(shè)計(jì) 122.1 機(jī)械手的原理 122.2 設(shè)計(jì)方向 .132.3 概要 .142.3.1．機(jī)械手的組成與分類 142.3.2.機(jī)械手的手部 .142.4 機(jī)械手手部的設(shè)計(jì) .152.5 機(jī)械手其它零件以及尺寸的確定 .192.5.1.螺栓的確定 .192.5.2. 其它尺寸的確定 202.5.3 軸與機(jī)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 233.1 轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 233.1.1．機(jī)械手轉(zhuǎn)過 75 度的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) .243.1.2.機(jī)械手轉(zhuǎn)過 180 度的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) .283.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)其它零件的設(shè)計(jì) 313.2.1.液壓缸的選擇 .313.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .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(zhǎng)度 .333.4 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) 343.4.1 主軸結(jié)構(gòu) 343.4.2 刀具的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu) 343.4.3 主軸準(zhǔn)停裝置 343.5 換刀裝置的液壓機(jī)構(gòu)分析 353.5.1 液壓分析 3553.5.2 換刀動(dòng)作順序表 37第四章 PLC 控制分析 39小結(jié) .43參考文獻(xiàn) .44附譯文 .456前言加工中心的自動(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)于這方面的問題。我的設(shè)計(jì)任務(wù)是：對(duì)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)是用來完成拔刀與插刀的動(dòng)作的。就是說整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程如下：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，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，我所要的尺寸。通過這個(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。7第一章 緒論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。更為明確的說法是：加工中心就是自動(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床?，F(xiàn)代加工中心的內(nèi)容包括：①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。②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。③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)：① 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。② 縮短加工準(zhǔn)備時(shí)間 ③減少在制品④減少刀具費(fèi)用⑤最少的直接勞務(wù)費(fèi)⑥最少的間接勞務(wù)費(fèi)8⑦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)。1.1.3 加工中心的發(fā)展動(dòng)向總的來說，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，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）無機(jī)械手的換刀方式 [2]小型加工中心有采用無機(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(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。① 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。總之，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)。圖 1-1 無機(jī)械手的換刀順序②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10短換刀時(shí)間。③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/mm19取 k=21N/mm4.活動(dòng)銷的選取與驗(yàn)證由于活動(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=598.5Nf’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=70.14NF’為彈簧對(duì)活動(dòng)銷的作用力F’=-kx=598.5NF1 是由固定活動(dòng)銷的外壁產(chǎn)生的，用來限制活動(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 n?(2-5)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 58Mpa2） Fn=N’=f’=598.5N所以（2-5 ）式中???nFA?又因?yàn)? （2-6） 42d??20所以 （2-7） ???????24dFAN即： ??mdN 63.10.3581.39????????所以取 d=12mm又由于活動(dòng)銷還受到剪的作用，所以：??bsbsAF??（2-8）由（6） （8）二式我們可以得到如下的公式：??bsd??4?（2-9）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??21所以 （2-13） 32dMW???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） 42d??（2-17） ??bss??由（15） （16） （17）式可以得到?? mFdbs 12.38102.38014.594????????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22確的固定相對(duì)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(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 ss????00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 5.9721.050????又因?yàn)槁菟ㄎｋU(xiǎn)截面的拉伸條件公式：（2-19） ????????????43.43. 020Fdca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：23圖 2-2 螺栓的排列下面，我們來確定這些螺栓在機(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301?y10?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3y5x2.5.2. 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)度來計(jì)算軸徑在軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通常用下面的這個(gè)公式來初步估算軸徑??TTdnpW?????32.095(2-20)上式中 為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)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(shù),單位為 3mP 為軸所傳遞的功 單位為 kWD 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 Mpa??T?24由上式可以得到軸的直徑為:????303332.0952.095nPAnpdTT?????(2-21)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)過程有 10 個(gè)動(dòng)作,按每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間相等來計(jì)算所以每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間 s25.01?Tt而機(jī)械手在交換刀具的時(shí)候轉(zhuǎn)過 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 180 度的時(shí)間為 0.25s,所以轉(zhuǎn)過一 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)生的功主要是用來使機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)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/s??4?所以 p=M =192.5 kw4.8.74?所以(21)式可以表示為 :????mnPAnPpdTT5.27018.1204.95.0953333???????25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 [6]：自動(dòng)換刀裝置的整個(gè)換刀過程所需的時(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.m3??m3106.??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.?則一組蝶形彈簧的極限行程為 20.???3104.5?速度 )/(16.25.014. 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 ~97.0?v?98.0?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： )(102.5.042322 mDS??????則此時(shí)液壓缸的流量為 )/(106.798.16342 svq ????比較（1） 、 （2）兩者的計(jì)算結(jié)果，取 sq/03???齒輪液壓泵的容積效率 ，總效率.0~7?v 5.~7?26刀盤的轉(zhuǎn)速為 min)/(3.164750rin?電螺桿液壓泵的排量 ???vBqQ?)/(7.0963.108. 3sm???第三章 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)的過程中,轉(zhuǎn)位有 3 次,第一是機(jī)械手轉(zhuǎn)過 75 度,第二次是機(jī)械手轉(zhuǎn)過180 度,第三次是機(jī)械手反向到原來的位置.這些轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)主要是由齒輪齒條機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的,它們的動(dòng)力源來自于液壓缸,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 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)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)過程有 10 個(gè)動(dòng)作,按每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間相等來計(jì)算所以每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間 s25.01?Tt即：機(jī)械手轉(zhuǎn)過 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27S= md6.289014.3???所以齒輪轉(zhuǎn)過 75 度走過的距離L= s87575600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 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） ???A又 （2-23） 42d?由上 2 式可以得到（2-24） qqd29.536.018???????因?yàn)?q=0.8 m/s3所以（24）可以如下計(jì)算 29.5108.29.53???qd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 *aaamhzd??（2-25 ）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28=90+2*2aaamhzzd??m935.1??因?yàn)?所以齒輪做成實(shí)心160?由于這個(gè)齒輪通過連桿與連接盤來傳遞運(yùn)動(dòng)的，所以齒輪做成如下的結(jié)構(gòu)：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）即： p71.4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)295.127.48?plz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=50mmD2=70mmD3=90mmD4=130mmL1=20mmL2=40mmL3=61mmL4=11mmd=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=40mmD2=60mmD3=70mmL1=10mmL2=30mm孔的直徑 d1=6mm30圖 3-4 傳動(dòng)盤3) 把傳動(dòng)盤與連桿（軸）連接起來的花鍵的確定D1=40mmD2=26mmH=10mm圖 3-5 花鍵3.1.2.機(jī)械手轉(zhuǎn)過 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)過程有 10 個(gè)動(dòng)作,按每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間相等來計(jì)算所以每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間 s25.01?Tt即：機(jī)械手轉(zhuǎn)過 180 間為 0.25s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 180 度所走的距離L= ms4.13.216080???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 113.04mm活塞桿的速度為 sts/452.0.13???設(shè)液壓缸的溶積效魚為 ，這里取9.7??98.0??