數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手設(shè)計說明(全部)

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書學(xué)生姓名張彤學(xué)號班 級機(jī)制二班指導(dǎo)教師職稱教授單 位工程技術(shù)系畢業(yè)設(shè)計（論文）題目數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計（論文）主要內(nèi)容和要求：畢業(yè)設(shè)計（論文）主要內(nèi)容和要求： 換刀機(jī)械手是數(shù)控機(jī)床實現(xiàn)自動換刀的重要組成部分。 主要內(nèi)容和要求：根據(jù)數(shù)控機(jī)床的使用條件，確定換刀機(jī)械手的換刀方式，設(shè)計新型的機(jī)械手抓取方式和動力驅(qū)動方式。并繪制其裝配圖和零件圖。 主要參數(shù)： 手架伸縮液壓缸最大行程： 100mm夾持工件質(zhì)量： 20kg換刀過程手架旋轉(zhuǎn)角度： 180換刀機(jī)械手復(fù)位角度： -75 要求：設(shè)計說明書 6000 字以上，裝配圖和零件圖合計三張零號圖紙。畢業(yè)設(shè)計（論文）主要參考

2、資料：畢業(yè)設(shè)計（論文）主要參考資料：1 馬香峰. 工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計. 第 1 版.北京：冶金工業(yè)出版社，1996.2 何發(fā)昌,邵遠(yuǎn).多功能機(jī)器人的原理及應(yīng)用. 第 1 版.北京：高等教育出版社，1996.3 孟繁華.機(jī)器人應(yīng)用技術(shù). 第 1 版.哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1989.4 機(jī)械設(shè)計手冊(第五卷第四十二篇:工業(yè)機(jī)器人). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1992.5 王啟義.機(jī)械制造裝備設(shè)計. 第 1 版. 北京：冶金工業(yè)出版社，2003.6 馮辛安,黃玉美,杜君文. 機(jī)械制造裝備設(shè)計. 第 1 版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1999.7 王愛玲,曾志強(qiáng). 數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)及應(yīng)用.

3、第 1 版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1999.8 彭曉南,徐向纮,劉麗冰. 數(shù)控技術(shù). 第 1 版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1999.9 熊光華,富毅和,劉力群. 數(shù)控機(jī)床. 第 1 版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1999.畢業(yè)設(shè)計（論文）應(yīng)完成的主要工作：畢業(yè)設(shè)計（論文）應(yīng)完成的主要工作：了解換刀機(jī)械手在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用情況，發(fā)現(xiàn)其在使用過程中出現(xiàn)的問題，并根據(jù)現(xiàn)在機(jī)械手的使用弊端設(shè)計新型換刀機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)，確定機(jī)械手臂的運動路線、抓取方式及動力驅(qū)動方式，并繪制相應(yīng)的裝配圖和零件圖。1.進(jìn)行總體方案論證、主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計，零部件的選型及設(shè)計計算等；2. 完成液壓通用機(jī)械手手腕回轉(zhuǎn)、夾緊部

4、件、手臂伸縮運動部件、手臂升降和手臂回轉(zhuǎn)裝置及夾持式手部的設(shè)計，并完成總裝圖、部件圖、零件圖共折合 2 張 0#圖的繪制。3.撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書，并打印裝訂成冊。4完成所布置的科技論文的翻譯及畢業(yè)實習(xí)調(diào)研報告，一律為打印稿。畢業(yè)設(shè)計（論文）進(jìn)度安排：畢業(yè)設(shè)計（論文）進(jìn)度安排：序號序號畢業(yè)設(shè)計（論文）各階段內(nèi)容畢業(yè)設(shè)計（論文）各階段內(nèi)容時間安排時間安排備注備注1準(zhǔn)備階段，搜集有關(guān)資料，確定設(shè)計方案12 月 10 日12 月 20 日2撰寫開題報告、文獻(xiàn)綜述、外文翻譯等相關(guān)內(nèi)容12 月 21 日3 月 12 日3完成設(shè)計雛形，定初稿3 月 12 日3 月 30 日4完成設(shè)計說明書4 月 1 日月

5、18 日5定終稿，完成畢業(yè)設(shè)計4 月 19 日5 月 4 日6完成相關(guān)設(shè)計簡介、答辯提綱，準(zhǔn)備答辯階段5 月 5 日5 月 14 日7畢業(yè)設(shè)計答辯階段月中旬課題信息：課題信息：課題性質(zhì)： 設(shè)計 論文 課題來源： 教學(xué) 科研 生產(chǎn) 其它發(fā)出任務(wù)書日期： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日教研室意見：教研室意見：教研室主任簽名：年 月 日 學(xué)生簽名：畢業(yè)設(shè)計開題報告學(xué)生姓名張彤學(xué)號專業(yè)班級機(jī)制二班指導(dǎo)教師職稱教授單 位工程技術(shù)系課題性質(zhì)設(shè)計 論文課題來源科研 教學(xué) 生產(chǎn) 其它畢業(yè)設(shè)計題目數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手的設(shè)計開題報告（闡述課題的目的、意義、研究現(xiàn)狀、研究內(nèi)容、研究方案、進(jìn)度安排、預(yù)期結(jié)開題報告（闡述課題

6、的目的、意義、研究現(xiàn)狀、研究內(nèi)容、研究方案、進(jìn)度安排、預(yù)期結(jié)果、參考文獻(xiàn)等）果、參考文獻(xiàn)等）1.1.課題研究目的及意義課題研究目的及意義本設(shè)計主要是在實現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋轉(zhuǎn)運動的基礎(chǔ)上，為數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手的研究提供幾種新的設(shè)計方案，并通過論證分析，選擇其中一種比較理想可行的方案進(jìn)行設(shè)計計算，以達(dá)到準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速、可靠換刀的目的。在滿足數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手各種運動要求的同時，本設(shè)計也在一定程度上簡化了換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，以方便數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手的加工制造過程。2.2.課題研究現(xiàn)狀：課題研究現(xiàn)狀：近年來，隨著世界制造業(yè)向中國轉(zhuǎn)移，我國對機(jī)床的需求量大增。同時，經(jīng)過多年的努力，

7、我國數(shù)控機(jī)床的開發(fā)水平也有了很大進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床的品種和質(zhì)量均比以往有所提高，部分機(jī)床制造主導(dǎo)廠還開發(fā)出具有相當(dāng)水平的數(shù)控設(shè)備。但是，通過有關(guān)部門給出的資料，只要作進(jìn)一步的分析與了解，我們就會發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在消費量的臺數(shù)中雖占有一半（55%）以上，但它們多是些技術(shù)水平較低、價格相對便宜的普通產(chǎn)品，如數(shù)控車床、數(shù)控銑鏜床和線切數(shù)機(jī)床等，高、中檔數(shù)控產(chǎn)品則較少，而且這些產(chǎn)品的核心技術(shù)或功能部件，如數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手、全功能的數(shù)控伺服系統(tǒng)，高速電主軸，數(shù)控刀架乃至高速安全防護(hù)裝置等，還多是由中外合資企業(yè)提供或是從國外進(jìn)口的1。這也說明由于技術(shù)發(fā)展的不平衡，在多種條件制約下，目前我國數(shù)控機(jī)床的整件技

8、術(shù)水平與國際先進(jìn)水平相比還有一定距離，部分高性能、高速、高精度的數(shù)控機(jī)床仍需要依靠海外進(jìn)口。功能部件技術(shù)水平的高低、性能的優(yōu)劣以及整體的社會配套水平，都直接決定和影響著數(shù)控機(jī)床整機(jī)的技術(shù)水平和性能，也制約著主機(jī)的發(fā)展速度。而換刀機(jī)械手則是數(shù)控機(jī)床穩(wěn)定可靠運行的關(guān)鍵功能部件。它的快速、準(zhǔn)確的換刀程序是影響數(shù)控機(jī)床發(fā)揮高效、可靠的加工性能的重要因素。沒有換刀機(jī)械手，就不可能有集中工序進(jìn)行加工的數(shù)控機(jī)床。有資料顯示，刀庫和機(jī)械手的故障率約占整機(jī)故障率的 25%1。所以說，換刀機(jī)械手的性能、質(zhì)量直接影響著數(shù)控機(jī)床整機(jī)的性能、質(zhì)量和品種的發(fā)展。數(shù)控機(jī)床是備有刀庫，并能自動更換刀具，對工件進(jìn)行多工序加工的

9、一種功能較全的數(shù)字控制機(jī)床，也是典型的集高新技術(shù)于一體的機(jī)械加工設(shè)備，它的發(fā)展代表了一個國家設(shè)計、制造的水平，是判斷企業(yè)技術(shù)能力和工藝水平標(biāo)志的一個方面2。數(shù)控機(jī)床中實現(xiàn)刀庫和機(jī)床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為自動換刀裝置，它的功能是儲備一定數(shù)量的刀具并完成刀具的自動交換。自動換刀裝置可幫助數(shù)控機(jī)床節(jié)省輔助時間，并滿足在一次安裝中完成多工序、工步加工要求。它由存放刀具的刀庫和換刀機(jī)構(gòu)組成。作為自動換刀裝置，它需要滿足換刀迅速、時間短，重復(fù)定位精度高，刀具儲存量足夠，所占空間位置小，工作穩(wěn)定可靠等特點3。換刀裝置中刀具的交換形式及它們的具體結(jié)構(gòu)對機(jī)床的工作效率和工作可靠性有著直接影響。數(shù)控機(jī)床

10、的自動換刀形式可分為無機(jī)械手換刀方式和有機(jī)械手換刀方式兩大類。無機(jī)械手換刀方式一般是采用把刀庫放在主軸箱可以運動到的位置，同時，刀庫中刀具的存放方向一般與主軸上的裝刀方向一致。無機(jī)械手換刀方式是由刀庫和機(jī)床主軸的相對運動實現(xiàn)刀具的交換的，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但換刀時間要長。目前，數(shù)控機(jī)床的自動換刀裝置大都采用有機(jī)械手換刀方式，因為有機(jī)械手換刀裝置在刀庫的配置、與主軸的相對位置及刀具數(shù)量確定上都比較靈活，機(jī)械手?jǐn)?shù)量和換刀形式比較隨意，換刀時間比較短，應(yīng)用廣泛4。換刀機(jī)械手的形式有單臂式、雙臂式、回轉(zhuǎn)式和軌道式等，而常用雙臂式機(jī)械手的手爪結(jié)構(gòu)形式又分為鉤手、抱手、伸縮手和叉手等2。數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手

11、作為數(shù)控機(jī)床的一個重要的功能部件，它在國內(nèi)外的數(shù)控機(jī)床制造領(lǐng)域中已受到廣泛的重視。目前，在國外 BT40 的換刀時間已達(dá)到 0.9 秒，BT50 的換刀時間也達(dá)到了 1.5 秒左右，國內(nèi)也出現(xiàn)了立、臥兩用凸輪式換刀機(jī)械手和用于五軸聯(lián)動的換刀機(jī)械手的研究。數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手的主要任務(wù)是，完全模擬人手的換刀動作，給機(jī)床主軸與彈簧夾頭提供相對轉(zhuǎn)動實現(xiàn)夾緊、放松刀具的動作。機(jī)械手應(yīng)具備足夠的轉(zhuǎn)矩，同時還應(yīng)使機(jī)械手具備結(jié)構(gòu)緊湊、占據(jù)空間小的特點，以適應(yīng)不同類型機(jī)床的換刀空間4。隨著機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手的需求量會越來越大。3.3.研究內(nèi)容：研究內(nèi)容：(1)根據(jù)目前常用的數(shù)控機(jī)床換

12、刀機(jī)械手的換刀方式，對手臂伸縮與手指夾緊機(jī)構(gòu)、手架旋轉(zhuǎn)與手架伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計提出幾種新的方案，并通過對所提出方案的論證分析，選擇一種較為理想的方案進(jìn)行具體的設(shè)計。(2)對所選設(shè)計方案中換刀機(jī)械手的組成機(jī)構(gòu)及各個自由度運動的實現(xiàn)進(jìn)行分析。(3)對數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手的手指夾緊力進(jìn)行分析與計算，并對其關(guān)鍵部位進(jìn)行校核，以保證換刀的可靠性。(4)對設(shè)計中所涉及到的液壓缸通過計算確定其個部分結(jié)構(gòu)的具體尺寸，并對個活塞桿的強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及螺栓的強(qiáng)度進(jìn)行校核，以保證數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手能夠穩(wěn)定、可靠的完成換刀過程。(5)對設(shè)計中出現(xiàn)的齒輪、軸等重要零部件通過計算確定尺寸后，要進(jìn)行安全校核。(6)設(shè)計出數(shù)控機(jī)床換

13、刀機(jī)械手的控制系統(tǒng)部分，完善設(shè)計內(nèi)容。4.4.研究方案：研究方案：通過閱讀大量參考文獻(xiàn)，了解了數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手的優(yōu)缺點。并對其優(yōu)缺點進(jìn)行分析，根據(jù)其應(yīng)用場合和運動方式，確定最初設(shè)計方案。通過對其結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步分析優(yōu)化，使其各裝置結(jié)構(gòu)盡可能合理化，再通過對設(shè)計零件的強(qiáng)度校核及整體的干涉檢驗，保證設(shè)計方案的可行性以及安全穩(wěn)定性。5.5.進(jìn)度安排：進(jìn)度安排：(1)準(zhǔn)備階段，搜集有關(guān)資料，確定設(shè)計方案（12 月 10 日12 月 20 日） 。(2)撰寫開題報告、文獻(xiàn)綜述、外文翻譯等相關(guān)內(nèi)容（12 月 21 日3 月 12 日）(3)完成設(shè)計雛形，定初稿（3 月 12 日3 月 30 日）(4)完成設(shè)

14、計說明書（4 月 1 日月 18 日）(5) 定終稿，完成畢業(yè)設(shè)計（4 月 19 日5 月 4 日）(6)完成相關(guān)設(shè)計簡介、答辯提綱，準(zhǔn)備答辯階段（5 月 5 日5 月 14 日）(7)畢業(yè)設(shè)計答辯階段（月中旬）6.6.預(yù)期結(jié)果：預(yù)期結(jié)果：本設(shè)計方案在實現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋轉(zhuǎn)運動的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)其準(zhǔn)確、快速、可靠、穩(wěn)定的換刀。在一定程度上簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。而對于手指夾緊、手臂伸縮及手架伸縮運動，則采用液壓驅(qū)動方式，即可以準(zhǔn)確、穩(wěn)定的實現(xiàn)各個運動，還可以通過提高液壓缸的運動速度來縮短換刀的時間。 7.7.主要參考文獻(xiàn)：主要參考文獻(xiàn)：1 濮良貴、紀(jì)名剛主編. 機(jī)械設(shè)計M.高等教育出

15、版社，2000.2 吳宗澤，羅圣國主編. 機(jī)械設(shè)計手冊M.高等教育出版社，2006.3 孫桓、陳作模主編. 機(jī)械原理M.高等教育出版社，2000.4 張鉞.新型帶式輸送機(jī)設(shè)計手冊M.冶金工業(yè)出版社.2001 年 2 月.5 唐金松.簡明機(jī)械設(shè)計手冊（第二版）M.上?？茖W(xué)技術(shù)出版社.2002 年 6 月.6 機(jī)械設(shè)計手冊編寫組.機(jī)械設(shè)計手冊M.化學(xué)工業(yè)出版社.2002 年.7 數(shù)控機(jī)床功能部件產(chǎn)業(yè)化 EB/OL.http:/, 2004-08-31.8 范真.數(shù)控機(jī)床M.北京：化工工業(yè)出版社，2004：42-45.9 數(shù)控機(jī)床科普知識EB/OL.http:/ , 2004-07-8.10 數(shù)控機(jī)

16、床自動換刀系統(tǒng)產(chǎn)品化的研究EB/OL. http:/, 2005-08-03.11 賈銘新.液壓傳動與控制M. 北京：國防工業(yè)出版社，2001：87-92.指導(dǎo)教師意見：指導(dǎo)教師意見：指導(dǎo)教師簽名：年 月 日教研室意見：教研室意見：審 查 結(jié)果： 同 意 不 同 意教研室主任簽名：年 月 日摘摘 要要本設(shè)計主要是對數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手的設(shè)計。機(jī)械手的種類很多，在本次設(shè)計中機(jī)械手選用回轉(zhuǎn)式雙臂機(jī)械手。此次設(shè)計主要是對數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手手部進(jìn)行設(shè)計，完成手部各參數(shù)的計算，以及液壓傳動系統(tǒng)中相關(guān)參數(shù)的計算和機(jī)械手中軸的計算，還有液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計。它的主要動作是將機(jī)床主軸上的刀具與刀庫或刀具傳送裝置上

17、的刀具進(jìn)行交換，其動作循環(huán)為：拔刀新舊刀具交換裝刀?；剞D(zhuǎn)式雙臂機(jī)械手刀具交換裝置具有換刀時間短、動作靈活可靠等.應(yīng)用最為廣泛。本設(shè)計也在一定程度上簡化了換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，以方便數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手的加工制造過程。關(guān)鍵詞: 數(shù)控機(jī)床； 換刀機(jī)械手；手部設(shè)計ABSTRACTThe design mainly introduces the design of the robot about CNC machine tool change. Many different types of robots, in this design use rotary robot manipulator arms.

18、The design of CNC machine tool change mainly on hand to design robots to complete the calculation of the parameters of the hand, and the hydraulic system related parameters in the calculation and the calculation of the robot axes, as well as hydraulic control system design. Its main action is on the

19、 machine tool spindle and tool library or tool to send the tool exchange device, the movement cycle are: his sword exchange of old and new tool loaded knife. Rotary tool exchange device manipulator arms with the tool change time is short, flexible movement and reliable. It has used widely. This desi

20、gn always simplify the structure of the robot tool changer a certain extent, CNC machine tools to facilitate the processing robot tool changing process.Keywords：CNC machine tools; Robotic tool changer; Hand Design目 錄1緒 論 .11.1數(shù)控技術(shù)的基本概念 .11.1.1我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展概況 .11.1.2數(shù)控機(jī)床的組成及特點 .11.2數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展 .21.3加工中心的概

21、況 .21.3.1加工中心的定義 .21.3.2加工中心的組成 .21.3.3換刀機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀 .31.3.4換刀機(jī)械手的類型 .41.3.5機(jī)械手設(shè)計的目的及意義 .51.3.6確定機(jī)械手設(shè)計方案 .62機(jī)械手手部的設(shè)計 .72.1機(jī)械手手臂和手爪的設(shè)計 .72.1.1手爪口的計算 .72.1.2手爪鎖的設(shè)計與計算 .92.2彈簧的選擇與設(shè)計 .112.3手爪的整體尺寸設(shè)計 .123液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計 .143.1液壓傳動的概述 .143.2液壓缸的設(shè)計 .153.2.1液壓缸的載荷組成及計算 .153.2.2升降缸的設(shè)計 .163.2.3油缸壁厚的設(shè)計 .183.2.4油缸長度的確定 .

22、193.2.5油口直徑的計算 .193.2.6缸底厚度計算（缸底有油孔） .203.3液壓回轉(zhuǎn)缸的設(shè)計 .203.3.1回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑的計算 .203.3.2回轉(zhuǎn)缸壁厚的計算 .233.3.3缸蓋聯(lián)接螺釘計算 .233.3.4動片輸出軸聯(lián)接螺釘計算 .244花鍵軸的設(shè)計 .264.1花鍵軸的計算 .264.1.1軸的材料選擇 .264.1.2軸徑的初步計算 .264.1.3 花鍵軸的校核 .274.2軸承的選擇 .284.2.1升降缸中軸承的選擇 .284.2.2對于回轉(zhuǎn)缸的軸承選擇 .304.3法蘭連接的選擇 .304.4升降缸中(液壓缸及活塞桿工作)密封元件 .305機(jī)械手液壓控制系統(tǒng)設(shè)計 .

23、315.1液壓系統(tǒng)圖的擬定 .315.2液壓控制元件選用 .32結(jié) 論 .35參考文獻(xiàn) .36致 謝 .371緒 論1.1 數(shù)控技術(shù)的基本概念數(shù)控技術(shù)是利用數(shù)字化的信息對機(jī)床運動及加工過程進(jìn)行控制的一種方法。用數(shù)控技術(shù)實施加工控制的機(jī)床，或者說裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床稱為數(shù)控(NC)機(jī)床。數(shù)控系統(tǒng)包括：數(shù)控裝置、可編程控制器、主軸驅(qū)動器及進(jìn)給裝置等部分。1.1.1我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展概況回顧數(shù)控技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了兩個階段，六代的發(fā)展歷程。第一個階段叫做 NC 階段，經(jīng)歷了電子管、晶體管、和小規(guī)模集成電路三代。自 1970 年開始小型計算機(jī)開始用于數(shù)控系統(tǒng)就進(jìn)入了第二個階段，叫做 CNC 階段，成為

24、第四代數(shù)控系統(tǒng)：從 1974 年微處理器開始用于數(shù)控系統(tǒng)即發(fā)展到第五代。經(jīng)過十多年的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)從性能到可靠性都得到了根本性的提高。實際上從 20 世紀(jì)末期直到今天，在生產(chǎn)中使用的數(shù)控系統(tǒng)大部分都是第五代數(shù)控系統(tǒng)。但第五代數(shù)控系統(tǒng)以及以前各代都是一種專用封閉的系統(tǒng)，而第六代開放式數(shù)控系統(tǒng)將代表著數(shù)控系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，將在現(xiàn)代制造業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。1.1.2數(shù)控機(jī)床的組成及特點一、數(shù)控機(jī)床的組成以一臺三坐標(biāo)數(shù)控銑床為例,它是由 X、Y、Z 三個坐標(biāo)來實現(xiàn)刀具和工件間的相對運動的立式數(shù)控銑床.它包括信息輸入,運算控制(數(shù)控裝置),伺服驅(qū)動及檢測反饋,機(jī)床本體,機(jī)電接口等部分。二、數(shù)控機(jī)

25、床的特點數(shù)控機(jī)床上一種新型的自動化機(jī)床,它具有廣泛的通用性和很高的自動化程度.數(shù)控機(jī)床是實現(xiàn)柔性自動化的關(guān)鍵設(shè)備,是柔性自動生產(chǎn)線的基本單元.數(shù)控機(jī)床在如下一些零件的加工中,更能顯示出它的優(yōu)越性,它們是:小批量而又輪番生產(chǎn)的零件；幾何形狀復(fù)雜的零件；在加工過程中必須進(jìn)行多種工序加工零件；切削余量大的零件；必須嚴(yán)格控制公差(即公差帶范圍很小)的零件；工藝設(shè)計會經(jīng)常變化的零件；加工過程中的錯誤會造成嚴(yán)重浪費的貴重零件；需全部檢測的零件等等。（一） 按運動控制的特點分類點位控制數(shù)控機(jī)床對于一些加工孔用的數(shù)控機(jī)床,如數(shù)控鉆床,數(shù)控銑床,數(shù)控鏜床,數(shù)控沖床,三坐標(biāo)測量機(jī),印刷電路板鉆床等。直線控制數(shù)控機(jī)

26、床直線控制的數(shù)控機(jī)床是指控制機(jī)床工作臺或刀具以要求的進(jìn)給速度,沿著平行于坐標(biāo)軸的方向精心直線移動和切削加工.如數(shù)控車床、某些數(shù)控鏜銑床和加工中心等。輪廓控制的數(shù)控機(jī)床可以加工斜線、曲線、曲面的數(shù)控機(jī)床,如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等（二） 按伺服系統(tǒng)的類型分類開環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床該類機(jī)床沒有位置檢測反饋裝置,數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號流向是單向的,精度主要決定于驅(qū)動元件和電機(jī)的性能。閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床該類機(jī)床數(shù)控裝置中插補(bǔ)器發(fā)出的位置指令信號與工作臺上檢測到的實際位置反饋信號進(jìn)行比較,根據(jù)其差值不斷控制運動,進(jìn)行誤差修正,直到差值為零停止運動。1.2 數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，小型

27、計算機(jī)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床中，由此組成的數(shù)控系統(tǒng)稱為計算機(jī)數(shù)控(CNC)。80 年代末，我國還在一定范圍內(nèi)探索實施 CIM，且取得了一些有益的經(jīng)驗和教益。90 年代我國加強(qiáng)了自主知識產(chǎn)權(quán)數(shù)控系統(tǒng)的研制工作，而且取得了一定成效,如在五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、高精度車床數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)字仿形系統(tǒng)、中低檔數(shù)控系統(tǒng)等方面都取得了較好的成果。實際上從 20 世紀(jì)末期直到今天，在生產(chǎn)中使用的數(shù)控系統(tǒng)大部分都是第五代數(shù)控系統(tǒng)。但第五代數(shù)控系統(tǒng)以及以前各代都是一種專用封閉的系統(tǒng)，而第六代開放式數(shù)控系統(tǒng)將代表著數(shù)控系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，將在現(xiàn)代制造業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。1.3 加工中心的概況1.3.1加工中心的定義加工中心(M

28、achining Center)是由機(jī)械設(shè)備和數(shù)控組成的使用于加工復(fù)雜形狀工件的高效率自動化機(jī)床。1.3.2加工中心的組成從主體上看，加工中心主要由以下幾部分組成：（1） 基礎(chǔ)部件基礎(chǔ)部件是加工中心的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，它主要由床身，工作臺，立柱三部分組成。這三部分不僅要承受加工中心的靜載荷，還要承受切削加工時產(chǎn)生的動載荷。所以要求加工中心的三大部件必須要有足夠的剛度，因此它們是鑄造而成的。（2） 主軸部件主軸部件是由主軸電機(jī)，主軸箱，主軸。主軸軸承等部件組成，主軸是加工中心切削加工的功率輸出部件。它的啟動，停止，變速，變向等動作均是由數(shù)控系統(tǒng)控制的。主軸的旋轉(zhuǎn)精度和定位的準(zhǔn)確性，是影響加工中心加工精度

29、的重要因素。（3） 數(shù)控系統(tǒng)加工中心的數(shù)控系統(tǒng)由 CNC 裝置、可編程序控制器和伺服系統(tǒng)以及面板操作系統(tǒng)組成，它是執(zhí)行順序控制動作和加工過程的控制中心。CNC 裝置是一種位置控制系統(tǒng)，其控制過程是根據(jù)輸入的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)運算，獲得理想的運動軌跡，然后輸出到執(zhí)行部件，加工出所需要的零件。（4） 自動換刀系統(tǒng)換刀系統(tǒng)主要由刀庫和換刀機(jī)械手組成，如需要進(jìn)行換刀時，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令，由機(jī)械手從刀庫中取出所需要的刀具裝入主軸孔內(nèi)，然后再把換下來的刀具放入刀庫。（5） 輔助裝置包括潤滑、冷卻、防護(hù)、排屑、渡壓、氣動和檢測系統(tǒng)等部分。這部分雖然不直接參與切削運動，但是也是加工中心不可缺少的部分。對加

30、工中心的加工精度、加工效率和可靠性起著保障作用。1.3.3換刀機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀近年來，隨著世界制造業(yè)向中國轉(zhuǎn)移，我國對機(jī)床的需求量大增。同時，經(jīng)過多年的努力，我國數(shù)控機(jī)床的開發(fā)水平也有了很大進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床的品種和質(zhì)量均比以往有所提高，部分機(jī)床制造主導(dǎo)廠還開發(fā)出具有相當(dāng)水平的數(shù)控設(shè)備。但是，通過有關(guān)部門給出的資料，只要作進(jìn)一步的分析與了解，我們就會發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在消費量的臺數(shù)中雖占有一半（55%）以上，但它們多是些技術(shù)水平較低、價格相對便宜的普通產(chǎn)品，如數(shù)控車床、數(shù)控銑鏜床和線切數(shù)機(jī)床等，高、中檔數(shù)控產(chǎn)品則較少，而且這些產(chǎn)品的核心技術(shù)或功能部件，如加工中心換刀機(jī)械手、全功能的數(shù)控伺服系統(tǒng)，高

31、速電主軸，數(shù)控刀架乃至高速安全防護(hù)裝置等，還多是由中外合資企業(yè)提供或是從國外進(jìn)口的1。這也說明由于技術(shù)發(fā)展的不平衡，在多種條件制約下，目前我國數(shù)控機(jī)床的整件技術(shù)水平與國際先進(jìn)水平相比還有一定距離，部分高性能、高速、高精度的數(shù)控機(jī)床仍需要依靠海外進(jìn)口。功能部件技術(shù)水平的高低、性能的優(yōu)劣以及整體的社會配套水平，都直接決定和影響著數(shù)控機(jī)床整機(jī)的技術(shù)水平和性能，也制約著主機(jī)的發(fā)展速度。而換刀機(jī)械手則是加工中心穩(wěn)定可靠運行的關(guān)鍵功能部件。它的快速、準(zhǔn)確的換刀程序是影響加工中心發(fā)揮高效、可靠的加工性能的重要因素。沒有換刀機(jī)械手，就不可能有集中工序進(jìn)行加工的加工中心。有資料顯示，刀庫和機(jī)械手的故障率約占整機(jī)

32、故障率的 25%1。所以說，換刀機(jī)械手的性能、質(zhì)量直接影響著數(shù)控機(jī)床整機(jī)的性能、質(zhì)量和品種的發(fā)展。加工中心是備有刀庫，并能自動更換刀具，對工件進(jìn)行多工序加工的一種功能較全的數(shù)字控制機(jī)床，也是典型的集高新技術(shù)于一體的機(jī)械加工設(shè)備，它的發(fā)展代表了一個國家設(shè)計、制造的水平，是判斷企業(yè)技術(shù)能力和工藝水平標(biāo)志的一個方面2。加工中心中實現(xiàn)刀庫和機(jī)床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為自動換刀裝置，它的功能是儲備一定數(shù)量的刀具并完成刀具的自動交換。自動換刀裝置可幫助數(shù)控機(jī)床節(jié)省輔助時間，并滿足在一次安裝中完成多工序、工步加工要求。它由存放刀具的刀庫和換刀機(jī)構(gòu)組成。作為自動換刀裝置，它需要滿足換刀迅速、時間短，重

33、復(fù)定位精度高，刀具儲存量足夠，所占空間位置小，工作穩(wěn)定可靠等特點3。換刀裝置中刀具的交換形式及它們的具體結(jié)構(gòu)對機(jī)床的工作效率和工作可靠性有著直接影響。加工中心的自動換刀形式可分為無機(jī)械手換刀方式和有機(jī)械手換刀方式兩大類。無機(jī)械手換刀方式一般是采用把刀庫放在主軸箱可以運動到的位置，同時，刀庫中刀具的存放方向一般與主軸上的裝刀方向一致。無機(jī)械手換刀方式是由刀庫和機(jī)床主軸的相對運動實現(xiàn)刀具的交換的，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但換刀時間要長。目前，加工中心的自動換刀裝置大都采用有機(jī)械手換刀方式，因為有機(jī)械手換刀裝置在刀庫的配置、與主軸的相對位置及刀具數(shù)量確定上都比較靈活，機(jī)械手?jǐn)?shù)量和換刀形式比較隨意，換刀時間

34、比較短，應(yīng)用廣泛4。換刀機(jī)械手的形式有單臂式、雙臂式、回轉(zhuǎn)式和軌道式等，而常用雙臂式機(jī)械手的手爪結(jié)構(gòu)形式又分為鉤手、抱手、伸縮手和叉手等2。加工中心換刀機(jī)械手作為數(shù)控機(jī)床的一個重要的功能部件，它在國內(nèi)外的數(shù)控機(jī)床制造領(lǐng)域中已受到廣泛的重視。目前，在國外 BT40 的換刀時間已達(dá)到 0.9 秒，BT50 的換刀時間也達(dá)到了 1.5 秒左右，國內(nèi)也出現(xiàn)了立、臥兩用凸輪式換刀機(jī)械手和用于五軸聯(lián)動的換刀機(jī)械手的研究。加工中心換刀機(jī)械手的主要任務(wù)是，完全模擬人手的換刀動作，給機(jī)床主軸與彈簧夾頭提供相對轉(zhuǎn)動實現(xiàn)夾緊、放松刀具的動作。機(jī)械手應(yīng)具備足夠的轉(zhuǎn)矩，同時還應(yīng)使機(jī)械手具備結(jié)構(gòu)緊湊、占據(jù)空間小的特點，以

35、適應(yīng)不同類型機(jī)床的換刀空間4。隨著機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對加工中心換刀機(jī)械手的需求量會越來越大。1.3.4換刀機(jī)械手的類型自動換刀裝置由刀庫、換刀機(jī)械手、刀具傳送裝置、刀具編碼裝置、識刀器等五個部分組成。在自動換刀數(shù)控機(jī)床中，機(jī)械手的形式也是多種多樣，常見的有以下形式。（1） 單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手這種機(jī)械手的手臂可以回轉(zhuǎn)不同的角度來進(jìn)行自動換刀，其手臂上只有一個卡爪，不論在刀庫上或是在主軸上，均靠這個卡爪來裝刀及卸刀，因此換刀時間較長，如圖2-1a 所示。（2） 單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手這種機(jī)械手的手臂上有兩個卡爪，兩個卡爪有所分工。一個卡爪只執(zhí)行從主軸上取下“舊刀”送回刀庫的任務(wù)，另一個卡爪

36、則執(zhí)行由刀庫取出“新刀”送到主軸的任務(wù)。其換刀時間較上述單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手要少，如圖 2-1b 所示。（3） 雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手這種機(jī)械手的兩臂上各有一個卡爪，兩個卡爪可同時抓取刀庫及主軸上的刀具，回轉(zhuǎn) 180后又同時將刀具放回刀庫及裝入主軸。這種機(jī)械手換刀時間較以上兩種單械手均短，是最常用的一種形式。圖 2-1c 右邊的機(jī)械手在抓取或?qū)⒌毒咚腿氲稁旒爸鬏S上，兩臂可伸縮。（4） 雙機(jī)械手這種機(jī)械手相當(dāng)于兩個單臂單爪機(jī)械手，它們互相配合進(jìn)行自動換刀。其中一個機(jī)械手從主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另一個由刀庫中取出“新刀”裝入機(jī)床主軸，圖2-1d 所示。（5） 雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手這種機(jī)械手的兩手臂可以

37、往復(fù)運動，并交叉成一定的角度。一個手臂從主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另一個手臂由刀庫中取出“新刀”裝入主軸。整個機(jī)械手可沿某導(dǎo)軌直線移動或繞某個轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)由刀庫與主軸間的運刀工作，如圖 2-1e 所示。（6） 雙臂端面夾緊式機(jī)械手這種機(jī)械手只是在夾緊部位上與前幾種不同。前幾種機(jī)械手均靠夾緊刀柄的外圓表面來抓取刀具，這種機(jī)械手則是靠夾緊刀柄的兩個端面來抓取的，如圖 2-1f 所示。最常用的一種換刀機(jī)械手形式，動作簡單。圖 2-1 機(jī)械手的形式1.3.5 機(jī)械手設(shè)計的目的及意義本設(shè)計主要是在實現(xiàn)手指夾緊、手架伸縮以及手架旋轉(zhuǎn)運動的基礎(chǔ)上，為數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手的研究提供幾種新的設(shè)計方案，并通過

38、論證分析，選擇其中一種比較理想可行的方案進(jìn)行設(shè)計計算，以達(dá)到準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速、可靠換刀的目的。在滿足加工中心換刀機(jī)械手各種運動要求的同時，本設(shè)計也在一定程度上簡化了換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，以方便數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手的加工制造過程。1.3.6確定機(jī)械手設(shè)計方案單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手（圖 2-1a）和單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手(圖 2-1b)換刀時間長。雙機(jī)械手（圖 2-1d）相對比較復(fù)雜，雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手（圖 2-1e）手指部分的整體也質(zhì)量比較大，這就會使手臂伸縮液壓缸的負(fù)載很大。雙臂端面夾緊式機(jī)械手(圖 2-1f)為保證活塞桿的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，需要將手臂伸縮液壓缸的尺寸設(shè)計得大一些，那么手架旋轉(zhuǎn)軸的負(fù)載也會

39、變大，使得加工中心換刀機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)不會很緊湊，占用的空間也較大.而雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手（圖 2-1c）換刀時間較以上兩種單械手均短，換到靈活時間段。通過上面六種機(jī)械手的比較雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手更符合換刀時間短、動作靈活可靠的要求。2機(jī)械手手部的設(shè)計2.1 機(jī)械手手臂和手爪的設(shè)計2.1.1手爪口的計算加工中心供自動刀具交換裝置使用的是通用刀柄 N0.40；N0.45；N0.50 三種類型，我本次設(shè)計的是小型加工中心,故選用 N0.40。其型式如下圖所示,尺寸如表 2-1 所示。表 2-1 自動換刀機(jī)床用 7:24 圓錐刀具柄部尺寸(GB/T 10944-1989)錐 體螺 紋 孔凸 緣柄部型號D11

40、lR2l3l4ld1d2gR1D4D540#44.4568.401.232438.21719M16156.2563.55柄凸 緣其 他D3部型號xyftt1jbR2一般特殊eD640#3.753.215.922.82518.516.1144.7503572.3圖 2-1 刀具結(jié)構(gòu)與尺寸因為，故測量與刀柄槽相對位置如圖 2-2 所示。6572.3063.558.757DD 圖 2-2 測量與刀柄槽相對位置兩測量棒中心距為，故6772.30765.30D 65765.3063.550.87522DDOP ”1.75cos60O POP 71.751.752O P由圖 2-2 可知： sin60O

41、PPP 60PPOPtg1.7522 ()2 (0.875 tan60 )7.70sin60YP PPPPP5427.0722.86tan602 tan60DDhXY 則手爪口的型式與尺寸與 N0.40 相匹配。如圖 2-3 所示，圖 2-3 手爪口結(jié)構(gòu)圖形5542.867.0763.5556.2516.10XXmmYYmmDDmmDDmmbbmm這里應(yīng)該有(按彈簧鎖輪結(jié)構(gòu)取)。FfF2.1.2手爪鎖的設(shè)計與計算當(dāng)?shù)侗皇肿ψプ。吹毒咻S線與手爪口中心點重合）時，彈簧瑣輪在彈簧的作用下把刀柄鎖緊，使刀具不會從手爪口中脫落，其形式如圖 2-4 所示，圖 2-4 刀具與銷的配合圖 1彈簧；2活動銷

42、；3刀具；4長銷；手爪在抓刀時，隨傳動軸逆時針旋轉(zhuǎn)，主軸及刀庫附近的凸臺壓下長銷 4，活動銷（即彈簧鎖輪）被解鎖。手爪欲抓住刀柄，使手爪口中心與刀具中心線重合，達(dá)到圖示位置，刀柄反作用力活動銷使其壓縮彈簧 1 向左運動至極限位置后手柄已進(jìn)入手爪口，此時活動銷向右運動至手爪口中心與刀具中心軸線完全重合，回到初始狀態(tài)，刀柄被鎖住，抓刀結(jié)束，可以進(jìn)行拔刀動作，而在抓刀時，整個機(jī)械手旋轉(zhuǎn)角度較小，故刀柄壓活動銷受力簡化等效如圖 2-5 所示。圖 2-5 手爪結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，機(jī)械手由原始位置轉(zhuǎn)過90以實現(xiàn)抓刀動作，而兩手爪上的長銷 4 分別被主軸前端面和刀庫上的擋塊壓下，使軸向開有長槽的活動銷

43、 2 在彈簧的作用下移動頂住刀具。機(jī)械手拔刀時，長銷 4 與擋塊脫離接觸，鎖緊銷 2 被彈簧 3 彈起，使活動銷 4 頂住刀具不能后退，這樣機(jī)械手在回轉(zhuǎn)時，刀具不會甩出。當(dāng)機(jī)械手上升180插刀時，長銷又被擋塊壓下，松開刀具，機(jī)械手便可反轉(zhuǎn)復(fù)位。設(shè)計手爪口端點到手3O爪中心軸線垂直距離為 7mm，抓刀初始位置時，最小，最大，抓刀過程中，（1F2F與手爪中心軸的夾角）逐漸減小，逐漸增大，逐漸減小至、三點一線2OO1F2FO2O3O時最大，最小，之后逐漸增大至活動銷還原至初始位置被鎖緊銷鎖住為抓刀完畢，1F2F1F不應(yīng)過大，過大就會偏小，就會偏大，過小無法壓縮彈簧使活動銷移動，1F2F1F過大也會阻

44、礙刀柄進(jìn)入手爪口，不應(yīng)過小，過小就會偏大，就會偏小，鎖輪2F1F2F便無法緊固刀柄，刀柄容易脫落。即取,鎖輪輪子的直徑（即活動銷直徑）25，則有：112dmm51237.77522DdOOmm活動銷的滾輪中心到手爪中心軸線的垂直距離為：2212sin2515.96O OOOmm，1212cos2534.236OOOOmm 則活動銷的行程 a：121237.77534.2363.539aOOOOmm活動銷上的行程槽應(yīng)大于活動銷行程加上長銷直徑，根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊選取長銷直徑。020.17d則行程槽長：（?。?，卡銷材料為 35 鋼，熱處理硬度1210.4ldamm114lmm，表面氧化處理的 A

45、型圓柱銷（GB119-86）卡銷直徑選 8mm (由機(jī)械設(shè)計課2838HRC程設(shè)計手冊第二版，吳宗澤主編)根據(jù)配合原理，則行程槽寬。我們可以設(shè)活動銷0.1108b主體寬，高，長，活動銷尾部到鎖輪輪子中心距。212bmm215hmm240lmm348lmm2.2 彈簧的選擇與設(shè)計彈簧主要分為拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧和彎曲彈簧四種。按照彈簧形狀又可分為螺旋彈簧、碟形彈簧、環(huán)形彈簧、板彈簧、盤簧等。因為該設(shè)計中彈簧受到的壓力不大，選擇材料為類碳素彈簧鋼絲，普通圓柱螺旋彈簧鋼絲，初選直徑。彈1.4dmm簧中徑（GB/1358-78）查表 30.2-4 的許用應(yīng)力，切面模量29Dmm0.4Pb80G

46、GPa。又根據(jù)彈簧材料直徑，由表 30.2-4 得，彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度1.4dmm。1863bMPa0.40.4 1863745.2PbMPa那么旋繞比 ,曲度系數(shù)由7得,所以得出彈簧能夠承載29 1.46.43CDd1.23k 的最大載荷nP （2-1）28nPdPkc上式帶入數(shù)值有：221.4745.266.3288 1.23 6.43ndpkcp （N ）校核彈簧截面材料的直徑 d （2-2）1.6nPPkcd代入數(shù)值有66.32 1.23 6.441.4745.2nPPkcdmm故初選合理。2.3 手爪的整體尺寸設(shè)計(1)首先考慮手爪部件的主要尺寸，設(shè)計如下：手爪總

47、長 82mm ，活動銷中心到聯(lián)接螺釘中心的距離為 89mm。手爪總的內(nèi)道寬分別為：，。2.86Xmm7.07Ymm(2)從螺釘?shù)綑C(jī)械手手臂中心的距離為 87mm,寬度為 95mm，厚度為 16mm。因此機(jī)械手的總長度為（65+89+87）2=482mm。根據(jù)設(shè)計要求選定機(jī)械手臂的材料為 45 鋼，彎曲許用應(yīng)力，在工作過 100MPa程中,主要受橫向彎曲應(yīng)力，最大正應(yīng)力發(fā)生在彎矩最大的截面上，且離中性軸最遠(yuǎn)max處。 maxmax MW3232363(0.095 10 )0.016 10124.05 10 ()2266bhI ZbhWmhh設(shè)刀具及手爪之重為 10g，由前面可知承受重力到機(jī)械手臂

48、中心的距離為 241mm，因此：310 9.8 241 1023.8(. )MFSN mmax623.85.88 1004.05 10MMPaMPaW因此設(shè)計達(dá)到要求且合理。3液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計3.1 液壓傳動的概述液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計與主機(jī)的設(shè)計是緊密聯(lián)系的，兩者往往同時進(jìn)行，相互協(xié)調(diào)。主機(jī)對液壓系統(tǒng)的使用要求是設(shè)計液壓傳動系統(tǒng)的依據(jù)。系統(tǒng)的設(shè)計除了應(yīng)滿足主機(jī)要求的功能和性能外，還必須符合質(zhì)量輕、體積小、成本低、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、使用維護(hù)方便及工作可靠等要求。因此設(shè)計開始，首先必須搞清楚下列問題：（1） 機(jī)概況：用途、主要結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)及性能、作業(yè)環(huán)境、工藝流程、總體布局；（2） 液壓系統(tǒng)應(yīng)完成那

49、些動作，動作順序及彼此聯(lián)鎖關(guān)系如何；（3） 液壓驅(qū)動機(jī)構(gòu)的運動形式,運動速度；（4） 各動作機(jī)構(gòu)的載荷大小及其性質(zhì)；（5） 對調(diào)速范圍、運動平穩(wěn)性、轉(zhuǎn)換精度等性能方面的要求；（6） 自動化程度、操作控制方式的要求；（7） 對防火、防爆、周圍介質(zhì)、環(huán)境溫度、風(fēng)沙與塵埃、外界沖擊振動、安全可靠性的要求；（8） 對效率、成本等方面的要求。設(shè)計液壓系統(tǒng)的出發(fā)點，可以是充分發(fā)揮其組成元件的工作性能，也可以是著重追求其工作狀態(tài)的絕對可靠。前者著眼于安全；實際的設(shè)計工作則常常是這兩種觀點不同程度的組合。為此，液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計迄今仍沒有一個公認(rèn)的統(tǒng)一步驟，往往隨著系統(tǒng)的繁簡，借鑒的多寡，設(shè)計人員經(jīng)驗的不同而

50、做法上呈現(xiàn)出差異來。下圖這種設(shè)計的基本內(nèi)容和一般流程。這里除了最末一項外全都是屬于性能設(shè)計的范圍。這些步驟相互關(guān)聯(lián)，彼此影響，因此常需要穿插進(jìn)行，交叉展開。最末一項屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容，則須要仔細(xì)查閱產(chǎn)品樣本、手冊和資料，選定元件的結(jié)構(gòu)和配置的型式，才能布局繪圖。圖 3-1 液壓傳動系統(tǒng)的一般設(shè)計流程3.2 液壓缸的設(shè)計3.2.1液壓缸的載荷組成及計算設(shè)機(jī)械手抓刀重約 20Kg，作用在活塞桿上的外部載荷包括工作載荷，導(dǎo)軌的摩擦力和由于速度變化而產(chǎn)生的慣性力。 (3-1)fagwFFFF（1）常見的工作載荷有作用于活塞桿軸線上的重力，切削力，擠壓力等，而該設(shè)計中只有重力： (3-2) 20 9.81

51、96gFmgN（2）導(dǎo)軌摩擦載荷 fF（的取值參考機(jī)械設(shè)計手冊表 37.5-2）0.06 19612()fgFFN（3）慣性載荷 aF一般機(jī)械取，所以，20 120aG vFg t （N ）0.5 1.5vst196 1220228()WFN除外載荷外，作用于活塞桿上的載荷還包括液壓密封處的摩擦阻力，一般估WFFmF算為：(1)mmFF液壓缸的機(jī)械效率，一般取； 0.90 0.95則：228248()0.92WmFFN(1)(1 0.92) 24820()mmFFN 液壓缸不同負(fù)載時的工作壓力表 3-1 如下：表 3-1 液壓缸不同載荷時的工作壓力表載荷410 N0.50.5 11 22 33

52、 55工作壓力MP0.8 11.5 22.5 33 44 55 7故取工作壓力。58 10PPa 3.2.2升降缸的設(shè)計圖 3-2 a 圖活塞桿受壓狀態(tài) 圖 3-2 b 圖活塞桿受拉狀態(tài)活塞桿受壓時，活塞桿受拉時，1122WmFFPAP A1221WmFFPAP A式中1A無桿腔活塞有效作用面積；2A有桿腔活塞有效作用面積； 1P液壓缸工作腔壓力；2P液壓缸回油壓力；一般液壓缸在受力狀態(tài)下工作，其活塞面積為： （3-3）2211FP AAP運用和關(guān)系令，其值是由下表選擇。如表 3-1 所示：1A2A0.5d D表 3-2 按工作壓力選取 d/D工作壓力 MPa5.05.07.07.0d/D0.

53、50.550.620.700.7所以可以得出活塞的直徑： （3-4）21243.14(1)FDPP 221244 248503.14(1)3.14 (0.80.9(1 0.5 )FDmmPP所以， （與的值是在機(jī)械設(shè)計手冊表 37.5-5 和 37.5-3 選取的） ，0.525dDmm1PP根據(jù)所計算出的結(jié)果表 3-2 中選擇標(biāo)準(zhǔn)的尺寸。表 3-3 活塞桿和液壓缸直徑缸徑速比40506380901001101251401601802002202501.46222283545455656606070638070908010090110100125110140125140所以選擇，。80Dmm4

54、5dmm活塞桿直徑的強(qiáng)度在高壓系統(tǒng)中要進(jìn)行校核：644 2481.983.14 80 10Fdmm 活塞桿材料的許用應(yīng)力，初選材料為 20 鋼，則許用應(yīng)力為 80MPa。 又根據(jù)設(shè)計需要， （軸承的配合，螺釘?shù)陌惭b等）此活塞桿為空心桿。令空心桿內(nèi)徑，空心桿外徑。52dmm72dmm由于 （3-5） ttTTWW空實24411()1616dddd空心桿直徑；d空心桿內(nèi)徑；d空心桿外徑， tW抗扭矩截面系數(shù)；所以有64.771.98dmmmm空心桿壁厚。 72521022ddmm則設(shè)計符合要求。3.2.3油缸壁厚的設(shè)計對于低壓系統(tǒng)或當(dāng)時，油缸的壁厚有：16AL （3-6） 2ALPy 缸筒試壓力，

55、當(dāng)時，當(dāng)時， yP16nP 1.5ynPP16nP 1.25ynPP 缸筒材料的許用應(yīng)力，20 鋼，=100Mpa，所以， ，根據(jù)結(jié)構(gòu)需要取。561.5 8 10800.0482 2 100 10yPALmm 8mm3.2.4油缸長度的確定液壓缸的缸筒長度由最大工作行程決定，缸筒的長度一般最好不超過其內(nèi)徑 20 倍。即，設(shè)計任務(wù)書上給定了伸縮單行程為 100m，即取(20 30) 801600 2400LmmL=135mm。3.2.5油口直徑的計算液壓缸的油口直徑根據(jù)活塞最高運動速和油口最高液流速度而定，VV (3-7)VVDd13. 00因為，其中，；12120.68VAVA214AD222

56、4ADd式中 無桿腔活塞有效作用面積；1A 有桿腔活塞有效作用面積；2A活塞直徑；D m 活塞桿直徑；d m由行程 L 初定換刀過程所用時間為 1 秒,則平均速度為 0.135m/s。令無肛腔進(jìn)油速，則有桿腔進(jìn)油速度。10.1Vm s20.16Vm s所以，液流速度大小等于有桿腔進(jìn)油2222max8VVVVm sV速， 即。0.16/Vm s故。303 80 1011.030.16VdDmmV3.2.6缸底厚度計算（缸底有油孔）因為考慮到缸底有油孔，所以計算公式有：圖 3-3 液壓缸缸底 （3-8） 0433. 0dDDPDhy 式中 缸底厚度；h

57、 液壓缸內(nèi)徑；D 試驗壓力； yP缸底材料許用應(yīng)力；選取材料為 20 無縫鋼管， 100MPa。6336301.5 0.8 1080 100.4330.433 80 104.08 ()100 10(80 11.03) 10yP DhDmmDd3.3 液壓回轉(zhuǎn)缸的設(shè)計3.3.1回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑的計算作用在動片上的載荷力矩有以下關(guān)系：M驅(qū) （3-9）ZMMMMM驅(qū)回封慣式中工作阻力矩ZM/kg cm s 所有回轉(zhuǎn)缸密封處的摩擦阻力矩， M慣/kg cm sMMM封封封，1Mbb PR封 ，；12()cdMb Rr FR封2cdRRr 參與回轉(zhuǎn)運動的零部件，在啟動時產(chǎn)生的慣性力矩； M慣/kg cm s；

58、 （3-10）00vMJJt慣齒輪回轉(zhuǎn)時，在啟動運動過程中的角加速度；2/srad角速度變化量，；wsrad /2w啟動過程時間，一般為令；t(0.01 0.5)ts 0.1ts 0J參與回轉(zhuǎn)運動零部件，對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量；2cmKg 20GeJJgJ參與回轉(zhuǎn)運動的刀柄對重心轉(zhuǎn)動慣量；2cmKg G刀柄與機(jī)械手的總重量；Kge刀柄與機(jī)械手的重心到回轉(zhuǎn)軸的距離；cm由理論力學(xué)得公式，則 2012MlJJ12010(482 10 )1952.12Jkg cm00195230646./2 0.1vMJJkg cm st:慣 （3-11）22()2RrbMbPdPRr 回回回的取值參考下表：P回表 3

59、-4 執(zhí)行元件背壓力系統(tǒng)類型背壓力/MPaP回回油路上有節(jié)流閥的調(diào)速閥0.20.5回油路中射有背壓閥的系統(tǒng)0.51.5采用輔助油泵的閉式回路11.5故取 0.6MPa 。 P回如圖 3-3 所示回轉(zhuǎn)液壓缸的進(jìn)油腔壓力油液，作用在動片上的合成液壓力矩即驅(qū)動力矩，M驅(qū)22()2RrpdMpb dDd 驅(qū)回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑D的計算：根據(jù) MM驅(qū)驅(qū)22()8pb DdM驅(qū) （3-12）28dpdMD驅(qū)式中 回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑；D m 作用在動片的外載荷力矩；驅(qū)M 回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力；pPa 動片寬度；b m 輸出軸與動片聯(lián)接處的直徑；初步設(shè)計時按d m選取。1.52.5D d :為減少動片與輸出軸的聯(lián)接螺釘所受的載

60、荷與動片的懸伸長度，選擇動片寬度（即液壓缸寬度）時，可選用22bDd回轉(zhuǎn)液壓缸的內(nèi)徑；D m由于慣性力矩必須大于所有摩擦力矩才能使回轉(zhuǎn)葉片動，即所以由以2MMM回慣上代數(shù)式子可以得到： 307.875Md305.90625Md回代入上面的式子得，得出：；根據(jù)所選花鍵軸與之配合取，031.46dcm036dmm則，。002.52.5 3690Ddmm01.51.5 3654bdmm3.3.2回轉(zhuǎn)缸壁厚的計算對于低壓系統(tǒng)或當(dāng)時，回轉(zhuǎn)缸的壁厚有：16AL （3-13） 2ALPy缸筒試壓力，當(dāng)時，當(dāng)時，yP16nP 1.5ynPP16nP 1.25ynPP缸筒材料的許用應(yīng)力，20 鋼，=100Mpa