【導(dǎo)讀】本論文介紹的是小型加工中心換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)。機(jī)械手在當(dāng)今機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用。的情況下，機(jī)械手可以代替人類進(jìn)行各種工作。人類高效而且精確的工作，這是最重要的一點(diǎn)。所以，為適應(yīng)時(shí)代發(fā)展要求，在機(jī)械。手的設(shè)計(jì)方面國(guó)家投入了大量的人力物力。它的主要?jiǎng)幼魇菍C(jī)床主軸上的刀具與刀庫(kù)或刀具傳送裝置。上的刀具進(jìn)行交換，其動(dòng)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?；仡檾?shù)控技術(shù)的發(fā)。展已經(jīng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段，六代的發(fā)展歷程。第一個(gè)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。數(shù)控系統(tǒng)是加工中心的控制中心，它主要由、本次設(shè)計(jì)是運(yùn)用可編程控制系統(tǒng)來(lái)對(duì)換刀機(jī)。但第五代數(shù)控系統(tǒng)以及以前各代都是一種專用。對(duì)運(yùn)動(dòng)的立式數(shù)控銑床。數(shù)控機(jī)床上一種新型的自動(dòng)化機(jī)床,它具有廣泛的通用性和很高的自動(dòng)化程度.化的零件；⑦加工過程中的錯(cuò)誤會(huì)造成嚴(yán)重浪費(fèi)的貴重零件；⑧需全部檢測(cè)的零件,坐標(biāo)軸的方向精心直線移動(dòng)和切削加工。

　　

【正文】 : hFj nTffC P Cff?? 　 　 (N) （ 26） 610 ( ) ( )60h CLhnP ?? 　 　 （ 27） 式中 hL —— 額定壽命，查表機(jī)械零件設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例 185； 25 jC —— 計(jì)算動(dòng)載荷 N； P—— 當(dāng)量動(dòng)載荷； C —— 額定動(dòng)載荷； n —— 轉(zhuǎn)速； ? —— 壽命系數(shù)，球軸承 3?? ，滾子軸承 103??； hf —— 壽命系數(shù)，查表機(jī)械零件設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例 183，取hf =； Ff —— 性質(zhì)系數(shù)，查表機(jī)械零件設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例 184，取 F f =； Tf —— 溫度系數(shù)，查表機(jī)械零件設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例 186，取 Tf =1； nf —— 轉(zhuǎn)速系數(shù)，查表機(jī)械零件設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例 185，取nf =； 由于 Fa=0,由表 181,查得 X=1,Y=0,代入式子 1 2 2 8 2 2 8 ( )r a rP X F Y F X F N? ? ? ? ? ? 　 　 ?????? Pff ffC Tn Fhj (N) 根據(jù) jC 和軸頸直徑可選用 7205C 型號(hào)的角接觸軸承 ,因?yàn)? C N?? k,故設(shè)計(jì)滿足要求。 對(duì)于回轉(zhuǎn)缸的軸承選擇 因?yàn)榭傌?fù)載很小，工作壓力不高，回轉(zhuǎn)缸軸承選用 7206C 完全足夠，無(wú)需校核！ 法蘭連接的選擇 法蘭的種類分為灰鑄鐵管法蘭和鋼制管法蘭兩種，而鋼制管法蘭又分為平面整體鋼制管法蘭、凸面整體鋼制管法蘭、凹凸面整體鋼制管法蘭、環(huán)聯(lián)接整體鋼制管法蘭等。在本次設(shè)計(jì)中，由于連接換刀機(jī)械手部分為一 平面的機(jī)械手手爪，因此我選擇平面帶頸平焊鋼制管法蘭。參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 1 . 0 ( 9 1 1 6 . 1 8 8 )P N M P a G B ?　 　 摘 自。 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選擇灰鑄鐵管法蘭用石棉橡膠墊片（ 摘自 — 84）。 升降缸中 (液壓缸及活塞桿工作 )密封元件 密封可分為靜密封和動(dòng)密封。密封材料應(yīng)滿足密封功能的要求，由于被密封的介質(zhì)不同，以及設(shè)備的工作條件不同，要求密封材料具有不同的適應(yīng)性。對(duì)密封材料的要求一般是： （ 1） 材料致密性好，不易泄漏介質(zhì)； （ 2） 有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度和硬度； （ 3）壓縮性和回彈性好；本次設(shè)計(jì)中我選擇的密封元件是 （ 摘自 ）。 本章小結(jié) 本章主要是對(duì)花鍵軸進(jìn)行了計(jì)算與選擇，從而根據(jù)花鍵來(lái)選擇升降缸中和回轉(zhuǎn)缸 26 中軸承的型號(hào)。由于花鍵軸在執(zhí)行轉(zhuǎn)動(dòng)的 時(shí)候緊固性高，而且能帶動(dòng)的力比較大，所以花鍵比一般的平鍵更好。應(yīng)該說(shuō)花鍵在擺動(dòng)液壓缸中的作用是比較大的，還對(duì)密封元件進(jìn)行了選擇。 27 5 機(jī)械手液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 液壓系統(tǒng)圖的擬定 首 先我們應(yīng)該確定換刀機(jī)械手的工作過程 ,選定液壓執(zhí)行元件、油源類型、調(diào)速方案和液壓基本回路確定之后，在增添一些必要的元件和配置一些輔助性油路，如控制回路、測(cè)壓回路等把它們有機(jī)結(jié)合在一起。在該工作過程中機(jī)械手液壓系統(tǒng)的部件有 :升降液壓缸和回轉(zhuǎn)液壓缸以及濾油器等 .液壓系統(tǒng)在機(jī)械手工作過程中所起的作用是通過電 — 液轉(zhuǎn)換元件把控制信 號(hào)進(jìn)行功率放大，對(duì)液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)進(jìn)行方向、信號(hào)、速度的控制，在大多數(shù)情況下液壓回轉(zhuǎn)缸采用擺動(dòng)液壓缸。 該系統(tǒng)的具有手臂升降，手臂回轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度。動(dòng)作順序?yàn)椋耗孓D(zhuǎn) 90 度 —— 手臂下降 —— 手臂回轉(zhuǎn) 180 度 —— 手臂上升 —— 手臂順轉(zhuǎn) 90 度 —— 復(fù)位。完成一個(gè)工作循環(huán)！上述動(dòng)作均由電控系統(tǒng)發(fā)訊號(hào)控制相應(yīng)的電磁鐵，按順序依次步進(jìn)動(dòng)作而實(shí)現(xiàn)的，動(dòng)作順序可以根據(jù)工藝要求而改變。 為便于機(jī)械手的自動(dòng)控制，如采用可編程序控制器或微機(jī)進(jìn)行控制，由于次系統(tǒng)的壓力和流量都不高，因此一般都選用電磁換向閥回路，以獲得較好的自動(dòng)化程度和經(jīng)濟(jì)效益 。液壓機(jī)械手一般采用單泵和雙泵供油，由于我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械手動(dòng)作比較少，所以采用單泵且并聯(lián)供油，這樣可以有效的降低系統(tǒng)的供油壓力，此時(shí)為了保證多缸運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)不干涉，實(shí)現(xiàn)同步或非同步運(yùn)動(dòng)，需要采用 “O” 型換向閥。 初步設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)原理圖為圖 11： 圖 11 液壓系統(tǒng)原理圖 系統(tǒng)工作狀態(tài)如圖所示，首先由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，變量液壓泵 3 工作向 28 液 壓系統(tǒng)供油，壓力油經(jīng)單向閥 4 通到換刀機(jī)械手上的油路分配器，并通向兩只電磁換向閥（三位四通）。電磁閥的通電或斷電由 PLC 編制的程序控制，從而使機(jī)械手動(dòng)作。當(dāng)換向閥 7 中的電磁 閥 4DT 通電時(shí)，壓力油通過換向閥的右位進(jìn)入擺動(dòng)液壓缸右腔，在壓力油的作用下使擺動(dòng)液壓缸的動(dòng)片旋轉(zhuǎn)一定角度，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的抓刀動(dòng)作。該角度是由 PLC 的定時(shí)器所控制，在定時(shí)器時(shí)間到達(dá)后 4DT 自動(dòng)斷電，此時(shí)換向閥 7處于中位。接著將執(zhí)行拔刀動(dòng)作，換向閥 6 中的電磁閥 2DT 通電經(jīng)過單向調(diào)速閥進(jìn)入升降液壓缸的上腔，在壓力油作用下推動(dòng)活塞桿向下運(yùn)動(dòng)完成拔刀動(dòng)作。其它的幾個(gè)動(dòng)作如手臂旋轉(zhuǎn)、手臂上升的控制都是由控制相應(yīng)電磁閥的通斷改變壓力油的方向?qū)崿F(xiàn)換刀動(dòng)作。 手臂的升降采用單桿作用液壓缸驅(qū)動(dòng)，手臂的升降速度由單向節(jié)流閥 9 實(shí) 現(xiàn)回油節(jié)流調(diào)速；手臂的回轉(zhuǎn)由擺動(dòng)液壓缸驅(qū)動(dòng)，其正反運(yùn)動(dòng)采用單向調(diào)速閥 12回油節(jié)流調(diào)速。由于手臂升降缸為立式液壓缸，為了支承平衡手臂運(yùn)動(dòng)部件的自重，該系統(tǒng)在手臂升降中采用了單向順序閥 11 的平衡回路。電磁鐵動(dòng)作順序表： 表 7 液壓系統(tǒng)動(dòng)作順序表 手臂動(dòng)作順序 手臂逆轉(zhuǎn) 90 度 手臂下降 手臂逆轉(zhuǎn) 180 度 手臂上升 手臂順轉(zhuǎn) 90度 電磁鐵動(dòng)作 4DT 1DT 4DT 2DT 3DT 液壓控制元件選用 選擇液壓控制元件的主要依據(jù)系統(tǒng)的流量和工作壓力。其中最大流量必要時(shí)允許短期超過額定流量的 20％ ，否則會(huì)引起發(fā)熱、噪聲、壓力損失等增大和閥的性能的下降。此外，選擇閥時(shí)還應(yīng)注意結(jié)構(gòu)形式、特性、壓力等級(jí)、連接方式、集成方式及操縱方式等。 液壓缸的流速 V=110m/s,所以有： 20 . 0 8 1 . 1 3 3 . 1 6 / m i n4QL?? ? ? ? 回轉(zhuǎn)缸的流速為 V： 9 0 / 2 1 .5 7 /s l s?? ??， 則 39。 2 211( ) (0 . 9 0 . 3 6 ) 0 . 5 4 1 . 5 7 1 7 . 3 1 / m i n22Q D d b V L? ? ? ? ? ? ? ? 所以最大流量為： 39。m a x 5 0 .4 7 / m inQ Q Q L? ? ? m a x 1 . 2 5 0 . 4 7 6 0 . 5 6 4 / m inVPQ K Q L? ? ? ? (k的取值為 — ，這里取 )； 29 直動(dòng)式溢流閥的響應(yīng)快，一般宜作制動(dòng)閥、安全閥用；先導(dǎo)式溢流閥的啟閉特性好，宜作調(diào)壓閥、背壓閥等用。先導(dǎo)式溢流閥的最低調(diào)定壓力一般只有 范圍內(nèi)。溢流閥的流量應(yīng)按液壓泵的最大流量選取，并應(yīng)注意其允許的最小穩(wěn)定流量，一般來(lái)說(shuō)，最小流量為額定流量的 15％以上。一般中、低壓流量閥的最小穩(wěn)定流量為 ；高壓流量閥為 。流量閥的進(jìn)出口需要有一定的壓差，高精度流量閥約需 1MPa 的壓差。按通過閥的流量來(lái)選擇結(jié)構(gòu)形式，一般來(lái)說(shuō)，流量在 以上時(shí)宜用插裝閥；以下時(shí)可采用滑閥型換向閥。 70 以下時(shí)可用電磁換向閥，否則需用電液換向閥。直 流式電磁鐵壽命長(zhǎng)，可靠性高，故應(yīng)盡可能選用直流濕式電磁換向閥。在某些特殊場(chǎng)合，還要用安全防爆型、耐壓防爆型、無(wú)沖擊型以及節(jié)能型等電磁鐵。單向閥應(yīng)選擇開啟壓力小的；開啟壓力較大（ ～ ）的單向閥可作背壓閥用。外泄式液控單向閥與內(nèi)泄式相比，其控制壓力低，工作可靠，選用時(shí)可優(yōu)先考慮 。 根據(jù)閥類及輔助元件所在油路的最大工作壓力和通過該元件的最大流量，可選出液壓元件的型號(hào)及規(guī)格。 本章小結(jié) 液 壓系統(tǒng)是由液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)組成的。一般所說(shuō)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)則是泛指液壓系統(tǒng)傳動(dòng)的設(shè)計(jì)，其實(shí)從結(jié)構(gòu)組成或 工作原理來(lái)看，這兩類系統(tǒng)本無(wú)本質(zhì)區(qū)別，僅僅一類以傳遞動(dòng)力為住，追求傳動(dòng)特性的完善，其執(zhí)行元件用來(lái)驅(qū)動(dòng)主機(jī)的某個(gè)部分；另一類以實(shí)施控制為主，追求控制特性的完善，其執(zhí)行元件用來(lái)驅(qū)動(dòng)某個(gè)液壓件的操縱裝置（例如液壓泵、液壓馬達(dá)的變量機(jī)構(gòu)、液壓閥的閥心等）而已。因此傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容和方法只需略作調(diào)整，伺服系統(tǒng)使液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的有關(guān)裝置精確地、平穩(wěn)地按某種給定的規(guī)律變化，它和伺服系統(tǒng)一樣涉及的主要是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)問題。本章設(shè)計(jì)的就是有關(guān)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中升降和回轉(zhuǎn)的控制系統(tǒng)。 30 6 機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 電氣系 統(tǒng)工作原理 由于該設(shè)計(jì)要求機(jī)械手換刀時(shí)間為 3 秒，根據(jù)具體時(shí)間分配如下：手臂 順、 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 90176。各 ，手臂上升下降各 ，手臂 逆 時(shí)針旋轉(zhuǎn) 180176。 ，檢查復(fù)位。 電氣控制原理圖如圖 12 所示： QSKM1FRFUFRSB1SB2 KM1KM1KT1 KT6KT2KT3KT1KT2KT3 KT4 KT5KT4 KT5 KT6SQ1 SQ2KMI YA1 YA2 YA1 YA4 YA5KT1 KT2 KT3 KT4 KT5 KT6 圖 12 電氣原理圖 該電氣系統(tǒng)的工作原理如下： 先合上電源開關(guān) QG，按下啟動(dòng)按鈕 SB2， KM1 得電吸合并自鎖。電機(jī)開始正轉(zhuǎn)，KM1 得電后動(dòng)斷觸電 KT1 處于閉合狀態(tài)，所以電磁鐵 YA1 得電，同時(shí)時(shí)間繼電器 KT1也得電。手臂逆轉(zhuǎn) 90176。 實(shí)現(xiàn)抓刀 動(dòng)作。延時(shí) 后動(dòng)斷觸點(diǎn) KT1 斷開， YA1 失電。同一時(shí)間延時(shí)動(dòng)合觸點(diǎn) KT1 閉合，動(dòng)斷觸點(diǎn) KT2 也是閉合的限位 SQ1 開關(guān)也是閉合的。所以 YA2 和時(shí)間繼電器 KT2 得電，實(shí)現(xiàn)手臂下降，完成拔刀動(dòng)。延時(shí) 后動(dòng)斷觸點(diǎn) KT2 和限位開關(guān) SQ1 斷開， YA2 失電。同一時(shí)間延時(shí)動(dòng)合觸點(diǎn) KT2 閉合，動(dòng)斷觸點(diǎn)KT3 閉合，所以 YA3 和時(shí)間繼電器 KT3 得電。實(shí)現(xiàn)手臂的逆轉(zhuǎn) 180176。 ，完成換刀動(dòng)作。 31 延時(shí) 1s 后動(dòng)斷觸點(diǎn) KT3 斷開， YA3 失電。同一時(shí)間延時(shí)動(dòng)合觸點(diǎn) KT3 閉合，動(dòng)斷觸點(diǎn)KT4 和限位開關(guān) SQ2 閉合，所以 YA4 得電，時(shí)間繼 電器 KT4 也得電。實(shí)現(xiàn)手臂上升，完成裝刀動(dòng)作。延時(shí) 后動(dòng)斷觸點(diǎn) KT4 斷開，所以 YA4 失電。同一時(shí)間動(dòng)合觸點(diǎn)KT4 閉合，動(dòng)斷觸點(diǎn) KT5 是閉合的，所以 YA5 得電，時(shí)間繼電器 KT5 也得電。實(shí)現(xiàn)手臂順轉(zhuǎn) 90176。 ，實(shí)現(xiàn)手臂復(fù)位動(dòng)作。延時(shí) 后動(dòng)斷觸點(diǎn) KT5 斷開， YA5 失電。同一時(shí)間動(dòng)合觸點(diǎn) KT5 閉合，動(dòng)斷觸點(diǎn) KT6 且閉合，所以時(shí)間繼電器 KT6 得電。實(shí)現(xiàn)檢查復(fù)位完成沒有。延時(shí) 后動(dòng)斷觸點(diǎn) KT6 斷開，時(shí)間繼電器 KT6 失電。整個(gè)換刀過程結(jié)束，電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)同正轉(zhuǎn)順序一樣。 為了使該系統(tǒng)每一步動(dòng)作都準(zhǔn)確無(wú)誤，那么我 們就要解決位置檢測(cè)的問題。在本次設(shè)計(jì)中我們選擇模擬式的傳感元件，這種檢測(cè)元件的成本比較低、實(shí)用性高。行程開關(guān)就是該元件的一種，這種開關(guān)又叫做限位開關(guān)。它是利用生產(chǎn)機(jī)械的某運(yùn)動(dòng)部件對(duì)開關(guān)操作機(jī)構(gòu)的碰撞而使觸頭動(dòng)作，發(fā)出控制指令的主令電器。主要用來(lái)控制生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方向、 行程以及位置保護(hù)。 可編程控制器 （ PLC） 可編程控制器是在繼電器控制和計(jì)算機(jī)控制的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置，早期的可編程序控制器在功能上只能實(shí)現(xiàn)邏輯控制，因而被稱為可編程邏輯控制器（ Programmable Logic Controller),簡(jiǎn)稱 PLC。 PLC 的結(jié)構(gòu)與工作原理 PLC 的基本結(jié)構(gòu) PLC 實(shí)際上是一種工業(yè)控制微機(jī) ， 因而它的硬件結(jié)構(gòu)與一般微機(jī)控制系統(tǒng)相似 ，其主體由微處理器 (CPU)、存儲(chǔ)器、輸入模塊、輸出模塊、電源以及編程器等組件構(gòu)成 。 圖 13 為 PLC 的系統(tǒng)構(gòu)成框圖 。 圖 13 PLC 系統(tǒng)構(gòu)成圖 電源單元將交流點(diǎn)轉(zhuǎn)換成 PLC內(nèi)部所需的直流電，電源組件具有高的抗干擾能力，適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用，供電穩(wěn)定、安全可靠。電源組件內(nèi)還裝有備用電池 (鋰電池 ),以 32 保證在斷電的情況下，存放在讀寫存儲(chǔ)器 (RAM)中的信息仍能保持。 PLC 的存儲(chǔ)器包括只讀存儲(chǔ)器（ ROM）和讀寫存儲(chǔ)器（ RAM），前者用來(lái)存放系統(tǒng)程序，它相當(dāng)于