【導讀】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，比較理想可行的方案進行設(shè)計計算，以達到準確、穩(wěn)定、快速、可靠換刀的目的。的結(jié)構(gòu)，以方便加工中心換刀機械手的加工制造過程。近年來，隨著世界制造業(yè)向中國轉(zhuǎn)移，我國對機床的需求量大增。以往有所提高，部分機床制造主導廠還開發(fā)出具有相當水平的數(shù)控設(shè)備。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)。高精度的數(shù)控機床仍需要依靠海外進口。工中心穩(wěn)定可靠運行的關(guān)鍵功能部件。高效、可靠的加工性能的重要因素。有資料顯示，刀庫和機械手的故障率約占整機故障率的25%[1]。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。無機械手換刀方式是由刀庫和機床主軸。制造領(lǐng)域中已受到廣泛的重視。

　　

【正文】 某一位置上，所以在本設(shè)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(shè)計中 Dd/ =，所以 d = 50=15mm，樣為便于采取標準密封 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 31頁 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： )300/(8504 ???d = mm 因本設(shè)計中 d =16mm，大于 ，故強度可以保證。 活塞桿穩(wěn)定性驗算 本設(shè)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 故活塞桿細長比為 l / kr =150/4=； 本設(shè)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(yīng)按公式 ()進行驗算有： )]/(1/[ 222 kk rlfAF ???? = )5 0 0 0/1 1 011/()4/( 2862 ????? ? ? = 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 32頁 將上述各值代入式 ()可得： kF / kn =36899/4= 由于本設(shè)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(jié) 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(shè)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(gòu)進行了設(shè)計，選用電動機作為驅(qū)動機構(gòu)，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(shè)計的實用性。 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 33頁 第 4 章 控制部分的設(shè)計 液壓缸的流量、流速及壓力 伸縮式液壓缸 在本設(shè)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(shè)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。 v1v2v3 v4 圖 手指夾緊與手臂伸縮運動分析圖 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 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 34頁 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； 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(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)計為低壓系統(tǒng)，故不可選用柱塞泵。齒輪泵結(jié)構(gòu)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， 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 35頁 在中低壓系統(tǒng)的普通機床中應(yīng)用廣泛，在精密機床中應(yīng)用也較多 [5]。所以，在本設(shè)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(shè)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： ?/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(shè)計 由于當工作機構(gòu)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(guān)部件的損壞，具有很大的危險性。為消除這種沖擊，可設(shè)置緩沖裝置。在本設(shè)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(shè)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 [7]。所以，本設(shè)計中只在手指夾緊液壓缸的前端設(shè)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(shè)置緩沖裝置。 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 36頁 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(shè)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(shè)置緩沖裝置。 液壓系統(tǒng)回路 本設(shè)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)，其控制回路如圖 所示。 圖 液壓控制回路 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(shè)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(shè)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(shè)計位置時，控制電動機運動的線圈 KT2 恰好延時結(jié)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 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 37頁 刀設(shè)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(jié)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(shè)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。 圖 電動機控制回路 控制過程：當換刀信號發(fā)出后，模擬開關(guān) S 閉合，延時繼電器的線圈 KT KTKT KT 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(guān)閉，線圈 KM1 通電，電動機正轉(zhuǎn)，開始實現(xiàn)刀 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 38頁 庫刀具與主軸刀具互換的動作。在手架旋轉(zhuǎn) 180176。 后，即在線圈 KT3 通電 ， 延時時間到，常閉延時開觸頭 KT3 打開，電動機 KM1 停止轉(zhuǎn)動。與此同時，發(fā)出插刀 信號，在完成插刀、手指松開、手臂縮 回動作后，此時 線圈 KT4 延時時間到， 常開延時閉觸頭KT4 閉合， KM2 通電，電動機反向轉(zhuǎn)動。在電動機反向轉(zhuǎn)動 75176。后，手架旋轉(zhuǎn)軸復位。此時， 線圈 KT5 延時時間到，常閉延時開觸頭 KT5 打開， KM2 停止轉(zhuǎn)動， 換刀動作完成。 技術(shù)難點 本設(shè)計中的手指夾緊、手臂伸縮以及手架伸縮的運動都是由液壓驅(qū)動的，只要設(shè)計好各個液壓缸的尺寸參數(shù)、行程及各個工作過程的進油及回油壓力值，就可以達到預期的效果。而對于手架的旋轉(zhuǎn)運動，由于結(jié)構(gòu)上的需求，采用了電動機驅(qū)動方式，由單級圓錐齒輪將電動機的運動傳遞給手架旋轉(zhuǎn)軸。但是，手架 旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角度比較小，使得電動機的啟停時間間隔也比較短，為保證準確、穩(wěn)定換刀，就需要為各液壓缸的運動時間留出時間余量，并嚴格控制好電動機的起、停時間，同時，兩個圓錐齒輪的加工精度和它們之間的傳動比也要嚴格控制好。 本章小結(jié) 本章主要是針對加工中心換刀機械手液壓系統(tǒng)控制回路和電動機控制回路進行了設(shè)計。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閥等元件實現(xiàn)；而電動機控制則主要依靠于延時繼電器實現(xiàn)。通過這兩部分控制系統(tǒng)的相互協(xié)調(diào)控制，可以實現(xiàn)換刀機械手的準確換刀動作。 結(jié)論