工业机械手设计

工业机械手设计工业机械手设计工业机械手设计资料仅供参考文件编号：2022年4月工业机械手设计版本号：A修改号：1页次：1.0审核：批准:发布日期：目录摘要 3第一章引言 4.工业机械手设计的目的 4.机械手的设计方案 4机械手大臂的设计要求 4运动方案 4设计内容 5执行机构 5运动机构 6机械手腰座结构的设计 7机械手腰座结构的设计要求 7设计具体采用方案 8工业机械手的概述 9机械手腕部的结构设计 9第二章系统工作工程 12系统的介绍 12出货过程 12进货过程 12第三章系统设计思想 12步进控制电路设计思想 12系统构成 14PLC软件系统设计的步骤 15第四章PLC机械手的形式 16两手呈180°的回转式单臂双手机械手； 16两手互相垂直的回转式单臂双手机械手 16机械手传送系统梯形图 17指令语句表 19机械手末端执行器（手爪）的结构设计 20第五章液压传动系统设计 22液压传动系统设计计算 22确定液压系统基本方案 22拟定液压执行元件运动控制回路 23液压源系统的设计 23绘制液压系统图 24第六章零件图工艺分析 25数控铣削加工 25平面凸轮的数控铣削工艺分析 29结束语 34致谢 35参考文献 36

摘要工业机械手是在生产过程中采用机电结合来模拟人手动作的机械设备，它可以代替人手搬运笨重物体或在高温、有毒、高粉尘，易燃易爆、单调和放射性等恶劣的环境下工作。机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。第一章引言.工业机械手设计的目的机械设计制造及其自动化专业是为了培养从事机械设计、制造行业的人才而开设的专业。而工业机械手课程设计不仅培养设计者对机械的认识、运用能力而且也增进了对机械工业发展的了解和认知。工业机械手的设计涉及：机械设计原理、液压、气压、电气传动及单片机、PLC、可编程控制器等控制系统与基本理论知识。设计目的：1、培养学生的机械设计能力；2、扩展学生的知识结构；3、帮助学生培养综合运用能力；4、是课堂教学的有益补充。.机械手的设计方案机械手大臂的设计要求l、行程：0—500mm，任意可凋。2、运动时间：0—5S3、运动平稳，定位可靠、精确。4、结构设计时考虑伸缩臂原位时的整机平衡。5、与旋转机座、伸缩臂为法兰联接。6、采用燕尾滑动导轨，铸造毛坯。运动方案C1液压驱动方案采用直线油缸。考虑手臂最低工位，推荐采用上图所示变行程措施。C2机械驱动方案采用滚珠丝杠传动。考虑伸缩臂等惯性力作用对定位的影响。设计内容方案C1l、大臂结构设计；2、大臂结构强度计算；3、驱动系统液压油流量、压力、驱动油缸的选择；4、齿轮强度。5、成果要求：画大臂部件装配图1张，大臂零件图1张方案C21、大臂结构设计；2、大臂结构强度计算；3、传动系统设计：电机选择、丝杠选择(公称直径、导程)；4、丝杠强度计算；5、成果要求：画大臂部件装配图1张、丝杠零件图1张。执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1、手部即与物件接触的部件。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。2、手腕是联接手部和手臂的部件，其调整或改变工件方位的作用。3、手臂支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。4、立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。5、行走机构

机械手为了完成远距离的操作和扩大使用范围，可以增设滚轮行走机构。滚轮式行走机构可分为有轨的或是无轨的两种。6、机座

它是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于基座上，故起支承和联接的作用。7、其它部分

行程检测装置和传感装置等。行程检测装置是检测和控制机械手各运动行程（位置）的装置。传感装置其中装有某种传感器，使手指具有敏感性和自控性，用以反映手指与物件是否接触、物件有无滑下或脱落、物件的位置是否准确、手指对物件的握紧力是否与物件的重量相适应。运动机构1.直角坐标机器人结构直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（μm级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。2.圆柱坐标机器人结构圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。3.球坐标机器人结构球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。4.关节型机器人结构关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。图1-1四种机器人坐标形式机械手腰座结构的设计进行了机械手的总体设计后，就要针对机械手的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。机械手腰座结构的设计要求 工业机器人腰座，就是圆柱坐标机器人，球坐标机器人及关节型机器人的回转基座。它是机器人的第一个回转关节，机器人的运动部分全部安装在腰座上，它承受了机器人的全部重量。在设计机器人腰座结构时，要注意以下设计原则：1.腰座要有足够大的安装基面，以保证机器人在工作时整体安装的稳定性。2.腰座要承受机器人全部的重量和载荷，因此，机器人的基座和腰部轴及轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。3.机器人的腰座是机器人的第一个回转关节，它对机器人末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。4.腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器（电动、液压及气动）及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。5.腰部结构要便于安装、调整。腰部与机器人手臂的联结要有可靠的定位基准面，以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。6.为了减轻机器人运动部分的惯量，提高机器人的控制精度，一般腰部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。设计具体采用方案腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或液压马达来实现，目前的趋势是用前者。因为电动方式控制的精度能够很高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器人的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。一般电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩的具体要求，采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。因为齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），同时为了减小机械手的整体结构，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造，尽量减小因齿轮传动造成的误差。腰座具体结构如图1-2所示：图1-2腰座结构图工业机械手的概述机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，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，例如：1.机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。2.在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。3.可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。4.可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。5.宇宙及海机械手腕部的结构设计机器人的手臂运动（包括腰座的回转运动），给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机器人手臂末端的手腕，则给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动姿态。机器人手腕是机器人操作机的最末端，它与机器人手臂配合运动，实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完成所需要的作业动作。1.机器人手腕的自由度数，应根据作业需要来设计。机器人手腕自由度数目愈多，各关节的运动角度愈大，则机器人腕部的灵活性愈高，机器人对对作业的适应能力也愈强。但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更复杂，机器人的控制更困难，成本也会增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。在满足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少。一般的机器人手腕的自由度数为2至3个，有的需要更多的自由度，而有的机器人手腕不需要自由度，仅凭受臂和腰部的运动就能实现作业要求的任务。因此，要具体问题具体分析，考虑机器人的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案。2.机器人腕部安装在机器人手臂的末端，在设计机器人手腕时，应力求减少其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机器人腕部的重量，腕部机构的驱动器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。3.机器人手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。4.机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。5.要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。6.手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。通过对数控机床上下料作业的具体分析，考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上下料作业时的具体要求，在满足系统工艺要求的前提下提高安全和可靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制的难度，本设计手腕不增加自由度，实践证明这是完全能满足作业要求的，3个自由度来实现机床的上下料完全足够。具体的手腕（手臂手爪联结梁）结构见图1-3。图1-3手爪联结结构图1-4机械手控制图1．在传输带A端部，安装了光电开关PS，用以检测洋的开发。2.机械手在原位时，按下起动按钮，系统起动，传送带A运转。当光电开关检测到物品后，传送带A停。3．传输带A停止后，机械手进行一次循环动作，把物品从传送带A上搬到传送带B(连续运转）上。4.机械手返回原位后，自动再起动传送带A运转，进行下一个循环。5．按下停止按钮后，应等到整个循环完成后，才能使机械手返回原位，停止工作。6.机械手的上升／下降和左移／右移的执行结构均采用双线圈的二位电磁阀驱动液压装置实现，每个线圈完成一个动作。7.抓紧／放松由单线圈二位电磁阀驱动液压装置完成，线圈通电时执行抓紧动作，线圈断电时执行放松动作。8.机械手的上升、下降、左移、右移动作均由极限开关控制。9.抓紧动作由压力继电器控制，当抓紧时，压力继电器动合触点闭合。放松动作为时间控制（设为2s）。第二章系统工作工程系统的介绍本系统的机械手部分由底盘、立杆、手臂、手组成，其中底盘由一个步进电机驱动，可顺逆时针旋转;立杆由一个步进电机驱动，可上下移动;手臂由一个步进电机驱动，可前后伸缩;手由气泵控制，可抓紧和放松。在相应位置都有位置检测信号用于定位。出货过程从复位位置启动,根据要求到相应出货台(1，2，3号货台),此时底盘转动到要求位置，立柱下降,手臂伸出,定位后手抓货物,立柱上升,同时手臂回收(以免运行中与其它设备相撞),然后到相应出货台(左,或右出货台),立柱下降,手臂伸出,手打开,把货物放在相应出货台上。进货过程从复位位置启动,根据要求到相应出货台(左，或右出货台),此时底盘转动到要求位置，立柱下降,手臂伸出,定位后手抓货物,立柱上升,同时手臂回收(以免运行中与其它设备相撞),然后到相应出货台(1，2，3号货台),立柱下降,手臂伸出,手打开,把货物放在相应出货台上。第三章系统设计思想步进控制电路设计思想PLC继电器式输出模块工作速度较低，故采用高频脉冲方波发生器，给出步进脉冲，其振荡频率按步进电机速度设置，步进量的控制采用位置检测，根据位置检测信号用PLC的输出点切断进给电机，实现步进电机的停车,其程序流程图如图所示。图1-4程序流程图在整个机械手运行控制过程中，采用限位开关以及面板操作开关以及系统逻辑开关作为输入点，整个系统中底盘有5个限位开关，分别作为5个位置的定位输入点，立柱有4个限位开关，分别为1个复位开关、一号位限位输入量、上限位、下限位。手臂有3个限位开关:手臂复位限位数入点、手臂前限位、手臂后限位。抓手限位开关，为抓手复位输入点。一共13个限位开关完成全部的控制输入。各限位开关分布情况见图1，由于在整个控制过程中全部是通过控制步进电机驱动模块再驱动步进电机执行。这里对用集成脉冲输出触发步进电机驱动器原理进行说明。S7-200PLC(CPU226)的和分别对升/降步进电机、前/后步进电机发送脉冲;CPU226的对转盘步进电机发送脉冲。而步进电机的正/反转则分别是CPU226的和分别对升/降步进电机、前/后步进电机实行控制;CPU226的和分别对转盘步进电机正反、抓手气泵开关实行控制。机械手PLC程序的设计编写采用了STEP7-Micro/WIN32软件的数据表(STL)的形式。程序设计修改方便，设计完成可联机调试，没有问题再把步进电机接上。上位机监控软件采用北京亚控的组态王软件，通过变量映射实现组态软件的变量与PLC的寄存器的动态连接，从而实现了上位机对PLC的监控。系统构成(1)气动系统该系统的气动件全部采用的是SMC公司的产品，共用了48个气缸，48个两位四通阀，2个真空发生器，其中检盖器由测长气缸制成，B箱输送机由1米长的无出杆气缸制成，其它所有机械手、转运机等均由普通气缸制成。(2)传送系统包括8个传送带和1个输送机，除输送机由无出杆气缸制成外，传送带均由步进电机驱动，共使用了8台步进电机。(3)检测系统包括96个行程开关、6个接近开关、5个碰撞开关和1个测长气缸。(4)控制系统该系统的全部控制功能由一台松下电工FP3型可编程控制器实现，用于控制步进电机的的脉冲单元8个，控制系统原理框图如图1-5所示。图1-5控制系统原理框图PLC软件系统设计的步骤在了解了程序结构和编程方法的基础上，就要实际地编写PLC程序了。编写PLC程序和编写其他计算机程序一样，都需要经历如下过程。1)对系统任务分块分块的目的就是把一个复杂的工程，分解成多个比较简单的小任务。这样就把一个复杂的大问题化为多个简单的小问题。这样可便于编制程序。2)编制控制系统的逻辑关系图从逻辑关系图上，可以反应出某一逻辑关系的结果是什么，这一结果又英国导出哪些动作。这个逻辑关系可以是以各个控制活动顺序为基准，也可能是以整个活动的时间节拍为基准。逻辑关系图反映了控制过程中控制作用与被控对象的活动，也反应了输入与输出的关系。3)绘制各种电路图绘制各种电路的目的，是把系统的输入输出所设计的地址和名称联系起来。这是很关键的一步。在绘制PLC的输入电路时，不仅要考虑到信号的连接点是否与命名一致，还要考虑到输入端的电压和电流是否合适，也要考虑到在特殊条件下运行的可靠性与稳定条件等问题。特别要考虑到能否把高压引导到PLC的输入端，把高压引入PLC输入端，会对PLC造成比较大的伤害。在绘制PLC的输出电路时，不仅要考虑到输出信号的连接点是否与命名一致，还要考虑到PLC输出模块的带负载能力和耐电压能力。此外，还要考虑到电源的输出功率和极性问题。在整个电路的绘制中，还要考虑设计的原则努力提高其稳定性和可靠性。虽然用PLC进行控制方便、灵活。但是在电路的设计上仍然需要谨慎、全面。因此，在绘制电路图时要考虑周全，何处该装按钮，何处该装开关，都要一丝不苟。第四章PLC机械手的形式两手呈180°的回转式单臂双手机械手； 图1-6机械手臂和手爪两手互相垂直的回转式单臂双手机械手机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置；而可编程控制器（ＰＬＣ）由于其具有的高可靠性、编程方便、易于使用和修改，易于扩展和维护，环境要求低、体积小巧，安装调试方便，在工业控制中有着广泛的应用。根据我们所设计的机械手的驱动部件为步进电机的特点，应用ＰＬＣ移位寄存ＳＦＴ指令可以很方便、灵活地对机械手进行控制。１总体功能简介１．１机械手的结构及运动机械手的结构主要由柱身、绕着柱身作３６０°正、反方向旋转的手臂、手臂的俯仰运动.图1-7两手互相垂直的回转式单臂双手机械手机械手传送系统梯形图如图2-7。图中从第0行到第27行为回原位状态程序。从第28行到第66行，为手动单步操作程序。从第67行到第129行为自动操作程序。这三部分程序（又称为模块）是图3的操作系统运行的。回原位程序和自动操作程序。是用步进顺控方式编程。在各步进顺控末行，都以RET结束本步进顺控程序块。但两者又有不同。回原位程序不能自动返回初始态S1。而自动操作程序能自动返回初态S2。图1-8传送梯形图指令语句表 机械手末端执行器（手爪）的结构设计机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用来进行某种操作或作业的附加装置。机器人末端执行器的种类很多，以适应机器人的不同作业及操作要求。末端执行器可分为搬运用、加工用和测量用等。加工用末端执行器是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机器人附加装置，用来进行相应的加工作业。测量用末端执行器是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。在设计机器人末端执行器时，应注意以下问题；1.机器人末端执行器是根据机器人作业要求来设计的。一个新的末端执行器的出现，就可以增加一种机器人新的应用场所。因此，根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机器人末端执行器，将不断的扩大机器人的应用领域。2.机器人末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力的总和机器人容许的负荷力。因此，要求机器人末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。3.机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能末端执行器在结构上很复杂，甚至很难实现，例如，仿人的万能机器人灵巧手，至今尚未实用化。目前，能用于生产的还是那些结构简单、万能性不强的机器人末端执行器。从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机器人末端执行器，加之以末端执行器的快速更换装置，以实现机器人多种作业功能，而不主张用一个万能的末端执行器去完成多种作业。因为这种万能的执行器的结构复杂且造价昂贵。4.通用性和万能性是两个概念，万能性是指一机多能，而通用性是指有限的末端执行器，可适用于不同的机器人，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化和积木化。5.机器人末端执行器要便于安装和维修，易于实现计算机控制。用计算机控制最方便的是电气式执行机构。因此，工业机器人执行机构的主流是电气式，其次是液压式和气压式（在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节）。结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式的手爪。驱动活塞往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调定。本设计按照工件的直径为50mm来设计。手爪的具体结构形式如图2-5所示：图2-5机械手末端执行手爪结构图机器人是由多级联杆和关节组成的多自由度的空间运动机构。除直接驱动型机器人以外，机器人各联杆及各关节的运动都是由驱动器经过各种机械传动机构进行驱动的。机器人所采用的传动机构与一般机械的传动机构相类似。常用的机械传动机构主要有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动等。由于传动部件直接影响着机器人的精度、稳定性和快速响应能力，因此，应设计和选择满足传动间隙小，精度高，低摩擦、体积小、重量轻、运动平稳、响应速度快、传递转矩大、谐振频率高以及与伺服电动机等其它环节的动态性能相匹配等要求的传动部件。第五章液压传动系统设计液压传动系统设计计算 确定液压系统基本方案液压执行元件大体分为液压缸和液压马达，前者实现直线运动，后者实现回转运动。二者的特点及适用场合见表3-1：表5-1名称特点适用场合双活塞杆液压缸双向对称双向工作的往复场合单活塞杆液压缸有效工作面积大、双向不对称往返不对称的直线运动，差动连接可实现快进柱塞缸结构简单单向工作，靠重力或其它外力返回摆动缸单叶片式小于360双叶片式小于180小于360的摆动；小于180的摆动齿轮马达结构简单、价格便宜高转速、低转矩的回转运动叶片马达体积小、转动惯量小高速低转矩、动作灵敏的回转运动摆线齿轮马达体积小、输出转局大低速、小功率大转矩的回转运动轴向柱塞马达运动平稳、转矩大、转速范围宽大转矩的回转运动径向柱塞马达转速低，结构复杂，输出转矩大低速大转矩回转运动本设计因为机械手的形式为圆柱坐标形式，具有3个自由度，一个转动，两个移动自由度。同时考虑机械手的工作载荷和工作现场环境对机械手布局以及定位精度的具体要求以及计算机的控制的因素，腰部的回转用电机驱动实现，剩下的两个运动均为直线运动。因此，机械手的水平手臂和垂直手臂都采用单活塞杆液压缸，来实现直线往复运动。拟定液压执行元件运动控制回路液压执行元件确定后，其运动方向和运动速度的控制是液压回路的核心问题。方向控制是用换向阀或是逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统，通过换向阀的有机组合来实现所要求的动作。对高压大流量的系统，多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。相应的调速方式有节流调速、容积调速以及二者结合的容积节流调速。本设计的方向控制采用电磁换向阀来实现，而速度的控制主要采用节流调速，主要方式是采用比较简单的节流阀来实现。液压源系统的设计液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。节流调速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。容积调速系统多用变量泵供油，用安全阀来限定系统的最高压力。油液的净化装置是液压源中不可缺的元件。一般泵的入口要装粗滤油器，进入系统的油液根据要求，通过精滤油器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁过滤器。根据液压设备所处的环境及对温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施。本设计的液压系统采用定量泵供油，由溢流阀V1来调定系统压力。为了保证液压油的洁净，避免液压油带入污染物，故在油泵的入口安装粗过滤器，而在油泵的出口安装精过滤器对循环的液压油进行净化。绘制液压系统图本机械手的液压系统图如图5-1所示，它拥有垂直手臂的上升、下降，水平伸缩缸/的前伸、后缩，以及执行手爪的夹紧、张开三个执行机构。其中，泵由三相交流异步电动机M拖动；系统压力由溢流阀V1调定；1DT的得失电决定了动力源的投入与摘除。考虑到手爪的工作要求轻缓抓取、迅速松开，系统采用了节流效果不等的两个单向节流阀。当5DT得电时，工作液体经由节流阀V5进入柱塞缸，实现手爪的轻缓抓紧；当6DT失电时，工作液体进入柱塞缸中，实现手爪迅速松开。另外，由于机械手垂直升降缸在工作时其下降方向与负荷重力作用方向一致，下降时有使运动速度加快的趋势，为使运动过程的平稳，同时尽量减小冲击、振动，保证系统的安全性，采用V2构成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背压，以平衡重力负载。图5-1机械手的液压系统原理图第六章零件图工艺分析数控铣削加工：针对数控铣削加工的特点，下面列举出一些经常遇到的工艺性问题作为对零件图进行工艺性分析的要点来加以分析与考虑。

（1）图纸尺寸的标注方法是否方便编程构成工件轮廓图形的各种几何元素的条件是否充要各几何元素的相互关系（如相切、相交、垂直和平行等）是否明确有无引起矛盾的多余尺寸或影响工序安排的封闭尺寸等等。

（2）零件尺寸所要求的加工精度、尺寸公差是否都可以得到保证不要以为数控机床加工精度高而放弃这种分析。特别要注意过薄的腹板与缘板的厚度公差，“铣工怕铣薄”，数控铣削也是一样，因为加工时产生的切削拉力及薄板的弹性退让。极易产生切削面的振动，使薄板厚度尺寸公差难以保证，其表面粗糙度也将恶化或变坏。根据实践经验，当面积较大的薄板厚度小于3㎜时就应充分重视这一问题。

（3）内槽及缘板之间的内转接圆弧是否过小

（4）零件铣削面的槽底圆角或腹板与缘板相交处的圆角半径r是否太大

（5）零件图中各加工面的凹圆弧(R与r)是否过于零乱，是否可以统一因为在数控铣床上多换一次刀要增加不少新问题，如增加铣刀规格，计划停车次数和对刀次数等，不但给编程带来许多麻烦，增加生产准备时间而降低生产效率，而且也会因频繁换刀增加了工件加工面上的接刀阶差而降低了表面质量。所以，在一个零件上的这种凹圆弧半径在数值上的一致性问题对数控铣削的工艺性显得相当重要。一般来说，即使不能寻求完全统一，也要力求将数值相近的圆弧半径分组靠拢，达到局部统一，以尽量减少铣刀规格与换刀次数。

（6）零件上有无统一基准以保证两次装夹加工后其相对位置的正确性有些工件需要在铣完一面后再重新安装铣削另一面]。由于数控铣削时不能使用通用铣床加工时常用的试削方法来接刀，往往会因为工件的重新安装而接不好刀(即与上道工序加工的面接不齐或造成本来要求一致的两对应面上的轮廓错位)。为了避免上述问题的产生，减小两次装夹误差，最好采用统一基准定位，因此零件上最好有合适的孔作为定位基准孔。如果零件上没有基准孔，也可以专门设置工艺孔作为定位基准（如在毛坯上增加工艺凸耳或在后续工序要铣去的余量上设基准孔）。如实在无法制出基准孔，起码也要用经过精加工的面作为统一基准。如果连这也办不到，则最好只加工其中一个最复杂的面，另一面放弃数控铣削而改由通用铣床加工。

(7）分析零件的形状及原材料的热处理状态，会不会在加工过程中变形哪些部位最容易变形因为数控铣削最忌讳工件在加工时变形，这种变形不但无法保证加工的质量，而且经常造成加工不能继续进行下去，“中途而废”，这时就应当考虑采取一些必要的工艺措施进行预防，如对钢件进行调质处理，对铸铝件进行退火处理，对不能用热处理方法解决的，也可考虑粗、精加工及对称去余量等常规方法。此外，还要分析加工后的变形问题，采取什么工艺措施来解决。影响切削用量的因素有：

机床切削用量的选择必须在机床主传动功率、进给传动功率以及主轴转速范围、进给速度范围之内。机床—刀具—工件系统的刚性是限制切削用量的重要因素。切削用量的选择应使机床—刀具—工件系统不发生较大的“振颤”。如果机床的热稳定性好，热变形小，可适当加大切削用量。表6-1常用刀具材料的性能比较刀具材料切削速度耐磨性硬度硬度随温度变化高速钢最低最差最低最大硬质合金低差低大陶瓷刀片中中中中金刚石高好高小刀具刀具材料是影响切削用量的重要因素。表6-1是常用刀具材料的性能比较。

数控机床所用的刀具多采用可转位刀片（机夹刀片）并具有一定的寿命。机夹刀片的材料和形状尺寸必须与程序中的切削速度和进给量相适应并存入刀具参数中去。工件不同的工件材料要采用与之适应的刀具材料、刀片类型，要注意到可切削性。可切削性良好的标志是，在高速切削下有效地形成切屑，同时具有较小的刀具磨损和较好的表面加工质量。较高的切削速度、较小的背吃刀量和进给量，可以获得较好的表面粗糙度。合理的恒切削速度、较小的背吃刀量和进给量可以得到较高的加工精度。冷却液冷却液同时具有冷却和润滑作用。带走切削过程产生的切削热，降低工件、刀具、夹具和机床的温升，减少刀具与工件的摩擦和磨损，提高刀具寿命和工件表面加工质量。使用冷却液后，通常可以提高切削用量。冷却液必须定期更换，以防因其老化而腐蚀机床导轨或其他零件，特别是水溶性冷却液。铣削加工的切削用量包括：切削速度、进给速度、背吃刀量和侧吃刀量。从刀具耐用度出发，切削用量的选择方法是：先选择背吃刀量或侧吃刀量，其次选择进给速度，最后确定切削速度。

1.背吃刀量ap或侧吃刀量ae背吃刀量ap为平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为㎜。端铣时，ap为切削层深度；而圆周铣削时，为被加工表面的宽度。侧吃刀量ae为垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为㎜。端铣时，ae为被加工表面宽度；而圆周铣削时，ae为切削层深度，见图1-1。

背吃刀量或侧吃刀量的选取主要由加工余量和对表面质量的要求决定：当工件表面粗糙度值要求为Ra=～25μm时，如果圆周铣削加工余量小于5㎜，端面铣削加工余量小于6㎜，粗铣一次进给就可以达到要求。但是在余量较大，工艺系统刚性较差或机床动力不足时，可分为两次进给完成。

图6-1铣削加工的切削用量当工件表面粗糙度值要求为Ra=～μm时，应分为粗铣和半精铣两步进行。粗铣时背吃刀量或侧吃刀量选取同前。粗铣后留～㎜余量，在半精铣时切除。当工件表面粗糙度值要求为Ra=～μm时，应分为粗铣、半精铣、精铣三步进行。半精铣时背吃刀量或侧吃刀量取～2㎜；精铣时，圆周铣侧吃刀量取～㎜，面铣刀背吃刀量取～1㎜。

2.进给量f与进给速度Vf的选择

削加工的进给量f（㎜/r）是指刀具转一周，工件与刀具沿进给运动方向的相对位移量；进给速度Vf（㎜/min）是单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移量。进给速度与进给量的关系为Vf=nf（n为铣刀转速，单位r/min）。进给量与进给速度是数控铣床加工切削用量中的重要参数，根据零件的表面粗糙度、加工精度要求、刀具及工件材料等因素，参考切削用量手册选取或通过选取每齿进给量fz，再根据公式f=Zfz（Z为铣刀齿数）计算。每齿进给量fz的选取主要依据工件材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗糙度等因素。工件材料强度和硬度越高，fz越小；反之则越大。硬质合金铣刀的每齿进给量高于同类高速钢铣刀。工件表面粗糙度要求越高，fz就越小。每齿进给量的确定可参考表1-2选取。工件刚性差或刀具强度低时，应取较小值。3.切削速度Vc铣削的切削速度Vc与刀具的耐用度、每齿进给量、背吃刀量、侧吃刀量以及铣刀齿数成反比，而与铣刀直径成正比。其原因是当fz、ap、ae和Z增大时，刀刃负荷增加，而且同时工作的齿数也增多，使切削热增加，刀具磨损加快，从而限制了切削速度的提高。为提高刀具耐用度允许使用较低的切削速度。但是加大铣刀直径则可改善散热条件，可以提高切削速度。表6-2铣刀每齿进给量参考值工件材料fz/mm粗铣精铣高速钢铣刀硬质合金铣刀高速钢铣刀硬质合金铣刀钢~~~~铸铁~~

铣削加工的切削速度Vc可参考表6-3选取，也可参考有关切削用量手册中的经验公式通过计算选取。表1-3铣削加工的切削速度参考值工件材料硬度Vc/（）高速钢铣刀硬质合金铣刀钢<22518~4266~150225~32512~3654~120325~4256~2136~75铸铁<19021~3666~150190~2609~1845~150260~320~1021~30典型工件的工艺分析平面凸轮的数控铣削工艺分析图6-2所示为槽形凸轮零件，在铣削加工前，该零件是一个经过加工的圆盘，圆盘直径为Ф280㎜，带有两个基准孔Ф35㎜及Ф12㎜。Ф35㎜及Ф12㎜两个定位孔，X面已在前面加工完毕，本工序是在铣床上加工槽。该零件的材料为HT200，试分析其数控铣削加工工艺。

1．零件图工艺分析该零件凸轮轮廓由HA、BC、DE、FG和直线AB、HG以及过渡圆弧CD、EF所组成。组成轮廓的各几何元素关系清楚，条件充分，所需要基点坐标容易求得。凸轮内外轮廓面对X面有垂直度要求。材料为铸铁，切削工艺性较好。

根据分析，采取以下工艺措施：

凸轮内外轮廓面对X面有垂直度要求，只要提高装夹精度，使X面与铣刀轴线垂直，即可保证。

2．选择设备加工平面凸轮的数控铣削，一般采用两轴以上联动的数控铣床，因此首先要考虑的是零件的外形尺寸和重量，使其在机床的允许范围以内。其次考虑数控机床的精度是否能满足凸轮的设计要求。第三，看凸轮的最大圆弧半径是否在数控系统允许的范围之内。根据以上三条即可确定所要使用的数控机床为两轴以上联动的数控铣床。

3．确定零件的定位基准和装夹方式定位基准采用“一面两孔”定位，即用圆盘X面和两个基准孔作为定位基准。根据工件特点，用一块320㎜×320㎜×40㎜的垫块，在垫块上分别精镗Ф35㎜及Ф12㎜两个定位孔（当然要配定位销），孔距离80±㎜，垫板平面度为㎜，该零件在加工前，先固定夹具的平面，使两定位销孔的中心连线与机床x轴平行，夹具平面要保证与工作台面平行，并用百分表检查，见图6-3。

4．确定加工顺序及走刀路线整个零件的加工顺序的拟订按照基面先行、先粗后精的原则确定。因此应先加工用作定位基准的Ф35㎜及Ф12㎜两个定位孔、X面，然后再加工凸轮槽内外轮廓表面。由于该零件的Ф35㎜及Ф12㎜两个定位孔、X面已在前面工序加工完毕，在这里只分析加工槽的走刀路线，走刀路线包括平面内进给走刀和深度进给走刀两部分路线。平面内的进给走刀，对外轮廓是从切线方向切入；对内轮廓是从过渡圆弧切入。在数控铣床上加工时，对铣削平面槽形凸轮，深度进给有两种方法：一种是在xz（或yz）平面内来回铣削逐渐进刀到既定深度；另一种是先打一个工艺孔，然后从工艺孔进刀到既定深度。

进刀点选在P(150，0)点，刀具来回铣削，逐渐加深到铣削深度，当达到既定深度后，刀具在xy平面内运动，铣削凸轮轮廓。为了保证凸轮的轮廓表面有较高的表面质量，采用顺铣方式，即从P点开始，对外轮廓按顺时针方向铣削，对内轮廓按逆时针方向铣削。图6-2槽形凸轮零件图6-3凸轮加工装夹示意图1—开口垫圈；2—带螺纹圆柱销；3—压紧螺母；4—带螺纹削边销；5—垫圈；6—工件；7—垫块

5．刀具的选择根据零件结构特点，铣削凸轮槽内、外轮廓（即凸轮槽两侧面）时，铣刀直径受槽宽限制，同时考虑铸铁属于一般材料，加工性能较好，选用Ф18㎜硬质合金立铣刀，见表6-4。

表6-4数控加工刀具卡片序号刀具编号刀具规格名称数量加工表面刀尖半径备注1T01Φ100硬质合金端面铣刀1铣削上下表面2T02Φ30硬质合金立铣刀1铣削Φ25外圆3T03Φ硬质合金立铣刀钻头1钻Φ36锪孔4T04Φ36钻头12mmXΦ20内孔5T05Φ25mm硬质合金立铣刀1铣削外轮廓编制孟小战审核王周让2010年11月13日

6．切削用量的选择凸轮槽内、外轮廓精加工时留㎜铣削用量，确定主轴转速与进给速度时，先查切削用量手册，确定切削速度与每齿进给量，然后利用公式vc=πdn/1000计算主轴转速n，利用vf=nZfz计算进给速度。

7．填写数控加工工序卡片（见表6-5）表6-5槽形凸轮的数控加工工艺卡片单位名称陕西航空职业技术学院产品名称或代号零件名称零件图号机电一体化技术毕业设计端盖工程号程序编号夹具名称使用设备车间平口虎钳和一面两销XK714D数控中心工序号工步内容刀具号/mm刀具规格/mm主轴转速/mm进给速度/mm背吃刀量/mm备注01粗铣定位基准面（底面）T01Φ100200404自动02粗铣上表面T01Φ100200405自动03精铣上表面T01Φ10020025自动04粗铣Φ25外圆T02Φ28400405自动05精铣Φ25外圆T02Φ2540025自动06钻2XΦ20H7内孔表面T03Φ20500306自动07Φ36锪