小型加工中心自动控制换刀机械手的设计毕业设计说明书

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1、 毕业设计说明书 小型加工中心自动控制换刀机械手的设计摘 要本论文介绍的是小型加工中心换刀机械手的设计。机械手在当今机械行业的应用的广泛程度世人都有目共睹，随着现代数控技术的发展，在某些工作条件复杂和危险的情况下，机械手可以代替人类进行各种工作。对于机械手的优点很多，它可以代替人类高效而且精确的工作，这是最重要的一点。所以，为适应时代发展要求，在机械手的设计方面国家投入了大量的人力物力。机械手的种类很多，在本次设计中机械手选用回转式双臂机械手。它的主要动作是将机床主轴上的刀具与刀库或刀具传送装置上的刀具进行交换，其动作循环为：拔刀新旧刀具交换装刀。回转式双臂机械手刀具交换装置具有换刀时间短、动

2、作灵活可靠等.应用最为广泛。回顾数控技术的发展已经经历了两个阶段，六代的发展历程。第一个阶段叫做NC阶段，经历了电子管、晶体管、和小规模集成电路三代。数控系统是加工中心的控制中心，它主要由（CNC）、可编程控制系统(PLC)、伺服系统构成。本次设计是运用可编程控制系统来对换刀机械手进行控制的。关键词: 加工中心；换刀机械手；PLC AbstractThis paper introduces the design of the tool changing-manipulator of the small machines centertool changing-manipulator is on

3、e of the main components of the automatically-trading-knife installment. Robotic applications in todays machinery industry are obvious to the extent of the world, with modern CNC technology, working conditions in some of the complex and dangerous situation, the robot can replace humans in a variety

4、of work. The robot has many advantages, it can replace the human efficient and precise work, this is the most important point. Therefore, in order to meet the requirements of the times, in the design of the manipulator state has invested a great deal of manpower and resources.There are a lot of type

5、s of tool changing-manipulators. The tool changing-manipulator of this design adopts the two arms manipulator of turn-over type in this design。It is main movement is carries on the machine tool of main axle on cutting tool and the tool storage or exchanging the cutting tool in the transport installm

6、ent. Its operating cycle is: to draw the tool - exchanging the new and the old cutting tool - to fix the tool. The two arms manipulator of turn-over type exchange installment has trade the knifetime short, the movement is nimbly and reliably and so on . The two arms manipulator of turn-over type is

7、widely used in the machining centre. The numerical control system is the centeral of control in the processing center, which is conclude computer numerical control installment, the programmable control system, the servosystem.That capital is designed time is to control apply the programmable control

8、 to come to command the tool changing-manipulator. Keywords: machining center；tool changing-manipulator；programmable control (PLC) 1 绪 论1.1 数控技术的基本概念1.1.1 我国数控技术的发展概况回顾数控技术的发展已经经历了两个阶段，六代的发展历程。第一个阶段叫做NC阶段，经历了电子管、晶体管、和小规模集成电路三代。自1970年开始小型计算机开始用于数控系统就进入了第二个阶段，叫做CNC阶段，成为第四代数控系统：从1974年微处理器开始用于数控系统即发展到第五

9、代。经过十多年的发展，数控系统从性能到可靠性都得到了根本性的提高。实际上从20世纪末期直到今天，在生产中使用的数控系统大部分都是第五代数控系统。但第五代数控系统以及以前各代都是一种专用封闭的系统，而第六代开放式数控系统将代表着数控系统的未来发展方向，将在现代制造业中发挥越来越重要的作用。1.1.2 数控机床的组成及特点数控机床的组成以一台三坐标数控铣床为例，它是由X、Y、Z三个坐标来实现刀具和工件间的相对运动的立式数控铣床。它包括信息输入,运算控制(数控装置),伺服驱动及检测反馈,机床本体,机电接口等部分。数控机床的特点数控机床上一种新型的自动化机床,它具有广泛的通用性和很高的自动化程度.数控

10、机床是实现柔性自动化的关键设备,是柔性自动生产线的基本单元.数控机床在如下一些零件的加工中,更能显示出它的优越性,它们是:小批量而又轮番生产的零件;几何形状复杂的零件；在加工过程中必须进行多种工序加工零件；切削余量大的零件；必须严格控制公差(即公差带范围很小)的零件；工艺设计会经常变化的零件；加工过程中的错误会造成严重浪费的贵重零件；需全部检测的零件,等等。数控机床的分类（一） 按运动控制的特点分类1、点位控制数控机床对于一些加工孔用的数控机床，如数控钻床，数控铣床，数控镗床，数控冲床，三坐标测量机，印刷电路板钻床等。2、直线控制数控机床直线控制的数控机床是指控制机床工作台或刀具以要求的进给速

11、度，沿着平行于坐标轴的方向精心直线移动和切削加工。如数控车床、某些数控镗铣床和加工中心等。3、轮廓控制的数控机床可以加工斜线、曲线、曲面的数控机床,如数控车床、数控铣床、加工中心等。（二） 按伺服系统的类型分类1、 开环控制的数控机床该类机床没有位置检测反馈装置，数控装置发出的指令信号流向是单向的，精度主要决定于驱动元件和电机的性能。2、闭环控制的数控机床该类机床数控装置中插补器发出的位置指令信号与工作台上检测到的实际位置反馈信号进行比较，根据其差值不断控制运动，进行误差修正，直到差值为零停止运动。1.2 数控技术的产生与发展随着计算机技术的发展，小型计算机应用于数控机床中，由此组成的数控系统

12、称为计算机数控(CNC)。80年代末，我国还在一定范围内探索实施CIM，且取得了一些有益的经验和教益。90年代我国加强了自主知识产权数控系统的研制工作，而且取得了一定成效,如在五轴联动数控系统、高精度车床数控系统、数字仿形系统、中低档数控系统等方面都取得了较好的成果。实际上从20世纪末期直到今天，在生产中使用的数控系统大部分都是第五代数控系统。但第五代数控系统以及以前各代都是一种专用封闭的系统，而第六代开放式数控系统将代表着数控系统的未来发展方向，将在现代制造业中发挥越来越重要的作用。1.3 数控技术的发展趋势为了在越来越激烈的全球巿场竞争中立于不败之地，各工业发达国家均投入巨资，对现代制造技

13、术进行研究开发，并相继提出了多种全新的制造模式。如集成制造、柔性制造、智能制造、数字制造、网络制造等，其目标不外乎提高制造的效率和精度，以及增加加工的适应性和降低生产成本。数控机床(系统)作为现代制造系统的关键基础单元，其功能的强弱和性能的好坏决定着上述制造模式的成败。为适应日益复杂的制造过程，数控技术正在发生根本性变革。在体系结构方面，数控系统已基本上实现由专用型封闭式结构模式向通用型开放式结构模式的转型，并向基于PC的全数字化体系结构发展；在网络化基础上，数控系统可方便地与CAD/CAM集成为一体，数控机床的联网运行，使得车间网络化监控、维护与管理变成了现实；在数控系统的高速、高精、高效控

14、制方面，也采取了很多措施，如高速下的平滑控制算法、提高系统的快速响应能力、提高反馈和控制环节的数据分辨率等，获得了不错的效果；在智能化控制方面，通过采样加工过程中影响产品加工质量的外部变量，实现了加工参数的自动修正、调节与补偿，有效提高了CNC的工作效率。 数控系统体系结构向基于PC的全数字化开放体系结构方向发展高速、高精度已成为高档数控机床的主要特点，速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。高速、高精度数控机床是多品种、变批量加工环境下保持高效与柔性统一的必要工具。智能化控制是提高数控加工效率的有效手段。高档数控系统是实现制造技术和装备现代化的基石，是保证国防工业

15、和高技术产业发展的战略物资，工业发达国家至今仍限制向中国出口。目前，国产高档数控系统的发展及产业化速度已经严重制约了自主高端数字化装备的研制，在航空航天、船舶、发电设备、轨道交通等所需的大型专用数控机床及工艺装备基本依赖进口，已严重威胁到国民经济建设和国防安全，加快高档数控系统的研究与产业化迫在眉睫。1.4 加工中心的概况1.4.1 加工中心的定义加工中心(Machining Center)是由机械设备和数控组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床。1.4.2 加工中心的组成从主体上看，加工中心主要由以下几部分组成：（1） 基础部件基础部件是加工中心的基础结构，它主要由床身，工作台，立柱

16、三部分组成。这三部分不仅要承受加工中心的静载荷，还要承受切削加工时产生的动载荷。所以要求加工中心的三大部件必须要有足够的刚度，因此它们是铸造而成的。（2） 主轴部件主轴部件是由主轴电机，主轴箱，主轴。主轴轴承等部件组成，主轴是加工中心切削加工的功率输出部件。它的启动，停止，变速，变向等动作均是由数控系统控制的。主轴的旋转精度和定位的准确性，是影响加工中心加工精度的重要因素。（3） 数控系统加工中心的数控系统由CNC装置、可编程序控制器和伺服系统以及面板操作系统组成，它是执行顺序控制动作和加工过程的控制中心。CNC装置是一种位置控制系统，其控制过程是根据输入的信息进行数据处理、插补运算，获得理想

17、的运动轨迹，然后输出到执行部件，加工出所需要的零件。（4） 自动换刀系统换刀系统主要由刀库和换刀机械手组成，如需要进行换刀时，数控系统发出指令，由机械手从刀库中取出所需要的刀具装入主轴孔内，然后再把换下来的刀具放入刀库。（5） 辅助装置包括润滑、冷却、防护、排屑、渡压、气动和检测系统等部分。这部分虽然不直接参与切削运动，但是也是加工中心不可缺少的部分。对加工中心的加工精度、加工效率和可靠性起着保障作用。1.4.3 换刀机械手的介绍及其组成现在,工业机械手的使用范围只限于在简单复杂的操作方面节省人力,其效益是代替人从事繁重的工作和危险的工作，在恶劣环境下尤其明显。至于在汽车工业和电子工业之类的费

18、工的工业 部门，机械手的应用情况决不能说是很好的。虽然这些工业部门工时不足的问题很尖锐，但采用机械手只限于一小部分工序。其原因之一是，工业机械手的性能还不能满足这些部门的要求，适于机械手工作的范围很小。另外经济性问题当然也很重要，采用机械手来节约人力从经济上看不一定总是合算的，然而，利用机械手或类似机械设备节省和实现生产合理化的要求，今后还会增长。工业机械手是由执行机构，驱动系统和控制系统所组成：a 执行机构执行机构由抓取部分(手部)，腕部，肩部和行走机构等运动部件组成。b 驱动机构有气动，液动，电动和机械式四种形式。c 控制系统有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位程序控制，也

19、有采用可编程序控制器控制,微型计算机数字控制，采用凸轮，磁盘磁带，穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。 d 基体(机身)基体是整个机械手的基础。1.4.4 换刀机械手的类型自动换刀装置由刀库、换刀机械手、刀具传送装置、刀具编码装置、识刀器等五个部分组成。在自动换刀数控机床中，机械手的形式也是多种多样，常见的有以下形式。1. 单臂单爪回转式机械手这种机械手的手臂可以回转不同的角度来进行自动换刀，其手臂上只有一个卡爪，不论在刀库上或是在主轴上，均靠这个卡爪来装刀及卸刀，因此换刀时间较长，如图1-a所示。2. 单臂双爪回转式机械手这种机械手的手臂上有两个卡爪，两个卡爪有所分工

20、。一个卡爪只执行从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务，另一个卡爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务。其换刀时间较上述单爪回转式机械手要少，如图1-b所示。3双臂回转式机械手这种机械手的两臂上各有一个卡爪，两个卡爪可同时抓取刀库及主轴上的刀具，回转180后又同时将刀具放回刀库及装入主轴。这种机械手换刀时间较以上两种单械手均短，是最常用的一种形式。图1-c右边的机械手在抓取或将刀具送入刀库及主轴上，两臂可伸缩。4双机械手这种机械手相当于两个单臂单爪机械手，它们互相配合进行自动换刀。其中一个机械手从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个由刀库中取出“新刀”装入机床主轴，图1-d所示。5双臂往复交叉式机

21、械手这种机械手的两手臂可以往复运动，并交叉成一定的角度。一个手臂从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个手臂由刀库中取出“新刀”装入主轴。整个机械手可沿某导轨直线移动或绕某个转轴回转，以实现由刀库与主轴间的运刀工作，如图1-e所示。6双臂端面夹紧式机械手这种机械手只是在夹紧部位上与前几种不同。前几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面来抓取刀具，这种机械手则是靠夹紧刀柄的两个端面来抓取的，如图1-f所示。最常用的一种换刀机械手形式，动作简单。图1 机械手的形式2 机械手手部的设计2.1 机械手手臂和手爪的设计2.1.1 手爪口的计算加工中心供自动刀具交换装置使用的是通用刀柄N0.40；N0.45；N0.5

22、0三种类型，我本次设计的是小型加工中心,故选用N0.40。其型式如下图所示,尺寸如表1所示。 表1 自动换刀机床用7:24圆锥刀具柄部尺寸(GB/T 10944-1989)柄部型号椎体螺纹孔40#D144.45I168.40R1.2 I2 32I343I48.2d117d219GM16R11柄部型号凸缘40#D456025D563.55X3.75Y3.2F15.9T22.8T125J18.5B16.1R21图2 刀具结构与尺寸因为，故测量与刀柄槽相对位置如图3所示。图3 测量与刀柄槽相对位置两测量棒中心距为，故 由图2-2可知： 则手爪口的型式与尺寸与N0.40相匹配。如图4所示，图4 手爪口

23、结构图形 这里应该有(按弹簧锁轮结构取)。2.1.2 手爪锁的设计与计算当刀柄被手爪抓住（即刀具轴线与手爪口中心点重合）时，弹簧琐轮在弹簧的作用下把刀柄锁紧，使刀具不会从手爪口中脱落，其形式如图5所示。图5 刀具与销的配合图 1弹簧；2活动销；3刀具；4长销；手爪在抓刀时，随传动轴逆时针旋转，主轴及刀库附近的凸台压下长销4，活动销（即弹簧锁轮）被解锁。手爪欲抓住刀柄，使手爪口中心与刀具中心线重合，达到图示位置，刀柄反作用力活动销使其压缩弹簧1向左运动至极限位置后手柄已进入手爪口，此时活动销向右运动至手爪口中心与刀具中心轴线完全重合，回到初始状态，刀柄被锁住，抓刀结束，可以进行拔刀动作，而在抓刀

24、时，整个机械手旋转角度较小，故刀柄压活动销受力简化等效如图6所示。图6 结构形式图系统发出换刀指令后，机械手由原始位置转过以实现抓刀动作，而两手爪上的长销4分别被主轴前端面和刀库上的挡块压下，使轴向开有长槽的活动销2在弹簧的作用下移动顶住刀具。机械手拔刀时，长销4与挡块脱离接触，锁紧销2被弹簧3弹起，使活动销4顶住刀具不能后退，这样机械手在回转时，刀具不会甩出。当机械手上升插刀时，长销又被挡块压下，松开刀具，机械手便可反转复位。设计手爪口端点到手爪中心轴线垂直距离为7mm，抓刀初始位置时，最小，最大，抓刀过程中，（与手爪中心轴的夹角）逐渐减小，逐渐增大，逐渐减小至、三点一线时最大，最小，之后逐

25、渐增大至活动销还原至初始位置被锁紧销锁住为抓刀完毕，不应过大，过大就会偏小，就会偏大，过小无法压缩弹簧使活动销移动，过大也会阻碍刀柄进入手爪口，不应过小，过小就会偏大，就会偏小，锁轮便无法紧固刀柄，刀柄容易脱落。即取,锁轮轮子的直径（即活动销直径），则有： 活动销的滚轮中心到手爪中心轴线的垂直距离为：， 则活动销的行程a： 活动销上的行程槽应大于活动销行程加上长销直径，根据机械设计手册选取长销直径。则行程槽长：（取），卡销材料为35钢，热处理硬度，表面氧化处理的A型圆柱销（GB119-86）卡销直径选8mm (由机械设计课程设计手册第二版，吴宗泽主编)根据配合原理，则行程槽宽。我们可以设活动销

26、主体宽，高，长，活动销尾部到锁轮轮子中心距。2.2 弹簧的选择与设计弹簧主要分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧四种。按照弹簧形状又可分为螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、板弹簧、盘簧等。因为该设计中弹簧受到的压力不大，选择材料为类碳素弹簧钢丝，普通圆柱螺旋弹簧钢丝，初选直径。弹簧中径（GB/1358-78）查表30.2-4的许用应力，切面模量。又根据弹簧材料直径,由表30.2-4得，弹簧钢丝的抗拉强度。那么旋绕比 ,曲度系数由得,所以得出弹簧能够承载的最大载荷 （1） 校核弹簧截面材料的直径 （2）故初选合理。2.3 手爪的整体尺寸设计1. 首先考虑手爪部件的主要尺寸，设计如下：手爪总长8

27、2mm ,活动销中心到联接螺钉中心的距离为89mm.手爪总的内道宽分别为: , .2. 从螺钉到机械手手臂中心的距离为87mm,宽度为95mm,厚度为16mm.因此机械手的总长度为（65+89+87）2=482mm。根据设计要求选定机械手臂的材料为45钢，弯曲许用应力，在工作过程中，主要受横向弯曲应力，最大正应力发生在弯矩最大的截面上，且离中性轴最远处。 设刀具及手爪之重为10g，由前面可知承受重力到机械手臂中心的距离为241mm,因此： 因此设计达到要求且合理。2.4 本章小结本章主要对机械手进行了设计,机械手主要由手臂、手爪、手爪口三部分组成。结合所学的知识和资料对手臂、手爪、手爪口进行了

28、详细的计算，设计中弹簧和活动销也起到了重要的作用，我对这两个部件进行了初步估算和选择，弹簧是根据机械设计手册上面来选择的。初步设计出机械手爪部分的整体尺寸并对它的受力情况进行了校核。3 液压传动系统设计3.1 液压传动的概述液压传动系统设计与主机的设计是紧密联系的，两者往往同时进行，相互协调。主机对液压系统的使用要求是设计液压传动系统的依据。系统的设计除了应满足主机要求的功能和性能外，还必须符合质量轻、体积小、成本低、效率高、结构简单、使用维护方便及工作可靠等要求。因此设计开始，首先必须搞清楚下列问题：1. 机概况：用途、主要结构、技术参数及性能、作业环境、工艺流程、总体布局；2. 液压系统应

29、完成那些动作，动作顺序及彼此联锁关系如何；3. 液压驱动机构的运动形式,运动速度；4. 各动作机构的载荷大小及其性质；5. 对调速范围、运动平稳性、转换精度等性能方面的要求；6. 自动化程度、操作控制方式的要求；7. 对防火、防爆、周围介质、环境温度、风沙与尘埃、外界冲击振动、安全可靠性的要求；8. 对效率、成本等方面的要求。设计液压系统的出发点，可以是充分发挥其组成元件的工作性能，也可以是着重追求其工作状态的绝对可靠。前者着眼于安全；实际的设计工作则常常是这两种观点不同程度的组合。为此，液压传动系统的设计迄今仍没有一个公认的统一步骤，往往随着系统的繁简，借鉴的多寡，设计人员经验的不同而做法上

30、呈现出差异来。下图这种设计的基本内容和一般流程。这里除了最末一项外全都是属于性能设计的范围。这些步骤相互关联，彼此影响，因此常需要穿插进行，交叉展开。最末一项属于结构设计内容，则须要仔细查阅产品样本、手册和资料，选定元件的结构和配置的型式，才能布局绘图。图7 液压传动系统的一般设计流程3.2 液压缸的设计3.2.1 液压缸的载荷组成及计算设机械手抓刀重约20Kg，作用在活塞杆上的外部载荷包括工作载荷，导轨的摩擦力和由于速度变化而产生的惯性力。 （3） （1）常见的工作载荷有作用于活塞杆轴线上的重力，切削力，挤压力等，而该设计中只有重力：（2）导轨摩擦载荷 （的取值参考机械设计手册表37.5-2

31、） （3）惯性载荷 一般机械取，所以， 除外载荷外，作用于活塞杆上的载荷还包括液压密封处的摩擦阻力，一般估算为： （4） 液压缸的机械效率，一般取 ； 则： 液压缸不同负载时的工作压力表2如下：表2 液压缸不同载荷时的工作压力表载荷工作压力故取工作压力.3.2.2升降缸的设计 图8为活塞杆受压状态，图9为受拉状态 图8 活塞杆受力图（a） 图9 活塞杆受力图(b)活塞杆受压时：，活塞杆受拉时：式中无杆腔活塞有效作用面积；有杆腔活塞有效作用面积； 液压缸工作腔压力；液压缸回油压力；一般液压缸在受力状态下工作，其活塞面积为： （5） 运用和关系令，其值是由下表选择。如表3所示：表3 按工作压力选取

32、d/D工作压力 MPa5.05.07.07.0d/D0.5 0.550.62 0.700.7所以可以得出活塞的直径： （6） 所以，（与的值是在机械设计手册表37.5-5和37.5-3选取的）， 根据所计算出的结果表4中选择标准的尺寸。表4 活塞杆和液压缸直径速比缸径1.4624022502863354580455690566010060701106380 速比缸径1.46212570901408010016090100180100125200110140220125250140所以选择，。活塞杆直径的强度在高压系统中要进行校核： 活塞杆材料的许用应力，初选材料为20钢，则许用应力为80MPa

33、。又根据设计需要，（轴承的配合，螺钉的安装等）此活塞杆为空心杆。令空心杆内径，空心杆外径。由于 （7） 空心杆直径； 空心杆内径； 空心杆外径； 抗扭矩截面系数；所以有空心杆壁厚。 则设计符合要求。3.2.3 油缸壁厚的设计对于低压系统或当时，油缸的壁厚有： （8） 缸筒试压力，当时，当时， 缸筒材料的许用应力，20钢，=100Mpa,所以，根据结构需要取。3.2.4 油缸长度的确定 液压缸的缸筒长度由最大工作行程决定，缸筒的长度一般最好不超过其内径20倍。即，设计任务书上给定了伸缩单行程为100m，即取L=135mm。3.2.5 油口直径的计算液压缸的油口直径根据活塞最高运动速和油口最高液流

34、速度而定， （9）因为，其中，； 式中 无杆腔活塞有效作用面积； 有杆腔活塞有效作用面积； 活塞直径 （）； 活塞杆直径 （）；由行程L初定换刀过程所用时间为1秒,则平均速度为0.135m/s。令无肛腔进油速，则有杆腔进油速度。所以，液流速度大小等于有杆腔进油速, 即.故。3.2.6 缸底厚度计算（缸底有油孔）因为考虑到缸底有油孔，所以计算公式有：图10 液压缸缸底 （10）式中 缸底厚度； 液压缸内径； 试验压力； 缸底材料许用应力；选取材料为20无缝钢管， 。3.3 液压回转缸的设计3.3.1 回转缸内径的计算作用在动片上的载荷力矩有以下关系：， （11）式中工作阻力矩（） 所有回转缸密封

35、处的摩擦阻力矩（）， ， ，； 参与回转运动的零部件，在启动时产生的惯性力矩（）； （12）齿轮回转时，在启动运动过程中的角加速度（）；角速度变化量（），；启动过程时间，一般为令； 参与回转运动零部件，对回转轴的转动惯量（）；参与回转运动的刀柄对重心转动惯量（）；刀柄与机械手的总重量（）；刀柄与机械手的重心到回转轴的距离（）由理论力学得公式，则 （13） 由于背压力有如下规定：回油路上有节流阀的调速阀背压力为0.2-0.5MPa，回油路中设有背压阀的系统背压力为0.5-1.5MPa，采用辅助油泵的闭式回路背压力为1-1.5MPa。故取0.6MPa 。 回转液压缸的进油腔压力油液，作用在动片上的

36、合成液压力矩即驱动力矩， 回转缸内径的计算：根据 （14）式中 回转缸内径（）； 作用在动片的外载荷力矩； 回转液压缸的工作压力（）； 动片宽度（）； 输出轴与动片联接处的直径（）；初步设计时按选取。为减少动片与输出轴的联接螺钉所受的载荷与动片的悬伸长度，选择动片宽度（即液压缸宽度）时，可选用 回转液压缸的内径（）；由于惯性力矩必须大于所有摩擦力矩才能使回转叶片动，即 所以由以上代数式子可以得到： ，代入上面的式子得，得出：；根据所选花键轴与之配合取，则，。3.3.2 回转缸壁厚的计算对于低压系统或当时，回转缸的壁厚有： （15） 缸筒试压力，当时，当时， 缸筒材料的许用应力，20钢，=100

37、Mpa；由于设计需要，虽其工作压力较小，为了满足稳定性，强度及结构的要求取。 3.3.3 缸盖联接螺钉计算当工作压力时应有，初取，。螺钉数目Z由公式得：（取）。式中 螺钉中心所在圆的直径；在这种联接中每个螺钉在危险剖面上所承受的拉力是工作载荷与剩余锁紧力之和，即： （16）式中 工作载荷（）； 螺钉数目； 油缸内油液工作压力（）； 剩余锁紧力，岁于要求紧密的联接取因此，螺钉的强度条件有： （17）式中 计算载荷，；这里只考虑静载荷； 许用拉应力，（）； 螺钉材料的屈服极限（）这里选择45钢，所以=3600；（参考工业机械手设计基础，李允文编） 安全系数，一般，取。则有 根据设计需要取 3.3.

38、4 动片输出轴联接螺钉计算 动片是输出轴用螺钉联接的结构，联接螺钉一般对称安装，并用销钉定位。联接螺钉的作用：使动片与输出轴的配合面紧密接触不留间隙。当油腔通压油时，动片受油压作用产生一个合成液压力矩来克服输出轴上所受的载荷力矩，动片所受的力矩的平衡条件有： 式中 每个螺钉的预紧力（N）； 动片的宽度（m）； 回转液压缸的工作压力（）； 动片外径（m）； 动片与输出轴配合处直径（m）； 螺钉数目； 被连接件配合面间的摩擦系数，钢对钢取。螺钉的强度条件为： （18）因为，。所以有： 又 螺钉的强度条件为 由已知条件可得： 故设计满足要求。3.4 本章小结本章主要是对液压传动系统进行设计，该设计中

39、的液压系统主要由一个液压缸和一个摆动液压缸（回转液压缸）两部分组成。本章的任务是综合运用所学的知识，通过计算研究，了解与收集有关先进技术，结合实际情况，力求设计出质量好、效率高、结构简单和操作维护方便的液压传动系统，回转液压缸是选用的双叶片式摆动液压马达。4 花键轴的设计4.1 花键轴的计算4.1.1 轴的材料选择轴的材料种类很多，设计时主要根据对轴的强度、刚度、耐磨性等要求，以及为实现这些要求而采用的热处理方式，同时考虑制造工艺问题加以选用，力求经济合理。轴常用的材料是35、45、50优质碳素钢，最常用的是45钢。对于受载较小或不太重要的轴，也可用、等普通碳素钢。对于受力较大，轴的尺寸和重量

40、受到限制，以及有某些特殊要求的轴，可采用合金钢。根据设计要求由机械设计手册4分册轴的材料,如下表5和6所示:表5 轴的材料型号热处理毛坯直径硬度45调质200217.255表6 轴的性能机械性能许用弯曲应力650360270155601002204.1.2 轴径的初步计算由于液压执行元件的最大工作压力与管路上的损失因素则,前面已经计算出液流速度,回转缸直径,则 , （19） . （20） ,.根据机械零件设计计算实例得到轴径的初步计算公式: （21）式中 材料的受载系数，选取轴为45钢，故取； 轴所传递的功率； 回转时的最大转速；为了满足花键与回转缸的配合，花键的规格选用： （为键数）对应为

41、（为键宽）由于花键为外花键，则公差配合为： 4.1.3 花键轴的校核（1）许用弯曲应力的计算：由弯矩产生的弯曲应力应有以下关系式：，由材料力学可得到： （22）式中 回转缸扭转时的当量弯矩（）； 花键轴截面抗扭系数，查机械设计教材附录1得 又 （23）式中 根据该换转缸性质而定的应力校正系数， 取； 回转时产生的扭矩；则有 因此 故设计满足要求。又由于花键轴在径向受到抗扭矩的作用且作用在花键最小截面上产生最大剪应力，即 ， （24）式中 螺钉数目；螺钉宽度；则有： 所以 故设计合理。4.2 轴承的选择4.2.1 升降缸中轴承的选择由于升降缸主要用于换刀机械手执行拔刀、插刀动作.即实现直线往复运

42、动,该运动所受的载荷较小,故选择角接触球轴承(GB/7292-94)首先对其使用寿命进行计算: (小时)查表机械零件设计计算实例18-3得寿命系数: 因为轴承转速低,应按额定静载荷和额定动载荷来进行计算,取较大值. （1）按额定静载荷计算选择有： （25）由表,得,按式子又由于该轴承只受到径向载荷作用,故,所以,(由前面液压缸的计算得） 则,由于,故取.所以根据和轴颈直径可选用7205C型号的角接触轴承().（2）按额定动载荷选择轴承的条件有: （26） （27） 式中 额定寿命，查表机械零件设计计算实例18-5； 计算动载荷 N； 当量动载荷； 额定动载荷； 转速； 寿命系数，球轴承，滚子轴

43、承； 寿命系数，查表机械零件设计计算实例18-3，取=2.785； 性质系数，查表机械零件设计计算实例18-4，取=1.4； 温度系数，查表机械零件设计计算实例18-6，取=1； 转速系数，查表机械零件设计计算实例18-5，取=0.284；由于Fa=0,由表18-1,查得X=1,Y=0,代入式子 (N)根据和轴颈直径可选用7205C型号的角接触轴承,因为,故设计满足要求。4.2.2 对于回转缸的轴承选择 因为总负载很小，工作压力不高，回转缸轴承选用7206C完全足够，无需校核！4.3 法兰连接的选择法兰的种类分为灰铸铁管法兰和钢制管法兰两种，而钢制管法兰又分为平面整体钢制管法兰、凸面整体钢制管

44、法兰、凹凸面整体钢制管法兰、环联接整体钢制管法兰等。在本次设计中，由于连接换刀机械手部分为一 平面的机械手手爪，因此我选择平面带颈平焊钢制管法兰。参考机械设计手册。根据标准选择灰铸铁管法兰用石棉橡胶垫片（摘自GB4216.984）。4.4 升降缸中(液压缸及活塞杆工作)密封元件密封可分为静密封和动密封。密封材料应满足密封功能的要求，由于被密封的介质不同，以及设备的工作条件不同，要求密封材料具有不同的适应性。对密封材料的要求一般是：（1）材料致密性好，不易泄漏介质；（2）有适当的机械强度和硬度；（3）压缩性和回弹性好；本次设计中我选择的密封元件是（摘自 GB3452.1-92）。4.5 本章小结

45、本章主要是对花键轴进行了计算与选择，从而根据花键来选择升降缸中和回转缸中轴承的型号。由于花键轴在执行转动的时候紧固性高，而且能带动的力比较大，所以花键比一般的平键更好。应该说花键在摆动液压缸中的作用是比较大的，还对密封元件进行了选择。5 机械手液压控制系统设计5.1 液压系统图的拟定首先我们应该确定换刀机械手的工作过程,选定液压执行元件、油源类型、调速方案和液压基本回路确定之后，在增添一些必要的元件和配置一些辅助性油路，如控制回路、测压回路等把它们有机结合在一起。在该工作过程中机械手液压系统的部件有:升降液压缸和回转液压缸以及滤油器等.液压系统在机械手工作过程中所起的作用是通过电液转换元件把控

46、制信号进行功率放大，对液压动力机构进行方向、信号、速度的控制，在大多数情况下液压回转缸采用摆动液压缸。该系统的具有手臂升降，手臂回转两个自由度。动作顺序为：逆转90度手臂下降手臂回转180度手臂上升手臂顺转90度复位。完成一个工作循环！上述动作均由电控系统发讯号控制相应的电磁铁，按顺序依次步进动作而实现的，动作顺序可以根据工艺要求而改变。为便于机械手的自动控制，如采用可编程序控制器或微机进行控制，由于次系统的压力和流量都不高，因此一般都选用电磁换向阀回路，以获得较好的自动化程度和经济效益。液压机械手一般采用单泵和双泵供油，由于我们设计的机械手动作比较少，所以采用单泵且并联供油，这样可以有效的降

47、低系统的供油压力，此时为了保证多缸运动的系统不干涉，实现同步或非同步运动，需要采用“O”型换向阀。 初步设计液压系统原理图为图11：图11 液压系统原理图系统工作状态如图所示，首先由数控系统发出换刀指令后，变量液压泵3工作向液压系统供油，压力油经单向阀4通到换刀机械手上的油路分配器，并通向两只电磁换向阀（三位四通）。电磁阀的通电或断电由PLC编制的程序控制，从而使机械手动作。当换向阀7中的电磁阀4DT通电时，压力油通过换向阀的右位进入摆动液压缸右腔，在压力油的作用下使摆动液压缸的动片旋转一定角度，实现机械手的抓刀动作。该角度是由PLC的定时器所控制，在定时器时间到达后4DT自动断电，此时换向阀

48、7处于中位。接着将执行拔刀动作，换向阀6中的电磁阀2DT通电经过单向调速阀进入升降液压缸的上腔，在压力油作用下推动活塞杆向下运动完成拔刀动作。其它的几个动作如手臂旋转、手臂上升的控制都是由控制相应电磁阀的通断改变压力油的方向实现换刀动作。手臂的升降采用单杆作用液压缸驱动，手臂的升降速度由单向节流阀8、9实现回油节流调速；手臂的回转由摆动液压缸驱动，其正反运动采用单向调速阀10、12回油节流调速。由于手臂升降缸为立式液压缸，为了支承平衡手臂运动部件的自重，该系统在手臂升降中采用了单向顺序阀11的平衡回路。电磁铁动作顺序表：表7 液压系统动作顺序表手臂动作顺序手臂逆转90度手臂下降手臂逆转180度

49、手臂上升手臂顺转90度电磁铁动作4DT1DT4DT2DT3DT5.2 液压控制元件选用选择液压控制元件的主要依据系统的流量和工作压力。其中最大流量必要时允许短期超过额定流量的20，否则会引起发热、噪声、压力损失等增大和阀的性能的下降。此外，选择阀时还应注意结构形式、特性、压力等级、连接方式、集成方式及操纵方式等。液压缸的流速V=110m/s,所以有： 回转缸的流速为V： ，则 所以最大流量为： (k的取值为1.11.3，这里取1.2)；直动式溢流阀的响应快，一般宜作制动阀、安全阀用；先导式溢流阀的启闭特性好，宜作调压阀、背压阀等用。先导式溢流阀的最低调定压力一般只有 范围内。溢流阀的流量应按液

50、压泵的最大流量选取，并应注意其允许的最小稳定流量，一般来说，最小流量为额定流量的15以上。一般中、低压流量阀的最小稳定流量为 ；高压流量阀为 。流量阀的进出口需要有一定的压差，高精度流量阀约需1MPa的压差。按通过阀的流量来选择结构形式，一般来说，流量在 以上时宜用插装阀；以下时可采用滑阀型换向阀。70 以下时可用电磁换向阀，否则需用电液换向阀。直流式电磁铁寿命长，可靠性高，故应尽可能选用直流湿式电磁换向阀。在某些特殊场合，还要用安全防爆型、耐压防爆型、无冲击型以及节能型等电磁铁。单向阀应选择开启压力小的；开启压力较大（0.30.5）的单向阀可作背压阀用。外泄式液控单向阀与内泄式相比，其控制压

51、力低，工作可靠，选用时可优先考虑。根据阀类及辅助元件所在油路的最大工作压力和通过该元件的最大流量，可选出液压元件的型号及规格。5.3 本章小结液压系统是由液压传动系统和液压控制系统组成的。一般所说液压系统的设计则是泛指液压系统传动的设计，其实从结构组成或工作原理来看，这两类系统本无本质区别，仅仅一类以传递动力为住，追求传动特性的完善，其执行元件用来驱动主机的某个部分；另一类以实施控制为主，追求控制特性的完善，其执行元件用来驱动某个液压件的操纵装置（例如液压泵、液压马达的变量机构、液压阀的阀心等）而已。因此传动系统的设计内容和方法只需略作调整，伺服系统使液压传动系统中的有关装置精确地、平稳地按某种给定的规律变化，它和伺服系统一样涉及的主要是系统的动态问题。本章设计的就是有关液压传动系统中升降和回转的控制系统。6 机械手电气控制系统设计6.1 电气系统工作原理由于该设计要求机械手换刀时间为3秒，根据具体时间分配如下：手臂顺、逆时针旋转90各0.4s，手臂上升下降各0.5s，手臂逆时针旋转1800.5s，检查复位0.2s。