【導讀】本科畢業(yè)設計（論文）。題目加工中心自動換刀機構設計

　　

【正文】 1relTeY? =， 西安文 理學院本科畢業(yè)設計 (論文 ) 第 23頁 當 ? =600 N/ 2mm ， 2?FY = 時，查得 2relTeY? =， 試驗齒輪的應力集中系數(shù) STY ：取 STY =； 彎曲計算用的尺寸 系數(shù) XY ： 因為大、小齒輪材料和熱處理方式都相同， m =2，所以 1XY = 2XY =1； 計算齒輪的彎曲疲勞極限應力 limF?? ： 111111l i m1l i m XR r e lTr e lT eNTSTFF YYYYY ??? ?? =35011=222222l i m2l i m XR r e lTr e lT eNTSTFF YYYYY ??? ?? =35011=彎曲計算安全系數(shù) FS ： 1FS = 11lim / FF ??? =2FS = 22lim / FF ??? =彎曲計算最小安全系數(shù) minFS =，因 1FS minFS ， 2FS minFS 故安全。 主架伸縮液壓缸的設計 主架伸縮液壓缸各尺寸數(shù)據(jù)的確定 估算手架伸縮液壓缸負載如下： 軸承套筒質(zhì)量： 1m =； 兩軸承質(zhì)量： 2m =； 旋轉(zhuǎn)軸質(zhì)量： 3m =； 手架旋轉(zhuǎn)軸所承受的負載為： 4m =； 上述結構的總質(zhì)量為： 4321 mmmmm ???? =+++= 設 手架伸縮液壓缸的活塞桿在達到穩(wěn)定速度過程中的加速度 ga 2? ，則手架伸縮液壓缸承受的負載為： )( gamF ?? = 西安文 理學院本科畢業(yè)設計 (論文 ) 第 24頁 考慮到液壓缸密封處的摩擦力，取 C? =，則手架伸縮液壓缸實際的負載為：F? =； 液壓缸回油腔背壓力，由于此液壓缸在不工作時需保證它的負載能長時間的保持在某一位置上，所以在本設計中初取估算值 2P =1MPa， 取 1P =，因工作壓力 1P 2MPa，取活塞桿直徑與液壓缸內(nèi)徑之比 Dd/ =。 將各值代入式 ()，可得： D =。 為便于采取標準的密封件，根據(jù)液壓缸內(nèi)徑尺寸系列，將內(nèi)徑 D 進行圓整，取D =50mm；又因為本設計中 Dd/ =，所以 d = 50=15mm，樣為便于采取標準密封件，根據(jù)活塞桿直徑系列，將活塞桿直徑 d 進行圓整，取 d =16mm；活塞的寬度DB )~(? =30~50mm，這里取 B =40mm。 材料的選擇 根據(jù)文獻 [5， 8792]，對手架伸縮液壓缸各元件的材料選取如下： 活塞桿材料采用實心的 45 號鋼，并進行表面淬火處理，以提高活塞桿硬度；由于活塞與活塞桿是一體的，所以活塞的材料也為 45 號鋼，但為了增加它的耐磨性，需在活塞的表面覆蓋一層耐磨材料，常用耐磨材料有青銅、黃銅、尼龍等等；一般情況下，壓力較低的液壓缸的缸筒材料多采用鑄鐵，此處選用 HT200 ；缸蓋的材料選用 HT200 鑄件。 手架伸縮液壓缸活塞桿的校核 活塞桿強度校核 活塞桿直徑 d =16mm；取液壓缸負載 F =850N； 則由式 ()可得： )3 0 0/(8 5 04 ???d = mm 因本設計中 d =16mm，大于 ，故強度可以保證。 活塞桿穩(wěn)定性驗算 本設計中手架伸縮液壓缸的支承方式為一端固定、一端自由，所以取 2? =，1? =85，所以有： 21 ?? ?? = 取手架伸縮液壓缸安裝長度取 l =150mm； 由式 ()可得活塞桿橫斷面的最小回轉(zhuǎn)半徑： kr 4/d? =16/4=4 mm 西安文 理學院本科畢業(yè)設計 (論文 ) 第 25頁 故活塞桿細長比為 l / kr =150/4=； 本設計中手架伸縮液壓缸活塞桿的細長比 ?krl/ 21 ?? 且 21 ?? =20~120，故手架伸縮液壓缸的活塞桿保持工作穩(wěn)定的臨界負載 kF 應按公式 ()進行驗算有： )]/(1/[ 222 kk rlfAF ???? = )5 0 0 0/1 1 011/()4/( 2862 ????? ? ? =將上述各值代入式 ()可得： kF / kn =36899/4= 由于本設計中的手架伸縮液壓缸的活塞桿所承受的負載 F =850N kF / kn ，故活塞桿的穩(wěn)定性也可以保證。 本章小結 本章對手指夾緊液壓缸、手臂伸縮液壓缸及手架伸縮液壓缸進行了設計計算，并對手指夾緊力、各液壓缸的活塞桿以及重要部位的螺栓和鍵進行了校核。同時，本章也對手架旋轉(zhuǎn)機構進行了設計，選用電動機作為驅(qū)動機構，采用單級圓錐齒輪傳遞動力，并通過對圓錐齒輪的計算和校核，保證了換刀的安全性、 可靠性以及設計的實用性。 西安文 理學院本科畢業(yè)設計 (論文 ) 第 26頁 第 4 章 控制部分的設計 液壓缸的流量、流速及壓力 伸縮式液壓缸 在本設計中，由于考慮到兩側(cè)手臂伸出后要受到主軸刀具與刀庫刀具之間距離的限制，所以將手指夾緊液壓缸與手臂伸縮液壓缸一起設計成了伸縮式液壓缸，并由液壓控制系統(tǒng)單獨控制手指的夾緊與松開運動和手臂的伸縮運動。運動過程如圖 所示。 各運動過程的流速如下： 1v =2v =12m/min=3v =4v =手臂伸縮液壓缸進油腔油壓力： 1P =； 手指夾緊液壓缸進油腔油壓力： 1P =； 手臂伸縮液壓缸流量： 1Q =； 手指夾緊液壓缸流量； 2Q =； 手架伸縮液壓缸 伸出時： 1v =18m/min=； 1Q =； 縮回時： 2v =15m/min=； 2Q =； 手架伸縮液壓缸伸出時進油腔油壓力： 1P =； 確定液壓泵的流量、壓力及液壓泵的型號 泵的工作壓力的確定 考慮到正常工作中進油管路有一定的壓力損失，所以泵的工作壓力為： PPPp ???? 1 () 式中： pP —— 液壓泵的最大工作壓力； 1P —— 執(zhí)行元件的最大工作壓力； 西安文 理學院本科畢業(yè)設計 (論文 ) 第 27頁 P?? —— 進油管路中的壓力損失，初算時簡單系統(tǒng)可取 ~，復雜系統(tǒng)可取~，本設計中取 P?? p=； 將各值代入式 ()，得 pP =+=； 上述計算中所得的 pP 是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，考慮到系統(tǒng)在工作過程中出現(xiàn)的動態(tài)壓力往往超過靜態(tài)壓力，另外考慮到一定的壓力儲備量，并保證泵的壽命，因此，選用泵的額定壓力 nP 應滿足 ?nP (~) pP ，在中低壓系統(tǒng)中取小值，高壓系統(tǒng)中取大值，本設計為低壓系統(tǒng)，故取 nP = pP = =； 泵的流量的確定 泵的最大流量 : m ax1 )( qKQ p ??? () 式中： pQ —— 液壓泵的最大流量； 1K —— 系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取 1K =~，本設計中 1K =； max)( q? —— 同時動作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值，這里取max)( q? =； 將各值代入式 ()，得： m ax1 )( qKQ p ??? = =液壓泵的選擇 泵的主要類型有：齒輪泵、葉片泵、 柱塞泵等。柱塞泵主要用在高壓、大流量、大功率的液壓系統(tǒng)中，而本設計為低壓系統(tǒng)，故不可選用柱塞泵。齒輪泵結構簡單、緊湊，體積小，自吸能力強，但它還具有徑向不平衡力大，泄漏大，噪聲較高的缺點。與齒輪泵相比，葉片泵流量均勻、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、噪聲小，同時，它的輪廓尺寸也較小，在中低壓系統(tǒng)的普通機床中應用廣泛，在精密機床中應用也較多。所以，在本設計中選用葉片泵。 根據(jù)以上計算的 pP 和 pQ 值，現(xiàn)選用 YB1— 20 型葉片泵，其基本參數(shù)為：額定壓力為 ，驅(qū)動功率為 ，公稱排量為 20mL/r，轉(zhuǎn)速為 960r/min，在額定壓力下的流量為 ，容積效率 v? ≥ ，總效率 ?≥ ，本設計取 v? ＝ ， ? ＝ ； 與液壓泵匹配的電動機的選擇 所選電動機的功率按下式進行驗算： 西安文 理學院本科畢業(yè)設計 (論文 ) 第 28頁 ?/Pbn QPP ? () 式中： nP —— 所選電動機功率； bP —— 葉片泵的額定壓力，這里 bP =； pQ —— 額定壓力下泵的輸出流量，這里 pQ =18L/min； 將各值代入上式得： nP ≥ 18/(60 )= 根據(jù)上述計算，選用 YBZS6 三相步進電動機，其額定功率為 ，額定轉(zhuǎn)速為960r/min。 各液壓缸緩沖裝置的設計 由于當工作機構質(zhì)量較大，活塞速度較高 (v 12m/min） 時，液壓缸將有較大的動量，使得液壓缸在行程終點停止時，易產(chǎn)生很大的沖擊及噪音，這種沖擊不僅會引起液壓缸的損壞，而且還會引起各類閥及相關部件的損壞，具有很大的危險性。為消除這種沖擊，可設置緩沖裝置。在本設計中，手指夾緊液壓缸的負載雖然不是很大，可是由于它的速度較高，為保證各類部件的安全，仍給它設置了緩沖裝置。但 由于它的行程較短，不宜采用兩端緩沖裝置，否則會導致非緩沖行程過短，甚至沒有緩沖行程。所以，本設計中只在手指夾緊液壓缸的前端設置了緩沖裝置。 而對于手臂伸縮液壓缸，因其所取的速度不是很大，故不需設置緩沖裝置。 對于 手架伸縮液壓缸，由于它的行程較大，為縮短加工中心換刀機械手的整體換刀時間，本設計中將手架伸縮液壓缸的速度取得較大，同時由于它的負載也很大，所以在它的兩端都需要設置緩沖裝置。 液壓系統(tǒng)回路 本設計中液壓系統(tǒng)的控制主要 由壓力繼電器、電磁換向閥以及流量控制閥等元件實現(xiàn)。 控 制過程如下： 當手臂伸出 信號發(fā)出后，電磁鐵 DT1 動作，兩側(cè)手臂同時伸出。當手臂伸縮液壓缸的活塞桿及手指夾緊液壓缸的后端蓋運動到設計位置后，由于受到阻礙，便不再運動。 a腔內(nèi)油壓力升高，壓力繼電器 1YJ 動作，同時，電磁鐵 DT1 斷電，電磁鐵 DT3 通電，開始手指夾緊動作。同理，當手指夾緊液壓缸的活塞桿運動到設計位置后便不再運動 。 d 腔內(nèi)油壓力升高，壓力繼電器 2YJ 動作，電磁鐵 DT5 通電，手架伸縮液壓缸開始拔刀動作。當手架伸縮液壓缸運動到設計位置時，控制電動機運動的線圈 KT2 恰好延時結束，它所控制的常開延時閉觸頭閉合，電動機啟動，手架旋轉(zhuǎn)軸開 始旋轉(zhuǎn)運動，進行刀庫刀具和主軸刀具的互換動作。在手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 180176。后，發(fā)出插刀信號。電磁鐵 DT6 通電，手架伸縮液壓缸開始反行程運動。但運動到初始位置后，活塞不運動，油腔 f內(nèi)油壓力升高，壓力繼電器 3YJ 動作，控制電磁鐵 DT4 通電，手指夾緊液壓缸反行程運動。當運動 西安文 理學院本科畢業(yè)設計 (論文 ) 第 29頁 刀設計位置后，油腔 c 內(nèi)油壓力升高，電磁鐵 DT2 通電，手臂伸縮液壓缸開始反行程運動，當回到初始位置后，換刀動作結束，手架旋轉(zhuǎn)軸準備復位。 旋轉(zhuǎn)軸控制線路 手指夾緊時間： 1t =； 手臂伸出時間： 2t =； 手指松開時間： 3t =； 手臂縮回時間： 4t =； 手架伸出時間 : 5t =； 手架縮回時間 : 6t =； 手架旋轉(zhuǎn) 75176。 時間： 7t =； 手架旋轉(zhuǎn) 180176。 時間： 8t =； 手架反向旋轉(zhuǎn) 75176。復位時間： 9t =； 從加工中心發(fā)出換刀信號到換刀機械手復位動作完成總需時間： 987654321 tttttttttt ????????? = 本設計中電動機的控制則主要依靠于延時繼電器實現(xiàn)，其控制回路如圖 所示。 控制過程：當換刀信號發(fā)出后，模 擬開關 S 閉合，延時繼電器的線圈 KT KT KTKT KT5 通電，同時， KM1 也通電，經(jīng)時間 后，線圈 KT1 延時時間到，常閉延時開觸頭 KT1 打開， KM1 停止轉(zhuǎn)動，此時手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 75176。，到達工作位置，同時，發(fā)出手臂伸縮信號。在完成手指夾緊、手臂伸縮以及拔刀動作后，即線圈 KT2 經(jīng)過 延時后，常開延時閉觸頭 KT2 關閉，線圈 KM1 通電，