机械毕业设计（论文）-套类零件自动上下料机构设计【全套图纸】 .pdf

本科生毕业设计（论文） 套类零件自动上下料机构设计套类零件自动上下料机构设计 设计者： 本科生毕业设计（论文） ii 摘 要 针对数控车床设计的一种套类零件自动上下料机构，实现了坯料的抓取、自 动定位、夹紧以及工件的回放。该机构主要由自动安装夹具，坯料、工件拾取机 械手，动力及控制系统组成。零件的自动定位、夹紧由弹簧涨胎心轴实现，涨胎 心轴是以工件的内孔表面定位，由气缸驱动弹性筒夹向外扩涨，实现工件的定位 和夹紧的。坯料、工件的拾取、回放是由单臂形式的机械手通过伸缩、旋转以及 俯仰等运动实现的，这些运动均由气缸驱动获得。本设计中，为实现工件的自动 上下料，单臂机械手的运动与涨胎心轴的张合需进行紧密配合。考虑到所夹持工 件的实际尺寸、质量等因素，本机构采用气动、电气控制实现了坯料和工件的拾 取、安装、回放过程的自动完成。 关键词： 自动上下料；气动机械手；气动夹具；套类零件 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本科生毕业设计（论文） iii 本科生毕业设计（论文） iv abstract this paper is aimed at designing a sleeve parts automatic baiting agencies for a cnc lathe.its function is processing the crawls, automatic positioning and clamping of the workpiece.the automatic baiting agencies mainly consist of the automatic fixture, the manipulator for picking up the workpiece and billets and the drive and control system.among them,the automatic positioning and clamping of the sets parts is achieved by the axis fetal heart rate rising to the workpiece centering hole.when clamping the workpiece,flexible tube folder can center and clamp the cylindrical hole through the expansion and inflation;blank grasping of the workpiece and the intervals are achieved by the manipulator arm by stretching and rotating.in the issue,it is necessary for the movements of the manipulator arm and the automatical fixture zhang to require the coordination.taking into account that the actual workpiece size,the quality and the various features of the driven approach to the system,we decide to adopt the aerodynamic control,using compressed air to achieve the movements of the clamping fixture and manipulator. keywords:automatic baiting;pneumatic manipulator;pneumatic fixture;sleeve parts 本科生毕业设计（论文） i 目 录 摘 要 i abstract . 第 1 章 概述 1 1.1 自动上下料机构设计的背景与目的 . 1 1.2 自动上下料机构设计的意义 . 3 第 2 章 总体方案设计 4 2.1 方案设计概述 4 2.2 驱动方式的确定 5 2.3 ck6140 型数控车床的主要参数 7 2.4 总体方案设计 8 2.5 本章小结 . 10 第 3 章 夹具设计 11 3.1 机床夹具设计概述 . 11 3.2 结构设计 . 12 3.3 气动夹紧装置设计计算 16 3.4 本章小结 . 18 第 4 章 机械手设计 19 4.1 运动分析 . 19 4.2 结构设计 . 20 4.3 本章小结 . 30 第 5 章 气动控制系统设计 32 5.1 气压传动系统原理图的拟定 . 32 5.2 电气控制设计 33 5.3 本章小结 . 35 结 论 36 致 谢 37 参考文献 37 本科生毕业设计（论文） 1 第 1 章 概述 1.1 自动上下料机构设计的背景与目的 数控机床是一种以数字量作为指令信息、形式，通过电子计算机或专用计算 机装置控制的机床，是在机电一体化技术的基础上发展起来的一种灵活而高效的 自动化机床，在机械行业中得到了日益广泛的应用，因为它具有如下的特点： （1） 适应性强 适应性即所谓的柔性，是指数控机床随生产对象变化而变化的适应能力。在 数控机床上进行产品加工，当产品改变时，仅仅需要改变数控设备的输入程序（即 工作程序，又称用户软件）就能适应新产品的生产需要，而不需改变机械部分和 控制部分的硬件，而且生产过程是自动完成的。这一点不仅满足了当前产品更新、 更快的市场竞争需要，而且较好的解决了单件、小批量、多变产品的自动化生产 问题。适应性强是数控机床最突出的优点，也是数控机床得以生产和迅速发展的 主要原因。 （2）能实现复杂的运动 普通机床难以实现或根本无法实现轨迹为三次以上的曲线或曲面的运动，如 螺旋桨、 汽轮机叶片之类的空间曲面; 而数控机床则可以实现几乎是任意轨迹运动 和任何形状的空间曲面，适用于复杂异型零件的加工。 （3）加工精度高，产品质量稳定 数控机床是按照预定程序自动工作的，一般情况下工作过程不需要人工干预， 这就消除了操作者认为生产的误差。在设计制造设备主机时，通常采取了许多措 施，使数控设备的机械部分达到较高的精度。数控装置的脉冲当量可达 0.010.00002mm, 同时，可以通过实现检测反馈修正误差或补偿来获得更高的精 度。因此，数控机床可以获得比机床本身精度更高的加工精度。尤其提高了同批 零件生产的一致性 ，使产品质量获得稳定的控制。 （4）生产效率高 数控机床比普通机床的生产效率能高出许多倍。尤其对某些复杂零件的加工， 生产效率可提高十几倍甚至几十倍。其原因如下： 数控机床具有较高的刚性，可采用较大的切削用量，有效地减少了加工中 的切削时间。 具有自动变速、自动换刀河其他辅助操作自动化等功能，而且无需工序间 的检验和测量，使辅助时间大为缩短。 本科生毕业设计（论文） 2 工序集中、一机多用的数控加工中心，在一次装夹工件后几乎可以完成零 件的全部加工，这样不仅可减少装夹误差，还可减少半成品的周转时间，生产效 率的提高更为明显。 减轻劳动强度，改善劳动条件 数控机床的工作是按预先编制好的加工程序自动连续完成的，操作者除输入 加工程序及相关的操作之外，不需进行繁重的重复手工操作，劳动条件和劳动强 度大为改善。 有利于科学的生产管理 采用数控机床能准确地计算产品生产工时，并有效地建华检验、工夹具和半 成品的管理工作。数控机床采用标准的信息代码输入，这样有利于于计算机连接， 构成由计算机控制和管理的生产系统，实现制造和生产管理的自动化。 数控机床与普通机床相比具有许多优点，其应用范围正在不断扩大，但目前 它并不能完全替代普通机床，也还不能以最经济的方式解决机械加工中的所有问 题。在实际选用时，一定要充分考虑其技术经济效益。数控机床最适合加工具有 以下特点的零件： （1）多品种小批量生产的零件。 （2）形状结构比较复杂的零件。 （3）需要频繁改型的零件。 （4）价格昂贵，不允许报废的关键零件。 （5）需要最短周期制作的急需零件。 （6）批量较大精度要求很高的零件。 由于数控机床的自动化程度、生产效率都很高，可最大限度地减小操作工人。 因此，大批量生产的零件采用数控机床加工，在经济上也是可行的。 车床主要是用于车削加工，在机床上一般可以加工各种回转表面，如内外圆 柱面、圆锥面、成形回转表面及螺纹表面等。在数控车床上还可以加工高精度的 曲面与端面螺纹。用的刀具主要是车刀、各种孔加工工具（钻头、铰刀、镗刀等） 及螺纹刀具。车床主要用于加工各种轴类、套筒类和盘类零件上的回转表面。数 控车床加工零件的尺寸精度可达 it5it6，表面粗糙度可达 1.6m 以下。 数控车床的种类很多，各种卧式车床都有数控化的。数控车床主要可分为数 控卧式车床、数控立式车床和数控专用车床（数控凸轮车床、数控曲轴车床、数 控丝杠车床等） ；或分为普通数控车床和车削加工中心。 数控车床与卧式车床相比，有以下几个特点： （1）高精度 数控车床控制系统的性能不断提高，机械结构不断完善，机床 精度日益提高。 （2）高效率 随着新刀具材料的应用和机床结构的完善，数控车床的加工效 率、主轴转速、传动功率不断提高，使得新型数控车床的空转动时间大为缩短。 本科生毕业设计（论文） 3 其加工效率比卧式车床高 25 倍。加工零件形状越复杂，越体现出数控车床的高 效率加工特点。 （3）高柔性 数控车床具有高柔性，适应 70%以上的多品种、小批量零件的 自动加工。 （4）高可靠性 随着数控系统的性能提高，数控车床的无故障工作时间迅速 提高。 （5）工艺能力强 数控车床既能用于粗加工又能用于精加工，可以在一次装 夹中完成零件全部或大部分工序。 （6）模块化设计 数控车床的设计多采用模块化原则设计。 现在，数控车床技术还在不断向前发展着。随着数控系统，机床结构和刀具 材料的技术发展，数控车床将向高速化发展，进一步提高主轴转速、刀具快速移 动以及转位换刀速度；工艺和工序将更加复合化和集中化；数控车床向多主轴、 多刀架加工方向发展；为实现长时间无人化全自动操作，数控车床向全自动化方 向发展；机床的加工精度向更高方向发展。同时，数控车床也向简易型发展。 随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多重体力劳动必将有机器代替，这一 方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。随着机械制 造业的日益发展和数控车床的普及使用，工件的装夹往往成为制约提高加工效率 的主要原因，而普通车床常用的夹紧送料方式是采用手工送料，利用装在机床主 轴法兰上的三爪卡盘或四爪卡盘进行夹紧工件，装夹时间较长，工人的劳动强度 大。对于数控车床而言，人工装夹时间往往比加工时间还长，为此，在数控车床 上曾开发出液压或电机夹紧送料装置。液压夹紧装置虽然体积小，但必须每台车 床配备一套液压站，所以其成本较高，且送料机构采用重物提拉方法，结构大， 占用地方多，另外液压站使用的介质为液压油，维护保养时易污染环境等。电机 夹紧装置的体积较液压夹紧装置稍微大些，较经济，但一般只有夹紧装置而只有 送料装置，使数控车床无法实现自动连续工作，从而降低了数控车床的加工效率。 套类零件自动上下料机构主要包括自动安装夹具，坯料、工件拾取机械手， 动力及控制系统。在数控车床加工过程中，该机构用于实现坯料的抓取、自动定 位夹紧以及工件的回放等功能，可以实现数控车床的自动连续工作，操作简便， 大幅度提高了工作效率和加工的自动化程度。 1.2 自动上下料机构设计的意义 该自动上下料机构利用压缩空气作为动力源，取之不尽，用之不竭，可以节 约能源，气体不易堵塞流动通道，用过后可随时排入，不污染环境，成本较低， 维护保养容易气动动作迅速，反应快，气动机械手与气动夹具相互配合工作，能 够实现数控车床的自动连续工作，从而提高了加工成本，降低了工人的劳动强度。 本科生毕业设计（论文） 4 第 2 章 总体方案设计 2.1 方案设计概述 机械产品的设计过程由三个相互影响的步骤组成，称为方案设计阶段（或称 概念设计阶段） 、技术设计阶段（或称初步设计阶段）和施工设计阶段（或称详细 设计阶段） 。 2.1.1 方案设计 方案设计阶段的主要任务是根据计划任务书，在经调研进一步确定设计要求 的基础上，通过创造性思维和试验研究， ，克服技术难关，经过分析、综合与技术 经济评价，使构思和目标完善化，从而确定出产品的工作原理与总体设计方案。 2.1.1.1 明确设计要求 设计要求主要是功能要求、使用性能要求、工况适应性要求、宜人性要求、 外观要求、环境适应性要求、工艺性要求、法规与标准化要求、经济性要求等等。 2.1.1.2 功能分析 技术系统是由构造体系和功能体系构成的。建立构造体系是为了实现功能要 求。对技术系统从功能体系入手进行分析，有利于摆脱现有结构的束缚，形成新 的更好的方案。功能分析的目标是通过分析，建立对象系统的功能结构，通过局 部功能的联系，实现系统的总功能。功能分析过程是设计人员初步酝酿功能原理 设计方案的过程。这个过程往往不是一次能够完成的，而是随着设计工作的深入 进行不断修改、完善。 2.1.1.3 功能原理设计 此阶段的落脚点是为不同的功能、不同的工作原理、不同的运动规律匹配不 同的结构，这就是通常所说的型、数综合，而且通过上述的排列组合，会出现非 常多的功能原理解，产生很多的运动方案，这就为优选方案提供了基础。 2.1.2 技术设计 技术设计的任务是在功能原理设计所取得的优化方案的基础上，使原理构思 转化为具有实用水平的具体结构，其中包括确定基本技术参数，进行总体布局设 本科生毕业设计（论文） 5 计和结构装配图设计。对所设计的产品应满足如下要求：制造和维护经济、操纵 方便安全、可靠性高、使用寿命合理。为了达到这些要求，零件应满足强度、刚 度、抗振性、耐磨性、耐热性和工艺性等原则。 2.1.2.1 确定基本技术参数 （1）主要尺寸参数 工作尺寸标志着机械的工作范围和主要性能，一般包括 工作尺寸、外形尺寸、工作装置尺寸等。应根据产品需满足的工艺要求及尺寸范 围来确定。 （2）质量参数 包括整机质量、各主要部件质量、质心位置等。 （3）功率参数（包括运动参数、动力参数） 机械的运动参数有移动速度、 加速度和调速范围等，主要取决于机器要实现的工艺要求。机器的动力参数包括 承载力、原动机功率。工作装置是载荷直接作用的构件，力参数是其设计计算的 依据，也是机械性能的主要标志。原动机功率反映了机械的动力级别，它与其他 参数有函数关系，常是机械分级的标志，也是机械中各零部件的尺寸设计计算的 依据。 （4）技术经济指标 包括机械的生产率，机械的精度、效率、寿命、成本等。 技术经济指标是评价机械设备性能优劣的主要依据，也是设计应达到的基本要求。 2.1.2.2 机械结构设计 机械结构设计的任务就是依据所确定的原理方案，在总体设计的基础上给出 具体的结构图，结构设计包括机器的总体结构设计和零部件的结构设计。 结构设计的基本原则是明确（功能明确、工作原理明确、使用工况及应力状 态明确） 、简单、安全（结构构件安全、功能安全、运行安全、工作安全和环境安 全） 。另外，结构设计原理提供了用具体结构实现预定功能的策略和方法。 2.2 驱动方式的确定 驱动系统是带动操作机各运动副的动力源，常用的驱动方式包括电动机驱动、 液压驱动和气压驱动三种。 2.2.1 电动机驱动 电动机驱动是利用各种类型的电动机经过机械传动（或直接）驱动操作机构 以获得各种运动。其应用类型大致可分为普通交、直流电动机驱动、直流伺服电 动机驱动、交流伺服电动机驱动、步进电动机驱动等。 普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性 大，适用于中型或重型机器人。伺服电动机和步进电动机输出力矩相对小，控制 本科生毕业设计（论文） 6 性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人。交、直流伺服电 动机一般用于闭环控制系统，而步进电动机则主要用于开环控制系统，一般用于 速度和位置精度要求不高的场合。 电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电动机性能也逐渐提高。电力驱 动因有不需能量转换、控制灵活、使用方便、噪声较低、起动力矩大等优点而被 广泛选用。 2.2.2 气压驱动 气压传动是以压缩空气为工作介质进行能量传递和信号传递的。气压传递的 工作原理是利用空压机把电动机或其它原动机输出的机械能转化为压力能，然后 在控制元件的作用下，通过执行元件把压力能转换为直线运动或回转运动形式的 机械能，从而完成各种动作，并对外做功。 气动技术在国外发展很快，在国内也被广泛应用于机械、电子、轻工、纺织、 食品、医药、包装、冶金、石化、航空、交通运输等各个工业部门。气动机械手、 组合机床、加工中心、生产自动线、自动检测和实验装置等已大量涌现，它们在 提高生产效率、自动化程度、产品质量、工作可靠性和实现特殊工艺等方面显现 出极大的优越性。这主要是因为气压传动与机械、电气、液压传动传动相比有以 下特点。 气压传动的优点： （1）工作介质是空气，与液压油相比可节约能源，而且取之不尽、用之不竭。 气体不易堵塞流动通道，用过后可将其随时排入大气中，不污染环境； （2）空气的特性受温度影响小。在高温下能可靠地工作，不会发生燃烧或爆 炸。且温度变化时，对空气的粘度影响极小，故不会影响传动性能； （3）空气的粘度很小（约为液压油的万分之一） ，所以流动阻力小，在管道 中流动的压力损失较小，所以便于集中供应和远距离输送； （4）相对液压传动而言，气动动作迅速、反应快，一般只需 0.020.3s 就可 达到工作压力和速度。液压油在管路中流动速度一般为 15m/s，而气体的流速最 小也大于 10m/s，有时甚至达到音速，排气时还达到超音速； （5）气体压力具有较强的自保持能力，即使压缩机停机，关闭气阀，但装置 中仍然可以维持一个稳定的压力。液压系统要保持压力，一般需要能源泵继续工 作或另加蓄能器，而气体通过自身的膨胀性来维持承载缸的压力不变； （6）气动元件可靠性高、寿命长。电气元件可运行百万次，而气动元件可运 行 20004000 万次； （7）工作环境适应性好，特别是在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动 等恶劣环境中，比液压、电子、电气传动和控制优越； （8）气动装置结构简单，成本低，维护方便，过载能自动保护。 本科生毕业设计（论文） 7 气压传动的不足之处： （1）由于空气的可压缩性较大，气动装置的动作稳定性较差，外载变化时， 对工作速度的影响较大； （2）由于工作压力低，气动装置的输出力或力矩受到限制。在结构尺寸相同 的情况下，气压传动装置比液压传动装置输出的力要小得多。气压传动装置的输 出力不宜大于 1040kn； （3）气动装置中的信号传递速度比光、电控制速度慢，所以不宜用于信号传 递速度要求十分高的复杂线路中。同时实现生产过程中的遥控也比较困难，但对 一般的机械设备，气动信号的传递速度是能满足工作要求的； （4）噪声较大，尤其是在超音速排气时要加消声器。 在所有的驱动方式中，气压驱动是最简单的，在工业上应用很广。其中不少 气动系统应用于机器人，多用于开关控制和顺序控制的机器人。气动执行元件既 有直线气缸也有旋转气动马达。 气动系统的工作介质是压缩空气，气动控制阀简单、便宜，而且工作压力也 低的多。多数气动驱动用来完成挡块间的运动。气动系统的主要优点之一就是操 作简便、易于编程，所以可以完成大量的点位搬运操作的任务。但是用气压伺服 实现高精度很困难。不过在能满足精度的场合，气压驱动在所有的机器人及机械 手中是重量最轻的，成本也最低。气压系统的动力源由高质量的空气压缩机提供。 这个气源可经过一个公用的多路接头为所有的气动模块所共享。安装在多路接头 上的电磁阀控制通向各个气动元件的气流量。 综上所述，并结合具体设计的上下料机构抓取工件的尺寸、大小等，本设计 最终采用气压驱动。 2.3 ck6140 型数控车床的主要参数 床身最大工件回转直径 400 mm 最大车削长度 1000 mm 中心高 205 mm 主轴头形成 6#c 型 主轴锥孔 莫式 6 号 主轴孔径 52 mm 主轴转速范围 1002500r/min 机床轮廓尺寸 长度 2265 mm 宽度 1050 mm 高度 1466 mm 本科生毕业设计（论文） 8 主轴线与床身边缘的间距 300 mm 主轴线距地面高度 1100 mm 床头箱长度 610 mm 2.4 总体方案设计 机床的上下料，是指将毛坯送到正确的加工位置及将加工好的工件从机床上 取下的过程。按自动化程度，机床的上下料装置分为人工上下料装置和自动上下 料装置两类。人工上下料通常借助传送滚道或起重机等设施，通过人工操作进行 机床的上下料。这类操作需要较长时间，耗费体力，主要适用于单件小批生产或 大型的活外形复杂的工件。在大批大量生产中，为了缩短上下料时间，提高劳动 生产率，降低工人的劳动强度，通常采用自动化的上下料装置，如料仓式、料斗 式、上下料机械手或机器人等。 本设计所需要完成的针对数控车床的自动上下料机构，主要实现的功能是坯 料的抓取、自动定位、夹紧和工件的回放。设计者决定采用单臂机械手，由它的 旋转、俯仰和伸缩运动来完成上下料。 机械手是一种能模仿人手的某些工作机能，按照程序要求实现抓取和搬运工 件，或完成某些劳动作业的机械自动化装置。有时也称为操作机或工业机器人。 上下料机械手依据其安放位置可以分为内装式、附装式和单置万能式机器人三类 形式。按照其是否移动又分为固定式和行走式两类机器人。 固定式机器人由于本体是固定的，它只能借助其臂部在可活动范围内进行上 下料作业，它的传送距离九受到一定限制。如果能自动更换手部，它就可以抓取 工件、刀具或夹具等实现多种操作，是一种具有较大柔性的传送装备。 固定式机器人可分为服务于多台机床与固定机床两类。将小型机器人直接安 装在机床的侧面或上部，使它具有搬运与装卸工件所必需的最低限度的运动自由 度，可用 cnc 装置控制机器人的动作。 行走式机器人又称移动式机器人，具有较大的活动范围。 随着柔性制造系统的发展，工业机器人在物流系统中的应用越来越广泛。工 业机器人可以在数控机床与工件台架之间完成工件的传送任务；也可以在两三台 数控车床之间，以及与工件台架之间完成复杂的工件传送任务；还可以完成刀具 交换、夹具交换甚至装配等任务。它将加工与装配、成品与毛坯、工件、刀具和 夹具等有机的联系起来，构成一个完整的系统。应该指出的是，工业机器人在这 里仅用于上下料，它当然比焊接、喷漆机器人的功能要求要简单一些。 针对数控车床的自动上下料机构，实现的功能是坯料的抓取、自动定位、夹 紧和工件的回放。本机构采用单臂机械手，由它的旋转、俯仰和伸缩运动来完成 上下料。同时设计一气动弹簧涨胎心轴实现工件的自动定心夹紧与松开。机械手 本科生毕业设计（论文） 9 与气动夹具相互配合完成数控机床的自动化加工。上下料系统包含料台放出一个 套类工件、气动机械手抓取工件，送入机床夹具内然后退回到一定位置，等到工 件加工完之后，气动机械手动作抓取零件放回料台，这些动作都用电磁铁和行程 开关实现简单的开关控制。从而完成上下料的总过程。机械手上下料与机床弹簧 涨胎心轴的松开、夹紧及车刀运动有联锁关系，其程序如下：隔料器放出一个工 件机械手手臂伸出到指定位置开关发出信号、手爪夹紧工件机械手 手臂上仰到指定高度开关发出信号、 机械手逆时针旋转 180将工件送到弹簧 涨胎心轴上开关发出工件到位信号弹簧涨胎心轴外涨夹紧工件机械 手手爪松开工件开关发出信号、手臂缩回行程开关发出信号、手臂俯下 加工工件开关发出信号、机械手手臂上仰到指定高度开关发出信号、 手臂伸出到指定位置手爪夹紧工件开关发出信号、夹具松开开关发 出信号、 机械手顺时针旋转 180将工件放回料台机械手回到初始位置隔 料器放出下一个工件机械手再完成工件的上下料循环。 1料台 手爪 伸缩缸 数控机床 升降缸 旋转缸 图-1 上下料系统简图 根据数控机床的机构参数可知，料台高 800 mm，料台和机床主轴线之间的距 离为 1800mm。如图 2- 1 所示，数控机床与料台平行布置；单臂形式的气动机械手 置于车床与料台的中间位置，固定在平台上；弹簧涨胎心轴安装在数控机床的主 轴上，随主轴一起旋转。考虑到机械手的工作空间和人工操作空间，通过定性的 分析，按下开关，启动工作后，机械手手臂在伸缩气缸 3 的驱动下伸长 347mm， 手爪 2 在气缸驱动下夹紧料台上的一个工件后，时间继电器发出信号，机械手手 臂由位于其正下方的升降气缸 5 驱动，上仰一定角度，使得手爪所抓取工件的中 轴线上升 300mm，此时升降缸 5 上升 28mm。手臂到位后，行程开关发出信号， 本科生毕业设计（论文） 10 机械手在旋转缸 6 的驱动和行程开关的控制下逆时针旋转 180。这样，机械手手 臂伸向数控机床的主轴方向，将工件直接送入车床夹具。弹簧涨胎心轴外涨夹紧 工件后，手爪在气缸驱动下松开工件，在时间继电器和行程开关的控制下，机械 手手臂缩回、下俯并且停止到安全位置。数控机床开始加工工件，加工完毕后， 时间继电器发出信号，在行程开关控制下，升降缸 5 上升 28mm，使得机械手臂上 仰一定角度，手臂在伸缩缸 3 的驱动下再次伸长 347mm，手爪 2 在气缸驱动下夹 紧已加工完的工件，夹具松开，时间继电器发出信号，在行程开关控制下，机械 手由旋转缸 6 驱动顺时针旋转 180后回到料台方向。 手臂随着升降缸 5 的下降而 俯下，手爪在气缸驱动下松开，将工件放于料台上，时间继电器发出信号后，手 臂由伸缩缸 3 驱动退回到初始位置。机械手的上述一系列运动与车床夹具的夹紧、 松开相配合，实现了机床的上下料。 气动机械手机构中，伸缩缸 3 驱动手臂实现伸缩运动。升降缸 5 位于旋转缸 6 的顶端、机械手臂的正下方。机械手伸缩臂的尾部具有吊耳支撑机构，通过升降 缸 5 的升降运动，机械手伸缩臂可绕尾部支撑旋转，从而实现俯仰运动。旋转缸 6 位于机身底部，驱动机械手实现 180的回转运动。 2.5 本章小结 随着机械制造业的发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。 为了更有效地提高产品质量、生产效率，降低生产成本，改善工人的劳动条件， 数控机床的使用越来越普遍，因而对自动上下料机构的设计也就变得越来越重要。 本设计中的自动上下料机构的工作对象是套类零件，主要由自动安装夹具， 坯料、工件拾取机械手和动力及控制系统组成。其中，自动安装夹具为自动定心 夹紧的涨胎心轴，机械手是单臂式的，动力及控制采用气压驱动和电气控制。普 通气缸驱动的机械手可实现柔性自动上下料，送料精度较高，能节约人力、降低 加工成本。气动机械手与气动夹具相辅相成实现自动上下料，不但省事，减少投 资，节约时间，而且工作可靠。 本科生毕业设计（论文） 11 第 3 章 夹具设计 3.1 机床夹具设计概述 3.1.1 机床夹具及其组成 3.1.1.1 机床夹具 在机械制造各行业的工艺过程中广泛应用着各种不同的，用以固定加工对象 使之占有正确位置，以便接受施工的工艺装备，统称为夹具。在机械加工、装配、 检验以及焊接等工艺中，都大量的采用夹具。而在机械加工中应用于金属切削机 床上的夹具，将其称为机床夹具。 机床夹具是在金属切削加工中用以准确地确定工件的位置，并将其夹紧，从 而保证工件与刀具间正确的相对位置的工艺装备。由此可以看出，机床夹具是用 来安装工件的设备。 3.1.1.2 机床夹具的组成 机床夹具由下列零部件组成。 （1）定位元件 用来保证工件在夹具中占有正确的位置。如心轴支撑钉、支 撑板、v 型块等都是定位元件。 （2）夹紧装置 因工件在加工时会受到切削力、惯性力、冲击力和振动等作 用，为了使工件不因受力的作用而使位置发生变化，需要有将工件夹紧的机构。 如斜楔、螺旋、偏心等夹紧机构。 （3）对刀及导向元件 用于确定工件相对于刀具的位置。如对刀块、钻套、 镗套等。 （4）夹具体 用于联接夹具中各种元件和装置的基础件。 （5）其他元件及装置 如定向键、操作件、分度装置等。 3.1.2 机床夹具的功能和应满足的要求 3.1.2.1 机床夹具的功能 （1）保证加工精度 工件通过机床夹具进行安装，包含了两层含义：一是工 件通过夹具上的定位元件获得正确的位置，称为定位；二是通过夹紧机构使工件 的既定位置在加工过程中保持不变，称为夹紧。这样，就可以保证工件加工表面 本科生毕业设计（论文） 12 的位置精度，且精度稳定。 （2）提高生产率 使用夹具来安装工件，可以减少划线，找正、对刀等辅助 时间，采用多件、多工位夹具，以及气动、液压动力夹紧装置，可以进一步减少 辅助时间，提高生产效率。 （3）扩大机床的使用范围 有些机床夹具实质上是对机床进行了部分改造， 扩大了原机床的功能和使用范围。如在车床床鞍上安放镗模夹具，就可以进行箱 体零件的孔系加工。 （4）减轻工人的劳动强度，保证生产安全。 3.1.2.2 机床夹具应满足的要求 机床夹具应满足的基本要求包括下面几方面： （1）保证加工精度 这是必须做到的最基本要求。其关键的是正确的定位、 夹紧和导向方案，夹具制造的技术要求，定位误差的分析和验算。 （2）夹具的总体方案应与年生产纲领相适应 在大批量生产时，尽量采用快 速、高效的定位、夹紧机构和动力装置，提高自动化程度，符合生产节拍要求。 在中、小批量生产时，夹具应有一定的可调性，以适应多品种工件的加工。 （3）安全、方便、减轻劳动强度 机床夹具要有工作安全性考虑，必要时加 保护装置。要符合工人的操作位置和习惯，要有合适的工件装卸位置和空间，使 工人操作方便。大批量生产和工件笨重时，更需要减轻工人的劳动强度。 （4）排屑顺畅 机床夹具中积集切屑会影响到工件的定位精度，切屑的热量 使工件和夹具产生热变形，影响加工精度。清理切屑将增加辅助时间，降低生产 效率。因此夹具设计中要给予排屑问题充分的重视。 （5）机床夹具应有良好的强度、刚度和结构工艺性 机床夹具设计时，要方 便制造、检测、调整和装配，有利于提高夹具的制造精度。 3.2 结构设计 3.2.1 夹具定位机构的设计 3.2.1.1 工件在夹具中的定位 工件在加工前必须相对于刀具和机床占有正确的位置，即工件必须定位。当 工件安放在夹具上时，由于定位元件的限制，使工件在夹具中不能随意摆放，而 是确定在一个既定位置上，从而保证一批工件都能在夹具中占有同一个正确位置， 这就是工件的定位。需要说明的是，在这里不应该把工件的定位片面的理解为工 件位置的固定。固定工件的位置，是工件夹紧的含义。工件在夹具中，因偶然事 故而没有安放在正确位置上，即没有定位，但夹紧机构仍可以将其夹紧而使位置 本科生毕业设计（论文） 13 固定下来。此时工件虽然被固定在某一位置上，但工件并没有实现定位。也就是 说，定位与夹紧是两个互相联系，但又不容混淆的概念。 工件在夹具中的定位问题，是夹具设计中首先要解决的重要问题。因为工件 的定位方案为确定，便无法进行夹紧装置、对刀元件、引导元件及夹具体等的设 计工作。而定位元件一经确定则夹具其他组成部分的总体配置也就大体上随之确 定。 将工件的有关表面靠紧在夹具的定位元件上，即实现定位。由此可见，工件 的定位不但与定位方案、定位元件有关，而且还与工件上用于定位的各表面有关。 这些表面是工件定位的基础，即确定工件各表面相互位置的基准。基准是机械制 造中应用的十分广泛的一个概念，它是指机器零件上用来确定各有关表面相互位 置所用的几何要素（点、线、面） ，它有基准点、基准线、基准面（基面）之分。 基准在机器零件的设计、加工、检验、装配等许多方面都会遇到，与夹具设计有 关的两类基准，即设计基准和工艺基准。 3.2.1.2 常用定位方式 （1）以平面定位 工件以平面为基准定位较为广泛，如箱体、机座、支架、 盖、板类零件等。定位元件常采用支承钉、支承板，可调支承和自位支承等。其 中平头支承钉用于精基准定位，球头支承钉用于毛坯面的定位，齿纹式支承钉也 用于毛坯面的定位，齿纹增加摩擦力使定位稳定，为了便于清理切屑，一般用于 侧面定位。支承板一般用于主要定位面或水平方向上的定位面。可调支承主要用 于毛坯质量不高，尺寸变化大的粗基准定位，适于中小批量生产。自位支承能增 加定位基准面与定位元件的接触点数，提高定位稳定性，同时可以减少工件受外 力而产生的变形。另外，还有辅助支承，它只起增加刚度而不起定位作用。 （2）以外圆柱面定位 以工件的外圆柱面定位，生产中应用广泛，如轴承、 套类零件等。除三爪卡盘和弹簧卡头等自动定心夹具外，还有用平面支承、圆孔 套和 v 型块等。v 型块定位，装卸方便，对中性好，在生产中应用也比较常见。 （3）以圆孔定位 工件以圆孔定位，常用的定位元件是心轴、定位销。心轴 的结构形式很多，如刚性心轴、弹性心轴、液压塑料心轴等。常用的刚性心轴有 三种： 锥形心轴 这种心轴的锥度很小，工件在此心轴上定位限制了五个自由度。 安装工件时，将工件楔紧在心轴上，楔紧后的工件孔有弹性变形，使工件孔与心 轴在长度上产生紧配合，从而使工件不致于倾斜。加工时，靠楔紧在长度上产生 的摩擦力带动工件，不需另外夹紧。 过盈配合圆柱心轴 工件在心轴和轴肩上定位，限制五个自由度。心轴的 定位部分与工件孔采用过盈配合，安装时，用压力机压入压出，工件定位后没有 间隙，因此定位误差为零。 间隙配合圆柱心轴 工件在心轴和轴肩上定位，限制五个自由度。当工件 本科生毕业设计（论文） 14 精度要求不高时，为了装卸方便，工件和心轴可以采用间隙配合。 组合定位 工件定位时，常需要限制多个自由度，若采用一个表面定位不 能满足加工要求，常需要两个或两个以上表面定位，这种定位方式称为组合定位。 如采用两个或三个平面定位、一面一孔定位以及最典型的一面两孔定位等。各种 机器的变速箱、内燃机气缸体、气缸盖及连杆等在加工中多采用一面两孔定位。 这种定位方法，能使各工序的基准一致，减少基准转换误差，提高加工精度。 图 3- 1 车床夹具简图 针对套类零件的特点，其在夹具中是通过内孔表面和端面来定位的。如图 3-1 所示，夹具中采用三个支承钉对工件进行轴向的精基准定位；采用弹簧涨胎心轴 对工件的内孔表面进行定位。 3.2.2 夹具夹紧机构的设计 3.2.2.1 工件夹紧的基本要求 工件在夹具中定位后，相对于机床和刀具占有了正确的位置，而工件在加工 时受到切削力、惯性力和重力等作用，若要保证工件的既定位置不变，必须使工 件夹紧。所谓工件的夹紧就是指工件在外力作用下保持原有定位位置不变。另外， 对工件夹紧还有一定的要求：夹紧过程中不能破坏定位；夹紧可靠、适当，既要 使工件在加工过程中不产生位移或振动，又要避免工件产生变形和损伤已加工表 面。要满足以上要求，必须正确、合理地确定夹紧力的方向、作用点和大小。 3.2.2.2 典型夹紧机构 机床夹具利用斜楔夹紧原理实现夹紧工件还是比较常见的。实际应用中，螺 旋夹紧机构和偏心轮夹紧机构，就其作用原理来讲，也是斜楔加紧原理的变型。 本科生毕业设计（论文） 15 （1）斜楔夹紧机构 斜楔是利用其斜面移动产生压力，使工件得到夹紧的。 其特点是：具有自锁性、具有增力作用、夹紧行程小、能够改变作用力。实际生 产中很少直接应用单斜楔夹紧工件，因为单斜楔夹紧既费时又费力，通常与螺旋 或偏心轮夹紧机构联合使用，并采用气动和液压为力源。 （2）螺旋夹紧机构 具有结构简单、增力大、自锁性好等优点，但是夹紧动 作慢。可以直接用于对工件的夹紧，也可与其他元件或机构组成复合夹紧机构。 螺旋夹紧机构在机床夹具中应用极为广泛。它实际上相当于一个斜楔绕在圆柱体 上，它的夹紧过程是通过转动螺旋，使绕在圆柱体上的斜楔在高度上发生变化， 实现对工件的夹紧。 （3）偏心夹紧机构 是斜楔夹紧机构的一种变型。可以把它看成是斜楔包在 圆盘上，因此偏心夹紧机构的结构比斜楔紧凑，夹紧迅速，但是夹紧行程小，增 力倍数不大。一般不单独使用，它与压板组成的偏心压板夹紧机构应用较为广泛。 （4） 定心夹紧机构 当被加工工件几何对称时， 常使用同时定位和夹紧机构， 这种机构称为定心夹紧机构。其工作原理是：利用定心夹紧元件的等速移动或均 匀弹性变动实现定心夹紧。如车床用的三爪卡盘、小锥度心轴等都属于定心夹紧 机构。常见的定心夹紧机构还有如下四种： 双向定心的 v 形块夹紧机构 定位精度不高，但夹紧力大、装夹范围大， 适用于定心精度要求不高的工件安装。 滑块斜楔定心机构 夹紧范围较大，夹紧可靠，但定心精度不高，适用于 工件的粗加工。 弹性筒定心夹紧机构 分为用于外圆柱面的定心弹簧夹头和用于工件内孔 定心弹簧夹头（涨胎） 。这类机构的定心-夹紧元件为弹性筒夹，其前端沿圆周方 向开有三个等分槽（涨胎则在两端开等分槽） 。夹压工件时，由于弹性筒夹向中心 收缩时，即可对工件外圆柱面实施定心并加紧；当弹性筒夹向外扩涨时就可以对 圆柱孔定心并夹紧。 液性塑料定心夹具机构 定位精度高，适用于精加工，但薄壁套筒本身较 难加工。 （5）联动夹紧机构 工件加工时，由于工件的结构特点、定位夹紧以及生产 率的要求，常对工件施加几个夹紧力，在同一个夹具中安装几个工件，可用联动 夹紧机构来实现。这种机构，操纵集中、简便，缩短辅助时间，从而提高了生产 率；还可以使各点夹紧力保持相对稳定，既保证了定位又减少了工件的变形，也 减轻了工人的劳动强度，因此，得到广泛的应用。但其结构较为复杂，可靠性较 差。联动夹紧机构分为多点、多件夹紧。 采用定心夹紧机构中的弹性筒夹夹紧机构弹簧涨胎心轴来实现套类零件 的自动定心夹紧。如图 3-1 所示，此机构的定心-夹紧元件是弹性筒夹，其前端沿 圆周方向开有四个等分槽，夹压工件时，弹簧筒夹向外扩涨就可以对圆柱孔定心 本科生毕业设计（论文） 16 并夹紧。弹性筒夹的外涨是由气缸驱动拉杆带动心轴沿轴向移动，从而驱动锥形 块移动、夹压弹性筒夹来实现的。拉干与心轴通过螺纹连接并加以圆螺母进行防 松，锥形块通过普通平键连接在心轴上并且随心轴一起旋转，其顶端由挡圈和螺 栓固定。 3.3 气动夹紧装置设计计算 3.3.1 夹紧力的确定 （1）计算工件在车削时所受的切削分力 pz 根据相关资料，车削外圆时，计算 fc 的经验公式如下： fc=cfc apxfc fyfc kfc （31） 式中，cfc与工件材料、刀具材料及切削条件等有关的系数； ap 背吃刀量，mm； f进给量，mm/r； xfc，yfc 指数； kfc切削条件不同时的修正系数。 根据经验公式从有关资料中查出，用o=15，kr=75的硬质合金车刀车削 结构钢件外圆时， cfc=1609，xfc=1，yfc=0.84，ap=1mm，f=0.1mm/r 其中,指数 xfc比 yfc大，说明背吃刀量 ap对 fc 的影响比进给量 f 对 fc 的影响大。 那么，fc=16091（0.1）0.841=232.57n 则，pz=fc=232.57n （2）工件与心轴在轴向方向与圆周方向的摩擦系数为：f1=f2=0.2 （3）安全系数 k=2.5 （4）为防止工件在车削时，在切削分力 pz 作用下打滑而转动所需的轴向拉 力为： (1( 15 20.20.03 kpzp qtgftg f d 2.5232.570.06 = +) =+ 0.2) = 2720.78 （32） 3.3.2 夹紧气缸的设计计算 （1）根据机械设计手册，由预算确定的所需气缸轴向输出力推力 q=3627.7n，得： 活塞式气缸（双作用气缸）内径： 本科生毕业设计（论文） 17 2 4 1.3 qq dd pp =+ （33） 式中，p 气缸工作压力，pa； 气缸的机械效率； d 活塞杆直径,mm。 代入数值得： 2720.78 1.387.54 0.6 dmm 6 = 10 根据标准化气缸系列的数值进行圆整，得 d=100mm。 （2）活塞杆直径的确定与验算 取活塞杆直径 d=25mm，按下式进行验算： 4 1.13 pp d = （34） 式中，p 活塞杆承受的轴向力，n； 活塞杆材料的需用应力，n。 代入数值，得 6 3974 1.139.35 58 10 dmm= ，成立。 故活塞杆直径满足强度要求。 （3）气缸筒壁厚的确定与验算 气缸内径确定后， 根据机械设计手册， 其壁厚选取为 t=10mm,根据下式进行强 度验算： 2 pd t （35） 式中，t 气缸筒的壁厚，mm； p 最高工作压力，pa； d 气缸筒内径，mm； 气缸筒材料的许用应力，pa。 代入数值得 6 6 0.6 10100 10 23 10 tmm = ，成立。 故该缸筒壁厚满足强度要求。 （4）气缸进排气口螺孔直径的确定 本科生毕业设计（论文） 18 气缸进排气口螺孔的大小与空气消耗量（缸径、活塞杆直径、活塞的平均速 度等）及供气压力均有关系，故难于准确计算。根据机械设计手册，按缸径查取。 根据 d=100 mm，查得，进排气口螺孔直径规格为 d=m141.5。 （5）活塞的厚度取决于密封圈的种类和排数。气缸筒与活塞、活塞杆与活塞、 气缸筒与气缸盖、活塞杆与气缸盖之间均选用 0 形橡胶密封圈，其沟槽尺寸皆为 标准值。 （6）连接螺栓直径的确定与验算 根据螺栓材料与载荷，初定螺栓直径 d=10mm，按下式进行验算： 2 b ap d xn （36） 式中，a 气缸的有效截面积，mm2； p 气缸的工作压力，pa； b螺栓材料的抗拉强度，pa； x 需用应力与抗拉强度之比，取 1 8 b x =； n 螺栓数目。 代入数值，得： 26 8 21000.6 10 4 6.9 1 4 104 8 dmm = ，成立。