基于plc的加工中心自动换刀系统的优化设计
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摘 要
本设计介绍了加工中心自动换刀装置的机械手结构的部分设计、相关液压缸的结构设计以及控制系统的设计，最终实现自动换刀动作；介绍了目前实现快速自动换刀技术的基本方法和各种途径，及其在加工中心上的应用情况和实际达到的技术指标，从而可看出这方面的发展趋势。
换刀装置作为加工中心的重要组成部分，其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间，提高生产率，降低生产成本，进而提升机床乃至整个生产线的生产力。加工中心自动换刀装置是实现多工序连续加工的重要装置，其结构设计及其控制是实现加工中心设计制造的关键。加工中心的换刀过程较为复杂，动作多，动作间的相互协调关系多，因而自动换刀系统性能的好坏直接影响加工效率的高低。
带有自动换刀系统的数控加工中心在现代先进制造业中起着越来越重要的作用，它能缩短产品的制造周期，提高产品的加工精度，适合柔性加工。加工中心是数控机床中较为复杂的加工设备，由于其具有多种加工能力而得到广泛的应用，其强大的加工能力和效率得益于其配置的自动换刀装置（Automatic Tool Changer）。
关键词：自动换刀，机械手，设计，加工中心
CNC Machining Center Automatic Tool Changing System
ABSTRACT
This paper introduces the structure of Automatic Tool Changer,And the single chip microcomputer is used to achieve the process of automatic tool changing.
The cutting tool recognition system uses the cutting tool encoding method, this way is to carries on every time the cutting tool the code, because has every time the cutting tool own code, therefore, may deposit in Yu Daoku any tool apron. In such knife storehouse, simultaneously also reduced the knife storehouse operating time; Simplified has traded the knife control wiring automatically. The manipulator uses the single arm union chuck rotation type to extend draws back the hand, may complete grasps the knife to draw a sword the rotation slotting tool returns and so on a series of movements.
Trades the knife installment to take the machining center the important component, its leading role lies in the reduction processing process the non-cutting time, raises the productivity, reduces the production cost, then promotes the engine bed and even the entire production line's productive forces. The machining center automatically trades the movement are many, the movement intercoordination relates much, thus trades the knife system performance automatically the quality immediate influence processing efficiency height. Has trades the knife system's numerical control machining center to play more and more vital role automatically in the modern advanced manufacturing industry, it can reduce product the manufacturing cycle, enhances the product the working accuracy, suits the flexible processing. The machining center is in the numerically-controlled machine tool the more complex processing equipment, because it has many kinds of working capacities to obtain the widespread application, its formidable working capacity and the efficiency benefit from its disposition trade the knife installment automatically (Automatic Tool Changer).
KEY WORDS: automatic tool changer;single chip microcomputer;design，The machining center.
4
目 录
前 言 1
第1章 设计任务书 2
1.1本课题的内容和要求 2
1.2 毕业设计目的 2
第2章 总体方案的设计 4
2.1 换刀过程 4
2.2 伸缩与旋转运动的确定 5
2.2.1 液压传动的优缺： 5
2.2.2 液压传动装置的组成 6
2.2.3 液压系统中在机械手中主要实现的辅助功能： 7
2.3主要参数的确定 7
2.3.1 工作行程 7
2.3.2 运动速度 8
2.3.3 驱动方式 8
2.3.4 定位精度 8
2.3.5 液压系统元件的选择 8
2.3.6 液压系统的控制原理 9
2.3.7 机械手液压系统的工作原理图 11
第3章 机械手各部分的设计 13
3.1 驱动液压缸的设计 13
3.1.1 液压系统的优点： 13
3.1.2 液压缸的设计： 14
3.2 花键轴及轴套的设计与校核 16
3.3 轴承的选择与润滑 20
3.4 齿轮的设计与校核 20
3.4.1 齿轮的设计 20
3.4.2 齿轮的校核 22
3.5机械手臂及手抓的设计 24
3.5.1 对设计手臂的要求 24
3.6 立柱和机座 26
3.6.1 立柱 26
3.6.2 机座 26
3.7刀库及换刀机械手的常见故障和维护 27
3.7.1 刀库的故障 27
3.7.2 换刀机械手故障 27
结 论 29
谢 辞 30
参考文献 31
前 言
机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。
加工中心是数控机床中较为复杂的加工设备，由于其具有多种加工能力而得到广泛的应用，其强大的加工能力和效率得益于其配置的自动换刀装置（Automatic Tool Changer）。
因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术
基于plc的加工中心自动换刀系统的设计优化
摘 要
本设计介绍了加工中心自动换刀装置的机械手结构的部分设计、相关液压缸的结构设计以及控制系统的设计，最终实现自动换刀动作；介绍了目前实现快速自动换刀技术的基本方法和各种途径，及其在加工中心上的应用情况和实际达到的技术指标，从而可看出这方面的发展趋势。
换刀装置作为加工中心的重要组成部分，其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间，提高生产率，降低生产成本，进而提升机床乃至整个生产线的生产力。加工中心自动换刀装置是实现多工序连续加工的重要装置，其结构设计及其控制是实现加工中心设计制造的关键。加工中心的换刀过程较为复杂，动作多，动作间的相互协调关系多，因而自动换刀系统性能的好坏直接影响加工效率的高低。
带有自动换刀系统的数控加工中心在现代先进制造业中起着越来越重要的作用，它能缩短产品的制造周期，提高产品的加工精度，适合柔性加工。加工中心是数控机床中较为复杂的加工设备，由于其具有多种加工能力而得到广泛的应用，其强大的加工能力和效率得益于其配置的自动换刀装置（Automatic Tool Changer）。
关键词：自动换刀，机械手，设计，加工中心
CNC Machining Center Automatic Tool Changing System
ABSTRACT
This paper introduces the structure of Automatic Tool Changer,And the single chip microcomputer is used to achieve the process of automatic tool changing.
The cutting tool recognition system uses the cutting tool encoding method, this way is to carries on every time the cutting tool the code, because has every time the cutting tool own code, therefore, may deposit in Yu Daoku any tool apron. In such knife storehouse, simultaneously also reduced the knife storehouse operating time; Simplified has traded the knife control wiring automatically. The manipulator uses the single arm union chuck rotation type to extend draws back the hand, may complete grasps the knife to draw a sword the rotation slotting tool returns and so on a series of movements.
Trades the knife installment to take the machining center the important component, its leading role lies in the reduction processing process the non-cutting time, raises the productivity, reduces the production cost, then promotes the engine bed and even the entire production line's productive forces. The machining center automatically trades the movement are many, the movement intercoordination relates much, thus trades the knife system performance automatically the quality immediate influence processing efficiency height. Has trades the knife system's numerical control machining center to play more and more vital role automatically in the modern advanced manufacturing industry, it can reduce product the manufacturing cycle, enhances the product the working accuracy, suits the flexible processing. The machining center is in the numerically-controlled machine tool the more complex processing equipment, because it has many kinds of working capacities to obtain the widespread application, its formidable working capacity and the efficiency benefit from its disposition trade the knife installment automatically (Automatic Tool Changer).
KEY WORDS: automatic tool changer;single chip microcomputer;design，The machining center.
3
目 录
前 言 1
第1章 设计任务书 2
1.1本课题的内容和要求 2
1.2 毕业设计目的 2
第2章 总体方案的设计 4
2.1 换刀过程 4
2.2 伸缩与旋转运动的确定 5
2.2.1 液压传动的优缺： 5
2.2.2 液压传动装置的组成 6
2.2.3 液压系统中在机械手中主要实现的辅助功能： 7
2.3主要参数的确定 7
2.3.1 工作行程 7
2.3.2 运动速度 8
2.3.3 驱动方式 8
2.3.4 定位精度 8
2.3.5 液压系统元件的选择 8
2.3.6 液压系统的控制原理 9
2.3.7 机械手液压系统的工作原理图 11
第3章 机械手各部分的设计 13
3.1 驱动液压缸的设计 13
3.1.1 液压系统的优点： 13
3.1.2 液压缸的设计： 14
3.2 花键轴及轴套的设计与校核 16
3.3 轴承的选择与润滑 20
3.4 齿轮的设计与校核 20
3.4.1 齿轮的设计 20
3.4.2 齿轮的校核 22
3.5机械手臂及手抓的设计 24
3.5.1 对设计手臂的要求 24
3.6 立柱和机座 26
3.6.1 立柱 26
3.6.2 机座 26
3.7刀库及换刀机械手的常见故障和维护 27
3.7.1 刀库的故障 27
3.7.2 换刀机械手故障 27
结 论 29
谢 辞 30
参考文献 31
前 言
机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。
加工中心是数控机床中较为复杂的加工设备，由于其具有多种加工能力而得到广泛的应用，其强大的加工能力和效率得益于其配置的自动换刀装置（Automatic Tool Changer）。
因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术
毕业设计目的
其主要目的：
1. 培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识。
2. 培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法。
3. 培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。
4. 培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。
第1章 设计任务书
1.1 本课题的内容和要求
1. 题目： 数控加工中心自动换刀系统设计
2. 主要研究目标和内容
1) 设计卧式加工中心自动换到装置，加工中心为链式刀库。
2) 刀柄为BT40标准结构。
3) 换刀机械手手臂长200，伸缩行程200.
3. 课题要求、主要任务及数量
设计自动换到装置装配图和零件图，完成3张0号图纸的设计工作量，撰写符合学校毕业设计要求的设计说明书。
4. 速度计划
1) 5-6周：收集资料，调研，拟定改造设计方案
2) 7-10周：绘制装配图、零件图设计。
3) 10-14周：撰写毕业设计说明书。
4) 15周：整理设计资料，准备毕业答辩。
5. 主要参考文献
1) 机械设计手册，闻邦椿.北京：机械工业出版社，2009
2) 现代实用机床设计手册，现代实用机床设计手册编委会.北京：机械工业出版社，2006.
1.2 毕业设计目的
毕业设计是学生完成本专业教学计划的最后一个极为重要的实践性教学环节，是使学生综合运用所学过的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练。这对学生即将从事的相关技术工作和未来事业的开拓都具有一定意义。
其主要目的：
1. 培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识。
2. 培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法。
3. 培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。
4. 培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。
第2章 总体方案的设计
2.1 换刀过程
由于机械手主要是完成换刀任务的，上一工序加工完毕，主轴准停位置，由自动换刀装置换刀，立式加工中心的换刀过程如下：
1. 刀套下翻90°。机床的刀库位于立柱的左侧，刀具在刀库中的安装方向与主轴垂直，换刀之前，刀库转动将待换刀具送到换刀位置，之后把带有待换刀具的刀套向下翻转90度，使得刀具的轴线与主轴的轴线平行。
2. 机械手转75度。在加工时，机械手的手臂与主轴中心到换到位置的刀具中心线的连线成75度，该位置为机械手的原始位置。机械手换刀的第一个动作是顺时针转75度，两手爪分别抓住刀库上和主轴上的刀柄。
3. 刀具松开。机械手抓住主轴刀具的刀柄后，刀具的自动夹紧机构松开刀具。
4. 机械手拔刀。机械手下降，同时拔出两把刀具。
5. 交换两刀位置。机械手带着两把刀具逆时针转动180度，是主轴刀具与刀库刀具交换位置。
6. 机械手插刀。机械手上升，分别把刀具插入主轴锥孔和刀套中。
7. 刀具加紧。刀具插入主轴锥孔后，刀具的自动夹紧机构夹紧刀具。
8. 180度液压缸复位。液压缸复位驱动机械手逆时针转动180度的液压缸复位，机械手无动作。
9. 机械手反转75度，机械手反转75度，回到原始位置。
10. 刀套上翻90度。刀套带着刀具向上翻转90度，为下次选刀作准备。
因此，机械手的设计就主要考虑的运动是：一，为了换刀，机械手可以旋转0—180度。二，为了拔刀，机械手能上下伸缩运动。
2.2 伸缩与旋转运动的确定
机械手的转动可以用油马达来实现：油马达通油后转动，在其输出轴上连上一齿轮2，并与装在机械手花键轴上的齿轮1啮合，齿轮2与装在花键轴上的花键套以键连接，这样，油马达带动齿轮2转动，齿轮2带动齿轮1，齿轮1又带动花键轴套，花键轴套带动花键轴转动，从而实现了机械手臂的转动。
2.2.1 液压传动的优缺
液压系统与机械、电力等传动相比。有以下特点：
1） 能方便的进行无级调速，调速范围大。
2） 体积小，、重量轻、功率大。一方面，在相同输出功率的前提下，其体积小、重量轻、惯性小、动作灵敏，这对于液压自动控制系统有重要的意义。另一方面，在体积或重量相近的情况下，其输出功率大，能传递较大的扭矩或推力（如万吨水压力等）。
3） 控制和调节简单、方便、省力，易实现自动化控制和过载保护。
4） 可实现无间隙传动，运动平稳。
5） 因为传动介质为油液，故液体元件有自我润滑作用，使用寿命长。
6） 液压元件实现了标准化、系列化、通用化、便于设计、制造和推广使用。
7） 可以采用大推力的液压缸和大扭矩的液压马达直接带动负载，从而失去了中间的减速装置，使传动简化。
液压传动的主要缺点：
1） 漏 由于作为传动介质的液体是在一定的压力下，有时是在较高的压力下工作的，因此在有相对运动的表面间不可避免要产生泄漏。同时，由于油液并不是不可以压缩的，油管等也回产生弹性变形，所以液压传动不宜用在传动比要求较严格的场合。
2） 震 液压传动中的“液压冲击和空穴现象”会产生很大的震动和噪声。
3） 热 在能量转换和传递过程中，由于存在机械摩擦、压力损失、泄漏损失，因而易使油液发热，总效率降低，故液压传动不宜远距离转动。
4） 液压传动性能对温度比较敏感，故不宜在高温及低温下工作。液压传动装置对油液的污染也较敏感，故要求有良好的过滤设施。
5） 液压元件加工要求高一般情况下又要求有独立的能源（如液压泵站），这些可能使产品成本提高。
6） 液压系统出现鼓故障时不宜追查原因，不宜迅速排除。
综上所述，液压传动由于其优点比较突出，故在工、农业各个部门获得广泛的应用。它的某些缺点随着生产技术的不断发展、提高，正在逐步得到克服。
由于液压传动相对于机械传动有以上几个突出的优点，所以确定机械手的前伸后退、左转右转、夹紧放松着三部分动作用液压传动来实现。
2.2.2 液压传动装置的组成
液压传动装置由于使用工件压力高的油性介质，因此机构出力大，机械结构更紧凑、动作平稳可靠、易于调节和噪声较小，但要配置液压泵和油箱，当油液渗漏时易污染环境。一个完整的液压系统是由以下几部分组成的：
（1） 能源部分 包括泵装置和蓄能器，它们能够输出压力油，把原动机的机械能转变为液体的压力能并储存起来。
（2） 执行机构部分 是液压油缸、液动机等，它们用来带动运动部件，将液体压力能转变成使部件运动的机械能。
（3） 控制部分 是各种液压阀，用于控制流体的压力、流量和流动方向，从而控制执行部件的作用力、运动速度和运动方向，也可以用来卸载，实现过载保护等。
（4） 辅助部分 是系统中除了上述三部分以外的所有其他元件。
2.2.3 液压系统中在机械手中主要实现的辅助功能
1） 机械手的伸、缩、回转和摆动及刀具的松开和拉紧动作等。
2） 工件的自动松开、夹紧
3） 工作台的松开夹紧、交换工作台的自动交换动作。
4） 机械手的运动部件平衡。如机械手轴箱的重力平衡、机械手的平衡装置等。
5） 机械手运动部件的制动和离合器的控制、齿轮拔叉换档等。
6） 机械手的自动开关
用油缸支架把液压缸的活塞杆与花键轴端连接，这样，当液压缸的活塞运动时，就可以带动花键轴运动，从而实现了机械手的伸缩运动。
除此之外，还要考虑当机械手拔完刀旋转时，要防止掉刀，手臂的两端各有一个手抓，每个手抓上有一个小的液压缸，当机械手在拔刀和旋转运动是，液压缸通油，使活塞运动，活塞杆端连一个活动销，这样，活动销会顶住刀具，防止掉刀和刀具被甩出。
2.3 主要参数的确定
2.3.1 工作行程
由已知条件及方案分析确定
最大抓取重量：20公斤，（属于中型机械手）；
夹持刀柄规格：BT40；
刀库换刀位置和主轴距离：450mm；
换刀时间：10S－20S；
手臂伸缩行程：200mm；
手臂回转范围：0～180°；
手腕最大伸缩范围：50mm；
2.3.2 运动速度
直线运动速度:手臂伸缩行程l=70mm,运动时间t=1s,则手臂伸缩速度为:v=l/t=0.07／1=0.07m/s回转运动速度:定为60°／s
2.3.3 驱动方式
驱动方式采用液压驱动的方式。手臂伸缩采用直线油缸，流量
较大。液压传动能方便的实现无极调速，调速范围大，在相同功率情况下，液压传动能量转换元件的体积较小，重量较轻。工作平稳，换向冲击小，便于实现频繁换向。而且，工作油液能使传动零件实现自润滑，故使用寿命长，液压元件易于实现系列化，标准化合通用化。因此，采用液压驱动。
2.3.4 定位精度
定位采用无极调速，定位精度为±0.125～±1mm。当限位螺钉碰撞微动开关时即可发出到位信号
2.3.5 液压系统元件的选择
由于机械手操作时各个液压缸不同时工作，手臂伸缩和立柱回转所需的流量最大，其余流量均较小，因此选用双联叶片泵，其型号为YB—6/40，系统压力为2.5Mpa,电机功率为5.5KW,同步转速为1500r/min,并考虑到集中供油、维护方便等原则，确定液压系统各元件的型号如下：
溢流阀：YQ/63；
单向阀：Y10B；
调速阀：Q63B；
节流阀：L—25B；
换向阀：34E— 63B、22E—25B、24E—10B。
2.3.6 液压系统的控制原理
所谓液压系统就是以液体为介质，依靠运动者的液体的压力能来传递力的。液压系统工作是，液压泵把电动机传来的回转式机械能转变成油液的压力能：油液被输送到液压缸（或液压马达）后，又由液压缸（或液压马达）把油液的压力能变为直线式（或回转式）的机械能输出。液压系统中的油液在受调节、控制的状态下进行工作的因此液压传动和液压控制在这个意义上来说难以截然分开。液压系统必须满足起执行元件在力和速度方面的要求。
1）调压回路
液压系统的压力必须与负载相适应，以节约动力消耗和减少发热。本机械手采用双联定量泵供油，用溢流阀来调定压力，使系统在恒定的压力下工作，下图2-1所示的为调压回路图。
图2-1调压回路
2）缓冲回路
直线油缸中流量较大，进油压力也较大，故在定位前采用二位二通电磁阀换接可调节流阀，以实现减速缓冲，如下图所示。当电磁阀1和2的电磁铁通电时，手臂快速伸缩，此时回油缸回油；当手臂伸缩至接近设定位置时，电气定位系统输出信号为0，电磁阀2的电磁铁断电，回油经可调节流阀3回到油箱，实现节流速缓冲。同时电磁阀1的电磁铁断电，处于o型滑阀机能的状态，手臂即停止运动并定位。
图2-2 缓冲回路
3）调速回路
本机械手的液压驱动系统采用回油路节流调速，如下图所示。这种调速回路，由于回油腔存在背压，故具有承受负值负载的能力。
图2-3 调速回路
4）换向回路
本机械手的液压驱动系统采用三位四通阀实现换向功能。
5）锁紧回路
采用O型机能的三位四通换向阀（下图所示），滑阀在中间位置时油口全闭，油路不通，液压缸锁紧。由于液压缸内充满液压油，故从静止到启动较平稳，换向冲击小，换向复位位置较准确。
图2-4 锁紧回路
2.3.7 机械手液压系统的工作原理图
图2-5 机械手液压系统的工作原理图
整体设计如下图2-6所示
图2-6 整体设计
12
第3章 机械手各部分的设计
3.1 驱动液压缸的设计
此液压缸在机械手中的作用是带动花键轴做伸缩运动。伸缩式油缸又称多级缸，它由两级或多级活塞缸套装而成，前一级活塞缸的活塞就是后一级活塞缸的缸筒。伸缩缸逐个伸出时，有效工作面积逐次减小，因此，当输入流量相同时，外伸速度逐次增大；当负载恒定时，液压缸的工作压力逐次增高。空载缩回的顺序一般是从小活塞到大活塞，收缩后液压缸总长度较断，结构紧凑，使用于安装空间受到限制而行程要求很长的场合。本设计中使用的直线油缸用于机械手臂前后移动完成拔刀动作。外套油缸固定在机架上，当压力油作用时，内套油缸和活塞杆先一起移动，移到极限位置时，活塞杆在内套油缸内开始移动，这样可得到较大的行程。
所谓液压系统就是以液体为介质，依靠运动者的液体的压力能来传递力的。液压系统工作是，液压泵把电动机传来的回转式机械能转变成油液的压力能：油液被输送到液压缸（或液压马达）后，又由液压缸（或液压马达）把油液的压力能变为直线式（或回转式）的机械能输出。液压系统中的油液在受调节、控制的状态下进行工作的因此液压传动和液压控制在这个意义上来说难以截然分开。液压系统必须满足起执行元件在力和速度方面的要求。
3.1.1 液压系统的优点：
液压系统与机械、电力等传动相比。有以下特点：
1） 能方便的进行无级调速，调速范围大。
2） 体积小，、重量轻、功率大。一方面，在相同输出功率的前提下，其体积小、重量轻、惯性小、动作灵敏，这对于液压自动控制系统有重要的意义。另一方面，在体积或重量相近的情况下，其输出功率大，能传递较大的扭矩或推力（如万吨水压力等）。
3） 控制和调节简单、方便、省力，易实现自动化控制和过载保护。
4） 可实现无间隙传动，运动平稳。
5） 因为传动介质为油液，故液体元件有自我润滑作用，使用寿命长。
6） 液压元件实现了标准化、系列化、通用化、便于设计、制造和推广使用。
7） 可以采用大推力的液压缸和大扭矩的液压马达直接带动负载，从而失去了中间的减速装置，使传动简化。
综上所述，液压传动由于其优点比较突出，故在工、农业各个部门获得广泛的应用。它的某些缺点随着生产技术的不断发展、提高，正在逐步得到克服。
由于液压传动相对于机械传动有以上几个突出的优点，所以确定机械手的前伸后退、左转右转、夹紧放松着三部分动作用液压传动来实现。
3.1.2 液压缸的设计：
1．液压缸在工作过程中的负载为:
N
式中，F－液压缸的工作载荷
F—工作负载
F－动摩擦系数，0.1
G—运动部件自重
—机械效率
2．初选液压缸的工作压力
由液压设备常用工作压力查表,取液压缸工作压力为10Mpa
3．确定液压缸的主要结构参数
1）液压缸直径D的确定
工进阶段的负载为F=5730N
液压缸内径圆整为50mm。
2）活塞杆直径d的确定
活塞杆直径按工作压力确定,根据下表3-1所示
表3-1
液压缸工作压力（MPa）
≤5
5—7
＞7
活塞杆直径d
（0.5—0.6）D
（0.6—0.7）D
0.7D
d=0.56D=0.56×50=28mm。
液压缸无杆腔有效作用面积A=7.065×10m,有杆腔有效面积A=4.5×10,调速阀最小稳定流量q=1.5×10/s,最小工进速度v=0.05mm/s,则
,能满足低速稳定性要求。
3）液压缸壁厚的确定
式中， —实验压力；
D—液压缸直径；
[]—缸体材料的许用应力。[]＝0.2；
＝45公斤/厘米≤80公斤/厘米,=650Mpa
==7mm
4) 液压缸外径D及长度L的确定
D=D＋2=50+2×7=64mm
L≤(30～50) D，根据最大活塞行程200mm，定l＝290mm。
液压缸的设计如下图3-1所示
图3-1 液压缸
3.2 花键轴及轴套的设计与校核
3.2.1 花键轴的设计
花键连接由具有周向均匀分布的多个键齿的花键轴和具有同样键齿槽的轮毂或花键轴套组成的。工作时，依靠齿侧的挤压传递转矩，花键连接因键齿多，所以承载能力强；由于齿槽浅，故应力集中小，对轴消弱小，且对中性好和导向型较好，但需要专用设备加工，所以成本较高。
花键连接适用于载荷较大，定心精度要求较高的静连接和动连接中。
花键轴的换刀装置中的作用是，当液压缸的活塞杆运动时，带动花键轴运动，而其它的部件不动，从而实现机械手的伸缩拔刀运动。
由于矩形花键具有定心精度高，导向性能好，键与轴为一整体，强度高，负荷分布比较均匀；齿形简单，可采用磨削和拉削的方法获得较高精度等优点，故在机床、汽车、拖拉机。工程机械等机械制造业得到广泛的使用。
花键联接由内花键和外花键组成。内、外花键均为多齿零件，在内圆柱表面上的花键为内花键，在外圆柱表面上的花键为外花键。显然，花键联接是平键联接在数目上的发展。
使用特点：
由于结构形式和制造工艺的不同，与平键联接比较，花键联接在强度、工艺和使用方面有下列特点：
因为在轴上与毂孔上直接而均匀地制出较多的齿与槽，故联接受力较为均匀；
因槽较浅，齿根处应力集中较小，轴与毂的强度削弱较少；
齿数较多，总接触面积较大，因而可承受较大的载荷；
轴上零件与轴的对中性好，这对高速及精密机器很重要；
导向性好，这对动联接很重要；
可用磨削的方法提高加工精度及联接质量；
制造工艺较复杂，有时需要专门设备，成本较高。
图3-2 花键
所选花键的规格为 8x52x60x10
矩形花键联接采用外径定心精度高，加工方便，外花键的外径可在普通磨床上加工至所需的精度，内花键由拉刀保证其外经精度所选花键的规格为 8x52x60x10
花键轴如图3-3所示
图3-3花键轴
3.2.2 花键的校核
花键强度按挤压强度计算
静联接（耐磨性条件）：
未经热处理,[P]值一般为80～120Mpa；经过热处理为120～200Mpa
T——传递扭矩（N.mm）;
z——花键齿数;
l——键齿工作长度（mm）;
h——键齿侧面工作高度（mm）.
矩形：h=[(D-d)/2]-2c＝
D—花键大径（mm）;
d—花键小径（mm）;
c—倒角尺寸;
—各齿间载荷不均匀系数，取＝0.75;
d—平均直径(mm).
d=
花键轴套的设计
由于花键轴套上要安装轴承，轴承采用深沟球轴承，代号为6315。该轴承的内径为75毫米，所以，花键轴套的外径为75毫米，轴承的宽度为34，隔套长为10，花键轴套的一端外径为84，长度为34。所以花键轴套的小端长为 34x2+10=78
大端长为34。
花键轴套的设计如下图3-4所示
图3-4花键轴套
3.3 轴承的选择与润滑
轴承是机器中主要用来支承轴的部件，用以保证轴的旋转精度，并减少轴与支撑物间的摩擦和磨损。有时，轴承也被用来支承轴上的旋转零件。
此轴承主要承受径向载荷，所以选择深沟球轴承。价格便宜，所选的型号为6315。
本设计轴承的润滑用到的是脂润滑，现将理由介绍如下：
脂润滑与油润滑相比有很多优点，如：润滑脂很容易保持在轴承内，不易泄露，维护简单，可防止灰尘、冷却液和其它有害杂质的侵入，油膜强度较高，可以使用较长时间而不需要更换，支承结构简单，不需要特殊的润滑装置等。对于垂直轴，如防漏问题不易解决时，采用脂润滑尤为适宜。但是在转速较高时，脂润滑的摩擦损失较大，会时轴承温度增高。
轴承中充填润滑脂的量不宜过多，根据经验，以填满轴承和轴承壳体空间的1/3～1/2为宜，高速时应仅填充至1/3。转速很低且对密封要求较严格的情况下可充满壳体空间。
3.4 齿轮的设计与校核
3.4.1 齿轮的设计
该齿轮用来使械手臂180°回转,它和一个传动齿轮啮合,通过油马达带动旋转。设计步骤如下：
1. 选择齿轮材料及精度等级
大小齿轮都选用软齿面。大齿轮选用45钢，正火，齿面硬度为190HBS;小齿轮选用45钢,调质,齿面硬度为240HBS。精度等级为7级，齿面粗糙度R≤1.6～3.2。
表3-2（㎜）
名称
小齿轮
大齿轮
模数（m）
3
3
齿数（z）
34
47
分度圆直径（d）
d＝mz＝102
d＝mz＝141
齿顶圆直径（d）
d＝m（z＋2）＝108
d＝m（z＋2）=147
齿根圆直径(d)
d=m(z-2.5)=94.5
d=m(z-2.5)=133.5
齿宽（b）
b＝＝0.37×102=38
0.37×147=40
由于手臂作伸缩运动时大齿轮在小齿轮上有相对移动,所以小齿轮宽度应比大齿轮宽。实际传动比i＝
3.4.2 齿轮的校核
1.转矩T
齿轮转速n＝1450r/min
T=9.55×10·mm=4.94×10N·mm
2.载荷系数K=1
3.许用接触应力[]
[]=
由图表查得接触疲劳极限应力=520Mpa,=320Mpa,
应力循环次数N=60nrt=60×1450×1×(16×300×5)=2.09×10
N=
r—齿轮每转一周,轮齿同一侧齿面啮合的次数;
t—齿轮的总工作小时数,h
接触疲劳的寿命系数Z=0.93,Z=1.0,取安全系数S=1.0,两轮的许用接触应力
[]=Mpa
[]=Mpa
4.许用弯曲应力[]
[]=
由图查得:=210Mpa;=195Mpa
弯曲疲劳强度寿命系数Y=0.9;Y=0.95
试验齿轮的应力修正系数 Y=2,取安全系数S=1.25
[]=
[]=
根据齿数查得齿形系数应力修正系数分别为:
=2.45, Y=2.40; Y=1.65, Y=1.67.
5.核齿根弯曲疲劳强度:
6.齿轮传动的中心距a
a=mm
7.齿轮的圆周速度v
V=mm/s
图3-5为大齿轮1
图3-5大齿轮
图3-6为设计的小齿轮
图3-6小齿轮
3.5机械手臂及手抓的设计
机械手的抓刀部分是有机械手臂和固定其两端的结构完全相同的两个手抓组成的。其主要的作用是完成拔刀、旋转和换刀运动，
其中，手臂和花键轴相连，当花键轴旋转时，手臂带动手抓做相应的旋转运动，当花键轴被液压缸带动做伸缩运动时，手臂会带动手抓完成拔刀或插刀运动。手抓上握刀的圆弧部分有一个定位键，机械手抓刀时，该定位键插入刀柄的键槽中，当机械手由原位转75度抓住刀具时，两个固定在手臂上的小型液压缸通油，使活塞向外伸缩。从而使活动销顶住刀具不能后退，这样，机械手在回转180度是，刀具不会被甩出。当机械手上升插刀是，液压缸回油，使活动销松开刀具，机械手反转75度复位。
3.5.1 对设计手臂的要求
1．手臂应承载能力大、刚性好、自重轻。
手臂的刚性直接影响到手臂抓取工件时动作的平稳性、运动的速度和定位精度。如刚性差的则会引起手臂在垂直平面内的弯曲变形和水平面内的侧向扭转变形，手臂就要产生振动，或振动时工件卡死无法工作。为此，手臂一般采用刚性较好的导向杆来加大手臂的刚性，各支承、连接件的刚性也要有一定的要求，以保证能承受所需要的驱动力。
2．手臂的运动速度要适当，惯性要小。
机械手的运动速度一般是根据产品的生产节拍要求来决定，但不宜盲目地追求高速度。
手臂由静止状态达到正常的运动速度—启动，以及由常速减到停止动—制动，速度的变化过程为速度特性曲线。
手臂自重轻，其启动和停止的平稳性就好。
3．手臂动作要灵活
手臂的结构要紧凑小巧，才能使手臂运动轻快、灵活。
4．位置精度要高
机械手要获得较高的位置精度，除采用先进的控制方法外，在
结构上还要注意以下几个问题：
（1） 机械手的刚度、偏重力矩、惯性力及缓冲效果都直接影响手臂的位置精度。
（2） 加设定位装置和行程检测机构。
（3） 合理选择机械手的坐标形式。直角坐标式机械手的位置精度较高，其结构和运动都比简单、误差也小。而回转运动产生的误差，是放大式的尺寸误差，当转角位置一定时，手臂伸出越长，其误差越大。关节式机械手，因其结构复杂，手臂的定位是由各部关节相互转角来确定，其误差是积累误差，因而精度较差，其位置精度也更难保证。
5．通用性强，能适应多种作业；工艺性好，便于维修调整。
手臂的设计如下图3-7所示
图3-7机械手臂设计图
3.6 立柱和机座
3.6.1 立柱
机械手的立柱是用以支承手臂并带动它升降、摆动和移动的机构，手臂的俯仰也是由联结在立柱上的油缸驱动，立柱与机座相联，可固定在地面上、机床设备上、或者悬挂在横梁滑道上，也可以固定在能行走的机座上。
立柱没有固定的型式，其结构系根据动作的要求来设计。
3.6.2 机座
机座是支承机械手全部重量的构件，对其结构的要求是刚性好、占地面积小、操作维修方便和造型美观。
机座结构从形式上可以分为落地式和悬挂式，或分为固定式、可移动式和行动式。移动式的机座在停置时能够刹车定位，以保证机械手工 作时的位置精度。
机座的结构与机械手的总体布置有关，对专用机械手而言，传动和控制部分通常是单独布置，故机座比较简单。
3.7 刀库及换刀机械手的常见故障和维护
刀库及换刀机械手结构较复杂，且在工作中又频繁运动，所以故障率较高，目前机床上有50％以上的故障都与之有关。如刀库运动故障，定位误差过大，机械手夹持刀柄不稳定，机械手动作误差过大等。这些故障最后都造成换刀动作卡位，整机停止工作。因此刀库及换刀机械手的维护十分重要。
3.7.1 刀库的故障
刀库的主要故障有：刀库不能转动或转动不到位；刀套不能夹紧刀具；刀套上下不到位等。
(1) 刀库不能转动或转动不到位 刀库不能转动的原因可能有：①联接电动机轴与蜗杆轴的联轴器松动；②变频器故障，应检查变频器的输入、输出电压是否正常；③PLC无控制输出，可能是接口板中的继电器失效；④机械连接过紧；⑤电网电压过低。
刀库转不到位的原因可能有：电动机转动故障，传动机构误差。
(2) 刀套不能夹紧刀具 原因可能是刀套上的调整螺钉松动，或弹簧太松，造成卡紧力不足；或刀具超重。
(3) 刀套上下不到位 原因可能是装置调整不当或加工误差过大而造成拨叉位置不正确；限位开关安装不正确或调整不当而造成反馈信号错误。
3.7.2. 换刀机械手故障
(1) 刀具夹不紧掉刀 原因可能是卡紧爪弹簧压力过小；或弹簧后面的
螺母松动；或刀具超重；或机械手卡紧锁不起作用等。
(2) 刀具夹紧后松不开 原因可能是松锁的弹簧压合过紧，卡爪缩不回：应调松螺母，使最大载荷不超过额定数值。
(3) 刀具交换时掉刀 换刀时主轴箱没有回到换刀点或换刀点漂移，机械手抓刀时没有到位，就开始拔刀，都会导致换刀时掉刀。这时应重新移动主轴箱，使其回到换刀点位置，重新设定换刀点。
42
结 论
此次我们做的毕业设计是工业机械手结构的设计，通过2个多月努力，设计终于顺利完成。这次设计给了我们一个很好的机会，使我们了解了设计工作的基本流程和设计的方法以及理念。
在此次的毕业设计中，我们遇到了许多以前从未遇到过的问题，但常主任经验丰富、认真负责，加上我们查找了一些资料，这些问题都得到了很好的解决。
我设计的是加工中心的换刀装置，以前，自己很少关注过机械手，对其具体形状及工作原理了解的很少，这次，通过老师的讲解及查阅资料，使我对机械手的工作原理有了清晰地认识。在设计和绘图过程中，很多内容是我们以前学过的，由于时间长，一些知识点已经忘记了，这迫使我把以前学过的知识都温习了一遍，使理论知识与实际相结合，巩固和深化了所学过的专业理论知识。由于由于此次设计是次创新设计，为了使机械手的设计更为合理，我不断地学习与修改，自学了许多相关学科的内容，经常向常主任请教，并经常上网或查阅大量相关资料，这使我的知识面扩展了很多。
这次设计，使我认识到了只有理论知识，而没有经验，很多地方会考虑不周，多亏了我的导师常主任经验丰富，使我减少了很多错误。
毕业设计过程中，我们在独立完成的同时也进一步加强了团队协作精神，并取得了一定的成绩。通过这次毕业设计，我相信在以后的学习和工作过程中，一定可以好好的解决问题，提高自己的能力，较快地适应工作和社会激烈的竞争。
谢 辞
大学生活已近尾声，三年的努力与付出，伴随这次毕业论文的完成，将要划下完美的句号。
当然，这次毕业设计能够相对如此顺利，首先要感谢三年来教我们知识的辛勤园丁，是他们兢兢业业的教学精神鼓舞感动着我们，使我们学道了很多知识，在教科老师的教诲下，我获得了人生最宝贵的一笔财富，受益终生。
我的毕业设计的课题是机械手的设计，以前，我对机械手了解很少，它的工作原理与外形对我来说都很陌生，，经过指导老师的帮助和对参考资料的拜读，我已经对机械手有了一定的了解。
非常感谢这几个月来帮助我完成毕业设计的朱老师，在朱老师的悉心指导，从论文的选择到具体的设计过程都凝聚着朱老师的心血和汗水，在我的毕业设计期间，朱老师为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的意见，他一丝不苟的作风和严谨的态度使我很敬佩，没有这样的帮助、关怀和熏陶，我的毕业设计也不会如此顺利。同时再次感谢在这3年来悉心指导我的老师们，是你们孜孜不倦的教育精神使我在这三年里学到了很多知识，拓展我们的眼界和知识面。在他们的教诲下我获得了人生中最宝贵的财富。在朱老师的指导下使我能够顺利毕业。
同时还要感谢在这三年里共同学习和生活的同学们以及我的室友们，是你们使我的大学生活充满了激情与期待，也认识了更多的朋友。
最后还是只能用非常感谢来代替现在的心情。再次感谢所有的人
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外文资料翻译
1. Machining Center
Processing Center: a library with a knife and automatic tool changer for a highly automated multi-function CNC machine tools. In Hong Kong, China, Taiwan, and Guangdong generation has a lot of people call it the computer gongs. Workpiece in the machining center by a single setup, the digital control system can control the machine by different processes, automatic selection and replacement of tools, automatically change the spindle speed, feed rate and tool workpiece relative trajectory and other auxiliary functions, followed by complete Several multi-process workpiece surface processing. And a variety of tool changing knives feature or choose to make substantial improvements in productivity.
Machining center according to processing procedures into two major categories of boring and milling and turning, according to the number of control axes can be divided into three-axis, four-axis and five-axis machining center.
Centralized processing center due process and automatic tool changing, reducing the workpiece clamping, measurement and adjustment of the time machine, so that the cutting machine to machine starting time of about 80% of the time (general machine tools is only 15 ~ 20%); the same time also reduces the workpiece between the turnover process, handling and storage time, shortening the production cycle, with significant economic effects. Processing center for the more complex shape parts, high precision, small volume products change frequently.
The first processing center in 1958 by the American Kearney - trecker first successfully developed. CNC horizontal boring and milling it based on the increase of automatic tool changer, enabling the workpiece in a single setup, ready for milling, drilling, boring, reaming and tapping a variety of processes such as centralized processing.
Since the 70s the twentieth century, the rapid development of processing center, there may be for machining center spindle box, it can be automatically replaced with a number of multi-axis spindle box with tools, can also be porous workpiece processing.
This centralized processing in the form of multi-process also extended to other types of CNC machine tools, such as turning centers, CNC lathe which is configured in multiple automatic tool changer, can control more than three coordinates, in addition to turning, the spindle stop switch can be or sub-degree rotation by the tool for milling, drilling, reaming and tapping operations, suitable for processing of complex rotating body parts.
According to the main axis machining center is divided into vertical and horizontal layout of two types. Horizontal Machining Center
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