數(shù)控車床換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)摘要：自動(dòng)換刀裝置是加工中心的重要組成部分之一，它的功能的好壞，關(guān)系到整個(gè)加工中心的功能。自動(dòng)換刀裝置可分為五種基本形式，即轉(zhuǎn)塔式、180回轉(zhuǎn)式、回轉(zhuǎn)插人式、二軸轉(zhuǎn)動(dòng)式和主軸直接式。刀庫換刀，按照換刀過程有無機(jī)械手參與，分成有機(jī)械手換刀和無機(jī)械手換刀兩種情況。在有機(jī)械手換刀的過程中，使用一個(gè)機(jī)械手將加工完畢的刀具從主軸中拔出，與此同時(shí)，另一機(jī)械手將在刀庫中待命的刀具從刀庫拔出，然后兩者交換位置．完成換刀過程。無機(jī)械手換刀時(shí)，刀庫中刀具存放方向與主軸平行，刀具放在主軸可到達(dá)位置換刀時(shí)，主軸箱移到刀庫換刀位置上方，利用主軸Z向運(yùn)動(dòng)將加工用畢刀具插人刀庫中要求的空位處，然后刀庫中待換刀具轉(zhuǎn)到待命位置。主軸Z向運(yùn)動(dòng)將待用刀具從刀庫中取出，并將刀具插人主軸。關(guān)鍵詞：加工中心自動(dòng)換刀裝置刀庫機(jī)械手目錄畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 1數(shù)控車床換刀機(jī)械手設(shè)計(jì) 1目錄 11. 緒論 12. 總體設(shè)計(jì) 12.1要求 12.2驅(qū)動(dòng)方式 32.3方案確定 43. 機(jī)械手的設(shè)計(jì) 83.1原理 83.2設(shè)計(jì)方向 103.3概要 103.4手部設(shè)計(jì) 113.5其它零件以及尺寸的確定 164. 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 214.1轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 214.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)其它零件的設(shè)計(jì) 224.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 234.4主軸準(zhǔn)停裝置的設(shè)計(jì) 244.5換刀裝置的液壓機(jī)構(gòu)分析 255. PLC控制分析 286. 結(jié)論 31參考文獻(xiàn) 3緒論機(jī)械手雖然目前還不如人手靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多個(gè)自由度，可用來搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中的工作。機(jī)械手首先是從美國(guó)開始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，頂部裝有電磁快的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。1962年，美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名Unimate（即萬能自動(dòng)）。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動(dòng)公司，專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種機(jī)械手后大力從事機(jī)械手的研究。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手，其中一半是國(guó)產(chǎn)，一半是進(jìn)口。目前，工業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機(jī)械手具有感覺機(jī)能?？傮w設(shè)計(jì)2.1要求1、影響平穩(wěn)性以定位精度的因素（1）、慣性力的影響圖2.1慣性曲線機(jī)械手速度突變，加（減）速度不連續(xù)，會(huì)產(chǎn)生巨大的慣性沖擊力，以至使工件滑動(dòng)、部件松動(dòng)、零件破裂。定位時(shí)，大的減速度使臂部往復(fù)振動(dòng)，直接影響定位精度。因此，應(yīng)根據(jù)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特性，選擇適宜的控制系統(tǒng)，使加（減）速度按所需的運(yùn)動(dòng)歸路變化，同時(shí)，在保證剛度的前提下，減輕機(jī)械手運(yùn)動(dòng)件的重量。（2）、結(jié)構(gòu)剛度的影響零件結(jié)構(gòu)剛度性差，配合間隙大及整機(jī)固有頻率低時(shí)，受較小慣性沖擊，就發(fā)生振動(dòng)。不但降低定位精度，而且降低機(jī)械手壽命。應(yīng)選擇合理結(jié)構(gòu)，提高機(jī)械手固有頻率及承受慣性載荷的能力。（3）、定位方法的影響常用的定位方法中，電氣開關(guān)的定位精度最低，伺服定位較高，機(jī)械擋塊的定位最高。（4）、控制系統(tǒng)的影響電控系統(tǒng)的誤差，閥類泄漏，檢測(cè)元件失靈，擋塊偏移等會(huì)降低定位失靈。（5）、驅(qū)動(dòng)源的影響液壓、氣壓、電壓及油溫波動(dòng)都會(huì)降低平穩(wěn)性及定位精度，必要時(shí)，用蓄能器等穩(wěn)定液壓、氣壓、電壓，用加熱器和冷卻器控制油溫。圖2.2運(yùn)動(dòng)特性曲線按上圖的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手的速度變化呈等加速或不等加速運(yùn)動(dòng)，其減速過程亦分為等減速運(yùn)行和不等減速運(yùn)行，在呈等加速運(yùn)行，而不等減速運(yùn)行時(shí)，由于速度行程短，故有利于提高機(jī)械手的工作速度。特點(diǎn)：速度變化基本上連續(xù)，運(yùn)動(dòng)中不會(huì)產(chǎn)生沖擊，可以滿足高速、平穩(wěn)和定位精度高的要求。2.2驅(qū)動(dòng)方式1、氣動(dòng)機(jī)械手氣動(dòng)機(jī)械手的加速或調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用氣路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用氣缸端部節(jié)流緩沖裝置、氣路節(jié)流緩沖回路、液壓緩沖氣等。定位系統(tǒng)采用機(jī)械擋塊或多點(diǎn)定位幾機(jī)構(gòu)定位精度。2、液壓機(jī)械手液壓機(jī)械手的加速或調(diào)節(jié)系統(tǒng)油路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用油缸端部節(jié)流緩沖裝置及緩沖回路、減壓節(jié)流繼續(xù)能緩沖系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等。定位系統(tǒng)采用關(guān)閉電磁換向閥定位精度、機(jī)械擋塊定位精、伺服系統(tǒng)定位精度度等。3、電動(dòng)機(jī)械手電動(dòng)機(jī)械手的加速或調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用電路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用反接制動(dòng)電路、減速電路、凸輪或連桿機(jī)構(gòu)等。定位系統(tǒng)采用電磁制動(dòng)器、脈沖電路定位精度、機(jī)械擋塊定位精度等。4、機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)械手機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)械手的加速或調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用凸輪連桿機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)采凸輪曲線和連桿機(jī)構(gòu)。定位系統(tǒng)采用凸輪基圓及凸輪頂點(diǎn)、連桿極限位置。用電氣開關(guān)、換向閥、節(jié)流閥和機(jī)械擋塊等來控制的機(jī)械手稱為開關(guān)型機(jī)械手。2.3方案確定一、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓驅(qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，和機(jī)械傳動(dòng)四種。一臺(tái)機(jī)械手可以只用一種驅(qū)動(dòng)，也可以用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，各種驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)見表2.1。比較內(nèi)容驅(qū)動(dòng)方式機(jī)械傳動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)氣壓傳動(dòng)液壓傳動(dòng)異步電機(jī)，直流電機(jī)步進(jìn)或伺服電機(jī)輸出力矩輸出力矩較大輸出力可較大輸出力矩較小氣體壓力小，輸出力矩小，如需輸出力矩較大，結(jié)構(gòu)尺寸過大液體壓力高，可以獲得較大的輸出力控制性能速度可高，速度和加速度均由機(jī)構(gòu)控制，定位精度高，可與主機(jī)嚴(yán)格同步控制性能較差，慣性大，步易精確定位控制性能好，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜可高速，氣體壓縮性大，阻力效果差，沖擊較嚴(yán)重，精確定位較困難，低速步易控制油液壓縮性小，壓力流量均容易控制，可無級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制體積當(dāng)自由度多時(shí)，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，體積液較大要油減速裝置，體積較大體積較小體積較大在輸出力相同的條件下體積小維修使用維修使用方便維修使用方便維修使用較復(fù)雜維修簡(jiǎn)單，能在高溫，粉塵等惡劣環(huán)境種使用，泄漏影響小維修方便，液體對(duì)溫度變化敏感，油液泄漏易著火應(yīng)用范圍適用于自由度少的專用機(jī)械手，高速低速均能適用適用于抓取重量大和速度低的專用機(jī)械手可用于程序復(fù)雜和運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手中小型專用通用機(jī)械手都有中小型專用通用機(jī)械手都有，特別時(shí)重型機(jī)械手多用成本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，一般工廠可以自己制造成本低成本較高結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能源方便，成本低液壓元件成本較高，油路也較復(fù)雜表2.1考慮到精度和結(jié)構(gòu)的要求，我選擇了液壓傳動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)。一、電控系統(tǒng)的選擇機(jī)械手的電控系統(tǒng)有多種類型，除專用機(jī)械手外，大多數(shù)要專門進(jìn)行電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。比較內(nèi)容控制系統(tǒng)固定系統(tǒng)可編程序繼電器線路半導(dǎo)體邏輯電路順序控制器示數(shù)再觀成計(jì)算機(jī)動(dòng)作程序容量動(dòng)作程序較少動(dòng)作程序可以較多動(dòng)作順序一般為16步可擴(kuò)展為32部或更多動(dòng)作程序較多通常為200步可擴(kuò)展更多控制的參數(shù)1、動(dòng)作程序2、動(dòng)作到達(dá)的位置或時(shí)間3、夾放信息4、連鎖信息這些信息固定于線路之中不能任意變動(dòng)動(dòng)作程序動(dòng)作到達(dá)的位置或時(shí)間時(shí)間信息夾放信息聯(lián)鎖信息程序終了信息這些信息可以任意安排動(dòng)作程序時(shí)間信息動(dòng)作應(yīng)到達(dá)位置或時(shí)間夾放信息聯(lián)鎖信息運(yùn)動(dòng)速度信息定位精度信息程序終了信息編排程序范圍大，可裝各種傳感器制造與維護(hù)維護(hù)簡(jiǎn)單方便體積較大，制造簡(jiǎn)單制造簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，體積小一般由專業(yè)廠生產(chǎn)供應(yīng)，需具有一定專業(yè)知識(shí)人員維修線路復(fù)雜，制造，維護(hù)調(diào)整均較困難，需專業(yè)人員維修行程檢測(cè)元件行程開關(guān)，機(jī)械擋塊行程開關(guān)，機(jī)械擋塊行程開關(guān)，電位器電位器，旋轉(zhuǎn)變壓器，光柵等使用壽命壽命低壽命較高壽命較高壽命較高成本便宜較便宜成本較高成本較高使用范圍用于動(dòng)作少，速度低的專用機(jī)械手用于速度快節(jié)拍短的專用機(jī)械手適用于動(dòng)作較多，速度變化多即一般機(jī)械手動(dòng)作多，程序復(fù)雜的高級(jí)通用機(jī)械手適用表2.2我們可設(shè)繼電器線路為方案1，半導(dǎo)體邏輯線路為方案2，順序控制器為方案3，示數(shù)再現(xiàn)成計(jì)算器為方案4。設(shè)備的技術(shù)評(píng)價(jià)特性方案1-4的分?jǐn)?shù)1234理想的控制通用性22334范圍22334制造方便33214程序容量32224總分?jǐn)?shù)10910916技術(shù)價(jià)X0.6250.56250.6250.56251.00表2.3設(shè)備的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)特性方案1-4的分?jǐn)?shù)1234理想的成本（元件）33214制造與維護(hù)成本33214壽命23234元件耗費(fèi)22334總分?jǐn)?shù)10119816經(jīng)濟(jì)價(jià)Y0.6250.68750.56250.51.00表2.4綜合考慮選用方案3比較適合，即采用順序控制器進(jìn)行控制。機(jī)械手的設(shè)計(jì)3.1原理如圖所示，換刀過程如下：1.刀套（刀具）繞90度2.機(jī)械手回轉(zhuǎn)75度3.機(jī)械手夾緊刀具4.主軸刀具夾緊機(jī)構(gòu)松開5.拔刀6.機(jī)械手回轉(zhuǎn)180度7.刀臂（機(jī)械手）上升放刀8.夾緊刀具9.機(jī)械手反向回轉(zhuǎn)75度回到原位10.刀套向上轉(zhuǎn)90度圖3.1機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)下面，我具體介紹一下各個(gè)運(yùn)動(dòng)所需要的條件1.刀套（刀具）繞90度當(dāng)?shù)稁熘械挠透咨隙送ㄈ雺毫τ蜁r(shí)，活塞連桿向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)拔叉刀套轉(zhuǎn)過90度。2.機(jī)械手回轉(zhuǎn)75度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)是由機(jī)械手的手臂來帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)的，所以要使機(jī)械手轉(zhuǎn)過75度，就是機(jī)械手的手臂回轉(zhuǎn)75度。如圖3.1所示，機(jī)械手的手臂通過連桿與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接在一起。為了完成這個(gè)運(yùn)動(dòng)。我采用了液壓擺動(dòng)缸來實(shí)現(xiàn)。首先，液壓缸的內(nèi)腔充入一定數(shù)量的壓力油，使液壓缸帶動(dòng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)75度。3.機(jī)械手夾緊刀具當(dāng)機(jī)械手開始接觸到刀具時(shí)，鎖緊銷被彈簧彈起，使活動(dòng)銷被鎖住，不能運(yùn)動(dòng)，這就使在固定爪與活動(dòng)銷的配合下，刀具被抓緊。4.主軸刀具夾緊機(jī)構(gòu)松開主軸內(nèi)部和后端安裝的是刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)。它主要由拉桿、拉桿端部的四個(gè)鋼球、蝶形彈簧、活塞、液壓缸等組成。機(jī)床執(zhí)行換刀指令，機(jī)械手要從主軸拔刀時(shí)，主軸需松開刀具。這時(shí)液壓缸上腔通壓力油，活塞推動(dòng)拉桿向下移動(dòng)，使碟形彈簧壓縮，鋼球進(jìn)入主軸錐孔上端的糟內(nèi)、刀柄尾部的拉釘（拉緊刀具用）被松開，機(jī)械手即可拔刀。5.拔刀當(dāng)主軸的刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)松開，連桿最上面的液壓缸（使連桿上下運(yùn)動(dòng)的液壓缸）的上端通入壓力油，使活塞桿向下運(yùn)動(dòng)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)盤與連桿使機(jī)械手向下運(yùn)動(dòng)，這就實(shí)現(xiàn)了拔刀。6.機(jī)械手回轉(zhuǎn)180度這個(gè)過程是為了交換2把刀具的位置，運(yùn)動(dòng)是如下實(shí)現(xiàn)的：配置在最下面的擺動(dòng)液壓缸來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)發(fā)出交換刀具的命令時(shí)，液壓缸的內(nèi)腔充入壓力油，從而帶動(dòng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)180度，實(shí)現(xiàn)交換刀具的這個(gè)功能。7.刀臂（機(jī)械手）上升放刀這個(gè)動(dòng)作與機(jī)械手拔刀差不多。不過明顯的區(qū)別就是液壓缸的下腔通入壓力油，使活塞桿向上運(yùn)動(dòng)，從而把刀具放在準(zhǔn)確的位置。8.夾緊刀具當(dāng)機(jī)械手將一把刀具插入主軸后，液壓缸上腔無油壓，在彈簧的恢復(fù)力的作用下，使拉桿、鋼球和活塞退回，使彈簧通過拉桿和鋼球拉緊刀柄尾部的拉釘，使刀具夾緊。3.2設(shè)計(jì)方向首先我們了解到機(jī)械手是由以下機(jī)構(gòu)組成的：1.機(jī)械手2.驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3.主軸上的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)所以，我們只要對(duì)以上三個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)就可以了即：1.對(duì)機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)2.對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)3.對(duì)主軸上的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)3.3概要機(jī)械手的組成：1.執(zhí)行機(jī)構(gòu)2.控制系統(tǒng)3.驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4.動(dòng)力機(jī)構(gòu)在這個(gè)設(shè)計(jì)中，我們用液壓做為動(dòng)力源，用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制機(jī)械手交換刀具的位置，用執(zhí)行機(jī)構(gòu)來夾刀具。所以這個(gè)機(jī)械手具有2個(gè)自由度，一個(gè)移動(dòng)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)械手的手部是用來抓刀具的部件，手部抓刀具的準(zhǔn)確程度將直接影響到機(jī)械手的工作性能，它是機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。根據(jù)機(jī)械手所夾刀具的形狀、尺寸、重量、材料和表面狀況的不同，手部具有多種的結(jié)構(gòu)形式，一般手部抓工件的方式可分為手指式、吸盤式以及特殊式。手指式手部是以手指的張開和關(guān)閉來實(shí)現(xiàn)夾刀具以及工件的。它對(duì)抓取各種形狀的工件具有較大的適應(yīng)性。故應(yīng)用較廣。一般手指式的手部具有2指、3指以及多指。吸盤式手部是利用吸力來吸取工件的，一般有空氣負(fù)壓吸盤與電磁吸盤2種。空氣負(fù)壓吸盤適用于表面光滑的板材或曲線形狀的零件。而電磁吸盤適用與磁性材料的板材或盤類零件。特殊式手部是為了提高夾工具的能力和在特殊的條件下使用的。3.4手部設(shè)計(jì)圖3.2機(jī)械手卡爪仿真示意圖1.由于機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)多種多樣，在選用時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況來分析，之后才選擇使用。在我這個(gè)設(shè)計(jì)中，機(jī)械手是用于加工中心的自動(dòng)換刀裝置中，因?yàn)槭菗Q刀，必須是二把刀具以及二把以上的刀具交換位置，當(dāng)然，一般是2把刀具交換位置。我這里的設(shè)計(jì)也是如此。二把刀具交換位置就需要2個(gè)機(jī)械手的手部。在我這個(gè)設(shè)計(jì)中就采用了2個(gè)手部（一個(gè)機(jī)械手，二個(gè)手部）。2.在設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問題：1）手指應(yīng)該有足夠的夾緊力，為了使手指牢靠的夾緊工件，除想到抓刀具的重力外，還要想到，刀具在傳遞過程中產(chǎn)生的動(dòng)載荷2）手指應(yīng)用在一定的開閉范圍，其大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且須想到手部接近刀具的運(yùn)動(dòng)路線以及方位的影響3）應(yīng)能保證工件在手指內(nèi)準(zhǔn)確定位4）結(jié)構(gòu)盡量緊湊、重量輕綜合上述，我選擇使用下面所使用的機(jī)械手手部。選擇理由如下：1）通過調(diào)節(jié)活動(dòng)銷的位置，就可以調(diào)節(jié)夾緊力的大小，只要活動(dòng)銷的強(qiáng)度在一定的范圍內(nèi)就可以了2）為了抓緊不同類型的刀具，機(jī)械手的手部就必須要有對(duì)不同半徑的刀具具有抓緊的功能，通過調(diào)節(jié)活動(dòng)銷的位置，就可以調(diào)節(jié)手部，使手部能抓緊在定范圍內(nèi)的刀具3）這個(gè)手部全是機(jī)械裝置，在抓刀具的時(shí)候，不需要外加其它的動(dòng)力源。3.彈簧的選取由于在JCS--018中，18把刀具中最大的直徑為100mm，所以我設(shè)計(jì)的手爪為100mm，這就需要通過調(diào)節(jié)活動(dòng)銷的行程來實(shí)現(xiàn)夾刀具的。通過計(jì)算得出，活動(dòng)銷的行程應(yīng)大于L=26.5mm，這就需要彈簧的壓縮量最少都要為26.5mm，這里我們選擇的壓縮量可以為30mm彈簧。我們將活動(dòng)銷的頂點(diǎn)距手爪中心的距離為36.5mm。對(duì)直徑為100mm的刀具來說彈簧對(duì)刀具的夾緊力為彈簧的反力（根據(jù)作用力與反作用力的原理）所以夾緊力為：P=-F=-kx=28.5k（3-1）又由于直徑為90mm的重量為7kg，要使刀具在夾緊力的作用下不掉下去。摩擦力就必須大于重力。由于這里是鋼鐵的接觸，所以取摩擦系數(shù)u=0.12摩擦力f=Nu（3-2）上式中N為活動(dòng)銷對(duì)刀具的壓力所以f=Nu>G（3-3）即：N>G/u=7*9.8/0.12=572N從上式我們可以得到活動(dòng)銷對(duì)刀具的壓力大于572牛又由于活動(dòng)銷對(duì)刀具的力是由于彈簧壓縮所產(chǎn)生的，所以P=N>572N（3-4）聯(lián)立（1）（4）二式可以得到P=N=28.5k>572N所以k=N/28.5>572/28.5=20.06N/mm取k=21N/mm4.活動(dòng)銷的選取與驗(yàn)證由于活動(dòng)銷承受的壓力較大，所以選用45鋼（調(diào)質(zhì)）活動(dòng)銷的受力圖如下如圖：N’是刀具對(duì)活動(dòng)銷的支撐反力N’=P=kx=21N/mm*28.5mm=598.5Nf’是由于摩擦的結(jié)果，是由于活動(dòng)銷阻止刀具下掉掉力的作用反力，與f的方向相反。即方向向上大小為：f’=f=Nu=598.5N*0.12=70.14NF’為彈簧對(duì)活動(dòng)銷的作用力F’=-kx=598.5NF1是由固定活動(dòng)銷的外壁產(chǎn)生的，用來限制活動(dòng)銷向下的運(yùn)動(dòng)、向上的運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等5個(gè)自由度的。由于這個(gè)物體（活動(dòng)銷）在力的作用下平衡，根據(jù)力的作用力與反作用原理，可得：F’=N’F1=f’所以得到：F1=f’=70.14N且要與f’的方向相反，因此方向向上。對(duì)X軸方向，活動(dòng)銷受到F’與N’這對(duì)力的同時(shí)作用所以產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力為所以（3-5）確定上式中各個(gè)參數(shù)值：1）由于材料為45鋼，所一許用應(yīng)力為58Mpa2）Fn=N’=f’=598.5N所以（2-5）式中又因?yàn)椋?-6）所以（3-7）即：所以取d=12mm又由于活動(dòng)銷還受到剪的作用，所以：（3-8）由（6）（8）二式我們可以得到如下的公式：（3-9）確定上式中的各個(gè)參數(shù)值：1）45鋼的許用剪應(yīng)力為2）剪切力Fbs=f’=598.5N所以（9）式可以計(jì)算為：3.56mm（3-10）由（7）與（10）得到的d綜合得取d=12mm下面來確定銷的長(zhǎng)度由于在F1和f’的作用下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)力距M大小為M=F1L（3-11）上式中的L為活動(dòng)銷的長(zhǎng)度在M的作用下活動(dòng)銷要彎曲，在它的2個(gè)端點(diǎn)彎距最大為M=F1L所以彎曲應(yīng)力為（3-12）上式中W為抗彎截面系數(shù)由于截面為圓形所以W=所以（3-13）由于45鋼的彎曲應(yīng)力為40Mpa所以（3-14）即所以，由上式得145mm根據(jù)銷的系列與上式所計(jì)算的長(zhǎng)度，取l=112mm所以活動(dòng)銷就確定了5．鎖緊銷的選取與驗(yàn)證由于鎖緊銷的要求沒有活動(dòng)銷高，聯(lián)想到它的使用狀況，所以選用20鋼它的剪應(yīng)力所以（3-15）（3-16）（3-17）由（15）（16）（17）式可以得到取d=7mm根據(jù)銷的系列選取長(zhǎng)度為40mm的銷所以銷的類別為7*403.5其它零件以及尺寸的確定這3個(gè)螺栓同時(shí)受到力F=598.5以及力矩M=FL作用由于這些螺栓都采用的是普通螺栓所以各個(gè)螺栓的受力分別為F’=1）下面我對(duì)其中的一個(gè)螺栓進(jìn)行驗(yàn)證（3-18）上式中F為接合面的摩擦系數(shù)i為接合面數(shù)，這里接合面數(shù)為2，所以i=2為防滑系數(shù)～1.3，這里取=1.2由于接觸表面的表面狀況為干燥的表面，所以取f=0.1所以（18）式可以如下計(jì)算又因?yàn)槁菟ㄎｋU(xiǎn)截面的拉伸條件公式：（3-19）由于螺栓的材料為中碳鋼，所以它的許用拉伸應(yīng)=43Mpa所以（19）式可以如下計(jì)算：=6.2mm由于我只是大概的計(jì)算，所以實(shí)際取螺栓值的時(shí)候取大一點(diǎn)我們?nèi)=14mm所以采用M14這種螺栓關(guān)于螺栓的排布，我采用如下的方式：圖3.3螺栓的排列下面，我們來確定這些螺栓在機(jī)械手中的位置右邊第一個(gè)螺栓它離下底面的距離為到右端面的距離右邊第二個(gè)螺栓它離下底面的距離為到右端面的距離右邊第三個(gè)螺栓它離下底面的距離為到右端面的距離機(jī)械手的手腕部分我選用20碳鋼它的厚度為30mm，它的寬度為80mm，它的整個(gè)長(zhǎng)度為640mm其中機(jī)械手中心到手腕外的距離為259mm。1）材料的確定由于軸是重要的零件所以選用45鋼2）按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度來計(jì)算軸徑在軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通常用下面的這個(gè)公式來初步估算軸徑（3-20）上式中為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為MpaT為軸所承受的扭距，單位為N.mm為軸的抗扭截面系數(shù),單位為P為軸所傳遞的功單位為kWD為計(jì)算截面處的直徑,單位為mm為許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力,單位為Mpa由上式可以得到軸的直徑為:（3-21）確定上式的值:(1)確定查表得=126103,這里取=110(2)確定轉(zhuǎn)速n因?yàn)樵贛V-810/A中,換刀時(shí)間為2.5s,整個(gè)過程有10個(gè)動(dòng)作,按每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間相等來計(jì)算所以每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間s而機(jī)械手在交換刀具的時(shí)候轉(zhuǎn)過180度的時(shí)間也為0.25s,所以在這個(gè)時(shí)候,它的轉(zhuǎn)速最大,我們只要用最大轉(zhuǎn)速去計(jì)算軸徑就好了因?yàn)檩S轉(zhuǎn)過180度的時(shí)間為0.25s,所以轉(zhuǎn)過一周所用的時(shí)間為0.5s所轉(zhuǎn)速就為(3)P的確定由于所產(chǎn)生的功主要是用來使機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)在轉(zhuǎn)180度的時(shí)候p最大,p=M其中M=FL我們?nèi)的最大值為598.5N,而L的值我們?cè)谇懊嬉呀?jīng)確定了為320mm所以M=FL=598.5N而rad/s所以p=M=192.5所以(21)式可以表示為:我們?nèi)=30mm根據(jù)花鍵系列選擇：d=28mm關(guān)于軸與機(jī)械手的連接:軸與機(jī)械手連接采用花鍵根據(jù)實(shí)踐，主軸夾緊松開所用的液壓缸所需的流量最大，因此，這里只需計(jì)算主軸夾緊松開的液壓缸的流量即可。主軸夾緊松開：自動(dòng)換刀裝置的整個(gè)換刀過程所需的時(shí)間,共有10個(gè)動(dòng)作，則每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間平均為=即主軸松開刀具的時(shí)間為0.25查手冊(cè)得每個(gè)碟形彈簧厚度，自由高度H=根據(jù)設(shè)計(jì)共有22個(gè)彈簧組成每個(gè)蝶形彈簧的極限行程則一組蝶形彈簧的極限行程為速度（1）拉釘松開刀具：進(jìn)油口油腔的面積：S==油缸的容積效率~則此時(shí)液壓缸的流量為（2）拉釘夾緊刀具：進(jìn)油口油腔的面積：則此時(shí)液壓缸的流量為比較（1）、（2）兩者的計(jì)算結(jié)果，取齒輪液壓泵的容積效率，總效率刀盤的轉(zhuǎn)速為螺桿液壓泵的排量驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)下面我們來選擇與計(jì)算液壓缸由于機(jī)械手的整個(gè)換刀時(shí)間為2.5s整個(gè)過程有10個(gè)動(dòng)作,按每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間相等來計(jì)算所以每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間s即：機(jī)械手轉(zhuǎn)過75度的時(shí)間為0.25s取齒輪的齒數(shù)為60，模數(shù)為1.5，材料為60Cr,那么齒輪的分度圓直徑為d=mz=60齒輪的分度圓周長(zhǎng)為S=所以齒輪轉(zhuǎn)過75度走過的距離L=因?yàn)辇X輪齒條是配合的所以，齒輪條在這個(gè)運(yùn)動(dòng)中也走過58.875mm活塞桿的速度為設(shè)液壓缸的溶積效魚為，這里取設(shè)液壓缸的額定流量為q所以（4-1）又（4-2）由上2式可以得到（4-3）因?yàn)閝=0.8m/s所以（3）可以如下計(jì)算所以選擇d=35mm所以選擇液壓缸，它的行程為58.8mm，活塞的直徑為35mm。圖4.1液壓擺動(dòng)缸4.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)其它零件的設(shè)計(jì)由于機(jī)械手的初始位置與開始工作位置（拔插刀具的位置）的距離l=100mm，而這個(gè)距離，在運(yùn)動(dòng)中是依靠液壓缸的，所以液壓缸的行程就為100mm。另外我選用活塞直徑為d=30mm，所以液壓缸的規(guī)格就為100mm×30mm。液壓缸以及連接零件尺寸的確定L1=30mmL2=50mmL3=60mmL4=95mmD1=30mmD2=40mmS1=25mmS2=10mmS3=5mm圖4.2與大液壓缸連接的部分機(jī)械結(jié)構(gòu)4.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下面我們就來對(duì)軸做一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1）為了定位右邊的齒輪就必須在軸的右端制出一軸肩，故取右端的直徑為，由于通過連接盤、傳動(dòng)盤來把運(yùn)動(dòng)傳遞給軸的，所以，段接連接盤與傳動(dòng)盤，長(zhǎng)度為，段的下面由于是靠花鍵定位，所以不需要在軸上做一些處理。而。2）初選滾動(dòng)軸承因?yàn)檩S同時(shí)受到徑向力與軸向力的作用，故選用角接觸球軸承，參照工作要求，并根據(jù)由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組、標(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)的角接觸球軸承70306C。3）確定軸上圓角與倒角尺寸取軸端的倒角尺寸為2×45度，各軸肩的圓角尺寸為R0.5對(duì)于軸的校核，我就不做說明了。軸的工作圖如下：圖4.3軸的結(jié)構(gòu)圖4.4主軸準(zhǔn)停裝置的設(shè)計(jì)機(jī)床的切削扭矩由主軸上的端面鍵來傳遞，每次機(jī)械手自動(dòng)裝取刀具時(shí)，必須保證刀柄上的鍵糟對(duì)準(zhǔn)主軸的端面鍵，這就要求主軸具有準(zhǔn)確定位的功能。為滿足主軸這一功能而設(shè)計(jì)的正好子稱為主軸準(zhǔn)停裝置或稱為主軸定向裝置。本機(jī)床采用的是電氣式主軸準(zhǔn)停裝置，即用磁力傳感器檢測(cè)定向。如圖4.10所示，主軸8的尾部安裝有發(fā)磁體9，它隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在距發(fā)磁體外緣1-2mm處，固定了一個(gè)磁傳感器10，它經(jīng)過放大器11與主軸伺服單元3連接。主軸定向的指令1發(fā)出后，主軸便處于定向狀態(tài)，當(dāng)發(fā)磁體的上判別孔轉(zhuǎn)到對(duì)準(zhǔn)磁傳感器上的基準(zhǔn)糟時(shí)，主軸立即停止。圖4.4主軸準(zhǔn)停裝置的原理圖圖中5為電動(dòng)機(jī)與主軸之間的同步齒形帶，4為主軸電動(dòng)機(jī)，2為強(qiáng)電時(shí)序電路，7為主軸端面鍵，6是位置控制回路，12是定向電路。4.5換刀裝置的液壓機(jī)構(gòu)分析當(dāng)插刀動(dòng)作完成后，行程開關(guān)5發(fā)出信號(hào)，刀柄底部的拉釘要夾緊換好的刀具。這時(shí)電磁鐵SDL-8接通，電磁鐵SDL-6斷開，其余的處于斷開狀態(tài)。油從泵出發(fā)，經(jīng)過單向閥，受溢流閥2調(diào)壓后，經(jīng)調(diào)速閥4傳到液壓缸4的下腔，推動(dòng)活塞桿上移，油從上腔流回油缸，這樣就實(shí)現(xiàn)了主軸的夾緊動(dòng)作。主軸夾緊刀具，位置開關(guān)7發(fā)出信號(hào)，這時(shí)電磁鐵SDL-4接通，電磁鐵SDL-8斷開，其余的處于斷開狀態(tài)。油從泵出發(fā)，經(jīng)過單向閥，受溢流閥1調(diào)壓后，經(jīng)調(diào)速閥2傳到液壓缸2的下腔，推動(dòng)活塞桿上移，油從上腔流回油缸，此時(shí)機(jī)械手完成了轉(zhuǎn)180°的動(dòng)作。機(jī)械手轉(zhuǎn)過180°后，位置開關(guān)3發(fā)出信號(hào)，這時(shí)電磁鐵SDL-2接通，電磁鐵SDL-4斷開，其余的處于斷開狀態(tài)。油從泵出發(fā)，經(jīng)過單向閥，受溢流閥1調(diào)壓后，經(jīng)調(diào)速閥1傳到液壓缸1的下腔，推動(dòng)活塞桿上移，油從上腔流回油缸，機(jī)械手反轉(zhuǎn)75°，回到原位。這樣就完成了整個(gè)液壓控制過程。圖4.5液壓系統(tǒng)圖PLC控制分析根據(jù)第三章的換刀動(dòng)作分析和液壓系統(tǒng)分析，得到自動(dòng)換刀裝置的PLC端口圖如5.1所示。左邊部分為輸入信號(hào)，右邊為輸出信號(hào)。圖5.1端口連接圖由端口圖及換刀動(dòng)作可編制梯形圖5.2如下：圖5.2PLC梯形圖從上面的梯形圖可編得如下程序：0LD10001OR20002ANDNOT20103ANDNOT10014ANDNOT20015OUT20006LD10017ANDNOT10028ANDNOT20029OUT200110LD100211ANDNOT100312ANDNOT200313OUT200214LD100215AND100316ANDNOT100417ANDNOT200418OUT200319LD100420ANDNOT100521ANDNOT200522OUT200423LD100524ANDNOT100625ANDNOT200626OUT200527LD100628AND100729ANDNOT200730OUT200631LD100632AND100733A