2-1-数控加工中心的自动换刀系统设计【原创】（全套含CAD图纸）
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毕业设计（论文）任务书 填表时间： （指导老师填表） 学生姓名 专业班级 指导教师 课题类型 生产实际 题目 数控 加工中心 的 自动换刀 系统设计 主要研究 目标 (或研 究内容 ) 1 设计卧式加工中心自动换刀装置，加工中心为链式刀库。 2 刀柄为 3 换刀机械手臂长（回转轴线至刀柄卡持中心线的距离） 200械手伸缩行程200 课题要求、主要任务及数量（指图纸规格、张数，说明书页数、论文字数等） 1 设计自动换刀装置装配图和零件图，完成 3张 0号图纸的设计工作量。 2 撰写符合学校毕业设计要求的设计说明书。 3整理资料，完成毕业设计的撰写。 进度计划 5： 收集资料，调研，拟定改造设计方案 7 绘制 装配图、零件图设计 10撰写毕业设计说明书 15周： 整理设计资料，准备毕业 答辩 主要参 考文献 1 机械设计手册，闻邦春 机械工业出版社， 2009 2 现代实用机床设计手册，现代实用机床设计手册编委会 机械工业出版社，2006 指导教师签字： 教研室主任签字： 年 月 日 外文资料翻译 1. a a a NC a of it in by a by of by a of or to in to of to of be of so to of 0% of is 5 20%); 958 by it on of in a a of as 0s of be it be a of be in of to NC as is in in to be or by of to is of C of be be a to is to In of be to or of of TC of by To of A in in to so to is (1) is up (2) is up of 2. NC of of a of a of in 0s, a i a of of on on so at 952, in a a of is as NC s NC is a 954, i on of NC by 960, a of to NC a as to or a so in to in 960, NC of NC NC NC to 966 NC 000, 85% of of NC it is is an NC it is 959, by ; by in to by in of It of a in to so 80 an or as of be MS or of to of to of To of 1845, 848, 873, a he 0th by a a of to be or to a of by to a of be by a of up of of to in or up to of a or to of 0 5 of to of in a or to in of at to by a of is of as is be a or on of is is in in no is to by NC in a by NC a or to is to C, in it is to on is to a 0 if as as be of is is a of of is We is NC in to we in in 00% C a s 0%, s is of to is is on a or a of in s 000, s a up a is to a of of up a ,000 a a up a is s in NC 中文翻译 一 加工中心 加工中心：是带有刀库和自动换刀装置的一种高度自动化的多功能数控机床。在中国香港，台湾及广东一代也有很多人叫它电脑锣。 工件在加工中心上经一次装夹后，数字控制系统能控制机床按不同工序，自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助机能，依次完成 工件几个面上多工序的加工。并且有多种换刀或选刀功能，从而使生产效率大大提高。 加工中心按其加工工序分为镗铣和车削两大类，按控制轴数可分为三轴、四轴和五轴加工中心。 加工中心由于工序的集中和自动换刀，减少了工件的装夹、测量和机床调整等时间，使机床的切削时间达到机床开动时间的 80左右 (普通机床仅为 1520 )；同时也减少了工序之间的工件周转、搬运和存放时间，缩短了生产周期，具有明显的经济效果。加工中心适用于零件形状比较复杂、精度要求较高、产品更换频繁的中小批量生产。 第一台加工中心是 1958 年由美国卡尼 克公司首先研制成功的。它在数控卧式镗铣床的基础上增加了自动换刀装置，从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中加工。 二十世纪 70 年代以来，加工中心得到迅速发展，出现了可换主轴箱加工中心，它备有多个可以自动更换的装有刀具的多轴主轴箱，能对工件同时进行多孔加工。 这种多工序集中加工的形式也扩展到了其他类型数控机床，例如车削中心，它是在数控车床上配置多个自动换刀装置，能控制三个以上的坐标，除车削外，主轴可以停转或分度，而由刀具旋转进行铣削、钻削、铰孔和攻丝等工序，适于加工复杂 的旋转体零件。 加工中心按主轴的布置方式分为立式和卧式两类。卧式加工中心一般具有分度转台或数控转台，可加工工件的各个侧面；也可作多个坐标的联合运动，以便加工复杂的空间曲面。立式加工中心一般不带转台，仅作顶面加工。此外，还有带立、卧两个主轴的复合式加工中心，和主轴能调整成卧轴或立轴的立卧可调式加工中心，它们能对工件进行五个面的加工。 加工中心的自动换刀装置由存放刀具的刀库和换刀机构组成。刀库种类很多，常见的有盘式和链式两类。链式刀库存放刀具的容量较大。 换刀机构在机床主轴与刀库之间交换刀具，常见的为机械手；也 有不带机械手而由主轴直接与刀库交换刀具的，称无臂式换刀装置。 为了进一步缩短非切削时间，有的加工中心配有两个自动交换工件的托板。一个装着工件在工作台上加工，另一个则在工作台外装卸工件。机床完成加工循环后自动交换托板，使装卸工件与切削加工的时间相重合。加工中心通常以主轴与工作台相对位置分类，分为卧式、立式和万能加工中心。 (1)卧式加工中心：是指主轴轴线与工作台平行设置的加工中心，主要适用于加工箱体类零件。 (2)立式加工中心：是指主轴轴线与工作台垂直设置的加工中心，主要适用于加工板类、盘类、模具及小型壳体类 复杂零件。 二 数控机床发展现状分析 20 世纪中期，随着电子技术的发展，自动信息处理、数据处理以及电子计算机的出现，给自动化技术带来了新的概念，用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制，推动了机床自动化的发展。 采用数字技术进行机械加工，最早是在 40 年代初，由美国北密支安的一个小型飞机工业承包商派尔逊斯公司（ 现的。他们在制造飞机的框架及直升飞机的转动机翼时，利用全数字电子计算机对机翼加工路径进行数据处理，并考虑到刀具直径对加工路线的影响，使得加工精度达到0 达到了当时的最高水平。 1952 年，麻省理工学院在一台立式铣床上，装上了一套试验性的数控系统，成功地实现了同时控制三轴的运动。这台数控机床被大家称为世界上第一台数控机床。这台机床是一台试验性机床，到了 1954 年 11 月，在派尔逊斯专利的基础上，第一台工业用的数控机床由美国本迪克斯公司（ 式生产出来。在此以后，从 1960 年开始，其他一些工业国家，如德国、日本都陆续开发、生产及使用了数控机床。 数控机床中最初出现并获得使用的是数控铣床 ，因为数控机床能够解决普通机床难于胜任的、需要进行轮廓加工的曲线或曲面零件。 然而，由于当时的数控系统采用的是电子管，体积庞大，功耗高，因此除了在军事部门使用外，在其他行业没有得到推广使用。 到了 1960 年以后，点位控制的数控机床得到了迅速的发展。因为点位控制的数控系统比起轮廓控制的数控系统要简单得多。因此，数控铣床、冲床、坐标镗床大量发展，据统计资料表明，到 1966 年实际使用的约 6000 台数控机床中，85%是点位控制的机床。 数控 机床的发展中，值得一提的是加工中心。这是一种具有自动换刀装置的数控机床，它能实现工件一次装卡而进行多工序的加工。这种产品最初是在 1959年 3 月，由美国卡耐 ;特雷克公司开发出来的。这种机床在刀库中装有丝锥、钻头、铰刀、铣刀等刀具，根据穿孔带的指令自动选择刀具，并通过机械手将刀具装在主轴上，对工件进行加工。它可缩短机床上零件的装卸时间和更换刀具的时间。加工中心现在已经成为数控机床中一种非常重要的品种，不仅有立式、卧式等用于箱体零件加工的镗铣类加工中心，还有用于回转整体零件加工的车削中心、磨削中心等。 80 年 代，国际上出现了 1 4 台加工中心或车削中心为主体，再配上工件自动装卸和监控检验装置的柔性制造这种单元投资少，见效快，既可单独长时间少人看管运行，也可集成到 更高级的集成制造系统中使用。目前， 从切削加工向板材冷作、焊接、装配等领域扩展，从中小批量加工向大批量加工发展。 为了提高机械化自动化程度， 1845 年，美国的菲奇发明转塔车床； 1848 年，美国又出现回轮车床； 1873 年，美国的斯潘塞制成一台单轴自动车床，不久他又制成三轴自动车床； 20 世纪初出现了由单独电机驱动的带有齿轮变速箱的车床。 普通车 床的加工对象广，主轴转速和进给量的调整范围大，能加工工件的内外表面、端面和内外螺纹。这种车床主要由工人手工操作，生产效率低，适用于单件、小批生产和修配车间。 转塔车床和回转车床具有能装多把刀具的转塔刀架或回轮刀架，能在工件的一次装夹中由工人依次使用不同刀具完成多种工序，适用于成批生产。自动车床能按一定程序自动完成中小型工件的多工序加工，能自动上下料，重复加工一批同样的工件，适用于大批、大量生产。 多刀半自动车床有单轴、多轴、卧式和立式之分。单轴卧式的布局形式与普通车床相似，但两组刀架分别装在主轴的前后或上 下，用于加工盘、环和轴类工件，其生产率比普通车床提高 3 5 倍。 仿形车床能仿照样板或样件的形状尺寸，自动完成工件的加工循环，适用于形状较复杂的工件的小批和成批生产，生产率比普通车床高 10 15 倍。有多刀架、多轴、卡盘式、立式等类型 立式车床的主轴垂直于水平面，工件装夹在水平的回转工作台上，刀架在横粱或立柱上移动。适用于加工较大、较重、难于在普通车床上安装的工件，一般分为单柱和双柱两大类。 铲齿车床在车削的同时，刀架周期地作径向往复运动，用于铲车铣刀、滚刀等的成形齿面。通常带有铲磨附件，由单独电动机驱动的 小砂轮铲磨齿面。 专门车床是用于加工某类工件的特定表面的车床，如曲轴车床、凸轮轴车床、车轮车床、车轴车床、轧辊车床和钢锭车床等。联合车床主要用于车削加工，但附加一些特殊部件和附件后，还可进行镗、铣、钻、插、磨等加工，具有 “一机多能 ”的特点，适用于工程车、船舶或移动修理站 看机床的水平主要看金属切削机床，其他机床技术和复杂性不高，就是近几年很流行的电加工机床，也只是方法的改变，没什么复杂性和科技含量。 金属加工主要是去除材料，得到想得到的金属形状。去除材料，主要靠车和铣，车床发展为数控车床，铣床发展为加工中 心。高精度多轴机床，可以让复杂零件在精度和形状上一次到位，例如，飞机上的一个复杂零件，以前由很多种工人：车工、铣工、磨床工、画线工、热处理工用好几个月干，其中还有报废的，最新的复合数控机床几天甚至几个小时就全干好了，而且精度比你设计的还高。零件精度高就意味着寿命长，可靠性好。 由普通发展到数控，一个人顶原来的十个，在精度上，更是没法说，适应性上，零件变了，换个程序就行。把人的因素也降为最低，以前在工厂，谁要时会车涡轮、蜗杆，没个 10 年 8 年的不行，要是谁掌握了，那牛得很。现在用数控设备，只要你会编程，把参数输 进去就可以了，很简单，刚毕业的技校学生都会，而且批量的产品质量也有保证。 机床是一个国家制造业水平高低的象征，其核心就是数控系统。我们目前不要说系统，就是国内造的质量稍微好一点的数控机床，所用的高精度滚珠丝杠，轴承都是进口的，主要是买日本的，我们自产的滚珠丝杠、轴承在精度、寿命方面都有问题。目前国内的各大机床厂，数控系统 100外购，各厂家一般都买日本发那科、三菱的系统，占 80以上，也有德国西门子的系统，但比较少。德国西门子系统为什么用的少呢？早期，德国系统不太能适合我们的电网，我们的电网稳定性不够，西门 子系统的电子伺服模块容易烧坏。日本就不同了，他们的系统就烧不坏。近来西门子系统改进了不少，价格方面还是略高。 近来随着中国的经济发展，也引起了世界一些主要机床厂商的注意， 2000年，日本最大的机床制造商 “马扎克 ”在中国银川设立了一家数控机床合资厂，据说制造水平相当高，号称 “智能化、网络化 ”工厂，和世界同步。今年日本另外一家大机床厂大隈公司在北京设立了一家能年产 1000 台数控机床的控股公司，德国的一家很有名的企业也在上海设立了工厂。 美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制造和使用上，技术最先进、经验 最多的国家。因其社会条件不同，各有特点。 I 数控加工中心的自动换刀系统设计 摘 要 本设计介绍了加工中心自动换刀装置的机械手结构的部分设计、相关液压缸的结构设计以及控制系统的设计，最终实现自动换刀动作；介绍了目前实现快速自动换刀技术的基本方法和各种途径，及其在加工中心上的应用情况和实际达到的技术指标，从而可看出这方面的发展趋势。 换刀装置作为加工中心的重要组成部分，其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间，提高生产率，降低生产成本，进而提升机床乃至整个生产线的生产力。加工中心自动换刀装置是实现多工序连续加工的重要装置，其结构设计及其控制是实现加工 中心设计制造的关键。加工中心的换刀过程较为复杂，动作多，动作间的相互协调关系多，因而自动换刀系统性能的好坏直接影响加工效率的高低。 带有自动换刀系统的数控加工中心在现代先进制造业中起着越来越重要的作用，它能缩短产品的制造周期，提高产品的加工精度，适合柔性加工。加工中心是数控机床中较为复杂的加工设备，由于其具有多种加工能力而得到广泛的应用，其强大的加工能力和效率得益于其配置的自动换刀装置（ 关键词 ：自动换刀 ，机械手， 设计 ，加工中心 nd is to of is to on u In to a so on a of to in s s to in it is in it of to 录 前 言 . 错误 !未定义书签。 第 1 章 设计任务书 . 错误 !未定义书签。 课题的内容和要求 . 错误 !未定义书签。 业设计目的 . 错误 !未定义书签。 第 2 章 总体方案的设计 . 错误 !未定义书签。 刀过程 . 错误 !未定义书签。 缩与旋转运动的确定 . 错误 !未定义书签。 压传动的优缺 . 错误 !未定义书签。 压传动装置的组成 . 错误 !未定义书签。 压系统中在机械手中主要实现的辅助功能 错误 !未定义书签。 要参数的确定 . 错误 !未定义书签。 作行程 . 错误 !未定义书签。 动速度 . 错误 !未定义书签。 动方式 . 错误 !未定义书签。 位精度 . 错误 !未定义书签。 压系统元件的选择 . 错误 !未定义书签。 压系统的控制原理 . 错误 !未定义书签。 械手液压系统的工作原理图 . 错误 !未定义书签。 第 3 章 机械手各部分的设计 . 错误 !未定义书签。 动液压缸的设计 . 错误 !未定义书签。 压系统的优点 . 错误 !未定义书签。 压缸的设计 . 错误 !未定义书签。 键轴及轴套的设计与校核 . 错误 !未定义书签。 键轴的设计 . 错误 !未定义书签。 键的校核 . 错误 !未定义书签。 承的选择与润滑 . 错误 !未定义书签。 轮的设计与校核 . 错误 !未定义书签。 轮的设计 . 错误 !未定义书签。 齿轮的校核 . 错误 !未定义书签。 械手臂及手抓的设计 . 错误 !未定义书签。 设计手臂的要求 . 错误 !未定义书签。 柱和机座 . 错误 !未定义书签。 柱 . 错误 !未定义书签。 座 . 错误 !未定义书签。 库及换刀机械手的常见故障和维护 . 错误 !未定义书签。 库的故障 . 错误 !未定义书签。 刀机械手故障 . 错误 !未定义书签。 结 论 . 错误 !未定义书签。 谢 辞 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 外文资料翻译 . 错误 !未定义书签。 5 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 数控 加工中心的 自动 换刀 系统设计 摘 要 本设计介绍了加工中心自动换刀装置的机械手结构的部分设计、相关液压缸的结构设计以及控制系统的设计，最终实现自动换刀动作；介绍了目前实现快速自动换刀技术的基本方法和各种途径，及其在加工中心上的应用情况和实际达到的技术指标，从而可看出这方面的发展趋势。 换刀装置作为加工中心的重要组成部分，其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间，提高生产率，降低生产成本，进而提升机床乃至整个生产线的生产力。加工中心自动换刀装置是实现多工序连续加工的重要装置，其结构设计及其控制是实现加工 中心设计制造的关键。加工中心的换刀过程较为复杂，动作多，动作间的相互协调关系多，因而自动换刀系统性能的好坏直接影响加工效率的高低。 带有自动换刀系统的数控加工中心在现代先进制造业中起着越来越重要的作用，它能缩短产品的制造周期，提高产品的加工精度，适合柔性加工。加工中心是数控机床中较为复杂的加工设备，由于其具有多种加工能力而得到广泛的应用，其强大的加工能力和效率得益于其配置的自动换刀装置（ 关键词 ：自动换刀 ，机械手， 设计 ，加工中心 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 I nd is to of is to on u In to a so on a of to in s s to in it is in it of to 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 录 前 言 . 1 第 1 章 设计任务书 . 2 课题的内容和要求 . 2 业设计目的 . 2 第 2 章 总体方案的设计 . 4 刀过程 . 4 缩与旋转运动的确定 . 5 压传动的优缺 . 5 压传动装置的组成 . 6 压系统中在机械手中主要实现的辅助功能 . 6 要参数的确定 . 7 作行程 . 7 动速度 . 7 动方式 . 8 位精度 . 8 压系统元件的选择 . 8 压系统的控制原理 . 8 械手液压系统的工作原理图 . 11 第 3 章 机械手各部分的设计 . 13 动液压缸的设计 . 13 压系统的优点 . 13 压缸的设计 . 14 键轴及轴套的设计与校核 . 16 键轴的设计 . 16 键的校核 . 18 承的选择与润滑 . 19 轮的设计与校核 . 20 轮的设计 . 20 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 V 轮的校核 . 21 械手臂及手抓的设计 . 23 设计手臂的要求 . 24 柱和机座 . 25 柱 . 25 座 . 25 库及换刀机械手的常见故障和维护 . 26 库的故障 . 26 刀机械手故障 . 26 结 论 . 28 谢 辞 . 29 参考文献 . 30 外文资料翻译 . 32 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 前 言 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 加工中心是数控机床中较为复杂的加工设备，由于其具有多种加工能力而得到广泛的应 用，其强大的加工能力和效率得益于其配置的自动换刀装置（ 因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术 毕业设计目的 其主要目的： 1. 培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识。 2. 培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法。 3. 培养学生树立正确的设计思想和使用技 术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。 4. 培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 第 1 章 设计任务书 课题的内容和要求 1. 题目： 数控 加工中心自动换刀 系统设计 2. 主要研究目标和内容 (1) 设计 卧式 加 工中心自动换到装置，加工中心为链式刀库。 (2) 刀柄为 准结构。 (3) 换刀机械手手臂长 200，伸缩行程 200. 3. 课题要求、主要任务及数量 设计自动换到装置装配图和零件图，完成 3 张 0 号图纸的设计工作量，撰写符合学校毕业设计要求的设计说明书。 4. 速度计划 (1) 5：收集资料，调研，拟定改造设计方案 (2) 7：装配图、零件图设计。 (3) 10：撰写毕业设计说明书。 (4) 15 周：毕业设计答辩。 5. 主要参考文献 (1) 机械设计手册，闻邦椿， 北京： 机械工业出版社， 2009 (2) 现代实用机床设计手册，现代实用机床设计手册编委会，北京： 机械工业出版社， 2006. 业设计目的 毕业设计是学生完成本专业教学计划的最后一个极为重要的实践性教学环节，是使学生综合运用所学过的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的 工程技术问题而进行的一次基本训练。这对学生即将从事的相关技术工作和未来事业的开拓都具有一定意义。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 其主要目的： 1. 培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识。 2. 培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法。 3. 培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。 4. 培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习的基本工作态度，工 作作风和工作方法。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 第 2 章 总体方案的设计 刀过程 由于机械手主要是完成换刀任务的，上一工序加工完毕，主轴准停位置，由自动换刀装置换刀，立式加工中心的换刀过程如下： 1. 刀套下翻 90。机床的刀库位于立柱的左侧，刀具在刀库中的安装方向与主轴垂直，换刀之前，刀库转动将待换刀具送到换刀位置，之后把带有待换刀具的刀套向下翻转 90 度，使得刀具的轴线与主轴的轴线平行。 2. 机械手转 75 度。在加工时，机械手的手臂与主轴中心到换到位置的刀具中心线的连线成 75 度，该位置为机械手的原始位置。机械手换刀的第一个动 作是顺时针转 75 度，两手爪分别抓住刀库上和主轴上的刀柄。 3. 刀具松开。机械手抓住主轴刀具的刀柄后，刀具的自动夹紧机构松开刀具。 4. 机械手拔刀。机械手下降，同时拔出两把刀具。 5. 交换两刀位置。机械手带着两把刀具逆时针转动 180 度，是主轴刀具与刀库刀具交换位置。 6. 机械手插刀。机械手上升，分别把刀具插入主轴锥孔和刀套中。 7. 刀具加紧。刀具插入主轴锥孔后，刀具的自动夹紧机构夹紧刀具。 8. 180 度液压缸复位。液压缸复位驱动机械手逆时针转动 180 度的液压缸复位，机械手无动作。 9. 机械手反转 75 度，机械手反转 75 度，回到原始位置。 10. 刀套上翻 90 度。刀套带着刀具向上翻转 90 度，为下次选刀作准备。 因此，机械手的设计就主要考虑的运动是：一，为了换刀，机械手可以旋转 0 180 度。二，为了拔刀，机械手能上下伸缩运动。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 缩与旋转运动的确定 机械手的转动可以用油马达来实现：油马达通油后转动，在其输出轴上连上一齿轮 2，并与装在机械手花键轴上的齿轮 1 啮合，齿轮 2 与装在花键轴上的花键套以键连接，这样，油马达带动齿轮 2 转动，齿轮 2 带动齿轮 1，齿轮 1 又带动花键轴套，花键轴套带动花键轴转动，从而实现了机械手臂的转动。 压传动的优 缺 液压系统与机械、电力等传动相比。有以下特点： 1. 能方便的进行无级调速，调速范围大。 2. 体积小，、重量轻、功率大。一方面，在相同输出功率的前提下，其体积小、重量轻、惯性小、动作灵敏，这对于液压自动控制系统有重要的意义。另一方面，在体积或重量相近的情况下，其输出功率大，能传递较大的扭矩或推力（如万吨水压力等）。 3. 控制和调节简单、方便、省力，易实现自动化控制和过载保护。 4. 可实现无间隙传动，运动平稳。 5. 因为传动介质为油液，故液体元件有自我润滑作用，使用寿命长。 6. 液压元件实现标准化 、系列化、通用化、便于设计、制造和推 使用。 7. 可以采用大推力的液压缸和大扭矩的液压马达直接带动负载，从而失去了中间的减速装置，使传动简化。 液压传动的主要缺点： 1. 漏 由于作为传动介质的液体是在一定的压力下，有时是在较高的压力下工作的，因此在有相对运动的表面间不可避免要产生泄漏。同时，由于油液并不是不可以压缩的，油管等也回产生弹性变形，所以液压传动不宜用在传动比要求较严格的场合。 2. 震 液压传动中的“液压冲击和空穴现象”会产生很大的震动和噪声。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 3. 热 在能量转换和传递过程中 ，由于存在机械摩擦、压力损失、泄漏损失，因而易使油液发热，总效率降低，故液压传动不宜远距离转动。 4. 液压传动性能对温度比较敏感，故不宜在高温及低温下工作。液压传动装置对油液的污染也较敏感，故要求有良好的过滤设施。 5. 液压元件加工要求高一般情况下又要求有独立的能源（如液压泵站），这些可能使产品成本提高。 6. 液压系统出现鼓故障时不宜追查原因，不宜迅速排除。 综上所述，液压传动由于其优点比较突出，故在工、农业各个部门获得广泛的应用。它的某些缺点随着生产技术的不断发展、提高，正在逐步得到克服。 由于液压 传动相对于机械传动有以上几个突出的优点，所以确定机械手的前伸后退、左转右转、夹紧放松着三部分动作用液压传动来实现。 压传动装置的组成 液压传动装置由于使用工件压力高的油性介质，因此机构出力大，机械结构更紧凑、动作平稳可靠、易于调节和噪声较小，但要配置液压泵和油箱，当油液渗漏时易污染环境。一个完整的液压系统是由以下几部分组成的： 1. 能源部分 包括泵装置和蓄能器，它们能够输出压力油，把原动机的机械能转变为液体的压力能并储存起来。 2. 执行机构部分 是液压油缸、液动机等，它们用来带动运动 部件，将液体压力能转变成使部件运动的机械能。 3. 控制部分 是各种液压阀，用于控制流体的压力、流量和流动方向，从而控制执行部件的作用力、运动速度和运动方向，也可以用来卸载，实现过载保护等。 4. 辅助部分 是系统中除了上述三部分以外的所有其他元件。 压系统中在机械手中主要实现的辅助功能 1. 机械手的伸、缩、回转和摆动及刀具的松开和拉紧动作等。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 2. 工件的自动松开、夹紧 3. 工作台的松开夹紧、交换工作台的自动交换动作。 4. 机械手的运动部件平衡。如机械手轴箱的重力平衡、机械手的平衡装置等。 5. 机械手运动部件的制动和离合器的控制、齿轮拔叉换档等。 6. 机械手的自动开关 用油缸支架把液压缸的活塞杆与花键轴端连接，这样，当液压缸的活塞运动时，就可以带动花键轴运动，从而实现了机械手的伸缩运动。 除此之外，还要考虑当机械手拔完刀旋转时，要防止掉刀，手臂的两端各有一个手抓，每个手抓上有一个小的液压缸，当机械手在拔刀和旋转运动是，液压缸通油，使活塞运动，活塞杆端连一个活动销，这样，活动销会顶住刀具，防止掉刀和刀具被甩出。 要参数的确定 作行程 由已知条件及方案分析 确定 1. 最大抓取重量： 20 公斤，（属于中型机械手）； 2. 夹持刀柄规格： 3. 刀库换刀位置和主轴距离： 450 4. 换刀时间： 10S 20S； 5. 手臂伸缩行程： 200 6. 手臂回转范围： 0 180； 7. 手腕最大伸缩范围： 50 动速度 直线运动速度 :手臂伸缩行程 l=70动时间 t=1s,则手臂伸缩速度为 :v=l/t=1=s 回转运动速度 :定为 60 s 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 动方式 驱动方式采用液压驱动的方式。手臂伸缩采用直线 油缸，流量 较大。液压传动能方便的实现无极调速，调速范围大，在相同功率情况下，液压传动能量转换元件的体积较小，重量较轻。工作平稳，换向冲击小，便于实现频繁换向。而且，工作油液能使传动零件实现自润滑，故使用寿命长，液压元件易于实现系列化，标准化合通用化。因此，采用液压驱动。 位精度 定位采用无极调速，定位精度为 1限位螺钉碰撞微动开关时即可发出到位信号 压系统元件的选择 由于机械手操作时各个液压缸不同时工作，手臂伸缩和立柱回转所需的流量最大，其余流量均较小 ，因此选用双联叶片泵，其型号为 6/40，系统压力为 机功率为 步转速为 1500r/考虑到集中供油、维护方便等原则，确定液压系统各元件的型号如下： 溢流阀： 3； 单向阀： 调速阀： 节流阀： L 25B； 换向阀： 34E 63B、 22E 25B、 24E 10B。 压系统的控制原理 所谓液压系统就是以液体为介质，依靠运动者的液体的压力能来传递力的。液压系统工作是，液压泵把电动机传来的回转式机械能转变成油液的压力能：油液被输送 到液压缸（或液压马达）后，又由液压缸（或液压马达）把油液的压力能变为直线式（或回转式）的机械能输出。液压系统中的油液在受调节、控制的状态下进行工作的因此液压传动和液压控制在这个意义上来 说难以截然分开。液压系统必须满足起执行元件在力和速度购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 方面的要求。 1. 调压回路 液压系统的压力必须与负载相适应，以节约动力消耗和减少发热。本机械手采用双联定量泵供油，用溢流阀来调定压力，使系统在恒定的压力下工作，下图 2示的为调压回路图。 图 2压回路 2. 缓冲回路 直线油缸中流量较大，进油压力也较大，故 在定位前采用二位二通电磁阀换接可调节流阀，以实现减速缓冲，如下图所示。当电磁阀 1 和 2 的电磁铁通电时，手臂快速伸缩，此时回油缸回油；当手臂伸缩至接近设定位置时，电气定位系统输出信号为 0，电磁阀 2 的电磁铁断电，回油经可调节流阀 3 回到油箱，实现节流速缓冲。同时电磁阀 1 的电磁铁断电，处于 o 型滑阀机能的状态，手臂即停止运动并定位。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 0 图 2冲回路 3. 调速回路 本机械手的液压驱动系统采用回油路节流调速，如 图 2示。这种调速回路，由于回油腔存在背压，故具有承受负值负载的能力。 图 2速回 路 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 1 本机械手的液压驱动系统采用三位四通阀实现换向功能。 采用 O 型机能的三位四通换向阀（下图所示），滑阀在中间位置时油口全闭，油路不通，液压缸锁紧。由于液压缸内充满液压油，故从静止到启动较平稳，换向冲击小，换向复位位置较准确。 图 2紧回路 械手液压系统的工作原理图 图 2械手液压系统的工作原理图 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 2 整体设计如 图 2示 : 图 2体设计 13 第 3 章 机械手各部分的设计 动液压缸的设计 此液压缸在机械手中的作用是带动花键轴做伸缩运动。伸缩式油缸又称多级缸，它由两级或多级活塞缸套装而成，前一级活塞缸的活塞就是后一级活塞缸的缸筒。伸缩缸逐个伸出时，有效工作面积逐次减小，因此，当输入流量相同时，外伸速度逐次增大；当负载恒定时，液压缸的工作压力逐次增高。空载缩回的顺序一般是从小活塞到大活塞，收缩后液压缸总长度较断，结构紧凑，使用于安装空间受到限制而行程要求很长的场合。本设计中使用的直线油缸用于机械手臂前后移动完成拔刀动作。外套油缸固定在机架上，当压力油作用时，内套油缸和 活塞杆先一起移动，移到极限位置时，活塞杆在内套油缸内开始移动，这样可得到较大的行程。 所谓液压系统就是以液体为介质，依靠运动者的液体的压力能来传递力的。液压系统工作是，液压泵把电动机传来的回转式机械能转变成油液的压力能：油液被输送到液压缸（或液压马达）后，又由液压缸（或液压马达）把油液的压力能变为直线式（或回转式）的机械能输出。液压系统中的油液在受调节、控制的状态下进行工作的因此液压传动和液压控制在这个意义上来说难以截然分开。液压系统必须满足起执行元件在力和速度方面的要求。 压系统的优点： 液压系统与机械、电力等传动相比。有以下特点： 1. 能方便的进行无级调速，调速范围大。 2. 体积小，、重量轻、功率大。一方面，在相同输出功率的前提下，其体积小、重量轻、惯性小、动作灵敏，这对于液压自动控制系统有重要的意义。另一方面，在体积或重量相近的情况下，其输出功率大，能传递较大的扭矩或推力（如万吨水压力等）。 14 3. 控制和调节简单、方便、省力，易实现自动化控制和过载保护。 4. 可实现无间隙传动，运动平稳。 5. 因为传动介质为油液，故液体元件有自我润滑作用，使用寿命长。 6. 液压元件实现了标准化、 系列化、通用化、便于设计、制造和推广使用。 7. 可以采用大推力的液压缸和大扭矩的液压马达直接带动负载，从而失去了中间的减速装置，使传动简化。 综上所述，液压传动由于其优点比较突出，故在工、农业各个部门获得广泛的应用。它的某些缺点随着生产技术的不断发展、提高，正在逐步得到克服。 由于液压传动相对于机械传动有以上几个突出的优点，所以确定机械手的前伸后退、左转右转、夹紧放松着三部分动作用液压传动来实现。 压缸的设计 1液压缸在工作过程中的负载为 : 6 8 5 38 7 0 0 0 式中， F液压缸的工作载荷 工作负载 动摩擦系数， 运动部件自重 m 机械效率 2初选液压缸的工作压力 由液压设备常用工作压力查表 ,取液压缸工作压力为 10 确定液压缸的主要结构参数 （ 1）液压缸直径 D 的确定 工进阶段的负载为 F=5730N 15 85344 6 液压缸内径圆整为 50 （ 2） 活塞杆直径 d 的确定 活塞杆直径按工作压力确定 ,根据下表 3示 : 表 3塞杆直径 液压缸工作压力（ 5 5 7 7 活塞杆直径 d （ D （ D d=50=28 液压缸无杆腔有效作用面积 A 1 =10 4 m 2 ,有杆腔有效面积A 2 =10 24m ,调速阀最小稳定流量 q=10 35m /s,最小工进速度v s,则 245m 05.1 mv q 12 ,能满足低速稳定性要求。 （ 3）液压缸壁厚 的确定 2 Dp p式中， 实验压力； D 液压缸直径； 缸体材料的许用应力。 b ； 45 公斤 /厘米 2 80 公斤 /厘米 2 , b =6502=045 =7 4） 液压缸外径 长度 L 的确定 D 2 =50+2 7=64 (30 50) D 0 ，根据最大活塞行程 200 l 290 液压缸的设计如下图 3示 16 图 3压缸 键轴及轴套的设计与校核 键轴的设计 花键连接由具有周向均匀分布的多个键齿的花键轴和具有同样键齿槽的轮毂或花键轴套组成的。工作时，依靠齿侧的挤压传递转矩，花键连接因键齿多，所以承载能力强；由于齿槽浅，故应力集中小，对轴消弱小，且对中性好和导向型较好，但需要专用设备加工，所以成本较高。 花键连接适用于载荷较大，定心精度要求较高的静连接和动连接中。 花键轴的换刀装置中的作 用是，当液压缸的活塞杆运动时，带动花键轴运动，而其它的部件不动，从而实现机械手的伸缩拔刀运动。 由于矩形花键具有定心精度高，导向性能好，键与轴为一整体，强度高，负荷分布比较均匀；齿形简单，可采用磨削和拉削的方法获得较高精度等优点，故在机床、汽车、拖拉机。工程机械等机械制造业得到广泛的使用。 花键联接由内花键和外花键组成。内、外花键均为多齿零件，在内圆柱表面上的花键为内花键，在外圆柱表面上的花键为外花键。显然，花键联接是平键联接在数目上的发展。 使用特点： 由于结构形式和制造工艺的不同，与平键联接比较，花键联 接在强度、工艺和使用方面有下列特点： 17 因为在轴上与毂孔上直接而均匀地制出较多的齿与槽，故联接受力较为均匀； 因槽较浅，齿根处应力集中较小，轴与毂的强度削弱较少； 齿数较多，总接触面积较大，因而可承受较大的载荷； 轴上零件与轴的对中性好，这对高速及精密机器很重要； 导向性好，这对动联接很重要； 可用磨削的方法提高加工精度及联接质量； 制造工艺较复杂，有时需要专门设备，成本较高。 图 3键 所选花键的规格为 8形花键联接 采用外径定心精度高，加工方便，外花键的外径可在普通磨床上加工至所需的精度，内花键由拉刀保证其外经精度所选花键的规格为 818 花键轴 如图 3示 : 图 3键轴 键的校核 花键强度按挤压强度计算 静联接（耐磨性条件）： 2 0 0 0 未经热处理 ,P值一般为 80 120过热处理为 120 200 传递扭矩（ ; z 花键齿数 ; l 键齿工作长度（ ; h 键齿侧面工作高度（ . 矩形： h=(2 3640( D 花键大径（ ; d 花键小径（ ; c 倒角尺寸 ; 各齿间载荷不均匀系数，取 平均直径 ( 62 52602 19 4 5 02 0 0 02 0 0 0 花键轴套 的设计 由于花键轴套上要安装轴承，轴承采用深沟球轴承，代号为 6315。该轴承的内径为 75 毫米，所以，花键轴套的外径为 75 毫米，轴承的宽度为 34，隔套长为 10，花键轴套的一端外径为 84，长度为 34。所以花键轴套的小端长为 340=78 大端长为 34。 花键轴套的设计如下图 3示 图 3键轴套 承的选择与润滑 轴承是机器中主要用来支承轴的部件，用以保证轴的旋转精度，并减少轴与支撑物间的摩擦和磨损。有时，轴承也被用来支承轴上的旋转零件。 此轴承主要承受径向载荷，所 以选择深沟球轴承。价格便宜，所选的型号为 6315。 20 本设计轴承的润滑用到的是脂润滑，现将理由介绍如下： 脂润滑与油润滑相比有很多优点，如：润滑脂很容易保持在轴承内，不易泄露，维护简单，可防止灰尘、冷却液和其它有害杂质的侵入，油膜强度较高，可以使用较长时间而不需要更换，支承结构简单，不需要特殊的润滑装置等。对于垂直轴，如防漏问题不易解决时，采用脂润滑尤为适宜。但是在转速较高时，脂润滑的摩擦损失较大，会时轴承温度增高。 轴承中充填润滑脂的量不宜过多，根据经验，以填满轴承和轴承壳体空间的 1/3 1/2 为宜，高速时 应仅填充至 1/3。转速很低且对密封要求较严格的情况下可充满壳体空间。 轮的设计与校核 轮的设计 该齿轮用来使械手臂 180回转 ,它和一个传动齿轮啮合 ,通过油马达带动旋转。设计步骤如下： 1. 选择齿轮材料及精度等级 大小齿轮都选用软齿面。大齿轮选用 45 钢，正火，齿面硬度为190齿轮选用 45 钢 ,调质 ,齿面硬度为 240度等级为 7级，齿面粗糙度 R a 3.2 m 。 表 3轮材料及精度等级 名称 小齿轮 大齿轮 模数（ m） 3 3 齿数（ z） 34 47 分度圆直径（ d） 102 d 141 齿顶圆直径（ d a ） d 1a m（ 2） 108 d 2a m（ 2） =147 21 齿根圆直径 ( d 1f =m(94.5 d 2f =m(z 2 宽（ b） b 1 1 102=38 22 db d147=40 由于手臂作伸缩运动时大齿轮在小齿轮上有相对移动 ,所以小齿轮宽度应比大齿轮宽。实际传动比 i 轮的校核 1 齿轮转速 1450r/ 106 450 1 104 N =1 H H = 由图表查得接触疲劳极限应力 1=5202=320应力循环次数 N 1L =60n1 60 1450 1 (16 300 5)=109 N 2L = 991 r 齿轮每转一周 ,轮齿同一侧齿面啮合的次数 ; 齿轮的总工作小时数 ,h 接触疲劳的寿命 系数 Z 1 2安全系数 轮的许用接触应力 H 1 = z H 2 = 3201132022 Z F 22 F = 由图查得 : 1=2102=195曲疲劳强度寿命系数 Y 1 2验齿轮的应力修正系数 Y 2,取安全系数 F 1 = M P i m F 2 = M P i m 根据齿数查得齿形系数应力修正系数分别为 : 1Y 2Y 1Y 2 T 1212 12 41112111 T 22 42222212 T a a= 3447232 21 v V= 1 ndmm/s 图 3大齿轮 1 23 图 3齿轮 图 3设计的小齿轮 图 3齿轮 械手臂及手抓的设计 机械手的抓刀部分是有机械手臂和固定其两端的结构完全相同的两个手抓组成的。其主要的作用是完成拔刀、旋转和换刀运动， 24 其中，手臂和花键轴相连，当花键轴旋转时，手臂带动手抓做相应的旋转运动，当花键轴被液压缸带动做伸缩运动时，手臂会带动手抓完成拔刀或插刀运动。手抓上握刀的圆弧部分有一个定位键，机械手抓刀时，该定位键插入刀柄的键槽中，当机械手由原位转 75 度抓住刀具 时，两个固定在手臂上的小型液压缸通油，使活塞向外伸缩。从而使活动销顶住刀具不能后退，这样，机械手在回转 180 度是，刀具不会被甩出。当机械手上升插刀是，液压缸回油，使活动销松开刀具，机械手反转 75 度复位。 设计手臂的要求 1手臂应承载能力大、刚性好、自重轻。 手臂的刚性直接影响到手臂抓取工件时动作的平稳性、运动的速度和定位精度。如刚性差的则会引起手臂在垂直平面内的弯曲变形和水平面内的侧向扭转变形，手臂就要产生振动，或振动时工件卡死无法工作。为此，手臂一般采用刚性较好的导向杆来加大手臂的刚性，各支承、连接件的刚性也要有一定的要求，以保证能承受所需要的驱动力。 2手臂的运动速度要适当，惯性要小。 机械手的运动速度一般是根据产品的生产节拍要求来决定，但不宜盲目地追求高速度。 手臂由静止状态达到正常的运动速度 启动，以及由常速减到停止 动 制动，速度的变化过程为速度特性曲
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